JP4802545B2 - ステッピングモータの駆動制御装置及びミシン - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動制御装置及びミシンに関し、特に駆動系をステッピングモータで駆動制御するに際して、ステッピングモータの制御上の指令値に対するヒステリシスを解消させる駆動制御装置に関する。

従来、各種の駆動系を駆動させる場合、オープンループにより駆動制御が簡単なステッピングモータを採用する場合が殆どである。例えば、電子ミシンにおいては、針振り機構により針棒を揺動させたり、布送り駆動機構により送り歯を介して布地を布送りさせる場合に、小型で制御が簡単なステッピングモータが用いられる。

ところで、送り歯や布保持枠を移動させて布送り動作を行う際に、負荷が大きい場合には、制御手段からの指令パルス数と、パルスモータの回転量に対するエンコーダ信号数との間に誤差が生じ、送り歯や布保持枠を正確に移動させることができないため、模様崩れが発生するという問題がある。そこで、パルスモータの出力を常に最大トルクに設定して、常に所定の駆動量を確保することで、模様崩れの発生を防止するようにしたステッピングモータ制御技術が種々提案されている。

例えば、特許文献１に記載のパルスモータ制御プログラムは、パルスモータの加速時や減速前期等の各駆動区間における理想的な偏差値を夫々設定しておき、駆動制御中における任意の時点で、駆動するように指令した第１パルス数と、エンコーダ信号の数である第２パルス数との差である実際の偏差値を演算で求め、設定偏差値と実際偏差値とに基づいて次の駆動パルスの出力タイミングを調節するようにしてある。即ち、所謂、エンコーダ信号を用いたフィードバック制御を採用することで、パルスモータによる刺繍枠の駆動時に最大トルクを発生できるようにしてある。

また、特許文献２に記載の電子サイクルミシンは、Ｘ軸及びＹ軸の原点センサと、原点検索制御手段等を設け、テーブルを相互に直交するＸ軸方向とＹ軸方向とに移動させ、Ｘ軸及びＹ軸の原点センサからセンサ信号を入力した時点でテーブルの原点設定を行うようにしてある。

そこで、特許文献１に記載のパルスモータ制御プログラムにおいては、特許文献２のように、電源投入時や縫製開始に際して、パルスモータで刺繍枠を駆動する為、刺繍枠の原点設定を必ず実行するようにしてある。

特許文献１において、刺繍枠の原点設定を行う場合、第１パルス数をカウントする第１カウンタと、第２パルス数をカウントする第２カウンタとが設けられ、原点設定処理に際してこれら第１，第２カウンタのカウント値をクリアするクリア処理が実行され、原点設定処理の後に、再度、第１，第２カウンタのカウント値がクリアされる。
特開２００４−３２１７７１号公報（第１０〜１４頁、図６，図７） 特開平６−１２６０４９号公報（第３〜５頁、図１）

特許文献１において、原点設定処理が実行される場合に、この原点設定処理の為の刺繍枠駆動に際して、刺繍枠駆動系の駆動負荷がステッピングモータの駆動トルクに比べて比較的大きい場合には、原点設定処理の終了時に、ステッピングモータの駆動軸に連結され、エンコーダ信号を発生させるエンコーダディスクを取付けた駆動軸には、駆動時における負荷の影響を受けて、制御手段からの指令パルスに対応する正規の停止位置に対して回転位相に遅れ（所謂、ヒステリシス）が生じている。

即ち、このようなヒステリシス状態では、第１カウント値に対して第２カウント値の方が少なくなっている場合が多い。しかし、このように、第１カウント値と第２カウント値とが一致していない、つまりヒステリシスが発生した状態で、これら第１，第２カウント値が夫々再度クリアされて縫製処理が実行されるので、縫製処理において、駆動パルスの出力タイミングを偏差値に基づいて調節しても、パルスモータによる最大トルク発生に十分に反映できず、模様崩れを確実に防止することができないという問題がある。

