专利名称：感应电机与步进电机的结合系统与运作方法
技术领域：
本发明涉及一种感应电机与步进电机的结合系统与其运作切换方法，特别是指运用步进电机的结构，用以架构可执行感应电机的操作的系统与方法。
随着电子技术的日新月异，电脑所能提供的功能也不断地增加，于是更需要一些周边设备的支援，以对用户提供良好的服务。举例而言，当用户欲输入影像至电脑中做更进一步的处理或运用时，可通过扫描器对图片或文件进行扫描，并将所扫描的影像以影像档的方式储存在电脑中。以传统技术中的扫描器而言，大多利用步进电机(Stepping motor)来控制扫描器的扫描操作，因为步进电机具有低转速、高转距的特性，所以特别适用于扫描操作中，用以控制每条扫描线所需的移动等操作。
对于扫描器的技术人员而言，在如何提高扫描解析度(Resolution)，或使扫描器整体机构更小、更稳固以外，也注意如何减少扫描前的预先扫描(Preview)程序所需的执行时间。然而在传统技术中大多是针对不同的扫描范围进行标示，并在扫描前对标示区进行扫描，以得知被扫描物的大小，而控制扫描机制移动的动力源仍是由步进电机所提供，所以仍受限于步进电机低转速的限制。此外，当扫描器进行低解析度的扫描操作时，由于所需的扫描线数较少，因此可以用较快的扫描速度来进行。再者，当扫描机需还原(Fly back)至原点时，由于此时只需移动扫描装置而不需进行任何扫描操作，所以在速度上也有提升的空间。另一方面，虽然直流电机(DC motor)与感应电机(Induction motor)都具有高转速的特性，但是直流电机因需要换向片而影响寿命；感应电机则因为启动转矩(Torque)不够而产生限制。此外，在扫描器中，因为成本的缘故，往往只运用单一的步进电机来提供所有的动力，因此若以架构两个电机以增加上述应用的速度时，又会发生不符合成本效益的情形。
本发明的主要目的是提供一种感应电机与步进电机两者的操作模式结合的系统与其切换方法。
本发明的次要目的是提供一种运用步进电机结构，用以架构感应电机操作模式的系统与方法。
本发明的另一目的是提供一种架构于需要高/低速切换的应用中，用以在步进电机与感应电机操作模式之间进行切换，以提供不同转速的系统与方法。
本发明的再一目的是提供一种通用于扫描器中用以进行高/低转速的切换，用以增进不同应用情形的执行速度的系统与方法。
本发明的系统是这样实现的该结合系统至少包含有电机，具有多条导线，该导线以缠绕成线圈的方式以产生电机转动所需的磁场；感应电机控制模组，用以产生一感应模式驱动信号，其中该感应模式驱动信号是驱动该电机以感应电机的运转方式产生运转；步进电机控制模组，用以产生一步进模式驱动信号，其中该步进模式驱动信号是驱动该电机以步进电机的运转方式产生运转；切换装置，对应于一模式选择信号与一电机转矩监测信号，用以决定操控该电机运转方式是该感应模式驱动信号或该步进模式驱动信号。
上述的多条该导线与该切换装置耦合，且受控于该多条导线的耦合与否是受控于该模式选择信号。
更包含电机转矩监测装置，用以监测该电机的转矩，以产生该电机转矩监测信号，其中该电机是在该电机转矩监测信号指出该转矩到达一临界值、且该模式选择信号是指出该电机需以感应模式运转时，受该感应模式驱动信号的驱动而运转。
上述的临界值是由该电机转动的静摩擦力所定义的。
上述的感应电机控制模组至少包含相位解码器，对应于该电机的运转情形，用于该电机运转的相位信号；误差计算器，用以对应于该相位信号与该电机在感应电机的运转方式的波形信号，以产生该电机运转的误差值信号；脉冲宽度调制产生器，对应于该误差值信号，用以产生调整该电机运转所需的脉冲信号；以及感应模式驱动电路，对应于该脉冲信号，用以产生该感应模式驱动信号。
上述的脉冲宽度调制产生器是对应于一控制信号，用以控制该电机前进、后退、加速、或减速，以符合该结合系统的需求。
更包含一微处理器，其中该微处理器是对应于该误差值信号，用以产生该控制信号，且该微处理器是用于产生该模式选择信号、该电机以感应电机的运转方式来运转所需的波形信号、以及该电机以步进电机的运转方式来运转所需的波形信号。
上述的步进电机控制模组包含一步进模式驱动电路，其中该步进模式驱动电路是对应于一步进模式输入信号，用以产生该步进模式驱动信号。
