CN102025308A - 驱动器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种驱动器电路。步进电机(200)包括两个线圈(22、24)。驱动器电路(100)使向该两个线圈(22、24)供给的电流的相位不相同从而驱动步进电机(200)。并且，针对一个线圈22(24)，将一端连接于地，并将另一端设为高阻抗状态，从而将在该线圈中产生的感应电压作为相对于地的电压来检测，且根据检测出的感应电压，控制提供给两个线圈(22、24)的电动机驱动电流的大小。因此，可设置适当的步进电机的驱动电流。

Description

驱动器电路

技术领域

本发明涉及一种包括两个线圈并使向该两个线圈供给的电流不相同从而旋转由线圈驱动的转子的步进电机的驱动器电路。

背景技术

电动机有很多种，作为能够正确决定位置的电动机的代表性的电动机具有步进电机，可广泛利用于各种装置中。例如，可列举照相机的对焦、手抖动校正或OA设备的纸张传送等。

该步进电机的驱动通常是通过以向两个定子线圈的电流相位变更转子的旋转位置来进行的。因此，只要转子进行对应于向线圈供给的电流相位的旋转，则转子与向线圈供给的电流量无关地进行规定旋转。所以，一般为了能够使转子准确地旋转，将向线圈供给的电流量设置得非常大。

【专利文献1】日本特开2006-288056号公报

【专利文献2】日本特开平8-37798号公报

这里，要求电器设备中的消耗功率要尽量小。特别是在电池驱动的便携式设备或需要大电流的OA设备等中，上述要求比较高。另一方面，在步进电机的驱动中，将电流量设定为能够准确地旋转转子大小是指线圈中流过过多的电流，并且消耗过多的功率。此外，大功率下的电动机驱动会产生转子旋转紊乱，并且也会成为振动或噪声、发热的原因。

发明内容

本发明的特征在于：在包括两个线圈且使向该两个线圈供给的电流的相位不相同从而旋转由线圈驱动的转子的步进电机的驱动器电路中，针对所述线圈，将一端连接在恒定电压上、另一端设为高阻抗状态，并将在该线圈中产生的感应电压作为相对于所述恒定电压的电压来检测，并且根据检测出的感应电压的状态，控制提供给所述线圈的电动机驱动电流的大小。

此外，对将所述线圈的一端连接于地而在另一端所获得的感应电压直接进行A/D转换。

另外，通过切换驱动电压的施加方向，从而以规定的周期变更所述两个线圈的驱动电流的方向，并在切换该驱动电压的施加方向时，进行所述感应电压的检测。

再者，设置多个感应电压的检测值来检测感应电压的波形，并根据检测出的波形，控制提供给两个线圈的电动机驱动电流的大小。

另外，设置多个感应电压的检测值来检测感应电压的斜率，并基于检测出的斜率推测过零点，并且根据推测出的过零点的相位，控制提供给两个线圈的电动机驱动电流的大小。

如上所述，根据本发明，通过检测感应电压，从而能够根据感应电压控制电动机驱动电流。因此，能够设置适当的电动机驱动电流。并且，针对线圈，将一端连接于地，并将另一端设为高阻抗状态，从而将在该线圈中产生的感应电压作为相对于地的电压来检测。因此，即使不使用运算放大器等，也能够作为相对于地的电压来检测感应电压，并且能够简化电路。

附图说明

图1是表示包括驱动器电路和电动机的系统的整体结构的图。

图2是表示输出电路的结构的图。

图3是表示驱动电流调整电路的结构的图。

图4是表示输出电路的输出和控制状态的图。

图5是表示驱动电流的状态与驱动电压波形的关系的图。

图6是表示感应电压波形的状态的图。

图7是表示过零点的推测的图。

图中：12-输出控制电路；14-输出电路；22、24-线圈；26-转子；30-驱动电流调整电路；32-开关；36-控制逻辑；38-定时电路；100-驱动器；200-电动机。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施方式。

[整体结构]

图1是表示整体结构的图，系统由驱动器100、电动机200构成。输入信号输入给驱动器100，驱动器100将对应于输入信号的驱动电流提供给电动机200。由此，根据输入信号控制电动机200的旋转。

