(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロステップ駆動において、電流低減制御を採用することができるようにする。【解決手段】ステッピングモータ(M)の検出電流(io)に基づく検出電圧(Vs)が、基準電圧(Vo)に等しくなるように前記電流(io)を制御し、ドライブ状態では、前記電流(io)をドライブ電流として回転駆動させ、又はホールド状態では、前記電流(io)をドライブ電流より低いホールド電流として一定位置にロータを停止状態でホールドする駆動方法であって、(1)前記ステッピングモータ(M)がホールド状態からドライブ状態に移行する過渡状態の場合は、前記基準電圧(Vo)がホールド電圧からドライブ電圧に漸増するように制御し、又は、(2)前記ステッピングモータ(M)がドライブ状態からホールド状態に移行する過渡状態の場合は、基準電圧(Vo)がドライブ電圧からホールド電圧に漸減するように制御し、或いは(3)その両過渡状態において、該過渡状態に応じた制御がなされることを特徴とする。【選択図】図１
2008131799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステッピングモータを作動させる電流を検出し、該電流に基づく検出電圧が、ステッピングモータの作動状態を規定する基準電圧に等しくなるように前記電流を制御し、
ドライブ状態では、前記電流をドライブ電流としてステッピングモータを回転駆動させ、又は
ホールド状態では、前記電流をドライブ電流より低いホールド電流として一定位置にロータを停止状態でホールドするステッピングモータの駆動方法において、
(1)前記ステッピングモータがホールド状態からドライブ状態に移行する過渡状態の場合は、前記基準電圧がホールド電圧からドライブ電圧に漸増するように制御し、又は、
(2)前記ステッピングモータがドライブ状態からホールド状態に移行する過渡状態の場合は、基準電圧がドライブ電圧からホールド電圧に漸減するように制御し、或いは
(3)その両過渡状態において、該過渡状態に応じた制御がなされることを特徴とするステッピングモータの駆動方法。
【請求項２】
ステッピングモータを作動させる電流にて、ステッピングモータを回転駆動させ、又は一定位置にて停止状態でホールドさせる定電流出力回路部と、
定電流出力回路部に流れる前記電流を検出して、前記電流に基づく検出電圧が、ステッピングモータの作動状態を規定する基準電圧に等しくなるように前記電流を制御する定電流制御部を有する制御回路部とで構成されたステッピングモータ駆動回路において、
制御回路部は、
ドライブ状態からホールド状態に移行する過渡状態において、前記基準電圧をドライブ基準電圧からホールド基準電圧に漸減させ、又は
ホールド状態からドライブ状態に移行する過渡状態において、前記基準電圧をホールド基準電圧からドライブ基準電圧に漸増させ、或いは
その両方の機能を具備する基準電圧操作部を備えていることを特徴とするステッピングモータ駆動回路。
【請求項３】
基準電圧操作部が、過渡状態において基準電圧を変化させるための伝達関数に基づいて算出された算出値をモータ駆動における基準電圧定数に掛け算し、これを基準電圧として定電流制御部に出力することを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータ駆動回路。
【請求項４】
前記電流の増減変化率は、ステッピングモータが追従可能な範囲であることを特徴とする請求項２又は３に記載のステッピングモータ駆動回路。
【請求項５】
追従可能範囲は、伝達関数の時間係数であるτが２．５〜１０ｍｓの範囲であることを特徴とする請求項４に記載のステッピングモータ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロステップ駆動、特に高分解能マイクロステップ駆動において、よりスムーズな駆動を実現するステッピングモータ駆動回路とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステッピングモータのマイクロステップ駆動の技術的進歩及びステッピングモータの小型化に連れて、ステッピングモータの適用分野が広がり、現在では、超精密な精度が要求されるナノテク分野や細胞を扱うバイオ分野でも使われるようになってきた。
【０００３】
それに伴い、特に高分解能マイクロステップ駆動に対する更なる要求、更に詳しく言えば、
(ａ)よりスムーズな駆動、特に起動・停止時及び後述する再位置決め時における駆動電流の切り替え(即ち、ステッピングモータの回転駆動時に供給される駆動電流をドライブ電流とし、一定位置での停止状態をホールドする駆動電流をホールド電流とした時、そのドライブ／ホールド電流相互間の切り替え)時に微振動すら発生させないような高精度且つ滑らかな起動又は再位置決め並びに
(ｂ)ステッピングモータからの熱影響を駆動系(特にステッピングモータに直結されたボールネジの熱膨張・収縮)、ひいてはこれを装置全体に及ぼさない駆動、というような要求が生まれてきた。(ａ)と(ｂ)とは後述するように相矛盾する要求である。