本发明的系统也可以是这样实现的该结合系统至少包含电机，具有多条导线，该导线以缠绕成线圈的方式而产生电机转动所需的磁场；电机转矩监测装置，用以监测该电机的转矩，以产生一电机转矩监测信号；感应电机控制模组，对应于该电机以感应电机的运转方式来运转所需的波形信号，用以产生一感应模式驱动信号，其中该感应模式驱动信号是驱动该电机以感应电机的运转方式产生运转，且该电机是在该电机转矩监测信号指出该转矩到达一临界值时，受该感应模式驱动信号的驱动而运转；步进电机控制模组，对应于该电机以步进电机的运转方式来运转所需的波形信号，用以产生一步进模式驱动信号，其中该步进模式驱动信号是驱动该电机以步进电机的运转方式产生运转；切换装置，对应于一模式选择信号与一电机转矩监测信号，用以决定操控该电机运转方式是该感应模式驱动信号或该步进模式驱动信号。
上述的多条该导线与该切换装置耦合，且受控于该多条导线的耦合与否是受控于该模式选择信号。
上述的临界值是由该电机转动的静摩擦力所定义的。
上述的感应电机控制模组至少包含相位解码器，对应于该电机的运转情形，用以该电机运转的相位信号；误差计算器，用以对应于该相位信号与该电机在感应电机的运转方式的波形信号，以产生该电机运转的误差值信号；脉冲宽度调制产生器，对应于该误差值信号，用以产生调整该电机运转所需的脉冲信号；以及感应模式驱动电路，对应于该脉冲信号，用以产生该感应模式驱动信号。
上述的脉冲宽度调制产生器是对应于一控制信号，用以控制该电机前进、后退、加速、或减速，以符合该结合系统的需求。
更包含一微处理器，其中该微处理器是对应于该误差值信号，用以产生该控制信号，且该微处理器是用以产生该模式选择信号、该电机以感应电机的运转方式来运转所需的该波形信号、以及该电机以步进电机的运转方式来运转所需的该波形信号。
上述的步进电机控制模组包含一步进模式驱动电路，其中该步进模式驱动电路是对应于一步进模式输入信号，用以产生该步进模式驱动信号。
本发明的控制电机系统以感应模式或步进模式进行运转的方法是这样实现的该控制方法至少包含下列步骤以该步进模式驱动该电机系统运转；监测该电机系统的转矩；以及当该转矩到达一临界值，且该电机需要以感应电机的操作模式进行运转时，以该感应模式控制该电机的运转。
上述以该感应模式控制该电机运转的方法至少包含下列步骤监测该电机系统的运转情形；比较该运转情形与该电机系统在感应模式的运转下的波形信号，以产生一误差结果；依据该误差结果产生一校正值；以及依据该校正值调整该电机系统的运转。
更包含在监测该电机运转情形前所执行的下列步骤变更该电机系统的导线的接线方式，且减少该电机系统的相数(Phase)；以及在该导线中输入该电机系统在感应模式的运转下的该波形信号。
上述的电机在该感应模式运转下，该导线的一部份相耦合，以使该电机系统在该感应模式下运转，要比在该步进模式下运转为快。
更包含一切换装置，用以依据一模式选择信号，以切换该电机以该步进模式或该感应模式而驱动该电机系统运转。
本发明的感应电机与步进电机的结合系统，主要包含一切换装置、感应电机控制模组以及步进电机控制模组，其中感应电机控制模组与步进电机控制模组所产生的驱动信号都送往切换装置，而且感应电机控制模组也输入由电机所输出的回馈信号，用以当电机是以感应电机模式运作时，在监测电机运转误差值后作补偿之用。切换装置则受控于切换信号，用以决定运用感应电机控制模组或步进电机控制模组所送来的信号，以达到控制电机运转方式的目的感应电机控制模组主要包含监测电机运转情形，且将其进行编码的编码器、用以将编码结果进行解码的相位解码器、用以比较所解码的相位与感应电机输入信号的误差计算器、一微处理器、一脉冲宽度调制器，而脉冲宽度调制器的输出是用以控制电机以感应模式操作的控制信号，其是馈入至切换装置中。步进电机控制模组则主要包含一步进电机驱动电路，用以产生步进模式操作的控制信号，并用以馈入至切换装置中。切换装置则输入电机转矩的监测结果，并配合模式选择信号用以决定是否可将电机切换至感应模式中。
本发明的方法是在电机启动时，以步进模式来启动，用以提供电机所需的转矩。接下来，当电机转矩足够时，可依据模式选择信号，用以切换至感应模式来驱动电机，或是沿袭步进模式来控制电机运转。
本发明的系统与方法可通用在任何需要高/低速切换的控制上，诸如利用低速的步进电机操作模式以扫描文件，并利用感应电机操作模式，用以进行预先扫描或将扫描机还原(Fly back)的应用中。
下面结合附图和实施例，详细说明本发明的结合系统与运作方法。
