(57)【要約】【課題】アンテナを駆動するステップモータの脱調を検出し、脱調からの復帰制御を行なうことが可能なアンテナ駆動装置を簡素な構成で提供する。【解決手段】負荷変動が激しい状況において発生するステップモータ４の脱調現象を、ステップモータ４により駆動される減速機構６の出力軸７に接続された角度検出器８で検出する。脱調検出後はステップモータ４の励磁電流を変化させてその回転トルクを制御しながら、角度検出器８からの検出値に基づき脱調状態にあるステップモータ４の最新の回転数を算出後、その近傍の回転数を復帰回転数として予測し、ステップモータ４に指示することにより、脱調状態にあったステップモータ４をこの復帰回転数に引き込み、脱調から自動復帰させる。【選択図】　図１
2004104381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナをステップモータで駆動するアンテナ駆動装置であって、
前記ステップモータの回転制御信号を発生する手段と、
前記ステップモータの回転制御信号を前記ステップモータの励磁用電圧に変換し、前記ステップモータに供給する手段と、
前記ステップモータの回転をアンテナに伝達し、アンテナを駆動する駆動機構と、
前記ステップモータを制動する手段と、
前記ステップモータの回転を検出する手段と、
この検出する手段の出力に基づき前記ステップモータの脱調を判定する手段と、
この判定する手段により前記ステップモータが脱調していると判定された場合に、前記ステップモータを脱調から復帰させる手段と、
を具備したことを特徴とするアンテナ駆動装置。
【請求項２】
前記ステップモータの回転を検出する手段は、前記駆動機構の出力軸の回転を検出するものであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ駆動装置。
【請求項３】
前記脱調から復帰させる手段は、
前記ステップモータの回転を検出する手段からの出力に基づき、前記ステップモータの脱調からの復帰を可能とする復帰回転数を予測し、
前記ステップモータの実際の回転数を前記復帰回転数に同期させるために前記復帰回転数に対応した前記ステップモータの励磁用電圧を前記ステップモータに供給し、
前記ステップモータの実際の回転数が前記復帰回転数に同期したことを前記ステップモータの回転を検出する手段からの出力に基づき判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ駆動装置。
【請求項４】
前記復帰回転数は、前記ステップモータの自起動領域内の回転数としたことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ駆動装置。
【請求項５】
前記復帰回転数の予測は、前記ステップモータの過去の回転数を真値とした外挿関数によることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のアンテナ駆動装置。
【請求項６】
前記脱調から復帰させる手段は、前記ステップモータの励磁電流を定常時よりも増加する手段を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のアンテナ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナをステップモータで駆動するアンテナ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステップモータは、一般的に固定子側のコイルに直流電流を流して励磁し、これにより生じる電磁力で回転子に回転力を発生させている。そして励磁する固定子側のコイルを順次切り換えることにより、回転子を所定の角度づつ回転させている。
【０００３】
このモータは制御の応答性や位置決め精度も良好であることから、ＯＡ機器をはじめ多くの産業分野で活用されている。また、開ループでの制御が可能であることから、特にサーボモータ等、他のモータを採用した場合に比較してシステム構成が簡素化されるという利点がある。
