控制器、專用集成電路、步進電機、致動器及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于驅動步進電機的控制器、專用集成電路、步進電機、致動器以及它們的應用。
【背景技術】
[0002]由于存在由尚散的步進序列引起的振動，步進電機固有地具有噪聲大的缺點。已有的一類步進電機控制器用于開環操作，其結構簡單，成本低。然而，這類步進電機的尺寸和功率都必須超要求配置以防止任何失步。這種對電機的控制方式不考慮電機的實際動態而具有局限性，產生的后果之一便是大的轉矩脈動，而轉矩脈動會轉化為噪聲。此外，過大的輸入功率意味著大的浪費。
[0003]已有的另一類步進電機控制器基于無傳感器換向，在此換向方式中，通過對驅動系進行探測以獲得反電動勢(back electromotive force)，并試圖獲得轉子位置和相應的調節換向序列。這種換向方式無需在轉子外部進行位置感應，十分方便。然而，這種方式僅在有限的運行條件下才比較穩定，而當負載快速變化時(例如電機運行至止動結構時就會產生此種情況)，則難以適用。此外，這類控制器為了調速和產生正弦波電流，需要微處理(microprocessing)技術。另一個問題是，當電機停頓而不產生反電動勢時，無法獲知轉子位置，在開環模式下啟動程序必須運行。
[0004]在無刷直流電機中，采用數字霍爾傳感器(Digital Hall Sensor)檢測轉子位置。數字霍爾傳感器輸出的位置信息是離散的，并非連續的。為了產生一個平穩運轉的磁場，需要相當精確的微處理和邏輯控制。然而，數字電子器件易于由于諸如編碼錯誤、條件定義錯誤、電磁干擾或者高溫而導致發生錯誤。估計算法在快速變化的情況發生時(例如電機發生堵轉或自動反向轉動時)經常不能可靠計算出位置和速度，在低速或者速度為零時，對位置和速度的估算變得十分不準確。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種簡化的控制器，其可使步進電機在被驅動時振動較小，實現以可靠、穩健地方式驅動步進電機，尤其是在啟動步進電機時。
[0006]本發明的控制器，用于步進電機，所述步進電機具有磁性的轉子和至少一個線圈；所述控制器包括:功率級電路，用于向所述至少一個線圈提供電流；至少一個模擬霍爾傳感器，用于根據所述轉子相對于所述霍爾傳感器的位置而輸出信號；以及第一反饋支路，用于將所述霍爾傳感器連接至所述功率級電路以將所述霍爾傳感器的輸出信號反饋至所述功率級電路，所述功率級電路根據所述霍爾傳感器的輸出信號向所述至少一個線圈提供電流。
[0007]所述控制器包括用于驅動步進電機的功率級電路，一條反饋支路將所述功率級電路同至少一個模擬霍爾傳感器連接而形成閉環電路。此種設計的優點是將反饋信號傳送至所述功率級電路，使得步進電機的運動方式在振動、由振動產生的噪聲、效率以及操作穩定性方面得以改進。由于可以優化步進電機的驅動過程，無需為了防止失步而超要求地配置電機的尺寸。也就是說，相對于用于相同應用的已有步進電機，本發明的步進電機的尺寸和功率都可以更小。進一步地，所述控制器可以被設計成能確保轉子的運轉可靠和精確，尤其是啟動位于停止位置的轉子或者使轉子轉向停止位置，所述停止位置例如由止動結構界定。
[0008]優選的，本發明進一步提供包括速度控制級電路的另一個閉環電路，所述速度控制級電路用于產生一個參考信號以調節霍爾傳感器輸出信號的幅度，由此，電機的轉速可被調節至期望值。另外，由溫度變化導致的磁通變化或線圈阻抗變化可以被抵消。
[0009]本發明還提供一種包含控制器的步進電機、一種專用集成電路、一種致動器以及一種用于供暖、通風和/或空調系統的應用。
