JP3161621B2 - ステップモータの運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、起動から加速終了まで
の加速区間と加速終了から減速開始までの定速区間と減
速開始から停止までの減速区間からなる加減速制御用の
駆動パルス列で運転されるステップモータの運転方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にステップモータの運転方法とし
て、停止状態または自起動周波数から徐々に速度すなわ
ち駆動パルス周波数を増加させ所望の最高速度まで加速
してから定速状態に移行し、さらに所定の時刻から停止
に向けて徐々に減速する運転方法が採用される。従来の
運転方法をより具体的に示す一例としてＸ軸およびＹ軸
の駆動源にステップモータを使用したＸＹプロッタを引
用して説明する。図５は、従来からＣＡＤ分野等で用い
られるＸＹプロッタ機構の内部構造の概略を示す。同図
で１０はＸ軸ステップモータ、１２はＹ軸ステップモー
タ、１７はＸ軸駆動プーリ、１８はＸ軸駆動ベルト、１
９はＸ軸アイドラプーリ、２０はＸ軸ガイド、２１はＸ
軸スライダ、２２はＹ軸駆動プーリ、２３はＹ軸駆動ベ
ルト、２４はＹ軸アイドラプーリ、２５はＹ軸ガイド、
２６はキャリッジ、２７は記録ペン、２８はプラテン、
２９は記録媒体を示す。以下同図を用いてＸＹプロッタ
の動作原理を説明する。Ｘ軸ステップモータ１０に駆動
パルスが入力されると、該Ｘ軸ステップモータ１０の回
転軸に直結されたＸ軸駆動プーリ１７も同時に回転し、
このＸ軸駆動プーリ１７に巻回されたＸ軸駆動ベルト１
８が自由回転するＸ軸アイドラプーリ１９を周回して移
動する。一方このＸ軸駆動ベルト１８の一部はＸ軸スラ
イダ２１に固定されており、結果としてＸ軸ステップモ
ータ１０の回転量はＸ軸スライダ２１に固定されたＹ軸
ガイド２５を直線移動させるように変換されている。こ
の時の直線移動量の分解度はおよそ０．０２５ミリメー
トル／ステップとなるように制御されている。またＹ軸
駆動系もＸ軸同様にＹ軸ステップモータ１２の回転量を
Ｙ軸駆動プーリ２２、Ｙ軸駆動ベルト２３、Ｙ軸アイド
ラプーリ２４で直線変換し、Ｙ軸駆動ベルト２３に固定
されたキャリッジ２６がおよそ０．０２５ミリメートル
の分解度でＹ軸ガイド２５上を移動可能とする構成とな
っている。Ｘ軸およびＹ軸駆動パルスは、プロッタ内部
の演算処理回路によって２軸同時制御アルゴリズムによ
って生成され、キャリッジ２６に把持された記録ペン２
７の断続的な上下動作と組み合わせることによって所望
の軌跡がプラテン２８に載置された記録媒体２９上に描
かれる。

【０００３】このような構成のＸＹプロッタでは、装置
の価格を安価とするためＸ軸およびＹ軸の駆動源となる
ステップモータの駆動制御にオープンループ制御方式を
採用して運転するが、オープンループ制御方式のために
現在位置のフィードバックがなくステップモータの振動
現象などに起因する脱調による位置ズレを予め完全に防
止する処置が施される。このような処置の一策としてス
テップモータは可能な限り高速まで運転するためにも起
動から運転可能な最高速度に至る加速終了までの加速区
間と加速終了から減速開始までの定速区間と減速開始か
ら停止までの減速区間からなる所定の台形状の加減速パ
ターンに従った駆動パルス列で運転される。通常ＸＹプ
ロッタで作図される視覚像は短ベクトルの集合で表現さ
れる場合が多く、従って前記加速区間の途中すなわち運
転可能な最高速度に達する以前に定速へ移行しさらに減
速して停止することが頻繁に行われる。

