(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デテントトルクを有し、複数のステップされる位置を規定し、負荷に動作可能に結合され、回転子と複数の巻き線を具備するステッパモータであって、前記複数の巻き線が選択的に通電されて現在のステップされる位置から隣接するステップされる位置へ該回転子をステップ動作で動かして回転させ、前記ステッパモータが４相を有し、各相が該ステッパモータの各巻き線に対応するユニポーラステッパモータを具備する該ステッパモータを駆動する方法であって、該方法は、
（ａ）ステップされる位置と整列していない磁界ベクトルを生成するように前記複数の巻き線中の選択された巻き線を所定のステップ時間の間、所定の電流レベルで通電する段階であって、該回転子が実質的にオーバシュートがなくかつ該ステップ時間の終了時に実質的にゼロの速度である隣接するステップされる位置を達成できるように前記所定のステップ時間および前記所定の電流レベルが決定されている段階からなり、前記磁界ベクトルを生成するように前記４つの巻き線のうちの２つが異なった電流レベルで段階（ａ）で同時に通電され、該方法はさらに、
（ｂ）該ステップ時間の後に、段階（ａ）で通電された該巻き線の電源を切り、該回転子を該ステッパモータデテントトルクによって該隣接するステップされる位置に保持する段階とからなり、
前記２つの巻き線を駆動する前記電流レベルが、
（ｉ）単一の巻き線を前記負荷を移動するのに十分な電流レベルで通電することによって、前記ステッパモータ回転子を１ステップ分回転するようにステップ動作させ、これによって複数のピークを有する第１の減衰振動を含む時間応答に対する１ステップの位置を発生する段階と、
（ｉｉ）前記単一巻き線の通電後に前記減衰振動の第１のピークが生じる時間を決定するために該第１の減衰振動を分析することによってステップ時間を決定する段階と、
（ｉｉｉ）選択された一対の巻き線を、該単一巻き線を通電する時に使用した該電流レベルで通電することによって全ステップ駆動モードを使用して該ステッパモータを１ステップ分隣接するステップされる位置へステップ動作させ、これによって該隣接するステップされる位置を通り過ぎるオーバシュートを有する第２の減衰振動を含む時間応答に対する１ステップの位置を発生する段階と、
（ｉｖ）該２つの巻き線を通電するために使用される所定の巻き線電流レベルを、該第２の減衰振動のオーバシュートのピーク振幅と該単一巻き線を通電する時に使用する該電流レベルとに応じて決定する段階とを実行することによって決定される方法。
【請求項２】
１ステップが電気角度９０°を規定し、前記所定の巻き線電流レベルを決定する前記ステップが、
（ａ）前記第２の減衰振動のオーバシュートのピーク振幅に相当する電気角度を決定する段階と、
（ｂ）前記電気角度を９０°で割ってオーバシュート比を決定する段階と、
（ｃ）９０°をオーバシュート比で割って前記磁界ベクトルに相当する電気角度を決定する段階と、
（ｄ）前記全ステップ駆動モードで使用される該電流レベルに該電気角度の正弦および余弦を乗じることによって２つの巻き線を通電する各所定の電流レベルを決定する段階とを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記巻き線の電流レベルおよび前記ステップ時間が論理装置によって制御される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記論理装置がモータ駆動回路が入力として受信する電圧出力を生成する少なくとも１つのＤ／Ａコンバータへ指令信号を発行し、前記モータ駆動回路が該Ｄ／Ａコンバータ電圧出力に基づいて前記電流レベルを生成することにより前記巻き線の電流レベルを制御する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
