JP2549508B2 - ステツピングモ−タの閉ル−プ駆動制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 a.産業上の利用分野 本発明は、ロータ位置信号と回転指令信号とに基いて
相励磁状態を切換えてステッピングモータを回転駆動す
るステッピングモータの閉ループ駆動制御方法に関し、
更に詳しくは、ステッピングモータの減速時にブレーキ
力を発生せしめるようにした閉ループ駆動制御方法に関
する。

b.従来の技術 第５図は従来公知のステッピングモータ駆動装置を示
すものであって、同図において、１はステッピングモー
タ、２はステッピングモータ１のロータ、３はロータ２
の一端に同軸状に固着されたエンコーダ（位置検出
器）、４は光源、５は光電素子、６は制御回路、A,,
B,はモータ各相の巻線である。上述のエンコーダ３の
外周縁には例えば7.2゜間隔毎に50個の円形スリット７
が形成されており、４対の光源４と光電素子５とが円形
スリット７の両側において互いに対向配置されている。
そして、ロータ２が1.8゜回転する毎に４つの光電素子
５から例えば高レベルの信号が順次出力されるようにな
っている。

また、上述の制御回路６は、光電素子５からのロータ
位置信号及び図外の指令回路からのステッピングモータ
回転指令信号とに基いて所定の励磁状態を作り出す論理
回路と、巻線電流を論理回路の出力に基いてON−OFFす
るパワー・スイッチング回路とから構成されており、こ
の制御回路６によって巻線A,,B,が選択的に励磁さ
れるようになっている。すなわち、ロータ位置信号とス
テッピングモータ回転指令信号とにより、ステッピング
モータ１の加速，減速或いは定速運転にも最も適した相
励磁シーケンスが決定され、これによりステッピングモ
ータ１が回転駆動されるようになっている。ところで、
従来では、高速回転状態のステッピングモータ１を減速
させるときには、進み角（リード・アングル）を０ステ
ップにするようにしていた。なお、ここで“進み角”と
は、ステッピングモータ１の相励磁切換点から数えて、
何ステップ先、或いは何ステップ前を励磁するかという
値をいい、単位は“ステップ”である。さらに詳しく
は、“進み角”とは、ステッピングモータに設置された
エンコーダ等からの信号によって決定される励磁切換点
における次の励磁相の励磁安定点までの距離を表わす用
語である。そして、“進み角”には大別して２種類あ
り、「正（＋）の進み角」と「負（−）の進み角」があ
り、正の進み角とはロータに対して加速トルクを発生さ
せる励磁相を選択することであり、負の進み角とは制動
トルクを発生させる励磁相を選択することを意味する。
一般的には、励磁相間の電気的距離は電気角（例えば、
２相モータにあっては90度）で示される一方、“ステッ
プ”という単位はロータの回転角度を表現する時に多用
され、ある相の励磁安定点から隣合う相の励磁安定点ま
でのロータの回転角度を１ステップ（例えば、２相モー
タにあってはＡ相の励磁安定点からＢ相の励磁安定点ま
での距離）と表現することが多い。しかし、本願明細書
においては、上述のような概念の表示方法を採用せず、
“ステップ”という単位を用いて、励磁切換点において
現在の励磁相から次に励磁する相までの電気的距離を示
すようにしている。すなわち、本願明細書では、励磁切
換点において現在の励磁相から次に励磁する相の励磁安
定点までの電気的距離を“ステップ”という単位にてそ
の大きさを表示するようにしている。なお、互いに隣り
合う励磁相間は１ステップである。

しかして、相励磁切換点より先を励磁する場合は正の
値の進み角となって加速状態となり、その手前を励磁す
る場合は負の値の進み角となって減速状態となる。上述
の如く減速時に進み角を０ステップにすると、回転中の
ロータ２を常に現在位置に停止せしめようとする作用を
呈する相が自動的に励磁され、その結果、ロータ２には
ブレーキ力が作用することとなる。従来は、このような
０ステップの進み角によるブレーキ作用にて、減速時の
ロータ２の回転停止を行なうようにしていた。

c.発明が解決しようとする問題点 しかしながら、ステッピングモータにおける加速及び
減速トルクは励磁安定点とロータの位相差に比例するた
め、進み角を０ステップにした場合には、最大位相差が
１ステップ（第４図においてＢからの範囲α）とな
り、ロータの回転方向とは逆向きに働くトルクの変動が
大きく、しかも平均トルク値が小さい。また、ステッピ
ングモータ巻線のインダクタンスの影響によって、励磁
電流の立上がりに時間を要する。

