專利名稱：鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。特別是，涉及具有用變換相位的電流加入多個(gè)激磁繞組的線圈中來使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵芯電動(dòng)機(jī)的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。
步進(jìn)電機(jī)采用脈沖信號(hào)為其驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)子作脈動(dòng)性轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)過預(yù)設(shè)角度。因此可能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用單位時(shí)間內(nèi)加給的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)的控制來控制其轉(zhuǎn)速。
已知一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其定子上有圍繞著呈圓柱永磁形式的轉(zhuǎn)子之外周的多個(gè)激磁線圈。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子有多個(gè)激了磁的部分，其磁化方向在圓周方向上以每預(yù)設(shè)角度交替改變。定子有面對(duì)轉(zhuǎn)子磁化部分的齒，構(gòu)成二相線卷的激磁線卷圍著它繞成。用改換加到各激磁線卷電流的相位產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
已知的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的方法粗略地分成使造成電流只在組成各相的線卷中的一個(gè)里流動(dòng)的單極驅(qū)動(dòng)法和使電流在組成各相的線卷中流動(dòng)而交替地變換電流方向的雙極驅(qū)動(dòng)法兩大類。
通常的用于雙相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)雙極驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電路參考

圖1來解釋。示于圖1中的驅(qū)動(dòng)電路1包括驅(qū)動(dòng)部2，用于將脈沖驅(qū)動(dòng)電流(驅(qū)動(dòng)脈沖)經(jīng)二相線流動(dòng)來使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng);及驅(qū)動(dòng)控制部3，用于控制驅(qū)動(dòng)部2的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。驅(qū)動(dòng)部3由用于檢測(cè)發(fā)生在各相線卷端頭上的反向電壓的反向電壓檢測(cè)器4和根據(jù)反向電壓檢測(cè)器4來的信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部2的時(shí)序信號(hào)的驅(qū)動(dòng)邏輯部5所構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路1根據(jù)感應(yīng)在線卷中的反向電壓即各相線卷的磁通密度φ對(duì)電角θ的變化率，或dφ/dθ找到轉(zhuǎn)子和線卷之間的相對(duì)位置，并根據(jù)此轉(zhuǎn)子和線卷之間的位置信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
特別是，當(dāng)轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)，轉(zhuǎn)子磁化部分穿過線卷CA，CB的磁通是變化的，線卷CA和CB中磁通的這種變化，即dφA/dθ和dφB/dθ，有相位差π/2，見圖2a和2b。
感應(yīng)在線卷中的反向電壓正比于磁通密度的變化。即，反向電壓VA，如圖2C所示，產(chǎn)生于A相的線卷CA中，而示于圖2C中的反向電壓VB產(chǎn)生于B相的線卷CB中。如果轉(zhuǎn)子在反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，標(biāo)為V′A的A相反向電壓產(chǎn)生了，如圖2C所示，B相的標(biāo)為V′B的反向電壓被產(chǎn)生，也如圖2C所示。反向電壓檢測(cè)電路4使用，例如，用來檢測(cè)位置信息的未示出的差分放大電路檢測(cè)出反向電壓的過零點(diǎn)P1，P2，P3……。加電流到線卷CA和CB于是就在此位置信息的基礎(chǔ)上被完成。
