專利名稱：步進(jìn)電機(jī)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)負(fù)載變化的步進(jìn)電機(jī)控制裝置。因而，所述步進(jìn)電機(jī)控制裝置能控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)以使其正常工作。本發(fā)明特別涉及一種能防止出現(xiàn)失步的步進(jìn)電機(jī)控制裝置。
背景技術(shù)：
步進(jìn)電機(jī)只有在與所提供的脈沖數(shù)相一致的角度上才能精確地旋轉(zhuǎn)，因此步進(jìn)電機(jī)的這些特征使得可以對(duì)其進(jìn)行開放式控制。旋轉(zhuǎn)速度是根據(jù)所提供的單位時(shí)間內(nèi)的指令脈沖數(shù)目來確定的，而不考慮負(fù)載。因此，步進(jìn)電機(jī)有更高的旋轉(zhuǎn)精度和止動(dòng)精度，被廣泛用作不同精度機(jī)器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
但是，步進(jìn)電機(jī)有個(gè)缺點(diǎn)當(dāng)超載達(dá)到一定量時(shí)，就發(fā)生失步，結(jié)果導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)停止或旋轉(zhuǎn)變得無法控制。這種失步是一種在交流電機(jī)和直流電機(jī)中還沒有發(fā)現(xiàn)的特征。因此，如果要使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，就需要有針對(duì)失步的對(duì)策。
例如，日本未審查的專利申請(qǐng)H11-235092示出了針對(duì)傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的失步所采用的對(duì)策的一個(gè)例子。輸出軸和減速機(jī)械裝置通過轉(zhuǎn)矩傳感器連接在一起，當(dāng)轉(zhuǎn)矩超過規(guī)定值時(shí)就導(dǎo)致緊急停止。
然而，在機(jī)械檢測(cè)作用于步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載的傳統(tǒng)方法中，存在的問題是，隨著組件數(shù)目的增多導(dǎo)致制造成本增加，電布線也變得復(fù)雜。
發(fā)明概述鑒于上述問題，本發(fā)明提供一種步進(jìn)電機(jī)控制裝置，所述裝置利用廉價(jià)配置可以電檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，并控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，以使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)和防止出現(xiàn)失步。
本發(fā)明的步進(jìn)電機(jī)控制裝置的特征在于，所述裝置配備有輸出指令脈沖的控制器；斬波器型的恒流驅(qū)動(dòng)器，所述驅(qū)動(dòng)器向步進(jìn)電機(jī)輸出與輸入的指令脈沖相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流，并輸出斬波信號(hào)以使輸出的驅(qū)動(dòng)電流保持恒定；以及負(fù)載檢測(cè)器，所述檢測(cè)器檢測(cè)斬波信號(hào)以檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載。
斬波器型恒流驅(qū)動(dòng)器利用斬波信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電流以使其保持恒定水平。具體來講，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載增加時(shí)，就嘗試也增加電流以控制負(fù)載。但是，斬波信號(hào)是用于抑制電流的增加。該斬波信號(hào)作用是把由斬波器型的恒流驅(qū)動(dòng)器所產(chǎn)生的矩形波形削減成梳狀波形。因而，斬波信號(hào)輸出的頻率隨著負(fù)載的增加而增大。
在步進(jìn)電機(jī)控制裝置中，負(fù)載檢測(cè)器檢測(cè)斬波信號(hào)，并根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果來檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，因此，可以根據(jù)檢測(cè)到的負(fù)載來實(shí)施控制。例如，可以停止或減速步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生報(bào)告失步危險(xiǎn)的信號(hào)。這樣，在本發(fā)明中，通過廉價(jià)的配置可以電檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，并有效防止失步。
