步進電機控制和火災(zāi)檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】步進電機控制和火災(zāi)檢測系統(tǒng)
[0001] 對相關(guān)申請的奪叉引用
[0002] 本申請主張于2013年4月9日提交的題為"步進電機控制和火災(zāi)檢測系統(tǒng)"的 61/810, 192號美國臨時專利申請的權(quán)益，該申請通過參考被整體并入本文中。 技術(shù)背景
[0003] 在熱成像應(yīng)用中，拍攝熱像比可見光成像應(yīng)用要多花大量的時間。例如，為拍攝靜 止的熱像，相機需要被保持靜止約66ms，以獲取沒有顯著模糊的圖像。此外，在進行自動化 圖像拍攝時，可能會采用電機和控制器對相機進行定位。有可能需要很長時間才能使與相 機相連的電機完全停住，以獲取沒有顯著模糊的圖像。因此，當將電機起動和停機所需的時 間與相機必須保持靜止的時間相加時，可能存在會顯著地限制給定時長內(nèi)所拍攝圖像的數(shù) 量的限制。
[0004] 本文所請求保護的主題并不局限于可解決任何不足之處的實施例或僅可在如上 文所述的環(huán)境中工作的實施例。相反，提供本技術(shù)背景的目的僅在于例示出本文所述的一 些實施例可在其中實施的一個示例性技術(shù)領(lǐng)域。
[0005] 發(fā)明概沐
[0006] 本文所示的一種實施例包括一種用于控制步進電機的方法。本方法包括向索引位 置驅(qū)動步進電機。本方法還包括嘗試使步進電機停在索引位置，停機方式通常會導致步進 電機在索引位置發(fā)生振鈴效應(yīng)。本方法還包括確定用以抵消振鈴效應(yīng)的一個或多個后續(xù)脈 沖的特性。本方法還包括發(fā)出已確定的一個或多個后續(xù)脈沖。
[0007] 另一種實施例包括一種電機系統(tǒng)，其被配置為在使步進電機停機時對步進電機的 振鈴效應(yīng)進行抑制。本系統(tǒng)包括一個步進電機。步進電機被配置為被驅(qū)動至索引位置。當 步進電機最初在所述索引位置停機時，步進電機的電機轉(zhuǎn)子通常呈現(xiàn)振鈴效應(yīng)。本系統(tǒng)還 包括耦合到步進電機的控制器。該控制器被配置為向步進電機發(fā)出一個或多個脈沖。所述 一個或多個脈沖被配置以抵消所述轉(zhuǎn)子的振鈴效應(yīng)。
[0008] 本"發(fā)明概述"的目的是以簡化的形式介紹一些概念，將在下文的"詳細說明"中 對這些概念進行進一步說明。本"發(fā)明概述"并非旨在明確指出所請求保護的主題的關(guān)鍵 特征或必要特征，也非旨在輔助確定所請求保護的主題的范圍。
[0009] 附加特征和優(yōu)勢將在下文說明中給出，其一部分將可從該說明中顯見，或者可從 對本文教導的內(nèi)容的實踐中獲知。本發(fā)明的特征和優(yōu)勢將通過在所附權(quán)利要求中明確指出 的工具和組合加以實現(xiàn)和獲得。本發(fā)明的特征將通過以下說明和所附權(quán)利要求得以更加明 確的呈現(xiàn)，或者通過對下文所述的本發(fā)明的實踐獲知。
[0010] 附圖簡要說明
[0011] 為了對可獲得上文所述的及其他的優(yōu)勢和特征的方式進行說明，以下將參照附圖 中所示的特定實施例對上文所簡述的保護主題進行更為具體的說明。應(yīng)該理解的是，這些 附圖僅示出典型的實施例而非因此對范圍加以限定，將借助附圖對各實施例進行更加具體 和詳細的介紹，其中：
[0012] 圖1所示為步進電機、電機控制器和微控制器的框圖；
[0013] 圖2所示的框圖進一步示出了耦合到步進電機的相機和傳感器；
[0014] 圖3所示為步進電機以及與該步進電機一起使用的各種部件的更為詳細的框圖；
[0015] 圖4所示的圖將步進電機的轉(zhuǎn)速（RPM)與不同次數(shù)停機中的停機時間的百分比建 立了關(guān)聯(lián)；
[0016] 圖5所示為一個步進電機控制器的框圖；
[0017] 圖6所示為步進電機及各種控制信號的測量跡線；
[0018] 圖7所示的表將各種步進電機的性能特性建立了關(guān)聯(lián)；
[0019] 圖8所不為步進電機控制的一個時序圖；
[0020] 圖9所不為步進電機控制的另一個時序圖；以及
[0021] 圖10示出了一種控制步進電機的方法。
[0022] 詳細說明
[0023] 本文所述的一些實施例實現(xiàn)了一種步進電機控制系統(tǒng)，其使步進電機能夠以最小 的振鈴效應(yīng)實現(xiàn)從停機開始加速和實現(xiàn)制動到停機。
[0024] 非步進直流電機將在電機被施加電壓時因磁力而持續(xù)轉(zhuǎn)動。而步進電機則采用一 組繞組，在被適當通電時，其會使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定角度，或稱一 "步"。繞組可以被按順序通電 使得在電機的步長內(nèi)實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)子的精確旋轉(zhuǎn)定位。此外，顛倒該順序?qū)⑹罐D(zhuǎn)子以相 反方向轉(zhuǎn)動。
