JP4063872B2 - ステップモータの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は請求の範囲１の上位概念によるステップモータの制御方法に関する。
論文“Der Schrittmotor und seine Schrittdauer”，Feinwerktechnik und Messtechnik 99(1991)7-8，第327-332頁，Klaus Mayer著述から、モータ軸上に配置された永久磁石ロータを有するステップモータが公知であり、前記永久磁石ロータは、２つのコイル系の回転磁界内で回転する。上記のモータの制御のためコイルは、交互に電流通電される。電流通電パターンに従って、ロータは、所定の安定した位置におかれる。そのような１つの安定位置から他の電流通電パターンのもとでのロータの回転方向に次に続く安定位置内への動きを１つのステップと称する。ここで、種々のステップ動作、動作モード間の区別がなされる。ここにおいて、全ステップ動作、半ステップ動作及びマイクロステップ動作が知られている。マイクロステップ動作の特長とするところは、ステップモータのコイルに対する電流通電パターンは、個別に近似する正弦波の経過分布を呈する。ロータがそれを以て回転すべき最大回転数と結びついての、1つのロータ回転の、個々のマイクロステップへの分割により、それを以て当該のステップモータを制御すべき最大の制御ステップタイミングクロック周波数が得られる。例えば、４００°／ｓの指針の最大回転角速度のもとでの電動ステップモータの指針軸、シャフトに関する１／３２°のマイクロステップサイズにより、ステップモータに対する１２．８ＫＨｚの制御ステップタイミングクロック周波数が得られる。
発明の効果
これに対して本発明の請求の範囲１の特徴的構成要件により得られる利点は、低い制御ステップタイミングクロック周波数にも拘わらず、比較的高い制御分解能が比較的小さい部分ステップの形で得られるということである。このような構成によってステップモータの騒音発生が、殊に比較的小さい回転数の場合に僅かになる。更に、ステップモータで回転駆動される指針の動きの経過は一層均一になる。更に、回路コストが低下する。というのは、比較的に低い制御ステップタイミングクロック周波数を生成する回路は、比較的安価かつ高信頼性であるからだ。従って本発明の方法により、ステップモータに前置接続さるべき制御回路から計算時間上のタスクの負荷が除去される。上記制御回路は、概してマイクロコントローラである。
サブクレーム２〜５に規定された手段により、メインクレームに規定された方法の有利な発展形態及び改良が可能である。
第１部分ステップがステップタイミングクロックで実行される場合、回路構成は簡単化される。というのは、ステップタイミングクロック自体を第１部分ステップのトリガのために使用できるからである。
部分ステップが、第１の部分ステップの後にその都度、一定の時間遅延を以て実行される場合、部分ステップタイミングクロックパルス生成のため特に僅かな回路コストが得られる。
上昇するステップタイミングクロック周波数を以て部分ステップ間の時間的遅延が低減される場合、各ステップに対して、一定数の部分ステップ数が得られる。それにより、上昇するステップタイミングクロック周波数のもとで、部分ステップでの分解能の低減は生じない。
部分ステップタイミングクロック周波数生成のために、ＰＬＬ回路を使用することは特に有利である。というのは、一方では、それにより部分ステップタイミングクロック周波数の自動的フォローアップがステップ周波数で行われ、他方では部分ステップタイミングクロック周波数とステップタイミングクロック周波数との間に分周器に関係のない周波数関係を達成できるからである。
本発明によるステップモータの制御装置の特徴的構成要件により得られる利点は、制御装置はただ低い制御ステップタイミングクロック周波数を有しさえすればよく、しかも、比較的小さい部分ステップの形で比較的高い制御分解能が得られ、それにより、ステップモータの騒音発生が、殊に、低い回転数の場合にわずかになることである。
単安定マルチバイブレータは、部分ステップパルス間の一定の遅延時間を生じさせるのに安価な手段となる。
図面
本発明の実施例が図示してあり、以下詳述する。
図は次の通りである
図１はステップモータの制御回路の例を示す。
図２は、複数の制御ステップタイミングクロックパルス及びに基づいて行われる部分ステップの特性経過の波形図である。
図３は、ステップモータの制御回路のさらなる例を示す。
実施例の説明
