CN1764057A - 步进马达加速系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种步进马达加速系统，用以将一步进马达自一目前转速加速至一预定转速。该步进马达加速系统包含一控制器、一脉冲产生器以及一驱动器。该控制器储存有一安全加速曲线，并用以根据该目前转速以及该预定转速于该安全加速曲线中相对应的位置，产生相对应的一预定加速曲线。该安全加速曲线位于该步进马达的一特性曲线内，且该安全加速曲线是借由该步进马达的该特性曲线减去一安全间距(safety margin)所得。该脉冲产生器用以接受该预定加速曲线，并转化为一脉冲信号。该驱动器用以接收该脉冲信号，并驱动该步进马达。本发明以接近特性曲线的安全加速曲线取代习知的线性加速，可防止步进马达失速及失步的问题，并有效加快步进马达加速的时间。

Description

步进马达加速系统

技术领域

本发明是关于一种步进马达加速系统以及方法，特别是有关于一种利用与步进马达的特性曲线相近的一安全加速曲线作为加速曲线的步进马达加速系统以及方法。

背景技术

步进马达是由微电脑控制器所控制，当控制信号自控制器输出后，随即借由驱动器将信号放大，达到控制马达运转的目的。控制器是借由脉冲信号的频率来控制步进马达的转速，例如每秒两百脉冲可以造成步进马达转动一圈。因此控制器每秒输入的脉冲数越高，代表步进马达的转速越快。但因为步进马达输出转矩与转速的关系为指数式反比，也就是当转速越大时转矩越小，相反的转速越小则转矩越大，故步进马达的加速必须格外小心，以避免发生失速或失步的问题。

请参阅图1，图1是步进马达特性曲线的曲线图。图中横坐标是步进马达每秒所接受的脉冲数目(pulses per second)，纵坐标则为步进马达的输出转矩。与一般马达特性曲线最大的不同点是步进马达有两条特性曲线，图1中所示的两条特性曲线将分别叙述如下：

A、引入转矩(pull-in torque)曲线：引入转矩是指步进马达能够与输入信号同步起动、停止时的最大转矩，因此在引入转矩以下的区域中马达可以随着输入信号做同步起动、停止、以及正反转，而此区域就称作自起动区(start-stop region)。

B、脱出转矩(pull-out torque)曲线：脱出转矩是指步进马达能够与输入信号同步运转，但无法瞬间起动、停止时的最大转矩，因此超过脱出转矩则马达无法运转，同时介于脱出转矩以下与引入转矩以上的区域则马达无法瞬间起动、停止，此区域称作滑动区域(slew region)，若欲在滑动区域中起动、停止则必须先将马达回复到自起动区，否则会有失步现象的发生。

所谓失速是指当马达转子的旋转速度无法跟上定子激磁速度时，造成马达转子停止转动。各种马达都有发生失速的可能，在一般的马达应用上，发生失速时往往会造成绕组线圈烧毁的后果，不过步进马达发生失速时只会造成马达静止，线圈虽然仍在激磁中，但由于步进马达是借由脉冲信号控制，因此不会烧毁线圈。

失步的成因则是由于马达运转中瞬间提高转速时，因输出转矩与转速成反比，故转矩下降无法负荷步进马达的负载，而造成步进马达的滑脱。

习知的步进马达多应用在低速的领域，因此习知的步进马达加速方法多采线性加速。请参阅图2，图2是习知步进马达所用的加速曲线曲线图。图中横坐标是步进马达每秒所接收的脉冲数目(pulses per second)，纵坐标则为步进马达的输出转矩。习知步进马达运用线性加速，如果在低速的区间，因为加速曲线仍位在自激活区中，故加速过程不会产生问题。到了高速的区域时，线性加速进入了滑动区域，习知技术是假设步进马达的脱出转矩曲线是为直线，但从图1或图2中可知，脱出转矩曲线应为曲线而非直线。如此一来，如果仍利用直线加速，则容易超出脱出转矩曲线外，使得马达产生失速的现象(如图2中的C线)。或是因为使用了步进马达不存在的输出转矩，使得步进马达无法带动所负载之物，而产生失步。

发明内容

因此，本发明的一目的，是提供一种步进马达加速系统及方法，采用一安全加速曲线，以防止马达加速过程中发生超出脱出转矩的情形。

本发明的另一目的，是提供一种步进马达加速系统及方法，在高转速时仍具有足够的转矩，以防止马达发生失步。

本发明是一种步进马达加速系统，用以将一步进马达自一目前转速加速至一预定转速，该步进马达加速系统包含一控制器、一脉冲产生器以及一驱动器。

控制器内储存有一安全加速曲线，用以根据该目前转速以及该预定转速于该安全加速曲线中相对应的位置，产生相对应的一预定加速曲线。其中安全加速曲线是位于该步进马达的一特性曲线内，且该安全加速曲线的曲线幅度符合该特性曲线的曲线幅度。脉冲产生器则用以接受该预定加速曲线，并据以转化为一脉冲信号。驱动器用以接收该脉冲信号，并据而驱动该步进马达。

