CN1188539A - 步进电动机式计量仪的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种步进式计量仪的驱动装置。其中,计数电路2求得的被测量,由处理电路3按预定变换周期T变换为指示角信号θi。平滑电路4包含:对处理电路3来的变换周期T输出的指示角数据θi,从前次指示角数据θo求出变化周期T后输出的变化后的指示角数据θ1的差△θ(θ1－θ0),并对比变换周期T短的每一分割周期T/n(n为2以上的整数)依次递加等于△θ/n的角度数据的分割电路11;根据分割电路11输出的每一分割周期T/n的指示角数据θ变换为用于驱动步进电动机式计量仪6的2相驱动信号加以输出的电压存储器12。通过输出电路5变换生成为加给步进电动机中2相励磁线圈的电压信号,该电压信号驱动步进电动机式计量仪6,按对应于表盘7上刻度8的角度指示使安装于驱动轴端部的指针9旋转。

Description

步进电动机式计量仪的驱动装置
技术领域
本发明涉及步进电动机式计量仪的驱动装置，该计量仪可代替可动线圈式或交差线圈式旋转磁铁型等构成的电流计，用作便于数字控制的计量仪装置，根据与诸如车辆运行速度或发动机转速那样的被测量成比例的输入频率信号，进行这些被测量的测量指示。
这类计量仪装置的一般结构是，使固定于计量仪机构的驱动轴端部的指针随输入信号转动，按照与设有指示数字和刻度的表盘对比识读来测定指示计测的被测量，通常用大致等分刻度的线性指示特性进行指示。
尤其是步进电动机，它由梳齿磁轭的齿数及其间距确定磁铁转子的步进动作，为了作平滑转动，需要增加齿数，缩小齿的间距，或者由驱动信号作所谓的微步驱动，并根据使用条件所容许的步进电动机主体的大小和包含驱动电路在内的费用来选择这些形态。
这样的步进电动机，不管其用途如何总是希望其小型化，所谓PM型步进电动机由于结构简单，故通过对转子磁铁及梳齿进行改进，使用变得方便。
对于处理电路的数字化(由微型计算机控制)而言，进行脉冲信号控制的上述步进电动机，作为进行由指针与表盘刻度对比读取的指示计量仪的机构也受到重视，例可用于汽车的运行速度计及发动机转速计，通过检测信号的A/D处理，还可用于燃料计及温度计，而且如特开昭61-129575号，特开平1-223312号等所揭示，有种种面向实用化的方案。
但是，在这类计量仪器中；通常是同时使用如所述速度计及转速计等多个指示计量仪，在对每个这样的计量仪备有处理电路的情况下，因涉及制作成本，需要尽可能使用价廉的电路元器件，一直不得不进行相应的运算处理速度慢的指示控制。
随着信号处理的数字化，计量仪独立并行处理的控制方式不断演变成如微型计算机(下面简称为“微机”)那样由数字处理电路进行时分处理，并且由于根据各计量仪所指示的计测对象的响应性能来分配运算处理周期(对速度计及转速计分配的周期短，对燃料计及温度计分配的周期长)进行驱动的指示计量仪日益增多，越发需要运算处理速度高的处理电路。
然而，因制品成本关系而不能使用高价处理电路时，或分时驱动多个指示计量仪时，分配给一个指示计量仪的运算处理周期的缩短会达极限，例如，倘若对于像发动机转速那样激剧变化的被测量，使指针平滑转动所需驱动更新周期设定为10毫秒，而分配给处理电路的运算处理周期的极限只有20毫秒，则对被测量的变化指针只能是间断动作，不能获得指示计量仪的平滑指示特性。
尤其是，步进电动机，其对应于梳齿磁轭中齿距的步进动作是基本动作，故能通过对驱动信号波形进行校正来获得平滑性，但在相对于被测量变化测定数据更新周期大的情况下，输入步进电动机本身的驱动信号变化也大，当被测量变化快时，这种指针的间歇动作因指针动作快而不是那么醒目，相反，在被测量变化慢时，由于步进电动机自身良好的响应性，这种数据大的变化立即会看到构成指针的间歇动作，因此，存在不能获得指示计量仪的平滑指示特性的问题。
本发明的目的在于做到在处理电路运算处理测定数据将其变换为指示角信号的变换处理能力，即变换处理周期，不能为步进电动机相对于被测量变化能平滑动作而取得足够短的情况下，也能使平滑驱动达到视觉难以察觉的程度。
