JPH02114898A - パルスモータの閉ループ制御方法 - Google Patents

パルスモータの閉ループ制御方法

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JPH02114898A
JPH02114898A JP26564888A JP26564888A JPH02114898A JP H02114898 A JPH02114898 A JP H02114898A JP 26564888 A JP26564888 A JP 26564888A JP 26564888 A JP26564888 A JP 26564888A JP H02114898 A JPH02114898 A JP H02114898A
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control
loop
pulse motor
torque
speed
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Osamu Nio
仁尾 理
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Yaskawa Electric Corp
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Yaskawa Electric Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ダイレクトドライブロボットを中心とした高
速、高精度駆動装置に使われるパルスモータの閉ループ
制御方法に関する。
〔従来の技術〕
パルスモータは構造的に自ら有する位置のパ歩進”機能
のため、安価、簡単なオープンループ駆動ができ、OA
機器等の計算機周辺端末機器に多用されている。他の用
途として、最近脚光をあびているダイレクトドライブロ
ボットがある。
減速機構を持たない必然性から、低速大トルク特性が要
求されるダイレクトドライブには、パルスモータの「低
速、大トルク」特性が適しているため、専らパルスモー
タが使われる。
しかしながら、ロボットの精度、人力指令に対する追従
性、負荷変動に対する剛性、スムーズモーション等のサ
ーボ性能の観点から、オープンループ駆動は好ましくな
く、位置検出器による閉ループ制御が必要となる。
そのための手法として、代表的に、1)高精度DDマニ
ピニレータの開発(日本ロボット学会主催、ダイレクト
ドライブロボット講習会資料「6自由度垂直多関節形高
精度DDマニピュレータの開発」)及び2 ) Lea
d Angle 1.25(step>  によるMh
6FIシーケンス法(オリエンタルモータ株式会社、P
roc、   八nnual   Sympos+um
   Incremental  Mot+onCon
trol System Devices 15th 
’86)等が提案されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
パルスモータの閉ループ制御の課題は、第1図〜第5図
に後述するように、パルスモータの回転磁界位置入力の
制御とトルク制御を行うことにより、DCCブラシレス
モーフを図り、それに公知の速度制御ループ、位置制御
ループを付加し、モータの有する最大トルクを活用した
最大加減速特性及び負荷外乱に対する静的・動的剛性(
スティフネス特性)を向上させるとともに、人力、外乱
負荷に対し、定常偏差のないしかも滑らかな動きを実現
させることにある。パルスモーク閉ループ制御の基本は
、回転、磁界位置人力制御とトルク制御である。
パルスモータの発生トルクは、l 、sin 9’と表
現される。ここに、1.は巻線に流す実効電流値であり
、フルステップ駆動は±lx の一定電流を励磁相切替
え毎に正負交互に切り替えて流すことにより行う。マイ
クロステップ駆動では、正弦波電流指令、/7)Msi
nωL及び4■つcosωtを流ず。ここに、ωは回転
磁界位置指令の角速度である。またψは負荷角と称せら
