檢測在步進馬達中的停轉狀態的方法和設備的製作方法
2023-06-12 14:01:01
專利名稱：檢測在步進馬達中的停轉狀態的方法和設備的製作方法
技術領域：
一般地說本發明涉及馬達控制系統，更具體地說涉及檢測在步進馬達中的停轉狀態的方法和設備。再具體地說，本發明涉及檢測和測量在步進馬達中的去能繞組的通量變化以確定馬達的轉子是否步進(轉動)的方法和設備。
背景技術：
步進馬達是一種結構緊湊、直接驅動的馬達，它能夠以較高的精度提供較高的轉矩。即，這種馬達的特徵在於200∶1附近的齒輪比，並且能夠遞增地步進式地利用數字電路。由於種種原因，已經發現步進馬達特別是適合於在汽車儀錶盤致動器比如速度計、轉速計等中使用。
兩相步進馬達被描述成包括彼此相對垂直取向的至少第一和第二線圈(即線圈A和線圈B)，以相反極性的電流交替地驅動這兩個線圈。例如，線圈A由第一極性的電流驅動，而隨後以相同的極性的電流驅動線圈B。接著，以第二相反極性的電流驅動線圈A，而隨後以相同的相反極性的電流驅動線圈B，等等。連接到馬達的轉子的磁環被構造成具有通過由上述的驅動線圈A和B所產生的磁場單個地且有選擇性地吸引的多對磁極(例如，5對北極和南極)。在速度計或轉速計的情況下，驅動電流與機車的物理速度(例如英裡每小時(mph))或發動機的旋轉每分鐘(rpm)相關，正如這種情況，這種物理速度又通過連接到步進馬達的轉子的針或指針反映在量表上。
不幸的是，在上述類型的開環應用系統中使用步進馬達時遇到了困難。由於缺乏反饋，沒有辦法確定馬達是否已經驅動了針或指針到正確的位置，並且如果已經失步沒有辦法校正讀數。此外，在切斷步進馬達的電力時，指針仍然保持在切斷電力時它所在的位置，由此破壞了在所測量的和顯示的(例如mph，rpm)變量和指針的實際位置之間的關係。因此，已經發現，在每次給系統施加功率時例如在首次點火時或在系統從失敗比如過壓狀態、不注意的功率切斷等恢復時，需要使步進馬達與由此所驅動的指針的位置初始化或同步。這就需要在步進馬達/指針組件和所顯示的物理參數之間建立預定的和所需的關係。
實現上述的初始化或校正的一種技術包含馬達的停轉狀態的檢測，即連接到它的轉子的指針精確地處於量表的零點(例如零mph，零rpm等)或任何其他所需的已知的位置時的步進馬達的狀態。在過去，一種方法包含逆時針驅動步進馬達的指針組件一定的時間量以足夠將指針從指針能夠達到的最遠順時針位置移動到它撞擊障礙物的點，比如在量表上或在對應於零的步進馬達內的位置上的夾柱或機械擋塊。這可能只花兩秒鐘並可能導致指針撞擊到使它彈開的夾柱或機械擋塊，由此可能使驅動器脫開。
後來人們認識到步進馬達的停轉狀態可以通過監測在馬達線圈(A和B)中由轉子的運動引起的通量的變化引起的電動勢(emf)來檢測。即，在馬達步進(例如，在它撞擊機械擋塊或夾柱時)它的轉子不再步進或轉動，不產生emf電壓。因此，開發了這樣的技術其中通過上述的反emf產生的電壓通過比較它和閾值電壓來監測。如果沒有超過閾值電壓，則認為步進馬達處於它的停轉位置。對於這種方法的進一步討論，感興趣的讀者可以參見美國專利US5,032,781(1991年7月16日年授予給Kronenberg，標題為「METHOD AND CIRCUITFOR OPERATING A STEPPING MOTOR」)和美國專利US5,287,050(1994年2月15日年授予給Kronenberg等人，標題為「METHOD OFSYNCRONIZATION FOR AN INDICATION INSTRUMENT WITHELECTROMAGENTICALLY CONTROLLED STEOOINGMOTOR」)。
