本发明涉及铁芯电动机装置及其驱动方法。特别是，涉及具有用变换相位的电流加入多个激磁绕组的线圈中来使转子转动的铁芯电动机的铁芯电动机装置及其驱动方法。 步进电机采用脉冲信号为其驱动信号驱动其转子作脉动性转动，每个脉冲信号转过预设角度。因此可能对步进电动机用单位时间内加给的驱动脉冲数的控制来控制其转速。
已知一种步进电动机，其定子上有围绕着呈圆柱永磁形式的转子之外周的多个激磁线圈。步进电动机的转子有多个激了磁的部分，其磁化方向在圆周方向上以每预设角度交替改变。定子有面对转子磁化部分的齿，构成二相线卷的激磁线卷围着它绕成。用改换加到各激磁线卷电流的相位产生转子的旋转。
已知地驱动步进电动机的方法粗略地分成使造成电流只在组成各相的线卷中的一个里流动的单极驱动法和使电流在组成各相的线卷中流动而交替地变换电流方向的双极驱动法两大类。
通常的用于双相步进电动机双极驱动的驱动电路参考图1来解释。示于图1中的驱动电路1包括驱动部2，用于将脉冲驱动电流（驱动脉冲）经二相线流动来使转子转动;及驱动控制部3，用于控制驱动部2的驱动时序。驱动部3由用于检测发生在各相线卷端头上的反向电压的反向电压检测器4和根据反向电压检测器4来的信号输出驱动驱动部2的时序信号的驱动逻辑部5所构成。驱动电路1根据感应在线卷中的反向电压即各相线卷的磁通密度φ对电角θ的变化率，或dφ/dθ找到转子和线卷之间的相对位置，并根据此转子和线卷之间的位置信息产生驱动脉冲，用以驱动步进电动机。
特别是，当转子是转动的时，转子磁化部分穿过线卷CA，CB的磁通是变化的，线卷CA和CB中磁通的这种变化，即dφA/dθ和dφB/dθ，有相位差π/2，见图2a和2b。
感应在线卷中的反向电压正比于磁通密度的变化。即，反向电压VA，如图2C所示，产生于A相的线卷CA中，而示于图2C中的反向电压VB产生于B相的线卷CB中。如果转子在反方向转动，标为V′A的A相反向电压产生了，如图2C所示，B相的标为V′B的反向电压被产生，也如图2C所示。反向电压检测电路4使用，例如，用来检测位置信息的未示出的差分放大电路检测出反向电压的过零点P1，P2，P3……。加电流到线卷CA和CB于是就在此位置信息的基础上被完成。
具体地，为加电流给A相线卷CA而所加的电压Vo中位于π/2电角度处的过零点P1两边伸展π/4。因而驱动逻辑部5根据由反向电压检测电路4检测的位置信息产生时序信号在π/4处上升在3π/4处下降，并将此产生的时序信号送给驱动部2。驱动部2加同步于时序信号的驱动电压Vo给线卷CA。响应于所加的电压VO在A相线卷CA中流动的电流IA有示于图2e中的波形。加到B相线卷CB的电流器和加给A相线卷CA同样的方法实现。对线卷CB的电流导通角，比对线卷CB的滞后π/2。
用检测各自相的线卷CA和CB的反向电压来检测相位信息对驱动电路1有可能正确驱动步进电动机而不采用诸如霍尔元件这类位置传感器来检测位置信息。
现在解释驱动部2的运作。
示于图1中的驱动部2的线卷之一的基本结构示于图3a。若晶体管Tr1、Tr4同时导通，激磁电流IA流经晶体管Tr1、线卷C及晶体管Tr4。此激磁电流IA是流在A相线卷CA中的电流。假如晶体管Tr1、Tr4截止，随之晶体管Tr2、Tr3同时导通，激磁电流流经晶体管Tr3、线卷C及晶体管Tr2，方向和激磁电流IA相反。重复以上工作就产生步进电动机的双极驱动。
