TPC單元及其在步進(jìn)電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用

摘要  介紹瑞薩公司的16位單片機(jī)H8/3062F中可編程定時(shí)式樣控制器TPC的結(jié)構(gòu)功能，以及如何利用TPC實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的啟動(dòng)和加減速控制的硬件結(jié)構(gòu)原理和軟件程序設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī) TPC 調(diào)速 H8／3062F

    步進(jìn)電機(jī)在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，是機(jī)電一體化裝置中的關(guān)鍵部件。這是一種數(shù)字控制的電動(dòng)機(jī)，是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角他移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)的角位移量和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位和凋速的目的。

    傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)所需的數(shù)字式電脈沖信號(hào)(即方波控制信號(hào))一般都是借助數(shù)字邏輯電路米產(chǎn)生。隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用更為廣泛，由單片機(jī)定時(shí)來(lái)產(chǎn)生這種脈沖信號(hào)的場(chǎng)合越來(lái)越多。單片機(jī)定時(shí)控制脈沖一般有軟件定時(shí)和定時(shí)器定時(shí)兩種方式。前一種方式占用了CPU的大部分上作時(shí)間，所以常用定時(shí)器定時(shí)中斷來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。出于一般的單片機(jī)系統(tǒng)中斷響應(yīng)時(shí)間大部分在10μs級(jí)以上，因而定時(shí)器定時(shí)中斷來(lái)產(chǎn)生脈沖的精確度大致也在10μs級(jí)以上，往往不能滿足步進(jìn)電機(jī)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(jī)中的可編程定時(shí)式樣控制器進(jìn)行脈沖控制，使得脈沖信號(hào)輸出的相應(yīng)時(shí)間達(dá)到0．1μs級(jí)，從而能夠滿足步進(jìn)電機(jī)速度控制的高精度要求。

1 可編程定時(shí)式樣控制器TPC
    可編程定時(shí)式樣控制器TPC是瑞薩公司H8／3DOH系列單片機(jī)所特有的一個(gè)功能模塊，它用16位定時(shí)器作時(shí)基提供各種式樣的脈沖輸出。圖1為T(mén)PC的結(jié)構(gòu)框圖。TPC的脈沖輸出分成可同時(shí)獨(dú)市運(yùn)作的4組，每組4位，分別由定時(shí)器的4個(gè)通道的比較匹配信號(hào)來(lái)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(kāi)放。最多可以控制16個(gè)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(lái)開(kāi)放或關(guān)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(hào)源，即由定時(shí)器的哪個(gè)通道觸發(fā)。其中單片機(jī)H8/3062F的定時(shí)器有3個(gè)通道，每個(gè)通道分別有3個(gè)寄存器：定時(shí)計(jì)數(shù)器TCNT、通用寄存器GRA和GRB。

    定時(shí)器啟動(dòng)后，定時(shí)器中已選定的某通道的計(jì)數(shù)寄存器TCNT將對(duì)時(shí)鐘源的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)TCNT等于該通道的通用寄存器GRA(GRB)中數(shù)值時(shí)，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(dòng)被傳送到相應(yīng)端口A(B)的數(shù)據(jù)寄存器PADR(PBDR)對(duì)應(yīng)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?？梢酝ㄟ^(guò)輸出方式寄存器TPMR，來(lái)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(shè)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(shí)變化觸發(fā)。正常輸出方式，則是在GRA中設(shè)置TPC輸出波形的輸出觸發(fā)周期，當(dāng)A比較匹配事什發(fā)生時(shí)TPC輸出信號(hào)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制要求，這里采用的是正常輸出方式。

    TPC用于步進(jìn)電機(jī)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(gè)輸出的端口值置于后續(xù)數(shù)據(jù)寄存器NDRA(NDRB)，再啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)A比較匹配事件發(fā)生時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求。在研究TPC輸出時(shí)序的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，TPC并非是在中斷響應(yīng)過(guò)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(gè)時(shí)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(jī)時(shí)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(hào)，大大縮短了響應(yīng)時(shí)問(wèn)，比一般的單片機(jī)在定時(shí)中斷過(guò)程中送端口信號(hào)快了幾十倍甚至上百倍，從而使對(duì)脈沖控制的更加準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的調(diào)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(gè)不同的GRA值，從而演示了GRA值的改變對(duì)脈沖頻率的影響。

2 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)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(jìn)電機(jī)的速度和方向。TP15輸出的脈沖送至由功率管組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路，使功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)停止時(shí)TP15的輸出保持高電平。這樣當(dāng)TP15輸出一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，功率管導(dǎo)通，從而使步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步，通過(guò)控制TPl5輸出的脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。Pl.0控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向。當(dāng)P1．0輸出為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)；反之，則后退。

    步進(jìn)電機(jī)在負(fù)載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率稱為“步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率”。如果脈沖頻率高于該值，則電機(jī)將不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)；同樣步進(jìn)電機(jī)在制動(dòng)時(shí)也應(yīng)該最后以啟動(dòng)頻率制動(dòng)。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，那么脈沖頻率應(yīng)該有個(gè)加速過(guò)程．即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(降速過(guò)程反之)。較為理想的啟動(dòng)曲線，應(yīng)是按指數(shù)規(guī)律啟動(dòng)，根據(jù)用戶的負(fù)載情況選擇不同的啟動(dòng)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(yùn)行控制過(guò)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(yù)置的曲線運(yùn)行速度轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)盡量短。為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時(shí)間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法，結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率便可以建立一個(gè)毪續(xù)的數(shù)據(jù)表。經(jīng)過(guò)多次“試機(jī)“計(jì)算出256個(gè)脈沖頻率對(duì)應(yīng)的GRA值。其中：第一個(gè)為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的GRA值；最后一個(gè)是步進(jìn)電機(jī)最大脈沖頻率對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制。減速制動(dòng)過(guò)程與加速啟動(dòng)過(guò)程同理。圖3為階梯升速啟動(dòng)示意圖。

3 軟件程序設(shè)計(jì)
    軟件部分由1個(gè)主程序和3個(gè)子程序(TPC初始化子程序、定時(shí)器初始化子程序和中斷子程序)組成，程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)。TPC初始化子程序設(shè)定了TPl5為輸出方式及其下一個(gè)輸出的電位，并且選擇輸出信號(hào)觸發(fā)源。定時(shí)器初始化子程序選擇了定時(shí)器時(shí)鐘源，及其計(jì)數(shù)器的清O源，并打開(kāi)了定時(shí)中斷。中斷子程序?qū)崿F(xiàn)了脈沖的輸出控制，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。在編程中要重點(diǎn)考慮一個(gè)問(wèn)題，就是離目標(biāo)點(diǎn)的距離與脈沖頻率位置變量的關(guān)系。這是是否加減速的依據(jù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)離目標(biāo)點(diǎn)的距離大于脈沖位置變量中的值加1時(shí)，步進(jìn)電機(jī)加速或者保持最高運(yùn)行速度；否則就要減速，不然到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)就可能無(wú)法以啟動(dòng)頻率停止，從而導(dǎo)致制動(dòng)失敗。
    編者注：具體程序見(jiàn)本刊網(wǎng)站www．mesnet.com.cn。