汽车仪表部分论文

汽车仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 部分论文 毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 说明书 学生姓名: 陈汉泉 学 号: 20090756 学 院: 交通运输与物流学院 题 目: 汽车数字仪表系统的设计 ——步进电机的驱动 指导教师: 邓海英 评阅教师: 2013年5月10日 摘 要 汽车仪表是汽车的重要部件之一，能集中、直观、迅速地反映汽车在行驶过程中的各种动态指标。本文主要是研究车载仪表的驱动原理，采用步进电机驱动的方式。本文研究的步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的变换器。它可以用脉冲信号直接进行开环定位信号控制，而在自动控制系统中或者汽车电子控制系统中，常常需要有将数字信号转换为角位移或线位移的电磁装置。本文的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是根据仪表的工作 流程图 破产流程图 免费下载数据库流程图下载数据库流程图下载研究框架流程图下载流程图下载word 来选择各环节所需要的部件。选用霍尔传感器获取车速信息，然后由前置电路处理，通过CAN总线通讯传递信息给W77E58单片机处理器，计算处理速度里程信息。单片机处理器与MC33991驱动处理器通过接口与通讯协议传输处理信息，经驱动处理器处理整合出步进电机运作信息驱动相应电机转动，从而带动指针转动。 关键字 汽车仪表;步进电机;单片机;CAN总线 Car Instrument System Design—Stepper Motor Driver Auto meter is one of the important parts of cars, can focus, intuitive, and quickly reflect various dynamic index in the process of car on the road. This article mainly is the study of automotive instrument drive principle, driven by stepper motor. In this paper, we study the stepper motor is an electrical pulse signal into the corresponding angular displacement or linear displacement transducer. It can use the pulse signal to directly open loop positioning control signal, in the automatic control system or automotive electronic control system, it is often necessary to convert digital signals to angular displacement or linear displacement of the electromagnetic devices. The design scheme of this paper is based on the instrument work flow charts of parts needed to select each link. Use hall sensor to obtain the speed information, and then by irregular rid of front end circuit is not in conformity with the requirements of information, through the CAN bus communication message to W77E58 singlechip processor, computing processing speed range information. Single-chip processor and MC33991 drive processor processing information transmission via interface and communication protocol, the driver integrated processor processing out of the step motor drive motor rotation corresponding operation information, thus promote pointer rotation. Keywords:Auto meter; Stepping motor;Single chip microcomputer; Can bus 目 录 1 概述...................................................................... 1 1.1 汽车仪表的发展背景 .................................................. 1 1.2 汽车仪表发展现状及趋势 .............................................. 2 1.3 论文的内容 .......................................................... 3 2 方案设计 .................................................................. 3 2.1 车载仪表显示方式 .................................................... 