CN1534861A - 步进式电机控制设备和电子时钟 - Google Patents

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Abstract

本发明用于更稳妥地检测结构简单的步进式电机是否旋转。晶体管在停止驱动电机之后紧接的第一检测周期中导通，以给定频率控制晶体管导通/截止操作，并从终端获得在电阻器中产生的检测信号。因为电流在晶体管的等效二极管的反方向上流动，所以在电机没有旋转时，将检测信号抑制为不高于门限电压的电压。在第一检测周期之后紧接的第二检测周期中，晶体管导通，以给定频率控制晶体管的导通/截止操作，并从终端获得在电阻器中产生的检测信号。在第二检测周期中，因为电流在晶体管的等效二极管的正向上流动，所以不受限地产生检测信号，并根据电机的旋转得到较高的稳态电压的检测信号。

Description

步进式电机控制设备和电子时钟
技术领域
本发明涉及一种步进式电机控制设备，该设备旋转驱动步进式电机并且检测该步进式电机存在/不存在旋转，本发明还涉及一种使用该步进式电机控制设备的电子时钟。
背景技术
迄今为止，在电子时钟中，采用步进式电机作为旋转驱动诸如时针或分针的时间指针的电机。
图5是示出了迄今为止在具有诸如时针或者分针这样的电子时钟中使用的步进式电机的正面图(例如，参考专利文献1)。
在图5中，该步进式电机包括由磁性材料制成的定子501、环绕在定子501周围的线圈207、以及设置在定子501中的双极性转子502。在定子501中，存在饱和部分503、504以及用于确定转子502的停止位置的内部槽口505和506。
当矩形波的驱动脉冲被提供给线圈207以允许电流i沿着图5中箭头所指的方向流动时，沿着该箭头所指方向在定子501中产生了磁通量。结果，由于在定子501中产生的磁极与转子502中产生的磁极的交感作用，使得饱和部分503和504首先饱和，此后转子502沿着图5中箭头所指方向(逆时针方向)旋转180度。接着，极性不同的脉冲电流被交替允许流入线圈207，从而实施与上述相同的操作并且以增加180度的方式逆时针方向旋转转子502。
图6是说明了用于实施步进式电机的旋转控制的步进式电机控制设备的电路图，到目前为止在电子时钟中已经使用了这种步进式电机控制设备。该电路被如此构造以使得旋转驱动电路和旋转检测电路集成在一起(例如，参考专利文献1)
在图6中，p-沟道MOS晶体管Q1、Q2和n-沟道MOS晶体管Q3、Q4是电机驱动电路的构造元件，并且步进式电机的线圈207被连接到晶体管Q1和晶体管Q3的源极连接点和晶体管Q2和晶体管Q4的源极连接点之间。
另一方面，与n-沟道MOS晶体管Q3到Q6和晶体管Q5串联的检测电阻器208、与晶体管Q6串联的检测电阻器、以及比较器210都是该旋转检测电路的构造元件。
各个晶体管Q1到Q6的栅极被连接到控制电路103。检测电阻器208和线圈207的连接点OUT2与检测电阻器209和线圈207的连接点OUT1被连接到比较器210的输入部分。同样，比较器210的输入部分以一个预先确定的门限电压Vss输入。
图7是在图6所示的步进式电机控制设备中实施旋转控制和检测控制的情况下的时序图。
参考图5到7将描述如上所述构造的常规步进式电机控制设备的操作。首先，当把驱动脉冲P1提供给控制电路103的输入部分Vi时，晶体管Q2和Q3在控制电路103的控制下变为导通的状态。结果，线圈207中的电流沿着箭头所示的方向流动，而且转子502如图5所示的逆时针方向旋转。
另一方面，非检测周期IT是一个不检测步进式电机旋转的周期，其提供了紧接着电机驱动周期之后的一个给定的周期T7，而用于检测该步进式电机是否旋转的一个旋转检测周期DT是紧接着在非检测周期IT之后的一个给定的周期T8。
