專利名稱：步進電機的控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可以檢測步進電機負載變化的步進電機控制裝置。因而，所述步進電機控制裝置能控制步進電機的旋轉以使其正常工作。本發明特別涉及一種能防止出現失步的步進電機控制裝置。
背景技術：
步進電機只有在與所提供的脈沖數相一致的角度上才能精確地旋轉，因此步進電機的這些特征使得可以對其進行開放式控制。旋轉速度是根據所提供的單位時間內的指令脈沖數目來確定的，而不考慮負載。因此，步進電機有更高的旋轉精度和止動精度，被廣泛用作不同精度機器的驅動電機。
但是，步進電機有個缺點當超載達到一定量時，就發生失步，結果導致旋轉停止或旋轉變得無法控制。這種失步是一種在交流電機和直流電機中還沒有發現的特征。因此，如果要使用步進電機時，就需要有針對失步的對策。
例如，日本未審查的專利申請H11-235092示出了針對傳統步進電機的失步所采用的對策的一個例子。輸出軸和減速機械裝置通過轉矩傳感器連接在一起，當轉矩超過規定值時就導致緊急停止。
然而，在機械檢測作用于步進電機的負載的傳統方法中，存在的問題是，隨著組件數目的增多導致制造成本增加，電布線也變得復雜。
發明概述鑒于上述問題，本發明提供一種步進電機控制裝置，所述裝置利用廉價配置可以電檢測步進電機的負載，并控制步進電機的旋轉，以使其正常運轉和防止出現失步。
本發明的步進電機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；斬波器型的恒流驅動器，所述驅動器向步進電機輸出與輸入的指令脈沖相對應的驅動電流，并輸出斬波信號以使輸出的驅動電流保持恒定；以及負載檢測器，所述檢測器檢測斬波信號以檢測步進電機的負載。
斬波器型恒流驅動器利用斬波信號控制驅動電流以使其保持恒定水平。具體來講，當步進電機的負載增加時，就嘗試也增加電流以控制負載。但是，斬波信號是用于抑制電流的增加。該斬波信號作用是把由斬波器型的恒流驅動器所產生的矩形波形削減成梳狀波形。因而，斬波信號輸出的頻率隨著負載的增加而增大。
在步進電機控制裝置中，負載檢測器檢測斬波信號，并根據這些檢測結果來檢測步進電機的負載，因此，可以根據檢測到的負載來實施控制。例如，可以停止或減速步進電機的旋轉，并產生報告失步危險的信號。這樣，在本發明中，通過廉價的配置可以電檢測步進電機的負載，并有效防止失步。
更具體地說，負載檢測器可以配備有波形檢測器，所述波形檢測器檢測和輸出斬波信號，并根據該波形檢測器輸出的波形來檢測負載。在這種情況下，負載檢測電路配備有濾波器部分，所述濾波器部分使波形檢測器的輸出波形持續以將其轉換成脈沖。負載檢測電路可根據濾波器部分輸出的脈沖寬度來檢測負載。另外，負載檢測電路還配備有將波形檢測器的輸出波形轉換成電壓的濾波器部分。因此，就可根據濾波器部分輸出的信號來檢測負載。
濾波器部分可配備有電容器或比較器。通過適當設置電容器的電容量，就可設置脈沖波形。例如，當電容器的電容量相對較小時，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。因此，控制器可以根據濾波器輸出脈沖的寬度來檢測步進電機的負載。
通過增加電容器的電容量，可使如上所述的脈沖持續以生成平坦波形。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，當平坦波形電壓超過比較器中設定或存儲的電壓時，就從比較器產生信號。
波形檢測器可置于步進電機線圈和電源之間。波形檢測器可配備放大器以檢測斬波信號。當輸出由斬波信號削減成梳狀波的輸出的矩形波形時，在斬波信號輸出的同時，驅動電流的電壓瞬時降低。通過輸入該電壓降作為放大器的基極電壓，就可以檢測斬波信號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，由于預計步進電機中將出現失步，而控制器存儲負載時，就可實施控制。當檢測到的負載超過存儲值時，控制器就減小步進電機的旋轉速度或停止其旋轉。
在附圖中，同樣的參考標號表示相同或功能類似的元件，附圖其與下面的詳細描述組合在一起形成說明書的一部分，附圖用于進一步闡述優選實施例，以及解釋本發明的各種原理和益處。
圖1是根據本發明的實施例的步進電機控制裝置的控制模塊；圖2是根據本發明的實施例的步進電機控制裝置的電路示意圖；圖3(A)是從負載檢測電路點A輸出的連續梳狀波形信號(斬波信號)；圖3(B)是從負載檢測電路點B輸出的脈沖波形信號；圖3(C)是從負載檢測電路點B輸出的平坦波形信號；圖4(A)是從電源供應的驅動電流波形；圖4(B)是斬波信號波形圖；圖4(C)是斬波信號輸出時的矩形波形圖；圖4(D)是斬波信號輸出時的驅動電流波形圖。
