CN1262810A - 用于步进电动机的控制设备以及用于光头的驱动设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个步进电动机的控制设备,在第一工作模式中,选择一个微步驱动部分16,并且把该微步驱动部分16的输出通过一个命令选择器12加到驱动部分21,从而步进电动机25由该驱动部分21微步驱动。而且在第二工作模式中,选择一个强制驱动部分15,并且强制驱动部分15的输出通过命令选择器12加到驱动部分21,从而该步进电动机25由驱动部分21强制驱动,即利用该微步驱动从任意旋转角开始转子29的高速旋转。而且,在第三工作模式中,选择驱动型式产生部分13,通过命令选择器12把该驱动型式产生部分13的输出加到驱动部分21,从而通过该驱动部分21继续高速旋转驱动该步进电动机25。

Description

用于步进电动机的控制设备以及用于光头的驱动设备

                        技术领域

本发明涉及用于步进电机的控制设备以及采用了用于步进电机的控制设备的一个光头的驱动设备。

                         技术背景

步进电机具有体积小和高扭矩及长寿命的特点。因此通常使用的驱动方法所借助的是仅利用步进电机的简单可控性的开环控制。但是在这种开环控制的驱动中存在一些问题，比如电机的旋转角偏离目标的失步、电机的振动及难于实现高速旋转等。另一方面，在借助闭环控制的驱动方法中，这种步进电机带有编码器，并且当通过该编码器检测电机的旋转角的同时控制该电动机，从而抑制失步和振动并且改进高速旋转的潜能，尽管控制系统因此变得复杂。

美国专利4963808描述了一个结构，能够以两个操作模式类型使用一个双相步进电机，同时把该双相步进电机用作一个直流电动机而把该双相步进电机切换成具有开环控制和闭环控制。此外，其中还描述一种技术，把用于检测该步进电机的旋转角的该编码器的一个周期中的输出脉冲的数目设置为在该步进电机的转子中的磁极数目的倍数。这种步进电机是单相激励的，以使得从转子静止在一种预定的位置的状态中开始该转子的旋转。每当响应该旋转从该编码器输出预定数目的脉冲时，该步进电机的励磁电流就被切换，从而在不作调整的情况下把在输出脉冲和步进电机的励磁电流之间的相位差抑制到一个预定误差或更小。

图7示出用于闭环控制该步进电机的普通装置。

在图7中，控制部分124根据第一操作模式和第二操作模式之一驱动和控制一个步进电机125。在第一操作模式中，为了通过该闭环控制对步进电机125的转子129的旋转角作控制，而进行微步驱动，其中一个电流命令从控制部分124输出到一个驱动部分121，由控制部分124产生该电流命令的定时实施该微步驱动。而且，在第二操作模式中，通过闭环控制以高速旋转步进电机125的转子129，其中转子129的旋转角由编码器128检测，该检测的旋转角提供给该控制部分124，并且电流命令从124输出到驱动部分121。

驱动部分121包括彼此独立的一个A相电流驱动器122和一个B相电流驱动器123。通过一个数据选择器137，该A相电流驱动器122和B相电流驱动器123被提供有来自控制部分124的一个A相电流命令和一个B相电流命令，以便分别地形成电流命令的电流，并且把这些电流提供到A相定子126和B相定子127，从而驱动该步进电机125。特别地，该A相电流驱动器122和该B相电流驱动器123包括一个D/A转换器，用于把表示该A相电流命令和该B相电流命令的数字数据转换成模拟信号，并且一个放大器用于放大和输出该模拟信号。

步进电机125是一个双相PM型步进电机，而该双相激励的步进角是18°。该步进电机125包括由永久磁铁制成的一个转子129，其中N极和S极是以72°的角极化的，而在一个圆上极化用于该N极和S极的五个极点，并且双相激励线圈包括A相定子126和B相定子127。A相定子126和B相定子127包括轭铁，其中N磁极和S磁极以72°的角极化，并且在一个圆上极化用于该N极和S极的五个极点，并且这些轭铁是围绕该转子129放置的。A相定子126的轭铁的磁极和B相定子127的轭铁的磁极彼此偏移18°。

在其中形成4.5°角的缝隙的隙盘131被固定到一个转子轴130。确定4.5°角的一个间距，在此形成缝隙盘131的每一缝隙，使得其成为72°角的一个间距的整数分之一(在此处是1/16)，以该72°角形成该转子129的每一磁极。特别地，由于该步进电机125的相位数目是双相，所以确定形成每一缝隙的4.5°的角的间距，以便满足1/(2的倍数)的关系，即1/16＝1/(2×8)。

光敏器件132包括发光侧的LED和光接收侧的光电晶体管，并且是透明型，其中的LED和光电晶体管被放置在该隙盘131的两侧。通过接收光电晶体管经过隙盘131的缝隙时由LED发出的光，该光电晶体管检测该隙盘131的缝隙。光电晶体管输出对应该隙盘131的缝隙的存在和不存在的一个输出信号。光敏器件132包含在具有隙盘131的外壳133中而受到保护，免遭由破坏和/或灰尘引起的污染以及损害。

光敏器件132的输出由比较器134二进制化。比较器134不仅简单地把光敏器件132的输出与一个基准值比较以便输出高电平和低电平的信号，而且仅当该光敏器件132的输出在两个基准值之间改变时切换该输出信号的高电平和低电平，因此避免由于颤动引起的错误动作。

从比较器134输出的一个脉冲信号被输入到一个控制部分124和一个十六进制计数器135。

每次从该比较器134输入单一脉冲信号，计数器135都在数值0-15的范围中计数；并且在数值达到15之后，在下一个计数的时刻该计数器135初始化该数值为0，并且按照4比特的一个二进制数以0到15的范围输出该数值循环。而且，当从控制部分124输入清除信号时，计数器135初始化该计数值，使得该数值为0。

一个4输入/4输出代码转换器136从计数器135得到四个比特的计数值，转换该计数值为四比特的代码，并且输出该代码。这些计数值和代码之间的关系在图8的代码表81中示出。在此处，表示从代码转换器136输出的这些代码的4比特被称为P比特、Q比特、P的反向比特和Q的反向比特。输入到该代码转换器136的离散值不由4比特的实际的二进制数表示，而是由十进制数表示。

