JP4235482B2 - 位置制御用モータの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータやステッピングモータなどのような位置制御用モータの制御装置に関し、特に、前記モータにかかる負荷トルクに応じて該モータ巻線に流す電流を増減する位置制御用モータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種のブラシレスモータやステッピングモータの制御において、該モータの脱調という現象をどう防止するかが重要な課題となっている。脱調の原理については後述する。
この脱調を防止する機能を有するステッピングモータの制御装置としては、例えば、本出願人が、すでに提案したステッピングモータの脱調防止駆動制御方式の発明があり、提案当時としては極めて有用であった。現在では、あまり実用的ではなくなりつつある。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
ここで、前記モータの脱調現象の原理については説明する。
図９は、ステッピングモータの基本特性であり、固定子を励磁している位相を０度として回転子を回転させると、回転角（横軸）に応じてトルク（縦軸）が発生する。機械回転角の一回転に対して、前記回転子に形成されている小歯の歯数の数毎にトルクは正弦波状に発生する。これをθ−Ｔ特性という。以後、例として前記回転子の小歯の歯数を５０枚歯として説明する。
【０００４】
図９から分かるように、励磁角に対して０度の近傍では外力で動かされた角度に比例してトルクが反力として発生する。前記ステッピングモータは指令位置を励磁角にすると、回転子が同期的に動くことにより位置制御をする。
しかし、前記回転角が±１．８度（電気角で±９０度）を超えると、発生するトルクが減少又は逆転するという、脱調現象が発生する。この場合、該回転子は、前記位置指令とは別の角度において、停止することになる。
【０００５】
図１０は、前記θ−Ｔ特性を有するステッピングモータに制御回路を付加することにより、脱調を抑える制御を行った場合のθ−Ｔ特性である。前記制御回路により、励磁角を回転子に合わせて変化させることにより最大トルクを保持する。この制御法は、特開平１１−１１３２８９号公報に開示されている。（特許文献２参照）
【０００６】
この制御法は、制御装置により、指令位置信号と、検出された回転子位置信号との偏差を監視し、その偏差量（電気角）によって、下記２つのモードを設け、前記偏差量によって、該モードのいずれかに切り替えている。すなわち、図１０に示すように、回転子位置（回転角）と、該回転子に発生されるトルクとの関係から、
（ａ）−９０゜≦偏差量≦＋９０゜の場合は、ＳＴモード（ステッピングモータモード）にして、前記モータ巻線の励磁状態を切り替える。
（ｂ）−９０゜＞偏差量、＋９０゜＜偏差量の場合は、ＢＬモード（ブラシレスモータモード）にして、励磁電流の位相が、回転子位置の９０゜先の励磁安定点になるように励磁する。
【０００７】
したがって、この制御法によれば、前記ステッピングモータは、前記回転角が前記±１．８度を超える場合、前記制御回路により、励磁角を回転子の前記回転角に合わせて変化させることにより最大トルクを保持する。すなわち、前記±１．８度以内は励磁角を指令位置として、±１．８度以上の場合は回転子角に合わせて、最大トルクがかかる励磁位相に制御している。
【０００８】
【特許文献１】
第２５６２８７４号特許公報：ステッピングモータの脱調防止駆動制御方式
【特許文献２】
特開平１１−１１３２８９号公報：位置制御用モータの制御装置
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記モータの脱調を防止する技術として、前記特許文献２に開示された発明は、前記モータにかかる負荷トルクの大きさに関係なく、必要以上に該モータ巻線に電流が流れるため、該モータの発熱が大きくなる傾向にあり、効率も落ちるという問題点があった。
このため、その後の技術的な改良が嘱望されていた。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解消し、脱調を防止する位置制御用モータの制御装置であって、該モータの発熱が小さく、かつ効率の良い位置制御用モータの制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の構成は、ブラシレスモータやステッピングモータなどの、位置制御用モータのモータ回転子位置を検出する位置検出部と、該位置検出部からの位置検出信号と指令位置信号とを比較し、その位置偏差信号により、前記モータの巻線に流すべき電流に対応する信号をそれぞれ出力する第１、第２の制御部と、該第１、第２の制御部からの出力信号を、それぞれ設定される配分比又は配分率により配分する第１、第２の配分調整部と、前記第１、第２の配分調整部により、それぞれ配分される前記出力信号をベクトル合成する信号合成部と、前記信号合成部により合成される出力信号を、前記モータ巻線に流す電流を出力する増幅部とからなり、前記指令位置信号により、前記モータの位置を制御する装置であって、次のとおりである。
【００１２】
前記第１の制御部は、前記位置偏差信号が、電気角で９０゜以内のときは、前記指令位置信号に対応する正弦波データ信号を正弦波テーブルにより出力し、前記位置偏差信号が、電気角でプラス方向に９０゜を超えるときは、前記モータが、回転子位置に対し電気角で９０゜先の励磁安定点となるように励磁され、前記位置偏差信号が、電気角でマイナス方向に９０°を超えるときは、前記モータが、回転子位置に対し電気角で９０°後の励磁安定点となるように励磁される、正弦波データ信号を前記正弦波テーブルにより出力し、前記第２の制御部は、サーボ制御部又はフィードバック制御部として、前記出力信号を出力するとともに、前記増幅部は、前記モータにかかる負荷トルクに応じて前記モータ巻線に流す電流を増減する位置制御モータの位置制御装置である。
【００１３】
