基于XC2267M的儀表盤步進(jìn)電機(jī)控制

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，中高檔汽車上的組合數(shù)字儀表越來(lái)越多地采用“機(jī)電一體化”的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，它能將輸入的脈沖信號(hào)變成不連續(xù)的機(jī)械動(dòng)作，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的每一相來(lái)講，輸入的是一個(gè)脈沖列，只要控制好電脈沖，就能精確控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)控制的核心是PWM（脈沖寬度調(diào)制）細(xì)分控制技術(shù)。

用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)已有近15年的發(fā)展歷史。出于降低總體成本的考慮，長(zhǎng)期以來(lái)所采用的芯片都是8位單片機(jī)。由于單片機(jī)自身性能的局限性，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制常常采用不徹底的細(xì)分控制或帶外設(shè)的細(xì)分控制。不徹底的細(xì)分控制一般是將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制位置數(shù)(以兩相步進(jìn)電機(jī)為例)的四拍通電邏輯順序變?yōu)榘伺耐娺壿嬳樞?，從而將步進(jìn)角降為原來(lái)的一半。這種方法細(xì)分度有限，電機(jī)運(yùn)行極不平滑，而且對(duì)步進(jìn)電機(jī)也有損傷。帶外設(shè)的細(xì)分控制能夠使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行平滑穩(wěn)定，但增加了外部設(shè)備（如恒流斬波電路等），使得硬件設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜，并且提高了成本。隨著科技的進(jìn)步和單片機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，16位單片機(jī)的價(jià)格不斷降低，使得其在步進(jìn)電機(jī)控制上的廣泛應(yīng)用成為可能。由于單片機(jī)自身功能曾強(qiáng)了，繁瑣的外部設(shè)備不再需要，軟件編程也變得相對(duì)簡(jiǎn)單。這里即采用16位英飛凌單片機(jī)XC2267M實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)控制。

硬件選擇
Infineon XC2267M屬于XC2200微控制器系列，集成了電壓調(diào)節(jié)器和多種振蕩器，是全功能的16位單片CMOS微控制器。此方案主要使用的是XC2267M的CC2（Capture/Compare Unit2 捕獲/比較單元2）模塊。

CC2模塊提供了16個(gè)捕獲/比較通道以及同它們相配合的2個(gè)16位定時(shí)器，能支持16個(gè)內(nèi)部中斷。每個(gè)CC2通道都可捕獲內(nèi)部或外部事件，也可以比較計(jì)時(shí)器的內(nèi)容與給定值，并修改輸出信號(hào)。這里采用的是其中的8個(gè)通道配合8個(gè)I/O口控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)。其中，SIN+和COS+為CC2通道，輸出PWM波形，SIN-和COS-為I/O口，進(jìn)行0-1變化。

表1  CC2模塊各通道功能列表

由于單片機(jī)可以直接輸出幾路互不影響的PWM，所以無(wú)需依靠任何外部設(shè)備就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)幾個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制。

圖1 基于XC2267M的儀表盤步進(jìn)電機(jī)控制示意圖（儀表盤其他模塊圖中未標(biāo)明）

汽車儀表中應(yīng)用的主要是兩相步進(jìn)電機(jī)，即步進(jìn)電機(jī)中有兩個(gè)獨(dú)立繞組（定子兩個(gè)相對(duì)極上的線圈串聯(lián)成為獨(dú)立繞組）。步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)繞組的夾角一般有90°和60°兩種樣式，實(shí)驗(yàn)采用的是60°樣式的VID29-05，內(nèi)置減速比180:1的齒輪系，輸出軸的步距角最小為1/12°，最大角速度600°/s。

軟件編程
1確定細(xì)分度，建立變量賦值表

● 確定步進(jìn)電機(jī)每圈的細(xì)分度，并根據(jù)細(xì)分度建立電機(jī)在每個(gè)位置的兩相PWM占空比表。這里采用的是15細(xì)分，即每步間隔24°。

● 根據(jù)兩相電壓表，結(jié)合所選用的單片機(jī)的特性建立對(duì)應(yīng)的PWM寄存器賦值表，儲(chǔ)存在全局?jǐn)?shù)組里。

