CN1326319C - 步进电机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种步进电机驱动装置，包括步进电机，与步进电机转子相结合的驱动部件，将驱动部件停止于零位上的止动件，控制步进电机励磁线圈的励磁状态的控制器，用于检测在因转子旋转而导致磁通量变化的基础上产生的感应电压波形的感应电压波形检测器，以及检测驱动部件是否停止在零位上的零位检测器。零位检测器包括比较器，用于比较每个感应电压波形超过预定阀值的时间T2与参考时间Tref，还包括判定器，用于在比较器比较结果的基础上判别驱动部件是否被止动件停止在零位上，当时间T2小于参考时间Tref时，判定器判别驱动部件被止动件停止在零位上。

Description

步进电机驱动装置
技术领域
本发明涉及步进电机驱动装置，特别是用于车载仪表或类似应用中步进电机初始化过程的改进的步进电机驱动装置。
背景技术
鉴于指示精度和成本的原因，近来步进电机广泛应用于车载仪表中，例如用于指示车速的速度计和指示发动机转速的转速计。
但是，在装有使用这样步进电机的车载仪表的车辆中，由于车辆的振动、噪声等引起的错误驱动信号，使得与步进电机旋转相结合的指针的所需移动量和指针的实际移动量之间可能产生误差。
所以，在使用这样步进电机的车载仪表中，执行了一个初始化过程，以使步进电机向止动件方向反向转动，例如，在点火开关启动时，将指针恢复(归位)到由止动件确定的零位上。
以下说明在初始化过程中，如何检测由步进电机控制定位的指针是否接触到决定指针零位的止动件。检测因步进电机转子旋转而导致磁通量改变所产生的感应电压。进行零位检测使得当所检测到的感应电压不高于预定阀值时，即判断指针由于碰撞到安装在零位上的止动件而被停止。
例如，国际专利分布No.WO97/37425公布了一种能够进行零位检测的步进电机驱动装置。
图8和9为WO97/37425所公布的相关步进电机驱动装置的电路框图。步进电机10包括四个绕组线1到4，和四个与绕组线分别串联连接的开关5到8。四个绕组线1到4在正电势UB——例如汽车电瓶——与地电势0之间以开关5到8分别相连。在绕组线和开关之间分别有支线端11到14。支线端11到14分别用于监测绕组线1到4的电压以确定止动件并阻塞。当开关5到8被控制断开和闭合时，步进电机10中的绕组线1到4从电势UB上连接或断开。即，绕组线1到4在电流导通状态或电流非导通状态。
如图8所示，在地电势0和绕组线1到4之间分别安装了开关5到8的步进电机中，形成了一个具有接地开关或低侧驱动装置的步进电机控制部分。
接下来在图9中，估测电路20检测每个电流非导通绕组线中所感应的如图10所示电压图50中的电压峰值51和52。当电压峰值51和52大于预定阀值时，估测电路20确定弹性阻塞，并产生相应的输出信号。输出信号作为外部中断信号传输到未示出的控制电路中的微控制器，从而控制步进电机10。
电压峰值51和52在极性上不同。如图10所示，当以零线53为参考线时，这一点将变得很容易理解。极性可以由估测电路20相应的测出。更为有利的是，即便在步进电机由于其有故障而运转缓慢的情况下，也能够进行检测。估测电路不需要高的时间灵敏度。因而可以使用廉价的组成元件。
图9所示估测电路20有四个在结构上相同的支路，对应于图8所示的四个支线端11到14。对应于绕组线的比较器21分别安装在支路中，以彼此相互独立。每个比较器21有一个标明“+”的非反相输入端和一个标明“-”的反相输入端。每个比较器21的反相输入端通过分压器连接到一个预定电势上，其中分压器由电阻22和23构成，并且连接供电电势UB和接地电势0。每个比较器2 1的非反相输入端通过分压器连接到一个预定电势上，该分压器由电阻24和25构成，并且连接供电电势UB和接地电势0。一个由二极管26和电容27构成的串联电路连接在估测电路20的每个输入端11到14和对应比较器21之一的非反相输入端之间。每个二极管26的极性确定如下。即，每个二极管26极性的确定，使得只有负电压，例如图10中的电压峰值52，可以通过相应的电容27到达相应比较器21的非反相输入端“+”。
