仪表板步进电机的单片机驱动控制

仪表板步进电机的单片机驱动控制陈天殷美国亚派克机电杭州有限公司，浙江杭州310013摘要从步进电机及其驱动控制的概述人手，通过硬件选用和软件编程的概要研讨仪表板步进电机驱动控制的要点。重点分析微步距控制技术细分度的确定、对应PWM寄存器变量赋值表的建立、算法运用、主函数和中断函数等方面对实施驱动控制的影响，以及如何在驱动控制中提高控制精度、平滑度和可靠性等的要点和技巧，以满足产品开发和维护的技术要求。关键词MCU；步进电机；微步距控制；PWM；编程；主函数；中断函数中图分类号U463837文献标识码A文章编号10038639201012000406MCUDRIVECONTROLOFSTEPPINGMOTORFORDASHBOARDCHENTIANYINAMERICAAPEKSMOTORSHANGZHOUCO，LTD，HANGZHOU310013，CHINAABSTRACTTHEKEYPOINTSOFDRIVECONTROLFORPANELSTEPMOTORHAVEBEENDISCUSSEDINTHISARTICLETHROUGHTHESUMMARYOFHARDWARESELECTIONANDSOFTWAREPROGRAMMINGRIHEAUTHOREMPHASIZESONANALYZINGTHEINFLUENCESOFMICROSTEPCONTROLTECHNOLOGYETCONDRIVECONTROL，ANDHOWTOIMPROVETHECONTROLPRECISION，SMOOTHNESSANDRELIABILITYTOMEETTHETECHNICALDEMANDSOFPRODUCTDEVELOPINGANDMAINTENANCEKEYWORDSMCU；STEPMOTOR；MICROSTEPCONTROL；PWM；PROGRAMMING；PRINCIPALFUNCTION；INTERRUPTIONFUNCTION单片机也被称为微控制器MCUMICROCONTROLLER，是芯片级的微机系统，它能嵌入到任何控制对象的体系中。实现智能化控制。微控制器MCU已在现代汽车的发动机控制系统、巡航系统以及防抱死制动系统ABS中广为应用。随着现代电子技术的飞速发展微控制器的集成度提高，运行速度加快。运算精度提高，处理能力加强，功能更丰富，结构更简单，而价格却不断降低，使它在步进电机驱动控制中的广为应用成为可能。中高档汽车的仪表板已经摒弃了传统的铁心仪表，仪表板上车速、里程、油量、机油压力和水温等皆由步进电机驱动其指针或数码计数器作出显示。高集成度的16位低功耗多通道的专用单片机作为步进电机的驱动控制。应用于汽车仪表板，受到汽车电器工作者的关注。1步进电机及其驱动的微步距控制和PWM步进电机又称作脉冲电机。在电机学分类中，它是一种能将输入的电脉冲信号转化为角位移的控制电机，是自动化装置的执行元件。步进电机与控制其驱动运行的硬件和软件一起，组成自动化装置的执行机构。通常，汽车仪表中应用的永磁步进电机的结构包括2个双绕组的定子，转子是一个高性能铁氧体的磁性环，经专用工装充磁后沿着磁环圆周表面形成均匀分布的多对磁极。绕组先以一个方向通电，然后以相反方向通电，步进电机步进的步距角度等于360。除以磁极数。前进半步，导致转子保持与定子磁极对准的位置。转子转动的方向取决于绕组通电的顺序。在绕组反方向通电时，必须先使绕组断电。步进电机的主要优点是可实现精确的位置控制而无需位置反馈。因为它可以准确定位在已知的定转子磁极对准的起始位置，工作时通过计算步数能转动至任何预设的合适位置，即使电机断电也能具备定量的保持转矩。其所需要计算的参数简明直观360Z；Z360；FNZ60；N6OFZ；W27RFZ式中步距角；每极步数；产一_步进频率；N每分钟转数；一角速度。两相步进电机脉冲顺序图如图1所示。