JP4213040B2 - ステップ・モータでの機能停止状態を検出する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して、モータ制御システムに関し、特にステップ・モータの機能停止状態を検出する方法および装置に関する。より詳細には、本発明は、モータのロータがステップ（回転）しているかどうかを判断するために、ステップ・モータの電圧印加が停止している巻線の磁束の変化を検出し、測定するための方法および装置に関する。

ステップ・モータは、高い精度で大きなトルクを供給することができるコンパクトな直接駆動モータである。すなわち、このようなモータは、２００：１程度のギヤ比を特徴としており、デジタル回路により増分的にステップさせることができる。上記および他の理由から、ステップ・モータは、速度計、タコメータ等の自動車のダッシュボードのアクチュエータで使用するのに特に適している。

二相ステップ・モータは、反対の極性の電流で交互に駆動される互いに直角方向を向いた少なくとも第１および第２のコイル（すなわちコイルＡおよびコイルＢ）を備えたモータであるということができる。例えば、コイルＡが第１の極性の電流で駆動され、その後、コイルＢが同じ極性の電流で駆動される。次に、コイルＡが第２の反対の極性の電流で駆動され、その後、コイルＢが同じ反対の極性の電流で駆動される。モータのロータに取り付けられている磁気リングは、すでに説明したように、駆動コイルＡおよびＢが発生する磁界により個別に選択的に引きつけられる複数の磁極対（例えば５対のＮ極およびＳ極）を有するように構成されている。速度計またはタコメータの場合、駆動電流は、場合により異なるが、車両の物理的速度（例えば、１時間当たりの走行マイル数（ｍｐｈ））、またはエンジンの１分間当たりの回転数（ｒｐｍ）に関連しており、これらのマイル数または回転数は、ステップ・モータのロータに取り付けられているニードルまたは指針によりゲージ上に表示される。

都合の悪いことに、上記タイプのオープンループ用にステップ・モータを使用すると問題が起こる。フィードバックがないため、モータがニードルまたは指針を正しい位置に向けているのかどうかを知ることができないし、また、１つまたは複数のステップが抜けた場合に、ニードルまたは指針が指す値を修正することができない。さらに、ステップ・モータへの電力の供給がストップした場合、指針は電力の供給がストップした時の位置に留まり、測定および表示中の変数（例えば、ｍｐｈ，ｒｐｍ）と指針の実際の位置との間の関係が失われる。それ故、例えば、イグニションを最初にオンにした場合や、システムが過電圧状態や不注意に電源をオフにしたなどの故障から回復した場合には、システムに電源が投入される度に、ステップ・モータを、駆動中のニードルの位置に初期化するか、または同期させることが必要であることが分かっている。こうすることにより、ステップ・モータ／ニードル・アセンブリと表示中の物理的パラメータとの間の所定のおよび所望の関係が確立される。

上記初期化または校正を行うための１つの方法は、モータの機能停止状態、すなわち、そのロータに取り付けられているニードルがゲージの零点（例えば、０ｍｐｈ、０ｒｐｍなど）に、または他の所望する既知の位置に正確に位置する場合のステップ・モータの状態、を検出するステップを含む。従来のある方法の場合には、ニードルが到達することができる最も遠い時計方向の位置から、ゲージ上のまたはゼロに対応するステップ・モータ内のある位置に位置する機械的停止部材またはペグのような障害物に当たる位置まで、ニードルが移動できる十分な時間の間、モータのニードル・アセンブリを反時計方向に駆動するステップを含んでいた。そうするためには２秒もの時間がかかり、その結果、ニード
ルが機械的停止部材またはペグに強く衝突し、ニードルが跳ね返り、運転者を悩ませることもあった。

