JPWO2012046693A1 - ステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

摩擦トルクなどが変化しても、ディテントトルクの影響によるトルク変動を予備駆動せずに低減できるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置を得ることを目的として、モータの検出電流および指令値に基づき指令値に対する電流の推定位相差を推定する位相差推定部と、検出電流およびマイクロステップ駆動信号に基づき低速回転時の推定モータ回転角θMELを推定する低速時モータ回転角推定部と、推定位相差および指令値に基づき高速回転時の推定モータ回転角θMEHを推定する高速時モータ回転角推定部と、指令値に応じて推定モータ回転角θMELおよびθMEHを適切な割合で加算して推定モータ回転角θMEを推定する加算部と、推定モータ回転角θMEに基づき推定ディテントトルクを推定するディテントトルク推定部と、推定ディテントトルクおよび推定モータ回転角θMEに基づき補償信号を生成する補償信号生成部とを備えるものとした。

Description

この発明は、ステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置に関する。

ステッピングモータのマイクロステップ駆動は、ステッピングモータの各相に印加する電流の大きさを段階的に変化させて、電流波形を正弦波に近づけることで、モータ回転中におけるトルク変動を低減する駆動制御方法である。このトルク変動の低減により、ステッピングモータを回転むらなく低振動で回転駆動できる。しかし、内部に永久磁石を持つステッピングモータの場合、ステッピングモータが無励磁の時に生じる保持トルク（以下、ディテントトルク）の影響により、マイクロステップ駆動を行っても回転駆動中のトルク変動を低減できないことがある。

従来のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置では、前記ディテントトルクの影響を除去するために、ステッピングモータを使用する前に、前記ステッピングモータを予備駆動させ、その予備駆動中における目標回転角度と実際の応答回転角度との差をエンコーダなどの位置センサにより測定し、この差を除去するために必要な補正電流値を時間推移と共に求め、求めた補正電流値を予め記憶媒体に記憶させる。実際に、前記ステッピングモータを使用するときには、前記記憶媒体に記憶させた補正電流値を前記ステッピングモータの駆動開始の時点からの時間経過に応じて読み込み、この読み込んだ補正電流値をマイクロステップ駆動の基本電流値に付加して前記ステッピングモータを回転駆動させている（例えば、特許文献1参照）。

特開平１−１０７７００号公報

従来のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置では、使用するステッピングモータ毎に事前に予備駆動による補正電流値の測定を実施する必要があるため、ステッピングモータ駆動システムの開発に時間がかかるという問題があった。

また、補正電流値の読み込みをステッピングモータの駆動開始の時点からの時間経過に応じて読み込んでいるため、前記ステッピングモータの駆動軸回りの摩擦トルクの経年変化などにより、予備駆動の時のモータ回転角の時刻変化と前記ステッピングモータ使用時のモータ回転角の時刻変化とにわずかでも違いが生じると、記憶媒体から読み出した補正電流値と実際にディテントトルクの補正に必要な補正電流値との間に時間差が生じ、位相誤差となる。この位相誤差を含む補正電流値を用いて前記ステッピングモータを回転駆動させると、トルク変動を低減できないのみならず、最悪の場合にはトルク変動を一層増加させるという問題があった。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、ディテントトルクの影響によるトルク変動の低減のために、予備駆動による補正電流値の測定などの事前作業を必要とせず、また摩擦トルクの経年変化などによりモータ駆動条件が変化した場合においても、前記トルク変動を低減できるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置を提供することを目的としている。

この発明に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置は、ステッピングモータを駆動するドライバと、ドライバにマイクロステップ駆動信号を与える制御回路と、制御回路へ指令値を与える指令値生成部と、ステッピングモータに流れる実電流を検出する電流検出器と、電流検出器で検出した検出電流および指令値に基づいて、指令値に対する検出電流の推定位相差を推定する位相差推定部と、検出電流およびマイクロステップ駆動信号に基づいて、ステッピングモータが、推定位相差を適切な精度で推定できない低速で回転する時の推定モータ回転角θ_MELを推定する低速時モータ回転角推定部と、推定位相差および指令値に基づいて、ステッピングモータが高速回転する時の推定モータ回転角θ_MEHを推定する高速時モータ回転角推定部と、指令値に応じて増幅値がそれぞれ変化する低速推定角ゲインおよび高速推定角ゲインに基づいて、推定モータ回転角θ_MELおよび推定モータ回転角θ_MEHを適切な割合で加算して推定モータ回転角θ_MEを推定する加算部と、推定モータ回転角θ_MEに基づき、推定ディテントトルクを推定するディテントトルク推定部と、推定ディテントトルクおよび推定モータ回転角θ_MEに基づいて、補償信号を生成する補償信号生成部とを備えるものである。

この発明は、ディテントトルクの影響によるトルク変動の低減のために、予備駆動による補正電流値の測定などの事前作業を必要とせず、また摩擦トルクの経年変化などによりモータ駆動条件が変化した場合においても、前記トルク変動を低減できるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１によるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１によるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置のモータ回転角推定部の詳細を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３によるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３によるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置の動作フローを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４によるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態５によるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２の構成を示すブロック図であり、図２は同装置におけるモータ回転角推定部８の詳細を示すブロック図である。

