JPS61177191A - 電磁作動子装置 - Google Patents

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】 以下の順序で本発明を説明する。

Ａ　産業上の利用分野 Ｂ　開示の概要 Ｃ従来技術 Ｄ　発明が解決しようとする問題点 Ｅ　問題点を解決するための手段 Ｆ　実施例 Ｆｌ　コミュテーション位相感知 Ｆ２　コミュテート式ステップモータの制御Ｆ２１　　
簡単なＰより制御装置 Ｆ２２　　非直線性に対する補償 Ｆ３　電子コミュテータの動作 Ｆ３１　　コミュテータ論理 Ｆ’３２　　位相の前進 Ｆ４　電子コミュテータ式ステップモータの制御Ｆ４１
　　比例的・積分・誘導式デジタル制御（Ｐより） ＩＦ４２　　簡単なＰＤ制御装置 Ｆ４３　　非直線性に対する補償 Ｆ４４　　積分条件及びＰより制御装置ＸＰ４５　　可
変利得 Ｆ４６　　性能 Ｇ　注記 Ｇ１　速度の見積りのための高次式の誘導０２　　平方
根の計算 Ｇ３　結合型モータのコミュテーション論理Ｇ４　電磁
作動子システムの利点 Ｇ５　改良方法 Ｈ発明の効果 Ａ産業上の利用分野 本発明は電磁作動子（ａｃｔｕａｔｏｒ）システム、よ
り具体的に言えば、増幅入力として、コンピュータによ
り与えられるダイナミック位置訂正信号及び変則訂正制
御信号によって、電子コミュテータを介して、位置−感
知ダブル閉ループモードにより動作されるステッパモー
タを使った電磁作動子装置に関する。

Ｂ開示の概要 本明細書はプログラム可能な論理アレー及びマイクロプ
ロセッサによって与えられた位置訂正及び変則訂正制御
信号による電子コミュテータを介して、位置−感知閉ル
ープモードで動作されるステッパモータを作動子として
使用する精密で強力な位置決め装置を与えることが開示
されている。

モータ位相の位置感知に基づき、ステッパモータの電子
コミュテータを使って、モータコイルを正しく付勢する
ことは、付勢すべきモータの選択の問題をプログラム可
能な論理アレーへ転換する。

その論理アレーの論理によって、現在のアーマチャ位置
の関数として簡単な動作制御を与え、そして温度上昇、
平方根法則、位相前進のような変則を、所望のアーマチ
ャの位置と現在のアーマチャの位置のフィードバック信
号の関数として、マイクロプロセッサによって訂正し、
そしてモータの基本ステップ位置とは別個に、高い位置
的精度の制御及び高い速度で高い駆動力（トルク）制御
を与える。標準の３位相磁気抵抗感知器がモータ位相を
感知すると共に、訂正を計算するためのマイクロプロセ
ッサヘモータ位置をフィードバックするのに使われる。

ステッパモータの実際の制御は単一の増幅された変調制
御信号によって伝達される。

Ｃ従来技術 トルクを発生するために、通常の直流モータは自動的に
切換えられ又はブラシによって適当な時間でフミュテー
ト（切換）される多くの巻線を持っている。ブラシなし
直流モータにおける巻線は位置１′Ｌ′１知器又は電子
スイッチによって切換えられる。

ステッパモータは高い駆動力又はトルク出力を持ってい
る。ステッパモータは非常に低い速度でこの高いトルク
を生ずることが可能なので、それ等はロボットのための
直接駆動作動子として魅力がある。残念なことには、ス
テッパモータのための共通の“制御“方法はそれ等の基
本ステップ位置においてのみモータを位置させることが
出来る順序づけ論理を使っている。この従来の制御は高
速度又は変動する負荷の下では良好に動作することが出
来ない。

直接駆動の応用例に対しては、ステッパモータそれ自身
を基本ステップの間に位置付けることが望まれる。コイ
ル電流のバランス選択を通じて基本ステップ位置の間の
平衡点を与える“マイクロ−ステッピングの通常のアプ
ローチは手間が掛り、モータのダイナミックスを考慮し
ておらず、且つ電力の浪費がある。第２に、トルク又は
駆動力を引き出す制御はロボット作動子について望まし
い特性であるけれども、然し、そのような制御は比例的
誘導（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　　Ｄｅｒｉｖａｔｉ
ｖｅ−ＦＤ）及び比例的積分誘導（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏ
ｎａｌ工ｎｔｅｇｒａｌ　　Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　−
Ｐより）のようなステッパモータの従来の制御法則では
困難である。

以下に代表的な先行技術を記載する。

・　１９８４年５月のイリノイ大学の「歩進運動制御シ
ステム及び装置」に関する第１３回年次シンポジュウム
の会報であって、トンプソン（Ｌ、Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）
及びり−（Ｍ、　Ｌｅｅ）による「万能・ブラシなしモ
ータのコミュテータ」と題する文献がある。

・　１９８４年５月のイリノイ大学の「歩進運動制御シ
ステム及び装置」に関する第１３回年次シンポジュウム
の会報であって、オウデット（ａ、０ｕｄａｔ）による
［直流対ステッパ：新しいアプローチＪ　　（Ｄｏ　　
ｖｅｒｓｕｓ　　５ｔｅｐｐｅｒ：Ａ　　Ｎｅｗ　Ａｐ
ｐｒｏａｃｈ）と題する文献はどのようにして永久磁石
のステッパモータを直流モータに変換するかを開示して
いるが、モータ位相を検出するために、その実行のため
のモータの運動を必要とする。従って、モータ位相感知
器とコイル切換回路との間の真の直流結合がない。

永久磁石のステッパモータの基本的な理論の論議がある
。

・　１９８４年６月、米国デトロイトのロボット８会議
におけるウェルバーン（Ｒ，Ｗｅｌｂｕｒｎ）ノ［直接
駆動ロボット用のための超高度トルクシステムＪ　（Ｕ
ｌｔｒａ　　Ｈｌｇｈ　　Ｔｏｒｑｕｅ　　Ｓｙｓｔｅ
ｍｆｏｒ　　Ｄｉｒｅｃｔ　　Ｄｒｉｖｅ　　Ｒｏｂｏ
ｔｉｃｓ）と題する文献は電子コミュテータと１２ビツ
トのデジタル位置フィードバックを有する同期モータを
開示しているが、平方根法則は持っておらず、且つ複雑
なコミュテータを使用している。

拳　１９８４年１１月の産業エレクトロニクス（工ｎｄ
ｕｓｔｒｉａｌ　　１ｉｉｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）に関
するＸＥＥＢ会報、Ｔｏ　１．　Ｉ　Ｅ　−３１Ｎ　Ａ
　４に、パアソ＞　（Ｗ、　Ｒ，Ｐｅｒｓｏｎ）及びセ
ン（Ｐ、　Ｏ，５ｏｎ）による「移送システムのための
同期モータを使ったブラシなし直流モータ推進力Ｊ（Ｂ
ｒｕｓｈｌｅｓｓＤｏ　　ｍｏｔｏｒ　Ｐｒｏｐｕｌｓ
ｉｏｎ　　Ｕｓｉｎｇ　　５ｙｎ−ｃｈｒｏｎｏｕｓ　
　Ｍｏｔｏｒｓ　　ｆｏｒ　　ＴｒａｎｓｉｔＳｙｓｔ
旧■）と題する刊行物は同期モータの電子コミュテータ
を開示している。

・　１９７６年５月のイリノイ大学における歩進運動制
御システム及び装置に関する第５回年次シンポジュウム
の会報、「リニヤ・ステッピングモータのダイナミック
応答及び制御方法」（Ｄｙｎａｍｉｃ　　Ｒｅ５ｐｏｎ
ｓｅｓ　　ａｎｄ　　ＣｏｎｔｒｏｌＡｓｐｅｃｔｓ　
　ｏｆ　　Ｌｉｎｅｒ　　Ｓｔｅｐｐｉｎｇ　Ｍｏｔｏ
ｒｓ）と題するパウレツ：ｌ　（Ｊ、Ｐ、Ｐａｗｌｅｔ
ｋｏ）による文献はステッパモータにおける実験モータ
及び要約された制御技術が開示されている。

・　１９８４年５月のイリノイ大学における歩進運動制
御システム及び装置に関する第１３回年次シンポジュウ
ムの会報に、パウレッコ（Ｊ、Ｐ、Ｐａｗｌｅｔｋｏ）
及びチャイ（Ｈ，Ｄ、　Ｃｈａｉ）による文献「非結合
位相のリニヤ・ステッパモータＪ　（Ｌｉｎｅａｒ　　
Ｓｔｅｐｐｉｎｇ　　Ｍｏｔｏｒｗｉｔｈ　Ｕｎｃｏｕ
ｐｌｅｄ　Ｐｈａｓｅｓ）は他の実験モータが開示され
ている。

