專利名稱：步進馬達加速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種步進馬達加速系統(tǒng)以及方法，特別是有關(guān)于一種利用與步進馬達的特性曲線相近的一安全加速曲線作為加速曲線的步進馬達加速系統(tǒng)以及方法。
背景技術(shù)：
步進馬達是由微電腦控制器所控制，當(dāng)控制信號自控制器輸出后，隨即借由驅(qū)動器將信號放大，達到控制馬達運轉(zhuǎn)的目的?？刂破魇墙栌擅}沖信號的頻率來控制步進馬達的轉(zhuǎn)速，例如每秒兩百脈沖可以造成步進馬達轉(zhuǎn)動一圈。因此控制器每秒輸入的脈沖數(shù)越高，代表步進馬達的轉(zhuǎn)速越快。但因為步進馬達輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為指數(shù)式反比，也就是當(dāng)轉(zhuǎn)速越大時轉(zhuǎn)矩越小，相反的轉(zhuǎn)速越小則轉(zhuǎn)矩越大，故步進馬達的加速必須格外小心，以避免發(fā)生失速或失步的問題。
請參閱圖1，圖1是步進馬達特性曲線的曲線圖。圖中橫坐標(biāo)是步進馬達每秒所接受的脈沖數(shù)目(pulses per second)，縱坐標(biāo)則為步進馬達的輸出轉(zhuǎn)矩。與一般馬達特性曲線最大的不同點是步進馬達有兩條特性曲線，圖1中所示的兩條特性曲線將分別敘述如下A、引入轉(zhuǎn)矩(pull-in torque)曲線引入轉(zhuǎn)矩是指步進馬達能夠與輸入信號同步起動、停止時的最大轉(zhuǎn)矩，因此在引入轉(zhuǎn)矩以下的區(qū)域中馬達可以隨著輸入信號做同步起動、停止、以及正反轉(zhuǎn)，而此區(qū)域就稱作自起動區(qū)(start-stop region)。
B、脫出轉(zhuǎn)矩(pull-out torque)曲線脫出轉(zhuǎn)矩是指步進馬達能夠與輸入信號同步運轉(zhuǎn)，但無法瞬間起動、停止時的最大轉(zhuǎn)矩，因此超過脫出轉(zhuǎn)矩則馬達無法運轉(zhuǎn)，同時介于脫出轉(zhuǎn)矩以下與引入轉(zhuǎn)矩以上的區(qū)域則馬達無法瞬間起動、停止，此區(qū)域稱作滑動區(qū)域(slew region)，若欲在滑動區(qū)域中起動、停止則必須先將馬達回復(fù)到自起動區(qū)，否則會有失步現(xiàn)象的發(fā)生。
所謂失速是指當(dāng)馬達轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度無法跟上定子激磁速度時，造成馬達轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動。各種馬達都有發(fā)生失速的可能，在一般的馬達應(yīng)用上，發(fā)生失速時往往會造成繞組線圈燒毀的后果，不過步進馬達發(fā)生失速時只會造成馬達靜止，線圈雖然仍在激磁中，但由于步進馬達是借由脈沖信號控制，因此不會燒毀線圈。
失步的成因則是由于馬達運轉(zhuǎn)中瞬間提高轉(zhuǎn)速時，因輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，故轉(zhuǎn)矩下降無法負(fù)荷步進馬達的負(fù)載，而造成步進馬達的滑脫。
