CN101689824B - 通过驱动分段的行程来校准步进电动机 - Google Patents

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Abstract

对驱动从动件的步进电动机可以这样地进行校准：周期性地把从动件从其当时的工作位置驱动到从动件的总行进行程的止端，但是，从动件是以一系列越来越短的行进分段逐步接近止端。第一行进分段小于总行进行程的1/3，以补偿可能由于从动件到达止端并被反弹而意外触发的突然反转。用命令把第一行进分段限制为小于总行进行程的1/3，可防止从动件到达相反的行进极限位置，而如果不做这样的限制，从动件就可能突然反转并以3倍于正常正向速度的反向速度到达相反的行进极限位置，其中，这样3倍的速度是这种反转情况的特征。

Description

通过驱动分段的行程来校准步进电动机
技术领域
本发明总地涉及步进电动机，尤其涉及一种能够补偿难以预料的反转的校准方法。
背景技术
步进电动机用某种序列的不连续电脉冲产生能够以可控的旋转步长驱动磁性转子的旋转电磁场。脉冲的频率直接影响转子的转速，脉冲的数目直接影响旋转的步长，以及脉冲的顺序一般决定着旋转方向。
但是，步进电动机有时会难以预料地逆着预想的旋转方向转起来。在这种情况发生时，反转速度约为正常正转速度的3倍。Marc Bodson，Jeffrey S.Sato和Stephen R.Silver的题为“Spontaneous Speed Reversals in Stepper Motors”的论文中阐述了这种现象。这篇论文发表于IEEE Transactions on Control SystemsTechnology，第14卷，No.2，2006年3月。
在通过把电动机驱动到已知的行进极限位置或称止端来校准步进电动机时，这种自发的反转可能尤其成问题。通常在进行校准时，是将步进电动机周期性地驱动到止端以重新建立已知基准点。但是，已经发现，撞击止端可能触发迅速的反转。所以，步进电动机并不是停止在止端处，而是“反弹”并迅速离开止端。在某些情况中，步进电动机甚至可能一直行进到相反的行进极限位置，以致不能找到基准点。
虽然用机械或电阻尼、微步行进、以及闭环控制可降低自发反转的可能性，但是这些措施可能是昂贵的和/或它们可能降低电动机的速度和响应性。因此，需要有一种较好的能够避免或补偿步进电动机的特别是在其校准过程中的突然反转的方法。
发明内容
本发明的目的是避免或补偿步进电动机的难以预料的突然反转。
某些实施例的另一个目的是通过向行进终点极限位置驱动步进电动机而且是以越来越短的分段进行驱动来校准步进电动机，其中第一分段小于电动机的总行进行程的三分之一，这样，假如电动机在终点位置以3倍的正常速度突然反向，电动机将不会到达相反的行进极限位置。
某些实施例的再一个目的是校准步进电动机，其作法是，向行进终点极限位置驱动步进电动机，而且是在这样做的过程中在步进电动机到达行进极限位置之前周期性地停止或几乎停止步进电动机。
某些实施例的再一个目的是校准步进电动机，其作法是，向行进终点极限位置驱动步进电动机，而且是在这样做的过程中在步进电动机到达行进极限位置之前周期性地减速和加速步进电动机，其中，各加速周期和减速周期出现在步进电动机的多个步长(多个脉冲)上。
某些实施例的再一个目的是校准制冷系统的电子膨胀阀，同时又要避免或补偿步进电动机的难以预料的突然反转。
本发明的这些目的中的一个或多个和/或其它目的可通过把步进电动机向行进极限位置驱动而对它进行校准来达到，其中电动机被驱动过越来越减短的分段，这些分段小于电动机的总或余下行进行程的三分之一。
本发明提供一种用于校准步进电动机的方法，其作法是让电动机驱动从动件经过有行进极限位置的行进行程。步进电动机可使从动件向在行进行程内的工作点运动。这种方法包括：命令步进电动机使从动件从工作点向行进极限位置运动经过一行进距离；并且随着步进电动机使从动件从工作点向行进极限位置运动，命令步进电动机周期性地放慢，借以建立多个相对较快运动的周期，每两个这样的周期被相对较慢运动的周期隔开。随着从动件逐步接近行进极限位置，多个相对较快运动的周期变得在距离上越来越短。
本发明还提供一种用于校准步进电动机的方法，其作法是让电动机驱动从动件经过有行进极限位置的行进行程。步进电动机可使从动件向在行进行程内的工作点运动。这种方法包括：命令步进电动机使从动件从工作点向行进极限位置运动经过一行进距离并且是通过多个连续运动的周期来这样做；命令步进电动机使从动件在多个连续运动的周期之间停止；以及在从动件紧随多个连续运动的周期到达行进极限位置时定义参照点。随着从动件逐步接近行进极限位置，多个连续运动的周期变得越来越短。
