步進電機在各種自動化控制系統(tǒng)中有著廣泛的應用，是機電一體化裝置中的關鍵部件。這是一種數(shù)字控制的電動機，是將電脈沖轉化為角他移的執(zhí)行機構，它通過控制脈沖個數(shù)和脈沖頻率來控制電機的角位移量和轉動速度，從而達到準確定位和凋速的目的。 傳統(tǒng)的步進電機所需的數(shù)字式電脈沖信號（即方波控制信號）一般都是借助數(shù)字邏輯電路米產(chǎn)生。隨著嵌入式技術的不斷發(fā)展，單片機的應用更為廣泛，由單片機定 時來產(chǎn)生這種脈沖信號的場合越來越多。單片機定時控制脈沖一般有軟件定時和定時器定時兩種方式。前一種方式占用了CPU的大部分上作時間，所以常用定時器 定時中斷來產(chǎn)生脈沖信號。出于一般的單片機系統(tǒng)中斷響應時間大部分在10μs級以上，因而定時器定時中斷來產(chǎn)生脈沖的精確度大致也在10μs 級以上，往往不能滿足步進電機速度控制的高精度要求。為了提高脈沖控制的精確度，筆者采用瑞薩公司H8／3DOH系列的H8／3062F單片機中的可編程 定時式樣控制器進行脈沖控制，使得脈沖信號輸出的相應時間達到0．1μs級，從而能夠滿足步進電機速度控制的高精度要求。 1 可編程定時式樣控制器TPC 可編程定時式樣控制器TPC是瑞薩公 司H8／3DOH系列單片機所特有的一個功能模塊，它用16位定時器作時基提供各種式樣的脈沖輸出。圖1為TPC的結構框圖。TPC的脈沖輸出分成可同時 獨市運作的4組，每組4位，分別由定時器的4個通道的比較匹配信號來觸發(fā)。TPC借用了端口B和端口A的共16條引腳TP15～TPO作為其輸出，可按位 開放。最多可以控制16個脈沖輸出，而輸出數(shù)據(jù)由兩端口的數(shù)據(jù)寄存器PBDR和PADR以及后續(xù)數(shù)據(jù)寄存器NDRB和NDRA提供。端口數(shù)據(jù)方向寄存器 PADDR和PBDDR用于控制引腳的輸入或輸出；而后續(xù)數(shù)據(jù)允許寄存器NDERA和NDERB用來開放或關閉TPC的端口輸出；TPC的輸出方式寄存器 TPMR用于選擇TPC每組的輸出方式；輸出控制寄存器TPCR則用于選擇TPC每組的觸發(fā)信號源，即由定時器的哪個通道觸發(fā)。其中單片機 H8/3062F的定時器有3個通道，每個通道分別有3個寄存器：定時計數(shù)器TCNT、通用寄存器GRA和GRB。 　定時器啟動后，定時器中已選定的某通道的計數(shù)寄存器TCNT將對時鐘源的脈沖進行計數(shù)。當TCNT等于該通道的通用寄存器GRA（GRB）中數(shù)值時，就稱 作該通道的A（B）比較匹配事件發(fā)生。這樣事先置于后續(xù)數(shù)據(jù)寄存器NDRA（NDRB）的值自動被傳送到相應端口A（B）的數(shù)據(jù)寄存器PADR （PBDR）對應的位，于是就更新了TPC的輸出值。 　TPC有兩種輸出方式，即不重疊輸出和正常輸出。可以通過輸出方式寄存器TPMR，來選擇TPC每組的輸出方式。不重疊輸出方式是在脈沖輸出之間可保障有 不重疊裕度。在該通道的通用寄存器GRB中，設置不重疊TPC輸出波形的輸出觸發(fā)周期，則不重疊裕度置于GRA中，輸出值將在A比較匹配事件和B比較匹配 事件發(fā)生時變化觸發(fā)。正常輸出方式，則是在GRA中設置TPC輸出波形的輸出觸發(fā)周期，當A比較匹配事什發(fā)生時TPC輸出信號。根據(jù)步進電機的脈沖控制要 求，這里采用的是正常輸出方式。 　 TPC用于步進電機脈沖控制的原理如下：首先，將通用寄存器GRA選作輸出比較寄存器；然后，將TPC下一個輸出的端口值置于后續(xù)數(shù)據(jù)寄存器NDRA （NDRB），再啟動定時器，當A比較匹配事件發(fā)生時發(fā)出中斷請求。