JP2007221887A - ステッピングモータの負荷推定方法および負荷推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低消費電流、低振動、最短加速などステッピングモータの運転効率向上に有効な負荷推定方法および負荷推定装置を提供すること。
【解決手段】 ステッピングモータのモータシャフトに取り付けられた負荷を推定する方法において、前記ステッピングモータ１０に位置検出器１２を取付け、ロータ位置を位置検出器１２から読み出し、指令位置とロータ位置との差をリアルタイムに計測し、加速、一定速、減速、停止など必要トルクの異なる運転状態について平均位置偏差を求め、この平均位置偏差をステッピングモータ１０のモータトルク特性に当てはめて推定負荷トルクを求め、この推定負荷トルクから慣性、摩擦、重力、静止摩擦負荷を算出する方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステッピングモータの負荷推定方法および負荷推定装置に関する。

従来、この種のステッピングモータの負荷検出方法としては、例えば、図７に示すように、モータ１００とアクチュエータ等の負荷１０１との間にトルク計１０２などで直接計測したり、あるいは負荷１０１をモータ１００から取り外してそれらの密度と寸法から負荷慣性や重力成分を計算したり、部品の仕様から摩擦トルクを計算したりする方法がある。
しかし、これらは手間がかかり、あるいは機構設計上不可能な場合も多いことから、つぎのような提案がなされている。

ステッピングモータの駆動を行う周期的駆動信号に対する安定点位置信号を検出し、駆動信号に対する安定点位置信号の負荷による位相遅れを求め、位相遅れ、駆動周波数、及び負荷の３つの量の間の一義的な相関関係を利用して、位相遅れと駆動周波数からステッピングモータの負荷を検出する方法が知られている（特許文献１）。
特開平５−７６２７４号公報

しかしながら、このような従来のトルク計を用いた負荷推定方法にあっては、図７のようにトルク計１０２をモータ１００とアクチュエータなどの負荷１０２との間に設置する必要がある。これは手間がかかり、あるいは機構設計上不可能な場合も多い。あるいは質量や寸法を計測して計算する方法も考えられるがその場合は機構部品全ての情報（形状、密度等）を集めなければならない。また、それらを用いた負荷の計算は手間がかかる。
さらに計算による後者の方法では機構が複雑になるほど推定が不正確になる。

また、特許文献１の方法については、つぎのような問題点がある。
すなわち、ステッピングモータの駆動においては起動からいきなり運転速度を指令せず、時間をかけて直線状に加速して運転速度に到達、運転速度から時間をかけて直線状に減速し停止する速度プロファイルを形成する。時間をかけて変速することで加速度、すなわち加減速時の必要トルクを抑え、モータの同期が失われるのを防ぐ必要がある。
また運転電流の低減は消費電力、発熱、騒音の低減において効果的であるが、一方で負荷を駆動できるだけの電流値を与える必要がある。

このように運転速度プロファイルや運転電流の設定には負荷が関係し、これらを最適にするには、慣性、摩擦、重力など負荷情報の取得が必要である。
しかしながら、特許文献１によって提供される情報では負荷を慣性、摩擦、重力などのパラメータに分解できず、特定の運転プロファイルに対する負荷パターンしか分からない。そのため運転プロファイルが毎回異なるような用途においては運転プロファイルごとに負荷を駆動して負荷パターンをあらかじめ調査、記憶する必要があり、実現が困難である。

また、特許文献１の第２の問題として、運転中に負荷の状態を監視するなど、リアルタイムにシステムを制御する、閉ループ制御を想定しているがこの手法は実際の運転において高価、複雑な制御装置を必要とする点が挙げられる。

本発明は、前記従来技術の課題を解決し、低消費電流、低振動、最短加速などステッピングモータの運転効率向上に有効な負荷推定方法および負荷推定装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するため、ステッピングモータのモータシャフトに取り付けられた負荷を推定する方法において、前記ステッピングモータに位置検出器を取付け、ロータ位置を位置検出器から読み出し、指令位置とロータ位置との差をリアルタイムに計測し、加速、一定速、減速、停止など必要トルクの異なる運転状態について平均位置偏差を求め、この平均位置偏差をステッピングモータのモータトルク特性に当てはめて推定負荷トルクを求め、この推定負荷トルクから慣性、摩擦、重力、静止摩擦負荷を算出することにある。
また、本発明は、ステッピングモータのモータシャフトに取り付けられた負荷を推定する装置において、前記ステッピングモータに位置検出器を取付け、前記ステッピングモータを駆動するモータ駆動回路に、リアルタイムに変化する指令位置情報を出力する運転パターン生成装置を設け、該運転パターン生成装置から出力される指令位置情報と、前記位置検出器から出力されるモータ位置情報とが入力される負荷推定装置を設け、この負荷推定装置に、前記運転パターン生成装置に設けられた加速、一定速、減速、停止などの運転状態情報と、前記指令位置情報と、モータ位置情報を入力し、運転状態情報と、前記指令位置情報と、モータ位置情報から負荷情報を算出する手段を設けたことにある。

