JP5665383B2

JP5665383B2 - モータ制御装置及び制御方法

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Publication number: JP5665383B2
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Inventors: 悠安田; 公介木矢村; 青島　力; 力青島
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Description

本発明は、モータのトルク変動を防止する場合に好適なモータ制御装置及び制御方法に関する。

従来、パルス信号によりロータを回転駆動する構造のステッピングモータがある。ステッピングモータは、小型、高トルク、高寿命といった特徴を備えており、開ループ制御により容易にデジタル的な位置決め動作を実現できるという利点がある。このような特徴から、ステッピングモータは、カメラや光ディスク装置等の情報機器、プリンタやプロジェクタ等のＯＡ機器といった各種電子機器に広く用いられている。

ところで、モータにかかる負荷が多い場合や高速回転を行おうとした場合に、モータが脱調してしまうという問題がある。この問題を解決するために、モータに位置検出センサを取り付け、位置検出センサにより検出したロータの位置に合わせて通電を切り替える、いわゆるブラシレスＤＣモータの動作を行わせることで脱調を防止する方法が従来から行われている。本出願人は、脱調を防止するためのモータ駆動方法を提案している（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のモータ駆動方法は、非接触式の位置検出センサから得られる信号をロータの回転速度に応じて進相させた位置信号に基づいてコイルを励磁する。これにより、コイルの励磁電流の励磁電圧に対する立ち上がりの遅れをカバーしている。この技術について、図８乃至図１１を用いて説明する。

図８（ａ）は、ブラシレスモータを構成する２相のコイルＡ・コイルＢとロータＲを示す図である。図８（ｂ）は、２相のコイルＡ・コイルＢに一定電流を通電したときのトルク分布を示す図である。図９は、ブラシレスモータの２相のコイルＡ・コイルＢの励磁電流が励磁電圧に対して遅れをもって立ち上がる様子を示す図である。

図８（ａ）において、ブラシレスモータの２つのコイルＡとコイルＢにはそれぞれ正逆方向の電流を通電することができるので、図８（ｂ）に示す４種類のトルク分布８１、８２、８３、８４が得られる。ロータＲの回転位置に合わせてコイルＡとコイルＢに対する通電を切り替えることにより、ブラシレスモータにおいてＴで示すようなトルク曲線が得られる。

ここで、コイルＡとコイルＢの励磁電流は、それぞれコイルＡとコイルＢのインダクタンスの影響を受けるため、図９に示すように励磁電圧に対して遅れをもって立ち上がる。従って、ロータの回転が高速化するに従い、励磁電流が一定値に達する前に相が切り替わってしまい、トルクが低下してしまう。図９で短い矢印は高速時の駆動パルス信号の１パルス、長い矢印は低速時の駆動パルス信号の１パルスを示す。低速時の１パルスでは励磁電流は一定値に達するまで流れ、高速時の１パルスでは励磁電流は一定値未満しか流れないことが分かる。

特許文献１記載の技術では、ロータの回転が高速化するに従いトルクが低下するという問題を以下のような方法で解決している。ロータの回転が高速化するに従い、コイルに対する励磁を切り替える角度を進め、図８（ｂ）に示すタイミングよりも早くコイルへの通電を行う。これにより、励磁電圧に対する励磁電流の立ち上がりの遅れをカバーし、ロータの高速回転時においてもトルクを安定させることができる。

図１０は、ブラシレスモータの進角と負荷トルクとの関係を示すトルク−回転数特性線図である。

図１０において、横軸はブラシレスモータにかける負荷トルクＴであり、縦軸は第１の進角、第２の進角、第３の進角における負荷トルクに対応する回転数Ｎである。第１の進角と第２の進角の交点の回転数を第１の閾値とし、第２の進角と第３の進角の交点の回転数を第２の閾値としている。ブラシレスモータのロータの回転数が変わると、最大の負荷トルクを得られる進角が変わっていくことが分かる。即ち、ロータの回転数に応じて適切な進角を選択していけば、幅広い負荷トルク範囲で出力を高めるモータ駆動方法が可能となる。

特開２００８−２９５２０５号公報

しかしながら、背景技術の図１０で説明したようにブラシレスモータにおいて単純にロータの回転数に応じて進角を変えるだけでは、以下に挙げるような原因で進角が安定せず、ブラシレスモータのトルク変動を起こしてしまう可能性がある。ブラシレスモータのトルク変動は振動の原因となり得るため、好ましくない。

まず、ブラシレスモータにおいて進角が安定せずトルク変動を起こす第１の原因としては、ブラシレスモータの特性のばらつきが挙げられる。図１０に示す第１の進角、第２の進角、第３の進角を用いる場合、第１の進角と第２の進角の交点の回転数を第１の閾値とし、第２の進角と第３の進角の交点の回転数を第２の閾値とすることで、進角を変更する。これにより、ブラシレスモータの出力を幅広い負荷トルク範囲で最大にすることができる。そのような理想的なトルク特性Ｔｉを図１０に破線で示す。

しかし、ブラシレスモータの特性がばらついて設計値からずれると、閾値となる回転数が２つの進角の交点からずれてしまう。図１１に、閾値となる回転数が２つの進角の交点からずれた場合のブラシレスモータのトルク−回転数特性線図を示す。このブラシレスモータでは図１１に破線で示すようなトルク特性Ｔｉになり、図１１にＸで示すように負荷トルクが不連続になる領域が現れる。負荷トルクが領域Ｘにあるときは、ブラシレスモータの動作時において第１の進角と第２の進角の間を不安定に動作を繰り返すことになり、ブラシレスモータの出力トルクが不連続に変化してしまうという問題がある。

次に、ブラシレスモータにおいて進角が安定せずトルク変動を起こす第２の原因としては、ロータの回転数の読み取り誤差が挙げられる。ロータの回転数は、位置検出センサの信号の正負が切り替わるゼロクロス点が単位時間内に何回あったかをカウントすることにより測定できる。理想的にはブラシレスモータが一定角度回転するごとに、位置検出センサは一回ゼロクロス点を出力する。

しかし、ブラシレスモータのマグネットの着磁のばらつき等により、位置検出センサがゼロクロス点を出力する間にロータが回転する角度にもばらつきがある。従って、ブラシレスモータの駆動回路において読み取るロータの回転数が実際のロータの回転数に対してずれてしまうことがある。進角を変更する閾値付近の回転数では、ロータの回転数の読み取り誤差によって進角が不要に切り替わってしまうという問題がある。

本発明の目的は、出力トルクが不連続に変化することを防止し、適切な進角を安定して選択することを可能としたモータ制御装置及び制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、コイルに通電して励磁することでロータを回転させるモータの駆動時における前記ロータの回転位置を検出する検出手段と、前記検出手段から出力される検出信号に対して規定の位相差である進角を有する進角信号を生成し、前記進角信号により前記コイルへの通電位相を切り替える切替手段と、前記ロータの回転数を測定する測定手段と、前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が高速側閾値以上となった場合または低速側閾値以下となった場合に前記進角を変更する制御手段と、を備えるモータ制御装置であって、前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が第１の高速側閾値以上になった場合に、前記制御手段は前記進角を第１の進角から前記第１の進角より進角の度合いが大きい第２の進角に変更し、前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が第１の低速側閾値以下になった場合に、前記制御手段は前記進角を前記第２の進角から前記第１の進角に変更し、前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が前記第１の高速側閾値よりも高い回転数に設定される第２の高速側閾値以上になった場合に、前記制御手段は前記進角を前記第２の進角から前記第２の進角より進角の度合いが大きい第３の進角に変更し、前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が第２の低速側閾値以下になった場合に、前記制御手段は前記進角を前記第３の進角から前記第２の進角に変更し、前記第２の高速側閾値が、前記第１の高速側閾値よりも高い回転数となり、前記第２の低速側閾値が、前記第１の高速側閾値および前記第１の低速側閾値よりも高い回転数となり、前記第２の高速側閾値と前記第２の低速側閾値との差が、前記第１の高速側閾値と前記第１の低速側閾値との差よりも小さくなるように、各閾値が設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、ロータの回転数の読み取り誤差によって進角が不要に変更されることを防ぐことができる。これにより、モータの出力トルクが不連続に変化することを防止することが可能となり、適切な進角を安定して選択することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るステッピングモータの構成を示す斜視図である。モータ制御装置としてのステッピングモータの駆動回路の構成を示すブロック図である。（ａ）は、ステッピングモータの第１のセンサから出力される第１のセンサ信号と第２のセンサから出力される第２のセンサ信号を示す図である。（ｂ）は、第１のセンサ信号と第２のセンサ信号に対してそれぞれ電気角で規定の位相差だけ進角させた第１の進角信号と第２の進角信号を示す図である。第１の進角、第２の進角、第３の進角におけるステッピングモータの負荷トルクと回転数の特性を示す図である。進角の選択方法を示すフローチャートである。（ａ）は、ステッピングモータのロータの回転数の閾値にヒステリシス性を持たせないときのステッピングモータ起動時の出力トルクの時間変化を示す図である。（ｂ）は、ステッピングモータのロータの回転数の時間変化を示す図である。（ａ）は、ステッピングモータのロータの回転数の閾値にヒステリシス性を持たせたときのステッピングモータ起動時の出力トルクの時間変化を示す図である。（ｂ）は、ステッピングモータのロータの回転数の時間変化を示す図である。（ａ）は、ブラシレスモータを構成する２相のコイルＡ・コイルＢとロータを示す図である。（ｂ）は、２相のコイルＡ・コイルＢに一定電流を通電したときのトルク分布を示す図である。ブラシレスモータの２相のコイルＡ・コイルＢの励磁電流が励磁電圧に対して遅れをもって立ち上がる様子を示す図である。ブラシレスモータの進角と負荷トルクとの関係を示すトルク−回転数特性線図である。閾値となる回転数が２つの進角の交点からずれた場合のトルク−回転数特性線図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るステッピングモータの構成を示す斜視図である。

図１において、ステッピングモータ１は、マグネット２、ロータ３、第１のコイル４ａ、第２のコイル４ｂ、第１のヨーク５ａ、第２のヨーク５ｂ、第１のセンサ６ａ、第２のセンサ６ｂを備えている。第１のコイル４ａ、第２のコイル４ｂ、第１のヨーク５ａ、第２のヨーク５ｂ、第１のセンサ６ａ、第２のセンサ６ｂにより、ステータを構成している。尚、図１では説明の便宜上、一部の部品を破断して図示している。

マグネット２は、図示のように外周部が多極着磁、即ちＮ極とＳ極が交互に着磁された円筒形状の永久磁石として構成されており、内径部にロータ３が固定されている。ロータ３は、ステータに対して回転可能に支持されており、マグネット２と一体となって回転する。マグネット２は、回転した際の角度に対応した角度位置（電気角）に対し、マグネット２の径方向の磁力の強さが概略正弦波状に変化する着磁パターンを有する。

第１のヨーク５ａは、円環状の本体部から軸方向に延出されると共に周方向に規定の間隔で配置された複数の磁極歯５ａ−１を備えている。第１のヨーク５ａの複数の磁極歯５ａ−１は、第１のコイル４ａにより励磁される。同様に、第２のヨーク５ｂは、円環状の本体部から軸方向に延出されると共に周方向に規定の間隔で配置された複数の磁極歯５ｂ−１を備えている。第２のヨーク５ｂの複数の磁極歯５ｂ−１は、第２のコイル４ｂにより励磁される。第１のヨーク５ａと第２のヨーク５ｂの励磁される極（Ｎ極、Ｓ極）を切り替えることで、ロータ３に与えるトルクを変化させることができる。

第１のセンサ６ａ、第２のセンサ６ｂは、ロータ３の回転によって出力が変化する位置検出センサであり、ステッピングモータの駆動時においてロータ３の回転した位置を検出する。本実施の形態では、第１のセンサ６ａ及び第２のセンサ６ｂはマグネット２の磁束を検出するホール素子を用いた磁気センサとして構成されている。第１のセンサ６ａ、第２のセンサ６ｂは、図示のようにマグネット２の周方向において電気角で９０°の位相差をもって配置されており、電気角で９０度ずつ位相のずれた信号を出力するように構成されている。ここでマグネット２の極数をｐとすると、電気角３６０°は実際のロータ角度の（７２０／ｐ）°に相当する。

図２は、モータ制御装置としてのステッピングモータの駆動回路の構成を示すブロック図である。

図２において、ステッピングモータの駆動回路１０は、電流ドライバ１１、コントローラ１２、進角合成部１３から構成されている。コントローラ１２は、電流ドライバ１１及び進角合成部１３に対して信号線を介して接続されると共に、第１のセンサ６ａ及び第２のセンサ６ｂに対して信号線を介して接続されている。コントローラ１２は、ステッピングモータの外部から入力された駆動パルス信号と回転方向信号に従って、電流ドライバ１１に通電する電流を決定する。

電流ドライバ１１は、コントローラ１２から入力された信号に従って、第１のコイル４ａ、第２のコイル４ｂに規定の方向の電流を通電する回路である。ここで、コントローラ１２から電流ドライバ１１に入力されるＡ信号が“＋”で且つＡ信号の反転信号が“０”の場合は、第１のコイル４ａ、第２のコイル４ｂにプラス方向の電流が通電される。他方、コントローラ１２から電流ドライバ１１に入力されるＡ信号が“０”で且つＡ信号の反転信号が“＋”の場合は、第１のコイル４ａ、第２のコイル４ｂにマイナス方向の電流が通電される。即ち、コントローラ１２の制御により、第１のコイル４ａ、第２のコイル４ｂへの通電位相が切り替えられる。

進角合成部１３は、後述の第１の進角信号及び第２の進角信号をコントローラ１２に入力する。コントローラ１２は、第１のコイル４ａへ通電する電流は第１の進角信号のタイミングで切り替え、第２のコイル４ｂへ通電する電流は第２の進角信号のタイミングで切り替える。また、コントローラ１２は、第１のセンサ６ａから進角合成部１３に入力される第１のセンサ信号及び第２のセンサ６ｂから進角合成部１３に入力される第２のセンサ信号をカウントする。そして、コントローラ１２は、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号のカウント値が駆動パルス信号によって与えられた規定のパルス数に達した場合に、電流ドライバ１１に対する通電を遮断する。

尚、本発明はモータ駆動時の進角の選択方法に関するものであり、コントローラ１２の具体的な動作方法については特定の方法に限定されるものではない。ステッピングモータの利用方法や制御方法に応じて、ロータが規定の速度や位置に達した後にコイルへ通電する電流を変更する技術、マイクロステップ駆動等の開ループ制御に切り替える技術等、公知の技術が利用可能である。

進角合成部１３（切替手段）は、第１の進角信号と第２の進角信号を合成する回路である。第１の進角信号（進角信号）は、第１のセンサ６ａから得られる第１のセンサ信号（検出信号）に対して規定の位相差だけ進角させた信号である。第２の進角信号（進角信号）は、第２のセンサ６ｂから得られる第２のセンサ信号（検出信号）に対して規定の位相差だけ進角させた信号である。進角の選択方法については後述する。進角合成部１３で合成された第１の進角信号及び第２の進角信号は、コントローラ１２を経由して電流ドライバ１１へ入力され、第１のコイル４ａ及び第２のコイル４ｂに対する通電位相を切り替えるタイミングを指示する信号として利用する。

尚、ステッピングモータにおいて第１のセンサ６ａ及び第２のセンサ６ｂを適切な位置に配置しておくと、第１の進角信号及び第２の進角信号は、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号からそれぞれ同じ量だけ進角させればよい。

次に、上記の構成を備える本実施の形態のステッピングモータに関わる進角の生成方法及び進角の選択方法について図３乃至図７を参照しながら詳細に説明する。

まず、ステッピングモータにおける第１の進角信号及び第２の進角信号の生成方法について説明する。

図３（ａ）は、ステッピングモータの第１のセンサから出力される第１のセンサ信号と第２のセンサから出力される第２のセンサ信号を示す図である。図３（ｂ）は、第１のセンサ信号と第２のセンサ信号に対してそれぞれ電気角で規定の位相差だけ進角させた第１の進角信号と第２の進角信号を示す図である。

図３（ａ）において、上述した通り、ステッピングモータのマグネット２は径方向の磁力の強さが電気角に対し概略正弦波状に変化する着磁パターンを有するため、第１のセンサ６ａからは概略正弦波状の波形を有する信号（第１のセンサ信号：破線）が得られる。また、第２のセンサ６ｂは第１のセンサ６ａに対して電気角で９０°の位相差をもって配置されているため、第２のセンサ６ｂからは概略余弦波状の波形を有する信号（第２のセンサ信号：実線）が得られる。図３（ａ）の破線で示す矩形状の信号は第１のセンサ信号を２値化したものであり（２値化１信号）、実線で示す矩形状の信号は第２のセンサ信号を２値化したものである（２値化２信号）。

図３（ｂ）に示すように、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号に対して、それぞれ電気角で規定の位相差だけ進角させて生成した信号が、それぞれ第１の進角信号（破線）及び第２の進角信号（実線）である。第１の進角信号及び第２の進角信号の出力の符号が切り替わるタイミングで、第１のコイル４ａ及び第２のコイル４ｂへの通電位相を切り替える。この進角の量に応じて、ステッピングモータの特性が変わっていく。図３（ｂ）の破線で示す矩形状の信号は第１の進角信号を２値化したものであり（２値化１信号）、実線で示す矩形状の信号は第２の進角信号を２値化したものである（２値化２信号）。

尚、本実施の形態では、第１の進角信号及び第２の進角信号の生成方法については特定の方法に限定されるものではない。上記特許文献１に開示されている方法等、公知の技術によって進角信号を生成することができる。

次に、ステッピングモータにおける進角の選択方法について説明する。

本実施の形態では、ステッピングモータの駆動回路１０において３種類の進角を選択することが可能である。第１の進角として電気角で０°の進角、第２の進角として電気角で３０°の進角、第３の進角として電気角で５０°の進角である。

図４は、第１の進角、第２の進角、第３の進角におけるステッピングモータの負荷トルクと回転数の特性を示す図である。

図４において、ステッピングモータの出力をどの負荷トルク領域でも最大にするには、背景技術で説明したように、第１の進角と第２の進角の交点の回転数を第１の閾値とし、第２の進角と第３の進角の交点の回転数を第２の閾値とすればよい。これにより、第１の進角、第２の進角、第３の進角を使った場合の理想的なトルク−回転数特性線図である図１０のトルク特性Ｔｉが得られる。しかし、課題欄で説明したように、ステッピングモータの特性のばらつきなどが原因で、ステッピングモータのトルク変動を引き起こしてしまうことがある。そこで、本実施の形態では、ステッピングモータのトルク変動を防止する対策として、規定の回転数に対して設定されたそれぞれの閾値に対してヒステリシス性を持たせている。

即ち、第１の進角と第２の進角の交点である基準となる回転数１２００ＰＰＳ（pulse per second）よりも少し高い回転数１４００ＰＰＳを、第１の高速側閾値とする。また、基準となる回転数１２００ＰＰＳよりも少し低い回転数１０００ＰＰＳを、第１の低速側閾値とする。そして、ステッピングモータのロータ３の回転数が１４００ＰＰＳ（第１の高速側閾値）以上になったときに進角を３０°（第２の進角）に変える。また、ステッピングモータのロータ３の回転数が１０００ＰＰＳ（第１の低速側閾値）以下になったときに進角を０°（第１の進角）に変える。以上の進角の選択方法は、後述の図５のステップＳ４〜ステップＳ７の処理に相当する。

また、第２の進角と第３の進角の交点である基準となる回転数３０００ＰＰＳよりも少し高い回転数３１５０ＰＰＳを、第２の高速側閾値とする。また、基準となる回転数３０００ＰＰＳよりも少し低い回転数２８５０ＰＰＳを、第２の低速側閾値とする。そして、ステッピングモータのロータ３の回転数が３１５０ＰＰＳ（第２の高速側閾値）以上になったときに進角を５０°（第３の進角）に変える。また、ステッピングモータのロータ３の回転数が２８５０ＰＰＳ（第２の低速側閾値）以下になったときに進角を３０°（第２の進角）に変える。以上の進角の選択方法は、後述の図５のステップＳ４〜ステップＳ７の処理に相当する。

本実施の形態では、ｎ個の高速側閾値として第１の高速側閾値と第２の高速側閾値が設けられており、ｎ個の低速側閾値として第１の低速側閾値と第２の低速側閾値が設けられている。第１の高速側閾値と第１の低速側閾値が対になり、第２の高速側閾値と第２の低速側閾値が対になる。第１の高速側閾値と第１の低速側閾値の差に相当する幅が第１のヒステリシス幅であり、第２の高速側閾値と第２の低速側閾値の差に相当する幅が第２のヒステリシス幅である。

上述した第１の進角、第２の進角、第３の進角と、第１の高速側閾値、第１の低速側閾値、第２の高速側閾値、第２の低速側閾値は、駆動回路１０のコントローラ１２において予め記憶（設定）されている。尚、各進角と各閾値は外部から駆動回路１０のコントローラ１２に入力する構成としてもよい。

本実施の形態の図４のトルク−回転数特性では、トルク変動を防止しながら、進角を使った場合の理想的なトルク−回転数特性である図１０のトルク特性Ｔｉから大きく効率を下げていないことが分かる。

図５は、進角の選択方法を示すフローチャートである。この進角の選択方法はコントローラ１２の制御によりステッピングモータの回転動作中は常時行われる。ステッピングモータの起動／回転動作／回転動作の終了はコントローラ１２により電流と電圧を制御することで行われる。

図５において、コントローラ１２は、ステッピングモータを起動した後（ステップＳ１）、起動時の進角として第１の進角（０°）を設定する（ステップＳ２）。次に、コントローラ１２は、第１のセンサ６ａ及び第２のセンサ６ｂから出力される検出信号に従って、ロータ３の回転数を測定する（ステップＳ３）。次に、コントローラ１２は、測定した回転数が第ｎの高速側閾値以上かどうかを判断する（ステップＳ４）。但し、ｎは自然数とする（本実施の形態ではｎ＝１、２）。測定した回転数が第ｎの高速側閾値以上であると判定した場合は、コントローラ１２は、進角を第（ｎ＋１）の進角に変更した後（ステップＳ５）、ステップＳ３へ戻り、ステッピングモータのロータ３の回転数を測定する。

測定した回転数が第ｎの高速側閾値以上でないと判定した場合は、コントローラ１２は、測定した回転数が第ｎの低速側閾値以下かどうかを判断する（ステップＳ６）。測定した回転数が第ｎの低速側閾値以下であると判定した場合は、コントローラ１２は、進角を第ｎの進角に変更した後（ステップＳ７）、ステップＳ３へ戻り、ステッピングモータのロータ３の回転数を測定する。測定した回転数が第ｎの低速側閾値以下でないと判定した場合は、コントローラ１２は、そのままステップＳ３へ戻り、ステッピングモータのロータ３の回転数を測定する。

ここで、本実施の形態では、ステッピングモータのロータ３の回転数における上側閾値と下側閾値の差をヒステリシス幅と定義することにする。即ち、図４に示すように、第１の高速側閾値と第１の低速側閾値の差を第１のヒステリシス幅と定義し、第２の高速側閾値と第２の低速側閾値の差を第２のヒステリシス幅と定義する。このヒステリシス幅が、ステッピングモータのロータ３の回転数の読み取り誤差要因による変動よりも大きい場合、課題欄で説明したように進角が短周期に（不要に）切り替わることがなく、トルク変動のない安定した駆動を実現することができる。

ステッピングモータのロータ３の回転数が例えば１２００ＰＰＳ付近であった場合、読み取り誤差要因により第１のセンサ６ａ及び第２のセンサ６ｂの読み取る回転数が一回でも１４００ＰＰＳを超えると、進角は３０°へと切り替わる。しかし、その後、第１のセンサ６ａ及び第２のセンサ６ｂの読み取る回転数が再び１２００ＰＰＳになっても、第１の低速側閾値である１０００ＰＰＳよりも低くならない限り、進角は３０°のままである。これにより、ステッピングモータの出力トルクの振動（変動）を抑止することができる。

図６（ａ）は、ステッピングモータのロータの回転数の閾値（進角の選択）にヒステリシス性を持たせないときのステッピングモータ起動時の出力トルクの時間変化を示す図である。図６（ｂ）は、ステッピングモータのロータの回転数の時間変化を示す図である。

図６（ａ）において、ステッピングモータには、第２の進角（３０°）と第３の進角（５０°）の交点に近い、例えば０．６ｇｃｍの負荷がかかっている。図示のように、ステッピングモータのロータ３の回転数が閾値となる付近で出力トルクが振動していることが分かる。特にステッピングモータへの負荷トルクが進角の切り替え点付近（第１の進角→第２の進角、第２の進角→第３の進角）にある場合、出力トルクの振動は長く続く。この場合、第２の進角→第３の進角の切り替え点付近で出力トルクの振動は非常に長く続くことが分かる。

図７（ａ）は、ステッピングモータのロータの回転数の閾値（進角の選択）にヒステリシス性を持たせたときのステッピングモータ起動時の出力トルクの時間変化を示す図である。図７（ｂ）は、ステッピングモータのロータの回転数の時間変化を示す図である。

図７（ａ）において、ステッピングモータの出力トルクの変化は第１の進角から第２の進角へ切り替わるとき、第２の進角から第３の進角へ切り替わるとき（図７上ではほとんど現れていない）にそれぞれ１回あるだけである。即ち、出力トルクの振動が抑えられていることが分かる。

ステッピングモータのロータ３の回転数の閾値（進角の選択）のヒステリシス幅が狭すぎて、センサの読み取る回転数が誤差要因によるばらつき以下になってしまう場合は、ロータ３の回転数が閾値付近になったときの進角のばたつきを抑えることができない。

一方、ヒステリシス幅は、ステッピングモータの特性のばらつき、ロータ３の回転数の読み取りのばらつきに左右されない範囲で、なるべく狭いことが望ましい。その理由は、ヒステリシス幅が広すぎると、閾値付近で最も高い出力が得られる進角になかなか切り替わらず、ステッピングモータの出力が低下してしまうからである。

従って、ステッピングモータの出力を大きくするには、ヒステリシス幅を適切な幅に設定する必要がある。ステッピングモータにおいて進角の切り替えを行う進角切り替え速度を複数持たせる場合（進角を３種類以上使う場合）、それぞれの進角切り替え速度に対して適切なヒステリシス幅を持たせる。これにより、広いトルク範囲でステッピングモータの出力向上を達成する進角制御を行うことができる。即ち、進角切り替え速度が複数ある場合は、複数のヒステリシス幅が必要になる（高速側閾値と前記低速側閾値との差に相当する幅の種類は複数設けられている）。上述した図４の例では第１のヒステリシス幅と第２のヒステリシス幅である。

ここで、ステッピングモータのロータの回転数を位置検出センサ（本実施の形態では第１のセンサ６ａ及び第２のセンサ６ｂ）により読み取る際の誤差について考える。課題欄で説明したように、ロータの回転数はセンサの信号の正負が切り替わるゼロクロス点が単位時間内に何回あったかをカウントすることで測定できる。マグネットの着磁のばらつき等により、位置検出センサがゼロクロス点を出力する間にロータが回転する角度にもばらつきがある。

しかし、ロータが回転する角度のばらつきは積算されるものではなく、ロータが１回転すると打ち消し合って消えてしまう。ロータの回転数が上がり、単位時間あたりのゼロクロス点を通る回数が増えれば増えるほど、ロータの回転数を位置検出センサにより読み取る際の誤差の影響は少なくなる。即ち、ロータの回転数が上がれば上がるほど、回転数の読み取り精度は高くなってくる。回転数の読み取り精度が高くなると、ヒステリシス幅を狭くすることができる。

本実施の形態では、上記の理由により、より高速側である第２のヒステリシス幅（第２の高速側閾値と第２の低速側閾値の差）を、低速側である第１のヒステリシス幅（第１の高速側閾値と第１の低速側閾値の差）よりも小さく設定している。

以上説明したように、本実施の形態によれば以下の作用効果を奏する。ステッピングモータのロータ３の回転数に応じて進角を選択する際に閾値にヒステリシス性を持たせることで、ロータの回転数の読み取り誤差によって進角が不要に切り替わるなど、閾値付近で進角がばたつくことを抑えることができる。これにより、トルクが不連続に変化することを防止することができる。また、それぞれの進角の閾値に対して適切なヒステリシス幅を選ぶことで、幅広いトルク範囲で出力の高い駆動を行うことができるモータの駆動方法を提供することができる。即ち、ステッピングモータの出力トルクが不連続に変化することを防止することが可能となり、適切な進角を安定して選択することが可能となる。

３ロータ
６ａ第１のセンサ
６ｂ第２のセンサ
１０駆動回路
１２コントローラ
１３進角合成部

Claims

コイルに通電して励磁することでロータを回転させるモータの駆動時における前記ロータの回転位置を検出する検出手段と、
前記検出手段から出力される検出信号に対して規定の位相差である進角を有する進角信号を生成し、前記進角信号により前記コイルへの通電位相を切り替える切替手段と、
前記ロータの回転数を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が高速側閾値以上となった場合または低速側閾値以下となった場合に前記進角を変更する制御手段と、を備えるモータ制御装置であって、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が第１の高速側閾値以上になった場合に、前記制御手段は前記進角を第１の進角から前記第１の進角より進角の度合いが大きい第２の進角に変更し、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が第１の低速側閾値以下になった場合に、前記制御手段は前記進角を前記第２の進角から前記第１の進角に変更し、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が前記第１の高速側閾値よりも高い回転数に設定される第２の高速側閾値以上になった場合に、前記制御手段は前記進角を前記第２の進角から前記第２の進角より進角の度合いが大きい第３の進角に変更し、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が第２の低速側閾値以下になった場合に、前記制御手段は前記進角を前記第３の進角から前記第２の進角に変更し、
前記第２の高速側閾値が、前記第１の高速側閾値よりも高い回転数となり、前記第２の低速側閾値が、前記第１の高速側閾値および前記第１の低速側閾値よりも高い回転数となり、前記第２の高速側閾値と前記第２の低速側閾値との差が、前記第１の高速側閾値と前記第１の低速側閾値との差よりも小さくなるように、各閾値が設定されていることを特徴とするモータ制御装置。
コイルに通電して励磁することでロータを回転させるモータの駆動時における前記ロータの回転位置を検出する検出手段と、
前記検出手段から出力される検出信号に対して規定の位相差である進角を有する進角信号を生成し、前記進角信号により前記コイルへの通電位相を切り替える切替手段と、
前記ロータの回転数を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が高速側閾値以上となった場合または低速側閾値以下となった場合に前記進角を変更する制御手段と、を備えるモータ制御装置の制御方法であって、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が第１の高速側閾値以上になった場合に、前記制御手段は前記進角を第１の進角から前記第１の進角より進角の度合いが大きい第２の進角に変更し、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が第１の低速側閾値以下になった場合に、前記制御手段は前記進角を前記第２の進角から前記第１の進角に変更し、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が前記第１の高速側閾値よりも高い回転数に設定される第２の高速側閾値以上になった場合に、前記制御手段は前記進角を前記第２の進角から前記第２の進角より進角の度合いが大きい第３の進角に変更し、
前記測定手段により測定された前記ロータの回転数が第２の低速側閾値以下になった場合に、前記制御手段は前記進角を前記第３の進角から前記第２の進角に変更し、
前記第２の高速側閾値が、前記第１の高速側閾値よりも高い回転数となり、前記第２の低速側閾値が、前記第１の高速側閾値および前記第１の低速側閾値よりも高い回転数となり、前記第２の高速側閾値と前記第２の低速側閾値との差が、前記第１の高速側閾値と前記第１の低速側閾値との差よりも小さくなるように、各閾値が設定されていることを特徴とするモータ制御装置の制御方法。