專利名稱：用于消除多相步進電機中停轉(zhuǎn)和嵌齒的方法和裝置的制作方法
用于消除多相步進電機中停#^嵌齒的方法和裝置
絲領域
本發(fā)明涉及步進電機，例如^f示;ii^"具有增加電動才;L^矩的多功能電動步
進電機裝配(Multi畫Functional Electric Stepper Motor Assembly Having Increased Motor Torque)"的US專利6^967,425和標題為"獨立控制多相步進電 才幾的每一相的方法和裝置(Method and Apparatus For Independently Controlling Each Phase of a Multi-Phase Step Motor)"的US專利6,879,128中所
描述的，上述專利扭膽*為參考。
背景鉢
通常與這種步進電才M目關聯(lián)的一個問M當相關聯(lián)的負^生的轉(zhuǎn)頭E^過
電才;^^^時，電4幾可能^f亭轉(zhuǎn)。
從一個穩(wěn)定位置逸酬一個新的穩(wěn)定位置的程度時所產(chǎn)生的另一問題被稱為"嵌
齒(cog)"。
當這種步進電機用于商業(yè)應用時，相關聯(lián)的設備所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩負^ 皮估算
以及步進電機的額定值接4ife^擇而使其超過估算負載高達百分U十iM^ 上述停轉(zhuǎn)或嵌齒的開始。
在標題為"具有減少嵌齒的永磁無刷DC電機(Permanent Magnet Brushless DC Motor Having Reduced Cogging)，，的US專利5^250,867中描述了
一種用于g電才;u^齒的產(chǎn)生的方法，其中電機定子^常規(guī)的結(jié)構(gòu)。
為了輛電機的等效負絲定值，通常輛一種包括數(shù)字信號處理器的反
饋電路，例如在標題為"位置控制電機的控制裝置(Control Apparatus for Position Control Motor)"的US專利6，121，744和標題為"用于大動態(tài)范圍的電機 ^f^的電才A^制系統(tǒng)(Motor Controller System for La巧e Dynamic Range of Motor Operation)"的US專利7,081,730中所描述的。
在大多氣虔用場合，用于防止停轉(zhuǎn)的反饋電路自身,皮并入祠月艮電才幾電路中，而不能與i^"的電枳^"^f吏用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提^""種簡單配置，由jtkitii^續(xù)的差J出JiJ^脈
控制電積4H^目對于電機定子的位置以在整個電積^t過程中^^停轉(zhuǎn)或嵌齒
的開始。
本發(fā)明的進一步的目的是提^^種附加針-定子控制電路，當賴附加或 變化的負載時，其能夠與現(xiàn)有電才順&置一起使用，也能夠使現(xiàn)有的電初逸應有 時可育fe^過電才;i^定值的負載。
M續(xù)的基j出上j^ 見步進電才幾的定^^之間^itt或滯后的關系，以確
定電才A4亭棘電才A^齒^A的可能。輛數(shù)字t嫩器來確定這種超前或滯后何
時等于或大，定值以及增量編碼器以反饋關系方式提供信息來防止電枳停轉(zhuǎn) 和電積嵌齒。
圖l是典型的步進電機系統(tǒng)的方塊圖2圖示具有插^電才;i^制器和電才;a區(qū)動IML間的控制裝置的圖i的系
統(tǒng)；
圖3是電才;1#矩關于#^-定子的^^多的函數(shù)的圖形表示；
圖4是適用于消除停#^嵌齒的圖2的控制裝置的方塊圖5 A^示在圖2的控制裝置中^JD的〗'齡狀態(tài)邏輯的^f呈圖；以及
圖6;l^示在圖2的控制裝置中使用的滯后^JHE輯的^f呈圖。
在參考圖1和圖2所示的本發(fā)明的電路元件之前，圖3所示的以下4言息省 助于^f^l ^^發(fā)明。
