JP2012175730A - Driving method for stepping motor, driving system, and current pattern update device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、励磁電流相を切り替えてロータを回転させるステッピングモータの駆動システムおよび電流パターン更新装置に関する。 The present invention relates to a stepping motor drive system and a current pattern update device that rotate a rotor by switching excitation current phases.
ステッピングモータは、パルス電力に同期して動作する同期電動機で、その運動量(回転角度)は駆動パルスの数に比例する。このため、デジタル制御回路との相性がよく、簡易な回路構成により正確な位置決めを実現できる。 The stepping motor is a synchronous motor that operates in synchronization with pulse power, and its momentum (rotation angle) is proportional to the number of drive pulses. Therefore, compatibility with the digital control circuit is good, and accurate positioning can be realized with a simple circuit configuration.
従来のステッピングモータの駆動手法として、例えば、速度、加速度および減速度のパターンを複数通り組み合わせてテスト駆動し、その組み合わせの中でステッピングモータの実回転角と、予め設定された回転指令値との差が最小となるパルスパターンを導出する手法が提案されている(特許文献1)。また、ステッピングモータの共振特性に応じた禁止駆動周波数を予め記憶しておき、ステッピングモータ駆動時に算出された駆動周波数が禁止駆動周波数である場合に、禁止駆動周波数よりも低い周波数で駆動する手法が提案されている(特許文献2)。 As a conventional stepping motor driving method, for example, test driving is performed by combining a plurality of patterns of speed, acceleration and deceleration, and among the combinations, the actual rotation angle of the stepping motor and a preset rotation command value A method for deriving a pulse pattern that minimizes the difference has been proposed (Patent Document 1). Further, there is a method in which a prohibited drive frequency corresponding to the resonance characteristic of the stepping motor is stored in advance, and the driving is performed at a frequency lower than the prohibited drive frequency when the drive frequency calculated at the time of driving the stepping motor is the prohibited drive frequency. It has been proposed (Patent Document 2).
特許文献1は、速度、加速度および減速度のパターンによる複数パルスにより構成された励磁電流のパルス信号パターンにより、回転指令値に追従するように駆動されるものである。しかしながら、励磁電流のパルス信号パターンとステッピングモータの加減速度状態との関係が必ずしも明確ではないため、短時間かつ少ないパルス数で構成される励磁電流のパルス信号パターンで駆動されるステッピングモータに適用するのは困難である。
また、特許文献2では、ステッピングモータの機構自身の振動である1次振動モードの共振周波数を禁止駆動周波数としており、1次振動モードを抑制できる。しかしながら、負荷の慣性モーメントが大きく、高速駆動する際に生じるモータシャフトのねじり振動などの高次振動モードが生じるステッピングモータでは、振動を十分に抑制できないこともある。
Further, in
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、短時間で回転角度が目標角度に到達し、かつ、到達後の振動を抑制可能なステッピングモータの駆動方法、駆動システムおよび電流パターン更新装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a driving method and a driving system for a stepping motor capable of suppressing the vibration after the rotation angle reaches the target angle in a short time. And a current pattern updating apparatus.
本発明の一態様によるステッピングモータの駆動方法は、まず、ステッピングモータのコイルに流れる電流の相が切り替わるのに要する遷移期間を計測する。次に、取り付けられた負荷部の動特性を考慮した前記ステッピングモータの動作を表現する数理モデルにおける、前記ステッピングモータに関するパラメータを同定する。次に、前記数理モデルにおける、前記負荷部に関するパラメータを同定する。次に、前記計測された遷移期間と前記同定されたパラメータとを用い、前記数理モデルに基づいて、前記ステッピングモータのシャフトの回転角度の時間変化を算出する。次に、前記算出されたシャフトの回転角度が予め定めた目標角度に到達するまでに要する時間と、前記目標角度に到達した後の振動の大きさと、に基づいて、前記コイルに流れる電流のパターンを決定する。そして、前記決定された前記電流のパターンにて、前記ステッピングモータを駆動する。 In the stepping motor driving method according to one aspect of the present invention, first, a transition period required for the phase of the current flowing through the coil of the stepping motor to be switched is measured. Next, parameters relating to the stepping motor in the mathematical model expressing the operation of the stepping motor in consideration of the dynamic characteristics of the attached load portion are identified. Next, a parameter related to the load unit in the mathematical model is identified. Next, using the measured transition period and the identified parameter, the time change of the rotation angle of the shaft of the stepping motor is calculated based on the mathematical model. Next, a pattern of current flowing in the coil based on the time required for the calculated rotation angle of the shaft to reach a predetermined target angle and the magnitude of vibration after reaching the target angle To decide. Then, the stepping motor is driven with the determined current pattern.
また、本発明の一態様によるステッピングモータの駆動方法は、まず、所定の電流パターンをコイルに流してステッピングモータを駆動し、前記ステッピングモータのシャフトの回転角度の振動を計測する。次に、前記計測された振動が所定の許容範囲内か否かを判定する。次に、前記許容範囲内でない場合、取り付けられた負荷部の動特性を考慮した前記ステッピングモータの動作を表現する数理モデルにおける前記負荷部に関するパラメータの少なくとも1つを、予め計測された前記コイルに流れる電流の相が変化するのに要する遷移時間を考慮して算出する。次に、前記算出されたパラメータに基づいて電流のパターンを更新する。そして、前記更新された前記電流のパターンにて、前記ステッピングモータを駆動する。 In the stepping motor driving method according to one aspect of the present invention, first, the stepping motor is driven by passing a predetermined current pattern through the coil, and the vibration of the rotation angle of the shaft of the stepping motor is measured. Next, it is determined whether or not the measured vibration is within a predetermined allowable range. Next, if not within the allowable range, at least one of the parameters related to the load unit in the mathematical model expressing the operation of the stepping motor considering the dynamic characteristics of the attached load unit is applied to the coil measured in advance. Calculation is performed in consideration of the transition time required for the phase of the flowing current to change. Next, the current pattern is updated based on the calculated parameter. Then, the stepping motor is driven with the updated current pattern.