まず、図１および図２を参照して、実施の形態１におけるステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２の構成について説明する。

図１において、ステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２は、ステッピングモータ１の各相に励磁電流を印加してステッピングモータ１を回転駆動させるドライバ３と、マイクロステップ駆動信号を生成してドライバ３に出力する制御回路４と、ステッピングモータ１への回転角度・角速度の指令値を生成して制御回路４に出力する指令値生成部５と、ドライバ３によってステッピングモータ１に印加された実電流を検出し、検出した検出電流を出力する電流検出器６と、前記検出電流、前記指令値および前記マイクロステップ駆動信号に基づいて補償信号を制御回路４に出力する推定演算部７とを備えている。

推定演算部７は、物理的にはマイクロコンピュータなどの演算処理装置にて構成されており、前記検出電流、前記指令値および前記マイクロステップ駆動信号に基づいてモータ回転角を推定するモータ回転角推定部８と、前記推定されたモータ回転角（以下、推定モータ回転角θ_ME）に基づいて、現在のディテントトルクを推定するディテントトルク推定部９と、前記推定されたディテントトルク（以下、推定ディテントトルク）および前記推定モータ回転角θ_MEに基づいて、ディテントトルクを補償するための前記補償信号を生成して制御回路４へと出力する補償信号生成部１０とを含んでいる。

図２において、モータ回転角推定部８は、前記指令値および前記検出電流に基づいて、前記指令値に対する前記検出電流の位相差を推定する位相差推定部１１と、前記マイクロステップ駆動信号および前記検出電流に基づいて、ステッピングモータが低速回転する時のモータ回転角を推定する低速時モータ回転角推定部１２と、位相差推定部１１で推定した前記位相差（以下、推定位相差）および前記指令値に基づいて、モータが高速回転する時のモータ回転角を推定する高速時モータ回転角推定部１３と、前記推定されたステッピングモータが低速回転する時のモータ回転角（以下、推定モータ回転角θ_MEL）および前記推定されたステッピングモータが高速回転する時のモータ回転角（以下、推定モータ回転角θ_MEH）ならびに前記指令値に基づいて、前記推定モータ回転角θ_MEを出力する加算部１４とを有している。

加算部１４は、推定モータ回転角θ_MELおよび前記指令値を入力して、推定モータ回転角θ_MELに、前記指令値に応じて増幅値が変化する低速推定角ゲインＫ_Lを積算して出力する低速時推定回転角増幅部１５と、推定モータ回転角θ_MEHおよび前記指令値を入力して、推定モータ回転角θ_MEHに、前記指令値に応じて増幅値が変化する高速推定角ゲインＫ_Hを積算して出力する高速時推定回転角増幅部１６と、これら低速時推定回転角増幅部１５および高速時推定回転角増幅部１６の出力を加算して、前記推定モータ回転角θ_MEを算出する加算器１７にて構成されている。

次に、図１および図２を参照して、図１と図２の各ブロックの動作について説明する。
ただし、ステッピングモータ１、ドライバ３および指令値生成部５については、一般的なステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置で用いられるものの動作と同様であるので説明を省略する。また、以下では理解を容易にするため、ステッピングモータ１として２相タイプのステッピングモータを対象に説明を行うが、対象としてこれに限るものでなく、単相や３相以上の相数を持つステッピングモータにも適用可能である。以下の２相タイプのステッピングモータを対象とした説明は、容易に単相や３相以上の相数を持つステッピングモータに拡張可能である。

電流検出器６は、ステッピングモータ１の各相に印加された実電流を検出する検出器であり、電流検出器６として、電流検出用に一般的に使用されるホール効果を利用した電流センサや電流検出用に温度抵抗係数が調整された抵抗などの電流を検出する技術を利用可能である。

低速時モータ回転角推定部１２は、２相タイプのステッピングモータ１の基礎電圧方程式である数式１および数式２に基づいてモータ回転角を推定する。

ここで、Ｉ_AはＡ相巻線に流れる電流、Ｉ_BはＢ相巻線に流れる電流、Ｖ_Aはドライバ３からステッピングモータ１へ出力されるＡ相巻線へのマイクロステップ駆動電圧信号、Ｖ_BはＢ相巻線へのマイクロステップ駆動電圧信号、Ｖ_AωはＡ相巻線に誘起される速度誘起電圧、Ｖ_BωはＢ相巻線に誘起される速度誘起電圧、Ｌはステッピングモータ１のインダクタンス、Ｒはステッピングモータ１の巻線抵抗である。Ａ相巻線の速度誘起電圧Ｖ_AωとＢ相巻線の速度誘起電圧Ｖ_Bωは、数式３および数式４のように表される。

ここで、Ｋ_Eはステッピングモータ１の誘起電圧定数、θ_Mはステッピングモータ１の回転角、λはステッピングモータ１の基本ステップ角である。ラプラス演算子ｓを用いて、数式１と数式２とからＡ相巻線の速度誘起電圧Ｖ_AωとＢ相巻線の速度誘起電圧Ｖ_Bωの比を計算すると数式５の関係を得る。