【０００４】
まず、(ａ)に示したマイクロステップ駆動の一例として、(特開平７−２２７０９９)に開示された発明がある。これを更に進化させたものとしてロータの１回転が10万分割以上に分割されてステップ駆動される高分解能駆動(１パルスの移動角が0.0036°)で、これが実際に使われるようになっており、現在では、光ファイバー加工装置では20万分割が要求されている。バイオ分野では、10万分割の１パルスの移動ではステップ移動時のショック(移動先でのオーバーシュート又はアンダーシュート)が大きいというクレームがあり、40万分割が要求され、これにより起動・停止時或いは計測や加工時等の実作業のため停止位置での再位置決めのショックを最小限まで緩和するというような非常にデリケートな使い方が増えている。
【０００５】
一方、(ｂ)に示した問題点であるが、ステッピングモータを駆動させると当然発熱するが、このステッピングモータの発熱はステッピングモータに直結されたボールネジの微妙な熱膨張を引き起こし、制御系の精度に大きな影響を与える。現在では、このような熱伝導による悪影響のみならず、電源やモータードライバの発熱によって生じる僅かな上昇気流も測定に影響するというようなことも指摘されている。このようなモータ等の発熱による悪影響は、バイオ分野のみならず、ナノテクの超精密分野においても嫌われており、その対策として現在では以下のようなモータ使用時の熱による悪影響を低減する方法が採用されている。
【０００６】
即ち、その方法として一般的に採用されている方法は、ステッピングモータの回転中(ドライブ電流によるモータドライブ状態)に比べ、停止位置保持(ホールド電流によるロータの定位置でのホールド状態)の方が必要とするトルクが小さいことを利用する方法で、ロータが停止位置保持(ホールド状態)にある場合、ホールド(＝ロータ停止位置保持)に必要な電力にまで低減して無駄な電力を削減し、ステッピングモータ(及びドライバ回路)の発熱を低減するという方法である。
【０００７】
ところがこのようなホールド電流とドライブ電流との使い分けを行うと、図３の(100)(101)に示すような作動電流のドライブ／ホールド電流の切替時におけるスパイク的な減衰振動(発生原因は後述する。)がステッピングモータに発生し、これがステッピングモータの超精密且つ滑らかな起動・停止或いは再位置決めを阻害する要因となっていた。
【０００８】
ここで、前記スパイク的減衰振動について説明する。周知のようにステッピングモータに流れる駆動電流量とロータ・ステータ間に発生する発生トルクは、正比例関係にある。例えば、ドライブ電流より低い電流量であるホールド電流をステッピングモータに流して弱いトルクでロータをホールドし、ステッピングモータの発熱を低減させておき、続いて停止しているその点で測定或いは加工などの作業に移ると、ドライブ電流をステッピングモータに流して、停止しているその１点において駆動系(例えば、Ｙ方向に移動するＹテーブル上にＸ方向に移動するＸテーブルを載置した、ＸＹ方向に移動するＸＹテーブル)を再度固定する再位置決めを行う(この点はホールド状態からドライブ状態に移る起動時でも同じである)。
【０００９】
この場合、再固定或いは起動前のホールド状態では、駆動系自体の摩擦負荷とステッピングモータの発生トルク(この場合は停止状態においてロータを固定するためにステータに低いホールド電流が流れている。)が釣り合っているが、このホールド状態から測定或いは加工などの実作業のためにステータにドライブ電流をステッピングモータに流して再位置決めを行うと、ロータ・ステータ間に発生するトルク変動が生じてロータが僅かに回転(位置ズレ)する。逆に、測定或いは加工などの作業が終了して発熱を抑制するため、位置決めのためのドライブ電流をホールド電流に下げると、これに比例して発生トルクも下がるので、その分だけ摩擦負荷の方向へ僅かながら回転（位置ズレ）を起こして均衡位置で釣り合う。この時、スパイク的な減衰振動がステッピングモータに発生する。
【００１０】
ここで前述のようなナノテク分野や細胞を扱うバイオ分野における高精密加工や高精密測定あるいは高精密オペレーションにおいて必要とされる高精度再位置決めの場合について言えば、現在では、ドライブ電流で再位置決めを行い、然る後、位置決めの必要のない非作業時に外部からドライブ/ホールド信号を入れてステッピングモータに流れる作動電流をホールド電流に下げるようにし、或いは最終入力指令パルスからの経過時間が所定時間以上を経過した場合にタイマ信号にて自動的に作動電流をホールド電流に下げるようにしている。
【００１１】
そして、必要に応じて適宜採用される作業再開によるその点での再位置決め動作を行う際に、低下させた作動電流を再位置決め動作に必要な値(ドライブ電流)へと切り替えるようにしている。
【００１２】
