JP2013027156A

JP2013027156A - モータ制御装置

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Publication number: JP2013027156A
Application number: JP2011159833A
Authority: JP
Inventors: Koji Akata; 弘司赤田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-02-04

Abstract

【課題】ガタやバックラッシュ量に関わらず安定して高速な駆動を行うモータ制御装置を提供する。
【解決手段】ステッピングモータと、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検出センサと、ステッピングモータをオープンループ制御によって駆動するものであって、一定の駆動周波数の駆動パルスをステッピングモータに供給する一定速駆動と、駆動周波数が徐々に高くなる駆動パルスをステッピングモータに供給する加速駆動とを切り替えて行うオープンループ駆動手段とを有し、オープンループ駆動手段がステッピングモータに駆動パルスを供給してから位置検出センサの出力が変化するまでの時間が予め設定した基準値以下となる場合には、オープンループ駆動手段は一定速駆動を行い、基準値より大きくなる場合には、オープンループ駆動手段は加速駆動を行うことを特徴とする。
【選択図】図１０

Description

本発明は、モータ制御装置に関し、特にロータの位置を検出する位置センサを有するモータを駆動する制御装置に関するものである。

ステッピングモータは、小型、低コスト、高トルクといった特徴のほかに、コイルへの通電切り替えによって所定の角度毎に回転可能であるため、位置センサ無しで容易に位置制御が可能であるという特徴を有している。そのため、決められた時間間隔に従ってコイルへの通電状態を切り替えるオープンループ制御による駆動モードが一般的に用いられている。しかし、高速駆動時あるいは高負荷条件時では、コイルへの通電切り替えに対してロータが応答できなくなり、脱調を起こしやすいという問題がある。そこで、加減速時は、ロータ位置を検出する位置センサの出力に応じてコイルへの通電状態を切り替えるフィードバック制御を行うことによって、高速駆動が可能な駆動モードに切り替えることができるステップモータの提案がなされている。また、オープンループ制御とフィードバック制御を組み合わせることにより、低速時はオープンループ制御で駆動し、高速時はフィードバック制御で駆動することで、幅広い速度の駆動を精度よく行う提案もなされている。図１２は、従来のオープンループ制御とフィードバック制御の組み合わせ例を示す図である。図１２において、横軸はステップ数もしくは時間、縦軸はモータの回転速度もしくは被駆動部材の移動速度を示す。ｔｐ_１はオープンループ制御による駆動の加速期間、ｔｐ_２はフィードバック制御による駆動の加速期間である。ｔｐ_３は一定速期間（Ｖｃｍ）、ｔｐ_４はフィードバック制御による駆動の減速期間、ｔｐ_５はオープンループ制御による駆動の減速期間である。そして、Ｐｃ_１はオープンループ制御による駆動からフィードバック制御による駆動に切り替える切り替え点、Ｐｃ_２はフィードバック制御による駆動からオープンループ制御による駆動に切り替える切り替え点である。加速時は所定の速度（オープンループ制御による駆動で脱調しない速度）に達した時点（Ｖｃ_１）でフィードバック制御による駆動に切り替える。減速時は所定の速度（オープンループ制御による駆動で脱調しない速度）以下になった時点（Ｖｃ_２）でオープンループ制御による駆動に切り替える。

また、特許文献１によれば、複数の加減速駆動パターンをメモリーに記憶させておき、駆動するステップ数（モータの回転量）に応じて、加減速駆動パターンをメモリーより読み出して、最適な速度パターンで駆動する方法が開示されている。

特開昭６０−２８８００号公報

通常、ステッピングモータの駆動力は、ギアやカムなどの伝達機構を介して駆動対象物を駆動する。伝達機構にはガタやバックラッシュが存在し、製造誤差によってガタ量やバックラッシュの量は異なる。この点を考慮して、オープンループ駆動による加速期間ｔｐ_１の前に十分なオープンループ駆動による一定速期間を設けて、この一定速期間中に伝達機構のガタやバックラッシュを吸収している。したがって、オープンループ駆動による一定速期間は、想定しうる最大のガタ量または最大のバックラッシュ量に基づいて、オープンループ駆動による一定速期間の長さを設定している。

