李躍鵬，雷 霖

(成都大學信息科學與工程學院，四川 成都 610106)

一種汽車儀表的步進電機回零策略分析

李躍鵬，雷 霖

(成都大學信息科學與工程學院，四川 成都 610106)

步進電機廣泛應用于汽車組合儀表的設計，能夠很好的應用于車速表、轉速表的設計.步進電機準確的回零位置是汽車儀表正確指示的前提條件.從VID78電機的內部結構分析，對電機的PWM驅動電壓、轉子轉動速度、儀表生產工藝等方面進行研究，提高電機的回零準確性.通過生產實踐證明，電機的回零準確性顯著改善，提高了汽車儀表生產良品率.

汽車儀表；步進電機；回零

汽車工業(yè)是現代科技水平發(fā)展高低的重要標志.在汽車工業(yè)中，電子式儀表是仍然是現代汽車中的最主要的汽車實況參數顯示電子控制單元(ECU，Electronic Control Unit).多磁極電機因為其有更精確的轉動精度和更大的轉動角度，所有其擁有更廣泛的應用領域，然而多磁極電機由于其內部自身的機械組成，造成使用該類電機的儀表出現較大的指示誤差[1-3]. 以VID78步進電機為實例對電子汽車儀表步進電機進行回0誤差分析并提出相應的解決方案，對提高企業(yè)的效益都有著重要的意義.

1 多磁極步進電機的回0原理

步進電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機.如圖1，Pin1/Pin2為定子線圈1繞組，Pin3/Pin4為定子線圈2繞組，當向這兩組通不同幅值的PWM時，兩組磁極線圈就會產生不同的磁力矩，在兩組線圈的合磁力矩的作用下，中心的8極磁性轉子就發(fā)生一定角度的轉動.步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響，因此當向兩組線圈輸入最大反轉向角度的脈沖數的PWM波時，步

進電機帶指針就會回到機械0位處.

圖1 多磁極步進電機結構圖Fig.1 Multi pole stepping motor structure

2 汽車儀表步進電機回0分析

2.1 汽車儀表步進電機回零誤差

汽車儀表在生產過程中是通常有兩種電源開關控制，一種是BAT電源(汽車蓄電池電源)，另外一種是IGN點火開關(通常車鑰匙啟動).正常情況下，BAT電源中斷，則整個汽車儀表的電源都將切斷，而在實際的汽車到用戶手中時，BAT電源不會中斷，汽車儀表的運行會根據IGN開關來判斷是否應該處于工作和休眠狀態(tài).但在汽車儀表的生產壓針的時候，是BAT和IGN同時打開，儀表的指針會進行回0.這個回0的準確性直接影響到汽車儀表整體各個參數指示是否準確.通常情況下會出現兩種回零誤差現象.

1)指針回到0刻度后繼續(xù)向負零位方向走，最終出現指針偏離0位刻度負方向1刻度(0刻度線的寬度)的距離，并維持靜止平衡.或者從負角度回彈到正角度，正向偏離.

2)指針偏離0刻度負方向以后，向0刻度正方向回彈，最終指針停留在偏離0刻度正方向1刻度的位置，并維持靜止平衡.

很多儀表都存在上述兩種或多或少的偏差，但如果指針偏離0刻度現象過于明顯，將直接降低儀表合格率和出貨率.該問題現象在車間生產中一定的比例出現，對企業(yè)的效益和形象都有著一定的影響.因此，需要對帶動指針的VID78步進電機的回零情況做分析.

2.2 步進電機0位受力分析

當回到0位的時候，電磁扭力F2與電機0位擋板阻力F2合力保持指針的靜止狀態(tài)，則就有F2越大，擋板的形變越大.回到0位以后，汽車儀表進入休眠狀態(tài)，不在有電流通過產生電磁扭力F2.而這時0位擋板形變大，則正向回彈較大，正向偏離標準0位；而如果0位擋板形變小，則回彈較小，則負向偏離0 位.如圖2所示.

圖2 指針回0受力分析Fig.2 The pointer back to 0 force analysis

則回彈角度α與步進電機的引腳電壓U的關系式推導如下

回到0位未休眠，指針受力平衡有

而儀表電機休眠后，回彈的強度與擋板的形變量X成正比關系(形變越大，回彈越高).設指針的回彈角度為α，則有

其中，一個確定的步進電機的ρ，k1，k2，r為常數.則有電機的驅動電壓越大，回彈角度與大.