雖然在步進馬達操作於高速模式時上述的方法一般可接受，但是對於低速應用它會產生某些困難。在高速模式中，馬達繼續轉動，在非驅動線圈中的磁通量或相位十分平穩地變化。這就導致產生了相對平穩的反emf電壓電平。由於高速，在轉子和驅動信號之間的滯後較小，即在驅動信號改變之前轉子沒有完全達到磁化極。在磁極被去能後磁通量增加較短的時間，然後基本降低到零。這種降低導致產生了相對較穩定的電壓，其幅值取決於電源電壓和馬達速度；通常在幾百毫伏。因此，高速零點檢測或復位僅僅涉及確定這種電壓是否超過預定的閾值。然而，在低速模式下，反emf不是單向性的而是擺動。此外，反emf的特徵可以隨著轉子的慣性和馬達所驅動的負載的大小(例如指針的質量)變化。重的負載可能導致較慢的轉子運動和較低的反emf電壓。因此，僅僅將這種電壓與預定的閾值進行比較可能導致不精確的零點或復位檢測和校正。
考慮到前述的情況，應該理解理想的是提供一種檢測在步進馬達中的停轉狀態並僅取決於馬達設計和獨立於由馬達驅動的負載的方法和設備。
下面的附圖是本發明的特定的實施例的說明，因此並不限制本發明的範圍，而是用於提供對本發明的正確的理解。附圖沒有按照比例繪製(除非說明了是按照比例繪製之外)，並且希望結合下文的詳細描述中的解釋一起使用。下文結合附圖描述本發明，其中相似的參考標號表示相似的部件，附圖1、2和3所示為步進馬達的基本元件和在三個操作階段時它們的相對位置；附圖4和5所示為驅動步進馬達的線圈A和B的時序和極性；附圖6所示為顯示變量比如機車速度、發動機rpm等的步進馬達的使用的功能方塊圖；
附圖7所示為根據本發明的停轉狀態檢測電路中的方塊形式的部分示意圖；和附圖8所示為將在附圖7的積分器的輸出上顯示的序列信號與閾值進行比較以確定停轉狀態。
具體實施例方式
附圖1、2和3所示為兩相步進馬達的操作的三個順序階段的剖開的平面視圖。從圖中可以看出，步進馬達包括殼體10、彼此相互垂直地設置的第一和第二線圈A和B和繞軸線14旋轉並由包含多個磁極對的磁環16包圍的轉子12。即，磁環16包括多個交替間隔的北極18和南極20。這種類型的步進馬達是十分公知的並且是由位於法國的Moving Magnet Technologies(MMT)設計並由日本的Yazaki製造的類型。
參考附圖1，線圈A以正電流驅動，如在附圖4中的時間T1(0度)所示。這在磁環16附近的區域25中的線圈A中形成了北極。因此，南極22接近其餘的相鄰的線圈A。注意，第二南極24基本設置在線圈B的前面。在附圖5中所示的時間T2(90度)上，將正電流輸送給線圈B，先前輸送給線圈A的驅動電流終止(即過渡到零)。這在線圈B的末端26上形成了正極，由此使磁環16和轉子12旋轉18度以使南極24接近在附圖2中所示的其餘的附近的線圈B。接著(在時間T3-180度)，給線圈A輸送負電流，如附圖4所示，這在線圈A的末端25上形成了南極，同時不驅動線圈B。在這種情況下，在磁環16上的北極28被在末端25上形成的南極吸引，由此使它朝如在附圖3中所示的末端25附近的位置步進，由此使轉子12朝另一18度步進。大家十分熟悉的是，通過選擇適當的驅動電流，可以實現半步進乃至微步進。因此，通過繼續分別給在附圖4和5中所示的線圈A和B提供驅動電流，使轉子12旋轉。由於步進馬達的控制電壓和電流的產生是十分公知的，因此在此不需要對其做進一步的討論。
在每個線圈被去能時(例如如附圖4所示線圈A從時間T1過渡到時間T2和從時間T3過渡到時間T4，如附圖5所示線圈B從時間T2過渡到時間T3和從時間T4過渡到時間T5)，在相應的線圈中產生了反電動勢(emf)。通過監測反emf電壓，可以檢測步進馬達的停轉狀態，因為如果馬達停轉，則沒有旋轉過渡，因此沒有反emf信號。這種狀態在附圖8中的時間T8上示出。
