(57)【要約】【課題】  高精度の位置決め及び高速移動を低消費電力で行うステッピングモータ制御装置及びそれを用いたペンレコーダを実現する。【解決手段】  ステッピングモータ制御装置及びそれを用いたペンレコーダに関し、特にエンコーダを用いた閉ループ制御のステッピングモータ制御装置及びそれを用いたペンレコーダに関するものである。  入力パルス信号に応じてステッピングモータの励磁コイルを駆動するドライバと、  該ドライバに与える前記パルス信号を変化させてステッピングモータの回転を制御するＰＷＭ制御部と、ステッピングモータの回転に応じて回転し、移動対象の位置に対応したパルスを出力するパルスエンコーダと、該パルスエンコーダより出力されるパルスをカウントして移動対象の現在位置を検出する位置カウンタと、前記ＰＷＭ制御部に移動対象の目標位置と現在位置との偏差に応じて前記ドライバに与える前記パルス信号の更新待ち時間を制御するレート制御信号を与えるパルスレート制御部とを設けた。【選択図】                    図１
2006174607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力パルス信号に応じてステッピングモータの励磁コイルを駆動するドライバと、
該ドライバに与える前記パルス信号を変化させてステッピングモータの回転を制御するＰＷＭ制御部と、
ステッピングモータの回転に応じて回転し、移動対象の位置に対応したパルスを出力するパルスエンコーダと、
該パルスエンコーダより出力されるパルスをカウントして移動対象の現在位置を検出する位置カウンタと、
前記ＰＷＭ制御部に移動対象の目標位置と現在位置との偏差に応じて前記ドライバに与える前記パルス信号の更新待ち時間を制御するレート制御信号を与えるパルスレート制御部と、
を有することを特徴とするステッピングモータ制御装置。
【請求項２】
前記パルスレート制御部は、前記偏差に応じた待ち時間を経過した後に前記パルス信号を変化させることを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ制御装置。
【請求項３】
前記パルスレート制御部は、前記偏差に応じた待ち時間を規定したパルスレートテーブルを基に前記パルス信号を制御することを特徴とする請求項２記載のステッピングモータ制御装置。
【請求項４】
前記ＰＷＭ制御部は、ステッピングモータの動作状態に応じた複数の動作モードを識別し、該複数の動作モード毎に前記パルス信号の最大パルス幅を制限することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のステッピングモータ制御装置。
【請求項５】
前記ＰＷＭ制御部は、ステッピングモータの動作状態に応じて前記複数の動作モード毎に前記パルス信号の最大パルス幅が違う相ＰＷＭテーブルを切り換えることを特徴とする請求項４記載のステッピングモータ制御装置。
【請求項６】
前記複数の動作モードは、初期動作、通常動作、パワーダウン動作、静止動作であることを特徴とする請求項４又は５記載のステッピングモータ制御装置。
【請求項７】
前記ＰＷＭ制御部は、前記偏差により前記複数の動作モードを識別することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のステッピングモータ制御装置。
【請求項８】
前記ＰＷＭ制御部は、ステッピングモータの回転方向による速度差を補正するため、前記複数の動作モード毎に相ＰＷＭテーブルを進角補正した進角相ＰＷＭテーブルの中から回転方向による速度差が小さくなるように最適な進角相ＰＷＭテーブルを選択することを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載のステッピングモータ制御装置。
【請求項９】
前記パルスレートテーブル及び相ＰＷＭテーブルにより、前記初期動作時、パワーダウン動作時及び静止動作時にはマイクロステップ駆動を行い、前記通常動作時には２相励磁駆動を行うことを特徴とする請求項６乃至８記載のステッピングモータ制御装置。
【請求項１０】