また、本発明の一態様によれば、ステッピングモータの駆動システムは、比較部と、電流パターン算出部と、駆動部とを備える。比較部は、ステッピングモータのシャフトの回転角度の振動が所定の許容範囲内か否かを判定する。電流パターン算出部は、前記許容範囲内でない場合、取り付けられた負荷部の動特性を考慮した前記ステッピングモータの動作を表現する数理モデルにおける前記負荷部に関するパラメータの少なくとも1つを、予め計測された前記ステッピングモータのコイルに流れる電流の相が変化するのに要する遷移時間を考慮して算出するとともに、前記算出されたパラメータに基づいて電流のパターンを更新する。駆動部は、前記更新された前記電流のパターンにて、前記ステッピングモータを駆動する。 According to one aspect of the present invention, a stepping motor drive system includes a comparison unit, a current pattern calculation unit, and a drive unit. The comparison unit determines whether the vibration of the rotation angle of the shaft of the stepping motor is within a predetermined allowable range. When the current pattern calculation unit is not within the allowable range, at least one of the parameters related to the load unit in the mathematical model expressing the operation of the stepping motor considering the dynamic characteristics of the attached load unit is measured in advance. The calculation is performed in consideration of the transition time required for the phase of the current flowing through the coil of the stepping motor to change, and the current pattern is updated based on the calculated parameter. The driving unit drives the stepping motor with the updated current pattern.
また、本発明の一態様によれば、電流パターン更新装置は、ステッピングモータのシャフトの回転角度の振動が所定の許容範囲を超えている場合、取り付けられた負荷部の動特性を考慮したステッピングモータの動作を表現する数理モデルにおける前記負荷部に関するパラメータの少なくとも1つを、予め計測された前記ステッピングモータのコイルに流れる電流の相が変化するのに要する遷移時間を考慮して算出するとともに、前記算出されたパラメータに基づいて電流のパターンを更新する電流パターン算出部を備える。 Further, according to one aspect of the present invention, the current pattern update device includes a stepping motor that takes into account the dynamic characteristics of the attached load portion when the vibration of the rotation angle of the shaft of the stepping motor exceeds a predetermined allowable range. Calculating at least one of the parameters related to the load section in the mathematical model expressing the operation of the above in consideration of the transition time required for the phase of the current flowing in the coil of the stepping motor measured in advance to be changed, and A current pattern calculation unit that updates a current pattern based on the calculated parameters is provided.
本発明によれば、コイルに流れる電流の相が切り替わるのに要する遷移期間と、取り付けられた負荷部の動特性とを考慮するため、短時間で回転角度が目標角度に到達し、かつ、到達後の振動を抑制できる。 According to the present invention, in order to consider the transition period required for the phase of the current flowing through the coil to switch and the dynamic characteristics of the attached load section, the rotation angle reaches the target angle in a short time and reaches the target angle. Later vibrations can be suppressed.
以下、本発明に係るステッピングモータの駆動方法および駆動装置の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。 Embodiments of a stepping motor driving method and a driving apparatus according to the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、ステッピングモータ(以下、単にモータ)10と、これに取り付けられた負荷部30とを模式的に示す図である。また、図2は、本発明の第1の実施形態に係るモータ10の駆動システムの概略構成を示すブロック図である。このモータ10は、例えば、コンデンサ等のチップ型電子部品のテーピングを行うテーピング装置の搬送テーブルを位置決めするために用いられる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a stepping motor (hereinafter simply referred to as a motor) 10 and a
モータ10は、ロータ11と、シャフト12と、コイル13A,13Bとを備えている。シャフト12はロータ11を貫通するように設けられ、ロータ11が回転することによりシャフト12も回転する。コイル13Aはロータ11と対向して配置されるステータ(不図示)に巻回され、コイル13Bはロータ11と対向して配置される別のステータ(不図示)に巻回される。負荷32はカップリング31を介してシャフト12に取り付けられる。カップリング31および負荷32は負荷部30を構成し、シャフト12が回転すると負荷部30が回転する。また、シャフト12にはエンコーダ40が取り付けられ、シャフトの回転角度を計測できる。
The
モータ10を駆動する駆動装置20は、パルス生成部21と、電流制御部22とを備えている。これらは駆動部を構成する。パルス生成部21は所定のタイミングで第1〜第4パルスを生成する。これらに同期して、電流制御部22はモータ10のコイル13A,13Bに供給する電流IA,IBを制御する。この電流IAは、コイル13Aの第1端14Aから共通端子COMAへ流れるA相励磁電流Iaと、コイル13Aの第2端14A’から共通端子COMAへ流れるA’相 励磁電流Ia’とを含む。同様に、電流IBはB相励磁電流IbとB’相励磁電流Ib’とを含む。
The