前記第１の制御部は、前記指令位置信号のパルス信号をカウントする指令位置カウンタと、前記位置検出部からの前記位置検出信号のパルス信号をカウントする回転子位置カウンタと、該両カウンタからのパルス信号が入力され、該両パルス信号の偏差信号から、前記正弦波テーブルのアドレス信号を出力する位相計算部と、該位相計算部からのアドレス信号に対応し、正弦波データ信号を出力する前記正弦波テーブルとからなり、前記位相計算部は、前記偏差信号が、電気角で９０゜以内のときは、前記指令位置パルス信号を出力し、前記偏差信号が、電気角でプラス方向に９０゜を超えるときは、前記モータの前記位置検出パルス信号を電気角でプラス方向に９０゜位相補正し、前記偏差信号が、電気角でマイナス方向に９０°を超えるときは、前記モータの前記位置検出パルス信号をマイナス方向に９０°位相補正して、該位置検出パルス信号を出力する位置制御モータの位置制御装置である。
【００１４】
本発明は、前述のように構成されているので、前記特許文献２に記載の前記第１の制御部と、サーボ制御部又はフィードバック制御部としての第２の制御部のそれぞれに指令位置信号と、モータ回転子に締結された位置検出器からの位置検出信号とを入力し、前記第１、第２の制御部のそれぞれの出力には第１、第２の配分調整部を介し、双方の前記配分調整部からの出力を信号合成部にて、ベクトル的に合成(加算)し、出力増幅部により前記モータの巻線に電流を供給して、該モータを駆動する。該モータは、機械的に組み合わされている負荷に応じて、増減される電流が供給されて、駆動される。
【００１５】
なお、前記第１の制御部は、指令位置信号と、検出された回転子位置信号との偏差信号を監視し、例えば、前記特許文献２に示される制御部により、その偏差量（電気角）によって、図１０に示すような、２つのＳＴモードとＢＬモードとを設け、前記偏差量によって、該モードのいずれかに切り替えて、前記モータの脱調を防止する。
また、前記第２の制御部は、一般的なサーボモータなど用のサーボ制御部又はフィードバック制御部である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
図１は、本発明の位置制御用モータの制御装置の一実施の形態を示すブロック構成図、図２は、該制御装置の第１の制御部内の一例を示すブロック構成図、図３は、前記制御装置の第２の制御部によるサーボ制御部のブロック構成図である。
【００１７】
図１において、１は、２相ハイブリッド型ステッピングモータで、その回転子の外周面には、該モータ１の固定子の内周面に形成されている固定子小歯に対向して、５０個の回転子小歯が形成されている。該モータ１の該回転子に位置検出器２が結合されており、該位置検出器２からの位置検出信号は、第１、第２の制御部３，４にそれぞれフィードバック量として入力される。また、前記モータ１には、負荷１０が機械的にかけられている。
【００１８】
前記第１、第２の制御部３，４には、外部から指令位置信号がそれぞれ入力されており、該第１、第２の制御部３，４において、前記位置検出器２からの位置検出信号と前記指令位置信号とを比較し、その位置偏差により、前記モータ１の巻線に流すべき電流に対応する信号を、第１、第２の配分調整部５，６にそれぞれ出力する。前記第１、第２の配分調整部５，６は、前記第１、第２の制御部３，４からそれぞれ出力された出力信号の値を、それぞれ設定される配分比又は配分率により配分して、その出力信号を合成部８に送出して、該合成部７において、前記第１、第２の配分調整部５，６からの出力信号を、ベクトル的に合成（加算）して、出力増幅部８に送出する。そして、該出力増幅部８にて、前記モータ１の巻線に流すべき電流を出力する。
【００１９】
図２に示す前記第１の制御部３は、外部から入力される指令位置信号として、例えば指令位置パルス信号と、前記モータ１の回転子の位置検出器２から位置デコーダ１２を介してパルス信号に変換された回転子位置パルス信号とを比較し、その位置偏差により演算して、該モータ１の巻線（Ａ相及び／又はＢ相巻線）に流すべき電流に対応する信号を出力する。
前記第１の制御部３は、３２ビットのＣＰＵ（central processor unit）を使用し、１００μｓの制御周期で、前記モータ１のＡ相及び／又はＢ相巻線の電流指令としての出力信号の更新を行っている。
【００２０】
前記第１の制御部３の内部を、図２により、さらに詳しく説明する。
該第１の制御部３は、指令位置パルス信号をカウントする指令位置カウンタ１１と、前記位置検出器２からの位置検出信号を前記位置デコーダ１２により変換された回転子位置パルス信号をカウントする回転子位置カウンタ１３と、該両カウンタ１１，１３からのパルス信号が入力され、該両パルス信号の偏差から、正弦波テーブル１５のアドレス信号を出力する位相計算部１４と、該位相計算部１４からのアドレス信号に対応し、正弦波データ信号を出力する前記正弦波テーブル１５とからなる。
【００２１】
前記位相計算部１４は、前記両カウンタ１１，１３からのパルス信号の偏差が、電気角で９０゜以内のときは、前記指令位置パルス信号に基づくアドレス信号を出力し、前記正弦波テーブル１５から該アドレス信号に対応する正弦波データ信号を、電流指令として出力させる。
また、位相計算部１４は、前記偏差が、電気角で９０゜を超えるときは、前記モータ１の前記位置検出パルス信号を電気角で９０゜位相補正するとともに、該位置検出パルス信号に基づくアドレス信号を出力し、前記正弦波テーブル１５から該アドレス信号に対応する正弦波データ信号を、電流指令として出力させるのである。
【００２２】
前記位相計算部１４では、前記２つのカウント値を引き算することで、指令位置と回転子位置との偏差を常に監視しており、前記指令位置カウンタ１１の値、前記回転子位置カウンタ１３の値、及びその偏差の値から、前記モータ１に流す電流位相を計算し、該電流位相をアドレス信号として前記正弦波テーブル１５に出力する。
【００２３】
電流位相の計算は、基本的には以下の手順で行われる。
前記偏差カウント値が、±２５０（電気角で±９０゜、なお、電気角３６０゜の範囲を１０００カウントに対応）の範囲では、指令位置カウンタ１１の値を電流位相として、直接、前記正弦波テーブル１５に出力する。
