JP3144651B2 - ステップモータの運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、起動から加速終了まで
の加速区間と加速終了から減速開始までの定速区間と減
速開始から停止までの減速区間からなる加減速制御用の
駆動パルス列で運転されるステップモータの運転方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にステップモータの運転方法とし
て、停止状態または自起動周波数から徐々に速度すなわ
ち駆動パルス周波数を増加させ所望の最高速度まで加速
してから定速状態に移行し、さらに所定の時刻から停止
に向けて徐々に減速する運転方法が採用される。従来の
運転方法をより具体的に示す一例としてＸ軸およびＹ軸
の駆動源にステップモータを使用したＸＹプロッタを引
用して説明する。図４は、従来からＣＡＤ分野等で用い
られるＸＹプロッタ機構の内部構造の概略を示す。同図
で１０はＸ軸ステップモータ、１２はＹ軸ステップモー
タ、１７はＸ軸駆動プーリ、１８はＸ軸駆動ベルト、１
９はＸ軸アイドラプーリ、２０はＸ軸ガイド、２１はＸ
軸スライダ、２２はＹ軸駆動プーリ、２３はＹ軸駆動ベ
ルト、２４はＹ軸アイドラプーリ、２５はＹ軸ガイド、
２６はキャリッジ、２７は記録ペン、２８はプラテン、
２９は記録媒体を示す。以下同図を用いてＸＹプロッタ
の動作原理を説明する。Ｘ軸ステップモータ１０に駆動
パルスが入力されると、該Ｘ軸ステップモータ１０の回
転軸に直結されたＸ軸駆動プーリ１７も同時に回転し、
このＸ軸駆動プーリ１７に巻回されたＸ軸駆動ベルト１
８が自由回転するＸ軸アイドラプーリ１９を周回して移
動する。一方このＸ軸駆動ベルト１８の一部はＸ軸スラ
イダ２１に固定されており、結果としてＸ軸ステップモ
ータ１０の回転量はＸ軸スライダ２１に固定されたＹ軸
ガイド２５を直線移動させるように変換されている。こ
の時の直線移動量の分解度はおよそ０．０２５ミリメー
トル／ステップとなるように制御されている。またＹ軸
駆動系もＸ軸同様にＹ軸ステップモータ１２の回転量を
Ｙ軸駆動プーリ２２、Ｙ軸駆動ベルト２３、Ｙ軸アイド
ラプーリ２４で直線変換し、Ｙ軸駆動ベルト２３に固定
されたキャリッジ２６がおよそ０．０２５ミリメートル
の分解度でＹ軸ガイド２５上を移動可能とする構成とな
っている。Ｘ軸およびＹ軸駆動パルスは、プロッタ内部
の演算処理回路によって２軸同時制御アルゴリズムによ
って生成され、キャリッジ２６に把持された記録ペン２
７の断続的な上下動作と組み合わせることによって所望
の軌跡がプラテン２８に載置された記録媒体２９上に描
かれる。

【０００３】このような構成のＸＹプロッタでは、装置
の価格を安価とするためＸ軸およびＹ軸の駆動源となる
ステップモータの駆動制御にオープンループ制御方式を
採用して運転するが、オープンループ制御方式のために
現在位置のフィードバックがなくステップモータの振動
現象などに起因する脱調による位置ズレを予め完全に防
止する処置が施される。このような処置の一策としてス
テップモータは可能な限り高速まで運転するためにも起
動から使用可能な最高速度に至る加速終了までの加速区
間と加速終了から減速開始までの定速区間と減速開始か
ら停止までの減速区間からなる所定の台形状の加減速パ
ターンに従った駆動パルス列で運転される。通常ＸＹプ
ロッタで作図される視覚像は短ベクトルの集合で表現さ
れる場合が多く、従って前記加速区間の途中すなわち使
用可能な最高速度に達する以前に定速へ移行しさらに減
速して停止することが頻繁に行われる。

