JP4209724B2

JP4209724B2 - ステッパモータの駆動装置

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Publication number: JP4209724B2
Application number: JP2003181709A
Authority: JP
Inventors: 吉寿山田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: JP2005020880A; US6956351B2; US20050024008A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッパモータの駆動装置に関し、特に車載メータ等に用いられるステッパモータの初期化処理を改善したステッパモータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車速を表示するスピードメータやエンジンの回転数を表示するタコメータ等の車載メータには、指示精度や価格的な理由で近年ステッパモータが多用されている。
【０００３】
しかしながら、このようなステッパモータを用いた車載メータを搭載する車両においては、車両の振動やノイズ等により発生した誤った駆動信号等により、ステッパモータの回転に連動する指針の本来移動すべき移動量と実際の移動量との間に差異が生じてしまう場合がある。
【０００４】
そこで、このようなステッパモータを用いた車載メータでは、たとえば、イグニッションスイッチのオンのタイミングで、ステッパモータをストッパ方向に逆回転させて、指針をストッパで定められるゼロ位置に戻す初期化処理が行われている。
【０００５】
この初期化処理においては、ステッパモータにより位置制御される表示指針がそのゼロ位置を定めたストッパに接触したかどうかを検出するために、ステッパモータの回転子の回転により発生する誘導電圧を検出し、検出された誘導電圧が所定の閾値以下になったときに、表示指針がゼロ位置に設定されたストッパに当たって停止したと判定するゼロ位置検出処理を行っている。
【０００６】
以下、このゼロ位置検出処理について図１４および図１５を用いて説明する。
【０００７】
図１４は、ゼロ位置検出処理における各励磁ステップ、ゼロ位置検出励磁パターン、検出タイミング信号および誘導電圧の関係を示す図である。図１５は、図１４の各励磁ステップと回転子の回転パターンの関係を示す図である。括弧内の数字は回転子の回転角である。長方形の中の数字はステップ番号を示す。なお、これらの図においては、ゼロ位置検出処理時には矢印で示す方向にステッパモータの回転子が回転するものと想定する。この回転子には、それぞれ３つのＮ極およびＳ極が交互に均等に着磁されている。
【０００８】
回転子を回転させるための励磁信号は、励磁パルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４からなり、それらはＨ（ハイレベル）およびＬ（ローレベル）の組み合わせにより構成される。このＨはたとえば５ボルトであり、Ｌは０ボルトである。励磁パルスＰ１およびＰ２は、一方の励磁コイル１ａ１の両端ａ，ｂに供給される。また、励磁パルスＰ３およびＰ４は、他方の励磁コイル１ａ２の両端ａ，ｂに供給される。
【０００９】
回転子にギア連結された指針がストッパで定められたゼロ位置方向に移動するように回転子を逆回転させるためのゼロ位置検出励磁パターンの１サイクルは、それぞれ均等時間が割り当てられた８つの励磁ステップ３、２、１、８、７、６、５および４で構成され、ステッパモータはハーフステップ駆動方式で駆動される。
【００１０】
励磁ステップ１の励磁信号（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４）とそれに対応する回転子の回転パターンが同期しており、励磁ステップが３、２、１、８、７、６、５および４の順に移行するにしたがって、回転子は、図１５に示すように１５度ずつ回転していく。たとえば、励磁ステップ３から励磁ステップ２に遷移する際には、回転子はその励磁信号（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４）によって、回転角０度から１５度に角度変移する。以下の各励磁ステップ間の角度変移量も同様に１５度である。なお、励磁ステップ４から次のサイクルの励磁ステップ３に移行する際の角度変移量も１５度である。
【００１１】
このような８つの励磁ステップからなるサイクルが、指針がストッパに接触するまで、すなわち、回転子が回転できなくなり、励磁コイルにより検出される誘導電圧値が閾値を下回るまで繰り返される。
【００１２】
