CN102843082A - 一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法 - Google Patents

Abstract

一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，首先根据汽车仪表应用的最小细分粒度需求设计步进电机线圈电流正弦规律变化的细分控制表，通过调节控制表索引步距实现对底层步进电机的细分控制；在指针调度控制上，以可变长时间槽的形式划分调度周期对指针进行分时段控制，设计指针在单个调度周期内的转动方式为加速启动、匀速运转、减速停止、惯性消止四个阶段。通过在转动角速度控制、指针位置更新、线圈电流调节步距、运转调度周期时长、启动加速度、停止减速度、惯性消止时间上进行设计，实现了汽车仪表盘各个指针的平稳启动和停止，实现对快速变化信息的迅速响应以及对缓慢变化信息的平滑反映，可以快速启动和平稳停止且在低速运转时无抖动。

Description

一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法

技术领域

本发明属于汽车电子技术领域，更具体的说是一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法。

背景技术

现代汽车仪表盘普遍采用步进电机带动指针进行转速、车速、水温和油量信息的指示，步进电机以脉冲方式控制指针的转动，脉冲个数与指针转动角度成正比，脉冲频率与指针转动速度成正比，克服了传统机械指针无法精确度量指针转动角度、寿命低、维护不方便等缺点。但由于步进电机存在最小步距角的限制，且没有位置反馈，很容易出现抖动、过冲、失步、信息指示不准确一系列问题。而且由于汽车仪表盘不同指针指示信息的变化方式不同，对指针的运转控制有不同的要求，快速变化时需要指针有很快的响应速度，同时避免出现过冲现象，缓慢变化时需要给人很好的低速平滑体验，避免产生抖动，反方向变化时需要有平稳的停止过程，避免对步进电机和指针的冲击损坏，所以需要针对汽车仪表步进电机及其指针采用灵活的控制方式。

中国发明专利：步进电机平滑驱动三相正弦波电流信号产生方法及电路（申请号：200810141569.4），描述了建立标准正弦波电流数值表的方法，以及电机驱动电流信号产生电路的设计。

中国发明专利：全数字细分型高精度步进电机控制器（申请号：03129924.5），描述了通过存储步进电机定子两相绕组中电流变化波形数据，根据外部信号设置细分精度的方法。

以上两项专利均采用细分技术控制指针的驱动电流，通过步距角的细分控制步进电机定子线圈的平缓电流变化，从而在一定程度上实现了平稳转动和抖动消除。

中国发明专利：一种步进电机加减速的控制方法（申请号：201010284512.7），描述了控制步进电机加减速的指数函数的建立和编程设计，加减速技术可以在一定程度上实现指针的平稳启动和停止。

细分技术和加减速控制技术是步进电机的底层控制技术，着重在微观的层面上对步进电机的单步和单段控制，不涉及长时间跨度上的步进电机连续控制，仅仅是步进电机整体控制技术的一部分。需要在底层控制技术的基础上进一步设计自适应控制算法，以保证步进电机式汽车仪表盘各个指针在整个工作时间段内、各种工况下的平稳运转。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，从而实现汽车仪表盘各个指针的平稳启动和停止，平滑无抖动的快速或低速运转。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，以可变长时间槽的形式划分指针调度周期，设计指针在调度周期内的转动过程为加速启动、匀速运转、减速停止、惯性消止四个阶段，根据指针信息的不同变化方式，自适应控制步进电机及指针的平稳加减速和匀速运转过程，主要包含以下工作步骤：

