JP2000507797A - ステップモータのストッパおよびブロック識別装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ステップモータのストッパおよびブロック識別装置が、瞬時のモータパラメータの経過から特性量を検出し、これを基準値と比較する。ここから、ストッパおよびブロック識別のための信号が発生される。このために評価回路が設けられており、評価回路は瞬時のモータパラメータとして、ステップモータの少なくとも１つの非通電巻線に誘導される電圧を検知し、これに基づいてステップモータがブロックされているか、または運動しているかについて評価する。この電圧はステップモータの通電巻線によって誘導される。評価回路による評価の際には、固着的ブロックまたは弾性的ブロックの区別が行われる。固着的ブロックの場合には電機子が停止しているため電圧は誘導されない。一方、弾性的ブロックの場合にはステップが不完全であることによる電機子の戻り運動の際に、出力信号に逆相の電圧ピーク（５２）が誘導され、これが検知される。

Description

【発明の詳細な説明】 ステップモータのストッパおよびブロック識別装置 従来の技術 本発明は、請求項１の上位概念による、瞬時のモータパラメータからストッパ ないしブロック識別に対して重要な信号が検出される、ステップモータのストッ パおよびブロック識別装置から出発する。 ＤＥ４４１９８１３Ａ１から、電気モータ、ステップモータないし整流モータ の駆動装置が公知である。この装置は、電気モータが動力源である駆動部の過負 荷またはブロックを電気モータを流れる電流の特性量から評価する。特性量の検 出は、電気モータのスタート時点後の投入過程中にまだある時間インターバル内 で行われるか、またはスタート時点後の所定の遅延時間にある所定の走査時点で 行われる。評価すべき電流の特性量として、電流振幅、電流変化または電流差が 用いられ、ストッパ識別ないしブロック識別に対する信号として評価される。こ の公知の装置で重要なことは、電気モータが前記のスタート時点の開始時には少 なくとも近似的に無電流状態でなければならないことと、時間インターバルない し走査時点が定常モータ電流に達する前にあることである。 発明の利点 請求項１の構成を有するステップモータのストッパおよびブロック識別装置は これに対して、全く異なる動作原理に基づく。すなわち、電圧の評価が行われ、 ステップモータにおいて安価なストッパおよびブロック識別が可能である。 本発明によればこのことは基本的に次のようにして達成される。すなわち、評 価回路が設けられており、この評価回路がステップモータの少なくとも１つの非 通電巻線に誘導される電圧を検知し、これに基づいてモータがブロックしている かまたは可動であるかを評価する。この誘導電圧は、ステップモータの通電巻線 により誘起される。 従属請求項に記載された手段により、請求項１に記載された構成の有利な発展 および改善が可能である。 本発明の有利な実施例では、評価回路により固着的ブロックまたは弾性的ブロ ックについての評価が行われる。 本発明の有利な構成では、固着的ブロックの検知がステップモータの静止状態 と、ステップモータの巻線に通電される検査ステップで行われ、ステップモータ 別の巻線に誘導される電圧が評価される。この電圧は固着的ブロックが存在する 場合には実質的にゼロである。 本発明の別の有利な構成では、評価回路は弾性的ブロックを識別するために通 電されていない巻線に誘導 される電圧経過のピークを検知する。このピークは負または正であり得る。本発 明のこの構成の有利な発展形態では、ピークが所定の閾値を上回るときに弾性的 ブロックが識別される。 とくに有利な実施例では、弾性的ブロックの識別が、ステップモータが所定の ように緩慢に運動するときに行われる。 本発明の有利な構成では、弾性的ブロックの識別に対して設けられた評価回路 がステップモータの各巻線に対して別個のコンパレータを有し、このコンパレー タの出力端子はそれぞれ１つのダイオードを介して共通の出力端子に導かれ、こ の出力端子には、ステップモータの巻線の１つに誘導される電圧において閾値を 上回る電圧ピークが発生するときに信号が発生する。 