ゼロ位置検出の検出タイミング信号は、励磁コイル１ａ１が無励磁状態となるタイミングで、すなわち、励磁コイル１ａ１の両端ａおよびｂに供給される励磁パルスＰ１およびＰ２がＬ（ゼロボルト）になる励磁ステップ１および５と、励磁コイルＣ２の両端ａおよびｂに供給される励磁パルスＰ３およびＰ４がＬ（ゼロボルト）になる励磁ステップ３および７で、Ｈになるように設定されている。この検出タイミング信号に応答して、一方の端部が接地されかつ他方の端部が開放された励磁コイル１ａ１および１ａ２により検出される誘導電圧が、閾値（基準電圧Ｖ）と比較される。指針がストッパで定められたゼロ位置方向に移動するように回転子を回転させたとき、指針がストッパに接触すると、誘導電圧は理論的にはゼロになるはずなので、閾値を下回ることになり、この時点でゼロ位置検出が行われたことになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のゼロ位置検出処理では、誘導電圧の検出サイクルがハーフステップ駆動方式になっており、図１６のベクトル図で示すように、コイルＡ相（励磁コイル１ａ１）とコイルＢ相（励磁コイル１ａ２）における１相励磁ステップと２相励磁ステップとで駆動トルクの大きさが変わるため、駆動トルクが一定ではなく、また、回転子の回転速度が変わるため、回転が非円滑になり、図１７に示すように、検出される誘導電圧値がかなりの変動幅で変動し、ゼロ位置の誤検出が発生する可能性がある。
【００１４】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、ゼロ位置の誤検出を防止することができるステッパモータの駆動装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、励磁コイルおよび前記励磁コイルの励磁状態の変化に応じて回転する回転子を有するステッパモータと、前記回転子の回転に連動する被駆動部材と、前記被駆動部材をゼロ位置に機械的に停止させるストッパと、前記励磁コイルの励磁状態を制御する制御手段と、前記回転子の回転に応じた磁束変化により発生する誘導電圧を検出する検出素子と、前記検出素子で検出された前記誘導電圧に基づき、前記被駆動部材が前記ストッパによりゼロ位置に停止させられたか否かを検出するゼロ位置検出手段とを備え、前記制御手段は、前記被駆動部材をゼロ位置へ戻すゼロ位置検出処理時、前記回転子をマイクロステップ駆動方式で逆回転させるための複数の励磁ステップで電気的１サイクルが構成される励磁パターンを生成して前記励磁コイルに供給し、前記励磁パターンは、前記１サイクルにおける電気的９０度毎が、前記誘導電圧を検出するための複数の誘導電圧検出用励磁ステップと、複数の回転用励磁ステップとを含み、前記複数の誘導電圧検出用励磁ステップの合計時間長を第１の所定時間長とし、前記複数の回転用励磁ステップの合計時間長を第２の所定時間長としたとき、前記第２の所定時間長は前記第１の所定時間長より長く設定されていることを特徴とするステッパモータの駆動装置に存する。
【００１６】
請求項１記載の発明によれば、励磁コイルおよび励磁コイルの励磁状態の変化に応じて回転する回転子を有するステッパモータと、回転子の回転に連動する被駆動部材と、被駆動部材をゼロ位置に機械的に停止させるストッパと、励磁コイルの励磁状態を制御する制御手段と、回転子の回転に応じた磁束変化により発生する誘導電圧を検出する検出素子と、検出素子で検出された誘導電圧に基づき、被駆動部材がストッパによりゼロ位置に停止させられたか否かを検出するゼロ位置検出手段とを備え、制御手段は、被駆動部材をゼロ位置へ戻すゼロ位置検出処理時、回転子をマイクロステップ駆動方式で逆回転させるための複数の励磁ステップで電気的１サイクルが構成される励磁パターンを生成して励磁コイルに供給し、励磁パターンは、１サイクルにおける電気的９０度毎が、誘導電圧を検出するための複数の誘導電圧検出用励磁ステップと、複数の回転用励磁ステップとを含み、複数の誘導電圧検出用励磁ステップの合計時間長を第１の所定時間長とし、複数の回転用励磁ステップの合計時間長を第２の所定時間長としたとき、第２の所定時間長は第１の所定時間長より長く設定されているので、ゼロ位置検出処理時に、安定した回転時誘導電圧を得ることができ、ゼロ位置の誤検出を防止することができる。
【００１７】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、前記マイクロステップ駆動方式は、１／ｎ（ｎ≧３）マイクロステップを使用することを特徴とする請求項１記載のステッパモータの駆動装置に存する。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、マイクロステップ駆動方式は、１／ｎ（ｎ≧３）マイクロステップを使用するので、駆動トルクがほぼ一定になり、かつ各励磁ステップ毎の回転角度が小さく振動が発生しないため、回転子の回転が円滑になり、安定した回転時誘導電圧を得ることができ、ゼロ位置の誤検出を防止することができる。