在2011纪的7080年代机电自动控制领域中，步进电机的驱动控制都是采用PLC可编程序控制收稿日期20100726作者简介陈天殷，男，教授级高级工程师，美国亚派克机电杭州有限公司总工程师。汽车电器2O1O年第12期一个爱书的人。他必定不至于缺少一个忠实的朋友IJJI。II；J；I；几HN_NRH几LNRLNNII厂几N几NNNRJA半步幅图相位ION或OFF、DORIIF厂1IJ；ILL_JJLIILLII广ILLIILLII；7厂7厂7厂7肌肌_1RRRR门；B全步幅图图1两相步进电机脉冲顺序图时钟器，对于逻辑信号、输入输出采用开关方式不需要进行电平转换和驱动放大，但工作方式是采用扫描方式，扫描周期过长，工作速度甚慢，计算能力太低。尽管用单片机来控制驱动步进电机已有10余年的时间，但作为控制微电机的步进电机因为体积空间的限制，定子转子的磁极极对数难以增加至4以上即多于8极；又受到成本的制约，长期以来采用的控制芯片都是8位的单片机，无法将步进电机运行的步距减小，步进电机在工作时会有抖动、振动和转矩的脉动。以前，对步进电机的控制采用不彻底的细分。以两相电机为例，电机的控制位置数只是将4拍通电逻辑顺序变为8拍通电逻辑顺序，从而使步距角降为原来的12，这种方法细分度有限；而采用外设来进行细分控制，会增加元器件如恒流斩波电路等、空问、执行机构的设计复杂度和成本。微步距控制又称细分控制技术是步进电机开环控制的新技术。通过DA转换电路和PWM脉冲宽度调制控制各相绕组的电流，使其幅值的大小和方向按照一定规律变化，将步进电机的一个整步均匀分为12、14或L8等数4更细的微步。细分步进驱动是将全步距时的步距角、各相的电流以阶梯状M步逐渐增加，使吸引转子的力慢慢改变，每次转子在该力的平衡点静止。全步距作M个细分，可使转子运行速度效果光滑平稳，尤其是低速运转时是降低振动的有效手段。细分步进电机的步距，提高分辨率，减少转矩脉动以及低速振动，平稳的运行不仅带来良好的视觉效果，也提高了整个执行机构的可靠性和使用寿命。两相式步进电机4细分微步进的各相电流波形由于电流大小并非必须均等增加，通常其平均曲线会接近正弦波形。虽然理论上细分愈多，降低振动的效果越明显但实际上大于8细分后。其影响效果并不会更明显。4细分微步距表示在图2上就很直观，电流的包络线近似正弦波形，转矩也近似正弦变化。意图如图3所示。AB_A图24细分微步进的电流波形4细分微步距时电机转7步进示图34细分微步距时电机转子步进示意图图3中为A相电流峰值时的状态；为A相电流由1段的峰值减小34阶段的电流。同时B相电流从0增加到14TL值；、为A相电流由峰值电流下降到12峰值，B相电流上升到12峰值两相电流相等；为A相电流继续下降到14T值，而B相电流上升到34峰值的状态；为A相电流已减小至0，B相电流增至峰值时的状态。脉冲宽度调制PWM也是步进电机控制原理的核心之一。内部脉宽调制或外围器件产生一定频率和占空比的波形，即为脉冲宽度调制波形。电流控制先使用后付款，用后说不好可不付款详见插3广告汽车电器2O1O年第12期结合内部3位的非线性数模转换器将电机的电流控制在18步微步距的步距模式，非线性增量使微步距所需控制线数目降至最少。PWM配合步进电机步距细化，提高分辨率，减少转矩脉动及低速振动，确保运行更加平稳。2驱动控制仪表板步进电机的专用单片机单片机的基本结构如图4所示，其核心包括中央处理器CPU；各种存储器RAM、ROM、ROMFLASH；IO端口和特殊功能部件。国囤内核广一IJ内部总线圈圆圈圈圃图4单片机基本结构图任何MCU都在一定频率下工作，其工作频率一般2050MHZ，以随时监测各种信号，计算各种参数，及时对各种事件在循环时间内作出反应。IO端口电路有串行和并行两种。串行IO端口用于串行数据传输。它可以把单片机内部的并行数据转变成串行数据向外传送；也可以把串行接收外部送来的数据变成并行数据送给CPU处理。