步骤一：自适应调度：调度周期开始，指针去抖，根据指针变化量计算调度周期内步进电机最大角速度、加速度、补偿时间，设定本次调度周期的时长，进入步骤二；

步骤二：判断线圈电流调节周期定时是否到达，如果是就进入步骤三，如果未到达就等待线圈电流调节周期定时到达；

步骤三：指针转动过程跳转控制；

步骤四：转动角速度控制：实现对步进电机及指针转动角速度的计算；

步骤五：指针位置更新：实现对指针微小转动角度的量化计算和调节；

步骤六：步进电机细分控制：实现对步进电机线圈电流变化细分粒度的控制；

步骤七：判断调度周期是否到，如果是就返回步骤一，如果否就返回步骤二。

在步进电机细分控制算法的设计中，根据汽车仪表应用的最小细分粒度需求设计步进电机线圈电流正弦规律变化的细分控制表，表格大小与细分粒度成反比关系；设定固定的线圈电流调节周期T，周期性地查表选择线圈电流控制值，通过控制表条目的跳转，步进电机各个线圈电流以可调相位差的正弦形式平稳变化，步进电机转子磁场方向以圆周形式旋转变化，一个完整的细分控制表对应步进电机线圈矢量360度运转一周；通过线圈电流控制表的细分实现了对步进电机运转步距的细分，实现了对步进电机旋转角度的统计计算，同时避免了由于线圈电流突变造成的指针抖动；

步进电机的最小步距细分粒度G为控制表条目索引增量为1时线圈电流变化引起的指针转动角度，根据表格条目数N和所选择步进电机的减速比R计算，计算公式如下：

最小步距细分粒度G=((360/R)/N)degree                            (1-1)。

在转动角速度控制算法的设计中，以固定的线圈电流调节周期T为周期进行转动角速度的计算，根据所处的加速、匀速、减速过程的不同阶段，计算转动角速度V。

转动角速度控制算法的具体步骤如下：

步骤一：指针最大角速度为Vmax，加速度为a，线圈电流调节周期为T；

步骤二：判断线圈电流调节周期定时是否到，如果是就进入步骤三，如果未到就等待线圈电流调节周期定时到达；

步骤三：判断指针是否是加速过程，如果是就进入步骤四，如果不是就进入步骤八；

步骤四：计算速度增量=T*a；

步骤五：判断当前速度与速度增量之和是否大于等于Vmax，如果是就进入步骤六，如果否就进入步骤七；

步骤六：设定最新速度为Vmax；返回步骤二；

步骤七：设定最新速度=当前速度+速度增量；

步骤八：判断是否是减速过程；如果是就进入步骤九；如果否就进入步骤十；

步骤九：计算速度减量=T*a，进入步骤十一；

步骤十：速度不变；

步骤十一：判断当前速度是否小于速度减量；如果是就进入步骤十二，如果否就进入步骤十三；

步骤十二：最新速度=0；

步骤十三：最新速度=当前速度-速度减量；返回步骤二。

在指针位置更新算法的设计中，将指针位置单位量化为(1/65536)degree，指针位置P=角度*65536，这样便可以精确计量每次线圈电流调节引起的旋转角度变化。单位指针位置比最小步距细分粒度一般小一到两个数量级并成倍数关系，假设单位指针位置与最小步距细分粒度的倍数关系为M，在零点位置的基础上，指针位置P与控制表条目索引I的关系为：

I=(P/M)％N                                            (1-2)

根据转动过程计算转动速度，根据转动速度更新指针位置，通过指针位置计算线圈电流控制表条目索引，避免了直接通过角速度计算控制表索引步距带来的累积误差。

指针位置更新算法的具体工作步骤为：

步骤1，线圈电流调节周期为T；

步骤2，判断线圈电流调节周期定时是否到，如果是就进入步骤3；如果未到就等待线圈电流调节周期定时到达；

步骤3，转动速度控制，最新速度为V；

步骤4，判断指针坐标位置是否大于当前位置；如果是就进入步骤5；如果否就进入步骤6；

步骤5，指针位置增量D=V*T*65536；进入步骤7；

步骤6，指针位置减量D=V*T*65536；进入步骤8；

步骤7，最新位置=当前位置+D；进入步骤11；

步骤8，判断当前位置是否小于D；如果是就进入步骤10；如果否就进入步骤9；

步骤9，最新位置=当前位置-D；进入步骤11；

步骤10，最新位置=0，指针回到零点；进入步骤11；

步骤11，根据最新位置计算控制条目索引；返回步骤2。

在自适应调度算法的设计中，以可变长时间槽的形式划分调度周期，时间槽长度为标称调度周期+补偿时间。指针在每段时间槽内的转动方式为加速启动、匀速运转、减速停止、惯性消止四个阶段，匀速运转阶段的角速度为时间槽内的最大角速度，加速启动与减速停止阶段的加速度相同，持续时间相同，转动距离也相同，惯性消止为指针减速到0后的一段时间，用于指针消除振荡，一般设定在5-20ms。