負荷を移動するのに十分な前記電流レベルが、該負荷を全移動範囲にわたって移動するために前記ステッパモータに要求される最小の電流レベルを含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
（ａ）回転子と選択的に通電されて該回転子を現在のステップされる位置から隣接するステップされる位置へステップ動作で動かして回転させる複数の巻き線とを有し、さらに該回転子をステップされる位置に保持する傾向にある特徴的なデテントトルクを有するステッパモータと、
（ｂ）該巻き線に結合させた駆動回路であって、該駆動回路への入力である制御信号に基づいて該ステッパモータの複数の巻き線中の選択された巻き線を駆動する電流を生ずる該駆動回路と、
（ｃ）（ｉ）前記複数の巻き線中の選択された巻き線を所定のステップ時間の間、該回転子がオーバシュートがなくかつ所定のステップ時間の終了時に実質的にゼロの速度で隣接するステップされる位置に回転して１ステップを完了するようにステップされる位置と整列していない磁界ベクトルを生成するように選択された電流レベルで通電する段階と、
（ｉｉ）所定のステップ時間が終了した後に段階（ｉ）で通電された該巻き線の電源を切り、そのあと該回転子を前記ステッパモータデテントトルクによって該隣接するステップされる位置に保持する段階と、によって該駆動回路が該ステッパモータを１ステップ分ステップ動作させるようにする制御信号を生成する駆動回路制御装置とを備え、
前記選択された巻き線を駆動する前記電流レベルが、
（Ａ）単一の巻き線を前記負荷を移動するのに十分な電流レベルで通電することによって、前記ステッパモータ回転子を１ステップ分回転するようにステップ動作させ、これによって複数のピークを有する第１の減衰振動を含む時間応答に対する１ステップの位置を発生する段階と、
（Ｂ）前記単一巻き線の通電後に前記減衰振動の第１のピークが生じる時間を決定するために該第１の減衰振動を分析することによってステップ時間を決定する段階と、
（Ｃ）選択された一対の巻き線を、該単一巻き線を通電する時に使用した該電流レベルで通電することによって全ステップ駆動モードを使用して該ステッパモータを１ステップ分隣接するステップされる位置へステップ動作させ、これによって該隣接するステップされる位置を通り過ぎるオーバシュートを有する第２の減衰振動を含む時間応答に対する１ステップの位置を発生する段階と、
（Ｄ）該巻き線を通電するために使用される巻き線電流レベルを、該第２の減衰振動のオーバシュートのピーク振幅と該単一巻き線を通電する時に使用する該電流レベルとに応じて決定する段階とを実行することによって決定される位置決め装置。
【請求項７】
前記駆動制御装置が段階（ｃ）（ｉ）および（ｃ）（ｉｉ）を実行するようにプログラム設定された１つの論理装置を備える請求項６に記載の位置決め装置。
【請求項８】
前記論理装置がマイクロプロセッサおよびマイクロコントローラのうちの１つを備える請求項７に記載の位置決め装置。
【請求項９】
前記ステッパモータが４相で４つの巻き線を有するユニポーラステッパモータを備え、各相が該４つの巻き線のうちの関連する別々の１つに対応している請求項６に記載の位置決め装置。
【請求項１０】
前記４つの巻き線のうちの２つが、磁界ベクトルを生成するように異なった電流レベルで、段階（ｃ）（ｉ）において同時に通電される請求項９に記載の位置決め装置。
【請求項１１】
前記電流レベルおよび所定のステップ時間が前記ステッパモータの負荷を移動するときの動的挙動に基づいている請求項６に記載の位置決め装置。
【請求項１２】
前記駆動回路がチョッパ駆動を備える請求項６に記載の位置決め装置。
【請求項１３】