【０００４】図６に従来のステップモータの運転に用い
られる加減速パターンを示す。Ｐ３’が到達速度Ｖ３の
場合の加減速パターン、Ｐ４’が到達速度Ｖ４の場合の
加減速パターン、Ｐｍが最高速度Ｖｍの場合の加減速パ
ターン、ｔ４が加減速パターンＰ３’の加速終了時刻、
ｔ６が加減速パターンＰ４’の加速終了時刻、ｔ９が加
減速パターンＰｍの加速終了時刻、ｔ１３が加減速パタ
ーンＰ３’の定速終了時刻、ｔ１４が加減速パターンＰ
４’の定速終了時刻、ｔ１２が加減速パターンＰｍの定
速終了時刻、（ｔ１３−ｔ４）が加減速パターンＰ３’
の定速区間、（ｔ１４−ｔ６）が加減速パターンＰ４’
の定速区間を示している。いづれのパターンも定速終了
時刻から停止に至るまでの区間が減速区間を示してい
る。従来のステップモータの運転方法では制御アルゴリ
ズムの簡便性から（ｔ１３−ｔ４）＝（ｔ１４−ｔ６）
とする加減速パターンＰ３’およびＰ４’が採用され、
場合によっては（ｔ１３−ｔ４）＝（ｔ１４−ｔ６）＝
０の三角状の加減速パターンが採用されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、加速区間から
定速区間および定速区間から減速区間への移行変曲点で
は急激な加速度の変化によって駆動系の運動方程式に不
平衡状態を生じ、この不平衡状態は振動エネルギとして
消費される。特にステップモータにおいてはこの振動エ
ネルギによって励起される不安定現象の影響に敏感であ
り、運転する速度すなわち駆動パルスの周波数によって
は発生する振動の大きさや整定時間にバラツキがある。
図７に駆動パルス周波数と発生する振動振幅Ｇの関係を
示す。図７で、ｆ３は到達速度Ｖ３に相当する駆動パル
ス周波数でｆ４は到達速度Ｖ４に相当する駆動パルス周
波数を示し、ｆ４すなわち到達速度Ｖ４が大きな振動を
発生する領域である。このため前述のように定速区間の
長さを一定にすると運転される速度によっては振動の整
定以前に定速区間から減速区間に移行することになり、
その変曲点（例えば時刻ｔ１４）で再び大きな振動を発
生し、場合によってはこの振動がステップモータの脱調
現象を招いて現在位置の管理が不能となり、ＸＹプロッ
タの信頼性を著しく損なうという欠点があった。一方、
予め上記振動の整定に十分余裕を持った一定の長さで定
速区間を設けることもあるが、この場合は余分な定速区
間が作図動作のスループットを低下させる欠点となって
いた。以上のような欠点は、Ｘ軸およびＹ軸の駆動源と
しているステップモータの運転方法で特に加減速パター
ンの最適化について十分な検討が為されていないことに
起因していた。従って従来例にみられるステップモータ
の運転方法における加減速パターンを改善し、特に加速
区間から定速区間に移行した後の定速区間の長さを最適
化して位置決め動作のスループットを向上し、位置管理
の信頼性を向上しながら高速に運転可能なステップモー
タの運転方法を実現することを目的としている。

【０００６】

【問題を解決する為の手段】上記の課題を解決するた
め，予め速度に対する振動特性が既知のステップモータ
を駆動源とし，起動から加速終了までの加速区間と加速
終了から減速開始までの定速区間と減速開始から停止ま
での減速区間からなる加減速パターンで，最高速度に至
る加速区間の中間で前記最高速度よりも遅い到達速度の
定速区間に移行する場合に，該定速区間の長さを到達速
度の増加に応じて増加させた駆動パルス列で駆動される
前記ステップモータの運転方法において，運転可能な最
高速度に至る加速区間の中間で，振動が大となる既知の
速度の定速区間に移行する場合に定速区間の長さを，最
高速度に至らない到達速度の増加に応じて増加させた他
の速度の定速区間よりも長く変更するようにした加減速
パターンでステップモータを運転している。

【０００７】

【作用】このような運転方法を用いると、ステップモー
タの発生トルクに余裕がある低速領域では定速区間の短
縮を行って位置決め動作のスループットを向上し、さら
にステップモータを振動に敏感な特定の速度による定速
区間の長さを変更するため加速区間から定速区間への移
行時に発生した振動が所定の量に整定してから減速区間
へ移行することが可能となり、減速区間への移行時にお
ける振動を抑制しすることによってステップモータの脱
調を防止して位置管理の信頼性を高め、位置決め動作の
スループットの低下を最小限に抑制しながらこれら一連
の改良を施したステップモータの運転方法を実現するこ
とが可能となる。

