步进电机在针式打印机走纸系统中的驱动和控制

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ＵＪｌＡＮ　ＣＯＭＰＵＴＥＲ　

步进电机在针式打印机走纸系统中的驱动和控制　

郑辉飞　

（福建实达电脑设备有限公司福建福州Ｉ　３５０００２）　

【摘要】：本文介绍如何驱动和控制步进电机在打印机走纸系统中的应用，通过关键的控制技术　

和方法实现打印纸张的平稳传输和精确定位，从而达到最佳的打印效果。　

【关键字】：打印机；走纸系统；细分驱动　

引言　

针式打印机的走纸系统是打印机运动控制的关　

键模块之一，属于精密机构的运动控制。步进电机是　

把数字脉冲控制信号直接转换为角位移，具有转换效　

率高，位置控制精确，连续运动无误差累积等特点，是　

打印机理想的运动控制执行元件。　

１、工作原理　

针式打印机打印文字或位图时，是通过打印头在　

纸张上的不同位置打打印内容击针，打印针击打色带　

把色带油墨转印到纸张上的，同时利用打印针的击打　

力实现多层纸的拷贝复印功能。打印头通过字车控制　

系统，可以实现在Ｘ轴方向运行并打印一行位图，但　

其Ｙ轴方向上的移动是靠走纸系统带动纸张的走纸　

来实现的。　

完整的走纸运动系统由２部分组成，分别为进纸　

检测模块和走纸传动模块，进纸检测模块负责检测用　

户什么时候装入纸张，走纸传动模块负责纸张走纸定　

位，使纸张相对打印头在Ｙ轴方向上运动。当用户开　

始打印前，先装入纸张，这时进纸检测模块通过反射　

式光电传感器检测到有纸张装入，该检测信号连接到　

打印机的主控制器中，主控制器接收到该信号有效　

后，给走纸传动模块的步进电机发出驱动指令，通过　

传动的机构把步进电机的转动角度转换成纸张移动　

的位移量，使打印头在纸张的合适位置打印出内容。　

在打印结束后，控制器再次通过控制步进电机反方向　

转动，把纸张退出。　

２、运动控制　

步进电机有混合式和永磁式两种，混合式步进电　

机比永磁式具有更小的转动角，更高效率和速度。打　

印机走纸系统一般采用混合式双极型步进电机，步进　

角选常规的１．８度。步进电机在走纸机构中要达到较　

好的运行效果，实际需要利用系列综合的控制方法，　

才能实现打印机对走纸运动的高速，平稳特性要求，　

达到打印位图或文字的高重叠指标。　

纸张运动系统的控制是与打印机整个工作运行　

相结合的，同时也具有一定的模块流程独立性。图１　

是其控制流程图，在打印机上电时，控制器首先会初　

始化打印机的电路和运动机构的初始状态，然后进入　

纸张的检测，如果没有装纸，控制器会通过进纸检测　

模块，检测并等待用户装纸。当装纸后，控制器就开始　

启动走纸系统的步进电机，使纸张运动到合适的位　

置，然后才开始打印。并进入打印一＞换行走纸一＞再　

打印的循环，直到打印结束。　

纸　

有纸　

有打印数据　

是　

图１　

纸张在进纸、退纸或换行的运动中，都是依靠步　

进电机带动的。步进电机与直流电机不同，一般运行　

过程是经过３个步骤来实现－力口速，匀速到减速。步进　

２０１３年第５期　ｌ福建电脑　・１３１・　

亳　

电　脑　

Ｍ　ＬＪＴｌ三Ｒ　

电机要运行到高速状态要经过一定步数的加速过程　

方向控制信号，ＤＥＣＡＹ为衰减模式的设定信号，因不　

才能实现，然后在高速状态保持运输运行，在准备停　同电机的电流特性不同，需要根据实际运行情况来设　

止前，也同样需要经过一定的步数来实现逐步的减　

置相应电流衰减模式。　

速。否则电机可能会出现失步，过冲等问题。　

在步进电机的控制中，需要结合步进电机的２个　

关键的矩频特性指标：脱出力矩特性曲线ｆＰｕｌｌ—ｏｕｔ　

Ｔｏｒｑｕｅ）和启动力矩特性曲线（Ｐｕｌｌ—ｉｎ　Ｔｏｒｑｕｅ）。脱出力　