本発明の別の有利な構成では、評価回路は固着的ブロックを識別するために、 ステップモータの任意の１つの巻線に対して１つのコンパレータを有し、このコ ンパレータにはダイオードと分圧器を介して導かれた電圧ピークが供給され、コ ンパレータは出力端子に直接接続されており、相応に高い電圧ピークが誘導され たときに出力信号が出力される。 本発明により得られるストッパ識別（ここでのブロックは機械的ストッパによ るものである）によって、適用されたシステムの快適性が向上する。なぜなら、 ステップモータのストッパへの運動によるノイズ負荷 が低減されるからである。ストッパ識別によりストッパからストッパへのステッ プ数を自動的に、付加的コストなしで測定することができる。 本発明で得られるブロック識別により、一時的なブロックの識別が可能であり 、さらにステップモータの位置を補正するための適切な制御ストラテジーの適用 、エラーの場合にその影響の最小化ないし診断出力、並びにエラー処理コンセプ トのそれぞれ適当な使用が可能である。これにより全体としてシステムの快適性 と柔軟性が格段に改善される。 図面 本発明を図面に示された実施例に基づき詳細に説明する。 図１は、４つの巻線と所属のスイッチを有するステップモータのブロック回路 図である。 図２は、弾性的ブロックを識別するための評価回路のブロック回路図である。 図３は、固着的ブロックを識別するための評価回路のブロック回路図である。 図４は、２つの巻線ペアの関係を示す時間線図であり、この巻線ペアのそれぞ れ１つの巻線には交互に通電される。 図５は、図４に類似の線図であるが、ここでは弾性的ブロックが存在するとき の非通電巻線の電圧経過が示されている。 図６は、固着的ブロックを検出するための検査ステップにおいて、通電巻線の 電流経過と非通電巻線に誘導される電圧との関係を示す時間線図である。 図７は、弾性的ブロックを検出するための検査捨てプにおいて、通電巻線の電 流経過と筆伝巻線に誘導される電圧との関係を示す時間線図である。 実施例の説明 図１にはステップモータのブロック回路図が示されている。ステップモータ１ ０は４つの巻線１，２，３，４を有し、これら巻線はそれぞれ直列に配置された 所属のスイッチ５，６，７，８により、正の供給電圧ＵＢ、例えば自動車のバッ テリーとアース電位０との間に接続される。各巻線と所属のスイッチとの間には タップ端子１１，１２，１３，１４が設けられており、これらのタップ端子は本 発明のストッパおよびブロック識別のため、それぞれの巻線１〜４の電圧監視に 用いられる。スイッチ５〜８を制御して開閉することにより、ステップモータ１ ０の所属の巻線１〜４は供給電圧ＵＢに接続され、またこれから分離される。す なわち通電され、また非通電状態におかれる。 アース電位０と巻線１〜４との間に配置されたスイッチ５〜８を有する図１の ステップモータは、アーススイッチまたはローサイドドライバを備えたステップ モータ制御部を形成する。このような制御形式に後の実施例および時間線図と種 々の評価が関連する。しか し基本的にハイサイドスイッチによる制御も可能であることを述べておく。 図４の時間線図には、２つの巻線ペアの関係が示されており、これらのうちそ れぞれ１つの巻線に交互に電流が流され、また電流が遮断される。ここには、時 間に依存する電圧経過が示されている。時間線図の上側領域には４１により、例 えば巻線１と３からなる第１の巻線ペアの電圧経過が示されており、下側領域に は４２により、巻線２と４からなる第２の巻線ペアの電圧経過が示されている。 電圧経過４１の時間部分４３で通電される。なぜなら、電圧はスイッチが閉じて いるとき実質的にゼロだからである。このことは図示の実施例では例えば巻線１ に通電しているときの閉じたスイッチ１である。直接続く時間部分４５ではスイ ッチ５は開放され、巻線１には電流は流れない。