CN103166553B - 步进电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种步进电机控制方法，用于控制仪表板中的步进电机。步进电机控制方法依序包括以下步骤：使步进电机以全转矩模式往仪表板的原点旋转第一角度；使步进电机以第一转矩模式往原点旋转第二角度，其中第一转矩模式为由全转矩模式衰减第一衰减量，第一衰减量为步进电机仍得以继续旋转的最小衰减量；以及使步进电机以第二转矩模式往原点旋转第三角度，其中第二转矩模式为由第一转矩模式衰减第二衰减量，第二衰减量为所述步进电机仍得以继续旋转的最小衰减量。本发明可以避免指针撞击挡针的力道太大而造成归零失败及大指针在电源切断时由于指针反转所造成的归零失败，并在不增加成本的状况下使得指针顺畅地运转。

Description

步进电机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，更具体地说，涉及一种步进电机的控制方法。

背景技术

近年来由于工商业发达、社会进步，相对提供的产品也主要以便利、确实、经济实惠为目标，因此，当前开发的产品也比以往更加进步，而得以贡献社会。用于仪表板的步进电机(stepping motor)近年来为了降低成本，业界逐渐趋向采用无位置感测器(position sensor feedback)的设计，这种设计在控制上称为开环控制(open loop control)。

然而，在断电后重新启动时，开环控制下的步进电机控制器会失去转子(rotor)的角度信息，导致控制器无法对步进电机进行正确的位置控制。对此，一般的作法是将步进电机旋转回原点，使得控制器获取步进电机位于原点时的信息。具体地说，仪表板会在原点的位置设置一个机械挡针(stop)机构，让仪表板指针(needle)撞击机械挡针机构，进而确认指针的位置位于起点，上述作法称之为归零。

采用归零的作法存在一些缺点，例如指针在撞击机械挡针机构时，往往会产生噪音与震动，而影响使用者的观感，严重时，还有可能造成指针跳离挡针位置导致归零失败，而使仪表板无法显示当前信息，影响了使用者的安全。对此，现有技术提出了若干解决办法，详述如下。

请参阅图1，图1为现有技术中一种应用于仪表板归零的局部电源切断法原理示意图。如图1所示，美国专利号第7701163号与美国专利公开号第20090091288号均采用局部电源切断法让仪表板指针动力瞬间消失，进而减缓指针撞击挡针时的冲击力道，除了可减少噪音外，还可避免指针跳离挡针位置。

然而，采用这种方式会导致指针运转不顺畅，对使用者来说会看到指针不停地抖动，而影响使用者的观感。此外，对使用大指针的仪表板而言，在电源切断时可能会造成指针反转，进而导致归零失败。

图2为依照现有技术中一种应用于仪表板归零程序的指针运行轨迹示意图，该现有技术(美国专利号为NO.7145309)采用的方法是先将指针反向旋转远离原点；接着，当指针反转足够距离后，将指针以预期的速度往原点旋转，并同时降低电机的转矩(Torque)。当指针撞击到挡针时，再将转矩二次降低。如此一来，即不需靠局部断电的方式来减少撞击挡针的噪音。因此，在指针归零的过程中，运转较为顺畅。

然而，该方法需要精准的电机特性参数(pull-in/pull out)以及指针的旋转惯量等参数匹配，控制程序开发成本较高。

由此可见，上述方法显然仍存在不便与缺陷，有待进一步改进。为了解决上述问题，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的方式被发展完成。因此，如何能避免大指针在电源切断时由于指针反转所造成的归零失败，以及如何在不增加成本的状况下使得指针在归零程序中顺畅地运转，实为目前业界需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种步进电机控制方法，以避免大指针在电源切断时由于指针反转所造成的归零失败，以及在不增加成本的状况下使得指针在归零程序中顺畅地运转。

为实现上述目的，本发明的步进电机控制方法，用于控制仪表板中的步进电机，包括以下步骤：使所述步进电机以全转矩模式往所述仪表板的原点旋转第一角度；使所述步进电机以第一转矩模式往所述原点旋转第二角度，其中所述第一转矩模式为由所述全转矩模式衰减第一衰减量，所述第一衰减量为所述步进电机仍得以继续旋转的最小衰减量；以及使所述步进电机以第二转矩模式往所述原点旋转第三角度，其中所述第二转矩模式为由所述第一转矩模式衰减第二衰减量，所述第二衰减量为所述步进电机仍得以继续旋转的最小衰减量。