入力パルス信号に応じてステッピングモータの励磁コイルを駆動するドライバと、
該ドライバに与える前記パルス信号を変化させてペンを移動させるステッピングモータの回転を制御するＰＷＭ制御部と、
ステッピングモータの回転に応じて回転し、ペンの位置に対応したパルスを出力するパルスエンコーダと、
該パルスエンコーダより出力されるパルスをカウントしてペンの現在位置を検出する位置カウンタと、
前記ＰＷＭ制御部に測定記録信号の大きさに応じたペンの目標位置と現在位置との偏差に応じて前記ドライバに与える前記パルス信号の更新待ち時間を制御するレート制御信号を与えるパルスレート制御部と、
を有することを特徴とするペンレコーダ。
【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制御装置及びそれを用いたペンレコーダに関し、特にエンコーダを用いた閉ループ制御のステッピングモータ制御装置及びそれを用いたペンレコーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ステッピングモータは、パルス信号で開ループ制御が行え、モータの回転角度と入力パルス数は一致する。しかし、開ループ制御による駆動では、高速回転時に脱調による位置ずれが発生する場合がある。そこで、これに対応するため、ステッピングモータにエンコーダを付加し、閉ループ制御を行う制御装置が従来より提案されている。
【０００３】
図８は従来のステッピングモータ制御装置の構成図である。図８において、ステッピングモータ１のモータ軸には、５枚羽根エンコーダディスク２がモータ励磁位置と一定の関係をもって圧入されて取り付けられている。このエンコーダディスク２の回転を２個のフォトセンサ３ａ，３ｂで検出する。フォトセンサ３ａ，３ｂの出力信号はエンコーダ回路４に入力され、エンコーダディスク２の回転方向及び回転数が検出される。これにより、ステッピングモータ１の回転に応じて移動する図示しない移動対象の絶対位置が検出できる。エンコーダ回路４の出力信号はＡＳＩＣ化されたデジタル回路５に入力されている。デジタル回路５は、エンコーダ回路４から入力される移動対象の絶対位置データとＣＰＵ６から入力される位置指定データとの差（偏差）が零になる所定の方向にステッピングモータ１を回転駆動させるように閉ループ制御を行う。
【０００４】
例えばペンレコーダでは、このようなステッピングモータにエンコーダを付加した閉ループ制御を用い、サーボ系によるペンの位置制御を行っている。すなわち、測定記録信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換されてＣＰＵ６に入力される。ＣＰＵ６は、測定記録信号の値の大きさに応じた位置指定データに変換してデジタル回路５に入力する。デジタル回路５には、エンコーダ回路４を介してペンの現在位置データも入力されている。デジタル回路５は、２相励磁信号をドライバ７に入力してステッピングモータ１を２相励磁駆動し、移動対象であるペンが測定記録信号の値の大きさに応じた位置指定データに追従して移動するように位置制御を行う。これにより、記録紙には、ペンにより、測定記録信号の変化状態が連続した線分として記録されることになる。
【０００５】
２相励磁駆動とマイクロステップ駆動とを高速、かつ滑らかに切り換えるステッピングモータ駆動装置を示したものとして、例えば特許文献１に記載されたものがあった。
また、ステッピングモータの高精度の位置決め及び高速移送と、低い振動性とをともに実現するステッピングモータ制御装置を示したものとして、例えば特許文献２に記載されたものがあった。
【特許文献１】特開平８−１４９８９２号公報
【特許文献２】特開平１０−１５０７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図８の従来例では次の問題点があった。
エンコーダで位置検出して閉ループ制御によりステッピングモータを駆動する場合、閉ループ制御によるエンコーダ位置検出パルスからモータ駆動パルスを生成するため、モータ駆動回路はシンプルになるものの、速度制御ができなかった。