図3は、パルス生成部21が生成する第1〜第4パルスおよび電流IA,IBのパターンの一例を示すタイミング図である。図3(a)〜(c)の縦軸はそれぞれ、パルスの有無、電流IA,IBであり、横軸は時間tである。また、縦軸の電流I0は定格電流を表し、電流IA=I0はA相励磁電流Iaに対応し、電流IA=−I0はA’相励磁電流Ia’に対応するものとする。電流IBについても同様とする。
FIG. 3 is a timing diagram showing an example of patterns of the first to fourth pulses and currents IA and IB generated by the
時刻t0で、電流制御部22は電流IA=I0および電流IB=I0を生成していると仮定する。この状態ではA相励磁電流IaおよびB相励磁電流Ib(以下「励磁電流AB」と呼ぶ。他の励磁電流も同様。)が流れている。
It is assumed that the
時刻t1で、パルス生成部21は第1パルスを生成する。これに同期して、電流制御部22は電流IBを定格電流I0から−I0に、すなわち、B相励磁電流IbからB’相励磁電流Ib’に切り替える。ただし、電流IBは定格電流I0から−I0へ瞬時に切り替わるわけではなく、遷移期間Tdが経過した時刻t2で定格電流−I0に達する。時刻t2以降では、電流制御部22は励磁電流AB’を生成する。
At time t1, the
以下同様に、時刻t1から期間T1が経過した時刻t3でパルス生成部21は第2パルスを生成し、電流制御部22は励磁電流A’B’を生成する。また、時刻t3から期間T2が経過した時刻t5でパルス生成部21は第3パルスを生成し、電流制御部22は励磁電流A’Bを生成する。さらに、時刻t5から期間T3が経過した時刻t7でパルス生成部21は第4パルスを生成し、電流制御部22は再び励磁電流ABを生成する。
Similarly, at time t3 when the period T1 has elapsed from time t1, the
このように、コイル13A,13Bに流す電流相を、例えば励磁電流AB,AB’,A’B’,A’Bの順に切り替えることにより、各ステータに励磁される磁極が変化する。ロータ11はN極またはS極に磁化した複数の歯を有し、これらのそれぞれとステータとが反発したり引き合ったりして、ロータ11は回転する。
As described above, by switching the current phase flowing through the
遷移期間Tdでの電流波形は直線と仮定することができ、図3(b),(c)の電流IA,IBのパターンは下記(1),(2)式によりそれぞれ表される。
これらを時刻t1=0とし、期間T1〜T3および遷移期間Tdを用いて、1周期分の電流パターンに書き直すと下記(1’),(2’)式のようになる。
本実施形態は、後述するモータ10の数理モデルに基づき、励磁電流の遷移期間Tdおよび遷移波形をも考慮して、シャフト12の回転角度をシミュレーションし、短時間でモータ10のシャフト12が目標角度に到達し、かつ、シャフト12の振動が抑制されるよう、期間T1〜T3を最適化するものである。
In the present embodiment, based on a mathematical model of the
以下、モータ10の数理モデルを説明する。
Hereinafter, the mathematical model of the
モータ10に負荷部30が取り付けられていない場合、モータ10の動作は下記(3)式により表される。
ここで、JM,DM,TM,θM(t)はそれぞれ、モータ10の慣性モーメント[kg・m2]、減衰定数[kg・m・s]、発生トルク[N・m]、シャフト12の回転角度[rad]である。上記(3)式は、慣性モーメントJM、減衰定数DMのモータ10に、トルクTMを与えると、シャフト12が回転角度θM(t)で回転することを意味する。トルクTMは励磁電流IA,IBにより生じるが、詳細は後述する。
Here, J M , D M , T M , and θ M (t) are the moment of inertia [kg · m 2 ], damping constant [kg · m · s], generated torque [N · m], This is the rotation angle [rad] of the
一方、負荷部30には下記(4)式により表されるトルクTL[N・m]が生じる。
ここで、JL,KL,θL(t)はそれぞれ、負荷部30の慣性モーメント[kg・m2]、ばね定数[Nm/rad]、負荷部30の回転角度[rad]である。上記(4)式は、シャフト12の回転角度θM(t)と負荷部30の回転角度θL(t)との差、すなわち、シャフト12のねじれに比例したトルクが発生することを意味する。
Here, J L , K L , and θ L (t) are the inertia moment [kg · m 2 ], the spring constant [Nm / rad], and the rotation angle [rad] of the
上記(4)式は負荷部30をいわゆる二慣性系モデルで表現したものである。モータ10の動作は負荷部30の動特性の影響を大きく受けるため、負荷部30を二慣性系モデルを用いて表現することで、モータ10の動作を精度よくシミュレーションできる。
The above expression (4) expresses the
このトルクTLは、モータ10の発生トルクTMと逆向きに働く。したがって、負荷部30を取り付けた場合のモータ10の動作は下記(5)式により表される。
以上の(3)〜(5)式より、負荷部30を取り付けたモータ10の動作は、下記(6)式の数理モデルで表される。
次に、モータ10の発生トルクTMを算出する。コイル13Aに流れる電流IAのうち、A相励磁電流Iaに起因するトルク(以下、A相の発生トルク)TAは下記(7)式で表される。
ここで、KTはトルク定数[Nm/A]であり、NRはロータの歯数である。一方、コイル13Bに流れる電流IBのうち、B相励磁電流Ibに起因するトルク(以下、B相の発生トルク)TBは、A相と位相がπ/2だけ遅れるように配置されるため、下記(8)式で表される。
また、A相励磁電流とA’相励磁電流は、図3(b)に示すように、互いに大きさが等しく、向きが逆であるため、A相の発生トルクTA=A’相の発生トルクTA’である。同様に、B相の発生トルクTB=B’相の発生トルクTB’である。したがって、モータ10の発生トルクTMはA相の発生トルクTAとB相の発生トルクTBとの和であり、下記(9)式で表される。
上記(9)式では、各相を順繰りに励磁するため、A相とB相との中間の位相であるπ/4を初期値としている。また、同式の電流IA,IBは上記(1’),(2’)式で表される。 In the above equation (9), in order to excite each phase in sequence, π / 4, which is an intermediate phase between the A phase and the B phase, is set as an initial value. The currents IA and IB of the same formula are expressed by the above formulas (1 ') and (2').
以上のように、モータ10の数理モデルは、上記(1’),(2’),(4),(6)および(9)式により表される。したがって、各式におけるパラメータの値が分かれば、モータ10の動作である回転角度θM(t)をシミュレーションできる。特に、本実施形態では、遷移期間Tdおよび負荷部30の動特性を考慮するので、高精度にシミュレーションできる。
As described above, the mathematical model of the
続いて、数理モデルにおける各パラメータを求める手法を説明する。図4は、各パラメータを求める手順を示すフローチャートである。 Next, a method for obtaining each parameter in the mathematical model will be described. FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for obtaining each parameter.