3 2.1.1 转速表 ........................................................ 4 2.1.2 车速表 ......................................................... 4 2.1.3 水温表 ........................................................ 5 2.1.4 燃油表 ........................................................ 5 2.2 指针式仪表的驱动方式 ................................................ 5 3 汽车仪表步进电机及驱动原理 ................................................ 6 3.1 步进电机 ............................................................ 6 3.2 微处理器的选择 ...................................................... 9 3.3 步进电机的驱动原理 ................................................. 10 3.3.1 恒电压驱动 ................................................... 10 3.3.2 高低压驱动 ................................................... 10 3.3.3 调频调压驱动 ................................................. 11 3.3.4 斩波驱动 ..................................................... 11 3.3.5 细分驱动 ..................................................... 12 3.4 步进电动机驱动器的选择 ............................................. 13 3.4.1 常用步进电动机驱动芯片 ....................................... 13 3.4.2 专用驱动芯片MC33991 ......................................... 14 3.5 步进电动机的选择 .................................................. 16 3.6 方案设计 .............................................................. 17 4 软件设计 ................................................................. 20 4.1 软件设计思想 ....................................................... 20 4.1.2 程序的模块化设计 ............................................. 20 4.2 主程序的设计 ....................................................... 21 4.2.1 初始化模块 ................................................... 21 4.2.2 主程序模块 ................................................... 21 4.2.3 中断处理模块 ................................................. 22 4.3 车速里程表子程序 ................................................... 22 结 论 ..................................................................... 24 参考文献.................................................................... 25 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 1 概述 1.1 汽车仪表的发展背景 自1886年发明汽车以来，汽车走过了100年左右的发展进程。汽车仪表是 [1]汽车发展的产物，它是汽车跟驾驶者相互沟通的渠道。。 每辆汽车安置了相应功能的仪表。车型不同，生产年代不同，汽车仪表的数量和种类也相应不同。随着汽车的出现及发展，汽车仪表也处在不断发展和更新当中。随着电子、光学等技术的迅速发展，尤其是计算机技术在汽车仪表中的不断应用，汽车仪表已向数字化和智能化方向发展。各国都在努力开发汽车仪表技术，并不断取得新的技术。 根据汽车仪表的发展过程，根据汽车仪表工作原理的发展更新，可以分为四个阶段。 第一代汽车仪表是利用机械作用力而工作的机械仪表，这类仪表被称作机械式机芯表; 第二代车载仪表是利用电测原理，它是通过各种传感器感应的非电量信息转变成电信号并加以测量，这类仪表被称作电气式的仪表; 第三代被称作模拟式电路电子式; 第四代被称作步进电机式全数字车载仪表。 当代车载仪表的发展现状正在经历从第三代向第四代过渡。第三代车载仪表的工作原理跟电气式的仪表几乎相同，只是电子器件替代之前的电气器部件。他大概出现在60年代，由于电路集成化技术发展突飞猛进，这种仪表皆采用专用的集成电路，此种仪表已成为市场的主流产品，经过20多年的发展，其结构形式经历了动圈式机心和动磁式机心两个阶段。电子器部件经历了专用集成电路与分立器件两个阶段。在这整个发展历程中，各国技术工作者一直对其进行着改进。