CN101383575A - 步进电机停转状态的判断装置及判断方法 - Google Patents

Abstract

一种步进电机停转状态的判断装置及判断方法，是应用于具有至少二个定子绕组及一个转子的步进电机，其主要是通过一个驱动模块分别产生至少二个不同相位的连续时脉给该至少二个定子绕组，以使该转子运转且使这些定子绕组依序间歇产生反电动势，接续通过一个预设有阈值电压的控制模块交替地对应该至少二个不同相位连续时脉输入一个侦测时段至该驱动模块，以令一个侦测模块依据该侦测时段侦测该至少二个定子绕组所产生的反电动势，并进行该反电动势与该阈值电压的比较程序，从而当该反电动势低于阈值电压时，该控制模块即判断该步进电机为停转状态，并相应输出一个停转状态信号，这样，不仅可避免通常须另外装设微开关所占用原步进电机控制系统空间的问题，更可节省机构设计上以及增设元件的成本。

Description

步进电机停转状态的判断装置及判断方法

技术领域

本发明涉及一种步进电机停转状态的判断装置及判断方法，更详而言之，涉及一种应用于具有至少二个定子绕组及一个转子的步进电机的判断装置及判断方法。

背景技术

步进电机(stepping motor)由于其控制方式十分简单，故目前已广泛应用于各种控制系统中以控制负载装置的速度、位移以及方向。而步进电机与一般电机的不同之处在于，当步进电机输入电源时并不会使其转子(rotor)产生周期性的转动，即步进电机是一种接受数字信号控制的电机机械装置，并经由定子(stator)上电极(pole)的磁场不停地交互切换以带动转子进行转动，且每当输入一个数字时脉信号脉冲时，会使得步进电机的转子转动一个固定角度，亦即已知的步进角(stepping angle)。由于步进电机可直接接受数字信号而产生相对应的角度变化，也就是脉波数目和输出角度成正比，所以只要在可控制范围内，步进电机可通过开环(open loop)方式来驱动，不必考虑反馈(feedback)即可简单地完成控制操作。

请参阅图1，为已知步进电机控制系统的方块示意图。如图所示，该步进电机控制系统10包括控制界面11、控制单元12、驱动单元13、步进电机14，以及电源供应器15。其中，该控制界面11可设置于计算机系统或可编程逻辑控制器(Programmable logic controller，PLC)内，且该控制界面11是用来输出一个高阶指令(high-level command)至控制单元12，例如该步进电机系统10设置于光碟机(optical disk drive)中以控制光读写头(optical pick up head)进行寻轨(track seeking)操作。因此该控制界面11可直接将所需存取的轨道信息输入该控制单元12，再由该控制单元12相应地产生控制信号以控制该驱动单元13，使该驱动单元13依据该控制信号输出电流以驱动该步进电机14，亦即利用电流驱动该步进电机14的定子电极上的线圈(winding)绕组以产生所需磁场来驱动对应的转子，装设于该转子上的光读写头定位至光碟片上所需的轨道后，再令该光读写头读取该轨道上的信息，另驱动单元13所需电流功率由该电源供应器15提供。

但是，现有技术的步进电机控制技术中，为了进一步确定步进电机的转子是否已转动至所需的位置，例如确定上述装设于该步进电机14的转子的光读写头是否在读取光碟片前已确实定位于初始位置，通常增设一个微开关来加以侦测。此举无疑占据了整个步进电机控制系统的空间，且相应地增加了机构设计上以及微开关的成本。

由此，如何提供一种可节省机构设计上以及增设元件(如微开关)的成本，且无需占用原步进电机控制系统空间，即可准确地判断步进电机的转子是否已转动至所需位置的步进电机停转状态的判断装置及判断方法，实为目前此产业界中亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的一个目的在于提供一种步进电机停转状态的判断装置及判断方法，以简化机构设计及成本。

