JP4277584B2

JP4277584B2 - ステッピングモータ原点位置制御装置及び方法、およびこれらを用いた燃料電池

Info

Publication number: JP4277584B2
Application number: JP2003152136A
Authority: JP
Inventors: 修弓田; 圭造水野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP2004357409A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータ原点位置制御装置及び方法、およびこれらを用いた燃料電池、特に、ステッピングモータを用いた駆動機構において、電源投入時や初期調整時になされる原点位置合わせを行う際、可動部を基準壁に突き当てることによってステッピングモータを脱調させ、ステッピングモータの原点位置を規定するようにしたステッピングモータ原点位置制御装置及び方法、およびこれらを用いた燃料電池の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータは、デジタル信号（パルス信号）で直接駆動でき、パルス信号が入力されるごとに一定角度ずつ回転することが可能な、位置決め機能を持ったモータである。このようなステッピングモータでは、電源切断時にその原点位置情報が消滅し、電源を再投入した時点ではロータが位置ずれを起こす。そこで、電源投入時や初期調整時等にステッピングモータの原点位置あるいは装置上での基準位置を設定し直す必要がある。また、ステッピングモータのシャフト等に大きなトルクが作用して脱調が発生したような場合にも、ロータの位置ずれが発生してしまうので、その都度ステッピングモータの原点位置を設定しなければならない。
【０００３】
ステッピングモータの原点位置制御を行う方法としては、原点を設定するために基準となる基準壁を設け、この基準壁に対してシャフトに設けられた可動体を突き当てる方法が従来から知られている。この方法によれば、可動体が基準壁に突き当たった後もさらに回転を続けようとするステッピングモータは脱調することになるので、この時点でステッピングモータを停止させ、この停止位置を原点位置とすることができる。ただし、この方法では、可動体は基準壁に突き当たった時点で跳ね返りを起こすので、この跳ね返り量分の原点位置誤差が発生してしまうことになる。
【０００４】
そこで、従来から、このようなステッピングモータの原点位置制御方法においては、その原点位置の停止精度を向上するために、様々な技術が創案されている。
【０００５】
例えば、下記特許文献１は、基準壁（メカニカルストッパ）に可動体を突き当てた際に発生する跳ね返り量をあらかじめ求めておき、突き当て後、この跳ね返り量に相当するステップ数の駆動信号を再度ステッピングモータに供給することによって原点位置停止精度の向上を図ったものである。このとき、下記特許文献１では、突き当てによって生じる跳ね返り量をステッピングモータの相数あるいは歯数に応じて求めている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、下記特許文献２には、第１回目の突き当てによって発生する跳ね返り量をあらかじめ実験等によって求めておき、この跳ね返り量分の駆動信号をステッピングモータに与え、さらに、第２回目の突き当てでは跳ね返りが発生しないように低速でステッピングモータを駆動させることによって原点位置停止精度の向上を図る技術が開示されている（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０９−０６５６９９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２５７４７３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ステッピングモータの原点位置合わせを行うために基準壁に対して可動体を突き当てたとき、「バウンズバック」と呼ばれる現象が発生する場合がある。このバウンズバック現象について図面を用いて説明する。
【０００９】
図１は、４相モータにおける２相励磁のシーケンスを示す真理値表と、その際におけるロータ及びステータの関係を示す図である。また、図２は、基準壁に対して可動体を突き当てたときのロータの動きを平面的に表現した図である。なお、図１及び図２は、バルブの開閉に用いられる５０歯のステッピングモータを例示しており、ステップ角は１．８°である。
【００１０】
