专利名称：差额比较器和直线步进电机通用集成电路的制作方法
技术领域：
本发明属于数字集成电路，涉及到硬件逻辑电路计算器以及直线步进电机驱动电路。
在数字电路中，比较器只比较两个数的大小，要想知道差额就必须借用计算器，使用减法程序来实现，大家知道，计算器是由单片机制成，其结构复杂、功能强大，如果只用来做减法，有点大材小用，也不方便。
拥有人造肌肉是机器人制造者的梦想，为此大家想出了多种方法来实现它的功能，但由于各种缺陷，都不够理想。在中国专利申请号200410069382X《人造肌肉和仿真机器人》和中国专利申请号200520002353.1《多极动子数控直线步进电机》中提供的直线步进电机，它们主要有以下缺点它的控制电路庞杂，给制造和使用带来很多不便、高成本、实用性差。
本发明的目的是提供一种差额比较器，它由硬件数字逻辑电路组成，其结构简单，能计算出两个数之间的差额。
本发明的另一个目的是利用差额比较器控制器直线步进电机的通用集成电路，它可以大幅减少电机驱动电路中的器件，缩小控制电路板所占用的空间，加强电机运动状态的自我感知能力，提高电机的综合性能。
本发明的目的是这样实现的差额比较器由多个计算单元组成，每一个计算单元，设置两个二进制输入端，A端和B端，A端连接异或门(1)的一个输入端，异或门(1)的另一个输入端连接借位输入端(11)(或连接相邻的低位计算单元的借位输出端)，异或门(1)的输出端，连接异或门(3)的一个输入端，在异或门(1)的输出端和另一个输入端，连接与门(2)的两个输入端，与门(2)的输出端连接或门(5)的一个输入端，异或门(3)的另一个输入端连接B端，输出端连接或门(6)的一个输入端，在B端和异或门(3)的输出端，连接与门(4)的两个输入端，与门(4)的输出端连接或门(5)的一个输入端，或门(5)的另一个输入端，连接与门(2)的输出端，或门(5)的输出端连接借位信号输出端(13)(或连接高位计算单元的借位输入端)，借位信号输出端(13)也是A小于B时的信号输出端、也是输出反向信号和加一信号的输出端，在差额比较器的最高计算单元，借位信号输出端(13)用于联接数字反向控制端(12)，异或门(3)的输出端连接异或门(6)的一个输入端，异或门(6)的另一个输入端，连接使数字反向的控制端(12)，输出端连接异或门(7)的一个输入端，异或门(7)的另一个输入端连接进位输入端(17)或叫加一输入端(17)(或连接相邻的低级计算单元的进位输出端)，异或门(7)的输出端连接寄存器(9)，与门(8)的两个输入端，与异或门(7)的两个输入端并连，输出端连接进位信号输出端(14)(或连接相邻的高位计算单元的进位输入端)，寄存器(9)的控制端连接时钟控制输出使能(16)，输出端连接单元计算结果输出端(10)，在各计算单元的计算结果输出端，连接多输入异或门的输入端，异或门的输出端，连接差额比较器的全同输出端(15)。
直线步进电机通用集成电路，是由时钟、分频器、计数器、比较器、触发器、门电路、摸/数转换器、移位寄存器、锁存器、开关电路等组成，具有预置数功能计数器(a3)的脉冲输入端连接分频器(a7)，控制端(0)通过触发器(a1)和或门(a2)，连接计数器(a3)和计数器(a10)的运行/暂停控制端，或门(a2)的另一个输入端连接或门(a4)的输出端，或门(a4)的一个输入端连接一个反向器，计数器(a3)的置数输入端连接输入端(18)和与门开关(O1)的输出端，计数器(a3)的复位脉冲输出端，分为三路，第一路，连接计数器(a10)的脉冲输入端；第二路，连接的与门(a5)的一个输入端，与门(a5)的另一个输入端连接一个反向器的输出端，和移位寄存器(f1)的串行信号输入控制端，与门(a5)的输出端，连接移位寄存器(f1)的串行信号输入端，移位寄存器(f1)的脉冲输入端连接与门(a6)的输出端，与门(a6)的一个输入端连接反向器，另一个输入端连接分频器(a7)，移位寄存器(f1)的方向控制端连接反向器(a8)、与门(D0)和计数器(a10)的方向控制端；第三路，连接与门(B1)的一个输入端；计数器(a10)的输出端连接比较器(a9)，比较器(a9)的另一个输入端连接信息输入端(19)，和与门开关(O2)的输出端，比较器(a9)的大于输出端连接异或门(D3)一个输入端，异或门(D3)输出端连接异或门(D2)的一个输入端，异或门(D2)的另一个输入端连接方向控制端(23)，异或门(D2)的输出端连接异或门(D1)的一个输入端，异或门(D1)另一个输入端连接比较器(e2)的全同输出端，异或门(D1)的输出端连接与门(D0)的一个输入端，比较器(a9)的全同输出端与比较器(D8)的全同输出端相联，并与触发器(B0)输入端连接，与其连接的还有与门(D4)、或门(D5)、异或门(D6)每个的一个输入端，触发器(B0)的输出端，分为五路，第一路，连接与门开关(O1)控制端前面的反相器；第二路，连接与门(B1)的一个输入端，与门(B1)的另一个输入端，连接计数器(a3)的复位脉冲输出端，与门(B1)的输出端连接与门