专利名称：用于消除多相步进电机中停转和嵌齿的方法和装置的制作方法
用于消除多相步进电机中停#^嵌齿的方法和装置
絲领域
本发明涉及步进电机，例如^f示;ii^"具有增加电动才;L^矩的多功能电动步
进电机装配(Multi画Functional Electric Stepper Motor Assembly Having Increased Motor Torque)"的US专利6^967,425和标题为"独立控制多相步进电 才几的每一相的方法和装置(Method and Apparatus For Independently Controlling Each Phase of a Multi-Phase Step Motor)"的US专利6,879,128中所
描述的，上述专利扭膽*为参考。
背景鉢
通常与这种步进电才M目关联的一个问M当相关联的负^生的转头E^过
电才;^^^时，电4几可能^f亭转。
从一个稳定位置逸酬一个新的稳定位置的程度时所产生的另一问题被称为"嵌
齿(cog)"。
当这种步进电机用于商业应用时，相关联的设备所产生的转矩负^ 皮估算
以及步进电机的额定值接4ife^择而使其超过估算负载高达百分U十iM^ 上述停转或嵌齿的开始。
在标题为"具有减少嵌齿的永磁无刷DC电机(Permanent Magnet Brushless DC Motor Having Reduced Cogging)，，的US专利5^250,867中描述了
一种用于g电才;u^齿的产生的方法，其中电机定子^常规的结构。
为了辆电机的等效负絲定值，通常辆一种包括数字信号处理器的反
馈电路，例如在标题为"位置控制电机的控制装置(Control Apparatus for Position Control Motor)"的US专利6，121，744和标题为"用于大动态范围的电机 ^f^的电才A^制系统(Motor Controller System for La巧e Dynamic Range of Motor Operation)"的US专利7,081,730中所描述的。
在大多氣虔用场合，用于防止停转的反馈电路自身,皮并入祠月艮电才几电路中，而不能与i^"的电枳^"^f吏用。
发明内容
本发明的一个目的是提^""种简单配置，由jtkitii^续的差J出JiJ^脉
控制电积4H^目对于电机定子的位置以在整个电积^t过程中^^停转或嵌齿
的开始。
本发明的进一步的目的是提^^种附加針-定子控制电路，当賴附加或 变化的负载时，其能够与现有电才顺&置一起使用，也能够使现有的电初逸应有 时可育fe^过电才;i^定值的负载。
M续的基j出上j^ 见步进电才几的定^^之间^itt或滞后的关系，以确
定电才A4亭棘电才A^齿^A的可能。辆数字t嫩器来确定这种超前或滞后何
时等于或大，定值以及增量编码器以反馈关系方式提供信息来防止电枳停转 和电积嵌齿。
图l是典型的步进电机系统的方块图2图示具有插^电才;i^制器和电才;a区动IML间的控制装置的图i的系
统；
图3是电才;1#矩关于#^-定子的^^多的函数的图形表示；
图4是适用于消除停#^嵌齿的图2的控制装置的方块图5 A^示在图2的控制装置中^JD的〗'齡状态逻辑的^f呈图；以及
图6;l^示在图2的控制装置中使用的滞后^JHE辑的^f呈图。
在参考图1和图2所示的本发明的电路元件之前，图3所示的以下4言息省 助于^f^l ^^发明。
图3表示作为步进电机-步进电机定子^^多步(displacement step)的函数 的步进电才;1#头 出波形9。
如图3所示，当針超前或滞后定子达一*步时，步进电机产生最大转矩。当4H"超前或滞后i^'J等于2个全步时，电才成于非常;Rt定的状态。如 果允许#^超前或滞后接近等于2 *步，则衬可^^J'J下一^Hfe定位置。
如^Ji述情;;Ll生，可能会失去指示的(命令，commaned )换向频率和实际的 ^M牟之间的同步。
为了消1^1种可能性，#^必须##^^急定区域中，该稳定区錄明其中 旨超前或滞后定子一个全步iS^近-H^步，由此电机产生最大转矩。
