JP4416541B2 - ステッピングモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電動アクチュエータの駆動源としてその使用が検討されているステッピングモータを制御するステッピングモータ制御方法に係り、特に、高価な機器を要することなく簡単な構成で所望の安定した起動特性を得ることができるように工夫したものに関する。

例えば、電動アクチュエータの動力源として使用されている駆動モータは、多くの場合サーボモータである。しかしながら、近年、そのコストを低減させるためにステッピングモータを閉ループで使用することが提案されている。これは、まず、ステッピングモータ自体のコストがサーボモータに比べて廉価であり、又、ステッピングモータを使用する場合には、いわゆるＵ、Ｖ、Ｗ相信号に相当する出力を必要としないために、エンコーダのコストも低減されるからである。

又、通常ステッピングモータの場合には、その起動時に、回転子の位置に関係なく固定の励磁シーケンスが実行される。すなわち、起動時の初回励磁位置は固定であり、励磁安定点は電気角上で３６０°おきに存在することになる。そして、初回励磁後の回転子は現地点から近い励磁安定点へ引き込まれるように移動する。

又、ステッピングモータには固有の不安定点が存在する。例えば、永久磁石型ステッピングモータ(永久磁石と巻き線電流とで励磁されるステッピングモータで、永久磁石部分がギャップに対向した構造になったもの、Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ
Ｔｙｐｅ、以下、ＰＭ型ステッピングモータという)、又は、複合型ステッピングモータ(永久磁石と巻き線電流とで励磁されるステッピングモータで、固定子と回転子の誘導子部分がギャップに対向した構造になったもの、Ｈｙｂｒｉｄ
Ｔｙｐｅ、以下、ＨＢ型ステッピングモータという)の場合、その回転子の永久磁石によるディテントトルクの不安定点が存在する。

又、可変リラクタンス型ステッピングモータ(巻き線電流だけによって励磁され、回転子が突極性の電磁材料で構成されたステッピングモータ、Ｖａｒｉａｂｌｅ
Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｔｙｐｅ、以下、ＶＲ型ステッピングモータという)、又は、上記ＨＢ型ステッピングモータの場合、その固定子と回転子の小歯が１／２ピッチだけずれた位置での不安定点が存在する。これらは励磁電流の大きさや励磁する相に依存することなく存在するものであって、多相励磁した時の励磁安定点がこの不安定点と同位置であるとその安定度を損なう要因となる。特に、ステッピングモータに発生するトルクに対してディテントトルクの割合が大きくなるとその影響は顕著で、固定子巻線の微小なばらつきやステッピングモータの機械的精度による静止角度誤差を含むヒステリシス誤差と相俟って停止位置精度の信頼性を低下させるものとなる。

又、回転子に回転検出器を設けず開ループ駆動されるステッピングモータにおいて、初回励磁動作は極めて大きな意味を持つ。起動時、任意位置へ励磁を行うと回転子はそこに移動し微少時間振動する。そのセトリングタイム経過後に自起動周波数内で駆動指令パルスをスローアップで印加しないと共振や脱調現象を引き起こす。このように安定した立ち上げを実現する為には十分なセトリングタイム経過後に駆動させる必要があるが、これは昨今のシステム起動における高速化の要求に相反するものである。併せて、この振動は機械系へのストレスとなり、騒音も誘発する。

これらの問題に対しては、例えば、図７及び図８に示すように、２回の停止励磁動作によって安定した立上動作を実現する方法や、さらにその1回目の励磁時間を２回目より短くする方法、又、回転子の電気角検出のためにアブソリュートエンコーダを搭載する方法、回転子の電気角検出のためにＶＲレゾルバを搭載して１電気角あたりの絶対位置を検出して安定した初期駆動を行う方法、等が提案されている。

そのような発明を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２等がある。

特開２０００−３７０９０ 特開２００３−１８７３８

上記従来の構成によると次のような問題があった。
まず、２回の停止励磁動作によって安定した立上動作を実現する方法の場合であるが、１回目と２回目の停止励磁時間の大小にかかわらず、例えば、図８に示すように、１回目の停止励磁位置（Ｐ１０）と２回目の停止励磁位置（Ｐ１１）の位置関係で、通電開始時の回転子と固定子の位置関係（初期位置Ｐ１３）が（Ｐ１０）の位置を含む（Ｐ１２）と（Ｐ１１）の間にあったとする。この時、停止励磁通電を行えば、回転子は１、２回目ともＣＣＷ方向に回転する。

