CN104682797A - 汽车空调用单极性步进电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种汽车空调用单极性步进电机控制方法，步进电机的频率控制采用步进电机12步周期控制法，步进电机的频率控制序列为：20Hz-20Hz-91Hz-91Hz-125Hz-125Hz-167Hz-167Hz-200Hz-200Hz-250Hz-250Hz。本发明增加了电机的驱动力，提高电机效率，减少了噪音的产生，提高了客户使用的舒适度，能够有效提升汽车的整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种步进电机控制方法，具体地，涉及一种汽车空调用单极性步进电机控制方法。
背景技术
汽车内部的空调箱直接参与了车内舒适性的控制，空调箱通过驱动其内部的风门运转，从而满足人们的需求，达到制冷和制热的效果。驱动风门运转的机构一般称作为伺服机构，如果驱动风门运转机构的驱动器是电机，这种电机就叫做伺服电机。如图1所示，其为汽车空调箱的控制原理图，汽车空调控制器输出控制信号驱动伺服电机，伺服电机根据接收到的控制信号运转，驱动空调箱各风门运转。
目前市场上汽车空调所用的伺服电机一般可以分为3种：直流反馈伺服电机、步进伺服电机和直流脉冲伺服电机三种类型。在这3种类型中，步进电机由于其体积小，兼容性高而被许多车厂所采用。如图2至图3所示，步进电机本身也分为3种类型，分别为单极性步进电机、双极性步进电机和三相步进电机。
单极性步进电机体积小、成本低、性能适中、兼容性好，利于产品的平台化和大规模产业化。目前市场上主流的中低档车型大多选用的是单极性步进电机用作空调的伺服电机。如图5所示，单极性步进电机对外的接口共有6个，包括用于步进电机接插件控制的4个控制信号输入端口：端口a、端口b、端口c、端口d和2个com端(即步进电机接插件的9-16V电源供电端)。其中2个com端一般接入整车12V电源正极，其余4个端口接入空调控制器，由空调控制器的软件控制驱动芯片，输出控制信号驱动该步进电机。一般对于步进电机来说，需要输出图6所示的控制序列，才能使电机顺时针或逆时针运转。
图6所示的序列表示了电机正常转动所需要的基本输出信号的1个周期的控制序列。0、1、2、3表示1个周期需要4个脉冲，这4个脉冲分别命名为0～3。“-”表示将对应的a～d这4个端口的其中1个接地极接入电源的负极，没有表示符号的表示保持这个端口为悬空或接入电源正极的状态，其中com端口需要一直接正极。这样就构成了步进电机运转的1个驱动周期。通过选择“-”拉低脉冲的时间，分别从0～3来回往复，就构成了步进电机的驱动频率和驱动周期。例如，要驱动电机转子顺时针运转1周，假设电机上次正停止在第0个脉冲的位置上，其驱动顺序为首先将端口b和端口d拉低(驱动的第一步步长)，接着讲端口a和端口d拉低(驱动的第二步步长)，再将端口a和端口c拉低(驱动的第三步步长)，最后将端口b和端口c拉低(驱动的第四步步长)，这样就可以使电机转子顺时针运转1周。每个步长拉低的时间象征着电机的驱动频率，这个驱动频率是非常关键的控制参数，一般输出的频率越高，其驱动力矩越小，风门运转越困难，噪音小，振动小；输出的频率越低，其驱动力矩越大，风门运转越容易，噪音大，振动大。单极性步进电机的上述特点直接导致了控制步进电机的输出频率需要有合理的控制方法，如果控制方法选取不当，很容易使空调系统运行时出现噪声大、运转不灵活等问题，直接影响汽车的质量，对用户产生直接的舒适度影响，降低客户对汽车使用的满意度，影响用户对汽车整体性能的评价。目前，广泛使用的单极性步进电机控制方法主要有如下两种：
第一种，8步频率爬坡控制法，即步进电机从起步到平稳运行的前8步共存在8个频率控制，也可叫作8步频率控制法，这8步的频率为150Hz-165Hz-185Hz-200Hz-215Hz-230Hz-240Hz-250Hz。该方法的优点是非常适合于50％以下电机负载的运行，即如果电机负载能一直保持在50％以下，则电机会处于很好的运行状态；缺点是一旦电机负载稍微过高，电机运转会不稳定，噪音增大。
第二种，16步频率爬坡控制法即步进电机从起步到平稳运行的前16步共存在16个频率控制，也可叫作16步频率控制法，这8步的频率为91Hz-91Hz-91Hz-91Hz-125Hz-125Hz-125Hz-125Hz-167Hz-167Hz-167Hz-167Hz-200Hz-200Hz-200Hz-200Hz。该方法的优点是电机运转平稳，特别是电机启动的时候，电机力矩适应范围宽适合大多数电机的应用；缺点是重复步数太多，功率消耗偏大，不适合负载扭矩偏小的减速状况，即在电机负载偏小的情况下，减速时会电机会产生一定抖动并发出噪音。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种汽车空调用单极性步进电机控制方法，包括以下步骤：
根据本发明的一个方面，提供一种汽车空调用单极性步进电机控制方法，步进电机的频率控制采用步进电机12步周期控制法，步进电机的频率控制序列为：20Hz-20Hz-91Hz-91Hz-125Hz-125Hz-167Hz-167Hz-200Hz-200Hz-250Hz-250Hz。
优选地，步进电机12步周期控制法通过控制电机每个脉冲点的拉低时间控制电机的驱动频率，每一次控制拉低为1步，则控制序列为：
第1步，控制频率为20Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为50ms±1ms；
第2步，控制频率为20Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为50ms±1ms；
第3步，控制频率为91Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为11ms±1ms；
第4步，控制频率为91Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为11ms±1ms；
第5步，控制频率为125Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为8ms±0.5ms；
第6步，控制频率为125Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为8ms±0.5ms；
第7步，控制频率为167Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为6ms±0.5ms；
第8步，控制频率为167Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为6ms±0.5ms；
第9步，控制频率为200Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为5ms±0.5ms；
