基于XC2267M的儀表盤步進電機控制

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)字儀表越來越多地采用“機電一體化”的步進電機。步進電機又稱脈沖電動機，它能將輸入的脈沖信號變成不連續(xù)的機械動作，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。對步進電機的每一相來講，輸入的是一個脈沖列，只要控制好電脈沖，就能精確控制步進電機的角位移量，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。從這個意義上來說，步進電機控制的核心是PWM（脈沖寬度調(diào)制）細分控制技術(shù)。

用單片機來控制步進電機已有近15年的發(fā)展歷史。出于降低總體成本的考慮，長期以來所采用的芯片都是8位單片機。由于單片機自身性能的局限性，對于步進電機的控制常常采用不徹底的細分控制或帶外設(shè)的細分控制。不徹底的細分控制一般是將步進電動機的控制位置數(shù)(以兩相步進電機為例)的四拍通電邏輯順序變?yōu)榘伺耐娺壿嬳樞颍瑥亩鴮⒉竭M角降為原來的一半。這種方法細分度有限，電機運行極不平滑，而且對步進電機也有損傷。帶外設(shè)的細分控制能夠使步進電機的運行平滑穩(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)計趨于復(fù)雜，并且提高了成本。隨著科技的進步和單片機的進一步發(fā)展，16位單片機的價格不斷降低，使得其在步進電機控制上的廣泛應(yīng)用成為可能。由于單片機自身功能曾強了，繁瑣的外部設(shè)備不再需要，軟件編程也變得相對簡單。這里即采用16位英飛凌單片機XC2267M實現(xiàn)步進電機的平穩(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個捕獲/比較通道以及同它們相配合的2個16位定時器，能支持16個內(nèi)部中斷。每個CC2通道都可捕獲內(nèi)部或外部事件，也可以比較計時器的內(nèi)容與給定值，并修改輸出信號。這里采用的是其中的8個通道配合8個I/O口控制4個步進電機。其中，SIN+和COS+為CC2通道，輸出PWM波形，SIN-和COS-為I/O口，進行0-1變化。

表1 CC2模塊各通道功能列表

由于單片機可以直接輸出幾路互不影響的PWM，所以無需依靠任何外部設(shè)備就可以同時實現(xiàn)對幾個步進電機的控制。

圖1 基于XC2267M的儀表盤步進電機控制示意圖（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電機，即步進電機中有兩個獨立繞組（定子兩個相對極上的線圈串聯(lián)成為獨立繞組）。步進電機兩個繞組的夾角一般有90°和60°兩種樣式，實驗采用的是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確定細分度，建立變量賦值表

● 確定步進電機每圈的細分度，并根據(jù)細分度建立電機在每個位置的兩相PWM占空比表。這里采用的是15細分，即每步間隔24°。

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

● 根據(jù)所選用的步進電機型號的特性曲線，建立速度等級數(shù)組。步進電機的轉(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個元素。這255個元素定義了PWM寄存器賦值的時間間隔，元素值越大，步進電機轉(zhuǎn)速越慢。

2 儀表盤步進電機驅(qū)動的編程注意事項
指針的運動要有“慣性”的視覺效果。即，指針從任意位置甲移動到目標(biāo)位置乙的時候，在開始階段，要進行加速運動，運動至接近位置乙的時候，要進行減速，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電機的選型相關(guān)。在指針轉(zhuǎn)動的過程中，對目標(biāo)位置的變化要實時反應(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，指針才運動。步進電機不允許旋轉(zhuǎn)方向的突變，比如，電機正轉(zhuǎn)時接到反轉(zhuǎn)請求，一定要勻減速至0后才能反轉(zhuǎn)。

考慮到EMC的要求，PWM的頻率不要超過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，以及轉(zhuǎn)動的速度大小。為達到這個目的，引入變量Move-time與轉(zhuǎn)動一步標(biāo)志位Move_One_Step_Enable，實際轉(zhuǎn)動的速度控制通過在主循環(huán)最后Move_One_Step_Enable置1和依據(jù)當(dāng)前步進電機速度級別從速度數(shù)組里取相應(yīng)的元素對Move-time的賦值和來實現(xiàn)。只有當(dāng)Move-time=0時，才再一次進入主循環(huán)對其進行賦值。

中斷程序?qū)ψ卟接嫊r遞減，并根據(jù)標(biāo)志做馬達轉(zhuǎn)動一步處理。每進入一次中斷，只要Move-time不為0，則Move-time減1。如果Move_One_Step_Enable為1，步進電機賦值一次，否則不賦值，中斷時間為200μs。