JP4959779B2 - ステッピングモータ駆動装置及び駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータ駆動装置及び駆動方法に関する。

ステッピングモータをトルク制御する場合、モータ電流値を制御することでトルク制御を行なっていた。このトルク制御を行なう一つの方法として駆動負荷、速度によりモータ電流を制御する駆動方法（特許文献１参照）と、別の方法として脱調しない程度の一定電流値により加減速、等速を実施した駆動方法があった。また、モータ電流値を一定電流値で制御を行なう場合には、脱調防止のための電流値にマージンを見込んだトルク設定が行われている。

特公平０６−００９４３９号公報

ステッピングモータを駆動負荷、回転速度によりモータ電流を制御する駆動方法は、回路規模が大きく複雑になりコスト、開発期間、調整時間必要となる。一方、負荷の大きさに応じてモータ電流を増減する電流制御を実施せずに、一定電流値によりモータの加減速運転や等速運転を実施する駆動方法では、負荷変動を考慮し脱調発生を防止するためある程度の余裕を見込んでモータ電流を設定しているため、無駄な電力を消費しているという問題がある。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、ステッピングモータの励磁安定点と回転子位置関係を監視して駆動制御することで脱調し難く、しかもトルク制御を行なうことで安定した駆動動作を実現するステッピングモータ駆動装置及び駆動方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
コイルの励磁相により定まる回転子の停止位置である励磁安定点と実際の回転子位置との位相差によって駆動制御を行なうステッピングモータの駆動装置であって、前記ステッピングモータの前記回転子の回転子位置を指示する位置指令を出力するコントローラと、前記ステッピングモータの固定子に対する回転方向の回転子位置を検出するための回転子位置検出部と、前記コントローラから入力される前記位置指令に基づいてコイルを励磁する励磁相設定指令を生成する励磁相制御部と、前記励磁相制御部からの励磁相設定指令に応じた励磁状態をモータ内に発生させることでモータを駆動するモータドライバと、を具備し、前記励磁相制御部は、前記励磁相設定指令を算出する動作制御部を備え、前記動作制御部は、前記回転子の実際の回転子位置と励磁安定点との差を位相差として当該位相差において前記回転子に発生しているトルクから最大トルクを発生させるか、トルクを増加若しくは減少させるか、或いは逆方向トルクを発生させるかのいずれかの過渡的なトルク制御を行うため、前記励磁安定点を実際の回転子位置に対して時計方向にずらすことで前記回転子を時計方向に回転させる所要のトルクを発生させるための励磁相設定指令を算出し又は前記励磁安定点を実際の回転子位置に対して反時計方向にずらすことで前記回転子を反時計方向に回転させるための所要のトルクを発生させる励磁相設定指令を算出し、前記励磁相制御部は、前記位置指令が指示する回転子位置に前記回転子が達するよう前記励磁安定点を逐次設定する際に前記回転子位置検出部より得られる実際の回転子位置に対して前記動作制御部で算出された励磁安定点を時計方向または反時計方向にずらす前記励磁相設定指令に対応する励磁指令を前記モータドライバに出力することにより、最終的に前記コントローラの位置指令が指示する回転子位置に前記回転子を到達させるように前記ステッピングモータに発生させるトルクの大きさと方向を制御することを特徴とする。

また、前記動作制御部から出力された励磁相設定指令に対してモータが脱調しないように監視する監視部を備え、前記監視部は、前記回転子位置検出部で検出された前記回転子の回転位置、回転方向を含む回転子位置情報を監視し、前記動作制御部から入力された励磁相設定指令により指示された位置に励磁安定点を変更するとモータが脱調する場合には脱調しない範囲に励磁相設定指令を制限することが好ましい。