图1是本发明方法的操作流程图；图2是本发明的系统中，当电机以步进模式运转时的接线示意图；图3是本发明的系统中，当电机以感应模式运转时的接线示意图；图4是本发明系统的架构方块图；首先请参阅图1所示的本发明方法的操作流程图。当结合系统的电机启动时，将以步进模式使电机运转(步骤102)，随后监测电机的转矩(Torque)是否已达到可驱动感应模式的临界值(步骤104)。当电机转矩未到达可驱动感应模式的临界值时，继续以步进模式驱动电机的转动。当电机转矩已到达临界值，而且模式选择信号是指出将电机切换至感应模式运转时(步骤106)，则将电机的相数减少，并连结成感应电机的线路连接方式(步骤108)，随后以感应模式灌加电流至电机线路中，以驱动电机运行操作(步骤110)。由于在本发明感应模式下运转的电机所产生的转动效果仍会与真实的感应电机产生一些误差，因此必须监测感应模式下运转的电机运转结果(步骤112)，并将监测结果与感应模式的输入信号作比较，用以产生误差值(步骤114)。接着，依据误差值产生补偿误差的校正值(步骤116)，再将校正值并入下一次的感应模式控制信号中，用以调整感应模式下的电机运转(步骤118)。
上述的步骤112-118可视为调整电机在感应模式下运转的一个调整周期，因此在执行步骤118后，即可再回到步骤112中，以进行下一次的调整周期。另一方面，若在步骤106中模式选择信号所指的是以步进模式来运转电机，则继续以目前的步进模式使电机转动(步骤120)。此外，上述的临界值可定义为电机转动的静摩擦力，因此当电机转矩所产生的驱动力已超过电机转动的静摩擦力时，便可将本发明的电机切换至感应模式下运作。
接下来请参阅图2与图3，其分别描绘本发明的系统中，当电机以步进模式与感应模式运转时的接线示意图。应注意的是，图2与图3都是定子(Stator)的剖视图，其是一个包含八极的定子，而电机的转子(Rotor，未绘出)则位于上述定子的下方(也即位于与纸面平行方向的下方)。
在图2中，导线202与204以缠绕成线圈的方式，用以在电机中分别形成四个线圈，而导线202与204则以交互被激磁与消磁的方式来产生电机运转所需的磁场。另一方面，在图3中，是将导线的端点A’与导线204的端点B，通过一导线信号切换装置302使其相接，用以连结为单相感应电机的型态，进而形成一个可产生交流磁场的线圈，而且线圈304所产生的磁场即和线圈306所产生的磁场同向，但线圈304所产生的磁场却和线圈308所产生的磁场反向。此外，由于线圈304与306所产生的磁场相同，因此驱动转子旋转的转动速度便比步进模式为快。
接下来请参阅图4所示本发明系统的架构方块图，其主要包含相位解码器402、编码器404、误差计算器406、微处理器408、脉冲宽度调制产生器(Pulse Width Modulator，PWM)410、感应模式驱动电路412、步进模式驱动电路414、切换装置416、电机418、以及转矩监测装置420等组成。应注意的是，图3中的导线信号切换装置302，可以直接以切换装置416来取代。由于在本发明较佳实施例中，直接以感应模式启动电机时，将发生转矩不足而无法转动的情况。因此电机开始启动时，必须由步进模式开始运转，也即输入步进电机运转所需的波形信号Ss至步进电机驱动电路414中，并由其产生步进模式驱动信号Ss_drive以馈入至切换装置416中，随后再经由切换装置送往电机418的控制信号Sd，用以驱动电机418以步进电机的方式运转。接下来，电机418的转矩将由转矩St监测装置420所测得，并通过信号线Sts送往切换装置416。于是，当电机418的转矩足以驱动感应模式、且模式选择信号Smode指出需切换至感应模式时，切换装置416才由感应模式驱动电路412输入感应模式驱动信号Sin_drive，并经由信号线Sd以变更电机418的运转方式，否则仍以目前的步进模式使电机418运转。
当电机418开始以感应模式运转时，由于电机418的实际运转方式仍与真实的感应电机有所差距，因此必须做一些误差修正的操作。首先，当电机418在感应模式下操作时，电机的运转情形，例如电机418目前运转步数的情形，可经由运转信号Sm输入至编码器404进行编码，而所产生的编码Se则输入至相位解码器402，以求出目前电机运转的相位信号Sp。真实的感应电机执行所需的波形信号Sin_real将馈入至误差计算器406，并与相位信号Sp与Sin_real进行比较，用以获得电机418目前运转的波形与实际波形的误差。接下来，微处理器408将在输入误差值Sde后依据所需做调整，并依指令控制电机前进或后退的功能。微处理器408所产生的控制信号Sctrl随后送入脉冲宽度调制产生器410，以产生感应模式驱动电路412所需的脉冲信号Spwm，接着，再由切换装置416选择电机418是以感应模式或步进模式来运转。应该注意的是，图4中的步进电机运作所需的波形信号Ss、模式选择信号Smode、甚至是感应电机运作所需的波形信号Sin_real等，都是由微处理器408所产生且输出。
