(57)【要約】      （修正有）【課題】現在の回転スピードから目標となる回転スピードへとステッピングモーターを加速するのに使用するステッピングモーター加速システムを提供する。【解決手段】コントローラーの保存する安全加速曲線は、ステッピングモーターの特性曲線を安全マージンでシフトして規定される。コントローラーは、現在の回転スピードと目標となる回転スピードとを安全加速曲線で比較し、この安全加速曲線の対応する２つの位置を取得する。コントローラーは、これら２つの対応する位置に基いて実際の加速曲線を生成する。パルス発生器は、実際の加速曲線を受信し、パルス信号に変換する。ドライバーは、このパルス信号を受信し、このパルス信号にてステッピングモーターを駆動する。本発明は、上記の安全加速曲線に基いてステッピングモーターを加速する。このようにして、本発明は、ステッピングモーターを「スピード外」又は「ステップ外」の発生から回避し得る。【選択図】図３
2006060991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
現在の回転スピードから目標となる回転スピードへとステッピングモーターを加速する、ステッピングモーター加速システムであって、
前記ステッピングモーターは、該ステッピングモーターの入力パルス信号と出力トルクとに関連する特性曲線を有し、
当該ステッピングモーター加速システムは：
安全加速曲線にコンパイルされるデータを備えたコントローラーであって、
前記安全加速曲線は、安全マージンで前記特性曲線をシフトすることにより生成され、
前記の現在の回転速度の対応する位置と前記安全加速曲線上の前記の目標となる回転速度の対応する位置とに従って、実際の加速曲線を制御し得る、コントローラー；
前記の実際の加速曲線で示される前記データを受信し該データをパルス信号に移行させる、パルス発生器；及び
前記パルス信号を受信し、前記の実際の加速曲線に従って前記の目標となる回転スピードに加速するように前記ステッピングモーターを駆動する、ドライバー；
を有することを特徴とするステッピングモーター加速システム。
【請求項２】
前記特性曲線は、プルアウトトルク曲線であ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ー加速システム。
【請求項３】
前記安全加速曲線は、二次曲線であ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ー加速システム。
【請求項４】
前記の実際の加速曲線は、前記安全加速曲線と同一であ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ー加速システム。
【請求項５】
前記の実際の加速曲線は、前記の現在の回転スピードの対応する位置と前記の目標となる回転スピードの対応する位置との間の線であ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ー加速システム。
【請求項６】
前記安全加速曲線は、水平線と二次曲線とを有し、
前記水平線は、前記の現在の回転スピードの対応する位置から前記安全加速曲線上の中央位置に伸び、
前記二次曲線は、前記中央位置から始まり、前記安全加速曲線上の前記の目標となる回転スピードの対応位置へと至ることを特徴とする請求項３に記載のステッピングモーター加速システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステッピングモーター用の加速システム及び方法に係り、特に、ステッピングモーターを加速するため、ステッピングモーターの特性曲線と類似の安全加速曲線を用いた、加速システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のステッピングモーターは、マイクロコントローラーで制御される。このマイクロコントローラーが制御信号を出力した後、この制御信号は、ドライバーにより増幅され、ステッピングモーターの動作を制御する。制御信号は、通常、パルス信号に類似する。制御信号の周波数は、ステッピングモーターの回転スピードに比例する。例えば、１秒当たり２００のパルスにより、ステッピングモーターは円周状に回転可能となる。このことは、コントローラーにより発生される１秒当たりのパルスが多くなるにつれ、ステッピングモーターはより高い回転スピードで回転する、ということを意味する。しかし、ステッピングモーターの、回転スピードとトルクとの間には、指数関数的な比例関係が存在する。つまり、回転スピードが高くなると、トルクは低くなってしまう。従って、ステッピングモーターが「ステップ外（ｏｕｔ  ｏｆ  ｓｔｅｐ）」又は「スピード外（ｏｕｔ  ｏｆ  ｓｐｅｅｄ）」とならないようにステッピングモーターを注意深く加速する必要がある。