・　米国特許第４，２５４，３７０号には、ステッパモ
ータへの要求速度がその固有の速度を超かに越えたとし
ても、その固有速度でステッパモータを動作する位置フ
ィードバックを有する、コミュテータとしてのバッファ
翻訳器を使用することが開示されている。

・　米国特許第４，３４９，７７１号には要求信号を軸
位置信号と比較する積分システムを使った閉ループシス
テムが開示されている。

・　米国特許第４，４２６，６０８号には、光学位置感
知器を使う選択されたデユーティサイクルに従った進み
角度の変調装置が開示されている。

・　米国特許第４，４２９，２６８号には、加速及び減
速制御メモリを使う閉ループ速度制御における位置フィ
ードバック及び電子コミュテーションを開示している。

Ｄ発明が解決しようとする問題点 従来の技術はモータの位置フィードバック閉ループ制御
のための種々の電子コミュテータ又は直接的な電子制御
方法を開示しているけれども、それ等ハ、ダブル閉ルー
プ・ステッパモータ・システムである本発明の教示又は
示唆がない。位置のフィードバックを使用したストアド
ブログラムのマイクロプロセッサは、現在位置及び要求
位置の組合せの関数として適正なステッパモータの位置
及び変則の訂正を計算し、そして、プログラム可能な論
理アレーへ位相制御信号を供給する。コミュテータの中
のプログラム可能な論理アレーもまた位置のフィードバ
ックを受け取り、そして低いコストで非常に高い速度と
強力且つ精密な位置決めを達成するために、ステッパモ
ータのコイル中に電流を流す電路を完成する。位置を訂
正し、且つ平方根法則のような変則に訂正するマイクロ
プロセッサの訂正は、基本ステップ以下の小さな歩進の
微少位置制御によって、位置、速度及びトルクを制御す
る単一の増幅可変サーボ要求信号として表示される。

本発明の目的は単一の電流（電圧）増幅制御信号による
ダイナミック制御で、高い精度の位置割り当てを有する
ステッパモータの作動子のパワー及び経済性を利用する
ことにある。

本発明の他の目的は、単一の制御変数にょるモータ制御
を有するステッパモータの実用的な電子コミュテータ・
システムを可能とすることにあり、その制御が位置には
無関係なので、制御の観点からは、本発明に従った電子
コミュテータを付属したステッパモータは標準の直流モ
ータと同じように見える。

本発明の他の目的は、位置とは別個である単一の制御変
数によって制御を達成するようにステッパモータの制御
を簡単にすることにあり、しかも単一の制御変数を介し
て変則の訂正が出来る。

本発明の他の目的は、単一の制御要求入力を介して、制
御法則に従って適当なコイルを制御するタメに、ステッ
パモータへ電子コミュテーションを適用することにある
。

本発明の目的は、モータ位置（角度）とは独立して、単
一の制御入力でステッパモータ制御を達成し且つモータ
から最大の駆動力（トルク）を得ることにある。

本発明の他の目的は、モータの現在位置、速度及びモー
タの駆動力の所望の方向をモータに与え且つ所望の方向
へ駆動力を最大化するコイルを付勢することを与えるコ
ミュテーション原理に追従させることにある。

本発明の目的は適当な大きさで動作コイルを付勢するこ
とによって位置の独立を達成することにある。

本発明の他の目的は、制御入力を形成するため、モータ
の駆動力の所望の方向と結合された付勢コイルへ印加さ
れた電流又は電圧の大きさ、及び制御入力値を指令する
制御法則を使って、すべての型のステッパモータ、即ち
、リニヤ型可変磁気抵抗ステッパモータ、結合型位相又
は非結合型位相ステッパモータ、又は永久磁石ステッパ
モータ、又ハハイブリッド型ステッパモータ等のために
コミュテーション原理を実行させることにある。

８間頭点を解決するための手段 本発明の特徴は動的な増幅制御信号を計算するマイクロ
プロセッサを使って、コイル付勢選択信号と位相前進信
号とを与えるために、電子コミュテータ中のプログラム
可能な論理アレーを使用することである。ここで、コイ
ル付勢信号は最初のフィードバック・ループ中の現在の
位置フィードバック信号と、方向制御信号と、位相前進
信号との合成関数の信号である。２番目の、即ち後続す
るフィードバック・ループ中の現在の位置フィードバッ
ク信号の合成関数としての位相前進信号は、ステッパモ
ータのモータコイルへ電流（電圧）　増幅制御信号とし
て差し向けられた動的な位置訂正及び変則訂正を有する
位置信号制御情報を、プログラム可能な論理アレーへ位
相前進信号として与える。

Ｆ実施例 ダブル閉ループで動的に変則を訂正し、コンピュータで
選択される電子コミュテーション技術を用いた電磁作動
子システムの良好な実施例を示し、以下に詳細に説明す
る。リニヤ・ステッパモータ又は回転ステッパモータを
制御する本発明の電子コミュテーションは、モータ位相
の位置感知と、制御法則の適用及び変則の訂正と、到着
位置の選択とに基づいてモータのコイルを正しく付勢す
る。

ステッパモータの電子コミュテータは直流モータのブラ
シと同じ機能を持ち、そしてブラシなしの直流モータの
コミュテータと類似する。コンピュータは、モータコイ
ルへの増幅制御信号が電子コミュテータによって選択さ
れると、現在位置が訂正され、且つ可変磁気抵抗ステッ
パモータにおける平方根法則のような変則が訂正された
、起動から目的位置到着までのプロフィールを準備する
。

本発明の電磁作動子システムにおいて、ステッパモータ
は直流サーボモータと殆ど同じ機能の能力を持つ。コミ
ュテーションは位置感知により決定されたモータコイル
を正しく付勢することである。本発明の電磁作動子シス
テム中の電子コミュテーションは直流モータにおけるブ
ラシと同じ機能を有し、且つブラシなし直流モータの電
子コミュテーションと類似している。本発明に従って、
電子コミュテーション及び簡単な制御法則（例えば後述
のＰより制御）を使うことによって、モータの基本ステ
ップ位置とは独立して、リニヤ・ステップモータ又は回
転ステップモータラ高い位置精度、高い速度、高い駆動
力又はトルクで制御することが出来る。これ等の能力は
、ロボットのための作動子の効果的な直接駆動器として
、ステッパモータの使用を可能にする。

モータは一方が他方に対して相対的に移動する２つの部
分から成っている。

コイル：モータはリジッドに結合された２個のＥ−コア
を含む。Ｅ−コアの夫々の脚 に１個のコイルがあり、合計３個のコ イルが装着されている。

バー：　Ｅ−コアの間に置かれたバーは各面に一定の間
隔、即ちピッチの矩形歯を持 っている。

第２図は３相のＶ、Ｒ，（可変磁気抵抗器）リニヤステ
ッパモータを示す。モータはリジッドに結合された２個
のＥ−コア１１を含み、夫々のコアは３個の脚を有し、
各脚は各々コイルが装着されている。一定の間隔の即ち
ピッチの矩形歯を具えたバー１２は２個の対向するＥ−
コアの間に置かれる。この特定のバーは２．５４粍（０
，１インチ）の歯ピッチを持つ。第２図は半ステツプ（
ｈａｌｒｓｔｅｐ）によってバーを右方へ移動するため
のモータの順序付けの結果を示す。バーを１歯ピツチ移
動するのには６．５ステツプが必要である。バーを右方
へ半ステツプ移動するために、コアは、１個のコイル及
び２個のコイルを交番的に付勢することにより、図示さ
れたように付勢される。左方への移動はコイルの付勢順
序を反転することにより達成される。半ステツプでなく
、一度にただ１個のコイルを付勢することにより、１ス
テツプによってモータを進ませることは可能であるけれ
ども、この方法は駆動力の変化が大きいので魅力がない
。第２図に示された、モータの６つの粗整調位置ハコミ
ュテーション位相と言われる。コミュテーション位相及
び所望の移動方向はどのコイルが付勢されるかにより決
められる。第２図はこの結合型位相モータの複雑な磁束
路を示す。例えば、付勢されている１つのコイルからの
磁束はＥ−コアの３個の脚すべてを通過する。

位相１．２．３．４．５から０へそして１へ戻る順序は
コイルＡ　Ａ’中の磁束方向を上向きから下向きへ変化
する必要がある。そのような変化を同時に起すことは出
来ないので、磁束方向の反転を必要としない方がより良
い。第２図に示されたように方向づけられた磁束を持っ
た６個の位相を介してモータを交番的に歩進し、且つそ
れから磁束を反転することによって、磁束方向の急激な
変化が除去される。従って、このモータ及び多くの回転
モータの順序づけは非常に複雑である。

