CN101854144A

CN101854144A - 用于检测失步情况的方法

Info

Publication number: CN101854144A
Application number: CN201010004026A
Authority: CN
Inventors: B·德科克
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: TWI463788B; TW201103251A; US20100244887A1; HK1147857A1; KR101748188B1; CN101854144B; US8058894B2; KR20100109371A

Abstract

一种用于检测和校正失步情况的方法。反电动势信号被测量并与参考电压比较。电机继续运行，且反电动势信号被再次测量并与参考电压比较。如果反EMF电压的测量出的电平小于参考电压，则失步情况出现且定子磁场被重新定位。

Description

用于检测失步情况的方法

技术领域

本发明大体涉及电机，尤其是涉及电机中的失步检测。

背景技术

多相电机用在包括磁盘驱动器、光盘播放器、数字视频光盘播放器、扫描仪、打印机、绘图机、在汽车和航空工业中使用的致动器等的各种应用中。一般，多相电机包括产生旋转磁场的静止部分或定子以及其中扭矩由旋转磁场产生的非静止部分或转子。扭矩使转子旋转，转子又使连接到转子的轴旋转。在步进电机中，轴根据输出轴的期望位置以步长或增量旋转。虽然定子和转子通常用于产生扭矩，但可能出现失步(step loss)情况，这降低了电机的精确度。当失步情况出现时，转子停止或几乎停止旋转，这在连接到转子的机械部件上引起额外的噪声的额外的磨损。此外，失步可能没有被注意到，这可产生差的定位精确度。

因此，有用于检测并校正失步情况的方法是有利的。该方法实现起来成本有效是进一步有利的。

附图说明

从结合附图理解的下面详细描述的阅读中将更好地理解本发明，其中相似的参考符号表示相似的元件，且其中：

图1是具有双极驱动器的电机的一部分的示意图，其中可根据本发明的实施方式确定失步情况；

图2是示出根据本发明的实施方式的线圈电流之间的时序关系的时序图；

图3是示出用于在根据本发明的实施方式的电机中检测失步情况的方法的流程图；

图4是根据本发明的实施方式的反EMF电压信号电平与时间的关系曲线；

图5是表示定子磁场电位置的图；

图6是根据本发明的反EMF电压信号电平与时间的关系曲线；以及

图7是示出用于根据本发明的另一实施方式检测电机中的失步情况的方法的流程图。

具体实施方式

总体上，本发明提供了用于检测并校正故障情况例如电机中的失步情况的方法。根据本发明的实施方式，反电动势被测量并与参考电压比较。如果对于至少两个连续的测量，反EMF电压电平小于参考电压电平，则出现故障情况例如失步情况。响应于失步情况，重新定位定子场。

根据其它实施方式，用于检测电机中的故障情况的方法包括提供能量储存设备的时变参数，以及当时变参数在预定电平时的第一时间比较电动势信号与第一参考信号。接着当时变参数在预定电平时的第二时间，将电动势信号与第一参考信号或第二参考信号之一进行比较。如果在第一时间的电动势信号小于第一参考信号且在第二时间的电动势信号小于第二参考信号，或如果在第一时间的电动势信号大于第一参考信号且在第二时间的电动势信号大于第二参考信号，则出现故障情况。

图1是具有双极驱动器的两相步进电机12的一部分的示意图10，其中可根据本发明的实施方式确定失步情况。图1所示的两相步进电机12的部分包括具有端子14₁和14₂的线圈14以及具有端子16₁和16₂的线圈16，这些端子电磁地耦合到转子18。驱动器电路20和22分别连接到线圈14的端子14₁和14₂，而驱动器电路24和26分别连接到线圈16的端子16₁和16₂。驱动器电路20和22以推挽方式工作，其中当驱动器电路20使电流I_X流出到线圈14时，驱动器电路22从线圈14吸收电流I_X，而当驱动器电路22使电流I_X流出到线圈14时，驱动器电路20从线圈14吸收电流I_X。类似地，驱动器电路24和26以推挽方式工作，其中当驱动器电路24使电流I_Y流出到线圈16时，驱动器电路26从线圈16吸收电流I_Y，而当驱动器电路26使电流I_Y流出到线圈16时，驱动器电路24从线圈16吸收电流I_Y。因此，驱动器电路20、22、24和26被称为推挽式驱动器或电流宿/电流源驱动器。选择和采样电路28具有连接到相应的线圈14和线圈16的端子14₁、14₂、16₁和16₂的输入、耦合成接收定时信号的输入、以及耦合到模数转换器(ADC)30的输入的输出。数字处理单元32连接到ADC30并输出指示转子信息例如失步情况或失速情况的检测、转子速度、转子加速度、转子运动的方向等的转子信号。定子磁场定位电路34具有连接到数字处理单元32的输出的输入以及连接到驱动器电路20、22、24和26的输入的输出，用于在指示步进电机中的失步的低反EMF情况出现的情况下重新定位定子磁场。

