CN1656668A - 电流反馈型步进驱动系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于驱动步进马达并修改所述进马达特性参数的系统，包括：驱动子系统，响应于控制信号，用于将电力传送给所述步进马达。电源给所述驱动子系统提供驱动电流。电流检测器，响应于所述驱动电流，产生一个表示所述驱动电流的数字反馈信号。数据处理器，响应于所述数字反馈信号，产生所述控制信号。所述数字处理器进一步响应一个软件算法，以产生所述控制信号。这些控制信号提供的功能包括：检测由所述步进马达施加给负载的驱动力；修改步进马达的转速和扭矩参数；及限制施加的驱动力和驱动电流。
Description
发明背景
本揭示的实施例涉及能驱动和控制步进马达的一种系统，例如用在商用冷却器系统中的步进马达类型。更特别地，该披露实施例涉及例如用商用冷却器系统中的电流反馈来修改和限制步进马达的特性参数，例如转速，加速率，扭矩，及施加的驱动力。
在运行转速的正常范围内，例如用于驱动离心式压缩机导向叶片的步进马达能够产生不同的最大扭矩。在较高转速时，扭矩能力较小。由导向叶片施加在步进马达上的驱动力需要(force requirement)是变化的并取决于下例因素：叶片的位置，冷却器的运行状态，以及步进马达和驱动元件的老化程度(由磨损引起驱动力随时间增加。人们希望按照驱动力要求的限制，尽可能快地转动叶片。
需要足够的驱动力以加速或减速步进马达和附加联接及导向叶片。通过改变驱动力参数能够检测的其他现象包括马达失速(当超过驱动能力时，例如在运行结束时)和压缩机喘振。
先前，单独的控制器匹配于指定步进马达转速的特殊应用。不同的冷却器具有作为叶片位置函数的不同驱动力需要，因此，为了保证充分地控制所有系统，已经使用了最大的限制性条件。新的应用可需要新的软件或新的配置。必需分析地和经验性地确定每个新应用的驱动力需要。
转让给Newton的美国专利3355906，(to Newton)示出预旋转叶片22，它们的位置是由温度响应控制器24改变的。转让给Lund的美国专利号4084120(to Lund)识别：位置反馈用于监视叶片位置；及零电压交叉开关或定时信号产生装置25显然延迟它的输出信号，以使它与来自线圈的电感负载的固有延迟同步。转让给Sutou等人的美国专利4604036(to Sutou et al.)包括扭矩控制装置，在该扭矩控制装置中，制冷循环中的负载扭矩是由位置检测器和温度检测器检测的。转让给Haley等人的美国专利4686834(to Haley et al.)示出叶片定位装置26，用于打开或关闭进口导叶20。转让给Lee的美国专利4694390(to Lee)包括马达操作阀22，包括能驱动蜗杆轴52的双向马达24。转让给Eber的美国专利5417083(to Eber)示出由步进马达驱动的电子膨胀阀。含有本发明的通常转让给Eber的美国专利5417083和通常转让给Haley等人的美国专利4686834(to Haley et al.)，并因此并入作为有关进口导向叶片和步进马达的背景材料引用。
希望有一种手段，能间接地检测和适应性地限制及控制步进马达的特性参数，以使系统效率达到最大，并防止步进马达的失速。
发明概述
披露实施例的一个方面是一种能控制步进马达的系统，该步进马达能驱动例如商用冷却器系统导向叶片的一个负载。步进马达通常将一系列的功率脉冲转换为一系列相应的等角转动。这些脉冲能由一个系统按某一可变速率传递给步进马达。这允许步进马达转子的精确定位。当步进马达经过联接机构连接到例如导向叶片的一个负载时，能够产生扭矩，将驱动力施加到该负载上进行做功。就导向叶片来说，做功例如是使导向叶片转动到一个新的位置。
提供一种装置，用一个系统通过提供驱动电流的反馈，适应性地限制和控制步进马达，该驱动电流随步进马达的需要而变化。“限制和控制”装置按所需的方式驱动步进马达，以产生步进马达上的扭矩及负载上的驱动力，进而达到该负载上所需的效果，这样，不会超过预定特性参数的限制值。这种装置包括电流检测器，监视到驱动子系统的驱动电流，并给数字处理器提供一个表示驱动电流的数字反馈信号，用于间接地检测特性参数的目的。数字处理器给驱动子系统产生控制信号，以响应数字反馈信号和软件算法，这样达到适应性功能。