本发明技术方案
本发明是一种计量仪装置，具有按对应于被测量的数字信号驱动步进电动机的驱动电路，并借助安装于该步进电动机驱动轴端的指针指示对应于所述被测量的表盘刻度来表达所述被测量，其特征在于，备有：处理电路，该处理电路输入对应于所述被测量的数字信号，并按预定周期变换为指示角信号；平滑电路，该平滑电路对所述处理电路变换周期输出的前后连续的指示角信号求其差，并按比所述处理电路变换周期短的分割周期用等于该分割数的整数部分除所述差，在下一后续变换周期中按每一所述分割周期，以作为所述除算结果的各分割指示角份额逐一改变指示角信号。
本发明的特征在于备有：处理电路，该处理电路输入对应于所述被测量的数字信号，并按预定周期变换为指示角信号θ；平滑电路，该平滑电路求出所述处理电路变换周期输出的最新指示角信号θi相对于前次指示角信号θh的差Δθ，并在等于所述处理电路周期的1/n(n为2以上的整数)的每一短周期，依次将等于Δθ/n的指示角加到前次指示角信号θh上使之变化。
本发明的特征在于，所述处理电路在结构上使得生成用于驱动包括其它指示计量仪的多个指示计量仪的指示信号，并利用分时处理生成输出到各指示计量仪的指示信号，所述变换周期大于所述分时处理所分配的可处理时间。
本发明的特征在于，所述多个指示计量仪全部为步进电动机式计量仪。
本发明的特征在于，按比所述变换周期短的短周期分别改变指示角的更新处理，从大致与所述变换周期同步的时间点或从该时间点经一个所述短周期后的时间点开始。
本发明的特征在于，备有：处理电路，该处理电路输入对应于所述被测量的数字信号，并按预定周期T变换为指示角信号θ；平滑电路，该平滑电路求出所述处理电路变换周期T输出的最新指示角信号θi相对于指示前次指示角信号θh的差Δθ，并在等于所述处理电路周期T的1/n(n为2以上的整数)的每个短周期T/n，依次将等于Δθ/n的指示角加到前次指示角信号θh上使之变化，所述短周期T/n为8毫米以下。
附图概说
图1为表示本发明一实施例的电路框图；图2为表示本发明步进电动机一驱动信号波形例的驱动波形图；图3为说明本发明驱动波形的步进周期的步进分割波形图。
实施本发明的最佳形态
图1表示本发明的基本结构，以车辆用速度计为例说明，与作为被测量的运行速度成比例的频率信号从输入端1输入，在计数电路2中检测输入信号的上升沿或下降沿并按预定的选通时间对其进行计数(选通时间方式)或以别的高频时钟信号作为输入信号进行计数(周期测定方式)，算出时刻变化的运行速度作为数字数据D。
在所述计数电路2中求得的被测量，在处理电路3中按预定变换周期T变换为指示角信号θi，通过平滑电路4在每个比所述变换周期T短的分割周期T/n(n为2以上的整数)分别变化等于前后连续的变换指示角信号θi的角度差的1/n角度，并经完成电压变换等的输出电路5(在用平滑电路4输出可驱动情况下，电路5省略)驱动步进电动机式计量仪6，按照对应于表盘7的刻度8的角度指示转动安装于驱动轴端的指针9。
所述各电路作为驱动电路对输入信号进行适当处理并驱动步进电动机式计量仪6，处理电路3(包括计数电路2)可用微机构成，能任意设定计量仪指示特性以指示运行速度，它备有存储对应于计数后的所述数字数据D的指示角数据(指示角信号)的存储器(ROM)10，按预定变换周期写入所述数字数据D，并读出对应于该数据D存储地址的指示角信号θi。
该处理电路3，在对这里说明的驱动像运行速度计之类的单一指示计量仪使用处理速度慢的低价IC情况下，或在按时分法同时驱动未图示的其它诸如发动机转速计、燃料计、温度计、油压计、电压计(这些指示计量仪可全部为步进电动机式计量仪，或者可与交差线圈式计量仪或可动线圈式计量仪等其它驱动方式的计量仪装置组合应用)等情况下，其处理能力不能满足使分配给运行速度计的处理周期获得平滑响应的性能。
