專利名稱：一種儀表步進電機標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及步進電機標(biāo)定，尤其涉及一種儀表用步進電機的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
目前，汽車儀表普遍使用單片機驅(qū)動步進電機的技術(shù)方案，指針安裝在步進電機軸上，電機轉(zhuǎn)過一定的角度，反映在指針上即為對應(yīng)刻度讀數(shù)的變化。步進電機轉(zhuǎn)動的速度與角度受控于單片機的驅(qū)動方式。如圖I所示，汽車儀表所用的步進電機定子10 —般使用兩組線圈，轉(zhuǎn)子20為永磁體，單片機控制輸出到定子線圈的電流的變化，從而改變定子IO所形成的磁場方向，轉(zhuǎn)子20自身磁場方向與其相互作用產(chǎn)生作用力推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當(dāng)定子線圈上電流變化所形成的磁場方向偏轉(zhuǎn)一定角度，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)動跟隨這一偏轉(zhuǎn)。微步驅(qū)動步進電機是汽車儀表應(yīng)用中普遍采用的一種驅(qū)動方法，該方法將定子磁場方向轉(zhuǎn)過360°劃分為若干步，單片機控制每一步輸出信號的電平方向和占空比，在定子線圈上模擬出電流的正弦變化，并且定子兩個線圈的電流變化保持要求的相位差，這一相位差取決于步進電機的設(shè)計。汽車儀表所用步進電機從轉(zhuǎn)子到輸出軸需要經(jīng)過齒輪30減速，其輸出軸一般都不能360°旋轉(zhuǎn)，是由于在輸出軸的齒輪上有限位擋塊40，當(dāng)輸出軸齒輪擋塊40與電機外殼上的固定擋塊50接觸時，輸出軸齒輪不能再繼續(xù)轉(zhuǎn)動，步進電機到達(dá)機械零位，此時轉(zhuǎn)子也不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動。汽車儀表應(yīng)用中，對指針歸零的操作一般是驅(qū)動電機向機械零位方向運動一定角度，當(dāng)電機的初始位置不同時，實際要求轉(zhuǎn)過的角度也會不同，但是如果沒有使用電機的零位檢測功能，那么步進電機到達(dá)機械零位后就沒有任何信號反饋，只能繼續(xù)驅(qū)動電機向機械零位方向走完剩下的角度，并最終停止。對同一個電機而言，定子最終停止驅(qū)動時所保持的磁場方向不同，會對轉(zhuǎn)子及指針造成不同的影響，以兩極轉(zhuǎn)子為例
假設(shè)當(dāng)電機剛好到達(dá)機械零位時轉(zhuǎn)子處于如圖I所示位置，而如果最終停止驅(qū)動時，定子的磁場方向保持如圖2所示的狀態(tài)，那么此時輸出軸齒輪上的擋塊會對電機外殼上的固定擋塊有一個力的作用。如果以此位置為起始，驅(qū)動電機使指針向順時針方向運動，即驅(qū)動定子磁場向逆時針方向轉(zhuǎn)動，那么在剛開始的一定角度內(nèi)，轉(zhuǎn)子不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，指針也不會轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子上這個角度的最大理論誤差為180°，如果從轉(zhuǎn)子到輸出軸的減速比為180:1，那么反映在指針上的最大理論誤差為偏逆時針方向1°，起始位置的偏差會反映在后面的每一個位置上。反之，如果最終停止驅(qū)動時，定子磁場保持如圖3所示狀態(tài)，那么由于與轉(zhuǎn)子磁場間的相互作用，會產(chǎn)生力的作用推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，最終達(dá)到與定子磁場相反的方向，即轉(zhuǎn)子向逆時針方向轉(zhuǎn)過了一定的角度，如圖3所示。此時輸出軸齒輪上的擋塊會離開固定擋塊一定的間隙，并且指針會比機械零位時的位置向順時針方向有一定角度的偏離。如果以此位置為起始，驅(qū)動電機使指針向順時針方向運動，即驅(qū)動定子磁場向逆時針方向轉(zhuǎn)動，那么在驅(qū)動之前，已經(jīng)產(chǎn)生了順時針方向一定角度的偏差。轉(zhuǎn)子的最大理論誤差為180°，如果從轉(zhuǎn)子到輸出軸的減速比為180:1，那么反映在指針上的最大理論誤差為偏順時針方向1°，起始位置的偏差會反映在后面的每一個位置上。對于上述誤差，如果不做任何處理，那么就會影響指針的指示精度，解決方法可以使用電機零位檢測功能，但是并不是所有的單片機都能夠支持這一功能，也不是所有電機的性能都能夠滿足這一功能的要求。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要提供一種操作簡單、無需額外設(shè)備的儀表步進電機標(biāo)定方法。一種儀表步進電機標(biāo)定方法，其包括步驟
