CN1246957C - 一种校正步进马达的控制方法及其相关装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种步进马达的控制方法，该步进马达连接到一控制电路以及一负载装置。该控制方法包含有使用该控制电路依据一目标位移量与第一对照参数输出一控制信号到该步进马达，使用该步进马达依据该控制信号驱动该负载装置，使用该控制电路依据该负载装置的实际位移量与该目标位移量产生两者的差值，以及使用该控制电路依据该第一对照参数，该差值，以及该实际位移量产生第二对照参数，并使用该第二对照参数更新该第一对照参数。

Description

一种校正步进马达的控制方法及其相关装置

技术领域

本发明提供一种控制步进马达的方法与装置，特别指一种校正步进马达的控制方法及其相关装置。

背景技术

步进马达(stepping motor)由于其控制机构十分简单，因此目前已被广泛地应用于各种控制系统以控制一负载装置的速度，位移，以及方向等。步进马达不含电刷(brush)，其经由定子(stator)上磁极(pole)的磁场不停切换来带动转子(rotor)的旋转，因此步进马达与一般马达的不同之处在于当步进马达输入供电电源时并不会产生周期性的旋转，亦即步进马达是一种接受数字信号控制的电机-机械装置，每当输入一个数字脉冲信号，将会使得步进马达旋转一个固定角度，亦即公知的步进角(stepping angle)。由于步进马达可直接接受数字信号而产生相对应的角度变化，也就是脉冲数目和输出角度成正比，所以只要在可控制的速度范围内，步进马达可以通过开环(open loop)的方式来驱动，因此不必考虑反馈(feedback)而可简单地完成控制操作。此外当步进马达输入供电电源后，即其定子与转子间会产生一保持力(holding torque)，所以当进行马达控制时，就算不输入数字信号，其转子的位置亦可承受一定程度外力而不会产生位移的情形。一般而言，步进马达依转子与定子的结构及动作原理不同而可区分为可变磁阻型(variable reluctance type)，简称VR型，永久磁铁型(permanent magnettype)，简称PM型，以及混合型(hybrid type)，其中由于混合型步进马达同时包含有PM型步进马达与VR型步进马达的优点，因此目前被广为使用。不论是PM型步进马达，VR型步进马达，或混合型步进马达，其均是应用相同的控制结构，此外，由于步进马达的操作原理为本领域所公知，因此其详细结构与相关工作原理不再赘述。请参阅图1，图1为公知步进马达控制系统10的示意图。步进马达控制系统10包含有一用户接口(user interface，UI)12，一控制电路(controller)14，一驱动电路16，一步进马达18，以及一电源装置(power supply)20。用户接口12可设置于一计算机系统或一可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)上，且用户接口12用来输出一高级指令(high-level command)22到控制电路14，例如步进马达控制系统10设置于一光盘驱动器(optical disk drive)中以控制一读写头(pick-up head)进行寻轨(track seeking)的操作，因此用户接口12可直接将所需存取的轨道信息输入控制电路14，而控制电路14可产生控制信号24以控制驱动电路16，例如控制电路14依据所接收的轨道信息而产生相对应脉冲(step pulse)与转向(direction)信号到驱动电路16，而驱动电路16便可依据控制信号24来输出电流26以驱动步进马达18，亦即利用电流26驱动定子的磁极上所环绕的线圈(winding)以产生所需磁场来驱动转子，所以，当用户接口12输出所需轨道信息后，步进马达18即可驱动读写头移动到所需轨道的位置，此外，驱动电路16输出电流26所需功率由电源装置20提供。

