CN1388422A - 使步进电机旋转的控制设备 - Google Patents

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Abstract

通过一简单结构防止当步进电机不旋转时的错误检测。在使晶体管ON的状态下紧接着完成驱动脉冲之后在旋转检测周期控制电路使晶体管ON/OFF。比较器将检测电压与阈电压Vss进行比较,该检测电压在用于检测的电阻器和线圈之间的连接点OUT2产生,当检测电压等于或低于Vss时确定步进电机旋转并当检测电压不是等于或低于Vss时确定步进电机不旋转。在此情况下,紧接着完成驱动脉冲之后电流ia不流动并且因此,在连接点OUT2产生的检测电压变为具有与阈电压Vss相反极性的电压并不变为等于或低于Vss并且因此,比较器确定步进电机不旋转。

Description

使步进电机旋转的控制设备
发明领域：
本发明涉及一种使步进电机旋转的控制设备，用于驱动使步进电机旋转以及检测该步进电机旋转的存在或不存在。
发明背景：
传统上，已使用步进电机作为用于在电子时钟内驱动以使时针等旋转的电机。
图2为一传统上用于电子时钟的步进电机的构造图。在图2中，提供给步进电机一定子401、缠绕在定子401上的线圈307和安排在定子401内部的两个极的转子402。定子401由饱和部分403和404形成。
当供应一矩形波的驱动脉冲给线圈307且使得电流i沿图2的箭头标记方向流动时，在定子401中沿箭头标记方向产生磁通量。由此，饱和部分403和404被首先饱和，然后，通过在定子401产生的磁极和转子402的磁极的相互作用，转子402沿逆时针方向旋转180度。此后，通过使具有不同极性的电流交替流向线圈307，实现以上所述的类似作用并且转子402沿逆时针方向分别旋转180度。
图3和图4为表示使传统上用于电子时钟的步进电机旋转的控制设备的电路图，整体上构成由旋转驱动电路和旋转检测电路构成的电路。图3为当通过旋转驱动电路控制步进电机以使旋转时的作用说明图，以及图4为当通过旋转检测电路检测步进电机时的说明图。进一步，图5A表示在驱动以使步进电机旋转中使用的驱动脉冲，以及图5B表示在检测步进电机旋转中使用的用于检测旋转的控制脉冲。
在图3和图4中，P-沟道MOS晶体管301和302以及N-沟道MOS晶体管303和304为电机驱动电路的组成元件，并且步进电机的线圈307在连接晶体管301和晶体管303的源极的点以及连接晶体管302和晶体管304的源的点之间连接。
同时，N-沟道MOS晶体管303到306、与晶体管305串联连接的用于检测的电阻器308和与晶体管306串联连接的用于检测的电阻器309以及比较器310为旋转检测电路的组成元件。
相应的晶体管301到306的栅极连接在控制电路312中。
用于连接用于检测的电阻器308和线圈307的点OUT2以及用于连接用于检测的电阻器309和线圈307的点OUT1被连接至比较器310的输入部分。进一步，比较器310的输入部分被输入以阈电压Vss。
在以上所述的结构中，如图3所示，当通过控制电路312的控制，供应图5A的驱动脉冲P1给控制电路312的输入部分Vi时，晶体管302和303进入ON状态。由此，使得电流沿箭头标记方向流向线圈307并且如图2所示，使转子402沿逆时针方向旋转。
同时，紧接着电机驱动周期之后，提供用于检测步进电机是否旋转的旋转检测周期。
在旋转检测周期，控制电路312的输入部分Vi被供应以图5的旋转检测控制脉冲SP1。响应于旋转检测控制脉冲SP1，如图4所示，在使晶体管303和306 ON的状态下，控制电路进行控制以使晶体管304 ON/OFF。