しかしながら、ガタ量やバックラッシュの量はモータ駆動装置が使用される環境や経年変化によっても変化するので、オープンループ駆動による一定速期間では、ガタやバックラッシュを吸収することができない場合がある。この場合には、ガタやバックラッシュがある状態で加速を開始し、駆動周波数が高くなったステップが供給される時点でガタやバックラッシュがない状態となって駆動負荷が大きくなることが考えられる。このときには、駆動周波数が高すぎて駆動を開始する始動のためのトルクが足らず脱調してしまう。

一方、オープンループ駆動による一定速期間を長く設定すると、ガタやバックラッシュがない状態となった後にも、オープンループ駆動による一定速期間が続き、加速期間ｔｐ_１による加速が開始されるまでの時間が長くなってしまう。

本発明は、ガタやバックラッシュ量に関わらず安定して高速な駆動を行うモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ステッピングモータと、前記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検出センサと、前記ステッピングモータをオープンループ制御によって駆動するものであって、一定の駆動周波数の駆動パルスを前記ステッピングモータに供給する一定速駆動と、駆動周波数が徐々に高くなる駆動パルスを前記ステッピングモータに供給する加速駆動とを切り替えて行うオープンループ駆動手段とを有し、前記オープンループ駆動手段が前記ステッピングモータに駆動パルスを供給してから前記位置検出センサの出力が変化するまでの時間が予め設定した基準値以下となる場合には、前記オープンループ駆動手段は前記一定速駆動を行い、前記オープンループ駆動手段が前記ステッピングモータに駆動パルスを供給してから前記位置検出センサの出力が変化するまでの時間が予め設定した基準値より大きくなる場合には、前記オープンループ駆動手段は前記加速駆動を行うことを特徴とする。

本発明によれば、駆動装置のバックラッシュがある状態では、オープンループ駆動の加速期間に入らないようにすることで、駆動装置のバックラッシュ量に関わらず安定して高速な駆動を行うモータ制御装置を提供することができる。

本発明の実施例に用いられるステッピングモータの分解斜視図である。本発明のモータ制御装置の構成図である。ヨークと位置センサとロータの位相関係を示す軸方向断面図である。ロータの回転位置とモータトルクとの関係及びロータの回転位置と位置検出センサの出力の関係を示す図である。進角回路の構成を示す回路図である。フィードバック駆動の動作を示す軸方向断面図である。進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合のロータの回転角度とモータトルクおよび各信号の出力との関係を示す図である。進角を変えたときのトルクと回転数の関係を示す図である。本発明の実施例におけるモータの駆動時間またはステップ数と速度を示す図である。駆動電圧波形、ロータ回転角度、センサ出力波形を示す図である。オープンループ駆動におけるモータの駆動パターンと駆動周波数を示す図である。従来のモータの駆動時間またはステップ数と速度を示す図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施例に用いられるステッピングモータ１０１の分解斜視図である。

まず、ステッピングモータ１０１の部品構成について説明する。ロータ２０２は、マグネット２０２ａとシャフト部２０２ｂを有する。第１の軸受４０３と第２の軸受４０４は、それぞれシャフト部２０２ｂを軸支する。第１のコイル２０３は、非導電部材で形成されたボビン４０１に巻かれている。第２のコイル２０４は、非導電部材で形成されたボビン４０２に巻かれている。第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６は、電磁鋼板等で形成されている。リング部材４０５は、第１のヨーク２０５、第２のヨーク２０６、ボビン４０１およびボビン４０２をそれぞれ位置決めする。フレキシブルプリント基板４０６は、第１のコイル２０３と第２のコイル２０４と電気的に接続される。フレキシブルプリント基板４０６には、ロータの周方向に後述する第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８が実装されている。なお、マグネット２０２ａ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。

次に、各部品の相関について説明する。ロータ２０２は、長軸側が第１の軸受４０３に、短軸側が第２の軸受４０４により軸支されている。第１の軸受４０３は、ボビン４０１に設けられた穴部（第１のコイル２０３の内径部）４０１ａに挿通される。第２の軸受４０４は、ボビン４０２に設けられた穴部（第２のコイル２０４の内径部）４０２ａに挿通される。第１の軸受４０３の外径部が第１のヨーク２０５の穴部２０５ａに圧入により固定される。第２の軸受４０４の外径部が第２のヨーク２０６の穴部２０６ａに圧入により固定される。その際、第１のヨーク２０５の歯部２０５ｂは、ボビン４０１に設けられた穴部４０１ｂに挿通される。第２のヨーク２０６の歯部２０６ｂは、ボビン４０２に設けられた穴部４０２ｂに挿通される。