圖3表示作為步進電機-步進電機定子^^多步(displacement step)的函數(shù) 的步進電才;1#頭 出波形9。
如圖3所示，當針超前或滯后定子達一*步時，步進電機產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。當4H"超前或滯后i^'J等于2個全步時，電才成于非常;Rt定的狀態(tài)。如 果允許#^超前或滯后接近等于2 *步，則襯可^^J'J下一^Hfe定位置。
如^Ji述情;;Ll生，可能會失去指示的(命令，commaned )換向頻率和實際的 ^M牟之間的同步。
為了消1^1種可能性，#^必須##^^急定區(qū)域中，該穩(wěn)定區(qū)錄明其中 旨超前或滯后定子一個全步iS^近-H^步，由此電機產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。
在一個典型的單環(huán)伺m^l^中，產(chǎn)生了與轉(zhuǎn)子的超前或滯后成比例的^t 信號。該誤差用于計算電機必須移動的新逸變以便使誤差最小化。在一個需要 對負載變化tfe4響應或'fel^的系統(tǒng)中需要大量的處itt^制系統(tǒng)。
通過^^反^^置如增量編碼器，能夠檢測例如射的位置。通it^轉(zhuǎn) 子位置和指示的位置，能夠計算出滯后(#^#定子后)。只要計算出的滯后 等于或小于一個全步，則電枳將繼續(xù)與所應用的換向同步旋轉(zhuǎn)。如果滯后超過 一個全步，則定子必須等^^^^Lh，或者針i^^一個不穩(wěn)定位置，此時可
能會ic^嵌齒，或者電機可能停轉(zhuǎn)。
ft^^^且中電流的變化，步進電機以離散步移動以產(chǎn)生順時針或逆時針的
運動。才娥電流變化的+^t和^口在電才;^上的負載，電才W夸以有P隨目進行 旋轉(zhuǎn)。上述增量編碼器提^-"個全步io個J3^t以;sju于^^子換向的波形包
括^"個全步10個微步。
在定子換向時，，WH"相對于定子的位置。當4H"和定子之間開始出現(xiàn)
滯后時，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。只要轉(zhuǎn)頭E^i^多動^口在電才;Ui的負載所需要的數(shù)目(數(shù)
量)，針柳臺旋轉(zhuǎn)。
當電才;Ut轉(zhuǎn)時，針和定子之間的偏差或"a"的數(shù)目^L^新。只^#^和 定子之間的厶##在數(shù)目io (—個全步)或低于io，無動作。如果#^定 子之間的a想iJ數(shù)目u，脅在電才;Ui的負載已變得大于在換向頻率處可提供 的轉(zhuǎn)矩，襯滯后或超前必須'KX到數(shù)目io或更少。
當it^t在滯后狀態(tài)時，定子的換向停止，并且##在最終電流等級以給 ^^tJi的初會，當#^和^_子之間的a下降至數(shù)目io或低于io，只m目 ##在10或低于10，定子的換向^l維續(xù)。當再次ii^數(shù)目11，換向?qū)⒃俅瓮?止以等待^^Ji。
如果a數(shù)目ii^12，則4H"已停止，并且已開始與指示的旋轉(zhuǎn)方向反向旋轉(zhuǎn)。如果允^N速續(xù)，則針開始移動更接近一個不穩(wěn)定位置。如^11述情;議 生，則4H"會^J'Jii^嵌齒的新的穩(wěn)定位置。為了防止上述情;;L^，與指示
的方向相反^a亍一個微步。i!4奪定子在換向4f，止后重^i^與4H4^^在數(shù)目 11內(nèi)，如Ji^斤述，或者直到數(shù)目下J^fiJ io時換向繼續(xù)，或者直到數(shù)目增加到 12，再次進4封目反方向的步。
超前狀態(tài)(#^超前定子)的處理方式不同。超前狀態(tài)可能由于多種原因 而產(chǎn)生，例如高減速率，或負載開始變得減少。在^f可一種情況下，針傾向 于超前定子。當在滯后狀態(tài)下時，直到超前數(shù)目超過io (—恒步)才有動作 發(fā)生，其產(chǎn)生最大數(shù)目的轉(zhuǎn)矩。但是，與滯后狀態(tài)不同，定子沒有停止，因為 停止定子換向^ii^A增加，使得電^^頭Eii—步減小。