如关于降低成本和不断改善制作工艺，起初机械零件主要是金属件，而目前主要是以塑料为主;为了提高指针平稳性和指示精度，已从动圈式转变成动磁式等。这样，每次改进后整体的性价比有较大提高，但由于其本身工作原理限制，很难在其精度、重复性以及响应速度等性能方面有根本性的突破。目前来看，十字交叉式的动磁式仪表是第三代车载仪表的尖端代表，然而随着技术的不断更新，第 第 1 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 四代全数字式车载仪表必将取而代之。某种意义上，第四代全数字式汽车仪表根据它所应用的技术方法，仍属于电子技术的范畴，及电子式仪表，但信号处理的方式从模拟转变成了数字。然而仅仅凭借改变信号处理方式还不足以将全数字式汽车仪表划分成一个新的阶段，它们之间的工作原理截然不同，如果产品在工作原理上有突破和创新，那么它的组成形式、设计思路、功能以及性能发生的改变 [2]将会是根本性的。 1.2 汽车仪表发展现状及趋势 专业人士认为，国内车载仪表产品技术水平还处于比较低的阶段，其单一的设计造型、比较差的耐久性与可靠性以及较低的数字化程度，不能跟上整车设计发展的节奏。此外，跟国外一些发达的国家比较，其技术水平也相差悬殊。虽然全数字式汽车仪表一致被国内汽车仪表界看好，但国内企业还不具备开发的技术条件。其实前几种仪表在国内市场上有着比较大的应用份额，但其大部分用在之前引进的车上。一些我国合资和外商独资企业，如马瑞利、德科、伟世通、西博世、门子VDO等，均是把数字仪表作为主导产品。西门子的相关人士称，在车载仪表的市场结构上，一方面中国本土厂商经过多年打拼占据一定市场份额;另一方面是国际性大公司在中高端市场上占有较大份额。他们通过与国际性的大公司合作，争取更加多的市场和更丰富的资源，降低成本争取低端市场。从发展技术层面看，中国大部分厂商在技术层面上处于跟随状态，而在储备技术和把握产品发展路线方面还有较大的提升空间。国内企业由于测试设备差、测试成本较高以及测试专业人士不足等问题，使车载仪表研究进程缓慢。 汽车仪表对于汽车控制是不可或缺的重要组成部分，伴随着汽车产量增加而不断扩大。中国车载仪表市场市值大概有7亿美元，大概占据汽车电子市场总值的10.2%。我国车载仪表经历过机械式和模拟电路电子式的发展阶段。传统的机电式仪表已被先进的传感器与显示装置构成的电子仪表所代替，现在汽车仪表技术正向数字化方面发展。上海德科电子仪表有限公司技术人员介绍，数字技术驱动指示仪表有着精度高和统一机芯结构成本低的特点。数字式汽车仪表，将成为 [3]当今甚至未来汽车仪表显示装置的主导，市场前景非常广阔。 第 2 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 1.3 论文的内容 本论文的主要的内容是对当代汽车各类仪表设计方案的介绍以及对仪表用步进电机驱动的研究。 新型的汽车仪表，多数是基于现场总线通信协议并且采用微电机驱动控制系统等新技术，并逐步向数字化、智能化、网络化方向发展。相对于传统的动磁式和动圈式机芯汽车仪表的体积大、可靠性差、准度低的缺点，用步进电机来驱动指针的汽车仪表具有体积小、重量轻、可靠性高、抗千扰能力强、指示准确、兼容性和通用性强、生产和检测工艺简单等优点，该类仪表已成为当今世界汽车仪表的发展趋势。 本文研究的步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的变换器。它可以用脉冲信号直接进行开环定位信号控制，而在自动控制系统中或者汽车电子控制系统中，常常需要有将数字信号转换为角位移或线位移的电磁装置，步进电机的工作特点恰好符合此要求，在汽车仪表中有着很好的应用。 2 方案设计 2.1 车载仪表显示方式 [4]现代汽车仪表采用的显示方式，主要有以下五种: (1)通过驱动步进电机带动指针转动; (2)通过点阵LCD显示屏显示图形或数字信息; (3)通过段式LCD屏或数码管显示; (4)通过LED灯的开关显示; (5)通过蜂鸣器的不同鸣音指示当前状态。 如图2-1为一款典型的小汽车仪表。 第 3 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 图2-1 车载指针式仪表 无论以哪种显示方式，汽车仪表总承担着及时向驾驶员反映汽车各系统，特别是发动机动力系统的工作状态。同时还反映转速、车速、里程、油量、水温 [5]等信息给驾驶员，从而保证汽车可靠安全行驶的重任。 2.1.1 转速表 电子式转速表由于具有较高的精度、灵敏度，并能自动报警，及其在高低温、潮湿、振动等各种恶劣条件下工作的优点，所以应用较多。大多数转速表采用指针显示发动机速度，它利用点火系的初级脉冲信号测量发动机转速，这个脉冲信号输入微机中测得每个脉冲的周期，用四个脉冲的平均周期来计算发动机转速。如图2-1中的转速表指针转动角度可以达到300:，清晰、直观、测量精度高。 2.1.2 车速表 车速表用来根据从汽车速度传感器接收的信号计算汽车速度并显示这一计算结果。当检测到来自汽车速度传感器的信号出现时，微机开始计算代表汽车速度的脉冲。当预定的时间周期过去之时，计算运行也就结束。然后把计算器的计算数字与存贮器中的数字进行比较:若两者问相差为1 km/h或更多时，计算数字送往显示电路，用以更新显示值。指针式仪表从0到满刻度指针转动范围较广， ~一般在300:330:左右。 第 4 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 2.1.3 水温表 为了进行较精确的测量和控制汽车发动机冷却水的温度，气缸内燃烧温度以及主要轴承的温度都可采用数字温度计来测量。数字式温度计是把传感器产生的被测量的连续电量自动地变成断续量(数字量)，然后进行数字编码，并将测量结果经数字显示出来。它由温度传感器、放大A/D转换、译码器、显示装置等几部分组成。温度传感器把待测的温度变成一定函数关系的电信号。但该电信号较弱，要经放大后才能进行A/D转换，把由温度传感器变成模拟量的电信号转换成对应的数字量。通过译码器译码后，由显示装置显示出测量的温度。水温表指针转动角度较小，水温表盘刻有C——H，C表示60?