CN101471620A

CN101471620A - 步进电动机控制装置以及步进电动机的驱动控制方法

Info

Publication number: CN101471620A
Application number: CNA2008101866129A
Authority: CN
Inventors: 片桐大
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: EP2075589A3; JP2009178022A; EP2075589B1; US8080968B2; JP4423339B2; US20090167232A1; CN101471620B; EP2075589A2

Abstract

本发明提供步进电动机控制装置以及步进电动机的驱动控制方法。该步进电动机控制装置具有控制单元以及电动机驱动控制电路，该控制单元以及电动机驱动控制电路执行目标转动角度运算处理、目标转动变化量运算处理和分割目标转动量运算处理，且将每1个控制周期的转动量作为上述分割目标转动量来驱动步进电动机；上述目标转动角度运算处理对应于自车速传感器发送的数据而运算步进电动机的驱动轴的目标转动角度；上述目标转动变化量运算处理运算目标转动变化量、即驱动轴的当下的转动角度与目标转动角度的差；上述分割目标转动量运算处理以未超过步进电动机的失步转动界限的范围的分割目标转动量来等分目标转动变化量。

Description

步进电动机控制装置以及步进电动机的驱动控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于驱动模拟指针式仪表的指针等的步进电动机的驱动控制技术，特别是涉及防止失步的技术。

背景技术

以往，在车辆的速度仪表等中，公知的是利用步进电动机使指针转动的模拟式仪表装置。

该仪表装置具有步进电动机控制装置，该步进电动机控制装置包括运算控制部和电动机驱动控制装置；上述运算控制部根据来自传感器的输入运算指针的指示角度，输出该指示角度；上述电动机驱动控制装置对为了获得指示角度所必需的驱动轴的转动角度即目标转动角度进行运算，并根据该目标转动角度驱动步进电动机。

在这种步进电动机控制装置中，问题是实际的指针的指示角度与步进电动机控制装置的控制上的指示角度之间出现偏差的失步。

发生该失步的原因之一在于，在驱动轴的转动变化量过大时，驱动轴的惯性力的影响变大，有时驱动轴与指示角度发生偏差而不能同步。

因此，作为用于防止这种转动量过大时发生失步的步进电动机控制装置，公知的有例如专利文献1中所述的步进电动机控制装置。

该以往的步进电动机控制装置对一次的控制周期中的驱动轴的转动角度设定限值，禁止在一次的控制周期中进行超过限值的角度的转动，从而防止因上述驱动轴的转动变化量过大导致的失步。

专利文献1：日本特开2004-328807号公报

但是，在上述以往技术中，在驱动轴的目标转动角度大大地超过限值时，产生如下所述的问题。

图6中表示在控制周期SS1、SS2、SS3、SS4中，分别将0°、10°、5°、40°作为各指针的指示角度时的情况。

在该例子中，例如若限值是10°，在指针的指示角度从5°变化到40°的控制周期SS4中，所需的转动变化量是35°，超过限值。此时，在控制周期SS4、SS5、SS6中，在进行了使指针转动限值10°的输出之后，在最后的控制周期SS7中进行使指针转动差分5°的输出。

这样，在以往技术中，在使指针超过限值地转动时，由于指针进行的是限值的转动+差分的转动，因此驱动轴的转动变化量不恒定，指针不能顺畅地转动。

而且，通常，考虑到响应性而把限值设定成不会发生失步的值的上限值，在所需的转动变化量大于限值时，由于始终反复进行限值的转动，因此与小于限值的驱转相比，从防止失步的方面来看考虑该技术并非优选。

发明内容

本发明是着眼于上述以往的问题而做成的，目的在于提供能够始终以恒定的变化量使驱动轴转动从而使驱动轴顺畅地转动、并且能够减少达到限值的输出机会从而提高防失步性能的步进电动机控制装置以及其驱动控制方法。

