JPH11252994A

JPH11252994A - ステッピングモータの制御装置および制御方法

Info

Publication number: JPH11252994A
Application number: JP4801098A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ogawa; 武志小川
Original assignee: DIA DICK SYSTEMS KK
Current assignee: DIA DICK SYSTEMS KK
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】負荷変動特性をさらに改善し、安定した動作
制御が可能なステッピングモータの制御装置および制御
方法を提供する。【解決手段】制御装置は、ステッピングモータ７、駆
動回路４、出力回転角を検出して検出信号を出力するエ
ンコーダ８、指令信号を出力する目標指令部９、指令信
号と検出信号とを比較する位置比較制御部１、該比較結
果に基づいて駆動進み角および駆動電流を決定して出力
する選択制御部２、使用するステッピングモータ７の動
作特性をシミュレートした結果、指令信号および検出信
号に基づいて、選択制御部２が出力する駆動進み角およ
び駆動電流をそれぞれ補正するための進み角補正値およ
び電流補正値を出力するオブザーバ回路５を備える。こ
れによって、ステッピングモータ７の動作が細かく監視
されるので、急激な負荷変動などに対応でき、安定な動
作を実現することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数相の巻線を有
するステッピングモータの制御装置および制御方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ステッピングモータの閉ループ制御に関
して、文献［Application of theClosed-Loop Stepping
Moter](IEEE Trans.On Automatic Control,T.R.FREDRI
KSEN,Vol.AC 13,No.5 Oct.1968）が提案されている。図
１４を用いて、この閉ループ制御の特徴を簡単に説明す
る。

【０００３】まず第１に、モータ１０１の回転角で表さ
れる位置を検出するエンコーダ１０２は、モータ１０１
の相数と同数の出力チャンネルを有する。たとえば、４
相モータの場合には、エンコーダは４チャンネルの出力
信号を有する。これによって、モータ１０１の停止時
に、励磁された相が容易に把握される。第２に、エンコ
ーダ１０２の出力信号を基に電流を流すべき相の巻線１
０３ａ〜１０３ｄを決定し、モータ１０１の回転状態、
すなわち停止、加速、減速、定常回転、高速回転を制御
する。第３に、位置付けされるべき最終目標回転角まで
の回転角変位と最終目標回転角を通過するときのモータ
１０１の回転状態とを予め定めておくか、または、その
角変位の間に要する残りパルス数と通過時の励磁条件と
を予め定めておくかして、モータ１０１を制御する。

【０００４】このようなステップモータの閉ループ制御
は、特に高速性能を改善するが、モータの動作途中に負
荷変動が生じると、停止時に大きな振動を発生し、位置
付けが完了せず、位置付け時間が増大するという欠点を
有している。

【０００５】そこで、上記欠点を改善した先行技術とし
て、特公昭５７−３４７５８が考案されている。図１５
を用いて、その特徴を簡単に説明する。

【０００６】第１に、FREDRIKSENの閉ループ制御をベー
スとして、それに回転角ループ、回転角速度ループ、電
流ループの帰還回路を付加し、外部指令信号を与え、動
作途中の負荷変動に対してモータ２０１の巻線電流を制
御することで、負荷変動特性を改善している。第２に、
負荷が増加した場合、モータ２０１の回転角速度は低下
する。低下した回転角速度を補償するために、巻線電流
を増加させるように励磁回路２０２は働き、回転角速度
の低下を防ぐ効果を生んでいる。第３に、負荷が減少し
た場合、上記の第１および第２の特徴と全く逆の動作
で、同じく回転角速度の変動を防いでいる。第４に、モ
ータ２０１の負荷変動に対して、励磁回路２０２でモー
タ２０１への電気エネルギの増減を制御することによっ
て、負荷変動特性を改善し、停止時の振動を抑えてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特公昭５７−３４７５
８では、外部指令信号は、ステッピングモータ２０１の
回転角の時間変動を細かく指令するものであるので、よ
り大きな負荷外乱が発生したときに、モータ２０１が低
速回転状態に陥り、さらには停止状態に至ることがあ
る。この状態で、ある程度の時間が経過した後に負荷外
乱が取り除かれても、外部指令信号は既に終了し、モー
タ２０１は最終目標回転角に達することができない。さ
らに、モータ２０１の制御不能状態に陥る不具合をも生
じる可能性がある。これは本来、ステッピングモータ２
０１のフィードバック制御が抱えている問題であり、新
規な制御手法の導入以外にその改善は難しい。