如前文所述，公知的是監測通過反emf所產生的電壓並將它與閾值電壓進行比較，結論是如果該電壓超過閾值電壓，則馬達的轉子仍然在轉動，如果該電壓沒有超過該閾值電壓，則轉子已經停止並處於停轉狀態。這種系統在附圖6中示出，附圖6中所示的步進馬達30包括線圈A和B，如前文所討論地驅動線圈A和B以使轉子12轉動。轉子12通過軸32和變速器34耦合到以在顯示器或量表38上的針或指針36的形式裝載的致動器。要在量表38上顯示的代表變量比如機車速度或馬達rpm的信號輸送給控制單元42的輸入40。控制單元42包含適當組合的邏輯以將在輸入40上出現的信號的幅值轉換為步進馬達30必須旋轉的多個步長以使指針36精確地反映顯示變量的測量值。控制單元42也監測在線圈A和B中產生的反emf信號並將這些信號提供給停轉檢測器44，過去這種停轉檢測器44僅包含比較反emf電壓和閾值電壓以檢測停轉狀態。不幸的是，如前文所述，在低速模式下，反emf不是單向的，而是擺動，它的特徵隨轉子的慣性和由轉子所驅動的負載的大小(在這種情況下指針36的質量)變化。反emf電壓與磁通量相對時間的變化速率成比例，即Vemf＝dφ/dt。如上文所述這個電壓是與負載相關的。然而，磁通量的變化的積分表示磁通量的總的變化，並不受磁通量變化快或慢的影響(即與負載相關的效應)或不受驅動電流變化的影響。
在附圖7中所示的本發明的步進馬達停轉檢測電路利用這個特徵，附圖7是功能性示意圖，部分以方框圖的形式。前文所指的線圈A和B每個與線圈驅動電流控制和產生電路彼此關聯，在邏輯電路50的控制下，這個線圈驅動電流控制和產生電路確定在何時、在什麼方向和在多大程度上驅動每個線圈。每個線圈也具有將校正的極性反emf電壓信號提供給積分器52的多路轉換器電路。例如，流經線圈A的電流的方向和應用由開關S1-S4確定。類似地，開關S9-S12控制施加給線圈B的電流的方向和應用。可以看出，開關S1-S4和S9-S12依次由控制邏輯50控制。
如果線圈A的電流從右至左流動則由轉子運動產生的反emf電壓信號具有第一極性，如果從左至右流動則具有第二極性。為確保以相同的極性將所有的emf電壓信號提供給積分器52，線圈A具有包括開關S5-S8的多路轉換器電路。類似地，線圈B具有包括開關S13-S16的多路轉換器電路。如前文所述，開關S5-S8和S13-S16耦合到控制邏輯50並通過控制邏輯50控制。
可以看出，開關S1耦合在電源電壓VC和線圈A的第一端之間，開關S2耦合在VC和線圈A的第二端之間，開關S3耦合在線圈A的第一端和地端之間，以及開關S4耦合在線圈A的第二端和地端之間。開關S9-S12相對線圈B類似地構造。耦合在線圈A的端子上的是(1)第一對序列耦合的開關S5和S6和(2)第二對序列耦合的開關S7和S8。同樣地，耦合在線圈B的端子上的是(1)第一對序列耦合的開關S13和S14和(2)第二對序列耦合的開關S15和S16。開關S5和S6的節點和開關S13和S14的節點耦合到具有與其關聯的內阻Rint的積分器52的第一輸入54。開關S7和S8的節點和開關S15和S16的節點耦合到積分器52的第二輸入56，其也耦合到參考電壓Vref。內部電容器Cint耦合在積分器52的輸入54和輸出58上，與開關14的端子一樣，其目的將在下文描述。可以看出，開關S14同樣在控制邏輯50的控制下。積分器52的輸出耦合到比較器60的第一輸入。耦合比較器60的第二輸入以接收閾值電壓VT。比較器60的輸出耦合到指示是否已經檢測到停轉狀態的端子62。，下文結合附圖4、5和6描述在附圖7中所示的停轉檢測電路的操作。在零度(時間T1)上，線圈A具有通過關閉開關S1和S4施加到它的正驅動電流。在90度(時間T2)時，將低驅動電流施加到線圈A；然而，通過關閉開關S9和S12將正驅動電流施加給線圈B。通過線圈B的驅動電流使步進馬達的轉子轉動，由此在線圈A中產生反emf。通過關閉開關S5和S8，通過由開關S5耦合線圈A的端子64至積分器52的輸入54並通過由開關S8耦合線圈A的端子66至積分器52的輸入56，將這個emf施加給積分器52。在180度(時間T3)時，經線圈B的驅動信號終止；然而，通過關閉開關S2和S3將負驅動電流施加給線圈A，由此使步進馬達的轉子繼續移過線圈B，由此又在線圈B中產生反emf。通過由開關S13耦合線圈B的端子68至積分器52的輸入54並通過由開關S16耦合線圈B的端子70至積分器52的端子56，將這個反emf耦合到積分器52。