如^H"超前數(shù)目增加到U，為了^W^大轉(zhuǎn)矩以及防iii^iiA—種不
穩(wěn)定位置，可在指示的方向上插入一個微步，其中該不穩(wěn)、定的位置可*戰(zhàn)成不
期望地向前逸,'jit^嵌齒的新的穩(wěn)定位置。這〗紋子超前在數(shù)目io之內(nèi)以保
持定子在最大轉(zhuǎn)矩的位置上，此時只^^前狀態(tài)存在數(shù)目io和低于io，轉(zhuǎn)向?qū)?繼續(xù)。
4^前和電機強制反轉(zhuǎn)的^-~種情況下，通過分別^#襯和定子之間超
前和滯后位置，對#^淑口破斷力(breaking force) a制已變得比電枳所能 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大的負栽。
通過增加一^H十數(shù)器，用于##^出給電才>^區(qū)動器的指示的步和實際的步 數(shù)目之間的偏差，Jiii^r法能作為定位系統(tǒng)來工作。當電機受到限制時通過插 入丟失的步，電枳將定位于指示的數(shù)目的步。由于插入的步，必要的話#制
最;Uoi^斤插入的步和電積it^之間采用可變的定時。在/ 為^#控制裝置
處于位置控制的情況下，步的偏差還育^皮保存，并可用于控制裝置。
還能產(chǎn)生診斷信號以指示定子處于^^莫^^等待4H^Ji。當與定時器
連接時，還產(chǎn)生信號，該信號告知絲明鎖定針的狀態(tài)存在的特定時段期間
4H"沒有超前。如^H"和定子之間的滯后以另一個數(shù)目增加，則產(chǎn)生信號，
該信號指示^"已^r向旋轉(zhuǎn)以及負^^口的轉(zhuǎn)矩已變得大于電機能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
^Mv^^前的情況下，能產(chǎn)生信號，該信號指示定子相對于表明負^^口 的轉(zhuǎn)矩已變得大于電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的輸入步指示(命令)A^前的。#參照下面的圖1-2和圖4^6能更容易,本發(fā)明。
在圖1中圖示的典型步進電積跳置10勤以于^Ji述US專利6^967,425所 描述的，其中電才膽制器ll產(chǎn)生先前描述的步i^辦和方向信號，并且向電機 驅(qū)動器12提供J3^t^M言號。電才M區(qū)動H^著通艦碼器13產(chǎn)生在電機14中驅(qū) 動電才MPH^斤需的換向信號，致使電才A^ 15以指示的it^和方向旋轉(zhuǎn)負載16。
圖2中圖示出一種刻以步進電機的配置IO，具有本發(fā)明的控制裝置17,其 插在產(chǎn)生指示的步和方向的電枳控制器11以及包括用于通艦碼器13使電機 14換向的電源裝置的電才M區(qū)動器12之間?？刂蒲b置17接Jim碼器產(chǎn)生的指示 轉(zhuǎn)子方向的樂辦信號，以;SJ^自電積控制器11的指示的步和方向信號。
前面提到的用于消除停#^嵌齒的控制裝置17具體如圖4所示。
a計料元18計算在圖2的電機14中#^定子之間的位5^前或滯后， 并將所需數(shù)據(jù)輸A^tb^單元19以指示超前或滯后何時小于或大于數(shù)據(jù)^t單 元20所提供的i議限值?！?蹄狀態(tài)邏!樣元21接Jl緣自》b^單元的輸入，以 才娥電機14中定^^襯的位置偏差iW目應的絲，
鷓參照圖24能狄^j^制裝置17的棘
圖3所示的轉(zhuǎn)子-定子位移步(14)表示指示的定子位置和實際M位置 之間的a。當向電才;i4區(qū)動器12提條步時，通過圖4所示的順序狀態(tài)邏#^元 21，電機定子超前一個位置。這樣的順序才^l提供給電才;a區(qū)動器12的每4個全 步重復一次。 一個編碼器步表示4H"位置增加一次。對于本實施例而言，圖2 所示的電;fea區(qū)動器12以微步模式10辦，即，提供給電才M區(qū)動器10的每10 個步將^U^前一個全電才幾步。
