JP2013509150A - ステッパモータコントローラ - Google Patents

Abstract

複数のステッパモータを、単一のマイクロコントローラ出力セットで制御する方法では、デマルチプレクサを使用して、単一のマイクロコントローラ出力セットを分離して、複数のステッパモータに対応する個別制御信号群を生成する。

Description

本願は、１つよりも多くのステッパモータを、単一セットのマイクロコントローラ出力を使用して制御する方法及び装置に関するものである。

精密な回動が要求される最新の機械用途では、ステッパモータを使用することが知られている。ステッパモータは、モータのシャフトを、正パルスが当該モータの入力側に入力されるたびに正確な角度で回動させることにより、そして当該シャフトを、負パルスが入力されるたびに等しい角度だけ、反対方向に回動させることにより作動する。これらの部分的回動の各々を、「ｓｔｅｐ（ステップ）」と称する。ステッパモータは、要求精度によって異なるが、１回動当たり異なる数のステップを有することができる。

ステッパモータは、高精度を必要とするとともに、高いトルク値を必要としない用途に理想的である。これらの基準を満たす代表的な用途が、車両内の燃料計または冷却水温計のような計器である。これらの場合、及び同様の場合では、読み取り値が正確であることが望ましく、かつコントローラからの指示群が、これらの指示が送信されるたびに正確に、かつ同じに解釈されて、正確なフィードバックをオペレータに対して行なうことが望ましい。

標準モータではなく、ステッパモータを使用する１つの不具合は、ステッパモータの制御方式が標準モータの制御方式よりも複雑であり、かつコントローラからより多くの制御信号を必要とするということである。更に、ステッパモータ制御信号がパルス性を有するので、パルス幅変調器は通常、正確なステッパモータ制御を行なう必要がある。

実際的なルールとして、全てのシステムは、これらのシステムが単一のマイクロコントローラを用いて制御することができるステッパモータの数に関して、物理的限界を有する。通常、この限界は、当該システムに関して選択されるマイクロコントローラ設計における出力ピンの数により定義される。例えば、マイクロコントローラ設計に８個の出力ピンを盛り込む場合、当該マイクロコントローラは通常、最大２個のステッパモータを、閉ループ制御方式を使用して制御することができる。複数のステッパモータを所定のシステム内で使用する場合、必要数のステッパモータ制御入力が、可能なマイクロコントローラ出力よりも多くなる場合が多い。この技術分野では、単一のマイクロコントローラが十分な数の出力ピンを提供することができない場合に、付加的なマイクロコントローラを導入することが知られている。

通常のステッパモータは、当該ステッパモータが開ループで制御される場合に２つのマイクロコントローラ出力を利用する、または当該ステッパモータが閉ループで制御される場合に４つのマイクロコントローラ出力を利用する。閉ループ制御方式では、４つのピンのうちの２つのピンがパルス信号に利用され、そして４つのピンのうちの２つのピンがフィードバック制御に使用される。十分な数のステッパモータを使用して複数のマイクロコントローラを必要とする機器が、この技術分野では広く用いられている。

特定の機器に含まれるマイクロコントローラの数を最小限に抑えることが望ましいが、現在のシステムは、マイクロコントローラの数を減らすと同時に、必要なステッパモータ群を適切に制御する手段を有していない。

発明の概要
ここで開示するのは、複数のステッパモータを、単一セットのマイクロコントローラ出力ピンを使用して制御する装置及び方法である。当該マイクロコントローラは、多重化制御信号を出力し、次に、当該多重化制御信号が、デマルチプレクサで逆多重化される。当該デマルチプレクサは、各ステッパモータに対応するステッパモータ制御信号を出力し、そしてこれらのステッパモータ制御信号を、これらのステッパモータに送信する。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、以下の明細書及び図面から最も良く理解することができ、以下は図面の簡単な説明である。

複数の計器が単一セットのマイクロコントローラ出力で制御される構成の例示的な計器盤を示す図 複数のステッパモータを単一セットのマイクロコントローラ出力で制御する装置を示す図 複数のステッパモータを単一セットのマイクロコントローラ出力で制御する装置を示す図 複数のステッパモータを単一セットのマイクロコントローラ出力で制御する例示的な方法を示すフローチャート 複数のステッパモータを単一セットのマイクロコントローラ出力で制御する別の例示的な方法を示すフローチャート パルス幅変調器を使用する例示的な方法を示すフローチャート

