CN113746387A - 检测步进电机中的失速或失步的控制单元和方法 - Google Patents

Abstract

检测步进电机中的失速或失步的控制单元和方法。控制单元102适于根据反EMF信号确定第一参数，根据反EMF信号确定与第一参数相对应的至少一个第二参数。控制单元102进一步基于所述第一参数验证包含所述至少一个第二参数的至少一个条件，并基于所述验证来检测步进电机110中的失速或失步。本发明通过标识反EMF信号的峰的特性特征来使用模式检测，所述特性特征是阶数（n）、幅度和极性。这些特性特征独立于RPM、齿隙、负载，并且不要求任何复杂的计算，并且即使在较低的RPM下也非常鲁棒。

Description

检测步进电机中的失速或失步的控制单元和方法

技术领域

本发明涉及一种用以在驱动步进电机时检测失速或失步的控制单元和方法。

背景技术

在各种***中，对基于步进机的***中的无传感器失速和失步检测有需求。在***中，在具有变化的负载和齿隙的情况下要求在较低的每分钟转数（RPM）下的电机操作，其中现有解决方案无法检测失速或失步。需要失速检测来实现参考定位，并且没有检测会导致致动器驱动过度，从而导致操作时间减少或驱动器的逐渐损坏。失速检测还用于检测产品中可能在现场发生的损坏，诸如驱动机械损坏或甚至电机损坏。现有的解决方案从无激励线圈提取反电动势（EMF），并使用基于阈值的比较来检测失速或失步。阈值或是基于RPM动态得出，或是针对给定***静态固定或校准。

在许多***中使用失速检测的概念。在大多数***中，步进电机在高RPM下操作，或者在具有较小齿隙或者不具有任何动态负载的***（其中失速检测是稳定的）中操作。现有解决方案中使用的概念是通过监测反EMF。当反EMF下降到给定的阈值以下或者在失速的情况下反EMF变得接近零时，检测到失速。在低RPM（理想地出于对扭矩的需要或为了避免共振而选取）下的驱动中具有变化的负载和齿隙的情况下，失速检测趋向于并不鲁棒。一般来说，市场上存在几种使用步进电机的产品。失速检测主要用于检测机械驱动中的损坏或实现参考定位，并且失步检测用于粗略校正。

专利文献US20110181229公开了用于步进电机失速检测的装置、***和方法。公开了用于步进电机失速检测的装置、***和方法。转换模块接收在全步操作期间由步进电机的转子的磁场在步进电机的非驱动线圈中产生的反电动势（“EMF”）波形，并且在全步操作内的预定时间段内以在预定时间处开始的间隔对波形进行采样，以产出多个采样数据点。整流模块关于预定的静态电平对波形进行整流。比较模块将经整流的采样数据点累积成统计上有代表性的采样值，将有代表性的采样值与预定阈值电平进行比较，并且如果有代表性的采样值小于预定阈值电平，则指示转子失速。

附图说明

参考以下随附附图描述了本公开的实施例，

图1图示了根据本发明实施例的用于步进电机的控制单元的框图；

图2图示了根据本发明实施例的与反EMF信号相关的曲线图；

图3图示了根据本发明实施例的失速或失步检测的多种情况；以及

图4图示了根据本发明的用于检测步进电机中的失速或失步的方法。

具体实施方式

图1图示了根据本发明实施例的用于步进电机的控制单元的框图。提供包括控制单元102的***100来检测步进电机110中的失速或失步。步进电机中的失速可能是由于机械驱动而导致的。步进电机110包括转子112（诸如磁体）和定子（诸如励磁线圈或磁极）。所描述的步进电机110是两个励磁线圈，即第一线圈106和第二线圈108。本发明不限于基于两个励磁线圈的步进电机110，而取而代之地适用于具有多个磁极的步进电机110。控制单元102适于通过驱动器电路104驱动步进电机110的至少两个励磁线圈（第一线圈106和第二线圈108），并检测/读取包括反电动势（EMF）的电信号，如图2中所示。通过检测器电路114和放大器116来执行检测。任何其他检测器电路114适用于在不脱离本发明的范围的情况下被使用。检测器电路114被示出为跨第一线圈106连接。检测器电路114也可跨第二线圈108连接。进一步地，检测器电路114可跨第一线圈106和第二线圈108这两者连接。检测器电路114提取/读取步进电机110的具有中电平偏置的反EMF信号。