更具體地說，負(fù)載檢測(cè)器可以配備有波形檢測(cè)器，所述波形檢測(cè)器檢測(cè)和輸出斬波信號(hào)，并根據(jù)該波形檢測(cè)器輸出的波形來檢測(cè)負(fù)載。在這種情況下，負(fù)載檢測(cè)電路配備有濾波器部分，所述濾波器部分使波形檢測(cè)器的輸出波形持續(xù)以將其轉(zhuǎn)換成脈沖。負(fù)載檢測(cè)電路可根據(jù)濾波器部分輸出的脈沖寬度來檢測(cè)負(fù)載。另外，負(fù)載檢測(cè)電路還配備有將波形檢測(cè)器的輸出波形轉(zhuǎn)換成電壓的濾波器部分。因此，就可根據(jù)濾波器部分輸出的信號(hào)來檢測(cè)負(fù)載。
濾波器部分可配備有電容器或比較器。通過適當(dāng)設(shè)置電容器的電容量，就可設(shè)置脈沖波形。例如，當(dāng)電容器的電容量相對(duì)較小時(shí)，就可生成這樣一種脈沖形狀，使其中的梳狀斬波波形得以延續(xù)。因此，控制器可以根據(jù)濾波器輸出脈沖的寬度來檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載。
通過增加電容器的電容量，可使如上所述的脈沖持續(xù)以生成平坦波形。因此，也可以提供這樣的配置，例如，在濾波器部分裝備比較器。而且，當(dāng)平坦波形電壓超過比較器中設(shè)定或存儲(chǔ)的電壓時(shí)，就從比較器產(chǎn)生信號(hào)。
波形檢測(cè)器可置于步進(jìn)電機(jī)線圈和電源之間。波形檢測(cè)器可配備放大器以檢測(cè)斬波信號(hào)。當(dāng)輸出由斬波信號(hào)削減成梳狀波的輸出的矩形波形時(shí)，在斬波信號(hào)輸出的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流的電壓瞬時(shí)降低。通過輸入該電壓降作為放大器的基極電壓，就可以檢測(cè)斬波信號(hào)作為放大器的集電極電流。該集電極電流的波形是梳狀斬波波形。
而且，由于預(yù)計(jì)步進(jìn)電機(jī)中將出現(xiàn)失步，而控制器存儲(chǔ)負(fù)載時(shí)，就可實(shí)施控制。當(dāng)檢測(cè)到的負(fù)載超過存儲(chǔ)值時(shí)，控制器就減小步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度或停止其旋轉(zhuǎn)。


在附圖中，同樣的參考標(biāo)號(hào)表示相同或功能類似的元件，附圖其與下面的詳細(xì)描述組合在一起形成說明書的一部分，附圖用于進(jìn)一步闡述優(yōu)選實(shí)施例，以及解釋本發(fā)明的各種原理和益處。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的步進(jìn)電機(jī)控制裝置的控制模塊；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的步進(jìn)電機(jī)控制裝置的電路示意圖；圖3(A)是從負(fù)載檢測(cè)電路點(diǎn)A輸出的連續(xù)梳狀波形信號(hào)(斬波信號(hào))；圖3(B)是從負(fù)載檢測(cè)電路點(diǎn)B輸出的脈沖波形信號(hào)；圖3(C)是從負(fù)載檢測(cè)電路點(diǎn)B輸出的平坦波形信號(hào)；圖4(A)是從電源供應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流波形；圖4(B)是斬波信號(hào)波形圖；圖4(C)是斬波信號(hào)輸出時(shí)的矩形波形圖；圖4(D)是斬波信號(hào)輸出時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流波形圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明下面結(jié)合附圖來描述本發(fā)明實(shí)施例的步進(jìn)電機(jī)控制裝置。
圖1示出了實(shí)施例的步進(jìn)電機(jī)控制裝置的總體方框圖。圖2示出了控制裝置的詳細(xì)電路的示意圖。
在這些圖中，微型計(jì)算機(jī)10(控制器)包括CPU、存儲(chǔ)器、AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器、IO接口等。微型機(jī)算計(jì)10輸出指令脈沖到斬波型的恒流驅(qū)動(dòng)器20(以后稱為“恒流驅(qū)動(dòng)器”)。恒流驅(qū)動(dòng)器20在與指令脈沖相對(duì)應(yīng)的時(shí)間上從電源供應(yīng)恒定直流電流到步進(jìn)電機(jī)5的線圈C。
