JPH0570399B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【先行出願との関係】

本願は、昭和59年４月27日付けで特許出願した
特願昭59−87283号の分割出願である。

【産業上の利用分野】 本発明は、ステツプモータの負荷検出装置に係
り、特に、数値制御（以下NCと称する）工作機
械や電子計算機の周辺機器のサーボ機構に広く用
いられているステツプモータの制御に用いるのに
好適な、制御部から与えられる周期的な駆動信号
によつて駆動されているステツプモータの負荷を
検出するための新規な装置に関するものである。

【従来の技術】

アクチユエータとしての働きに加え、パルス列
で与えられるデジタル量を機械的位置に変換する
機能を有するステツプモータが、数値制御に最も
適したサーボモータとして、NC工作機械や電子
計算機の周辺機器に広く用いられるようになつて
きている。このステツプモータは、開ループ制御
が可能であり、エンコーダやポテンシヨメータ等
のフイードバツク要素を用いることなく、サーボ
機構を簡単且つ高精度に構成することができると
いう大きな特徴を有する。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、従来は、ステツプモータに加わ
る負荷を検出する適切な装置が提案されておら
ず、従つて、予期しない外力や負荷が加わつた場
合に、ステツプモータが回りきれなくなる、いわ
ゆる脱調現象を防止したり、又、加工機械等にお
いて、一定締付け力でステツプモータによる送り
を停止したりすることが困難であるという問題点
を有していた。 即ち、ステツプモータの負荷を検出することが
できれば、例えば、負荷変動等によつて脱調に近
いときは、ステツプモータの駆動周波数を低く
し、トルクを向上することによつて、脱調の防止
を図ることが可能であるが、従来は負荷を検出す
ることができなかつたため、駆動周波数を経験に
応じて決めるだけであり、使用時の負荷変動に対
しては、何ら効果的な対策をとることができなか
つた。 なお、特開昭53−30720号には、負荷量が異な
るとそれに応じてステツプモータの機械相と電気
相との回転のずれが異なることに着目して、該ず
れに応じて駆動信号の位相を閉ループ制御するこ
とにより、脱調を防止しながら正確な位置決めを
行うことが記載されているが、負荷量を具体的に
求める構成については、全く開示されていなかつ
た。

【発明の目的】

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくな
されたもので、極めて簡単な構成により、ステツ
プモータの負荷を容易且つ正確に検出することが
でき、従つて、脱調現象を防止したり、一定締付
け力で送りを停止したりすることが可能な、ステ
ツプモータの負荷検出装置を提供することを目的
とする。

【問題点を解決するための手段】

本発明は、制御部から与えられる周期的な駆動
信号によつて駆動されているステツプモータの負
荷を検出するための装置において、前記駆動信号
から駆動周波数を検出する速度検出回路と、前記
ステツプモータに発生する逆起電力を検出する逆
電力検出回路と、逆起電力信号に基づいて安定点
位置信号を発生する安定点位置信号発生回路と、
前記駆動信号に対する安定点位置信号の、負荷に
よる位相遅れを検出する比較器と、該位相遅れと
前記駆動周波数から、位相遅れ、駆動周波数及び
負荷の３つの量の間の一義的な相関関係を利用し
て、ステツプモータの負荷を演算する負荷演算器
とを備えることにより、前記目的を達成したもの
である。