在时间槽的起点，指针以设定的加速度从零开始加速，加速到设定的最大角速度后，保持匀速运转，当剩余距离等于加速阶段距离时开始减速，减速到速度为0后，预留一定的惯性消止时间让指针有一定的时间来消除振荡，在时间槽的终点，指针停止在时间槽起点时指针实时信息对应的目标位置。

在自适应调度算法中设计指针去抖功能，在每次调度周期时间槽开始时，计算位置变化量，如果变化量小于所设定的阈值，则本次调度周期不执行对步进电机的运转过程控制。

自适应调度算法的具体步骤为：

步骤（1）：调度周期开始，设定标称调度周期；

步骤（2）：计算指针目标位置及位置变化；

步骤（3）：判断位置变化是否大于去抖阈值，如果是就进入步骤（4），如果否就进入步骤（14）；

步骤（4）：计算调度周期内的步进电机最大角速度；

步骤（5）：判断最大角速度是否小于阈值；如果是就进入步骤（6）；如果否就进入步骤（15）；

步骤（6）：计算加速度、惯性消止时间和补偿时间；

步骤（7）：设定调度周期时槽长度；

步骤（8）：加速启动过程；

步骤（9）：判断指针角速度是否大于等于最大角速度，如果是就进入步骤（10），如果否就返回步骤（8）；

步骤（10）：匀速运转过程；

步骤（11）：判断剩余距离是否小于等于加速距离；如果是就进入步骤（12）；如果否就返回步骤（10）；

步骤（12）：减速停止过程；

步骤（13）：判断指针速度是否等于0，如果是就进入步骤（16）；如果否就返回步骤（12）；

步骤（14）：等待下一个调度周期；返回步骤（1）；

步骤（15）：将最大角速度设定为阈值，计算新的标称调度周期，进入步骤（6）；

步骤（16）：惯性消止过程；

步骤（17）：判断惯性消止时间是否到，如果是就返回步骤（1），如果否就返回步骤（16）。

本发明在步进电机线圈电流调节周期、线圈电流控制表、底层细分控制、转动角速度控制、指针位置更新、线圈电流调节步距、调度周期时长、启动加速度、停止减速度、惯性消止时间上进行设计，统一得实现了汽车仪表盘各个指针的平稳启动和停止、平滑无抖动的快速或低速运转。

本发明的有益效果是：

1、设定正弦形式的细分驱动控制表，以查表的方式调节步进电机线圈电流，代替了数学运算，提高了运行效率，同时可以通过调整表格大小调整细分粒度；

2、在指针调度周期开始时判断指针变化量大小，对于过小的指针变化不做任何转动控制，避免了指针的抖动；

3、每个指针调度周期都有从静止加速启动的过程，满足步进电机启动频率的要求，避免了失步现象的发生；

4、每个指针调度周期都有减速阶段，同时设定有惯性消止时间，避免了步进电机停止之后指针转动惯性带来的指针振荡；

5、根据指针信息变化的快慢，自适应计算指针调度周期内的加速度和最大角速度，不仅可以满足快速变化信息的实时性要求，同时对于缓慢变化的信息，也能实现很好的平稳、平滑观感。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为本发明方法的软件设计流程图；

图3为采用本发明方法进行转动角速度控制的流程图；

图4为采用本发明方法进行指针位置更新的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，以可变长时间槽的形式划分指针调度周期，设计指针在调度周期内的转动过程为加速启动、匀速运转、减速停止、惯性消止四个阶段，根据指针信息的不同变化方式，自适应控制步进电机及指针的平稳加减速和匀速运转过程，主要包含以下工作步骤：