如圖2所示，恒流驅(qū)動(dòng)器20包括控制器或控制部分21和由例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)形成的放大器22?？刂破?1包括分配器21a，震蕩器21b和比較器21c。分配器21a可以是，例如雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)集成電路或類似電路，它能分配矩形波(也稱為脈沖或斬波信號(hào))以根據(jù)來自微型計(jì)算機(jī)10的控制信號(hào)或脈沖信號(hào)控制加到放大器22上的偏置電流。偏置電流引起發(fā)射極電流從電源13流向放大器22，形成提供給線圈C的驅(qū)動(dòng)電流。比較器21c監(jiān)測(cè)位于放大器22的FET的集電極和地之間的電阻R1的端點(diǎn)P和Q上的電壓，并當(dāng)檢測(cè)到端點(diǎn)P和Q上的電壓增加超過預(yù)定值時(shí)，輸出邏輯信號(hào)到震蕩器21b。該增加的預(yù)定值表明驅(qū)動(dòng)電流的值已經(jīng)增加，這由表明步進(jìn)電機(jī)5上的負(fù)載的幅值已經(jīng)增加。一旦從比較器21c收到邏輯信號(hào)后，震蕩器21b以大約10KHz到40KHz之間的某一頻率輸出矩形波或脈沖信號(hào)到分配器21a，以控制斬波來自微型計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)。通過輸出最終的斬波信號(hào)，控制器21能將電機(jī)5的驅(qū)動(dòng)電流維持恒定。
負(fù)載檢測(cè)電路(負(fù)載檢測(cè)器)30位于電源13和線圈C之間。負(fù)載檢測(cè)電路30帶有波形檢測(cè)器40。如圖2所示，波形檢測(cè)器40內(nèi)置的負(fù)載電阻R2串聯(lián)于電源13和步進(jìn)電機(jī)5的線圈C之間。放大器41經(jīng)可變電阻R3并聯(lián)于負(fù)載電阻R2的兩端。當(dāng)輸出斬波信號(hào)時(shí)，所提供的驅(qū)動(dòng)電流的電壓瞬時(shí)下降，這導(dǎo)致放大器41的基極電壓下降。結(jié)果就從放大器41輸出集電極電流。該集電極電流輸出到波形整形電路(濾波器部分)50。
除了電阻R4和R5之外，波形整形電路50還包括電容器51和比較器52。如圖3(A)所示，電容器51使梳狀集電極電流波形(以后稱為斬波波形)持續(xù)以生成如圖3(B)所示的脈沖波形。該脈沖波形信號(hào)被輸入到微型計(jì)算機(jī)10，微型計(jì)算機(jī)10根據(jù)脈沖信號(hào)的寬度，也就是根據(jù)時(shí)間，來確定步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載。
如果電容器51的電容量很大，前述脈沖類型彼此延伸，結(jié)果得到如圖3(C)所示的不同電壓的平坦波形。注意，圖3(A)顯示的是圖2的點(diǎn)A處的波形，圖3(B)和(C)顯示的是圖2的點(diǎn)B處的波形。在這種情況下，平坦電流波形輸入到比較器52，當(dāng)該電壓大于比較器52中預(yù)先設(shè)置的電壓時(shí)，比較器52就向微型計(jì)算機(jī)10輸出信號(hào)。微型計(jì)算機(jī)10根據(jù)是否有所述信號(hào)來判斷步進(jìn)電機(jī)5的負(fù)載是否超過預(yù)定量。在采用如圖3(B)所示的脈沖波形的情況下，不使用比較器52。
注意，在圖2中選擇開關(guān)53設(shè)置比較器52的電壓，并有三個(gè)狀態(tài)。此外，當(dāng)微型計(jì)算機(jī)10確定步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載超過預(yù)定值時(shí)，發(fā)光二極管11發(fā)光。
下面描述上述配置的步進(jìn)電機(jī)控制裝置的操作過程。
當(dāng)從微型計(jì)算機(jī)10輸出指令脈沖到恒流驅(qū)動(dòng)器20時(shí)，控制器21輸出矩形波形到放大器22，該矩形波形的寬度(時(shí)間)與指令脈沖寬度相同。這樣，發(fā)射極電流從電源13流向放大器22，向線圈C供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流。
圖4(A)顯示了電源13提供的驅(qū)動(dòng)電流的波形。這時(shí)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)5的負(fù)載增加時(shí)，電源13提供的驅(qū)動(dòng)電流就增加。因此，電阻R1的端電壓(點(diǎn)P和Q)也增加，端電壓的增加被控制器21檢測(cè)到以輸出斬波信號(hào)。圖4(B)示出了斬波信號(hào)波形。圖4(C)示出了斬波信號(hào)輸出時(shí)控制器21輸出的矩形波形。如圖4(C)所示，矩形波形變成這樣的形狀，在斬波信號(hào)輸出時(shí)該波形被削減成梳妝波形。圖4(D)示出了當(dāng)這種類型的梳妝矩形波形輸出到放大器22時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流波形。如該圖所示，步進(jìn)電機(jī)5的負(fù)載增加且電源13提供的驅(qū)動(dòng)電流增加時(shí)，立即輸出斬波信號(hào)，且驅(qū)動(dòng)電流的電流值下降。因此，如圖4(D)所示，隨著負(fù)載的增加而增加的電流值被直接返回，因而驅(qū)動(dòng)電流值基本恒定。