在儀表未安裝指針時驅(qū)動步進電機向機械零位方向運動到位，使指針被安上后指向起始刻度以下；
控制儀表處于診斷模式下，驅(qū)動步進電機以低速向機械零位方向運動，當(dāng)指針出現(xiàn)反向跳動時，控制儀表記錄當(dāng)前驅(qū)動的步數(shù)序號A ；
根據(jù)所述步數(shù)序號A推算步數(shù)序號C ;其中，如果驅(qū)動步進電機向機械零位方向運動時電機定子磁場順時針轉(zhuǎn)動，則步數(shù)序號C為步數(shù)序號A對應(yīng)的定子磁場順時針轉(zhuǎn)過270°或逆時針轉(zhuǎn)過90°所對應(yīng)的步數(shù)序號；如果驅(qū)動步進電機向機械零位方向運動時定子磁場逆時針轉(zhuǎn)動，則步數(shù)序號C為步數(shù)序號A對應(yīng)的電機定子磁場逆時針轉(zhuǎn)過270°或順時針轉(zhuǎn)過90°所對應(yīng)的步數(shù)序號；以及
將所述步數(shù)序號C記錄在所述存儲芯片內(nèi)；所述步數(shù)序號C與電機到達(dá)機械零位后定子應(yīng)該停止的磁場方向?qū)?yīng)。在優(yōu)選的實施例中，所述的儀表步進電機標(biāo)定方法進一步包括步驟根據(jù)所述步數(shù)序號C驅(qū)動步進電機回歸機械零位；以及驅(qū)動步進電機使指針分別運動到多個校準(zhǔn)點，當(dāng)指針指示誤差滿足預(yù)設(shè)范圍時控制儀表分別記錄指針運動到所述多個校準(zhǔn)點對應(yīng)的電機步數(shù)。在優(yōu)選的實施例中，所述的儀表步進電機標(biāo)定方法進一步包括步驟在儀表正常使用中，設(shè)定開機運行首先進行步進電機歸零動作，歸零結(jié)束驅(qū)動定子磁場保持在步數(shù)序號C對應(yīng)的定子磁場方向。本發(fā)明的儀表步進電機標(biāo)定方法利用了儀表步進電機到達(dá)機械零位后繼續(xù)慢速微步驅(qū)動會由于磁場方向反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生反向運動的特性，根據(jù)反向運動這一特殊表現(xiàn)進行步進電機轉(zhuǎn)子磁場方向的標(biāo)定，同時記錄標(biāo)定結(jié)果，使儀表用于之后的使用，從而提高了儀表步進電機的指示精度。本發(fā)明的標(biāo)定方法允許一定的誤差存在，而誤差則可通過指針的校準(zhǔn)以及電機的使用方法消除掉。本發(fā)明方法只要采用一臺計算機即可實現(xiàn)，該計算機通過總線與儀表相連，不需要額外的設(shè)備投入，標(biāo)定方法簡便易實現(xiàn)。


圖I為儀表步進電機狀態(tài)一示意圖。圖2為儀表步進電機狀態(tài)二示意圖。圖3為僅表步進電機狀態(tài)二不意圖。
圖4為本發(fā)明一實施例的儀表步進電機標(biāo)定系統(tǒng)架構(gòu)圖。圖5為一實施例中儀表步進電機狀態(tài)四的示意圖。圖6為一實施例中儀表步進電機狀態(tài)五的示意圖。圖7為一實施例中儀表步進電機狀態(tài)六的示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明儀表步進電機標(biāo)定方法作進一步詳細(xì)描述。儀表特別是汽車儀表在生產(chǎn)過程中要經(jīng)過大量的自動化測試與校準(zhǔn)操作，其實現(xiàn)方法是將儀表與計算機通過總線，如CAN總線、K-Line總線、UART總線等連接起來，如圖4所示。儀表為了配合自動化的測試與校準(zhǔn)，軟件功能上支持診斷模式，在該模式下允許與其相連的計算機對儀表進行特殊操作，如驅(qū)動電機歸零、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)過相應(yīng)的步數(shù)、讀寫存儲器中的數(shù)據(jù)等。本發(fā)明儀表步進電機標(biāo)定方法基于上述自動化生產(chǎn)與校準(zhǔn)過程，充分利用步進電機到達(dá)機械零位后繼續(xù)向機械零位方向慢速驅(qū)動時的表現(xiàn)特性，不需要額外的設(shè)備投入，不需要生產(chǎn)操作人員具備很高的技能，使用簡便的方法實現(xiàn)標(biāo)定
