（电机与电器专业论文）新型车载仪表用步进电机驱动控制系统.pdf

塑堡奎兰堡土兰焦堡壅 a b s t r a c t t h en e wa u t o m o t i v eg a u g e ，m o s t l yb a s e do nf i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l a n du s e dm i c r o m o t o r s d r i v e rc o n t r o l s y s t e m ，i sd e v e l o p i n g w i t h d i g i t a l ， i n t e l l i g e n t i z ea n d n e t w o r kc h a r a c t e rs t e pb y s t e p t h e p a p e r i n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n t o f a u t o m o t i v eg a u g e ，a c c o m p l i s h e d t h e t h e o r ys t u d yo ft h es t e p p e rm o t o r sd r i v e rs y s t e mu s e di nt h en e wa u t o m o t i v eg a u g e a n da u t o m o t i v eg a u g e s y s t e mb a s e d o nf i l e d - b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 m o r e o v e r , as t e p p e rm o t o r sd r i v e rc o n t r o lp l a t f o r mb a s e do ng d i cr g a u g ed r i v e ri n t e g r a t e d c i r c u i 0w a sf i n i s h e da n da na u t o m o t i v eg a u g e c o m m t m i c a t i o ns y s t e mb a s e do nc a n b u sw a sc o n s t i t u t e d i nt h es t e p p e rm o t o r sd r i v e rc o n t r o lp l a t f o r ms y s t e m ，t h em c 3 3 9 9 1i sc h o s e nt o d r i v et h es t e p p e rm o t o ru s e di nt h ea u t o m o t i v eg a u g e t h em c ut r a n s f e r st h ed a t a a n dc o m m a n df r o ma n dt ot h eg d i cw i 1s p ic o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 b yc h e c k i n g t h ee m fw i t h 一da d cm e t h o d ，t h eg d i cc a l lr e c o g n i z et h er o t o rp o s i t i o no ff u l ls t e p t h ec o n t r o lp l a t f o r m ，w h i c hc a nb eu s e dt od r i v et h eg a u g ed i r e c t l ya n dt oa n a l y z ea n dc h e c kt h e q u a l i t yo f t h es t e p p e rm o t o r , i sp r o v e d t ob es t a b l ea n dr e l i a b l e w i t hh i g ht r a n s f e r r i n gb i tr a t ea n ds t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c eo fe l e c t r o - m a g n e t i c c h a r a c t e r s ，c a nb u si sam u l t i m a s t e rs e r i a lc o m m u n i c a t i o nb u sa n dw i d e l yu s e di n t h ea u t o m o t i v ei n s t r u m e n t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e t h e o r ya b o u tg a u g ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nc a n b u sa n dd e s c r i b e st h e h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g ni nd e t a i l k e y w o r d s ： a u t o m o t i v eg a u g e ，s t e p p e rm o t o r , c a nb u s ，g d i c ，m c 3 3 9 9 1 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章序论 近年来，随着中国经济的飞速稳步发展，汽车工业进入了前所未有的高速发 展时期，汽车工业已经成为国家经济发展的支柱产业。