JP4423339B2 - ステッピングモータ制御装置およびステッピングモータの駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、アナログ指針式メータの指針の駆動などに用いられるステッピングモータの駆動制御技術に関し、特に、脱調を防止する技術に関する。

従来、車両のスピードメータなどにおいて、指針をステッピングモータで回動させるアナログ式のメータ装置が周知である。
このメータ装置は、センサからの入力に基づいて指針の指示角度を演算して、この指示角度を出力する演算制御部と、指示角度を得るのに必要な駆動軸の回動角度である目標回動角度を演算し、この目標回動角度に基づいてステッピングモータを駆動させるモータ駆動制御装置と、を備えたステッピングモータ制御装置を備えている。

このようなステッピングモータ制御装置では、実際の指針の指示角度と、ステッピングモータ制御装置の制御上の指示角度と、の間にずれが生じる脱調が問題となる。

この脱調の原因の１つに、駆動軸の回動変化量が大きすぎる場合、駆動軸の慣性力による影響が大きくなり、駆動軸と指示角度とに差が生じて同期できなくなる場合がある。
そこで、このような回動量が過大な場合の脱調を防止するステッピングモータ制御装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。

この従来のステッピングモータ制御装置は、１回の制御周期における駆動軸の回動角度に制限値を設定し、１回の制御周期中に、制限値を越えた角度の回動が行われるのを禁止することで、上述の駆動軸の回動変化量が過大であることを原因とする脱調を防止している。
特開２００４−３２８８０７号公報

しかしながら、上述の従来技術では、駆動軸の目標回動角度が制限値を大きく越えている場合、以下に述べる問題が生じる。
これを、図６には、制御周期ＳＳ１，ＳＳ２，ＳＳ３，ＳＳ４において、それぞれ指針の指示角度として、０°、１０°、５°、４０°が与えられた場合を示している。
この例において、例えば、制限値が１０°であるとすると、指針の指示角度５°から４０°に変化している制御周期ＳＳ４では、必要な回動変化量が３５°であり、制限値を越えている。この場合、制御周期ＳＳ４，ＳＳ５，ＳＳ６では、指針を制限値である１０°回動させる出力を行った後、最後の制御周期ＳＳ７で、差分の５°を回動させる出力を行う。

このように、従来技術では、制限値を越えて回動させる場合に、制限値による回動＋差分の回動としていたため、駆動軸の回動変化量が一定ではなく、指針の回動が円滑になされていなかった。
しかも、通常、制限値は、応答性を考慮して脱調が生じない値の上限値に設定されており、必要な回動変化量が制限値よりも大きい場合、常に、制限値の回動を繰り返すため、制限値よりも小さな駆動と比較して、脱調防止の観点からは好ましいものではない。

本発明は、上述のような従来の問題に着目して成されたもので、駆動軸を常に一定の変化量で回動させて、駆動軸の円滑な回動を達成可能とするとともに、制限値に達する出力機会を減らして、脱調防止性能の向上を図ることが可能なステッピングモータ制御装置およびその駆動制御方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため請求項１に記載の本発明は、センサから送られるデータに対応してステッピングモータの駆動軸の目標回動角度を演算する目標回動角度演算処理と、前記ステッピングモータの駆動軸の現在の回動角度と前記目標回動角度との差である目標回動変化量を演算する目標回動変化量演算処理と、前記目標回動変化量を前記ステッピングモータの脱調が生じるおそれのない変化量の上限値未満にあらかじめ設定された制限値で割った商および余りを用い、前記制限値を超えない範囲で前記目標回動変化量を最小等分する分割目標回動量を求める分割目標回動量演算処理と、を実行し、かつ、１制御周期あたりの回動量を前記分割目標回動量として前記ステッピングモータを駆動させる制御装置を備えていることを特徴とするステッピングモータ制御装置とした。
また、請求項２に記載の発明は、センサから送られるデータに対応して、ステッピングモータの駆動軸の目標回動角度を演算する目標回動角度演算ステップと、前記駆動軸の現在の回動角度と前記目標回動角度との差である目標回動変化量を演算する目標回動変化量演算ステップと、前記目標回動変化量を前記ステッピングモータの脱調が生じるおそれのない変化量の上限値未満にあらかじめ設定された制限値で割った商および余りを用い、前記制限値を超えない範囲で前記目標回動変化量を最小等分する分割目標回動量を求める分割目標回動量演算ステップと、１制御周期あたりの回動量を前記分割目標回動量として前記ステッピングモータを駆動させる駆動ステップと、を備えていることを特徴とするステッピングモータの駆動制御方法とした。

