CN101635551A - 无齿轮步进电机在仪表应用上的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无齿轮步进电机在仪表应用上的控制方法，所述方法首先建立微步驱动电流波形图，接着根据微步驱动电流波形图中的电流值计算出对应的电流矢量，然后采用脉宽调制(PWM)波模拟出各个电流矢量，最后采用定时器按所需时间间隔触发不同占空比的PWM波去驱动指针，其中，对指针的驱动过程按照速度大小划分为若干个阶段，对应每一阶段采用不同的电流矢量来控制仪表指针的加速或减速。本发明具有指针运行平滑，无噪音和成本较低的优点。

Description

无齿轮步进电机在仪表应用上的控制方法

技术领域

本发明涉及一种采用无齿轮步进电机作为仪表指针的控制和驱动方法，具体地说，本发明是关于各类指针式指示仪表的指针驱动的控制方法。

背景技术

传统的仪表中，一般采用机械式或十字线圈来带动指针指示到所需位置。这类驱动方式通常比机械结构复杂，加工难度高，指示精度和稳定性较差，而且指示分辨率很低。因而，在表盘另需设置挡针保证零位位置，这样，便增加了生产成本和工艺难度。随着技术发展，开始出现带齿轮的步进电机用作指针驱动。这类电机由内部齿轮传动去驱动指针，从而提高了分辨率。但是由于内部存在齿轮结构，导致电机运行时噪音较大，而无齿轮步进电机内部没有齿轮结构，这样不光有效消除了电机运行时的噪音，而且制造成本较低，运行平滑，十分适合应用在各类仪表的指针驱动。

通常步进电机的驱动方式有两种，包括分步方式和微步方式。分步方式步距角大，力矩小，而且应用于仪表上时，指针运行不平滑，且噪音较大。为了达到较好的运行效果，一般采用微步方式驱动无齿轮步进电机。

微步方式驱动步进电机所需信号由PWM(脉宽调制)驱动模块提供。可选择单片机自带的PWM模块或是采用集成驱动芯片，本发明涉及的各类控制方式都是基于单片机自带的PWM模块。通过图1可以看到当PWM信号改变时，电机线圈就会产生不同的电流值，从而实现步进电机的微步运行。

发明内容

综上所述，如何控制仪表上的表头指针驱动，乃是本发明所要解决的技术问题，为此，本发明的目的在于提供一种无齿轮步进电机在仪表应用上的控制方法。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种无齿轮步进电机在仪表应用上的控制方法，包括步骤：S1、建立微步驱动电流波形图；S2、根据微步驱动电流波形图中的电流值计算出对应的电流矢量；S3、采用PWM波模拟出各个电流矢量；S4、采用定时器按所需时间间隔触发不同占空比的PWM波去驱动所述仪表指针。

进一步，步骤S4对仪表指针的驱动过程按照速度大小划分为若干个阶段，对应每一阶段采用不同的电流矢量来控制仪表指针的加速或减速。

进一步，对指针的驱动过程，最终把指针稳定运行在600rad/s的转速。

本发明的优点是：指针运行平滑，无噪音，成本较低。

附图说明

图1为通过PWM模块改变电流值的原理示意图。

图2为本发明的一个实施例的驱动波形示意图。

图3为不同指针的当前速度F₀和下一速度Fi的关系图。

具体实施方式

本发明所涉及的电机是一种精密步进电机，内部为无齿轮结构，通过内部磁场产生精确力矩，带动电机精确运做，从而实现仪表指针的控制和驱动。该电机在仪表中的工作方式如下：

初次上电，采用分步回零方式，回零角度为300度，回零速度快；

点火后，采用分步回零方式，回零角度为10-20度，回零速度快；

平时运转，PWM微步方式走步，最小走部为1/13度，走部非常平滑；

熄火后，PWM微步方式回零。

下面根据图2～图3给出本发明一个较佳实施例，并予以详细描述，使本领域的技术人员更易于理解本发明的方法特征，而不是用来限定本发明的范围。

本实施例采用24微步驱动方式，也就是每个步距角内步进电机运行24微步，则每一个微步为a/24°，其中a为步距角。同理也可以采用48微步或96微步驱动。微步细分越多，则每一步角度越小，指针运行越平滑。其中要说明的是24微步是由无齿轮步进电机的磁钢来决定的。磁钢越多微步数就越多，制造工艺要求也就越难。

