CN107340472B - 一种步进电机运动状态的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机运动状态的检测装置及方法，包括：采样模块、数据处理模块以及与各定子绕组一一对应的驱动模块；其中，通过这些模块的相互配合可以实现检测步进电机的转子的运转状态的功能，与现有技术相比，不需要额外设置机械结构即可实现转子的运转状态的检测功能，可以降低检测装置占据的空间，降低生产成本以及降低结构设计复杂性。并且还可以不用额外设置外部的连接线缆，从而使检测装置整体的可靠性提高。

Description

一种步进电机运动状态的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电极运动控制及反馈技术领域，特别涉及一种步进电机运动状 态的检测装置及方法。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转换为位移或转速的控制元件，输入一个脉冲信 号，步进电机就转动一个角度，其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉 冲个数和脉冲频率成比例，通过改变脉冲频率可以改变电机的转速，通过改变 脉冲的方向可以改变电机的转向，因其不受负载变化的影响，所以已被广泛应 用于各种控制领域。其中步进电机一般包括：定子与转子，定子上具有定子绕 组。常见的步进电机可根据定子绕组分为：二相步进电机、三相步进电机、四 相步进电机、五相步进电机。其中，二相步进电机具有两个定子绕组，三相步 进电机具有三个定子绕组，四相步进电机具有四个定子绕组、五相步进电机具有五个定子绕组。

目前，为了进一步确定步进电机的转子的运转状态，例如，运转方向，运 转速度、堵转等，一般在步进电机的转子周边设置码盘、霍尔传感器、光断器 等检测机械结构或电子器件，并通过电机控制器实时获取设置于步进电机的转 子周边的检测机械结构的数据来确定电机的运动状态。例如，在采用光断器确 定步进电机的转子的运转状态时，一般将光断器安装在电机带动结构件运动所 能到达的极限位置，当电机带动结构件移动到极限位置边缘时，结构件会遮挡 光断器的接收通道，使光断器检测到结构件已经运转到极限位置，从而发出状 态信号，控制电机停止运转。这样导致步进电机控制***占据空间较大，成本 与结构设计复杂性增加。并且由于额外的添加了上述检测机械结构，还需要额 外设置与这些检测机械结构连接的线缆，将反馈信号送给电极控制器，从而使 整体的可靠性降低。

发明内容

本发明实施例提供一种步进电机运动状态的检测装置及方法，用以解决现 有技术中步进电机控制***占据空间较大，成本与结构设计复杂性增加，整体 的可靠性降低的问题。

因此，本发明实施例提供了一种步进电机运动状态的检测装置，所述步进 电机包括转子与具有至少两个定子绕组的定子；所述装置包括：采样模块、数 据处理模块以及与各所述定子绕组一一对应的驱动模块；其中，

各所述驱动模块分别与电源端、对应的定子绕组以及所述数据处理模块连 接；各所述驱动模块用于在对应的转动开启信号的控制下使对应的定子绕组与 所述电源端导通，以及在预设检测周期内实时获取并输出对应的定子绕组与所 述电源端导通时的驱动时间；其中，不同的定子绕组对应的转动开启信号的相 位不同；

所述采样模块分别与各所述定子绕组以及所述数据处理模块连接；所述采 样模块用于在所述预设检测周期内，实时采集并输出各所述定子绕组与所述电 源端断开时产生的反电动势；

所述数据处理模块用于向各所述驱动模块输出对应的转动开启信号，在所 述预设检测周期内实时接收各所述驱动模块输出的驱动时间以及实时接收所 述采样模块输出的反电动势；针对各所述定子绕组，计算各所述定子绕组的反 电动势在所述预设检测周期内对应的平均值；在判断各所述定子绕组对应的平 均值均大于预设阈值时，根据实时接收的各所述定子绕组与所述电源端导通时 的驱动时间，以及各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势，确定 所述转子的运转状态。

优选地，在本发明实施例提供的上述装置中，所述数据处理模块具体用于： 根据各所述定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，以及在所述驱动时间内 其余定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势，确定各所述定子绕组中每 相邻两个定子绕组在所述预设检测周期内产生的反电动势的波形；

根据确定的所述每相邻两个定子绕组在所述预设检测周期内产生的反电 动势的波形，判断所述每相邻两个定子绕组的开启顺序，以及判断所述每相邻 两个定子绕组对应的平均值是否处于预设相等范围内；

在判断所述每相邻两个定子绕组沿顺时针方向开启，且所述每相邻两个定 子绕组对应的平均值均处于预设相等范围内时，确定所述转子沿顺时针方向做 匀速运动；否则，确定所述转子沿顺时针方向做变速运动；

在判断所述每相邻两个定子绕组沿逆时针方向开启，且所述每相邻两个定 子绕组对应的平均值均处于预设相等范围内时，确定所述转子沿逆时针方向做 匀速运动；否则，确定所述转子沿逆时针方向做变速运动。

优选地，在本发明实施例提供的上述装置中，所述数据处理模块具体用于： 在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述顺时针方向增大时， 确定所述转子沿顺时针方向做加速运动；

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述顺时针方向减 小时，确定所述转子沿顺时针方向做减速运动；

或者，所述数据处理模块具体用于：在比较得到所述每相邻两个定子绕组 对应的平均值沿逆时针方向增大时，确定所述转子沿逆时针方向做加速运动；

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述逆时针方向减 小时，确定所述转子沿逆时针方向做减速运动。

