CN101017102A - 指示表的归零方法及应用该方法的指示表 - Google Patents

Abstract

一种指示表的归零方法及该指示表，通过逐步缩短驱动信号的周期，让驱动转子旋转的驱动信号一方面驱动转子加速旋转，同时将信号本身从可响应周期缩减至短于最小可响应驱动周期，使得转子与被转子所带动的指针一旦被挡止装置截停，就无法再被加速，从而达成让指针精确、迅速、平顺归零的功效，并且简化表的结构、降低制造成本，一举改良现有技术中的诸多缺失。

Description

指示表的归零方法及应用该方法的指示表

技术领域：

本发明涉及一种指示表及其归零方法，尤其涉及一种具有步进电机的指示表及其归零方法。

背景技术：

随着工业技术的进步，车用或工业用表的精密度要求日益提高，步进电机由于其精密的控制能力因而在指示表领域中得到广泛应用。然而，控制愈精密，操作启始前的归零工作的精准度也需同步提升。

为确保表中的指针在开始运作前被稳妥地归零，第6,624,608号美国发明专利公开了一种速度表的归零驱动方法，如图1和2所示，该表是由一步进电机10经由一组减速齿轮组12带动指针14旋转，步进电机10由一微控制器16操控的驱动电路162控制，微控制器16则根据接收到的速度传感器18的测量数值信号而输出。减速齿轮组12的最后级齿轮120上凸出有一挡片122，使得指针14达到归零位置时，该挡片122会被连接至表壳之一的挡杆15所阻挡。至于电机则是由一转子100与两线圈组102所构成，各线圈组102的线圈104、106则可在连接驱动电路162的驱动位置164和直接连接控制装置之一的检测位置166间被一切换装置160切换。

每当例如启动而需归零时，微控制器16会先将线圈104切换连接至驱动位置164，由驱动电路162输出一驱动信号至第一线圈104，并驱动转子100旋转对应驱动信号的半周期(180度)，同时将线圈104的接脚切换连接至检测位置166，用于检测转子100旋转造成线圈104内产生的感应电流，若无感应电流，则说明转子100已经被阻挡并归零，反之，则又将线圈104切换连接至驱动位置164。

随后，由驱动电路162输出驱动信号至第二线圈106，驱动转子100旋转对应驱动信号的四分之一周期(90度)；再重复切换至检测位置166，检测线圈106中是否仍有感应电流。如此轮流输出驱动信号至第一线圈104、检测、输出驱动信号至第二线圈106、再检测，让线圈104、106身兼驱动线圈及感应线圈的双重功能。直到转子100被阻挡，线圈104、106中不再能检测出感应电流为止。

然而，这种频繁切换不仅让电路复杂化；切换装置也会因频繁的切换动作而易于损坏；尤其是与电子信号的运算传输速度相比，切换过程需耗费部分时间，更让归零无法在最短时间内迅速实现。

发明内容：

因此，本发明要解决的主要技术问题是，提供一种归零精确的指示表的归零方法及应用该方法的指示表。

本发明要解决的另一技术问题是，提供一种无须额外硬件装置、结构简单、使得指示表制造成本较低的指示表的归零方法。

本发明要解决的再一技术问题是，提供一种归零平顺、归零过程毫无噪音和不必要作动的指示表的归零方法及应用该方法的指示表。

本发明要解决的又一技术问题是，提供一种迅速归零的指示表的归零方法及应用该方法的指示表。

按照本发明提供的指示表的归零方法，该指示表包括一接收一输入测量信号的控制装置、一由该控制装置驱动的步进电机、一由该步进电机带动的传动装置、一由该传动装置带动的指示装置、及一用于当该指示装置抵达一归零位置时挡止该步进电机和/或该传动装置和/或该指示装置的挡止装置，该步进电机具有一转子、及接收驱动信号驱动该转子旋转的多个线圈组，定义该转子静止时，最短可驱动该转子旋转的驱动信号周期为一最小可响应驱动周期，实质周期低于该最小可响应驱动周期的驱动信号为一失速驱动信号，该归零方法包括下列步骤：a)由微控制器输出一实质周期大于所述最小可响应驱动周期的启始驱动信号，驱动所述步进电机的转子带动所述指示装置朝向所述归零位置旋转；b)逐步减短所述驱动信号实质周期至成为一失速驱动信号；及c)保持提供所述失速驱动信号达一预定周期数目，借此，所述指示装置系被确保抵达所述归零位置，并使所述步进电机和/或所述传动装置和/或所述指示装置由所述挡止装置所阻挡，使所述指示装置静止于所述归零位置。

