一種汽車儀表的步進(jìn)電機(jī)回零策略分析

李躍鵬，雷 霖

(成都大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610106)

一種汽車儀表的步進(jìn)電機(jī)回零策略分析

李躍鵬，雷 霖

(成都大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610106)

步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車組合儀表的設(shè)計(jì)，能夠很好的應(yīng)用于車速表、轉(zhuǎn)速表的設(shè)計(jì).步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確的回零位置是汽車儀表正確指示的前提條件.從VID78電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，對電機(jī)的PWM驅(qū)動電壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度、儀表生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行研究，提高電機(jī)的回零準(zhǔn)確性.通過生產(chǎn)實(shí)踐證明，電機(jī)的回零準(zhǔn)確性顯著改善，提高了汽車儀表生產(chǎn)良品率.

汽車儀表；步進(jìn)電機(jī)；回零

汽車工業(yè)是現(xiàn)代科技水平發(fā)展高低的重要標(biāo)志.在汽車工業(yè)中，電子式儀表是仍然是現(xiàn)代汽車中的最主要的汽車實(shí)況參數(shù)顯示電子控制單元(ECU，Electronic Control Unit).多磁極電機(jī)因?yàn)槠溆懈_的轉(zhuǎn)動精度和更大的轉(zhuǎn)動角度，所有其擁有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，然而多磁極電機(jī)由于其內(nèi)部自身的機(jī)械組成，造成使用該類電機(jī)的儀表出現(xiàn)較大的指示誤差[1-3]. 以VID78步進(jìn)電機(jī)為實(shí)例對電子汽車儀表步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行回0誤差分析并提出相應(yīng)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(jìn)電機(jī)的回0原理

步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動機(jī).如圖1，Pin1/Pin2為定子線圈1繞組，Pin3/Pin4為定子線圈2繞組，當(dāng)向這兩組通不同幅值的PWM時(shí)，兩組磁極線圈就會產(chǎn)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(zhuǎn)子就發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，因此當(dāng)向兩組線圈輸入最大反轉(zhuǎn)向角度的脈沖數(shù)的PWM波時(shí)，步

進(jìn)電機(jī)帶指針就會回到機(jī)械0位處.

圖1 多磁極步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Multi pole stepping motor structure

2 汽車儀表步進(jìn)電機(jī)回0分析

2.1 汽車儀表步進(jìn)電機(jī)回零誤差

汽車儀表在生產(chǎn)過程中是通常有兩種電源開關(guān)控制，一種是BAT電源(汽車蓄電池電源)，另外一種是IGN點(diǎn)火開關(guān)(通常車鑰匙啟動).正常情況下，BAT電源中斷，則整個(gè)汽車儀表的電源都將切斷，而在實(shí)際的汽車到用戶手中時(shí)，BAT電源不會中斷，汽車儀表的運(yùn)行會根據(jù)IGN開關(guān)來判斷是否應(yīng)該處于工作和休眠狀態(tài).但在汽車儀表的生產(chǎn)壓針的時(shí)候，是BAT和IGN同時(shí)打開，儀表的指針會進(jìn)行回0.這個(gè)回0的準(zhǔn)確性直接影響到汽車儀表整體各個(gè)參數(shù)指示是否準(zhǔn)確.通常情況下會出現(xiàn)兩種回零誤差現(xiàn)象.

1)指針回到0刻度后繼續(xù)向負(fù)零位方向走，最終出現(xiàn)指針偏離0位刻度負(fù)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(fù)角度回彈到正角度，正向偏離.

2)指針偏離0刻度負(fù)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(xiàn)象過于明顯，將直接降低儀表合格率和出貨率.該問題現(xiàn)象在車間生產(chǎn)中一定的比例出現(xiàn)，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(jìn)電機(jī)的回零情況做分析.

2.2 步進(jìn)電機(jī)0位受力分析

當(dāng)回到0位的時(shí)候，電磁扭力F2與電機(jī)0位擋板阻力F2合力保持指針的靜止?fàn)顟B(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(jìn)入休眠狀態(tài)，不在有電流通過產(chǎn)生電磁扭力F2.而這時(shí)0位擋板形變大，則正向回彈較大，正向偏離標(biāo)準(zhǔn)0位；而如果0位擋板形變小，則回彈較小，則負(fù)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(jìn)電機(jī)的引腳電壓U的關(guān)系式推導(dǎo)如下

回到0位未休眠，指針受力平衡有

而儀表電機(jī)休眠后，回彈的強(qiáng)度與擋板的形變量X成正比關(guān)系(形變越大，回彈越高).設(shè)指針的回彈角度為α，則有

其中，一個(gè)確定的步進(jìn)電機(jī)的ρ，k1，k2，r為常數(shù).則有電機(jī)的驅(qū)動電壓越大，回彈角度與大.

