JP5770701B2 - ステッピングモータの駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転検出部の検出信号によりロータの位置情報及び速度情報をモータ制御部が取得してフィードバック制御を行ってモータコイルへモータ電流を出力するステッピングモータの駆動制御装置に関する。

ステッピングモータの駆動制御装置は、例えば特許第４９７９６４６号に開示されるものが知られている。このモータの駆動制御装置は、ステッピングモータをマイクロステップ駆動で始動し、回転子の速度が中高速になると、駆動切替器によって速度サーボ駆動に切り替え、停止位置に近づくとモータが減速し、低速となったところで駆動切替機によってマイクロステップ駆動に切り替えて停止するようになっている（特許文献１参照）。

特開２０１０−２８９４９号公報

上述したステッピングモータの駆動制御装置は、低速領域でマイクロステップ駆動を行って高精度な位置決めを行い、それ以外の中高速領域では要求トルクに見合ったモータ電流を流す速度サーボ制御を行う。しかしながら、単一の駆動モードで駆動制御されているため、ステッピングモータを利用する場面が限定される。また、ステッピングモータは、駆動停止中でも常に定電流が流れて消費電力が増大してしまったりハンチングが発生したりする場合があり、さらにはモータの回転が安定する高速回転領域で回転トルクが不足して使用できなかったりする場合もあり、必ずしもユーザーのニーズに合致した態様でステッピングモータを利用できなかった。
よって、使用する場面に応じて、低速域で位置決め精度が高いステッピングモータの定電流制御（ステップ駆動）と、電力効率が良いサーボモータのモータ電流制御（省電力駆動）を適宜組み合わせ、ユーザーのニーズに合わせたステッピングモータの動作モードを選択できることが望まれる。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、使用する場面に応じて、ステッピングモータのステップ駆動と省電力駆動を含む動作モードの中から任意の動作モードを選択してモータ駆動することで低騒音、低振動、省電力駆動を行える汎用性の高いステッピングモータの駆動制御装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
回転検出部の検出信号によりロータの位置情報及び速度情報をモータ制御部が取得してフィードバック制御を行ってモータコイルへモータ電流を出力するステッピングモータの駆動制御装置であって、前記モータ制御部は、前記ステッピングモータを定電流制御するステップ駆動とベクトル制御する省電力駆動を含む複数の動作モードから任意の動作モードを選択可能なモード設定手段と、前記モード設定手段による動作モードの選択に応じて実行される動作プログラムにおいて、前記ステッピングモータの動作の位置制定期間、低速期間または高速期間のそれぞれで前記ステップ駆動と前記省電力駆動の切替えを行う駆動切り替え部と、前記駆動切り替え部で切り替えられた駆動方法に応じて前記ステッピングモータに励磁相を切り替えて前記モータコイルへモータ電流を出力するモータ電流制御部と、を具備したことを特徴とする。
上記構成によれば、モード設定手段によりステッピングモータの複数の動作モードから任意の動作モードを選択することで、駆動切り替え部で切り替えられた駆動方法（ステップ駆動又は省電力駆動）に応じてモータ電流制御部により励磁相を切り替えてモータコイルへモータ電流を出力する。
よって、ユーザーが使用する場面に応じて動作モードを選択して、位置制定期間においてホールディングトルクが高く低速期間で位置決め精度が高いステップ駆動と、高速期間で安定した回転が得られかつ電力効率が良い省電力駆動を使い分けることで、顧客の利用場面に応じてステッピングモータを低騒音、低振動、省電力で駆動することが可能となる。

前記モード設定手段は、モータを始動してから停止させるまで、前記省電力駆動によりモータ電流のベクトル制御を行って省電力モードで駆動する第１動作モード、前記位置制定期間は前記ステップ駆動によりモータ電流を定電流制御する定電流モードで駆動し、低速運転期間及び高速運転期間は前記省電力モードで駆動する第２動作モード、前記位置制定期間及び低速運転期間は前記定電流モードで駆動し、前記高速運転期間は前記省電力モードで駆動する第３動作モード、前記位置制定期間及び高速運転期間は前記省電力モードで駆動し前記低速運転期間は前記定電流モードで駆動する第４動作モードを有しており、これらの動作モードを外部機器又はスイッチを含む入力手段を通じて選択可能になっていることが望ましい。
即ち、前記モード設定手段は、ユーザーによる前記入力手段からの入力を待って、前記第１動作モード乃至第４動作モードのうちいずれか選択された動作モードに対応する動作プログラムを実行することが望ましい。
これにより、顧客がステッピングモータを使用する場面に応じてステップ駆動と省電力駆動を含む動作モードの中から最適な動作モードを選択して省電力化を図りながら必要トルク（回転トルク、ホールディングトルク）及び高効率が得られるのでステッピングモータの汎用性が広がる。

