趙 心，羅永革，楊啟梁，石振東

（1.武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442002）

步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。每當(dāng)輸入一個脈沖，它就相應(yīng)的運行一步。作為數(shù)字式執(zhí)行元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于控制等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)的游絲阻尼元件應(yīng)用于汽車儀表系統(tǒng)中。MC9S12HZ256微控制器是飛思卡爾公司為汽車儀表系統(tǒng)設(shè)計而開發(fā)的16位微控制器，其集成了用于步進(jìn)電機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)控制模塊（MC）和步進(jìn)電機(jī)歸零檢測的步進(jìn)電機(jī)失步檢測模塊（SSD），從而省去了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，簡化了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路節(jié)約了成本。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制

1.1 MC9S12HZ256的電機(jī)控制模塊

MC9S12HZ256電機(jī)控制模塊（MC）有16通道的PWM輸出，集成了用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的H橋電路。電機(jī)控制模塊的PWM輸出可以工作在高分辨率模式（11位分辨率）或快速模式（7位分辨率），工作在高分辨率模式下時可使用抖動功能，在不改變當(dāng)前分辨率的條件下，降低PWM的工作周期；PW M波形輸出有左對齊、右對齊和中心對齊3種模式。電機(jī)控制模塊可在雙H橋、H橋和半H橋3種模式下工作，用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、其它類型電機(jī)或者其它PWM驅(qū)動設(shè)備的控制應(yīng)用。

要正確驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，必須對電機(jī)控制模塊的各寄存器進(jìn)行相應(yīng)的配置。MC9S12HZ256電機(jī)控制模塊對電機(jī)控制通過以下寄存器完成。

1）電機(jī)控制模塊控制寄存器0（MCCTL0）用來設(shè)定電機(jī)控制模塊運行的時鐘頻率，PWM分辨率選擇，抖動模式使能，另外還有模塊計數(shù)器溢出中斷標(biāo)志位。

2）電機(jī)控制模塊控制寄存器1（MCCTL1）用來設(shè)定在電機(jī)線圈在非驅(qū)動狀態(tài)下續(xù)流電路的回路選擇和PWM低電平有效還是高電平有效，模塊計數(shù)器溢出中斷使能。

3）電機(jī)控制模塊周期寄存器（MCPER）用來設(shè)定PWM的周期。

4）電機(jī)控制模塊通道控制寄存器 （MCCC）用來設(shè)定PWM通道的輸出模式選擇，即雙H模式、H模式、半橋模式的選擇，PWM的對齊方式的選擇，PWM輸出延遲。

5）電機(jī)控制模塊占空比寄存器（MCDC）用來設(shè)定PWM輸出的占空比，PWM輸出引腳。

1.2 硬件設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)選用瑞士SONCEBOZ公司儀表用6405r201型二相混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的兩相定子線圈夾角為90°，轉(zhuǎn)子中共有5對磁極，采用整步方式步距角 θN為 18°（360°/2/10），電機(jī)采用一級減速比1:36的齒輪減速，因此整步方式驅(qū)動下實際輸出步距角為0.5°。

MC9S12HZ256微控制器內(nèi)部集成了H橋驅(qū)動電路（圖1），因此簡化了硬件設(shè)計，只需將電機(jī)控制模塊的 PWM 通道 x與通道 （x+1）（x為 0、2、4、6）組合起來構(gòu)成雙H橋（圖2）直接與步進(jìn)電機(jī)的2組定子線圈連接就可用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。MC9S12HZ256采用雙H方式可控制4個步進(jìn)電機(jī)。

圖1 電機(jī)控制模塊的H橋電路

圖2 雙H橋驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)

1.3 控制軟件設(shè)計

對步進(jìn)電機(jī)控制主要就是1）控制步進(jìn)電機(jī)換相順序；2）控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向；3）控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。二相混合式步進(jìn)電機(jī)整步方式運行的通電換相的正序為A→B→A→B，步進(jìn)電機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按照反序B→A→B→A的通電換相順序，步進(jìn)電機(jī)就反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與步進(jìn)電機(jī)的通電換相的速度有關(guān)，即各相的通電脈沖的頻率有關(guān)。MC9S12HZ256通過電機(jī)控制模塊占空比寄存器（MCDC）可實現(xiàn)電機(jī)通電相序的改變，通過延時時間的長短來改變通電相序轉(zhuǎn)換的速度控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖3是對單個步進(jìn)電機(jī)控制程序的流程圖。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制流程

電機(jī)控制模塊在雙H橋模式下可以同時控制4個步進(jìn)電機(jī)。對多個步進(jìn)電機(jī)可采用定時中斷的方式進(jìn)行控制，采用定時中斷代替上面流程中的延時程序，每次中斷間隔的時間來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 步進(jìn)電機(jī)歸零控制（RTZ）