该披露实施例的另一方面是该系统和商用冷却器系统的其他装置之间的串行数字接口。该系统内的数字处理器能经过这个接口与这些其他装置进行通信和合作，以控制该冷却器。
提供一种方法，用于通过提供驱动电流的反馈，适应性地限制和控制步进马达，该驱动电流随步进马达的需要(demand)而变化。“限制和控制”装置按所需的方式驱动步进马达，以产生步进马达上的扭矩及负载上的驱动力，进而达到该负载上所需的效果，这样，不会超过预定特性参数的限制值。这种方法包括监视驱动电流及提供表示驱动电流的一个数字反馈信号，以间接地检测特性参数。产生控制信号，以响应该数字反馈信号和软件算法，这样达到适应性功能。
披露实施例的另一方面是能在该系统和商用冷却器系统的其他装置之间进行通信的一种方法。该系统能与这些其他装置进行通信和合作，以控制该冷却器。
本发明的又一方面是经过机械联接控制步进马达定位一个负载的一种方法，包括步骤：检测驱动步进马达的电流；确定作为测量电流函数的机械联接上的驱动力测量；及控制作为确定驱动力函数的马达转速。
本发明的又一方面是经过机械联接控制步进马达定位一个负载的一种方法，包括步骤：测量驱动步进马达的电流；确定作为测量电流函数的步进马达的加速度；及控制作为确定加速度函数的马达转速。
本发明的更深一方面是经过机械联接控制步进马达定位一个负载的一种方法。该方法包括步骤：测量驱动步进马达的电流；确定作为测量电流函数的机械联接上的驱动力测量；确定作为测量电流函数的步进马达的加速度；及控制作为确定驱动力或加速度函数的马达转速。
本发明的另外一方面是经过机械联接控制步进马达定位一个负载的一种装置。该装置包括：测量驱动步进马达电流的硬件和软件；确定作为测量电流函数的机械联接上驱动力测量的硬件和软件；及控制作为确定驱动力函数的马达转速的硬件和软件。
本发明的另一方面是经过机械联接控制步进马达定位一个负载的一种装置。该装置包括：测量驱动步进马达电流的硬件和软件；确定作为测量电流函数的步进马达加速度的硬件和软件；及控制作为确定加速度函数的马达转速的硬件和软件。
本发明的又更深一方面是经过机械联接控制步进马达定位一个负载的一种装置。该装置包括：传感器，运行地连接到步进马达并测量驱动步进马达的电流；控制器，运行地连接到传感器并确定作为测量电流函数的机械联接上的驱动力，或作为测量电流函数的步进马达加速度的至少一次测量；及控制器，控制作为确定驱动力或加速度函数的马达转速。
通过使用上述技术，达到间接检测和适应性限制及控制步进马达的特性参数，以使系统效率达到最高并防止步进马达的失速。
附图简述
图1是某一系统的原理框图，该系统能用数字反馈信号驱动和控制步进马达。
发明详述
一个实施例的功能是允许一种装置和一种方法使用电流汲取作为一个数字反馈信号，适应性地驱动和控制商用冷却器系统中的步进马达。由此实现间接地检测例如驱动力参数，加速率，及失速状态的特性参数和状态。该系统反应这些特性参数和状态，以适应性地限制和控制步进马达。通过监视系统电流并依据所检测的电流和软件算法产生控制信号来实现这种功能，系统电流随步进马达的需要而变化。
图1是按照该披露实施例制作的系统10的原理框图。系统10包括电源20，驱动子系统30，电流检测器40，及数字处理器50。这个系统10电子地驱动步进马达60，该步进马达60机械地驱动负载70。
参考图1，系统10的驱动子系统30通过驱动信号接口80电连接到步进马达60。步进马达60通过联接接口90机械地连接到负载70。电源20经总线24从稳压电源22接收电力。电源20通过电力接口100电连接到驱动子系统30和数字处理器50。电流检测器40在反馈输入110电连接到电力接口100。数字处理器50经反馈接口120电连接到电流检测器40。数字处理器50经控制信号接口130电连接到驱动子系统30。数字处理器50经数字串行接口150电连接到其他装置140。在该较佳实施例中，装置140可以包括CH.530TM控制器，用于控制CenTraVac离心式冷却器。CH.530TM控制器是由La Crosse，Wisconsin销售的。
