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CN101542893B - 用于消除多相步进电机中停转和嵌齿的方法和装置 - Google Patents

用于消除多相步进电机中停转和嵌齿的方法和装置 Download PDF

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Abstract

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。

Description

用于消除多相步进电机中停转和嵌齿的方法和装置
技术领域
本发明涉及步进电机，例如在标题为“具有增加电动机转矩的多功能电动步进电机装配(Multi-Functional Electric Stepper Motor Assembly HavingIncreased Motor Torque)”的US专利6,967,425和标题为“独立控制多相步进电机的每一相的方法和装置(Method and Apparatus For IndependentlyControlling Each Phase of a Multi-Phase Step Motor)”的US专利6,879,128中所描述的，上述专利在此结合作为参考。
背景技术
通常与这种步进电机相关联的一个问题是当相关联的负载产生的转矩超过电机额定值时，电机可能会停转。
当相关联的负载造成电机转子比电机定子超前或者滞后达到以致于使转子从一个稳定位置跳到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载被估算以及步进电机的额定值接着被选择而使其超过估算负载高达百分之五十来延迟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 MagnetBrushless DC Motor Having Reduced Cogging)”的US专利5,250,867中描述了一种用于延迟电机嵌齿的产生的方法，其中电机定子采用常规的结构。
为了采用电机的等效负载额定值，通常采用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 forPosition Control Motor)”的US专利6,121,744和标题为“用于大动态范围的电机操作的电机控制系统(Motor Controller System for Large Dynamic Range ofMotor Operation)”的US专利7,081,730中所描述的。
在大多数应用场合，用于防止停转的反馈电路自身被并入伺服电机电路中，而不能与现有的电机一起使用。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种简单配置，由此通过在连续的基础上监视和控制电机转子相对于电机定子的位置以在整个电机操作过程中延迟停转或嵌齿的开始。
本发明的进一步的目的是提供一种附加转子-定子控制电路，当采用附加或变化的负载时，其能够与现有电机配置一起使用，也能够使现有的电机适应有时可能超过电机额定值的负载。
在连续的基础上监视步进电机的定子和转子之间超前或滞后的关系，以确定电机停转和电机嵌齿发生的可能。采用数字比较器来确定这种超前或滞后何时等于或大于预定值以及增量编码器以反馈关系方式提供信息来防止电机停转和电机嵌齿。
附图说明
图1是典型的步进电机系统的方块图；
图2图示具有插入在电机控制器和电机驱动器之间的控制装置的图1的系统；
图3是电机转矩关于转子-定子的位移的函数的图形表示；
图4是适用于消除停转和嵌齿的图2的控制装置的方块图；
图5是表示在图2的控制装置中使用的顺序状态逻辑的流程图；以及
图6是表示在图2的控制装置中使用的滞后校正逻辑的流程图。
具体实施方式
在参考图1和图2所示的本发明的电路元件之前，图3所示的以下信息有助于更好地理解本发明。
图3表示作为步进电机-步进电机定子位移步(displacement step)的函数的步进电机转矩输出波形9。
如图3所示，当转子超前或滞后定子达一个全步时，步进电机产生最大转矩。
当转子超前或滞后达到等于2个全步时，电机处于非常不稳定的状态。如果允许转子超前或滞后接近等于2个全步，则转子可能跳到下一个稳定位置。如果上述情况发生，可能会失去指示的(命令，commaned)换向频率和实际的转子频率之间的同步。
为了消除这种可能性，转子必须保持在稳定区域中，该稳定区域表明其中转子超前或滞后定子一个全步或接近一个全步，由此电机产生最大转矩。
在一个典型的单环伺服机构中，产生了与转子的超前或滞后成比例的误差信号。该误差用于计算电机必须移动的新速度以便使误差最小化。在一个需要对负载变化快速响应或快速反应的系统中需要大量的处理来控制系统。
通过使用反馈装置如增量编码器，能够检测例如转子的位置。通过获知转子位置和指示的位置，能够计算出滞后(转子拖在定子后)。只要计算出的滞后等于或小于一个全步，则电机将继续与所应用的换向同步旋转。如果滞后超过一个全步，则定子必须等待转子赶上，或者转子进入一个不稳定位置，此时可能会发生嵌齿，或者电机可能停转。
随着绕组中电流的变化，步进电机以离散步移动以产生顺时针或逆时针的运动。根据电流变化的幅值和施加在电机轴上的负载，电机将以有限数目进行旋转。上述增量编码器提供每一个全步10个脉冲以及用于使定子换向的波形包括每一个全步10个微步。
在定子换向时，观察转子相对于定子的位置。当转子和定子之间开始出现滞后时，产生转矩。只要转矩超过移动施加在电机上的负载所需要的数目(数量)，转子将开始旋转。
当电机旋转时，转子和定子之间的偏差或“Δ”的数目被更新。只要转子和定子之间的Δ保持在数目10(一个全步)或低于10，无动作。如果转子和定子之间的Δ达到数目11，施加在电机上的负载已变得大于在换向频率处可提供的转矩，转子滞后或超前必须恢复到数目10或更少。
当这发生在滞后状态时，定子的换向停止，并且保持在最终电流等级以给转子赶上的机会，当转子和定子之间的Δ下降至数目10或低于10，只要数目保持在10或低于10，定子的换向将继续。当再次达到数目11，换向将再次停止以等待转子赶上。
如果Δ数目达到12，则转子已停止，并且已开始与指示的旋转方向反向旋转。如果允许继续，则转子开始移动更接近一个不稳定位置。如果上述情况发生，则转子会跳到造成嵌齿的新的稳定位置。为了防止上述情况发生，与指示的方向相反执行一个微步。这将定子在换向停止后重新设定与转子保持在数目11内，如上所述，或者直到数目下降到10时换向继续，或者直到数目增加到12，再次进行相反方向的步。
