用于操控步进电动机的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于操控步进电动机的方法，在该方法中，步进电动机的定子线圈通过电子控制器件这样顺序地通电，使得产生旋转的电磁场，其中，在为给定的定子线圈通电时，通过该定子线圈的线匝的电流被电子控制器件首先提高到所定义的电流规定值，并且在达到电流规定值之后，电流通过如下方式被斩波，即，由电子控制器件提供的穿过线匝的通过电流反复地被切断恒定的时间段并且接着进行斩波脉冲，在斩波脉冲期间由电子控制器件提供的通过电流重新被接通，直至重新达到电流规定值，其中，所述电子控制器件将每个斩波脉冲的宽度与可预定的参考持续时间相比较，所述斩波脉冲的宽度通过在重新接通通过电流之后重新达到电流规定值所需的持续时间来定义，并且一旦斩波脉冲的宽度首次低于参考持续时间，所述电子控制器件就开始给作为下一个的要通电的定子线圈通电，在该方法中，所述参考持续时间在操控步进电动机期间匹配于步进电动机的工作条件。
【专利说明】用于操控步进电动机的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的用于操控步进电动机的方法。
【背景技术】
[0002]步进电动机是电动机的一种受欢迎的类型。在步进电动机中，通过电子控制器件这样控制定子线圈的通电，使得转子所跟随的电磁场步进地旋转。
[0003]电动机驱动器输出级基于用于电流限制的固定的断路时间的原理，在该原理中电子控制器件的电动机驱动器输出级在施加控制信号之后使通过相应地被操控的线圈的线匝的电流首先提高到经调整的(einstellen)的规定值，电动机驱动器输出级允许评价通过固定的断路时间限制电流的信号。通电开始直至首次达到电流规定值的时间被称作“电流上升时间”。出于完整性原因，在该位置处说明，多个线圈设置在电动机的不同位置处并且被共同操控，这些线圈在本专利文献中被称作定子线圈。
[0004]在达到规定值之后，由电子控制器件(确切地说是该电子控制器件的电动机驱动器输出级)提供的、通过线匝的通过电流反复地被切断恒定的时间段并且接着重新被接通，直至重新达到电流规定值。在通过线匝的通过电流被切断期间，电流通过空载二极管被导出。
[0005]如下这种方法被称作“斩波”，在该方法中因此多次地经历包括中断通过电流并且接着将电流提高到规定值的周期。在电流按照基于固定的断路时间的电流限制下降之后，使电流重新达到规定值所需要的时间被称作“斩波脉冲”；换言之，斩波脉冲的宽度被理解为所述斩波脉冲在时间上的持续时间。
[0006]在此，对于步进电动机的按照规定的工作原理基本的是，电磁场不是在转子还没有达到其最终的规定位置时就已经通过给下一个的定子线圈通电而进一步旋转。如果情况如此，例如因为电动机能够使未预料到高的负荷运动，则至少发生步进损失，如果不是则发生电动机卡住。然而不利的也是，仅在超过最大的场对准之后才明确地进一步接通电磁场，因为这一方面导致无效率并且另一方面隐含振荡的危险。
[0007]由现有技术已知一系列用于控制电动机的不同的处理方法，以便尽可能良好地避免该问题。可能最简单类型的操控是使用具有确定的步进时间的固定的步进频率。为了在这种操控中避免锁止必须确保:在最高的可想到的负荷的情况下，转子在下一次步进开始之前通过电子控制器件已达到该转子的目标位置。但是这同时导致，以更少的负荷受载荷的转子仅能以比实际可能的步进频率更低的步进频率运行，从而无法优化地利用所提供的转矩，这随之带来驱动装置的低效率。
[0008]达到更好的效率以此为前提，S卩，将用信号表示实施电动机步进的信号向电子控制器件向回反馈。一种可能性在于，设有编码器，该编码器在电动机的步进角度方面同步。虽然这可以优化效率，但却是贵的解决方案，此外该解决方案还随之带来附加的空间需要。
[0009]一种备选的可能性包含电路技术上的实现可能性地例如在DE 4121 617 Al和DE196 09 803 Cl中公开，该可能性在于分析电流在斩波运行期间在时间上的曲线，以便得出是否通过电动机执行了步进的结论:线匝中的电流的上升速度与施加的电压、线圈的电阻和电感有关。但是给定的定子线圈的电感本身与转子和定子线圈的彼此相对位置有关，当定子-转子对准最大时，亦即当定子和转子直接定位在彼此前时，所述定子线圈的电感是最大的。结果，因此在转子转动时定子线圈的电感被调制。电感的该调制导致，在转子超过如下位置之后，在该位置中转子与所观察的定子线圈是最接近的，斩波脉冲的宽度可察觉地减少。