汽車儀表步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)采用的是沒有位置反饋的開環(huán)控制的方法，因此步進(jìn)電機(jī)的初始位置準(zhǔn)確與否將直接影響到步進(jìn)電機(jī)運行中定位的精確度。要獲得較高的定位精確度就要求步進(jìn)電機(jī)在初始狀態(tài)下的位置必須準(zhǔn)確為初始 “0” 點。MC9S12HZ256集成了失步檢測模塊（SSD），利用這個模塊可以檢測電機(jī)初始位置是否為“0”，若不為“0”則可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使初始位置歸零。

3.1 步進(jìn)電機(jī)失步檢測模塊（SSD）

步進(jìn)電機(jī)失步檢測模塊（SSD）提供了檢測步進(jìn)電機(jī)以整步驅(qū)動方式驅(qū)動儀表指針進(jìn)行歸零操作時在沒有通電線圈中產(chǎn)生的感生電流的電路。在指針歸零過程中，步進(jìn)電機(jī)以整步驅(qū)動的方式順時針轉(zhuǎn)動或者是逆時針轉(zhuǎn)動，在任意時刻只有一組線圈通電。非通電線圈產(chǎn)生的感生電動勢在經(jīng)過一段消隱時間后被積分采樣，采樣結(jié)果存儲在一個16位的累加器中。16位的模數(shù)計數(shù)器用來控制消隱時間和采樣時間。16位累加器中的值表示了所連接的線圈的感生電動勢的波動，它可以用來和一個存儲的閾值比較。當(dāng)這個值大于閾值時表明電機(jī)仍在轉(zhuǎn)動，在這種情況下電機(jī)將會進(jìn)行下一個整步轉(zhuǎn)動，采樣就會繼續(xù)。當(dāng)這個值小于閾值時表明電機(jī)發(fā)生了失步，此時電機(jī)已經(jīng)歸零。失步檢測模塊（SSD）與電機(jī)控制模塊（MC）公用引腳，在 SSD模塊工作時必須關(guān)閉電機(jī)控制模塊釋放引腳。圖5為失步檢測模塊（SSD）的模塊框圖。

SSD模塊實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的歸零控制是由以下幾個寄存器完成。

1）歸零控制寄存器（RTZCTL）控制歸零檢測的模式（消隱模式、采樣模式）；線圈是否通電；回流電路的選擇；極性選擇；步進(jìn)電機(jī)選擇；整步狀態(tài)。

2）模數(shù)向下計數(shù)器控制寄存器（MDCCTL）控制模式向下計數(shù)器溢出中斷使能；模數(shù)計數(shù)器運行模式選擇；模數(shù)計數(shù)器讀取模式選擇；分頻選擇；模數(shù)向下計數(shù)器使能；累加器溢出中斷使能。

3）步進(jìn)失步檢測控制寄存器（SSDCTL）控制歸零使能；Σ－Δ轉(zhuǎn)換電路通電；等待模式選擇；采樣頻率選擇。

4）步進(jìn)失步檢測標(biāo)志寄存器（SSDFLG）包含模數(shù)計數(shù)器向下溢出中斷標(biāo)志和累加器溢出中斷標(biāo)志。

5）16位載入寄存器（MDCCNT）是一個16位寄存器，來控制消隱時間和采樣時間的長短。

6）積分累加器寄存器 （ITGACCx）是一個16位有符號寄存器，用來存儲Σ－Δ轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的感生電動勢的采樣值。它的值增加還是減小是由Σ－Δ轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換值決定。

圖5 失步檢測模塊（SSD）模塊框圖

3.2 步進(jìn)電機(jī)歸零軟件設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)歸零控制主要包括對步進(jìn)電機(jī)歸零轉(zhuǎn)動的方向，歸零過程中步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及對零點的判斷這3個方面。

1）步進(jìn)電機(jī)歸零控制中歸零轉(zhuǎn)動方向是由歸零控制寄存器（RTZCTL）的STEP位即寄存器的第0位和第1位的值所決定。若STEP值的變化為，則步進(jìn)電機(jī)為逆時針方向轉(zhuǎn)動歸零；若STEP值的變化為，則步進(jìn)電機(jī)順時針方向轉(zhuǎn)動歸零。

2）步進(jìn)電機(jī)歸零的速度由所設(shè)定的消隱時間與積分采樣時間的和來決定。消隱時間與積分采樣時間的和就是步進(jìn)電機(jī)一次整步運轉(zhuǎn)所用時間。消隱時間和積分采樣時間要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率確定，滿足步進(jìn)電機(jī)的啟動要求。步進(jìn)電機(jī)歸零檢測中，消隱時間是為了避免在線圈換相時產(chǎn)生的較大的感生電動勢對積分累加寄存器的結(jié)果產(chǎn)生的誤差，而在這段時間內(nèi)放棄積分采樣。消隱時間一般比積分采樣時間短得多，大約只是積分采樣時間的1/100。

