步进电机控制和火灾检测系统的制作方法
【专利说明】步进电机控制和火灾检测系统
[0001] 对相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请主张于2013年4月9日提交的题为"步进电机控制和火灾检测系统"的 61/810, 192号美国临时专利申请的权益，该申请通过参考被整体并入本文中。 技术背景
[0003] 在热成像应用中，拍摄热像比可见光成像应用要多花大量的时间。例如，为拍摄静 止的热像，相机需要被保持静止约66ms，以获取没有显著模糊的图像。此外，在进行自动化 图像拍摄时，可能会采用电机和控制器对相机进行定位。有可能需要很长时间才能使与相 机相连的电机完全停住，以获取没有显著模糊的图像。因此，当将电机起动和停机所需的时 间与相机必须保持静止的时间相加时，可能存在会显著地限制给定时长内所拍摄图像的数 量的限制。
[0004] 本文所请求保护的主题并不局限于可解决任何不足之处的实施例或仅可在如上 文所述的环境中工作的实施例。相反，提供本技术背景的目的仅在于例示出本文所述的一 些实施例可在其中实施的一个示例性技术领域。
[0005] 发明概沐
[0006] 本文所示的一种实施例包括一种用于控制步进电机的方法。本方法包括向索引位 置驱动步进电机。本方法还包括尝试使步进电机停在索引位置，停机方式通常会导致步进 电机在索引位置发生振铃效应。本方法还包括确定用以抵消振铃效应的一个或多个后续脉 冲的特性。本方法还包括发出已确定的一个或多个后续脉冲。
[0007] 另一种实施例包括一种电机系统，其被配置为在使步进电机停机时对步进电机的 振铃效应进行抑制。本系统包括一个步进电机。步进电机被配置为被驱动至索引位置。当 步进电机最初在所述索引位置停机时，步进电机的电机转子通常呈现振铃效应。本系统还 包括耦合到步进电机的控制器。该控制器被配置为向步进电机发出一个或多个脉冲。所述 一个或多个脉冲被配置以抵消所述转子的振铃效应。
[0008] 本"发明概述"的目的是以简化的形式介绍一些概念，将在下文的"详细说明"中 对这些概念进行进一步说明。本"发明概述"并非旨在明确指出所请求保护的主题的关键 特征或必要特征，也非旨在辅助确定所请求保护的主题的范围。
[0009] 附加特征和优势将在下文说明中给出，其一部分将可从该说明中显见，或者可从 对本文教导的内容的实践中获知。本发明的特征和优势将通过在所附权利要求中明确指出 的工具和组合加以实现和获得。本发明的特征将通过以下说明和所附权利要求得以更加明 确的呈现，或者通过对下文所述的本发明的实践获知。
[0010] 附图简要说明
[0011] 为了对可获得上文所述的及其他的优势和特征的方式进行说明，以下将参照附图 中所示的特定实施例对上文所简述的保护主题进行更为具体的说明。应该理解的是，这些 附图仅示出典型的实施例而非因此对范围加以限定，将借助附图对各实施例进行更加具体 和详细的介绍，其中：
[0012] 图1所示为步进电机、电机控制器和微控制器的框图；
[0013] 图2所示的框图进一步示出了耦合到步进电机的相机和传感器；
[0014] 图3所示为步进电机以及与该步进电机一起使用的各种部件的更为详细的框图；
[0015] 图4所示的图将步进电机的转速（RPM)与不同次数停机中的停机时间的百分比建 立了关联；
[0016] 图5所示为一个步进电机控制器的框图；
[0017] 图6所示为步进电机及各种控制信号的测量迹线；
[0018] 图7所示的表将各种步进电机的性能特性建立了关联；
[0019] 图8所不为步进电机控制的一个时序图；
[0020] 图9所不为步进电机控制的另一个时序图；以及
[0021] 图10示出了一种控制步进电机的方法。
[0022] 详细说明
[0023] 本文所述的一些实施例实现了一种步进电机控制系统，其使步进电机能够以最小 的振铃效应实现从停机开始加速和实现制动到停机。
[0024] 非步进直流电机将在电机被施加电压时因磁力而持续转动。而步进电机则采用一 组绕组，在被适当通电时，其会使转子转动一定角度，或称一 "步"。绕组可以被按顺序通电 使得在电机的步长内实现步进电机转子的精确旋转定位。此外，颠倒该顺序将使转子以相 反方向转动。
