KR20190019943A

KR20190019943A - 강건하고 효율적인 스테퍼 모터 bemf 측정을 위한 방법들 및 장치

Info

Publication number: KR20190019943A
Application number: KR1020187036420A
Authority: KR
Inventors: 수핑 소; 라케쉬 라자; 아누즈 자인; 매튜 헤인
Original assignee: 텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2017-06-15
Publication date: 2019-02-27
Also published as: KR102399840B1; EP3472931A1; EP3472931B1; JP2019520022A; CN109247054A; US20170366123A1; JP7029041B2; WO2017218822A1; CN109247054B; EP3472931A4; US10063170B2

Abstract

설명된 예에서, 장치(800)가: 스테퍼 모터에서의 코일에 전류를 공급하도록 구성되는 FET 드라이버 회로(812) - FET 드라이버 회로(812)는 고정된 델타 전류를 사용하여 코일로의 전류를 조정하도록 구성됨 -; FET 드라이버 회로(812)에 커플링되어 스텝 제어 신호 및 방향 제어 신호에 대응하는 펄스들을 공급하도록 구성되는 전류 초퍼 PWM 회로(810); 전류 초퍼 PWM 회로(810)에 커플링되어 오프 시간 펄스를 측정하고 BEMF 모니터 신호를 출력하도록 구성되는 역기전력(BEMF) 모니터(822); 및 전류 초퍼 PWM 회로(810)에 커플링되어 스텝 및 방향 제어 신호들을 공급하는 그리고 BEMF 모니터 신호를 수신하도록 커플링되는 제어기(801)를 포함한다.

Description

강건하고 효율적인 스테퍼 모터 BEMF 측정을 위한 방법들 및 장치

이것은 대체로 스테퍼 모터들에 관한 것이고, 더 상세하게는 역기전력(back electromotive force)(BEMF) 측정을 갖는 스테퍼 모터들에 관한 것이다.

스테퍼 모터들은 위치지정 태스크들을 위해 흔히 사용되는 외부 정류식(externally commutated) 모터들이다. 개방 루프 수법이 스테퍼 모터들을 제어 및 동작시키는데 사용된다. 이 개방 루프 수법에서, 제어기가 통신 신호들을 모터에 전송한다. 개방 루프 제어는 모터가 제어기 신호들에 응답한다고 가정한다. 그러면 위치는 예상되는 모터 응답으로부터 결정된다. 부하가 가벼운 모터들의 경우 그리고 낮은 속력들에서, 개방 루프 수법이 잘 작동한다. 그러나, 개방 루프 스테퍼 모터 제어 시스템에서, 회전자는 랜덤 전기 잡음; 높은 부하들; 충격 하중들; 및/또는 제어 라인들 또는 모터 권선들에서의 개방들을 포함하는 여러 이유들로, 원하는 위치로 방향을 바꾸지 않을 수 있다. 이들 가능한 실패들은 개방 루프 제어 시스템들이 많은 위치 중요 애플리케이션들에서 바람직하지 않게 되도록 한다.

스테퍼 모터가 제어기로부터의 통신 신호들을 추종함을 확인하기 위해 시스템들에서 폐 루프 수법이 때때로 사용된다. 위치 피드백은 회전 인코더를 스테퍼 모터 샤프트에 추가하는 것과 같은 여러 방식들로, 또는 선형 인코더를 시스템의 다른 가동 부분에 추가함으로써 모니터링될 수 있다. 위치 이동을 확인하는 이들 방법들은 부가적인 복잡도를 추가하며, 추가적인 하드웨어를 요구하고 전체 시스템에 부가적인 비용을 추가한다. 운동 제어에서, 역기전력(BEMF) 전압이 회전자의 움직임을 감지하기 위해 일부 외부 정류식 모터들에서 사용된다. 모터가 전류로 구동될 때, 대항 기전력(counter electromotive force)이 전류를 반대로 민다. 전기 모터들에서, 모터는 코일들이 회전할 때 자기장에 영향을 미치는 코일들을 가진다. 모터는 그러므로 심지어 모터로서 회전하는 동일한 시간에 발전기로서 역할을 한다. 결과인 BEMF 전압은 모터 속력 및 위치에 비례하고, 그래서 모터 속력 및 위치를 간접적으로 측정하는데 사용된다. 전형적인 BEMF 전압 측정 프로세스는 모터에 전위를 공급하는 구동 트랜지스터들을 아이들링시키며, 과도 전압들에 대해 방전까지 충분한 시간을 기다린 다음, BEMF로 인한 전압을 측정함으로써 시작한다. 그러나, 스테퍼 모터에서 BEMF를 측정하는 이들 방법들을 사용하는 것은 한계가 있다. 스테퍼 모터를 위한 풀 스텝 모드에서, 모터 권선들에서의 전류가 영이 되는 시간이 없고, 그래서 BEMF 전압 측정이 될 수 없다. 다른 동작 모드들에서, 초기 자기장이 쇠퇴하는 시간 후, BEMF 전압 측정을 위해 이용 가능한 시간은 매우 짧다. 개선들이 필요하고 바람직하다.

설명된 예에서, 장치가: 스테퍼 모터에서의 코일에 전류를 공급하도록 구성되는 FET 드라이버 회로 - FET 드라이버 회로는 고정된 델타 전류를 사용하여 코일로의 전류를 조정하도록 구성됨 -; FET 드라이버 회로에 커플링되어 스텝 제어 신호 및 방향 제어 신호에 대응하는 펄스들을 공급하도록 구성되는 전류 초퍼 PWM 회로; 전류 초퍼 PWM 회로에 커플링되어 오프 시간 펄스를 측정하고 BEMF 모니터 신호를 출력하도록 구성되는 역기전력(BEMF) 모니터; 및 전류 초퍼 PWM 회로에 커플링되어 스텝 및 방향 제어 신호들을 공급하는 그리고 BEMF 모니터 신호를 수신하도록 커플링되는 제어기를 포함한다.

