專利名稱：控制步進電機的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制步進電機(stepping motor)的裝置與方法，尤其涉及一種能達到全域速度應(yīng)用的控制步進電機的裝置與方法。
在一般的圖像掃描器的應(yīng)用中，常常希望將掃描頭的移動速度與所欲獲得的圖像的解析度之間做一相關(guān)連。因為在固定傳輸速率下，當(dāng)解析度越高時，掃描頭所需要用來傳輸圖像數(shù)據(jù)所需的時間就越多。舉例而言，如果圖像掃描器的規(guī)格是300×600dpi(dot per inch)，即每英寸300×600點，而使用者選擇所欲獲得的圖像的解析度為75dpi及600dpi，而掃描頭在解析度為75dpi時的掃描速度，最好是600dpi時的八倍，可達最佳的效率，但往往不能如此。步進電機的速度(speed)與力矩(torque)之間的關(guān)系大約如

圖1A所示。很明顯的是當(dāng)電機的速度增加時，電機的力矩就降低，所以可用的速度范圍有一定的限制。
當(dāng)步進電機的速度應(yīng)用于不適當(dāng)?shù)氖褂盟俣?扭矩區(qū)域時，一些諸如力矩不足、共振以及噪音等問題都會出現(xiàn)。力矩不足與共振會導(dǎo)致圖像掃描器所輸出的圖像產(chǎn)生中斷(smearing interruption)、跳動(jitter)與振動(vibration)的現(xiàn)象，影響圖像的品質(zhì)，至于所產(chǎn)生的噪音也會導(dǎo)致使用者的使用意愿大為降低。因為上述的原因，步進電機的速度不可以落在某些應(yīng)用速度的區(qū)域，所以圖像掃描器的設(shè)計者無法設(shè)計讓圖像掃描器的掃描頭得以任意的速度進行掃描。
因為步進電機控制了圖像掃描器的掃描頭之的動，所以圖像掃描器的輸出圖像品質(zhì)與步進電機的特性曲線有很重要的關(guān)系。以一個四相(four phase)步進電機為例，很顯然的在圖1 B中，四個定子繞組(stator winding)N1、N2、N3以及N4上的電流的變化，控制了轉(zhuǎn)子(rotor)10的轉(zhuǎn)動。第一定子繞組N1與第二定子繞組N2的相差(phase difference)為180度，第三定子繞組N3與第四定子繞組N4的相差為180度，而第一定子繞組與第三定子繞組的相差為90度。驅(qū)動模式常見的方式有單極(unipolar)、雙極(bipolar)、以及1相、2相1-2相等。
圖像掃描器所用的步進電機與驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)如圖1C中的電機15以及驅(qū)動裝置19所示，驅(qū)動裝置19是提供驅(qū)動電機15所需要的電流。驅(qū)動裝置19通常是一組雙轉(zhuǎn)子晶體管，或是一組金氧半場晶體管(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor)。用步進電機單相繞組的模型(model)以及單極驅(qū)動裝置的電路取代步進電機15與驅(qū)動裝置19的電路，將整個電路圖顯示在圖1D中。在圖1D中，步進電機單相繞組的模型以電機模型100表示，而單極驅(qū)動裝置則是以雙載子晶體管105表示。
如圖1D所示，電機模型100可以被視為一個電感L串接著一個電阻RM，電阻R′是與電機模型100串連，以提供變更步進電機的時間常數(shù)所需的外加電阻。因為步進電機的時間常數(shù)[(L)/(RM+R′)]中的R′可以由設(shè)計者加以控制大小，所以設(shè)計者可以由此實現(xiàn)控制步進電機時間常數(shù)，進而變更電機的動態(tài)特性。參考圖1D，當(dāng)VB端上的電壓波形如圖1E中的電壓波形110所示時，定子繞組上的電流波形為如圖1F的波形115所示，其中尚未將反應(yīng)電動勢(back Electro-Mechanical Force)考慮進去。參考圖1F，因為定子繞組上的電流會決定轉(zhuǎn)子(rotor)的位置，而點a至點b以及點c到點d的時間差都幾乎等于步進電機的時間常數(shù)，定義為τ,τ對步進電機是非常重要的，而且前面所述的τ的大小為[(L)/(RM+R′)]。如果要將反應(yīng)電動勢考慮進去，則定子繞組上的電流的波形會如圖1G所示，而原來d點至c點的零電流恢復(fù)時間將加長。