習(xí)知的步進馬達多應(yīng)用在低速的領(lǐng)域，因此習(xí)知的步進馬達加速方法多采線性加速。請參閱圖2，圖2是習(xí)知步進馬達所用的加速曲線曲線圖。圖中橫坐標(biāo)是步進馬達每秒所接收的脈沖數(shù)目(pulses per second)，縱坐標(biāo)則為步進馬達的輸出轉(zhuǎn)矩。習(xí)知步進馬達運用線性加速，如果在低速的區(qū)間，因為加速曲線仍位在自激活區(qū)中，故加速過程不會產(chǎn)生問題。到了高速的區(qū)域時，線性加速進入了滑動區(qū)域，習(xí)知技術(shù)是假設(shè)步進馬達的脫出轉(zhuǎn)矩曲線是為直線，但從圖1或圖2中可知，脫出轉(zhuǎn)矩曲線應(yīng)為曲線而非直線。如此一來，如果仍利用直線加速，則容易超出脫出轉(zhuǎn)矩曲線外，使得馬達產(chǎn)生失速的現(xiàn)象(如圖2中的C線)?；蚴且驗槭褂昧瞬竭M馬達不存在的輸出轉(zhuǎn)矩，使得步進馬達無法帶動所負(fù)載之物，而產(chǎn)生失步。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一目的，是提供一種步進馬達加速系統(tǒng)及方法，采用一安全加速曲線，以防止馬達加速過程中發(fā)生超出脫出轉(zhuǎn)矩的情形。
本發(fā)明的另一目的，是提供一種步進馬達加速系統(tǒng)及方法，在高轉(zhuǎn)速時仍具有足夠的轉(zhuǎn)矩，以防止馬達發(fā)生失步。
本發(fā)明是一種步進馬達加速系統(tǒng)，用以將一步進馬達自一目前轉(zhuǎn)速加速至一預(yù)定轉(zhuǎn)速，該步進馬達加速系統(tǒng)包含一控制器、一脈沖產(chǎn)生器以及一驅(qū)動器。
控制器內(nèi)儲存有一安全加速曲線，用以根據(jù)該目前轉(zhuǎn)速以及該預(yù)定轉(zhuǎn)速于該安全加速曲線中相對應(yīng)的位置，產(chǎn)生相對應(yīng)的一預(yù)定加速曲線。其中安全加速曲線是位于該步進馬達的一特性曲線內(nèi)，且該安全加速曲線的曲線幅度符合該特性曲線的曲線幅度。脈沖產(chǎn)生器則用以接受該預(yù)定加速曲線，并據(jù)以轉(zhuǎn)化為一脈沖信號。驅(qū)動器用以接收該脈沖信號，并據(jù)而驅(qū)動該步進馬達。
本發(fā)明所提供的步進馬達加速系統(tǒng)，其安全加速曲線是該步進馬達的該特性曲線減去一安全間距(safety margin)所得。
本發(fā)明所提供的步進馬達加速系統(tǒng)，其特性曲線是該步進馬達的一脫出轉(zhuǎn)矩曲線(pull-out torque)。
本發(fā)明所提供的步進馬達加速系統(tǒng)，其安全加速曲線是由該步進馬達的轉(zhuǎn)矩相對該步進馬達的每秒脈沖數(shù)的二次方程式。
本發(fā)明所提供的步進馬達加速系統(tǒng)，其預(yù)定加速曲線是以該安全加速曲線作為該步進馬達的加速曲線，并以該目前轉(zhuǎn)速作為加速的起點，該預(yù)定轉(zhuǎn)速作為加速的終點。
本發(fā)明所提供的步進馬達加速系統(tǒng)，其預(yù)定加速曲線是一加速直線，并是以該目前轉(zhuǎn)速于該安全加速曲線上相對應(yīng)的位置作為加速的起點，以該預(yù)定轉(zhuǎn)速于該安全加速曲線上相對應(yīng)的位置作為加速的終點。
借此，本發(fā)明的加速曲線是與步進馬達的特性曲線相近似，但卻與步進馬達的特性曲線保持一段安全間距，使得步進馬達得以在安全的區(qū)域中加速，不會有習(xí)知技術(shù)失速或失步的問題產(chǎn)生。


圖1是習(xí)知步進馬達特性曲線的曲線圖；圖2是習(xí)知步進馬達所用的加速曲線曲線圖；圖3是本發(fā)明的步進馬達加速系統(tǒng)以及步進馬達的示意圖；圖4是圖3中步進馬達的特性曲線及安全加速曲線的曲線圖；圖5是本發(fā)明第二具體實施例的預(yù)定加速曲線的曲線圖；圖6是本發(fā)明第三具體實施例的預(yù)定加速曲線的曲線圖；圖7是本發(fā)明步進馬達加速方法的流程圖。
符號說明10步進馬達加速系統(tǒng)102控制器104脈沖產(chǎn)生器106驅(qū)動器20步進馬達202特性曲線2021脫出轉(zhuǎn)矩曲線2023引入轉(zhuǎn)矩曲線204安全加速曲線206、208預(yù)定加速曲線
具體實施例方式