れる角度で、回転磁界位置指令ベクトルの回転角θ、と
実際のロータ位置ベクトルの回転角θイ との差角度で
あり、電気角表示されている。以下、この角度を単にT
という。
モータ発生トルクがIl、l5inψであることから分
かるように、(i) 実効電流I。がいつもモータの最
大温度上昇許容値から決まる最大電流値となるよう電流
制御し、(11)位置ループのマイナーループである速
度制御ループの速度偏差信号でψをπ/2〜π72間で
制御すれば、静的負荷、粘性摩擦負荷、慣性負荷に応じ
、最適な回転磁界位置指令ベクトルをモータに対して発
生できるため、過渡応答、定常特性(位置オフセット、
速度制御範囲等)共に最適なものとなる。また、パルス
モータは、モータの有する最大トルクで加減速ができる
ため、動特性が向上すると共に、負荷に対するスティフ
ネス特性、定常特性も向上する。パルスモータの歯数は
メカニズムの制約からそれほど大きくとれないので、高
分解能の位置検出エンコーダを持つ閉ループ制御を行う
場合には、パルスモータの歯間での位置決め制御が必要
となる。すなわち、その場合には、マイクロステップ駆
動が基本となる。ここでは、簡単のため、2相モークの
正弦波マイクロステップ駆動(他に三角波、台形波等が
ある)を例にとり、前記(i)、 (ii)の制御方法
を説明する。
実施例で具体的に説明するように、まず(1)の制御方
法に対しては電流制御ループを設け、A相にJ21.s
inωt、 B相にI MCDS (IJ tなる実効
電流INを流し得ること、(i i)の制御方法に対し
ては速度偏差信号を操作量であるψすなわちトルク指令
信号に変換し、トルク制御を行い、がつそのψに基づい
て回転磁界位置指令ベクトルの回転角θ1(−ωt)を
制御できることが必要となる。
この観点から、前記文献1) 、2)を見てみれば、ま
ず文献1)はモータ巻線に流す電流を制御する(i)の
電流ループは備えているが、この電流ループのみにより
トルク制御及び回転磁界位置指令ベクトル発生を行わせ
ようとするものであり、(11)のTの制御は間接的に
しか行われていない。このことは、実施例の第5図で説
明しているように、T制御ループをマイナーループとし
て有する速度ループの制御対象が1次遅れ系となるのに
対し、T制御ループがないため制御対象がパルスモータ
そのものの2次共振系となることにつながっている。
よって、補償要素の設計が難しくなると共に速度ループ
のカットオフ周波数を上げ難く、かつ制振が難しいとい
う欠点を有する。また、本文献1)には、マイクロステ
ップ駆動をベースにした制御方式は何ら示唆されていな
い。
文献2)に記載されている制御方法は、パルスモータの
歯ピッチと等しい分解能のエンコーダにより、励磁相切
替えを、固定された負荷角ψ(1,25step)  
で行わせ、回転磁界位置指令ベクトルを歯ピッチの1/
4.2/4.3/4.4/4 の位置に、速度偏差信号
によって、指令に対してステップ状に追従させるサーボ
である。この制御方法は、文献1)に記載されていると
同様に電流制御ループを有し、速度制御ループの速度偏
差信号によりその電流ループ指令値を発生させているが
、その目的は上記したように、文献1)のトルク指令及
び回転磁界位置の間接点指令とは異なり、専らトルク指
令のみである。すなわち、このT制御はマイクロステッ
プにおける回転磁界位置指令発生用ではなく、フルステ
ップの1/4.2/4.3/4.4/4 に対する回転
磁界位置指令発生用のものである。明らかなように、こ
の方式はフルステップの1/4.2/4.3/4.4/
4 に間欠的に位置決めするた約に、連続的に電流を増
減し、トルク制御をするものであり、前記したように高
分解能で位置決め制御するダイレクトドライブロボット
用には位置決め精度上不適格である。
本発明の目的は、位置決めのための分解能からすれば非
常に少ないパルスモータの歯数に拘わらず、高分解能な
位置検出エンコーダの分解能のみで決まる位置決め精度
を有し、広範囲な速度比が可能であり、脱調せず、しか
も高い負荷剛性をもち、滑らかな動きをするマイクロス
テップ駆動をベースにした高速、高精度なパルスモータ