請求項１のステッピングモータの駆動制御装置は、エンコーダ信号によりステッピングモータをフィードバック制御するステッピングモータの駆動制御装置において、ステッピングモータに対する駆動パルスの数を計数する指令数カウンタと、エンコーダ信号数を計数する信号カウンタと、ステッピングモータで駆動する駆動系の原点設定のための原点設定動作が終了した時点の指令数カウント値と信号カウント値×Ｃ（但し、Ｃは所定の正の定数）とが一致しない場合に、前記ステッピングモータにより駆動系を原点設定動作の動作方向と反対方向及びその逆方向へ所定パルス数だけ順に駆動するのを繰り返し、指令数カウンタ値と信号カウンタ値×Ｃとが一致した場合に制御を終了することにより駆動系のヒステリシスを解消するヒステリシス解消制御手段とを備えたものである。

ステッピングモータの駆動により駆動系の原点設定のための原点設定動作が終了した時点で、駆動パルスの数を計数した指令数カウンタのカウント値と、エンコーダ信号数を計数した信号カウンタのカウント値×Ｃとが一致しない、所謂ヒステリシス状態が発生した場合には、ステッピングモータの駆動により、駆動系が原点設定動作の動作方向と反対方向及びその逆方向へ所定パルス数だけ順に駆動するのを繰り返し、指令数カウンタ値と信号カウンタ値×Ｃとが一致した場合に制御を終了するので、ヒステリシス状態が解消され、指令数カウント値と信号カウント値×Ｃとが一致するようになる。即ち、その後、ステッピングモータによりその最大トルクで駆動系が駆動される。

請求項２のステッピングモータの駆動制御装置は、請求項１において、前記駆動系は駆動対象を水平面内において互いに直交するＸ方向とＹ方向に駆動するＸ軸駆動系とＹ軸駆動系を有し、ヒステリシス解消制御手段はＸ軸駆動系とＹ軸駆動系について同時にヒステリシスの解消を行うものである。

請求項３のステッピングモータの駆動制御装置は、請求項１において、前記原点設定動作を行う原点設定制御手段を有し、その原点設定制御手段は駆動系に設けた原点センサの検出信号が切り換わった時に原点設定制御を終了するものである。

請求項４のミシンは、請求項１〜３の何れか１項に記載したステッピングモータの駆動制御装置を備え、駆動系を加工布送り機構で構成したものである。

請求項１の発明によれば、エンコーダ信号によりステッピングモータをフィードバック制御するステッピングモータの駆動制御装置において、指令数カウンタと、信号カウンタと、ヒステリシス解消制御手段とを備えたので、ステッピングモータの駆動により駆動系の原点設定のための原点設定動作が終了した時点で、指令数カウント値と信号カウント値×Ｃとが一致しない、所謂ヒステリシス状態が発生した場合でも、ヒステリシス解消手段によりステッピングモータ側のヒステリシスが確実に解消されるため、原点設定動作終了以降において、駆動系をステッピングモータの最大トルクで駆動できるようになり、駆動指令に対する駆動系における駆動量の精度を格段に高めることができる。

前記ヒステリシス解消制御手段は、ステッピングモータにより駆動系を原点設定動作の動作方向と反対方向及びその逆方向へ所定パルス数だけ順に駆動するのを繰り返すことにより駆動系のヒステリシスを解消する。この場合、原点設定動作により駆動系にヒステリシスが発生している場合であっても、ヒステリシス解消動作を繰返し実行することで、駆動系のヒステリシスを確実に解消することができる。

また、ステッピングモータで駆動される駆動系の原点設定のための原点設定動作であって電源投入時に実行される原点設定動作において、駆動系のヒステリシスを確実に解消させておくことができる。

