JP2018098897A - モータ制御装置およびモータ制御方法、撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの駆動トルクの変動を低減可能なモータ制御装置およびモータ制御方法を提供すること。
【解決手段】モータ制御装置は、駆動対象７００であるステッピングモータの駆動制御において、ロータマグネットの回転角の位相を検出するホール素子１０１，１０２の検出信号によってコイルの通電を切り替える制御を行う。ロータマグネットの回転角を検出する回転角度検出部７０１は、ホール素子１０１，１０２から検出信号を取得し、正規化した信号値を位相象限判別部７０２に出力する。位相象限判別部７０２は複数の検出信号の信号値に係る位相の象限を判別し、位相の象限に基づき、モータの駆動トルク特性を補正するための補正値を算出する関数を決定する。駆動電圧補正値出力部７０３は、決定された関数を用いてモータ駆動電圧の補正値を算出して駆動電圧信号を出力することにより、モータの駆動トルクを一定化させる制御を行う。
【選択図】 図６

Description

本発明は、モータの駆動トルクを制御する技術に関する。

一眼レフカメラ等の撮像装置では、レンズやミラー等の駆動源にモータが使用される。例えば、ミラーユニットはステッピングモータにより駆動される。この場合、駆動トルクの変動を考慮することなく駆動電圧に係るデューティー比の制御によりミラーユニットの駆動が行われる。駆動電圧の駆動デューティー比は、あらかじめ決められた駆動電流となるように電源電圧から算出される。一方で、特許文献１には駆動トルクの変動を補正する制御が開示されている。

特開２００１−１７８１９３号公報

特許文献１の制御方法では、一般的なステッピングモータのトルク特性に基づいて駆動トルクの補正を行っている。しかし、ホール素子による検出信号に応じてコイルの通電を切り替えるモータ駆動において駆動トルク特性が非線形となり、トルク変動が増加した場合には、モータによる駆動対象の動作や速度が安定しなくなる可能性がある。
本発明の目的は、モータの駆動トルクの変動を低減可能なモータ制御装置およびモータ制御方法を提供することである。

本発明の一実施形態の装置は、モータの駆動トルクを制御する制御手段を備えるモータ制御装置であって、前記モータのロータの回転を検出する複数の検出手段と、前記複数の検出手段により検出される複数の検出信号の位相関係から、前記モータに供給する駆動信号を補正する補正値を算出する算出手段と、前記補正値によって補正された前記モータの駆動信号を出力する出力手段と、を備える。前記算出手段は、前記位相関係を表す座標平面における位相の象限に対応する、前記補正値を算出する関数を用いて、前記補正値を算出する。

本発明によれば、モータの駆動トルクの変動を低減することができる。

本発明の実施形態のステッピングモータの構成例を表す模式図である。 図１に示すモータの回転時の駆動トルク特性を説明する図である。 図１に示すモータの回転検出信号、駆動電圧、トルクを説明する図である。 Ａ相およびＢ相のホール素子の各信号値の位相象限を定義した図である。 本実施形態のモータの駆動制御を説明するフローチャートである。 本実施形態の駆動制御を実現する装置の構成例を示すブロック図である。 本実施形態の駆動制御を適用した場合のトルク特性を説明する図である。

以下に本発明の実施形態について、添付図面を用いて詳細に説明する。本発明は、例えばレンズやミラー等の光学部材の駆動源であるモータおよびモータ制御装置に適用可能である。

図１は、本実施形態のステッピングモータの構成例を表す模式図である。図１（Ａ）は、駆動対象であるステッピングモータ１００を、その出力軸であるシャフト１１０に沿う方向から見た場合の図である。図１（Ｂ）はステッピングモータ１００において、ロータマグネットおよびステータコイルと、ロータの回転位置検出素子であるホール素子の配置例を示す。ステッピングモータ１００はロータに同期して回転するシャフト１１０を備える。ロータと一体化されたロータマグネット１００ＭＧは、Ｓ極マグネット１０５とＮ極マグネット１０６から成る。

ホール素子１０１，１０２は、ロータマグネット１００ＭＧの外周側に配置され、ロータマグネット１００ＭＧの回転角の位相を磁気的に検出する。ホール素子１０１はＡ相検出素子であり、ホール素子１０２はＢ相検出素子である。

ロータマグネット１００ＭＧの外周側には複数のコイル１０３および１０４が、円周方向に沿って配置される。ステータを磁化するコイル１０３はＡ相コイルであり、コイル１０４はＢ相コイルである。

