KR20220160654A - 스테핑 모터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

스테핑 모터의 제어 장치는, 회전자 위치 검출기를 구비한 스테핑 모터를 마이크로 스텝 구동에 의해 제어한다. 제어 장치는, 조정 모드 및 사용 모드를 포함하는 복수의 동작 모드를 갖는다. 제어 장치는, 조정 모드에서 회전자 위치 검출기의 검출값에 기초하여 스테핑 모터의 권선 전류를 제어하는 폐쇄 루프 제어용 제어 데이터를 생성하고, 그 제어 데이터에 따라 스테핑 모터를 가속 운전 및 감속 운전한다. 제어 장치는, 사용 모드에서 조정 모드에서 생성된 제어 데이터에 기초하여 스테핑 모터의 권선 전류를 제어하는 개방 루프 제어에 의해, 조정 모드에서의 권선 전류를 재현하도록 하여, 스테핑 모터를 가속 운전 및 감속 운전한다.

Description

스테핑 모터 제어 장치

본 발명은 스테핑 모터(stepping motor)를 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.

스테핑 모터는 여자상(勵磁相)이 전환될 때마다 일정 각도씩 회전하도록 구성된다. 스테핑 모터는 회전 각도 및 회전 속도를 정확하게 제어할 수 있는 모터로, 특히 정확한 이동 및 위치 결정이 필요한 장치의 구동원으로 사용된다. 스테핑 모터의 구동 방법으로 풀 스텝 구동(full-step drive) 및 마이크로 스텝 구동(micro-step drive)이 알려져 있다. 풀 스텝 구동은, 입력 펄스에 응답하여 여자상을 전환하고, 스테핑 모터의 내부 구조에 의해 규정된 기본 스텝 각도로 회전자(rotor)를 회전시키는 구동 방법이다. 마이크로 스텝 구동은, 여자상을 완전히 전환하는 것이 아니라, 권선 전류의 배분을 미세하게 분할함으로써, 기본 스텝각보다 작은 미소 각도(마이크로 스텝)로 회전자를 회전하는 구동 방법이다.

스테핑 모터의 하나의 용도예는, 칩 부품의 검사 장치나 테이핑 장치이다. 이들 장치에서는, 복수의 칩 부품을 일정 간격으로 유지시킨 캐리어 테이프를 보내는 구동원으로서 스테핑 모터가 사용된다. 예를 들어, 0.4mm×0.2mm 정도의 크기의 칩 부품이, 수 mm 정도의 피치로 캐리어 테이프 상에 담지(擔持)된다. 이러한 용도에서 스테핑 모터는, 수 도(度) 단위의 미소 각도를 수 밀리초 단위의 매우 짧은 시간에 반복적으로 운전된다. 이 경우, 미소한 칩 부품을 얼마나 빠르고 정확하게 이동하여 위치 결정할 수 있는지가 장치의 능력과 직결된다. 따라서, 스테핑 모터의 토크를 최대한 이용한 가속 및 감속에 의해 최단 시간에 목표 위치에 도달하고, 또한 목표 위치 도달 후의 진동을 최소화할 수 있는 위치 결정이 요구된다.

하기 특허문헌 1은, 스테핑 모터를 마이크로 스텝 구동하기 위한 제어 장치를 개시한다. 이 제어 장치는, 명령에 따를 수 없는 경우에도 탈조하지 않고 최대 토크로 스테핑 모터를 회전시킬 수 있는 제어 방식을 채용했다. 이 제어 방식은 속도 편차가 확대되는 것을 억제하여, 진동이 적은 안정된 위치 결정 운전을 실현할 수 있다. 단, 특허문헌 1의 제어 방식은, 수 도 단위의 미소 각도를 수 밀리초 단위의 단시간에 이동하여 위치 결정하는 동작을 반복하는 것이나, 목표 위치 도달 후의 진동 억제를 목적으로 하지는 않는다.

하기 특허문헌 2는, 풀 스텝 구동에 의해, 4 펄스로 전기각 1주기분(4스텝분)의 이동 및 위치 결정을 행하는 스테핑 모터 구동 장치를 개시한다. 구체적으로는, 스테핑 모터의 수리 모델에 기초하여 각상의 여자 전환의 타이밍, 즉 시간 간격을 구함으로써, 단시간에 목표 위치에 도달하고 또한 진동이 발생하지 않는 구동을 행하고자 한다.

하기 특허문헌 3은, 풀 스텝 구동의 이동량을 전기각 주기의 반주기분, 즉, 2펄스분(2스텝분)으로 한정하는 구동 방식을 개시한다. 또한 운전 시의 전류를 키우고, 정지 시의 전류를 낮추는, 이른바 커런트 업(current up) 및 커런트 다운(current down)의 기능을 조합했다. 이를 통해 이동 시간의 단축을 도모할 수 있다.

하기 특허문헌 4는, 마이크로 스텝 구동의 폐쇄 루프 제어에 의해, 가속·감속 시에 모터의 최대 토크를 사용하여, 최단 이동 및 위치 결정을 실현하고자 한다. 구체적으로는, 회전자 위치를 검출하는 회전자 센서의 검출값을 피드백하는 폐쇄 루프 제어에 의해, 최대 토크에서의 가속 및 감속을 행한다. 가속 시간 및 감속 시간을 조정함으로써, 목표 정지 위치에서의 속도가 0이 되도록 조정한다. 그리고 감속 기간이 끝나고 속도가 0이 된 타이밍에서 목표 위치의 위치 명령을 부여하여 회전자 위치를 유지한다.

특허문헌 1: 일본특허등록 제4195897호 공보 특허문헌 2: 일본특허공개 2012-175730호 공보 특허문헌 3: 일본특허공개 2018-196206호 공보 특허문헌 4: 일본특허등록 제4250051호 공보

특허문헌 2의 방법에서는, 이 문헌의 도 4에 나타나 있듯이 측정을 행하면서 복수의 파라미터를 단계적으로 식별할 필요가 있다. 복수의 파라미터를 동시에 식별하기 위해서는, 수치 시뮬레이션과 실제 응답을 비교하면서, 실제 응답에 정합하는 파라미터를 탐색적으로 구할 필요가 있다. 그리고 복수의 파라미터를 식별하는 공정을 거쳐, 수치 계산에 의해 모터의 응답을 시뮬레이팅한다. 그러나 물리적 현상을 완전히 모델링할 수 있는 것은 아니다. 따라서 시뮬레이션 모델과 실제 응답은 완전하게는 일치하지 않으며, 최적의 여자 전환 타이밍을 시뮬레이션 모델로부터는 구할 수 없다.

따라서, 결국, 복수의 여자 전환 타이밍, 즉 복수의 시간 간격을 반복 조정하면서, 진동이 작아지는 시간 간격의 조합을 탐색할 필요가 있다. 게다가, 획득되는 결과가 최상일 것이라는 보증이 없기 때문에, 다양한 초기 값을 시험할 필요가 있다. 이에 필요한 작업량은, 시뮬레이션 모델을 사용하지 않고 모터의 응답을 측정하면서 시간 간격을 조정하는 경우의 작업량과 거의 동일하다.

또한 특허문헌 2에서 채용한 풀 스텝 구동은, 모터 토크의 이용 효율이 나빠, 최단 시간 이동 및 위치 결정을 필요로 하는 용도에 적합하지 않다. 최단 시간 이동을 위해서는, 모터가 발생할 수 있는 최대 토크에서 가속 및 감속을 행할 필요가 있다. 그러나, 풀 스텝 구동 시의 회전 중 발생하는 토크에는, 회전자 회전 각도의 정현 함수(sine function)로 나타내어지는 변동이 생기기 때문에, 최대 토크로 운전하는 것을 유지할 수 없다. 나아가 풀 스텝 구동은, 운동 모델이 복잡해지고 조정이 어려워지는 문제도 있다.

이와 같이 특허문헌 2의 방법에는, 가장 빠른 이동 및 위치 결정을 실현할 수 없을 뿐만 아니라, 조정하기 어려우며 또한 손이 많이 간다는 과제가 있다.

특허문헌 3에서도, 이 문헌의 도 9에 나타나 있는 것처럼, 가속 기간 및 감속 기간 중에 토크가 변동하여, 이용 가능한 토크의 절반보다 약간 더 이용되는 것에 지나지 않는다(도 9의 가로축의 스케일은 오기이며, 토크(F)의 파형에 대응하는 변위 폭은, 기본 스텝각 1.8도의 모터의 2스텝분에 상당하므로, 1.8도가 아니라 3.6도이다). 또한 특허문헌 2의 경우와 마찬가지로, 기본적으로는 풀 스텝 구동이기 때문에, 최단 시간 동안의 이동 및 위치 결정을 실현할 수 없다. 또한 풀 스텝 구동이기 때문에 이동량의 자유도가 적다는 문제도 있다. 또한, 특허문헌 3의 방법에서는, 가속 토크 및 감속 토크의 발생이 전류의 전환을 수반하지 않는 일정 전류 상태에서 행해지며, 모터의 변위각의 변화에 따라 발생 토크의 크기 및 방향이 변화한다. 그러나 이 방법으로는, 가속 및 감속을 개별 조정할 수 없으며, 가속 및 감속의 기울기가 동일한 이등변의 삼각 구동을 전제로 한다. 게다가, 마찰 부하 등이 있는 경우에는 감속이 빨라지기 때문에, 목표 위치에 도달하지 않았는데 조정이 불가능해질 우려도 있다.

특허문헌 3에는, 당해 문헌에서 언급된 선행 기술에 대해, 펄스 입력 타이밍을 조정하기 어렵다고 기재하고 있다. 그러나 특허문헌 3의 방법으로도, 타이밍 조정이 필요한 것에는 변함이 없다. 특허문헌 3의 방법에서의 이동량은 기본 스텝각의 2펄스 분이므로, 특허문헌 2의 4펄스 분보다 적기 때문에, 타이밍 조정은 간략화된다고 생각된다. 그러나 특허문헌 3에는, 목표 위치에서의 진동을 억제하기 위한 구체적인 방법에 대한 기재는 없고, 진동 억제를 위해서는 적어도 2번째 펄스의 전류 전환 타이밍을 조정할 필요가 있다.

펄스 간격을 조정하는 특허문헌 2 및 3의 방법은, 풀 스텝 구동에 이용되는 수 펄스분의 조정에는 적용 가능할 수도 있으나, 무수한 펄스로 스테핑 모터를 구동하는 마이크로 스텝 구동에 적용하기는 매우 어려우며, 적절한 전류 파형을 생성하기 어렵다.

특허문헌 4의 방법은, 매우 간단한 조정으로 가장 빠른 이동 및 위치 결정을 실현할 수 있으나, 다음에 설명하는 두 개의 주요한 과제가 있다.

첫째, 회전자 위치 검출을 위해 매우 정밀한 검출기가 필요하다. 예를 들면, 칩 사이즈가 1mm 이하인 칩 부품의 검사 장치와 같은 용도에서는, 스테핑 모터에 대해 상당히 높은 위치 결정 정밀도가 요구된다. 고 정밀도로 조립된 시판 하이브리드형 스테핑 모터의 정지 정밀도는, ±1분(=1/21600회전) 이하이다. 칩 부품의 검사 장치에 요구되는 모터 위치 결정 정밀도도 이와 비슷하다. 이에 따라, 스테핑 모터의 제어에 사용되는 회전자 위치 검출기에도 같거나 그 이상의 분해능 및 정밀도가 요구된다. 회전자 위치 검출기의 정밀도가 나쁘면, 폐쇄 루프 운전 시 토크에 변동이 생기고, 응답에 편차가 발생하고, 정지 위치에서 진동이 발생하는 원인이 된다. 그러나 분해능이나 정밀도가 높은 회전자 위치 검출기는 고가이며 대형인 경향이 있다. 또한 고 정밀 검출을 유지하기 위해서는, 회전자 위치 검출기를 조립할 때에도 특별히 신경써야 하기 때문에, 이것이 시스템 비용의 상승을 초래한다. 또한 크기가 큰 위치 검출기는 많은 공간을 차지한다. 게다가 부하 관성이 증가하기 때문에 위치 결정 시간이 증가하는 원인이 되기도 한다.

둘째, 외란(disturbance)에 대한 안정성에 문제가 있다. 최대 토크에서의 가속 시간 및 감속 시간을 정밀하게 조정하고, 목표 위치에서의 속도를 핀 포인트로 0에 맞추는 방법은, 외란에 의한 변동을 억제하는 수단을 갖지 않는다. 즉, 외란 요인에 의해 회전 중에 회전자의 위치가 뒤로 가거나 앞으로 가더라도 토크는 일정하다. 예를 들어, 기구(機構)의 마찰이나 점성 부하도 장치의 사용 중에 변동을 일으킨다. 또한 모터 토크는 엄밀하게는 주변 온도에 따라 약간 변화한다. 약간의 부하 변동이나 토크의 변동은, 조정이 안 되는 요인이 되며, 정지 시의 진동의 요인이 된다.

이와 같이 특허문헌 4의 방법은, 가장 빠른 이동 및 위치 결정을 실현할 수 있으나, 고 정밀도의 회전자 위치 검출기가 필요하며 또한 외란에 취약한 시스템이라는 과제를 가지고 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 고 정밀도의 회전자 위치 검출기를 필요로 하지 않으면서도, 조정이 간단하고, 발생 토크를 유효하게 이용하여 회전자를 이동시킬 수 있는 스테핑 모터의 제어 장치를 제공한다.

또한 본 발명의 일 실시형태는, 외란에 대한 강건성(robustness)이 양호하며, 또한 조정이 간단하고, 발생 토크를 유효하게 이용하여 회전자를 이동시킬 수 있는 스테핑 모터의 제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태는, 회전자 위치 검출기를 구비한 스테핑 모터를 마이크로 스텝 구동으로 제어하는 스테핑 모터의 제어 장치를 제공한다. 이 제어 장치는 조정 모드 및 사용 모드를 포함하는 복수의 동작 모드를 갖는다. 상기 제어 장치는, 상기 조정 모드에서 상기 회전자 위치 검출기의 검출값에 기초하여 상기 스테핑 모터의 권선 전류를 제어하는 폐쇄 루프 제어용 제어 데이터를 생성하고, 상기 제어 데이터에 따라 상기 스테핑 모터를 가속 운전 및 감속 운전한다. 상기 제어 장치는, 상기 사용 모드에서, 상기 조정 모드에서 생성된 상기 제어 데이터에 기초하여 상기 스테핑 모터의 권선 전류를 제어하는 개방 루프 제어에 의해 상기 조정 모드에서의 권선 전류를 재현하도록 하여, 상기 스테핑 모터를 가속 운전 및 감속 운전한다.

