CN1020565C - 笔控电路 - Google Patents

Abstract

一种笔控电路包括：控制驱动线圈驱动力的电流控制电路；供给电流控制电路反馈信号的反馈电路；仅当笔位相对于纸面高出预定位置时才提取笔位检测信号的限幅器；选择限幅器的输出作为开始落笔期间电流控制电路的驱动电流设定值和在限幅器输出无用后选择笔压设定信号作为驱动电流设定值的选择器；电流设定电路在抬笔方式中给电流控制电路提供预定驱动电流设定值的电流设定电路；和当笔上移到预定位置时限制驱动线圈输入电流的限制器。

Description

本发明涉及一种笔控电路，该笔控电路在驱动线圈中的电流控制下，使诸如X-Y标绘器或绘图机类绘图设备中的标绘笔起落移动。

在诸如X-Y标绘器这类通用绘图设备中，利用插棒式螺管线圈的作用使笔夹向下移动（落笔），标绘笔便与记录纸面接触，然后利用回动弹簧的反弹力，使标绘笔提起到抬笔位置。这种系统的控制操作较为简单，但笔尖与记录纸的接触却增加了冲力，也增大了冲击声。此外，这种落笔方式难以获得最佳的笔压。再者，插棒式螺管线圈的旋转铁芯和固定铁芯中常留有剩磁场，从而笔的响应速度随时间而变慢。另一种通用的X-Y标绘器使用类似气动阻尼器的冲击阻尼方法。然而，气动阻尼器也会降低响应速度。

为了解决上述问题，本发明的同一申请者曾经提出过一种通用的笔控电路。如图1到3所示，该电路用来电控加到笔驱动线圈中的电流（日本专利公布号NO    60-83134和58-182469）。参见图1，笔架座1包括一个滑动组件1A，1A能沿导轴2按Y方向来回滑动，一个笔架组件1B，1B能夹持着笔4沿活动轴3按Z方向 （抬笔和落笔方向）来回移动。驱动线圈5、速度检测线圈6和位置检测器（例如霍尔元件）7安装在笔夹组件1B内。一对永久磁铁板8A和8B沿图1的A-A线彼此相对地安装在笔架座1上，如剖面图（图2）所示。驱动线圈5、速度检测线圈6和位置检测器7安装在一对永久磁铁板8A和8B限定的间隔内。笔夹φ1B沿笔的起落方向，根据加给驱动线圈5的电流的极性垂直运动，并根据该电流的大小而控制笔夹1B的驱动力。与笔的抬起或落下的动作速度成正比的电压由速度检测线圈6检测。永久磁铁8A和8B的磁场沿Z方向的变化，用位置检测器7检测位置信号。标号9表示用于抬笔动作的回动弹簧，1C为限定笔上升位置的止挡，标号10表示记录纸。

在如图3所示的笔控电路中，使从电流检测器12和速度检测线圈6来的检测信号在加法器13中相加后得出的总信号通过相补偿器14的输出反馈到电流控制电路11，选择器16选择从位置检测器7输出的位置检测信号或由笔压设定器15输出的设定值作为驱动电流的设定值，当由抬/落笔信号发生器17输出的控制信号代表落笔方式时，反馈控制动作响应从选择器16输出的驱动电流设定值，但是当该控制信号代表抬笔方式时，反馈控制则响应一个预定的驱动电流设定值而动作。

如图4所示，在落笔方式中，选择器16选择从位置检测器7来的笔位置信号VA，一直进行到笔从抬笔位置PA落到接近记录纸 并达到位置PB为止。该笔位置信号VA用作驱动电流设定值。而在笔落到接近记录低时，也即经过位置PB时，选择器16即选择从笔压设定器15来的笔压设定信号VB。在这种情况下，该笔压设定信号VB用作驱动电流设定值。相补偿器14用作延时元件，由于相补偿器14的动作，该信号VA在起始驱动期间具有极大的幅值并且具有无反馈分量（相延迟）的相当大的驱动电流，由此便提高了落笔速度。当笔尖接近位置PB时，信号VA的幅值降低，同时，速度检测信号的阻尼效应上升，从而使笔尖在笔与记录纸面开始接触时产生的冲力减弱。

