JPS6392297A - ステツプモ−タの回転制御装置 - 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、急加速を可能にしたステップモータの回転制
御装置に関する。

（従来の技術） ステップモータの脱調防止には閉ループ駆動が有効であ
ることが知られている。

第１１図は従来知られているステップモータの閉ループ
駆動の基本形であって、ステップモータｌの回転軸には
エンコーダ２が取りつけられておシ、ステップモータ１
のロータの回転位置信号であるエンコーダ２の検出信号
によって分配回路３が励磁回路４に対し励磁相を指令す
るデジタル信号を送シ、励磁回路４は上記デジタル信号
に基づいて直流電源５により所定の相を順次励磁するよ
うになっている。

このような閉ループ駆動によれば、エンコーダ２による
ロータの現在位置の検出信号に基づいて適当なタイミン
グで次の相を励磁することによりモータ１を回転駆動す
るため、税調は確実に避けられる。しかし、負荷の大き
さや電圧変動等によって速度変動を生じ、外部からの命
令信号に忠実に同期して動作するというステップモータ
本来の利点が失われる。

そこで、第１２図に示されているような電流制御付き閉
ループ駆動方式が提案されている。これは、速度形状指
令回路６において速度形状指令曲線を予め決めておき、
ステップモータｌのロータの位置及び回転速度を検出す
るエンコーダ２によ多速度信号をフィードバックし、誤
差検出回路７において、予め設定した上記速度形状指令
曲線と上記速度信号とを比較して両者の誤差を検出し、
この誤差値によって励磁回路８を通してモータの巻線電
流を制御するようにしだものである。

（発明が解決しようとする問題点） 上記電流制御付き閉ループ駆動方式によれば、外部から
の命令信号に同期して動作するというステップモータ本
来の利点を生かすことができるが。

電流制御を行うためのアナログ部分を含むため、制御回
路が複雑になるという問題がある。また、加速、一定速
、減速の各状態に対する適正進み角が速度形状指令回路
で決められているが、−変電められた進み角は不変であ
り、各種条件に応じた最適進み角の指定は不可能である
。そのため、急加速ができないという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解消するためにな
されたものであって、外部からの命令信号に同期して動
作するというステップモータ本来の利点を生かしながら
、回転状態に応じ最も適した進み角に随時変更して励磁
を行うことにより急加速を可能にしたステップモータの
回転制御装置を提供することを目的とする。

（問題点を解消するための手段） 本発明は、回転位置検出用エンコーダの出力パルスによ
りモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、こ
の回転速度検出手段によって検出された回転速度と設定
速度との差に基づいてモータの励磁タイミングの進み角
を決定する進み角決定手段と、この進み角決定手段によ
り決定された進み角に基づいて分配回路への駆動パルス
の入力時点を制御する駆動パルス入力制御手段とを有す
ることを特徴とする。

（作　用） 回転速度検出手段は、回転位置検出用エンコーダの出力
パルスによりモータの回転速度を検出する。進み角決定
手段は、上記回転速度と設定速度との差から励磁タイミ
ングの進み角を決定する。

決定された進み角に基づき駆動パルス入力制御手段が分
配回路への入力パルスの入力時点を制御し、上記分配回
路は、入力パルスの入力時点に応じたタイミングで各相
の励磁の順序を決定するための信号を作り出す。

（実施例） 以下、本発明に係るステップモータの回転制御装置の実
施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例を概略的に示す。第１図にお
いて、起動回路１０は初期進み角指令回路１１及び図示
されない起動スイッチを有しておシ、初期進み角指令回
路１１は初期進み角信号θＧを駆動パルス入力制御回路
に入力し、上記起動スイッチは同スイッチの操作によっ
て起動パルスを発生してオア回路１３を介し分配回路１
４に入力する。

分配回路１４は、入力された駆動パルスごとに同パルス
のタイミングに応じて各相の励磁の順序を決定するため
の信号を出力し、この信号により励磁回路１５が各相の
コイルを順次励磁してステップモータ１６を回転駆動す
る。モータ１６のロータには回転位置検出用エンコーダ
１８が一体的に取りつけられておシ、また、負荷１７が
かけられている。

