步進馬達加速系統的製作方法
2023-05-28 08:18:41
專利名稱：步進馬達加速系統的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種步進馬達加速系統以及方法，特別是有關於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以及方法。
背景技術：
步進馬達是由微電腦控制器所控制，當控制信號自控制器輸出後，隨即藉由驅動器將信號放大，達到控制馬達運轉的目的。控制器是藉由脈衝信號的頻率來控制步進馬達的轉速，例如每秒兩百脈衝可以造成步進馬達轉動一圈。因此控制器每秒輸入的脈衝數越高，代表步進馬達的轉速越快。但因為步進馬達輸出轉矩與轉速的關係為指數式反比，也就是當轉速越大時轉矩越小，相反的轉速越小則轉矩越大，故步進馬達的加速必須格外小心，以避免發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。圖中橫坐標是步進馬達每秒所接受的脈衝數目(pulses per second)，縱坐標則為步進馬達的輸出轉矩。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、引入轉矩(pull-in torque)曲線引入轉矩是指步進馬達能夠與輸入信號同步起動、停止時的最大轉矩，因此在引入轉矩以下的區域中馬達可以隨著輸入信號做同步起動、停止、以及正反轉，而此區域就稱作自起動區(start-stop region)。
B、脫出轉矩(pull-out torque)曲線脫出轉矩是指步進馬達能夠與輸入信號同步運轉，但無法瞬間起動、停止時的最大轉矩，因此超過脫出轉矩則馬達無法運轉，同時介於脫出轉矩以下與引入轉矩以上的區域則馬達無法瞬間起動、停止，此區域稱作滑動區域(slew region)，若欲在滑動區域中起動、停止則必須先將馬達回復到自起動區，否則會有失步現象的發生。
所謂失速是指當馬達轉子的旋轉速度無法跟上定子激磁速度時，造成馬達轉子停止轉動。各種馬達都有發生失速的可能，在一般的馬達應用上，發生失速時往往會造成繞組線圈燒毀的後果，不過步進馬達發生失速時只會造成馬達靜止，線圈雖然仍在激磁中，但由於步進馬達是藉由脈衝信號控制，因此不會燒毀線圈。
失步的成因則是由於馬達運轉中瞬間提高轉速時，因輸出轉矩與轉速成反比，故轉矩下降無法負荷步進馬達的負載，而造成步進馬達的滑脫。
習知的步進馬達多應用在低速的領域，因此習知的步進馬達加速方法多採線性加速。請參閱圖2，圖2是習知步進馬達所用的加速曲線曲線圖。圖中橫坐標是步進馬達每秒所接收的脈衝數目(pulses per second)，縱坐標則為步進馬達的輸出轉矩。習知步進馬達運用線性加速，如果在低速的區間，因為加速曲線仍位在自激活區中，故加速過程不會產生問題。到了高速的區域時，線性加速進入了滑動區域，習知技術是假設步進馬達的脫出轉矩曲線是為直線，但從圖1或圖2中可知，脫出轉矩曲線應為曲線而非直線。如此一來，如果仍利用直線加速，則容易超出脫出轉矩曲線外，使得馬達產生失速的現象(如圖2中的C線)。或是因為使用了步進馬達不存在的輸出轉矩，使得步進馬達無法帶動所負載之物，而產生失步。
發明內容
因此，本發明的一目的，是提供一種步進馬達加速系統及方法，採用一安全加速曲線，以防止馬達加速過程中發生超出脫出轉矩的情形。
本發明的另一目的，是提供一種步進馬達加速系統及方法，在高轉速時仍具有足夠的轉矩，以防止馬達發生失步。
本發明是一種步進馬達加速系統，用以將一步進馬達自一目前轉速加速至一預定轉速，該步進馬達加速系統包含一控制器、一脈衝產生器以及一驅動器。
控制器內儲存有一安全加速曲線，用以根據該目前轉速以及該預定轉速於該安全加速曲線中相對應的位置，產生相對應的一預定加速曲線。其中安全加速曲線是位於該步進馬達的一特性曲線內，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。脈衝產生器則用以接受該預定加速曲線，並據以轉化為一脈衝信號。驅動器用以接收該脈衝信號，並據而驅動該步進馬達。
本發明所提供的步進馬達加速系統，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。
本發明所提供的步進馬達加速系統，其特性曲線是該步進馬達的一脫出轉矩曲線(pull-out torque)。
本發明所提供的步進馬達加速系統，其安全加速曲線是由該步進馬達的轉矩相對該步進馬達的每秒脈衝數的二次方程式。
本發明所提供的步進馬達加速系統，其預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，並以該目前轉速作為加速的起點，該預定轉速作為加速的終點。
本發明所提供的步進馬達加速系統，其預定加速曲線是一加速直線，並是以該目前轉速於該安全加速曲線上相對應的位置作為加速的起點，以該預定轉速於該安全加速曲線上相對應的位置作為加速的終點。
