[发明专利]用于步进马达的谐振阻尼的方法和电路组件

说明书

本发明涉及用于在步进马达(M)的操作期间特别地以中高等转动速度范围操作期间对步进马达谐振进行阻尼的方法和电路组件，其中步进马达(M)的各线圈(A；B)连接至半导体开关(Sw1、……、Sw4)的桥电路(Br1；Br2)以施加针对线圈(A；B)指定的目标线圈电流(I_SollA；I_SollB)。谐振阻尼的实现主要在于：在目标线圈电流(I_SollA；I_SollB)过零时，激活被动FD相，其中在所述被动FD相期间，所有半导体开关(Sw1、……、Sw4)断开或被切换为阻断状态，以由此将讨论中的马达线圈(A；B)中流动的线圈电流沿正供电电压(+V_M)和接地之间的相反方向经由半导体开关(Sw1、……、Sw4)中固有存在的反向二极管或体二极管、以及/或者经由与半导体开关(Sw1、……、Sw4)并联连接的(外部)二极管(D1、……、D4)反馈到所述供电电压源中。

本发明涉及用于在步进马达的操作期间特别地以中速度范围和高速度范围操作期间对步进马达谐振进行阻尼(damping)的方法和电路组件。

众所周知，在步进马达中，通过由静态马达线圈产生受控电磁场并逐步转动来使磁转子逐步转动相应的角度。

通常期望能够以最小可能步进角度转动马达，以达到最高可能的定位分辨率或精度以及扭矩曲线的更均匀迹线(course)。出于该原因，相对于已知的整步和半步模式，所谓的微步模式是优选的，在微步模式中，流过马达线圈的电流不仅被接通和关断，而且以特定的方式上升和下降。步进马达执行微步的分辨率和均匀性基本上取决于使用了多少不同的电流振幅来控制马达线圈、以及这些电流振幅可被维持得多精确。马达线圈的正弦激励或余弦激励通常是最合适的，因为通过这种激励，微步优化的马达也可以实现非常连续的(即无级(jerk free))转动，因此实现平滑的马达运行以及高的位置分辨率。

对于步进马达的电控制，特别是在微步操作中，例如使用了已知的斩波器方法，其中通过斩波器方法，借助于马达供给电压(DC电压)并通过PWM电流脉冲，指定电流(目标线圈电流)在任何给定时间给出的电流方向和电流水平或电流形式被外加到各马达线圈中，以利用由此感应出的转动磁场来驱动马达的转子。

然而，已经表明，步进马达在操作期间可能受到不同谐振，谐振根据马达速度而发生很大变化并且即使在利用斩波器方法控制马达的情况下通常也不能充分抑制。

特别地，在中速度和高速度范围内以及在马达的扭矩减小的速度跳变期间，可能发生不期望的马达谐振，即使在微步操作中，这种谐振也只能被不明显地抑制。此外，这种谐振(特别是恒定的速度下)也可能是由于速度和斩波器频率之间的差拍(beatings)、或者由于马达线圈中所感应出的反电动势(反EMF)对斩波器控制的不利反馈引起的。

即使这些谐振通常仅具有低能量，但是在不利的情况下，它们可以在几十个电流周期内积聚起来，然后在没有阻尼的情况下导致马达的步进损耗。

当然，可以通过不在相关临界速度范围进行、或驱动成快速通过这些相关临界速度范围、或者通过在设计速度曲线时采取其它措施来避免或减少这种谐振。也可以在机械侧使用橡胶阻尼器或合适的耦接。然而，所有这些都被认为是不利的。

利用基于编码器的调节过程来防止谐振通常是不可能的，因为出于成本原因，有关的马达通常作为纯粹受控的系统而操作。

为了实现驱动侧的谐振减小，可以使用用于对谐振的基于反EMF的检测和主动阻尼的方法或被动阻尼方法，其中由振荡产生的过剩能量被转换为热能(内部马达电阻)或反馈到马达的供电电压源中。然而，在中速度和高速度时，这是不可能的，或者与低速相比仅仅可能不够充分，因为接着步进马达的电换向频率将达到与典型斩波器频率的相当的数量级(通常略高于16kHz)。

根据JP H07-95799A，已知通过包含四个半导体开关的桥电路对流过马达线圈的电流进行切换，并且所有半导体开关在给定的下降线圈电流下被阻断，并且线圈电流通过与半导体开关并联连接的二极管被加速减小以实现更高的马达速度。