在270度(時間T4)時，終止到線圈A的驅動電流並通過關閉開關S10和S11將負驅動電流施加給線圈B。由於線圈A具有從驅動到不驅動狀態的過渡，因此僅在與在90度時產生的極性相反的極性時產生了反emf電壓。然而，通過關閉開關S6和S7，線圈A的端子66耦合到積分器52的輸入54，線圈A的端子64通過開關S7耦合到積分器52的輸入56。這樣，脈衝已經被整流(即它的極性校正)以提供反emf信號給相同極性的積分器52。以類似的方式，在360度時，線圈B從負驅動狀態過渡到不驅動狀態，產生與在180度(時間T3)時產生的極性相反的極性的反emf電壓。此外，然而，通過關閉開關S14和S15以將線圈B的端子68耦合到積分器52的輸入56和將線圈B的端子70耦合到積分器52的輸入54使這種極性反向。因此，在附圖8中所示的積分的一系列信號出現在積分器58的輸出上。
由於反emf電壓是轉子繼續它的轉動通過線圈A和B的結果，因此如果轉子已經停轉則不會產生反emf。這種狀態在附圖8中的時間T8所示。在附圖8中所示的信號應用到比較器60的第一輸入，並將閾值電壓VT應用到第二輸入。在時間T8時，積分器52的輸出不超過閾值VT，檢測到停轉。
除了由轉子運動產生的線圈A和B中的通量變化之外，應該理解的是驅動電流衰減使在線圈中的磁通量產生附加的變化。為了防止停轉檢測過程不受到在線圈中的驅動電流的衰減的影響，本發明的停轉檢測電路提供用於(1)在線圈上產生足夠的電壓以使電流快速地衰減和(2)在線圈的去能和在忽略反emf電壓的過程中emf電壓的積分之間的短路屏蔽或消隱周期。這種短路屏蔽或消隱周期通過開關S14提供，在控制邏輯50的控制下，開關S14將積分器52保持在復位狀態。消隱周期可以是預定長度或該長度可編程的。此外，本發明的停轉檢測電路可以包括在開始積分之前確定何時在線圈中的電流已經足夠衰減的電路。
二極體D1和D2有助於在線圈A中的驅動電流的快速衰減，二極體D3和D4有助於在線圈B中的驅動電流的快速衰減。它們通過分別在線圈A和B上提供足夠的電壓實現這些。可以看出，二極體D1和D2的陽極耦合在一起並接地，它們的陰極分別耦合到線圈A的端子64和66。二極體D3和D4相對線圈B類似地構造。
因此，已經提供了一種檢測在步進馬達中停轉狀態的獨立於在線圈驅動電流和馬達的負載特徵的變化的方法和設備。由轉子運動引起的線圈中的反emf電壓首先被整流以提供一系列相同極性的脈衝，然後進行積分。然後將積分器的輸出與閾值電壓進行比較以確定是否存在停轉狀態。
雖然在前述的詳細描述中已經提出了優選實例性實施例，但是應該理解的是這些實施例存在大量的變型。上文的描述僅是舉例性質。本領域普通技術人員在不脫離附加的權利要求所界定的本發明的精神和範圍的前提下可以在形式和細節上做出改變。
權利要求
1.一種檢測步進馬達的停轉狀態的設備，該步進馬達是包括至少第一和第二線圈和在其周圍具有多個磁極的轉子的類型的步進馬達，所說的設備包括將驅動電流交替地輸送到所說的第一和第二線圈使轉子步進的電流發生器，在從驅動狀態過渡到非驅動狀態時每個所說的第一和第二線圈產生信號，所說的信號由所說的轉子的運動產生；具有耦合的輸入以接收所說的信號並產生它的積分形式的積分器；和耦合到所說的積分器以比較所說的積分形式和預定的閾值以檢測停轉狀態的比較器。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所說的信號具有交替的極性。
3.根據權利要求2所述的設備，進一步包括具有耦合到所說的積分器以校正所說的信號的極性的輸出的整流電路。
4.根據權利要求3所述的設備，進一步包括屏蔽每個所說的信號的初始部分的消隱電路，所說的初始部分對應於使在每個所說的第一和第二線圈中的驅動電流基本衰減的時間。
5.根據權利要求4所述的設備，進一步包括耦合到所說的電流發生器和所說的整流電路的控制電路。
