JPH11512596A - オープンループステップモータ制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本モータ制御システムは、必要パワーを減少させるが充分なトルクを与えノイズを減少させる。最大速度までモータを非線形的に加速させるために、ワンフェーズオン位置の間でマイクロステップさせるように変更されたワンフェーズオン駆動モードが使用される。このマイクロステップ駆動モードは、一定期間を有しており、モータのステップ速度は、モータの相続くステップおけるマイクロステップの数を減少させることによって、増大される。変更フルステップ波形は、モータを最大速度に維持し、この場合には、ステップモータの１つの巻線への電流は、１つのモータステップ内で極性を変え、一方、他方は、概略一定のままで、駆動の滑らかさを増大させ、ノイズを減少させる。極性は、モータのコンプライアンス電圧およびインダクタンスに従って変化する。ワンフェーズオン位置の間のマイクロステップを後で含むように変更されたワンフェーズオン波形は、非線形的にモータを減速させ、モータは、ステップの別の波形がモータへ付与されるまでは、停止位置に停止する。

Description

【発明の詳細な説明】 オープンループステップモータ制御システム 背景 本発明は一般にモータ制御に係るものであり、具体的に言えば、十分なトルク を維持しながら音響ノイズを減少するオープンループステップモータ制御システ ムに係るものである。 ステップモータは一連の断続的なステップでそれの負荷にトルクをかけ、従っ てステップモータは音トランスジューサとして働いて、それのステップ・レート に等しい基本周波数の可聴音を発生する。もしモータを広範囲のステップ・レー トで運転させようとすると、これらのステップ・レートのどれかとステップモー タの負荷の共振周波数もしくはステップモータそれ自体の共振周波数とが合って 、問題となる程の大きな音響ノイズを生じ、そして運転効率も低下することとな る。 医療器械の分野では患者や他の人のためそれらの器械のノイズレベルを低くす るのが通常望まれている。例えば、ステップモータを含んでいる点滴ポンプは患 者の近くに置かれており、数時間も作動させることがある。ポンプが大きな騒音 を発生すると患者への障りとなる。更に、多くの点滴ポンプを含むある医療器械 はバッテリーなど貯蔵電力が限られたポータブル式の電源で給電されている。そ のためその医療器械はできるだけ少ない電力を消耗するよう設計されていて、そ の器械がバッテリの取替えもしくは充電するまでにできるだけ長い間患者をサポ ートするようにしてある。こうして、点滴ポンプや他の医療器械においてはノイ ズと電力消耗とを少なくすることが望ましい。 ステップモータの音響ノイズ源はモータ・ドライブの波形である。ステップモ ータを駆動する最も簡単な手段は「フル・ステップ」モードであって、その場合 大きさが一定の矩形波の電流もしくは電圧で２相モータを駆動する。このモード では各ステップは２^N個のモータ巻線の電流の極性の一つに対応する。ここで、 Ｎはモータ巻線（もしくは位相）の数である。このタイプのドライブは、各ステ ップの立ち上がりで発生する大きいトルクの変化率から生じる角加速度は大きい ため高調波を含む割合が大きい音響ノイズを発生する。更に、ドライブ・レート がサブ・オプチマムであり、そして巻線電流が切り換わる前にロータがそれの位 置に到達していると、モータの磁界位置の周りでのロータの減衰振動が発生し、 ロータを保持するために負トルクを与えると過剰なノイズと消耗電力とを生じさ せ、そしてそのときに遭遇する抵抗のためただ巻線を加熱してエネルギを失って しまう。 モータのドライブパルスの大きさを減少することによりトルクパルスの大きさ を減少すればノイズ要素を減少できる。しかしながら、このような減少はモータ が利用できるトルクの余分なゆとりもなくしてしまって、モータの停止もしくは 「プル・アウト」の危険を増加する結果となる。ここで「プル・アウト」とは、 モータが負荷を動かすのに使える動力よりモータの負荷の方が大きくなって同期 を喪失し、モータがそれの回転サイクルから外れ、そして一つもしくはそれ以上 のステップを喪失することを言う。 トルクに十分なゆとりを持たせることは、ある望ましくない状態が起こったと き必要となる。ステップモータを使用してポンプ機構、例えば蠕動性ポンプを駆 動する医療分野では、点滴液体のヘッドの高さが変わり、点滴液体には粘性があ ることもあり、そして低温になると例えば蠕動性ポンプを動かす動力は大きくし なければならなくなる。モータの規定トルクはこれらすべての状況を処理できる だけの大きさを持っているべきであり、何れにしてもそれの規定トルク＋それの トルク予備（ゆとり）が大きくなければならず、さもないとモータのプル・アウ トが生じるかもしれない。規定トルクとトルク予備とを機構が持っているのが典 型である。一実施例では予備トルクは規定の「無停止」トルクの７５％に設定さ れている。 モータ・ノイズは「マイクロステッピング」として知られている技術によって 十分低減できることが判っている。「マイクロステッピング」は、モータの磁界 ベクトル位置の僅かな角変位を発生する一連の電流の大きさ状態でモータを一ス テップ進ませる技術である。これらの変位の集計が一ステップの変位に等しい。 瞬時トルクは、ロータの位置からのモータの磁界ベクトル位置の角変位の正弦関 数であるので、小さい角変位は小さい瞬時トルクを生じる。小さい瞬時トルクは 、 一歩全部を駆動する「フル・ステップ」駆動モードでの各ステップの立ち上がり で発生する角加速度よりも小さい角加速度を各「マイクロ・ステップ」の立ち上 がりで発生させる。その作用効果は、全一歩のステップ開始で通常生じる大きな 加速を一連の小さい加速として広げて、音響ノイズの大きさを低減するというこ とである。 