控制器、专用集成电路、步进电机、致动器及其应用

文档序号:9379562阅读:566来源:国知局
控制器、专用集成电路、步进电机、致动器及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于驱动步进电机的控制器、专用集成电路、步进电机、致动器以及它们的应用。
【背景技术】
[0002]由于存在由尚散的步进序列引起的振动,步进电机固有地具有噪声大的缺点。已有的一类步进电机控制器用于开环操作,其结构简单,成本低。然而,这类步进电机的尺寸和功率都必须超要求配置以防止任何失步。这种对电机的控制方式不考虑电机的实际动态而具有局限性,产生的后果之一便是大的转矩脉动,而转矩脉动会转化为噪声。此外,过大的输入功率意味着大的浪费。
[0003]已有的另一类步进电机控制器基于无传感器换向,在此换向方式中,通过对驱动系进行探测以获得反电动势(back electromotive force),并试图获得转子位置和相应的调节换向序列。这种换向方式无需在转子外部进行位置感应,十分方便。然而,这种方式仅在有限的运行条件下才比较稳定,而当负载快速变化时(例如电机运行至止动结构时就会产生此种情况),则难以适用。此外,这类控制器为了调速和产生正弦波电流,需要微处理(microprocessing)技术。另一个问题是,当电机停顿而不产生反电动势时,无法获知转子位置,在开环模式下启动程序必须运行。
[0004]在无刷直流电机中,采用数字霍尔传感器(Digital Hall Sensor)检测转子位置。数字霍尔传感器输出的位置信息是离散的,并非连续的。为了产生一个平稳运转的磁场,需要相当精确的微处理和逻辑控制。然而,数字电子器件易于由于诸如编码错误、条件定义错误、电磁干扰或者高温而导致发生错误。估计算法在快速变化的情况发生时(例如电机发生堵转或自动反向转动时)经常不能可靠计算出位置和速度,在低速或者速度为零时,对位置和速度的估算变得十分不准确。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是提供一种简化的控制器,其可使步进电机在被驱动时振动较小,实现以可靠、稳健地方式驱动步进电机,尤其是在启动步进电机时。
[0006]本发明的控制器,用于步进电机,所述步进电机具有磁性的转子和至少一个线圈;所述控制器包括:功率级电路,用于向所述至少一个线圈提供电流;至少一个模拟霍尔传感器,用于根据所述转子相对于所述霍尔传感器的位置而输出信号;以及第一反馈支路,用于将所述霍尔传感器连接至所述功率级电路以将所述霍尔传感器的输出信号反馈至所述功率级电路,所述功率级电路根据所述霍尔传感器的输出信号向所述至少一个线圈提供电流。
[0007]所述控制器包括用于驱动步进电机的功率级电路,一条反馈支路将所述功率级电路同至少一个模拟霍尔传感器连接而形成闭环电路。此种设计的优点是将反馈信号传送至所述功率级电路,使得步进电机的运动方式在振动、由振动产生的噪声、效率以及操作稳定性方面得以改进。由于可以优化步进电机的驱动过程,无需为了防止失步而超要求地配置电机的尺寸。也就是说,相对于用于相同应用的已有步进电机,本发明的步进电机的尺寸和功率都可以更小。进一步地,所述控制器可以被设计成能确保转子的运转可靠和精确,尤其是启动位于停止位置的转子或者使转子转向停止位置,所述停止位置例如由止动结构界定。
[0008]优选的,本发明进一步提供包括速度控制级电路的另一个闭环电路,所述速度控制级电路用于产生一个参考信号以调节霍尔传感器输出信号的幅度,由此,电机的转速可被调节至期望值。另外,由温度变化导致的磁通变化或线圈阻抗变化可以被抵消。
[0009]本发明还提供一种包含控制器的步进电机、一种专用集成电路、一种致动器以及一种用于供暖、通风和/或空调系统的应用。
[0010]以下将通过示例性实施例和附图来详细说明本发明。
【附图说明】
[0011]图1示出了本发明一个控制器实施例的电路框图;
[0012]图2示出了转子和第一霍尔传感器的示意图,其中标识出了第二霍尔传感器可能的位置;
[0013]图3示出了两个霍尔传感器的输出信号波形图,其中,第二霍尔传感器位于图2所示的位置42处;
[0014]图4示出了两个霍尔传感器的输出信号波形图,其中,第二霍尔传感器位于图2所示的位置43处;
[0015]图5示出了用于相同应用的一个常规电机的和一个包含本发明控制器的电机的转矩-速度图;
[0016]图6示出了一个包含本发明控制器的步进电机的透视图;
[0017]图7示出了一个包含图6所示步进电机的致动器的透视图;
[0018]图8示出了同一个电机分别被一个常规控制器驱动时和被一个本发明控制器驱动时检测到的噪声水平的对比图。
【具体实施方式】
[0019]图1示出了一个用于驱动步进电机的控制器电路I的框图,步进电机的转动方向和转速可以预设。该步进电机包括转子,转子具有一个多磁极的磁体10,典型的,磁体10至少具有4个磁极,可以为6个以上的磁极,或8个以上,优选地,具有不少于10个磁极。电路包括一个模拟霍尔传感器11,模拟霍尔传感器11的输出信号随着其所检测到的磁场的变化而变化,并且,作为模拟电子器件,其直接输出电压信号。传感器11的存在使得对位于电气单元中的磁体10的角度位置的检测是通过非接触方式完成的。
[0020]控制器电路I形成了一个闭环电路。具体的,控制器电路I包括功率级电路20和第一反馈支路12a,第一反馈支路12a将传感器11通过一个用于调节增益的器件连接至功率级电路20的输入端,该用于调节增益的器件例如是乘法器13。
[0021]功率级电路20形成了一个电压控制的电流源,其含有另一个反馈回路。功率级电路20包括滤波器21和功率放大器22,滤波器21可以包括一个比例积分控制器(Proport1nal-1ntegral Controller,PI Controller),功率放大器22包括一个输出端23和一个第二反馈支路24,功率放大器22的输出端23用于与电机的线圈连接,第二反馈支路24将功率放大器22的输出信号反馈回功率级电路20的输入端。功率级电路20的输入端处具有一个比较器25,用于分别接收乘法器13的输出信号和功率级电路20的输出信号并进行比较。
[0022]功率放大器22的运行例如是基于脉冲宽度调制(Pulse Width Modulat1n, PffM),以控制提供给负载(例如线圈)能量,通过以高频率切换开、关状态来实现该控制,用占空比调制提供给负载的平均电压,也即提供能量。
[0023]控制器电路I进一步包括第三个反馈回路。具体的,一个第三反馈支路12b将传感器11连接至速度控制级电路30的第一输入端。在第三反馈支路12b中接入有一个频率-电压转换器14。速度控制级电路30包括一个用于接收外部信号的第二输入端36、比较器35、比例积分控制器31和连接至乘法器13的限幅器32。比例积分控制器31和限幅器32均属于调节器件,它们界定了第三反馈回路的动态响应。
[0024]所述外部信号界定了转子转速的期望值,它可能是,例如,由用户触发产生。该信号的值例如可以是恒定值或者是随时间变化的值,这取决于具体应用的需要。
[0025]在运行过程中,模拟霍尔传感器11根据磁体的极化方式和位置产生一个电压信号。对于一个沿轴向磁化的多极环形磁体,其产生的电压信号具有与反电动势相一致的正弦波形状,该反电动势例如是在线圈中转动的磁体10引起的。霍尔传感器11输出
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