請求項１の発明によれば、慣性、摩擦、重力などの負荷パラメータが分かれば加速に必要なトルク、一定速運転に必要なトルク、減速に必要なトルク等を実際の運転速度プロファイルによる運転を行うことなく計算出来るため、運転直前に最短加速などの効率的な運転速度プロファイル、消費電流低減、振動低減を目的とした最適な電流を計算、設定することが可能になり、運転プロファイルごとの負荷パターン調査、記憶は不要となる。
請求項２の発明によれば、複雑な機構で負荷計算が困難な場合でも本発明による装置を機械に組付けた状態で慣性、摩擦、重力などの負荷パラメータを取得でき、事前に運転プロファイルや電流設定を取得した慣性、摩擦、重力などの負荷パラメータに応じて最適値に計算し、モータの制御自体はシンプルな開ループで行うので、モータ駆動制御システムは安価である。

以下、本発明によるステッピングモータの負荷推定方法および負荷推定装置の実施の形態を、図面を参照しながら、詳細に説明する。
図１はステッピングモータの負荷推定方法のシステムを示したものである。
図１において、１０はアクチュエータ等の負荷１１を駆動操作するステッピングモータで、このステッピングモータ１０のモータシャフトには、モータの回転位置を検出する位置検出器１２が取付けられている。１３はステッピングモータ１０のステータの各相巻線に励磁電流を供給してステッピングモータ１０のロータをステップ駆動するモータ駆動回路である。このモータ駆動回路１３は、運転パターン生成装置１４に接続され、運転パターン生成装置１４から出力されるリアルタイムに変化する指令位置情報Ｉに基づきモータ巻線電流をステッピングモータ１０のステータの各相巻線に供給するものである。

運転パターン生成装置１４からの指令位置情報は、モータ駆動回路１３とともに、負荷推定装置１５に送られており、この負荷推定装置１５には、運転パターン生成装置１４からの指令位置情報Ｉおよび運転状態情報Ｏと、位置検出器１２からのモータ位置情報Ｐが入力されるものである。

モータ位置情報Ｐは、パルス信号、シリアル通信データ、パラレル通信データ等のリアルタイムに変化するモータ位置を検出して出力するものである。負荷推定装置１５では、指令位置情報Ｉおよび運転状態情報Ｏと、位置検出器１２からのモータ位置情報Ｐが入力されて、負荷情報を推定するものである。負荷情報は、平均位置偏差を計算する際に読み取る指令位置情報Ｉとモータ位置情報Ｐの差分から平均位置偏差情報を運転状態別に取得するものである。

次に、具体的なステッピングモータの負荷推定方法を説明する。
モータ駆動回路１３は生成された運転パターンに従ってモータ１０を駆動するように電流を出力する。
負荷推定装置１５は運転パターン生成装置１４からモータ駆動回路１３へ伝達されるリアルタイムに変化する指令位置情報Ｉを読み取る。位置情報の伝達形態はパルス信号や、シリアル通信データ、パラレル通信データなどいろいろあるが、本発明はこれらの伝達形態を問わず実施可能である。
また、指令位置情報Ｉとともに位置検出器１２からのモータ位置情報Ｐを読み取る。モータ位置情報Ｐも前述の指令位置情報Ｉ同様、伝達形態は問わない。
運転パターン生成装置１４は負荷推定装置１５へ加速、一定速、減速、停止などの運転状態情報Ｏを伝達する。
これは負荷推定装置１５が平均位置偏差を計算する際に読み取る指令位置情報Ｉとモータ位置情報Ｐの差分から平均位置偏差情報を運転状態別に取得する必要があるためである。

上記運転パターン生成装置１４は、図２に示すようなオープンループ駆動により正転、逆転からなる運転パターンを生成する。図２に示された数字１から６は、それぞれの運転状態の波形の速度プロファイルを示している。
図２における運転２、５において、ロータ位置を位置検出器１２から読み出し、指令位置とロータ位置の差（以下、位置偏差）をリアルタイムに計測する。加速、一定速、減速など必要トルクの異なる各状態についてそれぞれ位置偏差の平均を計算する。
また、静止摩擦負荷の計測として運転２、５の起動時ピーク位置偏差を個別に記録する。

