JP2009011087A - ステッピングモータのマイクロステップ制御方法および電動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータのマイクロステップ制御方法において、回転、停止を繰り返し行ってもズレが発生しないようにする。
【解決手段】可動部が動作基準点を通過するようにステッピングモータを回転させて、可動部が動作基準点を通過した時点のカウント値に最も近いステッピングモータの停止安定点のカウント値を特定するステップと、特定したカウント値を、ステッピングモータの回転角を制御するための起点として設定するステップと、ステッピングモータを回転させ、選択した停止安定点のカウント値で停止させるステップとを備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、制御電流の波形ステップをカウントすることで回転角を制御するステッピングモータのマイクロステップ制御方法と、マイクロステップ制御されるステッピングモータによって可動部を所定の軌道に従って運動させる構成とした電動装置に関する。

従来、多種多様な電動装置の駆動元としてステッピングモータが多用されており、またそのようなステッピングモータを滑らかに回転させるための技術として、マイクロステップ駆動の技術が知られている。
電動装置のステッピングモータを回転させたり停止させたりして制御する場合、ステッピングモータには構造上、安定的に停止する位置がある。例えば、２−２相駆動のステッピングモータならば、２相位置が停止安定点である。マイクロステップ駆動においても、その停止安定点を起点として制御すれば、電動装置を正確に制御することができる。
なお、ステッピングモータのマイクロステップ駆動に関する従来技術の例としては、例えば次の特許文献１、２等がある。
特許文献１には、正弦波のシミュレーションを表す第１のパルスから成るディジタル・パルス列を発生し、当該第１のパルスはモータの回転を指令するためモータの位相に印加される、プリンタ用ステッピングモータを駆動する方法が記載されている。
また特許文献２には、高効率、高速立ち上げ、高速立ち下げ、高速回転を実現し、ステッピングモータの欠点である脱調をなくすことできるステッピングモータの制御回路が開示されている。
特開平１０−２６２３９６号公報 特開平１０−１７４４９３号公報

ステッピングモータのマイクロステップ駆動において、停止安定点を起点として制御すれば電動装置を正確に制御できることは上記の通りであるが、停止安定点ではない中間ステップ位置を起点として制御すると、不安定な中間ステップ位置で停止することになってズレが発生し、その誤差が累積することにより正確さが失われるという問題がある。このような問題は、例えば、フラットベッドスキャナでキャリッジがホームポジションを検出したときのカウント値を起点として制御する構成としたときに発生する可能性がある。そこで、本発明は、可動部と、この可動部を駆動するステッピングモータとを備えた構成において、ステッピングモータの回転、停止を繰り返し行ってもズレが発生しないようにすることを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のマイクロステップ制御方法は、制御電流の波形ステップをカウントすることで回転角を制御する方法であって、前記ステッピングモータは、電動装置に設けられた可動部の所定の軌道に従った運動の駆動力を発生するものであり、前記軌道には動作基準点と目標点とが設定されており、上記マイクロステップ制御方法は、前記可動部が前記動作基準点を通過するようにステッピングモータを回転させて、前記可動部が前記動作基準点を通過した時点のカウント値に最も近いステッピングモータの停止安定点のカウント値を特定するステップと、特定したカウント値を、前記ステッピングモータの回転角を制御するための起点として設定するステップと、前記ステッピングモータを回転させ、選択した停止安定点のカウント値で停止させるステップとを備えたことにより、前記可動部の位置ずれを防止する。ここに所定の軌道は、直線軌道だけでなく、円周軌道等、任意の曲線軌道を含んでいる。

また、請求項２に記載の電動装置は、所定の軌道に従って運動する可動部と、その運動の駆動力を発生するステッピングモータとを備え、前記軌道には動作基準点と目標点とが設定されており、前記可動部が駆動されて動作基準点を通過したことを検知する検知手段と、前記ステッピングモータの制御電流の波形ステップをカウントすることで、前記ステッピングモータの回転を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記可動部が前記動作基準点を通過するようにステッピングモータを回転させて、前記可動部が前記動作基準点を通過した時点のカウント値に最も近いステッピングモータの停止安定点のカウント値を特定し、そのカウント値を前記ステッピングモータの回転角を制御するための起点とした後、前記ステッピングモータを回転させ、選択した停止安定点のカウント値で停止させる処理を適宜実行することにより、前記可動部の位置ずれを防止している。

本発明によれば、可動部が動作基準点を通過した時点のカウント値に最も近いステッピングモータの停止安定点のカウント値を特定して、ステッピングモータの回転角を制御するための起点として設定する。その後、ステッピングモータを回転させ、選択した停止安定点のカウント値で停止させるようにステッピングモータを制御する。従って、停止中に充分な保持トルクが発生するので、可動部の位置ズレが発生せず、ステッピングモータを正確に駆動することができる。

以下、本発明を適用した電動装置の具体例として、スキャナ装置を図に従って説明する。
図１は、実施例となるフラットベッド型のスキャナ装置１の機械部分を横から見た概略構造図である。この図には、本発明に係る構成要素として、ステッピングモータ１１と、ステッピングモータ１１によって回転される２連駆動輪１２と、２連駆動輪１２と同径の２連プーリー１３と、２連駆動輪１２および２連プーリー１３の間に渡された駆動ベルト１４、１５と、駆動ベルト１４に固定された光照射キャリッジ１６と、駆動ベルト１５に固定されたミラーキャリッジ１７と、撮像素子１８と、ミラーキャリッジ１７が移動して動作基準点Ｐを通過したことを検知する検知部１９と、ステッピングモータ１１の回転を制御する制御部２０と、プラテンガラス２１を示している。

光照射キャリッジ１６、ミラーキャリッジ１７、撮像素子１８は、プラテンガラス２１に置かれた原稿を読み取る光学系であり、特に光照射キャリッジ１６、ミラーキャリッジ１７は、ステッピングモータ１１の回転によって移動する可動部を構成している。より具体的には、光照射キャリッジ１６は、プラテンガラス２１の方向に光を照射するＬＥＤ等で構成された光源と、原稿からの反射光をミラーキャリッジ１７に向かって反射させるミラーとを備え、光照射キャリッジ１６、ミラーキャリッジ１７は、光照射キャリッジ１６からの反射光を撮像素子１８に向かって更に反射させるミラーを備え、撮像素子１８は、ミラーキャリッジ１７で反射された光を撮像する例えばＣＣＤセンサユニット等を備えている。そして光照射キャリッジ１６、ミラーキャリッジ１７は、ステッピングモータ１１によって回転される２連駆動輪１３の外輪側に掛けられた駆動ベルト１４と、内輪側に掛けられた駆動ベルト１５に従って駆動され、２：１の速度でプラテンガラスに沿って水平に連動して移動する。このような仕組みによって、光照射キャリッジ１６、ミラーキャリッジ１７の位置に関わらず、原稿と撮像素子１８との光路長は常に一定に保たれる。

ステッピングモータ１１の種別、歯数に制限はない。例えば、駆動形式として１−２相励磁、Ｗ１−２相励磁、２Ｗ１−２相励磁、４Ｗ１−２相励磁等が採用できる。

検知部１９は、ミラーキャリッジ１７が図上で動作基準点Ｐよりも右側にあれば検知信号を出力する光学式または機械式のセンサを有している。また、この動作基準点Ｐは、光照射キャリッジ１６がプラテンガラス２１に正しく置かれた原稿の読み取りを開始する位置に対応している。

制御部２０は、検知部１９が出力する検知信号を受け付け、ステッピングモータ１１の回転角を制御することで、光照射キャリッジ１６、ミラーキャリッジ１７を移動させる。この場合、可動部である光照射キャリッジ１６、ミラーキャリッジ１７は、駆動ベルト１４、１５によって規定された直線軌道に従って水平に往復運動する。ステッピングモータ１１は、制御電流を与えたときの回転角が決まっているので、ステッピングモータ１１の延べ回転角は、制御電流の波形ステップをカウントすることで得られる。また、光照射キャリッジ１６やミラーキャリッジ１７の移動距離とステッピングモータの回転角との関係は設計により予め決まっている。ここで、動作基準点Ｐはミラーキャリッジ１７の動作の起点であり、目標点は、原稿のサイズを設定すれば、それに応じて自動的に設定される。なお、この実施例では、可動部が運動する軌道は直線軌道であるが、本発明の思想は、円周軌道等、任意の曲線軌道に適用できる。

また、本発明では、ステッピングモータ１１をマイクロステップ制御する。すなわち、制御電流の波形を段階的に変化させる（分割する）ことで、ステッピングモータ１１を、従来の制御電流の１パルスに対応した回転角ではなく、より細かい回転角を単位として回転させるようにしている。マイクロステップの分割数に制限はなく、例として、１−２相励磁を２分割する、Ｗ１−２相励磁を４分割する、２Ｗ１−２相励磁を８分割する、４Ｗ１−２相励磁を１６分割する等が考えられる。

図２は、２−２相励磁を４分割したマイクロステップ制御の例である。２−２相励磁の基本制御は、励磁コイルを、例えばＤ、Ａ→Ａ、Ｂ→Ｂ、Ｃ→Ｃ、Ｄのように、２つずつ逐次選択し、選択した２つの励磁コイルに同時に制御電流を流す。従ってロータの磁極は、常に２つの励磁コイルによって吸引される。この例では、４つの励磁コイルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄがあり、Ｐ００、Ｐ１０、Ｐ２０、Ｐ３０はそれらの中間に位置した停止安定点で、ステッピングモータ１１は、停止安定点と隣接した停止安定点との回転角９０度を単位として制御される。しかしながら、マイクロステップ制御では、制御電流の各相を、例えば４レベルに分割して三角関数的に制御するので、ステッピングモータは、９０度を４等分した１２．５度を単位として回転することになる。このとき、Ｐ０１、Ｐ０２、Ｐ０３等は動的な中間点に過ぎないので、そこで回転を停止させた場合には、充分な保持トルクが得られない。そこで本発明は、次のような方法によって、停止安定点で回転を停止させる。

図３は、本発明の基本手順を説明するフローチャートである。以下、この基本手順を、光照射キャリッジ１６、ミラーキャリッジ１７を基準点Ｐから左に向かって動かす動作、つまり読み取り動作を例として具体的に説明する。なお、以下の説明は、制御の開始前、可動部とされるミラーキャリッジ１７が、図１おいて動作基準点Ｐよりも右側にあることを前提とする。なお、ミラーキャリッジ１７が基準点Ｐより右側にあるか、左側にあるかは、検知信号によって判別できるので、もし左側にあるならば、最初にミラーキャリッジ１７が動作基準点Ｐよりも右側に来るようにステッピングモータ１１を回転させればよい。

制御部２０は、検知部１９の検知信号によって、ミラーキャリッジ１７が動作基準点Ｐよりも右側にあることを知り、ミラーキャリッジ１７が動作基準点Ｐを左側に向かって通過するように、制御電流の波形ステップ（マイクロステップ）をカウントしながら、段階的に制御することで、ステッピングモータ１１を回転させる。例えば、図２の例において、カウント値を０、１、２、３、４、…と進めながら、回転角がＰ００、Ｐ０１、Ｐ０２、Ｐ０３、Ｐ１０、…と進むように、ステッピングモータ１１を回転させる。なお、ステッピングモータ１１は、最初の通電時に停止安定点の位置になるよう自立的に回転するので、カウント値０は停止安定点に対応している（ステップ１０１）。

次いで、ミラーキャリッジ１７が動作基準点Ｐを通過したときのカウント値に最も近い停止安定点のカウント値を特定する。具体的には、動作基準点Ｐを通過したとき、カウント値が２１であれば、そのカウント値２１に最も近い停止安定点Ｐ１０のカウント値２０を特定する（ステップ１０２）。

そして、特定したカウント値を、それ以降、ステッピングモータ１１の回転角を制御するための起点として設定する（ステップ１０３）。

その後、ステッピングモータ１１を回転させ、選択した停止安定点のカウント値で停止させる動作を適宜繰り返す。より具体的には、カウント値２０を回転角を制御するための起点としているので、制御電流の波形ステップをカウントしながらステッピングモータ１１を回転させ、カウント値２０に、４の倍数を加算又は減算したカウント値、つまりカウント値２４、２８、３２、…等のいずれかを選択し、その選択したカウント値で停止させるように制御する（ステップ１０４、１０５）。

このような制御は、例えば、スキャナ装置１において、画像メモリが一杯になる等の理由により、読み取り動作を途中で停止させねばならないとき等に特に有効である。この場合、画像メモリが一杯になる直前に、それを通知する割り込み信号が制御部２０に入力される。すると、制御部２０は、現在のカウント値に基づいて、次に到達する最寄りの停止安定点のカウント値を選択し、そのカウント値でステッピングモータ１１の回転を停止させる。例えば、図２の例において、その時点カウント値が２０１であれば、停止させるカウント値として２０４を選択する。ステッピングモータ１１を停止状態で保つには、停止させたときの制御電流をそのまま流し続ければよい。そうすると、ステッピングモータ１１が充分な保持トルクによって保持されるので、停止中、および回転を再開したときにズレが発生しない。

図４は、２−２相励磁のステッピングモータ１１を制御する制御部２０の具体的な例を説明する概略回路図である。この制御部２０は、例えばマイコン２０ａ等で構成され、そのポートから必要なパルスφＡ、φＢ、φＣ、φＤ、ａｃ０、ａｃ１、ｂｄ０、ｂｄ１を出力する。オペアンプと抵抗とで構成されたアナログ加算回路２０ｂは、パルスａｃ０、ａｃ１を重み付き加算、すなわちａｃ０＋２×ａｃ１を電圧レベルとして出力する。ここに出力される電圧レベルは、０、−Ｖ、−２Ｖ、−３Ｖ（Ｖは抵抗値で定まる値）をとる。定電流回路２０ｃは、それらの電圧レベルに比例した電流を出力する。能動素子ＱＡ、ＱＢは、パルスφＡ、φＣに従って、定電流回路２０ｃから励磁コイルＬＡ、ＬＣに流れる制御電流をオン、オフ制御する。

同様に、アナログ加算回路２０ｄは、ｂｄ０＋２×ｂｄ１を電圧レベルとして出力し、定電流回路２０ｃは、その電圧レベルに比例した電流を出力し、能動素子ＱＢ、ＱＤは、パルスφＢ、φＤに従って、定電流回路２０ｅからコイルＬＢ、ＬＤに流れる制御電流をオン、オフ制御する。なお、アナログ加算回路２０ｂ、２０ｄはラダー抵抗回路で構成してもよい。

図５は、上記回路構成による制御部２０の動作を説明する波形図である。図には、マイクロステップに対応したクロックφ、マイコン２０ａが出力するパルスφＡ、φＢ、φＣ、φＤ、ａｃ０、ａｃ１、ｂｄ０、ｂｄ１、加算された電圧レベルａｃ０＋２×ａｃ、ｂｄ０＋２×ｂｄ１を示しており、０〜２０はカウンタ値、△印は、停止安定点である。なお、φＡ、φＢ、φＣ、φＤは、２−２相励磁の基本パルスである。

制御部２０は、カウンタ値０からステッピングモータ１１を回転させる。ここで、ミラーキャリッジ１７が動作基準点Ｐを通過したときのカウント値が３であれば、それに最も近い停止安定点のカウント値４を特定し、ステッピングモータ１１の回転角を制御するための起点として設定する。そして、その後は、カウント値４に４の倍数を加えた、例えばカウント値１６等で回転を停止させるように制御する。

本発明の実施例となるスキャナ装置の機械部分を横から見た概略構造図である。 停止安定点を説明するためのマイクロステップ制御の例である。 本発明の基本手順を説明するフローチャートである。 制御部の概略回路図である。 制御部の動作を説明する波形図である。

符号の説明

１ スキャナ装置（電動装置）
１１ ステッピングモータ
１９ 検知部
１７ ミラーキャリッジ（可動部）
２０ 制御部
Ｐ 動作基準点

Claims (2)

1. 制御電流の波形ステップをカウントすることで回転角を制御するステッピングモータのマイクロステップ制御方法において、
   前記ステッピングモータは、電動装置に設けられた可動部の所定の軌道に従った運動の駆動力を発生するものであり、前記軌道には動作基準点と目標点とが設定されており、
   上記マイクロステップ制御方法は、
   前記可動部が前記動作基準点を通過するようにステッピングモータを回転させて、前記可動部が前記動作基準点を通過した時点のカウント値に最も近いステッピングモータの停止安定点のカウント値を特定するステップと、
   特定したカウント値を、前記ステッピングモータの回転角を制御するための起点として設定するステップと、
   前記ステッピングモータを回転させ、選択した停止安定点のカウント値で停止させるステップとを備えたことにより、前記可動部の位置ずれを防止したマイクロステップ制御方法。
   
2. 所定の軌道に従って運動する可動部と、その運動の駆動力を発生するステッピングモータとを備えた電動装置において、
   前記軌道には動作基準点と目標点とが設定されており、
   前記可動部が駆動されて動作基準点を通過したことを検知する検知手段と、
   前記ステッピングモータの制御電流の波形ステップをカウントすることで、前記ステッピングモータの回転を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記可動部が前記動作基準点を通過するようにステッピングモータを回転させて、前記可動部が前記動作基準点を通過した時点のカウント値に最も近いステッピングモータの停止安定点のカウント値を特定し、そのカウント値を前記ステッピングモータの回転角を制御するための起点とした後、
   前記ステッピングモータを回転させ、選択した停止安定点のカウント値で停止させる処理を適宜実行することにより、前記可動部の位置ずれを防止した電動装置。
   
   

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