在HCS08系列MCU上用軟件實現儀表步進電機的驅動

　　電機轉動的加減速

　　步進電機在轉動時，因為轉子、傳動齒輪和負載的轉動慣量，使它從一個位置轉動到下一個位置(一個分步或微步)需要一定的時間。如果在轉子轉動到下一個位置之前，驅動信號就又往前走了一步的話，那么轉子的磁場方向和定子線圈產生的氣隙磁場方向之間的夾角就會超過一個分步或微步所對應的角度。只要轉子的旋轉速度跟不上驅動信號的變化速度，這個夾角就會越來越大，當夾角超過180°時，磁場對轉子的作用力的方向就會變得跟原來的方向相反。結果就是轉子所轉過的角度和氣隙磁場所轉過的角度不相等了，也就是轉子所轉過的步數和驅動信號走過的步數不相等了，人們常把這種現象叫做“失步”。同樣的，當要使步進電機從高速的旋轉中停下來的時候，如果驅動信號的變化過快，轉子就有可能在慣性的作用下繼續旋轉超過180°，從而也產生失步。另外，由于轉子軸承、傳動齒輪和負載上都有一定的摩擦阻力，因此電機在連續轉動時的速度也是有限的，如果驅動信號的變化速度超過了電機能達到的最大轉速的話，電機也會失步。

　　那么，如果讓驅動信號一直保持較慢的變化速度，是不是就沒有問題了呢?答案當然是否定的。這是因為步進電機作為儀表的顯示部件，我們要求它能夠將被測信號的變化實時地顯示出來;而電機轉動如果比較慢，那么儀表的顯示就無法跟上被測信號的變化。

　　為了讓步進電機既不會失步，又能轉得盡可能快，那么就要讓驅動信號

的變化速度和轉子轉動的速度保持基本一致。當電機啟動的時候，轉子做加速轉動，這時第一步的持續時間要比較長，然后每一步的持續時間逐漸變短，對應的轉動速度變化如圖3所示。電機停止的過程則與之相反。在VID29系列步進電機的數據手冊上給出了電機啟動/停止時允許的驅動信號的變化速度(啟動頻率)和電機連續轉動時允許的驅動信號的變化速度(最大驅動頻率)，我們可以根據它們計算出第一步的持續時間和加速過程結束后的每一步的持續時間。

　　步進電機和MCU的硬件連接

　　在LG32 Cluster Reference Design中，MCU和步進電機之間的連接如圖4所示。其中使用了一片74ACT125作為電流放大驅動，這是因為MC9S08LG32的I/O口輸出的電流最大只有10mA，而VID29步進電機需要的驅動電流最大可達20mA。使用TPM模塊的兩個PWM輸出通道驅動步進電機兩個線圈的正極，兩個普通I/O口驅動兩個線圈的負極。TPM模塊的兩個通道也可以設置成普通I/O口，這樣就可以根據需要使用微步方式驅動或者分步方式驅動。

　　在MC9S08LG32中集成了兩個TPM模塊，其中TPM1有2個通道，TPM2有6個通道。在這里選擇TPM1來驅動步進電機，是因為當把一個TPM模塊的某一個通道設置為PWM輸出時，此TPM模塊公用的模數(MOD)寄存器將被設成一個比較特殊的值，這樣就會給它的其它通道的功能使用造成很多限制。所以為了更加充分地利用MCU的資源，這里選擇了通道較少的TPM1，而把通道較多的TPM2留作他用。