前記偏差カウント値が、＋２５０を超えるときは、回転子位置カウンタ１３の値に２５０を加えた値が、電流位相として、前記正弦波テーブル１５に出力される。また、前記偏差カウント値が、−２５０を超えるときは、回転子位置カウンタ１３の値に２５０を減じた値を、電流位相として、前記正弦波テーブル１５に出力する。この場合、回転子位置カウンタ１３の値に２５０を加えた値で、電流を反転しても同じである。
【００２４】
また、図３に示す前記第１の制御部４は、一般的なサーボモータ制御部を構成するもので、該第１の制御部４は、外部からの前記指令位置信号と、前記モータ１の回転子に結合された前記位置検出器２からの検出信号とを比較し、その位置偏差を、前記出力増幅部８により増幅して、前記モータ１巻線に電流を供給し、該モータ１を駆動する。このような制御をフィードバック制御又はサーボ制御といい、この制御システムにより前記モータ１は、機械的に組み合わされた負荷１０に釣合った電流で前記指令位置に制御される。
【００２５】
次いで、前記位置制御用の制御装置について、前記モータ１が、前記ステッピングモータの場合についての動作を説明する。
まず、前記ステッヒングモータは、その固定子と回転子とのそれぞれの対向面に、それぞれ複数個（本実施の形態では、５０個）の固定子小歯と回転子小歯が形成されており、互いに対向するそれぞれの小歯間は、それぞれの磁束により、吸引又は反発してトルクを発生することにより前記回転子は回転する。
【００２６】
図４に示すように、前記固定子小歯と前記回転子小歯との位置関係（位相）が電気角で０度の場合は、磁束によるトルクを発生しない。図５に示すように、前記固定子小歯と前記回転子小歯との位置関係が電気角で９０度の場合は、磁気的にトルクが発生する。また、固定子巻線の電流が同一条件にある場合、位相が９０度のとき、最大トルクを発生する。逆に、−９０度のときは、前記９０度のときとは反対の向き（負の方向）に、最大トルクを発生する。
【００２７】
前記ステッピングモータにサーボ制御をかける応用としては、同期形ＡＣサーボモータと同様な方法をとる。前述のように、固定子巻線に流す電流の励磁角は、電気角で＋９０度、又は−９０度が最も効率がよいので、前記励磁角は、９０度又は−９０度とする。電流の大きさは、前記指令信号と、前記位置検出器２からフィードバック制御をかけることにより変化する。
【００２８】
この場合、図６に示すように、サーボ制御は、縦軸方向（９０度）だけに電流成分がある。図６では、前記回転子の位置は回転子磁束で表されている。このような制御をした場合、発生するトルクは、励磁電流の大きさに比例して大きくなる。フィードパック制御の場合は、負荷トルクに応じて電流を制御により調整されるものであり、エネルギー効率がよい。
【００２９】
図２の前記第１の制御部３による制御法を前記回転子側から見た場合、励磁電流の大きさは一定で、励磁角は負荷トルクがかかることにより変化し±９０度の範囲に制御される。よって、該励磁電流の軌跡は、図７に示すように半円を描く。図７の横軸方向ではトルクは発生せず、縦軸方向の成分でトルクを発生するため、０度近傍ではトルクは発生しないが、±９０度でそれぞれ正、負の最大トルクを発生する。
【００３０】
前記第１の制御部３による制御と、前記第２の制御部４によるサーボ制御との励磁電流を、ベクトル合成すると、図８に示すようにする。
そして、前記第１の制御部３による制御の信号値（電流値）と、前記第２の制御部４によるサーボ制御の信号値（電流値）とは、負荷によって変化するが、使用可能な最大信号値（電流値）の両者は、前記第１、第２の配分調整部５，６により、任意の配分比又は配分率値に設定できるようにする。
【００３１】
例えば、制御対象のモータ１の最大トルクを発生可能な電流に対応する信号値を１００％とする場合、前記第１の制御部３による制御と、前記第２の制御部４によるサーボ制御とでそれぞれ５０％の電流にて、使えるように配分する。この場合、前記第１の制御部３による制御側からの信号は、常に５０％の電流に対応するように供給し、前記第２の制御部４によるサーボ制御側からの信号は、負荷に応じて０〜５０％の電流に対応するように供給する。
これにより、前記第１の制御部３による制御と、前記第２の制御部４によるサーボ制御とが合成された場合、５０％〜１００％の巻線電流で、前記モータ１は駆動されることになる。
【００３２】
［エネルギー効率について］
本実施の形態の一実施例として、前記第１の制御部３による制御と、前記第２の制御部４によるサーボ制御とのトルク配分を、前記第１、第２の配分調整部５，６により、５０％：５０％に配分調整して説明する。
前記モータ１の駆動中の加速、又は減速時に負荷慣性により、最大トルクの７０％のトルクが必要になった場合、前記第１の制御部３による制御は、常に５０％の電流値の出力に対応しているが、これだけではトルク不足になる。この場合、前記第２の制御部４によるサーボ制御（フィードパック制御）が働き、不足トルク分として２０％の電流値の出力に対応することにより、負荷慣性に相当するトルクが得られる。また、一定速時には、負荷慣性による負荷トルクは発生しないので、前記第１の制御部３による制御の電流値の出力だけで、前記モータ１は駆動される。
【００３３】
前記第１の制御部３による制御だけにした場合、モータ駆動中の最大負荷（７０％）より大きい電流を、常に前記モータ１に供給することになる。よって、前記第１の制御部３による制御よりも、前記両制御部３、４による制御により、トータルで供給する電流が少なくなりエネルギー効率がよくなる。
【００３４】
［応答性について］
前記第２の制御部４によるサーボ制御で、指令位置信号と位置検出信号との位置偏差を、前記第２の制御部４と前記出力増幅部８を通して増幅して電流として、前記モータ１の巻線に供給するが、このとき制御遅れが発生する。前記第１の制御部３による制御では、前記モータ１の前記θ−Ｔ特性を、直接、使えるので制御遅れはない。結果的には、前記第２の制御部によるサーボ制御だけの場合より、前記合成部７により、前記両制御部３、４からの出力信号が合成されて出力される制御信号は応答性がよい。
