JP2006149143A

JP2006149143A - ステッピングモータ

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Publication number: JP2006149143A
Application number: JP2004338657A
Authority: JP
Inventors: Koichi Eguchi; 光一江口
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP4690707B2

Abstract

【課題】（指令値に比例し）リップルの発生が抑制された駆動力を発生させるステッピングモータを、エンコーダの数を増大させることなく簡単な構成で実現する。
【解決手段】ステッピングモータに、区分検出部５０と、細区分検出部６０と、を備え、区分検出部５０及び細区分検出部６０により検出されたロータの位置に対し正弦波特性又は余弦波特性となる励磁電流により励磁相の励磁状態を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の励磁相を備え、各励磁相の励磁状態の変化に同期させてロータの回転運動を制御するステッピングモータに関する。

ステッピングモータは、精度の良い位置制御を高価なフィードバックループなしで（オープンループ制御で）行えるため比較的安価で製造することができ、またブラシレス構造で長寿命化できることから、幅広い分野に普及している。しかしながら、従来より、ステッピングモータでは、ロータ（例えば回転機では回転部、リニアモータでは移動部等）が励磁通りに運動せずに制御不能となる「脱調（同期外れ）」が問題となっている。この脱調は、ロータの運動に対して負荷が大きい場合あるいはロータの運動の速度が大きい場合等に生じる。

そこで、このようなステッピングモータの脱調を抑制することができるステッピングモータが提案されている（特許文献１）。この特許文献１では、隣接する励磁相の間を励磁相を励磁したときの駆動力の方向により複数の区分に区分けし、ロータがどの区分（回転角度等）に位置するかをエンコーダで検出し、検出されたロータの位置に適した励磁状態を実現することにより脱調を抑制している。特許文献１のステッピングモータでは、エンコーダのチャネルの数を増やすことにより、より分解能を高めてロータがどの区分に位置するかを検出し、より精度良くモータを制御することができる。

また、各励磁相にロータの位置に対して正弦波特性になる励磁電流と余弦波特性になる励磁電流を供給することにより、（指示値に比例した）リップルの無い駆動力を発生する２相ステッピングモータが提案されている（非特許文献１）。

２相ステッピングモータは、第１相及び第２相の励磁相の励磁によりロータに作用する駆動力の方向及び大きさが、ロータの位置に対し、周期が等しく互いに位相のずれた正弦波特性（第１相が正弦波特性、第２相が余弦波特性）を有している（実際には、ロータに作用する駆動力は歪成分を含む正弦波（又は余弦波）特性となるが、ここでは、正弦波成分についてのみ扱う）。ここで、第１相の励磁電流をＩ_１とし、第２相の励磁電流をＩ_２とすると、第１相及び第２相からロータに働く合成駆動力Ｔは、
Ｔ＝Ｉ_１・Ｋｉ・ｓｉｎθ ＋Ｉ_２・Ｋｉ・ｃｏｓθ ・・・（１）
で表される。ここでＫｉは比例定数であり、θは、励磁相間のロータの移動に伴い望ましくは正弦波的（または、余弦波的）に変動する（各相あたりの）トルク特性の一周期を２π（即ち、３６０（度））としたときの位相（ロータの位置）である。例えば、２相ステッピングモータの場合において、θは、ロータの基準となる位置（例えば磁石）が、第１相の励磁相、第２相の励磁相、第１相の反転励磁相、第２相の反転励磁相と順々に移動したとき、このロータの移動を一周期とみなした位相を示す。