本発明のステッピングモータ制御装置では、駆動軸を現在の回動角度から目標回動角度へ回動させる場合に、両角度の差である目標回動変化量を演算し、これを脱調回動限界を超えない範囲の分割目標回動量で等分割し、１制御周期あたりの回動量を前記分割目標回動量として前記ステッピングモータを駆動させる。
したがって、駆動軸は、現在の回動角度から目標回動角度に向けて、分割目標回動量により一定の回動変化量で回動し、回動が円滑に成される。
しかも、１制御周期における回動量である分割目標回動量は、脱調回動限界を超えない値で回動されるため、常に脱調回動限界で回動させるものと比較して、脱調回動限界の回動頻度が大幅に低下し、脱調防止性能を向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、駆動軸の現在の回動角度と目標回動角度との差である目標回動変化量を演算し、１制御周期あたりの回動量を分割目標回動量としてステッピングモータを駆動させる
したがって、駆動軸は、現在の回動角度から目標回動角度に達するまで、１制御周期あたりの回動量が一定に回動し、回動が円滑に成される。
しかも、１制御周期における回動量である分割目標回動量は、脱調回動限界を超えない値であるため、常に脱調回動限界で回動させるものと比較して、脱調回動限界での回動頻度が大幅に低下し、脱調防止性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
この実施の形態のステッピングモータ制御装置は、センサ（５）から送られるデータに対応してステッピングモータ（３）の駆動軸（３ａ）の目標回動角度を演算する目標回動角度演算処理と、前記ステッピングモータ（３）の駆動軸（３ａ）の現在の回動角度と前記目標回動角度との差である目標回動変化量を演算する目標回動変化量演算処理と、前記目標回動変化量を、前記ステッピングモータ（３）の脱調回動限界を超えない範囲の分割目標回動量で等分割する分割目標回動量演算処理と、を実行し、かつ、１制御周期あたりの回動量を前記分割目標回動量として前記ステッピングモータ（３）を駆動させる制御装置（１，２）を備えていることを特徴とするステッピングモータ制御装置とした。

以下に、図１〜図６に基づいて、この発明の最良の実施の形態の実施例１のステッピングモータ制御装置Ａについて説明する。

この実施例１のステッピングモータ制御装置Ａは、図１に示すように、コントロールユニット（制御装置）１と、モータ駆動制御回路２（制御装置）と、ステッピングモータ３を備えている。

このステッピングモータ３は、図示を省略した車両用速度表示装置に用いられている。すなわち、この車両用速度表示装置は、ステッピングモータ３に駆動される駆動軸３ａの回動に伴い、指針４が図外の文字板に設けられた目盛（図示省略）に沿って回動して速度を表示する周知のアナログ式の表示装置である。

コントロールユニット１は、車速センサ５から出力された車速データＤＳが設定周期（本実施例１では、１０ｍｓとする）入力され、この車速データＤＳに基づいて、指針４の目標指示角度（目標回動角度）ＤＡを求める指示角度演算処理（目標回動角度演算処理、目標回動角度演算ステップ）と、この目標指示角度ＤＡを示す指示角度信号をモータ駆動制御回路２に出力する指示角度信号出力処理とを実行する。
この指示角度信号は、あらかじめ設定された送信周期で出力されるもので、本実施例１では、１０ｍｓ周期で出力されるものとする。

また、モータ駆動制御回路２は、指示角度信号を入力して、駆動軸３ａの現在の指示角度である前回指示指令角度Ｄｘと目標指示角度ＤＡとの差である目標回動変化量ＲＲを演算する目標回動変化量演算処理、目標回動変化量ＲＲが、１回の制御周期ＳＳ内の回動変化量が制限値ＳＡ以下の値となる範囲で目標回動変化量ＲＲを最少等分した分割目標回動量Ｒθで、駆動軸３ａを回動させる駆動信号を出力するリニア回動処理と、を実行する。

