JP2005210786A - ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置およびその制御方法ならびにその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータのマイクロステップ駆動時に、コギングトルクやトルクリップル等の外乱を除去し、位置決めの高速化と高精度化を図る。
【解決手段】ステッピングモータの位置を検出するエンコーダ１７と、ｑ軸電流指令信号を出力する電流指令生成手段６と、ｑ軸電流指令信号を相電流指令信号に変換する座標変換器８と、電流検出手段１４，１５と、相電流指令信号と相電流検出信号との偏差信号に基づいて相電圧指令信号を発生する電流制御手段１２，１３とを有するステッピングモータの制御装置において、トルク指令と位置信号に基づいてコギングトルクトルクリップル補償信号を生成するコギングトルクトルクリップル補償器５と、位置指令に基づいてマイクロステップ位置決め補償信号を生成するマイクロステップ位置決め補償器１８と、速度制御からマイクロステップ位置決め制御へ切り換える切換え手段２０，２１とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステッピングモータの位置および速度を高速・高精度で制御するためのステッピングモータのマイクロステップ駆動装置およびその制御方法ならびにその運転方法に関する。

ステッピングモータは、ステップモータ、ステッパ、パルスモータとも言われ、電気パルス信号を入力することにより、そのパルス数に応じた機械角を出力するモータである。
ステッピングモータの種類としては、大別して、可変リラクタンス型、永久磁石型、ハイブリッド型がある。
可変リラクタンス（ＶＲ）型は、複数の歯を持つ軟磁性体の回転子と、複数の磁極を持つ固定子で構成されており、固定子の巻線に直流電流を流すことにより磁極が励磁され、回転子の歯が磁極に吸引させられることにより回転するものである。
永久磁石（ＰＭ）型は、ＶＲ型の回転子における複数の歯の代わりに、周囲にＳ極とＮ極を交互に磁化させた永久磁石を回転子として用いたもので、ＶＲ型と比較してトルク特性が優れている。
ハイブリッド（ＨＢ）型は、ＶＲ型とＰＭ型の両方の優れた点を組み合わせたものである。回転子は複数の歯を持ち、また軸の回りに軸方向に同心状に磁化された永久磁石がある。

これらのステッピングモータは、モータの回転角度が入力パルス数に比例するため高精度の位置決めが可能であり、回転速度も入力パルスの周波数に比例するため広範囲の回転速度を実現することができるなど、制御性に優れている反面、パルスを歩進したときに瞬時に移動するため、騒音や振動の発生があり、また共振や高速回転時の脱調という問題もある。
そこで、ステッピングモータの励磁切り換えをパルス状ではなく、正弦波状に滑らかに変化させることにより、トルク脈動を抑制するマイクロステップ駆動法が用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。
マイクロステップ駆動法は、モータ巻線に正弦波状の階段電流を、モータ相数に応じた位相差で通電することで実現するもので、振動が少なく、また小さなステップ角度と優れた位置決め精度が可能となるという特徴を有している。

特開平６−２２５５９５号公報 特開２００３−２１９６９３号公報

近年では、ＦＡ（Factory Automation）、ＯＡ（Office Automation）分野で、より高速・高精度のステッピングモータが要求されている。しかしながら、従来のステッピングモータの構造では、コギングトルクおよびトルクリップルの問題がある。
コギングトルクは、ＰＭ型ステッピングモータやＨＢ型ステッピングモータにおける回転子の永久磁石から見たモータの磁気抵抗が、モータ構造に起因して変化するために生じる磁気エネルギーの変化に伴うトルク脈動成分であり、電流非導通状態で発生する成分である。

一方、トルクリップルは、永久磁石によって生じるギャップ磁束分布が非正弦波状、すなわち空間高調波を含む場合、これと正弦波電流との間でｉＢＬ則によって生じるトルク脈動成分である。したがって、通電する各相電流の振幅の増加に伴って、トルクリップルの大きさも増加する。
このように、ステッピングモータにはコギングトルク、トルクリップルが存在するため、これらのトルクが外乱となり、従来のマイクロステップ駆動法では、高速・高精度位置決めの障害となっていた。

