[發明專利]用于識別步進電機失步的方法和裝置

無效

• 申請號: 200880118903.2
• 申請日: 2008-12-03
• 公開（公告）號: CN101884162A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發明（設計）人: H·埃格;B·海因茲;J·舒馬徹爾
• 申請（專利權）人: 霍夫曼-拉羅奇有限公司
• 主分類號: H02P8/12
• 分類號: H02P8/12;H02P8/38
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李永波;梁冰

本發明涉及根據權利要求1或17的前序部分的用于識別步進電機失步的方法和裝置。

步進電機是一種特殊結構形式的同步電機，它由設有多個線圈的靜止的定子和在定子中旋轉的轉子構成。根據轉子的構造方式，可分為三種基本類型的步進電機：

·永磁激勵的步進電機；

·具有可變磁阻的步進電機；和

·混合式步進電機。

永磁激勵的步進電機的轉子由徑向磁化的圓筒形永磁體構成。也就是說，這些永磁體以不同的極性沿著轉子圓周交替。轉子并不始終都朝向由線圈通電產生的磁場。如果這些線圈相繼連接，轉子就會沿著相應的方向轉動。因此，在所有線圈都相繼接通時，步進電機轉完一整圈。

具有可變磁阻的步進電機的轉子由非激勵的帶有齒的軟鐵心構成。就這種結構形式而言，力矩基于轉子結構而產生，這種轉子結構提供了一種可變化的氣隙磁阻。轉子跟隨步場(Schrittfeld)，因為它力求在定子場(Statorfeld)中處于適當方向，使得氣隙中的磁能最小。

混合式步進電機是永磁激勵的步進電機和可變磁阻的步進電機的組合形式。它由軸向極化的永磁體構成，在這些永磁體的端部上固定有軟磁材料構成的帶有齒的轉子盤(Rotorscheibe)。兩個轉子盤被永磁體預先磁化，并相互錯開半個齒寬，使得北極和南極交替。混合式步進電機能實現很小的步進角(Schrittwinkel)，它還具有自保持力矩(Selbsthaltemoment)，然而其結構復雜。

步進電機按照同步原理工作。驅動轉子的轉矩由定子和轉子中的方向不同的磁場產生。轉子始終轉動，從而形成盡可能大的磁流。

與其它電機相反，步進電機的線圈僅位于定子中。因此，將各個線圈繞組按順序連接，就能產生旋轉運動，這使得定子場在每個步進脈沖之后都續接(Weiterschalten)一定的角度。步場的續接也稱為換向過程。

由此可以采用簡單的方式控制電機的轉向和轉速。為了確定轉子位置，從初始位置順時針或逆時針地計數步，并與步進角相乘，這就足夠了。

電機繞組控制可分為單極控制和雙極控制。

就單極控制而言，每個極都具有兩個繞組，或者具有一個帶中間抽頭的繞組。磁場方向取決于給兩個繞組中的哪一個繞組通電。這種控制的優點是電子成本低。缺點在于，繞組空間利用率很低，僅為50％，因為始終都只能取決于電流方向而使用一個繞組。而且，由于每個極都用兩個線圈，所以使得電機很大。

就雙極控制而言，每個極都只有一個繞組。磁場方向取決于電流流經該繞組的方向。這種控制方式的優點是，整個繞組空間都能得到利用。缺點在于電子成本高。

步進電機的運行方式有很多種。最簡單的運行方式是波驅動(WaveDrive)，其中沿著圓周接連地始終都僅給一個線圈通電。這種運行方式的優點是易于實施，而且僅以非常有利的微控制器就能輕易地實現。相反，缺點是轉矩低，因為始終都只有一個線圈被通電，所以轉矩下降為理論最大值的即約下降為其70％。

相比之下，就整步運行而言，始終都給所有繞組系統通電。有針對性地改變繞組中電流方向，就能實現旋轉運動。就該運行方式而言，始終都給所有繞組系統通電，就能實現盡可能高的轉矩。不利的是，步比較大，這會使得電機易于發生共振。

在半步運行中，將波驅動與整步運行相組合。因此，就具有兩個線圈的步進電機而言，始終都交替地給一個或兩個線圈通電。這樣就能到達多個角度位置。由此盡管電路成本較高，但也能實現較高的位置精度。然而，一旦電流被切斷，電機就會一直“跳動”，直至回到整步位置之一。半步運行的最大的優點是，電機明顯很少振動，因為轉子很少受到力沖擊。相比之下，就整步運行和波驅動而言，轉子始終都從一個位置滑動至下一個位置，并在那里圍繞最終位置振動。這種振動也引起機殼振動，并使得轉矩突然變化。這使得整個系統都有很大噪聲。由于半步運行的位置數量較多，所以步進角小，進而減小了振動。通常，步越小，力變化曲線就越平緩()，整個系統也就越安靜。而且，幾乎不會發生失步，因為轉子振動得到降低。

如果要增加分步，以此進一步推動步進角減小這一構思，則結論是，正弦或余弦狀地進行控制是最佳的。在這種情況下，力變化曲線平緩，且僅僅電機控制頻率的基本振動仍然能聽見。而這恰恰實現了微步運行。但實際上，并不會以完全正弦狀的信號進行控制，而是操縱具有超過聽覺閾的接通頻率的經脈沖寬度調制的矩形電流。在這里，電機線圈本身用作濾波器，并對矩形信號進行平整濾波，使得近似正弦或余弦狀的電流流經繞組。