四相步进电机环形脉冲分配的两种实现

南昌航空大学工程训练中心 曹清国

南昌航空大学航空制造工程学院 肖 洁 候华腾

以四相混合式步进电机为例，对比介绍了用软件和硬件方式实现步进电机环形脉冲分配，分析了两种不同实现方法的优缺点。

步进电机作为精密的执行元件，广泛应用于数字控制的各个领域，特别是在开环控制系统中，步进电机具有绝对优势。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而环行脉冲分配就是产生控制脉冲中心。因此，环行脉冲分配的可靠性、精确度以及可变性控制对步进电机的控制显得尤为重要。

实现步进电机脉冲分配的方法主要有两种：一种是通过计算机软件采用查表和计算方法进行脉冲分配，简称软环分，另一种是硬环分，即采用硬件手段实现脉冲分配。这两种方法在使用上都各有千秋，本文将以四相混合式步进电机为例，对这两种方法做些简单介绍。

图1 单片机与四相步进电机接线示意图

1 软环分

如图1所示，单片机与步进电机通过P0口相接，要实现系统的电机脉冲环分功能，则需要在内存ROM中开辟一个区域存储环形分配器的输出状态表。系统软件通过查表得到电机输出状态控制字，送至输出口。例如，在程序存储器中，从2000H开始存储电机的四相单四拍的状态表，从3000H开始存储电机的四相双四拍的状态表，从4000H开始存储电机的四相八拍的状态表，并且设定高电平导通，低电平截止，则不同地址的存储内容已经对应电机绕组导通状态如表1所示。

表1 存储内容与电机绕组状态对应表

在系统软件中，设定一个字节R0作为状态计数器，并按正反转要求执行加1减1操作，在程序中，判断P1.0、P1.1、P1.2位状态，决定电机的运转方式，则对应正转程序为：

调用延时子程序改变输出状态码的间隔时间就可改变X向或Y向步进电动机的转速，程序如下：

用软环分的方法充分利用计算机软件资源，降低硬件成本，尤其对多相电机的脉冲分配有更大的优点，但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补周期增加，易影响步进电机的运行速度。

2 硬件环分

硬件环形分配器是由数字逻辑电路设计而成，相对于软环分来说，硬环分提高了系统的灵活性和可靠性，使CPU专职于控制工作，而且专用芯片使用方便，接口简单，易于编程。环行分配器组成结构多种多样，如计数器和触发器、单片机和存贮器、存贮器和计数器等。常用的集成环形脉冲分配器芯片有：CH250、PMM8713、PM03、L297等。但是专用的环形脉冲分配器芯片一般都固定了电机运转方式，不易实现变拍驱动，本文将介绍存储器和计数器结合的步进电机控制脉冲分配器。

图2 存储器＋计数器的四相电机环形脉冲分配器

这种环形分配器的基本思想是：将步进电动机在不同工作方式下的励磁状态转换表按顺序分别存入指定的EPROM地址区域内。用低四位地址作为每一个励磁状态转换表的偏移地址，用高位地址来决定步进电动机的不同工作方式。EPROM的每一位数据输出端作为步进电动机每一相绕组的控制信号。将计数器的四位并行数据输出端与EPROM的低四位地址相连，EPROM的地址增减顺序就决定了步进电动机的运行方向，因此，控制计数器的计数方向也就实现了步进电动机的方向控制。

如图2所示，选用计数器74LS191和EPROM2732构成环形脉冲分配器。时钟脉冲从P1.0端引入，方向控制由P1.1端控制，低电平向上（加），设定为正转，高电平计数向下（减），设定为反转。用P1.6和P1.7接EPROM的A4和A5，控制电机的工作方式：设定A5、A4为00时，电机为单四拍工作方式；当A5、A4为01时，电机为双四拍工作方式；当A5、A4为10时，电机为四相八拍工作方式。设定存储状态高电平有效，则三种工作方式对应的存储空间的内容见表2所示。

表2 EPROM2732存储空间与内容对应表

于是，要控制电机的运转，我们只需要在系统软件中，设定P1.1的值（1或0）来选定电机转动方向，根据运转方式需要设定P1.6和P1.7的值，再给P1.0送脉冲，即可驱动电机。如要电机以四相八拍方式正转，设定R0为脉冲个数计数器，若要给电机送8个脉冲，程序为：

采用这种方式组成的环形脉冲分配器结构简单，只需要循环计数器和存储器2个部分，而且功能多，应用灵活性强，可选用步进电动机的不同工作方式。该分配器与控制器的接口简单（只有CP脉冲信号和方向输入信号），相对软环分来讲，软件编制要容易，占用CPU的时间短。