雖然已經(jīng)通過將電阻R′連接到電路中，以避免步進電機的振動和噪音，但是定子繞組(stator winding)上的電流也已經(jīng)減小，而且其上面的壓降也減小。因為上述的原因，步進電機所產(chǎn)生的力矩與電流成正比減小，往往圖像掃描器所掃描到的圖像的振動(jitter)與中斷也因此而產(chǎn)生，所以圖像掃描器的設(shè)計者就必須在步進電機的時間常數(shù)和力矩之間做一個取舍。除非所使用的步進電機具有極為良好的力矩-速度特性曲線，否則是無法進行全域應(yīng)用速度的掃描的。對于具有一般力矩-速度特性曲線的普通電機而言，在一個固定的參數(shù)下，以現(xiàn)有技術(shù)而言，要進行全域應(yīng)用速度的掃描是不可能的。
參考圖1H，為了要減少反應(yīng)電動勢對步進電機動態(tài)特性的影響，所以必須把原來電路上的二極管D反向串接上一個齊納二極管(Zener Diode)ZD，則可減少反應(yīng)電動勢的影響，因為齊納二極管ZD可提供較高速的電流開止時間(turn-offswitching time)。因為上述的原因，所以在一組固定的參數(shù)(電阻RM與齊納二極管ZD)下，電機可以使用的應(yīng)用速度就被限制在一個特定范圍之內(nèi)。如果圖像掃描器的設(shè)計者，想要在一組固定的參數(shù)之下，用一個可以在很廣泛的應(yīng)用速度范圍內(nèi)都可以使用的步進電機，就必須要使用一個力矩-速度特性曲線動態(tài)特性非常優(yōu)良的步進電機，而其缺點則是使用此種步進電機的成本將會大幅度提高，而且制造廠商不多。
本發(fā)明的發(fā)明的目的是提供一種控制步進電機的裝置與方法，它能使單一步進電機可以在全域應(yīng)用速度中正常運轉(zhuǎn)，并均得以獲致高品質(zhì)的動態(tài)特性。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種裝置，它是用于控制一電動機械的轉(zhuǎn)速，其特點是該裝置至少包含驅(qū)動裝置，它是用于連接到該電動機械，以提供該電動機械運轉(zhuǎn)所需的電力；多數(shù)組電性裝置，它是用于提供該電動機械元件電阻的改變并去除該電動機械中的反應(yīng)電動勢，該驅(qū)動裝置依據(jù)該電動機械的動態(tài)特性而連接到該多數(shù)組電性裝置中的一組電性裝置。
一種控制電動機械轉(zhuǎn)速的方法，其特點是該方法至少包含下列步驟依據(jù)該電動機械的動態(tài)特性建立一電性裝置對應(yīng)表，該電性裝置對應(yīng)表是用于將多數(shù)組電性裝置對應(yīng)到該電動機械的不同轉(zhuǎn)速，該多數(shù)組電性裝置是用于提供該電動機械元件電阻的改變并去除該電動機械中的反應(yīng)電動勢；以及選擇該多數(shù)組電性裝置中的一組電性裝置，將該組電性裝置電性耦合至一驅(qū)動裝置，該組電性裝置是依據(jù)該電性裝置對應(yīng)表，使得該電源透過該組電性裝置而電性合至該驅(qū)動裝置，以提供該電動機械運轉(zhuǎn)所需的電力。
在上述的裝置與方法中，其中，所述的電動機械為一步進電機。
在上述的裝置與方法中，其中，所述的多數(shù)組電性裝置為下列其中之一電荷釋放元件、電阻以及其組合。
在上述的裝置與方法中，其中，所述的電荷釋放元件為齊納二極管。
一種控制步電機的轉(zhuǎn)速的方法，其特點是該方法至少包含下列步驟依據(jù)該電動機械的動態(tài)特性建立一電性裝置對應(yīng)表，該電性裝置對應(yīng)表是用于將多數(shù)組電性裝置對應(yīng)到該步進電機的不同轉(zhuǎn)速，該多數(shù)組電性裝置是用于提供該步進電機元件電阻的改變并去除該步進電機中的反應(yīng)電動勢；以及選擇該多數(shù)組電性裝置中的一組電性裝置，將該組電性裝置電性耦合至一驅(qū)動裝置，該組電性裝置是依據(jù)該電性裝置對應(yīng)表，使得該電源透過該組電性裝置而電性耦合至該驅(qū)動裝置，以提供該步進電機運轉(zhuǎn)所需電力。