优选地，在本发明实施例提供的上述装置中，所述数据处理模块还用于， 在判断各所述定子绕组对应的平均值均不大于预设阈值时，确定所述转子为堵 转状态，并向各所述驱动模块输出转动停止信号；

各所述驱动模块还用于在接收的转动停止信号的控制下使对应的定子绕 组与所述电源端断开。

优选地，在本发明实施例提供的上述装置中，采样模块包括：模数转换电 路；其中，

所述模数转换电路的各第一端分别与各所述定子绕组对应连接，用于在所 述预设检测周期内实时采集各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电 动势，所述模数转换电路的第二端与所述数据处理模块连接，用于在所述预设 检测周期内实时输出各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势。

优选地，在本发明实施例提供的上述装置中，所述驱动模块包括：驱动电 路；其中，

所述驱动电路的第一端与所述电源端连接，所述驱动电路的第二端与所述 数据处理模块连接，用于接收对应的转动开启信号以及在所述预设检测周期内 输出对应的定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，所述驱动电路的第三端 分别与对应的定子绕组连接。

优选地，在本发明实施例提供的上述装置中，所述数据处理模块包括：处 理器；其中，

所述处理器的各第一端与各所述驱动模块连接，用于输出对应的转动开启 信号以及在所述预设检测周期内实时接收各所述驱动模块输出的对应的定子 绕组与所述电源端导通时的驱动时间，所述处理器的第二端与所述采集模块连 接，用于在所述预设检测周期内实时接收各所述定子绕组与所述电源端断开时 产生的反电动势。

相应地，本发明实施例还提供了一种步进电机运动状态的检测方法，所述 步进电机包括一个转子与至少两个具有定子绕组与定子铁芯的定子；所述方法 包括：

向各所述驱动模块输出对应的转动开启信号，各所述驱动模块在对应的转 动开启信号的控制下使对应的定子绕组与所述电源端导通，以及在所述预设检 测周期内实时获取并输出对应的定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间；所 述采样模块在所述预设检测周期内，实时采集并输出各所述定子绕组与所述电 源端断开时产生的反电动势；所述数据处理模块在所述预设检测周期内实时接 收各所述驱动模块输出的驱动时间以及实时接收所述采样模块输出的反电动 势；其中，不同的定子绕组对应的转动开启信号的相位不同；

针对各所述定子绕组，计算各所述定子绕组的反电动势在所述预设检测周 期内对应的平均值；

在判断各所述定子绕组对应的平均值均大于预设阈值时，根据实时接收的 各所述定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，以及各所述定子绕组与所述 电源端断开时产生的反电动势，确定所述转子的运转状态。

优选地，在本发明实施例提供的上述方法中，所述根据实时接收的各所述 定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，以及各所述定子绕组与所述电源端 断开时产生的反电动势，确定所述转子的运转状态，具体包括：根据各所述定 子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，以及在所述驱动时间内其余定子绕组 与所述电源端断开时产生的反电动势，确定各所述定子绕组中每相邻两个定子 绕组在所述预设检测周期内产生的反电动势的波形；

根据确定的所述每相邻两个定子绕组在所述预设检测周期内产生的反电 动势的波形，判断所述每相邻两个定子绕组的开启顺序，以及判断所述每相邻 两个定子绕组对应的平均值是否处于预设相等范围内；

在判断所述每相邻两个定子绕组沿顺时针方向开启，且所述每相邻两个定 子绕组对应的平均值均处于预设相等范围内时，确定所述转子沿顺时针方向做 匀速运动；否则，确定所述转子沿顺时针方向做变速运动；

在判断所述每相邻两个定子绕组沿逆时针方向开启，且所述每相邻两个定 子绕组对应的平均值均处于预设相等范围内时，确定所述转子沿逆时针方向做 匀速运动；否则，确定所述转子沿逆时针方向做变速运动。

优选地，在本发明实施例提供的上述方法中，所述确定所述转子在沿所述 顺时针方向做变速运动，具体包括：在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应 的平均值沿所述顺时针方向增大时，确定所述转子沿顺时针方向做加速运动；

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述顺时针方向减 小时，确定所述转子沿顺时针方向做减速运动；或者，

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿逆时针方向增大时， 确定所述转子沿逆时针方向做加速运动；

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述逆时针方向减 小时，确定所述转子沿逆时针方向做减速运动。

优选地，在本发明实施例提供的上述方法中，还包括：在判断各所述定子 绕组对应的平均值均不大于预设阈值时，确定所述转子为堵转状态，并向各所 述驱动模块输出转动停止信号；各所述驱动模块在接收的转动停止信号的控制 下使对应的定子绕组与所述电源端断开。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的步进电机运动状态的检测装置及方法，包括：采样模 块、数据处理模块以及与各定子绕组一一对应的驱动模块；其中，通过这些模 块的相互配合可以实现检测步进电机的转子的运转状态的功能，与现有技术相 比，不需要额外设置机械结构即可实现转子的运转状态的检测功能，可以降低 检测装置占据的空间，降低生产成本以及降低结构设计复杂性。并且还可以不 用额外设置外部的连接线缆，从而使检测装置整体的可靠性提高。