図２において各運転は以下の目的で行われる。
・運転２、５：慣性負荷、摩擦負荷、重力負荷、静止摩擦負荷計算用位置偏差の計測を する。
・運転１、４：静止摩擦負荷による反転時残留位置偏差（デッドバンド）除去をする。
・ 運転３、６：運転１、４による機械的計測位置のずれを補正する。

計算された平均位置偏差を図３のようなステッピングモータの静的Θ−Ｔ特性のΘ（位置）に当てはめ、これに該当するモータトルクを推定負荷トルクと見なす。
各状態について求めた推定負荷トルクから慣性、摩擦、重力、静止摩擦負荷を計算する。この運転パターン生成装置１４からは、パルス信号、シリアル通信データ、パラレル通信データ等のリアルタイムに変化する指令位置情報Ｉと、加速、一定速、減速、停止などの運転状態情報Ｏとの信号が出力されるものである。

図４に運転状態別に取得した平均位置偏差情報と推定された負荷情報の関係を示す。
図４において、領域Ａは加速運転領域である。以下、Ｂは定速運転領域、Ｃは減速運転領域、Ｄは停止領域、Ｅは（反対方向の）加速運転領域、Ｆは（反対方向の）定速運転領域、Ｇは（反対方向の）減速運転領域、Ｈは停止領域である。
また、Ａ'とＥ'は、起動の瞬間の位置偏差である。

ここで、重力負荷、（動）摩擦負荷、慣性負荷、静止摩擦負荷をそれぞれどう計算するのかを詳しく説明する。
まず、重力負荷であるが、この負荷はアクチュエータの重力によって発生する負荷である。
たとえば、ワークを上下に移動させる際に発生する負荷のことである。
この負荷は、モータの運転状態に係わらず常に一定の値がかかる。よって、重力負荷を計算するためには、上記ＡからＨまでの全ての運転領域の位置偏差の平均をとれば良いことになる。

つぎに、（動）摩擦負荷であるが、この負荷はモータが回転している時、つまりアクチュエータが動作している時に発生する負荷である。よって（動）摩擦負荷を計算するには、停止領域のＤとＨ以外の領域の平均を取ればよいことになる。

なお、次式では、Ｅ，Ｆ，Ｇを減算するようになっているが、これは方向性を考慮してのことである。絶対値を取った上で加算しても良い。Θ_A〜Θ_Hは、図４の各セクションＡ〜Ｈにおける平均位置偏差、ＴＱ[]は、図３に示すようなモータトルク−位置偏差特性により決まる関数である。

重力負荷＝ＴＱ[（Θ_A+Θ_B+Θ_C+Θ_D+Θ_E+Θ_F+Θ_G+Θ_H]/８]

摩擦負荷＝ＴＱ[（Θ_A+Θ_B+Θ_C-Θ_E-Θ_F-Θ_G]/６]

慣性負荷＝ＴＱ[（Θ_A-Θ_C-Θ_E+Θ_G]/４]

静止摩擦負荷＝ＴＱ[（Θ_A’-Θ_E’]/２]

つぎに慣性負荷であるが、この負荷がかかるのは加減速時のみであり、加速時と減速時とでは方向が逆になる。よって慣性負荷の計算は上式のようになる。
最後に静止摩擦負荷であるが、この負荷の位置偏差は、アクチュエータが起動する瞬間のみ発生する。それがＡ'とＥ'である。よって静止摩擦負荷を計算するには、Ａ'とＥ'の平均を取れば良い。

システムは図２に示す運転と上式の計算を繰り返すことによって推定結果を平均化していく。
計測された位置偏差が小さい場合には電流指令を減少する、あるいは運転速度を増加することで要求トルクを増加、位置偏差を増大させ、十分な位置偏差が得られるようにすることで推定精度を向上する。

このように本発明はモータトルク情報を参照するため、情報対象であるモータと参照するコントローラが分離されることの無い一体型のシステムにおいて有効であり活用しやすい技術である。情報の分離がないためデータ取り扱いのメンテナンス性がよいという利点がある。

図５はボールねじ機構を垂直に設置した上下駆動における本発明による負荷推定結果である。
上下駆動する搬送物重量を変化させ、推定値の変化と計算による理論負荷を比較した。
点線は計算による理論負荷、実線は負荷推定による推定値である。搬送物重量を変えるとそれに伴い慣性負荷、重力負荷が理論値、推定値ともに変化していることがわかる。
また、摩擦負荷や静止摩擦負荷は変化しないはずであるが、実際の推定値もさほど影響されていないことが分かる。