如从代码表81中所见，表示从代码转换器136输出的代码的每一比特为通过划分从比较器134输出的一个脉冲信号的周期获得的，使得其为1/16。来自代码转换器136的P比特和Q比特的相位相对于从比较器134输出的脉冲信号彼此偏移了四个周期。同样，来自代码转换器136的其它P反向比特和Q反向比特的相位相对于从比较器134输出的脉冲信号彼此偏移了四个周期。

数据选择器137输入来自控制部分124的3比特的一个选择信号以及四个比特，即P比特、Q比特、P反向比特和Q反向比特，根据该选择信号在P比特、Q比特、P反向比特和Q反向比特之中选择两个比特，并且把这些选择的比特作为A相电流命令和B相电流命令输出。A相和B相电流命令被加到驱动部分121，并且电流命令的电流被加到A相定子126和B相定子127，从而转动该转子129。

表示选择信号的三个比特的具体内容是旋转方向数据CW(1比特)和电动机初始状态数据CH(2比特)。

当步进电动机125顺时针方向旋转时该旋转方向数据CW表示″1″，而当反时针方向旋转时表示″0″。

电动机初始状态数据CH表示当第一工作方式结束时所在的时间点的步进电动机125的A相定子126和B相定子127的一个激励状态。在第一工作方式中由微步驱动把步进电动机125设置在单相位激励状态之后，实施第二工作方式的驱动控制。在第一工作方式中的单相位激励相位包括四个状态，即：仅A相定子126在正方向被激励的状态、仅B相定子127在正方向被激励的状态、仅A相定子126在反方向被激励的状态和仅B相定子127在反方向被激励的状态。根据实施的到第二工作方式的切换的状态，以上述顺序，该电动机初始状态数据CM具有″1″、″2″、″3″和″4″的值。

在电动机初始状态数据CM和旋转方向数据CW以及由数据选择器137选择并且输出的两个比特之间的对应关系在图9的表82中示出。在表82中，电动机初始状态数据CM不是由实际4比特的二进制数表示，而是由十进制数表示。

随后描述具有这种结构的一个步进电动机的运行。

首先，控制部分124确定步进电动机125的转子129的旋转方向。例如，该旋转方向设置为一个顺时针方向。然后，在第一工作方式由微步驱动设置单相位激励状态，以便旋转该步进电动机125的转子129到所说的状态的位置。

单相位激励状态包括如上所述的四个状态类型。但是，转子129的位置通常还包括四个位置，当转子129从静止位置沿确定的旋转方向旋转时，转子129首先达到第一个位置。在此处，是其中只有A相定子126以正方向被激励的状态的位置。

在单相位激励状态被保持1-2ms之后，控制部分124输出一个清除信号到计数器135，以使计数值变成0。此外，控制部分124把电动机初始状态数据CM和旋转方向数据CW输出到数据选择器137。

其中，电动机初始状态数据CM设置在″1″，以使顺时针方向旋转，并且旋转方向数据CW设置在″1″，以便从只有A相定子126在正方向中被激励的状态开始驱动。直到转子129从第一工作方式转换到第二工作方式，即从高速运行状态转换到一个旋转角控制状态，这些数据值被一直保持。

当″1″设置在电动机初始状态数据CM并且″1″被设置在旋转方向数据CW时，如从表82看到，从数据选择器137输出的A相电流命令和B相电流命令是P比特和Q比特。而且，在计数器135的计数值被清除之时，如代码表8 1中所示，A相电流命令和B相电流命令(P比特和Q比特)都变成″0″(低电平)。此时，工作方式状态变成第二工作方式状态，并且A相电流命令和B相电流命令的电流从驱动部分121提供到A相定子126和B相定子127，从而该转子129从单相位激励状态的静止位置以顺时针方向旋转。

在转子129的旋转以第二工作方式开始之后，每当转子129旋转4.5°角，都从二进制计数器134输出一个脉冲信号。当输出第二周期的一个脉冲信号时，计数器135的计数值变成″2″，并且该A相电流命令变成″1″(高)。随后，从该二进制计数器134输出的脉冲信号的每八个周期，该A相电流命令变化一次。同样，二进制计数器134的第六周期的一个脉冲信号被输出，该计数器135的计数值变成″6″，并且该B相电流命令变成″1″。随后，每八个从该二进制计数器134输出的脉冲信号周期，B相电流命令变化一次。

就是说，A相电流命令和B相电流命令是根据单相位激励状态的旋转方向和静止位置在P比特、Q比特、P反向比特、Q反向比特当中选择的，以及响应转子129的旋转从二进制计数器134输出的脉冲信号的每八个周期而更新，同时保持从该二进制计数器134输出的脉冲信号的四个周期的相位差。

A相电流命令和B相电流命令的各自电流被连续地提供到A相定子126和B相定子127，从而该转子129持续以顺时针方向旋转。A相定子126响应A相电流命令″1″或″0″以正方向或反方向激励，而B相定子127响应B相电流命令″1″或″0″以正方向或反方向激励。因此，A相定子126和B相定子127被激励，同时分别一致地保持与该转子的角位置的一个确定关系，并且不因为负载的突然增加等原因使得旋转失去同步。

转子129有时通过微步驱动控制在任何旋转角，以及由上述四个单相位激励状态控制在四个旋转角度。就是说，按照熟知的方式，通过适当地调整A相定子126和B相定子127的每一个电流。该转子129有时被静止在任何其它旋转角。

在该传统装置中，当转子129从在任何旋转角的静止状态旋转时，需要通过第一工作方式转换到第二工作方式。因此，由于当第一工作方式开始时该转子129通过该微步驱动从任何旋转角旋转到单相位激励模式的旋转角，所以该旋转需要某些额外的时间。

而且，转子129的单相位激励状态必须被保持一个确定的期间，直到转子129的旋转角成为稳定的旋转角为止，这是由于在转子129和定子126和127的每一个之间的磁力起到一种弹性力的作用，这种弹性力和转子129的质量形成一种振荡系统，并且当该转动的转子129在任何旋转角停止时都在转子129中出现振动。运行在一个确定的期间处于待命状态，直到这种振动降低以及转子129的旋转角成为稳定为止。由于即使当编码器128的输出被计数器135计数以便检测转子129的旋转角时，在该转子129振动同时转子129交替地沿顺时针方向和反时针方向旋转，所以这种检测的旋转角包括相对于转子129的实际的旋转角一个大误差。因此有必要等待用于初始化该计数器135的计数值的清除信号的输出，直到阻尼衰减振动完全平静下来为止。这一周期大约是10-20ms，在对于针对步进电动机125的某些应用中，这不是一个可以忽略的时间长度。例如，当步进电动机125被用于典型的CD-ROM装置时，光头被该步进电动机125沿着盘的半径方向移动，就会出现属于是很长的10-20ms的准备期。