ホール素子１０１，１０２とコイル１０３，１０４は、Ａ相およびＢ相の組で構成される。ホール素子１０１，１０２は、ロータマグネット１００ＭＧの回転中心を基準として、Ａ相とＢ相で定められた角度（以下、進角という）に対応する位置となるように配置される。さらにＡ相コイル１０３とＢ相コイル１０４は、ロータマグネット１００ＭＧの回転中心を基準として、円周方向にて９０°の位相をずらした４箇所の各位置に配置されている。本実施形態では、２種類の進角を設定することでモータの動特性の使い分けが可能な構成である。モータの動特性については後述する。

ステッピングモータ１００において、コイル１０３，１０４に電流を供給することでステータを磁化させ、ロータに回転方向の電磁気力を与えることによりロータが回転する。ステッピングモータ１００の駆動トルクはシャフトへと伝達されて、外部への出力となる。このとき、ホール素子１０１，１０２は、検出信号として、ロータマグネット１００ＭＧの磁極に応じた信号電圧を出力する。つまり、Ａ相およびＢ相の各ホール素子の信号電圧からロータマグネット１００ＭＧの磁極を判別することができる。各ホール素子の出力する信号電圧は、電源電圧に依存する。

本実施形態では、ロータマグネット１００ＭＧのＮ極に対してホール素子１０１，１０２が＋電圧（正電圧）を出力し、Ｓ極に対してホール素子１０１，１０２が−電圧（負電圧）を出力する信号出力系を想定して説明する。Ａ相ホール素子１０１がＳ極を検出したとき、Ａ相コイル１０３にはＮ極となる向きの電流が供給される。一方で、Ｂ相ホール素子１０２がＳ極を検出したとき、Ｂ相コイル１０４にはＳ極となる向きの電流が供給される。また、Ａ相ホール素子１０１がＮ極を検出したとき、Ａ相コイル１０３にはＳ極となる向きの電流が供給される。さらにＢ相ホール素子１０２がＮ極を検出したとき、Ｂ相コイル１０４にはＮ極となる向きの電流が供給される。このように連続的にＡ相コイルとＢ相コイルの通電を切り替えることで、ロータの回転を継続させる制御が行われる。

図２は、図１に示すステッピングモータ１００の回転時の駆動トルク特性を表わしている。駆動トルク特性は設定された進角によって一意に決定される。図２（Ａ）のグラフは進角が０°に設定された場合の駆動トルク特性を示し、図２（Ｂ）のグラフは進角が４５°に設定された場合の駆動トルク特性を示す。各図の横軸はロータの回転角（位相角であり、単位は度）を表し、縦軸はモータのトルクを表す。以下では、進角を４５°とした場合のトルク特性を例にとって説明する。

ロータの回転角の位相が０°である場合、モータから取り出せるトルクを、トルク曲線Ｌ１に示す。この状態からロータの回転位相を４５°まで進めた場合、Ａ相ホール素子１０１がロータマグネット１００ＭＧの磁極を検知することで、Ａ相コイル１０３の通電がロータマグネット１００ＭＧの磁極に応じて切り替えられる。このことにより、モータから取り出せるトルクはトルク曲線Ｌ２に示すようになる。ロータの回転位相を１３５°まで進めた場合には、Ｂ相ホール素子１０２がロータマグネット１００ＭＧの磁極を検知することで、Ｂ相コイル１０４の通電がロータマグネット１００ＭＧの磁極に応じて切り替えられる。これはＡ相とＢ相とに９０°の位相差があるために、このようなタイミングで切り替わることになる。このことにより、モータから取り出せる合力がトルク曲線Ｌ３に示すようになる。

さらに、ロータの回転位相を進めると、２２５°の位相でＡ相ホール素子１０１がロータマグネット１００ＭＧの磁極を検知することで、Ａ相コイル１０３の通電がロータマグネット１００ＭＧの磁極に応じて切り替えられる。このことにより、モータから取り出せるトルクは、トルク曲線Ｌ４に示すようになる。ロータの回転角が３１５°の位相となった場合には、Ｂ相ホール素子１０２がロータマグネット１００ＭＧの磁極を検知することで、Ｂ相コイル１０４の通電がロータマグネット１００ＭＧの磁極に応じて切り替えられる。このことにより、Ａ相コイルとＢ相コイルの磁極は初期位相の状態に戻るので、モータから取り出せるトルクはトルク曲線Ｌ１に示すようになる。