도 1은 직접 BEMF 측정 및 피드백을 갖는 스테퍼 모터 제어기, 스테퍼 모터 드라이버 및 스테퍼 모터의 블록도이다.
도 2는 풀 스텝 동작에서 스테퍼 모터의 상 전류를 도시하는 그래프이다.
도 3은 절반 스텝 동작에서 스테퍼 모터의 상 전류를 도시하는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 단일 모터 상에 대한 개략도와 대응하는 피크 전류 파형의 그래프이다.
도 5는 차동 Vbemf 전압 파형, 대응하는 코일 전류 파형, 및 대응하는 온 시간 펄스 파형을 도시하는 타이밍 도이다.
도 6은 시뮬레이트된 모터 전압(Vm) 대 시간(ΔΤοn)의 선도이다.
도 7은 고정된 ΔI 스테퍼 모터 조정 방법의 예시적인 구성에 대한 차동 Vbemf 전압 파형, 대응하는 코일 전류 파형, 및 대응하는 오프 시간 펄스 파형을 도시하는 타이밍 도이다.
도 8은 BEMF를 간접적으로 측정하기 위한 예시적인 구성을 갖는 스테퍼 모터 제어기, 스테퍼 모터 드라이버 및 스테퍼 모터의 블록도이다.
도 9는 방법 배열을 위한 흐름도이다.
도 10은 대안적 방법 배열을 위한 흐름도이다.

상이한 도면들에서의 대응하는 숫자 및 심볼들은 달리 표시되지 않는 한 대응하는 부분들을 일반적으로 지칭한다. 도면들은 반드시 축척대로 그려지지는 않았다. "커플링된"이라는 용어는 개재 엘리먼트들과 이룬 접속들을 포함할 수 있고, 추가적인 엘리먼트들 및 다양한 접속들이 "커플링되는" 임의의 엘리먼트들 사이에 존재할 수 있다.

스테퍼 모터가 펄스형 신호들에 응답하여 정밀한 기계적 모션을 제공한다. 전위에 의해 결정되는 속력들에서 작동하는 DC 브러시트(brushed) 모터들과는 달리, 스테퍼 모터는 하나의 위치로부터 다른 위치로 각각의 스텝에서 정밀한 증분 회전으로 회전한다. 제어기가 스테퍼 모터를 전진시키는데 필요한 펄스형 신호들을 제공한다. 스테퍼 모터가 기어를 둘러싸는 자석들과 정렬되는 철 이빨 기어(toothed iron gear)를 가질 수 있다. 그 기어는 코일들에 인가된 전류에 응답하여 위치를 변화시킨다. 펄스 폭 변조(pulse width modulation)(PWM) 회로가 펄스들을 코일들에 인가할 수 있다.

도 1은 직접 BEMF 측정 및 피드백을 갖는 스테퍼 모터 제어기, 스테퍼 모터 드라이버 및 스테퍼 모터를 포함하는 시스템의 블록도이다. 시스템(100)은 스테퍼 모터 제어기, 제어기(101), 스테퍼 모터 다이버, 드라이버(102), 및 스테퍼 모터, MTR(104)을 가진다. 스테퍼 모터(104) 내에, 한 쌍의 코일들인 코일1(106) 및 코일2(108)가 도시되어 있다. 스테퍼 모터 드라이버 드라이버(102)는 네(4) 개의 블록들을 포함하는데, 그 블록들은: 전류 초퍼 PWM(110), FET 드라이버(112), BEMF1 섹션(120), 및 BEMF2 섹션(130)이다. BEMF1 섹션(120)은 세(3) 개의 블록들을 포함하는데, 그 블록들은: BEMF1 모니터(122), 아날로그-디지털 변환기(ADC)(124), 및 아날로그 프런트 엔드(AFE)(126)이다. BEMF2 섹션(130)은 세(3) 개의 블록들을 포함하는데, 그 블록들은: BEMF2 모니터(132), ADC(134), 및 AFE(136)이다.

제어기(101)는 드라이버(102)에 커플링되는 적어도 두 개의 출력들(STEP 및 DIR)을 가진다. 제어기(101)는 드라이버(102)로부터 입력(BEMF)을 수신한다. 전류 초퍼 PWM(110)이 FET 드라이버(112)에 커플링된다. 코일1(106)은 FET 드라이버(112) 및 AFE(126)에 커플링된다. AFE(126)는 BEMF1 모니터(122)에 커플링되는 ADC(124)에 커플링된다. 코일2(108)는 FET 드라이버(112) 및 AFE(136)에 커플링된다. AFE(136)는 BEMF2 모니터(132)에 커플링되는 ADC(134)에 커플링된다.

동작 시, 마이크로프로세서, 마이크로제어기 유닛 (MCU) 또는 다른 로직 디바이스일 수 있는 제어기(101)는, 스텝 및 방향 신호들(STEP 및 DIR)을 드라이버(102)에 제공한다. STEP 및 DIR 신호들은 스테퍼 모터가 이동할 스텝 거리 및 스텝의 방향을 표시한다. 스텝 및 방향 신호들에 응답하여, 드라이버(102)는 피크 전류 조정된 신호를 FET 드라이버(112)에 제공하기 위해 전류 초퍼 PWM(110)을 기동시킨다. 피크 전류 조정에서, 펄스 폭 변조(PWM) 사이클의 시작부분에, 드라이버(112)는 하이 전압을 코일에 인가하고 코일 전류는 그것이 증가함에 따라 모니터링된다. 전류가 미리 결정된 한계에 도달할 때, 전위는 코일로 턴 오프되고, 코일 전류는 고정된 오프 시간 동안 쇠퇴한다. 각각의 사이클에서, FET 드라이버(112)는 코일1(106) 및 코일2(108)를 구동시켜 전류를 모터의 코일들에 공급한다. 전류 초퍼 PWM(110)은 펄스들을 FET 드라이버에 출력하여 전위가 코일들에 인가되는 온 시간을 제어하기 위해 온-시간 신호를 변조시킨다. 전류가 미리 결정된 한계에 도달할 때 그 전류를 회로가 "초핑"하기 때문에, 그 회로(110)는 "전류 초퍼"라고 지칭된다. 따라서 시스템은 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 전류를 조정한다. BEMF1 섹션(120)은 구동 전류가 영인 시간 동안 코일1(106)을 모니터링한다. 구동 전류가 영이 된 후, AFE(126)는 BEMF 전압을 감지하고 증폭한다. AFE(126)는 아날로그 신호를 출력하며, ADC(124)는 그 신호를 디지털화하고 디지털 정보를 BEMF1 모니터(122)에 전송한다. 유사한 프로세스가 BEMF2 섹션(130) 내에서 발생한다. BEMF2 섹션(130)은 구동 전류가 영인 시간 동안 코일 L2(108)를 모니터링한다. 구동 전류가 영이 된 후, AFE(136)는 ADC(134)가 정보를 디지털화하고 BEMF2 모니터(132)에 전송하게 하는 것을 가능하게 하는 범위까지 BEMF 전압을 증폭시킨다. 제어기(101)는 BEMF 입력을 수신하고 후속 스텝 및 방향 신호들을 공급할 때 BEMF 정보를 통합한다.