発明を実施するための形態
車両計器盤には多くの場合、燃料残量計、油温計、速度計、タコメータなどのように、個別の読み出し情報を有する複数の計器が搭載される。通常、これらの計器の各々はステッパモータを含んでおり、このステッパモータは、１セットのマイクロコントローラ出力により制御される。図１は、マイクロコントローラ１００からの単一セットのマイクロコントローラ出力１１０を使用して複数の計器１２，１４，１６を制御する本願による例示的な車両計器盤２０を示している。図２の単一セットのマイクロコントローラ出力１１０は、デマルチプレクサ１０２において個々の制御信号に分離され、このデマルチプレクサ１０２が次に、制御信号１１４，１１６，及び１１７を、これらの計器１２，１４，１６の各々に送信する。図１のこれらの計器１２，１４，１６の各々は、ステッパモータ１０４，１０６，１０８を含んでおり（図２参照）、このステッパモータを使用して指針を回動させる。図１，２，及び３の例示的な実施形態では、第１ステッパモータ１０４が第１計器１２の部品であり、第２ステッパモータ１０６が第２計器１４の部品であり、そして第３ステッパモータ１０８が第３計器１６の部品である。

ステッパモータで駆動される計器を使用する計器盤として、上記とは別の設計が可能であり、当該別の設計も本願の開示に包含されることを認識されたい。本明細書において記載される方法は、燃料計、油温計、または他の同様の計器のように、指針が極めて頻繁に動くということがない用途（すなわち、頻繁な更新を必要としない計器）に好適である。

通常のステッパモータを制御するために、マイクロコントローラは、パルス幅変調制御信号を出力するか、または制御信号を、当該制御信号が当該信号の送信先に到達する前にパルス幅変調器を通過させる必要がある。一旦、当該信号がパルス幅変調されると、当該信号を使用して単一のステッパモータを、調整を更に行なうことなく、高精度に制御することができる。複数のステッパモータを別個に制御するためには、付加的な制御信号が通常、必要になる。これまで、付加的な制御信号が必要であるということは、更に多くのマイクロコントローラ出力が、従って更に多くのマイクロコントローラが、更に必要になることを意味していた。図２に示す例示的な方法では、複数のステッパモータは、マイクロコントローラから出力される単一セットの制御信号を使用して制御される。

図２は、複数のステッパモータを、単一セットのマイクロコントローラ出力で制御する機器を示し、当該機器は、多重化制御信号１１０及びデマルチプレクサ制御信号１１２を初期出力するマイクロコントローラ１００を含む。図２の多重化制御信号１１０はパルス幅変調される。デマルチプレクサ１０２は、多重化制御信号１１０を当該デマルチプレクサ１０２の１次側入力側で受信し、そしてデマルチプレクサ制御信号１１２を制御入力側で受信する。デマルチプレクサ１０２は、デマルチプレクサ制御信号１１２内の情報を利用して、制御信号１１０を逆多重化する。一旦、制御信号１１０が逆多重化されると、デマルチプレクサ１０２は、制御信号１１４，１１６，１１７を指定されたステッパモータ１０４，１０６，１０８に出力する。別の構成として、デマルチプレクサ制御信号１１２を省略することができ、そしてデマルチプレクサ１０２は、内部プログラミングを使用して逆多重化操作を実行することができる。

図３は、複数のステッパモータを、単一セットのマイクロコントローラ出力で制御する別の例示的な機器を示している。図３の例は、多重化制御信号１１０だけでなくデマルチプレクサ制御信号１１２を初期出力するマイクロコントローラ１００を含む。多重化制御信号１１０はパルス幅変調器１２２に送信され、このパルス幅変調器１２２では、当該制御信号１１０が、パルス幅変調信号１２０に変換される。当該パルス幅変調信号を利用してステッパモータ１０４，１０６，１０８を制御する。次に、当該パルス幅変調信号１２０をデマルチプレクサ１０２が受信する。デマルチプレクサ１０２は更に、デマルチプレクサ制御信号１１２を受信する。一旦、両方の信号１２０，１１２がデマルチプレクサ１０２によって受信されてしまうと、当該機器は、図２の機器と同じ態様で動作する。

図示の例は、単一セットのマイクロコントローラ出力を使用して制御されている３つのステッパモータ１０４，１０６，１０８を含むが、どのような数のステッパモータでも、同じようにして制御することができる。複数の被制御ステッパモータ１０４，１０６，１０８を使用して、どのような数の機器でも、公知の方法に従って制御することができる。図２及び３に示すシステムのようなシステムの１つの用途は、（燃料計のような）車両内の複数の計器の指針を制御すると同時に、単一のマイクロコントローラを利用することによりコストを最小限に抑えることである。