【０００８】本発明の目的は、負荷変動特性をさらに改
善し、安定した動作制御が可能なステッピングモータの
制御装置および制御方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ステッピング
モータと、ステッピングモータを駆動する駆動手段と、
ステッピングモータの出力回転角を検出して回転角信号
を出力する検出手段と、モータの起動から停止までの
速度関数を記憶し、該速度関数に基づいて目標指令信号
を出力する指令手段と、目標指令信号と回転角信号とを
比較する比較手段と、該比較結果に基づいて、ステッピ
ングモータの駆動進み角および駆動電流を決定して出力
する制御手段と、使用するステッピングモータの動作特
性をシミュレートすることにより、目標指令信号および
回転角信号に基づいて、制御手段が出力する駆動進み角
および駆動電流をそれぞれ補正するための進み角補正信
号および電流補正信号を出力するオブザーバ回路とを備
えることを特徴とするステッピングモータの制御装置で
ある。

【００１０】本発明に従えば、ステッピングモータの出
力回転角を検出し、目標指令信号が示す目標回転角と比
較してその比較結果に基づいて駆動することで、ステッ
ピングモータを目標回転角で安定して回転させるフィー
ドバック制御が実現される。さらに、オブザーバ回路
が、ステッピングモータの動作特性をシミュレートした
結果を使用し、目標指令信号および回転角信号に基づい
て、前記フィードバック制御で得られた進み角を補正
し、電流を補正するので、ステッピングモータの動作が
細かく監視され、急激な負荷変動などに迅速に対応する
ことができ、安定な動作を実現することが可能である。

【００１１】また本発明は、前記オブザーバ回路は、ス
テッピングモータの動作特性を記述したスパンウォーム
方程式を逐次演算するモータモデルを有することを特徴
とする。

【００１２】本発明に従えば、スパンウォーム方程式
（［Stepping Motored SystemDynamics］,Transactions
of ASME,JULY 1986,Vol.108 Dr.M.Kojima et.al.）
は、ステッピングモータを記述する方程式として、ステ
ッピングモータの動作特性を忠実に表現することができ
る。オブザーバ回路は、このような方程式に基づいて、
逐次演算を行い、ステッピングモータを制御するので、
動作特性を正確に把握でき、より正確な制御が可能であ
る。

【００１３】また本発明は、前記オブザーバ回路は、ス
テッピングモータの動作特性を記述したスパンウォーム
方程式を予め演算した結果を記憶した数値解テーブルを
有することを特徴とする。

【００１４】本発明に従えば、上記のようなスパンウォ
ーム方程式を予め解いて作成した数値解テーブルをステ
ッピングモータの制御に用いるので、高速な制御が可能
であり、さらに急激な負荷変動に対応してステッピング
モータを安定に動作させることができる。

【００１５】また本発明は、前記ステッピングモータの
駆動電流を検出して電流信号を出力する電流検出手段を
さらに備え、前記オブザーバ回路は、電流信号、目標指
令信号および回転角信号に基づいて、制御手段が出力す
る駆動進み角および駆動電流をそれぞれ補正するための
進み角補正信号および電流補正信号を出力することを特
徴とする。

【００１６】本発明に従えば、オブザーバ回路は、目標
指令信号および回転角信号に加えて、さらに検出電流を
基に、進み角補正信号および電流補正信号を求めるの
で、より多くの情報を基に、正確に動作特性を把握する
ことができ、正確に進み角および電流を補正して、より
安定な動作を実現することができる。

【００１７】また本発明は、ステッピングモータの出力
回転角を検出して回転角信号を得る工程と、目標指令信
号と回転角信号とを比較し、ステッピングモータの駆動
進み角および駆動電流を決定する工程と、使用するステ
ッピングモータの動作特性をシミュレートすることによ
り、目標指令信号および回転角信号に基づいて、進み角
補正信号および電流補正信号を算出する工程と、算出し
た進み角補正信号および電流補正信号に基づいて前記駆
動進み角および前記駆動電流をそれぞれ補正する工程と
を含むことを特徴とするステッピングモータの制御方法
である。

【００１８】本発明に従えば、ステッピングモータを希
望する目標回転角で安定して回転させるフィードバック
制御が実現されるとともに、さらに、ステッピングモー
タの動作特性を記憶したオブザーバ回路が、目標指令信
号および回転角信号に基づいて、前記フィードバック制
御で得られた進み角を補正し、電流を補正することによ
って、ステッピングモータの動作が細かく監視されるの
で、急激な負荷変動などに対応でき、安定な動作を実現
することが可能である。