編碼器13是一個增量編碼器，當與每轉(zhuǎn)200全步的時，該增 量編碼l^f吏用500行(line)以^^一個全電機步的4H4t動產(chǎn)生10個編碼器 步。容易麟的是,控制裝置17將以不同電機步比和不同編碼^f亍數(shù)進^^t。
圖4所示a計料元18 兩個輸入18A、 18B并產(chǎn)生一個輸出18C。 △ 計鮮; t^ 18A的第一個輸入提供來自于圖2所示編碼器13的編碼H^號，其 表示電機14中針的位置。
△計算單元在18B的第二^T入提供來自于順序狀態(tài)邏豐樣元21的步和方 向信號。
a計^it^ 18C的輸出4^供a ， JH^的4H"位置和定子位置之間偏差數(shù)目，表示輸AS撲b^單元19的針超前或滯后。tb^單元19判定圖2所示轉(zhuǎn) 子15的超前或滯后是否大于通過數(shù)據(jù)^^單元20提供給tb^器的i&P艮值， 以及4W列如指示超前或滯后是否超出限值的信,I^A^',狀態(tài)邏解元21 。 i!E超前或滯后的限值被iM為超前+ 10;5U^后-10，從而當偏差等于或大于 +11時向〗i蹄狀態(tài)邏4樣;^旨示超出超前P艮值的情況，以及當偏差等于或小于 -ll時向順序狀態(tài)邏#^^旨示超出滯后限值的情況。
力峰狀態(tài)邏#^元21包括兩個輸入21A， 21B并產(chǎn)生一個輸出21C。輸入 21A^t供由圖2所示電枳控制器11提供的指示的步和方向信號，以及^T入21B ^^由t嫩器19提供的超前或滯后信息，如前所述。
輸出21C向圖2所示電才M區(qū)動器12提供相應的步和方向信號以便^iL^ 電機14延伸的電才;i^軸15的樹和方向并^t些信號扭續(xù)的差J出上傳送回 a計料元18。
在圖5中示出在',狀態(tài)邏#^元21中的^p呈圖22，用于控制電才;i^ 和電機定子之間的關系來防止電枳停轉(zhuǎn)，，如下
主循環(huán)(23)指示圖4所示a計#元18在(24)獲得來自于編碼l^f言號 的a-下文中由定子數(shù)減去針數(shù)的"D"，并且判斷D是否大于數(shù)目10 (25)。
如果D大于10，則存在滯后狀態(tài)，其必須通過圖6所示滯后校正(26，) 的^f呈圖進^fm^ (26)。
如果D不大于數(shù)目10，則判斷D是否小于數(shù)目-ll (27)。如果D不小于 數(shù)目-11，則指示的步和方向數(shù)據(jù)凈iLyci傳ill^圖4所示的電才A4區(qū)動器12(29)。
如果D小于數(shù)目-ll，則存^^前狀態(tài)，定子向前移動一個微步，指示的步 和方向!Bt據(jù)不Ai^i^電^l4區(qū)動器12并在指示的步和方向ltt^Mi^i^ 圖4所示電4M區(qū)動器12之前判斷D是否小于數(shù)目-11 (27 )。
滯后校正(26，)的沐詳呈圖:i口圖6所示;SJ^t如下。
停止指示的步和方向功能(30)并且停止定子換向(31)以允許^HMLh 定子和再綠得D (32)。
判斷D;^否大于數(shù)目10 (33)，如果否，則已不再^"在滯后，并JX子換
向,皮再次啟動(34)同時允許指示的步和方向信號輸入到電才;a區(qū)動器。
如果D大于數(shù)目10,則判斷D^i否大于數(shù)目11 (35)。如果D不大于數(shù) 目11,則定子繼續(xù)^#^亭止(31)且再〉A^得D (32)。如果D大于數(shù)目IO且大于數(shù)目11，則定子反向旋#-個微步(36)且再 雄得D (32)。
如果D大于數(shù)目ll，電才版向旋轉(zhuǎn)iUt子減少一個微步(25)。 ;Ml描述了 一個用于控制電才MH"^定子操怍以防止電枳俜#^嵌齒的簡 單配置。上^法表明適用于2相旋轉(zhuǎn)步進電機，但任意一種多相直線或旋轉(zhuǎn)
步進，或^，J電才;^it用。
雖^MHf了-^ 500 ^^#^曾量編碼器和一種利用步進電才;1^#200 的每步10個微步的微步^，但是可采用不同編碼器類型和數(shù)目以及不同微步 方案4^^尋刻以的結(jié)果。