ここで、各励磁相に供給する励磁電流をロータの位置に対して正弦波特性又は余弦波特性となるようにする。すなわち、第１相の励磁電流Ｉ_１をＩ_１∝ｕ・ｓｉｎθとし、第２相の励磁電流Ｉ_２をＩ_２∝ｕ・ｃｏｓθとすると（ただし、ｕは指令値である）、合成駆動力Ｔは、
Ｔ ∝ ｕ・ｓｉｎθ・Ｋｉ・ｓｉｎθ＋ｕ・ｃｏｓθ・Ｋｉ・ｃｏｓθ
＝ｕ・Ｋｉ（ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θ）
＝ｕ・Ｋｉ・・・（２）
となる。すなわち、各励磁相に供給する励磁電流をロータの位置θに対して正弦波特性又は余弦波特性とすることにより、（指令値ｕに比例し）リップルが抑制された駆動力を発生するステッピングモータを実現することができる。このようなステッピングモータは、閉ループによる位置制御、又は、速度制御に好適である。

特開２００２−１７１７９３号公報電子技術２００１−３、１５ｐ−１８ｐ、日刊工業新聞社

このようなステッピングモータを実現するには、ロータの位置検出の分解能を高め、検出されたロータの位置に適した励磁電流（Ｉ_１とＩ_２）を各励磁相に供給する必要がある。一方、前述したように、特許文献１に記載されたステッピングモータで、より分解能を高めてロータの位置を検出するには、所要の分解能に応じてエンコーダのチャネルの数を増やさなければならない（ロータの位置検出の分解能をＮとし、エンコーダのチャネルの数をｎとすると、Ｎ＝２^ｎであり、ロータの位置検出の分解能Ｎとエンコーダのチャネルの数ｎは、トレードオフの関係にある）。本発明の目的は、（指令値に比例し）リップルが抑制された駆動力を発生させるステッピングモータを、エンコーダの数を増大させることなく簡単な構成で実現することにある。

本発明は、複数の励磁相を有するステータと、前記励磁相の励磁状態の変化に同期して回転するロータと、前記励磁相の励磁状態を制御する制御部と、励磁相の間を複数に区分けして得られた１つの区分をロータが回転する範囲に対応するパルス幅の検出パルスと、整数個の区分をロータが回転する範囲に対応するパルス幅の検出パルスと、の状態の組み合わせにより、ロータがどの区分に位置するかを検出する区分検出部と、を備え、検出されたロータの位置に応じて各励磁相の励磁状態を制御するステッピングモータにおいて、前記区分を複数の細区分に区分けし、２つの細区分をロータが回転する範囲に対応するパルス幅を有し互いに位相が９０度ずれた２相の検出パルスによりロータの回転方向を検知するとともに、検知されたロータの回転方向に応じ２相の検出パルスをその周期毎に加算または減算することによりカウントし、得られたカウント結果に応じてロータがどの細区分に位置するかを検出する細区分検出部をさらに備え、前記制御部は、前記区分検出部及び細区分検出部により検出されたロータの位置に応じて、各相の励磁電流により励磁相の励磁状態を制御することにより、ロータの位置に対する駆動力の変動を抑制することを特徴とする。

また、前記制御部は、前記区分検出部及び細区分検出部により検出されたロータの位置に対し正弦波特性又は余弦波特性となる励磁電流により励磁相の励磁状態を制御することにより、ロータの位置に対する駆動力の変動を抑制することが望ましい。

また、前記２相の検出パルスにより与えられる２ビットの信号を用いてロータの回転速度を検出することより、前記ロータの回転運動の速度を検知する速度検出部を備え、前記制御部は、前記速度検出部により検出されたロータの回転運動の速度に応じて各励磁相の励磁状態を制御することが望ましい。

また、前記細区分検出部におけるカウント結果を、ロータが１つの区分を回転する毎、又は、ロータが整数個の区分を回転する毎、にゼロにリセットするリセット回路を備えることが望ましい。

本発明によれば、（指令値に比例し）リップルが抑制された駆動力を発生させるステッピングモータを、エンコーダのチャネルの数を増大させることなく簡単な構成で実現することができる。

以下、本発明の実施形態に係るステッピングモータについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態に係るステッピングモータは、２相ステッピングモータであり、相対運動自在な二つの部材の間（多関節ロボットアームの関節部や船舶用衛星追尾アンテナの方位角制御部等）に介在し、これら部材の相対運動（相対位置、相対姿勢、あるいは相対速度等）を制御するために搭載されているものとする。