最近、ステップ・モータの機能停止状態を、ロータの運動によるその内部の磁束内の変化によりステップ・モータのコイル（ＡおよびＢ）に生じる起電力（ｅｍｆ）を監視することにより検出することができることが分かった。すなわち、モータがストップした場合（例えば、モータが機械的停止部材またはペグに当たった場合）、そのロータはもはやステップすなわち回転することができなくなり、起電力電圧は生成しなくなる。それ故、上記の逆起電力により生じた電圧を閾値電圧と比較することにより監視する技術が開発された。閾値電圧を超えない場合には、ステップ・モータは、その機能停止位置にあるものと見なされる。この方法の詳細な内容に興味のある読者は、特許文献１および特許文献２を参照されたい。

ステップ・モータが高速モードで動作している場合には、上記方法は一般に使用できるものであるが、低速モードでの使用にはいくつかの問題が生じる。高速モードの場合には、ロータは連続的に回転しており、駆動されていないコイル内の磁束または位相はかなりスムースに変化する。そのため、比較的スムースな逆起電力の電圧レベルが生成する。高速であるため、ロータと駆動信号との間の遅れは少ない。すなわち、駆動信号が変化する前に、ロータは磁極に全く到着しない。磁極への電圧印加が停止した後のほんの短い時間、磁束は増大し、その後ほぼゼロに減少する。このような磁束の減少により、比較的安定した電圧が生成するが、この電圧は、振幅が供給電圧およびモータ速度に依存し、通常は数百ミリボルト程度である。それ故、高速の場合の零点の検出またはリセットは、この電圧が所定の閾値を超えるかどうかを判断するステップだけである。しかし、低速モードの場合には、逆起電力は１つの方向を向いているのではなくその方向が変化する。さらに、逆起電力の特性は、ロータの慣性およびモータが駆動している負荷の大きさ（例えば、ニードルの質量）により変化する場合がある。負荷が大きいと、ロータの運動が遅くなったり、逆起電力の電圧が低くなったりする。それ故、ただ単にこの電圧を所定の閾値と比較しても、零点またはリセットの検出および校正が不正確になる恐れがある。

上記の観点から、モータの設計だけに依存し、モータが駆動している負荷の影響を受けない、ステップ・モータの機能停止状態を検出する方法および装置を提供することが望ましいことを理解されたい。
米国特許第５，０３２，７８１号、Ｋｒｏｎｅｎｂｅｒｇ、１９９１年７月１６日出願、発明の名称「ステップ・モータを作動させるための方法および回路」（ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＦＯＲ ＯＰＥＲＡＴＩＮＧ Ａ ＳＴＥＰＰＩＮＧ ＭＯＴＯＲ） 米国特許第５，２８７，０５０号、Ｋｒｏｎｅｎｂｅｒｇ他、１９９４年２月１５日出願、発明の名称「電磁制御ステップ・モータによる表示装置の同期方法」（ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＳＹＮＣＲＯＮＩＺＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＡＮ ＩＮＤＩＣＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ ＷＩＴＨ ＥＬＥＣＴＲＯＭＡＧＮＥＴＩＣＡＬＬＹ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ ＳＴＥＰＰＩＮＧ ＭＯＴＯＲ）

以下の本発明の特定の実施形態の図面および説明は、本発明の範囲を制限するものではなく、本発明の正しい理解を助けるためのものである。図面の縮尺は、正確なものではない（正確な縮尺であると述べている場合を除く）。図面は、以下の詳細な説明における説明と一緒に使用するためのものである。以下、添付図面を参照しながら本発明を説明するが、図面中、同様な参照番号は同様な要素を示す。

図１、図２および図３は、二相ステップ・モータの３つのシーケンシャルな動作段階を
示す露出平面図である。図から分かるように、ステップ・モータは、ハウジング１０、互いにほぼ直角方向に配置された第１および第２のコイルＡおよびＢ、および軸１４を中心にして回転し、複数の対の磁極を含む磁気リング１６で囲まれているロータ１２を備える。すなわち、磁気リング１６は、交互に間隔を置いた複数のＮ極１８およびＳ極２０を備えている。このタイプのステップ・モータは周知のものであり、フランス所在のＭｏｖｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ＭＭＴ）社が設計し、日本のヤザキが製造したタイプのものである。