請參閱圖3，圖3是本發(fā)明的步進馬達加速系統(tǒng)10以及步進馬達20的示意圖。本發(fā)明是一種步進馬達加速系統(tǒng)10，用以將一步進馬達20自一目前轉(zhuǎn)速加速至一預(yù)定轉(zhuǎn)速，步進馬達加速系統(tǒng)10包含一控制器102、一脈沖產(chǎn)生器104以及一驅(qū)動器106。
誠如先前技術(shù)中所描述，步進馬達20具有如圖1般的特性曲線。但步進馬達的特性曲線無法事先得知，必須借由多次的試驗才能獲得，亦即測試步進馬達20在多個不同的每秒輸入脈沖數(shù)(PPS)情況下所產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩值。換句話說，步進馬達的特性曲線，實際上是由許多的點所構(gòu)成。例如進行一百次的測試，并將這些測試點連接起來，而所呈現(xiàn)出曲線的樣子，這條曲線便是步進馬達20的特性曲線。如先前技術(shù)中所描述，特性曲線主要有兩條，一條稱為脫出轉(zhuǎn)距曲線，另一條則稱為引入轉(zhuǎn)距曲線。
請參閱圖4，圖4是圖3中步進馬達20的特性曲線202及安全加速曲線204的曲線圖。圖中橫坐標(biāo)是步進馬達每秒所接收的脈沖數(shù)目(pulses per second)，縱坐標(biāo)則為步進馬達的輸出轉(zhuǎn)矩。如前所述，步進馬達20的特性曲線有兩條，其一為脫出轉(zhuǎn)距曲線2021，其二為引入轉(zhuǎn)距曲線2023。由于在脫出轉(zhuǎn)距曲線內(nèi)操作步進馬達，才能避免馬達的失步或失速，因此在本發(fā)明一具體實施例中，當(dāng)獲得步進馬達20的特性曲線202后，便可將此特性曲線202中的脫出轉(zhuǎn)矩曲線2021減去一安全間距(safety margin)，而獲得步進馬達20的一安全加速曲線204。
在本發(fā)明的一具體實施例中，要對步進馬達進行特性曲線調(diào)整時，第一步乃由脫出轉(zhuǎn)矩曲線中先取多個脫出轉(zhuǎn)矩曲線點，經(jīng)過一安全間距的調(diào)整之后產(chǎn)生相對應(yīng)的多個安全曲線點。接著，再以二次方程式對該等安全曲線點進行曲線擬合(curve fitting)的計算，而獲得可以代表該等安全曲線點的二次方程式，該二次方程式可被視為是一安全曲線。
在此所稱的曲線擬和是一種將一組離散的數(shù)據(jù)以一個近似的曲線方程式來代表。簡單來說，可假設(shè)安全加速曲線204為二次方程式來獲得安全加速曲線204。首先，可假設(shè)安全加速曲線為T(f)＝a×f2+b×f+r。其中f為每秒輸入脈沖數(shù)目，T(f)是輸出轉(zhuǎn)矩T對每秒輸入脈沖數(shù)目f的函數(shù)，即本發(fā)明所稱的安全加速曲線，a為二次項的系數(shù)，b為一次項的系數(shù)，r為常數(shù)項。因此，將安全加速曲線中多個點(至少三點)帶入上述的假設(shè)二次方程式，即可解得代表安全加速曲線的二次方程式。上述為簡單的曲線擬和的過程，在實際的應(yīng)用上，曲線擬和屬于已被普遍使用的技術(shù)，坊間已具有多種軟件可以進行曲線擬和的功能。
由于安全加速曲線204是由步進馬達20的轉(zhuǎn)矩相對步進馬達20的每秒脈沖數(shù)的二次方程式，因此可將的儲存在控制器102內(nèi)?？刂破?02是依據(jù)代表安全加速曲線的二次方程式，以控制步進馬達20利用不同速率轉(zhuǎn)動。在不同轉(zhuǎn)速間變換時，控制器102會先根據(jù)目前轉(zhuǎn)速以及預(yù)定轉(zhuǎn)速于該安全加速曲線中相對應(yīng)的位置，產(chǎn)生相對應(yīng)的一預(yù)定加速曲線，作為加速的依據(jù)。
在本發(fā)明的第一具體實施例中，預(yù)定加速曲線是以安全加速曲線204直接作為步進馬達20的預(yù)定加速曲線，并以目前轉(zhuǎn)速作為加速的起點，預(yù)定轉(zhuǎn)速作為此次加速的終點。
