指示表的歸零方法及應用該方法的指示表的製作方法

2023-05-10 00:18:01

專利名稱：指示表的歸零方法及應用該方法的指示表的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種指示表及其歸零方法，尤其涉及一種具有步進電機的指示表及其歸零方法。
背景技術：
隨著工業技術的進步，車用或工業用表的精密度要求日益提高，步進電機由於其精密的控制能力因而在指示表領域中得到廣泛應用。然而，控制愈精密，操作啟始前的歸零工作的精準度也需同步提升。
為確保表中的指針在開始運作前被穩妥地歸零，第6,624,608號美國發明專利公開了一種速度表的歸零驅動方法，如圖1和2所示，該表是由一步進電機10經由一組減速齒輪組12帶動指針14旋轉，步進電機10由一微控制器16操控的驅動電路162控制，微控制器16則根據接收到的速度傳感器18的測量數值信號而輸出。減速齒輪組12的最後級齒輪120上凸出有一擋片122，使得指針14達到歸零位置時，該擋片122會被連接至表殼之一的擋杆15所阻擋。至於電機則是由一轉子100與兩線圈組102所構成，各線圈組102的線圈104、106則可在連接驅動電路162的驅動位置164和直接連接控制裝置之一的檢測位置166間被一切換裝置160切換。
每當例如啟動而需歸零時，微控制器16會先將線圈104切換連接至驅動位置164，由驅動電路162輸出一驅動信號至第一線圈104，並驅動轉子100旋轉對應驅動信號的半周期(180度)，同時將線圈104的接腳切換連接至檢測位置166，用於檢測轉子100旋轉造成線圈104內產生的感應電流，若無感應電流，則說明轉子100已經被阻擋並歸零，反之，則又將線圈104切換連接至驅動位置164。
隨後，由驅動電路162輸出驅動信號至第二線圈106，驅動轉子100旋轉對應驅動信號的四分之一周期(90度)；再重複切換至檢測位置166，檢測線圈106中是否仍有感應電流。如此輪流輸出驅動信號至第一線圈104、檢測、輸出驅動信號至第二線圈106、再檢測，讓線圈104、106身兼驅動線圈及感應線圈的雙重功能。直到轉子100被阻擋，線圈104、106中不再能檢測出感應電流為止。
然而，這種頻繁切換不僅讓電路複雜化；切換裝置也會因頻繁的切換動作而易於損壞；尤其是與電子信號的運算傳輸速度相比，切換過程需耗費部分時間，更讓歸零無法在最短時間內迅速實現。

發明內容
因此，本發明要解決的主要技術問題是，提供一種歸零精確的指示表的歸零方法及應用該方法的指示表。
本發明要解決的另一技術問題是，提供一種無須額外硬體裝置、結構簡單、使得指示表製造成本較低的指示表的歸零方法。
本發明要解決的再一技術問題是，提供一種歸零平順、歸零過程毫無噪音和不必要作動的指示表的歸零方法及應用該方法的指示表。
本發明要解決的又一技術問題是，提供一種迅速歸零的指示表的歸零方法及應用該方法的指示表。
按照本發明提供的指示表的歸零方法，該指示表包括一接收一輸入測量信號的控制裝置、一由該控制裝置驅動的步進電機、一由該步進電機帶動的傳動裝置、一由該傳動裝置帶動的指示裝置、及一用於當該指示裝置抵達一歸零位置時擋止該步進電機和/或該傳動裝置和/或該指示裝置的擋止裝置，該步進電機具有一轉子、及接收驅動信號驅動該轉子旋轉的多個線圈組，定義該轉子靜止時，最短可驅動該轉子旋轉的驅動信號周期為一最小可響應驅動周期，實質周期低於該最小可響應驅動周期的驅動信號為一失速驅動信號，該歸零方法包括下列步驟a)由微控制器輸出一實質周期大於所述最小可響應驅動周期的啟始驅動信號，驅動所述步進電機的轉子帶動所述指示裝置朝向所述歸零位置旋轉；b)逐步減短所述驅動信號實質周期至成為一失速驅動信號；及c)保持提供所述失速驅動信號達一預定周期數目，藉此，所述指示裝置系被確保抵達所述歸零位置，並使所述步進電機和/或所述傳動裝置和/或所述指示裝置由所述擋止裝置所阻擋，使所述指示裝置靜止於所述歸零位置。