コイルの励磁相により定まる回転子の停止位置である励磁安定点と実際の回転子位置との位相差によって駆動制御を行なうステッピングモータの駆動方法であって、コントローラから入力される前記回転子の回転子位置を指示する位置指令に基づいて励磁相制御部がコイルを励磁する励磁相設定指令を生成し、前記励磁相制御部は、前記位置指令が指示する回転子位置に前記回転子が達するよう前記励磁安定点を逐次設定する際に、前記ステッピングモータの固定子に対する回転方向の回転子位置を回転子位置検出部が検出し、前記回転子位置検出部より得られる実際の回転子位置に対して、前記励磁相制御部に備えた動作制御部が、前記回転子の実際の回転子位置と励磁安定点との差を位相差として当該位相差において前記回転子に発生しているトルクから最大トルクを発生させるか、トルクを増加若しくは減少させるか、或いは逆方向トルクを発生させるかのいずれかの過渡的なトルク制御を行うため、前記励磁安定点を実際の回転子位置に対して時計方向にずらすことで前記回転子を時計方向に回転させるための所要のトルクを発生させる励磁相設定指令を算出し又は前記励磁安定点を実際の回転子位置に対して反時計方向にずらすことで前記回転子を反時計方向に回転させるための所要のトルクを発生させる励磁相設定指令を算出し、前記動作制御部で算出された前記励磁安定点を時計方向または反時計方向にずらす前記励磁相設定指令に対応する励磁指令をモータドライバに出力し、前記モータドライバは、前記励磁相制御部からの励磁相設定指令に応じた励磁状態をモータ内に発生させて最終的に前記コントローラの位置指令が指示する回転子位置に回転子を到達させるように前記ステッピングモータに発生させるトルクの大きさと方向を制御することを特徴とする。

上述したステッピングモータ駆動装置及び駆動方法を用いれば、励磁相制御部は、位置指令が指示する回転子位置に回転子が達するよう励磁安定点を逐次設定する際に回転子位置検出部より得られる実際の回転子位置に対して励磁安定点を時計方向または反時計方向にずらす励磁相設定指令を算出し、それに対応する励磁指令をモータドライバに出力することにより、モータからの発生トルクの大きさと方向を制御する。これにより、回転子に作用する発生トルクの大きさと方向を駆動すべき負荷に見合った必要トルクを発生させて、安定した駆動動作を実現することができる。また、励磁安定点と回転子位置関係を監視することで、脱調のおそれを少なくすることができ、一般の駆動方法のように負荷変動を考慮し脱調発生を防止するためのある程度の余裕を見込んだ一定電流値によるモータ駆動を行う必要がないので比較的無駄な電力を消費しないで済む。

ステッピングモータの駆動装置のブロック構成図である。 励磁相制御部を中心としたブロック構成図である。 回転子位置と励磁位置との位置関係と発生トルクの大きさ及び方向を示すグラフ図である。 回転子位置と励磁位置との位置関係と発生トルクの大きさ及び方向を示すグラフ図である。 ステッピングモータを用いた押し当て運転を行なう場合の装置構成例を示す説明図である。

以下、本発明に係るステッピングモータ駆動装置及び駆動方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１にステッピングモータの駆動装置のブロック構成図を示す。
ステッピングモータ駆動装置は、モータ電流値による制御は行なわずに、ステッピングモータ１の励磁安定点を実際の回転子位置に対して時計方向または反時計方向にずらすことでトルク制御を行なう。
エンコーダ２（回転子位置検出部）はステッピングモータ１の出力軸１ａに設けられ、ステッピングモータ１の回転量に応じた出力パルスにより回転子位置を検出する。

コントローラ３は、ステッピングモータ１の駆動指令となる位置指令を出力する。位置指令はＣＷ方向（時計回り方向）パルス/ＣＣＷ（反時計回り方向）パルス、DIR（回転方向信号）/CLK（クロック信号）などからなる回転指令信号であり、回転子を所定数回転させて最終的にどの回転子位置で停止させるかという指令である。

励磁相制御部４は、コントローラ３からの位置指令に基づいて励磁指令をモータドライバ５に出力するとともに、後述する励磁相設定指令を算出する。

モータドライバ５は、励磁相制御部４からの励磁指令に応じた励磁状態をモータ内に発生させることでモータを駆動する。モータドライバ５は、ステップ角を分割駆動できるマイクロステップ機能（本実施形態では１６分割を例示）を有し、分割数が多くなることからより多くの励磁状態を形成することができ、従って多くの励磁安定点の設定をすることができる。

また、励磁相制御部４は位置指令が指示する回転子位置に回転子を到達させる際に回転子位置情報に基づいて、モータドライバ５に対して、励磁安定点を実際の回転子の位置に対して前後させる励磁指令をモータドライバ５に出力することにより回転子に発生するトルクの大きさと方向を制御する。以下では、この制御動作について説明する。

図２は励磁相制御部４の処理フローを示すブロック構成図である。
励磁相制御部４では実際の回転子位置と励磁安定点の関係を監視し、脱調を防止しつつ、トルクの大きさと方向を制御するため回転子位置に対して励磁安定点の位置を変更する機能を持つ。