3）步進(jìn)電機(jī)歸零檢測中采用失步閾值和積分累加寄存器值比較來進(jìn)行對步進(jìn)電機(jī)零點的判斷。積分累加器寄存器 （ITGACC）的值為一個有符號數(shù)，因此失步閾值是一個正負(fù)之間的一個區(qū)間。若積分累加器寄存器（ITGACC）的值在這個區(qū)間內(nèi)，則可認(rèn)為發(fā)生了失步，指針已經(jīng)歸零。步進(jìn)電機(jī)歸零檢測所用的失步閾值與步進(jìn)電機(jī)的特性和采樣時間有關(guān)，可以根據(jù)電機(jī)的特性和采樣時間自己選擇確定。圖6是采用單個步進(jìn)電機(jī)歸零的軟件設(shè)計流程圖。

圖6 歸零軟件設(shè)計流程圖

要對多個步進(jìn)電機(jī)同時進(jìn)行歸零的操作就要采用SSD模塊中斷的方式進(jìn)行。MC9S12HZ256的步進(jìn)電機(jī)失步檢測模塊（SSD）可以產(chǎn)生4個中斷源，分別對應(yīng)4個采用雙H模式進(jìn)行驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)。采用中斷方式進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的歸零操作時，2次SSD中斷對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行一個步距的轉(zhuǎn)動。第1次中斷是在消隱時間結(jié)束時產(chǎn)生，中斷服務(wù)中要把積分采樣的時間寫入寄存器中，Σ－Δ轉(zhuǎn)換電路通電，積分采樣使能；第2次中斷在積分采樣時間結(jié)束后產(chǎn)生，在中斷服務(wù)中對積分采樣值與閾值進(jìn)行比較，判斷是否歸零，歸零則操作結(jié)束，未歸零則應(yīng)向寄存器寫入下次消隱時間并修改STEP值。

3 系統(tǒng)調(diào)試

步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的誤差是由步進(jìn)電機(jī)運行中失步和初始狀態(tài)下沒有完全處于零點造成的。對汽車儀表步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試也是要避免出現(xiàn)驅(qū)動過程中失步和初始狀態(tài)沒有處于零點。圖7為采用步進(jìn)電機(jī)為指針指示元件的汽車儀表系統(tǒng)，該儀表系統(tǒng)由7個步進(jìn)電機(jī)指針式儀表盤和1個液晶顯示屏組成。儀表盤指示車速、水溫等信號，顯示屏用于數(shù)字和圖形化顯示車輛信息。汽車組合儀表中的車速表要求指針能迅速響應(yīng)車速變化，且在汽車行駛過程中的指針指示變化范圍大、往復(fù)頻繁，因此在汽車儀表步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)調(diào)試中選擇車速表作為驅(qū)動調(diào)試的對象，來驗證步進(jìn)電機(jī)是否有失步。在步進(jìn)電機(jī)歸零調(diào)試中7個儀表共同作為調(diào)試對象，來驗證歸零的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖7 汽車儀表系統(tǒng)

3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動調(diào)試

儀表步進(jìn)電機(jī)失步一般是由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子磁場轉(zhuǎn)速不協(xié)調(diào)造成的，因此設(shè)置步進(jìn)電機(jī)換相的時間是解決失步的一個重要方面。在驅(qū)動控制中采用了8 ms/步的定子磁場轉(zhuǎn)換速度，在這個步進(jìn)電機(jī)換相頻率下車速表的指針轉(zhuǎn)動的速度適中；該換相頻率避開了步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的共振頻率，減少步進(jìn)電機(jī)運行噪音。

車速信號采用信號發(fā)生器作為模擬信號源，改變信號發(fā)生器的輸出頻率就相當(dāng)于改變車速的大小。車速信號經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，通過MC9S12HZ256微控制器的脈沖累加器對信號進(jìn)行采樣，并采用移動平均濾波方式對采樣結(jié)果進(jìn)行處理，最終將車速信息通過車速表指示出來。車速表在初始零位置啟動，車速表指針經(jīng)過連續(xù)近10000次從零點到滿量程中不停滯的來回往復(fù)轉(zhuǎn)動，回到零位置時沒有出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，添加新的車速信號后，車速表所指示的車速與液晶顯示屏所顯示的數(shù)字車速相一致，準(zhǔn)確指示采樣數(shù)值，車速指示準(zhǔn)確。