第３図及び第４図はパウレツコ（Ｐａｗｌｅｔｋｏ）及
びチャイ（ａｈａｌ）　　により開発され、簡単化され
た順序づけを有する非結合型モータを示す。可変磁気抵
抗モータの基本的動作原理は非結合型モータのそれと同
じであるが、然し各モータコイル中の磁束の相対的な方
向は重要ではない。以下の議論において、最初に非結合
型モータのコミュテーションを討議し、次にどのように
して結合型モータをコミュテータすることが出来るかを
示すことが最も簡単である。ステッパモータ１１．１２
はプログラム可能の論理アレー（ＰＬＡ）１４へ位置情
報をフィードバックする位置感知器１３を持つ。ＰＬＡ
ｌ　４はコミュテーション・スイッチ１５へ制御信号を
与える。スイッチ１５はステッパモータの動作を完成す
るため、夫々に接続されているコイル１６へ電流を付勢
する回路を完成する。位置感知器１３は複数の磁気抵抗
器（ＭＲ）１７から作られており、ＭＲは密接して感知
を行う従来の方法と同様にバー１２の歯に対面して配列
される。Ｍλ１７は増幅器１８を介して比較器１９へ出
力を与え、比較器１９はフィードバックのためのバイナ
リ信号を与える。電力即ちパワー増幅器２０は制御増幅
ステッパモータ要求信号を受け取り、これに従ったパワ
ー制御をモータコイルへ与える。

フィードバック接続器は位置データをＰＩＩＡ１４へ戻
すためのフィードバック路２１を与える。

１！Ｉｌ　コミュテーション位相感知 ブラシなしの直流モータのコミュテータのように、ステ
ッパモータのコミュテータは３個の部分、即ち位置感知
器、コミュテータ論理及び電子コイルスイッチを含む。

位相感知器は、モータが０．１、・・・・又は５のうち
何れの位相にあるかを検出するための充分な情報を与え
なければならない。

第５図は、どのようにして３個の磁気抵抗器（ＭＲ）感
知器が効果的に必要な信号を与えることが出来るかを示
す。ＭＲはＥ−コアに装着されており、バーがＭＲの下
を動くにつれて変化するパーミアンスを感知する。第５
図はＭＲの３つの出力電圧を示し、夫々はｌ歯ピツチ２
．５４粍の周期を持つ。各ＭＲは隣りのＭＲから１　／
　３ピツチの位置に物理的に装着されているため、各信
号は位相が１２００づつずれている。第４図に示された
ＭＲの出力点上の比較器（Ｃ）は３つのバイナリ信号Ａ
Ｅ。

ＥＣ及びＯＡを発生する。デジットの３つのバイナリワ
ードＡＥ、ＢＯ，（７Ａは、モータが第２図に示した位
置の１つに対応するコミュテーション位相のグレイ（Ｇ
ｒａｙ）コードを表示する。コミュテーションを制御す
ることを位相情報を取り出すことから完全に切り放す。

ＭＲの電圧はＡ／Ｄコンバータにより測ることが出来、
そしてモータの位置を決定するため処理される。

第５図は６個の独立した位相と、「前進」又は「後退」
の所望の駆動方向との関数として付勢されるべきコイル
の選択を示す。

第６図は、コミュテーションの結果、各コイル及び１対
のコイルが一定の電流の下で、位置の関数として発生す
ることの出来る駆動力を示す。位置の関数として、完全
にサイン的な駆動力に近似しているため（実際の駆動力
はこれほど完全でなイ）、コミュテーションは殆ど一定
のトルクを与える。この変化率はたった１３％である。

３ｍ非結合１Ｍステッパモータのコミュテーション論理
は次の３つの論理式で表わされる。

Ａ−７Ｂ　Ｏ＋ＩＦ　Ｂ　Ｏ Ｂ■Ｆ’ＯＡ＋ＦＯＡ　　・・・（１）Ｃ謂？　ＡＢ十
Ｆ　ＡＢ ここで、Ａ、Ｂ及びＯは、コイルＡ又はＢ又はＯがオン
であるか否かを示す論理変数である。ＡＢ。

ＢＱ、及びＯＡは対応するＭＲの出力の間の比較の論理
値を表わし、従ってグレイコードでコミュテーション位
相を表わす。

！１［モータのコミュテーション論理はモータ位相の間
での結合のため、より複雑である。何故なら上述の位相
間の結合は、磁束の方向が同じ方向へ戻るために、モー
タが１２．５ステツプの歩進を必要とするからである。

付勢されるコイルの順序は、駆動の方向で１．５位相（
１位相と２位相の間）の平均的位相前進を有する半ステ
ツプの代表的開ループ順序に従う。

電子コミュテーションと通常の半ステップコミュチージ
ョンの間の主たる相異は、コイル順序力モータ位相感知
器（本例ではＭＲ）からのフィードバックによって自動
的に発生されることである。

事実、コミュテータ論理は、モータを循環する非常に速
い閉ループのフィードバック・システムとして機能する
（毎秒１．５メートルのモータ速度において、毎秒３６
００回のコイルの切換が必要である）。第３図において
、コイル切換回路は記号化されたトランジスタＡＳＢ及
びＣで表示されている。実際の回路は使用される最大電
圧及び必要とされる切換時間に従って相当複雑である。

実際の切換回路はコイルの電流をオン又はオフに切換え
るに要する最小時間により制限される。

この制限はコイルのインダクタンスＬ及び最大電圧ｖｆ
ｆｌ＆工により左右される。切換回路は方程式１ａ１／
ａｔｌ　　　−Ｖ　　　／Ｌによって操作するこｍｈｘ
　　　　　　ｗａｘ とが出来る。

電流及び駆動力を効果的に構築する際の遅延が正しいコ
ミュテーションを遅られる。この問題は測定されたモー
タ位相を前進させ、従ってコミュテーションを前進させ
ることによって部分的に克服することが出来る。この結
果は、通常のステッパモータ制御における励起の前進と
同じである。

モータは高速度においてより高いトルクを生ずる。

次式は位相の前進を達成するための必要な論理式であり
、式中、■８は必要な位相前進の符号即ちサイン（方向
の）、そしてＶ工、ｖｏは半ステツプの単位のバイナリ
の数値である。

ｖ８ｖＯｖＩＡＢ十■ｏｖ１０Ａ　−・（２）新しいバ
イナリワードＡＢ、ＢＯ１ＯＡはＶ工、ｖｏの大きさに
より決められた値、ｖｓの方向へ前進された位置位相の
測定値を表わす。前進値を含む正しいコミュテーション
で到達するために、ＡＥ、ＢＣＳＣ！Ａはコミュテータ
論理式（１）中のＡＢ。

ＢＯ，ＯＡと置き換わる。

Ｆ２　コミュテータ式ステップモータの制御電子的にコ
ミュテータされるステッパモータのデジタル制御装置は
、ある瞬間にモータへ印加されるべき電圧（電流）の大
きさと、モータにより発生されるべき駆動力の方向とを
決定することのみが必要とされる。通常の直流サーボモ
ータ・システムにおいては同じ大きさと同じ符号の駆動
電圧が直流モータへ与えられる。

結合型及び非結合型位相の可変磁気抵抗ステッパモータ
はデジタルＰより　（比例的、積分、誘導式）　（ｐｒ
ｏｐｏｒｔｉａｌ、ｉ　ｎ　ｔ　ｅ　ｇ　ｒ　ａ　ｌ、
　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　）制御法則で駆動される。こ
れは簡単なサーボ制御法を代表するけれども、ステッパ
モータを制御するのにその法則を使用するのは新規であ
る。

多くの市販のマイクロプロセッサが利用しうるけれども
、ＲＲＡカードに付されたデジタル及びアナログ端子を
有するモトロラ６８０００は実験用として好適なマイク
ロプロセッサでアル。このプロセッサは、モータ位置を
翻訳する作業、モータ速度を見積る作業及び制御信号を
合成する作業を行う（第１図）。

第１図は、マイクロプロセッサ２４へ位置ブータラ与え
る粗調整位置のフィードバックループ２２及び微調整位
置のフィードバックループ２６を除けば、第３図と似て
いる。

モータ位置はＭＲ倍信号らか、又は別個のエンコーダか
ら引き出される。速度はタコメータで測定しうるけれど
も、然し、特にリニヤ作動子の場合の付加的な費用や複
雑化のために、タコメータは本装置に使用しなかった。