位置指令カウンタ６はコントローラ３からの位置指令情報（パルス列）をカウントする。１パルス入力方式であればＣＷ（CLK）端子へパルス入力され、２パルス入力方式であれば、ＣＷ端子に加えてＣＣＷ（DIR）端子へもパルス入力される。

また、回転子位置カウンタ７が、ステッピングモータ１の回転子の位置情報（エンコーダ２の検出パルス）をカウントする。

次に、動作制御部８は位置指令情報と実際の回転子位置情報とのカウント数の差である位置偏差を補正する励磁相設定指令を算出する。この励磁相設定指令は励磁状態を操作することで、励磁安定点を実際の回転子位置に対して時計方向または反時計方向にずらす指令情報であり、モータに発生するトルクの大きさと向きを制御するコマンドである。これにより速やかなモータの回転角度制御を実現することができる。

また、監視部９は、動作制御部８から出力された励磁相設定指令に対してモータが脱調しないように監視する。監視部９は、回転子位置カウンタ７から出力された回転子の回転位置、回転方向などの回転子位置情報を監視し、動作制御部８から入力された励磁相設定指令により指示された位置に励磁安定点を変更するとモータが脱調する場合には脱調しない範囲に励磁相設定指令を制限する。例えば、動作制御部８から出力された励磁相設定指令により指示された励磁安定点の位置が回転子位置に対して脱調判定基準値（上限値及び下限値）を越える場合には、励磁安定点の位置が脱調判定基準値の範囲内になるよう励磁設定指令を制限する。これにより、一般の駆動方法のように負荷変動を考慮し脱調発生を防止するためある程度の余裕を見込んだ一定電流値によるモータ駆動を行わないので比較的無駄な電力を消費しないで済む。

次に、監視部９からの励磁相設定指令をもとに、パルス生成部１０は励磁安定点の位置を変更するためにモータドライバ５に出力する励磁指令を生成する。
モータドライバ５が１パルス入力方式であれば、励磁指令は駆動パルスと回転方向切替信号から構成され、２パルス入力方式であれば、ＣＷ方向駆動パルスとＣＣＷ方向駆動信号から構成される。

励磁相制御部４のトルクの大きさと向きの制御方法について、以下に具体例を参照して説明する。
励磁相制御部４で生成される励磁指令の一例について図３及び図４を参照して説明する。図３（ａ）において、ステッピングモータ１においては、回転子位置と励磁安定点の位置関係によるトルク特性は概ねサイン波のような特性を示す。
励磁安定点Ｅｘに対してＣＣＷ側に位相がπ/２ずれた回転子位置ＰＥに回転子がいる場合にはＣＷ方向（時計回り方向）に最大トルクが発生し、ＣＷ方向にπ/２ずれた回転子位置に回転子がいる場合にはＣＣＷ方向（反時計回り方向）に最大トルクが発生する。即ち、回転子位置に対して励磁安定点Ｅｘの位置をずらすことで発生するトルクの方向、大きさを制御することができる。

尚、上述のように理論上は励磁安定点Ｅｘに対して位相がπ/2進んだり遅れたりしたときに最大トルクになるが、実際には回転子が回転している状況では必ずしもπ/2に設定することで最大トルクにすることはできず、経験上π/2以上π以下の範囲で励磁安定点Ｅｘと回転子位置の位相差を設けたほうが最大トルクを発生させることができる場合が多い。

例えば、回転子がＣＷ方向に加速が必要な場合、回転子位置ＰＥと励磁位置Ｅｘの位置関係が目標とする大きさのトルクを発生させる（図３（ｂ）の状態）ように励磁相制御部４はモータドライバ５に対し駆動パルスを出力し積極的に励磁安定点を移動させることでＣＷ方向に加速する適量のトルクを発生させる。

図４（ａ）において、回転子をＣＷ方向に対し減速する場合には、回転子位置ＰＥと励磁位置Ｅｘの位置関係が適量なトルクを発生する位置関係になるように励磁相制御部４はモータドライバ５に対し駆動パルスを出力し、回転子位置に対して励磁安定点ＥｘをＣＣＷ側に移動させることで、ＣＷ方向とは反対方向の適量なトルクを発生させて減速させる。