图2是示出根据本发明的实施方式的电流I_X和I_Y之间的时序关系的时序图40。优选地，电流I_X和I_Y具有正弦曲线波形，其中电流I_X具有最大振幅或电流电平I_XMAX和最小振幅或电流电平I_XMIN，而电流I_Y具有最大振幅或电流电平I_YMAX和最小振幅或电流电平I_YMIN。作为例子，电流I_X和I_Y彼此相移90度。因此，当电流I_X达到最大振幅I_XMAX或最小振幅I_XMIN时，电流I_Y等于零，而当电流I_Y达到最大振幅I_YMAX或最小振幅I_YMIN时，电流I_X等于零。换句话说，当电流I_Y等于零时，电流I_X在最大值，即，I_XMAX，或最小值，即，I_XMIN，而当电流I_X等于零时，电流I_Y在最大值，即，I_YMAX，或最小值，即，I_YMIN。对于图2所示的例子，电流I_X在时刻t₁、t₅和t₉处于最大电流电平I_XMAX且在时刻t₃和t₇处于最小振幅或电流电平I_XMIN，而电流I_Y在时刻t₂、t₆和t₁₀处于最大电流电平I_YMAX且在时刻t₀、t₄和t₈处于最小电流电平I_YMIN。在时刻t₀、t₂、t₄、t₆、t₈和t₁₀，电流I_X具有实质上等于零的值，而在时刻t₁、t₃、t₅、t₇、和t₉，电流I_Y具有实质上等于零的值。对于电流I_X，时刻t₀、t₂、t₄、t₆、t₈和t₁₀称为零交叉(zerocrossing)点或零交叉时间，而对于电流I_Y，时刻t₁、t₃、t₅、t₇、和t₉称为零交叉点或零交叉时间。

图3是示出用于在根据本发明的实施方式的电机中检测故障情况例如失步情况的方法的流程图50。在运行期间，转子18旋转并具有随着轴角的变化而改变的磁场。这种情况的结果是旋转的转子18在每个线圈14和16中感生AC电压。这个被感生的电压称为反电动势(反EMF或bEMF，back electromagnetic force)或反向电动势(cEMF，counter electromagnetic force)。根据本发明的方面，被测量以便确定转子18是否在失步情况中的是该反EMF。

当时变参数例如流经线圈14的电流I_X例如在电流电平I_XMAX时，线圈16没有被激励，且时变参数电流I_Y等于零。响应于流经线圈14的电流I_X，转子18旋转以便与电流I_X产生的磁场对准。转子18因而是旋转或转动的磁体，这产生移动磁场。因此，在电机内部存在两种同步磁场，即，由线圈电流引起的定子磁场和作为旋转的转子18周围的磁场的转子磁场。这两个磁场之间的对准差异或转子磁通和定子磁通之间的差异称为功角。

线圈16检测转子18的移动磁场，但因为它未被激励，驱动器电路24和驱动器电路26都不传输通过线圈16的电流。因此，定子磁场运动继续，直到零交叉出现(由框51示出)。反EMF电压信号可在线圈16的端子16₁和16₂上检测。反EMF电压信号的测量优选地出现在分别流经线圈14和16的驱动电流I_X和I_Y的零交叉时间，即，当线圈未被激励时。因此，当通过一个线圈的电流处于零交叉(由框52示出)时，确定或测量反EMF电压信号。对于两相双极步进电机12的例子，在驱动电流I_X为零且驱动电流I_Y在电流电平I_YMAX时的时刻，即，在时刻t₂、t₆和t₁₀或驱动电流I_Y在电流电平I_YMIN时的时刻，即，在时刻t₀、t₄和t₈，从线圈14检测反EMF信号，以及在驱动电流I_Y为零且驱动电流I_X在电流电平I_XMAX时的时刻，即，在时刻t₁、t₅和t₉或驱动电流I_X在电流电平I_XMIN时的时刻，即，在时刻t₃和t₇，从线圈16检测反EMF信号。可选地，根据例如多个反EMF样本的平均值、多个反EMF样本的中间值、多个反EMF样本的积分、多个反EMF样本的最小值、多个反EMF样本的最大值、一个或多个滤波的反EMF信号、多个反EMF样本的振幅等算术参数可得到反EMF电压。

