检测在步进马达中的停转状态的方法和设备的制作方法

专利名称：检测在步进马达中的停转状态的方法和设备的制作方法
技术领域：
一般地说本发明涉及马达控制系统，更具体地说涉及检测在步进马达中的停转状态的方法和设备。再具体地说，本发明涉及检测和测量在步进马达中的去能绕组的通量变化以确定马达的转子是否步进(转动)的方法和设备。
背景技术：
步进马达是一种结构紧凑、直接驱动的马达，它能够以较高的精度提供较高的转矩。即，这种马达的特征在于200∶1附近的齿轮比，并且能够递增地步进式地利用数字电路。由于种种原因，已经发现步进马达特别是适合于在汽车仪表盘致动器比如速度计、转速计等中使用。
两相步进马达被描述成包括彼此相对垂直取向的至少第一和第二线圈(即线圈A和线圈B)，以相反极性的电流交替地驱动这两个线圈。例如，线圈A由第一极性的电流驱动，而随后以相同的极性的电流驱动线圈B。接着，以第二相反极性的电流驱动线圈A，而随后以相同的相反极性的电流驱动线圈B，等等。连接到马达的转子的磁环被构造成具有通过由上述的驱动线圈A和B所产生的磁场单个地且有选择性地吸引的多对磁极(例如，5对北极和南极)。在速度计或转速计的情况下，驱动电流与机车的物理速度(例如英里每小时(mph))或发动机的旋转每分钟(rpm)相关，正如这种情况，这种物理速度又通过连接到步进马达的转子的针或指针反映在量表上。
不幸的是，在上述类型的开环应用系统中使用步进马达时遇到了困难。由于缺乏反馈，没有办法确定马达是否已经驱动了针或指针到正确的位置，并且如果已经失步没有办法校正读数。此外，在切断步进马达的电力时，指针仍然保持在切断电力时它所在的位置，由此破坏了在所测量的和显示的(例如mph，rpm)变量和指针的实际位置之间的关系。因此，已经发现，在每次给系统施加功率时例如在首次点火时或在系统从失败比如过压状态、不注意的功率切断等恢复时，需要使步进马达与由此所驱动的指针的位置初始化或同步。这就需要在步进马达/指针组件和所显示的物理参数之间建立预定的和所需的关系。
实现上述的初始化或校正的一种技术包含马达的停转状态的检测，即连接到它的转子的指针精确地处于量表的零点(例如零mph，零rpm等)或任何其他所需的已知的位置时的步进马达的状态。在过去，一种方法包含逆时针驱动步进马达的指针组件一定的时间量以足够将指针从指针能够达到的最远顺时针位置移动到它撞击障碍物的点，比如在量表上或在对应于零的步进马达内的位置上的夹柱或机械挡块。这可能只花两秒钟并可能导致指针撞击到使它弹开的夹柱或机械挡块，由此可能使驱动器脱开。
后来人们认识到步进马达的停转状态可以通过监测在马达线圈(A和B)中由转子的运动引起的通量的变化引起的电动势(emf)来检测。即，在马达步进(例如，在它撞击机械挡块或夹柱时)它的转子不再步进或转动，不产生emf电压。因此，开发了这样的技术其中通过上述的反emf产生的电压通过比较它和阈值电压来监测。如果没有超过阈值电压，则认为步进马达处于它的停转位置。对于这种方法的进一步讨论，感兴趣的读者可以参见美国专利US5,032,781(1991年7月16日年授予给Kronenberg，标题为“METHOD AND CIRCUITFOR OPERATING A STEPPING MOTOR”)和美国专利US5,287,050(1994年2月15日年授予给Kronenberg等人，标题为“METHOD OFSYNCRONIZATION FOR AN INDICATION INSTRUMENT WITHELECTROMAGENTICALLY CONTROLLED STEOOINGMOTOR”)。