電気的に９０°だけずれて、こ のことは巻線２と４からなる第２の巻線ペアに対する電圧経過４２でも生じる。 従って例えば時間部分４４ではスイッチ６が閉じられ、巻線２に電流が流れる。 これに直接続く時間部分４５でスイッチ６が開放され、巻線２で電流が遮断され る。別の２つのスイッチ７，８と、所属の巻線３，４に対しても同じ関係が成り 立ち、従って詳細には説明しない。 本発明のストッパおよびブロック識別は、ステップモータの少なくとも１つの 非通電巻線に誘導される電 圧の評価に基づくものである。ステップモータが自由に運動するときは、電機子 の運動に基づき非通電巻線に電圧が誘導される。この特性は図４の時間線図に示 されている。 本発明のストッパおよびブロック識別では、評価が固着的ブロックおよび弾性 的ブロックについて行われる。固着的ブロックが存在する場合には、電機子は適 切な巻線に通電されてもステップモータが静止状態にあって運動しない。弾性的 ブロックが存在する場合には、ステップモータの電機子は１ステップを不完全に 実行する。ステップモータは振れるが再びその出発位置に戻る。この振動は非通 電巻線に電圧を誘導する。このことが図５の時間線図に示されている。弾性的ブ ロックは実際には、最も頻繁に発生する。なぜなら一般的に、ステップモータに 取り付けられた機械的伝動部材、例えばギヤ、ロッド、フラップ、およびその他 の調整部材によってシステム全体は所定の弾性を有するからである。 以下図２に基づき、ステップモータ１０の弾性的ブロックを識別するための評 価回路２０を、図５に示された時間線図と関連して説明する。 一般的に本発明では、評価回路２０は図５に示すように非通電巻線に誘導され る電圧経過５０の電圧ピーク５１と５２を検知する。電圧ピーク５１と５２が所 定の閾値を上回ると、評価回路２０により弾性的ブロ ックが識別され、相応の出力信号が形成される。この出力信号は外部インターラ ップとして、ステップモータ１０の図示しない制御回路にあるマイクロコントロ ーラにさらに供給される。 電圧ピーク５１と５２は異なる極性を有している。このことは図５の所属のゼ ロライン５３を基準にするとよくわかる。この極性を適切に評価回路２０で求め ることができる。さらにとくに有利には、故障して緩慢に運動しているステップ モータで検知を実行できる。評価回路の時間感度が高い必要はなく、従って安価 な構成素子を使用することができる。 図２に示した評価回路２０は４つの同じ分岐路を、図１の４つの巻線タップ端 子１１〜１４に対して有する。各分岐路には各巻線に対して別個のコンパレータ ２１が設けられている。各コンパレータは＋により示された非反転入力端子と、 −により示された反転入力端子を有する。コンパレータ２１の反転入力端子は、 抵抗２２と２３からなり、供給電圧源ＵＢとアース電位０との間に接続された分 圧器を介して所定の電位に接続されている。さらにコンパレータ２１の非反転入 力端子は、抵抗２４と２５からなり、供給電圧ＵＢといアース電位０との間に接 続された分圧器を介して所定の電位に接続されている。評価回路２０の各入力端 子１１〜１４と、各コンパレータ２１の各非反転入力端子との間には、ダイオー ド２６とコンデンサ２７の 直列回路が接続されている。ダイオード２６は図示の実施例では次のように極性 付けられている。すなわち、負電圧、例えば図５の電圧ピーク５２だけがコンデ ンサ２７を介して、コンパレータ２１の＋で示した非反転入力端子に到達するよ うに極性付けられている。 分圧器２２，２３により、コンパレータ２１に対する閾値が−で示した反転入 力端子において設定される。分圧器２４，２５は、所定の電位を越える電圧ピー ク５２だけが非反転入力端子に達するようにする。コンパレータ２１の反転入力 端子における電圧は分圧器２２，２３により、非反転入力端子における電圧より も小さく選定されている。ダイオード２６により負の電圧だけが、そしてコンデ ンサ２７によりエッジだけがコンパレータ２１の非反転入力端子に入力結合され る。