根据本发明上述步进电机控制方法的一种优选方案，使步进电机由全转矩模式衰减至第一转矩模式的步骤，具体包括：根据将提供给该步进电机的电流的振幅来衰减该第一衰减量。

根据本发明上述步进电机控制方法的一种优选方案，使步进电机由第一转矩模式衰减至第二转矩模式的步骤，具体包括：根据将提供给该步进电机的电流的振幅来衰减该第二衰减量。

根据本发明上述步进电机控制方法的一种优选方案，第一角度小于机械周期。

根据本发明上述步进电机控制方法的一种优选方案，第一角度小于40度机械角。

根据本发明的进一步改进，步进电机用于旋转仪表板的指针，第一衰减量根据指针的重量、步进电机的转速以及指针与原点所夹角度来决定。

根据本发明的进一步改进，第二衰减量根据指针的重量、步进电机的转速以及指针与该原点所夹角度来决定。

根据本发明的进一步改进，步进电机在旋转第一角度、第二角度与第三角度时，均使用相同的速度旋转。

根据本发明的进一步改进，步进电机在微步进模式下运行。

本发明提供的步进电机控制方法，能够避免指针撞击挡针的力道太大而造成归零程序失败，并能避免大指针在电源切断时由于指针反转所造成的归零失败，还可以在不增加成本的状况下使得指针在归零程序中顺畅地运转。

附图说明

图1为现有技术的一种应用于仪表板归零的局部电源切断法原理示意图；

图2为现有技术的一种应用于仪表板归零程序的指针运行轨迹示意图；

图3为根据本发明一个实施例的步进电机转矩模式示意图；

图4为根据本发明一个实施例的一种步进电机控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明内容的叙述更加详尽与完备，可参照附图及以下所述各种实施例，图式中相同的号码代表相同或相似的元件。附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。

所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构运作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，均为本发明所涵盖的范围。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。

图3为根据本发明一实施例的步进电机转矩模式示意图。图4为根据本发明一实施例的一种步进电机控制方法的流程图。

在此需先说明的是，仪表板会在原点的位置设置一个机械挡针机构，让仪表板指针撞击机械挡针机构，进而确认指针的位置位于起点来完成归零。为利用使步进电机的转矩逐步降低的方式，本发明的步进电机控制方法将步进电机所控制的仪表板指针在执行归零程序时的撞击力道衰减。如此一来，即可避免步进电机所控制的指针失步弹跳而造成归零失败，从而可应用于仪表板失效重新启动时使指针以平顺的速度进行归零的程序。

请同时参照图3与图4，本发明提供的一种步进电机控制方法，用于控制仪表板中的步进电机，具体包括：

首先，当归零程序启动时，使步进电机以全转矩模式往仪表板的原点旋转第一角度(θ1)(步骤410)。

在步骤410中，假设仪表板的指针在仪表板失效重新启动时的初始位置是在OA处，此时，为确保仪表板在使用中的安全，需要尽快进行归零程序。因此，使步进电机以全转矩模式往仪表板的原点旋转第一角度，而后，仪表板的指针位于OB处。

在本发明的实施例中，第一角度可小于一个机械周期，如此一来，当仪表板的指针撞击到挡针时，仪表板的指针就不会往上弹跳超过一个机械周期，进而确保归零程序不会失败。

举例而言，当仪表板中的步进电机采用磁直驱式二相步进电机时，磁直驱式二相步进电机的一个机械周期为40度机械角。因此，在本实施例中，第一角度可小于40度机械角。

接着，使步进电机以第一转矩模式往原点旋转第二角度(θ2)(步骤420)。

如步骤420所示，将步进电机的转矩进行第一次衰减，即将步进电机由全转矩模式衰减第一衰减量，使得步进电机运行于第一转矩模式下。第一转矩模式为仪表板的指针位于OB处时，步进电机依然具有能够推动仪表板的指针继续旋转的转矩。相对地，第一衰减量(衰减程度)为仪表板的指针位于OB处时使步进电机仍得以继续旋转的最小衰减量。

在操作中，使步进电机由全转矩模式衰减至第一转矩模式的步骤，具体为：根据将提供给该步进电机的电流的振幅来衰减该第一衰减量。

详细而言，本发明实施例可针对不同的仪表板的步进电机进行参数的设定，在OB处第一转矩模式下的参数设定方式为，将提供给步进电机的电流的振幅由使得步进电机运作在全转矩模式下的电流振幅起逐步降低，直至测试到步进电机仍得以继续旋转的点。此时电流的振幅可使步进电机运行在第一转矩模式下，而由全转矩模式下的电流振幅衰减至第一转矩模式下的电流振幅的衰减量，即为第一衰减量。

进一步来说，第一衰减量可根据以下几个因素来决定：指针的重量、步进电机的转速以及指针与原点所夹角度等。举例而言，当指针位于OB处，若指针的重量较大，则步进电机不易旋转，此时会导致第一衰减量较小，反之会导致第一衰减量较大。

其余因素也会导致第一衰减量的改变，从而，本发明可综合以上因素制作一个衰减量对照表，当测得指针于OB处时会影响第一衰减量的因素，即可由衰减量对照表来获得第一衰减量。