处理电路3中存储器10所存储的指示角数据θi具有对应于被测量所对应数字数据D的从最小至最大的全指示区获得所需分辨率用的数据，例如，对指示角0度(最小)至360度(最大)存储有0.5度单位的指示角数据θi，并对应于数字数据D，以预定变换周期T读出所存储的指示角数据θi。
平滑电路4由分割电路11和电压存储器12构成。所述分割电路11对处理电路3来的以变换周期T输出的指示角数据θi求取前次指示角数据θo与变换周期T后输出的已变化的指示角数据θ1的差，即前后连续的指示角数据的角度差Δθ(θ1-θ0)，在每一个比变换周期T短的分割周期T/n(n为2以上的整数)，依次加上等于Δθ/n的角度数据。所述电压存储器12根据分割电路11输出的每一分割周期T/n的指示角数据θ，变换为2相驱动信号用以驱动步进电动机式计量仪6。再通过输出电路5变换为电压信号加给步进电动机的2相励磁线圈，所述电压信号的例子如图2所示。
驱动步进电动机的信号波形可按照该电动机梳齿磁轭的齿数及齿距任意设定2相信号，对应于360度的全部指示角度的整个驱动波形数据可预先存储在电压存储器12中，但这里，作为步进电动机式计量仪6的步进电动机驱动信号，按照减轻存储容量的方式构成，即将360度的1/6的60度部分的电压数据存储在电压存储器12中，然后将该数据展开用于各角度区。
也即，相对于步进电动机式计量仪指针9(连接的磁铁转子)的转动角360度加给2相励磁线圈A、B的驱动信号的电压波形，如图2所示，在60度角度内大致呈SIN、COS波形变化，然后用该电压波形在各60度的全部角度区域a-f中展开。该展开处理只要根据对应于数字数据D指示区的指示角数据θ进行判定即可，而且电压存储器12中存储着将60度分割为512份的分辨率的驱动电压数据V(从对应于0度的θo至对应于60度的θ60以60/512度的角度差存储数据)，对应于数字数据D读出该电压数据V，并对指示角区域b～f的数字数据D判定各指示区，同时从电压存储器12读出所述判定区内的电压数据V，与该判定区组合，即可求出指示计量仪的指示位置。
对上述情况而言，如果步进电动机其梳齿磁轭的齿在图2各指示区中至少配置一组，则磁铁转子的磁极位置只是移动到该区域内的励磁位置，故驱动信号在各指示区中不会不同，只要根据数字数据D，通过对指示区的判定，从电压存储器12读出要读出的电压数据V即可。例如，若数字数据D对应于指示角150度，则指示区判定为C，从电压存储器12读出该区域内对应于30度的数据，由此形成图2所示驱动信号。
这里，图2所示驱动波形是一种通过所谓微步驱动，使由步进电动机梳齿磁轭的梳齿齿距决定的机械步进动作获得平滑动作用的典型近似波形，实际上SIN，COS波形形成数字化的微细阶梯波形，该微步的间距按照指示计量仪要指示的被测量的变化速度(即指针的角速度)和处理电路的处理能力来设定。
本申请人根据上述基本结构制作了具体的指示计量仪并对特性进行了试验，而且作为用于上述步进电动机式计量仪6的计量仪机构的步进电动机主体，采用公知的PM型结构，该结构就是将用以给2相驱动波形通电的励磁线圈卷绕在层合的两树脂制线圈架上，各线圈架上下叠有梳齿磁轭，并将磁铁转子旋转自如地轴支承在该线圈架层合体的中空部。
各梳齿磁轭上形成6个梳齿，将它们对着各相，位置取齐，整个一周排列有24个梳齿，具有15度的机械步距，图2所示指示区a～f中各60度的角度范围有4个梳齿相对应。
处理电路3用微机进行分时驱动，能同时驱动处理其它指示计量仪和告警显示等。这里分配给运行速度计的变换周期T设定为16毫秒，以观测数字数据D按种种角速度变化时指针9的动作。
此时可通过改变n步进式地对平滑电路4中分割电路11的分割周期T/n进行设定，在这种设定后的分割周期T/n下使角速度变化，即使数字数据D(即运行速度)的变化缓慢时，也只要指针9充分平滑转动，就选定了辨识容许值。
指针9转动的平滑度也会随辨识者的感觉而异，本申请人在判定视觉上的平滑度的同时，经试验用各种角速度使指针9旋转，根据相对于按指针9旋转速度变化率(例如，可用指针轴上安装光学式旋转编码器计测指针角速度变化的方法获得)观察旋转指示特性的多个角速度轴的数据特性波形，选定了变化比较均匀的分割周期。