【００１９】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１は、本発明
の第１実施形態の電気的構成を示すブロック図である。
制御装置は、制御回路１０、駆動回路４、オブザーバ回
路５、電流検出回路６、ステッピングモータ７、エンコ
ーダ８および目標指令部９を備える。このうち制御回路
１０は、さらに位置比較制御部１、選択制御回路２およ
び電流制御回路３を備える。目標指令部９は、スタート
信号としての起動パルスを受けて、位置比較制御部１お
よびオブザーバ回路５に指令パルスｃ１を出力する。指
令パルスｃ１は、目標となるステッピングモータの回転
角または角速度を示す信号である。

【００２０】制御回路１０の位置比較制御部１は、目標
指令部９からの指令パルスｃ１を受けてその個数を計数
し、エンコーダ８からの検出パルスを受けてその個数を
計数し、両者の個数を比較して偏差を算出する。指令パ
ルスｃ１およびエンコーダ信号ｃ６が位置すなわち回転
角の信号である場合、直接その偏差が算出され、速度す
なわち回転角速度の信号である場合、各信号の積分値の
偏差が算出される。回転角の偏差を示す位置偏差信号ｃ
２は、選択制御回路２に出力される。選択制御回路２
は、位置偏差信号ｃ２を受けて、これに対応する基準進
み角（リードアングル）および基準電流を選択する。ま
た、選択制御回路２は、オブザーバ回路５からの進み角
補正信号ｃ７を基に基準進み角を補正し、補正した進み
角信号ｃ３を励磁タイミングとして駆動回路４に出力す
る。電流制御回路３は、オブザーバ回路５からの電流補
正信号ｃ８を基に基準電流を補正し、補正した電流信号
ｃ５を駆動回路４に出力する。

【００２１】駆動回路４は、選択制御回路２からの補正
進み角に従った励磁タイミングで、かつ電流制御回路３
からの電流信号ｃ５に従った電流値レベルに対応するパ
ルス信号を生成して、ステッピングモータ７を駆動す
る。電流検出回路６は、ステッピングモータ７を駆動す
る電流を検出して、オブザーバ回路５に検出信号ｃ９を
出力する。エンコーダ８は、ステッピングモータ７の出
力軸の回転角を検出して、位置比較制御部１およびオブ
ザーバ回路５にエンコーダ信号ｃ６を出力する。また、
エンコーダ８の代わりに、タコメータを使用して、ステ
ッピングモータの出力軸の回転角速度を検出し、これを
積分して出力してもよい。

【００２２】オブザーバ回路５は、目標指令部９からの
目標回転角または角速度と、電流検出回路６からの電流
と、エンコーダ８からの出力回転角とを受けて、進み角
補正信号ｃ７を選択制御回路２に出力し、電流補正信号
ｃ８を電流制御回路３に出力する。

【００２３】図２は、図１のオブザーバ回路５をさらに
詳しく示すブロック図である。オブザーバ回路５は、電
流比較制御部１１、速度比較制御部１２、オブザーバ制
御部１３、進み角演算部１８ａおよび電流データメモリ
１５を備える。進み角演算部１８ａは、さらにモデル演
算用ＣＰＵ１４、モータモデルメモリ１６およびＲＡＭ
１７を備える。

【００２４】速度比較制御部１２は、目標指令部９から
の指令パルスｃ１、エンコーダ８からの信号ｃ６を受け
て、それぞれ単位時間あたりの角変位すなわち角速度を
表すデータに変換し、さらにこれらの偏差を演算して、
速度偏差信号を生成し、オブザーバ制御部１３に出力す
る。指令パルスｃ１およびエンコーダ信号ｃ６が位置の
信号である場合、各信号の微分値の偏差が算出され、速
度の信号である場合、直接その偏差が算出される。電流
比較制御部１１は、電流検出回路６からの電流検出値
と、オブザーバ制御部１３からの補正電流値とを比較し
て、電流補正信号を生成し、電流制御回路３に出力す
る。

【００２５】電流データメモリ１５は、モータ巻線に関
わる入力電流セット値を記憶している。モータモデルメ
モリ１６は、ステッピングモータ７の動作特性を記述し
た理論式を記憶している。ＲＡＭ１７は、モデル演算用
ＣＰＵ１４による演算の途中に算出された値などを一時
的に記憶する。モデル演算用ＣＰＵ１４は、モータモデ
ルメモリ１６の理論式を解いて入力進み角セット値を算
出し、オブザーバ制御部１３に出力する。