一般而言，依据驱动电路16驱动步进马达18所使用的结构(例如全步进运转或半步进运转等)以及步进马达18本身的结构可决定步进马达18的步进角，因此控制电路14可设定一对照参数(index parameter)来决定步进马达18所带动的负载装置与控制信号24之间的关系。举例来说，对于应用于光盘驱动器的步进马达控制系统而言，控制电路14包含有一对照参数idxtrk，其代表输出到驱动电路16的脉冲数idx与读写头横越的轨道数trk之间的比例关系，亦即idxtrk＝idx/trk。因此，若读写头需由目前轨道k移动到轨道k+m，则经由该对照函数idxtrk即可得知所需脉冲数idx为idxtrk*m，因此步进马达18最后便可驱动读写头由轨道k移动到轨道k+m。然而，步进马达18当工作时，其步进角可能因为本身电路结构等因素而产生误差，亦即当进行读写头进行寻轨时会大幅地偏离目标轨道，因此读写头需重复地进行寻轨操作，换句话说，光盘驱动器便因为步进马达18的影响而造成其执行效率不佳。同样地，任何应用步进马达的控制系统均会因为步进马达18的步进角误差而影响相对应负载单元的移动。

发明内容

因此本发明的主要目的在于提供一种校正的步进马达的控制方法及其相关装置，以解决上述问题。

本发明提供一种步进马达(stepping motor)的控制方法，该步进马达连接到一控制电路以及一负载装置。该控制方法包含有使用该控制电路依据一目标位移量与第一对照参数输出一控制信号到该步进马达，使用该步进马达依据该控制信号驱动该负载装置，使用该控制电路依据该负载装置的实际位移量与该目标位移量产生两者的差值，以及使用该控制电路依据该第一对照参数、该差值，以及该实际位移量产生第二对照参数，并使用该第二对照参数更新该第一对照参数。

本发明还提供一种控制步进马达的控制电路，其中该步进马达连接到一控制电路以及一负载装置。该控制电路包含有一控制装置用以根据一目标位移量与第一对照参数输出对应到该目标位移量的一控制信号，一驱动装置用以根据该控制信号驱动该步进马达，并进而驱动该负载装置，一跟踪装置用以跟踪该控制信号所导致的该负载装置的一实际位移量，一计算装置用以在该目标位移量与该实际位移量二者间的一差值大于一阈值时，根据该第一对照参数、该目标位移量与该实际位移量而产生第二对照参数取代该第一对照参数。

与公知技术相比较，本发明通过根据实际位移量与目标位移量的差别来反馈修正控制步进马达移动量用的对照参数，可以通过反馈修正导引步进马达的工作(移动量)，进而有效率地改善公知技术中步进马达所难免的步进角误差。特别是，本发明还提出一些修正方式(修正公式)，可以在确保这个反馈修正程序是收敛而不会发散的，也可以确保这个反馈修正程序不会耗费多少资源。

附图说明

图1为公知步进马达控制系统的示意图。

图2为本发明步进马达控制系统的功能方块示意图。

图3为本发明校正步进马达的控制方法的流程图。

附图符号说明

10、30  步进马达控制系         12  用户接口

        统

14、32  控制电路               16  驱动电路

18、34  步进马达               20  电源装置

36  负载装置                    38  控制装置

40  驱动装置                    42  跟踪装置

44  计算装置

具体实施方式

请参与图2，图2为本发明步进马达控制系统30的功能方块示意图。步进马达控制系统30包含有一控制电路32，一步进马达34，以及一负载装置36。控制电路32用来控制步进马达34的工作以带动相对应的负载装置36。举例来说，若步进马达控制系统30应用于一光盘驱动器上，则负载装置36即为用来存取一光盘的读写头，而若步进马达控制系统30应用于一扫描器(scanner)上，则负载装置36即为用来扫瞄一文件的扫瞄模块。本实施例中，控制电路32包含有一控制装置38，一驱动装置40，一跟踪装置42，以及一计算装置44。控制装置38使用一对照参数来输出控制信号到驱动装置40，然后驱动装置40便依据该控制信号所对应的目标位移量来使步进马达34驱动负载装置36产生一实际位移量。跟踪装置42则用来检测该实际位移量，并回报该实际位移量的信息到计算装置44。最后，计算装置44依据所接收的实际位移量的信息来决定是否调整控制装置38目前所使用的对照参数。