其中，驱动器100具有输出控制电路12，将输入信号提供给该输出控制电路12。输出控制电路12根据输入信号决定规定频率的驱动波形(相位)，并且通过PWM控制决定该驱动电流的振幅，并生成驱动控制信号。并且，将生成的驱动控制信号提供给输出电路14。

输出电路14由多个晶体管构成，根据这些晶体管的切换，控制来自电源的电流来产生电动机驱动电流，并将其提供给电动机200。

电动机200是步进电机，具有两个线圈22、24和转子26。两个线圈22、24配置为彼此以电角度错开了90°位置，因此相对于转子26的磁场的方向也针对转子的中心角彼此以电角度错开了90°。此外，转子26例如包括永久磁铁，根据来自线圈22、24的磁场决定稳定的位置。即，通过向针对转子的转角配置在错开了90°的位置上的两个线圈提供彼此的相位相差90°的交流电流，从而通过该电流相位能够使转子26移动、旋转。此外，在特定的电流相位的时刻，通过停止电流相位的变化，能够在对应于此时的电流相位的位置处停止转子，由此，控制电动机200的旋转。

将向两个线圈22、24的四个电流路径的输出OUT1～OUT4的电压提供给驱动电流调整电路30。驱动电流调整电路30基于输出OUT1～OUT4的电压，决定向电动机200提供的电流振幅。并且，将相对于该电流振幅的调整信号提供给输出控制电路12。因此，输出控制电路12根据输入信号和调整信号生成驱动控制信号。

[输出电路的结构]

图2表示输出电路14的一部分和电动机200的一个线圈22(24)的结构。

如上所述，电源与地之间设置有由两个晶体管Q1、Q2的串联连接构成的电臂、由两个晶体管Q3、Q4的串联连接构成的电臂，在晶体管Q1、Q2的中间点与晶体管Q3、Q4的中间点之间连接线圈22(24)。并且通过使晶体管Q1、Q4导通、使晶体管Q2、Q3截止，从而使一个方向的电流流过线圈22(24)，并且通过使晶体管Q1、Q4截止、使晶体管Q2、Q3导通，从而使相反方向的电流流过线圈22(24)，由此驱动线圈22、24。

通过设置两个这样的电路，能够分开控制提供给两个线圈22、24的电流。

[驱动电流调整电路的结构]

图3表示驱动电流调整电路30的构成例。OUT1～OUT4的电压分别经由四个开关32，输入到ADC34中。ADC34将通过开关32选择输入的电压转换为数字信号之后，按顺序输出。将ADC34的输出提供给控制逻辑36。该控制逻辑36基于所提供的OUT1～OUT4的电压波形，决定向电动机200提供的电流振幅，并向输出控制电路12提供相对于该电流振幅的调整信号。

输出控制电路12根据调整信号生成PWM控制中的驱动控制信号，其中，PWM控制的方式具有直接PWM控制方式和恒定电流斩波方式。

在直接PWM控制方式的情况下，假设矩形波的占空比和电流输出成比例，从而进行PWM控制。此时，若电动机中产生了感应电压，则实际的电流输出值会变小。在直接PWM控制方式中，通过控制作为目标的矩形波的占空比和调整矩形波的振幅的系数，从而能够调整电流输出值。

在恒定电流斩波方式的情况下，通过检测流过电阻Rt的电流，从而检测驱动电动机的电流，并且按照该电流成为目标值的方式进行变更矩形波的脉宽的控制。在恒定电流斩波方式中，通过变更上述的目标值，能够调整电流输出值。

在本实施方式中，说明采用了直接PWM控制方式的驱动器电路。

这里，在本实施方式中，将向四个线圈端的输出电压OUT1～OUT4直接在ADC34中进行AD转换。

因此，具有定时电路38，该定时电路38基于各线圈的驱动相位，控制开关32的切换，并且控制输出电路14中的晶体管Q2、Q4的切换。即，在线圈22(24)中，将一个端子OUT与地相连，将另一个端子OUT开路。由此，在开路侧的端子OUT上产生感应电压。将该感应电压输入给ADC34，从而ADC34输出表示振幅的数字值。