数式５は、右辺の分母・分子をそれぞれ（Ｌ・ｓ＋Ｒ）で除算することで数式６に変形できる。

一方、数式３と数式４とから同様にＡ相巻線の速度誘起電圧Ｖ_AωとB相巻線の速度誘起電圧Ｖ_Bωの比を計算すると数式７の関係を得る。

数式６と数式７とから、モータ回転角θ_Mの推定値θ_MELを計算する式として数式８が得られる。

ここで、Ｉ_A0とＩ_B0は、それぞれ以下の数式９および数式１０に示す通りである。

数式８、数式９および数式１０の関係式を用いて、電流検出器６が検出したＡ相の実電流（検出電流）とＢ相の実電流（検出電流）とをそれぞれＩ_AとＩ_Bに代入し、ドライバ３から出力されたＡ相へのマイクロステップ駆動信号およびＢ相へのマイクロステップ駆動信号を、それぞれＶ_AとＶ_Bに代入することにより、ステッピングモータ１の現在の回転角θ_Mの推定値である推定モータ回転角θ_MELが計算できる。

ただし、推定モータ回転角θ_MELは、電流検出器６に付随して使用される高周波ノイズ遮断用のローパスフィルタの影響やステッピングモータ１のコイルインダクタンスＬと巻線抵抗Ｒの影響により、わずかながらモータ回転角θ_Mに対して位相が遅れる。ステッピングモータ１の回転速度が低速の場合には、この位相遅れはディテントトルクの補償に影響を与えないが、前記回転速度が高速になった場合には大きな影響を与える。

位相差推定部１１は、電流指令値に対する検出電流の位相差を推定する。まず、電流検出器６で検出されたＡ相巻線に流れる電流Ｉ_Aと、Ｂ相巻線に流れる電流Ｉ_Bとから数式１１に基づいて印加電流の大きさＩ₀を計算する。

ここで、モータ回転角の指令値θ^＊に基づいて、位相遅れのない理想的なＡ相電流指令波形Ｉ_A ^＊およびＢ相電流指令波形Ｉ_B ^＊を、それぞれ数式１２および数式１３のように与えるとする。

このとき、Ａ相巻線に流れる電流Ｉ_AおよびＢ相巻線に流れる電流Ｉ_Bとは、それぞれ数式１４および数式１５のように表される。

ここで、γは電流指令値に対する検出電流の位相差である。
数式１２、数式１３、数式１４および数式１５の関係式を用いて、数式１６を計算することにより、電流指令値に対する検出電流の位相差の推定値（推定位相差γ）を推定できる。

高速時モータ回転角推定部１３は、位相差推定部１１で推定された推定位相差γに基づいてモータ回転角を推定する。

Ａ相巻線に流れる電流Ｉ_AおよびＢ相巻線に流れる電流Ｉ_Bを、モータ回転角の指令値θ^＊と実際のモータの回転角θ_Mとの偏差Δθを用いて書き表すと、それぞれ数式１７および数式１８のように表される。

ここで、数式１４および数式１５、ならびに数式１７および数式１８の関係式から、数式１９が得られる。この数式１９から、推定位相差γに相当するモータ回転角の偏差Δθを計算できる。

数式１９で計算されたモータ回転角の偏差Δθを、数式２０の関係式に用いることで、現在の回転角θ_Mの推定値である推定モータ回転角θ_MEHを求めることができる。

モータ回転角の推定値θ_MEの推定に用いる推定位相差γは、ステッピングモータが低速回転の時には、非常に小さな値であり、ノイズ等の影響により推定精度を高くすることが困難である。そのため、ステッピングモータ１が、推定位相差γを適切な精度で推定できない低速で回転する時には、推定位相差γを使用して推定される推定モータ回転角θ_MEHの精度は、推定位相差γを用いずに求めた推定モータ回転角θ_MELに比較して低い。一方、ステッピングモータが高速回転の時には、位相差は推定値θ_MEの推定をおこなうのに十分な大きさとなるため、高速回転の時には高い精度で推定モータ回転角θ_MEHを推定することができる。

低速時推定回転角増幅部１５は、低速時の推定モータ回転角θ_MELを前記指令値に応じて適切な割合で増幅する。また、高速時推定回転角増幅部１６は、高速時の推定モータ回転角θ_MEHを前記指令値に応じて適切な割合で増幅する。これらの適切な割合の増幅とは、数式２１に示す関係を満たす増幅であり、推定モータ回転角推定値θ_MELおよび推定モータ回転角推定値θ_MEHからモータ回転角推定部８の出力である推定モータ回転角θ_MEを計算する。

ここで、数式２１の右辺第１項のθ_MELの係数（１−ρ（ｄθ／ｄｔ^＊））が低速推定角ゲインＫ_L、右辺第２項のθ_MEHの係数ρ（ｄθ／ｄｔ^＊）が高速推定角ゲインＫ_Hである。また、係数ρ（ｄθ／ｄｔ^＊）はモータ角速度の指令値ｄθ／ｄｔ^＊の関数で、数式２２を満足するように設定される。