そこで本発明は、コギングトルクやトルクリップル等の外乱を除去すると共に、最終目標位置到達時間の短縮化と高精度位置決めを実現することのできるステッピングモータのマイクロステップ駆動装置およびその制御方法ならびにその運転方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置は、ステッピングモータの位置を検出して、位置検出信号を出力する検出手段と、ｑ軸電流指令信号を出力する電流指令生成手段と、前記ｑ軸電流指令信号を三角関数信号に基づいて相電流指令信号に変換する座標変換手段と、前記ステッピングモータのステータコイルに流れる相電流を検出して、相電流検出信号を出力する電流検出手段と、前記相電流指令信号から前記相電流検出信号を減算して、相電流偏差信号を出力する減算手段と、前記相電流偏差信号に基づいて相電圧指令信号を発生する電流制御手段と、前記相電圧指令信号に基づいて相電圧を前記ステータコイルに印加する駆動手段とからなるステッピングモータの制御装置において、トルク指令と位置信号に基づいてコギングトルクトルクリップル補償信号を生成するコギングトルクトルクリップル補償手段と、位置指令に基づいてマイクロステップ位置決め補償信号を生成するマイクロステップ位置決め補償手段と、速度制御からマイクロステップ位置決め制御へ切り換える切換え手段とを備えたことを特徴とする。
この第１の構成においては、コギングトルクトルクリップル補償手段と、マイクロステップ位置決め補償手段とを設けたことにより、コギングトルクやトルクリップル等の外乱が除去され、マイクロステップ位置決めの高速化、高精度化を図ることができる。
本発明の第２の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置は、前記コギングトルクトルクリップル補償手段は、モータのコギングトルクを測定し、そのトルク脈動成分を各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、コギングトルクを相殺する方向に前記周波数成分に相当するｑ軸電流補償成分ｉ_q-cogを、ｑ軸電流に重畳する手段と、ｑ軸電流を流したときの出力トルクからコギングトルクを差し引いた後に残存する出力トルクリップルを各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、前記出力トルクリップルを相殺する方向に前記周波数成分に相当するｑ軸電流補償成分ｉ_q-ripを、ｑ軸電流にさらに重畳する手段とからなるものである。
これにより、コギングトルクおよびトルクリップルを補償することができる。
本発明の第３の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置は、前記マイクロステップ位置決め補償手段は、位置決め指令θ^*に対する実停止位置とのずれを測定し、これを各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、前記ずれを相殺する方向へ励磁電流指令の位相を修正するものである。
これにより、マイクロステップ位置決め時の位置ずれを補償することができる。
本発明の第４の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置は、モータは反負荷側に取り付けた速度・位置検出信号を出力する検出手段であるエンコーダの信号と、その近傍に取り付けた補正値を記憶したシリアル不揮発性メモリを時間的に信号切り換えする装置を有するものとしたものである。
この構成により、制御装置とモータとの配線本数を減らすことができる。
本発明の第５の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法は、第１ないし第４の構成のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の実運転前において、機械角１周期についてモータの脈動トルクと所定のｑ軸電流値での出力トルクを測定し、脈動トルクの脈動成分を各電気角周期ごとに周波数解析し、基本周波数の１倍、２倍、４倍の成分を記憶し、実運転時に前記１倍、２倍、４倍の成分をトルク電流に加算してコギングトルクトルクリップル補償をするものである。
この構成により、コギングトルクトルクリップル補償を行うことができる。
本発明の第６の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法は、第１ないし第４の構成のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の実運転前において、ｑ軸電流を流したときの出力トルクから脈動トルクを差し引き、これを出力トルクの脈動として各電気角周期ごとに周波数解析し、基本周波数の少なくとも１倍、２倍、４倍の成分を記憶し、実運転時に振幅はトルク電流に比例するとして基本周波数の少なくとも１倍、２倍、４倍の成分をトルク電流に加算してトルク脈動補償をするものである。
この構成により、コギングトルクトルクリップル補償を行うことができる。
本発明の第７の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法は、第５または第６の構成において、各電気角周期ごとについてのトルク脈動高調波の位相・振幅の補正データを独立に持ち、マイクロステップ位置決め制御へ切り換える切り換え時に、回転子の位置に応じて補償量を決定するものである。
この構成により、マイクロステップ位置決め制御への切り換え時の補償量が決定される。 本発明の第８の構成に係るステッピングモータの運転方法は、ステッピングモータを任意の位置から別の位置へ位置決め移動する場合、現在位置と位置決め指令との差がエンコーダの１パルス以上になった時点で開始される位置決め運転方法であって、前記位置決め指令をインクリメンタルに与え、マイクロステップ駆動で起動する工程と、ｑ軸電流を徐々に０から立ち上げ、ｄ軸電流を徐々に０に立ち下げていく工程と、ｄ軸電流が０になると、コギングトルクトルクリップル補償ループを有するトルク制御系を中心とした速度制御系に切り換えて前記ステッピングモータを運転する工程と、速度制御系で駆動中に、現在位置が目標位置の直前１ｐｐｒになると、マイクロステップ位置決め補償手段に基づく位置決め補償を行う工程と、制御系を、マイクロステップ位置決めに切り換えて、トルク電流を徐々に０に近付ける工程とを有するものである。
この構成により、高精度のマイクロステップ駆動法による位置決めが可能となる。