２つの分圧器２２，２３と２４，２５のタップはそれぞれ同じ比で、場合に より変動する供給電圧ＵＢを導くから、コンパレータ２１に発生する出力信号は 供給電圧の変動には依存しない。 各コンパレータ２１は出力端子２８を有し、この出力端子は負に極性付けられ たダイオード２９を介してすべてのコンパレータ２１に対して共通の出力端子２ ００に導かれている。この共通の出力端子２００はさらに抵抗２０１を介して基 準電圧源Ｕｒｅｆに、コンデンサ２０２を介してアース電位０に接続されている 。すでに述べたように、非通電巻線に誘導された電圧 経過５０の電圧ピーク５２が基準値を上回り、従って弾性的ブロックが識別され るとき、共通の出力端子２００は信号を発生する。共通の出力端子２００に発生 する、ブロックを指示する出力信号は外部インターラップとして、ステップモー タの制御回路のマイクロコントローラに供給され、そこで相応にさらに処理され る。 弾性的ブロックを識別するための評価には、電機子の後戻りにより非通電巻線 に逆相の電圧が誘導されるという事実を利用する。この電圧は、コンパレータ２ １の少なくとも１つの非反転入力端子において反転入力端子の電圧を下回る。こ のことはコンパレータの出力を切り替える。これによりインターラップがトリガ され、ステップモータのブロックが識別される。これに対してステップモータが 運動しているときは、コンパレータ２１の非反転入力端子における電圧は反転入 力端子における電圧よりも大きいままである。 図３に基づき、以下ステップモータ１０の固着的ブロックを識別するための評 価回路３０を説明する。 例えば巻線１、および巻線１と所属のスイッチ５との間のタップ端子１１を有 する任意の分岐路でタップ端子が評価回路３０に対する入力端子として用いられ 、この分岐路にコンパレータ３１が設けられている。コンパレータ３１は、＋で 示した非反転入力端子と−で示した反転入力端子を有する。コンパレータ３１の 反転入力端子は、抵抗３２と３３からなり、供給電圧ＵＢとアース電位０との間 に接続された分圧器を介して所定の電位に接続されている。さらにコンパレータ ３１の非反転入力端子は、抵抗３４と３５からなり、供給電圧ＵＢとアース電位 ０との間に接続された分圧器を介して所定の電位に接続されている。評価回路３ ０の入力端子１１とコンパレータ３１の非反転入力端子との間にはダイオード３ ６が接続されている。このダイオード３６は図示の実施例では、負のエッジ、す なわち負の電圧ピークだけがコンパレータ３１の＋により示した非反転入力端子 に到達するように極性付けられている。分圧器３２，３３により、コンパレータ ３１に対する閾値が−により示された反転入力端子において設定される。分圧器 ３４，３５は、所定の電位を越える電圧ピークだけが非反転入力端子に到達する ようにする。２つの分圧器３２，３３と３４，３５のタップは、それぞれ同じ比 で場合により変動する供給電圧ＵＢを導くから、コンパレータ３１に発生する出 力信号は供給電圧の変動には依存しない。 固着的ブロックを識別するための評価では、ステップモータ１０の位置が既知 である場合、例えば巻線１の通電によって３／８ステップを実行することができ る。非通電巻線には、ステップモータが運動する場合には１８０°位相のずれた 電圧が誘導される。ステップモータのストップ位置により既知である、コンパレ ータの非反転入力端子に対する入力端子１１の電圧は、反転入力端子における電 圧よりも低下し、出力が切り替わる。しかしステップモータが固着的ブロックし ている場合には、電圧が誘導されないので、コンパレータ３１は切り替わらない 。 図６には、通電巻線の電流経過と非通電巻線に誘導される電圧との関係が、ブ ロックを検出するため検査ステップにおいて示されている。上側部分には電圧経 過６１が示されており、この電圧経過は、所定の巻線の通電に対する時点６０よ り前の高い電圧からその時点後の低い電圧へ変化する。この時間線図の下側領域 には別の巻線ペアの非通電巻線の電圧経過６２が示されている。ここでは時点６ ０の前後で電圧経過６２の変化は見られない。