CN102735285B - 一种仪表步进电机标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仪表步进电机标定方法，包括步骤：在仪表未安装指针时驱动步进电机向机械零位方向运动到位，使指针被安上后指向起始刻度以下；控制仪表处于诊断模式下，驱动步进电机以低速向机械零位方向运动，当指针出现反向跳动时，控制仪表记录当前驱动的步数序号A；根据所述步数序号A推算步数序号C；将所述步数序号C记录在所述存储芯片内；所述步数序号C与电机到达机械零位后定子应该停止的磁场方向对应。本发明的仪表步进电机标定方法利用了仪表步进电机到达机械零位后继续慢速微步驱动会由于磁场方向反转而产生反向运动的特性进行步进电机转子磁场方向的标定，同时记录标定结果，使仪表用于之后的使用，从而提高了仪表步进电机的指示精度。

Description

一种仪表步进电机标定方法

技术领域

本发明涉及步进电机标定，尤其涉及一种仪表用步进电机的标定方法。

背景技术

目前，汽车仪表普遍使用单片机驱动步进电机的技术方案，指针安装在步进电机轴上，电机转过一定的角度，反映在指针上即为对应刻度读数的变化。步进电机转动的速度与角度受控于单片机的驱动方式。

如图1所示，汽车仪表所用的步进电机定子10一般使用两组线圈，转子20为永磁体，单片机控制输出到定子线圈的电流的变化，从而改变定子10所形成的磁场方向，转子20自身磁场方向与其相互作用产生作用力推动转子转动，当定子线圈上电流变化所形成的磁场方向偏转一定角度，转子会转动跟随这一偏转。

微步驱动步进电机是汽车仪表应用中普遍采用的一种驱动方法，该方法将定子磁场方向转过360°划分为若干步，单片机控制每一步输出信号的电平方向和占空比，在定子线圈上模拟出电流的正弦变化，并且定子两个线圈的电流变化保持要求的相位差，这一相位差取决于步进电机的设计。

汽车仪表所用步进电机从转子到输出轴需要经过齿轮30减速，其输出轴一般都不能360°旋转，是由于在输出轴的齿轮上有限位挡块40，当输出轴齿轮挡块40与电机外壳上的固定挡块50接触时，输出轴齿轮不能再继续转动，步进电机到达机械零位，此时转子也不能继续转动。

汽车仪表应用中，对指针归零的操作一般是驱动电机向机械零位方向运动一定角度，当电机的初始位置不同时，实际要求转过的角度也会不同，但是如果没有使用电机的零位检测功能，那么步进电机到达机械零位后就没有任何信号反馈，只能继续驱动电机向机械零位方向走完剩下的角度，并最终停止。对同一个电机而言，定子最终停止驱动时所保持的磁场方向不同，会对转子及指针造成不同的影响，以两极转子为例：

假设当电机刚好到达机械零位时转子处于如图1所示位置，而如果最终停止驱动时，定子的磁场方向保持如图2所示的状态，那么此时输出轴齿轮上的挡块会对电机外壳上的固定挡块有一个力的作用。如果以此位置为起始，驱动电机使指针向顺时针方向运动，即驱动定子磁场向逆时针方向转动，那么在刚开始的一定角度内，转子不会发生转动，指针也不会转动。转子上这个角度的最大理论误差为180°，如果从转子到输出轴的减速比为180:1，那么反映在指针上的最大理论误差为偏逆时针方向1°，起始位置的偏差会反映在后面的每一个位置上。

反之，如果最终停止驱动时，定子磁场保持如图3所示状态，那么由于与转子磁场间的相互作用，会产生力的作用推动转子转动，最终达到与定子磁场相反的方向，即转子向逆时针方向转过了一定的角度，如图3所示。此时输出轴齿轮上的挡块会离开固定挡块一定的间隙，并且指针会比机械零位时的位置向顺时针方向有一定角度的偏离。如果以此位置为起始，驱动电机使指针向顺时针方向运动，即驱动定子磁场向逆时针方向转动，那么在驱动之前，已经产生了顺时针方向一定角度的偏差。转子的最大理论误差为180°，如果从转子到输出轴的减速比为180:1，那么反映在指针上的最大理论误差为偏顺时针方向1°，起始位置的偏差会反映在后面的每一个位置上。