此时，从用于旋转检测的电阻器309和线圈307的连接点OUT1输出检测电压。作为检测电压，被提供一具有如图7(a)所示波形的信号。在图7(a)中，当转子402沿逆时针方向振荡时，在VDD的下侧产生检测电压，并且当转子402沿顺时针方向振荡时，在VDD的上侧产生检测电压。
当转子402旋转时，提供等于或低于预定阈电压(依照常规实例的Vss)的检测电压并且从比较器310输出高电平的旋转检测信号Vs。当转子402不旋转时，检测电压不等于或低于阈电压并且因此，从比较器310输出处于低电平的旋转检测信号Vs。可从旋转检测信号Vs检测步进电机是否旋转。在已完成旋转的检测之后，晶体管303和304维持在ON状态以由此对步进电机进行制动。
在相继的电机驱动周期内，供应以下正常的驱动脉冲P1至控制电路312的输入部分Vi。控制电路312控制晶体管301和304至ON状态且在与所述驱动电流相反方向(与图3的箭头标记相反的方向)的驱动电流使得在线圈307流动，并且转子402沿逆时针方向旋转。
此时在旋转检测周期，当供应旋转检测控制脉冲SP1给控制电路312的输入部分Vi时，控制晶体管304和305至ON并且控制晶体管303至ON/OFF。此时，从电阻器308和线圈307的连接点OUT2输出检测电压且其电平由比较器310确定。类似于以上所述，当转子402旋转时，从比较器310输出处于高电平的旋转检测信号Vs且当转子402不旋转时，从比较器310输出处于低电平的旋转检测信号Vs。电机是否旋转可从旋转检测信号Vs来检测。当已完成旋转的检测时，晶体管303和304进入ON状态以对步进电机进行制动。
依照具有以上所述结构的步进电机，在转子402由驱动脉冲P1驱动之后，转子402以转子402将要停止的位置为中心自由振荡。紧接着完成驱动脉冲P1之后，转子402的自由振荡是相当可观的，进一步，通过惯性，转子402沿与常规旋转方向(在以上所述常规实例中的逆时针方向)相同的方向振荡。在图4中，当转子402沿逆时针方向振荡时，使得电流沿箭头标记方向流动。
同时，如图6所示，相应的晶体管303到306的等效电路由开关501和电阻器502的串联电路和分别与所述串联电路并联连接的二极管503和电容器504构成，并且相应的晶体管303到306被等效看作具有沿一个方向的二极管的元件。
因此，即使当步进电机不旋转时，在紧接着完成驱动脉冲P1之后的预定周期IT内，沿反方向的转子402的振荡是相当可观的并且因此，如图7(a)所示，有提供等于或低于阈电压Vss的检测电压的情况。此后，当转子402沿顺时针方向振荡时，使得电流沿与图4的箭头标记相反的方向流动，并且由于二极管部件的影响，在与以VDD为中心的阈电压Vss相反的一侧提供限制于一常量电平的检测电压。此后，重复以上所述操作。
就是说，依照在紧接着完成驱动脉冲P1之后的预定周期IT内提供的检测电压，不管电机是否旋转，通过转子402的大的自由振荡，在用于检测的电阻器309产生具有大峰值的检测电压，并且引起错误地检测到步进电机在旋转的问题。
传统上，为了解决该问题，在紧接着完成驱动脉冲P1之后的预定周期IT内不检测旋转且在周期IT过去之后实现旋转检测操作。尽管由此可防止错误地将不旋转检测为旋转，由于步进电机的特性从而周期IT不同，并且因此，周期IT需要为相应的电机设定，从而产生零件的材料、排列等的选择变得极端复杂的问题。
                      发明概述
通过简单结构防止当步进电机不旋转时的错误检测是本发明的一课题。