(B2)的一个输入端，与门(B2)的另一个输入端连接时钟(B3)，与门(B2)的输出端连接移位寄存器(f1)的脉冲输入端；第三路，通过一个反向器，连接移位寄存器(f1)的串行信号控制端，和与门(a5)的一个输入端，与门(a5)的另一个输入端连接，计数器(a3)的复位脉冲输出端，与门(a5)的输出端连接移位寄存器(f1)的串行信号输入端；第四路，通过反向器连接与门(a6)的一个输入端，与门(a6)的另一个输入端连接分频器(a7)，输出端连接移位寄存器(f1)的移位脉冲输入端；第五路，连接与门(B4)的一个输入端，与门(B4)的另一个输入端连接差额比较器(c2)的全同输出端，差额比较器(c2)的全同输出端，还通过反向器连接计数器(e12)的复位清零控制端，差额比较器(c2)的两个输入端，分别连接模/数转换器(c1)和计数器(a10)的输出端，摸/数转换器(c1)连接模拟信号输入端(20)，与门(B4)的输出端连接触发器(c0)，触发器(c0)的输出端，分为四路，第一路，连接与门开关(O2)控制端前面的反相器；第二路，通过反向器连接或门(a4)的一个输入端；第三路，连接与门(c3)的一个输入端，与门(c3)的另一个输入端，连接计数器(a3)的复位脉冲输出端，它的输出端连接锁存器(f2)的控制端，和开关电路(f3)的控制端；第四路，连接与门(D0)的一个输入端；第五路，连接比较器(e2)、(e3)、(e4)、(e5)和计数器(e12)的电源控制端，单程/往返控制端(21)连接触发器(D7)，触发器(D7)的Q端连接异或门(D6)，异或门(D6)的另一个输入端连接比较器(a9)和(B8)的全同输出端，异或门(D6)的输出端，连接或门(D5)的一个输入端，触发器(D7)Q的反向输出端，连接或门(D5)的另一个输入端，或门(D5)的输出端连接或门(a4)的一个输入端，或门(a4)的另一个输入端，连接一个反向器，或门(a4)的输出端，连接或门(a2)的一个输入端，或门(a2)的输出端，连接计数器(a3)和计数器(a10)的运行/暂停控制端，触发器(D7)Q的反向输出端，还连接与门(D4)的一个输入端，与门(D4)的另一个输入端连接比较器(a9)和(B8)的全同输出端，与门(D4)的输出端，连接触发器(D9)的输入端，触发器(D9)的输出端连接异或门(D3)的一个输入端，比较器(e2)、(e3)、(e4)、(e5)每个的一个输入端，连接差额比较器(c2)的差额输出端，另一个输入端连接与门开关(O1)的输入端W，其中比较器(e2)的一个输入端，是通过反相器与与门开关(O1)的输入端W，比较器(e2)的全同输出端，连接输出端Y和异或门(D1)的另一个输入端连接的；比较器(e3)的全同输出端连接输出端T；比较器(e4)的全同输出端连接输出端H；比较器(e5)的全同输出端连接输出端R；输入端h连接触发器(e10)和异或门(e11)的输入端，触发器(e10)的输出端，连接异或门(e11)的另一个输入端，异或门(e11)的输出端，连接与门(e7)和(e9)；输入端t连接或门(e1)，或门(e1)的输出端，连接或门(e8)的一个输入端，或门(e8)的输出端连接与门(e9)的一个输入端，与门(e9)的输出端，还连接与门(e0)的一个输入端，与门(e0)的另一个输入端连接时钟(B3)，与门(e0)的输出端连接计数器(e12)的脉冲输入端；输入端r连接或门(e1)的另一个输入端，和或门(e6)的一个输入端，或门(e6)的输出端连接与门(e7)的一个输入端，与门(e7)的输出端连接与门(e6)的另一个输入端，还连接计数器(e12)的计数方向控制端，计数器(e12)的输出端连接，电压控制信号输出端。
直线步进电机通用集成电路的外部辅助设备包括直线步进电机通用集成电路的外部连接设备包括驱动数据总线(27)、驱动器(29)、磁控开关(31)，其中，驱动数据总线(27)连接直线步进电机通用集成电路的驱动信号输出端(25)，多个驱动器(29)并连在驱动总线(27)上，在电机线圈(30)的表面，设置磁控开关(31)，磁控开关(31)连接在数/模转换器(28)的输出端，与各驱动器(29)的电源之间。数/模转换器(28)的输入端连接电压控制信号输出端(24)。驱动器(29)是由开关三极管组成，按顺序分单双数通过磁控开关(31)与正负电源线连接，两个开关三极管的输出端连接线圈(30)上的一个电极(34)。(如1和2连接一个，3和4连接一个。)在电机线圈(30)的一端设置距离探测器，探测器的输出端连接直线步进电机通用集成电路的模拟信号输入端(20)。
本发明的优点是差额比较器的结构简单，成本低，它可以像比较器一样使用方便，它除了可以计算出差额外，还可以通过与比较器或多输入与门的连接，实现数字的窗口比较器，和逻辑控制器，用于温度、气味、距离、电压以及步进电机的调频，也可以用在声、光、波的探测领域。