當(dāng)增加的驅(qū)動(dòng)電流的電流值下降時(shí)，負(fù)載電阻的電壓也下降。經(jīng)由該電壓降，波形檢測(cè)器40包括的放大器41的基極電壓也下降，集電極電流流向放大器41。該集電極電流變成如圖3(A)所示的梳狀斬波波形，該梳狀斬波波形與斬波信號(hào)同步。
圖3(A)-(C)的欄(1)這樣的情況使步進(jìn)電機(jī)5的負(fù)載接近額定狀態(tài)，這種情況下，從恒流驅(qū)動(dòng)器11輸出的斬波信號(hào)量很小。在圖3(A)中，負(fù)載增加，如波形從欄(1)移動(dòng)到欄(4)所示，斬波信號(hào)增加，欄(4)的波形是緊鄰步進(jìn)電機(jī)5失步之前的狀態(tài)。此外，隨著斬波信號(hào)量的增大，圖3(B)所示的脈沖寬度也增大，圖3(C)所示的電壓值也更高。
微型計(jì)算機(jī)10的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)規(guī)定的脈沖寬度(時(shí)間)或電壓作為閾值，如果從負(fù)載檢測(cè)電路30輸入的信號(hào)超過該閾值，就停止指令脈沖的輸出以停止步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。而且，這時(shí)微型計(jì)算機(jī)10使發(fā)光二極管發(fā)光。
在具有前述配置的步進(jìn)電機(jī)控制裝置中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載增加且輸出斬波信號(hào)時(shí)，負(fù)載電流檢測(cè)電路30的波形檢測(cè)器部分40檢測(cè)斬波信號(hào)，以輸出斬波波形。因此，通過廉價(jià)配置，而不使用如轉(zhuǎn)矩傳感器這樣的機(jī)械配置，就可檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，并防止出現(xiàn)失步。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，裝備負(fù)載檢測(cè)器，它檢測(cè)斬波信號(hào)以檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，因此，通過廉價(jià)配置就可電檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，并有效防止失步。
本說明書是為了描述怎樣制造和使用根據(jù)本發(fā)明的不同的實(shí)施例，而不是為了限制其真實(shí)的、預(yù)期的以及合理的范圍及精神。前面的描述并不打算窮舉，也不打算將本發(fā)明限制到這種已公開的精確形式?？梢愿鶕?jù)上述說明進(jìn)行修改和變化。這里選擇和描述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了最佳闡述，使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員都可根據(jù)預(yù)期的特定應(yīng)用以不同實(shí)施例和不同的修改來利用本發(fā)明。當(dāng)按照其被清楚地、合法地及公正地授權(quán)的范圍來解釋時(shí)，所有的修改和變化(包括可能在本申請(qǐng)未授權(quán)期間進(jìn)行的修改及其等同形式)都在附屬的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種步進(jìn)電機(jī)控制裝置，包括控制器(10)，用于輸出指令脈沖到具有線圈(C)的步進(jìn)電機(jī)(5)，所述線圈中流經(jīng)電流；斬波型恒流驅(qū)動(dòng)器(20)，用于輸出與所述指令脈沖對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流，以及輸出斬波信號(hào)以使輸出驅(qū)動(dòng)電流保持恒定；負(fù)載檢測(cè)器(30)，用于檢測(cè)所述斬波信號(hào)，以檢測(cè)所述步進(jìn)電機(jī)(5)的負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述負(fù)載檢測(cè)器(30)包括波形檢測(cè)器(40)，用于檢測(cè)和輸出斬波信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述負(fù)載檢測(cè)器(30)根據(jù)所述波形檢測(cè)器(40)的輸出波形來檢測(cè)負(fù)載。