JP5214619B2 - 多相ステッピングモータにおけるストールおよびコギングを除去するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、発明の名称が“モータトルクを向上させた多機能電気ステッピングモータアセンブリ”の米国特許第６，９６７，４２５号や、発明の名称が“多相ステッピングモータの各相を独立に制御する方法および装置”の米国特許第６，８７９，１２８号などに記載のステッピングモータ（stepper motor）に関し、これら特許を参照のため本明細書に援用する。

一般にこうしたステッピングモータに付随する一つの問題は、関連する負荷によって生成されるトルクがモータ定格を超えるときに、モータがストール（stall）する可能性があることである。

関連する負荷により、回転子がある安定な位置から新規の安定な位置にジャンプする程度にまで、モータの回転子がモータの固定子よりも進むときまたは遅れるときに、さらなる問題が生じ、それは“コギング（cogging）”として知られている。

こうしたステッピングモータを民生用途で使用するときは、関連する機器によって発生するトルク負荷を推定した後、推定した負荷を５０％だけ超えるように、使用するステッピングモータの定格を選択することにより、こうしたストールまたはコギングが発生し難くなる。

モータのコギングを発生し難くするために採られる一つの手法が、発明の名称が“コギングを低減した永久磁石ブラシレスＤＣモータ”の米国特許第５，２５０，８６７号に開示されており、モータの固定子は特定用途向けに構成されている。

同等の負荷規格のモータを用いるためには、通常は、例えば、発明の名称が“位置制御モータの制御装置”の米国特許第６，１２１，７４４号や、発明の名称が“モータ動作の広ダイナミックレンジのためのモータ制御システム”の米国特許第７，０８１，７３０号に記載されているようなデジタル信号プロセッサを有するフィードバック回路が必要になる。

ほとんどの適用例では、ストールを防止するためのフィードバック回路は、それ自体がサーボ・モータ回路内に組み込まれており、既存のモータで使用することはできない。

米国特許第６，９６７，４２５号 米国特許第６，８７９，１２８号 米国特許第５，２５０，８６７号 米国特許第６，１２１，７４４号 米国特許第７，０８１，７３０号

本発明の一つの目的は、モータ固定子に対するモータ回転子の位置を常時監視・制御することにより、モータ作動中のすべての時間において、ストールやコギングを発生し難くして、簡素な構成を実現することである。

本発明の他の目的は、負荷の付加または変更があったときに既存のモータ構成で使用するためのアドオン式の回転子・固定子制御回路を提供すると同時に、モータ定格を時々超過する負荷に既存のモータが適用できるようにすることである。

ステッピングモータの固定子と回転子間のリード（Lead：先行量）またはラグ（lag：遅延量）の関係を継続して監視して、モータのストールおよびモータのコギングが発生する可能性を判定する。デジタル・コンパレータを用いて、それらリードまたはラグがいつ設定値と同じになるのか、または上回るのかを判定する。また、インクリメンタル・エンコーダにより、こうした情報をフィードバック関係で与える。これにより、モータのストールおよびモータのコギングを防止する。

図１は、典型的なステッピングモータ・システムのブロック図である。 図２は、モータコントローラとモータドライバの間に介装された制御装置を有する図１のシステムを示している。 図３は、回転子−固定子間の変位の関数として、モータトルクをグラフ表示したものである。 図４は、ストールおよびコギングを除去するのに適合させた図２の制御装置のブロック図である。 図５は、図２の制御装置内で使用されるシーケンシャル状態ロジックのフローチャートである。 図６は、図２の制御装置内で使用されるラグ訂正ロジックのフローチャートである。

図１および２に示す本発明の回路構成部品を参照する前に、本発明をよりよく理解するためには、図３に示す以下の情報が有益である。

図３は、ステッピングモータとステッピングモータの固定子との間の変位ステップの関数として、ステッピングモータのトルクの出力波形９を示している。

図３に示すように、ステッピングモータは、回転子が固定子に対して１フルステップだけ進むときまたは遅れるときに、最大トルクを生み出す。回転子が２フルステップと同じリードまたはラグに達すると、モータは非常に不安定な状態となる。回転子が２フルステップと同じリードまたはラグに近付くことができる場合、回転子は次の安定状態にジャンプすることがある。これが起きると、命令された整流周波数と実際の回転子周波数との間の同期が失われる可能性がある。

その可能性を除去するためには、回転子が固定子に対して１フルステップ分またはそれ近く進んだ或いは遅れた指定安定領域に回転子を維持しなければならず、それによりモータは最大トルクを生じることとなる。