按照本發明提供的指示表，包括一在一歸零位置與一最大指示位置間旋轉的指示裝置；一帶動所述指示裝置的傳動裝置；一步進電機，包括一帶動所述傳動裝置的轉子及多個驅動所述轉子旋轉的線圈組；一用於在所述指示裝置抵達該歸零位置時阻擋所述指針和/或所述傳動裝置和/或所述轉子的擋止裝置；及一用於輸出一驅動所述轉子帶動所述指示裝置朝所述歸零位置旋轉的控制信號，且所述控制信號具有一逐漸由一可驅動所述轉子旋轉的可響應驅動周期縮短至成為一失速驅動信號的周期，並保持提供該失速驅動信號達一預定周期數目的控制裝置。
按照本發明提供的指示表的歸零方法及指示表，由於是通過不斷提高驅動信號頻率，逐步帶動轉子加速，直到驅動信號周期被縮短至短於最小可響應驅動周期，也即轉子在靜止狀態下完全不受驅動的失速周期，並以此失速驅動信號驅動轉子反轉歸零。此狀態下，轉子只要一觸碰擋止而脫離高速旋轉狀態，就無法重新被帶動，由此平順地被阻擋於歸零位置，歸零位置毫無偏差，可以準確歸零。
此種運作過程中，無須額外設置例如切換裝置等，沒有硬體的增加，使得表整體的結構簡化、製造成本降低；尤其因歸零過程中，沒有例如機構切換等耗時動作，讓歸零動作相當迅速，有效克服現有技術中的諸多缺陷。


圖1是美國第6,624,608號發明專利的表的內部致動機構立體組合示意圖；圖2是圖1所示表的電路方框圖，說明其控制及檢測切換機制；圖3是本發明第一較佳實施例的結構關係示意圖；圖4是圖3所示實施例的步進電機的驅動電路示意圖，說明驅動信號的輸入關係；圖5是頻率信號時序圖；圖6是一般驅動信號時序圖，說明驅動信號與頻率信號關係，及驅動信號隨時變狀態；圖7是本發明第一較佳實施例中的驅動信號時序圖，說明驅動信號周期由一般驅動信號範圍，加速至失速驅動信號範圍的變化過程；圖8是本發明第一較佳實施例的指針在表中旋轉的過程示意圖，說明指針被加速歸零的經過；圖9是本發明第二較佳實施例中的驅動信號時序圖，說明驅動信號周期由一般驅動信號範圍，加速至失速驅動信號範圍的變化過程；圖10是一般模擬驅動信號的時序圖；圖11是本發明第三較佳實施例中的驅動信號時序圖，說明驅動信號周期由一般驅動信號範圍，加速至失速驅動信號範圍的變化過程；圖12是本發明第一較佳實施例的流程圖。
主要組件符號說明10、20…步進電機 12、22…減速齒輪組14、24…指針 15…擋杆16…微控制器 18、28…速度傳感器26…控制電路 31～33…步驟
100、200…轉子 102、202…線圈組104、106、204…線圈 120…齒輪122…擋片 162…驅動電路164…驅動位置 166…檢測位置160…切換裝置
具體實施例方式本發明的主要技術內容、特點以及功能效果，可結合附圖及較佳實施例的說明而得到更清楚的理解。
本發明第一較佳實施例如圖3和圖4所示，由一控制電路26接收例如一速度傳感器28的檢測信號，並由此輸出驅動信號至一步進電機20定子的線圈組202，以驅動步進電機20的轉子200旋轉，從而經由例如一減速齒輪組22帶動指針24在歸零位置與一最大指示位置間旋轉，且當指針24至歸零位置時，由一擋止(圖中未示)擋止其進一步旋轉。當然，本領域的普通技術人員很容易理解，擋止不一定要是如前所述的現有技術的阻擋指針，也可阻擋減速齒輪組或步進電機的轉子。
為說明起見，此處以單一線圈組202為例進行敘述，以套接於鐵芯外側的線圈204接收上述驅動信號，且線圈204被區分為一正輸入端及一負輸入端，正輸入端的信號高低分別為+5伏特至0伏特，負輸入端則為0伏特至-5伏特。在本實施例中，如圖5所示，該控制電路以1MHz脈衝作為頻率(clock)信號，也即每一頻率信號的周期為1μs。
而輸出至線圈的驅動信號，則是以20μs作為基礎周期，再乘以正整數倍作為驅動信號周期。而實際輸入的驅動信號周期只要為基礎周期的若干倍，則可以軟體訂定而加以操控。當然，由於被驅動的轉子質量、減速齒輪組的轉動慣量與減速比例及指針的質量等條件各不相同，因此當驅動信號周期小於一閾值後，將因線圈組中和磁場變化過快，讓轉子來不及響應，從而無法輕易驅動靜止狀態的轉子轉動。在本實施例中，假設此閾值周期恰好為100μs，也即當驅動信號周期小於基礎周期五倍以下時，將無法推動靜止的轉子轉動，並定義此閾值為「最小可響應驅動周期」。