以上によりボビン（コイル含む）４０１と第１のヨーク２０５と第１の軸受４０３は、一体となる。同様に、ボビン（コイル含む）４０２と第２のヨーク２０６と第２の軸受４０４は、一体となる。そして、ボビンの内径部４０１ｃ、４０２ｃをリング部材４０５の外径部４０５ａにそれぞれ嵌合させる。この時に第１のヨーク２０５の歯部２０５ｂおよび第２のヨーク２０６の歯部２０６ｂの先端付近がロータ２０２のマグネット面に対向するように配置される。

図２は、本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。位置センサ信号処理回路３０１は、前述のステッピングモータ１０１と、ステッピングモータ１０１に含まれる第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力を処理する。位置センサ信号処理回路３０１からの出力は、制御部３０２およびフィードバック駆動回路３０３に入力される。制御部３０２は、フィードバック制御による駆動、オープンループ制御による駆動のいずれかを選択して、駆動パルス数と回転方向を出力する制御手段として機能する。フィードバック駆動回路３０３は、制御部３０２により選択され、ステッピングモータ１０１の駆動信号を生成するフィードバック駆動手段として機能する。オープンループ駆動回路３０４は、制御部３０２により選択され、ステッピングモータ１０１の駆動信号を生成するオープンループ駆動手段として機能する。フィードバック駆動回路３０３から出力される駆動パルスおよびオープンループ駆動回路３０４から出力される駆動パルスは、モータドライバ３０５を介してステッピングモータ１０１に供給される。
（オープンループ駆動）
次に、ステッピングモータ１０１のオープンループ駆動について説明する。

制御部３０２がオープンループ駆動を選択すると、制御部３０２はオープンループ駆動回路３０４に駆動パルス数と回転方向を出力する。オープンループ駆動回路３０４は、入力された駆動パルス数と回転方向にしたがって、予め設定される時間間隔の駆動パルスをモータドライバ３０５に出力する。モータドライバ３０５は、予め設定される時間間隔の駆動パルスにしたがって、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを順次切り替える。オープンループ駆動では、オープンループ駆動回路３０４が出力する駆動パルスの時間間隔を変更することによって、ロータ２０２の回転速度を変更することが可能である。また、オープンループ駆動回路３０４は、制御部３０２から入力された駆動パルス数だけ駆動パルスを出力するので、ロータ２０２の回転量を制御することが可能である。

オープンループ駆動では、予め設定される時間間隔で第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを切り替える。

オープンループ駆動の際に、駆動パルスの時間間隔を短くしていくと、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンの切り替えに対してロータが応答できなくなり、脱調をおこす可能性がある。このため、オープンループ駆動における高速駆動は、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンの切り替えに対してロータが応答できる範囲内となる。
（フィードバック駆動）
次に、フィードバック駆動について説明する。

制御部３０２がフィードバック駆動を選択すると、制御部３０２はフィードバック駆動回路３０３に駆動パルス数と回転方向を出力する。フィードバック駆動回路３０３は、入力された駆動パルス数と回転方向にしたがって、所定の時間間隔の駆動パルスをモータドライバ３０５に出力する。フィードバック駆動回路３０３から出力される駆動パルスの時間間隔は、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力によって変化する。モータドライバ３０５は、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力によって変化する時間間隔の駆動パルスにしたがって、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを順次切り替える。フィードバック駆動では、フィードバック駆動回路３０３は、制御部３０２から入力された駆動パルス数だけ駆動パルスを出力するので、ロータ２０２の回転量を制御することが可能である。また、フィードバック駆動回路３０３は進角回路を含み、進角回路は、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力から進角信号を生成する。フィードバック駆動回路３０３は進角量を制御することで、ステッピングモータ１０１のトルク−回転数特性を変化させることが可能となる。進角制御については後述する。

フィードバック駆動では、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力によって変化する時間間隔で第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを切り替える。ロータ２０２の位置に応じて、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンの切り替えを行うため、ロータ２０２の応答遅れによる脱調の発生を低減でき、オープンループ駆動よりも高速駆動が可能になる。
（位置センサ位相）
次に、ステッピングモータ１０１におけるヨークと位置センサの位相関係について説明する。