本发明所提供的步进马达加速系统，其安全加速曲线是该步进马达的该特性曲线减去一安全间距(safety margin)所得。

本发明所提供的步进马达加速系统，其特性曲线是该步进马达的一脱出转矩曲线(pull-out torque)。

本发明所提供的步进马达加速系统，其安全加速曲线是由该步进马达的转矩相对该步进马达的每秒脉冲数的二次方程式。

本发明所提供的步进马达加速系统，其预定加速曲线是以该安全加速曲线作为该步进马达的加速曲线，并以该目前转速作为加速的起点，该预定转速作为加速的终点。

本发明所提供的步进马达加速系统，其预定加速曲线是一加速直线，并是以该目前转速于该安全加速曲线上相对应的位置作为加速的起点，以该预定转速于该安全加速曲线上相对应的位置作为加速的终点。

借此，本发明的加速曲线是与步进马达的特性曲线相近似，但却与步进马达的特性曲线保持一段安全间距，使得步进马达得以在安全的区域中加速，不会有习知技术失速或失步的问题产生。

附图说明

图1是习知步进马达特性曲线的曲线图；

图2是习知步进马达所用的加速曲线曲线图；

图3是本发明的步进马达加速系统以及步进马达的示意图；

图4是图3中步进马达的特性曲线及安全加速曲线的曲线图；

图5是本发明第二具体实施例的预定加速曲线的曲线图；

图6是本发明第三具体实施例的预定加速曲线的曲线图；

图7是本发明步进马达加速方法的流程图。

符号说明：

10：步进马达加速系统

102：控制器

104：脉冲产生器

106：驱动器

20：步进马达

202：特性曲线

2021：脱出转矩曲线

2023：引入转矩曲线

204：安全加速曲线

206、208：预定加速曲线

具体实施方式

请参阅图3，图3是本发明的步进马达加速系统10以及步进马达20的示意图。本发明是一种步进马达加速系统10，用以将一步进马达20自一目前转速加速至一预定转速，步进马达加速系统10包含一控制器102、一脉冲产生器104以及一驱动器106。

诚如先前技术中所描述，步进马达20具有如图1般的特性曲线。但步进马达的特性曲线无法事先得知，必须借由多次的试验才能获得，亦即测试步进马达20在多个不同的每秒输入脉冲数(PPS)情况下所产生的输出转矩值。换句话说，步进马达的特性曲线，实际上是由许多的点所构成。例如进行一百次的测试，并将这些测试点连接起来，而所呈现出曲线的样子，这条曲线便是步进马达20的特性曲线。如先前技术中所描述，特性曲线主要有两条，一条称为脱出转距曲线，另一条则称为引入转距曲线。

请参阅图4，图4是图3中步进马达20的特性曲线202及安全加速曲线204的曲线图。图中横坐标是步进马达每秒所接收的脉冲数目(pulses per second)，纵坐标则为步进马达的输出转矩。如前所述，步进马达20的特性曲线有两条，其一为脱出转距曲线2021，其二为引入转距曲线2023。由于在脱出转距曲线内操作步进马达，才能避免马达的失步或失速，因此在本发明一具体实施例中，当获得步进马达20的特性曲线202后，便可将此特性曲线202中的脱出转矩曲线2021减去一安全间距(safety margin)，而获得步进马达20的一安全加速曲线204。

在本发明的一具体实施例中，要对步进马达进行特性曲线调整时，第一步乃由脱出转矩曲线中先取多个脱出转矩曲线点，经过一安全间距的调整之后产生相对应的多个安全曲线点。接着，再以二次方程式对该等安全曲线点进行曲线拟合(curve fitting)的计算，而获得可以代表该等安全曲线点的二次方程式，该二次方程式可被视为是一安全曲线。

在此所称的曲线拟和是一种将一组离散的数据以一个近似的曲线方程式来代表。简单来说，可假设安全加速曲线204为二次方程式来获得安全加速曲线204。首先，可假设安全加速曲线为：T(f)＝a×f²+b×f+r。其中：f为每秒输入脉冲数目，T(f)是输出转矩T对每秒输入脉冲数目f的函数，即本发明所称的安全加速曲线，a为二次项的系数，b为一次项的系数，r为常数项。因此，将安全加速曲线中多个点(至少三点)带入上述的假设二次方程式，即可解得代表安全加速曲线的二次方程式。上述为简单的曲线拟和的过程，在实际的应用上，曲线拟和属于已被普遍使用的技术，坊间已具有多种软件可以进行曲线拟和的功能。

由于安全加速曲线204是由步进马达20的转矩相对步进马达20的每秒脉冲数的二次方程式，因此可将的储存在控制器102内。控制器102是依据代表安全加速曲线的二次方程式，以控制步进马达20利用不同速率转动。在不同转速间变换时，控制器102会先根据目前转速以及预定转速于该安全加速曲线中相对应的位置，产生相对应的一预定加速曲线，作为加速的依据。

