CN111034016B - 用于步进马达的谐振阻尼的方法和电路组件 - Google Patents
用于步进马达的谐振阻尼的方法和电路组件 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于在步进马达(M)的操作期间特别以中高转速范围操作期间对步进马达谐振进行阻尼的方法和电路组件，其中步进马达的各线圈(A；B)连接至半导体开关(Sw1、……、Sw4)的桥电路(Br1；Br2)以施加针对线圈指定的目标线圈电流(ISollA；ISollB)。谐振阻尼的实现主要在于：在目标线圈电流过零时，激活无源FD相，在所述无源FD相期间，所有半导体开关断开或被切换为阻断状态，以由此将涉及的马达线圈中流动的线圈电流沿正供电电压和接地之间的相反方向经由半导体开关中固有存在的反向二极管或体二极管、和/或经由与半导体开关并联连接的(外部)二极管(D1、……、D4)反馈到所述供电电压源中。
Description
技术领域
本发明涉及用于在步进马达的操作期间特别地以中速度范围和高速度范围操作期间对步进马达谐振进行阻尼(damping)的方法和电路组件。
背景技术
众所周知，在步进马达中，通过由静态马达线圈产生受控电磁场并逐步转动来使磁转子逐步转动相应的角度。
通常期望能够以最小可能步进角度转动马达，以达到最高可能的定位分辨率或精度以及扭矩曲线的更均匀迹线(course)。出于该原因，相对于已知的整步和半步模式，所谓的微步模式是优选的，在微步模式中，流过马达线圈的电流不仅被接通和关断，而且以特定的方式上升和下降。步进马达执行微步的分辨率和均匀性基本上取决于使用了多少不同的电流振幅来控制马达线圈、以及这些电流振幅可被维持得多精确。马达线圈的正弦激励或余弦激励通常是最合适的，因为通过这种激励，微步优化的马达也可以实现非常连续的(即无级(jerk free))转动，因此实现平滑的马达运行以及高的位置分辨率。
对于步进马达的电控制，特别是在微步操作中，例如使用了已知的斩波器方法，其中通过斩波器方法，借助于马达供给电压(DC电压)并通过PWM电流脉冲，指定电流(目标线圈电流)在任何给定时间给出的电流方向和电流水平或电流形式被外加到各马达线圈中，以利用由此感应出的转动磁场来驱动马达的转子。
然而，已经表明，步进马达在操作期间可能受到不同谐振，谐振根据马达速度而发生很大变化并且即使在利用斩波器方法控制马达的情况下通常也不能充分抑制。
特别地，在中速度和高速度范围内以及在马达的扭矩减小的速度跳变期间，可能发生不期望的马达谐振，即使在微步操作中，这种谐振也只能被不明显地抑制。此外，这种谐振(特别是恒定的速度下)也可能是由于速度和斩波器频率之间的差拍(beatings)、或者由于马达线圈中所感应出的反电动势(反EMF)对斩波器控制的不利反馈引起的。
即使这些谐振通常仅具有低能量，但是在不利的情况下，它们可以在几十个电流周期内积聚起来，然后在没有阻尼的情况下导致马达的步进损耗。
当然，可以通过不在相关临界速度范围进行、或驱动成快速通过这些相关临界速度范围、或者通过在设计速度曲线时采取其它措施来避免或减少这种谐振。也可以在机械侧使用橡胶阻尼器或合适的耦接。然而，所有这些都被认为是不利的。
利用基于编码器的调节过程来防止谐振通常是不可能的，因为出于成本原因，有关的马达通常作为纯粹受控的系统而操作。
为了实现驱动侧的谐振减小，可以使用用于对谐振的基于反EMF的检测和有源阻尼的方法或无源阻尼方法，其中由振荡产生的过剩能量被转换为热能(内部马达电阻)或反馈到马达的供电电压源中。然而，在中速度和高速度时，这是不可能的，或者与低速相比仅仅可能不够充分，因为接着步进马达的电换向频率将达到与典型斩波器频率的相当的数量级(通常略高于16kHz)。
根据JP H07-95799A，已知通过包含四个半导体开关的桥电路对流过马达线圈的电流进行切换，并且所有半导体开关在给定的下降线圈电流下被阻断，并且线圈电流通过与半导体开关并联连接的二极管被加速减小以实现更高的马达速度。