エンコーダ１８による出力信号は駆動パルス入力制御手
段１２に入力されると共に回転速度検出学友９に入力さ
れる。回転速度検出手段１９は、エンコーダ１８の出力
パルスによりモータの回転速度を検出し、この検出信号
を進み角決定および進み角指令手段２１に入力する。進
み角決定および進み角指令手段２１は、速度検出手段１
９からの現在の回転速度信号と速度指令回路２０かもの
設定速度信号ω“との差に基づいて励磁タイミングの進
み角を決定し、進み角指令信号θを駆動パルス入力制御
手段１２に加える。駆動パルス入力制御手段１２は、起
動時は初期進み角信号θ０に基づき、起動後は上記進み
角指令信号θに基づき分配回路１４への駆動パルスの入
力タイミングを制御する。

いま、起動時に起動回路１０内の初期進み角指令回路１
１で作られた初期進み角信号θ。を入力すると、その後
はエンコーダ１８からのパルス列で位置帰環がかげられ
、モータ１６が１ステップ回転するたびに励磁相が切り
換えられて上記進み角θＯを保って自走する。例えば、
ステップモータ１６は２００ステップ／回転（以下「Ｓ
／Ｒ」で表わす）、エンコーダ１８は２０００パルス／
回転（以下ｒＰ　／　ＲＪで表わす）のものを電気的に
４倍して８０００Ｐ／Ｒとしてシステムを構成するもの
とすれば、ステップモータ１６が１ステップ回転する間
にエンコーダ１８からは８０００／２００　＝　４０よ
シ、４０パルス出力される。そこで、駆動パルス入力制
御回路１２に含まれるカウンタがエンコーダ１８からの
検出パルスを４０パルスカウントするたびにボロー信号
を出力するようにし、このボロー信号を駆動パルスとし
て分配回路１４に入力することにより、上記進み角θＯ
を保ったまま自走させることができる。因に、初期進み
角θ０が１８００以上ではステップモータ１６は起動で
きないので、上記θ０は１８０°以下に設定される。

ステップモータが起動されたのちは、進み角を犬きくす
れば、電圧に対する電流の立ち上がりの遅れ及びロータ
の慣性に基づき高速運転が可能であることが知られてい
る。第２図はステップ％　−タの進み角αと速度ｎの関
係を示したものであわ、曲線ａは電源電圧が最も高く、
曲線Ｃは電源電圧が最も低い場合を示す。第２図から明
らかなように、進み角αを適宜の値に設定することによ
り高速運転を行うことが可能であり、また、速度制御が
可能があることがわかる。

そこで第１図の例では、ステップモータが起動されると
、進み角決定および進み角指令手段２１によって速度検
出手段１９からの実際の回転速度信号と速度指令回路２
０で予め設定された設定速度との差に基づいてそのとき
の回転状態に適した進み角θを演算し、以後、そのとき
の回転状態に適した進み角θによって各相を励磁するよ
うになっている。

第３図乃至第６図は上記進み角決定および進み角指令手
段２１における進み角θを演算するだめのフローチャー
ト及び論理チャートであり、第３図及び第４図は加速の
場合、第５図及び第６図は定速の場合を示す。加速の場
合は、第３図に示されているように、指令速度ω１と実
速度ω（ｔ）とそのときの進み角θ（ｔｎ）とによって
速度偏差、加速度、加速度の微分、進み角の微分を演算
し、この演算結果によって加速の良い進み角θ（ｔｎ＋
１）を決定する。定速の場合は、第５図に示されている
ように、指令速度ω１と実速度ω（ｔ）とそのときの進
み角θ（ｔｎ）とＫよって速度偏差、加速度、進み角の
微分を演算し、この演算結果によって指令速度ω”とな
る進み角θ（ｔｎ−ｚ）を決定する。進み角切り換え周
期は速度サンプル時間τＳとし、進み角の切り換え幅は
δとしている。