【００２６】オブザーバ制御部１３は、速度偏差信号に
よる偏差量に応じて入力進み角セット値を補正する。す
なわち、より大きな負荷外乱が発生してステッピングモ
ータ７の回転角が大幅に変動すると、この状態をステッ
ピングモータ７が自ら発生するエネルギによって、確実
に補うために進み角を補正する。この進み角補正信号
は、図１の選択制御回路２に出力される。また、オブザ
ーバ制御部１３は、速度比較制御部１２からの速度偏差
信号を基にして、電流データメモリ１５から入力電流セ
ット値を取り出し、補正電流値を生成する。たとえば、
より大きな負荷外乱が発生してモータ回転速度が大幅に
減少した場合に、その減少分を入力エネルギによって確
実に補うために電流値を増やすように補正する。

【００２７】図３は、指令パルスの基となる目標回転角
速度を示すグラフである。グラフに従えば、まず、ステ
ッピングモータ７は、静止状態から角加速度Ａ０で起動
する。その後、ステッピングモータ７の角速度は、角加
速度の増加とともに、増加する。角加速度が最大角加速
度Ａ１にまで達すると、角加速度が減少しながら、角速
度が増加する。角速度がω１にまで達すると、ステッピ
ングモータ７は一定の角速度ω１で回転を続ける。その
後、ステッピングモータ７は減速に転じ、その角加速度
は負の最大角加速度Ａ２に達するまで減少し、角速度も
これとともに減少する。負の最大角加速度Ａ２に達する
と、角加速度の絶対値が減少しながら、角速度が減少す
る。角加速度がＡ３にまで減少し、さらに、角速度およ
び角加速度はゼロとなる、すなわちステッピングモータ
７は停止する。

【００２８】このような回転運動をステッピングモータ
７にさせるために、目標指令部９は、図３のグラフを直
接または積分して、逐次目標角速度または目標回転角を
指令パルスとして出力する。これによって、ステッピン
グモータ７は、スタート位置の回転角からステップ数ｓ
１までの加速部において滑らかに加速し、ステップ数ｓ
２までの等速部で等角速度回転を行い、さらにステップ
数ｓ３の目標位置付け位置まで滑らかに減速する。

【００２９】図４は、電流データメモリ１５の記憶内容
を示すテーブルである。電流データメモリ１５の内部に
は、入力電流セット値が記憶されている。入力電流セッ
ト値は、指令パルスに応じた巻線電流を定める値であ
り、外乱の無い状態での各指令パルス間の平均電流値で
ある。加速部、等速部、減速部それぞれにテーブルが存
在する。カウンタは、指令パルスを計数した数を示して
いる。加速部では、まず入力電流セット値を１．０アン
ペアとし、起動に必要なトルクを確保し、ステッピング
モータ７の角速度の増加とともに、徐々に電流値が下げ
られる。巻線のインダクタンスなどの影響で、増速とと
もに必要な駆動電流が少なくなるので、電流値を下げて
も加速は続行される。

【００３０】等速部では、一定の入力電流セット値０．
５アンペアであるが、等速部へ移行する前に、電流値を
０．５アンペアよりも低い０．４５アンペアにまで減少
させることで、加速が抑制され、滑らかに等速部へ移行
することが可能となっている。等速部から減速部への移
行時に電流値を０．４５アンペアにまで減少させた後、
電流値を徐々に増加させている。また、停止前に入力電
流セット値を１．０アンペアにまで増加させることで、
ステピングモータ７の回転を滑らかに停止させている。

【００３１】図５（ａ）は選択制御回路２が使用する基
準進み角テーブルであり、図５（ｂ）は基準電流テーブ
ルである。図５（ａ）において、起動時など、ステッピ
ングモータ７を比較的低速高トルクで回転させるときに
は、選択番号の４〜６付近のものが選択される。一方、
減速時など、ステッピングモータの回転を制動させると
きには、より小さい選択番号のものが選択される。ま
た、回転が高速になるほど、必要な電流を確保するた
め、より大きい基準進み角が選択される。加速部におい
ては、基準進み角１．５ステップで起動し、高速域では
２．０ステップに切り替える。等速部では、進み角２．
０ステップで動作を続ける。減速部では、進み角２．０
ステップから、１．５ステップ、１．０ステップ、０．
５ステップ、０ステップと順に切り替えて、スッテピン
グモータ７を停止させる。