【０００３】
図１は、従来のステッピングモーターの特性曲線のグラフを示す。図１のｘ軸は、ステッピングモーターで受ける１秒当たりのパルス数を示す。図１のｙ軸は、ステッピングモーターの出力トルクを示す。ステッピングモーターと通常のモーターとの間で特性面で異なる点は、ステッピングモーターは２つの特性曲線を有する点である。図１に示す２つの特性曲線Ａ及びＢを説明すると、以下の通りである。つまり、Ａは、プルイントルク（ｐｕｌｌ−ｉｎ  ｔｏｒｑｕｅ）曲線である。このプルイントルク曲線は、最大トルクを示し、ステッピングモーターは、制御信号に続いて同期的に始動又は停止し得る。従って、プルイントルクの下の領域において、ステッピングモーターは、要求された制御信号に従って、リアルタイムに始動され、停止され並びに正及び負に回転され得る。この領域は、常に、始動−停止領域と称される。
【０００４】
Ｂは、プルアウトトルク曲線であって、ステッピングモーターに関する最大トルクを示す。なお、このステッピングモーターは、制御信号に続いて同期して動作し得るが、制御信号に続いて、即座に始動又は停止し得ない。プルアウトトルク曲線とプルイントルク曲線との間で、ステッピングモーターは、制御信号で動作するが、即座に始動又は停止し得ない。プルアウトトルク曲線とプルイントルク曲線との間の領域は、回転領域と称される。ステッピングモーターは、この始動−停止領域において始動又は停止され、その後、回転領域で動作される。これら以外では、ステッピングモーターは、ステップ外となる。
【０００５】
「スピード外」とは、ステッピングモーターにおけるローターの回転スピードがステーター磁場の回転スピードに追随し得ないことを意味する。これにより、ステッピングモーターは、回転を停止する。「スピード外」は、全ての種類のモーターにおいて発生する。通常のモーターの場合、「スピード外」は、コイルの焼き付きを発生させる。相対的に、ステッピングモーターにおいて、「スピード外」は、エキサイターコイルが磁場を発生する場合であっても、ステッピングモーターがパルス信号で制御されることに起因して、ステッピングモーターを停止させるのみであって、コイルの焼き付きを発生させない。
【０００６】
「ステップ外」とは、出力トルクの減少がステッピングモーターの荷重を提供し得ない場合、ステッピングモーターが滑ることを意味する。出力トルクは回転スピードと反比例することから、短時間に上げられたステッピングモーターの回転スピードは、出力トルクを急速に低下させる。
【０００７】
従来のほとんどのステッピングモーターは、加速するのに通常線形的な加速方法を用いるため、低スピード領域に適用される。図２は、従来のステッピングモーターに適用される従来の加速曲線を示す。図２のｘ軸は、ステッピングモーターで受ける１秒当たりのパルス数を示す。図２のｙ軸は、ステッピングモーターの出力トルクを示す。上記の線形的な加速方法は、従来のステッピングモーターが低スピード領域で動作される際に適用され得る。なぜなら、この出力トルクは、始動−停止領域の状態にあって、いかなる障害も発生していないためである。しかし、ステッピングモーターが上記の高スピード領域における比率にて加速されると、その加速曲線は、回転領域へと移行し、最終的に、上記のプルアウトトルク曲線を超えることとなる。従来技術において、このプルアウトトルク曲線は、常に線形に保たれるが、この線形的な加速方法による加速線は、簡単にプルアウトトルク曲線を横切ってしまい、ステッピングモーターに「スピード外」という障害を惹き起こす（図２の線Ｃ参照）。さらに、線形的な加速方法においてステッピングモーターの特性は考慮されていないため、ステッピングモーターは、線形的な加速方法によって所望の出力トルクを提供することを確約され得ない。