在旋转检测周期DT，旋转检测控制脉冲SP1被提供给控制电路103的输入部分Vi。在晶体管Q3和Q4导通以响应旋转检测控制脉冲SP1的状态下，控制电路103在一个给定的频率上控制晶体管Q4的导通/截止操作。
在这种情况下，检测信号V8从旋转检测电阻器209和线圈207的连接点OUT1获得。具有如图7所示波形的检测信号被作为检测信号V8而获得。在图7中，在图5中当转子502逆时针方向振动时产生低于VDD的检测电压V8，并且在图5中当转子502顺时针方向振动时产生高于VDD的检测电压V8。
在转子502旋转的情况下，得到一个超过给定门限电压(在该常规实例中的Vss)的检测信号V8，并且从比较器210输出一个高电平的旋转检测信号。在转子502不旋转的情况下，因为检测信号V8没有达到该门限电压，所以从比较器210输出一个低电平的旋转检测信号Vs。有可能基于该旋转检测信号Vs检测步进式电机是否旋转。在完成了该旋转检测之后，晶体管Q3和Q4被保持在导通状态以制动该步进式电机。
在随后的电机驱动期间，把一个后来的标准驱动脉冲P1提供给控制电路103的输入部分Vi。该控制电路103控制晶体管Q1和Q4导通，同时一个驱动电流沿着与上述驱动电流相反的方向(图5中的逆时针方向)在线圈207中流动，从而逆时针方向旋转转子502。
同时在旋转检测期间，当把旋转检测控制脉冲SP1提供给控制电路103的输入部分Vi时，该控制电路103控制晶体管Q4和Q5导通，同时以一个给定的频率控制晶体管Q3的导通/截止操作。在这种情况下，从电阻器208和线圈207的连接点OUT2得到一个检测电压V，并且通过比较器210来判断该检测电压V的电平。以与上述相同的方式，在转子502旋转的情况下，从比较器210输出一个高电平的旋转检测信号Vs，并且在转子502不旋转的情况下，从比较器210输出一个低电平的旋转检测信号Vs。有可能根据该旋转检测信号Vs检测步进式电机是否旋转。在完成了该旋转检测之后，晶体管Q3和Q4被保持在导通状态以制动该步进式电机。
[专利文献1]
JP57-18440B(第1到2页，图1)
在如上所述结构的步进式电机控制设备中，在已经通过驱动脉冲P1驱动该步进式电机之后，转子502以该转子502应当停止的位置为中心自由振动。在完成提供驱动脉冲P1之后，转子502的自由振动是很大的，而且由于惯性，转子502以与通常的旋转方向(在上面提到的常规实例中的逆时针方向)相同的方向振动。在转子502逆时针方向振动的情况下，电流沿着图6中箭头所指的方向流动。
另一方面，各个晶体管Q3到Q6的等效电路由包括开关804和电阻器803的串联电路、二极管801以及电容器802组成，该二极管801和电容器802分别与串联电路并联，如图8所示。在某种程度上各个晶体管Q3到Q6被认为是等效于具有二极管的一个元件。
因此，即使该步进式电机没有旋转，但是因为在紧接着完成提供驱动脉冲P1之后的一个给定周期内，转子502的逆时针振动是很大的，所以可以获得如图7所示的超过门限电压Vss的检测电压V7。也就是说，在紧接着完成提供驱动脉冲P1之后的一个给定周期T7内得到的检测信号V7中，由于转子502大的自由振动，所以在检测电阻器209中产生一个具有大的峰值的检测电压，因此会错误地检测认为步进式电机正在旋转。
迄今为止，为了阻止这种错误检测，控制电路被构造为：在一停止提供驱动脉冲之后就设置一个具有给定时间宽度T7的非检测周期IT，从而在该非检测周期IT期间阻止检测步进式电机的旋转。因此，出现了这样一个问题，即由于提供了该非检测周期IT，控制电路的结构变得复杂。