比较器21在反相输入端“-”的阀值被由电阻22和23构成的分压器所确定。由电阻24和25构成的分压器使得只有超过预定电势的电压峰值52可以到达非反相输入端。比较器21反相输入端的电压被由电阻24和25构成的分压器所确定，使得其电压低于非反相输入端的电压。只有负电压被输入并以二极管26连接于比较器21的非反相输入端，同时只有负电压的边缘被输入并以电容27连接于非反相输入端。由电阻22和23构成的分压器的支线电阻率设定为与由电阻24和25构成的分压器的支线电阻率相同。由此，即便在供电电势UB波动的情况下，从比较器21输出的信号也不会受到供电电势UB波动的影响，因为两个分压器可以在相同的电阻率下引起供电电势UB的波动。
比较器21分别有输出端28。输出端28分别通过阴极二极管29连接到一个所有比较器21公共输出端200上。公共输出端200再通过电阻201连接于一个参考电压源Uref，并通过电容202连接于地电势0。如上所述，当电流非导通绕组线中所感应的电压图50中的电压峰值52超过参考值时，即当确定弹性阻塞时，在公共输出端200上产生一个信号。在公共输出端200上产生的表明闭合的输出信号，作为外部中断信号传输到步进电机控制电路中的微控制器。在微控制器中，输出信号被进一步做适当的处理。
当转子反向转动时在电流非导通绕组线中会感应反相电压的现象，用于在估测中确定弹性阻塞。在至少一个比较器21的非反相输入端上的感应电压低于反相输入端上的电压。因此比较器21的输出被接通。由此，触发一个中断使得能够确定步进电机阻塞。相反，当步进电机运行时，比较器21非反相输入端的电压始终高于反相输入端的电压。
发明内容
但是，上面所涉及的步进电机驱动装置，运用了当转子反向转动时在电流非导通绕组线中会感应反相电压的现象，在估测中确定弹性阻塞(即检测零位)。
鉴于以上，当步进电机驱动装置应用于车载仪表时，因为在指针接触到止动件之后转子反向转动，所以连接于步进电机旋转轴的指针停止在远离止动件的位置上。因为指针不能准确的停止在零位上，由此仪表存在一个精度问题。此外，指针由于其后退(反向转动)而剧烈运转，这样指针的状态就不容易被察看到。所以在反向转动前需要检测感应电压。
所以，本发明的目的是提供一种步进电机驱动装置，在考虑到背景技术中上述问题的基础上该零位可以被精确的检测到。
本发明提供一种步进电机驱动装置，包括：
(1)步进电机，其包括励磁线圈，以及随励磁线圈的励磁状态的改变而旋转的转子；
与转子相连结的驱动部件；
将驱动部件机械停止于零位上的止动件；
控制励磁线圈的励磁状态的控制器；
感应电压波形检测器，用于检测在因转子旋转而导致磁通量变化的基础上产生的感应电压波形；以及
零位检测器，用于在感应电压波形检测器所检测到的感应电压波形的基础上，检测驱动部件是否被止动件停止在零位上，其中零位检测器包括：
比较器，用于比较每个感应电压波形超过预定阀值的时间T2与参考时间Tref；以及
判定器，用于在比较器比较结果的基础上判别驱动部件是否被止动件停止在零位上，当时间T2小于参考时间Tref时，判定器判别驱动部件被止动件停止在零位上。
(2)段(1)中所述本发明提供的步进电机驱动装置，其中设定阀值使得在特定温度范围内，感应电压波形超过预定阀值的时间T2随温度变化而产生的变化减小到最小。
(3)本发明提供的步进电机驱动装置包括：
步进电机，其包括励磁线圈，以及随励磁线圈的励磁状态的改变而旋转的转子；
与转子相连结的驱动部件；
将驱动部件机械停止于零位上的止动件；
控制励磁线圈的励磁状态的控制器；
感应电压波形检测器，用于检测在因转子旋转而导致磁通量变化的基础上产生的感应电压波形；以及
零位检测器，用于在感应电压波形检测器所检测到的感应电压波形的基础上，检测驱动部件是否被止动件停止在零位上，其中零位检测器包括：
比较器，用于比较预定取样时间的预定取样定时中所取样的每个感应电压波形超过预定阀值的取样周期数与预定接触确定参考数，以及
判定器，用于在比较器比较结果的基础上判别驱动部件是否被止动件停止在零位上，当取样周期数小于预定接触确定参考数时，判定器判别驱动部件被止动件停止在零位上。
(4)段(3)中所述本发明提供的步进电机驱动装置，其中设定阀值使得在特定温度范围内，预定取样时间的预定取样定时中所取样的感应电压波形超过预定阀值的取样周期数，随温度变化而产生的变化减少到最小。