6.根據權利要求5所述的設備，其中所說的電流發生器包括耦合到所說的控制電路並受其控制的第一開關電路。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所說的整流電路包括耦合到所說的控制電路並受其控制的第二開關電路。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所說的消隱電路包括耦合到所說的控制電路並受其控制的第三開關電路。
9.一種檢測步進馬達的停轉狀態的設備，該步進馬達是包括至少第一和第二線圈和在其周圍具有多個磁極的轉子的類型的步進馬達，所說的設備包括交替地驅動所說的第一和第二線圈以使所說的轉子執行步進旋轉的電流發生裝置，在由於所說的轉子的旋轉從驅動狀態過渡到非驅動狀態時每個所說的第一和第二線圈產生反emf電壓信號；與其耦合以接收所說的反emf電壓信號以產生它的積分形式的積分裝置；和耦合到所說的積分裝置以確定所說的積分形式是否代表停轉狀態的檢測裝置。
10.根據權利要求9所述的設備，其中所說的反emf電壓信號具有交替的極性。
11.根據權利要求10所述的設備，進一步包括耦合到所說的積分裝置以校正所說的反emf電壓信號的極性的整流裝置。
12.根據權利要求10所述的設備，進一步包括屏蔽每個所說的反emf電壓信號的預定的初始部分的消隱裝置，所說的預定的部分對應於使在每個所說的第一和第二線圈中的驅動電流基本衰減的時間。
13.根據權利要求9所述的設備，其中所說的檢測裝置包括將所說的積分形式與預定的閾值進行比較的比較器。
14.一種顯示變量的測量的設備，包括步進馬達，該步進馬達包括至少第一和第二線圈；和在其周圍具有多個磁極的轉子；通過所說的轉子耦合到所說的轉子以便運動以反映所說的變量的測量的顯示致動器；將驅動電流交替地輸送到所說的第一和第二線圈使所說的轉子旋轉由所說的變量的測量指示的量的電流發生器，在從驅動狀態過渡到非驅動狀態時每個所說的第一和第二線圈產生信號，所說的信號由所說的轉子的運動產生；具有耦合的輸入以接收所說的信號以產生它的積分形式的積分器；和耦合到所說的積分器以確定所說的積分形式是否代表停轉狀態的檢測器。
15.根據權利要求14所述的設備，其中所說的信號具有交替的極性，並進一步包括具有耦合到所說的積分器以整流所說的信號的整流電路。
16.根據權利要求15所述的設備，進一步包括屏蔽每個所說的信號的預定初始部分的消隱電路。
17.根據權利要求14所述的設備，其中所說的檢測器包括比較所說的積分形式和預定的閾值以檢測停轉狀態的比較器。
18.一種檢測步進馬達的停轉狀態的方法，該步進馬達是包括至少第一和第二線圈和在其周圍具有多個磁極的轉子的類型的步進馬達，所說的設備包括交替地驅動所說的第一和第二線圈以用驅動信號使所說的轉子旋轉，在從驅動狀態過渡到非驅動狀態時每個所說的第一和第二線圈產生emf信號，所說的emf信號由所說的轉子的運動產生；對emf信號進行積分；和監測積分的emf信號以檢測停轉狀態。
19.根據權利要求18所述的方法，進一步包括在積分之前對所說的emf信號進行整流的步驟。
20.根據權利要求19所述的方法，進一步包括屏蔽對應於在每個所說的第一和第二線圈中的驅動信號基本衰減的時間的每個所說的emf信號的初始部分的步驟。
全文摘要
本發明涉及檢測在步進馬達中的停轉狀態的方法和設備，其中通過交替地驅動至少第一和第二線圈(A，B)使步進馬達的轉子(12)步進旋轉運動，該線圈(A，B)與在轉子(12)上的多個磁極(18，20)相互作用。在每個線圈(A，B)從驅動過渡到非驅動狀態時，轉子的繼續運動在線圈(A，B)中產生反電動勢。由線圈(A，B)產生的反電動勢被整流、積分，然後與閾值進行比較以確定是否存在馬達停轉狀態。
文檔編號H02P8/08GK1615576SQ02827378
公開日2005年5月11日 申請日期2002年12月12日 優先權日2001年12月21日
發明者約翰·M.·皮戈特, 託馬斯·J.·賴特 申請人:飛思卡爾半導體公司