デテントトルクを有し、複数のステップされる位置を規定し、負荷に動作可能に結合され、磁化された回転子と複数の巻き線を具備するステッパモータであって、前記複数の巻き線が選択的に通電されて現在のステップされる位置から隣接するステップされる位置へ該回転子を回転させ、該現在のステップされる位置と該隣接するステップされる位置の間の該回転子の回転が基本的な電気ステップ角度に対応しているステッパモータを駆動する方法であって、
（ａ）該磁化された回転子が、ある経過時間後に到達し、基本的な電気ステップ角度に等しい第１の角度ピークを有する減衰振動を伴う回転をさせられるように磁化された該回転子上にトルクを生じる磁界ベクトルに相当する減衰された電気ステップ指令角度を決定する段階と、
（ｂ）前記複数の巻き線のうち一対の選択された巻き線を、段階（ａ）で決定された前記減衰された電気ステップ指令角度に基づく別の所定の電流レベルで、経過時間に等しいステップ時間の間通電し、これによって該磁性回転子を該現在のステップされる位置から該隣接するステップされる位置へ回転させ、該回転子が該隣接するステップされる位置に到達したときに該回転子の速度が実質的にゼロになるようにする段階と、
（ｃ）前記ステップ時間の後に、段階（ｂ）で選択的に通電された該巻き線の電源を切り、これによって該磁性回転子を該ステッパモータデテントトルクによって該隣接するステップされる位置に保持する段階とからなり、
前記減衰されたステップ指令角度が、
（ｉ）単一の巻き線を該負荷を移動するのに十分な電流レベルで通電することによって、前記ステッパモータを１ステップ分ステップ動作させ、これによって複数のピークを有する第１の減衰振動を含む時間応答に対する１つステップされる位置を発生する段階と、
（ｉｉ）選択された一対の巻き線を該ステッパモータを１ステップ分ステップ動作させる時に使用する該電流レベルで通電することによって、全ステップ駆動モードを使用して前記ステッパモータを１ステップ分隣接するステップされる位置へステップ動作させ、これによって該隣接するステップされる位置を通り過ぎるオーバシュートを有する第２の減衰振動を含む時間応答に対する１ステップされる位置を発生する段階と、
（ｉｉｉ）オーバシュートのピーク振幅および該基本的なステップ角度に基づいてオーバシュート比を決定する段階と、
（ｉｖ）該基本的な電気ステップ角度を該オーバシュート比で割ることにより該減衰された電気ステップ指令角度を決定する段階と、によって決定される方法。
【請求項１４】
前記ステッパモータが４相ユニポーラステッピングモータである請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記一対の選択された巻き線の別の所定の巻き線電流がそれぞれ前記減衰された電気ステップ指令角度の正弦および余弦に応じて決定される請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、一般にステッパモータに関し、より詳細には、効率の改善をもたらしオーバシュートおよびリンギングを除去するステッパモータを駆動する方法と装置に関する。
【０００２】
発明の背景
ステッパモータはよく知られた技術であり部品の正確な位置決めが必要なプリンタ、ディスクドライブ、およびその他の装置を含む多種多様な装置に用いられている。ステッパモータは他のタイプのモータよりも優れた多くの利点をもたらし、その最も顕著なものは駆動回路からの指令パルスに基づいてステップと呼ばれる制御された回転角分回転する能力である。このステッパモータによって生み出されるステップ動作の精度は、１つのステップから他のステップへ移動する際の累積誤差がないために一般に非常に良好である。軸を、規定された数の固定ステップ分だけ増分的に回転させる能力を持つために、ステッパモータを開ループ制御方式（すなわち、光学エンコーダまたは分解器のような位置のフィードバック装置が不要な用途）で使用することが可能になり、これにより動作制御システムが簡略化されコストが低減される。
