JP2014207784A

JP2014207784A - ステッピングモータの駆動方法及び駆動装置

Info

Publication number: JP2014207784A
Application number: JP2013084094A
Authority: JP
Inventors: 誠一小松澤; Seiichi Komatsuzawa
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: JP6184726B2

Abstract

【課題】機器の位置決め時間を短縮し、かつ、起動時における振動の発生を抑制すること。【解決手段】ステッピングモータをスローアップ駆動する際に、予め励磁位相を所定角度進めた状態でステッピングモータを加速させ、これによって、トルク発生状態でステッピングモータをスローアップ駆動する。【選択図】図２

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動方法及び駆動装置に関するものである。

図７にステッピングモータの角度−トルク（θ−Ｔ）特性を示し、また、図８に同モータの速度−トルク（Ｎ−Ｔ）特性の一例を示す。なお、図８に示すＴ_Ｐ（０）及びＴ_Ｐ（ｆ）は、それぞれ速度０及び速度ｆのときのプルアウトトルクを示している。
このような特性を有するステッピングモータでは、一般的に、起動時に図９に示すようなスローアップ駆動が行われる。従来のスローアップ駆動では、励磁位相が零の状態、つまり、トルクが零である図７の安定点位置θ_０からステッピングモータを起動するようにしているので、図１０に実線で示したような動作を行う。すなわち、等加速度運動のような動き出しを行い、また、図７に示す角度-トルク特性の関係から、加速中にばね共振のような振動を発生する。
なお、図１０において、二点鎖線は指令速度を、点線はプルアウトトルクに相当する加速レートを、垂直方向の矢印は指令位置の変化に伴って発生したトルクによる加速動作をそれぞれ示している。

図１１は、プルアウトトルクで算出した加速時間で起動した場合を示している。この場合、図７に示す角度-トルク特性に起因して動き出しのトルクの発生に遅れを生じるので（垂直方向の矢印参照）、動き出しのエネルギーが不足してロータが脱調するおそれがある。
このような脱調を防止するには、加速時間にマージン（水平方向の矢印参照）を取る必要があるが、そのようにすると、発生トルクを最大限に使うことができなくなって、位置決め時間が長くなる。

特許文献１は、スローアップ駆動時における脱調を防止する方法を提案している。この方法は、ステップ数Ｓ０で静止しているステッピングモータを回転させ始める際、Ｓ０＋１のステップ数に対応する励磁を行うためのＴ１時間の通電中に吸引能力を低下させる処置（例えば、一時的に励磁電圧や励磁電流を低下させる処置、あるいは、一時的に通電を停止してしまう処置、あるいは、一時的に対応しない励磁相に通電してブレーキ作用を営ませる処置等）を実行するものである。この方法によれば、起動時の振動を抑制して脱調を防止することができる。

ところで、ステッピングモータの回転開始時における駆動対象の慣性モーメントが大きい場合には、複数の励磁コイルを順次駆動することにより作り出される回転磁界に対して、ロータが大きく遅れる傾向で回転が始まることになる（所謂、アンダーシュート）。その後、ロータは、回転磁界との位相差を小さくする方向に、想定した速度よりも高速で回転することになる。そして、この高速回転により回転磁界とロータとの位相差が小さくなると、該ロータが減速して、回転磁界とロータとの位相差が再び拡大する現象が発生する。
このような速度変化が繰り返して発生することが、駆動対象の振動に繋がることになる。特に、このような振動が発生する状況では、脱調を生じるおそれがあり、また、駆動対象を停止させる際に、目標とする回転位置を超えた位置に停止する、所謂、オーバーシュートを生じるおそれがある。

特許文献２は、以上の問題点を改善するための技術、具体的には、既定の駆動信号に初期加速を増すための駆動信号を付加するという技術を提案している。この技術によれば、初期加速が増大されるので、ステッピングモータの回転開始時に回転磁界に対してロータが大きく遅れるという現象を抑制することができる。