이 구성에 따르면 제어 장치는, 마이크로 스텝 구동으로 스테핑 모터를 제어하기 때문에, 실질적으로 최대 토크(최대 토크 또는 그에 가까운 토크)를 끝까지 내내 이용하는 가속 운전 및 감속 운전을 행할 수 있다. 이에 따라, 토크 이용 효율이 좋은 제어 장치를 실현할 수 있다.

제어 장치는 조정 모드 및 사용 모드에서, 스테핑 모터를 마이크로 스텝 구동에 의해 운전할 수 있다. 조정 모드에서는, 회전자 위치 검출기의 검출값을 이용한 폐쇄 루프 제어에 의해, 스테핑 모터의 권선 전류가 제어된다. 이 때, 마이크로 스텝 구동에 의한 가속 운전 및 감속 운전용 제어 데이터가 생성되며, 그 제어 데이터에 따라 가속 운전 및 감속 운전이 행해진다. 사용 모드에서는, 조정 모드에서 생성된 제어 데이터에 기초한 개방 루프 제어의 마이크로 스텝 구동에 의해, 가속 운전 및 감속 운전이 행해진다. 이에 따라, 조정 모드일 때의 권선 전류를 재현할 수 있으며, 조정 모드일 때와 실질적으로 동일한 가속 운전 및 감속 운전을 실현할 수 있다.

조정 모드에서는, 운전 시의 파라미터를 조정함으로써 적절한 가속 운전 및 감속 운전을 실현할 수 있다. 이 적절한 가속 운전 및 감속 운전을 실현할 수 있을 때에 생성된 제어 데이터를 보존하고, 사용 모드에서 그 제어 데이터를 이용하면, 적절한 가속 운전 및 감속 운전을 달성할 수 있다.

사용 모드에서는, 개방 루프 제어이므로 회전자 위치 검출기의 검출값을 사용할 필요가 없으며, 이에 따라 회전자 위치 검출기의 검출 정밀도에 영향을 받지 않고 스테핑 모터를 제어할 수 있다. 조정 모드에서 실행되는 폐쇄 루프 제어에서는, 회전자 위치 검출기의 검출값을 사용하기 때문에, 그 검출 정밀도에 기인하여 토크 변동이 발생하며, 스테핑 모터의 응답에 편차가 발생할 수도 있다. 따라서, 예를 들어 정지 위치에서의 진동이 발생할 수도 있다. 그러나 이러한 동작 시 생성되는 제어 데이터는, 파기하는 것으로서, 사용 모드에서는 사용하지 않으면 된다. 즉, 조정 모드에서 적절한 스테핑 모터의 응답이 획득됐을 때의 제어 데이터를 보존하고, 그 제어 데이터를 사용 모드에서 사용하면, 그 적절한 응답을 사용 모드에서 재현할 수 있다. 따라서 회전자 위치 검출기는, 조정 모드에서의 복수 회의 시행 운전에서 적절한 응답을 적어도 한 번 실현할 수 있을 만큼의 검출 정밀도 및 안정성(검출 재현성)을 가진다면 충분하다.

특허문헌 4에서는, 실제 사용 시의 운전에서 폐쇄 루프 영역이 이용되기 때문에, 회전자 위치를 검출하기 위해 상당히 높은 정밀도의 검출기가 필요하다. 이 때문에 앞서 말한 첫번째 과제가 남아있다. 이 실시형태는 특허문헌 4의 첫번째 과제에 대한 해결 수단을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 조정 모드에서의 상기 폐쇄 루프 제어에서, 상기 스테핑 모터의 권선 전류의 위상(θi)이, 상기 회전자 위치 검출기의 검출값(θfb)에 소정의 값 ±K(단, K는 상수이며, 상기 가속 운전 및 상기 감속 운전 중 하나에 양의 부호를 붙이고, 상기 가속 운전 및 감속 운전 중 다른 하나에 음의 부호를 붙임)와 회전자 속도(ωfb)의 함수 F(ωfb)를 더한 위상이 θi=θfb±K+F(ωfb) 가 되도록 상기 제어 데이터가 생성된다.

회전자 위치의 검출값(θfb)에 소정의 값 ±K를 가산한 권선 전류 위상으로 함으로써, 회전자에 대해 소정의 값(K)만큼 위상이 편이된 권선 전류 위상이 되므로, 그 위상 편이(phase shift)에 따른 토크를 생성할 수 있다. 또한 회전자 속도(ωfb)의 함수 F(ωfb)가 가산된 권선 전류 위상을 이용함으로써, 속도 보상을 행한 제어 데이터를 생성할 수 있다. 이를 통해 소정의 값 ±K에 따른 토크를 발생시키고 또한 속도 보상된 제어 데이터가 생성되므로, 조정 모드에서 적절한 응답을 획득하기 쉬우며, 사용 모드에서도 그 적절한 응답을 재현할 수 있다.

모터 권선 전류의 위상(θi)을 나타내는 식 θi=θfb±K+F(ωfb)에서, 회전자에 일방(예를 들면, 정회전 방향)의 토크를 부여할 때 제2항의 부호는 양이 되며, 회전자에 타방(예를 들면, 역회전 방향)의 토크를 부여할 때 제2항의 부호는 음이 된다. 구체적으로는, 정회전 방향으로 회전자를 회전시키는 경우에, 가속 운전에서는 권선 전류 위상이 θi=θfb+K+F(ωfb) 가 되도록 제어 데이터가 생성되고, 감속 운전에서는 권선 전류 위상이 θi=θfb-K+F(ωfb) 가 되도록 제어 데이터가 생성된다. 반대로, 역회전 방향으로 회전자를 회전시키는 경우에는, 가속 운전에서는 권선 전류 위상이 θi=θfb-K+F(ωfb) 가 되도록 제어 데이터가 생성되고, 감속 운전에서는 권선 전류 위상이 θi=θfb+K+F(ωfb) 가 되도록 제어 데이터가 생성된다. 이와 같이 소정 값 ±K의 부호를 반전시킴으로써 발생 토크의 방향이 반전된다.

또한 회전자 속도가 저속이면, 속도 보상용 함수 F(ωfb)를 생략하고, θi=θfb±K 로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 소정 값 ±K의 절대값은 전기각으로 90도 미만에 상당하는 값이다.

소정 값 ±K의 절대값을 전기각으로 90도에 상당하는 값으로 설정함으로써, 최대 토크에서의 가속 및 감속이 가능하다. 그러나 조정 모드에서, 소정 값 ±K의 절대값을 전기각으로 90도에 상당하는 값으로 하면, 사용 모드에서, 외란 요인에 의해 회전 중에 회전자의 위치가 뒤로 가거나 앞으로 가더라도, 그와 같은 변동을 억제할 수 없다. 이로 인해, 회전자의 위치가 뒤로 가거나 앞으로 가는 것이 확대되어 탈조될 우려가 있다. 외란 요인의 일례는, 기구의 마찰이나 점성 부하의 변동이며, 이들은 장치의 사용 중에 변동될 수 있다. 또한 스테핑 모터의 토크는, 주변 온도에 따라 약간 변화하기 때문에 이것도 외란 요인이 될 수 있다.

소정 값 ±K는, 이른바 모터 부하각에 대응한다. 소정 값 ±K의 절대값을 전기각으로 90도 미만에 상당하는 값으로 하면, 엄밀하게는 최대 토크를 발생시킬 수 없으나, 회전 중에 회전자의 위치가 뒤로 가거나 앞으로 가게되면, 그에 따라 모터 부하각이 변화하여 토크가 변동한다. 이 토크 변동은, 회전자의 위치가 뒤로 가거나 앞으로 가는 것을 억제하도록 작용한다. 따라서, 외란에 의한 변동을 억제하는 수단을 제공할 수 있으므로, 외란에 대한 강건성을 향상시킬 수 있다. 이렇게 하여 특허문헌 4의 상기 두번째 과제에 대한 해결 수단을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 소정 값 ±K의 절대값이 전기각으로 60도 이상(보다 바람직하게는 70도 이상, 더욱 바람직하게는 80도 이상)에 상당하는 값이다.

이러한 구성을 통해, 최대 토크에 가까운 토크로 가속 운전 및 감속 운전을 행할 수 있으며, 또한 외란에 대해 강건한 제어 시스템을 실현할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 조정 모드에서, 상기 가속 운전 및 상기 감속 운전에 의해 목표 위치를 향해 회전자를 이동시키고, 상기 목표 위치에서의 회전자 속도가 0이 되도록 상기 가속 운전을 행하는 가속 기간 및 상기 감속 운전을 행하는 감속 기간의 시간 폭을 조정한다. 그리고 조정이 완료된 상태의 상기 제어 데이터에 기초하여, 상기 사용 모드에서의 상기 가속 운전 및 상기 감속 운전이 실행된다.

이 구성에 따르면, 가속 기간 및 감속 기간의 시간 폭을 조정함으로써, 회전자를 목표 위치까지 이동시키는 동작을 최적화할 수 있다. 가속 기간 및 감속 기간의 시간 폭을 조정하는 것은, 조정 대상의 파라미터가 적기 때문에 비교적 용이하게 행할 수 있다.

감속 운전 시 일정한 감속 토크가 발생하고, 그에 따라 일정한 감속도로 회전자 속도가 감소한다면, 가속 기간의 시간 폭이 정해지는 경우, 감속 기간의 시간 폭은 그에 따라 그대로 정해진다. 따라서 조정 대상의 파라미터는, 실질적으로는 가속 기간의 시간 폭만이기 때문에, 조정하기 더욱 용이해진다. 물론 가속 기간의 시간 폭과 감속 기간의 시간 폭을 개별적으로 조정할 수도 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 제어 장치는, 상기 조정 모드에서, 상기 가속 운전 및 상기 감속 운전에 의해 목표 위치를 향해 회전자를 이동시키고, 상기 목표 위치에서의 회전자 속도가 0이 되도록, 상기 가속 운전을 행하는 가속 기간 및 상기 감속 운전을 행하는 감속 기간의 시간 폭을 자동 조정하는 자동 조정 수단을 추가로 포함한다.

이 구성에 따르면, 가속 기간 및 감속 기간의 시간 폭을 최적화하기 위한 조정을 자동으로 행할 수 있다. 앞서 말한 것처럼, 조정 대상의 파라미터가 적기 때문에 자동 조정을 위한 알고리즘이 복잡하지 않으므로, 조정의 자동화가 용이하다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 조정 모드에서 생성되는 제어 데이터는, 상기 감속 운전 후에 상기 목표 위치가 여자 안정점이 되도록 상기 스테핑 모터의 권선 전류를 제어하는 위치 유지 제어용 제어 데이터를 포함한다. 상기 제어 장치는, 상기 조정 모드에서 상기 제어 데이터에 따라 상기 회전자를 목표 위치에 위치 유지시키는 위치 유지 운전을 행한다. 또한 상기 사용 모드에서, 상기 제어 장치는, 상기 감속 운전 후에 상기 조정 모드에서의 상기 위치 유지 제어용 제어 데이터에 기초하여 상기 스테핑 모터의 권선 전류를 재현함으로써, 상기 회전자를 상기 목표 위치에 위치 유지시키는 위치 유지 운전을 행한다.

이 구성에 따르면, 목표 위치에서 위치 유지 운전이 행해진다. 가속 기간 및 감속 기간의 시간 폭이 적절하게 조정되면, 감속 기간의 종료 시에 회전자는 목표 위치에 도달하며 또한 속도는 0이다. 그 타이밍에서 위치 유지 운전으로 전환함으로써, 진동을 발생시키지 않고 목표 위치에서 회전자를 위치 유지시킬 수 있다. 따라서 가장 빠른 위치 결정을 달성할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 제어 데이터는, 회전자 위치, 위치 명령, 전류 명령, 전압 명령 중 적어도 하나를 나타낸다.

회전자 위치를 나타내는 제어 데이터는, 구체적으로는 조정 모드에서 획득된 회전자 위치 검출기의 검출값을 나타내는 데이터(회전자 위치 데이터)일 수 있다. 위치 명령을 나타내는 제어 데이터는, 구체적으로는 여자 위치를 명령하는 데이터(위치 명령 데이터)일 수 있다. 전류 명령을 나타내는 제어 데이터는, 구체적으로는 스테핑 모터의 권선 전류의 명령값을 나타내는 데이터일 수 있다. 전압 명령을 나타내는 제어 데이터는, 구체적으로는 스테핑 모터의 권선에 인가되는 전압의 명령값을 나타내는 데이터일 수 있다. 이들 데이터 중 하나 이상을 이용함으로써, 사용 모드에서 조정 모드에서의 권선 전류를 재현할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 사용 모드에서의 상기 개방 루프 제어는, 상기 회전자 위치 검출기의 검출값을 사용하지 않고 수행되는 상기 스테핑 모터의 권선 전류 제어를 포함한다.

이 구성에 따르면, 사용 모드에서 실행되는 개방 루프 제어에서, 회전자 위치 검출기의 검출값은 이용되지 않기 때문에, 사용 모드에서의 가속 운전 및 감속 운전은, 회전자 위치 검출기의 검출 정밀도의 영향을 받지 않는다. 따라서, 고 정밀도의 회전자 위치 검출기를 필요로 하지 않고도 안정된 운전이 가능하다.

본 발명에서의 상술한, 또는 또 다른 목적, 특징 및 효과는, 첨부 도면을 참조하여 다음의 실시형태의 설명에 의해 분명해진다.

도 1a 및 도 1b는 목표 위치까지 최단 시간에 이동하여 위치 결정하기 위한 이상적인 동작을 나타낸다.
도 2는 풀 스텝 구동 시의 토크 변동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 풀 스텝 구동에 의한 가장 빠른 이동 및 위치 결정의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 조정이 불량한 경우의 동작 예를 나타내는 도면이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c는 최대 토크를 이용한 가속 및 감속에 의한 가장 빠른 이동 및 위치 결정 동작을 하기 위한 운전 패턴을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 관한 스테핑 모터 제어 장치의 구성 예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 상기 제어 장치에 포함되는 연산부에 의한 처리 내용의 일례를 설명하기 위한 제어 블록도이다
도 7은 상기 연산부의 제어 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 개방 루프 제어 및 폐쇄 루프 제어에서의 각도-토크 특성을 나타낸다.
도 9a 내지 도 9d는 조정 모드에 의한 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 도 10d는 조정 모드에 의한 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 내지 도 11d는 조정 모드에 의한 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 자동 조정의 처리 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 상기 제어 장치의 자동 조정 모드에 의한 자동 조정 동작의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 14a, 도 14b, 도 14c는 사용 모드에서의 위치 결정 동작의 일례를 나타낸다.