【００３２】また、図５（ｂ）においても、等速部のよ
うに回転が安定しているときほど小さい基準電流値が選
択され、加速部および減速部のように回転が速くなるほ
ど大きい基準電流値が選択される。通常の回転角偏差が
微小のときには、基準電流値として、加速部および減速
部で１．０アンペア、等速部で０．５アンペアが選択さ
れる。

【００３３】さらに、外部からの負荷トルクが、ステッ
ピングモータ７の動作中に増加した場合、加速部および
等速部では、進み角テーブルの値を増加させ、かつ電流
テーブルの値も増加させるような選択動作が行われる。
これは、加速トルクを増加させる制御である。減速部で
は、進み角の減少曲線の傾きを緩めつつ、電流テーブル
の値を減少させる。これは、ブレーキトルクを減少させ
る制御である。またさらに、外部からの負荷トルクが、
ステッピングモータ７の動作中に減少した場合、加速部
および等速部では、進み角テーブルの値を減少させ、か
つ電流テーブルの値も減少させるような選択動作が行わ
れる。これは、加速トルクを減少させる制御である。減
速部では、進み角の減少曲線の傾きを急峻にしつつ、電
流テーブルの値を増加させる。これは、ブレーキトルク
を増加させる制御である。

【００３４】図６（ａ）は目標指令部９およびエンコー
ダ８から位置比較制御部１への信号をそれぞれ示すグラ
フであり、図６（ｂ）は位置比較制御部１から選択制御
部２への信号を示すグラフである。まず、図６（ａ）に
示すように、指令パルスが示す目標回転角の位置は、時
刻ｔ０から時刻ｔ１まで、回転角ω２に固定される。一
方の出力回転角の位置は、時刻ｔ０において、目標回転
角よりも小さく、時刻ｔ２にかけて急激に増加して目標
回転角に追随する。時刻ｔ２に、出力回転角が目標回転
角に一致すると、その変化率は緩やかになる。続いて、
時刻ｔ１において、目標回転角の位置が切換わりステッ
プ状にω３まで増加すると、出力回転角の位置は再び急
激に増加してω３に近づく。速度の場合も同様の信号変
化が見られる。

【００３５】図６（ｂ）に示すように、時刻ｔ０〜ｔ２
において位置偏差信号ｃ２は、回転角ω４であり、指令
パルスｃ１に対してエンコーダ信号ｃ６が回転角ω４だ
け遅れているとみなす。時刻ｔ２〜ｔ１において、位置
偏差信号ｃ２は、回転角ω５であり、指令パルスｃ１に
対してエンコーダ信号ｃ６が回転角ω５だけ進んでいる
とみなす。なお、ｔ１以降はこのような考え方の継続で
ある。また図６（ｂ）は図６（ａ）の絶対値偏差に対応
したものではなく、一般的な偏差信号を示している。

【００３６】図７（ａ）は図６（ｂ）と同じく位置比較
制御部１から選択制御部２への信号を示すグラフであ
り、図７（ｂ）はオブザーバ回路５から選択制御回路２
への信号を示すグラフであり、図７（ｃ）は選択制御回
路２から駆動回路４への信号を示すグラフであり、図７
（ｄ）は選択制御回路２から電流制御回路３への信号を
示すグラフである。図７（ａ）の位置偏差信号に対し
て、図７（ｂ）に示すように、一定のパルスレートのパ
ルス信号が進み角補正信号として選択制御回路２に入力
され、変調されて図７（ｃ）に示すような不均一なパル
スレートのパルス信号が駆動回路４に出力される。この
パルス信号は、最終の進み角を表す信号である。時刻ｔ
２付近はステッピングモータ７が減速していることを示
しており、時刻ｔ１付近は加速していることを示してい
る。図７（ｄ）の基準電流値信号は、位置偏差信号を基
にした同一形状の信号であり、基準電流が位置偏差に比
例することを示している。

【００３７】図８（ａ）は図７（ｄ）と同じく選択制御
回路２から電流制御回路３への信号を示すグラフであ
り、図８（ｂ）はオブザーバ回路５から電流制御回路３
への信号を示すグラフであり、図８（ｃ）は電流制御回
路３から駆動回路４への信号を示すグラフである。図８
（ｂ）に示すように、電流補正信号は電流値をステップ
状に減少させる信号であり、電流制御回路３において、
基準電流値によって変調され、図８（ｃ）に示す最終電
流を指令する信号となる。