虽然在步进马达操作于高速模式时上述的方法一般可接受，但是对于低速应用它会产生某些困难。在高速模式中，马达继续转动，在非驱动线圈中的磁通量或相位十分平稳地变化。这就导致产生了相对平稳的反emf电压电平。由于高速，在转子和驱动信号之间的滞后较小，即在驱动信号改变之前转子没有完全达到磁化极。在磁极被去能后磁通量增加较短的时间，然后基本降低到零。这种降低导致产生了相对较稳定的电压，其幅值取决于电源电压和马达速度；通常在几百毫伏。因此，高速零点检测或复位仅仅涉及确定这种电压是否超过预定的阈值。然而，在低速模式下，反emf不是单向性的而是摆动。此外，反emf的特征可以随着转子的惯性和马达所驱动的负载的大小(例如指针的质量)变化。重的负载可能导致较慢的转子运动和较低的反emf电压。因此，仅仅将这种电压与预定的阈值进行比较可能导致不精确的零点或复位检测和校正。
考虑到前述的情况，应该理解理想的是提供一种检测在步进马达中的停转状态并仅取决于马达设计和独立于由马达驱动的负载的方法和设备。


下面的附图是本发明的特定的实施例的说明，因此并不限制本发明的范围，而是用于提供对本发明的正确的理解。附图没有按照比例绘制(除非说明了是按照比例绘制之外)，并且希望结合下文的详细描述中的解释一起使用。下文结合附图描述本发明，其中相似的参考标号表示相似的部件，附图1、2和3所示为步进马达的基本元件和在三个操作阶段时它们的相对位置；附图4和5所示为驱动步进马达的线圈A和B的时序和极性；附图6所示为显示变量比如机车速度、发动机rpm等的步进马达的使用的功能方块图；
附图7所示为根据本发明的停转状态检测电路中的方块形式的部分示意图；和附图8所示为将在附图7的积分器的输出上显示的序列信号与阈值进行比较以确定停转状态。
具体实施例方式
附图1、2和3所示为两相步进马达的操作的三个顺序阶段的剖开的平面视图。从图中可以看出，步进马达包括壳体10、彼此相互垂直地设置的第一和第二线圈A和B和绕轴线14旋转并由包含多个磁极对的磁环16包围的转子12。即，磁环16包括多个交替间隔的北极18和南极20。这种类型的步进马达是十分公知的并且是由位于法国的Moving Magnet Technologies(MMT)设计并由日本的Yazaki制造的类型。
参考附图1，线圈A以正电流驱动，如在附图4中的时间T1(0度)所示。这在磁环16附近的区域25中的线圈A中形成了北极。因此，南极22接近其余的相邻的线圈A。注意，第二南极24基本设置在线圈B的前面。在附图5中所示的时间T2(90度)上，将正电流输送给线圈B，先前输送给线圈A的驱动电流终止(即过渡到零)。这在线圈B的末端26上形成了正极，由此使磁环16和转子12旋转18度以使南极24接近在附图2中所示的其余的附近的线圈B。接着(在时间T3-180度)，给线圈A输送负电流，如附图4所示，这在线圈A的末端25上形成了南极，同时不驱动线圈B。在这种情况下，在磁环16上的北极28被在末端25上形成的南极吸引，由此使它朝如在附图3中所示的末端25附近的位置步进，由此使转子12朝另一18度步进。大家十分熟悉的是，通过选择适当的驱动电流，可以实现半步进乃至微步进。因此，通过继续分别给在附图4和5中所示的线圈A和B提供驱动电流，使转子12旋转。由于步进马达的控制电压和电流的产生是十分公知的，因此在此不需要对其做进一步的讨论。
在每个线圈被去能时(例如如附图4所示线圈A从时间T1过渡到时间T2和从时间T3过渡到时间T4，如附图5所示线圈B从时间T2过渡到时间T3和从时间T4过渡到时间T5)，在相应的线圈中产生了反电动势(emf)。通过监测反emf电压，可以检测步进马达的停转状态，因为如果马达停转，则没有旋转过渡，因此没有反emf信号。这种状态在附图8中的时间T8上示出。
如前文所述，公知的是监测通过反emf所产生的电压并将它与阈值电压进行比较，结论是如果该电压超过阈值电压，则马达的转子仍然在转动，如果该电压没有超过该阈值电压，则转子已经停止并处于停转状态。这种系统在附图6中示出，附图6中所示的步进马达30包括线圈A和B，如前文所讨论地驱动线圈A和B以使转子12转动。转子12通过轴32和变速器34耦合到以在显示器或量表38上的针或指针36的形式装载的致动器。要在量表38上显示的代表变量比如机车速度或马达rpm的信号输送给控制单元42的输入40。控制单元42包含适当组合的逻辑以将在输入40上出现的信号的幅值转换为步进马达30必须旋转的多个步长以使指针36精确地反映显示变量的测量值。