CN100344050C - 具有多重步进角度的步进马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种步进马达，该步进马达包括有：一个转子；二个定子，该二个定子设置于该转子的外围，并且该两个定子具有的磁极数目不同，以控制该转子产生不同的步进角度；一个第一控制电路及一个第二控制电路，用来分别控制传输至该两个定子的电流；以及设置于该两个定子间的一种分隔装置，用来避免该两个定子间产生电磁感应。

Description

具有多重步进角度的步进马达

技术领域

本发明涉及一种步进马达，特别是涉及一种具有多重步进角度的步进马达，以同时达到高转速及高精密度的要求。

背景技术

马达为工业社会及信息时代所不可或缺的动力转换装置，其可把电能转换为装置运动时所需的动能。常用的马达有直流马达、交流马达以及步进马达等等，直流马达及交流马达一般被用于不需精密控制的产品装置上，如电动风扇中叶片的转动便可利用直流马达或交流马达来达成。而步进马达由于其转动位移及速度可由控制系统通过电力所控制，因此其常被用于需要精密控制的装置上，如扫描器在扫描文件时其扫描模块的移动便是由步进马达所驱动。随着数字信息产品的日益发展，步进马达被广泛地应用于数字产品的控制系统中，以达到数字装置的位置及速度的控制。

常用的步进马达有可变推斥式马达(variable reluctance motor)及永久磁性马达(permanent magnet motor)两种，由于永久磁性马达在间歇性操作的工作周期中功率的消耗很少，故普遍被本领域所使用。以下即以永久磁性马达为例来说明一般步进马达的操作原理。请参考图1，图1为现有步进马达10的示意图。步进马达10包括有一转子12及一定子14，定子14包围于转子12的外侧，其为固定不动，而转子12则可绕着一固定转轴而转动。转子12为一永久磁铁，其包括有六个N磁极R1-R6平均分布子转子12上，每极相隔60度，定子14上也包括有八个磁铁L1-L8，此八个磁铁L1-L8是由线圈A、B绕转电磁铁M1-M8所形成，相邻磁极相隔45度，每一磁极的极性决定于线圈A、B绕转的方向，及线圈A、B中电压的正负。本实施例中步进马达10包括有两组线圈A和B，A线圈用以绕圈磁极L1、L3、L5和L7，且每一磁极L1、L3、L5和L7上的线圈的绕转方向不同，以便通电后每一磁极将产生不同的极性；同样地，B线圈用以绕转磁极L2、L4、L6和L8，其做法与A线圈相同。步进马达10另包括有一控制器16，电连接于线圈A和B，用来控制线圈A和B中电流的流动，以控制步进马达10中转子12的转动。

若在一时段中，A线圈被导通，B线圈未被导通，且使得电磁铁M1、M5面对转子的一端呈S极，那么定子14的L1极及L5极将分别吸引转子12的R1极及R4极，使得L1极及L5极分别正对着R1极及R4极。此时R2对应L2、及R5对应L6逆时针相差15度；R3对应L4、及R6对应L8皆顺时针相差15度，R3对应L3、及R6对应L7则逆时针相差30度。若在另一时段中，B线圈被导通，而A线圈并未导通，且使得电磁铁M2、M6面对转子的一端呈S极，那么定子14的L2极及L6极将吸引转子12的R2极及R5极，因而使转子12逆时针转动15度而使L2极及L6极分别正对着R2极及R5极。若A线圈再次被导通，且使得电磁铁M3、M7面对转子12的一端呈S极，那么定子14上的电磁铁M3及M7将吸引转子12的R3极及R6极，因而使转子12逆时针转动15度而使电磁铁M3及M7分别正对着转子12的R3极及R6极。如此类推，若顺序地使电磁铁M4、M8，电磁铁M1、M5，电磁铁M2，M6面对转子12的一端的极性呈S极，那么便可使得转子12逆时针地转动，且步进角为15度。若线圈A、B中电流的改变速度愈快，那么步进马达10的转速便愈快，但仍保持每一步进角为15度。至于转子12的顺时针方向转动的操作原理是与其逆时针方向转动的操作原理相似，在此不再多加叙述。由于可知，只要控制定子14上的线圈A、B的电流导通情况，便可方便地控制步进马达10的转动方向及转动速度。

以上叙述了步进马达10每次转动一步的操作原理，当然步进马达10每次也可仅转动半步，或1/4步，其操作原理描述于下。当使用者欲控制步进马达10转动半步或1/4步时，使用者可同时对两组线圈A、B进行通电，并使两相邻磁铁面对转子12一端的极性呈S极。例如同时对A、B两组线圈通电，并使得电磁铁M2、M3，及电磁铁M6、M7面对转子12一端的极性同时呈S极。不过，对线圈A及B所通入的电流强度不一定要相同，例如对B线圈通入较强的电流，而对A线圈则通入较弱的电流，那么电磁铁M2、M6中S极的极性便会较电磁铁M3、M7的极性为强，因此，转子12便会逆时针地作微量转动，至于转动的角度则需视乎两线圈A、B中电流强度的比例而定，此操作方法便可控制步进马达10转动半步、1/4步、或其他微步。