図４（ｂ）に示すように、励磁相制御部４がモータドライバ５に対し励磁安定点を移動させるための駆動パルスを様々に出力することで、励磁安定点Ｅｘを移動させることでモータに発生するトルク特性を変化させ、発生トルクの大きさ、方向を制御する。

励磁安定点と回転子位置の差を位相差として定義するが、ここでこの位相差と発生するトルクの関係について以下の表１に示す。なお、位相差の符号は励磁安定点が回転子位置よりもＣＷ方向にずれた状態をプラス、ＣＣＷ方向にずれた状態をマイナスとしている。

ここでステッピングモータにおける通常の励磁方法と本発明の励磁方法との違いについて述べる。
通常の励磁方法は位置指令により指定された回転子位置に回転子を到達させるよう常に位置指令の指示位置と励磁安定点の位置を一致させるのが基本的な動作である。
一方、本発明も最終的には位置指令により指示された回転子位置と励磁安定点の位置が一致するが、ユーザーが目的とする動作を実現するために必要となる大きさと向きのトルクをモータに発生させるため、過渡的に位置指令により指示された回転子位置とは異なる位置に励磁安定点を設定することがある。

また、上記実施形態ではユーザーが目的とする動作を実現するためのトルク設定について説明したが、ユーザーが目的とする回転速度を実現するためのトルク制御も行うことができる。この場合にはユーザーが設定する回転速度よりも遅い回転速度であるときは、回転方向のトルクが大きくなるように励磁設定指令を算出し、逆に速いときは、回転方向と逆方向のトルク、または回転方向と同じ方向でも大きさが小さいトルクを発生させるように励磁設定指令を算出すれば良い。
また、上述した位置偏差のほかに位置指令情報の微分値（速度）と回転子位置情報の微分値（速度）のずれ量である速度偏差を併用することで励磁相設定指令の算出をより的確に行うことができる。

また、トルク制御の例として、ステッピングモータを用いた制限付押し当て運転を行なう場合の装置構成例について説明する。
図５において、取付部材１１に固定されたステッピングモータ１は、その出力軸１ａにカップリング１３を介してボールねじ１４が接続されている。ボールねじ１４はそのねじにより軸方向に可動する可動アーム１５を備えている。ボールねじ１４を正逆回転駆動することによりを、可動アーム１５をボールねじ１４に沿って進退動させてワーク１６を移動させることができる。ワーク１６は所定の距離でそれ以上可動できないよう規制壁１７などの規制部材により移動制限されるようになっている。また、ワーク１６は規制壁１７などの移動制限に達するまで移動してもある程度のトルクで押圧（押し当て）され続けなくてはならないものである。

このような構成では通常空気圧を用いた駆動装置での実施が多いがエアコンプレッサの設備を設ける必要があり、押し当て運転する箇所が少ない場合はコスト的にもエネルギー的にも無駄が出てしまう。一方サーボモータで電流制御してトルク発生を管理することは可能であるが設備が高価になってしまう。
しかしながら、本実施形態では、ワーク１６が移動限界に達しステッピングモータ１の回転が停止しても回転子位置と励磁安定点の位置の位相差を一定に保つことで、ユーザーが予め設定しておいたトルク、例えばワークが破損しない程度のトルクに保つことが可能である。また、回転子位置と励磁安定点の位置の位相差を一定に保つよう励磁位置を変更する制御を行うだけなので例えば急に先ほどと逆方向にワーク１６を移動させようとする外乱（例示せず）があったときでも容易に対応することができる。

また、別のトルク制御の例としては、ユーザーが予め設定しておいた回転速度と現在のモータの回転速度に差があるときはトルクの大きさと方向を自動的に調節し、モータの回転速度が設定された回転速度に一致するように回転速度制御を行なう。

上述したステッピングモータ駆動装置及び駆動方法によれば、厳密な時間制限がない場合において、電流制御機能を設置することなくステッピングモータの発生トルクを制御することで、モータの回転速度と回転角度の制御を脱調を回避しつつ実現できかつ、モータ電流に設けられるマージン量を最小に抑え消費電力を削減することができる。

１ ステッピングモータ
１ａ 出力軸
２ エンコーダ
３ コントローラ
４ 励磁相制御部
５ モータドライバ
６ 位置指令カウンタ
７ 回転子位置カウンタ
８ 動作制御部
９ 監視部
１０ パルス生成部
１１ 取付部材
１３ カップリング
１４ ボールねじ
１５ 可動アーム
１６ ワーク
１７ 規制壁