此外，US 2016/0352272 A1提供了如下的马达控制器，其中切换马达线圈的H桥电路以降低功率耗散，使得要减小的线圈电流被反馈回电源中。
然而，这些公开中没有论述上述的马达谐振的形成问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种方法和电路组件，其中步进马达能够以相对简单的方式操作，至少在很大程度上没有谐振，特别是在中速度和高速度范围内以及特别是在微步操作模式下很大程度上没有谐振。
该目的通过根据本发明下述技术方案中的方法和电路组件来解决。
按照本发明，提出了一种用于对步进马达谐振进行阻尼的方法，其中步进马达的线圈各自连接至包括半导体开关的桥电路中，其中经由所述桥电路将供电电压源的供电电压施加至马达线圈，以通过利用开关信号相应地断开和闭合所述半导体开关来将目标线圈电流值外加到所述马达线圈中，其中所述目标线圈电流值是针对各时间点预定义的且具有预定义极性，其中，在中马达速度和高马达速度的情况下，无源快速衰减相即无源FD相在针对各马达线圈的预定义目标线圈电流过零时或过零周围的时间范围内被激活，其中在所述无源FD相期间，所有所述半导体开关断开或被切换为阻断，以由此将相关马达线圈中流动的线圈电流沿正供电电压和地电势之间的相反方向经由所述半导体开关中固有存在的反向二极管或体二极管、以及/或者经由与所述半导体开关并联连接的二极管反馈到所述供电电压源中。
按照本发明，还提出了一种用于对步进马达谐振进行阻尼、特别地用于执行根据前述技术方案所述的方法的电路组件，其中步进马达的线圈各自连接至包括半导体开关的桥电路中，其中经由所述桥电路将供电电压源的供电电压施加至马达线圈，以通过利用开关信号相应地断开和闭合所述半导体开关来将目标线圈电流值外加到所述马达线圈中，其中所述目标线圈电流值是针对各时间点预定义的且具有预定义极性，其中，所述电路组件包括：各检测器，其用于检测各马达线圈的所供给的目标线圈电流的过零；各定时器，其由所述检测器激活；以及开关装置，利用该开关装置，在由所述定时器确定的时间段内在中马达速度和高马达速度的情况下，将所有的所述半导体开关断开或切换为阻断，以由此将相关马达线圈中流动的线圈电流沿正供给电压和地电势之间的相反方向经由所述半导体开关中固有存在的反向二极管或体二极管、以及/或者经由与所述半导体开关并联连接的二极管反馈到所述供电电压源中。
基本发明原理包括在预定目标线圈电流过零时(以及优选的在时间上在该过零周围的区域内)激活无源快速衰减(FD)相，其中实际线圈电流通过被反馈到供给电压源中而非常快地减小，从而基本上达到零值，以在很大程度上避免这种谐振，特别是在马达扭矩减小因此马达对谐振特别敏感的中高速的区域中。这还对由谐振或速度跳变引起的马达的负载角振荡进行阻尼或抑制，从而导致在线圈中感应出反EMF。
试验表明，还可以与瞬时马达速度无关地在目标线圈电流每次过零时激活无源FD相，而不会在低速度或中速度范围中以不期望的方式影响实际线圈电流。
为了激活无源FD相，马达线圈优选地各自连接在半导体桥电路中，其中经由该半导体桥电路将供电电压源的供电电压+VM施加到马达线圈，以通过相应地断开和闭合半导体开关(例如，MOSFET)、针对各时间点将具有预定极性的预定目标线圈电流值外加到马达线圈中。然后，优选地通过在目标线圈电流过零时(以及优选的在时间上在该过零周围的区域内)断开或阻断所有半导体开关、并由此将然后仍然流动的实际线圈电流沿正供给电压+VM和接地之间的相反方向经由半导体开关中固有存在的反向二极管或体二极管、以及/或者经由与半导体开关并联连接的(外部)二极管反馈到供电电压源中，来非常快速地且比后述的有源FD相快得多地激活无源FD相。
这些无源FD相可以优选地结合上述的斩波器方法来实现，其中通过激活ON相、有源FD相、和SD相(如果必要的话)来将针对各时间点预设的目标线圈电流值外加到线圈中。将参考图4来详细解释这一点。