按照本发明提供的指示表，包括：一在一归零位置与一最大指示位置间旋转的指示装置；一带动所述指示装置的传动装置；一步进电机，包括：一带动所述传动装置的转子及多个驱动所述转子旋转的线圈组；一用于在所述指示装置抵达该归零位置时阻挡所述指针和/或所述传动装置和/或所述转子的挡止装置；及一用于输出一驱动所述转子带动所述指示装置朝所述归零位置旋转的控制信号，且所述控制信号具有一逐渐由一可驱动所述转子旋转的可响应驱动周期缩短至成为一失速驱动信号的周期，并保持提供该失速驱动信号达一预定周期数目的控制装置。

按照本发明提供的指示表的归零方法及指示表，由于是通过不断提高驱动信号频率，逐步带动转子加速，直到驱动信号周期被缩短至短于最小可响应驱动周期，也即转子在静止状态下完全不受驱动的失速周期，并以此失速驱动信号驱动转子反转归零。此状态下，转子只要一触碰挡止而脱离高速旋转状态，就无法重新被带动，由此平顺地被阻挡于归零位置，归零位置毫无偏差，可以准确归零。

此种运作过程中，无须额外设置例如切换装置等，没有硬件的增加，使得表整体的结构简化、制造成本降低；尤其因归零过程中，没有例如机构切换等耗时动作，让归零动作相当迅速，有效克服现有技术中的诸多缺陷。

附图说明：

图1是美国第6,624,608号发明专利的表的内部致动机构立体组合示意图；

图2是图1所示表的电路方框图，说明其控制及检测切换机制；

图3是本发明第一较佳实施例的结构关系示意图；

图4是图3所示实施例的步进电机的驱动电路示意图，说明驱动信号的输入关系；

图5是频率信号时序图；

图6是一般驱动信号时序图，说明驱动信号与频率信号关系，及驱动信号随时变状态；

图7是本发明第一较佳实施例中的驱动信号时序图，说明驱动信号周期由一般驱动信号范围，加速至失速驱动信号范围的变化过程；

图8是本发明第一较佳实施例的指针在表中旋转的过程示意图，说明指针被加速归零的经过；

图9是本发明第二较佳实施例中的驱动信号时序图，说明驱动信号周期由一般驱动信号范围，加速至失速驱动信号范围的变化过程；

图10是一般模拟驱动信号的时序图；

图11是本发明第三较佳实施例中的驱动信号时序图，说明驱动信号周期由一般驱动信号范围，加速至失速驱动信号范围的变化过程；

图12是本发明第一较佳实施例的流程图。

【主要组件符号说明】

10、20…步进电机  12、22…减速齿轮组

14、24…指针  15…挡杆

16…微控制器  18、28…速度传感器

26…控制电路  31～33…步骤

100、200…转子  102、202…线圈组

104、106、204…线圈  120…齿轮

122…挡片  162…驱动电路

164…驱动位置  166…检测位置

160…切换装置

具体实施方式：

本发明的主要技术内容、特点以及功能效果，可结合附图及较佳实施例的说明而得到更清楚的理解。

本发明第一较佳实施例如图3和图4所示，由一控制电路26接收例如一速度传感器28的检测信号，并由此输出驱动信号至一步进电机20定子的线圈组202，以驱动步进电机20的转子200旋转，从而经由例如一减速齿轮组22带动指针24在归零位置与一最大指示位置间旋转，且当指针24至归零位置时，由一挡止(图中未示)挡止其进一步旋转。当然，本领域的普通技术人员很容易理解，挡止不一定要是如前所述的现有技术的阻挡指针，也可阻挡减速齿轮组或步进电机的转子。

为说明起见，此处以单一线圈组202为例进行叙述，以套接于铁芯外侧的线圈204接收上述驱动信号，且线圈204被区分为一正输入端及一负输入端，正输入端的信号高低分别为+5伏特至0伏特，负输入端则为0伏特至-5伏特。在本实施例中，如图5所示，该控制电路以1MHz脉冲作为频率(clock)信号，也即每一频率信号的周期为1μs。