「第１の実施形態」
図１及び図２を用いて、本発明の第１の実施形態に係るステッピングモータの動作について説明する。図１に示すステッピングモータは、外部から入力されてくる位置指令値とモータ部４０の状態（ロータの位置）とに応じてロータが回転するようにモータ駆動信号を発生する駆動制御系と、モータ部４０の状態を検出して駆動制御系にフィードバックするフィードバックループ系と、を備える。ここで、駆動制御系は、演算部１０ａ、制御部２０、アンプ３０ａ，３０ｂを備える。また、フィードバック系は、区分検出部５０、細区分検出部６０、基準位置検出部７０、カウンタ８０を備える。

なお、位置指令値は、ステッピングモータを制御するコントローラなどから供給される。例えば、ステッピングモータがロボットアームの間接部に利用されているモータであれば、ロボット全体を制御するコントローラが、ロボットアームの移動位置を決定し、その位置に移動させるためのステッピングモータの駆動指令を作成し、これが位置指令値として供給される。

位置指令値（ロータ目標位置）は、演算部１０ａに入力される。演算部１０ａは、入力された位置指令値と、カウンタ８０から供給されるロータの現在位置と、の差分を演算し、得られた差分に応じてモータ部４０のロータが回転運動するよう制御信号（例えば電圧等）を出力する。なお、ロータの現在位置は、基準位置検出部７０からロータが（機械角で３６０度の）１回転するごとに１回出力される基準位置パルス（リセットパルス）が入力されてから、後述するエンコーダ６２から出力された２相の検出パルスが何回更新されたかをカウンタ８０でカウンタすることにより得ている。

演算部１０ａから出力された制御信号は、制御部２０に入力される。制御部２０は、演算部１０ａから入力される制御信号と、後述する区分検出部５０及び細区分検出部６０から入力される区分検出信号及び細区分検出信号と、に応じて、モータ部４０の励磁相（第１相及び第２相）を励磁する励磁電流指令を出力する。なお、この励磁電流指令は、ロータの位置に応じて第１相が正弦波特性となる励磁電流であり、第２相が余弦波特性となる励磁電流である。また、後述するフィードバック系の位相余裕が小さい場合は、制御部２０に位相補償等の機能が含まれる。

制御部２０から出力された励磁電流指令は、リニアアンプであるアンプ３０ａ及び３０ｂにより増幅され、後述するモータ部４０の励磁相の第１相及び第２相に出力される。アンプ３０ａ，３０ｂにより増幅された励磁電流指令は、モータ部４０の第１相及び第２相の各々の励磁相に励磁電流として供給される。

ここで、モータ部４０は、公知のステッピングモータであり、コイルが巻き付けられた複数の励磁相を備えるステータと、このコイルへ供給された励磁電流の変化による励磁相の励磁状態の変化に同期して回転するロータと、を備える。なお、一例として、励磁相は、前述したような周期が、ロータ一周に対して５０回発生する数（７．２（ｄｅｇ）毎に）設けられているものとする。

これにより、モータ部４０は、励磁相へ供給される励磁電流の変化により励磁相の励磁状態を変化させ、モータ部４０のロータが励磁相の励磁状態の変化に同期して回転運動するよう駆動力が発生する。従って、モータ部４０は、位置指令値に示される位置までロータを回転移動させることができる。

前述したように、図１に示すステッピングモータは、前述した相対運動自在な部材のうち一方（例えば多関節ロボットアームの根本部材：ステータ側部材）がステータに、また他方（例えば多関節ロボットアームの先端側部材：ロータ側部材）にロータがそれぞれ接続されている。これにより、図１に示すステッピングモータは、制御部２０から出力され、アンプ３０ａ，３０ｂで増幅された励磁電流に応じて各励磁相を励磁することにより、励磁相の励磁状態の変化に同期してロータが回転運動するよう駆動力が発生し、二つの部材の相対運動を制御することができる。