図１を参照すると、コイルＡは、図４の時点Ｔ_１（０度）で示すような時間に、正の電流により駆動される。この駆動により、磁気リング１６に隣接する領域２５内のコイルＡにＮ極が形成される。それ故、Ｓ極２２がコイルＡに隣接した位置に停止する。第２のＳ極２４がコイルＢの若干前に位置していることに留意されたい。図５の時点Ｔ_２（９０度）において、正の電流がコイルＢに供給され、コイルＡに先に供給された駆動電流がストップする（すなわち、ゼロに遷移する）。これにより、コイルＢの端部２６のところに、正の極が形成され、磁気リング１６およびそれ故ロータ１２を１８度回転させ、その結果、図２に示すようにＳ極２４がコイルＢに隣接してストップする。次に、（時点Ｔ_３−１８０度において）、コイルＡに図４に示す負の電流が供給され、この負の電流が、コイルＢが駆動されていない間、コイルＡの端部２５のところにＳ極を形成する。この場合、磁気リング１６上のＮ極２８は、端部２５のところに形成されたＳ極により引きつけられ、図３に示すように端部２５に隣接する位置に前進し、ステップ・ロータ１２はさらに１８度前進する。適当な駆動電流を選択することにより、１／２ステップまたはさらに小さいステップすら行うをできることは周知である。それ故、それぞれ図４および図５に示すように、コイルＡおよびコイルＢに駆動電流を継続的に供給することにより、ロータ１２を回転することができる。ステップ・モータ用の制御電圧および電流の生成は周知であるので、ここでのさらに詳細な説明は省略する。

各コイルへの電圧の印加が停止すると（例えば、図４に示すように、コイルＡの時点Ｔ_１から時点Ｔ_２への遷移、および時点Ｔ_３から時点Ｔ_４への遷移、および図５に示すように、コイルＢの時点Ｔ_２から時点Ｔ_３への遷移、および時点Ｔ_４から時点Ｔ_５への遷移）、逆起電力が、各コイル内に生成する。逆起電力の電圧を監視することにより、ステップ・モータの機能停止状態を検出することができる。何故なら、モータが機能停止状態になると、回転遷移が起こらないので、逆起電力信号も生成しないからである。図８の時点Ｔ_８はこのような状態を示す。

すでに説明したように、逆起電力により生成した電圧を監視し、それを閾値電圧と比較する方法は周知であるが、このような監視および比較を行うのは、その電圧が閾値電圧を超えた場合には、モータのロータは依然として回転しており、その電圧が閾値電圧を超えない場合には、ロータはストップし、機能停止状態になっているからである。図６はこのようなシステムを示すが、図６は、ロータ１２を回転させるために上記のように駆動されるコイルＡおよびＢを含むステップ・モータ３０を示す。ロータ１２は、シャフト３２およびトランスミッション３４により、表示装置またはゲージ３８上のニードルまたは指針３６の形をしたアクチュエータ負荷に接続している。ゲージ３８のところに表示される、車両速度またはモータの毎分回転数（ｒｐｍ）のような変数を表す信号が、制御ユニット４２の入力４０に供給される。制御ユニット４２は、入力４０のところに現れる信号の振幅を、ニードル３６が表示変数の測定値を正しく反映すべくステップ・モータ３０を回転させなければならないステップの数に変換するための、適当な組合わせ論理を含む。制御ユニット４２はまた、コイルＡおよびＢに生成した逆起電力信号を監視し、これらの信号を機能停止状態検出器４４に供給する。機能停止状態検出器４４は、従来は機能停止状態を検出する目的で、単に逆起電力電圧を閾値電圧と比較するためだけに使用されていたが、都合の悪いことに、先に説明したように、低速モードの場合には、逆起電力は、一方向
ではなくその方向が変化し、その特性がロータの慣性およびロータが駆動している負荷（この場合は、ニードル３６の質量）の大きさにより変化する。逆起電力電圧は、時間に対する磁束の変化の速度に比例する。すなわち、Ｖ_ｅｍｆ＝ｄΦ／ｄｔである。この電圧は、すでに説明したように負荷に依存する。しかし、磁束の変化の積分は磁束の全変化を表し、磁束のゆっくりとしたまたは速い変化（すなわち、負荷に依存する影響）によっても影響を受けないし、駆動電流の変動によっても影響を受けない。

