专利名称：检测步进电机的运转情况的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测运转情况(operating condition)的方法和装置，尤其涉及一种用于检测步进电机的停转状态(stall state)的方法和装置，该步进电机包括磁性转子和至少两个用于引起转子进行旋转的电磁驱动线圈。
背景技术：
现已具有用于检测步进电机的转子的停转状态的方法。这些方法利用了这一事实电机的移动的变化将引起反向电磁力(Back electro-magnetic force, BEMF)的改变， 从而也引起了感应电压的改变。有源线圈中的电流也受到了变化。已知的用于停转检测的方法在测量方法以及分析测量信号的方式上存在不同。US 5032781和US 5观7050描述了用于操作具有多个绕组的步进电机的方法和电路，其中步进电机的移动在绕组中感应出生成推进力时所不需要的电压。使用阈值检测元件对该感应的电压进行估测。在连接了步进电机之后，步进电机是以预定方向被操作，因此通过是否存在该感应电压来检测步进电机的停止。接着将包含步进电机的瞬时位置的存储器设定为预定值。在US 6861817 B2所公开的停转状态检测设备中，通过交替驱动与转子上的多个磁极交互的至少第一线圈和第二线圈，将步进的旋转运动赋予步进电机的转子。当每个线圈从驱动向非驱动状态转换时，转子的持续运动使得在线圈中生成反向电动势。对由线圈所产生的电动势进行整流、积分，接着与阈值作比较，以确定电机的停转情况是否存在。在US72M140 B2中所公开的检测装置通过确定每个步进脉冲的电机绕组电流并确定特定步进脉冲的绕组电流是否符合预定标准，来检测步进电机中的停转。可通过测量在步进脉冲期间穿过ON场效应管的电压并使用假定的ON场效应管阻抗计算绕组电流，来确定电机绕组电流。所述预定标准可以是计算的电机绕组电流大于预定阈值，或大于前一脉冲多过预定阈值，或大于前一脉冲多过预定因数。
发明内容
本发明的目的是改进步进电机零点停转检测的现有方法。尤其是，本发明的一个目的是提供一种用于检测运转情况的方法和装置，尤其是一种用于检测步进电机的停转状态的方法和装置，该方法和装置可大范围应用于不同的步进电机而无需硬件的修改。为了达到此目的，本发明提供了一种检测步进电机的运转情况的方法，包括如下步骤在驱动线圈的非激活状态期间，将至少一个电磁驱动线圈的一个触脚经由高阻抗电阻连接到限定的电压源；检测非激活状态期间在所述驱动线圈处感应出的电压，并将所检测的电压转换成数字信号；以及对所述数字信号进行数字分析，并通过估测包括所述信号的正分量和负分量的信号波形来得到所述转子的运转情况。本发明的这一方法容许仅通过调整信号分析电路的软件参数，对具有不同感应电压特征的不同步进电机的停转状态进行可靠且相对简单的检测。这容许对于许多不同的步进电机使用相同的硬件配置，因而容许较低的开发和生产成本。根据本发明的一实施例，在所述驱动线圈的非激活状态期间，所述驱动线圈的一个触脚经由第一高阻抗电阻连接到操作电压(operating voltage)，并且另一触脚经由第二高阻抗电阻连接到地电压。可在一个所述触脚和所述地电压之间(或可选择地在所述驱动线圈的两个所述触脚之间)测量非激活状态期间在驱动线圈处感应出的电压。在本发明的另一个实施例中，在所述驱动线圈的非激活状态期间，所述驱动线圈的一个触脚经由第一高阻抗电阻连接到操作电压并经由第二高阻抗电阻连接到地电压。在另一触脚和地电压之间测量在所述驱动线圈处感应出的电压。对信号进行数字分析的步骤包括获得最小信号值和/或最大信号值、脉冲极性和 /或所述信号的积分或差分特性。在本发明的另一个实施例中，提供了所述步进电机的误差诊断步骤，其中在所述驱动线圈的非激活状态检测所述驱动线圈处的DC电压。本发明还提供了一种用于检测步进电机的运转情况的检测装置，该检测装置包括高阻抗电阻，连接在至少一个电磁驱动线圈的一个触脚和限定电压源之间；模数转换器，适于将被检测到的所述驱动线圈的非激活状态期间在所述驱动线圈处感应出的电压转换成数字信号；以及数字信号处理器，适于对所述数字信号进行数字分析，并通过估测包括所述信号的正分量和负分量的信号波形来得到所述转子的运转情况。