前記モータ制御部は、ステップ駆動と省電力駆動に対応して各々位置と速度の両方またはいずれか一方のＰＩＤ制御器を備えており、各ＰＩＤ制御器の積分要素と微分要素がモード切替えの前後で各々更新されるように制御されることが望ましい。
これにより、位置制定期間、低速度期間および高速期間のそれぞれでステップ駆動と省電力駆動の切り替えがスムーズに行え、運転切り替えにより動作が不安定になりモータ電流が乱れて振動や騒音が発生するのを防ぐことができる。

上述したステッピングモータの駆動制御装置を用いれば、使用する場面に応じて、ステッピングモータのステップ駆動と省電力駆動を含む動作モードの中から任意の動作モードを選択してモータ駆動することで低騒音、低振動、省電力駆動を行える汎用性の高いステッピングモータの駆動制御装置を提供することができる。

ステッピングモータの駆動制御装置のブロック構成図である。 モータ駆動回路の一例を示すブロック構成図である。 マイクロコンピュータにおいて実行される動作プロクラムの機能を示すブロック構成図である。 第１，第２動作モードの一例を示す説明図である。 第３，第４動作モードの一例を示す説明図である。

以下、本発明に係るステッピングモータの駆動制御装置の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態では、一例として二相ステッピングモータの駆動制御装置のブロック構成について例示する。ステッピングモータは、ＰＭ型、ＶＲ型、ハイブリッド型のいずれであってもよい。

図１のブロック図を参照して、二相ステッピングモータの駆動制御装置の概略構成について説明する。
二相ステッピングモータ１は、例えばＰＭ型においてはロータヨークに永久磁石を設けた永久磁石ロータと、ステータコアの極歯の回りにモータコイルを巻き付けられたステータと、モータ軸に連結してロータの回転位置及び回転速度を検出するエンコーダ２（回転検出部）を備えている。エンコーダ２を用いることで、高信頼性（脱調レス）を実現している。尚、エンコーダ２に変えてホールＩＣ等の磁極センサを設けてもよい。本実施例では二相ステッピングモータであるため、ステータには電気角で位相が１８０度異なるＡ相コイルとＢ相コイルが巻き付けられている。各相モータコイルには、後述するモータドライバ回路により所定のタイミングでモータ電流が流れる。

上記ロータ位置及び速度を検出するエンコーダ信号（Ａ／Ｂ位相、Ｚ信号）はモータ制御部３（モータドライバ回路）に出力される。モータ制御部３は二相ステッピングモータ１へ励磁信号を出力する。モータ制御部３は、二相ステッピングモータ１をＡＣサーボモータと同様にフルクローズドループでソフトウェアに基づいてフィードバック制御を行うことで、ロータ位置と回転速度が制御されるようになっている。

モータ制御部３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどの各種制御素子を備えたマイクロコンピュータ４とモータ電流を制御する電力制御回路５を備えている。また、二相ステッピングモータ１の動作モードを選択可能なモード設定スイッチ６を備えていてもよい。マイクロコンピュータ４は、パーソナルコンピュータ７に備えたモード設定用アプリケーションソフトウェアにより選択された動作モードに基づき二相ステッピングモータ１の動作を制御する。
また、モード設定スイッチ６によって、ユーザーがいずれかの動作モードを選択可能になっている。モード設定手段は、モード設定スイッチ６やパーソナルコンピュータ７等の外部機器を含む入力手段からの入力によりモード選択が可能となっている。尚、パーソナルコンピュータ７に代えて各種携帯情報端末（ノートパソコン、タブレットＰＣ等）を用いることも可能である。

モータ制御部３には、上位コントローラ８（例えばプログラマブルロジックコントローラ（programmable logic controller；ＰＬＣ））からモータの回転指令や位置指令などの信号が入力される。マイクロコンピュータ４は、これらの信号入力や、エンコーダ２からのロータ位置・速度情報、電力制御回路５からのモータ電流情報に基づいてＰＷＭ（pulse width modulation：パルス幅変調）信号を生成する。