这里，如上所述，相对于一个线圈22(24)的输出电路具有如图2所示的结构。并且，一个线圈22(24)的驱动在使晶体管Q4导通的状态下，重复PWM控制晶体管Q1的状态，使晶体管Q2导通之后重复PWM控制晶体管Q3的状态。

图4表示向线圈22施加驱动电压的OUT1～OUT2间的电压波形、向线圈24施加驱动电压的OUT3～OUT4间的电压波形。如上所述，向两个线圈22、24的驱动波形具有90度相位差，线圈22的驱动波形比线圈24的驱动波形超前90度。

并且，在OUT3～OUT4间的电压波形的例子中，在以下两个步骤中检测感应电压：从使晶体管Q4导通从而PWM控制晶体管Q1的状态转移到使晶体管Q2导通从而PWM控制晶体管Q3的状态时，即驱动波形的180度的步骤；从使晶体管Q2导通从而PWM控制晶体管Q3的状态转移到使晶体管Q4导通从而PWM控制晶体管Q1的状态时，即驱动波形的0度的步骤。

即，在该期间内，使晶体管Q1、Q3截止的状态下，使在下一个相位中应导通的晶体管Q2(或Q4)导通。另外，晶体管Q4(或Q2)是截止状态。

图4的例子中，在电角度0度的附近，相对于线圈22的OUT1～OUT2是使晶体管Q4导通来PWM控制晶体管Q1的状态，在电角度90度的步骤中，使晶体管Q2导通，从而连接OUT1与地GND，使晶体管Q1、Q3、Q4截止，从而将OUT2设为开路状态。由此，在OUT2中获得线圈22的感应电压，并通过接通开关32-2，从而将感应电压输入给ADC34。在电角度270度的步骤中，使晶体管Q4导通，从而连接OUT2与地GND，使晶体管Q1、Q2、Q3截止，从而将OUT1设为开路状态。由此，在OUT1中获得线圈22的感应电压，并通过接通开关32-1，从而将感应电压输入给ADC34。由于线圈24其相位滞后了90度，因此在电角度0度中，OUT3呈开路状态，且连接OUT4与地，开关32-3被接通，将OUT3的感应电压提供给ADC34，并且在电角度180度中，OUT4呈开路状态，连接OUT3与地，开关32-4被接通，将OUT4的感应电压提供给ADC34。

定时电路38基于来自输出控制电路12的切换相位的信号，进行这样的感应电压的测量用的相对于线圈22、24的输出电路14中的各晶体管Q1～Q4的导通与截止、开关32的控制。

将线圈22(24)的感应电压作为两端的电压差来求出。但是，在本实施方式中，由于在测量感应电压时线圈22(24)的一端与地相连，因此在呈开路状态的另一端中，直接获得线圈22(24)的两端的电压差的值。因此，无需在运算放大器中检测线圈的两端的电压差，电路变得简单。另外，开路侧的OUT是感应电压上升的一侧的端子，向ADC34的输出基本上成为正的电压，在ADC34中能够直接转换为数字信号。

如上所述，能够依次通过ADC34检测驱动电流波形成为0的相位的感应电压。因此，对于两个线圈22、24而言，在电动机的电角度的一个周期内进行四次检测。另外，感应电压的检测期间在本实施方式中所采用的1-2相励磁模式下成为1/8周期，在W1-2相励磁模式下成为1/16周期。

接着，图5表示一个线圈22的驱动电压波形和针对感应电压波形的三个例子。感应电压波形具有电流大时相位超前的倾向，在驱动电流为适当的情况下，驱动电压波形与感应电压波形的相位大致一致。另一方面，若驱动电流小，则不能进行转子的驱动，成为失步状态，因此感应电压波形为0，不能运行。

在按照变成驱动效率成最大的相位的方式对感应电压波形进行驱动电流的调整的情况下，电动机的负载变动时，失步的危险性较高。所以，虽然也基于实际的电动机的使用状况等，但是并不按照变成驱动效率成最大的相位的方式进行控制，而是优选按照变成具有少量余量的相位的方式进行控制。

[基于感应电压波形的判定]