特别是中国加入w t 0 以后， 逐渐取消了对汽车的进口关税调节，汽车工业在国内更是突飞猛进，越来越多的 汽车零部件逐步在国内设计、生产和销售。汽车仪表作为汽车电子控制系统中最 重要的部件之一，承担着及时向驾驶员反映汽车各系统，特别是发动机动力系统 的工作状况，从而保证汽车可靠安全的行驶的重任，也得到了长足的发展和技术 进步。车载转速表实时的反映发动机输出曲轴的转速和车速以及累计里程，另外 还有一些附加的功能：比如油量显示、水温显示、转向信号等等。鉴于此，对车 载仪表其工作的可靠性和准确性的要求也大为提高。 1 2 汽车仪表简介 屈指箅来，汽车已经走过了1 0 0 多年的发展历程，汽车仪表技术也伴随着汽 车工业的进步而稳步的向前发展。汽车仪表发展，按照其工作原理上取得的重大 技术创新而分为四代。第一代是基于机械作用力而工作的机械仪表，即机械机心 表；第二代汽车仪表的工作原理是基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非 电量变换成电信号加以测量，称之为电气式仪表：第三代为模拟电路电子式；发 展到今天算是第四代产品，是基于微特电机，特别更是以步进电机居多的全数字 仪表。1 】 电气式仪表中常用的是磁电式仪表，其作用原理是永久磁铁在气隙中产生的 磁场和可动线圈通入电流后，相互作用而产生的旋转力矩。磁电式仪表多用于测 量电流和电压，加上变换器可以进行多种非电量的测量，如温度、压力等。磁电 式仪表的性能稳定，读数精确，量限多，使用方便，适应于直流电路的精密测量 和实验室中的标准测量仪表。但是其存在的最大缺陷就是随着环境温度的改变， 测量误差变大。虽然科技工作者想出了种种温度补偿措施，如磁路补偿法、双金 渐江大学硕士学位论文 属片调节法、负温度系数器件补偿法、串并联电阻温度系数补偿法等等，但是结 果只能差强人意。“。 目前，汽车仪表难在经历从模拟电路电子式向全数字式转型时期，第三代汽 车仪表工作原理与电气式仪表基本相同，只是用电子器件取代原来的电气器件。 随着集成电路技术突飞猛进的发展，这种仪表现在均采用汽车仪表专用集成电 路，是国内汽车仪表目前主流产品，经过多年的发展，其结构形式经历了动圈式 机心和动磁式机心阶段，围绕着提高指示精度和指针平稳性，动磁式代替了动圈 式；电子器件经历了分立器件和专用集成电路阶段。第四代全数字式汽车仪表从 其应用技术手段上看，还是电子技术范畴，也属于电子式仪表，但是数字处理方 式已经从模拟变成数字，并朝着数字化、智能化、网络化、虚拟化方向发展。“ 因此，国内对第四代全数字式汽车仪表的研究也正如火如茶进行中。笔者对车载 仪表用步进电机驱动控制系统的研究正是基于此背景之下。 1 3 车载仪表用电机简介 车载仪表驰动电机一般都是微电机，更以步进电机最多。下面就对微电机进 行，特别是步进电机进行简单的概述。 微特电机是指原理、结构、性能、作用等与常规电机不同，并且体积和输出 功率都很小的电机。一般地，微特电机的外径不大于1 6 0 r a m ，功率在数百毫瓦和 数百瓦之间。当今，微特电机已出过去简单的起动控制、提供动力的目的，发展 到对其速度、位置、转矩等的精确控制。在军事、民用的各种现代化装备及其控 制系统中得到广泛的应用，特别是在航天科技、汽车电装、工业自动化等等领域 应用更是日新月异，盛况空前。在这些控制系统中，几乎都采用了电机技术、微 电子技术和电力电子技术等相结合的机电一体化产品。微特电机主要向着小型、 高速、高力矩、高效率、低噪声、电子化的方向发展。 随着我国经济的逐渐发展，微特电机在国内的需求与应用正在逐渐增长。我 国微特电机的生产能力自2 0 世纪8 0 年代以来不断增长，目前我国的主要产品有 有刷永磁直流电机、小功率交流电机、交直流串激电机、罩极电机、步进电机、 振动电机( 手机用) 等，并且已经实现大规模、大批量的生产。技术含量高的微特 浙江大学硕士学位论文 电机，如精密无刷电机、高速同步电机、高精度步进电机、片状绕组无刷电机、 高性能伺胀电机以及新原理新结构的超声波电机国内尚未形成商品化或批量生 产能力。 微特电机，特别是步进电机，现在正越来越多的应用于汽车电子控制系统中。 步进电机是微特电机的一个重要分支，主要应用于实现角度、位移等参数精确控 制的系统中。 步进电机是微特电机的一种，它是将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线 位移的变换器。它可以用脉冲信号直接进行开环定位控制，而无需位置或速度传 感器，并且控制线路简单，使用方便、可靠。