CN105099300A - 控制器、专用集成电路、步进电机、致动器及其应用 - Google Patents

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依凡·布克
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Abstract

本发明提供一种控制器，用于步进电机，所述步进电机具有磁性的转子和至少一个线圈；所述控制器包括：功率级电路，用于向所述至少一个线圈提供电流；至少一个模拟霍尔传感器，用于根据所述转子相对于所述霍尔传感器的位置而输出信号；以及第一反馈支路，用于将所述霍尔传感器连接至所述功率级电路以将所述霍尔传感器的输出信号反馈至所述功率级电路，所述功率级电路根据所述霍尔传感器的输出信号向所述至少一个线圈提供电流。还提供一种专用集成电路、步进电机、致动器以及相关应用。本发明可使步进电机在被驱动时振动较小，实现以可靠、稳健地方式驱动步进电机。

Description

控制器、专用集成电路、步进电机、致动器及其应用
技术领域
本发明涉及用于驱动步进电机的控制器、专用集成电路、步进电机、致动器以及它们的应用。
背景技术
由于存在由离散的步进序列引起的振动，步进电机固有地具有噪声大的缺点。已有的一类步进电机控制器用于开环操作，其结构简单，成本低。然而，这类步进电机的尺寸和功率都必须超要求配置以防止任何失步。这种对电机的控制方式不考虑电机的实际动态而具有局限性，产生的后果之一便是大的转矩脉动，而转矩脉动会转化为噪声。此外，过大的输入功率意味着大的浪费。
已有的另一类步进电机控制器基于无传感器换向，在此换向方式中，通过对驱动系进行探测以获得反电动势(backelectromotiveforce)，并试图获得转子位置和相应的调节换向序列。这种换向方式无需在转子外部进行位置感应，十分方便。然而，这种方式仅在有限的运行条件下才比较稳定，而当负载快速变化时(例如电机运行至止动结构时就会产生此种情况)，则难以适用。此外，这类控制器为了调速和产生正弦波电流，需要微处理(microprocessing)技术。另一个问题是，当电机停顿而不产生反电动势时，无法获知转子位置，在开环模式下启动程序必须运行。
在无刷直流电机中，采用数字霍尔传感器(DigitalHallSensor)检测转子位置。数字霍尔传感器输出的位置信息是离散的，并非连续的。为了产生一个平稳运转的磁场，需要相当精确的微处理和逻辑控制。然而，数字电子器件易于由于诸如编码错误、条件定义错误、电磁干扰或者高温而导致发生错误。估计算法在快速变化的情况发生时(例如电机发生堵转或自动反向转动时)经常不能可靠计算出位置和速度，在低速或者速度为零时，对位置和速度的估算变得十分不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种简化的控制器，其可使步进电机在被驱动时振动较小，实现以可靠、稳健地方式驱动步进电机，尤其是在启动步进电机时。
本发明的控制器，用于步进电机，所述步进电机具有磁性的转子和至少一个线圈；所述控制器包括：功率级电路，用于向所述至少一个线圈提供电流；至少一个模拟霍尔传感器，用于根据所述转子相对于所述霍尔传感器的位置而输出信号；以及第一反馈支路，用于将所述霍尔传感器连接至所述功率级电路以将所述霍尔传感器的输出信号反馈至所述功率级电路，所述功率级电路根据所述霍尔传感器的输出信号向所述至少一个线圈提供电流。
所述控制器包括用于驱动步进电机的功率级电路，一条反馈支路将所述功率级电路同至少一个模拟霍尔传感器连接而形成闭环电路。此种设计的优点是将反馈信号传送至所述功率级电路，使得步进电机的运动方式在振动、由振动产生的噪声、效率以及操作稳定性方面得以改进。由于可以优化步进电机的驱动过程，无需为了防止失步而超要求地配置电机的尺寸。也就是说，相对于用于相同应用的已有步进电机，本发明的步进电机的尺寸和功率都可以更小。进一步地，所述控制器可以被设计成能确保转子的运转可靠和精确，尤其是启动位于停止位置的转子或者使转子转向停止位置，所述停止位置例如由止动结构界定。
优选的，本发明进一步提供包括速度控制级电路的另一个闭环电路，所述速度控制级电路用于产生一个参考信号以调节霍尔传感器输出信号的幅度，由此，电机的转速可被调节至期望值。另外，由温度变化导致的磁通变化或线圈阻抗变化可以被抵消。
本发明还提供一种包含控制器的步进电机、一种专用集成电路、一种致动器以及一种用于供暖、通风和/或空调系统的应用。
以下将通过示例性实施例和附图来详细说明本发明。
附图说明
图1示出了本发明一个控制器实施例的电路框图；
图2示出了转子和第一霍尔传感器的示意图，其中标识出了第二霍尔传感器可能的位置；
图3示出了两个霍尔传感器的输出信号波形图，其中，第二霍尔传感器位于图2所示的位置42处；
图4示出了两个霍尔传感器的输出信号波形图，其中，第二霍尔传感器位于图2所示的位置43处；
图5示出了用于相同应用的一个常规电机的和一个包含本发明控制器的电机的转矩-速度图；