【０００４】
しかし、負荷の慣性モーメントの影響を受けやすく、発生トルク以上の大きな負荷がかかると脱調、即ち固定子側の励磁に同期して回転子が回転しなくなる現象が発生し、制御不能になる。
【０００５】
負荷が比較的重く、しかも変動が激しい大型の機器をステップモータで駆動する場合には、脱調の発生による制御不能時の事象をも考慮しなければならない。例えば車載用パラボラアンテナの駆動系等、特定の方位及び仰角にアンテナを指向させるための駆動系では、駆動制御中に風圧などによる駆動系への急激な負荷の変動によりステップモータが脱調し、アンテナが水平方向に不用意に回動したり、あるいは特定仰角に停止できずに前方または後方に倒れたりといった事象を伴うおそれがある。従ってこのような駆動系においては、ステップモータの脱調に伴って起こるこれら事象を回避するため、サーボモータを採用する傾向にあった。しかし、サーボモータを採用するとサーボ系独特の複雑な調整が必要な上、システム構成も複雑になって装置を小型・軽量化できず、車載条件を満足するのに困難を伴なっていた。
【０００６】
一方、ステップモータを採用する場合においては、システム構成は簡素化されるものの、瞬間的かつ大きな負荷変動に対してもステップモータが脱調しないよう、回転トルクを大きく設定するために、常にステップモータを大電流で駆動し続けなければならなかった。このため、設置環境が制約された車載条件のもとでは、装置の放熱や駆動用電源の小型・軽量化において困難を伴っていた。
【０００７】
近年、ステップモータの脱調を改善した製品として、脱調レスステップモータが開発されている。その一例としては、モータの回転軸にホール素子などによる角度検出機能を設け、その検出情報をもとに脱調の発生を判定し、脱調時には角度検出情報をフィードバックした閉ループを構成して、脱調から自動復帰させるものがある。しかし、この種のモータを採用した場合も、駆動制御回路及び駆動信号発生回路の規模がサーボモータを使用した場合とほとんど変わらなくなり、結果としてシステム構成が複雑になって、装置の小型・軽量化に至らない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ステップモータはサーボモータ等、他のモータを採用した場合に比較してシステム構成を簡素化できるため、例えば車載用パラボラアンテナの駆動系等、小型・軽量化が要求される装置への適用が望まれるにもかかわらず、負荷変動が大きい場合は脱調が発生して制御不能となるために採用が困難であり、システム構成の簡素化による装置の小型・軽量化の障害になっていた。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、簡素なシステム構成でステップモータの脱調の検出及び脱調からの復帰制御が可能なアンテナ駆動装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のアンテナ駆動装置は、アンテナを駆動するステップモータの回転制御信号を発生する手段と、前記ステップモータの回転制御信号を前記ステップモータの励磁用電圧に変換し、前記ステップモータに供給する手段と、前記ステップモータの回転をアンテナに伝達し、アンテナを駆動する駆動機構と、前記ステップモータを制動する手段と、前記ステップモータの回転を検出する手段と、この検出する手段の出力に基づき前記ステップモータの脱調を判定する手段と、この判定する手段により前記ステップモータが脱調していると判定された場合に、前記ステップモータを脱調から復帰させる手段とを具備したことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、アンテナ駆動装置のシステム構成を簡素化でき、ステップモータの脱調の検出及び脱調からの復帰制御が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係わるアンテナ駆動装置の一実施の形態を示すブロック図である。このアンテナ駆動装置１はアンテナ９を方位方向に駆動するもので、図１に示すように、制御器２、モータドライバ回路３、ステップモータ４、モータブレーキ５、減速機構６、及び角度検出器８を備えている。そして減速機構６の出力軸７は駆動対象のアンテナ９に接続され、アンテナ９は方位方向に駆動される。