工作时，电流检测器40经过反馈输入110采样驱动电流，测量施加到驱动子系统30的驱动电流。这个测量的驱动电流按由电流检测器40产生的数字反馈信号格式越过反馈接口120提供给数字处理器50。在该披露实施例中，电流检测器40是一种简单的电流传感器，包括一个电阻和一个差分放大器，并将一个模拟信号输出到数字处理器50(并输出到处理器50内的模-数转换器)，该模拟信号表示测量的驱动电流。该测量的驱动电流是施加到联接接口90的驱动力的间接指示器，并且也是加速步进马达60内的转子所需做功的间接指示器，该步进马达连接到联接接口90。由控制器驱动的步进速率确定马达的转速。该电流按负载所需增大。依据马达和负载的惯性，转速的增大可以表示更多的电流量。当驱动电流增大时，由于由马达60产生的驱动力和扭矩，要做更多的功。
数字处理器50读入数字反馈信号，并应用一个软件算法以产生控制信号。这些控制信号越过控制信号接口130传送给驱动子系统30。驱动子系统30将这些控制信号转换为驱动信号，这些驱动信号越过驱动信号接口80驱动步进马达60。由于步进马达60被驱动，驱动电流倾向于依据与步进马达60，联接接口90，及负载70相关的变化的驱动力和加速度而变化。这些驱动电流的变化是由电流检测器40检测的，并越过反馈接口120提供给数字处理器50，作为新的数字反馈信号。然后，数字处理器50依据这个新的数字反馈信号产生新的控制信号。因此，驱动和控制步进马达的方法是适应性的。由数字处理器50应用的软件算法使用该数字反馈信号信息，以检测和适应性地控制和限制步进马达60及相关的联接接口90和负载70的各种特性参数。能直接控制和修改(adapt)的特性参数是马达的转速。这转速确定扭矩。依据驱动电流是否高于或低于某一预定目标驱动电流，控制马达60的转速，以使它逐渐地加速和减速。依据马达60是怎样驱动的，可以预言由驱动子系统30从电源20吸取的驱动电流量。因此，能够预定目标驱动电流。
在披露实施例中，软件算法响应于数字反馈信号，以实现几种功能。首先，该算法检测步进马达60的某些状态。特别地，该算法依据数字反馈信号，间接地检测由步进马达60施加给联接接口90和负载70的驱动力及驱动力的变化(加速率)。
第二，该算法产生控制信号，以控制步进马达60，相关的联接接口90和负载70的某些特性参数。特别地，该算法产生能改变步进马达60的转速和扭矩的控制信号，例如防止产生失速状态，这些控制信号如应用中所需的。一般希望能防止失速状态，并允许马达60转动的尽可能地快。然而，马达60的转速必需足够地慢，以使驱动电流电平足够地大，以提供所需的扭矩。数字反馈信号允许达到所需扭矩和高转速之间的这种平衡。
第三，该算法限制某些特性参数。特别地，该算法产生控制信号，能限制马达60的加速率并将提供给步进马达60的驱动电流限制到预定限值。因为电源仅能提供某一最大驱动电流，必需限制该驱动电流。同样，可以限制驱动电流，以防止在系统10内积累过度的热量。在某些状态下，该算法也能限制经过联接接口90施加给负载的驱动力(force)。
最后，该系统能经过外部串行数字接口150与商用冷却器系统的其他装置140进行通信。步进马达的位置命令和状态可进行通信。例如，能够报告步进马达60的一个检测的失速状态。较佳地，接口150和总线24是单连接(singleconnection)，但技术熟练人员将认识到它们可以实现为分离连接(separateconnections)。
已经描述的是控制步进马达的一种方法，在这种方法中，电压可以调节，且电流可假定为与电力直接成正比，因此允许假定驱动力与电力(power)成正比。驱动力即可以是步进马达或执行器的负载，也可以是步进马达或执行器的加速度。
当连同一个实施例描述本发明时，应当明白：本发明不限制于那个实施例。正相反，本发明覆盖附加权利要求的精神和范畴内的所有替代，修改，及等效
实施例。
