CN1245996A - 控制步进电动机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

控制步进电动机的方法包括:将交替具有第一极性及第二极性的驱动脉冲施加给电动机(2)的线圈(3),并在每个驱动脉冲期间将确定的电能量供给线圈(3);在每个驱动脉冲后,检测电动机(2)的转子响应所述驱动脉冲的转动或未转动;及根据所述检测调节所述确定电能量。为了进一步减少电动机消耗的电能量,该方法的特征在于:供给线圈(3)电能量的调节对于具有第一极性的驱动脉冲及对于具有第二极性的驱动脉冲是分开执行的。

Description

控制步进电动机的方法和装置

本发明涉及控制步进电动机的一种方法，该步进电动机具有设有永磁铁的转子、线圈及与所述线圈和磁铁磁耦合的定子，该方法包括：

-对所述线圈施加具有交替第一极性及与所述第一极性相反的第二极性的相继驱动脉冲，并在每个所述驱动脉冲期间对所述线圈供给确定量的电能；

-在每个所述驱动脉冲后，检测所述转子响应所述驱动脉冲的转动或不转动；及

-根据所述检测调节所述能量。

本发明还涉及实施该方法的装置，即控制具有设有永磁铁的转子、线圈及与所述线圈和磁铁磁耦合的定子的步进电动机的装置，所述装置包括：

-用于产生驱动脉冲的装置，以对所述线圈施加具有交替第一极性及与所述第一极性相反的第二极性的相继驱动脉冲，并在每个所述驱动脉冲期间对所述线圈供给确定量的电能；

-检测装置，用于在每个所述驱动脉冲后，检测所述转子响应所述驱动脉冲的转动或不转动；

-调节装置，它响应所述检测信号调节所述电能的量。

这种类型的、尤其是在美国专利US-A-4212156中公开的方法及装置旨在使步进电动机消耗的总电能减少。当步进电动机用在便携式和/或小容积的装置、例如一种电子时计中时，尤其需要这种能耗的减少。所有其它情况是相同的，步进电动机该功耗的减少能使对装置供电的、通常由电池构成的电源的寿命增加或使该电源所占体积减小。

为了使步进电动机的电能耗损量减少，上述公知方法在于，当电动机转子响应一定数目的驱动脉冲已正确转动时，减少在随后的驱动脉冲期间将供给电动机线圈的电能量。此外，该方法在于，当电动机转子响应驱动脉冲未正确转动时，供给电动机线圈一校正脉冲，在此期间供给线圈的电能量足够使转子补上刚失去的步子，并使在随后的驱动脉冲期间将供给电动机线圈的电能量增到最大程度。

其结果是，如果由于任何原因电动机转子未响应驱动脉冲转动时，在随后的驱动脉冲期间供给电动机线圈的电能量将限制在最大值上。

可以看出，该公知方法原则上允许实际供给电动机线圈的电能量接近其最大值，即为使转子正确转动至少必需供给线圈的电能量值。

但众所周知，在步进电动机各个部件制造及组装期间必需允许尺寸和/或位置的某些公差。

因此，譬如可能发生，该电动机转子的磁化轴不与所述转子的旋转轴相交。类似地，该转轴不总是正好与布置转子磁铁的定子孔轴相一致，或也不与磁铁形成的圆柱体轴相一致。

在此情况下，步进电动机转子受到的作为其角度位置函数的位置耦合变化根据转子转动的步子而不同。

也可能发生，步进电动机转子磁铁的磁化轴不正好垂直于该磁铁形成的圆柱体的轴。在此情况下磁铁的一个磁极比另一个磁极明显地靠近圆柱体的一个端面，这些磁极的第二个比第一个靠近另一端面。

在此情况下，朝着转子一个端面的一部分及其附近处存在铁磁材料作的部件、如与转子小齿轮啮合的齿轮时，其效果也是，施加于转子的位置耦合的变化根据转子转动的步子而不同。

也可能发生，步进电动机遭遇到连续的外磁场。在此情况下，施加于转子的位置耦合的变化也根据转子转动的步子而不同。

图1表示在上述一个和/或另一情况中步进电动机转子遭遇到的位置耦合变化CP作为所述转子角度位置α函数的例子。

在图1中，转子的两个稳态休止位置分别被表示为R1及R2。此外，当转子从位置R1转到位置R2及从位置R2转到R1所移动的步子分别被表示为P1及P2。

本领域的熟练技术人员很清楚的知道，要使电动机转子转动步子P1及要使电动机转子转动步子P2的驱动脉冲必需具有相反的极性。在下面的说明中，这些驱动脉冲将分别适宜地被称为正的及负的。