図２は、上述したコントロールユニット１およびモータ駆動制御回路２における処理の流れを示している。なお、本実施例１では、この図２のフローチャートに示す処理を、１０ｍｓを制御周期ＳＳとして繰り返し実行している。
ステップＳ１で、車速データＤＳを読み込み、さらに、次のステップＳ２でデータの平均化処理を行った後、次のステップＳ３で補正処理を行う。なお、上述の平均化処理ならびに補正処理は、データ処理として一般的な処理であり、本発明の要旨とする部分ではないので、詳細な説明は省略する。

次のステップＳ４では、車速データＤＳを指針４の目標指示角度ＤＡに換算する。すなわち、指針４が指示するべき速度を、指針４が速度０ｋｍ／ｈを示す初期位置からの回動角度に換算する処理（目標回動角度演算処理）を実行する。

次に、ステップＳ５では、制限処理を実行する。
この制限処理は、指針４すなわち駆動軸３ａを目標指示角度ＤＡに向けて回動させるのにあたり、１回の制御周期ＳＳにおける回動変化量を、脱調が生じるおそれの無い変化量の上限値未満の、あらかじめ設定された制限値ＳＡ内に制限する処理である。
ちなみに、本実施例１では、この制限値ＳＡとして、１０°を用いているものとするが、この制限値ＳＡは、実験などに基づいて、任意の適正値を用いることができる。

次のステップＳ６で、目標指示角度ＤＡにフィルタ処理を実施した後、駆動軸３ａを目標指示角度ＤＡに回動させる駆動信号を出力する。

また、本実施例１では、駆動信号を、あらかじめ設定された制御周期ＳＳにおいて、あらかじめ設定された駆動単位周期ごとに出力する。本実施例１では、駆動単位周期として１ｍｓを用いており、１０ｍｓの制御周期ＳＳにおいて、駆動信号を１０回出力する。

次に、ステップＳ５の制限処理の詳細を図３のフローチャートにより説明する。
この制限処理では、まず、ステップＳ２１において、駆動誤差算出処理を実行する。この駆動誤差算出処理は、指針４が目標指示角度ＤＡを指すのに必要な回動角度である目標回動変化量ＲＲを制限値ＳＡで除算した場合の「商」および「余り」を求める処理である。

具体的には、現在の指針４の指示角度である前回指示指令角度Ｄｘ_−１と、目標指示角度ＤＡと、の差、すなわち、目標回動変化量ＲＲを、ＲＲ＝｜Ｄｘ_−１−ＤＡ｜により求める処理（目標回動変化量演算処理）を実行し、さらに、この目標回動変化量ＲＲを制限値ＳＡで除算する除算処理を実行して、その「商」および「余り」を求める。

次のステップＳ２２では、ステップＳ２１の演算結果に「余り」が存在するか否かを判定し、「余り」が存在する場合には、ステップＳ２３に進んで、ステップＳ２１の演算結果の「商」に１を加えた値を新たな「商」とする処理を行う。
一方、「余り」が存在しない場合には、ステップＳ２４に進んで、「商」が０か否か判定し、「商」＝０の場合には、ステップＳ２３に進み、「商」が０でない場合には、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５では、今回の制御周期ＳＳにおける駆動軸３ａの指示指令角度Ｄｘを、下記の式（１）により等分割する分割目標回動量演算処理を行う。
Ｄｘ＝Ｄｘ_−１−（Ｄｘ_−１−ＤＡ）／商 …（１）

すなわち、「余り」分を各制御周期ＳＳに均等に分配、調節することによって等分割することになる。

なお、これにおいて、１回の制御周期ＳＳにおける駆動軸３ａの分割目標回動量Ｒθ（＝（Ｄｘ_−１−ＤＡ）／商）は、制限値ＳＡ以下となるようにする。

次に、実施例１の作動を説明する。
作動時には、コントロールユニット１に、車速データＤＳが、設定周期（１０ｍｓ）で入力される。
そこで、コントロールユニット１は、車速データＤＳを読み込み（ステップＳ１）、この車速データＤＳに基づいて、指針４の目標指示角度ＤＡを演算し（ステップＳ２→Ｓ３→Ｓ４）、さらに、この目標指示角度ＤＡに基づいて制限処理を実行して、制限値ＳＡ以下となる指示指令角度Ｄｘを求める（ステップＳ５）。