在本发明的第一具体实施例中，预定加速曲线是以安全加速曲线204直接作为步进马达20的预定加速曲线，并以目前转速作为加速的起点，预定转速作为此次加速的终点。

请参阅图5，图5是本发明第二具体实施例的预定加速曲线的曲线图。在本发明第二具体实施例中，预定加速曲线206是一直线，并是以该目前转速于安全加速曲线204上相对应的位置作为加速的起点，以该预定转速于安全加速曲线204上相对应的位置作为加速的终点，而预定加速曲线206则为此两点所定义出的直线206。

请参阅图6，图6是本发明第二具体实施例的预定加速曲线的曲线图。在本发明的第三具体实施例中，预定加速曲线208是一截头式曲线208，其主要应用于当目前转速及转矩是位于步进马达20特性曲线的引入转矩曲线2023内(即自起动区)时。预定加速曲线206的起点是以目前转速所在的点为起点，并横向连结至该引入转矩曲线2023，其后则依照该安全加速曲线连结至该预定转速之点。在此特别强调一点，以上所述的各种实施例，是以在安全加速曲线进行加速为前提，由于实施例众多，于此并不在一一陈述。因此，经由本发明的详述，熟习此技艺者当可据此简单推导出多种预定加速曲线，然仅要符合本发明的前提，皆应归属于本发明的范畴。

当控制器102确定预定加速曲线后，则根据目前步进马达20的状况，产生依据预定加速曲线的控制信号，脉冲产生器104则用以接受代表预定加速曲线的控制信号，并据以转化为一脉冲信号。驱动器106则接收该脉冲信号，并据而驱动步进马达20，使步进马达20由目前转速加速至预定的转速。

因此，在本发明的实行下，步进马达20可做最有效率的加速，而且由于是在脱出转矩的内进行加速，将不会有习知技术可能产生的失步或失速的问题。

请参阅图7，图7是本发明步进马达加速方法的流程图。为了更加清楚地描述本发明的操作流程，接下来将配合流程图逐一解说本发明安全且有效率加速步进马达的步骤。本发明的操作流程包含：

步骤30：进行多次试验以获得步进马达20的特性曲线202。

步骤32：根据特性曲线202中的脱出转矩曲线2021，减去一安全间距而获得一安全加速曲线204。

步骤34：将安全加速曲线中多个点带入一二次方程式T(f)＝a×f²+b×f+r中，解出a、b、r，而获得代表安全加速曲线204的二次方程式。

步骤36：将二次方程式储存至控制器102中。

步骤38：控制器依据该二次方程式、步进马达20的目前转速及预定转速，推导出一预定加速曲线。

步骤40：控制器102根据预定加速曲线，产生控制信号至脉冲产生器104。

步骤42：脉冲产生器104根据控制信号产生相对应的脉冲信号。

步骤44：驱动器根据脉冲信号驱动步进马达20，使步进马达20加速至预定转速。

综合以上所述，本发明是考量到习知技术以直线加速可能产生的问题，加以提出一套完整的解决方案。由于本发明考量到步进马达的特性，因此加速的范围皆限制在步进马达的脱出转矩曲线内，因此，不会发生习知技术加速却超出脱出转矩的问题。再者，由于步进马达的加速过程是符合步进马达的特性，因此加速效率也比习知技术好。

Claims (6)

1、一种步进马达加速系统，用以将一步进马达自一目前转速加速至一预定转速，该步进马达的输出力矩与每秒所接受的脉冲信号两者间的关系定义为该步进马达的一特性曲线，其特征在于所述步进马达加速系统包含：

一控制器，内储存有代表一安全加速曲线的数据，该控制器用以根据该目前转速以及该预定转速于该安全加速曲线中相对应的位置，产生相对应的一预定加速曲线，其中该安全加速曲线是借由该步进马达的该特性曲线减去一安全间距所得；

一脉冲产生器，用以接受该预定加速曲线，并据以转化为一脉冲信号；

一驱动器，用以接收该脉冲信号，并据而驱动该步进马达，使该步进马达加速至该预定转速。

2、根据权利要求1所述的步进马达加速系统，其特征在于：该特性曲线是该步进马达的一脱出转矩曲线。

3、根据权利要求1所述的步进马达加速系统，其特征在于：该安全加速曲线是该步进马达的转矩相对该步进马达的每秒脉冲数的二次方程式。

4、根据权利要求1所述的步进马达加速系统，其特征在于：该预定加速曲线是以该安全加速曲线作为该步进马达的加速曲线，并以该目前转速作为加速的起点，并以该预定转速作为加速的终点。

5、根据权利要求1所述的步进马达加速系统，其特征在于：该预定加速曲线是一加速直线，并是以该目前转速于该安全加速曲线上相对应的位置作为加速的起点，以该预定转速于该安全加速曲线上相对应的位置作为加速的终点。

6、根据权利要求3所述的步进马达加速系统，其特征在于：该预定加速曲线是一截头式曲线，该预定加速曲线的起点是以目前转速所在的点为起点，并横向连结至该安全加速曲线，并依循该安全加速曲线连结至该预定转速。

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