CN112781642A - 一种指针仪表的校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明可能涉及指针仪表、步进电机驱动、仪表校准等技术领域，特别涉及步进电机驱动的指针仪表校准方法。所述的方法包括如下步骤：让指针保持正转，记录仪表输出值，并计算指针正转时的校准参数；让指针保持反转，记录仪表输出值，并计算指针反转时的校准参数；指针正转时，根据正转时的校准参数，处理仪表输出值；指针反转时，根据反转时的校准参数，处理仪表输出值。提出一种简单、高效的校准方法，使得低成本指针仪表在全量程范围内，尤其是有刻度指示位置的精度显著提高，同时提高生产、装配的容错率。

Description

一种指针仪表的校准方法
技术领域
本发明可能涉及指针仪表、步进电机驱动、仪表校准等技术领域，特别涉及步进电机驱动的指针仪表校准方法。
背景技术
步进电机拥有体积较小、成本低廉、可靠性高等优点，非常适合驱动汽车仪表当中的指针仪表。随着民用汽车的大量生产普及，步进电机技术和应用不断成熟，在不知不觉间走进了千家万户。
指针仪表的指示精度受到电机转动精度，指针归零精度，表盘精度，电机、指针和表盘安装精度等多种因素影响。其中表盘精度，电机、指针和表盘安装精度可通过结构设计和装配提高；指针归零精度可通过优化归零算法提高。电机转动精度会影响指针在非初始位置的指示精度。步进电机自身无法感知转动位置，并且转动过程中的误差非线性，即转动到不同区域以及正转、反转的误差不同，有时达到2°左右。但由于对汽车指针仪表的指示精度要求较低，且缺少对比依据，使用者通过人眼很难识别误差，因此这类仪表往往只采用y＝kx简单模型对其进行整体校准，忽视这一误差。这使得这类指针仪表的整体精度较低，某些时候会因为误差较大影响使用者的判读，也难以在精度需求较高的仪表上使用。
有些产品对指针仪表进行分区域校准，但常规校准方法测试过程和校准程序都比较复杂，不仅费时费力还容易出错，不适合批量产品使用，故实际应用较少。
发明内容
本发明解决的技术问题：提出一种简单、高效的校准方法，使得低成本指针仪表在全量程范围内，尤其是有刻度指示位置的精度显著提高，同时提高生产、装配的容错率。
本发明的技术方案：一种指针仪表的校准方法，所述指针通过步进电机驱动，所述的方法包括如下步骤：
让指针保持正转，记录仪表输出值，并计算指针正转时的校准参数；
让指针保持反转，记录仪表输出值，并计算指针反转时的校准参数；
指针正转时，根据正转时的校准参数，处理仪表输出值；指针反转时，根据反转时的校准参数，处理仪表输出值。
优选地，所述指针正转时，仪表输出值Yn-1为：
Figure BDA0002870257610000021
其中，n代表某一刻度，y代表仪表实际输出值，要指针指向的数值为x，m为某一刻度代表的数值。
优选地，校准参数为
Figure BDA0002870257610000022
优选地，所述指针反转时，仪表输出值Y’n-1为：
Figure BDA0002870257610000023
其中，n代表某一刻度，y’代表仪表实际输出值，要指针指向的数值为x，m为某一刻度代表的数值。
优选地，校准参数为
Figure BDA0002870257610000024
优选地，校准时，以仪表某一侧最靠边缘的刻度为0刻度，另一侧边缘刻度为n刻度，以指针从0刻度向n刻度转动的方向为正转，转动经过的刻度依次记为0刻度、1刻度……n刻度，其代表的数值分别为m0、m1……mn；让指针保持正转方向靠近刻度，然后慢慢改变仪表输出，使指针刚好对准刻度线，记录仪表的实际输出；对准0刻度～n刻度时仪表的实际输出记为y0～yn。
优选地，校准时，让指针从n刻度依次移动到n-1刻度……1刻度、0刻度；n刻度直接记录数据，让指针保持反转方向靠近其他刻度，然后慢慢改变仪表输出，使指针刚好对准刻度线，记录仪表的实际输出，对准n刻度～0刻度时仪表的实际输出记为y'n～y'0。
优选地，如果指针转过刻度线位置，则回到初始位置重新开始。
优选地，所述仪表的指针位置通过摄像机采集。
本发明的有益效果：本发明提出的校准方法，使得指针仪表在全量程范围内，尤其是有刻度指示位置的精度显著提高。同时校准过程中只需进行简单测试并修改校准参数即可完成校准，能够大幅提高校准效率。该方法还可以根据测试结果和实际精度需求制定具体的校准方案，着重优化精度较差的区域或显示精度要求较高的区域。低成本指针仪表精度的提高，有利于使用者的准确判读，也大大拓展了这类指针仪表的使用领域，降低了高精度仪表的制造、使用成本。该方法作为指针仪表生产装配过程中最后采用的整体校准方法，不仅能够校准电机转动误差，同时还能够显著减少指针归零误差，表盘误差，电机、指针和表盘安装误差造成的精度下降，降低这些方面的精度要求，提高容错率。
