汽車儀表的雙全H橋步進電機驅(qū)動功能實現(xiàn)

陸敬泉

摘 ?要：構(gòu)建了汽車組合儀表的步進電機軟、硬件驅(qū)動方案，重點設(shè)計了雙全H橋步進電機的微步電壓的實現(xiàn)方式以及脈沖序列的實現(xiàn)方法，繪制了電機空載回零的理想變速曲線。通過詳細設(shè)計、計算分析與實驗驗證，該驅(qū)動能可靠滿足汽車組合儀表步進電機驅(qū)動指針在各種變速、勻速過程中的平穩(wěn)、順滑運行。同時能滿足全自動化生產(chǎn)線對電機驅(qū)動空載回零和自動校正的生產(chǎn)工藝要求。該設(shè)計具有可靠性高、易實現(xiàn)、低成本、可移植的特點，該設(shè)計的應(yīng)用在某種程度上使公司在組合儀表步進電機驅(qū)動技術(shù)上實現(xiàn)了突破，從而提高公司的產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量。在取代競爭對手為公司創(chuàng)造良好經(jīng)濟效益的同時。該驅(qū)動方法可推廣移植應(yīng)用于其他汽車組合儀表設(shè)計上，實現(xiàn)該技術(shù)的持續(xù)增盈。

關(guān)鍵詞：汽車儀表;步進電機;驅(qū)動

中圖分類號：U463.2 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）06-0092-08

Abstract： The software and hardware drive scheme of the stepper motor of the automobile combination instrument is constructed， and the realization method of the micro-step voltage of the double full H-bridge stepper motor and the realization method of the pulse sequence are designed with emphasis， and the ideal speed curve of the motor returning to zero without load is drawn. Through detailed design， calculation analysis and experimental verification， the drive can reliably meet the smooth and smooth operation of the stepper motor driving pointer of the automobile combination meter in various variable speed and uniform speed processes. At the same time， it can meet the production process requirements of the fully automated production line for the motor drive no-load return to zero and automatic correction. The design has the characteristics of high reliability， easy implementation， low cost， and portability. The application of this design has enabled the company to achieve a breakthrough in combination instrument stepper motor drive technology to some extent， thereby improving the company's production capacity and product quality . While replacing competitors to create good economic benefits for the company. This driving method can be popularized and transplanted to other automobile combination instrument design， and realize the continuous profit increase of this technology.

Key Words： Automobile Instrument; Stepper Motor; Drive

1 ? ?技術(shù)背景

根據(jù)東風(fēng)商用車有限公司的需求。為其東風(fēng)新天龍D320設(shè)計一款24V電氣系統(tǒng)的5寸彩屏組合儀表，該款組合儀表包含有車速表、轉(zhuǎn)速表、油量表、水溫表四個表頭電機。該項目是我公司重點項目，且由于公司生產(chǎn)工藝的進步，公司引進了自動化儀表組裝生產(chǎn)線。其中包含全自動壓指針工位和指針自動校準工位，結(jié)合具體的生產(chǎn)工藝要求，在儀表上電后，儀表電機需要在未壓入指針的情況下通過上電自檢過程，將電機自動運行到零位（機械零位）。且在電機運行時不能有抖動、回零誤差、指針回彈等現(xiàn)象。否則就會產(chǎn)生指針指示誤差范圍大，儀表生產(chǎn)線產(chǎn)品通過率低等隱患。

2 ? ?策略設(shè)計

根據(jù)技術(shù)背景可知，此款組合儀表的電機的自檢回零（機械大回零）驅(qū)動功能，必須滿足在電機空載（未壓入指針）的狀態(tài)下針軸能夠從任意位置回到零位（機械零位）。由于此時并未壓入指針，電機的轉(zhuǎn)動慣量非常低。普通的回零變速曲線已經(jīng)無法滿足需求，需要優(yōu)化調(diào)整。且在電機運行過程中，電機的驅(qū)動力要達到最優(yōu)，既不能過大也不能過小。如果過小，在空載狀態(tài)下電機是無法通過電磁力驅(qū)動針軸同步轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生失步;而如果過大，電機的運行又不夠平滑，同時電機在機械零位的堵轉(zhuǎn)過程中也會產(chǎn)生較大的噪音和抖動。影響用戶體驗。

