专利名称：汽车仪表步进电机模糊加减速控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及汽车仪表，具体的说，是涉及汽车仪表步进电机模糊加减速控制 器。
背景技术：
汽车仪表是汽车电子行业中的重要一部分，现有技术中汽车仪表中一般会用步进 电机。步进电机的最大的优势是以开环的方式来控制位置和速度。但正因为是开环控制， 负载位置对控制回路没有反馈，步进电机就必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选 择不当，步进电机就不能够移动到新的位置。负载实际的位置相对于控制器所期待的位置 出现永久误差，即发生失步现象。这种控制由于步进电机的本身的机械特性，不能满足快速 的控制要求。如图l所示，现有技术中汽车组合仪表普遍采用步进电机的恒定加减速控制 的示意图，图中A处为步进电机启动点的扭矩小1、B处为步进电机停止点的扭矩小2。在 图中可以看见，在快速的速度变化运行时，步进电机的机械扭矩会随速度变快而变小，在这 情况却下，特别容易发生失步现象。目前市场上的仪表都是采用降低运行速度的方式来解 决失步问题，这样的方法牺牲了产品的自身性能，是不可取的。由于步进电机的这个问题， 导致了仪表盘显示不准确，使驾驶员无法准确、实时地得知车辆运行状态，给驾驶过程带来 安全隐患。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，能够有效解决 现有技术中汽车仪表步进电机失步现象，使得汽车仪表盘显示准确。 为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的汽车仪表步进 电机模糊加减速控制器，包括连接在电源上的单片机，单片机上连接有信号采集模块，所述 单片机上还连接有PID模糊控制模块，PID模糊控制模块的输出端通过平滑处理模块连接 到至少一个步进电机中，所述单片机连接有若干个显示屏。 优选的，信号采集模块和单片机之间设有抗干扰处理模块。这样的结构使得收集 到的信号更为准确，减少信号传输过程中带来的误差。 优选的，所述显示屏为点阵液晶屏。点阵液晶屏是用于仪表盘显示的一种较好的 选择。 优选的，所述显示屏为断码液晶屏。在具体使用过程中，由于仪表盘的规格不同， 因此要对应仪表盘的大小来设置显示屏。断码液晶屏适用于一些显示数据的较小的仪表盘 上。 优选的，所述显示屏为点阵液晶屏和断码液晶屏的组合。这两种液晶屏的组合能
对仪表盘内空间进行良好的规划，合理利用其显示空间，达到最佳的视觉效果。 优选的，单片机上连接有蜂鸣器驱动模块，所述蜂鸣器驱动模块连接到蜂鸣器上。
这样的结构在一些情况下能提出报警，更直观地告诉驾驶员例如缺油、水温偏高等异常状况。 优选的，所述单片机为至少16位具有浮点运算功能的单片机。由于单片机要同时 控制多个步进电机，因此需要具备一定的复杂运算能力，选用16位的单片机才能满足这个 要求。 优选的，所述步进电机数量为4个。4个步进电机分别对汽车的车速、转速、燃油以
及水温的实时信号进行控制，使驾驶员获得了驾驶一辆汽车的最低信息要求。 与现有技术相比，本实用新型的优点是采用了 PID模糊控制模块控制步进电机，
使得步进电机得到一个快速平滑的启动和停止控制。这样步进电机的运转更为稳定，仪表
盘就能更准确地反映汽车的行驶状况。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明
图1为现有技术中步进电机的转速曲线图。 图2为本实用新型汽车仪表步进电机模糊加减速控制器的结构框图。 图3为采用本实用新型汽车仪表步进电机模糊加减速控制器后进行1次PID控制
后步进电机的转速曲线图。 图4为采用本实用新型汽车仪表步进电机模糊加减速控制器后进行2次PID控制 后步进电机的转速曲线图。
具体实施方式如图2所示，汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，包括连接在电源2上的单片机 1 ，单片机1上连接有信号采集模块3，所述单片机1上还连接有PID模糊控制模块4， PID模 糊控制模块4的输出端通过平滑处理模块5连接到至少一个步进电机6中，所述单片机1连 接有若干个显示屏7。信号采集模块3和单片机1之间设有抗干扰处理模块8。通常显示 屏7为点阵液晶屏或是断码液晶屏。在一些大型仪表盘上所述显示屏7为点阵液晶屏和断 码液晶屏的组合。单片机1上连接有蜂鸣器驱动模块9，所述蜂鸣器驱动模块9连接到蜂鸣 器91上。这样就可以对一些突发事件进行声音警告，更快地给于驾驶员提醒信息。所述单 片机1为至少16位具有浮点运算功能的单片机1，高档的仪表盘中最好选用32位的单片机 1。所述步进电机6数量为4个，分别对汽车的车速、转速、燃油以及水温的指数进行控制， 使驾驶员获得了驾驶一辆汽车的最低信息要求。 PID控制是一种应用广泛的调节器控制，其规律为比例、积分、微分控制，因此简称 为PID。 PID的控制规律为 w(" = ~:(e(fl:+s，的逾+ ^ 因此它的传递函数为[oo23] <formula>formula see original document page 5</formula> 对于一个步进电机6的运动，我们必须采取一个平滑的启动和停止控制，对于一 个对系统响应时间不是很高的控制系统，这种变速控制并不能体现很大的优势，但是对于 汽车仪表这样快速响应的系统，如果不能实时反应各种信号的变化，就失去仪表的基本功 能。单片机1分别要对P、I、D参数确定比较复杂，因此才采用模糊PID控制，即两个低通滤 波器可以通过两个方程式来解决 PTAi = Xin+PTA(i_l)^i/n+lPTBi = PTAi+PTB(i-l)氺n/n+l。 