在抬笔方式中，根据从抬笔/落笔控制信号发生器17来的抬笔指令，对电流控制电路11施加与落笔方式中极性相反的预定驱动电流设定值，于是，响应配合着由回动弹簧9产生的反弹力的抬笔电流，笔便被向上抬起。

在如上所述的通用的笔控电路中，为了获得相应于一种具体型式的笔4（例如自来水笔，毡头笔或圆球自来水笔）的最佳笔压，笔压设定值VB须在较宽的范围内改变。假定设定值VB被设定在低值VBL或高值VBH上，如图4中长短破折线所示，当控制电路相应部分的常数和增益是按照设定值VB的要求而设定获得合适的响应速度和较小的冲力时，则相应于高值VBH，驱动电流设定值便在笔尖还没落到与记录纸面足够接近的位置时被连续地施加，于是追随速度检测的制动效应便被降低，以致增大了冲力，然而，当驱动 电流设定值是在相应于位置信号VA的低值VBL时，速度检测的制动效应便造成笔在到达十分接近记录纸面的过程中移动过慢，从而降低了响应速度。

除关于按照不同型式的笔所设定的笔压问题之外，通用控制电路采用预定的驱动电流配合着回动弹簧的反弹力的方法而实现抬笔动作，因此由于回动弹簧性能的变化而造成抬笔方式中的变化。而且，即使降低追随速度检测的制动效应和增大位置检测信号的增益，也致在落笔方式中减小冲力和提高响应速度，在抬笔方式中的制动控制也无法进行。再者，根据所述装置的位置控制特性，因为时常是在抬笔位置施加较大的电流，因此笔尖可能就会具有较强的冲力，不但会产生较强的冲击声，而且墨水还可能从笔头上滴出。

因此，本发明的主要目的便是提供一种笔控电路，其中笔压设定范围在高响应速度下增大，同时落笔冲力被减小。

本发明的另一目的为提供一种这样的笔控电路，其中，抬笔冲力能被减小，而响应速度则被提高。

为了达到本发明的上述目的，所设置的一个笔控电路包括有：一个电流控制电路，它根据加到驱动线圈中电流的极性而用于驱动笔相对于记录纸面向上或向下的运动，并且根据加到该驱动线圈电流的大小而控制该驱动力;一个反馈电路，它与电流控制电路的第一输入端和其一个输出端相接，用作将笔速检测信号和从驱动线圈来的电流检测信号相加以及给电流控制电路提供反馈信号;一个限 幅器，它的一个输出连接于电流控制电路的第二输入端，它的一个输入则接于笔位检测器，用于仅当笔位相对记录纸面高出预定高度时来提取笔位控制信号;以及一个选择器，其输入分别接于笔压设定信号和限幅器，而其输出连接于电流控制电路的第三个输入端，该选择器用于：第一，选择从限幅器来的输出，作为在开始落笔期间电流控制电路的驱动电流设定值;第二，选择笔压设定信号，作为在从限幅器来的输出无用之后的驱动电流设定值。

所设置的一个笔控电路包括有：一个电流控制电路，用于根据加到驱动线圈中电流的极性而驱动一支笔相对于记录纸面向上或向下运动，并根据加到该驱动线圈电流的大小而控制该驱动力;一个反馈电路，它与电流控制电路的第一输入端和其一个输出端相接，用于将笔速检测信号和从驱动线圈来的电流检测信号相加以及给电流控制电路提供反馈信号;一个电流设定电路，用于在抬笔方式中给电流控制电路提供一预定的驱动电流设定值;以及一个限定器，用于当笔向上移动到预定位置时，根据笔位检测信号，限制提供给驱动线圈的电流。

图1为通用笔架的部分侧视图;

图2为沿剖面A-A′视入的图1笔架主要部分的侧视图;

图3为通用笔控制电路的方框图;

图4为阐明在图3的常规笔控电路中如何选择驱动电流设定值的曲线;

图5为根据本发明的一个实施例所绘的笔控电路图;

图6为阐明如何选择图5电路中驱动电流整定值而用的曲线;