具體地，為加電流給A相線卷CA而所加的電壓Vo中位于π/2電角度處的過零點(diǎn)P1兩邊伸展π/4。因而驅(qū)動(dòng)邏輯部5根據(jù)由反向電壓檢測(cè)電路4檢測(cè)的位置信息產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)在π/4處上升在3π/4處下降，并將此產(chǎn)生的時(shí)序信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)部2。驅(qū)動(dòng)部2加同步于時(shí)序信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓Vo給線卷CA。響應(yīng)于所加的電壓VO在A相線卷CA中流動(dòng)的電流IA有示于圖2e中的波形。加到B相線卷CB的電流器和加給A相線卷CA同樣的方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)線卷CB的電流導(dǎo)通角，比對(duì)線卷CB的滯后π/2。
用檢測(cè)各自相的線卷CA和CB的反向電壓來檢測(cè)相位信息對(duì)驅(qū)動(dòng)電路1有可能正確驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而不采用諸如霍爾元件這類位置傳感器來檢測(cè)位置信息。
現(xiàn)在解釋驅(qū)動(dòng)部2的運(yùn)作。
示于圖1中的驅(qū)動(dòng)部2的線卷之一的基本結(jié)構(gòu)示于圖3a。若晶體管Tr1、Tr4同時(shí)導(dǎo)通，激磁電流IA流經(jīng)晶體管Tr1、線卷C及晶體管Tr4。此激磁電流IA是流在A相線卷CA中的電流。假如晶體管Tr1、Tr4截止，隨之晶體管Tr2、Tr3同時(shí)導(dǎo)通，激磁電流流經(jīng)晶體管Tr3、線卷C及晶體管Tr2，方向和激磁電流IA相反。重復(fù)以上工作就產(chǎn)生步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的雙極驅(qū)動(dòng)。
同時(shí)，若晶體管Tr1、Tr4同時(shí)截止，反電壓(反沖電壓)在線卷C中產(chǎn)生。為了防止晶體管不被由線卷C的電感所致的反向電壓VK破壞，閉合二極管D1到D4被跨接在晶體管Tr1到Tr4的集電極和發(fā)射極之間，如圖3a所示。由反向電壓VK造成的封閉電流i(t)流經(jīng)閉合二極管D2、線卷C及閉合二極管D3。圖3b示出說明封閉電流i(t)流動(dòng)的等值電路。即，若當(dāng)開關(guān)SW接通允許激磁電流IA流動(dòng)，開關(guān)SW斷開，封閉電流i(t)由于線卷C的反向電壓面流動(dòng)。如果二極管的反向電壓降為Vf，二極管的通路電阻為rO，線卷的電感為L(zhǎng)，線卷的內(nèi)電阻為Rm，封閉電流i(t)由下式給出i(t)=(I0+2VfRm)e-RmLt-2VfRm(1)]]>假設(shè)二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由施加相位彼此錯(cuò)后π/2的驅(qū)動(dòng)脈沖給線卷CA和CB來驅(qū)動(dòng)。示于圖1的驅(qū)動(dòng)電路1中，分別流經(jīng)A相線卷CA及B相線卷CB的電流ICA及ICB示于圖4a。另方面，跨在A相線卷CA二端的線卷電壓V如圖4b所示。如果反向電壓VK產(chǎn)生在A相線卷CA中，對(duì)晶體管Tr2及Tr3導(dǎo)通，應(yīng)在A相線卷CA中流過的電流被反向電壓VK所抑制，如由示于圖4a中的電流波形所示。即，應(yīng)該流過線卷CA的激磁電流不能流過除非反向電壓VK降低下來。換句話說，以通常的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置，由于電感所致的電流凹陷不能被補(bǔ)償，所以轉(zhuǎn)矩波動(dòng)就因反向電壓的產(chǎn)生而產(chǎn)生。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩因此轉(zhuǎn)矩波動(dòng)Tr1而下降。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法，靠了它上面提到的問題可被解決。
一方面，本發(fā)明提供鐵芯電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制單元。鐵芯電動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)子，它對(duì)應(yīng)于加到繞在鐵芯上的二相線卷的電流之相位切換由電磁感應(yīng)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)預(yù)設(shè)的角度。驅(qū)動(dòng)控制單元根據(jù)感應(yīng)在二相線卷中的相位各異的反向電壓的相位信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)控制單元造成感應(yīng)在線卷中的反向電壓短路，該線卷中的電流傳導(dǎo)是用接到電流傳導(dǎo)要被中斷的線卷的開關(guān)裝置截止時(shí)間延遲預(yù)設(shè)的時(shí)間來對(duì)加到二相線卷的電流作相位切換而中斷的。