3.2 步進(jìn)電機(jī)歸零調(diào)試

汽車儀表步進(jìn)電機(jī)歸零調(diào)試中，對采用SSD模塊歸零與不使用SSD模塊歸零進(jìn)行了對比測試，并對采用SSD模塊進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)歸零的穩(wěn)定性進(jìn)行了調(diào)試，同時解決了在SSD模塊使用中出現(xiàn)的問題。

在不采SSD模塊進(jìn)行歸零時，為確保在儀表在每次運行前都要準(zhǔn)確的處于初始的零位置，需要在初始化中使步進(jìn)電機(jī)滿量程回轉(zhuǎn)。若此時步進(jìn)電機(jī)不是在最大的位置，則會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在初始零點位置堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，影響汽車儀表步進(jìn)電機(jī)的歸零速度，同時也會對步進(jìn)電機(jī)的齒輪減速機(jī)構(gòu)造成損害，加速齒輪磨損，使齒輪的間隙過大，造成步進(jìn)步進(jìn)電機(jī)運行中的誤差。采用SSD模塊進(jìn)行歸零可以完全避免上面所述情況的發(fā)生，在SSD模塊檢測到電機(jī)失步的時候也就是步進(jìn)電機(jī)回到初始零點位置時就會停止電機(jī)驅(qū)動。這樣就避免了步進(jìn)電機(jī)在初始位置發(fā)生堵轉(zhuǎn)，提高了步進(jìn)電機(jī)歸零的效率，也保護(hù)了步進(jìn)電機(jī)。

使用SSD模塊進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)歸零就是使步進(jìn)電機(jī)能快速準(zhǔn)確的回到初始零點，因此根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特性設(shè)定歸零過程的消隱時間和積分采樣時間是步進(jìn)電機(jī)快速回零的關(guān)鍵。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動中采用8 ms/步的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，在歸零過程中步進(jìn)電機(jī)的歸零速度可以大于驅(qū)動時的速度，使步進(jìn)電機(jī)更為快速的回到零點。在調(diào)試中采用2 ms/步的步進(jìn)電機(jī)歸零速度，設(shè)定步進(jìn)電機(jī)失步閾值用于判斷是否歸零完成。在歸零調(diào)試過程中出現(xiàn)在啟動時儀表指針沒有轉(zhuǎn)動無法歸零的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于在初始啟動時步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不高，未通電線圈產(chǎn)生的感生電動勢微弱衰減較快，使16位累加計數(shù)器采樣值小于設(shè)定的閾值，從而判斷出步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)失步回到零點，導(dǎo)致SSD模塊關(guān)閉。因此可以在步進(jìn)電機(jī)歸零檢測的前幾步不對積分采樣值和失步閾值進(jìn)行比較，在步進(jìn)電機(jī)完全啟動后再進(jìn)行失步檢測。采用這種方法對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行連續(xù)進(jìn)行1000次的不同位置歸零測試中，全部成功回到初始零點位置，沒有再發(fā)生啟動后就指針就停止的現(xiàn)象。

4 小 結(jié)

本文重點闡述了使用MC9S12HZ256的電機(jī)控制模塊（MC）和失步檢測模塊（SSD）對汽車儀表步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的方法，針對所研制汽車組合儀表系統(tǒng)進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)指示系統(tǒng)的調(diào)試，并對調(diào)試過程中出現(xiàn)的一些問題也分別加以解決。

1）使用電機(jī)控制模塊（MC）對汽車儀表步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制時，注意步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，合理的選擇脈沖換相時間，有利于步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)的準(zhǔn)確性，降低步進(jìn)電機(jī)振動，減少步進(jìn)電機(jī)失步的情況發(fā)生。

2）使用失步檢測模塊（SSD）可使步進(jìn)電機(jī)快速歸零，有利于步進(jìn)電機(jī)位置控制的準(zhǔn)確性，減少初始狀態(tài)所累積的位置誤差。同時也應(yīng)注意在歸零啟動時出現(xiàn)的問題，采用啟動初期不檢測的方法避免啟動后儀表指針無反應(yīng)的狀況發(fā)生。

使用MC9S12HZ256的電機(jī)控制模塊（MC）和步進(jìn)電機(jī)失步檢測模塊（SSD）方便了對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行的控制，使汽車儀表步進(jìn)電機(jī)定位準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定。

［1］ MC9S12HZ256 V2 datasheet.

［2］朱維杰，陳永降，曾向陽.MC9S12HZ在空心十字線圈儀表中的應(yīng)用［J］.汽車電器， 2008（11）：10－13.

［3］ 王曉明.電動機(jī)的單片機(jī)控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］ 史敬灼.步進(jìn)電動機(jī)伺服控制技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［5］ 李 飛，姜森霖，王景存.基于MC68HC908LJ12的汽車組合儀表設(shè)計 ［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008，22（4）：49－52.