JP4488749B2 - ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置およびその制御方法ならびにその運転方法 - Google Patents
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Description
ステッピングモータの種類としては、大別して、可変リラクタンス型、永久磁石型、ハイブリッド型がある。
可変リラクタンス(VR)型は、複数の歯を持つ軟磁性体の回転子と、複数の磁極を持つ固定子で構成されており、固定子の巻線に直流電流を流すことにより磁極が励磁され、回転子の歯が磁極に吸引させられることにより回転するものである。
永久磁石(PM)型は、VR型の回転子における複数の歯の代わりに、周囲にS極とN極を交互に磁化させた永久磁石を回転子として用いたもので、VR型と比較してトルク特性が優れている。
ハイブリッド(HB)型は、VR型とPM型の両方の優れた点を組み合わせたものである。回転子は複数の歯を持ち、また軸の回りに軸方向に同心状に磁化された永久磁石がある。
そこで、ステッピングモータの励磁切り換えをパルス状ではなく、正弦波状に滑らかに変化させることにより、トルク脈動を抑制するマイクロステップ駆動法が用いられている(例えば、特許文献1、2参照)。
マイクロステップ駆動法は、モータ巻線に正弦波状の階段電流を、モータ相数に応じた位相差で通電することで実現するもので、振動が少なく、また小さなステップ角度と優れた位置決め精度が可能となるという特徴を有している。
コギングトルクは、PM型ステッピングモータやHB型ステッピングモータにおける回転子の永久磁石から見たモータの磁気抵抗が、モータ構造に起因して変化するために生じる磁気エネルギーの変化に伴うトルク脈動成分であり、電流非導通状態で発生する成分である。
このように、ステッピングモータにはコギングトルク、トルクリップルが存在するため、これらのトルクが外乱となり、従来のマイクロステップ駆動法では、高速・高精度位置決めの障害となっていた。
この第1の構成においては、コギングトルクトルクリップル補償手段と、マイクロステップ位置決め補償手段とを設けたことにより、コギングトルクやトルクリップル等の外乱が除去され、マイクロステップ位置決めの高速化、高精度化を図ることができる。
本発明の第2の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置は、前記コギングトルクトルクリップル補償手段は、モータのコギングトルクを測定し、そのトルク脈動成分を各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、コギングトルクを相殺する方向に前記周波数成分に相当するq軸電流補償成分iq-cogを、q軸電流に重畳する手段と、q軸電流を流したときの出力トルクからコギングトルクを差し引いた後に残存する出力トルクリップルを各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、前記出力トルクリップルを相殺する方向に前記周波数成分に相当するq軸電流補償成分iq-ripを、q軸電流にさらに重畳する手段とからなるものである。
これにより、コギングトルクおよびトルクリップルを補償することができる。
本発明の第3の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置は、前記マイクロステップ位置決め補償手段は、位置決め指令θ*に対する実停止位置とのずれを測定し、これを各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、前記ずれを相殺する方向へ前記相電流指令信号の位相を修正するものである。
これにより、マイクロステップ位置決め時の位置ずれを補償することができる。
本発明の第4の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置は、前記ステッピングモータは反負荷側に取り付けた速度・位置検出信号を出力する検出手段であるエンコーダの信号と、その近傍に取り付けた補正値を記憶したシリアル不揮発性メモリを時間的に信号切り換えする装置を有するものとしたものである。
この構成により、制御装置とモータとの配線本数を減らすことができる。
本発明の第5の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法は、第1ないし第4の構成のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の実運転前において、機械角1周期についてモータの脈動トルクと所定のq軸電流値での出力トルクを測定し、脈動トルクの脈動成分を各電気角周期ごとに周波数解析し、基本周波数の1倍、2倍、4倍の成分を記憶し、実運転時に前記1倍、2倍、4倍の成分をトルク電流に加算してコギングトルクトルクリップル補償をするものである。
