JPH05125980A - ステツピングモータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、停止位置を高精度に確保できるよ
うにすると共に、モータ発発熱の抑制も考慮できるよう
にしたステッピングモータの制御装置を提供することを
目的とする。 【構成】ステップ201 でモータ停止命令が確認されたな
らば、ステップ202 でその停止位置における励磁相を確
認する。そして、ステップ203 でこの停止位置における
励磁相が２相であることが確認されたならば、ステップ
204 でこの２相励磁に最適なチョッピングデューティ
（ｘ％）を設定し、ステップ205 で同じくチョッピング
周波数（ｘＨz ）を設定する。ここで、チョッピングデ
ューティはモータ発熱の限界を考慮して選定し、またチ
ョッピング周波数は、モータ発熱と共にモータトルクを
考慮して選定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、特にステッピングモ
ータをホールド位置に移行する過程で、発熱問題に対処
した状態で正確な停止位置が設定されるようにしたステ
ッピングモータの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、スタッピングモータを特定さ
れる位置でホールド制御する場合、励磁相に供給される
励磁電流をチョッピング制御することが知られている。
このチョッピング制御は、モータの励磁相に供給される
平均電流を抑制し、モータが発熱して温度が上昇される
ことを防止することを目的として行われる。しかし、２
相励磁方式において、ホールド制御するに際して１相チ
ョッピング制御を行わないと、発熱が問題となるような
場合、２相励磁を１相励磁に切り替えるものであり、こ
のためモータの停止位置がずれるようになる。

【０００３】この様な１相チョッピング制御について説
明すると、従来の１相チョッピング制御は、モータの発
熱を抑制することを目的としているものであるため、固
定周波数および固定デューティ（例えば５０％）によっ
て、１相励磁および無励磁を繰り返すようにしている。
すなわち、モータに供給される平均電流を下げて、この
モータにおける発熱を抑制している。

【０００４】図１１はこの様な１相チョッピング制御の
状態を説明するタイミングチャートを示しているもの
で、例えばｂおよびｃの２相励磁の状態で矢印で示すモ
ータの停止指令を検出したものとする。この停止指令ポ
イントでｂ相またはｃ相で１相チョッピンク制御を行う
と、目標停止位置からずれた位置で停止する。

【０００５】高度の精度が要求されるコージェネレーシ
ョンシステム等の、例えば内燃機関のスロットルバルブ
制御にステッピングモータを使用した場合、内燃機関の
回転数を目標となる回転速度に安定させることを目的と
している。この様な状況で使用された場合、ステッピン
グモータの停止位置に位置ずれが発生すると、内燃機関
の回転数を目標回転数に安定させることができない。

【０００６】この様な回転数制御のみならず、ステッピ
ングモータを用いて高度の精度の制御を行なわせる場
合、ステッピングモータの目標停止位置に対して実際の
停止位置にずれが発生することは、制御システム全般に
おいて大きな問題となる。

【０００７】図１２を用いて、１相チョッピンク制御に
よって停止位置にずれが発生する原因について説明す
る。図１１おいてｂ相およびｃ相の２相励磁状態で発生
されたステッピングモータの停止指令ポイントは、図１
２の正転駆動時のＡで示すポイントに相当する。図１１
における１相チョッピング制御への移行は、図１２にお
ける逆転駆動時のＡポイントからＢポイントへの移行に
相当する。すなわち、ｂ相およびｃ相の２相励磁から、
ｂ相のみの１相励磁への移行となる。

【０００８】したがって、このステッピングモータの目
標停止位置Ａに対して、この１相のチョッピング位置Ｂ
は、図１２で示したモータ開度のタイミングチャート上
で比較すると、１ステップ位置ずれが発生したことにな
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、ステッピングモータの発熱
等を考慮した状態で、目標停止位置に正確に停止制御す
ることができるステッピングモータの制御装置を提供し
ようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係るステッピ
ングモータの制御装置にあっては、目標停止位置に対応
した励磁相を記憶し、この時の励磁相が１相であるか２
相であるかを判定している。そして、この判定された相
数にそれぞれ対応して、最適なチョッピングデューティ
およびチョッピング周波数を選定し、この選定されたチ
ョッピングデューティおよびチョッピング周波数によっ
て、前記目標停止位置における励磁相をチョッピング制
御するようにしている。

【００１１】

【作用】この様に構成されるステッピングモータの制御
装置によれば、例えば停止指令が発生された時点で、ス
テッピングモータが２相励磁の状態にあったとすると、
この２相が選定されたチョッピングデューティおよびチ
ョッピング周波数によってチョッピング制御される。こ
の様に２相チョッピング制御を行うと、１相チョッピン
グの問題点が解決され、またチョッピンク相数に応じて
チョッピングデューティおよびチョッピング周波数が選
定されるものであるため、モータの発熱も効果的に抑制
されるようになる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１はその構成を示すもので、例えばスロッ
トルバルブを駆動するアクチュエータ機構を構成するス
テッピングモータの駆動判定のための入力情報が発生さ
れ、この入力情報は制御装置12に入力される。

【００１３】この制御装置12は、入力情報に基づく演算
処理を容易にするために演算信号に変換するインターフ
ェース回路121 を備え、このインターフェース回路121
で変換された信号は演算装置122 に入力する。この演算
装置122 では, ステッピングモータの駆動方向、駆動量
等を演算するもので、この演算装置122 から出力される
駆動信号は、モータ駆動回路123 で直接ステッピングモ
ータを駆動できるモータ駆動信号に増幅する。そして、
このモータ駆動回路123 によって、ステッビングモータ
13の例えば４相の励磁コイルａ〜ｄに駆動信号を供給す
る。

【００１４】図２はこの様な装置によって駆動されるス
テッピングモータ13の使用される例を示すもので、この
ステッピングモータ13によってスロットルバルブ21を駆
動するスロットルアクチュエータ22を構成するようにし
ている。

【００１５】スロットルバルブ21は内燃機関23の吸気管
24に設けられ、内燃機関23に対する吸気量を可変制御
し、この内燃機関23の回転数を制御するようになる。そ
して、スロットルアクチュエータ21は制御装置12からの
指令によって駆動されるようにする。

【００１６】図３はステッピングモータ13のチョッピン
グ制御の内容を説明するためのもので、この例では１−
２相励磁（ハーフステップ制御）によるステッピングモ
ータの正転制御から、チョッピング制御への切換え時の
タイミングチャートを示している。

【００１７】この図においては、正転制御状態において
ｂ相およびｃ相の２相励磁のタイミングにおいて、モー
タの停止指令が発せられる。この様なモータ停止指令が
検出されると、励磁されているｂ相およびｃ相の２相で
チョッピングを開始し、その時のチョッピングデューテ
ィはｘ％とされる。このチョッピングデューティｘ％
は、チョッピンクされる相数によって選定される。

【００１８】なお、１相励磁のタイミングでモータ停止
が指令された場合は、従来と同様にその励磁されていた
相において、１相のチョッピングが開始される。この場
合のチョッピングデューティは、１相チョッピングに対
応してｙ％に選定される。

【００１９】図４は図２で示したような例に適用する場
合の演算装置122 における制御の流れを示すもので、ス
ロットルアクチュエータ22を駆動するステッピングモー
タの駆動判定ルーチンを示している。

【００２０】このルーチンは内燃機関の例えば１８０°
クランク角毎に実行されるもので、最初のステップ101
で機関の目標回転数NEO と、実際の機関回転数NEとを比
較する。このステップ101 で、目標回転数NEO が機関回
転数NEより小さいと判定されたとき、すなわち機関回転
速度が目標値より大きい場合は、ステップ102 に進んで
ステッピングモータを閉方向へ駆動命令する。そして、
内燃機関の出力低下を図る。

【００２１】ステップ101 で、目標回転数NEO に機関回
転数NEが達していないと判定されたとき、すなわち“Ｎ
ＥＯ≧ＮＥ”の関係であり、機関回転速度が目標値より
低い状態のときには、ステップ103 に進んで機関回転数
NEが目標回転数NEO より大きいか否かを判定する。この
ステップ103 で“ＮＥＯ＞ＮＥ”であると判定されたと
きは、ステップ104 に進んでステッピングモータを開方
向に駆動命令する。

【００２２】また、ステップ103 で機関回転数NEが目標
回転数NEO より高くなく、すなわち目標回転数NEO と機
関回転数NEが等しい状態と判定されたときは、ステップ
105に進んで、ステッビングモータを停止命令により停
止させ、“ＮＥＯ＝ＮＥ”の関係が継続されるように図
る。

【００２３】図５は例えば４０ms毎に実行されるルーチ
ンであり、チョッピング条件を設定するためにこの処理
が行われるもので、図３で示したタイミングチャートの
例に沿って示されている。

【００２４】まずステップ201 において、図４で示した
処理において、ステップ105 が実行されてステッピング
モータが停止命令中であるか否かを判定する。モータ停
止中と判定されたならば、ステップ202 に進んでステッ
ピングモータの停止位置における励磁相を記憶する。図
３の例ではｂ相およびｃ相の２相が励磁されている。そ
して、次のステップ203 でこの停止時の励磁相が１相で
あるか２相であるかを判定するもので、図３の例のよう
に２相励磁の場合はステップ204 に進む。

【００２５】この様にステップ203 で２相励磁と判定さ
れて進むステップ204 においては、チョッピング制御デ
ューティ、すなわちチョッピング時の励磁時間に相当す
る制御デューティを、２相チョッピングの最適デューテ
ィｘ％に設定する。そして、さらに次のステップ205 で
２相励磁の最適周波数ｘHzを設定する。

【００２６】もし、ステップ203 で１相励磁の状態が判
定されたならば、ステップ206 および207 において、そ
れぞれチョッピング制御デューティおよびチョッピング
周波数を、１相励磁チョッピングの最適値であるｙ％お
よびｙHzの設定する。

【００２７】ここで、１相チョッピングは従来の場合と
同じであるので、従来例で示したチョッピング制御値で
ある“ｙ＝５０％”および“ｙ＝１２５Hz”に設定して
もよい。

【００２８】ステップ204 、205 あるいは206 、207 に
おいてチョッピングの制御条件が設定されたならば、ス
テップ208 においてチョッピング制御を許可し、設定さ
れたチョッピング制御条件に基づいてチョッピンク制御
を実行させる。

【００２９】ステップ201 においてステッピングモータ
の停止命令中ではなく、通常の駆動制御状態であること
が判定されたならば、ステップ209において内燃機関の
運転状態に合ったモータの駆動周波数Ｚを設定する。例
えは、機関が過渡運転中である場合には、スロットルバ
ルブの応答性を上げるように、つまりモータの駆動速度
を上げるようにするものであり、具体的にはチョッピン
グ周波数Ｚの値を上げる制御を行う。そして、ステップ
210 においてはモータが停止状態に設定されているもの
ではないため、チョッピング制御は禁止する。

【００３０】次にチョッピングデューティとモータの発
熱との関係について検討すると、図６の（Ａ）で示すよ
うに１相チョッピングでは平均電流αであって、モータ
の発熱量はＡであったのに対して、同じチョッピンクデ
ューティで行われる２相チョッピングにおいては平均電
流がβとなって、モータの発熱量はその限界を越えたＢ
となる。

【００３１】したがって、２相チョッピング制御におい
ては、モータの発熱抑制のためにモータの発熱限界以下
であるＣ点に設定する必要があり、チョッピング制御し
た場合の平均電流γ（＝ｘ％）の値が求められる。

【００３２】チョッピング周波数について検討すると、
まずチョッピングデューティの説明においては、チョッ
ピンク周波数が同じであるものとして、１相および２相
チョッピングデューティについて説明した。しかし、制
御装置のハード的な構成並びにソフトウエア上の問題よ
り、チョッピングデューティをｘ％まで下げることが困
難であったり、制御分解能が粗く精密に設定困難である
場合に、このチョッピングデューティの他にチョッピン
グ周波数を制御することによって、チョッピングデュー
ティ制御と同じ効果を得ることができる。

【００３３】したがって、例えば１相チョッピングの場
合のチョッピングデューティを従来例のように５０％と
し、２相チョッピングにおいてもそのデューティを５０
％に設定すると、図６の（Ｂ）で示すようにステッピン
グモータに対して供給される平均電流は、１相チョッピ
ングの場合の約２倍（β＝２α）となる。このため、モ
ータの発熱限界を越えるようになる。

【００３４】図７はチョッピング周波数とモータトルク
および発熱状態との関係を示しているもので、チョッピ
ング周波数を上げ過ぎると発熱限界を越えるようになる
ものであり、またチョッピング周波数を下げ過ぎると必
要なモータトルクを確保できなくなる。このため、チョ
ッピング周波数はｆとｆ′との間に設定する。

【００３５】この様な条件に基づいて、チョッピングデ
ューティおよびチョッピング周波数を選定することによ
って、ステッピングモータを充分なトルクを確保しなが
ら、且つモータ発熱を抑制したチョッピング制御が実行
される。

【００３６】次に、図８によって直接にモータ駆動信号
の出力処理を行うＯＣＲ（アウトプット・コンペア・レ
ジスタ）のタイマー設定ルーチンを説明する。このルー
チンは、タイマーが設定値と一致する毎に割り込み処理
されるルーチンである。

【００３７】まず、ステップ301 で図５の処理のステッ
プ208 で設定されるチョッピング許可の状態であるか否
かを判定する。このステップ301 でチョッピング許可の
状態であることが判定されたならば、ステップ302 に進
んでモータ停止状態における励磁相を確認する（図３の
状態ではｂ相およびｃ相の２相）。

【００３８】この様に励磁相が確認されたならば、ステ
ップ303 、304 、306 および307 それぞれで、モータの
各相ａ〜ｄが励磁されているか否かを判定し、励磁され
ていると判定された相のみ、それぞれステップ308 、30
9 、310 および311 においてＯＣＲタイマーをセットす
る出力処理を行う。

【００３９】図３で示した例に沿って説明すると、停止
指令がｂ相およびｃ相の励磁状態で発生され、この２相
励磁の状態で停止維持されているため、ステップ304 お
よび305 それぞれでｂ相およびｃ相の励磁状態が確認さ
れ、ステップ309 と310 それぞれで、このｂ相およびｃ
相にそれぞれ対応したレジスタＯＣＲb とＯＣＲc のタ
イマーがセットされる。

【００４０】ステップ201 でチョッピング制御が許可さ
れていないと判定されたときは、ステップ312 において
チョッピンク状態カウンタＣＣＨＯＰをリセットする。
そして、次のステップ313 でモータのａ相〜ｄ相のモー
タ駆動出力のそれぞれに対応したレジスタＯＣＲa 〜Ｏ
ＣＲdに、図３のモータ停止前のモータ駆動に必要な１
乃至２相の励磁駆動信号を出力するためのタイマーをセ
ットする。

【００４１】図９にこのタイマーセットのサブルーチン
を示す。まずステップ401 でチョッピング状態カウンタ
ＣＣＨＯＰが“０”であるか否かを判定する。ここで、
ＣＣＨＯＰが“０”のときがチョッピング励磁状態であ
り、“１”のときはチョッピング無励磁状態を示す。図
１０はカウンタＣＣＨＯＰと励磁相ｂおよびｃの出力状
態を示している。

【００４２】ステップ401 でカウンタＣＣＨＯＰが
“０”と判定されたときには、次のステップ402 で無励
磁とする時間Ｔx をセットする（図１０のＡのポイン
ト）。ここで、Ｔx は２相チョッピングデューティ（＝
ｘ％）にするために換算された時間であり、１相チョッ
ピングのときにはｙ％に相当した時間Ｔy とされる。こ
の様にして時間Ｔx が設定されたならば、次のステップ
403 で次のタイマーセットのために、チョッピング状態
カウンタＣＣＨＯＰを“１”に設定する。

【００４３】ステップ401 でチョッピング状態カウンタ
ＣＣＨＯＰが“０”ではないと判定されたときは、無励
磁状態と判定してステップ404 に進み、次に励磁状態と
する時間（図１０のＢで示すポイント）Ｔ(X-x)をセッ
トする。この時間Ｔ(X-x) は前記Ｔx と同様に２相チョ
ッピング周波数（＝ＸHz）より換算した１周期の時間Ｔ
X より、励磁時間Ｔx を差し引いた時間とされる。１相
チョッピングの場合はＹHzに相当した無励磁時間Ｔ(Y-
y）となる。そして、ステップ405 ではステップ403 と
は逆にチョッピング状態カウンタＣＣＨＯＰを“０”と
して、次のタイマーセットに備える。

【００４４】以上のようにして各励磁相に対応したポー
ト出力毎に、この各ポートのそれぞれ対応したＯＣＲa
〜ＯＣＲd を、それぞれ交互に励磁および無励磁時間タ
イマーをセットして、図１０で示したようにチョッピン
グ制御を行うようになる。

【００４５】これまでの実施例においては、図２で示し
たようなスロットルバルブの制御を行うアクチュエータ
を、ステッピンクモータを用いて構成した例を中心に説
明したが、もちろんその他のステッピングモータを使用
した制御機器全般に適用できるものである。

【００４６】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係るステッピン
グモータの制御装置によれば、特に停止制御が誤差なく
正確に実行できるものであり、ステッピングモータを用
いた制御機器における高精度の制御を行なわせるアクチ
ュエータ機構に効果的に使用できる。そして、この場合
モータの発熱抑制制御も確実に行われるものであり、制
御機器の信頼性向上に大きな効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係るステッピングモータ
の制御装置を説明するための構成図。

【図２】上記実施例が適用されるスロットル制御機構を
説明する図。

【図３】ステッピングモータの各励磁相の励磁状態およ
びモータ開度を示す図。

【図４】上記モータの駆動判定ルーチンを示す図。

【図５】同じくチョッピング条件設定ルーチンを示す
図。

【図６】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ平均電流とモー
タ発熱状態、およびチョッピングデューティと平均電流
の関係を示す図。

【図７】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれチョッピングデ
ューティとモータトルクおよびモータ発熱の状態を示す
図。

【図８】ＯＣＲ割り込みルーチンを示す図。

【図９】ＯＣＲタイマーセットのサブルーチンを示す
図。

【図１０】チョッピング状態カウンタＣＣＨＯＰの状態
とポートｂおよびｃに対応するＯＣＲの状態を説明する
図。

【図１１】従来のステッピンクモータの制御状態を説明
する図。

【図１２】同じく停止位置ずれの発生状態を説明する
図。

【符号の説明】

11…入力装置、12…制御装置、121 …インフェース回
路、122 …演算装置、123 …モータ駆動回路、13…ステ
ッピングモータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステッピングモータの目標停止位置に対
   応した時点の励磁された相を記憶する励磁相記憶手段
   と、 この励磁相記憶手段で記憶された励磁相の数が１相励磁
   または２相励磁であるか否かを判定するチョッピング相
   数判定手段と、 この判定手段で判定されたチョッピング相数にそれぞれ
   対応して、最適なチョッピングデューティを選定するチ
   ョッピングデューティ制御手段と、 前記判定手段で判定されたチョッピング相数にそれぞれ
   対応して、最適なチョッピング周波数を選定するチョッ
   ピング周波数制御手段とを具備し、 前記励磁相記憶手段で記憶された励磁相を、前記チョッ
   ピングデューティ制御手段で設定されたデューティ、お
   よびチョッピング周波数制御手段で設定された周波数で
   チョッピング制御するようにしたことを特徴とするステ
   ッピングモータの制御装置。