而且，当该步进电动机125被用于一个光盘装置、并且光头的聚焦由该步进电动机125控制时，转子129移动该光头的阻尼衰减振动将从而不利地影响该光头的半径位置伺服。

因此，本发明的提出旨在上述传统问题的解决，并且本发明的目的是提供用于步进电动机的一个控制设备，能够在极短的周期之内从任何旋转角转动一个转子而没有转子的振动，以及提供采用针对该步进电动机的控制设备的光头驱动设备。

                         发明的公开

为了解决上述传统的问题，本发明的用于步进电动机的一个控制设备包括：一个步进电动机，包括其中一个磁极沿着圆周方向形成一个确定角的转子、一个多相位励磁线圈、用于检测该转子旋转角的旋转角检测装置、用于根据转子的每一旋转角而设置该励磁线圈的每一驱动电流的驱动电流设置装置；以及控制装置，通过在微步驱动状态中的该驱动电流设置装置获得对应于由该旋转角检测装置检测的该转子的旋转角的励磁线圈的驱动电流，以便控制该转子的旋转角，并且把该驱动电流施加到该励磁线圈，从而转换该转子到该转子的一个旋转驱动状态。

在一个实施例中，驱动电流设置装置具有第一数据表，其中存储对应在微步驱动状态中的该转子的每一旋转角的该励磁线圈的每一驱动电流，以及一个第二数据表，其中存储对应在旋转驱动状态中的该转子的每一旋转角的该励磁线圈的每一驱动电流，并且该控制装置从该第一数据表中获得对应于由在微步驱动状态中的旋转角检测装置检测的该转子旋转角的一个驱动电流，并且把该驱动电流加到该励磁线圈，从而开始对该转子的旋转的驱动，并且随后该控制装置从第二数据表中获得被加到励磁线圈且已经由该旋转角检测装置检测的对应于该转子的旋转角的一个驱动电流，并且把该驱动电流加到该励磁线圈，从而继续该旋转。

在一个实施例中，旋转角检测装置包括一个第一旋转角检测装置，用于检测对应该励磁线圈的驱动电流的转子旋转角，以及一个包括连接到该转子的一个编码器的第二旋转角检测装置，由该第一旋转角检测装置检测的该转子的旋转角被用于从第一数据表获得该励磁线圈的一个驱动电流，并且由该第二旋转角检测装置检测的该转子的旋转角被用于从该第二数据表获得该励磁线圈的一个驱动电流。

在一个实施例中，该控制装置设置从由第一数据表获得的驱动电流被加到该励磁线圈一个旋转开始时间点到由第二数据表获得的驱动电流开始被加到该励磁线圈的一个时间点的该转子的旋转角，并且该设置的转子旋转角由该第二旋转角检测装置检测。

在一个实施例中，第一旋转角检测装置具有一个旋转角数据表，其中存储对应于励磁线圈的驱动电流的该转子的旋转角。

而且，本发明的用于步进电动机的一个控制设备包括：一个步进电动机，包括其中一个磁极沿着圆周方向形成一个确定角的转子和一个多相位励磁线圈，每次该转子旋转一个预定的角时用于输出一个周期信号的旋转角检测装置，用于设置针对每一分割频率的励磁线圈的驱动电流的驱动电流设置装置，用于对来自该旋转角检测装置的周期信号进行划分以便获得一个分割频率的控制装置，该驱动电流是在每一分割频率从第二数据表中获得的，并且把该驱动电流加到该励磁线圈，以便驱动和旋转该转子，从而根据转子的旋转速度改变周期信号的划分比例。

而且，本发明用于一个光头的驱动设备，其通过一个步进电动机驱动用于在一个记录介质中进行记录或从该记录介质进行再现的一个光头，该步进电动机包括：其中的磁极沿着圆周方向形成一个确定角的一个转子和一个多相位励磁线圈，该驱动设备包括用于驱动和控制该步进电动机的一个控制设备，其中该控制设备包括用于检测该转子的一个旋转角的旋转角检测装置、用于根据该转子的每一个旋转角度设置该激励线圈的每一驱动电流的驱动电流设置装置、用于获得对应于由在微步驱动状态中的旋转角检测装置检测的该转子的旋转角的该激励线圈的驱动电流且其中该转子的旋转角是由该驱动电流设置装置所控制并且把该驱动电流加到该激励线圈从而转换该转子到转子的一个旋转驱动状态的控制装置。

                       附图简要描述

图1所示根据本发明的步进电动机的控制设备以及用于一个光头的驱动设备示例的框图。

图2是一个示意图，表示存储对应于在图1的步进电动机的控制设备中的A相电流和B相电流的转子旋转角度的旋转角数据表。

图3是一个示意图，表示当转子的旋转开始之时在图1的步进电动机的控制设备中存储A相电流和B相电流的第一数据表。

图4是表示一个切换定时数据表的示意图，其中存储图1的步进电动机的控制设备从一个第二工作方式切换到一个第三工作方式的定时的数据表。

图5是一个示意图，表示存储图1的步进电动机的控制设备中转子转动时A相电流和B相电流的第二数据表。

图6是表示图1的步进电动机的结构的简化示意图。

图7是传统的步进电动机的一个控制设备。

图8是表示在图7的步进电动机的控制设备中的一个代码表的示意图。

图9是表示图7的步进电动机的控制设备中的一个数据表的示意图。

                   实现本发明的最佳模式

以下参照附图描述本发明的一个实施例。

图1是根据本发明的一个步进电动机控制设备和用于一个光头的驱动设备的实例。在本实施例中，用于一个光头的驱动设备2的光头54通过步进电动机的控制设备的步进电动机25传动。