为了达到上述目的，技术方案1所述的本发明的步进电动机控制装置，其特征在于，具有控制装置，该控制装置执行目标转动角度运算处理、目标转动变化量运算处理和分割目标转动量运算处理，且将每1个控制周期的转动量作为上述分割目标转动量来驱动上述步进电动机；上述目标转动角度运算处理对应于自传感器发送的数据地运算步进电动机的驱动轴的目标转动角度；上述目标转动变化量运算处理运算目标转动变化量、即上述步进电动机的驱动轴的当下的转动角度与上述目标转动角度的差；上述分割目标转动量运算处理以未超过上述步进电动机的失步转动界限的范围的分割目标转动量来等分上述目标转动变化量。

技术方案2所述的发明是步进电动机的驱动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：目标转动角度运算步骤，其对应于自传感器发送的数据而运算步进电动机的驱动轴的目标转动角度；目标转动变化量运算步骤，其运算目标转动变化量、即上述驱动轴的当下的转动角度与上述目标转动角度的差；分割目标转动量运算处理，其以未超过上述步进电动机的失步转动界限的范围的分割目标转动量来等分上述目标转动变化量；驱动步骤，其将每1个控制周期的转动量作为上述分割目标转动量来驱动上述步进电动机。

在本发明的步进电动机控制装置中，在使驱动轴从当下的转动角度转向目标转动角度时，运算作为两角度的差的目标转动变化量，以不会超过失步转动界限的范围的分割目标转动量来等分该运算结果，以每一个控制周期的转动量作为上述分割目标转动量来驱动上述步进电动机。

因而，利用分割目标转动量以恒定的转动变化量使驱动轴从当下的转动角度朝向目标转动角度进行转动，并且转动顺畅地进行。

而且，由于作为1个控制周期的转动量的分割目标转动量能以不超过失步转动界限的值进行转动，因此相比使驱动轴始终以失步转动界限进行转动的情况，能够大幅降低失步转动界限的转动频率，提高防失步性能。

在技术方案2所述的发明中，运算目标转动变化量、即驱动轴的当下的转动角度与目标转动角度的差，以每1个控制周期的转动量作为分割目标转动量来驱动步进电动机。

因而，驱动轴从当下的转动角度到达到目标转动角度为止、以每1个控制周期的转动量恒定的方式进行转动，转动顺畅地进行。

而且，由于作为1个控制周期中的转动量的分割目标转动量是未超过失步转动界限的值，因此相比使驱动轴始终以失步转动界限转动的情况，能够大幅降低在失步转动界限的转动频率，提高防失步性能。

附图说明

图1是表示本发明的最佳实施方式的实施例1的步进电动机控制装置A的结构的结构说明图。

图2是表示实施例1的步进电动机控制装置A的控制单元1以及电动机驱动控制电路2中的处理流程的流程图。

图3是表示图2所示的步骤S5的限制处理的详细内容的流程图。

图4是表示实施例1的步进电动机控制装置A的动作例的时间图，是表示目标指示角度DA的变化的一个例子的时间图。

图5是表示实施例1的步进电动机控制装置A的动作例的时间图，是表示指示命令角度Dx的变化的一个例子的时间图。

图6是表示与实施例1相比的比较例的时间图，是表示根据以往技术的指示命令角度Dx变化的时间图。

图7是表示实施例2的步进电动机控制装置中的限制处理的详细内容的流程图。

图8是表示实施例2的步进电动机控制装置的动作例的时间图，是表示指示命令角度Dx的变化的一个例子的时间图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

该实施方式的步进电动机控制装置的特征在于，具有控制装置(1、2)，该控制装置(1、2)执行目标转动角度运算处理、目标转动变化量运算处理和分割目标转动量运算处理且将每1个控制周期的转动量作为上述分割目标转动量来驱动上述步进电动机(3)；上述目标转动角度运算处理对应于自传感器(5)发送的数据来运算步进电动机(3)的驱动轴(3a)的目标转动角度；上述目标转动变化量运算处理对上述步进电动机(3)的驱动轴(3a)的当下的转动角度与上述目标转动角度之差即目标转动变化量进行运算；上述分割目标转动量运算处理以未超过上述步进电动机(3)的失步转动界限的范围的分割目标转动量来等分上述目标转动变化量。