附图说明
图1为本发明所述方法流程图。
具体实施方式
一种指针仪表的校准方法。步进电机驱动的指针仪表主要包括步进电机、步进电机驱动芯片、指针、仪表盘，指针安装在步进电机的轴上，可以在步进电机的两个机械限位之间转动，嵌入式软件通过步进电机驱动芯片驱动步进电机轴转动，带动指针指向仪表盘上的刻度区间，供使用者读数。在校准过程中，可用上位机软件模拟仪表输出。假设有n+1个刻度，具体校准过程如下：
步骤1：以仪表某一侧最靠边缘的刻度为0刻度，另一侧边缘刻度为n刻度，以指针从0刻度向n刻度转动的方向为正转，转动经过的刻度依次记为0刻度、1刻度……n刻度，其代表的数值分别为m0、m1……mn。让指针保持正转方向靠近刻度，然后慢慢改变仪表输出，使指针刚好对准刻度，记录仪表的实际输出。对准0刻度～n刻度时仪表的实际输出记为y0～yn。如果指针转过刻度位置，切记反转，需回到初始位置重新进行步骤1。指针最后停到n刻度位置。若指针初始位置对准仪表某一侧最边缘的刻度，则以此刻度为0刻度，另一侧边缘刻度为n刻度。0刻度可以直接记录y0，不需要从正转方向靠近刻度。
步骤2：假设想要指针指向的数值为x，为了让指针指向正确的位置，仪表的实际输出值为Y。将表盘的刻度区域分为n+1个区域，[0刻度，1刻度)区域Y值用表示Y0，[1刻度，2刻度)区域Y值用Y1表示，以此类推，[n-1刻度，n刻度)区域Y值用Yn-1表示，n刻度位置Y值用Yn表示。假设n刻度后面还有一个虚拟的n+1刻度，其代表的数值为mn+1，假想对准该刻度时仪表的实际输出记为yn+1。则有如下公式：
Figure BDA0002870257610000041
其中，
Figure BDA0002870257610000051
无法求得，但由于对于n刻度位置x＝mn，因此Yn＝0+yn＝yn。记录校准参数
Figure BDA0002870257610000052
步骤3：让指针从n刻度依次移动到n-1刻度……1刻度、0刻度。n刻度直接记录数据，让指针保持反转方向靠近其他刻度，然后慢慢改变仪表输出，使指针刚好对准刻度，记录仪表的实际输出。对准n刻度～0刻度时仪表的实际输出记为y'n～y'0，其中y'n＝yn。如果指针转过刻度位置，切记正转，需回到n刻度位置重新进行步骤3。
步骤4：为了让指针指向正确的位置，仪表反转时的实际输出值为Y'。同样将表盘的刻度区域分为n+1个区域，[0刻度，1刻度)区域Y'值用Y0'表示，[1刻度，2刻度)区域Y'值用Y1'表示，以此类推，[n-1刻度，n刻度)区域Y'值用Yn'-1表示，n刻度位置Y'值用Yn'表示。对准虚拟的n+1刻度时仪表的实际输出记为y'n+1。则有如下公式：
Figure BDA0002870257610000053
记录校准参数
Figure BDA0002870257610000054
步骤5：在嵌入式软件中增加判断代码，写入校准参数和数据mn、yn、y'n。指针正转时输出值Y按照公式(1)计算，反转时输出值Y'按照公式(2)计算。
如果仪表盘上的刻度分为长刻度和短刻度，长刻度之间往往有固定数量的短刻度，则在步骤1中，可以只记录指针对准长刻度时的数据，后续只对长刻度进行校准，可大幅减少校准工作量。如果某个
Figure BDA0002870257610000061
或
Figure BDA0002870257610000062
较大，说明指针在这两个长刻度之间正转或反转时的误差较大，则可按照步骤1～5的方法，单独对这两个长刻度之间的短刻度进行校准。
实施例
用上位机软件模拟仪表输出，某表示转速的指针仪表中，有0、1000、2000、3000、4000、5000、6000等7个长刻度，相邻的2个长刻度之间各有4个短刻度。指针初始位置对准仪表左侧最边缘的刻度0。如图1所示，具体校准过程如下：
1、直接仪表的实际输出记录y0。让指针从刻度0向6000方向转动，靠近长刻度时慢慢改变仪表输出，使指针刚好对准长刻度，记录仪表的实际输出记为y1～y6。如果指针转过刻度位置，切记反转，需回到初始位置重新进行步骤1。指针最后停到刻度6000位置。
2、假设想要指针指向的数值为x，为了让指针指向正确的位置，仪表的实际输出值为Y。将表盘的刻度区域分为7个区域，[0，1000)区域Y值用表示Y0，[1000，2000)区域Y值用Y1表示，以此类推，[5000，6000)区域Y值用Y5表示，刻度6000位置Y值用Y6表示。则有如下公式：