しかしながら、“マイクロステッピング”は、電池電源応用の場合の様に、電 力消費が制限される必要がある場合、満足のいくノイズ減少技術ではない。マイ クロステップ技術において、状態シークエンスを決めるモータ捲線電流は、シー クエンスを通して維持される必要があり、かなり高い電力消費を結果する。初期 加速の後に電力を保存するために捲線電流が遮断される「１位相オン」（ワンフ ェーズオン）モードの様な、別のより少ない電力消費のステップモードが利用可 能である。しかしながら、これらのモードは、マイクロステッピングモードより もノイズが多い。マイクロステッピングは、コントローラ帯域幅が制限される所 では、望まれない。マイクロステップの数が増大するにつれて、コントローラの 帯域幅は増大し、より高速なクロック速度をサポートするためのより高い能力の ハードウエアが要求される。このより高い能力は、より高い価格をもたらし且つ 複雑性を増す。 モータ駆動回路の形態は、価格に直接跳ね返ってくる。例えば、閉ループ駆動 回路は、制御のための必要なフィードバックを与えるために、センサーを通常必 要とする。センサー、及びセンサー入力を駆動回路を制御するために使用するの に要求される追加のプロセッサ帯域幅は、価格に想到な上昇をもたらす場合があ る。 従って、電力消費に対してより多くの制御が行われることは、長い電池寿命が 望まれる場合の応用において重要である。過剰の電力をステップモータ捲線に与 えることは、電力を浪費し且つ電池の寿命を短くする場合がある。電力は、捲線 抵抗による熱として損失される場合がある。同様に、共振周波数でモータを動か すことは非効率的であり、電力の浪費を結果する場合がある。これは、モータに 与えられる大きな入力電力から、ほとんどトルクが発生しないためである。従っ て、制限されたエネルギーを浪費することを避けるために、精密なモータ制御が 望まれる。 従って、当業者は、医療装置の音響出力を下げるが、同時に、好適なトルクを 保持しつつ電力消費を下げる必要性を認識している。更に、当業者は、ハードウ エア及びプロセッサコストを低減するめに開ループ制御システムの必要性も認識 している。本発明は、これら及びその他の必要性を満足する。 発明の概要 簡略かつ一般的に、本発明は、モータの動きを制御する制御システムに関し、 このシステムは、エネルギー源と、モータの動きを制御すべくエネルギー源から モータへのエネルギーの供給を制御するコントローラとを備え、コントローラは 、モータの動きを開始すべく非線形で増大するようにモータにエネルギーを供給 する。別の形態では、コントローラは、モータの動きを停止すべく非線形で減衰 するようにモータからエネルギーを除去する。 より詳細な形態では、コントローラは、モータの動きを開始すべく指数関数的 に増大するようにモータにエネルギーを供給しかつモータの動きを停止すべく指 数関数的に減衰するようにモータからエネルギーを除去する。 更なる詳細な形態では、コントローラは、停止からの加速中、一定速度での動 作中、及び停止への減速中に多重励磁モードでモータにエネルギーを供給する。 より詳細な形態では、モータの加速に対するエネルギーの非線形供給中、“一相 ”励磁モードは、モータの動作中に“一相”モータ・ステップ位置間で微小ステ ップ（マイクロステップ）に変更される。所望の速度に到達したならば、コント ローラは、速度を一定に維持すべく全ステップ励磁モードでモータにエネルギー を供給する。停止へのモータの減速に対するエネルギーの非線形的な除去中、コ ントローラは、“一相”励磁モードにより“一相”位置に配置されたモータで終 っている“一相”モータ・ステップ位置間で微小ステップに変更された“一相” 励磁モードでエネルギーを供給する。モータが停止している期間中、ロータは、 回転止めトルクでそのままの位置に保持され、かつエネルギーは、供給されない 。 別の形態では、コントローラは、モータの加速の期間中モータ・ステップ当た りの微小ステップの数を減少し、かつ減速中に微小ステップの数を増大する。 更なる形態では、本発明は、少なくとも二つの位相と、回転止め位置を画定す ることができる永久磁石とを有しているステップ・モータ用のモータ制御システ ムを提供する。制御システムは、一定速度に対して上昇非線形でステップ・モー タを加速すべくステップ・モータに第１及び第２のモード励磁信号を供給するモ ータ・コントローラを備えている。モータ・コントローラは、一定速度を維持す べくステップ・モータに第３のモード励磁信号を提供し、かつモータ・コントロ ーラは、非線形で減衰するように一定速度から回転止め位置へステップ・モータ を減速すべく第４のモード励磁信号を提供し、モータ・コントローラは、モータ が、所定期間、回転止め位置に停止した後、モータに対して励磁信号を提供しな い。 更なる形態では、モータは、タイム・フレームにおいて所定のステップ・グル ープを通して連続的に駆動され、そして節電のために残りのタイム・フレームに 対して遮断される。モータ位置は、その永久磁界の回転止めトルクによって遮断 中、保持される。 本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および例により本発明の特 徴を図示している添付図面から明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、基本的な２相ステップモーターを示すブロック図である。 図２は、本発明の特徴によるステップモーター用の制御装置、および患者へ医 療用液体の注入するための制御装置とステップモーターの適用のブロック図であ る。 図３は、本発明の特徴による図２に示された駆動装置とモーター捲線の回路図 である。 図４は、２相ステップモーターを駆動するための一定速度の２相ステップ駆動 の波形を表す。 図５は、ピークの捲線電流を達成するために、モーターへエネルギーの非直線 的適用する場合のグラフであり、この場合、エネルギーの指数関数的な適用が示 され、エネルギーの直線的な適用と比較されている。 