JP4813824B2 - ステッピングモータの制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は モータの速度が所定速度を超えたことに基づいてマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に駆動方式を徐々に切り換え、前記モータの速度が前記所定速度を下回ったことに基づいてフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に徐々に切り換えるステッピングモータの制御方法および制御装置に関し、とくに、上記駆動方式の切り換えをより安定かつ確実に実現する技術に関する。

ステッピングモータをマイクロステップ駆動するため、該モータの駆動回路を構成する出力素子（スイッチングトランジスタ等のスイッチング素子）のオン・オフデューティを変化させて各相の励磁電流を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来技術は、高速回転時に、出力素子のスイッチング（マイクロステップ駆動を行わせる場合の出力素子のスイッチング）のタイミングと、外部の発振器から入力されるパルス信号による励磁シーケンスの切り換えのタイミングとの間に干渉を生じて、ステッピングモータの回転に振動を生じるといった問題点を有する。

すなわち、高速回転になるにつれて励磁切り換えのタイミングが速くなり、その切り換えの周波数がオン・オフデューティの切換周波数に近づくと、各相巻線に流れる励磁電流のコントロールが不完全になって、各期間に流れる励磁電流に変動を生じ、その結果、ステッピングモータのロータが振動する。

そこで、本出願人は、低速回転時にはマイクロステップ駆動を行うとともに、高速回転時には通常ステップ（フルステップ）駆動を行い、かつ、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動、またはフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に移行する際に、各々の励磁パターン間を徐々に変化させることによって上記各移行を円滑に実現する、という改良技術を提案した（特許文献２参照）。

特許第２８２１６９６号公報 特許第３２２３２１６号公報

しかしながら、上記改良技術では、ステッピングモータ回転速度のみに基づいて駆動方式を変化させているので、指令速度がたまたまマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に変える途中の速度であった場合に、切り換え途中の励磁状態がそのまま継続されることになり、このため、モータが振動するなどの不安定な好ましくない駆動状態が続いてしまうことがあった。

本発明の目的は、このような従来の問題点に鑑み、駆動形態の切り換え途中の励磁状態が継続されることを回避して、より安定かつ円滑にステッピングモータを駆動することが可能なステッピングモータの駆動方法および駆動装置を提供することにある。

本発明は、Ｆ３＜Ｆ２＜Ｆ１の関係を有するモータの速度が第３の所定速度（Ｆ３）を超えたことに基づいて、駆動方式をマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に前記モータの速度に応じて徐々に切り換え、前記モータの速度が第２の所定速度（Ｆ２）を下回ったことに基づいて、駆動方式をフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に前記モータの速度に応じて徐々に切り換えるステッピングモータの制御方法であって、
前記モータの速度が第１の所定速度（Ｆ１）を超えたときから所定時間が経過した時点で前記モータの駆動状態が駆動方式切り換えの遷移領域にあった場合には、駆動方式を前記フルステップ駆動に切り換えるステップと、前記モータの速度が前記第２の所定速度（Ｆ２）を下回ったときから所定時間が経過した時点で前記モータの駆動状態が駆動方式切り換えの遷移領域にあった場合には、駆動方式を前記マイクロステップ駆動に切り換えるステップと、を含むことによって上記目的を達成している。

実施の形態において、前記マイクロステップ駆動から前記フルステップ駆動に切り換えるステップおよび前記フルステップ駆動から前記マイクロステップ駆動に切り換えるステップは、時間経過に伴って変化する第１の制御因子（Ｍ’）を設定するステップと、前記モータの速度変化に伴って変化する第２の制御因子（Ｍ’’）を設定するステップと、前記第１の制御因子（Ｍ’）および前記第２の制御因子（Ｍ’’）に基づいて、前記各駆動方式相互間における切り換え移行を徐々に実行するための前記モータの励磁パターンを形成するステップと、を含んでいる。