その後、モータ駆動制御回路２では、指示指令角度Ｄｘに応じて、１回の出力で、分割目標回動量Ｒθの１／１０だけ駆動軸３ａを回動させることができる駆動信号、すなわち、１０回の出力で指示指令角度Ｄｘに達することができる駆動信号を出力する。

このときの動作を、図４および図５を参照しつつ説明する。
この作動例は、図４に示すように、各制御周期ＳＳ１〜７において、車速データＤＳから演算した目標指示角度ＤＡが０°→１０°→５°→４０°と変化した例を示している。

この場合、図５に示す制御周期ＳＳ１〜ＳＳ３では、現在の指示角度である前回指示指令角度Ｄｘ_−１と目標指示角度ＤＡとの差である目標回動変化量ＲＲが制限値ＳＡ以下であることから、ステップＳ２１で演算された「商」が０となり、ステップＳ２５の演算における「商」＝１となる。
したがって、指示指令角度Ｄｘ＝ＤＡとなり、制御周期ＳＳ１では、指示指令角度Ｄｘ＝０°、制御周期ＳＳ２では、指示指令角度Ｄｘ＝１０°、制御周期ＳＳ３では、指示指令角度Ｄｘ＝５°となる。

したがって、制御周期ＳＳ１では、指針４の指示角度を、０°から１０°に変化させる駆動信号、すなわち、駆動軸３ａを＋１°回動させる駆動信号が１０回出力される。なお、＋が時計回り方向、−が反時計回り方向の回動となる。

また、次の制御周期ＳＳ２では、指針４を、１０°から５°に戻す駆動信号、すなわち、駆動軸３ａを、−０．５°回動させる駆動信号が１０回出力される。

次に、図４において、制御周期ＳＳ４〜ＳＳ７にかけて目標指示角度ＤＡ＝４０°が連続して入力された場合を説明する。
この場合、ステップＳ２１の駆動誤差算出処理で求められる目標回動変化量ＲＲが、制限値ＳＡよりも大きな値である３５°となる。そして、目標回動量ＲＲを制限値ＳＡで除算した結果が、「商」＝３、「余り」＝５となる。
そこで、ステップＳ２２→Ｓ２３の処理に基づいて、「商」＝４が得られる。
よって、ステップＳ２５では、上記式（１）に各値を代入し、５−（５−４０）／４を演算して、指示指令角度Ｄｘ＝１３．７５が得られる。

したがって、制御周期ＳＳ４では、指針４の指示角度を５°から１３．７５°に変化させるもので、１制御周期あたりの回動量である分割目標回動量Ｒθを、制限値ＳＡよりも小さな＋８．７５°とする駆動信号が出力される。すなわち、駆動軸３ａを、＋８．７５°／１０だけ回動させる駆動信号が１０回出力される。

同様の処理により、次の制御周期ＳＳ５では、｜１３．７５−４０｜／ＳＡの「商」＝２かつ「余り」＝６．２５となり、指示指令角度Ｄｘ＝１３．７５−（１３．７５−４０）／３＝２２．５となる。
したがって、制御周期ＳＳ５では、指針４の指示角度を１３．７５°から２２．５°に変化させるもので、分割目標回動量Ｒθを、制限値ＳＡよりも小さな＋８．７５°とする駆動信号が出力される。すなわち、駆動軸３ａを＋８．７５°／１０だけ回動させる駆動信号が１０回出力される。

制御周期ＳＳ６，ＳＳ７にあっても、同様の処理に基づいて、駆動軸３ａの１周期あたりの分割目標回動量Ｒθを、制限値ＳＡよりも小さな＋８．７５°とする駆動信号が出力される。

したがって、指針４は、目標指示角度４０°に向けて、分割目標回動量Ｒθにより一定の変化量で回動するとともに、この分割目標回動量Ｒθは、制限値ＳＡよりも小さな変化量となる。