まず、負荷部30を外した状態で、パルス生成部21は1つのパルスを生成する。これにより電流IA,IBは定格電流I0から−I0(または−I0からI0)に変化する。このときのシャフト12の回転角度θM(t)の時間変化および電流IA,IBを計測する(ステップS1)。シャフトの回転角度θM(t)は図1のエンコーダ40により計測できる。また、電流IA,IBは、例えば、電流プローブを用いてオシロスコープにて遷移波形を計測できる。
First, with the
図5は、シャフト12の回転角度θM(t)を示すグラフである。縦軸は回転角度θM(t)であり、横軸は時間である。同図中の破線が計測された回転角度θM(t)を示している。
FIG. 5 is a graph showing the rotation angle θ M (t) of the
そして、電流IA,IBの計測結果から、電流IA,IBが定格電流I0から−I0(または−I0からI0)に遷移するのに要した遷移期間Tdを同定する(ステップS2)。得られる遷移期間Tdの値は、例えば500[μs]である。モータ10によって遷移期間Tdは異なるので、モータ10ごとに計測を行って遷移期間Tdを同定するのが望ましい。
Then, from the measurement results of the currents IA and IB, the transition period Td required for the currents IA and IB to transition from the rated current I0 to -I0 (or -I0 to I0) is identified (step S2). The value of the obtained transition period Td is, for example, 500 [μs]. Since the transition period Td differs depending on the
さらに、計測された回転角度θM(t)を用いて、上記(6),(9)式からモータ10に関するパラメータ、すなわち、慣性モーメントJM、減衰定数DMおよびトルク定数KTを同定する(ステップS3)。なお、上記(6)式において、負荷部30が取り付けられていないためシャフト12のねじれは生じず、シャフト12の回転角度θM(t)=負荷部30の回転角度θL(t)としてよい。
Furthermore, using the measured rotation angle θ M (t), the parameters relating to the
より具体的には、例えばNelder−Mead法を用いて以下のようにする。まず、パラメータJM,DM,KTに任意の初期値を与え、上記(6)式を満たすシャフト12の回転角度θM(t)を算出する。以下では、上記(6)式を解いて算出された回転角度をθMS(t)とし、ステップS1で計測された回転角度をθME(t)とする。そして、回転角度θMS(t)とθME(t)とを比較する。次に、パラメータJM,DM,KTを少しずつ変化させて回転角度θMS(t)を算出し、さらに比較を行う。この作業を繰り返し、試行したパラメータJM,DM,KTのうち回転角度θMS(t)とθME(t)との差が最も小さくなるパラメータJM,DM,KTを選択する。
More specifically, for example, the following is performed using the Nelder-Mead method. First, arbitrary initial values are given to the parameters J M , D M , and K T, and the rotation angle θ M (t) of the
回転角度θMS(t)とθME(t)との比較のためには、例えば下記(10)式の目的関数F1(JM,DM,KT)を用いることができ、この目的関数F1(JM,DM,KT)が小さくなるようなパラメータJM,DM,KTを同定すればよい。
同定される各パラメータの値は、例えば、JM=8.5*10−6[kg・m2],DM=9.8*10−4[kg・m・s],KT=2.8*10−1[Nm/A]である。これらのパラメータを用いて回転角度θMS(t)をシミュレーションすると、図5の実線のようになり、計測された回転角度θMS(t)とほぼ一致する。上記のようにしてパラメータJM,DM,KTを同定するのに、例えば数値計算ソフトMATLAB(登録商標)を利用することができる。 The value of each parameter to be identified is, for example, J M = 8.5 * 10 −6 [kg · m 2 ], D M = 9.8 * 10 −4 [kg · m · s], K T = 2 .8 * 10 −1 [Nm / A]. When the rotation angle θ MS (t) is simulated using these parameters, the result is as shown by a solid line in FIG. 5, which substantially coincides with the measured rotation angle θ MS (t). In order to identify the parameters J M , D M , and K T as described above, for example, numerical calculation software MATLAB (registered trademark) can be used.
以上によりモータ10に関するパラメータを同定できたので、次に負荷部30に関するパラメータJL,KLを同定する。
Since the parameters relating to the
負荷部30を取り付けた状態で、パルス生成部21は図3の第1〜第4パルスを生成し、このときのシャフトの回転角度θM(t)の時間変化を計測する(ステップS4)。図6は、シャフト12の回転角度θM(t)を示すグラフであり、縦軸および横軸は図5と同様である。同図中の破線が計測された回転角度θM(t)を示している。
With the
さらに、計測された回転角度θM(t)を用いて、上記(1’),(2’),(4),(6),(9)式から負荷部30に関するパラメータ、すなわち、負荷部30の慣性モーメントJLおよびばね定数KLを同定する(ステップS5)。より具体的には、例えばNelder−Mead法を用い、モータ10のパラメータと同様に、以下のようにして同定する。
Further, using the measured rotation angle θ M (t), the parameters related to the
まず、パラメータJL,KLに任意の初期値を与えて上記(4)および(6)式を満たすシャフト12の回転角度θM(t)および負荷部30の回転角度θL(t)を算出する。以下では、上記(4),(6)式を解いて算出された回転角度をθMS(t)とし、ステップS4で計測された回転角度をθME(t)とする。そして、回転角度θMS(t)とθME(t)とを比較する。次に、パラメータJL,KLを少しずつ変化させて回転角度θMS(t)を算出し、さらに比較を行う。比較のためには、上記(10)式と同様の目的関数を用いることができる。この作業を繰り返し、試行したパラメータJL,KLのうち回転角度θMS(t)とθME(t)との差が最も小さくなるパラメータJL,KLを選択する。
First, by giving arbitrary initial values to the parameters J L and K L , the rotation angle θ M (t) of the
同定される各パラメータの値は、例えば、JL=8.1*10−6[kg・m2],KL=1.1*102[Nm/rad]である。これらのパラメータを用いて回転角度θMS(t)をシミュレーションすると、図6の実線のようになり、計測された回転角度θMS(t)とほぼ一致する。 The value of each parameter to be identified is, for example, J L = 8.1 * 10 −6 [kg · m 2 ], K L = 1.1 * 10 2 [Nm / rad]. When the rotation angle θ MS (t) is simulated using these parameters, it becomes as shown by the solid line in FIG. 6 and substantially coincides with the measured rotation angle θ MS (t).