并行I0端口可以使单片机和存储器或外设之间实现并行数据传送。通常特殊功能部件包括定时器计数器、AD、DA、DMA通道、系统时钟、中断系统和串行通信系统接口等模块。定时器计数器用于产生定时脉冲实现单片机定时控制；AD、DA转换用于模拟量和数字量之间的相互转换，以完成实时数据的采集和控制DMA通道可使单片机和外设之间实现快速数据传送；串行通信接口使单片机系统能方便地与其他系统实现数据通信。一种型号的单片机内部究竟包括哪些特殊功能部件以及特殊功能部件的数量取决其应用领域。用于实施仪表板步进电机驱动控制的单片机，时钟频率高达50MHZ还包括PWM和脉宽调制输出。各路驱动控制是独立的多通道并行工作的。仪表板步进电机单片机驱动控制示意图如图5所示。内部集成M步进和直接译码器接口、正反转控制器和双H桥驱动。内PWM电流控制，每一个H桥有一个固定截止时间的PWM电流控制的电路，以限制其负载电流在一个设定值。初始时对角线上一对源接收驱动器CMOS一对上下桥臂处于输出状态电流流经步进电机绕组和SENCE相应引脚所接的电流取样电阻。当取样电阻上的电压降等于DA菊汽车电器201O年第12期输出电压时电流取样比较器将锁存器复位，从而断开源驱动器上桥臂，进入慢衰减模式或同时断开源接收驱动器上下桥臂进入快或混合衰减模式。使产生的电流回至源端。该环流或回流将持续衰减至固定截止时间结束。然后正确的输出桥臂再次起动，电机绕组图5仪表板步进电机单片机驱动控制示意图再次增加，整个PWM循环完成。在实际使用中，美国飞思卡尔FREESCALE、德国英飞凌INFINEON、美国国家半导体NS和英特尔INTE1等多家知名公司都有相应不同型号的产品，性能也受到用户的肯定。3单片机驱动控制的系统编程软件设计主要是产生驱动电路所需要的驱动波形以及两相8拍的步进电机驱动信号。步进电机的运转状态是转动和锁定。软件部分主要包括初始化部分和步进电机的运转部分。初始化包括初值的设定、各寄存器标志的设定和寄存器窗口的选择等。运转部分包括电机的转动和锁定可以设定初始值达到控制步进电机的目的。步进电机运行程序流程图如图6所示。DA转换电路的作用是为驱动电路提供参考电压，并不是固定的。是为了产生驱动步进电机细分梯形电流波形。图6步进电机运行程序流程圈仪表板步进电机的单片机驱动控制，本文将表述一个功能通道的原理。实际上是多通道并行工作。基于微控制器的系统编程通常需要6个步骤。1执行任务的解析，即方案对比进行可行性分析。2定义描述任务。做出程序功能说明。3程序设计将总的任务分解为较小的任务，甚至更进一步细化分解为更小的任务单元，将小的任务单元变为程序模块组成流程图，以此来表明分任务间的相互关系。图7显示了MCU控制燃油喷射的程序流程图。4编程程序设计是单片机开发最重要的工好消息免费提供防冻液技术详见插3广告车速表里程表油量表水温表作，即根据应用对象、目标产品的要求，利用单片机的指令系统编写应用程序以对单片机每一程序模块的表达。5调试和确认测试和调试最有效的方法是“在线仿真法”。仿真器装在电路中，代替微控制器并连接到微机上然后对于微控制器的程序及相关硬件进行测试。不同的程序进行测试。易对程序进行修改。图7MCU控制燃油喷射的程序流程图微机控制该系统工作。并对在程序的调试阶段可以很容监测在最极端的条件下进行监测必须表明对于所有范围内的输入产生符合要求的结果即证明要求完成的任务能够完成。这是通过程序一次运行一步的单步执行技术来实现，对于程序的整体调试最终得以确认。6运行和维护进入试运行阶段，通常还会出现意想不到的问题，故程序的编制需要通过反复运行考核修正才能完成。4仪表板步进电机驱动控制实例41硬件的选定执行元件选用型号为V2905D两相永磁步进电机。定子上2个相对极上的线圈串联成2个独立绕组，两绕组的夹角为60。