根据如段(1)所述的本发明，可以更精确的检测到零位，因为对感应电压波形超过阀值的时间的监测，没有应用相关技术中当转子反向转动时在电流非导通绕组线中会感应反相电压的现象。
根据如段(2)所述的本发明，可以更精确的检测到零位，因为避免了温度变化的影响。
根据如段(3)所述的本发明，可以更精确的检测到零位，因为不需要应用相关技术中当电枢反向转动时在电流非导通绕组线中会感应反相电压的现象，就可以监测其中在预定取样时间的预定取样定时中所取样的感应电压波形超过预定阀值的取样周期数。
根据如段(4)所述的本发明，因为避免了温度变化的影响，所以可以更精确的检测到零位。
附图说明
本发明的上述目的和优点，结合以下详细的说明和附图，对于本领域的普通技术人员来说将变得清楚。其中：
图1为使用根据本发明步进电机驱动装置的实施例的车载仪表结构图；
图2为图1中所示车载仪表中驱动装置的结构图；
图3为在普通运行模式下励磁信号的电流矢量图；
图4为普通运行模式下微小步进驱动方法中输入到每个励磁线圈的励磁信号的时序电流矢量的波形图；
图5为驱动单元CPU所执行处理程序的流程图；
图6A和6B为判断指针是否接触到止动件的原理说明图；
图7为另一种阀值设定方法的说明图；
图8为相关步进电机驱动装置的电路框图；
图9为图8中所示驱动装置估测电路的电路框图；以及
图10为图8和9中所示驱动装置中电流非导通绕组线的电压变化图。
具体实施方式
图1为使用根据本发明步进电机驱动装置的实施例的车载仪表结构图，例如，车载仪表是一个速度计，其中有步进电机，以及用于对步进电机1进行驱动控制的驱动电路4。步进电机1包括安装在转子(未示出)上的两个相互垂直的励磁线圈1a1和1a2，磁性为三个N极和三个S极交替分布的转子1b，并且转子根据励磁线圈1a1和1a2励磁状态的改变而旋转。
车载仪表还有作为驱动部件的指针2，与转子1b，齿轮3的旋转驱动相联结以将转子1b的旋转驱动传递给指针2，以及机械接触于指针2以将指针停止在零位上的止动件5。顺便指出，基于止动件5和指针2的接触而设定的零位，可以被基于止动件部件6和止动件5′的接触而设定的零位所代替，其中止动件部件6是在齿轮3之一上突起的从动构件，而止动件5′是根据零位位置另外设定的止动件。
如图2所示，驱动电路4包括作为控制器的微型计算机41。微型计算机41有用于根据程序执行各种操作的中央处理器(CPU)41a，存储器41b，电机驱动电路41c，以及零位检测电路41d。
在车辆速度传感器(未示出)所给出的速度信息的基础上计算出角度数据信号D1，以及基于点火开关(未示出)的点火操作的高电平初始化命令信号Son输入到CPU41a中。电机驱动电路41c输出励磁信号S1，S2，S3和S4，并分别传输到励磁线圈1a1和1a2的相对端a和b。
感应电压V1，V2，V3和V4分别通过接口(I/F)电路42a，42b，42c和42d输出到零位检测电路41d。I/F电路42a到42d分别连接到励磁线圈1a1和1a2的端点的a和b。零位检测电路41d向CPU41a提供零位判断信号。
在普通运行模式下，CPU41a根据微小步进驱动方式产生的角度数据信号D1而产生第一励磁模式，由此多个励磁步骤形成一个电循环用以驱动转子1b向前和向后旋转，将第一励磁模式应用到励磁线圈1a1和1a2来控制励磁线圈1a1和1a2的励磁状态，从而步进电机1根据角度数据信号D1驱动转子1b沿向前方向(Y2)或向后方向(Y1)旋转。在初始化过程中，CPU41a根据初始化命令信号S1产生第二励磁模式，使得输入到第一励磁模式中的多个励磁步骤部分地转化为用于检测感应电压波形的励磁步骤，并向励磁线圈1a1和1a2提供第二励磁模式，从而驱动步进电机1将转子1b向后方向(即Y1方向)旋转，使得指针2移向止动件5。
微小步进驱动方式采用1/n(n≥3)微小步进。例如，在本实施例中，采用了将一个电循环分为64步的微小步进，这样一个90度的电角度被分成16步。
图3为在普通运行模式下励磁信号的电流矢量图。图3表示了在一个电循环中对应于励磁步骤0到16的一个90度角的电流矢量的例子。
图4为普通运行模式下微小步进驱动中输入到励磁线圈1a1和1a2的励磁信号的时序电流矢量的波形图。如图4所示，在普通运行模式下，由PWM控制的励磁信号使得从0％到100％范围内逐步增加或减小的负荷比输入到每个励磁线圈1a1和1a2中。
