用于控制步进电机的方法和电路结构技术

说明了如下的方法和电路结构，其中利用该方法和电路结构，可以在包括步进电机以电气方式固定于特定转动位置的静止的宽转速范围内，通过自适应控制以与指定电机电流过程相对应的高精度和运行平滑度来使步进电机进行工作。这实质通过以下事实来实现：电机使用电压控制或电压调节的第一工作模式来在低转速范围内进行工作，并且使用电流控制的第二工作模式来在较高或高转速范围内进行工作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及如下的方法和电路结构，其中利用该方法和电路结构，可以在包括步进电机以电气方式固定于特定转动位置的静止(standstill)的宽转动速度范围内通过自适应控制以与预定义的电机电流过程相对应的高精度使步进电机进行工作。
技术介绍
通常已知以下：在步进电机中，经由利用静态电机线圈产生的受控转动电磁场来使磁转子逐级地转动各小角度。经常期望使电机以尽可能小的步进角转动，从而实现定位的尽可能高的分辨率和准确度以及电机转矩的均匀过程。由于这些原因，代替已知的整步和半步操作，优选所谓的微步操作，其中在该微步操作中，流经电机线圈的电流不是仅仅被切换成接通和断开，而是按特定方式增减。在这种情况下，步进电机进行微步所利用的分辨率和均匀性基本依赖于电机线圈可以进行工作所利用的不同电流振幅值的数量以及究竟可以如何保持这些电流振幅值。通常，分别利用正弦波和余弦波来激励电机线圈最适当，这是因为通过该操作，可以获得非常连续且无抖动转动的微步优化电机，并且利用该电机，可以获得平稳的电机操作。为了特别是在微步操作中以电气方式控制步进电机，使用已知的斩波方法，其中利用该斩波方法，利用针对各时刻的电机电源电压(直流电压)，利用电流脉冲，将利用指定电流(目标线圈电流)给出的电流方向、电流值和电流过程施加到各个电机线圈上，从而利用如此感应出的转动磁场来驱动电机。在这种情况下，通常测量流经电机线圈的实际电流，并且利用斩波方法的适当激活并且在时间上确定尺寸的斩波相位(ON,SD,FD)来分别在正负方向和极性上相应地调节该实际电流，使得电机电流至少在各斩波相位中并由此在整个过程中与相关目标线圈电流的过程和极性基本一致。以下应将该操作表示为电流调节工作模式。在这种斩波方法中，通常区分三个不同的斩波相位(线圈电流相位)，即ON相位、FD相位和SD相位。在ON相位(还被称为正接通相位)期间，将线圈中的线圈电流沿该线圈电流的瞬时指定的极性和方向各自的方向有源地驱动到线圈中，使得线圈电流的量相对快速且连续地增大(接通时间段)，直到该量达到其瞬时目标值然后ON相位终止为止。这样，被施加了这种ON相位的线圈电流的方向等于线圈电流的瞬时极性和方向各自。线圈电流的极性处于例如在第一象限和第二象限中为正且在第三象限和第四象限中为负的正弦形状的线圈电流的情况。在FD相位(负接通相位)期间，通过反转线圈的极并将线圈电流反馈回至电流电源，使线圈电流相对于该线圈电流的刚刚指定的极性有源地减小，直到该线圈电流达到其瞬时目标值然后FD相位终止为止。可选地，FD相位还可以在预设值的持续时间到期之后在无需进行调节的情况下终止，使得由于在相关的FD相位期间在特定应用中的经历，达到线圈电流的最大所需减小，而无需实际测量该减小。在任何情况下，设置FD相位，以特别是在相对快速地减小线圈电流的量期间(即，在正弦形状的线圈电流的第二象限和第四象限期间)，减小线圈电流。第三斩波相位是再循环相位或SD相位，其中相关线圈没有得到有源控制而是发生短路或桥接，使得由于线圈和反EMF的内部电阻而产生的线圈电流仅逐渐地(即，与FD相位期间相比更缓慢地)减小。在该相位期间，通常不能测量线圈电流，使得SD相位在预设的持续时间到期之后不得不终止，其中通常对于所有的SD相位，预设了相同的恒定持续时间。因此，利用斩波器所生成的并且供给至电机线圈驱动电路的斩波切换信号来在时间上对这三个斩波相位进行激活、组合和确定尺寸，使得实际线圈电流尽可能及时地并且尽可能与针对相关电机线圈的相应指定电流(目标线圈电流)一致地跟随其整个(例如，正弦形状的)过程，即线圈电流的增减部分期间，并且至少基本不受由电机线圈内的转子反感应出的电压(反EMF)或者其它效果影响。