陸敬泉

摘 ?要：構(gòu)建了汽車組合儀表的步進(jìn)電機(jī)軟、硬件驅(qū)動(dòng)方案，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了雙全H橋步進(jìn)電機(jī)的微步電壓的實(shí)現(xiàn)方式以及脈沖序列的實(shí)現(xiàn)方法，繪制了電機(jī)空載回零的理想變速曲線。通過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)、計(jì)算分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該驅(qū)動(dòng)能可靠滿足汽車組合儀表步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針在各種變速、勻速過(guò)程中的平穩(wěn)、順滑運(yùn)行。同時(shí)能滿足全自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)空載回零和自動(dòng)校正的生產(chǎn)工藝要求。該設(shè)計(jì)具有可靠性高、易實(shí)現(xiàn)、低成本、可移植的特點(diǎn)，該設(shè)計(jì)的應(yīng)用在某種程度上使公司在組合儀表步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)上實(shí)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手為公司創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)。該驅(qū)動(dòng)方法可推廣移植應(yīng)用于其他汽車組合儀表設(shè)計(jì)上，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的持續(xù)增盈。

關(guān)鍵詞：汽車儀表;步進(jìn)電機(jī);驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：U463.2 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：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(jì)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(gè)表頭電機(jī)。該項(xiàng)目是我公司重點(diǎn)項(xiàng)目，且由于公司生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，公司引進(jìn)了自動(dòng)化儀表組裝生產(chǎn)線。其中包含全自動(dòng)壓指針工位和指針自動(dòng)校準(zhǔn)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(jī)需要在未壓入指針的情況下通過(guò)上電自檢過(guò)程，將電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行到零位（機(jī)械零位）。且在電機(jī)運(yùn)行時(shí)不能有抖動(dòng)、回零誤差、指針回彈等現(xiàn)象。否則就會(huì)產(chǎn)生指針指示誤差范圍大，儀表生產(chǎn)線產(chǎn)品通過(guò)率低等隱患。

2 ? ?策略設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)背景可知，此款組合儀表的電機(jī)的自檢回零（機(jī)械大回零）驅(qū)動(dòng)功能，必須滿足在電機(jī)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(jī)械零位）。由于此時(shí)并未壓入指針，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常低。普通的回零變速曲線已經(jīng)無(wú)法滿足需求，需要優(yōu)化調(diào)整。且在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力要達(dá)到最優(yōu)，既不能過(guò)大也不能過(guò)小。如果過(guò)小，在空載狀態(tài)下電機(jī)是無(wú)法通過(guò)電磁力驅(qū)動(dòng)針軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生失步;而如果過(guò)大，電機(jī)的運(yùn)行又不夠平滑，同時(shí)電機(jī)在機(jī)械零位的堵轉(zhuǎn)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生較大的噪音和抖動(dòng)。影響用戶體驗(yàn)。

通過(guò)以上分析，儀表的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能設(shè)計(jì)為：

1.儀表電機(jī)的微步電壓設(shè)計(jì)：將理論電壓值調(diào)整到步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)化范圍上限。以便提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)要考慮儀表微控制器（MCU）的電機(jī)驅(qū)動(dòng)外設(shè)內(nèi)阻。將實(shí)際的微步電壓與理論計(jì)算得出的微步電壓進(jìn)行比對(duì)和校正。

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

3 ? ?步進(jìn)電機(jī)基本驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)

儀表電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)外設(shè)，該外設(shè)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)（圖示中只標(biāo)出了兩組）。每組分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。在雙全H橋驅(qū)動(dòng)模式下，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)由4根硬線信號(hào)控制，分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)橋線圈（Coil），從而產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的電磁力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子。電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子到指針的傳動(dòng)比為180：1（跟電機(jī)型號(hào)相關(guān)），即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)180度，指針轉(zhuǎn)動(dòng)1度。線圈上通過(guò)大小方向不同的電流控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢與方向，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的指示。電機(jī)的等效模型如圖3所示。轉(zhuǎn)子本身也是一個(gè)指南針，當(dāng)與線圈產(chǎn)生的合力磁場(chǎng)有偏差時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

兩線圈電路Lx，Ly大小方向可變，同時(shí)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(hào)，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(dòng)。運(yùn)動(dòng)圖示如圖5所示：