本発明によれば、コギングトルクやトルクリップル等の外乱を補償すると共に、最終目標位置到達時間の短縮化と高精度位置決めを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の構成を示すブロック図である。

図１において、本実施の形態のマイクロステップ駆動装置は、減算器２２によって生成された位置指令θ^*と位置信号θとの偏差に基づいて速度指令を生成する位置ゲイン（Ｋ_P）設定器１と、位置信号θを微分して速度信号を生成する微分器２と、速度指令と速度信号との偏差を生成する減算器３と、生成された速度偏差からトルク指令を生成する速度ゲイン（Ｋ_V）設定器４と、トルク指令と位置信号θに基づいてコギングトルクトルクリップル補償信号を生成するコギングトルクトルクリップル補償器５と、トルク指令から電流指令を生成するトルク（電流）ゲイン（Ｋ_T）設定器６と、電流指令とコギングトルクトルクリップル補償信号とを加算する加算器７と、ｄ軸信号、ｑ軸信号、位相進み角に基づいて回転座標（ｄ−ｑ）から固定座標（α−β）へ変換する座標変換器８と、速度信号に基づいて位相進み角補償信号を生成する位相進み角補償器９と、α軸電流指令とα軸電流との偏差を生成する減算器１０と、β軸電流指令とβ軸電流との偏差を生成する減算器１１と、α軸電流偏差を増幅するアンプ１２と、β軸電流偏差を増幅するアンプ１３と、α相の電流検出器１４と、β相の電流検出器１５と、ステッピングモータ１６と、ステッピングモータ１６の位置信号を検出するエンコーダ１７と、位置指令θ^*に基づいてマイクロステップ位置決め補償信号を生成するマイクロステップ位置決め補償器１８と、ｄ軸電流指令発生器１９と、連動して同時に切り換わる切換手段２０，２１とから構成されている。すなわち、マイクロステップ位置決めのときは、両スイッチはａ側からｂ側へと連動して同時に切り換えられる。

本実施の形態が、特許文献１等に開示された従来技術と異なる部分は、図１中のコギングトルクリップル補償器５とマイクロステップ位置決め補償器１８を設けたことである。これら以外の構成部分は従来技術と同様である。

図２に、本実施の形態の駆動プログラム全体のフローチャートを示す。
まずＳ１で、エンコーダ１７によりステッピングモータ１６の位置θを検出する。次いで、Ｓ２で、座標変換器８においてsinθ，cosθを算出する。Ｓ３では、電流検出器１４，１５により_ｉα，ｉ_βを検出する。Ｓ４では、マイクロステップ位置決めが必要かどうかで、必要でない場合はＳ５の脈動トルク補償サブルーチンに、必要な場合はＳ７のマイクロステップ位置決め補償プロセスに進む。このＳ４のＮｏとＹｅｓと分岐処理は、図１の切換手段２０，２１のａとｂの切り換えに対応している。