第10步，控制频率为200Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为5ms±0.5ms；
第11步，控制频率为250Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为4ms±0.5ms；
第12步，控制频率为250Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为4ms±0.5ms。
优选地，若电机处于完全停止的状态，且电机从起始位置到终止位置的步长大于等于24步，则完全从步骤1开始运行到步骤12，超过步骤12之后，则完全按照步骤12的状态运行，若到终止位置的步长刚好到倒数第12步时，则开始减速，从步骤12反过来运行到步骤1，步进电机从运行状态到停止状态。
优选地，若电机处于完全停止的状态，且电机从起始位置到终止位置的步长小于24步，且大于等于2步，此时将行程的总步数除以2，成为运行步数，从12步周期控制法中的步骤1开始进行寻址，直到寻址的步数等于运行步数为止，然后反方向运行到电机停止。
优选地，若电机处于完全停止状态，电机的运行步长仅1步，则直接选取12步周期控制法的步骤1运行。
步进电机在控制时需要一定的频率变换才能完成启动和停止之间的来回顺利转换，本发明的12步周期控制法是建立在电机内部线圈与磁场之间，以及与不同的电机负载之间的平滑运转基础之上的。经过大量对空调用单极性步进电机的测试发现，12步电机控制法可以使步进电机的电流变化达到一个非常平稳的变化水平，即电流的变化是缓慢且没有突然跳动的，电流的变化表征了电机运转是否平稳，因此电流变化越平稳，电机运转就越平稳，通过对12部周期控制法的电机噪音进行测试，发现带载噪音的水平可以控制到38dB的水平，电机运转全过程噪音的变化不超过3dB，从噪音的变化上来看也说明了电机运转的平稳。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的汽车空调用单极性步进电机控制方法能平稳且有效的驱动空调伺服电机带动风门运转，相比于传统的控制方法，即使在空调箱风门阻力偏大时也可以有效运转，使步进电机达到最佳的运转效果。并且，本发明增加了产品的兼容性，可以适应多种工艺和多种类型的汽车空调箱，从而可以兼容多个车型并在多个车型上平台化，且试验成本低；本发明增加了汽车空调用单极性步进电机的驱动力，提高电机效率，减少了噪音的产生，使电机在所能承受的大多数负载范围下都可以平稳运转，提高了客户使用的舒适度，能够有效提升汽车的整体性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为汽车空调箱控制原理图；
图2为单极性步进电机的结构示意图；
图3为双极性步进电机的结构示意图；
图4为三相步进电机的结构示意图；
图5为单极性步进电机的控制原理图；
图6为单极性步进电机正常转动所需要的基本输出信号的1个周期的控制序列示意图；
图7为本发明实施例一的汽车空调用单极性步进电机控制方法的信号处理与控制原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种汽车空调用单极性步进电机控制方法，步进电机的频率控制采用步进电机12步周期控制法，步进电机的频率控制序列为：20Hz-20Hz-91Hz-91Hz-125Hz-125Hz-167Hz-167Hz-200Hz-200Hz-250Hz-250Hz。
具体地，步进电机12步周期控制法通过控制电机每个脉冲点的拉低时间控制电机的驱动频率，每一次控制拉低为1步，则控制序列为：
第1步，控制频率为20Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为50ms±1ms；
第2步，控制频率为20Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为50ms±1ms；
第3步，控制频率为91Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为11ms±1ms；
第4步，控制频率为91Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为11ms±1ms；
第5步，控制频率为125Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为8ms±0.5ms；
第6步，控制频率为125Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为8ms±0.5ms；
第7步，控制频率为167Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为6ms±0.5ms；
第8步，控制频率为167Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为6ms±0.5ms；
第9步，控制频率为200Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为5ms±0.5ms；
第10步，控制频率为200Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为5ms±0.5ms；
第11步，控制频率为250Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为4ms±0.5ms；
第12步，控制频率为250Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为4ms±0.5ms。
若电机处于完全停止的状态，且电机从起始位置到终止位置的步长大于等于24步，则完全从步骤1开始运行到步骤12，超过步骤12之后，则完全按照步骤12的状态运行，若到终止位置的步长刚好到倒数第12步时，则开始减速，从步骤12反过来运行到步骤1，步进电机从运行状态到停止状态。
若电机处于完全停止的状态，且电机从起始位置到终止位置的步长小于24步，且大于等于2步，此时将行程的总步数除以2，成为运行步数，从12步周期控制法中的步骤1开始进行寻址，直到寻址的步数等于运行步数为止，然后反方向运行到电机停止。
若电机处于完全停止状态，电机的运行步长仅1步，则直接选取12步周期控制法的步骤1运行。
以下分别列举具体实施例对本发明的汽车空调用单极性步进电机控制方法进行进一步说明。具体地，实施例一和实施例二中步进电机的频率均采用以下控制序列：
第1步，控制频率为20Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为50ms；