図６は、図５に示されたエネルギーの指数関数的な適用に応答して、モーター の非直線的加速度のグラフであり、この場合、指数関数的な加速度が示され、直 線的な加速度と比較されている。 図７は、ステップモーターへのエネルギーの適用を制御する場合に、多重駆動 モードの使用を示すグラフを含む。 図８は、本発明の特徴による、図７のある波形をより詳細に示す。 図９は、図８の駆動モードのベクトル図を含む。 図１０は、滑らかな磁界変位を生じる、高速度における捲線電流のモーターイ ンダクタンスの効果を示す。 図１１Ａは、図１０の波形の１つを更に詳細に示す。 図１１Ｂは、ベクトル図を示す。 図１２は、本発明の特徴によるステップモーターの制御のフローチャートであ る。 好適な実施の形態の詳細な説明 以下の説明において、図面の異なる図において同じ参照番号は同じもの、ある いは対応する素子を示すために用いられる。以下の説明は、図１に示された２相 ステップモーター１０の概略例に基づいている。ステップモーター１０は、永久 磁石を有し、ビボット点１３の周りを回転するモーター１２、およびステーター の２対の捲線１４と１６を有する。説明のために、捲線１４はフェーズ（相また は位相）Ａを表し、捲線１６はフェーズＢを表す。ローター１２は、それぞれの 捲線１４と１６に加えられた電流の大きさと極性に従ってステップ状に動く。も し、電流が捲線の一方を通過するなら、附勢された捲線１４に生じたＮとＳのス テータの極はローター１２のＳとＮ極をそれぞれ引きつける。 ステップモーターにおけるローターの回転を制御するための多くの駆動モード がある。駆動モードの１フェーズにおいて、一方の捲線が附勢され、他の捲線は ターンオフされる。一方の捲線１４から他方の捲線１６へ電流の流れを変えるこ とによって、ステーターの磁界は９０°回転する。低い電力がこのモードに必要 である。これは９０°のステップを回転するローターを生じる。従来技術におい て知られているように、異なる角度のステップは、異なるローターとステーター の構造を用いて得られる。更に、もし、２つのフェーズ電流が等しくないなら、 ローターは、強い極の方向へ位置をシフトしようとする。“マイクロステップ” 駆動モードはこの効果を利用し、２つの捲線に与えられた電流を釣り合わせるこ とによって、基本的なモーターのステップを細分化する。例えば、一方の捲線、 従って２つの捲線を交互に附勢することによって、ローターは小さな角変位だけ 動き、回転あたり多くのステップを２倍にする。回転が速ければ速い程、より滑 らかになるが、幾らかのトルクの損失が生じる。このモードは、“ハーフステッ プ”駆動モードとして一般に知られている。 “フルステップ”駆動モードで駆動された２相ステップモーターに対しては、 ２つの捲線あるいはフェーズは附勢されたままであり、電流は、交互のステップ に関して各捲線において交互に反転される。全てのステーターの極がモーターに 影響を及ぼしているので、大きなトルクがこれらの状態下で生成される。それら の、個々の磁界が合計されて、大きな磁界を生成する。しかし、２つの捲線が絶 えずエネルギーが供給されるために、この駆動モードにおいては、より多くの電 力が消費される。 捲線をとおして流れる電流がないと、ローターは、ステーター捲線の一方の極 と関連することによって、その永久磁石のリラクタンス、即ち磁気抵抗を最小に 使用とするであろう。この位置においてモーターを保持するトルクは“デテント トルク(detent torque)と呼ばれる。 図２は、ステップモータ１０を駆動する信号を与えるプロセッサ２０を示す。 本例では、プロセッサ２０あるいは、他の適当なデジタル装置は、メモリ２２に ストアされたルックアップテーブルからデータにアクセスし、特定モードでステ ップモータ１０を駆動する波形を有する信号を供給するようになっている。メモ リ２２のテーブルは、モータ１０の捲線に印加されるべき極性および電流値を与 える。プロセッサ２０はステップモータ１０の捲線に適正な電流を与えるために ドライバ２６に対してその極性および大きさの信号を供給する。これらの値は、 Ｄ／Ａコンバータ２８を介してこれらの信号をアナログ信号に変換し、その後ド ライバ２６に入力される。 図３に示すように、２相ステップモータ１０の捲線１４および１６のドライバ ２６はプロセッサで制御される一対のＨブリッジ３０を備えている。Ｈブリッジ 電流出力値の大きさは、チョッパ３２によって制御される。チョッパ３２は要求 に応じてモータ駆動の駆動および停止を行うようになっており、コンパレータ入 力３３のセンス信号とマグニチュード信号の差を最小にする。マグニチュード信 号はＤ／Ａコンバータ２８（図２）を介して生成される。プロセッサ２０はステ ップモータを駆動する適当な波形を与える特定データを含むメモリにストアされ たそれぞれのテーブルを切り換える。メモリ２２は、ある実施例では、複数のル ックアップテーブルを備えるものであって、それぞれのグループのステップを介 してモータの動作中にプロセッサがそれぞれのメモリを使用できるようになって いる。したがって、プロセッサは”動作中に”かつ、自動的に本書で説明するよ うにモータ駆動波形を変更することができるものである。ルックアップテーブル インデックスは、モータ回転中に変更され、これによって、プロセッサは常時モ ータ制御可能な適正な波形を備えている。たとえば、あるルックアップテーブル は加速波形のためにストアされており、あるものはフルステップ波形のためにス トアされている。 また、図３は、位相Ａ捲線に対して破線の矢印の駆動電流および実線矢印３１ の減衰電流を示している。チョッパ３２は、コンパレータ３３によるマグニチュ ード信号とセンス信号との比較の結果に応じてトランジスタＡ１とＡ２を導通さ せる。 