【００１４】
このアンテナ駆動装置１を、例えば車載パラボラアンテナの方位方向駆動用として適用する場合には、例えばアンテナを車外の車両上部に設置し、図１におけるステップモータ４、モータブレーキ５、減速機構６、及び角度検出器８は、方位方向駆動部としてアンテナ直下の車外の車両上部に、また制御器２及びモータドライバ回路３は、方位方向制御部として車内に配置される。
【００１５】
図１において、アンテナ駆動装置１を構成する制御器２は外部から指定される角度情報に基づいて、ステップモータ４の回転制御信号、即ち駆動制御用パルス信号、所望の回転トルクを得るのに必要な励磁電流値、及びモータブレーキ５に対するブレーキ信号を、モータドライバ回路３に出力する。また、制御器２は角度検出器８からの角度情報に基づいてステップモータ４の脱調を検出し、自動復帰に必要なステップモータ４の上記回転制御信号を生成し、モータドライバ回路３に出力する。
【００１６】
モータドライバ回路３は、制御器２からの励磁電流値に基づいて同じく制御器２から出力された駆動制御用パルス信号を変換し、モータ駆動用の励磁パルス電圧としてステップモータ４の各励磁相に出力する。また、モータドライバ回路３は制御器２からのブレーキ信号を変換しモータブレーキ５に出力する。
【００１７】
ステップモータ４はモータドライバ回路３からの励磁パルス電圧により所望の回転動作をなし、その回転は減速機構６に伝達される。また、モータブレーキ５はステップモータ４の回転軸に対してブレーキをかけるもので、このモータブレーキ５が作動した場合には、ステップモータ４の回転数が逓減される。
【００１８】
減速機構６はギヤからなり、ステップモータ４の回転を減速して出力軸７に伝達する。この出力軸７には駆動対象のアンテナ９が接続される。
【００１９】
また、アンテナ９の角度情報を検出するために、出力軸７には角度検出器８が取り付けられている。角度検出器８は、出力軸７の角度情報を検出して制御器２に送出する。
【００２０】
次に、図２乃至図３のフローチャート及び図４の説明図を参照して、上述した本発明の実施の形態よるアンテナ駆動装置の動作を説明する。
【００２１】
まず、図２において外部からアンテナ９を指向させる角度情報が制御器２に入力されると、制御器２はその角度情報を取り込む（ＳＴ１）。次に、制御器２はステップモータ４の回転数及び回転方向を指示するため、上記の角度情報とステップモータ４に送られた直前の回転制御信号、即ち駆動制御用パルス信号、ブレーキ信号、及び励磁電流値とに基づいて、新たな回転制御信号、即ちステップモータ４の回転に必要なパルス幅及びパルス繰り返し周期を持った駆動制御用パルス信号、並びにブレーキ信号を生成する（ＳＴ２）。これと同時に、制御器２は駆動負荷を考慮した適切なトルクを発生させるための励磁電流値を算出する（ＳＴ３）。励磁電流値はステップモータ４の発生トルクを制御できるように、連続的に変化させることが可能である。そして、制御器２はこれら駆動制御用パルス信号、ブレーキ信号及び励磁電流値を、回転制御信号としてモータドライブ回路３に出力する（ＳＴ４）。
【００２２】
モータドライブ回路３は、制御器２からの駆動制御用パルス信号に同期するとともに、上記の励磁電流値を与える励磁パルス電圧をステップモータ４の各励磁相に出力する（ＳＴ５）。同時に、制御器２からのブレーキ信号をモータブレーキ５に出力する（ＳＴ６）。
【００２３】
これらモータドライブ回路３からの信号に従って、ステップモータ４は所望の回転を継続する。そして、その回転は減速機構６の入力軸に直接伝達され、減速機構６において減速された上で、出力軸７に伝達される。出力軸７には駆動対象のアンテナ９が接続されており、出力軸７の回転に伴いアンテナ９は方位方向に駆動される（ＳＴ７）。