도 1a 및 도 1b는 목표 위치까지 최단 시간에 이동하고 위치 결정하기 위한 이상적인 동작을 나타낸다. 도 1a는 모터 속도(회전자의 회전 속도)의 이상적인 시간 변화를 나타낸다. 도 1b는 모터 토크의 이상적인 시간 변화를 나타낸다. 목표 위치까지의 이동 명령이 입력되면, 이동 방향으로 최대 토크(최대 가속 토크)를 발생시켜 최대 가속도로 가속한다. 그 후, 토크의 방향을 반전시켜 이동 방향과 반대의 방향으로 최대 토크(최대 감속 토크)를 발생시켜 최대 감속도로 감속한다. 가속 기간 및 감속 기간은, 감속 기간의 종료 시에 모터 위치(회전자 위치)가 목표 위치에 도달하여 속도가 0이 되도록 조정된다. 감속 기간이 종료되면, 목표 위치를 여자하고, 회전자를 목표 위치에 유지한다.

가속 기간 중에 최대 가속 토크를 끝까지 내내 발생시킬 수 있고, 감속 기간 중에 최대 감속 토크를 끝까지 내내 발생시킬 수 있다면, 가속 기간 및 감속 기간을 적절히 정함으로써, 가장 빠른 이동 및 위치 결정을 실현할 수 있다. 토크가 일정하면 등가속도 운동이 되므로, 회전자 속도의 시간 변화는 도 1a에 나타낸 것처럼 삼각형 모양이 된다. 이 때문에 가속 기간의 시간 폭을 결정하면, 감속 기간의 시간 폭은 그에 따라 자동으로 결정된다. 따라서, 가속 기간의 시간 폭, 즉 최대 가속 토크에서 최대 감속 토크로 전환하는 타이밍의 적정값을 찾아내는 것이 실제적인 조정의 목적이 된다. 마찰 부하의 영향에 의해, 가속 기간에서의 가속도는 감속 기간에서의 감속도보다 작기 때문에, 통상 가속 기간이 감속 기간보다 길어져, 회전자 속도의 시간 변화는 이등변 삼각형 모양이 되지는 않는다. 그러나 마찰 부하의 영향 하에서도, 가속 기간 및 감속 기간에서 일정한 가속도 및 일정한 감속도로 각각 회전자 속도가 변화한다. 따라서, 실질적인 조정의 목적이 가속 기간의 시간 폭, 즉 최대 가속 토크에서 최대 감속 토크로 전환하는 타이밍의 적정값을 찾아내는 것임에는 변함이 없다.

이하에 설명하듯이, 풀 스텝 구동에서는 가속 기간 및 감속 기간 동안 토크가 변동하기 때문에, 가속 기간 동안 최대 가속 토크를 유지할 수 없고 감속 기간 동안 최대 감속 토크를 유지할 수 없다.

예를 들어, 하이브리드형 스테핑 모터는, 복수의 작은 톱니(회전자 작은 톱니)를 둘레 상에 일정한 작은 톱니 피치로 등간격으로 배치한 회전자와, 이에 대향 배치된 고정자(stator)를 포함한다. 보다 구체적으로, 회전자는 회전축 주위에 작은 톱니 피치의 절반만큼 어긋나게 한 두 개의 회전자 세그먼트를 구비하며, 이 두 개의 회전자 세그먼트는 회전축에 고정된다. 한쪽의 회전자 세그먼트는 S극으로 자화되고, 다른 쪽 회전자 세그먼트는 N극으로 자화된다. 각 회전자 세그먼트의 둘레 상에, 일정한 작은 톱니 피치로 복수(예를 들면, 100개)의 작은 톱니가 등간격으로 배치된다. 고정자는 회전자와 동일한 작은 톱니 피치로 배열된 복수의 작은 톱니(고정자 작은 톱니)를 갖는 복수의 주극(主極)을 구비한다.

2상의 스테핑 모터는, A상과, A상에 대해 90도 위상 편이된 B상과, A상에 대해 180도 위상 편이된/A상과, B상에 대해 180도 위상 편이된/B상을 갖는다. 고정자는, A상, B상, /A상 및 /B상의 전류가 인가되는 권선 작업을 각각 실시한 복수의 주극을 가지며, 각 주극 상에 회전자에 대향하는 고정자 작은 톱니가 배치된다. A상의 주극 상의 고정자 작은 톱니와 회전자 작은 톱니가 정면으로 마주할 때, B상의 주극 상의 고정자 작은 톱니는 회전자 작은 톱니에 대해 4분의 1의 피치(전기각 90도)만큼 어긋나며, /A상의 주극 상의 고정자 작은 톱니는 회전자 작은 톱니에 대해 4분의 2의 피치(전기각 180도)만큼 어긋나고, /B상의 주극 상의 고정자 작은 톱니는 회전자 작은 톱니에 대해 4분의 3의 피치(전기각 270도)만큼 어긋난다.

2상 여자 방식에 의한 풀 스텝 구동은, 다음의 4개의 상태를 전환하는 구동 방식이다. 제1 상태는, A상을 N극으로 여자하고, B상을 N극으로 여자하고, /A상을 S극으로 여자하고, /B상을 S극으로 여자하는 상태(AB상 여자)이다. 제2 상태는, A상을 S극으로 여자하고, B상을 N극으로 여자하고, /A상을 N극으로 여자하고, /B상을 S극으로 여자하는 상태(B/A상 여자)이다. 제3 상태는, A상을 S극으로 여자하고, B상을 S극으로 여자하고, /A상을 N극으로 여자하고, /B상을 N극으로 여자하는 상태(/A/B상 여자)이다. 제4 상태는, A상을 N극으로 여자하고, B상을 S극으로 여자하고, /A상을 S극으로 여자하고, /B상을 N극으로 여자하는 상태(/BA상 여자)이다.

AB상 여자의 제1 상태에서는, A상 및 B상의 주극이 N극이 되고, /A상 및 /B상의 주극이 S극이 된다. 따라서 A상 및 B상의 고정자 작은 톱니의 중간 위치(전기각에서의 중간 위치)에 S극의 회전자 세그먼트의 회전자 작은 톱니가 위치하고, /A상 및 /B상의 고정자 작은 톱니의 중간 위치(전기각에서의 중간 위치)에 N극의 회전자 세그먼트의 회전자 작은 톱니가 위치하는 상태가 여자 안정점이다. 이 상태에서, B/A상 여자의 제2 상태로 전환하면, B상 및 /A상의 주극이 N극이 되고, /B상 및 A상의 주극이 S극이 된다. 이에 따라, B상 및 /A상의 고정자 작은 톱니와 S극의 회전자 세그먼트의 회전자 작은 톱니가 서로 끌어당기고, /B상 및 A상의 고정자 작은 톱니와 N극의 회전자 세그먼트의 회전자 작은 톱니가 서로 끌어당기므로, 그에 따라 토크가 발생한다. 이 토크는, B상 및 /A상의 고정자 작은 톱니의 중간 위치(전기각에서의 중간 위치)인 여자 안정점에 대해 회전자 작은 톱니와 4분의 1 피치(전기각 90도) 어긋난 상태에서 최대이며, 이 때 최대 토크가 발생한다. 회전자의 회전으로 인해, 회전자 작은 톱니가 여자 안정점에 가까워짐에 따라, 즉 전기각의 편이가 작아짐에 따라, 토크가 감소한다. 회전자가 4분의 1 피치(전기각 90도) 회전하여, B상 및 /A상의 고정자 작은 톱니의 중간 위치(전기각에서의 중간 위치)로 S극 회전자 세그먼트의 작은 톱니가 도달하면, 1 스텝의 이동(회전)이 완료된다. 마찬가지로, 여자하는 상을 AB상, B/A상, /A/B상, /BA상의 순으로 전환함으로써, 회전자를 1 스텝씩 이동시키고 또한 위치를 유지할 수 있다.

4분의 1 피치(작은 톱니 피치의 4분의 1)가, 스테핑 모터의 기본 스텝각에 상당한다. 풀 스텝 구동에서는, 기본 스텝각의 간격으로 회전자를 회전시킬 수 있고 또한 회전자 위치를 유지할 수 있다. 풀 스텝 구동용 스테핑 모터 구동 장치는, 펄스가 입력될 때마다 여자하는 상을 AB상, B/A상, /A/B상, /BA상 순으로 전환함으로써, 스테핑 모터의 회전자를 정회전 방향(CW: 시계 방향)으로 회전시킨다. 여자하는 상의 순서를 역전시킴으로써 회전자를 역회전 방향(CCW: 반시계 방향)으로 회전시킬 수 있다.

바꿔 말하면, 정회전 위상 순서(AB상, B/A상, /A/B상, /BA상의 순)에 따라 회전자 위치에 따른 여자상을 선택함으로써, 회전자를 정회전 방향으로 가속하는 가속 토크를 발생시킬 수 있다. 또, 역회전 위상 순서(/BA상, /A/B상, B/A상, AB상의 순)에 따라 회전자 위치에 따른 여자상을 선택함으로써, 회전자를 역회전 방향으로 가속하는 가속 토크를 발생할 수 있다. 회전자가 정회전 방향으로 회전하는 상태에서 역회전 위상 순서를 적용하면, 회전자의 정회전 방향으로의 회전을 제동하는 감속 토크를 발생시킬 수 있다. 마찬가지로 회전자가 역회전 방향으로 회전하는 상태에서 정회전 위상 순서를 적용하면, 회전자의 역회전 방향으로의 회전을 제동하는 감속 토크를 발생시킬 수 있다.

도 2는 풀 스텝 구동 시의 토크 변동을 설명하기 위한 도면이다. 각 여자 상태에서의 회전자 위치(전기각)와 발생 토크의 관계인 θ-T 특성을 도 2에 나타낸다. 전기각 0도는, A상 및 B상의 고정자 작은 톱니의 중간 위치(전기각에서의 중간 위치)에 S극 회전자 작은 톱니가 위치하는 상태에 해당한다. AB상 여자에서는 토크가 발생하지 않고, B/A상 여자에서는 최대 가속 토크(정회전 방향으로의 최대 토크)가 발생하고, /A/B상 여자에서는 토크가 발생하지 않고, /BA상 여자에서는 최대 감속 토크(역회전 방향으로의 최대 토크)가 발생하는 것을 알 수 있다. B/A상 여자의 θ-T 특성에 주목하면, 회전자 위치가 전기각 0도일 때 최대 가속 토크가 발생하지만, 회전자 위치가 변동하여 전기각 0도로부터 증가함에 따라 토크가 감소하며, 전기각 90도를 경계로 토크 방향이 반전되는 것을 알 수 있다.

도 3a는 풀 스텝 구동에 의한 가장 빠른 이동 및 위치 결정의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 3b는 조정이 불량한 경우의 동작 예를 나타내는 도면이다. 도 3a 및 도 3b에서, 곡선 L1은 모터 위치의 명령값(명령 위치)의 시간 변화를 나타내며, 곡선 L2는 모터 위치(실제 위치)의 시간 변화를 나타내고, 곡선 L3은 명령 위치와 실제 위치의 편차의 시간 변화를 나타내며, 곡선 L4는 모터 속도의 시간 변화를 나타낸다. 단, 도 3b에는 위치 편차(곡선 L3)를 나타내는 것을 생략하였다.

특허문헌 2는, 풀 스텝 구동에 의해 4 스텝분(즉, 작은 톱니 피치분)의 이동 및 위치 결정을 실시하는 기술을 개시한다. 명령 위치를 입력으로 하여 실시하는 위치 제어에 의해 특허문헌 2와 같은 4 스텝 이동 및 위치 결정을 실시하는 예가 도 3a 및 도 3b에 나타나 있다.

이동 전의 초기 상태에서는, AB상 여자에 의해 회전자 위치가 유지되고, 이 상태를 전기각 0도로 정의한다. 제1 스텝의 명령 위치는 전기각 90도이고, 제2 스텝의 명령 위치는 전기각 180도이며, 제3 스텝의 명령 위치는 전기각 270도이고, 제4 스텝의 명령 위치는 전기각 360도(=0도)이다. 따라서, 2상 여자 방식의 경우에는, 제1 스텝에서는 B/A상 여자, 제2 스텝에서는 /A/B상 여자, 제3 스텝에서는 /BA상 여자, 제4 스텝에서는 AB상 여자가 각각 실행된다.

또한, 제1 스텝, 제2 스텝, 제3 스텝 각각의 시간 폭(T1, T2, T3)을 적절히 조정함으로써, 도 3a에 나타낸 것처럼 제3 스텝(/BA상 여자)의 종료 시에 목표 위치(전기각 360도)에 도달하여 속도 0이 되며, 제4 스텝(AB 상 여자)에 의해 목표 위치에 위치를 유지할 수 있다.

조정이 불량하면, 도 3b에 나타낸 것처럼 제3 스텝의 종료 시에 회전자가 목표 위치에 도달하지 않고, 제4 스텝(AB상 여자)에서 목표 위치가 여자됨에 따라, 회전자가 가속되어, 회전자 위치의 진동이 발생한다. 따라서 위치 결정이 불량해진다.

제1 내지 제4 스텝의 기간 중에는 각각의 명령 위치(곡선 L1)가 변화하지 않기 때문에, 회전자 위치(곡선 L2)의 변화에 따라 위치 편차(곡선 L3)가 변동한다. 위치 편차와 발생 토크 사이에는 상관 관계가 있다.

제1 내지 제4 스텝에서의 위치 편차에 기초하여 회전자 위치에 대응하는 발생 토크를 조사한 결과를 도 2의 곡선 L5로 나타낸다. 그러나 곡선 L5는, 제3 스텝의 종료 시에 목표 위치에 도달하여 속도 0이 되는 이상적인 시나리오(도 3a 참조)에 대응한다.

제1 스텝(B/A상 여자)의 초기(전기각 0도 부근)에 큰 위치 편차(pe0)가 발생하여 최대 가속 토크가 발생한다. 그 후, 회전자의 회전으로 인해 위치 편차가 감소함에 따라 토크가 감소하고, 제1 스텝의 종기(전기각 90도 부근)에는 가속 토크가 거의 0이 된다. 제2 스텝(/A/B상 여자)의 초기(전기각 90도 부근)에는 다시 큰 위치 편차(pe1)가 발생하여 큰 가속 토크가 발생한다. 그 후, 회전자의 회전으로 인해 토크가 감소하고, 전기각 180도를 초과하면 감속 토크로 바뀐다. 그리고 위치 편차의 절대값이 커짐에 따라, 감속 토크가 증가해간다. 제2 스텝의 종기(전기각 225도 부근)에서는, 절대값이 큰 음의 위치 편차(pe1’)가 발생하여, 비교적 큰 감속 토크가 발생한다. 제3 스텝(/BA상 여자)의 초기(전기각 225도 부근)에서는, 양의 위치 편차(pe2)가 발생하여, 다시 가속 토크로 바뀌며, 회전자의 회전으로 인해 그 토크가 감소하여, 전기각 270도 부근에서 감속 토크로 바뀐다. 제3 스텝의 종기(전기각 360도 부근)로 향함에 따라 감속 토크가 증가해가고, 절대값이 큰 음의 위치 편차(pe2’)가 발생하여, 회전자의 회전이 감속(제동)된다는 것을 알았다. 그리고 제4 스텝(AB상 여자)에서는, 발생 토크가 0이 되어 위치 유지된다.