本发明独立于以之读取或测量反EMF信号的方式。本发明中的反EMF信号是从步进电机110的非驱动线圈检测的，并且贯穿本公开而使用该反EMF信号。然而，这只是示例，并且一定不能以限制的方式来理解。控制单元102被配置成检测由现有技术中已知的电路或方法检测/读取的反EMF信号的失速或失步。

图2图示了根据本发明实施例的与反EMF信号相关的曲线图。第一曲线图200包括Y轴202，其表示如第一波形208所示的以安培为单位的电流以及第二波形210（即反EMF信号）的以伏特为单位的电压。针对第一波形208和第二波形210的X轴204是以合适单位表示的时间。这两个波形均是在已经经过一些时间之后示出的，这由每个波形开头的虚线指示。反EMF信号可在正相和负相中测量。继续图1，控制单元102进一步适于根据反EMF信号确定第一参数，根据反EMF信号确定与第一参数相对应的至少一个第二参数。控制单元102进一步基于所述第一参数验证包含所述至少一个第二参数的至少一个条件，并基于所述验证来检测步进电机110中的失速或失步。

由控制单元102确定的第一参数是反EMF信号中的峰的阶数（n）。阶数（n）与反EMF信号中的峰的数量相对应。所述至少一个第二参数选自包括每个峰的极性（P_n）和每个峰的振幅/幅度（M_n）的组。检测器电路114被用于提取/捕获反EMF信号中的峰的阶数（n）、极性（P_n）和幅度（M_n）。在捕获期间，在第一线圈106中感应的反EMF信号被以高频率采样，使得峰被捕获。捕获的信号然后被放大来执行分析以检测失速或失步。

第一波形208对应于用于至少两个线圈的致动信号。在两磁极步进电机110的情况下，第一波形208中的脉冲表明第一线圈106的致动，并且脉冲的缺失表明第一线圈106未被驱动。然而，在第一线圈106未被驱动的时候，第二线圈108可以被驱动或可以不被驱动，但是为了避免复杂性在图2中未对其进行示出。进一步地，正相/周期对应于在X轴（204，206）上方的波形部分，并且负相/周期对应于在X轴（204，206）下方的波形部分。图2中所示的反EMF信号包括三个峰，并且没有任何失速或失步。具体而言，第一实例230示出了正相中的反EMF信号，第二实例232示出了负相中的反EMF信号，并且第三实例234示出了正相中的反EMF信号，等等。

图示了反EMF信号的放大部分250。放大部分250被示出以指示峰的幅度。图示了第一峰212的第一幅度224、第二峰214的第二幅度224和第三峰216的第三幅度224。更进一步地，时间t₁ 218和时间t₂ 220之间的时隙被认为是死区。为了克服由于感应器放电所致的错误检测，控制单元102在死区/窗口/时间经过之后处理反EMF信号。因此，为了反EMF信号中的失速或失步检测而丢弃死区。时间t₂ 220和时间t₃ 222之间的时隙是工作区，其中由控制单元102执行失速或失步检测。此外，在正相和负相这两者中，仅当峰的幅度在阈值电平以上时，才考虑峰。

图3图示了根据本发明的实施例的失速或失步检测的多种情况。图3图示了具有多个波形的第二曲线图300。应当注意到，该曲线图不是按比例的，而是试图解释本发明，并且因此一定不能以限制的方式来理解该曲线图。第一波形208表示如图2中所示的电流。类似地，第二波形210以伏特为单位表示反EMF信号。反EMF信号的另一个示例由第三波形302示出，其中在死区之后仅存在一个峰，而在第二波形210中存在两个峰，一个在轴的上方，并且另一个在轴的下方。示出第二波形210和第三波形302是为了使得能够清楚地理解，并且在该第二波形210和第三波形302中不存在失速或失步。