この時の電流変化(増加)でロータとステータとの間のトルクが増加し、釣り合い位置が変化する。即ち、増加したトルクによって高まった復元力をもって釣り合い位置へ角度変化することになる。この角度変化は減衰振動として軸にあらわれ、メカ系に前述のスパイク的な変位(減衰振動)として伝わり、特に、高分解能マイクロステップ駆動においては、精密加工や精密測定において要求される精密再位置決めの上で様々な不具合の原因になる。
【００１３】
換言すれば、精密加工や精密測定において要求される程度の超高分解能マイクロステップ駆動においては、ステッピングモータを作動させるための作動電流の変更に伴うトルク変化を原因とする起動または再位置決めあるいは停止時の電流切り替え時の過渡状態における僅かな減衰振動により超高分解能マイクロステップ駆動の動きの滑らかさが阻害され、ステッピングモータや制御回路の発熱を防止するための作動電流の低減手法を採用することができなかった。
【００１４】
同様のことが起動時点や停止時点でのドライブ/ホールド電流間の切り替えでも発生する。起動時時点での作動電流切り替えでは前述の再位置決め時と同様、作動電流がホールド電流からドライブ電流に瞬間的に切り替わるが、このとき電流の急増によりトルクが瞬間的に増加し、これに起因する瞬間的トルク増が前述同様スパイク的な変位としてメカ系に伝わる。逆に、停止時では作動電流がドライブ電流からホールド電流に瞬間的に切り変わったときに急減し、これによりトルクが瞬間的に減少し、これに起因する瞬間的トルク減がスパイク的な変位としてメカ系に伝わり、これが前述のような不具合発生の原因となる。従って、前述のように高分解能マイクロステップ駆動において、発熱抑制のための電流低減制御を採用することができなかった。
【００１５】
なお、超高分解能マイクロステップ駆動において、円滑なステップ駆動を実現するためには、停止時点のホールド状態を含むモータ・オン時点からモータ・オフの全期間において、ドライブ電流にてステッピングモータをマイクロステップ駆動させればよいことになるが、前述の「発熱抑制」という理由から当然採用することができない。この意味から問題点(ａ)と(ｂ)とは互いに矛盾する問題であり、解決が非常に困難であると考えられていた。
【特許文献１】特開平７−２２７０９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら前述のような問題点を克服すれば、即ち、ホールド電流からドライブ電流に切り替える時、逆にドライブ電流からホールド電流に切り替える時に発生するスパイク的なモータ軸の角度変位を防止することは、ステッピングモータの発熱を抑制する電流切り替えを、高分解能マイクロステップ駆動を利用した超精密再位置決め装置において有効活用することにつながる。
【００１７】
このような見地から本発明はなされたもので、ホールド電流／ドライブ電流間の切り替えを工夫することによって、高分解能マイクロステップ駆動において、電流低減制御を採用することができるようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１のステッピングモータ(M)の駆動方法は、「ステッピングモータ(M)を作動させる電流(io)を検出し、該電流(io)に基づく検出電圧(Vs)が、ステッピングモータ(M)の作動状態を規定する基準電圧(Vo)に等しくなるように前記電流(io)を制御し、
ドライブ状態では、前記電流(io)をドライブ電流としてステッピングモータ(M)を回転駆動させ、又は
ホールド状態では、前記電流(io)をドライブ電流より低いホールド電流として一定位置にロータを停止状態でホールドするステッピングモータ(M)の駆動方法であって、
(1)前記ステッピングモータ(M)がホールド状態からドライブ状態に移行する過渡状態の場合は、前記基準電圧(Vo)がホールド電圧からドライブ電圧に漸増するように制御し、又は、
(2)前記ステッピングモータ(M)がドライブ状態からホールド状態に移行する過渡状態の場合は、基準電圧(Vo)がドライブ電圧からホールド電圧に漸減するように制御し、或いは
(3)その両過渡状態において、該過渡状態に応じた制御がなされる」ことを特徴とするもので、起動時又は再位置決め時或いは停止時の減衰振動抑制を可能にして極めてスムーズに過渡状態を通過させることができるようにしたものである。
【００１９】
請求項２のステッピングモータ駆動回路は、
「ステッピングモータ(M)を作動させる電流(io)にて、ステッピングモータ(M)を回転駆動させ、又は一定位置にて停止状態でホールドさせる定電流出力回路部(10)と、
定電流出力回路部(10)に流れる前記電流(io)を検出して、前記電流(io)に基づく検出電圧(Vs)が、ステッピングモータ(M)の作動状態を規定する基準電圧(Vo)に等しくなるように前記電流(io)を制御する定電流制御部(9)を有する制御回路部(1)とで構成されたステッピングモータ駆動回路において、
制御回路部(1)は、
ドライブ状態からホールド状態に移行する過渡状態において、前記基準電圧(Vo)をドライブ基準電圧(VoH)からホールド基準電圧(VoL)に漸減させ、又は