同时，若晶体管Tr1、Tr4同时截止，反电压（反冲电压）在线卷C中产生。为了防止晶体管不被由线卷C的电感所致的反向电压VK破坏，闭合二极管D1到D4被跨接在晶体管Tr1到Tr4的集电极和发射极之间，如图3a所示。由反向电压VK造成的封闭电流i（t）流经闭合二极管D2、线卷C及闭合二极管D3。图3b示出说明封闭电流i（t）流动的等值电路。即，若当开关SW接通允许激磁电流IA流动，开关SW断开，封闭电流i（t）由于线卷C的反向电压面流动。如果二极管的反向电压降为Vf，二极管的通路电阻为rO，线卷的电感为L，线卷的内电阻为Rm，封闭电流i（t）由下式给出：
i(t)=(I0+2VfRm)e-RmLt-2VfRm(1)]]>
假设二相步进电动机由施加相位彼此错后π/2的驱动脉冲给线卷CA和CB来驱动。示于图1的驱动电路1中，分别流经A相线卷CA及B相线卷CB的电流ICA及ICB示于图4a。另方面，跨在A相线卷CA二端的线卷电压V如图4b所示。如果反向电压VK产生在A相线卷CA中，对晶体管Tr2及Tr3导通，应在A相线卷CA中流过的电流被反向电压VK所抑制，如由示于图4a中的电流波形所示。即，应该流过线卷CA的激磁电流不能流过除非反向电压VK降低下来。换句话说，以通常的铁芯电动机装置，由于电感所致的电流凹陷不能被补偿，所以转矩波动就因反向电压的产生而产生。步进电动机的转矩因此转矩波动Tr1而下降。
因此，本发明的一个目的是提供一种铁芯电动机装置及其驱动方法，靠了它上面提到的问题可被解决。
一方面，本发明提供铁芯电动机及驱动控制单元。铁芯电动机有转子，它对应于加到绕在铁芯上的二相线卷的电流之相位切换由电磁感应使转子旋转地驱动预设的角度。驱动控制单元根据感应在二相线卷中的相位各异的反向电压的相位信息产生驱动控制信号。驱动控制单元造成感应在线卷中的反向电压短路，该线卷中的电流传导是用接到电流传导要被中断的线卷的开关装置截止时间延迟预设的时间来对加到二相线卷的电流作相位切换而中断的。
另一方面，本发明的铁芯电动机装置相似地包括铁芯电动机和驱动控制装置。铁芯电动机包括转子，由对应于加到绕在铁芯上的多个线卷的电流的相位切换所致的电磁感应而被驱动转过预设角度。驱动控制装置将产生在一个激磁绕组中的反冲电压短路，该绕组中的电流传导用延迟接到激磁骁组的开关装置被关断的定时而相位的切转来中断。
再一方面，本发明提供一种驱动和控制铁芯电动机装置的方法，该装置包括铁芯电动机，其转子由对应于加到绕在铁芯上的二相线卷中的电流的相位切换所致的电磁感应而被驱动转过预设的角度。此方法包括根据用变换加到二相线卷的电流的相位而产生在二相线卷中的相位各异的反向电压的相位信息发生一个驱动控制信号;短路感应在线卷中的反向电压，该线卷中的电流传导是用使接到电流供给要被中断的线卷的开关装置的截止时刻延迟一段预设时间来变换供给二相线卷的电流相位来中断的。
按照本发明，在激磁绕组中的电流供给是由相位切换办法中断的，感应在激磁绕组中的反向电压通过延迟接到激磁绕组的开关装置关断的时刻来短路，从而促进驱动电流流动同时降低转矩波动。因此，电动机可以有高电感及高转矩。
图1是表示通常的铁芯电动机装置的驱动电路方框图。
图2表示用来说明示于图1的铁芯电动机装置运行的各种波形。
图3是驱动上面驱动电路中各相之一的线卷的驱动单元布置之电路图。
图4表示从驱动电路流到线卷的电流和电压的波形的波形图。
图5是按本发明的铁芯电动机的剖视图。
图6是表示图5中铁芯电动机定子的剖视图。
图7是图5铁芯电动机的纵剖视图。
图8是按本发明的一种铁芯电动机驱动电路的电路图。
图9是表示图8的驱动电路中驱动各相之一的一个线卷的驱动电路结构的电路图。