【０００３】
ステッピングモータの速度は用いたパルス周波数に基づいて容易に制御することができ、このパルス周波数によってステッピングモータがモータ駆動軸に直結した負荷の非常に低速な同期動作を達成することができる。さらに、ステッパモータは摩耗の可能性がある接触ブラシを含まないので信頼性がある。一般に、ステッパモータで摩耗を受ける唯一の部品はモータベアリングである。
【０００４】
ステッパモータには可変リラクタンス（ＶＲ）、永久磁石（ＰＭ）およびハイブリッド（ＨＢ）を含め３つの基本的なタイプがある。ＶＲ形ステッパモータは軟鉄製の多重歯回転子および線を巻いた固定子を具備する。この固定子巻き線（一般にモータ「コイル」とも呼ばれる）が直流電流で通電された場合、固定子の各極に磁束が生成される。回転子歯が通電された固定子の極に磁気的に引き付けられるときに回転が起きる。ＰＭ形ステッパモータはモータ構造に付加された永久磁石を有する。この回転子はもはやＶＲ形モータのように歯を持たない。代わりに、この回転子は回転子軸に平行な、北の極と南の極が直線内に交互に配置された永久磁石を備える。これらの磁化された回転子極は磁束強度の増加をもたらし、ＶＲ形ステッパモータと比べてトルク特性の改善をもたらす。
【０００５】
ＨＢ形ステッパモータはＰＭ形ステッパモータよりもコストが高いが、ステップ分解能、トルクおよび速度に関する性能がより優れている。ＨＢ形ステッパモータの代表的なステップ角度は３．６°から０．９°（１回転当たり１００〜４００ステップ）の範囲に及んでいる。ＨＢ形ステッパモータはＰＭ形とＶＲ形の両方のステッパモータの最良の特徴を結び付けており、その回転子はＶＲ形モータのように多重歯で、軸の回りに同軸的に磁化された同心磁石を備えている。この回転子上の歯が均一で良好な磁束経路を生じ、磁束を回転子と固定子の歯の間のエアギャップ内の好ましい位置に導くのを助けている。ＶＲ形およびＰＭ形の両ステッパモータと比較すると、この構成によってＨＢ形ステッパモータのデテントトルク、保持トルクおよび動的トルクの各特性がさらに増加する。
【０００６】
ステッパモータは一般に２相を有するが、３相、４相および５相モータも存在する。図１は固定子Ａおよび固定子Ｂを備え、相Ａの巻き線３０２と相Ｂの巻き線３０４がそれぞれ電流で通電されたときに、各々の固定子がその両端面３００を対向する極として磁束を生成する代表的な２相モータを示す。この磁束の方向は右手の法則を適用することによって決定することができる。図１において、電流ＩＢは相Ｂの巻き線を通って流れ、矢印の方向が示すように固定子Ｂ内に磁束を生み出す。この磁束は回転子に加えられるトルクを発生してこの回転子の回転を引き起こし、その結果回転子の極によって生成される磁界は、固定子ＡおよびＢによって生成される磁界と整列する。この場合は、回転子は時計方向に回転することになり、その結果その南の極は位置２において固定子Ｂの北の極と位置が揃い、その北の極は位置６において固定子Ｂの南の極と位置が揃う。この回転子を連続的に回転させるために、電流が相Ａの巻き線と相Ｂの巻き線へ所定の順に加えられ、回転する磁束場を生成する。
【０００７】
このモータ駆動軸の出力トルクは巻き線が通電されるときに発生する磁束の強度に比例する。この磁束強度を決定する基本的な関係は次式で定められ、
Ｈ＝（Ｎ×ｉ）÷ｌ                                          （１）
上式でＮは巻き線の巻き数、ｉは電流、Ｈは磁界強度、およびｌは磁束経路長である。この関係は磁束強度、したがってトルクが巻き線の巻き数および電流に比例し、磁束経路長に逆比例することを示している。さらに、永久磁石を含むステッパモータは固有の「デテント」トルクを発生する。このデテントトルクは永久磁石が発生する磁束によってもたらされ、通電されていないＰＭ形またはＨＢ形ステッパモータを回すときに感じる「コギング」作用を生ずるものである。