【００２４】
出力軸７には角度検出器８が取り付けられており、駆動されたアンテナ９の角度情報はこの角度検出器８により出力軸７の角度情報として常時検出され、制御器２に送出される。
【００２５】
一方、制御器２は角度検出器８から送られてくる出力軸７の角度情報を取り込む（ＳＴ８）。そして、入力した出力軸７の角度情報と、制御器２が生成したステップモータ４の回転制御信号とを比較し、ステップモータ４の脱調発生を検出する（ＳＴ９）。即ち、制御器２がモータドライバ回路３を通じてステップモータ４に対して出力した回転数の指示値と、角度検出器８からの検出値を減速機構６での減速比で除して算出したステップモータ４の回転数の検出値とを比較する。
【００２６】
その結果、指示値と検出値とが所定の閾値内で一致していれば、ステップモータ４は制御器２で生成した回転制御信号に追随して動作しており、脱調は発生していないと判定し（ＳＴ９のＮＯ）、駆動制御を継続する。しかし、指示値と検出値とが所定の閾値内で一致していなければ、ステップモータ４に脱調が発生していると判定し（ＳＴ９のＹＥＳ）、脱調自動復帰処理を実行する（ＳＴ１０）。
【００２７】
次に、脱調自動復帰処理（ＳＴ１０）の動作について、図３のフローチャート及び図４の説明図を参照して詳細に説明する。図４は、ステップモータ４に対する制御開始から脱調の発生、脱調からの復帰、及びその後の制御継続に至る一連の流れをモデル化したものである。図４（ａ）において、横軸は時刻を、縦軸はステップモータ４の単位時間あたりの回転数をそれぞれ示す。また、図４（ｂ）において、横軸は時刻を、縦軸はステップモータ４の励磁電流値をそれぞれ示す。
【００２８】
駆動中にステップモータ４が脱調する主な要因は、急激な駆動負荷の変動により出力軸７に発生トルク以上の負荷がかかったことによると考えられる。このため、図４の時刻Ｔ０で発生した脱調が時刻Ｔ１で検出されると、上記脱調自動復帰処理（ＳＴ１０）においては、まず制御器２はステップモータ４の発生トルクを最大とするために、図３においてステップモータ４の励磁電流値を最大値に設定し（ＳＴ１１）、これを脱調検出時刻Ｔ１の直後の時刻Ｔ２においてモータドライブ回路３に出力する（ＳＴ１２）。
【００２９】
次に、制御器２は角度検出器８から送られてくる出力軸７の最新の角度情報を取り込み（ＳＴ１３）、これを減速機構６での減速比で除して、脱調状態にあるステップモータ４の最新の回転数を算出する（ＳＴ１４）。そして算出した回転数が、ステップモータ４の最大自起動回転数Ｒｍａｘを超えているか否かを判定する（ＳＴ１５）。もしステップモータ４の回転数が最大自起動回転数Ｒｍａｘを超えていれば（ＳＴ１５のＹＥＳ）、制御器２はモータブレーキ５のブレーキ信号を生成してモータドライブ回路３に出力し（ＳＴ１６）、ステップモータ４の回転数が最大自起動回転数Ｒｍａｘ以下になるまで、モータブレーキ５へのブレーキ信号を継続する。
【００３０】
前述のＳＴ１３乃至ＳＴ１６においては、脱調状態にあるステップモータ４の回転数を一旦最大自起動回転数Ｒｍａｘより下げているが、一般的に脱調直前におけるステップモータ４に対する指示回転数は、自起動領域を超えたスルー領域の回転数である場合が多い。このため、回転数を自起動領域まで逓減せずに、脱調直前の指示回転数を超えない範囲とすることも可能である。ただし、この場合にはこの後に続く復帰処理において、ステップモータ４を脱調直前の近傍の回転数に復帰させることが可能であるが、復帰に時間を要したり、また復帰直後に再び脱調する虞がある。従って、本実施の形態においては、自起動領域内の回転数にしておくことで、この後に続くステップモータ４の復帰処理を、より確実に安定して実施することを可能にしている。
【００３１】
続いて、角度検出器８からの角度情報に基づきステップモータ４の回転数の時間変化を逐次観測しながら、ステップモータ４を脱調から復帰させる動作を、図３及び図４を用いて詳細に説明する。