● 根據(jù)所選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的特性曲線，建立速度等級(jí)數(shù)組。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速完全和PWM寄存器賦值的速度有關(guān)。根據(jù)VID29-05的特性，速度數(shù)組里包含255個(gè)元素。這255個(gè)元素定義了PWM寄存器賦值的時(shí)間間隔，元素值越大，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢。

2 儀表盤步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的編程注意事項(xiàng)
指針的運(yùn)動(dòng)要有“慣性”的視覺(jué)效果。即，指針從任意位置甲移動(dòng)到目標(biāo)位置乙的時(shí)候，在開始階段，要進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至接近位置乙的時(shí)候，要進(jìn)行減速，最后穩(wěn)定在位置乙。

加速減速的幅度與當(dāng)前位置和目標(biāo)位置的間距以及步進(jìn)電機(jī)的選型相關(guān)。在指針轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)目標(biāo)位置的變化要實(shí)時(shí)反應(yīng)。只有在當(dāng)前位置和目標(biāo)位置的差距大于一定范圍時(shí)，指針才運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)不允許旋轉(zhuǎn)方向的突變，比如，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)接到反轉(zhuǎn)請(qǐng)求，一定要?jiǎng)驕p速至0后才能反轉(zhuǎn)。

考慮到EMC的要求，PWM的頻率不要超過(guò)20kHz。

3  算法
主程序?qū)Ξ?dāng)前步數(shù)和目標(biāo)步數(shù)比較判定，決定是否轉(zhuǎn)動(dòng)，以及轉(zhuǎn)動(dòng)的速度大小。為達(dá)到這個(gè)目的，引入變量Move-time與轉(zhuǎn)動(dòng)一步標(biāo)志位Move_One_Step_Enable，實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的速度控制通過(guò)在主循環(huán)最后Move_One_Step_Enable置1和依據(jù)當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)速度級(jí)別從速度數(shù)組里取相應(yīng)的元素對(duì)Move-time的賦值和來(lái)實(shí)現(xiàn)。只有當(dāng)Move-time=0時(shí)，才再一次進(jìn)入主循環(huán)對(duì)其進(jìn)行賦值。

中斷程序?qū)ψ卟接?jì)時(shí)遞減，并根據(jù)標(biāo)志做馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)一步處理。每進(jìn)入一次中斷，只要Move-time不為0，則Move-time減1。如果Move_One_Step_Enable為1，步進(jìn)電機(jī)賦值一次，否則不賦值，中斷時(shí)間為200μs。

比如，最低的速度等級(jí)元素為100，則在主循環(huán)里，Move_One_Step_Enable被置為1，Move-time賦值為100。在此后的第一個(gè)中斷里，電機(jī)運(yùn)行一步，Move_One_Step_Enable=0，同時(shí)Move-time減為99。此后，主程序和中斷程序都不進(jìn)行任何操作，直到第100次中斷發(fā)生，Move-time減為0，才再一次進(jìn)入主循環(huán)對(duì)Move-time賦值。也就是說(shuō)，在（200×100）μs的時(shí)間里，步進(jìn)電機(jī)只行動(dòng)了一次。相反，如果速度等級(jí)高，則Move-time的賦值相應(yīng)小，電機(jī)會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)再次行動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速看上去“提高”了。

為保證速度之間過(guò)渡的平滑性，防止突變對(duì)步進(jìn)電機(jī)造成的損傷，每3次進(jìn)入主循環(huán)才允許更改一次速度等級(jí)，即每個(gè)速度等級(jí)步進(jìn)電機(jī)至少走3步。

4 主函數(shù)詳解
首先判斷指針是否需要轉(zhuǎn)動(dòng)，如果否，直接跳到結(jié)束，等待新一輪判斷。如果判定結(jié)果為需要轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)判斷上一步是正向還是反向運(yùn)動(dòng)。

圖2 主函數(shù)流程圖

若判定結(jié)果為正向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入正向運(yùn)動(dòng)模塊，繼續(xù)判斷當(dāng)前位置和目標(biāo)位置是否一致。