まず、図１で示すシーケンスによってステッピングモータが回転しているとする。例えば、ロータは、入力パルス「１」のI-II相励磁から入力パルス「２」のII-III相励磁に、続いて入力パルス「３」のIII-IV相励磁、入力パルス「４」のIV-I相励磁へと励磁され、パルス毎に１．８°で移動することになる。なお、入力パルス「１」から入力パルス「４」までの一連の駆動動作が１サイクルに相当する。
【００１１】
しかしながら、上記のようなサイクルを繰り返して正常にステッピングモータが回転している途中において、図２（ｂ）で示すように、突如連続して２サイクル以上逆回転が発生することがある。この現象を「バウンズバック」と呼んでいる。このバウンズバック現象は、例えば、可動体が基準壁に突き当たった際に発生するものであり、ロータの位置関係や反発力、負荷状態などの所定の条件が一致した場合に発生すると考えられている。また、逆転時のロータの移動速度は正常時の３倍程度であり、さらに、正常回転時と比較して小さなトルクで回転していることも明らかになっている。
【００１２】
このようなバウンズバック現象が発生した場合には、従来の技術で示した各特許文献の方法では、正確な原点位置合わせを行うことは不可能である。図２を用いて説明すると、上記各特許文献は、図２中（ａ）［正常時］として示される場合のみを想定していることが明らかとなる。
【００１３】
図２（ａ）で示す［正常時］においては、バルブ全開の状態からステッピングモータは入力パルスに従って駆動され、入力パルス「１０」を与えられたときに基準壁に突き当たることになる。この場合、入力パルス「１０」ではII-III相励磁がされているので直前のII-III相励磁である入力パルス「６」の位置にロータが跳ね返って停止する。ここで上記各特許文献の場合には、実験等で入力パルス「６」の位置にロータが跳ね返って停止するものとして、さらに３パルス分の駆動信号をステッピングモータに与えて入力パルス「９」の位置にロータを停止させる。
【００１４】
しかしながら、図２（ｂ）で示す［バウンズバック発生時］においては、ロータの跳ね返り量が２サイクル以上発生してしまう。したがって、上記各特許文献が開示する方法ではステッピングモータの原点位置合わせを行うことは不可能である。すなわち、上記各特許文献が開示する方法では、あらかじめ調べておいた個々のステッピングモータに発生する跳ね返りの相数だけで原点位置合わせを行うので、バウンズバック現象のような相数とは関係ない変位が発生した場合には、正確な原点位置合わせが不可能となるのである。
【００１５】
本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、バウンズバック現象が発生した場合においても精度良くステッピングモータの原点位置合わせを行うことができる装置及び方法を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決するために、本発明に係るステッピングモータ原点位置制御装置は、ステッピングモータの回転を制御するモータ制御部と、前記ステッピングモータの回転に伴って移動する可動体と、前記可動体の基準位置に配置された基準壁とを有し、前記ステッピングモータの原点位置制御の際に、前記可動体が前記基準壁に突き当たる以上の回転量の指令を前記モータ制御部から前記ステッピングモータに対して発し、前記可動体を前記基準壁に突き当てて前記ステッピングモータを脱調させることによって前記ステッピングモータの原点位置を規定するステッピングモータ原点位置制御装置であって、前記可動体と前記基準壁との相対的な位置を規定するための位置情報を検出する状態検出センサを備え、前記モータ制御部は、前記状態検出センサから前記位置情報を取得し、取得した位置情報に基づいて前記ステッピングモータに与える回転量を演算して指令を発し、前記ステッピングモータを回転させることによって原点位置を規定することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るステッピングモータ原点位置制御装置において、前記モータ制御部は、前記可動体の位置情報により算出される可動体と基準壁との距離が所定のしきい値内になるまで、前記位置情報の取得と前記演算および前記指令を行うことによってステッピングモータの回転動作を繰り返し実施することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るステッピングモータ原点位置制御方法は、ステッピングモータの回転を制御するモータ制御部と、前記ステッピングモータの回転に伴って移動する可動体と、前記可動体の基準位置に配置された