下面以兩極轉(zhuǎn)子的步進電機為例對本發(fā)明儀表步進電機標(biāo)定方法進行詳細(xì)說明?；诒景l(fā)明方法的步進電機標(biāo)定程序被寫入計算機中，由計算機控制儀表自動執(zhí)行。步驟一，首先，在儀表未安裝指針時通過計算機向儀表發(fā)送命令，儀表控制器收到命令后自動驅(qū)動儀表步進電機向機械零位方向運動到位并最終停止，使指針被安上后指向起始刻度以下，如圖5所示。然后按上指針，繼續(xù)標(biāo)定。步驟二,控制儀表處于診斷模式下,繼續(xù)驅(qū)動步進電機以低速向機械零位方向運動。為便于標(biāo)定操作，低速一般需要使定子磁場方向轉(zhuǎn)動速度小于180° /秒，例如定子磁場8秒轉(zhuǎn)過360°，即45° /秒。在低速驅(qū)動下定子磁場方向繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)定子磁場方向與轉(zhuǎn)子磁場方向趨于一致時，達(dá)到臨界狀態(tài)(見圖6)，此時如果定子磁場方向繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)過細(xì)微角度，會使轉(zhuǎn)子發(fā)生與定子磁場轉(zhuǎn)動方向相反的運動，即轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過最大180°，而指針會向順時針方向轉(zhuǎn)動，即低速驅(qū)動指針逆時針向機械零位運動的過程中會出現(xiàn)指針順時針方向的突然跳動。如果從轉(zhuǎn)子到輸出軸的減速比為180:1，那么指針在順指針方向的運動會有大約1°，如圖7所示。當(dāng)指針出現(xiàn)反向跳動時，控制儀表記錄當(dāng)前驅(qū)動的步數(shù)序號A。即在微步驅(qū)動方式下，定子磁場方向轉(zhuǎn)過360°被劃分為若干步完成,每一步對應(yīng)一個定子磁場方向，例如劃分為24微步，那么就有從O到23微步的步數(shù)序號，儀表控制器需要記錄指針發(fā)生反向跳動時定子磁場對應(yīng)的步數(shù)序號。其中檢測指針出現(xiàn)反向跳動的方法可以是通過視頻監(jiān)測儀拍攝圖片，由計算機根據(jù)指針運動狀態(tài)自動判斷獲得，也可以人為監(jiān)控，再通過計算機發(fā)送命令給儀表，儀表控制器記錄下當(dāng)前步數(shù)序號A。步驟三，儀表控制器根據(jù)步數(shù)序號A推算電機定子磁場在此基礎(chǔ)上繼續(xù)順時針或逆時針轉(zhuǎn)過180°的步數(shù)序號B，步數(shù)序號B對應(yīng)的定子磁場即為大約剛好使指針到達(dá)機械零位時的定子磁場方向。
步驟四，儀表控制器根據(jù)步數(shù)序號B推算儀表定子磁場順時針轉(zhuǎn)過90°的步數(shù)序號C，將步數(shù)序號C記錄在存儲芯片內(nèi)。儀表將利用步數(shù)序號C對應(yīng)的定子磁場方向作為歸零動作結(jié)束停止驅(qū)動電機時的定子磁場方向，步數(shù)序號C對應(yīng)的定子磁場方向與電機到達(dá)機械零位后轉(zhuǎn)子的磁場方向相互作用，可以使輸出軸齒輪擋塊對固定擋塊有一個力的作用，有利于提高指針在機械零位上的抗震性能。如果基于步數(shù)序號A推算步數(shù)序號C，則為步數(shù)序號A對應(yīng)的定子磁場順時針轉(zhuǎn)過270°或逆時針轉(zhuǎn)過90°對應(yīng)的步數(shù)序號。如此即完成了對步進電機轉(zhuǎn)子磁場方向的標(biāo)定，并將驅(qū)動電機到達(dá)機械零位后應(yīng)該停止的定子磁場方向記錄在了儀表的存儲器中。儀表中有多個電機時，只要逐個按照上述方法即可完成標(biāo)定。