このプロセッサで充分に速度見積りがなし得た。

Ｆ２１　　簡単なＰより制御装置 制御条件を計算する第１のステップは時間、ｋにおける
モータの所望の位置Ｘａ及び実際の位置ｘｋとの相異を
形成することである。時間ｋにおけるモータの速度をｖ
ｋとすると、独立したＦＤ制御法則は、 ｒｙ　−−Ｋ　　（ｘ−ｘ）−Ｋ　　ｖ・・・（３）ｋ
　　　　　θ　　　ｋ　　　　ｄ　　　　　ｖｋここで
Ｋ　及びＫ　は夫々位置的エラー及び速θ　　　　　　
　　　Ｖ 度の利得であり、且つＵｋは制御値である。

タコメータがないから、見積値ｖｋをｖｋのために使わ
れねばならない。最も簡単な速度の見積りは過去の位置
測定のうちの最新の差異を数字的に誘導した値を使うこ
とである。

△ ｖｋ＝ｘｌｃ−ｘｋ−１”　’（４） これは、むしろ「ノイズの多い」見積り器として知られ
ているので、他の簡単な方法が用いられる。例えば、２
次式又は３次式をデータ”ｋ”ｋ−１、ｘｋ−２・・・
・に適合し、然る後、時間ｋにおけるその高次式の誘導
値を評価する見積り方法がある。そのような見積りによ
るエラーは、充分に高いサンプル速度では小さいことが
証明出来る。事実、これ等の見積り値は０．５キロヘル
ツから２キロヘルツの間の種々のサンプル速度における
Ｐよりサーボ操作の性能を向上した。

Ｕ　ｋ−Ｋ　、　（Ｘ　ｋＸ　４　）　　Ｋ　ｖＶ　ｋ
　　　において、Ｕｋの符号はモータが加速されるべき
方向を決定し、そしてその大きさは電圧の大きさを決定
する。

Ｕｋの符号は信号Ｐによってコミュテータへ出力され、
Ｕｋの値はモータを駆動するためのパワー増幅器へ出力
され、そして値ｖｋは数値化されて、位相の前進を制御
するためコミュテータへ与えられる（第１図）。最後に
、安定的なエラーなし基準に適応させるために、リニヤ
制御の設計者はＰより制御を形成する制御へ積分条件（
別個のケースの合計）を付加する。

Ｕ　　ｍ−Ｋ。（Ｘｋ−Ｘｄ）−Ｋｖｖｋ−Ｋ　Σ（ｘ
　　−ｘ　）　　・・・（５）ｉ　　　　ｊｄ −ｎ ここで、ｎくｋは成る有限値であるように選ばれる。若
しこの制御法則が漸近線的に安定状態であれば、ｋが無
限大になると位置ｘｋの値はｘ（Ｌの値そのものになる
。

この簡単な制御は大きな柔軟性を与える。利得は負荷及
び所望の軌道に従ってモータのトランジェント応答を特
定するよう調節される。モータシステム全体は、操作が
例えばＡＭＬのようなロボット用のプログラミング言語
によって特定されるロボットの適用装置に簡単に導入さ
れる。

Ｆ２２　　非直゛練性に対する補償 直流サーボモータとは異なって、Ｖ、Ｒ，モータは明瞭
な非直線性を持つ。磁束飽和の値よりずっと低い電流レ
ベルにおいて発生された静的駆動力はコイル電流の平方
根と比例する。リニヤ制御法則で所望の位置ヘモータを
「サーボ」しようと試みると、性能に悪影響を与える非
直線性に遭遇する。

非直線性に対して顕著に補償することはモータをＵｋで
駆動しないで、 ｕｋ−符号（Ｕｋ）Ｆ百−ゴ　・・・（６）で駆動する
ことである。

この補償は電流が制御用として使われた時、正しい。事
実、制御用として電圧が印加された時であってさえも、
良いトランジェント（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）応答で極め
て強い固定の強さ、即ちステイフネス（ｓｔｉｆｆｎｅ
ｓｓ）（大きなＫ。の値）が平方根法則により達成され
た。より良い性能にするため、ｕｋはモータ・コミュテ
ータ・システムを駆動する制御信号としてのＵｋと置換
する。

コミュテータと結合されたこの制御方法の良い性能はこ
のアプローチを非常に魅力的なものにする。大きな移動
に対して、ＦＤ制御装置は非結合型モータを０．５メー
トル（１８インチ）上で毎秒１．４メートル（毎秒５５
インチ）以上の速度で駆動しても、モータを精密な制動
状態で停止させた。

他の応用例において、良好なトランジェント応答を有す
る０、００２粍（００００００８インチ）の分解能エン
コーダを有するＰより制御装置は全くエラーがなかった
。

第７図は、結合型位相リニヤモータを０．０２５粍（０
，００１インチ）ステップ移動するよう命令した時のト
ランジェント応答を示す。このＦＤ制御装置の顕著なス
テイフネス（命令された種々の平衡位置からモータを変
位するに要する力）は９０ａｔ　／ミリメートル（毎イ
ンチ４５０ボンド）であると測定された。このステイフ
ネスはマイクロステップ方法のステイ７ネスに匹敵する
。

第８図は、毎秒５メートル（毎秒２０インチ）の速度で
且つ毎秒１０メートル（ＩＧ）の加速度又は減速度にお
いて、ＡＭＬの管理の下で１５０粍（６インチ）の移動
を命令した結果を示す。目的の位置と実際の位置との間
の誤差は各瞬間において５粍（０，２インチ）以上は殆
ど越えることがない。この性能を達成するために、利得
Ｋｖ及びＫｏは位置エラー及び速度に基づく２つの値の
間で切り換えられた。第２図は“半ステツプ“によって
、バーを右方へ移動するためのモータの順序づけの結果
を図示するものである（この例ではコイルが固定されバ
ーが運動するものとして表わした方が都合がよい）。第
２図の水平の矢印の移動によって表示されているように
、バーを１歯ピツチ移動するため、図示のように、６．
５ステツプを取ることが必要である。従って各半ステツ
プはバーを１／６歯ピツチ（例えば０．４３粍）移動す
る。

１個のコイルと２個のコイルを交番的に付勢してバーを
右方へ半ステツプさせる場合、位相１．２．３．４．５
及び０（半ステツプ）の順序が繰返される。左方への移
動は位相の順序を逆にすることにより行われる。一時に
唯１個のコイルを付勢し、位相１．３及び５の順序を繰
返すことによって、半ステツプでなく１ステツプによっ
てモータを進めることもまた可能である。この方法は、
歩進が大きいこと、最大駆動力が低いこと、モータが歩
進している間で駆動力の変動が大きいという点で劣って
いる。

半ステツプ法を使って達成することが出来る最高の位置
的分解能は半ステツプ（例えば約０．４３粍）である。

１ステツプ法を使うと、１ステツプ分解能しか達成出来
ない。

若しモータが位相１．２．３．４．５から０を経てｌへ
戻る順序付けをされたならば、コイルＡＡ’中の磁束は
上向きから下向きへ変化する。そのような磁束の方向変
化はゼロ時間（有限の電圧で）にすることは出来ないの
で、このトランジションにおける磁束の方向変化は必要
としないのがより望ましい。このことは半ステツプの２
つのサイクルの間を交番する“ダブルサイクル′によっ
て達成することが出来る。即ち、′ダブルサイクル′の
第１サイクルは第２図に示された磁束の方向であり、こ
れに対して第２サイクルはすべての磁束がそれと反対方
向にある。これは磁気的にそのように結合されたステッ
パモータの順序付けを複雑化する。

パウレツフ及びチャイによって開発された非結合型モー
タは簡単化された順序付けを持つ。可変磁気抵抗非結合
型モータの動作の基本原理は結合型モータと同じである
が、非結合型モータにおいては各モータコイル中の磁束
の相対的方向は重要でない。従って、結合型モータに必
要とした′ダブルサイクル“順序は非結合型モータには
必要でない。

非結合型モータの順序付けの単純さは非結合型モータの
特に簡単な電子コミュテータにも反映される。これは、
モータが１方向へ移動する時、コミュテータは標準の開
ループ、半ステツプのモータ順序付けを再生する（閉ル
ープ・フィードバックによって）ことのため予期されて
いる。そのような閉ループのコミュテータがどのように
動作するかについては次の項で説明する。

Ｆ３　電子コミュテータの動作 ブラシなし直流モータのコミュテータと同様に、ステッ
パモータの電子コミュテータは次の３個の部分を含む。

（イ）位置感知器 （ロ）　コミュテータ論理 （ハ）　コイル用電子スイッチ 上記の部分表を標準のステッパモータ制御装置と比較す
ると、位置感知器が追加されているのが分る。コミュテ
ータが標準の順序付は論理の複雑さとほぼ対応するので
、残りの部分は等価である。