在初始化过程中，在一端断开的非励磁状态的励磁线圈1a1和1a2各自相对的两端产生的感应电压波形V1，V2，V3和V4，分别根据检测定时信号通过I/F电路输入到零位检测电路41d中。当任意一个输入感应电压波形V1，V2，V3和V4不大于阀值的取样周期数或时间不大于预定值时，零位检测电路41d产生零位判断信号判断指针2在零位与止动件5接触，并向CPU41a传输零位判断信号。即，当每个励磁线圈1a1和1a2的一端断开时，励磁线圈1a1和1a2被作为了检测感应电压波形的元件。
接下来，将结合图5详细说明上所述结构的车载仪表，图5表示CPU41a和零位检测电路41d所执行的零位检测程序的流程图。当初始化过程开始时，励磁步骤以规则刷新间隔进行刷新(步骤1)。接着，判断反向转动是否到达感应电压波形励磁倒置步骤(步骤2)，当反向转动到达感应电压波形励磁倒置步骤，感应电压波形检测过程启动(步骤3)。
然后，感应电压波形测量线圈根据检测定时信号从驱动输出改变到Hi-Z输出(高阻抗输出)(步骤4)。术语“Hi-Z输出”表示在基于感应电压波形检测激励步骤的取样期间(例如本实施例为3秒)，相当于感应电压波形测量线圈的每个励磁线圈的一端断开的状态，在取样时间内励磁线圈不会被激励，所以感应电压不会从励磁线圈中输出。
在基于感应电压波形检测激励步骤的取样期间(T1)，从感应电压波形测量线圈中产生的波形按预定取样定时间隔被取样若干次(步骤5)。即，在励磁线圈1a1和1a2各自相对的两端产生的感应电压波形V1，V2，V3和V4，分别通过I/F电路被取样，并输入到零位检测电路41d中。
接着，对在取样时间T1内每个感应电压波形超过阀值的时间T2是否小于参考时间(Tref)(即T2＜Tref)做出判断(步骤S6)。
即，当在取样时间T1内每个感应电压波形超过阀值(Vref)的时间T2不小于参考时间Tref时，就判断出指针2还没有接触到止动件5且仍在旋转。当时间T2小于参考时间Tref时，则判断出指针2已经接触到止动件5。
图6A和6B为判断指针是否接触到止动件的原理说明图。图6A和6B说明了在取样时间T1较长时，感应电压、感应电压值与阀值Vref之间的比较结果以及在取样时间T1的取样定时之间的关系。图6A表示指针2处于正在旋转的状态。图6B表示指针2处于已经接触到止动件5的状态。
如图6A中所示的旋转状态，在取样时间T1中按预定取样定时间隔进行了15次取样。从感应电压值与阀值Vref之间的比较结果可以发现，在15个取样周期的7个取样周期中，感应电压值超过了阀值Vref。即，在第三到第七取样周期以及第十二和第十三取样周期，也就是从取样时间T1开始到取样时间T1结束的期间内总共7个取样周期中，感应电压值超过了阀值Vref。感应电压值与阀值Vref之间的比较结果，可以表示为具有时间宽度T21和T22的两个脉冲的高电平信号。取样感应电压值超过阀值Vref的时间T2为高电平信号时间宽度T21和T22的和(T2＝T21+T22)。
在图6B所示的接触状态中，感应电压的振幅变得比旋转状态时的小。由此，从取样时间T1中感应电压值与阀值Vref之间的比较结果可以发现，在15个取样周期的3个取样周期中，感应电压值超过了阀值Vref。即，在第二到第四取样周期，也就是从取样时间T1开始到取样时间T1结束的期间内总共3个取样周期中，感应电压值超过了阀值Vref。感应电压值与阀值Vref之间的比较结果，可以表示为具有时间宽度T23的一个脉冲的高电平信号。取样感应电压值超过阀值Vref的时间T2即为高电平信号时间宽度T23(T2＝T23)。
所以，例如当参考时间Tref提前设定为对应于预定接触确定参考数个取样周期的值，例如为具有对应于四个取样周期的值，在图6A中所示基于比较结果的时间T2大于参考时间Tref，就有可能判断指针2还没有接触到止动件5并仍在旋转，而在图6B中所示基于比较结果的时间T2小于参考时间Tref，则有可能判断指针2已经接触到止动件5。
参见以前提到的图5的流程图，当步骤S6结果为“是”时，输出励磁相位保持预定的时间(步骤S8)，然后初始化过程正常结束。