本发明的一个目的是提供一个步进式电机控制设备，其中有可能更加稳妥地检测具有简单结构的步进式电机的旋转，而不需要提供非检测周期IT。
本发明的另一目的是提供一种电子时钟，其中有可能更加稳妥地检测具有简单结构的用于驱动时针的步进式电机的旋转。
发明内容
根据本发明，提供了一种步进式电机控制设备，其包括：彼此串联的第一和第二开关元件；彼此串联的第三和第四开关元件；步进式电机的一个线圈，其被连接到第一和第二开关元件的节点与第三和第四开关元件的节点之间；第一串行电路，其包括与第一开关元件和第一检测元件并联的第五开关元件；第二串行电路，其包括与第三开关元件和第二检测元件并联的第六开关元件；控制装置，其控制第一到第四开关元件的导通/截止操作，以响应一个驱动脉冲，该驱动脉冲允许电流在线圈中流动来旋转驱动该步进式电机，以及控制第四、第三、第五和第六开关元件的导通/截止操作以响应一个旋转检测控制脉冲，在一个旋转检测周期中一完成提供驱动脉冲之后就提供该旋转检测控制脉冲，该旋转检测周期是紧接着在根据该驱动脉冲来旋转驱动该步进式电机之后的一个周期；以及检测装置，其基于一个在第一和第二检测元件与线圈之间产生的电压与一个给定的门限电压的比较结果，来检测步进式电机存在/不存在旋转，该设备的特征在于：
在通过根据驱动脉冲导通第一和第四开关元件来旋转驱动步进式电机的情况下，控制装置导通第四和第五开关元件，并且在一完成提供驱动脉冲之后，在第一给定的周期中以一个给定的频率控制第三开关元件的导通/截止操作，以及导通第三和第六开关元件，并且在第一给定周期过去之后的第二给定周期中以一个给定的频率控制第四开关元件的导通/截止操作；
在通过根据驱动脉冲导通第二和第三开关元件来旋转驱动步进式电机的情况下，控制装置导通第三和第六开关元件，并且在一完成提供驱动脉冲之后，在第一给定的周期中以一个给定的频率控制第四开关元件的导通/截止操作，以及在第二给定的周期中导通第四开关元件和第五开关元件，并且以一个给定的频率控制第三开关元件的导通/截止操作；以及
当第五开关元件导通时，检测装置基于在第一检测元件与线圈之间产生的电压与门限电压的比较结果，来检测步进式电机的旋转存在/不存在，并且当第六开关元件导通时，检测装置基于在第二检测元件与线圈之间产生的电压与门限电压的比较结果，来检测步进式电机存在/不存在旋转。
在通过根据驱动脉冲导通第一和第四开关元件来旋转驱动步进式电机的情况下，控制装置导通第四和第五开关元件，并且在一完成提供驱动脉冲之后，在第一给定的周期中以一个给定的频率控制第三开关元件的导通/截止操作，以及导通第三开关元件和第六开关元件，并且在第一给定周期过去之后的第二给定周期中以一个给定的频率控制第四开关元件的导通/截止操作；以及在通过根据驱动脉冲导通第二和第三开关元件来旋转驱动步进式电机的情况下，控制装置导通第三和第六开关元件，并且在一完成提供驱动脉冲之后，在第一给定的周期中以一个给定的频率控制第四开关元件的导通/截止操作，以及导通第四开关元件和第五开关元件，并且在第二给定的周期中以一个给定的频率控制第三开关元件的导通/截止操作。检测装置在第五开关元件导通状态下，基于在第一检测元件与线圈之间产生的电压与门限电压的比较结果，来检测步进式电机存在/不存在旋转，以及检测装置在第六开关元件导通状态下，基于在第二检测元件与线圈之间产生的电压与门限电压的比较结果，来检测步进式电机存在/不存在旋转。
在这里，第一、第三、第五和第六开关元件可以由n-沟道MOS晶体管组成，而第二和第四开关元件可以由p-沟道MOS晶体管组成。
此外，第一和第二检测元件可以由电阻器组成。