本發(fā)明由于提供了一種具有多組參數(shù)的方法與裝置以供自動切換，設(shè)計者可以依據(jù)所需要的速度選擇所需要的參數(shù)(ZD,R)，使得原來只能在狹窄速度范圍運作的步進電機，得以在全速度領(lǐng)域正常運作；同時，設(shè)計者通過使用這些多數(shù)組參數(shù)，可將原并非優(yōu)良的普通步進電機的速度-力矩特性曲線得到改變與改善，進而使步進電機可以在全域應(yīng)用速度中做最佳的運轉(zhuǎn)，使圖像掃描器所獲得的圖像沒有跳動與振動，同時也不會有噪音出現(xiàn)。
通過以下對本發(fā)明控制步進電機的裝置與方法的若干實施例結(jié)合其附圖的描述，可以更進一步理解本發(fā)明的目的、結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點。其中，附圖為圖1A是步進電機的速度-力矩特性曲線。
圖1B是說明步進電機的基本結(jié)構(gòu)。
圖1C是說明現(xiàn)有技術(shù)的圖像掃描器所使用的步進電機的簡單方塊圖。
圖1D是說明現(xiàn)有技術(shù)的圖像掃描器所使用的步進電機單極驅(qū)動的電原理圖。
圖1E是實施于步進電機的驅(qū)動裝置上的電壓波形圖。
圖1F是步進電機的定子繞組上未考慮反應(yīng)電動勢時的電流波形圖。
圖1G是步進電機的定子繞組上考慮了反應(yīng)電動勢后的電流波形圖。
圖1H是施加反應(yīng)電動勢補償方法的步進電機驅(qū)動電原理圖。
圖2是依據(jù)本發(fā)明提出的控制步進電機的裝置與方法的一實施例中的步進電機的電原理圖。
圖3是依據(jù)本發(fā)明提出的控制步進電機的裝置與方法的另一實施例中的步進電機的電原理圖。
圖4是依據(jù)本發(fā)明提出的控制步進電機的裝置與方法中的圖像掃描器的步進電機的一般電原理圖。
眾所周知，因為可以在廣泛速度領(lǐng)域操作的步進電機的價格非常昂貴，而圖像掃描器的設(shè)計者常常會需要將步進電機操作于廣泛速度領(lǐng)域，本發(fā)明即提供了一種具有多組參數(shù)的方法與裝置，使得設(shè)計者可以依據(jù)所需要的速度選擇所需要的參數(shù)(ZD,R)。設(shè)計者依據(jù)所需要的多數(shù)組速度選擇參數(shù)，并且以一個速度參數(shù)對應(yīng)表將圖像掃描器的使用者界面與步進電機的電路做一連結(jié)。使得使用者透過使用者操作界面操作圖像掃描器時，當(dāng)選擇了一個圖像解析度并啟動掃描器之后，圖像掃描器的掃描頭就會依照設(shè)計者所設(shè)計，對應(yīng)于所選定的解析度的掃描速度進行掃描。而對應(yīng)于此掃描速度，速度參數(shù)對應(yīng)表會有一組相對應(yīng)的參數(shù)(ZD,R)。
而在使用者選定了一個解析度之后，連接到掃描器的電腦就會透過速度參數(shù)對應(yīng)表使得需要用到的那組參數(shù)的二極管與電阻連接到步進電機。使得步進電機運作時，是以最適合于其選定速度的齊納二極管與電阻連接到步進電機驅(qū)動電路。因為在不同參數(shù)下，可以使用的速度范圍都不相同，所以本發(fā)明采取多組參數(shù)組合以后，就可以在各個速度范圍規(guī)劃其適用的速度參數(shù)，設(shè)計者可以設(shè)計一速度參數(shù)對應(yīng)表，使得步進電機依據(jù)速度參數(shù)對應(yīng)表中的對應(yīng)關(guān)系，而連接到某一速度所對應(yīng)的齊納二極管與電阻。故本發(fā)明的裝置與方法可以使用一個普通動態(tài)特性(力矩-速度特性曲線)的步進電機，使其可以在不同的速度范圍下得到最佳的動態(tài)特性。
盡管本發(fā)明所使用的步進電機的速度-力矩特性曲線是較為普通的步進電機，其特性曲線并不是非常優(yōu)良，但是由于本發(fā)明使用多數(shù)組參數(shù)，使設(shè)計者得以改變此曲線，進而使步進電機可以在全域應(yīng)用速度中做最佳的運轉(zhuǎn)，使圖像掃描器所獲得的圖像沒有跳動與振動，同時也不會有噪音出現(xiàn)。