図３は、ヨークと位置センサとロータの位相関係を示す軸方向断面図である。図中で時計回りを正の方向とする。２０５ｂ_１〜ｂ_４は第１のヨーク２０５の磁極歯、２０６ｂ_１〜ｂ_４は第２のヨーク２０６の磁極歯である。本実施例では、マグネットの極数は８極、着磁角Ｐは４５°である。また、第１のヨークを基準とすると、第２のヨークの位相Ｐ／２は−２２．５°、第１の位置センサ２０７の位相β１は＋２２．５°、第２の位置センサ２０８の位相β２は−４５°である。

以下の説明では、電気角を用いてモータの動作を説明する。電気角とは、マグネット磁力の１周期を３６０°として表したものであり、ロータの極数をＭ、実際の角度をθ_０とすると、電気角θは以下の式で表せる。

θ＝θ_０×Ｍ／２（式１−１）
第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６の位相差、第１の位置センサ２０７と第２の位置センサ２０８の位相差、第１のヨーク２０５と第１の位置センサ２０７の位相差は全て電気角で９０°である。なお、図３において、第１のヨークの磁極歯の中心とマグネット２０２ａのＮ極中心が対向している。この状態をロータの初期状態とし、電気角０°とする。
（ロータ位置とモータトルクの関係、ロータ位置とセンサ出力の関係）
ここで、ステッピングモータ１０１におけるロータ位置とモータトルクとの関係、ロータ位置とセンサ出力の関係について説明する。

図４は、ロータの回転位置とモータトルクとの関係、ロータの回転位置と位置検出センサ出力の関係を示すグラフである。

図４（ａ）は、ロータ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、ロータを時計回りに回転させるトルクを正とする。

第１のコイル２０３に正方向の電流を流すと、第１のヨーク２０５がＮ極に磁化し、マグネット２０２ａの磁極との間に電磁気力が発生する。また、第２のコイル２０４に正方向の電流を流すと、第２のヨーク２０６がＮ極に磁化し、マグネット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２０２の回転にともな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、第１のヨーク２０５は第２のヨーク２０６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（ｂ）はロータ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。

マグネット２０２ａの径方向磁力の強さは、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、第１の位置センサ２０７からは概略正弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ａ）。なお、本実施例では、第１の位置センサ２０７は、マグネット２０２ａのＮ極と対向するときに正の値を出力する。

また、第２の位置センサ２０８は第１の位置センサ２０７に対して電気角で９０°の位相をもって配置されるため、第２の位置センサ２０８からは余弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ｂ）。なお、本実施例では、第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して極性を反転してあるため、マグネット２０２ａのＳ極と対向するときに正の値を出力する。
（フィードバック駆動の進角演算と回路構成）
フィードバック駆動回路３０３に含まれる進角回路は、位置センサ信号処理回路３０１にて処理された、第１の位置センサ２０７の出力と第２の位置センサ２０８の出力をもとに所定の演算を行う。そして、進角回路によって第１の進角信号と第２の進角信号を出力する。以下、進角信号の演算方法について述べる。

電気角θ、第１の位置センサ２０７の出力をＨＥ１、第２の位置センサ２０８の出力をＨＥ２とすると、各信号は次のように表される。

ＨＥ１＝ｓｉｎθ、ＨＥ２＝ｃｏｓθ （式２−１）
また、ＨＥ１を進角αだけ進めた第１の進角信号をＰＳ１、ＨＥ２を進角αだけ進めた第２の進角信号をＰＳ２とすると、ＨＥ１，ＨＥ２，αを用いて、次のように演算することが可能である。

ＰＳ１＝ｓｉｎ（θ＋α）＝ＨＥ１×ｃｏｓα＋ＨＥ２×ｓｉｎα （式３−１）
ＰＳ２＝ｃｏｓ（θ＋α）＝ＨＥ２×ｃｏｓα−ＨＥ１×ｓｉｎα （式３−２）
本実施例ではこの演算式をもとに進角回路を構成する。

図５は、進角回路の構成を示す回路図である。本実施例における進角回路を、例えば図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、各位置センサ出力を所定の増幅率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。それらに適切な抵抗値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。

ＰＳ１＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｓｉｎθ＋Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｃｏｓθ （式４−１）
ＰＳ２＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｃｏｓθ−Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｓｉｎθ （式４−２）
回路中の可変抵抗Ｒ、Ｒ１、Ｒ２を次のように選ぶことで、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。