基準壁と、前記可動体と前記基準壁との相対的な位置を規定するための位置情報を検出する状態検出センサとを備え、ステッピングモータの原点位置制御をコンピュータで行う場合に用いられるステッピングモータ原点位置制御方法であって、前記可動体が前記基準壁に突き当たる以上の回転量の指令を前記モータ制御部から前記ステッピングモータに対して発し、前記可動体を前記基準壁に突き当てて前記ステッピングモータを脱調させる第１工程と、前記状態検出センサが脱調によって前記基準壁から跳ね返った前記可動体の位置情報を検出する第２工程と、前記状態検出センサが取得した前記位置情報を前記モータ制御部で取得する第３工程と、前記モータ制御部が前記状態検出センサから取得した位置情報に基づいて前記ステッピングモータに与える回転量を演算して指令を発し、前記ステッピングモータを回転させることによって原点位置を規定する第４工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係るステッピングモータ原点位置制御方法は、前記可動体の位置情報により算出される可動体と基準壁との距離が、所定のしきい値内になるまで前記第２工程から前記第４工程を繰り返し実施することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るステッピングモータ原点位置制御装置又は方法は、燃料電池に設置される排気圧力調整用バルブの流体制御のために用いることが好適である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明におけるステッピングモータ原点位置制御装置の好適な実施の形態について、図を用いて説明する。図３は、本実施の形態におけるステッピングモータ原点位置制御装置の全体構成を例示する概略図である。
【００２２】
本実施の形態におけるステッピングモータ原点位置制御装置は、シャフトにボール螺子１０を備えるステッピングモータ１１と、ボール螺子１０に螺合し、ステッピングモータ１１の回転に伴って直線移動する可動体１２とを有している。ステッピングモータ１１は、コンピュータからなるモータ制御部２０の指示に基づいてロータが回転し、シャフトの先に設置されている図示しないバルブの開閉を行っている。また、ステッピングモータ１１には、脱調を検出するために状態検出センサ１３が設置されており、状態検出センサ１３は、ロータ軸の位置情報を取得することによってステッピングモータ１１の駆動状況を監視している。
【００２３】
可動体１２の基準位置には、可動体１２と突き当て可能に基準壁１４が設置されている。この基準壁１４の役割については、従来の技術で説明した通りステッピングモータの原点位置制御を行うために設けられているものである。
【００２４】
一方、モータ制御部２０には、駆動指令パルスとしての駆動信号を発信する駆動司令部２１と、この駆動司令部２１からの駆動指令パルスを計数する指令位置カウンタ２２とが設置されており、ステッピングモータ１１への駆動指令を発信している。また、モータ制御部２０は、ステッピングモータ１１のロータ軸に設けられた状態検出センサ１３からの出力パルスを受信し、この出力パルスを計数する位置検出カウンタ２４を備えており、ステッピングモータ１１の駆動状況を監視している。さらに、指令位置カウンタ２２の計数値と位置検出カウンタ２４の計数値とを比較することにより、脱調発生の有無を判定する脱調検出部２３を備えている。
【００２５】
このように構成されるモータ制御部２０において、駆動司令部２１から出力される駆動指令パルスに基づいてステッピングモータ１１が駆動されることになる。ステッピングモータ１１が備えるロータ軸の回転角度は、状態検出センサ１３によって検出され、回転角度に基づくパルス信号が状態検出センサ１３から送信されることになる。このパルス信号は、位置検出カウンタ２４によって計数され、指令位置カウンタ２２の計数値と位置検出カウンタ２４の計数値とが脱調検出部２３によって比較され、両カウンタの計数値が一致しないときには脱調が発生したものと判定されることになる。
【００２６】
ここで、本実施の形態におけるステッピングモータ原点位置制御装置で特徴的なことは、モータ制御部２０が、さらに、可動体移動量演算部２５を有していることである。この可動体移動量演算部２５は、脱調検出部２３からの脱調検出信号を受信することによって、現時点での可動体１２と基準壁１４の距離を演算することが可能である。すなわち、指令位置カウンタ２２の計数値と位置検出カウンタ２４の計数値とを比較し、この両計数値の差分を求め、この計数値差をボール螺子１０の長さに換算することによって可動体１２と基準壁１４の距離を求めることができるのである。