請求項２の発明によれば、前記駆動系は駆動対象を水平面内において互いに直交するＸ方向とＹ方向に駆動するＸ軸駆動系とＹ軸駆動系を有し、ヒステリシス解消制御手段はＸ軸駆動系とＹ軸駆動系について同時にヒステリシスの解消を行う。この場合、駆動対象を駆動するＸ軸駆動系に発生したヒステリシスの解消と、Ｙ軸駆動系に発生したヒステリシスの解消とが同時に行われる為、複数の駆動系におけるヒステリシスの解消を、短時間で迅速に行うことができる。その他請求項１と同様の効果を奏する。

請求項３の発明によれば、前記原点設定動作を行う原点設定制御手段を有し、その原点設定制御手段は駆動系に設けた原点センサの検出信号が切り換わった時に原点設定制御を終了する。この場合、原点センサを用いて、原点センサを設けた位置に原点位置を設定することができる。その他請求項１と同様の効果を奏する。

請求項４の発明によれば、請求項１〜３の何れか１項に記載したステッピングモータの駆動制御装置を備え、駆動系を加工布送り機構であるので、加工布送り機構をステッピングモータで駆動制御する場合に、請求項１〜３の何れか１項に記載したステッピングモータの駆動制御装置で得られる効果を発揮できるミシンを実現させることができる。

本実施例のステッピングモータの駆動制御装置は、模様縫いミシンの布送り装置をステッピングモータからなるＸ方向及びＹ方向駆動モータで駆動するようにし、布送り装置の原点設定処理終了時に、各駆動モータを所定ステップ数ずつ往復回転させて、布送り装置のヒステリシスを解消するようにしてある。

図１に示すように、模様縫いミシン１は、ベッド部２と、ベッド部２の後端部から立設された脚柱部３と、その脚柱部３の上端部からベッド部２と対向するように前方へ延びるアーム部４等から構成されている。

脚柱部３及びアーム部４には、図示を省略するが、針棒６を介して縫針を上下駆動するためのミシンモータ７と、そのミシンモータ７の駆動力を主軸を介して針棒６に伝達する駆動力伝達機構等が設けられているが、公知の技術であるため、ここではその詳細な説明を省略する。また、アーム部４の前端部である頭部５の内部に、針棒６を上下動させる針棒上下動機構が設けられている。

ベッド部２には、図示を省略するが、布保持機構と、この布保持機構をＸ方向（左右方向）とＹ方向（前後方向）に移動させる布送り装置に加え、縫針の上下動と調時して模様縫目を形成する回転釜と、ミシンモータ７の回転駆動力を主軸を介して回転釜に伝達する下軸と、縫製終了時に上糸と下糸を同時に切断する糸切り機構などが設けられている。

ここで、布保持機構は、後述する布送り装置のＸ方向移動体に連結され、平面視にて矩形枠状の布保持枠１０を下側の布受け板１１とで加工布を挟持するもので、周知であり、この発明とは関係しないため、その詳細な説明を省略する。

布保持枠１０と布受け板１１とからなる布保持体１２（これが、駆動対象に相当する）をＸ方向及びＹ方向に移動させて布送りする布送り装置について、図示を省略して簡単に説明する。ベッド部２内に、Ｙ方向移動体をＹ方向に移動させるＹ方向移動機構と、Ｘ方向移動体をＸ方向に移動させるＸ方向移動機構等が設けられている。但し、Ｙ方向移動機構のＹ方向移動体でＸ方向移動機構を駆動するように構成され、Ｘ方向移動体で布保持枠１０と布受け板１１を同時に移動駆動するようになっている。

ここで、Ｘ方向移動機構がＸ軸駆動系に相当し、Ｙ方向移動機構がＹ軸駆動系に相当する。この場合、ステッピングモータからなるＸ方向駆動モータ１３でＸ方向移動機構を駆動するように構成され、ステッピングモータからなるＹ方向駆動モータ１５でＹ方向移動機構を駆動するように構成されている。これらＸ方向及びＹ方向駆動モータ１３，１５の分解能は、例えば、８００パルスである。

次に、模様縫いミシン１の制御系について簡単に説明しておく。図２に示すように、制御装置２０は、入出力インターフェース２１と、ＣＰＵ２２とＲＯＭ２３及びＲＡＭ２４等を含むコンピュータと、駆動回路２７〜２９等を有する。