Ｒ／Ｒ１＝ｃｏｓα，Ｒ／Ｒ２＝ｓｉｎα （式５−１）
さらに、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。

以上に説明した進角信号の生成方法は、本発明を実現するための一例であり、この方法のみに限定されない。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上記進角信号の生成方法と同様の効果が得られる。
（フィードバック駆動の通電切り替え）
ここで、フィードバック駆動における通電切り替えについて説明する。まず、進角回路から出力される進角信号が有する進角がゼロの場合についてフィードバック駆動の動作を説明する。

図４（ｂ）において、センサ信号Ａ、Ｂは、それぞれ第１及び第２の位置センサ２０７、２０８の出力である。２値化信号Ａ、Ｂは、位置センサ信号Ａ、Ｂに対し、コンパレータを用いて２値化を行った信号である。

フィードバック駆動では、２値化信号Ａをもとに第１のコイル２０３の通電を切り替え、２値化信号Ｂをもとに第２のコイル２０４の通電を切り替える。すなわち、２値化信号Ａが正の値を示すとき第１のコイル２０３に正方向の電流を流し、負の値を示すとき第１のコイル２０３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第２のコイル２０４に正方向の電流を流し、負の値を示すとき第２のコイル２０４に逆方向の電流を流す。

図６は、フィードバック駆動の動作を示す軸方向断面図である。

図６（ａ）は、ロータが電気角で１３５°回転した状態を示している。センサ信号Ａ、Ｂは図４（ｂ）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、第１のコイル２０３には正方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＮ極に磁化し、第２のコイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）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２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（ｂ）は、ロータ２０２が電気角で１８０°回転した状態を示している。第１の位置センサ２０７はマグネット２０２ａ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、第１のコイル２０３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、第１のコイル２０３の通電方向が切り換わった状態を示している。第１のコイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）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２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（ｃ）はロータ２０２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（ｂ）の（Ｃ）で示した値を示しており、２値化信号Ａ、Ｂはともに負の値を示している。従って、第１のコイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）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２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（ｄ）はロータ２０２が電気角で２７０°回転した状態を示している。第２の位置センサ２０８はマグネット２０２ａ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、第２のコイル２０４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（ｄ’）はロータが電気角で２７０°回転し、第２のコイル２０４の通電方向が切り換わった状態を示している。第１のコイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には正方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＮ極に磁化する。このとき、図４（ａ）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２０２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２０２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または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。
（フィードバック駆動の進角制御）
次に、進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合についてフィードバック駆動の動作を説明する。

図７は、進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合のロータの回転角度とモータトルクおよび各信号の出力との関係を示すグラフである。

図７（ｂ）は、ロータ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（ｂ）において、センサ信号Ａ、Ｂに対して進角信号Ａ、Ｂがそれぞれ所定の進角αだけ進んでいる。また、進角信号をもとに生成された２値化信号Ａ、Ｂもそれぞれセンサ信号Ａ、Ｂに対して進角αだけ進んでいる。フィードバック駆動では、２値化信号Ａをもとに第１のコイルの通電を切り替え、２値化信号Ｂをもとに第２のコイルの通電を切り替えるため、コイルの通電切り替えタイミングは進角がゼロの時に比べて進角αだけ早いことになる。

図８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。横軸はモータのトルクを、縦軸はモータの回転数を示す。

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性質がわかる。この性質を用いて、フィードバック駆動では駆動条件によって進角αを変える進角制御を行っている。一定の負荷条件下でＦＢ駆動を行う場合、進角αを制御することで駆動速度を制御することも可能である。
（ガタ量やバックラッシュ量に応じた駆動開始から目標位置までの動作）
上述したように、オープンループ駆動とフィードバック駆動とを組み合わせて駆動することによって、通常のステップモータと同等の精度で目標位置に停止可能であると同時に、通常のステップモータに比べ、より高速に目標位置に到達可能となる。そして、ガタ量やバックラッシュ量に関わらず安定して高速な駆動を行うモータ制御装置を実現できる。以下にその詳細を説明する。