【００３８】以下、オブザーバ回路５に記憶される理論
式について説明する。

【００３９】

【数１】

【００４０】式（１）は、ステッピングモータ７に関す
るスパンウォーム方程式である。スパンウォーム方程式
は、ステッピングモータ７の回転角に関する運動方程式
である。ただし、ｔは時刻、θはステッピングモータ７
の回転角、ｍはフーリエ級数の次数、ｎは相番号、ｋは
信号パルスの積算値を表す階段関数、ｔｃは最初の信号
パルスの起動時刻、θｏは単ステップ当たりの進み角、
θπは駆動トルク分布の半波長、θｓはθの設定した原
点角度位置、Ｉは慣性モーメント、Ｃは減衰係数、Ｑは
負荷トルク、ｑは駆動トルク、φは位相角、φｍはφの
フーリエ級数展開のｍ次係数、Γはトルクの重みづけ関
数である。

【００４１】この式（１）を各種の近似の基に解くと、
式（２）に示されるように、起動限界や挙動を定性的に
示す線形近似解が得られる。

【００４２】

【数２】

【００４３】ただし、ｔｓは設定した原点の時刻、ｔｏ
はパルス間隔の時間、γは減衰比、ｐｏは第１次共振
点、ｓｇｎ（ｘ）はｘが正のとき１でｘが負のとき０で
ある関数、Π（ｘ）はヘビサイドのステップ関数であ
る。オブザーバ回路５は、たとえば、このような近似解
を記憶しておいて、起動時付近に適用すると有用であ
る。

【００４４】

【数３】

【００４５】図９（ａ）は４相モータの駆動回路を示す
回路図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の駆動回路のう
ちの１対の相を取り出した回路の図である。式（３）
は、図９（ｂ）の電圧方程式である。ただし、ｉ１はＲ
とＲｗ１とＬ１とを流れる電流、ｉ２はＲｗ１とＲｗ２
とＬ２とＣとＬ１とを循環する電流、Ｒは直列抵抗成
分、Ｒｗ１は励磁された巻線の電気抵抗成分、Ｒｗ２は
励磁されていない巻線の電気抵抗成分、Ｌ１は励磁され
た巻線のインダクタンス成分、Ｌ２は励磁されていない
巻線のインダクタンス成分、ＣはＲｗ１とＲｗ２との間
の減衰係数、Ｖは逆起電力電圧、Ｖｓは一定の印加電
圧である。式（３）において、逆起電力としての電圧Ｖ
がわかれば、逆起電力係数Ｋｅは下記の式（４）によっ
て求められる。

【００４６】

【数４】

【００４７】さらに駆動トルクの第１項も下記式（５）
によって求められる。

【００４８】

【数５】

【００４９】よって、式（１）および式（３）は電気回
路の電流立上りの字定数をも考慮したステッピングモー
タ７の動作特性を表しており、これらを連立させて解く
ことで、動作特性を解析することができる。

【００５０】図１０は、第１実施形態の制御動作を示す
図である。ステップａ１において、目標指令部９から目
標回転角または目標回転角速度を示す指令パルスが出力
される。一方、ステップａ２において、エンコーダ８か
ら出力回転角または出力回転角速度を示す信号が出力さ
れる。次にステップａ３において、１）出力回転角すな
わち現在の位置データ、または回転角速度すなわち現在
の速度データから、２）位置または速度の偏差データを
生成する。またステップａ４において、ステッピングモ
ータ７の駆動電流を検出して、現在の電流データを得
る。次に、ステップａ５において、１）現在の速度デー
タと電流データを用いてスパンウォーム方程式を解き、
２）偏差データよりステッピングモータ７の負荷を推定
し、３）最適進み角（リードアングル）および最適電流
値を算出する。

【００５１】このように、ステッピングモータ７の励磁
タイミングを指令パルスごとに指定して駆動する制御装
置において、ステッピングモータ７の回転角をフィード
バックして指令パルスで定める励磁タイミングを新たに
選択しなおすとともに、基準電流値を補正し、また、回
転速度と実測した電流値を基にしたオブザーバ回路の処
理によって、励磁タイミングと電流値とを再補正する。
本発明で特徴となるオブザーバ回路５は、モータの予想
される回転状態を理論的な運動方程式を基に求め、さら
に、理想的な入力電流セット値を予め求めておき、フィ
ードバックで得られたデータをさらに再補正する。

