CN104868877A - 数字仪表步进电机的驱动方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的数字仪表步进电机的驱动方法和系统，通过在控制流程上实时获取电机的运行状态，判定步进电机的当前位置和目标位置，并将当前位置和目标位置进行比较，当前位置和目标位置不一样时，启动驱动步进电机的程序，同时根据步进电机的当前位置调节驱动脉冲信号的占空比驱动步进电机转动，直到电机的当前位置与目标位置相等。因此，上述方案是通过实时的确定步进电机的运行状态，控制步进电机的运行过程，运用于指针式仪表盘上时，能实时准确的反应车辆的工作状态。

Description

数字仪表步进电机的驱动方法和系统

技术领域

本发明涉及步进电机的驱动领域，具体的说涉及一种数字仪表步进电机的驱动方法和系统。

背景技术

目前汽车上的仪表普遍采用数字化仪表，仪表由指针式仪表盘，报警指示灯，故障诊断显示屏，轻触式按键等组成，其中指针式仪表盘通过步进电机转动指针指示车辆工作参数，如：发动机转速、车速、水温、油量，若是卡车还需要增加前桥气压和后桥气压，因此需要六个步进电机。为了指针式仪表盘能正确显示车辆的工作参数，则需要对步进电机进行驱动。

中国专利文献CN202586854U公开了一种数字步进电机驱动器，包括主控芯片和控制接口电路，其中，控制接口电路包括差分控制信号接头、10-24V控制信号接头和电压转换电路，所述差分控制信号接头与所述主控芯片连接，所述10-24V控制信号接头通过所述电压转换电路与所述主控芯片连接。上述专利文献公开的数字步进电机驱动器，通过主控芯片和控制接口电路实现对步进电机的驱动，不能实时的确定电机的运行过程，运用于指针式仪表盘上时，则直接导致了不能实时准确的反应车辆的工作状态。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中驱动数字化仪表中的步进电机工作时不能实时的确定电机的运行过程，从而提出一种数字仪表步进电机的驱动方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种数字仪表步进电机的驱动方法，包括如下步骤：

S1：获取步进电机的目标位置；

S2：实时获取步进电机的当前位置，判断所述当前位置是否等于所述目标位置，若相等则返回所述步骤S1，否则进入步骤S3；

S3：根据所述当前位置获得每一路驱动脉冲信号的占空比；

S4：输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机转动一个步长后返回所述步骤S2。

所述的数字仪表步进电机的驱动方法，所述步骤S3中具体包括如下步骤：

S31：获得正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的分步数F；

S32：获得所述驱动脉冲信号上与所述步进电机当前位置Ma相对应的分步位置Ad，Ad＝Ma％F；

S33：根据所述分步位置获取正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的占空比：

Sin_table＝Sin(2л×Ad/F)；

Cos_table＝Cos(2л×Ad/F)。

所述的数字仪表步进电机的驱动方法，所述步骤S1中还包括如下步骤:

初始化所有步进电机的状态，使所述步进电机的初始位置归零。

所述的数字仪表步进电机的驱动方法，所述步骤S4中：

输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机的驱动模式为双极性、全H桥驱动模式，并且驱动脉冲信号的对齐方式为右对齐。

一种数字仪表步进电机的驱动系统，包括：

第一数据获取模块，用于获取步进电机的目标位置；

第二数据获取模块，用于实时获取步进电机的当前位置，并判断所述当前位置是否等于所述目标位置；

数据处理模块，当所述当前位置等于所述目标位置时则无需驱动步进电机，否则根据所述当前位置获得每一路驱动脉冲信号的占空比；

驱动信号输出模块，输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机转动，直到电机的当前位置与目标位置相等。