图10表示由图8驱动电路输出到线卷的电流的瞬态反应波形。
图11是表示由驱动电路输出的电流重叠期间电流的数值的曲线图。
图12是说明驱动电路的晶体管通/断状态下时序图及线卷中流过的电流量。
图13是表示从驱动电路流向线卷的电流和电压波形的波形图。
按照本发明的铁芯电动机装置优选实施例将参见附图进行解释。
首先，解释组成本发明铁芯电动机装置的铁芯电动机。本铁芯电动机是爪极型步进电动机，有定子，其上有多极齿轭互相间配合。
本步进电动机有磁体的转子10，并如图5所示，转子10有转轴11及围绕转轴装有的圆柱形磁体12。组成转子10的磁体12在周边方向上有交替极的多个磁化部分12a。在本实施例中，磁体12有12个这样的磁化部分12a。中圆柱磁体12的内周边上固定有作为装到转轴11去的安装件的套筒11a。磁体12通过紧贴安装套筒11a于转轴11上而整体地被安装在转轴上。
定子13有由第一极齿轭14及第二极齿轭15构成的第一轭16及由第一极齿轭14和第二极齿轭15构成的第二轭17，如图6所示。这些第一和第二极16、17分别包括极齿14a、15a连同磁体12的磁化部分12a。
第一极齿轭14有一环状法兰18，从其内周有多个，这里是六个极齿14a被向上以互相等间隔地形成在圆周方向上，如图6所示。这些极齿14a朝它的末端成坡状，同时朝其内边变窄。在相邻极齿14a之间形成一个间隙，形成在第二极齿轭15上的与它相联合的极齿15a配合于此处。
第二极齿轭15也有一环状法兰19，从其内周有多个，这里是六个，极齿15a被以互相等间隔地向上形成于圆周方向上。这些极齿15a朝它们的末端成坡状，同时在其内周处变窄。在相邻极齿15a之间形成间隙，形成在第一极齿轮14上的与它相联合的极齿14a配合于此处。第二极齿轭15的法兰19形成为一体状，带一突柄24，用于支持柔软的导线底衬带23，衬带构成向组成定子13的第一第二线卷21、22馈电的馈线。
第一极齿轭14用合成树脂模塑覆盖整个极齿轭14以形成线卷架25，圆柱形的第一和第二线卷21和22装在其上。线卷架25在通常是管状的极齿14a中有管状的线卷安装部26，第一或第二线卷21或22围着它固定。上支承板27或下支承板28形成于第一极齿轭14的法兰部28上。
形成于极齿部14a的线卷固定部26的内周形状做得使它本身适合于极齿14a的形状，极齿配合部30是和第二极齿轭15的极齿15a配合的，形成于极齿14a的相邻的树脂被覆部29之间。树脂被覆部29提供和第二齿轭15的极齿15a相互配合的第一极齿14的极齿14a之间的电绝缘。
第一和第二极齿轭14和15以互相嵌合的极齿14a，15a来相互配合，即以轮14或15的极齿14a，15a被放在轭15或14的极齿15a，14a之间，以形成第一轮16及第二轭17。
第一及第二轮轭，17被一个叠在另一个上以第二极齿轭15的法兰19互相紧靠，如在图5中所示。
装在线卷架25上第一和第二线卷21，22被装在构成馈线的柔软的导线底衬带23上使得线卷21，22互相电连接。柔软的导线底衬带23在带有导线条23a的连接排31的两端有环状的线卷安装部32，33，如图6所示。第一和第二线卷21，22装在线卷安装部32，33上，和导线条23a作电连接，如图6所示。第一和第二线卷21，22被安装在线卷安装部32，33上用导电胶或其他型式的胶保证线卷21，22和导线条23a之间的电连接。