再来，使步进马达以第二转矩模式往原点旋转第三角度(θ3)(步骤430)。

在步骤430中，将步进电机的转矩进行第二次衰减，即将步进电机由第一转矩模式衰减第二衰减量，使得步进电机运行在第二转矩模式下。第二转矩模式为仪表板的指针位于OC处时，步进电机依然具有能够推动仪表板的指针继续旋转的转矩。相对而言，第二衰减量(衰减程度)为仪表板的指针位于OC处时，使步进电机仍得以继续旋转的最小衰减量。

在操作中，使步进电机由第一转矩模式衰减至第二转矩模式的步骤，具体为：根据将提供给该步进电机的电流的振幅来衰减该第二衰减量。

具体地，本发明实施例可针对不同的仪表板的步进电机进行参数的设定，在OC处第二转矩模式下的参数设定方式为，将提供给步进电机的电流的振幅由使得步进电机运行在第一转矩模式下的电流振幅起逐步降低，直至测试到步进电机仍得以继续旋转的点。此时电流的振幅可使步进电机运行在第二转矩模式下，而由第一转矩模式下的电流振幅衰减至第二转矩模式下的电流振幅的衰减量，即为第一衰减量。

同样地，第二衰减量可根据以下几个因素来决定：指针的重量、步进电机的转速以及指针与原点所夹角度等。从而，可综合以上因素再制作一个衰减量对照表，当测得指针于OC处时会影响第二衰减量的因素，即可由衰减量对照表来获得第二衰减量。

另一方面，由本发明的步进电机控制方法所控制的步进电机可运行在微步进模式下。如此一来，不仅可使本发明实施例中的步进电机控制方法更加精确，也可扩大本发明步进电机控制方法的应用范围。

如上所述的步进电机控制方法均可由软件、硬件与/或固件来执行。举例来说，若以执行速度及精确性为首要考虑的目标，则基本上可选用硬件与/或固件为主；若以设计弹性为首要考虑目标，则基本上可选用软件实现为主；或者，可同时采用软件、硬件及固件协同工作。

所属技术领域的技术人员应当明白，以上所举的这些例子并没有优劣之分，也并非用以限制本发明，所属技术领域的技术人员可根据本发明的思想作出一定程度的弹性设计，均属于本发明保护的范围。

再者，所属技术领域的技术人员应当明白，步进电机控制方法中的各步骤依其执行的功能予以命名，仅是为了让本发明的技术更加明显易懂，并非用以限定步骤。将各步骤整合成同一步骤或分拆成多个步骤，或者将任一步骤更换到另一步骤中执行，均属于本发明保护的范围。

由上述本发明的实施方式可知，本发明提供的一种步进电机控制方法，可以避免指针撞击挡针的力道太大而造成归零程序失败，并能避免大指针在电源切断时由于指针反转所造成的归零失败，此外还可在不增加成本的状况下使得指针在归零程序中顺畅地运转。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种步进电机控制方法，用于控制仪表板中的步进电机，包括以下步骤：

使所述步进电机以全转矩模式往所述仪表板的原点旋转第一角度；

使所述步进电机以第一转矩模式往所述原点旋转第二角度，所述步进电机在旋转所述第一角度、所述第二角度时，均使用相同的速度旋转，其中所述第一转矩模式为由所述全转矩模式衰减第一衰减量，所述第一衰减量为所述步进电机仍得以继续旋转的最小衰减量；以及

使所述步进电机以第二转矩模式往所述原点旋转第三角度，其中所述第二转矩模式为由所述第一转矩模式衰减第二衰减量，所述第二衰减量为所述步进电机仍得以继续旋转的最小衰减量。

2.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于，使所述步进电机由所述全转矩模式衰减至所述第一转矩模式的步骤，具体包括：根据将提供给所述步进电机的电流的振幅来衰减所述第一衰减量。

3.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于，使所述步进电机由所述第一转矩模式衰减至所述第二转矩模式的步骤，具体包括：根据将提供给所述步进电机的电流的振幅来衰减所述第二衰减量。

4.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述第一角度小于一个机械周期。

5.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述第一角度小于40度机械角。

6.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述步进电机用于旋转仪表板的指针，所述第一衰减量根据所述指针的重量、所述步进电机的转速以及所述指针与所述原点所夹的角度来决定。

7.如权利要求6所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述第二衰减量根据所述指针的重量、所述步进电机的转速以及所述指针与所述原点所夹的角度来决定。

8.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述步进电机在旋转所述第一角度、所述第二角度与所述第三角度时，均使用相同的速度旋转。

9.如权利要求1所述的步进电机控制方法，其特征在于，所述步进电机运行在微步进模式下。