应注意的是，上述的编码器404可运用传统技术中的光盘来构筑，而误差产生器406则可运用传统技术中的相位-频率监测器(Phase-frequencydetector)来构筑。此外，微处理器408可依据系统的需求产生控制信号Sctrl，例如控制电机前进/后退、或加速/减速的信号，以符合系统的需求。再者，感应电机驱动电路412与步进电机驱动电路414则可以用传统技术中架构于感应电机与步进电机的驱动电路来取代，至于切换装置416则可以是任何可执行切换动作的电路或装置。应注意的是，传统技术人员可在了解本发明的精神后，对本发明较佳实施例进行等效修饰而符合个别应用的所需。
综合以上所述，本发明的感应电机与步进电机的结合系统与运作方法，在运用步进电机的结构，用以架构可执行感应电机操作模式后，即建立一个可通用在任何需要高/低速切换的控制应用上，诸如利用低速的步进电机操作模式以扫描文件，并利用感应电机操作模式，用以进行预先扫描或将扫描机还原(Fly back)的应用中，除了不需同时架构两种电机，可提高成本效益之外，更可增加机构的运作速度，进而提升产品的品质。
权利要求
1.一种感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于该结合系统至少包含有电机，具有多条导线，该导线以缠绕成线圈的方式以产生电机转动所需的磁场；感应电机控制模组，用以产生一感应模式驱动信号，其中该感应模式驱动信号是驱动该电机以感应电机的运转方式产生运转；步进电机控制模组，用以产生一步进模式驱动信号，其中该步进模式驱动信号是驱动该电机以步进电机的运转方式产生运转；切换装置，对应于一模式选择信号与一电机转矩监测信号，用以决定操控该电机运转方式是该感应模式驱动信号或该步进模式驱动信号。
2.如权利要求1所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的多条该导线与该切换装置耦合，且受控于该多条导线的耦合与否是受控于该模式选择信号。
3.如权利要求1所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于更包含电机转矩监测装置，用以监测该电机的转矩，以产生该电机转矩监测信号，其中该电机是在该电机转矩监测信号指出该转矩到达一临界值、且该模式选择信号是指出该电机需以感应模式运转时，受该感应模式驱动信号的驱动而运转。
4.如权利要求3所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的临界值是由该电机转动的静摩擦力所定义的。
5.如权利要求1所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的感应电机控制模组至少包含相位解码器，对应于该电机的运转情形，用于该电机运转的相位信号；误差计算器，用以对应于该相位信号与该电机在感应电机的运转方式的波形信号，以产生该电机运转的误差值信号；脉冲宽度调制产生器，对应于该误差值信号，用以产生调整该电机运转所需的脉冲信号；以及感应模式驱动电路，对应于该脉冲信号，用以产生该感应模式驱动信号。
6.如权利要求5所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的脉冲宽度调制产生器是对应于一控制信号，用以控制该电机前进、后退、加速、或减速。
7.如权利要求6所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于更包含一微处理器，其中该微处理器是对应于该误差值信号，用以产生该控制信号，且该微处理器是用于产生该模式选择信号、该电机以感应电机的运转方式来运转所需的波形信号、以及该电机以步进电机的运转方式来运转所需的波形信号。
8.如权利要求1所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的步进电机控制模组包含一步进模式驱动电路，其中该步进模式驱动电路是对应于一步进模式输入信号，用以产生该步进模式驱动信号。
9.一种感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于该结合系统至少包含电机，具有多条导线，该导线以缠绕成线圈的方式以产生电机转动所需的磁场；电机转矩监测装置，用以监测该电机的转矩，以产生一电机转矩监测信号；感应电机控制模组，对应于该电机以感应电机的运转方式来运转所需的波形信号，用以产生一感应模式驱动信号，其中该感应模式驱动信号是驱动该电机以感应电机的运转方式产生运转，且该电机是在该电机转矩监测信号指出该转矩到达一临界值时，受该感应模式驱动信号的驱动而运转；步进电机控制模组，对应于该电机以步进电机的运转方式来运转所需的波形信号，用以产生一步进模式驱动信号，其中该步进模式驱动信号是驱动该电机以步进电机的运转方式产生运转；切换装置，对应于一模式选择信号与一电机转矩监测信号，用以决定操控该电机运转方式的是该感应模式驱动信号或该步进模式驱动信号。