[0010]以下將通過示例性實施例和附圖來詳細說明本發明。
【附圖說明】
[0011]圖1示出了本發明一個控制器實施例的電路框圖；
[0012]圖2示出了轉子和第一霍爾傳感器的示意圖，其中標識出了第二霍爾傳感器可能的位置；
[0013]圖3示出了兩個霍爾傳感器的輸出信號波形圖，其中，第二霍爾傳感器位于圖2所示的位置42處；
[0014]圖4示出了兩個霍爾傳感器的輸出信號波形圖，其中，第二霍爾傳感器位于圖2所示的位置43處；
[0015]圖5示出了用于相同應用的一個常規電機的和一個包含本發明控制器的電機的轉矩-速度圖；
[0016]圖6示出了一個包含本發明控制器的步進電機的透視圖；
[0017]圖7示出了一個包含圖6所示步進電機的致動器的透視圖；
[0018]圖8示出了同一個電機分別被一個常規控制器驅動時和被一個本發明控制器驅動時檢測到的噪聲水平的對比圖。
【具體實施方式】
[0019]圖1示出了一個用于驅動步進電機的控制器電路I的框圖，步進電機的轉動方向和轉速可以預設。該步進電機包括轉子，轉子具有一個多磁極的磁體10，典型的，磁體10至少具有4個磁極，可以為6個以上的磁極，或8個以上，優選地，具有不少于10個磁極。電路包括一個模擬霍爾傳感器11，模擬霍爾傳感器11的輸出信號隨著其所檢測到的磁場的變化而變化，并且，作為模擬電子器件，其直接輸出電壓信號。傳感器11的存在使得對位于電氣單元中的磁體10的角度位置的檢測是通過非接觸方式完成的。
[0020]控制器電路I形成了一個閉環電路。具體的，控制器電路I包括功率級電路20和第一反饋支路12a，第一反饋支路12a將傳感器11通過一個用于調節增益的器件連接至功率級電路20的輸入端，該用于調節增益的器件例如是乘法器13。
[0021]功率級電路20形成了一個電壓控制的電流源，其含有另一個反饋回路。功率級電路20包括濾波器21和功率放大器22，濾波器21可以包括一個比例積分控制器(Proport1nal-1ntegral Controller,PI Controller)，功率放大器22包括一個輸出端23和一個第二反饋支路24，功率放大器22的輸出端23用于與電機的線圈連接，第二反饋支路24將功率放大器22的輸出信號反饋回功率級電路20的輸入端。功率級電路20的輸入端處具有一個比較器25，用于分別接收乘法器13的輸出信號和功率級電路20的輸出信號并進行比較。
[0022]功率放大器22的運行例如是基于脈沖寬度調制(Pulse Width Modulat1n, PffM)，以控制提供給負載(例如線圈)能量，通過以高頻率切換開、關狀態來實現該控制，用占空比調制提供給負載的平均電壓，也即提供能量。
[0023]控制器電路I進一步包括第三個反饋回路。具體的，一個第三反饋支路12b將傳感器11連接至速度控制級電路30的第一輸入端。在第三反饋支路12b中接入有一個頻率-電壓轉換器14。速度控制級電路30包括一個用于接收外部信號的第二輸入端36、比較器35、比例積分控制器31和連接至乘法器13的限幅器32。比例積分控制器31和限幅器32均屬于調節器件，它們界定了第三反饋回路的動態響應。
[0024]所述外部信號界定了轉子轉速的期望值，它可能是，例如，由用戶觸發產生。該信號的值例如可以是恒定值或者是隨時間變化的值，這取決于具體應用的需要。
[0025]在運行過程中，模擬霍爾傳感器11根據磁體的極化方式和位置產生一個電壓信號。對于一個沿軸向磁化的多極環形磁體，其產生的電壓信號具有與反電動勢相一致的正弦波形狀，該反電動勢例如是在線圈中轉動的磁體10引起的。霍爾傳感器11輸出