本发明的另一目的在于提供一种利用反馈方式侦测步进电机是否停转的步进电机停转状态的判断装置及判断方法。

为达到上述及其它目的，本发明所提供的步进电机停转状态的判断装置，应用于具有至少二个定子绕组及一个转子的步进电机。该步进电机的判断装置至少包括：一个驱动模块，分别电性连接该至少二个定子绕组，用以分别产生至少二个不同相位的连续时脉，并通过该转子运转使这些定子绕组依序间歇产生反电动势；一个侦测模块，电性连接该驱动模块；以及一个控制模块，分别电性连接该驱动模块以及该至少二个定子绕组，用以交替地对应该至少二个不同相位连续时脉输入侦测时段至该驱动模块，且预设一个阈值电压，以令该侦测模块依据该侦测时段侦测该至少二个定子绕组所产生的反电动势，从而当所侦测的反电动势低于阈值电压时，该控制模块即判断该步进电机为停转状态，并相应输出一个停转状态信号。

对应上述步进电机停转状态的判断装置，本发明所述的步进电机停转状态的判断方法包括以下步骤：

根据第一电位及第二电位依序产生一个第一连续时脉输出至该第一定子绕组。

根据第一电位及第二电位依序产生一个第二连续时脉输出至该第二定子绕组，其中该第二连续时脉与该第一连续时脉不同相位。

当第一连续时脉或第二连续时脉的相位为第二电位时，则对应该第一连续时脉与该第二连续时脉输入一个侦测时段，以依据该侦测时段侦测该第一定子绕组或第二定子绕组通过转子转动所产生的反电动势，若反电动势低于一个阈值电压时，即判断该步进电机为停转状态，并相应输出一个停转状态信号。

对应上述步进电机停转状态的判断装置及判断方法，其中该驱动模块于该侦测时段分别交替地对应该至少二个定子绕组提供一个高阻抗输出，使相应所产生的反电势不会因过小被忽略，而误判为停转状态。

因此，本发明提供了一种步进电机停转状态的判断装置及判断方法，其主要是通过侦测一个步进电机于运转时所产生的反电动势(BEMF)，并通过与一个预设的基准电压来比较，以判断该步进电机是否处于停转状态。即当所侦测的反电动势低于基准电压时，即判断该步进电机为停转状态，并相应输出一个停转状态信号。相较于现有技术而言，本发明无需占用原步进电机控制系统的空间，且可节省机构设计上以及增设元件(如：微开关)的成本，因此达到上述所有目的。

附图说明

图1为一方块示意图，其显示现有步进电机停转状态的判断装置的基本架构方块示意图；

图2为一方块示意图，其显示本发明的步进电机停转状态的判断装置的基本架构方块示意图；

图3为一侦测时序图，其显示本发明的步进电机停转状态的判断装置停转侦测时序图；

图4为一侦测流程图，用以说明本发明步进电机停转状态的判断装置的侦测流程图；以及

图5为一方块示意图，用以说明本发明步进电机停转状态的判断装置实现于一数据存取装置的实施架构示意图。

[元件标号的简单说明]

10                         现有步进电机系统

11                         控制界面

12                         控制单元

13                         驱动单元

14                         步进电机

15                         电源供应器

20                         判断装置

21                         驱动模块

211                        时脉产生单元

212                        驱动单元

212a、212b                 第一输出端

212c、212d                 第二输出端

212e、212f                 输入端

22                         侦测模块

221                        第一检知器

222                        第二检知器

221a、221b、222a、222b             输入端

23                                 控制模块

231                                模拟数字转换器

30                                 控制界面

40                                 数据存取装置

50                                 光读写头

A                                  第一定子绕组

B                                  第二定子绕组

R                                  转子

A_in                               第一连续时脉

B_in                               第二连续时脉

U1_Out                             第一输出信号

U2_Out                             第二输出信号

S1～S5                             步骤

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉本领域的普通技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但并非以任何观点限制本发明的范畴。

参阅图2，其用以说明本发明步进电机停转状态的判断装置的基本架构方块示意图。如图所示，该判断装置20至少包括：驱动模块21、侦测模块22及控制模块23。通过侦测步进电机在运转时所产生的反电动势(Back ElectroMotive Force；BEMF)来判别是否为停转状态，并相应输出一个停转状态信号。而本实施例中，该步进电机包括一个第一定子绕组A、一个第二定子绕组B及一个转子R，但本申请是以二相步进电机为例，实际上定子绕组并不以此为限，即任何偶数及其倍数的相数皆可。

