CN116915015A - 一种有限转角步进电机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有限转角步进电机及控制方法，该有限转角步进电机包括定子结构、转子结构、转子负载、磁钢、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和控制器，转子结构转动设置于定子结构内，转子负载固定设置于转子结构的一端，磁钢设置于转子负载朝向定子结构的表面，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器设置于定子结构朝向转子负载表面且位于磁钢转动轨迹的投影上，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器均与控制器电性连接，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器在检测到磁钢的磁场时发送电信号至控制器，控制器根据电信号控制转子结构转动以带动转子负载在预设区域内运动。本发明能够控制步进电机的负载在预设区域转动，而不会运动至固定位置出现卡死现象。

Description

一种有限转角步进电机及控制方法

技术领域

本申请涉及步进电机控制技术领域，特别是涉及一种有限转角步进电机及控制方法。

背景技术

在步进电机控制领域中，尤其对于步进电机应用在无法直接人工干预的关键设备中，在该关键设备投入使用前，要求步进电机的负载处于固定位置，需要设计相应的固定装置，防止该关键设备受到损坏，在开始使用时，需要控制负载转到工作区域，开始正常工作，但需要避免负载不会再次转到固定位置，防止出现卡死在固定位置的情况，导致该关键设备无法工作。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种有限转角步进电机及控制方法，以解决现有步进电机在负载的固定位置容易出现卡死现象的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种有限转角步进电机，其包括定子结构、转子结构、转子负载、磁钢、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和控制器，转子结构转动设置于定子结构内，转子负载固定设置于转子结构的一端，磁钢设置于转子负载朝向定子结构的表面，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器设置于定子结构朝向转子负载表面且位于磁钢转动轨迹的投影上，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器均与控制器电性连接，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器在检测到磁钢的磁场时发送电信号至控制器，控制器根据电信号控制转子结构转动以带动转子负载在预设区域内运动。

作为本申请的进一步改进，其还包括第一固定件和第二固定件，第一固定件设置于转子负载朝向定子结构的表面，第二固定件设置于定子结构朝向转子负载表面且位于第一固定件转动轨迹的投影上。

作为本申请的进一步改进，第一霍尔传感器、第二霍尔传感器以及转子结构端部构成的第一扇形区域和第二扇形区域，且第一扇形区域面积小于第二扇形区域面积，第二固定件设置于第一扇形区域内。

作为本申请的进一步改进，第一固定件包括弹簧顶珠结构，第二固定件包括滚珠。

为解决上述技术问题，本申请采用的再一个技术方案是：提供一种有限转角步进电机的控制方法，其应用于上述的有限转角步进电机，有限转角步进电机包括定子结构、转子结构、转子负载、磁钢、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和控制器；方法包括：控制器判断第一霍尔传感器是否有效；当第一霍尔传感器有效时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器，且当搜索到第一霍尔传感器时，控制器输出第一霍尔传感器有效，控制器控制转子结构带动转子负载按第一预设方向旋转至指定位置；当第一霍尔传感器无效时，控制器判断第二霍尔传感器是否有效；当第二霍尔传感器有效时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器，且当搜索到第二霍尔传感器时，控制器输出第二霍尔传感器有效，控制器控制转子结构带动转子负载按第二预设方向旋转至指定位置；当第二霍尔传感器无效时，控制器停止控制转子结构。

作为本申请的进一步改进，当第一霍尔传感器有效时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器之前，还包括：控制器判断磁钢是否在第一霍尔传感器的有效检测范围内；若是，则控制器控制转子结构带动转子负载按第二预设方向旋转预设步长；当第二霍尔传感器有效时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器之前，还包括：控制器判断磁钢是否在第二霍尔传感器的有效检测范围内；若是，则控制器控制转子结构带动转子负载按第二预设方向旋转预设步长。

作为本申请的进一步改进，当第一霍尔传感器有效时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器之后，还包括：当未搜索到第一霍尔传感器时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索第二霍尔传感器；当搜索到第二霍尔传感器时，控制器输出第二霍尔传感器有效，控制器控制转子结构带动转子负载按第二预设方向旋转至指定位置；当未搜索到霍尔传感器时，控制器输出第一霍尔传感器和第二霍尔传感器均失效。