这些解决方案的一个优点是，现在至少可以很大程度上无谐振地使用马达可用的整个速度范围。
如前所述，本发明的解决方案优选用于微步操作，但是也可以用于任何其它马达操作，其中线圈电流不仅如整步操作那样接通和关断，而且还像在例如半步、四分之一步、八分之一步操作中那样通过使电流振幅或多个电流振幅在零值和最大允许电流值之间增大和减小来将线圈电流外加到线圈中。
后续说明公开了本发明的有利实施例。
附图说明
本发明的其它详情、特征和优点来自以下基于附图对优选实施例的描述。其中：
图1是步进马达在整步操作时的谐振；
图2是受到谐振影响的速度迹线；
图3是谐振状态的机械等效电路图；
图4是在斩波器操作期间的马达线圈中的不同电流相的电路图；
图5是用于执行根据本发明的方法的典型电路组件的示意图；
图6是低速时的线圈电流和线圈电压的测量迹线；
图7是在没有马达负载的情况下的中速度时的线圈电流和线圈电压的测量迹线；
图8是在具有马达负载的情况下的中速度时的线圈电流和线圈电压的测量迹线；
图9是在具有谐振的情况下的高速时的线圈电流和线圈电压的测量迹线；以及
图10是在没有谐振的情况下的高速时的线圈电流和线圈电压的测量迹线。
具体实施方式
为了例示本发明的问题，图1示出步进马达在整步操作时的谐振。在纵轴上标绘整步数S，并且在横轴上标绘时间t。该图示出在执行步进之后，转子进行谐振振荡，其振幅最初可以几乎达到下一个或前一个步位置，然后衰减。这种行为也可能发生在半步、四分之一步、八分之一步操作等以及微步操作中，并导致扭矩的明显损失以及还可能导致步损失。
图2示出步进马达的速度迹线的示例，其中在纵轴上标绘速度v，并且在横轴上标绘时间t。从该例示可以清楚地看出，即使有速度跳变，诸如从加速到恒定速度或这里所示的马达转数的转变，所提到的振荡或谐振也可以发生，并且只是逐渐减弱。这里，也会发生明显的扭矩损失，并且可能还会发生步损失。
图3示出这种谐振马达行为的机械等效电路图。马达的负载L对应于质量m，其中在一方面，与具有弹簧常数c的弹簧相对应的马达的扭矩D产生作用，并且在另一方面，与具有阻尼常数r的阻尼元件相对应的摩擦力R产生作用，使得在质量m上施加力F(t)，从而导致质量m以衰减振荡的形式发生位移X(t)(对应于马达转动)。
图4(A)至(D)示出具有马达线圈A和四种不同电流相的线圈电流IA的电路图。
这些图示出由第一至第四开关Sw1、Sw2、Sw3、Sw4制成的桥电路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各自串联连接，并且这两个串联连接并联连接。相关马达线圈A连接至桥支路的中心。桥电路的基部(base)经由用于感测流过马达线圈的实际马达电流的电阻器RS1接地，而桥电路的头部连接至马达供电电压源+VM。开关Sw1、Sw2、Sw3、Sw4通过驱动器电路进行切换，其中斩波器开关信号被馈送至该驱动器电路以激活电流相。
这意味着测量出实际流过相关马达线圈A的电流，并且根据利用斩波器方法的电流相或斩波器相(ON、SD、FD)对正和负的方向或极性的测量来对这种电流进行调节，其中电流相或斩波器相由开关的PWM控制进行适当的激活和定时，以使得各斩波器相中的实际线圈电流以及因此在其整个迹线上的实际线圈电流至少很大程度上与相关目标线圈电流Isoll的迹线和极性相对应。
假定在正弦线圈电流的情况下，线圈电流的极性在第一象限和第二象限为正，并且在第三象限和第四象限为负。
图4(A)示出在第一斩波器相(ON相)期间的开关位置以及所得的电流IA从供电电压源+VM通过线圈A向地的方向，其中该方向与目标线圈电流的瞬时预定方向或极性相同，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。