たとえば、流体リザーバ３８と患者４０との間を接続するチューブ３６に作用 する図２に示すような線型蠕動ポンプ３４のような医療用注入ポンプに使用する ステップモータ１０では、一定ステップレイトでの図４で示すフルステップ駆動 モードは、ノイズおよび電力消費を低減するためのモータ１０駆動の最も効率的 なモードではないかもしれない。 上記のように、その結果生じたステップ期間は、過剰の期間を有するものであ る可能性がある。すなわち、モータの大部分の動作が期間の始めの近傍で生じ、 期間の残りでは捲線１４および１６の抵抗で熱として電力を消費するとともに、 ノイズも問題となる結果となる。 図５を参照すると、エネルギーが非線形でモータに印加され、モータ動作を開 始させる実施例が示されている。捲線電流４２は、指数関数的にモータに印加さ れ、捲線４４に線型増加が使用される場合よりも速い速度で最大トルクに到達さ せられる。このアプローチによって、最初の段階ではトルク増加を低くしながら 高いトルク出力にスムーズに移行させることができる。これによって、線型のア プローチによる場合よりも発生ノイズを小さくし、エネルギー消費を少なくする ことができる。図５に示すように、モータに指数関数的なエネルギーの付加によ って線型印加の場合よりも極めて速くピーク捲線電流４６に到達することができ る。本例では、ピーク捲線電流は単一のモータステップ内で印加される。図示し ていないが、同様なアプローチがモータの減速でも用いられる。電力は、非線形 減衰形態、本例では、指数関数的減衰で除去されていく。 図６は図５の指数関数的電力印加の結果としてのモータ動作のグラフを示して いる。モータは線型加速４７よりも指数関数的加速４５を通しての方が格段に速 く最大角速度４３に到達する。これにより、線型のアプローチが用いられた場合 よりも少ないノイズでより速くモータは共振振動数通過することとなる。本例で は、４つのモータステップの間にモータはそのピーク角速度に到達する。さらに 、指数関数的に加速すると少ない電力で所望の速度に到達することができる。 図７を参照すると、ステップモータドライブに関する位相電流Ａ５１及びＢ５ ３の２つの時間フレーム４８及び５０が示されている。各時間フレームでは、モ ータはステップ５２、５４及び５６の所定のグループを介して動き、次いで、時 間フレーム５８の残りで停止する。それゆえに、各時間フレームは、加速５２、 最大ステップ速度５４、減速５６、及び、パワーオフ又はストップ５８の時間を 含む（数字は、１つのフレームにだけ示す）。この実施形態におけるパワーが供 給されないインターバルでは、ロータは、その永久磁場の戻り止めトルクによっ てその場所に保持される。同じ平均ステップ速度に関して、即ち、選択された最 大ステップ速度への非線形の加速、ステップ速度とパワーオフの非線形減衰によ る減速のような示された仕方でモータを駆動することにより、図４に示された一 定速度駆動よりも、モータを制御するための平均電力が少なくて済むことが分か っていた。 図８は、図７の単一の時間フレームにおけるステップのグループの２つの曲が りくねった電流波形５１及び５３をより詳細に示す。図８は、以下で議論する図 ９のベクトル図とみなし得る。図９は、図８に示された波形によって駆動される ２相ステップモータ１０に関する、加速ー減速、及び、定速ベクトルシーケンス を示すグラフを含む。該グラフは、３つの部分の波形と、それに対応するモータ ステップとマイクロステップとを図示する。ベクトルは、各マイクロステップで のロータ１２に作用するモータ磁場の方位と大きさを示す。加速部分では、修正 された「単相」モードの使用によってロータが速度を増加させるにつれて、急激 にステップ速度が増加する（即ち、連続ステップに関するマイクロステップを増 加させる）ことを図示している。修正されたフル・ウェーブ波形によって維持さ れる高速部分は、正確な位置決めでモータの一定速度を維持している。減速部分 は、修正された「単相」モードでモータが再び速度を低下させるに連れて、急激 にステップ速度が減少することを図示している。減速部分の終わりのマイクロス テップ番号４０で、ロータは、モータがワインディングする電流が中断する前に 、その戻り止め位置の近くにある。ロータは、ワインディングがターンオフする 前に、「単相」位置に止まる。ロータは次いで、次のステップのグループがモー タに適用されるまで、ロータの永久磁石によって作り出された戻り止めトルクに よってその位置に保持される。このことによって、位置を保持するための電流を 使用せずに、モータの正確な位置決めをすることができる。 加速及び減速中に、モータは、修正された「単相」波形で駆動される。これは ステップ１乃至４及び１６乃至１８に対応し、各ステップは、ある印加ワインデ ィング又は相が、いかなるかかるモータトルクなしで、ターンオン又はターンオ フされ得る戻り止め位置のモータで始まりそして終わる。示した実際の実施形態 では、修正された「単相」駆動モードは、モータによって滑らかな加速を生じさ せるのに使用される。磁場は、戻り止め位置で綿密ではないが、高速駆動への移 行のためのロータを準備するために、モータステップ２及び３の加速の終わりで 幾分遅延する。場は、ワインディング電流が除去されるちょうどその時、戻り止 め位置での正確な停止へ惰走するためのロータを準備するために、各減速ステッ プの終わりで僅かに同様に遅延する。第２のワインディングがこの修正を達成す るために電圧を印加される量は、モータの物理パラメータに依存する。例えば、 モータ惰性能率、摩擦荷重（静的、重力、及び、粘性）、モータのトルク出力、 戻り止め場の強度、及び、モータワインディングの抵抗及びインダクタンスは、 全てモータのノイズに影響を及ぼし、「単相」波形の修正を選択する際に考慮し なければならない。 「１相」励磁モードは、モーターの移動中にローターの「１相」位置間の微小 ステップに改変される。個々のステップの間にトルクは増加し、滑らかな磁界ベ クトル変位シーケンスは１つ以上の巻き線に１時的に付勢することにより与えら れる。