JP4972318B2 - ステッピングモータの駆動方法および、その駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの負荷情報によって最適電流値を設定することができるステッピングモータの駆動方法およびその装置に関し、詳しくはモータに掛かる負荷の情報を用いて最適電流値を設定するステッピングモータの駆動方法およびその装置に関する。

一般にステッピングモータの駆動では巻線電流を一定に保つ定電流駆動が行われる。
電流の大きさは巻線電流のピーク値や実効値、定格との比率(%)などで調整するタイプが多い。
電流はモータの出力トルクを調整する目的で使われる。過剰なトルクは振動の要因となり、過剰な電流は発熱の要因となる。そこで、システムの発熱、振動を抑えるために電流設定を用途に合わせて調整、設定することが望ましい。
設定手段としては駆動回路に取り付けられた可変抵抗器による調整、あるいは、デジタルロータリースイッチやプログラムによるプリセット、通信コマンドなどで設定値を送信する、などが一般的である。
また設定対象は運転か停止の電流値であり、加速・一定速・減速など必要負荷が異なる状況に対して個別に設定できない場合が多い(特許文献1参照)。
特開平７―２６４８９３号公報

しかしながら、このような従来のステッピングモータの負荷情報による駆動電流の設定方法にあっては、図７のような任意の運転について指令加速度、負荷慣性、摩擦、重力から決まる必要トルクを出力できる電流値を選ぶということになる。一般にステッピングモータのカタログや仕様書には、図８に示すような速度一トルク特性が掲載されている。

図８の例では５０％の電流で駆動可能ということが分かる。ところが多くの場合、速度一トルク特性は定格電流の特性しか公開していない場合が多く、電流設定を変えた場合のトルク特性について不明なことが多い。
またそれらの情報が入手できたとしても計算に高度な知識が必要である。その結果、必要トルクから計算で理論的に電流を設定しているケースは稀である。多くの場合は定格電流のままか、モータを駆動機構に取り付けて実際に駆動し、脱調しないで駆動できる電流値を探す、という決め方である。

このような駆動電流決定方法では、脱調しないように、安全性を重視して過剰な電流を設定しがちとなり消費電力の無駄となる。また、過剰電流による振動、騒音の発生となる。さらに、理論的な計算などの根拠が無い設定のため、安全率が低い設定をしている恐れがある。

また、電流設定対象が運転/停止などの２種類しかないシステムでは負荷が変化する運転電流の設定においては運転中の最も大きな電流設定が必要な条件に対して設定する必要がある。図７や図８の例で言えば、加速から一定速に移行する瞬間が最も必要負荷が大きく、かつトルク余裕の少ない状況であり、この時に大きな電流設定が求められる。しかし一定速運転時や低速の加速中、減速時はそのような電流は不必要であり、それは消費電力の無駄、振動や騒音の要因になる。

さらに従来の方式では上下駆動の往復や異なる速度の運転など、運転ごとに負荷環境が異なる場合、常時最適な電流設定を適用するには運転のたびにシステム外部から設定電流値の変更を行う必要がある。
またさらに、可変抵抗器やロータリースイッチなどによるプリセットでは、これは不可能である。
また、通信コマンドで設定する方法では運転ごとにコマンド送信することで変更可能であるが通信時間が余分にかかり、位置決め時間短縮の妨げになる。