附图说明

图1a为本发明实施例提供的检测装置的结构示意图之一；

图1b为本发明实施例提供的检测装置的结构示意图之二；

图2为图1b所示的检测装置的转动开启信号的时序图；

图3a为图1a所示的检测装置的具体结构示意图；

图3b为图1b所示的检测装置的具体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的检测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发 明实施例提供的步进电机运动状态的检测装置及方法的具体实施方式进行详 细地说明。应当理解，下面所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并 不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的 特征可以相互组合。

本发明实施例提供了一种步进电机运动状态的检测装置，如图1a(以包括 两个定子绕组为例)与图1b(以包括四个定子绕组为例)所示，步进电机包括 转子110与具有至少两个定子绕组120_n(n＝1、2、3…N；其中，N为定子上 的定子绕组的总数)的定子；

该步进电机运动状态的检测装置具体可以包括：采样模块140、数据处理 模块150以及与各定子绕组120_n一一对应的驱动模块130_n；其中，

各驱动模块130_n分别与电源端U、对应的定子绕组120_n以及数据处理 模块150连接；各驱动模块130_n用于在对应的转动开启信号的控制下使对应 的定子绕组120_n与电源端U导通，以及在预设检测周期内实时获取并输出对 应的定子绕组120_n与电源端U导通时的驱动时间；其中，不同的定子绕组 120_n对应的转动开启信号的相位不同；

采样模块140分别与各定子绕组120_n以及数据处理模块150连接；采样 模块140用于在预设检测周期内，实时采集并输出各定子绕组120_n与电源端 U断开时产生的反电动势；

数据处理模块150用于向各驱动模块130_n输出对应的转动开启信号，在 预设检测周期内实时接收各驱动模块130_n输出的驱动时间以及实时接收采样 模块140输出的反电动势；针对各定子绕组120_n，计算各定子绕组120_n的 反电动势在预设检测周期内对应的平均值；在判断各定子绕组120_n对应的平 均值均大于预设阈值时，根据实时接收的各定子绕组120_n与电源端U导通时 的驱动时间，以及各定子绕组120_n与电源端U断开时产生的反电动势，确定 转子110的运转状态。

本发明实施例提供的上述步进电机运动状态的检测装置，包括：采样模块、 数据处理模块以及与各定子绕组一一对应的驱动模块；其中，通过这些模块的 相互配合可以实现检测步进电机的转子的运转状态的功能，与现有技术相比， 不需要额外设置机械结构即可实现转子的运转状态的检测功能，可以降低检测 装置占据的空间，降低生产成本以及降低结构设计复杂性。并且还可以不用额 外设置外部的连接线缆，从而使检测装置整体的可靠性提高。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，步进电机中的转子与 具有至少两个定子绕组的定子的具体结构与现有技术中的相同，为本领域的普 通技术人员应该理解具有的，在此不做赘述，也不应作为对本发明的限制。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，实时获取到的各定子 绕组与电源端导通时的驱动时间，具体为：每一个定子绕组与电源端导通时的 开始时刻点、与电源端断开时的截止时刻点，以及在该开始时刻点与该截止时 刻点之间的持续时长。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，如图2所示，为四相 步进电机进行双四拍工作方式时，各驱动模块130_n对应的转动开启信号EM_n的时序图。其中，在各转动开启信号EM_n的电位为高电位时，对应的 定子绕组120_n与电源端U导通，在各转动开启信号EM_n的电位为低电位时， 对应的定子绕组120_n与电源端U断开。因此，在T1阶段，信号EM1与信 号EM2为高电位，信号EM3与信号EM4为低电位，定子绕组120_1和定子 绕组120_2均与电源端U导通，其余定子绕组120_3和定子绕组120_4均与电 源端U断开，因此，此阶段中定子绕组120_1与定子绕组120_2的导通时间即 为T1阶段的持续时间，并且定子绕组120_3与定子绕组120_4分别产生反电 动势。在T2阶段，信号EM2与信号EM3为高电位，信号EM1与信号EM4 为低电位，定子绕组120_2和定子绕组120_3均与电源端U导通，其余定子绕组120_4和定子绕组120_1均与电源端U断开，因此，此阶段中定子绕组120_2 与定子绕组120_3的导通时间即为T2阶段的持续时间，并且定子绕组120_4 与定子绕组120_1分别产生反电动势。在T3阶段，信号EM3与信号EM4为 高电位，信号EM1与信号EM2为低电位，定子绕组120_3和定子绕组120_4 均与电源端U导通，其余定子绕组120_1和定子绕组120_2均与电源端U断 开，因此，此阶段中定子绕组120_3与定子绕组120_4的导通时间即为T3阶 段的持续时间，并且定子绕组120_1与定子绕组120_2分别产生反电动势。在 T4阶段，信号EM1与信号EM4为高电位，信号EM2与信号EM3为低电位， 定子绕组120_4和定子绕组120_1均与电源端U导通，其余定子绕组120_2 和定子绕组120_3均与电源端U断开，因此，此阶段中定子绕组120_4与定子 绕组120_1的导通时间即为T4阶段的持续时间，并且定子绕组120_2与定子绕组120_3分别产生反电动势；以此类推，在此不做赘述。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，实时采集到的各定子 绕组与电源端断开时产生的反电动势，具体可以为：在某个定子绕组与电源端 导通时，其余定子绕组与电源端断开，在该定子绕组与电源端导通的驱动时间 内，其余定子绕组上会产生反电动势。在实际应用中，在驱动时间内的实时采 集到的某一定子绕组上的反电动势可能是不同的，因此在预设检测周期内，实 时采集到的某一定子绕组上的反电动势也可能不同。因此，在该驱动时间内， 某一定子绕组上的反电动势具有一定的波形。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，预设检测周期至少为 转子转动一周所用的时间。例如，为了降低检测时间，预设检测周期可以设置 为转子转动一周所用的时间，或设置为转子转动两周所用的时间。为了提高检 测精度，预设检测周期可以设置为转子转动五周所用的时间，或设置为转子转 动六周以上所用的时间。当然，在实际应用中，预设检测周期可以间隔一定时 间再进入下一个预设检测周期，或者当前预设检测周期完成直接进入下一个预 设检测周期，预设检测周期需要根据实际应用环境来设计确定，在此不作限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，预设阈值为转子发生 故障堵转时，与电源端断开的定子绕组产生的反电动势的最大值。例如，理想 状态下，转子发生故障堵转时，转子完全不转动，使得与电源端断开的定子绕 组产生的反电动势为0V。而实际应用中，转子发生故障堵转时，由于与电源 端连接的定子绕组产生的磁场作用，可能会使转子出现来回摆动的现象，从而 使与电源端断开的定子绕组产生微小的反电动势，而不为0V。因此，在实际 应用中，预设阈值需要根据实际应用环境来设计确定，在此不作限定。