前記モータの励磁パターンを形成するステップは、前記マイクロステップ駆動から前記フルステップ駆動への移行時に、前記第１の制御因子（Ｍ’）のみに基づいて前記励磁パターンを形成するステップと、前記フルステップ駆動から前記マイクロステップ駆動への移行時に、前記第１の制御因子（Ｍ’）と前記第２の制御因子（Ｍ’’）の双方に基づいて前記励磁パターンを形成するステップと、を含むことができる。

例えば、前記第１の制御因子（Ｍ’）は、時間経過に伴って所定の数値範囲内で増大変化または減少変化するように設定され、前記第２の制御因子（Ｍ’’）は、前記モータの速度が前記第２の所定速度（Ｆ２）から前記第３の速度（Ｆ３）まで低下するに伴って所定の数値範囲内で減少変化するように設定されている。

本発明は、Ｆ３＜Ｆ２＜Ｆ１の関係を有するモータの速度が第３の所定速度（Ｆ３）を超えたことに基づいて、駆動方式をマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に前記モータの速度に応じて徐々に切り換え、前記モータの速度が第２の所定速度（Ｆ２）を下回ったことに基づいて、駆動方式をフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に前記モータの速度に応じて徐々に切り換える駆動方式切り換え手段を備えるステッピングモータの制御装置であって、前記駆動方式切り換え手段が、前記モータの速度が前記第１の所定速度（Ｆ１）を超えたときから前記所定時間が経過した時点で前記モータの駆動状態が駆動方式切り換えの遷移領域にあった場合には、駆動方式を前記フルステップ駆動に切り換え、前記モータの速度が前記第２の所定速度（Ｆ２）を下回ったときから所定時間が経過した時点で、前記モータの駆動状態が駆動方式切り換えの遷移領域にあった場合には、駆動方式を前記マイクロステップ駆動に切り換えるように構成されていることによって上記目的を達成している。

本発明によれば、モータの速度が所定速度を超えたときから所定の第１の時間が経過した時点で駆動方式をマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り換え、上記モータの速度が上記所定速度を下回ったときから所定の第２の時間が経過した時点で駆動方式をフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に切り換えるようにしているので、速度遷移中の不安定な駆動状態が継続することを回避して、振動を抑制するなどの効果を得ることができる。
また、上記所定の第１の時間の経過および上記所定の第２の時間の経過に伴って変化する第１の制御因子と、上記モータの速度変化に伴って変化する第２の制御因子を設定し、この第１および第２の制御因子に基づいて各駆動方式相互間における切り換え移行を徐々に実行するためのモータの励磁パターンを形成しているので、急激なＰＷＭデューティの変化をなくした状態での上記切り換え移行が可能であり、この結果、モータの滑らかな回転が保障されるとともに、モータが停止するまでの時間を短縮することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係るステッピングモータの制御方法が適用される制御装置を例示している。
この駆動装置は、パルス入力回路１、演算回路２、切換制御値生成回路３、ＰＷＭデューティ演算回路４、ＰＷＭパターン発生回路５、ＰＷＭパターン合成回路６、および複数の出力素子（スイッチング素子）などを含む駆動回路７を備え、駆動回路７から出力される励磁電流によってステッピングモータ８を駆動する。

この駆動装置において、パルス入力回路１は、動作指令である正転（ＣＷ）または逆転（ＣＣＷ）指令パルスに応じてパルス信号（ＰＵＬＳＥ）および回転方向信号（ＤＩＲ）を出力する。
演算回路２は、上記パルス信号（ＰＵＬＳＥ）および回転方向信号（ＤＩＲ）に基づいて、フルステップ駆動における１ステップ内でのマイクロステップ停止位置データ（Ｄ）と、フルステップ駆動での励磁シーケンス位置データ（Ｓ）とをそれぞれ演算して出力する。

上記マイクロステップ停止位置データ（Ｄ）はＰＷＭデューティ演算回路３に入力され、また、上記励磁シーケンス位置データ（Ｓ）は切換制御値生成回路４に入力される。
切換制御値生成回路４は、モータ速度を示すデータである励磁シーケンス位置データ（Ｓ）に基づいて、該モータ速度に応じた以下のような切換制御値（Ｍ）を演算して出力する。
Ｍ＝Ｍ’＋Ｍ’’（Ｍ’＋Ｍ’’≧０）
Ｍ＝０ （Ｍ’＋Ｍ’’＜０）
ここで、（Ｍ’）および（Ｍ’’）は、それぞれ後述する時間切換方式および速度切換方式に従った制御因子である。