本発明は、上記課題を解決し、負荷情報により駆動電流を設定するステッピングモータの駆動方法およびその装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決し、リアルタイムに変化する指令位置情報に基づきモータ巻線電流を制御してモータ駆動を行うとともに、加速や停止等の運転状態情報に基づきモータの駆動電流を設定し、この設定電流によりモータの駆動電流を制御するステッピングモータの駆動方法において、指定された負荷情報と運転速度プロファイルを元に加速・一定速・減速・停止など必要トルクの異なる状況に対して個別に必要トルクＴＱを計算し、加速、一定速、減速、停止など必要トルクの異なる状況ごとに適切な電流値を設定し、この設定電流に基づきモータの駆動電流を制御するとともに、代表的な速度[Ｖ]、設定電流（Ｉ）、入力電圧[Ｖｉｎ]におけるモータトルク情報をシステムに内蔵した記憶装置に所有し、運転開始前に加速、等速、減速の各区間について必要トルクＴＱを計算し、この必要トルクＴＱを出力できる電流設定[Ｉｘ]を前記モータトルク情報から求めることにある。
また、前記負荷情報と運転速度プロファイルを運転前に入力して設定電流値を計算し、この設定電流値と前記運転状態情報に基づきモータの駆動電流を設定することにある。
さらに、前記運転状態情報として、加速、一定速、減速、停止など必要トルクの異なる状況ごとに適切な電流値を設定することにある。
またさらに、前記負荷情報として、慣性、摩擦、重力を用いることにある。
また、リアルタイム指令位置生成装置からのリアルタイムに変化する指令位置情報をモータ駆動回路に入力し、モータ巻線電流を制御してモータ駆動を行うとともに、加速や停止等の運転状態情報に基づきモータの駆動電流を設定し、この設定電流によりモータの駆動電流を制御するステッピングモータの駆動装置において、指定された負荷情報と、起動速度・運転速度・加速時間・減速時間からなる運転速度プロファイルを入力して、運転時、加速時、減速時の設定電流値を自動で計算する設定電流値計算装置（５）を設け、この設定電流値計算装置（５）からの設定電流値と前記リアルタイム指令位置生成装置（４）からの運転状態情報が入力され、前記モータ駆動回路（２）に設定値を出力する電流設定装置（３）を設け、代表的な速度[Ｖ]、設定電流（Ｉ）、入力電圧[Ｖｉｎ]におけるモータトルク情報を所有する記憶装置を設け、運転開始前に加速、等速、減速の各区間について必要トルクＴＱを計算し、この必要トルクＴＱを出力できる電流設定[Ｉｘ]をモータトルク情報から求めることにある。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
請求項１によれば、リアルタイムに変化する指令位置情報に基づきモータ巻線電流を制御してモータ駆動を行うとともに、加速や停止等の運転状態情報に基づきモータの駆動電流を設定し、この設定電流によりモータの駆動電流を制御するステッピングモータの駆動方法において、指定された負荷情報と運転速度プロファイルを元に加速・一定速・減速・停止など必要トルクの異なる状況に対して個別に必要トルクＴＱを計算し、加速、一定速、減速、停止など必要トルクの異なる状況ごとに適切な電流値を設定し、この設定電流に基づきモータの駆動電流を制御するとともに、
代表的な速度[Ｖ]、設定電流（Ｉ）、入力電圧[Ｖｉｎ]におけるモータトルク情報をシステムに内蔵した記憶装置に所有し、運転開始前に加速、等速、減速の各区間について必要トルクＴＱを計算し、この必要トルクＴＱを出力できる電流設定[Ｉｘ]を前記モータトルク情報から求めるので、負荷情報を指定するだけで最適電流値が設定されるとともに、ユーザの設定操作や高度な計算、知識が不要である。定格以上の電流設定一モータトルク情報を所有することにより、モータ定格以上の電流設定、トルクアップが可能である。
請求項２によれば、負荷情報と運転速度プロファイルを運転前に入力して設定電流値を計算し、この設定電流値と前記運転状態情報に基づきモータの駆動電流を設定するので、運転ごとに電流設定が最適化されるので消費電力が低減する。
請求項３によれば、運転状態情報として、加速、一定速、減速、停止など必要トルクの異なる状況ごとに適切な電流値を設定するので、無駄な消費電流削減による低発熱、低振動効果が得られる。
請求項４によれば、負荷情報として、慣性、摩擦、重力を用いるので、負荷とモータトルクの安全率を考慮するため外乱負荷がない限り、脱調の不安が低減する。
請求項５によれば、リアルタイム指令位置生成装置からのリアルタイムに変化する指令位置情報をモータ駆動回路に入力し、モータ巻線電流を制御してモータ駆動を行うとともに、加速や停止等の運転状態情報に基づきモータの駆動電流を設定し、この設定電流によりモータの駆動電流を制御するステッピングモータの駆動装置において、指定された負荷情報と、起動速度・運転速度・加速時間・減速時間からなる運転速度プロファイルを入力して、運転時、加速時、減速時の設定電流値を自動で計算する設定電流値計算装置（５）を設け、この設定電流値計算装置（５）からの設定電流値と前記リアルタイム指令位置生成装置（４）からの運転状態情報が入力され、前記モータ駆動回路（２）に設定値を出力する電流設定装置（３）を設け、代表的な速度[Ｖ]、設定電流（Ｉ）、入力電圧[Ｖｉｎ]におけるモータトルク情報を所有する記憶装置を設け、運転開始前に加速、等速、減速の各区間について必要トルクＴＱを計算し、この必要トルクＴＱを出力できる電流設定[Ｉｘ]をモータトルク情報から求めるので、負荷情報を指定するだけで最適電流値が設定されるとともに、ユーザの設定操作や高度な計算、知識が不要で装置を提供できる。また、定格以上の電流設定一モータトルク情報を所有することにより、モータ定格以上の電流設定、トルクアップが可能である。