一部がブロック図になっている機能的略図である図７に示す本発明のステップ・モータの機能停止状態検出回路は、この特性を利用している。上記コイルＡおよびＢは、それぞれ論理回路５０の制御下で、各コイルが、いつ、どの方向に、どの程度駆動されるかを決定するコイル駆動電流制御および生成回路と連結している。各コイルは、また、修正した極性の逆起電力電圧信号を積分器５２に供給するためのマルチプレクサ回路を備える。例えば、コイルＡを流れる電流の供給および方向は、スイッチＳ_１−Ｓ_４により決まる。同様に、スイッチＳ_９−Ｓ_１２は、コイルＢに供給される電流の供給および方向を制御する。図から分かるように、スイッチＳ_１−Ｓ_４およびＳ_９−Ｓ_１２は、順に制御論理５０により制御される。

ロータの運動による逆起電力電圧信号は、コイルＡの電流が右から左に流れる場合には第１の極性を有し、左から右に流れる場合には第２の極性を有する。すべての起電力電圧信号が、同じ極性で積分器５２に確実に供給されるように、コイルＡは、スイッチＳ_５−Ｓ_８を有するマルチプレクサ回路を備える。同様に、コイルＢはスイッチＳ_１３−Ｓ_１６を有するマルチプレクサ回路を備える。上記のように、スイッチＳ_５−Ｓ_８およびＳ_１３−Ｓ_１６は、制御論理５０に接続しており、制御論理５０により制御される。

図から分かるように、スイッチＳ_１は、供給電圧源Ｖ_ＣとコイルＡの第１の端子との間に接続されている。スイッチＳ_２は、Ｖ_ＣとコイルＡの第２の端子との間に接続されている。スイッチＳ_３は、コイルＡの第１の端子とアースとの間に接続されている。スイッチＳ_４は、コイルＡの第２の端子とアースとの間に接続されている。スイッチＳ_９−Ｓ_１２は、コイルＢに対して同様に構成されている。コイルＡの端子間には、（１）第１の対の直列接続スイッチＳ_５およびＳ_６、および（２）第２の対の直列接続スイッチＳ_７およびＳ_８が接続されている。同様に、コイルＢの端子間には、（１）第１の対の直列接続スイッチＳ_１３およびＳ_１４、および（２）第２の対の直列接続スイッチＳ_１５およびＳ_１６が接続されている。スイッチＳ_５およびＳ_６の接合部およびスイッチＳ_１３およびＳ_１４の接合部は、それに関連する内部抵抗Ｒ_ｉｎｔを有する積分器５２の第１の入力５４に接続されている。スイッチＳ_７およびＳ_８の接合部およびスイッチＳ_１５およびＳ_１６の接合部は、また基準電圧Ｖ_ｒｅｆに接続されている積分器５２の第２の入力５６に接続されている。内部キャパシタＣ_ｉｎｔは、スイッチＳ_１４の端子と同様に、積分器５２の入力５４と出力５８の間に接続されている。その目的については、以下に説明する。図から分かるように、スイッチＳ_１４も、同様に、制御論理５０により制御される。積分器５２の出力は、比較器６０の第１の入力に接続されている。比較器６０の第２の入力は、閾値電圧Ｖ_Ｔを受信するように接続されている。比較器６０の出力は、機能停止状態を検出したかどうかを示す端子６２に接続されている。