加速時と定速時の切り換えは、指令速度と実速度との偏
差の大小によって行うようＫしてもよい。

また、第３図及び第４図のチャートを定速時に適用して
もよい。

次に、第１図の例を具体化した第７図の例について説明
する。

第７図において、符号１０は起動回路、１１は初期進み
角指令回路、１３はオア回路、１４は分配回路、１５は
励磁回路、１６はステップモータ、１７は負荷、１８は
エンコーダ、２０は速度指令回路であシ、これらは第１
の同一符号の構成部分に該当する。符号３０で示されて
いるブロックは主回路、符号４０で示されているブロッ
クは進み角制御回路である。

起動回路１０は、起動スイッチ２８の操作にょシバルス
発生回路２９から起動パルスを発生する機能を有すると
共に、初期進み角指令回路１１がら起動時の進み角指令
信号を発する機能を有する。この起動時の進み角指令信
号の設定は起動特性に影響する。

主回路３０は前記オア回路１３、分配回路１４、励磁回
路１５、ステップモータ１６、負荷１７、エンコーダ１
８を含むと共に、エンコーダ１８がらのパルスをダウン
入力とする分周カウンタ２３、遅延回路２５、進み色保
持回路２６を含む。この進み色保持回路２６は進み角を
変更しない場合に機能し、前述のように、エンコーダ１
８からの４０パルスが１ステツプに相当する場合は４０
進指令を行う。

この４０進指令に基づき、エンコーダ１８からの４０パ
ルスごとに励磁相を切り換えれば進み角は９０゜なら９
００．１８０°なら１８００のまま変更されない。

上記分周カウンタ２３の分周信号は進み角制御回路４０
に含まれる速度検出用スイッチ４１を経て速度検出用カ
ウンタ４２にアップ信号として入力される。上記分周信
号は例えばエンコーダ１８のパルスを１／１０に分周し
て１ステツプ当たり４パルスとする。上記カウンタ４２
は第１図における速度検出手段１９に該当するもので、
実速度信号ω（ｔ）を出力する。実速度信号ω（ｔ）は
比較器４３において速度指令回路２０からの指令信号ω
“と比較されて速度偏差△ωが求められ、Ｎ決定論理演
算回路４５に入力される。実速度信号ω（ｔ）はスイッ
チ４６を経てカウント保持回路４７に入力されてカウン
ト値が保持される。カウント保持回路４７で保持されて
いる一つ前のカウント値と新たな実速度信号ω（ｔ）と
をｄω 比較器４８で比較することにより加速度信号−をｔ 得る。この加速度信号はデータ取シ込み手段５２を経て
Ｎ決定論理演算回路４５に入力されると共に、スイッチ
４９を経てカウント保持回路５０に入力されてカウント
値が保持される。カウント保持回路５０で保持されてい
る一つ前のカウント値と新たな加速度信号とを比較器５
１で比較することによυ５２を経てＮ決定論理演算回路
４５に入力される。

前記オア回路１３を経た起動パルス又は分周カウンタ２
３のボロー信号は遅延回路２５で遅延きれ、さらに、ス
イッチ手段５４を経て遅延回路５５、遅延回路５６、遅
延回路５７でそれぞれ遅延され、速度検出用カウンタ４
２にクリア信号として入力されると共に、モノマルチバ
イブレータ５８のトリガ信号として入力される。上記遅
延回路５５の出力でスイッチ４９を閉じ、遅延回路５６
の出力でスイッチ４６を閉じる。上記モノマルチバイブ
レータ５８は上記遅延回路５７の出力により一定時間τ
ＳだけｒＬＪレベルの信号を出力する。前記速度検出用
スイッチ４１は上記バイブレータ５８の出力がｒＬＪＯ
間オンチオン上記バイブレータ５８の出力は遅延回路５
９で遅延され、この遅延出力がｒＨＪＯ間前記スイッチ
手段５４をオンする。また、上記バイブレータ５８の出
力の立ち下が９でパルス発生回路６０がパルスを発生し
、Ｎ決定論理演算回路４５にクロック信号として入力さ
れる。