請參閱圖5，圖5是本發(fā)明第二具體實施例的預(yù)定加速曲線的曲線圖。在本發(fā)明第二具體實施例中，預(yù)定加速曲線206是一直線，并是以該目前轉(zhuǎn)速于安全加速曲線204上相對應(yīng)的位置作為加速的起點，以該預(yù)定轉(zhuǎn)速于安全加速曲線204上相對應(yīng)的位置作為加速的終點，而預(yù)定加速曲線206則為此兩點所定義出的直線206。
請參閱圖6，圖6是本發(fā)明第二具體實施例的預(yù)定加速曲線的曲線圖。在本發(fā)明的第三具體實施例中，預(yù)定加速曲線208是一截頭式曲線208，其主要應(yīng)用于當(dāng)目前轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩是位于步進馬達20特性曲線的引入轉(zhuǎn)矩曲線2023內(nèi)(即自起動區(qū))時。預(yù)定加速曲線206的起點是以目前轉(zhuǎn)速所在的點為起點，并橫向連結(jié)至該引入轉(zhuǎn)矩曲線2023，其后則依照該安全加速曲線連結(jié)至該預(yù)定轉(zhuǎn)速之點。在此特別強調(diào)一點，以上所述的各種實施例，是以在安全加速曲線進行加速為前提，由于實施例眾多，于此并不在一一陳述。因此，經(jīng)由本發(fā)明的詳述，熟習(xí)此技藝者當(dāng)可據(jù)此簡單推導(dǎo)出多種預(yù)定加速曲線，然僅要符合本發(fā)明的前提，皆應(yīng)歸屬于本發(fā)明的范疇。
當(dāng)控制器102確定預(yù)定加速曲線后，則根據(jù)目前步進馬達20的狀況，產(chǎn)生依據(jù)預(yù)定加速曲線的控制信號，脈沖產(chǎn)生器104則用以接受代表預(yù)定加速曲線的控制信號，并據(jù)以轉(zhuǎn)化為一脈沖信號。驅(qū)動器106則接收該脈沖信號，并據(jù)而驅(qū)動步進馬達20，使步進馬達20由目前轉(zhuǎn)速加速至預(yù)定的轉(zhuǎn)速。
因此，在本發(fā)明的實行下，步進馬達20可做最有效率的加速，而且由于是在脫出轉(zhuǎn)矩的內(nèi)進行加速，將不會有習(xí)知技術(shù)可能產(chǎn)生的失步或失速的問題。
請參閱圖7，圖7是本發(fā)明步進馬達加速方法的流程圖。為了更加清楚地描述本發(fā)明的操作流程，接下來將配合流程圖逐一解說本發(fā)明安全且有效率加速步進馬達的步驟。本發(fā)明的操作流程包含步驟30進行多次試驗以獲得步進馬達20的特性曲線202。
步驟32根據(jù)特性曲線202中的脫出轉(zhuǎn)矩曲線2021，減去一安全間距而獲得一安全加速曲線204。
步驟34將安全加速曲線中多個點帶入一二次方程式T(f)＝a×f2+b×f+r中，解出a、b、r，而獲得代表安全加速曲線204的二次方程式。
步驟36將二次方程式儲存至控制器102中。
步驟38控制器依據(jù)該二次方程式、步進馬達20的目前轉(zhuǎn)速及預(yù)定轉(zhuǎn)速，推導(dǎo)出一預(yù)定加速曲線。
步驟40控制器102根據(jù)預(yù)定加速曲線，產(chǎn)生控制信號至脈沖產(chǎn)生器104。
步驟42脈沖產(chǎn)生器104根據(jù)控制信號產(chǎn)生相對應(yīng)的脈沖信號。
步驟44驅(qū)動器根據(jù)脈沖信號驅(qū)動步進馬達20，使步進馬達20加速至預(yù)定轉(zhuǎn)速。
綜合以上所述，本發(fā)明是考量到習(xí)知技術(shù)以直線加速可能產(chǎn)生的問題，加以提出一套完整的解決方案。由于本發(fā)明考量到步進馬達的特性，因此加速的范圍皆限制在步進馬達的脫出轉(zhuǎn)矩曲線內(nèi)，因此，不會發(fā)生習(xí)知技術(shù)加速卻超出脫出轉(zhuǎn)矩的問題。再者，由于步進馬達的加速過程是符合步進馬達的特性，因此加速效率也比習(xí)知技術(shù)好。