在自动控制系统中或者汽车电子控 制系统中，常常需要有将数字信号转换为角位移或线位移的电磁装置，步进电动 机的工作特点恰好符合此要求，可以说它是和现代数字控制技术结合的最好的一 类电机，很容易和其它数字器件进行接口。因此广泛应用于汽车电子、数控机床、 机器人等领域。 传统的步进电机存在步距角大、运行噪声大、运行震动大、低频运行有振荡 等缺点，往往满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求，影, 1 6 j y 步进电 机系统的性能，限制了步进电机的应用范围。 为了改善步进电机的这些缺点，人们从两个方面着手进行了努力。一个是从 电机本身出发，通过增加相数和齿数等方法来提高系统性能，另一个就是通过优 化它的控制方法来提高系统的性能。第一种方法能提高步进电机系统的性能，但 受制于材料、工艺和成本等。相比于前者，后者具有更大的发展空问和前景。 步进电机作为常用的数字化执行元件，其控制结果的优劣绝大程度上取决于 其驱动电源的性能。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运 行平稳性的一种行之有效的方法。根据电机学原理，要使电机在运行中具有恒定 的力矩以达到电机的平稳运行，电机内应该有均匀的圆形旋转磁场，也就是要求 各相绕组产生的合成磁势矢量在空间做等幅匀速旋转。根据电机学理论可知，如 果在空间正交的两相绕组上各通以相位相差9 0 。的正弦电流，那么这两相绕组 的合成空问电流矢量将在做等幅匀速旋转，由此产生的控制合成磁势也将做等幅 匀速旋转，电机也将获得最佳的运行性能。这就是步进电机细分控制方式的原理。 由于步遗电机驱动电源技术的逐步提高，步进电机的运行性能也因此得到了 浙江大学硕士学位论文 很大的改善，它的应用范围也就越来越广泛，在精度上已经达到能和伺服系统相 媲美的效果。并且由于步进电机无需反馈，其控制方式相剥简单，位置误差不会 累加，与伺服系统相比可以大大的降低成本，在越来越多应用场合中占据了一席 之地。 1 4 车载仪表电机控制用微处理器 传统的电机的控制主要是对电机转速和方向的控制，通常称为电机调速。近 现代以来，电机控制理论得到了飞速的发展，特别是交流电机的调速理论发展最 为完善了，从v v v f ( 变频变压) 控制到f o c ( 矢量控制) ，再到最近非常热门的 d t c ( 直按转矩) 控制。随着现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低 损耗、减少成本，另一方面又不断地有技术指标及其苛刻的特殊应用的系统需求。 控制要求和技术指标的提高，必然要带动其控制手段的提高。随着微电子技术和 计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控 制行业带来了很多机遇和发展契机。现代的电机控制基本上都是以微处理器为核 心的电机控制方案，现在已经很难见到完全由分立元件搭起来的控制电路了。 车载仪表系统在智能化的发展过程中，r i s c 处理器、d s p 、大容量存储器、 嵌入式实时操作系统等新技术，无疑为车载仪表的发展起到一种推波助澜的作 用。 r i s c 处理器精简了指令系统，常用指令由硬件编码直接实现，提高了处理 速度；采用了大量的寄存器，使大部分操作指令都在寄存器之间进行，因此，基 于这种处理器的系统成为嵌入式系统一个非常重要的分支。此外，近年来推出的 高性能的数字信号处理器( d s p ) ，是一种适应于密集型数学运算与实时信号处理 的微处理器，最流行的当属t i 公司的c 2 0 0 0 系列，非常适合应用于电机控制。 另外，a d 公司和摩托罗拉公司也相继推出了专用于运动控制的d s p 芯片。 汽车电子控制系统中，因为汽车本身的原因，使这些系统的工作环境更加苛 刻和恶劣。首先温度范围广，因为汽车是被广泛使用的交通运输工具，要在各种 环境温度下都能正常工作；其次汽车仪表可能会在潮湿的环境下工作，因此要具 有一定的抗腐蚀能力；还有车身的振动是避免不掉的，这就要求处理器和整个系 统具备一定的抗振能力。另外，汽车因为发动机的采用高压点火系统a , k 车载其 4 浙江大学硕士学位论文 他无线发射系统都会对其他的控制系统有干扰，所以，在这一点上选择核心处理 器尤为重要。最后，随着网络技术的发展，汽车内部的很多电控单元，当然车载 仪表系统也不例外，都通过现场总线连接成一个局域网系统，实现了信息共享。 汽车电子控制系统中使用最多的现场总线是c a n 总线和l i n 总线。因此这就要求 核心处理器最好能够内部自带c a n 总线驱动器或者有足够多的预留i o 口，以方 便c a n 总线的扩展。 鉴于此，用于车载仪表控制用的核心处理器至少应具备以下特点： 1 ) 高的可靠性；2 ) 高效的实时性；3 ) 对环境的适应性要强；4 ) 具有完善 的输入输出通道，最好内部能带有c a n 总线驱动模块。 1 5 车载仪表用步进电机驱动控制系统解决方案 新一代汽车仪表的技术创新主要体现在两个方面：首先是步进电机在仪表领 域的使用，这点上面已经提及过，是第四代车载仪表的标志；其次是总线技术的 使用而引起仪表接口的变化。 1 ) 步进电机的应用 由于一般动圈式指示仪表存在抗振性能差、过载能力弱、指针易抖动等弱点， 而动磁式十字交叉机心也存在通用性差、一致性差的缺点，迫切需要一种一致性、 通用性、可靠性都高的驱动机一t l , ，就这样步进电机式汽车仪表才应运而生的。 