最大的角速度可达6OOS由于输出轴联接减速KEIL801的齿轮传动系，每一步距转动的角度仅为112O英飞凌INFINEON公司的XC2267M是全功能16位单片CMOS微控制器。集成了电压调节器和多路振荡器。使用XC2267M的CC2CAPTURECOMPAREUNIT2，即捕获比较单元2模块，它提供16个比较捕获通道以及与之相配合的2个16位定时器支持16个内部中断。每一CC2通道皆可捕获内部或外部事件，并能比较计数器的内容和给定值修改输出信号。模块CC2的各通道功能见表1。如图5所示，8个通道配合8个IO端口控制4个各司其职的步进电机。其中SIN和COS为CC2通道，输出PWM波形SIN一和COS一为IO端口该单片机可以直接输出多路互不影响的PWM无需任何外设就可以同时实现对多路步进电机的控制。42软件编程421细分度的确定和变量赋值表的建立确定步进电机的每圈细分度，根据细分度建立表1模块CC2的各通道功能标识功能标识功能SIN1CC16UOP23SIN3CC23IOP210SIN1一P212SIN3一P213COS1CC17IOP24COS3CC24IOP40COS1一P211COS3一P2OSIN2CC20IOP27SIN4CC25IOP41SIN2P02SIN4一P21COS2CC21IOP28COS4CC26IOP42COS2一P03COS4一P22电机在每个位置的两相PWM的占空比表本例采用的是8细分，每步的间隔最小可达124。根据两相电压表，结合单片机的特性建立对应的PWM赋值表，储存在全局数组中。步进电机的转速取决于PWM寄存器赋值的速度。根据步进电机特性曲线建立速度等级数组，本例型号电机速度数组包含255个元素，这255个元素定义了PWM寄存器赋值的时间间隔。元素的个数越大，电机的转速越慢。422算法主程序是对当前步数和目标步数进行判定来决定电机是否转动，以及转动速度的快慢。为此引入变量MOVETIME与转动一步的标志位MOVE_ONESTEP_ENABLE。实际转动的速度控制是通过主循环最后MOVE_0NE_STP_ENABLE置1和依据当前电机速度级别从速度数组里取相应的元素对MOVETIME的赋值来实现。仅当MOVETIMEOIT,，才再次进入主循环，并对其赋值。中断程序是对步进电机的走步计时进行递减并根据标志位对电机转动进一步处理。每进入一次中断，只要MOVETIME0，MOVETIME就减1；如果MOVE_ONE_STEPENABLE为1，步进电机就赋值一次，否则就不予赋值，中断的时间为200S。为使仪表板的指针不是一弹一弹地跳动而是有连续渐进的视觉效果，还要求指针从当前位置A移动至目标位置B时，在开始的阶段应进行加速度运动，而在接近目标位置B以前须减慢速度，最终稳定在位置B。指针运动的过程中，对指针与目标位置的距离参数要实时反应，仅在当前位置与目标位置的差距大于某一范围时，指针才会在指令的驱使下运动。步进电机不允许旋转方向突变，电机在正转时接到反转的请求，必须先均匀减速至0，方能反转。为保证速度之间过渡的平滑性，防止速度突变对电机的损伤，每3次进人主循环才允许更改一次速度等级，即每个速度等级步进电机至少转动3步。423软件算法的主循环主函数主函数流程如图8所示。首先要判断指针是否需要转动，如果为否，直接跳动结束，等待新一轮蓄电池用水不用愁，接通水源自动流详见插3广告汽车电器2010年第12期图8主函数流程图判断。如果判定的结果为需要转动。则须判断上一步是正转还是反转。若判断结果为正转，进入正向运动模块，进而判断目标位置和当前位置是否一致，若目标位置和当前位置一致，表明已到达指定的目标，此时进入防抖模块，MOVETIME置1。如果目标位置和当前位置不一致，则须进而判断目标位置是小于还是大于当前位置。若目标位置小于当前位置则表明步进电机的正向运动中检测到反向运动的请求。