在实际应用中，一般步进电机的转子在定子绕组的驱动下，可以进行正转 或反转，即顺时针运动或逆时针运动。在具体实施时，在本发明实施例提供的 上述装置中，数据处理模块具体用于：根据各定子绕组与电源端导通时的驱动 时间，以及在驱动时间内其余定子绕组与电源端断开时产生的反电动势，确定 各定子绕组中每相邻两个定子绕组在预设检测周期内产生的反电动势的波形；

根据确定的每相邻两个定子绕组在预设检测周期内产生的反电动势的波 形，判断每相邻两个定子绕组的开启顺序，以及判断每相邻两个定子绕组对应 的平均值是否处于预设相等范围内；

在判断每相邻两个定子绕组沿顺时针方向开启，且每相邻两个定子绕组对 应的平均值均处于预设相等范围内时，确定转子沿顺时针方向做匀速运动；否 则，确定转子沿顺时针方向做变速运动；

在判断每相邻两个定子绕组沿逆时针方向开启，且每相邻两个定子绕组对 应的平均值均处于预设相等范围内时，确定转子沿逆时针方向做匀速运动；否 则，确定转子沿逆时针方向做变速运动。这样可以快速确定转子在沿顺时针方 向运动还是沿逆时针方向运动，从而在步进电机带动物体转动时，可以快速确 定步进电机是正转还是反转，进而避免不必要的危险或损坏发生。

一般变速运动包括加速运动与减速运动，在具体实施时，在本发明实施例 提供的上述装置中，数据处理模块具体用于：在比较得到每相邻两个定子绕组 对应的平均值沿顺时针方向增大时，确定转子沿顺时针方向做加速运动；

在比较得到每相邻两个定子绕组对应的平均值沿顺时针方向减小时，确定 转子沿顺时针方向做减速运动。

或者，数据处理模块具体用于：数据处理模块具体用于：在比较得到每相 邻两个定子绕组对应的平均值沿逆时针方向增大时，确定转子沿逆时针方向做 加速运动；

在比较得到每相邻两个定子绕组对应的平均值沿逆时针方向减小时，确定 转子沿逆时针方向做减速运动。

在实际应用中，当步进电机带动结构件运转到极限位置时会出现堵转现 象，从而导致步进电机损耗的问题。因此，为了避免转子堵转导致步进电机的 损耗问题，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，数据处理模块 还用于，在判断各定子绕组对应的平均值均不大于预设阈值时，确定转子为堵 转状态，并向各驱动模块输出转动停止信号；

各驱动模块还用于在接收的转动停止信号的控制下使对应的定子绕组与 电源端断开。这样当步进电机带动结构件运转到极限位置时，因为结构件的限 位作用，步进电机会因为较大阻力而发生堵转，此时虽然数据处理模块还可以 实时接收各驱动模块输出的对应的定子绕组与电源端导通时的驱动时间，但是 在与电源端断开的定子绕组上不会产生反电动势，即使产生则产生的反电动势 也较小。从而数据处理模块接收到转动开启信号，从而可以分析出有部分定子 绕组与电源端导通，但是与电源端断开的定子绕组上的存在反电动势均不大于 预设阈值，即可判定步进电机发生堵转，为了将步进电机的损坏程度降到最低， 此时可以立即停止转动开启信号的输出，以使步进电机停止运转。

下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。需要说明的是，本实施例 中是为了更好的解释本发明，但不限制本发明。

具体地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，如图3a与 图3b所示，采样模块140具体可以包括：模数转换电路ADC；其中，

模数转换电路ADC的各第一端分别与各定子绕组120_n对应连接，用于 在预设检测周期内实时采集各定子绕组120_n与电源端断开时产生的反电动 势，模数转换电路ADC的第二端与数据处理模块150连接，用于在预设检测 周期内实时输出各定子绕组120_n与电源端U断开时产生的反电动势。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，模数转换电路用于在 预设检测周期内，实时采集并输出各定子绕组120_n与电源端断开时产生的反 电动势。并且在实际应用中，模数转换电路的具体结构需要按照实际应用环境 来设计确定且为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不作赘述，也不 应作为对本发明的限制。

具体地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，如图3a与 图3b所示，驱动模块130_n具体可以包括：驱动电路DT_n；其中，