の閉ループ制御方法を達成することにある。
〔課題を解決するための手段〕
この目的を達成するために、本発明のパルスモータの閉
ループ制御方法は、パルスモータのロータ位置を検出し
、その検出値を該パルスモータの負荷角Tの指令値に加
算し、その加算値をパルスモータの相電流駆動電流制御
ループの指令値とすることにより、パルスモータのトル
ク制御を行うことを特徴とする。
パルスモータの制御系を位置制御ループ及び速度制御ル
ープで構成する制御系においては、速度制御ループの速
度偏差に関する情報に基づいて負荷角Tを導くことがで
きる。
本発明の閉ループ制御方法を達成するだめの制御系は、
具体的には、次の要件を備えている。
(1)  パルスモータの巻線インダクタンスによる電
流応答の遅れを改善するための電流制御ループ。
(2)  マイクロステップでの駆動電流#I、1si
nωt一/21xcosωtを発生させる5INE、 
C03INE ROMジェネレータと実効電流指令値I
うとの乗算回路。
(3)  位置検出用エンコーダ。
(4)  前記位置検出用エンコーダからパルスモータ
のロータ位置(角度)θ□を検出し、下記記述の速度制
御ループの速度偏差信号を、代表的には比例積分補償器
に入力し、その出力であるψ指令値ψゎに前記θ、検出
値を加算フィードバックし、その加算値θL−9’ c
+θ1をパルスモータへの回転磁界位置指令ベクトルの
回転角とし、このθ、−ωtで前記5INB、 C03
IN[i ROMジェネレータと乗算回路により(2)
記載の駆動電流指令値鵡1xsinωtJ2I ttc
O8ωtを発生させ、この駆動電流指令値を前記電流制
御ループに人力し、パルスモータをマイクロステップ駆
動させるT制御ループ。
(5)下記記述の位置制御ループの位置偏差信号を代表
的には比例補償器に人力し、その出力である速度指令V
c に前記位置検出用エンコーダ出力を代表的にはF/
V変換した速度信号を負帰還する速度制御ループ。
(6)位置指令に、前記位置検出用エンコーダ出力を負
帰還する位置制御ループ。
このように、本発明では、パルスモータのロータ位置を
検出するエンコーダの情報よりパルスモータの固有の2
次系を分解し、制御操作量ψに対するロータ位置角速度
の伝達関数を1次系となるように単純化することにより
、DCサーボモーター制御並みの従来技術が使える。ま
た、実効電流lx の制御と併用することによりトルク
制御のダイナミックレンジの広いきめの細かい制御系が
構成できる。
〔実施例〕
以下、本発明を、2相モークを正弦波マイクロステップ
駆動する実施例に基づいて具体的に説明する。
第1図(a)は2相モータのモデル図であり、■はロー
タ、2はA相巻線、3はB相巻線である。第1図(b)
は制御的に見たパルスモータのブロック図である。4は
パルスモータに与えられる回転磁界位置指令ベクトルの
回転角θiで、第1図(a)に示ずA相電流J2Ixs
inωtまたはB相電流#IxcosωLのωLで与え
られる(θ1−ωt)。5はロータ1の位置ベクトルの
回転角θ0.6は同回転角θ、のフィードバック線、7
は前記した負荷角ψ、8はトルク発生機構で% k L
sinψ(ここにkはロータ歯数、励磁巻線の巻数、永
久磁石の磁束等に関わる定数)なるモータ出力トルク9
を発生する。
すなわち、ψ=±π/2のときのトルクが保持トルク 
(ホールディングトルク)となる。
以下、簡単のため、k=1と正規化して説明する。10
はパルスモータのデイテントトルク、静止摩擦トルク、
負荷外乱トルク等訃含めた外乱トルク、11は加減速ト
ルク、12はロータ及び負荷のイナーシャJと粘性摩擦
トルク(係数D)よりなる−次遅れ系(ここにω。’−
1/J、2ζω。−D/J)、13はロータ角速度t0
である。
周知ノように、パルスモータはこのような位置フィード
バック系を自ら構成しているため、歩進機能を有し、オ
ープンループ駆動ができるのである。この系は減衰定数
この小さい2次共振系でフルステップ駆動で特に顕著に
振動が現れる。また、入力θ1を急変させたり、外乱T
1の変化等によるθ1の急変等の状態でψが±π/2以