ホールド状態からドライブ状態に移行する過渡状態において、前記基準電圧(Vo)をホールド基準電圧(VoL)からドライブ基準電圧(VoH)に漸増させ、或いは
その両方の機能を具備する基準電圧操作部(7)を備えている」ことを特徴とする。
【００２０】
請求項３は請求項２に記載のステッピングモータ駆動回路(A)を更に詳しくしたもので「基準電圧操作部(7)が、過渡状態において基準電圧(Vo)を変化させるための、時定数を有する伝達関数G(S)に基づいて算出された算出値をモータ駆動における基準電圧定数(Vk)に掛け算し、これを基準電圧(Vo)として定電流制御部(9)に出力する」ことを特徴とするもので、起動時または再位置決め時あるいは停止時の過渡状態において、基準電圧(Vo)が伝達関数に従って徐々に変化することになり、この基準電圧(Vo)を基準とする駆動電流(i2-i3)が徐々に変化し、これにより過渡状態における減衰振動を抑制することができるようになる。なお、基準電圧定数(Vk)とはステッピングモータ(M)に定格電流或いはそれ以下が流れるように基準電圧(Vo)を設定する定数である。
【００２１】
請求項４は請求項１〜３のいずれかに記載の発明を実施するためのもので「前記電流(io)の増減変化率は、ステッピングモータ(M)が追従可能な範囲である」ことを特徴とする。
【００２２】
請求項５は請求項４に記載の発明の「追従可能範囲」に関し「伝達関数の時間係数であるτが２．５〜１０ｍｓの範囲である」ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の特徴は、ドライブからホールドへ或いはその逆の切り替え時の過渡状態、又はホールドからドライブへ電流が変化する再位置決め時において、基準電圧(Vo)を漸増・減させる事、特にその変化を、時定数を有し、ホールド又はドライブ状態に対応する伝達関数G1(S)、G2(S)に基づいて算出された算出値をステッピングモータ(M)に定格電流又はそれ以下の電流が流れるように設定された基準電圧定数(Vk)に掛け算して基準電圧(Vo)を求め、この時定数を有する基準電圧(Vo)を徐々に変化させる事で、発生トルクの変化に対してロータ角度位置の変化が追従しやすくし、スパイク的な変位を抑制したまま、ドライブ・ホールド間でステッピングモータ(M)を作動させる作動電流(io)を円滑に切り替えることができるようにしたものである。
【００２４】
換言すれば、モータコイル(即ち、ステータのコイル)の電流変化による発生トルクの変化にロータ角度位置の変化が追従できるようにした場合、ロータ角度位置が釣り合いを保ちながらトルクをドライブトルクからホールドトルクに或いはその逆に切り替えることが出来、スパイク的な変位を抑制したまま、ステッピングモータ(M)を作動させる電流［即ち、作動電流(io)］をスムーズに切り替えることができると考えられ、本発明はこれを実現しようとしたものである。
【００２５】
即ち、このように時定数をもって徐々に増減する基準電圧(Vo)と作動電流(io)の検出値(Vs)とが定電流制御部(9)に入力され、定電流制御部(9)で前述の基準電圧(Vo)と検出電圧(Vs)が比較され、増加又は減少する基準電圧(Vo)に検出電圧(Vs)が一致するように、降圧形チョッパ(9a)によって電源電圧をスイッチングして作動電流(io)に変換される。その結果、起動時や停止時初期の過渡段階、更には再位置決め時初期の過渡段階においても急激にトルクが変化することなく漸増・漸減し、ショックを駆動系に与えることがない。それ故、熱対策に重要な効果を示す「作動電流低減手法」を高分解能マイクロステップ駆動に採用することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を図示実施例に従って説明する。本実施例回路では、大別して、
(Ａ)定常駆動(ドライブ)時或いはホールド時、更にはドライブ状態からホールド状態への或いはその逆の過渡状態において、常にステッピングモータ(M)に流れる作動電流(io)が「ホールド状態」「ドライブ状態」「過渡状態」における基準電圧(Vo)に従うように制御され、これによってステッピングモータ(M)がシーケンスに従って所定の高分解能マイクロステップ駆動を行うようにした、ステッピングモータ(M)へのドライブ／ホールド／過渡、それぞれの状態での作動電流(io)を供給するための定電流出力回路部(10)、及び、
(Ｂ)ドライブ／ホールド／過渡、それぞれの状態での定電流出力回路部(10)の前記作動電流(io)の電流制御を行う制御回路部(1)とで構成されている。図１にその回路図を示す。制御されるステッピングモータ(M)は、５相ステッピングモータをその代表例として説明するが、勿論これに限られるものではない。
【００２７】
定電流出力回路部(10)は、
(a)商用交流電流を直流電流に変換する公知の整流回路(11)、
(b)整流された直流回路の(＋)側に挿入され、過負荷から定電流出力回路部(10)を保護するためのヒューズ(F1)、