此外，根据本发明，提供一种包括用于旋转时针的步进式电机以及用于旋转地控制该步进式电机的步进式电机控制设备的电子时钟，该时钟的特征在于：上述所有的步进式电机控制设备都被用作步进式电机控制设备。
附图说明
在附图中示出本发明的一种优选的形式，其中：
图1是示出了根据本发明一个实施例的电子时钟的框图；
图2是根据本发明的该实施例用于解释步进式电机控制设备的操作的电路图；
图3是根据本发明的该实施例用于解释步进式电机控制设备的操作的电路图；
图4是示出了步进式电机控制设备的时序图；
图5是示出了一般的步进式电机的正面图；
图6是用于解释常规的步进式电机控制设备的操作的电路图；
图7是示出了常规的步进式电机控制设备的时序图；以及
图8是示出了一般的n-沟道MOS晶体管的等效电路图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明的一个实施例。
图1是示出了根据本发明的一个实施例的使用步进式电机控制设备的电子时钟的框图，同时示出了一个模拟电子手表的实例。
参考图1，振荡电路101通过分频电路102被连接到控制电路103的输入部分。控制电路103的第一输出部分通过电机驱动电路104被连接到用于驱动时针的步进式电机105。控制电路103的第二输出部分被连接到旋转检测电路106的控制输入部分。检测电机105是否旋转的旋转检测电路106被连接到电机105和控制电路103之间。旋转检测电路106构成了旋转检测装置。
步进式电机105在结构上与图5中示出的步进式电机是相同的。同样，电机驱动电路104的结构在本质上与图6中示出的旋转检测电路106是相同的，但是控制各个晶体管Q1到Q6的导通/截止操作的方法不同于其后将要描述的图6中所示出的常规的例子。
分频电路102从振荡电路101分出一个基准时钟信号，并且将该基准时钟信号输出到控制电路103。控制电路103从分频电路102接收一个信号并且将一个驱动脉冲输出到电机驱动电路104。在该驱动脉冲中，已经准备了一个标准驱动脉冲P1和一个校正驱动脉冲，该标准驱动脉冲P1是一个在有效能量中给定脉冲宽度较小的驱动脉冲，而校正驱动脉冲是在有效能量中脉冲宽度大于标准驱动脉冲的一个驱动脉冲，控制电路103根据来自旋转检测电路106的一个检测信号选择性地将标准驱动脉冲和校正驱动脉冲输出到电机驱动电路104。在该实例中，控制电路103构成了产生驱动脉冲的一个驱动脉冲生成装置。
同样，控制电路103为旋转检测电路106提供了一个在执行电机105的旋转检测中所必需的旋转检测控制脉冲。在该实例中，控制电路103构成了产生旋转检测控制脉冲的一个旋转检测控制脉冲生成装置。
控制电路103、电机驱动电路104以及旋转检测电路106构成了一个控制装置。
图2和3是解释性视图，分别示出了在根据本发明实施例的步进式电机控制设备中的电机驱动电路104和旋转检测电路106的操作，其中图2是一个解释性视图，其示出了一个驱动脉冲在旋转检测周期中被中断之后紧接着的一个给定周期T1中的操作，图3是一个解释性视图，其示出了一个在旋转检测周期中的给定周期T1过去之后紧接着的一个给定周期T2中的操作。
在图2和3中，p-道MOS晶体管Q1、Q2和n-沟道MOS晶体管Q3、Q4是包括在电机驱动电路104中的晶体管，以及电机105的线圈207被连接到晶体管Q1和晶体管Q3的源极连接点和晶体管Q2和晶体管Q4的源极连接点之间。
N-型MOS晶体管Q5、Q6、与晶体管Q5串联的旋转检测电阻器208、与晶体管Q6串联的旋转检测电阻器209、以及比较器210被包括在旋转检测电路106中。
图4是用于根据本实施例的步进式电机控制设备的时序图，其是一个用于通过旋转检测电路106执行电机105的旋转检测，以在根据标准驱动脉冲P1旋转电机105之后响应旋转检测控制脉冲SP1情况的时序图。