[0010]因此，人们可以如在DE 41 21 617 Al和DE 196 09 803 Cl中更详细地公开的那样定义对于斩波脉冲的参考脉冲宽度，可以监视斩波脉冲的宽度并且通过斩波脉冲可以将首次低于参考脉冲宽度用作对于如下情况的指标，即，进行转子转动并且因此可以通过给下一个的定子线圈通电来使下一次步进开始。这种处理方法也以概念“斩波控制，，(“Chopper-ControI，，)已知。
[0011]然而在实际中证明，虽然该类型的反馈改善驱动装置的效率，但是还留下改善的空间。证明为有问题的是，步进电动机、特别是紧凑结构型式的步进电动机由于其定子线圈的绕组的高内阻而在运行期间随着功率密度上升而变热。该温度升高本身随之带来内阻的升高。具体地，将由铜制成的线圈的绕组的电阻例如在温度升高60°c时提高大约23%。线圈的更高的电阻在恒定的电压时导致斩波脉冲的宽度的升高。
[0012]这意味着，参考脉冲宽度的选择(例如对于20°的电动机温度)确保:为了下一个要操控的定子线圈在大致优化的时刻进行，从而在这种温度时可以达到驱动装置的高效率，在电动机温度80°C时在稍后的斩波脉冲中才被低于，从而在这种电动机温度时驱动装置的效率明显变差并且电动机以比本来可能的步进频率更低的步进频率运行。但是与此相反地，在较低的电动机温度时(如该温度例如在首次起动电动机时将在暂停之后存在)使用较小的参考脉冲宽度是不可能的。
[0013]由DE 10 2006 021 418 Al已知一种方法，在该方法中由监视在接通时刻中的电流上升时间和电压测量推断出电动机的可能的锁止。
[0014]由US 2012/0014732 Al已知，通过求解在接通时刻的电流上升时间得出当前电动机温度的结论，以便在电动机温度过高时通过减小电流规定值而避免电动机过热。
【发明内容】
[0015]本发明的任务在于，提供一种用于操控步进电动机的方法，利用该方法可以以较高的效率、特别是以更高的步进频率运行步进电动机。该任务通过具有权利要求1的特征的方法来解决。所述方法的有利的进一步扩展方案是从属权利要求的技术方案。
[0016]根据按照本发明的用于操控步进电动机的方法，所述步进电动机的定子线圈通过电子控制器件这样顺序地通电，使得产生旋转的电磁场。在此，在为给定的定子线圈通电时通过该定子线圈的线匝的电流被电子控制器件首先提高到所定义的电流规定值，并且接着，在达到规定值之后，电流通过如下方式被斩波，即，由电子控制器件提供的、穿过线匝的通过电流反复地被切断恒定的时间段并且接着进行斩波脉冲，在斩波脉冲期间由电子控制器件提供的通过电流重新被接通，直至重新达到电流规定值。
[0017]在此，如由斩波控制方法普遍已知的那样，所述电子控制器件将每个斩波脉冲的宽度与可预定的参考持续时间相比较，所述斩波脉冲的宽度通过在重新接通通过电流之后重新达到电流规定值所需的持续时间来定义，并且一旦斩波脉冲的宽度首次低于参考持续时间，所述电子控制器件就开始给作为下一个的要通电的定子线圈通电。
[0018]对本发明基本的是，所述参考持续时间在操控步进电动机期间匹配于步进电动机的当前工作条件。通过该措施引起所述步进电动机始终在其优化的工作点附近运行，从而达到改善的效率。
[0019]按照本发明的一种特别有利的实施方案，所述参考持续时间在操控步进电动机期间对于步进电动机的工作条件的匹配基于参考脉冲宽度的测量，在脉冲运行中参考脉冲宽度的测量在静止的通电的步进电动机、所谓的预通电阶段中通过电流上升时间的多个周期上进行。所述预通电阶段具有如下背景，即，在定子-转子对准方面将电动机置于所定义的初始状态中，因为在未通电的状态中存在如下可能性，即，转子处于两极之间。这又可能导致不利的起动特性，因此在起动之前相应地给电动机线匝预通电。在这里提出的方法相对于在US 20120014732 Al中描述的方法(在该方法中仅在在电流的第一次施加电流直至第一次达到最大值之间的电流上升时间的周期期间进行评价)具有如下优点，即，可靠地避免在运动时出现的干扰效应并且通过测量这些时间段中的多个时间段来获得具有较小的统计测量误差的测量值。