図４、図５および図６を参照しながら、図７の機能停止状態検出回路の動作について説明する。０度（時点Ｔ_１）において、コイルＡは、スイッチＳ_１およびＳ_４を閉じることにより正の駆動電流の供給を受ける。９０度（時点Ｔ_２）において、小さい駆動電流がコイルＡに供給される。しかし、スイッチＳ_９およびＳ_１２を閉じることにより、正の駆動電流がコイルＢに供給される。コイルＢを通る駆動電流により、ステップ・モータのロータが回転し、コイルＡに逆起電力が生成する。スイッチＳ_５およびＳ_８を閉じた場合、コイルＡの端子６４をスイッチＳ_５を通して積分器５２の入力５４に接続することにより、
またコイルＡの端子６６をスイッチＳ_８を通して積分器５２の入力５６に接続することにより、この起電力が積分器５２に供給される。１８０度（時点Ｔ_３）において、コイルＢを通る駆動信号がストップする。しかし、スイッチＳ_２およびＳ_３を閉じることにより、負の駆動電流がコイルＡに供給され、ステップ・モータのロータが、コイルＢ内に逆起電力を生成するコイルＢを通過して引き続き移動する。この逆起電力は、コイルＢの端子６８をスイッチＳ_１３を通して積分器５２の入力５４に接続し、またコイルＢの端子７０をスイッチＳ_１６を通して積分器５２の端子５６に接続することにより、積分器５２に接続される。

２７０度（時点Ｔ_４）において、コイルＡへの駆動電流はストップし、スイッチＳ_１０およびＳ_１１を閉じることにより、負の駆動電流がコイルＢに供給される。コイルＡは、駆動状態から非駆動状態へ遷移しているので、逆起電力電圧が、９０度の時に生成した極性とは反対のこの極性の時だけ生成する。しかし、スイッチＳ_６およびＳ_７を閉じることにより、コイルＡの端子６６が、積分器５２の入力５４に接続し、コイルＡの端子６４が、スイッチＳ_７を通して積分器５２の入力５６に接続する。このようにして、パルスが整流され（すなわち、極性が修正され）、積分器５２に同じ極性の逆起電力信号を供給する。類似の方法で、３６０度の場合、コイルＢは、負の駆動状態から非駆動状態に遷移し、１８０度（時点Ｔ_３）の時に生成した極性とは反対の極性の逆起電力電圧を生成する。しかし、この場合も、スイッチＳ_１４およびＳ_１５を閉じることにより、コイルＢの端子６８を積分器５２の入力５６に接続し、コイルＢの端子７０を積分器５２の入力５４に接続するのでこの極性は逆になる。それ故、図８の一連の積分信号は、積分器５８の出力のところに現れる。

逆起電力電圧は、ロータがコイルＡおよびＢを通過して引き続き回転したために生成したのであるから、ロータが機能停止状態にある場合には、逆起電力は生成しない。図８の時点Ｔ_８はこの状態を示す。図８の信号は、比較器６０の第１の入力に供給され、閾値電圧Ｖ_Ｔは、第２の入力に供給される。時点Ｔ_８において、積分器５２の出力は、閾値Ｖ_Ｔを超えないので機能停止状態が検出される。

ロータの運動によるコイルＡおよびＢ内の磁束の変化の他に、駆動電流が減少すると、コイル内の磁束に追加の変化が起こることを理解されたい。機能停止状態検出プロセスが、コイル内の駆動電流の減少による影響を受けないようにするために、本発明の機能停止状態検出回路は、（１）急速な電流の減少を引き起こすためにコイルの両端に十分な電圧を生成し、（２）コイルへの電圧の印加の停止と起電力電圧の積分との間に逆起電力電圧が無視される短いマスキングまたはブランク期間を供給する。このマスキングまたはブランク期間は、制御論理５０の制御の下で、リセット状態に積分器５２を維持するスイッチＳ_１４が供給する。ブランク期間の長さは予め定めることもできるし、またはプログラムすることもできる。さらに、本発明の機能停止状態検出回路は、積分をスタートする前に、コイル内の電流が十分に減少したことを判断する回路を含むことができる。

