JPS627398A - ステツプモ−タのデイジタル位置決め制御装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ステップモータの微小位置決めを行なうディ
ジタルフィードバック制御装置に関するものである。

（従来技術とその問題点） ステップモータは入力パルスが加わる毎にある定まった
角度（または位置）だけ回転（または移動）するモータ
であり、サーボ機構を簡単化できることから、従来より
、位置決め制御装置に数多く適用されてきた。例えば、
ＮＣ工作機械でＸ−Ｙテーブル位置決めのためのテーブ
ル駆動アクチュエータとして応用されているし、７０ツ
ピデイスク装置などの磁気ディスク装置に於いては磁気
ヘッドをデータトラック上に位置決めするための磁気ヘ
ッド駆動アクチュエータとして利用されている。また、
プリンタ装置では印字ヘッドの位置決めのためのキャリ
ッジ駆動用アクチュエータに利用されている。

ステップモータの駆動は、例えば、２相のリニアステッ
プモータをバイポーラ駆動する場合を例にとると、Ａ相
とＢ相それぞれに流す励磁電流の符号の組み合わせによ
ってきまるリニアステップモータの平衡点位置を、順次
励磁電流を切り換えることによって移動させ、リニアス
テップモータの平衡点と現在位置との位置ずれによって
発生する推力により、駆動すると云う方法がとられる。

近年、ステップモータが増々広い分野に応用されるのに
伴い、ステップモータをより微小に精度良く送ることの
必要性が増加してきている。例えば、大容量化の方向に
あるフロッピディスク装置や固定磁気ディスク装置など
はその顕著な例である。

ところで、上述したような従来の駆動方法によりステッ
プモータな微小に位置決めする°ためには、要求される
送り精度にみあう機械的な送りピッチを持つステップモ
ータが必要であるが、一般に、機械的な精度には限界が
あり、位置決め精度をそれほど高くできないと云う問題
がある。また、ステップモータの運動は一般に（１）式
のばね一質量系によって表わされ、もし、摩擦力などの
影響がなければ、ステップモータは平衡点位置に収束せ
ず、振動を続けると云う特性をもつため、ステップモー
タを上述した駆動方法、即ち、開ループ制御する場合に
は、ばね−質量系１こよる残留振動のために整定時間が
長くなり、さらに静止摩擦力などの影響により、高精度
、高速の位置決めができないと云う問題がある。

Ｍ＝＋　ｋε＝Ｏ（１） ここで、Ｍはリニアステップモータの質量であり、８は
リニアステップモータの平衡点位置と現在位置との位置
ずれである。また、ｋは、ばね定数であり、°？はｅの
時間に関する２階微分を表わす。

（発明の目的） 本発明は上述したようなステップモータの特性を補償す
る目的で創案されたものであって、ステップモータの機
械的な送りピッチにかかわらずステップモータの位置を
微小変化させることが可能なステップモータのディジタ
ル位置決め制御装置を提供することにある。

（発明の構成） 本発明によれば、ステップモータと、前記ステップモー
タを追従させるべき目標位置と前記ステップモータの位
置との位置誤差を一定サンプリングタイム毎に得る位置
誤差検出手段と、前記位置誤差検出手段の出力の値を前
記サンプリングタイム毎に積算する積算手段と、前記位
置誤差信号と前記積算手段の出力信号とを入力とするデ
ィジタル補償フィルタと、前記ディジタル補償フィルタ
の出力信号に応じて前記ステップモータの各相への励磁
電流値を出力する記憶素子及び前記記憶素子の出力値に
従って前記ステップモータヘローパスフィルタを介して
電流を印加する増幅器を含むステップモータ微小送り回
路とからなり、ステップモータの特性を前記ディジタル
的積分補償及び２入力１出力の前記ディジタル補償フィ
ルタを用いたフィードバック制御により補償したことを
特徴とするステップモータのディジタル位置決め制御装
置が得られる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。第１図
は本発明の１実施例に係わる２相リニアステツプモータ
のディジタル位置決め制御装置の構成を示すブロック図
である。

位置誤差検出器１はリニアステップモータが追従すべき
目標位置を示す信号ａと２相リニアステツプモータ（以
下リニアステップモータと呼ぶ）５の現在位置を示す位
置信号Ｘとから、リニアステップモータ５の現在位置と
リニアステップモータ５が追従すべき目標位置との位置
ずれ量ＣをサンプリングタイムＴ毎に検出し、サンプリ
ングタイムＴ開位置ずれ量Ｃを積算器２及びディジタル
補償フィルタ３へ出力する。積算器２は位置誤差検出器
１の出力値Ｃを受けて、サンプリングタイムＴ毎に位置
誤差検出器１の出力値Ｃを積算し、積算値ｄをサンプリ
ングタイム１間ディジタル補償フィルタ３へ出力する。

ディジタル補償フィルタ３は位置誤差検出Ｓ１の出力値
Ｃ及び積算器２の出力値ｄを入力し、リニアステップモ
ータの平衡点アドレス値Ｕを計算し、リニアステップモ
ータの微小送り回路４に、サンプリングタイムＴのΔ時
刻後、すなわちＴ＋Δ時間に、サンプリングタイム１間
リニアステップモータの平衡点アドレス値Ｕを出力する
。リニアステップモータの微小送り回路４はディジタル
補償フィルタ３の出力値Ｕを受けてリニアステップモー
タ５のＡ相とＢ相それぞれにディジタル補償フィルタ３
の出力値Ｕに応じた電流ｆＪ’　　を流し、リニアステ
ップモータ５の平衡点を変化させリニアステップモータ
５を動かす。リニアステップモータ５の現在位置はフィ
ードバックされ、サンプリングタイムＴ毎に位置誤差検
出器１によってリニアステップモータ５が追従すべき目
標位置との位置ずれ量Ｃが検出され、位置ずれ量Ｃは積
算器２及びディジタル補償フィルタ３へ出力される。

積算器２はディジタル的な積分器であって、リニアステ
ップモータ５の位置は、この積分補償によって、追従す
べき目標位置に定常的に一致するように制御される。ま
た、後述するが、フィードバック制御系の安定性はディ
ジタル補償フィルタ３により満たされる。ここで、サン
プリングタイムＴ及び出力時間Δはタイマによって時間
管理される。

位置誤差検出器１は、例えば、磁気ディスク装置のセク
ターサーボ方式においてはディスク上の各トラックにセ
クタ毎にあらかじめ書かれている位置誤差信号を磁気ヘ
ッドにより読み込み装置誤差を検出すると云った方法で
構成されているし、また、プリンタ装置の場合はインダ
クトシンの様な位置検出器を備えることによって実際に
位置を検出し、目標位置との位置誤差を加算器を通して
計算すると云った方法で構成されているが、位置検出手
段は装置特有のものであることが多いため、ここでは、
位置検出手段については言及しない。

第２図は微小送り回路４の構成の１例を示すブロック図
である。微小送り回路４は外部から与えられるリニアス
テップモータ５の平衡点のアドレス値Ｕを受けて、リニ
アステップモータのＡ相及びＢ相それぞれに与えるべき
電流値を出力するＲＯＭ（リードオンリイメモリ）６と
、ＲＯＭ６’　の出力値ｇ、ｇ’　　を示すディジタル
信号をアナログ信号へ変換するＤ／Ａ変換器７，７′　
　とＤ／Ａ変換器７，７′　の出力値り、ｈ’　のナイ
キスト周波数（１／２Ｔ）以上の周波数成分を遮断する
ローパスフィルタ８，８′　　とローパスフィルタ８，
８′の出力値ｊｊ′　　に従ってリニアステップモータ
の人相とＢ相に電流を流す増幅器９，９′　　とからな
る。

ところで、リニアステップモータはその平衡点の位置を
、Ａ相の電流値とＢ相の電流値を適当に組み合わせるこ
とによって、機械的な送りピッチにかかわらず任意に設
定できる。即ち、Ａ相及びＢ相それぞれにある大きさの
電流を流すと、その電流値の組み合わせによる平衡点が
必ず存在し、この平衡点の位置はＡ相及びＢ相の励磁電
流にのみ依存し、機械的な送りピッチに無関係である。

従って、ある電流の組み合わせによる平衡点位置を基準
アドレス（アドレス値０）としたとき、その点からのず
れ量をリニアステップモータの平衡点アドレスとするこ
とができ、前記したＲＯＭ６及び６′　には、この平衡
点アドレスに対応する電流値の組み合わせが記憶され机
ただし、人相の電流値とＢ相の電流値の組み合わせは、
最大静止推力が一定になるようにとられる。例えば、リ
ニアステップモータの機械的なピッチが入である場合、
人相及びＢ相両方に＋０．１アンペアの電流を流したと
きのリニアステップモータ５の平衡点位置を基準アドレ
スとし、さらに、このときの最大静止推力を基準最大静
止推力とすると、平衡点の位置が基準アドレスからＡ／
８までについてはＲＯＭ６には十０．１７−ンベア（ア
ドレスＯ）から０．０アンペア（アドレスＡ／８）まで
の電流をＡ相に、またＲＯＭ６’　　には十〇、１アン
ペア（アドレスＯ）から＋〇、Ｉ　Ｘ　ａアンペア（ア
ドレスＡ７８）までの電流をＢ相に流すための値が順次
平衡点のアドレスに応じて記憶されているわけである。

第３図はこの様子を示したものであって、ある電流の組
み合わせによって決められた基準アドレス（アドレス値
０）とその点からのずれ量である平衡点アドレスｕ、ｕ
’　。

Ｕ“における静止推力特性を示している。また、ステッ
プモータの位置も同様に基準アドレスからの位置すれと
して与えられる。

第４図はローパスフィルタ８，８′　の具体的構成例を
示すブロック図である。このローパスフィルタ８゜８′
　は２次の伝達関数Ｇｌｐ（ｓ）によって表わされるも
のである。ただし、Ｓはラプラス変換の演算子である。

Ｇ７ｐ（ｓ）＝ｗ２／（ｓ２＋２・ζｗｓ　十ｗ２）　
　　　　　（２）式（２）と第４図の回路定数との間に
は次の関係がある。

ｗ＝１／蜀匡画罵　　　　　　　　（３）ζ＝０２・西
＋Ｌ、）／２・ｑ町■　　（４）以上の様に、微小送り
回路はリニアステップモータ５の平衡点の位置を機械的
な送りピッチにかかわらず任意に選ぶことができるわけ
である。

リニアステップモータ５に微小送り回路４を接続した場
合には、第３図に示される様に、リニアステップモータ
５の平衡点のアドレス値Ｕとリニアステップモータ５の
位置Ｘとの間の入出力関係は（５）式％式％ ここで、Ｍ及びｋはリニアステップモータ５の質量及び
ばね定数であり、マはＸ時間に関する２階数分を表わす
。

リニアステップモータ５の平衡点のアドレス値Ｕを入力
し、リニアステップモータ５の位置Ｘを出力するシステ
ムを第５図の様に、サンプリングタイムＴ以内である６
時間のむだ時間１０を付加して、ｔ：ＮＴ（Ｎ＝０，１
，２．・・・）のサンプリングタイム時刻に注目し、離
散時間値での状態方程式を導くと、（６）式の様になる
。むだ時間１０は積算器２及びディジタル補償フィルタ
３による演算時間遅れであり、■はむだ時間１０への入
力である。また、ｋはＸの時間にかんする１階微分であ
る。

Ｘ（（Ｎ＋１）Ｔ）＝Ａ−Ｘ（ＮＴ）＋ｂ−ｖ（ＮＴ）
　　（６−ａ）Ｙ（ＮＴ）＝Ｃ，Ｘ（ＮＴ）　　　　　
　　（６−ｂ）ここで、Ｘ（ＮＴ）は状態ベクトル、Ｙ
（ＮＴ）は出力ベクトルであり、次式で与えられる。

また、（６）式の各係数行列は以下の構造をしてい（６
）式で表わされるシステムは可制御、可観測であり、可
観測指数は２つである。

ところで、積算器２の機能は第６図に示すブロック図に
より表わすことができる。第６図に於いて、２は２−変
換の演算子である。ｚ−１はシフトレジスタを表わす。

第５図のシステムと第６図の積算器２とを第７図に示し
た様に直列に結合したシステムは第５図のシステムが２
一平面の点（１，０）に零点を持たないことから、むだ
時間１０の入力Ｖから可制御である。従って、むだ時間
１０の入力Ｖを入力とし、リニアステップモータ５の位
置及び積算器２の出力値を出力とする第７図に示したシ
ステムは１次のディジタル補償フィルタにより安定化す
ることができる。

例えば、ディジタ補償フィルタの１例を２−変換の演算
子２を用いて記述すると、第８図に示す様なブロック図
で表わすことができる。第８図に於いて、１０は前述し
た演算時間のための時間遅れを考慮した６時間のむだ時
間であり、常にＶをサンプリング時刻ｔ＝ＮＴの６時間
後、すなわちｔ＝ＮＴ＋Δ時刻にＵとして出力すると云
う動作をするむだ時間である。また、１１，１２，１３
，１４，１５は実定数である。

このとき、位置誤差検出器１の出力信号Ｃから第８図に
おけるディジタ補償フィルタの出力Ｖまでのパルス伝達
関数Ｇｃｖ（ｚ）及び積算器２の出力ｄからディシタ補
償フィルタの出力Ｖまでのパルス伝達関数Ｇｄｖ（ｚ）
はそれぞれ次の様になる。

Ｇｃｖ（ｚ）＝（１１＝ｚ２＋１□−ｚ）／（ｚ２−１
４−ｚ−１５）　　（７）Ｇｄｖ（ｚ）　＝　（１３・
ｚ）／（ｚ２−１４・ｚ−１５）　　　　　（８）パル
ス伝達関数が２次で表わされているのは、むだ時間１０
を時間遅れｚ−１として扱っているからである。

ま、た、第１図に示したフィードバック制御系に於いて
、目標位置ａからリニアステップモータ５の位置Ｘまで
のパルス伝達関数Ｗ（ｚ）は次の様になる。　。

Ｗ（ｚ）：＝Ｎ、（ｚ）−Ｎ２（Ｚ）／Ｉ）（ｚ）　　
　　　　　（９）□ただし、Ｎ、（ｚ）は第８図に示し
た実定数１．，１□、１３，１４゜１５が決まると一意
に決まる２次の実定数多項式であり、Ｎ２（Ｚ）は（６
）式で表わされるシステムが持つ零点を示す多項式であ
る。Ｄ（ｚ）は実定数１１，１２，１３，１４，１５に
より任意に決めることのできる多項式である。即ち、Ｄ
（ｚ）＝Ｏの根を２一平面の単位円内に指定することに
よって、第１図に示したフィードバック制御系を安定化
できる。応答の速さは、サンプリング周波数による制限
はあるが、実定数１□、１□、１３，１４，１５により
設定できる。

例えば、Ｍ＝２０ｇ、に＝３．２ｘｌＯ’Ｎ／ｍである
リニアステップモータを考えよう。また、サンプリング
タイムＴを１ミリｓｅｃ、演算時間Δを０．５ミリｓｅ
ｃとしよう。このとき、（６）式の係数行列は次の様に
なる。

さらに、ディジタル補償フィルタの定数１０，１２，１
３゜’４Ｊ５を次の様に選ぶと位置誤差検出器１の出力
信号Ｃから第８図におけるディジタル補償フィルタの出
力Ｖまでのパルス伝達関数Ｇｃｖ（ｚ）及び積算器２の
出力ｄからディジタル補償フィルタの出力Ｖまでのパル
ス伝達関数Ｇｄｖ（ｚ）はそれぞれ次の様になる。

１１ニー　０．０６６６４０６．Ｉ□ニー０．．３８６
５０２７，１．　＝　０．３１６５５９９゜１４＝　−
０，８６４３９７７，１，ニー　０．ｌ３６０５９４目
標位置信号ａからリニアステップモータ５の位置信号Ｘ
までの閉ループパルス伝達関数Ｗ（ｚ）のＮｘ（ｚ）、
Ｎ２（ｚ）及びＤ（ｚ）は以下の様になる。

Ｎ、（ｚ）＝０．０１２８８９７１−（Ｚ−１，６３８
６１１）・（Ｚ＋６．４３８４１９）　　　（１２）Ｎ
２（ｚｌ；（Ｚ＋０−１９８９０９８）（Ｚ　＋　５０
２７４０４１　　　　　　　（１３）Ｄ（ｚ）＝Ｚ５−
０．７５０７６７Ｚ’＋　０．２２４０９７６Ｚ”−０
，０３３２４６９３Ｚ２＋２．４５１８９ｘ１０へ３２
−７．１９１８３３刈０−６（１４）また、Ｄ（ｚ）＝
Ｏ（７）根ｉｔ　Ｏ，１２２４５，０，１３００３，０
，１４６６１゜０．１６５３０．（１１８６３７となり
、ディジタル補償フィルタ３により安定化できているこ
とがわかる。

第８図に示したディジタル補償フィルタは、シフトレジ
スタ、加算器、１１，１２，１３，１４，１５の定数倍
を行なう乗算器を用いて構成することが可能である。

本実施例では、積算器及びディジタル補償フィルタをシ
フトレジスタ、加算器、乗算器及びタイマによりハード
的に実現する場合について述べたが、第６図及び第８図
に示した様に積算器及びディジタル補償フィルタが２−
変換の演算子２によって表わされていることから、ディ
ジタル計算機により差分方程式を解くと云う方法で積算
器及びディジタル補償フィルタをプログラムとしてソフ
ト的に実現することも可能である。また、本発明は２相
リニアステツプモータに限るものではなく、他のステッ
プモータへも適用できる。

（発明の効果） 以上説明した様に、本発明によれば、ステップモータに
微小送り回路を付加することにより機械的な送りピッチ
にかかわらずステップモータを微細に送ることが可能で
あり、さらに、ステップモータの特性を積算器及びディ
ジタル補償フィルタを使ってフィードバック制御したこ
とによって、ステップモータを高速、高精度に位置決め
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例に係わる２相リニアステツプ
モータのディジタル位置決め制御装置の構成を示すブロ
ック図である。第２図は第１図に示した微小送り回路の
１構成例を示すブロック図である。第３図はリニアステ
ップモータの各平衡点のアドレスと平衡点に於けるリニ
アステップモータの静止推力特性を示した図である。第
４図は第２図に示したローパスフィルタの具体的構成を
示した図である。第５図はむだ時間を付加した制御対象
のブロック図である。第６図は積算器の機能を示したブ
ロック図である。第７図は、第１図に於いてディジタル
補償フィルタを取り除いた、開ループのブロック図であ
る。第８図は２．変換の演算子２を用いてディジタル補
償フィルタの構成を示したブロック図である。 １・・位置誤差検出器　　２・・積算器３・・ディジタ
ル補償フィルタ　４・・微小送り回路５・・２相リニア
ステツプモータ　６，６′　・・ＲＯＭ７．７′　・・
Ｄ／Ａ変換ｉ　　　　８，８’　・・ローパスフィルタ
９．９′・・増幅器　　　　１０・・むだ時間ａ・・目
標位置信号　　　Ｃ・・位置誤差検出器出力ｄ・・積算
器出力　　　　ｆ、ｒ　・・微小送り回路出方ｇ、ｇ’
　・・ＲＯＭ出力　　　ｈ、ｈ’　・・Ｄ／Ａ変換器出
カｊｊ′・・ローパスフィルタ出力 Ｕ・・ディジタル補償フィルタ出力 Ｘ・・２相リニアステツプモータの位置■・・むだ時間
への入力信号 第３図 第４図 オ　　５　　図 才　６　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ステップモータと、前記ステップモータを追従させる
   べき目標位置と前記ステップモータの位置との位置誤差
   を一定サンプリングタイム毎に得る位置誤差検出手段と
   、前記位置誤差検出手段の出力の値を前記サンプリング
   タイム毎に積算する積算手段と、前記位置誤差信号と前
   記積算手段の出力信号とを入力するディジタル補償フィ
   ルタと、前記ディジタル補償フィルタの出力信号に応じ
   て前記ステップモータの各相への励磁電流値を出力する
   記憶素子及び前記記憶素子の出力値に従って前記ステッ
   プモータへローパスフィルタを介して電流を印加する増
   幅器を含むステップモータ微小送り回路とからなり、ス
   テップモータの特性を前記ディジタル的積分補償及び２
   入力１出力の前記ディジタル補償フィルタを用いたフィ
   ードバック制御により補償したことを特徴とするステッ
   プモータのディジタル位置決め制御装置。