在该ON相(正接通相)期间，线圈电流沿着线圈电流的瞬时指定极性或方向的方向被有源地外加到线圈中，使得线圈电流量相对快速且连续地增大(接通期)，直到线圈电流量达到其瞬时目标值为止，然后ON相终止。因此，由ON相外加的线圈电流的方向等于线圈电流的瞬时极性或方向。
图4(B)示出开关位置和所得的线圈A的极性反转以及线圈电流IA向供电电压源+VM的反馈，即与第二斩波器相(有源FD相)期间的目标线圈电流(这里与图4(A)中相同)的瞬时给定方向或极性相反，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。
在该有源FD相(负接通相)期间，通过使线圈的极性反转并将线圈电流反馈到供电电压源+VM中来与目标线圈电流的瞬时给定极性相反地有源减少线圈电流，直到线圈电流已经达到其瞬时目标值为止，然后终止有源FD相。然而，可选地，在经过预定时间段之后，有源FD相也可以未经调节地终止，其目的是在没有实际测量线圈电流的情况下基于经验值来确保特定应用的线圈电流在相应有源FD相中的最大必要减少。在任何情况下，有源FD相用于使线圈电流相对快速地减少，特别是在减小线圈电流量的阶段中(即，在正弦线圈电流的第二象限和第四象限期间)相对快速地减少。
图4(C)示出第三斩波器相(SD相)，其中线圈A短路或桥接，即第二开关Sw2和第四开关Sw4闭合，并且第一开关Sw1和第三开关Sw3断开(或者相应地，反之亦然)，使得在线圈A中流动的电流IA根据线圈A的内阻而逐渐衰减，即再循环。
在该SD相(再循环相)期间，相关线圈并非被有源地驱动，而是被短路或桥接，使得由于线圈的内阻和反EMF的影响，线圈电流仅逐渐地(即，比FD相期间慢地)减小。在该相中，通常不能测量线圈电流IA，因此必须在经过了预定时间段之后终止SD相，其中通常为所有SD相设置相同的恒定时间段。
总之，这三个斩波器相通过由斩波器产生并被馈送至马达线圈的驱动器电路的斩波器开关信号在时间上进行激活、组合和度量，使得实际线圈电流Iist在其整个(例如，正弦)迹线上(即，在线圈电流相的上升和下降期间)尽可能接近并精确地跟随相应马达线圈的相关指定电流(目标线圈电流Isoll)。
这使得可以在大多数情况下、尤其是在马达的反EMF(即转子的线圈中反向感应出的电压)小于供电电压的低速范围内、充分地对马达谐振进行阻尼。
在马达的反EMF达到或超过供电电压的水平的中速和高速时，利用这样的斩波器方法通常只能使目标线圈电流不完全地外加到线圈中，使得线圈中感应出的反EMF以及马达负载角或马达谐振的相关振荡不能通过斩波操作而得到阻尼，或者不能得到充分的阻尼。然而，该阻尼或充分阻尼可以通过如图4(D)所示激活无源FD相来实现。
图4(D)示出桥电路Br1，其包括第一至第四开关Sw1、Sw2、Sw3、Sw4以及反向连接在正供电电压源+VM和地之间的第一至第四二极管D1、D2、D3、D4，其中一个二极管分别与一个开关并联，并且其中所有开关Sw1，Sw2、Sw3、Sw4断开。
如果使用半导体开关、特别是MOSFET作为开关，则二极管D1至D4以半导体开关中固有存在的反向二极管或体二极管的形式实现。可选地或另外，如图所示，也可以使用与开关并联连接的外部二极管D1至D4。
利用该电路，通过在目标线圈电流Isoll过零时(优选在该过零周围的时间范围内)断开所有开关Sw1、Sw2、Sw3、Sw4，来激活无源FD相，其中线圈电流IA经由二极管D4、D1或D2、D3而减小，并被反馈到供电电压源+VM中。
针对要控制的特定马达，在目标线圈电流过零周围的时间范围内的无源FD相的持续时间优选由实验确定和固定。其还可以由用户设置，并且在必要的情况下适应马达操作期间的瞬时马达负载，或者不管马达速度如何而保持恒定。
无源FD相优选地与目标线圈电流每次过零时的瞬时马达速度无关地激活，即，即使在低速时也激活。然而，也有可能是，只有在马达达到或超过预定速度(特别是中速度)、以及/或者马达进行的每单位时间的速度变化超过预定极限值的情况下，才激活无源FD相。