图6表示感应电压检测期间内的感应电压波形的例子。在<状态1>中，反冲(kick-back)之后单调增加。该状态认为检测期间的最初的周围有过零位置。因此，认为是与上述的最佳(最低限)的驱动电流相比而言具有一些余量的驱动电流。因此，针对此，判定是否最适合，或者需要更详细的判定。即，根据电动机的使用状况，在其负载变动比较大的情况下，由于失步的危险大，因此驱动电流量少，所以能够判定需要增加该驱动电流量。

在<状态2>中，反冲之后驱动电压呈山状。此时，感应电压的相位比驱动电压波形超前。因此，认为对应于图5中的驱动电流过大，判定为应减少电流量。

在<状态3>中，没有反冲之后的感应电压。因此，能够判定为无转子的旋转，是失步状态。

在驱动电流调整电路30的控制逻辑36中，基于这样的判定结果，控制输出控制电路12。另外，在状态3的情况下，控制逻辑36输出表示检测到失步的情形的信号。控制驱动器电路29的控制器(未图示)接收上述的信号。

如上所示，在本实施方式中，根据感应电压检测期间内的感应电压波形，判定电动机驱动状态，从而控制电动机驱动电流。因此，可正确地掌握电动机的驱动状态，能够进行适当的电动机驱动控制。

另外，控制逻辑36根据感应电压的数字数据进行判定。例如，优选通过三个点的检测值的比较，进行上述的波形的判定。其中，反冲的大小随着线圈电流的大小等而不同。所以，为了尽量排除反冲的影响来检测感应电压波形，优选在检测期间的后半部分进行实际的检测。例如，将检测期间分割为八个期间，在6/8、7/8、8/8的定时下进行检测。另外，8/8时，由于是0V，因此也能够检测失步。

[过零的推测]

如上所述，在本实施方式中，感应电压波形基本上是单调增加，并且按照过零点位于检测期间的4/8的定时之前的方式设定目标位置。所以，在感应电压波形单调增加的情况下，优选根据6/8、8/8的检测值求出斜率，并推测过零，比较该过零和目标相位，根据推测出的过零点相对于作为目标的过零点位于什么位置处来控制驱动电流的增减。另外，这样的波形的检测是在驱动电流调整电路30的控制逻辑36中进行的，根据控制逻辑36的输出，控制输出控制电路12。

图7表示过零点的推测的状态。例如，针对反冲之后的单调增加状态的感应电压波形，检测两个点。在两点间的时间为ΔT、两点间的感应电压之差为ΔV的情况下，用ΔV/ΔT来表示感应电压波形的斜率。例如，若检测将上述的检测期间分为八等份时的6/8、8/8时刻下的感应电压，则ΔT是检测期间的1/4的期间，设ΔV×4＝0，若8/8时刻下的感应电压为0，则推测0/8的时刻是过零点。

由此，通过对感应电压检测所设定的时间间隔ΔT的两个点的感应电压，能够推测过零点。并且，优选根据电动机的负载变动等，进行针对电动机驱动电流的余量的设定，从而设定针对过零点的目标，按照过零点接近目标相位的方式进行控制。

与目标相位相比，若推测出的过零点滞后，则增加电流量，若推测出的过零点超前，则减少电流量。在与目标相位的差较大的情况下，也可以变更增加、减少的单位量，而且与目标相位的差在规定的范围内的情况下，也可以不进行增减。

进而，单位量的变更可以不是变更一次的变更量，而也可以变更频率。即，针对一次检测，若进行两次一个单位量的变更，则增益加倍。

特别是，在电流量呈不足趋势的情况下，由于存在失步的危险，因此需要在早期恢复电流量。所以，优选增大增益。例如，相对于针对驱动电流的控制范围而言，将单位量(一步)设定为1/256，并进行通常电角度的一周期一次的控制(一个单位量的变更)，在失步附近进行四次控制(四个单位量的变更)。在本实施方式中，由于在电动机的一个周期(电角度360度)内进行四次检测，因此能够在每次该检测中进行控制，从而进行四次控制。另外，在仅进行一次变更的情况下，优选仅在四次判定结果中得出四次都是相同的判定结果时，进行增减控制。

