专利名称：具有动态扭力控制的步进马达驱动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种马达驱动装置，且特别涉及一种步进马达的驱动装置。
在所有的自动化设备中，马达一直是设备的核心，为符合不同环境下的使用需求，各研发单位也发展出具有不同特性的马达，某些具有高效率的优点，也有的能符合速度及定位上的要求。在各类型的马达当中，由于步进马达(stepping motor)具备速度稳定及定位精确等特点，因此在控制系统中始终占有重要的地位，而要如何准确地控制步进马达的动态特性并让马达的效能发挥到极致，便成为相当重要的课题。
目前较常用的步进马达有PM型(永久磁铁型)及Hybrid型(混和型)两种，而较常用的驱动方式则为定电压驱动及定电流驱动两种类型，由于定电流驱动具有功率晶体管负担较轻且运转效率高等特点，因此其适用范围也较为广泛，下文中亦将以步进马达的定电流驱动为例并加以说明。参照
图1，其绘示传统的步进马达驱动装置方块图，各元件间的耦接关系如图中所绘示。就传统作法而言，是利用马达控制器120来控制步进马达150的运转，在做法上，可先将控制信号CT馈入马达控制器120中，然后马达控制器120即可依据控制信号CT的内容产生步进马达150运转所需的时钟(clock)信号CK，并将其馈入马达驱动器140中；当马达驱动器140接收到时钟信号CK及参考电压Vr后，便可依据这两个信号对应产生驱动信号145，并利用驱动信号145来控制步进马达150的运转。需要注意的是，马达驱动器140为定电流马达驱动器，因此马达驱动器140在接收到参考电压Vr之后，会先将其转换为驱动电流后再据以驱动马达，而步进马达的运转特性将于下文中结合附图详细说明。
参照图2，其绘示步进马达某定电流驱动时的运转特性。附图中横座标为时钟频率，也就是图1中时钟信号CK的频率，而纵座标则为步进马达的转矩(torque)大小。需要注意的是，附图的曲线表示步进马达150以定电流I驱动时，时钟频率改变所对应的马达转矩变化，当时钟频率为f1时，步进马达的输出转矩为T1，当时钟频率为f2时，步进马达的输出转矩为T2，由附图可清楚看出，当时钟频率增加时，马达转矩反而降低，由于较高的时钟频率意味着步进马达具有较高的转速，因此在步进马达的驱动电流保持固定的情况下，若将转速提高其扭力便会随之降低，使马达驱动负载的能力下降。更重要的是，传统的步进马达控制方法是以马达控制器120的时钟信号CK作为信号来源，如图1所绘示，因此当马达控制器发生异常时，便极有可能造成步进马达的损毁。举例来说，当马达高速运转时若系统突然发生异常(例如因故障或异常的操作程序导致系统停机)，马达便极有可能被锁死，此时马达线圈就会因为流过的电流太大而发热，甚至将马达烧毁。由于产品设计时须符合严格的安全规定，因此为避免马达在意外发生时烧毁，设计人员便会将驱动电流的最大值降低，但如此一来也就降低了系统的最高速度，也使得马达的效能无法完全发挥，相当的不经济。
有鉴于此，本实用新型的目的旨在提供一种具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，藉由驱动电流的调整来解决马达振动的问题，并提高能源的利用率。
本实用新型的另一目的旨在提供一种具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，能在系统异常时提供有效的过电流防护，以避免马达烧毁。
根据上述目的，本实用新型提出一种具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，此装置的简述如下。
具有动态扭力控制的步进马达驱动装置包括马达控制器、马达驱动器及频率/电压转换器，马达控制器在接收到控制信号后，可依据控制信号的型态产生对应的时钟信号，并将此时钟信号馈入马达驱动器及频率/电压转换器中；频率/电压转换器在接收到时钟信号后，即可产生与时钟信号的频率高低相对应的参考电压，并将其馈入马达驱动器。马达驱动器在接收到时钟信号及参考电压后，即可依据参考电压的高低产生对应的驱动电流，并利用时钟信号及驱动电流控制步进马达的运转，达到动态调整马达扭力的目的。
为使本实用新型的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并结合附图作详细说明如下。
图1绘示传统的步进马达驱动装置方块图；图2绘示步进马达以某定电流驱动时的运转特性；图3绘示具有多段式驱动电流调整的步进马达的运转特性；
图4A绘示依照本实用新型一较佳实施例所提供的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置方块图；图4B绘示图4A中频率/电压转换器的方块图；图5绘示图4A中参考电压、驱动电流与时钟频率三者间的关系。