【０００４】図５に従来のステップモータの運転に用い
られる加減速パターンを示す。Ｐ１が到達速度Ｖ１の場
合の加減速パターン、Ｐ２’が到達速度Ｖ２の場合の加
減速パターン、Ｐｍが最高速度Ｖｍの場合の加減速パタ
ーン、ｔ１が加減速パターンＰ１の加速終了時刻、ｔ２
が加減速パターンＰ２’の加速終了時刻、ｔ４が加減速
パターンＰｍの加速終了時刻、ｔ３が加減速パターンＰ
１の定速終了時刻、ｔ５’が加減速パターンＰ２’の定
速終了時刻、ｔ６が加減速パターンＰｍの定速終了時
刻、（ｔ３−ｔ１）が加減速パターンＰ１の定速区間、
（ｔ５’−ｔ２）が加減速パターンＰ２’の定速区間を
示している。いづれのパターンも定速終了時刻から停止
に至るまでの区間が減速区間を示している。従来のステ
ップモータの運転方法では制御アルゴリズムの簡便性か
ら（ｔ３−ｔ１）＝（ｔ５’−ｔ２）とする加減速パタ
ーンＰ１およびＰ２’が採用され、場合によっては（ｔ
３−ｔ１）＝（ｔ５’−ｔ２）＝０の三角状の加減速パ
ターンが採用されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
加減速パターンにおいては加速区間から定速区間および
定速区間から減速区間への移行変曲点では急激な加速度
の変化によって駆動系の運動方程式に不平衡状態を生
じ、この不平衡状態は振動エネルギとして消費される。
特にステップモータにおいてはこの振動エネルギによっ
て励起される不安定現象の影響に敏感であり、運転する
速度すなわち駆動パルスの周波数によっては発生する振
動の大きさや整定時間にバラツキがある。このため前述
のように定速区間の長さを一定にすると運転される速度
によっては振動の整定以前に定速区間から減速区間に移
行することになり、その変曲点（例えば時刻ｔ５’）で
再び大きな振動を発生し、結果として作図精度の悪化を
招くという不具合があった。また場合によってはこの振
動がステップモータの脱調現象を招いて現在位置の管理
が不能となり、ＸＹプロッタの信頼性を著しく損なうと
いう欠点もあった。一方、予め上記振動の整定に十分余
裕を持った一定の長さで定速区間を設けることもある
が、この場合は余分な定速区間が作図動作のスループッ
トを低下させる欠点となっていた。以上のような欠点
は、Ｘ軸およびＹ軸の駆動源としているステップモータ
の運転方法で特に加減速パターンの最適化について十分
な検討が為されていないことに起因していた。本発明
は、従来例にみられるステップモータの運転方法におけ
る加減速パターンを改善し、特に加速区間から定速区間
に移行した後の定速区間の長さを最適化してステップモ
ータの安定駆動を行い、位置管理の信頼性を向上しなが
ら高速に運転可能なステップモータの運転方法を実現す
ることを目的としている。

【０００６】

【問題を解決する為の手段】予め速度に対する振動特性
が既知のステップモータを起動から加速終了までの加速
区間と加速終了から減速開始までの定速区間と減速開始
から停止までの減速区間からなる駆動パルス列で駆動さ
れるステップモータの運転方法において、使用可能な最
高速度に至る加速区間の中間で、振動が大となる既知の
速度の定速区間に移行する場合に定速区間の長さを、最
高速度に至らない他の速度であって、かつ、あらかじめ
固定された長さの定速区間と異なる長さへ変更するよう
にした加減速パターンで運転する。

【０００７】

【作用】このような運転方法を用いると、ステップモー
タを振動に敏感な特定の速度による定速区間の長さを変
更するため加速区間から定速区間への移行時に発生した
振動が所定の量に整定してから減速区間へ移行すること
が可能となり、減速区間への移行時における振動を抑制
して位置決め精度の向上を図り、さらにステップモータ
の脱調を防止して位置管理の信頼性を高め、位置決め動
作のスループットの低下を最小限に抑制しながらこれら
一連の改良を施したステップモータの運転方法を実現す
ることが可能となる。