在光头的驱动设备2中，导引螺杆51被连接到步进电动机25的一个转子轴30，并且由固定在底盘53或其它的轴承52作旋转性支持。该导引螺杆51的凹槽的间距是例如3毫米。光头54包括一个激光二极管、光电检测器、透镜、透镜调节器等等，用于以一个激光束照射光盘55，从而使得在光盘55中光学地记录信息以及从该光盘55读取信息。一个导轴57穿透该光头54，并且一个螺母件56固定在该光头54。螺母件56与导引螺杆51相关并且在图的右边或左边与该导引螺杆51紧靠，由此消除了该螺杆的摆动。当导引螺杆51被步进电动机25旋转时，该光头54响应该旋转而线性地往复运动。光盘55被主轴电动机58旋转。

当信息记录在光盘55中或从该光盘读取时，光头54追踪该光盘55的一个磁道。光盘55的相邻磁道之间的间距是微细的，例如大约1μm。因此，为了使得来自光头54的激光束辐照点正确地跟随该磁道，用于精确地调整激光束的位置的一个跟踪调节器安装在该光头54上。

而且，能够由该跟踪调节器传动的激光束的辐照点的的范围是小的。例如，在一个用于可重写光盘的一个记录/再现装置中，其能够传动的范围大约是±50μm。因此，通过转动步进电动机25以便精确地调整光头的位置，捕获在能够由跟踪调节器传动的激光束辐照点范围之内的一个目标轨道。

其中使用的步进电动机25是双相位PM型，并且由此由双相位激励的步进角是18°。当步进电动机25是由双相位激励驱动时，连接到转子轴30的导引螺杆51每次旋转一个18°的步进角。而且，导引螺杆51的凹槽间距是3mm。在此情况中，导引螺杆51由双相位激励一个18°的步进角，该光头54移动150μm。因此，只要该步进电动机25被双相位激励驱动，该光头54针对每一运动而移动150μm。因此，该目标轨道可以不必在能够由跟踪调节器传动的激光束的辐照点的±50μm的范围之内。

所以，通过微步驱动该步进电动机25，该步进电动机25的一个转子29的旋转角被精确地调整到小于18°。从而渐渐移动该光头54，以使该目标轨道是在能被传输的激光束的辐照点的±50μm的范围之内。

在使用微步驱动的情况中，当连接到转子轴30的导引螺杆51被旋转一个微步(1.125°)时，其中的18°的步进角被分成十六个相等的片段。光头54移动9.375μm，从而该目标轨道是在±50μm的范围中。

如上所述，用于该光头的驱动设备2不仅通过双相位激励把该转子29旋转一个18°的步进角，而且还可以通过微步驱动把该转子29旋转一个更小的角，以便保持在能传输的激光束的辐照点的±50μm的范围中的目标轨道。

从目前正被扫描的一个磁道移动光头54到另外一个磁道被称为查找。当实施查找时，在该光盘55中的目前在存取的一个位置的地址由光头54读取，并且从当前位置的地址和目标位置的地址获得运动的方向和距离，从而确定如何移动该光头54。

例如，当运动的距离非常短时，如在其中仅存在几个磁道，光头仅由该跟踪调节器传动而没有步进电动机25的转子29的转动。

当运动距离是大约1mm时，步进电动机25的转子29由微步驱动渐渐旋转，从而把来自光头54的激光束的辐照点传输到目标轨道的邻近。

而且，当运动距离是长距离时，该步进电动机25的转子29被以高速旋转，从而迅速地传输光头54。

在本实施例中，即使在其中步进电动机25的转子29如稍后将被描述那样由微步驱动在任何旋转角的情况中，该转子29也能被迅速地以高速率方式旋转。因此，当转子从微步驱动到一个高速率旋转转换时没有时差出现。另一方面，在先前描述的传统装置中，转子129被从任何旋转角旋转到在单相位激励状态中的一个旋转角，并且等待到转子129的该旋转角成为稳定为止；随后转子129被以高速率驱动。因此，在从微步驱动到高速率旋转驱动的驱动转换的同时出现较大的时差。

在根据本实施例用于该光头的驱动设备2中，顺序地设置第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式，并且该步进电动机25根据这些工作模式驱动和控制。在第一工作模式中，选择微步驱动部分16，并且来自微步驱动部分16的一个输出被通过命令选择器12加到驱动部分21，从而该步进电动机25由驱动部分21微步驱动。在第二工作模式中，选择一个强制驱动部分15，来自强制驱动部分15一个输出通过命令选择器12加到驱动部分21，从而该驱动部分21强制地驱动步进电动机25，即以微步驱动的任何旋转角开始该转子29的高速旋转。而且在第三工作模式中，选择驱动型式产生部分13，并且来自驱动型式产生部分13的一个输出通过命令选择器12被加到驱动部分21，从而该驱动部分21继续步进电动机25的高速旋转。

驱动部分21包括彼此独立的A相电流驱动器22和B相电流驱动器23。通过命令选择器12，该A相电流驱动器22和B相电流驱动器23分别地被提供一个A相电流命令和一个B相电流命令，以便形成用于当前命令的电流。这些电流被提供到一个A相定子26和一个B相定子27，从而驱动该步进电动机25。具体地说，A相电流驱动器22和B相电流驱动器23包括用于转换数字数据的D/A转换器，分别地把表示A相电流命令和B相电流命令的数字数据转换成模拟信号，以及一个用于放大和输出每一个模拟信号的放大器。

步进电动机25为双相位PM型，并且该双相位激励步进角为18°。步进电动机25包括一个永久磁铁制成的转子，其中N极和S极以每72°极化，并且在一圆周中五个极被极化用于N极和S极，和双相位激励线圈，包括A相定子26和B相定子27，A相定子26和B相定子27包括轭铁，其中N极和S极以每72°极化，并且沿着一个圆周分别形成用于N极和S极的五个极，并且这些轭铁围绕转子29放置。A相定子26的每一磁极和B相定子27的每一磁极都彼此相对偏移18°。

以每4.5°的角形成缝隙的隙盘31(在一个导电角(electricangle)为22.5°中，稍后将被描述)被固定在一个转子轴30。以4.5°的角间距形成该隙盘31的缝隙，该缝隙被设置为72°角(360°的一个导电角)的一个间距的1/(整数)，以此形成每一个磁极(在此处是1/16)。尤其是，由于步进电动机25的相位数目是双相位，所以确定4.5°的一个角的间距以此形成每一缝隙，以便使得1/(2的倍数)关系被确定，即满足1/16＝1/(2×8)。