这种无源FD相的优点是，在瞬时目标线圈电流值为零的情况下，实际线圈电流IA特别迅速地减小至该零值。正如后面结合电路组件所解释的，对于这些无源FD相，半导体开关优选地不是如上述的第一至第三斩波器相时那样通过由斩波器驱动驱动器电路Tr而断开、而是通过直接馈送到驱动器电路Tr的开关信号而断开的，使得不会因为如第一至第三斩波器相时那样的斩波器开关信号的相应产生而发生延迟。
除了使用上述的与半导体开关并联连接的固有存在的反向二极管或体二极管和/或(外部)二极管之外，这还导致无源FD相的激活的进一步加速，这对于抑制马达谐振是有利的。
如果马达受到由于驱动速度(转动速度)方面的谐振或跳跃或阶跃而造成的负载角振动(特别是在如上所述的中转动速度和高转动速度时)，这也会导致反EMF的相应变化，反EMF的水平可以达到或超过供电电压的水平。在无源FD相期间，这种反EMF也减小得非常快，使得在目标线圈电流过零时，被迫地或被迫非常快地、并且与斩波器的瞬时状态无关地使实际线圈电流过零。二极管的反应时间可以忽略，因为它在任何情况下都比上述的第一至第三斩波器相的反应时间要短得多。
因此，总的来说，实际线圈电流的每个周期由如图4(A)至4(C)所示的多个斩波器相以及如图4(D)所示的无源FD相组成(后者在目标线圈电流的过零区域中被激活)，使得实现了实际线圈电流的特别精确的过零，并且有效地抑制了任何马达谐振和负载角振荡。
在低马达速度时，马达的任何谐振被所提及的斩波器相很好地进行阻尼，并且无源FD相具有几乎可忽略的小时间部分，使得它们不会影响在斩波器相中外加干净的正弦电流波并且不会干扰马达操作，这特别是因为只有在目标线圈电流为零或几乎为零的情况下才会激活无源FD相。在中马达速度和高马达速度时，无源FD相的相对时间部分自动增加，这是因为线圈电流的过零相应较快地彼此跟随，使得有效地对马达的任何振荡或谐振进行阻尼。
由于要阻尼的振荡的能量与线圈的功耗相比相对较低，因此作为目标线圈电流的电周期的持续时间的百分之五至百分之几十的无源FD相的时间部分被证明为足以有效地抑制这种振荡，特别是在期望的、额定的、或用于预期应用的、或在中等或最大马达速度时有效地抑制振荡。
在高速和高马达负载的情况下，可能发生如下的情况：由于相关的大负载角，因此实际线圈电流的过零相对于目标线圈电流的过零发生了相当大的偏移，特别是在马达电流不能例如通过激活有源FD相(图4(B))而足够快地控制或减小的情况下。在这种情况下，在目标线圈电流过零时激活的无源FD相(图4(D))没有或仅有轻微的即刻效果。然而，如果马达受到振荡，则在实际线圈电流的过零由于振荡所引起的负载角的位移而与目标线圈电流的过零重叠的时刻，这些振荡有效地由无源FD相进行阻尼。
图5示出用于针对步进马达的两个线圈A、B其中之一执行根据本发明的方法的电路组件的典型实施例的框图。
电路组件包括集成的马达-驱动器电路Tr作为本身已知的部件，其中利用该电路Tr，经由第一输出HS(高侧)、LS(低侧)和BM(桥中心)来驱动连接在供电电压源+VM和地之间的第一桥电路Br1，以如上文参考图4所述地切换斩波器相，并将具有相应极性的电流外加到步进马达M的第一线圈A中。
流过第一线圈A的实际线圈电流IA通过第一桥电路Br1的基部处的第一测量电阻器RSA处的电压降来测量。
马达M(在本示例中为两相马达)的第二线圈B连接至具有第二测量电阻器RSB的第二桥电路Br2，其中该第二桥电路Br2如上所述经由这里未示出的驱动器电路Tr的第二输出HS(高侧)、LS(低侧)和BM(桥中心)来控制。
如上文使用根据本发明的方法所解释的，根据本发明的方法也可以以相应的方式应用于具有外加了线圈电流的相应较高数量的马达线圈的3相或多相马达。
用来经由其输入A1、A2控制驱动器电路Tr的、并且在下文中进行描述的根据本发明的电路组件的部件仅被针对步进马达M的两个线圈中的一个(即，第一线圈A)示出。因此，针对另一个马达线圈B(以及可能地在多相步进马达的情况下用于各额外的马达线圈)，这些部件必须被再次实现并且必须连接至驱动器电路Tr的相应输入B1,B2,...。
