JP2004289968A

JP2004289968A - ステッピングモータ駆動型システム及びその原点合わせ方法

Info

Publication number: JP2004289968A
Application number: JP2003081003A
Authority: JP
Inventors: Koji Suzuki; 浩司鈴木
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】低コストのまま高い精度の原点合わせ方法を提供すること。
【解決手段】ステッピングモータにより回転部材を駆動し原点ストッパに当接させる原点戻し工程（３）と、励磁を低下させ回動自在にするねじれ解消工程（５）と、原点に相当する相を励磁する再励磁工程（６）と、を有することを特徴とする。つまり、原点ストッパに当接するまで駆動した後に、励磁エネルギーを低下させて回転自在な状態にすることで、マイナス側へのねじれを解消することができる。すなわち、原点ストッパに当接した回転部材で規制される位置よりもマイナス側に発生したねじれは励磁エネルギーを低下させることで、原点ストッパにより本来の原点にまで戻る。その後、原点に相当する相でステッピングモータを励磁することにより、ステッピングモータを原点に合わせることができる。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータにより駆動される回転部材が原点ストッパに当接することで回転部材の原点を決定するシステムの原点合わせ方法及びその原点合わせ方法を採用したステッピングモータ駆動型システムに関する。更に詳しくはロータリーエンコーダ等の回転角度検出手段を用いずに正確な原点合わせを行うことができるステッピングモータ駆動型システムの原点合わせ方法及びステッピングモータ駆動型システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータは回転角度が入力パルス数に比例すること、角度誤差が小さく且つ誤差の蓄積が原理的にありえないこと、といった特徴があるので、正確な位置決めが必要な用途に汎用されている。
【０００３】
しかしながら、電源投入直後などにはステッピングモータの初期位置が確定できないことがあり、何らかの方法で原点合わせを行う必要がある。例えば、ロータリーエンコーダ等の回転角度検出手段を用いるものや、ステッピングモータにより駆動される回転部材が当接する位置を位置決め基準の原点にする原点ストッパを用いるものがある。後者の原点ストッパを用いる方法では高価な回転角度検出手段が必要なく低コストとなる利点を有するものの、回転部材が原点ストッパに当接するときの跳ね返り逆回転等により、原点合わせが正確にできないことがあった。
【０００４】
従来技術では、特許文献１において、回転部材が原点ストッパに当接するときに跳ね返り逆回転を防止すべく、回転部材が原点ストッパの近傍から原点ストッパに到達するまでの間、ステッピングモータの駆動エネルギーを小さくする方法を開示している。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１３５５９５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１に記載の方法では、回転部材が原点ストッパの近傍にあることの判断ができない場合がある。つまり、通常運転から駆動エネルギーを小さくした状態への切り替えやステッピングモータの停止のタイミングを図ることが難しいことから、第１の問題点として回転部材が原点ストッパに当接した後もステッピングモータ側、モータとスロットルバルブとを連結するジョイント部でのねじれ等の要因によりステッピングモータの回転軸が原点位置を超えて更に回転することがある（以下「マイナス側へのねじれ」と称する）。その場合には原点位置を正確に合わせることが困難である。更に第２の問題点としてマイナス側へのねじれが生じるとねじれが限界に達したときに生じる跳ね返りによって逆回転が発生することがあり、駆動エネルギーを小さくしても解消できないことがある。
【０００７】