应注意，在步进电机12在微步进模式中或以较高的速度在半步长或全步长模式中运行的情况下，因为存在转子18的连续运动，转子加速度变化相对小。应进一步注意，所产生的反EMF信号在非作用线圈两端被感测到。

在测量了反EMF电压信号之后，它与参考电压V_REF比较(由框54示出)，以产生比较信号，并确定是否可能出现故障情况例如失步情况。参考电压V_REF还可称为阈值电压V_THR，其中可为对电机速度或功角的度量。与反EMF一样，根据例如多个反EMF样本的平均值、多个反EMF样本的中间值、多个反EMF样本的积分、多个反EMF样本的最小值、多个反EMF样本的最大值、一个或多个滤波的反EMF信号、多个反EMF样本的振幅等算术参数可得到参考电压V_REF。此外，应注意，阈值参考值和范围可随着时间的过去而改变值。例如，它们可根据前面比较的结果或由于例如温度等参数的变化而改变。如果反EMF电压大于参考电压V_REF，则失步情况没有发生，且步进电机12继续正常的运行(由图3中的决策菱形56和框57示出)。

如果反EMF电压小于参考电压V_REF，则失步情况可能出现(由图3中的决策菱形56示出)。定子磁场运动继续，直到零交叉出现(由框58示出)。在零交叉处，如上所述，反EMF电压信号被再次测量，并与参考电压V_REF比较(由框59和60示出)，以产生另一比较信号并确定是否出现故障情况例如失步情况。如上所述，如果反EMF电压大于参考电压V_REF，则失步情况没有发生(由决策菱形62示出)，且步进电机12继续正常的运行(由图3的框57示出)。然而，如果反EMF电压第二次小于参考电压V_REF(由决策菱形62示出)，则失步情况出现且定子磁场被重新定位(由图3的框64示出)。根据可选的实施方式，将决策菱形62所示的反EMF与具有不同于在决策菱形56处的比较中使用的参考电压V_REF的电压的参考电压进行比较。换句话说，在决策菱形56所标识的比较中，反EMF与参考电压V_REF进行比较，而在决策菱形62所标识的比较中，反EMF与可低于或高于参考电压V_REF的电压进行比较。

简要参考图4，其示出反EMF电压信号与时间的关系曲线61。在时刻t₀，反EMF电压信号63被测量并具有大于参考电压V_REF的值。在时刻t₁，反EMF电压信号65被测量并具有小于参考电压V_REF的值，而在时刻t₂，反EMF电压信号67被测量并具有小于参考电压V_REF的值。在时刻t₀、t₁和t₂测量的反EMF电压信号的值分别由迹线63、65和67示出。因为在时刻t₁和t₂开始测量的反EMF电压信号小于参考电压V_REF，出现了失步情况。

简要参考图5，其示出表示定子磁场电位置的电流I_X与I_Y的关系曲线。在时刻t₀，流经线圈14的驱动电流I_X为零，因而线圈14未被激励，且流经线圈16的驱动电流I_Y为最大负值，即，在电流电平I_YMIN(即，-I_Y)处。在时刻t₀，测量线圈14两端的反EMF电压。在时刻t₁，流经线圈14的驱动电流I_X为最大正值，而流经线圈16的驱动电流I_Y为零，因而线圈16未被激励。在时刻t₁，测量线圈16两端的反EMF电压。在时刻t₂，流经线圈16的驱动电流I_Y为最大正值，而流经线圈14的驱动电流I_X为零，因而线圈14未被激励。在时刻t₂，测量线圈14两端的反EMF电压。在参考符号69所示的位置处，失速出现在转子不能跟随定子磁场时。当驱动电流I_X和I_Y由用户施加时，其相位是已知的，因而已知线圈14和16中的任何一个未被激励的时刻，即，当驱动电流I_X和I_Y等于零时的时刻。