在图1中将会看到，电动机转子的稳态休止位置R1及R2不正好在径向上相反，当转子移动其步子P1时，它的转动大于180°，而当转子移动其步子P2时，它的转动小于180°。

但尤其可看到，在该例中当转子移动其步子P1时，由轴α划界的表面及代表位置耦合负部分的曲线CP、即与转子转动相反的耦合部分CP显著地大于当转子移动其步子P2时负部分的曲线CP。

在图1中，这两个表面划有阴影线并分别由N1及N2表示。

本领域的熟练技术人员知道，在很多情况下，尤其当步进电动机用在时计中时，要使其转子移步必需供给电动机线圈的最小电能量通常几乎大部分时间仅依赖于该表面的尺寸。

在该例中，因此在所有这些情况下及大部分时间中，当电动机转子移动其步子P1时该最小电能量显著地高于当它移动步子P2时的最小电能量。

可以看出，当这种电动机根据上述公知的方法受控制时，在每个驱动脉冲期间供给其线圈的电能量不能小于使所述电动机转子响应正驱动脉冲正确地转动其步子P1所需的电能量。其结果是，在每个负驱动脉冲期间供给其线圈的电能量总是显著地高于电动机转子正确地转动其步子P2所需的电能量。在每个负驱动脉冲期间供给其线圈的过大电能量显然以纯耗损方式消耗掉。

也可能，并不存在当将下个驱动脉冲供给线圈的时刻电动机转子响应驱动脉冲而不转动的合理原因。

对此，例如电动机转子响应该驱动脉冲但因在该驱动脉冲期间电动机受到冲击而不能转动。

作为另一例子，由于被转子驱动的齿轮组中一个齿轮的故障，电动机转子响应该驱动脉冲而不能转动。根据该齿轮在齿轮组中的位置，该故障仅在大量驱动脉冲供给了线圈后再引起转子不转动。

并且在所有这种情况下，转子响应于一驱动脉冲不能转动，在其随后的并与该驱动脉冲极性相反的驱动脉冲期间供给电动机转子的电能量无需很高，该电能量的显著部分也以纯耗损方式消耗掉。

因此，上述公知方法，当然也包括实施该方法的任何装置，不能使步进电动机消耗的电能量如所希望那样地减少。

于是，本发明的目的是提供一种控制步进电动机的方法，它允许被步进电动机消耗的电能量能比用上述公知方法更加减少。

该目的将通过权利要求1的方法来实现。

本发明的另一目的是提供一种用于实施权利要求1方法的装置。

该目的是通过权利要求2中所列特征的装置来实现的。

由以下参照附图给出的说明将使本发明另外的目的及优点变得更加清楚，其附图为：

图1，已经描述，它表示在多种情况下步进电动机转子受到的位置耦合变化作为所述转子角度位置函数的一个例子；及

图2概要地及以非限制性例方式表示根据本发明装置的一个实施例。

在图2表示的实施例中，用总标记1表示根据本发明的装置，它被设计用在具有机械显示装置的电子时计、如手表中，以控制驱动所述装置的步进电动机。

该步进电动机也被概要地表示在图1中，它用标记2表示，并在该例中包括：单个线圈，具有双极永磁铁的转子，与线圈及磁铁磁耦合的定子，及使转子受到位置耦合的装置，后者力图保持转子或使转子回到两个稳态休止位置中的一个或另一个上。图上仅以标记3表示出了该电动机2的线圈。

但本领域的熟练技术人员易于理解，本发明并不限制在该类型的步进电动机的控制上，而可控制任何其它类型的步进电动机，而不管其线圈数目、其转子永磁铁的磁极数目及转子稳态休止位置的数目如何。本领域的熟练技术人员也会看到，本发明不限制于时计的步进电动机的控制，而也可用于构成另类装置一部分的步进电动机的控制。