本発明は、これらの問題点をそれぞれ解決することを目的としてなされたものであり、低コストのまま高い精度で原点合わせを行うことができるステッピングモータ駆動型システム及びその原点合わせ方法を提供することを解決すべき課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記第１の問題点を解決する本発明のステッピングモータ駆動型システムの原点合わせ方法は、ステッピングモータにより駆動される回転部材と、該回転部材が当接する位置を該回転部材の位置決め基準の原点にする原点ストッパとをもつシステムに適用される。本発明の原点合わせ方法は、該ステッピングモータにより該回転部材を駆動し該原点ストッパに当接させる原点戻し工程と、該ステッピングモータに対する励磁エネルギーを低下させ回動自在にするねじれ解消工程と、該ステッピングモータの原点に相当する相を励磁する再励磁工程と、を有することを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
更に上記第１の問題点を解決する本発明のステッピングモータ駆動型システムは、ステッピングモータと、該ステッピングモータを制御する制御手段と、該ステッピングモータにより駆動される回転部材と、該回転部材が当接する位置を該回転部材の位置決め基準の原点にする原点ストッパと、を有し、前記制御手段は、該ステッピングモータにより該回転部材を駆動し該原点ストッパに当接させる原点戻し部と、該回転部材が該原点ストッパに当接した後に該ステッピングモータに対する励磁エネルギーを低下させ回動自在にするねじれ解消部と、励磁エネルギーを低下させた状態から該ステッピングモータの原点に相当する相を励磁する再励磁部と、をもつ原点合わせ部を有することを特徴とする（請求項５）。
【００１０】
つまり、原点ストッパに当接するまで回転部材を駆動した後に、ステッピングモータに対する励磁エネルギーを低下させて回動自在な状態にすることによって、ステッピングモータに発生しているマイナス側へのねじれが解消できる。
【００１１】
すなわち、原点戻し工程において特許文献１に記載のような原点位置を考慮した制御を行わないことでマイナス側へのねじれが発生したとしても、励磁エネルギーを低下させることで原点ストッパにより規制された回転部材に対応する位置までステッピングモータを戻すことができる。その結果、マイナス側へのねじれが解消する。
【００１２】
その後、再励磁工程において、原点に相当する相にステッピングモータを励磁することにより、ステッピングモータを正確に原点に合わせることができ、前述の第１の問題点を解決することができる。
【００１３】
更に第２の問題点をも解決する本発明の原点合わせ方法は、請求項１に記載の原点合わせ方法において、前記回転部材を前記原点ストッパ側に回転する方向に前記ステッピングモータを数ステップ駆動する再原点戻し過程と、該ステッピングモータに対する励磁エネルギーを低下させ回動自在にするねじれ解消過程と、該ステッピングモータを原点に相当する相に励磁する再励磁過程と、をもつ跳ね返り解消工程を前記再励磁工程後に所定回数有する方法である（請求項２）。
【００１４】
跳ね返り解消工程における再原点戻し過程は跳ね返りによる逆回転を解消する程度にステッピングモータを駆動し、その後に原点に相当する相の励磁を行い、より正確に原点を合わせている。つまり、再原点戻し過程における数ステップとは上記したマイナス側へのねじれからの跳ね返りによる逆回転を解消できる程度の量である。
【００１５】
なお、原点戻し工程後のステッピングモータについて跳ね返りが生じたとしても、跳ね返りの量は用いたステッピングモータの励磁パターンサイクルを単位として１、２サイクル程度であると推測できると共に、原点戻し工程において最後に励磁した相と同一の相で固定されているものと推測される。ステッピングモータのロータは、跳ね返りが発生しても所定サイクルごとに現れる同一の相をもつ状態に捕まるからである。
【００１６】
そして、前記再原点戻し過程は前記ステッピングモータに対して励磁パターンの１サイクルに相当する回転磁界を前記原点ストッパ側に前記回転部材を回転する方向に発生させる過程であることが好ましい（請求項３）。
【００１７】
跳ね返り発生後のステッピングモータのロータの位置が不明であっても、ステッピングモータを１サイクル単位で制御することで必ずロータの位置に対応する励磁パターンを経るので、その後はステッピングモータを励磁パターンに従って駆動できる。ここで、制御に用いる励磁パターンの１サイクルとして原点位置を基準としたサイクル（サイクルの最後の相を原点位置に対応させる）を採用すると最終的なステッピングモータの位置を回転部材が原点ストッパに当接する位置にまで戻すことができる。