本申请的有益效果是：本申请的有限转角步进电机通过根据霍尔传感器在进入磁钢产生的磁场是会发生高低电平变化的性质，利用第一霍尔传感器和第二霍尔传感器构建出步进电机的转子负载的工作区域和固定区域，在控制器控制转子结构转动时，根据第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的电平信号变化将转子负载控制在工作区域内转动，使得转子负载不会转动至固定区域内，进而防止转子负载卡死，避免了步进电机的损坏。

附图说明

图1是本发明实施例的有限转角步进电机的侧面结构示意图；

图2是本发明实施例的有限转角步进电机的正面结构示意图；

图3是本发明实施例的有限转角步进电机的电性连接关系示意图；

图4是本发明实施例的有限转角步进电机的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1和图2是本发明实施例的有限转角步进电机的结构示意图。如图1和图2所示，该有限转角步进电机包括定子结构1、转子结构2、转子负载3、磁钢4、第一霍尔传感器5、第二霍尔传感器6和控制器7(具体请参阅图3)，转子结构2转动设置于定子结构1内且一端伸至外部，当该步进电机通电后，该转子结构2在定子结构1内转动，转子负载3固定设置于转子结构2从定子结构1中伸出的一端上，磁钢4设置于转子负载3的表面上，且该表面正对定子结构，第一霍尔传感器5和第二霍尔传感器6设置于定子结构1朝向转子负载3表面，且位于磁钢4转动轨迹的投影上，该转动轨迹是指磁钢4在转子负载3的带动先旋转时，其垂直投影在定子结构1表面的转动轨迹，该转动轨迹为一圆形，以转子结构2的端部为圆心，该圆心与第一霍尔传感器5、第二霍尔传感器6将该圆形划分为两个区域，其中较小的扇形区域为固定区域，剩余的区域为工作区域，例如，第一霍尔传感器5和第二霍尔传感器6所构成的扇形区域的夹角大小设置为50°。需要说明的是，霍尔传感器存在有效区域，当磁钢4处于该有效区域内时，霍尔传感器的电平信号会在磁钢4产生的磁场的影响下发生改变，例如，当磁钢4在霍尔传感器的有效区域范围内时，霍尔传感器处于低电平状态，当磁钢4离开霍尔传感器的有效区域时，霍尔传感器切换至高电平状态。

请一并参阅图3，第一霍尔传感器5和第二霍尔传感器6均与控制器7电性连接，其中，控制器7向定子机构1输出两相八拍步进电机驱动信号，采用国内乐清机电厂生产的步进电机42HB34A，实现转子机构2转动，每个驱动周期转子机构2转动0.9°整步，控制器7接收第一霍尔传感器5输出的第一霍尔传感器电信号和第二霍尔传感器6输出的第二霍尔传感器电信号，第一霍尔传感器5和第二霍尔传感器6选用Risym公司生产的A3144E。第一霍尔传感器5和第二霍尔传感器6在检测到磁钢4的磁场时发送电信号至控制器7，控制器7根据电信号控制转子结构2转动以带动转子负载3在预设区域内运动。需要说明的是，该预设区域即工作区域。

具体地，第一霍尔传感器5和第二霍尔传感器6作为固定区域和工作区域的分割线，具体以第一霍尔传感器5检测到磁钢4为例进行说明，当第一霍尔传感器5检测到磁钢4的磁场时，说明转子负载3带动磁钢4转动到了第一霍尔传感器5所在位置，第一霍尔传感器5发送电信号至控制器7，控制器7根据第一霍尔传感器5发送的电信号控制转子结构2的旋转方向，以将转子负载3向工作区域内旋转，阻止其向固定区域旋转，磁钢4处于第二霍尔传感器6位置处时同理，此处不再赘述。利用第一霍尔传感器5和第二霍尔传感器6发送至控制器7的电信号即可实现将转子负载控制在有限转角内运动。