도 2는 풀 스텝 동작에서 스테퍼 모터의 상 전류를 도시하는 그래프(200)이다. 수평 축은 그래프(200)에 대한 시간이고, 수직 축은 스텝 입력(202) 신호에 대한 전압, 위상 1 전류 파형(204)에 대한 전류, 및 위상 2 전류 파형(206)에 대한 전류이다. 위상 파형들은 정상 상태 전류 레벨들로서 도시된다. 그러나, 위상 1 전류 파형의 부분의 확대부분(216)은, 거의 일정한 전류 레벨을 나타내는 정상 상태(steady state) 라인(220)이, 도 1의 전류 초퍼(110)에 의해 타이밍되고 도 1의 FET 드라이버(112)에 의해 생성되는 일련의 작은 톱니 전류 램프들(220)을 포함함을 더 정확하게 도시한다. 그 전류는 본 명세서의 위에서 설명된 FET 드라이버 회로에 대해 PWM 신호들을 사용하여 대략 정전류 레벨을 유지하도록 조정된다.

풀 스텝 스테퍼 모터 동작에서, 위상들(위상 1 및 위상 2) 중 어느 것도 비-구동 기간에 있지 않고, 이는 BEMF 전압을 직접적으로 측정할 기회를 남겨주지 않는다. 위상 1 전류 파형에서의 영점 교차들(210)과 위상 2 전류 파형에서의 영점 교차들(212)은 전류가 영의 암페어에서 멈추지 않는다는 것을 보여준다. 마이크로-스텝 모터 동작 모드에서, 코일이 영의 전류에 있을 때 시간이 존재한다. 그러나, 코일 전류가 영의 전류인 시간은 BEMF 전압을 측정할 시간을 허용하기에는 종종 너무 짧다.

도 3은 절반 스텝 동작에서 스테퍼 모터의 상 전류를 도시하는 그래프이다. 그래프(300)에서, 수평 축은 시간을 나타내고, 수직 축은 스텝 입력(302)에 대한 전압, 위상 1 전류(304) 및 위상 2 전류(306)에 대한 전류를 나타낸다. 상 전류에 대한 정상 상태 전류 레벨 표현들은 도 2에서의 확대부분(216)과 유사한 일련의 작은 톱니 전류 램프들을 포함한다. 절반 스텝 동작에서, 위상 1 전류 파형(304)은 드라이버들이 구동하지 않고 전류는 영 암페어인 시간 부분(310)을 가진다. 상 전류가 영이고 진정한 BEMF 전압을 나타내는 쇠퇴에 대한 과도 코일 전압에 대해 충분한 시간이 이용 가능할 때 BEMF 측정이 이루어질 수 있다. 그러나, 모터 속력이 증가함에 따라, 측정을 위한 가용 시간은 짧아지고 결과적으로 측정이 이루어질 수 있는 시간은 정확한 BEMF 측정을 하기에는 너무 짧다. 1/4 스텝 또는 그 이상의 스텝 동작의 경우, 영의 전류에서의 시간은 심지어 더 작아서, BEMF 전압을 측정하는데 상당한 제한을 초래한다. 더 높은 모터 속력에서 직접 측정 접근들은 BEMF 측정을 완료하는데 시간이 부족해 실패한다.

도 4a 및 도 4b는 각각 단일 모터 상 회로에 대한 개략도와 대응하는 피크 전류 파형의 그래프이다. 개략도(400)는 하이 측 구동 트랜지스터(411), 로우 측 구동 트랜지스터(413), 모터 권선(415), 권선 저항(417) 및 전압 소스(419)로서 도시된 BEMF 전압을 포함한다. 도 4a에서의 이 예에서, 하이 측 드라이버(411)는 도통하고 있고 로우 측 드라이버(413)는 전류 화살표(412)에 의해 표시된 바와 같이 오프이다. 하이 측 드라이버(411)는 410으로 라벨표시된 모터 전압(Vm)으부터의 전류를 권선(415), 내부 저항(417), BEMF 전압(419)을 통해 그리고 음 또는 접지 전위로 전도한다. 상 전류 레벨(도 4b에서의 412 참조)은 하이 측 드라이버(411)를 턴 온하여 시간(Ton) 동안 상 전류(412)가 미리 결정된 피크 전류 임계 값에 도달하는 것을 허용함으로써 조정된다. 그 시점에, 하이 측 드라이버는 고정 시간(Toff) 동안 턴 오프(되고 로우 측 드라이버는 턴 온) 된다. 고정 시간(Toff)의 끝에, 하이 측 드라이버는 다시 턴 온 되고, 그 프로세스는 반복된다. 본 명세서의 위에서 설명된 바와 같이, 이 프로세스는 피크 전류 조정으로서 알려져 있다. 그 동작은 도 4b의 그래프(401)에서 도시된다. 미리 결정된 전류 임계값(420)은 도 4b에서 톱니 상 전류(412) 파형의 피크에 도시되어 있다. 파형(412)의 시작에서, 하이 측 드라이버(도 4a에서의 411)는 421로 라벨표시된 시간(Ton) 동안 도통한다. 피크 전류 임계값이 충족된 후(도 4b에서의 427 참조), 하이 측 드라이버는 고정된 기간(Toff)(423) 동안 턴 오프되고 전류는 425로 라벨표시된 전류 차이(ΔΙ)로 감소한다. 그 사이클은 그래프(401)의 파형(412)에서 도시된 바와 같이 반복된다. 개략도(400) 및 파형(401)을 사용하여, 전류에서의 변화(ΔΙ)는 다음의 수학식 (1)로서 표현될 수 있으며:

(1)

여기서 R은 저항기(417)의 값 즉, 권선 저항이며, I는 전류이며, Vbemf는 도 3a에서의 BEMF(419)로 인한 전압이고, L은 도 3a에서의 코일(415)의 인덕턴스이다.