另一方面，本發(fā)明的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置相似地包括鐵芯電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制裝置。鐵芯電動(dòng)機(jī)包括轉(zhuǎn)子，由對(duì)應(yīng)于加到繞在鐵芯上的多個(gè)線卷的電流的相位切換所致的電磁感應(yīng)而被驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)過預(yù)設(shè)角度。驅(qū)動(dòng)控制裝置將產(chǎn)生在一個(gè)激磁繞組中的反沖電壓短路，該繞組中的電流傳導(dǎo)用延遲接到激磁驍組的開關(guān)裝置被關(guān)斷的定時(shí)而相位的切轉(zhuǎn)來中斷。
再一方面，本發(fā)明提供一種驅(qū)動(dòng)和控制鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置的方法，該裝置包括鐵芯電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子由對(duì)應(yīng)于加到繞在鐵芯上的二相線卷中的電流的相位切換所致的電磁感應(yīng)而被驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)過預(yù)設(shè)的角度。此方法包括根據(jù)用變換加到二相線卷的電流的相位而產(chǎn)生在二相線卷中的相位各異的反向電壓的相位信息發(fā)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào);短路感應(yīng)在線卷中的反向電壓，該線卷中的電流傳導(dǎo)是用使接到電流供給要被中斷的線卷的開關(guān)裝置的截止時(shí)刻延遲一段預(yù)設(shè)時(shí)間來變換供給二相線卷的電流相位來中斷的。
按照本發(fā)明，在激磁繞組中的電流供給是由相位切換辦法中斷的，感應(yīng)在激磁繞組中的反向電壓通過延遲接到激磁繞組的開關(guān)裝置關(guān)斷的時(shí)刻來短路，從而促進(jìn)驅(qū)動(dòng)電流流動(dòng)同時(shí)降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。因此，電動(dòng)機(jī)可以有高電感及高轉(zhuǎn)矩。
圖1是表示通常的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置的驅(qū)動(dòng)電路方框圖。
圖2表示用來說明示于圖1的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置運(yùn)行的各種波形。
圖3是驅(qū)動(dòng)上面驅(qū)動(dòng)電路中各相之一的線卷的驅(qū)動(dòng)單元布置之電路圖。
圖4表示從驅(qū)動(dòng)電路流到線卷的電流和電壓的波形的波形圖。
圖5是按本發(fā)明的鐵芯電動(dòng)機(jī)的剖視圖。
圖6是表示圖5中鐵芯電動(dòng)機(jī)定子的剖視圖。
圖7是圖5鐵芯電動(dòng)機(jī)的縱剖視圖。
圖8是按本發(fā)明的一種鐵芯電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。
圖9是表示圖8的驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)各相之一的一個(gè)線卷的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖10表示由圖8驅(qū)動(dòng)電路輸出到線卷的電流的瞬態(tài)反應(yīng)波形。
圖11是表示由驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流重疊期間電流的數(shù)值的曲線圖。
圖12是說明驅(qū)動(dòng)電路的晶體管通/斷狀態(tài)下時(shí)序圖及線卷中流過的電流量。
圖13是表示從驅(qū)動(dòng)電路流向線卷的電流和電壓波形的波形圖。
按照本發(fā)明的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置優(yōu)選實(shí)施例將參見附圖進(jìn)行解釋。
首先，解釋組成本發(fā)明鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置的鐵芯電動(dòng)機(jī)。本鐵芯電動(dòng)機(jī)是爪極型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，有定子，其上有多極齒軛互相間配合。
本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有磁體的轉(zhuǎn)子10，并如圖5所示，轉(zhuǎn)子10有轉(zhuǎn)軸11及圍繞轉(zhuǎn)軸裝有的圓柱形磁體12。組成轉(zhuǎn)子10的磁體12在周邊方向上有交替極的多個(gè)磁化部分12a。在本實(shí)施例中，磁體12有12個(gè)這樣的磁化部分12a。中圓柱磁體12的內(nèi)周邊上固定有作為裝到轉(zhuǎn)軸11去的安裝件的套筒11a。磁體12通過緊貼安裝套筒11a于轉(zhuǎn)軸11上而整體地被安裝在轉(zhuǎn)軸上。