以下にこれ等の３個の部分の細部について説明する。

３相非結合型ステッパモータにおいて、モータが６つの
位相、１、・・・・５．０のうちのどの位相に入ってい
るのかを３個の磁気抵抗感知器によって推測することを
第５図に示しである。３個のＭＲはＥ−コアの端部に装
着されており、そしてＭＲがバーの歯に沿って移動する
と変化するバーの磁気抵抗を感知する。

第５図は磁気抵抗器（ＭＲ）感知器の理想的な出力を電
圧として示しており、その出力はバーの１歯ピツチの周
期に関して、コイルに対するバーの相対的な位置のサイ
ン関数である。磁気抵抗器（磁気ひずみ抵抗器）がシー
メンス社で販売されており、磁束及びバイアスの結果と
してのその抵抗値の変化は、歯形が形成された強磁性体
バーのための便利且つ効果的な変換器（ＭＲ）即ち近接
トランジューサを作る。３個のＭＲ感知器はバーの１歯
ピツチの１　／　３夫々離されて物理的に装着される。

これは３つのＭＲ電圧を１２０°離すことになる（第５
図）。ＭＲの多対の出力を比較する比較器（０）の出力
を使うことによって、モータが入っている位相（半ステ
ツプ）のグレイコードを表示する３個の論理変数ＡＢ、
ＢＣ及びＯＡを得ることが出来る。

実際上、ＭＲ実出力サイン関数でスキューする。

それにもかかわらず、ＭＲの夫々の利得及びオフセット
（４つの調節）と、バーに対するＭＲのスキューとを適
当に調節することによって、正確な６個のモータ位相を
得ることが出来る。２番目の簡単な方法はモータ位相を
決定するため、ゼロ交差を使うことである（たった３つ
の調節）。上述の調節は非常に精密ではないが、整合し
たＭＲを使用することによって調節を避けることが出来
る。

本発明者の経験では、よく整合していないＭＲの場合で
、最ｖＪ１回の調節を必要としただけであった。

ＭＲが感知したモータ位相に対する、実際のモータ位相
との初期のアライメントを行うことが必゛要である。

第１図のシステム全体において、ＭＲは２つの測定のた
めに使われる。

・　モータ位相・・・・・・バーに相関するコイル・　
モータ位置・・・・・・与えられた点（絶対位置）に相
関するコイル ＭＲ感知器はバーに相関するコイルの磁気的位置を物理
的に測定する。モータ位相を測定することは理想的な感
知器であるが、然しこの感知器は、モータの“絶対”位
置としてそれを翻訳した時、無視出来ないエラーを持つ
ことになる。我々は以下の３つのタイプのエラーを考慮
した。

（イ）測定値を絶対位置へ翻訳する際に影響する「一定
のエラー」。

（ロ）位置付けの繰返し性に影響する「変化するエラー
」。

（ハ）位置付けの分解能を制限する「感知器のノイズ」
。

バーの歯の間隔の正確さのために、「一定のエラー」は
良好な実施例では１粍以下である。このエラーは調整即
ちキャリブレーションすることが出来、そしてルックア
ップ・テーブルを使つことによって補正することが出来
る。バーの熱膨張のために、「変化するエラー」は容易
に調整出来ないが、良好な実施例では最悪の場合でも０
．１粍に制限出来たし、代表的には０．０１粍以下であ
る。

０．５メートルのバー上に５０００００個（１９ビツト
）のダイナミック範囲を与える数キロヘルツの周波数帯
において「感知器のノイズ」は約ＱＪ）ＯＯ８粍へ位置
分解能を制限する。

ＭＲを使って“絶対“モータ位置を得るためには、位置
検出の粗調整部分としての、ＭＲ位相のトランジション
を計＠（カウント）すること（良好な実施例では１０ビ
ツト）と、微調整位置分解能を得るために適当なＭＲ実
出力Ａ／Ｄ（アナログからデジタルへの）変換値（更に
付加的な９ビツト）とが使用される。以下の論理式はＡ
　／　Ｄ変換器により読取られる適当なアナログ出力を
選択する。

ＭＲＯ−ＡＥ　ＢＯ−１−ＡＢ　ＢＯ ＭＲＩ■ＡＢＣ八十ＡＢＯＡ　　へ　・　・（７）ここ
でコードＭＨＩ及びＭＲＯは以下の通り翻訳される。

０１−ＭＲＩ　Ｏ−ＭＲＢ及び１１−ＭＲ。

Ｎ 良好な実施例において、サンプル速度（２キロヘルツ）
は、マイクロプロセッサがすべてのＭＲトランジション
（粗調整位置）を失わないことを保証するほど充分高く
ない。前に測定されたモータ速度（速度の見積りに関す
る注記Ｇｌ参照）及びモータ位置から取り出された見積
り位相を更新するためのＭＲの位相測定値（ＡＢ、Ｂｅ
、ＯＡ）を使って１．この問題を克服する。従って、サ
ンプルの間で２つ以上の位相の変化（半ステツプで°）
が生じたとしても、粗調整位置“カウント“は失われな
い。

１Ｐ３１　フミュデータ論理 第５図は６つの独立した位相（半ステツプ）及び所望の
駆動方向、「前進」又は「後退」の関数として付勢され
るコイルの選択を示す。この選択は前述のコミュテーシ
ョン原理に従い、且っモータ位置の関数である駆動力リ
ップルを極めて低く（約１３％）する（第６図）。

プラス１歩進位相又はマイナス１歩進位相（１つの完全
な半ステツプ）までのエラーが生じたとしても、モータ
は依然として「正しい方向」へ駆動力を与えるというこ
とは、このコミュテーション機能の最も重要な特性であ
る。この特性は、モータ位相を感知する際に避は得ない
エラーが生ずる、ステッパモータの実際の動作のために
大切な特性である。

３相「非結合型」ステッパモータのためのコミュテーシ
ョン論理は以下の３つの論理式によって代表される。

Ａ−ＦＢＯ＋ＩＰＢＯ ＢねＩＰＯＡ＋ＦＯＡ　　・・・（８）０−ＦＡＢ＋Ｆ
ＡＢ ここでＡ、Ｂ及びＣはＡ又はＢ又はＣが夫々オンである
か否かを代表する論理変数であり、Ａ　Ｅ　％Ｂｅ及び
ＯＡは対応するＭＲの出力、即ちグレイフードのモータ
位相の出力同志の比較の論理変数゛を表わす。

ｒ結合［Ｊモータのコミュテーション論理ハヨり複雑で
あり、（Ｇ３参照）加わった複雑さは、磁束が同じ方向
へ戻るよう１２個の半ステツプを循回するモータを必要
とする、モータ位相の間の結合の結果によるものである
。

付勢されるコイルの順序は１１．５位相１　（１１位相
“及びｐ、Ｉｆ位相“の間）の移動の方向で、平均の位
相前進を有する半ステツプの標準開ループの順序に従う
。本発明の電子コミュテーションと〃標準半ステップ“
コミュテーションとの間の主たる相異は、コイルの順序
付けがモータ位相感知器（実施例ではＭＲ）からの閉ル
ープフィードバックによって発生され、従って決して同
期が失われないことである。事実、フミュデータ論理は
、ステッパモータを循環する非常に速い閉ループフィー
ドバックシステム（正しい時間において、毎秒１．５メ
ートル、毎秒３６００回のコイル切換が必要である。）
として機能する。このことは高速であることと、変化す
るモータ負荷に対して敏感でないこととを同時に達成す
るための主要部であって、これを標準のアプローチで達
成することは殆ど不可能である。

以下の論理変数Ｓは、唯１個のコイルが付勢される場合
に真実である。

５−ＬＩＰ　（ＡＢ　Ｂ　Ｏ＋Ｂ　ＯＯＡ＋ＯＡ　ＡＢ
）＋Ｆ（ＡＢ　ＢＯ＋ＢＯＯＡ＋ＯＡ　ＡＥ）・・（９
）第６図において、止揚の論理式はパワー増幅器の利得
（第１図）を変調するのに使われたので、１個又は２個
のコイルを付勢することによる実際の駆動力の変動（４
０％まで）は（９）の論理式を使うために補償されたの
だと本発明者は推測した。

７３２　　位相の前進 第４図においては、コイルの切換回路は“シンボル化さ
れた“トランジスタＡ、Ｅ及びＣで表わされている。本
明細書では、これ等の回路は使用される電圧及び要求さ
れる切換時間に従って相当複雑であることを述べれば充
分であろう。非結合型ステップモータのためには通常、
〃半ブリッジ回路“を使うのが良い。

切換回路から受ける実際的な制限はコイルに流れる電流
をオン又はオフにさせる最少限の時間による制限である
。この制限はコイルのインダクタンスＬ及び最大電圧Ｖ
　　のためであり、切換回ａｘ 路は方程式１　ｄ１／ａｔｌ−Ｖｍａｘ／Ｌにより操作
することが出来る。