直线步进电机的驱动集成电路的优点是通过与辅助电路的结合，把复杂的电路简单化，适用于各种直线步进电机，集成和化简后的驱动电路减少了电子器件，和电路板的面积，既节省了所占空间，又降低了成本。使用霍尔效应器件，可以增加感知电机位置的准确性，便于控制和消除误动。通过上述的改造，使其更接近了肌肉的物理性能。
以下结合附图
对差额比较器和直线步进电机通用集成电路以及外设的细节作具体的描述。
图一是差额比较器的电路图。
首先，把二进位的两个数分别送到输入端A和B，A端连接异或门(1)的一个输入端，在异或门(1)的输出端和输入端，连接与门(2)的两个输入端，使用与门(2)的目的是，在异或门(3)输出正的情况下，判断是否是借位信号输入端是正，也就是判断低位是否在此借到了位，如果与门(2)输出正，说明没借到位，把该信号送入或门(5)的一个输入端，准备向下一个计算单元继续借位，如果与门(2)输出零，借位信号到此为止。异或门(1)把一个输入信号和借位信号的计算结果，送入异或门(3)的一个输入端，把它与另一个输入端B端的数字作减法运算，在异或门(3)的输出端和输入端B，连接与门(4)的两个输入端，使用与门(4)的目的是，当异或门(3)输出正的情况下判断输入端B是否是正，如果是正说明被减数小于减数，需要借位，与门(4)的输出端连接或门(5)的一个输入端，或门(5)的另一个输入端连接与门(2)输出端，或门(5)把借位信息送到下一个计算单元或连接借位信号输出端(13)，借位信号输出端(13)也是A小于B时的信号输出端。异或门(3)把计算结果输出到异或门(6)的一个输入端，异或门(6)的另一个输入端连接数字反向控制端(12)，当差额比较器的高位端不再极连时，借位信号输出端(13)与反向控制端(12)相连，在差额比较器输入的两个数A小于B时，借位信号输出端(13)输出正，通过反向控制端(12)使异或门(6)成为反向器，使计算结果反响。异或门(6)的输出端连接异或门(7)的一个输入端，异或门(7)的另一个输入端连接进位输入端(17)或叫加一输入端(17)，设置异或门(7)的目的是为了低位加一和低位加一后，可能出现的进位，能输入到计算结果中而设置，当差额比较器的低位端不再极连时，反向控制端(12)与加一输入端(17)相连，用于加一信号的输入。异或门(7)的输出端连接寄存器(9)的控制端，寄存器(9)的输出端连接计算结果输出端(10)，寄存器(9)的控制端，作为时钟控制输出使能(16)，与门(8)的两个输入端与异或门(7)的两个输出端并连，当两端都是正时，与门(8)输出进位信号，它连接在下一个计算单元的进位输入端，或连接进位输入端(14)。在各计算单元的输出端(10)，连接多输入异或门的输入端，异或门的输出端，连接差额比较器的全同输出端(15)。
差额比较器能够提供两个二进位数的差额和全同和小于信号，它最大的特点就是无论在那一端输入被减数，都能准确的计算出两个数的差额，还能告送你谁大，使该电路的使用者，能在两个变化的数字之间，选择多个控制点，进行逻辑控制。它的结构要比微控制器简单的多，也不需要学习编程语言，只需要与简单的多输入与门或全同比较器进行连接，就可以作为控制器使用，非常方便。
差额比较器的使用差额比较器可以作为控制器，连接各种探测器，用于控制温度、距离、气味和电压以及步进电机的调频，也可以用于光、声波的探测。
如下面将向大家介绍的，在直线步进电机驱动通用集成电路中，利用差额比较器和距离探测器，组成的阻力与电压关系的自动控制系统。也可以将控制系统的输出端加反向器连接频率输入端，组成阻力与频率关系的自动控制系统。在直线步进电机驱动通用集成电路的，电机驱动电压自动控制电路e部分，再作详细的介绍。
图2是直线步进电机驱动通用集成电路的原理图。
图3是直线步进电机通用集成电路的外部电路连接图。
图4是直线步进电机通用集成电路的外部电路中的开关电路的内部电路图。
图5是直线步进电机的抛试图。
在本集成电路中，根据电路中各部分的功能和启动的时间的不同，可以分成六个部分一、电机数据输入电路a部分计数器(a3)是一个具有预置数功能的到计数器，(O1)、(O2)是与门开关。与门开关(O1)、(O2)的一个输入端延伸至片外，用焊接或跳线的方法输入二进制数的电机动子信息，另一个输入端连在一起，成为控制端，通过反向器，控制信息向输入端(18)、(19)传递，与门开关(O1)输入的电机动子信息是电机动子中(参见图5)每一节永磁体(32)的长度，所覆盖线圈(30)中通电线圈(33)上面的电极(34)的个数。与门开关(O2)输入的脉冲的次数是电机动子中，永磁体(32)的节数。与门开关(O1)的输出端连接计数器(a3)的置数输入端(18)，与门开关(02)的输出端与输入端(19)连接。
当电路通电初期，计数器(a3)以预置数为周期，循环计数，它的复位脉冲输出端，在每一个循环周期输出一个正脉冲，把这个脉冲送入计数器(a10)的脉冲输入端，当计数器(a10)记录的脉冲数与比较器(a9)的另一个输入端(19)输入的数字电机动子信息相等时，比较器(a9)的全同输出端输出一个正脉冲，这个脉冲信号用于启动下一步的电路。上述的设计，组成了一个频率控制系统，或叫数字信号发生器。