本发明还提供一种用于校准步进电动机的方法，其中，电动机在重复进行电动机位置循环之前有表征其特性的位置数，并且，电动机使器件运动过已知的多步行程。这种方法包括以下步骤：将校准间隔预置成大于已知的多步行程；将下一个步长值设定成等于〔(1/位置数)乘以校准间隔〕；以等于下一个步长值的步长驱动电动机转过若干步；确定校准间隔是否小于停止数值；如果是，开始进行停止顺序；或如果不是，把校准间隔修改为等于〔(位置数-1)除以位置数乘以校准间隔〕，并返回到设定步骤。
附图说明
图1是通过把从动件向行进极限位置驱动来校准步进电动机系统的示意图；
图2是类似于图1的示意图，但表示出从动件较接近于行进极限位置；
图3是类似于图1和图2的示意图，但表示出从动件更接近于行进极限位置；
图4是类似于图1的示意图，但表示出从动件已到达行进极限位置；
图5是图1的系统的示意图，但表示出步进电动机由于从动件遇到了行进极限位置而突然反向；
图6是类似于图5的示意图，但表示出从动件在最初反向之后校正了它的路线；以及
图7是采用图1-6的步进电动机系统的制冷系统的示意图。
具体实施方式
图1-7中的步进电动机10是表示为在行进行程14上驱动从动件12。步进电动机10示意地图示为代表任何机电器件，其用某种顺序的不连续电脉冲产生能够以可控的旋转步长驱动磁性转子的旋转电磁场。本发明特别适用于永久磁铁步进电动机，但是本发明也可应用于其它型式的步进电动机。对于熟悉本技术领域的人，永久磁铁步进电动机和其它型式的步进电动机是众所周知的。
在给出的图示中，步进电动机10转动引导螺杆16，其可根据电动机的转向使从动件12向左或向右运动。虽然表示为用引导螺杆16把步进电动机10联接于从动件12，但是熟悉本技术领域的人应能理解，可以用任何适当的机构(转动的、直线的、枢转的联接环节，等等)把步进电动机10联接于从动件12。从动件12示意地图示为代表被步进电动机驱使而作平移运动或转动的任何结构件。
从动件12的例子包括但不限于用在制冷系统20中的电子膨胀阀18的阀塞或阀芯，其中，制冷系统20包括制冷压缩机22、冷凝器24和蒸发器26。微处理机控制器32，响应来自感测制冷系统20的工作状态的传感器30的输入信号28，发出命令步进电动机10调整阀18的开度的输出信号34。
不管步进电动机10驱动的从动件12是什么型式的，步进电动机系统都可能需要做定期的校准，以便在对控制器恢复供电时建立已知基准点或校正电动机转子和驱动它的脉冲磁场之间已经产生的任何滑差。为了做到这一点，控制器32命令步进电动机10把从动件12从其当时位置驱动到预先确定的行进极限位置36，而这个极限位置定义参照点。但是，为了补偿校准过程中可能发生的反转，可让步进电动机10以多个越来越短的分段把从动件12向行进极限位置36驱动，其中，第一分段38小于总的行进行程14的1/3，这样，3倍速度的反转不能使从动件12一路回到相反的止端40处。校准例如可以像图1-4所示的那样进行。
图1中，从动件12被表示为在工作点42处，这个点到行进极限位置36有行进距离44。控制器32首先命令步进电动机10使从动件12从点42向行进极限位置36运动并在第一周期38内使之行进例如行进行程14的长度的25％或肯定地小于行进行程14的1/3。为了标绘这一运动，用垂向坐标轴46代表从动件12的速度，而水平坐标轴48代表从动件12沿着行进行程14的位置。正的斜率50表示从动件12是在加速，而负的斜率52表示它在减速。一系列的短划线代表多个步长54，其中每一步长都是从动件12由步进电动机10可控制地驱动的最小不连续增量。应该注意到，从动件12的加速和减速出现在所有多个步长54上。还应注意到，标绘的速度/位置曲线不一定是按比例的。
图2表示出从动件12已到达位置56，在这一点，控制器32命令步进电动机10再使从动件12加速而使从动件12运动过比第一周期38短的第二周期58。第二周期58可以是例如第一周期38的长度的75％。尽管在位置56短暂的减速/加速周期可能是适合需要的，但最好是由控制器32命令步进电动机10使从动件12在位置56真正瞬刻停止，以使从动件12周期性地停顿于两个运动周期之间。但是，停顿是相当短暂的，最好其占用的时间小于每个加速或减速周期。
接着，图3表示出从动件12已经到达位置60，在这一点，控制器32再一次命令步进电动机10再使从动件12加速向行进极限位置36行进过第三周期62。照此类推，从动件12依次行进过多个相对较快的连续运动周期(例如周期38’、58’和62’)，且每两个这样的周期被相对较慢运动的周期(例如64、66和68)隔开。第三周期62比第二周期58短，例如第三周期62是第二周期58长度的75％。以越来越短的分段向行进极限位置36驱动从动件12的过程继续进行，直到从动件12到达行进极限位置36或距离它只有几步，而且步进电动机10可驱动从动件12经过余下的那几个步长70(见图4)。假如在最后那几步70里突然发生反转，从行进极限位置36算起的总反向行进距离可忽略不计。既然标绘的速度/位置曲线是不一定按比例的，周期(例如周期38、58、62、等等)的总数可以大于或小于图上表示的数目，并且在某些情况中，各较长的周期，诸如周期38、58和62，将足以使从动件12一路运动到行进极限位置36，而几乎无需让从动件12运动经过在接近端处的那几个不连续步长70。