【００５２】（第２実施形態）図１１は、本発明の第２
実施形態を構成するオブザーバ回路５５のブロック図で
ある。第２実施形態の制御装置は、図２のオブザーバ回
路５の進み角演算部１８ａを数値解テーブル記憶部に置
き換えてオブザーバ回路５５としたものである。数値解
テーブル記憶部１８には、第１実施形態の式（１）およ
び式（３）を連立させて解いた数値解のテーブルが記憶
されている。これに伴って、指令パルスはオブザーバ制
御部１３に直接出力され、オブザーバ制御部１３は、数
値解テーブル記憶部１８を参照して適当な数値解を取り
出す制御を行う。

【００５３】図１２は、数値解テーブル記憶部に記憶さ
れたテーブルである。テーブルは、指令パルスが示すモ
ータ回転速度と、補正進み角とで構成される。これによ
って、モータ回転速度Ｖ_p1，Ｖ_p2，…，Ｖ_pnに応じた補
正進み角θ_v1，θ_v2，…，θ_vnが選ばれる。このような
テーブルが、様々な種類のステッピングモータに対応で
きるよう複数用意されている。

【００５４】図１３は、第２実施形態の処理流れを示す
フローチャートである。ステップｂ１において、目標指
令部９から目標回転角または目標回転角速度を示す指令
パルスが出力される。一方、ステップｂ２において、エ
ンコーダ８から出力回転角または出力回転角速度を示す
信号が出力される。次にステップｂ３において、１）出
力回転角すなわち現在の位置データ、または回転角速度
すなわち現在の速度データから、２）位置または速度の
偏差データを生成する。またステップｂ４において、ス
テッピングモータ７の駆動電流を検出して、現在の電流
データを得る。さらに、ステップｂ５において、スパン
ウォーム方程式を予め定めた速度データおよび電流デー
タを用いて解いて、進み角データテーブルを作成してお
く。次にステップｂ６において、現在の位置または速度
データと電流データ、偏差データを基にして、電流デー
タテーブルおよび進み角データテーブルを参照しなが
ら、ステップｂ７において、進み角補正値および電流補
正値を算出し、最適電流値および最適進み角を算出す
る。

【００５５】このように、第２実施形態においても、第
１実施形態と同様に最適電流値および最適進み角を求め
ることができる。ただし、第２実施形態では、スッテピ
ングモータ７を駆動する前に、スパンウォーム方程式を
解いているので、駆動中は作成されたテーブルを参照す
るだけでよく、高速制御が可能である。

【００５６】なお、第１実施形態および第２実施形態の
どちらにおいても、電流検出回路の無い構成が可能であ
り、その場合、オブザーバ回路は目標回転角よび出力回
転角のみを基にして、進み角補正値および電流補正値を
算出する。

【００５７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ステッピ
ングモータの動作特性を記憶したオブザーバ回路が、目
標回転角および出力回転角に基づいて、進み角を補正
し、電流を補正することによって、ステッピングモータ
の動作が細かく監視されるので、急激な負荷変動などに
対応でき、安定な動作を実現することが可能である。

【００５８】また本発明によれば、オブザーバ回路は、
スパンウォーム方程式に基づいて、ステッピングモータ
を制御するので、動作特性を正確に把握でき、より正確
な制御が可能である。

【００５９】また本発明によれば、上記のようなスパン
ウォーム方程式を予め解いて作成した数値解テーブルを
ステッピングモータの制御に用いるので、高速な制御が
可能であり、さらに急激な負荷変動に対応してステッピ
ングモータを安定に動作させることができる。

【００６０】また本発明によれば、オブザーバ回路は、
目標回転角および出力回転角に加えて、さらに検出電流
を基に、進み角補正値および電流補正値を求めるので、
より多くの情報を基に、正確に動作特性を把握すること
ができ、正確に進み角および電流を補正して、より安定
な動作を実現することができる。

【００６１】また本発明によれば、上記のように、ステ
ッピングモータの動作特性を記憶したオブザーバ回路
が、目標回転角および出力回転角を参照しながら、進み
角を補正し、電流を補正することによって、ステッピン
グモータの動作が細かく監視されるので、急激な負荷変
動などに対応でき、安定な動作を実現することが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の電気的構成を示すブロ
ック図である。