实施例1

下面，根据图1～图6说明该发明的最佳实施方式的实施例1的步进电动机控制装置A。

如图1所示，该实施例1的步进电动机控制装置A包括控制单元(控制装置)1、电动机驱动控制电路2(控制装置)和步进电动机3。

该步进电动机3用在省略了图示的车辆用速度显示装置中。即、该车辆用速度显示装置是一种公知的模拟式显示装置，使指针4随着被步进电动机3驱动的驱动轴3a的转动而沿着设在未图示的文字板上的刻度(省略图示)转动来显示速度。

控制单元1执行指示角度运算处理(目标转动角度运算处理，目标转动角度运算步骤)和指示角度信号输出处理；上述指示角度运算处理将自车速传感器5输出的车速数据DS以设置周期(在本实施例1中为10ms)输入，根据该车速数据DS求出指针4的目标指示角度(目标转动角度)DA；上述指示角度信号输出处理将表示该目标指示角度DA的指示角度信号输出给电动机驱动控制电路2。

该指示角度信号以预先设置的发送周期输出，在本实施例1中，以10ms的周期输出。

另外，电动机驱动控制电路2输入指示角度信号，执行目标转动变化量运算处理和线形转动处理；上述目标转动变化量运算处理运算目标转动变化量RR，该目标转动变化量RR为作为驱动轴3a的当下的指示角度的上次指示命令角度Dx与目标指示角度DA的差；上述线形转动处理以目标转动变化量RR在一次的控制周期SS内的转动变化量为限值SA以下的值的范围内最少等分目标转动变化量RR而得到的分割目标转动量Rθ来输出使驱动轴3a转动的驱动信号。

图2表示上述控制单元1以及电动机驱动控制电路2中的处理的流程。另外，在本实施例1中，以10ms作为控制周期SS反复执行该图2的流程图所示的处理。

在步骤S1中，读入车速数据DS，并且在接下来的步骤S2中进行了数据的平均化处理之后，在接下来的步骤S3中进行修正处理。另外，上述的平均化处理以及修正处理作为数据处理是通常的处理，并不是本发明的要点部分，因此省略对其详细说明。

在接下来的步骤S4中，将车速数据DS换算成指针4的目标指示角度DA。即、执行将指针4欲指示的速度换算成指针4自速度表示为0km/h的初始位置起的转动角度的处理(目标转动角度运算处理)。

接下来，在步骤S5中，执行限制处理。

该限制处理是这样的处理：在使指针4即驱动轴3a朝向目标指示角度DA转动时，将1次控制周期SS中的转动变化量限制在不必担心发生失步的小于变化量的上限值的、预先设置的限值SA内。

另外在本实施例1中，采用10°为该限值SA，但该限值SA可根据实验等采用任意适当的值。

在接下来的步骤S6中，在对目标指示角度DA实施了过滤处理之后，输出使驱动轴3a转到目标指示角度DA的驱动信号。

另外，在本实施例1中，在预先设定的控制周期SS中，在每个预先设定的驱动单位周期中输出驱动信号。在本实施例1中，采用1ms为驱动单位周期，在10ms的控制周期SS中，输出10次驱动信号。

接下来，利用图3的流程图说明步骤S5的限制处理的详细内容。

在该限制处理中，首先，在步骤S21中，执行驱动误差算出处理。该驱动误差算出处理是这样的处理：求得为了使指针4指向目标指示角度DA所需的转动角度即目标转动变化量RR除以限值SA时的“商”以及“余数”。

具体而言，执行通过RR＝|Dx_-1-DA|求出目标转动变化量RR的处理，并且执行该目标转动变化量RR除以限值SA的除法处理，从而求出“商”以及“余数”，该目标转动变化量RR是作为当下的指针4的指示角度的上次指示命令角度Dx_-1与目标指示角度DA的差。