【００１９】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、前記制御手段は、前記被駆動部材をゼロ位置へ戻すゼロ位置検出処理時、スタートから一定時間の間前記誘導電圧を検出しないことを特徴とする請求項１または２記載のステッパモータの駆動装置に存する。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、制御手段は、被駆動部材をゼロ位置へ戻すゼロ位置検出処理時、スタートから一定時間の間前記誘導電圧を検出しないので、回転中の誘導電圧を安定に得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係るステッパモータの駆動装置の実施の形態を用いた車載メータの構成図である。車載メータは、たとえばスピードメータであり、固定子（図示しない）に互いに直交する位置に配置された２つの励磁コイル１ａ１および１ａ２と、Ｎ極およびＳ極が交互に３極づつ着磁され、励磁コイル１ａ１および１ａ２の励磁状態の変化に追従して回転する回転子１ｂを有するステッパモータ１と、ステッパモータ１を駆動制御するための駆動回路４とを備えている。
【００２３】
車載メータは、さらに、回転子１ｂの回転駆動に連動する被駆動部材としての指針２と、回転子１ｂの回転駆動を指針２に伝えるギア３と、指針２を機械的ゼロ位置で接触させて停止させるストッパ５とを備えている。なお、ストッパ５と指針２の接触によるゼロ位置設定に代えて、ギヤ３から突出する被駆動部材としてのストッパ片６と、ゼロ位置に相当する位置に別個に設けられたストッパ５′との接触によるゼロ位置設定とする構成にしても良い。
【００２４】
駆動回路４は、図２に示すように、制御手段としてのマイクロコンピュータ４１（以下、マイコン４１という）を備えている。マイコン４１は、プログラムに従って各種の処理を行う中央演算ユニット（ＣＰＵ）４１ａと、メモリ４１ｂと、モータ駆動回路４１ｃと、ゼロ位置検出回路４１ｄとを備えている。
【００２５】
ＣＰＵ４１ａは、車速センサ（図示しない）からの速度情報に基づき算出された角度データ信号Ｄ１と、イグニッションスイッチ（図示しない）のイグニッションオン操作に基づくＨレベルの初期化指令信号Ｓ１が入力され、モータ駆動回路４１ｃから励磁コイル１ａ１，１ａ２の両端ａ，ｂに励磁信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４を出力する。
【００２６】
ゼロ位置検出開路４１ｄは、励磁コイル１ａ１および１ａ２の一端ａまたはｂにそれぞれ接続された、Ｉ／Ｆ（インターフェース）回路４２ａ、４２ｂ、４２ｃおよび４２ｄを介して誘導電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３およびＶ４が入力され、ゼロ位置判定信号をＣＰＵ４１ａに供給する。
【００２７】
ＣＰＵ４１ａは、通常動作時には、角度データ信号Ｄ１に応じて、マイクロステップ駆動方式で励磁コイル１ａ１、１ａ２の励磁状態を制御することにより、角度データ信号Ｄ１に対応して回転子１ｂを正方向（Ｙ２）または逆方向（Ｙ１）に正逆回転させるようにステッパモータ１を駆動制御すると共に、初期化処理動作時にも、初期化指令信号Ｓ１に応じて、マイクロステップ駆動方式で励磁コイル１ａ１、１ａ２の励磁状態を制御することにより、回転子１ｂを、指針２がストッパ５に向かう方向（すなわち、Ｙ１方向）に移動するように逆回転させるべくステッパモータ１を駆動制御する。
【００２８】
ゼロ位置検出回路４２は、初期化処理動作時、検出タイミング信号に合わせて一端が開放された無励磁状態の励磁コイル１ａ１，１ａ２の両端に発生する誘導電圧が各Ｉ／Ｆ回路を介して入力され、入力された誘導電圧が閾値以下になったときに、指針２がストッパ５に接触してゼロ位置にあることを判定するゼロ位置判定信号をＣＰＵ４１ａに出力する。すなわち、上述の励磁コイル１ａ１，１ａ２は、一端が開放された時、誘導電圧の検出素子として働くことになる。
【００２９】
図３に示すように、駆動回路４は、初期化処理動作時にステッパモータ１を逆回転させる際、まず電気的１サイクルにおける０゜から１８０゜までの区間だけステッパモータ１を加速させるための励磁パターンを有する励磁パルスＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を励磁コイル１ａ１，１ａ２に供給してステッパモータ１を逆回転開始から加速し、その後、ゼロ位置検出処理を行う。
【００３０】
ゼロ位置検出処理においては、駆動回路４は、回転子１ｂをマイクロステップ駆動方式で逆回転させる複数の励磁ステップで電気的１サイクルが構成される励磁パターンを有する励磁信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４を生成し、このときの励磁パターンは、１サイクルにおける電気的９０度が、誘導電圧を検出するための第１の所定時間長を有する誘導電圧検出用励磁ステップと、この誘導電圧検出用励磁ステップの第１の所定時間長より長い第２の所定時間長の回転用励磁ステップとを含む。