典型的なサーボループでは、回転子のリードまたはラグに比例する誤差信号が発生する。次いで、この誤差を使用して、その誤差を最小限に抑えるためにモータが移動しなければならない新規の速度を計算する。変動する負荷に対して高速な応答または迅速な反応を必要とするシステムにおいては、当該システムを制御するために、非常に多くの処理が必要とされる。

例えば、インクリメンタル・エンコーダなどのフィードバックデバイスを用いることによって、回転子の位置を検出することができる。そして、回転子の位置と命令された位置を把握することによって、ラグ（回転子は固定子よりも遅れている）を演算することができる。演算したラグが１フルステップと同一またはそれ未満である限り、モータは、印加された整流と同期して回転を続ける。ラグが１フルステップを超える場合には、固定子は、回転子が追いつくのを待つ必要があり、さもなければ回転子が不安定な位置に入り、そこでコギングが起こり、またはモータがストールする可能性がある。

ステッピングモータは、巻き線の電流が変化すると、離散ステップで動いて、時計回りまたは反時計回りの動作を生じる。モータは、電流変化の大きさおよびモータシャフトに加えられた負荷に応じた有限量だけ回転する。本明細書に記載のインクリメンタル・エンコーダは、フルステップ毎の１０個のパルスを与え、固定子の整流に使用される波形は、フルステップ毎に１０個のマイクロステップを有する。

固定子を整流すると、固定子に対する回転子の位置が監視される。回転子と固定子との間にラグが生じ始めると、トルクが生じる。モータに加えられた負荷を動かすのに必要な値をトルクが超えている限りは、回転子は回転し始める。

モータが回転すると、回転子と固定子の間のカウントの差、すなわち“デルタ”が更新される。回転子と固定子との間のデルタが１０カウント（１フルステップ）かそれ未満である限りは、何も措置は採られない。回転子と固定子との間のデルタが１１カウントになると、モータに加えられた負荷が、整流周波数で得られるトルクよりも大きくなり、回転子のラグまたはリードは１０カウントかそれ未満に戻さなくてはならない。

これがラグ状態で生じると、固定子の整流は停止し、最後の電流レベルで維持されて、回転子が追いつく機会が与えられる。回転子と固定子との間のデルタが１０カウントかそれ未満に低下すると、カウントが１０かそれ未満である限り、固定子の整流は継続される。カウントが再び１１に達すると、整流が再び停止して、回転子が追いつくのを待つことになる。

デルタカウントが１２に達すると、回転子が停止して、命令回転方向とは逆方向に回転を始める。回転子は、継続可能な場合、不安定な位置に向けて動き始める。これが起きると、回転子は、新たな安定状態にジャンプしてコギングを引き起こす。これが起きるのを防止するため、命令方向とは反対に、１マイクロステップ移動する。これにより、固定子が回転子の１１カウント以内に再調整され、その後に、整流が継続することになる１０までカウントが落ちるか、またはカウントが１２に増加して逆回転のステップが再び行われるまで、上記の通り整流が停止する。

リード状態（回転子が固定子よりも進んでいる状態）では、これとは異なる対処が行われる。リード状態は、高い減速度や負荷が減少するなどの様々な理由によって生じる。何れの場合においても、回転子は固定子よりも進む傾向がある。ラグ状態と同様に、リード・カウントが１０（１フルステップ）を超えるまでは何も措置がとられず、最高トルクを生じる。しかしながら、この場合、ラグ状態とは異なり、固定子は停止させない。それは、固定子の整流を停止すると、デルタのみを増加させて、モータトルクをさらに減少させることになるからである。

回転子のリード・カウントが１１に増加すると、最大トルクを維持するとともに、回転子が不安定位置、すなわち、望ましくない新たな安定状態にジャンプしてコギングを引き起こすこととなる位置に入るのを防止するために、命令方向のマイクロステップが挿入される。これにより、固定子は１０カウント以内にまで進み、最大トルクの位置に保持されることになり、そのとき、リード状態が１０カウント以下で存在する限り、整流が継続することになる。

リードまたはモータの強制逆回転の何れの場合でも、回転子と固定子の間にリード位置およびラグ位置をそれぞれ保持することにより、ブレーキング力が回転子に作用して、モータが生成可能なトルクよりも大きくなる負荷を制御する助けとなる。

命令されたステップとモータドライバに出力された実際のステップ数との差を維持するカウンタを付加することによって、本明細書に記載の方法は、位置決めシステムとして機能することができる。回転子が制限範囲内にあるときに、失われたステップを挿入することによって、モータは、命令されたステップ数に配置される。必要に応じて、挿入したステップ間で可変タイミングを用いることができ、これにより、挿入したステップによるモータの最大加速度と速度を制御することができる。制御デバイスが位置制御を維持することが望ましい場合には、ステップの差を保存し、制御装置が使用できるようにすることもできる。

また、回転子が追い付くのを固定子が待っている待機状態にあることを知らせるために、診断信号を生成することもできる。また、タイマと接続されたとき、信号を生成して、回転子が所定時間のあいだ進んでいないことを信号伝達し、回転子が固定された状態にあることを知らせることができる。回転子と固定子のあいだのラグが別のカウント分増加する場合、回転子が逆回転状態にあり、加えられた負荷によるトルクが、モータが出力可能なトルクより大きいことを示す信号を生成することができる。

リードが存在する場合、加えられた負荷によるトルクが、モータが出力可能なトルクより大きいことを示す入力ステップ命令に関して、固定子が進んでいることを示す信号を生成することができる。

次の図１−２，４−６を参照することによって、本発明をより理解することができるであろう。

典型的なステッピングモータ構成１０が、前述した米国特許第６，９６７，４２５号と同様に、図１に描かれている。このステッピングモータ構成１０では、モータコントローラ１１が前述したステップパルスと方向信号を生成して、それらパルスおよび信号をモータドライバ１２に供給する。その後、モータドライバは、モータ１４内でモータ位相を駆動するのに必要な整流信号を、エンコーダ１３を介して生成して、これにより、命令された速度および方向で、モータシャフト１５が負荷１６を回転させるようにする。

同様のステッピングモータ構成１０’が図２に描かれている。このステッピングモータ構成１０’は、命令ステップと方向を生成するモータコントローラ１１と、エンコーダ１３を介してモータ１４を整流するのに使用される電源装置を含むモータドライバ１２との間に、本発明の制御装置１７を備える。制御装置１７は、エンコーダによって生成された回転子の位置を示すパルス信号を、命令されたステップおよび方向信号とともに、モータコントローラ１１から受信する。

ストールおよびコギングを除去する上記制御装置１７を、図４に詳細に示す。

デルタ演算要素１８は、図２のモータ１４内における回転子と固定子間の位置的なリードまたはラグを計算し、得られたデータをコンパレータ要素１９に入力し、データ記憶要素２０によって与えられた設定限界値よりもリードまたはラグが小さいときまたは大きいときに知らせる。シーケンシャル状態ロジック要素（sequential state logic element）２１は、コンパレータ要素から入力を受信して、モータ１４内の固定子と回転子間の位置の違いに基づいて適切な処理を行う。

次の図２−４を参照することによって、制御装置１７の動作をより理解することができるであろう。

図３の回転子−固定子間の変位ステップ（１−４）は、命令された固定子位置と、実際の回転子位置との間のデルタを表している。図４のシーケンシャル状態ロジック要素２１を介して、モータドライバ１２に１フルステップが与えられたとき、モータ固定子の位置が１つだけ進む。このシーケンスは、モータドライバ１２に与えられる４つのフルステップごとに繰り返される。１つのエンコーダステップは、回転子位置が１ずつ増えて変化することを示している。この実施形態では、図２のモータドライバ１２は、１０のマイクロステッピングモードで動作する。すなわち、モータドライバに与えられる１０ステップごとに、固定子が１フルモータステップ前進する。エンコーダ１３は、１回転当たり２００フルステップのモータとともに使用するときに、１フルモータステップの回転子の動きに対して、５００ラインを利用して１０エンコーダステップを生成する、インクリメンタル・エンコーダである。制御装置１７は、様々なモータステップ割合および様々なエンコーダラインカウントで作動することを理解されたい。

図４に示すデルタ演算要素１８は、２つの入力１８Ａ、１８Ｂを利用し、１つの出力１８Ｃを生成する。１８Ａにおけるデルタ演算要素への第１の入力は、図２のエンコーダ１３からエンコーダ信号を提供して、モータ１４内の回転子の位置を表示する。１８Ｂにおけるデルタ演算要素への第２の入力は、シーケンシャル状態ロジック要素２１からステップおよび方向信号を提供する。１８Ｃにおけるデルタ演算要素の出力は、回転子のリードまたはラグを表すデルタ、すなわち、回転子位置と固定子位置におけるカウントの「差」を与え、この「差」はコンパレータ要素１９に入力される。

コンパレータ要素１９は、図２の回転子１５のリードまたはラグが、データ記憶要素２０を介してコンパレータに与えられた設定限界値より大きいかどうかを判定し、このような情報、すなわち、リードまたはラグが限界値を超えるかどうかを示す情報をシーケンシャル状態ロジック要素２１に入力する。ここで、リードの限界は＋１０、ラグの限界は−１０にそれぞれ設定されており、したがって、差が＋１１と同じかそれを上回るときに、限界外のリード状態がシーケンシャル状態ロジック要素に通知され、一方、差が−１１と同じかそれを下回るときに、限界外のラグ状態がシーケンシャル状態ロジック要素に通知される。シーケンシャル状態ロジック要素２１は、２つの入力２１Ａ、２１Ｂを含み、１つの出力２１Ｃを生成する。入力２１Ａは、図２のモータコントローラ１１によって与えられた命令ステップと方向信号を提供し、入力２１Ｂは、上述したように、コンパレータ１９によって与えられたリードまたはラグ情報を受信する。出力２１Ｃは、モータ１４から延びるモータシャフト１５の動きと方向を訂正するために、継続して、図２のモータドライバ１２に、対応するステップおよび方向信号を提供するとともに、かかる信号をデルタ演算要素１８に伝達して戻す。

モータ回転子とモータ固定子間の関係を制御してモータストールを防止するシーケンシャル状態ロジック要素２１におけるフローチャート２２は図５に示すようになり、その動作は次の通りとなる。

メインループ（２３）では、図４のデルタ演算要素１８に指示を出して、固定子カウントから回転子カウントを減算してなるデルタ（以下、“Ｄ”と称する。）を、（２４）でエンコーダ信号から得る。そして、Ｄが１０カウントより大きいかどうか判定する（２５）。Ｄが１０より大きい場合には、ラグ状態が存在し、この状態を、図６に示すラグ訂正のためのフローチャート（２６’）を経て訂正する必要がある（２６）。Ｄが１０カウント以下である場合には、Ｄが−１１カウントよりも小さいかどうか判定する（２７）。Ｄが−１１カウント以上である場合には、命令ステップおよび方向データは図４のモータドライバ１２に引き渡し可能となる（２９）。Ｄが−１１カウントより小さい場合には、リード状態が存在し、この場合、固定子が１マイクロステップ前進し、命令ステップおよび方向データがモータドライバ１２に引き渡し不能となり、Ｄが−１１カウント未満であるかどうか判定してから（２７）、命令ステップおよび方向データが図４のモータドライバ１２に引き渡し可能となる。

ラグ訂正のためのフローチャート（２６’）は図６に示すようになり、その動作は次の通りとなる。
先ず、命令ステップおよび方向機能を停止するとともに（３０）、固定子整流を停止し（３１）、これにより回転子が固定子に追い付くことが可能となり、Ｄが再び得られる（３２）。
次いで、Ｄが１０カウントよりも大きいかどうかの判定を行う（３３）。大きくない場合は、もはやラグは存在せず、この場合、固定子の整流が可能となり（３４）、命令ステップおよび方向信号をモータドライバに入力可能とする。
Ｄが１０カウントよりも大きい場合には、Ｄが１１カウントよりも大きいかどうかの判定を行う（３５）。Ｄが１１カウント以下である場合には、固定子は停止状態を継続して（３１）、Ｄを再び得る（３２）。
Ｄが１０カウントよりも大きく、且つ１１カウントよりも大きい場合には、固定子を１マイクロステップ逆回転し（３６）、Ｄを再び得る（３２）。
Ｄが１１カウントよりも大きい場合には、モータを反対方向に回転し、固定子を１マイクロステップ減少する（２５）。

モータのストールやコギングを防止するためのモータ回転子と固定子の動作を制御するための簡単な構成を、本明細書で説明した。上述した方法は、２相の回転ステッピングモータを使用することを示しているが、その他の多相リニアモータまたは回転ステッピングモータや、ブラシレスモータを使用することも可能である。
また、５００ラインの回転インクリメンタル・エンコーダと、１回転あたり２００フルステップのステッピングモータを利用する、ステップあたり１０マイクロステップのマイクロステップ分解能とを開示したが、同様の結果を得るために、様々なエンコーダ形式およびカウントや、様々なマイクロステップ分解能を使用することも可能である。

Claims (15)

1. 固定子に所定のマイクロステップ数の固定子磁界整流を与えることにより、回転子を当該固定子に対して１個のフルステップ回転させるステッピングモータの回転制御方法であって、
   上記ステッピングモータの回転時に、上記ステッピングモータ内の実際の上記回転子の回転位置と上記固定子に命令された上記回転子の回転位置との相対的な回転位置を、上記固定子磁界整流の上記マイクロステップ数に基づいて継続的に判定する工程と、
   上記固定子に命令された上記回転子の回転位置に対する実際の上記回転子の回転位置のラグ（遅延量）が、上記マイクロステップの第１の閾値に至ったときに、上記マイクロステップの数を減じて、上記固定子に与える上記固定子磁界整流の回転位置の変更を遅らせる工程とを備えることを特徴とする方法。
2. 上記固定子に命令された上記回転子の回転位置に対する実際の上記回転子の回転位置のリード（先行量）が、上記マイクロステップの第２の閾値に至ったときに、上記マイクロステップを挿入して増加させることにより、上記固定子に与える上記固定子磁界整流の回転位置の変更を進めることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記回転子の上記ラグが、上記第１の閾値よりも大きいときに、上記固定子に上記回転子の回転を逆転させる上記固定子磁界整流を与えるステップを有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 固定子に所定のマイクロステップ数の固定子磁界整流を与えることにより、回転子を当該固定子に対して１個のフルステップ回転させるステッピングモータの最適性能を実現するための回路において、
   ステッピングモータコントローラ、ステッピングモータドライバおよびステッピングモータに相互接続された回転子−固定子制御回路であって、上記ステッピングモータがその１回転あたりの上記フルステップの総数を規定する回転子−固定子制御回路と、
   最適ステッピングモータ性能のために、上記固定子に命令された上記回転子の回転位置に対する上記ステッピングモータ内の実際の上記回転子の回転位置が、上記所定のマイクロステップのうちの１つまたはそれ未満だけ確実に遅れるようにするための上記回転子−固定子制御回路内の手段とを備え、
   上記手段は、上記固定子に命令された上記回転子の回転位置に対する実際の上記回転子の回転位置のラグ（遅延量）が、上記マイクロステップの第１の閾値に至ったときに、上記マイクロステップの数を減じて、上記固定子に与える上記固定子磁界整流の回転位置の変更を遅らせることを特徴とする回路。
5. 上記回転子−固定子制御回路内の上記手段は、上記最適ステッピングモータ性能のために、上記固定子に命令された上記回転子の回転位置に対する上記ステッピングモータ内の実際の上記回転子の回転位置が、上記所定のマイクロステップ数だけ確実に進むようにし、
   かつ上記手段は、上記固定子に命令された上記回転子の回転位置に対する実際の上記回転子の回転位置のリード（先行量）が、上記マイクロステップの第２の閾値に至ったときに、上記マイクロステップを挿入して増加させることにより、上記固定子に与える上記固定子磁界整流の回転位置の変更を進めることを特徴とする請求項４に記載の回路。
6. 上記回転子−固定子制御回路内の上記手段は、インクリメンタル・エンコーダを備えることを特徴とする請求項４に記載の回路。
7. 上記回転子−固定子制御回路は、一対のコンパレータを備えることを特徴とする請求項４に記載の回路。
8. 上記回転子−固定子制御回路は、上記回転子の回転位置と上記固定子の整流信号との間の回転位置および方向の違いを判定するための手段をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の回路。
9. 最大モータ定格以上で一時的に使用されるステッピングモータを使用可能にするアダプタ回路であって、
   ステッピングモータと接続されて、上記ステッピングモータ内の回転子および固定子整流信号の位置状態を受信する回転子−固定子制御回路と、
   上記回転子と上記固定子整流信号との間の回転位置の差および方向を判定するためのデルタ回路と、
   上記デルタ回路からの出力に接続され、上記回転子と上記固定子整流信号の間のリードまたはラグの状態を判定する一対のデジタルコンパレータと、
   上記コンパレータおよびステッピングモータドライバに接続された論理デバイスとを備え、
   上記ステッピングモータドライバは、上記回転子と上記固定子に作動電流を供給するものであり、
   上記回転子の位置は、上記ステッピングモータのストールを避けるために、固定された量を超えることなく上記固定子整流信号を遅らせることによって制御されることを特徴とするアダプタ回路。
10. 上記固定子整流信号は、上記ステッピングモータのコギングを避けるために、上記固定された量を超えることなく上記回転子よりも遅れるように制御されることを特徴とする請求項９に記載のアダプタ回路。
11. 上記固定子整流信号は、上記ステッピングモータのコギングを避けるために、上記固定量を超えることなく上記回転子よりも進むように制御されることを特徴とする請求項９に記載のアダプタ回路。
12. 上記デルタ回路は、インクリメンタル・エンコーダを備えることを特徴とする請求項９に記載のアダプタ回路。
13. 上記マイクロステップの第１の閾値は、上記所定のマイクロステップ数よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 上記マイクロステップの第２の閾値は、上記所定のマイクロステップ数よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の方法。
15. 上記所定のマイクロステップ数は１０であり、上記第１及び第２の閾値は１１であることを特徴とする請求項２に記載の方法。

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