本發明還提供了一種步進馬達加速方法，用以將一步進馬達自一目前轉速加速至一預定轉速，該步進馬達具有將該步進馬達的輸出力矩與輸入脈衝信號兩者間的關係進行定義的特性曲線，其中該特性曲線包括引入轉矩曲線和脫出轉矩曲線，該步進馬達加速方法包括使用一控制器來定義一在該特性曲線之下的安全加速曲線，該安全加速曲線是藉由該脫出轉矩曲線減去一安全間距所得；在該安全加速曲線上定義一目前轉速的對應點；在該安全加速曲線上定義一預定轉速的對應點；根據該目前轉速的對應點、該預定轉速的對應點和該安全加速曲線，產生一預定(real)加速曲線；以及根據該預定加速曲線將該步進馬達加速至該預定轉速。
根據本發明所提供的步進馬達加速方法，還包括以下步驟將該預定加速曲線轉化為一脈衝信號；以及根據該預定加速曲線將該步進馬達加速至該預定轉速。
根據本發明所提供的步進馬達加速方法，該預定加速曲線等同於該安全加速曲線。
根據本發明所提供的步進馬達加速方法，該預定加速曲線是位於所述目前轉速的對應點和預定轉速的對應點之間的線。
根據本發明所提供的步進馬達加速方法，該安全加速曲線包括一水平直線和一二次曲線，該水平直線從目前轉速的對應點延伸到在該安全加速曲線上的一中間點，該二次曲線從該中間點為起點至該安全加速曲線上的預定轉速的對應點。
藉此，本發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域中加速，不會有習知技術失速或失步的問題產生。
圖1是習知步進馬達特性曲線的曲線圖；圖2是習知步進馬達所用的加速曲線曲線圖；圖3是本發明的步進馬達加速系統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是本發明第二具體實施例的預定加速曲線的曲線圖；圖6是本發明第三具體實施例的預定加速曲線的曲線圖；圖7是本發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102控制器104脈衝產生器106驅動器20步進馬達202特性曲線2021脫出轉矩曲線2023引入轉矩曲線204安全加速曲線206、208預定加速曲線具體實施方式
請參閱圖3，圖3是本發明的步進馬達加速系統10以及步進馬達20的示意圖。本發明是一種步進馬達加速系統10，用以將一步進馬達20自一目前轉速加速至一預定轉速，步進馬達加速系統10包含一控制器102、一脈衝產生器104以及一驅動器106。
誠如先前技術中所描述，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，必須藉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衝數(PPS)情況下所產生的輸出轉矩值。換句話說，步進馬達的特性曲線，實際上是由許多的點所構成。例如進行一百次的測試，並將這些測試點連接起來，而所呈現出曲線的樣子，這條曲線便是步進馬達20的特性曲線。如先前技術中所描述，特性曲線主要有兩條，一條稱為脫出轉距曲線，另一條則稱為引入轉距曲線。
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。圖中橫坐標是步進馬達每秒所接收的脈衝數目(pulsesper second)，縱坐標則為步進馬達的輸出轉矩。如前所述，步進馬達20的特性曲線有兩條，其一為脫出轉距曲線2021，其二為引入轉距曲線2023。由於在脫出轉距曲線內操作步進馬達，才能避免馬達的失步或失速，因此在本發明一具體實施例中，當獲得步進馬達20的特性曲線202後，便可將此特性曲線2似中的脫出轉矩曲線2021減去一安全間距(safetymargin)，而獲得步進馬達20的一安全加速曲線204。
在本發明的一具體實施例中，要對步進馬達進行特性曲線調整時，第一步乃由脫出轉矩曲線中先取多個脫出轉矩曲線點，經過一安全間距的調整之後產生相對應的多個安全曲線點。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據以一個近似的曲線方程式來代表。簡單來說，可假設安全加速曲線204為二次方程式來獲得安全加速曲線204。首先，可假設安全加速曲線為T(f)＝a×f2+b×f+r。
其中f為每秒輸入脈衝數目，T(f)是輸出轉矩T對每秒輸入脈衝數目f的函數，即本發明所稱的安全加速曲線，a為二次項的係數，b為一次項的係數，r為常數項。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，在實際的應用上，曲線擬和屬於已被普遍使用的技術，坊間已具有多種軟體可以進行曲線擬和的功能。
由於安全加速曲線204是由步進馬達20的轉矩相對步進馬達20的每秒脈衝數的二次方程式，因此可將的儲存在控制器102內。控制器102是依據代表安全加速曲線的二次方程式，以控制步進馬達20利用不同速率轉動。在不同轉速間變換時，控制器102會先根據目前轉速以及預定轉速於該安全加速曲線中相對應的位置，產生相對應的一預定加速曲線，作為加速的依據。
在本發明的第一具體實施例中，預定加速曲線是以安全加速曲線204直接作為步進馬達20的預定加速曲線，並以目前轉速作為加速的起點，預定轉速作為此次加速的終點。