如果在指針發(fā)生跳動的時刻計算機沒有及時完成操作，可以繼續(xù)等待，接下來定子磁場方向繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子會跟隨這一轉(zhuǎn)動使電機再次回到機械零位。磁場方向的繼續(xù)轉(zhuǎn)動會重復(fù)出現(xiàn)前面所述指針順時針跳動的現(xiàn)象，仍可進行標(biāo)定工作。需要特別說明的是，步進電機從轉(zhuǎn)子到輸出軸經(jīng)過的減速齒輪組奇偶數(shù)不同，歸 零需要驅(qū)動定子磁場轉(zhuǎn)動的方向會不同，那么相應(yīng)的從步數(shù)序號A推算步數(shù)序號C的方向也不同。在驅(qū)動定子磁場逆時針轉(zhuǎn)動使指針歸零的情況下，從步數(shù)A繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動270°或順時針轉(zhuǎn)動90°得到步數(shù)序號C。在驅(qū)動定子磁場順時針轉(zhuǎn)動使指針歸零的情況下,從步數(shù)A繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動270°或逆時針轉(zhuǎn)動90°得到步數(shù)序號C。本發(fā)明的步進電機標(biāo)定方法允許一定的誤差存在，而誤差則通過指針的校準(zhǔn)以及步進電機的使用方法消除掉。其中，指針的校準(zhǔn)方法為
首先，根據(jù)存儲芯片中記錄的步數(shù)序號C驅(qū)動步進電機回歸機械零位。然后，驅(qū)動步進電機使指針分別運動到多個校準(zhǔn)點，當(dāng)指針指示誤差滿足預(yù)設(shè)范圍時控制儀表分別記錄指針運動到該多個校準(zhǔn)點對應(yīng)的電機步數(shù)。逐個完成所有校準(zhǔn)點后即已消除指針安裝時在起始刻度以下這一誤差，并且校準(zhǔn)過程中已經(jīng)使用了電機標(biāo)定的結(jié)果，沒有將標(biāo)定以前磁場方向造成的誤差引入。在步進電機進入正常使用前，都需要進行歸零，以保證儀表機械與電氣特性在每次使用的起始狀態(tài)的一致性。歸零動作使電機回到機械零位，即機械特性上的起始狀態(tài)都能夠保持一致。歸零動作結(jié)束后，定子磁場停留的方向是已經(jīng)過電機標(biāo)定的方向，避免了磁場方向引起的誤差，并且能夠使電氣特性上的起始狀態(tài)保持一致?；谝陨蠚w零后的起始狀態(tài)進入正常功能使用，在正常功能中儀表用到的是已經(jīng)過校準(zhǔn)的電機步數(shù)，即已經(jīng)消除了指針安裝不準(zhǔn)確的所產(chǎn)生的誤差。本發(fā)明的步進電機標(biāo)定方法還適用于在固定擋塊另一側(cè)進行標(biāo)定、校準(zhǔn)與使用的情況。與前述標(biāo)定方法的區(qū)別在于指針出現(xiàn)反彈現(xiàn)象時的磁場方向即步數(shù)序號的推算，即對于前面所述標(biāo)定方法中提到的電機，如果在固定擋塊的右側(cè)進行標(biāo)定與校準(zhǔn)，那么歸零操作應(yīng)該驅(qū)動定子磁場方向逆時針運動，當(dāng)出現(xiàn)指針反向跳動時記錄下步數(shù)序號A，然后基于此序號推算出繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)過270°或順指針轉(zhuǎn)過90°的步數(shù)序號C。本發(fā)明的步進電機標(biāo)定方法也適用于多極電機、其他減速方式及傳動比的情況。本發(fā)明的步進電機標(biāo)定方法也可使用按照命令分步轉(zhuǎn)動的方式實現(xiàn)，即不再使用連續(xù)低速驅(qū)動，而是每一個命令走過一定的步數(shù)，直到指針跳動出現(xiàn)，記錄并換算對應(yīng)步數(shù)序號。例如，將定子磁場轉(zhuǎn)過360°分為24步，通過計算機發(fā)送一次命令，儀表控制器就驅(qū)動電機定子磁場走過4步,再發(fā)送一次命令就再走過4步,直到出現(xiàn)指針反向跳動,此時計算機發(fā)送命令給儀表，儀表控制器可以將當(dāng)前的步數(shù)序號作為步數(shù)序號A，進而推算出步數(shù)序號C，這里的步數(shù)序號A與指針發(fā)生反向跳動時的步數(shù)序號會存在最大3步的誤差，但這一誤差經(jīng)過后續(xù)校準(zhǔn)以及電機使用方法后不會產(chǎn)生影響。