以上のようにして、数理モデル中の各パラメータを同定できる。ステップS3,S5は、例えば、駆動装置20とは異なる1台のコンピュータにより実行できる。同定されたパラメータを用いて任意の電流IA,IBに対して、シャフトの回転角度θM(t)をシミュレーションできる。
As described above, each parameter in the mathematical model can be identified. Steps S3 and S5 can be executed by, for example, one computer different from the
続いて、モータ駆動時に、シャフトの回転角度θM(t)が短時間で目標角度θtg[rad]に到達し、かつ、到達後の振動を抑制可能な電流IA,IBのパターンを算出する。より具体的には、以下のようにして上記(1’),(2’)式における期間T1〜T3を算出する。 Subsequently, when the motor is driven, the pattern of the currents IA and IB that the shaft rotation angle θ M (t) reaches the target angle θ tg [rad] in a short time and can suppress the vibration after the rotation is calculated. . More specifically, the periods T1 to T3 in the above equations (1 ′) and (2 ′) are calculated as follows.
まず、下記(11)式のように目的関数F2(T1,T2,T3)を定義する。
目的関数F2(T1,T2,T3)は、時間T1+T2+T3+Td経過後、すなわち、1周期分の電流パターンでモータ10を駆動した後(図3の時刻t8以降)における、シャフト12の振動の最大値を表す。また、期間T1〜T3が短すぎるとモータ10が脱調するおそれがあるので、期間T1〜T3はそれぞれ予め定めた定数C1〜C3以上とする。定数C1〜C3はそれぞれ、例えば500μsに設定される。
The objective function F2 (T1, T2, T3) is the maximum value of the vibration of the
一般に、期間T1〜T3を短くするほど、目標角度θtgに到達するまでの時間を短くすることができるが、到達後の振動が大きくなってしまう。一方、期間T1〜T3を長くするほど、目標角度θtgに到達した後の振動を小さくすることができるが、到達するまでの時間が長くなってしまう。 In general, the shorter the period T1 to T3, the shorter the time required to reach the target angle θ tg , but the greater the vibration after reaching. On the other hand, the longer the periods T1 to T3, the smaller the vibration after reaching the target angle θ tg , but the longer it takes to reach the target angle θ tg .
そこで、例えばNelder−Mead法を用い、種々のT1〜T3について目的関数F2(T1,T2,T3)を算出する。目的関数F2(T1,T2,T3)が単峰性を有さない場合もあるため、初期値を幾通りか試すのが望ましい。そして、目的関数F2(T1,T2,T3)が所定値より小さく、かつ、時間T1+T2+T3が所定時間内となる期間T1〜T3を算出する。これらの条件を満たす期間T1〜T3の組が複数存在する場合は、例えば、目的関数F2ができるだけ小さくなることと、および、時間T1+T2+T3ができるだけ短くなることのいずれかを優先して、期間T1〜T3を算出する。 Therefore, for example, the objective function F2 (T1, T2, T3) is calculated for various T1 to T3 using the Nelder-Mead method. Since the objective function F2 (T1, T2, T3) may not have unimodality, it is desirable to try several initial values. Then, periods T1 to T3 in which the objective function F2 (T1, T2, T3) is smaller than a predetermined value and the time T1 + T2 + T3 is within the predetermined time are calculated. When there are a plurality of sets of periods T1 to T3 that satisfy these conditions, for example, priority is given to either the objective function F2 being as small as possible or the time T1 + T2 + T3 being as short as possible. T3 is calculated.
このようにして、例えばT1=1678μs,T2=653μs,T3=1716μsという電流IA,IBのパターンが得られる。 In this way, a pattern of currents IA and IB, for example, T1 = 1678 μs, T2 = 653 μs, and T3 = 1716 μs is obtained.
図7は、得られた電流パターンを用いてモータ10を駆動した場合のシャフトの回転角度θM(t)を示すグラフである。縦軸および横軸は図5と同様である。同図では、目標角度θtgを3.6[deg]とし、エンコーダ40により計測された値を破線で示している。また、同図には、参考のために数理モデルに基づくシミュレーション結果も実線で示している。JM等の各パラメータは上記の値としている。図7(b)は図7(a)の目標角度3.6[deg]付近の拡大図であり、見やすくするために計測値にはローパスフィルタを施している。
FIG. 7 is a graph showing the rotation angle θ M (t) of the shaft when the
図7(a),(b)に示すように、モータ10の動作はシミュレーション結果とほぼ一致しており、わずか5ms程度で目標角度θtgに到達し、しかも、到達後の振動も小さい。
As shown in FIGS. 7A and 7B, the operation of the
このように、第1の実施形態では、モータ10の数理モデルにおいて、コイル13A,13Bに流れる電流の遷移期間Tdと遷移波形、および、負荷部30の動特性も考慮しているため、シャフトの回転角度θMを高精度にシミュレーションできる。結果として、電流IA,IBのパターンを最適化でき、短時間でシャフトの回転角度θM(t)が目標角度θtgに到達し、かつ、到達後の振動を抑制できる。
Thus, in the first embodiment, in the mathematical model of the
(第2の実施形態)
上述した第1の実施形態は、負荷部30の初期の慣性モーメントJLを用いて、期間T1〜T3を最適化するものであった。これに対し、以下に説明する第2の実施形態では、負荷部30の変動も考慮して、動的に期間T1〜T3を最適化するものである。