如果目標(biāo)位置和當(dāng)前位置一致，則表明指針已到達(dá)指定位置，此時(shí)進(jìn)入防抖模塊，并將Move-time 置為1。
如果目標(biāo)位置和當(dāng)前位置不一致，則要進(jìn)一步判斷目標(biāo)位置是否大于當(dāng)前位置。如果目標(biāo)位置小于當(dāng)前位置，則表明在步進(jìn)電機(jī)的正向運(yùn)動(dòng)中檢測(cè)到反向運(yùn)動(dòng)的請(qǐng)求。此時(shí)，進(jìn)入反向運(yùn)動(dòng)需求相應(yīng)模塊，逐漸減小步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，最后改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向標(biāo)志位。

如果目標(biāo)位置大于當(dāng)前位置，則表示運(yùn)動(dòng)需求仍為正向，此時(shí)需要判斷目標(biāo)位置和當(dāng)前位置之差的大小。如果位置差很大，而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有到達(dá)最大，則提速；如果轉(zhuǎn)速已達(dá)到最大，則保持該速度。如果位置差小于某一特定值，則進(jìn)入減速狀態(tài)。

5中斷函數(shù)詳解
首先判斷指針是否需要轉(zhuǎn)動(dòng)，如果是，表明上次轉(zhuǎn)動(dòng)尚未完成，直接跳出中斷，等待下一次中斷。如果判定結(jié)果為不要轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)判斷上一步是正向還是反向運(yùn)動(dòng)。

圖3 中斷函數(shù)流程圖

若判定結(jié)果為正向，則繼續(xù)進(jìn)行下一步判斷：目標(biāo)位置和當(dāng)前位置是否一致。結(jié)果為反向則進(jìn)入反向運(yùn)動(dòng)中斷處理模塊，流程結(jié)果類似。

判斷轉(zhuǎn)動(dòng)一步標(biāo)志位是否為1。若為1，依據(jù)當(dāng)前位置從PWM數(shù)組里賦新值給PWM寄存器，步進(jìn)電機(jī)行動(dòng)一步，當(dāng)前位置前進(jìn)一步（若為反向則退后一步）并清零轉(zhuǎn)動(dòng)一步標(biāo)志位。這樣下次進(jìn)入中斷時(shí)，若轉(zhuǎn)動(dòng)一步標(biāo)志位沒(méi)有在主循環(huán)里重新賦值為1，步進(jìn)電機(jī)就不會(huì)再次轉(zhuǎn)動(dòng)。

每次進(jìn)入中斷，當(dāng)Move_time不為0時(shí)，Move_time減1，直至減為0為止。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)過(guò)巴特沃斯二階低通濾波后，步進(jìn)電機(jī)兩相電壓波形都為比較平滑的正弦波，波形相位差為120°，與理論的細(xì)分波形相吻合。

步進(jìn)電機(jī)從位置A移動(dòng)到位置B的過(guò)程中，先加速（如果AB距離足夠大，步進(jìn)電機(jī)將加速到最大轉(zhuǎn)速后勻速運(yùn)行）。在接近位置B時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將減速，最后停止在位置B。從上圖可以看出，加速階段正選的波長(zhǎng)逐漸變窄，減速時(shí)則逐漸變寬。

圖4 步進(jìn)電機(jī)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)兩相電壓圖

圖5 步進(jìn)電機(jī)加速狀態(tài)單相電壓示意圖

圖6 步進(jìn)電機(jī)減速狀態(tài)單相電壓示意圖

結(jié)論
利用單片機(jī)可方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置進(jìn)行控制，可靠地實(shí)現(xiàn)各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜工作。這里提出的步進(jìn)電機(jī)分步控制方法，依靠Infineon最新的XC2267M單片機(jī)CC2模塊強(qiáng)大的16個(gè)PWM輸出通道，同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)，成功通過(guò)軟件編程代替驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)儀表盤步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，運(yùn)行結(jié)果穩(wěn)定可靠，并節(jié)省了外部設(shè)備，降低了成本。