装在柔软导线底衬带23上的第一和第二线卷21，22绕极齿15a，15a的外周固定住使线卷安装部32，33被叠在第二极齿轭15，15的法兰19，19上，如图5中所示。柔软导线底衬带23的连接排31被折叠在它自身上使线卷安装部32，33实现互相面对面关系结果连接排配置成包围互相紧贴的第二极齿轭15，15的突柄24，24的两边。在延伸于突柄24，24的连接排31的一部分上，导线条23a被局部暴露于外，用来和接到后面要解释的驱动电路的馈线相连接。
柔软的导线底衬带23的线卷安装部32，33提供线卷21，22和第二极齿轭15，15间的可靠的电绝缘。
制成如上面所叙述的转子10和定子13被顺序地装入圆柱形的电动机壳35，如图5所示，使完成一台步进电动机。
现在解释装配步进电动机的次序。
在电动机壳34的底部装入构成定子13的第二轭17的第一极齿轭14。第一极齿轮14这样地被装入，用装在电动机壳34的内周表面上的一对定位筋36，36嵌入形成在法兰18外周上的配合槽35，35中。用筋36，36嵌入槽35，35中使第一极齿轭14以在电动机壳34中被控制方位地布置。
互相紧靠组成第一和第二轭16，17的第二极齿轭15，15并且有第一和第二线卷21，22被放在其位置上，被装进电动机壳34中。用筋36，36嵌入一对形成在法兰19，19外周边上的配合槽37，37中使第二极齿轭15，15以控制方位地被装进电动机壳中。由于第二极齿轭15，15这样地被装入电动机壳34中相对于电动机壳34的方位可控，第二轭17的第二极齿轭15，被布置在电动机壳34中，具有极齿15a被嵌放在第一极齿轭14的相邻极齿14a之间，以便和第一极齿轭14成一体构成第二轭17。
当第二极齿轭15，15被装入电动机壳34中时，第二极齿轭15，15的突柄24，24通过在电动机壳34外壁上形成的切口38突出于电动机壳34之外。因此，延伸于突柄24，24之上的折叠的导线底衬带23的连接排也伸出电动机壳34之外。
同时，在第二轭17这边的第一极齿轭14和第二极齿轭15，15也可以在装入电动机壳34之间互相装配起来。
转子10然后通过在第二轭17这边的第一极齿轭14和极齿轭15，15被插入电动机壳34。此时，转子10的转轴11其一端11b由形成在第一轭17的第一极齿轭14的法兰18上的下支承板28中央的绕结金属轴承39所支承。
转子10可在装入第二轭17这一边的第一极齿轭14和第二极齿轭15，15之前装进电动机壳34之中。
第一轭16这一边的第一极齿轭14被装入电动机壳34使和电动机壳34的开口端相配合。第一极齿轭14此时用筋36，36嵌入形成在第一极齿轭14的法兰18的外周边上的配合槽40，40中来控制相对于电动机壳34的方位这样来安装。由于第一极齿轭14的这种方式装入电动机壳34中而可控制相对于电动机壳34的方位，位于电动机壳34中的第二极齿轭14具有嵌在第二极齿轭15的相邻极齿15a之间的极齿14a，以便和第二极齿轭15成一体构成第一轭16。
当第一轭16这一边的第一极齿轭14和电动机壳34和开口边相配合时，转子10的转轴11的另一端11c通过形成在上支承板27中央的通孔42伸出电动机壳34之外。同时，转轴11的另一端11c由提供在通孔42中的烧结金属轴承43可转动地支持着，如图7所示。
固定于电动机壳34开口端上的第一轭16的第一极齿轭14用将电动机壳34的开口端砸边的办法被牢固固定在电动机壳34上。由第一轭16的第一极齿轭14被固牢在电动机34上，转子10有一个端头116和另一端11c的中间部分被烧结金属的轴承39，43所支持，以便能转动地被装在电动机壳34内而完成一台步进电动机。