微小ステップは、改変した「１相」波形に使用され、角変位とノイズを減 少させ、モーターの滑らかな加速を与える。好適な微小ステップシーケンスは、 図５に示すように初期の加速ステップの間、指数関数的に増加する電流の大きさ を生じる。 上述したように、モーターは時間フレームの初期に、最小の時間でモーターの 最大ステップ率になるまで、指数関数的に増加するステップ率で加速するのが好 ましい。指数関数的に増加するステップ率は、モーターを静止位置から低角加速 度で始動させた後、ステップ率がモーターの共振周波数をより速く通過すること ができるようにし、そのため音響ノイズを減少させる。低角加速度は、低モータ ートルクの使用をできるようにし、それは、 τ＝Ｊα で表され、τはモータートルク、αは角加速度、Ｊは慣性荷重モーメントである 。 モーターを静止位置からモーター電流ベクトルの大きさの直線増加で起こるよ り低トルク変化率で始動させることにより、ノイズは減少される。モーターステ ップの最終電流ベクトルの大きさは、最悪の場合の機械的負荷でモーターの始動 を保証するのに要求される「トルク予備」を発生するのに十分でなければならな い。上昇する指数関数的電流のグラフにより、電流とトルクのより低い初期の率 でこの最終値を与えられた期間即ちモーターのステップ内に得ることができる。 低初期トルクは、ノイズと同時に電力消費を減少させる。トルクは飽和以下の 作動で巻き線電流の直線関数なので、低初期巻き線電流のみが要求され、それが 電力消費を減少させる。初期の加速ステップの電流レベルが電力消費に最も重要 な影響があるのは、これらのステップはステップの群のなかで最も長く続くから である。全てのステップは、一定期間の微小ステップを含み、初期の加速ステッ プは最も多い数の微小ステップを含む。指数関数的に上昇する加速を使用すると 、 モーターが所望の最大速度に迅速に到達する。メモリー２２に記憶された加速波 形テーブルは、加速が進むに連れて巻き線電流を増加するようにプログラムし、 非直線的に上昇する加速度を維持するのに要する増加したトルクレベルを供給す ることができる。メモリーに記憶されたテーブルは、ステップモーターを励磁す る波形のステップシーケンスのための微小ステップの値を含む。 さらに、一定期間の微小ステップを使用すことにより、制御器のバンド幅要求 を最小にすることができる。微小ステップの期間を減らし、ステップ当たり一定 の微小ステップ数を維持するより、モーターステップ当たりの微小ステップの数 を減らし、一定の微小ステップ期間を維持することにより、加速中の次のステッ プのモーターステップ率を増加することができる。微小ステップは、制御器のバ ンド幅要求を決めるので、微小ステップ期間は解決すべき最も短い間隔である。 通常、単位時間当たりより高い微小ステップ率を達成するため、この期間を減少 させることにより、加速が行われる。しかし、微小ステップ率を増加させると、 制御器のバンド幅は増加させなければならない。加速中微小ステップ期間を一定 に保持すると、制御器のバンド幅要求は一定になり、最低の初期のステップ率に 等しくなる。最大率ではモーターステップ当たり１つの微小ステップがあるので 、図８に示すように最大率での微小ステップ期間は、最低の初期の率での微小ス テップ期間に等しく、この図では微小ステップは水平軸に示され、モーターステ ップはモーターステップの数を囲む矢印を付けて２つのグラフの間に示される。 モーターが加速するに従ってモーターステップ当たりの微小ステップの数を減ら すことは可能である。高ステップ率ではトルクの変化率はモーターのインダクタ ンスにより滑らかにされ、モーターは高速ではより感度が低い傾向があるからで ある。 いったんステップモーター１０の所望の速度に達すると、２相ステップモータ ー１０を励磁するのに、ステップ群の最大一定率部分のための改変フルステップ 波形が使用される。２相以上のステップモーターには異なる波形が好ましい。図 ８に示すように、個々の改変フルステップ波形５１と５３の個々のステップのた めに、１方の巻き線電流が極性を滑らかに変化させ、他方はほぼ一定である。こ れは図１０、１１Ａ及び１１Ｂに相Ａは電流６０で相Ｂは電流５２としてより詳 しく示される。極性の変化が起こる率は、モーターのインダクタンスとモーター 励磁コンプライアンス電圧の関数であり、次式で示される。 制御器のＶ_complianceとモーターのインダクタンスＬは一定なので、極性反転 を受ける巻き線の電流は、ステップ期間の終わりに最終値に到達するまでほぼ時 間の直線的関数として変化する。モーター巻き線の抵抗により幾らかの非直線性 が生じる場合がある。図１０、１１Ａ及び１１Ｂに示すように、実際の磁界ベク トルの変位は、モーター巻き線の誘導減衰により決まる滑らかなアナログ関数で ある。他の巻き線は、減衰の最終値と等しいかそれより小さい一定電流６６に保 持される。一定電流６６のレベルは、特定の負荷に対して要求される最小高速ト ルクを与えて、電力消費を最小にするように選択される。 モータが、その共振よりも十分に大きくなるよう選択されたその最高速度で駆 動されたとき、フルステップドライブに通常関連付けられた音響ノイズは減少さ れる。音響ノイズや消費電力は、定電流レベルを、上で述べたように、ある値に 、即ち、消費電力は最小とするが、その一方で、特定の負荷に対して必要とされ る最小の高速トルクを提供するような値に、最適化することによって更に減少さ れ得る。この結果として、「変更された」フルステップドライブモードが生ずる 。電流ベクトルの１つの要素は各高速ステップ中に初期値から最終値へ滑らかに 変化していることから、この結果生じる電界ベクトルの変位（図１１Ｂ）は滑ら かであり、また、生成されるノイズもより少ない。コントローラバンド幅は、最 も低い初速度ドライブのそれより増加する必要はない。図８に見られるように、 フルステップ波形５１、５３の各ステップは、マイクロステップの間隔に好まし くは等しい間隔を有する。 