図１には、本発明の実施例が示してあり、ここでは本発明の本質的な技術思想は１つの制御回路２０に統合化されている。上記制御回路２０は、制御装置１３とステップモータ９との間に配置されており、明細書の冒頭部分にて述べた構成によってステップモータの制御を実現する。制御装置１３は入力側Ｘｉを有し、該入力側Ｘｉは、目標位置発生器１１の目標角度出力側Ｘｏに接続されている。ここで、目標位置発生器１１のセンサ入力側Ｓｉには、センサ１２の信号が供給される。制御装置１３の２つの出力側が、制御回路２０に接続されている。その両出力側のうちの１つは方向出力側Ｄｏであり、該方向出力側は、回転方向を指示し、もう１つは、クロック出力側Ｔｏであり、該クロック出力側は、ステップ送りに対して責務がある。制御装置１３の方向出力側Ｄｏは、カウンタ１の方向入力側Ｄに接続され、制御装置１３のクロック出力側Ｔｏは、カウンタ１のクロック入力側Ｔに接続されている。更に、クロック出力側Ｔｏのステップ送り信号は、単安定マルチバイブレータ２のクリア入力側Ｃ１に供給される。単安定マルチバイブレータ２は、正の出力側Ｑと、反転出力側Ｑ′を有する。正の出力側Ｑは、第１出力線路３を介して被制御スイッチ５の第１入力側Ｂに接続されている。同様に反転出力側Ｑ′は、第２出力線路４を介して、被制御スイッチ（マルチプレクサ）５の第２入力側Ａに接続されている。更に、方向出力側Ｄｏと被制御切換スイッチ５の選択入力側Ｓとの間に接続路が設けられており、前記被制御切換スイッチ５は、両回転方向に対して角度位置に相応してビットｎ〜１を送出する。被制御切換スイッチ５は選択出力側Ｚを有し、該選択出力側はカウンタ２１に接続されている。選択出力側Ｚから送出される量には１つのビット桁位置、つまり、最下位ビットが２進符号化された量で割り当てられる。それに引き続いて、カウンタ２１の内容がカウンタ１の内容と合わさって組み合わされる。カウンタ１はビットｎ〜１を送出するので、１つの結合点にてビット桁位置０〜ｎを有する組み合わされた２進のビット列が得られる。この組み合わされたビット列は、対応付け手段６のカウント入力側Ｃに供給され、更に実際位置発生器１４を介して、制御装置１３の位置入力側Ｐに供給され、目標ステップ位置との差を計算して進むべきステップ数を求めるのに使用される。対応付け手段６は、第１出力側Ａ１及び第２出力側Ａ２を有し、該出力側はパルス幅変調器７，１７に接続されている。パルス幅変調器７，１７の各々は、それぞれコイル８，１８と接続されており、該コイル８，１８はステップモータ９の回転磁界の作成のため用いられる。
センサ１２は、指示すべき測定量、例えば、車両モータの回転数の検出に用いられる。センサ１２の測定結果は、センサ入力側Ｓｉを介して、目標位置発生器１１へ達し、ここでは測定された測定値の１つの目標角度αsへの対応付けが行われる。そのような対応付けを、例えば、記憶されたテーブルを介して行うことができる。目標角度αsは、ステップモータ９に取り付けられた指針を該ステップモータによって駆動制御して、人に対して測定された測定値を文字盤上に表示するためにステップモータ９によって到達すべき位置に相応する。制御装置１３では、目標角度α_ｓと実際値角度α_ｉとの差の形成により、差角度△αの計算が行われ、その後、当該角度の掃引に必要な数のステップの計算が行われる。更に、制御装置１３内にはクロック発生器が設けてあり、該クロック発生器は、計算されたステップ数に相応して、ステップモータ９の制御のためにステップタイミングクロックに対する同数のクロックパルスを発生し、これがステップ送り信号としてクロック出力側Ｔｏから出力される。ここではとりわけ、ステップタイミングクロック周波数が差角度△αの増大と共に増大するようにすると良い。このような構成により、観測者にとって満足のいく指針特性が生ぜしめられる。それというのは、大きな角度を大きな回転速度で掃引し、小さな角度を小さな回転速度で掃引する手段により、視覚的に満足のゆくものとみなされる指針の回転特性が生ぜしめられるからである。更に差角度ｄ△αの極性から制御装置１３は、ステップモータ９のロータが動くべき回転方向を検出する。回転方向は、２進方向信号の形で方向出力側Ｄｏを介して一方ではカウンタ１に伝達され、他方では被制御切換スイッチ５に伝達される。更に、カウンタ１のクロック入力側Ｔを介してカウンタ１のシフト送りのために用いられるステップタイミングクロック信号は、単安定マルチバイブレータ２の制御のためにも使用される。上記単安定マルチバイブレータが静止状態におかれている場合、正の出力側Ｑにロジックハイ信号（ロジック１）が現れ、反転出力側Ｑ′には、ロジックロウ信号（ロジック０）が現れる。リセット入力側Ｃ１に正のクロックエッジが生じると、単安定マルチバイブレータ２は所定の持続時間リセットされる。換言すれば、出力側Ｑはロジック０にセットされ、反転出力側Ｑ′はロジック１にセットされる。正のカウント方向の場合、被制御切換スイッチ５の選択入力側Ｓにおける方向信号により、選択出力側Ｚへの入力側Ｂの導通接続が行われる。