온 시간(Ton)은 다음의 수학식 (2)에 의해 주어진다:

(2)

수학식 (1)을 수학식 (2)에서 ΔI에 대해 대입하면, Ton은 다음의 수학식 (3)에 의해 주어진다:

(3)

수학식 (3)에 도시된 바와 같이, 온 시간(Ton)은 Vbemf에 따라 가변하며, 이는 Ton이 Vbemf를 측정하는데 사용될 수 있음을 시사한다. 온 시간(Ton)은 전류(I)가 미리 결정된 최대에 도달하기까지 모터에서 전압(Vm)을 코일에 공급하기 위해 모터 드라이버(FET들)을 제어하는데 사용된다. 전류는 그 후 다음의 사이클까지 쇠퇴한다. 시간(Ton)이 변화하기 때문에, 도 3에서 도시된 바와 같이, Ton은 Vbemf를 결정하려고 시도하는데 사용될 수 있다. 그러나, 실제로, 이 측정은 문제가 있다. 수학식 (3)에 도시된 바와 같이, Ton은 고도로 가변적인 모터 공급 전압(Vm), 모터 코일 저항(R) 및 전압(Vbemf)과는 반비례로 가변한다. Vm이 Vbemf보다 보통 훨씬 더 크고 Vm에서 높은 변동을 가지면, Vbemf 변화들을 Vm 변화들로부터 구분하는 것은 강건한 검출 방법을 제공하지 않는다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, Vm에서의 변동을 소거하려고 시도하기 위해 차동 측정을 사용하는 것은 또한 비효율적이다.

도 5는 차동 Vbemf 파형을 도시하는 타이밍 도이다. 타이밍 도(500)는 다음 세 개의 파형들: Vbemf(510); 구동 전류(520); 및 위상 타이밍(530)을 가진다. 수평 또는 x 축은 타이밍 도(500)에서 파형들의 각각에 대한 시간이다. 수직 축은: (a) Vbemf(510)에 대한 전압; (b) 구동 전류(520)에 대한 암페어; 및 (c) 위상 타이밍(530)에 대한 전압이다. Vbemf 파형(510)은 Vbemf 전압에서의 증가량인 ΔVbemf(514)를 도시한다. 구동 전류 파형(520)은 피크 전류 임계값(522), 고정 시간 Toff(524), 델타 전류 ΔΙ(526) 및 가변하는 Ton(538)을 도시한다. 위상 파형(530)은 상이한 기간들의 두 개의 가변 턴 온 전압 펄스들(Ton)을 도시한다. Ton 펄스(532)는 Ton 펄스(534)보다 더 길다.

도 5에서의 파형들은 구동 스테퍼 모터 코일의 "피크 전류" 방법의 다른 예이다. 피크 전류 방법에서, Toff는 일정하고 Ton은 프로그래밍된 임계값(도 5에서의 522)으로 전류를 드라이브하도록 가변한다. 온 시간(Ton)에서의 변화(ΔΤοn)는 다음의 수학식 (4)에 의해 주어진다:

또는

(4)

수학식 (4)는 심지어 차동 측정을 사용할 때에도, 차동 측정값(ΔΤοn)은 가변 모터 전압(Vm)과, 전류(I)와 온도 의존 저항(R)의 곱에 따라 달라짐을 보여준다. 전압(Vm)에서의 변동은 다시 더 작은 Vbemf 전압을 가린다.

도 6은 차동 온 시간(ΔΤοn)에 대해 그려진 시뮬레이션된 모터 전압(Vm)의 도면(600)인데, 이 도면은 모터 전압(Vm)에 대한 차동 량(ΔΤοn)의 의존성을 추가로 예시한다. 도면(600)의 수직 또는 Y 축은 마이크로 초(μS) 단위로 ΔΤοn을 나타낸다. 수평 또는 X 축은 볼트(V) 단위로 Vm을 나타낸다. 데이터 라인(610)은 Vm이 10V로부터 60V로 스위프되는 동안의 ΔΤοn의 시뮬레이션을 보여준다. 데이터 라인(610)은 전압(Vm)의 변화가 ΔΤοn에 대해 직접적이고 비선형의 효과를 가짐을 보여준다.

본 출원의 예시적인 구성은 스테퍼 모터 조정 스킴에서 고정 온-시간(Ton) 대신 고정 델타 전류 범위(ΔI)를 사용한다. 고정 ΔI 조정 방법은 모터 전압(Vm)에 대한 ΔΤοn의 의존성을 제거하고, 그러므로 Bemf 전압의 정확하고 강건한 평가를 가능하게 한다. BEMF 측정은 Vbemf의 직접 측정을 하지 않으면서 그리고 상 전류 드라이버들이 디스에이블될 것을 요구하는 일 없이 수행된다. 본 구성의 고정 ΔI 조정 방법은, 심지어 모터 전류 I가 영이 아닐 때에도, 전체 정류 사이클 내내 BEMF 전압 평가를 또한 가능하게 한다. 고정 ΔI 조정 방법은 모터 전류의 위상에 관련하여 BEMF 전압 위상을 결정하는 것을 또한 가능하게 한다. 예시적인 구성들에서 제공되는 Vbemf 전압의 정확하고 강건한 평가로, Vbemf 측정들은 외부 위치 센서들의 사용 없이 그리고 그들 외부 센서들을 판독하도록 요구되는 연관된 하드웨어 없이 회전자 움직임을 결정하는 것을 가능하게 할 수 있다.