【作用】

一般に、ステツプモータのある相の励磁を一定
に保つた状態においては、ロータは安定点に静止
し、ロータ軸にはトルクを生じない。この安定点
からロータを移動させると、安定点に戻ろうとす
る方向に、いわゆる静止トルクを生ずる。この静
止トルクとロータの回転角との間には、第２図に
示す様な関係があり、この静止トルク曲線は、ロ
ータの歯１ピツチ分に相当する角度の周期を持
ち、トルクが零になる点は、半周期毎に存在す
る。第２図中に●で示したところが安定点であ
り、○で示したところが不安定点である。従つ
て、安定点は１周期毎に存在する。 この静止トルク曲線の形状は、ステツプモータ
の種類（可変リラクタンス（以下VRと称する）
形、永久磁石、（以下PMと称する）形、ハイブ
リツド形等）、形式、構造（特にステータとロー
タの歯の形状と両者の間隙の大きさ）、材料、励
磁条件等によつて異なるが、４相ハイブリツド形
ステツプモータ（ロータ歯数50）の、各相につい
ての静止トルク曲線は、例えば第３図に実線で示
したようになつており、1/4ピツチずつ位相がず
れている。第３図から明らかな如く、励磁相をφ
１→φ２→φ３→φ４という順に１相ずつ順に切
換ること（いわゆる１相励磁方式）によつて、安
定点が移動し、ロータが１ステツプ角ずつ回転す
る。この場合、１ステツプ角は、隣り合う相の静
止トルク曲線の位相差に相当している。 又、隣り合う２個の相を同時に励磁する（いわ
ゆる２相励磁方式）と、静止トルク曲線は、前出
第３図に破線で示したようになる。即ち、φ１と
φ２を同時に励磁した場合、静止トルク曲線は、
各相を単独に励磁したときの曲線の和に等しくな
る。そして、その安定点は、丁度、φ１とφ２の
安定点の中間に位置する。従つて、隣り合う２相
ずつを順次励磁することによつても、１相ずつ励
磁する場合と同一のステツプ角で、ステツプモー
タを駆動することができる。 更に、第３図から明らかな如く、１相励磁の状
態と、２相励磁の状態を交互に繰返すこと（いわ
ゆる１−２相励磁方式）によつても駆動が可能で
ある。この１−２相励磁方式では、ステツプ角
を、１相励磁方式及び２相励磁方式の半分にする
ことができるので、半ステツプ角駆動とも呼ばれ
ている。 又、ステツプモータの駆動方式としては、通常
の矩形波による駆動方式の他、複数の励磁相の各
相電流の大きさを、１入力パルス毎に段階的に変
化させることによつて、静止トルク曲線の安定点
の位置を微小角ずつ段階的に移動させ、これによ
つて、ステツプ角を細分化した、いわゆるミニス
テツプ駆動方式も提案されている。 いずれの励磁方式や駆動方式による場合であつ
ても、当然安定点が存在する。この安定点は、ス
テツプモータに負荷がかかつていない無負荷状態
である場合には、第４図に破線で示す如く、駆動
信号と位相が一定関係にある。しかしながら、ス
テツプモータに負荷が加わると、前記一定関係が
変化し、この安定点は、第４図に実線で示す如
く、駆動信号に対して遅れる。この遅れは、発明
者らの調査によると、第５図に示す如く、駆動周
波数（回転速度）と負荷によつて一義的に決ま
る。第５図は、ミニステツプ開ループ駆動におけ
る、駆動信号に対する安定点位置の位相遅れと、
外部負荷トルク及び駆動周波数の関係の一例を示
したものである。第５図において、図中の数字は
安定点の位相の遅れであり、図中の実線Ａがいわ
ゆるプルアウトトルク即ち脱調限界トルクであ
る。 従つて、ステツプモータの安定点位置を検出
し、駆動信号に対する安定点位置信号の、負荷に
よる位相遅れを求めれば、該位相遅れ、駆動周波
数及び負荷トルクの３つの量の間の一義的な相関
関係を利用して、前記位相遅れと駆動周波数から
ステツプモータの負荷トルクを検出することがで
きる。 よつて、検出された負荷トルクに応じて、例え
ばステツプモータの駆動周波数を低くし、その出
力トルクを向上することによつて、脱調現象を防
止したり、一定締付け力でステツプモータによる
送りを止めたり、ステツプモータの動きを監視し
たり、負荷トルクの異常を検出してステツプモー
タを非常停止したりすることが可能となる。又、
加減速時に最適制御を行うことも可能となる。 本発明は、上記のような知見に基づいてなされ
たものである。 安定点位置を検出する具体的な方法としては、
生産研究34巻６号（1982.6）の49頁〜50頁に開示
されているように、ハイブリツド形を含む全ての
PM形ステツプモータに適用可能な方法として、
エンコーダを用いずに、回転に伴つてステツプモ
ータに生ずる逆起電力を検出することによつて位
置信号を得る方法があり、この方法によつて安定
点位置を検出することが可能である。即ち、PM
形ステツプモータは基本的には２相交流同期モー
タとして取扱うことができ、例えば第６図に示す
如く、ステツプモータ１０の励磁巻線に重ね巻き
した検出用補助巻線１４とトランス１６からなる
検出回路１３によつて、１相分の逆起電力V₁を
検出することが可能である。第６図において、
E₁は１相電圧、I₁は１相電流である。 該１相分の逆起電力V₁及び同様にして検出さ
れた２相分の逆起電力V₂は、例えば第７図に示
すような形状となる。従つて、これら一対の逆起
電力V₁、V₂が零となるとき（即ちゼロクロス点）
のロータ１０Ａの位置が、各相巻線を励磁した場
合の安定点の各位置に対応することを利用するこ
とによつて、安定点位置信号を得ることができ
る。 なお、２相励磁方式の場合は、１相励磁方式の
場合と異なり、逆起電力信号のゼロクロス点から
安定点位置を直接検出することはできないが、２
つの逆起電力信号の和と差のゼロクロス点から安
定点位置を検出することができる。又、必要であ
るのは、駆動信号に対する安定点位置信号の、負
荷による位相遅れの変化であるので、１相のみの
安定点位置の変化を監視してもよい。 いずれにしても、逆起電力信号を利用するよう
にした場合には、別体のエンコーダを用いる必要
がなくなり、安定点で出力が発生するようにエン
コーダの配設位置を厳密に調整する必要もない。