本实施例的有限转角步进电机通过根据霍尔传感器在进入磁钢4产生的磁场是会发生高低电平变化的性质，利用第一霍尔传感器5和第二霍尔传感器6构建出步进电机的转子负载3的工作区域和固定区域，在控制器7控制转子结构2转动时，根据第一霍尔传感器5和第二霍尔传感器6的电平信号变化将转子负载3控制在工作区域内转动，使得转子负载3不会转动至固定区域内，通过采用两个霍尔传感器安装在固定装置两侧，有效的防止步进转子负载3再次转到固定区域，避免负载卡死在固定区域，保证仪器正常工作。

进一步的，在一些实施例中，该有限转角步进电机还包括第一固定件8和第二固定件9，第一固定件8设置于转子负载3朝向定子结构1的表面，第二固定件9设置于定子结构1朝向转子负载3表面且位于第一固定件8转动轨迹的投影上。其中，第一霍尔传感器5、第二霍尔传感器6以及转子结构2端部构成的第一扇形区域和第二扇形区域，且第一扇形区域面积小于第二扇形区域面积，第二固定件9设置于第一扇形区域内。其中，第一扇形区域即固定区域，第二扇形区域即工作区域。其中，第一固定件8包括弹簧顶珠结构，第二固定件9包括滚珠。

本实施例中，第一固定件8和第二固定件9采用弹簧顶珠与滚珠配置的方式，结构简单，体积小，可靠性高。

具体地，该第二固定件9设置在固定区域的中心位置。当该有限转角步进电机停止工作后，为了避免转子负载3损坏，需要将该转子负载3旋转至固定区域内，再通过第一固定件8和第二固定件9相互卡合以固定住转子负载3。

图4展示了本发明有限转角步进电机的控制方法的流程示意图。该有限转角步进电机的控制方法应用于上述实施例的有限转角步进电机，该有限转角步进电机包括定子结构、转子结构、转子负载、磁钢、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和控制器。如图4所示，该有限转角步进电机的控制方法包括：

步骤S101：控制器判断第一霍尔传感器是否有效。当第一霍尔传感器有效时，执行步骤S102；当第一霍尔传感器无效时，执行步骤S103。

需要说明的是，控制器与第一霍尔传感器和第二霍尔传感器电性连接，控制器实时接收第一霍尔传感器和第二霍尔传感器发送的电信号，并根据电信号控制转子结构的旋转方向。因此，控制器对转子结构的旋转控制依赖于第一霍尔传感器和第二霍尔传感器是否生效来实现。具体地，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器是否有效可根据控制器是否能接收到第一霍尔传感器和第二霍尔传感器传输的霍尔信号来确认。

步骤S102：控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器，且当搜索到第一霍尔传感器时，控制器输出第一霍尔传感器有效，控制器控制转子结构带动转子负载按第一预设方向旋转至指定位置。

本实施例中，第一预设方向和第二预设方向根据第一霍尔传感器与第二霍尔传感器之间的位置关系确定。当第一霍尔传感器在第二霍尔传感器的左侧、且第一霍尔传感器顺时针至第二霍尔传感器所覆盖的区域为固定区域时，第一预设方向为逆时针方向，第二预设方向为顺时针方向；当第一霍尔传感器在第二霍尔传感器的右侧、且第二霍尔传感器顺时针至第一霍尔传感器所覆盖的区域为固定区域时，第一预设方向为顺时针方向，第二预设方向为逆时针方向。

具体地，当第一霍尔传感器有效时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转以搜索霍尔传感器，该霍尔传感器可以为第一霍尔传感器也可以为第二霍尔传感器，其中，搜索到霍尔传感器是指磁钢进入到霍尔传感器的有效区域边界，霍尔传感器产生检测到磁钢的霍尔信号并发送至控制器。当搜索到第一霍尔传感器时，控制器控制转子结构带动转子负载按第一预设方向旋转至指定位置。