控制端(0)连接触发器(a1)，通过或门(a2)控制计数器(a2)和计数器(a10)的运行/暂停，当触发器(a0)置位后，上述的循环计数系统以分频器(a7)提供的脉冲频率开始运行。计数器(a3)的复位脉冲输出端，除了连接计数器(a10)以外，还连接与门(a5)的一个输入端，利用在与门(a5)的另一个输入端连接的反相器，通过与门(a5)，以与门(a6)提供的分频器(a7)的频率、反向器(a8)提供的移位方向，向移位寄存器(f1)的串行信号输入端，输入电机动子信息。输入信息的结果是使移位寄存器(f1)的并行输出端，以电机动子中(参见图四)每一节永磁体(30)的长度，覆盖线圈(31)中通电线圈(32)上面的电极(33)的个数间隔的出现正信号，当脉冲的数量达到输入端(19)输入的电机动子极数后，比较器(a9)的全同输出端输出正，使触发器(B0)置位，触发器(B0)置位后，在该电路的电源起之前，不再复位。
二、驱动信号输入电路B部分触发器(B0)置位后，它在电路中起到的作用有五个1、通过反向器关闭与门开关(O2)，使输入端(19)不再有信号输入；2、通过反向器关闭与门(a5)，不再向移位寄存器(f1)的串行信号输入端输入串行信息；3、通过反向器关闭与门(a6)，使移位寄存器(f1)不在使用二分频器(a7)提供的输入脉冲频率；4、连接与门(B1)的一个输入端，使计数器(a3)的复位信号输出端，输出的脉冲信号，通过与门(B1)的另一个输入端送到与门(B2)，与门(B2)连接时钟(B3)，使移位寄存器(f1)在计数器(a3)的复位脉冲输出端，输入的正脉冲时间内，得到两个时钟移位脉冲。[以上3、4、两项达到的目的是为了使直线步进电机运行的平稳流畅，线圈上的电极越密越好，为了充分利用线圈电极，设计了图3、图4中提供的开关电路(29)与本集成电路配套使用，在开关电路(29)中，控制信号的输入端分单双数把正负电源连接到线圈电极(34)上(图5)，这就要求a、动子中永磁体(32)的长度，所覆盖的线圈(30)中通电线圈(33)上面的电极(34)的个数是单数；b、与其相应的移位寄存器(f1)的并行输出端输出的正信号间隔，也是单数；c、为了保持奇数和偶数在开关电路(29)中(图4)，与正负电源的连接关系不变，移位寄存器(f1)每次要移动两位。]；5、连接与门(B4)的一个输入端，使触发器(c0)处在等待差额比较器(c2)的全同信号输出的状态。这时循环计数系统仍在运行，它仍然以输入端(18)输入的信息为脉冲频率，向计数器(a10)输入脉冲，计数器(a10)继续计数，比较器(a9)的输入端为零，对计数器(a10)不再有限制，计数的结果源源不断地送入差额比较器(c2)。
三、寻位电路c部分寻位电路，是使驱动信号与电机动子位置相同的电路部分。差额比较器(c2)，计算来自计数器(a10)和摸/数转换器(c1)之间的差，当两个数全等时，全同输出端输出正，通过与门(B4)使触发器(c0)置位，(触发器(c0)置位后，在该电路的电源不关闭后从起之前，不再复位)，触发器(c0)置位后，在电路中产生以下五个结果第一，使与门开关(O1)控制端前面连接的反响器输出变成零，与门开关(O1)关闭，输入端(18)的输入信号为零；第二，通过反向器使或门(a4)的一个输入端变为零，这时或门(a4)的另一个输入端输入的变化信号可以从输出端输出。也可以说，该部分电路处在，当或门(a4)的另一个输入端为零时，循环计数系统停止运行的状态；第三，连接与门(c3)的一个输入端，在与门(c3)另一个输入端的反向器的作用下，在移位脉冲结束时，把移位寄存器(f1)中的电机动子位置信息写入锁存器(f2)，并通过开关电路(f3)送到电机驱动信号输出端(25)，当下一个移位脉冲到来时，开关电路(f3)关闭，锁存器(f2)向输出端(25)输出驱动信号；第四，连接与门(D0)的一个输入端，使与门(D0)另一个输入端输入的电机运行方向信号，有效的输入到计数器(a10)和移位寄存器(f1)的方向控制端；第五，为比较器(e2)、(e3)、(e4)、(e5)和计数器(e1)提供驱动电源。到此为止，本电路的预备工作结束，电路和电机开始进入工作状态。
四、驱动电路D部分首先向控制端(0)发出一个脉冲，使触发器(a0)复位，在向信息输入端(18)输入驱动脉冲频率信息[它决定电机的运行速度]，再向信息输入端(19)输入电机运行的目标位信息[电机运行到此会停止或反向]，当需要电机在两点之间往返运行时，还要向比较器(D8)的信息输入端(22)输入另一个目标位的信息。信息输入完后，向控制端(0)发出一个脉冲，使触发器(a0)置位，在比较器(a9)小于输出端输出的方向信号的控制下，通过异或门(D3)、(D2)、(D1)、(D0)控制电机的运行方向，如果需要让电机先反向运动，就向，方向控制端(23)输入一个正信号，通过异或门(D2)实现方向的选择。