例如，某些可能的替代可以包括下面描述的。数字处理器可以与该系统分开，并经外部接口通信，以实现相同的功能。
作为另一个替代，不同于上面描述的其他信息可以在该系统和商用冷却器系统的其他装置之间进行通信。
作为又一个替代，应变仪或其他传感器可以用于测量步进马达的联接接口上的驱动力。读取传感器的电子仪器可以包含在该系统内，或可以外部的，并通过在这两者之间外部接口进行通信。驱动力测量可从该系统或一个分立装置进行通信。控制处理可在该系统内产生或可以由执行测量的分立装置进行，或由例如控制网络中的主数字处理器的其他分立装置进行。
作为又一个替代，由数字处理器执行的软件算法实际上是在不同时间(various times)用的多种算法。
作为又一个替代，各种系统元件可以按不同方式组合而成。例如，数字处理器50可以是驱动子系统30的一部分，如同可以是电流检测器40，或处理器50中的模-数转换器可以位于系统10的外部。另外，电源20可以位于系统10的外部。同样，其他传统的电流检测器能用于代替这儿描述的电流检测器40。此外，该较佳实施例使用电压调节总线，并能假定电力是与电流成正比，因为电压是恒定的。如果电压不可调节的(即，常数或已知的)应当测量该电压，并然后从计划的电流和电压中计算电力。
此外，步进马达的应用可以从较佳实施例描述的商用冷却器系统改变到能使用步进马达的其他应用中。
Claims (51)
1、一种在驱动步进马达的系统中，用于检测和适应性限制及调整所述步进马达的特性参数和状态的装置，其特征在于，包括：
驱动子系统，响应于控制信号，用于将电力传送给所述步进马达；
电源，向所述驱动子系统提供驱动电能，所述驱动子系统随所述步进马达的需要而变化；
电源检测装置，响应于所述驱动电力，产生表示所述驱动电能的数字反馈信号；及
数字处理器，响应于所述数字反馈信号，产生所述控制信号。
2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字处理器进一步响应于一种软件算法，产生所述控制信号。
3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字处理器响应于所述数字反馈信号和软件算法，用于直接检测驱动力参数，和由所述步进马达施加的所述驱动力参数的变化。
4、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括数字接口，使得所述系统能够与位于所述系统外部的装置进行通信。
5、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源包括一个稳压源，所述驱动电能包括驱动电流，而所述电源检测装置确定作为所述驱动电流函数的电力。
6、按照权利要求5所述的装置，其特征在于，所述驱动子系统响应于所述控制信号，逐渐地向上和向下修改所述步进马达的速度参数，结果，所述驱动电流移动在某一预定目标驱动电流之上和之下。
7、按照权利要求5所述的装置，其特征在于，所述驱动子系统响应于所述控制信号，以尽可能快的速度驱动所述步进马达，同时使得提供足够的驱动电流，从而产生的扭矩参数足以防止所述步进马达的失速状态。
8、按照权利要求5所述的装置，其特征在于，所述驱动子系统响应于所述控制信号，限制所述步进马达的加速率参数。
9、按照权利要求5所述的装置，其特征在于，响应于所述控制信号，限制所述驱动电流。
10、按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述驱动子系统响应于所述控制信号，按照所述驱动电源移动高于或低于某一预定目标驱动电力，逐渐地向上和向下修改所述步进马达的转速参数。
11、按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述驱动子系统响应于所述控制信号，以尽可能快的速度驱动所述步进马达，同时能够提供足够的驱动电力，从而使产生的扭矩能够足以防止所述马达的失速状态。
12、按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述驱动子系统响应于所述控制信号，限制所述步进马达的加速率参数。