步骤S103：控制器判断第二霍尔传感器是否有效。当第二霍尔传感器有效时，执行步骤S104。

具体地，步骤S103的实现过程与步骤S101的实现过程类似，详情请参阅步骤S101，此处不再赘述。

步骤S104：控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器，且当搜索到第二霍尔传感器时，控制器输出第二霍尔传感器有效，控制器控制转子结构带动转子负载按第二预设方向旋转至指定位置。

具体地，步骤S104的实现过程与步骤S102的实现过程类似，详情请参阅步骤S102，此处不再赘述。

步骤S105：当第二霍尔传感器无效时，控制器停止控制转子结构。

具体地，当第一霍尔传感器和第二霍尔传感器均无效时，设备可能出现异常，此时控制器停止控制转子结构。

本实施例的有限转角步进电机的控制方法通过实时接收第一霍尔传感器和第二霍尔传感器发送的电信号，再由控制器根据电信号控制转子结构旋转，以保证转子负载在工作区域内转动，使得转子负载不会转动至固定区域内，进而防止转子负载卡死，避免了步进电机的损坏。

进一步的，为了保证转子负载能够精准定位用户预先设置的指定位置，在控制转子负载开始旋转至指定位置之前，应尽量保证转子负载处于一个明确的位置，但是，霍尔传感器的有效区域是一个范围，当转子负载在该有效区域内的任意位置时，都能被霍尔传感器检测到，从而导致转子负载开始旋转的位置不确定，进而可能导致转子负载无法精准旋转至指定位置。因此，针对于上述问题，本实施例中，在步骤S102的当第一霍尔传感器有效时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器的步骤之前，还包括：

1.1、控制器判断磁钢是否在第一霍尔传感器的有效检测范围内。

1.2、若是，则控制器控制转子结构带动转子负载按第二预设方向旋转预设步长。

具体地，当第一霍尔传感器有效时，控制器再判断磁钢是否在第一霍尔传感器的有效检测范围内，当磁钢在第一霍尔传感器的有效检测范围内时，控制器控制转子结构带动转子负载按第二预设方向旋转预设步长，从而使得转子负载脱离第一霍尔传感器的有效检测范围，然后再执行控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器的步骤，直至转子负载刚好旋转到第一霍尔传感器的有效检测范围的边界后，控制转子结构停止逆时针旋转，转子负载则刚好停留在第一霍尔传感器的有效检测范围的边界，再控制转子负载从第一霍尔传感器的有效检测范围的边界像指定位置旋转。由于第一霍尔传感器的有效检测范围是不变的，本实施例通过控制转子负载脱离第一霍尔传感器的有效检测范围再重新搜索到第一霍尔传感器的有效检测范围的边界，从而使得转子负载均是从第一霍尔传感器的有效检测范围的边界开始向指定位置旋转，方便用户设置转子负载的旋转步长，也使得转子负载能够精准定位到用户预设的指定位置。

本实施例中，当磁钢不在第一霍尔传感器的有效检测范围内时，则可控制转子结构直接按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器的有效检测范围的边界。

在步骤S104中，当第二霍尔传感器有效时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器的步骤之前，还包括：

1.3、控制器判断磁钢是否在第二霍尔传感器的有效检测范围内。

1.4、若是，则控制器控制转子结构带动转子负载按第二预设方向旋转预设步长。

具体地，步骤1.3-1.4的实现过程与步骤1.1-1.2的实现过程相似，详情请参阅步骤1.1-1.2，此处不再赘述。

进一步的，在步骤S102中，当第一霍尔传感器有效时，控制器控制转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器的步骤之后，还包括：

2.1、当未搜索到第一霍尔传感器时，控制器控制所述转子结构按第一预设方向旋转搜索第二霍尔传感器；

2.2、当搜索到所述第二霍尔传感器时，所述控制器输出所述第二霍尔传感器有效，所述控制器控制所述转子结构带动所述转子负载按第二预设方向旋转至指定位置；

2.3、当未搜索到霍尔传感器时，所述控制器输出所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器均失效。