上記時間切換方式に従った制御因子（Ｍ’）は、図２（ａ）に示すように、モータ速度がＦ２以下からＦ１（＞Ｆ２）以上まで増大される場合、該モータ速度がＦ１になった時点から所定時間Ｔｗが経過する間に０→２５５と変化し、また、図２（ｂ）に示すように、モータ速度がＦ１以上から所定速度Ｆ２以下まで減少される場合、該モータ速度がＦ２になった時点から所定時間Ｔｗが経過する間に２５５→０と変化する。なお、上記時間Ｔｗは、モータ８の種類、諸特性や駆動する負荷等を勘案して設定され、例えば５０ｍｓｅｃ程度に設定される。

一方、上記速度切換方式に従った制御因子（Ｍ’’）は、図２（ｃ）に示すように、モータ速度がＦ３（＜Ｆ２）以上でかつＦ２以下であるときに、該モータ速度に応じて−２５６から０の間で変化するものである。
上記のように、制御因子（Ｍ’）は時間経過に伴って変化する因子であり、制御因子（Ｍ’’）はモータ速度によって規定される因子である。

したがって、例えば、制御因子（Ｍ’）が０でかつモータ速度がＦ３〜Ｆ２の間にある場合には、Ｍ’＋Ｍ’’＜０という条件が成立することになるので、切換制御値（Ｍ）が０になる。
また、制御因子（Ｍ’）が０のときにモータ速度がＦ２以下から上昇する場合には、モータ速度がＦ１になってからの時間因子によって切換制御値（Ｍ）が０→２５５と変化する。さらに、制御因子（Ｍ’）が２５５のときにモータ速度がＦ１以上から下降する場合には、該モータ速度がＦ２まで降下したときからの時間因子とＦ２〜Ｆ３間の速度因子とに基づいて、切換制御値（Ｍ）が２５５→０と変化する。

なお、上記Ｆ２は、速度Ｆ１を基準とした時間切換方式による切換動作のヒステリシス幅を設定するものであり、このヒステリシス幅の設定により、上記切換動作の安定化を図ることができる。このＦ２によって設定されるヒステリシス幅は、モータ動作指令である入力パルスの発振精度（安定度）に応じて適宜調整される。また、上記Ｆ３は、速度切換方式におけるマイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切換開始点を規定する速度基準である。

ＰＷＭデューティ演算回路３では、マイクロステップ停止位置データ（Ｄ）と上記したような切換制御値（Ｍ）とに基づいて、該切換制御値（Ｍ）に応じたＰＷＭデューティが演算され、また、ＰＷＭパターン発生回路５では、上記ＰＷＭデューティに基づいて励磁シーケンスを構成するＰＷＭパターンが生成される。そして、ＰＷＭパターン合成回路６では、上記ＰＷＭパターンに基づいて各相の励磁シーケンスが合成され、その合成信号が駆動回路７の出力素子のスイッチング信号(駆動信号)として出力される。

ここで、上記モータ８が例えば各相の巻線をペンタゴン結線した５相ステッピングモータであるとすると、上記切換制御値（Ｍ）が０の場合、上記ＰＷＭパターン合成回路６が図３に示すような励磁シーケンス、つまり、完全なマイクロステップ駆動のための各相（Ａ層〜Ｅ層）の励磁シーケンスを発生する。そして、上記各相の励磁シーケンスは、切換制御値（Ｍ）が２５５に近づくに従って、図４に示すようなフルステップ駆動のための励磁シーケンスへと切り換えられることになる。

