(57)【要約】  【課題】ステッピングモータを簡略化された制御構成で、低速運転時に振動を効果的に抑制することができるような振動抑制制御を実現する。  【解決手段】モータの速度を電圧として検出する速度センサをモータに搭載し、指令速度とモータの速度を比較しその差を検出する。その差分信号に応じてモータの通電タイミングを調整する。即ち、入力信号位相とモータ回転位置の偏角が増加してモータ回転が遅れる場合には通電のタイミングを早め、逆に減少してモータ回転が進む場合には通電タイミングを遅らせる。この通電タイミングの調整により固有振動を抑制する。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステッピングモータと該ステッピングモータの励磁状態を決める駆動回路と、前記ステッピングモータは速度を検出する速度センサを具備し、該速度センサ出力と指令速度を比較し、前記駆動回路の励磁切り替えタイミングを自動的に決定し、前記ステッピングモータの巻線に流れる通電電流の位相を制御することで振動を抑制する振動抑制回路を具備することを特徴とするステッピングモータの制御回路。
【請求項２】
前記駆動回路に前記ステッピングモータのステップ角を分割するマイクロステップ機能を付加した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の制御回路。
【請求項３】
前記振動抑制回路において、モータの固有振動周波数は変化せず減衰係数のみを変えることを特徴とする請求項１及び２に記載のステッピングモータの制御回路。
【請求項４】
前記速度センサにタコジェネレータを使用したことを特徴とする請求項１及び２、３に記載のステッピングモータの制御回路。
【請求項５】
前記ステッピングモータをプリンタドラム駆動用のダイレクトドライブモータとして、定速度運転することを特徴とする請求項１及び２、３、４に記載された制御回路を搭載したステッピングモータ。
【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の低速回転時の振動抑制に関するもので、更に詳しくは、負荷を低速で一定回転数に制御するためにダイレクト駆動する用途のステッピングモータの制御回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ステッピングモータは安価で容易に位置決め動作が行えることから、ＯＡ・ＦＡ機器に広く使用されている。しかし、ステッピングモータは、その回転子位置とは無関係に転流動作が行われ、ステッピングモータ軸に大きな固有振動が生じるため、高精度で一定速度の運転をする用途には使用されていない。しかし、ステッピングモータは低速領域でのトルク特性が優れているという特徴がある。
【０００３】
図４に、２相ハイブリッド形ステッピングモータ（以下ステッピングモータをモータと称する）の動作を示すものである。図中４１は２極に着磁された回転子マグネットであり、４２は巻線を有するステータのＡ相突極である。同様に４３はＡ＊相突極、４４はＢ相突極、４５はＢ＊相突極である。Ａ相突極４２を励磁して、回転子マグネット４１のＳ極が上向きの状態からＢ相突極４４に励磁を切換え、回転子マグネット４１を９０度時計方向に回転させる場合を考える。Ｂ相突極４４に励磁を切換えるとＳ極はＢ相突極４４に引寄せられ９０度回転した位置に向こうとする。しかし、回転子マグネットとモータ負荷の慣性モーメントのために９０度の位置を大きく行き過ぎ、行き過ぎると９０度の位置に戻るトルクが作用し、逆回転に転じる。この動作が繰り返されて固有振動が発生する。図４において、１相励磁方式でマグネット磁極数が２であるためモータの基本ステップ角θｓはθｓ＝３６０／（２×２）＝９０度である。また、図５はこの動作を示すもので、横軸が時間であり、縦軸が機械角度である。
【０００４】
このような固有振動の影響を低減する目的で、従来からマイクロステップ駆動方式が採用されている。図６はこのマイクロステップ駆動方式によるＡ相、Ｂ相の励磁電流（巻線電流）ｉＡ、ｉＢの波形を示すもので、励磁電流を細分化し、２相を同時に励磁することによりモータのステップ角を基本ステップ角θｓの１／１６（５．６度）に細かく分割した方式である。
【０００５】
このようにステップ角が小さくなると、転流時の固有振動が低減されて、連続回転時のトルク脈動が小さくなり回転精度がある程度向上する。図７はマイクロステップの分割数１６で、モータ回転数４５ｒ／ｍで定常回転時の速度脈動をシミュレーションしたもので角速度ωが４．７１ｒａｄ／ｓを中心に約±１．５％の速度脈動が存在し、そのまま回転むらとなって現れることが分かる。
【０００６】
また、モータに高精度・高分解能のエンコーダを搭載して、高速のソフトウエアにより制御する手法も多く提案されている。この手法によれば目的とする回転精度も得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、モータの低速時の振動抑制を目的に従来から採用されているマイクロステップ駆動方式は、マイクロステップ角を細分化しても、モータの固有振動を低減することに限界がある。また、使用される負荷に変動がある場合、それに起因する固有振動を低減することは出来ない。
また、高分解能の位置センサを搭載した制御方式の構成は大規模となり、目的とする用途においては高価であるため採用出来ない。