【実施例】

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に
説明する。 本発明の第１実施例は、本発明をPM形ステツ
プモータの負荷検出に適用したもので、第１図に
示す如く、制御部２０から与えられる周期的な駆
動信号によつてステツプモータ１０を駆動するた
めの、任意の励磁方式及び駆動方式の駆動回路２
２と、該駆動回路２２に与えられる駆動信号から
駆動周波数を検出するための、例えば周波数−電
圧変換器及びアナログ−デジタル変換器を含む速
度検出回路２４と、同じく駆動回路２２に与えら
れる駆動信号を波形整形するための、例えばゼロ
クロス検出器からなる第１の波形整形回路２６
と、前記ステツプモータ１０に発生する逆起電力
を検出するための、例えば前出第６図に示したよ
うな構成の逆起電力検出回路１３と、該逆起電力
検出回路１３出力から逆起電力信号のゼロクロス
点を検出するための、例えばゼロクロス検出器か
らなる第２の波形整形回路（安定点位置信号発生
回路）２８と、前記第１の波形整形回路２６出力
の駆動信号に対する前記第２の波形整形回路２８
出力の逆起電力のゼロクロス点信号即ち安定点位
置信号の位相遅れ（又は時間遅れ）を検出して出
力するための比較器３０と、該比較器３０出力の
位相遅れ及び前記速度検出回路２４出力の駆動周
波数から、前出第５図に示したような一義的な相
関関係を利用してステツプモータ１０の負荷トル
クを演算する負荷演算器３２と、該負荷演算器３
２で算出された負荷トルクの値を表示する負荷表
示器３４と、から構成されている。 以下、第１実施例の作用を説明する。 ステツプモータ１０は、制御部２０から与えら
れる周期的な駆動信号に基づいて、駆動回路２２
により所定の励磁方式及び駆動方式で駆動されて
いる。 前記駆動信号の周波数、即ち、駆動周波数は、
速度検出回路２４で検出され、負荷検出器３２に
入力される。 前記駆動信号は、第１の波形整形回路２６で波
形整形された後、比較器３０に入力される。 前記ステツプモータ１０に発生する逆起電力
は、逆起電力検出回路１３で検出され、該逆起電
力検出回路１３出力の逆起電力信号のゼロクロス
点が、第２の波形整形回路２８で検出されて、安
定点位置信号となる。この安定点位置信号も、比
較器３０に入力される。 比較器３０は、第１の波形整形回路２６出力の
駆動信号に対する、第２の波形整形回路２８出力
の安定点位置信号の位相遅れを検出して、負荷演
算器３２に出力する。 負荷演算器３２は、比較器３０出力の位相遅れ
及び速度検出回路２４出力の駆動周波数から、前
出第５図に示したような一義的な相関関係を利用
して、ステツプモータ１０に負荷トルクを算出す
る。算出された負荷トルクの値は、負荷表示器３
４に表示される。 従つて、前記負荷演算器３２で算出された負荷
トルクの値に応じて、例えば一定負荷でステツプ
モータ１０による送りを停止することができる。
又、算出値が設定値を越えた時に警報を出力さ
せ、該警報によつてステツプモータ１０の動きを
監視したり、負荷表示器３４に表示された負荷ト
ルクの値によつて、他の作用をさせることもでき
る。 なお、前記第１の波形整形回路２６は省略可能
である。 次に、第８図を参照して、PM形ステツプモー
タの定負荷停止装置に適用した本発明の第２実施
例を詳細に説明する。 本実施例は、第８図に示す如く、第１実施例と
同様の制御部２０と、駆動回路２２と、ステツプ
モータ１０と、逆起電力検出回路１３と、第１及
び第２の波形整形回路２６及び２８と、起動指令
（作動ボタン）に応動して、前記制御部２０から
与えられる駆動信号の周波数を設定するための駆
動周波数設定器４０と、ステツプモータ１０を停
止するべき所定負荷トルクを設定するための負荷
設定器４２と、該負荷設定器４２で設定された所
定負荷トルク及び前記制御部２０出力の駆動信号