本领域的熟练技术人员清楚地理解，为了控制上述类型的步进电动机，必需将交替具有第一极性及与第一极性相反的第二极性的驱动脉冲供给其线圈，根据具体的情况，这些驱动脉冲为：称为恒电压类型的或称为恒电流类型的驱动脉冲。

如上所述，具有第一极性的驱动脉冲及具有第二极性的驱动脉冲将在以下分别适宜地称为正的及负的驱动脉冲。

装置1包括一个放大器4，对其将不再详述，因为它是公知的电路。

将简单的描述：放大器4包括两个各与线圈3的一个端子连接的输出端4a及4b。放大器4还包括两个输入端4c及4d，在此例中，这样地设计，以致当其输入端4c为逻辑状态“1”时它对线圈3供给正恒电压驱动脉冲，及当其输入端4d为逻辑状态“1”时它对线圈3供给负恒电压驱动脉冲。放大器4还被设计成，当其输入端4c及4d均为逻辑状态“0”、即从一个驱动脉冲的结束到下一驱动脉冲的开始时，使线圈3短路。

放大器4还包括一个输出端4e，并设计成对该输出端供给测量信号SM，该信号代表线圈3在驱动脉冲结束时刻短路后仍流过该线圈的电流强度。

放大器4的输入端4c及4d分别连接到AND门5的输出端及AND门6的输出端，这些门5及6均具有连接到OR门7输出端的输入端。

门5及6的第二输入端分别连接到D型触发器8的正相输出端Q及反相输出端Q^*。

触发器8具有连接到时基电路9输出端9a的时钟输入端C1及亦连接到其反相输出端Q^*的数据输入端D。

对时基9将不详细描述，因为它是普遍公知的电路。在该例中将简要说一下，它被设计成在其输出端9a提供由频率为1Hz的脉冲形成的周期信号ST1。在该例中也将提及，时基9包括第二输出端9b，它提供由频率为1024Hz的脉冲形成的另一周期信号ST2。

时基9的输出端9a还连接到R-S型触发器10的控制输入端S，该触发器的正相输出端Q连接到AND门11的第一输入端及门7的第一输入端。门11的第二输入端连接到时基9的输出端9b，及该门11的输出端连接到计数器12的时钟输入端C1。

计数器12由三个触发器构成，它们未分开表示并以传统的方式连接，及其各正相输出端形成计数器12的输出端12a，12b及12c。

计数器12还包括一个清零输入端R，它经过一个反相器13连接到触发器10的输出端Q。

也以传统的方式，当该计数器12的输入端R为逻辑“1”状态时，也即触发器10的输出端Q为逻辑“0”状态时，计数器12的三个输出端12a，12b及12c保持逻辑“1”状态。

类似地，当计数器12的输入端R为逻辑“0”状态时，响应于供给计数器12输入端C1的每个脉冲，由输出端12a，12b及12c的逻辑“0”或“1”状态构成的二进位数增加一个单位，并通过门11的输出确定，其方式将在下面描述。该二进位数将记为B1，它于是可从000变化到111。

装置1还包括二进制比较器14，它具有分别连接到计数器12输出端12a，12b及12c的三个第一输入端14a，14b及14c。该比较器14还包括三个第二输入端14d，14e及14f，和一个输出端S，该输出端连接到触发器10的清零输入端。

对比较器14将不详细描述，因为它是普遍公知的电路。仅简要地说一下，当一方面由其输入端14a，14b及14c的、及另一方面由其输入端14d，14e及14f的逻辑“0”或“1”构成的二进制数相等时，其输出端才为逻辑“1”状态，在所有其它情况下，比较器14的该输出端为逻辑“0”状态。

装置1还包括一个开关15，该开关具有三个第一输入端15a，15b及15c，三个第二输入端15d，15e及15f，三个分别连接到比较器14的输入端14d，14e及14f的输出端15g，15h及15i，

及连接到触发器28的反相输入端Q^*的控制输入端E。

对开关15将不详细描述，因为它是普遍公知的电路。仅简要地说一下，它设计成，根据其输入端E为逻辑“0”还是逻辑“1”状态使其输出端15g，15h及15i连接到其第一输入端15a，15b及15c或其第二输入端15d，15e及15f。