13、按照权利要求2所述的装置，其特征在于，响应于所述控制信号，限制所述驱动电力。
14、按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述驱动子系统响应于所述控制信号，限制由所述步进马达施加给负载的驱动力参数。
15、一种在驱动步进马达的系统中，用于检测和适应性限制及调整所述步进马达的特性参数和状态的方法，其特征在于，包括：
响应于控制信号，将电力传送给所述步进马达；
提供电力，以提供驱动电力，所述驱动电力随所述步进马达的需要而变化；
产生代表所述驱动电力的数字反馈信号；及
响应于所述数字反馈信号，产生所述控制信号。
16、按照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述产生所述控制信号进一步包括响应于所述数字反馈信号的软件算法。
17、按照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述驱动电力包括驱动电流，并且驱动电流与所述驱动电力成正比。
18、按照权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括：响应于所述控制信号，向上和向下修改所述步进马达的转速参数，从而使所述驱动电流移动高于和低于某一预定目标驱动电流。
19、按照权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括：修改所述步进马达的转速参数，以尽可能快的速度驱动所述步进马达，同时使得能够提供足够的驱动电流，从而产生的扭矩参数能够足以防止所述步进马达的失速状态。
20、按照权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括：以响应所述控制信号，限制所述驱动电力。
21、按照权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括：间接地检测驱动力参数和由所述步进马达施加的所述驱动力参数的变化，以响应于所述数字反馈信号和软件算法。
22、按照权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括：在所述系统和所述系统外部的装置之间进行通信。
23、按照权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括：向上和向下修改所述步进马达的转速参数，以响应于所述控制信号，从而所述驱动电力移动高于和低于某一预定目标驱动电力。
24、按照权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括：修改所述步进马达的转速参数，以尽可能快的速度驱动所述步进马达，同时使得能够提供足够的驱动电力，从而产生的扭矩参数能够足以防止所述步进马达的失速状态。
25、按照权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括：限制所述进马达的加速率参数，以响应于所述控制信号。
26、按照权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包含：限制所述驱动电力，以响应于所述控制信号。
27、按照权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包含：限制由所述步进马达施加的驱动力参数，以响应于所述控制信号。
28、一种经过机械联接而控制步进马达以定位负载的方法，其特征在于，包括步骤：
测量驱动所述步进马达的电力；
确定所述机械联接上的驱动力测量值，作为所述测得电力的函数；及
控制所述马达的速度，作为所述确定驱动力的函数。
29、按照权利要求28所述的方法，其特征在于，包括进一步的步骤：维持作为所述测得的电力的函数的最小扭矩。