，只要水温表指针到C说明水温已经达到60?，H表示水温过高，温度是110?，发动机工作时水温表指针在C [6]——H之间，驾驶员就能够估计出水温表指示的温度。 2.1.4 燃油表 燃油表是显示油箱内的油量的仪表，单位是L(升)，指针指向“F”，表示满油，指向“E”，表示无油;也有用1/1、1/2、0分别表示满油、半箱油和无油。燃油表内有两个线圈，分别在“F”与“E”一侧，传感器是一个由浮子高度控制的可变电阻，阻值变化决定两个线圈的磁力线强弱，也就决定了指针的偏转方向。 2.2 指针式仪表的驱动方式 常见的指针式仪表的驱动方式主要包括:传统的磁电式驱动和现代通用的电机驱动。 [7] 磁电式驱动仪表，其作用原理是永久磁铁在气隙中产生的磁场和可动线圈通入电流后，相互作用而产生的旋转力矩。磁电式仪表多用于测量电流和电压，加上变换器可以进行多种非电量的测量，如温度、压力等。磁电式仪表的性能稳定，读数精确，量限多，使用方便，适应于直流电路的精密测量和实验室中的标准测量仪表。但是其存在的最大缺陷就是随着环境温度的改变，测量误差变大。虽然科技工作者想出了种种温度补偿措施，如磁路补偿法、双金属片调节法、负温度系数器件补偿法、串并联电阻温度系数补偿法等等，但是结果只能差强人意。因而，步进电机驱动取而代之。 第 5 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 步进电动机是一种微特电机，它能够把电脉冲信号转变成相对应的直线位移或角位移。它通过利用脉冲信号来直接控制开环定位，而不需要位置或这速度传感器，而且控制的线路简单，使用可靠、方便。步进电动机的工作特点恰好符合在自动控制系统中或者汽车电子控制系统中，常常需要有将数字信号转换为角位移或线位移的电磁装置的要求，可以说它是和现代数字控制技术结合的最好的一类电机，很容易和其它数字器件进行接口。因此广泛应用于汽车电子、数控机 [8]床、机器人等领域。 步进电动机作为比较通用的数字执行元件，它的控制结果优劣与否很大程度上是取决于它的驱动电源性能。而实现驱动细分是为了减小步距角、提高步进分辨率、增加电动机运行平稳性的一种有效方法。依据电动机学原理，而要使电动机在运转中具有较恒定的力矩以达到电动机的平稳运转，电动机内应有较均匀的圆弧形旋转磁场，即需要各相绕组所形成的合成磁强矢量做等幅值匀速旋转。基于电动机学术理论可知，假如在空间相互正交的两相绕组上各通相位相差90?的正弦电流，则这两相绕组的合成空间电流矢量将做等幅匀速旋转，由此产生的控制合成磁势也将做等幅匀速旋转，电机也将获得最佳的运行性能。 3 汽车仪表步进电机及驱动原理 3.1 步进电机 随着电子技术的发展，步进电动机也成为了汽车仪表的主要驱动部件。步进 [9]电动机是一种脉冲式执行元件。它受电脉冲信号的控制，每输入一个脉冲，转 θ子便产生一步位移，称步距角。输出总位移量θ与脉冲个数N成正比，即 s θ=θΝs 由于这种电机的位移是随脉冲的逐个输入而逐步行进，所以称作步进电动机或称脉冲电机。如果输入信号是连续的脉冲序列，电机即可连续运转，此时电机 f的转速n与脉冲频率，即 n n =kfnn f式中:为比例常数。 n 第 6 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 [10]步进电机是控制用的特种电机，他的旋转以固定角度(步距角)一步一步运行，它没有累计误差，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要用一个电子装置来驱动，这种装置就是步进电机的驱动器，它把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步距角)。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的:同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分三种:永磁式(PM)、反应式(VR)和混合式(HB)。永磁式步进电机通常是两相，转矩与体积较小，步距角通常为7.5?或15?;反应式的步进电机通常为三相，能够实现较大转矩的输出，步距角通常为1.5?;混合式的步进电机即指结合了永磁式与反应式两者的优点。它又分为两相和五相，两相的步进电机的步距角通常为1.8?而五相步距角通常为0.72?。 步进电动机的基本 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 有固定步距角、相数、保持转矩、锁矩等。 (1)电机固定步距角:指控制系统处理器每次发出的一个步进脉冲信号，电动机所转角度。电机出厂时便给出了一个步距角的值，此值被称为“电动机固有的步距角”，这不一定是真实电动机实际工作时的步距角，真实的步距角跟驱动器相关。 (2)步进电动机的相数:它是指电机内部线圈组数，一般常用的有两相、三相、四相和五相步进电机。电机的相数不同，它的步距角也不相同，通常两相电机步距角为0.9?/1.8?、三相的是0.75?/1.5?、五相的是0.36?/0.72?。在无细分的驱动器时，用户主要根据选择不同的相数步进电动机来满足相应步距角要求。如果有细分的驱动器，则“相数”将变得无意义，用户只需要在驱动器部件上改变细分数目，即可变更步距角。 (3)保持转矩(HOLDING TORQUE:指步进电动机通电而无转动时，定子要锁住转子所需的力矩。是步进电动机最为重要的参数之一，一般情况下步进电动机在低速度时的力矩相当于保持转矩。 (4)锁矩(DETENT TORQUE):即步进电机没有通电的情况下，定子能锁住转子所需的力矩。 步进电动机的特点如下。 第 7 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 (1)一般步进电动机的精度为步进角的3%-5%，且不累积。 (2)步进电动机外表允许的最高温度。一般来讲，磁性材质的退磁点皆在摄氏130:以上，也有甚至高达200:以上，那么步进电动机外表的温度处在80~90:完全正常。 (3)步进电动机的力矩也会随着转速的上升而下降。