基于PWM的汽车仪表步进电机控制算法.pdf

第 卷 第 期 年 月 合 肥 工 业 大 学 学 报 自 然 科 学 版 收稿日期 修回日期 基金项目 合肥工业大学产学研校企合作资助项目 作者简介 黄 英 女 安徽合肥人 博士 合肥工业大学教授 硕士生导师 基于 的汽车仪表步进电机控制算法 黄 英 赵志杰 郭太峰 合肥工业大学 电子科学与应用物理学院 安徽 合肥 合肥工业大学 计算机与信息学院 安徽 合肥 摘 要 文章介绍了一种用于仪表两相步进电机的控制方法 选用含脉宽调制 模块的微处理器设计一 款汽车仪表 由单片机控制脉冲信号 实现步进电机的驱动细分和精准的 驱动控制 在软件程序上加 入简单易行算法 以消除步进电机在变速过程中的易于出现的噪声 振动以及失步等不良现象 并运用在某一 定型汽车仪表产品上 收效良好 关键词 步进电机 单片机 细分驱动 中图分类号 文献标识码 文章编号 步进电机是一个完整的数字模拟转化执行元 件 在非超载的情况下 电机转速 停止位置只取 决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化 的影响 即其接受数字模拟型号 电脉冲信号 并 转化成与之相应的角位移 输入一个脉冲信号就 能得到一个规定的位置增量 所以可通过控制脉 冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目 的 同时也可通过控制脉冲频率来控制电机转动 的速度和加速度 从而达到调速的目的 加之步 进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点 在各控制领域步进电机的使用越来越广泛 针对中国重汽新款重卡车型研发的新款仪 表 采用瑞士 公司型号 的 新型步进电机 微控制器 采用 的 芯片 是 系列仪表用步进电机的最 新产品 采用无轴设计 工作电压 驱动电流 在 的恶劣环境 下也能正常工作 是 公司在 年 月推出的一款汽车仪表组设计的 位微控 制器 其中集成了一个薄膜晶体管 显示驱动 它负责处理关键应用的智能控制功 能 并驱动汽车仪表板中的显示屏 除了支持 显示屏之外 该设备还可以驱动模拟仪表 液晶显示屏 和发光二极管 显示屏 的主要特色包括 的片上闪存 是以前 产品的 倍 驱动程序和 仪表的步进马达驱动模块 本文主要利用 款中 所提 供的 条道脉冲宽度调制 信道 采用软 件方式 实现仪表步进电机的驱动 步进电机的驱动及细分技术 步进电机的驱动一般采用专用的驱动芯片和 直接使用 驱动 专用芯片技术已相当成 熟 在控制电机能力方面有较好的表现 具有一定 的性价比和可操控性 用 驱动步进电机最 简单的方式是整步驱动 即直接用单片机的 口产生各相脉冲通过功率器件来控制电机运转 这种方法虽然简单 却存在精度不高 相电流突变 导致运行不够平稳 有噪声等缺点 还有一种 驱动方式 即采用脉宽调制 此法适用于 提供 模块的 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼 技术 其主要目的是减弱或消除步进电机的低频 振动 提高电机的运转精度只是细分技术的一个 附带功能 以步进角为 的两相混合式步进 电机为例 如果细分驱动器设为 那么电机的运 转分辨率为每个脉冲 控制技术是能够较为有效地降低步进电机低 频运转时的振动和噪声的主要控制方法 不论是 阶梯型电压驱动或 控制 实质都是在电机 的励磁绕组中产生阶梯波电流 达到相电流的阶 梯化正弦控制 使每步的电机转子合成力矩相同 产生一个微步旋转磁场 从而带动电机以更小的 步距角转动 同时由于正弦波电流变化平滑 电 机运行更平稳 噪声更小 加减速算法控制 步进电机运行方式 启动阶段 通常电机在低于启动频率下 启动 逐步增加脉冲频率直至期望的最大速度 其 变化速度要保证电机不发生失步 且加速时间尽 量短 匀速阶段 当电机达到最大速度时 不 再加速 匀速运行 停止阶段 电机停止下来之前 必须从 最高速度开始 逐步减小脉冲频率 直到一个能停 止的速度 约等同于启动速率 所以 当步进电机在负载下转动时 其运动过 程为加速 匀速 减速 其速度变化可以近似表 示为图 所示的形式 图 步进电机加 减速过程中的频率变化 简单加 减 速算法 