この影響のために、コミュテータによるコイルの正しい
付勢はモータ速度が増加するにつれて確実に遅延される
。コイルの電流に必要な切換え時間に比較してモータが
非常に速く移動すると、コミュテータは矩形波ではなく
三角波をモータに供給する。この時点及びそれを越えた
時点で、コイルの電流を切換える際の有効な遅延は最大
になり、１．５位相（半ステツプ）に等しくなる。

モータ速度の見積り値を使うことによって、測定された
モータ位相を適当に前進することでこの遅延問題を解決
することが出来る。然し乍ら、上述の最大遅延点を越え
て、１．５位相以上の前進は効果がなく、モータの駆動
力は速度が増加すると瞬間的に低下する（コイル中で到
達した最大電流が低下する）。

以下の論理式は上述の位相前進を達成するために必要な
論理式であり、式中、ｖ８は必要とする位相前進の符号
（方向）であり、Ｖよ、Ｖｏは半ステツプの単位中のバ
イナリ値である。

Ａ″Ｂ−ＶＶＶ　ｉ下＋ｖ、ｖ０ｖ工ａＡ＋ｏｌ Ｖ　　Ｖ　　ＡＢ＋Ｖ８ＶｏＶ１０Ａ＋Ｂ”’０−Ｖ　
　Ｖ　　Ｖ　　ｃ＊＋ｖ、ｖｏｖｌＡＢ＋Ｖ　　Ｖ　　
Ｂｅ−１４８ＶｏＶＩＡＢ＋ｖ　　ｖ　　ｖ　　ａＡ＋
ｖｏｖ１ｎ。

Ｃ″Ａ−Ｖ　　Ｖ　　Ｖ　　ＡＢ＋ＶＢＶｏＶよりＯ＋
ｖ　ｖ　ＣＡ＋ｖＢｖｏｖｌＢＣ＋ Ｖ　Ｖ　Ｖ　ＡＢ＋Ｖ　Ｖ　　（！Ａ　・−・（１０）
ｓｏｌ　　　　　　　　０１ 位相前進論理式の機能は、グレイコードで表わされた必
要とする“前進位相“ＡＢ、ＢＯ，ＯＡを得るために、
符号（ｖ８）を付された入力値（Ｖ工、ｖ。）と、測定
された位相（グレイコードのＡＢ。

ＢＯｌＯＡ）とを加算演算を行うことだけである。

事実、若しグレイコードがバイナリに変換されているな
らば、標準のバイナリ加算器が位相前進のために使用し
うる（適当な循環論理により）。６位相以上が使われた
場合、この“グレイコード加算器“はずつと複雑になる
ことは注意が必要である。

事実、良好な実施例において、すべての位相を２つに分
割（半ステツプでなく１／４ステツプを使用）すること
によって、モータの速度が増加した時、駆動力のリップ
ルが減少する良い性能を得ることが出来、３個の１／４
ステツプ（１，５半ステツプ）である理想的な最大の位
相−前進を達成することが出来た。

チップの数を減らすために、プログラムされた論理アレ
ー（Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　　Ｌｏｇｉｃ　　Ａｒｒａ
ｙ−ＰＬＡ）が所望の論理を実行するのに使われる。

非結合型モータに対して、１個の８３Ｓ１５３　ＰＬＡ
はコミュテーション論理式（１，１個の２コイル論理式
（９）、及び位相前進論理式（１０）を含むのに充分で
ある。結合型モータに対して同じＰＬＡが位相前進及び
１個−２個コイル論理式のために使われ、そして多数の
入力／出力接続と付加的な複雑性（Ｇ３参照）のため、
第２のＰＬＡがコミュテーションのために必要であった
。

測定されたモータの位相を実際のモータの位相に調節す
る、即ちコイルとバーの間の相対関係を調節するために
、簡単なアルゴリズムを含む位相−前進論理を使うこと
が出来るのは注意を要する。

ＩＦ４ｍ！子コミュテート式ステップモータの制御Ｆ４
１　　比例的・積分・誘導式デジタル制御（Ｐより） 電子的にコミュテータされたステッパモータのデジタル
制御装置は、ある瞬間でモータへ印加される電圧の大き
さを決めることと、モータにより発生される駆動力の方
向を決めることのみが必要である。通常の直流サーボに
おいて、駆動電圧の大きさ及び符号によって同じ信号が
直流モータへ与えられる。

２つのリニヤ可変磁気抵抗（ＶＵ）モータ、即ち結合型
位相モータ及び非結合型位相モータは、モトローラ６８
０００マイクロプロセツサ及び関連したＤ／Ａ及びＡ　
／　Ｄコンバータで実行されるＰより制御法則で駆動さ
れる（第１図）。これは簡単なサーボ方法を代表するけ
れども、ステツパモータを駆動するための装置は新規で
あり、その秀れた性能は以下に明らかになる。また、制
御方法はりニヤステップモータにもＶＲステップモータ
にも制限されない。

他の多くの市販のマイクロプロセッサ・システムでも実
施しうるけれども、モトローラ６８０００及びＲＲＡカ
ード上に設けられている、関連するデジタル及びアナロ
グボートは実験のための便利な装置である。プロセッサ
はモータ位置を翻訳すること、モータ速度を見積ること
、及び制御信号を合成することの仕事が割り当てられる
。モータ位置はＭＲ倍信号ら又は別個のエンコーダから
取り出される。速度はタコメータから測定しうるけれど
も、特にｌＪニヤモータの場合、費用とか複雑性のため
、タコメータの使用は最適ではない。マイクロプロセッ
サは速度の充分な見積りを与えることが出来る。

？４２　　簡単なＦＤ制御装置 制御条件を計算する第１のステップはモータの所望の位
置ｘｄと、時間（ｋ）　ｘ　ｋにおけるモータの実際の
位置との間の差異を作り出すことである。

時間ｋにおいてモータの速度がｖｋで与えられると、独
立したＦＤ制御法則は Ｕ　、　−−Ｋ。（ｘｋ−ｘｄ）−Ｋｖｖ、ｋ　・・・
（１１）ここでに、Ｋ　　は夫々位置的エラー及び速度
にｅ　　　　　ｖ 関する利得であり、Ｕｋは制御値である。

タコメータがないので、見積り値ｖｋはｖｋのために作
られなければならない。見積りをする簡単な方法は速度
に比例する見積り値を形成するため、過去の位置測定値
について数字的な誘導を行うことである。過去の位置測
定値は最も近い過去の位置に関するものである。

ｖｋ＝ｘｋ−ｘｋ−１°°−（１２） これはむしろ“多雑音（ｎｏｉｓｙ）’見積り器として
知られているので、他の簡単な方法が利用される。例え
ば、２次又は３次の高次式をデータＸ　ｋｌｘｋ−１’
に−２・・・・に適合し、且つ次に、時間ｋにおけるそ
の高次式の誘導値を評価することによって見積り値を算
出した場合の誤差は、サンプル速度が充分に高ければ、
小さいことが証明出来る。事実、この見積り方法は０．
５キロヘルツから２キロヘルツの間の種々のサンプル速
度の実験でＰよりサーボの性能を向上させたＯ ＵｋｗＭａ−Ｋｏ（ｘｋ−ｘｄ）−Ｋｖｖｋ　において
、Ｕｋの符号はモータが加速される方向を決定し、Ｕｋ
の値は電圧の大きさを決定する。Ｕｋの符号は、Ｆの信
号によって、コミュテータへ出力されるから、Ｕｋの値
はモータを駆動するためのパワー増幅器への出力であり
、そしてｖｋの値は数値化されて、位相前進の制御のた
め、コミュテータへ与えられる（第１図）。

１Ｐ４３　非直線性に対する補償 直流サーボモータと異なってＶＲモータは、特に飽和以
下の低電流レベルで非直線性を持つ。この非直線性とは
静的駆動力がコイル電流の平方根の値で直接的に変化す
ることである。我々はリニヤ制御法則を有する点ヘモー
タを“サーボ′するよう試みるので、この非直線性は性
能に悪い影響を与える。非直線性を顕著に補償するもの
はモータへＵ、の値を供給せず、 ｕｋ−符号（Ｕｋ）　、／”丁１；コー　　−・・（１
３）を供給することである。

この補償は電流が制御変数として使われた時、正しい。

事実、良好なトランジェント応答で極めて高いステイフ
ネス（大きなに８の値）が平方根の方法で達成出来た（
平方根の補償のための０２参照）。

？４４　　積分条件及びＰＩＤ制御装置最後に、安定的
なエラーなし基準に適合させるため、Ｐより制御を有す
るリニヤ制御の設計に積分条件（別個のケースの合計）
を加える。