本発明を実施するためには、（ａ）コギングトルク補償、（ｂ）トルクリップル補償と（ｃ）マイクロステップ位置決め補償の各々に対応する補償データを事前に準備することが必要である。

まず、（ａ）コギングトルク補償について説明する。機械角１周期分３２００点について、モータのコギングトルクに相当するディテントトルクとｑ軸電流１．０Ａでの出力トルクを測定し、ディテントトルクについてはそのトルク脈動成分を各電気角周期ごとに周波数解析（ＦＦＴ：高速フーリエ変換）し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求める。コギングトルク補償をするには、コギングトルクを相殺する方向で基本周波数の１倍、２倍、４倍の成分相当のトルク電流（ｑ軸電流）ｉq-cogを補償成分として、トルク電流（ｑ軸電流）に重畳する。これによりコギングトルクを相殺することができる。

次に、（ｂ）トルクリップル補償について説明する。ｑ軸電流を流したときの出力トルクからディテントトルクを差し引き、これを出力トルクの脈動成分として各電気角周期ごとに周波数解析（ＦＦＴ）し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求める。振幅はトルク電流に比例するものとして、基本周波数の１倍、２倍、４倍の成分をトルク電流に重畳する。このようにして、各電気角周期ごとのトルク脈動高周波の位相、振幅のデータを準備することができる。

最後に、（ｃ）マイクロステップ位置決め補償について説明する。マイクロステップ位置決めにおけるステップの分割数を十分に大きくとり（たとえば機械角１周期につき２５６００分割＝電気角１周期につき５１２分割）、位置決め指令θ^*に対する実停止位置のずれを測定、記録してこれを各電気角周期ごとに周波数分析（ＦＦＴ）し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求める。

具体的には、たとえば、５１２点離散実数波形データ列Ｘ_nをＦＦＴした５１２点離散複素数列をＹ_nとする。
Ｘ_nのｎ次高調波成分の振幅Ａ_nと位相角Φ_nは次式で求められる。

これらの方法は（ａ）コギングトルク補償、（ｂ）トルク脈動補償、（ｃ）マイクロステップ位置決め補償について共通である。

このようにして、各電気角周期ごとの位置ずれ補正の位相、振幅のデータを準備することができる。回転子の位置（電気角周期）に応じて励磁電流指令（i_d ^*）の位相だけで、すなわち各相励磁電流指令は擬似正弦波波形のまま、位置ずれを補償することができる。
実験結果によれば、周波数成分は実用的にいえば（ａ），（ｂ）は基本波成分の４次まで、（ｃ）は７次まで考慮すれば十分であることが判った。後述の図５で、７次までの成分を含め、それ以上を無視したのはこのためである。

脈動トルク補償サブルーチンＳ５の詳細を図３のフローチャートに示す。
トルクリップルを補償量を決定するため、ｑ軸電流（トルク電流）を、１．０Ａとした場合のトルクリップルの測定データからコギングトルク値を差し引いて、トルクリップル成分のみを取り出し、その波形を対象に機械角１周期で周波数解析を行う。その解析結果から、トルクリップルの主成分は、基本波（１次）、２次、４次成分であることが確認でき、ｑ軸電流値の増加に伴って各成分の振幅が増加していることが確認できた。