(Second Embodiment)
First embodiment described above, by using the initial moment of inertia J L of the
図8は、第1の実施形態の手法により得られた慣性モーメントJLを用いて最適化された電流パターンにより駆動されるシャフトの回転角度θM(t)を示すグラフである。同図の破線は回転初期の回転角度θM(t)であり、実線はある程度時間が経過した時点での回転角度θM(t)である。同図に示すように、回転初期は振動を抑制できているが、時間が経過すると振動が大きくなっている。これは、実際にモータ10を使用していると、負荷部30が変動し、これに伴って、慣性モーメントJLが変動してしまったためと考えられる。
FIG. 8 is a graph showing the rotation angle θ M (t) of the shaft driven by the current pattern optimized using the moment of inertia J L obtained by the method of the first embodiment. The broken line in the figure is the rotation angle θ M (t) at the initial stage of rotation, and the solid line is the rotation angle θ M (t) when a certain amount of time has passed. As shown in the figure, the vibration can be suppressed at the initial stage of rotation, but the vibration increases as time elapses. This, when actually using the
そこで、本実施形態では、負荷部30の慣性モーメントJLの変動に応じて動的に期間T1〜T3を更新することにより、振動の抑制を図る。
図9は、本発明の第2の実施形態に係るモータ10の駆動システムの概略構成を示すブロック図である。図9では、図2と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
Therefore, in this embodiment, by dynamically update period T1~T3 in accordance with the variation of the moment of inertia J L of the
FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of a drive system of the
図9の駆動装置20は比較部23をさらに有する。比較部23は、エンコーダ40により計測されるモータの回転角度θM(t)と目標角度θtgとの最大誤差が許容範囲θal以下か否かを判定する。
The
また、駆動システムは、電流パターン更新装置50を備えている。電流パターン更新装置50は、電流パターン算出部51と、テーブル52とを有する。電流パターン算出部51は変動後の負荷部30の慣性モーメントJLを同定し、同定された慣性モーメントJLに応じて最適な期間T1〜T3を駆動装置20へ供給する。テーブル52は、予め算出された、負荷部30の慣性モーメントJLと期間T1〜T3との関係を記憶している。電流パターン更新装置50は、例えば1台または複数台のコンピュータに内蔵される。
The drive system also includes a current
図10は、期間T1〜T3を更新する手順を示すフローチャートである。駆動装置20は更新前の電流パターンにてモータ10を1周期分、すなわち、図3の時刻t1〜t8の駆動を行う(ステップS11)。そして、エンコーダ40は1周期分駆動した後のシャフト12の回転角度θM(t)を測定する(ステップS12)。さらに、駆動装置20内の比較部23は、下記(12)式に基づき、回転角度θM(t)と目標角度θtgとの最大誤差が許容範囲θal以下か否かを判定する(ステップS13)。
許容範囲θalを超える場合(ステップS13のNO)、負荷部30の慣性モーメントJLが変動していると考えられるため、電流パターン算出部51は負荷部30の慣性モーメントJLを新たに同定する。より具体的には、第1の実施形態のステップS5(図4)と同様に、計測されたモータの回転角度θM(t)およびモータ10の数理モデルに基づいて、慣性モーメントJLを同定する。慣性モーメントJLは、初期は上記のように8.1*10−6[kg・m2]であったものが、例えば、8.5*10−6[kg・m2]に変動する。
If an unacceptable theta al (NO in step S13), and since the moment of inertia J L of the
図11は、シャフト12の回転角度θM(t)の計測結果と、新たに同定された慣性モーメントJLを用いたモータ10の動作のシミュレーション結果とを示すグラフである。同図に示すように、シミュレーション結果は計測結果と近くなっている。これは、図8に示すように時間が経過すると回転角度θM(t)が変化する原因の1つが、負荷部30の慣性モーメントJLの変動であることを意味している。
Figure 11 is a graph showing the measurement result of the rotation angle of the
その後、電流パターン算出部51は、同定された慣性モーメントJLに応じ、テーブル52を用いて新たに最適な期間T1〜T3を算出し、電流パターンを更新する(ステップS15)。図12は、テーブル52に記憶される慣性モーメントJLと期間T1〜T3との関係の一例を示す図である。第1の実施形態では、慣性モーメントJLが8.1*10−6[kg・m2]である場合の最適な期間T1〜T3を算出したが、本実施形態では、予め慣性モーメントJLが8.1*10−6[kg・m2]付近、例えば7.0*10−6〜10*10−6[kg・m2]の場合の最適な期間T1〜T3を算出し、テーブル52に設定しておく。そして、電流パターン算出部51は同定された慣性モーメントJLに対して最適な期間T1〜T3をテーブル52から読み出し、パルス生成部21に供給する。
Thereafter, a current
そして、パルス生成部21は、新たな期間T1〜T3に基づく電流パターンで第1〜第4パルスを生成して、モータ10を駆動する。以上の処理動作を例えば毎周期繰り返すことにより、負荷部30の慣性モーメントJLが変動したとしても、この変動に追従して期間T1〜T3を更新でき、結果として、振動を抑えつつモータ10を駆動することができる。
Then, the
図13は、期間T1〜T3を更新する前の回転角度θM(t)と、更新後の回転角度θM(t)とを示すグラフであり、図13(b)は図13(a)の目標角度3.6[deg]付近の拡大図である。図示のように、期間T1〜T3を更新することで、振動を抑制できる。 FIG. 13 is a graph showing the rotation angle θ M (t) before the period T1 to T3 is updated and the rotation angle θ M (t) after the update, and FIG. 13B is a graph illustrating the rotation angle θ M (t). It is an enlarged view near target angle 3.6 [deg]. As shown in the figure, the vibration can be suppressed by updating the periods T1 to T3.