ここで、ωはモータ回転角推定値θ_MELの誤差が顕著となる角速度で、例えばステッピングモータ１のインダクタンスＬと巻線抵抗Ｒから計算される角速度ω_c＝Ｒ／Ｌなどを設定する。数式２２を満足する係数ρ（ｄθ/ｄｔ^＊）の関数としては様々なものが考えられ、駆動条件や使用するモータ特性に応じて設計できる。

数式２１および数式２２に示すように、低速推定角ゲインＫ_Lおよび高速推定角ゲインＫ_Hを用いて推定モータ回転角θ_MEを推定することにより、モータ角速度が十分低速の場合には推定モータ回転角θ_MELの値に、高速の場合には推定モータ回転角θ_MEHの値に漸近した推定値が出力できる。これにより、モータ角速度の大きさによらず、常に高精度にモータ回転角を推定することが可能となる。また、推定モータ回転角θ_MELおよび推定モータ回転角θ_MEHをモータ角速度に応じて切り替えて出力するのではなく、適切な割合で足し合わせて出力する構成としているため、モータ角速度によって推定モータ回転角θ_MEが不連続となることがない。

ディテントトルク推定部９は、モータ回転角推定部８で推定した推定モータ回転角θ_MEを用いて、ディテントトルクの１次成分を表す数式２３から、ステッピングモータ１の回転角θ_Mにおけるディテントトルクの推定値である推定ディテントトルクＴ_ME（θ_M）を推定する。

ここで、Ｔ_M0はモータのカタログ等に記載されるディテントトルクの最大値である。

補償信号生成部１０は、ディテントトルク推定部９で推定した推定ディテントトルクＴ_MEの影響を除外し、ディテントトルクの影響によるトルク変動を低減するための補償信号を生成する。補償信号生成部１０で生成する補償信号は、ディテントトルク推定部９で推定した推定ディテントトルクＴ_MEと、モータ回転角推定部８で推定した推定モータ回転角θ_MEから、数式２４および数式２５に基づいて、Ａ相巻線への補償信号ΔＶ_AおよびＢ相巻線への補償信号ΔＶ_Bを生成する。

ここで、Ｋ_Tはステッピングモータ１のトルク定数、変数αと変数βはそれぞれ数式２６および数式２７に示す通りである。

制御回路４は、補償信号生成部１０が生成したＡ相巻線への補償信号ΔＶ_AおよびＢ相巻線への補償信号ΔＶ_Bに、それぞれマイクロステップ駆動信号の基本信号である正弦波状のＡ相駆動信号Ｖ_A0およびＢ相駆動信号Ｖ_B0を加えることで、数式２８および数式２９に示すように、Ａ相へのマイクロステップ駆動信号Ｖ_AとＢ相へのマイクロステップ駆動信号Ｖ_Bを生成する。そして、生成したＡ相駆動信号Ｖ_AおよびＢ相駆動信号Ｖ_Bをドライバ３へ送信する。

ドライバ３へ送信されたＡ相駆動信号Ｖ_AおよびＢ相駆動信号Ｖ_Bにそれぞれ含まれるＡ相巻線への補償信号ΔＶ_AおよびＢ相巻線への補償信号ΔＶ_Bが、それぞれドライバ３によってステッピングモータ１に印加されると、数式３０および数式３１に示されるＡ相巻線での補償電流ΔＩ_AおよびＢ相巻線での補償電流ΔＩ_Bがステッピングモータ１の各相の巻線に流れる。

Ａ相巻線での補償電流ΔＩ_AおよびＢ相巻線での補償電流ΔＩ_Bが、ステッピングモータ１に印加されると、ステッピングモータ１には補償トルクΔτが生じる。このとき生じる補償トルクΔτは、２相ステッピングモータの印加電流と出力トルクτの関係を示す数式３２から求めることができる。

具体的には、数式３２のＡ相巻線電流Ｉ_AおよびＢ相巻線電流Ｉ_Bに、数式３０および数式３１からそれぞれ求められるＡ相巻線での補償電流ΔＩ_AおよびＢ相巻線での補償電流ΔＩ_Bを代入して、補償トルクΔτを求める数式３３を得ることができる。

数式３３から求められる補償トルクΔτは、数式２３に示したディテントトルク推定部９で推定した推定ディテントトルクＴ_MEと一致する。因って、補償信号生成部１０で生成するＡ相巻線への補償信号ΔＶ_AおよびＢ相巻線への補償信号ΔＶ_Bに基づいてステッピングモータ１を回転駆動することで、ディテントトルク推定部９で推定した推定ディテントトルクＴ_MEを打ち消す補償トルクΔτがモータ１に生じ、ディテントトルクの影響による変動トルクは低減される。