对于上述误差，如果不做任何处理，那么就会影响指针的指示精度，解决方法可以使用电机零位检测功能，但是并不是所有的单片机都能够支持这一功能，也不是所有电机的性能都能够满足这一功能的要求。

发明内容

基于此，有必要提供一种操作简单、无需额外设备的仪表步进电机标定方法。

一种仪表步进电机标定方法，其包括步骤：

在仪表未安装指针时驱动步进电机向机械零位方向运动到位，使指针被安上后指向起始刻度以下；

控制仪表处于诊断模式下，驱动步进电机以低速向机械零位方向运动，当指针出现反向跳动时，控制仪表记录当前驱动的步数序号A；

根据所述步数序号A推算步数序号C；其中，如果驱动步进电机向机械零位方向运动时电机定子磁场顺时针转动，则步数序号C为步数序号A对应的定子磁场顺时针转过270°或逆时针转过90°所对应的步数序号；如果驱动步进电机向机械零位方向运动时定子磁场逆时针转动，则步数序号C为步数序号A对应的电机定子磁场逆时针转过270°或顺时针转过90°所对应的步数序号；以及

将所述步数序号C记录在存储芯片内；所述步数序号C与电机到达机械零位后定子应该停止的磁场方向对应。

在优选的实施例中，所述的仪表步进电机标定方法进一步包括步骤：根据所述步数序号C驱动步进电机回归机械零位；以及驱动步进电机使指针分别运动到多个校准点，当指针指示误差满足预设范围时控制仪表分别记录指针运动到所述多个校准点对应的电机步数。

在优选的实施例中，所述的仪表步进电机标定方法进一步包括步骤：在仪表正常使用中，设定开机运行首先进行步进电机归零动作，归零结束驱动定子磁场保持在步数序号C对应的定子磁场方向。

本发明的仪表步进电机标定方法利用了仪表步进电机到达机械零位后继续慢速微步驱动会由于磁场方向反转而产生反向运动的特性，根据反向运动这一特殊表现进行步进电机转子磁场方向的标定，同时记录标定结果，使仪表用于之后的使用，从而提高了仪表步进电机的指示精度。本发明的标定方法允许一定的误差存在，而误差则可通过指针的校准以及电机的使用方法消除掉。本发明方法只要采用一台计算机即可实现，该计算机通过总线与仪表相连，不需要额外的设备投入，标定方法简便易实现。

附图说明

图1为仪表步进电机状态一示意图。

图2为仪表步进电机状态二示意图。

图3为仪表步进电机状态三示意图。

图4为本发明一实施例的仪表步进电机标定***架构图。

图5为一实施例中仪表步进电机状态四的示意图。

图6为一实施例中仪表步进电机状态五的示意图。

图7为一实施例中仪表步进电机状态六的示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及附图对本发明仪表步进电机标定方法作进一步详细描述。

仪表特别是汽车仪表在生产过程中要经过大量的自动化测试与校准操作，其实现方法是将仪表与计算机通过总线，如CAN总线、K-Line总线、UART总线等连接起来，如图4所示。

仪表为了配合自动化的测试与校准，软件功能上支持诊断模式，在该模式下允许与其相连的计算机对仪表进行特殊操作，如驱动电机归零、驱动电机转过相应的步数、读写存储器中的数据等。

本发明仪表步进电机标定方法基于上述自动化生产与校准过程，充分利用步进电机到达机械零位后继续向机械零位方向慢速驱动时的表现特性，不需要额外的设备投入，不需要生产操作人员具备很高的技能，使用简便的方法实现标定