请参考图2，图2为图1步进马达10的侧视图。步进马达10另包括有一传动轴18，固定于转子12及一外接的齿轮20之间，用来把转子12的转动传递至齿轮20。而齿轮20则连接至一输出装置(如扫描器的扫描模块)，以带动输出装置运动。

虽然步进马达10可由通入电流的强弱来使其转动半步或1/4步，但是由磁力的强弱来控制转子12转动的角度并未能达到很精确，原因为步进马达10本身的重量、输出装置的重量、控制电流的准确度、相关零件线路的误差等等因素将使得转子12在转动微步时很容易出现误差，未能精确定位，尤其转动的角度愈小时，其误差量将会愈大。例如一般步进马达10走一全步的误差量为7％，而走一半步的误差则增加至30％，至于走1/4步的误差便更大了。因此，利用步进马达10转动微步很难满足精密度的要求。

当然，使用者可增加步进马达10中转子12及定子14的N极或S极的数量，如此，步进马达10便可以转动一全步来代替一半步或微步，以减少转动半步的误差量。可是，这样的造法使步进马达10面对另外一个问题，就是步进马达10无法达到高速运转的要求。由于步进马达10是以其内线圈A、B中电流的改变来控制转子12的转动，电流改变的速度愈快，转子12转动的速度便也跟着加快，可是，由于磁极与电磁铁感应的反应速度有限，造成线圈A、B中的改变速度很难达到很高速，因此，若步进马达10的步进角很小的话，那么步进马达10便很难达到高速运转。

由上可知，现有步进马达10无法同时满足高精密度及高速运转的要求，若步进马达10的步进角变小，虽然可满足步进马达10转动时的精度要求，可是便使得步进马达10无法达到高速运动；相反地，若步进马达10的步进角变大，虽然可使步进马达10达到高速转动，可是在微步进角的转动时，便会产生很大的误差，使转子12无法被精确定位。可是，在一般的装置中，动力系统常被要求同时具备精密度及高速运转的特性，而现有步进马达10却仅能满足其中之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多重步进角度的步进马达，以同时满足高精密度及高速运转的要求。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种步进马达，其包括：一个转子；两个定子，设于该转子的外围，该两个定子具有的磁极数目不同，以控制该转子而产生不同的步进角度；一个第一控制电路及一个第二控制电路，用来分别控制传输至该两个定子的电流；以及设置于该两个定子间的分隔装置，用来避免该两个定子间产生电磁感应。

附图说明

图1为现有步进马达的示意图；

图2为图1步进马达的侧视图；

图3为本发明步进马达的侧视图；

图4为图3所示本发明第一定子的正视图；

图5为图3所示本发明第二定子的正视图；

图6为本发明扫描器的示意图。

具体实施方式

请参考图3，图3为本发明步进马达30的侧视图。本实施例中的步进马达30为一永久磁性马达(permanent magnetic motor)。步进马达30包括有一个转子32、一个第一定子34、一个第二定子36、一个第一控制器38以及一个第二控制器40，转子32可沿着一固定的转轴转动，第一定子34及第二定子36分别固定于转子32的外围，为固定不动。第一控制器38用来控制第一定子34内的线圈的电流流动，以驱动转子32转动，而第二控制器40是用来控制第二定子36内线圈的电流流动，同样是用来驱动转子32转动。转子32分别受第一定子34及第二定子36的驱动而转动，步进马达30另包括有一传动轴42，连接于转子32及一齿轮44之间，用来把转子32的转动传递至齿轮44。齿轮44则连接至一输出装置(如扫描器的扫描模块)，以带动输出装置运动。另外，第一定子34及第二定子36之间设置有一金属片46，以分隔第一定子34及第二定子36所产生的磁力线，避免第一定子34及第二定子36之间产生电磁感应。

请参考图4及图5，图4为图3所示本发明第一定子34的正视图，图5为图3所示本发明第二定子36的正视图。第一定子34及第二定子36的构造与一般定子相似，第一定子34包括有多个由线圈48A、48B绕转电磁铁C1-C8所形成的磁极D1-D8，线圈48A、48B上电流的流动情况由第一控制器38控制，以控制转子32的转动。第二定子36上也包括有多个由线圈50A、50B绕转电磁铁E1-E16所形成的磁极F1-F16，线圈50A、50B上电流的流动情况由第二控制器40控制，以控制转子32的转动。第二定子36上磁极比第一定子34上的磁极多，且第二定子36上的磁极与第一定子34上的磁极的比例为一整数，如此由第一定子34驱动转子32转动的步进角较大，而第二定子36驱动转子32转动的步进角则较小。