该驱动模块21包括时脉产生单元211及驱动单元212。该驱动单元212具有第一输出端212a、212b及第二输出端212c、212d，其中该第一输出端212a、212b用以电性连接该第一定子绕组A，该第二输出端212c、212d用以电性连接该第二定子绕组B；该时脉产生单元211则电性连接该驱动单元212，以分别对第一定子绕组A及第二定子绕组B产生不同相位的连续时脉。

该侦测模块22包括第一检知器221及第二检知器222。该第一检知器的输入端221a、221b分别电性连接该驱动单元212与该第一定子绕组A连接的第一输出端212a、212b；该第二检知器222的输入端222a、222b则分别电性连接该驱动模块212与该第二定子绕组B连接的第二输出端212c、212d，用以侦测该第一定子绕组A或该第二定子绕组B的反电动势(BEMF)。

该控制模块23分别电性连接该第一检知器221的输出端221c及该第二检知器222的输出端222c。且该控制模块23由该输出端221c相应地电性连接至该驱动模块212的其中一个输入端212e，并由该输出端222c相应地电性连接至该驱动模块212的另一输入端212f，用以交替地对这些不同相位连续时脉输入一个侦测时段，以分别侦测第一定子绕组A或第二定子绕组B所输出的反电动势(BEMF)。且该控制模块预设一个阈值电压(Threshold voltage)，以该反电动势(BEMF)进行比较程序，从而当所侦测的反电动势(BEMF)电压高于预设阈值电压时，该控制模块23即判断该步进电机为运转状态，并相应输出一个运转状态信号；而当所侦测的反电动势(BEMF)电压低于预设阈值电压时，该控制模块23即判断该步进电机为停转状态，并相应输出一个停转状态信号，其中该驱动模块于该侦测时段分别交替地对应该至少二个定子绕组提供一个高阻抗输出，使相应所产生的反电动势不会因过小被忽略，而误判为停转状态。

另外，该控制模块23内还包括模拟数字转换器231(Analog todigital converter)，用以将该侦测模块22的第一检知器221及第二检知器222所产生的模拟信号转换成数字数据流(Data stream)，用以将这些连续的状态信号输出至一个系统(图未示)。

参阅图3，其用以说明本发明步进电机停转状态的判断装置侦测时序图，以分别显示所侦测驱动模块21输入端212e、212f与控制模块23输出端的信号状态。如图所示，该驱动模块21所产生的连续时脉为一个第一电位(本实施例分别预设为5V及0V)及一个第二电位(本实施例预设为2.5V)的连续相位组合，即当该时脉产生模块根据该第一电位及该第二电位依序产生一个第一连续时脉A_in输出至第一定子绕组A时，会再以落后一个相位根据前述的该第一电位及该第二电位依序产生一个第二连续时脉B_in输出至第二定子绕组B，且该第一定子绕组A通过该第一检知器221相应地产生一个第一输出信号U1_Out，该第二定子绕组B则通过该第二检知器222相应地产生一个第二输出信号U2_Out，用以交替地对应该第一连续时脉A_in与第二连续时脉B_in输入一个侦测时段，并进行该反电动势与该阈值电压的比较程序。

该比较程序包括下列步骤：

(1)当这些连续时脉的时序为T3时，该第二定子绕组B输出第一电位使转子R运转，令相邻该第二定子绕组B的第一定子绕组A相对输出第二电位，即第一定子绕组A无电流流过，通过转子R运转使该第一定子绕组A在第二输出信号U1_Out的T3相位中，相对产生一个大于阈值电压的反电动势(BEMF)，此时显示该步进电机仍然处于运转状态。

(2)当这些连续时脉的时序为T4时，该第一定子绕组A输出第一电位使转子R运转，而该第二定子绕组B则输出第二电位，即第二定子绕组B无电流流过，通过转子R运转使该第二定子绕组B于第一输出信号U2_Out的T4相位中，相对产生一个大于阈值电压反电动势(BEMF)，此时显示该步进电机仍然处于运转状态。