驱动电路DT_n的第一端与电源端U连接，驱动电路DT_n的第二端与数 据处理模块150连接，用于接收对应的转动开启信号以及在预设检测周期内输 出对应的定子绕组120_n与电源端U导通时的驱动时间，驱动电路DT_n的第 三端分别与对应的定子绕组120_n连接。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，驱动电路可以包括H 桥电路与时间获取控制器；其中，

H桥电路的控制端接收对应的转动开启信号，H桥电路的各正电压输入端 分别与电源端的正极连接，H桥电路的各负电压输入端分别与电源端的负极连 接，输出端与对应的定子绕组相连；

时间获取控制器的信号输入端与对应的定子绕组相连，用于在预设检测周 期内实时获取并输出对应的定子绕组与电源端导通时的驱动时间。以上仅是举 例说明驱动电路的具体结构，在具体实施时，驱动电路的具体结构不限于本发 明实施例提供的上述结构，还可以是本领域技术人员可知的其他结构，在此不 作限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，H桥电路的具体结构 与现有技术中的相同，为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不做赘 述，也不应作为对本发明的限制。在实际应用中，H桥电路的具体结构需要按 照实际应用环境来设计确定，在此不作限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，如图3a与图3b所示， 数据处理模块150具体可以包括：处理器MCU；其中，

处理器MCU的各第一端与各驱动模块130_n连接，用于向各驱动模块 130_n输出对应的转动开启信号以及在预设检测周期内实时接收各驱动模块 130_n输出的对应的定子绕组120_n与电源端U导通时的驱动时间，处理器 MCU的第二端与采集模块140连接，用于在预设检测周期内实时接收各定子 绕组120_n与电源端U断开时产生的反电动势。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，处理器的各第一端分 别通过两条传输线与各驱动模块相连，其中一条传输线用于向各驱动模块输出 对应的转动开启信号，另一条传输线用于在预设检测周期内实时接收各驱动模 块输出的对应的定子绕组与电源端导通时的驱动时间。或者，处理器的各第一 端通过一条传输线与各驱动模块相连，该传输线用于向各驱动模块输出对应的 转动开启信号以及在预设检测周期内实时接收各驱动模块输出的对应的定子 绕组与电源端导通时的驱动时间。在实际应用中，传输线的具体结构需要根据 实际应用环境来设计确定且为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不 作限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，处理器可以用于针对 各定子绕组，计算各定子绕组的反电动势在预设检测周期内对应的平均值；在 判断各定子绕组对应的平均值均大于预设阈值时，根据实时接收的各定子绕组 与电源端导通时的驱动时间，以及各定子绕组与电源端断开时产生的反电动 势，确定转子的运转状态。并且在实际应用中，处理器的具体结构需要按照实 际应用环境来设计确定且为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不作 限定。

下面以图3b所示的装置的结构为例，结合图2的各转动开启信号的时序 图对本发明实施例提供的上述装置的工作过程作以描述。其中以转子转动两周 所用的时间为预设检测周期。

在第一周T1中的T11阶段，处理器MCU向驱动电路DT_n输出对应的转 动开启信号EM_n，使定子绕组120_1和定子绕组120_2均与电源端U导通， 其余定子绕组120_3和定子绕组120_4均与电源端U断开，使转子110逆时针 转动一定角度。在此阶段中驱动电路DT_1实时获取定子绕组120_1与电源端 U的导通时间，并将获取到的导通时间输出给处理器MCU。驱动电路DT_2 实时获取定子绕组120_2与电源端U的导通时间，并将获取到的导通时间输出 给处理器MCU。模数转换电路ADC实时采集定子绕组120_3产生的反电动势， 并将采集到的反电动势输出给处理器MCU。模数转换电路ADC实时采集定子 绕组120_4产生的反电动势，并将采集到的反电动势输出给处理器MCU。

在T12阶段，处理器MCU向驱动电路DT_n输出对应的转动开启信号 EM_n，使定子绕组120_2和定子绕组120_3均与电源端U导通，其余定子绕 组120_4和定子绕组120_1均与电源端U断开，使转子110逆时针转动一定角 度。在此阶段中驱动电路DT_2实时获取定子绕组120_2与电源端U的导通时 间，并将获取到的导通时间输出给处理器MCU。驱动电路DT_3实时获取定 子绕组120_3与电源端U的导通时间，并将获取到的导通时间输出给处理器 MCU。模数转换电路ADC实时采集定子绕组120_4产生的反电动势，并将采 集到的反电动势输出给处理器MCU。模数转换电路ADC实时采集定子绕组 120_1产生的反电动势，并将采集到的反电动势输出给处理器MCU。

在T13阶段，处理器MCU向驱动电路DT_n输出对应的转动开启信号 EM_n，使定子绕组120_3和定子绕组120_4均与电源端U导通，其余定子绕 组120_1和定子绕组120_2均与电源端U断开，使转子110逆时针转动一定角 度。在此阶段中驱动电路DT_3实时获取定子绕组120_3与电源端U的导通时 间，并将获取到的导通时间输出给处理器MCU。驱动电路DT_4实时获取定 子绕组120_4与电源端U的导通时间，并将获取到的导通时间输出给处理器 MCU。模数转换电路ADC实时采集定子绕组120_1产生的反电动势，并将采 集到的反电动势输出给处理器MCU。模数转换电路ADC实时采集定子绕组 120_2产生的反电动势，并将采集到的反电动势输出给处理器MCU。