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述負(fù)載檢測(cè)器(30)還包括濾波器部分，用于使所述波形檢測(cè)器的輸出波形持續(xù)，以及將所述輸出波形轉(zhuǎn)換成脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述負(fù)載檢測(cè)器(30)根據(jù)所述濾波器部分輸出的脈沖寬度來檢測(cè)負(fù)載。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述負(fù)載檢測(cè)器(30)包括濾波器部分，用于將所述波形檢測(cè)器(40)的輸出波形轉(zhuǎn)換成電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述負(fù)載檢測(cè)器(30)根據(jù)所述濾波器部分輸出的電壓來檢測(cè)負(fù)載。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述波形檢測(cè)器(40)位于所述線圈(C)和電源(13)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述波形檢測(cè)器(40)包括放大器(41)，用于在所述線圈(C)的電壓降低時(shí)生成相應(yīng)于所述斬波信號(hào)的集電極電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述控制器(10)存儲(chǔ)用于步進(jìn)電機(jī)(5)失步的負(fù)載。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述控制器(10)降低步進(jìn)電機(jī)(5)的旋轉(zhuǎn)速度。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中當(dāng)檢測(cè)到的負(fù)載超過預(yù)定值時(shí)，所述控制器(10)停止步進(jìn)電機(jī)(5)的旋轉(zhuǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中當(dāng)輸入指令脈沖時(shí)，所述控制器(10)輸出矩形波形到放大器(22)的基極。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，還包括負(fù)載電阻(R1)，所述電阻位于放大器(22)的集電極和地之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求5的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述濾波器還包括電容器(51)和多個(gè)電阻(R4，R5)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中所述電容器(51)輸出梳狀集電極電流波形。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的步進(jìn)電機(jī)控制裝置，其中在輸出斬波信號(hào)時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)電流的電壓瞬時(shí)下降。
全文摘要
一種步進(jìn)電機(jī)控制裝置，通過廉價(jià)配置可以電檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)負(fù)載并有效防止失步。該步進(jìn)電機(jī)控制裝置包括微型計(jì)算機(jī)(10)，用于輸出指令脈沖到步進(jìn)電機(jī)(5)；斬波型恒流驅(qū)動(dòng)器(20)，用于輸出與指令脈沖對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流到步進(jìn)電機(jī)(5)，以及輸出斬波信號(hào)以使所述輸出驅(qū)動(dòng)電流保持恒定；負(fù)載檢測(cè)電路(30)，用于檢測(cè)斬波信號(hào)以檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)(5)的負(fù)載。所述負(fù)載檢測(cè)電路(30)包括波形整形電路(50)，它使斬波信號(hào)波形持續(xù)以將其轉(zhuǎn)換成脈沖或電壓，以及通過所述脈沖寬度或電壓值來檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載。
文檔編號(hào)G05B19/40GK1510827SQ20031011300
公開日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2003年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月25日
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