이와 같이 풀 스텝 구동에 의한 1 피치의 이동 시에는, 회전자의 회전에 따라 발생 토크가 크게 변동한다. 따라서 최대 토크 또는 그에 가까운 토크를 항시 이용할 수 없기 때문에, 스테핑 모터의 발생 토크를 효율적으로 이용할 수 없다. 또한 도 2의 곡선 L5으로 나타낸 것처럼, 가속 토크와 감속 토크의 전환, 즉 토크 방향의 반전이 복수 회(도 2의 곡선 L5의 예에서는 3회) 발생한다. 이처럼 도 1에 나타낸 이상적인 위치 결정 동작과는 거리가 멀며, 토크를 효율적으로 이용할 수 없다.

1상 여자에 의한 풀 스텝 구동에서도 마찬가지이다. 1-2상 여자 방식을 채용하면, 스텝각이 기본 스텝각의 2분의 1이 되어 이른바 하프 스텝 구동(half-setp drive)이 되지만, 회전자 위치의 변동에 의해 토크가 변동하는 사정은 풀 스텝 구동의 경우와 동일하다.

도 4a, 도 4b, 도 4c는, 최대 토크를 이용한 가속 및 감속에 의한 가장 빠른 이동 및 위치 결정 동작을 하기 위한 운전 패턴을 나타낸다. 도 4a는 명령 위치에 대한 회전자의 실제 위치의 편차(위치 편차)의 시간 변화를 나타낸다. 도 4b는 회전자의 실제 위치의 시간 변화(곡선 L11)와, 명령 위치의 시간 변화(곡선 L12)를 나타낸다. 도 4c는 회전자 속도의 시간 변화를 나타낸다.

1 피치의 이동 사이를 가속 기간 및 감속 기간으로 나누어, 가속 기간 동안 최대 가속 토크를 계속 발생시키고, 감속 기간 동안 최대 감속 토크를 계속 발생시킴으로써, 가장 빨리 목표 위치까지 회전자를 이동시킬 수 있다. 이를 위해서는, 도 4a에 나타낸 것처럼 가속 기간 동안의 위치 편차를 전기각 +90도로 유지하고, 또한 감속 기간 동안의 위치 편차를 전기각 -90도로 유지하는 제어를 행할 수 있다. 이러한 제어는, 풀 스텝 구동에서는 불가능하나 마이크로 스텝 구동을 이용함으로써 실현할 수 있다. 특허문헌 3에는, 2상 여자를 행할 때에 마이크로 스텝에서는 최대 토크를 낼 수 없다(동문헌의 단락 [0004])고 기재되어 있으나, 이는 오류이다.

풀 스텝 구동에서는 일정한 권선 전류를 사용하는 반면, 마이크로 스텝 구동에서는 전류의 전환점에서 중간 레벨의 전류값이 적용된다. 다수의 중간 레벨을 두어 전류값을 변경하고 여자상을 전환함으로써, 스테핑 모터의 기계적 구조를 변경하지 않고서도 스텝 각도를 세분화할 수 있다. 중간 단계 수를 크게 늘리면 이로 인해 스텝 각도가 작아져, 실질적으로, 연속적으로 변화하는 구동 전류를 적용할 수 있다. 이것은 실질적으로, 연속적으로 변화하는 명령 위치를 부여하여 위치를 제어할 수 있음을 의미한다.

최대 토크를 처음부터 끝까지 발생시킴으로써 실현할 수 있는 삼각형 모양의 속도 변화(도 4c 참조. 가속 기간 및 감속 기간 각각에서의 등가 속도 운동)에 대응한 회전자 위치의 변화는, 도 4b의 곡선 L11과 같다. 그리고 곡선 L12에 나타낸 것처럼, 가속 기간에는 전기각 +90도의 위치 편차가 되도록 연속적으로 변화하는 명령 위치를 부여하고, 감속 기간에는 전기각 -90도의 위치 편차가 되도록 연속적으로 변화하는 명령 위치를 부여하여 마이크로 스텝 구동을 행한다. 이를 통해 가속 기간의 전체 범위에서 최대 토크로 가속할 수 있으며, 감속 기간의 전체 범위에서 최대 토크로 감속할 수 있다.

그리고, 감속 기간의 종료 시에 목표 위치에 도달하여 속도가 0이 되도록, 가속 기간(최대 가속 토크 기간)과 감속 기간(최대 감속 토크 기간)의 전환 타이밍을 적절히 조정한다. 이를 통해 가장 빨리 목표 위치로 이동할 수 있으며 또한 목표 위치에서 진동을 발생시키지 않는 가장 빠른 위치 결정을 실현할 수 있다.

이동 기간 전부 동안 최대 토크를 이용할 수 있기 때문에, 이상적으로 조정된 풀 스텝 구동에 의한 위치 결정보다 단시간의 위치 결정이 가능하다. 이뿐만 아니라, 풀 스텝 구동에서는 제1 스텝, 제2 스텝, 제3 스텝의 시간 폭(T1, T2, T3)을 조정할 필요가 있는데 반해, 마이크로 스텝 구동에 의한 상기 위치 결정은, 가속 기간과 감속 기간의 전환 타이밍, 즉 가속 기간의 시간 폭을 조정하면 되므로 조정하기가 매우 용이하다.

도 4a 내지 도 4c에는 가속 기간 및 감속 기간의 시간 폭이 거의 동일하게 그려져 있으나, 실제로는 마찰 부하의 영향으로 인해 가속 기간의 시간 폭이 감속 기간의 시간 폭보다 길어진다.

도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 스테핑 모터의 제어 장치의 구성예를 설명하기 위한 블록도이다. 스테핑 모터의 제어 장치(1)는, 마이크로 스텝 구동에 의해 스테핑 모터(2)를 제어한다. 스테핑 모터(2)는 예를 들면, 2상 하이브리드형 스테핑 모터일 수 있다. 기본 스텝각은 예를 들면, 0.9도일 수 있다. 기본 스텝각은 전술한 것처럼 회전자 작은 톱니 피치의 4분의 1에 해당한다. 즉, 회전자 작은 톱니 피치가 3.6도일 때 기본 스텝각이 0.9도가 된다. 스테핑 모터(2)에는, 회전자 위치 검출기(3)(위치 센서)가 부속된다. 회전자 위치 검출기(3)는 스테핑 모터(2)의 회전자 샤프트에 고정되어 회전자 위치(θfb)를 검출한다.

제어 장치(1)는, 연산부(11)와, 메모리(12)와, 전류 제어부(13)를 포함한다. 연산부(11)는 전형적으로는 마이크로 프로세서이다. 연산부(11)에는 메모리(12)가 접속된다. 메모리(12)는, 하나 또는 복수의 기억 매체로 구성될 수 있다. 메모리(12)는, 기입 가능하며 또한 전원 차단 시에도 데이터를 유지할 수 있는 기억 매체를 포함하는 것이 바람직하다. 연산부(11)는, 메모리(12)와의 사이에서 데이터를 교환하면서, 연산을 행하고 또한 전류 제어부(13)를 제어할 수 있다.

메모리(12)에는, 소정의 제어 주기(예를 들면, 62.5㎲.16㎑에 상당함) 간격의 복수의 회전자 위치 명령(θcom)(회전자 위치를 명령하는 위치 명령 데이터)을 보존할 수 있다. 제어 주기 간격의 복수의 회전자 위치 명령(θcom)은, 시계열에 따라 변화하는 회전자 위치 명령 프로파일(위치 명령 프로파일)을 형성한다. 메모리(12)는 복수의 위치 명령 프로파일을 보존할 수 있는 용량을 가질 수 있다. 시계열에 따른 제어 주기별 회전자 위치 명령을 나타내는 배열 변수 θcom(n)이 메모리(12)에 보존될 수 있으며, 이 배열 변수 θcom(n)에 의해 위치 명령 프로파일이 정의될 수도 있다.

후술하듯이, 제어 장치(1)는, 조정 모드 및 사용 모드를 포함하는 복수의 동작 모드로 동작할 수 있다. 메모리(12)에는, 조정 모드에서 적용되는 위치 명령 프로파일(이하, ‘조정 모드 프로파일’)과, 사용 모드에서 적용되는 위치 명령 프로파일(이하, ‘사용 모드 프로파일’)을 저장할 수 있다.

메모리(12)는, 나아가 연산부(11)에 의해 실행되는 제어 프로그램을 저장한다. 연산부(11)는, 그 제어 프로그램을 실행함으로써 스테핑 모터(2)를 제어한다. 구체적으로 연산부(11)는, 상기 소정의 제어 주기로 메모리(12)로부터 회전자 위치 명령(θcom)을 판독하고, 이를 회전자 위치(θfb)와 비교하고, 그 비교 결과에 따라 모터 권선 전류 명령(Iacom, Ibcom)을 생성하여, 전류 제어부(13)에 공급한다. 전류 제어부(13)는 모터 권선 전류 명령(Iacom, Ibcom)에 기초하여 스테핑 모터(2)의 각 상의 권선에 전류를 공급한다. 전류 제어부(13)는 예를 들면, 2상 인버터 회로를 포함하며, A상 모터 권선 전류 명령(Iacom) 및 B상 모터 권선 전류 명령(Ibcom)을 증폭하여, 스테핑 모터(2)의 A상 및 B상의 권선에 전류를 인가한다.

제어 장치(1)는 외부 기기 접속용 인터페이스(14)를 갖는다. 이 인터페이스(14)에는 설정기(4)를 접속할 수 있다. 제어 장치(1)뿐만 아니라 설정 기(4)를 포함한, 스테핑 모터(2)의 제어 장치를 구성하는 것으로 간주될 수 있다.

설정기(4)는 퍼스널 컴퓨터일 수 있다. 설정기(4)는, 예를 들면, 입력 장치(5), 처리 장치(6), 표시 장치(7)를 포함한다. 처리 장치(6)는, 프로세서(8) 및 기억 장치(9)를 포함한다. 기억 장치(9)는 메모리 소자를 포함할 수 있으며, SDD(Solid State Drive)나 HDD(Hard Disk Drive) 등의 보조 기억 장치를 포함할 수도 있다. 프로세서(8)는 기억 장치(9)에 저장된 프로그램을 실행함으로써, 각종 기능을 실현한다. 특히, 이 실시형태에서는, 프로세서(8)는 제어 장치(1)의 동작 모드를 전환하는 명령을 생성하는 기능, 제어 장치(1)에 대해 스테핑 모터(2)의 구동을 명령하는 기능, 제어 장치(1)로부터 스테핑 모터(2)의 동작과 관련한 데이터를 취득하는 기능, 제어 장치(1)의 메모리(12)에 위치 명령 프로파일을 기입하는 기능, 제어 장치(1)의 메모리(12) 내의 위치 명령 프로파일을 변경하는 기능 등을 실현한다.

설정기(4)는, 스테핑 모터(2)의 제어 동작을 설정 또는 조정할 때 필요에 따라 접속할 수도 있다. 설정기(4)는, 메모리(12) 내의 데이터(특히 위치 명령 프로파일)를 설정 또는 변경하거나, 스테핑 모터(2)를 운전시키기 위한 운전 명령을 연산부(11)에 부여할 수 있다. 설정기(4)는 또한 연산부(11)로부터 데이터를 취득하여, 스테핑 모터(2)의 운전 상태를 표시 장치(7)에 표시할 수 있다. 구체적으로 설정기(4)는, 회전자 위치 검출기(3)에 의해 검출되는 회전자 위치 신호나, 회전자 위치 신호를 미분하여 획득되는 회전자 속도 신호를, 인터페이스(14)를 통해 취득하도록 구성될 수 있다.

도 6은 연산부(11)에 의한 처리 내용의 일례를 설명하기 위한 제어 블록도이다. 연산부(11)는 메모리(12)에 저장된 제어 프로그램을 실행함으로써, 도 6에 나타낸 복수의 기능 블록의 기능을 실현한다. 복수의 기능 블록은, 제1 미분기(21), 제2 미분기(22), 속도 보상기(23), 고정값 발생기(24), 제1 속도차 보상기(25), 제2 속도차 보상기(26), 제1 판정기(27), 제2 판정기(28), 좌표 변환기(29), 제1 감산기(30), 제2 감산기(31), 제1 가산기(32), 제2 가산기(33), 제3 가산기(34), 제1 스위치 소자(35), 제2 스위치 소자(36) 등을 포함한다. 다만 이들 모두를 구비하는 것이 필수는 아니다.

제1 감산기(30)는, 회전자 위치 명령(θcom)과 회전자 위치(θfb)(실제 위치)의 위치 편차(δθ)를 산출한다. 제1 미분기(21)는 회전자 위치 명령(θcom)을 미분하여 속도 명령(ωcom)을 생성한다. 이 제1 미분기(21)는 생략될 수 있다. 제2 미분기(22)는 회전자 위치(θfb)(실제 위치)를 미분하여 회전자 속도(ωfb)(회전자의 회전 속도)를 생성한다. 속도 보상기(23)는 회전자 속도(ωfb)에 속도 보상용 비례 상수 Kv를 곱한다. 고정값 발생기(24)는 위치 편차(δθ)가 양일 때 고정값 +K(K>0)를 생성하고, 위치 편차(δθ)가 음이면 고정값 -K를 생성한다.

고정값 K는, 조정 모드와 사용 모드에서 다른 값을 사용할 수 있다. 예를 들면, 조정 모드에서 사용되는 고정값 K로는, 전기각으로 90도 미만에 상당하는 값이 바람직하다. 또한, 조정 모드에서 사용되는 고정값 K는, 전기각으로 60도 이상(보다 바람직하게는 70도 이상, 더욱 바람직하게는 80도 이상)에 상당하는 값인 것이 바람직하다. 사용 모드에서는, 고정값 K를 전기각 90도에 상당하는 값으로 할 수도 있다.

제2 감산기(31)는, 속도 명령(ωcom)으로부터 회전자 속도(ωfb)(실제 속도)를 감산하여 속도 편차(δω)를 출력한다. 이 제2 감산기(31)는 생략될 수 있다. 제1 가산기(32)는, 고정값 발생기(24)에 의해 생성된 고정값 +K 또는 -K와 속도 보상기(23)의 출력 Kv·ωfb를 가산한다.