以上のように、本実施の形態のステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２は、ステッピングモータ１を駆動するドライバ３と、ドライバ３にマイクロステップ駆動信号を与える制御回路４と、制御回路４へ指令値を与える指令値生成部５と、ステッピングモータ１に流れる実電流を検出する電流検出器６と、電流検出器６で検出した検出電流および前記指令値に基づいて、前記指令値に対する前記検出電流の推定位相差を推定する位相差推定部１１と、前記検出電流および前記マイクロステップ駆動信号に基づいて、ステッピングモータ１が、前記推定位相差を適切な精度で推定できない低速で回転する時の推定モータ回転角θ_MELを推定する低速時モータ回転角推定部１２と、前記推定位相差および前記指令値に基づいて、ステッピングモータ１が高速回転する時の推定モータ回転角θ_MEHを推定する高速時モータ回転角推定部１３と、前記指令値に応じて増幅値がそれぞれ変化する低速推定角ゲインＫ_Lおよび高速推定角ゲインＫ_Hに基づいて、前記推定モータ回転角θ_MELおよび前記推定モータ回転角θ_MEHを適切な割合で加算して推定モータ回転角θ_MEを推定する加算部１４と、前記推定モータ回転角θ_MEに基づき、推定ディテントトルクを推定するディテントトルク推定部９と、前記推定ディテントトルクおよび前記推定モータ回転角θ_MEに基づいて、補償信号を生成する補償信号生成部１０とを備えている。

このように構成することで、ディテントトルクの影響によるトルク変動の低減のために、予備駆動による補正電流値の測定などの事前作業を必要とせず、モータ使用前の補正電流値の測定作業が省けるので、モータ駆動システムの開発に要する期間を短縮できる。

また、従来のように予め記憶媒体に記憶させた補正電流値をモータ駆動開始時からの時間経過に応じて読み込んで補償電流の制御に用いることなく、ステッピングモータ１が回転駆動している間に求めた補償信号に基づいてステッピングモータ１に補償電流を印加するので、摩擦トルクの経年変化などによりステッピングモータ１の駆動条件が変化した場合においても、常にディテントトルクの影響によるトルク変動を低減できる。これにより、本実施の形態の構成によるマイクロステップ駆動制御装置２は、幅広いステッピングモータ１の駆動条件の下で利用することが可能となる。

また、ステッピングモータ１が回転駆動している間、常に補償信号を生成して、この補償信号に基づいてディテントトクの補償に必要な補償電流を印加する構成としたので、ステッピングモータ１の回転駆動の途中で、摩擦トルクなどのステッピングモータ１の駆動条件が変化した場合でも、変化した駆動条件に合わせた補償信号をリアルタイムに生成できるので、時間的変化が早いステッピングモータ１の駆動条件変化が生じた場合においても、常にディテントトルクの影響によるトルク変動を低減できる。

また、モータ回転角推定部８を、それぞれ別々の推定部を用いて求めた推定モータ回転角θ_MELと推定モータ回転角θ_MEHとを切り替えることなく、適切な割合で足し合わせて推定モータ回転角θ_MEを求める構成としたので、低速回転から高速回転時まで推定値が連続的で飛びがなく、高い精度でモータ回転角θ_Mを推定することができる。これにより、ステッピングモータが低速回転の時から高速回転の時まで回転速度によらず、ディテントトルクを高精度に補償することができる。これにより、本実施の形態の構成によるマイクロステップ駆動制御装置２は、幅広いステッピングモータ１の駆動条件の下で利用することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ディテントトルク推定部９における推定ディテントトルクの推定に、ディテントトルクの１次成分を表す数式２３を用いる構成を説明したが、これに限ることなく、ディテントトルクの高次成分を含む推定式を用いる構成もよい。本実施の形態においては、代表して、ディテントトルクの１次成分に加えて、ｎ次成分（ｎ＞２）までを含む推定式を用いる構成について説明する。なお、前記ディテントトルクの高次成分を含む推定式を用いる構成以外は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

ディテントトルクの１次成分に加えて、ｎ次成分を含む推定式は数式３４のように表される。

ここで、Ｔ_Mkはディテントトルクのｋ次成分の振幅である。

ステッピングモータ１のディテントトルクの１次成分からｍ次成分までの振幅の特性が、モータの仕様値として規定されている場合には、前記仕様値を用いて、数式３４をｍ次成分まで適用することで、１次成分からｍ次成分までのディテントトルクの影響によるトルク変動を低減できる。つまり、モータの仕様値として特性が規定されている範囲の高次成分のディテントトルクの影響によるトルク変動を低減できるので、より高精度にディテントトルクを補償することができる。

また、このように高次成分のディテントトルクの影響によるトルク変動を低減できることに加えて、実施の形態１と同様な作用、効果が得られることは言うまでもない。

また、モータの仕様値として２次成分以上のディテントトルクの振幅の特性が規定されていない場合でも、ステッピングモータ１を使用する前に予備駆動を行ってモータ回転時のトルク変動のデータを取得し、その結果を周波数解析することで各回転成分の振幅を求めることができる。この場合には、モータ使用前に予備駆動が必要となるものの、従来のように回転角毎でのディテントトルクの特性を詳細に測定する必要がないため、予備駆動と各高次成分の振幅の測定に要する時間はわずかである。

実施の形態３．
実施の形態１および２では、常に、推定演算部７から制御回路４へ補償信号を渡す構成としているが、これに限ることなく、図３に示すように、推定演算部７から出力される補償信号と、予め記憶媒体に記憶された補償信号とを、任意に切り替えて用いる構成としてもよい。