为了提高预算速度可以通过以下两个方程式来实现。Y1_NEW= (((Y1_0LD << N)-Y1_0LD)+Xi NEW) >>NY2—NEW = (((Y2—0LD < < N) -Y2—0LD) +Y1—NEW) > > N —个复杂的运算就通过PID模糊控制模块4中的两个移位和两个加减操作就得以 解决，大大节省了单片机1的运算时间。 由于电机的本身机械特性必须对他的速度个加速度加以控制通过以下两个运算 就可以实现。 速度V = PTAi-PTBi/ (Ti-Ti-l) 加速度A = Vi-Vi-1/ (Ti-Ti-1) 根据实际的机械特性就可以恰当的加以限制。 在实际操作过程中，为了解决快速启动过程我们通过信号采集模块3对车辆的各 种信息IO进行采集，发送到单片机1中进行处理。为了避免在传输过程中的误差，信号采 集模块3和单片机1之间设有抗干扰处理模块8。单片机1将处理后的信号通过显示屏7 显示出来，同时通过PID模糊控制模块4采取了一次模糊PID控制，如图3所示通过内部特 殊的运算方法，图中A处步进电机6启动点的扭矩即时上升，基本达到了平滑启动的要求。 但是步进电机6快速的制动必定对电机本身的机械特性有很大影B向，并且行走的平滑性特 别差，为了解决这个问题我们不得不采取了二次模糊PID控制，控制如图4。经过两次特殊 的模糊PID控制我们基本实现了一个完整而平滑的加减速控制。不过还要注意到步进电机 6本身固有最大速度和加速度。为了确保控制其不超过给定的物理特性，我们必须还得采取 速度、和加速度限制控制，通过两个模糊PID控制可以达到平滑的加减速控制。 PID控制算法需要大量的浮点数运算，对于16位具有浮点运算功能的单片机1来 说工作量并不是很大，但仪表要同时控制四个步进电机6，同时实时工作，必定会带来很大 的运算压力。对于高档的仪表我们可以选用更好的单片机l，如32位或者更高的单片机1。 不过大部分情况下，为节约成本我们采取优化的算法，而不是简单地替换高档的单片机l。 在新算法支持下，两个PID模糊控制只需要4个移位操作即可以完成，大大节省了运算运行 时间的消耗，极大改善了运行的实时特性。 以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的结构特征并不局限于 此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新 型的专利范围之中。
权利要求汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，包括连接在电源(2)上的单片机(1)，单片机(1)上连接有信号采集模块(3)，其特征在于所述单片机(1)上还连接有PID模糊控制模块(4)，PID模糊控制模块(4)的输出端通过平滑处理模块(5)连接到至少一个步进电机(6)中，所述单片机(1)连接有若干个显示屏(7)。
2. 如权利要求1所述的汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，其特征在于信号采集 模块(3)和单片机(1)之间设有抗干扰处理模块(8)。
3. 如权利要求l所述的汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，其特征在于PID模糊控 制模块(4)内设有PID控制的优化算法。
4. 如权利要求1所述的汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，其特征在于所述显示 屏(7)为点阵液晶屏。
5. 如权利要求1所述的汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，其特征在于所述显示屏(7)为断码液晶屏。
6. 如权利要求1所述的汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，其特征在于所述显示屏(7)为点阵液晶屏和断码液晶屏的组合。
7. 如权利要求l-6其中任一所述的汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，其特征在 于单片机(1)上连接有蜂鸣器驱动模块(9)，所述蜂鸣器驱动模块(9)连接到蜂鸣器(91) 上。
8. 如权利要求l-6其中任一所述的汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，其特征在 于所述单片机(1)为至少16位具有浮点运算功能的单片机(1)。
9. 如权利要求l-6其中任一所述的汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，其特征在 于所述步进电机(6)数量为4个。
专利摘要本实用新型公开了汽车仪表步进电机模糊加减速控制器，包括连接在电源上的单片机，单片机上连接有信号采集模块，所述单片机上还连接有PID模糊控制模块，PID模糊控制模块的输出端通过平滑处理模块连接到至少一个步进电机中，所述单片机连接有若干个显示屏。由于采用了所述的结构，本实用新型的优点是采用了PID模糊控制模块控制步进电机，使得步进电机得到一个快速平滑的启动和停止控制。这样步进电机的运转更为稳定，仪表盘就能更准确地反映汽车的行驶状况。
文档编号B60K35/00GK201490956SQ20092019104
公开日2010年5月26日 申请日期2009年8月4日 优先权日2009年8月4日
发明者徐晖, 李继平, 燕根水 申请人:黄山金马股份有限公司