請參閱圖5，圖5是本發明第二具體實施例的預定加速曲線的曲線圖。在本發明第二具體實施例中，預定加速曲線206是一直線，並是以該目前轉速於安全加速曲線204上相對應的位置作為加速的起點，以該預定轉速於安全加速曲線204上相對應的位置作為加速的終點，而預定加速曲線206則為此兩點所定義出的直線206。
請參閱圖6，圖6是本發明第二具體實施例的預定加速曲線的曲線圖。在本發明的第三具體實施例中，預定加速曲線208是一截頭式曲線208，其主要應用於當目前轉速及轉矩是位於步進馬達20特性曲線的引入轉矩曲線2023內(即自起動區)時。預定加速曲線206的起點是以目前轉速所在的點為起點，並橫向連結至該引入轉矩曲線2023，其後則依照該安全加速曲線連結至該預定轉速之點。在此特別強調一點，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，由於實施例眾多，於此並不在一一陳述。因此，經由本發明的詳述，熟習此技藝者當可據此簡單推導出多種預定加速曲線，然僅要符合本發明的前提，皆應歸屬於本發明的範疇。
當控制器102確定預定加速曲線後，則根據目前步進馬達20的狀況，產生依據預定加速曲線的控制信號，脈衝產生器104則用以接受代表預定加速曲線的控制信號，並據以轉化為一脈衝信號。驅動器106則接收該脈衝信號，並據而驅動步進馬達20，使步進馬達20由目前轉速加速至預定的轉速。
因此，在本發明的實行下，步進馬達20可做最有效率的加速，而且由於是在脫出轉矩的內進行加速，將不會有習知技術可能產生的失步或失速的問題。
請參閱圖7，圖7是本發明步進馬達加速方法的流程圖。為了更加清楚地描述本發明的操作流程，接下來將配合流程圖逐一解說本發明安全且有效率加速步進馬達的步驟。本發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根據特性曲線202中的脫出轉矩曲線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控制器依據該二次方程式、步進馬達20的目前轉速及預定轉速，推導出一預定加速曲線。
步驟40控制器102根據預定加速曲線，產生控制信號至脈衝產生器104。
步驟42脈衝產生器104根據控制信號產生相對應的脈衝信號。
步驟44驅動器根據脈衝信號驅動步進馬達20，使步進馬達20加速至預定轉速。
綜合以上所述，本發明是考量到習知技術以直線加速可能產生的問題，加以提出一套完整的解決方案。由於本發明考量到步進馬達的特性，因此加速的範圍皆限制在步進馬達的脫出轉矩曲線內，因此，不會發生習知技術加速卻超出脫出轉矩的問題。再者，由於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知技術好。
權利要求
1.一種步進馬達加速方法，用以將一步進馬達自一目前轉速加速至一預定轉速，該步進馬達具有將該步進馬達的輸出力矩與輸入脈衝信號兩者間的關係進行定義的特性曲線，其中該特性曲線包括引入轉矩曲線和脫出轉矩曲線，該步進馬達加速方法包括使用一控制器來定義一在該特性曲線之下的安全加速曲線，該安全加速曲線是藉由該脫出轉矩曲線減去一安全間距所得；在該安全加速曲線上定義一目前轉速的對應點；在該安全加速曲線上定義一預定轉速的對應點；根據該目前轉速的對應點、該預定轉速的對應點和該安全加速曲線，產生一預定(real)加速曲線；以及根據該預定加速曲線將該步進馬達加速至該預定轉速。
2.根據權利要求1所述的步進馬達加速方法，還包括以下步驟將該預定加速曲線轉化為一脈衝信號；以及根據該預定加速曲線將該步進馬達加速至該預定轉速。
3.根據權利要求1所述的步進馬達加速方法，其特徵在於該預定加速曲線等同於該安全加速曲線。
4.根據權利要求1所述的步進馬達加速方法，其特徵在於該預定加速曲線是位於所述目前轉速的對應點和預定轉速的對應點之間的線。
5.根據權利要求1所述的步進馬達加速方法，其特徵在於該安全加速曲線包括一水平直線和一二次曲線，該水平直線從目前轉速的對應點延伸到在該安全加速曲線上的一中間點，該二次曲線從該中間點為起點至該安全加速曲線上的預定轉速的對應點。
全文摘要
一種步進馬達加速方法，用以將一步進馬達自一目前轉速加速至一預定轉速，該步進馬達具有定義該步進馬達的輸出力矩與輸入脈衝信號兩者間的關係的特性曲線，其中該特性曲線包括引入轉矩曲線和脫出轉矩曲線，該步進馬達加速方法包括使用一控制器來定義一在該特性曲線之下的安全加速曲線，該安全加速曲線是藉由該步進馬達的該脫出轉矩曲線偏移一安全間距所得；在安全加速曲線上定義一目前轉速的對應點；在安全加速曲線上定義一預定轉速的對應點；根據該目前轉速的對應點、該預定轉速的對應點和該安全加速曲線，產生一預定加速曲線；以及根據該預定加速曲線將該步進馬達加速至該預定轉速。
文檔編號H02P8/14GK101034866SQ20071009051
公開日2007年9月12日 申請日期2004年10月20日 優先權日2004年10月20日
發明者郭秉宏 申請人:宇東電漿科技股份有限公司