超前状态(转子超前定子)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。在任何一种情况下，转子倾向于超前定子。当在滞后状态下时，直到超前数目超过10(一个全步)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，因为停止定子换向仅造成Δ增加，使得电机转矩进一步减小。
如果转子超前数目增加到11，为了保持最大转矩以及防止转子进入一种不稳定位置，可在指示的方向上插入一个微步，其中该不稳定的位置可能造成不期望地向前跳跃到造成嵌齿的新的稳定位置。这使定子超前在数目10之内以保持定子在最大转矩的位置上，此时只要超前状态存在数目10和低于10，转向将继续。
在超前和电机强制反转的任一种情况下，通过分别保持转子和定子之间超前和滞后位置，对转子施加破断力(breaking force)来控制已变得比电机所能产生的转矩大的负载。
通过增加一个计数器，用于保持输出给电机驱动器的指示的步和实际的步数目之间的偏差，上述方法能作为定位系统来工作。当电机受到限制时通过插入丢失的步，电机将定位于指示的数目的步。由于插入的步，必要的话在控制最大加速所插入的步和电机速度之间采用可变的定时。在优选为保持控制装置处于位置控制的情况下，步的偏差还能被保存，并可用于控制装置。
还能产生诊断信号以指示定子处于保持模式来等待转子赶上。当与定时器连接时，还产生信号，该信号告知在表明锁定转子的状态存在的特定时段期间转子没有超前。如果转子和定子之间的滞后以另一个数目增加，则产生信号，该信号指示转子已反方向旋转以及负载施加的转矩已变得大于电机能产生的转矩。
在存在超前的情况下，能产生信号，该信号指示定子相对于表明负载施加的转矩已变得大于电机产生的转矩的输入步指示(命令)是超前的。
现在参照下面的图1-2和图4-6能更容易理解本发明。
在图1中图示的典型步进电机配置10类似于在上述US专利6,967,425所描述的，其中电机控制器11产生先前描述的步进脉冲和方向信号，并且向电机驱动器12提供脉冲和信号。电机驱动器接着通过编码器13产生在电机14中驱动电机相位所需的换向信号，致使电机轴15以指示的速度和方向旋转负载16。
图2中图示出一种类似步进电机的配置10’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机控制器11以及包括用于通过编码器13使电机14换向的电源装置的电机驱动器12之间。控制装置17接收编码器产生的指示转子方向的脉冲信号，以及来自电机控制器11的指示的步和方向信号。
前面提到的用于消除停转和嵌齿的控制装置17具体如图4所示。
Δ计算单元18计算在图2的电机14中转子和定子之间的位置超前或滞后，并将所需数据输入到比较单元19以指示超前或滞后何时小于或大于数据存储单元20所提供的设定限值。顺序状态逻辑单元21接收来自比较单元的输入，以根据电机14中定子和转子的位置偏差采取相应的措施。
现在参照图2-4能最好地理解控制装置17的操作。
图3所示的转子-定子位移步(1-4)表示指示的定子位置和实际转子位置之间的Δ。当向电机驱动器12提供全步时，通过图4所示的顺序状态逻辑单元21，电机定子超前一个位置。这样的顺序根据提供给电机驱动器12的每4个全步重复一次。一个编码器步表示转子位置增加一次。对于本实施例而言，图2所示的电机驱动器12以微步模式10操作，即，提供给电机驱动器10的每10个步将被超前一个全电机步。
编码器13是一个增量编码器，当与每转200全步的电机一起使用时，该增量编码器使用500行(line)以便为一个全电机步的转子运动产生10个编码器步。容易理解的是，控制装置17将以不同电机步比和不同编码器行数进行操作。
图4所示Δ计算单元18使用两个输入18A、18B并产生一个输出18C。Δ计算单元在18A的第一个输入提供来自于图2所示编码器13的编码器信号，其表示电机14中转子的位置。
Δ计算单元在18B的第二个输入提供来自于顺序状态逻辑单元21的步和方向信号。
Δ计算单元在18C的输出提供Δ，此后的转子位置和定子位置之间偏差数目，表示输入到比较单元19的转子超前或滞后。比较单元19判定图2所示转子15的超前或滞后是否大于通过数据存储单元20提供给比较器的设定限值，以及将例如指示超前或滞后是否超出限值的信息输入到顺序状态逻辑单元21。这里超前或滞后的限值被设置为超前+10及滞后-10，从而当偏差等于或大于+11时向顺序状态逻辑单元指示超出超前限值的情况，以及当偏差等于或小于-11时向顺序状态逻辑单元指示超出滞后限值的情况。
顺序状态逻辑单元21包括两个输入21A，21B并产生一个输出21C。输入21A提供由图2所示电机控制器11提供的指示的步和方向信号，以及输入21B接收由比较器19提供的超前或滞后信息，如前所述。
输出21C向图2所示电机驱动器12提供相应的步和方向信号以便校正从电机14延伸的电机转轴15的转动和方向并把这些信号在连续的基础上传送回Δ计算单元18。
在图5中示出在顺序状态逻辑单元21中的流程图22，用于控制电机转子和电机定子之间的关系来防止电机停转，操作如下：
主循环(23)指示图4所示Δ计算单元18在(24)获得来自于编码器信号的Δ-下文中由定子数减去转子数的“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’)的流程图进行校正(26)。
如果D不大于数目10，则判断D是否小于数目-11(27)。如果D不小于数目-11，则指示的步和方向数据被允许传送给图4所示的电机驱动器12(29)。
如果D小于数目-11，则存在超前状态，定子向前移动一个微步，指示的步和方向数据不允许传送给电机驱动器12并在指示的步和方向数据被允许传送给图4所示电机驱动器12之前判断D是否小于数目-11(27)。
滞后校正(26’)的流程图如图6所示及操作如下。
停止指示的步和方向功能(30)并且停止定子换向(31)以允许转子赶上定子和再次获得D(32)。
判断D是否大于数目10(33)，如果否，则已不再存在滞后，并且定子换向被再次启动(34)同时允许指示的步和方向信号输入到电机驱动器。
如果D大于数目10，则判断D是否大于数目11(35)。如果D不大于数目11，则定子继续保持停止(31)且再次获得D(32)。
如果D大于数目10且大于数目11，则定子反向旋转一个微步(36)且再次获得D(32)。
如果D大于数目11，电机反向旋转且定子减少一个微步(25)。
本文描述了一个用于控制电机转子和定子操作以防止电机停转和嵌齿的简单配置。上述方法表明适用于2相旋转步进电机，但任意一种多相直线或旋转步进，或无刷电机都也适用。
虽然公开了一种500行旋转增量编码器和一种利用步进电机每转200全步的每步10个微步的微步方案，但是可采用不同编码器类型和数目以及不同微步方案来取得类似的结果。