步进电机式汽车仪表由微控制器完成各种被测物理量的采集，经过换算后直 接控制步进电机，再由步进电机驱动指针，从而在刻度盘上指示被测物理量，同 时还可以辅以被测物理量的l c d 显示。 车载仪表的控制主要是对两个步进电机的运动控制，在汽车行业，这种车载 仪表驱动电机又称为g a u g ed r i v e r ，是一种专用的步进电机，在工作原理上做 出技术创新，通过线包与磁钢问产生电磁转矩驱动指针工作形式。因此，这种电 机的控制驱动原理既和普通意义上的步进电机控制原理相似，但是也有些自己的 特点。另外，由于步进电机自身结构的特殊性，使得它很适合与数字电路相配和 进行具体的控制的。可以说它是与数字电路最为匹配的执行元件之一；用传统的 模拟控制的方式控制，不但控制电路复杂，而且也不能体现出步进电机数字化的 优势，所以步进电机的控制基本上都是采用数字化的控制驱动方式。随着大规模 浙江大学硕士学位论文 集成电路的发展，出现了越来越多的车载仪表驱动控制系统专用控制：卷片。 这种芯片现在基本上可以分为两大类：一种是类似m c u 功能的专用芯片，包 括具备控制电机的p w m 输出、有专用的l c d 驱动模块用于里程表的显示、相应端 口用于油位置显示等等，有的还自带c a n 总线驱动器。这种芯片功能比较完善， 人多自带电机驱动模块，因此使用起来方便，外围器件少，但是，其j 笛片价格较 贵，功能扩展受限制也是其最大的弊端。这种微处理器包括摩托罗拉公司的 m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 ，f u j jt s u 公司的m b 9 0 4 2 0 ，n e c 公司的u p d 7 8 0 8 2 8 等等“1 ，基于这 些芯j 的车载仪表控制系统目前都有科技工作者在研究，而且有的已经开发出产 品使用在各厂商的车辆一k ，国外这种汽车仪表的生产商主要是德国的v d o 公司和 美国的d e c o 公司。 2 ) c a n 总线技术的应用 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线最早是由德国b o s c h 公司推出的一种 用于解决汽车中众多的控制和测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据 通讯总线，可以有效支持分布式控制和实时控制。它广泛应用于离散控制领域， 其总线规则已经被制定为国际标准。随着汽车控制器的复杂程度越来越高，阻及 传统的串行通讯协议存在传送速度慢、可靠性差的弊端，c a n 总线在汽车应用中 得到越来越多的应用，作为汽车控制中必不可少的汽车仪表，必须要有与其他控 制器之间c a n 总线接口。新一代仪表输入的部分或者全部信号是是通过c a n 总线 传送的。对于c a n 信号的收发，可选择多种方式。种方法是使用独立的c a n 控制器，如p h i l ，i p s 公司的p c a 8 2 c 2 0 0 、s j a l 0 0 0 等等。另外一种实现方案是使 用集成c a n 的微处理器，加上一个c a n 收发器，如8 7 c 5 9 1 为核心处理器配合一 个高速c a n 收发器p c a 8 2 c 2 5 0 等。 基于上面的讨论可以很明显的得出如下的结论：整个车载仪表的研究可以集 中到车载仪表用步进电机驱动控制系统和基于c a n 总线的车载仪表控制两个独 立的方向来进行研究。只要基于这两个独立的研究方向的平台都经过实验验证运 行可靠后，最终只要选择一个能满足这两个方面功能的核心处理器即可完成整个 车载仪表驱动控制的研究。 本论文正是基于上面的这种思想，搭建了基于m c u 的指针式仪表用步进电机 驱动控制平畲和并且对基于c a n 总线的仪表通讯平台进行了研究和探讨。下面是 6 浙江大学硕士学位论文 关于本沦文的章 安排。 1 6 本论文章节安排 第一章序论。主要介绍了汽车仪表驱动控制系统，并且对车载仪表用步进电 机的驱动和基于c a n 总线的车载仪表两个模块进行了一定的介绍。 第二章对仪表用步进电机以欲驱动控制介绍，详细讨论了步进电机的驱动技 术和仪表电机专剧的f f l ) t c 。其中还简单介绍了汽车仪表的研究成果利未来的发 展方向。 第三章介缁了仪表用步进电机驱动控制平台。包括系统的硬件系统、软件流 程以及相关的功能实现。 第四章介纠了基于c a n 总线的通信系统相关理论。对基于c a n 总线的车载仪 表控制系统进行了初步的研究，荆述了构成系统的硬件设讨、软件设计。 第五章实验结果及前景展望。介绍了仪表用步进电机驱动控制平台的试验结 果和相关的应用。并且对未来的汽车仪表系统的发展进行了简单介绍a 浙江大学硕士学位论文 第二章车载仪表步进电机及其驱动原理 车载仪表驱动用步进电机工作原理和普通的步进电机也没有什么本质的区 别。因此，在讲述车载仪表用步进电机驱动技术前，先了解一下步进电机的最基 本的工作原理以及驱动原理，后面的章节将重点讲述用于车载仪表步进电机电流 细分驱动原理以及专用g d i c 工作原理。 2 1 步进电机简介 步进电机是微特电机的重要分支，是一种新型的电动机，是数字控制系统的 一种执行元件。