控制单元42也监测在线圈A和B中产生的反emf信号并将这些信号提供给停转检测器44，过去这种停转检测器44仅包含比较反emf电压和阈值电压以检测停转状态。不幸的是，如前文所述，在低速模式下，反emf不是单向的，而是摆动，它的特征随转子的惯性和由转子所驱动的负载的大小(在这种情况下指针36的质量)变化。反emf电压与磁通量相对时间的变化速率成比例，即Vemf＝dφ/dt。如上文所述这个电压是与负载相关的。然而，磁通量的变化的积分表示磁通量的总的变化，并不受磁通量变化快或慢的影响(即与负载相关的效应)或不受驱动电流变化的影响。
在附图7中所示的本发明的步进马达停转检测电路利用这个特征，附图7是功能性示意图，部分以方框图的形式。前文所指的线圈A和B每个与线圈驱动电流控制和产生电路彼此关联，在逻辑电路50的控制下，这个线圈驱动电流控制和产生电路确定在何时、在什么方向和在多大程度上驱动每个线圈。每个线圈也具有将校正的极性反emf电压信号提供给积分器52的多路转换器电路。例如，流经线圈A的电流的方向和应用由开关S1-S4确定。类似地，开关S9-S12控制施加给线圈B的电流的方向和应用。可以看出，开关S1-S4和S9-S12依次由控制逻辑50控制。
如果线圈A的电流从右至左流动则由转子运动产生的反emf电压信号具有第一极性，如果从左至右流动则具有第二极性。为确保以相同的极性将所有的emf电压信号提供给积分器52，线圈A具有包括开关S5-S8的多路转换器电路。类似地，线圈B具有包括开关S13-S16的多路转换器电路。如前文所述，开关S5-S8和S13-S16耦合到控制逻辑50并通过控制逻辑50控制。
可以看出，开关S1耦合在电源电压VC和线圈A的第一端之间，开关S2耦合在VC和线圈A的第二端之间，开关S3耦合在线圈A的第一端和地端之间，以及开关S4耦合在线圈A的第二端和地端之间。开关S9-S12相对线圈B类似地构造。耦合在线圈A的端子上的是(1)第一对序列耦合的开关S5和S6和(2)第二对序列耦合的开关S7和S8。同样地，耦合在线圈B的端子上的是(1)第一对序列耦合的开关S13和S14和(2)第二对序列耦合的开关S15和S16。开关S5和S6的节点和开关S13和S14的节点耦合到具有与其关联的内阻Rint的积分器52的第一输入54。开关S7和S8的节点和开关S15和S16的节点耦合到积分器52的第二输入56，其也耦合到参考电压Vref。内部电容器Cint耦合在积分器52的输入54和输出58上，与开关14的端子一样，其目的将在下文描述。可以看出，开关S14同样在控制逻辑50的控制下。积分器52的输出耦合到比较器60的第一输入。耦合比较器60的第二输入以接收阈值电压VT。比较器60的输出耦合到指示是否已经检测到停转状态的端子62。，下文结合附图4、5和6描述在附图7中所示的停转检测电路的操作。在零度(时间T1)上，线圈A具有通过关闭开关S1和S4施加到它的正驱动电流。在90度(时间T2)时，将低驱动电流施加到线圈A；然而，通过关闭开关S9和S12将正驱动电流施加给线圈B。通过线圈B的驱动电流使步进马达的转子转动，由此在线圈A中产生反emf。通过关闭开关S5和S8，通过由开关S5耦合线圈A的端子64至积分器52的输入54并通过由开关S8耦合线圈A的端子66至积分器52的输入56，将这个emf施加给积分器52。在180度(时间T3)时，经线圈B的驱动信号终止；然而，通过关闭开关S2和S3将负驱动电流施加给线圈A，由此使步进马达的转子继续移过线圈B，由此又在线圈B中产生反emf。通过由开关S13耦合线圈B的端子68至积分器52的输入54并通过由开关S16耦合线圈B的端子70至积分器52的端子56，将这个反emf耦合到积分器52。