まず、本実施の形態の構成について、図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態によるステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２の構成を示すブロック図であり、図１の構成に、記憶媒体１８、第１切り替えスイッチ１９および第２切り替えスイッチ２０が追加されている。記憶媒体１８は、補償信号生成部１０が生成した補償信号を、第２切り替えスイッチ２０を介して内部に記憶すると共に、記憶した補償信号を、第１切り替えスイッチ１９を介して制御回路４に出力する。第１切り替えスイッチ１９は、制御回路４に出力する補償信号を、補償信号生成部１０からの補償信号と記憶媒体１８からの記憶された補償信号との間で切り替える。第２切り替えスイッチ２０は、補償信号生成部１０が出力した補償信号を記憶媒体１８に出力する時機を制御する。その他の構成は、実施の形態１または２と同様なので説明を省略する。

次に、図３と図４を参照して、本実施の形態におけるステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２の動作について説明する。図４は、第１切り替えスイッチ１９と第２切り替えスイッチ２０の動作を示すフローチャートである。

図４に示すように、第１ステップ１００において、第１切り替えスイッチ１９を、補償信号生成部１０からの補償信号を制御回路４へ出力する構成に切り替え、同時に、第２切り替えスイッチ２０を、補償信号生成部１０からの補償信号を記憶媒体１８へ出力して記憶させる構成に切り替える。このとき、制御回路４に与えられる補償信号は、補償信号生成部１０からリアルタイムで出力された信号であり、記憶媒体１４にも同じ信号が時間推移と共に記憶されている。

次に、第２ステップ１０１において、記憶媒体１８にモータ回転角１周分の補償信号の記憶が完了したかどうかを判定する。前記判定で、記憶が完了していないと判定された場合には前記記憶の処理を継続し、記憶が完了したと判定された場合には、第３ステップ１０２に進む。

第３ステップ１０２において、第１切り替えスイッチ１９を、記憶媒体１８の前記記憶された補償信号を制御回路４へ出力する構成に切り替え、同時に、第２切り替えスイッチ２０を、補償信号生成部１０からのリアルタイムの補償信号を記憶媒体１８へ出力しない構成に切り替えることで、記憶媒体１８への書き込みを停止する。これらのスイッチ切り替え後は、推定演算部７の演算処理を停止し、制御回路４へは記憶媒体１８から読み出した補償信号が出力される。

続いて、第４ステップ１０３において、第３ステップ１０２を実施した後、ある一定時間Ｔ（秒）経過したかどうかを判定し、一定時間経過した場合には、第１ステップ１００に戻る。このとき、推定演算部７の演算処理を再開し、再び補償信号生成部１０から補償信号が出力される。

なお、その他の構成要素であるドライバ３、指令値生成部５および電流検出器６の動作については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。

このように本実施の形態では、ステッピングモータ１を回転駆動させている間の内、第４ステップ１０３を実行している間に推定演算部７の演算を停止することができる。これにより、推定演算部７の演算処理を物理的に実施しているマイクロコンピュータなどの演算処理装置にかかる演算負荷を軽減することができる。特に、演算処理装置の演算負荷が増加するステッピングモータ１を高速で回転駆動する場合において、この演算負荷を低減する効果により、高い演算処理能力を有する演算処理装置を用いる必要ないという利点が得られる。

また、このような演算負荷を低減する効果に加えて、実施の形態１で述べた「時間的変化が早いステッピングモータ１の駆動条件変化が生じた場合のトルク変動を低減する効果」の時間応答性が、前記一定時間Ｔに対応する分だけ低下することを除けば、実施の形態１と同様な作用、効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態４．
実施の形態１から３では、モータ回転角推定部８として低速時モータ回転角推定部１２と高速時モータ回転角推定部１３の両方を同時に使用して推定モータ回転角θ_MEを計算する構成としているが、これに限ることなく、図５に示すように、低速時モータ回転角推定部１２のみを用いる構成としてもよい。

まず、本実施の形態の構成について、図５を参照して説明する。図５は、本実施の形態によるステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２の構成を示すブロック図である。本実施の形態の構成では、図１の構成におけるモータ回転角推定部８に代わって、低速時モータ回転角推定部１２で構成されている。このとき、低速時モータ回転角推定部１２には、制御回路４で生成されたマイクロステップ駆動信号と、電流検出器６で検出した検出電流が入力される。そして、低速時モータ回転角推定部１２で推定したモータ回転角θ_MELを、ディテントトルク推定部９と、補償信号生成部１０とに出力する構成となっている。その他の構成は、実施の形態１から３のいずれかの構成と同様なので説明を省略する。

次に、図５を参照して、本実施の形態におけるステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２の動作について説明する。

図５に示すように、低速時モータ回転角推定部１２は、電流検出器６が検出した検出電流と、制御回路４で生成されたマイクロステップ駆動信号から、実施の形態１に示した数式８、数式９および数式１０の関係式を用いて、ステッピングモータ１の現在の回転角θ_Mの推定値である推定モータ回転角θ_MELを計算する。