Claims (3)

1. コイルの励磁相により定まる回転子の停止位置である励磁安定点と実際の回転子位置との位相差によって駆動制御を行なうステッピングモータの駆動装置であって、
   前記ステッピングモータの前記回転子の回転子位置を指示する位置指令を出力するコントローラと、
   前記ステッピングモータの固定子に対する回転方向の回転子位置を検出するための回転子位置検出部と、
   前記コントローラから入力される前記位置指令に基づいてコイルを励磁する励磁相設定指令を生成する励磁相制御部と、
   前記励磁相制御部からの励磁相設定指令に応じた励磁状態をモータ内に発生させることでモータを駆動するモータドライバと、を具備し、
   前記励磁相制御部は、前記励磁相設定指令を算出する動作制御部を備え、
   前記動作制御部は、前記回転子の実際の回転子位置と励磁安定点との差を位相差として当該位相差において前記回転子に発生しているトルクから最大トルクを発生させるか、トルクを増加若しくは減少させるか、或いは逆方向トルクを発生させるかのいずれかの過渡的なトルク制御を行うため、前記励磁安定点を実際の回転子位置に対して時計方向にずらすことで前記回転子を時計方向に回転させる所要のトルクを発生させるための励磁相設定指令を算出し又は前記励磁安定点を実際の回転子位置に対して反時計方向にずらすことで前記回転子を反時計方向に回転させるための所要のトルクを発生させる励磁相設定指令を算出し、
   前記励磁相制御部は、前記位置指令が指示する回転子位置に前記回転子が達するよう前記励磁安定点を逐次設定する際に前記回転子位置検出部より得られる実際の回転子位置に対して前記動作制御部で算出された励磁安定点を時計方向または反時計方向にずらす前記励磁相設定指令に対応する励磁指令を前記モータドライバに出力することにより、最終的に前記コントローラの位置指令が指示する回転子位置に前記回転子を到達させるように前記ステッピングモータに発生させるトルクの大きさと方向を制御することを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
2. 前記動作制御部から出力された励磁相設定指令に対してモータが脱調しないように監視する監視部を備え、
   前記監視部は、前記回転子位置検出部で検出された前記回転子の回転位置、回転方向を含む回転子位置情報を監視し、前記動作制御部から入力された励磁相設定指令により指示された位置に励磁安定点を変更するとモータが脱調する場合には脱調しない範囲に励磁相設定指令を制限する請求項１記載のステッピングモータ駆動装置。
3. コイルの励磁相により定まる回転子の停止位置である励磁安定点と実際の回転子位置との位相差によって駆動制御を行なうステッピングモータの駆動方法であって、
   コントローラから入力される前記回転子の回転子位置を指示する位置指令に基づいて励磁相制御部がコイルを励磁する励磁相設定指令を生成し、
   前記励磁相制御部は、前記位置指令が指示する回転子位置に前記回転子が達するよう前記励磁安定点を逐次設定する際に、前記ステッピングモータの固定子に対する回転方向の回転子位置を回転子位置検出部が検出し、
   前記回転子位置検出部より得られる実際の回転子位置に対して、前記励磁相制御部に備えた動作制御部が、前記回転子の実際の回転子位置と励磁安定点との差を位相差として当該位相差において前記回転子に発生しているトルクから最大トルクを発生させるか、トルクを増加若しくは減少させるか、或いは逆方向トルクを発生させるかのいずれかの過渡的なトルク制御を行うため、前記励磁安定点を実際の回転子位置に対して時計方向にずらすことで前記回転子を時計方向に回転させるための所要のトルクを発生させる励磁相設定指令を算出し、又は前記励磁安定点を実際の回転子位置に対して反時計方向にずらすことで前記回転子を反時計方向に回転させるための所要のトルクを発生させる励磁相設定指令を算出し、
   前記動作制御部で算出された前記励磁安定点を時計方向または反時計方向にずらす前記励磁相設定指令に対応する励磁指令をモータドライバに出力し、
   前記モータドライバは、前記励磁相制御部からの励磁相設定指令に応じた励磁状態をモータ内に発生させて最終的に前記コントローラの位置指令が指示する回転子位置に回転子を到達させるように前記ステッピングモータに発生させるトルクの大きさと方向を制御することを特徴とするステッピングモータの駆動方法。

Images