以上説明してきたように、実施例１では、目標指示角度ＤＡに向けて指針４を回動させるのに必要な回動量（目標回動変化量ＲＲ）が制限値ＳＡを超える場合、指針４すなわち駆動軸３ａを、目標指示角度ＤＡに向けて制限値ＳＡを越えない範囲で等分された分割目標回動量Ｒθにより一定の変化量で回動させることができ、指針４を円滑に回動させることができる。
しかも、駆動軸３ａの必要回動量を制限値ＳＡで除算したときに、「余り」が生じる場合は、１制御周期ＳＳにおける駆動軸３ａの回動量である分割目標回動量Ｒθは、制限値ＳＡよりも小さな値となり、駆動軸３ａを制限値ＳＡで回動させるのは、「余り」が生じない場合だけとなる。このため、常に制限値ＳＡで回動させる従来技術と比較して、制限値ＳＡに達する出力機会を減らして、脱調防止性能の向上を図ることができる。

加えて、従来技術で説明した図６に示す比較例と比較して、目標指示角度ＤＡに達するまでに必要な制御周期ＳＳの数は同数であり、従来と同様の制御応答性を確保することができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態および実施例１を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態および実施例１に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、実施例１では、ステッピングモータ制御装置として、車両用の速度表示装置の指針を回動させるステッピングモータに適用した例を示したが、速度表示装置以外の表示装置に用いることができるほか、センサから入力される信号に応じてステッピングモータを駆動させるものであれば、表示装置以外の装置にも用いることができる。

また、実施例１では、制御周期ＳＳとして１０ｍｓ、単位駆動周期として１ｍｓを示したが、これらの時間は、制御装置の特性に基づいて任意に設定可能である。

また、実施例１では、脱調回動限界を超えない範囲の値として、１０°の制限値ＳＡを例示したが、この制限値は、要は、脱調が生じない回動変化量（脱調回動限界を超えない範囲）であれば、１０°に限定されるものではない。

本発明の最良の実施の形態の実施例１のステッピングモータ制御装置Ａの構成を示す構成説明図である。 実施例１のステッピングモータ制御装置Ａのコントロールユニット１およびモータ駆動制御回路２における処理の流れを示すフローチャートである。 図２に示すステップＳ５の制限処理の詳細を示すフローチャートである。 実施例１のステッピングモータ制御装置Ａの作動例を示すタイムチャートであって、目標指示角度ＤＡの変化の一例を示すタイムチャートである。 実施例１のステッピングモータ制御装置Ａの作動例を示すタイムチャートであって、指示指令角度Ｄｘの変化の一例を示すタイムチャートである。 実施例１との比較例を示すタイムチャートであって、従来技術に基づく指示指令角度Ｄｘの変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ コントロールユニット（制御装置）
２ モータ駆動制御回路（制御装置）
３ ステッピングモータ
３ａ 駆動軸
５ 車速センサ
Ａ ステッピングモータ制御装置

Claims (2)

1. センサから送られるデータに対応してステッピングモータの駆動軸の目標回動角度を演算する目標回動角度演算処理と、前記ステッピングモータの駆動軸の現在の回動角度と前記目標回動角度との差である目標回動変化量を演算する目標回動変化量演算処理と、前記目標回動変化量を前記ステッピングモータの脱調が生じるおそれのない変化量の上限値未満にあらかじめ設定された制限値で割った商および余りを用い、前記制限値を超えない範囲で前記目標回動変化量を最小等分する分割目標回動量を求める分割目標回動量演算処理と、を実行し、かつ、１制御周期あたりの回動量を前記分割目標回動量として前記ステッピングモータを駆動させる制御装置を備えていることを特徴とするステッピングモータ制御装置。
2. センサから送られるデータに対応して、ステッピングモータの駆動軸の目標回動角度を演算する目標回動角度演算ステップと、
   前記駆動軸の現在の回動角度と前記目標回動角度との差である目標回動変化量を演算する目標回動変化量演算ステップと、
   前記目標回動変化量を前記ステッピングモータの脱調が生じるおそれのない変化量の上限値未満にあらかじめ設定された制限値で割った商および余りを用い、前記制限値を超えない範囲で前記目標回動変化量を最小等分する分割目標回動量を求める分割目標回動量演算ステップと、
   １制御周期あたりの回動量を前記分割目標回動量として前記ステッピングモータを駆動させる駆動ステップと、
   を備えていることを特徴とするステッピングモータの駆動制御方法。

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