基于XC2267M的仪表盘步进电机控制

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  • 随着现代电子技术的发展,中高档汽车上的组合数字仪表越来越多地采用“机电一体化”的步进电机。步进电机又称脉冲电动机,它能将输入的脉冲信号变成不连续的机械动作,是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。对步进电机的每一相来讲,输入的是一个脉冲列,只要控制好电脉冲,就能精确控制步进电机的角位移量,转速和转矩。从这个意义上来说,步进电机控制的核心是PWM(脉冲宽度调制)细分控制技术。


    用单片机来控制步进电机已有近15年的发展历史。出于降低总体成本的考虑,长期以来所采用的芯片都是8位单片机。由于单片机自身性能的局限性,对于步进电机的控制常常采用不彻底的细分控制或带外设的细分控制。不彻底的细分控制一般是将步进电动机的控制位置数(以两相步进电机为例)的四拍通电逻辑顺序变为八拍通电逻辑顺序,从而将步进角降为原来的一半。这种方法细分度有限,电机运行极不平滑,而且对步进电机也有损伤。带外设的细分控制能够使步进电机的运行平滑稳定,但增加了外部设备(如恒流斩波电路等),使得硬件设计趋于复杂,并且提高了成本。随着科技的进步和单片机的进一步发展,16位单片机的价格不断降低,使得其在步进电机控制上的广泛应用成为可能。由于单片机自身功能曾强了,繁琐的外部设备不再需要,软件编程也变得相对简单。这里即采用16位英飞凌单片机XC2267M实现步进电机的平稳控制。

    硬件选择
    Infineon XC2267M属于XC2200微控制器系列,集成了电压调节器和多种振荡器,是全功能的16位单片CMOS微控制器。此方案主要使用的是XC2267M的CC2(Capture/Compare Unit2 捕获/比较单元2)模块。

    CC2模块提供了16个捕获/比较通道以及同它们相配合的2个16位定时器,能支持16个内部中断。每个CC2通道都可捕获内部或外部事件,也可以比较计时器的内容与给定值,并修改输出信号。这里采用的是其中的8个通道配合8个I/O口控制4个步进电机。其中,SIN+和COS+为CC2通道,输出PWM波形,SIN-和COS-为I/O口,进行0-1变化。

    表1  CC2模块各通道功能列表


    由于单片机可以直接输出几路互不影响的PWM,所以无需依靠任何外部设备就可以同时实现对几个步进电机的控制。

    图1 基于XC2267M的仪表盘步进电机控制示意图(仪表盘其他模块图中未标明)


    汽车仪表中应用的主要是两相步进电机,即步进电机中有两个独立绕组(定子两个相对极上的线圈串联成为独立绕组)。步进电机两个绕组的夹角一般有90°和60°两种样式,实验采用的是60°样式的VID29-05,内置减速比180:1的齿轮系,输出轴的步距角最小为1/12°,最大角速度600°/s。

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