在一个典型的单环伺m^l^中，产生了与转子的超前或滞后成比例的^t 信号。该误差用于计算电机必须移动的新逸变以便使误差最小化。在一个需要 对负载变化tfe4响应或'fel^的系统中需要大量的处itt^制系统。
通过^^反^^置如增量编码器，能够检测例如射的位置。通it^转 子位置和指示的位置，能够计算出滞后(#^#定子后)。只要计算出的滞后 等于或小于一个全步，则电枳將继续与所应用的换向同步旋转。如果滞后超过 一个全步，则定子必须等^^^^Lh，或者針i^^一个不稳定位置，此时可
能会ic^嵌齿，或者电机可能停转。
ft^^^且中电流的变化，步进电机以离散步移动以产生顺时针或逆时针的
运动。才娥电流变化的+^t和^口在电才;^上的负载，电才W夸以有P隨目进行 旋转。上述增量编码器提^-"个全步io个J3^t以;sju于^^子换向的波形包
括^"个全步10个微步。
在定子换向时，，WH"相对于定子的位置。当4H"和定子之间开始出现
滞后时，产生转矩。只要转头E^i^多动^口在电才;Ui的负载所需要的数目(数
量)，針柳台旋转。
当电才;Ut转时，針和定子之间的偏差或"a"的数目^L^新。只^#^和 定子之间的厶##在数目io (—个全步)或低于io，无动作。如果#^定 子之间的a想iJ数目u，胁在电才;Ui的负载已变得大于在换向频率处可提供 的转矩，衬滞后或超前必须'KX到数目io或更少。
当it^t在滞后状态时，定子的换向停止，并且##在最终电流等级以给 ^^tJi的初会，当#^和^_子之间的a下降至数目io或低于io，只m目 ##在10或低于10，定子的换向^l維续。当再次ii^数目11，换向将再次停 止以等待^^Ji。
如果a数目ii^12，则4H"已停止，并且已开始与指示的旋转方向反向旋转。如果允^N速续，则針开始移动更接近一个不稳定位置。如^11述情;议 生，则4H"会^J'Jii^嵌齿的新的稳定位置。为了防止上述情;;L^，与指示
的方向相反^a亍一个微步。i!4夺定子在换向4f，止后重^i^与4H4^^在数目 11内，如Ji^斤述，或者直到数目下J^fiJ io时换向继续，或者直到数目增加到 12，再次进4封目反方向的步。
超前状态(#^超前定子)的处理方式不同。超前状态可能由于多种原因 而产生，例如高减速率，或负载开始变得减少。在^f可一种情况下，針倾向 于超前定子。当在滞后状态下时，直到超前数目超过io (—恒步)才有动作 发生，其产生最大数目的转矩。但是，与滞后状态不同，定子没有停止，因为 停止定子换向^ii^A增加，使得电^^头Eii—步减小。
如^H"超前数目增加到U，为了^W^大转矩以及防iii^iiA—种不
稳定位置，可在指示的方向上插入一个微步，其中该不稳、定的位置可*战成不
期望地向前逸,'jit^嵌齿的新的稳定位置。这〗紋子超前在数目io之内以保
持定子在最大转矩的位置上，此时只^^前状态存在数目io和低于io，转向将 继续。
4^前和电机强制反转的^-~种情况下，通过分别^#衬和定子之间超
前和滞后位置，对#^淑口破断力(breaking force) a制已变得比电枳所能 产生的转矩大的负栽。
通过增加一^H十数器，用于##^出给电才>^区动器的指示的步和实际的步 数目之间的偏差，Jiii^r法能作为定位系统来工作。当电机受到限制时通过插 入丟失的步，电枳將定位于指示的数目的步。由于插入的步，必要的话#制
最;Uoi^斤插入的步和电积it^之间采用可变的定时。在/ 为^#控制装置
处于位置控制的情况下，步的偏差还育^皮保存，并可用于控制装置。
还能产生诊断信号以指示定子处于^^莫^^等待4H^Ji。当与定时器
连接时，还产生信号，该信号告知絲明锁定針的状态存在的特定时段期间
4H"没有超前。如^H"和定子之间的滞后以另一个数目增加，则产生信号，
该信号指示^"已^r向旋转以及负^^口的转矩已变得大于电机能产生的转矩。
^Mv^^前的情况下，能产生信号，该信号指示定子相对于表明负^^口 的转矩已变得大于电机产生的转矩的输入步指示(命令)A^前的。#参照下面的图1-2和图4^6能更容易,本发明。