10.如权利要求9所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的多条该导线与该切换装置耦合，且受控于该多条导线的耦合与否是受控于该模式选择信号。
11.如权利要求9所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的临界值是由该电机转动的静摩擦力所定义的。
12.如权利要求9所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的感应电机控制模组至少包含相位解码器，对应于该电机的运转情形，用以该电机运转的相位信号；误差计算器，用以对应于该相位信号与该电机在感应电机的运转方式的波形信号，以产生该电机运转的误差值信号；脉冲宽度调制产生器，对应于该误差值信号，用以产生调整该电机运转所需的脉冲信号；以及感应模式驱动电路，对应于该脉冲信号，用以产生该感应模式驱动信号。
13.如权利要求12所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的脉冲宽度调制产生器是对应于一控制信号，用以控制该电机前进、后退、加速、或减速。
14.如权利要求13所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于包含一微处理器，其中该微处理器是对应于该误差值信号，用以产生该控制信号，且该微处理器是用以产生该模式选择信号、该电机以感应电机的运转方式来运转所需的该波形信号、以及该电机以步进电机的运转方式来运转所需的该波形信号。
15.如权利要求9所述的感应电机与步进电机的结合系统，其特征在于上述的步进电机控制模组包含一步进模式驱动电路，其中该步进模式驱动电路是对应于一步进模式输入信号，用以产生该步进模式驱动信号。
16.一种控制电机系统以感应模式或步进模式进行运转的方法，其中该感应模式是控制该电机以感应电机的操作模式进行运转，而该步进模式是控制该电机以步进电机的操作模式进行运转，其特征在于该控制方法至少包含下列步骤以该步进模式驱动该电机系统运转；监测该电机系统的转矩；以及当该转矩到达一临界值，且该电机需要以感应电机的操作模式进行运转时，以该感应模式控制该电机的运转。
17.如权利要求16所述的控制电机系统以感应模式或步进模式进行运转的方法，其特征在于上述以该感应模式控制该电机运转的方法至少包含下列步骤监测该电机系统的运转情形；比较该运转情形与该电机系统在感应模式的运转下的波形信号，以产生一误差结果；依据该误差结果产生一校正值；以及依据该校正值以调整该电机系统的运转。
18.如权利要求17所述的控制电机系统以感应模式或步进模式进行运转的方法，其特征在于更包含在监测该电机运转情形前所执行的下列步骤变更该电机系统的导线的接线方式，且减少该电机系统的相数；以及在该导线中输入该电机系统在感应模式的运转下的该波形信号。
19.如权利要求18所述的控制电机系统以感应模式或步进模式进行运转的方法，其特征在于上述的电机在该感应模式运转下，该导线的一部份相耦合，以使该电机系统在该感应模式下运转，要比在该步进模式下运转为快。
20.如权利要求16所述的控制电机系统以感应模式或步进模式进行运转的方法，其特征在于包含一切换装置，用以依据一模式选择信号，以切换该电机以该步进模式或该感应模式而驱动该电机系统运转。
全文摘要
一种感应电机与步进电机的结合系统,包含一切换装置、感应电机控制模组及步进电机控制模组,两种控制模组产生的驱动信号都送往切换装置,且感应电机控制模组输入由电机输出的反馈信号,当电机以感应电机模式运作时,用作监测电机运转误差值后的补偿。切换装置受控于切换信号,以运用两种控制模组的信号来控制电机运转方式。其运作方法是在电机启动时,以步进模式启动,以提供电机所需转矩。之后,当电机转矩足够时,依据模式选择信号,用以切换至感应模式或沿袭步进模式来控制电机运转。
文档编号H02P8/00GK1344060SQ0012455
公开日2002年4月10日 申请日期2000年9月20日 优先权日2000年9月20日
发明者郭士文 申请人:力捷电脑股份有限公司