当电机需要单程运行时，在单程/往返控制端(21)输入一个正脉冲，使触发器(D7)置位，输出端Q输出正，它连接在异或门(D6)的一个输入端，异或门(D6)的另一个输入端，连接比较器(a9)和比较器(D8)的全同输出端，异或门(D6)的输出端连接或门(D5)、再通过或门(a4)和反相器连接与门(a3)，用于控制循环计数系统运行和停止。也就是当触发器(D7)置位后，Q端出正时，比较器(a9)的全同输出端输出零时，循环计数系统启动，当的比较器(a9)全同输出端也输出正时，循环计数系统停止，完成单程运行的任务。其中，或门(D5)在这里的作用是在保证异或门(D6)输出的性质不变的同时，也可以保证电机在往返运行时，循环计数系统始终不停的工作。
当电机需要往返运行时，触发器(D7)处在复位状态Q的反响输出端输出正，它与或门(D5)、与门(D4)的一个输入端相连，与门(D4)的另一个输入端连接比较器(a9)、比较器(D8)的全同输出端，当全同输出端输出正脉冲时，通过与门(D4)触发触发器(D9)，使电机运行反向，到下一个脉冲到来再次反转。在Q的反响输出端输出正的过程中，或门(D5)始终保持输出正，使循环计数系统始终不停的工作。
以下介绍三个决定电机运行方向的异或门1、异或门(D3)连接比较器(a9)的小于信号输入端，用于电机启动时的默认方向；2、异或门(D2)连接方向控制端(22)，用于外部选择电机运行方向；3、异或门(D1)连接比较器(e2)的全同输出端，用于电机遇到的阻力太大时，控制电机反方向运动。以上三个异或门与触发器(D9)的输出端串联在一起，每一级输入的信息，都会使电机的运行方向发生变化。与门(D0)在这里的作用是，在触发器(c0)置位前，驱动电路D部分全部无效。
五、电机驱动电压自动控制电路e部分触发器(c0)置位后，比较器(e2)、(e3)、(e4)、(e5)和计数器(e1)进入工作状态，差额比较器(c2)把计数器(a10)输出的数字与，摸/数转换器(c1)的输出数字进行比较，并计算它们的差。摸/数转换器(c1)是把距离探测器(35)(参见图6)探测到的模拟信号转化成数字信号。[这一步的目的是计算出电机动子位置与通电线圈错位的距离。在电机的驱动电压不变的情况下，电机遇到的阻力越大，它们两个的差越大。]四个比较器都和与门开关(01)的输入端连接，但连接方法各有不同，比较器(e3)、(e4)、(e5)以逐次除二的方式连接，如，比较器(e3)向高位错一位连接与门开关(O1)的输入端(M)(近似于除二)；比较器(e4)的输入端向高位错两位与与门开关(O1)的输入端(M)连接；比较器(e5)的输入端向高位错三位与与门开关(O1)的输入端(M)连接。比较器(e2)的连接方法与比较器(e5)的连接方法相似，只是输入的信号要先经过反向器。这一步要达到的结果是当差额比较器计算出的结果，大于输入端(M)的75％时，比较器(e2)的大于输出端，输出正。
触发器(c0)置位后，计数器(e1)还没有开始计数，其输出端为零，比较器(e2)、(e3)、(e4)、(e5)进入工作状态后，通过以上对比较器与输入端(M)之间的连接，在e部分的四个比较器与计数器(e1)之间，会出现下列几种状态，对计数器实施控制1、当差额比较器(c2)计算出的差额，等于输入端(M)一半的一半(25％)时，比较器(e4)的全同输出端(H)输出正脉冲，它与输入端(h)相连，使触发器(e10)置位，异或门(e11)的两个输入端都为正，输出端为零，其它器件没有动作，当脉冲过去后，触发器(e10)不在复位，异或门(e11)的一端为零，另一端在触发器(e10)的作用下为正，所以异或门(e11)输出正。这一部分电路的效果是，比较器(e4)的全同输出端输出的第一个正脉冲，触发了触发器(e10)，使异或门(e11)成为了反向器，使比较器(e4)的全同输出端输出的下一个正脉冲到来时，异或门(e11)输出一个反脉冲。异或门(e11)的输出端连接与门(e7)和(e9)的一个输入端。
2、由于寻位电路c部分运行过后，电机动子遇到的阻力是零，电机动子的位置与通电线圈之间没有错位，计数器(e1)没有开始计数，输出端为零，电机的驱动电压也是零，当电机运行时，电机动子的位置与通电线圈之间发生错位，随着通电线圈的位移，电机动子的位置与通电线圈之间的错位加大，当差额比较器(c2)计算的差额达到25％时，使触发器(e10)置位，并使与门(e9)的一个输入端为正，当差额比较器(c2)计算出的差额，等于输入端(M)的一半时，比较器(e3)的全同输出端(T)输出正脉冲，(T)连接(t)，通过或门(e8)和与门(e9)打开与门(e0)，把时钟脉冲信号通过与门(e0)送入计数器(e1)的脉冲输入端，计数器开始正向计数，输出端(24)输出的数字送入片外的数/模转换器，电机的驱动电压随之提高，电压提升后，电机动子位置与通电线圈错位的距离减小，当这个差额降到25％时，比较器(e4)的全同输出端(H)输出正脉冲，(H)与(h)相连，使异或门(e11)的两个输入端都为正，输出为零，与门(e9)、(e0)关闭，计数器(e1)停止计数。
在电机运行的过程中，遇到阻力后也是如此，只要差额比较器(c2)计算的差额不在25％的点上，异或门(e11)的输出端，就输出正，当差额达到50％时，通过计数器(e1)给电机增压。
