分步驱动和微步驱动

　　步进电机的驱动通常有分步方式和微步方式两种。分步方式的优点是驱动信号的幅度只有0和电源电压(5V)两种，与数字信号的低电平和高电平完全一一对应，因此只要使用MCU的普通数字I/O口(GPIO)就可以产生驱动信号，驱动程序也比较简单。但是由于分步方式下，定子线圈产生的气隙磁场的方向在每走一步的过程中都发生一个较大的跳变——对于VID29系列步进电机而言是60°的跳变，定子磁场从原来的方向跳变到下一个平衡位置的方向，转子则在磁力的作用下加速向下一个平衡位置转动，当它到达平衡位置的瞬间，速度达到最大值，而磁场力则变为零(只考虑切向力，不考虑径向力，因为径向力与转动无关。下同);然后，如果驱动信号没有变化的话，转子就会在惯性的作用下继续往前转动，偏离平衡位置，这时磁场力将会增大，而其方向却变成跟刚才相反，于是就使转子减速，当转子与平衡位置的偏离达到最大时，其速度减为零，然后在磁场力作用下往回加速转动;当转子转回平衡位置时，磁场力又变为零，而速度不为零，于是在惯性的作用下继续转动偏离平衡位置……如此反复，只要驱动信号还没有再次改变，转子就会象荡秋千一样在平衡位置附近来回振荡，并在摩擦力的作用下幅度逐渐减小。这种振荡还会产生一定的噪声，所以用分步方式驱动时，步进电机的噪声和抖动会比较大。

　　为了减小步进电机运行时的噪声和抖动，人们设法让定子线圈的磁场方向的跳变幅度变小，把一个分步一次的大跳变分成若干次较小的跳变来完成，于是就有了微步驱动方式，也叫细分驱动方式。

　　根据矢量合成的原理，当步进电机中的两个线圈各自产生的磁场的强度按照正/余弦规律变化的时候，它们的合成磁场的方向就会匀速旋转，而合成磁场的强度保持不变，如图1所示。线圈产生的磁场强度与通过它的电流大小成正比，因此微步驱动方式就是让通过线圈的驱动电流不是像分步方式那样在0和最大值之间跳变，而是按照正/余弦规律分成几个阶梯逐步变化，如图2所示。

　　那么如何来产生阶梯变化的驱动电流呢?通常的做法是将一个PWM波形电压信号施加到线圈上，以PWM的占空比来控制通过线圈的平均电流。对每个阶梯电流，我们事先计算出所需的PWM脉冲的占空比，并做成查找表存放在FLASH中。在驱动步进电机转动的时候，每走一个微步就从表中取出相应的占空比来对PWM模块进行设置，然后在当前的这一步结束之前不再改变PWM脉冲的占空比。

　　步进电机驱动程序

　　本驱动程序为应用程序提供的接口函数有三个：

　　1.InitStepper：初始化函数，对驱动所用到的I/O口和定时器进行设置，并让步进电机转到初始位置——使仪表的指针指到零点的位置。

　　函数原型：void InitStepper(void);

　　参数：无;

　　返回值：无。

　　2.SetStepperTarget：设定步进电机的目标位置，也就是要让仪表的指针转到哪个位置(以相对于零点的角度来表示)，整个转动的过程(如需要转多少步，往哪个方向转等)应用程序无需知道，而且应用程序可以指定任意目标位置。

　　函数原型：void SetStepperTarget(word wTargetDegree);

　　参数：word wTargetDegree，目标位置相对于零点的角度，其值是以(1/12)度(等于微步方式下的步距)为单位的;

　　返回值：无。

　　3.GetStepperCurrent：得到步进电机的当前位置。

　　函数原型：word GetStepperCurrent(void);

　　参数：无;

　　返回值：返回仪表的指针当前所指的位置(以相对于零点的角度来表示)，其值也以(1/12)度(等于微步方式下的步距)为单位。

　　另外，在头文件Stepper.h中定义了选择驱动方式的宏，使用者修改宏定义就可以选择分步驱动方式或微步驱动方式，如下：

　　#define STEPPER_PARTIAL_MODE 0

　　#define STEPPER_MICRO_MODE !STEPPER_PARTIAL_MODE

　　如前所述，驱动信号的变化速度不能太快，每次变化后都必须保持一段时间不变，为了让驱动程序占用的CPU的处理时间更少，就需要用到一个定时器。除了上面的三个接口函数外，驱动程序的其余部分都在定时器的中断服务程序中运行。

　　在驱动程序中，用两个静态变量来保存步进电机的目标位置和当前位置，其值是到零点的步数。定时器中断由SetStepperTarget函数使能，在中断服务程序中根据目标位置和当前位置的差值来决定步进电机转动的方向和步数，然后根据选择的驱动方式执行相应的转动程序。

　　结语

　　使用本文给出的驱动程序，用户的应用程序和驱动程序之间的接口非常简单，所有的控制步进电机的逻辑都封装在驱动程序中，而且驱动程序占用CPU的处理时间非常少。另外，本程序根据汽车仪表应用的特点对步进电机的转动速度进行了相应的控制，所以不管输入信号变化快慢，电机输出带动的指针都能快速、平稳地转动，以让人感觉很自然的方式将输入的物理量显示出来。

　　参考文献：

　　[1]王晓明.电动机的单片机控制[M].第2版.北京航空航天大学出版社,2007

　　[2]孙建忠,白凤仙.特种电机及其控制[M].中国水利水电出版社,2005

　　[3]张俊.匠人手记[M].北京航空航天大学出版社.2008

　　[4]三浦宏文.机电一体化实用手册[M]. 杨晓辉,译.科学出版社.2007

　　[5]Jhamb S.AN3828:Stepper Motor Motion Control Driver for MC9S08LG32[R/OL].Rev.0,2.(2009). http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/app_note/AN3828.pdf?fsrch=1

　　[6]Srivastava S. AN3817: Interfacing Stepper Motor with MC9S08LG32[R/OL].Rev.1,2.(2009) .http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/app_note/AN3817.pdf?fsrch=1

　　[7]Ramirez F.AN3602: Driving a Stepper Motor Based on the MC9S08QD4 and Other 8-bit Families[R/OL].Rev.0,4.(2008). http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/app_note/AN3602.pdf?fsrch=1