此外，在图的圆周周围表示定子磁场的相对位置和转子的速度。例如，在时刻t₀，电流I_Y处于最大负值，电流I_X大约为零，定子磁场处于位置“a”，反EMF电压电平由图4中的迹线63标识，且转子的速度大于每分钟零转数。在时刻t₁，电流I_X处于最大正值，电流I_Y大约为零，定子磁场处于位置“b”，反EMF电压电平由图4中的迹线65标识，且转子的速度为大约每分钟零转数。在时刻t₂，电流I_Y处于最大正值，电流I_X大约为零，定子磁场处于位置“c”，反EMF电压电平由图4中的迹线67标识，且转子的速度大约为每分钟零转数。

参考图3和5，在检测或测量出小于参考电压V_REF的两个连续的反EMF信号电平之后，失步情况存在，且重新定位的信号从定子磁场定位电路34传输到推挽驱动器电路20、22、24和26(图1所示)，以重新定位定子磁场(由图3中的框64示出)。例如，如果定子磁场最初在逆时针方向，则定子磁场定位电路34可在顺时针方向移动或重新定位定子磁场135度。在顺时针方向移动定子磁场也称为向后移动定子磁场。可选地，如果定子磁场最初在顺时针方向，则定子磁场定位电路34可在逆时针方向移动或重新定位定子磁场135度。应注意，定子磁场移动的量不是本发明的限制，即，定子磁场的移动可小于135度或大于135度。这样，定子磁场被重新定位为与转子磁场对准。简要参考图5，其示出定子磁场的运动，其中定子磁场从在时刻t₂的位置移动到由参考符号71指示的位置，即，定子磁场移动了135度。虽然希望将定子磁场移动到在象限的中间部分中的位置，但这不是本发明的限制。

图6是反EMF电压信号电平与时间的关系曲线80。在时刻t₀，反EMF电压信号被测量并具有大于参考电压V_REF的值(由参考符号82示出)。在时刻t₁，反EMF电压信号被测量并具有小于参考电压V_REF的值(由参考符号84示出)。然而，在时刻t₁，转子18可能停在了一期望位置，但该期望位置为I_Y为零的一个位置。因此，不清楚失步情况是否出现或转子18是否在期望位置停止。

图7是示出用于根据本发明的另一实施方式检测电机中的故障情况例如失步情况的方法的流程图100。参考图6和7，在时刻t₁，转子18在电流I_Y为零的定子磁场位置处停止移动。在本例中，流经线圈14的电流I_X例如在电路电平I_XMAX处，线圈16未被激励且电流I_Y为零。响应于流经线圈14的电流I_X，转子18旋转，以便与电流I_X所产生的磁场对准。线圈16检测转子18的移动磁场，但因为它未被激励，驱动器电路24和驱动器电路26都不传输通过线圈16的电流。因此，定子磁场运动继续，直到零交叉出现(由框101示出)。反EMF电压信号可在线圈16的端子16₁和16₂两端检测。因此，当通过一个线圈的电流处于零交叉(由框102示出)时，确定或测量反EMF电压信号。根据例如多个反EMF样本的平均值、多个反EMF样本的中间值、多个反EMF样本的积分、多个反EMF样本的最小值、多个反EMF样本的最大值、一个或多个滤波的反EMF信号、多个反EMF样本的振幅等算术参数可得到反EMF电压。反EMF样本值和范围可随着时间的过去而改变。例如，它们可根据前面比较的结果或由于参数例如湿度等的变化而改变。

在测量了反EMF电压信号之后，它与参考电压V_REF比较(由框104示出)，以产生比较信号并确定是否出现故障情况例如失步情况。参考电压V_REF还可称为阈值电压V_THR，其中可为对电机速度或功角的度量。如上所述，根据例如多个反EMF样本的平均值、多个反EMF样本的中间值、多个反EMF样本的积分、多个反EMF样本的最小值、多个反EMF样本的最大值、一个或多个滤波的反EMF信号、多个反EMF样本的振幅等算术参数可得到参考电压V_REF。阈值参考值和范围可随着时间的过去而改变值。例如，它们可根据前面比较的结果或由于参数例如温度、湿度、使用期等的变化而改变。如果反EMF电压大于参考电压V_REF，则失步情况没有发生，且步进电机12继续正常的运行(由图7中的决策菱形106和框108示出)。