根据测量电阻器RSA处的实际线圈电流的瞬时极性而下降的正或负电压被馈送至比较器K的第一输入，其中比较器K的第二输入连接至数模转换器DAC的输出，其中利用该数模转换器DAC，将优选在数字域中产生的被供给用于第一线圈A的目标线圈电流值ISollA转换为模拟电压值，以将瞬时实际线圈电流值与瞬时目标线圈电流值ISollA进行比较。如果目标线圈电流值ISollA以模拟形式供给，则当然不需要数模转换器DAC。
作为替代方案并且与通过比较器K所示的检测相对应地，实际线圈电流也可以经由ADC(模数转换器)来检测，以完全在数字域中执行信号处理。
比较器K的输出处的输出信号被馈送至斩波器电路CH的第一输入e1。
将表示瞬时目标线圈电流值ISollA的指定方向(或极性)的信号P/N施加到斩波器电路CH的第二输入e2。
斩波器电路CH在输出a1、a2处产生根据比较器K的输出信号的斩波器开关信号(例如，采用PWM脉冲Hs、Ls的形式)，其中这些斩波器开关信号经由开关装置S被传输至驱动器电路Tr的输入A1、A2，并且驱动器电路Tr利用这些斩波器开关信号来断开和闭合第一桥电路Br1的半导体开关，使得：如上文参考图4(A)至4(C)所解释的，流过第一马达线圈A的实际线圈电流迹线至少基本上与所供给的目标线圈电流迹线ISollA相对应。因此这也同样适用于第二马达线圈B以及利用被馈送至驱动器电路Tr的输入B1、B2的斩波器开关信号对第二桥电路Br2的控制。
电路组件还包括：电流过零的检测器D，其中将所供给的目标线圈电流值ISollA施加到检测器D的输入；定时器T，优选以单稳态触发器的形式，其输入连接至检测器D的输出；以及开关装置S，其具有连接至斩波器电路CH的输出a1、a2的第一输入、以及定时器T的控制输出所施加至的第二输入(控制输入)。开关装置S的输出连接至驱动器电路Tr的输入A1、A2。
因此，如果检测器D检测到目标线圈电流迹线ISollA过零，则在其输出处产生触发信号，该触发信号用于启动定时器T。定时器T然后在其控制输出处产生优选具有预定持续时间(例如，采用逻辑“1”电平形式)的控制信号，该控制信号被馈送至开关装置S。在控制信号存在期间，该控制信号使开关装置S中断由斩波器电路CH的输出a1、a2所供给的斩波器开关信号、并且作为替代将过零信号施加到驱动器电路Tr的输入A1、A2，利用该过零信号，第一桥电路Br1的所有开关(MOSFET)断开或被切换到高阻抗或阻断状态，使得如图4(D)所示，马达M的第一线圈A的无源FD相几乎没有任何延迟地被激活，因此远快于通过利用斩波器电路CH驱动驱动器电路Tr所可能进行的激活。因此这同样适用于马达的第二线圈和任何其它线圈。
预定持续时间一期满，定时器T就再次关断控制信号，或者在其输出处产生逻辑“0”电平。因此，开关装置S切换为再次使斩波器电路CH的输出a1、a2处的斩波器开关信号通过以到达驱动器电路Tr的输入A1、A2，使得再次根据图4(A)至4(C)来控制第一桥电路Br1。
如果这些无源FD相各自在目标线圈电流过零周围的时间范围内被激活、因此在到达过零之前也被激活，则优选在过零检测器D中将瞬时目标线圈电流值ISollA与相应阈值进行比较，其中在该值下降到该阈值以下时产生触发信号。
该阈值以及在定时器T的输出处产生控制信号并由此激活无源FD相的持续时间这两者可以(例如，对于特定的马达类型)恒定地给出，或者可由用户调节。特别地，它们可以适应马达参数和/或实际马达负载和/或实际马达速度。
图6至10示出针对不同速度范围的线圈A的两个端子处的实际(测量)线圈电流IA和实际(测量)线圈电压U1、U2(其分别与地电势相关)的时间波形图，其中在A1、B1、C1和D1分别所标记的时间范围内，激活根据图4(D)的无源FD相，因此线圈电压U1、U2与马达的相应感应电压相对应，该感应电压是在线圈的感应下或者由于这些时间段期间的马达的反EMF而产生的。