[0025] 通过使电机从当前位置向新的所需位置的步进，可以在一步的分辨率内实现任何 所需的角位置。这将通过对绕组以正确顺序重复通电的方式一次一步地实现。电机的重复 性步进用于产生从当前位置到新的所需位置的平滑运动。可实现的最高速度是电机驱动电 流、步进电机的转矩特性以及系统的总转矩和惯性载荷的函数。如果步进电机无法提供运 转至下一步所需的足够转矩，电机将会"打滑"，这意味着它将不会行进到下一步，位置准确 性将丧失。除了可能存在的任何摩擦之外，任何机械系统均具有一定的惯性，当从停止位置 开始加速时，必须克服此惯性。由于步进电机的转矩随速度的提高而减小，实现加速曲线的 方式可以是，对绕组以特定的时序通电，使得各步之间的时间在开始时较长，然后随着系统 转动达到一定速度，各步之间的时间将下降直至最小值。类似地，当进行减速时，各步之间 的时间可随着系统的减速而被加长。需要这些技术的原因是任何实际的机械系统均无法立 即被加速到最高速度，也无法在全速转动时立即停住。即使在使用了这些技术的情况下，瞬 时转速也无法达到理想情况，例如，"三角形"速度曲线从零开始，沿斜坡均匀加速至最高速 度，然后沿斜坡均匀减速至零。由于机械系统既有摩擦也有惯性，响应中总会存在一些粗糙 度，因此会对来自步进电机的任何转动输入形成一个二阶响应。所形成的二阶系统经常为 欠阻尼型，这就形成了系统的速度响应中的一些"振铃"效应。振铃效应可以被可视化描述 为，使电机转子以对数式减小的转动幅度来回转动，直至转子停住，或者达到可将转子视为 已停住的足够小的幅度。此时，可以进行精确的操作，例如使用耦合到转子的相机拍摄静帧 图像，而不引入显著的误差（例如图像的模糊）。
[0026] 本文所述的一些实施例可通过对送至电机的步进脉冲进行仔细定时而在时间和/ 或幅度方面显著减小振铃效应。在一些实施例中，这可能包括对驱动电机到达所需位置的 步进脉冲以及用以抵消振铃效应的脉冲进行仔细的时序安排和选择。在一些实施例中，使 用在合适的时间发送至合适绕组的单个步进脉冲就可以对振铃效应进行充分的抵消。有些 实施例可以从完全停止状态开始对载荷进行快速加速，在最短的时间内将其移动至下一个 所需的位置，然后使其快速停止，包括对振铃进行抑制。在一些实施例中，一旦停止，电机绕 组可以被完全断电，因为转子将被步进电机的钳制转矩保持在原位。这样将会减少步进电 机的能耗。根据运动时间与静止时间的百分比，其节能幅度可能很可观，因为当未通电时， 步进电机的功率消耗仅用以保持静止。
[0027] 如图1所示，一个实施例采用一个步进电机驱动器集成电路（IC) 104来驱动步进 电机100的绕组102A和102B，而由一个微控制器106来控制驱动器1C。对电机绕组102A 和102B通电的细节工作留给驱动器IC 104,使得当微控制器106希望使转子运动至下一步 时，它仅需在STEP(步进）信号108上发出一个脉冲即可，电机驱动器IC 104将处理对绕 组102A和102B提供电流的顺序。微控制器106通过DIRECTION(方向）信号110控制转 动方向，转动方向为逆时针或顺时针。微控制器106也可以通过ENABLE(使能）信号112 对电机驱动器IC的输出进行通电或断电。
[0028] 如上所述，步进电机的转矩与驱动电流相关。驱动电流可以被固定，或在需要的情 况下可被设置为接受微控制器的控制，如图1所示。在此，⑶RRENT_C0NTR0L(电流控制）信 号114上的电压被用于调节电机驱动器IC 104所使用的步进电机驱动电流。其实现方式 可以是例如，在微控制器控制下使用一个数模转换器生成一个变化的直流电压，由其来控 制电流。许多微控制器包括脉冲宽度调制（PWM)输出，其可以与合适的低通滤波一起使用， 以在微控制器控制下生成一个变化的直流电压。在一种可替代实施例中，采用一个或多个 微控制器通用I/O (GPIO)线路来控制MOSFET或双极开关，以在CURRENT_C0NTR0L信号114 上生成几个离散的电压电平。
[0029] 控制步进电机的驱动电流非常有用，其有若干原因。例如，如果所需的转矩值随温 度等环境因素变化，则可通过控制驱动电流以补偿这些环境因素的方式，对转矩按需要进 行调节。在运动间隔中动态改变驱