在接下来的步骤S22中，判断步骤S21的运算结果是否存在“余数”，存在“余数”时，进入步骤S23，进行将在步骤S21的运算结果的“商”加1后得到的值为新的“商”的处理。

另一方面，在不存在“余数”时，进入步骤S24，判断“商”是否为0，在“商”＝0时，进入步骤S23，在“商”不是0时，进入步骤S25。

在步骤S25中，通过下述式(1)对本次控制周期SS中的驱动轴3a的指示命令角度Dx进行等分处理。

Dx＝Dx_-1-(Dx_-1-DA)/商...(1)

即、通过将“余数”均等地分配、调节到各控制周期SS中来对其进行等分。

因而，另外在此，将1次控制周期SS中的驱动轴3a的分割目标转动量Rθ(＝(Dx_-1-DA)/商)为限值SA以下。

接下来，说明实施例1的动作。

在动作时，以设置周期(10ms)将车速数据DS输入控制单元1。

因此，控制单元1读入车速数据DS(步骤S1)，根据该车速数据DS运算指针4的目标指示角度DA(步骤S2→S3→S4)，并且，根据该目标指示角度DA执行限制处理，求出在限值SA以下的指示命令角度Dx(步骤S5)。

之后，在电动机驱动控制电路2中，按照指示命令角度Dx一次输出只输出使驱动轴3a只转动分割目标转动量Rθ的1/10的驱动信号、即通过10次输出可达到指示命令角度Dx的驱动信号。

参照图4以及图5说明此时的动作。

该动作例表示如图4所示，在各控制周期SS1～7中，根据车速数据DS运算得到的目标指示角度DA以0°→10°→5°→40°变化的例子。

此时，在图5所示的控制周期SS1～SS3中，由于作为当下的指示角度的上次指示命令角度Dx_-1与目标指示角度DA的差、即目标转动变化量RR为限值SA以下，因此在步骤S21运算得到的“商”为0，步骤S25的运算中的“商”＝1。

因而，指示命令角度Dx＝DA，在控制周期SS1中，指示命令角度Dx＝0°，在控制周期SS2中，指示命令角度Dx＝10°，在控制周期SS3中，指示命令角度Dx＝5°。

因而，在控制周期SS1中，输出10次使指针4的指示角度从0°向10°变化的驱动信号、即输出使驱动轴3a转动+1°的驱动信号。另外，+是顺时针方向的转动，-是逆时针方向的转动。

另外，在接下来的控制周期SS2中，输出10次使指针4从10°返回到5°的驱动信号、即用于使驱动轴3a转动-0.5°的驱动信号。

接下来，在图4中说明在控制周期SS4～SS7中连续输入了目标指示角度DA＝40°的情况。

此时，利用步骤S21的驱动误差算出处理求出的目标转动变化量RR是大于限值SA的值，为35°。然后，目标转动变化量RR除以限值SA得到的结果是，“商”＝3，“余数”＝5。

因此，根据步骤S22→S23的处理，获得“商”＝4。

于是，在步骤S25中，将各值代入上述式(1)中，运算5-(5-40)/4，得到指示命令角度Dx＝13.75。

因而，在控制周期SS4中，使指针4的指示角度从5°变化到13.75°，输出用于将作为每一个控制周期的转动量的分割目标转动量Rθ设成小于限值SA+8.75°的驱动信号。即、输出10次使驱动轴3a只转动+8.75°/10的驱动信号。

利用同样的处理，在接下来的控制周期SS5中，|13.75-40|/SA的“商”＝2且“余数”＝6.25，指示命令角度Dx＝13.75-(13.75-40)/3＝22.5。

因而，在控制周期SS5中，使指针4的指示角度从13.75°变化到22.5°，输出用于将分割目标转动量Rθ设成小于限值SA+8.75°的驱动信号。即、输出10次使驱动轴3a只转动+8.75°/10的驱动信号。