在图1中图示的典型步进电积跳置10勤以于^Ji述US专利6^967,425所 描述的，其中电才膽制器ll产生先前描述的步i^辦和方向信号，并且向电机 驱动器12提供J3^t^M言号。电才M区动H^着通舰码器13产生在电机14中驱 动电才MPH^斤需的换向信号，致使电才A^ 15以指示的it^和方向旋转负载16。
图2中图示出一种刻以步进电机的配置IO，具有本发明的控制装置17,其 插在产生指示的步和方向的电枳控制器11以及包括用于通舰码器13使电机 14换向的电源装置的电才M区动器12之间。控制装置17接Jim码器产生的指示 转子方向的乐辦信号，以;SJ^自电积控制器11的指示的步和方向信号。
前面提到的用于消除停#^嵌齿的控制装置17具体如图4所示。
a计料元18计算在图2的电机14中#^定子之间的位5^前或滞后， 并将所需数据输A^tb^单元19以指示超前或滞后何时小于或大于数据^t单 元20所提供的i议限值。〗'蹄状态逻!样元21接Jl缘自》b^单元的输入，以 才娥电机14中定^^衬的位置偏差iW目应的絲，
鹧参照图24能狄^j^制装置17的棘
图3所示的转子-定子位移步(14)表示指示的定子位置和实际M位置 之间的a。当向电才;i4区动器12提條步时，通过图4所示的顺序状态逻#^元 21，电机定子超前一个位置。这样的顺序才^l提供给电才;a区动器12的每4个全 步重复一次。 一个编码器步表示4H"位置增加一次。对于本实施例而言，图2 所示的电;fea区动器12以微步模式10辦，即，提供给电才M区动器10的每10 个步将^U^前一个全电才几步。
编码器13是一个增量编码器，当与每转200全步的时，该增 量编码l^f吏用500行(line)以^^一个全电机步的4H4t动产生10个编码器 步。容易麟的是,控制装置17将以不同电机步比和不同编码^f亍数进^^t。
图4所示a计料元18 两个输入18A、 18B并产生一个输出18C。 △ 计鮮; t^ 18A的第一个输入提供来自于图2所示编码器13的编码H^号，其 表示电机14中針的位置。
△计算单元在18B的第二^T入提供来自于顺序状态逻丰样元21的步和方 向信号。
a计^it^ 18C的输出4^供a ， JH^的4H"位置和定子位置之间偏差数目，表示输AS扑b^单元19的針超前或滞后。tb^单元19判定图2所示转 子15的超前或滞后是否大于通过数据^^单元20提供给tb^器的i&P艮值， 以及4W列如指示超前或滞后是否超出限值的信,I^A^',状态逻解元21 。 i!E超前或滞后的限值被iM为超前+ 10;5U^后-10，从而当偏差等于或大于 +11时向〗i蹄状态逻4样;^旨示超出超前P艮值的情况，以及当偏差等于或小于 -ll时向顺序状态逻#^^旨示超出滞后限值的情况。
力峰状态逻#^元21包括两个输入21A， 21B并产生一个输出21C。输入 21A^t供由图2所示电枳控制器11提供的指示的步和方向信号，以及^T入21B ^^由t嫩器19提供的超前或滞后信息，如前所述。
输出21C向图2所示电才M区动器12提供相应的步和方向信号以便^iL^ 电机14延伸的电才;i^轴15的树和方向并^t些信号扭续的差J出上传送回 a计料元18。
在图5中示出在',状态逻#^元21中的^p呈图22，用于控制电才;i^ 和电机定子之间的关系来防止电枳停转，，如下
主循环(23)指示图4所示a计#元18在(24)获得来自于编码l^f言号 的a-下文中由定子数减去針数的"D"，并且判断D是否大于数目10 (25)。
如果D大于10，则存在滞后状态，其必须通过图6所示滞后校正(26，) 的^f呈图进^fm^ (26)。
如果D不大于数目10，则判断D是否小于数目-ll (27)。如果D不小于 数目-11，则指示的步和方向数据净iLyci传ill^图4所示的电才A4区动器12(29)。
如果D小于数目-ll，则存^^前状态，定子向前移动一个微步，指示的步 和方向!Bt据不Ai^i^电^l4区动器12并在指示的步和方向ltt^Mi^i^ 图4所示电4M区动器12之前判断D是否小于数目-11 (27 )。
滞后校正(26，)的沐详呈图:i口图6所示;SJ^t如下。