また、２相励磁駆動の場合、ミクロ的にはステップ状の動きになるので、モータの回転が滑らかではなく、移動対象を滑らかに動かすことができなかった。
【０００７】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、高精度の位置決め及び高速移動を低消費電力で行うステッピングモータ制御装置及びそれを用いたペンレコーダを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を達成するために、本発明は次のとおりの構成になっている。
（１）入力パルス信号に応じてステッピングモータの励磁コイルを駆動するドライバと、
該ドライバに与える前記パルス信号を変化させてステッピングモータの回転を制御するＰＷＭ制御部と、
ステッピングモータの回転に応じて回転し、移動対象の位置に対応したパルスを出力するパルスエンコーダと、
該パルスエンコーダより出力されるパルスをカウントして移動対象の現在位置を検出する位置カウンタと、
前記ＰＷＭ制御部に移動対象の目標位置と現在位置との偏差に応じて前記ドライバに与える前記パルス信号の更新待ち時間を制御するレート制御信号を与えるパルスレート制御部と、
を有することを特徴とするステッピングモータ制御装置。
【０００９】
（２）前記パルスレート制御部は、前記偏差に応じた待ち時間を経過した後に前記パルス信号を変化させることを特徴とする（１）記載のステッピングモータ制御装置。
【００１０】
（３）前記パルスレート制御部は、前記偏差に応じた待ち時間を規定したパルスレートテーブルを基に前記パルス信号を制御することを特徴とする（２）記載のステッピングモータ制御装置。
【００１１】
（４）前記ＰＷＭ制御部は、ステッピングモータの動作状態に応じた複数の動作モードを識別し、該複数の動作モード毎に前記パルス信号の最大パルス幅を制限することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のステッピングモータ制御装置。
【００１２】
（５）前記ＰＷＭ制御部は、ステッピングモータの動作状態に応じて前記複数の動作モード毎に前記パルス信号の最大パルス幅が違う相ＰＷＭテーブルを切り換えることを特徴とする（４）記載のステッピングモータ制御装置。
【００１３】
（６）前記複数の動作モードは、初期動作、通常動作、パワーダウン動作、静止動作であることを特徴とする（４）又は（５）記載のステッピングモータ制御装置。
【００１４】
（７）前記ＰＷＭ制御部は、前記偏差により前記複数の動作モードを識別することを特徴とする（４）乃至（６）のいずれかに記載のステッピングモータ制御装置。
【００１５】
（８）前記ＰＷＭ制御部は、ステッピングモータの回転方向による速度差を補正するため、前記複数の動作モード毎に相ＰＷＭテーブルを進角補正した進角相ＰＷＭテーブルの中から回転方向による速度差が小さくなるように最適な進角相ＰＷＭテーブルを選択することを特徴とする（４）乃至（７）のいずれかに記載のステッピングモータ制御装置。
【００１６】
（９）前記パルスレートテーブル及び相ＰＷＭテーブルにより、前記初期動作時、パワーダウン動作時及び静止動作時にはマイクロステップ駆動を行い、前記通常動作時には２相励磁駆動を行うことを特徴とする（６）乃至（８）記載のステッピングモータ制御装置。
（１０）
入力パルス信号に応じてステッピングモータの励磁コイルを駆動するドライバと、
該ドライバに与える前記パルス信号を変化させてペンを移動させるステッピングモータの回転を制御するＰＷＭ制御部と、
ステッピングモータの回転に応じて回転し、ペンの位置に対応したパルスを出力するパルスエンコーダと、
該パルスエンコーダより出力されるパルスをカウントしてペンの現在位置を検出する位置カウンタと、
前記ＰＷＭ制御部に測定記録信号の大きさに応じたペンの目標位置と現在位置との偏差に応じて前記ドライバに与える前記パルス信号の更新待ち時間を制御するレート制御信号を与えるパルスレート制御部と、
を有することを特徴とするペンレコーダ。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば次のような効果がある。