请参阅图3，图3为本发明校正步进马达的控制方法的流程图。本发明校正步进马达的控制方法应用于图2所示的步进马达控制系统30，因此步进马达控制系统30的元件操作不再重复赘述。本发明校正步进马达的控制方法包含有下列步骤。

步骤100：控制装置38依据第一对照参数以及第一位移量计算驱动负载装置36产生该第一位移量所需的第一控制信号；

步骤102：控制装置38输出该第一控制信号以使步进马达34驱动负载装置36产生第二位移量；

步骤104：计算装置44计算该第一位移量与该第二位移量的差值是否大于一阈值？若是，则进行步骤106；否则，进行步骤108；

步骤106：计算装置44计算第二对照参数以取代该第一对照参数，其中该第一控制信号依据该第二对照参数所对应的第三位移量与该第一位移量的差值不大于该阈值；以及

步骤108：控制装置38保持该第一对照参数。

上述步骤的操作原理叙述如下。对于一光盘驱动器而言，当该光盘驱动器上的控制芯片或一计算机主机上所执行的应用编程决定其读写头需由目前所存取的光盘上轨道k位移到轨道k+m以存取轨道k+m，亦即读写头需产生对应m个轨道间距的第一位移量，所以经由控制装置38目前所纪录的第一对照参数idxtrk[K]来计算当步进马达34欲驱动该读写头移动m个轨道(第一位移量)时，控制装置38需使用的脉冲数idx，亦即第一控制信号(步骤100)。然而，如前所述，步进马达34当工作时，其步进角并不一定会对应于理想值，所以当控制装置38应用计算出的第一控制信号来驱动步进马达34时，步进马达34会驱动读写头由轨道k位移到轨道k+n，亦即读写头需产生对应n个轨道间距的第二位移量(步骤102)。请注意，当读写头进行寻轨操作时，其亦会同时读取轨道信息，因此跟踪装置42便可得知当使用该第一控制信号后，读写头实际上产生的第二位移量。于本实施例中，计算装置44会比较该第一位移量与该第二位移量以求出一差值，并依据该差值与一阈值之间的大小以决定是否修正该第一对照参数(步骤104)。请注意，除了步进马达38本身产生的误差会影响读写头的寻轨操作外，仍会有其他因素会干扰读写头的寻轨操作，举例来说，光盘上的轨道并非同心圆，而是以螺旋方式设置于该光盘上，因此对应该光盘的偏心量(disc eccentricity or disk run-out)亦会影响读写头的寻轨操作，由于本实施例校正该光盘驱动器的步进马达34以修正步进角的误差，因此必须排除非关步进马达34的影响因素。此外，步进马达34以开环的方式来驱动读写头进行寻轨操作，亦即若轨道k+n趋近目标轨道k+m，则步进马达34亦可视为完成该寻轨操作，然后，该光盘驱动器便可启动公知闭环(close loop)的锁轨(track locking)操作来控制读写头锁定目标轨道k+m。换句话说，若第一位移量与该第二位移量之间的差值不大于该阈值，表示控制装置38使用第一对照参数可成功地完成读写头的寻轨操作，所以当后续另一寻轨操作执行时，控制装置38仍使用目前的第一对照参数来计算所需控制信号(步骤108)；相反地，若第一位移量与该第二位移量之间的差值大于该阈值则表示除了步进马达34以外的因素(例如光盘的偏心量)造成轨道k+n大幅偏离目标轨道k+m外，步进马达34本身的误差亦造成目前的第一对照参数无法适用于步进马达34以使轨道k+n趋近目标轨道k+m，因此计算装置44必须重新计算一适当第二对照参数以修正控制信号(对应于脉冲数idx)与位移量(对应于轨道数trk)之间的关系(步骤106)，亦即第一控制信号依据该第二对照参数所计算的相对应第三位移量与该第二位移量之间的差值不大于该阈值。

