JP2008141882A - ステッピングモータの複数軸同期駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】複数軸使用の駆動系に於いて、複数のステッピングモータを同期制御ができるステッピングモータの複数軸同期駆動回路を開発することをその解決課題とする。
【解決手段】(a) 一つの駆動系に於いて同期して作動する複数のステッピングモータ(M1)(M2)…に接続され、該ステッピングモータ(M1)(M2)…を駆動制御する出力段(6a)(6b)…をそれぞれ有し、ステッピングモータ毎に設けられた複数の定電流駆動回路部(5a)(5b)…と、(b) ステッピングモータ(M1)(M2)…を歩進させる指令パルス(CW,CCW)の入力を受けて、前記出力段(6a)(6b)…に励磁シーケンスを同期して出力する励磁シーケンス制御回路(2)とで構成されたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は一つの駆動系において、協働して動作する複数のステッピングモータを同期して作動させるステッピングモータの複数軸同期駆動回路に関する。

精密測定器、検査装置、精密加工機器において、１軸(例えば、水平)方向に移動する機構に１軸ボールネジが広く使用されている。最近、生産性効率の更なる向上を狙って被測定物が大型化する傾向にある。被測定物の大型化に伴い、水平移動に用いられてきたボールねじも１軸構成では、水平バランスが悪くなり、且つトルク不足で移動速度を上げることができないという問題が生じてきた。

そこで、このような不均衡水平バランスやトルク不足を解消するために一つの駆動系に２本のボールねじを使用することが試みられ、最近では２軸駆動系が頻繁に採用されるようになってきた。このような場合、各ボールねじに接続されているステッピングモータを完全に同期させつつ駆動する必要がある。

そこで、このような２軸駆動系のステッピングモータ駆動を完全同期状態で実施するため、図２に示すように、それぞれのステッピングモータ(52a)(52b)に個別にステッピングモータ駆動回路(50a)(50b)を接続し、外部装置(コントローラ)(51)からの指令パルス(CW/CCW)をそれぞれのステッピングモータ駆動回路(50a)(50b)に供給し、各ステッピングモータ(52a)(52b)を同期させて駆動させようとした。しかしながら、このような方法では、同時に同じ指令パルス(CW/CCW)がステッピングモータ駆動回路(50a)(50b)に入力されるものの、ステッピングモータ駆動回路(50a)(50b)の構成部品のバラツキ、ステッピングモータ(52a)(52b)自体のバラツキ(巻線の直流抵抗値やインダクタンスの固体バラツキ、これに起因する回生電圧の影響)により、駆動系の水平バランスに僅かのズレや同期ズレがどうしても発生し、
(a)ボールねじ(53a)(53b)で搬送されるワークを載せた移動台(54)に捩れが発生する、
(b)ボールねじ(53a)(53b)のスピード追従性が悪くなる、
という現象が発生した。しかもワークを載せた移動台(54)の捩れが大きいものほど、追従する最高速度が遅くなる傾向にあること、これが甚だしい場合にはステッピングモータ(52a)(52b)の脱調の発生も認められた。

そこで、このようなステッピングモータ駆動回路(50a)(50b)の構成部品のバラツキを排除して２軸駆動を実行しようとして、図３のように、外部装置(コントローラ)(60)にて制御された１台のステッピングモータ駆動回路(50)の出力を２分岐し、それぞれのステッピングモータ(52a)(52b)に入力して同期駆動を実現した。しかしながらこの場合、二つのステッピングモータ(52a)(52b)を１台のステッピングモータ駆動回路(50)で同時に同期駆動させるものであるから、このステッピングモータス駆動回路(50)には定格の２倍の駆動電流が流れることになり、このような駆動方法はステッピングモータス駆動回路(50)の損傷につながる。
特開２００６−６０９２５

そこで、本発明者らは、２軸はもとより、複数軸使用の駆動系において、複数のステッピングモータを同期制御ができるステッピングモータの複数軸同期駆動回路を開発することを、その解決課題とした。