入出力インターフェース２１には、起動停止スイッチ２５と、ミシンモータ７の為の駆動回路２７と、Ｘ方向駆動機構を駆動させるＸ方向駆動モータ１３の為の駆動回路２８と、Ｙ方向駆動機構を駆動させるＹ方向駆動モータ１５の為の駆動回路２９と、Ｘ方向移動機構に設けられた原点設定用のＸ方向原点センサ１７と、Ｙ方向移動機構に設けられた原点設定用のＹ方向原点センサ１８等が接続されている。但し、これらＸ方向及びＹ方向原点センサ１７，１８は、夫々近接センサからなっている。

ところで、Ｘ方向駆動モータ１３の駆動軸にＸエンコーダ１４が付設されている。このＸエンコーダ１４は、Ｘ方向駆動モータ１３の実際の回転量を検出するためのもので、駆動軸と共に回転可能に固定され周方向適当間隔にスリットが形成されたディスクと、発光部と受光部とを有する検出器とを備えている。

それ故、Ｘエンコーダ１４において、発光部で発光された光をディスクのスリットを通過して受光部で検出されると、Ｘ方向移動に関するエンコーダ信号が入出力インターフェース２１に出力され、Ｘ方向駆動モータ１３の駆動軸の回転角度が検出される。Ｙ方向駆動モータ１５の駆動軸にもＸエンコーダ１４と同様に構成されたＹエンコーダ１６が付設されており、このＹエンコーダ１６からもＹ方向移動に関するエンコーダ信号が入出力インターフェース２１に出力されるようになっている。

この場合、Ｘエンコーダ１４からは、Ｘ方向駆動モータ１３の１回転で８００個のエンコーダ信号が出力され、Ｙエンコーダ１６からも同様に、Ｙ方向駆動モータ１５の１回転で８００個のエンコーダ信号が出力される。

ＲＯＭ２３には、各種の駆動機構を駆動制御するとともに、各種の模様の縫製制御プログラム、後述する本願特有の原点設定制御の制御プログラム等が予め格納されている。ＲＡＭ２４には、縫製に供する縫製データを記憶する縫製データメモリだけでなく、Ｘ，Ｙ方向駆動モータ１５に対する駆動パルスの数を計数する指令数カウンタ２４ａと、Ｘ，Ｙエンコーダ１４，１６から出力されるエンコーダ信号数を計数する信号カウンタ２４ｂと、ＣＰＵ２２で演算処理した演算結果を収容する各種メモリ、ポインタ、カウンタ等が必要に応じて設けられている。

次に、模様縫いミシン１の制御装置２０で実行される原点設定制御であって、Ｘ方向駆動モータ１３によりＸ方向移動機構について原点設定動作を行う場合について、図３のフローチャートに基づいて説明する。但し、図中符号Ｓｉ（ｉ＝１１、１２、１３・・・）は各ステップである。また、Ｙ方向駆動モータ１５についても、このＸ方向駆動モータ１３と同時に実行される原点設定制御は、図３に示すフローチャートと同様であるため、その説明を省略する。

模様縫いミシン１に電源が投入され、ＣＰＵ２２に原点検出開始信号が入力されると、この制御が開始される。先ず、指令数カウンタ２４ａのカウント値ＣＣがクリアされるとともに、信号カウンタ２４ｂのカウント値ＳＣがクリアされる（Ｓ11）。次に、原点設定動作が実行される（Ｓ12）。

但し、この原点設定動作においては、ＣＰＵ２２からＸ方向駆動モータ１３のための駆動回路２８に対して駆動指令が出力される毎に、指令数カウンタ２４ａのカウント値ＣＣが順次インクリメントされ、Ｘエンコーダ１４からのエンコーダ信号が入出力インターフェース２１に出力される毎に、信号カウンタ２４ｂのカウント値ＳＣが順次インクリメントされる。そして、Ｘ方向原点センサ１７からのセンサ信号が切り換わった時に、原点設定動作を終了する。

