JPH0223100A

JPH0223100A - 位置制御装置

Info

Publication number: JPH0223100A
Application number: JP17211388A
Authority: JP
Inventors: Toshio Inaji; 利夫稲治; Hiroshi Mitani; 浩三谷; Noriaki Wakabayashi; 若林　則章; Hiromi Onodera; 博美小野寺; Tsukasa Yoshiura; 司吉浦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1988-07-11
Publication date: 1990-01-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、位置制御装置に係わり、特に高速でかつ高精
度の位置決めが可能な位置制御装置に関する。

従来の技術近年、情報機器の性能の向上はめざましく、それに伴い
磁気ディスク装置やプリンタなどの駆動源としては、よ
り高速でより高精度の位置制御装置が要求されている。

従来、上ｉホしたこれらの機器の駆動源としては、ステ
ッピングモータが広く使用されている。

以下、図面を参照しながら従来の位置制御装置について
説明する。第１０図は従来の位置制御の駆動源として使
用されるパーマネントマグネット（ＰＭ）形ステッピン
グモータの原理を示す構成図である。

１は磁石よりなる回転子、２は固定子、３．４は磁性体
コアに巻かれた複数個のコイルで、３ａと３ｂ、４ａと
４ｂがそれぞれ直列接続されている。第１１図は第１０
図のステッピングモータを駆動するための基本駆動回路
である。スイッチ１１２ａ、１１２ｂ、１１３ａ、１１
３ｂで構成されるブリッジの中点間にコイル３ａと３ｂ
が接続され、スイッチ１１４ａ、　　１１４ｂ、１１５
　ａ　、　　１１５　ｂで構成されるブリッジの中点間
にはコイル４ａと４ｂが接続されている。スイッチ１１
２．１１４．１１３．１１５を順次開閉することにより
、上記複数個のコイル３．４を外部から順序よく励磁し
てやれば、回転子１はコイル３．４の励磁の状態により
位置をかえて歩進する。第１２図は第１０図に示したス
テッピングモータの回転角−トルク特性を示すもので、
１２１はコイル３ａ、３ｂをＡからＡ′の方向に通電し
たときの回転角−トルク特性を示す。この励磁状態では
０点で回転子は静止し位置保持特性を持つ。

外部信号に同期してスイッチ１１２．１１４．１１３．
１１５を順次開閉すれば、ステッピングモータの回転角
−トルク特性は１２１．１２２．１２３．１２４と移動
するので、外部信号に同期してステップ角９０゜ずつ回
転子が回転することがわかる。そして位置決め分解能を
上げるためにこのステップ角をさらに小さくするには回
転子の極数と固定子の相数を増やせばよいが構造上限界
がある。そこで位置決め分解能を上げる方法として第１
４図に示すようなハイブリッドＰＭ形ステッピングモー
タが今日では広く用いられている。第１４図（ａ）およ
び（ハ）はハイブリッドＰＭ形ステンピングモータの断
面図と斜視図を示したものである。回転子１は軸方向に
着磁された磁石１４０とその磁石を両側から積層した磁
性体１４１．１４２より構成され磁性体円周には一定の
ピッチで刻まれた磁極歯を備えている。一方、固定子２
は回転子対向面に同じ（磁極歯群を備えた磁性体コアと
磁性体コアに巻かれた複数個のコイル３ａ、３ｂ、４ａ
、４ｂから構成されている。

１４３は回転軸である。このハイブリッドＰＭ形ステッ
ピングモータを第１０図の場合と同様に、複数個のコイ
ルを外部から順序よく励磁してやれば回転子はコイルへ
の通電の状態により１／４歯ピツチずつ位置をかえて歩
進する。すなわち回転子と固定子の磁極歯の数を増やせ
ばステップ角を小さくすることができる。しかし回転子
と固定子の磁極歯の数を増やすことには機械精度上限界
があり、位置決め分解能をさらに上げて位置決めをより
高精度に行うことは困難であった。

さらにステッピングモータには、位置決め停止の際に第
１３図に示すように停止点を中心に振動的になるという
現象が一般的にあり、位置の整定に時間を要すという欠
点がある。この振動を少なくし整定の時間を短縮するた
めには、回転子に機械的粘性抵抗を与えてやる必要があ
り、この場合には構造が複雑になるという欠点があった
。

さらにステッピングモータは外部信号に同期した回転数
を得ることができるので、外部信号の周波数を速くすれ
ば高速回転を得ることができる。

しかし、ステッピングモータはコイルのもつ時定数や、
鉄損の影響により高速回転では電流の立ち上がりが遅れ
て効率よくトルクを発生することができず高速化を目指
すと過渡的状態で脱調を引き起こしやすいという欠点を
有していた。特に位置決め分解能を上げるため、磁極ピ
ッチを細かくした場合には１回転当りのスイッチング周
波数が上がるためその影響が大きく出ていた。

（例えば、見城尚志他「ステッピング・モータの基礎と
応用」、（昭５４．２．１０）　、総合電子出版社、Ｐ
、１５〜Ｐ、４２）発明が解決しようとする課題上記のように、駆動源としてステッピングモータを使用
した位置制御装置は高速化が困難で、かつ位置決めの整
定時間が長いという欠点を持っていた。特に位置決め分
解能を上げることはステッピングモータの構造上困難で
あった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、従来のス
テッピングモータでは実現できなかった高速で、かつ高
精度の位置決めが可能な位置制御装置を提供するもので
ある。

課題を解決するための手段上記課題を解決するために本発明の位置制御装置は、磁
性体もしくは磁石の少な（とも一方を備えた第１部材と
、前記第１部材と所定の空隙を介して対向する磁性体コ
アと複数個のコイルを備えた第２部材とを含んでなる電
磁駆動装置と、前記第１部材と前記第２部材との空隙を
維持しその（ｎ対運動を自在ならしめる支持手段と、前
記第２部材に対する前記第１部材の相対的な現在位置を
認識する位置検出手段と、外部からの目的位置指令信号
と前記位置検出手段の出力する現在位置信号との偏差に
応じた偏差量を出力する比較手段と、前記電磁駆動装置
に対する操作量として前記偏磨壇より電気角度量を演算
する操作電気角度演算手段と、前記操作量より互いに位
相の異なる複数組の信号を出力する関数発生手段と、前
記複数４Ｈの信号をそれぞれ増幅して前記複数個のコイ
ルに電流を供給する駆動手段とを含めて構成され、前記
操作電気角度演算手段は前記偏差量に比例した比例量と
前記偏差量を時間微分して得られた微分量と前記偏差量
を時間積分して得られた積分量とを加算した電気角度量
を演算して前記電気角度量が所定の範囲内にあるか否か
を判別し所定の範囲内にあるときは前記電気角度量をそ
のまま操作量として出力し、前記電気角度量が所定の範
囲を越えたときは所定値に制限した値を操作量として出
力し、前記電気角度量が所定の範囲を一旦越えたときは
前記比較手段の出力する偏差量が所定の範囲内に収まる
まで前記偏差量に比例した比例量と前記偏差量を微分し
た微分量とを加算して操作量を出力するように構成し、
その操作量に応じて上記複数個のコイルの合成起磁力の
位相を制御することにより上記の目的を達成したもので
ある。

作用本発明は上記の構成によって、目的位置を変更するよう
な過渡時には、位置検出手段により第１部材の現在位置
を常に検出して効率よくトルクを発生させることができ
るので過渡的状態でも脱調を引き起こすことはなく高速
化が可能である。さらに第１部材の現在位置と目的位置
指令とを比較手段により常に比較し、その偏差量をもと
に操作電気角度演算手段により電磁駆動装置に対する操
作量を演算し、その操作量に応じて複数個のコイルの合
成起磁力の位相を制御することよって電磁駆動装置を目
的位置に振動およびオーバシュートを押さえた状態で、
素早（整定させることができる。したがって高速で、高
精度、かつ高分解能の位置制御装置が堤供できる。

実施例以下本発明の一実施例の位置制御装置について、図面を
参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例における位置制御装置の構成
図である。

第１図は電磁駆動装置として回転型のモータを使用した
ときの実施例である。第１図において、１は回転子であ
って磁石より構成され、電磁駆動装置の第１部材を形成
している。３．４は磁性体コアに巻かれたコイルで磁性
体コアとともに、回転子１と所定の空隙を介して対向す
る第２部材を構成している。上記第１部材と第２部材よ
り電磁駆動装置が構成されている。５は回転子１の位置
を検出し２相の正弦波状の位置信号ｓａ、ｓｂを出力す
る位置信号発生手段である。６は位置検出手段で、位置
信号発生手段５の出力する２相正弦波ｓａ、ｓｂが入力
され回転子１の現在位ｚｂを高分解能、で出力する。７
は比較手段であって、位置検出手段６の出力する現在位
置すと指令入力端子１１に与えられる目的位置ａとが入
力され、偏差信号ｃ　（＝ａ−ｂ）が出力される。操作
電気角度演算手段８には、偏差信号Ｃが入力されて適当
な制御演算を施し電気角度量ｅを出力する。９は関数発
生手段であって、電気角度Ｉｅと現在位置すに応じた２
相の正弦波信号ｓｃとｓｓが出力される。１０は駆動手
段であって関数発生手段９から出力される２相正弦波信
号ｓｃ、ｓｓを増幅してそれぞれコイル３．４に電流が
供給される。

第７図に位置検出手段６の一実施例を示す。第７図にお
いて、７１ａ、７１ｂは位置信号発生手段５の出力する
２相の正弦波状位置信号ｓａ、ｓｂをそれぞれ増幅する
位置信号増幅器である。７２ａ、７２ｂは変調回路で、
位置信号増幅器７１ａ、７１ｂの２相正弦波出力でもっ
て高い周波数のキャリア信号７６ａ、７６ｂをそれぞれ
変調する一種の乗算器である。８４はキャリア信号発生
器であって、基準発振器７７の基準クロック信号を分周
してキャリア信号７６ａ、７６ｂを作成している。この
２つのキャリア信号７６ａ、７６ｂは互いに９０″ずつ
位相がずれていて、キャリア信号発生器８４より変調回
路７２ａ、７２ｂに入力されている。７３は加算回路で
、上記２つの変調回路７２ａ、７２ｂの変調出力を加え
合わせる。７４はローパスフィルタであり、加算回路で
加え合わされた変調出力の高調波成分を除去し、基本波
成分のみを取り出す、７５は波形整形回路で上記基本波
を矩形波に変換する。

いま位置信号増幅器７１ａ、７１ｂの２相正弦波出力を
それぞれＥＡ　（θ）、ＥＢ（θ）とすれば以下のよう
に表現できる。

ＥＡ　（θ）　＝　Ｅ　−Ｃ０５（２πθ／θＦ）ＥＢ
　　（θ）　＝　Ｅ　−５ＩＮ（２πθ／θＦ）ただし
、θは回転子１の回転角度、θ２は位置信号発生手段５
の出力する正弦波の１周期ピッチ、Ｅは正弦波位置信号
の波高値である。

一方、キャリア信号７６ａ、７６ｂをそれぞれＣＡ（ｔ
）、ＣＢ　　（ｔ）とすれば以下のように表現できる。

ＣＡ　　（θ）　　＝Ｃ０５（２πｆｃ　ｔ）ＣＩ　（
θ）＝ＳＩＮ（２ｉ　ｆｃ　ｔ）ただし、ｆｃはキャリ
ア周波数である。

変調回路７２ａ、７２ｂで変調後、加算回路で加え合わ
せた結果をＰ（ｔ、　　θ）とすれば、Ｐ（ｔ、　　θ
）＝ＥＡ　（θ）・ＣＡ　（θ）十Ｅｌｌ（θ）・ＣＢ
　　（θ）＝Ｅ　　（ＣＯ３（２Ｋ　　θ／θＦ　　）　　・Ｃ０
５（２ｚ　　ｆ　ｃ　ｔ）＋５ＩＮ（２πθ／θ、　）
　　・５ＩＮ（２πｒｃｔ））＝ＥＣＯ３（２πｆｃｔ
−２πθ／θ、）となる。これはｆｃの周波数をもつキ
ャリアに２πθ／θ２という位相項が含まれていること
を意味している。換言すれば、Ｐ　（ｔ、　　θ）では
位置情報θが位相情報という形に変換されている。

したがってＰ　（ｔ、　　θ）の位相情報を復調すれば
回転子１の位置を認識することができる。

なお上記Ｐ（ｔ、　　θ）から回転子の位置を正確に検
出するためには位置信号ＥＡ　（θ）、Ｅｌ（θ）の波
形が回転位置θに関して歪の少ない正弦波状である必要
がある。もし歪が太きいとうねりの多い直線性の悪い位
置検出器になってしまう。

またローパスフィルタ７４はｐ　（ｔ、　　θ）に含ま
れる高調波成分を除去する働きがある。一般的にキャリ
ア信号７６ａ、７６ｂは高調波の非常に多いもの（例え
ば矩形波）が使われることが多く、その場合はローパス
フィルタ７４は不可欠の要素である。

第８図は変調回路７２ａ、７２ｂの一実施例である。

８５は変調回路への入力で、位置信号増幅器７１ａまた
は７１ｂの正弦波出力Ｅ（θ）が入力される。８６は反
転増幅器（ゲイン１）である。８７はキャリア信号（周
波数ｆｃ）７６によって制御される半導体スイッチであ
る。上記半導体スイッチ８７はキャリア信号７６が“Ｈ
レベルパのときは位置信号Ｅ（θ）をそのまま伝送し、
キャリア信号７６が゛°Ｌレベル゛のときは反転した位
置信号−Ｅ（θ）を伝送するように構成されていて、図
に示すような変調出力８８を得ている。

さて変調後加算された信号ｐ　（ｔ、　　θ）はそのま
までは利用できないので、これを復調して位置情報のみ
を分離して取り出す必要がある。本発明の実施例では信
号ｐ　（ｔ、　　θ）を波形整形回路７５で矩形波に変
換した後、キャリア信号７６ａに対する信号ｐ　（ｔ、
　　θ）の位相ずれを、基準発振器７７の出力する基準
クロック信号を用いて直接計数することにより分解能の
高い位置情報を取り出すという復調方式を用いている。

７８は信号Ｐ　（ｔ、　　θ）の位相情報を、計数する
ための位相差カウンタである。位相差カウンタ７８の入
力は、キャリア信号７６ａと信号ｐ　（ｔ、　　θ）を
波形整形回路７５で矩形波された信号と発振器７７の出
力する基準クロック信号とである。位相差カウンタ７８
はキャリア信号７６ａの立ち上がり（または立ち下がり
）で基準クロンク信号の計数を開始し、信号ｐ　（ｔ、
　　θ）の立ち上がり（または立ち下がり）を検出する
ことにより信号Ｐ　（ｔ、　　θ）に含まれる位相情報
（２πθ／θ、）が位相差カウンタ７８の計数値として
取り出すことができる。またキャリア信号７６ａの周波
数はｆｃなので周波数ｆ、の１倍の周波数を持つ基準ク
ロック信号を用いることによって、１周期に対して１／
ｎの分解能を持った位相測定が可能になる。これは位相
２πに対して１　／　ｎの分解能を持つことを意味し、
位相２πが位置信号発生手段５の出力する正弦波位置信
号の１周期ピッチθ２に対応するので回転角に対して位
置信号の１周期ピッチθ２を等間隔に１　／　ｎに内挿
（または補間）したことを意味している。したがって分
解能を上げ、滑らかな位置情報を得るためにはθ、を小
さく、ｎを大きくすればよい。８４は分周回路で発振器
７７の出力を１　／　ｎに分周し２相のキャリア信号７
６ａ、７６ｂを出力する。ところで位相差カウンタ７８
の内容は最大ｎであり、位置信号の１周期ピッチθ、の
範囲内でしか位相の弁別能力がない。そこで実際の位置
制御装置で必要とされるような広い範囲内での動作を可
能にするために、１つの可逆カウンタを設は位置信号が
１周期ピンチθ、を越えた数を計数している。８０が上
述の可逆カウンタであり、７９はパルス分離回路である
。

パルス分離回路７９は位相差カウンタ７８の内容が０→
ｎまたはｎ→０に変化する毎にそれぞれに応じてアップ
・カウント・パルス、ダウン・カウント・パルスに分離
する。可逆カウンタ８０は、このアップ・カウント・パ
ルス、ダウン・カウント・パルスを受けてアップ・カウ
ントまたはダウン・カウントする。８１は可逆カウンタ
８０の原点・初期リセット入力である。８２は位置カウ
ンタで、可逆カウンタ８０の内容と位相差カウンタ７８
の内容をそれぞれ上位ビット部および下位ビット部に合
成する。

以上の構成によって回転子１の位置は位置カウンタ８２
にディジタル的に示されることになる。８３が位置検出
手段の出力となる。

第２図に比較手段７、操作電気角度演算手段８、関数発
生手段９の構成を示す。本実施例では、比較手段７、操
作電気角度演算手段８、関数発生手段９は、Ａ／Ｄ変換
器２１と演算器２２とメモリ２３とＤ／Ａ変換器２４ａ
、２４ｂとで構成される。Ａ／Ｄ変換器２１は、指令入
力端子１１に与えられる目的位置ａをディジタル信号Ｑ
　ｒ　＠　ｆに変換している。目的位置ａが始めからデ
ィジタル値Ｑ、。、で与えられる場合はＡ／Ｄ変換器２
１は不要となる。演算器２２は、メモリ２３のＲＯＭ　
ｅＩ域（リードオンリメモリ領域）に格納されている後
述の所定の内蔵プログラムに従って動作し、Ａ／Ｄ変換
器２１のディジタル信号Ｑｒｅｆと位置検出手段６の出
力する現在位置ｂ（ディジタル信号Ｑ、）とをＲＡ　Ｍ
　Ｈｐ域（ランダムアクセスメモリ領域）に取り込み、
所定の演算を施した後に合成して、電気角度ｉ１ｅに対
応するディジタル信号Ｅを演算する。次に演算器２２は
ディジタル信号Ｅに応じてメモリ２３のＲＯＭ領域に格
納されているＳＩＮ波およびｃｏｓ波の関数テーブルを
参照することによりディジタル信号已に応じた２相信号
ｓｃ、ｓｓを求め、それぞれＤ／Ａ変換器２４ａ、２４
ｂに出力する。Ｄ／Ａ変換器２４ａ、２４ｂは２相信号
ｓｃ、ｓｓをそれぞれディジタル−アナログ変換して２
相のアナログ信号ｓｃ、ｓｓを出力している。

次に、メモリ２３のＲＯＭｊｌ域に格納されている内蔵
プログラムについて説明する。

まず、第３図に示した基本フローチャートに基づいて概
略を説明する。

処理３１では、タイマーからの割り込みを待っている。

タイマーは、所定の時間ΔＴ毎に割り込み信号を発生し
、割り込みが入ると■に移行する。

すなわち、サンプリング時間ΔＴで以下の処理を行うこ
とになる。

処理３２では、目的位置ａに相当するディジタル信号Ｑ
ｒｍｆと現在位置すに相当するディジタル信号Ｑ、をそ
れぞれ取り込みＲＡ　Ｍ　？ｆｕ域に格納する。

処理３３では、回転子１の回転位置を目的位置に位置決
めするために、目的位置ａと現在位置すの偏差信号Ｃに
相当するディジタル信号Ｑをもとに制御演算し、関数発
生手段９の入力となるディジタル信号Ｅを作り出してい
る。

処理３４では、回転子１の現在位置すに対応するディジ
タル信号ＱＸと処理３３で得られたディジタル信号已に
応じてメモリ２３のＲＯＭ領域に格納されているＳＩＮ
波およびＣＯ３波の関数テーブルを参照し、２相信号ｓ
ｃ、ｓｓを求め、それぞれをＤ／Ａ変換器２４ａ、２４
ｂに出力する。Ｄ／Ａ変換器２４ａ、２４ｂはディジタ
ル信号ｓｃ、ｓｓをそれぞれアナログ信号ｓｃ、ｓｓに
変換する。本処理のあとは、■に移行する。

次に、処理３２〜３３について、第４図、第５図、第６
図を用いて詳しく説明する。

第４図は、処理３２の詳細なフローチャートである。ま
ず、処理４１．４２で目的位置ａと現在位置すに対応す
るディジタル信号ｑｒａｒ　、Ｑｘ　ヲＲＡＭ領域に格
納する。処理４３では前回のサンプリング時の値を保持
する変数Ｑ１の内容を変数。＋’ｌ−１に格納する。変
数Ｑ７は目的位置ａと現在位置すの偏差信号Ｃに対応す
るディジタル信号である。次に処理４４では目的位置ａ
と現在位置すの偏差信号Ｃに対応するディジタル信号Ｑ
７を新たに演算（Ｑ、、＝Ｑｒｅｒ　−ＱＸ　）　Ｉ、
、変数Ｑ７に格納する。

すなわち、この時点で全現在の回転子１の回転位置と目
的位置の偏差信号が変数Ｑｆｉに格納されたことになる
。さらに、ｌサンプリング前の現在位置と目的位置の偏
差信号は変数Ｑｎ−１に格納されている。

第５図は、処理３３の詳細なフローチャートである。ま
ず、処理５１で目的位置ａと現在位置すとの今現在の偏
差信号ｃ　（＝ａ−ｂ）に対応する値を保持する変数Ｑ
１をに１倍し、結果を変数Ｐに格納する。変数Ｐは比例
信号になる。処理５２で今現在の偏差信号Ｃに対応する
値を保持する変数Ｑ１から１サンプリング前の偏差信号
Ｃに対応する値を保持する変数Ｑｎ−＋を引算し、その
結果を変数ΔＱに格納する。処理５３で変数Ｑ。にサン
プリング周期ΔＴを掛けた値Ｑ。・ΔＴを演算し、その
結果を１サンプリング前の変数５ｎ−１に加算する。

すなわち、下記の演算（１）を行い、演算結果は変数３
７に格納される。

Ｓ　、ｌ＝ｓ　、、−＋　ＩＱ　、　　・ΔＴ・・・・
・・・旧・・・・・・・・・・・（１）式（１）におい
てＯ７は目的位置ａと現在位置すとの偏差信号Ｃを表す
ものであり、目的位置ａと現在位置すに定常的な偏差が
存在すると、毎回のサンプリング毎に項［Ｑｆｉ　・Δ
Ｔ］が変数３□１に加算される。この結果、変数３７は
時間と共に大きくなり、ａとｂの定常的な偏差をなくす
ことができる。サンプリング周期ΔＴが十分小であると
すれば、式（１）で表されるＳ。は偏差信号Ｃを時間積
分した結果を示すことになる。次に、処理５４では変数
Ｓ７をに２倍し、結果を変数■に格納する。

変数■は積分信号となる。次に、処理５５では変数ΔＱ
をサンプリング周期ΔＴで除した値ΔＱ／ΔＴをに３倍
し、結果を変数りに格納する。変数りは微分信号となる
。処理５６はフラグＦＬＧがセット（ＦＬＧ＝１）され
ているが否かを判別するもので、ＦＬＧ＝１のときは処
理５７へ移行し、そうでないときには処理５９に移行す
る。まずＦＬＧ＝１のときには、処理５７および処理５
８が実行される。

処理５７では処理５１．５５で得られた演算結果の変数
ＰとＤを加算してその結果を変数已に格納する。

処理５８では処理５３で得られた積分の演算結果Ｓ。

を零にし、処理６４に移行する。またＦＬＧ≠１のとき
は処理５９が実行される。処理５９では処理５１．５４
．５５で得られた演算結果の変数Ｐ、Ｉ、Ｄを加算して
その結果を変数Ｅに格納する。その後処理６４に移行す
る。処理６４は変数Ｅの絶対値ＩＥＩが所定値ｅ□つを
越えているか否かを判別するもので、ＩＥＩ＞ｅ□８の
ときは処理６５へ移行し、その後処理６７に移行する。

Ｅ１≦ｅ、−のときは直接処理６７に移行する。

まず変数Ｅの絶対値ＩＥＩがｌ　Ｅ　１＞ｅ□８のとき
は、処理６５が実行され、変数已に所定値ｅ□８が格納
される。次に処理６６によりフラグＦＬＧはセットされ
、変数Ｅの絶対値ＩＥＩが所定値ｅ　１ＩａＸを越えた
ことをフラグＦＬＧに格納する。すなわち、処理６５に
より変数Ｅは所定値ｅＭｌｌＫに制限して格納される。

その後処理６７に移行する。処理６７は目的位Ｈａと現
在位Ｈｂの偏差信号Ｃに対応するディジタル信号Ｑ７の
絶対値ＩＱｆｉ　ｌが所定値ε内にあるか否かを判別す
るもので、ＩＱ、＋＜εのときは処理６８へ移行し、そ
の後■に移行する。

Ｑ、ｌ≧εのときは直接■に移行する。まず変数Ｑ７の
絶対値ＩＱ７１がＩＱ、ｌ＜εのときは、処理６８が実
行されフラグＦＬＧはリセット（ＦＬＧ＝０）される。

その後、■に移行する。

第６図は、処理３４の詳細なフローチャートである。ま
ず、処理６１では回転子ｌの現在位置すに対応するディ
ジタル信号ＱＸと処理３３で得られたディジクル信号Ｅ
とを加算し変数Ｆに格納する。処理６２では、処理６１
で得られたディジタル信号Ｆに応じてメモリ２３のＲＯ
Ｍ　ｆｉＩ域に格納されているＣＯ８波の関数テーブル
を参照することによりディジタル信号Ｆに応じた正弦波
信号ｓｃを求める。

同様に処理６３では、ディジタル信号Ｆに応じてメモリ
２３のＲＯＭ　領域に格納されているＳＩＮ波の関数テ
ーブルを参照することによりディジタル信号Ｆに応じた
正弦波信号ｓｓを求める。すなわち、ディジタル信号Ｆ
に応じた２相体号ｓｃ、ｓｓを求める。そして最後に２
相体号ｓｃ、ｓｓをそれぞれＤ／Ａｉ換器２４ａ、２４
ｂに出方する。Ｄ／Ａ変換器２４ａ、２４ｂはディジタ
ル信号ｓｃ、ｓｓをそれぞれアナログ信号ｓｃ、ｓｓに
変換する。関数発生手段９の出力する２相体号ｓｃ、ｓ
ｓはそれぞれ駆動手段ｌＯに入力される。２相信号５Ｃ
１ｓｓは駆動手段１０により電力増幅されてｓｃ、ｓＳ
に比例した２相の電流信号（もしくは電圧信号）に変換
され固定子コアに巻かれた２相のコイル３．４に供給さ
れる。その後、■に移行し次のタイマ割り込みを待つ（
第３図参照）。

以下、本発明の一実施例の位置制御装置の動作について
、詳細に説明する。

第９図は位置制御装置のトルク発生機構を示すための概
念図である。第９図において３．４は２相のコイルであ
る。Φは回転子１の磁極ベクトルを示す。位置検出手段
６はコイル３に対する磁極ペルトルΦの回転位置を検出
することになる。したがって各相に流れる電流をそれぞ
れ１．、Ｉ。

とすれば、発生するトルクはＡ相　　−ＫＬ　−ＩＡ　−５ＩＮ　　（ｂ）Ｂ相　　
　Ｋ、、・Ｌ　　ＳＩＮ　　（π／２−ｂ）−Ｋｔ　・
■８　・ｃｏｓ（ｂ）ただし、Ｋｔ：トルク係数となる。

固定子の２相のコイル３．４に供給される電流は関数発
生手段９の出力する２相体号ｓｃ、ｓｓに従って正弦波
状に変化する。関数発生手段９には、回転子１の現在位
置すと操作電気角度演算手段８で得られた電気角度！ｔ
ｅの加算信号ｆ（＝ｂ＋ｅ）が入力され、関数発生手段
９は加算信号ｆに応じた２和正弦波信号ｓｃ、ｓｓを出
力する。

したがってコイル３．４の各相に供給される電流は関数
発生手段９の出力する２相体号ｓｃ、ｓｓに比例するの
でＩＡ””　Ｉｏ　　・ＣＯＳ　　（ｂ　＋　６）１、＝
Ｌ　　・ＳＩＮ　　（ｂ＋ｅ）ただし、Ｉｏ　：電流波高値となる。

したがって、全体の発生トルクはＴ＝Ｋｔ−１ｏ　　（５ＩＮ（ｂ）　・Ｃ０５（ｂ＋ｅ
）＋Ｃ０５（ｂ　）　　・５ＩＮ（ｂ　＋　ｅ　）　）
＝　Ｋｔ　　・Ｉ　ｏ　　・５ＩＮ（ｅ　）　　　　　
　　（２）となる。このことはコイル３．４の合成した
起磁力が、第９図の９１に示すようにｂ＋ｅの位置に形
成されることを意味する。そして本位置制御装置では現
在位置と目的位置の偏差に応じて複数個のコイルの合成
起磁力の位相を制御していることになる。すなわち、（
２）式より変数ｅを制御することにより発生トルクＴを
変化させて位置決め特性を持たせることができる。また
、（２）式より発生トルクＴでは変数ｅに関して正弦関
数となっているのでｅ＝π／２のとき発生トルクＴは最
大加速トルクとなり、逆にｅ＝−π／２のとき発生トル
クＴは最大減速トルクとなることが分かる。したがって
変数ｅの絶対値がπ／２を越えたときには変数ｅの絶対
値をπ／２に制限することが望ましい。

そうすることにより効率よくトルクを発生させることが
できる。第５図の処理６４および処理６５が変数ｅの絶
対値を制限するためのもので、ｅｍａＭを適当に選ぶこ
とにより変数ｅの絶対値をπ／２に制限することができ
る。

処理５６でフラグＦＬＣがリセットされているときは処
理５９により、操作電気角度演算手段８は比較手段の出
力する偏差信号Ｃの比例信号、微分信号、および積分信
号を合成することによって電気角度ｉ１ｅを得ている。

したがって微分信号の作用によって電気的にダンピング
を付与することができるので位置決め時に発生する回転
子の振動をなくし整定時間を大幅に短縮することができ
る。さらには電気角度量ｅに含まれる積分信号の作用に
よって目的位置ａと現在位置すとの間に発生する定常偏
差を零にすることができる。これは次の理由による。す
なわち、摩擦あるいは負荷によって目的位置ａと現在位
置すに偏差が発生したときは、偏差信号ｃ　（＝ａ−ｂ
）が零でないため（１）式第３項により積分信号は時間
とともに増加し現在位置すを目的位置ａに徐々に近づけ
る。そして偏差信号Ｃが零になったとき安定するため、
定常偏差を発生しない。

次に操作電気角度演算手段８に処理５６．５７、Ｓ８を
含めず、常に処理５９の制御演算を行って電磁駆動装置
の位置決め制御を行った場合の動作について説明する。

第１８図は電磁駆動装置の回転位置すのステップ応答波
形と操作電気角度演算手段８で得られた電気角度量ｅの
波形を示したものである。第１８図（Ａ）においてａは
ステップ状の目的位置指令を示したもので、ｂは電磁駆
動装置の回転位置を示したものである。第１８図（Ｂ）
において電気角度ｌｅの波形がステップ駆動開始の過渡
時にしばらく平坦になっているのは、処理６４および処
理６５により変数ｅの絶対値を制限したためである。図
より明かなように電磁駆動装置の回転位置は極めて大き
なオーバシュートを生じ、目的位置ａに整定するのに長
時間を要する（整定時間ｔｓ）。しかもこの現象は電磁
駆動装置の発生トルクが小さいほど顕著に現れる。それ
は以下の理由による。すなわち、ステップ状の目的位置
指令ａに対して電磁駆動装置が目的位３ａまで加速され
ようとするが、電磁駆動装置自身の発生トルクが小さい
ときには目的位１ｊａまで移動するのに時間を要し、そ
の間、（１）式で表される積分信号は加算積分されて過
大となる。そして１ｉ磁駆動装置の回転位置すが目的位
置ａに到達した時点では積分信号は零でないため、積分
信号が零になるまで電磁駆動装置の回転位置すはオーバ
シュートすることになる。

次に本発明のように操作電気角度演算手段８に処理５６
．５７．５８を含め、処理５６によりフラグＦＬＧがセ
ットされているか否かに応じて、制御演算を変更する場
合について説明する。

第１８図の場合と同様に電磁駆動装置をステップ駆動さ
せたときは、電気角度量ｅはステップ駆動開始の過渡時
には処理６４および処理６５により変数・ｅの絶対値は
制限され、同時に処理６６によりフラグＦＬＧがセット
される。その結果、処理５６でＦＬＧ＝１のため、処理
５７により操作電気角度演算手段８は比較手段の出力す
る偏差信号Ｃの比例信号と微分信号のみを合成すること
によって電気角度量ｅを得ている。しかも処理５８では
処理５３で得られた積分の演算結果Ｓ７を零にする。し
たがって（１）式で表される積分信号が加算積分されて
過大となることはなく、電磁駆動装置の回転位置すが目
的位置ａに到達した時点では既に積分信号は零であり、
電磁駆動装置の回転位置すはオーバシュートすることは
ない。次に電磁駆動装置の回転位置すが目的位置ａに整
定して、目的位置ａと現在位置すの偏差信号ｃ　（＝ａ
−ｂ）の絶対値が所定値ε内に収まれば処理６７および
処理６８によりフラグＦＬＧはリセットされる。したが
って、それ以降は処理５６．５９により、操作電気角度
演算手段８は比較手段の出力する偏差信号Ｃの比例信号
、微分信号、および積分信号を合成することによって電
気角度ｆｔｅを得ている。したがって電気角度量ｅに含
まれる積分信号の作用によって目的位ｉ１ａと現在位置
すとの間に発生する定常偏差を零にすることができる。

第１９図は本発明の電磁駆動装置の回転位置すのステッ
プ応答波形と操作電気角度演算手段８で得られた電気角
度量ｅの波形を示したものである。

第１９図（Ａ）においてａはステップ状の目的位置指令
を示したもので、ｂは電磁駆動装置の回転位置を示した
ものである。第１９図（Ｂ）において電気角度ｉ１ｅの
波形がステップ駆動開始の過渡時にしばらく平坦になっ
ているのは、処理６４および処理６５により変数ｅの絶
対値を制限したためである。

また、図より明らかなように本発明の電磁駆動装置では
回転位置は第１８図で見られるようなオーバシュートを
発生せず、目的位置ａに短時間で整定することが分かる
（整定時間ｔｓ）。

なお、上述の実施例において、電磁駆動装置の機構部分
には従来のステッピングモータすべてを適用することが
できる。すなわち、第４図に示すようなハイブリッドＰ
Ｍ形ステッピングモータや、第１５図に示すような回転
子コア１５０、固定子コア２ともに一定のピッチで刻ま
れた磁掻歯を有する磁性体よりなるＶＲ形ステッピング
モータや、第１６図に示すように回転子が多極着磁され
た磁石１６０よりなるＰＭ形ステッピングモータとして
もよい。また、第１４１．Ｎの実施例において、バイア
ス磁界を発生する磁石１４０は回転子側に設けられてい
るが、第１７図に示すようにバイアス磁界を発生する磁
石１７０を固ご子側に設けてもよい。また、実施例では
２相コイルのステッピングモータとしているが他の３相
以上のステッピングモータとしても同様の効果を（）る
ことができる。また、実施例では２相の位置信号を出力
する位置信号発生手段を適用したが３８１以上の位置信
号を出力する位置信号発生手段を１δ用しても同様の効
果を得ることができる。

なお、以上の説明では、電磁駆動装置として回転型のモ
ータを使用して本発明の詳細な説明したが、もちろん、
リニアモータのような直線運動をする駆動源を使用して
も適用することができることは言うまでもない。また、
以上の説明ではモータの回転位置の位置信号発生手段は
モータの回転軸に直結されているものとしたが、モータ
の回転にしたがって駆動される可動部材に取り付けても
可能なことは言うまでもない。

発明の効果以上述べたように、本発明の位置制御装置は、位置検出
手段により常に回転子の現在位置を高分解能で検出して
いる。また本発明の位置制御装置は、比較手段により現
在位置と目的位置指令とを比較し、その偏差量をもとに
操作電気角度演算手段により電磁駆動装置に対する電気
角度量を演算する。そしてその電気角度量を操作量とし
て関数発生手段を介して駆動手段に供給することにより
現在位置と目的位置の偏差に応じて複数個のコイルの合
成起磁力の位相を制御している。その結果、目的位置に
対して振動およびオーバシュートを極力押さえた状態で
、素早く整定させることが可能となり、位置制御装置で
必要とされる即応性が得られる。

さらに、本発明の位置制御装置は、位置決め整定後に操
作電気角度演算手段に積分信号を容易に加えることが可
能で、定常状態において外乱負荷に対しても定常偏差の
発生しない高精度な位置決め精度を実現することができ
る。

したがって、本発明により、例えば磁気ディスク装置ま
たはプリンタの駆動源として使用するならば、高速で、
高精度、かつ高分解能の位置決め性能を容易に実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における位置制御装置の構成
図、第２図は第１図の比較手段、操作電気角度演算手段
、関数発生手段の具体的な構成を示す構成図、第３図は
第２図のメモリのＲＯＭ　ｊＪＩ域に格納されている内
蔵プログラムの基本フローチャート、第４図、第５図、
第６図は第３図の各処理の詳細なフローチャート、第７
図は第１図の位置検出手段の一実施例のブロック図、第
８図は第７図の変調回路を示す回路図、第９図は位置制
御装置のトルク発生機構を示すための概念図、第１０図
は従来における位置制御装置の原理図、第１１図は第１
０図の位置制御装置の駆動回路図、第１２図は第１０図
の位置制御装置の発生トルク分布図、第１３図は第１０
図の位置制御装置の位置決めの整定性を示すグラフ、第
１４図、第１５図、第１６図、第１７図は位置制御装置
の主要機構部を示す構成図、第１８図、第１９図は位置
制御装置の応答波形を示す波形図である。１・・・・・・第１部材、３．４・・・・・・コイル、
５・・・・・・位置信号発生手段、６・・・・・・位置
検出手段、７・・・・・・比較手段、８・・・・・・操
作電気角度演算手段、９・・・・・・関数発生手段、１
０・・・・・・駆動手段。代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名／−−−第
１Ｏ材３、４−−−コイル５−−−イ立置イ言号兆生手段６−−−イ立孟」食あ子役７一−−上ヒ較手ε乏 δ゛−株作電気角度５寅算手段９−関数発生子役ｂ ◇ 第図第図第図第図第図第嘉１２ｒＸＪ発生トルク第１３ｒＸＪ θ 図３′？第１０図第１１図第１４図／４３第１５図／４３第１６■ 第１７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）磁性体もしくは磁石の少なくとも一方を備えた第
１部材と、前記第１部材と所定の空隙を介して対向する
磁性体コアと複数個のコイルを備えた第２部材とを含ん
でなる電磁駆動装置と、前記第１部材と前記第２部材と
の空隙を維持しその相対運動を自在ならしめる支持手段
と、前記第２部材に対する前記第１部材の相対的な現在
位置を認識する位置検出手段と、外部からの目的位置指
令信号と前記位置検出手段の出力する現在位置信号との
偏差に応じた偏差量を出力する比較手段と、前記電磁駆
動装置に対する操作量として前記偏差量より電気角度量
を演算する操作電気角度演算手段と、前記装置量より互
いに位相の異なる複数相の信号を出力する関数発生手段
と、前記複数相の信号をそれぞれ増幅して前記複数個の
コイルに電流を供給する駆動手段とを含めて構成され、
前記操作電気角度演算手段は前記偏差量に比例した比例
量と前記偏差量を時間微分して得られた微分量と前記偏
差量を時間積分して得られた積分量とを加算した電気角
度量を演算して前記電気角度量が所定の範囲内にあるか
否かを判別し所定の範囲内にあるときは前記電気角度量
をそのまま操作量として出力し、前記電気角度量が所定
の範囲を越えたときは所定値に制限した値を操作量とし
て出力し、前記電気角度量が所定の範囲を一旦越えたと
きは前記比較手段の出力する偏差量が所定の範囲内に収
まるまで前記偏差量に比例した比例量と前記偏差量を微
分した微分量とを加算して操作量を出力するように構成
されたことを特徴とする位置制御装置。
（２）第１部材は一定のピッチで刻まれた磁極歯を有す
る磁性体を含み、第２部材は前記第１部材対向面に複数
の磁極歯群を備えた磁性体コアと該磁性体コアに巻かれ
た複数個のコイルとを含めて構成されたことを特徴とす
る請求項（１）記載の位置制御装置。
（３）第１部材は一定のピッチで刻まれた磁極歯を有す
る磁性体とバイアス磁界を発生する磁石を含めて構成さ
れ、第２部材は前記第１部材対向面に複数の磁極歯群を
備えた磁性体コアと該磁性体コアに巻かれた複数個のコ
イルとを含めて構成されたことを特徴とする請求項（１
）記載の位置制御装置。
（４）第１部材は一定のピッチで刻まれた磁極歯を有す
る磁性体を含み、第２部材は前記第１部材対向面に複数
の磁極歯群を備えた磁性体コアと該磁性体コアに巻かれ
た複数個のコイルとバイアス磁界を発生する磁石とを含
めて構成されたことを特徴とする請求項（１）記載の位
置制御装置。
（５）第１部材はその第２部材に対向する面に多極着磁
された磁石を含み、第２部材は前記第１部材に対する面
に複数の磁極歯群を備えた磁性体コアと該磁性体コアに
巻かれた複数個のコイルとを含めて構成されたことを特
徴とする請求項（１）記載の位置制御装置。
（６）位置検出手段は第２部材に対する第１部材の相対
位置を検出し互いに位相の異なる略正弦波状の複数相の
位置信号を出力する位置信号発生手段を備え、前記位置
信号によって変調されるキャリア信号を発生するキャリ
ア信号発生手段と、該変調されたキャリア信号の位相情
報を復調する復調手段を含めて構成されたことを特徴と
する請求項（１）記載の位置制御装置。
（７）関数発生手段は一定の関数に従ったデータをテー
ブル化したメモリ手段を備え、操作電気角度量に応じて
前記メモリ手段から前記一定の関数に従ったデータを読
み出し、互いに位相の異なる複数相の信号を出力するよ
うに構成されたことを特徴とする請求項（１）記載の位
置制御装置。
（８）関数発生手段の関数は複数相の略正弦波とした請
求項（７）記載の位置制御装置。
（９）比較手段、操作電気角度演算手段および関数発生
手段は処理内容に従ったプログラム・データを保存する
メモリ手段と、前記プログラム・データに従って処理を
実行する演算処理ユニットより構成されたことを特徴と
する請求項（１）記載の位置制御装置。