本实施例中，该第二对照参数经由调整原先第一对照参数而产生，其计算原理叙述如后。

算式(1)：idxtrk”＝idxtrk’+Δi

算式(2)：trk＝idx/idxtrk’

算式(3)：trk+Δtrk＝idx/{idxtrk’+Δi}

在算式(1)中，idxtrk’表示目前控制装置38所使用的对照参数，而idxtrk”表示修正后的对照参数，另外，Δi为补偿量。在算式(2)中，对照参数idxtrk’等于脉冲数idx(对应控制信号)除以轨道数trk(对应位移量)。在算式(3)中，控制装置38依据脉冲数idx来驱动步进马达18，并使读写头跨越的轨道数等于trk+Δtrk，亦即当对照参数idxtrk’修正为对照参数idxtrk”后，依据对照参数idxtrk’在算式(2)的定义可知对照参数idxtrk”等于脉冲数idx除以轨道数trk+Δtrk。请注意，Δtrk为一目标轨道位移量与一实际轨道位移量之间的差值，亦即若控制电路14使用脉冲数idx所产生的轨道数大于目标轨道数trk，则实际轨道数即为trk+Δtrk；相反地，若控制装置38使用脉冲数idx所产生的轨道数小于目标轨道数trk，则实际轨道数即为trk-Δtrk。经由算式(2)与算式(3)可求出补偿量Δi等于±idxtrk’*[Δtrk/(trk±Δtrk)]，所以对于补偿量Δi而言，如果目标轨道位移量大于实际轨道位移量，则补偿量Δi为负值，因此对照参数idxtrk”必定会小于对照参数idxtrk’；相反地，如果目标轨道位移量小于实际轨道位移量，则补偿量Δi为正值，因此对照参数idxtrk”必定会大于对照参数idxtrk’。若考虑一阈值TH，则Δi修正为

Δi＝±idxtrk’*{(Δtrk-TH)/[trk±(Δtrk-TH)]}

本实施例中，计算装置44可为一数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)来进行对照参数的计算与校正，由于轨道之间的间距极小，因此一般而言，该对照参数为小数(fraction)，例如当脉冲数idx为10并驱动步进马达18时，产生的轨道数trk为200，所以该对照参数即为10/200，当该数字信号处理器使用定点运算结构(fixed point architecture)时，本实施例中，计算装置44当计算补偿量Δi，亦即±idxtrk’*[Δtrk/(trk±Δtrk)]时，会使用一调整值(例如2¹⁵)来调整对照参数idxtrk’与补偿量Δi的定点运算值。举例来说，若该数字信号处理器为8位的定点运算结构，因此于一寄存器(register)中，其最重要位为一符号位(sign bit)，而其后7个位分别对应2³-2^-3，亦即该寄存器可记录的最大值以二进位表示为01111.111，以及该寄存器可记录的最小值以二进位表示为11111.111，因此其无法拥有足够的位来记录小数部分，若该数字信号处理器直接进行该对照参数的计算，则小数部分的运算结果欲储存于该寄存器时会产生公知的舍入误差(round error)或舍位误差(truncation error)，因此当进行多次对照参数的计算后，上述进位误差或截断误差便会严重地影响运算结果的准确度(precision)。因此若利用该寄存器中原先用来纪录整数部分的位来纪录小数部分的数值便可提高小数部分的有效位数，举例来说，若该数字信号处理器为32位的定点运算结构，则可利用2¹⁵来作为该调整值，因此当计算补偿量Δi时，先经由向左位位移(left bit-shifting)的操作后才进行±idxtrk’*[Δtrk/(trk±Δtrk)]的运算，所以于运算的过程中可提升补偿量Δi的处理效率。换句话说，当该调整值为2¹⁵时，则计算装置44实际上所处理的算式为IDXTRK”＝IDXTRK’+ΔI，其中IDXTRK”即为2¹⁵*idxtrk”，IDXTRK’即为2¹⁵*idxtrk’，以及ΔI即为2¹⁵*Δi。请注意，调整值可依据不同位数的定点运算结构来进行设定。