本發(fā)明所提供的多數(shù)組參數(shù)可以讓圖像掃描器設(shè)計者據(jù)以設(shè)計一個程序，使得需要使用到步進電機不同范圍的應(yīng)用速度時，自動對應(yīng)到一組設(shè)計者所決定的參數(shù)(ZD,R)，此時步進電機就會被連接到一組齊納二極管和電阻，而此時的圖像掃描器的掃描頭移動的速度就會以設(shè)計者所設(shè)定的速度移動。
因為就使用者的觀點而言，在以使用者界面設(shè)計解析度之后進行圖像掃描時，設(shè)計的解析度越低，掃描的速度應(yīng)該要越快，所以設(shè)計者要設(shè)計一個掃描速度與解析度有關(guān)連的掃描器，以滿足使用者的要求。本發(fā)明提供多數(shù)組參數(shù)，也就是多數(shù)組的齊納二極管和電阻。而設(shè)計者設(shè)計一程序控制步進電機，以將步進電機的驅(qū)動電路連接到此程序所設(shè)定的多數(shù)組齊納二極管和電阻中的其中之一組。而此組齊納二極管和電阻就是使用者選定解析度之后，設(shè)計者設(shè)計的程序中就已經(jīng)依據(jù)此解析度而指定的那組對應(yīng)的參數(shù)(ZD,R)。所以當(dāng)要驅(qū)動此圖像掃描器之前，步進電機就被連接到此組齊納二極管和電阻，而圖像掃描器的掃描頭則會以設(shè)計者所設(shè)計的速度進行掃描。
因為齊納二極管是以儲存在其內(nèi)部的電荷，去除步進電機定子繞組中的電荷，以去除反應(yīng)電動勢，其原理為一種電荷釋放裝置。也可以只是以電荷釋放裝置取代本發(fā)明中的齊納二極管。而有很多種方式可以作為多數(shù)組的參數(shù)(ZD，R)的修改，就如圖2與圖3所示，即使只對一個參數(shù)做切換而不對另一個參數(shù)做切換，例如，只對齊納二極管ZD或電阻R做單一參數(shù)切換，這種修飾仍然不脫本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
如圖2所示，轉(zhuǎn)換器21是用來根據(jù)設(shè)計者所設(shè)計的程序，連接第一電阻R1或第二阻R2到步進電機25。當(dāng)需要使用到不同范圍的應(yīng)用速度時，設(shè)計者所設(shè)計的程序會控制轉(zhuǎn)接器21連接到所指定的電阻。如圖3所示，轉(zhuǎn)接器30是用來根據(jù)設(shè)計者所設(shè)計的程序，連接第一齊納二極管ZD1或第二齊納二極管ZD2到步進電機25。當(dāng)需要使用到不同范圍的應(yīng)用速度時，設(shè)計者所設(shè)計的程序會控制轉(zhuǎn)接器30連接到所指定的二極管。在圖3中的轉(zhuǎn)接器30和轉(zhuǎn)接器21是由設(shè)計者所設(shè)計的程序控制其動作的，本發(fā)明即是以此一起動作的轉(zhuǎn)接器使得步進電機轉(zhuǎn)接到一組程序所對應(yīng)到的一組二極管和電阻。
第一齊納二極管ZD1以及第二齊納二極管ZD2是用其儲存于內(nèi)部的電荷，來去除定子線圈中的電荷所引起的反應(yīng)電動勢，所以任何一種可變速的步進電機，如果其結(jié)構(gòu)只是以一種釋放其內(nèi)部的電子以消除定子繞組中的反應(yīng)電動勢的元件來取代本發(fā)明中的齊納二極管，都不脫離本發(fā)明的精神與范圍。
本發(fā)明中的轉(zhuǎn)接器21與轉(zhuǎn)接器30有很多種實現(xiàn)的方法，例如繼電器、晶體管或是多路轉(zhuǎn)換器，由于前述的裝置只是用來在多數(shù)個參數(shù)之間做切換，所以任何一種可變速的步進電機，如果其結(jié)構(gòu)只是以一種可以在多數(shù)個元件之間做切換的元件取代本發(fā)明中的轉(zhuǎn)接器。
在圖像掃描器中所使用的本發(fā)明所提供裝置的一般性功能方塊圖如圖4所示，其中有八組參數(shù)，分別是(ZD1,R1)、(ZD2,R2)、(ZD3,R3)……(ZD8,R8)，都是由多路轉(zhuǎn)換器40所控制，而其選擇的功能則是由選擇端43、44以及45上的二位訊號所控制，驅(qū)動器49則是提供步進電機50運轉(zhuǎn)所需要的能源。盡管本發(fā)明所使用的是一種特性曲線很普通的步進電機，但是由于本發(fā)明提供了多組參數(shù)以供自動切換，使得原來只能在狹窄速度范圍運作的步進電機，得以在全速度領(lǐng)域正常運作。
權(quán)利要求