ｕ　ｋ−ｘ　ｏ（ｘ　ｋｘ　ａ　）　　Ｋ　ｖＶ　ｋこ
こでｎ　（ｋは、ｘｋ−ｘｄ及びｖｋに出来るだけ従属
した成る有限な値が通常選ばれる。若しこの制御が漸近
線的に安定であれば、位置ｘｋの値はｋが無限大になる
とｘ４の値そのものである。

積分の“仕上げ“（ｗｉｎｄ　ｕｐ）のために、積分制
御器は長いセット時間で損失を受けることが有りうる。

−例として挙げると、摩擦により起きた位置的エラーに
打ち勝つために積分が作り出されることである。積分条
件は、位置エラーの符号が変更されるまで減少すること
が出来ない。従って積分はモータの移動し過ぎを発生す
ることがある。

この現象に対抗するため、小さな移動のために以下の抗
“巻き上げ“条件が含められる。これはずっと速いセッ
ト時間を達成する。

条件Ｋ　ｗ　（ｘｋｘｎ）の効果は、モータが移動した
ら、積分条件の影響を減らすことである。

従って、ｖＲステップモータに使われる制御法則は（１
３）式であり、そこでＵｋは（１５）式により計算され
る。

Ｆ４５　　可変利得 ０．５メータのバーを０．０１粍又はそれ以下に正確に
位置させることに困難が伴うことが分った。

モータの動作特性がたとえ完全にリニヤであったとして
も、他の非直線性が存在する。その１つの原因は、パワ
ー増幅器が限られた大きさの電圧しか供給出来ないこと
である。速い応答を保証すること、そして、高度な位置
的精度を得るために摩擦に打勝つことは大きなフィード
バック利得、Ｋ。

及びＫ　を必要とする。そのような大きな値は小■ さな移動に対しては問題ないが、例えば０．３メートル
のような大きな移動が要求された時、これ等の大きな利
得の値はパワー駆動装置をその最大出力へ直ちに飽和さ
せる。これはモータの閉ループを大きな移動として効果
的に駆動し、過剰な移動を生ずる。第２に、ＡＭＬのよ
うなロボットのプログラミング言語は作動子が追従する
ための一連のセットポイント（複数個のｘｌの順序）を
発生するけれども、作動子（この場合、リニヤモータ）
が各セットポイントに到着することは実際に必要な性能
ではない。等間隔に置かれたセットポイントの順序は作
動子を一定の速度で駆動することを実際は意味するので
あって、作動子をセットポイントからセットポイントへ
出来るだけ速く移動させることではない。第３に、高い
利得は制御装置の安定性の範囲を減少する。大きな利得
で以て大きな移動をすることは、構造的な振動を生じる
大きな力を発生し、不安定さを増す。

これ等のすべての問題は単純に、利得Ｋ。及びＫｖを変
化することに帰することが出来る。１ｘｋ−ｘｄｌ　の
値、又は９にの値が大きい時、利得の値は減少される。

この単純な方策は高利得の困難を軽減し、そして高い位
置的正確性及び速い応答を保証する。このタイプの制御
はデジタル的にハ極めて容易に実施しうるけれども、ア
ナログ制御装置で実施するには可成り厄介なことである
。

Ｆ４６　　性能 コミュテータと結合したこれ等の素朴な制御方法の際立
った良い成果はこの全体のアプローチを極めて魅力的に
する。大きな移動、即ち０．５メートル（１８インチ）
のバーを毎秒１．４メートル以上の速度で非結合型位相
モータを駆動しても、ＰＤ制御装置はそのバーを精密に
制動した態様で停止させた。

より重要なことはこの制御方法で達成することの出来る
位置的な正確さとステイフネスとにある。

第７図は結合型位相リニヤモータを０．０２５粍（０，
００１インチ）のステップで移動するよう命令した結果
を示す。このＦＤ制御装置の顕著なステイ７ネス（命令
された種々の平衡位置から百分の散性だけモータを変位
するに必要な力の大きさ）は９ＯＮｔ／粍（毎インチ当
り４５０ボンド）と測定された。これは非常に良いとは
言えないがマイクロ−ステッピング方法に匹敵する。ト
ランジェント応答は極めて良い。

第８図において、毎秒０．５メートル（毎秒２０インチ
）の速度で且つ毎秒毎秒１０　バー）　１　（ｌ　Ｇ）
の加速度又は減速度でＡＭＬの制御の下で１５０粍（６
インチ）の移動の命令の結果である。目的。

位置ｘｄと実際の位置との間のエラーは、各瞬間におい
て５粍（０，２インチ）を越えない。

他の応用例において、Ｐより制御装置は非結合型位相モ
ータを同じトランジェント応答を持つ、０．００２粍（
ｏ、ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　ａインチ）の分解能エンコーダで
エラーなしのサーボ動作を行った。

Ｇ　注記 Ｇ１　速度の見積りのための高次式の誘導高次式を適合
すること、及び誘導値を取ることは速度を見積るための
最適な解答ではないけれども、それは便宜な方法であり
且つモータのモデル化（ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ）を必要と
しない。データＸｋ及びＸｋ−０を当嵌めた直線の傾斜
である一次方程式の誘導値はしばしばそれで充分である
けれども、高次の方程式による近似値が得られればなお
良い。

データ”ｋ”ｋ−１、ｋ−２を使った特定の二次方程式
の誘導値を評価する数式は、 ３ｘｋ　４Ｘｋ　ｌ＋ｘｋ　　２ である。

三次方程式の等価式は、 １１　ｘ　−１８ｘ　ｋｘ　＋９　ｘ　ｋ２　２χに−
３に である。

これ等の数式は速度にほぼ比例する信号を与えるＯ ０２　平方根の計算 ６８０００アツセンブラで平方根を計算することは非常
に簡単である。ニュートン（Ｎｅｗｔｏｎ）−ラフソン
（Ｒａｐｈｓｏｎ）反復数を組み合せた初期条件値（ｇ
ｏｏｄ　　１ｎｉｔｉａｌ　　ｇｕｅｓｓ）の設定がプ
ロセスを完成する。

手続の概要を以下に説明する。

（１）初期条件値の設定 （Ｕ≧０）の値のバイナリ表示中の最高位の非ゼロビッ
トのインデックスがｎであるとする。例えばＵ−５７（
１０進法で）であると仮定すると、ｎ−６である。ｎの
値はＵのロガリズムに近似するので、ｎ／２はｆ丁のロ
ガリズムの近似値である。Ｕの平方根を見い出すプロセ
スを開始するための妥当な初期条件値の設定は、 ｔｒ　Ｏ−２ｎ／２、又はｚ（ｎ　ｌ）／２若しｎが奇
数ならば、２（ｎ　１）／２ 従って上述の５７の例では初期条件値は８である。一般
論として、この初期条件値の近似値は平方根そのものの
ｆ「の関数の範囲内にある。

（１１）ニュートンーラフソン反復数 平方根のための循環的反復数は、 ｕｉ＋１−（Ｕ／ｕ　−１−ｕ　−ｚ、）／２である。

３２ピツトの整数のための、３つの反復数を結合した上
述の初期条件値は平方根を整数の精度（１６ビツトの結
果）で完成するのに充分である。

Ｇ３　　結合型モータのコミュテーション論理磁気的に
結合された位相ステッパモータに必要なコミュテーショ
ン論理を以下に説明する。非結合型位相モータと比較し
て、付加された複雑性はモータ位相の間の磁気的結合の
結果である。その磁気的結合は磁束が同じ方向へ戻るた
めに、モータが１２．５ステツプ（２つの基本的ステッ
プ）を取るよう要求する。従って、付加された複雑性は
、（１）２つの論理変数が磁束方向を指定するように各
コイルのために必要とされる。例えば第６図のコイルＡ
　Ａ’について言えば、論理変数Ａは“上向き“磁束が
オン又はオフの何れかを指定するのに使われ、一方論理
変数７は“下向き“磁束がオン又はオフの何れかを指定
するのに使われる。

（１１）４つの状Ｈ（２個の論理変数：Ｔ１、Ｔ２で記
号化されている）は２回反復される６、５ステツプサイ
クルを持続するのに必要とされる。変数ＳＴＩ　（ｓＴ
２）はＴｌ　（Ｔ２）を論理ｌ（セット）へ強制するの
に使われ、一方ＯＴＩ　（ＯＴ２）はＴｌ　（Ｔ２）を
論理０（リセット）へ強制するのに使われる。