当步进电动机转动时，电机各相的绕组电感将产生一个反向的电动势，频率越高，反向的电动势愈大。在它作用之下，电动机随频率的增大反而相电流减少，因而导致力矩下降。 (4)步进电动机低速度时能正常运转，而一旦高于某速度就不能启动，并伴着啸叫声。 传统式步进电动机存在着步距角较大、运转噪声较大、震动大和低频运行伴随振荡等缺陷，往往不能满足某些较高精度的定位和精密加工性能等要求，影响着步进电动机系统性能，也限制着步进电动机的运用范围。因而为改良步进电动机的缺点，科研工作者从两方面开始进行努力。一方面从电动机本身着手，通过增加定子相数与齿数的方法提高系统的性能;另一方面即通过优化控制方法从而提高系统性能。前者可以提高步进电动机系统性能，却受制于材质、工艺跟成本等。而相比前者，后者却更具有广阔的改善空间。 步进电动机作为比较通用的数字执行元件，它的控制结果优劣与否很大程度上是取决于它的驱动电源性能。而实现驱动细分是为了减小步距角、提高步进分辨率、增加电动机运行平稳性的一种有效方法。依据电动机学原理，而要使电动机在运转中具有较恒定的力矩以达到电动机的平稳运转，电动机内应有较均匀的圆弧形旋转磁场，即需要各相绕组所形成的合成磁强矢量做等幅值匀速旋转。基于电动机学术理论可知，假如在空间相互正交的两相绕组上各通相位相差90?的正弦电流，则这两相绕组的合成空间电流矢量将做等幅匀速旋转，由此产生的控制合成磁势也将做等幅匀速旋转，电机也将获得最佳的运行性能，这就是步进电机细分控制方式的原理。 [11]步进电动机细分控制，本质上是通过对步进电动机的励磁绕组电流的控制，使步进电动机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要想实现对步 第 8 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合磁场的角度变化也要均匀。 由于步进电机驱动电源技术的逐步提高，步进电机的运行性能也因此得到了很大的改善，它的应用范围也就越来越广泛，在精度上己经达到能和伺服系统相媲美的效果。并且由于步进电机无需反馈，其控制方式相对简单，位置误差不会累加，与伺服系统相比可以大大的降低成本，在越来越多的汽车仪表中占据了一席之地。如奇瑞风云轿车、哈飞赛豹轿车和捷达轿车等采用的都是步进电机式汽车仪表。 3.2 微处理器的选择 通常，在步进电机的控制系统中，一般采用单片机作为微处理器。 单片机控制步进电动机是最常用的一种控制方式。单片机控制适用于运算不复杂、硬件资源要求不高的场合。但是以单片机为下位机处理器控制方式是较为成熟的控制方式，应用范围比较广泛。尤其推出的第四代单片机新产品，它全盘CMOS化的工艺结构以及采用的RISC结构体系，大大增强了单片机的运算能力，并且添加了更丰富的硬件资源。 因此选择单片机作为驱动电路的核心处理芯片。通过对各种同功能的单片机性价比的比较，在符合步进电机驱动的条件下，我选择了Winbond公司生产的W77E58单片机。W78E58单片机是52系列的单片机增强版，延续了52系列单片机的全部功能，并有所增强与改进。该8位单片机采用全盘CMOS工艺体系，最高达40M时钟，引脚和指令与52系列完全兼容，其每条指令的速度提高1.5至3倍。用有两个相互独立的串口，32K字节可擦写EPROM，内部RAM为256字节，1 K字节以MOVX指令寻址的片内RAM，且内置看门狗，总共12个中断源等。 W77E58单片机时钟频率最高可大40 MHz，同时，根据用户的需求还可以进行自定义，可以被4、64、1024分频，以满足不同的需求。在这里我们采用的是24 MHz的时钟频率，以满足电机控制的实时性要求。 第 9 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 3.3 步进电机的驱动原理 步进电动机一般的驱动方式通常包括恒电压驱动、高低压驱动、调频调压驱动和斩波驱动等几种。 3.3.1 恒电压驱动 恒定电压驱动方式指步进电机绕组加上恒定的电压，见图3-1。流经绕组中 LR的电流按时间常数 (为绕组的等效电感，为绕组的等效电阻)TLR=/aaeaa1 上升至稳定状态。当电机高速运转时，流经绕组的电流还没上升到稳定状态就被关断，相对应的平均电流减少从而导致输出转矩的下降。为提高高速状态下电机转矩性能，一般在连接电机绕组线路图中串联一个无感电阻，并给外加更高的一个电压。这样却使电源的效率很大程度上降低而且带来散热方面等麻烦。一般适用于小功率电机驱动电路中。 图3-1 恒压驱动电路图 3.3.2 高低压驱动 高低压的驱动方式指恒定电压驱动方式改进型，它可用两种电源，即步进电机额定电压与比它高好几倍的电源电压，见图3-2。这样可以改善电机启动时的电流前沿特性。当各相绕组相互导通时，则高压功率管和低压功率管同一时间导通，这时加在绕组上的电压是高端电压，上升的电流有着比较陡峭的前沿特性。而当电流上升到额定值时，则控制高压功率管就关闭，剩下低压功率管维持相电流导通。 第 10 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 图3-2 高低电压驱动电路图 3.3.3 调频调压驱动 调频调压驱动是一种电动机绕组上的电压随工作频率的变化而变化的一种驱动方式，见图3-3。即低频低压驱动，高频高压驱动。电压随频率改变，既能提高高频的输出，还能避免低频出现震荡的可能性。跟其它驱动电路比，此驱动电路也增添了比较电路和调压电路。比较器的输出控制调压电路输出的电压高低，而比较器输出又取决于积分器的输出与锯齿波发生器的比较结果。所以，当控制步进电动机的频率发生变化时，积分器和比较器的输出都会发生相应改变，从而改变调压器的输出。 图3-3 变频变压驱动框图 3.3.4 斩波驱动 斩波驱动方式也称之为恒定电流驱动方式。是一种当供电电压值较电机额定的电压高所采取斩波方式让电动机绕组的电流值从低速至高速运转范围之内保持电流的恒定的驱动方式。它不仅克服了高低压电路相电流波形凹点的缺陷，还使输出转矩提高。 第 11 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 图3-4 斩波驱动原理图 3.3.5 细分驱动 步进电动机细分控制，是通过对步进电动机励磁绕组中电流的控制，从而使步进电动机内部合成磁场是均匀的圆形旋转的磁场，实现步距角细分。