この構成により、コギングトルクトルクリップル補償を行うことができる。
本発明の第6の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法は、第1ないし第4の構成のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の実運転前において、q軸電流を流したときの出力トルクから脈動トルクを差し引き、これを出力トルクの脈動として各電気角周期ごとに周波数解析し、基本周波数の少なくとも1倍、2倍、4倍の成分を記憶し、実運転時に振幅はトルク電流に比例するとして基本周波数の少なくとも1倍、2倍、4倍の成分をトルク電流に加算してトルク脈動補償をするものである。
この構成により、コギングトルクトルクリップル補償を行うことができる。
本発明の第7の構成に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法は、第5または第6の構成において、各電気角周期ごとについてのトルク脈動高調波の位相・振幅の補正データを独立に持ち、マイクロステップ位置決め制御へ切り換える切り換え時に、回転子の位置に応じて補償量を決定するものである。
この構成により、マイクロステップ位置決め制御への切り換え時の補償量が決定される。 本発明の第8の構成に係るステッピングモータの運転方法は、ステッピングモータを任意の位置から別の位置へ位置決め移動する場合、現在位置と位置決め指令との差がエンコーダの1パルス以上になった時点で開始される位置決め運転方法であって、前記位置決め指令をインクリメンタルに与え、マイクロステップ駆動で起動する工程と、q軸電流を徐々に0から立ち上げ、d軸電流を徐々に0に立ち下げていく工程と、d軸電流が0になると、コギングトルクトルクリップル補償ループを有するトルク制御系を中心とした速度制御系を用いて前記ステッピングモータを運転する工程と、速度制御系で駆動中に、現在位置が目標位置の直前1pprになると、制御系をマイクロステップ位置決め補償手段を用いてのマイクロステップ位置決め制御系に切り換える工程と、トルク電流を徐々に0に近付けて前記ステッピングモータを前記位置決め指令と一致する目標位置に停止させる工程とを有するものである。
この構成により、高精度のマイクロステップ駆動法による位置決めが可能となる。
図1は、本発明の実施の形態に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の構成を示すブロック図である。
まずS1で、エンコーダ17によりステッピングモータ16の位置θを検出する。次いで、S2で、座標変換器8においてsinθ,cosθを算出する。S3では、電流検出器14,15によりiα,iβを検出する。S4では、マイクロステップ位置決めが必要かどうかで、必要でない場合はS5の脈動トルク補償サブルーチンに、必要な場合はS7のマイクロステップ位置決め補償プロセスに進む。このS4のNoとYesと分岐処理は、図1の切換手段20,21のaとbの切り換えに対応している。
Xnのn次高調波成分の振幅Anと位相角Φnは次式で求められる。
実験結果によれば、周波数成分は実用的にいえば(a),(b)は基本波成分の4次まで、(c)は7次まで考慮すれば十分であることが判った。後述の図5で、7次までの成分を含め、それ以上を無視したのはこのためである。
トルクリップルを補償量を決定するため、q軸電流(トルク電流)を、1.0Aとした場合のトルクリップルの測定データからコギングトルク値を差し引いて、トルクリップル成分のみを取り出し、その波形を対象に機械角1周期で周波数解析を行う。その解析結果から、トルクリップルの主成分は、基本波(1次)、2次、4次成分であることが確認でき、q軸電流値の増加に伴って各成分の振幅が増加していることが確認できた。
この電流制御サブルーチンでは、S30で電流検出器14,15により検出した実電流iα,iβと、エンコーダ17により検出した実位置θより、d軸電流id,q軸電流iqを算出する。S31では、算出された電流id,iqをPI(比例、微分)演算して、S32によりd軸電圧指令Vd*,q軸電圧指令Vq*を算出する。この結果に基づいて、図2のS10でスイッチングパタンの出力を駆動手段であるアンプ12,13へ送り、モータ16を駆動する。
マイクロステップ駆動によるオープンループ(位置フィードバック無し)位置決めでは、位置指令θ*、d軸電流指令Id *、q軸電流指令Iq *を入力として与えて制御する。したがって、マイクロステップ位置決め段階では、エンコーダ17からの位置データθではなく、位置指令θ*を用いる。