その際、ステッピングモータを含む機械構成において、（Ｐ１１）の位置を含む（Ｐ１２）と（Ｐ１１）の間に、図８に示すように、ストッパ１０１等の障害物や何等かの拘束があると、（Ｐ１１）への移動が不可能となり、その結果、所望の電気角や位置確定が行えない結果となってしまうことになる。

又、回転子の電気角検出のためにアブソリュートエンコーダを搭載する方法の場合であるが、アブソリュートエンコーダは一般に高価でエンコーダとロータの位置整合性を執るための調整、等の工数も相当数かかってしまう。又、アブソリュートエンコーダから送られてくる情報の演算処理のために駆動ドライバ側の負担やコストも大きい。

さらに、回転子の電気角検出のためにＶＲレゾルバを搭載して１電気角あたりの絶対位置を検出して安定な初期駆動を行う方法も提案されているが、アブソリュートエンコーダ同様にその情報処理演算のための負荷やコスト高を有し、調整、等の工数も相当数掛かってしまうという問題があった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、簡単な構成で所望の安定した起動特性を得ることを可能にするステッピングモータ制御方法とステッピングモータ制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１によるステッピングモータ制御方法は、まず、電動アクチュエータ駆動用のステッピングモータ固有の無励磁時安定点を最終目標停止励磁位置として該最終目標励磁位置に対してオフセットした位置から最初の回転指令通電を行い、上記最初の回転指令通電によってステッピングモータの回転子が回転する際、上記電動アクチュエータの機械構成に起因した機械的制約がある場合は反制約方向に、機械的制約がない場合は任意方向に回転させるようにし、次いで、上記回転子が上記最終目標停止励磁位置まで回転・移動したところで停止励磁を行うようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項２によるステッピングモータ制御方法は、請求項１記載のステッピングモータ制御方法において、予め上記電動アクチュエータの機械構成に起因した機械的制約の有無と方向を確認しておき、最初の回転指令通電による回転子の回転方向を決定しておくことを特徴とするものである。
又、請求項３によるステッピングモータ制御方法は、請求項１記載のステッピングモータ制御方法において、上記電動アクチュエータの機械構成に起因した機械的制約の有無と方向をセンサを使用した機械判定によって検出し、その検出結果に基づいて最初の回転指令通電による回転子の回転方向を決定するようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項４によるステッピングモータ制御方法は、請求項１〜請求項３の何れかに記載のステッピングモータ制御方法において、最終目標停止励磁位置に対して１８０°ずれた位置から最初の回転指令通電を行うようにしたことを特徴とするものである。

以上述べたように本願発明によるステッピングモータ制御方法は、まず、電動アクチュエータ駆動用のステッピングモータ固有の無励磁時安定点を最終目標停止励磁位置として該最終目標励磁位置に対してオフセットした位置から最初の回転指令通電を行い、上記最初の回転指令通電によってステッピングモータの回転子が回転する際、上記電動アクチュエータの機械構成に起因した機械的制約がある場合は反制約方向に、機械的制約がない場合は任意方向に回転させるようにし、次いで、上記回転子が上記最終目標停止励磁位置まで回転・移動したところで停止励磁を行うようにしたので、比較的簡単な構成で、機械的な干渉を生じさせることなく、所望の起動制御を行うことができ、それによって、安定した起動特性を得ることができる。又、起動に要する時間を短縮させることができると共に騒音等の低減を図ることができる。

以下、図１乃至図６を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
まず、図１を参照して本発明によるステッピングモータ制御方法を採用した一軸タイプの電動アクチュエータの概略の構成を説明する。ハウジング１があり、該ハウジング１にはモーターカバ３が連結されている。上記モーターカバ３内にはステッピングモータ５が収容・配置されている。上記ステッピングモータ５は、２相ＨＢ型ステッピングモータである。図１中ステッピングモータ５の回転子を符号6で示す。

上記ステッピングモータ５の回転軸５ａには、ジョイント部材７を介してボールネジ９が連結されている。上記ボールネジ９にはボールナット１１が螺合していて、このボールナット１１には中空ロッド１３が固着されている。又、上記中空ロッド１３の先端にはロッド１５が連結されている。又、上記ジョイント部材７は軸受部材８、１０によって回転可能に支持されている。

そして、上記ステッピングモータ５が回転・駆動されることによりボールネジ９が回転し、このボールネジ９の回転によってその回転を規制されているボールナット１１が軸方向に移動する。このボールナット１１の移動によって、中空ロッド１３ひいてはロッド１５が軸方向に移動することになる。