【０００８】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡略化された制御構成であって、低速時に振動を効果的に抑制することができるようなモータの振動抑制制御を実現し、回転むら特性の良いモータシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
モータの速度を電圧として検出する速度センサをモータに搭載し、指令速度とモータの速度を比較しその差を検出する。その差分信号に応じてモータの通電タイミングを調整する。即ち、入力信号位相とモータ回転位置の偏角が増加してモータ回転が遅れる場合には通電のタイミングを早め、逆に減少してモータ回転が進む場合には通電タイミングを遅らせる。この通電タイミングの調整により、固有振動を抑制することが可能である。この指令速度とモータの速度差により通電タイミングを調整する方式を振動抑制回路と呼び、下記にその内容を説明する。
【００１０】
【非特許文献１】「ステッピングモータとマイコン制御」  総合電子出版社偏（１９９４年４月１日発行  Ｐ９１〜Ｐ９４）  モータのトルク理論については、総合電子出版社から１９９４年４月１発行の文献「ステッピングモータとマイコン制御」の９１〜９４頁に記載されている。特に定常トルクについて文献中の（３．６６）式に  τ＝ＣＮｒＩｍｓｉｎψと定義されている。いまＣＮｒＩｍ＝ｋ1として、従来のマイクロステップによるモータ駆動システムをブロック線図で表すと図８のように表せる。図中の８２はマイクロステップ回路、８１は回転角度指令、ωはモータの回転角周波数、θｍはモータ回転子の機械角、θｅは回転子の電気角、ψはトルク角、τはトルクであり、ここでモータのイナーシャをＪ、粘性摩擦係数をＤ、極対数をｋｐとし、電気系の応答は早いものと考えると、モータの指令角度からモータ出力角度までの応答は（１）式で表される。
【数１】
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【００１１】
（１）式の伝達関数よりモータの固有角周波数ωｎ１は（２）式となり、減衰係数ζ１は（３）式となる。
【数２】
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【数３】
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【００１２】
（１）式で示されるモータに対して回転角度指令を指令速度に変換し、モータの速度の差を比例倍したものを指令角度に加算して通電タイミングを調整する本発明の振動抑制回路を付加すると、角度指令からモータ出力角度までの応答は、比例定数をｋ２とすると（４）式となる。本発明の振動抑制回路を付加したマイクロステップによるモータ駆動システムをブロック線図で表すと図２のように表せる。図２において、８３が本発明の振動抑制回路であり、θｉｎは回転角指令、ωｉｎは回転角周波数指令、ωεは回転数偏差、θεは角度偏差である。
【数４】
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【００１３】
（４）式の伝達関数より本発明の振動抑制回路を付加したモータの固有角周波数ωｎ２は（５）式となり、減衰係数ζ２は（６）式となる。
【数５】
2006042505.tif 000007
【数６】
2006042505.tif 000008
【００１４】
（２）式と（５）式は同じ式となり、固有角周波数ωｎ２には変化のないことが分かる。また、（３）式と（６）式を比較すると、減衰係数は（６）式が大きく設定できることが分かる。即ち、本発明の振動抑制回路を付加したモータは比例定数ｋ２により固有角周波数ωｎ２を変えることなく減衰係数ζ２のみを変えることができるため効果的な振動抑制が可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に成る制御回路は下記の特徴がある。
（１）従来あるマイクロステップ回路に、本発明の振動抑制回路を付加することで高回転精度が実現出来る。
（２）本発明の振動抑制回路は振動周波数に影響することなく減衰係数のみを増加することが可能で、効果的に固有振動を抑制出来る。
（３）モータ以外の負荷トルク変動等の外乱に対しても、抑制効果があり高精度速度制御を必要な用途にも使用出来る。
（４）本発明の振動抑制回路では速度のフィードバックのみを行っているため、エンコーダやレゾルバのような高価な位置センサは必要とせず、安価なタコジェネレータのみで実現することができる。
（５）振動抑制回路が簡単な構成で実現可能であり、ＣＰＵ等の複雑な処理を必要とせず簡単な回路を付加するのみで実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