このため、従来より行なわれていた０ステップの進み
角による減速では、強力で安定した制動トルクを得るこ
とができないという大きな問題点があった。

また、ロータの減速時に相切替決定器からの制御信号
に基づいて所定の相を励磁することによって制動トルク
を得るようにしたものが特開昭59−165993号として提案
されているが、この場合には制動トルクに可成り大きな
脈動を生じる（トルク変動が大きい）上に、制動トルク
の平均値が小さいといった問題点を有していた。

また、特開昭49−62915号には、隣り合った相のトル
クが等しくなる点で励磁相を切換えて制動トルクを発生
させ、これにより負の最大トルクを含む範囲で最も大き
な制動トルクを利用するようにしたステッピングモータ
の制御方式が提案されているが、その内容は理想条件の
下での励磁を前提としており、実際の施行にあたっては
常に負の最大トルクを得ることができるとは限らないの
が実状である。その理由は、励磁電流の制御にあたって
はステッピングモータのモータ定数及び駆動回路の定数
により、少なからず励磁電流の時間的遅れが存在するた
め、必ずしも常に負の最大トルクを利用することができ
るとは限らないからである。

本発明は上述の如き問題点を解決するためになされた
ものであって、その目的は、ステッピングモータの種類
等に応じて負の進み角を選択することにより制動時に負
の最大トルクを確実に得ることができて励磁電流の立ち
上がりの遅れ特性に起因する制動トルクの低下を抑制す
ることができ、トルク変動が少なくかつ平均値トルクの
大きな制動トルクを得ることができるようなステッピン
グモータの閉ループ駆動制御方法を提供することにあ
る。

d.問題点を解決するための手段 既述の問題点を解決するために、本発明では、ロータ
位置信号と回転指令信号とに基づいて、励磁状態を切換
えてステッピングモータを回転駆動するステッピングモ
ータの閉ループ駆動制御方法において、ロータの互いに
隣り合う励磁安定点の中間点を励磁切換点とし、 互いに隣り合う励磁相間を１ステップとして、 ステッピングモータの減速モード時には、制御すべき
ステッピングモータについての励磁電流の立ち上がりの
時間的な遅れに応じて、励磁切換点より手前の進み角で
ある−0.5,−1.5,−2.5及び−3.5ステップの複数の負の
進み角の中から、負の最大トルク値を含む範囲で変化す
る負のトルクが前記ロータに作用するような負の進み角
を選択して励磁相を切換えることにより、励磁電流の立
ち上がりの時間的な遅れに起因する制動トルクの低下を
抑制するようにしている。

以下、本発明の一実施例に付き第１図〜第４図を参照
して説明する。

第１図は、本発明に係るステッピングモータの閉ルー
プ駆動制御方式を実施するためのステッピングモータ駆
動装置の構成図であって、同図において、10はステッピ
ングモータ、11はロータ、12はロータ11の回転位置を検
出する位置検出器、13は位置検出器12から出力されるロ
ータ位置信号に基いて回転方向信号及び回転速度信号を
出力する変換回路、14はステッピングモータ10を駆動制
御する相励磁シーケンサーである。

上述の相励磁シーケンサー14には、位置検出器12から
出力されるロータ位置信号と、変換回路13から出力され
る回転方向信号及び回転速度信号とがロータ回転情報信
号として供給されると共に、図外の指令回路からスター
ト／ストップ指令信号、正転／反転指令信号及び加速／
減速指令信号等から成るステッピングモータ回転指令信
号が供給され、これらの信号に基いて所定の相励磁信号
が相励磁シーケンサー14からステッピングモータ10に供
給されるようになっている。

第２図は、ステッピングモータ10のロータ11が時計方
向（CW方向）に回転している時の励磁安定点と、位置検
出器12から出力されるロータ位置信号との関係を表わし
た図である。第２図において、A,B,，はステッピン
グモータ巻線を示し、＊印は１−２相励磁シーケンスに
おけるロータ11の安定点を示し、S₀〜S₇は１−２相励磁
において相励磁シーケンスが切換る励磁切換点（スイッ
チングポイント）を示している。第２図から明かなよう
に、励磁切換点S₀〜S₇は励磁安定点＊の間の領域の中間
点に設定されている。また、第２図において、チャンネ
ルA,及びチャンネルＢは位置検出器のＡチャンネルとＢ
チャンネルの出力信号を示している。