如上文所述，在步进马达的驱动电流保持固定的情况下，若将转速提高其扭力便会随之降低，使马达驱动负载的能力下降；因此，为能使步进马达在高转速时兼具高扭力的输出，在转速逐渐增加的同时，也需要将马达的驱动电流分为数个阶段逐步提升，如此方可使步进马达在高转速下同时具备高转矩的特性。参照图3，其绘示具有多段式驱动电流调整的步进马达的运转特性。以图3为例，最接近座标轴原点的曲线表示步进马达以定电流I1驱动时的运转特性，中间的曲线表示步进马达以定电流I2驱动时的运转特性，最远离座标轴原点的曲线表示步进马达以定电流I3驱动时的运转特性，其中I1＜I2＜I3。由附图中可清楚看出，当步进马达以相同转速运转时，若驱动电流越高，所得到的马达转矩也就越大。假设马达启动时是以定电流I1驱动，当时钟频率由f1逐渐增加时，马达转矩也会自T1开始降低，并将于时钟频率升高至f2时降至T2。但应特别注意，若在时钟频率升高至f2的瞬间将马达改以定电流I2驱动，便可在此时将马达转矩由T2迅速拉升至T1。同理，当时钟频率高于f2之后马达转矩又会逐渐下降，但若在时钟频率升高至f3的瞬间将马达改以定电流I3驱动，便可在此时将马达转矩提升至T1。也就是说，步进马达在时钟频率低于f2时是以电流I1驱动，在时钟频率介于f2与f3之间时是以电流I2驱动，在时钟频率介于f3与f4之间时则是以电流I3驱动，由于在马达转速逐渐提升的过程中其驱动电流也逐步提高，因此可在高转速时依然保有高扭力的动力输出。
参照图4A，其绘示依照本实用新型一较佳实施例所提供的具有动态扭力控制的步进马达(stepping motor)驱动装置方块图。具有动态扭力控制的步进马达驱动装置包括马达控制器120、马达驱动器140及频率/电压转换器410，各元件间相关的耦接关系如附图中所绘示。马达控制器120在接收到控制信号CT后，可依据控制信号CT的型态产生对应的时钟信号CK，并将此时钟信号CK馈入马达驱动器140及频率/电压转换器410中；频率/电压转换器410在接收到时钟信号CK后，即可产生与时钟信号CK的频率高低相对应的参考电压Vr，并将其馈入马达驱动器140。马达驱动器140在接收到时钟信号CK及参考电压Vr后，即可依据参考电压Vr的高低产生对应的驱动电流，并利用时钟信号CK及驱动电流产生驱动信号145来控制步进马达150的运转，达到动态调整马达扭力的目的。举例来说，当马达需要提升转速时，系统便会提高时钟信号CK的频率，由于参考电压Vr的大小是依据时钟信号CK的频率高低而定，因此当时钟信号CK的频率增加时，可使参考电压Vr同步上升以产生较高的驱动电流，当马达的驱动电流增加后便可获得较大的转矩，故而在马达转速提高时其转矩也会同步地提升。反之，当马达需要降低转速时，系统便会降低时钟信号CK的频率，进而使参考电压Vr同步下降，以提供较低的驱动电流并获得较小的马达转矩。
关于如何实现频率/电压转换器410的功能，本领域的技术人员可以容易地在市场上购得实现上述功能的集成电路(IC)。
接着参照图4B，其绘示频率/电压转换器410的一个例子的方块图，频率/电压转换器410可包括计频器415及数字/模拟转换器417，各元件间的耦接关系如附图中所绘示。在作法上，可先将时钟信号CK馈入计频器415中，计频器415在接收到时钟信号CK后即可依据其频率高低产生对应的计数信号CN，并将其馈入数字/模拟转换器417中。数字/模拟转换器417在接收到计数信号CN后，即可依据其计数值产生对应的参考电压Vr并加以输出。举例来说，当时钟信号CK的频率较高时，计频器415所产生的计数信号CN其计数值也会较高，使数字/模拟转换器417输出较高的参考电压Vr；反之，当时钟信号CK的频率较低时计频器415所产生的计数信号CN其计数值也会较低，使数字/模拟转换器417输出较低的参考电压Vr，因此无论时钟信号CK的频率如何变化，总会使参考电压Vr同步改变，使马达转矩能随转速的变化同步增减。接着参照图5，其绘示较佳实施例中参考电压、驱动电流与时钟频率三者间的关系图，首先讨论参考电压与时钟频率间的关系。频率fs为最小启动频率，此频率以下所对应的参考电压为最小参考电压Vs；马达启动后若转速逐渐增加，时钟频率便会自频率fs开始逐渐提高，使参考电压也随之增加，若时钟频率增加至最大转动频率fm以上，参考电压便保持在最大参考电压Vm不再上升，使马达保持定速运转。再者，由于马达的参考电压与驱动电流间具有固定的比例关系，例如是I＝Vr/3Rs(Rs为参考电阻)，因此可知驱动电流在最小启动频率fs时为最小电流Is，而当时钟频率增加时，驱动电流也会同步增加，若时钟频率增加至最大转动频率fm以上，则驱动电流便保持在最大参考电流Im不再上升，使马达保持定速运转。需要注意的是，若参考电压与驱动电流间有I＝Vr/3Rs的比例关系存在，则驱动电流的座标轴其比例尺将为参考电压轴的1/3Rs，故此时两特性曲线将会重叠，如附图中所绘示。应特别注意，当马达在转速调整时若时钟信号CK的变化十分平顺，那么驱动电流的变化就会十分平顺(因驱动电流是由参考电压转换而来，而参考电压的大小与时钟信号CK的频率变化直接相关)，也就不会有马达振动及噪音等问题产生，亦可在马达转速变化时动态控制转矩的变化，以提供足够系统使用的扭力，避免能源的浪费。