用于双极驱动上面叙述的本发明的步进电动机的驱动电路用参考图8来解释。示于图8的驱动电路51由用来将脉冲驱动电流（驱动脉冲）加到第一和第二线卷21，22使转子10转动的驱动部52和用来控制驱动部52的驱动时序的驱动控制部53所组成。驱动部53由用来检测产生在各相二个端头之间的反向电压的反向电压检测器54和根据来自检测器54的信号输出控制驱动部52的时序信号的驱动逻辑部55所构成。驱动控制部53根据感应于线卷21，22中的反向电压，即各相线卷的磁通密度φ对电角度θ的变化率dφ/dθ找出转子10和线卷21，22之间相对位置，并根据转子10和线卷21，22之间的位置信息产生驱动脉冲用以驱动步进电动机。即，驱动电路51以无传感器方式驱动步进电动机。
现在解释驱动部52的工作。
示于图8中的驱动部52的基本结构示于图9a，其中晶体管Tr11、Tr13的集电极接到电压为VS的电源。晶体管Tr3的发射极接到晶体管Tr4的集电极并接到线卷C的反端。晶体管Tr12、Tr14的发射极接地。晶体管Tr12、Tr14的发射极也可以接到电源负极，未示出。
当晶体管Tr11、Tr14二者同时导通，激磁电流流过Tr11，线卷C及晶体管Tr14。此激磁电流IA是流过A相线卷CA的电流。假如，在Tr14截止之后晶体管Tr11在延迟预设的时间后跟着截止，晶体管Tr12、Tr14同时导通，激磁电流器和激磁电流IA相反的方向流过晶体管Tr13，线卷C和晶体管Tr12。对步进电动机的双极驱动此工作次序重复下去。
紧跟着晶体管Tr4截止之后，图9a所示的电路由表示于图9b中的等值电路来代表。在此等值电路中的封闭电流现在可以定量地计算。
在图9b的等值电路中采用的参数是二极管的正向压降V6，包括晶体管导通电阻及二极管导通电阻一起组成的电阻ro，线卷的电感L和线卷的内电阻Rm。二极管的正向电压降Vf设为例如为0.7V。
封闭电流i（t）在开关SW关断时可由微分方程（2）代表
（Rm+Io）·i（t）+Vf+L· (di)/(dt) ＝0 （2）
假如在电流i（t）大于零的区域，初值8（0）＝IO，R＝Rm+RO，方程（2）变成方程（3）
R·i（t）+Vf+L· (di)/(dt) ＝0 （3）
此方程经拉普拉斯变换成
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）的第二项修改为反拉普拉斯变换形式，它是一个部分分式，第二项的部分分式变为
VfLs · (s+RL)=as+βs+RL]]>(5)
其中α、β是以下列方程（6）互相相关
α（S+R/L）+Sβ＝Vt/L （6）
维持恒等式α（S+R/L）+Sβ＝Vt/L的条件包括：
α＝（Vt/L）·（L/R）＝Vt/R （7）
β＝-α＝-Vt/R （8）
因此，方程（4）变为
I(S)=I0s+RL+VfRs-VfRs+RL]]>(9)
此方程经拉普拉斯变换为
i (t)=E+VfRm+I0· e-Rm+I cLt-VfRm+I0]]>(10)
使用Rm＞＞ro关系，方程（11）可得到。
i (t)=(I0+VfRm)e-RmLt-VfRm]]>(11)
另一方面，当表示于图9a中的晶体管Tr11和Tr14同时导通时，流过线卷C的瞬态上升电流i（t）为
i（t）＝E/Rm·{1-exp（Rmt/L）} （12）