低速時モータ回転角推定部１２で推定された推定モータ回転角θ_MELは、電流検出器６に付随して使用される高周波ノイズ遮断用のローパスフィルタやステッピングモータ１のコイルインダクタンスＬと巻線抵抗Ｒの遅れの影響が無視できるほど低速でモータが回転する場合には、モータ回転角θ_Mに対して位相が遅れることなく、高い精度でモータ回転角θ_Mに一致する。

ディテントトルク推定部９と補償信号生成部１０は、実施の形態１と同様に、低速時モータ回転角推定部１２で推定した推定モータ回転角θ_MELに基づいて、ディテントトルクの推定を行い、推定したディテントトルクを打ち消すための補償信号を生成する。

このように本実施の形態では、モータ回転角推定部８として低速時モータ回転角推定部１２のみを用いる構成とすることで、位相差推定部１１や高速時モータ回転角推定部１３や加算部１４を省けるため、演算処理装置に必要な演算を低減することができ、高い演算処理能力を有する演算処理装置を用いる必要がないという利点が得られる。

また、このように演算負荷を低減する効果に加えて、電流検出器６に付随して使用される高周波ノイズ遮断用のローパスフィルタやステッピングモータ１のコイルインダクタンスＬと巻線抵抗Ｒの遅れの影響が無視できるほど低速でモータが回転している場合には、従来のように予備駆動による補正電流値の測定などの事前作業を必要とせずに、ディテントトルクの影響によるトルク変動を低減可能である。これにより、モータ使用前の補正電流値の測定作業が省けるので、モータ駆動システムの開発に要する期間を短縮可能である。

実施の形態５．
実施の形態１から３では、モータ回転角推定部８として低速時モータ回転角推定部１２と高速時モータ回転角推定部１３の両方を同時に使用して推定モータ回転角θ_MEを計算する構成としているが、これに限ることなく、図６に示すように、位相差推定部１１と高速時モータ回転角推定部１３のみを用いる構成としてもよい。

まず、本実施の形態の構成について、図６を参照して説明する。図６は、本実施の形態によるステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２の構成を示すブロック図である。本実施の形態の構成では、図１の構成におけるモータ回転角推定部８に代わって、位相差推定部１１と高速時モータ回転角推定部１３で構成されている。このとき、位相差推定部１１には、指令値生成部５から出力された電流指令値と、電流検出器６で検出した検出電流が入力される。そして、位相差推定部１１は、前記指令値と前記検出電流に基づいて推定した推定位相差を高速時モータ回転角推定部１３に出力する。高速時モータ回転角推定部１３には、指令値生成部５から出力された前記指令値と、位相差推定部１１で計算された前記推定位相差が入力される。そして、高速時モータ回転角推定部１３で推定したモータ回転角θ_MEHを、ディテントトルク推定部９と、補償信号生成部１０とに出力する構成となっている。その他の構成は、実施の形態１から３のいずれかの構成と同様なので説明を省略する。

次に、図６を参照して、本実施の形態におけるステッピングモータ１のマイクロステップ駆動制御装置２の動作について説明する。

図６に示すように、位相差推定部１１は、指令値生成部５から出力された電流指令値と、電流検出器６で検出した検出電流から、実施の形態１に示した数式１６の関係式を用いて、電流指令値に対する検出電流の位相差を推定する。

高速時モータ回転角推定部１３は、位相差推定部１１で計算された推定位相差と指令値生成部５から出力された指令値から、実施の形態１に示した数式１９および数式２０の関係式を用いて、ステッピングモータ１の現在の回転角θ_Mの推定値である推定モータ回転角θ_MEHを計算する。

高速時モータ回転角推定部１３で推定された推定モータ回転角θ_MEHは、位相差推定部１１で計算される推定位相差の値がノイズ等の影響を受けないほど大きくなるモータ高速回転時には、高い精度でモータ回転角θ_Mに一致する。

ディテントトルク推定部９と補償信号生成部１０は、実施の形態１と同様に、高速時モータ回転角推定部１３で推定した推定モータ回転角θ_MEHに基づいて、ディテントトルクの推定を行い、推定したディテントトルクを打ち消すための補償信号を生成する。

このように本実施の形態では、モータ回転角推定部８に代わって、位相差推定部１１と高速時モータ回転角推定部１３を用いる構成とすることで、低速時モータ回転角推定部１２と加算部１４を省けるため、演算処理装置に必要な演算を低減することができ、高い演算処理能力を有する演算処理装置を用いる必要がないという利点が得られる。

また、このように演算負荷を低減する効果に加えて、位相差推定部１１で計算される推定位相差の値がノイズ等の影響を受けないほど大きくなるモータ高速時には、従来のように予備駆動による補正電流値の測定などの事前作業を必要とせずに、ディテントトルクの影響によるトルク変動を低減可能である。これにより、モータ使用前の補正電流値の測定作業が省けるので、モータ駆動システムの開発に要する期間を短縮可能である。