光敏器件32包括一个在光发射侧的LED和在光接收侧的一个光电晶体管，该光敏器件是透明型的，其中的LED和光电晶体管被定位在该隙盘31的两侧。光电晶体管通过隙盘31的缝隙接收来自LED的光输出，从而检测隙盘31的缝隙。响应该隙盘31的缝隙的存在和不存在，该光电晶体管输出一个信号。光敏器件32连同隙盘31一起被包含在一个外壳33中，从而免受由破裂和/或灰尘引起的损害。

来自光敏器件32的输出由比较器34二进制化。比较器34不仅只是把光敏器件32的输出与一个参考值比较以便输出一个高电平和一个低电平信号，而且仅当该光敏器件32的输出在两个参考值之间改变时才切换该输出信号的高电平和低电平，从而避免由于颤动引起的误动作。

来自比较器34的脉冲信号输出被输入到一个控制部分11和一个驱动型式产生部分13。

在已经描述的第一工作模式中，微步驱动部分16实施微步驱动，其中A相电流命令和B相电流命令响应从控制部分11提供的目标旋转角随着A相电流驱动器22和B相电流驱动器23而被改变。而且，流入A相定子26和B相定子27的电流之间的比例被改变，从而转动该转子29设置在该目标旋转角。该目标旋转角由高分辨率控制。

在转子29的旋转角和电流比之间的关系取决于磁路和步进电动机25的荷载状态。用于把转子29定位在每一个平衡配置的旋转角度的A相电流命令和B相电流命令被获得。数据表预先准备，其中该A相电流命令和B相电流命令被记录，以便对应于每一个旋转角度。从该数据表读取对应于一个确定的旋转角的一个A相电流命令和B相电流命令。另外，用于获得对应于该旋转角的A相电流命令和B相电流命令的函数被预先准备，根据该函数制订对应于一个确定旋转角的A相电流命令和B相电流命令。例如，当由双相位激励的18°的步进角(90°)被分成十六个相等的角度、并且该转子29由其旋转角是1.125°(5.625°的一个导电角)的微步旋转时，该的设计使得A相电流命令和B相电流命令被产生用于微步命令的16个级别(比特)，然后，表示A相电流命令和B相电流命令的8比特被递增或递减，从而以一个确定的旋转角转动和控制该步进电动机25。

这种微步驱动是根据熟知的技术实施的。

当导电角被表示为θ、并且该转子29的一个实际角被表示为θ时，在导电角θ和实际的角θ之间的关系由下列表达式(1)表示：

θ＝θ/5+72N...(1)

其中N是从0到4的整数的任意一个。

以下只要没有特定说明，由导电角表示全部角度。

正如前面提到的那样，在第一工作模式以后，强制驱动部分15实施第二工作模式的强制驱动。根据从控制部分11得知的在第一工作模式中的该转子29的一个旋转角Θ，强制驱动部分15设置对应于该A相电流驱动器22和该B相电流驱动器23设置A相电流命令和B相电流命令。

一个角位置检测部分14检测在该第一工作模式中流到A相定子26和B相定子27的A相电流命令和B相电流命令、确定每一个电流是否正或负、获得电流之间的比例、通过参考结合在该角位置检测部分14中的图2表示的旋转角数据表61而获得该转子29的旋转角Θ，并且把该旋转角Θ通知到控制部分11。

在旋转角数据表61和将被描述的数据表62、63和64中，当只有A相定子26被正方向激励时旋转角是0°，并且由其中以顺时针方向是正方向的一个导电角表示。

在该旋转角数据表61中，提供对应于A相定子26的A相电流的正和负以及B相电流的正和负的四个部分，并且在每一个部分中设置对应于在A相电流和B相电流之间的一个电流比的旋转角。

例如，当A相电流和B相电流都是正并且该A相电流和该B相电流之间的电流比是″1″时，旋转角Θ是45°。

旋转角Θ对于电流比的这种关系是步进电动机固有的。因此，当步进电动机的结构改变时，旋转角数据表61的内容需要改变。而且，当步进电动机的特性由于在制造中的误差等原因而变化时，尽管步进电动机的结构相同，其也需要测定该数据表的内容并且针对每个步进电动机设置。

控制部分11把对应于转子29在第一工作模式中的的旋转角Θ的旋转方向和光头54的运动方向通知到该强制驱动部分15。强制驱动部分15参考图3中示出的结合在该强制驱动部分15中的第一数据表62，读取对应于转子29的旋转角Θ的一个A相电流命令和一个B相电流命令，并且把这些电流命令加到A相电流驱动器22和B相电流驱动器23。

在该第一数据表62中，针对转子29的每一个顺时针方向和反时针方向设置四个旋转角范围，并且针对每一旋转角范围设置A相电流命令和B相电流命令。因此，有八对A相电流命令和B相电流命令被设置。

例如，当通过在第一工作模式中的微步驱动使得转子29的旋转角Θ是在0°＜Θ＜90°的范围内、并且转子29以第二工作模式强制驱动顺时针方向旋转时，用于″反方向激励A相位、并且正方向激励B相位″的命令，即用于反方向激励该A相定子26的一个A相位命令、以及反方向激励该B相定子27的一个B相位命令被选择。当由A相电流命令和B命令表示的一个A相电流和B相电流被提供到该A相定子26和B相定子27时，在顺时针方向中出现一个大的旋转扭矩，从而开始从旋转角Θ高速运行。

就是说，在该第二工作模式中，对于在第一工作模式中的旋转角Θ的转子29的每一磁极，由A相电流和B相电流适当地激励的A相定子26和B相定子27的磁力生效，引起转子29在预定的方向产生一个大的旋转扭矩，从而开始该转子29的高速运行。在此，用于进一步转动该转子29到一个相对于在第一运行角中的旋转角超前45°-135°的旋转角的A相电流命令和B相电流命令被从该第一数据表62中选择。因此，不管在其开始旋转以前该转子29的旋转角如何，该转子29都能以基本上最大的扭矩启动而同时避免死点。

运行型式产生部分13用于在第二工作模式之后实施第三工作模式，从而继续该步进电动机25的高速运行。

控制部分11参考在图4中示出的结合在控制部分11中的切换定时数据表63，并且设置一个定时，以便从第二工作模式切换到第三工作模式。

在该切换定时数据表63中，设置用于顺时针方向和反时针方向的对应于四个旋转角范围的计数值。这些旋转角范围的获得方式是，360°的旋转角被分成22.5°的十六个小旋转角范围，并且这些小旋转角范围被组合成包括四个互相偏移90°的小旋转角范围的四个组。