【００２７】
続いて、可動体１２と基準壁１４の距離を求めた可動体移動量演算部２５は、この移動量分の駆動をステッピングモータ１１に実施させるため、駆動司令部２１に対して駆動指令信号を発信する。この駆動指令信号は、可動体１２と基準壁１４の距離に対応するステッピングモータ１１の駆動指令パルス数を演算したものであり、駆動司令部２１が駆動指令信号を受信すると駆動司令部２１はステッピングモータ１１に対して駆動指令パルスを発信し、可動体１２と基準壁１４の距離に対応したステッピングモータ１１の駆動が実施されることになる。
【００２８】
以上のような動作を繰り返し実施することにより、ステッピングモータ原点位置合わせが実施されることになる。実際に原点位置合わせを行った際におけるバルブの動きについて、図４を用いて説明する。
【００２９】
（１回目）バルブ開度全開の状態からステッピングモータ１１を駆動し、矢印Ａで示される時間において第１回目の突き当てが実施される。この突き当ては、可動体１２が基準壁１４に突き当たる以上の回転量のパルス信号を、モータ制御部２０からステッピングモータ１１に対して発信することにより行われる。例えば、ボール螺子１０の全長が２００パルス分に相当する場合には、２２０パルス分の駆動信号をステッピングモータ１１に対して与える。すると、可動体１２が基準壁１４に突き当たることによってステッピングモータ１１に脱調が発生し、可動体１２は矢印Ｙの距離だけ跳ね返ることになる（第１工程）。このとき、ステッピングモータ１１のロータ軸に設けられた状態検出センサ１３は、モータ制御部２０に対して出力パルスを発信し、脱調によって発生したロータ軸のズレ情報を検出することによって、結果的に基準壁１４から跳ね返った可動体１２の位置情報を得ることができる（第２工程）。ここで、可動体１２と基準壁１４との距離を、４０パルス分であるとする。
【００３０】
（２回目以降）モータ制御部２０は、状態検出センサ１３からの出力パルスを受信する（第３工程）。そして、モータ制御部２０内の可動体移動量演算部２５は、矢印Ｙの距離を演算し、第２回目の突き当てに必要な駆動指令パルス数を求め、ステッピングモータ１１を駆動させる。このときの駆動方法としては、例えば、以下の方法を選択することができる。
（α）可動体１２と基準壁１４との距離が４０パルス分あるので、４１パルス以上の駆動信号を発信して跳ね返りを発生させる方法。
（β）可動体１２と基準壁１４との距離が４０パルス分あるので、３９パルス以下の駆動信号を発信して跳ね返りを発生させない方法。
【００３１】
方法（α）によれば、ステッピングモータ１１は、矢印Ａ’で示される時間において第２回目の突き当てが実施される。このときも、ステッピングモータ１１に脱調が発生し、可動体１２は矢印Ｙ’の距離だけ跳ね返ることになる。この際の跳ね返り量は、第１回目と比較して非常に少ないものとなる。また、突き当てを実施することによって可動体１２の位置を再確認することができるので、精度良い原点合わせが可能となる。なお、矢印Ｙ’で示される跳ね返り量が所定のしきい値以下となると突き当て動作を終了し、ステッピングモータ１１の原点位置合わせが完了することになる（第４工程）。
【００３２】
方法（β）によれば、可動体の突き当てが行われないので位置精度の再確認はできないが、高い原点位置精度を求められない駆動機構に用いられる場合には、短時間に原点合わせを完了することが可能である。このときも、モータ制御部２０は状態検出センサ１３からの出力パルスを受信しているので、ステッピングモータ１１に脱調が発生しなければ所望の位置に可動体１２が停止したものとして原点位置合わせを完了する。
【００３３】
以上の動作は、可動体１２と基準壁１４との距離が所定のしきい値内になるまで繰り返されることになる。つまり、３回目以降も２回目と同様の動作を繰り返し実施することになるのであるが、ここで矢印Ｙ，Ｙ’，Ｙ”で示される跳ね返り量が所定のしきい値以下となると突き当て動作を終了し、ステッピングモータ１１の原点位置合わせが完了することになる（第４工程）。
【００３４】
このように、本実施の形態におけるステッピングモータ原点位置制御装置によれば、従来の技術では不可能であった「バウンズバック現象」発生時におけるステッピングモータ１１の原点位置合わせを行うことが可能となる。また、従来から脱調検出用に用いていた状態検出センサ１３をそのまま可動体移動量演算のためのセンサとして流用することができるので、製造コストを抑えた装置構成とすることが可能である。
【００３５】