図３は、図１に示すステッピングモータ１００の構成におけるロータの回転角の位相と、各ホール素子の信号値と、モータの駆動電圧およびトルクとの相関関係を示している。図３には、ロータマグネット１００ＭＧの磁極と、Ａ相およびＢ相のホール素子の各出力の時間変化と、モータの駆動電圧の時間変化と、モータのトルクの時間変化をそれぞれ示す。

ロータの回転角の位相が０°のとき、Ａ相ホール素子１０１の信号値は正の最大値であり、Ｂ相ホール素子１０２の信号値は０である。ロータの回転角の位相が９０°のとき、Ａ相ホール素子１０１の信号値は０であり、Ｂ相ホール素子１０２の信号値は正の最大値である。さらにロータの回転角の位相が１８０°のとき、Ａ相ホール素子１０１の信号値は最小値（負の最大値）であり、Ｂ相ホール素子１０２の信号値は０である。ロータの回転角の位相が２７０°のとき、Ａ相ホール素子１０１の信号値は０であり、Ｂ相ホール素子１０２の信号値は最小値（負の最大値）である。
モータの駆動電圧は時間経過に依らず一定であり、モータのトルクは時間的に変動している。

以上、ロータの回転角の位相とホール素子の信号値とトルク特性の相関について説明した。本実施形態では、この相関を応用して駆動トルクのばらつきを低減する制御を説明する。

図４は、図３で示したＡ相およびＢ相のホール素子の信号値を、２次元の座標平面に表した図である。図４は横軸にＡ相ホール素子１０１の信号値をとり、縦軸にＢ相ホール素子１０２の信号値をとって、座標平面上での位相象限（第一乃至第四象限）を定義した図である。ロータが正転方向に回転したときに、円形のグラフ上で位相象限は左回り（反時計回り）方向に位相が進むものとする。ここで、座標平面の各象限を以下のように定義し、各象限における補正計算式を一次関数で示す。”Ｔｃ”は、ステッピングモータ１００に入力される駆動電圧の変調に用いる補正値を示す。この補正値は、ステッピングモータに供給する駆動信号を補正するための補正値である。本実施形態では、補正値Ｔｃは０から１の値域をとるように正規化されている。”Ｓａ”はＡ相ホール素子１０１の信号値を正規化した値を示し、”Ｓｂ”はＢ相ホール素子１０２の信号値を正規化した値を示す。

（１）第一象限：０°から９０°までの位相角の範囲（図４ではＩと表記する）、つまり、０≦Ｓａ≦１、かつ０≦Ｓｂ≦１
Ｔｃ＝１−Ｓａ
（２）第二象限：９０°から１８０°までの位相角の範囲（図４ではＩＩと表記する）、つまり、−１≦Ｓａ≦０、かつ０≦Ｓｂ≦１
Ｔｃ＝１＋Ｓａ
（３）第三象限：１８０°から２７０°までの位相角の範囲（図４ではＩＩＩと表記する）、つまり、−１≦Ｓａ≦０、かつ−１≦Ｓｂ≦０
Ｔｃ＝１＋Ｓａ
（４）第四象限：２７０°から３６０°までの位相角の範囲（図４ではＩＶと表記する）、つまり、０≦Ｓａ≦１、かつ−１≦Ｓｂ≦０
Ｔｃ＝１−Ｓａ

（１）第一象限と（４）第四象限にて、駆動トルクの特性はＡ相ホール素子１０１の信号に対して同相関係を示している。このため、Ａ相ホール素子１０１の信号電圧とは逆相となるように駆動電圧を補正することで、トルクの落ち込み（一時的な低下）を低減できる。つまり補正計算式としてステッピングモータ１００の駆動トルクを増加させる関数を用いて駆動電圧の補正処理が行われる。座標平面の第一象限と第四象限における補正計算式（関数式）は、「Ｔｃ＝１−Ｓａ＝１＋（−１）×Ｓａ」と定義される。つまり、Ｓａの係数「−１」は逆相関係を意味する。

（２）第二象限と（３）第三象限にて、駆動トルクの特性はＡ相ホール素子１０１の信号に対して逆相関係を示している。このため、Ａ相ホール素子１０１の信号電圧と同相となるように駆動電圧を補正することで、トルクの落ち込みを低減できる。つまり補正計算式としてステッピングモータ１００の駆動トルクを増加させる関数を用いて駆動電圧の補正処理が行われる。座標平面の第二象限と第三象限における補正計算式は「Ｔｃ＝１＋Ｓａ＝１＋（＋１）×Ｓａ」と定義される。つまり、Ｓａの係数「＋１」は同相関係を意味する。