步骤一：自适应调度：调度周期开始，指针去抖，根据指针变化量计算调度周期内步进电机最大角速度、加速度、补偿时间，设定本次调度周期的时长，进入步骤二；

步骤二：判断线圈电流调节周期定时是否到达，如果是就进入步骤三，如果未到达就等待线圈电流调节周期定时到达；

步骤三：指针转动过程跳转控制；

步骤四：转动角速度控制：实现对步进电机及指针转动角速度的计算；

步骤五：指针位置更新：实现对指针微小转动角度的量化计算和调节；

步骤六：步进电机细分控制：实现对步进电机线圈电流变化细分粒度的控制；

步骤七：判断调度周期是否到，如果是就返回步骤一，如果否就返回步骤二。

图2中，本发明以可变长时间槽的形式周期进行指针的转动控制，周期时长等于标称调度周期加补偿时间。在每个调度周期内，指针均要经历加速启动、匀速运转、减速停止、惯性消止四个过程。

在每个时间槽的起点，根据指针当前位置和目标位置计算位置变化，如果变化量小于所设定的指针消抖阈值，则本次调度周期不执行对步进电机的运转过程控制。否则进行如下处理：

根据位置变化和设定的标称调度周期计算调度周期内的最大角速度Vmax，在满足所选步进电机最大角速度要求的情况下，最大角速度Vmax即匀速阶段的角速度，否则，调整标称调度周期，使得Vmax等于所选步进电机的最大角速度，Vmax计算公式如下：

Vmax=位置变化/标称调度周期                                    (1-3)

然后根据最大角速度Vmax设定加速度a，Vmax与a成线性关系，线性因子为f，计算公式如下：

a=Vmax*f                                                      (1-4)

指针的转动方式如下：

在时间槽的起点，指针以设定的加速度从零开始加速，加速到设定的最大角速度后，保持匀速运转，当剩余距离等于加速阶段距离时开始减速，减速到速度为O后，预留一定的惯性消止时间让指针有一定的时间来消除振荡，在时间槽的终点，指针停止在时间槽起点时指针实时信息对应的目标位置。

根据调度周期内指针转动方式的设计，加速阶段平均角速度=(Vmax/2)，加速时间=Vmax/a=1/f，加速距离d=(Vmax/2)/f，减速距离与加速距离相同，加减速距离=2d=Vmax*(1/f)=Vmax*加速时间，根据Vmax的定义和计算公式(1-3)，

位置变化=Vmax*标称调度周期                                    (1-5)

位置变化=加速距离+匀速距离+减速距离=Vmax*加速时间+Vmax*匀速时间=Vmax*(加速时间+匀速时间)                                                    (1-6)

根据公式(1-5)、(1-6)，标称调度周期=加速时间+匀速时间，补偿时间=减速时间+惯性消止时间=(1/f)+惯性消止时间，惯性消止时间的长度根据减速停止阶段的加速度决定，成正比线性关系，加速度越大，惯性消止时间越长，加速度越小，惯性消止时间越短。通过补偿时间和标称调度周期便可以设定时间槽的长度。

下面结合图3描述下转动角速度控制算法的设计。

在转动角速度控制算法的设计中，设定固定的线圈电流调节周期T，一般为毫秒级，根据所处的加速、匀速、减速过程的不同阶段，计算转动角速度V。

在加速过程中，根据调节周期T和加速度a计算出角速度增量，增量=T*a，最新角速度=当前角速度+角速度增量，如果最新角速度大于所设定的最大角速度，最新角速度=最大角速度；

在匀速过程中，最新角速度=当前角速度；

在减速过程中，根据调节周期T和减速度a计算出角速度减量，减量=T*a，如果当前角速度小于角速度减量，最新角速度=0，否则最新角速度=当前角速度-角速度减量；

下面结合图4描述下指针位置更新算法的设计。

在指针位置更新算法的设计中，将指针位置单位量化为(1/65536)degree，指针位置P=角度*65536，这样便可以精确计量每次线圈电流调节引起的旋转角度变化。根据角速度V、线圈电流调节周期T计算指针位置更新增量D，根据D和指针转动方向更新指针位置，D计算公式如下：

D=V*T*65536                                        (1-7)