图7为显示落笔方式特性的曲线。

图5为根据本发明的一个实施例所绘的笔控电路图。图5中的相同标号所指示的部位与图3相同。抬笔/落笔信号发生器17在抬笔方式下产生一个正极性电压，而在落笔方式下则产生一个参考电压（即零电压），并由此发出抬笔及落笔指令。在反馈电路中，加法器13将由笔速检测线圈6送来的笔速检测信号与由电流检测器12送来的电流检测信号相加，用来检测加到驱动线圈5的电流。反馈电路通过相补偿器14将总信号反馈到电流控制电路11上。电位置检测器7来的检测信号通过缓冲放大器18后，被提取作为位置检测信号VA。位置检测信号VA在通过一个限幅器19后，将作为选择器16的一个输入Va。当位置信号VA的电平超过预定电平值时，亦即只是当笔4相对于记录纸面10设定得比预定位置高时，用限幅器19来提取位置检测信号VA。限幅器19用齐纳二极管构成。选择器16在从笔压设定器15来的笔压设定信号VB及从限幅器19来的输出Va之间，选择其中较高的电平。这个较高的电平信号作为落笔驱动电流的设定值被加到电流控制电路11上。选择器16是由一个齐纳二极管和一个二极管所组成。电流控制电路11包括差分放大器11₁、电流控制放大器11₂和功率放大器11₄;其中，差分放大器11₁用来接收由抬笔/落笔控制信号发生器17及选择器16 来的输出并将其差值进行放大，电流控制放大器11₂用来接收差分放大器11₁的输出和相补偿器14的输出。并将其差值进行放大，功率放大器11₄则在电流控制放大器11₂的输出经过保护电阻器11₃后对该输出进行接收并加以放大。功率放大器11₄的输出将作为抬笔/落笔驱动电流而加到驱动线圈5上。差分放大器11₁用作为抬笔、落笔方式下驱动电流设定值的转换电路。更具体地说，由于抬笔/落笔控制信号发生器17的输出用作落笔方式下的参考电压，所以选择器16的输出被以预定的增益放大。但是，在抬笔方式下，抬笔/落笔控制信号发生器17的输出用作为正极性电压Vc，在这种情况下，当电压Vc的电平较选择器16的输出电平足够高时，选择器16的输出将处于差分放大器11₁的饱和电平的复盖下或等于一个预定的极限值。在落笔方式下，差分放大器11₁产生一个与选择器16的输出相对应的正极性输出，而在抬笔方式下，则产生一个预定电平值的负极性输出。电流控制放大器11₂接收差分放大器11₁的输出作为驱动电流设定值，并对此输出与相补偿器14所输出的反馈信号之间的差值进行计算。

限制器20设置在功率放大器11₄的输入端及缓冲放大器18的输出端之间。当电流控制放大器11₂的输出具有负极性时（即在抬笔方式下），限制器20根据位置检测信号VA的电平值便对输出加以限制，从而限制了加到驱动线圈5的电流。限制器20是由一个齐纳二极管及一个正向偏置二极管的串联电路所组成。

现参考图6及图7阐述按上述接线的控制电路的动作。

在抬笔方式下，当抬笔/落笔控制信号发生器17产生一个落笔指令（参考电压）时，差分放大器11₁将选择器16的输出（即驱动电流设定值）提供给电流控制放大器11₂。该电流设定值是这样取得的，即由位置检测器7送来的位置检测信号VA由限幅器19加以限幅，并且由限制器19送出的电压Va又被差分放大器11₁加以放大，这样一来，电流被送到驱动线圈5从而使笔向记录纸面作落笔移动。

当落笔操作响应加到驱动线圈5的电流而起动时，位置检测信号VA下降。当信号VA的电平降低到限幅器19的限幅电平时，从限幅电平19来的输出电压Va被置于零。选择器16根据笔压设定器15所产生的设定值VB而产生一个驱动电流设定值。

在抬笔位置PA及与限幅器19的限幅电平相对应的位置PB之间有一定距离时，落笔驱动电流设定值相当于快速落笔操作，这时具有一个大电流。此后，笔压设定值VB（作为一个非线性的、阶梯式设定值）被用作在位置PB及位置PC之间一段距离的落笔驱动电流的设定值，因此取得反馈控制，其中所述位置PC是笔尖开始与记录纸面相接触处。在这种情况中，当相补偿器14的相滞被设定在基本上与将笔由位置PA移动至位置PB所需要的时间相匹配时，则因为电流控制电路11开环而导致高效益，故落笔驱动电流将是很大的。针对位置PB及位置PC之间的距离，相当于笔压设定值 VB的低电平电流被设定出来。然后，笔速检测信号的制动动作以及电流检测信号的反馈导致慢速的落笔操作。