定子13有由第一極齒軛14及第二極齒軛15構(gòu)成的第一軛16及由第一極齒軛14和第二極齒軛15構(gòu)成的第二軛17，如圖6所示。這些第一和第二極16、17分別包括極齒14a、15a連同磁體12的磁化部分12a。
第一極齒軛14有一環(huán)狀法蘭18，從其內(nèi)周有多個(gè)，這里是六個(gè)極齒14a被向上以互相等間隔地形成在圓周方向上，如圖6所示。這些極齒14a朝它的末端成坡狀，同時(shí)朝其內(nèi)邊變窄。在相鄰極齒14a之間形成一個(gè)間隙，形成在第二極齒軛15上的與它相聯(lián)合的極齒15a配合于此處。
第二極齒軛15也有一環(huán)狀法蘭19，從其內(nèi)周有多個(gè)，這里是六個(gè)，極齒15a被以互相等間隔地向上形成于圓周方向上。這些極齒15a朝它們的末端成坡狀，同時(shí)在其內(nèi)周處變窄。在相鄰極齒15a之間形成間隙，形成在第一極齒輪14上的與它相聯(lián)合的極齒14a配合于此處。第二極齒軛15的法蘭19形成為一體狀，帶一突柄24，用于支持柔軟的導(dǎo)線底襯帶23，襯帶構(gòu)成向組成定子13的第一第二線卷21、22饋電的饋線。
第一極齒軛14用合成樹脂模塑覆蓋整個(gè)極齒軛14以形成線卷架25，圓柱形的第一和第二線卷21和22裝在其上。線卷架25在通常是管狀的極齒14a中有管狀的線卷安裝部26，第一或第二線卷21或22圍著它固定。上支承板27或下支承板28形成于第一極齒軛14的法蘭部28上。
形成于極齒部14a的線卷固定部26的內(nèi)周形狀做得使它本身適合于極齒14a的形狀，極齒配合部30是和第二極齒軛15的極齒15a配合的，形成于極齒14a的相鄰的樹脂被覆部29之間。樹脂被覆部29提供和第二齒軛15的極齒15a相互配合的第一極齒14的極齒14a之間的電絕緣。
第一和第二極齒軛14和15以互相嵌合的極齒14a，15a來相互配合，即以輪14或15的極齒14a，15a被放在軛15或14的極齒15a，14a之間，以形成第一輪16及第二軛17。
第一及第二輪軛，17被一個(gè)疊在另一個(gè)上以第二極齒軛15的法蘭19互相緊靠，如在圖5中所示。
裝在線卷架25上第一和第二線卷21，22被裝在構(gòu)成饋線的柔軟的導(dǎo)線底襯帶23上使得線卷21，22互相電連接。柔軟的導(dǎo)線底襯帶23在帶有導(dǎo)線條23a的連接排31的兩端有環(huán)狀的線卷安裝部32，33，如圖6所示。第一和第二線卷21，22裝在線卷安裝部32，33上，和導(dǎo)線條23a作電連接，如圖6所示。第一和第二線卷21，22被安裝在線卷安裝部32，33上用導(dǎo)電膠或其他型式的膠保證線卷21，22和導(dǎo)線條23a之間的電連接。
裝在柔軟導(dǎo)線底襯帶23上的第一和第二線卷21，22繞極齒15a，15a的外周固定住使線卷安裝部32，33被疊在第二極齒軛15，15的法蘭19，19上，如圖5中所示。柔軟導(dǎo)線底襯帶23的連接排31被折疊在它自身上使線卷安裝部32，33實(shí)現(xiàn)互相面對(duì)面關(guān)系結(jié)果連接排配置成包圍互相緊貼的第二極齒軛15，15的突柄24，24的兩邊。在延伸于突柄24，24的連接排31的一部分上，導(dǎo)線條23a被局部暴露于外，用來和接到后面要解釋的驅(qū)動(dòng)電路的饋線相連接。
柔軟的導(dǎo)線底襯帶23的線卷安裝部32，33提供線卷21，22和第二極齒軛15，15間的可靠的電絕緣。
制成如上面所敘述的轉(zhuǎn)子10和定子13被順序地裝入圓柱形的電動(dòng)機(jī)殼35，如圖5所示，使完成一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
現(xiàn)在解釋裝配步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的次序。
在電動(dòng)機(jī)殼34的底部裝入構(gòu)成定子13的第二軛17的第一極齒軛14。第一極齒輪14這樣地被裝入，用裝在電動(dòng)機(jī)殼34的內(nèi)周表面上的一對(duì)定位筋36，36嵌入形成在法蘭18外周上的配合槽35，35中。用筋36，36嵌入槽35，35中使第一極齒軛14以在電動(dòng)機(jī)殼34中被控制方位地布置。
互相緊靠組成第一和第二軛16，17的第二極齒軛15，15并且有第一和第二線卷21，22被放在其位置上，被裝進(jìn)電動(dòng)機(jī)殼34中。用筋36，36嵌入一對(duì)形成在法蘭19，19外周邊上的配合槽37，37中使第二極齒軛15，15以控制方位地被裝進(jìn)電動(dòng)機(jī)殼中。由于第二極齒軛15，15這樣地被裝入電動(dòng)機(jī)殼34中相對(duì)于電動(dòng)機(jī)殼34的方位可控，第二軛17的第二極齒軛15，被布置在電動(dòng)機(jī)殼34中，具有極齒15a被嵌放在第一極齒軛14的相鄰極齒14a之間，以便和第一極齒軛14成一體構(gòu)成第二軛17。
當(dāng)?shù)诙O齒軛15，15被裝入電動(dòng)機(jī)殼34中時(shí)，第二極齒軛15，15的突柄24，24通過在電動(dòng)機(jī)殼34外壁上形成的切口38突出于電動(dòng)機(jī)殼34之外。因此，延伸于突柄24，24之上的折疊的導(dǎo)線底襯帶23的連接排也伸出電動(dòng)機(jī)殼34之外。