このような状況において、ステッピングモーターは、荷重を提供し得ず、「ステップ外」の状態となってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、加速工程中、ステッピングモーターがプルアウトトルクを脱出することを阻止するように安全な加速曲線を適用される、ステッピングモーター加速システム及び方法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は、「ステップ外」からのステッピングを回避するように、高回転スピードで十分なトルクを提供する、ステッピングモーター加速システム及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、現在の回転スピードから目標の回転スピードへとステッピングモーターを加速するための、ステッピングモーター加速システムを提供する。本発明によるステッピングモーターは、コントローラーと、パルス発生器と、ドライバーとを備える。
【００１１】
本発明によるステッピングモーターは、ステッピングモーターの入力パルス信号と出力トルクとの関係を規定する特性加速曲線を有する。コントローラーは、安全加速曲線からコンパイルされるデータを有する。この安全加速曲線は、上記の特性曲線から安全マージンを差分して生成される。安全加速曲線において、現在の回転スピードの対応する位置と目標の回転速度の対応位置とに従って、コントローラーは、データにコンパイルされる実際の加速曲線を生成する。パルス発生器は、実際の加速曲線で示されるデータを受信するのに使用され、その後、このデータをパルス信号に移行する。ドライバーは、パルス信号を受信し上記の実際の加速曲線に従って目標の回転スピードへとステッピングモーターを加速して駆動するのに使用される。
【００１２】
本発明により提供されるステッピングモーター加速システムの一態様において、その特性曲線は、プルアウトトルク曲線である。
【００１３】
本発明により提供されるステッピングモーター加速システムの別の態様において、安全加速曲線は、二次曲線である。
【００１４】
本発明により提供されるステッピングモーター加速システムの別の態様において、実際の加速曲線は、上記の安全加速曲線と同一である。
【００１５】
本発明により提供されるステッピングモーター加速システムの別の低用において、上記の実際の加速曲線は、現在の回転スピードの対応する位置と目標の回転スピードの対応する位置との間の線である。
【００１６】
本発明により提供されるステッピングモーター加速システムの別の態様において、安全加速曲線は、線成分と二次曲線成分とを有する。線成分は、現在の回転スピードの対応する位置から安全加速曲線の中間位置へと水平に延びる。上記の二次曲線成分は、この中間位置から開始され、安全加速曲線の目標の回転スピードの対応する位置へと至る。
【００１７】
上記の説明によると、本発明に適用される加速曲線は、上記の特性曲線と酷似するが、特性曲線に対して安全マージンを有する。従って、ステッピングモーターは、安全領域において加速され得る。また、「ステップ外」及び「スピード外」は、本発明において発生しない。
【００１８】
本発明の他の目的、利点及び新規の特徴は、添付した図面とともに以下の詳細な説明により、明らかになるであろう。
【発明の効果】
【００１９】
「ステップ外」及び「スピード外」を発生することなく、目標の回転スピードへと加速して駆動し得るステッピングモーターを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図３は、本発明による、ステッピングモーター加速システム１０及びステッピングモーター２０のブロック図である。本発明は、現在の回転スピードから目標の回転スピードへとステッピングモーター２０を加速するためのステッピングモーター加速システム１０を提供する。加速システム１０は、コントローラー１０２と、パルス発生器１０４と、ドライバー１０６とを備える。
【００２１】
先行技術において述べたように、ステッピングモーターは、図１に示す特性加速曲線を有する。この特性曲線は、予測し得ず、ステッピングモーター２０の特性曲線を得るには、多くの試験を行う必要がある。各テストでは、１秒当たりに異なる数のパルス数（ＰＰＳ）でパルス信号を入力し、ステッピングモーターの出力トルクを記録する。他方、上記の特性曲線は、複数の点（ｄｏｔ）で構成される。例えば、数百回の試験を行い、数百の点を取得し且つこれらの点を結合することにより、試験したステッピングモーターの特性曲線を得ることができる。図１に示すように、ステッピングモーターのそれぞれは、主要な２つの特性曲線を有し、一つは、プルイントルク曲線であり、もう一つは、プルアウトトルク曲線である。