控制单元102在阶数等于零时检测步进电机110中的失速或失步，如第四波形304中所图示的。如果在反EMF信号中不存在峰，则控制单元102将该条件检测为失速或失步条件，并记录在存储器元件中。第一窗口（以虚线边界描绘）318示出了峰的缺失。这也适用于反EMF信号的正相/周期。

根据本发明的实施例，控制单元102适于在阶数等于一时检测步进电机110中的失速或失步。当阶数（n）等于一时，要由控制单元102验证的至少一个条件包括：第一峰212的极性是来自如下的组中的任何一个：该组包括在反EMF信号的正相中为负和在反EMF信号的负相中为正。第五波形306表示仅具有第一峰212的反EMF信号，其中在负相中检测到失速或失步。第二窗口320示出了第五波形306中的失速或失步。第二窗口320内部的在轴上方的峰（以虚线示出）被认为是第一峰212。由于在轴的上方，所以第一峰212的极性为正。在轴下方的两个峰由于低于阈值限制而被丢弃。因为第一峰212的极性在负相中为正，所以控制单元102将其检测为失速或失步，并记录/存储在存储器元件中。类似地，第六波形308表示针对单个峰的但处于正相中的失速或失步检测。第三窗口322示出了第一峰212的极性在正相中为负。控制单元102将该条件检测为失速或失步，并存储在存储器元件中。

根据本发明的另一个实施例，控制单元102适于在阶数（n）等于二时检测失速或失步。当阶数为二时，要由控制单元102验证的至少一个条件包括，第一峰212和第二峰214的极性是选自如下列表中的任何一个：该列表包括在反EMF信号的正相中分别为负和正；以及在反EMF信号的负相中分别为正和负。为了避免图3的过度拥挤，没有示出针对该条件的波形。

根据本发明的另一个实施例，控制单元102适于在阶数等于二时并且在满足包含峰的幅度的一个条件时检测失速或失步。要由控制单元102验证的至少一个条件包括，第一峰212的幅度224小于第二峰214的幅度224。峰的幅度被认为具有预定的容限。第七波形310表示针对等于二的阶数的反EMF信号。第四窗口324示出了两个峰的存在。第一峰212的极性为负，并且第二峰214的极性为正。关于极性的条件没有示出失速或失步。然而，第一峰212的幅度224小于第二峰214的幅度224。如果匹配，则该条件被检测为失速或失步，并且控制单元102将该检测存储在存储器元件中。因此，包含幅度的条件是基于极性的条件的替代方案。进一步地，允许在验证关于极性的条件之前验证幅度条件。类似地，第八波形312示出了针对具有两个峰的反EMF信号的正相中的失速或失步。第一峰212的极性为正，并且第二峰214的极性为负，由此没有检测到失速或失步。然而，第一峰212的幅度224小于第二峰214的幅度224。该条件被控制单元102检测为失速或失步，并且因此，控制单元102将该数据存储在存储器元件中。

根据本发明的另一个实施例，控制单元102适于在阶数（n）等于三时检测失速或失步。当阶数为三时，要由控制单元102验证的至少一个条件包括，第一峰212、第二峰214和第三峰216的极性是选自如下的组中的任何一个：该组包括所述三个峰在反EMF信号的正相中分别为负、正和负；以及在反EMF信号的负相中分别为正、负和正。同样，为了避免图3的过度拥挤，没有示出针对该条件的波形。在检查与三阶相关的至少一个条件之前，控制单元102针对可用的一个峰和两个峰检查适用于一阶和二阶的至少一个条件。如果适用于一阶和二阶的至少一个条件匹配，则控制单元102在甚至不验证适用于三阶的至少一个条件的情况下检测到失速或失步条件。