它是将电脉冲信号转换成相应的角位移e ( 或线位移s ) 的变换 器，它的转速1 3 ( 或线速度v ) 与脉冲频率f 成正比。它可以用脉冲信号直接进行 开环定位控制，而无需位置或速度传感器，并且控制线路简单，使用方便、可靠。 步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起一 停，正反转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点。在自动控制系统或 者汽车电装产品中，常常需要有将数字信号转换为角位移或线位移的电磁装置， 步进电机的工作特点恰好符合此要求，可以说它是和现代数字控制技术结合的最 好的一类电机，很容易和其它数字器件进行接口。随着微处理器在数控技术中的 推广应用，步进电动机的发展前景正在步一步拓宽。因此，第四代汽车仪表驱 动电机大多选择了微型的步进电机。 可以说，步迸电动机天生就是一种离散运动的装置。由步迸电动机组成的步 进传动系统具有以下优点： 首先，步进电机是一种离散运动的执行装置，它和现代数字控制技术有着内 在的联系，很容易和其它数字器件进行接口。 其次，对于步进电机，位置误差无积累。 第三，步进电机可以位置开环方式进行控制，位置开环不需要任何位置反馈 环节，系统结构简单，不存在系统不稳定问题。 第四，采用永磁式或混合式步进电机，除停转期间消耗的电能较小外，它们 还具有记忆转矩功能，可以在停电的条件下将转子锁定在特定的位置上。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电动机( v r ) 、永磁式步进电动机 浙江大学硕士学位论文 ( p m ) 、混合式步进电动机( h b ) 和单相式步进电动机等。其中反应式步进屯 动机的转子磁路由软磁材料制成，定予上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生 转矩，反应式步迸电机一般为三相，可实现火转矩输出，步进角一般为1 5 。， 但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家8 0 年代已被淘汰，在国内的应用也亦 趋减少；永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7 5 。或 1 5 。，由于永磁式步迸电动机高精密性及其他一些方面的优势而被广泛应用于用 于打印机等办公自动化设备、医疗器械及舞台灯光等自动化控制系统、空调器等 家用电器和部分航空航天设备上；混合式步进电机又叫做感应孑式同步电动机， 它混合了永磁式和反应式的优点，而且效率很高。两相和五相为最常用的两种， 两相步迸角一般为1 8 。而五相步进角一般为o 7 2 。由于混和式步进电机可 以实现细分控制，因此应用最为广泛。 步进电动机和一般交、直流电动机不一样，后者的电源常常是一个标准的交 流或者直流电源，只要电压等级和容量与电机额定参数相符，电机基本上就有确 定的性能。步进电动机的电源，在许多情况下是一个直流开关电源。步进电动机 的性能很大程度上依赖于驱动电源的特性，因此讨论步进电机的驱动原理及其驱 动方式就显得尤为重要。 2 2 步进电机的驱动原理 步进电机的传统的驱动方式通常有恒电压驱动，高低压驱动，调频调压驱动 和斩波驱动等几种，分别简单的介绍如下： 2 2 1 恒电压驱动 恒电压驱动方式是指步进电动机绕组上加上恒定的电压，见图2 - 1 。这种驱 动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数t 。= 乞r o ( l o 为绕组 的等效电感，b 为绕组的等效电阻) 上升，直到稳定状态。当电动机高速运行 时，流经绕组的电流还未上升到稳定状态就被关断，相应的平均电流减少而导致 输出转矩下降。为改善高速状态的电动机转矩特性，通常在连接电动机绕组的线 路中串联一令无感电阻，并外加更高的电压。但是这样使电源的效率大大降低并 且带来散热方面的麻烦。所以这种电路一般只用于小功率的伺服步进电动机的驱 一塑堡签竺堡圭篓垡堡壅 动中。 2 2 2 高低压驱动 高低压驱动方式是恒电压驱动方式的改进型，它使用两种电压电源，即步进 电动机额定电压和比它高几倍的电源电压，见图2 2 。这样能改善电动机起动时 的电流前沿特性。当相绕组导通时，高压功率管与低压功率管同时导通，此时加 到绕组上的电压为高端电压，上升电流具有较陡峭的前沿特性。当电流上升到额 定值时，控制高压功率管关闭，只剩下低压功率管继续导通以维持相电流。这种 功率常用于大功率驱动电源，其特点是功耗较低，高频出力较大。 线圈l 的等效电路 图2 - 1 恒压驱动图2 - 2 高低电压驱动 2 2 3 调频调压驱动 这是一种电机绕组上的电压随工作频率而变化的驱动方式，见图2 - 3 。即低 频时用低压驱动，高频时用高压驱动。电压根据频率而交，既可提高高频输出， 又能避免低频可能出现的振荡。与一般驱动电路相比，这种驱动电路增加了比较 电路和调压电路。调压电路输出的电压高低由比较器的输出控制，而比较器的输 出又由积分器的输出与锯齿波发生器的比较结果决定。因此，当控制步进电机动 作的频率变化时，积分器的输出和比较器的输出都跟着改变，从而达到改变调压 器输出的目的。 