【００２２】
図４は、ステッピングモーターの、特性曲線２０２、安全加速曲線２０４及び実際の加速曲線のグラフである。図４のｘ軸は、ステッピングモーター２０で受ける１秒当たりのパルス数を示し、ｙ軸は、ステッピングモーター２０の出力トルクを示す。上述したように、ステッピングモーター２０は、２つの特性曲線を有し、一つは、プルアウトトルク曲線２０２１であり、もう一つは、プルイントルク曲線２０２３である。ステッピングモーターは、「ステップ外」及び「スピード外」を回避するため、プルアウトトルク曲線２０２１以下で動作させる必要があるため、本発明の実施例では、ステッピングモーター２０を加速させるため、図４に示すように、安全マージンにてプルアウトトルク曲線２０２１の下方にシフトして得られる安全加速曲線２０４を導入する。
【００２３】
本発明の各実施例における方法にて生成される安全加速曲線は、以下のステップを有する。第１に、プルアウトトルク曲線２０２１の複数のプルアウトドットを取り込む（ｇｒａｂ）。第２に、複数の安全ドットを生成するように、安全マージンにて、通常線に沿って各プロアウトドットを下方へとシフトする。なお、通常線とは、プルアウトドットの元の位置においてプルアウトトルク曲線２０２１と直交的に交差する線である。その後、複数の安全ドットがフィットするように、カーブフィッティングを行い、安全ドットを示す二次方程式を取得する。この二次方程式からグラフ化された曲線は、図４に示す安全加速曲線２０４として視覚化される。
【００２４】
このカーブフィッティングステップは、上記の複数の安全ドットをフィッティングするように、一つの式を使用する。例えば、第一に、上記の安全加速曲線を以下の式と仮定する：
Ｔ（ｆ）＝ａ×ｆ２＋ｂ×ｆ＋ｒ・・・（１）
ここで、ｆは、１秒当たりの入力パルス数であり、Ｔ（ｆ）は、１秒当たりのパルス数ｆの出力トルク関数Ｔであり、ａ、ｂ及びｒは係数である。
【００２５】
従って、少なくとも３つの点を上記式（１）に代入すると、３つの係数ａ、ｂ及びｒを得ることができる。これは、カーブフィッティングを説明する簡単な工程である。実際には、カーブフィッティングは、非常に一般的な技術であって、市販されている多くのソフトウェアは、より複雑且つ正確にカーブフィッティングを行う機能を有する。
【００２６】
安全加速曲線２０４は、二次曲線であるので、コントローラー１０２にコンパイルし得る。コントローラー１０２は、異なる回転スピードでステッピングモーターを回転するように制御するのに使用する。ステッピングモーターの回転スピードを変更するのにコントローラー１０２が制御する際、コントローラー１０２は、パルス発生器上で現在の回転速度の位置と目標となる回転スピードの位置とを第１に見出し、その後、実際の加速曲線を決定する。実際の加速曲線は、ステッピングモーター２０を加速するのに、コントローラー１０２用のベースである。
【００２７】
本発明の第１実施例において、コントローラーは、安全加速曲線２０４を実際の加速曲線に適用する。コントローラー１０２は、初期位置として、現在の回転スピードを採用し、加速の最終位置として、目標となる回転スピードを採用する。
【００２８】
図５は、本発明の第２実施例による実際の加速曲線２０６のグラフである。本発明の第２実施例において、この実際の加速曲線は、現在の回転スピードの対応する位置と、目標となる回転スピードの対応する位置との間の直線である。
【００２９】
図６は、本発明による第３実施例による実際の加速曲線２０８である。現在のスピード及び現在の出力トルクがプルイントルク曲線２０２３以下である場合、この安全加速曲線２０８は、２つの部分、つまり、水平線及び二次曲線という部分を含むように規定される。この水平線は、現在の回転スピードの対応する位置から安全加速曲線上の中央位置へと伸びる。上記の二次曲線成分は、この中央位置から開始され、上記の安全加速曲線上の目標となる回転スピードの対応する位置へと至る。
【００３０】
複数の好適実施例において本発明を説明する一方、本発明に使用する用語は、限定された用語ではなく説明のための用語であって、添付した請求項の範囲内での変更は、最も広い意味合いにおいて本発明の範囲及び精神から逸脱せず可能であることを理解すべきであることを強調する。
【００３１】