所述的数字仪表步进电机的驱动系统，所述数据处理模块中包括：

第一数据获取单元，获得正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的分步数F；

第二数据获取单元，获得所述驱动脉冲信号上与所述步进电机当前位置Ma相对应的分步位置Ad，Ad＝Ma％F；

占空比获取单元，根据所述分步位置获取正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的占空比：

Sin_table＝Sin(2л×Ad/F)；

Cos_table＝Cos(2л×Ad/F)。

所述的数字仪表步进电机的驱动系统，所述第一数据获取模块中包括：

初始化单元，初始化所有步进电机的状态，使所述步进电机的初始位置归零。

所述的数字仪表步进电机的驱动系统，驱动信号输出模块输出驱动脉冲信号驱动所述步进电机的驱动模式为双极性、全H桥驱动模式，并驱动脉冲信号的对齐方式为右对齐。

一种利用数字仪表中的中央处理单元驱动步进电机的方法，所述中央处理单元利用上述任一所述的数字仪表步进电机的驱动方法输出驱动脉冲信号驱动步进电机。

所述的利用数字仪表中的中央处理单元驱动步进电机的方法，所述中央处理单元为MC9S12H256芯片，其具有24个PWM输出端口，其中4个PWM输出端口作为驱动脉冲信号的输出端与一个待驱动的步进电机的定子磁场线圈的电压输入端连接。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明提供的数字仪表步进电机的驱动方法和系统，通过在控制流程上实时判定步进电机的当前位置和目标位置，并将当前位置和目标位置进行比较，当前位置和目标位置不一样时，启动驱动步进电机的程序，同时通过步进电机的当前位置调节驱动脉冲信号的占空比驱动步进电机转动，直到电机的当前位置与目标位置相等，可以实时的确定步进电机的运行状态，控制步进电机的运行过程，运用于指针式仪表盘上时，能实时准确的反应车辆的工作状态。

(2)本发明提供的数字仪表步进电机的驱动方法和系统，还包括初始化所有步进电机的状态，使所述步进电机的初始位置归零的操作。由于获取步进电机的当前位置存在一定的困难，可能出现当前位置获取不准确甚至无法获取的情况，因此在驱动步进电机之前首先控制所有步进电机机械归零，之后电机每移动一个步长均记录电机的当前位置，便能够实时获得准确的当前位置。获得准确的当前位置是获得准确的驱动脉冲信号的基础，采用上述方案能够保证驱动脉冲信号的准确性从而保证准确的驱动步进电机移动至目标位置。

(3)本发明提供的利用数字仪表中的中央处理单元驱动步进电机的方法，利用中央处理单元输出驱动脉冲信号驱动步进电机。一般的数字步进电机驱动器需外加专门的电机驱动芯片实现对步进电机的驱动，一般一片电机驱动芯片可以驱动两路步进电机，一块数字化仪表上则需要2-3片电机驱动芯片。从产品成本上说，1片电机驱动芯片按照10元计算，2-3片电机驱动芯片则需要20-30元，数字化仪表是批量产品，一块数字化仪表增加20-30元则是不小的成本；从硬件空间上说：在数字化仪表上增加2-3片电机驱动芯片，增大了所需的硬件空间，不利于数字化仪表的小型化。采用中央控制单元直接驱动步进电机，降低了成本并且有利于数字化仪表的小型化。

(4)本发明提供的利用数字仪表中的中央处理单元驱动步进电机的方法，中央处理单元为MC9S12H256芯片，其具有24个PWM输出端口，其中4个PWM输出端口作为驱动脉冲信号的输出端与一个待驱动的步进电机的定子磁场线圈的电压输入端连接。这便可以同时驱动6个步进电机，能很好的满足数字化仪表中指针式仪表盘上所需驱动的电机的数目。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明一个实施例中数字仪表步进电机的驱动方法的流程图；

图2是本发明一个实施例中数字仪表步进电机的驱动方法的主程序流程图；

图3是本发明一个实施例中数字仪表步进电机的驱动方法的PWM中断过程的流程图；

图4是本发明一个实施例中数字仪表步进电机的驱动系统的结构框图；

图5是本发明一个实施例中MC9S12H256芯片与步进电机的电路连接示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种数字仪表步进电机的驱动方法，参见图1所示，包括如下步骤：