图4表示出从动件12已到达行进极限位置36，在这一点，控制器32可重新建立由极限位置36定义的参照点位置。
图5和6图示出或许是一种最坏情况的情形，其中校准过程是从从动件12在非常靠近行进极限位置36的工作点72处开始，并且在校准的第一周期发生了突然的3倍速度反转74。这一反转使从动件12运动回到位置76，其可能就是离相反的极限位置40不远。可是，控制器32随后命令步进电动机10使从动件12以类似于参照图1-6所述的按序步进方式向行进极限位置36运动。
本发明可被作为一种用来校准步进电动机的方法，其中电动机在重复进行电动机位置循环之前有表征其特性的位置数，以及其中电动机使器件运动过已知的多步行程。这种方法包括以下步骤：将校准间隔预置成大于已知的多步行程；将下一个步长值设定成等于〔(1/位置数)乘以校准间隔〕；以等于所述下一个步长值的步长驱动电动机转过若干步；确定所述校准间隔是否小于停止数值；如果是，开始进行停止顺序；如果不是，把校准间隔修改成等于〔(位置数-1)除以位置数乘以校准间隔〕，并返回到设定步骤。
尽管是以优选实施例描述了本发明，但很明显，熟悉本技术领域的人可对其做出许多改变。所以，本发明的范围应参照权利要求书确定。

Claims (27)

1.一种用于校准步进电动机的方法，所述步进电动机驱动从动件经过有行进极限位置的行进行程，其中，所述步进电动机可使所述从动件向在所述行进行程内的工作点运动，所述方法包括：
命令所述步进电动机使所述从动件从所述工作点向所述行进极限位置运动经过一行进距离；以及
随着所述步进电动机使所述从动件从所述工作点向所述行进极限位置运动，命令所述步进电动机周期性地放慢，借以建立多个相对较快运动的周期，各个这样的周期被相对较慢运动的周期隔开，其中，随着所述从动件接近所述行进极限位置，所述多个相对较快运动的周期在距离上逐渐变短。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括命令所述步进电动机在所述相对较慢运动的周期中使所述从动件瞬刻停止。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个相对较快运动的周期包括第一周期，在该第一周期中所述从动件的行进距离小于所述行进行程的三分之一。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述从动件已到达所述行进极限位置时定义参照点。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从动件是制冷系统的电子膨胀阀的一部分。
6.一种用于校准步进电动机的方法，所述步进电动机驱动从动件经过有行进极限位置的行进行程，其中，所述步进电动机可使所述从动件向在所述行进行程内的工作点运动，所述方法包括：
命令所述步进电动机使所述从动件从所述工作点向所述行进极限位置运动经过一行进距离；以及
随着所述步进电动机使所述从动件从所述工作点向所述行进极限位置运动，命令所述步进电动机周期性地停止所述从动件，借以建立多个运动周期，各个这样的周期被中间停顿隔开，其中，随着所述从动件接近所述行进极限位置，所述多个运动周期在距离上逐渐变短。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多个运动周期包括第一周期，在该第一周期中所述从动件的行进距离小于所述行进行程的三分之一。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括使所述步进电动机在所述中间停顿之前在多个步长上减速。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步进电动机的减速占用的时间比所述中间停顿的时间长。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括使所述步进电动机在所述中间停顿之后在多个步长上加速。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步进电动机的加速占用的时间比所述中间停顿的时间长。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述从动件是制冷系统的电子膨胀阀的一部分。
13.一种用于校准步进电动机的方法，所述步进电动机驱动从动件经过有行进极限位置的行进行程，其中，所述步进电动机可使所述从动件向在所述行进行程内的工作点运动，所述方法包括：