【００３１】
このマイクロステップ駆動方式は、１／ｎ（ｎ≧３）マイクロステップを使用し、この実施の形態ではたとえば図４に示すように、電気的１サイクルを６４分割するマイクロステップを使用し、電気的９０度において１６分割され、そのうちの７ステップを検出励磁ステップとし、残りの９ステップを回転用励磁ステップとする。
【００３２】
具体的には、図４中の１サイクルにおいて矢印（数字記載あり）の箇所の励磁ステップで、励磁コイル１ａ１，１ａ２を励磁する。すなわち、励磁コイル１ａ１はＡ相（ＳＩＮ＋）および−Ａ相（ＳＩＮ−）に対応し、励磁コイル１ａ２は、Ｂ相（ＣＯＳ＋）および−Ｂ相（ＣＯＳ−）に対応するものとすれば、回転子を逆回転させる励磁ステップは、誘導電圧検出用励磁ステップは、ＳＴＥＰ−０，１６，３２および４８とし、回転用励磁ステップはＳＴＥＰ−２，５，７，９，１８，２１，２３，２５，３４，３７，３９，４１，５０，５３，５５および５７とする。
【００３３】
そして、各励磁ステップにおける励磁パルスＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の出力時間は次のように設定される。
誘導電圧検出用励磁ステップ＝ＳＴＥＰ−０，１６，３２および４８は３（ｍｓ；ミリ秒）
回転用励磁ステップ＝ＳＴＥＰ−２，５，７，９，１８，２１，２３，２５，３４，３７，３９，４１，５０，５３，５５および５７は各１（ｍｓ；ミリ秒）
【００３４】
したがって、各々の電気的９０°の中では、誘導電圧検出用励磁ステップと回転用励磁ステップの時間の大小関係は、
誘導電圧検出用励磁ステップ３（ｍｓ）＜回転用励磁ステップ４（ｍｓ）
となっている。
【００３５】
次に、上述した構成の車載メータの動作について、図５に示すＣＰＵ４１ａのゼロ位置検出処置手順を示すフローチャートを参照して以下説明する。まず、同期化終了励磁位置から一定間隔で励磁ステップを更新し（ステップＳ１）、次いで、一定時間経過したか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２は、具体的には、図３に示すように、ゼロ位置検出処理のスタートから回転子１ｂが電気的１８０度だけ加速処理により逆転する一定時間の間経過したか否かを判定する。回転子１ｂが電気的１８０度だけ逆転していれば、一定時間経過したと判定して、次に、誘導電圧検出処理を開始する（ステップＳ３）。
【００３６】
次いで、誘導電圧測定用コイルをＰＷＭ出力からＨｉ−Ｚ出力（ハイインピーダンス出力）へ切り換える（ステップＳ４）。Ｈｉ−Ｚ出力とは、誘導電圧測定用のコイルに相当する励磁コイルが、無励磁状態で一端が開放された状態とされ、誘導電圧が出力されることである。
【００３７】
次いで、誘導電圧測定用コイルから検出励磁ステップ中に表れる誘導電圧を複数回サンプリングする（ステップＳ５）。次いで、サンプリングされた誘導電圧値が閾値を超えていると判定された回数が予め設定された当接判定回数より少ないか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００３８】
ステップＳ６の答えがイエスならば、次いで加速開始位置が当接検出位置でないか否かを判定し（ステップＳ７）、加速開始位置が当接検出位置でないと判定されれば、次いで、出力励磁相を一定時間保持し（ステップＳ８）、次いで初期化処理を正常に終了する。
【００３９】
一方、ステップＳ６の答えがノーならば、次いで回転子１ｂが３６０度回転したか否かを判定し（ステップＳ９）、その答えがイエスならば、次いで、出力励磁相を一定時間保持し（ステップＳ１０）、次いで初期化処理を異常に終了する。また、ステップＳ９の答えがノーならば、次いで、次の検出励磁ステップまでマイクロステップまで逆転処理を実行し（ステップＳ１１）、次いでステップＳ４に戻る。
【００４０】
図６は、ステッパモータの初期化処理時の駆動波形を示し、図７は、図６における加速処理時の駆動波形の拡大図を示し、図８（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、図７における加速処理の前半および後半のＰＷＭ出力波形を示し、図９は、誘導電圧検出処理時の駆動波形の拡大図を示し、図１０は、誘導電圧検出サイクル（ＰＷＭ駆動による励磁）の拡大図を示し、図１１は、図１０における逆転処理の部分の拡大波形を示し、図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）は、それぞれ、図１１における回転用励磁ステップ４１，３９，３７，３４における拡大波形を示す。