2.3 多磁極步進電機機械結構

VID78步進電機是一個典型的有8極磁石轉子和通電線圈來進行轉動工作，從磁石轉動到轉軸轉動，通過兩級的齒輪傳動，如圖3所示，其轉動的此輪減速比為1:45，在通過齒輪傳動的時候過程都會出現齒隙(齒輪與齒輪間咬合時的間隙)，這種齒隙是機械傳遞過程正常進行不可缺少的一種非線性形態(tài)，同時也是影響系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度的重要因素，而這個齒隙是很難進行解決的，而VID78的齒隙回程差在0.8到1，因此可能會出現電機驅動為某一定值的，而所帶動的指針去會出現很小范圍內的移動，即可以說明，儀表中電機本身已經指示到0位，由于其電機自身齒隙的原因造成指針的微小偏移.

圖3 VID78齒輪傳動Fig.3 VID78 gear drive

2.4 壓針工藝對電機回0的影響

通過對生產工藝的流程了解，機器對儀表進行壓針的時候，儀表全程通電，由于指針的壓針點有一定的弧度，在0位壓針過程中出現壓針傳感器軸與步進電機針軸的出現一定的偏差，從而對電機針軸和指針產生一個側向的力，側向的分力f使得指針軸在0位輕微扭曲，造成指針在0位時未在一個垂直的軸運動，壓針示意圖如圖4所示.

3 步進電機電機回0穩(wěn)定性改善策略

從汽車儀表步進電機的回0受力情況、機械構造以及壓針情況得出，步進電機機械結構齒隙寄希望于設計廠商提高良品率，減小齒隙.儀表生產壓針的時候提高壓針的準確性，減小壓針的接觸面；儀表壓針全程通電，嚴禁壓針后任何形式觸摸指針，以免操作齒輪；保證壓針工裝精度，確保壓針傳感器與步進電機針軸的同軸度.還可以從幾個方面進行回0穩(wěn)定性改善.

3.1 大小回0策略

在儀表的生產過程中，生產設備壓針后確定步進電機的機械0位.在汽車廠進行儀表安裝的時候，當儀表首次上電大回0，電機的兩相繞組的電極被通上最大步進轉動角度PWM信號脈沖，并以一個200°/s-300°/s的轉動速度回轉，在步進電機的0位附近，由于有機械擋板作用，保證無論指針在步進電機允許的任何位置都能夠回到0位.

但由于指針的慣性以及機械擋板反作用力，出現指針回彈.這時采用小回0，及在小角度的低速回彈補償這一彈起的角度，保證回0準確.降低指針的回0的速度，減低指針停針前的動量.采用大小回0設計圖如圖5所示:

圖5 大小回0示意圖Fig.5 Schematic diagram of the size back 0

如圖所示大回零累計318度:啟動速度為50°/s，采用上圖方式8度加速過程直到200°/s，至306度保持高速回零過程，轉動速度降為10°/s.實際情況中，轉動速度還沒有降到10°/s，指針就已經機械0位處回彈，采取小回0補償，速度降為10°/s回零10度.通過大小回0方式以達到較準確的回0.

3.2 調整驅動信號

從公式(4)可以看出，想要達到合適的回彈角度通過調整驅動電壓.而調整步進電機的驅動電壓是通過調整PWM波信號的占空比來進行調整.

步進電機回0的過程中，PWM信號載波頻率范圍為16KHz-32KHz，PWM驅動信號分辨率大于8位.當驅動頻率大于啟停頻率時，要做加減速處理，以避免丟步.當電機驅動方向改變時需要進行齒隙補償；如果驅動頻率大于啟停頻率，也要做加減速處理.根據指針不同啟停頻率和加速過程有很大的差異；指針越長，越重，平衡性差的指針起停頻率越低，需要的加速過程越長，允許的加速度越低[12-15].

調整小回0是步進電機的驅動力，由于電機帶動指針的運動的驅動力與PWM波的縮小比例有直接的關系(比例越大，驅動力越大).減小電機驅動指針對擋板的彈性形變，可以減小指針在0位時正向偏離.故采取在回0的過程中，當指針距離0刻度小于4°的時候，將PWM波的占空比縮小原占空比的0.66，當距離0刻度小于2°的時候，將PWM波的占空比調整原占空比為0.33.根據角度逐次減小PWM波占空比的驅動比例，以達到減小步進電機的驅動電壓.