特開平５−３３６７９９号公報特開２００５−５１９２８号公報

しかし、特許文献１に係る技術では、一時的に吸引能力が低下されるので、その後の加速時間が長くなるという問題、すなわち、高速化が阻害されるという問題が発生する。
また、特許文献２に係る技術では、既定の駆動信号に初期加速増加用の駆動信号を付加する場合に、既定の駆動信号に対する付加信号の挿入位置を慣性モーメントや摩擦負荷により調整する必要があるが、この挿入位置をあらゆる負荷条件に対応させることは困難である。

そこで、本発明は、機器の位置決め時間を短縮し、かつ、起動時における振動の発生を抑制することができるステッピングモータの駆動方法及び駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、ステッピングモータをスローアップ駆動する際に、予め励磁位相を所定角度進めた状態で前記ステッピングモータを加速させるステッピングモータの駆動方法を提供する。この方法によれば、トルク発生状態でステッピングモータがスローアップ駆動される。

一例として、上記所定角度は電気角で９０°に設定される。
他の例として、前記所定角度は、下記式に基づいて設定される。

ここで、
θ_Ｆ：起動時に進める位相角［°］
Ｔ_Ｐ（ｆ）：モータ回転速度に応じたプルアウトトルク［Ｎ・ｍ］
Ｔ_Ｐ（０）：速度０の時のプルアウトトルク［Ｎ・ｍ］
（ホールディングトルク）

また、本発明は、スローアップ駆動が可能なステッピングモータの駆動装置であって、運転開始時に励磁位相を所定角度進める指令を発生する手段と、
前記指令に基づいて前記ステッピングモータを駆動する駆動手段と、備え、前記励磁位相を進めることによってトルク発生状態で前記ステッピングモータをスローアップ駆動させるステッピングモータの駆動装置も提供する。

本発明によれば、少なくとも次のような効果が得られる。
・加速時間にマージンを取る必要が無くなる。したがって、機器の位置決め時間を短縮して、機器の高速化を図ることができる。
・振動の発生が少なくなるので、より安定した加速が可能となる。
・負荷に対応した進み角を励磁位相に持たせることにより、負荷によらず一定の電流を流すことが可能である。この場合、トルクを有効に使って短い時間で位置決めを行うことができるようになるので、総エネルギー量を低減できる。（無効電力が減るので省エネになる。）

本発明に係るステッピングモータの駆動装置の一構成例を示すブロック図である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本発明に係る指令速度及び指令位置の変化パターンを例示した図である。（ａ）及び（ｂ）は、運転開始時に励磁位相を進める処理を行わない場合における指令速度及び指令位置の変化パターンをそれぞれ示す図である。本発明に係るステッピングモータの駆動装置の他の構成例を示すブロック図である。（ａ）及び（ｂ）は、負荷トルクに対応した進み位相角を励磁位相に持たせた場合のモータトルク及び指令速度の変化パターンを例示した図である。（ａ）及び（ｂ）は、進み位相角を励磁位相に持たせない場合のモータトルク及び指令速度の変化パターンを例示した図である。ステッピングモータの角度−トルク特性を示す図である。ステッピングモータの速度−トルク特性の一例を示すグラフである。ステッピングモータの駆動パターンの一例を示すグラフである。ステッピングモータの速度変化の従来例を示すグラフである。プルアウトトルクで算出した加速時間で起動した場合におけるステッピングモータの速度変化の従来例を示したグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
本発明は、ステッピングモータの励磁位相を運転開始と同時にある角度進め、それによって、ステッピングモータをトルクが発生した状態で起動させるようにしている。
ここで、運転開始時における励磁位相の進め角は、例えば、次のように設定される。すなわち、ステッピングモータのトルクは、図７に示した角度−トルク（θ−Ｔ）特性から明らかなように、位相角が電気角で９０°の時に最大となる。そこで、一実施例として、運転開始時における励磁位相の進め角を電気角で９０°とする。