次に、原点設定動作が終了した時点において、指令数カウント値ＣＣと、信号カウント値ＳＣとが一致しない場合には（Ｓ13：No）、ヒステリシス解消動作（図４参照）が実行される（Ｓ14）。この制御が開始されると、先ず、布保持体１２をＳ12で実行された原点設定動作の最終移動方向と反対方向に移動させるように、Ｘ方向駆動モータ１３が４パルスだけ駆動される（Ｓ21）。

続いて、布保持体１２をその逆方向に移動させるように、Ｘ方向駆動モータ１３が４パルスだけ駆動され（Ｓ22）、この制御を終了して原点設定制御のＳ13にリターンする。そこで、原点設定制御において、指令数カウント値ＣＣと信号カウント値ＳＣとが一致しない場合には（Ｓ13：No）、Ｓ14が繰返して実行される。

一方、指令数カウント値ＣＣと信号カウント値ＳＣとが一致した場合には（Ｓ13：Yes ）、指令数カウント値ＣＣと信号カウント値ＳＣとが夫々クリアされ（Ｓ15）、この制御を終了する。ここで、ヒステリシス解消制御がヒステリシス解消制御手段に相当し、原点設定制御の特にＳ12が原点設定制御手段に相当し、制御装置２０がステッピングモータの駆動制御装置２０に相当する。

このように、原点設定制御のＳ12における原点設定動作を実行したときに、Ｘ方向移動機構の駆動負荷がＸ方向駆動モータ１３の駆動トルクに比べて比較的大きい場合には、原点設定動作の終了時に、Ｘエンコーダ１４を取付けたＸ方向駆動モータ１３の駆動軸には、駆動時における負荷の影響を受けて、制御装置２０からの指令パルスに対応する正規の停止位置に対して回転位相に遅れ（所謂、ヒステリシス）が生じている。

即ち、このようなヒステリシス状態では、指令数カウント値ＣＣに対して信号カウント値ＳＣの方が少なくなっている場合が多い。しかし、このように、指令数カウント値ＣＣと信号カウント値ＳＣとが一致していない、つまりＸ方向移動機構にヒステリシスが発生した状態で、Ｘ方向移動機構が原点設定動作と反対方向に移動されることにより、Ｘ方向駆動モータ１３の駆動軸がＸ方向移動機構から受ける負荷の影響が回避されるようになり、Ｘ方向駆動モータ１３の駆動軸の回転位相が、制御装置２０からの指令パルスに対応する正規の停止位置に一致するようになる。

そして、このようにＸ方向移動機構にヒステリシスが解消した時点で、これら指令数カウント値ＣＣと信号カウント値ＳＣとが再度クリアされて、図示しない縫製処理が実行されるので、縫製処理において、駆動パルスの出力タイミングを偏差値に基づいて調節することにより、Ｘ方向駆動モータ１３による最大トルクを確実に発揮できるようになり、布保持体１２の駆動量の精度を格段に高めることができ、模様崩れを確実に防止することができる。

また、布送り装置は布保持体１２を水平面内において互いに直交するＸ方向とＹ方向に駆動するＸ方向移動機構とＹ方向移動機構を有し、Ｘ方向移動機構とＹ方向移動機構について同時にヒステリシスの解消を行うので、布保持体１２を駆動するＸ方向移動機構に発生したヒステリシス状態の解消と、Ｙ方向移動機構に発生したヒステリシス状態の解消が同時に行われる為、複数の駆動系におけるヒステリシスの解消を、短時間で迅速に行うことができる。

また、ヒステリシス状態を解消させる動作（Ｓ21、Ｓ22）は、Ｘ方向駆動モータ１３及びＹ方向駆動モータ１５で駆動される布送り装置の原点設定のための原点設定動作で実行されるので、電源投入時に実行される原点設定動作において、布送り装置のヒステリシス状態を確実に解消させておくことができる。