本發(fā)明的步進電機標(biāo)定方法在現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上不增加額外的投入，不需要對操作人員有較高的技術(shù)要求，充分利用步進電機自身的特性，通過軟件設(shè)計以及與設(shè)計相配套的操作過程實現(xiàn)對電機的標(biāo)定、校準(zhǔn)，并應(yīng)用于功能使用中，有效消除由磁場方向所產(chǎn)生的誤差，提高了汽車儀表中的步進電機指示精度。以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種儀表步進電機標(biāo)定方法，其特征在于，包括步驟 在儀表未安裝指針時驅(qū)動步進電機向機械零位方向運動到位，使指針被安上后指向起始刻度以下； 控制儀表處于診斷模式下，驅(qū)動步進電機以低速向機械零位方向運動，當(dāng)指針出現(xiàn)反向跳動時，控制儀表記錄當(dāng)前驅(qū)動的步數(shù)序號A ； 根據(jù)所述步數(shù)序號A推算步數(shù)序號C ;其中，如果驅(qū)動步進電機向機械零位方向運動時電機定子磁場順時針轉(zhuǎn)動，則步數(shù)序號C為步數(shù)序號A對應(yīng)的定子磁場順時針轉(zhuǎn)過270°或逆時針轉(zhuǎn)過90°所對應(yīng)的步數(shù)序號；如果驅(qū)動步進電機向機械零位方向運動時定子磁場逆時針轉(zhuǎn)動，則步數(shù)序號C為步數(shù)序號A對應(yīng)的電機定子磁場逆時針轉(zhuǎn)過270°或順時針轉(zhuǎn)過90°所對應(yīng)的步數(shù)序號；以及 將所述步數(shù)序號C記錄在所述存儲芯片內(nèi)；所述步數(shù)序號C與電機到達(dá)機械零位后定子應(yīng)該停止的磁場方向?qū)?yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儀表步進電機標(biāo)定方法，其特征在于，進一步包括步驟 根據(jù)所述步數(shù)序號C驅(qū)動步進電機回歸機械零位； 驅(qū)動步進電機使指針分別運動到多個校準(zhǔn)點，當(dāng)指針指示誤差滿足預(yù)設(shè)范圍時控制儀表分別記錄指針運動到所述多個校準(zhǔn)點對應(yīng)的電機步數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的儀表步進電機標(biāo)定方法，其特征在于，進一步包括步驟 在儀表正常使用中，設(shè)定開機運行首先進行步進電機歸零動作，歸零結(jié)束驅(qū)動定子磁場保持在步數(shù)序號C對應(yīng)的定子磁場方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及儀表步進電機標(biāo)定方法，包括步驟在儀表未安裝指針時驅(qū)動步進電機向機械零位方向運動到位，使指針被安上后指向起始刻度以下；控制儀表處于診斷模式下，驅(qū)動步進電機以低速向機械零位方向運動，當(dāng)指針出現(xiàn)反向跳動時，控制儀表記錄當(dāng)前驅(qū)動的步數(shù)序號A；根據(jù)所述步數(shù)序號A推算步數(shù)序號C；將所述步數(shù)序號C記錄在所述存儲芯片內(nèi)；所述步數(shù)序號C與電機到達(dá)機械零位后定子應(yīng)該停止的磁場方向?qū)?yīng)。本發(fā)明的儀表步進電機標(biāo)定方法利用了儀表步進電機到達(dá)機械零位后繼續(xù)慢速微步驅(qū)動會由于磁場方向反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生反向運動的特性進行步進電機轉(zhuǎn)子磁場方向的標(biāo)定，同時記錄標(biāo)定結(jié)果，使儀表用于之后的使用，從而提高了儀表步進電機的指示精度。
文檔編號G01D18/00GK102735285SQ20121021786
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者楊進超, 王凌志, 王榮明, 謝志斌 申請人:惠州市德賽西威汽車電子有限公司