제1 속도차 보상기(25) 및 제2 속도차 보상기(26)는, 감산기(31)로부터 출력되는 속도 편차(δω)에 속도차 보상용 비례 상수 Kdi 및 Kdo를 각각 곱한다. 이들 제1 속도차 보상기(25) 및 제2 속도차 보상기(26)는 생략될 수 있다.

제 1 판정기(27)는, 위치 편차(δθ)와 제1 가산기(32)의 출력 K+Kv·ωfb 또는 -K+Kv·ωfb의 비교 판정을 행한다. 제1 판정기(27)는, -K+Kv·ωfb<δθ<K+Kv·ωfb인 경우에는, 제1 스위치 소자(35)를 단자 a에 접속하여 제2 가산기(33)의 출력을 선택하고, 이 조건을 만족하지 않을 때, 제1 스위치 소자(35)는 단자 b에 접속되어 제3 가산기(34)의 출력을 선택한다. 제2 판정기(28)는 위치 편차(δθ) 및 속도 편차(δω)의 부호(양극)가 불일치하면 제2 스위치 소자(36)를 온(ON) 시켜 제2 속도차 보상기(26)의 기능을 유효로 하고, 그것들이 일치할 때는 제2 스위치 소자(36)를 오프(OFF) 시켜 제2 속도차 보상기(26)의 기능을 무효로 한다.

제2 가산기(33)는, 회전자 위치 명령(θcom)과 제1 속도차 보상기(25)의 출력 Kdi·δω를 가산하고, 그 가산 결과를 제1 스위치 소자(35)의 단자 a에 부여한다. 이 제2 가산기(33)는 생략될 수 있다. 제3 가산기(34)는, 제2 스위치 소자(36)를 통해 인가되는 제2 속도차 보상기(26)의 출력 Kdo·δω 및 제1 가산기(32)의 출력 K+Kv·ωfb 또는 -K+Kv·ωfb와, 회전자 위치(θfb)를 가산하고, 그 가산 결과를 제1 스위치 소자(35)의 단자 b에 부여한다. 제2 스위치 소자(36)는 생략될 수 있다.

좌표 변환기(29)는 제1 스위치 소자(35)를 통해 부여되는 후술하는 전류 명령 위상(θi)에 기초하여 전류 명령 Iacom=Ki·sinθi 및 Ibcom=Ki·cosθi 를 출력한다. 단, Ki는 상수이다.

이러한 구성에 의해, 연산부(11)는 회전자 위치 명령(θcom) 및 회전자 위치(θfb)(실제 위치) 중 어느 하나에 기초하여 전류 명령 위상(θi)을 계산하고, 이 전류 명령 위상(θi)에 기초하여 A상 전류 명령(Iacom) 및 B상 전류 명령(Ibcom)을 생성한다. 회전자 위치 명령(θcom)에 기초하여 계산되는 전류 명령 위상(θi)을 사용하는 경우, 회전자 위치(θfb)가 사용되지 않으므로 통상의 개방 루프 스테핑 모터 제어 시스템과 동일한 제어 시스템이 된다.

도 7은 연산부(11)의 제어 영역을 설명하기 위한 도면이다. 연산부(11)는, 위치 편차(δθ) 및 속도 편차(δω)에 따라 구분되는 복수의 제어 영역(A~E)을 갖는다. 구체적으로는 위치 편차(δθ)에 관해, 두 개의 임계치 -K+Kv·ωfb 및 +K+Kv·ωf가 정해져, 그에 따라 세 개의 제어 영역 D, C; E; A, B로 구분된다. 또한 속도 편차(δω)의 부호가 위치 편차(δθ)와 일치하는지의 여부에 따라, 제어 영역 C, D 중 어느 하나 또는 제어 영역 A, B 중 어느 하나가 선택된다.

제어 영역(E)은, 전류 명령 위상(θi)을 회전자 위치 명령(θcom)에 기초하여 구한 개방 루프 영역이다. 제어 영역 A~D는, 전류 명령 위상(θi)을 회전자 위치(θfb)에 기초하여 구한 폐쇄 루프 영역이다. 회전자 위치 명령(θcom)과 회전자 위치(θfb) 중 어느 하나에 기초하여 전류 명령 위상(θi)을 계산할지, 즉 개방 루프 제어 및 폐쇄 루프 제어 중 어느 것을 적용해야 하는지를 위치 편차(δθ)에 기초하여 판정한다.

구체적으로 제1 판정기(27)는, 위치 편차(δθ)가 하기 식(1)의 관계를 만족할 때, 스위치 소자(35)를 단자 a측에 접속한다. 이에 따라 이하의 식(2)에 나타낸 것처럼, 가산기(33)의 가산 결과가 전류 명령 위상(θi)으로서 스위치 소자(35)로부터 출력된다.

－K＋Kv·ωfb＜δθ＜＋K＋Kv·ωfb　…(1)

θi=θcom＋Kdi·δω　…(2)

　이와 같이, 위치 편차(δθ)가 식(1)에 나타낸 범위에 있는 경우에는, 전류 명령 위상(θi)가 회전자 위치 명령(θcom)에 기초하여 계산되어, 개방 루프 제어가 행해진다(도 7의 영역 E 참조).

전류 명령 위상(θi)은 θi=θcom 일 수 있다. 식(2)와 같이 속도 편차(δω)에 기초한 항 Kdi·δω를 부가하면, 회전 시의 진동을 억제하는데 있어 유효하다. 이러한 진동 억제가 필요하지 않은 경우, Kdi=0 으로 하여 진동 억제 항 Kdi·δω를 무효로 할 수 있다. 이 때, 제1 속도차 보상기(25) 및 제2 가산기(33)는 생략될 수 있다.

제1 판정기(27)는 위치 편차(δθ)의 범위가 식(1)의 범위를 초과했을 때, 즉 δθ>+K+Kv·ωfb 또는 δθ<-K+Kv·ωfb 일 때 스위치 소자(35)를 단자 b측에 접속한다. 이 경우 제2 판정기(28)는, 위치 편차(δθ)와 속도 편차(δω)의 부호(양음)가 일치했을 때만 스위치 소자(36)를 오프 하기 때문에, 결국 이하의 조건 a~d에 따른 네 개의 전류 명령 위상(θi)이 계산되며(도 7의 영역 A~D 참조), 이들이 조건 a~b에 따라 스위치 소자(35)로부터 출력된다.

조건 a(영역 A): δθ>+K+Kv·ωfb, δθ>0, δω>0

　　　　　　　θi＝θfb＋K＋Kv·ωfb　…(3)

조건 b(영역 B): δθ>+K+Kv·ωfb, δθ>0, δω<0

　　　　　　θi＝θfb＋K＋Kv·ωfb＋Kdo·δω　…（4）

조건 c(영역 C): δθ<-K+Kv·ωfb, δθ<0, δω<0

　　　　　　θi=θfb－K＋Kv·ωfb　…(5)

조건 d(영역 D): δθ＜－K＋Kv·ωfb, δθ＜0, δω＞0

　　　　　　θi＝θfb－K＋Kv·ωfb＋Kdo·δω　…（6）

식(2) 및 식(3)~(6)에 의해 산출된 전류 명령 위상(θi)은 좌표 변환기(29)에 입력되어 각 상에 대한 전류 명령(Iacom, Ibcom)으로 변환된다.

덧붙여 스테핑 모터(2)는 2상 구조의 것으로 한정되지 않으며, 예를 들면, 3상, 5상 구조의 것일 수도 있다. 이 경우, 좌표 변환기(29)는 전류 명령 위상(θi)을 스테핑 모터(2)의 상의 수에 대응한 수의 전류 명령으로 변환한다.

식(2)에 따른 전류 명령 위상(θi)에 의하면, 고정값 K가 전기각 90도에 상당하는 값일 때, 스테핑 모터(2)가 최대 토크로 명령 속도를 추종하도록 가속되게 된다. 고정값 K가 전기각 90도에 가까운 값이면, 최대 토크에 가까운 토크를 발생시킬 수 있다. 이 때 판별식(1) 안에 속도 보상항 Kv·ωfb를 포함시키고 있으므로, 권선 인덕턴스에 의한 전류의 지연이나 연산의 지연을 보상한 최대 토크 발생 포인트에서의 전환이 가능해진다.

한편, 회전자 위치(θfb)(실제 위치)에 기초하여 결정되는 전류 명령 위상(θi), 즉 식 (3)~(6)에 의해 산출되는 전류 명령 위상(θi)에 의하면, 폐쇄 루프 제어를 실현할 수 있으며, 다음과 같은 효과를 획득할 수 있다. 즉, 예를 들면, 스테핑 모터(2)가 정회전 방향으로 과잉 회전하는 경우에는, 속도 편차(δω)가 음이 됨과 동시에 위치 편차(δθ)가 양이 되므로, 식(4)에 기초하여 전류 명령 위상(θi)이 결정된다. 이 경우, 식(4)의 제3항 Kdo·δω가 음의 값이 되기 때문에, 회전자 위치(θfb)에 대한 진각이 작아지고, 그 결과 토크가 감소한다.

이와 같이 발생 토크를 감소시켜 속도 편차를 억제하도록 여자 위상이 설정되므로, 속도 편차의 확대에 의한 회전자의 과잉 회전이나 헌팅 동작(오버 슈트 및 언더 슈트)을 방지하고, 회전자를 안정적이고 신속하게 위치 결정할 수 있다. 식(6)에 의해 결정되는 전류 명령 위상(θi)에 의해서도, 회전자의 안정적이고 신속한 위치 결정이 가능해진다.

식(4)의 Kdo·δω의 항이 고정값 K보다 커지면, 역방향의 토크가 발생한다. 여기서 계수 Kdo의 값은 적절한 속도 편차의 억제 효과가 획득되도록 조정된다.

속도 편차 억제항 Kdo·δω가 필요하지 않은 경우에는, 계수 Kdo=0 으로 할 수 있다. 이 경우, 제2 속도차 보상기(26) 및 제2 스위치 소자(36)는 필요하지 않다. 전술한 진동 억제항 Kdi·δω도 불필요하다면, 제1 미분기(21) 및 감산기(31)도 생략될 수 있다.

또한 식(3), (5)에 의해 결정되는 전류 명령 위상(θi)에 의하면, 고정값 K가 전기각 90도에 상당하는 값일 때 모터가 최대 토크를 발생시키는 진각값이 설정된다. 고정값 K가 전기각 90도에 가까운 값이면, 최대 토크에 가까운 토크를 발생시키는 진각값이 설정된다.

상기 구성은, 회전자 속도(ωfb)가 속도 명령(ωcom)에 도달하지 않은 경우의 위치 편차(δθ) 및 속도 편차(δω)의 극성 판별 결과에 기초하여, 고정값 K에 따른 큰 토크를 발생시키는 진각값을 사용한다. 또한 상기 구성은, 회전자 속도(ωfb)가 속도 명령(ωcom)을 초과하는 경우의 당해 극성 판별 결과에 기초하여, 상기 큰 토크를 발생시키는 진각값에 대해, 속도 편차(δω)에 계수를 곱한 값을 가산한다. 속도 편차(δω)의 극성은 위치 편차(δθ)의 극성과 반대이므로, 이 가산에 의해 진각값은 감소한다.

진각 보정 값(상기 예에서는 Kv·ωfb)으로서, 회전자 속도(ωfb)의 비례 함수(1차 함수)뿐만 아니라 2차 함수, 3차 함수 등을 사용할 수도 있다. 따라서, 이들을 함수 F(ωfb)로 나타내면, 상기 식(2)~(6)은, 다음의 식(7)~(11)과 같이 고칠 수 있다.

영역 E：－K＋F(ωfb)＜δθ＜＋K＋F(ωfb)

　　　　　　θi＝θcom＋Kdi·δω　…(7)

영역 A：δθ＞＋K＋F(ωfb), δθ＞0, δω＞0

　　　　　　θi＝θfb＋K＋F(ωfb)　…(8)

영역 B：δθ＞＋Ｋ＋Ｆ(ωfb), δθ＞0, δω＜0

　　　　　　θi=θfb＋K＋F(ωfb)＋Kdo·δω　…(9)

영역 C：δθ＜－K＋F(ωfb), δθ＜0, δω＜0

　　　　　　θi=θfb－K＋F(ωfb)　…(10)

영역 D：δθ＜－K＋F(ωfb), δθ＜0, δω＞0

　　　　　　θi=θfb－K＋F(ωfb)＋Kdo·δω　…(11)

도 8은, 통상의 개방 루프 제어를 하고 있을 때와, 상기 식(1)~(6)에 따라 스테핑 모터(2)를 제어할 때의 스테핑 모터(2)의 각도-토크 특성(θ-T 특성)을 나타낸다. 여기서 K=90도로 하고, 속도 보상용 비례 상수 Kv를 0으로 하여 속도 보상을 수행하지 않는 경우를 예로 들어 설명한다.

통상의 개방 루프 제어의 경우에는, 스테핑 모터(2)는 여자 안정점으로부터 전기각으로 90도 편이된 위치에서 최대 토크를 발생시키고, 전기각 180도의 불안정점을 초과하면 발생 토크의 방향이 변하여 탈조하게 된다.

상기 식(1)~(6)을 적용하는 경우에도, -90도~+90도의 전기각 범위(-0.9도~+0.9도)는, 영역 E(-K≤δθ≤K)에 상당하므로, 개방 루프 제어가 행해지며, 회전자의 전기각에 따라 토크가 변동한다. 한편, 전기각이 -90도 미만의 범위 및 전기각이 +90도를 초과하는 범위, 즉 δθ<-K의 범위 및 +K<δθ의 범위에서는, 전류 명령 위상(θi)을 회전자 위치(θfb)에 기초하여 정하는 폐쇄 루프 제어(피드백 제어)가 된다. 이로 인해 회전자의 전기각에 관계없이, 즉 위치 편차(δθ)에 관계없이 최대 토크가 발생한다.

여기서 회전자 위치에 관계없이 위치 편차(δθ)의 절대값이 K를 초과하도록 명령 위치를 설정하면, 폐쇄 루프 영역에서의 제어가 행해진다. 즉, 회전자 위치에 대해 전기각으로 +K 또는 -K만큼 위상을 편이시킨 위치를 여자하여 최대 토크를 발생시키는 폐쇄 루프 제어를 실현할 수 있다. 이로 인해 회전자 위치에 관계없이 최대 토크를 발생시키기 위해, 스테핑 모터(2)의 여자 위치를 실질적으로 연속적으로 변동시킬 수 있다. 이것은 비례 상수 Kv를 0이외의 값으로 하여 속도 보상을 행하는 경우에도 마찬가지이다.

고정값 K를 전기각 90도 미만으로 하면, 폐쇄 루프 제어에 의해 최대 토크를 발생시킬 수 없으나, 전기각 90도에 가까운 값으로 함으로써, 회전자 위치에 관계없이 최대 토크에 가까운 토크를 발생시킬 수 있다.