【００１８】
更に、前記ねじれ解消工程及び／又は前記ねじれ解消過程は前記ステッピングモータに対する励磁エネルギーを徐々に低下させる工程であることが好ましい（請求項４）。ステッピングモータにマイナス側へのねじれが発生している場合に、ステッピングモータに対する励磁エネルギーを徐々に低下させることによって、ステッピングモータに加わる跳ね返り方向のトルクを低下することができるので、ステッピングモータのロータの跳ね返りを抑制できる。ステッピングモータにマイナス側へのねじれが発生していない場合でも励磁エネルギーを徐々に低下させることによる不都合はない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に説明する実施形態によって、本発明のステッピングモータ駆動型システム及び本システムで採用されている原点合わせ方法を詳細に説明する。本システムはガスエンジンの空気又は燃料の取り入れ口に設けられたスロットルボデーにおけるスロットルバルブを制御する機構として採用されている。以下の説明では適宜図面を用いるが、用いる図面は概略図であり縮尺、形状等の詳細部分は必ずしも厳密なものではない。
【００２０】
〔第１実施形態〕
（構成）
本システムは、図１に示すように、ステッピングモータ１と、ステッピングモータ１を制御する制御手段２と、ステッピングモータ１の回転軸１１に固定されステッピングモータ１により駆動される回転部材３と、回転部材３が当接する当接面４１を回転部材３の位置決め基準の原点Ｇとする原点ストッパ４と、を有することを特徴とする。
【００２１】
原点ストッパ４は原点Ｇの反対側で回転部材３と当接し、その回転を制限する当接面４２をもつ。回転軸１１はマニホールド７を貫通し、図示しないスロットルバルブをマニホールド７内で回動自在に保持する。
【００２２】
ステッピングモータ１は、図２に示す等価回路をもつ４相ユニポーラＰＭ型である。制御手段２はステッピングモータ１の回転速度、方向、回転角度等を制御する制御信号を生成し、制御信号に基づきステッピングモータ１のＡ、Ｂ、Ｃ及びＤに対して図３に示すような１サイクルあたり８パルスの励磁パターンに従い駆動信号を出力（通電）することでステッピングモータ１の所定の相を励磁して制御する手段である。制御手段２には現在のステッピングモータ１の回転角度（及び現在の励磁パターン）が記憶される記憶部をもつ。
【００２３】
図３に示すステップ１〜８の順に、ステッピングモータ１の相を励磁すると、ステッピングモータ１はスロットルバルブを閉じる方向（すなわち原点Ｇの方向）に回転する。反対にステップ８〜１の順に、ステッピングモータ１の相を励磁すると、ステッピングモータ１はスロットルバルブを開ける方向に回転する。スロットルバルブの全閉位置から全開位置にまでステッピングモータ１を回転させるのに必要な駆動信号のパルス数は４５０パルスである。
【００２４】
（原点合わせ方法及びその作用効果）
本実施形態のシステムは電源を入れたときにステッピングモータ１の原点合わせを制御手段２が行う。以下に図４を参照しながら制御手段２が原点合わせする方法を説明する。初期位置が不明の状態（１）から、５００ｍ秒間励磁して回転軸１１及びスロットルバルブを安定化する（２）。そのときの励磁パターンは任意に決定される。
【００２５】
そして、制御手段２は閉方向に６００パルスの駆動信号を４００パルス／秒（ｐｐｓ）の速度で出力する（３：原点戻し工程）。ステッピングモータ１は全閉位置から全開位置までが４５０パルスであり、６００パルスの駆動信号が入力されると回転部材３は原点ストッパ４に当接する。原点ストッパ４に当接した回転部材３はマイナス側へのねじれが発生し、そのねじれが限界に達する毎に跳ね返る。その後、制御手段２はステッピングモータ１の原点位置Ｇに相当する相を５００ｍ秒間励磁して回転軸１１及びスロットルバルブを安定化する（４）。
【００２６】
そして、制御手段２はステッピングモータ１への制御信号の出力、すなわちステッピングモータ１の励磁を止める（５：ねじれ解消工程）。ステッピングモータ１がマイナス側へのねじれている状態である場合には、励磁を止めることで、ステッピングモータ１がマイナス位置から原点位置Ｇ乃至はプラス位置にまで戻ることができる。
【００２７】