2.3 多磁極步進(jìn)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

VID78步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)典型的有8極磁石轉(zhuǎn)子和通電線圈來進(jìn)行轉(zhuǎn)動工作，從磁石轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，通過兩級的齒輪傳動，如圖3所示，其轉(zhuǎn)動的此輪減速比為1:45，在通過齒輪傳動的時(shí)候過程都會出現(xiàn)齒隙(齒輪與齒輪間咬合時(shí)的間隙)，這種齒隙是機(jī)械傳遞過程正常進(jìn)行不可缺少的一種非線性形態(tài)，同時(shí)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(gè)齒隙是很難進(jìn)行解決的，而VID78的齒隙回程差在0.8到1，因此可能會出現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動為某一定值的，而所帶動的指針去會出現(xiàn)很小范圍內(nèi)的移動，即可以說明，儀表中電機(jī)本身已經(jīng)指示到0位，由于其電機(jī)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(jī)回0的影響

通過對生產(chǎn)工藝的流程了解，機(jī)器對儀表進(jìn)行壓針的時(shí)候，儀表全程通電，由于指針的壓針點(diǎn)有一定的弧度，在0位壓針過程中出現(xiàn)壓針傳感器軸與步進(jìn)電機(jī)針軸的出現(xiàn)一定的偏差，從而對電機(jī)針軸和指針產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向的力，側(cè)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(shí)未在一個(gè)垂直的軸運(yùn)動，壓針示意圖如圖4所示.

3 步進(jìn)電機(jī)電機(jī)回0穩(wěn)定性改善策略

從汽車儀表步進(jìn)電機(jī)的回0受力情況、機(jī)械構(gòu)造以及壓針情況得出，步進(jìn)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)齒隙寄希望于設(shè)計(jì)廠商提高良品率，減小齒隙.儀表生產(chǎn)壓針的時(shí)候提高壓針的準(zhǔn)確性，減小壓針的接觸面；儀表壓針全程通電，嚴(yán)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(jìn)電機(jī)針軸的同軸度.還可以從幾個(gè)方面進(jìn)行回0穩(wěn)定性改善.

3.1 大小回0策略

在儀表的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)設(shè)備壓針后確定步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械0位.在汽車廠進(jìn)行儀表安裝的時(shí)候，當(dāng)儀表首次上電大回0，電機(jī)的兩相繞組的電極被通上最大步進(jìn)轉(zhuǎn)動角度PWM信號脈沖，并以一個(gè)200°/s-300°/s的轉(zhuǎn)動速度回轉(zhuǎn)，在步進(jìn)電機(jī)的0位附近，由于有機(jī)械擋板作用，保證無論指針在步進(jìn)電機(jī)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(jī)械擋板反作用力，出現(xiàn)指針回彈.這時(shí)采用小回0，及在小角度的低速回彈補(bǔ)償這一彈起的角度，保證回0準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(jì)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(zhuǎn)動速度降為10°/s.實(shí)際情況中，轉(zhuǎn)動速度還沒有降到10°/s，指針就已經(jīng)機(jī)械0位處回彈，采取小回0補(bǔ)償，速度降為10°/s回零10度.通過大小回0方式以達(dá)到較準(zhǔn)確的回0.

3.2 調(diào)整驅(qū)動信號

從公式(4)可以看出，想要達(dá)到合適的回彈角度通過調(diào)整驅(qū)動電壓.而調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電壓是通過調(diào)整PWM波信號的占空比來進(jìn)行調(diào)整.

步進(jìn)電機(jī)回0的過程中，PWM信號載波頻率范圍為16KHz-32KHz，PWM驅(qū)動信號分辨率大于8位.當(dāng)驅(qū)動頻率大于啟停頻率時(shí)，要做加減速處理，以避免丟步.當(dāng)電機(jī)驅(qū)動方向改變時(shí)需要進(jìn)行齒隙補(bǔ)償；如果驅(qū)動頻率大于啟停頻率，也要做加減速處理.根據(jù)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(diào)整小回0是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動力，由于電機(jī)帶動指針的運(yùn)動的驅(qū)動力與PWM波的縮小比例有直接的關(guān)系(比例越大，驅(qū)動力越大).減小電機(jī)驅(qū)動指針對擋板的彈性形變，可以減小指針在0位時(shí)正向偏離.故采取在回0的過程中，當(dāng)指針距離0刻度小于4°的時(shí)候，將PWM波的占空比縮小原占空比的0.66，當(dāng)距離0刻度小于2°的時(shí)候，將PWM波的占空比調(diào)整原占空比為0.33.根據(jù)角度逐次減小PWM波占空比的驅(qū)動比例，以達(dá)到減小步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電壓.

由于這樣的PWM相關(guān)的驅(qū)動力調(diào)整只是限制在小回0將要接近0位的小角度內(nèi)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(yùn)動和指示.

4 結(jié)論

改善壓針的接觸面，提高壓針的垂直正確率.調(diào)整軟件設(shè)計(jì)，按照上述設(shè)計(jì)改善汽車儀表步進(jìn)電機(jī)的回0情況，并將程序應(yīng)用實(shí)際的生產(chǎn)過程中，很好的改善了汽車儀表步進(jìn)電機(jī)的回0準(zhǔn)確率，提高了企業(yè)生產(chǎn)的良品率.

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(責(zé)任編輯：張陽，付強(qiáng)，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(dá)州人，助教，主要研究汽車電子，微控制器技術(shù)，E_mail:pengliyue＠163.com.

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