无源FD相也可以通过如下事实来认识到：线圈电压U1、U2没有紧密地耦接至地电势或正供电电压、而是随着无源FD相激活而以二极管电压急剧地增大(第一线圈电压U1)或减小(第一线圈电压U2)，并且可以在无电流线圈的持续时间内采用中间电平。
在时间范围A1、B1、C1和D1之外，利用根据图4(A)至4(C)的斩波器电路CH所产生的斩波器开关信号Hs、Ls对桥电路Br1的开关Sw1、...Sw4的开关切换而得到线圈端子处的线圈电压U1、U2。下文将不进一步讨论这些时间范围。利用波形图，仅阐明了在马达的不同速度范围和负载状态下的无源FD相的影响。
图6示出在低马达速度且没有负载或仅有小马达负载的情况下的波形图。
图6的上部以字母“A”标记的时间范围在下部中被扩大。“A1”一词表示由定时器T激活、并且在这种情况下与实际线圈电流IA的过零相对应的无源FD相，过零沿着IA＝0所标记的线。
在时间范围A1的开始，实际线圈电流IA被反馈到供电电压源+VM。如上文所述，这可以通过线圈电压U1和U2分别略高于或低于先前斩波器循环中可见的电压范围(即供电电压的范围)这一事实来认识到。差约0.7伏的原因是在桥电路Br1中使用的MOSFET开关Sw1,..Sw4的二极管通量电压(flux voltage)。反馈在无源FD相的时间范围A1内衰减，使得实际线圈电流IA变为零，并且线圈电压U1、U2在初始反馈后由于反EMF而仅示出小的差异。在波形图中用两个线圈电压U1和U2的陡降来示出无源FD相的终止。
图7示出在中马达速度且没有马达负载的情况下在线圈A的端子处测量出的线圈电流IA和线圈电压U1、U2的波形图。图7的上部以字母“B”标记的时间范围在下部中被扩大示出。
“B1”一词是指由定时器T激活的无源FD相，其中FD相的开始导致以虚线d标记的线圈电压U1、U2的迹线中的跳跃点，并且无源FD相的结束导致线圈电压U1急剧下降。
在这种情况下，无源FD相对实际线圈电流IA没有影响，由于测量情况下的负载角非常小，因此实际线圈电流IA的过零仅稍滞后于目标线圈电流ISollA，并且仅在无源FD相(时间范围B1)结束后才达到。该图特别清楚地表明，无源FD相不仅对线圈电流IA没有影响，而且不会产生干扰。
图8示出在同样是中等马达速度、但是具有马达负载且负载角产生位移或放大的情况下在线圈A的端子处测量出的线圈电流IA和线圈电压U1、U2的波形图，其中FD相的开始再次导致以虚线d标记的线圈电压U1、U2的迹线的跳跃点，并且无源FD相的结束导致线圈电压U1急剧下降。
图8的上部以字母“C”标记的时间范围再次在下部被扩大示出。
在时间范围C1内，即在定时器T所激活的无源FD相内，实际线圈电流IA被部分反馈到供电电压源，因此发生实际激活的衰减。
另外，通过在目标线圈电流ISollA过零时激活无源FD相，实际线圈电流IA更加明显，并以更明确地实现零电流。
图9示出在不激活无源FD相的情况下以高马达速度在线圈A等的端子处测量出的线圈电流IA和线圈电压U1、U2的波形图。
在这种情况下，马达处于谐振振荡状态，其中线圈电流IA的迹线由于相关负载角振荡而失真，并且由于振荡而在循环间有所不同。在最坏的情况下，这种操作状态可能导致谐振灾难。
与该图9作比较并且以相同的比例，图10示出以高马达速度、但是在激活无源FD相的情况下再次在线圈A处测量出的线圈电流IA和线圈电压U1、U2的波形图。
“D1”一词表示由定时器T激活的无源FD相的范围。由此并且与图9所示的操作状态相比较，大部分的振荡能量被吸收，并且线圈电流IA仅具有相当低的振幅，并且更明显且明确地实现零电流。
Claims (12)