なお、以上の実施の形態では、ディテントトルク推定部９における推定ディテントトルクの推定に、数式２３または数式３４を用いる構成を説明したが、これに限ることなく、外乱オブザーバ等のオブザーバを用いる構成でもよい。

１ ステッピングモータ、２ マイクロステップ駆動制御装置、３ ドライバ、４ 制御回路、５ 指令値生成部、６ 電流検出器、７ 推定演算部、８ モータ回転角推定部、９ ディテントトルク推定部、１０ 補償信号生成部、１１ 位相差推定部、１２ 低速時モータ回転角推定部、１３ 高速時モータ回転角推定部、１４ 加算部、１５ 低速時推定回転角増幅部、１６ 高速時推定回転角増幅部、１７ 加算器、１８ 記憶媒体、１９ 第１切り替えスイッチ、２０ 第２切り替えスイッチ、１００ 第１ステップ、１０１ 第２ステップ、１０２ 第３ステップ、１０３ 第４ステップ。

Claims (8)

1. ステッピングモータを駆動するドライバと、
   前記ドライバにマイクロステップ駆動信号を与える制御回路と、
   前記制御回路へ指令値を与える指令値生成部と、
   前記ステッピングモータに流れる実電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器で検出した検出電流および前記指令値に基づいて、前記指令値に対する前記検出電流の推定位相差を推定する位相差推定部と、
   前記検出電流および前記マイクロステップ駆動信号に基づいて、ステッピングモータが、前記推定位相差の推定が所定の精度を確保できない低速で回転する時の推定モータ回転角θ_MELを推定する低速時モータ回転角推定部と、
   前記推定位相差および前記指令値に基づいて、ステッピングモータが、前記推定位相差の推定が所定の精度を確保できる高速で回転する時の推定モータ回転角θ_MEHを推定する高速時モータ回転角推定部と、
   前記指令値に応じて増幅値がそれぞれ変化する低速推定角ゲインおよび高速推定角ゲインに基づいて、前記推定モータ回転角θ_MELおよび前記推定モータ回転角θ_MEHを所定の割合で加算して推定モータ回転角θ_MEを推定する加算部と、
   前記推定モータ回転角θ_MEに基づき、推定ディテントトルクを推定するディテントトルク推定部と、
   前記推定ディテントトルクおよび前記推定モータ回転角θ_MEに基づいて、補償信号を生成する補償信号生成部とを備えるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置。
2. ステッピングモータを駆動するドライバと、
   前記ドライバにマイクロステップ駆動信号を与える制御回路と、
   前記制御回路へ指令値を与える指令値生成部と、
   前記ステッピングモータに流れる実電流を検出する電流検出器と、
   前記検出電流および前記マイクロステップ駆動信号に基づいて、ステッピングモータが、前記推定位相差の推定が所定の精度を確保できない低速で回転する時の推定モータ回転角θ_MELを推定する低速時モータ回転角推定部と、
   前記推定モータ回転角θ_MELに基づき、推定ディテントトルクを推定するディテントトルク推定部と、
   前記推定ディテントトルクおよび前記推定モータ回転角θ_MELに基づいて、補償信号を生成する補償信号生成部とを備えるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置。
3. ステッピングモータを駆動するドライバと、
   前記ドライバにマイクロステップ駆動信号を与える制御回路と、
   前記制御回路へ指令値を与える指令値生成部と、
   前記ステッピングモータに流れる実電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器で検出した検出電流および前記指令値に基づいて、前記指令値に対する前記検出電流の推定位相差を推定する位相差推定部と、
   前記推定位相差および前記指令値に基づいて、ステッピングモータが、前記推定位相差の推定が所定の精度を確保できる高速で回転する時の推定モータ回転角θ_MEHを推定する高速時モータ回転角推定部と、
   前記推定モータ回転角θ_MEHに基づき、推定ディテントトルクを推定するディテントトルク推定部と、
   前記推定ディテントトルクおよび前記推定モータ回転角θ_MEHに基づいて、補償信号を生成する補償信号生成部とを備えるステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置。
4. 低速時モータ回転角推定部は、検出電流およびマイクロステップ駆動信号に基づいて、モータの基礎電圧方程式と速度誘起電圧式から推定モータ回転角θ_MELを推定する、請求項１または２に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置。
5. 高速時モータ回転角推定部は、指令値および推定位相差に基づいて、電流位相差とモータ回転角の偏差の関係から推定モータ回転角θ_MEHを推定する、請求項１または３に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置。
6. ディテントトルク推定部は、推定モータ回転角θ_MEに基づいて、ディテントトルクのｎ次成分まで含む推定式から推定ディテントトルクを推定する、請求項１から５のいずれか１項に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置。
7. 補償信号生成部は、推定モータ回転角θ_MEおよび推定ディテントトルクを用いて、前記推定ディテントトルクと、大きさおよび位相が一致する補償トルクを出力させる補償信号を生成する、請求項１から６のいずれか１項に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置。
8. 制御回路に入力される補償信号は、補償信号生成部が出力する補償信号と予め記憶媒体に記憶された補償信号とで切り替え可能とした、請求項１から７のいずれか１項に記載のステッピングモータのマイクロステップ駆動制御装置。

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