また、原点設定動作を行う原点設定制御は、布送り装置に設けたＸ及びＹ方向原点センサ１７，１８の検出信号が切り換わった時に原点設定制御を終了するので、これらＸ及びＹ方向原点センサ１７，１８を用いて、Ｘ及びＹ方向原点センサ１８を設けた位置に原点位置を設定することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した変更形態について説明する。

１〕ヒステリシス解消制御のＳ21とＳ22において、Ｘ方向駆動モータ１３を駆動するパルス数は「４パルス」に限られるものではなく、それ以下であっても、またそれ以上であってもよい。また、そのパルス数を作業者により入力設定可能に構成するようにしてもよい。

２〕Ｘ及びＹ方向駆動モータ１３，１５の分解能（８００パルス）と、Ｘ及びＹエンコーダ１４，１６から出力されるエンコーダ信号の数が同じであるため、原点設定制御のＳ１３において「ＣＣ＝ＳＣ ？」により判定するようにしたが、エンコーダ信号数の方がステッピングモータの分解能よりも大きい場合には、「ＣＣ＝ＳＣ×Ｃ（但し、Ｃは所定の正の定数） ？」により判定するようにしてもよい。

３〕図３に示す本願特有の原点設定制御は、加工布を保持する布保持体１２をＸ方向とＹ方向に駆動する布保持体１２をステッピングモータで駆動するステッピングモータの駆動制御装置だけに限らず、エンコーダ信号によりステッピングモータをフィードバック制御する各種のステッピングモータの駆動制御装置に適用することが可能である。

４〕本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、当業者でれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記実施例に種々の変更を付加して実施することができ、本発明はそれらの変更形態をも包含するものである。

本発明の実施形態に係る模様縫いミシンの斜視図である。 本発明の実施形態に係る模様縫いミシンの制御系のブロック図である。 原点設定制御のフローチャートである。 ヒステリシス解消制御のフローチャートである。

１ 模様縫いミシン
１０ 布保持枠
１１ 布受け板
１２ 布保持体
１３ Ｘ方向駆動モータ
１４ Ｘエンコーダ
１５ Ｙ方向駆動モータ
１６ Ｙエンコーダ
１７ Ｘ方向原点センサ
１８ Ｙ方向原点センサ
２０ 制御装置
２４ａ 指令数カウンタ
２４ｂ 信号カウンタ

Claims (4)

1. エンコーダ信号によりステッピングモータをフィードバック制御するステッピングモータの駆動制御装置において、
   前記ステッピングモータに対する駆動パルスの数を計数する指令数カウンタと、
   前記エンコーダ信号数を計数する信号カウンタと、
   前記ステッピングモータで駆動する駆動系の原点設定のための原点設定動作が終了した時点の指令数カウント値と信号カウント値×Ｃ（但し、Ｃは所定の正の定数）とが一致しない場合に、前記ステッピングモータにより前記駆動系を前記原点設定動作の動作方向と反対方向及びその逆方向へ所定パルス数だけ順に駆動するのを繰り返し、指令数カウンタ値と信号カウンタ値×Ｃとが一致した場合に制御を終了することにより前記駆動系のヒステリシスを解消するヒステリシス解消制御手段と、
   を備えたことを特徴とするステッピングモータの駆動制御装置。
2. 前記駆動系は駆動対象を水平面内において互いに直交するＸ方向とＹ方向に駆動するＸ軸駆動系とＹ軸駆動系を有し、前記ヒステリシス解消制御手段は前記Ｘ軸駆動系とＹ軸駆動系について同時に前記ヒステリシスの解消を行う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制御装置。
3. 前記原点設定動作を行う原点設定制御手段を有し、その原点設定制御手段は前記駆動系に設けた原点センサの検出信号が切り換わった時に原点設定制御を終了す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制御装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載したステッピングモータの駆動制御装置を備え、前記駆動系が加工布送り機構であることを特徴とするミシン。
   

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