简单加速算法就是用恒定的角加速度 即恒 定的脉冲频率 驱动电机 在此过程中 电机恒加 速 恒减速 角速度是线性的一次函数 变加 减 速算法 在实际操作中 简单加速算法往往不尽如人 意 运行不够平稳 安静 精度亦无保障 所以对简 单加 减 速算法进行改进 加速度按照一定的指 数曲线变化 上升或下降 角速度为非线性的指 数 二次 函数 变加 减 速算法更有利于步进电机运行 可 以提高机器的定位精度 也可以缩短加速过程 提 高性能 设计一种易于操作的加 减 速算法 参考 公司的专用步进电机驱动芯 片 的设计模型和理念 对步进电机的 加减速也采取 个步骤的形式 设第 步的脉 冲发送次数为 第 步的脉冲次数为 依次 类推至 其中 为使算法更简 单易行 令 为常数 对于加速阶段 多次试验后得到一组优化数 据 再将此组数据反向即可应用于减速阶段 试 验结果 令 人 满 意 步 进 电 机 角 速 度 可 以 达 到 噪音值 基于 的驱动细分 简 称 第 期 黄 英 等 基于 的汽车仪表步进电机控制算法 脉宽调制 是一种开关式稳压电源应用 是 利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制 的一种非常有效的技术 技术是采用脉宽调制方式 即占空比 不同的方波电压产生不同的平均电流 由于电机线圈电感对电流变化的阻碍作用 线圈中 的 电 流 波 形 围 绕 平 均 值 上 下 波 动 当 波的频率足够高时 线圈中的电流可以看 成为大小恒定电流 通过调节占空比可以产生不 同的平均电流 如图 所示 图 中电压 电流波形对比 使用带 模块的单片机驱动步进电机可 以获得较高的细分精度 根据细分程度的要求 可 以将正弦波分割成阶梯状 计算出各个位置所对 应的电流值 模仿步进电机驱动芯片 的驱动细 分方式 将正弦波分割成阶梯状 以 为细分单 位 将单个脉冲细分为 个微步 采用相同的占 空比 见表 所列和图 所示 表 步进电机细分后各细步电流值 步数 图 步进电机细分驱动电流示意图 取 为 的电机 寄存器时间 经过多次试验后选取值为 则 电机控制的占空比系数为 每个 信号重复 次 设计解决方案 步进电机是借助其同步转矩而启动的 通过 对定子上的各个线圈交替通电产生步进式旋转磁 场 从而带动转子作步进式旋转 相应改变输入电 流的极性来改变步进电机的旋转方向 走步方案 在 的软件设计上按照图 所示方式 可实现步进电机的走步方案 图 软件设计流程 的计算方法 再转 换为 进制数字 合肥工业大学学报 自然科学版 第 卷 的计算方法 再转 换为 进制数字 取值为 如果转动步数 时 计数器清零 不操 作 为使转动平稳 精度更高 进行再次细分 即 步数 分次走完全部的转动步数 回零 当仪表掉电时 一些重要参数需要利用仪表 电路板上的大电容储存的少量余电进行工作 记 录到 的 区或者片外 中 在下一次工作重启后 再从这些储存区读出数据 进行相关工作 即步进电机的回零 本文直接将储存区记录的上一次工作状态中 当前步 赋值给步进电机转动所 需步数 指定目标步为 转动方向恒为 再以 这些参数进行上节中所述操作 即可回零 只有回 零后才可以进行后续的正常工作 实验中的 输出波形如图 所示 不同 占空比的脉冲输出代表不同的电压输出 此脉冲 可以等效成正弦波电压输出 图 输出波形 本方案在图 所示的实际汽车仪表上演示 在大范围同方向转动以及往复转动效果良好 指 针走动平稳快速 可达到 完全符合设计需 求 并且定位精准 无失步现象 实验具体数据见 表 所列 图 实验用电动汽车仪表 表 驱动步进电机走步实验结果 参数实验结果 转角 等效步数 注 为实际输入车速 为仪表指示车速 结束语 实验结果证实 利用单片机自带的 模 块来实现步进电机的细分驱动 可以充分利用 单片机的硬件资源 节省了 等器件 有利于 降低产品成本 同时也使步进电机的细分驱动 更容易 本 文 所 采 用 的 细 分 方 法 经 过 实 践 验 证 在提高细分精度的同时 使步进电机的运行 更平稳 噪声明显降低 此法已成功运用于某新 款仪表中 参 考 文 献 舒大松 基于 单片机的 步进电机细分控制研 究与实现 制造业与自动化 彭 礴 张明敏 林飞龙 等 基于 高精度步进电 机伺服控制系统 设计 电 子 测