次に、励磁電流の立ち上がりに時間的な遅れが全くな
いような理想的条件下の場合につき先ず説明する。本例
では、減速領域においてロータ11が時計方向に回転して
いる時に進み角を−1.5ステップで反時計方向（CCW方
向）に回転せしめるように励磁するような方式を採用し
ており、第３図はこの場合の相励磁シーケンスを示して
いる。

第３図に示す相励磁シーケンスを説明すると、以下の
通りである。

まず、相励磁シーケンサー14に減速信号が入力される
と、ステッピングモータ10のロータ11の回転位置に対応
して位置検出器12から出力されるロータ位置信号と、既
述の回転指令信号とに基いて、進み角が−1.5ステップ
になるような相励磁シーケンスが相励磁シーケンサー14
によって選択される。すなわち、ロータ11が例えば第３
図に示すスイッチングポイントS₃を時計方向に通過する
場合には、Ｂ相のステッピングモータ巻線Ｂが励磁され
る。このため、ステッピングモータ巻線Ｂに対するロー
タ11の安定点の位置はスイッチングポイントS₃から見て
1.5ステップだけ手前（−1.5ステップ）となる。このよ
うに、本例の場合には、常に全てのスイッチングポイン
トS₁〜S₇において、−1.5ステップの進み角にて相励磁
される。この結果、時計方向に回転するロータには常
に、これとは逆向き（反時計方向）にロータ11を回転さ
せようとする制動トルクが働き、ロータ11は相励磁が切
換わった直後から強力な制動トルクにて急速に停止され
ることとなる。

この理由について、第４図を参照して以下に更に詳述
する。

ステッピングモータ10が発生するトルクはそのスティ
フネス特性（角度−トルク特性）に基いて第４図のよう
に表わすことができる。第４図に示すステッピングモー
タのスティフネス特性図は、ロータ11がある励磁安定点
にある時を基準として、横軸に相励磁位相差（角）をと
り、縦軸にその時の発生トルクを示したものであり、通
常はサイン関数で近似される。第４図のスティフネス特
性から明らかなように、位相差（角）が０〜−４ステッ
プの範囲においてはマイナストルク、すなわち減速トル
クであり、０〜＋４ステップの範囲においてはプラスト
ルク、すなわち、加速トルクとなる。また、ここでロー
タ11の基準安定点を相とすると、これより２ステップ
手前、すなわちＢ相を励磁した場合は負の最大減速トル
クを発生する。なお、加速トルクの最大値は＋２ステッ
プの点である。

本例ではステッピングモータ10の減速時における進み
角を既述の如く−1.5ステップとして相励磁するように
しているため、ロータ11には制動トルクが作用すること
となるが、ロータ11は負荷の慣性によって時計方向への
回転が継続され、例えばスイッチングポイントS₃から次
のスイッチングポイントS₄に達する。なお、このスイッ
チングポイントS₄に達する直前では位相差は2.5ステッ
プに達している。

従って、ロータ11と励磁安定点との間でとり得る位相
差の範囲は−1.5〜−2.5ステップとなる。このため、減
速時の制動トルクは、第４図のスティフネス特性図にお
いて負の最大トルク値（−T_H）を中心とした連続範囲β
（従来では、範囲α）となり、トルク変動が小さくかつ
平均トルク値の大きい、最適な制動トルクを得ることが
できる。

しかしながら、上述の理論は励磁電流の立ち上がりが
理想的特性の下にある場合にのみ有効なものであり、励
磁電流の立ち上がりに時間的な遅れが生じるときには、
実用に供し得ない場合がある。すなわち、実際の制御系
にあっては、励磁信号と励磁電流とは時間軸に対し一致
することは少なく、多くの場合、励磁電流の立ち上がり
が時間的に遅れる現象が発生するが、この遅れ時間はス
テッピングモータのモータ定数及び駆動回路の定数で決
まり、その値を正確に把握することが難しいのが実状で
ある。このように励磁電流の立ち上がりに時間的な遅れ
を生じているにも拘らず、既述のような理想的条件下で
定めた励磁切換方式でステッピングモータを駆動した場
合には、モータ減速時に負の最大トルクを含む範囲の制
動トルクすなわちトルク変動が小さくかつ平均トルク値
の大きい最適な制動トルクを得ることができないことと
なる。そこで、励磁電流の立ち上がりの遅れ現象に対処
するために、励磁開始時点の進み角を−1.5に限定する
のではなく、−0.5,−2.5或いは−3.5ステップとするこ
とが現実的に有効（負の最大トルクを含む範囲の制動ト
ルクを得るのに有効）である場合がある。