同時(shí)，在第二軛17這邊的第一極齒軛14和第二極齒軛15，15也可以在裝入電動(dòng)機(jī)殼34之間互相裝配起來。
轉(zhuǎn)子10然后通過在第二軛17這邊的第一極齒軛14和極齒軛15，15被插入電動(dòng)機(jī)殼34。此時(shí)，轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)軸11其一端11b由形成在第一軛17的第一極齒軛14的法蘭18上的下支承板28中央的繞結(jié)金屬軸承39所支承。
轉(zhuǎn)子10可在裝入第二軛17這一邊的第一極齒軛14和第二極齒軛15，15之前裝進(jìn)電動(dòng)機(jī)殼34之中。
第一軛16這一邊的第一極齒軛14被裝入電動(dòng)機(jī)殼34使和電動(dòng)機(jī)殼34的開口端相配合。第一極齒軛14此時(shí)用筋36，36嵌入形成在第一極齒軛14的法蘭18的外周邊上的配合槽40，40中來控制相對(duì)于電動(dòng)機(jī)殼34的方位這樣來安裝。由于第一極齒軛14的這種方式裝入電動(dòng)機(jī)殼34中而可控制相對(duì)于電動(dòng)機(jī)殼34的方位，位于電動(dòng)機(jī)殼34中的第二極齒軛14具有嵌在第二極齒軛15的相鄰極齒15a之間的極齒14a，以便和第二極齒軛15成一體構(gòu)成第一軛16。
當(dāng)?shù)谝卉?6這一邊的第一極齒軛14和電動(dòng)機(jī)殼34和開口邊相配合時(shí)，轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)軸11的另一端11c通過形成在上支承板27中央的通孔42伸出電動(dòng)機(jī)殼34之外。同時(shí)，轉(zhuǎn)軸11的另一端11c由提供在通孔42中的燒結(jié)金屬軸承43可轉(zhuǎn)動(dòng)地支持著，如圖7所示。
固定于電動(dòng)機(jī)殼34開口端上的第一軛16的第一極齒軛14用將電動(dòng)機(jī)殼34的開口端砸邊的辦法被牢固固定在電動(dòng)機(jī)殼34上。由第一軛16的第一極齒軛14被固牢在電動(dòng)機(jī)34上，轉(zhuǎn)子10有一個(gè)端頭116和另一端11c的中間部分被燒結(jié)金屬的軸承39，43所支持，以便能轉(zhuǎn)動(dòng)地被裝在電動(dòng)機(jī)殼34內(nèi)而完成一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
用于雙極驅(qū)動(dòng)上面敘述的本發(fā)明的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路用參考圖8來解釋。示于圖8的驅(qū)動(dòng)電路51由用來將脈沖驅(qū)動(dòng)電流(驅(qū)動(dòng)脈沖)加到第一和第二線卷21，22使轉(zhuǎn)子10轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部52和用來控制驅(qū)動(dòng)部52的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的驅(qū)動(dòng)控制部53所組成。驅(qū)動(dòng)部53由用來檢測(cè)產(chǎn)生在各相二個(gè)端頭之間的反向電壓的反向電壓檢測(cè)器54和根據(jù)來自檢測(cè)器54的信號(hào)輸出控制驅(qū)動(dòng)部52的時(shí)序信號(hào)的驅(qū)動(dòng)邏輯部55所構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)控制部53根據(jù)感應(yīng)于線卷21，22中的反向電壓，即各相線卷的磁通密度φ對(duì)電角度θ的變化率dφ/dθ找出轉(zhuǎn)子10和線卷21，22之間相對(duì)位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子10和線卷21，22之間的位置信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。即，驅(qū)動(dòng)電路51以無傳感器方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
現(xiàn)在解釋驅(qū)動(dòng)部52的工作。
示于圖8中的驅(qū)動(dòng)部52的基本結(jié)構(gòu)示于圖9a，其中晶體管Tr11、Tr13的集電極接到電壓為VS的電源。晶體管Tr3的發(fā)射極接到晶體管Tr4的集電極并接到線卷C的反端。晶體管Tr12、Tr14的發(fā)射極接地。晶體管Tr12、Tr14的發(fā)射極也可以接到電源負(fù)極，未示出。
當(dāng)晶體管Tr11、Tr14二者同時(shí)導(dǎo)通，激磁電流流過Tr11，線卷C及晶體管Tr14。此激磁電流IA是流過A相線卷CA的電流。假如，在Tr14截止之后晶體管Tr11在延遲預(yù)設(shè)的時(shí)間后跟著截止，晶體管Tr12、Tr14同時(shí)導(dǎo)通，激磁電流器和激磁電流IA相反的方向流過晶體管Tr13，線卷C和晶體管Tr12。對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的雙極驅(qū)動(dòng)此工作次序重復(fù)下去。