单位指针位置粒度比最小步距细分粒度一般小一到两个数量级并成倍数关系，假设单位指针位置与最小步距细分粒度的倍数关系为M，在指针回零位置，指针位置P为0，控制表条目索引I为O，在零点位置的基础上，P单调增或单调减，I在[O，N)范围内轮转，P与I的对应关系如公式(1-2)所示：

I=(P/M)％N                                                (1-2)

根据转动速度更新指针位置，通过指针位置计算线圈电流控制表条目索引，避免了直接通过角速度计算控制表步距带来的累积误差。

Claims (8)

1.一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，其特征是，以可变长时间槽的形式划分指针调度周期，设计指针在调度周期内的转动过程为加速启动、匀速运转、减速停止、惯性消止四个阶段，根据指针信息的不同变化方式，自适应控制步进电机及指针的平稳加减速和匀速运转过程，主要包含以下工作步骤：

步骤一：自适应调度：调度周期开始，指针去抖，根据指针变化量计算调度周期内步进电机最大角速度、加速度、补偿时间，设定本次调度周期的时长，进入步骤二；

步骤二：判断线圈电流调节周期是否到，如果是就进入步骤三，如果未到就等待线圈电流调节周期定时到达；步骤三：指针转动过程跳转控制；

步骤四：转动角速度控制：实现对步进电机及指针转动角速度的计算；

步骤五：指针位置更新：实现对指针微小转动角度的量化计算和调节；

步骤六：步进电机细分控制：实现对步进电机线圈电流变化细分粒度的控制；

步骤七：判断调度周期是否到，如果是就返回步骤一，如果否就返回步骤二。

2.如权利要求1所述的一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，其特征是，所述步骤六，在步进电机细分控制的设计中，根据汽车仪表应用的最小细分粒度需求设计步进电机线圈电流正弦规律变化的细分控制表，表格大小与细分粒度成反比关系；设定固定的线圈电流调节周期T，周期性地查表选择线圈电流控制值，通过控制表条目的跳转，步进电机各个线圈电流以可调相位差的正弦形式平稳变化，步进电机转子磁场方向以圆周形式旋转变化，一个完整的细分控制表对应步进电机线圈矢量360度运转一周；通过线圈电流控制表的细分实现了对步进电机运转步距的细分，实现了对步进电机旋转角度的统计计算，同时避免了由于线圈电流突变造成的指针抖动；

步进电机的最小步距细分粒度G为控制表条目索引增量为1时线圈电流变化引起的指针转动角度，根据表格条目数N和所选择步进电机的减速比R计算，计算公式如下：

最小步距细分粒度G=((360/R)/N)degree                            (1-1)。

3.如权利要求1所述的一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，其特征是，所述步骤四，在转动角速度控制的设计中，以固定的线圈电流调节周期T为周期进行转动角速度的计算，根据所处的加速、匀速、减速过程的不同阶段，计算转动角速度V。

4.如权利要求1所述的一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，其特征是，所述步骤五在指针位置更新的设计中，将指针位置单位量化为(1/65536)degree，指针位置P=角度*65536，这样便精确计量每次线圈电流调节引起的旋转角度变化；单位指针位置比最小步距细分粒度一般小一到两个数量级并成倍数关系，假设单位指针位置与最小步距细分粒度的倍数关系为M，在零点位置的基础上，指针位置P与控制表条目索引I的关系为：

I=(P/M)％N                                                (1-2)

根据转动过程计算转动速度，根据转动速度更新指针位置，通过指针位置计算线圈电流控制表条目索引，避免了直接通过角速度计算控制表索引步距带来的累积误差。

5.如权利要求1所述的一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，其特征是，所述步骤一在自适应调度算法的设计中，以可变长时间槽的形式划分调度周期，时间槽长度为标称调度周期+补偿时间；指针在每段时间槽内的转动方式为加速启动、匀速运转、减速停止、惯性消止四个阶段，匀速运转阶段的角速度为时间槽内的最大角速度，加速启动与减速停止阶段的加速度相同，持续时间相同，转动距离也相同，惯性消止为指针减速到0后的一段时间，用于指针消除振荡，设定在5-20ms；