従って、本発明では、制御すべきステッピングモータ
についての励磁電流の立ち上がりの時間的な遅れを予め
実験等にて測定しておき、その結果を基に、ステッピン
グモータの減速モード時における進み角を設定するよう
にしている。具体的には、制御すべきステッピングモー
タについての励磁電流の立ち上がりの時間的な遅れに応
じて、励磁切換点より手前の進み角である−0.5,−1.5,
−2.5及び−3.5ステップの複数の負の進み角の中から、
負の最大トルク値を含む範囲で変化する負のトルクが前
記ロータに作用するような負の進み角を選択して励磁相
を切換えるようにし、これにより、励磁電流の立ち上が
りの時間的な遅れに起因する制動トルクの低下を抑制す
るようにしている。

以上、本発明の一実施例に付き説明したが、本発明は
既述の実施例に限定されることなく、本発明の技術的理
想に基いて各種の変形及び変更が可能である。

e.発明の効果 以上の如く、本発明は、ステッピングモータの減速モ
ード時には、制御すべきステッピングモータについての
励磁電流の立ち上がりの時間的な遅れに応じて、励磁切
換点より手前の進み角である−0.5,−1.5,−2.5及び−
3.5ステップの複数の負の進み角の中から、負の最大ト
ルク値を含む範囲で変化する負のトルクが前記ロータに
作用するような負の進み角を選択して励磁相を切換える
ステッピングモータの減速時に負の進み角で相励磁を行
なうようにしたものであるから、滑らかでしかも最も大
きな負のトルクを含む範囲のトルクを制動トルクとして
有効利用することができることとなり、従来より行なわ
れていた０ステップの進み角による相励磁の場合に比べ
て、制動トルクの変動（脈動）が小さくかつ平均値の大
きな制動トルクを得ることができる。従って、本発明に
よれば、ステッピングモータを安定にしかも急速に減速
して急停止せしめることができ、ひいてはロータの迅速
な位置決めを行なうことができる。

また特に、本発明では、制動時には、ステッピングモ
ータのモータ定数及び駆動回路の定数により決まる励磁
電流の立ち上がりの時間的な遅れに応じて、負の進み角
の数値設定を選択的に行い、これにより負の最大トルク
を含む範囲の制動トルクをロータに作用させるようにし
ているので、１スティフネスサイクルのうちの好ましい
負トルク範囲を選択して確実に設定することができ、種
々のステッピングモータの特性の各々に最も適合した制
動トルクをロータに付与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明に係るステッピングモータの閉
ループ駆動制御方式を説明するためのものであって、第
１図はステッピングモータの駆動回路の回路図、第２図
はステッピングモータの励磁安定点と位置検出器からの
出力信号との関係を示すタイムチャート、第３図は相励
磁シーケンスの説明図、第４図はステッピングモータの
スティフネス特性図、第５図は従来公知のステッピング
モータ駆動装置の構成図である。 10……ステッピングモータ、 11……ロータ、 12……位置検出器、 13……変換回路、 14……相励磁シーケンサー。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータ位置信号と回転指令信号とに基づい
   て、励磁状態を切換えてステッピングモータを回転駆動
   するステッピングモータの閉ループ駆動制御方法におい
   て、 ロータの互いに隣り合う励磁安定点の中間点を励磁切換
   点とし、 互いに隣り合う励磁相間を１ステップとして、 ステッピングモータの減速モード時には、制御すべきス
   テッピングモータについての励磁電流の立ち上がりの時
   間的な遅れに応じて、励磁切換点より手前の進み角であ
   る−0.5,−1.5,−2.5及び−3.5ステップの複数の負の進
   み角の中から、負の最大トルク値を含む範囲で変化する
   負のトルクが前記ロータに作用するような負の進み角を
   選択して励磁相を切換えることにより、 励磁電流の立ち上がりの時間的な遅れに起因する制動ト
   ルクの低下を抑制するようにしたこと を特徴とするステッピングモータの閉ループ駆動制御方
   法。