基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器MC33991的車速表設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)式儀表與模擬電路電子式儀表相比，其分度均勻，指針的重復(fù)性能好、響應(yīng)速度快、抖動小、產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性和可靠性有根本保證[1] ，因此步進(jìn)電機(jī)式汽車儀表在我國逐漸普及。這種汽車儀表通常采用微控制器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動儀表指針轉(zhuǎn)動。微控制器控制步進(jìn)電機(jī)一般需要外加驅(qū)動電路，而采用專用的汽車儀表步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動集成電路可以簡化汽車儀表的軟硬件設(shè)計(jì)，提高儀表的穩(wěn)定性和可靠性。本文介紹并比較了國內(nèi)常用的驅(qū)動器的性能特點(diǎn)，最后以飛思卡爾半導(dǎo)體生產(chǎn)的MC33991為實(shí)例設(shè)計(jì)了車速表。

1 常用儀表電機(jī)驅(qū)動芯片特點(diǎn)及性能比較

國內(nèi)常用的儀表步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片包括瑞典SWITEC公司的X12.017、偉盈集團(tuán)生產(chǎn)的VID66- 06和美國飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC33991等。

1.1 X12.017與VID66- 06的主要特點(diǎn)

SWITEC公司生產(chǎn)的X12.017在國內(nèi)應(yīng)用較廣，可以同時驅(qū)動4路十字線圈步進(jìn)電機(jī)。VID66- 06控制方式和X12.017完全相同，其各項(xiàng)性能參數(shù)也基本相同。它們的主要特點(diǎn)如下。

a.以微步驅(qū)動，每個脈沖對應(yīng)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動（1/12）°。
b.每個電機(jī)只需要速度和方向2個控制端。
c.所有輸入腳都有干擾過濾器；低電磁干擾輻射。
d.工作溫度在- 40～105℃；工作電壓4.5～5.5 V.

這種驅(qū)動器控制簡單，輸入信號CW/CCW控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，輸入信號F（ scx）的上升沿驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動一個微步。通過發(fā)送脈沖的頻率可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。

1.2 MC33991的主要特點(diǎn)
MC33991是單獨(dú)封裝，通過SPI （串行外設(shè)接口）進(jìn)行通信，可同時控制2個步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。該電路也可以仿照氣隙磁通的運(yùn)動，把普通電機(jī)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)來控制。它有以下主要特點(diǎn)[3].

a.有4 096個靜態(tài)指示位置，接收位置命令后驅(qū)動指針指示。
b.最大指針掃過范圍340度；最大指針?biāo)俣葹?00 deg/s；最大指針加速度為4 500 deg/s.
c.應(yīng)用微步距控制技術(shù)（每步細(xì)分為12個微步）。
d.指針回零校準(zhǔn)，能準(zhǔn)確地回零。
e. 16位SPI （ Serial Peripheral Interface） ，通信占用較少的I /O口。
f.內(nèi)部時鐘校準(zhǔn)功能；睡眠模式下的耗電量較小。
g.工作溫度- 40～125℃；供電電壓范圍6.5～26 V。

MC33991可設(shè)定步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速。其具有內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，保證在正常操作時，驅(qū)動器接收到位置命令后，以恒定加速度到達(dá)最大速度，然后在合適的時間減速，并保證減速過程中不超過最大減速度，到達(dá)指定位置后速度等于零，避免指針抖動。此外， MC33991可以允許2個步進(jìn)電機(jī)或其中之一工作。其內(nèi)部診斷功能可診斷單個步進(jìn)電機(jī)是否過熱、電池電壓過高或者過低、指針歸零狀態(tài)驅(qū)動器內(nèi)部時鐘的工作狀態(tài)、確定儀表的指針是否在轉(zhuǎn)動。由以上性能特點(diǎn)可以看出， MC33991比X12.017和VID66-06功能更豐富，如過電壓和過熱診斷功能、回零校驗(yàn)功能。且使用X12.017和VID66-06作為驅(qū)動時，為使儀表指針運(yùn)行平滑，必須在微控制器程序中對步進(jìn)電機(jī)速度進(jìn)行細(xì)分，否則容易產(chǎn)生超調(diào)抖動。

2采用MC33991的汽車車速表設(shè)計(jì)

汽車在行駛過程中，汽車車速傳感器產(chǎn)生頻率與汽車車速成正比的脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)過濾波放大后送給微控制器，微控制器利用輸入捕捉通道捕捉2次脈沖信號的間隔時間，并根據(jù)間隔時間計(jì)算汽車行駛速度。最后，微控制器把計(jì)算得到的速度轉(zhuǎn)換成位置命令發(fā)送給MC33991， MC33991驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)指向?qū)?yīng)的刻度。

本設(shè)計(jì)選用微控制器MC68HC908GR16作為主控芯片，采用SWITEC公司生產(chǎn)的儀表用步進(jìn)電機(jī)X15.288作為執(zhí)行器。MC68HC908GR16是飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位微控制器，片內(nèi)具有16 KBFLASH存儲器和1 KB RAM存儲器。其內(nèi)部鎖相環(huán)（ PLL）可以把外部32.768 kHz晶振頻率升頻至8 MHz內(nèi)部總線頻率。微控制器內(nèi)部集成了增強(qiáng)的串行通信模塊（ ESCI）、8路10位A/D模塊、SPI模塊、8位鍵盤模塊，擁有2個獨(dú)立的16位定時器，每個定時器都由1個定時計(jì)數(shù)器和2個輸入輸出通道組成。其內(nèi)部還集成了定時基模塊，可以定時把微控制器從STOP模式中喚醒。

MC33991內(nèi)部有6個寄存器，微控制器通過發(fā)送16位的SPI命令到這些寄存器來控制并讀取MC33991的工作狀態(tài)。16位SPI數(shù)據(jù)的15～13位是地址， MC33991接收到微控制器的命令后，把命令的15～13位與這些地址對比，并把數(shù)據(jù)放到對應(yīng)的寄存器。這些寄存器的地址與功能如表1所列。微控制器通過這些寄存器來控制電機(jī)的最大速度、指針位置、指針回零，并讀取電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、線圈是否過熱、電壓是否過高或過低。

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路包括速度傳感器信號調(diào)理電路、微控制器與MC33991的接口電路。

2.1.1速度脈沖檢測電路

車速傳感器把車速信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，其頻率與車速成正比。此脈沖信號經(jīng)過調(diào)理電路送給單片機(jī)的T1 CH0 （ Timer 1 channel 0） ，速度脈沖的調(diào)理電路如圖1所示。在沒有脈沖信號輸入時，三極管集電極和發(fā)射極關(guān)斷，脈沖調(diào)理電路輸出高電平。有脈沖輸入時，三極管導(dǎo)通，調(diào)理電路輸出跳變到低電平。

2.1.2 MC33991接口電路

微控制器MC68HC908GR16與MC33991利用串行外設(shè)接口SPI通信。微控制器、MC33991和儀表用步進(jìn)電機(jī)的接口電路如圖2所示。

表1 MC33991內(nèi)部寄存器


圖1 速度傳感器信號調(diào)理電路圖


圖2 MC33991與MCU接口電路圖