通常，合成磁场的幅值已决定步进电动机旋转力矩大小，相邻的两合成磁场矢量之间的夹角也决定了步距角的值。所以，不仅要合理控制步进电动机内部合成磁场的幅值恒定，还要使合磁场的角度变化均匀。 步进电机每相绕组的电流是按工作方式的进程依次通电的。绕组通电就是通电与断电反复进行。细分驱动即每次通电和断电时电流幅值并不是一次性升降到位，而是分成许多个台阶，依次升降。如果绕组中电流波形不再是一个近似的方波，而是一个分成N个台阶的近似阶梯波，即电流每次升降一个梯阶时，转子转动一小步。而转子按照此规律转过若干微步时，累加起来相当于转子此时转过了一个值得步距角。 细分驱动把原来步进电动机的一整步距角细分为若干数量的微步，所以，这样既可以提高执行机构的精度控制，又能是电机无震荡，运行平稳，减少噪声与转矩波动，提高动力的输出力矩。 细分驱动的控制有两种不同的方案。之前用的比较多的是用分立电路元件来实现，此种电路包括核心处理器、实现细分数据存储的RAM、实现相关环分功能的电路及PWM电路。见图3-5和图3-6，分别是两相细分驱动的电源系统框图和PWM信号产生电路原理框图。此种实现方法其特点是使用灵活、应用范围广、产 第 12 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 品维修方便、价格相对低廉等等;缺点是驱动系统稳定性差、器件易损坏、容易受干扰等等。 图3-5 两相细分驱动电源的系统框架图 电流 PI反馈 调信号 CP 细分PWM信 计存节PWMD/A转号的输出 数储器 信号换器 器 器 产生CW/CCW 电路 基准三 角波发 图3-6 PWM信号产生电路图 生器 第二种方案是随着集成电路与微电子技术大力发展而产生的，即基于专用的芯片来实现有关步进电动机细分控制性能，它是通过一种微电子技术，把所有功能模块都集成放入一块芯片之中，工作原理与第一种基本相似。此种芯片系统简单、体积小、调试方便，易于开发。 3.4 步进电动机驱动器的选择 3.4.1 常用步进电动机驱动芯片 小型功率步进电动机的专用驱动芯片，广泛应用于计算机外设、小型仪表等领域，快捷方便。下面列举几款常见的驱动芯片。 第 13 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 PMM8713是一家日本公司Sanyo的产品，适用于步进电动机控制脉冲的分配器。它可以用于三相和四相电机驱动。励磁分为有一相、二相和一二相等方式，根据不同电路设计选取相应方式。另外，PMM8713还有单时钟与双时钟等工作方式，并带有正、反转控制和初始信息化复位的功能，其电路内部有激励方式控制、时钟选通、激励方式判断、可逆环形计数等功能。 CIPH9803A控制芯片是一种能编程五相步进电动机芯片。它具有步数设置、可逆运行、启动、暂停、停车、工速和快速等几种设置的功能，它有一个可控制 [12]步进电动机定位停车的传感信号输入端口。 此外，由SIEMENS公司生产的C504单片机微控制器在控制电机方面有着独特结构与低价格、大容量的特点，对于步进电机也十分适用。A3955SB芯片由美国Allegro公司所生产，每片可单相控制其驱动。国产HH204芯片，HH204芯片电路内含可以同时驱动一个四相步进电机或者两个二相步进电机制驱动一个四 [13]相步进电机。 3.4.2 专用驱动芯片MC33991 MC33991是16位的SPI控制的单片机，该芯片能够同时驱动两台指针式步进电机。它由相应的控制逻辑与4个双N桥绕组驱动的输出组成。它适用于灵活性要求高以及便于安装的指针式步进电汽车仪表的驱动。它的特点是可以给出4096个稳定状态的指针位置、最大指针速度可到400?/s、最大指针从零至满刻度至可达340?、具有可校准的内部时钟、内部的状态机可以微步操作(12步/?)与归零功能和低功耗下的休眠模式等等。因此选用为本研究课题的专用驱动芯片。 SPI接口是三线同步、全双工以及16位同步串行的数据通讯传输，有四个 [14]CS相关的I/0端口:SI、 S0、 SCLK与。 SI/SO端口服从FIFO 协议，并且最高位在先传送。全部的输入口都兼容5V的CMOS逻辑电。通讯的逻辑时序见图3-7。 第 14 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 图3-7 SPI 16位字通讯时序图 下面是对各个管脚的时序与功能介绍。 CS 1)选片端() CS选片端的管脚()使能芯片跟主处理器相互通讯。GDIC要向主处理器发送和接收信息，得当这个管角处于逻辑[0]状态。地址寄存器中锁存着MC33991在CSCS上升沿时输入的移位寄存器的数据。当为逻辑0时，位于SO管脚输出驱 CS动使能。当是逻辑高电平时，将屏蔽SCLK和SI管脚上的信号;SO管脚则为 CS三态。要从逻辑1跳变到逻辑0，必须只有当SCLK状态为逻辑0。 2)串行时钟(SCLK ) MC33991指由SCLK给移位寄存器产生时钟。SI管脚在SCLK信号下降沿时接收数据并且将其存入在输入移位寄存器中，同时，SO管角在SCLK信号的上升沿时将数据信息移位至SO端口驱动中。任何状况下，SCLK处于逻辑0状态十分重 CS要。当处于逻辑1状态时，将屏蔽SCLK与SI管脚上的信号。 3)串口输入(SI) SI即SPI的输入端，SCLK处在下降沿时SI数据信息将被读取，SI管脚是传输16位的串行数据，最高位为起始位。会忽略非16倍数位的数据信息。当 CS16位字发送完后，管脚会被锁存，等待下一个新的数据字的传输。 4)串口输出(S0) SO管脚即是从移位寄存器输出的三态输出门。传输的前16位存储着状态寄存器的数据。当芯片处于发送16倍数位数据或菊花链连接时，FIFO中将锁存着 第 15 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 CS后面的数据信息位。SO串口在端口输出逻辑转为低电平状态之前将会一直保持高阻态。 3.5 步进电动机的选择 步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用。