在T14阶段，处理器MCU向驱动电路DT_n输出对应的转动开启信号 EM_n，使定子绕组120_4和定子绕组120_1均与电源端U导通，其余定子绕 组120_2和定子绕组120_3均与电源端U断开，使转子110逆时针转动一定角 度。在此阶段中驱动电路DT_4实时获取定子绕组120_4与电源端U的导通时 间，并将获取到的导通时间输出给处理器MCU。驱动电路DT_1实时获取定 子绕组120_1与电源端U的导通时间，并将获取到的导通时间输出给处理器 MCU。模数转换电路ADC实时采集定子绕组120_2产生的反电动势，并将采 集到的反电动势输出给处理器MCU。模数转换电路ADC实时采集定子绕组 120_3产生的反电动势，并将采集到的反电动势输出给处理器MCU。

在第二周的T21阶段，处理器MCU向驱动电路DT_n输出对应的转动开 启信号EM_n，使定子绕组120_1和定子绕组120_2均与电源端U导通，其余 定子绕组120_3和定子绕组120_4均与电源端U断开，使转子110逆时针转动 一定角度。其余具体工作过程与T11阶段的工作过程基本相同，在此不做赘述。

在T22阶段，处理器MCU向驱动电路DT_n输出对应的转动开启信号 EM_n，使定子绕组120_2和定子绕组120_3均与电源端U导通，其余定子绕 组120_4和定子绕组120_1均与电源端U断开，使转子110逆时针转动一定角 度。其余具体工作过程与T2阶段的工作过程基本相同，在此不做赘述。

在T23阶段，处理器MCU向驱动电路DT_n输出对应的转动开启信号 EM_n，使定子绕组120_3和定子绕组120_4均与电源端U导通，其余定子绕 组120_1和定子绕组120_2均与电源端U断开，使转子110逆时针转动一定角 度。其余具体工作过程与T3阶段的工作过程基本相同，在此不做赘述。

在T24阶段，处理器MCU向驱动电路DT_n输出对应的转动开启信号 EM_n，使定子绕组120_4和定子绕组120_1均与电源端U导通，其余定子绕 组120_2和定子绕组120_3均与电源端U断开，使转子110转动一定角度。其 余具体工作过程与T4阶段的工作过程基本相同，在此不做赘述。

因此，处理器MCU获取了转子110运转两周时间内，各定子绕组120_n 的导通时间，以及在定子绕组120_n的导通时间时，其余未导通的定子绕组 120_n产生的反电动势。处理器MCU针对各定子绕组120_n，计算各定子绕组 120_n的反电动势在转子110转动两周时间内对应的平均值，并在判断各定子 绕组120_n对应的平均值均大于预设阈值时，可以确定转子100在转动。

处理器MCU根据驱动电路DT_n输出的对应的定子绕组120_n的导通时 间，以及在导通时间内，其余与电源端U断开的定子绕组120_n产生的反电动 势，确定各定子绕组120_n中每相邻两个定子绕组在转子110转动两周时间内 产生的反电动势的波形。处理器MCU再根据得到的各定子绕组120_n中的每 相邻两个定子绕组对应的反电动势的波形，判断每相邻两个定子绕组的开启顺 序，以及判断每相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转动两周时间内的平 均值是否处于预设相等范围内。

处理器MCU在判断每相邻两个定子绕组沿逆时针方向开启，且每相邻两 个定子绕组的反电动势在转子110转动两周时间内的平均值均处于预设相等范 围内时，确定转子100在沿逆时针方向做匀速运动。

处理器MCU在判断每相邻两个定子绕组沿逆时针方向开启，且至少一个 每相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转动两周时间内的平均值不处于预 设相等范围内，且在比较得到每相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转动 两周时间内的平均值沿逆时针方向增大时，确定转子110在沿逆时针方向做加 速运动。

处理器MCU在判断每相邻两个定子绕组沿逆时针方向开启，且至少一个 每相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转动两周时间内的平均值不处于预 设相等范围内，且在比较得到每相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转动 两周时间内的平均值沿逆时针方向减小时，确定转子110在沿逆时针方向做减 速运动。

或者，处理器MCU在判断每相邻两个定子绕组沿顺时针方向开启，且每 相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转动两周时间内的平均值均处于预设 相等范围内时，确定转子在沿顺时针方向做匀速运动。

处理器MCU在判断每相邻两个定子绕组沿顺时针方向开启，且至少一个 每相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转动两周时间内的平均值不处于预 设相等范围内时，且在比较得到每相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转 动两周时间内的平均值沿顺时针方向增大时，确定转子110在沿顺时针方向做 加速运动。

处理器MCU在判断每相邻两个定子绕组沿顺时针方向开启，且至少一个 每相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转动两周时间内的平均值不处于预 设相等范围内时，且在比较得到每相邻两个定子绕组的反电动势在转子110转 动两周时间内的平均值沿顺时针方向减小时，确定转子110在沿顺时针方向做 减速运动。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种步进电机运动状态的检测 方法，步进电机包括一个转子与至少两个具有定子绕组与定子铁芯的定子；如 图4所示，驱动方法包括：