通过多个连续运动的周期，命令所述步进电动机使所述从动件从所述工作点向所述行进极限位置运动经过一行进距离，其中，随着所述从动件接近所述行进极限位置，所述多个连续运动的周期逐渐变短；
命令所述步进电动机在所述多个连续运动的周期之间停止所述从动件；以及
在所述从动件在所述多个连续运动的周期之后已到达所述行进极限位置时定义参照点。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多个连续运动的周期包括第一周期，在该第一周期中所述从动件的行进距离小于所述行进行程的三分之一。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括使所述步进电动机在使所述从动件在所述多个连续运动的周期之间停止之前在多个步长上减速。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括，在使所述从动件在所述多个连续运动的周期之间停止之后，使所述步进电动机在多个步长上加速。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述从动件是制冷系统的电子膨胀阀的一部分。
18.一种用于校准步进电动机的系统，所述系统包括：
从动件；
步进电动机，所述步进电动机驱动所述从动件经过有行进极限位置的行进行程，其中，所述步进电动机可使所述从动件向在所述行进行程内的工作点运动；
控制器，所述控制器工作地连接于所述步进电动机并可命令所述步进电动机，使所述从动件从所述工作点向所述行进极限位置运动经过一行进距离，其中，随着所述步进电动机使所述从动件从所述工作点向所述行进极限位置运动，所述控制器命令所述步进电动机周期性地放慢或停止，借以建立多个相对较快运动的周期，各个这样的周期被相对较慢运动的周期隔开，其中，随着所述从动件接近所述行进极限位置，所述多个相对较快运动的周期在距离上逐渐变短。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述控制器命令所述步进电动机在较慢的运动周期中使所述从动件瞬刻停止。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述多个相对较快运动的周期包括第一周期，在该第一周期中所述从动件的行进距离小于所述行进行程的三分之一。
21.如权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括在所述从动件到达所述行进极限位置时定义参照点。
22.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述从动件是制冷系统的电子膨胀阀的一部分。
23.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述多个运动周期包括第一周期，在该第一周期内所述从动件的行进距离小于所述行进行程的三分之一。
24.如权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括使所述步进电动机在所述中间停顿之前在多个步长上减速。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述步进电动机的减速占用的时间比所述中间停顿的时间长。
26.一种用于校准步进电动机的方法，其中，所述电动机在重复进行电动机位置循环之前有表征其特性的位置数，并且，所述电动机使器件运动过已知的多步行程，所述方法包括以下步骤：
将校准间隔预置成大于所述已知的多步行程；
将下一个步长值设定成等于〔(1/位置数)乘以校准间隔〕；
以等于所述下一个步长值的步长驱动所述电动机转过若干步；
确定所述校准间隔是否小于停止数值；
如果是，开始进行停止顺序；或
如果不是，把校准间隔修改为等于〔((位置数-1)除以位置数)乘以校准间隔〕，并返回到所述设定步骤。
27.一种用于校准步进电动机的系统，所述系统包括：
步进电动机，其中，所述电动机在重复进行电动机位置循环之前有表征其特性的位置数，并且，所述电动机使器件运动过已知的多步行程；以及
控制器，所述控制器工作地连接于所述电动机并命令所述电动机，所述控制器将校准间隔预置成大于所述已知的多步行程；将下一个步长值设定成等于〔(1/位置数)乘以校准间隔〕；以等于所述下一个步长值的步长驱动所述电动机转过若干步；确定所述校准间隔是否小于停止数值；如果是，开始进行停止顺序；或如果不是，把校准间隔修改为等于〔((位置数-1)除以位置数)乘以校准间隔〕，并返回到所述设定步骤。
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