【０００８】

【実施例】従来例の説明と同様に本発明の一実施例をよ
り具体的に説明するため、記録装置で特にＸＹプロッタ
の駆動源にステップモータを応用した例を引用しながら
説明する。図１は、本発明のステップモータの運転方法
に使用される加減速パターンを示す。Ｐ１が到達速度Ｖ
１の場合の加減速パターン、Ｐ２が到達速度Ｖ２の場合
の加減速パターン、Ｐｍが使用可能な最高速度Ｖｍの場
合の加減速パターン、ｔ１が加減速パターンＰ１の加速
終了時刻、ｔ２が加減速パターンＰ２の加速終了時刻、
ｔ４が加減速パターンＰｍの加速終了時刻、ｔ３が加減
速パターンＰ１の定速終了時刻、ｔ５が加減速パターン
Ｐ２の定速終了時刻、ｔ６が加減速パターンＰｍの定速
終了時刻、（ｔ３−ｔ１）が加減速パターンＰ１の定速
区間、（ｔ５−ｔ２）が加減速パターンＰ２の定速区間
を示している。また、いづれの加減速パターンも定速終
了時刻から速度０の停止に至るまでの区間が減速区間を
示している。

【０００９】ＸＹプロッタが短ベクトルを作図するため
最高作図速度に到達する加速区間の中間で定速区間に移
行する場合に採用される定速区間の通常の長さは（ｔ３
−ｔ１）であり、加減速パターンＰ１で採用されてい
る。一般にステップモータに所定の負荷を連結して種々
の速度すなわち駆動パルス周波数で運転するとそれぞれ
の速度で運転した場合の振動特性は予め把握することが
可能であり、図１の場合では加減速パターンＰ２の到達
速度Ｖ２の近傍で通常より大きく振動的な動作軌跡を示
すため、定速区間の長さを（ｔ３−ｔ１）≠（ｔ５−ｔ
２）としており、さらに具体的には（ｔ３−ｔ１）＜
（ｔ５−ｔ２）として加減速パターンＰ２の定速区間の
長さを変更している。

【００１０】図２は、図１における加減速パターンＰ１
と加減速パターンＰ２の部分を拡大表示し、破線はこれ
らの加減速パターンで運転されるステップモータの動作
軌跡を示す。同図で、加速区間から到達速度Ｖ２の定速
区間に移行する際にステップモータで大きな振動を発生
するためこの振動が所定量に整定するまで定速区間の長
さが延長されるように加減速パターンＰ２が形成されて
いる。この結果、時刻ｔ２で発生した振動の残留振動に
よって影響を受けることなく定速区間から減速区間への
移行することが可能となり、また通常の短ベクトル作図
では加減速パターンＰ１における定速区間の（ｔ３−ｔ
１）に相当する長さが採用され、定速区間の延長による
作図動作のスループット低下を最小限とするように加減
速パターンが形成されている。

【００１１】本発明によるステップモータの運転方法を
採用した記録装置の内部制御回路を図３に示す。また本
発明の一実施例として説明に用いられるＸＹプロッタ機
構は従来例の説明に使用した図４の機構と同様である。
図３で１がＸＹプロッタ、２がホストコンピュータ、３
がインターフェイス回路、４が通信制御回路、５がＣＰ
Ｕ（演算処理装置）、６がＲＡＭ（読み書き可能記憶回
路）、７がＲＯＭ（読み出し専用記憶回路）、８が入出
力制御回路（イ）、９がＸ軸モータ制御回路、１０がＸ
軸ステップモータ、１１がＹ軸モータ制御回路、１２が
Ｙ軸ステップモータ、１３がペン上下制御回路、１４が
ペン上下駆動ソレノイド、１５が入出力制御回路
（ロ）、１６が手動操作手段を示す。