在研究TPC輸出時序的過程中發(fā)現(xiàn)，TPC并非是在中斷響應過程中給TPC端口送值 的，而是在A比較匹配事件發(fā)生的3個時鐘周期后，就把事先置于后續(xù)數(shù)據(jù)寄存器的值送到端口數(shù)據(jù)寄存器PADR（PBDR），于是就更新了TPC的輸出值。 由于H8／3062F系列的單片機時鐘頻率都在20MHz以上，這樣只需不到0.2ms，就可以送出端口信號，大大縮短了響應時問，比一般的單片機在定時 中斷過程中送端口信號快了幾十倍甚至上百倍，從而使對脈沖控制的更加準確。而在中斷子程序中則是更新后續(xù)數(shù)據(jù)寄存器NDRA（NDRB）和輸出比較寄存器 GRA的值，從而改變脈沖的頻率實現(xiàn)對異步電機的調速。圖2為產(chǎn)生脈沖頻率變化的原理圖。圖中GRA、GRA′和GRA″抽象地 表示3個不同的GRA值，從而演示了GRA值的改變對脈沖頻率的影響。 2 步進電機的啟動、調速及加減速脈沖控制方案 　采用H8／3062F的TPC的 TPl5引腳和I／0口的Pl.0分別控制步進電機的速度和方向。TP15輸出的脈沖送至由功率管組成的電機驅動控制電路，使功率管工作在開關狀態(tài)，步進 電機停止時TP15的輸出保持高電平。這樣當TP15輸出一個負脈沖時，功率管導通，從而使步進電機前進一步，通過控制TPl5輸出的脈沖頻率來實現(xiàn)步進 電機的調速。Pl.0控制步進電機的運行方向。當P1．0輸出為高電平時，步進電機前進；反之，則后退。 　步進電機在負載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率稱為“步進電機啟動頻率”。如果脈沖頻率高于該值，則電機將不能正常啟動，可能發(fā)生 丟步或堵轉；同樣步進電機在制動時也應該最后以啟動頻率制動。如果要使電機達到高速轉動，那么脈沖頻率應該有個加速過程．即啟動頻率較低，然后按一定加速 度升到所希望的高頻（降速過程反之）。較為理想的啟動曲線，應是按指數(shù)規(guī)律啟動，根據(jù)用戶的負載情況選擇不同的啟動頻率和不同的指數(shù)曲線，以找到一條最理 想的曲線。 　 一般在運行控制過程中，采用“階梯升速法”將速度連續(xù)升到所需要的速度，按預置的曲線運行速度轉換時間應盡量短。為了縮短速度轉 換的時間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法，結合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率便可以建立一個毪續(xù)的數(shù)據(jù)表。經(jīng)過多次“ 試機“計算 出256個脈沖頻率對應的GRA值。其中：第一個為步進電機啟動頻率對應的GRA值；最后一個是步進電機最大脈沖頻率對應的GRA值，在軟件編程中存放在 數(shù)組中，用于改變脈沖頻率，實現(xiàn)對步進電機的加減速控制。減速制動過程與加速啟動過程同理。圖3為階梯升速啟動示意圖。 3 軟件程序設計 　 軟件部分由1個主程序和3個子程序（TPC初始化子程序、定時器初始化子程序和中斷子程序）組成，程序用C語言編寫。TPC初始化子程序設定了TPl5為 輸出方式及其下一個輸出的電位，并且選擇輸出信號觸發(fā)源。定時器初始化子程序選擇了定時器時鐘源，及其計數(shù)器的清O源，并打開了定時中斷。中斷子程序實現(xiàn) 了脈沖的輸出控制，從而實現(xiàn)步進電機的調速。在編程中要重點考慮一個問題，就是離目標點的距離與脈沖頻率位置變量的關系。這是是否加減速的依據(jù)。經(jīng)過計算 發(fā)現(xiàn)，當離目標點的距離大于脈沖位置變量中的值加1時，步進電機加速或者保持最高運行速度；否則就要減速，不然到達目標點時就可能無法以啟動頻率停止，從 而導致制動失敗。