下面以两极转子的步进电机为例对本发明仪表步进电机标定方法进行详细说明。基于本发明方法的步进电机标定程序被写入计算机中，由计算机控制仪表自动执行。

步骤一，首先，在仪表未安装指针时通过计算机向仪表发送命令，仪表控制器收到命令后自动驱动仪表步进电机向机械零位方向运动到位并最终停止，使指针被安上后指向起始刻度以下，如图5所示。然后按上指针，继续标定。

步骤二，控制仪表处于诊断模式下，继续驱动步进电机以低速向机械零位方向运动。为便于标定操作，低速一般需要使定子磁场方向转动速度小于180°/秒，例如定子磁场8秒转过360°，即45°/秒。在低速驱动下定子磁场方向继续顺时针转动。当定子磁场方向与转子磁场方向趋于一致时，达到临界状态（见图6），此时如果定子磁场方向继续顺时针转过细微角度，会使转子发生与定子磁场转动方向相反的运动，即转子逆时针转过最大180°，而指针会向顺时针方向转动，即低速驱动指针逆时针向机械零位运动的过程中会出现指针顺时针方向的突然跳动。如果从转子到输出轴的减速比为180:1，那么指针在顺指针方向的运动会有大约1°，如图7所示。

当指针出现反向跳动时，控制仪表记录当前驱动的步数序号A。即在微步驱动方式下，定子磁场方向转过360°被划分为若干步完成，每一步对应一个定子磁场方向，例如划分为24微步，那么就有从0到23微步的步数序号，仪表控制器需要记录指针发生反向跳动时定子磁场对应的步数序号。其中检测指针出现反向跳动的方法可以是通过视频监测仪拍摄图片，由计算机根据指针运动状态自动判断获得，也可以人为监控，再通过计算机发送命令给仪表，仪表控制器记录下当前步数序号A。

步骤三，仪表控制器根据步数序号A推算电机定子磁场在此基础上继续顺时针或逆时针转过180°的步数序号B，步数序号B对应的定子磁场即为大约刚好使指针到达机械零位时的定子磁场方向。

步骤四，仪表控制器根据步数序号B推算仪表定子磁场顺时针转过90°的步数序号C，将步数序号C记录在存储芯片内。仪表将利用步数序号C对应的定子磁场方向作为归零动作结束停止驱动电机时的定子磁场方向，步数序号C对应的定子磁场方向与电机到达机械零位后转子的磁场方向相互作用，可以使输出轴齿轮挡块对固定挡块有一个力的作用，有利于提高指针在机械零位上的抗震性能。如果基于步数序号A推算步数序号C，则为步数序号A对应的定子磁场顺时针转过270°或逆时针转过90°对应的步数序号。

如此即完成了对步进电机转子磁场方向的标定，并将驱动电机到达机械零位后应该停止的定子磁场方向记录在了仪表的存储器中。仪表中有多个电机时，只要逐个按照上述方法即可完成标定。

如果在指针发生跳动的时刻计算机没有及时完成操作，可以继续等待，接下来定子磁场方向继续顺时针转动，转子会跟随这一转动使电机再次回到机械零位。磁场方向的继续转动会重复出现前面所述指针顺时针跳动的现象，仍可进行标定工作。

需要特别说明的是，步进电机从转子到输出轴经过的减速齿轮组奇偶数不同，归零需要驱动定子磁场转动的方向会不同，那么相应的从步数序号A推算步数序号C的方向也不同。在驱动定子磁场逆时针转动使指针归零的情况下，从步数A继续逆时针转动270°或顺时针转动90°得到步数序号C。在驱动定子磁场顺时针转动使指针归零的情况下，从步数A继续顺时针转动270°或逆时针转动90°得到步数序号C。

本发明的步进电机标定方法允许一定的误差存在，而误差则通过指针的校准以及步进电机的使用方法消除掉。其中，指针的校准方法为：

首先，根据存储芯片中记录的步数序号C驱动步进电机回归机械零位。

然后，驱动步进电机使指针分别运动到多个校准点，当指针指示误差满足预设范围时控制仪表分别记录指针运动到该多个校准点对应的电机步数。逐个完成所有校准点后即已消除指针安装时在起始刻度以下这一误差，并且校准过程中已经使用了电机标定的结果，没有将标定以前磁场方向造成的误差引入。