依照本发明，提供一种使步进电机旋转的控制设备，特征在于使步进电机旋转的控制设备中包括，串联连接的第一和第二开关元件；串联连接的第三和第四开关元件；在连接第一和第二开关元件的点和连接第三和第四开关元件的点之间连接的步进电机的线圈；第一串联电路，包括与第一开关元件并联连接的第五开关元件和用于检测的第一元件；第二串联电路；包括与第三开关元件并联连接的第六开关元件和用于检测的第二元件；控制装置，用于通过响应于驱动脉冲来控制第一到第四开关以及响应于紧接着完成驱动脉冲之后供应的用于检测旋转的控制脉冲来控制第一、第三、第五和第六开关元件使电流流向线圈从而驱动步进电机旋转；以及确定装置，用于基于对产生于用于检测的第一和第二元件与线圈之间的电压和阈电压进行比较的结果来确定步进电机旋转的存在或不存在，其中，控制装置使在紧接着完成驱动脉冲之后、在用于检测的第一和第二元件与线圈之间、以预定电压为基准、在与阈电压相反的方向上产生一检测电压的一侧的第五或第六开关元件ON，在当第五开关元件进入ON状态时第三开关元件进入ON状态之后控制使第一开关元件ON/OFF，并且在当第六开关元件进入ON状态时第一开关元件进入ON状态之后使第三开关元件ON/OFF，并且确定装置用于：当第五开关元件进入ON状态时，基于对产生于用于检测的第一元件和线圈之间的电压与阈电压进行比较的结果，确定步进电机旋转的存在或不存在，并且当第六开关元件进入ON状态时，基于对产生于用于检测的第二元件和线圈之间的电压与阈电压进行比较的结果，确定步进电机旋转的存在或不存在。
控制装置使在紧接着完成驱动脉冲之后、用于检测的第一和第二元件与线圈之间、在与阈电压的方向相反的方向产生一检测电压侧的用于检测的第五或第六元件ON，在当第五开关元件进入ON状态时第三开关元件进入ON状态之后，控制以使第一开关元件ON/OFF，且在当第六开关元件进入ON状态时第一开关元件进入ON状态之后控制使第三开关元件ON/OFF；控制装置用于：当第五开关元件进入ON状态时，基于对产生于用于检测的第一元件和线圈之间的电压进行比较的结果，确定步进电机旋转的存在或不存在，并且当第六开关元件进入ON状态时，基于对产生于用于检测的第二元件和线圈之间的电压进行比较的结果，确定步进电机旋转的存在或不存在。
进一步，可构造一种结构，其中，第一、第三、第五和第六开关元件由N-沟道MOS晶体管来构成且第二和第四开关元件由P-沟道MOS晶体管来构成。
进一步，用于检测的第一和第二元件可由电阻器构成。
                        附图简述
本发明的优选形式在伴随的附图中阐明，其中：
图1为依照本发明实施例的使步进电机旋转的控制设备的电路图；
图2为通用步进电机的结构图；
图3为使步进电机旋转的的常规控制设备的电路图；
图4为使步进电机旋转常规的控制设备的电路图；
图5阐明被用于使步进电机旋转的控制设备的信号的时序图；
图6为通用N-沟道MOS晶体管的等效电路图；以及
图7阐明使步进电机旋转控制设备中的检测电压的波形图。
                      优选实施例详述
本发明实施例的详细说明将如以下参照附图给出。
图1为表示依照本发明实施例的使步进电机旋转的控制设备的电路图，与旋转驱动电路和旋转检测电路结合构造一电路结构。进一步，图1为当通过旋转检测电路对步进电机的旋转进行检测时的说明图。
进一步，与图3和图4相同的部分被附以相同的记号，并且图1的旋转控制设备与图3和图4的旋转控制设备之间的差别保留在控制电路311和控制电路312之间的差别上且其它部分保持相同。
在图1中，在正侧电源端子VDD和负侧电源端子Vss之间，提供源极被共用连接的N-沟道MOS晶体管303和P-沟道MOS晶体管301的串联电路，以及源极被共用连接的N-沟道MOS晶体管304和P-沟道MOS晶体管302的串联电路。各自的串联电路并联连接。
步进电机的线圈307连接在晶体管301和晶体管303的连接点与晶体管302和晶体管304之间的连接点之间。
在晶体管303的漏极和源极之间，连接一与N-沟道MOS晶体管305和用于检测的电阻器308串联连接的第一串联电路，进一步，在晶体管304的漏极和源极之间，连接一与N-沟道MOS晶体管306和用于检测的电阻器309串联连接的第二串联电路。