假如，实际参数设定为电压E＝10V，线卷的实际内阻Rm＝20Ω，线卷电感＝15mH，激磁部分的数目＝12，额定rpm＝1200rpm＝20rps，二极管正向电压降Vt＝0.7V，可找出实际封闭电流i（t）及瞬态上升电流（t），随时间变化，流经线卷C的电流波形变化如图10a中以O点绘的曲线。流经二相的有90°相移的线卷的脉冲宽度是2.08msec（＝1/20）/（12/2）/4＝0.00208sec，对于额定rpmNr＝1200rpm），时间常数τ＝L/Rm为0.75msec。另方面，用示于图1的通常的电路由方程（1）代表的封闭电流i（t）的波形成为在图10a中以X点绘的波形。即，用所述实施例的驱动电路51有在图10a中阴影线表示的数量的电流增加流经线卷C。
对于转子10的额定rpmNr为600rpm的电流波形示于图10b。在此场合，有多出的示于图10b中阴影线划出部分的量的电流流过线卷C。在这些图中流经相反相线当中的电流以虚线表示。
假如，在示于图8中的驱动电流51中，由方程（11）求得的线卷21中的封闭电流i（t）被加到由方程（12）求得的在线卷22中的瞬态上升电流代替实际电流，相加的电流iM（t）成为
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)
假如要说明流经线卷21，22中电流的重叠部分，重叠部分iM（t）电流波形见图11。即，由流过线卷21的封闭电流加上流过线卷22的瞬态上升电流所得到的电流iM（t）实质上是恒定的电流波形。为了使这样的封闭电流数量上较大只要使晶体管Tr11继续导通状态直到在图9中电路中的二极管D13截止。即，只要使晶体管Tr11从它的导通态变到截止态的时刻和晶体管Tr14的开闭相比延迟一段时间TD，如图12时序图所示。
然而，为了以无传感器方式驱动步进电动机，必需用反向电压检测器54检出反向电压。假如延迟时间TD不少于半个脉冲宽度TO，在电流传导由这些参数像额定rpmNr，极数之类来决定时，反向电压的过零位置不能被检出，这可以从图10a中可见。因此，步进电动机的驱动电路51来以无传感器方式驱动步进电动机就不可能。对于能够施加适当量的封闭电流并保证满意的无传感器驱动的延迟时间TD由下式给出
TD＝TO/2-TM（13）
考虑了反向电压检测电路54的运行裕度TM。
假如运行裕度TM接近零，延迟时间TD是电流传导期间一半脉冲宽度的等级。
在示于图8的驱动电流51中，假如从驱动逻辑部55加到晶体管TR11，TR13，TR15和TR17的控制极的驱动信号从导通态改到截止态的开闭和通常场合晶体管TR1和TR4，TR3和TR2，TR5和TR8及TR7和TR6同时导通和截止相比被延迟了延迟时间TD，由反冲电压产生的电流，譬如流于线卷21的电流，路经变成从晶体管TR11，线卷21和二极管D13。所以，对本驱动电路51，二极管压降和通常的电路比降低了一个等级。另方面，电路因二极管压降这种降低一等级而相应地和封闭电流一样增加。上述结构使闭合二极管的数目减少一半。
另一方面，因为叠加在地电压上的噪声降低，反向电压能被稳定地检出使电动机驱动工作稳定。
假如电流传导在重叠区的这种方式实现，则气隙区也可减小，如图13a所示。跨于线卷端的电压所产生的转矩波动TR1可以减少，如图13b所示，结果同样的步进电动机可获得高的转矩。
对所说明的实施例的驱动电路51，固有的驱动电流使更容易流动，结果转矩波形降到比通常的要低的值，有较大电感的步进电动机可变为高转矩电动机，步进电动机的特性被改善了。此外，以上述结构，闭合二极管的数目可减半，从而降低生产价格。
还有，由于叠加在地电压上的噪声可降低，反向电压可更可靠地检出，从而使电动机驱动工作更稳定。