由于這樣的PWM相關的驅動力調整只是限制在小回0將要接近0位的小角度內改變，不會影響大角度的回0，降低在0刻度附近的沖擊力，從而改善指針的回0狀況.不影響儀表指針的正常運動和指示.

4 結論

改善壓針的接觸面，提高壓針的垂直正確率.調整軟件設計，按照上述設計改善汽車儀表步進電機的回0情況，并將程序應用實際的生產過程中，很好的改善了汽車儀表步進電機的回0準確率，提高了企業(yè)生產的良品率.

[1]馬文斌，楊延竹.步進電機控制系統(tǒng)的設計及應用[J].電子技術應用，2015，41(11):11-13.

[2]王定賢，劉振興.計算機和單片機對步進電機的無線控制[J].機電工程技術，2015，44(2):19-22.

[3]戴樂，王凱凱.電子羅盤步進跟蹤法的改進[J].數字技術與應用，2015(11):94-95.

[4]周曉東，李亞杰.汽車儀表指針識別方法研究[J].長春工業(yè)大學學報(自然科學版)，2010，31(1):32-36.

[5]崔艷淞，程志濤，汽車儀表裝配流水線綜合檢測系統(tǒng)研究[J].中國西部科技，2015，14(12):53-54.

[6]馮淵.汽車電子控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[7]馬帥旗.基于FPGA的步進電機變速控制系統(tǒng)研究[J].機床與液壓，2013，41(7):74.

[8]簡毅，劉寶.基于AT91SAM9261的步進電機S曲線加減速控制研究與實現[J].輕工機械，2012，30(3):62.

[9]A.MELLIT，H.MEKKI，A.Messai，S.A.Kalogirou.FPGA-based implementation of intelligent predictor for global solar irradiation，Part I:Theory and simulation[J].Expert Systems With Applications，2010(3): 19-21.

[10]HOANG LE-HUY，PATRICE BRUNELLE.“Gilbert Sybille.Design and Implementation of a Versatile Stepper Motor Model for Simulink’sSimPowerSystems”，2008.

[11]周艷秋.步進電機定位控制技術的研究[D].大連:大連交通大學2009.

[12]王立，劉景林，吳喜橋.混合式步進電機細分驅動系統(tǒng)建模及故障仿真[J].微電機，2011，44(6):82-87.

[13]孫建仁，胡赤兵，王保民.一種Jerk連續(xù)的正弦函數平方曲線加減速算法研究[J].制造技術與機床，2010，12:158-161.

[14]王海偉.改善混合式步進電機運行性能的功角控制策略研究[D].浙江:浙江大學，2012:34-35，46-49.

[15]張少林.基于FPGA的步進電機控制系統(tǒng)的數字硬件設計研究[D].成都:電子科技大學，2003.

(責任編輯：張陽，付強，李建忠，羅敏；英文編輯：周序林)

Analysis of zero strategy of stepper motor for an automobile instrument

LI Yue-peng，LEI Lin

(School of Information Science and Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，P.R.C.)

The stepper motor，widely used in the design of combined automobile instrument，can be well applied in the speedometer，tachometer design.Accurately returning to zero position of stepping motor is a prerequisite for the correct indication of the auto meter.The internal structure of VID78 motor is analyzed.and the research of PWM drive voltage，rotor rotation speed，meter manufacturing process and so on is studied.The accuracy of the return to zero of the motor is improved.The production practice proved that the accuracy of the motor's return to zero is improved significantly，and the yield of the automobile instrument is improved.

automobile instrument；stepper motor；return to zero

TM383.6；U463.7

A

2095-4271(2016)04-0457-05

10.11920/xnmdzk.2016.04.016

2016-03-18

李躍鵬(1987-)，男，漢族，四川達州人，助教，主要研究汽車電子，微控制器技術，E_mail:pengliyue＠163.com.

四川省科技廳國際合作與交流計劃(2014HH0069)；四川省科技支撐計劃(2015GZ0275)；四川省科技支撐計劃(2013GZX0141).