JPH11507799A - ステップモータの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 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）へ出力するようにしたステップモータの制御方法及び装置、例えば、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及び装置が提案される。各ステップタイミングクロック信号ごとに、制御装置により１つのステップを実行し、又、制御装置（１３）から出力されたステップ幅を制御回路（２０）により複数の比較的に小さいステップに分割し、上記部分ステップを、時間的にずれたパルスの形態で、制御回路からステップモータ（９）へ出力し、前記の比較的小さいステップ幅が制御装置により出力されるステップ幅より小であるようにしたのである。

Description

【発明の詳細な説明】 ステップモータの制御方法及び制御装置 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及び請求の 範囲６の上位概念によるステップモータの制御装置に関する。 論文“Der Schrittmotor und seine Schrittdauer”，Feinwerktechnik und M esstechnik 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、４ ００°／ｓの指針の最大回転角速度のもとでの伝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とす るところは、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、それによりステップ 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、それというのは、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、且つ高い信頼性のあるものであるからであ る。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軽減、除去され、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、それに より回路構成は簡単化される、それというのは、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用い得るからである。 部分ステップが、その都度第１の部分ステップの後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、 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ＰＬＬ回路を使用すること は特に有利である、それというのは、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。 本発明による請求の範囲６のステップモータの制御装置の特徴的構成要件によ り得られる利点とするところは、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、そして、然も−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を成す。 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、具現化されている。上記制御回路２０は、制御 装置ないし制御装置機器部１３とステップモータ９と の間に配置されており、そして明細書導入説明部分にて述べた利点を以てステッ 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は設 定位置発生器１１の設定角度出力側Xoに接続されている。ここで、設定位置発生 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To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Doであり、該クロック出力側は、ステップ一歩進シフトに対して責務が 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Dir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のステップシフト送り信号は、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Ro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、ビット １〜ｎを、両回転方向に対して角度位置に相応して カウントする。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、最も低ウエイトのビットが２進コード化された大きさ、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 が合わさって、合成される。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を有する合成された２進数が得られる。上記の共 通のカウンタ状態は、割当、対応付け手段６のカウント入力側ｃに供給され、そ して、更に制御装置１３の位置、ポジション−入力側ｐに供給される。割当、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、設定位置発生器１ １へ達し、ここでは測定された測定値の１つの設定角度α_sへの対応付けが行わ れる。そのような割当、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。設定角度α_Sはステップモータ９によ りそこへ指針を動かすべき位置に相応する。それにより、ステップモータ９上に 取り付けられていて、該ステップモータにより回転駆動される指針を用いて操作 者に数字板上に測定された測定値を指示できるようにするものである。制御装置 １３では、設定角度α_Sと実際値角度αiとの差の形成により、差角度△αの計算 、そして、それに続いて、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、相応のステップ数に相応して、ステップモータ９の制御のためステップタ 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する。ここで、殊にステ 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。それにより、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数特 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、 そちらへステップモータ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に供給され、他 方では被制御切換スイッチ５に通報される。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、休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（Ｈｉｇｈ）−信号（ロジック１）が現れ、反 転出力側Ｑ′には、ロジックロウ（Ｌｏｗ）−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、換言すれば出力側Ｑはロジック０にセットされ 、そして反転出力側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にて固定的に調 整セッティング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）レベルへ戻り切り換わる。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は最低ウエイトビット を０としてカウンタ１のカウンタ状態ビットｎ〜ビット１と合わさって、結合点 ２２にて唯一のカウンタ状態ビットの形成されるように合成される。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共通のカウンタ状態の 低ウエイトの部分を形成し、その結果、結合点２２に て、桁位置ビットｎ〜ビット１を有するカウンタ状態が生じ、一方では割当、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。割当、対応付け手段６では、制御電圧値への共通カウンタ状態の割 当、対応付けが行われ、前記制御電圧値は、割当、対応付け手段出力側Ａ１，Ａ ２を介して、パルス幅変調器７，１７に供給される。割当、対応付け手段８にお ける割当、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、割当、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 て換算も可能である。パルス幅変調器７，１７では、パルス幅変調された信号へ の到来振幅値の変換が行われ、前記パルス幅変調された信号は、コイル８，１８ に供給される。それにより、コイル８，１８は、丁度、共通のカウンタ状態に相 応する次続の位置値にアプローチするのに必要な電流通電の供給を受ける。更に 、共通のカウンタ状態は、実際位置値として位置入力側Ｐへ達する。 上記回路によっては、ロータの更なるシフト送り動作の際ステップタイミング クロック信号の各クロックごとに、２つの部分クロックの形でステップが実行さ れる。ここで、両部分ステップのうちの１つの第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、ステップ全体のカウントを引き受け、一方被制 御切換スイッチ５は、カウント過程の最低ウエイトビット（ＬＳＢ）を含み、そ して、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共通のカウンタ状態−これは割当 、対応付け手段６へ達する−を形成し、その結果先ず、最初唯一の半分のステッ プのみが行われ、そして、切換持続時間の経過後、第２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。本発明の説 明上のステップとは適用例に応じて、完全、半分、又は殊にマイクロステップを 意味するものである。 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つの順次連 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、もはや行われな いで、直ちに、次のクロックパルスの発生の際１つの完全なステップだけシフト 送りがなされる。以て、実際に、比較的に粗いステップ分割への切換が行われる 。但し、このことは、クリティカルではない。それというのは、そのような回転 角速度は、通常極く短時間しか生じないからであり、例えば、自動車、車両の変 速過程に際しての回転数測定器の場合に起こるようなものである。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。 比較的高い回転角速度の場合、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度い場合には、このことは、次のようにして達成できる、即 ち、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に置換えるのである。 そのような装置構成を図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、共に合わさって唯一のカウンタ状態の形成されるように合成され る。ここで部分ステップカウンタ１０のカウンタ状態は、共通のカウンタ状態の 比較的に低い部分として使用され、そして、カウンタ１のカウンタ状態は、共有 カウンタ状態の比較的高いウエイトの部分として使用される。上記の共通のカウ ンタ状態は、割当、対応付け手段６のカウンタ入力側Ｃへ達する。 ＰＬＬ回路ユニット１５によっては、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、即ち、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ものである。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。更に、相応の設計によりＰＬＬ回路付きの実施形態、構成形態に より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出来、それ により、指針特性の調整セッティングが可能となる。 更に、ＰＬＬ回路は、次のことに特に良好に適する、即ち、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 ないし分周器状態に無関係に分周比を調整セッティングするのに特に良好に適す る。而して、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 を調整セッティングし、部分ステップタイミングクロック周波数として毎秒３２ ステップを調整セッティング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達成できる。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、幾つかの機能を制御装置１３から共に残りの回路に移すことができ、そ れにより、当該の残りの回路には、設定角度α_S及び／又は設定角度速度のみが 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 し得る。ここで、述べた回路により、ステップモータ９に対するステップ分割の 分解能を、たんに僅かなデータ語幅にも拘わらず、即ち、設定角α_S又は設定角 速度の表示のため回路の入力側にて使用されるたんに僅かなデータ語幅にも拘わ 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Ｈ ーブリッジの形態で接続された負帰還ー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。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年５月１２日 【補正内容】 請求の範囲 １． ステップモータの制御方法、例えば、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）へ出力し、それによ り、各ステップタイミングクロック信号ごとに、制御装置により１つのステップ を実行し、又、制御装置（１３）から出力されたステップ幅を制御回路（２０） により複数の比較的に小さいステップに分割し、当該のそれの部分ステップを、 時間的にずれたパルスの形態で、制御回路からステップモータ（９）へ出力し、 前記の比較的小さいステップのステップ幅が制御装置により出力されるステップ 幅より小であるようにし、実際のステップ位置、ポジションを合成された２進数 として形成し、ここで、最低ウエイトのビット（０）が切換スイッチ（５）によ り送出され、ここでカウンタ（１）が比較的高いウエイトのビット（ｎ〜１）を 送出し、ここで、上記の２進情報は、対応付け、割当手段（６）及び制御装置（ １３）に通報され、前記割当、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２及び場合により、更なる前記部分ステップを、第１部分ステップの後 、その都度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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルンハルト ヘルツォーク ドイツ連邦共和国 Ｄ−70619 シュツッ トガルト マンシュペルガーシュトラーセ 127