【００３２】
図４（ａ）は時刻Ｔ１にてステップモータ４の脱調を検出し（ＳＴ９）、時刻Ｔ２で励磁電流値を最大値に設定後（ＳＴ１１乃至ＳＴ１２）、回転数を最大自起動回転数以下に下げ（ＳＴ１３乃至ＳＴ１６）、ステップモータ４は依然脱調状態にある場合を示している。
【００３３】
ステップモータ４の脱調からの復帰は、実際のロータ回転数を励磁回転数に同期した回転数に引き込むことにより行なう。即ち、脱調状態にあるステップモータ４に復帰回転数に対応した励磁パルス電圧を生成して出力することにより、実際の回転数を励磁回転数である復帰回転数に引き込む。
【００３４】
このためには、まず脱調からの復帰回転数を決める必要があるが、これは以下の手順により求める。即ち、時刻Ｔ２以降における角度検出器８からの検出値を一定間隔で連続的に取り込んでステップモータ４の単位時間あたりの回転数Ｒ１、Ｒ２、…Ｒｎを算出する。次に、これらの値から時刻Ｔｎ＋１におけるステップモータ４の単位時間あたりの回転数Ｒｎ＋１を予測し、この予測値を復帰回転数とする。予測値Ｒｎ＋１の算出には、まず前記のＲ１、Ｒ２、…Ｒｎを過去のｎ個の真値として次式により外挿関数Ｆ（ｎ）を求めておく。
【００３５】
【数１】
2004104381.tif 000003
そして、この関数Ｆ（ｎ）からＲｎ＋１を、Ｒｎ＋１＝Ｆ（ｎ＋１）として算出している（ＳＴ１７）。このようにして算出したＲｎ＋１を復帰回転数とすることにより、ステップモータ４の実際の回転数の近傍の回転数で脱調から復帰させることができる。
【００３６】
続いて、この回転数Ｒｎ＋１をステップモータ４に指示するため、制御器２において回転数に対応した駆動制御用パルス信号を生成し（ＳＴ１８）、時刻Ｔｎ＋１でモータドライブ回路３に出力する（ＳＴ１９）。そしてモータドライブ回路３から励磁パルス電圧がステップモータ４に出力される。
【００３７】
その後、角度検出器８からの検出値の取り込みは継続しておき、所定時間経過後に、ステップモータ４に対して出力した指示回転数Ｒｎ＋１と、角度検出器８で検出した出力軸７の角度情報を減速機構６での減速比で除して算出したステップモータ４の回転数の最新の検出値とを比較する。そして指示値と検出値とが所定の閾値内で一致しており、かつその状態が所定時間（Δｔ１）持続していれば、ステップモータ４は指示回転数Ｒｎ＋１に引き込まれたと判定する。即ち、ステップモータ４は脱調から復帰したと判定する（ＳＴ２０のＹＥＳ）。しかし、指示値と検出値とが所定の閾値内で一致していない、あるいは一致していてもその状態が所定時間持続していなければ、ステップモータ４は脱調から復帰していないと判定し（ＳＴ２０のＮＯ）、再びＳＴ１７からのステップを繰り返す。図４（ａ）においては、時刻Ｔｎ＋１における回転数の予測値として算出したＲｎ＋１でステップモータ４の実際の回転が同期し、所定時間（Δｔ１）経過後のＴ３において脱調から復帰できたと判定した場合をモデル化している。
【００３８】
ＳＴ２０までのステップを実行することでステップモータ４を脱調から復帰できた場合は、次にＳＴ１１のステップにおいて時刻Ｔ２で最大に設定したステップモータ４の励磁電流値を定常値へと戻す（ＳＴ２１）。この時のモータドライブ回路３に対する出力時刻Ｔ４は、ステップモータ４が復帰直後に再び脱調を繰り返すことのないよう、図４（ｂ）に示したように、脱調回復時刻より所定の時間Δｔ２経過後としている。この所定の時間Δｔ２は、駆動負荷の慣性、及び脱調発生から復帰までに要した時間（Ｔ３−Ｔ１）により決定し、駆動負荷の慣性が大きいほど、また脱調復帰に要した時間が長いほど、Δｔ２を長く設定する。励磁電流値は時刻Ｔ４から直線的に減少させて定常値へと設定している（ＳＴ２２）。
【００３９】
そしてモータドライブ回路３は、指示された励磁電流値の励磁パルス電圧でステップモータ４をドライブし、ステップモータ４に対する脱調自動復帰処理（ＳＴ１０）を終了する。脱調復帰後は、例えば図４（ａ）に示したように再び回転数を上昇させるなど、外部からの角度情報に従った制御が可能になる。