移動対象の目標位置と現在位置との偏差に応じてドライバに与えるパルス信号のレートを制御することで速度制御が可能となり、かつ２相励磁駆動とマイクロステップ駆動を切り換えることにより、ステッピングモータの高精度の位置決めと高速移動を実現することができる。
【００１８】
また、ステッピングモータのマイクロステップ動作、速度制御及びパワーダウン制御を実施するのにあたり、ＣＰＵ演算を行わず予め設定されているテーブルの値を切り換えて行うので、ＣＰＵの負荷を軽減することができる。
【００１９】
また、ステッピングモータの動作状態に応じてパルス信号の最大パルス幅を制限することにより駆動電流を押さえ、消費電力を低減することができる。
【００２０】
また、進角補正を用いたテーブルを使用した校正をすることで、ステッピングモータの回転方向による速度差を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
さらに、このようなステッピングモータ制御装置をペンレコーダのペン位置制御に使用することにより、ペンレコーダのペンを、高速・高精度で、測定記録信号の値に応じた目的位置に移動させることができる。
【００２２】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。ステッピングモータ制御装置をペンレコーダのペン位置制御に使用した場合について説明する。測定記録信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換されてＣＰＵ６に入力される。ＣＰＵ６は、測定記録信号の値の大きさに応じた位置指定データに変換し、メモリ１０及びＡＳＩＣ化されているデジタル回路２０に入力する。デジタル回路２０には、エンコーダディスク２の回転検出信号に基づくペンの現在位置データも入力されている。デジタル回路２０は、駆動制御信号をドライバ３０に入力してステッピングモータ１を駆動し、移動対象であるペンが測定記録信号の値の大きさに応じた位置指定データに追従して移動するように位置制御を行う。これにより、記録紙には、ペンにより、測定記録信号の変化状態が連続した線分として記録されることになる。
【００２３】
ステッピングモータ１は、ドライバ３０の入力パルス信号に応じて励磁コイルが駆動されることにより回転する。
【００２４】
ステッピングモータ１のモータ軸には、例えば５枚羽根のエンコーダディスク２がモータ励磁位置と一定の関係をもって圧入されて取り付けられている。エンコーダディスク２の回転は、検出信号に所定の位相差を生じるように配置された２個のフォトセンサ３ａ，３ｂで検出される。２個のフォトセンサ３ａ，３ｂの検出信号はデジタル回路２０内のカウントパルス生成部２１に入力され、パルス生成される。カウントパルス生成部２１の出力パルスは位置カウンタ２２に入力され、回転方向が検出されるとともに、現在位置がカウントされる。
【００２５】
位置演算器２３は、ＣＰＵ６からレジスタ２４に書かれた測定記録信号の値の大きさに基づく図示しないペンの目標位置と位置カウンタ２２のカウント値に基づく現在位置との差（偏差）を演算する。
【００２６】
パルスレート制御部２５は、目標位置に対する現在位置の偏差が大きい場合と小さい場合に応じて、パルス信号の更新周期を異ならせるレート制限を行う。
【００２７】
ＰＷＭ制御部２６は、位置演算器２３出力とエンコーダ出力をもとに回転方向、ＰＷＭデータの更新を行いステッピングモータ１の回転及び停止の決定を行う。この制御にあたり、メモリ１０に展開したパルスレートテーブル４０と相ＰＷＭテーブル５０を使用する。ここで、パルスレートテーブル４０は、目標位置と現在位置との偏差及びパルス信号のレートを変化させる待ち時間を対応させたテーブルであり、相ＰＷＭテーブル５０は、相励磁のパルス信号のデューティを表したテーブルである。
【００２８】
ＰＷＭ制御部２６から、ステッピングモータ１の回転方向信号と、ＰＷＭデータ生成器２７で生成されたパルス信号をドライバ３０へ送る。
【００２９】