【００３５】
［停止精度について］
前記ステッピングモータ１は、前記θ−Ｔ特性によりトルクを発生する。よって、停止時に負荷トルクがかかった場合、前記回転子の角度がずれて負荷に応じたトルクが発生する。一方、前記第２の制御部４によるサーボ制御では、回転子の検出位置が、前記指令位置に近づくようにトルクを該制御部４が調整する。よって、負荷変動に対して停止位置のずれが制御によって調整される。
【００３６】
前記第１の制御部３による制御だけの場合は、前記回転子角がずれないとトルクを発生できないが、前記第２の制御部４によるサーボ制御は、指令位置に対して前記回転子角がずれていなくても、トルクの発生が可能である。よって、停止時に負荷トルクがある場合は、前記第２の制御部４によるサーボ制御により、停止位置が調整され、停止位置精度が向上する。
【００３７】
なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果す他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更，付加が可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の位置制御モータの制御装置によれば、前記モータのモータ回転子位置を検出する位置検出部と、該位置検出部からの位置検出信号と指令位置信号とを比較し、その位置偏差信号により、前記モータの巻線に流すべき電流に対応する信号をそれぞれ出力する第１、第２の制御部と、該第１、第２の制御部からの出力信号を、それぞれ設定される配分比又は配分率により配分する第１、第２の配分調整部と、前記第１、第２の配分調整部により、それぞれ配分される前記出力信号をベクトル合成する信号合成部と、前記信号合成部により合成される出力信号を、前記モータ巻線に流す電流を出力する増幅部とからなり、前記指令位置信号により、前記モータの位置を制御する装置であるので、前記モータの脱調を防止するとともに、負荷に応じて電流が供給されるため、モータの発熱が小さく効率の良いという優れた効果を奏する。
【００３９】
前記第１の制御部による制御信号値を、前記第１の配分調整部により前記のモータ巻線電流値に対応する信号値に絞っても、前記第２の制御部によるサーボ制御が、負荷トルクに応じて増減するためトルク不足になることがない。
また、前記モータの負荷に応じて、前記モータ巻線に電流が供給されるため、エネルギー効率がよく、該モータからの発熱が低減される。
【００４０】
さらに、前記第１の制御部による制御のθ−Ｔ特性を直接使えるので、制御遅れがなく応答性がよい。前記モータに、停止時において負荷トルクがある場合、前記モータのθ−Ｔ特性を補うように、前記第２の制御部によるサーボ制御が働くので、指令位置に近づくように停止位置が調整され、停止位置精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置制御用モータの制御装置の一実施の形態を示すブロック構成図である。
【図２】前記制御装置の第１の制御部内の一例を示すブロック構成図である。
【図３】前記制御装置の第２の制御部によるサーボ制御のブロック構成図である。
【図４】ステッピングモータの固定子小歯と回転子小歯との位置関係（位相）が電気角で０度の場合を示す図である。
【図５】ステッピングモータの固定子小歯と回転子小歯との位置関係（位相）が電気角で９０度の場合を示す図である。
【図６】前記第２の制御部によるサーボ制御のときのモータ電流のベクトル図で、横軸方向（磁束ベクトル）に対して、縦軸方向（９０度）だけにある電流成分を示す。
【図７】前記第１の制御部による制御のときのモータ電流のベクトル図で、横軸方向（磁束ベクトル）に対する電流ベクトルの軌跡を破線で示す。
【図８】前記第１の制御部による制御のときのモータ電流のベクトルと、前記第２の制御部によるサーボ制御のときのモータ電流のベクトルとの合成ベクトルを示す図である。
【図９】ステッピングモータの回転子の回転角（横軸）に対する発生トルク（縦軸）の関係を示すθ−Ｔ特性図である。
【図１０】先行技術（特許文献２）により、図９に示すθ−Ｔ特性を有するステッピングモータに制御手段を付加したときの、該モータ回転子の回転角（横軸）に対する発生トルク（縦軸）の関係を示すθ−Ｔ特性図である。
【符号の説明】
１ ２相ステッピングモータ（位置制御用モータ）
２ 位置検出器
３ 第１の制御部
４ 第２の制御部
５ 第１の配分調整部
６ 第２の配分調整部
７ 合成部
８ 出力増幅部
１０ 負荷
１１ 指令位置カウンタ
１２ 位置デコーダ
１３ 回転子位置カウンタ
１４ 位相計算部
１５ 正弦波テーブル
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータやステッピングモータなどのような位置制御用モータの制御装置に関し、特に、前記モータにかかる負荷トルクに応じて該モータ巻線に流す電流を増減する位置制御用モータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種のブラシレスモータやステッピングモータの制御において、該モータの脱調という現象をどう防止するかが重要な課題となっている。脱調の原理については後述する。
この脱調を防止する機能を有するステッピングモータの制御装置としては、例えば、本出願人が、すでに提案したステッピングモータの脱調防止駆動制御方式の発明があり、提案当時としては極めて有用であった。現在では、あまり実用的ではなくなりつつある。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
ここで、前記モータの脱調現象の原理については説明する。
図９は、ステッピングモータの基本特性であり、固定子を励磁している位相を０度として回転子を回転させると、回転角（横軸）に応じてトルク（縦軸）が発生する。機械回転角の一回転に対して、前記回転子に形成されている小歯の歯数の数毎にトルクは正弦波状に発生する。これをθ−Ｔ特性という。以後、例として前記回転子の小歯の歯数を５０枚歯として説明する。