上述电路利用差额比较器(c2)、比较器(e4)、比较器(e3)、触发器(e10)、异或门(e11)、或门(e8)和与门(e9)、(e0)，形成了一个数字回滞窗口比较器。不仅如此，在上述器件的基础上、在两个被比较数的差额范围内，每添加一个比较器或一个多输入与门，就可以开一个数字窗口。其中，比较器(e4)、比较器(e3)也可以使用多输入与门代替。
3、在电机运行的过程中，当遇到的阻力越来越小时，差额比较器(c2)计算出的差额，从输入端(M)的25％回到25％的一半时，比较器(e5)的全同输出端(R)输出一个正脉冲[输出端(R)与输入端(r)连接]，这时与门(e7)和(e9)的一个输入端为正，比较器(e5)的全同输出端(R)输出的正脉冲通过或门(e6)和与门(e7)使计数器的计数反向；比较器(e5)的全同输出端(R)输出的正脉冲通过或门(e7)和与门(e9)、(e0)使计数器(e1)递减计数，输出端(24)输出的数字送入集成电路外面的数/模转换器，用于降低电机的驱动电压，电压降低后，电机动子位置与通电线圈错位的距离增加，当这个差额增到25％时，比较器(e3)的全同输出端输出正脉冲，异或门(e11)的两个输入端都为正，输出为零，与门(e9)、(e0)关闭，计数器(e1)停止计数。
4、在特殊情况下，当电机动子的位置与通电线圈之间发生的错位，达到75％时，比较器(e2)的大于输出端(Y)输出一个正脉冲，送入异或门(D1)的一个输入端，通过异或门(D1)和与门(D0)，改变计数器(a10)和移位寄存器(f1)的运行方向，设置此功能为保护电机以及相关设备。也可以使用比较器(e2)的大于输出端(Y)，设置为报警，或其它功能。
5、当电机动子的位置与通电线圈不发生错位时，差额比较器(c2)的全同输出端输出一个正脉冲时，通过反向器和计数器(e1)的计数清零控制端，使计数器(e1)清零，电机的驱动电压降为零，此时电机不耗电，本集成电路处于对电机动子的监视状态，一旦外界动力使电机的动子与通电线圈发生错位，电机就会被唤醒。
六、驱动信号生成电路f部分移位寄存器(f1)的并行输出端，分别连接锁存器(f2)和开关电路(f3)的信号输入端，它们的输出端也并联在一起，形成集成电路输出端(25)。当触发器(c0)置位后、在比较器(a1)的全同输出端为零时，与门(c3)输出正，把移位寄存器(f1)并行输出端的电机驱动信号(或叫电机动子位置信息)，写入锁存器(f2)，并打开开关电路(f3)把电机驱动信号送到输出端(25)，当比较器(a1)的全同输出端，输出正时，在反向器的作用下与门(c3)关闭，这时所存器输出，开关电路(f3)关闭。也就是，在移位寄存器(f1)的移位脉冲到来时，由锁存器(f2)向外输出电机驱动信号，在移位寄存器(f1)的移位脉冲结束时，由开关电路(f3)向外输出电机驱动信号。
在本集成电路中，与计数器(a10)输出端连接的输出端(25)用于连接显示器，显示电机动子所在的位置。
总结在直线步进电机通用集成电路中，寻位电路c部分和电机驱动电压自动控制电路e部分，是使用差额比较器作为控制起来实现的，是使电机具有感知功能的一部分，使用差额比较器、计数器、A/D转换器和距离探测器(35)，根据电机遇到阻力的大小，自动调节电压的一部分。设计电机驱动电压自动控制电路主要有两个目的1、节电，这对于使用时用电池作电源的电机非常重要，它能做到把电压控制到维持正常运行的最低点；2、能做到控制电机的工作力度，使电机在工作时对遇到的阻力很敏感，就像人们的触觉，这对直线步进电机应用在仿真机器人方面非常重要。使用差额比较器控制电机的驱动电压，只是用差额比较器作控制器的使用方法之一，还可以用其控制其它器件。如在调压信号输出端(24)，连接一个简单的逻辑计算单元后，连接输入端(18)，就可以自动控制电机运行的频率，实现根据阻力的大小调整电机运行的速度；利用电机动子的位置与通电线圈之间发生的错位，可以在克服外力的情况下，随意把电机动子控制在某一个范围之内，如同在单片机控制下的到摆；使用上述差额比较器控制电压的方法也可以用于控制其它的外围器件，比如方向。通过上述对差额比较器的实践，可以证明差额比较器结构简单，功能强大，它可以实现单片机的大部分主要功能，完全可以满足对一般家用电器、遥控玩具、以及机器人的控制。
图3是直线步进电机通用驱动集成电路，与外部电机连接的辅助电路。
图4是开关电路(27)的内部结构图。
G表示直线步进电机驱动通用集成电路。它的输出端(25)连接电机的驱动总线，数/摸转换器(28)的输入端，连接集成电路G的调压信号输出端(24)，转变后的电压送入开关电路(29)，在开关电路(29)内部的电源电极，与数/摸转换器(28)提供的电源之间连接干簧管(31)。干簧管在这里起的作用是，使离电机动子比较进的开关电路的电源处在打开状态，为电机线圈提供电源，离动子远的开关电路电源处在关闭状态。使用干簧管开关达到的效果可以减少集成电路中移位寄存器(f1)、锁存器(f2)和开关电路(f3)输出端的位数，使其用较少的输出端，控制比其大数被的电机线圈电极，只需要移位寄存器(f1)循环移位即可。移位寄存器(f1)的位数，必须大于电机动子(32)的总长度。开关电路(29)的两端都设有干簧管开关，是为了使电机从一个开关电路的位置，过渡到另一个开关电路时电源不会中断。