【０００８】
図２Ａおよび３Ａに示すように、ユニポーラモータは１相につき１つの中央タップがある１つの巻き線（２相モータ）か、または１相につき１つの巻き線があり、一般に共通タップを共用する４つの巻き線を有する。（ユニポーラステッパモータには正真正銘の４相モータもあり、またモータによっては２相だけであっても間違って４相モータと呼ばれるものもある。）ユニポーラモータのリード線は一般に５本または６本のどちらかである。比較してみると、図２Ｂおよび３Ｂに示すように、バイポーラモータは一般に２相を含み、各相がそれぞれに対応する巻き線を有する。バイポーラモータは一般に４本のリード線を有する。１相につき２つの別々の巻き線を有するモータも存在し、バイポーラまたはユニポーラのいずれのモードでも駆動できる。
【０００９】
１つの極は磁束密度が集中している磁化体上の領域として画定することができる。ステッパモータの回転子と固定子は両方とも極を持つ。図１、２Ａおよび２Ｂは説明のために簡略化したモータを示すが、実際には、モータ回転数当たりのステップ数を増加させる（すなわち、ステップ角度を減少させる）ために通常回転子と固定子の両方の構造にもういくつかの極が含まれる。ＰＭ形ステッパモータは同じ数の回転子極と固定子極の対を含む。一般に、ＰＭ形ステッパモータは１２対の極を有し、その固定子は相当たり１２対の極を有する。ＨＢ形ステッパモータは、永久磁石によって分離されて歯の半分を南の極とし残り半分を北の極とする２つの部分に分割された歯を備えた回転子を有する。対になった極の数は半分になった回転子の１つの上にある歯の数に等しい。ＨＢ形モータの固定子もまた、巻き線コイルが巻かれた主極と比べて等価な極の数（すなわち、等価極の数は３６０／歯ピッチに等しいのでより小さな極ピッチ）を増加させる歯を有する。３．６°ハイブリッドステッパモータに対しては通常４主極が用いられ、１．８°および０．９°ステッパモータに対しては８主極が用いられる。
【００１０】
ステッパモータの全ステップ角度を決定するのは回転子極の数とこの等価固定子極の数、および相の数の間の関係であり、
ステップ角度＝３６０÷（Ｎｐｈ×Ｐｈ）＝３６０／Ｎ            （２）
上式でＮｐｈは相当たりの等価極の数すなわち回転子極の数、Ｐｈは相の数、およびＮは全ての相の極数の合計である。
【００１１】
一般に、ステッパモータを動作させ位置決めするために使用される駆動モードとして、正弦波駆動（１つの相がオン）、全ステップ駆動（２つの相がオン）、半ステップ駆動（１つおよび２つの相がオン）、およびマイクロステッピング（連続的に変わる位相電流）を含め４つの駆動モードがある。これらの様々な駆動モードに関する以下の説明では図２Ａおよび２Ｂと図３Ａおよび３Ｂを参照する。
【００１２】
図３Ａは代表的な６線ユニポーラ駆動回路を示している。ユニポーラステッパモータを駆動するためには、このモータの巻き線を所定の順に通電することが必要である。この目的は、それぞれが一方の端子においてアースに接続され他方の端子において各巻き線に接続される４つのスイッチ５０、５２、５４および５６（すなわち、電界効果トランジスタスイッチ）を使うことによって達成することができる。正の供給電圧は共通タップすなわち中央タップ５８および６０で供給される。スイッチ５０、５２、５４および５６のそれぞれに対応する巻き線を通って接地する経路を与えているこれらのスイッチをそれぞれ閉じることによってモータの相Ａ、Ａ￣、ＢおよびＢ￣に対応する各巻き線を通る電流の流れを起こすことができる。巻き線を通って電流が流れるとき、右手の法則に基づいて磁界が発生し、その結果固定子ＡおよびＢによって発生する磁界と一致するよう、この磁界によって回転子の回転が起こる。
【００１３】