それにより、正の出力側Ｑとカウント入力側Ｃとの間の接続路が形成される。単安定マルチバイブレータ２にて固定的に設定された所定の持続時間が経過すると、正の出力側Ｑは、再びロジックハイ（Ｈｉｇｈ）レベルに切り換わる。被制御切換スイッチ５の選択出力側Ｚはカウンタ２１に接続されており、該カウンタ２１は最下位ビット０として、カウンタ１から出力されたビット列であるビットｎ〜ビット１と合わさって、結合点２２にて１つにまとめられたビット列が形成されるように組み合わされる。それにより、選択出力側Ｚは、カウンタ２１を介して結合点における組み合わされたビット列の下位の部分を形成し、結合点２２にて、桁位置ビットｎ〜ビット０を有するビット列が生じ、一方では対応付け手段６のカウンタ入力側Ｃに達し、他方では、制御装置１３の位置入力側Ｐに達する。対応付け手段６では、制御電圧値への組み合わされたビット列の対応付けが行われ、前記制御電圧値は、対応付け手段出力側Ａ１，Ａ２を介して、パルス幅変調器７，１７に供給される。対応付け手段６における対応付けは、例えば、そこに記憶されたテーブルを介して行うことができる。同様に、対応付け手段６にて実行処理されるアルゴリズムを用いて換算することもできる。パルス幅変調器７，１７では、入力される振幅値がパルス幅変調信号に変換され、前記パルス幅変調信号はコイル８，１８に供給される。それにより、コイル８，１８は、丁度、組み合わされたビット列に相応する次の位置値に到達するのに必要な電流通電の供給を受ける。更に、前記組み合わされたビット列は、実際位置値として位置入力側Ｐへ達する。
上記回路によって、ステップタイミングクロック信号の各クロックごとにロータの更なるシフト送りが行われる際に、２つの部分クロックの形でステップが実行される構成が実現される。ここで、両部分ステップのうちの第１の部分ステップは、ステップタイミングクロックに同期して実行され、一方第２部分ステップは、単安定マルチバイブレータ２の切り換え持続時間に依存して実行される。ここで、カウンタ１は、全ステップのカウントを引き受け、一方被制御切換スイッチ５は、カウント過程の最下位ビットを含み、これを相応に切り換える。共に、被制御切換スイッチ５の出力信号及びカウンタ１の出力信号は、部分ステップに対する組み合わされたビット列を形成し、この組み合わされたビット列は割り当て手段６へ送出される。このビット列の上位部分は目標ステップ位置に相応して形成されたビット列であり、最下位ビットはステップを細分化するために使用されるビットである。ここではまず、第１の半分のステップのみが行われ、切換持続時間の経過後に第２の半分のステップが行われる。また、ステップを２以上の部分ステップに分割することも可能である。本発明におけるステップは、適用例に応じて、完全なステップまたは半分のステップを指すか、又は、殊にマイクロステップも指す。
例えば図２に示すように、ステップタイミングクロック信号（Ｔｏ）の第１クロックパルス１°により、第１の部分ステップ１′が生ぜしめられ、該第１部分ステップには、時間間隔をおいて第２の部分ステップ２′が後続する。同様に、ステップタイミングクロック信号の第２のクロックパルス２°により部分ステップ３′が生ぜしめられ、該部分ステップ３′には、同じく所定の時間間隔をおいて更なる部分ステップ４′が後続する。同様にこのことは、次のクロック信号３°に対する部分ステップ５′及び６′についても成立つ。ステップタイミングクロック信号のステップタイミングクロック周波数が上昇すると、２つの連続するクロックパルス間の期間は、単安定マルチバイブレータ２の切換時間の値以下に低下する。そうなると、自動的に更なる部分ステップは行われなくなり、次のクロックパルスが発生すると直ちに、１つの完全なステップだけシフト送りがなされる。したがって実際には、比較的に粗いステップ分割に切換られる。但し、このことはクリティカルではない。というのは、そのような回転角速度は通常、たとえば自動車の変速過程に際しての回転数測定器の場合、ごく短時間しか生じないからである。更に、騒音発生はいずれにしろロータの角速度の上昇と共に、ステップ分割の分解能に益々無関係になる。
しかし、比較的高い回転角速度の場合に、複数部分ステップへのステップ分割の機能が失われることを回避したい場合には、このことを達成するために、単安定マルチバイブレータ２及び被制御切換スイッチ５をＰＬＬ回路ユニット１５に置換えることができる。