S401、向各驱动模块输出对应的转动开启信号，各驱动模块在对应的转动 开启信号的控制下使对应的定子绕组与电源端导通，以及在预设检测周期内实 时获取并输出对应的定子绕组与电源端导通时的驱动时间；采样模块在预设检 测周期内，实时采集并输出各定子绕组与电源端断开时产生的反电动势；数据 处理模块在预设检测周期内实时接收各驱动模块输出的驱动时间以及实时接 收采样模块输出的反电动势；其中，不同的定子绕组对应的转动开启信号的相 位不同；

S402、针对各定子绕组，计算各定子绕组的反电动势在预设检测周期内对 应的平均值；

S403、在判断各定子绕组对应的平均值均大于预设阈值时，根据实时接收 的各定子绕组与电源端导通时的驱动时间，以及各定子绕组与电源端断开时产 生的反电动势，确定转子的运转状态。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，预设检测周期至少为 转子转动一周所用的时间。例如，为了降低检测时间，预设检测周期可以设置 为转子转动一周所用的时间，或设置为转子转动两周所用的时间。为了提高检 测精度，预设检测周期可以设置为转子转动五周所用的时间，或设置为转子转 动六周以上所用的时间。当然，在实际应用中，预设检测周期需要根据实际应 用环境来设计确定，在此不作限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述装置中，预设阈值为转子发生 故障堵转时，与电源端断开的定子绕组产生的反电动势的最大值。例如，理想 状态下，转子发生故障堵转时，转子完全不转动，使得与电源端断开的定子绕 组产生的反电动势为0。而实际应用中，转子发生故障堵转时，由于与电源端 连接的定子绕组产生的磁场作用，可能会使转子出现来回摆动的现象，从而使 与电源端断开的定子绕组产生微小的反电动势，而不为0。因此，在实际应用 中，预设阈值需要根据实际应用环境来设计确定，在此不作限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述方法中，根据实时接收的各定 子绕组与电源端导通时的驱动时间，以及各定子绕组与电源端断开时产生的反 电动势，确定转子的运转状态，具体包括：根据各定子绕组与电源端导通时的 驱动时间，以及在驱动时间内其余定子绕组与电源端断开时产生的反电动势， 确定各定子绕组中每相邻两个定子绕组在预设检测周期内产生的反电动势的 波形；

根据确定的每相邻两个定子绕组在预设检测周期内产生的反电动势的波 形，判断每相邻两个定子绕组的开启顺序，以及判断每相邻两个定子绕组对应 的平均值是否处于预设相等范围内；

在判断每相邻两个定子绕组沿顺时针方向开启，且每相邻两个定子绕组对 应的平均值均处于预设相等范围内时，确定转子沿顺时针方向做匀速运动；否 则，确定转子沿顺时针方向做变速运动；

在判断每相邻两个定子绕组沿逆时针方向开启，且每相邻两个定子绕组对 应的平均值均处于预设相等范围内时，确定转子沿逆时针方向做匀速运动；否 则，确定转子沿逆时针方向做变速运动。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述方法中，确定转子在沿顺时针 方向做变速运动，具体包括：在比较得到每相邻两个定子绕组对应的平均值沿 顺时针方向增大时，确定转子沿顺时针方向做加速运动；

在比较得到每相邻两个定子绕组对应的平均值沿顺时针方向减小时，确定 转子沿顺时针方向做减速运动。

或者，确定转子在沿顺时针方向做变速运动，具体包括：在比较得到每相 邻两个定子绕组对应的平均值沿逆时针方向增大时，确定转子沿逆时针方向做 加速运动；

在比较得到每相邻两个定子绕组对应的平均值沿逆时针方向减小时，确定 转子沿逆时针方向做减速运动。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述方法中，还包括：在判断各定 子绕组对应的平均值均不大于预设阈值时，确定转子为堵转状态，并向各驱动 模块输出转动停止信号；各驱动模块在接收的转动停止信号的控制下使对应的 定子绕组与电源端断开。

本发明实施例提供的步进电机运动状态的检测装置及方法，包括：采样模 块、数据处理模块以及与各定子绕组一一对应的驱动模块；其中，通过这些模 块的相互配合可以实现检测步进电机的转子的运转状态的功能，与现有技术相 比，不需要额外设置机械结构即可实现转子的运转状态的检测功能，可以降低 检测装置占据的空间，降低生产成本以及降低结构设计复杂性。并且还可以不 用额外设置外部的连接线缆，从而使检测装置整体的可靠性提高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种步进电机运动状态的检测装置，所述步进电机包括转子与具有至少两个定子绕组的定子；其特征在于，所述装置包括：采样模块、数据处理模块以及与各所述定子绕组一一对应的驱动模块；其中，

各所述驱动模块分别与电源端、对应的定子绕组以及所述数据处理模块连接；各所述驱动模块用于在对应的转动开启信号的控制下使对应的定子绕组与所述电源端导通，以及在预设检测周期内实时获取并输出对应的定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间；其中，不同的定子绕组对应的转动开启信号的相位不同；

所述采样模块分别与各所述定子绕组以及所述数据处理模块连接；所述采样模块用于在所述预设检测周期内，实时采集并输出各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势；

所述数据处理模块用于向各所述驱动模块输出对应的转动开启信号，在所述预设检测周期内实时接收各所述驱动模块输出的驱动时间以及实时接收所述采样模块输出的反电动势；针对各所述定子绕组，计算各所述定子绕组的反电动势在所述预设检测周期内对应的平均值；在判断各所述定子绕组对应的平均值均大于预设阈值时，根据实时接收的各所述定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，以及各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势，确定所述转子的运转状态。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块具体用于：根据各所述定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，以及在所述驱动时间内其余定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势，确定各所述定子绕组中每相邻两个定子绕组在所述预设检测周期内产生的反电动势的波形；