【０００８】

【実施例】従来例の説明と同様に本発明の一実施例をよ
り具体的に説明するため、記録装置で特にＸＹプロッタ
の駆動源にステップモータを応用した例を引用しながら
説明する。図１は、本発明のステップモータの運転方法
に使用される加減速パターンを示す。Ｐ１が到達速度Ｖ
１の場合の加減速パターン、Ｐ２が到達速度Ｖ２の場合
の加減速パターン、Ｐ３が到達速度Ｖ３の場合の加減速
パターン、Ｐ４が到達速度Ｖ４の場合の加減速パター
ン、Ｐ５が到達速度Ｖ５の場合の加減速パターン、Ｐｍ
が運転可能な最高速度Ｖｍの場合の加減速パターン、ｔ
１が加減速パターンＰ１の加速終了時刻、ｔ３が加減速
パターンＰ２の加速終了時刻、ｔ４が加減速パターンＰ
３の加速終了時刻、ｔ６が加減速パターンＰ４の加速終
了時刻、ｔ７が加減速パターンＰ５の加速終了時刻、ｔ
９が加減速パターンＰｍの加速終了時刻、ｔ２が加減速
パターンＰ１の定速終了時刻、ｔ５が加減速パターンＰ
２の定速終了時刻、ｔ８が加減速パターンＰ３の定速終
了時刻、ｔ１０’が加減速パターンＰ４の変更前の定速
終了時刻、ｔ１０が加減速パターンＰ４の延長された定
速終了時刻、ｔ１１が加減速パターンＰ５の定速終了時
刻、ｔ１２が加減速パターンＰｍの定速終了時刻、（ｔ
２−ｔ１）が加減速パターンＰ１の定速区間、（ｔ５−
ｔ３）が加減速パターンＰ２の定速区間、（ｔ８−ｔ
４）が加減速パターンＰ３の定速区間、（ｔ１０’−ｔ
６）が加減速パターンＰ４の変更前の定速区間、（ｔ１
０−ｔ６）が加減速パターンＰ４の延長後の定速区間、
（ｔ１１−ｔ７）が加減速パターンＰ５の定速区間、
（ｔ１２−ｔ９）が加減速パターンＰｍの定速区間を示
している。また、いづれの加減速パターンも定速終了時
刻から速度０の停止に至るまでの区間が減速区間を示し
ている。Ｃは定速区間の増加曲線を示している。

【０００９】ＸＹプロッタが短ベクトルを作図するため
最高作図速度に至る加速区間の中間で定速区間に移行す
る場合に採用される定速区間の所定の長さは、到達速度
Ｖ１〜Ｖ５の値に応じて定速区間の増加曲線Ｃに沿って
（ｔ２−ｔ１）＜（ｔ５−ｔ３）＜（ｔ８−ｔ４）＜
（ｔ１０’−ｔ６）＜（ｔ１１−ｔ７）の関係で設定さ
れている。ここで、種々の速度で運転されるステップモ
ータの発生トルク対駆動パルス周波数の関係は図３のよ
うになり、ＰＩがステップモータの引き入れトルク曲
線、ＰＯが脱出トルク曲線、Ｌが図１のようにステップ
モータを台形状の加減速パターンで運転する場合に負荷
を駆動するのに必要なトルクを示し、ｆｍが最高速度Ｖ
ｍを達成する駆動パルス周波数を示している。一般にス
テップモータを図１のように加減速運転すると、ステッ
プモータの発生トルクは脱出トルク曲線で示され、駆動
パルス周波数が低周波の場合は所要トルクＬに対して発
生トルクに大きな余裕があり、駆動パルス周波数がｆｍ
に近づくにつれてトルク余裕が少なくなる。すなわち駆
動パルス周波数が低周波の領域では十分なトルク余裕が
あり、低速領域では定速区間を短縮してもステップモー
タの脱調現象は防止可能である。また特に低速領域での
定速区間を短縮することは短ベクトルのように細かな位
置決め動作を頻繁に行う場合のスループット向上にとっ
て極めて有効である。

