JPH0479795A - ステッピングモータ閉ループ制御回路 - Google Patents

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１ 本発明はステッピングモータ閉ループ制御回路に関する
。

［従来の技術１ ステッピングモータは印カロされたパルス数に対応した
変位を生ずるという特徴をもつことから、オーブンルー
プによる位置決め制御量や送り機構などに多く使用され
ている。しかし、ステッピングモータの制御パラメータ
が駆動パルス数と駆動パルスレートであることから、不
規目りに変化する目標値への追従制御には馴染まない面
があり、そのような分野への適用例は余り見られないの
が実状である。すなわち、本来、モータ速度はモータが
発生ずるトルクと負荷条件から決定される従属変数であ
るが、それにもかかわらず、ステッピングモータの制御
では、そのモータ速度を駆動パルスレートという形で独
立変数として与えるため、励磁相と実際のロータ位相と
の間に不適切な位相差が生じ、これが脱調を引き起こし
、制御特性を損ねる原因となっている。この理由により
、ステッピングモータの用途は、脱調を起こさないパル
スレートの範囲があらかしぬ明らかなオーブンループ制
御の分野が玉流となっていた。

その中で、ステッピングモータの位置決め、追従制御系
への適用を目的とした一例として、第３図に示されるよ
うなステッピングモータ閉ループ制御回路が提案されて
いる（野中「ステッピングモータによる位置決め　追従
制御　−アンテナ指向方向制御系への適用−」、第２４
回計測自動制御学会学術講演会予稿集、　Ｎｏ、３１０
３．１９８５年７月）。

同図はトルク制御方式と呼ばれるステンビングモータ閉
ループ制御アルゴリズムの一例を示すブロック図である
。目標値入力端子１に加えられた目標値θ。は弁別器２
において後述の検出器１１から加えられる制御量（後述
のステッピングモータ７によって駆動される制御対象１
０の駆動量）の測定値θとの差（ｅ−θ。−〇）がとら
れ、誤差信号ｅとして出力される。誤差信号ｅは一方で
はそのままリードアングル決定回路１４に供給され、他
方では微分回路３に入力され時間微分されｄｅ／ｄｔと
してリードアングル決定回路１４に入力される。リード
アングル決定回路１４は弁別器２から与えられる誤差信
号ｅと微分回路３から与えられる誤差信号の微分値ｄｅ
／ｄｔに後述の検出器９から与えられる後述のステッピ
ングモータ７の口−り速度の大きさを加味してリードア
ングルの極性と大きさを決定し、励磁相決定回路５番こ
供給する。但し、四〜夕速度情報はロータの速度が大き
い時のコイル電流の立ち上がり、立ち下がりの遅れを補
償するためにリードアングルの大きさを修正するための
ものであり、リードアングルを決定する上で必要不可欠
なものではない。ここで。

ノードアングルとはステッピングモータのコイルを励磁
する場合における現時点のロータ位相と励磁されるコイ
ルの位相との差をステッピングモタのステップ数で表し
たものであり、その大きさを変化させることによりステ
ッピングモータが発生する駆動力を制御することができ
る。ここでは、現時２壱のロータ位相に対して励磁され
るコイルの相がどちらの向きにあるかに対応させてリド
アングルにも極性を付与して考えている。励磁相決定回
路５は後述の検出器９から与えられる後述のステッピン
グモータ７の現時点におけるロータ位相を基準にして、
リードアングル決定回路１４から与えられるリードアン
グルに対応する励磁相を選択してその結果を駆動回路６
に供給する。駆動回路６はステッピングモータフの各相
コイルのうち、励磁相決定回路５から指示されたコイル
に電流を供給してステ・ンピングモータ７に回転または
ホールドのトルクを発生させる。ステッピングモータ７
にはロータの絶対位相（電気角）を検出するためのロー
タリーエンコーダ８が取り付けられており、その出力は
検出器９へ供給される。検出器９ではロータリーエンコ
ーダ８からの信号を受けてロータの絶対位相を表す信号
とロータの速度を表す信号を作り、それぞれ励磁相決定
回路５とリードアングル決定回路１４に供給する。また
、ステッピングモータ７には負荷として制御対象１０が
取り付けられており、その制御量１Ｍは検出器１１で検
出されて弁別器２へ供給されるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

第３図に示す回路は上述のように動作し１発生トルクを
直接制御しているためステッピングモタの脱調が生じな
いという重要なｆす、屯があるかノードアングル決定回
路１４において（ｅ　−ｄｅ／ｄｔ、　）平面上の各点
でのリードアングルを具体的にどのような値にすれば良
いのかを示す理論的基盤が明確ではない。

ノードアングルの符号と大きさは、定性的には例えば第
４図に示すように定めれば良いことは一ト記引用文献に
も示されている（この図ではロータ速度は考慮されてい
ない）。この関係はつぎのような説明から容易に得られ
る。第５図はｅ−００−〇、（ｅ・・・誤差信号、θ。

・・・目標値、θ・・・制御量）に基づいて、位相平面
の各象限における目標値θ。と制御量θの相対関係の時
間的な変化を模式的に描いたものであるにこで、制＠Ｍ
θを正の向きに加速する駆動力を正の駆動力、制御量θ
を負の向きに加速する駆動力を負の駆動力とする。目標
値に対する追従特性を向上させるためには、ｅとｄｅ／
ｄｔとの関係が第５図の第１象限にある時は正の駆動力
、第３象限にある時は負の駆動力を発生させる必要があ
り、かつ、１ｅｔｄｅ／ｄｔ　ｌが大きい時はその駆動
力の絶対（１ｎを大きくする。必要があることが容易に
わかる。また、第４象限にある場合、１ｅ］が太きく　
ｌ　ｄｅ／ｄｔが小さい時はさらに加速するために正の
駆動力を発生する必要があり、ｌｅｌが小さく　ｌ　ｄ
ｅ／ｄ＋が大きい時は行き過ぎを避けるために制動をか
けなければならないから負の駆動力を発生する必要があ
ることがわかる。したがって、第４象限にはｅｌが大で
ｌｄｅ／ｄｔｌが小の領域と、ｔｅｌが小でｌｄｅ／ｄ
ｔＩが大の領域の間に駆動力の極性を変化させるべき境
界線が存在することがわかる。

また、この境界線から離れた状態では駆動力を大きくし
、境界線近傍の状態では駆動力を小さくする方が良いこ
ともわかる。第２象限についても第４象限と同様のこと
が言える。以上に基づいて、リードアングルの符号と大
きさを位相平面上で定性的に表したものが第４図である
。第４図において、Ａ−Ｂは駆動力（リードアングル）
の極性を変化させる境界線を示している。しかし、ここ
で問題となるのは１位相子面上でのリードアングルの定
性的な与え方は解るが、具体的な値を決定するのが困難
であると言う点である。すなわち、個々の事例について
、与えられたステツビングモタと負荷の特性に対して（
ｅ−ｄｅ／ｄｔ　）平面上の各７点でのリードアングル
の値を解析的な方法で具体的に決定することは難しく、
結局は実験を繰り返しながら試行錯誤的に決めざるを得
ない。これはステッピングモータが複雑な動特性を持っ
ており、モデル化の難しさが大きな原因となっていると
考えられる。

以上の説明かられかるように、従来のステッピングモー
タ閉ループ制御回路はリードアングル決定法が理論的に
明かになっていないため、個々の事例ごとに試行錯誤的
に制御系のチューニングを行わなければならず、かなり
の時間と労力を必要とするという欠点があった。

本発明の目的は、リードアングルの符号と大きさの決定
のために、個々の事例ごとに試行錯誤的に制御系のチュ
ーニングを行なう時間と労力を必要としないステッピン
グモータ閉ループ制］卸回路を提供することである。

［課題を解決するための手段１ 本発明のステッピングモータ閉ループ制御回路は、リー
ドアングルデータ発生手段がリードアングル決定根拠に
ファジィ推論を用い、前件部変数として詰差信号と前記
誤差信号の時間微分値を後件部変数としてリードアング
ル値そのもの、あるいはリードアングルの修正量をとる
ことにより、ある時点での誤差信号と該誤差信号の時間
微分値が測定されると、ファジィ制？卸規則に基づいて
リードアングルあるいはリードアングルの修正量を決定
する。

［作用］ 前件部変数として誤差信号と誤差信号の時間微分値が測
定されると、ファジィ制御規則に基づいてリードアング
ル値そのもの、あるいはリードアングルの修正量をとっ
てファジィ推論を用いてリードアングルあるいはリード
アングルの修正量が決定されるので、リードアングルの
符号と大きさの決定のために、個々の事例ごとに試行錯
誤的に制御系のチューニングを行なう必要がない。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明のステッピングモータ閉ループ制御回路
の一実施例のブロック図、第２図は第１図のリードアン
グル決定回路４で用いられるメンバシップ関数を示す図
である。

このステッピングモータ閉ループ制御回路は第３図のリ
ートアングル決定回路］４の代りにり−トアングル決定
回路４が使用されている。リードアングル決定回路４は
誤差信号ｅとその時間微分値ｄｅ／ｄｔからリートアン
グルを決定する際にファジィ推論を用い、前件部変数と
して誤差信号ｅとその時間微分値ｄｅ／ｄｔをとり、後
件部変数としてリートアングル値そのもの、あるいは、
リートアングルの修正量をとる。ある時点での誤差信号
ｅとその時間微分値ｄｅ／ｄｔが測定されると、リート
アングル決定回路４はファジィ制御規則とファジィ推論
に基づいてリートアングル、あるいは、その修正量を決
定する。すなわち、例として表１に示すような１３個の
ファジィ制御規則を適用する場合を考える。

表１ 表１に示されたファジィ制御規則の一部な１ｆ−ｔｈｅ
ｎ型で表現すると次のようになる。

［制御規則］ Ｒｕ１ｅ＋　：　ｉｆ　ｅ＝ＰＢ　ａｎｄ　ｄｅ／ｄｔ
＝ＺＯｔｎｅｎ　ｄＵ＝ＰＢＲｕｌｅｚ　：　ｉｆ　ｅ
＝ＰＭ　ａｎｄ　ｄｅ／ｄｔ＝Ｚｏ　ｔｎｅｎ　ｄｌｌ
＝ＰＭＲｕｌｅ、　：　　ｉｆ　　ｅ；Ｐｓ　　ａｎｄ
　　ｄｅ／ｄＬ＝ｚＤ　　ｔｎｅｎ　　ｄｌにＰｓＲｕ
ｌｅ＋２：　　ｉｆ　　ｅ：２０　　ａｎｄ　　ｄｅ／
ｄｔ＝ＮＭ　　ｔｎｅｎ　　ｄＵ−ＮＭＲｕｌｅ＋ｘ：
　　ｉｆ　　ｅ−Ｚｏ　　ａｎｄ　　ｄｅ／ｄｔ＝ＮＢ
　　ｔｎｅｎ　　ｄＵ＝ＮＢここで、ｅ　、　ｄｅ／ｄ
ｔ、　ｄｌｌはそれぞれ誤差、諸差の変化率、リードア
ングルの修正量を表すファジィ変数である。また、ＰＢ
（正で大）ＰＭ（正で中位）、Ｐｓ　Ｃ正で小）、２０
（零位）。

ＮＳ（負で小）、ＮＭ（負で中位）、ＮＢ（負で大）は
あいまいな大きさを表すファジィ集合であり、そのメン
バシップ関数は例えば第２図のように表される。

ある時点で誤差ｅと誤差の変化率ｄｅ／ｄｔが測定され
ると、ファジィ推論法により、そのデータと上記１３個
の制御規則との適合度が求められ、それぞれの制御規則
に対応してリードアングル修正量を表す１３個のファジ
ィ集合が得られる６それらのファジィ集合は１つのファ
ジィ集合に合成された後、重心法などの１５屯化法によ
り制御規ｕ１ノ全体の推論結果としての代表値に変換さ
れ、その値がリードアングルの修正量とされる。このフ
ァジィ推論法としてはＭａｍｄａｎ　ｉの方法を始めと
して種々の方法が提案されている。

リートアングル決定回路４で決定されたリートアングル
、あるいはリートアングルの修正量とステッピングモー
タのロータ絶対位相の検出結果を用いて励磁相を決定し
、ステッピングモータの発生する駆動力の向きと大きさ
の制御を行うことは第１図の場合と同様である。

以上の説明では、リートアングル決定回路４は誤差信号
ｅとその変化速度ｄｅ／ｄｔのみを用いてリートアング
ル修正量を決定していたが、さらに、ステッピングモー
タのロータ回転速度を前件部変数に加えることにより、
ロータが高速で回転している時の駆動電流の立ち上がり
、立ち下がりの遅れを補償し、トルクを十分に発生させ
るようにリードアングル修正量を調整することが可能で
ある。その場合のファジィ制御規則の１ｆ−ｔｈｅｎ型
表現は、現在のロータ回転速度なｄθ／ｄｔで表すと、
例えば Ｒｕ１ｅ、　　：　　ｉｆ　ｅ＝ＰＭ、ｄｅ／ｄｔ＝Ｚ
ｏ　ａｎｄ　　ｄθ／ｄｔ＝ＰＢ七ｎｅｎ　　ｄＬＩ＝
ＰＢ のようになる。

本実施例のステッピングモータ閉ループ制御回路では、
ステッピングモータの動特性を定量的に把握できなくて
もリートアングル決定回路がファジィ推論を用いて具体
的に１）−トアングルを決定するので、制御系のチュー
ニングに要する時間と労力を大幅に減少させることがで
きる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、前件部変数として誤差信
号と該誤差信号の時間微分値を、また、後件部変数とし
てリードアングル値あるいはり一トアングル値の修正量
を取り、ファジィ推論を用いてリートアングル値あるい
はその修正量を決定することにより、個々の事例ごとに
ステッピングモータや負荷の動特性モデルが定量的に同
定できなくても比較的容易にリードアングルを決定する
ことができるので、試行錯誤的に実験を繰り返し、時間
と労力をかけて制御系のチューニングを行なう必要がな
くなる効果があり、さらに、前件部変数に現時点のロー
タ回転速度を追加した場合は、ロータ高速回転時のステ
ッピングモータ駆動力の低下分を補うようなり一トアン
グルデータの補正を容易に行なうことができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のステッピングモータ閉ループ制御回路
の一実施例のブロック図、第２図は第１図のリートアン
グル決定回路４て用いられるメンバシップ関数を示す図
、第３図はステッピングモータ閉ループ制御回路の従来
例のブロック図、第４図は誤差信号ｅおよびその時間微
分値ｄｅ／ｄｔとリートアングルデータとの定性的な対
応関係の一例を示す図、第５図は誤差信号ｅとその時間
微分値ｄｅ／ｄｔの極性に関して目標値θ。と制御量θ
の相対関係の時間的変化の様子を模式的に描いた図であ
る。 １・・・目標値入力端子、 ２・・・弁別器、 ３・・・微分回路、 ４・・・リードアングル決定回路、 ５・・・励磁相決定回路、 ６・・・駆動回路、 ７・・・ステッピングモータ、 ８・・・ロータリーエンコーダ、 ９．１１・・・検出器、 １０・・・制御対象。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．ステッピングモータによって駆動される制御対象の
   制御量を検出する制御量検出手段と、該制御量検出手段
   が出力する制御量検出データと制御目標値との差である
   誤差信号を出力する弁別器と、前記誤差信号の時間微分
   値を出力する微分回路と、前記誤差信号と前記誤差信号
   の時間微分値とを用いてリードアングルデータを出力す
   るリードアングルデータ発生手段と、前記ステッピング
   モータの現時点のロータ位相を検出するロータ位相検出
   手段と、該ロータ位相検出手段が検出したロータ位相を
   基準にして、前記リードアングルデータに対応する励磁
   相を選択する励磁相選択手段とを備えるステッピングモ
   ータ閉ループ制御回路において、 数として前記誤差信号と前記誤差信号の時間微分値を、
   後件部変数としてリードアングル値そのもの、あるいは
   リードアングルの修正量をとることにより、ある時点で
   の誤差信号と該誤差信号の時間微分値が測定されると、
   ファジィ制御規則に基づいてリードアングルあるいはリ
   ードアングルの修正量を決定することを特徴とするステ
   ッピングモータ閉ループ制御回路。
2. ２．前記ステッピングモータの現時点のロータ回転速度
   を前件部変数に追加することにより、ロータ高速回転時
   の前記ステッピングモータの駆動力低下分を補うような
   補正を、リードアングルデータに対して施すリードアン
   グルデータ発生手段を有する請求項１記載のステッピン
   グモータ閉ループ制御回路。