上記のような構成を図３に示す。単安定マルチバイブレータ２の代わりに、ＰＬＬ回路ユニット１５が使用される。更に、被制御切換スイッチ５は、部分ステップカウンタ１０により置換されている。ＰＬＬ回路ユニット１５は、唯一のクロック出力側を有し、該クロック出力側の出力は、部分ステップカウンタ１０の部分クロック入力側ＴＴに供給される。更に、方向出力側Ｄは、部分ステップカウンタ１０の部分方向入力側ＴＤに接続されている。部分ステップカウンタ１０は、１つの部分ステップカウンタ出力側Ｂｏを有し、該１つの部分ステップカウンタ出力Ｂｏは、カウンタ１のカウンタ出力側Ｂｎと共に割り当て手段６のカウント入力側Ｃに供給される。部分ステップカウンタ出力側Ｂｏ及びカウンタ出力側Ｂnは、共に合わさって１つにまとめられたビット列が形成されるように組み合わされる。ここで部分ステップカウンタ１０のカウンタ状態は、組み合わされたビット列の比較的に下位の部分として使用され、そして、カウンタ１のビット列は、組み合わされたビット列の比較的上位の部分として使用される。上記の組み合わされたビット列は、対応付け手段６のカウンタ入力側Ｃに達する。
ＰＬＬ回路ユニット１５によって、ステップタイミングクロック周波数を次のようにして逓昇させることが可能である。すなわち、ＰＬＬ回路ユニット１５内に設けられている分周器にて適当な分周比を使用することによって、逓昇させることが可能である。それにより、部分ステップタイミングクロック周波数がステップタイミングクロック周波数と並行して増大する。ＰＬＬ回路付きの実施形態では、更に相応の設計によって、部分ステップタイミングクロック周波数のフィルタリングを達成することができる。それにより、指針特性の設定が可能となる。更にＰＬＬ回路は、ステップタイミングクロック信号Ｔｏと、部分ステップタイミングクロック周波数との間の、分周器に無関係に分周比を設定するのに特に良好に適している。したがって例えば、ステップタイミングクロック周波数として毎秒１２ステップを設定し、部分ステップタイミングクロック周波数として毎秒３２ステップを設定することが可能である。それにより、制御装置１３と１ステップモータ９との間でほぼ任意の適合化を実現できるようになる。ＰＬＬ回路ユニット１５の代わりに他の周波数逓倍器を、例えば、デジタル形態のものを使用できる。
更に、制御装置１３から幾つかの機能を共に、残りの回路に移すことができる。それにより、当該の残りの回路には、目標角度α_ｓ及び／又は目標角度速度のみが供給され、当該回路はステップタイミングクロックパルス自体を発生するように構成することができる。ここで、既述の回路により、ステップモータ９に対するステップ分割の分解能を、目標角α_ｓ又は目標角速度の表示のために回路の入力側にて使用されるデータ語幅が僅かしかないにも拘わらず、高く選定できることが達成される。パルス幅変調器７，１７は有利には、Ｈ-ブリッジの形態で接続されたプッシュプル最終段として構成可能である。上記の方法は、例えば自動車用指示計器に使用可能である。

Claims (5)

1. 指示計器用指針の駆動のためのステップモータの制御方法において、
   制御装置（１３）にてステップモータ（９）のステップ幅及び回転方向を求め、ステップモータ（９）の制御のための制御回路（２０）へ出力することにより、各ステップタイミングクロック信号ごとに、制御装置によって１つのステップを実行し、
   制御装置（１３）から出力されたステップ幅を制御回路（２０）によって、該制御装置（１３）から出力されたステップ幅より小さいステップ幅を有する複数の部分ステップに分割し、
   前記部分ステップを、時間的にずれた連続する少なくとも２つのクロックパルスで、制御回路からステップモータ（９）へ出力する形式の方法において、
   目標ステップ位置を、切換スイッチ（５）から供給された上位ビット（ｎ〜１）とカウンタ（１）から供給された最下位ビット（０）とを組み合わせて形成されたビット列で表し、該上位ビット（ｎ〜１）は、進むべきステップの数を表し、該最下位ビット（０）は、ステップを細分化するために使用されるビットであり、
   上記ビット列を対応付け手段（６）に供給し、かつ、実際のステップ位置として実際位置発生器（１４）を介して制御装置（１３）に供給し、
   前記対応付け手段（６）は、ステップモータの制御のための信号を送出するようにしたことを特徴とするステップモータの制御方法。
2. 前記複数の部分ステップのうち第１の部分ステップを、ステップタイミングクロックで実行することを特徴とする請求の範囲１記載の方法。
3. 第１部分ステップの後にその都度、第２の部分ステップをほぼ一定の時間遅延を以て実行することを特徴とする請求の範囲１記載の方法。
4. 各部分ステップ間の時間遅延は、ステップタイミングクロック周波数の上昇と共に低下するようにしたことを特徴とする請求の範囲１又は２記載の方法。
5. 部分ステップタイミングクロック周波数を、ＰＬＬ回路ユニット（１５）を用いてステップタイミングクロック周波数から導出することを特徴とする請求の範囲４記載の方法。

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