TWI284451B - Method and apparatus for detecting a stall condition in a stepping motor - Google Patents

Description

1284451 Ο) (發明說明應敘明··發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 技術領域 本發明大致上係關於馬達控制系統，且具體地說，係關 於一種用以偵測在步進馬達中之失速狀態之方法及裝置。 更具體地說，本發明係關於一種用以偵測和測量在一步進 馬達中之停止供應能量之線圈之通量的改變，以判斷馬達 之轉子是否已步進（旋轉）之方法及裝置。 先前技術 步進馬達為精簡’直接驅動馬達，其能夠以高程度的正 確性來提供高力矩。即，這樣的馬達特徵為鄰近區域中之 傳動比為200:1，且可利用數位電路來做遞增地步進。因這 些和其它理由，已發現步進馬達特別適於用在自動儀表板 促動器，諸如速度計，轉速計和類似者。 可將一雙相步進馬達描述為包含至少第一和第二線圈（ 即’線圈A和線圈B)，方向為彼此互相垂直，其以極性相反 之電流交替地加以驅動。例如，以一第一極性之電流來驅 動線圈A ’之後以相同極性之電流來驅動線圈b。接下來， 以具有第二相反極性之電流來驅動線圈A，之後以同樣相反 極性之電流來驅動線圈B等。附加至馬達之轉子之磁環組態 為具有多對極（例如五對北和南極），其個別地且選擇性地受 到因如上述般驅動線圈A和B而建立之磁場之吸引。在一速 度計或轉速計之情況中，驅動電流關於車輪之實體速度（例 如每小時英哩（mph))，或引擎之每分鐘旋轉（rpm)，視情況 ’其可依次以一附加至步進馬達之轉子之針或指標反映於 (2) 1284451

儀表上 不幸地，當步進馬達於上述型式之開 體時遇到-個困難。因為缺乏回授，無法判斷 至正確位置’且若步進已遺失，則無法修正 項數。再者，當電源從步進馬逵 、“ ’運移開日寸，指標仍在其於關 閉電源時所在之位置上，如此 關 雜一土 此破壞了正在測量之變數和所 』不者(例如mph，rpm)以及指標之實際位置之_ 此，已發現必須在每次將電源加至系統時，例如當首次 ^點火或當系統正從-諸如—過壓狀況，—不慎電源^ 或類似者之故障中回復時，將步進馬達與正受其驅動之針 ^立置初始化或同步化。這在步進馬達/針組件和正顯示之 貫際參數之間建立了-預先決定且f要的關係。 一種用以完成上述初始化或校正之技術牽涉到馬達之失 速狀況之_;即’當附加至其轉子之針正確地定位於儀表 之零點（例如零mph，零rpm#)上或任何其他所要的已知位 置上之步進馬達之狀況。在過去，一方法牽涉到將馬達之 針組件以逆時鐘方向驅動達一足夠的時間量，來將針從針 能夠到達之最遠時鐘方向位置移動至一在其上其撞擊到一 位於儀表上或在步進馬達内對應於零之一位置上諸如_機 械停止或釘之障礙物之點。這可能花費長達二秒且可能造 成猛然地將針推至機械停止或釘處，而使其彈回，而可能 地使駕駛人分心。 近來確認了一步進馬達之失速狀況可藉由監視於步進馬 達之線圈（A和B)中因在其中由轉子之運動所引起之通量之 1284451 改雙而形成之電動勢（emf)來加以偵測。即，當馬達停止時 (例如當其撞到機械停止或釘時），其轉子無法再步進或旋轉 且未產生emf電壓。如此，發展了一技術，其中由上述逆 向emf所建立之電壓藉由將之與—臨界電壓比較來加以監 視^右未超過臨界電壓’職設步進馬達在其失速位置中 對此方法之進—步討論，有興趣的讀者可參考1 991年7 月16曰發給Krcmenberg且標題為，，用以操作步進馬達之方 法及裝置’之美國專利第5,〇32,781號以及於丨994年2月U曰 ^ ^Kronenberg等人，且標題為，，具有電磁控制步進馬達之 拍不儀表之同步方法”之美國專利第5,287,謂號。 可接受之同時， 速模式中，轉1 在上述方法於—步進馬達操作於一高速模式中時為大致 其對於低速應用來說造成特定困難。

一般在幾百毫伏。如此，高速零 斷是否此電壓超過預先決定之臨

將極切斷能量之後增加一十分短 大致為零。此減少結果為產生„ 小視供應電壓和馬達速度而定； 南速零點偵測或重置僅牵涉到判 定之臨界 '然而，在低速模式中 —杬動的。再者，逆emf之特性會 達驅動之負載之大小(例如針之 1284451