假设计算装置44所设定的阈值为200，调整值为2¹⁵，且控制装置38储存对照参数IDXTRK’的初始值为2586，亦即该光盘驱动器载入光盘以进行存取前，控制装置38所使用的对照参数IDXTRK’为2586。考虑读写头跳最长轨(40000轨)的寻轨操作，由于已知ΔI＝2¹⁵*Δi，所以ΔI可表示为：

ΔI＝±IDXTRK’*{(Δtrk-TH)/[trk±(Δtrk-TH)]}

＝±2586*{(Δtrk-200)/[40000±(Δtrk-200)]}

由于40000远大于Δtrk-200，因此

ΔI＝±2586*[(Δtrk-200)/40000]＝±(Δtrk-200)/15.4663

＝±gain*[(Δtrk-200)]

因此当启动校正对照参数IDXTRK’的步骤时，则增益值gain必定需小于1/15.4663。相反地，考虑读写头跳短轨(1024轨)的寻轨操作，因此ΔI可表示为：

ΔI＝±IDXTRK’*{(Δtrk-TH)/[trk±(Δtrk-TH)]}

＝±2586*{(Δtrk-200)/[1024±(Δtrk-200)]}

由于读写头位移1024轨产生200轨的误差较不合理，因此于不考虑阈值(亦即200轨)的限制条件下，ΔI成为

ΔI＝±2586*[Δtrk/(1024±Δtrk)]

因为1024远大于Δtrk，所以ΔI即视为

ΔI＝±2586*(Δtrk/1024)＝±Δtrk/2.526＝±gain*(Δtrk)

因此当启动校正对照参数IDXTRK’的步骤时，则增益值gain必定需小于1/2.526。同时考虑读写头跳短轨(1024轨)与跳最长轨(40000轨)的增益值gain，亦即两者的交集为增益值gain小于1/15.4663，亦即当执行该校正对照参数IDXTRK’的步骤时，若使用小于1/15.4663的数值来作为增益值gain以计算ΔI，则不论启动校正对照参数IDXTRK’的步骤之前该读写头寻轨所要的轨道数trk是多少，控制装置38使用该校正对照参数IDXTRK’的步骤执行后所得到的对照参数IDXTRK”来计算出对应该轨道数trk所需脉冲数idx，且输出该脉冲数idx驱动步进马达34以带动读写头产生一预定轨道数的位移，则该预定轨道数与该轨道数trk的差值必定会小于该阈值，亦即收敛于该阈值的范围内，因而可达到校正对照参数IDXTRK’的目的。因此，依据上述说明，当计算装置44校正对照参数IDXTRK’以求出对照参数IDXTRK”时，计算ΔI可使用下列算式ΔI＝±gain*[(Δtrk-TH)]，其中增益值gain可应用任何小于1/15.4663的数值。为了便于运算，计算装置44使用1/16来作为增益值gain，因为16为2的乘幂中大于15.4663且最趋近15.4663的数值，所以经由向右位位移(right bit-shifting)方式即可快速地完成±gain*[(Δtrk-TH)]的运算。如上所述，对照参数IDXTRK”的运算即可表示为

IDXTRK”＝IDXTRK’±gain*[(Δtrk-TH)]

其中增益值gain使用1/2^R来表示，因此当运算时可使用向右位移R个位的方式来快速地计算gain*[(Δtrk-TH)]以提升校正对照参数IDXTRK’的执行效率。请注意，本实施例应用于一光盘驱动器上以控制寻轨操作，然而，本发明校正步进马达的控制方法可应用于任何使用步进马达控制系统的装置上，例如一扫描器，其扫瞄模块由步进马达驱动以便产生移动而对一文件进行扫瞄操作。