図１１Ａは、図１０の波形の一部を更に詳細に示したものであり、ここでは水 平軸に沿って任意時間が増加する。位相Ａ電流６０は、１つのモータステップ（ ８つの任意時間の増加）内で滑らかに変位している極性を示しており、結果とし て低くされたノイズレベルが生じる。これらの任意時間の単位は、１つのモー タステップ内の電界ベクトル変位を示すために、図１１Ｂでもう一度使用される 。より高いノイズレベルに達するような別の複数のステップなしで、滑らかなベ クトル回転が生じる。電流が図１０に示された最終減衰値に達するのを許さずに 、電流減衰は一定電流レベル６６に制限され、その極性反転のために１つのモー タステップの時間がかかる。 減速中、モータは、停止位置のモータで開始、終了するような各「ワン位相オ ン」位置の間のマイクロステップに対して変更された「ワン位相オン」波形を用 いて再び駆動され、ここでは、グループの最終ステップにおける、１つの付勢さ れた巻線、即ち、位相が、いずれのモータトルクをも生じさせることなくターン オン、若しくは、ターンオフされ得る。マイクロステップドライブモードは、ト ルクを増加させ、また、滑らかな電界ベクトル変位シーケンスを与えるために、 「ワン位相オン」ドライブ位置を用いてインタースペースされる。モータをその ステップグループについての最終の静止停止位置に保持するためにパワーは必要 とされない。回転子１２の永久磁石がステップモータ１０を停止位置に保持する 。したがって、パワーをステップグループの間でターンオフして、ステップモー タ１０の平均消費電力を時間フレーム上で減少させることができる。 システムが加速、高速、及び減速間隔を通じて進んでいるとき、プロセッサ２ ０は、加速、高速、及び減速波形を含む別のテーブルを通じて進むように、テー ブルインデックスを切り換える。時間フレームにおけるステップ数、時間フレー ムの合計時間、及び非パワー間隔の長さがプロセッサ２０によって制御され、モ ータの平均ステップ速度を正確に決定する。流体ポンプのような、ある医療機器 は、適当な投薬量でインフサテ(infusates)を分与するために、複数のステップ をグループ化することによって所定の平均速度で回転を使用する。例えば、１９ ９４年９月１２日に出願され、「System for Increasing Flow Uniformity」の 名称でButterfield 等に付与された、本明細書に参照によって組み入れられた米 国特許出願第０８／３０５，６７７号を参照のこと。 モータの平均ステップ速度はステップグループにおけるステップの数とグルー プ間での非パワー間隔によって決定されることから、同じ最大ステップ速度と加 速・減速分布を、所望とするいずれの平均ステップ速度に対しても使用すること ができ、最適な高いステップ速度を選択することによって全ての平均ステップ速 度で最適効率が達成され得る。モータのための同じ最大ステップ速度が使用され ることから、ステップモータのための同じコンプライアンス電圧が全ての平均速 度で使用され得る。モータのために所望される平均速度を調整するよう変更する ために、ステップグループにおけるステップの数と非パワー間隔だけが必要であ る。コンプライアンス電圧は、負荷抵抗のレンジ以上のある特別の電流値を維持 するのに要求される最大電圧である。所望とするいずれの平均速度を達成するの にも同じ一定のステップ速度が使用されることから、必要とされる駆動アルゴリ ズムとハードウェアは、最大速度ステップドライブを使用するモータの効率を最 適化するために必要とされるものから簡易化される。最適なモータ効率のために 選択された、その波形のための同じ最大ステップ速度が、所望とされる平均ステ ップ速度にもかかわらず使用される。一定速度ステップドライブを使用したとき は、より低く、より効率の低い一定のステップ速度を使用して、所望とされる平 均ステップ速度を得なければならない。 ステップモータ１０は、上に記述されたドライブモードの組合せによって駆動 されたとき、一定速度ステップドライブ信号によって駆動されるものよりも、よ り低い平均消費電力を有する。低消費電力「ワン位相オン」ドライブモードが使 用され、また、ステップグループを分離する時間中は電力は消費されない。モー タの効率は、図１０、１１Ａ、及び１１Ｂに示された波形を達成するために、高 い最大ステップ速度を選択することによって最適化されるのであるが、この最大 ステップ速度の間隔は、モータインダクタンスとコンプライアンス電圧によって 決定される、必要とされる巻線電流減衰時間に匹敵する。 図１２は、本発明の原理によるオープンループ制御システムの動作を示すフロ ーチャートである。モータの動きが始まると８０、巻線へ電流を指数関数的に付 与した結果としてモータは加速する８２。「ワンステップオン」位置の間のマイ クロステップへ変更された「ワン位相オン」ドライブモードが使用され、加速中 にマイクロステップの数を減少させる８４。モータが所定の速度に到達したとき ８６、変更されたフルステップドライブが使用される８８。必要とされるステッ プ数がフルステップモードで回転され、次に減速することを必要とした後に９０ 、 「ワンフェーズオン」位置の間のマイクロステップへ変更された「ワンフェーズ オン」モードが減速のためのマイクロステップの数の増加を伴って使用される９ ２。この減速はモータに対する電力の指数関数的な除去を通じて行われる。モー タが停止位置９４にあるときはパワーは遮断される９６。 本発明はある好ましい実施形態によって説明され記述されているが当業者の能 力の範囲内で多くの変更や応用が可能である。従って、本発明の意図及び範囲か ら逸脱することなく、本発明の形態や詳細及び使用法について様々な変更がなさ れ得ることを理解すべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．