例如一个旋转角范围″0°+n×90°≤Θ＜22.5°+n×90°，n＝0-3″，包括四个小旋转角0°-22.5°、90°-112.5°、180°-202.5°、270°-292.5°。

控制部分11参考该切换定时数据表63，并且选择在该第二工作模式中的转子29的旋转方向以及在第一模式中的对应于转子29的旋转角Θ的一个计数值。控制部分11控制该强制驱动部分15，从而起动第二工作模式。当第二工作模式被启动时，转子29旋转，从而比较器34输出一个脉冲信号。控制部分11开始计数来自比较器34的脉冲信号，并且当该计数值达到从切换定时数据表63中选择的计数值时，指示该驱动型式产生部分13启动该第三工作模式。

例如，当在该第二工作模式中该转子29的旋转方向是顺时针方向、并且转子29在第一工作模式中的旋转角Θ是在一个旋转角范围″0°+n×90°≤Θ＜22.5°+n×90°，n＝0-3″中时，则从该切换定时数据表63选择一个计数值，转子29在第二工作模式中强制驱动旋转；并且，当该脉冲信号的计数值达到″4″时，启动第三工作模式。另外，当在第一工作模式中该转子29的旋转角Θ是在旋转角范围″22.5°+n×90°≤Θ＜45°+n×90°，n＝0-3″时，从切换定时数据表63中选择计数值3，转子29在第二工作模式中通过强制驱动旋转；并且当脉冲信号的计数值达到″3″时，启动第三工作模式。

结果是，从该第二工作模式切换到该第三工作模式时该转子29的旋转角被规定为0°、90°、180°、270°和360°中任何一个。

而且，驱动型式产生部分13从控制部分11得知第一工作模式中的转子29的旋转角Θ以及在第二工作模式中的转子29的旋转方向。该驱动型式产生部分13参考图5中示出的、结合在驱动型式产生部分13中的第二数据表64，并且从第二数据表64读取A相电流命令和B相电流命令，并且把该电流命令加到该A相电流驱动器22和B相电流驱动器23。

在第二数据表64中，设置用于该转子29的顺时针方向和反时针方向的四个旋转角范围。对于每一旋转角范围，设置如下：A相电流命令和B相电流命令仅在从第二工作模式切换到第三工作模式之后(在当第三工作模式启动时的一个时间点)；在切换之后，当从比较器34输入第三脉冲信号时的A相电流命令和B相电流命令；当第七脉冲信号从比较器34输入时的A相电流命令和B相电流命令；当第十一脉冲信号输入时的A相电流命令和B相电流命令；以及，当第十五脉冲信号输入时的A相电流命令和B相电流命令。

例如，在第一工作模式中的转子29的旋转角Θ是在范围0°≤Θ＜90°的情况中，转子29在第二工作模式中通过强制驱动顺时针方向旋转，用于反方向激励A相定子26的A相电流命令和用于反方向激励B相定子27的B相电流命令正好在从第二工作模式切换到第三工作模式之后(当该第三工作模式启动时时间点)被选择；当从比较器34输入第三脉冲信号时，用于正方向激励A相定子26的A相电流命令和用于反方向激励B相定子27的B相电流命令被选择；当第七脉冲被输入时、当第十一脉冲被输入时、以及第十五的脉冲被输入时，针对每一情况选择A相电流命令和B相电流命令；并且进一步输入四个脉冲信号时，当该第三脉冲信号被输入时，返回到该A相电流命令和B相电流命令。随后，每次输入四个脉冲信号，当第七、第十一、第十五和第三脉冲信号输入时，顺序地选择A相电流命令和B相电流命令。

就是说，在该第三工作模式中，为了在转子29的旋转已经由该第二工作模式中的强制驱动启动之后继续在该第一工作模式中从旋转角Θ旋转该转子29，在第三工作模式启动的旋转角被检测，并且在通过旋转角的该点之后，A相电流命令和B相电流命令被以一个确定的旋转角周期改变。

驱动型式产生部分13包括一个程序计数器等，其中来自比较器34的一个脉冲信号的频率被分割和被计数，并且通过改变该分割频率的比例，在第二数据表64中的该第三、第七、第十一和第十五的脉冲信号被检测。就是说，在第三工作模式启动的时间点，当来自该比较器34的三个脉冲信号被输入到一个程序计数器时，该程序计数器通过计数而检测三个脉冲信号的输入。随后，每四个来自比较器34脉冲信号被输入到其中时，通过计数检测第七、第十一、和第十五等等的脉冲信号的输入。

以此方式，微步驱动部分16的以第一工作模式的微步驱动、强制驱动部分15的以第二工作模式的强制驱动以及驱动型式产生部分13的以第三工作模式的高速驱动被连续地实施。控制部分11控制该命令选择器12，从而选择从微步驱动部分16、强制驱动部分15、以及驱动型式产生部分13的任一个输出的一个A相电流命令和一个B相电流命令，以便将它们加到驱动部分21。从第一工作模式到第二工作模式的切换的定时，即从微步驱动部分16的一个输出切换到强制驱动部分15的输出的定时由控制部分11确定。例如，当光头54开始移动时，定时被设置在该时间点。在此定时，控制部分11指示命令选择器12从微步驱动部分16切换到强制驱动部分15，从而起动该强制驱动部分15。而且，从第二工作模式到第三工作模式的切换定时，即从强制驱动部分15到该驱动型式产生部分13的一个输出的切换的定时是如先前描述的当该第三工作模式开始时的时间点。在此时间的起点，控制部分11指示该命令选择器12从强制驱动部分15切换到该驱动型式产生部分13，从而起动该驱动型式产生部分13。

随后简要地描述具有这种结构的一个步进电动机的一系列运行。

当步进电动机25试图旋转一个确定的或更大的旋转角时，控制部分11首先确定步进电动机25的旋转方向。在此，该旋转方向是顺时针旋转。在此情况中，选择第一工作模式，并且通过命令选择器12把A相电流命令和B相电流命令从微步驱动部分16输出到一个A相电流驱动器22和一个B相电流驱动器23。在通常的情况中，步进电动机的转子29在任意旋转角Θ中处于稳定态。