在位置PA及位置PB之间，在从时间t0至时间t1的短时间间隔内，落笔特性曲线是陡的，如图7所示。但是，在位置PB及位置PC之间，在从时间t1至时间t2的比较长的时间间隔内，落笔特性曲线则是平缓的。图7中长短破折线所表示的落笔特性曲线则代表通用的控制电路的落笔特性曲线。正如从本实施例的落笔特性曲线及通用的落笔特性曲线的对比中所明显看出的那样，落笔操作的响应时间能被缩短而笔尖将能缓慢地与记录纸面10相接触，从而用本实施例的笔控电路能减小笔尖的冲力。当笔压设定电路根据笔的型式而改变时，相应于制动时间t1至t2之间的时间间隔能被设得相当长，结果，笔尖冲力及响应时间都不会增大。

在落笔方式中，当抬笔/落笔控制信号发生器17产生一个抬笔指令（即电压Vc）时，差分放大器11₁产生一个具有一定电平的负极性电流作为驱动电流设定值。对驱动线圈5的电流的控制即按此设定值进行。在初始抬笔操作时，位置检测信号VA的大小基本上是零，而由于相补偿器14的延时作用，反馈信号实际上也是零值。这样一来，笔将在大电流作用下迅速抬起，随着笔的抬起，笔位检测信号VA的电平将升高，然后，笔速检测信号及电流检测信号都引起制动作用。更具体地说，当由于位置检测信号VA的增大导致信号VA及电流控制放大器11₂的输出之间的差值超过限制器20的 限值时，电流控制电路11₂的输出将逐渐受到限制。当笔趋近位置PA时，由于信号VA的增大，此限值将降低，于是驱动电流便逐渐减小。这样一来，在抬笔方式的初始时期中，大驱动电流将确保很高的响应速度而勿须依赖于回动弹簧的反弹力。当笔趋近于抬笔位置PA时，除了笔速检测信号所引起的常规制动外，驱动力还受到位置检测信号的限制，因而笔对止档1C或类似物的冲碰力被减弱。

如上所述，根据本发明，利用驱动线圈响应笔位信号的落笔电流的设定值，对在抬笔位置及与限幅电平相对应的位置之间的距离上，供给驱动线圈一个大电流。然后，驱动电流被切换到一个按非线性，阶梯式函数形式变化的低电平电流，由此，提高响应位置信号的落笔增益以提高响应速度。再者，由笔压设定信号以及笔速信号所规定的制动区也得以增大。在此情况下，笔压设定值范围增大的同时，笔及记录纸面之间的冲碰力以及由此而引起的冲碰声将被减小。

依照本发明，由于设置一个限制器来限制响应抬笔位置信号的驱动线圈电流，抬笔驱动电流设定值以及由此而引起的响应速度都提高了，与此同时，在笔与止动器之间的冲力及其所发出的冲碰声也即被减小。

Claims (11)

1、一种笔控电路，用于控制供给驱动线圈的电流，所述驱动线圈驱动笔使之相对于记录纸面上升或下降，该电路包括：

一个电流控制电路(11)，用于根据供给驱动线圈(5)的电流极性，驱动笔相对于记录纸面上升或下落，并根据供给该驱动线圈(5)的电流大小控制笔的驱动力；

其特征在于，还包括：

一个反馈电路(13、14)，连接于上述电流控制电路(11)的第一输入端和一个输出端，它用于将一个笔速检测信号及一个由上述驱动线圈(5)送来的电流检测信号相叠加，并向上述电流控制电路(11)供给一个反馈信号；

一个限幅器(19)，其输出接至上述电流控制电路(11)的第二输入端，而其一个输入端则与笔位检测器(7)相连接，以便仅在笔的高度高于相对于记录纸面的预定高度时从所述笔位检测器(7)提取笔位检测信号；