由于转子32分别受第一定子34及第二定子36的驱动而转动，且第一定子34所驱动的步进角较大，而第二定子36所驱动的步进角较小，因此，当步进马达30需要高速运转时，可利用第一定子34来驱动转子32转动，而当步进马达30需要高精密度运转时，则可利用第二定子36来驱动转子32转动，以使转子32可被精密定位。至于第一定子34及第二定子36上电磁铁C、E的数量，则可视所需的步进角而定，假设若步进马达30的外接齿轮44每转动一齿所转动的角度为7.5度，那么第一定子34的步进角便可设计为7.5度的一倍，即15度，而第二定子36的步进角便可设计为7.5度的一半，即3.75度。如此当步进马达30要转动半齿时(即3.75度)，便可利用第二定子36来驱动转子32转动一全步来达成，而并不需如现有技术中必须由定子14驱动转子12转动半步来达成，因此便可减少转子32转动半步所造成的误差。一般步进马达30转动一全步的误差量为7％，而转动半步的误差量则为30％，由此可知，利用本发明的步进马达30来带动齿轮44转动半齿可明显地把误差量从现有技术的30％减少至7％，因此增加齿轮44转动的精密度。同样地，若齿轮44要高速运转时，步进马达30便可利用第一定子34来驱动转子32转动，第一定子34的步进角度为15度，即第一定子34的线圈48A、48B内的电流变化一次，转子32便可转动15度，并不需要如现有步进角为7.5度的定子14必须改变电流两次，才可使转子12转动15度(转子转动两步进角)，因此若本发明与现有技术中电流变化速率相同，那么本发明转子32的转动速率会是现有技术的一倍。由此可知，本发明步进马达30可通过第一定子34及第二定子36分别控制转子32的转动，以达到高速运动及高精密度的要求。请参考图6，图6为本发明扫描器52的示意图。以扫描器52的扫描模块54为例，扫描模块54设置于扫描器52内，用来前后移动以扫描待扫描文件56，扫描模块54的运动可由步进马达30来带动。待扫描文件56置放于扫描平台58上的扫描区域60处，扫描模块54到达扫描区域60前必须先经过一过渡区域62。因此，当步进马达30驱动扫描模块54前进至扫描区域60时，步时马达30可先以第一定子34来驱动转子32以使扫描模块54以高速走过过渡区域62而到达至扫描区域60，节省扫描模块54于过渡区域所花的时间。当扫描模块54进入至扫描区域60后，步进马达30便改以第二定子36来驱动转子32，使转子32可以较小的步进角及较高的精密度来扫描待扫描文件56，以增加扫描的分辨率，得到较佳的扫描效果。除了扫描器52以外，本发明步进马达30也可用于其他电子装置内，例如打印机，本发明步进马达30可用来控制印表机的列印头的移动动作。

另外，第一定子34与第二定子36的相位也可不相互匹配，步进马达30可仅利用第一控制器38或仅利用第二控制器40来控制转子32的转动。

当然，当第一定子34上电磁铁C的数量也可设计为等于第二定子36上的数量，如此的设计可用于需要高转矩的装置上。即第一定子34及第二定子36上相对应的磁极的电流同时被导通，以同时产生极性驱动转子32的转动，这样转子32会具有较高的转矩。

与现有步进马达10相比，本发明步进马达30包括有至少两个定子34、36，其可分别驱动转子32转动，由于第一定子34的步进角较大，因此可用于驱动转子32高速运转，以减少运动时间；而第二定子36的步进角较小，可用于驱动转子32转动较小的角度，以减少现有技术中步进马达10转动半步所造成的误差，增加转子32转动的精密度。因此，本发明步进马达30可通过第一定子34及第二定子36同时满足高速运转及高精密度的要求。当然，定子的数目并不一定限定为二个，也可视实际需要增加定子的数目。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种步进马达，其包括：

一个转子；

两个定子，设于该转子的外围，该两个定子具有的磁极数目不同，以控制该转子而产生不同的步进角度；

一个第一控制电路及一个第二控制电路，用来分别控制传输至该两个定子的电流；以及

设置于该两个定子间的一种分隔装置，用来避免该两个定子间产生电磁感应。

2.如权利要求1所述的步进马达，其中该两个定子的相位匹配，因此该两个定子可依序导电来依序感应该转子。

3.如权利要求1所述的步进马达，其中该两个定子的相位不匹配。

4.如权利要求1所述的步进马达，其为一种永久磁性马达。

5.如权利要求1所述的步进马达，其用来带动一种电子装置的一种模块元件。

6.如权利要求5所述的步进马达，其中该电子装置为一种扫描器，而该模块元件为一种扫描模块。

7.如权利要求5所述的步进马达，其中该电子装置为一种打印机。

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