本发明的方法首先建立微步驱动电流波形图(如图2)，接着根据微步驱动电流图中的电流值计算出对应的电流矢量(见表1)，然后采用PWM波模拟出各个电流矢量，最后采用定时器按所需时间间隔触发不同占空比的PWM波去驱动仪表指针。其中，对仪表指针的驱动过程按照速度大小划分为若干个阶段，对应每一阶段采用不同的电流矢量来控制仪表指针的加速或减速。

图2是24微步驱动方式的电流波形图，纵轴Icoil代表电流矢量的大小，横轴time代表时间，通过控制电压或者PWM波的大小，可以改变电流矢量，从而改变力矩，实现加速或减速，其中，力矩与速度成反比。该步进电机具有两组线圈，图中的两条曲线分别对应该两组线圈所产生的电流波形。以左边一条波形曲线为例，采用步进电机以微步方式驱动仪表指针的过程按照速度区间可被分为几个阶段，图中以PM、P1、P2、...、P5标出，且对应每一阶段采用不同的加速率来控制仪表指针加速或减速的快慢，具体的电流计算公式及数值可参见表1。初始状态PM的电流为最大值，等于峰值电流Imax，其余每个阶段所对应的电流大小可根据表1所列的电流公式计算。采用PWM波模拟出根据表1计算得出的各个电流点就可实现电机的24微步驱动。在仪表的具体应用中可采用定时器根据所需的时间间隔发动不同占空比的PWM波实现指针的驱动。

表1

	峰值电流Imax	13.5
			脉冲序号	电流大小[mA]
PM	I＝Imax	13.500
			P1	I＝Imax＊0.866	11.691
P2	I＝Imax＊0.967	13.055
			P3	I＝Imax＊(0.764-0.0083＊Imax)	8.801
P4	I＝Imax＊(0.0012＊Imax＊Imax-0.052＊Imax+0.88)	5.355
			P5	I＝Imax＊(0.0015＊Imax＊Imax-0.05＊Imax+0.6)	2.678

在仪表应用中，指针需要以较高速度运行，为了达到好的运行效果，需要给指针一个加速过程。加速不当会造成指针运行不稳定，产生失步的现象。下面的例程演示了步进电机从0rad/s加速到550rad/s的一个基本的加速过程。

void acc_high_speed(void)//acc_rate-＝278is max

{

T1_temp＝278；

if(T1_temp＞63452)//speed＞200

{

acc_rate＝21；

}

if(T1_temp＞64147)//speed＞300

{

acc_rate＝11；

}

if(T1_temp＞64494)//speed＞400

{

acc_rate＝3；

}

if(T1_temp＞64702)//speed＞500

{

acc_rate＝1；

}

if(T1_temp＞64778)//speed＞550

{

acc_rate＝1；

}

其中，每次计时器中断后加更新T1计时器的值，从而实现加速。

在程序中，设置了加速率和速度，加速率表示单位时间内增加的速度，速度用数值表示，当速度达到某一定的值后，加速率就随之发生改变，从而达到先快后慢，或者先慢后快的加速效果。这样一来也就能很好地避免步进电机失步的问题。

由上面的程序可以看出，从500rad/s加速到550rad/s，中间分76次加速实现；从400rad/s加速到500rad/s由70次加速实现。

另外，由于指针的转动惯量不同，根据不同的指针需要不同的加速过程。

图3为不同指针的Fi，Fo关系图，图中的五条曲线及相应的曲线公式分别对应了五种不同的指针。图中，Fo表示当前速度，Fi表示下一速度。根据Fi，Fo之间的关系，最终可把指针稳定运行在600rad/s的高速。

Claims (3)

1.一种无齿轮步进电机在仪表应用上的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1、建立微步驱动电流波形图；

S2、根据微步驱动电流波形图中的电流值计算出对应的电流矢量；

S3、采用脉宽调制波模拟出各个电流矢量；

S4、采用定时器按所需时间间隔触发不同占空比的脉宽调制波去驱动所述仪表指针。

2.根据权利要求1所述的无齿轮步进电机在仪表应用上的控制方法，其特征在于，步骤S4对仪表指针的驱动过程按照速度大小划分为若干个阶段，对应每一阶段采用不同的电流矢量来控制仪表指针的加速或减速。

3.根据权利要求1所述的无齿轮步进电机在仪表应用上的控制方法，其特征在于，对指针的驱动过程，最终把指针稳定运行在600rad/s的转速。

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