第2步，控制频率为20Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为50ms；
第3步，控制频率为91Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为11ms；
第4步，控制频率为91Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为11ms；
第5步，控制频率为125Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为8ms；
第6步，控制频率为125Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为8ms；
第7步，控制频率为167Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为6ms；
第8步，控制频率为167Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为6ms；
第9步，控制频率为200Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为5ms；
第10步，控制频率为200Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为5ms；
第11步，控制频率为250Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为4ms；
第12步，控制频率为250Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为4ms。
实施例一
假设电机需要运行的步长为26步，按照12步周期控制法，从第1步20Hz开始直到第12步250Hz，第13步保持250Hz，第14步同样为250Hz；从第15步开始采用12步周期控制法的逆向运行，即第15步为250Hz，第16步为250Hz，第17步为200Hz，直到最后第26步20Hz后停止输出步数控制信号，这样电机完成1次运转动作。
实施例二
假设电机需要运行的步长为13步，则按照12步周期控制法，13除以2为6.5，四舍五入，取7，即先7步后6步，因为启动过程比停止过程需要更多的驱动力。从第1步20Hz开始直到第7步167Hz，第8步开始返回到12步周期控制法的第6步125Hz，接下来第9步返回到12步周期控制法的第5部125Hz，直到最后第13步20Hz后停止输出步数控制信号。这样电机完成1次运转动作。
本发明利用最佳的功率消耗(即最佳节能效果)使电机可以应用于95％以上电机本身所能承载的所有负载范围，使电机在所能承受的大多数负载范围下都可以平稳运转。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种汽车空调用单极性步进电机控制方法，其特征在于，步进电机的频率控制采用步进电机12步周期控制法，步进电机的频率控制序列为：20Hz-20Hz-91Hz-91Hz-125Hz-125Hz-167Hz-167Hz-200Hz-200Hz-250Hz-250Hz。
2.根据权利要求1所述的汽车空调用单极性步进电机控制方法，其特征在于，所述步进电机12步周期控制法通过控制电机每个脉冲点的拉低时间控制电机的驱动频率，每一次控制拉低为1步，则控制序列为：
第1步，控制频率为20Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为50ms±1ms；
第2步，控制频率为20Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为50ms±1ms；
第3步，控制频率为91Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为11ms±1ms；
第4步，控制频率为91Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为11ms±1ms；
第5步，控制频率为125Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为8ms±0.5ms；
第6步，控制频率为125Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为8ms±0.5ms；
第7步，控制频率为167Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为6ms±0.5ms；
第8步，控制频率为167Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为6ms±0.5ms；
第9步，控制频率为200Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为5ms±0.5ms；
第10步，控制频率为200Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为5ms±0.5ms；
第11步，控制频率为250Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为4ms±0.5ms；
第12步，控制频率为250Hz，步进电机接插件控制端口拉低时间为4ms±0.5ms。
3.根据权利要求2所述的汽车空调用单极性步进电机控制方法，其特征在于，若电机处于完全停止的状态，且电机从起始位置到终止位置的步长大于等于24步，则完全从步骤1开始运行到步骤12，超过步骤12之后，则完全按照步骤12的状态运行，若到终止位置的步长刚好到倒数第12步时，则开始减速，从步骤12反过来运行到步骤1，步进电机从运行状态到停止状态。
4.根据权利要求1所述的汽车空调用单极性步进电机控制方法，其特征在于，若电机处于完全停止的状态，且电机从起始位置到终止位置的步长小于24步，且大于等于2步，此时将行程的总步数除以2，成为运行步数，从12步周期控制法中的步骤1开始进行寻址，直到寻址的步数等于运行步数为止，然后反方向运行到电机停止。
5.根据权利要求1所述的汽车空调用单极性步进电机控制方法，其特征在于，若电机处于完全停止状态，电机的运行步长仅1步，则直接选取12步周期控制法的步骤1运行。
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| CN109742987A (zh) * | 2018-12-22 | 2019-05-10 | 西安航天动力研究所 | 一种基于定时器变频中断的步进电机变速调节控制方法 |
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