為使轉子旋轉一特定角度，輸入至線圈組的驅動信號電壓必須根據例如正弦函數而隨時變改變驅動信號的強弱。在本實施例中，驅動信號是一數位訊號，因此計算信號強弱的方式是以電壓時序圖中，曲線下面積積分的總和為代表；即驅動信號的強弱變換是以一驅動信號周期中，高電位與低電位所佔時間長短的比值變換為準。
一般現有驅動模式如圖6所示，驅動信號周期可選擇為例如500μs，在每500μs周期中，除用於區分兩信號周期的間隔部分外，存在一高電位區和一低電位區，以兩者不同時間比例而決定該信號的強弱。其中在正輸入端的高電位所佔比例則由0％每歷經例如5個驅動信號周期逐漸增加至100％，再逐漸降回0％；隨後改由負輸入端輸入，輸入信號則由高準位區佔100％減少至0％，再升回100％而完成一循環。
在本實施例中，則如圖7及圖12所示，在步驟31將驅動信號周期由例如1000μs(10基礎周期)啟始，經過例如5個驅動信號周期後，於步驟32將驅動信號周期縮減為900μs(9基礎周期)，高電位區與低電位區的比例仍以一般的變化率增減；再經5個周期又縮為800μs(8基礎周期)，由此逐漸縮至1基礎周期(100μs)，為便於說明，以下將此種周期低於最小可響應驅動周期的驅動信號稱為「失速驅動信號」。
由於轉子被逐漸加速，本實施例中以每5個驅動信號作為一微步進信號，前一組信號與後一組信號間，由於高電位區佔整個周期的比例變化，造成驅動信號的相位變化，在本實施例中，由此驅動轉子轉動約6分(6/60度＝0.1度)，如圖8所示，轉子每轉動6分過程中，由於驅動信號周期不斷縮減，但驅動轉子轉動角度大小維持不變，角度變化量除以時間所得的角速度，也因此而比前一微步進過程進一步加快；且由於被逐漸加速的過程中，已經具備一定的角動量，角加速度並不大，即使所供應的信號已逐漸加速至失速驅動信號，轉子仍可接受此小量的角加速度，而增加轉速，不會跟不上驅動信號。
經歷例如10個微步進流程而由10度至9度轉動約1度之轉角後，驅動信號周期已經縮減至100μs，並於步驟33以此失速驅動信號持續驅動轉子歸零。此時，因為驅動信號周期已遠低於最小可響應驅動周期，只要指針被擋止而連帶截停減速齒輪組與轉子，讓轉子失去既有角速度，就無法再響應該失速驅動信號，也無法被重新加速，從而靜止於被擋止於歸零位置，完成歸零動作。
但是，本發明所提供的系統本身並不需要具備反饋裝置，也即指針是否已經達成歸零，無法被直接確認。因此如前述步驟33，當本實施例中假設該指針可能偏離歸零位置10度時，將以此一失速驅動信號，持續輸出足以驅動該指針旋轉例如20度的歸零驅動信號至該步進電機的線圈組，直至達到一預定周期數目，以確保指針及轉子被確實歸零。換言之，即使無法確認在此過程中，指針是「何時」完成歸零，但仍可確認指針在此過程中，一定會在「其中某時點」被精確歸零。
這種歸零動作既無需額外設置切換裝置，歸零僅需單純的擋止動作即可完成，有效簡化表的結構而降低成本；且擋止的位置即為歸零位置，可以確保歸零的精確；更沒有任何切換動作的岔斷而延緩歸零過程，整體動作完全一氣呵成，不僅歸零迅速，而且歸零平順、歸零過程毫無噪音，成功解決現有技術的所有問題。
當然，如本領域的普通技術人員所能輕易理解，失速驅動信號並非僅有上述一種形態，如圖9本發明第二較佳實施例所示，也可採用單一驅動信號周期中，根據頻率信號的周期，提供多個高電位脈衝和低電位脈衝，並計算高電位脈衝佔總脈衝的比例，代表驅動信號的強弱。此時，仍以縮短驅動信號周期至短於最小可響應驅動周期而構成失速驅動信號，至於驅動轉子旋轉所需的信號強弱變化，仍根據前述一般技術隨時變即可。
此外，驅動信號也可為模擬信號，為便於說明，圖10先繪示出一般驅動狀態下，驅動信號的電壓強弱隨時序變化的時序圖，每一完整驅動信號(信號由0度變化至360度)需時1000ms，且全長不變。