【００４０】
以上説明した本発明の実施の形態のアンテナ駆動装置によれば、以下の種々の効果を奏する。
【００４１】
１．簡素なシステム構成でステップモータ４の脱調の検出及び脱調からの復帰制御が可能になり、装置を小型・軽量化できる。
【００４２】
２．ステップモータ４の回転の検出は直接ステップモータ４の回転軸によるのではなく、減速機構６の出力軸７に接続された角度検出器８からの角度情報を用いることにより、ステップモータ４の回転軸を直接検出するための新たな構造が不要となり、ステップモータ４の回転軸周辺の構造を複雑にすることなく、ステップモータ４の回転を検出できる。
【００４３】
３．ステップモータ４を脱調から復帰させる際に、ステップモータ４の実際の回転数に基づいて復帰回転数を予測し、ステップモータ４の回転をその復帰回転数に引き込むことにより、脱調状態にあったステップモータ４を脱調から復帰させることができる。
【００４４】
４．ステップモータ４の復帰回転数を予測する際に、過去の回転数を真値とした外挿関数を用いることにより、ステップモータ４の実際の回転数の近傍の回転数で脱調から復帰させることができ、脱調前後におけるステップモータ４の回転数の連続性を保持することができる。
【００４５】
５．ステップモータ４を脱調から復帰させる際に、ステップモータ４の回転数をスルー領域ではなくあらかじめ自起動領域内の回転数にしておくことにより、ステップモータ４の脱調からの復帰を確実かつ安定に実施することができる。
【００４６】
６．ステップモータ４の励磁電流を連続的に変化させてその発生トルクを制御することにより、ステップモータ４を脱調から復帰させる際の復帰回転数への引き込み及び復帰直後の再脱調の抑制を安定に実行することができ、負荷変動が激しい場合においてもステップモータ４の脱調からの復帰を良好に実施することができる。
【００４７】
７．脱調からの復帰処理中のみステップモータ４を最大励磁電流で駆動するため、常時最大トルクを得るための最大励磁電流で駆動する必要がなくなる。このため、特に機器の発熱を減らすことができ、例えば車載条件に適合するよう、機器をより小型・軽量化することができる。
【００４８】
なお、本実施の形態においては、このアンテナ駆動装置１を車載パラボラアンテナの方位方向駆動用として適用する場合について説明したが、これを仰角方向駆動用として適用する事も可能である。この場合も、図１の構成は方位方向駆動用と変わらず、図１におけるステップモータ４、モータブレーキ５、減速機構６、及び角度検出器８は、仰角方向駆動部としてアンテナ直下の車外の車両上部に、また制御器２及びモータドライバ回路３は、仰角方向制御部として車内に配置される。そして、その動作も上述の方位方向駆動用と同様であり、効果も上述の方位方向駆動用と同様に得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、簡素なシステム構成で、ステップモータの脱調を検出し脱調からの復帰制御が可能なアンテナ駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるアンテナ駆動装置の実施の形態を示すブロック図。
【図２】図１のアンテナ駆動装置の脱調の検出を説明するためのフローチャート。
【図３】図１のアンテナ駆動装置の脱調自動復帰処置を説明するためのフローチャート。
【図４】ステップモータの制御開始から脱調の発生、脱調からの復帰、及びその後の制御継続に至る一連の動作と制御をモデル化した説明図。
【符号の説明】
１…アンテナ駆動装置
２…制御器
３…モータドライブ回路
４…ステップモータ
５…モータブレーキ
６…減速機構
７…出力軸
８…角度検出器
９…アンテナ
【図１】
2004104381.tif 000004
【図２】
2004104381.tif 000005
【図３】
2004104381.tif 000006
【図４】
2004104381.tif 000007