モータの動きを制御するための制御システムにおいて、モータの動作を開始 させるために非線形的に増大させる仕方にて該モータへエネルギーを加えるコン トローラを備えることを特徴とする制御システム。 ２．前記コントローラは、前記モータの動作を停止させるために非線形的に減少 させる仕方で該モータからエネルギーを除去する請求項１記載の制御システム。 ３．前記コントローラは、前記モータの動作を開始させるために指数関数的に増 大させる仕方で該モータへエネルギーを加える請求項１記載の制御システム。 ４．前記コントローラは、前記モータの動作を停止させるために指数関数的に減 少させる仕方で該モータからエネルギーを除去する請求項２記載の制御システム 。 ５．前記コントローラは、前記モータの動作中ワンフェーズオン位置の間をマイ クロステップさせるように変更されたワンフェーズオン駆動モードにて該モータ へエネルギーを加える請求項１記載の制御システム。 ６．前記コントローラは、前記変更ワンフェーズオン駆動モードの適用中ワンフ ェーズオン位置にて各モータステップを終了させる請求項５記載の制御システム 。 ７．前記コントローラは、前記モータが予め定めた速度に達した後、フルステッ プ駆動モードにて該モータにエネルギーを加える請求項５記載の制御システム。 ８．前記コントローラは、一定マイクロステップ期間を維持しながら、モータス テップ当りのマイクロステップの数を減少させることによって、加速させるよう に前記モータを制御する請求項５記載の制御システム。 ９．前記コントローラは、パワーが完全に除去される前の前記モータの最後のス テップに対してワンフェーズオン位置にて終了する前記モータの動き中ワンフェ ーズオン位置の間でマイクロステップするように変形されたワンフェーズオン駆 動モードにて該モータからエネルギーを除去する請求項１記載の制御システム。 10．前記コントローラは、一定マイクロステップ期間を維持しながら、モータス テップ当りのマイクロステップを増大させることにより、減速させるように該モ ータを制御する請求項９記載の制御システム。 11．少なくとも２つの相および停止位置を定めうる永久磁石を有するステップモ ータのための制御システムにおいて、一定速度まで非線形的に上昇する仕方にて 前記ステップモータを加速させるため該ステップモータへ第１のモード駆動信号 を与えるモータコントローラを備え、該モータコントローラは、前記一定速度を 維持させるために前記ステップモータへ第２のモード駆動信号を与えることを特 徴とする制御システム。 12．前記モータコントローラは、前記停止位置まで非線形的に減衰する仕方にて 前記一定速度から前記ステップモータを減速させるために第３のモード駆動信号 を与え、且つ前記停止位置に前記モータが停止した後、所定の時間期間の間、該 モータへ駆動信号を与えない請求項１１記載の制御システム。 13．前記第１のモード駆動信号は、前記モータのワンフェーズオン位置の間でマ イクロステップするように変形されたワンフェーズオンモードにて前記ステップ モータを駆動させ、前記第２のモード駆動信号は、該ステップモータの少なくと も２つの相のうちの一つが極性を変え、一方、他の相が一定値のままであるよう なフルステップモードにて前記ステップモータを駆動させ、ステップ速度は、モ ータ界磁転位が滑らかに行われるように、極性変化が１つのモータステップ期間 にて行われるように選定されている請求項１１記載の制御システム。 14．前記第３のモード駆動信号は、ワンフェーズオン位置の間でマイクロステッ プするように変形されたワンフェーズオンモードにて前記ステップモータを駆動 させる請求項１３記載の制御システム。 15．前記コントローラは、コンプライアンス電圧を有し、前記ステップモータは 、インダクタンスを有し、各相は、巻線電流を含み、前記ステップモータの少な くとも２つの位相のうちの一つは、次の関数：ｄＩ_Winding／ｄｔ＝Ｖ_{complianc e} ／Ｌにしたがって時間の関数として極性を変化し、ここで、Ｉ_windingは、前記 巻線電流であり、Ｖ_complianceは、前記コントローラのコンプライアンス電圧で あり、Ｌは、前記モータ巻線のインダクタンスであり、前記ステップ速度は、モ ータ界磁転位が滑らかとされるように、１つのモータステップにて極 性の変化が行われるように選定されている請求項１１記載の制御システム。 16．前記モータコントローラからの駆動信号は、一連のモータステップにて前記 ステップモータを駆動させ、前記第１のモード駆動信号に対する各モータステッ プは、複数のマイクロステップを含み、各マイクロステップは、一定期間を有し 、前記第２のモード駆動信号に対する各モータステップは、前記マイクロステッ プに等しい期間を有し、前記第１のモード駆動信号に対するモータステップは、 前記第２のモード駆動信号に対するモータステップよりも長い請求項１１記載の 制御システム。 17．前記モータコントローラは、プロセッサと、Ｈブリッジおよびチョッパーを 有するドライバーとを含み、前記プロセッサは、前記ステプモータの相を制御す るために前記Ｈブリッジの電流出力を制御するように前記チョッパーへ極性信号 および大きさ信号を与える請求項１１記載の制御システム。 18．患者へ流体を付与するためのポンプにおいて、少なくとも２つの位相および 休止の停止位置を定めうる永久磁石とを有するステップモータと、前記ステップ モータの相を付勢し該ステップモータを制御するための駆動信号を与えるモータ コントローラとを備えており、前記モーラコントローラは、一定速度まで非線形 的に上昇する仕方で前記ステップモータを加速させる第１のモード駆動信号のた めの値を有する第１のルックアップテーブル、前記ステップモータに対する前記 一定速度を維持する第２のモード駆動信号のための値を有する第２のルックアッ プテーブルおよび前記停止位置まで非線形的に減衰する仕方で前記一定速度から 前記ステップモータを減速させる第３のモード駆動信号のための値を有する第３ のルックアップテーブルを有するメモリを含み、前記モータコントローラは、前 記メモリおよびルックアップテーブルにアクセスし、モータ位置を制御するため 前記モータへ前記ルックアップテーブルの値にしたがって多重駆動モードを適用 させ、前記モータコントローラは、前記モータが前記停止位置に停止した後、所 定の時間期間の間、前記モータへ駆動信号を与えないようにしたことを特徴とす るポンプ。 