在控制周期SS6、SS7中，也根据同样的处理输出用于将驱动轴3a的每一个周期的分割目标转动量Rθ设成小于限值SA+8.75°的驱动信号。

因而，利用分割目标转动量Rθ使指针4以恒定的变化量朝向目标指示角度40°转动，并且该分割目标转动量Rθ为小于限值SA的变化量。

如上所述，在实施例1中，在为了使指针4朝向目标指示角度DA转动所需的转动量(目标转动变化量RR)超过限值SA时，能够利用在不超过限值SA的范围内被等分的分割目标转动量Rθ使指针4即驱动轴3a以恒定的变化量朝向目标指示角度DA转动，从而能够使指针4顺畅转动。

而且，在驱动轴3a的所需转动量除以限值SA时，在产生“余数”时，作为1个控制周期SS中的驱动轴3a的转动量的分割目标转动量Rθ是比限值SA小的值，只是在未产生“余数”时以限值SA使驱动轴3a转动。因此，相比始终以限值SA使驱动轴3a转动的以往技术，可以减少达到限值SA的输出机会，从而提高防失步性能。

而且，相比在以往技术中说明过的图6所示的比较例，达到目标指示角度DA为止所需的控制周期SS的数量是相同的，能够确保与以往同样的控制响应性。

实施例2

接下来，说明该发明实施方式的实施例2的步进电动机控制装置。另外，由于该实施例2是实施例1的变形例，因此只说明其与实施例1的不同点，省略说明与实施例1同样的结构以及作用效果。

该实施例2在步骤S5实施的限制处理的处理内容与实施例1不同。

图7表示实施例2的限制处理的流程。在步骤S31中，判断目标转动变化量RR(＝|Dx_-1-DA|)是否为限值SA以上，当为限值SA以上时，进入步骤S32，在小于限值SA时，进入步骤S36，执行使指示命令角度Dx＝目标指示角度DA的处理。

另一方面，当目标转动变化量RR为限值SA以上时，进入步骤S32，以下述(2)的式子来执行运算“商”和“余数”的驱动误差算出处理。

|Dx_-1-DA|/W...(2)

在此，W是用于除法所设定的除法用设置值，是小于实施例1所示的限值SA的值，在本实施例1中，是不产生失步的上限值的80％左右的值，具体而言，W＝8°。

然后，在步骤S33中，判断上次指示命令角度Dx_-1是否大于目标指示角度DA，从而判断是使指针转向转动角度的增加侧还是转向转动角度的减少侧，在Dx_-1>DA并转向减少侧时，进入步骤S34，通过下述的式(3)运算指示命令角度Dx，在Dx_-1≦DA并转向转动角度的增加侧时，进入步骤S35，通过下述的式(4)运算指示命令角度Dx。

Dx＝Dx_-1-W-“余数”/“商”...(3)

Dx＝Dx_-1+W+“余数”/“商”...(4)

接下来，参照图8说明实施例2的作用。

该图8所示的例子也是与实施例1同样地举例说明目标指示角度DA以0°→10°→5°→40°变化的情况。

此时，首先，在输入了目标指示角度DA＝10°时，进行步骤S31→S36的处理，在控制周期SS2中，设目标指示角度DA、即限值SA＝10°为指示命令角度Dx，输出在1个控制周期内使驱动轴3a转动10°的驱动信号。

接下来，在控制周期SS3中，在输入了5°为目标指示角度时，也是通过步骤S31→S36的处理，将目标指示角度DA直接用作指示命令角度Dx。

接下来，在控制周期SS4中，在输入了40°为目标指示角度DA时，由于RR超过限值SA，因此进行步骤S31→S32→S32→S33的处理，在该步骤S33中，由于指示角度为增大侧，因此根据步骤S35的处理，进行上述式(3)的运算，从而运算指示命令角度Dx。