コントローラー１０２が実際の加速曲線を生成した後、コントローラー１０２は、制御信号として実際の加速曲線へと移行する。パルス発生器１０４は、実際の加速曲線で示されるデータを有する制御信号を受信するのに使用され、その後、このデータは、パルス信号へと移動される。ドライバー１０６は、このパルス信号を受信し実際の加速曲線に従って目標となる回転スピードへとステッピングモーター２０を加速して駆動するのに使用される。従って、ステッピングモーター２０は、上記の安全領域において有効な方法により加速可能となり、本発明において、「ステップ外」及び「スピード外」は発生しない。
【００３２】
図７は、本発明によるステッピングモーター加速方法のフローチャートである。下記の説明は、このフローチャートと組み合わせて本発明の工程を詳細するためのものである。ステッピングモーター加速方法は：
ステップ３０：複数の試験を行い複数のプルアウトドットを取得することにより、ステッピングモーター２０の特性曲線２０２を取得し；
ステップ３２：安全マージンを有する複数の安全ドットを取得するように、上記の複数のプルアウトドットをシフトし；
ステップ３４：ａ、ｂ及びｒを得るように、複数の安全ドットを式Ｔ（ｆ）＝ａ×ｆ２＋ｂ×ｆ＋ｒに代入し安全加速曲線を示す二次方程式を取得し；
ステップ３６：この二次方程式をコントローラー１０２へとコンパイルし；
ステップ３８：コントローラー１０２は、上記の二次方程式と、現在の回転スピードと、目標となる回転スピードとに基いて、実際の加速曲線を生成し；
ステップ４０：コントローラー１０２は、制御信号を生成し、この制御信号を、上記の実際の加速曲線に基いてパルス発生器１０４に送信し；
ステップ４２：パルス発生器１０４は、この制御信号をパルス信号に移行させ；且つ
ステップ４４：ドライバー１０６は、上記の実際の加速曲線に従って、ステッピングモーター２０を目標となる加速スピードへと加速する；
工程を有する。
【００３３】
本発明は、線形加速を用いる先行技術において発生する問題を考慮し、この問題を完全に解決する。また、本発明は、加速範囲がプルアウトトルク曲線の下方に限定されるので、ステッピングモーターの特性も考慮する。さらに、本発明の加速工程はステッピングモーターの特性に適合するので、その加速の有効性は、先行技術のものよりも良好である。
【００３４】
上述の通り、本発明の詳細な構造と機能と共に、本発明の複数の特徴及び利点を開示してきたが、この開示は、説明のみを目的としており、添付した請求項に表現される用語の一般的で最も大きな意味で示される最大限の限度にて、本発明の趣旨の範囲内で、細部、特に部品の形状、寸法及び配置に関して変更可能である、ということを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のステッピングモーターの特性曲線のグラフである。
【図２】従来のステッピングモーターに適用される従来の加速曲線のグラフである。
【図３】本発明による、ステッピングモーター加速システム及びステッピングモーターのブロック図である。
【図４】本発明による、ステッピングモーターの、特性曲線、安全加速曲線及び実際の加速曲線を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施例による、実際の加速曲線のグラフである。
【図６】本発明の第３実施例による、実際の加速曲線のグラフである。
【図７】本発明による、ステッピングモーター加速方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１０        加速システム
２０        ステッピングモーター
１０２      コントローラー
１０４      パルス発生器
１０６      ドライバー
２０２      特性曲線
２０４      安全加速曲線
２０６      加速曲線
２０８      加速曲線
２０２１    プルアウトトルク曲線
２０２３    プルイントルク曲線
【図１】
2006060991.tif 000003
【図２】
2006060991.tif 000004
【図３】
2006060991.tif 000005
【図４】
2006060991.tif 000006
【図５】
2006060991.tif 000007
【図６】
2006060991.tif 000008
【図７】
2006060991.tif 000009