S1：获取步进电机的目标位置。

S2：实时获取步进电机的当前位置，判断所述当前位置是否等于所述目标位置，若相等则返回所述步骤S1，否则进入步骤S3。

S3：根据所述当前位置获得每一路驱动脉冲信号的占空比。

S4：输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机转动一个步长后返回所述步骤S2。

本实施例中的数字仪表步进电机的驱动方法，通过在控制流程上实时获取电机的运行状态，判定步进电机的当前位置和目标位置，并将当前位置和目标位置进行比较，当前位置和目标位置不一样时，启动驱动步进电机的程序，同时根据步进电机的当前位置调节驱动脉冲信号的占空比驱动步进电机转动，直到电机的当前位置与目标位置相等。因此，上述方案是通过实时的确定步进电机的运行状态，控制步进电机的运行过程，运用于指针式仪表盘上时，能实时准确的反应车辆的工作状态。

数字化仪表使用的步进电机是一种多磁极，90度相位差的精密微型步进电机，其将数字信号直接作为模拟的角度显示输出。这种步进电机需要两路逻辑脉冲信号驱动，可工作于5V-10V的驱动脉冲下，输出轴的步距角最小可达1/12度，最大角速度为600度/秒。一般选择正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号对步进电机进行驱动。本实施例中以分步模式驱动为例进行说明。

在上述方案的基础上，所述步骤S3中具体包括如下步骤：

S31：获得正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的分步数F。

S32：获得所述驱动脉冲信号上与所述步进电机当前位置Ma相对应的分步位置Ad，Ad＝Ma％F(Ma除以F得到的余数)。

S33：根据所述分步位置获取正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的占空比：

Sin_table＝Sin(2л×Ad/F)。

Cos_table＝Cos(2л×Ad/F)。

例如，当F＝8即采用8分步驱动模式，则Ad＝Ma％F的结果可以为0,1,2，……7，相应的占空比为：Sin_table＝{Sin0，Sin(л/4)，Sin(л/2)，Sin(3л/4)，Sinл，Sin(5л/4)，Sin(3л/2)，Sin(7л/4)}，即Sin_table＝{0,0.707,1,0.707,0,0.707,1,0.707}。设步进电机当前位置Ma为第二步，则所述驱动脉冲信号上与所述步进电机当前位置Ma相对应的分步位置Ad＝2％8＝2；则根据所述分步位置获取正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的占空比：Sin_table＝Sin(2л×2/8)＝1；Cos_table＝Cos(2л×2/8)＝0。

由于获取步进电机的当前位置存在一定的困难，可能出现当前位置获取不准确甚至无法获取的情况，因此在驱动电机之前首先控制所有电机机械归零，之后电机每移动一个步长均记录电机的当前位置，便能够实时获得准确的当前位置。因此在上述技术方案的基础上，本实施例提供一种优选的方案，所述步骤S1中还包括如下步骤:初始化所有步进电机的状态，使所述步进电机的初始位置归零。获得准确的当前位置是获得准确的驱动脉冲信号的基础，采用上述方案能够保证驱动脉冲信号的准确性从而保证准确的驱动步进电机移动至目标位置。

图2和图3给出了一种具体实现本实施例上述方案的流程图。为实现准确记录电机的运行状态，转动方向，电机的当前位置，预转动的目标位置，在具体实现时刻设置一些变量以记录电机的这些信息。

变量说明如下：

motor.total_step：相对步数，表示步进电机在本次运行中需转动的总步数；

motor.cur_setp：表示电机走动的步数；

motor.object_step:表示电机需要转动到的目标位置；

motor.abs_step:表示电机当前所在的位置；

motor.zero_point：表示电机的零点；

motor.state.run：表示电机的运行状态，0：未运行，1：正在运行；

motor.state.direction：表示电机转动方向，0：顺时针，1：逆时针；

motor.state.rtz_exe：表示电机是否归零标志，0：已经归零，1：正在归零。

根据图2和图3，执行电机驱动分为两个部分：在主程序中，设置电机的状态值，在PWM中断中，执行电机的驱动过程。

从图2所示的主程序中可以看出，在本实施例的所述步骤S4中：输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机的驱动模式为双极性、全H桥驱动模式，并且驱动脉冲信号的对齐方式为右对齐。根据图3所示的PWM中断过程，可以得到，当确定了正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的占空比之后，首先根据电机当前位置在正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号中的位置，设置电机控制寄存器中的S位，之后便可以输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机转动。需要说明的是，要实现本实施例中的上述方案并不局限于图2和图3给出的实现方法。