图6示出了一个包含本发明控制器的步进电机的透视图；
图7示出了一个包含图6所示步进电机的致动器的透视图；
图8示出了同一个电机分别被一个常规控制器驱动时和被一个本发明控制器驱动时检测到的噪声水平的对比图。
具体实施方式
图1示出了一个用于驱动步进电机的控制器电路1的框图，步进电机的转动方向和转速可以预设。该步进电机包括转子，转子具有一个多磁极的磁体10，典型的，磁体10至少具有4个磁极，可以为6个以上的磁极，或8个以上，优选地，具有不少于10个磁极。电路包括一个模拟霍尔传感器11，模拟霍尔传感器11的输出信号随着其所检测到的磁场的变化而变化，并且，作为模拟电子器件，其直接输出电压信号。传感器11的存在使得对位于电气单元中的磁体10的角度位置的检测是通过非接触方式完成的。
控制器电路1形成了一个闭环电路。具体的，控制器电路1包括功率级电路20和第一反馈支路12a，第一反馈支路12a将传感器11通过一个用于调节增益的器件连接至功率级电路20的输入端，该用于调节增益的器件例如是乘法器13。
功率级电路20形成了一个电压控制的电流源，其含有另一个反馈回路。功率级电路20包括滤波器21和功率放大器22，滤波器21可以包括一个比例积分控制器(Proportional-integralController，PIController)，功率放大器22包括一个输出端23和一个第二反馈支路24，功率放大器22的输出端23用于与电机的线圈连接，第二反馈支路24将功率放大器22的输出信号反馈回功率级电路20的输入端。功率级电路20的输入端处具有一个比较器25，用于分别接收乘法器13的输出信号和功率级电路20的输出信号并进行比较。
功率放大器22的运行例如是基于脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)，以控制提供给负载(例如线圈)能量，通过以高频率切换开、关状态来实现该控制，用占空比调制提供给负载的平均电压，也即提供能量。
控制器电路1进一步包括第三个反馈回路。具体的，一个第三反馈支路12b将传感器11连接至速度控制级电路30的第一输入端。在第三反馈支路12b中接入有一个频率-电压转换器14。速度控制级电路30包括一个用于接收外部信号的第二输入端36、比较器35、比例积分控制器31和连接至乘法器13的限幅器32。比例积分控制器31和限幅器32均属于调节器件，它们界定了第三反馈回路的动态响应。
所述外部信号界定了转子转速的期望值，它可能是，例如，由用户触发产生。该信号的值例如可以是恒定值或者是随时间变化的值，这取决于具体应用的需要。
在运行过程中，模拟霍尔传感器11根据磁体的极化方式和位置产生一个电压信号。对于一个沿轴向磁化的多极环形磁体，其产生的电压信号具有与反电动势相一致的正弦波形状，该反电动势例如是在线圈中转动的磁体10引起的。霍尔传感器11输出的电压信号和该反电动势之间的相位差是恒定的，优选地，通过将模拟霍尔传感器11布置至具有合适角度的位置，可以减小该相位差。然而，与传感器11的输出信号与反电动势具有相关性不同的是，传感器11的输出信号的幅度与转子的转速相互独立。因此，在任何时候(包括转子停顿时)都可以获知转子的即时角度位置。
传感器11的电压信号通过乘法器13反馈给功率级电路20，该电压信号大体上相当于一个特定信号，正是该特定信号界定了用于驱动电机的电流信号的形状和相位。
转子的实际转速信息，例如，可以通过计算霍尔传感器的输出信号的两个过零点之间的次数获得，该次数即对应一个频率。该频率通过频率-电压转换器14转换为电压(在图1中以Ω*表示)，该电压Ω*与转子的实际转速相对应，将该电压Ω*与输入的用于设定期望转速的参考电压相比较(图1中以Ω表示)，产生一个输出信号ΔΩ，比例积分控制器31和限幅器32依次对该输出信号ΔΩ作进一步处理后生成速度信号I* a。
优选的，速度控制级电路30形成一个回路，该回路调节或限制注入的能量(也就是电流)仅处于在维持转速所需要的水平。信号ΔΩ限定了用于为线圈充电的电流的幅度峰值。
速度信号I* a作为增益因子反馈给乘法器13，以调节霍尔传感器输出信号的幅度，产生一个信号(在图1中以i* a表示)。在功率级电路20中，比较器25将信号i* a与第二反馈支路24的实际电流ia进行比较，产生一个比较值Δia，滤波器21和功率放大器22依次对信号Δia进行滤波和放大，产生用于驱动电机的电流信号。
概括而言，霍尔传感器11通过第一反馈支路12a传输的信号界定了功率级电路20的输出端23的电流信号的形状和相位，而由速度控制级电路30形成的反馈回路界定了该电流信号的幅度。
根据对步进电机的设计，需要多个电流信号以驱动转子。对于一个两相步进电机，例如，需要由相位差为90°的两个信号产生旋转磁场，即一个信号为sin(a(t))，另一个为sin(a(t)+pi/2)＝cos(a(t))。这两个信号由两个模拟霍尔传感器11传输，每个霍尔传感器11具有自己的如图1所示的功率级电路20和速度控制级电路30.