通過以上分析，儀表的步進電機驅(qū)動功能設(shè)計為：

1.儀表電機的微步電壓設(shè)計：將理論電壓值調(diào)整到步進電機的優(yōu)化范圍上限。以便提高電機驅(qū)動力。同時要考慮儀表微控制器（MCU）的電機驅(qū)動外設(shè)內(nèi)阻。將實際的微步電壓與理論計算得出的微步電壓進行比對和校正。

2.儀表電機的大回零變速曲線設(shè)計：速度變化量不能過大，角加速度要盡量保證一致，且不能過低或過高。同時，電機的最大角速度又不能太高。防止丟步。

3 ? ?步進電機基本驅(qū)動原理設(shè)計

儀表電機驅(qū)動硬件電路如圖1所示：

圖示中，儀表微控制器（mcu）內(nèi)部包含一個步進電機驅(qū)動外設(shè)，該外設(shè)可以同時驅(qū)動4個步進電機（圖示中只標(biāo)出了兩組）。每組分別驅(qū)動一個步進電機。在雙全H橋驅(qū)動模式下，每個步進電機由4根硬線信號控制，分別驅(qū)動步進電機內(nèi)部的兩個橋線圈（Coil），從而產(chǎn)生兩個相互垂直的電磁力，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子。電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，x，y分別指示左右線圈（Coil0，Coil1）。

線圈通電產(chǎn)生電磁合力驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子到指針的傳動比為180：1（跟電機型號相關(guān)），即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動180度，指針轉(zhuǎn)動1度。線圈上通過大小方向不同的電流控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的快慢與方向，進而驅(qū)動電機的指示。電機的等效模型如圖3所示。轉(zhuǎn)子本身也是一個指南針，當(dāng)與線圈產(chǎn)生的合力磁場有偏差時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

兩線圈電路Lx，Ly大小方向可變，同時作用可產(chǎn)生不同的電磁合力。合力如圖4所示：

若兩線圈電流為輸入為相位差60°的正弦信號，可保證電磁合力Fr的大小恒定方向勻速變化，既可以得到勻速平滑的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。運動圖示如圖5所示：

4 ? ?步進電機詳細驅(qū)動設(shè)計

4.1 ? 微步電壓驅(qū)動實現(xiàn)

由于是采用24微步步進電機，需要將一個正弦周期24等分，每個等分點成為一“步”，對應(yīng)的電壓值為Vi。如圖6所示：

vi/V即該路線圈PWM控制的占空比。如在相位為30°時vi/V=0.5，則輸出的占空比為50%;而在相位為120°時vi/V=-0.5，輸出的電流反向，占空比為50%。若占空比勻速變化，電機勻速轉(zhuǎn)動;若占空比加速改變，則電機做加速運動;若占空比減速變化，則電機做減速運動。

根據(jù)項目使用的步進電機其線圈推薦值最大電流Imax=15.30mA，其線圈內(nèi)阻為280+/-20 Ohms。因此得正弦波峰值電壓為15.30×280≈4.28V，根據(jù)其技術(shù)手冊各個微步線圈電流計算如表1：

將線圈內(nèi)阻代入之后可得到理論微步電壓值如表2：

通過控制每個線圈上的PWM占空比即可控制線圈的驅(qū)動電流或電壓。我們可以將線圈“電壓值”與“PWM占空比”成線性關(guān)系對應(yīng)起來。由于單片機的電機驅(qū)動外設(shè)為5V供電域，其能提供的最大電壓為5V（線圈上的PWM占空比為100%），而其PWM的最大分辨率為8bit，因此就可以通過設(shè)置其PWM占空比控制寄存器來實現(xiàn)控制各個微步的電壓值（公式1）。并通過公式1計算出全周期的所有占空比寄存器的值，如表3。