根据本发明的另一个实施例，控制单元102适于在阶数等于三时并且在满足包含峰的幅度的一个条件时检测失速或失步。当阶数（n）等于三时，要由控制单元102验证的至少一个条件包括，第一峰212的幅度224小于第二峰214的幅度224和第三峰216的幅度224中的任何一个。为了说明该条件，第九波形314示出了具有第五窗口328的反EMF信号。在第五窗口328中，描绘了三个峰。在负相中，第一峰212的极性为负，第二峰214的极性为正，并且第三峰216的极性为负。这指示没有失速或失步条件。然而，在比较幅度时，控制单元102检测到第一峰212的幅度224小于第二峰214的幅度224，但不小于第三峰216的幅度。因此，控制单元102将该条件检测为失速或失步，并存储在存储器元件中。类似地，第十波形316示出了针对正相具有三个峰的反EMF信号中的失速或失步。第六窗口330示出了第一峰212的极性为正，第二峰214的极性为负，并且第三峰216的极性为正，这指示没有失速或失步。然而，第一峰212的幅度224小于第二峰214的幅度224，但不小于第三峰216的幅度，这被控制单元102检测为失速或失步，并且其被记录在存储器元件中。

根据本发明的实施例，一旦阶数大于零，控制单元102就适于验证基于极性的条件作为第一步骤，随后验证基于幅度的条件。可替代地，控制单元102也可配置成首先验证基于幅度的条件，随后验证基于极性的条件。

根据本发明的另一个实施例，控制单元102从至少两个线圈提取反EMF信号，这基于哪个线圈是不活动的或者没有被驱动。示例：在基于两个线圈的步进电机110的情况下，当第一线圈106是活动的/被驱动、第二线圈108是不活动的时，因此控制单元102从第二线圈108捕获反EMF信号。接下来，当第二线圈108是活动的并且第一线圈106是不活动的时，控制单元102从第一线圈106捕获反EMF信号。因此，与其中仅使用第一线圈106来捕获反EMF信号的情况相比，控制单元102被提供有更多的数据样本，以在更短的时间内检测失速或失步。在捕获下一相的反EMF信号之前，控制单元102处理已捕获的反EMF信号以及至少一个条件的验证。

在实施例中，失速或失步检测递增/递减到阈值数量。一旦检测到失速或失步的数量变得超过阈值数量，则确认失速或失步。阈值数量可根据要求进行配置。一旦检测到失速或失步，控制单元102就触发通过至少一个信号向该控制单元102的用户或操作者进行的警报，该信号包括但不限于音频、显示、灯、触觉手段等。

图4图示了根据本发明的用于检测步进电机中的失速或失步的方法。该方法包括以下步骤：步骤402，包括监测来自步进电机110的反电动势（EMF）信号。反EMF信号被以本领域已知的方式检测或测量或提取，并且不限于任何特定的方法。反EMF信号可在正相和负相中测量。该方法的特征在于步骤404，步骤404包括由控制单元102确定反EMF信号的第一参数。下一步骤406包括由控制单元102确定反EMF信号的与第一参数相对应的至少一个第二参数。步骤408包括基于所述第一参数验证包含所述至少一个第二参数的至少一个条件。步骤410包括由控制单元102基于验证来检测步进电机110中的失速或失步。

第一参数是反EMF信号中的峰的阶数（n）。所述至少一个第二参数选自包括每个峰的极性（P_n）和每个峰的幅度（M_n）的组。

在确定反EMF信号的阶数之后要验证的条件与在图3的描述下解释和覆盖的条件相同。为了避免重复，这里不做相同的描述。然而，在开始致动步进电机110之前，从驱动器电路104读取当前电相位，以与反EMF信号的相位同步。相位进一步被用于根据要求检测极性和幅度。

控制单元102还适于标识失速条件和失步条件。在由步进电机110操作导螺杆机构的情况下，如果到达导螺杆的端部定位，则标识失速。如果在到达端部定位之前观察到峰，则该条件被标识为失步。在失速和失步之间进行标识的方法遵循如针对控制单元102所描述的对应步骤。