换句话说，实际线圈电流的各周期包括多个斩波相位，其中利用这些斩波相位，将相关斩波相位的激活的各时刻的电流周期的各目标线圈电流值施加至线圈。然而，已揭示，在特别是电机在电气固定位置处(即，在特定转动位置中)的低转速和静止的情况下的该电流调节工作模式期间，在可听频率范围中可能发生由于调节的波动所引起的短时电流变化，这是不期望的。调节的这些波动是由于测量或采样噪声、电机内的耦合并且由于来自其它电流或来自电源电压的干扰而产生的。此外，在与仅得到ON相位和(在存在的情况下)FD相位的非常短的持续时间有关的并且由于瞬态效应和空白时间而产生的低电机电流的情况下，在这些短时间内可靠地测量实际流动的线圈电流并且将该线圈电流与瞬时目标线圈电流值进行比较，这可能困难。因此，相位通常延伸至特定最小值。
技术实现思路
因此，本专利技术的基础目的是提供用于使步进电机进行工作的方法和电路组件，其中利用该方法和电路组件，在电路复杂性相对较小的情况下，可以在宽的转速范围内(即，在电机的以电气方式固定于特定转动位置的静止和电机相关的最高转速之间)获得步进电机的特别是针对期望或目标线圈电流过程的优化(特别是平稳)操作。利用根据权利要求1所述的方法和根据权利要求15所述的电路组件来解决该目的。根据本专利技术的解决方案优选应用在微步操作中，然而该解决方案还可以应用在整步和半步操作中。从属权利要求公开了本专利技术的有利实施例。附图说明在以下基于附图针对优选实施例的说明中，公开了本专利技术的更多细节、特征和优点。该说明示出：图1是斩波器工作模式期间电机线圈的三个斩波相位的电路图；图2是施加至电机线圈的PWM电压和由此产生的电流的时间依赖图；图3是施加至电机线圈的(有效)电压和由此产生的电流的过程的时间依赖图；图4是施加至电机线圈的电压和由此产生的电流以及针对该电流的检测的过程的时间依赖图；图5是在电压调节工作模式向电流调节工作模式的转变区域中的电压和电流的时间依赖图；图6是用于进行根据本专利技术的方法的示例性电路组件的原理电路图；以及图7是来自图6的电路组件的原理电路图。具体实施方式首先，将说明电流调节工作模式期间上述三个斩波相位的实现。在图1(A)、图1(B)和图1(C)中分别示意性示出三个斩波相位。这三个图各自示出包括第一开关～第四开关Sw1、Sw2、Sw3、Sw4的桥式电路Br1，其中第一开关Sw1和第二开关Sw2以及第三开关Sw3和第四开关Sw4是以串联方式进行开关的，并且这两个串联连接彼此并联连接。电机线圈A与桥式分支的中心点相连接。桥式电路的脚部经由测量电阻器RS1连接至接地端以测量在电机线圈中流动的实际电流，而桥式电路的头部安装至电机电源电压VM。利用被供给了斩波切换信号以激活斩波相位的驱动电路使开关Sw1、Sw2、Sw3、Sw4进行工作。图1(A)示出上述的第一或ON相位期间的开关位置以及如此得到的从电源电压VM经由线圈A向接地端的电流流动I的方向，其中在该第一或ON相位期间，该方向分别与线圈电流的瞬时给出的方向和极性各自相同，其中：第一开关Sw1和第四开关Sw4闭合，并且第二开关Sw2和第三开关Sw3断开。图1(B)示出上述的第二或FD相位期间的开关位置以及线圈A的如此得到的极性反转和向电源电压VM的线圈电流I的反馈(即，与(与图1(A)相同的)线圈电流的瞬时给出的方向和极性各自相反)，其中：第一开关Sw1和第四开关Sw4断开，并且第二开关Sw2和第三开关Sw3闭合。最后，图1(C)示出线圈A发生短路或桥接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于利用指定目标线圈电流过程使步进电机进行工作的方法，所述指定目标线圈电流过程包括在电机线圈中利用斩波相位所生成的在时间上连续的多个瞬时目标线圈电流值，所述工作包括第一工作模式和第二工作模式，其中在所述第一工作模式中，在各斩波相位中，向线圈至少之一施加电压，调整该电压的振幅和极性以生成瞬时目标线圈电流值，以及在所述第二工作模式中，在各斩波相位中，向所述线圈施加电流，调整该电流的值和极性以生成瞬时目标线圈电流值，其中：在所述步进电机的预定低转速范围内启动所述第一工作模式，并且在所述步进电机的预定较高转速范围内启动所述第二工作模式；以及其中：在从所述第一工作模式向所述第二工作模式切换时，在该切换之前，在所述第一工作模式期间使目标线圈电流经受相移，其中利用所述相移使实际线圈电流相对于施加至相关线圈的电压发生偏移。