在下文中，将参考图1到4，适当地参考图5到8来描述根据本发明实施例的步进式电机控制设备和电子时钟的操作。
首先，在电机驱动周期中，从控制电路103提供标准驱动脉冲P1给电机驱动电路104，借此该电机驱动电路104旋转控制电机105。在这种情况下，电机驱动电路104的晶体管Q2和Q3被控制在导通状态，结果驱动电流在线圈207中流动，并且电机105沿着图5中的正面图的逆时针方向(沿着箭头所指的方向)旋转180度。
在随后的一个电机驱动周期中，当从控制电路103提供后来的标准驱动脉冲P1给电机驱动电路104时，晶体管Q1和Q4被控制在导通状态，一个驱动电流在线圈207中沿着该驱动电流的反方向流动，电机105在相同的方向上逆时针方向旋转180度。
在下文中，重复上述操作以继续逆时针方向旋转电机105。
另一方面，在各个电机驱动周期之后就立即提供用于检测电机105是否旋转的旋转检测周期DT(第一旋转检测周期T1+第二旋转检测周期T2)。在设计电机的同时，根据电机的结构适当地选择第一和第二旋转周期T1和T2是可能的。在旋转检测周期DT中，从控制电路103将旋转检测控制脉冲SP1提供给旋转检测电路106。
在已经完成提供各个驱动脉冲P1之后紧接着的(紧接着电机驱动停止之后的)第一检测周期T1中，电机驱动电路104和旋转检测电路106控制晶体管Q4和Q5处于导通状态以响应来自图2中所示出的控制电路103的旋转检测控制脉冲SP1，同时根据各个细微脉冲以一给定的频率来控制晶体管Q3的导通/截止操作，这些细微脉冲在晶体管Q4和Q5被导通的状态中构成了旋转检测控制脉冲SP1。在这种状态中，从终端OUT2中得到在旋转检测电阻器208中产生的检测信号V1。
在第一检测周期T1中，通过晶体管Q5、检测电阻器208、线圈207和晶体管Q4构成了在电流Ik方向上的一个回路。在这种情况下，因为电流Ik沿着构成晶体管Q5的等效二极管801(参考图8)的反方向流动，所以检测信号V1被抑制在一给定范围内的一个低电压，因此在电机不旋转的情况下不会得到超过一个给定门限值(在该实施例中的Vss)的高电压的检测信号V1。结果，在具有简单结构的电机不旋转的情况下，即使在一停止提供驱动脉冲P1之后没有设置非检测周期IT，仍可能抑制错误检测。
在检测信号V1的电压变得超过门限电压的情况下，也就是说，在电机105旋转的情况下，从比较器210输出表示电机105旋转的高电平的旋转检测信号Vs，并且在晶体管Q3和Q4导通以及电机静止之后，该周期被转移到下一个电机驱动周期。
另一方面，在紧接第一检测周期T1的第二检测周期T2中，电机驱动电路104和旋转检测电路106根据来自图3中所示出的控制电路103的旋转检测控制脉冲SP1来控制晶体管Q3和Q6处于导通状态，同时根据在晶体管Q3和Q6被导通的状态下构成旋转检测控制脉冲SP1的各个细微脉冲，以一给定的频率来控制晶体管Q4的导通/截止操作。在这种状态中，从终端OUT1中得到在旋转检测电阻器209中产生的检测信号V2。
在第二检测周期T2中，因为电流Ik沿着构成晶体管Q6的等效二极管801(参考图8)的正向流动，所以检测信号V2没有被限制，因此获得了一个响应电机旋转的稳压的检测信号V2。
在检测信号V2的电压变得超过门限电压的情况下，也就是说，在电机105旋转的情况下，从比较器210输出表示电机105旋转的高电平的旋转检测信号Vs，并且在晶体管Q3和Q4导通以及电机静止之后，该周期被转移到下一个电机驱动周期。