優選實施例的詳細說明下面結合附圖來描述本發明實施例的步進電機控制裝置。
圖1示出了實施例的步進電機控制裝置的總體方框圖。圖2示出了控制裝置的詳細電路的示意圖。
在這些圖中，微型計算機10(控制器)包括CPU、存儲器、AD轉換器、DA轉換器、IO接口等。微型機算計10輸出指令脈沖到斬波型的恒流驅動器20(以后稱為“恒流驅動器”)。恒流驅動器20在與指令脈沖相對應的時間上從電源供應恒定直流電流到步進電機5的線圈C。
如圖2所示，恒流驅動器20包括控制器或控制部分21和由例如場效應晶體管(FET)形成的放大器22。控制器21包括分配器21a，震蕩器21b和比較器21c。分配器21a可以是，例如雙穩態觸發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)以根據來自微型計算機10的控制信號或脈沖信號控制加到放大器22上的偏置電流。偏置電流引起發射極電流從電源13流向放大器22，形成提供給線圈C的驅動電流。比較器21c監測位于放大器22的FET的集電極和地之間的電阻R1的端點P和Q上的電壓，并當檢測到端點P和Q上的電壓增加超過預定值時，輸出邏輯信號到震蕩器21b。該增加的預定值表明驅動電流的值已經增加，這由表明步進電機5上的負載的幅值已經增加。一旦從比較器21c收到邏輯信號后，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到分配器21a，以控制斬波來自微型計算機的控制信號。通過輸出最終的斬波信號，控制器21能將電機5的驅動電流維持恒定。
負載檢測電路(負載檢測器)30位于電源13和線圈C之間。負載檢測電路30帶有波形檢測器40。如圖2所示，波形檢測器40內置的負載電阻R2串聯于電源13和步進電機5的線圈C之間。放大器41經可變電阻R3并聯于負載電阻R2的兩端。當輸出斬波信號時，所提供的驅動電流的電壓瞬時下降，這導致放大器41的基極電壓下降。結果就從放大器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)持續以生成如圖3(B)所示的脈沖波形。該脈沖波形信號被輸入到微型計算機10，微型計算機10根據脈沖信號的寬度，也就是根據時間，來確定步進電機的負載。
如果電容器51的電容量很大，前述脈沖類型彼此延伸，結果得到如圖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A處的波形，圖3(B)和(C)顯示的是圖2的點B處的波形。在這種情況下，平坦電流波形輸入到比較器52，當該電壓大于比較器52中預先設置的電壓時，比較器52就向微型計算機10輸出信號。微型計算機10根據是否有所述信號來判斷步進電機5的負載是否超過預定量。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53設置比較器52的電壓，并有三個狀態。此外，當微型計算機10確定步進電機的負載超過預定值時，發光二極管11發光。
下面描述上述配置的步進電機控制裝置的操作過程。
當從微型計算機10輸出指令脈沖到恒流驅動器20時，控制器21輸出矩形波形到放大器22，該矩形波形的寬度(時間)與指令脈沖寬度相同。這樣，發射極電流從電源13流向放大器22，向線圈C供應驅動電流。
圖4(A)顯示了電源13提供的驅動電流的波形。這時，當步進電機5的負載增加時，電源13提供的驅動電流就增加。因此，電阻R1的端電壓(點P和Q)也增加，端電壓的增加被控制器21檢測到以輸出斬波信號。圖4(B)示出了斬波信號波形。圖4(C)示出了斬波信號輸出時控制器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，在斬波信號輸出時該波形被削減成梳妝波形。圖4(D)示出了當這種類型的梳妝矩形波形輸出到放大器22時的驅動電流波形。如該圖所示，步進電機5的負載增加且電源13提供的驅動電流增加時，立即輸出斬波信號，且驅動電流的電流值下降。因此，如圖4(D)所示，隨著負載的增加而增加的電流值被直接返回，因而驅動電流值基本恒定。
當增加的驅動電流的電流值下降時，負載電阻的電壓也下降。經由該電壓降，波形檢測器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同步。
圖3(A)-(C)的欄(1)這樣的情況使步進電機5的負載接近額定狀態，這種情況下，從恒流驅動器11輸出的斬波信號量很小。在圖3(A)中，負載增加，如波形從欄(1)移動到欄(4)所示，斬波信號增加，欄(4)的波形是緊鄰步進電機5失步之前的狀態。此外，隨著斬波信號量的增大，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。