なお、モータ部４０のロータには、後述する区分検出部５０、細区分検出部６０、及び基準位置検出部７０に各々の位置が検出できるように、各々の検出チャネル毎の（エンコーダが光学式又は磁気式の場合）スリット又は磁石等が設けられている。

次に、図２を参照して、フィードバック系およびそれに伴う制御について説明する。図２は、前述した各励磁相の間をロータが移動したときの検出パルス、位置に応じて励磁相に供給される励磁電流、及び励磁電流により補正された駆動力の変化を示している。図２を、上から順に説明する。なお、図２では、横軸をロータの位置（右方向を正方向とする）とする。

（１）駆動力は、励磁相のコイルに励磁電流を供給したときの各励磁相の励磁によるロータに対する駆動力（実線：第１相、破線：第２相）を示す。前述したように、２相ステッピングモータは、第１相及び第２相の励磁相の励磁によりロータに作用する駆動力の方向及び大きさは、ロータの位置に対し、周期が等しく互いに位相のずれた正弦波（第１相が正弦波、第２相が余弦波）となっている。

（２）ＣＨ１，ＣＨ２は、区分検出部５０で検出される検出パルス（上段：第１チャネルＣＨ１、下段：第２チャネルＣＨ２）を示す。前述したように、モータ部４０のロータには、各々の検出チャネル毎のスリット等が設けられている。区分検出部５０では、ＬＥＤ（発光ダイオード）で、ロータの一方の面から、このスリットの位置に昭光し、ＰＤ（フォトダイオード）で、スリットを通過した光量に対応する光電流が検出される。

スリットとして、駆動力の波形における９０度の幅に対応する孔（検出チャネルＣＨ１）と、駆動力の波形における１８０度の幅に対応する孔（検出チャネルＣＨ２）と、をロータに設け、前述したような光電流を検出し、検出されたパルス信号の組み合わせにより、ステータにおける各励磁相の間を複数の区分に区分けすることができる。このように検出された検出パルスＣＨ１は、1つの区分をロータが回転する範囲に対応するパルス幅を有し、検出パルスＣＨ２は、整数個（２個）の区分をロータが回転する範囲に対応するパルス幅を有することになる。

そして、区分検出部５０は、前述した２つの検出パルスＣＨ１及びＣＨ２の組み合わせにより、ロータがどの区分に位置しているかを示す区分検出信号を出力する。（３）区分検出信号は、区分検出部５０からの出力された区分検出信号示す。すなわち、区分検出部５０は、検出パルスを駆動力の変化１周期で２ビットのバイナリコード（ＣＨ１：下位ビット、ＣＨ２：上位ビット）とすることにより、４つの区分（ｐｈ１［００］，ｐｈ２［０１］，ｐｈ３［１０］，ｐｈ４［１１］、ただし［］内はコード）を示す区分検出信号を出力する。なお、区分検出部５０は、区分が切り替わる毎に区分エッヂパルスを発生し、これを細区分検出部６０に出力する。

なお、前述した検出チャネルＣＨ１のスリットは、検出チャネルＣＨ２と同様に、駆動力の波形における１８０度の幅に対応する孔としても良い。この場合、検出チャネルＣＨ１と検出チャネルＣＨ２のスリットを、１区分だけずらすことにより、区分検出部５０から４つの区分を示す区分検出信号を出力することが可能である。

細区分検出部６０は、エンコーダ６２とカウンタ６４を備え、前述したスリット等をより細かくした２つのチャネル（ＣＨ３とＣＨ４）をロータに設け、これにより、ある区分に位置するロータの位置を、より細かく検出する。まず、新たなスリットとして、前述した区分よりも細かい区分に対応する孔（検出チャネルＣＨ３）と、検出チャネルＣＨ３と同じ幅の大きさで位相が９０°ずれた孔（検出チャネルＣＨ４）と、をロータに設ける。そして、エンコーダ６２では、前述したようなＬＥＤとＰＤを用いる手段により、スリットを通過した光量に対応する光電流が検出される。