30、按照权利要求29所述的方法，其特征在于，包括又一步骤：确定步进马达的加速度，作为所述测得的电力的函数。
31、按照权利要求30所述的方法，其特征在于，包括又一步骤：经过某一预定最大加速度来限制所述确定的加速度。
32、按照权利要求31所述的方法，其特征在于，所述电力测量步骤测量电流，而不是电压。
33、按照权利要求28所述的方法，其特征在于，所述电力测量步骤测量电流，而不是电压。
34、一种经过机械联接而控制步进马达以定位负载的方法，其特征在于，包括下述步骤：
测量驱动所述步进马达的电力；
确定所述步进马达上的力，作为所述测得的电力的函数；及
控制所述马达的所述转速，作为所述确定的力的函数。
35、按照权利要求34所述的方法，其特征在于，所述马达的速度是通过改变步进率来控制的，并包括又一步骤，即：将所述确定的力限制到某一预定最大步进率。
36、按照权利要求35所述的方法，其特征在于，包括又一步骤：确定所述机械联接上的力的测量值，作为所述测得的电力的函数。
37、按照权利要求36所述的方法，其特征在于，包括又一步骤：维持作为所述测得的力的函数的某一最小扭矩。
38、按照权利要求36所述的方法，包括又一步骤：测量能驱动所述步进马达的所述电流，而不是所述电压，并且其中，所述电力测量步骤确定作为所述测得的电流的函数的所述测得的电力。
39、一种经过机械联接而控制步进马达以定位负载的方法，其特征在于，包括下述步骤：
确定驱动所述步进马达的所述电力；
确定所述机械联接上的力的测量值，作为所述确定的电力的函数；
控制所述马达的所述速度，作为所述确定驱动力的函数。
40、按照权利要求39所述的方法，其特征在于，包括又一步骤：确定所述步进马达的加速度，作为所述测得的电力的函数；并且控制作为所述力或所述加速度的函数的所述速度。
41、按照权利要求39所述的方法，其特征在于，包括又一步骤：测量驱动所述步进马达的电流，并且其中，所述电力确定步骤确定作为所述测得的电流的函数的电力。
42、一种经过机械联接而控制步进马达来定位负载的装置，其特征在于，包括：
用于测量驱动所述步进马达的所述电力的装置；
用于确定所述机械联接上作为所述测得的电力的函数的力的测量值的装置；及
用于控制作为所述测得的力的函数的所述马达的所述速度的装置。
43、按照权利要求42所述的装置，其特征在于，进一步包括：用于维持作为所述测得的力的函数的最小扭矩的装置。
44、按照权利要求43所述的装置，其特征在于，进一步包括：用于测量驱动所述步进马达的电流的装置，并且其中，所述电力测量装置包括电流测量装置，并确定与电流成比例的电力。
45、按照权利要求43所述的装置，其特征在于，进一步包括：用于确定作为所述测得的电流的函数的所述步进马达的加速度的装置。
46、按照权利要求45所述的装置，其特征在于，进一步包括：用于将所述确定的加速度限制到预定最大加速度的装置。
47、一种经过机械联接控制步进马达以定位负载的装置，其特征在于，包括：
用于测量驱动所述步进马达的所述电流的装置；
用于确定作为所述测得的电流的函数的所述步进马达上的力的装置；及
用于控制作为所述确定的力的函数的所述马达的速度的装置。
48、按照权利要求47所述的装置，其特征在于，进一步包括：用于将所述确定的驱动力限制到预定最大力的装置。
49、按照权利要求47所述的装置，其特征在于，进一步包括：用于确定作为所述测得的电流的函数的所述机械联接上的力的测量值的装置。
50、按照权利要求49所述的装置，其特征在于，进一步包括：用于确定作为所述测得的力的函数的最小扭矩的装置。
51、一种经过机械联接来控制步进马达以定位负载的装置，其特征在于，包括：
传感器，用来连接到所述步进马达，并测量驱动所述步进马达的所述电流；
控制器，用来连接到所述传感器，并且确定作为所述测得的电流的函数的所述机械联接上的第一力，或作为所述测得的电流的函数的所述步进马达上的第二力中的至少一个测量值；及
所述控制器控制作为所述确定的第一、第二力的函数的所述马达的速度。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20050817 |