附图中以非限制的方式通过示例示出了根据本发明的方法和装置的各个方案，其中图1为步进电机的示意性视图，本发明可应用于该步进电机；图2示意性示出步进电机的运转原理；图3a和图北分别示出用于检测步进电机的运转情况的装置的第一实施例和第二实施例；图4示出根据本发明的用于检测步进电机的运转情况的方法的实施例的流程图；图5示意性示出在运转期间步进电机的驱动线圈的触脚(contact pin)处的电压；以及图6a和图6b示出在旋转期间和在停转状态中步进电机的驱动线圈的触脚处的测
量电压。
具体实施例方式下文中关联附图所作出的详细描述意在作为本发明各优选实施例的描述，而非意在表示可以实现本发明的仅有实施例。该详细描述包括用于提供彻底理解本发明的具体细节。然而，显而易见地，对本领域普通技术人员而言没有这些具体细节也可以实现本发明。 在某些实例中，以框图形式示出公知的结构和组成，以防止本发明的概念不清楚。本发明描述了一种用于步进电机零点停转检测的方法，还描述了一种检测电机线圈和步进电机控制器之间的错误连接的方法。这些方法是基于两相的步进电机加以说明， 但是这些方法还可应用于还具有更多线圈的任意其它类型。图1中示意性示出具有控制单元的步进电机10的实例。步进电机被广泛地使用， 尤其用于(如汽车中的)仪器应用，其中指针(needle) 16对仪器刻度的零点位置的精确调节是强制性的。为了这个目的，转子13必须被调节到固定的参考点，步进电机的机械停转或零点位置，例如图1中所示的停止点15。由于具有这样的一个参考点，从而不需要另外的传感器硬件来执行零点调节。控制单元向电机引脚传送电压，并控制生成磁场的驱动线圈11、12中的电流。该磁场吸引转子13上的永磁体的下一相反极，并使得其运动。通过应用特定的转换顺序(步进法)，生成使得转子13持续旋转的旋转磁场，如图2示意性所示。具有永磁体的旋转转子13在定子线圈11、12中感应出电压。根据旋转方向，这一电压可为正电平或负电平。如果转子13停转，则不存在感应现象或感应电压。当各线圈11、12由控制电路进行有源驱动(低阻抗)时，不能直接测量感应电压。 因此，应用了电气换相(electrical commutation)，该电气换相采用至少一个线圈被设置在高阻抗状态下的步进，其使得能够对感应电压进行测量。图3a和图北分别示出配置的第一和第二实施例，以测量在驱动线圈11中被感应出的电压。设置高阻抗的上拉和下拉电阻Rl和R2，以将线圈11放置在高阻抗状态下，其中高阻抗表示达成了 R1，R2 >>线圈的Rs的情况。拉动电阻Rl和R2将未供电线圈11连接到参考电压。通过这一方法，线圈被箝位到固定DC偏移电压，该固定DC偏移电压上叠加有感应AC电压。这一线圈上的感应电压被模数转换器(ADC)进行抽样，并被控制单元中的微处理器进行进一步处理。可以单端(仅在线圈的一个引脚处)或差分(在线圈的两个引脚P、M处)地完成测量。这种扩展性一方面容许系统的必需模拟通道数目更少，或另一方面使具有较高信噪比的更耐干扰的测量系统成为可能。步进电机的线圈11、12的触脚P、M(参见图1)被连接到控制单元的专用引脚。这些引脚能够驱动有源的高电压或低电压对一个(或多个)线圈供电。然而，在任意时间，至少一个线圈没有被控制单元驱动。在这种状态下，这个线圈的引脚被切换到高阻抗输入模式，并且上拉电阻和下拉电阻Rl和R2 (参见图3)把这些引脚连接到参考电压，典型为将一个引脚连接到控制单元的供电电压VDD并将另一引脚连接到地电势GND。通过对各引脚应用输入或输出模式，自动执行拉动电阻Rl和R2的连接和断开。因而，避免了在各线圈的驱动模式中的寄生电流。图3a示出根据本发明的电压测量配置的第一实施例。驱动线圈11与电阻R1、R2 串联连接。驱动线圈11的第一引脚P经由第一高阻抗电阻Rl连接到供电电压VDD，驱动线圈的第二引脚M经由第二高阻抗电阻R2连接到接地电压GND。图北中示出的电路配置还将线圈设定为DC偏移电压。其相对于图3a的电路的差别在于未供电线圈11并联连接到上拉/下拉电阻Rl、R2 (用于AC信号)。图3a和图北中示出的电路提供了用于测量的两个选择，因而容许根据应用需求的灵活调节电压VA P、VA M(图3a)或VB(图3b)的单端测量或电压Va(图3a)的差分测量。 如下的表1对这两种选择进行了比较
权利要求