如果反EMF电压小于参考电压V_REF，则故障情况例如失步情况可能出现。关于是否可出现故障情况的判断由图7中的决策菱形106指示。定子磁场运动继续，直到零交叉出现(由框109示出)。包括在数字处理单元32中的超时电路开始倒计时期(由框110示出)，其后，如上所述，反EMF电压信号被再次测量(由框112示出)，并与参考电压V_REF比较(由框114示出)，以产生比较信号并确定是否出现故障情况。如上所述，如果反EMF电压大于参考电压V_REF，则失步情况没有发生(由决策菱形116示出)，且步进电机12继续正常的运行(由图7的决策菱形116和框108示出)。然而，如果反EMF电压第二次小于参考电压V_REF(由决策菱形116示出)，则故障情况出现且定子磁场被重新定位(由图7的框118示出)。根据可选的实施方式，在决策菱形104所示的与反EMF进行比较的参考电压不同于在决策菱形116处的比较中使用的参考电压V_REF。换句话说，在决策菱形116所标识的比较中，反EMF与参考电压V_REF进行比较，而在决策菱形106所标识的比较中，反EMF与可低于或高于参考电压V_REF的电压进行比较。

到现在应认识到，提供了用于检测失步情况是否出现并补偿失速出现的方法。反EMF在线圈电流零交叉期间被测量，且如果两个连续线圈零交叉的反EMF低于参考电压，则认为出现了故障情况例如失步情况。应理解，两个连续比较的结果并不限于小于参考电压。可选地，如果两个连续比较的结果大于参考电压，则可指示失步情况。例如，可使用从加速度信号得到的参考信号或在值域内或外的参考信号。在这种情况下，两个连续的比较大于参考信号指示失步情况。响应于失步情况，定子磁场被重新定位成与转子磁场对准。重新定位定子磁场可在加速或减速期间完成，从而减小了在例如步进电机中未检测到的失步的可能性。此外，重新定位可在定子磁场运动的方向上或在与定子磁场运动相反的方向上。

虽然这里公开了特定的实施方式，但意图不是将本发明限制到所公开的实施方式。本领域技术人员应认识到，可进行更改和变化，而不偏离本发明的实质。例如，参考图6和7描述的方法适合于确定当转子以低速，即，次共振操作时的失步情况。意图是本发明包括落在所附权利要求的范围内的所有这样的更改和变化。

Claims

1.一种用于检测电机中的故障情况的方法，包括：

提供能量储存设备的时变参数；

在所述时变参数在预定电平时的第一时间对电动势信号与第一参考信号进行比较；

在所述时变参数在所述预定电平时的第二时间对所述电动势信号与所述第一参考信号或第二参考信号之一进行比较；以及

如果在所述第一时间的所述电动势信号小于所述第一参考信号且在所述第二时间的所述电动势信号小于所述第二参考信号，或者如果在所述第一时间的所述电动势信号大于所述第一参考信号且在所述第二时间的所述电动势信号大于所述第二参考信号，则确定出现了所述故障情况。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述时变参数是电感器电流。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一时间是所述时变参数的零交叉，而所述第二时间是所述时变参数的另一零交叉。

4.如权利要求1所述的方法，其中在所述第一时间和在所述第二时间从一反电动势电压样本或多个反电动势电压样本的算术参数中的一个的样本确定所述电动势信号。

5.如权利要求1所述的方法，其中如果在所述第一时间的所述电动势信号小于所述第一参考信号且在所述第二时间的所述电动势信号小于所述第二参考信号，则确定出现了所述故障情况。

6.一种用于检测电机中的失步情况的方法，包括：

确定第一电动势信号的电平；以及

在第一时间对所述第一电动势信号的电平与第一参考信号进行比较。

7.如权利要求6所述的方法，还包括如果所述第一电动势信号小于所述第一参考信号则重新定位定子磁场，或者对在所述第一时间之前在第一方向上的定子磁场，将该定子磁场重新定位在第二方向上。

8.如权利要求6所述的方法，还包括：

确定第二电动势信号的电平；以及

在第二时间对所述第二电动势信号的电平与第二参考信号进行比较，所述第二参考信号的信号电平不同于所述第一参考信号的信号电平。

9.如权利要求6所述的方法，还包括：

确定第二电动势信号的电平；

在第二时间对所述第二电动势信号的电平与所述第一参考信号进行比较；以及

如果所述第一电动势信号和第二电动势信号小于所述第一参考信号则重新定位定子磁场。

10.如权利要求6所述的方法，还包括：

确定第二电动势信号的电平；以及

在第二时间对所述第二电动势信号的电平与所述第一参考信号进行比较，其中所述第一时间和所述第二时间出现在能量储存设备中流动的电流的连续的零交叉处。