(4) 低的逆耐電壓。如此，僅將此電壓與—縣決定的臨界比 %可能造成不正確的零點或重置偵測和校正。 考慮到則it ’應體會到提供，種只與馬達設計有關真與 正由馬達所驅動之負載無關之用以偵測步進馬達中之失速 狀況之方法及裝置是需要的。 實施方式 圖1，2和3為說明一二相步進馬達之三個順序階段之操 作之揭露平面圖。如可見到的，步進馬達包含”遮罩1〇 ，大致配置為彼此垂直之第一和第二線圈八和B，以及繞 著一軸14旋轉且由一包含多個極對之磁環16圍繞之轉子 12。即，磁環16包含多個交替間隔之北極18和南極2〇。此 型式之步進馬達是廣為人知的，且可為由位於法國之

Moving Magnet Techn〇l〇gies(MMT)所設計且於曰本由

Yazaki所製造之型式。 參考圖1，以一諸如於圖之時間凡上所示（〇度）之正電 流驅動線圈A。這在線圈A中於與磁環16相鄰之區域25中建 立一北極。如此，—南極22變成在相鄰線圈A處為停止。注 意一第二南極24位於稍在線圈B之前。在圖5中所示之時間 丁 2(90度）上，正電流供應給線圈B，且先前加給線圈a之驅 動電流終止（即轉換為零）。這在線圈3之末端26上建立了一 正極，使得磁環16且因此轉子12旋轉18度，如此使得南極 24麦成在相鄰線圈b處為停止，如圖2中所示的。接下來， (在時間丁3 - 1 80度），線圈A被供應以一負電流，如圖4中所 示般其於線圈a之末端2 5上建立了 一南極，同時線圈b未 (5) 1284451 受驅動。在此情況中，在磁環16上的北極28受到於末端25 上所建立之南極之吸引，使其朝向一鄰近末端25之位置步 進，如圖3中所示般，如此步進馬達12前進另一個十八度。 藉由選擇適當的驅動電流可實現半步進或甚至微步進是廣 為人知的。如此，藉由分別如圖4和5般持續提供驅動電流 給線圈A和線圈B，使得轉子12旋轉。因為步進馬達之控制 電壓和電流之產生是廣為人知的，並不認為進一步的討論 在此刻是必要的。 當每個線圈被切斷能量（例如如圖4中線圈A從時間乃轉 換至時間A以及從時間Ts至時間l以及如圖5中線圈B從時 間丁2轉換至時間A以及從時間八轉換至時間D，在個別線 圈中產生一逆電動勢（emf)。藉由監視逆emf電壓，可偵測 步進馬達之失速狀況，因為若馬達失速，則不會有旋轉轉 換，且因此沒有逆emf訊號。這樣一個狀況顯示於圖8中所 示之時間丁8上。 如^础所说明的，監視逆emf所產生之電壓並將之與一臨 界電壓比較是已知的’目的為若電壓超過臨界電壓，則馬 達之轉子仍在方疋轉，且若電壓未超過臨界電塵，則轉子已 钕止且在失速狀況中。這樣一個系統顯示於圖6中，其說 明了一步進馬達30包括如前述般受到驅動之線圈八和6以 使得轉子12方疋轉。轉子12係以一軸32和傳送裝置34之方法 來耦合至一型式為在一顯示器或儀表％上之針或指標％之 促動器負冑|不諸如車輪速度或馬達—之待顯示於儀 表38上之變數之訊號加至控制單元42之輸入。控制單元 -10- 1284451 (6) 42包含適當的組合邏輯以將出現於輸入扣上之訊號之大小 轉換成夕個步進馬達3 〇必須旋轉之多個步階，以使得針3 6 正確地反映顯示變數之量測。控制單元42亦監視線圈a*b 中所產生之逆emf訊號，並將這些訊號提供至一失速偵測器 44，其在過去僅牽涉到將逆emf電壓與一臨界電壓比較以偵 測一失速狀況。不幸地，如上述，在低速模式中，逆emf 並非單向而是擺動，且其特性隨著轉子之慣性以及正受轉 子所驅動之負載（在此情況中為針36之質量）之大小而變化 。逆emf電壓與逆通量相對於時間之改變速率成比例；即 Vem产dcD/dt。此電壓如上述係與負載有關的。然而，磁通 蓋之改變的積分表示了磁通量之總改變，且不受通量改變 忮或快（即與負載有關之效應）或受驅動電流變異之影響。 圖7中所示之本發明之步進馬達失速偵測電路利用此特 性，圖7為一功能示意圖，部份為方塊圖型式。先前所提 到的線圈A和B每個與線圈驅動電流控制和產生電路相關 ’該等電路在邏輯電路50之控制下決定何時驅動每個線圈 ，驅動為何方向及驅動至何程度。每個線圈亦被提供以多 工器電路以提供修正過的極性逆emf電壓訊號給積分器52 。例如’以開關SKS4來決定流經線圈a之電流之應用與方 向。類似地，開關S^S〗2控制了應用至線圈b之應用與方 向。如可見的，開關SrS4和係依次由控制邏輯50來 加以控制。 若線圈A之電流是從右流向左，則由轉子運動所造成之逆 emf電壓訊號會具有一第一極性，且若從左流到右則為第二 1284451