図９において、横軸は駆動時間、縦軸はモータの回転速度もしくは被駆動部材の移動速度を示す。ｔａ_１はオープンループ駆動の一定速期間および加速期間であり、バックラッシュ量に相当したオープンループ駆動の一定速期間ｔｓ_１（駆動速度はＶｓ_１）とオープンループ駆動の加速期間ｔｓ_２とからなっている。ｔａ_２はフィードバック駆動の加速期間、ｔａ_３はフィードバック駆動の一定速期間（Ｖａｍ）、ｔａ_４はフィードバック駆動の減速期間、ｔａ_５はオープンループ駆動の減速期間である。そして、Ｐａ_１はオープンループ駆動からフィードバック駆動の駆動に切り替える切り替え点、Ｐａ_２はフィードバック駆動からオープンループ駆動に切り替える切り替え点である。制御部３０２は所定の速度（オープンループ制御による駆動で脱調しない速度以下に設定する速度）に達した時点（Ｖａ_１）でフィードバック駆動に切り替え、減速時は所定の速度以下になった時点（Ｖａ_２）でオープンループ駆動に切り替える。

ところで、上述したように、ステッピングモータ１０１の駆動力は、ギアやカムなどの伝達機構を介して駆動対象物を駆動する。伝達機構にはガタやバックラッシュが存在する。そして、製造誤差によってガタ量やバックラッシュの量は異なり、モータ駆動装置が使用される環境や経年変化によっても変化する。そこで、ガタ量またはバックラッシュ量を検出する方法を説明する。

図１０は、ステッピングモータ１０１を停止している状態から一定速度Ｖｓ_１でオープンループ駆動を開始したときの駆動電圧波形、ロータ回転角度、センサ出力波形である。すなわち、図１０は、図９に図示するオープンループ駆動の一定速期間ｔｓ_１におけるステッピングモータ１０１の駆動状態（一定速駆動）を示している。図１０（ａ）は、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４に通電するＡ相（Ａ＋、Ａ−）およびＢ相（Ｂ＋、Ｂ−）の駆動電圧波形を示している。図１０（ｂ）は、ロータ２０２の回転角度を示した図である。図１０（ｃ）は、第１の位置センサ２０７の出力を２値化した２値化信号ＨＡと第２の位置センサ２０８の出力を２値化した２値化信号ＨＢを示している。なお、図１０の横軸はステッピングモータ１０１の駆動を開始してからの経過時間を示しており、右方ほど時間が進んでいる。また、図１０の縦の点線は１ステップ毎の通電パターンの切り替えタイミングを示している。

図１０において、左から４ステップ目までは通電パターンの切り替えのタイミングに対してｔ１の遅れを伴ってロータの回転角度が１ステップ分進んでいる。またこれにより、センサ出力波形も時間ｔ１′遅れて切り替わっている。一方、左から５ステップ目（図中Ｐの位置）からは通電パターンの切り替えのタイミングに対して時間ｔ_２の遅れを伴ってロータの回転角度が１ステップ分進んでいる。またこれにより、センサ出力波形も時間ｔ_２′遅れて切り替わっている。

ここで、一定速度Ｖｓ_１にてオープンループ駆動した場合、バックラッシュが有る状態では、負荷が極めて小さいため、通電パターンの切り替わりタイミングに対して、ロータの回転角度の変化およびセンサの出力波形の切り替わりの遅れ時間は比較的小さくなる。一方、バックラッシュがない状態では、バックラッシュが有る状態と比べて負荷が大きくなるため、通電パターンの切り替わりタイミングに対して、ロータの回転角度の変化およびセンサの出力波形の切り替わりの遅れ時間は比較的大きくなる。

したがって、バックラッシュが有る状態での通電パターンの切り替わりタイミングに対するセンサ出力波形の切り替わりの遅れ時間の基準値ｔｓ′を予め制御部３０２に記憶させておく。そして、通電パターンの切り替わりタイミングに対するセンサ出力波形切り替わり遅れ時間が基準値ｔｓ′よりも大きくなったときには、制御部３０２はバックラッシュがない状態になったと判定する。なお、基準値ｔｓ′は、ｔ_１′≦ｔｓ′＜ｔ_２′となるように設定される。