随后，控制部分11把在该第一操作状态中的转子29的旋转角Θ以及对应于该光头54的一个移动方向的该转子29的旋转方向通知该强制驱动部分15。而且，控制部分11控制该命令选择器12，把强制驱动部分15连接到A相电流驱动器22和B相电流驱动器23。在该第一工作模式中，强制驱动部分15参考第一数据表62并且读取对应于旋转角Θ的A相电流命令和B相电流命令。该当前命令被加到A相电流驱动器22和B相电流驱动器23，从而起动步进电动机25的旋转。

随后，控制部分11参考切换定时数据表63，并且设置一个定时，从第二工作模式切换到第三工作模式。在此定时点，控制部分11控制命令选择器12，把驱动型式产生部分13连接到A相电流驱动器22和B相电流驱动器23。该驱动型式产生部分13参考第二数据表64，并且重复地从该第二数据表64获取A相电流命令和B相电流命令，并且顺序地把该A相电流命令和该B相电流命令加到该A相电流驱动器22和B相电流驱动器23。这将持续步进电动机25的旋转。

在本实施例中，在步进电动机25开始旋转之前的转子29的旋转角是由角位置检测部分14检测的。而且，在旋转已经开始之后的旋转角是通过以4.5°的分辨率(22.5°的导电角)计数从该比较器34输出的脉冲信号而被检测的。因此，在步进电动机25停顿时以及在其旋转时都能精确检测其旋转角，因此能精确实施步进电动机25的旋转角从暂停状态到旋转状态的转换控制。例如在第三工作模式开始时的一个时间点的A相电流命令和B相电流命令被设置，这些命令是用于让转子29转动到相对于该A相电流命令以及B相电流命令在第二操作模式中旋转方向的超前90°的一个位置，如在通常的双相位激励方案的情况。从第二工作模式到第三工作模式的切换是在步进电动机25的转子29的旋转角达到正好出现在所说的位置之前的一个超前角Ψ时实施的。随后，步进电动机25的转子29每次再进展90°的旋转角，A相电流命令和B相电流命令都以A相电流命令和B相电流命令更新，使得转子29旋转到其已经前进90°的旋转角的一个位置，从而预先借助一个实质上恒定超前角Ψ连续地驱动该转子29。

下面参照图6描述转子29的驱动方法，该驱动方法用这种方式超前一个该超前角Ψ。图6中，为了简化描述，示出的转子29仅包括一对N极和一个S极(实际在转子29上形成有五个N极和S极对)，其中该转子29旋转360°的一个导电角(对应于实际旋转角72°)，而且，参考数字44表示一个虚拟的S极而参考数字45表示脉冲信号的产生位置。

例如，当A相定子26被正方向激励、并且B相定子27被正方向激励时，构成磁场的虚拟的S极44出现在位置A＝+、B＝+。当A相定子26和B相定子27被激励以便导致其它状态时，构成磁场的虚拟的S极44以类似方式出现在不同的位置。

其中，转子29的N极出现于其旋转角Θ是0°的一个位置。在此情况中，根据第一数据表62，第二工作模式中的由强制驱动产生的命令是用于反方向激励A相定子26的一个A相电流命令以及用于正方向激励B相定子27的B相电流命令。在此情况中，虚拟的S极44出现在A＝-、B＝+的一个位置，并且超前角Ψ成为135°，因此开始转子29的旋转。

响应转子29的旋转，从比较器34输出一个脉冲信号。在根据切换定时数据表63计数四个脉冲信号P1-P4时的一个时间点，工作模式从第二工作模式转换到第三工作模式。命令值是一个用于以反方向激励A相定子26的A相电流命令和以反方向激励B相定子27的B相电流命令。在此情况中，虚拟S极44出现在一个A＝-、B＝-的位置，该位置相对于第二工作模式的位置超前90°，并且该超前角Ψ成为135°-157.5°，从而开始转子29的旋转。该超前角Ψ是在135°-157.5°的范围之间，因为隙盘31和光敏器件32之间的位置关系是不可调整的。因此，从比较器34输出的脉冲信号的相位在22.5°的范围内变化。这种电平的变化不会明显地影响步进电动机25的特性。

在第三工作模式中，转子29进一步旋转以便从比较器34输出一个脉冲信号。在根据第二数据表64计数三个脉冲信号P5-P7时进行第一相位切换，命令成为用于在正方向激励该A相定子26的A相电流命令和在反方向激励B相定子27的B相电流命令。在此情况中，虚拟的S极44出现在位置A＝+、B＝-，位置相对于在第三工作模式开始时的一个时间点的虚拟S极44超前90°。另一方面，在此时间点，转子29相对于在第三工作模式开始时的一个时间点的位置超前一个对应于三个脉冲信号P5-P7中每一个的角度，即67.5°。因此，在此时间点的超前角Ψ比在第三工作模式开始时的间点的超前角Ψ大22.5°导致157.5°到180°之间的超前角Ψ。这是对于当定子快速旋转时由于该定子线圈的电感部件所引起的电流延迟的效果的补偿。结果是，该转子29被进一步旋转以便从比较器34输出一个脉冲信号。

而且在根据第二数据表64计数四个脉冲信号P8-P11时实施相位的第二切换，并且命令成为用于正方向激励A相定子26的A相电流命令和反方向激励B相定子27的B相电流命令。在此情况中，虚拟的S极44出现在A＝+、B＝+的一个位置，相对于在第三工作模式中在相位的第一切换时间点的S极44，该位置超前90°。另一方面，在此时间点，相对于在第三工作模式开始时时间点的一个位置，转子29超前对应于四个脉冲信号P8-P11的每一个的一个角，即90°。因此，该超前角Ψ保持不变，导致在范围157.5°和180°之间的超前角Ψ。

随后，虚拟的S极44以相同的方式超前每个四个脉冲信号90°；因此，超前角Ψ不变地保持在157.5°和180°之间。

而且，在转子29以顺时针方向从旋转角Θ＝45°旋转的情况下，与从旋转角Θ＝0°旋转的情况一样，根据该第一数据表62，在第二工作模式中的该强制驱动的命令变成用于反方向激励A相定子26的A相电流命令和正方向激励B相定子27的B相电流命令。在此情况中，虚拟的S极44出现在位置A＝-、B＝+，并且该超前角Ψ变成90°，从而转子29开始旋转。响应转子29的旋转，从比较器34输出一个脉冲信号。在根据切换定时数据表63计数双脉冲信号P3和P4的时间点，工作模式从第二工作模式转换到第三工作模式。此时，转子29的旋转位置是与在从旋转角Θ＝0°旋转的情况相同。因此，随后驱动过程是完全地与从旋转角Θ＝0°旋转的情况相同。