이 실시형태에서 제어 장치(1)는 복수의 운전 모드를 포함하며, 그 복수의 운전 모드는 조정 모드 및 사용 모드를 포함한다. 조정 모드는 가장 빠른 이동 및 위치 결정을 하기 위한 위치 명령 프로파일을 발견하여 설정하는 데 사용된다. 사용 모드는, 조정 모드에서 설정되어 메모리(12)에 저장된 위치 명령 프로파일(사용 모드 프로파일)에 기초하여 스테핑 모터(2)를 운전하는데 사용된다.

조정 모드에서는 식(7)~(11)에 따라 스테핑 모터(2)를 제어한다. 보다 구체적으로는, 폐쇄 루프 제어가 행해지는 영역 A~D을 이용하여, 거의 최대 토크에 의한 가속 및 거의 최대 토크에 의한 감속에 의해 목표 위치까지 거의 가장 빠른 속도로 이동하고, 목표 위치에서 영역 E를 이용하는 개방 루프 제어에 의해 위치 유지되도록 하여, 가장 빠른 위치 결정을 달성할 수 있는 위치 명령 프로파일을 찾아낸다.

그러나, 식(7)의 진동 억제항 Kdi·δω는, 이 실시형태에서는 불필요하기 때문에 Kdi=0 으로 한다. 따라서, 영역 E에서는 θi=θcom 이 된다.

또한, 식(9)(11)에서, 속도 편차 억제항 Kdo·δω는, 토크 편차를 억제하여, 속도 편차(δω)의 확대를 억제하는 제어를 행한다. 그러나, 가속 중 및 감속 중의 토크를 항상 거의 최대로 하고 싶은 본 실시형태에서는, 속도 편차 억제항은 필요하지 않으므로 Kdo=0 으로 하여 사용하지 않는다.

따라서, 상기 식(7)~(11)은, 다음의 식(7a)~(11a)와 같이 변형하여 적용된다. 식(8) 및 (9)는 동형의 식(8a)(9a)가 되고, 식(10) 및 (11)은 동형의 식(10a)(11a)가 된다. 그리고 속도 편차(δω)에 의존하지 않는 제어가 된다.

영역 E： －K＋F(ωfb)＜δθ＜＋K＋F(ωfb)

　　　　　　θi=θcom　　　　　　…(7a)

영역 A, B: δθ＞＋K＋F(ωfb)

　　　　　　θi＝θfb＋K＋F(ωfb)　…(8a)(9a)

영역 C, D: δθ＜－K＋F(ωfb)

　　　　　　θi=θfb－K＋F(ωfb)　…(10a)(11a)

조정 모드에서 고정값 K는 전기각 90도 미만의 값으로 정의된다. 조정 모드에서 적용되는 고정값 K는 전기각 60도 이상인 것이 바람직하고, 전기각 70도 이상인 것이 더욱 바람직하며, 예를 들어 전기각 80도 정도 또는 그 이상의 값일 수 있다.

폐쇄 루프 영역 A~D에서, 고정값 K는 모터 부하각에 상당하며, 스테핑 모터(2)의 발생 토크는, 다음 식(12)로 표시된다. 단, Kt는 토크 상수, I는 권선 전류이다. K=80도인 경우에는, K=90도인 경우의 98.5%의 토크를 발생시키므로, 거의 최대 토크를 발생시킬 수 있다. K=70도에서는 94.0%의 토크를 발생시키고, K=60도에서도 86.6%의 토크를 발생시키므로, 거의 최대 토크를 발생시키는 것이 가능하다. 따라서 편의상, 이하에서는 식(12)의 토크 T를 최대 토크라고 하는 경우가 있다.

T=Kt·I·sin(K)…(12)

도 9a 내지 도 9d는 조정 모드에 의한 동작 예를 설명하기 위한 도면이며, 이상적인 동작을 실현하는 위치 명령 프로파일(조정 모드 프로파일)이 설정된 예를 나타낸다. 마찬가지로, 도 10a 내지 도 10d는 조정 모드에 의한 동작 예를 설명하기 위한 도면이며, 감속 기간의 종료 전에 회전자 위치가 목표 위치를 초과하는 경우의 동작에 대응한다. 또한, 도 11a 내지 도 11d는 조정 모드에 의한 동작 예를 설명하기 위한 도면이며, 회전자 위치가 목표 위치에 도달하기 전에 감속 기간이 종료되는 경우의 동작에 대응한다. 도 9a, 10a, 11a는 위치 명령 프로파일(조정 모드 프로파일)을 나타내고, 도 9b, 10b, 11b는 발생 토크의 시간 변화를 나타내며, 도 9c, 10c, 11c는 회전자 속도의 시간 변화를 나타내고, 도 9d, 10d, 11d는 회전자 위치의 시간 변화를 나타낸다.

조정 모드용의 위치 명령 프로파일(조정 모드 프로파일)은 설정기(4)부터 메모리(12)에 미리 기입된다. 조정 모드에서, 연산부(11)는 메모리(12)로부터 조정 모드 프로파일에 포함되는 회전자 위치 명령을 판독하여, 그 회전자 위치 명령에 따라 모터 권선 전류 명령(Iacom, Ibcom)을 생성한다.

조정 모드 프로파일을 구성하는 회전자 위치 명령은, 다음에 설명하는 제1 스텝, 제2 스텝, 제3 스텝을 실행하는 명령을 구성한다.

제1 스텝은 가속 동작(가속 운전)이고, 제1 스텝의 명령은 가속 명령이다. 가속 명령은, 예를 들면, 회전자의 초기 위치(이동 전의 위치)에 대해 +3.6도(전기각 360도에 대응)의 위치를 명령하는 회전자 위치 명령(θcom)이어도 된다. 이 경우, 위치 편차(δθ)는 고정값 +K와 속도 보정항 F(ωfb)(예를 들면, F(ωfb)= Kv·ωfb)의 합보다 커지기 때문에, 폐쇄 루프 영역 A, B에 들어간다. 이에 따라, 전류 명령 위상(θi)은, 식(8a)(9a)에 따라 θi=θfb+K+F(ωfb) 가 되므로, 스테핑 모터(2)는 정회전 방향(CW)으로 토크를 발생시켜 회전자가 가속된다.

가속 명령은 제1 스텝의 기간 중, 즉 가속 기간 중 내내 식(12)의 최대 토크를 생성할 수 있도록 결정된다. 보다 구체적으로 가속 명령은, 회전자의 초기 위치에 대해, 목표 위치까지의 이동량의 3/4 이상(전기각으로 270도 이상)에 상당하는 위치를 명령하는 회전자 위치 명령인 것이 바람직하다. 예를 들어 운전 개시 후 1밀리초로 목표 위치의 절반 정도, 즉 회전자 위치가 +1.8도(전기각 180도에 상당)의 부근에 도달하면, 1밀리초/62.5μ초=16 이므로, 0~15번째의 회전자 위치 명령 θcom(0)~θcom(15)=＋3.6도(전기각 360도 상당)를 가속 명령으로 할 수 있다.

제2 스텝은 감속 동작(감속 운전)이고, 제2 스텝의 명령은 감속 명령이다. 제2 스텝은 제 1 스텝의 종료, 즉 가속 기간의 종료에 의해 개시된다. 구체적으로, 제2 스텝은 목표 위치의 절반 정도, 즉 회전자 위치가 +1.8도(전기각 180도 상당)의 부근에 도달한 시점에서 개시된다. 구체적으로 감속 명령은, 예를 들면, 0도의 위치를 명령하는 회전자 위치 명령(θcom)일 수 있다. 예를 들면, 운전 개시 후 1밀리초로 감속 명령을 발생시킨다고 하면, 16번째의 회전자 위치 명령 θcom(16)=0도(전기각 0도 상당)가 된다. 위치 편차(δθ)는 고정값 -K와 속도 보정항 F(ωfb)(예를 들면, F(ωfb)=Kv·ωfb)의 합보다 작기 때문에, 폐쇄 루프 영역 C, D에 들어간다. 따라서, 전류 명령 위상(θi)은, 식(10a)(11a)에 따라 θi=θfb-K+F(ωfb) 가 되므로, 스테핑 모터(2)는 역회전 방향(CCW)으로 토크를 발생시켜 회전자가 감속된다.

감속 명령은, 제2 스텝의 기간 중, 즉 감속 기간 중 내내 식(12)의 최대 토크를 발생시킬 수 있도록 정해진다. 보다 구체적으로 감속 명령은, 목표 위치까지의 절반까지 이동한 시점의 회전자 위치에 대해, 목표 위치까지의 이동량의 1/4 이상(전기각에서 90도 이상) 지연됨에 상당하는 위치(전기각 90도 이하에 상당)를 명령하는 위치 명령인 것이 바람직하다. 예를 들면, 감속 명령의 개시 후, 1밀리초로 목표 위치에 도달한다고 하면, 1밀리초/62.5μ초=16 이므로, 16~31번째의 회전자 위치 명령 θcom(16)~θcom(31)=0도(전기각 0도 상당)를 감속 명령으로 할 수 있다.

최대 토크로 가속하는 가속 기간(제1 스텝의 기간)에 연속해서 최대 토크로 감속함으로써, 가속 기간의 시간 폭(T11)과 거의 동일한 시간 폭(T12)의 감속 기간(제2 스텝의 기간)의 종료 시, 회전자 속도는 0이 된다. 엄밀히 말하면 마찰 부하의 영향으로 인해, 가속 기간의 시간 폭(T11)은 감속 기간의 시간 폭(T12)보다 길다.

제3 스텝은 목표 위치에서 회전자를 유지하는 위치 유지 동작(위치 유지 운전)이며, 제3 스텝의 명령은 위치 유지 명령이다. 제3 스텝은 제2 스텝의 종료, 즉 감속 기간의 종료에 의해 개시된다. 감속 기간의 종료 시에는, 회전자 속도가 0이 되고, 그 상태에서 제3 스텝이 개시된다. 보다 구체적으로 위치 유지 명령(정지 명령)은, 목표 위치인 +3.6도(전기각 360도 상당)의 위치를 명령하는 회전자 위치 명령(θcom)일 수 있다. 이 때, -K+F(ωfb)<δθ<+K+F(ωfb) 이기 때문에, 개방 루프 영역(영역 E)이 되어, 전류 명령 위상 θi=θcom 이 된다.

가속 기간의 시간 폭(T11) 및 감속 기간의 시간 폭(T12)이 적절하다면, 즉 실제로는 가속 기간의 시간 폭(T11)이 적절하고, 가속 명령에서 감속 명령으로 전환하는 타이밍이 적절하다면, 스테핑 모터(2)의 응답은 도 9c 및 도 9d에 나타낸 상태가 된다. 이 때, 회전자가 목표 위치인 +3.6도에 도달하면 회전자 속도가 0이 되며, 그대로 +3.6도의 위치에 여자된다. 따라서 회전자는 목표 위치에서 실질적인 진동을 발생시키지 않고 정지한다.

가속 기간의 시간 폭(T11)이 지나치게 길고, 가속 명령에서 감속 명령으로 전환하는 타이밍이 느린 경우에는, 스테핑 모터(2)의 응답은, 도 10c 및 도 10d에 나타낸 상태가 된다. 즉, 목표 위치인 +3.6도를 지나도 회전자 속도가 양이고, 목표 위치를 지나치고나서부터 회전자 속도가 0이 된다. 이 시점에서, +3.6도의 위치에 위치 유지하는 위치 유지 명령(정지 명령)이 입력되면, 회전자는 지나친 위치에서 목표 위치로 복귀된다. 그 후, 목표 위치를 중심으로 한 진동이 발생하며, 그 수렴을 기다려 위치 결정이 완료된다.

가속 기간의 시간 폭(T11)이 지나치게 짧고, 가속 명령에서 감속 명령으로 전환하는 타이밍이 빠른 경우에는, 스테핑 모터(2)의 응답은, 도 11c 및 도 11d에 나타낸 상태가 된다. 즉, 목표 위치인 +3.6도 목전에서 회전자 속도가 0이 되어버린다. 이 시점에서, +3.6도의 위치에 위치 유지하는 위치 유지 명령(정지 명령)이 입력되면, 회전자는 목전의 위치에서 목표 위치를 향해 재가속한다. 그 후, 목표 위치를 중심으로 한 진동이 발생하며, 그 수렴을 기다려 위치 결정이 완료된다.

조정 모드는 설정기(4)를 인터페이스(14)에 접속하고, 설정기(4)로부터 모드 명령을 제어 장치(1)에 입력함으로써 개시할 수 있다. 조정 모드에서의 조정은 수동 또는 자동으로 행해질 수 있다.

수동에 의한 조정은 다음과 같다.

작업자는 설정기(4)의 입력 장치(5)를 조작하고, 조정 모드 프로파일(도 9a, 10a, 11a 참조)을 메모리(12)에 기입한 후, 제어 장치(1)에 대해, 조정 모드에 의한 위치 결정 시행 운전을 명령한다. 조정 모드 프로파일은, 구체적으로는 시계열에 따른 회전자 위치 명령을 표현한 배열 변수 θcom(n)이다.

제어 장치(1)는, 메모리(12)에 기입된 조정 모드 프로파일에 따라, 상술한 것처럼 제1 스텝, 제2 스텝, 제3 스텝을 포함하는 위치 결정 시행 운전을 실행한다.

이 위치 결정 시행 운전 시, 회전자 위치 검출기(3)가 검출하는 회전자 위치(θfb)는 인터페이스(14)를 통해 설정기(4)에 입력된다. 또한 연산부(11)에서 회전자 위치(θfb)를 미분하여 획득된 회전자 속도(ωfb)도, 인터페이스(14)를 통해 설정기(4)에 입력된다. 설정기(4)는 입력되는 회전자 위치(θfb) 및 회전자 속도(ωfb)를 표시 장치(7)의 화면 상에 표시(예를 들면, 그래프 형식으로 표시)한다(도 9c, 10c, 11c; 9d, 10d, 11d 참조).

위치 결정 시행 운전을 실행할 때, 연산부(11)는 제어 주기마다 전류 명령 위상(θi)을 산출하고, 이 전류 명령 위상(θi)을 좌표 변환하여 모터 권선 전류 명령(Iacom, Ibcom)을 생성한다(도 6 참조). 시계열에 따라 연산 주기마다 생성된 복수의 전류 명령 위상(θi)은, 시계열에 따른 배열 변수 θi(n)으로서 메모리(12)에 보존된다. 전류 명령 위상(θi)의 배열 변수 θi(n)는 메모리(12)에 저장됨과 동시에, 또는 메모리(12)에 저장되는 대신 인터페이스(14)를 통해 설정기(4)에 입력되어, 설정기(4)의 기억 장치(9)에 보존될 수도 있다.