这时，进入反向运动需求响应模块。逐渐减小电机的转速，直至最后改变电机运行方向的标志位。若目标位置大于当前位置，则表示运动需求仍为正向须判断目标位置和当前位置之差的大小。若位置差甚大，而电机转速尚未达到最大，则提高速度如果转速已达最大值则保持速度。如果位置差小于某一特定值，则进入减速状态。424中断函数中断函数流程如图9所示，首先判断指针是否图9中断函数流程图需要转动，如果是，表明上次转动尚未完成直接跳出中断，等待下一次中断。如果判断结果为无须转动，继续判断上一步运动是正向还是反向。如果判断结果为正向，继续进行下一步判断目标位置和当前位置是否一致。若判断结果为反向，则进入反向运动中断处理模块，流程的结果相类似。判断转动一步标志位是否等于1，如果为1，根据当前位置从PWM数组表里赋新的值给PWM寄存器。步进电机行动一个步距，正向则由当前位置前进一步；反向则退后一步，并转动一步标志位清零。当下一次进入中断时，若转动一步标志位没有在主循环里重新赋值为1，步进电机就不会再次转动。每次进入中断，当MOVETIME为0时，MOVETIME减L，直到减至O为止。4_2_5步进电机的电压波形步进电机两相电压波形都呈较为平滑的正弦波，其相位差为120。，与理论的细分波形相符合。特点是加速阶段正弦波的波长逐渐变小，减速阶段则逐渐变大相同时间横坐标中，正弦波的个数减少。5编程的注意事项由于各通道被监控对象各有自身不同的特性以及其特征函数的多样性、差异性，仪表板步进电机的单片机驱动控制在实际实施时，并不如原理性的介绍那么简单，在软件编程和程序流程中，监测系统对于仪表板各路最终输出的显示须充分考虑到囊麟汽车电器2O10年第12期专为个体设计的I小型、壁挂式蓄电池用7K设备详见插3广告以下10个方面因素的影响。1精度监测值与实际值的接近程度，最大误差的百分数。如1或O5。力求简化实用可靠、操作维护方便和低成本，须在符合相应标准的前提下满足合理的精度要求，无需无限度提高。2分辨率监控仪表的精细程度表明刻度的精确度。3滞后量给定的监测值、系统的输出结果取决于所监测的值是在原值的基础上增加还是降低的阶段取得的。如突然从油箱排放燃油，油量表会急速额外地向小数值方向摆动，然后才回到准确的正常位置。4重复性在调试时对于某一选定的监测值，在其监测的范围内连续测量时读数接近的程度。重复性通常用整个计量范围的百分比表示。5零误差、零漂移内部需要有指针的调零装置。6线性度源于传感器输出的非线性原因，应该尽量采用线性段工作。7灵敏度或比例因子是输出变化量与输入变化量的比值。8响应时间如发动机油压的监测系统的响应时间比燃油油量监测系统要快如果监测的采样速度比响应速度要快，输出的误差将非常明显。9传输途径的电磁干扰排除机板搭铁，具有良好的电磁屏蔽作用。而弱电部分浮地使微控制器和电子单元免受其他系统的电磁干扰也防止了某些电子器件受高压感应而被击穿损坏。模拟搭铁与数字搭铁分开，在接近电源处连接。这样可以避免数字脉冲电路工作时的突变电流通过搭铁线时对模拟量的共模干扰。1O环境温度环境温度改变会造成偏移、增益和线性误差的变化。当AD、DA转换器必须工作在温度变化的环境中时，这些误差的温度系数将是一个重要的技术参数。6结语实际上，在汽车电器里，怠速旁通空气阀、化油器阻风门以及高档车辆的门窗升降和天线升降的驱动中都有步进电机在工作。多年以来的实践使笔者初步认识了确保汽车仪表板步进电机驱动控制的要点和本质，掌握了若干相关的技巧方法，在文中作简要介绍，与国内同仁交流，以保证产品的产量和品质控制工作得以稳步提高，也期待国内同道指正。参考文献1TOMDENTONAUTOMOBILEELECTRONICELECTRONICSYSTEMSMLONDONELSEVIESBUTTERWORTHHEINEMANNCOLTD，20092RONALDKJARGEMAUTOMOTIVEELECTRO