一加至其之正驅動電流。在9〇度上（時間丁2)，低驅動電流加 至線圈Α;然而，藉由閉上開關％和Sl2，一正驅動電流加 至線圈B。通過線圈b之驅動電流使得步進馬達之轉子旋轉 ，而於線圈A中建立一逆emf。藉由閉上開關§5和，此emf 藉由將線圈A之端點64透過開關S5耦合至積分器52之輸入 54並藉由將線圈a之端點66透過開關&耦合至積分器之輸 入56而加至積分器52。在180度（時間T3)，終止通過線圈B 之驅動訊號；然而，藉由閉上開關§2和S3將一負驅動電流應 用至線圈A，使得步進馬達之轉子持續移動通過線圈b，其 繼而於線圈B中產生一逆emf。藉由將線圈b之端點68透過 開關S〗3耦合至積分器52之輸入54，並將線圈B之端點70透 過開關Sm耦合至積分器52之端點56，此逆emf耦合至積分 器52。 在270度（時間T4)，至線圈A之驅動電流終止，且一負驅 動電流藉田閉上開關S10和Sn應用至線圈B。因為線圈A已 從一受驅動狀態轉換至一未受驅動狀態，所以只在此時產 生一與在90度上所建立者相反極性之逆ernf電壓。然而藉由 閉上開關86和87，線圈A之端點66耦合至積分器52之輸入54 ，且線圈A之端點64透過開關S7耦合至積分器52之輸入56 。以此方式，已修正了脈衝（即其極性修正了）以相同極性提 供一逆emf訊號給積分器52。以類似的方式，在360度上， 線圈B從一負驅動狀態轉換至一未受驅動狀態，產生與在 180度（時間T3)上所產者相反極性之逆emf電壓。然而，再一 次，此極性因為閉上開關S14和S15以將線圈B之端點68轉合 1284451

(10) D3和D4與線圈B相關類似地組態。 如此，已提供了一種用以偵測在步進馬達中之失速狀況 中方法及裝置，其與線圈驅動電流之變異和馬達之負載特 性無關。首先修正在線圈中因為轉子運動所產生之逆emf 電壓以提供一系列相同極性之脈衝，然後加以積分。然後 比較積分器之輸出與一臨界電壓來判斷是否存在一失速狀 況。

在已於前述詳細說明中提出較佳示範性實施例之同時， 應體會到存在許多實施例中的多種變化。僅以範例之方式 來給予上述說明。熟悉技藝之人再可做型式和細節上的改 變而不違反如所附申請專利範圍中所定義的本發明之精神 和範圍。

下列圖形為本發明之特定實施例之說明，且因此不限i 本發明之範圍，而是呈現來協助提供本發明之正確了解 圖形並非按比例（除非如&說明）且預定與上面的詳細說日 中的解釋連結使用。在上文中連結所附圖形來描述本發日 ，在圖形中類似的參考數字標記類似的元件，以及. 圖1’2和圖3為說明-步進馬達之基本元件及其在三 作上的相對位置之揭露平面圖· 白/ 與::和5說明了步進馬達之—〜 圖6為W兒明用以顯不諸如車輪速度 之變數之步進馬達之使用之功能方塊圖；擎啊或頰似者 -15- 1284451 (ίο 圖7為部份為方塊型式之根據本發明之失速狀況偵測電 路之示意圖；及 圖8 a兒明了一系列出現於圖7中所示之積分器之輸出上的 訊號以供與一臨界比較之用來判斷一失速狀況。 圖式代表符號說明 10 遮罩 12 轉子 14 軸 16 磁環 18 北極 20,22 南極 25 區域 26 末端 30 步進馬達 32 軸 34 :傳動裝置 36 針或指標 38 儀表 40 輸入 42 控制單元 44 失速偵測器 50 控制邏輯 52 積分器 Si-S16 開關

-16- 1284451

(12) 60 比較器 62,64,68,70 端點 54,56 輸入 58 輸出 D1-D4 二極體 -17-

Claims (1)