の周波数（駆動周波数）から、前出第５図に示し
たような一義的な相関関係を利用して、ステツプ
モータ１０を停止すべき目標位相差を演算する目
標位相差演算回路４４と、前記第１の波形整形回
路２６から入力される駆動信号に対する、前記波
形整形回路２８から入力される安定点位置信号の
位相遅れが、前記目標位相差と一致した時に、前
記制御部２０に停止指令を出力する定負荷停止回
路４６と、から構成されている。 この第２実施例の基本的な作用は、第１実施例
と同様であるので、説明は省略する。 本実施例においては、ステツプモータ１０の負
荷トルクが所定値となつた時に、該ステツプモー
タ１０による送りを自動的に停止することができ
る。従つて、例えば自動マイクロメータの測定圧
を一定にすることができる。 なお、前記目標位相差演算回路４４に駆動信号
入力する代わりに、第８図に破線で示した如く、
前記駆動周波数設定器４０で設定された周波数信
号を、直接入力してもよい。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、ステツプ
モータの負荷を、極めて簡単な構成により、容易
且つ正確に検出することが可能となる。従つて、
開ループ駆動における脱調現象を防止したり、外
部負荷トルクの大きさや変動を推定することが可
能となる。又、所定トルクに達するまで回転する
自動ねじ締め機、内部圧力が所定値になるまでバ
ルブを締める装置に対して、ステツプモータを用
いることが可能となる。更に、異常負荷が発生し
たときのテーブルや搬送装置の停止等が可能とな
る等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るステツプモータの負荷
検出装置の第１実施例の構成を示すブロツク線
図、第２図は、本発明の原理を説明するための、
ステツプモータの静止トルク曲線の一例を示す線
図、第３図は、同じく４相ハイブリツド形ステツ
プモータの静止トルク曲線の一例を示す線図、第
４図は、同じく、駆動信号と安定点位置信号の位
相関係を示す線図、第５図は、同じく、ミニステ
ツプ開ループ駆動における駆動信号に対する安定
点位置信号の位相遅れと外部負荷トルク及び駆動
周波数の関係の例を示す線図、第６図は、本発明
で安定点位置を検出する際に用いられる逆起電力
検出回路の一例を示す回路図、第７図は、前記逆
起電力検出回路による逆起電力検出波形の一例を
示す線図、第８図は、PM形ステツプモータの定
負荷停止装置に適用した本発明の第２実施例の構
成を示すブロツク線図である。 １０……ステツプモータ、１２……エンコー
ダ、１３……逆起電力検出回路、２０……制御
部、２２……駆動回路、２４……速度検出回路、
２６……波形整形回路、２８……波形整形回路
（安定点位置信号発生回路）、３０……比較器、３
２……負荷演算器、３４……負荷表示器、４０…
…駆動周波数設定器、４２……負荷設定器、４４
……目標位相差演算回路、４６……定負荷停止回
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 制御部から与えられる周期的な駆動信号によ
   つて駆動されているステツプモータの負荷を検出
   するための装置であつて、 前記駆動信号から駆動周波数を検出する速度検
   出回路と、 前記ステツプモータに発生する逆起電力を検出
   する逆起電力検出回路と、 逆起電力信号に基づいて安定点位置信号を発生
   する安定点位置信号発生回路と、 前記駆動信号に対する安定点位置信号の、負荷
   による位相遅れを検出する比較器と、 該位相遅れと前記駆動周波数から、位相遅れ、
   駆動周波数及び負荷の３つの量の間の一義的な相
   関関係を利用して、ステツプモータの負荷を演算
   する負荷演算器と、 を備えたことを特徴とするステツプモータの負荷
   検出装置。