值得注意的是，图5的曲线仅为例示的目的，实际上运用的曲线不一定为一阶曲线。可根据马达及系统的特性找出最佳曲线。
另一方面，当系统停机造成马达锁死的异常状况发生时，由于系统会自动将此时的驱动电流降至最低(因马达转速最低时其驱动电流亦最低)，因此可有效避免马达过热甚至烧毁，大幅提升了系统的安全性。也正因为如此，系统可将马达的驱动电流利用到极致，不像传统作法需顾及安全性考虑而将驱动电流的最大值降低，因此本实用新型的步进马达将可以更高的速率运转，使其适用范围更加宽广。
本实用新型上述实施例所揭露的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，至少具有以下优点一、可利用驱动电流的调整来解决马达振动的问题，并提高能源的利用率。
二、能在系统异常时提供有效的过电流防护，以避免马达烧毁。
三、能将步进马达的转速充分发挥，使马达的操作特性更为提升。
综上所述，虽然本实用新型已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围应当以书范围所界定的为准。
权利要求1.一种具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，用以驱动一步进马达，所述步进马达驱动装置包括一马达控制器，用以接收一控制信号并据以输出一时钟信号；一频率/电压转换器，与所述马达控制器耦接，用以依据所述时钟信号输出一参考电压；以及一马达驱动器，耦接至所述马达控制器与所述频率/电压转换器，用以依据所述时钟信号及所述参考电压输出一驱动信号以驱动所述步进马达。
2.如权利要求1所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，其中所述频率/电压转换器包括一计频器，用以接收所述时钟信号并据以输出一计数信号；以及一数字/模拟转换器，与所述计频器耦接，用以依据所述计数信号输出所述参考电压。
3.如权利要求2所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，其中所述马达驱动器是定电流马达驱动器。
4.如权利要求2所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，是配置在扫描器中。
5.如权利要求2所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，是配置在传真机中。
6.如权利要求2所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，是配置在影印机中。
7.如权利要求1所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，其中所述马达驱动器是定电流马达驱动器。
8.如权利要求1所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，是配置在扫描器中。
9.如权利要求1所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，是配置在传真机中。
10.如权利要求1所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，是配置在影印机中。
11.如权利要求1所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，是配置在打印机中。
12.如权利要求1所述的具有动态扭力控制的步进马达驱动装置，是配置在多功能事务机中。
专利摘要具有动态扭力控制的步进马达驱动装置包括马达控制器、马达驱动器及频率/电压转换器,在作法上,可利用马达控制器将时钟信号馈入马达驱动器及频率/电压转换器中,当马达需要提升转速时,系统便会提高时钟信号的频率,使频率/电压转换器能产生较高的参考电压,进而使马达驱动器产生较大的驱动电流来驱动马达,使马达的输出转矩增加。当系统停机或其他因素使马达锁死时,因系统会自动将此时的驱动电流降至最低,因此可有效避免马达过热,大幅提升了系统的安全性。
文档编号H02P8/12GK2497485SQ0122874
公开日2002年6月26日 申请日期2001年7月2日 优先权日2001年7月2日
发明者蔡奇松 申请人:虹光精密工业股份有限公司