以下、図示の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明のステッピングモータの駆動方法に適用する駆動装置を示したもので、１はステッピングモータであり、２はステッピングモータ１を駆動するモータ駆動回路である。モータ駆動回路２は、電流設定装置３からの設定値と、リアルタイム指令位置生成装置4からの指令位置情報が入力されてステッピングモータ1のモータ巻線に励磁電流を通電するものである。電流設定装置３からの設定値は、アンペア(Ａ)、定格値に対するパーセント(％)を用いる。リアルタイム指令位置生成装置４からの指令位置情報は、パルス、シリアルデータ、パラレルデータ等のリアルタイムに変化する位置情報が用いられる。

電流設定装置３は、設定電流値計算装置５から設定電流値が入力され、同時にリアルタイム指令位置生成装置４から加速、一定速、減速、停止等の運転状態情報が入力されて、運転状態に応じて設定電流値を切り替えるものである。

設定電流値計算装置５は、外部より慣性、摩擦、重力等の負荷情報と、運転速度プロファイル生成機能より起動速度・運転速度・加速時間・減速時間からなる運転速度プロファイル情報を運転前に予め入力されている。

次に、本発明によるステッピングモータの駆動方法を説明する。
本発明の方法では、運転速度プロファイル生成機能より起動速度・運転速度・加速時間・減速時間などの運転速度プロファイル情報と、外部より慣性・摩擦・重力などの負荷情報を設定電流値計算装置５に運転前に入力する。そして、リアルタイム指令位置生成装置４から、加速・一定速・減速・停止などの運転状態情報を電流設定装置３へ伝達する。このとき、設定電流値計算装置５から設定電流値を読み込み、運転状態情報に基づき電流設定値をモータ駆動回路２に出力する。電流設定装置３の出力である電流設定値は、加速・一定速・減速・停止などの状態別に計算し、状態に応じた値をモータ駆動回路２へ伝達する。伝達手段はアナログ・デジタル・シリアル・パラレル、ソフトウエアによる変数など様々な形態があるが本発明はそのような伝達形態を問わず実施可能である。

次に自動電流設定機能において、システムは、図２に示すように代表的な速度[Ｖ]、設定電流[Ｉ]、入力電圧[Ｖｉｎ]におけるモータトルク情報を予めメモリなどの記憶装置に所有する。

図２のデータテーブルの配列構成を以下に示す。
・速度[ＲＰＳ][１，２，３．２，５，８，１０，１２，１５，２０，２５，３２，４０，５０，７０，９０]
・電流[定格値(Ｉ)に対する比率（％）][２５，５０，７５，１００]
・ドライバ電圧[Ｖ][１２，２４，３６，４８]
位置決め運転の実行指令を検出すると、運転開始前に加速、等速、減速の各区間について必要トルクＴＱを計算する。必要トルクＴＱを計算したら、それを出力できる電流設定[Ｉｍ]を電流設定一モータトルク情報から比例計算する。

比例計算は対象速度におけるデータテーブルの２要素間、電流ＩｍのトルクＴＱ(Ｉｍ)とＩｍ+１のトルクＴＱ(Ｉｍ+１)間について行う。始めに必要トルクがＴＱ(Ｉｍ)とＴＱ(Ｉｍ+１)との間に入るＩｍ、Ｉｍ+１を探し、図３のように、その区間における必要トルク(図中ＴＱｘ)に相当する適切な電流設定(図中Ｉｘ)を求める。

この方法を用いて電流ベースのトルク情報を細かく所有することにより電流一トルク特性の非線形性が補償され、より精度の高い電流設定を実現し、その結果、さらに消費電力を軽減することが可能である。

また、トルク情報を定格電流以上まで広げて所有することにより、定格以上のトルクを出力させることが可能になる。短時間しか定格以上のトルクを必要としない用途では定格トルクの低いモータを選定しサイズダウンが可能になる。

停止時、運転速度一定時の電流計算は、該当速度における電流設定一モータトルク特性から比例計算する。加速時、減速時の計算では、同じ電流設定でも速度によってモータトルクが異なるため、運転する速度区間において最もモータトルクが低くなる速度(最悪条件、一般には高い速度の方がトルクは低い)における電流設定一モータトルク特性で計算する。例えば、停止状態から１０[ＲＰＳ]まで直線加速する場合、最もモータトルクが低くなる１０[ＲＰＳ]の電流設定一モータトルク特性を計算に用いる。

なお、比例計算においてモータトルク情報の片側要素がゼロの場合は、その区間中のモータトルクはゼロとみなす。

例えば、ＴＱ(Ｉｍ+１)＝０．０５[Ｎｍ]、ＴＱ(Ｉｍ)＝０[Ｎｍ]の場合、この区間は比例計算せず、Ｉｍ+１を運転可能な最小設定電流、０．０５[Ｎｍ]をそのトルク、と見なす。

図４(ａ)(ｂ)に自動電流設定と定格電流(無調整)の特定の運転におけるモータ巻線電流の違いについて本発明と従来方式との比較を示す。

波形:上から指令速度５[（ｒ/ｓｅｃ）/ｄｉｖ]、指令電流０．７[Ａｍｐ/ｄｉｖ]、線電流２．５[Ａｍｐ/ｄｉｖ]、時問軸１００[ｍＳ/ｄｉｖ]

本発明では必要トルクの変化に対応加速、一定速、減速時の巻線電流が著しく変化している(図４(ａ)参照)。しかし、従来方式では最も必要トルクの大きい加速時に電流設定をあわせなければならないために、必要トルクの低い一定速時にも加速時と同じ電流を流している(図４(ｂ)参照)。この一定速時の電流は無駄であり、発熱、振動の要因となる。

図５(ａ)(ｂ)、図６(ａ)(ｂ)に運転ごとに負荷条件が異なる例として、上下駆動の往復運転における駆動回路入力電流の違いについて従来方式(定格設定)との比較を示す。

図５(ａ)(ｂ)の波形:上から指令速度(台形)６．２５[（ｒ/ｓｅｃ）/ｄｉｖ] 、入力電流(台形)１[Ａｍｐ/ｄｉｖ]、消費電力１０[Ｗ/ｄｉｖ]、時間軸２００[ｍＳ/ｄｉｖ]

図６(ａ)(ｂ)の波形:上から指令速度(台形)６．２５[（ｒ/ｓｅｃ）/ｄｉｖ] 、入力電流(台形)１[Ａｍｐ/ｄｉｖ]、消費電力１０[Ｗ/ｄｉｖ]、時間軸２００[ｍＳ/ｄｉｖ]

従来方式では、最大負荷である上昇時負荷をベースに電流を設定する(図５(ｂ)参照)ため、下降時も同じ電流設定で駆動する(図６(ｂ)参照)。

しかし、本発明では、上昇時(図５(ａ)参照)、下降時(図６(ａ)参照)にそれぞれ最適な電流が運転前にコマンド転送することなく行えるため、素早く運転開始、下降時の電流が絞られていることが分かる。

このように本発明は、消費電力を抑え、システムの発熱低減効果が期待できるが、特にモータとコントローラの両者が発熱しているために熱設計において不利である一体型システムにおいて効果が高いと予想される。一体型のシステムは本発明の要である、モータトルク情報の参照において情報対象であるモータと参照するコントローラが分離されることが無い。