总之，采用两个霍尔传感器11即可获得磁体10的绝对位置的即时信息。于是，控制器电路1可以根据负载转矩的动态变化适当地作出反应。转子的状态和位置可以随时被获知。由此可以产生近乎完美的正弦波换向电流，从而确保能十分平稳地传输转矩。由第一反馈支路12a形成的闭环电路使得注入电机的能量可以被调节至最小，小至使电机转速刚好维持在给定的转矩负载下的转速。因此，转矩脉动以及噪声都被抑止到最小。
为了产生期望的相位差，模拟霍尔传感器11需要安装在合适的位置。图2示出了多极磁体10和位于某一位置的第一霍尔传感器11。第一霍尔传感器11检测径向磁通并产生一个输出信号，如图3、4中所示的曲线11a，图中，x轴为转动角度α，y轴为电压水平V。图2中所示的十字形标记42和点形标记43示出的是第二霍尔传感器11可能所处的位置，以获得如图3、4所示的相位差为90°的两个正弦波信号。图3中的曲线42a是第二霍尔传感器位于十字形标记42位置处时产生的信号，图4中曲线43a是第二霍尔传感器位于点形标记43位置时产生的信号。相邻的十字形标记42和点形标记43之间的间隔对应的转子轴向夹角为360°/NP，其中NP是磁极的数量(例如图2中，NP＝10，对应的夹角为36°)。基本上，两个霍尔传感器之间间隔的距离为s*(n-1/2)，其中s为极距，n＝1,3,5,……可替换地，n＝0,2,4,……也满足相位差为90°这一要求，只是其中一个霍尔传感器的信号与n为奇数时该霍尔传感器的信号极性相反。优选的，两个霍尔传感器相邻设置，以便将它们安装在同一块安装板上或集成到同一个芯片中。此时，两个传感器之间的夹角小于60°，更优选地，小于45°。两个传感器之间的距离可以是在1毫米到4毫米范围内。
除了使用两个霍尔传感器的方式，也可以只使用一个霍尔传感器。在此实施例中，第二个霍尔信号是来自于由霍尔传感器输出的第一个霍尔信号，例如通过对第一霍尔信号进行微分得到第二霍尔信号。此时，转子的磁体10需要转动以对霍尔传感器11的信号进行微分。基于单个霍尔传感器的驱动器设计方案具有减少电子元器件数量的优点。为了解决当转子处于低速或者速度为零时对转子角度位置的检测精确度差的问题，有可能需要引入估计算法。
本发明的控制器尤其具有如下优点：步进电机的电流激励和能量效率可以得到优化，也能确保转子的转动可靠和精确，特别是降低甚至消除了失步的风险。因此，对于特定的应用，例如汽车中绕轴旋转的部件，可以通过一个更小功率的步进电机即可确保可靠地运行。正如图5所示，其中x轴表示转子的转速，y轴表示转矩。常规的步进电机为了在某一应用环境中(例如在汽车中，电池电压和环境温度可能分别在8V到16V和-40℃到+155℃范围内变化)可以可靠运行，在功率方面需超要求配置。图5中的曲线46示出了在开环模式下根据转子转速而被驱动的常规步进电机的输出转矩。然而，步进电机在额定速度下的实际运行点(图5中以47a表示的点)远低于曲线46中对应的点以确保同步性。与常规的步进电机的运行过程相比，本发明通过将电机输出转矩降低至使负载以指定速度运行的最小水平，如图5中箭头46a所示，实际上就减小了供给给线圈的电流、系统中的能量、以及与转矩关联的振动和噪声。虚线47示出了供参考的一个直流电机的典型负载线。
图6示出了一个具有转子的步进电机，该转子包括输出轴和环形的多极磁体10，输出轴上设置的蜗轮51与齿轮驱动机构相耦合。步进电机的定子包括定子部分52、线圈对应部分53和至少一个线圈(图6中不可见)，定子部分52具有环绕转子的极齿，线圈用于磁化极齿。步进电机，例如锡罐电机或爪极电机，其具有两个线圈，两个线圈的轴线处于电机转子的同一轴向平面。