図２はパルスレートテーブルを説明する図である。ペンの目標位置と現在位置との偏差が小さくなるに従ってパルス信号のレートを変化させる待ち時間を大きくしている。
図２の場合、偏差が大きく６４以上であれば待ち時間なしで２相励磁駆動を行い、偏差が小さくなるとマイクロステップ駆動に切り換え、偏差に応じた更新待ち時間をテーブルから選択する。
【００３０】
図３は相ＰＷＭテーブルによるマイクロステップ駆動を説明する図である。図３（ａ）はマイクロステップ駆動電流を示す図であり、図３（ｂ）は相ＰＷＭテーブルの考え方を示す図である。
２相励磁駆動の場合、図３（ｂ）のＮｏ．１，４，７，１０のポイントで切り換えて動作させるが、マイクロステップ駆動の場合、Ｎｏ．０〜１１のポイントを順番に１ポイントずつ切り換えて動作させる。Ｎｏ．０〜１１のポイントを昇順に切り換える場合と降順に切り換える場合とでステッピングモータの回転方向が変わる。
【００３１】
図４は相ＰＷＭテーブルを説明する図である。図４（ａ）は初期動作の相ＰＷＭテーブル、図４（ｂ）は通常動作の相ＰＷＭテーブル、図４（ｃ）はパワーダウン動作の相ＰＷＭテーブル、図４（ｄ）は静止動作の相ＰＷＭテーブルの具体例を示す。
ステッピングモータの動作状態で必要な駆動電流の大きさが異なるので、駆動電流を動作状態に応じて適切に制御することにより消費電力の低減を図ることができる。
【００３２】
このような駆動電流の大きさの制御は、ドライバ３０に入力するパルス信号のデューティを変化させることで実現する。図４はデューティ１００％時のデータ値を“２５５“とした例であって、初期動作時はデューティ５０％、通常動作時はデューティ４７％、パワーダウン動作時はデューティ３８％、静止動作時はデューティ２５％とした場合のデータ値を示している。
【００３３】
初期動作時は、ペンが０％側のストッパーの位置まで低速で移動してストッパーに当たり、エンコーダディスク２の回転が停止したことを検出してゼロ位置とするので、確実にストッパーまで移動させるために駆動電流が一番大きい相ＰＷＭテーブルを使用する。
【００３４】
通常動作は、ペンの目標位置と現在位置との偏差が大きい場合の高速移動時の動作であり、２相励磁駆動で高速回転するのである程度大きな駆動電流が必要である。
【００３５】
パワーダウン動作は、ペンの目標位置と現在位置との偏差が小さい場合の減速移動時の動作であり、マイクロステップ駆動で回転させ、駆動電流は小さく押さえることができる。
【００３６】
静止動作は、ペンが目標位置に到達した場合であり、駆動電流が一番小さい相ＰＷＭテーブルを使用する。
【００３７】
図４では各相ＰＷＭテーブルはＮｏ．０〜１１までについてＡ相及びＢ相のＤａｔａをそれぞれ規定しているが、Ａ相についてＮｏ．０〜５までのＡ相のＤａｔａを規定しておき、Ｎｏ．６〜１１までについては逆極性で対応し、Ｂ相についてはＡ相から位相を−９０°ずらすことで対応することもできる。
【００３８】
図５は相ＰＷＭテーブルの遷移手順を示したフローチャートである。
ペンの目標位置と現在位置との偏差が規定値（例えば６４）より大きいか小さいかを判断する（Ｓ１）。
ペンの目標位置と現在位置との偏差が規定値より大きい場合は通常動作の相ＰＷＭテーブルを使用し、規定値より小さくなるまで通常動作の相ＰＷＭテーブルを使用する（Ｓ２）。
ペンの目標位置と現在位置との偏差が規定値より小さい場合はパワーダウン動作の相ＰＷＭテーブルを使用する（Ｓ３）。
ペンが目標位置に到達すると静止動作の相ＰＷＭテーブルを使用し（Ｓ４，Ｓ５）、目標位置が移動するまで静止動作の相ＰＷＭテーブルを使用する（Ｓ６）。
【００３９】
図６は進み角のイメージ図である。
エンコーダディスク２がステッピングモータ１の励磁相に対して理想的に取り付けられていない場合、ステッピングモータ１の時計回り回転と反時計回り回転とで速度差が生じる。そこで、この速度差を無くすため進み角制御により補正を行う。遅い方の回転が早くなるように進角補正することにより、逆に早い方の回転は遅くなる。
【００４０】
図７は進角相ＰＷＭテーブルを説明する図である。