」二になると脱調現象が起こることも周知のことである
第2図は相電流と回転磁界位置指令ベクトルθ1との関
係を電気角表示で説明する図である。16はA相電流J
7! 111sin ωt、 17はB相電流J21 
)ICO8ωt 。
18はA相電流16とB相電流17で作られる回転磁界
位置指令ベクトル、19はロータ位置ベクトルであり、
第1図で説明したθ1.θ、、(Pが、基準点からの電
気角として表示されている。この基準点からの電気角2
πは、パルスモータの歯間の機械角に対応する。歯間の
機械角4°のパルスモータであれば、電気角2πがこの
4°に対応する。パルスモータでは出力(発生)トルク
はIイsinψであり、トルク制御の基本は■、を変化
させるか、Tを±π/2間で変化させるか(±π/2以
」二では脱調)、または両方を変化させるかである。■
8のみを変化させる文献1)の方法は、A相電流16及
びB相電流17の振幅を速度ループの偏差で相似的に変
化させ、トルク制御を行うものではあるが、ロータ位置
5゜19でψを制御するのではなく、ψはA相、B相電
流16.17の制御の結果として間接的に決まる。した
がって、パルスモータの歩進機能が切れるのでハナ<、
第1図(b)のパルスモータフィードパyり線6が等価
的に切れ、A相、B相電流16.17の制御の結果とし
て回転磁界位置指令ベクトル18が生成され、第1図ら
)の回転角θ1 の指令が与えられることになる。よっ
て、速度ループの制御対象は第1図(b)に示す共振2
次形となる。
これに対し、本発明の主旨は、ロータ位置ベクトルの回
転角θ、5を検出し、制御上、第1図(b)のフィード
バック線6を等価的に切り、負荷角Tを外部から直接制
御するすなわち%=d、間の一次形を速度ループの制御
対象とさせようとするものである。このψ制御にI8制
御をも併用する方が、トルク制御のダイナミックレンジ
が増え、制御性が増すのは当然である。しかし、以下に
おいては、論点をより明確にするために、(P操作すな
わちロータ位置ベクトル回転角5.ロータ位置べクトル
19を検出し、A相、B相電流を制御することにより、
等価的にフィードバック線6を切り、パルスモータをブ
ランレスDCモータにするために、回転磁界位置ベクト
ル18をどのように操作すれば良いかについて説明する
第3図はアキシャルギャップタイプハイブリッド型2相
パルスモータ(定格トルク3kg−m)の実測トルク特
性(スティフネス特性)である。この特性図は第1図(
b)のトルク発生機構8のトルク特性に相当するもので
、図示のようにかなり広い範囲で直線性を有している。
一般にはもっとより正弦波であるが、閉ループ系を考え
るとき、直線近似をしても大きな支障はない。以下、ト
ルクゲインを1つと簡略化する。
第4図はT制御ループを説明する図である。21は前記
したTの指令値ψ。、22は前記した位置検出用エンコ
ーダ、23は前記したロータ位置ベクトル19の回転角
度θイを検出するエンコーダ処理回路、24は負荷角指
令値(Pc21と回転角度θ、、23′  の加算信号
θ、’、25は角度−ROMアドレス変換器、25′ 
 はその出力である。26及び27はそれぞれ5INB
及びC03INIli発生用ROMで、0〜2π間の角
度アドレスに対する5INB、 C03INE数値が格
納されている。角度−ROMアドレス変換器25の出力
25′  でアドレスを指定すると、それに対する5i
nL’ 及びcosθ1′を発生する。図中、28は実
効電流■。
の指令値、29及び30は乗算器、31及び32はD/
A変換器である。
D/A変換器31.32のリファレンスとしてI、+2
8を設定することにより、乗算器29.30を省略する
ことはむろん可能である。33及び34はそれぞれA相
及びB相の電流指令値1.sinθl’+ r i+c
osθ、′であり、これらが電流制御ループPWMドラ
イバ35及び36に入力される。37及び38はそれぞ
れA相及びB相の電流検出用抵抗、39及び40はそれ
ぞれ電流制御ループの電流帰還線で、これらと電流指令
値33及び34とで電流制御ループを形成する。
A相、B相の巻線2,3に流れる実電流の、泥111’