Figure BDA0002870257610000063
3、让指针从刻度6000依次移动到刻度5000……1000、0。刻度6000直接记录数据，让指针保持反转方向靠近其他刻度，然后慢慢改变仪表输出，使指针刚好对准刻度，记录仪表的实际输出。对准刻度6000～刻度0时仪表的实际输出记为y'6～y'0，其中y'6＝y6。如果指针转过刻度位置，切记正转，需回到刻度6000位置重新进行步骤3。
4、为了让指针指向正确的位置，仪表反转时的实际输出值为Y'。同样将表盘的刻度区域分为7个区域，[0，1000)区域Y'值用Y0'表示，[1000，2000)区域Y'值用Y1'表示，以此类推，[5000，6000)区域Y'值用Y5'表示，刻度6000位置Y'值用Y6'表示。则有如下公式：
Figure BDA0002870257610000071
5、在嵌入式软件中增加判断代码，写入校准参数和数据mn、yn、y'n。指针正转时输出值Y按照公式(1)计算，反转时输出值Y'按照公式(2)计算。
上述计算过程中，如果某个
Figure BDA0002870257610000072
或
Figure BDA0002870257610000073
较大，说明指针在这两个长刻度之间正转或反转时的误差较大，则可按照1～5的方法，单独对这两个长刻度之间的短刻度进行校准。具体过程不再详述。
对于同型号指针仪表，将固定数据mn写入嵌入式软件中。在上位机软件中设置专门的校准功能区域，直接输入y0～y6、y'6～y'0即可将数据写入嵌入式软件，不必对嵌入式软件进行烧写更改。
如果批量校准，可用摄像机和电脑代替人工。将仪表和摄像机摆放在固定位置，用摄像机代替人眼进行指针刻度的对准，用计算机自动采集指针对准刻度时的数据，并写入嵌入式软件，可大幅减少人工工作量，提升校准效率。

Claims (9)

1.一种指针仪表的校准方法，所述指针通过步进电机驱动，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
让指针保持正转，记录仪表输出值，并计算指针正转时的校准参数；
让指针保持反转，记录仪表输出值，并计算指针反转时的校准参数；
指针正转时，根据正转时的校准参数，处理仪表输出值；指针反转时，根据反转时的校准参数，处理仪表输出值。
2.根据权利要求1所述的一种指针仪表的校准方法，其特征在于，所述指针正转时，仪表输出值Yn-1为：
Figure FDA0002870257600000011
其中，n代表某一刻度，y代表仪表实际输出值，要指针指向的数值为x，m为某一刻度代表的数值。
3.根据权利要求2所述的一种指针仪表的校准方法，其特征在于，校准参数为
Figure FDA0002870257600000012
4.根据权利要求1所述的一种指针仪表的校准方法，其特征在于，所述指针反转时，仪表输出值Y’n-1为：
Figure FDA0002870257600000013
其中，n代表某一刻度，y’代表仪表实际输出值，要指针指向的数值为x，m为某一刻度代表的数值。
5.根据权利要求4所述的一种指针仪表的校准方法，其特征在于，校准参数为
Figure FDA0002870257600000014
6.根据权利要求1所述的一种指针仪表的校准方法，其特征在于，校准时，以仪表某一侧最靠边缘的刻度为0刻度，另一侧边缘刻度为n刻度，以指针从0刻度向n刻度转动的方向为正转，转动经过的刻度依次记为0刻度、1刻度……n刻度，其代表的数值分别为m0、m1……mn；让指针保持正转方向靠近刻度，然后慢慢改变仪表输出，使指针刚好对准刻度线，记录仪表的实际输出；对准0刻度～n刻度时仪表的实际输出记为y0～yn。
7.根据权利要求1所述的一种指针仪表的校准方法，其特征在于，校准时，让指针从n刻度依次移动到n-1刻度……1刻度、0刻度；n刻度直接记录数据，让指针保持反转方向靠近其他刻度，然后慢慢改变仪表输出，使指针刚好对准刻度线，记录仪表的实际输出，对准n刻度～0刻度时仪表的实际输出记为y'n～y'0。
8.根据权利要求6或7所述的一种指针仪表的校准方法，其特征在于，如果指针转过刻度线位置，则回到初始位置重新开始。
9.根据权利要求1所述的一种指针仪表的校准方法，其特征在于，所述仪表的指针位置通过摄像机采集。
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