一个选择器(16)，其输入端分别接至产生笔压设定信号的装置(15)及上述限幅器(19)，而其输出端则接至上述电流控制电路(11)的第三个输入端，以便于首先选择所述限幅器的一个输出作为在初始落笔过程中该电流控制电路(11)的驱动电流设定值，然后选择笔压设定信号作为在上述限幅器(19)的输出无用以后的驱动电流设定值。

2、按照权利要求1的笔控电路，其中，所述电流控制电路（11）包括：

一个差分放大器（11₁），用于对升笔/落笔控制信号与由所述选择器（16）输出的信号之间的差值进行计算及放大;

一个电流控制放大器（11₂），用于对由上述差分放大器（11₁）的输出信号与来自上述反馈电路（13、14）的反馈信号之间的差值进行计算及放大;以及

一个功率放大器（11₄），用于将由上述电流控制放大器（11₂）输出并通过一个保护电阻器（11₃）的信号放大。

3、按照权利要求2的笔控电路，其中，所述反馈电路（13、14）包括：

一个加法器（13），用于将笔速检测信号及由上述功率放大器（11₄）输出的信号相叠加;以及

一个相补偿器（14），其输入接至上述加法器（13）的输出，而其输出则接至所述电流控制放大器（11₂）的反向输入端，以便向该处供给反馈信号。

4、按照权利要求3的笔控电路，其中上述相补偿器（14）包括一个电阻器，该电阻器的一端接至所述加法器的输出端，而其另一端则接至所述电流控制放大器（11₂）的所述第一反向输入端;以及一个电容器，它的一端至所述电阻器的另一端，而其另一端则接地。

5、按照权利要求4的笔控电路，其中所述限幅器（19）包括一个齐纳二极管，该齐纳二极管的阴极接收笔位检测信号，而其阳极则接至所述选择器（16）。

6、按照权利要求5的笔控电路，其中所述选择器（16）包括一对二极管，这两个二极管的阳极分别接至产生笔压设定信号的装置（15）及所述限幅器（19）的输出端，而它们的阴极则共同地接至所述差分放大器（11₁）的正向输入端。

7、一个笔控电路，包括：

一个电流控制电路（11），根据供给驱动线圈（5）的电流极性驱动笔相对于记录纸面上升或下落，并根据供给上述驱动线圈（5）的电流大小控制其驱动力;

其特征在于：

一个反馈电路（13、14），接于上述电流控制电路（11）的第一输入端和一个输出端，用于将笔速检测信号及由上述驱动线圈（5）送来的电流检测信号相加，并向上述电流控制电路（11）供给一个反馈信号;

一个电流设定电路（17），用于在升笔方式中将一个预定的驱动电流设定值施加给上述电流控制电路（11）;以及

一个限制器（20），用于当笔升高至一预定位置时，按照笔位检测信号来限制加到所述驱动线圈（5）的电流。

8、按照权利要求7的笔控电路，其中，所述电流控制电路（11）包括：

一个差分放大器（11₁），用于对升笔/落笔控制信号与由选择器（16）送来的输出信号之间的差值进行计算及放大;

一个电流控制放大器（11₂），用于对所述差分放大器（11₁）的输出信号与上述反馈电路（13、14）送来的反馈信号之间的差值进行计算及放大;以及

一个功率放大器（11₄），用于将由上述电流控制放大器（11₂）且通过一个保护电阻器（11₃）而送来的输出信号加以放大。

9、按照权利要求8的笔控电路，其中，所述反馈电路（13、14）包括：

一个加法器（13），用于将笔速检测信号及由上述功率放大器（11₄）送来的一个输出信号进行叠加;以及

一个相补偿器（14），它的一个输入端接至所述加法器（13）的一个输出端，而它的输出端则接至上述电流控制放大器（11₂）的一个反向输入端，以便向该处供给反馈信号。

10、按照权利要求9的笔控电路，其中，所述电流设定电路（17）包括：

一个电源，它的负端接地;以及

一个开关，其第一动触头接至上述电源的正端，其第二动触头接地，而其静触头则接至上述电流控制电路（11）中的上述差分放大器（11₁）的反向输入端。

11、按照权利要求10的笔控电路，其中，所述限制器包括：

一个二极管，它的阴极接至所述功率放大器（11₄）的一个输入端;以及

一个齐纳二极管，它的阳极接至上述二极管的阳极，而其阴极则接至笔位检测器（7）。

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