而输出至线圈的驱动信号，则是以20μs作为基础周期，再乘以正整数倍作为驱动信号周期。而实际输入的驱动信号周期只要为基础周期的若干倍，则可以软件订定而加以操控。当然，由于被驱动的转子质量、减速齿轮组的转动惯量与减速比例及指针的质量等条件各不相同，因此当驱动信号周期小于一阈值后，将因线圈组中和磁场变化过快，让转子来不及响应，从而无法轻易驱动静止状态的转子转动。在本实施例中，假设此阈值周期恰好为100μs，也即当驱动信号周期小于基础周期五倍以下时，将无法推动静止的转子转动，并定义此阈值为「最小可响应驱动周期」。

为使转子旋转一特定角度，输入至线圈组的驱动信号电压必须根据例如正弦函数而随时变改变驱动信号的强弱。在本实施例中，驱动信号是一数字信号，因此计算信号强弱的方式是以电压时序图中，曲线下面积积分的总和为代表；即驱动信号的强弱变换是以一驱动信号周期中，高电位与低电位所占时间长短的比值变换为准。

一般现有驱动模式如图6所示，驱动信号周期可选择为例如500μs，在每500μs周期中，除用于区分两信号周期的间隔部分外，存在一高电位区和一低电位区，以两者不同时间比例而决定该信号的强弱。其中在正输入端的高电位所占比例则由0％每历经例如5个驱动信号周期逐渐增加至100％，再逐渐降回0％；随后改由负输入端输入，输入信号则由高准位区占100％减少至0％，再升回100％而完成一循环。

在本实施例中，则如图7及图12所示，在步骤31将驱动信号周期由例如1000μs(10基础周期)启始，经过例如5个驱动信号周期后，于步骤32将驱动信号周期缩减为900μs(9基础周期)，高电位区与低电位区的比例仍以一般的变化率增减；再经5个周期又缩为800μs(8基础周期)，由此逐渐缩至1基础周期(100μs)，为便于说明，以下将此种周期低于最小可响应驱动周期的驱动信号称为「失速驱动信号」。

由于转子被逐渐加速，本实施例中以每5个驱动信号作为一微步进信号，前一组信号与后一组信号间，由于高电位区占整个周期的比例变化，造成驱动信号的相位变化，在本实施例中，由此驱动转子转动约6分(6/60度＝0.1度)，如图8所示，转子每转动6分过程中，由于驱动信号周期不断缩减，但驱动转子转动角度大小维持不变，角度变化量除以时间所得的角速度，也因此而比前一微步进过程进一步加快；且由于被逐渐加速的过程中，已经具备一定的角动量，角加速度并不大，即使所供应的信号已逐渐加速至失速驱动信号，转子仍可接受此小量的角加速度，而增加转速，不会跟不上驱动信号。

经历例如10个微步进流程而由10度至9度转动约1度之转角后，驱动信号周期已经缩减至100μs，并于步骤33以此失速驱动信号持续驱动转子归零。此时，因为驱动信号周期已远低于最小可响应驱动周期，只要指针被挡止而连带截停减速齿轮组与转子，让转子失去既有角速度，就无法再响应该失速驱动信号，也无法被重新加速，从而静止于被挡止于归零位置，完成归零动作。

但是，本发明所提供的系统本身并不需要具备反馈装置，也即指针是否已经达成归零，无法被直接确认。因此如前述步骤33，当本实施例中假设该指针可能偏离归零位置10度时，将以此一失速驱动信号，持续输出足以驱动该指针旋转例如20度的归零驱动信号至该步进电机的线圈组，直至达到一预定周期数目，以确保指针及转子被确实归零。换言之，即使无法确认在此过程中，指针是「何时」完成归零，但仍可确认指针在此过程中，一定会在「其中某时点」被精确归零。

这种归零动作既无需额外设置切换装置，归零仅需单纯的挡止动作即可完成，有效简化表的结构而降低成本；且挡止的位置即为归零位置，可以确保归零的精确；更没有任何切换动作的岔断而延缓归零过程，整体动作完全一气呵成，不仅归零迅速，而且归零平顺、归零过程毫无噪音，成功解决现有技术的所有问题。