以上三种驱动方式都是以绕组电压为控制对象，目前采用电流而不是电压作 为独立变量的传动控制的优点已经得到了越来越多专家学者的认可。这是因为大 部分电气设备所使用的交流变频电源要求其电流值幅值近乎不变，这类变频器供 电的同步电动机具有特别的优点，在固定的速度范围内电动机提供的转矩不变， 对于交流电动机，起主导作用的是定子电流的波形，而不是加在绕组上的电压波 1 0 瞪 浙江大学硕士学位论文 图2 3 变频变压驱动原理框图 形，把电动机的瞬时电流作为主要的控制目标之后不管电动机工作在什么状态， 是电动还是发电，或者是象步进电动机工作在静止不动的定位状态，只要对电流 的控制是成功的，电动机的定子旋转磁动势就会按照工作过程的实际需要达到指 定的位置。在传统的驱动方式中，符合这个要求的是第四种斩波驱动方式。 2 2 4 斩波驱动 斩波驱动方式又称为恒电流驱动方式。它是一秽供电电压比电机额定电压高 得多而采用斩波方式使电机绕组电流从低速到高速运行范围内保持电流恒定的 一一种驱动方式。它弥补了高低压电路相电流波形有凹点的缺陷，提高了输出转矩。 它是目蔚控笨g 场合使用最为广泛约一种驱动方式。下面用一个例子来加以说明其 工作原理。 图2 - 4 所示出的恒流斩波电路中，需要一个电压比较器。当开关功率晶体管 v i 导通时，电流流绎电动机绕组乞，在采样电阻墨 2 f b ) 。 卜一卜叫 一t f ：救， 图2 - 9基一卅a d c 组成框图 1 调制器数学模型 如图2 - 】0 所示为调制器的组成框图。其中i 位a d 的量化器由比较器构成， 检测出差值积分后的正负转换成二进制位流。转换过程中会产生基于转换精度的 量化误差( 1 2 l s b ) ，它是分布在整个频域范围内的白噪音。 a ，d 转揪p 键化簿 图2 1 0 调制器数学模型 调制器的离散描述如图2 1 1 所示： 乡 浙江大学硕士学位论文 图2 - i1 调制器离散性描述图 积分器在z 域由具有如下传递函数的累加器构成 日2 专 系统的z 域描述如下： y ( 二) = 百x o ) + 南e ( 二) = o ) + ( 1 一二- i ) 豆( 二) 输入信号无损地传到输出端w ( z ) = 1 。量化噪声的传递函数n ( z ) = t z ， 对应于频域的一阶高通滤波器( h p i ) ，传输特性如图2 - 1 2 ( h p l 线) ： 噪声传输特性图如图2 - 1 2 ，其中h p 2 线是二阶系统的噪声传输特性，当采 用二阶以上系统时，通带内的量化嗓声已基本滤除，噪声被转移到我们关心的频 带以外，将通过数字滤波去除。 把敞 图2 1 2 噪声传输特性图 2 过采样对量化噪声的影响 奈奎斯特采样时量化噪声的能谱密度为 浙江大学硕士学位论文 十a 2 s z ( ，) = 寺r 1 e 2 d e = 爵 一2 其中为量化步长，f a 为模拟信号经抗混叠低通滤波后的通带频率( = 奈奎 斯特频率) 。通带范围内，噪声电压的有效值为西。采样原理图如图2 1 3 。 f 癍 廿化；啦 f p = f a f af s 2 警个衔4 l 瓠! 薯f s ( 最“蓦蠢? 瞽) 图2 - 1 3 带模拟低通滤波器采样原理图 当以k f s 的采样速率进行过采样时，奈奎斯特频率增至k f s 2 ，量化噪声位 于o l 2 k f s 之间，其有效值降为原来的1 i ，调制器将噪声转移到f s 2 至 k f s 2 之间，这部分噪声由数字低通滤波滤除，其工作原理框图见图2 一1 4 。 浙江大学硕十学位论文 飞f 图2 - 1 4 带模拟低嬗及数罕班g 坡器米样原理削 3 信噪比以及转换精度 通过醵上分析，可知提高调制器的阶数( n ) 和过采样率( o s r ) 均可提赢系 统的信噪比s n r 。 。5 t q r = 1 0l g ( 篆掣) 船+ ( 2 + 1 ) 1 0l g ( o s r ) d b b 位a d c 的理想信噪比( 动态范围o r ) 可用如下方式求得 信号功率 尸s ：牛= 卫掣 噪声信号功率( 白噪声) p a 。一以= 簪 信噪比 s n r 。，= l ot o g ( 等) = b 6 、0 2 d b + i 7 6d b 由以上关罨可以得到如图2 1 5 所示： 浙江大学硕士学位论文 1 6 0 d r 1 2 0 d b 8 0 4 0 o 亳拇 f 氏。 ，彳6 0 形 v ， , ， 1 么髟 一 丝二一 ， n = o b 2 4 2 0 王6 王2 8 b i t 41 66 42 5 61 0 2 4 0 s r 图2 一1 5 信噪比以及精度转换关联图 由上图表可知，8 位a d c 的理想信噪比大致为4 5 d b ，采用一阶调制器实现需 要大于6 4 的过采样率。实现1 2 位精度需要大于3 8 0 的过采样率，1 6 位需大于 2 4 1 5 。 2 5 3 算法实现 1 硬件原理图 如图2 一1 6 所示为一阶一4a d c 原理图，该种方案由于相对于被测信号量 化，被测信号即为比较基准，被测信号和基准之间无电压差，其积分为零故只 对反馈信号求积。c 点的信号围绕v i n 上下变化，完成_ 一z la d c 差值( d ) 和积分( ) 的作用，实现比较巧妙，完全符合阶一彳模型。输入信号端加 一电阻电容，形成一阶r c 低通滤波器，滤除高频杂散信号，有抗混叠滤波的作 用，同时也可补偿比较器的失调溟差。 