도 7은 고정 ΔI 스테퍼 모터 조정 방법을 사용한 구성의 동작을 도시하는 타이밍 도이다. 타이밍 도(700)는 다음 세 개의 파형들: Vbemf(710); 구동 전류(720); 및 위상 타이밍(730)을 가진다. 수평 또는 x 축은 타이밍 도(700)에서 파형들의 각각에 대한 시간이다. Vbemf(710)에 대한 수직 축은 전압, 암페어 단위의 구동 전류(720)의 전류, 및 위상 타이밍(730)에 대한 전압이다. Vbemf 파형(710)은, 도 5에서의 ΔVbemf의 전압 증가량(514)과 유사한, 부분(711)에서의 전압(Vbemf1)과 부분(712)에서의 전압(Vbemf2) 사이의 차동 전압 ΔVbemf(714)를 보여준다. 구동 전류 파형(720)은 피크 전류 임계값(722), 더 낮은 전류 임계값(723), 고정된 델타 전류 ΔΙ(726) 및 가변하는 Ton(728)을 도시한다. 위상 타이밍 파형(730)은 두 개의 가변 턴 오프 기간들: 더 낮은 Vbemf 전압(711)에 대응하는 Toff1(732); 및 더 높은 Vbemf 전압(712)에 대응하는 Toff2(734)를 도시한다. 기간 Toff1(732)은 기간 Toff2(734)보다 더 짧다. 구동 전류 파형(720) 상의 두 개의 영역들(750 및 754)은 구동 전류가 피크 전류 임계값에 도달한 후에 발생한다. 구동 전류 파형(720) 상의 두 개의 영역들(752 및 756)은 구동 전류가 더 낮은 전류 임계값에 도달한 후에 발생한다. 온 시간(Ton)은 다소 일정한 것으로서 도시되며, 그 온 시간은 모터가 구동될 때 전류(I)가 더 낮은 임계값(732)에서부터 더 높은 임계값(722)으로 상승하기 위해 필요로 하는 시간이다. 온 시간은 모터 저항(R)에 의해 결정되고 도 7의 예들에서 다소 유사하지만, Ton은 또한 가변할 수 있다.

동작 시, 더 낮은 임계값과 더 높은 상부 임계값(723, 722) 사이의 전류에서의 변화는 ΔΙ로 고정된다. 온 시간(Ton) 동안 코일 전류(720)는 그것이 피크 전류 임계값(722)에 도달하기까지 증가한다. 도 7에서의 구동 전류 파형(720)을 참조하면, 피크 전류 임계값은 영역(750)에서 획득된다. 시간(750)에서, 위상 드라이브(730)는 턴 오프되고 코일 전류는 코일 전류가 영역(752)에서 더 낮은 전류 임계값(723)에 도달하기까지 쇠퇴한다. 쇠퇴 기간 Toff1(732)은 전압(Vbemf1), 코일 저항(R) 및 인덕턴스(L)에 의존하지만, 모터 전압(Vm)에는 의존하지 않는다. 전류가 기간(Toff1)의 끝에서 더 낮은 전류 임계값(723)(영역(752)로 도시됨)에 도달한 후, 프로세스는 반복된다. 영역(754)에 대한 구동 전류 파형(720)에 뒤따라, Vbemf1(711)는 더 높은 전압(eVbemfZ)(712로 도시됨)으로 천이한다. 코일 전류(720)는 영역(754)에서 피크 전류 임계값(722)을 획득하며, 결과적으로 위상 드라이브는 턴 오프되고, 기간 Toff2(734)가 시작된다. 전류 드라이브 파형(720)에 뒤따라, 전류는 더 낮은 전류 임계값(723)(영역(756)으로 도시됨)으로 쇠퇴한다. 쇠퇴 기간 Toff2(734)은 첫 번째 Toff1(732) 기간보다 더 긴데 왜냐하면 Vbemf 레벨(712)이 Vbemf 레벨(710)보다 더 높기 때문이다. 구동 전류가 기간 Toff2(734)의 끝에서 더 낮은 전류 임계값(영역(756)에서임)에 도달한 후, 프로세스는 반복된다. 오프 시간(Toff)은 본 구성들에서 고정되지 않고, 대신 전류 변화(ΔΙ)는 고정된다. Toff1 기간을 사용하여, ΔI는 다음으로서 표현된다:

또는

(5)

수학식 (5)는 예시적인 구성의 사용이 Vbemf1 고도로 가변하는 모터 전압(Vm)과는 독립적이 되게 함을 보여준다. 시간(Toff1)은 코일 인덕턴스(L), 코일 저항(R), 전류(I), 고정된 델타 전류(ΔΙ), 및 Vbemf에만 의존한다. 전류(I)는 모니터링되며, 인덕턴스(L)는 알려지며, ΔΙ는 알려지고, 코일 저항(R)은 다양한 온도들 및 전류들(I)에 대해 특징화될 수 있다. 이들 파라미터들을 사용하여 전압(Vbemf)은 수학식 (5)를 사용하는 제어기 또는 다른 시스템 리소스를 사용하여 계산될 수 있다.

Vbemf에서의 변화(ΔVbemf)가 요망되는 시스템들에서, 코일 전류(I)와 저항(R)은 수학식 (6)을 형성하는 중에 보인 바와 같이 수학식에서 소거된다:

또는

(6)

수학식 (6)에 보인 바와 같이, 전압(Vbemf)에서의 변화(ΔVbemf)는 모터 코일의 인덕턴스(L), 알려진 델타 전류 범위(ΔΙ), 및 두 개의 측정된 오프 시간들(Toff1 및 Toff2)에만 의존한다. ΔVbemf 항은 온도 의존성 코일 저항(R)에, 또는 고도로 가변하는 모터 전압(Vm)에 의존하지 않는다. 변화량 ΔVbemf가 Toff 기간들의 길이에 의존하기 때문에, 간단한 카운터가 ΔVbemf를 계산하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, Toff1 및 Toff2에 대한 시간 측정이 사용될 수 있다. 모터의 위치는 변화량 ΔVbemf를 사용하여 결정될 수 있다. 본 출원의 구성들의 사용은 Vbemf를 직접적으로 측정하는데 통상적으로 사용되는 복잡한 하드웨어에 대한 필요를 줄인다.

도 8은 BEMF를 간접적으로 측정하는 예시적인 구성을 갖는, 스테퍼 모터 제어기, 스테퍼 모터 드라이버 및 스테퍼 모터를 포함하는 시스템의 블록도이다. 시스템(800)은 스테퍼 모터 제어기(801), 스테퍼 모터 드라이버(802) 및 스테퍼 모터(804)를 가진다. 스테퍼 모터(804) 내에, 한 쌍의 코일들: 코일1(806) 및 코일2(808)이 도시되어 있다. 스테퍼 모터 드라이버(802)는 세(3) 개의 블록들을 포함하는데, 그 블록들은: 전류 초퍼 PWM(810), FET 드라이버(812), 및 BEMF 모니터(822)이다.