与公知技术相比较，本发明校正步进马达的控制方法可修正一控制电路所输出的控制信号与一步进马达依据该控制信号带动一负载装置所产生位移量之间的对照关系，因此当该控制电路需要驱动该负载装置产生一目标位移量时，可依据修正后的对照关系来计算对应该目标位移量的控制信号大小，若一实际位移量仍大幅地偏移该目标位移量，则该控制电路会再修正该对照关系，直到该实际位移量与该目标位移量之间的差值小于一阈值为止，因此本发明校正步进马达的控制方法可使步进马达驱动该负载装置时具有较精确的位置控制能力，因此可大幅度提升步进马达的执行效能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的等效变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种步进马达的控制方法，该步进马达连接到一控制电路以及一负载装置；该控制方法包含有：

使用该控制电路依据一目标位移量与第一对照参数输出一控制信号到该步进马达；

使用该步进马达依据该控制信号驱动该负载装置；

使用该控制电路依据该负载装置的实际位移量与该目标位移量产生两者间的一差值；

使用该控制电路依据该第一对照参数、该差值，以及该实际位移量产生第二对照参数；以及

使用该控制电路比较该差值与一阈值，若该差值大于该阈值，则使用该第二对照参数更新该第一对照参数；若该差值不大于该阈值，则维持该第一对照参数；

其中产生该第二对照参数的步骤包含有：

若该实际位移量大于该目标位移量，使用该控制电路计算该差值与该阈值之间的偏移量，使用该控制电路计算该目标位移量减少该偏移量后的修正位移量，使用该控制电路计算该偏移量乘以该第一对照参数再除以该修正位移量以产生一补偿量来降低该第一对照参数而产生该第二对照参数；以及

若该实际位移量小于该目标位移量，使用该控制电路计算该差值与该阈值之间的偏移量，使用该控制电路计算该目标位移量增加该偏移量后的修正位移量，使用该控制电路计算该偏移量乘以该第一对照参数再除以该修正位移量以产生一补偿量来增加该第一对照参数而产生该第二对照参数。

2.如权利要求1所述的控制方法，其中该控制电路使用一运算值2^R来表示该修正位移量除以该第一对照参数的一运算结果，且R为整数。

3.一种控制步进马达的控制电路，其中该步进马达连接到一控制电路以及一负载装置，该控制电路包含有：

一控制装置，用以根据一目标位移量与第一对照参数输出对应到该目标位移量的一控制信号；

一驱动装置，分别连接到控制装置和步进马达，用以根据该控制信号驱动该步进马达，进而驱动该负载装置；

一跟踪装置，连接到负载装置，用以跟踪该控制信号所导致的该负载装置的一实际位移量；以及

一计算装置，分别连接到跟踪装置和控制装置，用以在该目标位移量与该实际位移量二者间的一差值大于一阈值时，根据该第一对照参数，该目标位移量与该实际位移量而产生第二对照参数来取代该第一对照参数；

其中当该实际位移量大于该目标位移量时，该计算装置先计算该差值与该阈值间的一偏移量，再自该目标位移量减去该偏移量而得到一修正位移量，然后将该偏移量乘以该第一对照参数再除以该修正位移量以产生一补偿量，最后以该第一对照参数减去该补偿量而产生该第二对照参数；以及

当该实际位移量小于该目标位移量时，该计算装置先计算该差值与该阈值间的一偏移量，再自该目标位移量增加该偏移量而得到一修正位移量，然后将该偏移量乘以该第一对照参数再除以该修正位移量以产生一补偿量，最后以该第一对照参数加上该补偿量而产生该第二对照参数。

4.如权利要求3所述的控制步进马达的控制电路，其使用一运算值2^R来表示该修正位移量除以该第一对照参数的一运算结果，在此R为整数。

5.如权利要求4所述的控制步进马达的控制电路，其以向右位位移R个位来执行该偏移量除以该运算结果的除法运算。

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