模拟霍尔传感器11布置在磁体10的径向侧以检测磁通径向分量，或者布置在磁体10的轴向侧以检测磁通轴向分量。磁体10为环状磁体且横向延伸出定子52以便霍尔传感器11靠近磁体10以检测磁体10外围的磁通。优选地，磁体10沿转子轴向延伸至超出定子52，以便于一个或更多个霍尔传感器11可以靠近磁体10并位于磁体径向外侧，进而测得磁体10周向外围的磁通径向分量。
步进电机进一步包括安装板55，安装板55上设置有包含如图1所示的控制器电路1的专用集成电路。优选地，专用集成电路内集成有一个或更多个霍尔传感器11。接线探针56自安装板55延伸出，用于与电缆连接。在图6所示的实施例中，线圈对应部分53具有横向延伸出定子53的臂部53a，臂部53a与线圈对应部分53承载线圈的部分一体形成。具有接线探针56的安装板55固定于臂部53a，从而使霍尔传感器11相对磁体10稳固设置，于是可实现对磁体10的精确测量。
图7示出了一个具有如图6所示的步进电机的致动器，其壳体的盖板未示出。蜗轮51同齿轮驱动机构58相耦合，齿轮驱动机构58的输出轴可以与被致动器驱动的部件相耦合。
致动器例如可以用于机动车，尤其是供暖、痛风和/或空调系统。这类系统包括一个或更多个皮瓣需要被致动器调节。这类系统的外壳类似于一个音箱或一个共振器，致动器产生的任何振动都可以被转化为噪声并且被外壳放大，因此，倾向于采用具有特别低激发能级的致动器。
图8示出了对一个致动器的噪声检测结果，该致动器的步进电机被以不同方式驱动。x轴表示转子转速，单位是fsps(fullstepspersecond，整步每秒)，y轴表示噪声水平，单位是dbA(A-weighteddecibels，A计权分贝)。曲线61示出的是在不同电流下以标准1/16微步驱动器驱动步进电机时产生的噪声。曲线62示出的是采用本发明具有模拟霍尔传感器反馈的控制器驱动步进电机时产生的噪声。可以看出，对于每一受检的转子速度，相对常规驱动方式，曲线62显示的噪声水平都显著降低。
根据以上描述，本领域技术人员可以做出各种变形，但都不会超出本发明权利要求所界定的范围。
如上所云仅是对本发明所作的示例性阐述，旨在更好地说明本发明可能的具体实施方式，而并非限定本发明的保护范围，本发明的专利保护范围以权利要求书为准。在不脱离本发明的原理和内涵的情况下，本领域技术人员不经过创造性劳动仍能依据本发明作出多种变形，但都不会超出本发明权利要求界定的范围。例如，控制器电路可以被设计由一个或更多个霍尔传感器输出的部分或全部信号都是数字信号。譬如，图1中所示的第一反馈支路12a可以包括一个模拟-数字转换器，用于将所述至少一个霍尔传感器输出的连续的模拟信号转化为非连续的数字信号。该数字信号反馈给功率级电路20和速度控制级电路30，电路20和/或30中部分或全部模块为处理数字信号的模块。

Claims (22)

1.一种控制器，用于步进电机，所述步进电机具有磁性的转子和至少一个线圈；所述控制器包括：
功率级电路(20)，用于向所述至少一个线圈提供电流；
至少一个模拟霍尔传感器(11)，用于根据所述转子相对于所述霍尔传感器(11)的位置而输出信号；以及
第一反馈支路(12a)，用于将所述霍尔传感器(11)连接至所述功率级电路(20)以将所述霍尔传感器(11)的输出信号反馈至所述功率级电路(20)，所述功率级电路(20)根据所述霍尔传感器(11)的输出信号向所述至少一个线圈提供电流。
2.根据权利要求1所述的控制器，还包括速度控制级电路(30)，所述速度控制级电路(30)的第一输入端与所述霍尔传感器(11)连接，其输出端与所述功率级电路(20)连接；所述速度控制级电路(30)用于接收所述霍尔传感器(11)的输出信号以产生一个参考信号输送给所述功率级电路(20)，所述参考信号用于调节所述霍尔传感器(11)经所述第一反馈支路(12a)反馈的信号的幅度。
3.根据权利要求2的控制器，其中，所述速度控制级电路(30)包括用于接收一个外部信号的第二输入端(36)，该外部信号界定了所述转子转速的期望值。