更に、制御手段２はステッピングモータ１に対して原点位置Ｇに対応する相を５００ｍ秒間励磁する（６：再励磁工程）。すると、ねじれ解消工程により原点位置Ｇ付近にまで戻ったステッピングモータ１を引き戻し、原点位置Ｇに正確に合わせることができる。最後に、スロットルバルブを定位置に移動させるために２００ｐｐｓにて９０パルス開方向に回転させる（図略）。
【００２８】
すなわち、本実施形態のシステムは原点合わせを行う前の回転部材３の位置が全く解らなくても確実に原点合わせを行うことができるという効果をもつ。
【００２９】
〔第１実施形態におけるエンジン始動時の原点合わせ方法〕
原点合わせはエンジン始動時にも行う。電源投入時に原点合わせを行っているので、エンジン始動時においては回転部材３の位置はほぼ判明しているものと考えられるが、不測の事態により回転部材３の位置が変化していることもあり得るので再度原点合わせを行っている。
【００３０】
エンジン始動時に行う原点合わせは概ね電源投入時の原点合わせ方法と同様であるが（３）原点戻し工程において出力される駆動信号のパルス数を記憶部が記憶する回転部材３の現在位置から原点Ｇまでのパルス数＋９６パルス（８サイクル）とした点で異なる。つまり、概ね回転部材３の位置は判明しているので、その値を基準に発生しうるずれを考慮して原点戻し工程において出力するパルス数を決定している。
【００３１】
〔第１実施形態におけるエンジン停止時の制御手段の作用〕
エンジン停止時には停止後９０秒間待った後に、５００ｍ秒間現在位置にて励磁を行い、回転軸１１及びスロットルバルブを安定化する。その後、原点位置Ｇから４５０パルスの位置にまでスロットルバルブを２００ｐｐｓにて回転させる。
【００３２】
その位置で５００ｍ秒間の励磁保持のサイクルを２サイクル行い安定化した後、スロットルバルブを原点位置Ｇより９０パルスの位置にまで２００ｐｐｓにて駆動する。最後に５００ｍ秒間の励磁保持により回転軸１１及びスロットルバルブを安定化する。
【００３３】
〔第２実施形態〕
（構成）
本実施形態のシステムは制御手段２がステッピングモータ１を制御する方法の他は第１実施形態のシステムと同様の構成を有するので詳細な説明は省略する。
【００３４】
（作用効果）
本実施形態のシステムの制御手段２は第１実施形態における制御手段２が行う原点合わせ方法をすべて含む。すなわち、図５に示すように、本制御手段２は第１実施形態における制御手段２のように、（１）〜（６：再励磁工程）まで制御を行った後に更なる制御を行うことを特徴とする。
【００３５】
つまり本実施形態のシステムの制御手段２は再励磁工程の後に、ステッピングモータ１が閉方向に回転する励磁パターンをもつ駆動信号を４００ｐｐｓにて８パルス（１サイクル）出力する（７：再原点戻し過程）。ここで駆動信号を８パルスとしたのは本実施形態のシステムにおけるステッピングモータ１は８ステップで１サイクルの励磁パターンをもつからである。用いるステッピングモータの種類に応じて再原点戻し過程におけるパルス数は適正に決定される。
【００３６】
その後、制御手段２はステッピングモータ１の原点位置Ｇに相当する相を５００ｍ秒間励磁して回転軸１１及びスロットルバルブを安定化する（８）。そして、制御手段２はステッピングモータ１の励磁を止める（９：ねじれ解消過程）。再原点戻し過程によりステッピングモータ１がマイナス側に僅かにねじれている場合が考えられるので、励磁を止めることで、ステッピングモータ１がマイナス位置から原点位置Ｇ付近にまで戻ることができる。
【００３７】
更に、制御手段２はステッピングモータ１に対して原点位置Ｇに対応する相を５００ｍ秒間励磁する（１０：再励磁過程）。すると、ねじれ解消過程により原点位置Ｇ付近にまで戻ったステッピングモータ１を引き戻し原点位置Ｇに対して正確に合わせることができる。
【００３８】
これら（７）〜（１０）の過程を持つ跳ね返り解消工程を必要回数繰り返すことで、より正確に原点位置Ｇにステッピングモータ１を合わせることができる。跳ね返り解消工程を行う所定回数としては特に限定しない。好ましくは、（２）原点戻し工程において発生する可能性がある跳ね返りの大きさに応じて決定できる。
【００３９】
つまり、跳ね返りが大きく発生する可能性が高い場合には、最も大きな跳ね返りの位置から原点位置Ｇに戻すことができる量のパルスを加えることができるように所定回数を決定する。
【００４０】
跳ね返り解消工程を行う所定回数としては特に限定しないが、通常はせいぜい１、２回程度で充分であると考えられる。最後に、第１実施形態と同様に、スロットルバルブを定位置に移動させるために２００ｐｐｓにて９０パルス開方向に回転させる（図略）