[0020]证明为特别适合于在静止的通电的步进电动机中测量斩波脉冲的当前宽度以用于在操控步进电动机期间匹配参考持续时间的方式的是:将所述斩波脉冲在静止的通电的步进电动机中所测量的宽度在查找表上与斩波脉冲在转动的通电的步进电动机中相应的宽度相关联，并且使用在查找表中所包括的相关联的值作为当前的参考持续时间。
[0021]在所述实施方案的一种特别有利的进一步扩展方案中，所述查找表通过如下方式建立，S卩，为给定的步进电动机类型的样本，对于包括电阻(按照温度变化)、电感、电压和电流的不同组合分别求解斩波脉冲在静止的通电的步进电动机中的宽度和斩波脉冲在转动的通电的步进电动机中的相应宽度并且将其存储在查找表中。在此，对于每个组合，以物理学上可能的关系存在电阻、电感、电压和电流的值。因为不仅电阻和电感可能通过其特定的特性(如例如温度相关性)而且电压也可能例如通过不稳定的电源引起在电流和电流上升时间方面的改变，但哪个参数引起改变对于观察上升时间是不重要的，有意义的是由在预通电阶段中所求解的时间值推断出对于换向的(kommutieren)/转动的通电的步进电动机的时间值。使用这种所求解的图表不仅提供了补偿静态的电阻变化的可能性而且提供了补偿动态的电阻变化的可能性，所述静态的电阻变化例如可能通过生产批次、不同的导线长或者普遍不同的连接线和触点接通的公差而引起，所述动态的电阻变化例如通过引起温度变化而引起。
[0022]补充地指明，借助于这样的图表也可以进行电动机的运行温度的温度测量，因为电流和电压可以简单地测量，由此可以计算当前的线圈电阻并且可以接着由线圈电阻的已知的温度相关性求解电动机温度。
[0023]已证明为特别有利的是，所述斩波脉冲的当前宽度的测量在步进电动机的瞬态振荡的状态中进行，亦即，至少一个转子极和定子极优化地处于相向、亦即对准，因为在该状态中确保:避免未定义的转子位置的干扰影响，该影响由感应的反向电压基于电动机的电动势(EMK)所导致。[0024]特别优选的是，所述斩波脉冲在静止的通电的步进电动机中的宽度的测量在预通电阶段中进行，因为由此在电动机应进行转动的时刻无矛盾地避免附加的时间需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]以下借助于附图更详细地阐述本发明。图中:
[0026]图1示出在转动的步进电动机中，在定子线圈中相电流的所测量的时间上的曲线.[0027]图2示出在静止的步进电动机中并且在转子-定子对准最大时，在定子线圈中相电流的所测量的时间上的曲线；
[0028]图3示出当在施加电流之前没有给出最大的转子-定子对准时，在静止的步进电动机中在定子线圈中相电流的所测量的时间上的曲线；以及
[0029]图4示出在斩波期间图1中的信号的放大局部和所属的斩波信号。
【具体实施方式】
[0030]图1与时间t相关地示出在转动的步进电动机中在定子线圈中的相电流I(t)的所测量的曲线。在时刻taj设置电子控制器件的控制信号。开始给定子线圈通电并且持续直至在时刻t (Imaxl)达到预定的最大的电流强度1_。在此，由于定子线圈的绕组的电感，相电流不是立即地跟随而是缓慢地上升。这是按照DE 10 2006 021418 Al或者US2012/0014732 Al的教导所分析的持续时间。
[0031]接着，电流供应被斩波地运行，如在图4的放大示图中能特别良好地看出的那样。两个在图4中示出的曲线中在下面的曲线代表斩波信号，该斩波信号与时间相关地在按照电子控制器件的接通的通过电流的状态“高”和按照电子控制器件的断开的通过电流的状态“低”之间来回切换。如借助曲线能看出的那样，总是当达到Imax时，斩波信号以固定的时间段转化为状态“低”。在所述时间段期间，相电流I (t)下降，其中，下降的幅度与定子线圈的电感有关，并且因为在将控制信号施加到所观察的定子线圈上之后转子才朝向所述定子线圈运动，所以下降的幅度总是随时间变得更小。
[0032]作为结果，斩波信号在“高”的状态中的时间段总是变短直至最终参考持续时间被低于并且下一个定子线圈的通电被激活。