図３において、Ｓ２０，Ｓ２１で、機械角θから電気角θ_eleと電気角番号Ｎを求める。Ｓ２２では、実運転前に予め実測したコギングトルク波形の周波数解析結果から、１次と２次と４次の成分の振幅と位相角を読み出す。Ｓ２３では、１次と２次と４次の電気角を算出する。Ｓ２４では、ｑ軸電流に含まれるコギングトルクリップル成分を計算する。Ｓ２５では、コギングトルク成分とトルクリップル成分を含む全体のリップル波形の分析結果から１次と２次と４次の成分の振幅と位相角を読み出す。Ｓ２６では、１次と２次と４次の電気角を算出する。Ｓ２７では、ｑ軸電流に含まれるリップル成分を計算する。Ｓ２８では、ｑ軸電流ｉ_q0からコギングトルク成分ｉ_q-cogとトルクリップル成分ｉ_q-ripを差し引いて、脈動トルク補償を行ったｑ軸電流指令ｉ_q ^*を算出する。このとき、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*は０とする。

以上の演算処理は、コギングトルクトルクリップル補償器５によって実行され、算出されたｑ軸電流指令ｉ_q ^*は切換手段２０のａ端子に出力される。このとき、切換手段２１のａ端子には、ｄ軸電流指令発生器１９からｉ_d ^*＝０が与えられる。

図２の電流制御サブルーチンＳ６の詳細を図４に示す。
この電流制御サブルーチンでは、Ｓ３０で電流検出器１４，１５により検出した実電流ｉ_α，ｉ_βと、エンコーダ１７により検出した実位置θより、ｄ軸電流ｉ_d，ｑ軸電流ｉ_qを算出する。Ｓ３１では、算出された電流ｉ_d，ｉ_qをＰＩ（比例、微分）演算して、Ｓ３２によりｄ軸電圧指令Ｖd*，ｑ軸電圧指令Ｖq*を算出する。この結果に基づいて、図２のＳ１０でスイッチングパタンの出力を駆動手段であるアンプ１２，１３へ送り、モータ１６を駆動する。

図２のフローチャート中、マイクロステップ位置決めが必要な場合は、図１の切換手段２０，２１をｂ端子側に切り換えて、Ｓ７〜Ｓ９のステップを実行する。
マイクロステップ駆動によるオープンループ（位置フィードバック無し）位置決めでは、位置指令θ^*、ｄ軸電流指令Ｉ_d ^*、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を入力として与えて制御する。したがって、マイクロステップ位置決め段階では、エンコーダ１７からの位置データθではなく、位置指令θ^*を用いる。

まず、検出したα相、β相の電流値を次式でｄ，ｑ軸上に変換する。

理想的なモータの場合、変換されたｄ，ｑ軸電流検出値を、電流マイナーループによりＩ_d ^*＝２．５Ａ，Ｉ_q ^*＝０Ａと与えた指令値に追従させることで（Ｓ７）、固定子側磁束ベクトルをθ^*方向に設定でき、これによりθ^*方向へ保持力が働いて任意の指令位置θ^*へ位置決めが可能となる（Ｓ８）。
この条件のもとで、電気角第一周期（エンコーダ１７にＺ相信号が入った直後の電気角周期＝機械角０°〜７．２°）にて位置決め制御を行った場合の位置決め誤差Δθ（機械角）を、実験により測定した。図７，図８に測定結果を示す。図７は、モータを正転させた場合の正転補償ありと正転補償なしの位置と位置ずれの関係を、図８はモータを逆転させた場合の正転補償ありと正転補償なしの位置と位置ずれの関係をそれぞれ示している。いずれの場合も２５６００ｐｐｒのエンコーダ±２パルスの許容誤差を超過しており、また位置決め誤差Δθが位置指令θ^*に対して周期的に変動していることがわかる。

以下、位置決め精度の改善方法を示す。
位置決め誤差Δθ＞０の位置は、所望の指令位置θ^*に対して実停止位置が進みの方向にΔθずれて停止することである。したがって、所望の位置θ^*に停止させたい場合、位置指令をθ^*’＝θ^*−Δθ（θ^*）として与えてやればいいことがわかる。しかしながら、Δθ（θ^*）は各ポジション固有の値であり、微小位置決め分解能を実現しようとする場合、その値をデータテーブルで持つことは困難であるため、以下の手法をとる。

Δθ（θ^*）の関数化を実現するために、θ^*に対するΔθ（θ^*）の分布を各電気角周期ごとに解析し、次式で展開する（電気角周期番号をＮとする）。
モータ正転から停止した場合の位置決め誤差