此时，Dx_-1＝5，W＝8，另外由于步骤S32的运算、即|5-40|/8的运算的结果是“余数”＝3、“商”＝4，因此指示命令角度Dx＝5+8+3/4＝5+8.75＝13.75。由此，输出将指针4的指示角度设成13.75°的驱动信号。

并且，在接下来的控制周期SS5中，由于Dx_-1＝13.75、|13.75-40|/8的“余数”＝2.25、“商”＝3，因此指示命令角度Dx＝13.75+8+2.25/3＝13.75+8.75＝22.75。

同样在接下来的步骤SS6中，Dx＝22.5+8+1.5/2＝22.5+8.75＝31.25，并且在接下来的控制周期SS7中，Dx＝40。

因而，在控制周期SS4～SS7中，分割目标转动量Rθ＝8.75，输出使驱动轴3a每次转动0.875°的驱动信号。

如上所述，在实施例2中，在达到目标指示角度DA为止的目标转动变化量RR超过限值SA时，也能够利用以未达到限值SA的方式被等分的分割目标转动量Rθ使指针4以恒定的变化量进行转动，可使指针4顺畅地转动。

而且，在驱动轴3a的目标转动变化量RR超过限值SA时，除以比限值SA小的除法用设置值W，在除法用设置值W上加上用“余数”除以“商”得到的值，因此能够减少以限值SA的转动变化量驱动指针的机会，从而能够提高防失步性能。

除此之外，相比在以往技术中说明过的图6所示的比较例，达到目标指示角度DA为止所需的控制周期SS的数量是相同的，能够确保与以往同样的控制响应性。

以上参照附图详细说明了本发明的实施方式以及实施例1、2，但是具体的结构并不限定于该实施方式以及实施例1，不脱离本发明主旨那样程度的设计上的变更也包括在本发明中。

例如，在实施例1、2中，作为步进电动机控制装置，说明了应用于使车辆用的速度显示装置的指针转动的步进电动机的例子，但也可以用于除了速度显示装置之外的显示装置，除此之外只要按照自传感器输入的信号驱动步进电动机，就也可以用于除了显示装置之外的装置中。

另外，在实施例1、2中，设定10ms为控制周期SS，设定1ms为单位驱动周期，但是上述时间可根据控制装置的特性任意设置。

另外，在实施例1、2中，例示了10°限值SA为未超过失步转动界限的范围的值，但总之只要是不会发生失步的转动变化量(未超过失步转动界限)，该限值并不限定于10°。

另外，在实施例2中，示出了“8”为除法用设置值W，但并不限定于此，只要是可以将分割目标转动量Rθ为限值以下的值，就可以使用其它的值。

Claims

1.一种步进电动机控制装置，其特征在于，

具有控制装置，该控制装置执行目标转动角度运算处理、目标转动变化量运算处理和分割目标转动量运算处理，且将每1个控制周期的转动量作为上述分割目标转动量来驱动上述步进电动机；上述目标转动角度运算处理对应于自传感器发送的数据地运算步进电动机的驱动轴的目标转动角度；上述目标转动变化量运算处理运算目标转动变化量、即上述步进电动机的驱动轴的当下的转动角度与上述目标转动角度的差；上述分割目标转动量运算处理以未超过上述步进电动机的失步转动界限的范围的分割目标转动量来等分上述目标转动变化量。

2.一种步进电动机的驱动控制方法，其特征在于，

包括如下步骤：

目标转动角度运算步骤，其对应于自传感器发送的数据而运算步进电动机的驱动轴的目标转动角度；

目标转动变化量运算步骤，其运算目标转动变化量、即上述驱动轴的当下的转动角度与上述目标转动角度的差；

分割目标转动量运算处理，其以未超过上述步进电动机的失步转动界限的范围的分割目标转动量来等分上述目标转动变化量；

驱动步骤，其将每1个控制周期的转动量作为上述分割目标转动量来驱动上述步进电动机。