在270度(时间T4)时，终止到线圈A的驱动电流并通过关闭开关S10和S11将负驱动电流施加给线圈B。由于线圈A具有从驱动到不驱动状态的过渡，因此仅在与在90度时产生的极性相反的极性时产生了反emf电压。然而，通过关闭开关S6和S7，线圈A的端子66耦合到积分器52的输入54，线圈A的端子64通过开关S7耦合到积分器52的输入56。这样，脉冲已经被整流(即它的极性校正)以提供反emf信号给相同极性的积分器52。以类似的方式，在360度时，线圈B从负驱动状态过渡到不驱动状态，产生与在180度(时间T3)时产生的极性相反的极性的反emf电压。此外，然而，通过关闭开关S14和S15以将线圈B的端子68耦合到积分器52的输入56和将线圈B的端子70耦合到积分器52的输入54使这种极性反向。因此，在附图8中所示的积分的一系列信号出现在积分器58的输出上。
由于反emf电压是转子继续它的转动通过线圈A和B的结果，因此如果转子已经停转则不会产生反emf。这种状态在附图8中的时间T8所示。在附图8中所示的信号应用到比较器60的第一输入，并将阈值电压VT应用到第二输入。在时间T8时，积分器52的输出不超过阈值VT，检测到停转。
除了由转子运动产生的线圈A和B中的通量变化之外，应该理解的是驱动电流衰减使在线圈中的磁通量产生附加的变化。为了防止停转检测过程不受到在线圈中的驱动电流的衰减的影响，本发明的停转检测电路提供用于(1)在线圈上产生足够的电压以使电流快速地衰减和(2)在线圈的去能和在忽略反emf电压的过程中emf电压的积分之间的短路屏蔽或消隐周期。这种短路屏蔽或消隐周期通过开关S14提供，在控制逻辑50的控制下，开关S14将积分器52保持在复位状态。消隐周期可以是预定长度或该长度可编程的。此外，本发明的停转检测电路可以包括在开始积分之前确定何时在线圈中的电流已经足够衰减的电路。
二极管D1和D2有助于在线圈A中的驱动电流的快速衰减，二极管D3和D4有助于在线圈B中的驱动电流的快速衰减。它们通过分别在线圈A和B上提供足够的电压实现这些。可以看出，二极管D1和D2的阳极耦合在一起并接地，它们的阴极分别耦合到线圈A的端子64和66。二极管D3和D4相对线圈B类似地构造。
因此，已经提供了一种检测在步进马达中停转状态的独立于在线圈驱动电流和马达的负载特征的变化的方法和设备。由转子运动引起的线圈中的反emf电压首先被整流以提供一系列相同极性的脉冲，然后进行积分。然后将积分器的输出与阈值电压进行比较以确定是否存在停转状态。
虽然在前述的详细描述中已经提出了优选实例性实施例，但是应该理解的是这些实施例存在大量的变型。上文的描述仅是举例性质。本领域普通技术人员在不脱离附加的权利要求所界定的本发明的精神和范围的前提下可以在形式和细节上做出改变。
权利要求
1.一种检测步进马达的停转状态的设备，该步进马达是包括至少第一和第二线圈和在其周围具有多个磁极的转子的类型的步进马达，所说的设备包括将驱动电流交替地输送到所说的第一和第二线圈使转子步进的电流发生器，在从驱动状态过渡到非驱动状态时每个所说的第一和第二线圈产生信号，所说的信号由所说的转子的运动产生；具有耦合的输入以接收所说的信号并产生它的积分形式的积分器；和耦合到所说的积分器以比较所说的积分形式和预定的阈值以检测停转状态的比较器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所说的信号具有交替的极性。
3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括具有耦合到所说的积分器以校正所说的信号的极性的输出的整流电路。
4.根据权利要求3所述的设备，进一步包括屏蔽每个所说的信号的初始部分的消隐电路，所说的初始部分对应于使在每个所说的第一和第二线圈中的驱动电流基本衰减的时间。
5.根据权利要求4所述的设备，进一步包括耦合到所说的电流发生器和所说的整流电路的控制电路。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所说的电流发生器包括耦合到所说的控制电路并受其控制的第一开关电路。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所说的整流电路包括耦合到所说的控制电路并受其控制的第二开关电路。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所说的消隐电路包括耦合到所说的控制电路并受其控制的第三开关电路。