次に図２にモータドライバ回路の一例を示す。マイクロコンピュータ４は、ＰＷＭゲート駆動パルスを出力してＡ相ゲートドライバ９ａ，９ｂをＯＮ／ＯＦＦしてハーフブリッジ回路Ａ，Ａ^〜を通じてモータコイルのＡ相に通電する。同様にＰＷＭゲート駆動パルスを出力してＢ相ゲートドライバ９ｃ，９ｄをＯＮ／ＯＦＦしてハーフブリッジ回路Ｂ，Ｂ^〜を通じてモータコイルのＢ相に通電する。各ハーフブリッジ回路を構成する部品として、例えば高性能ゲートドライバとＭＯＳＦＥＴを用いることにより低発熱で高効率化を実現することができる。各相コイルに流れる電流量は、電流センサ１０ａ，１０ｂにより検出される。モータ電流の制御は後述する動作モードにしたがってソフトウェアにより行われる。また、エンコーダ２の分解能にしたがって、ステッピングモータ本来の任意角度によるステップ駆動も行える。
また、マイクロコンピュータ４には、モータ駆動電源としてはＡ／Ｄ変換された例えば２４Ｖ〜４８Ｖのモータ駆動電圧が供給される。また、モータドライバ回路を異常電圧から保護するため過電圧保護回路１１が接続されている。

次に図３において、マイクロコンピュータ４において実行される動作プロクラムの機能を示すブロック構成図を参照して説明する。
動作モードは、図１に示すパーソナルコンピュータ７にインストールされたアプリケーションプログラムにより設定される。マイクロコンピュータ４は、ステッピングモータ１のステップ駆動と省電力駆動を含む複数の動作モードから任意の動作モードを選択可能になっている。マイクロコンピュータ４は、動作モードが選択されると、当該動作モードに対応するプログラムを実行し、目標軌跡生成部１５において目標位置と目標速度の両方またはいずれか一方とエンコーダ２からの現在の回転速度・位置情報から新たにロータの回転速度や位置指令を出力する。

また、目標軌跡が生成された動作プログラムが実行されると、ステッピングモータ１の動作を低速期間で速度制御する低速運転サーボと停止期間で停止位置を制定する位置制定サーボ（以下単に「低速、位置制定運転サーボ」という）１４ａと、ステッピングモータ１が安定回転する高速期間で速度制御する高速運転サーボ１４ｂのいずれかが選択されてモータ駆動制御が行われる。また、駆動切り替え部の一例であるサーボ切り替え部１２は、選択された動作モードに従い実行される動作プログラムにおいて、エンコーダ２からのロータ位置・速度信号に基づいて低速、位置制定運転サーボ１４ａと高速運転サーボ１４ｂを切り替える。

また、サーボ切り替え部１２で切り替えられたサーボ（低速、位置制定運転サーボ１４ａ又は高速運転サーボ１４ｂ）に応じてモータ電流制御部１３に対して電流フィードバックゲイン、トルク指令、界磁指令、ロータ位相等の指令値が出力される。モータ電流制御部１３はこれらの指令値入力にしたがって、ＰＷＭ信号を生成して励磁相を切り替えてモータ電流をモータコイルに出力する。

次に、モータ制御部３においてソフトウェアによって実行される動作モードの一例について図４及び図５を参照して説明する。
図４おいて、第１動作モードは、ステッピングモータを始動してから停止させるまで（期間Ｉ〜Ｖ）省電力駆動によりモータ電流をベクトル制御する省電力モードである。例えば、１０ｒｐｍ未満でスムーズな回転を必要としないユーザーや位置制定にステッピングモータと同等のホールド特性を求めないユーザーに向いている。このようにモータ始動から停止までモータ電流をベクトル制御することで、動作モード中最も省電力で電力効率が良い。但し、第１動作モードは位置制定期間や低速回転期間、ゴムベルトなどの弾性負荷の場合にサーボ制御が乱れるおそれがある。

図４において、第２動作モードは、位置制定期間（ホールド期間Ｉ，Ｖ）はステップ駆動によりモータ電流を定電流制御する定電流モード（通常のステッピングモータ駆動）とし、低速運転期間（II，IV）及び高速運転期間（III）は省電力モード（ベクトル制御駆動）とする。
第２動作モードの場合、位置制定期間（ホールド期間Ｉ，Ｖ）中は、ステッピングモータの特徴である強いホールディングトルクによって安定した位置制定を行うことができる。

図５において、第３動作モードは、位置制定期間（ホールド期間Ｉ，Ｖ）及び低速運転期間（II，IV）は定電流モード（通常のステッピングモータ駆動）とし、高速運転期間（III）は省電力モード（ベクトル制御駆動）とする。
これにより、位置制定期間（ホールド期間Ｉ，Ｖ）及び低速運転期間（II，IV）はステッピングモータの最大の利点である位置決め精度の高い定電流駆動を行い、回転速度が安定する高速運転期間（III）は省電力モード（ベクトル制御駆動）とすることで、低速から高速まで回転が安定し、全域にわたって低振動、低騒音で駆動することができる。