図５および図６を参照して、本実施形態におけるモータ制御を詳細に説明する。図５は、モータ制御装置が行う駆動制御を説明するフローチャートである。図６は駆動制御を実現するためのモータ制御装置６００の構成例を示すブロック図である。駆動対象７００はステッピングモータであり、Ａ相ホール素子１０１とＢ相ホール素子１０２は、ロータの回転状態（回転位相）を検出する。

回転角度検出部７０１は、Ａ相ホール素子１０１とＢ相ホール素子１０２からそれぞれ出力される信号を正規化し、位相象限判別部７０２に出力する。位相象限判別部７０２は、Ａ相ホール素子１０１とＢ相ホール素子１０２の各信号電圧に基づいて、該当する位相象限を判別し、判別結果を駆動電圧補正値出力部（以下、単に補正値出力部という）７０３に出力する。補正値出力部７０３は、前記補正計算式を用いて補正値を算出して加算部７０５に出力する。駆動電圧制御部７０４は、所望の駆動トルクを得るために必要な駆動電圧を出力する制御部である。駆動電圧制御部７０４は駆動対象７００への駆動信号として駆動電圧を加算部７０５に出力する。駆動電圧制御部７０４は一定の電圧が出力されるように制御を行う。これに対し、補正値出力部７０３はモータの回転位相に応じて駆動トルクの変動を低減するように電圧を変調する処理を行う。加算部７０５は駆動電圧制御部７０４の出力と、補正値出力部７０３の出力とを加算し、加算後の出力を駆動対象７００に供給する。図５を参照して処理例を説明する。

図５のＳ７００では、回転角度検出部７０１がロータの回転角度を検出する。次のＳ７０１で回転角度が取得された後、Ｓ７０２内の処理に移行する。Ｓ７０２内の各ステップは位相象限判別部７０２が実行する処理を示す。Ｓ７０２１では、現時点でのＡ相およびＢ相の各ホール素子１０１，１０２の信号値について、位相関係が第一象限内であるか否かが判定される。現時点の位相象限が第一象限であると判定された場合、Ｓ７０２４の処理に進み、第一象限でないと判定された場合には、Ｓ７０２２の処理に進む。

Ｓ７０２２では、現時点でのＡ相およびＢ相の各ホール素子１０１，１０２の信号値について、位相関係が第二象限内であるか否かが判定される。現時点の位相象限が第二象限であると判定された場合、Ｓ７０２５の処理に進み、第二象限でないと判定された場合には、Ｓ７０２３の処理に進む。Ｓ７０２３では、現時点でのＡ相およびＢ相の各ホール素子１０１，１０２の信号値について、位相関係が第三象限内であるか否かが判定される。現時点の位相象限が第三象限であると判定された場合、Ｓ７０２６の処理に進み、第三象限でない（つまり、第四象限である）と判定された場合には、Ｓ７０２７の処理に進む。

Ｓ７０２４からＳ７０２７では、判別された位相象限に対応する補正計算式（関数式）が決定される。つまり、Ｓ７０２４とＳ７０２７では関数式「Ｔｃ=１−Ｓａ」を用い、Ｓ７０２５とＳ７０２６では関数式「Ｔｃ=１＋Ｓａ」を用いることが決定される。次にＳ７０３で補正値出力部７０３は、決定された補正計算式を用いて補正値を算出し、加算部７０５に出力する。モータの駆動制御中にはＳ７００からＳ７０３の処理が繰り返し実行される。

図７は、本実施形態のモータ制御におけるロータの回転角の位相と、各ホール素子の信号値と、補正計算式を適用した場合のモータの駆動電圧およびトルクとの相関関係を示している。図７には、ロータマグネット１００ＭＧの磁極と、Ａ相およびＢ相のホール素子の各出力の時間変化と、モータの駆動電圧の時間変化と、モータのトルクの時間変化をそれぞれ示す。モータの駆動電圧は加算部７０５の出力に相当し、図７には実線で示す。比較のため、図３に示す一定の駆動電圧を点線で示す。またモータのトルクを実線の一定直線で示しており、比較のため、図３に示すトルクを点線で示す。Ｔ１からＴ４は位相座標平面の第一乃至第四象限にそれぞれ対応する期間を示す。