【００１０】一般にステップモータに所定の負荷を連結
して種々の速度すなわち駆動パルス周波数で運転すると
それぞれの速度で運転した場合の振動特性は図７で示し
たように予め把握することが可能であり、図１の場合で
は加減速パターンＰ４の到達速度Ｖ４すなわち駆動パル
ス周波数ｆ４の近傍で通常より大きく振動的な動作軌跡
を示すため、定速区間の長さを（ｔ１０’−ｔ６）から
（ｔ１０−ｔ６）へ変更して定速区間の長さを延長して
最適化を行っている。図２は、図１における加減速パタ
ーンＰ３と加減速パターンＰ４の部分を拡大表示し、２
点鎖線はこれらの加減速パターンで運転されるステップ
モータの動作軌跡を示す。同図で、加速区間から到達速
度Ｖ４の定速区間に移行する際にステップモータで大き
な振動を発生するためこの振動が所定量に整定するまで
定速区間の長さが延長されるように加減速パターンＰ４
が形成されている。この結果、時刻ｔ６で発生した振動
の残留振動によって影響を受けることなく時刻ｔ１０で
定速区間から減速区間への移行することが可能となり、
また通常の短ベクトル作図では定速区間の増加曲線Ｃに
沿った定速区間長が採用され、定速区間の延長による作
図動作のスループット低下を最小限とするように加減速
パターンが形成されている。

【００１１】次に本発明によるステップモータの運転方
法を採用した記録装置の内部制御回路を図４に示す。ま
た本発明の一実施例として説明に用いられるＸＹプロッ
タ機構は従来例の説明に使用した図５の機構と同様であ
る。図４で１がＸＹプロッタ、２がホストコンピュー
タ、３がインターフェイス回路、４が通信制御回路、５
がＣＰＵ（演算処理装置）、６がＲＡＭ（読み書き可能
記憶回路）、７がＲＯＭ（読み出し専用記憶回路）、８
が入出力制御回路（イ）、９がＸ軸モータ制御回路、１
０がＸ軸ステップモータ、１１がＹ軸モータ制御回路、
１２がＹ軸ステップモータ、１３がペン上下制御回路、
１４がペン上下駆動ソレノイド、１５が入出力制御回路
（ロ）、１６が手動操作手段を示す。

【００１２】ＸＹプロッタ１の内部制御は、ＣＰＵ５が
ＲＯＭ７に格納された制御プログラムに従って順次実行
し、一連の処理動作は以下のようになる。ホストコンピ
ュータ２からＸＹプロッタ１のインターフェイス回路３
を経由して入力された作図データは、通信制御回路４を
介して一旦ＲＡＭ６に蓄積格納され、ＣＰＵ５によって
順次読み出されて解析処理された後、作図すべきベクト
ルの傾きから長短軸指定とベクトルの長さから到達速
度、加速区間、定速区間、減速区間の指定が行われる。
これらの処理が終了すると、指定された加減速パターン
に従いながら所定のベクトルを生成するように直線補間
が行われる。この時に所定の加減速パターンを発生する
ための時間制御データは前記ＲＯＭ７に予め格納されて
おり、この時間制御データを参照しながら直線補間処理
を行うことによってＸ軸ステップモータ１０およびＹ軸
ステップモータ１２を運転する駆動パルス列の生成が行
われる。生成された駆動パルス列は、入出力制御回路
（イ）８を経由してＸ軸モータ制御回路９およびＹ軸モ
ータ制御回路１１で電力増幅が行われ、次いでＸ軸ステ
ップモータ１０およびＹ軸ステップモータ１２の励磁通
電が行われる。それぞれの作図ベクトルにはペン上下動
作の情報が含まれており、Ｘ軸およびＹ軸ステップモー
タ１０および１２の運転と同時にペン上下制御回路１３
の電力増幅によってペン上下駆動ソレノイドの駆動が行
われ、記録ペンの上下動が実行され、記録媒体２９の上
に視覚像の形成が行われる。