単一セットのマイクロコントローラ信号１１０を用いた複数のステッパモータ１０４，１０６，１０８に対する制御は、この技術分野で多重化として知られている方法を利用して行なうことができる。ここで「多重化」とは、複数の信号を組み合わせて単一のデータストリームにすることを指している。これは通常、受信端における逆多重化操作と連動して実施され、この受信端では、単一のデータストリームを分割して複数の信号とする。信号グループを、個々に出力して次に、マルチプレクサ素子で組み合わせるか、またはコントローラから単一の多重化信号として出力するかのいずれかとすることができる。多重化を実施する１つの方法を図４に示し、そして多重化を実施する第２の方法を図５に示す。

図４の方法は、複数のステッパモータ１０４，１０６，１０８に関する制御情報を含む１セットの多重化制御信号１１０を、単一セットの出力ピンからデマルチプレクサ１０２に初期出力する（ステップ１５０）ことから始まる。次に、デマルチプレクサ１０２は当該信号１１０を、制御信号１１０に載せた情報を分離して複数の個別制御信号を生成することにより逆多重化する（ステップ１６０）。一旦、制御信号１１０が逆多重化されてしまうと、デマルチプレクサ１０２は固有制御信号１１４，１１６，１１７を、各ステッパモータに対応して生成し（ステップ１７０）、そして当該固有制御信号１１４，１１６，１１７を対応するステッパモータ１０４，１０６，１０８に送信する（ステップ１８０）。

次に、デマルチプレクサ１０２は、いずれのステッパモータ制御信号１１４，１１６，１１７に１つの周期を適用するのかを決定し、そしてマイクロコントローラ１００から当該周期内に受信する全ての制御信号１１０を、指定されたステッパモータ１０４，１０６，１０８に送信する。図２の例示的な方法は、３周期のシーケンスを使用して動作し、この場合、マイクロコントローラ１００は、第１ステッパモータ１０４に対応する制御信号を含む多重化制御信号１１０を第１周期中に出力し、第２ステッパモータ１０６に対応する制御信号を含む多重化制御信号１１０を第２周期中に出力し、そして第３ステッパモータ１０８に対応する制御信号を含む多重化制御信号１１０を第３周期中に出力する。使用される当該期間は、所望の用途に適合するいずれの期間としてもよい。用いる当該周期は、所望の用途に適合するいずれの周期とすることもできる。次に、当該シーケンスを繰り返すことにより、３つのステッパモータ１０４，１０６，１０８を単一セットのマイクロコントローラ出力ピンで継続的に制御することができる。

一旦、１つの周期に対応するステッパモータ１０４，１０６，１０８が決定されてしまうと、デマルチプレクサ１０２は、個別制御信号１１４，１１６，１１７を、対応するステッパモータ１０４，１０６，１０８に接続される出力側からのみ出力する。このようにして、図４の例示的な方法では、当該シーケンスが繰り返されるたびに、各ステッパモータ１０４，１０６，１０８を更新値で、当該ステッパモータに関して設定された周期中に制御する。

別の例示的な方法では、上に説明した実施形態の所定の周期ではなく、デマルチプレクサ制御信号１１２を使用し、そして当該方法は図５に示される。図５の方法では、マイクロコントローラ１００は、デマルチプレクサ制御信号１１２を、ステッパモータ制御信号１１０（ステップ２２０）と同時に出力する（ステップ２１０）。デマルチプレクサ制御信号１１２は、デマルチプレクサ１０２に対する指示群を含み、これらの指示によってデマルチプレクサ１０２は、どのステッパモータ１０４，１０６，１０８に、マイクロコントローラ１００から受信するステッパモータ制御信号１１０の一部が対応しているのかを判断することができる。次に、デマルチプレクサ１０２は、制御信号１１０を逆多重化し（ステップ２３０）、そして個別制御信号１１４，１１６，１１７を、各ステッパモータ１０４，１０６，１０８に対応して生成する（ステップ２４０）。一旦、制御信号１１４，１１６，１１７が生成されてしまうと、デマルチプレクサ１０２は、対応する制御信号１１４，１１６，１１７を、ステッパモータ１０４，１０６，１０８の各々に送信する（ステップ２５０）。

図５の例示的な方法では、デマルチプレクサ１０２に指示することにより、（図４の例示的な方法におけるように）同じ制御指示を多重化信号に載せて複数回送信するのではなく、多重化信号１１０の一部を複数のステッパモータ１０４，１０６，１０８に同時に送信させることができる。例えば、マイクロコントローラ１００がステッパモータ１０４及び１０２を１ステップだけ回動させる必要がある場合、当該マイクロコントローラ１００は、指示を１回だけ送信し、そしてデマルチプレクサ制御信号１１２で、当該指示を両方のステッパモータ１０２，１０４に送信する必要があることを通知することができる。これにより、より速い応答時間、及びより効率的な制御という利点をもたらすことができる。図４及び５の例示的な方法では、パルス幅変調信号１１０を出力するマイクロコントローラ１００を利用する。