停止指示的步和方向功能(30)并且停止定子换向(31)以允许^HMLh 定子和再綠得D (32)。
判断D;^否大于数目10 (33)，如果否，则已不再^"在滞后，并JX子换
向,皮再次启动(34)同时允许指示的步和方向信号输入到电才;a区动器。
如果D大于数目10,则判断D^i否大于数目11 (35)。如果D不大于数 目11,则定子继续^#^亭止(31)且再〉A^得D (32)。如果D大于数目IO且大于数目11，则定子反向旋#-个微步(36)且再 雄得D (32)。
如果D大于数目ll，电才版向旋转iUt子减少一个微步(25)。 ;Ml描述了 一个用于控制电才MH"^定子操怍以防止电枳俜#^嵌齿的简 单配置。上^法表明适用于2相旋转步进电机，但任意一种多相直线或旋转
步进，或^，J电才;^it用。
虽^MHf了-^ 500 ^^#^曾量编码器和一种利用步进电才;1^#200 的每步10个微步的微步^，但是可采用不同编码器类型和数目以及不同微步 方案4^^寻刻以的结果。
权利要求
1、一种用于控制步进电机旋转的方法，包括以下步骤在所述电机旋转时连续地确定步进电机中的定子相对于转子的旋转位置；以及当超过第一预定数值且所述转子滞后于所述定子时延迟所述定子的旋转以实现最优化电机性能。
2、 N5U'J^求1所述的方法，包括以下步骤，当所述衬以第二预定数值 超前所狄子时，以所述第"H^定数值增加所狄子的旋转刺橫所ii^优化电才;o性能。
3、 力w^'j要求2所述的方法，包括以下步骤，当所狄子以第三预定数值 滞后所述針时，以第二预定数m向旋转所奴子来絲所i^L优化电机性能。
4、 fc^U'J要求3所述的方法，其中所述电才;Ut转定义了步的总数目，从而 所錄一、第二和第三预定数值包括所述步中的一个来4械所ii^优化电机f生 能。
5、 一种用于:^供步进电枳^^^/f匕性能的电路，包拾針-定子控制电路，连接在步进电才;i^制器、步进电才;^区动器和步进电机 之间，所述步进电机定义了其中每转的步的总数目；以及位于所述^H"-定子控制电路中的装置，用于确保所述步进电机中的#^相 对于所述步进电机中的定子的滞后小于或等于所述步中的一个以最优化所述步 进电才;^生能。
6、 M5U，虔求5所述的电路，其中位于所述衬定子控制电路中的所錄 置进一步确保所述^H"相对于所^子的超前小于或等于所迷一个步以最^^f匕 所述步进电机性能。
7、 ftwM，J要求5所述的电路，其中位于所述針-定子控制电路中的所述装置包^-"个增量编码器。
8、 H5^'J^求3所述的电路，其中所述針-定子控制电路^"对》嫩器。
9、 MM，漆求3所述的电路，其中所述M-定子控制电路进一步包括用于确^^斤述^^所it^子之间的旋转位置和方向的偏差的M。
10、 一种适配器电路，其允i^^l具有最大电枳颡定值的步进电机以便暂时超顺錄大额定值而朋，包拾針-定子控制电路，其iM为与步进电才M目连接以接餘所述步进电机内 針和定子的位置状态；a电路，用于确^^斤述#^所狄子之间旋转位置和方向的偏差；一对数字t嫩器，其与所述a电路的输出相连接以确^^斤述針和所狄 子之间超前或滞后状态；以及逻辑装置，其与所述tb^器连接并与步进电;M区动器连接，所述驱动器向 所述針和所狄子提供辦电流，由jt诚制所述針滞后所狄子一个固定 位置以舣所述停转步进电机。
11、 ft^U'J要求10所述的适配器电路，其中所狄^^皮控制滞后所述衬 所述固定位置以i^L嵌齿所述步进电机。
12、 ^^U，J^求10所述的适配器电路，其中所狄^i皮控制超前所述衬所述固定位置以i^嵌齿所述步进电机。
13、 H5UU要求10所述的适配器电路，其中所述a电路包树量编码器。
全文摘要
本发明涉及一种用于消除多相步进电机中停转和嵌齿的方法和装置。其中通过一个增量编码器以反馈关系在连续的基础上监视步进电机的定子和转子之间超前和滞后的关系，并在最优范围值内调节超前或滞后以由此防止电机停转和电机嵌齿。
文档编号H02P8/00GK101542893SQ200780040570
公开日2009年9月23日 申请日期2007年10月29日 优先权日2006年10月30日
发明者戴维·库图 申请人:戴维·库图