实际上，将变换周期T设定为16毫秒，同时在10度/秒至1080度/秒范围内以低速10度/秒为单位、高速区100度/秒为单位使角速度ω变化，在该条件下从16毫秒起，1毫秒为单位设定比16ms短的周期，确认指针9的旋转平滑性。
其结果，在整个角速度范围内平滑性在视觉上良好，在旋转速度变化率的特性数据方面也比较均匀的周期为8毫秒以下，而呈现特性数据方面很均匀，且视觉上不存在辨识者偏差的稳定平滑性的周期为4毫秒以下。
因此，为实施本发明适宜的分割周期T/n，在变换周期T设定为16毫秒情况下，在视觉上或旋转速度变化率方面，用等于该变换周期1/2的8毫秒，能获得作为指示计量仪的较可容许的指示特性，通过反复确认这种特性，判明作为指针9旋转平滑性良好的分割周期应为8毫秒以下，最好为4毫秒以下。变换周期T例如为20毫秒时，判明分割周期T/n取接近于8毫秒的10毫秒(n＝2)为界，设定为5毫秒(n＝4)，变换周期T为15毫秒时，判明设定为5毫秒(n＝3)，均能获得指针9的平滑旋转指示。
图3为对变换周期T(16毫秒)，n取4设定了分割周期T/n(4毫秒)情况下的指示角数据θ的变化特性。对于按存储器10中数据表将对应于运行速度的数字数据D进行变换的处理电路3中可能分配给运行速度计的变换周期为16毫秒的变化，以4毫秒的分割周期更新数据。该16毫秒变换周期中指示角数据的变化，即前后连续的指示角数据的差Δθ，若为2度，则每一4毫秒分割周期中相加更新的数据为2度/4＝0.5度。如图所示，相对于从T0时间点的指示角数据θ0至变换周期后T1时间点的指示角数据θ1的2度变化差，在T1时间点求其变化，从该变换周期T1之后4毫秒的第一分割周期经历时间点起每步0.5度阶梯状上升更新，T2以后按同样处理跟踪变化。
0.5度的相加更新，时间定在图3所示变换周期T1后经过4毫秒的第一分割周期时间点，此外，若变换周期T1后的处理瞬时进行，也可从与该变换周期T1大致同步的时间点开始。
此时每16毫秒变化2度的是指指针9的旋转角，若运行速度计在其表盘7的刻度8上将240度设定为180Km/h，则这里指示角数据2度/16毫秒的变化等于16毫秒变化1.5Km/h(180/240*2)，这相当于1秒间速度上升94Km/h，在实际运行中不会有这种变化，这种数值设定是为了使上述分割周期T/n产生的图3所示分割效果的说明便于了解。
现实中，一般运行的运行速度变化，即使在急加速或急减速情况下也不会达到上述程度的角速度，但对发动机转速计而言，由于变化非常快，有可能达到16毫秒2度，即1秒内计量仪表盘指示角达125度以上，作这种变化时，也能够以分别为0.5度的4毫秒周期取得步进角度较细腻的旋转指示。
此时，以0.5度这样的分割周期转动虽然数字上步进角不小，但由于角速度快，以4毫秒周期动作，故确认为视觉上平滑的动作，而即使角速度慢如在一般加速运行中，1秒速度上升10Km/h时，也能获得以240度*10/180约为13度/秒，也即4毫秒周期中0.05度的微小步进动作。
本实施例中存储数据的分辨率为60/512度，即0.117度单位的数据，故实际上不能表达4毫秒周期可能出现的0.05度步进动作，而为8毫米以上周期中0.117度的步进动作，但能获得至少以基本数据分辨率为单位的步进动作，在视觉上不存在什么问题。再者，如果具有将这种基本分辨率细化后的分辨率(例如60/1200度以上)以存储数据，也能获得4毫秒0.05度的步进动作，借助视觉上基本看不出的步进动作能获得极其平滑的指示特性。因此，就这种角度平滑性而言，作为数据更新周期，显然证实8毫秒以下其特性仍然视觉上可容许，这是能确保指示计量仪所用角速度范围内平滑性良好的分割周期。
在上述驱动装置中可用微机构成处理电路，用运算程序对计量仪的驱动进行各种控制，而且作为平滑电路，可用半导体门电路组合构成，特别是在用所述微机进行多负荷控制时，能得到有效利用。