信号を逆多重化する２つの方法について上に説明しているが、信号を逆多重化する他の公知の方法は、本発明の範囲内である。

マイクロコントローラ１００がパルス幅変調ステッパモータ制御信号１２０を出力することがなく、かつこれらのステッパモータがパルス幅変調制御信号を必要とする構成のシステムでは、付加的なパルス幅変調ステップが、マイクロコントローラ出力側とデマルチプレクサ入力側との間で行なわれる。図６を参照するに、別の例示的な方法では、パルス幅変調ステップ（ステップ３１０）を行なうことができ、このパルス幅変調ステップでは、マイクロコントローラ出力１１０をパルス幅変調ステッパモータ制御信号１２０に、何らかの公知の方法を使用して変換する。従って、パルス幅変調ステッパモータ制御信号１２０をステッパモータ１０４，１０６，１０８に正しく認識させることができる。

本発明の複数の実施形態を開示してきたが、この技術分野の当業者であれば、特定の変更が本発明の範囲に含まれることを理解できるであろう。このような理由から、以下の請求項は、本発明の真の範囲及び内容を確認するためのものである。

Claims (20)

1. 複数のステッパモータを制御する方法であって、
   単一セットのマイクロコントローラ出力から発生する多重化信号を受信するステップと、
   前記多重化制御信号を逆多重化するステップと、
   複数のステッパモータに対応する複数のステッパモータ制御信号を前記逆多重化信号から導出するステップと、
   前記複数のステッパモータ制御信号の各々を、対応するステッパモータに送信するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記マイクロコントローラから発生するデマルチプレクサ制御信号を受信する付加的なステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記多重化制御信号を逆多重化する前記ステップは更に、前記デマルチプレクサ制御信号に含まれる情報を利用して前記多重化信号を逆多重化するステップを含む、請求項２記載の方法。
4. 前記多重化信号はパルス幅変調信号を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記多重化信号は、多重化信号を受信する前記ステップの前に、パルス幅変調器を通過する、請求項１記載の方法。
6. 前記複数のステッパモータ制御信号は、少なくとも２つの異なるステッパモータ制御信号を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記複数のステッパモータ制御信号の各々を送信する前記ステップは、１つの異なるステッパモータ制御信号を、前記複数のステッパモータの各々に送信するステップを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記複数のステッパモータの各々は、車両内の少なくとも１つの計器を制御する、請求項１記載の方法。
9. 複数のステッパモータを制御する装置であって、
   マイクロコントローラと、
   前記マイクロコントローラの単一セットのマイクロコントローラ出力ピンに通信可能に接続され、かつ複数のステッパモータに通信可能に接続されるデマルチプレクサと、
   を備える、装置。
10. 更に、前記マイクロコントローラとデマルチプレクサ入力側との間に位置するパルス幅変調器を備える、請求項９記載の装置。
11. 前記マイクロコントローラはデマルチプレクサ制御出力側を備え、前記デマルチプレクサはデマルチプレクサ制御入力側を備える、請求項９記載の装置。
12. 更に、制御信号接続を前記デマルチプレクサ制御出力側と前記デマルチプレクサ制御入力側との間に含む、請求項１１記載の装置。
13. 前記デマルチプレクサは、前記複数のステッパモータの数と少なくとも等しい数の出力側を備える、請求項９記載の装置。
14. 前記複数のステッパモータは、計器を制御する少なくとも１つのステッパモータを含む、請求項９記載の装置。
15. 前記複数のステッパモータの各々は、１つの計器に接続される、請求項９記載の装置。
16. マイクロコントローラと、
    前記マイクロコントローラの単一セットのマイクロコントローラ出力ピンに通信可能に接続され、かつ複数の計器に通信可能に接続されるデマルチプレクサと、を備え、
    前記複数の計器の各々は、少なくとも１つのステッパモータを備え、
    前記ステッパモータ群の各ステッパモータを、前記マイクロコントローラによって制御することができる、
    計器集合盤。
17. 更に、前記マイクロコントローラとデマルチプレクサ入力側との間に位置するパルス幅変調器を備える、請求項１６記載の計器集合盤。
18. 前記マイクロコントローラはデマルチプレクサ制御出力側を備え、前記デマルチプレクサはデマルチプレクサ制御入力側を備える、請求項１６記載の計器集合盤。
19. 前記デマルチプレクサは、前記複数の計器の数と少なくとも等しい数の出力を備える、請求項１８記載の計器集合盤。
20. 更に、制御信号接続を前記デマルチプレクサ制御出力側と前記デマルチプレクサ制御入力側との間に含む、請求項１６記載の計器集合盤。

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