Claims (13)

1.一种用于控制步进电机旋转的方法，包括以下步骤：
在所述步进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
当步进电机中的定子相对于转子的旋转位置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步进电机性能。
2.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤，当所述转子以第二预定数值超前所述定子时，以所述第一预定数值增加所述定子的旋转来保持所述最优化步进电机性能。
3.如权利要求2所述的方法，包括以下步骤，当所述定子以第三预定数值滞后所述转子时，以第二预定数值反向旋转所述定子来保持所述最优化步进电机性能。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述步进电机旋转定义了步的总数目，从而所述第一、第二和第三预定数值包括所述步中的一个来保持所述最优化步进电机性能。
5.一种用于提供步进电机最优化性能的电路，包括：
转子-定子控制电路，连接在步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机之间，所述步进电机定义了其每转的步的总数目；以及
位于所述转子-定子控制电路中的装置，用于确保所述步进电机中的转子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机性能。
6.如权利要求5所述的用于提供步进电机最优化性能的电路，其中位于所述转子-定子控制电路中的所述装置进一步确保所述转子相对于所述定子的超前小于或等于所述步中的一个以最优化所述步进电机性能。
7.如权利要求5所述的用于提供步进电机最优化性能的电路，其中位于所述转子-定子控制电路中的所述装置包括一个增量编码器。
8.如权利要求5所述的用于提供步进电机最优化性能的电路，其中所述转子-定子控制电路包括一对比较器。
9.如权利要求5所述的用于提供步进电机最优化性能的电路，其中所述转子-定子控制电路进一步包括用于确定所述转子和所述定子之间的旋转位置和方向的偏差的装置。
10.一种适配器电路，其允许使用具有最大电机额定值的步进电机以便暂时超过所述最大电机额定值而使用，包括：
转子-定子控制电路，其设置为与步进电机相连接以接收在所述步进电机内转子和定子的位置状态；
Δ电路，用于确定所述转子和所述定子之间旋转位置和方向的偏差；
一对数字比较器，其与所述Δ电路的输出相连接以确定所述转子和所述定子之间超前或滞后状态；以及
逻辑装置，其与所述数字比较器连接并与步进电机驱动器连接，所述步进电机驱动器向所述转子和所述定子提供操作电流，由此控制所述转子滞后所述定子一个固定位置以避免停转所述步进电机。
11.如权利要求10所述的适配器电路，其中所述定子被控制为滞后所述转子所述固定位置以避免嵌齿所述步进电机。
12.如权利要求10所述的适配器电路，其中所述定子被控制为超前所述转子所述固定位置以避免嵌齿所述步进电机。
13.如权利要求10所述的适配器电路，其中所述Δ电路包括增量编码器。
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