(c)整流された直流電流を後述する定電流制御部(9)による制御に従ってチョッピング(オン・オフ)し、定電流制御部(9)の制御値に従った電流値を供給するチョッパ(9a)、本実施例ではチョッパ(9a)としてパワーＭＯＳ・ＦＥＴが使用されている。
(d)定電流出力回路部(10)のゼロボルト・ライン(Z)に接続されたグランド(GND)とプラスライン(+)入力側との間に接続された供給電流(i1)の供給用の第１コンデンサ(C1)、
(f)定電流出力回路部(10)のゼロボルト・ライン(Z)とチョッパ(9a)の出力側との間に接続されたフライホイルダイオード(D1)、
(g)チョッパ(9a)の出力側に直列に設けられ、チョッピングされた電流をコンデンサ(C2)と協働して平滑化するためのリアクトル(L1)、
(h)ステッピングモータ(M)に接続される端子(t1)〜(t5)が設けられ、リアクトル(L)の出力側とゼロボルト・ライン(Z)に接続され、後述するスイッチング素子(Tr)をその主構成とする出力段(S)、
(i)出力段(S)に直列接続されている小さい値のセンス抵抗(R1)(R2)、
『本実施例の場合、センス抵抗は、第１センス抵抗(R1)と第２センス抵抗(R2)とで構成され、第１センス抵抗(R1)は第１コンデンサ(C1)の(−)側と第２センス抵抗(R2)との間に直列接続されており、第２センス抵抗(R2)は出力段(S)と第２コンデンサ(C2)の(−)側[或いは第１センス抵抗(R1)]との間に接続されている。この場合、センシングは第１センス抵抗(R1)と第２センス抵抗(R2)の両方によって行われ、検出対象となる電流はステッピングモータ(M)を作動させる総電流、即ち、作動電流(i1+i2-i3)となる。換言すれば、センス抵抗(R1)は、第１コンデンサ(C1)からチョッパ(9a)、リアクトル(L1)、第２コンデンサ(C2)、センス抵抗(R1)を図中時計方向に回流する供給電流(i1)を検出するものであり、センス抵抗(R2)は、出力段(S)を(＋)側からゼロボルト・ライン(Z)方向に流れる励磁電流(i2)と、ステッピングモータ(M)の作動時にステッピングモータ(M)で発生し、その逆方向に流れる起電流(i3)との和である駆動電流(i2-i3)を検出するものである。』
(j)ステッピングモータ(M)に定電流を流すための駆動電圧印加部(DV)、(ステッピングモータ(M)の回転速度が高速になるほど駆動電流(i2-i3)が流れにくくなるが、本回路は定電流回路であるので、前記モータ駆動電圧印加部(DV)は回転速度の上昇とともにモータ駆動電圧を高め、定電流がステッピングモータ(M)に流れるようにする。)
(k)リアクトル(L1)の出力側と前記センス抵抗(R1)(R2)の結線部との間に設けられ、出力段(S)に励磁電流(i2)を供給するための第２コンデンサ(C2)、とで構成されている。
【００２８】
前記(h)で示す出力段(S)は、前述のようにスイッチング素子(Tr)をその主構成とする既知のもので、本実施例ではパワーＭＯＳ・ＦＥＴが用いられており、次のような構成である。出力段(S)のスイッチング素子(Tr)である出力段トランジスタが５組に分けられ、２個１組にて直列接続され、この５組が並列接続されて出力段(S)を構成している。そして、ステッピングモータ(M)の環状に接続された巻き線の結線部に前記出力段トランジスタが接続されている。これらスイッチング手段(S)をシーケンスに従ってオン・オフ制御させることにより、ステッピングモータ(M)をシーケンス通り歩進させる。
【００２９】
前記電流(i1)は、ステッピングモータ(M)の駆動電圧(DV電圧)「ステッピングモータ(M)は回転数の上昇と共に駆動電流(i2-i3)が次第に流れにくくなるが、前述のように定電流回路である本回路では回転数の上昇に連れて該電圧(DV電圧)が次第に上昇していくようになっている。」を昇降させ且つ第２コンデンサ(C2)を充電するための供給電流であり、電流(i2)は第２コンデンサ(C2)の放電によって生じるステッピングモータ(M)の励磁電流であり、図中破線で示されるように第２コンデンサ(C2)、出力段(S)、第２センス抵抗(R2)と言うように循環する。電流(i3)はステッピングモータ(M)のロータの回転運動によって発生する起電流で、励磁電流(i2)の反対向きの余剰電流である。起電流(i3)は出力段(S)のダイオード(図示せず)を介して第２コンデンサ(C2)、第２センス抵抗(R2)、出力段(S)というように循環する。その結果、センス抵抗(R2)には励磁電流(i2)から起電流(i3)を差し引いた駆動電流(i2−i3)が流れる事になる。そして、前記電流検出回路部(8)はセンス抵抗(R1)(R2)にてそれぞれ検出された検出電圧の和(V1+V2)を定電流制御部(9)に出力する。
【００３０】
定電流制御回路部(1)は、指令パルス周期計測部(3)、励磁シーケンスカウンタ部(4)、励磁パターン出力部(5)、セレクタ(6)、基準電圧操作部(7)、定電流制御回路部(9)、検出回路部(8)などから構成されており、指令パルス(CW/CCW)の出力や電流切替外部入力(6a)、選択切替(6b)を有する外部装置(図示せず)に接続されている。