本発明のステッピングモータの複数軸同期駆動回路は、
(a) 一つの駆動系に於いて同期して作動する複数のステッピングモータ(M1)(M2)…に接続され、該ステッピングモータ(M1)(M2)…を駆動制御する出力段(6a)(6b)…をそれぞれ有し、ステッピングモータ(M1)(M2)…毎に設けられた複数の定電流駆動回路部(5a)(5b)…と、
(b) ステッピングモータ(M1)(M2)…を歩進させる指令パルス(CW,CCW)の入力を受けて、前記出力段(6a)(6b)…に励磁シーケンスを同期して出力する励磁シーケンス制御回路(2)とで構成されたことを特徴とするものである。

このように本発明では、定電流駆動回路(5a)(5b)…をステッピングモータ(M1)(M2)…毎に設け、互いに独立させることによりモータ巻線の直流抵抗値及びインダクタンスの個体バラツキや回生電圧(ステッピングモータ(M1)(M2)…の回転により発生する逆起電圧)の影響を個別化することができ、個別に定電流制御が行える事になって安定的な多軸駆動制御(２軸駆動制御)が可能となった。

以下、本発明を図示実施例に従って説明する。本発明では、一つ駆動系に２以上のボールねじを使用した多軸駆動系で、ボールねじに接続されたステッピングモータを完全に同期して駆動するものであり、以下、２軸の場合を代表例として説明する。以下では、負荷側としてステッピングモータに接続されたボールねじを主として説明するが、勿論、これに限られるものでなく、ステッピングモータに接続された歯車やプーリでのベルト駆動にも適用可能であることは言うまでもない。また、本発明の負荷側のボールネジステージは図２，３に示すとおりのものが使用される。

本実施例回路(２軸；図１参照)では、大別して、
(イ) 外部のコントローラ(パルス発生器)からの指令パルス(CWパルス、CCWパルス)を受けるインターフェース回路(1)(例えば、フォトカプラ回路)、
(ロ) 各ステッピングモータ(M1)(M2)の歩進を制御する[換言すれば、定電流出力回路部(5a)(5b)の出力段(6a)(6b)のスイッチング制御を行う]励磁シーケンス制御回路(2)、
(ハ) 各ステッピングモータ(M1)(M2)に接続され、各ステッピングモータ(M1)(M2)に流れる総電流(2ioa)(2iob)が同一の基準電圧に従うようにそれぞれ制御され、シーケンスに従って所定のステップ駆動を行うようにした定電流出力回路部(5a)(5b)及び
(ニ) 定電流出力回路部(5a)(5b)に直流電流を供給する直流電流供給部(3)とで構成されている。

そして、前記インターフェース回路(1)、励磁シーケンス制御回路(2)及び直流電流供給部(3)は共通化され、一方、定電流出力回路部(5a)(5b)は各ステッピングモータ(M1)(M2)に個別に設けられ、出力段(6a)(6b)のパワー素子のオン／オフ指令までを同期させるようにしている。制御されるステッピングモータ(M1)(M2)は、５相ステッピングモータをその代表例として説明するが、勿論これに限られるものではない。

インターフェース回路(1)は、例えば、フォトカプラ回路が使用されており、指令パルス(CWパルス、CCWパルス)の入力を受けてパルス信号を励磁シーケンス制御回路(2)に出力する。励磁シーケンス制御回路(2)では、この信号を受けて励磁パターン指定アドレスに対応する励磁パターンを各出力段(6a)(6b)に出力する。これにより各出力段(6a)(6b)のパワー素子がシーケンス通りにオン／オフしてステッピングモータ(M1)(M2)の励磁を切り替えて歩進させる。

直流電流供給部(3)は、商用電源(交流；ＡＣ入力)に接続され、過負荷から定電流出力回路部(5a)を保護するためのヒューズ(31a)(31b)、ノイズ除去用のフィルタ回路(32)、前記フィルタ回路(32)に接続され、交流を直流に整流する整流回路(33)とで構成されており、定電流出力回路部(5a)(5b)に直流電流を個別に供給するようになっている。

定電流出力回路部(5a)(5b)は、前述のように直流電流供給部(3)にそれぞれ分岐して接続されているが、定電流出力回路部(5b)は定電流出力回路部(5a)と同一の回路構成であるため記述の煩雑を避ける意味で定電流出力回路部(5a)をその代表例として説明する。なお、同一部材については定電流出力回路部(5b)にアルファベットaとbとを違えた同一番号を付与して説明に代える。ただし、両者の間には構成部品に起因する僅かな誤差が一般的には存在する。

定電流出力回路部(5a)は、
(a) 整流された直流電流を後述する定電流コントロール回路(51a)による制御に従ってチョッピング(オン・オフ)し、定電流コントロール回路(51a)の制御値に従った電流値を供給するチョッパ(9a)[本実施例ではパワーＭＯＳ・ＦＥＴが使用されている。]、
(b) 定電流出力回路部(5a)のゼロボルト・ライン(Za)に接続されたグランド(Ga)とプラスライン(+)入力側との間に接続された供給電流(i1a)の供給用の第１コンデンサ(C1a)、
(c) 定電流出力回路部(5a)のゼロボルト・ライン(Za)とチョッパ(9a)の出力側との間に接続されたフライホイルダイオード(D1a)、
(d) チョッパ(9a)の出力側に直列に設けられ、チョッピングされた電流をコンデンサ(C2a)と協働して平滑化するためのリアクトル(L1a)、
(e) ステッピングモータ(M1)に接続されるドライバ端子が設けられ、リアクトル(L1a)の出力側とゼロボルト・ライン(Za)に接続され、後述するスイッチング素子をその主構成とする出力段(6a)、
(f) 出力段(6a)に直列接続されている小さい値のセンス抵抗(R1a)(R2a)、
［本実施例の場合、センス抵抗は、第１センス抵抗(R1a)と第２センス抵抗(R2b)とで構成され、第１センス抵抗(R1a)は第１コンデンサ(C1a)の(−)側と第２センス抵抗(R2a)との間に直列接続されており、第２センス抵抗(R2a)は出力段(6a)と第２コンデンサ(C2a)の(−)側[或いは第１センス抵抗(R1a)]との間に接続されている。この場合、センシングは第１センス抵抗(R1)と第２センス抵抗(R2)の両方によって行われ、検出対象となる電流はステッピングモータ(M1)を作動させる総電流(2ioa)、即ち、作動電流(i1a+i2a-i3a)となる。換言すれば、センス抵抗(R1a)は、第１コンデンサ(C1a)からチョッパ(9a)、リアクトル(L1a)、第２コンデンサ(C2a)、センス抵抗(R1a)を図中時計方向に回流する供給電流(i1a)を検出するものであり、センス抵抗(R2a)は、出力段(6a)を(＋)側からゼロボルト・ライン(Za)方向に流れる励磁電流(i2a)と、ステッピングモータ(M1)の作動時にステッピングモータ(M1)で発生し、その逆方向に流れる起電流(i3a)との和である駆動電流(i2a-i3a)を検出するものである。］
(g) ステッピングモータ(M1)に定電流を流すための駆動電圧印加部(DVa)、［ステッピングモータ(M1)の回転速度が高速になるほど駆動電流(i2a−i3a)が流れにくくなるが、本回路は定電流回路であるので、前記モータ駆動電圧印加部(DVa)は回転速度の上昇とともにモータ駆動電圧を高め、定電流がステッピングモータ(M1)に流れるようにする。］
(h) リアクトル(L1a)の出力側と前記センス抵抗(R1a)(R2a)の結線部との間に設けられ、出力段(6a)に励磁電流(i2a)を供給するための第２コンデンサ(C2a)、とで構成されている。

前記出力段(6a)は、前述のようにスイッチング素子をその主構成とする既知のもので、本実施例ではパワーＭＯＳ・ＦＥＴが用いられており、次のような公知の構成である。出力段(6a)のスイッチング素子である出力段トランジスタは５組に分けられ、２個１組にて直列接続され、この５組が並列接続されて出力段(6a)を構成している。そして、ステッピングモータ(M1)の環状に接続された巻き線の結線部に前記出力段トランジスタが接続されている。これらスイッチング手段をシーケンスに従ってオン・オフ制御させることにより、ステッピングモータ(M1)をシーケンス通り歩進させることが出来る。

前記電流(i1a)は、ステッピングモータ(M1)の駆動電圧(DVa電圧)を昇降させ且つ第２コンデンサ(C2a)を充電するための供給電流であり、電流(i2a)は第２コンデンサ(C2a)の放電によって生じるステッピングモータ(M1)の励磁電流であり、図中破線で示されるように第２コンデンサ(C2a)、出力段(6a)、第２センス抵抗(R2a)と言うように循環する。電流(i3a)はステッピングモータ(M1)のロータの回転運動によって発生する起電流で、励磁電流(i2a)の反対向きの余剰電流である。起電流(i3a)は出力段(6a)のダイオードを介して第２コンデンサ(C2a)、第２センス抵抗(R2a)、出力段(6a)というように循環する。その結果、センス抵抗(R2a)には励磁電流(i2a)から起電流(i3a)を差し引いた駆動電流(i2a−i3a)が流れる事になる。そして、センス抵抗(R1a)(R2a)にてそれぞれ検出された検出電圧の和(V1a+V2a)により定電流コントロール回路(PWM)によってチョッパ(9a)が制御される。

次に本発明回路における作用を説明する。指令パルス(CW/CCW)がインターフェース回路(1)を介して励磁シーケンス制御回路(2)に入力すると、指令パルス(CW/CCW)をカウントし、そのアドレスに基づいた励磁パターンを順次出力し、途中でこれを分岐し、出力段(6a)(6b)に向けて出力する。出力段(6a)(6b)ではこの励磁パターンに従って出力段スイッチング素子を同期させてオン・オフし、シーケンスに従ってステッピングモータ(M1)(M2)を同期分割駆動させる。

ここで、個別に設けられた定電流出力回路部(5a)(5b)、ステッピングモータ(M1)(M2)の構成部品には僅かながら誤差があり、ステッピングモータ(M1)(M2)をそれぞれステップ駆動する総電流(2ioa)(2iob)は微妙に異なる。しかしながら本発明は各ステッピングモータ(M1)(M2)毎に定電流出力回路部(5a)(5b)が設けられているために微妙に異なる総電流(2ioa)(2iob)に対応した電流供給がなされる。そして、ステッピングモータ(M1)(M2)をステップ駆動する励磁パターンはステッピングモータ(M1)(M2)を直接制御する出力段(6a)(6b)に分岐して入力されるものであるから、完全に同期した状態で且つモータ巻線の直流抵抗値及びインダクタンスの個体バラツキや回生電圧(ステッピングモータの回転により発生する逆起電圧)の影響を個別的に対応してステッピングモータ(M1)(M2)を安定的に多軸ステップ駆動させることが可能となった。

本発明が適用されるステッピングモータの回路構成図 従来例の回路構成図 従来例の回路構成図

符号の説明

(M1)(M2)…ステッピングモータ
(io)…ステッピングモータを作動させる電流＝作動電流
(i1)…供給電流
(i2)…励磁電流
(i2-i3)…駆動電流
(i3)…起電流
(2io)…総電流
(M1)(M2)…ステッピングモータ
(5a)(5b)…定電流駆動回路部
(6a)(6b)…出力段

Claims (1)

1. (a) 一つの駆動系に於いて同期して作動する複数のステッピングモータに接続され、該ステッピングモータを駆動制御する出力段をそれぞれ有し、ステッピングモータ毎に設けられた複数の定電流駆動回路部と、
   (b) ステッピングモータを歩進させる指令パルスの入力を受けて、前記出力段に分岐して個別に励磁シーケンスを同期して出力する励磁シーケンス制御回路とで構成されたことを特徴とする
   (c) ステッピングモータの複数軸同期駆動回路。
   

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