Ａ相を例にすると、図３のＡ相の励磁シーケンスは、図５に示すように、電気角３６°毎のＰＷＭパターンで構成されている。この電気角３６°毎の各ＰＷＭパターンは、切換制御値（Ｍ）を用いた前記ＰＷＭデューティ演算回路３での算術的演算によって変化される。例えば、切換制御値（Ｍ）が０の場合には、図６のようなマイクロステップ駆動のためのデューティを実現するためのＰＷＭパターンになる。また、切換制御値（Ｍ）が２５５に近づくに従って、図７のように徐々にＰＷＭデューティを変化させるＰＷＭパターンとなり、切換制御値（Ｍ）が２５５の場合には、フルステップ駆動のためのデューティを実現するためのＰＷＭパターンとなる。

上記フルステップ駆動に切り換わったときのＰＷＭパターンは、フルステップ駆動時の電気角位置をθｆ、マイクロステップ駆動時の電気角位置をθｍとすると、電気角位置をθｆが下記の関係を満たすようにＰＷＭデューティを変化させる。この関係によれば、例えば、０≦θｍ＜３６ｄｅｇのときにθｆ＝０ｄｅｇとなり、３６≦θｍ＜７２ｄｅｇのときにθｆ＝３６ｄｅｇとなる。
３６×ｎ＝θｆ≦θｍ＜３６×（ｎ＋１），ｎは整数

Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥの各相についても同様の作用が行われる。すなわち、マイクロステップ駆動時には図４のような励磁シーケンスが形成され、フルステップ駆動時には図５に示すような励磁シーケンスが形成される。
前記駆動回路７は、上記各相Ａ〜Ｅの励磁シーケンスに従った電力をステッッピングモータ８に供給して、該モータ８を駆動する。したがって、この実施形態においては、上記切換制御値（Ｍ）に基づいて、図２（ｄ）に示す態様でマイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り換えが実行されるとともに、図２（ｅ）に示す態様でフルステップ駆動からマイクロステップ駆動への切り換えが実行される。

すなわち、モータ８の速度がＦ１を超えたときを起点としたＴｗ時間の経過時点で駆動方式がマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り換えられ、上記モータ８の速度が所定速度Ｆ２を下回ったときを起点としたＴｗ時間の経過時点で駆動方式がフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に切り換えられる。
そして、各駆動方式相互の切り換え移行期間においては、つまり、図２（ｄ）、（ｅ）における切換遷移領域においては、前記制御因子（Ｍ’）と制御因子（Ｍ’’）とに基づいて設定される切換制御値（Ｍ）によるＰＷＭデューティの調整により、上記切り換え移行期間におけるＰＷＭデューティの急激な変化が抑制される。

上記Ｔｗ時間の経過時点で駆動方式を切り換える手法によれば、指令速度がたまたまマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に変える途中の速度であった場合でも、切り換え途中の励磁状態がそのまま継続されるという事態が発生せず、このため、モータが振動するなどの不安定な駆動状態が続くおそれがない。
また、切換制御値（Ｍ）を用いた駆動方式切り換え移行期間におけるＰＷＭデューティの調整手法によれば、モータの滑らかな回転が保障されるとともに、モータが停止するまでの時間を短縮することができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変形例を含み得るものである。たとえば、上記実施の形態では、図２（ａ）、（ｂ）に示す各制御因子（Ｍ’）および図２（ｃ）に示す制御因子（Ｍ’’）をそれぞれ直線的に変化させているが、これらの１つないし全てを曲線的に変化させても良い。また、上記実施の形態では、図２（ａ）に示す経過時間Ｔｗと図２（ｂ）に示す経過時間Ｔｗとを等しく設定しているが、これらを相違させても良い。

本発明に係るステッピングモータの制御方法が適用される制御装置の一例を示すブロック図である。 （ａ）はマイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り換え時に使用する時間因子の変化形態を例示した図、（ｂ）はフルテップ駆動からマイクロステップ駆動への切り換え時に使用する時間因子の変化形態を例示した図、（ｃ）はフルテップ駆動からマイクロステップ駆動への切り換え時に使用する速度因子の変化形態を例示した図、（ｄ）はマイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切換遷移図、（ｅ）はフルステップ駆動からマイクロステップ駆動への切換遷移図である。 マイクロステップ駆動の励磁シーケンス波形図である。 フルステップ駆動の励磁シーケンス波形図である。 マイクロステップ駆動のＡ相励磁シーケンス波形図である。 マイクロステップ駆動のためのＰＷＭデューティを示す波形図である。 マイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り換え過渡段階におけるＰＷＭデューティを示す波形図である。

