JP4987302B2 - ステッピングモータの駆動方法 - Google Patents
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Description
この特許文献1に記載されたステッピングモータの駆動装置は、ステッピングモータを励磁するための電気信号を送出する駆動回路と、ステッピングモータの駆動に係る負荷トルクを検知する負荷トルク検知手段と、負荷トルク検知手段が検知する負荷トルクに応じた駆動指令値を送出することによって前記駆動回路における電気信号を定める制御回路とで構成されている。
起動からいきなり運転速度を指令せず時間をかけて直線状に加速して運転速度に到達、運転速度から時間をかけて直線状に減速し停止する、いわゆる「台形駆動」と呼ばれる速度プロファイルを形成する。ステッピングモータの駆動においては時間をかけて変速することで加速度、すなわち加減速時の必要トルクを抑え、モータの同期が失われる(以下、脱調)のを防ぐ。従来の方法では運転プロファイル生成機能への入力は移動量または目標位置情報の他に起動速度、運転速度、加速時間、減速時間など速度プロファイルの台形形状に関わる情報を入力する。
しかしながら、このような従来のステッピングモータの運転速度プロファイル生成方法にあっては、 負荷慣性、摩擦、重力から決まる必要トルクが図10の速度−トルク特性及びトルクマージンより決まるモータトルク(図中、使用可能なトルク)以下に収まるように加減速時間や運転速度を決定しなければならないため、設計の手間が多いという問題点があった。
しかし台形駆動では加速度一定で直線状に加速するため、図11のように最もモータトルクが低くなる、運転速度最大時のモータトルク1点によって全体の加減速トルク(すなわち加速時間、減速時間)が決定される場合がほとんどである。その場合、低速時の大きなモータトルクは使われないことになり、その分、位置決め時間が短縮できてないという問題点があった。
代表的な速度〔V〕、設定電流〔I〕、入力電圧〔Vin〕におけるモータトルク情報を予め記憶装置に所有し、
位置決め運転の実行指令を検出すると、運転開始前に速度プロファイルに関する各値を計算し、
指定された設定電流に対する定格トルクTQ[n]を速度-トルク特性から速度区間V[n]について計算するステップと、
計算された定格トルクTQ[n]と負荷情報から加速時間TA[n]、減速時間TD[n]を計算するステップと、
区間nにおける加速時と減速時の移動量を求め、これを加算して累積移動量を算出するステップと、
上記3ステップを1速度区間とし、それを終える毎に累積移動量と指令移動量を比較するステップと、
累積移動量が指令移動量を超えない場合は区間nをインクリメントして次の速度区間について同じ3ステップを繰り返すステップと、
累積移動量が指令移動量を上回った場合は速度区間を1つ戻し、その速度から三角駆動で残りの移動量を満たすようなピーク速度、加速時間、減速時間を再計算するステップと、
によりプロファイル形状を完成し、
生成した配列を用いて定期処理で指令速度、指令位置をリアルタイムに計算し、モータ駆動回路へ指令位置情報をリアルタイムに伝達して、加速中、減速中に加速度を切り替えながら加減速することにある。
また、本発明は、前記負荷情報として慣性、摩擦、重力を用いることにある。
運転速度プロファイルを生成し、この運転速度プロファイルに基づきモータ駆動回路を制御してステッピングモータを駆動するステッピングモータの駆動方法において、運転速度プロファイル生成機能に移動量の他に負荷情報を入力して、運転速度プロファイルを作成し、この運転速度プロファイルに基づきリアルタイムに変化する位置情報からモータ駆動回路を制御してステッピングモータを駆動するとともに、運転速度プロファイル生成機能のシステムは、代表的な速度〔V〕、設定電流〔I〕、入力電圧〔Vin〕におけるモータトルク情報を予め記憶装置に所有し、位置決め運転の実行指令を検出すると、運転開始前に速度プロファイルに関する各値を計算し、指定された設定電流に対する定格トルクTQ[n]を速度-トルク特性から速度区間V[n]について計算するステップと、計算された定格トルクTQ[n]と負荷情報から加速時間TA[n]、減速時間TD[n]を計算するステップと、区間nにおける加速時と減速時の移動量を求め、これを加算して累積移動量を算出するステップと、上記3ステップを1速度区間とし、それを終える毎に累積移動量と指令移動量を比較するステップと、累積移動量が指令移動量を超えない場合は区間nをインクリメントして次の速度区間について同じ3ステップを繰り返すステップと、累積移動量が指令移動量を上回った場合は速度区間を1つ戻し、その速度から三角駆動で残りの移動量を満たすようなピーク速度、加速時間、減速時間を再計算するステップと、によりプロファイル形状を完成し、生成した配列を用いて定期処理で指令速度、指令位置をリアルタイムに計算し、モータ駆動回路へ指令位置情報をリアルタイムに伝達して、加速中、減速中に加速度を切り替えながら加減速するので、負荷情報と移動量入力だけで位置決め運転ができるようになり、効率の高い最短位置決めが自動生成できる。また、フィードバックシステムでないため(開ループ)応答がばらつかない、繰り返し性がよい。
運転速度プロファイル生成機能のシステムはモータトルク情報を内部に持ち、指定された負荷情報を元に速度別に使用可能なトルクから加速度を計算し、加速中、減速中に加速度を切り替えながら加減速するので、前記運転速度プロファイルに、指定された負荷情報及びモータ出力トルクの利用率に基づいて加減速プロファイルを生成することから、トルクマージンを一定に保ち最適効率で運転されるため脱調の不安が低減する。
前記負荷情報として慣性、摩擦、重力を用いるので、機器の応答、負担に応じてトルクマージンの指定により運転全体のアグレッシブ度を容易に変更できる。
