JPH0759395A - ステッピングモータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 通常のステッピングモータの長所を損なうこ
となく脱調の防止を図り得て、大きなトルクマージンを
とって使用する必要のないようにする。 【構成】 ロータの歯数をＮ、指令パルスによって定ま
る指令位置をθcmd 、ロータ位置をθrot 、励磁指令位
置θexに対する実励磁位置θm の遅れ角をθlagとした
場合、−π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ）＜π／
２Ｎであるときは、ステッピングモータ駆動回路の励磁
切り換え部への励磁指令位置θexを、θex＝θcmd と
し、π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ）であるとき
は、θex＝θrot ＋θlag ＋π／２Ｎとし、−π／２＞
（θcmd −θlag −θrot ）であるときは、θex＝θro
t ＋θlag −π／２Ｎとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置指令パルスに従っ
て励磁相を切り換えることによりロータを回転駆動する
ようにしたステッピングモータの駆動方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ステッピングモータは、簡単にデジタル
位置決めを行い得るモータとして広く用いられている
が、常に脱調の危険をはらみ、脱調したあとはモータの
持つ位置情報が失われるという問題点がある。

【０００３】そのため、従来では、脱調の予防策として
大きなトルクマージンをみて使用したり、或いは、ロー
タに一体的に取付けられるエンコーダ等の回転検出器に
より脱調状態を検出し、脱調時にはロータの位置決めを
再度やり直す等の対策を採るようにしているのが実状で
ある。。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は、上述のように脱調予防のために大きなトルクマージ
ンをみて使用しなければならないため、使用条件に必要
以上の制約を受けしまうという不具合がある。

【０００５】また、エンコーダ等の回転検出器を用いる
ようにしたステッピングモータの場合には、脱調を生じ
た時の対処はすることができるものの、脱調を未然に防
止できる機能はないのが現状である。

【０００６】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的は、通常のステッピングモ
ータの長所を損なうことなく脱調の防止を図ることがで
き、大きなトルクマージンをとって使用する必要のない
ようなステッピングモータの駆動方法を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明では、位置指令パルスに従って励磁相を切
り換えることによりロータを回転駆動するようにしたス
テッピングモータの駆動方法において、ロータの歯数を
Ｎ、指令パルスによって定まる指令位置をθcmd 、ロー
タ位置をθrot 、励磁指令位置θexに対する実励磁位置
θm の遅れ角をθlag とした場合、 −π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ）＜π／２Ｎ であるときは、ステッピングモータ駆動回路の励磁切り
換え部への励磁指令位置θexを、 θex＝θcmd とし、 π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ） であるときは、前記励磁指令位置θexを、 θex＝θrot ＋θlag ＋π／２Ｎ とし、 −π／２＞（θcmd −θlag −θrot ） であるときは、前記励磁指令位置θexを、 θex＝θrot ＋θlag −π／２Ｎ とするようにしている。

【０００８】

【作用】上述の如き構成の本発明によれば、以下に述べ
る作用により、脱調が効果的に防止されることとなる。

【０００９】まず、本発明の作用を説明するのに先だっ
て、ステッピングモータシステムに関しての一般的な用
語の定義について説明することとする。

【００１０】指令パルス列で動作を制御するステッピン
グモータシステムでは、個々のパルスに対応した停止位
置がある。これはロータの連続回転中にも定義できるの
で、瞬時瞬時のパルスに対応した指令位置を定義するこ
とができる。ここでは、指令パルスによって定まる指令
位置をθcmd とする。ステッピングモータ駆動システム
のステップ角をθs 、指令パルス数をＭとすると、θcm
d ＝Ｍ×θs である。

【００１１】ステッピングモータ駆動装置は指令パルス
に応じて巻線の励磁手段を順次切り換えるので、ここで
も励磁指令位置を定義することができる。そこで、励磁
指令位置をθexとする。なお、通常のステッピングモー
タ駆動システムでは、θex＝θcmd であるように設定さ
れている。また、直流モータでは、θex＝θrot ＋π／
２Ｎ（但し、θrot はロータ位置）である。

【００１２】ところで、巻線が励磁されるとステータ内
の励磁指令位置θexに磁界が発生する。ここでは、これ
を実励磁位置θm と定義する。また、巻線の励磁が切換
えられて励磁指令位置θexがステータ内を回転すると、
実励磁位置θm は励磁指令位置θexに対して巻線のイン
ダクタンスによる遅れをもって回転する。

【００１３】また、前記励磁指令位置θexに対する実励
磁位置θm の遅れ角（θex−θm ）をθlag とする。こ
の実励磁位置θm の遅れθlag は励磁指令位置θexの速
度によって変化する。

【００１４】ここで、既述の如くロータ位置をθrot と
すると共に、ロータの歯数をＮ、各相電流を一定とする
と、ステッピングモータの発生トルクＴは、下記の式
（１）で表される。

【００１５】 Ｔ＝ＫｓｉｎＮ（θt ） ＝ＫｓｉｎＮ（θm−θrot ） ＝ＫｓｉｎＮ（θex−θlag −θrot ） …… （１）

【００１６】なお、上記（１）式において、Ｋは比例定
数、θt はトルク角と呼ばれるものである。

【００１７】上記（１）式から明かなように、Ｎ（θt
）が±π／２の間において発生トルクはθt に対応し
て増えてゆき、Ｎ（θt ）及びθexが下記の式（２）で
示される時に最大のトルクが発生する。

【００１８】すなわち、Ｎ（θt ）＝Ｎ（θex−θlag
−θrot ）＝±π／２ つまり θex＝（±π／２Ｎ＋θlag ＋θrot ） …… （２） の時に、最大のトルクが発生する。

【００１９】しかし、Ｎ（θt ）が±π／２の範囲を越
えると、逆に、発生トルクが低下してしまうこととな
る。ステッピングモータで脱調が生じるのは、トルク角
θt がこの範囲に入ってしまうからである。

【００２０】図１は、機械角で表現された上記の関係を
電気角で示したものである。この図１において、θcmde
はθcmd を電気角で表したものであり、θroteはθrot
を電気角で表したものであり、θlageはθlag を電気角
で表したものであり、θmeはθm を電気角で表したもの
である。なお、電気角の２πは機械角の２π／Ｎであ
る。

【００２１】本発明においては、トルク角θt を常時監
視し、その状態に応じて励磁切換えの条件を変える操作
を行うようにしている。

【００２２】すなわち、通常の動作時つまり脱調が生じ
ていない状態、具体的には、−π／２Ｎ＜θt ＜π／２
Ｎ つまり −π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ）＜π／２Ｎ …… （３） の時には、通常のステッピングモータシステムと同じよ
うに指令パルスによって励磁切換えを行う。

【００２３】つまり、この場合には、 θex＝θcmd …… （４） とする。

【００２４】この際の動作を、ステッピングモータモー
ドと呼ぶ。

【００２５】次に、例えばロータが遅れて脱調が生じて
いる状態、すなわち、π／２＜Ｎ（θt ）、つまり π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ） …… （５） である時は、励磁の切換えはロータ位置θrot とロータ
速度に対応した励磁の遅れ角θlag の情報に基づいて、
下記の式（６）に示すように行う。 θex＝θrot ＋θlag ＋π／２Ｎ …… （６）

【００２６】また、ロータが進んで脱調が生じている状
態、すなわち、−π／２＞Ｎ（θt ）、つまり −π／２Ｎ＞（θcmd −θlag −θrot ） …… （７） である時は、励磁の切換えはロータ位置θrot とロータ
速度に対応した励磁の遅れ角θlag の情報に基づいて、
下記の式（８）に示すように行う。 θex＝θrot ＋θlag −π／２Ｎ …… （８）

【００２７】この時の発生トルクは、前記（１）式か
ら、 Ｔ＝ＫｓｉｎＮ（θt ）＝ＫｓｉｎＮ（θex−θlag −θrot ） ＝ＫｓｉｎＮ（θrot ＋θlag −θlag −θrot ±π／２Ｎ） ＝ＫｓｉｎＮ（±π／２Ｎ） …… （９） となり、最大トルクを発生することとなる。これは、直
流モータの動作と同様である。

【００２８】この際の動作を、直流モータモード（ＤＣ
モータモード）と呼ぶ。

【００２９】直流モータモード中はロータ位置θrot が
指令位置θcmd に追いつく方向に最大トルクを発生す
る。かくして、ロータが指令位置θcmd に近づき、前記
（３）式を満足すると、ステッピングモータモードにな
り、通常の動作に復帰する。

【００３０】次に、図２に本システムにおける指令位置
θcmd 、ロータ位置θrot 及び発生トルクの関係を図示
する。ここでは、説明を簡単にするために指令パルス速
度、ロータ速度とも十分に低速である（すなわち、θla
g ＝０）とする。

【００３１】まず、ステッピングモータシステムとして
回転している時には、励磁指令位置θex＝指令位置θcm
d であり、指令位置θcmd に対するロータの遅れ（θcm
d −θrot ）が±π／２Ｎの範囲内である。このとき、
トルクは遅れ量に従って角度−トルク曲線に沿って遅れ
を打ち消す方向に発生する。

【００３２】遅れ量が±π／２Ｎとなると発生トルクが
最大となり、それ以後における通常のステッピングモー
タシステムでは、発生トルクは角度−トルク曲線に沿っ
て低下（脱調）する。

【００３３】本システムでは、これ以後にＤＣモータモ
ードに切り替わり、指令位置θcmdとロータの遅れに関
わらず、前記の最大トルクが発生する。

【００３４】以上のように、本発明に係るステッピング
モータの駆動方法によれば、脱調が生じていない範囲で
は、通常のステッピングモータモードと全く同様の動作
となる。また、ひとたび脱調が生じると直流モータとし
て機能し、システムの持つ最大トルクで指令位置を追跡
する。そして、指令位置に追いついた後には、再度、通
常のステッピングモータシステムの動作に戻るというシ
ステムを構築することができる。

【００３５】なお、励磁の遅れ角θlag は、励磁指令位
置θexやロータ位置θrot のように直接測定や計算をし
て知ることはできない。そこで、励磁の遅れ角θlag を
知る方法としては、例えば、各相電流検出器にて測定し
た各相電流ベクトルを合成することにより、瞬時瞬時の
実励磁位置θm を算出してθlag ＝θex−θm を算出す
る方法や、測定したｄ／ｄｔ（θex）を入力として予め
用意した関数から算出する方法や、同様に測定したｄ／
ｄｔ（θex）により予め用意したテーブルから引き出す
方法等が考えられる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して詳細に説明する。

【００３７】図３は、本発明に係るステッピングモータ
の駆動方法を実施するために用いられるステッピングモ
ータ駆動回路の構成を示すものであって、１はステッピ
ングモータ、２はこのステッピングモータ１のロータ位
置θrot の変化を検出するロータリエンコーダである。

【００３８】また、図３のステッピングモータ駆動回路
において、３は外部から与えられる位置指令パルスＰに
よる指令位置θcmd を記憶・保持するカウンタ、４はロ
ータ位置θrot を記憶・保持するカウンタ、５はロータ
位置θrot の変化速度（ロータ速度）ｄ／ｄｔ（θrot
）を算出する微分器、６はロータ速度ごとの励磁遅れ
角θlag のテーブルを持つメモリ、７，８，９は加減算
器、１０は比較器、１１はデータセレクタ、１２は所定
の励磁切換信号のテーブルを持つメモリ、１３はこのメ
モリ１２からの励磁切換信号に基づいて作動される励磁
切換回路である。

【００３９】ここで、図３に示すステッピングモータ駆
動回路の回路動作について述べると、次の通りである。

【００４０】まず、外部からカウンタ３に位置指令パル
スＰが入力されると、位置指令パルス（外部パルス）は
カウンタ３にてカウントされ、このカウンタ３からは指
令位置θcmd の情報信号が出力される。一方、ロータリ
エンコーダ２から得られる回転位置検知信号がカウンタ
４にてカウントされ、このカウンタ４からはロータ位置
θrot の情報信号が出力される。

【００４１】カウンタ４から出力されるロータ位置θro
t の情報信号は微分器５において微分され、その微分値
に基づいて、メモリ６に予め記憶・保持されているテー
ブルが参照されてロータ速度ｄ／ｄｔ（θrot ）に対応
する励磁遅れ角θlag が読み出される。本実施例では、
励磁の遅れ角θlag を知る方法としてテーブル６を用い
る際には、ｄ／ｄｔ（θex）を基に参照するように構成
されている。

【００４２】なお、ステッピングモータとして作動して
いる間はロータ速度は指令速度とほぼ一致するので、 ｄ／ｄｔ（θrot ）≒ｄ／ｄｔ（θcmd ） である。また、θcmd ＝θexであるので、ｄ／ｄｔ（θ
rot ）≒ｄ／ｄｔ（θex）である。

【００４３】一方、直流モータモード中は、ｄ／ｄｔ
（θlag ）≒０のため、 ｄ／ｄｔ（θex）＝ｄ／ｄｔ（θrot ＋θlag ＋π／２Ｎ） ≒ｄ／ｄｔ（θrot ） である。

【００４４】従って、両モードとも、ｄ／ｄｔ（θrot
）≒ｄ／ｄｔ（θex）であるので、θlag に関するテ
ーブルをｄ／ｄｔ（θrot ）に基づいて参照しても問題
ない。

【００４５】また、各モード判定の基準とする上記
（５），（７）式における励磁の遅れ角θlag はｄ／ｄ
ｔ（θcmd ）に基づいて参照しても、同様の効果を得る
ことができる。

【００４６】加減算器７では、既述の指令位置θcmd ，
ロータ位置θrot ，励磁の遅れ角θlag の信号が加減算
されて（θcmd −θrot −θlag ）が算出される。そし
て、この（θcmd −θrot −θlag ）の信号は比較器１
０においてπ／２Ｎ及び−π／２Ｎとそれぞれ比較され
る。そして、その比較結果に応じて、前記比較器１０か
らデータセレクタ１１に下記対応のセレクト信号Ｓel
１，Ｓel２，Ｓel３が出力される。

【００４７】すなわち、 （θcmd −θrot −θlag ）＞π／２Ｎ …… Ｓel１ π／２Ｎ＞（θcmd −θrot −θlag ）＞−π／２Ｎ …… Ｓel２ −π／２Ｎ＞（θcmd −θrot −θlag ） …… Ｓel３

【００４８】一方、加減算器８，９では、既述のロータ
位置θrot ，励磁遅れ角θlag ，π／２Ｎ，−π／２Ｎ
の信号が加減算される。その結果、加減算器８からは信
号（θrot ＋θlag ＋π／２Ｎ）が出力され、かつ加減
算器９からは信号（θrot ＋θlag −π／２Ｎ）が出力
される。

【００４９】また、比較器１０からデータセレクタ１１
の各入力端子には（θcmd −θrot−θlag ）の大きさ
に応じてセレクト信号Ｓel１，Ｓel２又はＳel３が入力
されると共に、加減算器８，カウンタ３及び加減算器９
から下記の信号Ｘ，Ｙ，Ｚがそれぞれ入力される。

【００５０】 Ｘ …… （θrot ＋θlag ＋π／２Ｎ） Ｙ …… θcmd Ｚ …… θrot ＋θlag −π／２Ｎ

【００５１】かくして、データセレクタ１１からは、前
記セレクト信号Ｓel１，Ｓel２，Ｓel３のうちの何れか
１つの情報に基づいてそれに対応した励磁指令位置θex
が出力される。具体的には、セレクト信号Ｓel１に基づ
いてデータセレクタ１３から信号Ｘが出力され、セレク
ト信号Ｓel２に基づいてデータセレクタ１３から信号Ｙ
が出力され、セレクト信号Ｓel３に基づいてデータセレ
クタ１１から信号Ｚが出力される。

【００５２】次いで、ステッピングモータ１の作動状態
に応じてデータセレクタ１１から出力される励磁指令位
置θexに基づいて、メモリ１２に記憶・保持されている
テーブルが参照され、それに対応じた励磁データが励磁
切換回路１３へ出力される。そして、前記励磁データに
従って励磁切換回路１３が作動され、ステッピングモー
タ１の各相巻線への励磁電流の切換えが行われてステッ
ピングモータ１が回転駆動される。

【００５３】しかして、本例によれば、脱調の状態にな
い−π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ）＜π／２Ｎ
の場合には、θex＝θcmd とすることにより通常のステ
ッピングモータと同じように指令パルスによる励磁が行
われてステッピングモータモードとなされる。

【００５４】また、 π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ）又は −π／２＞（θcmd −θlag −θrot ） となって脱調状態になった場合には、 θex＝θrot ＋θlr＋π／２Ｎ又は θex＝θrot ＋θlag −π／２Ｎ とすることにより直流モータモードとなされ、これによ
り指令位置の追跡が行われて同期位置に復帰され、もと
のステッピングモータモードに再設定される。従って、
脱調が生じてもステッピングモータの持つ位置情報が失
われることなく直ちにステッピングモータモードに復帰
されるため、脱調の心配をなくすことができる。

【００５５】以上、本発明の一実施例につき述べたが、
本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能であ
る。例えば、励磁切換信号は周期信号なので、励磁指令
位置θexの発生源としてカウンタ３，４の代わり図３に
おいて破線で示すようにリングカウンタＡ，Ｂを用いる
ことにより、メモリ１２のテーブルの大きさを小さくす
ることが可能である。

【００５６】

【発明の効果】以上の如く、本発明は、脱調が生じてい
ない場合には通常のステッピングモータシステムと全く
同様の動作で作動させ、ひとたび脱調が生じると直流モ
ータとして作動されてシステムの持つ最大トルクで指令
位置の追跡をせしめ、指令位置に追いついた後は再び通
常のステッピングモータシステムに復帰させるようにし
たものである。よって、脱調後にもステッピングモータ
の持つ位置信号を失うことなく同期位置に復帰され、も
との正常なステッピングモータの動作に自動復帰される
こととなる。

【００５７】従って、本発明に係るステッピングモータ
の駆動方法によれば、本来のステッピングモータの長所
を失うことなしに、脱調の心配やトルクマージンが不要
のシステムを構築することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】指令位置θcmd ，ロータ位置θrot 及び励磁の
遅れ角θlag （機械角）に対応する電気角θcmde, θro
te及びθlageの関係を示す図である。

【図２】本発明におけるステッピングモータの動作モー
ド及び発生トルクを表した図である。

【図３】本発明に係るステッピングモータの駆動方法を
実施するためのステッピングモータ駆動回路を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

１ ステッピングモータ ２ ロータリエンコーダ ３，４ カウンタ ５ 微分器 ６，１２ メモリ ７，８，９ 加減算器 １０ 比較器 １１ データセレクタ １３ 励磁切換回路 Ａ，Ｂ リングカウンタ Ｎ ロータの歯数 θcmd 指令位置 θrot ロータ位置 θex 励磁指令位置 θm 実励磁位置 θlag 励磁の遅れ角

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位置指令パルスに従って励磁相を切り換
   えることによりロータを回転駆動するようにしたステッ
   ピングモータの駆動方法において、ロータの歯数をＮ、
   指令パルスによって定まる指令位置をθcmd 、ロータ位
   置をθrot 、励磁指令位置θexに対する実励磁位置θm
   の遅れ角をθlag とした場合、 −π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ）＜π／２Ｎ であるときは、ステッピングモータ駆動回路の励磁切り
   換え部への励磁指令位置θexを、 θex＝θcmd とし、 π／２Ｎ＜（θcmd −θlag −θrot ） であるときは、前記励磁指令位置θexを、 θex＝θrot ＋θlag ＋π／２Ｎ とし、 −π／２＞（θcmd −θlag −θrot ） であるときは、前記励磁指令位置θexを、 θex＝θrot ＋θlag −π／２Ｎ とするようにしたことを特徴とするステッピングモータ
   の駆動方法。