JPH1127990A - ステッピングモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ステッピングモータは、低速駆動時に振動を発
生するため、マイクロステップ駆動と呼ばれる微少ステ
ップ駆動により振動低減を行っているが、マイクロステ
ップで駆動しているときに通常ステップに変更した場
合、位置決め誤差や位置ずれが発生した。 【解決手段】マイクロステップ分割数を外部からソフト
ウエアにより変更可能なよう制御回路を構成し、低速時
のみにマイクロステップ駆動を採用し、停止点は必ず通
常ステップ点になるよう制御し、動作毎にマイクロステ
ップと通常ステップを切り換えても位置ずれを起こすこ
とがなく低速時の振動低減と高速駆動の両立を可能とす
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、ステッピングモー
タのマイクロステップ分割数を低速駆動時は多く、高速
駆動時は少なくもしくは無くすよう変更し、低速駆動時
のマイクロステップによる低振動と高速回転を両立させ
るよう改良したステッピングモータの制御方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば監視用のテレビカメラ装置
の監視位置を制御するためには、あらかじめ監視ポイン
トを設定しておき、指定された監視ポイントに設定され
るように、前記テレビカメラ装置を搭載した雲台を外部
信号により高速位置決めするプリセット機能を有する電
動雲台がある。この電動雲台を回転駆動させ、高い位置
精度で位置決めさせるためには位置決め制御が簡単に実
現できるステッピングモータが使用される。

【０００３】操作者が監視ポイントを設定するためモニ
タ画面を見ながら低速でこの電動雲台を回転動作させる
ように手動操作する場合、一般的に駆動対象であるテレ
ビカメラ部の回転速度として３°/秒の速度が適してい
る。また、高速位置決め動作時には、一般的に１８０°
/秒が要求される。

【０００４】電動雲台駆動部の減速比を４０：１にとる
とすると、手動操作する場合に、雲台を駆動するステッ
ピングモータの回転速度は１２０°/秒となる。このス
テッピングモータが５相のステッピングモータで、その
基本ステップ角を０．７２°とすると、モータ駆動パル
ス周波数は１６７Ｈｚとなる。ステッピングモータは通
常、駆動パルス周波数とモータの固有振動数の共振によ
り、駆動パルス周波数３００Ｈｚ以下の速度域で振動が
激しくなる性質があり、この振動の影響で雲台に搭載さ
れているテレビカメラ部が揺れるため、画像がぶれ、正
確な位置にテレビカメラの視野を設定できない等、実用
上問題があった。

【０００５】これを避けるため、マイクロステップ駆動
方式を採用し、分割数を８とすると、１ステップ角を
０．０９°（０．７２°÷８）にすることができ、モー
タ回転速度が１２０°/秒であれば、駆動パルス速度は
１３３３Ｈｚとなる。このように、同じ回転速度であり
ながら共振を避けた駆動パルス周波数となるため、ステ
ッピングモータの振動が低減できる。

【０００６】しかし、ステッピングモータが有効な駆動
トルクを発生するパルス駆動周波数は、約１０，０００
Ｈｚ以下である。この駆動パルス速度ではテレビカメラ
部の回転速度が２２．５°/秒（１０，０００Ｈｚ×
０．０９°÷４０）にしかならず、前述のプリセット機
能による自動動作に要求される１８０°/秒の高速動作
が実現できない。

【０００７】このため、ステッピングモータ動作を実現
するためには通常駆動方式を採用し、低速域での振動低
減を犠牲にせざるを得なかった。また逆に、低速動作時
の振動を回避するためには、高速動作時の回転速度を低
く押さえざるを得なかった。

【０００８】従来の、ステッピングモータ駆動回路を用
いた電動雲台のモータ制御回路のブロック図の一例を図
５に示す。1はステッピングモータ、2はモータ駆動回
路、3はマイクロステップ分割数設定部、4は制御用ＣＰ
Ｕ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉ
ｔ）、6は駆動パルス信号線、7は設定スイッチである。
制御用ＣＰＵ4は駆動パルス信号線6によってマイクロス
テップ分割数設定部3に接続され、該マイクロステップ
分割数設定部3はモータ駆動回路2に接続されている。該
モータ駆動部2はステッピングモータ1に接続され、マイ
クロステップの分割数を設定するための設定スイッチ7
が前記マイクロステップ分割数設定部3に接続されてい
る。図５において、制御用ＣＰＵ4はタイミングパルス
を発生し、このタイミングパルスは駆動パルス信号線6
を通って、マイクロステップ分割数設定部3に伝達され
る。該マイクロステップ分割数設定部3では設定スイッ
チ7によって設定されるマイクロステップ分割数で決め
られた分割数に応じて、前記タイミングパルスのタイミ
ングを変換してモータ駆動部2に送る。該モータ駆動部2
は、ステッピングモータ1のモータを駆動するため、励
磁する相を切換える信号を該ステッピングモータ1に送
る。該ステッピングモータ1は回転し、図示しないウォ
ームギヤを介して電動雲台の回転軸を回転させる。図２
と図３に電動雲台の一例を示す。図２は電動雲台の正面
外観図で、図３は側面外観図である。21はテレビカメ
ラ、22は支持部、23は水平回転部、24は固定部、25は水
平回転軸、26は上下回転軸である。水平回転部23の中
に、水平回転用と上下回転用と２つのモータ制御回路が
それぞれ適切な減速比を持ったウォームギヤによって電
動雲台の水平回転軸25と上下回転軸26に回転を伝える。

【０００９】図５に示したマイクロステップ駆動回路方
式のモータ制御回路では、マイクロステップの分割数を
固定もしくは予め設定スイッチ7で選択しておく半固定
式である。 マイクロステップの分割数を固定で使用す
る場合には、どちらかの速度域（通常は手動操作速度
域）を犠牲にするか、または中間的な設定にするしかな
かった。またもう一つの方法として、マイクロステップ
の分割数を半固定で使用することにして、マイクロステ
ップ分割数を外部から設定スイッチ7により変更するこ
とも可能である。図６は８分割マイクロステップ駆動の
マイクロステップ動作を説明する図で、５相のステッピ
ングモータ1の断面の一部分の概略を示す原理図であ
る。8は相数がＡからＥまで５つあるコイルのうちのＡ
相、9はＢ相、10-1と10-2は通常ステップ停止点、11は
マイクロステップ停止点、12は基本ステップ角、13はマ
イクロステップ角、14はモータ回転軸（ロータ）、15は
ステータ、16は回転方向である。説明上、全体的な断面
に対して、描画した部分の割合が誇張されている。ま
た、Ａ相8とＢ相9にあるコイルの描画を省略している。
を特に全周角に対する基本ステップ角及びマイクロステ
ップ角の割合を大きく描いている。以下図６によって従
来の回転動作を説明する。

【００１０】通常駆動のステップ動作のとき、即ちマイ
クロステップ動作ではないときは自動操作速度領域にな
っている。ステッピングモータ1は、通常駆動の場合、
励磁がＡ相8のコイルからＢ相9のコイルというようにに
瞬時に移行するため０．７２°単位の回転をする。８分
割マイクロステップ駆動では、Ａ相8からＢ相9への磁力
の切換えを８段階に分けて行うよう駆動電流を制御する
ため、Ａ相8の磁力とＢ相9の磁力の釣り合い状態で決ま
るロータ14の位置をＡ相8とＢ相9間で７点とることがで
きる。このときの１パルスあたりの回転角（マイクロス
テップ角）13は、０．０９°となり低振動での駆動がで
きる。しかし、基本ステップ角０．７２°のモータを８
分割マイクロステップで駆動しているとき、マイクロス
テップで基本ステップ角０．７２°の中間点（マイクロ
ステップ点）にある状態で通常ステップに変更した場
合、回転はそこで停止せず、マイクロステップ点の次の
通常ステップ停止点10-１点または10-2点に引き寄せら
れてしまう。これはマイクロステップ点が、ステッピン
グモータ1を駆動する力を零にする仮想的な停止点であ
り、駆動する力がそれ以降なくなっても、マイクロ停止
点で停止せず、必ず次の通常ステップ停止点10-2まで移
動して停止するためである。このため位置決め誤差が発
生し、回転した実際の位置と制御用ＣＰＵでカウントさ
れている位置データとにずれが発生してしまう。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術には、
マイクロステップの分割数の設定が固定であるため、
電動雲台のように低速から高速まで広い速度範囲で動作
させることが要求される場合、どちらかの速度域を犠牲
にするか、中間的な設定にするしかなかった。

【００１２】また、半固定式として、分割数を外部から
設定スイッチによって変更することは可能であるが、マ
イクロステップで駆動しているとき、通常ステップに変
更した場合、位置決め誤差や位置ずれが発生した。

【００１３】本発明は、この欠点を除去し、低速から高
速まで広い速度範囲で動作できるステッピングモータの
制御方法を提供することを目的とする。また本発明の第
２の目的は、マイクロステップ駆動中において、マイク
ロステップ分割数を変更しても位置決め誤差や位置ずれ
が問題とならないよう制御することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の目的を
達成するため、マイクロステップ分割数設定機能を有す
るモータ駆動回路に対してソフトウエアにより分割数を
選択できる信号線を設け、動作に応じて適切な分割数を
選択してステッピングモータを駆動することにより、低
速から高速までの広い速度領域で動作させるようにした
ものである。また、マイクロステップ駆動の途中で通常
ステップ駆動に移行しても、位置決め誤差や位置ずれが
問題とならないようにソフトウエアによって管理するこ
とによって位置決め誤差や位置ずれの問題を排除したも
のである。

【００１５】

【発明の実施の形態】図４は本発明を説明するための電
動雲台のモータ制御回路のブロック図である。1はステ
ッピングモータ、2はモータ駆動回路、3はマイクロステ
ップ分割数設定部、4´は制御用ＣＰＵ、5はマイクロス
テップ分割数信号線、6は駆動パルス信号線である。制
御用ＣＰＵ4´はマイクロステップ分割数信号線5と駆動
パルス信号線6とによってマイクロステップ分割数設定
部3に接続され、該マイクロステップ分割数設定部3はモ
ータ駆動回路2に接続されている。該モータ駆動部2はス
テッピングモータ1に接続されている。また図１は、あ
らかじめ制御用ＣＰＵ4´に組込まれている本発明のソ
フトウエアの一例を示すフロー図である。

【００１６】図４と図１及び、従来例で説明した図６と
を使って、本発明の一実施例を説明する。ステッピング
モータ1は５相で、１パルスあたりの移動量である基本
ステップ角12は、０．７２°である。制御用ＣＰＵ4´
は該ステッピングモータ1の回転位置と回転速度を制御
するためのタイミングパルスを発生し、このタイミング
パルスを駆動パルス信号線6を介して、マイクロステッ
プ分割数設定部3に送る。また、該制御用ＣＰＵ4´はマ
イクロステップの分割数をマイクロステップ分割数信号
線5を介して、マイクロステップ分割数設定部3に送る。
該マイクロステップ分割数設定部3は、前記制御用ＣＰ
Ｕ4´のソフトウエアに従って決められた分割数に応じ
て、前記タイミングパルスのタイミングを変換してモー
タ駆動部2に送る。該モータ駆動部2は、ステッピングモ
ータ1のモータを駆動するため、励磁する相を切換える
信号を該ステッピングモータ1に送る。該ステッピング
モータ1は回転し、図示しないウォームギヤを介して電
動雲台の回転軸を回転させる。電動雲台は従来の技術で
説明した図２と図３に電動雲台と同じである。

【００１７】従来例では図６において、基本ステップ角
０．７２°のモータを８分割マイクロステップで駆動し
ているとき、マイクロステップで基本ステップ角０．７
２°の中間点（マイクロステップ点）にある状態で通常
ステップに変更した場合、回転はそこで停止せず、マイ
クロステップ点のいずれかの通常ステップ停止点10-1ま
たは10-2の点に引き寄せられてしまい、位置決め誤差が
発生し位置がずれてしまった。図１は、本発明のソフト
ウエアの一例を示す制御フローチャートで、制御用ＣＰ
Ｕ4´からステッピングモータ1を制御する。以下、この
フローチャートにより動作を説明する。電動雲台の電源
が入れられると、まず初期設定としてマイクロステップ
分割数を１に設定し（S101）、原点復帰を行う（S10
2）。この場合ステッピングモータ1は、必ず通常ステッ
プ点10-1または10-2で停止しマイクロステップ点11で停
止することはない。今、原点を通常ステップ点10-1とす
る。次に回転指示があるかないかを確認し指示があれば
ステップ103に進む（S202）。この回転指示は操作指示
ステップ201からステップ202に伝達する。次にプリセッ
ト動作（自動操作）かどうかのチェックを行い、プリセ
ット動作でない（手動操作）場合にはステップ104に進
み、プリセット動作の場合にはステップ110に進む（S10
3）。プリセット動作でない場合にはマイクロステップ
分割数を“８”に変更して（S104）駆動パルスを出力す
る（S105）。この駆動パルス数をカウントし、停止位置
でない場合はステップ105に戻り、停止位置と判断した
場合はステップ107に進む（S106）。次に停止点が
“８”の倍数かどうかを判定し、“８”の倍数の場合は
ステップ109に飛びステッピングモータ1を停止させ、
“８”の倍数でなかった場合はステップ108に進む（S10
7）。ステップ108では、次の（現在位置以降で最も近
い）“８”の倍数の位置まで動作を続行して（S108）、
ステッピングモータ1を停止させる（S109）。また、前
記ステップ103においてプリセット動作であった場合に
は、マイクロステップ分割数を“１”に設定し（S11
0）、駆動パルスを出力する（S111）。次に、停止位置
かどうかの判定を行い、停止位置でない場合はステップ
111に戻り、停止位置と判断した場合はステップ109に進
む（S112）。ステップ109では回転操作を停止し、ステ
ップ202に戻り次の指示を待つ。このように、マニュア
ル操作（S104からS108まで）では、停止指令が出された
とき、原点からのパルス数で管理される現在位置が
“８”の倍数であるか演算し、“８”の倍数でない場合
には現在位置以降で最も近い“８”の倍数の位置までパ
ルスを出力してから停止させる。これによって停止位置
は必ず通常ステップ点10となる。また、プリセット動作
（S110からS112まで）の場合には、マイクロステップ分
割数を“１”とし、パルス出力する。従って、動作毎に
マイクロステップ分割数を変更しても位置がずれること
がない。

【００１８】マイクロステップ動作で停止した場合、最
大で７パルス分の強制的な回転が行われることになる。
これはモータの回転角で０．０９°×７パルス＝０．６
３°となる。しかし減速比を４０：１にとれば、駆動対
象においては、０．０１５７５°となり、本実施例の雲
台では実用上無視できる。

【００１９】なお、プリセット動作とマニュアル動作で
１パルスあたりの回転角度が異なるが、マニュアル動作
時には、プリセット動作に対して８倍のパルスを出力し
て位置管理に矛盾が生じないようにしている。

【００２０】また、分割数は上記実施例では“８”であ
るが、装置の用途に応じて“１６”、“３０”等に変更
可能なこと及び、複数の分割数を備えていることが可能
なことは明らかである。また、プリセット動作では分割
数が“１”であったが“２”、“４”等別の設定であっ
てもかまわない。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロステップ分割
数を外部設定可能な、ステッピングモータ駆動回路に対
して制御部より動作に応じてマイクロステップ分割数を
変更可能な構成にすることにより、５相ステッピングモ
ータの低速動作時の振動低減と高速動作の両立が可能と
なる。また本発明の第２の効果として、位置決め誤差が
発生せず、回転した実際の位置と制御用ＣＰＵでカウン
トされている位置データとのずれが発生しないステッピ
ングモータの制御が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一例を示す制御フロー図。

【図２】 電動雲台の正面外観図。

【図３】 電動雲台の側面外観図。

【図４】 本発明の構成を示すブロック図。

【図５】 従来例の構成を示すブロック図。

【図６】 ステッピングモータの動作を説明する部分断
面図。

【符号の説明】

1： ５相ステッピングモータ、 2：ステッピングモー
タ駆動回路、 3：マイクロステップ分割数設定部、
4，4´：制御用ＣＰＵ、 5：マイクロステップ分割数
設定信号線、 6：駆動パルス信号線、 7：設定スイッ
チ、 8：Ａ相、9：Ｂ相、 10-1，10-2：通常ステップ
停止点、 11；マイクロステップ停止点、 12：基本ス
テップ角、 13：マイクロステップ角、 14：ロータ、
15：ステータ、16：回転方向、 21：テレビカメラ、
22：支持部、 23：水平回転部、 24：固定部、 25：水
平回転軸、 26：上下回転軸、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 隣接する相間の励磁電流を変化させ、基
   本ステップ角の中間領域であるマイクロステップ角でも
   位置決めを可能とするマイクロステップ駆動方式のステ
   ッピングモータでおいて、該マイクロステップ角を決定
   する分割数変更用制御回路を有し、該制御回路の指示に
   基いて、マイクロステップ駆動か、通常駆動または少な
   い分割数のマイクロステップ駆動かに切換える工程、該
   マイクロステップ駆動動作から該通常駆動動作に切換え
   る際に前記ステッピングモータの停止位置を基本ステッ
   プ角の位置で停止させる工程を含むことを特徴とするス
   テッピングモータ制御方法。