【００１３】このような一連の作図処理を行う過程で、
作図すべきベクトルの長さからステップモータを運転す
る加速区間、定速区間、減速区間、到達速度の演算が可
能であり、図１の定速区間の増加曲線Ｃに沿って定速区
間長の設定が行われる。また到達速度の演算結果が到達
速Ｖ４に一致する場合は定速区間を延長する処置が施さ
れる。この特定化される速度は図７のように予めステッ
プモータの振動特性を勘案して決定しておくことが可能
であり、振動振幅が大となる速度域では振動の整定が所
定の量に落ちつくまで定速区間を延長するように加減速
パターンの決定が行われる。また作図動作のスループッ
ト向上には、短ベクトルを作図するため最高作図速度に
到達する加速区間の中間で定速区間に移行する場合に採
用される定速区間の長さが低速になるほど短い方が効果
的であり、つまり最高速度に至る加速区間の中間で定速
へ移行してさらに減速停止する場合に到達速度に応じて
定速区間の長さを変更した加減速パターンで加減速駆動
する方法がとられる。この結果、通常の短ベクトルの作
図においては到達速度の値に応じて所定の長さを持つ定
速区間を備え、特定の到達速度の場合にのみ定速区間の
長さを変更した加減速パターンで各軸駆動用ステップモ
ータを運転することが可能となる。

【００１４】

【効果】以上のような運転方法を用いると、ステップモ
ータの発生トルクに余裕がある低速領域では定速区間の
短縮を行って位置決め動作のスループットを向上し、さ
らにステップモータを振動に敏感な特定の速度による定
速区間の長さを変更するため加速区間から定速区間への
移動時に発生した振動が所定の量に整定してから減速区
間へ移行することが可能となり、減速区間への移動時に
おける振動を制御することによってステップモータの脱
調を防止して位置管理の信頼性を高め、位置決め動作の
スループットの低下を最小限に制御しながらこれら一連
の改良を施したステップモータの運転方法を実現するこ
とが可能となる。

【００１５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるステップモータの加減
速パターンを示す。

【図２】ステップモータの発生トルク対駆動パルス周波
数の関係を示す。

【図３】本発明の一実施例によるステップモータの加減
速パターンの拡大図を示す。

【図４】本発明の一実施例を具体的に採用した記録装置
の内部制御回路を示す。

【図５】ＸＹプロッタ機構の概略構造を示す。

【図６】従来例によるステップモータの加減速パターン
を示す。

【図７】ステップモータの駆動パルス周波数と発生する
振動振幅Ｇの関係を示す。

【符号の説明】

１：ＸＹプロッタ ２：ホストコンピュータ ５：ＣＰＵ ６：ＲＡＭ ７：ＲＯＭ ８：入出力制御回路（イ） ９：Ｘ軸モータ制御回路 １０：Ｘ軸ステップモータ １１：Ｙ軸モータ制御回路 １２：Ｙ軸ステップモータ ２７：記録ペン ２８：プラテン ２９：記録媒体 Ｐ１〜Ｐ５：到達速度Ｖ１〜Ｖ５の加減速パターン Ｐｍ：最高速度Ｖｍの加減速パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−212999（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−219799（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−98598（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−132796（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−16192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−20105（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−63988（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−55800（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭60−47836（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭60−29121（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 8/00 - 8/42 G05D 3/00 - 3/20 B43L 13/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予め速度に対する振動特性が既知のステ
   ップモータを駆動源とし，起動から加速終了までの加速
   区間と加速終了から減速開始までの定速区間と減速開始
   から停止までの減速区間からなる加減速パターンで，最
   高速度に至る加速区間の中間で前記最高速度よりも遅い
   到達速度の定速区間に移行する場合に，該定速区間の長
   さを到達速度の増加に応じて増加させた駆動パルス列で
   駆動される前記ステップモータの運転方法において，運
   転可能な最高速度に至る加速区間の中間で，振動が大と
   なる既知の速度の定速区間に移行する場合に定速区間の
   長さを，最高速度に至らない到達速度の増加に応じて増
   加させた他の速度の定速区間よりも長く変更するように
   した加減速パターンで前記ステップモータを駆動したこ
   とを特徴とするステップモータの運転方法。