19．前記第１のモード駆動信号は、前記モータのワンフェーズオン位置の間でマ イクロステップさせるように変更されたワンフェーズオンモードにて該ステッ プモータを駆動させ、前記第２のモード駆動信号は、該ステップモータの少なく とも２つの相のうちの一つが極性を変え、一方、他の相が一定値に維持されてい るようなフルステップモードにて前記ステップモータを駆動させ、ステップ速度 は、モータ界磁転位が滑らかになされるように、１つのモータステップ期間にて 極性変化がなされるように選定されており、前記第３のモード駆動信号は、前記 モータのワンフェーズオン位置の間でマイクロステップさせるように変更された ワンフェーズオンモードにて該ステップモータを駆動させる請求項１８記載の制 御システム。 20．ステップモーターは、コンプライアンス電圧及びインダクタンスを有し、各 々のフェーズは、巻線電流を有する巻線を含み、 ステップモーターの少なくとも２つのフェーズの内の１フェーズは、Ｌ_{wind ing} は巻線電流であり、Ｖ_complianceはコントローラーのコンプライアンス電圧 であり、Ｌはモーター巻線のインダクタンスであるような以下の関数に従って時 間の関数として極性を変え、 ｄＩ_Winding／ｄｔ＝Ｖ_compliance／Ｌ ステップ速度は、極性の変化が１モーターステップ時間に実施されるように 選定され、それによって、滑らかなモーター電界変位が実現されるような請求項 １９に記載の制御システム。 21．モーターコントローラーからのドライブ信号が、一連のモーターステップの ステップモーターを駆動し、 第１のモードドライブ信号に対するモーターステップの各々は、各々が一定 の時間を有するような多数のマイクロステップを含み、 第２のモードドライブ信号に対する各々のモーターステップは、マイクロス ッテップ時間に等しい時間を有し、 それによって、第１のモードドライブ信号に対するモーターステップは、第 ２のモードドライブ信号に対するモーターステップよりも長いような請求項１８ に記載の制御システム。 22．第１のルックアップテーブルは、幾何級数的に増大するように、ある一定の 速度まで、ステップモーターを加速する第１のモードドライブ信号に対する値 を含み、 第３のルックアップテーブルは、幾何級数的に減少するように、一定の速度 からモーターの動きを止める停止位置まで、ステップモーターを減速する第２の モードドライブ信号に対する値を含むような請求項１８に記載の制御システム。 23．非線形に増大するように、事前に選定されたモーター速度まで、ステップモ ーターを加速するステップと、 第１の所定の時間、事前に選定されたモーター速度を維持するステップと、 第１の所定の時間の後、非線形に減少するように、事前に選定された速度か ら停止位置まで、ステップモーターを減速するステップとを備え、 停止位置でのモーター停止後、第２の所定時間の間、モーターコントローラ ーは、モーターへドライブ信号を提供しないような、少なくとも２フェーズ及び 静止する停止位置を規定する永久磁石を有するステップモーターを制御する方法 。 24．加速ステップは、モーターの動作中、「ワンフェーズオン」位置と「ワンフ ェーズオン」位置との間のマイクロステップに変更された「ワンフェーズオン」 モードで、ステップモーターを駆動することを含み、 維持するステップは、ステップモーターの少なくとも２フェーズの内の１フ ェーズは極性を変えるが、もう一方のフェーズは一定値を維持するように、フル ステップモードで、ステップモーターを駆動すること、及び、ステップ速度は、 極性の変化が１モーターステップ時間に実施されるように決定されることを含み 、それによって、滑らかなモーター電界変位が実現されるような請求項２３に記 載の方法。 25．減速ステップは、モーターの動作中、「ワンフェーズオン」位置と「ワンフ ェーズオン」位置との間のマイクロステップに変更された「ワンフェーズオン」 モードで、ステップモーターを駆動することを含むような請求項２４に記載の方 法。 26．ステップモーターは、コンプライアンス電圧及びインダクタンスを有し、各 々のフェーズは、巻線電流を有する巻線を含み、 維持するステップは、フルステップモードで、ステップモーターを駆動する ことを含み、 ステップモーターの少なくとも２つのフェーズの内の１フェーズは、Ｌ_{wind ing} は巻線電流であり、Ｖ_complianceはコントローラーのコンプライアンス電圧 であり、Ｌはモーター巻線のインダクタンスであるような以下の関数に従って時 間の関数として極性を変え、 ｄＩ_Winding／ｄｔ＝Ｖ_compliance／Ｌ ステップ速度は、極性の変化が１モーターステップ時間に実施されるように 選定され、それによって、滑らかなモーター電界変位が実現されるような請求項 ２３に記載の方法。 27．ステップモーターを加速するステップは、幾何級数的に加速することを含み 、 ステップモーターを減速するステップは、幾何級数的に減速することを含む ような請求項２３に記載の方法。 28．第１のモードドライブ信号に対するモーターステップの各々は、各々が一定 の時間を有するような多数のマイクロステップを含み、 第２のモードドライブ信号に対する各々のモーターステップは、マイクロス ッテップ時間に等しい時間を有し、 それによって、第１のモードドライブ信号に対するモーターステップは、第 ２のモードドライブ信号に対するモーターステップよりも長いような請求項２４ に記載の方法。