權(quán)利要求
1.一種步進馬達加速系統(tǒng)，用以將一步進馬達自一目前轉(zhuǎn)速加速至一預(yù)定轉(zhuǎn)速，該步進馬達的輸出力矩與每秒所接受的脈沖信號兩者間的關(guān)系定義為該步進馬達的一特性曲線，其特征在于所述步進馬達加速系統(tǒng)包含一控制器，內(nèi)儲存有代表一安全加速曲線的數(shù)據(jù)，該控制器用以根據(jù)該目前轉(zhuǎn)速以及該預(yù)定轉(zhuǎn)速于該安全加速曲線中相對應(yīng)的位置，產(chǎn)生相對應(yīng)的一預(yù)定加速曲線，其中該安全加速曲線是借由該步進馬達的該特性曲線減去一安全間距所得；一脈沖產(chǎn)生器，用以接受該預(yù)定加速曲線，并據(jù)以轉(zhuǎn)化為一脈沖信號；一驅(qū)動器，用以接收該脈沖信號，并據(jù)而驅(qū)動該步進馬達，使該步進馬達加速至該預(yù)定轉(zhuǎn)速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進馬達加速系統(tǒng)，其特征在于該特性曲線是該步進馬達的一脫出轉(zhuǎn)矩曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進馬達加速系統(tǒng)，其特征在于該安全加速曲線是該步進馬達的轉(zhuǎn)矩相對該步進馬達的每秒脈沖數(shù)的二次方程式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進馬達加速系統(tǒng)，其特征在于該預(yù)定加速曲線是以該安全加速曲線作為該步進馬達的加速曲線，并以該目前轉(zhuǎn)速作為加速的起點，并以該預(yù)定轉(zhuǎn)速作為加速的終點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進馬達加速系統(tǒng)，其特征在于該預(yù)定加速曲線是一加速直線，并是以該目前轉(zhuǎn)速于該安全加速曲線上相對應(yīng)的位置作為加速的起點，以該預(yù)定轉(zhuǎn)速于該安全加速曲線上相對應(yīng)的位置作為加速的終點。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的步進馬達加速系統(tǒng)，其特征在于該預(yù)定加速曲線是一截頭式曲線，該預(yù)定加速曲線的起點是以目前轉(zhuǎn)速所在的點為起點，并橫向連結(jié)至該安全加速曲線，并依循該安全加速曲線連結(jié)至該預(yù)定轉(zhuǎn)速。
全文摘要
本發(fā)明是一種步進馬達加速系統(tǒng)，用以將一步進馬達自一目前轉(zhuǎn)速加速至一預(yù)定轉(zhuǎn)速。該步進馬達加速系統(tǒng)包含一控制器、一脈沖產(chǎn)生器以及一驅(qū)動器。該控制器儲存有一安全加速曲線，并用以根據(jù)該目前轉(zhuǎn)速以及該預(yù)定轉(zhuǎn)速于該安全加速曲線中相對應(yīng)的位置，產(chǎn)生相對應(yīng)的一預(yù)定加速曲線。該安全加速曲線位于該步進馬達的一特性曲線內(nèi)，且該安全加速曲線是借由該步進馬達的該特性曲線減去一安全間距(safety margin)所得。該脈沖產(chǎn)生器用以接受該預(yù)定加速曲線，并轉(zhuǎn)化為一脈沖信號。該驅(qū)動器用以接收該脈沖信號，并驅(qū)動該步進馬達。本發(fā)明以接近特性曲線的安全加速曲線取代習(xí)知的線性加速，可防止步進馬達失速及失步的問題，并有效加快步進馬達加速的時間。
文檔編號H02P8/14GK1764057SQ20041008641
公開日2006年4月26日 申請日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者郭秉宏 申請人:致伸科技股份有限公司