微型計算機10的存儲器存儲規定的脈沖寬度(時間)或電壓作為閾值，如果從負載檢測電路30輸入的信號超過該閾值，就停止指令脈沖的輸出以停止步進電機的旋轉。而且，這時微型計算機10使發光二極管發光。
在具有前述配置的步進電機控制裝置中，當步進電機的負載增加且輸出斬波信號時，負載電流檢測電路30的波形檢測器部分40檢測斬波信號，以輸出斬波波形。因此，通過廉價配置，而不使用如轉矩傳感器這樣的機械配置，就可檢測步進電機的負載，并防止出現失步。
如上所述，根據本發明，裝備負載檢測器，它檢測斬波信號以檢測步進電機的負載，因此，通過廉價配置就可電檢測步進電機的負載，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本發明的不同的實施例，而不是為了限制其真實的、預期的以及合理的范圍及精神。前面的描述并不打算窮舉，也不打算將本發明限制到這種已公開的精確形式。可以根據上述說明進行修改和變化。這里選擇和描述的實施例對本發明的原理及其實際應用進行了最佳闡述，使得本領域的技術人員都可根據預期的特定應用以不同實施例和不同的修改來利用本發明。當按照其被清楚地、合法地及公正地授權的范圍來解釋時，所有的修改和變化(包括可能在本申請未授權期間進行的修改及其等同形式)都在附屬的權利要求所定義的本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種步進電機控制裝置，包括控制器(10)，用于輸出指令脈沖到具有線圈(C)的步進電機(5)，所述線圈中流經電流；斬波型恒流驅動器(20)，用于輸出與所述指令脈沖對應的驅動電流，以及輸出斬波信號以使輸出驅動電流保持恒定；負載檢測器(30)，用于檢測所述斬波信號，以檢測所述步進電機(5)的負載。
2.根據權利要求1的步進電機控制裝置，其中所述負載檢測器(30)包括波形檢測器(40)，用于檢測和輸出斬波信號。
3.根據權利要求2的步進電機控制裝置，其中所述負載檢測器(30)根據所述波形檢測器(40)的輸出波形來檢測負載。
4.根據權利要求3的步進電機控制裝置，其中所述負載檢測器(30)還包括濾波器部分，用于使所述波形檢測器的輸出波形持續，以及將所述輸出波形轉換成脈沖。
5.根據權利要求4的步進電機控制裝置，其中所述負載檢測器(30)根據所述濾波器部分輸出的脈沖寬度來檢測負載。
6.根據權利要求3的步進電機控制裝置，其中所述負載檢測器(30)包括濾波器部分，用于將所述波形檢測器(40)的輸出波形轉換成電壓。
7.根據權利要求6的步進電機控制裝置，其中所述負載檢測器(30)根據所述濾波器部分輸出的電壓來檢測負載。
8.根據權利要求2的步進電機控制裝置，其中所述波形檢測器(40)位于所述線圈(C)和電源(13)之間。
9.根據權利要求8的步進電機控制裝置，其中所述波形檢測器(40)包括放大器(41)，用于在所述線圈(C)的電壓降低時生成相應于所述斬波信號的集電極電流。
10.根據權利要求1的步進電機控制裝置，其中所述控制器(10)存儲用于步進電機(5)失步的負載。
11.根據權利要求10的步進電機控制裝置，其中所述控制器(10)降低步進電機(5)的旋轉速度。
12.根據權利要求10的步進電機控制裝置，其中當檢測到的負載超過預定值時，所述控制器(10)停止步進電機(5)的旋轉。
13.根據權利要求1的步進電機控制裝置，其中當輸入指令脈沖時，所述控制器(10)輸出矩形波形到放大器(22)的基極。
14.根據權利要求13的步進電機控制裝置，還包括負載電阻(R1)，所述電阻位于放大器(22)的集電極和地之間。
15.根據權利要求5的步進電機控制裝置，其中所述濾波器還包括電容器(51)和多個電阻(R4，R5)。
16.根據權利要求15的步進電機控制裝置，其中所述電容器(51)輸出梳狀集電極電流波形。
17.根據權利要求16的步進電機控制裝置，其中在輸出斬波信號時，所述驅動電流的電壓瞬時下降。
全文摘要
一種步進電機控制裝置，通過廉價配置可以電檢測步進電機負載并有效防止失步。該步進電機控制裝置包括微型計算機(10)，用于輸出指令脈沖到步進電機(5)；斬波型恒流驅動器(20)，用于輸出與指令脈沖對應的驅動電流到步進電機(5)，以及輸出斬波信號以使所述輸出驅動電流保持恒定；負載檢測電路(30)，用于檢測斬波信號以檢測步進電機(5)的負載。所述負載檢測電路(30)包括波形整形電路(50)，它使斬波信號波形持續以將其轉換成脈沖或電壓，以及通過所述脈沖寬度或電壓值來檢測步進電機的負載。
文檔編號G05B19/40GK1510827SQ20031011300
公開日2004年7月7日 申請日期2003年12月24日 優先權日2002年12月25日
發明者秋和直孝 申請人:米奈貝阿株式會社