【図２】図１のオブザーバ回路５をさらに詳しく示すブ
ロック図である。

【図３】指令パルスの基となる目標回転角速度を示すグ
ラフである。

【図４】電流データメモリ１５の記憶内容を示すテーブ
ルである。

【図５】図５（ａ）は選択制御回路２が使用する基準進
み角テーブルであり、図５（ｂ）は基準電流テーブルで
ある。

【図６】図６（ａ）は目標指令部９およびエンコーダ８
から位置比較制御部１への信号をそれぞれ示すグラフで
あり、図６（ｂ）は位置比較制御部１から選択制御部２
への信号を示すグラフである。

【図７】図７（ａ）は図６（ｂ）と同じく位置比較制御
部１から選択制御部２への信号を示すグラフであり、図
７（ｂ）はオブザーバ回路５から選択制御回路２への信
号を示すグラフであり、図７（ｃ）は選択制御回路２か
ら駆動回路４への信号を示すグラフであり、図７（ｄ）
は選択制御回路２から電流制御回路３への信号を示すグ
ラフである。

【図８】図８（ａ）は図７（ｄ）と同じく選択制御回路
２から電流制御回路３への信号を示すグラフであり、図
８（ｂ）はオブザーバ回路５から電流制御回路３への信
号を示すグラフであり、図８（ｃ）は電流制御回路３か
ら駆動回路４への信号を示すグラフである。

【図９】図９（ａ）は４相モータの駆動回路４を示す回
路図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の駆動回路４のう
ちの１対の相を取り出した回路の図である。

【図１０】第１実施形態の制御動作を示す図である。

【図１１】本発明の第２実施形態を構成するオブザーバ
回路５５のブロック図である。

【図１２】数値解テーブル記憶部１８に記憶されたテー
ブルである。

【図１３】第２実施形態の処理流れを示すフローチャー
トである。

【図１４】FREDRIKSENによる従来のスッテピングモータ
の閉ループ制御を示す図である。

【図１５】特公昭５７−３４７５８の閉ループ制御を示
す図である。

【符号の説明】

１位置比較制御部２選択制御回路３電流制御回路４駆動回路５，５５オブザーバ回路６電流検出回路７ステッピングモータ８エンコーダ９目標指令部１０制御回路１１電流比較制御部１２速度比較制御部１３オブザーバ制御部１４モデル演算用ＣＰＵ１５電流データメモリ１６モータモデルメモリ１７ＲＡＭ１８数値解テーブル記憶部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステッピングモータと、ステッピングモータを駆動する駆動手段と、ステッピングモータの出力回転角を検出して回転角信号
を出力する検出手段と、モータの起動から停止までの
速度関数を記憶し、該速度関数に基づいて目標指令信号
を出力する指令手段と、目標指令信号と回転角信号とを比較する比較手段と、該比較結果に基づいて、ステッピングモータの駆動進み
角および駆動電流を決定して出力する制御手段と、使用するステッピングモータの動作特性をシミュレート
することにより、目標指令信号および回転角信号に基づ
いて、制御手段が出力する駆動進み角および駆動電流を
それぞれ補正するための進み角補正信号および電流補正
信号を出力するオブザーバ回路とを備えることを特徴と
するステッピングモータの制御装置。
【請求項２】前記オブザーバ回路は、ステッピングモ
ータの動作特性を記述したスパンウォーム方程式を逐次
演算するモータモデルを有することを特徴とする請求項
１記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項３】前記オブザーバ回路は、ステッピングモ
ータの動作特性を記述したスパンウォーム方程式を予め
演算した結果を記憶した数値解テーブルを有することを
特徴とする請求項１記載のステッピングモータの制御装
置。
【請求項４】前記ステッピングモータの駆動電流を検
出して電流信号を出力する電流検出手段をさらに備え、前記オブザーバ回路は、電流信号、目標指令信号および
回転角信号に基づいて、制御手段が出力する駆動進み角
および駆動電流をそれぞれ補正するための進み角補正信
号および電流補正信号を出力することを特徴とする請求
項１記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項５】ステッピングモータの出力回転角を検出
して回転角信号を得る工程と、目標指令信号と回転角信号とを比較し、ステッピングモ
ータの駆動進み角および駆動電流を決定する工程と、使用するステッピングモータの動作特性をシミュレート
することにより、目標指令信号および回転角信号に基づ
いて、進み角補正信号および電流補正信号を算出する工
程と、算出した進み角補正信号および電流補正信号に基づいて
前記駆動進み角および前記駆動電流をそれぞれ補正する
工程とを含むことを特徴とするステッピングモータの制
御方法。