モータとそのモータの励磁を制御する駆動回路と、モータの速度を検出する速度センサを具備し、速度センサ出力と指令速度を比較し、駆動回路の励磁切り替えタイミングを自動的に決定し、モータの振動を抑制する振動抑制回路と、モータの巻線に流れる通電電流の位相を制御するパルス列調整回路を具備する。振動抑制回路とパルス列調整回路をマイクロステップ回路に付加することでモータの固有周波数は変化せず、減衰係数のみを変えることが可能となる。また、速度センサにタコジェネレータを使用し安価に振動抑制が実現できるため、低速度で高精度回転が要求されるプリンタドラム駆動用のダイレクトドライブモータとして使用できる。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の請求項１、２、３に関する実施例を示すモータの駆動システムの構成図である。モータ１とモータの励磁を制御する駆動回路９と前記モータ１のステップ角を分割するマイクロステップ機能を具備したマイクロステップ回路８、回転角度指令３で構成される従来から広く使用されているモータ駆動システムである。この従来方式のモータ駆動システムに、モータ１の速度を検出する速度センサ２と振動抑制回路７、パルス列調整回路４を付加したものが本発明のモータ駆動システムとなる。
【００１８】
回転角度指令３を速度に変換して回転角周波数指令ωｉｎを求め、速度センサ２からモータ回転子の回転角周波数ωｍを検出し、その速度偏差ωεを角度偏差θεに変換する。その角度偏差θεと回転角度指令３のθｉｎを加算して、パルス列調整回路４に入力する、パルス列調整回路４は、図６に示す階段状のマイクロステップ通電電流の立ち上がりタイミング（時間）を前後にシフトするものである。即ち、回転角度指令とモータ回転位置の偏角が増加してモータ回転が遅れる場合には通電のタイミングを早め、逆に減少してモータ回転が進む場合には通電タイミングを遅らせることが可能になる。この通電タイミングの調整により、固有振動を抑制できる。
【００１９】
本発明の振動抑制回路７によりモータ１の固有角周波数を変えることなく、減衰係数を変えることができるため効果的に振動抑制効果が得られる。
【００２０】
図３はマイクロステップの分割数１６で、本発明の振動抑制回路を付加した場合し、（６）式の比例定数ｋ２＝２１×１０−４に設定した場合で、減衰係数ζ２は０．７程度に設定され、モータ回転数４５ｒ／ｍで定常回転時の速度脈動をシミュレーションしたものである。角速度ωが４．７１ｒａｄ／ｓを中心に約±０．０７％の速度脈動に抑制されることが分かる。
【００２１】
また、図３の速度脈動はマイクロステップのステップ毎に発生するため、最終的な回転むらを決定するマイクロステップ分割数を２倍にすると、トルクリップルはほぼ１／２になり、更にトルクリップルの周波数は２倍になり、モータと負荷の慣性モーメントのフィルタ効果がほぼ２倍になる。即ち、回転むらはマイクロステップの分割数の二乗に反比例し、本発明の振動抑制回路とを付加し、回転むら特性は大幅に改善されることになる。
【００２２】
また、請求項４に記載される速度センサには周波数を検出する方式、パルス数を検出する方式、発電電圧を検出する方式等があるが、発電電圧を検出するタコジェネレータは整流してそのまま指令回転数と電圧比較できることから安価に構成できる。
【００２３】
また、ステッピングモータは低速回転で高トルクを発生できる特性があるが、回転振動が大きいという問題があった。しかし、本発明の振動抑制回路と適切なマイクロステップ数の組み合わせにより、ステッピングモータ自身の回転振動を抑制することが可能である。また、モータの速度を検出した振動抑制回路を搭載することで、負荷外乱等による回転むらについても抑制効果があり、請求項５に記載されるプリンタドラム駆動用のダイレクトドライブモータとして、回転むら特性を満足し、定速度運転することが可能である。
【００２４】
また、詳細な説明は省略したが、モータ速度と指令速度の偏差を検出し、本発明の振動抑制回路の出力で、図１のパルス列調整回路４に換えて、モータ巻線の電流値ｉＡ、ｉＢを制御しても同等な効果が得られるのは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明によれば、低速領域で高トルクを発生できるモータにタコジェネレータを搭載し、モータの速度を安価に検出でき、従来のマイクロステップ駆動回路に本発明の振動抑制回路を付加することで回路も安価に構成できる。また、発明の効果で述べた多くの特徴を有しているため、従来高回転精度には不向きとされていた定速速度制御の分野にも広く応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例を示すモータの駆動システムの構成図
【図２】本発明のモータ駆動システムブロック線図
【図３】本発明の定常回転時の速度脈動シミュレーション
【図４】２相ハイブリッド形ステッピングモータの動作
【図５】回転子の振動特性
【図６】マイクロステップ駆動方式によるＡ相、Ｂ相の励磁電流波形
【図７】従来の定常回転時の速度脈動シミュレーション
【図８】従来のモータ駆動システムブロック線図
【符号の説明】
【００２７】
１：ステッピングモータ
２：速度センサ
３：回転角度指令
４：パルス列調整回路
７：振動抑制回路
８：マイクロステップ回路
９：駆動回路
４１：回転子マグネット
４２：Ａ相突極
４３：Ａ＊相突極
４４：Ｂ相突極
４５：Ｂ＊相突極
８１：回転角度指令
８２：マイクロステップ回路
８３：振動抑制回路  
【図３】
2006042505.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
2006042505.tif 000015
【図２】
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