モータ逆転から停止した場合の位置決め誤差

振幅Ａ_Nnおよび位相角φ_Nnについては、例として表１に示すような計１６個のデータベースを持つ。

振幅Ｂ_Nnおよび位相角Ψ_Nnについても振幅Ａ_Nnおよび位相角Φ_Nnと同様に、計１６個のデータベースを持つ。

上記のように電気角周期１周期につき計３２個のデータベースを持ち、電気角周期５０周期分（機械角１周分）のデータベースを別々に持つので、合計１６００個のデータを持つ。

位置決め時は、エンコーダパルスのフィードバックによりモータ回転子の現在位置を演算して電気角番号Nを求め、モータ回転子の現在位置の微分からモータ回転方向を演算し、回転方向によって振幅Ａ_Nn（正転）またはＢ_Nn（逆転）、位相角Φ_Nn（正転）またはΨ_Nn（逆転）を選択し、位置指令θ^*と式（２）または（３）により位置補償量Δθ（θ^*）を選択する。
以上が、図２のＳ９における具体的な処理である。

図１のマイクロステップ位置決め補償器１８においては、図５に示すフローチャートにしたがって位置決め補償を行う。図５のマイクロステップ位置決め補償アルゴリズムを実行する実運転前に、予め、前述した（ｃ）マイクロステップ位置決め補償の説明における周波数解析をし、基本周波数の０〜７倍の高周波の振幅Ａ₀〜Ａ₇、位相φ₀〜φ₇を算出してメモリ手段に保存しておく。実運転時は、まず、Ｓ４０，Ｓ４１により、機械角θ^*から電気角θ_eleと電気角番号Ｎを求める。Ｓ４２において、振幅Ａ₀〜Ａ₇、位相φ₀〜φ₇をメモリ手段から読み出し、ある位置指令θが与えられたとき、Ｓ４３においてθ＋φ₁，２（θ＋φ₂），・・・，７（θ＋φ₇）の算出を行う。Ｓ４４において、その位置での位置ずれ量θ_compを求め、Ｓ４５において、その位置ずれ量θ_compだけ逆方向に補正した実際の励磁位置θ^*'を求める。このようにして、励磁電流指令ｉ_d ^*の位相だけで、すなわち各相励磁電流指令は擬似正弦波形のままで、位置ずれを補償することができる。

図６は、本実施の形態における位置決め運転のフローチャートである。
目標位置に対して直近前のエンコーダ１ｐｐｒ前までは、通常の位置決めループで制御して、トルク電流をゼロに近付けておき、１ｐｐｒを超えた時点で、図６のフローチャートによるマイクロステップ位置決めに切り換える。

すなわち、任意の位置から別の位置へ位置決め移動する場合、最初は位置決め指令θ^*をインクリメンタルに与え、マイクロステップで起動し（Ｓ５０）、ｑ軸電流を徐々に０から立ち上げ、ｄ軸電流を徐々に０に立ち下げていく（Ｓ５１）。ｄ軸電流が０になると（Ｓ５２）、コギングトルクトルクリップル補償ループを有するトルク制御系を中心とした速度制御系に切り換える（Ｓ５３）。以後、ＰＩ速度制御ループで駆動する（Ｓ５４）。現在位置が目標位置の直前１ｐｐｒになると（Ｓ５５）、現在位置θと目標位置θ^*の大小を比較し（Ｓ５６）、θ＜θ^*のときは正転から位置決めとして位置決め補償量の振幅・位相角にＡ・Φの組を使用し（Ｓ５７）、θ＞θ^*のときは逆転から位置決めとして同様にＢ・Ψの組を使用する（Ｓ５８）。ついで、マイクロステップ位置決め補償器１８に基づく位置決め補償を行い（Ｓ５９）、制御系を、マイクロステップ位置決め（オープンループ）に切り換える（Ｓ６０）。トルク電流を徐々に０に近付ける（Ｓ６１）。