さらに本発明は、例えば、燃料電池に設置される排気圧力調整用バルブの流体制御に用いられることが好適である。特に、自動車等移動体用の燃料電池システムでは、電気負荷が０〜１００％の範囲内で時間とともに著しく変化するので、この幅広い電気負荷に対応するために、高応答、高精度の流量制御バルブが必要となる。つまり、本発明におけるステッピングモータ原点位置制御装置を用いることにより、急激な運転・停止動作や正逆転を短時間の内に繰り返すような脱調が発生しやすい環境であっても、位置精度の高いステッピングモータを適用することが可能となるのである。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明におけるステッピングモータ原点位置制御装置によれば、バウンズバック現象が発生した場合においても精度良くステッピングモータの原点位置合わせを行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】４相モータにおける２相励磁のシーケンスを示す真理値表と、その際におけるロータ及びステータの関係を示す図である。
【図２】基準壁に対して可動体を突き当てたときのロータの動きを平面的に表現した図である。
【図３】本実施の形態におけるステッピングモータ原点位置制御装置の全体構成を例示する概略図である。
【図４】実際に原点位置合わせを行った際におけるバルブの動きを示す図である。
【符号の説明】
１０ボール螺子、１１ステッピングモータ、１２可動体、１３状態検出センサ、１４基準壁、２０モータ制御部、２１駆動司令部、２２指令位置カウンタ、２３脱調検出部、２４位置検出カウンタ、２５可動体移動量演算部。

Claims

ステッピングモータの回転を制御するモータ制御部と、
前記ステッピングモータの回転に伴って移動する可動体と、
前記可動体の基準位置に配置された基準壁と、
を有し、
前記ステッピングモータの原点位置制御の際に、前記可動体が前記基準壁に突き当たる以上の回転量の指令を前記モータ制御部から前記ステッピングモータに対して発し、前記可動体を前記基準壁に突き当てて前記ステッピングモータを脱調させることによって前記ステッピングモータの原点位置を規定するステッピングモータ原点位置制御装置であって、
前記可動体と前記基準壁との相対的な位置を規定するための位置情報を検出する状態検出センサを備え、
前記モータ制御部は、前記状態検出センサから前記位置情報を取得し、取得した位置情報に基づいて前記ステッピングモータに与える回転量を演算して指令を発し、前記ステッピングモータを回転させることによって原点位置を規定すること、
を特徴とするステッピングモータ原点位置制御装置。
請求項１に記載のステッピングモータ原点位置制御装置において、
前記モータ制御部は、前記可動体の位置情報により算出される可動体と基準壁との距離が所定のしきい値内になるまで、前記位置情報の取得と前記演算および前記指令を行うことによってステッピングモータの回転動作を繰り返し実施すること、
を特徴とするステッピングモータ原点位置制御装置。
ステッピングモータの回転を制御するモータ制御部と、
前記ステッピングモータの回転に伴って移動する可動体と、
前記可動体の基準位置に配置された基準壁と、
前記可動体と前記基準壁との相対的な位置を規定するための位置情報を検出する状態検出センサと、
を備え、
ステッピングモータの原点位置制御をコンピュータで行う場合に用いられるステッピングモータ原点位置制御方法であって、
前記可動体が前記基準壁に突き当たる以上の回転量の指令を前記モータ制御部から前記ステッピングモータに対して発し、前記可動体を前記基準壁に突き当てて前記ステッピングモータを脱調させる第１工程と、
前記状態検出センサが脱調によって前記基準壁から跳ね返った前記可動体の位置情報を検出する第２工程と、
前記状態検出センサが取得した前記位置情報を前記モータ制御部で取得する第３工程と、
前記モータ制御部が前記状態検出センサから取得した位置情報に基づいて前記ステッピングモータに与える回転量を演算して指令を発し、前記ステッピングモータを回転させることによって原点位置を規定する第４工程と、
を有することを特徴とするステッピングモータ原点位置制御方法。
請求項３に記載のステッピングモータ原点位置制御方法において、
前記可動体の位置情報により算出される可動体と基準壁との距離が、所定のしきい値内になるまで前記第２工程から前記第４工程を繰り返し実施すること、
を特徴とするステッピングモータ原点位置制御方法。
請求項１〜４のいずれか１に記載のステッピングモータ原点位置制御装置又は方法を、燃料電池に設置される排気圧力調整用バルブの流体制御のために用いたことを特徴とする燃料電池。