제어기(801)는 적어도 두 개의 출력들을 가지는데, 그 출력들은 드라이버(802)에 커플링되는 STEP 및 DIR이다. 제어기(801)는 드라이버(802) 내의 BEMF 모니터(822)로부터 입력 BEMF를 수신한다. 전류 초퍼 PWM(810)은 FET 드라이버(812) 및 BEMF 모니터(822)에 커플링된다. FET 드라이버(812)는 코일1(806) 및 코일2(808)에 커플링된다.

예시적인 구성에서, 드라이버(802)는 단일 모놀리식 집적 회로로서 구현될 수 있다. 다른 예시적인 구성에서, 드라이버(802)와 제어기(801)는 단일 집적 회로로서 구현될 수 있다. 제어기(801)는 마이크로프로세서, 마이크로제어기 유닛과 같은 프로그램가능 디바이스를 사용하여, 또는 상태 머신과 같은 로직 회로부에 의해 구현될 수 있다. 필드 프로그램가능 게이트 어레이들(FPGA들), 복합 로직 프로그램가능 디바이스들(CPLD들), 및 주문형 집적회로들(ASIC들)과 같은 사용자 정의가능 집적 회로들이 제어기(801)를 구현하는데 사용될 수 있고, 대안적 구성들에서, 드라이버(802)를 또한 포함할 수 있다. 디지털 신호 프로세서들(DSP들)과 혼합 신호 프로세서들(mixed signal processors)(MSP들)이 그 구성들을 구현하는데 또한 사용될 수 있다.

동작 시, 마이크로프로세서, 마이크로제어기 유닛 또는 다른 로직 디바이스일 수 있는 제어기(801)는 스텝 및 방향 신호들(STEP 및 DIR)을 드라이버(802)에 제공한다. 스텝 및 방향 신호들에 응답하여, 드라이버(802)는 전류 초퍼 PWM(810)을 기동시켜 미리 결정된 전류 변화(ΔΙ)를 FET 드라이버(812)에 사용함으로써 조정되는 펄스 신호들을 제공한다. 이 드라이버는 도 7의 파형(730)으로 도시된 바와 같이 동작한다. FET 드라이버(812)는 스테퍼 모터의 하나의 위상에 대해 코일1(806)을 그리고 제2의 위상에 대해 코일2(808)를 구동한다. 하나의 예에서, BEMF 모니터(822)는 전류 초퍼(810) Toff 출력의 펄스 레이트를 카운트하고 카운트 레이트 정보를 제어기에 BEMF 신호를 통해 제공한다. 다른 예에서, BEMF 모니터(822) 내의 고주파수 기준 클록(이를테면 20 MHz)이 Toff 펄스 폭을 시간 단위로 측정하는데 사용되고, 그 시간은 BEMF 신호 상에서 출력으로서 공급된다. 제어기(801)는 BEMF 신호 정보를 수신하며, BEMF 값을 계산하고 그것을 후속 스텝 및 방향 신호들에 통합한다. 제어기(801)는 전압(Vbemf)에 대한 직접 계산을 사용하여 또는 BEMF에서의 변화들(ΔVbemf)을 추적하여 모터 스텝들을 추적함으로써 스테퍼 모터의 위치를 결정할 수 있다. 본 명세서의 위에서 설명되는 수학식 5 및 6은 제어기(801)에 의해 계산될 수 있다.

스테퍼 모터 드라이버(802)를 위한 예시적인 구성과 도 1에서의 스테퍼 모터 드라이버(102)를 비교함에 있어서, 스테퍼 모터 드라이버(802)를 위해 요구되는 하드웨어의 양 및 복잡도는 도 1의 스테퍼 모터 드라이버(102)에서 도시된 AFE들(126 및 136)의 쌍과 ADC들(124 및 134)만큼 감소된다. 게다가, 정류 사이클 동안의 임의의 시간에 그리고 임의의 스테핑 모드에서 BEMF 전압을 간접적으로 결정하는 스테퍼 모터 드라이버(802)의 능력은 스테퍼 모터 드라이버(802)가 회전자 움직임을 위해 BEMF 전압을 결정하고 사용하기 위한 더 강건한 예시적인 구성을 포함하게 한다.

도 9는 방법 배열(900)을 예시하는 흐름도이다. 도 9에, 고정된 델타 전류를 스테퍼 모터에 공급하는 드라이버에 대한 오프 시간(Toff)의 길이를 결정하는 방법이 도시되어 있다. 수학식 (5)에 도시된 바와 같이, 전류 변화(ΔΙ)가 알려져 있기 때문에, 오프 시간(Toff)은 전류(I), 저항(R), 및 인덕턴스(L) 값들을 사용하여, BEMF로 인한 전압(Vbemf)을 결정하는데 사용될 수 있다.

그 방법은 단계 901(시작)에서 시작한다. 그 방법은 단계 903으로 전이하며, 그 단계에서 드라이버는 도 1에 도시된 바와 같은 스테퍼 모터의 위상에 대해 코일에 전류를 공급하는 것을 시작한다. 일 예에서, 전력 FET와 같은 하이 측 드라이버 디바이스가 코일을 모터 전압(Vm)에 커플링시킨다. 그 방법은 단계 905으로 전이하며, 그 단계에서 전류는 테스트된다. 코일을 통과하는 전류인 코일 전류는 모니터링된다. 단계 905에서의 결정이 거짓(F)이면, 방법은 단계 903에서 코일에 전류를 공급하는 것을 계속한다. 방법은 전류가 도 7에 도시된 바와 같은 미리 결정된 최대 값(Imax)에 도달할 때, 단계 907로 전이한다.