1.一种用于对步进马达谐振进行阻尼的方法，其中步进马达的线圈各自连接至包括半导体开关的桥电路中，其中经由所述桥电路将供电电压源的供电电压施加至马达线圈，以通过利用开关信号相应地断开和闭合所述半导体开关来将目标线圈电流值外加到所述马达线圈中，其中所述目标线圈电流值是针对各时间点预定义的且具有预定义极性，其中，在中马达速度和高马达速度的情况下，无源快速衰减相即无源FD相在针对各马达线圈的预定义目标线圈电流过零时或过零周围的时间范围内被激活，其中在所述无源FD相期间，所有所述半导体开关断开或被切换为阻断，以由此将相关马达线圈中流动的线圈电流沿正供电电压和地电势之间的相反方向经由所述半导体开关中固有存在的反向二极管或体二极管、以及/或者经由与所述半导体开关并联连接的二极管反馈到所述供电电压源中，其中，所述无源FD相被以如下方式关于时间激活，以使得所述无源FD相具有作为所述目标线圈电流的电周期的持续时间的百分之五至百分之几十的时间部分，其中，通过检测器将所供给的目标线圈电流值与预定阈值进行比较，定时器在所供给的目标线圈电流值的量降至低于阈值时激活。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无源FD相在所述马达的反电动势即反EMF达到或超过所述供电电压的水平时激活。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无源FD相与马达速度无关地激活。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无源FD相还在所述马达进行的每单位时间的速度变化超过预定极限值的情况下激活。
5.根据权利要求1所述的方法，其与本身已知的斩波器方法相结合，在所述斩波器方法中，通过利用脉宽调制电流脉冲即PWM电流脉冲驱动相关桥电路，将由供给至各马达线圈的目标线圈电流针对各时间点所预定的电流值外加到马达线圈的每一个中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无源FD相通过检测器所生成的开关信号来激活，其中所述检测器用于检测所述预定义目标线圈电流的过零或过零周围的时间范围。
7.一种用于对步进马达谐振进行阻尼的电路组件，其中步进马达的线圈各自连接至包括半导体开关的桥电路中，其中经由所述桥电路将供电电压源的供电电压施加至马达线圈，以通过利用开关信号相应地断开和闭合所述半导体开关来将目标线圈电流值外加到所述马达线圈中，其中所述目标线圈电流值是针对各时间点预定义的且具有预定义极性，其中，所述电路组件包括：各检测器，其用于检测各马达线圈的所供给的目标线圈电流的过零；各定时器，其由所述检测器激活；以及开关装置(S)，利用该开关装置，在由所述定时器确定的时间段内在中马达速度和高马达速度的情况下，将所有的所述半导体开关断开或切换为阻断，以由此将相关马达线圈中流动的线圈电流沿正供给电压和地电势之间的相反方向经由所述半导体开关中固有存在的反向二极管或体二极管、以及/或者经由与所述半导体开关并联连接的二极管反馈到所述供电电压源中，其中，所述检测器将所供给的目标线圈电流值与预定阈值进行比较，所述定时器在所供给的目标线圈电流值的量降至低于阈值时激活。
8.根据权利要求7所述的电路组件，其中，所述半导体开关是金属氧化物半导体场效应晶体管即MOSFET。
9.根据权利要求7所述的电路组件，其中，由所述定时器确定的持续时间是预定的或能够由用户调整的。
10.根据权利要求7所述的电路组件，其中，所述定时器是单稳态触发器。
11.根据权利要求7所述的电路组件，其中，所述定时器在所确定的持续时间期间生成控制信号，所述控制信号被馈送至所述开关装置，所述开关装置用于在所述控制信号的施加期间中断从斩波器电路即CH的输出馈送的斩波器开关信号，并且作为替代向驱动器电路的输入施加过零信号，其中利用所述过零信号，所有的所述半导体开关断开或切换为阻断。
12.根据权利要求7所述的电路组件，其中，所述电路组件被设计用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
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