【００４１】
図１３は、検出された誘導電圧のタイムチャートを示し、この図から、検出される誘導電圧値Ｖ１〜Ｖ４の変動幅が従来より少なく、安定するまでの時間が短いことが分かる。
【００４２】
以上のように、回転用励磁ステップの時間を検出用励磁ステップより長く設定することで、マグネットの回転励磁時間が長く回転が円滑になり、安定した回転時誘導電圧を得ることができ、ゼロ位置の誤検出を防止することができる。
【００４３】
以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、ゼロ位置検出処理時に、安定した回転時誘導電圧を得ることができ、ゼロ位置の誤検出を防止することができる。
【００４５】
請求項２記載の発明によれば、駆動トルクがほぼ一定になり、かつ各励磁ステップ毎の回転角度が小さく振動が発生しないため、回転子の回転が円滑になり、安定した回転時誘導電圧を得ることができ、ゼロ位置の誤検出を防止することができる。
【００４６】
請求項３記載の発明によれば、回転中の誘導電圧を安定に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るステッパモータの駆動装置の実施の形態を用いた車載メータの構成図である。
【図２】図１の車載メータにおける駆動装置の構成を示す図である。
【図３】図２の駆動装置の動作の概略を説明する図である。
【図４】マイクロステップ駆動方式の具体例を示す図である。
【図５】駆動装置のＣＰＵの処理手順を示すフローチャートを示す。
【図６】ステッパモータの初期化処理時の駆動波形を示す。
【図７】図６における加速処理時の駆動波形の拡大図を示す。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、図７における加速処理の前半および後半のＰＷＭ出力波形を示す。
【図９】誘導電圧検出処理時の駆動波形の拡大図を示しす。
【図１０】誘導電圧検出サイクル（ＰＷＭ駆動による励磁）の拡大図を示す。
【図１１】図１０における逆転処理の部分の拡大波形を示す。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）は、それぞれ、図１１における回転用励磁ステップ４１，３９，３７，３４における拡大波形を示す。
【図１３】位置検出回路で検出される誘導電圧のタイムチャートを示す。
【図１４】従来のステッパモータを使用した車載メータにおけるゼロ位置検出処理における各励磁ステップ、ゼロ位置検出励磁パターン、検出タイミング信号および誘導電圧の関係を示す図である。
【図１５】図１４の各励磁ステップと回転子の回転パターンの関係を示す図である。
【図１６】ハーフステップ駆動方式における駆動トルクのベクトル図を示す。
【図１７】従来のステッパモータを使用した車載メータにおけるゼロ位置検出処理において検出される誘導電圧のタイムチャートを示す。
【符号の説明】
１ステッピングモータ
１ａ１励磁コイル
１ａ２励磁コイル
１ｂ回転子
２指針（被駆動部材）
４駆動回路
４１ａＣＰＵ（制御手段）
４１ｂメモリ
４１ｃモータ駆動回路
４１ｄゼロ位置検出回路（ゼロ位置検出手段）
５ストッパ

Claims

励磁コイルおよび前記励磁コイルの励磁状態の変化に応じて回転する回転子を有するステッパモータと、
前記回転子の回転に連動する被駆動部材と、
前記被駆動部材をゼロ位置に機械的に停止させるストッパと、
前記励磁コイルの励磁状態を制御する制御手段と、
前記回転子の回転に応じた磁束変化により発生する誘導電圧を検出する検出素子と、
前記検出素子で検出された前記誘導電圧に基づき、前記被駆動部材が前記ストッパによりゼロ位置に停止させられたか否かを検出するゼロ位置検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記被駆動部材をゼロ位置へ戻すゼロ位置検出処理時、前記回転子をマイクロステップ駆動方式で逆回転させるための複数の励磁ステップで電気的１サイクルが構成される励磁パターンを生成して前記励磁コイルに供給し、
前記励磁パターンは、前記１サイクルにおける電気的９０度毎が、前記誘導電圧を検出するための複数の誘導電圧検出用励磁ステップと、複数の回転用励磁ステップとを含み、前記複数の誘導電圧検出用励磁ステップの合計時間長を第１の所定時間長とし、前記複数の回転用励磁ステップの合計時間長を第２の所定時間長としたとき、前記第２の所定時間長は前記第１の所定時間長より長く設定されている
ことを特徴とするステッパモータの駆動装置。
前記マイクロステップ駆動方式は、１／ｎ（ｎ≧３）マイクロステップを使用する
ことを特徴とする請求項１記載のステッパモータの駆動装置。
前記制御手段は、前記被駆動部材をゼロ位置へ戻すゼロ位置検出処理時、スタートから一定時間の間前記誘導電圧を検出しない
ことを特徴とする請求項１または２記載のステッパモータの駆動装置。