如上所述，按照本发明的步进电动机式计量仪的驱动装置，驿输入计测量数据的处理电路以变换周期T输出的指示角数据θi，求出前次指示角数据θo与变换周期T后输出的变化了的指示角数据θ1的差值，即前后连接的指示角数据的角度差Δθ(θ1-θ0)，并生成由在每一比变换周期T短的分割周期T/n(n为2以上的整数)依次递加等于Δθ/n的角度数据的平滑电路分割的细微步进状态的电压信号。
因此，虽用处理电路中的变换周期T不能获得平滑动作，但能用分割周期T/n获得平滑的指示特性，尤其是分割周期在8毫秒以下，最佳在4毫秒以下，能获得指示特性在视觉上自然平滑的步进电动机式计量仪。
因此，在涉及制品费用而不能使用高价处理电路的情况下，或者在分时驱动多个指示计量仪时缩短分配给一个指示计量仪的运算处理周期受到限制的情况下，甚至在例如对使指针对应于像发动机转速那样激烈变化的被测量进行平滑旋转所需的驱动更新周期，处理电路中运算处理周期的分配不能进行跟踪，而指针对被测量只能作间断动作的情况下，通过以平滑电路的分割周期进行驱动，能获得指示计量仪的平滑指示特性。
工业上的可应用性
如上所述，本发明适用于将物理计测量作为电信号输入后，指针在表盘上指示相应刻度用的、目的在于实现薄型化的指示计量仪中的电气机件。

Claims (6)

1.一种步进电动机式计量仪的驱动装置，所述计量仪具有按对应于被测量的数字信号驱动所述步进电动机的驱动电路，并借助安装于该步进电动机驱动轴端的指针指示对应于所述被测量的表盘刻度来表达所述被测量，其特征在于，所述驱动装置备有：处理电路，该处理电路输入对应于所述被测量的数字信号，并按预定周期变换为指示角信号；平滑电路，该平滑电路对所述处理电路变换周期输出的前后连续的指示角信号求其差，并按比所述处理电路变换周期短的分割周期用等于其分割数的整数部分除所述差，在下一后续变换周期中按每一所述分割周期，以所述除算结果的各分割指示角份额逐一改变指示角信号。
2.一种步进电动机式计量仪的驱动装置，所述计量仪具有按对应于被测量的数字信号驱动所述步进电动机的驱动电路，并借助安装于该步进电动机驱动轴端的指针指示对应于所述被测量的表盘刻度来表达所述被测量，其特征在于，所述驱动装置备有：处理电路，该处理电路输入对应于所述被测量的数字信号D，并按预定周期变换为指示角信号θ；平滑电路，该平滑电路求出所述处理电路变换周期输出的最新指示角信号θi相对于前次指示角信号θh的差Δθ，并在等于所述处理电路周期的1/n(n为2以上的整数)的每一短周期，依次将等于Δθ/n的指示角加到前次指示角信号θh上使之变化。
3.如权利要求1或2所述的步进电动机式计量仪的驱动装置，其特征在于，所述处理电路在结构上使得生成用于驱动包括其它指示计量仪的多个指示计量仪的指示信号，并利用分时处理生成输出到各指示计量仪的指示信号；所述变换周期大于所述分时处理所分配的可处理时间。
4.如权利要求3所述的步进电动机式计量仪的驱动装置，其特征在于，所述多个指示计量仪全部为步进电动机式计量仪。
5.如权利要求1或2所述的步进电动机式计量仪的驱动装置，其特征在于，按比所述变换周期短的短周期分别改变指示角的更新处理，从大致与所述变换周期同步的时间点或从该时间点经一个所述短周期后的时间点开始。
6.一种步进电动机式计量仪的驱动装置，所述计量仪具有按对应于被测量的数字信号驱动所述步进电动机的驱动电路，并借助安装于该步进电动机驱动轴端的指针指示对应于所述被测量的表盘刻度来表达所述被测量，其特征在于，所述驱动装置备有：处理电路，该处理电路输入对应于所述被测量的数字信号，并按预定周期T变换为指示角信号θ；平滑电路，该平滑电路求出所述处理电路变换周期T输出的最新指示角信号θi相对于前次角信号θh的差Δθ，并在等于所述处理电路周期T的1/n(n2以上的整数)的每个短周期T/n，依次将等于Δθ/n的指示角加到前次指示角信号θh上使之变化，所述短周期T/n为8毫米以下。
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