（４）ＣＨ３，ＣＨ４は、細区分検出部６０で検出される２相の検出パルス（上段：第３チャネルＣＨ３、下段：第４チャネルＣＨ４）を示す。前述したように、細区分検出部６０は、前述した区分検出部５０の区分をさらに（スリット等で）複数の細区分に区分けしている。また、細区分検出部６０は、２つの細区分をロータが回転運動する範囲に対応するパルス幅を有し互いに位相が９０度ずれた２相の検出パルスＣＨ３とＣＨ４を発生する。

（５）細区分検出信号は、そして、カウンタ６４に、前述した区分検出部５０からの区分エッヂパルスが入力されてから、２相の検出パルスが更新される（ＣＨ３およびＣＨ４の立ち上がり）毎にカウントアップ（またはカウントダウン）し、そのカウント値により、ロータがどの細区分に位置するか示す信号である。また、カウンタ６４は、区分検出部５０から出力された区分エッヂパルスの入力により値がリセットされ、検出された２相の検出パルス（ＣＨ３とＣＨ４）によりロータの回転方向を検知し、検知されたロータの回転方向に応じて、２相の検出パルス（ＣＨ３とＣＨ４）が更新される毎に値を加算および減算することによりカウントし、ロータがどの細区分に位置するかえを示す細区分検出信号を出力する。

制御部２０は、このように得られた区分検出信号及び細区分検出信号に応じて励磁電流指令を出力する。（６）励磁電流指令は、区分検出部５０及び細区分検出部６０から出力された区分検出信号と細区分検出信号に応じて各励磁相のコイルに流す励磁電流を示す。すなわち、検出された区分と細区分により、第１相に供給するロータ位置に対して正弦波特性となる励磁電流と、第２相に供給するロータ位置に対して余弦波となる励磁電流と、を示す。このように電流を供給することにより、非特許文献１に示されたようなリップルの発生を抑制した駆動力を発生させることができる（なお、前述したようなロータに作用する駆動力が歪成分を含む正弦波（又は余弦波）特性となる場合においては、ロータの位置に応じた補正係数を補正テーブルに記憶しておき、ロータの位置に応じた励磁電流を各励磁相に供給するよう制御することにより、リップルの発生を抑制した駆動力を発生させることができる）。（７）補正された駆動力は、励磁電流指令を各励磁相に供給したときのロータに与えられる駆動力を表す。

従って、区分検出部及び細区分検出部により検出された区分と細区分に応じて励磁電流を正弦波特性又は余弦波特性となるようにすることにより、リップルの発生が抑制された駆動力を発生させるステッピングモータをエンコーダの数を増大させることなく簡単な構成で実現することができる。

また、励磁電流をより正弦波特性及び余弦波特性に近似するために、検出分解能を向上させるには、細区分を細かくしパルス幅を細かくするようスリットを細くすれば良い。従って、細区分検出部６０を設けることにより、エンコーダのチャネル数を増やすことなく（最大でもチャネル数が４つで）検出分解能を向上させることができる。また、検出分解能を向上させることにより、よりリップルの発生が抑制された制御が可能となり、脱調の発生を抑制すると共に高速回転に追従するステッピングモータの制御を実現することができる。なお、本実施形態では、２相ステッピングモータを例として説明したが、本発明の適応範囲は、２相ステッピングモータに限るものではない。