【００３１】
指令パルス周期計測部(3)は、励磁シーケンスカウンタ部(4)を動作させる一方で、前記外部装置からの指令パルス(CW/CCW)を受け、この周期(T)[図３参照]を計測し、設定されたドライブ保持時間(ｔ)より前記周期(T)が短い場合或いは等しい場合にはドライブ電流維持信号をセレクタ(6)に出力し、前記周期(T)が設定されたドライブ保持時間(ｔ)より長い場合には指令パルス入力完了と判断してドライブ/ホールド信号のドライブ電流維持からホールド電流(Ｈ→Ｌ)とする解除指令（図１中ではドライブ保持タイマ出力と表示）をセレクタ(6)に出力するものである。歩進(図３の移動角度)は最終指令パルス(CW/CCW)の立ち上がりで維持又は停止する。
【００３２】
逆に、指令パルス(CW/CCW)が入力するとその立ち上がりで歩進が開始することになるが、ドライブ保持タイマ出力は指令パルス(CW/CCW)の立ち下がりで(図３)のＬ→Ｈで示すドライブ電流維持指令をセレクタ(6)に出力する。なお、指令パルス(CW/CCW)は、外部装置から出力され、パルス数に応じた数だけステッピングモータを時計回り或いは反時計回りに歩進させる。
【００３３】
励磁シーケンスカウンタ部(4)は、指令パルス周期計測部(3)を通った指令パルス(CW/CCW)の入力を受けて、励磁パターンを指定するためのアドレス(指令信号)を次の駆動パターン出力部(5)に出力する。更に言えば、分解能が２０００分解(分割)の場合、シーケンスは４×１０＝４０周期(進)であり、２５００分解(分割)の場合は５×１０＝５０周期(進)であり、５０００分解(分割)の場合は１０×１０＝１００周期(進)であり、１０,０００分解(分割)の場合は２０×１０＝２００周期(進)で、分解能に応じた励磁パターン指定アドレスに対応する励磁パターンを励磁パターン出力部(5)から出力段(S)にゲート信号として出力させるもので、出力段(S)のパワー素子(Tr)のオン／オフによってステッピングモータ(M)の励磁を切り替え歩進させる。５相ステッピングモータ(M)のマイクロステップ駆動に関する駆動方法の一例(１万分割)は、前述の特開平７‐２２７０９９に詳述されているとおりである。
【００３４】
検出回路部(8)は、第１センス抵抗(R1)と第２センス抵抗(R2)のセンス電圧の和［V1+V2=Rs］を検出するためのものである。即ち、前記基準電圧(Vo)と作動電流(io)に基づく電流検出回路部(8)からの検出電圧(Vs)とを比較し、検出電圧(Vs)が前記基準電圧(Vo)に一致するようにチョッパ(9a)を制御する。従って基準電圧(Vo)の変化(過渡)段階では作動電流(io＝i1+i2-i3)もそれにつれて変化する。この点に就いては後で詳述する。
【００３５】
セレクタ(6)は、(イ)外部装置から強制的にドライブ電流／ホールド電流に切り替える信号入力（図中、電流切替外部入力(6a)と示され、ドライブ電流からホールド電流又はホールド電流からドライブ電流への切り替えを強制的に行うための信号入力）と、(ロ)指令パルス周期計測部(3)からのドライブ保持タイマ出力(前述のように、ドライブ保持時間(ｔ)より前記周期(T)が短い又は等しい場合のドライブ電流維持信号、或いは前記周期(T)が設定されたドライブ保持時間(ｔ)より長い場合の解除指令)とを切り替えるもので、セレクタ(6)が出力したドライブ／ホールド信号は基準電圧操作部(7)に入力される。そして、選択切替(6b)は、外部からセレクタ(6)の出力である前記(イ)と(ロ)を選択するものである。
【００３６】
基準電圧操作部(7)は図２に示すように、伝達関数演算部(71)、入力側スイッチ(72)、出力側スイッチ(73)、乗算器(74)とで構成されており、電流コントロールの基準となる基準電圧定数(Vk)(＝ステッピングモータ(M)に定格電流或いはそれ以下の電流が流れるように設定された定数)にドライブ係数（α＝１）またはホールド係数（α＜１）を乗算したものをＤ／Ａ変換して基準電圧(Vo)として出力する。前記伝達関数演算部(71)は、ホールド状態からドライブ状態に移る場合の伝達関数１［Ｇ１(s)＝１／(τ１Ｓ＋１)］と、逆のドライブ状態からホールド状態に移る場合の伝達関数２［Ｇ２(s)＝１／(τ２Ｓ＋１)］とがメモリーされ、その状態に合わせて伝達関数が選択されるようになっている。ドライブ係数とホールド係数の選択は前述のドライブ／ホールド信号によって内部で切り替えられる。ここで、τは時定数で本実施例では２．５〜１０ｍｓである。また、Ｓはラプラス演算子である。
【００３７】
入力側スイッチ(72)は、ドライブ/ホールド信号の入力により、ドライブ係数(α＝１)とホールド係数(α＜１)が選択されるようになっている。同様に出力側スイッチ(73)も、ドライブ／ホールド信号の入力により、伝達関数１または伝達関数２の結果を選択して乗算器(74)に出力するようになっている。
【００３８】