根据本发明，现有的解决方案需要调谐，并且针对反EMF信号的阈值与每分钟转数（RPM）成正比，但是本发明独立于RPM，并且不要求调谐或模拟来建立要素。本发明实现的一个应用领域是但不限于用于车辆、油门控制、仪表板以及在许多线性定位***（例如平视显示器）中的半主动阻尼控制（SDC）***。本发明通过标识反EMF信号的峰的特性特征来使用模式检测，所述特性特征是阶数（n）、幅度和极性。这些特性特征独立于RPM、齿隙、负载，并且不要求任何复杂的计算，并且即使在较低的RPM下也非常鲁棒。

应当理解，以上描述中解释的实施例仅是说明性的，并且不限制本发明的范围。设想到许多这样的实施例以及描述中解释的实施例中的其他修改和改变。本发明的范围仅由权利要求的范围来限制。

Claims (10)

1.一种检测步进电机（110）中的失速或失步的控制单元（102），所述控制单元（102）适于驱动所述步进电机（110）的至少两个励磁线圈（106，108），并读取反电动势（EMF）信号，所述反EMF信号可在正相和负相中测量，所述控制单元（102）的特征在于，其进一步适于

根据所述反EMF信号确定第一参数，

根据所述反EMF信号确定与所述第一参数相对应的至少一个第二参数，

基于所述第一参数，验证包含所述至少一个第二参数的至少一个条件，以及

基于所述验证来检测所述步进电机（110）中的失速或失步。

2.如权利要求1所述的控制单元（102），其中所述第一参数是所述反EMF信号中的峰的阶数（n），并且所述至少一个第二参数选自包括每个峰的极性（P_n）和每个峰的幅度（M_n）的组。

3.如权利要求2所述的控制单元（102），其中当所述阶数（n）等于一时，所述至少一个要验证的条件包括，所述峰的所述极性是来自如下列表中的任何一个，所述列表包括，

a）在所述反EMF信号的正相中为负，以及

b）在所述反EMF信号的负相中为正。

4.如权利要求2所述的控制单元（102），其中当所述阶数（n）等于二时，所述至少一个要验证的条件包括，第一峰（212）和第二峰（214）的所述极性是选自如下列表中的任何一个，所述列表包括，

a）在所述反EMF信号的正相中分别为负和正，以及

b）在所述反EMF信号的负相中分别为正和负。

5.如权利要求2或权利要求4所述的控制单元（102），其中当所述阶数（n）等于二时，所述至少一个要验证的条件包括，所述第一峰（212）的幅度小于所述第二峰（214）的幅度。

6.如权利要求2所述的控制单元（102），其中当所述阶数（n）等于三时，所述至少一个要验证的条件包括，第一峰（212）、第二峰（214）和第三峰（216）的所述极性是选自如下列表中的任何一个，所述列表包括

a）在所述反EMF信号的正相中分别为负、正和负，以及

b）在所述反EMF信号的负相中分别为正、负和正。

7.如权利要求2或权利要求6所述的控制单元（102），其中当所述阶数（n）等于三时，所述至少一个要验证的条件包括，所述第一峰（212）的幅度小于所述第二峰（214）的所述幅度和第三峰（216）的所述幅度中的任何一个。

8.如权利要求6或权利要求7所述的控制单元（102），其中在验证适用于等于三的阶数（n）的所述至少一个条件之前，所述控制单元（102）适于验证适用于等于二的阶数（n）的至少一个对应条件。

9.一种用于检测步进电机（110）中的失速或失步的方法，所述方法包括以下步骤：监测来自所述步进电机（110）的反电动势（EMF）信号，所述反EMF信号可在正相和负相中测量，所述方法的特征在于

由控制单元（102）确定所述反EMF信号的第一参数；

由所述控制单元（102）确定所述反EMF信号的与所述第一参数相对应的至少一个第二参数；

由所述控制单元（102）基于所述第一参数验证包含所述至少一个第二参数的至少一个条件，以及

由所述控制单元（102）基于所述验证来检测所述步进电机（110）中的失速或失步。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述第一参数是所述反EMF信号中的峰的阶数（n），并且所述至少一个第二参数选自包括每个峰的极性（P_n）和每个峰的幅度（M_n）的组。

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