具体地，当未搜索到霍尔传感器时，说明此时第一霍尔传感器和第二霍尔传感器均失效了，控制器将第一霍尔传感器和第二霍尔传感器均失效的信息输出以警告用户。

具体地，当判定第一霍尔传感器和第二霍尔传感器均无效时，同样需要控制器将第一霍尔传感器和第二霍尔传感器均失效的信息输出以警告用户。

本实施例寻找霍尔传感器的策略严谨周密，充分考虑了霍尔传感器失效情况下的搜索策略，并且实现了使用最短时间找到霍尔传感器边沿的方法，保证了在无法直接人工干预的应用环境下，设备的正常工作。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种有限转角步进电机，其特征在于，其包括定子结构、转子结构、转子负载、磁钢、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和控制器，所述转子结构转动设置于所述定子结构内，所述转子负载固定设置于所述转子结构的一端，所述磁钢设置于所述转子负载朝向所述定子结构的表面，所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器设置于所述定子结构朝向所述转子负载表面且位于所述磁钢转动轨迹的投影上，所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器均与所述控制器电性连接，所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器在检测到所述磁钢的磁场时发送电信号至所述控制器，所述控制器根据所述电信号控制所述转子结构转动以带动所述转子负载在预设区域内运动。

2.根据权利要求1所述的有限转角步进电机，其特征在于，其还包括第一固定件和第二固定件，所述第一固定件设置于所述转子负载朝向所述定子结构的表面，所述第二固定件设置于所述定子结构朝向所述转子负载表面且位于所述第一固定件转动轨迹的投影上。

3.根据权利要求2所述的有限转角步进电机，其特征在于，所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器以及所述转子结构端部构成的第一扇形区域和第二扇形区域，且所述第一扇形区域面积小于所述第二扇形区域面积，所述第二固定件设置于所述第一扇形区域内。

4.根据权利要求2所述的有限转角步进电机，其特征在于，所述第一固定件包括弹簧顶珠结构，所述第二固定件包括滚珠。

5.一种有限转角步进电机的控制方法，其特征在于，其应用于权利要求1-4之一所述的有限转角步进电机，所述有限转角步进电机包括定子结构、转子结构、转子负载、磁钢、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和控制器；所述方法包括：

所述控制器判断所述第一霍尔传感器是否有效；

当所述第一霍尔传感器有效时，所述控制器控制所述转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器，且当搜索到所述第一霍尔传感器时，所述控制器输出所述第一霍尔传感器有效，所述控制器控制所述转子结构带动所述转子负载按第一预设方向旋转至指定位置；

当所述第一霍尔传感器无效时，所述控制器判断所述第二霍尔传感器是否有效；

当所述第二霍尔传感器有效时，所述控制器控制所述转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器，且当搜索到所述第二霍尔传感器时，所述控制器输出所述第二霍尔传感器有效，所述控制器控制所述转子结构带动所述转子负载按第二预设方向旋转至指定位置；

当所述第二霍尔传感器无效时，所述控制器停止控制所述转子结构。

6.根据权利要求5所述的有限转角步进电机的控制方法，其特征在于，当所述第一霍尔传感器有效时，所述控制器控制所述转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器之前，还包括：

所述控制器判断所述磁钢是否在所述第一霍尔传感器的有效检测范围内；

若是，则所述控制器控制所述转子结构带动所述转子负载按第二预设方向旋转预设步长；

当所述第二霍尔传感器有效时，所述控制器控制所述转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器之前，还包括：所述控制器判断所述磁钢是否在所述第二霍尔传感器的有效检测范围内；

若是，则所述控制器控制所述转子结构带动所述转子负载按第二预设方向旋转所述预设步长。

7.根据权利要求5所述的有限转角步进电机的控制方法，其特征在于，当所述第一霍尔传感器有效时，所述控制器控制所述转子结构按第一预设方向旋转搜索霍尔传感器之后，还包括：

当未搜索到第一霍尔传感器时，控制器控制所述转子结构按第一预设方向旋转搜索第二霍尔传感器；

当搜索到所述第二霍尔传感器时，所述控制器输出所述第二霍尔传感器有效，所述控制器控制所述转子结构带动所述转子负载按第二预设方向旋转至指定位置；

当未搜索到霍尔传感器时，所述控制器输出所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器均失效。