この条件のもとで、電気角第一周期(エンコーダ17にZ相信号が入った直後の電気角周期=機械角0°〜7.2°)にて位置決め制御を行った場合の位置決め誤差Δθ(機械角)を、実験により測定した。図7,図8に測定結果を示す。図7は、モータを正転させた場合の正転補償ありと正転補償なしの位置と位置ずれの関係を、図8はモータを逆転させた場合の正転補償ありと正転補償なしの位置と位置ずれの関係をそれぞれ示している。いずれの場合も25600pprのエンコーダ±2パルスの許容誤差を超過しており、また位置決め誤差Δθが位置指令θ*に対して周期的に変動していることがわかる。
位置決め誤差Δθ>0の位置は、所望の指令位置θ*に対して実停止位置が進みの方向にΔθずれて停止することである。したがって、所望の位置θ*に停止させたい場合、位置指令をθ*’=θ*−Δθ(θ*)として与えてやればいいことがわかる。しかしながら、Δθ(θ*)は各ポジション固有の値であり、微小位置決め分解能を実現しようとする場合、その値をデータテーブルで持つことは困難であるため、以下の手法をとる。
モータ正転から停止した場合の位置決め誤差
以上が、図2のS9における具体的な処理である。
目標位置に対して直近前のエンコーダ1ppr前までは、通常の位置決めループで制御して、トルク電流をゼロに近付けておき、1pprを超えた時点で、図6のフローチャートによるマイクロステップ位置決めに切り換える。
すなわち、実測して求めたコギングトルク補償、トルク脈動補償、マイクロステップ位置決め補償のための振幅および位相角のデータはモータに固有のものであり、これらのデータを保存したシリアル不揮発性メモリをモータ反負荷側に取り付けた一回転400パルスのロータリーエンコーダの近傍に取り付ける。ロータリーエンコーダの信号はA相、B相、Z相の3種類であり、これにエンコーダ/メモリ選択信号を加えた4種類の信号を伝達するケーブルによってモータ/エンコーダ/メモリ部とドライバ部を接続する。モータ/エンコーダ/メモリ部はエンコーダ/メモリ選択信号を受けてケーブルの他の3本の信号線で伝達する信号およびその伝達方向を選択する切り換え手段を持つ。またドライバ部も同様に、ケーブルの3本の信号線によって伝達される信号およびその伝達方向を選択する切り換え手段を持つ。ドライバ部はエンコーダ/メモリ切り換え信号を出力する手段を持ち、これによってケーブルのエンコーダ/メモリ選択信号以外の3本の信号線によって伝達される信号を選択する。
一方エンコーダ/メモリ選択信号がメモリを選択するとき、ケーブルの3本の信号線はメモリのデータ入力(DI)信号、シリアルクロック(SK)信号をドライバ部からモータ/エンコーダ/メモリ部に伝達し、データ出力(DO)信号をモータ/エンコーダ/メモリ部からドライバ部に伝達する。
このように、補正データメモリ付きのモータ構成とすることにより、ステッピングモータ16のマイクロステップ駆動装置とモータとの配線本数を減らした構造のモータとすることができる。
2 微分器
3 減算器
4 速度ゲイン設定器
5 コギングトルクトルクリップル補償器
6 トルク(電流)ゲイン設定器
7 加算器
8 座標変換器
9 位相進み角補償器
10,11 減算器
12,13 アンプ
14 α相の電流検出器
15 β相の電流検出器
16 ステッピングモータ
17 エンコーダ
18 マイクロステップ位置決め補償器
19 d軸電流指令発生器
20,21 切換え手段
22 減算器
Claims (8)
- ステッピングモータの位置を検出して、位置検出信号を出力する検出手段と、
q軸電流指令信号を出力する電流指令生成手段と、
前記q軸電流指令信号を三角関数信号に基づいて相電流指令信号に変換する座標変換手段と、
前記ステッピングモータのステータコイルに流れる相電流を検出して、相電流検出信号を出力する電流検出手段と、
前記相電流指令信号から前記相電流検出信号を減算して、相電流偏差信号を出力する減算手段と、
前記相電流偏差信号に基づいて相電圧指令信号を発生する電流制御手段と、
前記相電圧指令信号に基づいて相電圧を前記ステータコイルに印加する駆動手段とからなるステッピングモータのマイクロステップ駆動装置において、
速度指令と速度信号との偏差から生成されたトルク指令と前記位置検出信号に基づいて、コギングトルクおよびトルクリップルを除去するためのコギングトルクトルクリップル補償信号を生成するコギングトルクトルクリップル補償手段と、
位置決め指令に対する実停止位置のずれを相殺する方向へ前記相電流指令信号の位相を修正するためのマイクロステップ位置決め補償信号を生成するマイクロステップ位置決め補償手段と、
前記位置決め指令と前記位置検出信号で示される現在位置との差が所定値よりも大きいときは、前記コギングトルクトルクリップル補償手段を用いての速度制御で制御し、前記位置決め指令と前記位置検出信号で示される現在位置との差が前記所定値以下になったときに前記マイクロステップ位置決め補償手段を用いてのマイクロステップ位置決め制御へ切り換える切換え手段と