[0025] 通過使電機從當前位置向新的所需位置的步進，可以在一步的分辨率內(nèi)實現(xiàn)任何 所需的角位置。這將通過對繞組以正確順序重復通電的方式一次一步地實現(xiàn)。電機的重復 性步進用于產(chǎn)生從當前位置到新的所需位置的平滑運動?？蓪崿F(xiàn)的最高速度是電機驅(qū)動電 流、步進電機的轉(zhuǎn)矩特性以及系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)矩和慣性載荷的函數(shù)。如果步進電機無法提供運 轉(zhuǎn)至下一步所需的足夠轉(zhuǎn)矩，電機將會"打滑"，這意味著它將不會行進到下一步，位置準確 性將喪失。除了可能存在的任何摩擦之外，任何機械系統(tǒng)均具有一定的慣性，當從停止位置 開始加速時，必須克服此慣性。由于步進電機的轉(zhuǎn)矩隨速度的提高而減小，實現(xiàn)加速曲線的 方式可以是，對繞組以特定的時序通電，使得各步之間的時間在開始時較長，然后隨著系統(tǒng) 轉(zhuǎn)動達到一定速度，各步之間的時間將下降直至最小值。類似地，當進行減速時，各步之間 的時間可隨著系統(tǒng)的減速而被加長。需要這些技術(shù)的原因是任何實際的機械系統(tǒng)均無法立 即被加速到最高速度，也無法在全速轉(zhuǎn)動時立即停住。即使在使用了這些技術(shù)的情況下，瞬 時轉(zhuǎn)速也無法達到理想情況，例如，"三角形"速度曲線從零開始，沿斜坡均勻加速至最高速 度，然后沿斜坡均勻減速至零。由于機械系統(tǒng)既有摩擦也有慣性，響應(yīng)中總會存在一些粗糙 度，因此會對來自步進電機的任何轉(zhuǎn)動輸入形成一個二階響應(yīng)。所形成的二階系統(tǒng)經(jīng)常為 欠阻尼型，這就形成了系統(tǒng)的速度響應(yīng)中的一些"振鈴"效應(yīng)。振鈴效應(yīng)可以被可視化描述 為，使電機轉(zhuǎn)子以對數(shù)式減小的轉(zhuǎn)動幅度來回轉(zhuǎn)動，直至轉(zhuǎn)子停住，或者達到可將轉(zhuǎn)子視為 已停住的足夠小的幅度。此時，可以進行精確的操作，例如使用耦合到轉(zhuǎn)子的相機拍攝靜幀 圖像，而不引入顯著的誤差（例如圖像的模糊）。
[0026] 本文所述的一些實施例可通過對送至電機的步進脈沖進行仔細定時而在時間和/ 或幅度方面顯著減小振鈴效應(yīng)。在一些實施例中，這可能包括對驅(qū)動電機到達所需位置的 步進脈沖以及用以抵消振鈴效應(yīng)的脈沖進行仔細的時序安排和選擇。在一些實施例中，使 用在合適的時間發(fā)送至合適繞組的單個步進脈沖就可以對振鈴效應(yīng)進行充分的抵消。有些 實施例可以從完全停止狀態(tài)開始對載荷進行快速加速，在最短的時間內(nèi)將其移動至下一個 所需的位置，然后使其快速停止，包括對振鈴進行抑制。在一些實施例中，一旦停止，電機繞 組可以被完全斷電，因為轉(zhuǎn)子將被步進電機的鉗制轉(zhuǎn)矩保持在原位。這樣將會減少步進電 機的能耗。根據(jù)運動時間與靜止時間的百分比，其節(jié)能幅度可能很可觀，因為當未通電時， 步進電機的功率消耗僅用以保持靜止。
[0027] 如圖1所示，一個實施例采用一個步進電機驅(qū)動器集成電路（IC) 104來驅(qū)動步進 電機100的繞組102A和102B，而由一個微控制器106來控制驅(qū)動器1C。對電機繞組102A 和102B通電的細節(jié)工作留給驅(qū)動器IC 104,使得當微控制器106希望使轉(zhuǎn)子運動至下一步 時，它僅需在STEP(步進）信號108上發(fā)出一個脈沖即可，電機驅(qū)動器IC 104將處理對繞 組102A和102B提供電流的順序。微控制器106通過DIRECTION(方向）信號110控制轉(zhuǎn) 動方向，轉(zhuǎn)動方向為逆時針或順時針。微控制器106也可以通過ENABLE(使能）信號112 對電機驅(qū)動器IC的輸出進行通電或斷電。
[0028] 如上所述，步進電機的轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動電流相關(guān)。驅(qū)動電流可以被固定，或在需要的情 況下可被設(shè)置為接受微控制器的控制，如圖1所示。在此，⑶RRENT_C0NTR0L(電流控制）信 號114上的電壓被用于調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器IC 104所使用的步進電機驅(qū)動電流。其實現(xiàn)方式 可以是例如，在微控制器控制下使用一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成一個變化的直流電壓，由其來控 制電流。許多微控制器包括脈沖寬度調(diào)制（PWM)輸出，其可以與合適的低通濾波一起使用， 以在微控制器控制下生成一個變化的直流電壓。在一種可替代實施例中，采用一個或多個 微控制器通用I/O (GPIO)線路來控制MOSFET或雙極開關(guān)，以在CURRENT_C0NTR0L信號114 上生成幾個離散的電壓電平。
[0029] 控制步進電機的驅(qū)動電流非常有用，其有若干原因。例如，如果所需的轉(zhuǎn)矩值隨溫 度等環(huán)境因素變化，則可通過控制驅(qū)動電流以補償這些環(huán)境因素的方式，對轉(zhuǎn)矩按需要進 行調(diào)節(jié)。在運動間隔中動態(tài)改變驅(qū)