작업자는 설정기(4)의 표시 장치(7)에 표시된 회전자 위치(θfb) 및 회전자 속도(ωfb)의 시간 변화(즉, 스테핑 모터(2)의 응답)를 확인하여, 가속 기간의 시간 폭(T11) 및 감속 기간의 시간 폭(T12)이 적정한지의 여부를 판단한다. 보다 구체적으로는, 가속 기간의 시간 폭(T11)이 너무 길면, 즉 가속에서 감속으로 전환하는 타이밍이 늦으면(도 10a 내지 도 10d 참조), 가속 기간의 시간 폭(T11)을 짧게 하고, 가속에서 감속으로의 전환 타이밍을 빠르게 하기 위해, 메모리(12) 내의 조정 모드 프로파일을 변경한다. 반대로, 가속 기간의 시간 폭(T11)이 너무 짧으면, 즉 가속에서 감속으로 전환하는 타이밍이 빠르면(도 11a 내지 도 11d 참조), 가속 기간의 시간 폭(T11)을 길게 하고, 가속에서 감속으로의 전환 타이밍을 지연시키기 위해 메모리(12) 내의 조정 모드 프로파일을 변경한다. 물론 가속 기간의 시간 폭(T11)의 변경에 따라 감속 기간의 시간 폭(T12)도 변경된다.

메모리(12) 내의 조정 모드 프로파일을 변경할 때, 인터페이스(14)를 통해 메모리(12)의 데이터를 직접 편집할 수 있다. 또한, 표시기/설정기(4)의 기억 장치(9) 내에 보존된 조정 모드 프로파일을 편집하고, 그 편집 후의 조정 모드 프로파일을 인터페이스(14)를 통해 메모리(12)에 기입할 수도 있다. 물론 복수의 상이한 조정 모드 프로파일을 준비하여, 조정 모드에서 사용하는 조정 모드 프로파일을 전환할 수도 있다. 이 경우, 복수의 조정 모드 프로파일은 메모리(12)에 미리 저장될 수도 있고, 설정기(4)의 기억 장치(9)에 저장될 수도 있다.

이와 같이 하여, 가속기간 및 감속기간의 시간 폭(T11, T12)(보다 구체적으로는 가속에서 감속으로 전환하는 타이밍)이 적절히 조정되어, 속도 0으로 목표 위치에 도달하는 상태(도 9a 내지 9d 참조)가 되면 조정을 종료한다. 이와 같이 적절하게 조정된 상태에서 취득되는 전류 명령 위상(θi)을, 이하에서는 ‘전류 명령 위상(θi*)’이라고 기재하여 구별한다. 적절하게 조정된 상태에서 취득된 전류 명령 위상(θi*)의 배열 변수 θi*(n)은, 사용 모드용 위치 명령 프로파일(사용 모드 프로파일)을 나타내는 회전자 위치 명령의 배열 변수 θcom(n)=θi*(n) 로서 사용된다.

조정 모드에서 생성된 전류 명령 위상(θi)의 배열 변수 θi(n)이 메모리(12)에 저장되는 경우, 조정 모드를 종료할 때의 배열 변수 θi*(n)은 회전자 위치 명령의 배열 변수 θcom(n)(사용 모드 프로파일)으로서 취급된다. 조정 모드에서 생성된 전류 명령 위상(θi)의 배열 변수 θi(n)이 메모리(12)에 저장되지 않고, 설정기(4)의 기억 장치(9)에 보존될 때 작업자는, 적절하게 조정된 상태로 획득된 전류 명령 위상(θi*)의 배열 변수 θi*(n)을, 사용 모드 프로파일(사용 모드용 회전자 위치 명령의 배열 변수 θcom(n))로 하여 인터페이스(14)를 통해 메모리(12)에 기입된다.

그 후, 작업자는 입력 장치(5)를 조작하여 제어 장치(1)의 동작 모드를 사용 모드로 설정하고 조정을 종료한다. 설정기(4)는 그 후 인터페이스(14)로부터 제거될 수 있다.

적절하게 조정된 전류 명령 위상(θi*)의 배열 변수 θi*(n)으로 표현되는 사용 모드 프로파일은, 도 4b의 곡선 L12로 나타낸 것과 같은 프로파일이 된다.

전술한 조정을 자동으로 실행하기 위한 프로그램을 설정기(4)에 편입시키는 것도 가능하다. 이러한 자동 조정 프로그램의 동작의 일례를 도 12에 나타낸다.

작업자가 입력 장치(5)를 조작하여 자동 조정을 명령하면, 프로세서(8)는 제어 장치(1)의 동작 모드를 조정 모드로 설정한다(단계 S1). 프로세서(8)는 기억 장치(9)로부터 조정 모드 프로파일을 판독하여, 인터페이스(14)를 통해 제어 장치(1)의 메모리(12)에 기입한다(단계 S2). 제어 장치(1)의 메모리(12)에 미리 조정 모드 프로파일이 저장되어 있으면, 이 처리는 생략할 수 있다.

다음으로, 프로세서(8)는 제어 장치(1)에 대해 위치 결정 시행 운전을 명령한다(단계 S3). 이에 응답하여 연산부(11)는, 메모리(12)로부터 조정 모드 프로파일을 판독하여, 위치 결정 시행 운전을 실행한다. 연산부(11)는 위치 결정 시행 운전 중에 제어 주기마다 생성된 회전자 위치(θfb), 회전자 속도(ωfb), 전류 명령 위상(θi)의 데이터를 인터페이스(14)를 통해 설정기(4)에 송신한다. 프로세서(8)는 이들을 수신하여 시계열에 따라 기억 장치(9)에 저장한다(단계 S4). 단, 전술한 것처럼 전류 명령 위상(θi)의 시계열 데이터는 제어 장치(1) 내의 메모리(12)에 저장될 수 있으며, 이 경우에는 전류 명령 위상(θi)의 데이터를 설정기(4)에 입력할 필요는 없다.

프로세서(8)는 적정한 위치 결정 운전이 수행되었는지의 여부를 판정한다(단계 S5). 예를 들면, 프로세서(8)는, 회전자 위치(θfb)가 목표 위치에 도달했을 때 회전자 속도(ωfb)의 절대값이 기준값 이하인지의 여부를 결정할 수 있다. 또한 프로세서(8)는, 회전자 속도(ωfb)가 0이 되었을 때의 회전자 위치(θfb)가 기준 범위 내인지의 여부를 판정할 수도 있다. 보다 구체적으로는, 회전자 속도(ωfb)가 0이 되었을 때의 회전자 위치(θfb)가 목표 위치(예를 들면, 3.6도)를 중심으로 한 ±0.05도의 기준 범위 내(3.55도≤θfb≤3.65도)인지의 여부를 판단할 수 있다.

프로세서(8)는 적정한 위치 결정 운전이 수행되지 않았다고 판정하면(단계 S5: NO), 조정 모드 프로파일을 변경한다(단계 S6). 조정 모드 프로파일의 변경에 대해서는 전술한 수동 조정의 경우와 동일하다. 즉, 가속 운전의 시간 폭(T11) 및 감속 운전의 시간 폭(T12)을 증감하도록 조정 모드 프로파일을 변경한다. 그 후, 프로세서(8)는 변경 후의 조정 모드 프로파일을 이용하여 단계 S3으로부터의 동작을 실행한다. 이러한 처리는 적정한 위치 결정 운전을 수행할 수 있을 때까지 반복된다.

프로세서(8)는, 위치 결정 시행 운전 시 적정한 위치결정 운전이 수행되었다고 판정하면(단계 S5: YES), 그 위치 결정 시행 운전 시 생성된 전류 명령 위상(θi*)의 배열 변수 θi*(n)을, 사용 모드 프로파일(사용 모드용 회전자 위치 명령의 배열 변수 θcom(n))로 하여, 인터페이스(14)를 통해 메모리(12)에 기입한다(단계 S7). 조정 모드에서 전류 명령 위상(θi)의 배열 변수 θi(n)이 제어 장치(1)의 메모리(12)에 보존되는 경우, 이 처리는 생략될 수 있다.

이와 같이 하여 설정기(4)를 자동 조정 수단으로서 기능시켜, 적절히 조정된 사용 모드 프로파일을 자동적으로 생성하고, 메모리(12)에 저장된 상태로 만들 수 있다. 그 후에는 제어 장치(1)를 사용 모드로 설정함으로써, 사용 모드 프로파일을 이용한 통상의 운전을 행할 수 있다.

이러한 자동 조정을 수행하는 기능, 즉 자동 조정 수단이 제어 장치(1)에 구비될 수 있다. 즉, 제어 장치(1)의 조정 모드는, 자동 조정을 실행하는 자동 조정 모드를 구비할 수 있다. 바꿔 말하면, 제어 장치(1)가 실행하는 프로그램은, 자동 조정 모드에 의한 조정을 실행하도록 설계될 수 있다. 자동 조정 모드에 의한 조정의 실행은, 설정기(4)로부터 명령될 수 있다. 또한 자동 조정 모드에 의한 자동 조정을 명령하기 위한 명령 입력 장치가 제어 장치(1)에 구비될 수도 있다.

도 13은 제어 장치(1)의 자동 조정 모드에 의한 자동 조정 동작의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다. 메모리(12)에는 미리 조정 모드 프로파일이 저장된다. 자동 조정 모드에 의한 자동 조정이 명령되면(단계 S11: YES), 연산부(11)는 메모리(12)로부터 조정 모드 프로파일을 판독하고, 그 조정 모드 프로파일에 따른 위치 결정 시행 운전을 실행한다(단계 S12). 그 위치 결정 시행 운전 시에, 연산부(11)는, 회전자 위치 검출기(3)로부터 회전자 위치(θfb)를 취득하여, 회전자 속도(ωfb)를 연산하고, 또한 전류 명령 위상(θi)을 연산하며, 이들에 기초하여, 스테핑 모터(2)를 제어한다.

연산부(11)는 제어 주기별 회전자 위치(θfb), 회전자 속도(ωfb), 전류 명령 위상(θi)의 데이터를, 시계열에 따라 메모리(12)에 저장한다(단계 S13). 이 동작과 병행하여, 연산부(11)는 제어 주기별 회전자 위치(θfb), 회전자 속도(ωfb), 전류 명령 위상(θi)의 데이터를, 인터페이스(14)를 통해 설정기(4)로 송신할 수 있다.

위치 결정 시행 운전이 완료되면, 연산부(11)는 적정한 위치 결정 운전이 수행되었는지의 여부를 판정한다(단계 S14). 이 판정은 도 12의 단계 S5에서의 판정과 동일할 수 있다.

연산부(11)는 적정한 위치 결정 운전이 수행되지 않았다고 판정하면(단계 S14: NO), 메모리(12) 내의 조정 모드 프로파일을 변경한다(단계 S15). 조정 모드 프로파일의 변경은 전술한 수동 조정의 경우 및 도 12의 단계 S6의 경우와 동일하다. 그 후, 연산부(11)는 변경 후의 조정 모드 프로파일을 이용하여, 단계 S12로부터의 동작을 실행한다. 이러한 처리는 적정한 위치 결정 운전을 수행할 수 있을 때까지 반복된다.

연산부(11)는, 위치 결정 시행 운전 시 적정한 위치 결정 운전이 수행되었다고 판정하면(단계 S14: YES), 그 위치 결정 시행 운전 시 생성되어, 단계 S13에서 메모리(12)에 기입된 전류 명령 위상(θi*)의 배열 변수 θi*(n)을, 사용 모드 프로파일(사용 모드용 회전자 위치 명령의 배열 변수 θcom(n))로 하여 설정한다(단계 S16).

이와 같이 하여 연산부(11)를 자동 조정 수단으로서 기능시켜, 적절히 조정된 사용 모드 프로파일을 자동적으로 생성하고, 메모리(12)에 저장된 상태로 만들 수 있다. 사용 모드에서, 연산부(11)는 메모리(12)에 저장된 그 사용 모드 프로파일을 이용하여 스테핑 모터(2)를 적절하게 운전할 수 있다.

도 14a, 도 14b, 도 14c는 사용 모드에서의 위치 결정 동작의 일례를 나타낸다. 도 14a의 곡선 L21은 회전자 위치 명령(θcom)의 시간 변화(즉, 사용 모드 프로파일)를 나타내며, 곡선 L22는 회전자 위치(실제 위치)의 시간 변화를 나타낸다. 도 14b의 곡선 L23은 위치 편차(δθ)의 시간 변화를 나타낸다. 도 14c의 곡선 L24는 회전자 속도(ωfb)의 시간 변화를 나타낸다.

가속 기간 동안 회전자 위치 명령(θcom)(곡선 L21)은 회전자 위치(θfb)(곡선 L22)에 대해 고정값 K(예를 들면, 80도)에 대응하는 부분만큼 진행된 위치를 명령하므로, 그에 따른 위치 편차(δθ)(곡선 L23)가 발생하며, 이로 인해 거의 최대의 가속 토크가 발생한다. 가속 기간에 이어지는 감속 기간에서는, 회전자 위치 명령(θcom)(곡선 L21)은 회전자 위치(θfb)(곡선 L22)에 대해 고정값 K(예를 들면, 80도)에 대응하는 부분만큼 지연된 위치를 명령하므로, 그에 따른 음의 위치 편차(δθ)(곡선 L23)가 발생하며, 이로 인해 거의 최대의 감속 토크가 발생한다. 이로 인해 회전자 속도(ωfb)(곡선 L24)는 삼각형 모양으로 변화하며, 감속 기간의 종료 시에 0이 된다. 이 때, 회전자 위치(θfb)는 목표 위치(전기각 360도)이다. 전술한 것처럼 마찰 부하의 영향으로 인해 가속 기간의 시간 폭은 감속 기간의 시간 폭보다 길다.

감속 기간의 종료에 이어, 위치 명령(θcom)이 목표 위치(전기각 360도)가 되고, 목표 위치가 여자됨으로써, 회전자가 목표 위치에 위치 유지된다. 목표 위치에 있어서, 속도 0이 된 타이밍에 목표 위치가 여자되기 때문에, 회전자는 실질적인 진동을 발생시키지 않고 목표 위치에 정지하여 위치 결정된다.

사용 모드에서 연산부(11)는, 메모리(12)에 저장된 회전자 위치 명령(θcom)의 배열 변수 θcom(n)(사용 모드 프로파일)을 판독하고, 그 배열 변수 θcom(n)에 따라 상기 식(7a)~(11a)에 기초한 제어를 실행한다. 단, 사용 모드에서 영역 A~E를 판별하기 위해 이용하는 고정값 K는, 전기각 90도로 하는 것이 바람직하다.