図１は、励磁位相を運転開始時に進めることが可能な本発明に係るステッピングモータの駆動装置の構成例を示す。この駆動装置は、運転データを予め設定、保存する機能を持つ「ストアードデータタイプ」の駆動装置であって、データ設定器１と、駆動回路３とを備えている。
データ設定器１は、パーソナルコンピュータ、プログラマブルコントローラ等で構成される。
駆動回路３は、一定時間ごとの運転データ（起動速度、運転速度、駆動ステップ数、加減速レート等）を複数保存できるメモリと、該メモリから出力される運転データに基づいてステッピングモータ５の巻線に流す電流を演算し、その電流を該モータ５に出力する電流制御回路とを内蔵している。上記メモリに格納される一定時間ごとの運転データは、データ設定器１によって個別に独立して設定、編集することが可能である。

上記メモリに格納された運転データは、加速時間０で励磁位相を９０°（電気角）進めるように作成されている。従って、駆動回路３に運転開始信号が入力される同時に、励磁位相が９０°進められ、その後、ステッピングモータの特性、負荷条件、運転条件による、運転速度、駆動ステップ数、加減速レートが設定された駆動が実行される。この場合、基本的に起動速度は０とする。
上記の運転データによる指令速度及び指令位置の変化パターンを図２（ａ）及び図２（ｂ）にそれぞれ示す。図２（ｂ）において、指令位置がθ_Ｆまで進められる時間、つまり、励磁位相が９０°進められる時間は、実際には０もしくは０と見做すことができる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に、運転開始時に励磁位相を９０°進める処理を行わない場合における指令速度及び指令位置の変化パターンをそれぞれ示す。この場合、動き出しのトルクの発生に遅れを生じるので、動き出しのエネルギーが不足して脱調を生じるおそれがある。そこで、図示のように加速時間にマージンを取るようにしているが、これは、機器の位置決め時間を長くさせることになる。
これに対して、運転開始と同時に励磁位相を９０°進める本実施形態によれば、起動時からステッピングモータ５がトルクを発生することになるので、加速時間にマージンを取る必要が無く、そのため、機器の位置決め時間が短くて済む。

図４は、駆動装置の他の構成例を示す。この駆動装置は、運転データをパルス信号で入力する「パルス列入力タイプ」の駆動装置であって、プログラマブルコントローラ７、パルス発振器９及び駆動回路１１を備えている。
パルス発振器９は、運転データ（起動速度、運転速度、駆動ステップ数、加減速レート等）に対応したパターンのパルス発振が可能であり、プログラマブルコントローラ７からの運転開始信号の入力に伴って、このプログラマブルコントローラ７によって選択指定されたパターンでパルス発振を行う。すなわち、運転開始信号の入力時に、励磁位相を電気角で９０°進めるのに必要な数のパルス信号をロータが追従できないような十分に高い周波数で発生し、その後に通常の駆動（スローアップ駆動等）を行うためのパルス信号を発生する。

例えば、電気角の一周期が機械角で７．２°、ロータの歯数が５０のステッピングモータの場合、励磁位相を電気角で９０°進めることは、機械角で１．８°進めることになる。そこで、ステッピングモータ５が５相ステッピングモータの場合には、ハーフステップ駆動（１ステップ０．３６°駆動）とし、５パルスを用いてスローアップ駆動する前に、ロータが追従できない十分速い速度に対応する１０ｋＨｚ程度の周波数を入力することになる。

駆動回路１１は、パルス発振器９から出力されるパルス信号に基づいてステッピングモータ５の巻線に流す電流を発生し、その電流を該モータ５に出力する。従って、この駆動装置を用いた場合でも、例えば図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す指令速度及び指令位置の変化パターンに従ったステッピングモータ５の駆動を行うことができる。

次に、運転開始時に負荷トルクに対応した進み位相角を励磁位相に持たせる実施形態について説明する。
回転速度に応じたプルアウトトルクを使ってステッピングモータを駆動する場合、その限界加速時間は下記（３）式のように表される。

ここで、
ｔ_ａ：加速時間［ｓ］
Ｊ_０：ロータ慣性モーメント［ｋｇ・ｍ^２］
Ｊ_Ｌ：負荷慣性モーメント［ｋｇ・ｍ^２］
θ_Ｓ：モータステップ角［°］
ｆ：運転パルス周波数［Ｈｚ］
Ｔ_Ｐ（ｆ）：モータ回転速度に応じたプルアウトトルク［Ｎ・ｍ］
Ｔ_Ｃ：外的負荷トルク（摩擦トルク）［Ｎ・ｍ］