在此情况下，晶体管303构成第一开关元件，晶体管301构成第二开关元件，晶体管304构成第三开关元件，晶体管302构成第四开关元件，晶体管305构成第五开关元件，晶体管306构成第六开关元件，用于检测的电阻器308构成第一检测元件以及用于检测的电阻器309构成第二检测元件。
在用于确定步进电机是否旋转的比较器310的输入部分，连接用于检测的电阻器308和线圈307的连接点OUT2与用于检测的电阻器309和线圈307的连接点OUT1，并且输入预定阈电压(依照本实施例的Vss)。通过在连接点OUT1和OUT2产生的电压是否等于或低于阈电压Vss，比较器310确定步进电机是否旋转。在此情况下，比较器310构成确定装置。
相应的晶体管301到306的栅极连接到控制电路311，该电路用于响应于输入到输入部分Vi的信号来控制晶体管301到306。控制电路311构成控制装置。
晶体管301到304为电机驱动电路的构成元件，并且晶体管303到306、用于检测的电阻器308和309、比较器310和控制电路311为旋转检测电路的构成元件。进一步，晶体管303和304以及控制电路311被用作电机驱动电路和旋转检测电路两者的构成元件。
依照如以上所述构成的控制步进电机旋转的设备，在电机驱动周期内，图5A的驱动脉冲P1被输入到控制电路311的输入部分Vi。响应于驱动脉冲P1，在驱动脉冲P1持续的时间周期内，如图3所示，控制电路311控制晶体管302和303到ON状态。由此，使得电流在线圈307中沿箭头标记方向流动并且如图2所示，使转子402沿逆时针方向旋转。
同时，紧接着完成电机驱动脉冲周期之后，提供用于检测步进电机是否旋转的旋转检测周期。在旋转检测周期内，控制电路311的输入部分Vi被输入以图5B的用于检测旋转的控制脉冲SP1。响应于用于检测旋转的控制脉冲SP1，如图1所示，在用于检测旋转的控制脉冲SP1持续的时间周期内，在使晶体管304和305 ON的状态，依照构成用于检测旋转的控制脉冲SP1相应的很小脉冲，控制电路311控制晶体管303ON/OFF状态，以由此控制对晶体管303开关。在旋转检测时间周期内，当提供等于或低于阈电压Vss的检测电压时，确定步进电机是旋转的，并且当不提供等于或低于阈电压Vss的检测电压时，确定步进电机是不旋转的。
同时，如图6所示，相应的晶体管303到306的等效电路由开关501和电阻器502的串联电路和与该串联电路并联连接的二极管503和电容器504构成，并且相应的晶体管303到306被等效看作具有沿一个方向的二极管的元件。
在已通过驱动脉冲使转子402沿逆时针方向转动之后，当甚至紧接着完成驱动脉冲P1之后、转子402通过惯性沿逆时针方向振荡时，使得电流ib流动并且因此，检测电压在VDD的上侧产生，即以预定电压为基准在阈电压Vss相反的方向。进一步，通过等效二极管部件，限定检测电压等于或小于一常量值。
因此，在紧接着完成驱动脉冲P1之后的周期IT内，依照图4中所示的常规实例，即使当步进电机不旋转时，也有提供等于或低于阈电压Vss的可能性，然而，依照本实施例，如图7B所示，在用于检测的电阻器308和线圈307之间的连接点OUT2产生的检测电压，以预定电压为基准在阈电压的相反侧(依照本实施例，在与阈电压相反极性的一侧)产生，并通过等效二极管限定于一常量电平。
此后，当转子402沿顺时针方向振荡时，使得图1的电流ia流动，并且通过二极管部件的影响，以预定电压为基准在阈电压侧(依照本实施例，在与阈电压相同极性的一侧)提供检测电压。
当转子402旋转时，转子402明显地进行振荡并且因此，产生大的电动力且检测电压变为等于或低于预定阈电压Vss。在对产生于用于检测的电阻器308和线圈307之间的电压与阈电压Vss进行比较的结果的基础上，比较器310确定步进电机旋转的存在或不存在。在此情况下，由于检测电压变为等于或低于预定阈电压Vss，比较器310确定步进电机是旋转的并输出处于高电平的旋转检测信号Vs。