【００１２】ＸＹプロッタ１の内部制御は、ＣＰＵ５が
ＲＯＭ７に格納された制御プログラムに従って順次実行
し、一連の処理動作は以下のようになる。ホストコンピ
ュータ２からＸＹプロッタ１のインターフェイス回路３
を経由して入力された作図データは、通信制御回路４を
介して一旦ＲＡＭ６に蓄積格納され、ＣＰＵ５によって
順次読み出されて解析処理された後、作図すべきベクト
ルの傾きから長短軸指定とベクトルの長さから到達速
度、加速区間、定速区間、減速区間の指定が行われる。
これらの処理が終了すると、指定された加減速パターン
に従いながら所定のベクトルを生成するように直線補間
が行われる。この時に所定の加減速パターンを発生する
ための時間制御データは前記ＲＯＭ７に予め格納されて
おり、この時間制御データを参照しながら直線補間処理
を行うことによってＸ軸ステップモータ１０およびＹ軸
ステップモータ１２を運転する駆動パルス列の生成が行
われる。生成された駆動パルス列は、入出力制御回路
（イ）８を経由してＸ軸モータ制御回路９およびＹ軸モ
ータ制御回路１１で電力増幅が行われ、次いでＸ軸ステ
ップモータ１０およびＹ軸ステップモータ１２の励磁通
電が行われる。それぞれの作図ベクトルにはペン上下動
作の情報が含まれており、Ｘ軸およびＹ軸ステップモー
タ１０および１２の運転と同時にペン上下制御回路１３
の電力増幅によってペン上下駆動ソレノイドの駆動が行
われ、記録ペンの上下動が実行され、記録媒体２９の上
に視覚像の形成が行われる。

【００１３】このような一連の作図処理を行う過程で、
作図すべきベクトルの長さからステップモータを運転す
る加速区間、定速区間、減速区間、到達速度の演算が可
能であり、演算結果が特定の到達速度に一致する場合は
定速区間を延長する処置が施される。この特定化される
速度は予めステップモータの振動特性を勘案して決定し
ておくことが可能であり、振動振幅が大となる速度域で
は振動の整定が所定の量に落ちつくまで定速区間を延長
するように加減速パターンの決定が行われる。また作図
動作のスループット向上には、短ベクトルを作図するた
め最高作図速度に到達する加速区間の中間で定速区間に
移行する場合に採用される定速区間の通常の長さは可能
な限り短い方が効果的であり、つまり最高速度に至る加
速区間の中間で定速へ移行してさらに減速停止する場合
に到達速度によっては定速区間の長さを変更した加減速
パターンで加減速駆動する方法がとられる。この結果、
通常の短ベクトルの作図においては到達速度の値に関係
なく一定の長さを持つ定速区間を備え、特定の到達速度
の場合にのみ定速区間の長さを変更した加減速パターン
で各軸駆動用ステップモータを運転することが可能とな
る。

【００１４】

【効果】ステップモータを振動に敏感な特定の速度によ
る定速区間の長さを変更するため加速区間から定速区間
への移行時に発生した振動が所定の量に整定してから減
速区間へ移行することが可能となり，減速区間への移行
時における振動を抑制して位置決め精度の向上を図り，
さらにステップモータの脱調を防止して位置管理の信頼
性を高め，位置決め動作のスループットの低下を最小限
に制御しながらこれら一連の改良を施したステップモー
タの運転方法を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるステップモータの加減
速パターンを示す。

【図２】本発明の一実施例によるステップモータの加減
速パターンの拡大図を示す。

【図３】本発明の一実施例を具体的に採用した記録装置
の内部制御回路を示す。

【図４】ＸＹプロッタ機構の概略構造を示す。

【図５】従来例によるステップモータの加減速パターン
を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−212999（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−219798（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−219799（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−132796（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−16192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−20105（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−63988（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−55800（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭60−47836（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭60−29121（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 8/00 - 8/42 G05D 3/00 - 3/20 B43L 13/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予め速度に対する振動特性が既知のステッ
   プモータを起動から加速終了までの加速区間と加速終了
   から減速開始までの定速区間と減速開始から停止までの
   減速区間からなる駆動パルス列で駆動されるステップモ
   ータの運転方法において、使用可能な最高速度に至る加
   速区間の中間で、振動が大となる既知の速度の定速区間
   に移行する場合に定速区間の長さを、最高速度に至らな
   い他の速度であって、かつ、あらかじめ固定された長さ
   の定速区間と異なる長さへ変更するようにした加減速パ
   ターンで運転することを特徴とするステップモータの運
   転方法。