当某项定子励磁后，它吸引转子，转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，转子转动一个角度，换一相得电时，转子又转动一个角度。如此每相不停地轮流通电，转子不停地转动。电机的转速和相序切换得频率有关，切换得越快，电机转动的越快，电机转动的方向和相序有关。 (1)步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环位置元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止位置只取决于控制脉冲信号的频率和脉冲数。 (2)脉冲数越多，电机转动的角度越大。 (3)脉冲的频率越高，电机转速越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩迅速减小，电机不转。 车载仪表用步进电动机在国内外有相应的规范和标准，本次研究所选用型号是AFIC 64058401。 表3 步进电动机参数表 ~额定电压 5 V 电压范围 4.57.5 V 线圈电阻 227 Ω 转子步进角 18? 每相电流 22 mA 转子每转步数 20 输入电功率(两相) 220 mW 输出轴上每步转角 0.5? 线圈电感 55 mH 齿轮比 1?36 通电时保持转矩 3.6 mN.m 空载最大启停速度 150?/s 不通电时保持转矩 0.4 mN.m 空载最大输出速度 800?/s 每秒200?时动态转矩 1.2 mN.m 空载最大加速度 13000?/平方秒 每秒400?时动态转矩 0.8 mN.m 6微步时每步转角 0.083? 每秒100?时噪声 30 dB 输出轴滞后角 0.6? 每秒200?时噪声 35 dB 输出轴上径向力 12 N 每秒400?时噪声 40 dB 产品重 7g 输出轴上轴向力 100N 第 16 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 3.6 方案设计 本文研究的车载仪表通讯系统所采用总线技术是CAN总线。车载仪表通过CAN总线向其他系统发送或者获取信息，该系统的核心处理器在获取相应的信息或者命令后，进行处理，然后通过SPI通讯协议和电机驱动芯片MC33991进行通讯，执行相应的操作，指针显示相应的位置以及其他相应的操作。其流程可表示为: 前置处理传感器 MCU 驱动器 步进电机 电路 下面以车速里程表为例解读车载仪表的工作过程: (1)车速传感器 选用合适的传感器，对确保实时测量的准确性非常重要。汽车速度传感器工 [15]作环境恶劣、干扰严重，因此对性能的要求很高。 霍尔式传感器是利用霍尔元件制成的，霍尔元件是一种磁传感器。霍尔元件以霍尔效应为其工作基础。霍尔原件有许多优点，它不怕灰尘、水汽、烟雾及油污等的污染或腐蚀等，并且它的体积小、重量轻、结构牢固、寿命长、功耗小、 [16]安装方便、频率高和耐震动等特点。 开关型霍尔传感器，又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔元件、差分放大器，施密特触发器和输出级组成，开关型霍尔集成传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。其内部框图如图3-8所示: 图3-8 开关型霍尔传感器 第 17 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 在本系统中选用了UGS-3040T霍尔集成式传感器UGS-3040T有如下特性: (1)电源电压4.5V,24V; (2)工作温度范围-40 ?,125? ; (3)阈值(工作点)磁通典型值150G; (4)最大输出电流25mA。 (2)前置电路 通过传感器得来的车速信号，属于不规则不符合要求的频率信号，如果直接将这样的信号传给微处理器进行脉冲计数，不规则的频率信号会导致脉冲计数发生错误，我们就必须先经过限幅、滤波、施密特触发器整形、反相器反相才能符 [17]合要求，这就是前置电路的作用，也可称为接口电路，其车速里程表的前置电路如图3-9所示: 图3-9 车速里程表前置电路 (3)步进电机驱动电路 MC33991是16位的SPI控制的单片机，该芯片能够同时驱动两台指针式步进电机。它由相应的控制逻辑与4个双N桥绕组驱动的输出组成。它适用于灵活性要求高以及便于安装的指针式步进电汽车仪表的驱动。它的特点是可以给出4096个稳定状态的指针位置、最大指针速度可到400?/s、最大指针从零至满刻度至可达340?、具有可校准的内部时钟、内部的状态机可以微步操作(12步/?)与归零功能和低功耗下的休眠模式等等。因此选用为本研究课题的专用驱动芯片。 第 18 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 芯片具体的内部原理如图3-10。 图3-10 MC33991内部工作原理 (4)仪表工作原理框图 霍尔传感器获取车速信息，前置电路处理掉不规则不符合要求的信息，通过CAN总线通讯传递信息给W77E58单片机处理器，计算处理速度里程信息。单片机处理器与MC33991驱动处理器通过接口与通讯协议传输处理信息，经驱动处理器处理整合出步进电机运作信息驱动相应电机转动，从而带动指针转动。 图 3-11 工作原理框架图 第 19 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 4 软件设计 4.1 软件设计思想 软件设计是在硬件设计基本完成的基础上进行的。在设计过程中，进一步完善硬件设计存在的问题，互相补充、协调，并最终完成软件与硬件的定型。 4.1.1 语言选择 C语言是一种编译型设计语言。它兼顾了多种高级语言词汇的特点，并且具备一定汇编语言的性能。C语言所编写的目标语言系统软件，能很大程度缩短开发周期，而且明显增加软件的可读性，方便改进跟扩充，目前已经研制出了性能更完备和规模更加大的系统。单片机程序设计语言应以C语言为主，汇编语言为辅。