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ステップモータの制御方法、例えば、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、 制御装置ないし制御装置機器部（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 ）へ出力し、それにより、各ステップタイミングクロック信号ごとに、制御装置 により１つのステップを実行し、又、制御装置（１３）から出力されたステップ 幅を制御回路（２０）により複数の比較的に小さいステップに分割し、当該のそ れの部分ステップを、時間的にずれたパルスの形態で、制御回路からステップモ ータ（９）へ出力し、前記の比較的小さいステップのステップ幅が制御装置によ り出力されるステップ幅より小であ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． 前記部分ステップを、第１部分ステップの後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又は２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。 ６． ステップモータの制御装置、例えば指示計器用指針のの駆動用ステップモ ータの制御装置は、ステップモータ（９）のステップ幅及び回転方向を求めるも のであり、ステップモータ（９）の制御のための制御回路（２０）を有し、ここ で、前記制御回路（２０）は、制御装置機器部（１３）とステップモータ（９） との間に挿入接続されており、ここにおいて、前記制御装置機器部（１３）はス テップ幅及び回転方向を求め、そして、前記制御回路（２０）は、制御装置機器 部により出力されたステップ幅を複数の部分ステップに分解し、前記制御回路（ ２０）は、分解された複数の部分ステップを、複数の時間的にずれたパルスの形 態でステップモータ（９）へ出力するように構成されていることを特徴とするス テップモータの制御装置。 ７． 部分ステップタイミングクロックパルスの発生のための手段がＰＬＬ回路 ユニット（１５）を有することを特徴とする請求の範囲６記載の装置。 ８． 部分ステップタイミングクロックパルスの生成のための手段は、単安定マ ルチバイブレータ（２）を有することを特徴とする請求の範囲６記載の装置。