图示电路，采样频率5 0 0 k t l z ( 2 0 心采样一次) ，过采样率0 s r = 2 5 6 6 4 ，输出 数据速率1 9 5 k 1 4 z ，采用一级2 5 6 阶梳状滤波后完全可满足8 位精度的要求n 另外，这种电路形式对信号源的输入阻抗没有要求因而可达到更高的精度。 堑堡茎兰堡主兰竺笙塞 v 2 软件实现 程序框图为 图2 1 6 阶一彳a d c 原理图 图2 1 78 位一a d c 实现原理流程框图 反电势立过a d 变换后存放于专用的寄存器，作为检测步进电机转予位置算 浙江大学硕士学位论文 法的一个偏移量，通过芯片内部的相关硬件电路算法，从而实现用户对当前步进 电机位置的精确检测。 2 6 电机驱动机理 电机是通过状态机操作原理进行微步化的，电机在正常运行中都是通过微步 方式旋转的。只有电机在归零指令的操作中，才以整步的方式旋转，就像上节中 讲的那样，此时可以通过反电势的检测来判断电机是否归零。下面将详细介绍电 机微步化的过程和电机运动方程的推导过程。 2 6 1 状态机操作原理 状态机操作详细定义了两相步进电机的最大转速，加速度和减速度。这样就 可保证步迸电机状态机以最大运 亍状态去驱动电机并保持在电机的速度和加速 度的限制范围内。 接收到指令后，电机按固定加速度至速度最大值然后减速并停止在期望的位 置。在减速玢段，电机不能超过最大减速度。状态机必须确保减速阶段在合适的 时间或位置开始。 在正常运行情况下，两个步进电机的转子被微步化为每转过电角度圆周要 2 4 微步，详细微步化框图见图2 一j & 。其中7 腿x 是电机最大电：；j ； ，既是整步时工 作电流。电机的细分是出在芯片内部的一个第二级的更小的状态机来控制的，电 机是通过在间隔时刻提供索引命令进行分步的，命令可以是顺时针或者逆时针的 旋转，芯片在接收到命令后会根据具 本灼烤况调整每个线圈的i 流使电机以预定 的方式旋转。 两步之间的时间间隔决定了电机的转速，时问的变化快慢决定电机的加速 度。状态机用一个袤揍来定义每步所允许的射蒯。包括了最大速度，表格的一个 额外有用之处在于，它同样允许直接决定位置的速度，此速度必须降至电机能够 停止在期望的位置上。 浙江大学硕士学位论文 ，；x + i co i l 0 一 l i m x + i c o l l0 一 i m l o 图2 1 8 电机整步的微步化 2 6 2 电机运动方程式 电机的运动方程式的产生如下： 位置的单位是步( s t e p s ) ，速度和加速度的单位分别是步秒( s t e p s s e c o n d ) 和步秒2 ( s t e p s s 2 ) 位置0 为初始位置及初速度为u ，电机的在时刻t 时位置s 为： 1 s = u t + 一1a t 2 2 单位是步，每步之间的时间是： 一，+ ，2 十2 a j f = 一 a 这定义了电机开始以速度u 运行时的每步之间的时间增量。在r o m 中，这 个时间通过四舍五入计算量化为系统时钟的倍数，以确保加速度不会超过允许 值。实际的速度和加速度由实际用的步距时间来计算的。 v 2 2u 2 牟2 a s 和v = u a t 根据给出的u ，s 和t 为条件解出v ： 2 v _ 了_ u 塑巡堡主兰壁垒苎 这个公式用到的t 的正确数值是由上面得到的一个量化数值。 当电机正在从停止到最大速度的加速中，从这些等式中可以得出一系列递归 方程，以在电机索引之间给出允许的步距时闻。 位置p 从0 ，r 始，速度v 为0 ，这些方程式定义了在每个位避每步之问的时 间问隔。为驱动电机运行在最大运行状态，在这些时间间隔里索引命令被送给电 机。 在一个索引位置n 上，一个表格会生成以给出步距时问差彳t 。 p o = o v o = - 0 鸲= f 苹 2 “- - v n _ 1 p n 2 n 这个意思是：在第r l 步，电机会被n 个位置寻址，并被稳定加速到最大允许 速度。这是非常重要的，因为它同样表示当电机减速至停止时必须运行的最小距 离。也就是说，停机g e 离也等于当前的1 1 值。 驱动电机的算法相似如下i 当电机停止时，等待直到收到一个指令。 根据在上表中的问隔步距数值，在持续加速速度值上持续送索引脉冲到电 机直至： 到达最大速度，在这点上，时间间隔停止减小。 或者， 仍需要运行的距离小于索引表中的当前距离。在这点上，停止距离等于仍 留下运行的距离，为确保电机停止在指定的位置上，电机必须开始减速。 入五舍四 一环 表 _lp。，l 中其 ，lft_-i，_ll 浙江又学硕士学位论文 第三章基于m c 3 3 9 9 1 车载仪表用步进电 机控制平台的研制 3 1 引言 根据本论文第一章序论中可知，车载转速仪表是向驾驶员提供发动机动力系 统乃至整车的工作状况参数的最重要的仪表之一，原来的汽车仪表，驱动方式根 据不同的应用场合也有所区别。比如传统的发动极转速表中，大多是通过一根连 接在发动机输出轴和指针仪表齿轮上的软轴带动指针仪表运动的：还有一种仪表 是利用流过电磁线圈电流的大小来带动指针的偏转。相对来说，机械齿轮传动的 仪表传动准确，比较灵敏。但是宙于自身的祝棱蘑损，稳定性很差，丙且维修起 来非常不方便，现在已经逐渐的淡出人们的视线，只有的小排量的摩托车上还在 继续使用。