(3)当这些连续时脉的时序为T7时，该第一定子绕组A输出第二电位，而该第二定子绕组B则输出第一电位，但由于该第一定子绕组A于第一输出信号U1_Out的T7相位中无反电动势(BEMF)的产生或所产生的反电动势(BEMF)小于阈值电压，故此时显示该步进电机于停转状态。

参阅图4，其用以说明本发明步进电机停转状态的判断装置的侦测流程图。如图所示，首先在步骤S1中定义一个第一电位及第二电位，并在所输出的系统预设一个记忆区段，该记忆区段定义一个步进电机停转旗标(Motor stop flag)，当该步进电机仍在运转时显示为”Lo”(低电位)，而当步进电机停转时显示为”Hi”(高电位)，接着进至步骤S2。

在步骤S2中，分别依据前述的第一电位及第二电位产生连续时脉。详言之，根据前述的第一电位及第二电位依序产生一个第一连续时脉A_in输出至第一定子绕组A，以及根据前述的第一电位及第二电位依序产生一个第二连续时脉B_in输出至第二定子绕组B，从而在第二连续时脉落后该第一连续时脉一个奇数相位时，交替地对应该第一连续时脉A_in与第二连续时脉B_in输入一个侦测时段，并进行该反电动势与该阈值电压的比较程序。

在步骤S3中，侦测第二定子绕组B的反电动势(BEMF)，并判断第二定子绕组B所产生的反电动势(BEMF)是否大于阈值电压，即当第一连续时脉A_in的相位于第一电位且第二连续脉冲B_in的相位于第二电位时，侦测第二定子绕组B所产生的反电动势(BEMF)并据以判断是否大于阈值电压，若是，则进至步骤S4，若否，则进至步骤S5。

在步骤S4中，侦测第一定子绕组A的反电动势(BEMF)，并判断第一定子绕组A所产生的反电动势(BEMF)是否大于阈值电压，即当第一连续时脉A_in的相位于第二电位且第二连续时脉B_in的相位于第一电位时，侦测第一定子绕组A是否产生反电动势(BEMF)是否大于阈值电压，若是，则回到步骤S2，若否，则进至步骤S5。

在步骤S5中，改变步进电机停转旗标为”Hi”，以显示该步进电机为停转状态，其中该侦测时段分别交替地对应该至少二个定子绕组提供一个高阻抗输出，使相应所产生的反电动势不会因过小，而被忽略误判为停转状态。

参阅图5，其用以说明本发明步进电机停转状态的判断装置实现在数据存取装置的实施架构示意图。如图所示，该判断装置20除了如上述实施例中分别通过驱动模块21及侦测比较模块22分别电性连接步进电机14的第一、二定子绕组A、B，及由电源供应器15提供驱动模块21所需驱动电流功率以外，还包括控制界面30、数据存取装置40及搭载至该数据存取装置40的光读写头50(optical pick up header)，其中该控制界面30分别电性连接该判断装置20以及该光读写头50，该光读写头50则设置于该步进电机的转子R上，且该数据存取装置40可为CD-ROM、DVD或Combo。

当第一连续时脉A_in或第二连续时脉B_in的相位为第二电位时，依序侦测比较第一定子绕组A或第二定子绕组B通过转子R转动所产生的反电动势，并进行该反电动势与该阈值电压的比较程序。若反电动势低于阈值电压时，该判断装置20即判断该步进电机为停转状态，并相应输出一个状态信号至该控制界面30，使该控制界面30相应输入一个读写命令控制信号至该光读写头50，以令该光读写头50开始对该数据存取装置40进行读写程序，因此，不仅可避免已知的须另外装设微开关所占用原步进电机控制系统空间的问题，更可节省机构设计上以及增设元件(如：微开关)的成本。