符号の説明

１ パルス入力回路
２ 演算回路
３ 切換制御値生成回路
４ ＰＷＭデューティ演算回路
５ ＰＷＭパターン発生回路
６ ＰＷＭパターン合成回路
７ 駆動回路７
８ ステッピングモータ

Claims (5)

1. Ｆ３＜Ｆ２＜Ｆ１の関係を有するモータの速度が第３の所定速度（Ｆ３）を超えたことに基づいて、駆動方式をマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に前記モータの速度に応じて徐々に切り換え、前記モータの速度が第２の所定速度（Ｆ２）を下回ったことに基づいて、駆動方式をフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に前記モータの速度に応じて徐々に切り換えるステッピングモータの制御方法であって、
   前記モータの速度が第１の所定速度（Ｆ１）を超えたときから所定時間が経過した時点で前記モータの駆動状態が駆動方式切り換えの遷移領域にあった場合には、駆動方式を前記フルステップ駆動に切り換えるステップと、
   前記モータの速度が前記第２の所定速度（Ｆ２）を下回ったときから所定時間が経過した時点で前記モータの駆動状態が駆動方式切り換えの遷移領域にあった場合には、駆動方式を前記マイクロステップ駆動に切り換えるステップと、
   を含むことを特徴とするステッピングモータの制御方法。
2. 前記マイクロステップ駆動から前記フルステップ駆動に切り換えるステップおよび前記フルステップ駆動から前記マイクロステップ駆動に切り換えるステップは、
   時間経過に伴って変化する第１の制御因子（Ｍ’）を設定するステップと、
   前記モータの速度変化に伴って変化する第２の制御因子（Ｍ’’）を設定するステップと、
   前記第１の制御因子（Ｍ’）および前記第２の制御因子（Ｍ’’）に基づいて、前記各駆動方式相互間における切り換え移行を徐々に実行するための前記モータの励磁パターンを形成するステップと、
   を含む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制御方法。
3. 前記モータの励磁パターンを形成するステップは、
   前記マイクロステップ駆動から前記フルステップ駆動への移行時に、前記第１の制御因子（Ｍ’）のみに基づいて前記励磁パターンを形成するステップと、
   前記フルステップ駆動から前記マイクロステップ駆動への移行時に、前記第１の制御因子（Ｍ’）と前記第２の制御因子（Ｍ’’）の双方に基づいて前記励磁パターンを形成するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータの制御方法。
4. 前記第１の制御因子（Ｍ’）は、時間経過に伴って所定の数値範囲内で増大変化または減少変化するように設定され、
   前記第２の制御因子（Ｍ’’）は、前記モータの速度が前記第２の所定速度（Ｆ２）から前記第３の速度（Ｆ３）まで低下するに伴って所定の数値範囲内で減少変化するように設定されていることを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータの制御方法。
5. Ｆ３＜Ｆ２＜Ｆ１の関係を有するモータの速度が第３の所定速度（Ｆ３）を超えたことに基づいて、駆動方式をマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に前記モータの速度に応じて徐々に切り換え、前記モータの速度が第２の所定速度（Ｆ２）を下回ったことに基づいて、駆動方式をフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に前記モータの速度に応じて徐々に切り換える駆動方式切り換え手段を備えるステッピングモータの制御装置であって、
   前記駆動方式切り換え手段が、前記モータの速度が前記第１の所定速度（Ｆ１）を超えたときから前記所定時間が経過した時点で前記モータの駆動状態が駆動方式切り換えの遷移領域にあった場合には、駆動方式を前記フルステップ駆動に切り換え、前記モータの速度が前記第２の所定速度（Ｆ２）を下回ったときから所定時間が経過した時点で、前記モータの駆動状態が駆動方式切り換えの遷移領域にあった場合には、駆動方式を前記マイクロステップ駆動に切り換えるように構成されていることを特徴とするステッピングモータの制御装置。

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