由於模擬信號的單一周期相當於前述數位訊號的多個周期，且根據本發明，在單一周期中，驅動信號的相位角變化速率其實並不恆定，而有加速度存在，為能正確與數位訊號相比較，此處定義以任一段時間間隔中，驅動信號相位角的變化率，推算其相當於多少個周期，稱為「實質周期」；本發明第三較佳實施例則如圖11所示，其驅動信號的實質周期，在最開始時約為100ms，其後每當信號的相位變化36度，實質周期縮短約10ms，直到信號實質周期縮減至10ms，並以此失速驅動信號連續驅動轉子，帶動指針歸零。
依上所述，本發明的指示表的歸零方法及指示表，的確能達到降低歸零誤差、使結構簡化、製造成本降低，歸零更迅速而且平滑的目的。
上述優選實施例僅供說明本發明之用，而並非對本發明的限制。本領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內指引下，還可做出各種變形和變換，因此所有等同技術方案皆屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種指示表的歸零方法，該指示表包括一接收一輸入測量信號的控制裝置、一由該控制裝置驅動的步進電機、一由該步進電機帶動的傳動裝置、一由該傳動裝置帶動的指示裝置、及一用於當該指示裝置抵達一歸零位置時擋止該步進電機和/或該傳動裝置和/或該指示裝置的擋止裝置，該步進電機具有一轉子、及接收驅動信號驅動該轉子旋轉的多個線圈組，定義該轉子靜止時，最短可驅動該轉子旋轉的驅動信號周期為一最小可響應驅動周期，實質周期低於該最小可響應驅動周期的驅動信號為一失速驅動信號，其特徵在於該歸零方法包括下列步驟a)由微控制器輸出一實質周期大於所述最小可響應驅動周期的啟始驅動信號，驅動所述步進電機的轉子帶動所述指示裝置朝向所述歸零位置旋轉；b)逐步減短所述驅動信號的實質周期至成為一失速驅動信號；及c)保持提供所述失速驅動信號達一預定周期數目，藉此，所述指示裝置系被確保抵達所述歸零位置，並使所述步進電機和/或所述傳動裝置和/或所述指示裝置由所述擋止裝置所阻擋，使所述指示裝置靜止於所述歸零位置。
2.根據權利要求1所述的指示表的歸零方法，其特徵在於所述驅動信號周期為一基礎周期之一的預定倍數，且所述基礎周期遠小於該步進電機最小可響應驅動周期。
3.根據權利要求1所述的指示表的歸零方法，其特徵在於所述驅動信號為一數位訊號。
4.根據權利要求1所述的指示表的歸零方法，其特徵在於所述驅動信號為一模擬信號。
5.一種具有步進電機的指示表，其特徵在於，包括一在一歸零位置與一最大指示位置間旋轉的指示裝置；一帶動所述指示裝置的傳動裝置；一步進電機，包括一帶動所述傳動裝置的轉子；及多個驅動所述轉子旋轉的線圈組；一用於在所述指示裝置抵達該歸零位置時阻擋所述指針和/或所述傳動裝置和/或所述轉子的擋止裝置；及一用於輸出一驅動所述轉子帶動所述指示裝置朝所述歸零位置旋轉的控制信號，且所述控制信號具有一逐漸由一可驅動所述轉子旋轉的可響應驅動周期縮短至成為一失速驅動信號的周期，並保持提供該失速驅動信號達一預定周期數目的控制裝置。
6.根據權利要求5所述的具有步進電機的指示表，其特徵在於所述指示裝置為一指針。
7.根據權利要求5所述的具有步進電機的指示表，其特徵在於還包括一用於檢測一待測信號，並輸出一檢測信號至所述控制裝置的檢測裝置。
全文摘要
一種指示表的歸零方法及該指示表，通過逐步縮短驅動信號的周期，讓驅動轉子旋轉的驅動信號一方面驅動轉子加速旋轉，同時將信號本身從可響應周期縮減至短於最小可響應驅動周期，使得轉子與被轉子所帶動的指針一旦被擋止裝置截停，就無法再被加速，從而達成讓指針精確、迅速、平順歸零的功效，並且簡化表的結構、降低製造成本，一舉改良現有技術中的諸多缺失。
文檔編號G01D3/028GK101017102SQ200610003528
公開日2007年8月15日 申請日期2006年2月9日 優先權日2006年2月9日
發明者劉祿豐 申請人:晉裕工業股份有限公司