乗算器(74)は出力側スイッチ(73)の出力値と基準電圧定数(Vk)とを掛け算し、徐々に一定値まで増加する或いは徐々に一定値まで減少する基準電圧(Vo)として定電流制御回路部(9)に出力される。前記基準電圧(Vo)はＤ/Ａ変換によってアナログ信号として出力される。
【００３９】
次に本発明回路における作用を説明する。
【００４０】
(a)起動または再位置決め開始時について
開始前の状態では、ロータはホールド電流にて或るホールド位置で停止している。指令パルス(CW/CCW)が指令パルス周期計測部(3)に入力すると、該指令パルス周期計測部(3)のセレクタ(6)への信号がホールド信号からドライブ信号に切り替わり(或いは電流切替外部入力(6a)からホールド信号からドライブ信号への切替信号が入力すると)、セレクタ(6)から基準電圧操作部(7)にドライブ信号が入力する。
【００４１】
従来では、この切り替えが基準電圧操作部(7)を経ず、定電流制御部(9)に直接入力されていたために、図３(従来の移動角度)に示すような急激なトルク変動が発生し、スパイク的な減衰振動が起動或いは再位置決めに初期の過渡状態で発生し、これが機械系に伝達され、精密加工や精密測定を阻害していた。
【００４２】
これに対して本発明では、ドライブ/ホールド信号が基準電圧操作部(7)に入力すると、まず入力側スイッチ(72)がドライブ係数(α＝１)に、出口側スイッチ(7)が伝達関数演算部(71)の伝達関数１側に接続し、その結果、乗算器(74)において、基準電圧定数と伝達関数１とが掛け算され、乗算器(74)の出力である基準電圧(Vo)は伝達関数１に従ってドライブ基準電圧まで漸増していくことになる。なお、漸増基準電圧(Vo)は、Ｄ／Ａ変換され、アナログ値として定電流制御部(9)に出力される。
【００４３】
一方、励磁シーケンスカウンタ部(4)では指令パルス(CW/CCW)をカウントし、そのアドレスに基づいた励磁パターンを出力するように励磁パターン出力部(5)に指令する。励磁パターン出力部(5)ではこの指令を受けて、アドレスに基づいて励磁パターンを順次出力段(S)に出力する。出力段(S)ではこの励磁パターンに従って出力段スイッチング素子(Tr)をオン・オフし、シーケンスに従ってステッピングモータ(M)を分割駆動させる。
【００４４】
ステッピングモータ(M)は出力段(S)を流れる駆動電流(i2-i3)により励磁されるのであるが、この駆動電流(i2-i3)はセンス抵抗(R2)によりセンシングされており、センス抵抗(R1)(R2)で検出される作動電流(io＝i1+i2-i3)の検出電圧(Vs)として電流検出回路部(8)から定電流制御部(9)に入力される。
【００４５】
電流検出回路部(8)では基準電圧操作部(7)から入力する漸増する基準電圧(Vo)と電流検出回路部(8)からの検出電圧(Vs)とが比較され、検出電圧(Vs)が漸増基準電圧(Vo)に一致するようにチョッパ(9a)がチョッピング制御され、ステッピングモータ(M)を流れる駆動電流(i2-i3)が連動してドライブ電流まで漸増するように制御される。これによりロータはドライブ電流で発生するトルクで釣り合う位置までの過渡状態をスパイク的な変位を生じることなく徐々に回転し、最終的にドライブ状態のトルクで釣り合う。再位置決めの場合は、この状態で測定或いは計測などの実作業が行われる。これに対して回転駆動させる場合は、そのままドライブ電流を供給してステップ回転駆動を行わせる。
【００４６】
(b)停止時について
駆動状態では、ロータはドライブ電流にてステップ駆動している。最終の指令パルス(CW/CCW)が入力するとそれ以後、所定周期(T)を経ても次の指令パルス(CW/CCW)が入力をしないので、前述のように(T＜ｔ)となるので、指令パルス入力終了(或いは、電流切替外部入力(6a)により強制切替)の信号がセレクタ(6)に入力し、セレクタ(6)からホールド信号が基準電圧操作部(7)に出力される。
【００４７】
従来では、前述したように基準電圧操作部(7)がなく、そのまま定電流制御部(9)に入力されていたため、この切り替えが瞬時に行われ、図３(100)に示すようなやはり急激なトルク変動が発生し、スパイク的な減衰振動が発生し、これが機械系に伝達され、滑らかな停止を阻害していた。
【００４８】
これに対して本発明では、セレクタ(6)からホールド信号が基準電圧操作部(7)に入力すると入力側スイッチ(72)がホールド係数(α＜１)に、出口側スイッチ(7)が伝達関数演算部(71)の伝達関数２側に接続し、その結果、乗算器(74)において、基準電圧定数と伝達関数２とが掛け算され、乗算器(74)の出力である基準電圧(Vo)は伝達関数２に従ってホールド基準電圧まで漸減していくことになる。なお、漸減基準電圧(Vo)は、同様にＤ／Ａ変換され、アナログ値として定電流制御部(9)に出力される。
【００４９】
電流検出回路部(8)では基準電圧操作部(7)から入力する漸減する基準電圧(Vo)と電流検出回路部(8)からの検出電圧(Vs)とが比較され、検出電圧(Vs)が漸減基準電圧(Vo)に一致するようにチョッパ(9a)がチョッピング制御され、ステッピングモータ(M)を流れる駆動電流(i2-i3)が連動して漸減するように制御される。これにより起動時或いは再位置決め時同様スパイク的な変位は生じず、スムーズな停止が可能となる。