矩特性曲线是指为电机在某一速度下，外界需要施加　

多大的反向力矩才能使之刚好不失步，随着速度的上　

升，力矩逐步下降。根据这个特性曲线，设计时可根据　

走纸机构的负载阻力来判断该电机的力矩是否满足，　

可运行到多大速度。启动力矩特性曲线是指为电机在　

某一频率下从静止启动一步，外界施加多大的阻力，　

会使之刚好不失步，随着速度的增加力矩下降。根据　

这个特性曲线，可以判断该电机以多大频率启动的力　

矩足够。因为两个指标体现了速度与力矩的关系，所　

以也是加减速设计的重要参数依据。　

步进电机的加减速控制有多种曲线控制方法，常　

用的有直线型加减速曲线和Ｓ型加减速曲线。直线加　

减速控制法相对简单，但加减速特性不如Ｓ型加减速　

特性。在打印机的走纸机构的步进电机运动中，采用Ｓ　

型加减速曲线，降低了加减速时间，提高打印机整机　

的速度。　

因每个步进电机都有其速度的共振点，如果电机　

运行在共振点或附近，会产生振动，失步，甚至反转。　

步进电机的共振点随着电机不同而不同，一般混合式　

步进电机的共振点基本在１００—２５０Ｈｚ之间。所以步进　

电机的驱动控制必须避开共振点。　

３、驱动电路　

步进电机集成驱动片因其体积小，带细分等特　

点，使其成为目前步进电机驱动的主流。下面以ＴＩ的　

ＤＲＶ８８２５双极型步进电机驱动片为例介绍驱动电路　

设计方法。　

ＤＲＶ８８２５可以驱动一个两相四线的步进电机，也　

可以驱动两个直流有刷电机，输入电压８－４５Ｖ，可以承　

受２．５Ａ的瞬间电流和１．７５Ａ的有效值电流。该驱动　

片带细分功能，可以配置成２／４／８／１６／３２细分的驱动。　

具有欠压锁定，过流保护，过温保护等功能。　

在打印机的走纸系统中，是结合步进电机驱动芯　

片和ＡＲＭ核ＭＣＵ（ＭＢ９ＢＦ５０６Ｒ）共同控制驱动，该　

ＡＲＭ核ＭＣＵ的内置定时器资源丰富，运行速度快，　

更易实现电机的高细分下的高速度运行。ＤＲＶ８８２５的　

关键控制信号如下：ＳＴＥＰ用于相位输入翻转信号，　

ＭＯＤＥ０一ＭＯＤＥ２用于设置相位细分数，ＤＩＲ为运转的　

・

１３２・　福建电脑Ｉ　２０１３年第５期　

图２　

ＤＲＶ８８２５是一个恒流斩波方式的步进电机驱动　

芯片，其电流峰值的设定值计算方法：Ｉｐｋ＝Ｖｒｅｆ／　

（５＊Ｒｓ１，其中Ｖｒｅｆ为ＤＲＶ８８２５的ＢＶＲＥＦ和ＡＶＲＥＦ　

引脚的设定电压，Ｒｓ为ＩＳＥＮＡ或ＩＳＥＮＢ引脚上的采　

样电阻（０．２欧姆），所以本例中设定的Ｉｐｋ＝１．０５Ａ。　

４、相位及细分控制应用　

步进电机的相位控制通常有整步（２—２相位）和半　

步（１—２相的控制）２种，但随着细分驱动技术的发展，　

现已有４／６／８／１６／３２细分及更高的细分。　

表１为整步电机线圈的励磁顺序，顺序为１一＞２　

一

＞３一＞４一＞１，由此实现每步换相转动一个整步角度。　

表１　

ＳＴＥＰ　Ａ　Ｂ　Ａ—　Ｂ一　

１　１　０　０　０　

２　０　１　０　０　

３　０　０　１　０　

４　０　０　０　１　

打印走纸系统利用了细分的技术，细分驱动具有　

多个优点，因其电流线圈驱动以正弦曲线规律变化　

的，所以大大的改善了电机的振动和噪音，提升走纸　

运行的平稳性，同时也进一步克服了传统步进电机控　

制方式存在的低频振荡现象。　

５、结束语　

本文描述了针式打印机走纸系统利用步进电机　

执行走纸机构的运动，实现打印纸张的平稳传送，同　

时对控制原理的分析，提出合理的加减速控制及细分　

驱动控制方法，来进一步提高走纸的速度，降低系统　

的噪声，提高精度。　

参考文献：　

［１］姚建红控制电机及应用哈尔滨工业大学出版社　

［２］王勇电机及电力拖动中国农业出版社