【０００４】
図９から分かるように、励磁角に対して０度の近傍では外力で動かされた角度に比例してトルクが反力として発生する。前記ステッピングモータは指令位置を励磁角にすると、回転子が同期的に動くことにより位置制御をする。
しかし、前記回転角が±１．８度（電気角で±９０度）を超えると、発生するトルクが減少又は逆転するという、脱調現象が発生する。この場合、該回転子は、前記位置指令とは別の角度において、停止することになる。
【０００５】
図１０は、前記θ−Ｔ特性を有するステッピングモータに制御回路を付加することにより、脱調を抑える制御を行った場合のθ−Ｔ特性である。前記制御回路により、励磁角を回転子に合わせて変化させることにより最大トルクを保持する。この制御法は、特開平１１−１１３２８９号公報に開示されている。（特許文献２参照）
【０００６】
この制御法は、制御装置により、指令位置信号と、検出された回転子位置信号との偏差を監視し、その偏差量（電気角）によって、下記２つのモードを設け、前記偏差量によって、該モードのいずれかに切り替えている。すなわち、図１０に示すように、回転子位置（回転角）と、該回転子に発生されるトルクとの関係から、
（ａ）−９０゜≦偏差量≦＋９０゜の場合は、ＳＴモード（ステッピングモータモード）にして、前記モータ巻線の励磁状態を切り替える。
（ｂ）−９０゜＞偏差量、＋９０゜＜偏差量の場合は、ＢＬモード（ブラシレスモータモード）にして、励磁電流の位相が、回転子位置の９０゜先の励磁安定点になるように励磁する。
【０００７】
したがって、この制御法によれば、前記ステッピングモータは、前記回転角が前記±１．８度を超える場合、前記制御回路により、励磁角を回転子の前記回転角に合わせて変化させることにより最大トルクを保持する。すなわち、前記±１．８度以内は励磁角を指令位置として、±１．８度以上の場合は回転子角に合わせて、最大トルクがかかる励磁位相に制御している。
【０００８】
【特許文献１】
第２５６２８７４号特許公報：ステッピングモータの脱調防止駆動制御方式
【特許文献２】
特開平１１−１１３２８９号公報：位置制御用モータの制御装置
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記モータの脱調を防止する技術として、前記特許文献２に開示された発明は、前記モータにかかる負荷トルクの大きさに関係なく、必要以上に該モータ巻線に電流が流れるため、該モータの発熱が大きくなる傾向にあり、効率も落ちるという問題点があった。
このため、その後の技術的な改良が嘱望されていた。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解消し、脱調を防止する位置制御用モータの制御装置であって、該モータの発熱が小さく、かつ効率の良い位置制御用モータの制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の構成は、ブラシレスモータやステッピングモータなどの、位置制御用モータのモータ回転子位置を検出する位置検出部と、該位置検出部からの位置検出信号と指令位置信号とを比較し、その位置偏差信号により、前記モータの巻線に流すべき電流に対応する信号をそれぞれ出力する第１、第２の制御部と、該第１、第２の制御部からの出力信号を、それぞれ設定される配分比又は配分率により配分する第１、第２の配分調整部と、前記第１、第２の配分調整部により、それぞれ配分される前記出力信号をベクトル合成する信号合成部と、前記信号合成部により合成される出力信号を、前記モータ巻線に流す電流を出力する増幅部とからなり、前記指令位置信号により、前記モータの位置を制御する装置であって、次のとおりである。
【００１２】
前記第１の制御部は、前記位置偏差信号が、電気角で９０゜以内のときは、前記指令位置信号に対応する正弦波データ信号を正弦波テーブルにより出力し、前記位置偏差信号が、電気角でプラス方向に９０゜を超えるときは、前記モータが、回転子位置に対し電気角で９０゜先の励磁安定点となるように励磁され、前記位置偏差信号が、電気角でマイナス方向に９０°を超えるときは、前記モータが、回転子位置に対し電気角で９０°後の励磁安定点となるように励磁される、正弦波データ信号を前記正弦波テーブルにより出力し、前記第２の制御部は、サーボ制御部又はフィードバック制御部として、前記出力信号を出力するとともに、前記増幅部は、前記モータにかかる負荷トルクに応じて前記モータ巻線に流す電流を増減する位置制御モータの位置制御装置である。
【００１３】
前記第１の制御部は、前記指令位置信号のパルス信号をカウントする指令位置カウンタと、前記位置検出部からの前記位置検出信号のパルス信号をカウントする回転子位置カウンタと、該両カウンタからのパルス信号が入力され、該両パルス信号の偏差信号から、前記正弦波テーブルのアドレス信号を出力する位相計算部と、該位相計算部からのアドレス信号に対応し、正弦波データ信号を出力する前記正弦波テーブルとからなり、前記位相計算部は、前記偏差信号が、電気角で９０゜以内のときは、前記指令位置パルス信号を出力し、前記偏差信号が、電気角でプラス方向に９０゜を超えるときは、前記モータの前記位置検出パルス信号を電気角でプラス方向に９０゜位相補正し、前記偏差信号が、電気角でマイナス方向に９０°を超えるときは、前記モータの前記位置検出パルス信号をマイナス方向に９０°位相補正して、該位置検出パルス信号を出力する位置制御モータの位置制御装置である。
【００１４】
本発明は、前述のように構成されているので、前記特許文献２に記載の前記第１の制御部と、サーボ制御部又はフィードバック制御部としての第２の制御部のそれぞれに指令位置信号と、モータ回転子に締結された位置検出器からの位置検出信号とを入力し、前記第１、第２の制御部のそれぞれの出力には第１、第２の配分調整部を介し、双方の前記配分調整部からの出力を信号合成部にて、ベクトル的に合成(加算)し、出力増幅部により前記モータの巻線に電流を供給して、該モータを駆動する。該モータは、機械的に組み合わされている負荷に応じて、増減される電流が供給されて、駆動される。