【００５０】
なお、以上の実施例では起動時または再位置決め時と停止時における制御をひとつのマイクロステップ駆動において実現する場合を説明したが、場合によっては起動時または再位置決め時だけに採用することも可能であるし逆に停止時だけに採用することも可能である。
【００５１】
図４〜図１０は、本発明と従来例の比較グラフで、縦軸に移動角度、横軸に時間を取った時間対移動角度の変化グラフである。そのうち図４〜図８はロータ停止状態から起動させる場合で、図９、１０は逆にドライブ状態からロータ停止状態に移行させる場合である。
【００５２】
図４(従来例)はドライブ電流で停止していたステッピングモータを、ドライブ電流そのままで起動させた場合で、電流の変化がないために起動時にスパイク的な減衰振動が発生したいない。しかしながら、従来例の説明で示したように、停止時にもドライブ電流をステッピングモータに流し続けているためにステッピングモータの発熱が大きいという問題がある。
【００５３】
図５も従来例で、ドライブ係数α＝１(即ち、τ＝０)でステッピングモータ(M)を駆動させ、ホールド電流からドライブ電流に瞬間的に切り替えた場合でホールド電流からドライブ電流に切り替えた時に最初に大きな減衰振動が現れている。
【００５４】
これに対して図６は本発明例で、駆動電流(i2-i3)をホールド電流からドライブ電流に切り替えてその発生トルクを３０％から１００％にするのにτ＝２．５ｍｓの時間をかけたもので、前記過渡状態で表れた減衰振動は許容限界である。
【００５５】
図７、８も本発明例で、前記トルクを３０％から１００％にするのにτ＝６ｍｓ、１０ｍｓの時間をかけたもので、やはり前記過渡状態に大きな減衰振動は表れていない。
【００５６】
図９、１０は逆にドライブ状態がホールド状態にする場合で、図９は瞬間的にドライブ電流をホールド電流にした従来例で、大きな減衰振動が発生している。これに対して図１０は本発明例で、トルクを１００％から３０％にするのにτ＝２．５ｍｓの時間をかけたもので、大きな減衰振動は表れていない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように本発明では励磁電流切替時のスパイク変位によって生じる不具合を無くし、高分解能マイクロステップ駆動においても電流切替を積極的に活用し、無駄なモータ発熱を抑制することができるようになった。その結果、超高分解能マイクロステップ駆動において電流切替制御が可能となり、ナノテク加工分野やバイオ分野に大きな貢献ができるものとなった。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明が適用されるステッピングモータの回路構成図
【図２】本発明の基準電圧操作部の回路構成図
【図３】本発明及び従来例の指令パルス、ドライブ保持タイマ出力およびロータの移動角度の関係を示すタイミングチャート
【図４】従来例における停止位置からの歩進状態を示す時間対移動角度の変化グラフ
【図５】従来例における停止位置からの歩進状態を示す他の時間対移動角度の変化グラフ
【図６】本発明における(励磁電流が３０％〜１００％になるのにτ＝２．５ｍｓとした場合)停止位置からの歩進状態を示す時間対移動角度の変化グラフ
【図７】本発明における(励磁電流が３０％〜１００％になるのにτ＝６ｍｓとした場合)停止位置からの歩進状態を示す時間対移動角度の変化グラフ
【図８】本発明における(励磁電流が３０％〜１００％になるのにτ＝１０ｍｓとした場合)停止位置からの歩進状態を示す時間対移動角度の変化グラフ
【図９】従来例におけるドライブ状態からロータ停止するまでの時間対移動角度の変化グラフ
【図１０】本発明における(励磁電流が１００％〜３０％になるのにτ＝２．５ｍｓとした場合)ドライブ状態からロータ停止するまでの時間対移動角度の変化グラフ
【符号の説明】
【００５９】
(M)…ステッピングモータ
(Tr)…スイッチング手段
(io)…ステッピングモータを作動させる電流＝作動電流
(i1)…供給電流
(i2)…励磁電流
(i2-i3)…駆動電流
(i3)…起電流
(Vo)…基準電圧
(VoH)…ドライブ基準電圧
(VoL)…ホールド基準電圧
(Vs)…検出電圧
(Vk)…基準電圧定数
G(S)…伝達関数
(1)制御回路部
(7)…基準電圧操作部
(9)…定電流制御部
(10)…定電流出力回路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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９】
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【図１０】
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