固着的ブロックの場合には非通電 巻線に電機子が静止状態にあるため電圧が誘導されならから、従ってこの場合は 固着的ブロックが存在する。 図７には、通電巻線の電流経過と非通電巻線における誘導電圧との関係がブロ ック検出のための別の検査ステップにおいて、時間線図に示されている。上側部 分には、所定の巻線の通電に対する時点７０の前の高い電圧から低い電圧に変化 している。時間線図の下側部分には、別の巻線ペアの非通電巻線における電圧経 過７２が示されている。時点７０の前では、電圧経過７２はほぼ一定でゼロであ る。これに対して時点７０ 後では激しい変化が電圧経過７０に見られる。比較的に大きな負の電圧ピーク７ ４，振幅の小さな電圧ピーク７５そしてさらに振幅の小さな負の電圧ピーク７６ が、誘導電圧が消失するまで発生する。ステップモータの電機子が運動するとき だけ、電圧が誘導される。電機子の戻り運動によりステップが完全に実行されな い場合には振動が生じ、このことにより負の電圧が誘導される。従ってこの場合 は弾性的ブロックが存在する。 本発明によるストッパおよびブロック識別では、誘導電圧とこれにより可能な 評価回路に基づき、電圧および温度に依存することを恐れる必要がない。さらに 本発明のストッパおよびブロック識別は、場合により制御回路で使用されるマイ クロコントローラに対して特別の要求を課すことはない。本発明のストッパおよ びブロック識別により、ステップモータのストッパへの運動によるノイズ負荷が 軽減される。ステップモータの運動中に発生するステップエラーが終端ストッパ において発見される。ステップモータの目標位置を実際位置と比較することがで きる。実際位置を記憶する必要はない。なぜなら、本発明のストッパおよびブロ ック識別によりステップモータの位置が僅かの機械的な負荷を伴い、また較正運 動ノイズなしで発見されるからである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１０月１７日（１９９７．１０．１７） 【補正内容】 請求の範囲 １． 瞬時のモータパラメータの経過から特性量を検出し、基準値と比較する ことによりストッパないしブロック識別に対する信号が発生される、ステップ緒 モータのストッパおよブロック識別装置において、 評価回路（２０，３０）が設けられており、 該評価回路は、ステップモータ（１０）の少なくとも１つの非通電巻線（１〜 ４）に誘導される電圧を検出し、これに基づいてステップモータがブロックされ ているか否かを評価し、 前記電圧は、ステップモータの通電巻線により誘導されるものであり、 弾性ブロックについての評価が前記評価回路（２０）により行われ、 該弾性ブロックでは、ステップモータが１ステップを完全実行することができ ず、往復運動している、ことを特徴とするストッパおよびブロック識別装置。 ２． 弾性的ブロックを識別するための評価回路（２０）は、非通電巻線に誘 導された電圧経過におけるピークを検知する、請求項１記載のストッパおよびブ ロック識別装置。 ３． 所定の閾値を越える場合のピーク（５２，７４）が弾性的ブロックとし て識別される、請求項２記載のストッパおよびブロック識別装置。 ４． 弾性的ブロックの識別は、ステップモータが所定のように緩慢に運動す るときに行われる、請求項１〜３までのいずれか１項記載のストッパおよびブロ ック識別装置。 ５． 弾性的ブロックを識別するための評価回路（２０）は、ステップモータ （１０）の各巻線（１〜４）に対して別個のコンパレータ（２１）を有しており 、 該コンパレータ（２１）の各非反転入力端子にはそれぞれダイオード（２６） とコンデンサ（２７）を介し誘導電圧が供給され、 前記コンパレータ（２１）の各非反転入力端子は、それぞれ供給電圧（ＵＢ） とアース電位（０）との間に接続されており、 前記コンパレータ（２１）の反転入力端子はさらに、供給電圧（ＵＢ）とアー ス電位（０）との間に接続された分圧器（２２，２３）に接続されており、 前記コンパレータ（２１）の出力端子（２８）は、それぞれダイオード（２９ ）を介して共通の出力端子（２００）に導かされており、 当該出力端子（２００）には、ステップモータ（１０）の巻線（１〜４）の１ つに誘導される電圧において、基準電圧（Ｕｒｅｆ）により出力側（２００）に 設定された閾値を越える電圧ピーク（５２，７４）が発生するとき信号が出力さ れる、請求項１〜４までの いずれか１項記載のストッパおよびブロック識別装置。 ６． 固着的ブロックの検知はステップモータ（１０）の静止状態で行われ、 検査ステップではステップモータの１つの巻線に通電され、その際にステップ モータの他方の巻線に場合により誘導される電圧を評価し、 該電圧は固着的ブロックの場合は実質的にゼロである、請求項１記載のストッ パおよびブロック識別装置。 ７． 固着的ブロックを識別するための評価回路（３０）は、ステップモータ （１０）の任意の１つの巻線に対してコンパレータ（３１）を有し、 該コンパレータにはダイオード（３６）と分圧器（３４，３５）を介して導か れた電圧ピークが供給され、 前記コンパレータ（３１）は出力端子（３７）に、相応に高い電圧ピークが誘 導されるとき出力信号を送出する、請求項６記載のストッパおよびブロック識別 装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 瞬時のモータパラメータの経過から特性量を検出し、基準値と比較する ことによりストッパないしブロック識別に対する信号が発生される、ステップ緒 モータのストッパおよブロック識別装置において、 評価回路（２０，３０）が設けられており、 該評価回路は、ステップモータ（１０）の少なくとも１つの非通電巻線（１〜 ４）に誘導される電圧を検出し、これに基づいてステップモータがブロックされ ているか、または運動しているかを評価し、 前記電圧は、ステップモータの通電巻線により誘導されるものである、ことを 特徴とするストッパおよびブロック識別装置。 ２． 評価回路による評価は、固着的ブロックまたは弾性的ブロックについて 行われる、請求項１記載のストッパおよびブロック識別装置。 ３． 固着的ブロックの検知はステップモータ（１０）の静止状態において行 われ、 検査ステップでは、ステップモータの１つの巻線に通電され、その際にステッ プモータの別の巻線に誘導される電圧を評価し、 該電圧は、固着的ブロックの場合は実質的にゼロである、請求項１または２記 載のストッパおよびブロック識別装置。 ４． 弾性的ブロックを識別するための評価回路（２０）は、非通電巻線に誘 導された電圧経過におけるピークを検知する、請求項１または２記載のストッパ およびブロック識別装置。 ５． 所定の閾値を越える場合のピーク（５２，７４）が弾性的ブロックとし て識別される、請求項４記載のストッパおよびブロック識別装置。 ６． 弾性的ブロックの識別は、ステップモータが所定のように緩慢に運動す るときに行われる、請求項４または５記載のストッパおよびブロック識別装置。 ７． 弾性的ブロックを識別するための評価回路（２０）は、ステップモータ （１０）の各巻線（１〜４）に対して別個のコンパレータ（２１）を有しており 、 コンパレータ（２１）の出力端子（２８）は、それぞれ１つのダイオード（２ ９）を介して共通の出力端子（２００）に導かれており、 該出力端子（２００）には、ステップモータ（１０）の巻線（１〜４）の１つ に誘導される電圧において閾値を上回る電圧ピーク（５２，７４）が発生する場 合に信号が出力される、請求項２または請求項４から６までのいずれか１項記載 のストッパおよびブロック識別装置。 ８． 固着的ブロックを識別するための評価回路（３０）は、ステップモータ （１０）の任意の１つの巻 線に対してコンパレータ（３１）を有しており、 該コンパレータにはダイオード（３６）と分圧器（３４，３５）を介して電圧 ピークが供給され、 コンパレータ（３１）は、相応に高い電圧ピークが誘導されるとき、出力信号 を出力端子（３７）に直接出力する、請求項２または３記載のストッパおよびブ ロック識別装置。