図６は回転体機構における本発明による負荷推定結果である。
回転体慣性を変化させ、推定値の変化と計算による理論負荷を比較した。
点線は計算による理論負荷、実線は負荷推定による推定値である。回転体慣性を変えるとそれに伴い慣性負荷が理論値、推定値ともに変化していることがわかる。
また、重力負荷、摩擦負荷や静止摩擦負荷は変化しないはずであるが、実際の推定値もさほど影響されていないことが分かる。

本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を奏する。
本発明の手法で慣性、摩擦、重力などの負荷パラメータが分かれば加速に必要なトルク、一定速運転に必要なトルク、減速に必要なトルク等を実際の運転速度プロファイルによる運転を行うことなく計算出来るため、運転直前に最短加速などの効率的な運転速度プロファイル、消費電流低減、振動低減を目的とした最適な電流を計算、設定することが可能になり、運転プロファイルごとの負荷パターン調査、記憶は不要となる。
また、本発明は事前に運転プロファイルや電流設定を取得した慣性、摩擦、重力などの負荷パラメータに応じて最適値に計算しモータの制御自体はシンプルな開ループで行うことを目的としている。そのため、モータ駆動制御システムは安価である。

位置センサ情報と指令位置情報との差（位置偏差）を用いて、ステッピングモータシャフトに取り付けられた負荷を推定する方法であるため、機構に組み付けた状態で負荷情報を調査できる。
所定の運転パターンでモータを駆動して、停止時、起動時、加速時、定速時、減速時のそれぞれの運転時の位置偏差を測定し、この位置偏差から、ステッピングモータシャフトに取り付けられた慣性、摩擦、重力などの負荷パラメータを推定するので、負荷計算が複雑な機構でも負荷情報取得が可能であるとともに、取得した負荷情報をベースに消費電流低減、振動低減を目的とした最適な電流値の計算が可能になる。また、負荷情報をベースに最短加速など、より効率的な運転プロファイル計算が可能になる。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、ステッピングモータシャフトに取り付けられる負荷としては、アクチュエータに限らず、ステッピングモータによって駆動するものであれば、ロボット、減速機など種々のものに適用することができる。また、モータの回転位置を検出する位置検出器１２としては、モータの回転位置を検出するものであれば、エンコーダその他、各種のセンサを用いることができる。さらに、検出する負荷情報としては、慣性、摩擦、重力などの負荷パラメータであれば、どのような負荷であっても可能である。

ステッピングモータの負荷推定方法のシステムを示すブロック図である。 負荷推定に用いる運転パターンを示す波形図である。 モータトルクと位置偏差の関係を示す波形図である。 運転状態及び平均位置偏差、推定される負荷情報の関係を示す図である。 ボールねじ機構を垂直に設置した上下駆動の負荷推定例を示す特性図である。 回転体機構の負荷推定例を示す特性図である。 一般的な負荷計測方法を示す図である。

符号の説明

１０ ステッピングモータ
１１ 負荷
１２ 位置検出器
１３ モータ駆動回路
１４ 運転パターン生成装置
１５ 負荷推定装置
Ｉ リアルタイムに変化する指令位置情報
Ｏ 運転状態情報
Ｐ リアルタイムに変化するモータ位置情報

Claims (2)

1. ステッピングモータのモータシャフトに取り付けられた負荷を推定する方法において、前記ステッピングモータに位置検出器を取付け、ロータ位置を位置検出器から読み出し、指令位置とロータ位置との差をリアルタイムに計測し、加速、一定速、減速、停止など必要トルクの異なる運転状態について位置偏差を求め、この位置偏差をステッピングモータのモータトルク特性に当てはめて推定負荷トルクを求め、この推定負荷トルクから慣性、摩擦、重力、静止摩擦負荷を算出することを特徴とするステッピングモータの負荷推定方法。
2. ステッピングモータのモータシャフトに取り付けられた負荷を推定する装置において、前記ステッピングモータに位置検出器を取付け、前記ステッピングモータを駆動するモータ駆動回路に、リアルタイムに変化する指令位置情報を出力する運転パターン生成装置を設け、該運転パターン生成装置から出力される指令位置情報と、前記位置検出器から出力されるモータ位置情報とが入力される負荷推定装置を設け、この負荷推定装置に、前記運転パターン生成装置に設けられた加速、一定速、減速、停止などの運転状態情報と、前記指令位置情報と、モータ位置情報を入力し、運転状態情報と、前記指令位置情報と、モータ位置情報から負荷情報を算出する手段を設けたことを特徴とするステッピングモータの負荷推定装置。

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