を備えたことを特徴とするステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。 - 前記コギングトルクトルクリップル補償手段は、
ステッピングモータのコギングトルクを測定し、そのトルク脈動成分を各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、コギングトルクを相殺する方向に前記周波数成分に相当するq軸電流補償成分iq-cogを、q軸電流に重畳する手段と、
q軸電流を流したときの出力トルクからコギングトルクを差し引いた後に残存する出力トルクリップルを各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、前記出力トルクリップルを相殺する方向に前記周波数成分に相当するq軸電流補償成分iq-ripを、q軸電流にさらに重畳する手段と、
からなるものである請求項1記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。 - 前記マイクロステップ位置決め補償手段は、位置決め指令θ*に対する実停止位置とのずれを測定し、これを各電気角周期ごとに周波数解析し、その周波数成分に対応する次数、振幅、位相差を求め、前記ずれを相殺する方向へ前記相電流指令信号の位相を修正するものである請求項1記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
- 前記ステッピングモータは反負荷側に取り付けた速度・位置検出信号を出力する検出手段であるエンコーダの信号と、その近傍に取り付けた補正値を記憶したシリアル不揮発性メモリを時間的に信号切り換えする装置を有し、制御装置とステッピングモータとの配線本数を減らしたものである請求項1から3のいずれかの項に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
- 請求項1から4のいずれかの項に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の実運転前において、機械角1周期についてモータの脈動トルクと所定のq軸電流値での出力トルクを測定し、脈動トルクの脈動成分を各電気角周期ごとに周波数解析し、基本周波数の1倍、2倍、4倍の成分を記憶し、実運転時に前記1倍、2倍、4倍の成分をトルク電流に加算してコギングトルクトルクリップル補償をすることを特徴とするステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法。
- 請求項1から4のいずれかの項に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の実運転前において、q軸電流を流したときの出力トルクから脈動トルクを差し引き、これを出力トルクの脈動として各電気角周期ごとに周波数解析し、基本周波数の少なくとも1倍、2倍、4倍の成分を記憶し、実運転時に振幅はトルク電流に比例するとして基本周波数の少なくとも1倍、2倍、4倍の成分をトルク電流に加算してトルク脈動補償をすることを特徴とするステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法。
- 各電気角周期ごとについてのトルク脈動高調波の位相・振幅の補正データを独立に持ち、マイクロステップ位置決め制御へ切り換える切り換え時に、回転子の位置に応じて補償量を決定することを特徴とする請求項5または6に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動制御方法。
- ステッピングモータを任意の位置から別の位置へ位置決め移動する場合、現在位置と位置決め指令との差がエンコーダの1パルス以上になった時点で開始される位置決め運転方法であって、
前記位置決め指令をインクリメンタルに与え、マイクロステップ駆動で起動する工程と、
q軸電流を徐々に0から立ち上げ、d軸電流を徐々に0に立ち下げていく工程と、
d軸電流が0になると、コギングトルクトルクリップル補償ループを有するトルク制御系を中心とした速度制御系を用いて前記ステッピングモータを運転する工程と、
速度制御系で駆動中に、現在位置が目標位置の直前1pprになると、制御系をマイクロステップ位置決め補償手段を用いてのマイクロステップ位置決め制御系に切り換える工程と、
トルク電流を徐々に0に近付けて前記ステッピングモータを前記位置決め指令と一致する目標位置に停止させる工程と
を有するステッピングモータの位置決め運転方法。
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