Sinθ+’+  /2111CO8θI′の角度θ1
′が第2図で説明したパルスモータへの指令θi とな
り、実電流振幅#1.’の実効値I。′がトルク発生機
構8のトルクゲインとなる。この■。、θ1′は、指令
値■。、θ1′に対し厳密な意味では電流ループの応答
分だけ遅れる。しかし、電流制御ループの周波数応答は
、可動部がなく巻線インダクタンス補償のためだけのル
ープであり、そのループゲインの限界値は巻線のストレ
ーキャパシタンスで制限されるのみであるので、その周
波数特性はPWMキャリア周波数を数10 k Hzに
とれば、数kHzは容易にとれる。よって、パルスモー
タ閉ループ制御系の周波数応答として数10七を考える
限り、Ix’=18、θ五′ζ01′と置いてよい。
したがって、第4図のブロック図は第5図(a)のよう
に簡素化される。明らかなように、θj−θi′?c+
θ1であり、9’=9’c となる。よって、第5図(
a)は第5図ら)のようになり、簡素化される。
第4図、第5図(a)に示すT制御ループにより、パル
スモータの歩進機能すなわち第1図(a)のパルスモー
タフィードバック線6が切られ、第5図(b)に示す完
全なりCブラシレスザーボモータ化が図られた。その意
義は、入力(制御ループを組むときの速度偏差)に対す
る速度δゎが一次遅れ系で与えられ、速度制御ループの
制御対象が単純化され制御し易いことと、ψ〈1π/2
1で制御するため、パルスモータ固有の脱調現象が起こ
り得ないことにある。すなわち、第5図(5)はまさし
くDCサーボモータそのものであり、このψ制御ループ
のメジャーループである速度ループ、位置ループに従来
技術が適用可能であることを示している。第5図(b)
に示す(pc を速度制御ループの偏差で制御すれば、
通常のDCサーボモータと同様のトルク制御ができる。
また回転磁界位置指令ベクトル18の指令ができ、速度
ループ形成ができる。
第6図は簡略化された第5図をベースにした本パルスモ
ータ閉ループ制御の全体ブロック図である。100の位
置指令θ。と第4図で説明したエンコーダ22及びエン
コーダ処理回路23の出力23′  との位置偏差10
1 が代表的にはP(比例)制御器である補償器1 (
102)に人力される。その出力103が速度制御ルー
プの速度指令Vc103となる。
速度指令103 と、エンコーダ処理回路23の代表的
にはF/V変換された速度帰還信号104 との速度偏
差105が補償器2 (106)に入力される。補償器
2 (106)は外乱トルクT、(10)及び位置指令
100 に対する位置偏差101 を定常的に零にする
ためPI(比例積分)制御器で構成される。105 は
第4図、第5図で説明したψ制御ループであり、ψ。−
ψなる伝達特性を有する。106 は第4図で説明した
PWMドライバ35.36による定電流ループで前記し
たように数10七を問題にする限り、伝達関数は1とな
る。8は既に説明した正規化トルクゲイン1、である。
速度信号104 の負帰還で形成される速度制御ループ
はそのメジャーループである位置ループに対し、微分補
償すなわち明らかに2次形となる位置ループの減衰係数
を主にはスムーズ制御すること及び外乱トルクT、 (
10)に対する剛性補償をするという公知の役目を果た
す。これが簡単に行われるのは、第4図、第5図で説明
したψループ制御を行っているためである。
位置フィードバック信号23′  により形成される位
置制御ループは外乱トルクTL(10)に拘わらず第1
図〜第5図で説明した回転磁界位置指令ベクトル18の
回転角θI 4で操作することにより、ロータ位置ベク
トル19を所望のθ、(5)に位置決めする役目を果た
す。前記したように一般的に粗いパルスモータの歯間を
高分解能エンコーダの情報で精密に位置決めすることに
なる。
以上、2相パルスモータの正弦波マイクロステップ駆動
について説明したが、4相、5相パルスモータへの本原
理の適用は可能である。また、マイクロステップも三角
波、台形波駆動にも、第4図26.27のROMジェネ
レータの格納テーブルを変更するだけで対応可能であり