上記ロータ慣性モーメントＪ_０、モータステップ角θ_Ｓ、運転パルス周波数ｆ及びプルアウトトルクＴ_Ｐ（ｆ）は、ステッピングモータの仕様から既知である。したがって、負荷慣性モーメントＪ_Ｌ及び外的負荷トルクＴ_Ｃが知られれば、加速時間ｔ_ａを算出することができる。
そこで、本実施形態では、上記の条件（負荷トルクＴ_Ｃ、負荷慣性モーメントＪ_Ｌ、加速時間ｔ_ａ）のときに、起動時に進める位相角を下記（４）式を用いて設定する。

ここで、
θ_Ｆ：起動時に進める位相角［°］
Ｔ_Ｐ（０）：モータ回転速度０の時のプルアウトトルク［Ｎ・ｍ］
（ホールディングトルク）

上記の（４）式で計算された結果を使えば、図５（ａ）に示すように常に一定のトルクＴ_Ｐ（ｆ）で起動することができるため、振動の発生が少なくなって、より安定した加速が可能となる。また、トルクを有効に使って短い時間で位置決めを行うことができるようになるので、総エネルギー量を低減することができる。図５（ｂ）は、本実施形態における指令速度の変化パターンを示す。
図６（ａ）及び図３（ｂ）は、起動時に励磁位相を進めない場合におけるモータトルク及び指令速度の変化パターンをそれぞれ示す。この場合、モータがトルク０から起動されるため、図７に示す角度−トルク特性の影響でトルクに振動が発生する。そこで、図示のように加速時間にマージンを取って脱調を防止することになるが、これは、機器の位置決め時間を長くさせることになる。

なお、図１及び図４に示すステッピングモータ駆動装置において、上記の（４）式で計算した進み角θ_Ｆを設定できない場合は、計算値に近い進み角を設定すればよい。より計算値に近い進み角を設定するには、上記ステッピングモータ駆動装置としてマイクロステップ駆動ができる構成のものを採用して、分解能を高く（ステップ角を小さく）すれば良い。

１データ設定器
３駆動回路
５ステッピングモータ
７プログラマブルコントローラ
９パルス発振器
１１駆動回路

Claims

ステッピングモータをスローアップ駆動する際に、予め励磁位相を所定角度進めた状態で前記ステッピングモータを加速させ、これによって、トルク発生状態で前記ステッピングモータをスローアップ駆動することを特徴とするステッピングモータの駆動方法。
前記所定角度は、電気角で９０°であ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。
前記所定角度は、下記式に基づいて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のステッピングモータの駆動方法。

ここで、
θ_Ｆ：起動時に進める位相角［°］
Ｔ_Ｐ（ｆ）：モータ回転速度に応じたプルアウトトルク［Ｎ・ｍ］
Ｔ_Ｐ（０）：速度０の時のプルアウトトルク［Ｎ・ｍ］
（ホールディングトルク）
スローアップ駆動が可能なステッピングモータの駆動装置であって、
運転開始時に励磁位相を所定角度進める指令を発生する手段と、
前記指令に基づいて前記ステッピングモータを駆動する駆動手段と、備え、
前記励磁位相を進めることによってトルク発生状態で前記ステッピングモータをスローアップ駆動させるようにしたことを特徴とするステッピングモータの駆動装置。
前記所定角度は、電気角で９０°であることを特徴とする請求項４に記載のステッピングモータの駆動装置。
前記所定角度は、下記式に基づいて設定されることを特徴とする請求項４に記載のステッピングモータの駆動装置。

ここで、
θ_Ｆ：起動時に進める位相角［°］
Ｔ_Ｐ（ｆ）：モータ回転速度に応じたプルアウトトルク［Ｎ・ｍ］
Ｔ_Ｐ（０）：速度０の時のプルアウトトルク［Ｎ・ｍ］
（ホールディングトルク）