图六是直线步进电机通用驱动集成电路、和外部电机连接的辅助电路、以及电机的整体电路图。
其中，距离探测器(35)用于测量电机动子的位置，输出端连接集成电路的模拟信号输入端(20)。输出端(21)连接显示器，用于显示电机的运行状态。
权利要求
1.差额比较器，包括多个计算单元，每个计算单元由与门、或门、异或门和或非门组成，其特征是每一个计算单元，设置两个二进制输入端，A端和B端，A端连接异或门(1)的一个输入端，异或门(1)的另一个输入端连接借位输入端(11)(或连接相邻的低位计算单元的借位输出端)，异或门(1)的输出端，连接异或门(3)的一个输入端，在异或门(1)的输出端和另一个输入端，连接与门(2)的两个输入端，与门(2)的输出端连接或门(5)的一个输入端，异或门(3)的另一个输入端连接B端，输出端连接或门(6)的一个输入端，在B端和异或门(3)的输出端，连接与门(4)的两个输入端，与门(4)的输出端连接或门(5)的一个输入端，或门(5)的另一个输入端，连接与门(2)的输出端，或门(5)的输出端连接借位信号输出端(13)(或连接高位计算单元的借位输入端)，借位信号输出端(13)也是A小于B时的信号输出端、也是输出反向信号和加一信号的输出端，在差额比较器的最高计算单元，借位信号输出端(13)用于联接数字反向控制端(12)，异或门(3)的输出端连接异或门(6)的一个输入端，异或门(6)的另一个输入端，连接使数字反向的控制端(12)，输出端连接异或门(7)的一个输入端，异或门(7)的另一个输入端连接进位输入端(17)或叫加一输入端(17)(或连接相邻的低级计算单元的进位输出端)，异或门(7)的输出端连接寄存器(9)，与门(8)的两个输入端，与异或门(7)的两个输入端并连，输出端连接进位信号输出端(14)(或连接相邻的高位计算单元的进位输入端)，寄存器(9)的控制端，连接时钟控制输出使能(16)，输出端连接单元计算结果输出端(10)，在各计算单元的计算结果输出端，连接多输入异或门的输入端，异或门的输出端，连接差额比较器的全同输出端(15)。
2.直线步进电机通用集成电路，它包括时钟、分频器、计数器、比较器、触发器、门电路、摸/数转换器、移位寄存器、锁存器、开关电路和差额比较器，其特征是具有预置数功能计数器(a3)的脉冲输入端连接分频器(a7)，控制端(0)通过触发器(a1)和或门(a2)，连接计数器(a3)和计数器(a10)的运行/暂停控制端，或门(a2)的另一个输入端连接或门(a4)的输出端，或门(a4)的一个输入端连接一个反向器，计数器(a3)的置数输入端连接输入端(18)和与门开关(O1)的输出端，计数器(a3)的复位脉冲输出端，分为三路，第一路，连接计数器(a10)的脉冲输入端；第二路，连接的与门(a5)的一个输入端，与门(a5)的另一个输入端连接一个反向器的输出端，和移位寄存器(f1)的串行信号输入控制端，与门(a5)的输出端，连接移位寄存器(f1)的串行信号输入端，移位寄存器(f1)的脉冲输入端连接与门(a6)的输出端，与门(a6)的一个输入端连接反向器，另一个输入端连接分频器(a7)，移位寄存器(f1)的方向控制端连接反向器(a8)、与门(D0)和计数器(a10)的方向控制端；第三路，连接与门(B1)的一个输入端；计数器(a10)的输出端连接比较器(a9)，比较器(a9)的另一个输入端连接信息输入端(19)，和与门开关(O2)的输出端，比较器(a9)的大于输出端连接异或门(D3)一个输入端，异或门(D3)输出端连接异或门(D2)的一个输入端，异或门(D2)的另一个输入端连接方向控制端(23)，异或门(D2)的输出端连接异或门(D1)的一个输入端，异或门(D1)另一个输入端连接比较器(e2)的全同输出端，异或门(D1)的输出端连接与门(D0)的一个输入端，比较器(a9)的全同输出端与比较器(D8)的全同输出端相联，并与触发器(B0)输入端连接，与其连接的还有与门(D4)、或门(D5)、异或门(D6)每个的一个输入端，触发器(B0)的输出端，分为五路，第一路，连接与门开关(O1)控制端前面的反相器；第二路，连接与门(B1)的一个输入端，与门(B1)的另一个输入端，连接计数器(a3)的复位脉冲输出端，与门(B1)的输出端连接与门(B2)的一个输入端，与门(B2)的另一个输入端连接时钟(B3)，与门(B2)的输出端连接移位寄存器(f1)的脉冲输入端；第三路，通过一个反向器，连接移位寄存器(f1)的串行信号控制端，和与门(a5)的一个输入端，与门(a5)的另一个输入端连接，计数器(a3)的复位脉冲输出端，与门(a5)的输出端连接移位寄存器(f1)的串行信号输入端；第四路，通过反向器连接与门(a6)的一个输入端，与门(a6)的另一个输入端连