装置1还包括：一个计数器16，它具有三个分别连接到开关15的输入端15a，15b及15c的输出端16a，16b及16c；及一个计数器17，它具有三个分别连接到开关15的输入端15d，15e及15f的输出端17a，17b及17c。每个计数器16及17还包括一个时钟输入端C1及一个清零输入端R。

计数器16及17是相同的并各由五个触发器组成，后者未分开表示并以传统方式级联地连接。但是，是这些计数器16及17的最后三个触发器的反相输出端分别形成它们的输出端16a至16c，17a至17c。

一方面，其结果是，当计数器16的输入端R或计数器17的输入端R为状态“1”时，输出端16a至16c，17a至17c的逻辑状态形成二进制数111，众知，它相应于十进制数7。

另一方面，其结果是，当计数器16的输入端R为逻辑“0”状态时，计数器16的输入端C1必需接收四个相继的脉冲，以使其输出端16a至16c的“0”或“1”逻辑状态形成的二进制数减少一个单位。该二进制数将表示为B2。

类似地，当计数器17的输入端R为逻辑“0”状态时，计数器17的输入端C1必需接收四个相继的脉冲，以使其输出端17a至17c的“0”或“1”逻辑状态形成的二进制数减少一个单位。该二进制数将表示为B3。

由于本领域的熟练技术人员易于理解的原因，还这样地设计计数器16及17，即，二进制数B2及B3不能变得低于预定最小值，如011。在下面将解释的情况下，这些二进制数B2及B3可从111变化到011，即从十进制数7变化到3。

计数器16的时钟输入端C1及清零输入端R分别连接到AND门18的输出端及AND门19的输出端，这些门各具有连接到触发器8的正相输出端Q的第一输入端。此外，计数器17的时钟输入端C1及清零输入端R分别连接到AND门20的输出端及AND门21的输出端，这些门各具有连接到触发器8的反相输出端Q^*的第一输入端。

装置1还包括一个检测电路22，它具有一个连接到放大器4的输出端4e的输入端22a，由此它接收信号SM，该信号代表线圈3在驱动脉冲结束时刻短路后仍流过该线圈的电流。

本领域的熟练技术人员很清楚地知道，当步进电动机的线圈在驱动脉冲后短路时，响应驱动脉冲在该线圈中仍流动的电流的变化将根据该电动机是否已正确转动而不同。

本领域的熟练技术人员也知道，分折这些变化不同的各种方法及如何产生代表转子转动或未转动的检测信号。

因此，在这里将不详细描述检测器22。仅简要地说一下，在本例中，检测器22包括两个输出端22b及22c，并且它被设计成：在每个驱动脉冲产生的检测信号是由根据响应所述驱动脉冲、电动机转子是否已正确转动而出现在所述输出端22b或所述输出端22c上的短脉冲形成的。

检测器22的输出端22b及22c分别连接到门18及20的第二输入端和门19及21的第二输入端。

装置1还包括脉冲发生器23，它具有连接到门7第二输入端的输出端23a及连接到检测器22输出端22c的输入端23b。

对发生器23将不详细描述，因为它的实施对于本领域的熟练技术人员是没有问题的，它被设计成，通过在其输出端23a上产生具有相对长宽度的一脉冲，响应在其输入端23b上接收的每个脉冲。

如下面将要阐明的，每次电动机2转子响应驱动脉冲未正确转动时施加给线圈3的、及要使转子转动刚失去步子的校正脉冲必需具有该宽度。因此，该宽度大于施加给线圈3的最长驱动脉冲，但在这里不能进一步限定，因为它依赖于根据具体情况而不同的多个因素。

对于装置1的操作将不很详细地描述，因为借助以上的解释，本领域的熟练技术人员理解它是无困难的。

应简要地指出，由时基9产生的每个脉冲信号ST1将引起触发器8输出端Q及Q^*逻辑状态的改变。

同时，该脉冲信号ST1也将引起触发器10的输出端Q变到“1”状态。其结果是，然后根据变到“1”状态的是触发器8的输出端Q还是输出端Q^*使放大器4的输出端4c或输出端4d变到“1”状态。因此放大器4开始对线圈3供给驱动脉冲，它在第一状态下是正的及在第二状态下是负的。此外，仍根据变到“1”状态的是触发器8的输出端Q还是输出端Q^*，使出现在计数器16的输出端16a至16c上的二进制数B2或出现在计数器17的输出端17a至17c上的二进制数B3通过开关15施加给比较器14的输入端14d至14f，该开关的输入端在第一情况下为“0”状态，而在第二状态下为状态“1”。