4.根据权利要求3所述的控制器，其中，所述速度控制级电路(30)的所述第一输入端通过频率-电压转换器(14)连接至所述霍尔传感器(11)。
5.根据权利要求2、3或4所述的控制器，其中，所述速度控制级电路(30)的输出端连接至所述功率级电路(20)输入端处的比较器(25)的一个输入端，所述功率级电路(20)输出端(23)通过一个第二反馈支路(24)连接所述比较器(25)的另一个输入端以反馈所述功率级电路(20)的输出信号。
6.根据权利要求5所述的控制器，其中，所述功率级电路(20)还包括滤波器(21)和功率放大器(22)，所述功率放大器(22)包括所述第二反馈支路(24)，所述功率放大器输出端(23)用于与所述步进电机的线圈连接，所述述功率放大器(22)的输出端即所述功率级电路(20)的输出端。
7.根据权利要求5所述的控制器，其中，所述至少一个模拟霍尔传感器(11)在所述转子转动时输出一个呈正弦波的信号，所述功率级电路(20)向所述至少以一个线圈提供的电流信号具有正弦波形。
8.根据权利要求7所述的控制器，其包括两个所述霍尔传感器(11)，每个所述霍尔传感器(11)根据所述转子相对于该霍尔传感器(11)的位置而输出信号，一个所述霍尔传感器(11)的输出信号与另一个所述霍尔传感器(11)的输出信号具有90°的相位差。
9.根据权利要求8所述的控制器，其中，所述两个霍尔传感器(11)围绕所述转子的转轴布置，且所述两个霍尔传感器(11)之间的间隔所对应的所述转子的周向夹角小于60°，或者小于45°。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述功率级电路(20)和所述霍尔传感器(11)安装在一个安装板(55)上，所述安装板(55)为PCB。
11.根据权利要求8所述的控制器，其中，所述两个霍尔传感器(11)之间的间隔小于4毫米，或者，小于3毫米。
12.一种专用集成电路，其包括上述任一权利要求所述的控制器。
13.一种步进电机，其包括如权利要求1-11中任一项所述的控制器、定子(52)、所述转子和所述线圈。
14.根据权利要求13所述的步进电机，其中，所述转子包括磁体(10)，一个所述模拟霍尔传感器(11)布置在所述磁体(10)的径向侧以检测磁通径向分量，或者布置在所述磁体(10)的轴向侧以检测磁通轴向分量。
15.根据权利要求14所述的步进电机，其中，所述磁体(10)为环状磁体且横向延伸出所述定子(52)以便所述霍尔传感器(11)靠近所述磁体(10)以检测所述磁体(10)外围的磁通。
16.根据权利要求14所述的步进电机，还包括安装有所述控制器的安装板(55)，所述安装板(55)紧固于所述定子(52)的线圈对应部分(53)的径向延伸部(53a)，所述径向延伸部(53a)与所述线圈对应部分(53)承载线圈的部分一体成型。
17.根据权利要求14、15或16所述的步进电机，其中，至少两个所述线圈沿着所述转子转轴的轴向方向布置于所述转子外围。
18.根据权利要求14、15或16所述的步进电机，其中，所述磁体(10)具有至少4个磁极，或者具有至少6个磁极，或者具有至少8个磁极，或者具有至少10个磁极。
19.一种致动器，包括齿轮驱动机构(58)和根据权利要求13-18中任一项所述的步进电机。
20.一种根据权利要求1-11中任一项所述的控制器在机动车的供暖、通风和/或空调系统中的应用。
21.一种根据权利要求13-18中任一项所述的步进电机在机动车的供暖、通风和/或空调系统中的应用。
22.一种根据权利要求19所述的致动器在机动车在供暖、通风和/或空调系统中的应用。
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