、それらも本発明に含まれるのは当然である。
また、ローフ位置検出器22としてエンコーダで説明し
たが、多極レゾルバ、インダクトシン、光学式エンコー
ダ、磁気式エンコーダ、ポテンショメータ等、位置検出
をできるものがあれば全て適用できる。速度71)、、
(104)の検出にしてもF/V変換器以外の速度推定
オブザーバでもよいし、FIF○回路による移動平均速
度検出でもよいし、むろん速度発電機TGでもよい。
〔発明の効果〕
以上に説明したように、本発明のパルスモータ用閉ルー
プ制御装置及び制御法は、次のような効果を奏する。
(1)  パルスモータのロータ位置を検出するエンコ
ーダの情報よりパルスモータの固有の2次系を分解し、
制御操作量Tに対するロータ位置角速度の伝達関数を1
次系となるように単純化することにより、DCサーボモ
ーター制御並みの従来技術が使える。
(2)実効電流IN の制御と併用することによりトル
ク制御のダイナミックレンジの広いきめの細かい制御系
が構成できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は2相モータのモデル図、第1図(b)は
制御的に見たパルスモータのブロック図、第2図は相電
流と回転磁界位置指令ベクトルθ1 との関係を電気角
表示で説明する図、第3図はアキシャルギャップタイプ
ハイブリッド型2相パルスモータの実測トルク特性図、
第4図はψ制御ループを説明するブロック図、第5図(
a)、(b)は第4図の構成を簡略化したブロック図、
第6図は簡略化された第5図のブロックをベースにした
本パルスモータ閉ループ制御の全体ブロック図である。 1:ロータ     2:A相巻線 3:B相巻線 4:回転磁界位置指令ベクトルの回転角θ15:ロータ
位置ベクトルの回転角θ1 6:θ、のフィードバック線 7:負荷角ψ    8:トルク発生限構9:モータ出
力トルク 10:外乱トルク   11:加減速トルク12ニー次
遅れ系   13;ローフ角速度δ。 16:A相電流    17:B相電流18:回転磁界
位置指令ベクトル 19;ロータ位置ベクトル 21:負荷角指令値rC 22:位置検出用エンコーダ 23:θ、検出回路 24:pc21と0□23′の加算信号01′25:角
度−ROMアドレス変換器 25′:出力 26 : 5INB発生用ROM 27 :C03INIE発生用ROM 28:実効電流I。の指令値 29、30°乗算器    31.32: D / A
変換器33:A相の電流指令値 34:B相の電流指令値 35.36:電流制御ループPWMドライバ37;A相
の電流検出用抵抗 38:B相の電流検出用抵抗 39.40:電流制御ループの電流帰還線100:位置
指令θc101:位置偏差102:補償器     1
03:速度指令Vc104:速度帰還信号  105;
速度偏差106:補償器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.パルスモータのロータ位置を検出し、その検出値を
    該パルスモータの負荷角ψの指令値に加算し、その加算
    値をパルスモータの相電流駆動電流制御ループの指令値
    とすることにより、パルスモータのトルク制御を行うこ
    とを特徴とするパルスモータの閉ループ制御方法。
  2. 2.パルスモータの制御系を位置制御ループ及び速度制
    御ループで構成する制御系において、速度制御ループの
    速度偏差に関する情報に基づいて負荷角ψを導くことを
    特徴とする請求項1記載のパルスモータの閉ループ制御
    方法。
JP26564888A 1988-10-20 1988-10-20 パルスモータの閉ループ制御方法 Pending JPH02114898A (ja)

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Cited By (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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