なお、モータ１６として、補正データメモリ付きモータの構成とすることができる。
すなわち、実測して求めたコギングトルク補償、トルク脈動補償、マイクロステップ位置決め補償のための振幅および位相角のデータはモータに固有のものであり、これらのデータを保存したシリアル不揮発性メモリをモータ反負荷側に取り付けた一回転４００パルスのロータリーエンコーダの近傍に取り付ける。ロータリーエンコーダの信号はＡ相、Ｂ相、Ｚ相の３種類であり、これにエンコーダ／メモリ選択信号を加えた４種類の信号を伝達するケーブルによってモータ／エンコーダ／メモリ部とドライバ部を接続する。モータ／エンコーダ／メモリ部はエンコーダ／メモリ選択信号を受けてケーブルの他の３本の信号線で伝達する信号およびその伝達方向を選択する切り換え手段を持つ。またドライバ部も同様に、ケーブルの３本の信号線によって伝達される信号およびその伝達方向を選択する切り換え手段を持つ。ドライバ部はエンコーダ／メモリ切り換え信号を出力する手段を持ち、これによってケーブルのエンコーダ／メモリ選択信号以外の３本の信号線によって伝達される信号を選択する。

エンコーダ／メモリ選択信号がエンコーダを選択するとき、ケーブルの３本の信号線はエンコーダのＡ相、Ｂ相、Ｚ相の信号をモータ／エンコーダ／メモリ部からドライバ部に伝達する。
一方エンコーダ／メモリ選択信号がメモリを選択するとき、ケーブルの３本の信号線はメモリのデータ入力（ＤＩ）信号、シリアルクロック（ＳＫ）信号をドライバ部からモータ／エンコーダ／メモリ部に伝達し、データ出力（ＤＯ）信号をモータ／エンコーダ／メモリ部からドライバ部に伝達する。
このように、補正データメモリ付きのモータ構成とすることにより、ステッピングモータ１６のマイクロステップ駆動装置とモータとの配線本数を減らした構造のモータとすることができる。

本発明は、コギングトルクやトルクリップル等の外乱を除去すると共に、最終目標位置到達時間の短縮化と高精度位置決めを実現することのできるステッピングモータのマイクロステップ駆動装置およびその制御方法ならびにその運転方法として、ＦＡ，ＯＡその他の分野において利用することができる。

本発明の実施の形態に係るマイクロステップ駆動装置のブロック図である。 本実施の形態の駆動プログラム全体のフローチャートである。 本実施の形態における脈動トルク補償サブルーチンのフローチャートである。 本実施の形態における電流制御サブルーチンのフローチャートである。 本実施の形態におけるマイクロステップ位置決め補償アルゴリズムのフローチャートである。 本実施の形態における位置決め運転フローチャートである。 モータを正転させた場合の正転補償ありと正転補償なしの位置と位置ずれの関係を示すグラフである。 モータを逆転させた場合の正転補償ありと正転補償なしの位置と位置ずれの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 位置ゲイン設定器
２ 微分器
３ 減算器
４ 速度ゲイン設定器
５ コギングトルクトルクリップル補償器
６ トルク（電流）ゲイン設定器
７ 加算器
８ 座標変換器
９ 位相進み角補償器
１０，１１ 減算器
１２，１３ アンプ
１４ α相の電流検出器
１５ β相の電流検出器
１６ ステッピングモータ
１７ エンコーダ
１８ マイクロステップ位置決め補償器
１９ ｄ軸電流指令発生器
２０，２１ 切換え手段
２２ 減算器

Claims (8)