在时间槽的起点，指针以设定的加速度从零开始加速，加速到设定的最大角速度后，保持匀速运转，当剩余距离等于加速阶段距离时开始减速，减速到速度为0后，预留一定的惯性消止时间让指针有一定的时间来消除振荡，在时间槽的终点，指针停止在时间槽起点时指针实时信息对应的目标位置；

在自适应调度算法中设计指针去抖功能，在每次调度周期时间槽开始时，计算位置变化量，如果变化量小于所设定的阈值，则本次调度周期不执行对步进电机的运转过程控制。

6.如权利要求1所述的一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，其特征是，所述步骤四转动角速度控制的具体步骤如下：

步骤一：指针最大角速度为Vmax，加速度为a，线圈电流调节周期为T；

步骤二：判断线圈电流调节周期定时是否到，如果是就进入步骤三，如果否等待线圈电流调节周期定时到达；

步骤三：判断指针是否是加速过程，如果是就进入步骤四，如果不是就计入步骤八；

步骤四：速度增量=T*a；

步骤五：判断当前速度与速度增量之和是否大于等于Vmax，如果是就进入步骤六，如果否就进入步骤七；

步骤六：最新速度为Vmax；返回步骤二；

步骤七：最新速度=当前速度+速度增量；

步骤八：判断是否是减速过程；如果是就进入步骤九；如果否就进入步骤十；

步骤九：速度减量=T*a，进入步骤十一；

步骤十：速度不变；

步骤十一：判断当前速度是否小于速度减量；如果是就进入步骤十二，如果否就进入步骤十三；

步骤十二：最新速度=0；

步骤十三：最新速度=当前速度-速度减量；返回步骤二。

7.如权利要求1所述的一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，其特征是，所述步骤五指针位置更新算法的具体工作步骤为：

步骤1，线圈电流调节周期为T；

步骤2，判断线圈电流调节周期定时是否到，如果是就进入步骤3；如果否等待线圈电流调节周期定时到达；

步骤3，转动速度控制，最新速度为V；

步骤4，判断指针坐标位置是否大于当前位置；如果是就进入步骤5；如果否就进入步骤6；

步骤5，指针位置增量D=V*T*65536；进入步骤7；

步骤6，指针位置减量D=V*T*65536；进入步骤8；

步骤7，最新位置=当前位置+D；进入步骤11；

步骤8，判断当前位置是否小于D；如果是就进入步骤10；如果否就进入步骤9；

步骤9，最新位置=当前位置-D；进入步骤11；

步骤10，最新位置=0，指针回到零点；进入步骤11；

步骤11，根据最新位置计算控制条目索引；返回步骤2。

8.如权利要求1所述的一种步进电机式汽车仪表指针自适应控制算法，其特征是，所述步骤一自适应调度算法的具体步骤为：

步骤（1）：调度周期开始，设定标称调度周期；

步骤（2）：计算指针目标位置及位置变化；

步骤（3）：判断位置变化是否大于去抖阈值，如果是就进入步骤（4），如果否就进入步骤（14）；

步骤（4）：计算调度周期内步进电机最大角速度；

步骤（5）：判断最大角速度是否小于阈值；如果是就进入步骤（6）；如果否就进入步骤（15）；

步骤（6）：计算加速度，补偿时间；

步骤（7）：设定调度周期时槽长度；

步骤（8）：加速启动过程；

步骤（9）：判断指针速度是否大于等于最大角速度，如果是就进入步骤（10），如果否就返回步骤（8）；

步骤（10）：匀速运转过程；

步骤（11）：判断剩余距离是否小于等于加速距离；如果是就进入步骤（12）；如果否就返回步骤（10）；

步骤（12）：减速停止过程；

步骤（13）：判断指针速度是否等于O，如果是就进入步骤（16）；如果否就返回步骤（12）；

步骤（14）：等待下一个调度周期；返回步骤（1）；

步骤（15）：将最大角速度设定为阈值，计算新的标称调度周期，进入步骤（6）；

步骤（16）：惯性消指止程；

步骤（17）：判断惯性消止时间是否到，如果是就返回步骤（1），如果否就返回步骤（16）。

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