在本实施例中，用于实施第二驱动模式的强制驱动部分15和用于实施第三驱动模式的驱动型式产生部分13是分别地提供的。但是它们可以被集成，因为它们在根据来自比较器34和角位置检测部分14的输出而输出一个命令都是相同的。另外，除了提供角位置检测部分14，还可以把目标旋转角设置在控制部分11中。就是说，在控制部分11中设置该转子29的一个目标值。此目标旋转角被加到微步驱动部分16。步进电动机25由该微步驱动部分16控制，以便旋转该转子29到目标旋转角。转子29的旋转角由角位置检测部分14检测，从而该转子29的旋转角能被在控制部分11中检测而无需专门提供角位置检测部分14。另外，分别地对应于数据表61、62、63和64的函数可以事先设置，并且可以根据这些函数分别地获得控制参数。

                        工业的适用性

如上所述，根据本发明，一个转子能从任意旋转角启动，因此不必要把转子旋转到一个通过单相位激励的旋转角。因此，不需要针对这种旋转的额外时间。

而且，不必要象在传统的方式中那样借助单相位激励保持转子的旋转角并且一直等待到转子的振动降低。因此，当本发明的步进电动机被使用到一般的CD-ROM装置等以便在盘的半径的方向的10-20ms的范围中传动光头时，对应于传统的准备期能被消除。

而且，不象在传统的装置中那样出现转子的振动。因此当本发明的步进电动机被用于一个CD-ROM等装置时，对光头的聚焦伺服不会有不利影响。

而且，在本发明中，根据步进电动机的旋转的速度，超前角Ψ被改变到一个最佳值，因此该步进电动机能够从低速度旋转到高速旋转稳定地操作。因此，在采用该步进电动机的光盘装置中，搜索周期等等能够被大大减小。

Claims (7)

1.一种用于步进电动机的控制设备，包括：

步进电动机，包括其中一个磁极沿着圆周方向形成一个确定角的转子和一个多相位励磁线圈；

旋转角检测装置，用于检测该转子旋转角；

驱动电流设置装置，用于根据转子的每一旋转角而设置该励磁线圈的每一驱动电流；以及

控制装置，通过在微步驱动状态中的该驱动电流设置装置获得对应于由该旋转角检测装置检测的该转子的旋转角的励磁线圈的驱动电流，以便控制该转子的旋转角，并且把该驱动电流施加到该励磁线圈，从而转换该转子到该转子的一个旋转驱动状态。

2.根据权利要求1的用于步进电动机的控制设备，其中：

该驱动电流设置装置具有一个第一数据表，在该表中存储对应在微步驱动状态中的该转子的每一旋转角的该励磁线圈的每一驱动电流，以及一个第二数据表，其中存储对应于旋转驱动状态中的该转子的每一旋转角的该励磁线圈的每一驱动电流；并且

该控制装置从该第一数据表中获得对应于在微步驱动状态中由该旋转角检测装置检测的该转子旋转角的一个驱动电流，并且把该驱动电流加到该励磁线圈，从而开始对该转子的旋转的驱动，并且随后该控制装置从第二数据表中获得要被加到励磁线圈且已经由该旋转角检测装置检测的、对应于该转子的旋转角的一个驱动电流，并且把该驱动电流加到该励磁线圈，从而继续该旋转。

3.根据权利要求2的用于步进电动机的控制设备，其中：

旋转角检测装置包括一个第一旋转角检测装置，用于检测对应该励磁线圈的驱动电流的转子旋转角，以及一个由连接到该转子的一个编码器组成的第二旋转角检测装置；

由该第一旋转角检测装置检测的该转子的旋转角被用于从第一数据表获得该励磁线圈的一个驱动电流；并且

由该第二旋转角检测装置检测的该转子的旋转角被用于从该第二数据表获得该励磁线圈的一个驱动电流。

4.根据权利要求3的用于步进电动机的控制设备，其中：

该控制装置设置从由第一数据表获得的驱动电流被加到该励磁线圈的一个旋转开始时间点到由第二数据表获得的驱动电流开始被加到该励磁线圈的一个时间点的该转子的旋转角；并且

该设置的转子旋转角由该第二旋转角检测装置检测。

5.根据权利要求2的用于步进电动机的控制装置，其中第一旋转角检测装置具有一个旋转角数据表，在该表中存储对应于励磁线圈的驱动电流的该转子的旋转角。

6.用于步进电动机的一种控制设备，包括：

步进电动机，包括其中一个磁极沿着圆周方向形成一个确定角的转子和一个多相位励磁线圈；

旋转角检测装置，用于在每次该转子旋转一个预定角时输出一个周期信号；

驱动电流设置装置，用于设置针对每一分割频率的励磁线圈的各驱动电流；

控制装置，用于对来自该旋转角检测装置的周期信号进行分割以便获得一个分割频率，该驱动电流是在每一分割频率从第二数据表中获得的，并且把该驱动电流加到该励磁线圈，以便驱动和旋转该转子，从而根据转子的旋转速度改变周期信号的分割比例。

7.一种用于光头的驱动设备，其通过一个步进电动机驱动用于在一个记录介质中进行记录或从该记录介质进行再现的一个光头，该步进电动机包括其中的磁极沿着圆周方向形成一个确定角的一个转子和一个多相位励磁线圈，该驱动设备包括：

用于驱动和控制该步进电动机的一个控制设备；

其中该控制设备包括

用于检测该转子的一个旋转角的旋转角检测装置；

用于根据该转子的每一个旋转角度设置该激励线圈的每一驱动电流的驱动电流设置装置；

用于获得对应于在微步驱动状态中由旋转角检测装置检测的该转子的旋转角的该激励线圈的驱动电流，其中该转子的旋转角是由该驱动电流设置装置所控制，并且把该驱动电流加到该激励线圈，从而转换该转子到转子的一个旋转驱动状态的控制装置。

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