JP4987302B2 - ステッピングモータの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動方法に関し、さらに詳しくはステッピングモータの速度プロファイルを生成し、この速度プロファイルに基づき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関する。

従来、この種のステッピングモータの駆動装置としては、例えば、特許文献１がある。
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。

また、図９が、ステッピングモータの一般的な位置決め運転速度プロファイルである。
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。
特開平１−２１８３９２号公報

一般に運転速度プロファイルはユーザが負荷情報とモータトルク情報に基づいて決定（設計）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。

また多くのステッピングモータでは高速になるにつれてモータトルクが低下する。
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。

本発明は、前記課題を解決し、指定された負荷情報及びモータ出力トルクの利用率（トルクマージン）に基づいて加減速プロファイルを生成することにより、負荷情報と移動量入力だけで位置決め運転を行うことができ、効率の高い最短位置決めが生成できるステッピングモータの駆動方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するため、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。

本発明によれば、以下に列挙する効果が得られる。
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。

以下、図示の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明のステッピングモータの駆動方法に適用する駆動装置を示したもので、１はステッピングモータであり、２はステッピングモータ１を駆動するモータ駆動回路である。
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。

運転速度プロファイル生成装置３で生成された運転速度プロファイルは、リアルタイム指令位置生成装置４に入力されるもので、このリアルタイム指令位置生成装置４は、予め定められた処理フローに従い、生成した配列を用いて０．１ｍＳ間隔などの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２へ指令位置情報をリアルタイムに伝達するものである。モータ駆動回路２はリアルタイム指令位置生成装置４からの指令位置情報に基づきステッピングモータ１を駆動するものである。

次に、ステッピングモータの駆動方法を説明する。
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。

図２のデータテーブルの配列構成を以下に示す。
・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。

以下手順について処理フローに従って説明する。
（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。

（３）．区間ｎにおける加速時と減速時の移動量ＰＡ，ＰＤを次式３，４により計算、これを加算して累積移動量を算出する（ステップＳ３）。

累積移動量は加速側と減速側の移動量を低速から高速へ向かって積み上げた値となる。

以上の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し（ステップＳ４）、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Ｓ５）。

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（V[n]→V[n-1]）、V[n-1]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、減速時間を再計算して（ステップＳ６）、プロファイル形状を完成する。
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。

図５の処理フローは、ステップＳ１０からステップＳ２７にて構成され、自動運転速度プロファイラを作成する（ステップＳ１０）。
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。

そして、ｎ＝０（ステップＳ１３）ならば、ｔ＝０、Ｔ＝ＴＡ[ｎ]、Ｖ＝Ｖ[ｎ+１]（ステップＳ１４）に基づき加速時速度、位置計算（定期処理）（ステップＳ１５）を行う。

次に、ｔ＝Ｔを判定し（ステップＳ１６）、ＹＥＳならば指令速度＝ピーク速度を判定する（ステップＳ１７）。

ＮＯならばｎ＝ｎ+１（ステップＳ１７₁）としてステップ１４に戻る。また、ＹＥＳならばステップＳ１８に行き、等速時速度、位置計算をし、次のステップＳ１９で指令位置＞減速開始位置を判定する。これがＮＯならばステップＳ１８に戻り、ＹＥＳならばステップＳ２０に行く。ステップＳ２０では、ｔ＝０、Ｔ＝ｔｄ[ｎ]、Ｖ＝ｖ[ｎ+１]に基づき、減速時速度、位置計算（定期処理）を行う（ステップＳ２１）。

そして、ｔ＝Ｔ？を判定し（ステップＳ２２）、ＮＯならば、ステップＳ２１に戻り、ＹＥＳならばステップＳ２３に行く。そして、指令位置＝指令移動量？を判定し、ＮＯならば、ｎ＝０？（ステップＳ２４）を判定し、ＹＥＳならばステップＳ２１に戻る。ＮＯならばステップＳ２５に行き、ｎ＝ｎ-１としてステップＳ２０に戻る。

指令位置＝指令移動量？の判定（ステップＳ２３）がＹＥＳならばステップＳ２６に行き、指令位置＝指令移動量として終了する（ステップＳ２７）。

各速度区間の加速は直線加速とし、加速、減速によって速度区間が切り替わるときは参照配列要素[n]を切り替えることで指令加速度をリアルタイムに切り替えていく。

図５中、ステップＳ１５，ステップＳ１８，ステップＳ２１の処理は指令速度、指令位置の更新であるがこれらは従来と同じ直線加速の方法である。

次に、上記の実施例の作用を説明する。
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。

図７に本発明により慣性負荷を変更した場合の速度応答を示す。図７（ａ）に対して図７（ｂ）は慣性負荷を大きくしている。図７（ａ）は慣性負荷１５４２[ｇｃｍ²]の応答例、図７（ｂ）は慣性負荷２９９４[ｇｃｍ²]の応答例である。
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。

図８に摩擦負荷を変更した場合の速度応答を示す。図８（ａ）に対して図８（ｂ）は、摩擦負荷を大きく設定している。図８（ａ）は摩擦負荷０．０８[Ｎｍ]の応答例、図８（ｂ）は摩擦負荷０．２[Ｎｍ]の応答例である。
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。

これらのプロファイルが負荷情報の指定だけで運転ごとに自動生成できることが本発明の特徴である。

上記実施の形態によれば、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加速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。その結果、運転速度プロファイルは移動量と負荷情報の指定によってシステムが決定する。
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。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。

本発明のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。 本発明においてシステムが所有するモータトルク情報の一例を示す特性図である。 本発明において運転前に計算されるデータの一例を示す特性図である。 本発明の駆動方法におけるプロファイルデータの生成手順を示すフローチャートである。 本発明の駆動方法におけるリアルタイムに変化する位置情報の出力処理を示すフローチャートである。 図６（ａ）（ｂ）は、本発明の自動運転プロファイルと直線加速との特性図を比較して示す図である。 図７（ａ）（ｂ）は、本発明の自動運転プロファイルにおける慣性負荷の違いに対するプロファイルを示す特性図である。 図８（ａ）（ｂ）は、本発明の自動運転プロファイルにおける摩擦負荷の違いに対するプロファイルを示す特性図である。 従来のステッピングモータの駆動方法におけるステッピングモータの一般的な位置決め運転速度プロファイルを示す図である。 従来のステッピングモータの速度−トルク特性と使用可能なトルクの関係を示す特性図である。 図１０における直線加速では使用できないトルク領域を示す特性図である。

符号の説明

１ ステッピングモータ
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)

1. 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。
2. 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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