図７は、１．５°進角補正した相ＰＷＭテーブルの例であり、この他にも進角の違う複数のテーブルを予め用意しておく。ペン位置の調整時に、これら進角の相ＰＷＭテーブルを切り換えて時計回り回転、反時計回り回転で速度差が小さくなる最適なテーブルを選択し、調整値として格納しておく。
【００４１】
このように構成することにより、ペンレコーダのペンを、高速・高精度で、測定記録信号の値に応じた目的位置に移動させることができる。
ペンレコーダに必要なペンサーボモータ動作を行うためのＣＰＵ６の処理は、最初にパルスレートテーブル４０及び相ＰＷＭテーブル５０をメモリ１０に展開した後は、測定記録信号をデジタル信号に変換した目標位置データのみをレジスタ２４に書き込むだけでよく、ペン位置制御のためのＣＰＵ負荷を大幅に軽減できる。
【００４２】
本発明はペン位置制御をＡＳＩＣ化されたデジタル回路２０でデジタル処理することによりＣＰＵ６の負荷を軽くすることを特徴とするものであるが、ＣＰＵ６でさらにきめ細かい処理を行うことにより、より滑らかなペンサーボモータ動作が可能になる。
【００４３】
ステッピングモータの駆動電流をＰＷＭ制御し、２相励磁動作からマイクロステップ動作に切り替わるのと同時にパワーダウンさせ、ペンの移動停止後はさらに電流を小さくすることにより、モータの励磁コイルの温度上昇を一定温度以下に抑えることができる。
【００４４】
ペンを目標位置に対して高精度で停止させることができる。本例の相ＰＷＭテーブル４０を使用して、マイクロステップ駆動させることにより、エンコーダディスク２の分解能（モータ２相励磁ポイントの分解能）を例えば0.1mmとすると、その1/3の分解能（約33μm）で停止させることができる。
【００４５】
組立て時の誤差などで回転方向によってペンの移動速度に違いが生じている場合、進角補正により速度差がある一定の値以下になるように調整でき、安定した記録動作が実現できる。
【００４６】
ペン移動時の速度制御をパルスレートテーブルを用いて行うので、目標位置が遠いときは２相励磁で駆動することにより高速移動させ、目標位置に近づくとマイクロステップ動作に切り替えて徐々に減速停止させることができ、高速移動と高精度の位置決めを合わせて実現できる。
【００４７】
なお、移動対象は実施例で説明した記録計のペンに限るものではなく、目標位置に対して、動き始めは高速で移動し、目標位置に近づくと減速して停止するという本発明の特徴を生かして、軽量な対象であれば動作させることができる。
【００４８】
例えば、部品等の組み立てラインにおいて、部品の形状検査をするためのセンサ（移動対象）を本発明のステッピングモータ制御装置により移動させ、部品に近づけて位置を検査することができる。
【００４９】
また、アナログのメータ指示を左右や上下に動かす機構として装置等に組み込み、使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】パルスレートテーブルを説明する図である。
【図３】相ＰＷＭテーブルによるマイクロステップ駆動を説明する図である。
【図４】相ＰＷＭテーブルを説明する図である。
【図５】相ＰＷＭテーブルの遷移手順を示したフローチャートである。
【図６】進み角のイメージ図である。
【図７】進角相ＰＷＭテーブルを説明する図である。
【図８】従来のステッピングモータ制御装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  ステッピングモータ
２２  位置カウンタ
２５  パルスレート制御部
２６  ＰＷＭ制御部
３０  ドライバ
４０  パルスレートテーブル
５０  相ＰＷＭテーブル
【図１】
2006174607.tif 000003
【図２】
2006174607.tif 000004
【図３】
2006174607.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006174607.tif 000007
【図６】
2006174607.tif 000008
【図７】
2006174607.tif 000009
【図８】
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