步进电机被广泛的用作汽车仪表的显示部件,而用MCU直接驱动步进电机作为一种低成本的方案受到越来越多的关注。本文详细介绍了步进电机的工作原理、驱动方法以及它在仪表应用中的控制策略和关键问题;并且给出了用Freescale的HCS08系列MCU驱动步进电机的硬件方案和软件驱动程序的具体实现方法。

在HCS08系列MCU上

用软件实现仪表步进电机的驱动 用软件实现仪表步进电机的驱动

飞思卡尔半导体成都分公司 飞思卡尔半导体成都分公司

傅志强（frank.fu@http://）

步进电机由于具有角位移和输入脉冲数成正比并且没有累积误差的特点，而被广泛的用作汽车仪表的显示部件，其中具有代表性的是伟力驱动技术（深圳）有限公司的VID29系列步进电机。在多数情况下，人们会使用专用的驱动芯片来驱动步进电机，主控制器只需要给出方向控制信号和控制转动步数的脉冲就行了。另外，也有集成了步进电机驱动电路的MCU，如Freescale的MC9S12HY系列，其使用方法也比较简单。然而，在很多较低端的汽车仪表，如微型车、农用车、三轮货车和摩托车的仪表上，人们为了降低成本，希望能够不用专用驱动芯片或相对较贵的带驱动电路的MCU，而是用普通的MCU直接去驱动步进电机。本应用笔记介绍了在Freescale的HCS08系列MCU上，如何用软件来实现对VID29系列步进电机的直接驱动。本文所附带的程序，已经在Freescale的LG32 Cluster Reference Design演示板上运行验证过。

VID29系列步进电机的工作原理 系列步进电机的工作原理

VID29系列步进电机是两相步进电机经三级齿轮减速传动输出的。该步进电机的工作原理可以用下面的简化的结构图（图1～4）进行说明。在象VID29系列这样的两相步进电机中，转子是一个永磁体，定子上安装了两组线圈。当给定子线圈通上电流的时候，就在转子周围的气隙中产生了一个磁场，转子就会在磁力的作用下转动到使它自身的磁场方向和线圈电流产生的气隙磁场方向平行的位置（下文中把它叫做平衡位置）。要让步进电机连续地旋转，可以按如下步骤进行：

1. 如图1所示，在线圈A中通上电流，转子就会转过90度到图2所示的位置；

图1. 步进电机线圈A通电

2. 如图2所示，断开线圈A中的电流，给线圈B通上电流，转子又会继续旋转90度到图

3所示的位置；

步进电机被广泛的用作汽车仪表的显示部件,而用MCU直接驱动步进电机作为一种低成本的方案受到越来越多的关注。本文详细介绍了步进电机的工作原理、驱动方法以及它在仪表应用中的控制策略和关键问题;并且给出了用Freescale的HCS08系列MCU驱动步进电机的硬件方案和软件驱动程序的具体实现方法。

图2. 步进电机线圈B通电

3. 如图3所示，断开线圈B中的电流，给线圈A通上跟步骤1中方向相反的电流，转子

继续旋转90度到图4所示的位置；

图3. 步进电机线圈A反向通电

4. 如图4所示，断开线圈A中的电流，给线圈B通上跟步骤2中方向相反的电流，转子

继续旋转90度回到图1所示的位置；

图4. 步进电机线圈B反向通电

步进电机被广泛的用作汽车仪表的显示部件,而用MCU直接驱动步进电机作为一种低成本的方案受到越来越多的关注。本文详细介绍了步进电机的工作原理、驱动方法以及它在仪表应用中的控制策略和关键问题;并且给出了用Freescale的HCS08系列MCU驱动步进电机的硬件方案和软件驱动程序的具体实现方法。

5. 重复步骤1～4，步进电机就会连续地旋转起来了。

如果将步骤1～4的顺序颠倒过来，那么步进电机就会以相反的方向旋转。另外，如果将A和B两个线圈同时通以大小相同的电流，那么产生的合成磁场的方向就和一个线圈单独通电时的磁场方向成45度夹角，这样转子就将旋转45度，而不是90度。

实际的步进电机由于转子的形状和定子线圈的安装方位跟上述的简化结构不同，所以工作时驱动电流的时序和转子每一步旋转的角度也不完全一样。对于VID29系列步进电机来说，它的驱动脉冲序列和转子相应的旋转角度如图5所示。

图5. VID29系列步进电机工作原理

分步驱动和微步驱动 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，图5中的脉冲序列是分步方式下的驱动信号。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度的跳变，

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

步进电机被广泛的用作汽车仪表的显示部件,而用MCU直接驱动步进电机作为一种低成本的方案受到越来越多的关注。本文详细介绍了步进电机的工作原理、驱动方法以及它在仪表应用中的控制策略和关键问题;并且给出了用Freescale的HCS08系列MCU驱动步进电机的硬件方案和软件驱动程序的具体实现方法。

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