3は、運転速度プロファイル生成装置で、この運転速度プロファイル生成装置3は、運転速度プロファイルに基づきモータ駆動回路2を制御するものである。この運転速度プロファイル生成装置3には、運転速度プロファイル生成機能に指令移動量または目標位置と、負荷情報を運転前に入力して、運転速度プロファイルを作成するものである。前記負荷情報としては慣性、摩擦、重力及びトルクマージンなどが採用される。
運転プロファイラ生成機能において、システムは、図2に示すように、代表的な速度〔V〕、設定電流〔I〕、入力電圧〔Vin〕におけるモータトルク情報を予めメモリなどの記憶装置に所有する。
・速度[RPS] [ 1, 2, 3.2, 5, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 70, 90]
・電流[定格値(I)に対する比率[%][25, 50, 75, 100]
・ドライバ電圧[V][12, 24, 36, 48]
位置決め運転の実行指令を検出すると、運転開始前に図3に示すような速度プロファイルに関する各値を計算する。図4はその計算手順を示す処理フローである。
(1).指定された設定電流に対する定格トルクTQ[n]を速度-トルク特性から速度区間V[n]について計算する(ステップS1)。nを0から始め、1ずつインクリメントしていく。
(nは速度区間数、本例ではn=15)
(2).計算された定格トルクTQ[n]とトルク利用率TU、慣性LI、摩擦LF、重力LGなどの負荷情報から加速時間TA[n]、減速時間TD[n]を計算する(ステップS2)。加速時間TA[n]、減速時間TD[n]は次式によって求める。
プロファイル形状が完成したら、図5に示す処理フローに従い生成した配列を用いて定期処理で指令速度、指令位置をリアルタイムに計算し、図1に示すモータ駆動回路2へ指令位置情報をリアルタイムに伝達する。
まず、ステップS11で、運転開始をしたか(YES)、否か(NO)を判定し、NOならばステップS11で確認する。YESならばステップS12に行き、運転前計算を行う。
図6に直線加速との比較を示す。左の図6(a)が本発明による自動運転速度プロファイラの応答例、右の図6(b)が直線加速の応答例である。
波形:上から指令速度50[RPS/2div]、指令トルク1[Nm/2div]、実速度32.05[RPS/div]、時間軸100[msec/div]
図6(a)の自動速度プロファイラでは脱調することなく位置決めできている。図6(b)の直線加速ではそれと同じ加減速時間になるように指令したが追従できず、脱調してしまったことが示されている。
波形:上から指令速度30[RPS/2div]、指令トルク1[Nm/2div]、実速度12.82[RPS/div]、時間軸50[msec/div]
慣性負荷が大きくなるにつれて加減速が緩やかになることが分かる。
波形:上から指令速度30[RPS/2div]、指令トルク1[Nm/2div]、実速度12.82[RPS/div]、時間軸50[msec/div]
摩擦負荷があるときは摩擦が減速時のブレーキトルクになり減速時間が短縮されることがわかる。
このように、本発明は、負荷情報と移動量入力だけで位置決め運転ができるようになり、効率の高い最短位置決めが自動生成できる。
トルクマージンを一定に保ち最適効率で運転されるため脱調の不安が低減する。
機器の応答、負担に応じてトルクマージンの指定により運転全体のアグレッシブ度を 容易に変更できる。
フィードバックシステムでないため(開ループ)応答がばらつかない、繰り返し性がよい。
2 モータ駆動回路
3 運転速度プロファイル生成装置
4 リアルタイム指令位置生成装置
Claims (2)
- 運転速度プロファイルを生成し、この運転速度プロファイルに基づきモータ駆動回路を制御してステッピングモータを駆動するステッピングモータの駆動方法において、運転速度プロファイル生成機能に移動量の他に負荷情報を入力して、運転速度プロファイルを作成し、この運転速度プロファイルに基づきリアルタイムに変化する位置情報からモータ駆動回路を制御してステッピングモータを駆動するとともに、
運転速度プロファイル生成機能のシステムは
代表的な速度〔V〕、設定電流〔I〕、入力電圧〔Vin〕におけるモータトルク情報を予め記憶装置に所有し、
位置決め運転の実行指令を検出すると、運転開始前に速度プロファイルに関する各値を計算し、
指定された設定電流に対する定格トルクTQ[n]を速度-トルク特性から速度区間V[n]について計算するステップと、
計算された定格トルクTQ[n]と負荷情報から加速時間TA[n]、減速時間TD[n]を計算するステップと、
区間nにおける加速時と減速時の移動量を求め、これを加算して累積移動量を算出するステップと、
上記3ステップを1速度区間とし、それを終える毎に累積移動量と指令移動量を比較するステップと、
累積移動量が指令移動量を超えない場合は区間nをインクリメントして次の速度区間について同じ3ステップを繰り返すステップと、
累積移動量が指令移動量を上回った場合は速度区間を1つ戻し、その速度から三角駆動で残りの移動量を満たすようなピーク速度、加速時間、減速時間を再計算するステップと、
によりプロファイル形状を完成し、
生成した配列を用いて定期処理で指令速度、指令位置をリアルタイムに計算し、モータ駆動回路へ指令位置情報をリアルタイムに伝達して、
加速中、減速中に加速度を切り替えながら加減速することを特徴とするステッピングモータの駆動方法。 - 前記負荷情報として慣性、摩擦、重力を用いることを特徴とする請求項1に記載のステッピングモータの駆動方法。
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