综上所述，本发明提供了一种步进电机停转状态的判断装置及判断方法，其主要是通过侦测步进电机于运转时所产生的反电动势(BEMF)，并通过与一预设的阈值电压来比较，以判断该步进电机是否处于停转状态，即当所侦测的反电动势低于阈值电压时，即判断该步进电机为停转状态，并相应输出一个停转状态信号，相较于现有技术而言，本发明无需占用原步进电机控制系统的空间，且可节省机构设计上以及增设元件(如：微开关)的成本。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉本领域的普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求所列。

Claims (13)

1.一种步进电机停转状态的判断装置，应用于具有至少二个定子绕组及一个转子的步进电机，该步进电机停转状态的判断装置至少包括：

驱动模块，分别电性连接该至少二个定子绕组，用以分别产生至少二个不同相位的连续时脉给该至少二个定子绕组，以使该转子运转且使该至少二个定子绕组依序间歇产生反电动势；

侦测模块，电性连接该驱动模块以及该至少二个定子绕组，用以侦测该至少二个定子绕组所产生的反电动势；以及

控制模块，电性连接该驱动单元以及该侦测模块，用以交替地对应该至少二个不同相位连续时脉输入一个侦测时段至该驱动模块，且预设有一个阈值电压，以令该侦测模块依据该侦测时段侦测该至少二个定子绕组所产生的反电动势，并进行该反电动势与该阈值电压的比较程序，从而当该反电动势低于该阈值电压时，该控制模块即判断该步进电机为停转状态，并相应输出一个停转状态信号。

2.如权利要求1所述的步进电机停转状态的判断装置，其中，该驱动模块至少包括：

时脉产生单元，用以产生连续时脉；以及

驱动单元，分别电性连接该时脉产生模块、该控制模块以及该至少二个定子绕组，用以根据连续时脉激励其中一个定子绕组，使该转子运转对另一相邻的定子绕组产生一个反电动势。

3.如权利要求1所述的步进电机停转状态的判断装置，其中，该驱动模块于该侦测时段，分别交替地对应该至少二个定子绕组提供一个高阻抗输出。

4.如权利要求1或2所述的步进电机停转状态的判断装置，其中，任意二个不同相位的连续时脉相差奇数相位。

5.如权利要求1或2所述的步进电机停转状态的判断装置，其中，这些连续时脉为一个第一电位及一个第二电位的连续相位组合。

6.如权利要求5所述的步进电机停转状态的判断装置，其中，该第一电位为正向或反向准位。

7.如权利要求5所述的步进电机停转状态的判断装置，其中，该第二电位用以产生一个间歇时序，供该侦测模块侦测所对应定子绕组因转子运转所产生的反电动势。

8.如权利要求1所述的步进电机停转状态的判断装置，其中，该步进电机搭载至数据存取装置的光读写头。

9.一种步进电机停转状态之判断方法，应用于具有至少二个定子绕组及一个转子的步进电机，该步进电机停转状态的判断方法包括以下步骤：

根据一个第一电位及一个第二电位依序产生一个第一连续时脉输出至该第一定子绕组；

根据一个第一电位及一个第二电位依序产生一个第二连续时脉输出至该第二定子绕组，其中该第二连续时脉与该第一连续时脉不同相位；

当第一连续时脉或第二连续时脉的相位为第二电位时，则对应该第一连续时脉与该第二连续时脉输入一个侦测时段，以依据该侦测时段侦测该第一定子绕组或第二定子绕组通过转子转动所产生的反电动势，若反电动势低于一阈值电压时，即判断该步进电机为停转状态，并相应输出一停转状态信号。

10.如权利要求9所述的步进电机停转状态的判断方法，其中，该侦测时段分别交替地对应该至少二个定子绕组提供一个高阻抗输出。

11.如权利要求9所述的步进电机停转状态的判断方法，其中，该第一连续时脉与第二连续时脉相差奇数相位。

12.如权利要求9所述的步进电机停转状态的判断方法，其中，该第一电位为正向或反向准位。

13.如权利要求9所述的步进电机停转状态的判断方法，其中，该第二电位用以产生一个间歇时序，供该侦测所对应的第一定子绕组或第二定子绕组因转子运转所产生的反电动势。

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