[0033]此外，在图1和4中分别示例性地通过起始时间和结束时间t(Imaxn+1)标记如下的持续时间，所述持续时间的分析用于按照本发明地更新参考持续时间。
[0034]如由按照图2在静止的步进电动机中并且转子-定子对准最大时，在定子线圈中相电流的所测量的时间上的曲线的视图所得出的那样，在这种情况中，斩波脉冲的宽度基本上是恒定的，因为定子线圈的电感不再改变。不过，这点仅只要工作条件和特别是定子线圈的线匝的温度保持恒定就适用；如果工作条件改变，定子线圈的电阻就改变并且因此通过电流也改变。此外，与在图1中示出的转动的电动机中的情况相比较地能看出:直至达到电流Imax的上升时间都相应地变短。
[0035]因此，原则上可能的是，也在步进电动机的静止状态中、例如在预通电阶段期间求解斩波脉冲的宽度，由此也能实现结果的反复的测量和平均。不过在这种情况下，在静止的和转动的步进电动机中的斩波脉冲的宽度之间的关联必须在给出边界条件如电阻(按照温度)、电感、电压和电流强度的情况下被找到并且被制成图表。
[0036]图3以其他时间比例示出当在施加电流之前没有给出最大的转子-定子对准时，在静止的步进电动机中在定子线圈中相电流的所测量的时间上的曲线，借助于图3变清楚的是，为什么在步进电动机的瞬态振荡的状态中实施测量是有利的。在纵坐标轴左侧的区域可看出曲线I (t)的包络线的叠加了电流通过斩波所引起的变化的波浪形变化曲线，该变化曲线通过转子的瞬态响应和在此出现的EMK所造成。与此相应地，在这种状态中测量附有较高的误差的并且是较不可靠的。
【权利要求】
1.用于操控步进电动机的方法，在该方法中，步进电动机的定子线圈通过电子控制器件这样顺序地被通电，使得产生旋转的电磁场， 其中，在为给定的定子线圈通电时，通过该定子线圈的线匝的电流(I)被电子控制器件首先提高到所定义的电流规定值(Imax)，并且在达到电流规定值(Imax)之后，电流⑴通过如下方式被斩波，即，由电子控制器件提供的穿过线匝的通过电流反复地被切断恒定的时间段并且接着进行斩波脉冲，在斩波脉冲期间由电子控制器件提供的通过电流重新被接通，直至重新达到电流规定值(Imax)， 其中，所述电子控制器件将每个斩波脉冲的宽度与可预定的参考持续时间相比较，所述斩波脉冲的宽度通过在重新接通通过电流之后重新达到电流规定值所需的持续时间来定义，并且一旦斩波脉冲的宽度首次低于参考持续时间，所述电子控制器件就开始给作为下一个的要通电的定子线圈通电， 其特征在于，所述参考持续时间在操控步进电动机期间匹配于步进电动机的工作条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考持续时间在操控步进电动机期间对于步进电动机的工作条件的匹配基于斩波脉冲的当前宽度的测量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，斩波脉冲的当前参考脉冲宽度的测量在静止的步进电动机中进行。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为了在操控步进电动机期间匹配参考持续时间，所述斩波脉冲在静止的通电的步进电动机中所测量的宽度在查找表上与斩波脉冲在转动的通电的步进电动机中相应的宽度相关联，并且使用在查找表中所包括的相关联的值作为当前的参考持续时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述查找表通过如下方式建立，即，为给定的步进电动机类型的样本，对于包括电阻、电感、电压和电流的不同组合分别求解斩波脉冲在静止的通电的步进电动机中的宽度和斩波脉冲在转动的通电的步进电动机中的相应宽度并且将其存储在查找表中。
6.根据权利要求2至5中之一所述的方法，其特征在于，所述斩波脉冲的当前宽度的测量在步进电动机的瞬态振荡的状态中进行。
7.根据权利要求6所述的方法，所述斩波脉冲在静止的通电的步进电动机中的宽度的测量在预通电阶段中进行。
【文档编号】H02P8/12GK104040874SQ201380004503
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】M·贡德尔 申请人:Bdt媒体自动化有限公司