并且，也可以根据电动机的特性或驱动电压的大小等来变更控制。所以，优选能够变更控制增益(单位量)。

此外，有时会因电动机的特性而反冲的幅度变大，因此不能进行感应电压的波形检测。在这样的不能进行感应电压波形的检测的情况下，优选不进行驱动电流的调整控制，而是以最大的电流进行驱动。

进而，在电动机的负载变动少的系统中应用的情况下，能够将进行感应电压的检测的端子仅设为OUT1。由此，能够减少开关32的数量，并且能够减小驱动器100。

(效果)

根据本实施方式，能够进行电动机的高效运转。因此，可减少消耗功率来进行有效的电动机驱动。此外，由于是稳定的驱动，因此能够抑制振动、噪声的产生。并且通过高效运转，还可以获得能够抑制发热且能够简化冷却机构等的效果。

此外，检测感应电压时，不需要求出差分，通过直接向ADC34输入电压就能够检测波形。因此，可省略运算放大器，能够实现电路的简单化。

另外，该高效控制是在如连续进行旋转动作这样的通常运转时最有效的控制，启动等时优选最大电流下的驱动或其他的控制。也可以仅在转速为规定以上时进行该控制。

Claims (10)

1.一种驱动器电路，是包括两个线圈且使向该两个线圈供给的电流的相位不相同从而旋转由线圈驱动的转子的步进电机的驱动器电路，该驱动器电路的特征在于，

针对所述线圈，将一端连接在恒定电压上、另一端设为高阻抗状态，并将在该线圈中产生的感应电压作为相对于所述恒定电压的电压来检测，并且根据检测出的感应电压的状态，控制提供给所述线圈的电动机驱动电流的大小。

2.根据权利要求1所述的驱动器电路，其特征在于，

对将所述线圈的一端连接于地而在另一端获得的感应电压直接进行A/D转换。

3.根据权利要求1所述的驱动器电路，其特征在于，

通过切换驱动电压的施加方向，从而以规定的周期变更所述两个线圈的驱动电流的方向，并在切换该驱动电压的施加方向时，进行所述感应电压的检测。

4.根据权利要求1～3的任一项所述的驱动器电路，其特征在于，

设置多个感应电压的检测值来检测感应电压的波形，并根据检测出的波形，控制提供给两个线圈的电动机驱动电流的大小。

5.根据权利要求1～3的任一项所述的驱动器电路，其特征在于，

设置多个感应电压的检测值来检测感应电压的斜率，并基于检测出的斜率推测过零点，并且根据推测出的过零点的相位，控制提供给两个线圈的电动机驱动电流的大小。

6.一种驱动器电路，是包括两个线圈且使向该两个线圈供给的电流的相位不相同从而旋转由线圈驱动的转子的步进电机的驱动器电路，该驱动器电路的特征在于，

检测所述两个线圈的驱动电流成为0的相位下所产生的感应电压的波形，并根据检测出的波形的类型判定供给电流的适当与否，并且根据判定结果，控制提供给所述线圈的电动机驱动电流的大小。

7.根据权利要求6所述的驱动器电路，其特征在于，

所述感应电压波形是根据至少三个点的电压值来决定的，

在反冲波形之后感应电压波形单调增加的情况下，判定适当或者电动机驱动电流不足，

在反冲波形之后感应电压波形单调增加后再减少的情况下，判定电动机驱动电流过剩。

8.根据权利要求6或7所述的驱动器电路，其特征在于，

在感应电压波形单调增加的情况下，基于感应电压波形，推测感应电压波形的过零点，并根据推测出的过零点的相位，控制提供给两个线圈的电动机驱动电流的大小。

9.一种驱动器电路，是包括两个线圈且使向该两个线圈供给的电流的相位不相同从而旋转由线圈驱动的转子的步进电机的驱动器电路，该驱动器电路的特征在于，

检测所述两个线圈的驱动电流成为0的相位下所产生的感应电压的斜率，

根据检测出的斜率推测感应电压波形的过零点，并根据推测出的过零点的相位，控制提供给两个线圈的电动机驱动电流的大小。

10.根据权利要求9所述的驱动器电路，其特征在于，

在将所述线圈设为高阻抗状态时所产生的感应电压的反冲波形之后，在单调增加的位置上检测所述感应电压的斜率。

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