【００１５】
なお、前記第１の制御部は、指令位置信号と、検出された回転子位置信号との偏差信号を監視し、例えば、前記特許文献２に示される制御部により、その偏差量（電気角）によって、図１０に示すような、２つのＳＴモードとＢＬモードとを設け、前記偏差量によって、該モードのいずれかに切り替えて、前記モータの脱調を防止する。
また、前記第２の制御部は、一般的なサーボモータなど用のサーボ制御部又はフィードバック制御部である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
図１は、本発明の位置制御用モータの制御装置の一実施の形態を示すブロック構成図、図２は、該制御装置の第１の制御部内の一例を示すブロック構成図、図３は、前記制御装置の第２の制御部によるサーボ制御部のブロック構成図である。
【００１７】
図１において、１は、２相ハイブリッド型ステッピングモータで、その回転子の外周面には、該モータ１の固定子の内周面に形成されている固定子小歯に対向して、５０個の回転子小歯が形成されている。該モータ１の該回転子に位置検出器２が結合されており、該位置検出器２からの位置検出信号は、第１、第２の制御部３，４にそれぞれフィードバック量として入力される。また、前記モータ１には、負荷１０が機械的にかけられている。
【００１８】
前記第１、第２の制御部３，４には、外部から指令位置信号がそれぞれ入力されており、該第１、第２の制御部３，４において、前記位置検出器２からの位置検出信号と前記指令位置信号とを比較し、その位置偏差により、前記モータ１の巻線に流すべき電流に対応する信号を、第１、第２の配分調整部５，６にそれぞれ出力する。前記第１、第２の配分調整部５，６は、前記第１、第２の制御部３，４からそれぞれ出力された出力信号の値を、それぞれ設定される配分比又は配分率により配分して、その出力信号を合成部８に送出して、該合成部７において、前記第１、第２の配分調整部５，６からの出力信号を、ベクトル的に合成（加算）して、出力増幅部８に送出する。そして、該出力増幅部８にて、前記モータ１の巻線に流すべき電流を出力する。
【００１９】
図２に示す前記第１の制御部３は、外部から入力される指令位置信号として、例えば指令位置パルス信号と、前記モータ１の回転子の位置検出器２から位置デコーダ１２を介してパルス信号に変換された回転子位置パルス信号とを比較し、その位置偏差により演算して、該モータ１の巻線（Ａ相及び／又はＢ相巻線）に流すべき電流に対応する信号を出力する。
前記第１の制御部３は、３２ビットのＣＰＵ（central processor unit）を使用し、１００μｓの制御周期で、前記モータ１のＡ相及び／又はＢ相巻線の電流指令としての出力信号の更新を行っている。
【００２０】
前記第１の制御部３の内部を、図２により、さらに詳しく説明する。
該第１の制御部３は、指令位置パルス信号をカウントする指令位置カウンタ１１と、前記位置検出器２からの位置検出信号を前記位置デコーダ１２により変換された回転子位置パルス信号をカウントする回転子位置カウンタ１３と、該両カウンタ１１，１３からのパルス信号が入力され、該両パルス信号の偏差から、正弦波テーブル１５のアドレス信号を出力する位相計算部１４と、該位相計算部１４からのアドレス信号に対応し、正弦波データ信号を出力する前記正弦波テーブル１５とからなる。
【００２１】
前記位相計算部１４は、前記両カウンタ１１，１３からのパルス信号の偏差が、電気角で９０゜以内のときは、前記指令位置パルス信号に基づくアドレス信号を出力し、前記正弦波テーブル１５から該アドレス信号に対応する正弦波データ信号を、電流指令として出力させる。
また、位相計算部１４は、前記偏差が、電気角で９０゜を超えるときは、前記モータ１の前記位置検出パルス信号を電気角で９０゜位相補正するとともに、該位置検出パルス信号に基づくアドレス信号を出力し、前記正弦波テーブル１５から該アドレス信号に対応する正弦波データ信号を、電流指令として出力させるのである。
【００２２】
前記位相計算部１４では、前記２つのカウント値を引き算することで、指令位置と回転子位置との偏差を常に監視しており、前記指令位置カウンタ１１の値、前記回転子位置カウンタ１３の値、及びその偏差の値から、前記モータ１に流す電流位相を計算し、該電流位相をアドレス信号として前記正弦波テーブル１５に出力する。
【００２３】
電流位相の計算は、基本的には以下の手順で行われる。
前記偏差カウント値が、±２５０（電気角で±９０゜、なお、電気角３６０゜の範囲を１０００カウントに対応）の範囲では、指令位置カウンタ１１の値を電流位相として、直接、前記正弦波テーブル１５に出力する。
前記偏差カウント値が、＋２５０を超えるときは、回転子位置カウンタ１３の値に２５０を加えた値が、電流位相として、前記正弦波テーブル１５に出力される。また、前記偏差カウント値が、−２５０を超えるときは、回転子位置カウンタ１３の値に２５０を減じた値を、電流位相として、前記正弦波テーブル１５に出力する。この場合、回転子位置カウンタ１３の値に２５０を加えた値で、電流を反転しても同じである。
【００２４】
また、図３に示す前記第１の制御部４は、一般的なサーボモータ制御部を構成するもので、該第１の制御部４は、外部からの前記指令位置信号と、前記モータ１の回転子に結合された前記位置検出器２からの検出信号とを比較し、その位置偏差を、前記出力増幅部８により増幅して、前記モータ１巻線に電流を供給し、該モータ１を駆動する。このような制御をフィードバック制御又はサーボ制御といい、この制御システムにより前記モータ１は、機械的に組み合わされた負荷１０に釣合った電流で前記指令位置に制御される。
【００２５】
次いで、前記位置制御用の制御装置について、前記モータ１が、前記ステッピングモータの場合についての動作を説明する。
まず、前記ステッヒングモータは、その固定子と回転子とのそれぞれの対向面に、それぞれ複数個（本実施の形態では、５０個）の固定子小歯と回転子小歯が形成されており、互いに対向するそれぞれの小歯間は、それぞれの磁束により、吸引又は反発してトルクを発生することにより前記回転子は回転する。
