[发明专利]控制步进电机的装置与方法

说明书

本发明涉及一种控制步进电机(stepping motor)的装置与方法，尤其涉及一种能达到全域速度应用的控制步进电机的装置与方法。

在一般的图像扫描器的应用中，常常希望将扫描头的移动速度与所欲获得的图像的解析度之间做一相关连。因为在固定传输速率下，当解析度越高时，扫描头所需要用来传输图像数据所需的时间就越多。举例而言，如果图像扫描器的规格是300×600dpi(dot per inch)，即每英寸300×600点，而使用者选择所欲获得的图像的解析度为75dpi及600dpi，而扫描头在解析度为75dpi时的扫描速度，最好是600dpi时的八倍，可达最佳的效率，但往往不能如此。步进电机的速度(speed)与力矩(torque)之间的关系大约如图1A所示。很明显的是当电机的速度增加时，电机的力矩就降低，所以可用的速度范围有一定的限制。

当步进电机的速度应用于不适当的使用速度-扭矩区域时，一些诸如力矩不足、共振以及噪音等问题都会出现。力矩不足与共振会导致图像扫描器所输出的图像产生中断(smearing interruption)、跳动(jitter)与振动(vibration)的现象，影响图像的品质，至于所产生的噪音也会导致使用者的使用意愿大为降低。因为上述的原因，步进电机的速度不可以落在某些应用速度的区域，所以图像扫描器的设计者无法设计让图像扫描器的扫描头得以任意的速度进行扫描。

因为步进电机控制了图像扫描器的扫描头之的动，所以图像扫描器的输出图像品质与步进电机的特性曲线有很重要的关系。以一个四相(four phase)步进电机为例，很显然的在图1B中，四个定子绕组(stator winding)N1、N2、N3以及N4上的电流的变化，控制了转子(rotor)10的转动。第一定子绕组N1与第二定子绕组N2的相差(phase difference)为180度，第三定子绕组N3与第四定子绕组N4的相差为180度，而第一定子绕组与第三定子绕组的相差为90度。驱动模式常见的方式有单极(unipolar)、双极(bipolar)、以及1相、2相1-2相等。

图像扫描器所用的步进电机与驱动装置的结构如图1C中的电机15以及驱动装置19所示，驱动装置19是提供驱动电机15所需要的电流。驱动装置19通常是一组双转子晶体管，或是一组金氧半场晶体管(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor)。用步进电机单相绕组的模型(model)以及单极驱动装置的电路取代步进电机15与驱动装置19的电路，将整个电路图显示在图1D中。在图1D中，步进电机单相绕组的模型以电机模型100表示，而单极驱动装置则是以双载子晶体管105表示。

如图1D所示，电机模型100可以被视为一个电感L串接着一个电阻R_M，电阻R′是与电机模型100串连，以提供变更步进电机的时间常数所需的外加电阻。因为步进电机的时间常数[(L)/(R_M+R′)]中的R′可以由设计者加以控制大小，所以设计者可以由此实现控制步进电机时间常数，进而变更电机的动态特性。参考图1D，当VB端上的电压波形如图1E中的电压波形110所示时，定子绕组上的电流波形为如图1F的波形115所示，其中尚未将反应电动势(backElectro-Mechanical Force)考虑进去。参考图1F，因为定子绕组上的电流会决定转子(rotor)的位置，而点a至点b以及点c到点d的时间差都几乎等于步进电机的时间常数，定义为τ，τ对步进电机是非常重要的，而且前面所述的τ的大小为[(L)/(R_M+R′)]。如果要将反应电动势考虑进去，则定子绕组上的电流的波形会如图1G所示，而原来d点至c点的零电流恢复时间将加长。

虽然已经通过将电阻R′连接到电路中，以避免步进电机的振动和噪音，但是定子绕组(stator winding)上的电流也已经减小，而且其上面的压降也减小。因为上述的原因，步进电机所产生的力矩与电流成正比减小，往往图像扫描器所扫描到的图像的振动(jitter)与中断也因此而产生，所以图像扫描器的设计者就必须在步进电机的时间常数和力矩之间做一个取舍。除非所使用的步进电机具有极为良好的力矩-速度特性曲线，否则是无法进行全域应用速度的扫描的。对于具有一般力矩-速度特性曲线的普通电机而言，在一个固定的参数下，以现有技术而言，要进行全域应用速度的扫描是不可能的。