上記構成をなす電動アクチュエータには磁気式エンコーダ２１が取り付けられている。この磁気式エンコーダ２１は、円板型マグネットの外周面又はスラスト方向面に多極着磁が施されていると共に、該多極着磁部に対して微細なギャップを介して磁気抵抗素子等の磁気検出素子が対向・配置されている。そして、上記マグネットが回転することにより微細磁束の変化を磁気検出素子によって検出して多パルス信号として出力するものである。
尚、エンコーダとしては磁気式エンコーダ以外にも光学式エンコーダの使用も考えられる。

又、上記ステッピングモータ５は、制御手段２３によって制御されるように構成されている。すなわち、制御手段２３は、上記磁気式エンコーダ２１からの検出信号及び別途入力される指令信号に基づいて、ステッピングモータ５を制御するものである。又、上記制御手段２３は、ステッピングモータ５の起動時において、所定の起動制御を実行し、それによって、安定した起動特性を提供するものである。

すなわち、上記制御手段２３による起動時の制御は次のようなものである。まず、ステッピングモータ５固有の無励磁時安定点を最終目標停止励磁位置とする。そして、上記最終目標励磁位置に対してオフセットした位置（この実施の形態の場合には１８０°オフセットさせる）から最初の回転指令通電を行う。それによって、ステッピングモータ５の回転子６は回転を開示することになるが、その際、機械的制約がある場合は反制約方向に、機械的制約がない場合は任意方向に回転させるように制御する。

本実施の形態の場合には、図１に示したアクチュエータの機械構成から、機械的制約の有無と方向を予め確認しておき、それによって、回転子６の回転方向を予め決定しておくように構成されている。

次いで、回転子６を上記最終目標停止励磁位置まで回転・移動させて停止励磁を行うように構成されているものである。

以上の構成を基にその作用を説明する。
図２はある1つの相に定格電流で励磁して回転子の軸に外部より角度変位を付与した時の角度とトルクの関係を示した図である。図２中、線図ａはディテントトルクの変化を示しており、線図ｂは定格電流通電時における発生トルクの変化を示している。又、図２中Ｐ５は発生トルクの安定点を示し、Ｐ１、Ｐ９は発生トルクの不安定点を示している。又、Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ７、Ｐ９は無励磁時の発生トルクの安定点を示し、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６、Ｐ８は無励磁時の発生トルクの不安定点を示している。

例えば、Ａ相に対してのみ通電するとその時の静止位置はＰ５となり、このＰ５では発生トルクとディテントトルクの双方が「０」となる安定点で極めて理想的な位置となる。又、このＰ５では静止角度誤差が小さく表れ易く、セトリングタイムも小さくなり易い。つまり、最終的にこの位置に励磁すれば信頼性の高い安定した立上が可能となり、それによって、起動時の時間を短縮させることができると共に振動の発生を最小限に抑制することができる。したがって、この実施の形態では、図２に示すＰ５が最終目標停止励磁位置ということになる。

次に、初回通電位置であるが、図３に示すように、最終目標停止励磁位置（図２におけるＰ５）から電気角上１８０°だけオフセットした位置(図２におけるＰ１又はＰ９)を初回通電位置とする。最終目標停止励磁位置（図２におけるＰ５）からオフセットした位置に初回通電位置を設定して通電する意味は次のようなものである。まず、回転子６の外的要因による拘束や静止角度誤差範囲からの脱出のきっかけを付与することにある。又、１度の励磁では初期位置が可動不可な領域に１相だけに励磁した時の停止位置が近い場合そこへの移動を避けるためと、データ転送タイプでない矩形波出力型のエンコーダを搭載している場合には、１電気角中に複数同一パターンがあるために位置の誤認を避けるためである。
尚、この実施の形態では、初回通電位置を最終目標停止励磁位置（図２におけるＰ５）から電気角上１８０°だけオフセットした位置(図２におけるＰ１、Ｐ９)としたが、それに限定されるものではない。

次に、図４に示すように、回転子６を任意の回転方向に回転させる。この場合、回転子６の回転方向は機械的制約のない方向である。本実施の形態の場合に、前述したように、機械的制約の有無と方向を予め確認してあるので、その回転方向は予め決定されているものである。
尚、回転方向を決定する方法についてはこれに限定されるものではなく、例えば、センサー等による機械判定やソフトウェア的処理によるもの等が考えられる。
又、回転時の駆動方法はマイクロステップ駆動が望ましいが、これについてもそれに限定されるものではない。