当转子402不旋转时，转子402的振荡减弱且电动力减小并且因此，检测电压不变为等于或低于预定阈电压Vss。因此，从比较器310输出处于较低电平的旋转检测信号Vs。由此，可检测步进电机是否旋转。
在旋转检测周期内，通过重复以上所述操作，当提供等于或低于阈电压Vss的阈电压时，确定步进电机是旋转的，并且当不提供等于或低于阈电压Vss的检测电压时，确定步进电机是不旋转的。
进一步，在完成旋转检测周期之后，晶体管303和304维持在ON状态以由此对步进电机进行制动。
在相继的电机驱动周期内，新供应驱动脉冲P1给控制电路311的输入部分Vi。响应于该驱动脉冲P1，控制电路311控制晶体管301和304于ON状态，因而使得沿与以上驱动电流相反方向(与图3的箭头标记相反的方向)的驱动电流在线圈307中流动，并且使转子402沿逆时针方向旋转。在此情况下的旋转检测周期内，控制电路311控制晶体管303和306到ON状态，并控制晶体管304 ON/OFF以由此对晶体管304进行开关。
亦在此情况下，类似于以上所述，在周期IT内，检测电压被限制并且通过此后产生的检测电压对步进电机的旋转或不旋转进行检测。即在旋转检测周期内，通过对在用于检测的电阻器309和线圈307之间的连接点OUT1产生的检测电压与阈电压Vss进行比较，确定旋转的存在或不存在。当转子402旋转时，在连接点OUT1的检测电压变为等于或低于阈电压Vss并且因此，从比较器310输出处于高电平的旋转检测信号Vs。当转子402不旋转时，在连接点OUT1的检测电压不变为等于或低于阈电压Vss并且因此，从比较器310输出处于低电平的旋转检测信号Vs。由此，可检测步进电机是否旋转。当已完成旋转的检测之后，晶体管303和304维持在ON状态以由此对步进电机进行制动。
进一步，尽管依照以上所述实施例，已给出在驱动以使电机旋转中的、驱动以使电机42沿逆时针方向旋转的设备的一实例的说明，在使电机42沿顺时针方向旋转的驱动设备的情况下，在紧接着完成驱动脉冲P1之后的周期IT内，转子42沿顺时针方向振荡。因此，可构造一结构，其中在电机驱动周期内，响应于驱动脉冲P1，驱动晶体管302和303至ON状态，并且在旋转检测周期内，紧接着完成驱动脉冲P1之后，晶体管303和306进入ON状态且晶体管304被控制ON/OFF。
就是说，紧接着完成驱动脉冲P1之后，使在某一侧的晶体管305和306ON，在该侧的晶体管305和306中，具有与阈电压Vss相反极性的检测电压产生在晶体管305和306与线圈307之间；并且当晶体管305进入ON状态时，晶体管304进入ON状态且晶体管303被控制ON/OFF，并当晶体管306进入ON状态时，晶体管303进入ON状态且晶体管304被控制ON/OFF。由此，可防止在周期IT内的错误检测。
如以上所述，依照本发明的实施例，提供一种使步进电机旋转的控制设备，特征在于在使步进电机旋转的控制设备中包括，串联连接的晶体管303和301；串联连接的晶体管304和302；在连接晶体管303和301的点和连接晶体管304和302的点之间连接的步进电机的线圈307；第一串联电路，其包括与晶体管303并联连接的晶体管305、和用于检测的电阻器308；第二串联电路，其包括与晶体管304并联连接的晶体管306、和用于检测的电阻器309；控制电路312，用于通过响应于驱动脉冲P1来控制晶体管301到304，以及通过响应于紧接着完成驱动脉冲P1之后供应的用于检测旋转的控制脉冲SP1来控制晶体管303、304、305和306来使电流流向线圈307以驱动步进电机旋转；以及比较器310，用于基于在用于检测的电阻器308和309与线圈307之间的产生的电压确定步进电机旋转的存在或不存在，并且其中，控制电路311使在紧接着完成驱动脉冲P1之后、在用于检测的电阻器308和309与线圈307之间、以预定电压VDD为基准、在阈电压Vss相反方向上产生一检测电压的一侧的晶体管305或晶体管306 ON。