接分频器(a7)，输出端连接移位寄存器(f1)的移位脉冲输入端；第五路，连接与门(B4)的一个输入端，与门(B4)的另一个输入端连接差额比较器(c2)的全同输出端，差额比较器(c2)的全同输出端，还通过反向器连接计数器(e12)的复位清零控制端，差额比较器(c2)的两个输入端，分别连接模/数转换器(c1)和计数器(a10)的输出端，摸/数转换器(c1)连接模拟信号输入端(20)，与门(B4)的输出端连接触发器(c0)，触发器(c0)的输出端，分为四路，第一路，连接与门开关(O2)控制端前面的反相器；第二路，通过反向器连接或门(a4)的一个输入端；第三路，连接与门(c3)的一个输入端，与门(c3)的另一个输入端，连接计数器(a3)的复位脉冲输出端，它的输出端连接锁存器(f2)的控制端，和开关电路(f3)的控制端；第四路，连接与门(D0)的一个输入端；第五路，连接比较器(e2)、(e3)、(e4)、(e5)和计数器(e12)的电源控制端，单程/往返控制端(21)连接触发器(D7)，触发器(D7)的Q端连接异或门(D6)，异或门(D6)的另一个输入端连接比较器(a9)和(B8)的全同输出端，异或门(D6)的输出端，连接或门(D5)的一个输入端，触发器(D7)Q的反向输出端，连接或门(D5)的另一个输入端，或门(D5)的输出端连接或门(a4)的一个输入端，或门(a4)的另一个输入端，连接一个反向器，或门(a4)的输出端，连接或门(a2)的一个输入端，或门(a2)的输出端，连接计数器(a3)和计数器(a10)的运行/暂停控制端，触发器(D7)Q的反向输出端，还连接与门(D4)的一个输入端，与门(D4)的另一个输入端连接比较器(a9)和(B8)的全同输出端，与门(D4)的输出端，连接触发器(D9)的输入端，触发器(D9)的输出端连接异或门(D3)的一个输入端，比较器(e2)、(e3)、(e4)、(e5)每个的一个输入端，连接差额比较器(c2)的差额输出端，另一个输入端连接与门开关(O1)的输入端W，其中比较器(e2)的一个输入端，是通过反相器与与门开关(O1)的输入端W，(e2)的全同输出端，连接输出端Y和异或门(D1)的另一个输入端连接的；(e3)的全同输出端连接输出端T；(e4)的全同输出端连接输出端H；(e5)的全同输出端连接输出端R；输入端h连接触发器(e10)和异或门(e11)的输入端，触发器(e10)的输出端，连接异或门(e11)的另一个输入端，异或门(e11)的输出端，连接与门(e7)和(e9)；输入端t连接或门(e1)，或门(e1)的输出端，连接或门(e8)的一个输入端，或门(e8)的输出端连接与门(e9)的一个输入端，与门(e9)的输出端，还连接与门(e0)的一个输入端，与门(e0)的另一个输入端连接时钟(B3)，与门(e0)的输出端连接计数器(e12)的脉冲输入端；输入端r连接或门(e1)的另一个输入端，和或门(e6)的一个输入端，或门(e6)的输出端连接与门(e7)的一个输入端，与门(e7)的输出端连接与门(e6)的另一个输入端，还连接计数器(e12)的计数方向控制端，计数器(e12)的输出端连接，电压控制信号输出端(24)。
3.根据权利要2所述的直线步进电机通用集成电路，其特征是直线步进电机通用集成电路的外部连接设备包括驱动数据总线(27)、驱动器(29)、磁控开关(31)，其中，驱动数据总线(27)连接直线步进电机通用集成电路的驱动信号输出端(25)，多个驱动器(29)并连在驱动总线(27)上，在电机线圈(30)的表面，设置磁控开关(31)，磁控开关(31)连接在数/模转换器(28)的输出端，与各驱动器(29)的电源之间。数/模转换器(28)的输入端连接电压控制信号输出端(24)。
4.根据权利要2、3所述的直线步进电机通用集成电路，其特征是驱动器(29)是由开关三极管组成，按顺序分单双数通过磁控开关(31)与正负电源线连接，两个开关三极管的输出端连接线圈(30)上的一个电极(34)。(如1和2连接一个，3和4连接一个。)
5.根据权利要2、3所述的直线步进电机通用集成电路及外设，其特征是在电机线圈(30)的一端设置距离探测器，探测器的输出端连接直线步进电机通用集成电路的模拟信号输入端(20)。
全文摘要
差额比较器和直线步进电机通用集成电路。在数字电路中，比较器只比较两个数的大小，要想知道差额就必须借用计算器，用减法程序来实现。本发明是使用数字逻辑电路设计的，不需要软件程序，也不用分减数和被减数，只要在输入端输入两个二进制数，在输出端，就可以得到差额，其结构简单，成本低，使用方便，可以通过与比较器或多输入与门的连接，实现数字的窗口比较器，和逻辑控制器，用于温度、气味、距离和电压以及步进电机的调频，也可以用于光、声波的探测。本发明中的直线步进电机通用集成电路，就是使用它的一个实例。
文档编号H02P8/14GK1670688SQ20051006952
公开日2005年9月21日 申请日期2005年5月13日 优先权日2005年5月13日
发明者张金铭 申请人:张金铭