Ｎ決定論理演算回路４５は、第３図乃至第６図に従った
論理値を導き出すロジック回路を有してなり、速度偏差
、加速度、加速度の変化の各入力信号をもとにして、ク
ロック信号の入力で所定の演算を行って進み角をさらに
進めるべきか又は遅らせるべきかを求め、この演算結果
をＮ進指令手段５３に入力する。Ｎ進指令手段５３は、
前述のように１ステツプ当たシイ０パルスを基準値とし
た場合。

Ｎ＝４０を基準値として進み角をさらに進めるときはＮ
−３０、進み角を遅らせるときはＮ＝５０のように設定
してデータセレクタ２７及び分周カウンタ２３に入力す
るものである。

データセレクタ２７は、同データセレクタ２７に向かう
矢印の信号の状態により初期進み角指令回路１１からの
初期進み角指令、進み色保持回路２６がらの進み角保持
指令、Ｎ進指令手段５３がらの進み又は遅れ指令の一つ
を選択して分周カウンタに入力する。分周カウンタ２３
は、例えばプリセット式プログラマブルカウンタでなり
、データセレクタ２７で選択された上記各指令のうちの
一つをプリセットしてエンコーダ１８からのパルスをダ
ウンカウントし、ボローが出た瞬間にモータ１６の次の
相を励磁させるよう妃なっている。データセレクタ２７
と分周カウンタ２３を含む構成部分は第１図における駆
動パルス入力制御手段１２に該当する。また、カウント
保持回路４７，５０．比較器４８．５１゜Ｎ決定論理演
算回路４５、Ｎ進指令手段５３等を含む構成部分は、第
１図における進み角決定および進み角指令手段２１に該
当する。

次ニ、第７図の例の動作を、第８図のタイミングチヤー
ドを参照しながら説明する。

いま、起動スイッチ２８をオンするとパルス発生回路２
９かも起動パルスが発生し、オア回路１３を経て分配回
路１４に入力され、ステップモータ１６が励磁されて回
転を始める。このとき、初期進み角指令回路１１には、
起動時の進み角、例えば１ステップ分の進み角である電
気角９０ｏの進み角を指定するデータが予め設定されて
おシ、この進み角に従ってモータ１６の相が励磁されて
起動される。データセレクタ２７の接点Ｘは上記データ
を受けたのちは端子すと接触し、進み角保持回路２６に
よって予め設定された進み角保持指令信号によって分周
カウンタ２３をプリセットする。上記進み角保持指令信
号は１ステップ分の進み角である９０°に相当するＮ＝
４０に設定されているため、モータ１６が電気角で９０
°回転するたびに分周カウンタ２３からボローが出力さ
れて次の相が励磁され、初期進み角が維持される。

一方、上記起動パルスは、オア回路１３、遅延回路２５
、スイッチ手段５４、遅延回路５５．５６．５７を経て
モノマルチバイブレータ５８にトリガ信号Ｈとして入力
され、同バイブレータ５８から１８時間だけ「Ｌ」の信
号が出力される。上記バイブレータ５８の出力ＣがｒＬ
Ｊの開速度検出用スイッチ４１がオンとなり、分周カウ
ンタ２３によりて１／１０に分周されたエンコーダ１８
の出力が速度検出用カウンタ４２に入力されカウントさ
れる。上記バイブレータ５８のｒＬＪの出力時間τＳは
カウンタ４２による速度サンプル時間を設定し、このサ
ンプル時間τＳ内のカウンタ４２のカウント値がその時
点でのモータ１６の実速度信号ω（ｔ）として出力され
る。

この信号ω（ｔ）は比較器４３において速度指令回路２
０からの指令信号ω８と比較きれ、その結果が速度偏差
△ωとしてＮ決定論理演算回路４５に入力される。上記
信号ω（ｔ）はまだ、カウント保持回路４７に保持され
ていた前回の速度信号と比較器４８で比ｄω 較されて加速度信号−が求められ、この加速度ｔ 信号は比較器５１でカウント保持回路５０に保持されて
いた前回の加速度信号と比較され、加速度の微分信号が
求められる。これら各信号はデータ取り込み手段５２を
経て所定のタイミングでＮ決定論理演算回路４５に入力
される。

ここで、分周カウンタ２３からボロー出力Ｂが発せられ
ると、この信号Ｂは遅延回路２５により若干遅延されて
信号Ｂ′となり、スイッチ手段５４を経て信号Ｅとして
遅延回路５５に伝えられる。遅延回路５５は信号Ｅを若
干遅延させた信号Ｆを出力し、この信号Ｆは遅延回路５
６で若干遅延されて信号Ｇとなり、信号Ｇは遅延回路５
７でさらに若干遅延されて信号Ｈとなる。上記信号Ｆは
スイッチ４９を短時間オンさせて前記加速度データをカ
ウント保持回路５０に入力してこれを記憶させる。次に
、上記信号Ｇがスイッチ４６をオンさせて前記速度デー
タをカウント保持回路４７に入力してこれを記憶させる
。次に、上記信号Ｈが速度検出用カウンタ４２でカウン
トした速度データをクリヤさせる。上記信号Ｈはまたモ
ノマルチバイブレータ５８をトリガして再び１８時間だ
げｒＬＪ信号を出力させ、この１８時間をサンプリング
時間としてカウンタ４２により分周カウンタ２３からの
パルスをカウントし、このカウント値を新たな速度信号
として出力する。

この新たな速度信号は、前述のように比較器４３で速度
指令信号と比較されて新たな速度偏差信号が求められる
と共に、比較器４８でカウント保持回路４７からの前回
の速度信号と比較されて加速度信号が求められ、この加
速度信号は比較器５１でカウント保持回路５０からの前
回の加速度信号と比較して加速度の微分信号、即ち、加
速度の変化信号が求められる。こうして求められた各デ
ータ信号は所定のタイミングでＮ決定論理演算回路４５
に入力される。以上の動作は分周カウンタ２３からボロ
ー出力が発せられるたびに行われる。

一方、モノマルチバイブレータ５８の出力Ｃの立ち下が
りによりバルス発生回路６０がパルス信号りを出力し、
Ｎ決定論理演算回路４５にクロック信号として入力する
。Ｎ決定論理演算回路４５はクロック信号入力により前
述の所定の演算を行い、その結果をＮ進指令回路５３に
送る。Ｎ進指令信号５３は、演算回路４５による演算結
果が励磁相の進み角の変更を要しないものであれば、デ
ータセレクタ２７に進み角保持回路２６からの基準値Ｎ
＝４０を選択させてこれにより分周カウンタ２３をプリ
セットさせ、これまでと変シのないタイミングでモータ
１６の励磁相を切り換える。上記演算結果が励磁相の進
み角をさらに進めるべきときは、Ｎ進指令回路５３から
例えばＮ＝３０の指令信号を出力してこれを分周カウン
タ２３のプリセット値とする。分周カウンタ２３はＮ＝
４０の場合よシも１０パルス分早くボロー出力を発する
ので、その分励磁タイミングが早くなシ、進み角がさら
に進められることになる。

逆に、進み角を小さくしようとするときはＮ進指令回路
５３から例えばＮ＝５０の指令信号を出力してこれを分
周カウンタ２３のプリセット値とすればよく、こうする
ことによりて分、筒カウンタ２３はＮ＝４０の場合よシ
も１０パルス分遅れてボロー出力を発するので、その分
励磁の進み角が小さくなる。

因に、上記の例ではＮ−４０が電気角９０°に相当して
いるため、Ｎ＝３０で進み角がさらに２２．５０増加す
ることになり、Ｎ＝５０で進み角が２２．５゜減少する
ことになる。この２２．５°は第４図、第６図における
δに該当する。

こうして、モータ１６の進み角がそのときの回転条件に
適した進み角になれば、データセレク２７が進み角保持
回路２６からのＮ＝４０なる基準値を選択してそのとき
の進み角を保持する。

第９図、第１０図は、上記のような進み角制御システム
でモータを運転した場合の速度と進み角の変化を示す。

第９図は進み角の切り換え幅δが１１．３°、切り換え
周期τＳがｌＱｍｓの場合、第１０図は上記δが２．３
°、上記τＳが２　ｍ　ｓの場合であシ、共に負荷があ
る場合を示す。これらの図から明らかなように、起動後
進み角が犬きくなシ、これにつれて回転速度が急激に立
ち上がシ、進み角が１８００以下では達成することので
きない高速運転及び急加速を実現することができる。ま
た、進み角が随時切り換えられながら速度が指令速度に
近づくことがわかる。そして、進み角の切り換え幅δと
切り換え周期τＳを小さくしだ方が速度変動が小さくな
ることが明確にわかる。

以上述べた実施例によれば、始動直後から励磁相の進み
角を大きくすることができるから急加速を実現すること
ができ、まだ、励磁相の進み角を操作するだけで回転速
度制御及び定速度運転を行うことができるだめ、位置検
出用エンコーダからのパルス列をデジタル処理するだけ
の簡単なハード構成でステップモータの進み角を最適の
進み角に制御することができる。

なお、以上述べた実施例では、２００Ｓ／Ｈのステップ
モータ、８０００Ｐ／Ｒのエンコーダとして１ステツプ
当たシのエンコーダの出力パルスケ４０パルスとしてい
だが、周知のように、ステップモータには用途等に応じ
て多種多様のステップ数のものかあシ、エンコーダも多
種多様のものがあるので、モータのステップ数やエンコ
ーダのパルス数は任意に設定してよい。また、進み角の
増減幅も、目的に合った制御性能により任意に設定して
よい。

さらに、第７図の例では全体の構成をハード構成で実現
しているが、マイコンを用いてソフトウェアで処理する
ようにしても目的を達成することができる。

（発明の効果） 本発明によれば、検出された回転速度と設定速度との差
に基づいて励磁タイミングの進み角を決定し、決定され
た進み角に基づいて分配回路への駆動パルスの入力時点
を制御するようにしたから、モータの運転状態に応じた
最適な進み角が常に選択され、急加速を実現することが
できる。また、デジタル信号を用いて処理することがで
きるだめ、調整箇所が不要となシ、回路構成の簡単化を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るステップモータの回転制御装置の
実施例の概略を示すブロック図、第２図はステップモー
タにおける励磁タイミングの進み角と速度との関係を示
す線図、第３図は上記実施例の演算動作の例を示すフロ
ーチャート、第４図は上記実施例の進み角決定の例を示
す論理チャート、第５図は上記実施例の演算動作の別の
例を示ｆ７０−チャート、第６図は上記実施例の進み角
決定の別の例を示す論理チャート、第７図は第１図の実
施例をよシ具体化したものの例を示すブロック図、第８
図は同上具体例の動作を説明するためのタイミングチャ
ート、第９図は本発明を実施することによって得られる
速度変化と進み角変化の一例を示す線図、第１０図は速
度変化と進み角変化の別の例を示す線図、第１１図は従
来のステップモータの閉ループ駆動方式の一例を示すブ
ロック図、第１２図は従来のステップモータの閉ループ
駆動方式の別の例を示すブロック図である。 １２・・・駆動パルス入力制御手段、１４・・・分配回
路、１６・・・ステップモータ、１８・・・エンコーダ
、１９・・・速度検出手段、２１・・・進み角決定手段
。 う　７　幻 最Ｚ国 還２トナへａ（ΔＥン うＤ圀 ＩＦ）４　　兄 最７０ 形ｆ３　　圀 最ｑ尺 Ｖ′）γθ圀

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ステツプモータの回転位置検出用エンコーダからの出力
   パルスに基づいてモータへの励磁タイミングを定める駆
   動パルスを、モータの励磁相を指示する分配回路に入力
   するようにしたステツプモータの回転制御装置において
   、 上記エンコーダの出力パルスによりモータの回転速度を
   検出する回転速度検出手段と、 この回転速度検出手段によって検出された回転速度と設
   定速度との差に基づいて上記励磁タイミングの進み角を
   決定する進み角決定手段と、この進み角決定手段により
   決定された進み角に基づいて上記分配回路への駆動パル
   スの入力時点を制御する駆動パルス入力制御手段とを有
   してなるステツプモータの回転制御装置。