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.18 DE 102014108637.61.一种用于利用指定目标线圈电流过程使步进电机进行工作的方法，所述指定目标线圈电流过程包括在电机线圈中利用斩波相位所生成的在时间上连续的多个瞬时目标线圈电流值，所述工作包括第一工作模式和第二工作模式，其中在所述第一工作模式中，在各斩波相位中，向线圈至少之一施加电压，调整该电压的振幅和极性以生成瞬时目标线圈电流值，以及在所述第二工作模式中，在各斩波相位中，向所述线圈施加电流，调整该电流的值和极性以生成瞬时目标线圈电流值，其中：在所述步进电机的预定低转速范围内启动所述第一工作模式，并且在所述步进电机的预定较高转速范围内启动所述第二工作模式；以及其中：在从所述第一工作模式向所述第二工作模式切换时，在该切换之前，在所述第一工作模式期间使目标线圈电流经受相移，其中利用所述相移使实际线圈电流相对于施加至相关线圈的电压发生偏移。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一工作模式期间，向各个线圈分别施加PWM电压，其中控制或调节所述PWM电压的占空比，以调整各个线圈两端的电压的振幅。3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一工作模式期间，将具有第一极性的第一PWM电压和具有与所述第一极性相反的第二极性的第二PWM电压施加至所述线圈至少之一，其中能够调整所述第一PWM电压和所述第二PWM电压的占空比，以调整施加至该线圈的电压的振幅和极性。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一工作模式期间，测量实际流经所述线圈至少之一的电流，并且相应地调节施加至相关线圈的电压的振幅。5.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述第一工作模式期间并且在所述步进电机处于静止时，仅在所述步进电机的测量到较高或最高线圈电流的各个线圈处进行占空比的控制。6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述第一工作模式期间并且在所述步进电机处于静止时，通过使施加至相关线圈的PWM电压的占空比增大或减小指定量，来利用各斩波相位调节施加至该线圈的电压。7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一工作模式期间并且在所述步进电机转动时，利用PI调节器来调节所述电压的振幅。8.根据权利要求1所述的方法，其中，为了在所述第一工作模式中在所述步进电机的转动期间调节线圈电流，在所述目标线圈电流的各半波期间，电流阈值(S)是固定的，使得仅在所述半波的持续时间的指定部分内才达到并超过所述电流阈值(S)，其中：在各半波中，将所述目标线圈电流达到并超过所述电流阈值(S)的斩波相位的数量与所测量到的线圈电流实际达到并超过所述电流阈值(S)的斩波相位的数量进行比较，以及其中：将这两个数量之间的差作为调节偏差馈送至调节器，以在下一半波中调节所述线圈电流。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电流阈值(S)被设置成如下水平：仅在半波的持续时间的约5％～约20％的持续时间内，所述目标线圈电流才达到并超过所述电流阈值(S)。10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二工作模式期间，通过激活三个斩波相位ON、FD和SD其中之一来将电流施加到各线圈中。11.根据权利要求1所述的方法，其中，在从所述第二工作模式切换为所述第一工作模式时，具有所述相移的所述目标线圈电流的冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯恩哈德·德维尔施特格，
申请(专利权)人：特洛纳米克运动控制股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE