JP2010098923A - 駆動装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードバック制御からオープンループ制御に切り替える際に脱調を防止又は低減する駆動装置及び電子機器を提供する。
【解決手段】ステッピングモータのロータの回転位置を検出する位置センサ３０ａ、３０ｂを設け、高精度な位置決めが可能なオープンループ制御と高速駆動が可能なフィードバック制御とを切り替える駆動装置は、フィードバック制御からオープンループ制御に切り換える前に、フィードバック制御における現在の進角α_０をオープンループ制御において脱調が発生しない目標の進角α_４に変更する。
【選択図】図１３

Description

本発明は、駆動装置及び電子機器に関する。

ステッピングモータは、位置センサなしで容易に高分解能が得られるため、オープンループ制御による位置制御が一般的に行われているが、高速駆動では脱調を起こすおそれがある。このため、特許文献１は、ロータの回転位置を検出するセンサを設け、高精度な位置決めが可能なオープンループ制御と高速駆動が可能なフィードバック制御を切り替えるモータ制御装置を提案している。

また、通電の切り換えはコイルへの励磁によって行われるが、コイルのインダクタンスの影響により励磁電流は遅れて立ち上がるためにロータが高速化するにつれて励磁電流が一定値に達する前に相が切り替わり、トルクが低下するという問題が発生する。そこで、特許文献１は、ロータの回転速度が高速化するにつれて、ロータの回転速度に応じて進角を変更し、コイルへの励磁を切り替える角度を進めて早めにコイルへの通電を行なうことを提案している。なお、特許文献２はステッピングモータの一例を開示している。
特開平１０−１５０７９８号公報 特開平０９−３３１６６６号公報

しかし、特許文献１のモータ制御装置では、フィードバック制御からオープンループ制御に切り替える際に脱調が起きる可能性がある。これは、フィードバック制御におけるロータ位置と通電切替の位相差（即ち、進角）と、オープンループ制御におけるそれとが一致しないためである。

そこで、本発明は、フィードバック制御からオープンループ制御に切り替える際に脱調を防止又は低減する駆動装置及び電子機器を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての駆動装置は、磁石を有するロータと、磁石に回転力を与えるコイルを有するステータと、を有するモータと、前記モータのロータの位置を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に対して進角を有する進角信号を生成する進角回路と、決められた時間間隔に従って前記モータの前記コイルへの通電を切り替えるオープンループ制御によって前記モータを駆動する第１ドライバと、前記進角回路の出力に応じて前記コイルの通電を切り替えるフィードバック制御によって前記モータを駆動する第２ドライバと、前記第１ドライバと前記第２ドライバを切り替え、前記進角回路の進角を設定することが可能な制御部と、を有し、前記制御部は、前記第２ドライバから前記第１ドライバに切り換える際に、前記フィードバック制御における現在の進角を、前記進角回路の進角をオープンループ制御において脱調が発生しない目標の進角に変更した後で前記第２ドライバから前記第１ドライバに切り換えることを特徴とする。

本発明によれば、フィードバック制御からオープンループ制御に切り替える際に脱調を防止又は低減する駆動装置及び電子機器を提供することができる。

図１は、電子機器１００のブロック図である。電子機器１００は、デジタルカメラやビデオカメラなどの光学機器、光ディスク装置、プリンタなどを含む。電子機器１００は、制御対象（被駆動部材）１０と、制御対象１０を駆動及び位置決めする駆動装置と、を有する。例えば、電子機器１００がデジタルカメラであれば、制御対象１０は光学系のフォーカスレンズであり、位置決め装置は焦点調節装置として機能する。駆動装置は、制御対象１０を駆動するモータ２０と、位置センサ（検出部）３０ａ及び３０ｂと、モータ駆動部と、を有する。

図２は、モータ２０と位置センサ３０ａ及び３０ｂの斜視図であり、説明のため一部を破断している。モータ２０は、ステッピングモータであり、これにエンコーダを取り付け、ロータの位置に合わせて通電を切り替え、ブラシレスＤＣモータとして機能させている。ステッピングモータは、高速回転時や過負荷時に、制御パルスとモータの回転の同期が失われる脱調が発生する。ブラシレスＤＣモータは、ロータの位置をセンサによって検出するため、指令信号とロータの位置の同期を維持して脱調を防止することができる。

モータ２０（図１では「Ｍ」と記す。）は、磁石２１を有するロータ２２と、磁石２１に回転力を与えるコイルを有するステータと、を有する。モータ２０には特許文献２の構造を適用することができる。

磁石２１は、外周が多極着磁された円筒形状の永久磁石である。角度位置に対し、径方向の磁力の強さが正弦波状に変化する着磁パターンを有する。ロータ２２は、ステータに対して回転可能に支持され、磁石２１と一体に固定されている。

ステータは、一対のコイル２３ａ及び２３ｂ、一対のヨーク２４ａ及びヨーク２４ｂ、一対の位置センサ３０ａ及び３０ｂ（図１では「Ｈ１」、「Ｈ２」と記す。）を有する。ヨーク２４ａは、コイル２３ａに励磁される磁極歯を複数有している。励磁される極を切り替えることで、ロータ２２に与えるトルクを変化させることができる。ヨーク２４ｂは、コイル２３ｂに励磁される磁極歯を複数有している。励磁される極を切り替えることで、ロータ２２に与えるトルクを変化させることができる。位置センサ３０ａ及び３０ｂは磁石２１の磁束を検出し、電気角で９０度ずつ位相のずれた信号を出力するホール素子である。ここで磁石２１の極数をｎとすると、電気角３６０°は実際のロータ角度の７２０／ｎ°に相当する。

なお、ロータ２２の回転位置を検出する方法は限定されず、ロータ２２の回転に伴って変位する検出用磁石を配置して検出してもよいし、遮光板やパターン面を光学センサによって読み取ってもよい。また、位置センサ３０ａ及び３０ｂはモータ２０と一体に固定されていてもよいし、モータ２０とは別部材に固定されていてもよい。

モータ駆動部は、進角回路４０、第１ドライバ５０、第２ドライバ６０、制御部７０を有する。進角回路（進角生成部）４０（図１では「ＰＳ」と記す。）は、位置センサ３０ａ及び３０ｂの検出結果を演算して、制御部７０（図１では「ＣＰＵ」と記す。）から供給される進角設定信号に応じた進角を有する進角信号を生成及び出力する。第１ドライバ５０は、制御部７０から出力される駆動信号に従ってオープン通電切替駆動（ＯＰ駆動）によってモータ２０を駆動する。第２ドライバ６０は、制御部７０から出力される駆動信号と進角回路４０から出力される進角信号に従って、フィードバック通電切替駆動（ＦＢ駆動）によってモータ２０を駆動する。制御部７０は、第１ドライバ５０又は第２ドライバ６０に駆動信号を供給してＯＰ駆動とＦＢ駆動を切り替えて、与えられた目標位置又は目標速度に従ってモータ２０の回転を制御する。また、制御部７０は、進角回路４０に進角設定信号を供給して進角回路４０の位相を設定することができる。

モータ２０は、第１ドライバ５０によって駆動されてＯＰ駆動を行うことができる。ここでいう「ＯＰ駆動」とは、通常のステッピングモータのオープンループ制御と同じであり、決められた時間間隔に従ってモータ２０のコイル２３ａ及び２３ｂの通電を切り替える駆動方法である。即ち、第１ドライバ５０は、入力された駆動パルス間隔（駆動周波数）と回転方向に従ってコイル２３ａ及び２３ｂの通電を順次切り替えることでロータ２２を設定速度で回転させることが可能である（速度制御）。また、入力された駆動パルス数に従ってロータ２２を設定角度だけ回転させることが可能である（位置制御）。

モータ２０は、第２ドライバ６０によって駆動されてＦＢ駆動を行うことができる。ここでいう「ＦＢ駆動」とは、フィードバック制御と同じであり、進角回路４０の出力に応じてコイル２３ａ、２３ｂの通電を切り替える駆動方法である。即ち、第２ドライバ６０は、入力された駆動パルス数と回転方向、進角回路４０の出力する進角信号に従ってコイル２３ａ及び２３ｂの通電を順次切り替えることでロータ２２を設定角度だけ回転させることが可能である（位置制御）。また、コイル２３ａ及び２３ｂに流す電流を制御することで、ロータ２２を設定トルクで回転させることが可能である（電流制御）。また、進角回路４０から出力される進角信号の有する進角を制御することで、トルク−回転数特性を変化させることが可能である（進角制御）。

図３は、ヨーク２４ａ、２４ｂと位置センサ３０ａ、３０ｂとロータ２２の位相関係を示す軸方向の断面図である。図中で時計回りを正の方向とする。２４ａ_１〜２４ａ_４はヨーク２４ａの磁極歯、２４ｂ_１〜２４ｂ_４はヨーク２４ｂの磁極歯である。本実施例では、磁石の極数は８極、着磁角Ｐは４５°である。また、ヨーク２４ａを基準とするとヨーク２４ｂの位相Ｐ／２は−２２．５°、位置センサ３０ａの位相β１は＋２２．５°、位置センサ３０ｂの位相β２は−４５°である。

次に、電気角を用いてＦＢ駆動の動作を説明する。電気角とは、磁石磁力の１周期を３６０°として表したものであり、ロータ２２の極数をＭ、実際の角度をθ_０とすると電気角θは次式で表すことができる。
（数１）
θ＝θ_０×Ｍ／２
ヨーク２４ａ及び２４ｂの位相差、位置センサ３０ａ及び３０ｂの位相差、ヨーク２４ａと位置センサ３０ａの位相差は全て電気角で９０°である。なお、図３において、ヨーク２４ａの磁極歯２４ａ_１〜２４ａ_４の中心と磁石のＮ極中心が対向している。この状態をロータ２２の初期状態とし、電気角０°とする。

図４（１）は、ロータ２２の回転角度とモータトルクの関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸はモータトルクを示す。モータトルクは、ロータ２２を時計回りに回転させるトルクを正とする。コイル２３ａに正方向の電流を流すと、ヨーク２４ａがＮ極に磁化し、磁石２１の磁極との間に電磁気力が発生する。また、コイル２３ｂに正方向の電流を流すと、ヨーク２４ｂがＮ極に磁化し、磁石２１の磁極との間に電磁気力が発生する。２つの電磁気力を合成すると、ロータ２２の回転に伴って概略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ＋）。他の通電状態においても、同様に、概略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ−、Ａ−Ｂ−、Ａ−Ｂ＋）。また、ヨーク２４ａはヨーク２４ｂに対して電気角で９０°の位相をもって配置されるため、４つのトルクは互いに電気角で９０°の位相差を持っている。

図４（２）はロータ２２の回転角度と位置センサ３０ａ、３０ｂからの信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は位置センサ３０ａ、３０ｂからの信号の出力を示す。磁石２１は、径方向において電気角に対しておおよそ正弦波状になるように着磁している。そのため、位置センサ３０ａからは概略正弦波状の信号が得られる（センサ信号Ａ）。なお、本実施例では、位置センサ３０ａは、磁石２１のＮ極と対向するときに正の値を出力する。また、位置センサ３０ｂは位置センサ３０ａに対して電気角で９０°の位相をもって配置されるため、位置センサ３０ｂからは余弦波状の信号が得られる（センサ信号Ｂ）。本実施例では、位置センサ３０ｂは、位置センサ３０ａに対して極性を反転してあるため、磁石２１のＳ極と対向するときに正の値を出力する。

進角回路４０は、位置センサ３０ａの出力と位置センサ３０ｂの出力を演算して制御部７０が設定した任意の進角を有する第１の進角信号と第２の進角信号を生成及び出力する。以下、進角信号の演算方法について述べる。

電気角θ、位置センサ３０ａの出力をＨＥ１、位置センサ３０ｂの出力をＨＥ２とすると、各信号は次式で表すことができる。
（数２）
ＨＥ１＝ｓｉｎθ
（数３）
ＨＥ２＝ｃｏｓθ
また、進角αだけ進めた第１の進角信号をＰＳ１、進角αだけ進めた第２の進角信号をＰＳ２とすると、これらはＨＥ１、ＨＥ２、αを用いて次式で表すことができる。
（数４）
ＰＳ１＝ｓｉｎ（θ＋α）＝ＨＥ１×ｃｏｓα＋ＨＥ２×ｓｉｎα
（数５）
ＰＳ２＝ｃｏｓ（θ＋α）＝ＨＥ２×ｃｏｓα−ＨＥ１×ｓｉｎα
本実施例ではこの演算式に基づいて進角回路４０を構成する。

図５は、進角回路４０の回路図である。進角回路４０を図５に示すようなアナログ回路で構成することで上記の演算が実現可能である。まず、位置センサ３０ａ、３０ｂの出力を増幅率Ａだけ増幅した信号と、さらにそれらを反転させた信号を生成する（Ａｓｉｎθ、Ａｃｏｓθ、−Ａｓｉｎθ、−Ａｃｏｓθ）。それらに抵抗値Ｒ１、Ｒ２をかけて加算することにより、進角信号を生成する。第１の進角信号ＰＳ１、第２の進角信号ＰＳ２は次のように表される。
（数６）
ＰＳ１＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｓｉｎθ＋Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｃｏｓθ
（数７）
ＰＳ２＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｃｏｓθ−Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｓｉｎθ
回路中の可変抵抗Ｒ、Ｒ１、Ｒ２を次のように選択することで任意の進角αだけ進めた進角信号を生成することができる。
（数８）
Ｒ／Ｒ１＝ｃｏｓα
（数９）
Ｒ／Ｒ２＝ｓｉｎα
更に、第１の進角信号ＰＳ１、第２の進角信号ＰＳ２に対してコンパレータを用いて２値化した２値化信号を出力する。

以上の進角信号の生成方法は一例であり、これに限定されない。上記の演算を行うデジタル回路によって進角信号を生成してもよいし、高分解能のエンコーダを用いて通電を切り替えるパルス間隔を調整することで進角信号を生成してもよい。これら周知の方法を用いても進角信号の生成方法と同様の効果が得られる。

次に、進角回路４０から出力される進角信号が有する進角がゼロの場合のＦＢ駆動について説明する。図４（２）において、進角信号Ａ、進角信号Ｂは、センサ信号Ａとセンサ信号Ｂに前述の演算を行い、進角を与えた信号である。ここでは、進角がゼロの場合を示しており、センサ信号Ａと進角信号Ａ、センサ信号Ｂと進角信号Ｂはそれぞれ一致している。２値化信号Ａ、２値化信号Ｂは、進角信号Ａ、進角信号Ｂに対してコンパレータなどを用いて２値化を行った信号である。

ＦＢ駆動では、２値化信号Ａに基づいてコイル２３ａの通電を切り替え、２値化信号Ｂに基づいてコイル２３ｂの通電を切り替える。即ち、２値化信号Ａが正の値を示すときコイル２３ａに正方向の電流を流し、負の値を示すときコイル２３ａに逆方向の電流を流す。また、２値化信号Ｂが正の値を示すときコイル２３ｂに正方向の通電を流し、負の値を示すときコイル２３ｂに逆方向の通電を流す。

図６は、ＦＢ駆動における、図２に示すヨークと位置センサとロータの軸方向の断面図である。

図６（ａ）はロータ２２が電気角で１３５°回転した状態を示している。各進角信号は図４（２）の（ａ）で示した値を示しており、２値化信号Ａは正、２値化信号Ｂは負の値を示している。従って、コイル２３ａには正方向の電流が流れてヨーク２４ａはＮ極に磁化し、コイル２３ｂには逆方向の電流が流れてヨーク２４ｂはＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ＋Ｂ−に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（ｂ）はロータ２２が電気角で１８０°回転した状態を示している。位置センサ３０ａは磁石のＮ極とＳ極の境界に位置する。そのため、電気角１８０°を境に２値化信号Ａは正の値から負の値に切り換わり、コイル２３ａの通電方向が正方向から逆方向へ切り換わる。この電気角は、トルク曲線Ａ＋Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ−との交点の電気角と一致する。

図６（ｂ’）はロータが電気角で１８０°回転し、コイル２３ａの通電方向が切り換わった状態を示している。コイル２３ａには逆方向の電流が流れてヨーク２４ａはＳ極に磁化し、コイル２３ｂには逆方向の電流が流れてヨーク２４ｂはＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（ｃ）はロータ２２が電気角で２２５°回転した状態を示している。各進角信号は図４（２）の（ｃ）で示した値を示しており、２値化信号Ａは負、２値化信号Ｂは負の値を示している。従って、コイル２３ａには負方向の電流が流れてヨーク２４ａはＳ極に磁化し、コイル２３ｂには逆方向の電流が流れてヨーク２４ｂはＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクがはたらき、ロータ２２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（ｄ）はロータ２２が電気角で２７０°回転した状態を示している。位置センサ３０ｂは磁石のＮ極とＳ極の境界に位置する。そのため、電気角２７０°を境に２値化信号Ｂは負の値から正の値に切り換わり、コイル２３ｂの通電方向が逆方向から正方向へ切り換わる。この電気角は、トルク曲線Ａ−Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ＋との交点の電気角と一致する。

図６（ｂ’）はロータ２２が電気角で２７０°回転し、コイル２３ｂの通電方向が切り換わった状態を示している。コイル２３ｂには正方向の電流が流れてヨーク２４ｂはＳ極に磁化し、コイル２３ａには逆方向の電流が流れてヨーク２４ａはＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ−Ｂ＋に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２２はθ方向の回転力を受けて回転する。

以上の動作を繰り返すことで、ロータ２２を連続的に回転させることが可能となる。また、２値化信号Ａ又は２値化信号Ｂの正負を反転させれば、逆回転も可能である。

次に、進角回路４０から出力される進角信号が進角αを有する場合のＦＢ駆動について説明する。図７（１）は、進角回路４０から出力される進角信号が進角αを有する場合のロータ２２の回転角度（電気角）とモータトルクの関係を示すグラフである。図７（２）は、ロータ２２の回転角度と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。図７（２）において、センサ信号Ａに対して進角信号Ａが、センサ信号Ｂに対して進角信号Ｂがそれぞれ進角αだけ進んでいる。また、進角信号に基づいて生成された２値化信号Ａ、２値化信号Ｂもそれぞれセンサ信号Ａ、センサ信号Ｂに対して進角αだけ進んでいる。ＦＢ駆動では、２値化信号Ａに基づいてコイル２３ａの通電を切り替え、２値化信号Ｂに基づいてコイル２３ｂの通電を切り替えるため、コイル２３ａ及び２３ｂの通電切替タイミングは進角がゼロの時に比べて進角αだけ早くなる。

図８は、コイル２３ａ、２３ｂへの通電（励磁電圧）と励磁電流の関係を示すグラフであり、横軸は時間を、縦軸は電圧値又は電流値を示す。励磁電流は、コイル２３ａ、２３ｂのインダクタンスの影響を受けるため、励磁電圧に対して遅れをもって立ち上がる。モータ２０の回転数が充分に低いときはこの影響は少なく、理想的なトルク特性を得ることができる。しかし、ロータ２２の回転が高速化するにつれて、この影響が大きくなり、励磁電流が一定値に達する前に相が切り替わり、トルクが低下してしまう。そこで、ロータ２２の回転速度が高速化するにつれて、ロータ２２の回転速度に応じて進角を変更し、コイル２３ａ、２３ｂへの励磁を切り替える角度を進めて早めにコイル２３ａ、２３ｂへの通電を行なうことが提案されている。図９は、進角を変えたときのトルクと回転数の関係を示すグラフである。横軸はモータ２０のトルクを、縦軸はモータ２０の回転数を示す。グラフから、進角αによってトルクと回転数の関係が変化することがわかる。これを利用してＦＢ駆動では駆動条件によって進角αを変更している。

本実施例では、ＯＰ駆動とＦＢ駆動（又は第１ドライバ５０と第２ドライバ６０）を制御部７０が切り替え可能に構成している。図１０は、ＯＰ駆動とＦＢ駆動の切り替えシーケンスを示すグラフである。横軸は時間（ｔ）を、縦軸は駆動速度（Ｖ）を示している。時間ｔ０において駆動開始の指令が出力されると、制御部７０は第１ドライバ５０に駆動信号を出力し、ＯＰ駆動によって起動し、所定の加速度に従って加速制御を行う。時間ｔ１において駆動速度Ｖ_１に達した後、制御部７０は第１ドライバ５０から第２ドライバ６０に切り替えて駆動信号を出力し、ＦＢ駆動によって加速制御を行う。時間ｔ２において駆動速度Ｖ_２に達した後、制御部７０は定速駆動制御を行う。時間ｔ３において停止動作開始の指令が出力されると、制御部７０は減速制御を開始する。時間ｔ４において駆動速度Ｖ_１に達した後、制御部７０はドライバ６０からドライバ５０に切り替えて駆動信号を出力し、ＯＰ駆動によって減速制御を行う。時間ｔ５において速度ゼロに達し、モータ２０のロータ２２は停止する。

本実施例においては、切り替え時にＯＰ駆動の駆動速度とＦＢ駆動の駆動速度Ｖ_１を一致させて切り替え時のトルク変動を最小限に抑えることが好ましい。また、駆動速度Ｖ_１はＯＰ駆動における脱調速度未満であれば任意の速度を取ることができ、様々の駆動条件によって駆動速度Ｖ_１を変更することができる。また、ＦＢ駆動からＯＰ駆動への切り替えの際と、ＯＰ駆動からＦＢ駆動への切り替えの際に駆動速度を異ならせてもよい。

なお、図１０は切り替えシーケンスの一例を示したものであり、他のシーケンスを使用してもよい。例えば、ＦＢ駆動で起動した後にＯＰ駆動に切り替えて停止してもよいし、ＦＢ駆動、ＯＰ駆動、ＦＢ駆動、・・・と繰り返し切り替えを行うシーケンスでもよい。

また、駆動方式の切り替え条件は制限されない。例えば、モータ２０の回転量や加速度など駆動速度以外の駆動条件によって切り替えてもよいし、ユーザによる指令信号や他の装置からの信号によって切り替えてもよい。

次に、図１１を参照して、負荷変動による脱調の発生についてＯＰ駆動とＦＢ駆動を比較して説明する。図１１は、通電切替位相とロータ２２の回転位相の差Δθを示した説明図である。横軸は通電切替位相とロータ２２の回転位相の差Δθを電気角によって表している。点０は、Δθ＝０の時、即ち、通電切替位相とロータ２２の回転位相の差が無い状態であり、進角ゼロの場合の通電切替位相と一致する。また、ΔθｍａｘとΔθｍｉｎは脱調発生の境界を示しており、脱調が発生する領域（脱調域）は次のように表すことができる。
（数１０）
Δθ＜Δθｍｉｎ＝１８０°
（図１１）
Δθｍａｘ＝１８０°＜Δθ
即ち、通電切替位相とロータ２２の回転位相の差が２ステップ以上となった場合、目標となる安定位置でロータ２２が停止せず、脱調が発生することになる。

図１１（１）は、ＦＢ駆動における通電切替位相とロータ２２の回転位相の位相差を示す説明図である。図中のαはＦＢ駆動における進角を示している。ＦＢ駆動において通電切替位相とロータ２２の回転位相の差Δθは以下のように示すことができる。
（数１２）
Δθ＝α
ＦＢ駆動においては、通電切替はロータ２２の位置検出信号に基づいて行われる。そのため、ロータ２２の速度が変動しても、通電切替位相とロータ２２の回転位相の差は変わらず、Δθは進角αと一致し、一定に保たれる。

進角αが以下の条件を保つように制御されていれば脱調は発生しない。
（数１３）
Δθｍｉｎ＜α＜Δθｍａｘ
これに対して、ＯＰ駆動では、ＦＢ駆動との切り替え時に、ＦＢ駆動における進角が適切に設定されていなければ、脱調が発生する可能性がある。以下、ＯＰ駆動における通電切替とロータ２２の回転位置について説明する。

図１２は、ＯＰ駆動における通電切替とロータ２２の回転位置を示したタイミングチャートである。横軸は時間を、縦軸はロータ２２の回転位置を示している。ＰＬＳはコイル２３ａ、２３ｂの通電切替タイミング、Ｔは決められた時間間隔（パルス間隔）、Δｔはコイル２３ａ、２３ｂの通電切替の後にロータ２２が所定の回転位置に変位するまでの応答遅れ時間を示している。Δｔは、ロータ２２の慣性やモータ２０のトルクと負荷の関係によって決まる値である。仮に駆動電圧と負荷が一定であると仮定すれば、モータ２０のトルクと負荷の関係は変わらず、Δｔは一定の値となる。即ち、ロータ２２は通電切替に対して一定の遅れΔｔをもって回転する。しかし、実際には負荷変動によってモータ２０のトルクと負荷の関係は変化してΔｔは常に変動する。ＯＰ駆動において通電切替位相とロータの回転位相の差Δθは以下のように示すことができる。
（数１４）
Δθ＝３６０°×Δｔ／Ｔ
ＯＰ駆動においては、通電切替は決められた時間間隔（パルス間隔Ｔ）で行われ、Δｔは前述の通り負荷変動によって変動する。そのため、通電切替位相とロータの回転位相の差Δθも変動する。

図１１（２）は、ＯＰ駆動により連続して駆動されている場合の通電切替位相とロータ２２の回転位相の差Δθを示す説明図である。図中βは、通電切替位相とロータ２２の回転位相の位相差を電気角で示したものである。数式１４に示すように、負荷変動によって通電切替位相とロータ回転位相の差は変わるため、βは変動する。図では、βがβｍａｘからβｍｉｎまで変動している。βｍｉｎ，βｍａｘの値は、モータ２０、伝達機構、制御対象１０の構成によって決まる。図１１（２）に示すように、ＯＰ駆動により連続して駆動している場合は変動によってβが脱調域に達しないので脱調が発生する可能性は低い。

ここで、ＦＢ駆動における進角がβと一致する条件でＦＢ駆動を行った後でＯＰ駆動に切り替えるとする。このとき、切り替え直前のＦＢ駆動時も、切り替え直後のＯＰ駆動時も、通電切替位相とロータ２２の回転位相の差はβに保たれる。位相差がβに保たれていれば、ＯＰ駆動への切り替え後、位相差が脱調域に達しないので切り替えによる脱調が発生する可能性は低い。

図１１（３）は、ＦＢ駆動からＯＰ駆動に切り替えた直後の通電切替位相とロータ２２の回転位相の差を示す説明図である。図中γは、通電切替位相とロータ２２の回転位置位相の差を電気角で示したものである。

ここでは、図１１（１）で示した進角αがγと一致する条件でＦＢ駆動を行った後に、ＯＰ駆動に切り替えた直後の状況を示している。ここで、図１１（２）で示したβと、図１１（３）におけるγは以下の関係を持っている。
（図１５）
γ＞β
数式１４で示すように、負荷変動によって通電切替位相とロータ２２の回転位相の差は変わるため、γは変動する。図では、γがγｍａｘからγｍｉｎまで変動している。γｍｉｎ、γｍａｘの値は、モータ２０、伝達機構、制御対象１０の構成によって決まる。この条件では、負荷変動によってはγがθｍａｘを超えて脱調域に達するおそれがあり、脱調が発生する可能性が高くなる。即ち、ＦＢ駆動におけるロータ２２の位置と通電切替の位相差、即ち、進角が、ＯＰ駆動により連続して駆動されている場合のロータ２２の位置と通電切替の位相差より大きい場合、切り替え時に脱調が発生する可能性がある。

前述したように、制御部７０は進角設定信号を出力することによって進角回路４０における進角を任意に設定することができる。図１３は、ＦＢ駆動からＯＰ駆動に切り替える際の各信号のタイミングチャートであり、図１０で示す時間ｔ４で示された時刻近傍の各信号の状態と対応している。図１３中でＦＬＧはＦＢ駆動からＯＰ駆動への切替指令信号、ＨＥは位置センサ３０ａ、３０ｂの出力、ＰＬＳは通電切替タイミング、Ａはコイル２３ａへの印加電圧、Ｂはコイル２３ｂへの印加電圧である。

切換指令信号ＦＬＧにおける時間ｔｓｗ以前においては、制御部７０は進角設定信号によって進角回路４０を制御し、進角回路４０は進角α_０を持った進角信号を出力している。第２ドライバ６０は制御部７０から出力される駆動信号と進角回路４０から出力される進角信号に基づいて通電切替を行う。即ち、区間Ｊ１（ＦＢ駆動）では、位置センサ３０ａ、３０ｂの出力に対して進角α₀だけ進んだ進角信号（不図示）に基づいて通電切替を行い、モータ２０をＦＢ駆動している。

時間ｔｓｗにおいてＦＢ駆動からＯＰ駆動への切替指令信号が出力されると、制御部７０はＦＢ駆動からＯＰ駆動への切り替え準備動作を行う。より詳しくは、進角設定信号によって進角回路４０を制御し、進角を図中のα_０→α_１→α_２→α_３→α_４のように減少させている。即ち、区間Ｊ２（ＦＢ駆動（進角制御））では、進角を段階的に変化させながらモータ２０をＦＢ駆動している。

時間ｔ４において進角がα_４となったとき、制御部７０は駆動信号の出力を第２ドライバ６０から第１ドライバ５０に切り替える。第１ドライバ５０は制御部７０から出力される駆動信号に基づいて通電切替を行う。即ち、区間Ｊ３（ＯＰ駆動）では、駆動信号によって定められたパルス間隔Ｔに基づいて通電切替を行い、モータ２０をＯＰ駆動している。

前述したように、ＦＢ駆動とＯＰ駆動の切り替えの際に、ＦＢ駆動の進角αをＯＰ駆動におけるロータ２２の応答遅れ（図１２におけるΔｔ）に基づいて適切に設定しなければ脱調が発生する可能性が高くなる。本実施例では、ＦＢ駆動における現在の進角αを減少して目標の進角α_４に設定した後でＦＢ駆動からＯＰ駆動の切り替えを行うため、ＯＰ駆動に切り替わった後に負荷変動によって脱調する危険性を低減している。

なお、現在の進角α_０が目標の進角α_４よりも小さい場合には現在の進角α_０を目標の進角α_４まで増加させてもよい。ＦＢ駆動時にブレ−キングを行う際、進角をマイナスに設定していることも考えられるが、この場合に進角は増加させることになる。また、本発明は、進角を段階的に減少・増加させる際の段数を制限せず、また、目標の進角α_４をゼロに設定してもよい。この場合、図１１（２）においてβ＝０としたことになり、負荷変動による位相変動の余裕を最大限に確保できるので位相変動による脱調の可能性を最小限にすることができる。また、目標の進角α_４をＯＰ駆動におけるロータ２２の応答遅れに基づいて定めてもよい。図１１（２）で示すように、ＦＢ駆動における進角を、ＯＰ駆動により連続して駆動されている場合のロータ２２の位置と通電切替の位相差と一致させることができるので、切り替え時に脱調が発生する可能性を大きく低減することができる。このとき、目標の進角α_４は切り替え後のＯＰ駆動におけるロータ２２の応答遅れを電気角で表したものをβ１とすると次式のように表すことができる。
（数１６）
α４＝β１
β１は切り替え速度（図１０における駆動速度Ｖ_１）における応答遅れを予め測定しておいてもよいし、計算値を用いてもよい。また、目標の進角α_４を切り替え時の駆動速度に基づいて定めてもよい。ＯＰ駆動への切り替え後の通電切替位相とロータ２２の回転位置位相の差は、数式１４に示すように、駆動速度（パルス間隔）で異なる。目標の進角α_４を切り替え時の駆動速度に基づいて定めることにより、切り替え時の駆動速度によらずに、ＦＢ駆動における進角をＯＰ駆動により連続して駆動されている場合のロータ２２の位置と通電切替の位相差と一致させることができる。従って、切り替え時に脱調が発生する可能性を大きく低減することができる。

このとき、目標の進角α_４は切り替え後のＯＰ駆動におけるパルス間隔Ｔを用いて以下のように表すことができる。
（数１７）
α４＝３６０°×Δｔ／Ｔ
図１４は、本実施例における、ＦＢ駆動からＯＰ駆動への切り替え時の制御回路１０７の動作を示すフローチャートである。

ＦＢ駆動で駆動中に、ＯＰ駆動への切替待機状態がスタートすると（Ｓ１０１）、ＦＢ駆動からＯＰ駆動への切替信号が出力されたか判断する（Ｓ１０２）。切替信号が出力されていなければ、ＯＰ駆動への切り替えは行われず、制御回路は第２ドライバ６０に駆動信号を出力し、モータはＦＢ駆動によって駆動され（Ｓ１０３）、切替待機状態が終了する。

Ｓ１０３において切替信号が出力されていれば、ＦＢ駆動における進角αと所定の進角αｓｗの比較が行われる（Ｓ１０４）。αがαｓｗ以下であれば、ＯＰ駆動への切り替えが行われ、制御回路は第１のドライバに駆動信号を出力し、モータはＯＰ駆動によって駆動され（Ｓ１０５）、切替待機状態が終了する。

Ｓ１０４において、αがαｓｗより大きければ、制御回路は予め記憶された進角減少テーブルに従って進角設定信号を出力し、進角回路の進角αを１段階減少させる（Ｓ１０６）。その後、制御回路は第２ドライバ６０に駆動信号を出力し、第２ドライバ６０は減少させた進角αを有する進角信号に従って通電切り替えを行い、モータはＦＢ駆動によって駆動される（Ｓ１０７）。その後、再び進角αと所定の進角αｓｗの比較が行われる（Ｓ１０４）。
本実施例の制御回路は上記のフローチャートに従ってＦＢ駆動からＯＰ駆動への切り替えを行うことで、進角を段階的に所定の進角まで減少させた後にＯＰ駆動への切り替えを行うことを可能としている。

このように、本実施例のモータ駆動部は、ＦＢ駆動からＯＰ駆動に切り替える前に、ＦＢ駆動における進角を所定の値に近づけた後で駆動の切り替えを行い、駆動切替時の脱調の発生を低減し、駆動の安定性を向上させる。所定の値がゼロであれば、駆動切替時の負荷変動による脱調の可能性を最小限にすることができる。所定の値がＯＰ駆動におけるロータ２２の応答遅れであれば、駆動切替時の負荷変動により発生するおそれがある脱調を大きく低減することができる。所定の値が切替時の駆動速度に応じた値であれば、駆動切替時の負荷変動により発生するおそれがある脱調を大きく低減することができる。

本実施例の電子機器のブロック図である。 図１に示すモータと位置センサの斜視図である。 図２に示すヨークと位置センサとロータの位相関係を示す軸方向の断面図である。 図２に示すロータの回転角度とモータトルク及び位置センサからの信号の出力との関係を示すグラフである。 図１に示す進角回路の回路図である。 フィードバック通電切替駆動における、図２に示すヨークと位置センサとロータの軸方向の断面図である。 進角αを有する場合のフィードバック通電切替駆動における、図２に示すロータの回転角度とモータトルク及び位置センサからの信号の出力との関係を示すグラフである。 図２に示すコイルへの通電（励磁電圧）と励磁電流の関係を示すグラフである。 進角を変えたときのトルクと回転数の関係を示すグラフである。 図１に示す制御部が実行するＯＰ駆動とＦＢ駆動の切り替えシーケンスを示すグラフである。 通電切替位相とロータの回転位相の位相差を示した説明図である。 ＯＰ駆動における通電切替とロータの回転位置を示したタイミングチャートである。 ＦＢ駆動からＯＰ駆動に切り替える際の各信号のタイミングチャートである。 ＦＢ駆動からＯＰ駆動への切り替え時の制御回路の動作を示すフローチャート

符号の説明

１０ 制御対象
２０ モータ
２２ ロータ
２３ａ、２３ｂ コイル
３０ａ、３０ｂ 位置センサ
４０ 進角回路
５０ 第１ドライバ
６０ 第２ドライバ
７０ 制御部
１００ 電子機器

Claims (8)

1. 磁石を有するロータと、磁石に回転力を与えるコイルを有するステータと、を有するモータと、
   前記モータのロータの回転位置を検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に対して進角を有する進角信号を生成する進角回路と、
   決められた時間間隔に従って前記モータの前記コイルへの通電を切り替えるオープンループ制御によって前記モータを駆動する第１ドライバと、
   前記進角回路の出力に応じて前記コイルの通電を切り替えるフィードバック制御によって前記モータを駆動する第２ドライバと、
   前記第１ドライバと前記第２ドライバを切り替え、前記進角回路の進角を設定することが可能な制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記第２ドライバから前記第１ドライバに切り換える際に、前記フィードバック制御における現在の進角を、前記進角回路の進角をオープンループ制御において脱調が発生しない目標の進角に変更した後で前記第２ドライバから前記第１ドライバに切り換えることを特徴とする駆動装置。
2. 前記目標の進角は、ゼロであることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記目標の進角は、前記オープンループ制御における前記ロータの応答遅れであることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
4. 前記目標の進角は、前記決められた時間間隔をＴ、前記オープンループ制御において前記コイルの通電切替の後における前記ロータの応答遅れ時間をΔｔとすると、３６０°×Δｔ／Ｔで表されることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
5. 前記制御部は、前記フィードバック制御における現在の進角を前記目標の進角に段階的に変更することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
6. 前記制御部は、前記フィードバック制御における現在の進角を減少することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
7. 前記制御部は、前記第２ドライバから前記第１ドライバに切り換える際に、前記フィードバック制御における前記モータの駆動速度と前記オープンループ制御における前記モータの駆動速度を一致させることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
8. 制御対象と、
   当該制御対象を位置決め及び駆動する請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の駆動装置と、
   を有する電子機器。