[发明专利]用于识别步进电机失步的方法和装置

说明书

本发明涉及根据权利要求1或17的前序部分的用于识别步进电机失步的方法和装置。

步进电机是一种特殊结构形式的同步电机，它由设有多个线圈的静止的定子和在定子中旋转的转子构成。根据转子的构造方式，可分为三种基本类型的步进电机：

·永磁激励的步进电机；

·具有可变磁阻的步进电机；和

·混合式步进电机。

永磁激励的步进电机的转子由径向磁化的圆筒形永磁体构成。也就是说，这些永磁体以不同的极性沿着转子圆周交替。转子并不始终都朝向由线圈通电产生的磁场。如果这些线圈相继连接，转子就会沿着相应的方向转动。因此，在所有线圈都相继接通时，步进电机转完一整圈。

具有可变磁阻的步进电机的转子由非激励的带有齿的软铁心构成。就这种结构形式而言，力矩基于转子结构而产生，这种转子结构提供了一种可变化的气隙磁阻。转子跟随步场(Schrittfeld)，因为它力求在定子场(Statorfeld)中处于适当方向，使得气隙中的磁能最小。

混合式步进电机是永磁激励的步进电机和可变磁阻的步进电机的组合形式。它由轴向极化的永磁体构成，在这些永磁体的端部上固定有软磁材料构成的带有齿的转子盘(Rotorscheibe)。两个转子盘被永磁体预先磁化，并相互错开半个齿宽，使得北极和南极交替。混合式步进电机能实现很小的步进角(Schrittwinkel)，它还具有自保持力矩(Selbsthaltemoment)，然而其结构复杂。

步进电机按照同步原理工作。驱动转子的转矩由定子和转子中的方向不同的磁场产生。转子始终转动，从而形成尽可能大的磁流。

与其它电机相反，步进电机的线圈仅位于定子中。因此，将各个线圈绕组按顺序连接，就能产生旋转运动，这使得定子场在每个步进脉冲之后都续接(Weiterschalten)一定的角度。步场的续接也称为换向过程。

由此可以采用简单的方式控制电机的转向和转速。为了确定转子位置，从初始位置顺时针或逆时针地计数步，并与步进角相乘，这就足够了。

电机绕组控制可分为单极控制和双极控制。

就单极控制而言，每个极都具有两个绕组，或者具有一个带中间抽头的绕组。磁场方向取决于给两个绕组中的哪一个绕组通电。这种控制的优点是电子成本低。缺点在于，绕组空间利用率很低，仅为50％，因为始终都只能取决于电流方向而使用一个绕组。而且，由于每个极都用两个线圈，所以使得电机很大。

就双极控制而言，每个极都只有一个绕组。磁场方向取决于电流流经该绕组的方向。这种控制方式的优点是，整个绕组空间都能得到利用。缺点在于电子成本高。

步进电机的运行方式有很多种。最简单的运行方式是波驱动(WaveDrive)，其中沿着圆周接连地始终都仅给一个线圈通电。这种运行方式的优点是易于实施，而且仅以非常有利的微控制器就能轻易地实现。相反，缺点是转矩低，因为始终都只有一个线圈被通电，所以转矩下降为理论最大值的即约下降为其70％。

相比之下，就整步运行而言，始终都给所有绕组系统通电。有针对性地改变绕组中电流方向，就能实现旋转运动。就该运行方式而言，始终都给所有绕组系统通电，就能实现尽可能高的转矩。不利的是，步比较大，这会使得电机易于发生共振。

在半步运行中，将波驱动与整步运行相组合。因此，就具有两个线圈的步进电机而言，始终都交替地给一个或两个线圈通电。这样就能到达多个角度位置。由此尽管电路成本较高，但也能实现较高的位置精度。然而，一旦电流被切断，电机就会一直“跳动”，直至回到整步位置之一。半步运行的最大的优点是，电机明显很少振动，因为转子很少受到力冲击。相比之下，就整步运行和波驱动而言，转子始终都从一个位置滑动至下一个位置，并在那里围绕最终位置振动。这种振动也引起机壳振动，并使得转矩突然变化。这使得整个系统都有很大噪声。由于半步运行的位置数量较多，所以步进角小，进而减小了振动。通常，步越小，力变化曲线就越平缓()，整个系统也就越安静。而且，几乎不会发生失步，因为转子振动得到降低。

如果要增加分步，以此进一步推动步进角减小这一构思，则结论是，正弦或余弦状地进行控制是最佳的。在这种情况下，力变化曲线平缓，且仅仅电机控制频率的基本振动仍然能听见。而这恰恰实现了微步运行。但实际上，并不会以完全正弦状的信号进行控制，而是操纵具有超过听觉阈的接通频率的经脉冲宽度调制的矩形电流。在这里，电机线圈本身用作滤波器，并对矩形信号进行平整滤波，使得近似正弦或余弦状的电流流经绕组。