このように、第2の実施形態では、モータ10の駆動中にシャフト12の振動を計測し、振動が許容範囲を超えた場合、期間T1〜T3を更新する。そのため、負荷部30の慣性モーメントJLが変動した場合でも、短時間でシャフト回転角度θM(t)が目標角度θtgに到達し、かつ、到達後の振動モードを抑制できる。
As described above, in the second embodiment, the vibration of the
なお、図10のステップS15では、テーブル52を用いずに、第1の実施形態と同様の手法で期間T1〜T3を算出してもよい。また、電流パターン更新装置50がコンピュータに内蔵される例を示したが、駆動装置20に内蔵されてもよい。さらに、本実施形態では電流パターン算出部で負荷部30の慣性モーメントJLを算出する例を示したが、負荷部30に関するパラメータのうち他の少なくとも1つを算出して、電流パターンを更新してもよい。
In step S15 of FIG. 10, the periods T1 to T3 may be calculated by the same method as in the first embodiment without using the table 52. Moreover, although the example in which the current
上述した実施形態で説明したモータの駆動システムの少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、モータの駆動システムの少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやCD−ROM等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。 At least a part of the motor drive system described in the above-described embodiment may be configured by hardware or software. When configured by software, a program for realizing at least part of the functions of the motor drive system may be stored in a recording medium such as a flexible disk or a CD-ROM, and read and executed by a computer. The recording medium is not limited to a removable medium such as a magnetic disk or an optical disk, but may be a fixed recording medium such as a hard disk device or a memory.
また、モータの駆動システムの少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線(無線通信も含む)を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。 Further, a program for realizing at least a part of the functions of the motor drive system may be distributed via a communication line (including wireless communication) such as the Internet. Further, the program may be distributed in a state where the program is encrypted, modulated or compressed, and stored in a recording medium via a wired line such as the Internet or a wireless line.
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態には限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。 Based on the above description, those skilled in the art may be able to conceive additional effects and various modifications of the present invention, but the aspects of the present invention are not limited to the individual embodiments described above. Absent. Various additions, modifications, and partial deletions can be made without departing from the concept and spirit of the present invention derived from the contents defined in the claims and equivalents thereof.
10 ステッピングモータ
11 ロータ
12 シャフト
13A,13B コイル
20 駆動装置
21 パルス生成部
22 電流制御部
23 比較部
30 負荷部
31 カップリング
32 負荷
40 エンコーダ
50 電流パターン更新装置
51 電流パターン算出部
52 テーブル
DESCRIPTION OF
Claims (18)
取り付けられた負荷部の動特性を考慮した前記ステッピングモータの動作を表現する数理モデルにおける、前記ステッピングモータに関するパラメータを同定するステップと、
前記数理モデルにおける、前記負荷部に関するパラメータを同定するステップと、
前記計測された遷移期間と前記同定されたパラメータとを用い、前記数理モデルに基づいて、前記ステッピングモータのシャフトの回転角度の時間変化を算出するステップと、
前記算出されたシャフトの回転角度が予め定めた目標角度に到達するまでに要する時間と、前記目標角度に到達した後の振動の大きさと、に基づいて、前記コイルに流れる電流のパターンを決定するステップと、
前記決定された前記電流のパターンにて、前記ステッピングモータを駆動するステップと、を備えることを特徴とするステッピングモータの駆動方法。 Measuring a transition period required for the phase of the current flowing in the coil of the stepping motor to switch; and
Identifying a parameter relating to the stepping motor in a mathematical model representing the operation of the stepping motor in consideration of the dynamic characteristics of the attached load section;
Identifying a parameter related to the load in the mathematical model;
Using the measured transition period and the identified parameter, and calculating a time change of the rotation angle of the shaft of the stepping motor based on the mathematical model;
A pattern of current flowing in the coil is determined based on the time required for the calculated rotation angle of the shaft to reach a predetermined target angle and the magnitude of vibration after reaching the target angle. Steps,
And a step of driving the stepping motor with the determined current pattern.
前記数理モデルは下記(1)〜(3)式で表されることを特徴とする請求項1に記載のステッピングモータの駆動方法。
The stepping motor driving method according to claim 1, wherein the mathematical model is expressed by the following equations (1) to (3).
前記コイルに流れる電流のパターンを算出するステップでは、(4),(5)式のT1〜T3を算出することを特徴とする請求項2に記載のステッピングモータの駆動方法。
3. The stepping motor driving method according to claim 2, wherein in the step of calculating the pattern of the current flowing through the coil, T1 to T3 in the equations (4) and (5) are calculated.
複数通りの前記期間T1乃至T3のそれぞれを前記(4),(5)式に設定し、前記(1)乃至(3)式に基づいて算出される、前記シャフトが前記目標角度に到達するまでに要する時間と、前記目標角度に到達した後の振動の大きさと、を算出するステップと、
前記複数通りの前記期間T1乃至T3のうち、前記目標角度に到達するまでに要する時間が所定時間以内であり、かつ、前記目標角度に到達した後の振動の大きさが所定値以下となる、期間T1乃至T3を選択するステップと、を有することを特徴とする請求項3に記載のステッピングモータの駆動方法。 Determining the current pattern comprises:
Each of the plurality of periods T1 to T3 is set in the equations (4) and (5), and calculated based on the equations (1) to (3) until the shaft reaches the target angle. Calculating the time required for and the magnitude of vibration after reaching the target angle;
Of the plurality of periods T1 to T3, the time required to reach the target angle is within a predetermined time, and the magnitude of vibration after reaching the target angle is equal to or less than a predetermined value. The stepping motor driving method according to claim 3, further comprising: selecting a period T1 to T3.
前記負荷部を取り外した状態で前記第1および第2のコイルに電流を流し、前記シャフトの回転角度を計測するステップと、
前記(2)式および前記計測された前記シャフトの回転角度に基づいて、前記JM,DMおよびKTを同定するステップと、を有することを特徴とする請求項2乃至5のいずれかに記載のステッピングモータの駆動方法。 Identifying the parameters for the stepping motor comprises:
Passing a current through the first and second coils with the load section removed, and measuring a rotation angle of the shaft;
6. The step of identifying the J M , D M, and K T based on the equation (2) and the measured rotation angle of the shaft is provided. A driving method of the stepping motor described.