1.一种检测步进电机的运转情况的方法，该步进电机包括磁性转子和至少两个用于引起所述转子进行旋转的电磁驱动线圈，该方法包括如下步骤在所述驱动线圈的非激活状态期间，将至少一个所述电磁驱动线圈的一个触脚(P，M) 经由高阻抗电阻(Rl，R2)连接到限定的电压源；检测所述非激活状态期间在所述驱动线圈处感应出的电压，并将所检测的电压转换成数字信号；以及对所述数字信号进行数字分析，并通过估测包括所述信号的正分量和负分量的信号波形来得到所述转子的运转情况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述运转情况为所述步进电机的停转状态。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述驱动线圈的非激活状态期间，所述驱动线圈的一个触脚(P)经由第一高阻抗电阻(Rl)连接到操作电压(VDD)，并且另一触脚(M) 经由第二高阻抗电阻(R2)连接到地电压(GND)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在一个所述触脚(P，M)和所述地电压(GND)之间测量所述非激活状态期间在所述驱动线圈处感应出的电压。
5.根据权利要求3所述的方法，其中在所述驱动线圈的两个所述触脚(P，M)之间测量所述非激活状态期间在所述驱动线圈处感应出的电压。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述驱动线圈的非激活状态期间，所述驱动线圈的一个触脚(P)经由第一高阻抗电阻(Rl)连接到操作电压(VDD)并经由第二高阻抗电阻(R2)连接到地电压(GND)，并且其中在另一触脚(M)和地电压(GND)之间测量在所述驱动线圈处感应出的电压。
7.根据权利要求1到6之一所述的方法，其中对所述信号进行数字分析的步骤包括获得最小信号值和/或最大信号值、脉冲极性和/或所述信号的积分或差分特性。
8.根据权利要求1到7之一所述的方法，还包括所述步进电机的误差诊断步骤，其中检测所述驱动线圈的非激活状态在所述驱动线圈处的DC电压。
9.一种用于检测步进电机的运转情况的检测装置，该步进电机包括磁性转子和至少两个用于引起所述转子进行旋转的电磁驱动线圈，该检测装置包括高阻抗电阻(Rl，R2)，连接在至少一个所述电磁驱动线圈的一个触脚(P，M)和限定电压源之间；模数转换器(ADC)，适于将所述驱动线圈的非激活状态期间在所述驱动线圈处被检测到的感应电压转换成数字信号；以及数字信号处理器，适于对所述数字信号进行数字分析，并通过估测包括所述信号的正分量和负分量的信号波形来得到所述转子的运转情况。
10.根据权利要求9所述的检测装置，其中所述运转情况为所述步进电机的停转状态。
11.根据权利要求9或10所述的检测装置，其中在所述驱动线圈的非激活状态期间，所述驱动线圈的一个触脚(P)经由第一高阻抗电阻(Rl)连接到操作电压(VDD)，并且另一触脚(M)经由第二高阻抗电阻(R2)连接到地电压(GND)。
12.根据权利要求9或10所述的检测装置，其中在所述驱动线圈的非激活状态期间，所述驱动线圈的一个触脚⑵经由第一高阻抗电阻(Rl)连接到操作电压(VDD)并经由第二高阻抗电阻(R2)连接到地电压(GND)。
全文摘要
一种步进电机，包括磁性转子和至少两个用于引起所述转子进行旋转的电磁驱动线圈。一种检测所述步进电机的运转情况(例如停转状态)的方法，包括如下步骤在所述驱动线圈的非激活状态期间，将至少一个电磁驱动线圈的一个触脚(P，M)经由高阻抗电阻(R1，R2)连接到限定的电压源；检测非激活状态期间在所述驱动线圈处感应出的电压，并将所检测的电压转换成数字信号；以及对所述数字信号进行数字分析，并通过估测包括所述信号的正分量和负分量的信号波形来得到所述转子的运转情况。
文档编号H03F1/02GK102210093SQ200880131951
公开日2011年10月5日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年11月11日
发明者凯·迪芬巴赫, 杰恩斯·瓦格纳, 沃尔夫冈·威韦西克, 约尔根·罗恩, 阿尔明·迪特里希, 马尔科·博登穆勒 申请人:富士通半导体股份有限公司