【００２６】
図４に示すように、前記固定子小歯と前記回転子小歯との位置関係（位相）が電気角で０度の場合は、磁束によるトルクを発生しない。図５に示すように、前記固定子小歯と前記回転子小歯との位置関係が電気角で９０度の場合は、磁気的にトルクが発生する。また、固定子巻線の電流が同一条件にある場合、位相が９０度のとき、最大トルクを発生する。逆に、−９０度のときは、前記９０度のときとは反対の向き（負の方向）に、最大トルクを発生する。
【００２７】
前記ステッピングモータにサーボ制御をかける応用としては、同期形ＡＣサーボモータと同様な方法をとる。前述のように、固定子巻線に流す電流の励磁角は、電気角で＋９０度、又は−９０度が最も効率がよいので、前記励磁角は、９０度又は−９０度とする。電流の大きさは、前記指令信号と、前記位置検出器２からフィードバック制御をかけることにより変化する。
【００２８】
この場合、図６に示すように、サーボ制御は、縦軸方向（９０度）だけに電流成分がある。図６では、前記回転子の位置は回転子磁束で表されている。このような制御をした場合、発生するトルクは、励磁電流の大きさに比例して大きくなる。フィードパック制御の場合は、負荷トルクに応じて電流を制御により調整されるものであり、エネルギー効率がよい。
【００２９】
図２の前記第１の制御部３による制御法を前記回転子側から見た場合、励磁電流の大きさは一定で、励磁角は負荷トルクがかかることにより変化し±９０度の範囲に制御される。よって、該励磁電流の軌跡は、図７に示すように半円を描く。図７の横軸方向ではトルクは発生せず、縦軸方向の成分でトルクを発生するため、０度近傍ではトルクは発生しないが、±９０度でそれぞれ正、負の最大トルクを発生する。
【００３０】
前記第１の制御部３による制御と、前記第２の制御部４によるサーボ制御との励磁電流を、ベクトル合成すると、図８に示すようにする。
そして、前記第１の制御部３による制御の信号値（電流値）と、前記第２の制御部４によるサーボ制御の信号値（電流値）とは、負荷によって変化するが、使用可能な最大信号値（電流値）の両者は、前記第１、第２の配分調整部５，６により、任意の配分比又は配分率値に設定できるようにする。
【００３１】
例えば、制御対象のモータ１の最大トルクを発生可能な電流に対応する信号値を１００％とする場合、前記第１の制御部３による制御と、前記第２の制御部４によるサーボ制御とでそれぞれ５０％の電流にて、使えるように配分する。この場合、前記第１の制御部３による制御側からの信号は、常に５０％の電流に対応するように供給し、前記第２の制御部４によるサーボ制御側からの信号は、負荷に応じて０〜５０％の電流に対応するように供給する。
これにより、前記第１の制御部３による制御と、前記第２の制御部４によるサーボ制御とが合成された場合、５０％〜１００％の巻線電流で、前記モータ１は駆動されることになる。
【００３２】
［エネルギー効率について］
本実施の形態の一実施例として、前記第１の制御部３による制御と、前記第２の制御部４によるサーボ制御とのトルク配分を、前記第１、第２の配分調整部５，６により、５０％：５０％に配分調整して説明する。
前記モータ１の駆動中の加速、又は減速時に負荷慣性により、最大トルクの７０％のトルクが必要になった場合、前記第１の制御部３による制御は、常に５０％の電流値の出力に対応しているが、これだけではトルク不足になる。この場合、前記第２の制御部４によるサーボ制御（フィードパック制御）が働き、不足トルク分として２０％の電流値の出力に対応することにより、負荷慣性に相当するトルクが得られる。また、一定速時には、負荷慣性による負荷トルクは発生しないので、前記第１の制御部３による制御の電流値の出力だけで、前記モータ１は駆動される。
【００３３】
前記第１の制御部３による制御だけにした場合、モータ駆動中の最大負荷（７０％）より大きい電流を、常に前記モータ１に供給することになる。よって、前記第１の制御部３による制御よりも、前記両制御部３、４による制御により、トータルで供給する電流が少なくなりエネルギー効率がよくなる。
【００３４】
［応答性について］
前記第２の制御部４によるサーボ制御で、指令位置信号と位置検出信号との位置偏差を、前記第２の制御部４と前記出力増幅部８を通して増幅して電流として、前記モータ１の巻線に供給するが、このとき制御遅れが発生する。前記第１の制御部３による制御では、前記モータ１の前記θ−Ｔ特性を、直接、使えるので制御遅れはない。結果的には、前記第２の制御部によるサーボ制御だけの場合より、前記合成部７により、前記両制御部３、４からの出力信号が合成されて出力される制御信号は応答性がよい。
【００３５】
［停止精度について］
前記ステッピングモータ１は、前記θ−Ｔ特性によりトルクを発生する。よって、停止時に負荷トルクがかかった場合、前記回転子の角度がずれて負荷に応じたトルクが発生する。一方、前記第２の制御部４によるサーボ制御では、回転子の検出位置が、前記指令位置に近づくようにトルクを該制御部４が調整する。よって、負荷変動に対して停止位置のずれが制御によって調整される。
【００３６】
前記第１の制御部３による制御だけの場合は、前記回転子角がずれないとトルクを発生できないが、前記第２の制御部４によるサーボ制御は、指令位置に対して前記回転子角がずれていなくても、トルクの発生が可能である。よって、停止時に負荷トルクがある場合は、前記第２の制御部４によるサーボ制御により、停止位置が調整され、停止位置精度が向上する。
【００３７】
なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果す他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更，付加が可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の位置制御モータの制御装置によれば、前記モータのモータ回転子位置を検出する位置検出部と、該位置検出部からの位置検出信号と指令位置信号とを比較し、その位置偏差信号により、前記モータの巻線に流すべき電流に対応する信号をそれぞれ出力する第１、第２の制御部と、該第１、第２の制御部からの出力信号を、それぞれ設定される配分比又は配分率により配分する第１、第２の配分調整部と、前記第１、第２の配分調整部により、それぞれ配分される前記出力信号をベクトル合成する信号合成部と、前記信号合成部により合成される出力信号を、前記モータ巻線に流す電流を出力する増幅部とからなり、前記指令位置信号により、前記モータの位置を制御する装置であるので、前記モータの脱調を防止するとともに、負荷に応じて電流が供給されるため、モータの発熱が小さく効率の良いという優れた効果を奏する。
【００３９】
前記第１の制御部による制御信号値を、前記第１の配分調整部により前記のモータ巻線電流値に対応する信号値に絞っても、前記第２の制御部によるサーボ制御が、負荷トルクに応じて増減するためトルク不足になることがない。
また、前記モータの負荷に応じて、前記モータ巻線に電流が供給されるため、エネルギー効率がよく、該モータからの発熱が低減される。
【００４０】
さらに、前記第１の制御部による制御のθ−Ｔ特性を直接使えるので、制御遅れがなく応答性がよい。前記モータに、停止時において負荷トルクがある場合、前記モータのθ−Ｔ特性を補うように、前記第２の制御部によるサーボ制御が働くので、指令位置に近づくように停止位置が調整され、停止位置精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置制御用モータの制御装置の一実施の形態を示すブロック構成図である。
【図２】前記制御装置の第１の制御部内の一例を示すブロック構成図である。
【図３】前記制御装置の第２の制御部によるサーボ制御のブロック構成図である。
【図４】ステッピングモータの固定子小歯と回転子小歯との位置関係（位相）が電気角で０度の場合を示す図である。
【図５】ステッピングモータの固定子小歯と回転子小歯との位置関係（位相）が電気角で９０度の場合を示す図である。
【図６】前記第２の制御部によるサーボ制御のときのモータ電流のベクトル図で、横軸方向（磁束ベクトル）に対して、縦軸方向（９０度）だけにある電流成分を示す。
【図７】前記第１の制御部による制御のときのモータ電流のベクトル図で、横軸方向（磁束ベクトル）に対する電流ベクトルの軌跡を破線で示す。
【図８】前記第１の制御部による制御のときのモータ電流のベクトルと、前記第２の制御部によるサーボ制御のときのモータ電流のベクトルとの合成ベクトルを示す図である。
【図９】ステッピングモータの回転子の回転角（横軸）に対する発生トルク（縦軸）の関係を示すθ−Ｔ特性図である。
【図１０】先行技術（特許文献２）により、図９に示すθ−Ｔ特性を有するステッピングモータに制御手段を付加したときの、該モータ回転子の回転角（横軸）に対する発生トルク（縦軸）の関係を示すθ−Ｔ特性図である。
【符号の説明】
１ ２相ステッピングモータ（位置制御用モータ）
２ 位置検出器
３ 第１の制御部
４ 第２の制御部
５ 第１の配分調整部
６ 第２の配分調整部
７ 合成部
８ 出力増幅部
１０ 負荷
１１ 指令位置カウンタ
１２ 位置デコーダ
１３ 回転子位置カウンタ
１４ 位相計算部
１５ 正弦波テーブル
Claims (2)
- ブラシレスモータやステッピングモータなどの、位置制御用モータのモータ回転子位置を検出する位置検出部と、該位置検出部からの位置検出信号と指令位置信号とを比較し、その位置偏差信号により、前記モータの巻線に流すべき電流に対応する信号をそれぞれ出力する第１、第２の制御部と、該第１、第２の制御部からの出力信号を、それぞれ設定される配分比又は配分率により配分する第１、第２の配分調整部と、前記第１、第２の配分調整部により、それぞれ配分される前記出力信号をベクトル合成する信号合成部と、前記信号合成部により合成される出力信号を、前記モータ巻線に流す電流を出力する増幅部とからなり、前記指令位置信号により、前記モータの位置を制御する装置であって、
前記第１の制御部は、前記位置偏差信号が、電気角で９０゜以内のときは、前記指令位置信号に対応する正弦波データ信号を正弦波テーブルにより出力し、前記位置偏差信号が、電気角でプラス方向に９０゜を超えるときは、前記モータが、回転子位置に対し電気角で９０゜先の励磁安定点となるように励磁され、前記位置偏差信号が、電気角でマイナス方向に９０°を超えるときは、前記モータが、回転子位置に対し電気角で９０°後の励磁安定点となるように励磁される、正弦波データ信号を前記正弦波テーブルにより出力し、
前記第２の制御部は、サーボ制御部又はフィードバック制御部として、前記出力信号を出力するとともに、前記増幅部は、前記モータにかかる負荷トルクに応じて前記モータ巻線に流す電流を増減することを特徴とする位置制御モータの位置制御装置。 - 前記第１の制御部は、前記指令位置信号のパルス信号をカウントする指令位置カウンタと、前記位置検出部からの前記位置検出信号のパルス信号をカウントする回転子位置カウンタと、該両カウンタからのパルス信号が入力され、該両パルス信号の偏差信号から、前記正弦波テーブルのアドレス信号を出力する位相計算部と、該位相計算部からのアドレス信号に対応し、正弦波データ信号を出力する前記正弦波テーブルとからなり、
前記位相計算部は、前記偏差信号が、電気角で９０゜以内のときは、前記指令位置パルス信号を出力し、前記偏差信号が、電気角でプラス方向に９０゜を超えるときは、前記モータの前記位置検出パルス信号を電気角でプラス方向に９０゜位相補正し、前記偏差信号が、電気角でマイナス方向に９０°を超えるときは、前記モータの前記位置検出パルス信号をマイナス方向に９０°位相補正して、該位置検出パルス信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の位置制御モータの位置制御装置。
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