JP5384536B2

JP5384536B2 - ステッピングモータの駆動回路、ステッピングモータの駆動方法、チューブポンプ、及びチューブポンプの駆動方法

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Publication number: JP5384536B2
Application number: JP2011003548A
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Description

本発明は、例えば医療機器に搭載されるチューブポンプに関する。

従来より、医療機器に使用するポンプ装置として、チューブポンプが提供されている。チューブポンプは、押圧ローラを有するロータ部を駆動モータによって回転させ、液体が流通するチューブを押圧ローラでしごくことにより、チューブ内の液体を搬送する。

この種のチューブポンプは、液体を少量ずつ時間をかけて送出する態様があり、この態様ではロータ部を低速度で駆動することが必要になる。このためこの種のチューブポンプは、駆動モータに例えばブラシレスモータを適用し、駆動モータの回転速度を減速機構により減速してロータ部を駆動する（例えば実開昭６２−１５５８５１号公報）。またこの種のチューブポンプは、駆動モータが動作しなくなった場合を想定して、手動によりロータ部を回転させる手動操作の機構が設けられている。

この種のチューブポンプに関して、特開２００８−３０８９９４号公報には、駆動モータにステッピングモータを適用した構成が開示されている。

実開昭６２−１５５８５１号公報特開２００８−３０８９９４号公報

ところで減速機構の多くには、歯車機構が用いられ、歯車機構は、歯車のかみ合いによる騒音の発生を避け得ない。これにより従来のチューブポンプは、騒音が大きい問題がある。特に医療機器は、極めて高い静音性が求められることから、医療機器に使用されるチューブポンプにおいて、騒音の問題は極めて重大である。

また従来のチューブポンプは、手動操作の機構によりロータ部を回転させる場合に、減速機構を介して駆動モータも同時に回転させることが必要であり、これにより手動操作に力を要していた。このため従来のチューブポンプは、手動操作時、操作性が著しく劣化する問題があった。

またチューブポンプでは、チューブを押圧ローラでしごくことから、絶えずチューブからの反力（負荷）が押圧ローラに作用する。このため駆動モータの駆動を停止してポンプ動作を停止させた場合に、この反力により押圧ローラが押し戻され、チューブに液体が逆流する恐れもある。

これらの問題を解決する１つの方法として、特開２００８−３０８９９４号公報に開示されているように、駆動モータにステッピングモータを適用し、さらに減速機構を省略して駆動モータにより直接ロータ部を駆動することが考えられる。この場合、減速機構の省略により、騒音を低減し、さらには手動操作時の操作性を向上することができる。またステッピングモータでは、駆動を停止した際に、その停止位置を維持するように駆動されることから、チューブからの反力により押圧ローラが押し戻される現象も防止することができ、液体の逆流も防止することができる。

しかしながらステッピングモータは、一般的に、停止時において、駆動時と同一の駆動電流をステータ巻き線に供給して停止位置を保持することが可能であるが、ブラシレスモータに比して発熱が大きく、このためチューブポンプに適用した場合、従来に比して駆動モータが著しく温度上昇する不都合がある。なお医療機器は、搬送する液体の性質上、駆動モータによる液体の温度上昇を極力避けることが求められる。これに対して駆動モータにより直接ロータ部を駆動する場合には、減速機構が省略されている分、ロータ部に対して駆動モータの熱が格段に伝導し易くなる。従ってステッピングモータにより直接ロータ部を駆動する場合には、より一層、駆動モータの発熱を低減することが必要になる。

本発明は、これらの問題を解決するものであり、ステッピングモータの発熱を従来に比して格段的に低減することができるステッピングモータの駆動回路、ステッピングモータの駆動方法、チューブポンプ、及びチューブポンプの駆動方法を提案する。

本発明は、ステッピングモータの駆動を制御する制御用のコントローラを有し、前記制御用のコントローラは、前記ステッピングモータに設けられた制御用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する制御用の位置検出部と、前記ステッピングモータの回転位置の指令情報を受け付ける回転指令情報入力部と、前記制御用の位置検出部で検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する制御用の偏差演算部と、前記位置偏差に応じて前記ステッピングモータに設けられたステータ巻き線の駆動を切り換えて、前記指令情報に対応する回転位置に前記ステッピングモータを回転させるようにして、前記ステッピングモータの回転停止時の前記ステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を、前記制御用の偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させる振幅値設定部とを備え、前記振幅値設定部は、前記位置偏差が前記最小回転角度より小さく、かつ一定値より大きい場合、前記位置偏差の２乗値に比例させて前記振幅値を設定し、前記位置偏差が最小回転角度より大きい場合、前記振幅値を定格電流値に設定し、前記位置偏差が前記一定値より小さい場合、前記振幅値を一定値に設定するステッピングモータの駆動回路に関する。

本発明によれば、制御用の位置検出部で検出されるステッピングモータの回転位置と、指令情報による回転位置との位置偏差に応じてステータ巻き線の駆動電流の振幅値を増減させることにより、不必要に駆動電流を増大させないようにして、駆動負荷に対して十分な駆動電流によりステータ巻き線を駆動して停止位置を維持することができ、これにより従来に比してステッピングモータの発熱を格段に低減することができる。すなわち例えば駆動対象からの反力が大きい場合には、位置偏差も大きくなることから、これに対応して大きな電流値により駆動電流を供給して反力により押し戻されないようにすることができる。また反力が小さく、少ない力で停止位置を維持できる場合には、位置偏差も小さくなることから、これに対応して小さな電流値により駆動電流を供給して停止位置を維持することができる。また位置偏差の２乗値に比例させて前記振幅値を設定することにより、より適切に振幅値を設定して、ステッピングモータの発熱を効率良く低減することができる。またさらに位置偏差が一定値以下の範囲では、前記振幅値を一定値に設定することにより、回転を停止して反力により押し戻されないようにして、極低速時の回転に対する変動や、停止時の位置ずれを抑制することができる。

またさらに前記制御用のコントローラとは個別に監視用のコントローラを有し、前記監視用のコントローラは、前記制御用の位置検出器とは別に前記ステッピングモータに設けられた監視用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する監視用の位置検出部と、前記監視用の位置検出部で検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する監視用の偏差演算部と、前記監視用の偏差演算部で算出される位置偏差を判定して前記ステッピングモータの回転の異常を検出し、警報を出力する判定部と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、制御用のコントローラ側が正常に動作できなくなった場合に、この異常を検出して警報を発生することができ、例えば医療機器等の高い信頼性が求められる機器に適用して、十分な信頼性を確保することができる。

またさらに前記制御用の位置検出部は、メモリに記録された補正値により、前記制御用の位置検出器によって検出される前記ステッピングモータの回転位置を補正し、前記メモリに記録された補正値が、前記指令情報により前記ステッピングモータを一定角度ずつ回転させて前記制御用の位置検出器により前記ステッピングモータの回転位置を検出して求められた補正値であることが好ましい。

本発明によれば、取り付け誤差等による位置検出のばらつきを補正して、精度良く回転位置を検出することができ、その結果、位置検出のばらつきによる発生トルクの変動を防止することができる。

また本発明は、ステッピングモータに設けられた制御用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する制御用の位置検出ステップと、前記ステッピングモータの回転位置の指令情報を受け付ける回転指令情報入力ステップと、前記制御用の位置検出ステップで検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する制御用の偏差演算ステップと、前記位置偏差に応じて前記ステッピングモータに設けられたステータ巻き線の駆動を切り換えて、前記指令情報に対応する回転位置に前記ステッピングモータを回転させるようにして、前記ステッピングモータの回転停止時の前記ステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を、前記制御用の偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させる振幅値設定ステップとを備え、前記振幅値設定ステップは、前記位置偏差が前記最小回転角度より小さく、かつ一定値より大きい場合、前記位置偏差の２乗値に比例させて前記振幅値を設定し、前記位置偏差が最小回転角度より大きい場合、前記振幅値を定格電流値に設定し、前記位置偏差が前記一定値より小さい場合、前記振幅値を一定値に設定するステッピングモータの駆動方法に関する。

本発明によれば、制御用の位置検出部で検出されるステッピングモータの回転位置と、指令情報による回転位置との位置偏差に応じてステータ巻き線の駆動電流の振幅値を増減させることにより、不必要に駆動電流を増大させないようにして、駆動負荷に対して十分な駆動電流によりステータ巻き線を駆動して停止位置を維持することができ、これにより従来に比してステッピングモータの発熱を格段に低減することができる。

また本発明は、押圧ローラを有するロータ部を駆動モータによって回転させ、液体が流通するチューブを押圧ローラでしごくことにより、前記チューブ内の液体を送出するチューブポンプにおいて、前記駆動モータがステッピングモータであり、前記ステッピングモータの駆動を制御する制御用のコントローラを有し、前記制御用のコントローラは、前記ステッピングモータに設けられた制御用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する制御用の位置検出部と、前記ステッピングモータの回転位置の指令情報を受け付ける回転指令情報入力部と、前記制御用の位置検出部で検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する制御用の偏差演算部と、前記位置偏差に応じて前記ステッピングモータに設けられたステータ巻き線の駆動を切り換えて、前記指令情報に対応する回転位置に前記ステッピングモータを回転させるようにして、前記ステッピングモータの回転停止時の前記ステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を、前記制御用の偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させる振幅値設定部とを備え、前記振幅値設定部は、前記位置偏差が前記最小回転角度より小さく、かつ一定値より大きい場合、前記位置偏差の２乗値に比例させて前記振幅値を設定し、前記位置偏差が最小回転角度より大きい場合、前記振幅値を定格電流値に設定し、前記位置偏差が前記一定値より小さい場合、前記振幅値を一定値に設定するチューブポンプに関する。

本発明によれば、制御用の位置検出部で検出されるステッピングモータの回転位置と、指令情報による回転位置との位置偏差に応じてステータ巻き線の駆動電流の振幅値を増減させることにより、不必要に駆動電流を増大させないようにして、駆動負荷に対して十分な駆動電流によりステータ巻き線を駆動して停止位置を維持することができ、これにより従来に比してステッピングモータの発熱を格段に低減することができる。従って搬送する液体への熱の影響を十分に回避することができる。

また本発明は、押圧ローラを有するロータ部を駆動モータによって回転させ、液体が流通するチューブを押圧ローラでしごくことにより、前記チューブ内の液体を送出するチューブポンプの駆動方法において、前記駆動モータがステッピングモータであり、前記チューブポンプの駆動方法は、前記ステッピングモータに設けられた制御用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する制御用の位置検出ステップと、前記ステッピングモータの回転位置の指令情報を受け付ける回転指令情報入力ステップと、前記制御用の位置検出ステップで検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する制御用の偏差演算ステップと、前記位置偏差に応じて前記ステッピングモータに設けられたステータ巻き線の駆動を切り換えて、前記指令情報に対応する回転位置に前記ステッピングモータを回転させるようにして、前記ステッピングモータの回転停止時の前記ステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を、前記制御用の偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させる振幅値設定ステップとを備え、前記振幅値設定ステップは、前記位置偏差が前記最小回転角度より小さく、かつ一定値より大きい場合、前記位置偏差の２乗値に比例させて前記振幅値を設定し、前記位置偏差が最小回転角度より大きい場合、前記振幅値を定格電流値に設定し、前記位置偏差が前記一定値より小さい場合、前記振幅値を一定値に設定するチューブポンプの駆動方法に関する。

本発明によれば、ステッピングモータの発熱を従来に比して格段に低減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る医療機器に適用されるチューブポンプの駆動装置を示す図である。図１の駆動装置の周辺回路を詳細に示す図である。監視マイコン２４の構成を周辺回路と共に示す機能ブロック図である。制御マイコン２２の構成を周辺回路と共に示す機能ブロック図である。駆動電流の振幅値の説明に供する特性曲線図である。トルク変動の説明に供する特性曲線図である。図６の特性曲線図の説明に供する平面図である。テーブルの設定値の説明に供するフローチャートである。

（１）第１の実施の形態
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る医療機器に適用されるチューブポンプの駆動装置を示す図である。この医療機器は、例えば透析装置であり、チューブポンプにより透析対象の血液を搬送する。このチューブポンプは、この図１に示す駆動装置１の駆動モータ２により直接ロータ部が駆動され、これにより騒音が低減され、さらに手動操作時の操作性が向上される。

駆動装置１は、駆動モータ２と、この駆動モータ２の駆動に供する周辺回路等により構成される。駆動モータ２は、３相のステッピングモータであり、回転軸４の一端がロータ部に接続され、これにより直接ロータ部を駆動する。

駆動モータ２は、回転軸４の他端側に、それぞれステッピングモータの回転位置検出手段として機能する第１及び第２の位置検出器５、６が設けられる。第１の位置検出器５は、スリット板７とフォトセンサ８とによる光学式のロータリーエンコーダであり、スリット板７が回転軸４に設けられ、このスリット板７に対応してフォトセンサ８が配置される。また第２の位置検出器６は、磁石９と集積回路１０とによる磁気式のロータリーエンコーダであり、磁石９が回転軸４の端面に配置され、この磁石９に対向するように集積回路１０が配置される。

なおこの実施例において、第１の位置検出器５は、いわゆるインクリメンタル型であり、スリット板７の回転により信号レベルが変化する２相の出力信号を出力する。これに対して第２の位置検出器６は、いわゆる絶対値型であり、磁石９による磁界を、集積回路１０に設けられた２つのホール素子で検出し、この検出結果を集積回路１０で処理することにより、この集積回路１０の向きによって決まる基準方向を基準にした絶対値により位置情報を出力する。

駆動モータ２は、この他端側がカバー１２により覆われ、このカバー１２の内側に配線基板１３が設けられる。駆動装置１は、この配線基板１３に、集積回路１０及び周辺回路が実装される。

図２は、駆動装置１の周辺回路を詳細に示す図である。駆動装置１は、この医療機器全体の動作を制御する制御マイコン２２である上位のコントローラ２１から、オペレータの操作等に応じて各種の制御信号が入力される。また駆動装置１は、この上位のコントローラ２１に各種の信号を出力する。これらコントローラ２１からの制御信号のうち、方向指令信号ＤＩＲは、駆動モータ２の回転方向を指令する制御信号である。また指令パルスＰＵＬＳＥは、駆動モータ２の回転量を指令するパルス信号であり、駆動装置１では、この指令パルスＰＵＬＳＥの１パルスで、駆動モータ２を一定角度だけ回転させる。従って指令パルスＰＵＬＳＥは、所望する駆動モータの回転速度に応じた周期で出力され、駆動モータを高速度で回転させる場合には短い周期で出力される。リセット信号ＡＬＭＲＳＴは、各種の異常による駆動モータ２の停止制御を解除する信号である。これに対して、コントローラ２１への出力信号の１つである警報信号ＡＬＭＯＵＴは、駆動装置１の異常を通知する信号である。

駆動装置１において、制御マイコン２２は、駆動モータ２の駆動を制御する制御用のコントローラであり、駆動モータ２のステータ巻き線の駆動を切り換えて、コントローラ２１で指令された回転位置に駆動モータ２を回転させる。すなわち制御マイコン２２は、位置検出器６により検出される位置情報（エンコーダ情報）と、モータ電流とを用いた制御により、方向指令信号ＤＩＲ及び指令パルスＰＵＬＳＥに応じて駆動モータ２に応じた複数のパルス幅変調信号ＰＷＭを生成する。なおこのモータ電流は、駆動モータ２の駆動電流の実測値であり、制御マイコン２２に専用の電流センサ２５を用いて検出される。駆動装置１は、この複数のパルス幅変調信号ＰＷＭをインバータ２３に入力する。駆動装置１は、このインバータ２３の出力により駆動モータ２の対応するステータ巻き線を駆動し、これにより方向指令信号ＤＩＲにより指令された方向に、指令パルスＰＵＬＳＥに応じて、駆動モータ２のステータ巻き線の駆動を切り換えて駆動モータ２を回転させる。また制御マイコン２２は、監視マイコン２４による動作の監視に必要な動作監視用のデータを一定の時間間隔で監視マイコン２４との間で送受し、さらに監視マイコン２４の制御により駆動モータ２の駆動を停止する。また制御マイコン２２は、リセット信号ＡＬＭＲＳＴの入力により初期化処理を実行して動作を開始する。

監視マイコン２４は、駆動モータ２の動作、制御マイコン２２の動作を監視する監視用のコントローラである。監視マイコン２４は、方向指令信号ＤＩＲ及び指令パルスＰＵＬＳＥにより指令される指令位置と、位置検出器５によって検出される実際の回転位置との比較により、駆動モータ２の回転の異常を検出し、警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する。また監視マイコン２４は、モータ電流を監視して制御マイコン２２等の異常を検出し、警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する。なおこの監視マイコン２４で監視されるモータ電流は、駆動モータ２の駆動電流の実測値であり、監視マイコン２４に専用の電流センサ２６を用いて検出される。また監視マイコン２４は、インバータ２３の電源電圧を監視し、この電源電圧の異常により警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する。また監視マイコン２４は、制御マイコン２２との間で、動作監視用のデータを送受し、この動作監視用のデータを正常に送受できなくなると、警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する。また監視マイコン２４は、このように警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する場合には、制御マイコン２２の動作を停止制御する。また監視マイコン２４は、リセット信号ＡＬＭＲＳＴの入力により初期化処理を実行して動作を開始する。

図３は、監視マイコン２４の構成を周辺回路と共に示す機能ブロック図である。監視マイコン２４は、入出力回路であるＩ／Ｏモジュール３１を介して方向指令信号ＤＩＲを入力し、また入出力回路であるタイマモジュール３２を介して指令パルスＰＵＬＳＥを入力する。また第１の位置検出器５からの２相の出力信号をいわゆる直交カウンタであるカウンタモジュール３３を介して入力する。またアナログディジタル変換回路であるＡＤＣモジュール３４を介して電流センサ２６で検出されるモータ電流、インバータ２３に供給される電源電圧をアナログディジタル変換処理して入力する。また入出力回路であるＩ／Ｏモジュール３５を介して、警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力すると共にリセット信号ＡＬＭＲＳＴを入力し、さらに制御マイコン２２との間で動作監視用のデータ等を送受する。

監視マイコン２４において、指令パルス角度演算部２４Ａは、方向指令信号ＤＩＲに応じて指令パルスＰＵＬＳＥをアップカウント及びダウンカウントすることにより、コントローラ２１により指令された駆動モータ２の回転位置を計算する。エンコーダ角度演算部２４Ｂは、カウンタモジュール３３の出力信号をアップカウント及びダウンカウントすることにより、駆動モータ２の実際の回転位置を検出する。またエンコーダ角度演算部２４Ｂは、リセット信号ＡＬＭＲＳＴが出力されると、エンコーダ原点設定部２４Ｃにより、制御マイコン２２で検出されるカウント値ＩＮＤＥＸをセットし、これにより回転位置の検出に供する原点の位置を、制御マイコン２２における処理に対応するように設定する。これによりエンコーダ角度演算部２４Ｂは、この原点からの機械的な角度により駆動モータ２の回転位置を検出する。

回転監視処理部２４Ｄは、エンコーダ角度演算部２４Ｂで検出される駆動モータ２の回転位置と、指令パルス角度演算部２４Ａで求められる指令された駆動モータ２の回転位置とにより、コントローラ２１により指令された正常な回転位置に対する駆動モータ２の回転位置の逸脱を検出し、アラーム処理部２４Ｅに通知する。より具体的に、回転監視処理部２４Ｄは、エンコーダ角度演算部２４Ｂで検出される回転位置と、指令パルス角度演算部２４Ａで検出される回転位置との間の位置偏差（角度差）の変化を計算し、この偏差の変化が、判定基準値以上大きくなると、アラーム処理部２４Ｅに異常を通知する。すなわちこの角度差が大きく変化する場合は、指令パルスＰＵＬＳＥにより指令された回転軸４の目標位置に対して、回転軸４の実際の位置が大きく逸脱した場合である。従ってこの場合、制御マイコン等の異常により当該チューブポンプが正常に動作しなくなった場合であり、医療機器では極めて深刻な異常が発生したことになる。

そこでアラーム処理部２４Ｅは、この場合、回転監視処理部２４Ｄからの通知により、Ｉ／Ｏモジュール３５を介して警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する。またアラーム処理部２４Ｅは、ＡＤＣモジュール３４を介して入力されるインバータ２３の電源電圧を監視し、この電源電圧が事前に設定された基準値以上変化すると、この場合も駆動モータ２を正常に駆動できない場合であることにより、警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する。また同様に、ＡＤＣモジュール３４を介して入力されるモータ電流を監視し、このモータ電流が事前に設定された基準値以上変化すると、この場合も駆動モータ２を正常に駆動できない場合であり、さらに駆動モータ２が著しく発熱する場合であることにより、警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する。またさらに制御マイコン２２から正常に動作監視用のデータを取得できなくなると、この場合、例えば制御マイコン２２がいわゆるハングアップした場合等であり、正常に駆動モータ２を駆動できない場合であることにより、警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する。またこのようにして警報信号ＡＬＭＯＵＴを出力する場合、制御マイコン２２に動作の停止を指示する。

これに対してリセット信号ＡＬＭＲＳＴが入力されると、アラーム処理部２４Ｅは、監視マイコン２４の各部を初期化処理した後、動作を開始させる。なおこの初期化処理は、上述したカウント値ＩＮＤＥＸの設定等である。

これによりこの駆動装置１では、制御マイコン２２とは別系統により、ステッピングモータの回転位置を検出し、この回転位置と指令情報による回転位置との位置偏差を判定してステッピングモータの回転の異常を検出する。これにより駆動装置１では、制御マイコン２２により正常に駆動モータ２を制御できなくなった場合でも、確実に異常を検出して対応を図ることができる。従って高い信頼性が求められる医療機器に適用して、十分な信頼性を確保することができる。

これらにより監視マイコン２４において、エンコーダ角度演算部２４Ｂは、ステッピングモータに設けられた監視用の位置検出器５により、ステッピングモータの回転位置を監視用に検出する監視用の位置検出部を構成する。また回転監視処理部２４Ｄは、監視用の位置検出部で検出される回転位置と、指令情報による回転位置との位置偏差を算出する監視用の偏差演算部を構成する。またアラーム処理部２４Ｅは、回転監視処理部２４Ｄと共に、監視用の偏差演算部で算出される位置偏差を判定してステッピングモータの回転の異常を検出し、アラーム信号を出力する判定部を構成する。

図４は、制御マイコン２２の構成を周辺回路と共に示す機能ブロック図である。制御マイコン２２は、入出力回路であるＩ／Ｏモジュール４１を介して方向指令信号ＤＩＲを入力し、また入出力回路であるタイマモジュール４２を介して指令パルスＰＵＬＳＥを入力する。また第２の位置検出器６からの出力信号をシリアルパラレル変換回路であるＳＰＩモジュール４３を介して入力する。またアナログディジタル変換回路であるＡＤＣモジュール４４を介して電流センサ２５で検出されるモータ電流をアナログディジタル変換処理して入力する。また出力回路であるＰＷＭモジュール４５を介してパルス幅変調信号ＰＷＭを出力する。

制御マイコン２２において、指令パルス角度演算部２２Ａは、方向指令信号ＤＩＲに応じて指令パルスＰＵＬＳＥをアップカウント及びダウンカウントすることにより、コントローラ２１により指令される駆動モータ２の回転位置を計算する。エンコーダ角度演算部２２Ｂは、ＳＰＩモジュール４３を介して入力される位置情報（エンコーダ情報）を補正／原点テーブル２２Ｃに記録された補正値により補正し、これにより位置検出器６の取り付け誤差による特性劣化を防止する。なおこのエンコーダ角度演算部２２Ｂにより補正された位置情報が上述のカウント値ＩＮＤＥＸとされる。

角度偏差演算部２２Ｄは、指令パルス角度演算部２２Ａで求められる目標とする駆動モータ２の回転位置を基準にして、エンコーダ角度演算部２２Ｂで補正された駆動モータ２の回転位置を処理することにより、実際のステッピングモータの回転位置と、コントローラ２１により指令された指令情報による回転位置との位置偏差を計算する。励磁角度調整部２２Ｅは、この位置偏差に基づいて、駆動モータ２の駆動に必要な励磁角度を計算する。電流振幅演算部２２Ｆは、この位置偏差に応じて駆動モータ２のステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を計算する。電流指令演算部２２Ｇは、励磁角度調整部２２Ｅ及び電流振幅演算部２２Ｆの計算結果に基づいて、駆動モータ２の駆動に供する駆動信号を２相により計算する。

モータ電流取得部２２Ｈは、ＡＤＣモジュール４４を介して電流センサ２６で検出される駆動電流の実測値を入力する。相逆変換部２２Ｉは、このモータ電流取得部２２Ｈで入力したモータ電流を、２相で駆動する場合のモータ電流に変換し、これにより電流指令演算部２２Ｇの計算結果に対応するように、駆動電流の実測値を変換する。なお、この相逆変換部２２Ｉは必要に応じて省略してもよい。電流偏差演算部２２Ｊは、相逆変換部２２Ｉの出力に応じて、電流指令演算部２２Ｇの演算結果を補正して出力し、これにより制御マイコン２２は、モータ電流の実測値を使用したフィードバック制御により駆動モータ２を駆動する。

ＰＩ制御演算部２２Ｋは、電流偏差演算部２２Ｊの計算結果を順次移動積分すると共に、この電流偏差演算部２２Ｊの計算結果に移動積分結果を重み付け加算し、これにより電流偏差演算部２２Ｊの計算結果をＰＩ制御の形式に変換する。相変換部２２Ｌは、ＰＩ制御演算部２２Ｋの計算結果を、駆動モータ２の相数に対応する３相の計算結果に変換して出力する。ＰＷＭ出力処理部２２Ｍは、相変換部２２Ｌから出力される３相の演算結果に応じてＰＷＭ変調信号を生成し、ＰＷＭモジュール４５を介してこのＰＷＭ変調信号を出力する。

（２）駆動電流の設定
上述したように、制御マイコン２２において、電流振幅演算部２２Ｆは、角度偏差演算部２２Ｄで計算される位置偏差に応じて駆動モータ２の駆動電流の振幅値を計算する。この実施の形態において、電流振幅演算部２２Ｆは、位置偏差が最小回転角度（最小分解能）より大きい場合、駆動モータ２の定格電流値に対応するように振幅値を設定する。これに対して位置偏差が最小回転角度より小さい場合、位置偏差が小さくなるに従って定格電流値より駆動電流値が小さくなるように、駆動電流の振幅値を設定する。これにより制御マイコン２２は、駆動モータの回転停止時、位置偏差が大きくなるに従って駆動電流の振幅値が大きくなるように、位置偏差に応じて振幅値を計算する。より具体的には、位置偏差の２乗値に比例するように駆動電流の振幅値を設定する。またさらに位置偏差が一定値以下の範囲では、駆動電流の振幅値を一定値に設定する。

ここで従来のステッピングモータは、一定の駆動電流振幅によりステータ巻き線を駆動し、何ら負荷トルクを必要としない現在位置にステッピングモータを保持する場合でも、ステータ巻き線にこの一定電流を供給し続ける。従って図５において、符号Ｌ１により示すように、従来のステッピングモータは、負荷トルクに無関係に、一定の電流振幅により駆動電流が供給される。なおこの図５において、横軸の負荷トルクは、定格に対する比率により示し、また電流振幅値は、定格電流に対する比率により示す。

これに対して直流モータは、負荷トルクに比例した駆動電流で駆動する。従って符号Ｌ２により示すように、直流モータの場合、負荷トルクが小さくなればなる程、ステッピングモータに比して駆動電流が低下して消費電力、発熱量が小さくなり、負荷トルクが０の停止状態では何ら電力を消費しないことになる。

これによりこの実施の形態のように、位置偏差が大きくなるに従って駆動電流の振幅が大きくなるように、位置偏差に応じて振幅を計算し、設定すれば、符号Ｌ３により示すように、従来のステッピングモータによる駆動を、直流モータによる駆動に近づけて駆動電流を設定することになり、これにより従来に比してステッピングモータの発熱を格段的に低減することができる。

すなわちこの場合、駆動対象からの反力が大きい場合には、位置偏差も大きくなることから、これに対応して大きな電流値により駆動電流を供給して反力により押し戻されないようにすることができ、確実に停止位置を維持することができる。またこれとは逆に、反力が小さく、少ない力で停止位置を維持できる場合には、位置偏差も小さくなることから、これに対応して小さな電流値により駆動電流を供給して停止位置を維持することができる。

またより詳細に、位置偏差の２乗値に比例するように駆動電流の振幅値を設定する場合にあっては、ステッピングモータの負荷特性に対応して駆動電流を設定することができ、ステッピングモータの特性の劣化を有効に回避して効率良く発熱を低減することができる。

またさらに位置偏差が一定値以下の範囲では、駆動電流の振幅値を一定値に設定することにより、極低速時の回転に対する変動や、停止時の位置ずれを抑制することができる。なおこれらによりエンコーダ角度演算部２２Ｂによって検出される回転位置は、駆動モータ２の最小回転角度以下の精度で検出されることになる。

これらによりこの実施の形態において、エンコーダ角度演算部２２Ｂは、ステッピングモータである駆動モータ２に設けられた制御用の位置検出器６を用いて駆動モータ２ステッピングモータの回転位置を制御用に検出する制御用の位置検出部を構成する。また指令パルス角度演算部２２Ａは、ステッピングモータの回転位置の指令情報を受け付ける回転指令情報入力部を構成する。また角度偏差演算部２２Ｄは、制御用の位置検出部で検出されるステッピングモータの回転位置と、指令情報による回転位置との位置偏差を算出する制御用の偏差演算部を構成する。また電流振幅演算部２２Ｆは、指令パルス角度演算部２２Ａ、エンコーダ角度演算部２２Ｂ、角度偏差演算部２２Ｄ、励磁角度調整部２２Ｅ、電流指令演算部２２Ｇ等と共に、指令情報に基づいて、ステッピングモータに設けられたステータ巻き線の駆動を切り換えて、指令情報に対応する回転位置にステッピングモータを回転させるようにして、ステッピングモータの回転停止時のステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を、制御用の偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させる振幅値設定部を構成する。

（３）補正／原点テーブルの構成
ところで駆動装置１において、第２の位置検出器６を構成する磁石９及び集積回路１０は、それぞれ駆動モータ２の回転軸４に対して取り付け誤差が発生し、これにより集積回路１０によって検出される回転軸４の回転位置は、ばらつくことになる。従ってこの集積回路１０で検出される回転位置を基準にした駆動電流の制御では、駆動モータ２によるトルクが回転位置によって変動することになる。

図６は、このトルクの変動の測定結果を示す図である。この図６は、図７において矢印により示すように、回転軸４の回転中心に対して、集積回路１０の位置をＹ方向に−０．７〔ｍｍ〕変位させた状態で測定したものである。なおＸ方向及びＹ方向は、集積回路１０に設けられたホール素子による磁界の検出方向に対応する方向であり、各座標軸は、回転軸４の回転中心を原点に設定して、この磁界の検出方向を示すものである。なおこの測定は、定格電流の１／２の電流により駆動モータ２を駆動して測定した。この場合、符号Ｌ４（図６）により示すように、回転軸４の回転により大きく発生トルクが変動する。

そこでこの実施の形態では、補正／原点テーブル２２Ｃに設定された補正値により実測値を補正して処理する。このため駆動装置１の生産時、制御マイコン２２により駆動モータ２を一定角度以上駆動して位置検出器６による位置検出結果が取得され、補正／原点テーブル２２Ｃに補正用のデータが格納される。図６において符号Ｌ５は、補正／原点テーブル２２Ｃにより位置検出器６による位置検出結果を補正した場合のトルク変動を示すものである。この図６により、位置検出器６の取り付け誤差に依存するトルク変動を十分に防止できることがわかる。

図８は、この補正／原点テーブル２２Ｃの設定に供する制御マイコン２２の処理手順を示すフローチャートである。駆動装置１は、この図８の処理手順の実行により、制御マイコン２２を制御して駆動モータ２を駆動すると共に、位置検出器６で検出した位置検出結果をこの制御マイコン２２で取得する。

すなわちこの処理手順において、制御マイコン２２は、一定の角度だけ駆動モータの回転を指示し（ステップＳＰ１、ＳＰ２）、位置検出器６からの回転位置情報（エンコーダ情報）を取得する（ステップＳＰ３）。制御マイコン２２は、この駆動モータ２が所定回転数ｎだけ回転するまで、この処理を繰り返し（ステップＳＰ４）、各回転位置で回転位置情報を取得する。なおこの一定の角度は、例えば駆動モータ２の最小回転角度である。続いて制御マイコン２２は、ｎ回の回転で検出された回転位置情報を統計処理してノイズの影響を除去する（ステップＳＰ５）。なおこの統計処理は、例えば各回転位置における検出結果の単純平均化処理である。続いて制御マイコン２２は、各回転位置の検出結果と、回転を指示した回転位置との差分値を計算することにより、各回転位置情報の補正値を計算し、この補正値を補正／原点テーブル２２Ｃに格納する（ステップＳＰ６）。なお、格納以降の駆動においては、本処理手順は実行されず、上述したように格納されたデータを参照してモータを駆動する。

以上の構成によれば、制御用の位置検出部で検出されるステッピングモータの回転位置と、指令情報による回転位置との位置偏差に応じて駆動電流の振幅値を増減させることにより、不必要に駆動電流を増大させないようにして、実用上十分な駆動電流によりステッピングモータを停止位置に保持することができ、その結果、従来に比してステッピングモータの発熱を格段に低減することができる。

また位置偏差の２乗値に比例させて振幅値を設定することにより、より適切に振幅値を設定して、ステッピングモータの発熱を効率良く低減することができる。

また位置偏差が一定値以下の範囲では、振幅値を一定値に設定することにより、停止時、駆動対象から反力により押し戻されないようにして、極低速時の回転に対する変動や、停止時の位置ずれを抑制化することができる。

またさらに監視用のコントローラにより、別途検出した回転位置と、指令情報による回転位置との位置偏差を判定してステッピングモータの回転の異常を検出し、警報を出力することにより、制御用のコントローラにより正常に駆動できなくなった場合に、この異常を確実に検出して警報を発生することができ、例えば医療機器等の高い信頼性が求められる機器に適用して、十分な信頼性を確保することができる。

またさらにメモリに記録された補正値により、位置検出器によって検出される回転位置を補正し、このメモリに記録された補正値を、駆動モータを一定角度ずつ回転させて検出した回転位置情報により設定することにより、取り付け誤差等による位置検出のばらつきを補正して回転位置を検出することができ、その結果、発生トルクの変動を防止することができる。

（４）他の実施の形態
以上、本発明の実施に好適な具体的な構成を詳述したが、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施の形態の構成を種々に変更することができる。

すなわち例えば上述の実施の形態では、制御マイコン用及び監視マイコン用にそれぞれ位置検出器及び電流センサを設ける場合について述べたが、本発明はこれに限らず、実用上十分な場合には、位置検出器及び又は電流センサを制御マイコン及び監視マイコンで共用しても良い。また同様に、指令パルス角度演算部等の構成を制御マイコン及び監視マイコンで共用しても良い。

また上述の実施の形態では、監視用及び制御用の位置検出器に光学式及び磁気式のロータリーエンコーダを適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、各位置検出器には種々の構成を適用することができる。

また上述の実施の形態では、位置偏差が駆動モータの最小回転角度以下の範囲で、駆動電流の振幅値を位置偏差に応じて増減させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は、駆動モータを停止位置に維持する場合に駆動電流の振幅値を位置偏差に応じて増減させれば良く、例えば位置偏差が最小回転角度の２倍以下の場合に、駆動電流の振幅値を位置偏差に応じて増減させる場合、位置偏差が最小回転角度の１／２以下の場合に、駆動電流の振幅値を位置偏差に応じて増減させる場合等、実用上十分な特性を確保できる場合には、駆動電流の振幅値を増減させる範囲を種々に設定することができる。

また上述の実施の形態では、位置偏差が駆動モータの最小回転角度以下の範囲で、駆動電流の振幅値を偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させることにより、駆動モータの停止時、位置偏差に応じて駆動電流の振幅値を設定する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は、回転停止時、位置偏差に応じて駆動電流の振幅値を設定すれば良く、例えば位置偏差が０になったことを検出して駆動電流値を一定振幅値から位置偏差に応じた電流振幅値に切り換える場合、位置偏差が０の状態の一定時間の継続により、駆動電流値を一定振幅値から位置偏差に応じた電流振幅値に切り換える場合等、種々の設定方法を広く適用することができる。

また上述の実施の形態では、本発明に係るチューブポンプを医療用の機器に適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、液体を処理する種々の機器に広く適用することができる。

また上述の実施の形態では、本発明に係るステッピングモータの駆動をチューブポンプに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、種々の装置に適用されるステッピングモータの駆動に適用することができる。

１駆動装置
２ステッピングモータ
４回転軸
５、６位置検出器
７スリット板
８フォトセンサ
９磁石
１０集積回路
１２カバー
１３配線基板
２１コントローラ
２２制御マイコン
２２Ａ、２４Ａ指令パルス角度演算部
２２Ｂ、２４Ｂエンコーダ角度演算部
２２Ｃ補正／原点テーブル
２２Ｄ角度偏差演算部
２２Ｅ励磁角度調整部
２２Ｆ電流振幅演算部
２２Ｇ電流指令演算部
２２Ｈモータ電流取得部
２２Ｉ相逆変換部
２２Ｊ電流偏差演算部
２２ＫＰＩ制御演算部
２２Ｌ相変換部
２２ＭＰＷＭ出力処理部
２３インバータ
２４監視マイコン
２４Ｃエンコーダ原点設定部
２４Ｄ回転監視処理部
２４Ｅアラーム処理部
２５、２６電流センサ
３１、３５、４１Ｉ／Ｏモジュール
３２、４２タイマモジュール
３３カウンタモジュール
３４、４４ＡＤＣモジュール
４３ＳＰＩモジュール
４５ＰＷＭモジュール

Claims

ステッピングモータの駆動を制御する制御用のコントローラを有し、
前記制御用のコントローラは、
前記ステッピングモータに設けられた制御用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する制御用の位置検出部と、
前記ステッピングモータの回転位置の指令情報を受け付ける回転指令情報入力部と、
前記制御用の位置検出部で検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する制御用の偏差演算部と、
前記位置偏差に応じて前記ステッピングモータに設けられたステータ巻き線の駆動を切り換えて、前記指令情報に対応する回転位置に前記ステッピングモータを回転させるようにして、前記ステッピングモータの回転停止時の前記ステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を、前記制御用の偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させる振幅値設定部とを備え、
前記振幅値設定部は、
前記位置偏差が前記ステッピングモータの最小回転角度より小さく、かつ一定値より大きい場合、前記位置偏差の２乗値に比例させて前記振幅値を設定し、
前記位置偏差が最小回転角度より大きい場合、前記振幅値を定格電流値に設定し、
前記位置偏差が前記一定値より小さい場合、前記振幅値を一定値に設定する
ステッピングモータの駆動回路。
さらに前記制御用のコントローラとは個別に監視用のコントローラを有し、
前記監視用のコントローラは、
前記制御用の位置検出器とは別に前記ステッピングモータに設けられた監視用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する監視用の位置検出部と、
前記監視用の位置検出部で検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する監視用の偏差演算部と、
前記監視用の偏差演算部で算出される位置偏差を判定して前記ステッピングモータの回転の異常を検出し、警報を出力する判定部と、
を備える請求項１に記載のステッピングモータの駆動回路。
前記制御用の位置検出部は、
メモリに記録された補正値により、前記制御用の位置検出器によって検出される前記ステッピングモータの回転位置を補正し、
前記メモリに記録された補正値が、
前記指令情報により前記ステッピングモータを一定角度ずつ回転させて前記制御用の位置検出器により前記ステッピングモータの回転位置を検出して求められた補正値である
請求項１、又は請求項２に記載のステッピングモータの駆動回路。
ステッピングモータに設けられた制御用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する制御用の位置検出ステップと、
前記ステッピングモータの回転位置の指令情報を受け付ける回転指令情報入力ステップと、
前記制御用の位置検出ステップで検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する制御用の偏差演算ステップと、
前記位置偏差に応じて前記ステッピングモータに設けられたステータ巻き線の駆動を切り換えて、前記指令情報に対応する回転位置に前記ステッピングモータを回転させるようにして、前記ステッピングモータの回転停止時の前記ステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を、前記制御用の偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させる振幅値設定ステップとを備え、
前記振幅値設定ステップは、
前記位置偏差が前記ステッピングモータの最小回転角度より小さく、かつ一定値より大きい場合、前記位置偏差の２乗値に比例させて前記振幅値を設定し、
前記位置偏差が最小回転角度より大きい場合、前記振幅値を定格電流値に設定し、
前記位置偏差が前記一定値より小さい場合、前記振幅値を一定値に設定する
ステッピングモータの駆動方法。
押圧ローラを有するロータ部を駆動モータによって回転させ、液体が流通するチューブを押圧ローラでしごくことにより、前記チューブ内の液体を送出するチューブポンプにおいて、
前記駆動モータがステッピングモータであり、
前記ステッピングモータの駆動を制御する制御用のコントローラを有し、
前記制御用のコントローラは、
前記ステッピングモータに設けられた制御用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する制御用の位置検出部と、
前記ステッピングモータの回転位置の指令情報を受け付ける回転指令情報入力部と、
前記制御用の位置検出部で検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する制御用の偏差演算部と、
前記位置偏差に応じて前記ステッピングモータに設けられたステータ巻き線の駆動を切り換えて、前記指令情報に対応する回転位置に前記ステッピングモータを回転させるようにして、前記ステッピングモータの回転停止時の前記ステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を、前記制御用の偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させる振幅値設定部とを備え、
前記振幅値設定部は、
前記位置偏差が前記ステッピングモータの最小回転角度より小さく、かつ一定値より大きい場合、前記位置偏差の２乗値に比例させて前記振幅値を設定し、
前記位置偏差が最小回転角度より大きい場合、前記振幅値を定格電流値に設定し、
前記位置偏差が前記一定値より小さい場合、前記振幅値を一定値に設定する
チューブポンプ。
押圧ローラを有するロータ部を駆動モータによって回転させ、液体が流通するチューブを押圧ローラでしごくことにより、前記チューブ内の液体を送出するチューブポンプの駆動方法において、
前記駆動モータがステッピングモータであり、
前記チューブポンプの駆動方法は、
前記ステッピングモータに設けられた制御用の位置検出器により、前記ステッピングモータの回転位置を検出する制御用の位置検出ステップと、
前記ステッピングモータの回転位置の指令情報を受け付ける回転指令情報入力ステップと、
前記制御用の位置検出ステップで検出される前記ステッピングモータの回転位置と、前記指令情報による回転位置との位置偏差を算出する制御用の偏差演算ステップと、
前記位置偏差に応じて前記ステッピングモータに設けられたステータ巻き線の駆動を切り換えて、前記指令情報に対応する回転位置に前記ステッピングモータを回転させるようにして、前記ステッピングモータの回転停止時の前記ステータ巻き線に供給する駆動電流の振幅値を、前記制御用の偏差演算部で算出される位置偏差に応じて増減させる振幅値設定ステップとを備え、
前記振幅値設定ステップは、
前記位置偏差が前記ステッピングモータの最小回転角度より小さく、かつ一定値より大きい場合、前記位置偏差の２乗値に比例させて前記振幅値を設定し、
前記位置偏差が最小回転角度より大きい場合、前記振幅値を定格電流値に設定し、
前記位置偏差が前記一定値より小さい場合、前記振幅値を一定値に設定する
チューブポンプの駆動方法。