JP5467486B2 - ステッピングモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータ制御装置に関し、特にエンコーダを用いた閉ループ制御のマイクロステップ駆動の安定制御をはかったステッピングモータの制御装置に関するものである。

ステッピングモータは、パルス信号で開ループ制御が行え、モータの回転角度と入力パルス数が一致する。しかし、開ループ制御による駆動では、高速回転時に脱調による位置ずれが発生する場合がある。そこで、これに対応するため、ステッピングモータにエンコーダを付加し、閉ループ制御を行う制御装置が従来より提案されている。

さらに、このようなステッピングモータ制御装置をペンレコーダのペン位置制御に使用することにより、ペンレコーダのペンを、高速・高精度で、測定記録信号の値に応じた目的位置に移動させることができる。

図１（ａ，ｂ）はペン駆動機構の全体構成を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の要部拡大図である。図において、６０はペンキャリッジ、１はステッピングモータ、６２はラック、６３はペン、３はフォトセンサ、２はエンコーダディスクである。
上述の構成において、ステッピングモータ１自体をペンキャリッジ６０に装着する（可動キャリッジ）。ラック・ピニオン機構（ラック６２）でペンキャリッジ６０はペン６３を取り付けた状態で自走する。

図２は従来のステッピングモータ制御装置及び本発明のステッピングモータ制御装置に適用するステッピングモータの構成図である。なお、このステッピングモータの制御装置は、特開２００６-１７４６０７号公報に記載されている。この従来例はペンレコーダのペン位置制御装置に使用した場合について説明されており、以下特開２００６-１７４６０７号公報の内容について簡単に説明する。

図２において、測定記録信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換されてＣＰＵ６に入力される。ＣＰＵ６は、測定記録信号の値の大きさに応じた位置指定データに変換し、メモリ１０及びＡＳＩＣ化されているデジタル回路２０に入力する。デジタル回路２０には、エンコーダディスク２の回転検出信号に基づくペンの現在位置データも入力されている。

デジタル回路２０は、駆動制御信号をドライバ３０に入力してステッピングモータ１を駆動し、移動対象であるペンが測定記録信号の値の大きさに応じた位置指定データに追従して移動するように位置制御を行う。これにより、記録紙には、ペンにより、測定記録信号の変化状態が連続した線分として記録されることになる。

ステッピングモータ１は、ドライバ３０の入力パルス信号に応じて励磁コイルが駆動されることにより回転する。
ステッピングモータ１のモータ軸には、例えば５枚羽根のエンコーダディスク２がモータ励磁位置と一定の関係をもって圧入されて取り付けられている。エンコーダディスク２の回転は、検出信号に所定の位相差を生じるように配置された２個のフォトセンサ３ａ，３ｂで検出される。

２個のフォトセンサ３ａ，３ｂの検出信号はデジタル回路２０内のカウントパルス生成部２１に入力され、パルス生成される。カウントパルス生成部２１の出力パルスは位置カウンタ２２に入力され、回転方向が検出されるとともに、現在位置がカウントされる。

位置演算器２３は、ＣＰＵ６からレジスタ２４に書かれた測定記録信号の値の大きさに基づく図示しないペンの目標位置と位置カウンタ２２のカウント値に基づく現在位置との差（偏差）を演算する。

パルスレート制御部２５は、目標位置に対する現在位置の偏差が大きい場合と小さい場合に応じて、パルス信号の更新周期を異ならせるレート制限を行う。

ＰＷＭ制御部２６は、位置演算器２３の出力とエンコーダの出力をもとに回転方向、ＰＷＭデータの更新を行いステッピングモータ１の回転及び停止の決定を行う。この制御にあたり、メモリ１０に展開したパルスレートテーブル４０と相ＰＷＭテーブル５０を使用する。ここで、パルスレートテーブル４０は、目標位置と現在位置との偏差及びパルス信号のレートを変化させる待ち時間を対応させたテーブルであり、相ＰＷＭテーブル５０は、相励磁のパルス信号のデューティを表したテーブルである。

ＰＷＭ制御部２６から、ステッピングモータ１の回転方向信号と、ＰＷＭデータ生成器２７で生成されたパルス信号をドライバ３０へ送る。

図３はパルスレートテーブルを説明する図である。ペンの目標位置と現在位置との偏差が小さくなるに従ってパルス信号のレートを変化させる待ち時間を大きくしている。
図３の場合、偏差が大きく６４以上であれば待ち時間なしで２相励磁駆動を行い、偏差が小さくなるとマイクロステップ駆動に切り換え、偏差に応じた更新待ち時間をテーブルから選択する。

図４は相ＰＷＭテーブルによるマイクロステップ駆動を説明する図である。図４（ａ）はマイクロステップ駆動電流を示す図であり、図４（ｂ）は相ＰＷＭテーブルの考え方を示す図である。
２相励磁駆動の場合、図４（ｂ）のＮｏ．１，４，７，１０のポイントで切り換えて動作させるが、マイクロステップ駆動の場合、Ｎｏ．０〜１１のポイントを順番に１ポイントずつ切り換えて動作させる。Ｎｏ．０〜１１のポイントを昇順に切り換える場合と降順に切り換える場合とでステッピングモータの回転方向が変わる。

図５は相ＰＷＭテーブルを説明する図である。図５（ａ）は初期動作の相ＰＷＭテーブル、図５（ｂ）は通常動作の相ＰＷＭテーブル、図４（ｃ）はパワーダウン動作の相ＰＷＭテーブル、図５（ｄ）は静止動作の相ＰＷＭテーブルの具体例を示す。
ステッピングモータの動作状態で必要な駆動電流の大きさが異なるので、駆動電流を動作状態に応じて適切に制御することにより消費電力の低減を図ることができる。

このような駆動電流の大きさの制御は、ドライバ３０に入力するパルス信号のデューティを変化させることで実現する。図５はデューティ１００％時のデータ値を”２５５”とした例であって、初期動作時はデューティ５０％、通常動作時はデューティ４７％、パワーダウン動作時はデューティ３８％、静止動作時はデューティ２５％とした場合のデータ値を示している。

初期動作時は、ペンが０％側のストッパーの位置まで低速で移動してストッパーに当たり、エンコーダディスク２の回転が停止したことを検出してゼロ位置とするので、確実にストッパーまで移動させるために駆動電流が一番大きい相ＰＷＭテーブルを使用する。

通常動作は、ペンの目標位置と現在位置との偏差が大きい場合の高速移動時の動作であり、２相励磁駆動で高速回転するのである程度大きな駆動電流が必要である。

パワーダウン動作は、ペンの目標位置と現在位置との偏差が小さい場合の減速移動時の動作であり、マイクロステップ駆動で回転させ、駆動電流は小さく押さえることができる。

静止動作は、ペンが目標位置に到達した場合であり、駆動電流が一番小さい相ＰＷＭテーブルを使用する。

図５では各相ＰＷＭテーブルはＮｏ．０〜１１までについてＡ相及びＢ相のＤａｔａをそれぞれ規定しているが、Ａ相についてＮｏ．０〜５までのＡ相のＤａｔａを規定しておき、Ｎｏ．６〜１１までについては逆極性で対応し、Ｂ相についてはＡ相から位相を−９０°ずらすことで対応することもできる。

図６は相ＰＷＭテーブルの遷移手順を示したフローチャートである。
ペンの目標位置と現在位置との偏差が規定値（例えば６４）より大きいか小さいかを判断する（Ｓ１）。
ペンの目標位置と現在位置との偏差が規定値より大きい場合は通常動作の相ＰＷＭテーブルを使用し、規定値より小さくなるまで通常動作の相ＰＷＭテーブルを使用する（Ｓ２）。
ペンの目標位置と現在位置との偏差が規定値より小さい場合はパワーダウン動作の相ＰＷＭテーブルを使用する（Ｓ３）。
ペンが目標位置に到達すると静止動作の相ＰＷＭテーブルを使用し（Ｓ４，Ｓ５）、目標位置が移動するまで静止動作の相ＰＷＭテーブルを使用する（Ｓ６）。

図７は進み角のイメージ図である。
エンコーダディスク２がステッピングモータ１の励磁相に対して理想的に取り付けられていない場合、ステッピングモータ１の時計回り回転と反時計回り回転とで速度差が生じる。そこで、この速度差を無くすため進み角制御により補正を行う。遅い方の回転が早くなるように進角補正することにより、逆に早い方の回転は遅くなる。

図８は進角相ＰＷＭテーブルを説明する図である。
図８は、１．５°進角補正した相ＰＷＭテーブルの例であり、この他にも進角の違う複数のテーブルを予め用意しておく。ペン位置の調整時に、これら進角の相ＰＷＭテーブルを切り換えて時計回り回転、反時計回り回転で速度差が小さくなる最適なテーブルを選択し、調整値として格納しておく。

このように構成することにより、ペンレコーダのペンを、高速・高精度で、測定記録信号の値に応じた目的位置に移動させることができる。
ペンレコーダに必要なペンサーボモータ動作を行うためのＣＰＵ６の処理は、最初にパルスレートテーブル４０及び相ＰＷＭテーブル５０をメモリ１０に展開した後は、測定記録信号をデジタル信号に変換した目標位置データのみをレジスタ２４に書き込むだけでよく、ペン位置制御のためのＣＰＵ負荷を大幅に軽減できる。

この従来例ではペン位置制御をＡＳＩＣ化されたデジタル回路２０でデジタル処理することによりＣＰＵ６の負荷を軽くすることを特徴とするものであるが、ＣＰＵ６でさらにきめ細かい処理を行うことにより、より滑らかなペンサーボモータ動作が可能になる。

ステッピングモータの駆動電流をＰＷＭ制御し、２相励磁動作からマイクロステップ動作に切り替わるのと同時にパワーダウンさせ、ペンの移動停止後はさらに電流を小さくすることにより、モータの励磁コイルの温度上昇を一定温度以下に抑えることができる。

ペンを目標位置に対して高精度で停止させることができる。本例の相ＰＷＭテーブル４０を使用して、マイクロステップ駆動させることにより、エンコーダディスク２の分解能（モータ２相励磁ポイントの分解能）を例えば0.1mmとすると、その1/3の分解能（約33μm）で停止させることができる。

組立て時の誤差などで回転方向によってペンの移動速度に違いが生じている場合、進角補正により速度差がある一定の値以下になるように調整でき、安定した記録動作が実現できる。

ペン移動時の速度制御をパルスレートテーブルを用いて行うので、目標位置が遠いときは２相励磁で駆動することにより高速移動させ、目標位置に近づくとマイクロステップ動作に切り替えて徐々に減速停止させることができ、高速移動と高精度の位置決めを合わせて実現できる。

２相励磁駆動とマイクロステップ駆動とを高速、かつ滑らかに切り換えるステッピングモータ駆動装置を示したものとして、例えば特許文献２に記載されたものがある。
また、ステッピングモータの高精度の位置決め及び高速移送と、低い振動性とをともに実現するステッピングモータ制御装置を示したものとして、例えば特許文献３に記載されたものがある。
特開２００６−１７４６０７号公報 特開平８−１４９８９２号公報 特開平１０−１５０７９８号公報

図９は従来のＰＷＭによるモータ印加電流コントロール図を示すものである。図９においては、２個のフォトセンサに対して、エンコーダの遮断・透過が切り替わる点（位相切替ポイント）で、モータ励磁極性（±）を切り替えている。位相切替ポイントは、２相励磁ポイントを１/２した点となっている。
そのため、マイクロステップ動作での静止角度誤差（理論上の回転角度（計算値）と実際の出力軸回転角度の差）が大きいステッピングモータを使用する場合、エンコーダの誤検出が発生してしまう。

図１０はエンコーダが誤検出をした一例を示すものである。横軸はＳｉｎにおける電気角（°）、縦軸はＰＷＭ Ｔａｂｌｅ値（１０進）を示している。この例では、目標位置が、位相切替ポイント手前のマイクロステップポイントとなっているため、
マイクロステップ動作での静止角度誤差が悪いモータであったため、位相切替ポイントを通過した点で静止してしまう。
本来の静止時位相と異なるため、エンコーダ誤検出となる。
という問題点があった。

その要因は、ステッピングモータの構造・加工・組立精度に起因し、マイクロステップ動作時の静止角度誤差が大きくなるためと考えられる。
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、位相切替ポイントでのエンコーダ誤検出が発生しないマイクロステップ駆動安定制御装置を実現することを目的とする。

このような課題を解決するために、本発明は次のとおりの構成になっている。
入力パルス信号に応じてステッピングモータの励磁コイルを駆動するドライバと、該ドライバに与える前記パルス信号を変化させてステッピングモータの回転を制御するＰＷＭ制御部と、
前記ステッピングモータの回転に応じて回転し、移動対象の位置に対応したパルスを出力するパルスエンコーダと、
該パルスエンコーダより出力されるパルスをカウントして移動対象の現在位置を検出する位置カウンタと、
前記ＰＷＭ制御部に移動対象の目標位置と現在位置との偏差に応じて前記ドライバに与える前記パルス信号の更新待ち時間を制御するレート制御信号を与えるパルスレート制御部と、を具備し、
前記ＰＷＭ制御部における前記パルスエンコーダの遮断・透過が切り替わる位相切換えポイントの直近のマイクロステップポイントを所定角度分２相励磁ポイントに近づけることにより前記位相切替ポイントから離れるように補正して位相切替ポイントでのエンコーダ誤検出防止を行うことを特徴とする。

本発明によれば次のような効果がある。
マイクロステップポイントを所定角度分２相励磁ポイントに近づけるように補正したので、位相切替ポイントでのエンコーダ誤検出を防止することができる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１１はマイクロステップの補正の一例を示すものである。図１０と同様、横軸はＳｉｎにおける電気角（°）、縦軸はＰＷＭ Ｔａｂｌｅ値（１０進）を示している。図に示すように、２相励磁ポイントを等分割した点をマイクロステップポイントにするのではなく、ある角度（以下、補正角度とする）分、マイクロステップポイントを２相励磁ポイントに近づける（位相切替ポイントから離れる）よう補正する。

即ち、本発明では、ＰＭ型ステッピングモータにおけるマイクロステップポイント補正により、マイクロステップ駆動安定制御（エンコーダ誤検出防止）を実現した。このように補正することにより、ステッピングモータ１は、ドライバ３０の入力パルス信号に応じて励磁コイルが駆動されることにより回転する。その結果、位相切替ポイントでのエンコーダ誤検出を防止することができる。

なお、移動対象は実施例で説明した記録計のペンに限るものではなく、目標位置に対して、動き始めは高速で移動し、目標位置に近づくと減速して停止するという本発明の特徴を生かして、軽量な対象であれば動作させることができる。

例えば、部品等の組み立てラインにおいて、部品の形状検査をするためのセンサ（移動対象）を本発明のステッピングモータ制御装置により移動させ、部品に近づけて位置を検査することができる。

また、アナログのメータ指示を左右や上下に動かす機構として装置等に組み込み、使用することもできる。

従来例および本発明が適用されるステッピングモータの用途例を示す構成図である。 従来例および本発明が適用されるステッピングモータの構成図である。 パルスレートテーブルを説明する図である。 相ＰＷＭテーブルによるマイクロステップ駆動を説明する図である。 相ＰＷＭテーブルを説明する図である。 相ＰＷＭテーブルの遷移手順を示したフローチャートである。 進み角のイメージ図である。 進角相ＰＷＭテーブルを説明する図である。 従来のＰＷＭによるモータ印加電流コントロール図を示す図である。 エンコーダが誤検出をした検出例を示す図である。 マイクロステップの補正の一例を示す図である。

符号の説明

１ ステッピングモータ
２ エンコーダディスク
３ フォトセンサ
２０ デジタル回路
２２ 位置カウンタ
２５ パルスレート制御部
２６ ＰＷＭ制御部
３０ ドライバ
４０ パルスレートテーブル
５０ 相ＰＷＭテーブル

Claims (1)

1. 入力パルス信号に応じてステッピングモータの励磁コイルを駆動するドライバと、該ドライバに与える前記パルス信号を変化させてステッピングモータの回転を制御するＰＷＭ制御部と、
   前記ステッピングモータの回転に応じて回転し、移動対象の位置に対応したパルスを出力するパルスエンコーダと、
   該パルスエンコーダより出力されるパルスをカウントして移動対象の現在位置を検出する位置カウンタと、
   前記ＰＷＭ制御部に移動対象の目標位置と現在位置との偏差に応じて前記ドライバに与える前記パルス信号の更新待ち時間を制御するレート制御信号を与えるパルスレート制御部と、を具備し、
   前記ＰＷＭ制御部における前記パルスエンコーダの遮断・透過が切り替わる位相切換えポイントの直近のマイクロステップポイントを所定角度分２相励磁ポイントに近づけることにより前記位相切替ポイントから離れるように補正して位相切替ポイントでのエンコーダ誤検出防止を行うことを特徴とするステッピングモータ制御装置。

Images