단계 907에서, 카운터가 초기화된다. 예를 들어, 카운터는 도 8의 BEMF 모니터 블록(822)에 존재할 수 있다. 방법은 그 다음에 단계 909로 계속된다. 단계 909에서, 오프 시간(Toff)은 코일을 접지 전위에 커플링함으로써 수행된다. 방법은 코일 전류이 테스트되는 결정 블록(911)으로 전이한다. 코일 전류가 최소 전류(Imin)보다 더 크면, 방법은 단계 915로 전이하고 카운터를 증분시킨다. 방법은 그 다음에 방법 단계 909에서 오프 시간(Toff)을 계속 수행하여, 전류가 도 7에 도시된 바와 같은 미리 결정된 최소 전류에 도달하기까지 그 최소 전류에 대해 전류를 테스트한다. 전류가 최소 전류(Imin)보다 더 크면, 카운터는 단계 915에서 증분되어 Toff 기간에 대한 시간을 카운트한다. 블록 911에서의 결정이 참일 때, 방법은 시구간(Toff)을 표시하는 카운트를 출력한다. 방법은 그 다음에 단계 903으로 복귀하고 전류를 모터에 공급함으로써 계속된다. 그 사이클은 반복된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 방법은 모터 코일로의 전류를 조정하기 위해 고정된 전류 변화(ΔΙ)를 사용하여 전류를 공급한다.

도 10은 Toff 카운터 측정들(또는 대안적으로, Toff 시간)을 사용하여 BEMF 전압에서의 변화(ΔVbemf)를 결정하는 방법(1000)을 흐름도로 도시한다. 도 8에서, 도 10의 방법은 제어기(801) 내에 구현될 수 있다.

도 10에서, 방법은 단계 1001에서 시작한다. 단계 1003에서, 오프 시간에 대한 제1 값(Toff1)이 수신된다. 일 예에서, 제어기(801)는 BEMF 모니터(822)로부터 오프 시간 카운트를 수신할 수 있다. Toff 카운트는 시간(Toff)의 지속기간에 대응한다. 단계 1005에서, 제2 오프 시간(Toff2)이 수신된다. 다시, 도 8에서, 제어기(801)는 BEMF 모니터(822)로부터 제2 오프 시간 카운트를 수신할 수 있다. 단계 1007에서, ΔVbemf에서의 변화는 위에서 설명된 수학식 (6)을 사용하여 계산된다. 모터의 위치는 Vbemf에서의 변화를 사용하여 결정된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 변화량(ΔVbemf)은 위치 변화에 대응한다.

대안적 접근법에서, 도 8의 제어기(801)는 전압(Vbemf)과 수학식 (5)를 사용하여 모터 위치를 결정할 수 있다. 수학식 (5)에서의 계산은 온도에 따라 달라지는 저항(R)에 의존한다.

본 구성들에서, 스테퍼 모터에 대한 전압(Vbemf)은 심지어 풀 스텝 동작에 대해서도 결정될 수 있다. 조정 방법으로서 전류에 대한 고정된 범위를 이용함으로써, 구성들은 BEMF 전압(Vbemf), 또는 Vbemf에서의 변화가, 전압(Vm)과는 독립적으로; 그리고 영의 전류 조건의 발생 없이 결정되는 것을 가능하게 한다. 모터 위치는 BEMF 전압들을 사용하여 결정될 수 있다.

변형예들이 설명된 예시적인 구성들에서 가능하고, 다른 구성들이 청구항들의 범위 내에서 가능하다.

Claims

스테퍼 모터에서의 코일에 주기적으로 온 시간과 오프 시간 ― 상기 온 시간은 상기 코일로의 전류를 미리 결정된 최소 전류로부터 미리 결정된 최대 전류로 증가시키는 시간에 비례하고, 상기 오프 시간은 상기 코일에서의 전류를 상기 미리 결정된 최대 전류로부터 미리 결정된 최소 전류로 감소시키는 시간에 비례함 ― 을 갖는 펄스 폭 변조된 신호를 공급하는 단계;
제1 사이클에서 상기 펄스 폭 변조된 신호를 공급하여, 제1 오프 시간을 측정하는 단계;
제2 사이클에서 상기 펄스 폭 변조된 신호를 공급하여, 제2 오프 시간을 측정하는 단계; 및
상기 제1 오프 시간과 상기 제2 오프 시간 사이의 차이를 사용하여, 상기 스테퍼 모터에 대한 역기전력(BEMF)으로 인한 전압에서의 변화를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 오프 시간을 측정하는 단계는 상기 제1 오프 시간 동안 알려진 주파수의 펄스들을 카운팅하는 단계와, 상기 제1 오프 시간에 비례하는 제1 카운트를 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
제2항에 있어서, 상기 제2 오프 시간을 측정하는 단계는 상기 제2 오프 시간 동안 알려진 주파수의 펄스들을 카운팅하는 단계와, 상기 제2 오프 시간에 비례하는 제2 카운트를 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 오프 시간과 상기 제2 오프 시간 사이의 차이를 사용하는 것은 상기 제1 오프 시간으로부터 상기 제2 오프 시간을 감산하는 것을 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 스테퍼 모터에 대한 역기전력으로 인한 상기 전압에서의 변화(ΔVbemf)를 결정하는 단계는, 다음:

을 계산하는 단계를 포함하며,
여기서 Toff1은 상기 제1 오프 시간이며, Toff2는 상기 제2 오프 시간이며, ΔΙ는 상기 미리 결정된 최대 전류와 상기 미리 결정된 최소 전류 사이의 상기 차이이고, L은 상기 코일의 인덕턴스인, 방법.
제3항에 있어서, 상기 제1 카운트와 상기 제2 카운트는 상기 전류를 상기 코일에 공급하는 구동 회로에 커플링된 역기전력 모니터에서의 카운터를 사용하여 형성되는, 방법.
스테퍼 모터에 대한 역기전력(BEMF) 전압을 결정하는 방법으로서,
스테퍼 모터에서의 코일에, 상기 코일에서의 전류를 미리 결정된 최대 전류로 증가시키는 것에 대응하는 온 시간 동안, 전압을 공급하는 단계
상기 코일에서의 전류가 미리 결정된 최소 전류로 감소하도록 허용하는 것에 대응하는 오프 시간 동안 상기 스테퍼 모터에서의 상기 코일로의 상기 전압을 제거하는 단계;
상기 오프 시간의 지속기간에 대응하는 카운트를 형성하기 위해 알려진 주파수의 펄스들의 수를 카운트하는 단계; 및
상기 미리 결정된 최소 전류와 상기 미리 결정된 최대 전류 사이의 전류에서의 변화, 상기 오프 시간, 상기 코일의 인덕턴스, 상기 코일에서의 전류, 및 상기 코일의 저항을 사용하여 상기 BEMF로 인한 전압을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
제7항에 있어서, 상기 BEMF로 인한 상기 전압을 결정하는 단계는, 다음:

을 계산하는 단계를 포함하며,
여기서 Toff1은 상기 오프 시간이며, ΔΙ는 상기 미리 결정된 최대 전류와 상기 미리 결정된 최소 전류 사이의 차이인 고정된 델타 전류이며, L은 상기 코일의 상기 인덕턴스이며, I는 상기 코일에 대한 정전류이며, R은 상기 코일의 저항이고, Vbemf1은 상기 BEMF로 인한 전압인, 방법.
제8항에 있어서, 상기 스테퍼 모터의 위치를 결정하기 위해 상기 Vbemf1 전압을 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
스테퍼 모터에서의 코일에 전류를 공급하도록 구성되는 FET 드라이버 회로 - 상기 FET 드라이버 회로는 고정된 델타 전류(ΔΙ)를 사용하여 상기 코일로의 상기 전류를 조정하도록 구성됨 -;
상기 FET 드라이버 회로에 커플링되어 스텝 제어 신호 및 방향 제어 신호에 대응하는 펄스들을 공급하도록 구성되는 전류 초퍼 펄스 폭 변조 회로;
상기 전류 초퍼 회로에 커플링되어 오프 시간 펄스를 측정하도록 그리고 BEMF 모니터 신호를 출력하도록 구성되는 역기전력(BEMF) 모니터; 및
상기 전류 초퍼 펄스 폭 변조 회로에 커플링되어 상기 스텝 및 방향 제어 신호들을 공급하는 그리고 상기 BEMF 모니터 신호를 수신하도록 커플링되는 제어기를 포함하는, 장치.
제10항에 있어서, 상기 BEMF 모니터는 상기 전류 초퍼 펄스 폭 변조 회로로부터의 오프 시간 펄스 동안 카운트하여 상기 오프 시간 지속기간에 대응하는 카운트를 형성하는 카운터를 포함하는, 장치.
제11항에 있어서, 상기 제어기는 상기 오프 시간 펄스에 대한 오프 시간(Toff1)에 대응하는 카운트를 수신하고, 상기 제어기는 다음:

을 계산함으로써 BEMF로 인한 전압을 결정하도록 구성되며,
여기서 ΔΙ는 고정된 델타 전류이며, L은 상기 코일의 인덕턴스이며, R은 상기 모터의 저항이며, I는 상기 모터에 대한 정전류이고, Vbemf1은 상기 BEMF로 인한 전압인, 장치.
제10항에 있어서, 상기 FET 드라이버는 상기 전류가 미리 결정된 최대 전류로 증가하기까지 온 시간 동안 상기 전류를 상기 코일에 공급하도록 구성되고, 상기 FET 드라이버는 상기 전류가 미리 결정된 최소 전류로 감소하기까지 계속되는 오프 시간 동안 상기 코일에 전류를 공급하는 것을 중단하도록 구성되며, 상기 미리 결정된 최대 전류와 상기 미리 결정된 최소 전류 사이의 차이는 상기 고정된 델타 전류(ΔΙ)인, 장치.
제11항에 있어서, 상기 제어기는 제1 모터 동작에 대한 제1 오프 시간에 대응하는 제1 카운트를 수신하도록 구성되고, 제2 모터 동작에 대한 제2 오프 시간에 대응하는 제2 카운트를 수신하도록 구성되고, 다음:

을 계산함으로써 상기 BEMF로 인한 상기 전압에서의 변화(ΔVbemf)를 결정하도록 구성되며,
여기서 Toff2는 상기 제2 카운트에 대응하며, Toff1은 상기 제1 카운트에 대응하며, ΔΙ는 상기 고정된 델타 전류이고, L은 상기 코일의 인덕턴스에 대응하는, 장치.
제14항에 있어서, 상기 제어기는 상기 BEMF로 인한 상기 전압에서의 변화에 대응하는 모터 위치를 결정하도록 구성되는, 장치.
제10항에 있어서, 상기 전류 초퍼 펄스 폭 변조 회로, 상기 FET 드라이버 회로, 및 상기 BEMF 모니터는 모놀리식 집적 회로 상에 형성되는, 장치.
제10항에 있어서, 상기 스테퍼 모터는 상기 코일을 제1 코일로서 포함하고, 적어도 제2 코일을 더 포함하는, 장치.
스테퍼 모터를 구동하기 위한 집적 회로로서,
스텝 제어 신호와 방향 제어 신호를 수신하는 그리고 FET 드라이버 회로에 펄스들을 출력하도록 구성되는 ― 출력 펄스들은 고정된 델타 전류 스킴을 사용하여 스테퍼 모터로의 전류를 제어하도록 구성됨 ― 전류 초퍼 펄스 폭 변조 회로;
스테퍼 모터에서의 적어도 하나의 코일에 전류를 공급하는 FET 드라이버 회로 - 상기 FET 드라이버 회로는 상기 전류 초퍼 펄스 폭 변조 회로로부터 상기 출력 펄스들을 수신하도록 커플링됨 -; 및
상기 전류 초퍼 펄스 폭 변조 회로로부터의 상기 출력 펄스들에 커플링되는 역기전력 모니터 회로 - 상기 역기전력 모니터 회로는 상기 스테퍼 모터의 역기전력 전압에 대응하는 신호를 출력함 - 를 포함하는, 집적 회로.
제18항에 있어서, 상기 역기전력 모니터 회로는 상기 전류 초퍼 펄스 폭 변조 회로로부터의 오프 시간 신호의 지속기간을 카운트하는 카운터를 포함하는, 집적 회로.
제18항에 있어서, 상기 전류 초퍼 펄스 폭 변조 회로는 상기 FET 드라이버 회로에 온 시간 펄스를 공급하도록 그리고 상기 FET 드라이버 회로에 오프 시간 펄스를 공급하도록 구성되는, 집적 회로.