また、第４動作モードは、モータ位置制定期間（ホールド期間Ｉ，Ｖ）及び高速運転期間（III）は省電力モードとし、低速運転期間（II，IV）は定電流モード（通常のステッピングモータ駆動）とする。
これによりステッピングモータが停止している時間が長い場合には省電力化を図ることができ、モータの駆動中は低速域から高速域まで安定回転させることができる。

また、モータ制御部３は、ステップ駆動（定電流モード）と省電力駆動（省電力モード）に対応して各々位置と速度の両方またはいずれか一方のＰＩＤ制御器を備えており、各位置と速度の両方またはいずれか一方のＰＩＤ制御器の積分要素と微分要素がモード切替えの前後で各々更新されるように制御される。これにより、動作モード中に異なる運転へ切り替わった際に動作が不安定になりモータ電流が乱れて振動や騒音が発生するのを防ぐことができる。

尚、動作モード第１〜第４動作モードについて説明したが、ソフトを改変してさらに追加の動作モードを設けるのは自由である。
また、ステッピングモータの定電流制御は、フルステップ駆動に限らずマイクロステップ駆動であってもよい。
また、本実施例では二相ステッピングモータについて説明したが、この三相以上の多相ステッピングモータであっても良いし、モータはインナーロータ型であってもアウターロータ型であってもいずれでもよい。

１ 二相ステッピングモータ
２ エンコーダ
３ モータ制御部
４ マイクロコンピュータ
５ 電力制御回路
６ モード設定スイッチ
７ パーソナルコンピュータ
８ 上位コントローラ
９ａ，９ｂ Ａ相ゲートドライバ
９ｂ，９ｄ Ｂ相ゲートドライバ
１０ａ，１０ｂ 電流センサ
１１ 過電圧保護回路
１２ サーボ切り替え部
１３ モータ電流制御部
１４ａ 低速、位置制定運転サーボ
１４ｂ 高速運転サーボ
１５ 目標軌跡生成部

Claims (3)

1. 回転検出部の検出信号によりロータの位置情報及び速度情報をモータ制御部が取得してフィードバック制御を行ってモータコイルへモータ電流を出力するステッピングモータの駆動制御装置であって、
   前記モータ制御部は、前記ステッピングモータを定電流制御するステップ駆動とベクトル制御する省電力駆動を含む複数の動作モードから任意の動作モードを選択可能なモード設定手段と、
   前記モード設定手段による動作モードの選択に応じて実行される動作プログラムにおいて、前記ステッピングモータの動作の位置制定期間、低速期間または高速期間のそれぞれで前記ステップ駆動と前記省電力駆動の切替えを行う駆動切り替え部と、
   前記駆動切り替え部で切り替えられた駆動方法に応じて前記ステッピングモータに励磁相を切り替えて前記モータコイルへモータ電流を出力するモータ電流制御部と、を具備し、
   前記モード設定手段は、モータを始動してから停止させるまで、前記省電力駆動によりモータ電流のベクトル制御を行って省電力モードで駆動する第１動作モード、前記位置制定期間は前記ステップ駆動によりモータ電流を定電流制御する定電流モードで駆動し、低速運転期間及び高速運転期間は前記省電力モードで駆動する第２動作モード、前記位置制定期間及び低速運転期間は前記定電流モードで駆動し、前記高速運転期間は前記省電力モードで駆動する第３動作モード、前記位置制定期間及び高速運転期間は前記省電力モードで駆動し、前記低速運転期間は前記定電流モードで駆動する第４動作モードを有しており、前記各動作モードを外部機器又はスイッチを含む入力手段を通じて選択可能になっていることを特徴とするステッピングモータの駆動制御装置。
2. 前記モータ制御部は、前記ステップ駆動と前記省電力駆動に対応して各々位置と速度の両方又はいずれか一方のＰＩＤ制御器を備えており、前記ＰＩＤ制御器の積分要素と微分要素がモード切替えの前後で各々更新されるように制御される請求項１記載のステッピングモータの駆動制御装置。
3. 前記モード設定手段は、ユーザーによる前記入力手段からの入力を待って、前記第１動作モード乃至第４動作モードのうちいずれか選択された動作モードに対応する動作プログラムを実行する請求項１又は請求項２記載のステッピングモータの駆動制御装置。

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