换言之，比较器14的输入端14d至14f根据放大器4施加给线圈3的驱动脉冲是正的还是负的接收二进制数B2或二进制数B3。

触发器10的输出端Q变到状态“1”进而允许计数器12开始对接着在其输入端C1通过门11接收的脉冲信号ST2计数。由于计数器12的输入端R为状态“1”而预先等于000的二进制数B1由此开始增加。

当如上所解释地，该二进制数B1变成等于出现在比较器14的输入端14a至14f上的二进制数B2或B3时，该比较器14的输出端S变到状态“1”。其结果是，触发器10的输出端Q变到状态“0”，并使直到那时还为状态“1”的放大器4的输入端4c或输入端4d变到状态“0”。因此，已开始施加给线圈3的驱动脉冲以上述方式被截止。

可以看出，每个正驱动脉冲的宽度是由该正驱动脉冲期间出现在计数器16的输出端16a至16c上的二进制数B2的值确定的。类似地，每个负驱动脉冲的宽度是由该负驱动脉冲期间出现在计数器17的输出端17a至17c上的二进制数B3的值确定的。在本例中，因此这些宽度可从信号ST2的周期宽度的3倍变化到7倍，即从约2.93毫秒变化到约6.84毫秒。

众知，当如本例中情况的恒压驱动脉冲期间供给步进电动机线圈的电能量尤其依赖于所述驱动脉冲的宽度。在本例中，在正驱动脉冲期间或负驱动脉冲期间供给线圈3的电能量于是依赖于二进制数B2或二进制数B3。该电能量不能进一步限定，因为它依赖于其它的因素，例如电动机的供电电压及电动机的电特性。可以简言之，当数B2或B3各具有其值011时，该电能量具有最小值，而当数B2或B3各具有其值111时，该电能量具有最大值。

如果以上述方式刚被截止的驱动脉冲引起了电动机2的转子的正确转动，检测器22的输出端22b产生检测脉冲，及根据该检测脉冲是正的还是负的经过门18或门20供给计数器16或计数器17的时钟输入端C1。计数器16或计数器17的内容由此被改变，如果需要，二进制数B2或二进制数B3减少一个单位，假定这时它还未达到其最小值011。

如果刚被截止的驱动脉冲未引起电动机2的转子的正确转动，检测器22的输出端22c产生检测脉冲，如上所述，一方面，该检测脉冲通过发生器23的输出端23a引起长宽度的脉冲。该长宽度脉冲又引起通过放大器4施加给线圈3一个具有相同长宽度及具有与电动机2转子未转动所响应的驱动脉冲相同极性的校正脉冲。

根据所述驱动脉冲是正的还是负的，经过门19或门21也将相同的校正脉冲供给计数器16或17的清零输入端R。

在第一情况下二进制数B2，或在第二情况下二进制数B3则取其最大值111，而不修改成另外的二进制数值。

也可看出，如果需要，二进制数B2及B3可彼此无关地被修改。

因此结果是，不同于公知装置控制的步进电动机，在正驱动脉冲期间及在负驱动脉冲期间供给线圈3的电能量也被修改，并当需要时彼此无关地被修改。

更确切地，换言之，响应具有确定极性如正极性的驱动脉冲，电动机2转子的转动或未转动仅影响在具有相同极性的随后驱动脉冲期间供给线圈3的电能量，而不影响在具有不同极性、即该例中的负极性的随后驱动脉冲期间供给线圈3的电能量。

让我们以例子的方式考虑这样一种情况，其中在正的及负的驱动脉冲期间供给线圈3的电能量均具有其最小值。如果由于任何原因，响应正的驱动脉冲，电动机2的转子却未正确转动，在随后正的驱动脉冲期间供给线圈3的电能量将实际增加到其最大值，但在随后负的驱动脉冲期间供给线圈3的电能量未被更改。只要响应这些负的驱动脉冲电动机2的转子继续正确地转动，后一电能量将保持其最小值。