1．一種裝置，它是用于控制一電動機械的轉(zhuǎn)速，其特征在于，該裝置至少包含驅(qū)動裝置，它是用于連接到該電動機械，以提供該電動機械運轉(zhuǎn)所需的電力；多數(shù)組電性裝置，它是用于提供該電動機械元件電阻的改變并去除該電動機械中的反應(yīng)電動勢，該驅(qū)動裝置依據(jù)該電動機械的動態(tài)特性而連接到該多數(shù)組電性裝置中的一組電性裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的電動機械為一步進電機。
3．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的多數(shù)組電性裝置為下列其中之一電荷釋放元件、電阻以及其組合。
4．如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述的電荷釋放元件為齊納二極管。
5．一種控制電動機械轉(zhuǎn)速的方法，其特征在于該方法至少包含下列步驟依據(jù)該電動機械的動態(tài)特性建立一電性裝置對應(yīng)表，該電性裝置對應(yīng)表是用于將多數(shù)組電性裝置對應(yīng)到該電動機械的不同轉(zhuǎn)速，該多數(shù)組電性裝置是用于提供該電動機械元件電阻的改變并去除該電動機械中的反應(yīng)電動勢；以及選擇該多數(shù)組電性裝置中的一組電性裝置，將該組電性裝置電性耦合至一驅(qū)動裝置，該組電性裝置是依據(jù)該電性裝置對應(yīng)表，使得該電源透過該組電性裝置而電性合至該驅(qū)動裝置，以提供該電動機械運轉(zhuǎn)所需的電力。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的電動機械為一步進電機。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的多數(shù)組電性裝置為下列其中之一電荷釋放元件、電阻以及其組合。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述的電荷釋放元件為齊納二極管。
9．一種控制步電機的轉(zhuǎn)速的方法，其特征在于該方法至少包含下列步驟依據(jù)該電動機械的動態(tài)特性建立一電性裝置對應(yīng)表，該電性裝置對應(yīng)表是用于將多數(shù)組電性裝置對應(yīng)到該步進電機的不同轉(zhuǎn)速，該多數(shù)組電性裝置是用于提供該步進電機元件電阻的改變并去除該步進電機中的反應(yīng)電動勢；以及選擇該多數(shù)組電性裝置中的一組電性裝置，將該組電性裝置電性耦合至一驅(qū)動裝置，該組電性裝置是依據(jù)該電性裝置對應(yīng)表，使得該電源透過該組電性裝置而電性耦合至該驅(qū)動裝置，以提供該步進電機運轉(zhuǎn)所需電力。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述的多數(shù)組電性裝置為下列其中之一電荷釋放元件、電阻以及其組合。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述的電荷釋放元件為齊納二極管(Zener diode)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制步進電機的裝置與方法,其特點是,裝置包含:驅(qū)動裝置與多數(shù)組電性裝置;方法包含下列步驟:首先依據(jù)電動機械的動態(tài)特性建立一電性裝置對應(yīng)表,此表是用于將多數(shù)組電性裝置對應(yīng)到該電動機械的不同轉(zhuǎn)速,然后選擇多數(shù)組電性裝置中的一組電性裝置,以將該組電性裝置電性耦合至驅(qū)動裝置,該組電性裝置是依據(jù)電性裝置對應(yīng)表,使得電源透過該組電性裝置而電性耦合至該驅(qū)動裝置,以提供該電動機械運轉(zhuǎn)所需的電力。
文檔編號H02P8/14GK1225524SQ9810440
公開日1999年8月11日 申請日期1998年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月4日
發(fā)明者陳祖型 申請人:力捷電腦股份有限公司