緊跟著晶體管Tr4截止之后，圖9a所示的電路由表示于圖9b中的等值電路來代表。在此等值電路中的封閉電流現(xiàn)在可以定量地計(jì)算。
在圖9b的等值電路中采用的參數(shù)是二極管的正向壓降V6，包括晶體管導(dǎo)通電阻及二極管導(dǎo)通電阻一起組成的電阻ro，線卷的電感L和線卷的內(nèi)電阻Rm。二極管的正向電壓降Vf設(shè)為例如為0.7V。
封閉電流i(t)在開關(guān)SW關(guān)斷時(shí)可由微分方程(2)代表(Rm+Io)·i(t)+Vf+L· (di)/(dt) ＝0 (2)
假如在電流i(t)大于零的區(qū)域，初值8(0)＝IO，R＝Rm+RO，方程(2)變成方程(3)R·i(t)+Vf+L· (di)/(dt) ＝0 (3)此方程經(jīng)拉普拉斯變換成R·I(s)+Vt/S+L·{S·I(S)-i(0)}＝0(R+Ls)I(S)＝L·i(0)-Vt/S可得下列方程(4)I (S)=I0· LLs+R-Vfs(Ls+R)=I0s+RL-VfLs(s+RL)]]>(4)假如方程(4)的第二項(xiàng)修改為反拉普拉斯變換形式，它是一個(gè)部分分式，第二項(xiàng)的部分分式變?yōu)?br> VfLs · (s+RL)=as+βs+RL]]>(5)其中α、β是以下列方程(6)互相相關(guān)α(S+R/L)+Sβ＝Vt/L (6)維持恒等式α(S+R/L)+Sβ＝Vt/L的條件包括α＝(Vt/L)·(L/R)＝Vt/R (7)β＝-α＝-Vt/R (8)因此，方程(4)變?yōu)镮(S)=I0s+RL+VfRs-VfRs+RL]]>(9)此方程經(jīng)拉普拉斯變換為i (t)=E+VfRm+I0· e-Rm+I cLt-VfRm+I0]]>(10)使用Rm＞＞ro關(guān)系，方程(11)可得到。
i (t)=(I0+VfRm)e-RmLt-VfRm]]>(11)另一方面，當(dāng)表示于圖9a中的晶體管Tr11和Tr14同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，流過線卷C的瞬態(tài)上升電流i(t)為i(t)＝E/Rm·{1-exp(Rmt/L)} (12)假如，實(shí)際參數(shù)設(shè)定為電壓E＝10V，線卷的實(shí)際內(nèi)阻Rm＝20Ω，線卷電感＝15mH，激磁部分的數(shù)目＝12，額定rpm＝1200rpm＝20rps，二極管正向電壓降Vt＝0.7V，可找出實(shí)際封閉電流i(t)及瞬態(tài)上升電流(t)，隨時(shí)間變化，流經(jīng)線卷C的電流波形變化如圖10a中以O(shè)點(diǎn)繪的曲線。流經(jīng)二相的有90°相移的線卷的脈沖寬度是2.08msec(＝1/20)/(12/2)/4＝0.00208sec，對(duì)于額定rpmNr＝1200rpm)，時(shí)間常數(shù)τ＝L/Rm為0.75msec。另方面，用示于圖1的通常的電路由方程(1)代表的封閉電流i(t)的波形成為在圖10a中以X點(diǎn)繪的波形。即，用所述實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路51有在圖10a中陰影線表示的數(shù)量的電流增加流經(jīng)線卷C。
對(duì)于轉(zhuǎn)子10的額定rpmNr為600rpm的電流波形示于圖10b。在此場(chǎng)合，有多出的示于圖10b中陰影線劃出部分的量的電流流過線卷C。在這些圖中流經(jīng)相反相線當(dāng)中的電流以虛線表示。
假如，在示于圖8中的驅(qū)動(dòng)電流51中，由方程(11)求得的線卷21中的封閉電流i(t)被加到由方程(12)求得的在線卷22中的瞬態(tài)上升電流代替實(shí)際電流，相加的電流iM(t)成為
iM(t)=ERm(1-e-RmLt)+(I0+vfRm) · e-RmLt-VfRm=E-VfRm- (E-VfRm-I0) · eRmLt=5-0.720-(5-0.720-0.234) · e-2015 × 10-3t]]>(12)假如要說明流經(jīng)線卷21，22中電流的重疊部分，重疊部分iM(t)電流波形見圖11。即，由流過線卷21的封閉電流加上流過線卷22的瞬態(tài)上升電流所得到的電流iM(t)實(shí)質(zhì)上是恒定的電流波形。為了使這樣的封閉電流數(shù)量上較大只要使晶體管Tr11繼續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)直到在圖9中電路中的二極管D13截止。即，只要使晶體管Tr11從它的導(dǎo)通態(tài)變到截止態(tài)的時(shí)刻和晶體管Tr14的開閉相比延遲一段時(shí)間TD，如圖12時(shí)序圖所示。
然而，為了以無傳感器方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，必需用反向電壓檢測(cè)器54檢出反向電壓。假如延遲時(shí)間TD不少于半個(gè)脈沖寬度TO，在電流傳導(dǎo)由這些參數(shù)像額定rpmNr，極數(shù)之類來決定時(shí)，反向電壓的過零位置不能被檢出，這可以從圖10a中可見。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路51來以無傳感器方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就不可能。對(duì)于能夠施加適當(dāng)量的封閉電流并保證滿意的無傳感器驅(qū)動(dòng)的延遲時(shí)間TD由下式給出