因此我們在程序中做了如下參數(shù)定義，用來實現(xiàn)24微步的控制

/* the microstep stage of motor moving */

#define LEVEL6 218

#define LEVEL5 211

#define LEVEL4 189

#define LEVEL3 139

#define LEVEL2 80

#define LEVEL1 41

#define LEVEL0 0

static const sint16 PWM1_WaveData[24]=

{LEVEL4，LEVEL3，LEVEL2， LEVEL1，LEVEL0， -LEVEL1， -LEVEL2，-LEVEL3， -LEVEL4， -LEVEL5， -LEVEL6， -LEVEL5， -LEVEL4， -LEVEL3， -LEVEL2，-LEVEL1， LEVEL0，LEVEL1， LEVEL2， LEVEL3， LEVEL4， LEVEL5，LEVEL6， LEVEL5};

static const sint16 PWM2_WaveData[24] =

{LEVEL4， ?LEVEL5， LEVEL6， LEVEL5， LEVEL4， LEVEL3，LEVEL2， LEVEL1， LEVEL0， -LEVEL1， -LEVEL2， -LEVEL3，-LEVEL4， -LEVEL5， -LEVEL6， -LEVEL5， -LEVEL4，-LEVEL3， -LEVEL2， -LEVEL1，LEVEL0， ?LEVEL1， ?LEVEL2， ?LEVEL3};

在邏輯控制中，我們會計算出微步的位置信息，然后調(diào)用微步位置的更新程序，利用上表中定義的參數(shù)更新寄存器，從而控制輸出波形。

4.2 ? 大回零變速曲線設(shè)計

電機指針角速度從0加速到最大值后，一般需要保持最高速度運行，整個行程超過表盤最大刻度，在最大速度運行到機械停止位后，電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)停止。由于驅(qū)動速度超過電機啟停速度，電機指針堵轉(zhuǎn)后將不會回彈。加速過程數(shù)據(jù)如表4：

由此可見，電機指針的最大角速度為450度/秒，并高速撞向電機擋塊，指針回彈較小，噪聲較小，同時又遠遠大于啟停速度（該電機為190度/秒）。角加速度小于30000度/秒^2，滿足帶指針時的變速需求，不會導(dǎo)致電機失步。

5 ? ?步進電機驅(qū)動優(yōu)化計算分析

基于以上理論分析，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，實際使用以上驅(qū)動參數(shù)并不能有效地適應(yīng)產(chǎn)線相關(guān)工位的工藝要求，主要體現(xiàn)為自動壓針工位出現(xiàn)指針壓入后脫離電氣零點，在指針指示矯正工位出現(xiàn)指針運行不平滑。針對以上問題，需要對微步電壓和大回零變速曲線進行深入分析和矯正，以滿足實際生產(chǎn)需求。

5.1 ? 微步電壓驅(qū)動優(yōu)化計算

通過實際軟件仿真，我們可以直接測量出電機內(nèi)部線圈24個微步中的每個電壓值，并與理論的電壓數(shù)據(jù)進行比較，實際測量和比對結(jié)果如表5：

由實際測量的數(shù)據(jù)可知，實際輸出的微步電壓值小于理論值，且電壓越大，微步電壓值差距越大。結(jié)合曲線分析，應(yīng)該是儀表微控制器（MCU）的電機驅(qū)動外設(shè)存在內(nèi)阻，根據(jù)歐母定理可知，電壓越大，線圈上的電流越大，單片機內(nèi)阻產(chǎn)生的壓降隨即增大，所以要滿足理論值重合，必須要考慮單片機的內(nèi)阻。如圖7所示：

由于電機線圈電阻R2為280歐姆，根據(jù)公式2，我們可以根據(jù)每個微步的理論與實際電壓差值計算出電機外設(shè)的內(nèi)阻值R1。最終計算結(jié)果為14歐姆。