1. ステッピングモータの位置を検出して、位置検出信号を出力する検出手段と、
   ｑ軸電流指令信号を出力する電流指令生成手段と、
   前記ｑ軸電流指令信号を三角関数信号に基づいて相電流指令信号に変換する座標変換手段と、
   前記ステッピングモータのステータコイルに流れる相電流を検出して、相電流検出信号を出力する電流検出手段と、
   前記相電流指令信号から前記相電流検出信号を減算して、相電流偏差信号を出力する減算手段と、
   前記相電流偏差信号に基づいて相電圧指令信号を発生する電流制御手段と、
   前記相電圧指令信号に基づいて相電圧を前記ステータコイルに印加する駆動手段とからなるステッピングモータのマイクロステップ駆動装置において、
   トルク指令と位置信号に基づいてコギングトルクトルクリップル補償信号を生成するコギングトルクトルクリップル補償手段と、
   位置指令に基づいてマイクロステップ位置決め補償信号を生成するマイクロステップ位置決め補償手段と、
   速度制御からマイクロステップ位置決め制御へ切り換える切換え手段と
   を備えたことを特徴とするステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
2. 前記コギングトルクトルクリップル補償手段は、
   ステッピングモータのコギングトルクを測定し、そのトルク脈動成分を各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、コギングトルクを相殺する方向に前記周波数成分に相当するｑ軸電流補償成分ｉ_q-cogを、ｑ軸電流に重畳する手段と、
   ｑ軸電流を流したときの出力トルクからコギングトルクを差し引いた後に残存する出力トルクリップルを各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、前記出力トルクリップルを相殺する方向に前記周波数成分に相当するｑ軸電流補償成分ｉ_q-ripを、ｑ軸電流にさらに重畳する手段と、
   からなるものである請求項１記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
3. 前記マイクロステップ位置決め補償手段は、位置決め指令θ^*に対する実停止位置とのずれを測定し、これを各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、前記ずれを相殺する方向へ励磁電流指令の位相を修正するものである請求項１記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
4. ステッピングモータは反負荷側に取り付けた速度・位置検出信号を出力する検出手段であるエンコーダの信号と、その近傍に取り付けた補正値を記憶したシリアル不揮発性メモリを時間的に信号切り換えする装置を有し、制御装置とステッピングモータとの配線本数を減らしたものであるステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
5. 請求項１から４のいずれかの項に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の実運転前において、機械角１周期についてモータの脈動トルクと所定のｑ軸電流値での出力トルクを測定し、脈動トルクの脈動成分を各電気角周期ごとに周波数解析し、基本周波数の１倍、２倍、４倍の成分を記憶し、実運転時に前記１倍、２倍、４倍の成分をトルク電流に加算してコギングトルクトルクリップル補償をすることを特徴とするステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法。
6. 請求項１から４のいずれかの項に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の実運転前において、ｑ軸電流を流したときの出力トルクから脈動トルクを差し引き、これを出力トルクの脈動として各電気角周期ごとに周波数解析し、基本周波数の少なくとも１倍、２倍、４倍の成分を記憶し、実運転時に振幅はトルク電流に比例するとして基本周波数の少なくとも１倍、２倍、４倍の成分をトルク電流に加算してトルク脈動補償をすることを特徴とするステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法。
7. 各電気角周期ごとについてのトルク脈動高調波の位相・振幅の補正データを独立に持ち、マイクロステップ位置決め制御へ切り換える切り換え時に、回転子の位置に応じて補償量を決定することを特徴とする請求項５または６に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法。
8. ステッピングモータを任意の位置から別の位置へ位置決め移動する場合、現在位置と位置決め指令との差がエンコーダの１パルス以上になった時点で開始される位置決め運転方法であって、
   前記位置決め指令をインクリメンタルに与え、マイクロステップ駆動で起動する工程と、
   ｑ軸電流を徐々に０から立ち上げ、ｄ軸電流を徐々に０に立ち下げていく工程と、
   ｄ軸電流が０になると、コギングトルクトルクリップル補償ループを有するトルク制御系を中心とした速度制御系に切り換えて前記ステッピングモータを運転する工程と、
   速度制御系で駆動中に、現在位置が目標位置の直前１ｐｐｒになると、マイクロステップ位置決め補償手段に基づく位置決め補償を行う工程と、
   制御系を、マイクロステップ位置決めに切り換えて、トルク電流を徐々に０に近付ける工程と
   を有するステッピングモータの位置決め運転方法。

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