4 ? ?步進(jìn)電機(jī)詳細(xì)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

4.1 ? 微步電壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

由于是采用24微步步進(jìn)電機(jī)，需要將一個(gè)正弦周期24等分，每個(gè)等分點(diǎn)成為一“步”，對(duì)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(shí)vi/V=0.5，則輸出的占空比為50%;而在相位為120°時(shí)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(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng);若占空比加速改變，則電機(jī)做加速運(yùn)動(dòng);若占空比減速變化，則電機(jī)做減速運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)項(xiàng)目使用的步進(jìn)電機(jī)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(cè)各個(gè)微步線圈電流計(jì)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(guò)控制每個(gè)線圈上的PWM占空比即可控制線圈的驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)起來(lái)。由于單片機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)設(shè)置其PWM占空比控制寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制各個(gè)微步的電壓值（公式1）。并通過(guò)公式1計(jì)算出全周期的所有占空比寄存器的值，如表3。

因此我們?cè)诔绦蛑凶隽巳缦聟?shù)定義，用來(lái)實(shí)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(huì)計(jì)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(jì)

電機(jī)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(yùn)行，整個(gè)行程超過(guò)表盤最大刻度，在最大速度運(yùn)行到機(jī)械停止位后，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)停止。由于驅(qū)動(dòng)速度超過(guò)電機(jī)啟停速度，電機(jī)指針堵轉(zhuǎn)后將不會(huì)回彈。加速過(guò)程數(shù)據(jù)如表4：

由此可見(jiàn)，電機(jī)指針的最大角速度為450度/秒，并高速撞向電機(jī)擋塊，指針回彈較小，噪聲較小，同時(shí)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啟停速度（該電機(jī)為190度/秒）。角加速度小于30000度/秒^2，滿足帶指針時(shí)的變速需求，不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)失步。

5 ? ?步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化計(jì)算分析

基于以上理論分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，實(shí)際使用以上驅(qū)動(dòng)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(dòng)壓針工位出現(xiàn)指針壓入后脫離電氣零點(diǎn)，在指針指示矯正工位出現(xiàn)指針運(yùn)行不平滑。針對(duì)以上問(wèn)題，需要對(duì)微步電壓和大回零變速曲線進(jìn)行深入分析和矯正，以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

5.1 ? 微步電壓驅(qū)動(dòng)優(yōu)化計(jì)算

通過(guò)實(shí)際軟件仿真，我們可以直接測(cè)量出電機(jī)內(nèi)部線圈24個(gè)微步中的每個(gè)電壓值，并與理論的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)際測(cè)量和比對(duì)結(jié)果如表5：

由實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)可知，實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jī)的內(nèi)阻。如圖7所示：

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

公式2 單片機(jī)電機(jī)外設(shè)內(nèi)阻計(jì)算公式

將內(nèi)阻代入后，我們重新調(diào)整單片機(jī)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(cè)試結(jié)果。同時(shí)考慮到提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(jī)在空載運(yùn)行中的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(shí)還要對(duì)大回零變速曲線進(jìn)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(shí)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(yàn)證

D320步進(jìn)電機(jī)總成效果圖如圖8所示：

按照以上策略調(diào)整電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，提高微步電壓值，消除單片機(jī)內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓差，同時(shí)降低指針的最大角速度和維持電機(jī)角加速度保持在5000-6000度/秒^2的范圍內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。同時(shí)在空載狀態(tài)下，單機(jī)能從任意指示位置回到機(jī)械零點(diǎn)，并同時(shí)消除電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的噪音和指針回彈現(xiàn)象，指示準(zhǔn)確不丟步，完全滿足了自動(dòng)化生產(chǎn)線的工藝要求，產(chǎn)品生產(chǎn)通過(guò)率接近100%。獲得工藝技術(shù)部的一致認(rèn)可。該東風(fēng)新天龍D320 儀表項(xiàng)目已經(jīng)于2018年10月實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，且根據(jù)市場(chǎng)訂單，預(yù)計(jì)2019年實(shí)現(xiàn)銷售額1500萬(wàn)元。

7 ? ?結(jié)束語(yǔ)

以上基于優(yōu)化后的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，可靠、快速的響應(yīng)了公司對(duì)東風(fēng)商用車D320組合儀表的重點(diǎn)項(xiàng)目投產(chǎn)需求，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益的同事，該驅(qū)動(dòng)優(yōu)化算法可推廣移植應(yīng)用于其他自動(dòng)化生產(chǎn)線的儀表項(xiàng)目設(shè)計(jì)中去，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的持續(xù)增盈。

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