JPH0870596A - ステップモータの制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステップモータの「コッギング」として知ら
れている不所望な作用を最小にするようにステップモー
タを動作する方法及びシステムを提供する。 【解決手段】 コッギングを防止するようにステップモ
ータ又はブラシレスモータに電流が付与される。基本周
波数を有する駆動電流がモータの電磁石に付与されて、
所望のシャフト速度を得る。この基本電流には、駆動電
流の倍数に等しい周波数を有する平滑電流が重畳され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステップモータの
作動システムに係る。特に、本発明は、ステップモータ
の「コッギング」として知られている不所望な影響を最
小にするようにステップモータを動作する方法及びシス
テムに係る。

【０００２】

【従来の技術】ステップモータに伴う従来の問題は、ロ
ータが通常はステータに対して１回転全体を通して一定
速度で回転しないことにより生じる。ロータは、その磁
極がステータに沿って反対磁極に接近するにつれて速度
が若干変化する傾向がある。これにより、「コッギン
グ」として一般に知られている非均一な動作が生じる。
このコッギングは、ステータの周囲に沿った電磁石の数
を増加するか、ステータの電磁石とは異なる数の磁極を
ロータに設けるか、或いはロータの慣性力を増加するこ
とにより、ある程度は減少することができる。しかし、
ロータの磁極が個々の電磁石により形成されたステータ
に沿った次々の個々の磁極に吸引されるときには、常
に、ある程度の不連続部が生じる。従って、従来技術で
は、ステップモータの性能を改善するための多数の構成
が提案されている。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの特徴によ
れば、ロータと、該ロータに作動的に関連した電磁石と
を有するモータの制御方法が提供される。基本周波数を
有する実質的に正弦波の駆動電流が電磁石に付与され
て、ロータの所望のシャフト速度が得られる。基本周波
数の第１の倍数に実質的に等しい周波数を有すると共
に、基本周波数の第２の倍数におけるトルク擾乱を打ち
消すのに適した所定の振幅、及び駆動電流に対する位相
シフトを有した平滑電流も、電磁石に付与される。

【０００４】本発明の別の特徴によれば、ロータと、該
ロータに作動的に関連した電磁石とを有するモータの制
御方法が提供される。基本周波数を有する実質的に正弦
波の駆動電流が電磁石に付与されて、ロータの所望のシ
ャフト速度が得られる。基本周波数の３倍にほぼ等しい
周波数を有する平滑電流も電磁石に付与される。

【０００５】

【発明の実施の形態】図１は、基本的設計のステップモ
ータの重要な要素を示す概略図である。一般的に１０で
示されたモータは、ステータ１２と、ロータ１４を備え
ている。ロータ１４は、シャフトを形成する軸１６に堅
固に取り付けられ、シャフトを介して回転運動がモータ
１０から所与の負荷へ出力される。ステータ１２の本体
は、基本的に、ある数の電磁石をある位置に保持するた
めのフレームとして働くが、磁束導通特性を有すること
もできる。ステータ１２は、一般に、ロータ１４がその
軸１６の周りで回転するときにロータの経路の周囲に配
置される。ロータ１４の経路をめぐるようにステータ１
２に配置されているのは、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ及び
１８Ｄで示された複数の電磁石である。

【０００６】ロータ１４は、この実施の形態では、２つ
の磁極Ｎ及びＳを画成するが、より多くの磁極をロータ
にもたせる構成も公知である。この特定の実施の形態で
は、これらの磁極は、ロータ１４に堅固に配置された１
つ以上の永久磁石で形成されるが、良く知られているよ
うに、このような磁極は、ロータ１４に配置された電磁
コイルによって形成することもできる。ロータ１４が軸
１６の周りでスピンするときには、ロータ１４の各磁極
が一連の電磁石１８Ａ−Ｄに曝される。次々の電磁石１
８Ａ−Ｄの磁気特性を操作することによってロータ１４
を回転するために、ロータ１４の特定の磁極が、ロータ
１４のその磁極に逆の吸引極性を与えることにより、特
定の電磁石１８に吸引される。ロータ１４の特定の磁極
が特定の電磁石１８に非常に接近すると、ロータ１４の
磁極に反発極性を与えることにより、磁極は電磁石１８
から反発させられる。

【０００７】図１に示された簡単なステップモータ１０
は、ロータ１４の両側に配置された電磁石１８（例え
ば、電磁石１８Ａ及び１８Ｃ）が同じワイヤで（ここで
は２０で示す）しかも各コイルにおいて逆向きの回転で
巻かれるようなステップモータの一般的な設計特徴を示
している。電磁石１８Ａがロータ１４にＮの電磁極を与
える場合には、逆に巻かれた電磁石１８Ｃは、ロータ１
４にＳ磁極を与える。ロータ１４の両端それ自体が互い
に逆の磁極を有するので、この構成は、電磁石の対１８
Ａ、１８Ｃ及び１８Ｂ、１８Ｄをロータ１４の磁極に対
しタンデムに動作できるようにする。

【０００８】両電磁石１８Ａ及び１８Ｃに電力を与える
ように働くワイヤ２０は、ここではコントローラ３０と
して示された電流波形発生器に接続される。ステップモ
ータの技術で良く知られたように、モータ１０のロータ
１４を連続的に回転するために、各電磁石は、時間と共
に一連の交番磁極（Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓ等）をロータに与え
て、ロータ１４が回転するときに特定の電磁石を通過す
るロータ１４のＮ及びＳ極を交互に吸引及び反発しなけ
ればならない。この交番磁極作用を各電磁石内に形成す
るために、各電磁石には、好ましくは正弦波形態で極性
が交番する電流Ｉ_A が供給される。ステータ１２の周囲
にある各電磁石１８に、この交番電流が供給されたとき
には、各電磁石はそれ自身の磁極を正弦波的に交番す
る。このように、ステータ１２の周囲に沿った反発及び
吸引の所望の作用が得られる。

【０００９】図１において、ステータ１２の周囲に沿っ
て交番形態で２対の電磁石が配置されていることに注意
されたい。電磁石１８Ｂ及び１８Ｄは、コントローラ３
０に接続された電磁石１８Ａ及び１８Ｃと同様に動作す
る。もちろん、電磁石１８Ｂ及び１８Ｄに付与される波
形は、所与の時間におけるロータ１４に対するこれら電
磁石対の相対的な位置に合致するように、電磁石１８Ａ
及び１８Ｃの波形に対して若干位相がずれている。従っ
て、電磁石対１８Ｂ、１８Ｄは、電流波形Ｉ_Bを受け取
るが、これは、コントローラ３０内に示されたコントロ
ーラ３０’により、対１８Ａ、１８Ｃに付与される波形
に対して位相シフトされる。ステップモータ内に多対の
電磁石を使用するこの一般的な原理は、公知である。

【００１０】ロータ１４の回転速度は、最終的に、個々
の電磁石の極性交番の基本周波数に基づいている。電磁
石が極性を変化する速度が速いほど、ロータ１４の回転
が速くなる。ステップモータの公知の実際的な問題は、
慎重な設計努力にも係わりなく、ロータ１４の連続的な
回転運動を達成することが困難なことである。ロータ１
２の周囲に沿った個々の磁石の間の吸引及び反発のパタ
ーンは、ロータ１４の磁極が、ある電磁石から反発され
るのに続いて次の電磁石に吸引されるときに、ロータ１
４の明確なジャーク即ち「コッギング」を生じさせる。
このコッギングを矯正する公知の種々の構成は、例え
ば、ステータ及びロータに一致しない数の電磁石及び磁
極を設けるか、又はステータが電磁石を含む場合には、
ロータ及びステータの極性変化波形を修正することを含
む。連続速度運動を確保するためのこれらの提案された
解決策の多くは、実質的な補助装置及び回路素子をステ
ップモータに追加しなければならないことになる。

【００１１】ステップモータの回転の円滑さを増すため
に公知技術で使用されている１つの共通の設計上の形態
は、ロータ又はステータの磁石に関連してツメ又は歯と
して知られている構造体を設け、複数の小さな別々の磁
極を歯の尖端に形成して、ステップモータの運動の「分
解能」を向上できるようにすることである。このツメ設
計を用いると、多数の「ステップ」即ち有効な磁極をロ
ータ及びステータにもつ非常に安価なステップモータを
提供することができる。ハイブリッドステップモータの
典型的な安価な設計は、ロータの１回転当たり２００ス
テップを含み、このようなモータは、４８歯のステータ
と、５０歯のロータを有する。ステップモータの設計及
び使用上の良く知られた親指ルールは、ロータの所与の
回転速度を得るのに必要な電気的周波数が、所望の回転
速度にモータの回転当たりのステップ数を乗算しそして
４で除算することによって得られる。逆に、ハイブリッ
ドモータのステップ長さは、単に９０°（シャフト又は
機械的）をロータの歯数で除算したものである。

【００１２】本発明は、基本電流と同時に一連の補正即
ち「平滑」電流を付与することによりステップモータの
コッギングを回避することを提案する。ある基本的なロ
ータ回転速度を得るために、ステップモータの電磁石に
基本周波数の基本電流が付与される。図１の例示的なス
テップモータに示されたように、本発明の技術は、ステ
ータ１２に沿った電磁石の対に適用するが、本発明の一
般的な原理は、電磁石がロータに配置された構成や、ツ
メを含むステップモータ設計にもおそらく適用できると
共に、実際には、現在知られている多数の種類の「ブラ
シレス」モータ設計にも適用できる。

【００１３】典型的に、図１に１０で示されたステップ
モータ、及び実際には、多くの設計の公知のブラシレス
電磁モータは、人為的に形成された正弦波駆動電流によ
って駆動される。これらの正弦波駆動電流は、「マイク
ロステッピング」として知られている技術においては、
比較的高い分解能の一連のデジタル信号によって近似さ
れる。短時間の一定電流が比較的迅速に次々に増加さ
れ、従って、全体的に、次々の一様に増加及び減少する
一定電流が正弦波電流を模擬し、一定電流の巾はサイン
波の意図された周波数よりも相当に短いので、真の正弦
波の受け入れられる近似が達成される。しかしながら、
このような波形を厳密に見た場合には、少し離れると正
弦波形のように見えるものは、接近して見ると、「ぎざ
ぎざ」の見掛けを有するように見える。しかし、このよ
うな「マイクロステッピング」電流をステップモータ又
は他の種類のブラスレスモータに適用することがこの技
術で良く知られている。

【００１４】ステップモータの既存の設計では、モータ
の特性のリアルタイム高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、
駆動電流の基本周波数、基本周波数の２倍及び基本周波
数の４倍において生じる個別の「スパイク」にステップ
モータの特性の変則点が通常生じることを指示する傾向
がある。ＦＦＴ技術は、駆動電流周波数の１倍、２倍及
び４倍の周波数に生じる速度変化の測定値を分離して運
動の質における変則点の位置として確認できるようにす
る。運動の質は、平均速度に対する正弦波成分のゼロ−
ピーク速度の比率（パーセント）として表すことができ
る。所与の周波数における速度変化は、同じ周波数にお
いて生じるトルク擾乱によって生じると分かっている。
これらのトルク擾乱は、不整合のコイル、止めトルク、
等の運動制約の多数のパラメータに起因する。ステップ
モータの速度変化、ひいては、運動の質の測定は、例え
ば、ヒューレット・パッカード３５６２Ａ信号分析器を
用いることによって行うことができる。

【００１５】基本周波数の駆動電流に加えて、モータに
作用するトルク擾乱を打ち消すように意図されたモータ
トルクを発生するのに使用される平滑電流が付与された
ときには、既存のステップモータの運動の質を改善でき
ることが分かった。特に問題とすべきは、駆動電流周波
数に等しい周波数（即ち、基本周波数）、基本周波数の
２倍、又は基本周波数の４倍において生じるトルク擾乱
である。平滑電流の適当な周波数、振幅及び位相シフト
の公式な導出は、以下に説明するが、簡単に述べると、
最も重要なトルク擾乱が、基本周波数、並びに基本周波
数の２倍及び４倍の周波数で生じることから、これらト
ルク擾乱を打ち消すのに適した平滑電流は、トルク擾乱
の周波数から基本周波数を差し引いた周波数において生
じることが指示される。例えば、トルク擾乱が基本周波
数の２倍及び４倍で生じることにより、打ち消し電流の
周波数は、基本周波数（基本周波数の２倍から基本周波
数を差し引く）及び基本周波数の３倍（基本周波数の４
倍から基本周波数を差し引く）に等しいことが必要とな
る。加えて、基本周波数で生じるトルク擾乱は、基本周
波数から基本周波数を差し引くことを表す一定電流をモ
ータコイルに付与することにより打ち消すことができ
る。更に、これらの平滑電流には、特定のトルク擾乱に
対応する特定の位相シフトが組み合わされることに注意
されたい。例えば、基本周波数即ち駆動電流周波数に等
しい周波数をもつ平滑電流は、基本周波数の２倍で生じ
るトルク擾乱を打ち消すのに適した大きさ及び位相シフ
トを必要とする。更に、基本周波数の３倍に等しい周波
数をもつ平滑電流は、基本周波数の４倍に見られるトル
ク擾乱を打ち消すのに適した大きさ及び位相シフトを必
要とする。従って、各平滑電流は、特定の周波数におけ
る特定のトルク擾乱を打ち消すように意図されるが、所
与の周波数の平滑電流については、その平滑電流の大き
さ、位相シフト及び周波数は、平滑周波数に基本周波数
を加えたものに等しい周波数で生じるトルク擾乱を打ち
消すように選択される。このように、特定のコッギング
源は、電磁石に付与される打ち消し波形によって応答さ
れる。

【００１６】図２は、駆動電流と、本発明による平滑電
流との典型的な組合せを示す１組の比較波形である。図
２の最も上の波形は、図１のようなステップモータの１
組の電磁石への駆動電流Ｉ_A を表す。一般に、ステップ
モータの種々の電磁石には、全モータにおける電磁石の
対の数によって位相が部分的に分離された１組の波形が
付与される。例えば、図１に示すステップモータでは、
２対の電磁石があり、それ故、図１に示すように、２つ
の別々の電流Ｉ_A 及びＩ_B が電磁石に付与される。この
場合に、２つの波形Ｉ_A 及びＩ_B は、実質的に同一であ
るが、９０°だけ位相ずれしている。典型的に、３対の
電磁石を有するステップモータは、３つの実質的に同一
の波形が電磁石対に付与されるが、各対の波形は互いに
１２０°分離している。

【００１７】図２に示す他の波形は、本発明の方法に対
応する平滑電流波形である。上記したように、３つの最
も重要な形式の平滑電流は、基本周波数のゼロ倍に存在
する平滑電流Ｉ_S1；駆動電流と同じ周波数をもつ平滑電
流Ｉ_S2；及び基本周波数の３倍の周波数をもつ平滑電流
Ｉ_S3として示されている。示された全ての波形Ｉ_A 、Ｉ
_S1、Ｉ_S2及びＩ_S3は、加算又は重畳されて、例えば、図
１のモータのワイヤ２０に付与され、それに対応する半
位相電流Ｉ_B がモータの他の電磁石に付与されることが
理解されよう。更に、図２において、平滑電流は、駆動
電流Ｉ_A に対して所定の位相シフト及び振幅をもつもの
であることに注意されたい。上記のように、これらの位
相シフト及び振幅の差は、使用されるモータの特定の設
計に基づく実験的測定に基づいているが、一般的に、Ｉ
_S2の振幅及び位相シフトは、駆動電流Ｉ_A の２倍の周波
数で生じるトルク擾乱に対応し、一方、Ｉ_S3の位相シフ
ト及び振幅は、駆動電流の４倍の周波数で生じるトルク
擾乱に対応する。

【００１８】本発明の上記の実施形態において、運動の
変則性は基本周波数のほぼ整数倍で生じる傾向がありそ
して実際にステップモータ又はブラシレスモータのほと
んどの公知設計はこれらの周波数においてこのような変
則性を示す傾向があることは当然である。しかしなが
ら、本発明の原理は、基本周波数の非整数倍の周波数で
生じる変則性を打ち消すようにも適用できる。例えば、
基本周波数の２．５倍に著しい運動変則性を有するモー
タ設計が存在する場合に、この変則性を打ち消すのに適
した振幅及び位相シフトを有する平滑電流を付与するこ
とができる。しかしながら、平滑電流の周波数は、好ま
しくは、基本周波数の１．５倍であり、即ち基本周波数
の２．５倍から基本周波数を差し引いたものである。換
言すれば、平滑周波数の倍数は、変則点の周波数の倍数
から１を引いたものでなければならない。従って、この
一般的な原理は、基本周波数の整数倍又は非整数倍で生
じる変則点に適用できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明のシステム及び方法の１つの重要
な効果は、既存のステップモータ、特に、安価な設計の
ステップモータの特性に対して事後補正手段として働く
ことである。典型的に、ステップモータは、人為的に形
成された正弦波波形により駆動され、これら波形の変更
は、デジタルプログラムを変更して本発明の平滑電流を
組み込んだ波形を出力するという簡単なものである。従
って、本発明の方法及びシステムは、既存の又は安価な
ステップモータから質の高い性能を得る手段として考え
ることができる。

【００２０】以上、種々の実施の形態について本発明を
説明したが、多数の変更、修正及び変型が当業者に明ら
かであろう。従って、これら変更、修正及び変型は、全
て、特許請求の範囲の精神及び範囲内に包含されるもの
とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法に使用されるステップモータの関
連部分を示す図である。

【図２】本発明の方法により電磁石に付与される１組の
比較波形を示す図である。

【符号の説明】

１０ モータ １２ ステータ １４ ロータ １６ 軸 １８ 電磁石 ２０ ワイヤ ３０ コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スチュアート エイ シュワイド アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14467 ヘンリエッタ ブラックウェル レーン 82

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータと、該ロータに作動的に関連した
   電磁石とを有するモータの制御方法において、 上記ロータの所望のシャフト速度を得るように基本周波
   数を有する実質的に正弦波の駆動電流を上記電磁石に付
   与し、そして上記基本周波数の第１の倍数に等しい周波
   数を有すると共に、上記基本周波数の第２の倍数におけ
   るトルク擾乱を打ち消すのに適した所定の振幅と、上記
   駆動電流に対する位相シフトとを有する平滑電流を上記
   電磁石に付与する、という段階を備えたことを特徴とす
   る方法。
2. 【請求項２】 上記平滑電流は、上記基本周波数に等し
   い周波数であると共に、上記基本周波数のほぼ２倍にお
   けるトルク擾乱を打ち消すのに適した所定の振幅及び位
   相シフトのものである請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 上記平滑電流は、上記基本周波数のほぼ
   ３倍の周波数である請求項１に記載の方法。