すなわち、本実施形態のシステムは第１実施形態のもつ効果に加えてステッピングモータ１がマイナス側から跳ね返りが発生した場合であっても正確に原点位置を合わせることができるという効果をもつ。この原点合わせはエンコーダ等により行う場合と遜色のない精度で行うことができる。
【００４１】
〔変形態様〕
前述した第１実施形態及び第２実施形態における制御手段２が行う（５）ねじれ解消工程及び／又は（９）ねじれ解消過程はステッピングモータ１に対する励磁エネルギーを徐々に低下させる工程とすることができる。励磁エネルギーを徐々に低下させることでステッピングモータのロータの跳ね返りを抑制できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のステッピングモータ駆動型システム及びその原点合わせ方法は、原点ストッパに当接するまで回転部材を駆動した後に、ステッピングモータに対する励磁エネルギーを低下させて回動自在な状態にすることで、ステッピングモータに発生しているマイナス側へのねじれを解消することができる。その後、原点に相当する相にステッピングモータを励磁することにより、ステッピングモータを原点に合わせることができ、第１の問題点を解決することができる。
【００４３】
更に本発明のステッピングモータ駆動型システム及びその原点合わせ方法は、原点戻し工程の後に跳ね返り解消工程をもつことで、跳ね返りにより発生する逆回転を解消することができる。跳ね返り解消工程は、原点方向にステッピングモータを駆動（再原点戻し過程）し、励磁エネルギーを低下させた（ねじれ解消過程）後、原点に相当する相の励磁を行い（再励磁過程）、より正確に原点を合わせている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を示した概略図である。
【図２】本実施形態で用いたステッピングモータの等価回路である。
【図３】図２で示したステッピングモータの励磁パターンを示した図である。
【図４】第１実施形態における制御手段の原点合わせ方法を説明する図である。
【図５】第２実施形態における制御手段の原点合わせ方法を説明する図である。
【符号の説明】
１…ステッピングモータ
２…制御手段
３…回転部材
４…原点ストッパ
Ｇ…原点４１…原点位置をきめる当接面
７…マニホールド

Claims

ステッピングモータにより駆動される回転部材と、該回転部材が当接する位置を該回転部材の位置決め基準の原点にする原点ストッパと、をもつシステムの原点合わせ方法であって、
該ステッピングモータにより該回転部材を駆動し該原点ストッパに当接させる原点戻し工程と、
該ステッピングモータに対する励磁エネルギーを低下させ回動自在にするねじれ解消工程と、
該ステッピングモータの原点に相当する相を励磁する再励磁工程と、を有することを特徴とする原点合わせ方法。
前記回転部材を前記原点ストッパ側に回転する方向に前記ステッピングモータを数ステップ駆動する再原点戻し過程と、
該ステッピングモータに対する励磁エネルギーを低下させ回動自在にするねじれ解消過程と、
該ステッピングモータを原点に相当する相に励磁する再励磁過程と、をもつ跳ね返り解消工程を前記再励磁工程後に所定回数有する請求項１に記載の原点合わせ方法。
前記再原点戻し過程は前記ステッピングモータに対して励磁パターンの１サイクルに相当する回転磁界を前記原点ストッパ側に前記回転部材を回転する方向に発生させる過程である請求項２に記載の原点合わせ方法。
前記ねじれ解消工程及び／又は前記ねじれ解消過程は前記ステッピングモータに対する励磁エネルギーを徐々に低下させる工程である請求項２又は３に記載の原点合わせ方法。
ステッピングモータと、該ステッピングモータを制御する制御手段と、該ステッピングモータにより駆動される回転部材と、該回転部材が当接する位置を該回転部材の位置決め基準の原点にする原点ストッパと、を有し、
前記制御手段は、該ステッピングモータにより該回転部材を駆動し該原点ストッパに当接させる原点戻し部と、該回転部材が該原点ストッパに当接した後に該ステッピングモータに対する励磁エネルギーを低下させ回動自在にするねじれ解消部と、励磁エネルギーを低下させた状態から該ステッピングモータの原点に相当する相を励磁する再励磁部と、をもつ原点合わせ部を有することを特徴とするステッピングモータ駆動型システム。