ダイオードＤ_１およびＤ_２は、コイルＡ内の駆動電流の急速な減少を容易にし、ダイオードＤ_３およびＤ_４は、コイルＢ内の駆動電流の急速な減少を容易にする。これらダイオードは、それぞれコイルＡおよびＢの両端に十分な電圧を供給することによりこのような行為を行う。図から分かるように、ダイオードＤ_１およびＤ_２のアノードは相互に接続されて、またアースしており、一方、これらのダイオードのカソードはコイルＡの端子６４，６６にそれぞれ接続されている。ダイオードＤ_３およびＤ_４は、コイルＢに対して同様の構成になっている。

それ故、本発明は、コイルの駆動電流およびモータの負荷特性の変動に影響を受けない、ステップ・モータの機能停止状態を検出する方法および装置を提供する。ロータの運動
によるコイル内の逆起電力電圧は、同じ極性の一連のパルスを供給するために最初整流され、次に積分される。次に、機能停止状態になっているかどうかを判断するために、積分器の出力が閾値電圧と比較される。

これまで例示としての好ましい実施形態について詳細に説明してきたが、これらの実施形態は様々に変更することができる、以上の説明は単に例示にすぎない。当業者であれば、添付の特許請求の範囲に定義する本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の形式および詳細な点を変更することができる。

ステップ・モータの基礎要素と、３つの動作段階におけるそれらの要素の相対位置とを示す露出平面図。 ステップ・モータの基礎要素と、３つの動作段階におけるそれらの要素の相対位置とを示す露出平面図。 ステップ・モータの基礎要素と、３つの動作段階におけるそれらの要素の相対位置とを示す露出平面図。 ステップ・モータのコイルＡおよびＢの駆動電流のタイミングと極性。 ステップ・モータのコイルＡおよびＢの駆動電流のタイミングと極性。 車両速度、エンジンの毎分回転数（ｒｐｍ）等のような変数を表示するためにステップ・モータの使用を示す機能ブロック図。 本発明による機能停止状態検出回路の一部をブロック図で示した略図。 機能停止状態を判断するために、閾値と比較するための図７の積分器の出力のところに現れる一連の信号。

Claims (4)

1. 少なくとも第１および第２のコイルと、複数の磁極をその周囲に有するロータとを含むタイプのステップ・モータの機能停止状態を検出する装置であって、
   制御回路と、
   前記制御回路に接続し、該制御回路により制御される第１のスイッチング回路を備える電流源であって、前記第１および第２のコイルに駆動電流を交互に供給し、それにより前記ロータをステップさせる電流源と、前記第１および第２の各コイルは、駆動状態から非駆動状態に遷移した時に、前記ロータの運動による、極性が交互に変化する信号を生成することと、
   積分器に接続された出力を有し、前記信号の極性を修正する整流回路と、
   前記各信号の最初の部分をマスクするブランク回路と、
   前記整流回路から前記極性が修正された信号を受信するように接続された入力を有し、その積分された信号を生成する積分器と、
   前記機能停止状態を検出するために、前記積分された信号を所定のしきい値と比較する、前記積分器に接続された比較器と、を備える装置。
2. 前記整流回路が、前記制御回路に接続し、該制御回路により制御される第２のスイッチング回路を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記ブランク回路が、前記制御回路に接続し、該制御回路により制御される第３のスイッチング回路を備える、請求項２に記載の装置。
4. 少なくとも第１および第２のコイルと、複数の磁極をその周囲に有するロータとを含むタイプのステップ・モータの機能停止状態を検出する方法であって、
   制御回路に接続され、それによって制御されるスイッチング回路からなる電流発生器を提供し、同電流発生器は、前記第１および第２のコイルを駆動信号で交互に駆動して前記ロータを回転させるステップであって、前記第１および第２の各コイルは、駆動状態から非駆動状態に遷移した時に前記ロータの運動による交流の起電力信号を生成する前記ステップと、
   前記起電力信号を整流するステップと、
   前期整流された起電力信号のそれぞれの最初の部分をマスクするステップと、
   前記整流された起電力信号を積分するステップと、
   前記積分した起電力信号を所定のしきい値と比較して、機能停止状態を検出するステップと、から成る方法。

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