电磁式仪表太灵敏很容易受干扰，限制了其应用。而且上述两种仪表 都存在一个共同的缺点，就是可控性很差，都是开环系统，不雒实现精确的数字 控制，特别是现代汽车仪表，要求车载仪表与整车的中央控制系统以及其他的各 控制单元有很好接口和通讯，及时的将各种信息反馈给驾驶员。显然，上述的两 种仪表功能在这方面显得捉襟见尉。 正是基于此，控制灵括、应用方便的步进电机控制指针式仪表的研究得到了 大力的推广，步进电机控制指针式仪表的发展也如火如荼。 车载仪表的控制系统主要分为两个部分，首先就是仪表用步进屯祝的驱动控 制系统的研发：其次，就是车载仪表系统通过c a n 总线和整车中央控制系统进行 通信，及时的接收或者反馈数据给中央控制系统，从而在面板上实现相关的操作。 本章内容主要是基于g d i c 的指针式仪表用步迸电机驱动控芾# 平台豹研制的论 述，其功能就是基于g d i c 设计出能完成模拟符合车用仪表时的各种运动，还能 对使用的电机进行检验和考核。 下面节首先对所使用的具体的步迸电机进行介绍。 浙江大学硕士学位论文 3 2 步进电机参数 汽车仪表用步进电机在国外有相应的标准和规范，笔者研究的步进电机符合 m m t 规范要求，是由国际知名的步进电机以及驱动器生产厂家s o n c e b o z 公司生 产的，具体型号是a f i c6 4 0 5 r 4 0 1 。目前这种电机也已经有不少厂家正在研制。 表3 是此步进电机的具体参数。 表3 步进电机参数表 额定电压 5 v 电搓范围： 4 5 q 5 v 线圈电阻2 2 7 欧姆转子步进角( 撼步)1 8 度 相电流( 每相) 2 2 m a转子每转步数2 0 输入电功率( 两相) 2 2 0 m w 输出轴上每步转角 0 5 度 线圈电感 5 5 m h 齿轮比 1 ：3 6 通电时保持转矩 3 6 m n m空载最大起停速度1 5 0 度秒 不通电时保持转矩 0 4 m n 1 3 2 空载最大输出速度8 0 0 度，秒 每秒2 0 0 度时动态转矩 1 2 m n m空载最火加速度1 3 0 0 0 度秒平方 每秒4 0 0 度时动态转矩 0 8 m n m6 微步时每步转角o 0 8 3 度 每秒1 0 0 度时噪声 3 0 d b输出轴滞后角 0 6 度 每秒2 0 0 度时噪声 3 5 d b输出轴上径向力 1 2 n 每秒4 0 0 度时噪声 4 0 d b产品重 7 9 输出轴上轴向力 1 0 0 n 3 3 控制平台的要求和功能 3 3 ，1 电源 输入电压：交流2 2 0 v 输入 输出+ 5 v 稳压的( 带7 8 0 5 ) 的电源，有1 0 0 m a 以上的电流容量 输出o v 1 2 v 可调的直流稳压电源，最大5 0 0 m a 电流容量，给电机供电。 3 3 2 通讯协议 m c u 与m c 3 3 9 9 t 采用同步串行通讯( s p i ) 协议，m c u 最好预留c a n 总线接f i l ， 以便于系统的扩充。 3 3 3 系统初始化 系统上鱼后会在液晶上显示“电机复位中”，在此期间，系统是不响应键 盘输入的。上电复位后，液晶显示当前的工作状态。 3 4 新江大学硕士学位论文 系统断电时，蜂呜器会长鸣一声以提示。 3 3 4 面板及键盘 面板上至少包括9 个功能键和一个总电源开关，功能键包括8 个运动模式键 和电机停止( s t o p ) 键。电机只有处在停机状态下，模式按键才有效的。一旦响 应了一个模式按键，其他模式就不再响应，此时只有停机键可以响应。 有效按键响应蜂呜器呜叫一声以做提示。 3 3 5 工作模式描述： 其中各种模式下电压可调，电机以6 微步运行。 模式：以每秒1 0 0 度的速度从零位至挡位销再反向至零位，如此一个循环， 做这种循环不止，直到人来按s t o p 键 模式二：以每秒2 0 0 度的速度从零位至挡位销再反向至零位，如此一个循环， 做这种循环不止，直到人来按s t o p 键 模式三：以每秒4 0 0 度的速度从零位至挡位销再反向至零位，如此个循环， 做这种循环不止，直到人来按s t o p 键 模式四：从零开始以每秒4 0 0 度速走3 0 度，停几个脉冲再以同样速度前进 3 0 度一直到挡位销，然后以同样方式回到零，如此完成一个循环，如此循环工 作到人按s t o p 键。 模式五：从零开始以每秒4 0 0 度速走至半全量程，停几个脉冲，然后以同 样速度走到挡位销，按同样方式回到零，作为一个循环，如此循环直到人按s t o p 键。 模式六：从零开始以每秒4 0 0 度速走3 0 度，再以每秒1 0 0 度走3 0 度作为一 个节拍，以次节拍工作直到挡位销，回来也是这样，如此循环直到人按s t o p 键。 模式七：从零开始，以最大速度走一半全量程，再以每秒2 0 0 度速度走完全 程，回来也一样，完成一个循环，如此循环直到人按s t o p 键。 模式八：完成从( 1 ) 至( 7 ) 中每一个循环，作为一个大循环，不断作大循 环直到人按s t o p 键。 3 3 6 液晶显示 液晶第一行是状态栏，显示当前电机的工作状态和运行模式及运行方式。第 二行是速度豆示，显示当前模式的速度，单位为：度秒。第三行在按停机键以 浙江大学硕十学位论文 后，到电机最后归零位以前显示提示“电机停机中”，且此时模式按键无效 电机归零后模式按键有效。 液晶背光的亮度可以通过