根据确定的所述每相邻两个定子绕组在所述预设检测周期内产生的反电动势的波形，判断所述每相邻两个定子绕组的开启顺序，以及判断所述每相邻两个定子绕组对应的平均值是否处于预设相等范围内；

在判断所述每相邻两个定子绕组沿顺时针方向开启，且所述每相邻两个定子绕组对应的平均值均处于预设相等范围内时，确定所述转子沿顺时针方向做匀速运动；否则，确定所述转子沿顺时针方向做变速运动；

在判断所述每相邻两个定子绕组沿逆时针方向开启，且所述每相邻两个定子绕组对应的平均值均处于预设相等范围内时，确定所述转子沿逆时针方向做匀速运动；否则，确定所述转子沿逆时针方向做变速运动。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块具体用于：在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述顺时针方向增大时，确定所述转子沿顺时针方向做加速运动；

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述顺时针方向减小时，确定所述转子沿顺时针方向做减速运动；

或者，所述数据处理模块具体用于：在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿逆时针方向增大时，确定所述转子沿逆时针方向做加速运动；

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述逆时针方向减小时，确定所述转子沿逆时针方向做减速运动。

4.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块还用于，在判断各所述定子绕组对应的平均值均不大于预设阈值时，确定所述转子为堵转状态，并向各所述驱动模块输出转动停止信号；

各所述驱动模块还用于在接收的转动停止信号的控制下使对应的定子绕组与所述电源端断开。

5.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，采样模块包括：模数转换电路；其中，

所述模数转换电路的各第一端分别与各所述定子绕组对应连接，用于在所述预设检测周期内实时采集各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势，所述模数转换电路的第二端与所述数据处理模块连接，用于在所述预设检测周期内实时输出各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势。

6.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动模块包括：驱动电路；其中，

所述驱动电路的第一端与所述电源端连接，所述驱动电路的第二端与所述数据处理模块连接，用于接收对应的转动开启信号以及在所述预设检测周期内输出对应的定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，所述驱动电路的第三端分别与对应的定子绕组连接。

7.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块包括：处理器；其中，

所述处理器的各第一端与各所述驱动模块连接，用于输出对应的转动开启信号以及在所述预设检测周期内实时接收各所述驱动模块输出的对应的定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，所述处理器的第二端与所述采集模块连接，用于在所述预设检测周期内实时接收各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势。

8.一种步进电机运动状态的检测方法，所述步进电机包括一个转子与至少两个具有定子绕组与定子铁芯的定子；其特征在于，所述方法包括：

向各所述驱动模块输出对应的转动开启信号，各所述驱动模块在对应的转动开启信号的控制下使对应的定子绕组与所述电源端导通，以及在所述预设检测周期内实时获取并输出对应的定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间；所述采样模块在所述预设检测周期内，实时采集并输出各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势；所述数据处理模块在所述预设检测周期内实时接收各所述驱动模块输出的驱动时间以及实时接收所述采样模块输出的反电动势；其中，不同的定子绕组对应的转动开启信号的相位不同；

针对各所述定子绕组，计算各所述定子绕组的反电动势在所述预设检测周期内对应的平均值；

在判断各所述定子绕组对应的平均值均大于预设阈值时，根据实时接收的各所述定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，以及各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势，确定所述转子的运转状态。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据实时接收的各所述定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，以及各所述定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势，确定所述转子的运转状态，具体包括：根据各所述定子绕组与所述电源端导通时的驱动时间，以及在所述驱动时间内其余定子绕组与所述电源端断开时产生的反电动势，确定各所述定子绕组中每相邻两个定子绕组在所述预设检测周期内产生的反电动势的波形；

根据确定的所述每相邻两个定子绕组在所述预设检测周期内产生的反电动势的波形，判断所述每相邻两个定子绕组的开启顺序，以及判断所述每相邻两个定子绕组对应的平均值是否处于预设相等范围内；

在判断所述每相邻两个定子绕组沿顺时针方向开启，且所述每相邻两个定子绕组对应的平均值均处于预设相等范围内时，确定所述转子沿顺时针方向做匀速运动；否则，确定所述转子沿顺时针方向做变速运动；

在判断所述每相邻两个定子绕组沿逆时针方向开启，且所述每相邻两个定子绕组对应的平均值均处于预设相等范围内时，确定所述转子沿逆时针方向做匀速运动；否则，确定所述转子沿逆时针方向做变速运动。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述确定所述转子在沿所述顺时针方向做变速运动，具体包括：在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述顺时针方向增大时，确定所述转子沿顺时针方向做加速运动；

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述顺时针方向减小时，确定所述转子沿顺时针方向做减速运动；或者，

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿逆时针方向增大时，确定所述转子沿逆时针方向做加速运动；

在比较得到所述每相邻两个定子绕组对应的平均值沿所述逆时针方向减小时，确定所述转子沿逆时针方向做减速运动。

11.如权利要求8-10任一项所述的方法，其特征在于，还包括：在判断各所述定子绕组对应的平均值均不大于预设阈值时，确定所述转子为堵转状态，并向各所述驱动模块输出转动停止信号；各所述驱动模块在接收的转动停止信号的控制下使对应的定子绕组与所述电源端断开。