「第２の実施形態」
前述したように、リップルの発生が抑制された駆動力を発生させるステッピングモータは、速度制御に好適である。そこで、本実施形態では、第１の実施形態に示したステッピングモータに、新たに速度制御系を設けた第２の実施形態に係るステッピングモータについて説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るステッピングモータの構成を表すブロック図である。図３において、演算部１０ｂは、（図示しないＣＰＵ等から）入力された速度指令値と、後述する速度検出部９０から入力されたロータの回転速度と、の差分を演算し、演算された差分に応じたモータの速度制御信号（例えば電圧等）を出力する。また、速度検出部９０は、エンコーダ６２から出力される細区分検出信号の単位時間あたりに更新した数をカウントし、これによりロータの回転速度を検出する速度検出部である。なお、速度検出部９０は、外部にパルス発振器を設けて、細区分検出信号をリセットパルスとして、パルス発振器は発振されたパルス数をカウントする構成であっても良い。

制御部２０は、演算部１０ｂから出力された速度制御信号に応じて励磁電流（例えば振幅又は位相）を制御する。図３に示すステッピングモータは、このように制御された励磁電流により励磁相を励磁することによりロータに発生する駆動力を制御し、ロータの回転速度を制御する。従って、図３に示すステッピングモータは、ロータの回転速度を検出しながら駆動力を制御することができ、またトルクリップルの発生も抑制されているため、高速回転時における脱調の発生を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係るステッピングモータの構成を表すブロック図である。本発明の第１の実施形態にかかるステッピングモータにおけるロータが位置する区分毎の区分検出部の出力信号と、ロータの位置毎の制御量と駆動力を表す図である。本発明の第２の実施形態に係るステッピングモータの構成を表すブロック図である。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ演算部、２０制御部、３０ａ，３０ｂアンプ、４０モータ部、５０区分検出部、６０細区分検出部、６２エンコーダ、６４，８０カウンタ、６４，８０カウンタ、７０基準位置検出部、９０速度検出部。

Claims

複数の励磁相を有するステータと、
前記励磁相の励磁状態の変化に同期して回転するロータと、
前記励磁相の励磁状態を制御する制御部と、
励磁相の間を複数に区分けして得られた１つの区分をロータが回転する範囲に対応するパルス幅の検出パルスと、整数個の区分をロータが回転する範囲に対応するパルス幅の検出パルスと、の状態の組み合わせにより、ロータがどの区分に位置するかを検出する区分検出部と、
を備え、
検出されたロータの位置に応じて各励磁相の励磁状態を制御するステッピングモータにおいて、
前記区分を複数の細区分に区分けし、２つの細区分をロータが回転する範囲に対応するパルス幅を有し互いに位相が９０度ずれた２相の検出パルスによりロータの回転方向を検知するとともに、検知されたロータの回転方向に応じ２相の検出パルスをその周期毎に加算または減算することによりカウントし、得られたカウント結果に応じてロータがどの細区分に位置するかを検出する細区分検出部をさらに備え、
前記制御部は、
前記区分検出部及び細区分検出部により検出されたロータの位置に応じて、各相の励磁電流により励磁相の励磁状態を制御することにより、ロータの位置に対する駆動力の変動を抑制することを特徴とするステッピングモータ。
請求項１記載のステッピングモータにおいて、
前記制御部は、
前記区分検出部及び細区分検出部により検出されたロータの位置に対し正弦波特性又は余弦波特性となる励磁電流により励磁相の励磁状態を制御することにより、ロータの位置に対する駆動力の変動を抑制することを特徴とするステッピングモータ。
請求項１または２に記載のステッピングモータにおいて、
前記２相の検出パルスにより与えられる２ビットの信号を用いてロータの回転速度を検出することより、前記ロータの回転運動の速度を検知する速度検出部を備え、
前記制御部は、前記速度検出部により検出されたロータの回転運動の速度に応じて各励磁相の励磁状態を制御することを特徴とするステッピングモータ。
請求項１から３のいずれか１に記載のステッピングモータにおいて、
前記細区分検出部におけるカウント結果を、ロータが１つの区分を回転する毎、又は、ロータが整数個の区分を回転する毎、にゼロにリセットするリセット回路を備えることを特徴とするステッピングモータ。