情報の分離がないためデータ取り扱いのメンテナンス性がよく、本発明を活用しやすいシステム技術になると予想される。

以上説明してきたように、上記実施の形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。本発明の、システムは指定された負荷情報と運転速度プロファイルを元に加速・一定速・減速・停止など必要トルクの異なる状況に対して個別に必要トルクを計算し、その必要トルクを出力できる設定電流を、システム内部に所有するモータトルク情報を用いて加速・一定速・減速・停止など必要トルクの異なる状況に対して個別に計算するので、負荷情報を指定するだけで最適電流値が設定されることから、ユーザの設定操作や高度な計算、知識が不要となる。また、運転ごとに電流設定が最適化されるので、消費電力が低減する。負荷とモータトルクの安全率を考慮するため外乱負荷がない限り、脱調の不安が低減する。無駄な消費電流削減による発熱低減効果、および低振動効果が得られる。定格以上の電流設定一モータトルク情報を所有することにより、モータ定格以上の電流設定、トルクアップが可能である。

本発明の実施の形態によるステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。 本発明においてシステムが所有するモータトルク情報の例を示すグラフである。 トルクから電流を算出する式を示す図である。 (ａ)は、本発明実施による運転時モータ巻線電流の波形図であり、(ｂ)は従来方式による運転時モータ巻線電流の波形図である。 (ａ)は、本発明実施による上方向運転時入力電流を示す波形図であり、(ｂ)は従来方式による上方向運転時入力電流を示す波形図である。 (ａ)は、本発明実施による下方向運転時入力電流を示す波形図で、(ｂ)は従来方式による下方向運転時入力電流を示す波形図ある。 ステッピングモータの一般的な位置決め運転速度プロファイルを示す波形図である。 ステッピングモータの速度一トルク特性と使用されるトルクの関係を示す波形図である。

符号の説明

１ ステッピングモータ
２ モータ駆動回路
３ 電流設定装置
４ リアルタイム指令位置生成装置
５ 設定電流値計算装置

Claims (5)

1. リアルタイムに変化する指令位置情報に基づきモータ巻線電流を制御してモータ駆動を行うとともに、加速や停止等の運転状態情報に基づきモータの駆動電流を設定し、この設定電流によりモータの駆動電流を制御するステッピングモータの駆動方法において、指定された負荷情報と運転速度プロファイルを元に加速・一定速・減速・停止など必要トルクの異なる状況に対して個別に必要トルクＴＱを計算し、加速、一定速、減速、停止など必要トルクの異なる状況ごとに適切な電流値を設定し、この設定電流に基づきモータの駆動電流を制御するとともに、
   代表的な速度[Ｖ]、設定電流（Ｉ）、入力電圧[Ｖｉｎ]におけるモータトルク情報をシステムに内蔵した記憶装置に所有し、運転開始前に加速、等速、減速の各区間について必要トルクＴＱを計算し、この必要トルクＴＱを出力できる電流設定[Ｉｘ]を前記モータトルク情報から求める
   ことを特徴とするステッピングモータの駆動方法。
2. 前記負荷情報と運転速度プロファイルを運転前に入力して設定電流値を計算し、この設定電流値と前記運転状態情報に基づきモータの駆動電流を設定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方法。
3. 前記運転状態情報として、加速、一定速、減速、停止など必要トルクの異なる状況ごとに適切な電流値を設定することを特徴とする請求項１または２に記載のステッピングモータの駆動方法。
4. 前記負荷情報として、慣性、摩擦、重力を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のステッピングモータの駆動方法。
5. リアルタイム指令位置生成装置からのリアルタイムに変化する指令位置情報をモータ駆動回路に入力し、モータ巻線電流を制御してモータ駆動を行うとともに、加速や停止等の運転状態情報に基づきモータの駆動電流を設定し、この設定電流によりモータの駆動電流を制御するステッピングモータの駆動装置において、指定された負荷情報と、起動速度・運転速度・加速時間・減速時間からなる運転速度プロファイルを入力して、運転時、加速時、減速時の設定電流値を自動で計算する設定電流値計算装置（５）を設け、この設定電流値計算装置（５）からの設定電流値と前記リアルタイム指令位置生成装置（４）からの運転状態情報が入力され、前記モータ駆動回路（２）に設定値を出力する電流設定装置（３）を設け、代表的な速度[Ｖ]、設定電流（Ｉ）、入力電圧[Ｖｉｎ]におけるモータトルク情報を所有する記憶装置を設け、運転開始前に加速、等速、減速の各区間について必要トルクＴＱを計算し、この必要トルクＴＱを出力できる電流設定[Ｉｘ]をモータトルク情報から求めることを特徴とするステッピングモータの駆動装置。

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