在 HCS08 系列 MCU 上
用½件实现仪表步进电机的驱动
飞思卡尔半导½成½分公司
傅志强（frank.fu@freescale.com）
步进电机由于具有角½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½½½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½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½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½用方法也比较简单。然而，在很多较½端的
½½仪表，如微型½、农用½、三½货½和摩托½的仪表上，人们为了降½成本，希望½
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½用½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½原理
VID29系列步进电机是两相步进电机经三级½½减速传动输出的。该步进电机的工½
原理可以用下面的简化的结构图（图1½4）进行说明。在象VID29系列这样的两相步进电
机中，½子是一个永磁½，定子上安装了两组线圈。½给定子线圈通上电流的时候，就在
½子周围的气隙中产生了一个磁场，½子就会在磁力的½用下½动到½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½½（下文中把它叫做平衡½½）。要让步进电机
连续地旋½，可以按如下步骤进行：
1. 如图1所示，在线圈A中通上电流，½子就会½过90度到图2所示的½½；
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，½子又会继续旋½90度到图3
所示的½½；
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，½子继
续旋½90度到图4所示的½½；
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，½子继
续旋½90度回到图1所示的½½；
图4. 步进电机线圈B反向通电
5. 重复步骤1½4，步进电机就会连续地旋½起来了。
如果将步骤1½4的顺序颠倒过来，那么步进电机就会以相反的方向旋½。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½子就将旋½45度，而不是90度。
实际的步进电机由于½子的½状和定子线圈的安装方½跟上述的简化结构不同，所以
工½时驱动电流的时序和½子每一步旋½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½子相应的旋½角度如图5所示。
图5.
VID29系列步进电机工½原理
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½电平和高电平完全一一对应，因此只要½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。½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½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½½的方向，½子则在磁力的½用下加速向
下一个平衡½½½动，½它到达平衡½½的那个瞬间，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½动无关。下同）；然后，如果驱动信
号没有变化的话，½子就会在惯性的½用下继续往前½动偏离平衡½½，这时磁场力将会
增大，而其方向却变成跟刚才相反，于是就½½子减速，½½子与平衡½½的偏离达到最
大时，其速度减为零，然后在磁场力½用下往回加速½动；½½子½回平衡½½时，磁场
力又变为零，而速度不为零，于是在惯性的½用下继续½动偏离平衡½½……如此反复，
只要驱动信号还没有再次改变，½子就会象荡秋千一样在平衡½½附近来回振荡，并在摩
擦力的½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，½步进电机中的两个线圈各自产生的磁场的强度按照正/½弦
规律变化的时候，它们的合成磁场的方向就会匀速旋½，而合成磁场的强度保持不变，如
图6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象分步方式那样在0和最大值之间跳变，而是按照正/½弦规律分成
几个阶梯逐步变化，如图7所示。
线圈
A
产生的磁场
线圈
B
产生的磁场
合成磁场
图6. 两个线圈产生的合成磁场
那么如½来产生阶梯变化的驱动电流呢？通常的做法是将一个PWM波½电压信号½加
到线圈上；同时串联一个阻值较小的电阻½为电流传感器，将电流信号½换成电压信号反
馈回PWM控制器中；PWM控制器根据反馈信号调整输出脉冲的占空比，从而½线圈上的平均
电流等于所需的阶梯电流。目前，常见的步进电机专用驱动芯片就是依据这个原理来工½
的。在½用MCU直接驱动步进电机的时候，因为MCU内部也集成了PWM模块，所以我们也可
以采用这个方法。½是，这种方法还需要½用ADC来测量反馈信号的大小，并且要实时地
计算出所需的PWM脉冲的占空比，因此将会占用太多的MCU的资源，½MCU几乎无法再处理
其他的事情。
图7. 微步方式下的驱动电流
为了减少对MCU资源的占用，我们可以将其中的反馈环节删掉，从闭环控制变为开
环控制。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½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½，然后在½前的这一步结束之前不再改变PWM脉冲的占空比。这样
一来就极大的减少了计算量，½MCU有足够的资源去处理其他的事情。然而，由于定子
线圈具有一定的电感，所以通过线圈的平均电流和PWM脉冲的占空比并不是线性关系，
要想精确的计算出每个阶梯电流对应的占空比是相½困难的；另外，½½子旋½的时候，
还会在定子线圈中产生感生电动势，这个感生电动势会½通过线圈的电流发生改变，而它
的大小又与½子永磁½的磁场强度和旋½速度相关。因此，事实上在开环控制中不管½½
用多么复杂的数学公式来计算占空比，½无法½通过线圈的平均电流总是等于预期的阶梯
电流。不过，所幸的是：在½端的½½仪表中，并不要求对步进电机的½动控制到那么精
确的程度，我们可以姑且认为通过线圈的平均电流是和PWM脉冲的占空比成正比的，反
正只要减小了每一步跳变的角度（相对于分步方式而言），就可以让步进电机½动得更平
稳一些了，噪声也½减小一些。
电机½动的加减速
步进电机在½动时，因为½子、传动½½和负½½的½动惯量，½它从一个½½½动到
下一个½½（一个分步或微步）需要一定的时间。如果在½子½动到下一个½½之前，驱
动信号就又往前走了一步的话，那么½子的磁场方向和定子线圈产生的气隙磁场方向的夹
角就会超过一个分步或微步所对应的角度。只要½子的旋½速度跟不上驱动信号的变化速
度，这个夹角就会越来越大，½夹角超过180度的时候，磁场对½子的½用力的方向就会
变得跟原来的方向相反，如图8所示。这时，½子的旋½速度就会减慢，直到变成以相反
的方向旋½。最终的结果就是½子所½过的角度和气隙磁场所½过的角度不相等了，也就
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