權(quán)利要求
1、一種用于控制步進電機旋轉(zhuǎn)的方法，包括以下步驟在所述電機旋轉(zhuǎn)時連續(xù)地確定步進電機中的定子相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置；以及當超過第一預定數(shù)值且所述轉(zhuǎn)子滯后于所述定子時延遲所述定子的旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)最優(yōu)化電機性能。
2、 N5U'J^求1所述的方法，包括以下步驟，當所述襯以第二預定數(shù)值 超前所狄子時，以所述第"H^定數(shù)值增加所狄子的旋轉(zhuǎn)刺橫所ii^優(yōu)化電才;o性能。
3、 力w^'j要求2所述的方法，包括以下步驟，當所狄子以第三預定數(shù)值 滯后所述針時，以第二預定數(shù)m向旋轉(zhuǎn)所奴子來絲所i^L優(yōu)化電機性能。
4、 fc^U'J要求3所述的方法，其中所述電才;Ut轉(zhuǎn)定義了步的總數(shù)目，從而 所錄一、第二和第三預定數(shù)值包括所述步中的一個來4械所ii^優(yōu)化電機f生 能。
5、 一種用于:^供步進電枳^^^/f匕性能的電路，包拾針-定子控制電路，連接在步進電才;i^制器、步進電才;^區(qū)動器和步進電機 之間，所述步進電機定義了其中每轉(zhuǎn)的步的總數(shù)目；以及位于所述^H"-定子控制電路中的裝置，用于確保所述步進電機中的#^相 對于所述步進電機中的定子的滯后小于或等于所述步中的一個以最優(yōu)化所述步 進電才;^生能。
6、 M5U，虔求5所述的電路，其中位于所述襯定子控制電路中的所錄 置進一步確保所述^H"相對于所^子的超前小于或等于所迷一個步以最^^f匕 所述步進電機性能。
7、 ftwM，J要求5所述的電路，其中位于所述針-定子控制電路中的所述裝置包^-"個增量編碼器。
8、 H5^'J^求3所述的電路，其中所述針-定子控制電路^"對》嫩器。
9、 MM，漆求3所述的電路，其中所述M-定子控制電路進一步包括用于確^^斤述^^所it^子之間的旋轉(zhuǎn)位置和方向的偏差的M。
10、 一種適配器電路，其允i^^l具有最大電枳顙定值的步進電機以便暫時超順錄大額定值而朋，包拾針-定子控制電路，其iM為與步進電才M目連接以接餘所述步進電機內(nèi) 針和定子的位置狀態(tài)；a電路，用于確^^斤述#^所狄子之間旋轉(zhuǎn)位置和方向的偏差；一對數(shù)字t嫩器，其與所述a電路的輸出相連接以確^^斤述針和所狄 子之間超前或滯后狀態(tài)；以及邏輯裝置，其與所述tb^器連接并與步進電;M區(qū)動器連接，所述驅(qū)動器向 所述針和所狄子提供辦電流，由jt誠制所述針滯后所狄子一個固定 位置以艤所述停轉(zhuǎn)步進電機。
11、 ft^U'J要求10所述的適配器電路，其中所狄^^皮控制滯后所述襯 所述固定位置以i^L嵌齒所述步進電機。
12、 ^^U，J^求10所述的適配器電路，其中所狄^i皮控制超前所述襯所述固定位置以i^嵌齒所述步進電機。
13、 H5UU要求10所述的適配器電路，其中所述a電路包樹量編碼器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于消除多相步進電機中停轉(zhuǎn)和嵌齒的方法和裝置。其中通過一個增量編碼器以反饋關系在連續(xù)的基礎上監(jiān)視步進電機的定子和轉(zhuǎn)子之間超前和滯后的關系，并在最優(yōu)范圍值內(nèi)調(diào)節(jié)超前或滯后以由此防止電機停轉(zhuǎn)和電機嵌齒。
文檔編號H02P8/00GK101542893SQ200780040570
公開日2009年9月23日 申請日期2007年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月30日
發(fā)明者戴維·庫圖 申請人:戴維·庫圖