사용 모드 프로파일, 즉 회전자 위치 명령(θcom)은 전술한 것처럼 조정 모드에서 적절하게 조정된 상태에서의 전류 명령 위상(θi*)이므로, 위치 편차(δθ)의 절대값은 조정 모드일 때의 고정값 K(예를 들면, 전기각 80도)가 된다. 이로 인해, 전 기간에 걸쳐 개방 루프 영역 E에서의 제어가 행해지며, 실질적으로는 식(7a)만을 이용한 제어가 행해진다. 이 때, θi=θcom=θi* 가 되고, 조정 모드에서의 전류 위상(θi*)과 사용 모드에서의 전류 위상(θi)이 일치하여, 조정 단계에서의 전류가 재현된다.

조정 모드에서 고정값 K를 전기각 90도보다 작은 값(예를 들면, 전기각 80도)으로 설정함으로써, 위치 편차(δθ)가 전기각 90도(사용 모드에서 영역을 판정하기 위한 고정값 K)를 초과하지 않는 상태를 확보할 수 있다. 그 결과, 개방 루프 영역 E에서의 운전이 확실하게 가능해진다.

조정 모드에서 고정값 K를 전기각 90도로 한 경우에는, 사용 단계에서 회전자의 응답이 조금이라도 지연되면, 위치 편차(δθ)가 전기각 90도를 초과하여, 폐쇄 루프 영역에 들어갈 우려가 있다. 폐쇄 루프 영역에서 전류 명령 위상(θi)은, 회전자 위치 검출기(3)에서 검출되는 회전자 위치(θfb)를 이용하여 결정되기 때문에, 회전자 위치 검출기(3)의 검출 정밀도의 영향을 받는다. 이러한 폐쇄 루프 영역에서의 제어를 회피하고, 영역 A~D에서도 개방 루프 제어를 한다고 하면, K=90도인 경우에는 모터 부하각 90도로 개방 루프 제어를 하게 된다. 이 때문에 회전자에 약간이라도 지연이 발생하면 토크가 감소한다. 이로 인해 지연이 더욱 증가되어, 탈조될 우려가 있다.

조정 모드에서의 고정값 K를 전기각 90도보다 작게 함으로써, 사용 모드에서, 부하각이 전기각 90도보다 작은 상태에서의 개방 루프 제어를 행할 수 있다. 즉, 개방 루프 영역 E에서의 제어를 유지할 수 있다. 이러한 개방 루프 제어에서는, 회전자의 지연 및 진행에 따라 토크가 변화한다. 예를 들어, 고정값 K의 절대값이 전기각 80도(즉, 부하각 80도)인 경우, 회전자가 전기각으로 10도 지연되면 부하각 90도가 되어 토크가 1.5% 증가한다. 또한 회전자가 전기각으로 10도 진행하면 부하각 70도가 되어 토크는 4.6% 감소한다. 따라서, 토크의 증감은 회전자의 지연 및 진행을 작게 하는 방향으로 작용한다. 이로 인해 외란에 대한 강건성을 향상시킬 수 있다.

위와 같이, 본 실시형태에 따르면, 제어 장치(1)는 마이크로 스텝 구동으로 스테핑 모터(2)를 제어하므로, 실질적으로 최대 토크(최대 토크 또는 그것에 가까운 토크)를 처음부터 끝까지 사용하는 가속 운전 및 감속 운전을 행할 수 있다. 이로 인해 토크 이용 효율이 좋은 제어 장치(1)를 실현할 수 있다. 제어 장치(1)는, 조정 모드 및 사용 모드에서, 스테핑 모터(2)를 마이크로 스텝 구동에 의해 운전할 수 있다.

조정 모드에서는, 회전자 위치 검출기(3)의 검출값을 이용한 폐쇄 루프 제어에 의해, 스테핑 모터(2)의 권선 전류 제어가 실행된다. 이 때, 마이크로 스텝 구동에 의한 가속 운전 및 감속 운전용 제어 데이터로서, 전류 명령 위상(θi)이 생성되며, 그 전류 명령 위상(θi)에 따라 가속 운전 및 감속 운전이 행해진다. 또한 전류 명령 위상(θi)은 메모리(12) 및/또는 설정기(4)의 기억 장치(9)에 저장된다.

조정 모드에서는 가속 운전 및 감속 운전에 의해 목표 위치를 향해 회전자를 이동시켜, 목표 위치에서의 회전자 속도가 0이 되도록, 가속 운전을 행하는 가속 기간 및 감속 운전을 행하는 감속 기간의 시간 폭(T11, T12)이 조정된다. 이로 인해, 회전자를 목표 위치까지 이동시키는 동작을 최적화할 수 있다. 조정 대상의 파라미터는, 가속 기간 및 감속 기간의 시간 폭(T11, T12)뿐이므로, 비교적 용이하게 조정할 수가 있다. 이 조정은 전술한대로 수동 또는 자동으로 행할 수 있다. 그 조정이 완료된 상태에서의 전류 명령 위상(θi*)의 데이터(배열 변수 θi*(n))가, 사용 모드에서 적용되는 제어 데이터인 회전자 위치 명령(θcom)의 데이터(배열 변수 θcom(n): 사용 모드 프로파일)로서 사용된다.

또한 조정 모드에서 생성되는 전류 명령 위상(θi)은, 감속 운전 후에 목표 위치가 여자 안정점이 되도록 스테핑 모터(2)의 권선 전류를 제어하는 위치 유지 제어용 명령을 포함한다. 따라서, 조정이 완료된 상태에서 획득되는 전류 명령 위상(θi*)의 데이터(배열 변수 θi*(n))를 이용하여 사용 모드 프로파일을 형성함으로써, 사용 모드 프로파일은, 위치 유지 제어용 회전자 위치 명령(θcom)(배열 변수 θcom(n))도 포함한다.

사용 모드에서는, 사용 모드 프로파일의 회전자 위치 명령(θcom)에 따른 개방 루프 제어에 의해, 조정 모드 동안 스테핑 모터(2)의 권선 전류를 재현하는 권선 전류 제어가 실행되어, 이로 인해 최적의 가속 운전, 감속 운전, 위치 유지 운전을 달성할 수 있다. 따라서, 거의 최대의 토크로 가속 운전 및 감속 운전을 행하여 회전자를 목표 위치까지 이동시키고, 목표 위치에서 실질적인 진동을 발생시키지 않고서 회전자를 위치 결정할 수 있다. 이를 통해 가장 빠른 이동 및 위치 결정 동작을 실현할 수 있다. 또한 개방 루프 제어에서는, 회전자 위치 검출값을 이용하지 않기 때문에, 회전자 위치 검출기(3)의 검출 정밀도의 영향을 받지 않는다. 따라서, 전술한 것처럼 고 정밀도의 회전자 위치 검출기(3)를 구비할 필요가 없다.

또한 본 실시형태에서는, 전술한 것처럼 조정 모드에서의 폐쇄 루프 제어 시, 스테핑 모터(2)의 권선 전류의 위상(θi)이, 회전자 위치 검출기(3)의 검출값 (θfb)에 소정의 값 ±K와 회전자 속도(ωfb)의 함수 F(ωfb)를 더한 위상 θi=θfb±K+F(ωfb) 가 되도록 제어된다. 이 때, 소정의 값 ±K의 절대값은, 전기각으로 60도 이상(보다 바람직하게는 70도 이상, 더욱 바람직하게는 80도 이상)에 상당하는 값이 된다. 이를 통해, 전술한 것처럼 거의 최대 토크에 의한 가속 운전 및 감속 운전을 행할 수 있으며, 조정도 용이하고 또한 외란에 대해 강건한 제어 시스템을 실현할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명했으나 본 발명은 또 다른 형태로 실시할 수도 있다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는, 위치 명령을 입력으로 하여 회전자 위치를 제어하는 위치 제어를 행하였으나, 속도 명령을 입력으로 하여 회전자 속도를 제어하는 속도 제어, 가속도 명령을 입력으로 하여 회전자 가속도를 제어하는 가속도 제어, 토크 명령(전류 명령)을 입력으로 하여 발생 토크(권선 전류)를 제어하는 토크 제어, 전압 명령을 입력으로 하여 권선에 인가하는 전압을 제어하는 전압 제어 등의 다른 제어 방식이 사용될 수도 있다. 또한 이들 제어 방식 중 임의의 두 개 이상을 조합할 수도 있다.

제어 방식에 따라, 조정 모드에서 위치 명령을 나타내는 데이터(전술한 실시형태의 명령 위상(θi)), 속도 명령을 나타내는 데이터(명령 위상(θi)의 미분값에 상당함), 가속도 명령을 나타내는 데이터(명령 위상(θi)의 2계 미분값에 상당함), 토크 명령을 나타내는 데이터(모터 권선 전류 명령(Iacom, Ibcom)에 상당), 전압 명령(권선에 인가하는 전압의 명령)을 나타내는 데이터 등이 보존된다. 그리고 그 후 보존된 데이터를 사용하여, 사용 모드 프로파일을 형성한다.

또한 전술한 실시형태에서는, 조정 모드에서 적절하게 조정된 상태에서 수집된 전류 명령 위상(θi*)을 그대로 사용하여 사용 모드 프로파일을 형성하였으나, 필요에 따라 전류 명령 위상(θi*)에 대해 적절한 보정을 실시하여 사용 모드 프로파일을 형성할 수도 있다.

또한 조정 모드에서 회전자 위치(θfb)의 데이터를 수집하고, 적절하게 조정된 상태에서 수집된 회전자 위치(θfb)의 데이터를, 사용 모드 프로파일을 형성하는 제어 데이터로서 사용할 수도 있다. 이 경우, 사용 모드에서는, 가속 기간에서는 제어 데이터에 고정값 +K를 가산하여 회전자 위치 명령(θcom)을 구한다. 또한 감속 기간에서는 제어 데이터에 대해 고정값 -K를 가산하여 회전자 위치 명령(θcom)을 구한다. 그리고 그 회전자 위치 명령(θcom)을 이용하여 개방 루프 제어에 의한 마이크로 스텝 구동을 실행하면 된다.

본 발명의 실시형태에 대해 상세히 설명했으나, 이들은 본 발명의 기술적 내용을 분명히 하기 위해 사용된 구체예에 불과하며, 본 발명은 이들 구체예로 한정하여 해석되어서는 안 되며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.

이 출원은 2020년 3월 30일자로 제출한 일본 특허출원 2020-60887호에 기반한 우선권을 주장하고 있으며, 이 출원의 전체 내용은 본 출원에 인용을 통해 편입되는 것으로 한다.

1 제어 장치
2 스테핑 모터
3 회전자 위치 검출기
4 설정기
11 연산부
12 메모리
13 전류 제어부
14 인터페이스

Claims (9)

1. 회전자 위치 검출기를 구비한 스테핑 모터를 마이크로 스텝 구동으로 제어하는 스테핑 모터의 제어 장치로,
   　조정 모드 및 사용 모드를 포함하는 복수의 동작 모드를 갖고,
   　상기 조정 모드에서, 상기 회전자 위치 검출기의 검출값에 기초하여 상기 스테핑 모터의 권선 전류를 제어하는 폐쇄 루프 제어용 제어 데이터를 생성하고, 상기 제어 데이터에 따라 상기 스테핑 모터를 가속 운전 및 감속 운전하며,
   　상기 사용 모드에서, 상기 조정 모드에서 생성된 상기 제어 데이터에 기초하여 상기 스테핑 모터의 권선 전류를 제어하는 개방 루프 제어에 의해, 상기 조정 모드에서의 권선 전류를 재현하도록 하여, 상기 스테핑 모터를 가속 운전 및 감속 운전하는, 스테핑 모터 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 조정 모드에서의 상기 폐쇄 루프 제어에서, 상기 스테핑 모터의 권선 전류의 위상(θi)이, 상기 회전자 위치 검출기의 검출값(θfb)에 소정의 값 ±K(단, K는 상수이며, 상기 가속 운전 및 상기 감속 운전 중 하나에 양의 부호를 붙이고, 상기 가속 운전 및 감속 운전 중 다른 하나에 음의 부호를 붙임)와 회전자 속도(ωfb)의 함수 F(ωfb)를 더한 위상이 θi=θfb±K+F(ωfb) 가 되도록 상기 제어 데이터가 생성되는, 스테핑 모터 제어 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 소정 값 ±K의 절대값이 전기각(電氣角)으로 90도 미만에 상당하는 값인, 스테핑 모터 제어 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 소정 값 ±K의 절대값이 전기각으로 60도 이상에 상당하는 값인, 스테핑 모터 제어 장치.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서,
   상기 조정 모드에서, 상기 가속 운전 및 상기 감속 운전에 의해 목표 위치를 향해 회전자를 이동시키고, 상기 목표 위치에서의 회전자 속도가 0이 되도록, 상기 가속 운전을 행하는 가속 기간 및 상기 감속 운전을 행하는 감속 기간의 시간 폭을 조정하며, 이 조정이 완료된 상태의 상기 제어 데이터에 기초하여, 상기 사용 모드에서의 상기 가속 운전 및 상기 감속 운전이 실행되는, 스테핑 모터 제어 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 조정 모드에서, 상기 가속 운전 및 상기 감속 운전에 의해 목표 위치를 향해 회전자를 이동시키고, 상기 목표 위치에서의 회전자 속도가 0이 되도록, 상기 가속 운전을 행하는 가속 기간 및 상기 감속 운전을 행하는 감속 기간의 시간 폭을 자동 조정하는 자동 조정 수단을 추가로 포함하는, 스테핑 모터 제어 장치.
7. 청구항 5 또는 6에 있어서,
   상기 조정 모드에서 생성되는 제어 데이터는, 상기 감속 운전 후에 상기 목표 위치가 여자(勵磁) 안정점이 되도록 상기 스테핑 모터의 권선 전류를 제어하는 위치 유지 제어용 제어 데이터를 포함하며, 상기 조정 모드에서, 상기 제어 데이터에 따라 상기 회전자를 목표 위치에 위치 유지시키는 위치 유지 운전을 행하며,
   상기 사용 모드에서, 상기 감속 운전 후에 상기 조정 모드에서의 상기 위치 유지 제어용 제어 데이터에 기초하여 상기 스테핑 모터의 권선 전류를 재현함으로써, 상기 회전자를 상기 목표 위치에 위치 유지시키는 위치 유지 운전을 행하는, 스테핑 모터 제어 장치.
8. 청구항 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서,
   상기 제어 데이터가, 회전자 위치, 위치 명령, 전류 명령, 전압 명령 중 적어도 하나를 나타내는, 스테핑 모터 제어 장치.
9. 청구항 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서,
   상기 사용 모드에서의 상기 개방 루프 제어는, 상기 회전자 위치 검출기의 검출값을 사용하지 않고 수행되는 상기 스테핑 모터의 권선 전류 제어를 포함하는, 스테핑 모터 제어 장치.

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