可以看出，当步进电动机根据由公知装置实施的公知方法被控制时，由于当该电动机转子响应具有一定极性的驱动脉冲未转动时，在紧随后具有相反极性的驱动脉冲期间供给电动机线圈的电能量被增大到最大值这一事实，就频繁地引起电能量的不必要损坏，这当由电动机受如上述装置1的装置的控制时将被避免。

因此，其结果是，所有其它情况也同样改善，即实施根据本发明的、由如装置1的装置控制步进电动机的方法将允许电源寿命的增加，该电源对电动机所构成的设备供电；或使该电源所占体积减小，这与公知的方法及装置相比，这形成了本发明方法及装置的显著优点。

显然，在不偏离本发明范围的情况下，可获得根据本发明装置的各种其他实施例，它们实施与装置1相同的方法并将具有与其相同的优点。

尤其是，根据本发明的装置可用微型计算机的形式来实现，后者能以合适方式编程并设有能在每个驱动脉冲期间对电动机线圈供给必要电能的接口。

类似地，根据本发明的装置可设计成，它所产生的驱动脉冲是恒流脉冲。本领域的熟练技术人员非常清楚地知道，在此情况下，供给电动机线圈的电能量可通过对将流过线圈的电流强度施加影响来改善。

Claims (3)

1.控制步进电动机(2)的方法，该步进电动机具有设有永磁铁的转子，线圈(3)及与所述线圈(3)和所述磁铁磁耦合的定子，该方法包括：

-将交替具有第一极性及与所述第一极性相反的第二极性的相继驱动脉冲施加给所述线圈(3)，并在所述驱动脉冲期间将确定的电能量供给所述线圈(3)；

-在每个所述驱动脉冲后，检测所述转子响应所述驱动脉冲的转动或未转动；及

-根据所述检测函数调节所述电能量；

其特征在于：所述调节对于具有所述第一极性的驱动脉冲及对于具有所述第二极性的驱动脉冲是分开执行的。

2.控制步进电动机(2)的装置，该步进电动机具有设有永磁铁的转子，线圈(3)及与所述线圈(3)和所述磁铁磁耦合的定子，所述装置包括：

-发生驱动脉冲的装置(4至9)，用于将交替具有第一极性及与所述第一极性相反的第二极性的相继驱动脉冲施加给所述线圈(3)，并在所述驱动脉冲期间将确定的电能量供给所述线圈(3)；

-检测装置(22)用于在每个所述驱动脉冲后，提供代表所述电动机响应所述驱动脉冲的转动或未转动的检测信号；及

-调节装置(10至21)，它响应所述检测信号调节所述电能量；

其特征在于：所述调节装置(10至21)被设计成，对于具有所述第一极性的驱动脉冲及对于具有所述第二极性的驱动脉冲分开地调节所述电能量。

3.根据权利要求2的装置，其特征在于，所述发生装置(4至9)包括：

-用于产生交替具有第一状态及第二状态的交替信号的装置(8，9)，

-整形装置(4至6)，它响应所述交替信号的所述第一状态及所述第二状态，向所述线圈(3)施加具有所述第一极性及所述第二极性的所述驱动脉冲，并响应确定所述电能量的确定信号；及所述调节装置(10至21)包括：

-确定装置(10至14)，它具有输入端(14d至14f)及设计用于响应施加在所述输入端(14d至14f)上的数据信号产生所述确定信号；

-第一存储装置(16，18，19)，用于存储第一存储信号(B2)及响应所述检测信号和所述交替信号的所述第一状态来修改所述存储信号(B2)；

-第二存储装置(17，20，21)，用于存储第二存储信号(B3)及响应所述检测信号和所述交替信号的所述第二状态来修改所述第二存储信号(B3)；

-开关装置(15)，它响应所述交替信号的所述第一状态及所述第二状态对所述输入端(14d至14f)施加所述第一存储信号(B2)，接着该信号构成所述数据信号，及施加所述第二存储信号(B3)，接着该信号构成所述数据信号；

在具有所述第一极性的驱动脉冲期间由所述第一存储信号(B2)确定所述电能量，及在具有所述第二极性的驱动脉冲期间由所述第二存储信号(B3)确定所述电能量。

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