实施例2

本实施例提供一种数字仪表步进电机的驱动系统，如图4所示，包括第一数据获取模块，第二数据获取模块，数据处理模块以及驱动信号输出模块。其中：

所述第一数据获取模块用于获取步进电机的目标位置。所述第二数据获取模块用于实时获取步进电机的当前位置，并判断所述当前位置是否等于所述目标位置。所述数据处理模块，用于在所述当前位置等于所述目标位置时则无需驱动步进电机，否则根据所述当前位置获得每一路驱动脉冲信号的占空比。所述驱动信号输出模块用于输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机转动，直到电机的当前位置与目标位置相等。

作为一种优选的实施方案，本实施例中，所述数据处理模块中包括第一数据获取单元，第二数据获取单元以及占空比获取单元。所述第一数据获取单元，获得正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的分步数F。所述第二数据获取单元，获得所述驱动脉冲信号上与所述步进电机当前位置Ma相对应的分步位置Ad，Ad＝Ma％F。所述占空比获取单元，根据所述分步位置获取正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的占空比：

Sin_table＝Sin(2л×Ad/F)；

Cos_table＝Cos(2л×Ad/F)。

由于获取步进电机的当前位置存在一定的困难，可能出现当前位置获取不准确甚至无法获取的情况，因此在驱动步进电机之前首先控制所有步进电机机械归零，之后步进电机每移动一个步长均记录步进电机的当前位置，便能够实时获得准确的当前位置。因此，本实施例提供一种优选的实施方式，所述第一数据获取模块中包括初始化单元，初始化所有步进电机的状态，使所述步进电机的初始位置归零。并且驱动信号输出模块输出驱动脉冲信号驱动所述步进电机的驱动模式为双极性、全H桥驱动模式，并驱动脉冲信号的对齐方式为右对齐。

实施例3

本实施例提供一种利用数字仪表中的中央处理单元驱动步进电机的方法，所述中央处理单元利用实施例1所述的数字仪表步进电机的驱动方法输出驱动脉冲信号驱动步进电机。其中所述中央处理单元为MC9S12H256芯片，其具有24个PWM输出端口，其中4个PWM输出端口作为驱动脉冲信号的输出端与一个待驱动的步进电机的定子磁场线圈的电压输入端连接，这便可以同时驱动6个步进电机，能很好的满足数字化仪表中指针式仪表盘上所需驱动的电机的数目。

如图5给出了MC9S12H256芯片与步进电机的电路连接示意图。

图5所示的M0C0M/PUO,M0C0P/PU1，M0C1M/PU2,M0C1P/PU3为第一组，其与第一步进电机定子磁场线圈的电压输入端连接。同理M1C0M/PU4,M1C0P/PU5，M1C1M/PU6,M1C1P/PU7为第二组，……M5C0M/PW4,M5C0P/PW5，M5C1M/PW6,M5C1P/PW7为第六组。具体的连接关系根据实际情况设定，当有六个步进电机时，按照图5所示的连接关系将MC9S12H256芯片的24个端口分别与六个步进电机连接。对于只有四个步进电机的情况，则可以选择其中四组端口分别于四个步进电机连接。芯片MC9S12H256的其他引脚的连接关系，与本发明的发明点无关，在此不做详细说明，保持与其原有的连接关系即可。