本実施例では、通電パターンの切り替わりタイミングに対するセンサ出力波形切り替わりの遅れ時間が基準値ｔｓ′以下となっている間は、制御部３０２はバックラッシュが有る状態と判断する。そして、制御部３０２は、一定速度Ｖｓ_１でオープンループ駆動を行うように、オープンループ駆動回路３０４を制御する。この期間が図９に図示するオープンループ駆動の一定速期間ｔｓ_１となる。オープンループ駆動の一定速期間ｔｓ_１では、オープンループ駆動回路３０４は、図１１（ａ）に図示するように常に３５０ＰＰＳの駆動パルスをモータドライバ３０５へ出力する。

そして、通電パターンの切り替わりタイミングに対するセンサ出力波形切り替わりの遅れ時間が基準値ｔｓより大きくなったときには、制御部３０２はバックラッシュが有る状態と判断する。すると、制御部３０２は、次の通電パターンの切り替わりタイミングから図９に図示するオープンループ駆動の加速期間ｔｓ_２に切り替える。オープンループ駆動の加速期間ｔｓ_２に切り替えられると、オープンループ駆動回路３０４は、図１１（ｂ）に図示するように、駆動周波数が徐々に大きくなる駆動パルスをモータドライバ３０５へ出力する。

図１０に示す例では、ステッピングモータ１０１の駆動開始から５ステップ目に、通電パターンの切り替わりタイミングに対するセンサ出力波形切り替わりの遅れ時間が基準値ｔｓ′より大きくなっている。したがって、この例では、１ステップ目から５ステップ目までがオープンループ駆動の一定速期間ｔｓ_１となり、６ステップ目以降がオープンループ駆動の加速期間ｔｓ_２となる。

図１１（ａ）には、１０ステップ目まで示されているが、オープンループ駆動の一定速期間ｔｓ_１の最大値が１０ステップ目までという意味ではない。通電パターンの切り替わりタイミングに対するセンサ出力波形切り替わりの遅れ時間が基準値以下となっている間は、オープンループ駆動の一定速期間をｔｓ_１とする。そして、オープンループ駆動回路３０４は、３５０ＰＰＳの駆動パルスをモータドライバ３０５へ出力し続ける。

逆に、１ステップ目で、通電パターンの切り替わりタイミングに対するセンサ出力波形切り替わりの遅れ時間が基準値より大きくなっていれば、２ステップ目以降がオープンループ駆動の加速期間ｔｓ_２となり、加速駆動を始める。

これにより、オープンループ駆動の一定速期間ｔｓ_１にて、バックラッシュがある状態からバックラッシュがない状態となる。バックラッシュがない状態となった次の通電パターンの切り替わりタイミングからオープンループ駆動の加速期間ｔｓ_２を開始することができるので、安定した駆動が行える。また、バックラッシュがない状態であるにも関わらず、オープンループ駆動の一定速期間ｔｓ_１が続くこともないので、オープンループ駆動の期間が必要以上に長くなることもない。

モータを使用した駆動装置の負荷に応じて柔軟な駆動することで、幅広い負荷範囲で安定した駆動が実現できる。

１０１ステッピングモータ
２０７第１の位置センサ
２０８第２の位置センサ
３０４オープンループ駆動回路

Claims

ステッピングモータと、
前記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検出センサと、
前記ステッピングモータをオープンループ制御によって駆動するものであって、一定の駆動周波数の駆動パルスを前記ステッピングモータに供給する一定速駆動と、駆動周波数が徐々に高くなる駆動パルスを前記ステッピングモータに供給する加速駆動とを切り替えて行うオープンループ駆動手段とを有し、
前記オープンループ駆動手段が前記ステッピングモータに駆動パルスを供給してから前記位置検出センサの出力が変化するまでの時間が予め設定した基準値以下となる場合には、前記オープンループ駆動手段は前記一定速駆動を行い、
前記オープンループ駆動手段が前記ステッピングモータに駆動パルスを供給してから前記位置検出センサの出力が変化するまでの時間が予め設定した基準値より大きくなる場合には、前記オープンループ駆動手段は前記加速駆動を行うことを特徴とするモータ制御装置。
前記位置検出センサからの出力に基づいて、前記ステッピングモータをフィードバック制御によって駆動するフィードバック駆動手段と、
前記オープンループ駆動手段による前記ステッピングモータの駆動と前記フィードバック駆動手段による前記ステッピングモータの駆動とを切り替える制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記オープンループ駆動手段によって前記ステッピングモータを加速駆動した後、前記フィードバック駆動手段による前記ステッピングモータの駆動に切り替えることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。