図７に示すとおり、モータの駆動電圧は、補正計算式を適用することにより、モータの駆動トルクが一定となるように補正される。第一象限に対応する期間Ｔ１では時間の経過に従って駆動電圧を増加させる補正処理が行われ、第二象限に対応する期間Ｔ２では時間の経過に従って駆動電圧を減少させる補正処理が行われる。第三象限に対応する期間Ｔ３では時間の経過に従って駆動電圧を増加させる補正処理が行われ、第四象限に対応する期間Ｔ４では時間の経過に従って駆動電圧を減少させる補正処理が行われる。これらの補正処理によって、ステッピングモータ１００の駆動トルクの変動を低減し、駆動トルクが一定となるモータ制御を実現できる。なお、本実施形態では、モータ制御部が位相象限判別部７０２と補正値出力部７０３を備える構成例を説明したが、位相象限の判別ならびにモータ駆動信号の補正値の算出および出力を１つの算出処理部が行う構成でもよい。

本実施形態のモータ制御は、モータにより駆動される可動光学部材の駆動制御に適用することができる。可動光学部材とは、光学系を構成する可動レンズや可動ミラー等である。例えば、１眼レフカメラ等の撮像装置が備えるミラーユニットのモータ制御装置へ適用する場合、ステッピングモータの駆動トルクの変動を低減させることで、ミラーユニットの速度ムラを減少させることができる。なおミラーユニットは、撮像光学系を通過した光を所定位置へ導く位置と、撮像光学系の光軸上から退避した位置との間で移動される可動の反射部材を備えるユニットである。

本実施形態によれば、ロータの回転位置検出信号に応じてコイルの通電を切り替えるモータの駆動制御において、駆動トルクの変動を抑制することにより、駆動対象の動作を安定化させることができる。

１００ ステッピングモータ
１０１，１０２ ホール素子
１０３，１０４ コイル
１０５，１０６ マグネット
７０１ 回転角度検出部
７０２ 位相象限判別部
７０３ 駆動電圧補正値出力部
７０４ 駆動電圧制御部

Claims (10)

1. モータの駆動トルクを制御する制御手段を備えるモータ制御装置であって、
   前記モータのロータの回転を検出する複数の検出手段と、
   前記複数の検出手段により検出される複数の検出信号の位相関係から、前記モータに供給する駆動信号を補正する補正値を算出する算出手段と、
   前記補正値によって補正された前記モータの駆動信号を出力する出力手段と、を備え、
   前記算出手段は、前記位相関係を表す座標平面における位相の象限に対応する、前記補正値を算出する関数を用いて、前記補正値を算出する
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記位相の象限を判別し、前記モータの駆動トルクを増加させる前記関数を決定する判別手段を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記複数の検出手段として、前記ロータの回転を検出する第１および第２の検出手段を備え、
   前記判別手段は、前記モータの駆動トルクの特性が前記第１の検出手段による検出信号に対して同相関係である第一象限と第四象限にて第１の関数を決定し、前記モータの駆動トルクの特性が前記第１の検出手段による検出信号に対して逆相関係である第二象限と第三象限にて第２の関数を決定する
   ことを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記算出手段は、前記第１の関数を用いて前記第１の検出手段による検出信号とは逆相関係である前記補正値を算出し、前記第２の関数を用いて前記第１の検出手段による検出信号と同相関係である前記補正値を算出する
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記第１の検出手段は、第１の相の検出信号を出力し、
   前記第２の検出手段は、第２の相の検出信号を出力し、
   前記制御手段は、前記第１および第２の相で定められる複数の進角を設定することで前記モータの動特性を制御する
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記判別手段は判別した前記位相の象限から、前記モータの駆動トルクが最大となる前記関数を決定する
   ことを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記モータはロータマグネットおよびステータコイルを備え、
   前記複数の検出手段は、前記ロータマグネットの回転を磁気的に検出する検出素子を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
8. 前記モータはステッピングモータであり、
   前記制御手段は、前記検出素子による検出信号にしたがって前記ステータコイルの通電を切り替える制御を行う
   ことを特徴とする請求項７に記載のモータ制御装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
   前記モータおよび該モータにより駆動される可動光学部材と、を備える
   ことを特徴とする撮像装置。
10. モータの駆動トルクを制御する制御手段を備えるモータ制御装置にて実行されるモータ制御方法であって、
    前記モータのロータの回転を複数の検出手段によって検出する検出工程と、
    前記複数の検出手段により検出される複数の検出信号の位相関係から、前記モータに供給する駆動信号を補正する補正値を算出する算出工程と、
    前記補正値によって補正された前記モータの駆動信号を出力する出力工程と、を有し、
    前記算出工程では、前記位相関係を表す座標平面における位相の象限に対応する、前記補正値を算出する関数を用いて、前記補正値を算出する処理が行われる
    ことを特徴とするモータ制御方法。
    
    
    
    

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