中国专利文献CN202586854U公开的一种数字步进电机驱动器，主控芯片通过控制接口电路与PLC等通用控制器连接，主控芯片接收通用控制器的脉冲信号，方向信号，使能信号等实现对步进电机的驱动，同时，为实现对步进电机的驱动，需要通过H桥和H桥MOSFET电路，最终驱动步进电机。一般的数字步进电机驱动器也需外加专门的电机驱动芯片实现对步进电机的驱动，一般一片电机驱动芯片可以驱动两路步进电机，一块数字化仪表上则需要2-3片电机驱动芯片。从产品成本上说，1片电机驱动芯片按照10元计算，2-3片电机驱动芯片则需要20-30元，数字化仪表是批量产品，一块数字化仪表增加20-30元则是不小的成本；从硬件空间上说：在数字化仪表上增加2-3片电机驱动芯片，增大了所需的硬件空间，不利于数字化仪表的小型化。本实施例采用中央控制单元输出脉冲驱动信号直接驱动步进电机，无需外设通用控制器和专门的电机驱动芯片，此外由于中央处理单元具有直接驱动步进电机的特性，则可将中央处理单元与所需驱动的步进电机直接连接，无需外设H桥和H桥MOSEFT电路，降低了成本，节省了硬件空间，有利于数字化仪表的小型化。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种数字仪表步进电机的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：获取步进电机的目标位置；

S2：实时获取步进电机的当前位置，判断所述当前位置是否等于所述目标位置，若相等则返回所述步骤S1，否则进入步骤S3；

S3：根据所述当前位置获得每一路驱动脉冲信号的占空比；

S4：输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机转动一个步长后返回所述步骤S2。

2.根据权利要求1所述的数字仪表步进电机的驱动方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括如下步骤：

S31：获得正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的分步数F；

S32：获得所述驱动脉冲信号上与所述步进电机当前位置Ma相对应的分步位置Ad，Ad＝Ma％F；

S33：根据所述分步位置获取正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的占空比：

Sin_table＝Sin(2л×Ad/F)；

Cos_table＝Cos(2л×Ad/F)。

3.根据权利要求1或2所述的数字仪表步进电机的驱动方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括如下步骤:

初始化所有步进电机的状态，使所述步进电机的初始位置归零。

4.根据权利要求1-3任一所述的数字仪表步进电机的驱动方法，其特征在于，所述步骤S4中：

输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机的驱动模式为双极性、全H桥驱动模式，并且驱动脉冲信号的对齐方式为右对齐。

5.一种数字仪表步进电机的驱动系统，其特征在于，包括：

第一数据获取模块，用于获取步进电机的目标位置；

第二数据获取模块，用于实时获取步进电机的当前位置，并判断所述当前位置是否等于所述目标位置；

数据处理模块，当所述当前位置等于所述目标位置时则无需驱动步进电机，否则根据所述当前位置获得每一路驱动脉冲信号的占空比；

驱动信号输出模块，输出相应占空比的驱动脉冲信号驱动所述步进电机转动，直到电机的当前位置与目标位置相等。

6.根据权利要求5所述的数字仪表步进电机的驱动系统，其特征在于，所述数据处理模块中包括：

第一数据获取单元，获得正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的分步数F；

第二数据获取单元，获得所述驱动脉冲信号上与所述步进电机当前位置Ma相对应的分步位置Ad，Ad＝Ma％F；

占空比获取单元，根据所述分步位置获取正弦波驱动脉冲信号和余弦波驱动脉冲信号的占空比：

Sin_table＝Sin(2л×Ad/F)；

Cos_table＝Cos(2л×Ad/F)。

7.根据权利要求5或6所述的数字仪表步进电机的驱动系统，其特征在于，所述第一数据获取模块中包括：

初始化单元，初始化所有步进电机的状态，使所述步进电机的初始位置归零。

8.根据权利要求5-7任一所述的数字仪表步进电机的驱动系统，其特征在于，驱动信号输出模块输出驱动脉冲信号驱动所述步进电机的驱动模式为双极性、全H桥驱动模式，并驱动脉冲信号的对齐方式为右对齐。

9.一种利用数字仪表中的中央处理单元驱动步进电机的方法，其特征在于：

所述中央处理单元利用权利要求1-4任一所述的数字仪表步进电机的驱动方法输出驱动脉冲信号驱动步进电机。

10.根据权利要求9所述的利用数字仪表中的中央处理单元驱动步进电机的方法，其特征在于：

所述中央处理单元为MC9S12H256芯片，其具有24个PWM输出端口，其中4个PWM输出端口作为驱动脉冲信号的输出端与一个待驱动的步进电机的定子磁场线圈的电压输入端连接。