在当晶体管305进入ON状态时晶体管304进入ON状态之后控制使晶体管303ON/OFF，并且在当晶体管306进入ON状态时晶体管303进入ON状态之后控制使晶体管304 ON/OFF；以及比较器310用于，当晶体管305进入ON状态时，基于对产生于用于检测的电阻器308和线圈307之间的电压与阈电压进行比较的结果，确定步进电机旋转的存在或不存在，并且当晶体管306进入ON状态时，基于对产生于用于检测的电阻器309和线圈307之间的电压与阈电压进行比较的结果，确定步进电机旋转的存在或不存在。
因此，通过一简单结构，可防止在步进电机不旋转情况下的错误检测。即紧接着完成驱动脉冲P1之后提供的检测电压在与阈电压Vss方向相反的方向被产生，并且因此，即使在尽管步进电机不旋转而步进电机的电动电压却变高的情况下，不对该电压进行检测且错误检测的情况被消除。
进一步，当构成步进电机的零件附着度差、或使用具有大磁阻的零件时，在完成驱动脉冲之后的制动力被减弱且即使当电机不旋转时，提供大电动力的周期被延长，然而，依照本实施例，进一步，即使能使用具有大磁阻的零件，增加零件附着度是不必要的并且因此，达到便于设计的效果。
依照本发明，在不使步进电机旋转的情况下可通过简单结构将检测电压限制为低。因此，即使当电机零件中有偏差时，可精确检测其旋转。

Claims (4)

1.一种控制以使步进电机旋转的设备，特征在于在使步进电机旋转的控制设备中包括，串联连接的第一和第二开关元件；串联连接的第三和第四开关元件；在连接第一和第二开关元件的点和连接第三和第四开关元件的点之间连接的步进电机的线圈；第一串联电路，包括与第一开关元件并联连接的第五开关元件和用于检测的第一元件；第二串联电路，包括与第三开关元件并联连接的第六开关元件和用于检测的第二元件；控制装置，用于通过响应于驱动脉冲来控制第一到第四开关以及通过响应于紧接着完成驱动脉冲之后供应的用于检测旋转的控制脉冲来控制第一、第三、第五和第六开关元件，使电流流向线圈进行驱动以使步进电机旋转；以及确定装置，基于对产生于用于检测的第一和第二元件与线圈之间的电压和阈电压进行比较的结果来确定步进电机旋转的存在或不存在：
其中，控制装置使在紧接着完成驱动脉冲之后、在用于检测的第一和第二元件与线圈之间、以预定电压为基准、在与阈电压的方向相反方向产生一检测电压的一侧的第五或第六开关元件ON，在当第五开关元件进入ON状态时第三开关元件进入ON状态之后控制使第一开关元件ON/OFF，并且在当第六开关元件进入ON状态时第一开关元件进入ON状态之后控制使第三开关元件ON/OFF；以及
其中确定装置用于，当第五开关元件进入ON状态时，基于对产生于用于检测的第一元件和线圈之间的电压与阈电压进行比较的结果，确定步进电机旋转的存在或不存在，并且当第六开关元件进入ON状态时，基于对产生于用于检测的第二元件和线圈之间的电压与阈电压进行比较的结果，确定步进电机旋转的存在或不存在。
2.依照权利要求1的使步进电机旋转的控制设备；其中第一、第三、第五和第六开关元件由N-沟道MOS晶体管构成且第二和第四开关元件由P-沟道MOS晶体管构成。
3.依照权利要求1的使步进电机旋转的控制设备；其中用于检测的第一和第二元件由电阻器构成。
4.依照权利要求2的使步进电机旋转控制设备；其中用于检测的第一和第二元件由电阻器构成。
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