JPS60210199A - ステツプモータのトルク制御方法及び装置 - 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】 本発明はステップモータのトルク制御方法及び装置に関
する。

ステップモータは連続する入力制御パルスに応答して負
荷を所望の増分だけ回転させる回転運動装置であり、必
要な負荷トルクがモータの電磁的能力を越えるまでモー
タに結合さた負荷を所望のごとく回転できる。この同期
外れあるいは脱出状態−赤生じると、モータは所望のス
テップ回転せず、この所望のステップの回転が損なわれ
るトルクは毎秒のステップ数で表わしたモータ速度、基
本的なモータの設計及びステップモータを制御する駆動
回路のに依存する。

現在一般に市販されているステップモータのうち代表的
なものとして、米国コネチヵット州、ブリストルのスベ
リオル・エレクトリック・カンパニーで製造されたもの
（モデル番号：旧１２ＦＪ１２）がある。プログラムさ
れたマイクロプロセッサを含むことがある制御装置を用
いてステップモータの固定子コイルを必要な入力制御パ
ルスで順次付勢しである一定の角速度を得、ステップモ
ータのトルクリミット以下で加速及び減速を行なう技術
が当該技術分野において周知である。

また、１９７９年３月にイリノイ州、シカゴで開催され
た第２９回ＩＥＥＥ車両技術グループ会議の議事録に発
表されたエム・ピー・マクドナルド（Ｍ、Ｐ、　ＭｃＤ
ｏｎａｌｄ）外による論文”人間移動装置へのマイクロ
プロセッサテクノロジーの最近の利用”に記載されてい
るように、輸送車両の乗客用ドアの開閉を行なうモータ
を車両の自動動作制御装置からのドアコマンド信号で制
御することが当該技術分野において知られている。

本発明によれば、印加制御パルスに応答するステップモ
ータの同期外れ、あるいは回転ステップの脱落が生じる
ステップモータのトルクレベルを変化させる制御装置及
び方法が提供される。このトルクレベルの変更は、ステ
ップモータのスリップトルクが所望のごとく制御できる
ように行なうことが可能である以下、添付図面を参照し
て本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は従来型の輸送車両１０を示し、その車両には第
１の対の閉じた乗客用ドア１２．１４及び第２の対の閉
じた乗客用ドア１６．１８が設けられている。

第２図は、車両の従来型乗客用ドア１２．１４を示し、
これらのドアは遊びプーリ２２及び同様な遊びプーリ２
４の周りでループを形成するように掛けられた連結駆動
ケーブル２０に作動的に接続され、またそのケーブルに
は乗客用ドア１４を移動させるためにそのドアが固定部
２６を介して、また乗客用ドア１２を移動させるために
そのドアが固定具２７を介して連結され、かくしてドア
１２及び１４はダブリュ・イー・シュミッツ（Ｗ、Ｅ、
　Ｓｃｈｍｉｔｚ）（７）英国特許第４．１４゜２　、
３２８号に記載されるように一緒に開閉することができ
る。駆動プーリ２８は直流あるいは交流駆動モータ３０
に結合され、周知の車両制御装置３４からのドア開放及
びドア閉鎖入力制御信号に応答して適当なドア制御装置
３２により作動される。駆動ベルト部材３６は、乗客用
ドア１４ヘドアを開閉する力及びドアをアソラッチする
力を加えるために駆動アーム３８を介して接続されてい
る。駆動ベルト３８は、乗客用ドア１２及び１４を分離
即ち開放するためにドア１４をその所望の走路に沿って
右方に移動するための直線並進力を供給する。ドア１４
を開放及び閉鎖位置へ移動させる同じ力により駆動アー
ム３８に結合されたロック機構がアンロックまたロック
される。モータ３０が付勢されず乗客用ドア１２及び１
４が閉じた状態にあると、ドア１２及び１４はその何れ
かに直接それを開放するための力を加えても開放不可能
である。しかしながら、駆動部材３８によりロック機構
へドアを開放する力が加わると、そのロック機構はアン
ロックされドア１４が右方へ移動すると共にドア１２が
そのドア１４の運動に関連して左方へ移動する。

第３図は、周知の４極ステツプモータにおいてコイルが
付勢される普通のシーケンスを示す。それぞれの固定子
コイルの電流は一般的に第３図に示した波形をとる。付
勢状態が変化するたびごとに回転子は一定の角度だけ増
分回転運動を行なうが、その一定の角度はモータの構造
により決まり、代表的には、１．８°、３．６°、７．
５°または１５°である。

電流波形５０は時間Ｔ１でＯＮとなり時間Ｔ３でＯＦＦ
となり、次いで時間Ｔ５でＯＮ、時間Ｔ７でＯＦＦとな
る。電流波形５２は時間Ｔ１で叶Ｆとなり、時間Ｔ３で
ＯＮ、時間Ｔ５でＯＦＦ　、そして時間Ｔ７でＯＮとな
る。電流波形５４は時間Ｔ１でＯＮ、時間Ｔ４でＯＦＦ
　、時間Ｔ６でＯＮ、時間Ｔ８でＯＦＦとなる。電流波
形５Ｂはまた時間Ｔ２でＯＦＦ　、時間Ｔ４でＯＮ、時
間Ｔ６でＯＦＦ　、時間Ｔ８でＯＮとなる。

第４．５．８及び７図は従来型の４極ステツプモータの
簡単な回転子の回転運動を順次例示したものである。第
４図において界磁コイル６０及び６４が矢印で示したよ
うに時間Ｔ２で付勢されると（電流波形５ｏが界磁コイ
ル８ｏを電流波形５４が界磁コイル６４を付勢する）、
永久磁石の回転子６８はそのＳ極が２つのＮ界磁極７０
と７２の間に、また回転子のＮ極が２つのＳ界磁極７４
と７６の間に来るように整列する。界磁コイル６２及び
６４が第５図の矢印で示すように時間Ｔ３において付勢
されると、回転子８８は図示のごとくそのＳ極が２つの
Ｎ界磁極７２と７６の間、また回転子のＮ極が２つのＳ
界磁極７０と７４の間に来るように整列する。界磁コイ
ル６２及び６６が第８図の矢印で示すように時間Ｔ４に
おいて付勢されると、回転子６８はそのＳ及びＮ極が図
示の位装置にくるように回転する。界磁コイル６０多び
６６が第７図の矢印で示すように時間Ｔ５で付勢される
と、回転子６８はそのＳ及びＮ極が図示の位置に来るよ
うに回転する。回転子６８が再び第４図に示す位置に来
ると、回転子６８は合計３８００回転したことになる。

実際のステップモータの回転子は３６０°の回転をする
ために、２００　、１００　、４８．２４のようなステ
ップを必要とすることを理解されたい。

第８図は、ステップモータ８２の固定子コイル６０．６
２．８４及び６６をそれぞれ付勢するためにそれらドラ
イブ１２ｆｌ　、　１２８．１３０及び１３２を介して
結合されるマイクロコントローラ１００を示す。モータ
８２の軸１４２は負荷８４に結合されるが、その負荷は
第２図に示したドア制御装置の駆動プーリ２８であり得
る。プログラムターミナル１４８はマイクロコントロー
ラ１００への制御プログラムの供給及びその変更を司る
。トルクインジケータ１５０はモータのトルクを指示す
るためにモータの軸１４２へ結合されている。速度イ５
；ジケータト５２は速度を指示するためにモータの軸１
４２へ結合されている。停止信号装置１５Ｂはマイクロ
コントローラ１００へ停止制御信号１６０を供給する。

電源９８は抵抗１５Ｂを介して界磁コイル６０及び６２
へ、また抵抗１５７を介して界磁コイル６４及び６６へ
接続されている。

第８図は５本発明のステップモータトルク制御動作を説
明するためのものであり、第３図に示したシーケンスに
対応する一般的なコイル付勢シーケンスを示す。ステッ
プモータのトルク制御を行なうために、波形５０は第９
図に示すようにＯＮの時、第３図に示す状態変化点にお
いて、モータ８２の速度を制御するのに望ましいＯＮ時
間のパーセント部分としての可変時間によりパルス幅変
調を受け、かくして固定子コイル６０を付勢する電流波
形５０がＯＮの時、時間Ｔ１とＴ３の間のＯＮ期間制御
パルスにＯＦＦ期間が導入される。これらのＯＦＦ期間
８０及び８２はＯＮ時間のパーセント部分の大きさを、
時間Ｔ１とＴ３の間で固定子コイル８０を流れる平均型
ｉが減少するように制御し、回転子６８が同期外れを起
こすトルクを決めるのは、固定子コイル６２．８４及び
８６の磁力に関連して平均コイル電流により決まる固定
子コイル８ｏの磁力である。第８図に示すように、ＯＦ
Ｆ時間８４及び８６が固定子コイル６２を付勢する電流
波形５２のＯＮ制御パルスに導入され、ＯＦＦ時間８８
及び８０が固定子コイル８４を付勢する時間Ｔ２とＴ４
の間の電流波形５４を制御パルスに導入され、またＯＦ
Ｆ時間８２及び９４が固定子コイル６６を付勢する時間
Ｔ４とＴ６の間の電流波形５ＢのＯＮ制御パルスへ導入
される。

ステップモータ８２は、応答して負荷８４を１つの増分
だけ運動させるステップ回転運動を行なうことができる
所定の最小ＯＮ時間パルスを有する。第９図に示すよう
にＯＮ時間制御パルスのパルス幅変調をその最小時間以
下になるように行なうと、モータ９２の速度はかかる変
調動作に応答せず、モータに供給される平均電流が変化
してモータのトルクが制御される。

モータ８２のトルク対速度の曲線を得るためにＯＮ時間
制御パルスをその最小時間より太きい値にパルス幅を変
調することによりモータ８２の速度を、変化させ、速度
インジケータ１５２で測定した。また、モータ８２のト
ルクを− ＯＮ時間制御パルスのＯＮ時間比率がその最小時間以下
となるよう変調することにより変化させトルクインジケ
ータ１５０で測定した。ステッピングレートであるステ
ップモータθ２の動作速度を、ステップ状態の変化点間
において選択可能な時間遅延を与えるアプリケーション
・ソフトウェア拳プログラムを含んだマイクロコントロ
ーラ１００により決定した。モータ１４０を複数の所定
ステッピングレートで走行させ、負荷８４を複数のトル
ク値な必要とするため第１４図に示したような負荷の可
変摩擦装置を用いて調節した。維持される最大トルク値
は必要なモータステップ動作のスリップが生じるの値を
とった。

第１４図に示すようにモータ８２に結合された負荷８４
は可変摩擦装置に２５０を含むことができ、その装置は
モータの軸１４２に結合されたディスク部材２５２と、
枢着部材２６６を含む枠部材２６２と２６４の間に取付
けたねじ付きボルトと可変ナツト２８０により決まる可
変力でそのディスク部材２５２へ押し付けられる摩擦パ
ッド２５４　、２５８　とを含む。

次表は、ステッピングレートが毎秒７５ステツプ、毎秒
１００ステツプ、毎秒１５０ステツプ、毎秒２００ステ
ツプ、及び毎秒２５０ステツプにおけるステップモータ
８２の動作の結果を示す。その表はまたそれぞれのモー
タ固定子コイルが付勢されるＯＮ時間の割合が１００２
．８’ｄ、７ｏｚ及び５５％であることを示す。対応す
るモータ電流（アンペア）はステッピングレート及ｔｌ
ＯＮ時間パーセントの各々について示され、対応するス
リー２プトルク（インチ・ポンド）は各ステッピングレ
ートに対して示されて」）る。

以　下　余　白 コヤ に″ １ト 甲。

千 ガ へへ１ト １］ト区 岬ビ ｈ畑 第８図に示すようにＯＮ時間及びＯＦＦ時間制御パルス
の時間遅延を定めてモータ９２のステッピングレートを
決定するために上表の第１欄の数字が第１のカウンタに
セットされ、マイクロコントローラ１００のクロックに
よってデクリメントされた。ＯＮ時間制御パルスのＯＮ
時間比率を決めるために第２の欄の数字は第２のカウン
タにセットされ、デクリメントされた。次いでオペレー
タが可変摩擦装置２５０を用いて、リクエストされたモ
ータステップ動作のスリップが生じる最も高いモータト
ルクの値（トルクインジケータ１５０に示される）が測
定された。これが第６欄のスリップトルクと、電流イン
ジケータ８７に示される第５欄の対応モータ電流を決め
た。

第１０図は上表に示したトルク（インチ・ボンド）をモ
ータの毎秒ステップ数につきまたＯＮ時間の各比率につ
いてプロットしたものである。

第１１図は上表に示したモータ電流（アンペア）をモー
タの毎秒ステップ数についてまたＯＮ時間の各比率に関
連してプロットしたものである。

第１２図は所望のステップ時間遅延あるいはステッピン
グレートと、第８図に示したターミナル１４８からオペ
レータにより入力される固定子界磁コイルの各付勢時の
ＯＮ時間比率を定める制御プログラムのフローチャート
である。時間遅延サブルーチンの限界内で、これにより
ステップモータ８２が任意の所望の速度でまた任意の合
理的な所望のＯＮ時間比率で走行できる。ブロック２０
０で所望のステップ時間遅延期間が入力される。ブロッ
ク２０２でステップ時間遅延がメモリに記憶される。ブ
ロック２０４でＯＮ時間比率の時間遅延が入力され、ブ
ロック２０６でＯＮ時間比率の遅延がメモリに記憶され
る。ブロック２０８で第１３図に示した駆動サブルーチ
ンが呼ばれる。

第１３図は、駆動サブルーチンのフローチャートである
。ブロック２１０でマイクロプロセッサコントローラの
レジスタが毎秒ステップ数をカウントするために初期化
され、これが固定子コイル付勢のＯＮ時間比率を決定す
る。

トルク２１２でステップモータ８２が１ステツプだけ回
転される。ブロック２１４で第１のカウンタに所望の時
間がロードされ、第２のカウシントに所望のＯＮ時間比
率がロードされる。ブロック２１Ｂで第２のカウンタが
デクリメントされる。ブロック２１８で第２のカウンタ
が０かどうかのチェックが行なわれる。もしイエスであ
れば、ブロック２２０で全てのモータ固定子コイルがＯ
ＦＦにされる。もしＮＯであればブロック２２２で第１
のカウンタがデクリメントされる。ブロック２２４で第
１のカウンタがＯかどうかのチェックが行なわれる。も
し０でなければプログラムはブロック２１６へ戻る。も
し第１のカウンタがブロック２２４で０であれば、ブロ
ック２２６で第８図に示した停止信号スイッチ１５８が
停止信号１６０を供給するよう作動されているかどうか
チェックされる。もしそうでなければ、プログラムはブ
ロック２１２へ戻る。もしイエスであればブロック２２
８で固定子界磁コイルが全てＯＦＦにされる。このよう
に、第１のカウンタがステッピングレートを制御し、第
２のカウンタが時間比率を制御して、固定子コイルがＯ
Ｎにされ平均電流とモータのトルクが制御される。モー
タを停止させるには停止ボタン１５８が作動される。各
移動ステップの後、プログラムは停止ボタンが押されて
いるかどうかチェ・ンクする。もしそうであれば、モー
タのコイルシカ（ＯＦＦにされプログラムは第１２図に
示すデータプログラムへ戻る。

上述したモータトルク及びモータ電流の制御方法及び装
置は、輸送車両のドアのような負荷の運動が障害物によ
り妨げられるのを所望のごとく検知するためにモータの
回転ステップが脱落する状態が生じるトルクを制御する
ことができ、その検出感度は所望のごとく動的に変更さ
れる。たとえば、負荷のモータ８２を通常的７０％のＯ
Ｎ時間で走行させることができるが、その負荷が乗客用
ドア装置であり、もし負荷に障害物があることが検知さ
れると、ドアは再び開いてそのドアを動かすためにモー
タトルクをやや増加させた状態で約７５２のＯＮ時間で
再び閉じることができる。負荷が連続して妨害を受ける
たびごとにＯＮ時間比率とモータトルクが増加するよう
に動作する。もしドアの走行がそのドアの軌道内にある
非生物の物体により妨げられているなら、トルクレベル
が増加する結果その物体をもはやドアの走行を妨げない
ように取除くことができよう。

所定の所望位置へ移動しそこでその位置を保持するよう
に制御される負荷の場合には、このトルク制御動作を用
いてモータの所望の全トルクｌ全電流走行状態をそのト
ルクに関連するモータの所望の低トルク／低平均電流保
持動作と区別することが可能である。走行モードにおい
てモータが全トルクを必要とする時またそのモータが停
止し位置保持モードにある時には、その位置で負荷を保
持するためにモータが必要とするトルクは小さい。本発
明の制御装置及び方法によると、モータ電流を負荷位置
をホールドするに適当な低いレベルへ減少させることが
可能となり、また米国特許出願第５００，２１７号に記
載した車両推進制御装置のカムコントローラに結合され
るステップモータの動作のように、負荷の保持動作時必
要な電力を減少させてモータ効率を増加させることがで
きる。

本発明の制御装置及び方法の実際的な例を以下に示す部
品を用いて製作した。

モータ８２−スベリオル・エレクトリック社製Ｍ１１２
−ＦＪ−３２７５２，５ｉｎｌ、−，２，１ボルト、８
．２アンペアｌ相、 Ｑ、２４２Ω／相、２．１履ｈ／相、 クラスＢ絶縁。

駆動リレー１２Ｂ　、１２８　、１３０及び１３２−ダ
グラス・ダンドール社製ソリッドステートリレー、モデ
ルに１２Ｂ、１２アンペア５５ＶＤＣ、ＴＴＬ　入社部
Ｚ８コントローラ、２８Ｂ７１シングルマイクロチップ
付き。

プログラムディベロツバ及びコミュニケーションターミ
ナル１４８−ＴＲ８−８０、モデルＩＩＩマイクロミン
ト社製ＡＸＺ８クロスアセンブラ及びオムニターム。

電源８６−ソレンセン社製０ＣＲ４０−４０Ｂ　、　Ｏ
〜５０ポルト、θ〜４０アンペア（２４マｄｃヘセツト
）。

【図面の簡単な説明】

第１図は、乗客用ドアが閉じた状態の従来型輸送車両の
側面図を示す。 第２図は、輸送車両の１対の複動式乗客用ドアを作動す
るために結合された従来型の直流または交流モータを示
す。 第３図は、典型的な４極ステツプモータにおける従来型
のステップモータ固定子コイル付勢シーケンスを示す。 第４〜７図は、従来型４極ステツプモータのロータが順
次回転する位置を示す。 第８図は、マイクロプロセッサ・コントローラがステッ
プモータに結合されて負荷を駆動させその負荷を駆動さ
せるときのステップモータトルクを決定する本発明の実
施例を示す。 第８図は、本発明のステップモータトルク制御動作を示
す。 第１０図は、モータのステッピングレートと供給される
制御パルスのＯＮ時間比率に関連してステップモータの
出力トルクを示す。 第１１図は、ステッピングレート及び供給される制御パ
ルスのＯＮ時間比率に関連してステ・リブモータ電流を
示す。 第１２図は、本発明によるステップモータ制御装置にお
けるデータ入力プログラムを示すフローチャートである
。 第１３図は、本発明のステップモータ制御装置の制御プ
ログラムを示すフローチャートである。 第１４図は、ステップモータに結合される負荷に用いる
可変摩擦装置を示す。 １２．１４・・・・乗客用ドア ３０・・・・駆動モータ ３２・・・・ドア制御装置 ３４・・・・車両制御装置 ６０．６２．６４、ｅｅ−−拳固定子コイル３２拳・拳
・ステップモータ ９４・・・・可変摩擦装置 ８６・・・・電源 ９７・・・・電流インジケータ ｌＯ・・・・マイクｌコントローラ １２８　、１２８　、１３０　、１３２−−−−ドライ
バ１４８・・プログラムターミナル １５０・・トルクインジケータ １５２・・速度インジケータ ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、８ ＦＩＧ、９ ７πｙ已ヅし−Ｆ 号、、ピッグし一ヒ ＦＩＧ、＋４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　負荷に結合されてその負荷へ出力トルクを供給す
   るステップモータを含む手段と、前記ステップモータを
   付勢して出力トルクを供給するように所定の遅延時間を
   有する順次ＯＮ期間１０ＦＦ期間制御パルスを供給すべ
   くステップモータに結合された手段とより成り、前記Ｏ
   Ｎ期間制御パルスのＯＮ時間比率は負荷へ供給される出
   力トルクを決定するよう変調されることを特徴とする、
   負荷に印加されるトルクの制御装置。 ２、　前記ステップモータは応答するとその速度が変化
   する所定の最小ＯＮ期間を有し、前記制御パルス供給手
   段は制御パルスのＯＮ時間比率を前記最小期間以下で変
   調することを特徴とする前記第１項記載の制御装置。 ３、前述した変調は各ＯＮ期間制御パルス内にＯＦＦ期
   間を導入することにより行なわれることを特徴とする前
   記第１項記載の制御装置。 ４、前記ＯＮ期間制御パルスは、モータの出力トルクを
   調節するためＯＦＦ期間を含ましめて残りのＯＮ期間が
   所定の最小ＯＮ期間より大きくなるように変調されるこ
   とを特徴とする前記第１項記載の制御装置。 ５、前記制御パルス供給手段は、前記ＯＮ期間制御パル
   スのＯＮ時間を変調するためにＯＮ期間制御パルスに第
   ２の時間遅延を与えることを特徴とする前記第１項記載
   の制御装置。 ６、前記制御パルス供給手段は各ＯＮ期間制御パルスを
   変調するために少なくとも１つのＯＦＦ期間を設けるこ
   とを特徴とする前記第１項記載の制御装置。 ７、前記制御パルス供給手段は各−〇Ｎ期間制御パルス
   に少なくとも１つのＯＦＦ期間を設けるためにＯＮ時間
   比率を定め、かくして前記時間遅延がモータのステッピ
   ングレートを決定し、　ＯＮ時間比率がモータの出力ト
   ルクを定めることを特徴とする前記第１項記載の制御装
   置８、順次ＯＮ期間１０ＦＦ期間制御パルスにより付勢
   される、負荷に結合されたステップモータの出力トルク
   を制御する方法であって、前記制御パルスの時間インタ
   ー／トルを決める第１の時間遅延を与えてモータのステ
   ッピングレートを定め、ＯＮ期間制御パルスのＯＮ時間
   比率を決める第２の時間遅延を与えてステップモータの
   出力トルクを決めるステップより成ることを特徴とする
   方法。 ８、前記第２の時間遅延は前記ＯＮ期間制御パルスのＯ
   Ｎ時間を定めることを特徴とする前記第８項記載の方法
   。 １０・前記第２の時間遅延により前記ＯＮ期間制御パル
   スに少なくとも１つのＯＦＦ時間が導入されて変調が行
   なわれ、前記ＯＮ時間制御パルスによるステップモータ
   の実際のＯＮ時間での付勢が決まることを特徴とする前
   記第８項記載の方法。