TD＝TO/2-TM(13)考慮了反向電壓檢測(cè)電路54的運(yùn)行裕度TM。
假如運(yùn)行裕度TM接近零，延遲時(shí)間TD是電流傳導(dǎo)期間一半脈沖寬度的等級(jí)。
在示于圖8的驅(qū)動(dòng)電流51中，假如從驅(qū)動(dòng)邏輯部55加到晶體管TR11，TR13，TR15和TR17的控制極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)從導(dǎo)通態(tài)改到截止態(tài)的開閉和通常場(chǎng)合晶體管TR1和TR4，TR3和TR2，TR5和TR8及TR7和TR6同時(shí)導(dǎo)通和截止相比被延遲了延遲時(shí)間TD，由反沖電壓產(chǎn)生的電流，譬如流于線卷21的電流，路經(jīng)變成從晶體管TR11，線卷21和二極管D13。所以，對(duì)本驅(qū)動(dòng)電路51，二極管壓降和通常的電路比降低了一個(gè)等級(jí)。另方面，電路因二極管壓降這種降低一等級(jí)而相應(yīng)地和封閉電流一樣增加。上述結(jié)構(gòu)使閉合二極管的數(shù)目減少一半。
另一方面，因?yàn)榀B加在地電壓上的噪聲降低，反向電壓能被穩(wěn)定地檢出使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作穩(wěn)定。
假如電流傳導(dǎo)在重疊區(qū)的這種方式實(shí)現(xiàn)，則氣隙區(qū)也可減小，如圖13a所示。跨于線卷端的電壓所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)TR1可以減少，如圖13b所示，結(jié)果同樣的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可獲得高的轉(zhuǎn)矩。
對(duì)所說明的實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路51，固有的驅(qū)動(dòng)電流使更容易流動(dòng)，結(jié)果轉(zhuǎn)矩波形降到比通常的要低的值，有較大電感的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可變?yōu)楦咿D(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性被改善了。此外，以上述結(jié)構(gòu)，閉合二極管的數(shù)目可減半，從而降低生產(chǎn)價(jià)格。
還有，由于疊加在地電壓上的噪聲可降低，反向電壓可更可靠地檢出，從而使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作更穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置，包括鐵芯電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子根據(jù)加到繞在鐵芯上的二相線圈的電流的相位切換的電磁感應(yīng)可轉(zhuǎn)動(dòng)地驅(qū)動(dòng)一預(yù)設(shè)的角度，及驅(qū)動(dòng)控制裝置，用來根據(jù)感應(yīng)在所述的二相線卷中相位各異的反向電壓的相位信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，其特征是其中的改進(jìn)歸結(jié)為所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置造成感應(yīng)在線圈中的反向電壓短路，在線圈中的電流傳導(dǎo)是用接到其電流傳導(dǎo)要被中斷的線卷的開關(guān)裝置截止時(shí)間延遲預(yù)設(shè)的時(shí)間來對(duì)加到二相線圈的電流作相位切換而中斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置，其特是其中來自所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置的所述預(yù)設(shè)時(shí)間TD由TD＝To/2-TM給出，其中To是給二相線卷的脈沖寬度，TM是為檢測(cè)反向電壓的裕度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置，其特征在于其中所述來自所述驅(qū)動(dòng)控制裝置的所述預(yù)設(shè)時(shí)間是一個(gè)對(duì)應(yīng)于在電流傳導(dǎo)期間大約一半脈沖寬度的時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置，其特征是其中所述驅(qū)動(dòng)控制裝置包括第一電源端子及第二電源端子，用于將驅(qū)動(dòng)電流加到二相線卷的各激磁繞組中去;第一開關(guān)裝置，接在所述第一電源端子和所述激磁繞組的一端之間作相位切換;第二開關(guān)裝置，接在所述第二電源端子和所述激磁繞組的一端之間作相位切換;第三開關(guān)裝置，接在所述第一電源端子和所述激磁繞組的另一端之間作相位切換;第四開關(guān)裝置，接在所述第二電源端子和所述激磁繞組的另一端之間作相位切換;其中的改進(jìn)歸結(jié)為當(dāng)將驅(qū)動(dòng)電流輸出到所述的激磁繞組中去時(shí)，第一開關(guān)裝置的關(guān)斷時(shí)刻從第四開關(guān)裝置的關(guān)斷時(shí)刻延遲，第三開關(guān)裝置的關(guān)斷時(shí)刻從第二開關(guān)裝置的關(guān)斷時(shí)刻延遲。