複数通りの前記JM,DMおよびKTのそれぞれを前記(2)式に設定し、前記シャフトの回転角度θM(t)を算出するステップと、
前記複数通りの前記JM,DMおよびKTのうち、前記算出された回転角度θM(t)と、前記計測されたシャフトの回転角度と、の差が最も小さくなるJM、DMおよびKTを選択するステップと、を有することを特徴とする請求項6に記載のステッピングモータの駆動方法。 Identifying said J M , D M and K T comprises:
Setting each of a plurality of types of J M , D M and K T in the equation (2), and calculating a rotation angle θ M (t) of the shaft;
Among the plurality of types of J M , D M and K T , the difference between the calculated rotation angle θ M (t) and the measured rotation angle of the shaft becomes the smallest J M , D M And a step of selecting KT . 7. The stepping motor driving method according to claim 6, further comprising:
前記負荷部を取り付けた状態で前記第1および第2のコイルに1周期の電流を流し、前記シャフトの回転角度を計測するステップと、
前記(1),(2)式および計測された前記シャフトの回転角度に基づいて、前記JLおよび前記KLを同定するステップと、を有することを特徴とする請求項2乃至7のいずれかに記載のステッピングモータの駆動方法。 Identifying a parameter relating to the load section,
Passing a current of one cycle through the first and second coils with the load portion attached, and measuring a rotation angle of the shaft;
Wherein (1), based on the rotation angle of the shaft is measured (2) and any of claims 2 to 7, characterized in that it has the steps of: identifying the J L and the K L A stepping motor driving method described in 1.
複数通りの前記JLおよびKLのそれぞれを前記(1)および(2)式に設定し、前記シャフトの回転角度θM(t)を算出するステップと、
前記複数通りの前記JLおよびKLのうち、前記算出された回転角度θM(t)と、前記計測されたシャフトの回転角度と、の差が最も小さくなるJLおよびKLを選択するステップと、を有することを特徴とする請求項8に記載のステッピングモータの駆動方法。 Identifying the J L and the K L comprises:
Setting each of the plurality of J L and K L in the equations (1) and (2), and calculating the rotation angle θ M (t) of the shaft;
Among the J L and K L of the plural kinds, selecting with the calculated rotation angle θ M (t), the rotation angle of the measured shaft, the difference of the smallest J L and K L of And a stepping motor driving method according to claim 8.
前記計測された振動が所定の許容範囲内か否かを判定するステップと、
前記許容範囲内でない場合、前記負荷部に関するパラメータの少なくとも1つを算出するステップと、
前記算出されたパラメータに基づいて前記電流のパターンを更新するステップと、を備えることを特徴とする請求項2乃至9のいずれかに記載のステッピングモータの駆動方法。 Driving the stepping motor to measure vibration of the rotation angle of the shaft;
Determining whether the measured vibration is within a predetermined tolerance;
If not within the tolerance, calculating at least one of the parameters for the load section;
The stepping motor driving method according to claim 2, further comprising a step of updating the current pattern based on the calculated parameter.
前記計測された振動が所定の許容範囲内か否かを判定するステップと、
前記許容範囲内でない場合、取り付けられた負荷部の動特性を考慮した前記ステッピングモータの動作を表現する数理モデルにおける前記負荷部に関するパラメータの少なくとも1つを、予め計測された前記コイルに流れる電流の相が変化するのに要する遷移時間を考慮して算出するステップと、
前記算出されたパラメータに基づいて電流のパターンを更新するステップと、
前記更新された前記電流のパターンにて、前記ステッピングモータを駆動するステップと、を備えることを特徴とするステッピングモータの駆動方法。 Driving a stepping motor by passing a predetermined current pattern through a coil, and measuring vibration of a rotation angle of a shaft of the stepping motor;
Determining whether the measured vibration is within a predetermined tolerance;
If not within the allowable range, at least one of the parameters related to the load unit in the mathematical model expressing the operation of the stepping motor in consideration of the dynamic characteristics of the attached load unit is a pre-measured current of the coil. Calculating taking into account the transition time required for the phase to change;
Updating a current pattern based on the calculated parameters;
And a step of driving the stepping motor with the updated current pattern.
前記許容範囲内でない場合、取り付けられた負荷部の動特性を考慮した前記ステッピングモータの動作を表現する数理モデルにおける前記負荷部に関するパラメータの少なくとも1つを、予め計測された前記ステッピングモータのコイルに流れる電流の相が変化するのに要する遷移時間を考慮して算出するとともに、前記算出されたパラメータに基づいて電流のパターンを更新する電流パターン算出部と、
前記更新された前記電流のパターンにて、前記ステッピングモータを駆動する駆動部と、を備えることを特徴とするステッピングモータの駆動システム。 A comparison unit for determining whether the vibration of the rotation angle of the shaft of the stepping motor is within a predetermined allowable range;
If it is not within the allowable range, at least one of the parameters related to the load unit in the mathematical model expressing the operation of the stepping motor in consideration of the dynamic characteristics of the attached load unit is stored in the coil of the stepping motor measured in advance. A current pattern calculation unit that calculates the transition time required for the phase of the flowing current to change and updates the current pattern based on the calculated parameter;
A drive unit for driving the stepping motor with the updated current pattern.
前記電流パターン算出部は、前記テーブルを用いて、前記電流のパターンを更新することを特徴とする請求項15に記載のステッピングモータの駆動システム。 A table showing a relationship between at least one of the parameters related to the load section and the current pattern;
The stepping motor drive system according to claim 15, wherein the current pattern calculation unit updates the current pattern using the table.
前記電流パターン算出部は、前記テーブルを用いて、前記電流のパターンを更新することを特徴とする請求項17に記載の電流パターン更新装置。 A table showing a relationship between at least one of the parameters related to the load section and the current pattern;
The current pattern update device according to claim 17, wherein the current pattern calculation unit updates the current pattern using the table.
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