9.一种检测步进马达的停转状态的设备，该步进马达是包括至少第一和第二线圈和在其周围具有多个磁极的转子的类型的步进马达，所说的设备包括交替地驱动所说的第一和第二线圈以使所说的转子执行步进旋转的电流发生装置，在由于所说的转子的旋转从驱动状态过渡到非驱动状态时每个所说的第一和第二线圈产生反emf电压信号；与其耦合以接收所说的反emf电压信号以产生它的积分形式的积分装置；和耦合到所说的积分装置以确定所说的积分形式是否代表停转状态的检测装置。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所说的反emf电压信号具有交替的极性。
11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括耦合到所说的积分装置以校正所说的反emf电压信号的极性的整流装置。
12.根据权利要求10所述的设备，进一步包括屏蔽每个所说的反emf电压信号的预定的初始部分的消隐装置，所说的预定的部分对应于使在每个所说的第一和第二线圈中的驱动电流基本衰减的时间。
13.根据权利要求9所述的设备，其中所说的检测装置包括将所说的积分形式与预定的阈值进行比较的比较器。
14.一种显示变量的测量的设备，包括步进马达，该步进马达包括至少第一和第二线圈；和在其周围具有多个磁极的转子；通过所说的转子耦合到所说的转子以便运动以反映所说的变量的测量的显示致动器；将驱动电流交替地输送到所说的第一和第二线圈使所说的转子旋转由所说的变量的测量指示的量的电流发生器，在从驱动状态过渡到非驱动状态时每个所说的第一和第二线圈产生信号，所说的信号由所说的转子的运动产生；具有耦合的输入以接收所说的信号以产生它的积分形式的积分器；和耦合到所说的积分器以确定所说的积分形式是否代表停转状态的检测器。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所说的信号具有交替的极性，并进一步包括具有耦合到所说的积分器以整流所说的信号的整流电路。
16.根据权利要求15所述的设备，进一步包括屏蔽每个所说的信号的预定初始部分的消隐电路。
17.根据权利要求14所述的设备，其中所说的检测器包括比较所说的积分形式和预定的阈值以检测停转状态的比较器。
18.一种检测步进马达的停转状态的方法，该步进马达是包括至少第一和第二线圈和在其周围具有多个磁极的转子的类型的步进马达，所说的设备包括交替地驱动所说的第一和第二线圈以用驱动信号使所说的转子旋转，在从驱动状态过渡到非驱动状态时每个所说的第一和第二线圈产生emf信号，所说的emf信号由所说的转子的运动产生；对emf信号进行积分；和监测积分的emf信号以检测停转状态。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在积分之前对所说的emf信号进行整流的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括屏蔽对应于在每个所说的第一和第二线圈中的驱动信号基本衰减的时间的每个所说的emf信号的初始部分的步骤。
全文摘要
本发明涉及检测在步进马达中的停转状态的方法和设备，其中通过交替地驱动至少第一和第二线圈(A，B)使步进马达的转子(12)步进旋转运动，该线圈(A，B)与在转子(12)上的多个磁极(18，20)相互作用。在每个线圈(A，B)从驱动过渡到非驱动状态时，转子的继续运动在线圈(A，B)中产生反电动势。由线圈(A，B)产生的反电动势被整流、积分，然后与阈值进行比较以确定是否存在马达停转状态。
文档编号H02P8/08GK1615576SQ02827378
公开日2005年5月11日 申请日期2002年12月12日 优先权日2001年12月21日
发明者约翰·M.·皮戈特, 托马斯·J.·赖特 申请人:飞思卡尔半导体公司