Ａ−Ｆ　ＢＯＴ２＋Ｆ　ＢＯＴｌ 以下の論理式に従って、状態Ｔ１及びＴ２は更新される
。

Ｇ４　電磁作動子システムの利点 本発明の電磁作動子システムと従来装置の間の重要な相
異は、コミュテーション論理により処理される時、コミ
ュテーションを直接発生する３相直流感知器ＭＲを使用
することである。位置測定及び正しいコミュテーション
を達成するために、復調とかパルスの計数（そして計数
のし損いの可能性）とかを必要としない。ＭＲ及び比較
器がコミュテーションのために直接必要な信号を発生す
る。正しいコミュテーションを設定するため、アライメ
ントのための初期移動を必要としない。パワーをオンに
すると直ちに正しいコミュテーションが行われる。

第２に、コイルの重複した付勢で非直線的に結合された
平方根法則による訂正が性能を著しく向上する。残留し
たトルクリップルを更に訂正する必要は殆どない。コイ
ルを付勢する決定がコミュテータにより操作されるので
、ステップモータを制御する多くの負担が除かれる。フ
ミュテートされたステップモータの制御は通常の直流サ
ーボモータと同じである。このアプローチには他の重要
な利点がある。

・　ステッパモータは１ステツプ又は半ステツプで移動
するようにもはや制限されない。

コミュテーションは、通常のマイクロ−ステッピングが
行う基本ステップの間のステップで位置決めする簡単な
手段を与える。モータの位置的な正確さは位置フィード
バック及び制御システムのデザインの質によって決めら
れる。

Ｏ閉ループ制御は単純である。

単一の入力、即ち電圧の方向及び大きさはモータの位置
とは無関係に所望の方向の加速を与える。従って、簡単
な制御法則（例えばＰより）でも高い性能を達成する。

・　位置、速度及び駆動力制御等に、より柔軟な制御目
的を達成することが出来る。

・　モータは同期を失うことがない。

コミュテータは所望の方向に駆動力を発生するよう適正
なコイルを付勢するので、通常のモータ制御において生
ずる高速におけるタイミング・ミスの問題が起きない。

モータは、負荷の突然の変化によって駆動力を乱された
としても、常に所定の方向に駆動力を加える。

・　モータは間違った平衡位置に停止することがない。

制御法則が平衡位置を定義する。変位したとしても・モ
ータは所定の平衡位置に戻る。通常つステップ方法のモ
ータは３つの平衡状態のうちの何れか１つに停止するこ
とになる。

・　モータは“走り過ぎ“ない。

位相前進を持つコミュテーションは、モータが撹乱され
たとしても、高速度で暴走しないことを保証する。

・　電力消費は大きさで１桁又は２桁のオーダで低下さ
れる。

電力は位置誤りがあった場合にだけ消費される。モータ
が所望の位置か又はその近所に停止した時、制御電圧は
ゼロか又は僅かの大きさが加えられる。反対に、マイク
ロステップ、又は通常のステップモータは常に大電流を
必要とする。

・　１個のコイル及び２個のコイルの間の交番によるコ
イル付勢の重なりはモータの位置が変化した時に、駆動
力リップルを減らす。低いトルクリップルは高い精度を
達成する簡単な制御方法の設計に役立つ。

Ｇ５　改良方法 可変磁気抵抗ステッパモータの矩形波法則の既知の特性
に類似した成る型のステッパモータに影響を与える温度
上昇特性や他の固有の変則などを補償するためコンピュ
ータをプログラムすることによって、幾つかの明らかな
改良を計ることが出来る。

・　トルクリップル補償 このシステムは位置を感知することが出来、且つ位置の
関数として残留したトルクリップルを除去するために、
パワー増幅器の利得を調節することが出来る。ＭＲが直
接に、又はＲＯＭが位置の関数としての補償を与えるこ
とが出来る。

・　より良い制御デザイン コミュテータされるモータをモデル化することは、従来
のデザイン技術（“進ませ−遅らせ“補償）、ステッパ
モータを置き換えるための特別注文の制御法則又は他の
特殊の仕事を結合して改良した制御法則のデザインを導
き出すことが出来る。

・　より連続した位相前進 上述したものの２倍の分解能を持つ位相前進を有するコ
ミュテータを作ることは簡単である。

そのようなコミュテータは高速度で改良された駆動力を
達成する。

リニヤロボットを制御するための作動子として本発明を
説明して来たが、高いトルク及び低い慣性を有する可変
磁気抵抗ステッパを必要に応じて通常の直流モータに置
き換えることの出来る他の業務に使用するため、本発明
に変形、修正を施すことはこの道の専門家に明らかなこ
とである。ＶＲステップモータは製造費が安価で且つ高
い精度で制御することが出来るので、それが多くの永久
磁石直流モータに置−き換わることが考えられる。勿論
、若し、位置感知器のコストが安価になれば、現在使わ
れているステッパモータのすべての応用装置は本発明の
将来の適用範囲である。

Ｈ発明の効果 本発明の利点は、駆動力及び経済性の点で知られている
市販のステッパモータがマイクロプロセッサ、プログラ
ム可能な論理アレー及びコンピュータを含む位置感知及
び外部電子装置を組み合わせることによって精密な位置
決め装置として動作されることである。

本発明の他の利点は、本発明に従って改良されたステッ
パモータが１ステツプを分割した分数ステップの歩進で
位置決めされることである。

本発明の他の利点は、ステッパモータがマイクロプロセ
ッサによって考慮される複雑なダイナミック制御パター
ンに従って動作されることであり、ａ御パターンはプロ
グラミングで容易に再認識すれ、且つ現在の位置、所望
の位置、温度変則及び磁気的変則及び他のファクタのた
めに訂正される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従った電子コミュテータを有するステ
ッパモータのマイクロプロセッサ制御装置の模式図、第
２図は半ステツプ制御によってステッパモータが歩進す
る態様を説明する図、第３図は２個のＥ−コア及び１個
のバーの一部を示し、且つ非結合型位相の３相可変磁気
抵抗（ＶＲ）！Ｊニヤモータの積層板を示す図、第４図
は３相非結合型位相ステッパモータのためのコミュテー
タ部分を示す図、第５図は３相ステツパモータのコミュ
テータの原理を示す図、第６図は３相ステツパモータの
静的駆動力リップルを示す図、第７図はＰＤ制御装置を
使った小さなステップ応答の位置／時間を示す図、第８
図は２組の利得を有するＦＤ制御装置を使った大きなス
テップ応答の位置／時間を示す図である。 １１・・・・コア、１２・・・・バー、１６・・・・位
置感知装置、１４・・・・プログラム可能論理アレー、
１７・・・・可変磁気抵抗器、１９・・・・比較器、２
０・・・・電力増幅制御器、２１，２２．２３・・・・
フィードバック路。 １１−−一・コア ＋２−一一一ノＣ− 牛ステップ制ＪａＰ＋：ｘる歩達磨」隈／ｆ　　２　　
図 コミλテークの原理 −６５回 一定のコイルｆ、次１ニナ４丁２゜ 婢的晩１力カナ：Ｔ位１ 才　６　口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個のコイルを有するステッパモータと、上記
   コイルへ電力を供給するため上記コイルに接続された電
   力供給手段と、 コイルを付勢するため選択された時、上記電力供給手段
   から、選択され付勢されるコイルを通る付勢回路を完成
   するように上記コイルに接続されたコイル切換手段と、 複数個の入力ノードを有し、且つ上記コイル切換手段へ
   付勢コイル選択信号の関連パターンを与えるために、制
   御管理信号及び現在のアーマチャ位置信号のパターンの
   合成関数として、位置及び変則訂正切換選択信号を与え
   る論理を有するプログラム可能な論理手段と、 上記プログラム可能な論理手段へ現在のアーマチャ位置
   信号入力のパターンを与えるために、上記プログラム可
   能な論理手段へ接続されているフィードバックを有し、
   且つ上記ステッパモータのアーマチャ位置をモニタする
   位置感知手段と、アーマチャの現在位置の入力を受け取
   るため、上記位置感知手段へ接続されたフィードバック
   を有し、そして単一の増幅制御信号を与えるため、上記
   電力供給手段へ接続され、且つ方向及び位相前進信号を
   与えるため上記プログラム可能な論理手段へ接続された
   マイクロプロセッサとを具備することを特徴とする電磁
   作動子装置。
2. （２）上記位置感知手段は上記マイクロプロセッサへ粗
   調整アーマチャ位置フィードバック・デジタル信号及び
   微調整アーマチャ位置フィードバック・アナログ信号を
   与え、且つ上記マイクロプロセッサは上記プログラム可
   能な論理手段へ、増幅制御、方向制御及び位相前進信号
   を与え、これにより、付加的訂正が上記マイクロプロセ
   ッサによるプログラムされた計算に従つて行われること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電磁作動子装
   置。