另一方面，当步骤S6结果为“否”时，则判断转子1b是否旋转了预定角度(步骤S9)。当步骤S9结果为“是”时，输出励磁相位保持预定的时间(步骤S10)，然后初始化过程异常结束。当步骤S9结果为“否”时，执行反向转动过程，直到微小步进方式的下一个检测励磁步骤(步骤S11)，然后程序的当前位置回到步骤S4。
如上所述，与相关驱动装置不同的是，本发明没有应用相关技术中当电枢反向转动时在电流非导通绕组线中会感应反相电压的现象。在本发明中，对取样感应电压值超过阀值Vref的时间T2是否小于参考时间Tref做出判断。当取样感应电压值超过阀值Vref的时间T2不小于参考时间Tref时，即判断指针2还没有接触到止动件5并仍在旋转。当T2小于参考时间Tref时，即判断指针2已经接触到止动件5。由此，可以更精确的检测到零位。
虽然以上说明了本发明的实施例，但是本发明并不由此受到限制，而可进行各种改变及修改。
例如在上述实施例中，阀值可以设定为使得温度变化的影响变得尽可能足够的小。
图7为根据温度变化而产生的感应电压波形变化的说明图。在图7中，曲线A，B和C分别表示在-40℃，25℃和85℃时感应电压波形的特征。从这些曲线可以明显的看出，在温度降低时感应电压波形的特征为急剧变化并呈现出一个高的峰值以及过零点之间的短的时间，而在温度降低时感应电压波形的特征缓慢变化并呈现出一个低的峰值以及过零点之间的长的时间。
由此，根据这些特征，提前设定阀值Vref使得在特定的温度范围内，感应电压值超过阀值Vref的时间T2随温度变化而产生的变化减小到最小。即提前设定阀值Vref使得感应电压波形超过阀值Vref的时间宽度T2A，T2B和T2C大致彼此相等。
换句话说，提前设定阀值Vref使得在特定的温度范围内，预定取样时间的预定取样定时中所取的感应电压波形超过预定阀值Vref的取样周期数，随温度变化而产生的变化减少到最小。
当阀值Vref按如上所述设定，即便在特定的温度范围内感应电压波形随温度变化而变化时，感应电压值超过阀值Vref的时间T2或取样周期数也可以保持大致恒定。由此，零位可以不受任何温度变化的影响而被精确的检测到。

Claims (4)

1.一种步进电机驱动装置，包括：
步进电机，其包括励磁线圈，以及随励磁线圈的励磁状态的改变而旋转的转子；
与转子相连结的驱动部件；
将驱动部件机械地停止于零位上的止动件；
控制励磁线圈的励磁状态的控制器；
感应电压波形检测器，用于检测在因转子旋转而导致磁通量变化的基础上产生的感应电压波形；以及
零位检测器，用于在感应电压波形检测器所检测到的感应电压波形的基础上，检测驱动部件是否被止动件停止在零位上，
其中零位检测器包括：
比较器，用于比较每个感应电压波形超过预定阀值的时间T2与参考时间Tref；以及
判定器，用于在比较器比较结果的基础上判别驱动部件是否被止动件停止在零位上，当时间T2小于参考时间Tref时，判定器判别驱动部件被止动件停止在零位上。
2.根据权利要求1中所述的步进电机驱动装置，其中设定阀值使得在特定温度范围内，感应电压波形超过预定阀值的时间T2随温度变化而产生的变化减少到最小。
3.一种步进电机驱动装置，包括：
步进电机，其包括励磁线圈，以及随励磁线圈的励磁状态的改变而旋转的转子；
与转子相连结的驱动部件；
将驱动部件机械地停止于零位上的止动件；
控制励磁线圈的励磁状态的控制器；
感应电压波形检测器，用于检测在因转子旋转而导致磁通量变化的基础上产生的感应电压波形；以及
零位检测器，用于在感应电压波形检测器所检测到的感应电压波形的基础上，检测驱动部件是否被止动件停止在零位上，
其中零位检测器包括：
比较器，用于比较预定取样时间的预定取样定时中所取样的每个感应电压波形超过预定阀值的取样周期数与预定接触确定参考数，以及
判定器，用于在比较器比较结果的基础上判别驱动部件是否被止动件停止在零位上，当取样周期数小于预定接触确定参考数时，判定器判别驱动部件被止动件停止在零位上。
4.根据权利要求3中所述的步进电机驱动装置，其中设定阀值使得在特定温度范围内，预定取样时间的预定取样定时中所取样的感应电压波形超过预定阀值的取样周期数，随温度变化而产生的变化减少到最小。
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