在电机105不旋转的情况下，检测信号V2在整个检测周期DT期间没有超过门限值，而表示电机105处于非旋转状态的低电平的旋转检测信号Vs从比较器210被输出到整个检测周期DT。控制电路103将宽度大于标准驱动脉冲P1的校正驱动脉冲输出到电机驱动电路104以响应表示非旋转的旋转检测信号Vs。电机驱动电路104旋转驱动电机105以响应该校正驱动脉冲。
通过这样方式，根据该实施例的步进式电机控制设备，在没有旋转具有简单结构的电机以及没有提供非检测周期IT的情况下，有可能抑制错误判断电机旋转的可能性，以及有可能更加稳妥地检测步进式电机的旋转。
同样，根据该实施例的电子时钟，有可能更加稳妥地检测用于驱动时针的具有简单结构的步进式电机的旋转。
在该实施例中，描述了步进式电机控制设备被用于电子时钟的一个实例，但是在其他的电子设备中使用该步进式电机控制设备是可能的。
根据本发明，有可能更加稳妥地检测具有简单结构的步进式电机的旋转，而在步进式电机控制设备中不提供任何非检测周期。
同样，根据本发明，在电子时钟中，有可能更加稳妥地检测具有简单结构的用于驱动时针的步进式电机的旋转。

Claims (4)

1.一种步进式电机控制设备，其包括：
彼此串联的第一和第二开关元件；
彼此串联的第三和第四开关元件；
步进式电机的线圈，其被连接于第一和第二开关元件的节点与第三和第四开关元件的节点之间；
第一串行电路，其包括与第一开关元件和第一检测元件并联的第五开关元件；
第二串行电路，其包括与第三开关元件和第二检测元件并联的第六开关元件；
控制装置，其响应于一个驱动脉冲，控制第一到第四开关元件的导通/截止操作，以允许电流在线圈中流动来旋转地驱动该步进式电机，该控制装置还响应于一个旋转检测控制脉冲，控制第四、第三、第五和第六开关元件的导通/截止操作，该旋转检测控制脉冲是在根据该驱动脉冲来旋转地驱动步进式电机之后紧接着的旋转检测周期中、在完成提供驱动脉冲之后立即提供的；以及一个检测装置，其基于一个在第一和第二检测元件与线圈之间产生的电压与一个给定的门限电压的比较结果，来检测步进式电机存在/不存在旋转；
其中在通过根据驱动脉冲导通第一和第四开关元件来旋转地驱动步进式电机的情况下，控制装置导通第四和第五开关元件，并且在完成提供驱动脉冲之后紧接的第一给定的周期中以一个给定的频率控制第三开关元件的导通/截止操作，该控制装置还导通第三开关元件和第六开关元件，并且在第一给定周期过去之后的第二给定周期中以一个给定的频率控制第四开关元件的导通/截止操作；
在通过根据驱动脉冲开启第二和第三开关元件来旋转地驱动步进式电机的情况下，控制装置导通第三和第六开关元件，并且在完成提供驱动脉冲之后紧接的第一给定的周期中以一个给定的频率控制第四开关元件的导通/截止操作，该控制装置还在第二给定的周期中导通第四开关元件和第五开关元件，并且以一个给定的频率控制第三开关元件的导通/截止操作：以及
在第五开关元件导通时，该检测装置基于在第一检测元件与线圈之间产生的电压与门限电压的比较结果，来检测步进式电机存在/不存在旋转，并且在第六开关元件导通时，该检测装置基于在第二检测元件与线圈之间产生的电压与门限电压的比较结果，来检测步进式电机存在/不存在旋转。
2.根据权利要求1的步进式电机控制设备，包括：
其中第一、第三、第五和第六开关元件由n-沟道MOS晶体管组成，而第二和第四开关元件由p-沟道MOS晶体管组成。
3.根据权利要求1的步进式电机控制设备，其包括：
其中第一和第二检测元件可以由电阻器组成。
4.一种电子时钟，其包括：
旋转时针的步进式电机；以及
旋转地控制该步进式电机的步进式电机控制设备；
其中根据权利要求1的步进式电机控制设备被用作步进式电机控制设备。
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