在步进电机进入正常使用前，都需要进行归零，以保证仪表机械与电气特性在每次使用的起始状态的一致性。归零动作使电机回到机械零位，即机械特性上的起始状态都能够保持一致。归零动作结束后，定子磁场停留的方向是已经过电机标定的方向，避免了磁场方向引起的误差，并且能够使电气特性上的起始状态保持一致。

基于以上归零后的起始状态进入正常功能使用，在正常功能中仪表用到的是已经过校准的电机步数，即已经消除了指针安装不准确的所产生的误差。

本发明的步进电机标定方法还适用于在固定挡块另一侧进行标定、校准与使用的情况。与前述标定方法的区别在于指针出现反弹现象时的磁场方向即步数序号的推算，即对于前面所述标定方法中提到的电机，如果在固定挡块的右侧进行标定与校准，那么归零操作应该驱动定子磁场方向逆时针运动，当出现指针反向跳动时记录下步数序号A，然后基于此序号推算出继续逆时针转过270°或顺指针转过90°的步数序号C。

本发明的步进电机标定方法也适用于多极电机、其他减速方式及传动比的情况。

本发明的步进电机标定方法也可使用按照命令分步转动的方式实现，即不再使用连续低速驱动，而是每一个命令走过一定的步数，直到指针跳动出现，记录并换算对应步数序号。例如，将定子磁场转过360°分为24步，通过计算机发送一次命令，仪表控制器就驱动电机定子磁场走过4步，再发送一次命令就再走过4步，直到出现指针反向跳动，此时计算机发送命令给仪表，仪表控制器可以将当前的步数序号作为步数序号A，进而推算出步数序号C，这里的步数序号A与指针发生反向跳动时的步数序号会存在最大3步的误差，但这一误差经过后续校准以及电机使用方法后不会产生影响。

本发明的步进电机标定方法在现有生产设备的基础上不增加额外的投入，不需要对操作人员有较高的技术要求，充分利用步进电机自身的特性，通过软件设计以及与设计相配套的操作过程实现对电机的标定、校准，并应用于功能使用中，有效消除由磁场方向所产生的误差，提高了汽车仪表中的步进电机指示精度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种仪表步进电机标定方法，其特征在于，包括步骤：

在仪表未安装指针时驱动步进电机向机械零位方向运动到位，使指针被安上后指向起始刻度以下；

控制仪表处于诊断模式下，驱动步进电机以低速向机械零位方向运动，当指针出现反向跳动时，控制仪表记录当前驱动的步数序号A；

根据所述步数序号A推算步数序号C；其中，如果驱动步进电机向机械零位方向运动时电机定子磁场顺时针转动，则步数序号C为步数序号A对应的定子磁场顺时针转过270°或逆时针转过90°所对应的步数序号；如果驱动步进电机向机械零位方向运动时定子磁场逆时针转动，则步数序号C为步数序号A对应的电机定子磁场逆时针转过270°或顺时针转过90°所对应的步数序号；以及

将所述步数序号C记录在存储芯片内；所述步数序号C与电机到达机械零位后定子应该停止的磁场方向对应。

2.根据权利要求1所述的仪表步进电机标定方法，其特征在于，进一步包括步骤：

根据所述步数序号C驱动步进电机回归机械零位；

驱动步进电机使指针分别运动到多个校准点，当指针指示误差满足预设范围时控制仪表分别记录指针运动到所述多个校准点对应的电机步数。

3.根据权利要求1所述的仪表步进电机标定方法，其特征在于，进一步包括步骤：

在仪表正常使用中，设定开机运行首先进行步进电机归零动作，归零结束驱动定子磁场保持在步数序号C对应的定子磁场方向。