当然，如本领域的普通技术人员所能轻易理解，失速驱动信号并非仅有上述一种形态，如图9本发明第二较佳实施例所示，也可采用单一驱动信号周期中，根据频率信号的周期，提供多个高电位脉冲和低电位脉冲，并计算高电位脉冲占总脉冲的比例，代表驱动信号的强弱。此时，仍以缩短驱动信号周期至短于最小可响应驱动周期而构成失速驱动信号，至于驱动转子旋转所需的信号强弱变化，仍根据前述一般技术随时变即可。

此外，驱动信号也可为模拟信号，为便于说明，图10先绘示出一般驱动状态下，驱动信号的电压强弱随时序变化的时序图，每一完整驱动信号(信号由0度变化至360度)需时1000ms，且全长不变。

由于模拟信号的单一周期相当于前述数字信号的多个周期，且根据本发明，在单一周期中，驱动信号的相位角变化速率其实并不恒定，而有加速度存在，为能正确与数字信号相比较，此处定义以任一段时间间隔中，驱动信号相位角的变化率，推算其相当于多少个周期，称为「实质周期」；本发明第三较佳实施例则如图11所示，其驱动信号的实质周期，在最开始时约为100ms，其后每当信号的相位变化36度，实质周期缩短约10ms，直到信号实质周期缩减至10ms，并以此失速驱动信号连续驱动转子，带动指针归零。

依上所述，本发明的指示表的归零方法及指示表，的确能达到降低归零误差、使结构简化、制造成本降低，归零更迅速而且平滑的目的。

上述优选实施例仅供说明本发明之用，而并非对本发明的限制。本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内指引下，还可做出各种变形和变换，因此所有等同技术方案皆属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种指示表的归零方法，该指示表包括一接收一输入测量信号的控制装置、一由该控制装置驱动的步进电机、一由该步进电机带动的传动装置、一由该传动装置带动的指示装置、及一用于当该指示装置抵达一归零位置时挡止该步进电机和/或该传动装置和/或该指示装置的挡止装置，该步进电机具有一转子、及接收驱动信号驱动该转子旋转的多个线圈组，定义该转子静止时，最短可驱动该转子旋转的驱动信号周期为一最小可响应驱动周期，实质周期低于该最小可响应驱动周期的驱动信号为一失速驱动信号，其特征在于：该归零方法包括下列步骤：

a)由微控制器输出一实质周期大于所述最小可响应驱动周期的启始驱动信号，驱动所述步进电机的转子带动所述指示装置朝向所述归零位置旋转；

b)逐步减短所述驱动信号的实质周期至成为一失速驱动信号；及

c)保持提供所述失速驱动信号达一预定周期数目，借此，所述指示装置系被确保抵达所述归零位置，并使所述步进电机和/或所述传动装置和/或所述指示装置由所述挡止装置所阻挡，使所述指示装置静止于所述归零位置。

2.根据权利要求1所述的指示表的归零方法，其特征在于：所述驱动信号周期为一基础周期之一的预定倍数，且所述基础周期远小于该步进电机最小可响应驱动周期。

3.根据权利要求1所述的指示表的归零方法，其特征在于：所述驱动信号为一数字信号。

4.根据权利要求1所述的指示表的归零方法，其特征在于：所述驱动信号为一模拟信号。

5.一种具有步进电机的指示表，其特征在于，包括：

一在一归零位置与一最大指示位置间旋转的指示装置；

一带动所述指示装置的传动装置；

一步进电机，包括：

一带动所述传动装置的转子；及

多个驱动所述转子旋转的线圈组；

一用于在所述指示装置抵达该归零位置时阻挡所述指针和/或所述传动装置和/或所述转子的挡止装置；及

一用于输出一驱动所述转子带动所述指示装置朝所述归零位置旋转的控制信号，且所述控制信号具有一逐渐由一可驱动所述转子旋转的可响应驱动周期缩短至成为一失速驱动信号的周期，并保持提供该失速驱动信号达一预定周期数目的控制装置。

6.根据权利要求5所述的具有步进电机的指示表，其特征在于：所述指示装置为一指针。

7.根据权利要求5所述的具有步进电机的指示表，其特征在于：还包括一用于检测一待测信号，并输出一检测信号至所述控制装置的检测装置。

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