采用C语言编程不必对单片机和硬件接口的结构有很深入的了解，编译器可以自动完成变量的存储单元的分配，编程者既可以专注于应用软件部分的设计，大大加快软件的开发速度。采用C语言可以很容易的进行单片机的程序移植工作，有利于产品中单片机的重新选型。 4.1.2 程序的模块化设计 汽车组合仪表中的单个仪表都有自己的特点，针对其具体的特点，每个仪表在软件编程方面就有所不同，我们的基本思想就是在满足系统功能的前提下，在软件的编写中，尽可能使应用软件标准化、模块化，即在不影响系统的工作状态下，运用模块化的编程方法使得每个模块都完成各自的任务。模块化设计框图如图4-1所示: 图4-1 模块化设计框图 第 20 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 4.2 主程序的设计 4.2.1 初始化模块 初始化模块的主要任务是在单片机复位后为主程序设置正确的变量，中断及定时器的设置方式和控制字，将部分内存单元清零，开中断及定时器，将EEPROM中的数据调入内存。包括初始化指针和里程数等。 4.2.2 主程序模块 系统的软件是由一个主程序和若干子程序构成，主程序的主要功能是对所需要的参数进行初始化，设定程序执行过程中用到的相关变量，分配寄存器，然后再由各中断的要求调用相应的处理模块和子程序，主程序的流程图如图4-2所示: 图4-2 主程序流程图 第 21 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 主程序的主要作用如下: (1)定义系统运行过程中所需的变量。 (2)分配硬件系统所提供的相关资料，如寄存器、ROM以及中断资源和堆栈等。 (3)完成系统的自检，确保程序的执行无误。 (4)在程序的运行过程中，按要求依次完成对系统各个模块的调用，并将程序的运行结果提供给用户。 (5)在各模块的调用过程中，实现对调用过程的现场保护，避免程序跑飞，确保程序正确执行，保存系统运行过程中的必要参数。 4.2.3 中断处理模块 中断处理模块用于获取程序所需的各种参数。在主程序运行当中，如果有 中断请求，即跳转到其他所要处理的子程序模块进行程序运行。一般情况下，中断程序中对数据一般只做简单的读取和赋值工作，不对数据进行处理与计算，缩短中断程序的运行时间，提高系统响应中断的实时性。 4.3 车速里程表子程序 车速的大小主要和车速传感器经过接口电路送入单片机的脉冲信号成正 比，通过单片机的计数器可以存储车速信号的脉冲个数。当车速里程有效时,判断此时的车速是否为零，如果为零则显示为;如果不是零，就读取车速的参数来计算车速。此时在判断车速是否改变，如果改变，则再次调用车速显示程序模块;如果车速不变，就读取里程脉冲数，并将之转换为里程数。之后，在判断里程数的增加与否，调用里程显示程序。车速里程表子程序流程图如图4-3所示。 第 22 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 图4-3 车速里程子程序流程图 第 23 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 论 结 本文设计的是基于单片机的步进电机式汽车组合电子仪表，将单片机技术和步进电机技术应用于传统的汽车仪表，实现了传统汽车仪表的基本功能，用步进电机带动表盘指针实时指示汽车在行驶中的车速、转速、燃油、机油压力量等信号;用液晶显示汽车行驶的里程，并通过软件和硬件的设计实现上述的功能，而且对仪表系统功能进行了理论推敲，系统各方面性能表现良好，能够达到技术要求，从而证明了系统方案的可行性和实用性。 随着电子和汽车技术的发展，汽车仪表正处于技术更新的转型期，汽车仪表的主流产品和主导技术都是在不断发展的，但是有一点可以肯定，与仅由电子线路硬件组成的汽车仪表相比，带有单片机的汽车仪表其功能的实现手段更加灵活多样，因此带有单片机的数字技术在汽车仪表上的广泛应用将是汽车仪表的主要发展趋势，步进电动机式汽车仪表将是未来一段时间内汽车仪表的主导产品。 第 24 页 中南林业科技大学本科毕业设计 汽车数字仪表系统的设计——步进电机的驱动 参考文献 [1] 刘清河.汽车电子组合仪表的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2002. [2] 宋传平.现代汽车仪表的发展趋势[J].上海汽车，2005(6):15-18. [3] 杨思敏.汽车电器[M].北京:电子工业出版社，2004. [4] 李波.汽车仪表信息系统[J].电子质量，2005(1):45-47. [5] 翟润昌.步进电机汽车里程/速度表的设计[D].沈阳:东北大学，2005. [6] 白木，许德章.汽车仪表的识别使用与发展趋势[J].中国仪器仪表， 2003(9):5-8. [7] 张爱筠.车载智能仪表系统的设计与研究[J].应用科技，2004(11):22-25 [8] 张明.步进电机的基本原理[J].机械与电子，2007(9):25-27. [9] 王鸿枉.步进电机控制技术 [M].上海:同济大学出版社，2001. [10] 袁海林，施进浩.微特电机市场动向和发展对策[J].微特电机，2001(6): 16-20. [11] 林海波.步进电机恒力矩均匀细分驱动器的设计与实现[J].自动化技术与 应用，2003(2):11-14. [12] 张乐平.智能仪表类MCU/DSP[J].电子产品世界，2004(5):34-38. [13] 李致金，多汾峪.三相反应式步进电机驱动器的设计[J].河海大学常州分校 学报，2003(5):56-58. [14] 隋振，李明哲，崔相吉，等.一种直接采用计算机串行口控制步进电机的新 方法[J].电子技术应用，2002(8):34-44. [15] 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用(第2版)[M].北京:高等教育出版社， 2004. [16] 林绍华.霍尔传感器原理及在车速传感器中的应用[J].轻型汽车技术， 2003(12):14-16. [17] 向云秀.汽车仪表板电子化技术[J].湖南大学学报(自然科学版)， 2001(S1):23-24. 第 25 页