次に、図５に示すように、最終目標停止励磁位置（図２におけるＰ５）に１相停止励磁を行うものである。
以上の動作を時系列的に纏めると図６に示すようなものとなる。図６は動作を時系列的に示すタイミングチャートであり、まず、初期通電による磁極確定移動動作があり、次いで、安定点停止励磁動作がある。その後、通常の回転動作に入っていく。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、比較的簡単な構成で、機械的な干渉を生じさせることなく、所望の起動制御を行って、安定点である最終目標停止励磁位置（図２におけるＰ５）に位置決めすることが可能となり、それによって、安定した起動特性を得ることができる。又、起動に要する時間を短縮させることができると共に騒音等の低減を図ることができる。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
まず、ステッピングモータ５のタイプであるが、前記一実施の形態の場合には、２相ＨＢ型ステッピングモータとしたが、それ以外にもＶＲ型ステッピングモータ、ＰＭ型ステッピングモータ等に対しても同様に適用可能である。
又、ステッピングモータ５の相数に関しては特に制約はなく、単相、２相、３相、４相、５相、等、様々な構成のものが考えられる。
又、ステッピングモータ５の駆動方式に関しても制約はなく、例えば、ユニポーラ駆動(Ｕｎｉｐｏｌａｒ Ｄｒｉｖｅ、巻き線に対して一方向にだけ電流を流す駆動方式)、バイポーラ駆動(Ｂｉｐｏｌａｒ Ｄｒｉｖｅ、巻き線に対して双方向に電流を流す駆動方式)、等、様々なものが想定される。
又、ステッピングモータ５の励磁方式に関しても制約はなく、例えば、1相励磁(Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｈａｓｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ、常に1相だけに電流を流していく励磁方式)、２相励磁(Ｔｗｏ−Ｐｈａｓｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ、常に２相にわたって電流を流していく励磁方式)、１−２相励磁(Ｓｉｇｌｅ−Ｔｗｏ
Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ、一つの相と二つの相に，交互に電流を流していく励磁方式)、多相励磁(Ｐｏｌｙ−Ｐｈａｓｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ、常に多相にわたって電流を流していく励磁方式、３相励磁、４相励磁、５相励磁、２−３相励磁、３−４相励磁、４−５相励磁、等)、バーニア駆動(Ｖｅｒｎｉｅｒ Ｄｒｉｖｅ、一般に基本ステップ角、またはその１／２で運転されるステッピングモータに対して、巻き線電流をコントロールし基本ステップ角を電気的にさらに再分割する励磁方式、マイクロステップ駆動、ミニステップ駆動とも呼ぶ)、等様々な駆動方式が想定される。
又、ステッピングモータ５の回転子における位置もしくは速度の検出器の有無に制約はなく、又、検出器を有する場合その検出器は、光学式、磁気式、レゾルバ、等、その方式を問わない。

本発明の一実施の形態を示す図で、アクチュエータの全体の構成を示す断面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、２相ＨＢ型ステッピングモータの場合において１相だけに励磁した時に回転子軸に外部より角度変位を与えた時の角度とトルクの関係を示す図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、回転子が回転動作を始める初回指令位置を示す図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、回転子の回転移動を示す図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、最終停止励磁で無励磁時の安定点に励磁する様子を示す図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、動作を時系列的に示すタイミングチャートである。 従来例を示す図で、２相のステッピングモータについて２相励磁方式特の２回停止例示方式の時系列を示すタイミングチャートである。 従来例を示す図で、図７における１電気角中の回転子の動作を示す図である。

符号の説明

５ ステッピングモータ
６ 回転子
２３ 制御装置

Claims (4)

1. まず、電動アクチュエータ駆動用のステッピングモータ固有の無励磁時安定点を最終目標停止励磁位置として該最終目標励磁位置に対してオフセットした位置から最初の回転指令通電を行い、
   上記最初の回転指令通電によってステッピングモータの回転子が回転する際、上記電動アクチュエータの機械構成に起因した機械的制約がある場合は反制約方向に、機械的制約がない場合は任意方向に回転させるようにし、
   次いで、上記回転子が上記最終目標停止励磁位置まで回転・移動したところで停止励磁を行うようにしたことを特徴とするステッピングモータ制御方法。
2. 請求項１記載のステッピングモータ制御方法において、
   予め上記電動アクチュエータの機械構成に起因した機械的制約の有無と方向を確認しておき、最初の回転指令通電による回転子の回転方向を決定しておくことを特徴とするステッピングモータ制御方法。
3. 請求項１記載のステッピングモータ制御方法において、
   上記電動アクチュエータの機械構成に起因した機械的制約の有無と方向をセンサを使用した機械判定によって検出し、
   その検出結果に基づいて最初の回転指令通電による回転子の回転方向を決定するようにしたことを特徴とするステッピングモータ制御方法。
4. 請求項１〜請求項３の何れかに記載のステッピングモータ制御方法において、
   最終目標停止励磁位置に対して１８０°ずれた位置から最初の回転指令通電を行うようにしたことを特徴とするステッピングモータ制御方法。

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