1. ί i9ll36662號專利申請案 中文申請專利範圍替換本月） ^ y^r -r ,, ,....ί 、申請專利範圍 —種用則貞測—步進馬達中—失速狀況之裝置，該型式 步進馬達為包括至少第一和第二線圈以及一具有多個 磁極圍繞於周遭之轉子，該裝置包含： 一控制電路； -多工器電路，其包含一耦合至、且控制於該控制電 路之第-開關f路，該多卫器電路係用以交替地供應驅 動電流至該第一和第二線圈，而使得該轉子步進，當從 一受驅動狀態轉換至一非受驅動狀態時，該第一和第二 線圈之每一個線圈產生交替極性之信號，該等信號係因 該轉子之運動而產生的； 一整流電路，其係耦合至該控制電路，該整流電路係 用以修正該等信號之極性； 一空白電路，其係用以遮蔽每一該等信號中之一初始 部份； 積分器’其具有一輸入被耦合來接收來自該整流電 路之該等極性修正後之信號，且用以產生其中一積分版 本；及 一比較器’其係耦合至該積分器，且用以將該積分版 本與一預先決定之臨界值做比較，以偵測該失速狀況。 • 一種用以偵測一步進馬達中一失速狀況之裝置，該型式 步進馬達為包括至少第一和第二線圈以及一具有多個 磁極圍繞於周遭之轉子，該裝置包含： 1284451

   一控制構件； 具包含一搞合至 之開關構件，該多 将用一 “控制構利 構件係用以交替地驅動該第一和澤 、、’ ’而使得該轉子執行—步進轉動 鸯 =換至-非受驅動狀態時，該第-和第二線圈:: 仙生乂替極性之-反電動勢電壓信號，該信號 係因该轉子之轉動而產生的；

   、整机構件’其係耦合至該控制構件，該整流構件係 用以修正該等反電動勢電壓信號之極性； 二白構件，其係用以遮蔽每一該等整流過之反電動 勢電壓信號中之一預先決定初始部份； 一積分構件，其係耦合來接收該等極性修正後之反電 動勢電壓信號，且用以產生其之一積分版本；及 =比較構件，其係耦合至該積分構件，且係用以將該 積刀版本與預先決定之臨界值做比較，以偵測該失速 狀況。 一種用以顯示一變化之一量測值之裝置，其包含： 0 一步進馬達，該馬達包含： 至少第一和第二線圈；及 一具有多個磁極圍繞於周遭之轉子； 一顯示致動器，其係耦合至該轉子，而用以從該轉子 之移動而反應出該變化之一量測值； 一控制電路； 一多工器電路，其包含一耦合至、且控制於該控制電 -2- 1284451

   <年’咖修⑻止替換頁 路之開關®# ^一二々一一—------ ^ μ夕工器電路係用以交替地供應驅動電 >窃第和第二線圈，而使得該轉子轉動代表該變化 ” /量冽值的一個量，當從一受驅動狀態轉換至一非受 驅動狀態時’該第一和第二線圈之每一個線圈產生交替 ^之七旒，該等信號係因該轉子之運動而產生的； 整^電路’其係耦合至該控制電路，該整流電路係 用以修正該等信號之極性；

   工白電路，其係用以遮蔽每一該等信號中之一初始 部份； 積刀器’其具有一輸入被耦合來接收該等極性修正 後之信號，且用以產生其之一積分版本；及 比較器’其係耦合至該積分器，且用以將該積分版 本與預先決定之臨界值做比較，以侦測一失速狀況。 4· 一種用以偵測一步進馬達中一失速狀況之方法，該型式 步進馬達為包括至少第一和第二線圈以及一具有多個磁 極圍繞於周遭之轉子，該方法包含： 長1供一多工器電路，其包含一耦合至、且控制於一控 制電路之開關電路，該多工器電路以驅動信號交替地驅 動該第一和第二線圈以使得該轉子轉動，當從一受驅動 狀態轉換至一非受驅動狀態時，該第一和第二線圈之每 一個線圈產生交替極性之電動勢信號，該等電動勢信號 係由該轉子之運動所引起的； 整流該電動勢信號； 遮蔽母 5亥專整流過之電動勢信號中之一初始部份· 1284451 兑修(更)正替換頁丨

   積分該整流過之電動勢信號；及 比較該積分後之電動勢信號與一預先決定之臨界值 ，以偵測一失速狀況。

   -4- 1284^^9^36662號專利申請案 中文圖式替換頁(95年12月） 拾壹、圖式 I ...

   128^^91136662號專利中請案 中文圖式替換頁(95年12月）

   VC