5.鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置，其特征是包括鐵芯電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子根據(jù)加給繞在鐵芯上的多個(gè)線卷中的電流之相位切換的電磁感應(yīng)被轉(zhuǎn)動(dòng)地驅(qū)動(dòng)預(yù)設(shè)角度，及驅(qū)動(dòng)控制裝置，用于短路產(chǎn)生在激磁繞組中的反沖電壓，用延遲接在激磁繞組中的開關(guān)裝置被截止的時(shí)刻實(shí)行的所述相位切換使激磁繞組中的電流傳導(dǎo)中斷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置，其特征是其中所述激磁繞組是二相電動(dòng)機(jī)繞組。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置，其特征是其中所述驅(qū)動(dòng)控制裝置包括第一和第二電源端子，用于將驅(qū)動(dòng)電流加到所述激磁繞組;第一開關(guān)裝置，接在所述第一電源端子及所述激磁繞組之一端向作相位切換;第二開關(guān)裝置，接在所述第二電源端子及所述激磁繞組之一端間作相位切換;第三開關(guān)裝置，接在所述第一電源端子及所述激磁繞組的另一端間作相位切換;第四開關(guān)裝置，接在所述第二電源端子及所述激磁繞組的另一端間作相位切換;其中改進(jìn)歸結(jié)為當(dāng)將驅(qū)動(dòng)電流輸出到所述激磁繞組時(shí)，第一開關(guān)裝置的關(guān)斷時(shí)刻從第四開關(guān)裝置的關(guān)斷時(shí)刻延遲，第三開關(guān)裝置的關(guān)斷時(shí)刻從第二開關(guān)裝置的關(guān)斷時(shí)刻延遲。
8.驅(qū)動(dòng)和控制鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置的方法，該電動(dòng)機(jī)裝置包括鐵芯電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子根據(jù)加給繞在鐵芯上的二相線卷的相位切換利用電磁感應(yīng)被轉(zhuǎn)動(dòng)地驅(qū)動(dòng)預(yù)設(shè)角度，其特征是包括根據(jù)由加給所述二相線卷的電流之相位切換產(chǎn)生在二相線卷中相位各異的反向電壓的相位信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào);及將感應(yīng)在線卷中的反向電壓短路，在線卷中的電流傳導(dǎo)用接到其電流傳導(dǎo)要被中斷的線卷中的開關(guān)裝置的關(guān)斷時(shí)刻延遲預(yù)設(shè)的時(shí)間來對(duì)加到二相線卷的電流作相位切換而被中斷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征是其中所述預(yù)設(shè)時(shí)間延遲是一個(gè)對(duì)應(yīng)于在電流傳導(dǎo)期間大約一半脈沖寬度的時(shí)間。
全文摘要
鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置包括鐵芯電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子根據(jù)加到繞在鐵芯上的二相線圈的電流的相位切換的電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)預(yù)設(shè)角度；及驅(qū)動(dòng)控制單元，用于根據(jù)感應(yīng)在二相線圈中相位各異的反向電壓的相位信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)控制單元使感應(yīng)在線圈中的反向電壓短路，線圈中的電流供給是用接到線圈的開關(guān)裝置的截止時(shí)刻延遲預(yù)設(shè)時(shí)間來對(duì)加到二相線圈的電流作相位切換而被中斷。還公開了驅(qū)動(dòng)控制鐵芯電動(dòng)機(jī)裝置的方法。
文檔編號(hào)H02P8/02GK1110842SQ9412077
公開日1995年10月25日 申請(qǐng)日期1994年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月28日
發(fā)明者名苗裕一, 稻垣衡一 申請(qǐng)人:索尼公司