公式2 單片機電機外設(shè)內(nèi)阻計算公式

將內(nèi)阻代入后，我們重新調(diào)整單片機占空比寄存器的值，從而得到了與理論微步電壓值向匹配的測試結(jié)果。同時考慮到提高電機的驅(qū)動力，我們需要將表一中的最大電流PM調(diào)整為16.01mA。從而提高電機在空載運行中的驅(qū)動力和鎖緊力，最終結(jié)果如表6所示：

相應(yīng)的程序參數(shù)更新為：

/* the microstep stage of motor moving */

#define LEVEL6 242

#define LEVEL5 234

#define LEVEL4 210

#define LEVEL3 152

#define LEVEL2 85

#define LEVEL1 44

#define LEVEL0 0

static const sint16 PWM1_WaveData[24]=

{LEVEL4，LEVEL3，LEVEL2， LEVEL1，LEVEL0， -LEVEL1， -LEVEL2，-LEVEL3， -LEVEL4， -LEVEL5， -LEVEL6， -LEVEL5， -LEVEL4， -LEVEL3， -LEVEL2，-LEVEL1， LEVEL0，LEVEL1， LEVEL2， LEVEL3， LEVEL4， LEVEL5，LEVEL6， LEVEL5};

static const sint16 PWM2_WaveData[24] =

{LEVEL4， ?LEVEL5， LEVEL6， LEVEL5， LEVEL4， LEVEL3，LEVEL2， LEVEL1， LEVEL0， -LEVEL1， -LEVEL2， -LEVEL3，-LEVEL4， -LEVEL5， -LEVEL6， -LEVEL5， -LEVEL4，-LEVEL3， -LEVEL2， -LEVEL1，LEVEL0， ?LEVEL1， ?LEVEL2， ?LEVEL3};

5.2 ? 大回零變速曲線優(yōu)化計算

為了滿足產(chǎn)線空載回零的工藝要求，我們除了要調(diào)整微步電壓設(shè)置，同時還要對大回零變速曲線進行優(yōu)化和調(diào)整，原有的變速曲線指針的最大角速度為450度/秒，角加速度小于30000度/秒^2。結(jié)合實際生產(chǎn)要求，需要將變速曲線的指針最大角速度降低為400度/秒，將角加速度調(diào)整到6000度/秒^2以下。如表7所示：

6 ? ?效果驗證

D320步進電機總成效果圖如圖8所示：

按照以上策略調(diào)整電機驅(qū)動參數(shù)，提高微步電壓值，消除單片機內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓差，同時降低指針的最大角速度和維持電機角加速度保持在5000-6000度/秒^2的范圍內(nèi)，電機運行更加平穩(wěn)。同時在空載狀態(tài)下，單機能從任意指示位置回到機械零點，并同時消除電機堵轉(zhuǎn)時的噪音和指針回彈現(xiàn)象，指示準確不丟步，完全滿足了自動化生產(chǎn)線的工藝要求，產(chǎn)品生產(chǎn)通過率接近100%。獲得工藝技術(shù)部的一致認可。該東風(fēng)新天龍D320 儀表項目已經(jīng)于2018年10月實現(xiàn)量產(chǎn)，且根據(jù)市場訂單，預(yù)計2019年實現(xiàn)銷售額1500萬元。

7 ? ?結(jié)束語

以上基于優(yōu)化后的步進電機驅(qū)動功能，可靠、快速的響應(yīng)了公司對東風(fēng)商用車D320組合儀表的重點項目投產(chǎn)需求，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益的同事，該驅(qū)動優(yōu)化算法可推廣移植應(yīng)用于其他自動化生產(chǎn)線的儀表項目設(shè)計中去，以實現(xiàn)技術(shù)的持續(xù)增盈。

參考文獻：

[1] 朱玉龍. 汽車電子硬件設(shè)計[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社. 2011. 第1版.

[2] 譚浩強. C程序設(shè)計. 北京：清華大學(xué)出版社. 2005. 第3版.