バイポーラモータの駆動のためにはより複雑な方式が使われる。図３Ｂに示すように、代表的なバイポーラ駆動回路は各巻き線に対して１つで一対となるＨ（ホイートストン）ブリッジ回路を備えている。各Ｈブリッジ回路は４つのスイッチ６２、６４、６６および６８を含んでいる。このブリッジの頂部の分岐線は正の供給電圧に接続され、これに対しこのブリッジの底部の分岐線は接地されている。このＨブリッジのスイッチを選択的に閉じることによって、巻き線７０および７２を通って望みの方向に電流の流れを起こすことができ、これによってモータの相Ａ、Ａ￣、ＢおよびＢ￣を生成する。たとえば、巻き線７０内に右から左へ流れる（すなわち、モータ相Ａ）電流を発生するために、スイッチ６４および６６を閉じ、一方スイッチ６２および６８を開いておく。
【００１４】
ステッパモータの正弦波駆動においては、ただ１つの巻き線がある任意の時間に通電される。固定子上の巻き線はＡ→Ｂ→Ａ￣→Ｂ￣の順に従って通電され、回転子を位置８→２→４→６を通ってステップ動作させる。同じ巻き線パラメータを持つユニポーラおよびバイポーラ巻きのモータについては、この通電モードは結果が同一の機械的位置になる。ユニポーラ巻きモータにおいてはある任意の時間に使用されるのが合計のモータ巻き線の２５％だけであり、バイポーラ巻きのモータでは合計モータ巻き線の５０％が使用されるだけであることがこの駆動モードの欠点である。それゆえにトルク出力を最大にすることが実現できない。
【００１５】
全ステップ駆動においては、２つの相がある任意の時間に通電される。固定子上の巻き線はＡＢ→Ａ￣Ｂ→Ａ￣Ｂ￣→ＡＢ￣の順に従って通電され、回転子を位置１→３→５→７を通ってステップ動作させる。全ステップモードを使用する場合、角移動は上記の正弦波駆動モードに対して説明したのと同じになるが、機械的な位置は２分の１ステップだけ相殺される。全ステップ動作を用いるときのユニポーラ巻きモータのトルク出力は、ユニポーラモータが利用可能な巻き線の５０％しか使用しないのに対してバイポーラモータは巻き線全体を使用するためにバイポーラ巻きのモータ（同じ巻き線パラメータを持つモータに対して）のそれより小さい。しかしながら、ユニポーラモータに必要なエネルギーはバイポーラモータのエネルギーの半分だけで済む。
【００１６】
半ステップ駆動モードは正弦波と全ステップ（１および２相がオン）の２つの駆動モードを結合している。以下の表１に示すように、通電される相の数は各２ステップの間に１相と２相の間で交互する。固定子上の巻き線はＡＢ→Ｂ→Ａ￣Ｂ→Ａ￣→Ａ￣Ｂ￣→Ｂ￣→ＡＢ￣→Ａの順に従って通電され、回転子を位置１→２→３→４→５→６→７→８を通ってステップ動作させる。この得られた角移動は上記の正弦波および全ステップの各駆動モードに対して説明したものの半分になる。半ステップ動作を用いると、正弦波または全ステップの各駆動モードを使用する場合にときとして起きる共振と呼ばれる現象を低減することができる。
【表１】
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【００１７】
マイクロステッピング駆動では、１つの全ステップをそれより小さな多くのステップに分割するために巻き線の電流は連続的に変化する。マイクロステッピングは一般にトルクリップルや共振が少ないより滑らかな駆動軸の動きを持つ。残念ながら、マイクロステッピングは、全ステップおよび半ステップの各駆動モードに対して通常使用される制御回路よりはるかに複雑な（コストが高い）制御回路も必要とする。
【００１８】
ステッパモータのトルク対角度特性はこの回転子の変位と、このステッパモータが定格電圧に通電されたときに回転子軸に加えられるトルクの間の関係に依存する。図４Ａに示されるように理想的なステッパモータは正弦曲線のトルク対角変位特性を有する。
【００１９】
図４Ａの位置ＡおよびＣはどんな外部の力または負荷もこの回転子軸に加えられていない場合の安定な平衡点を表わしている。外部の力ＴＡがこのモータ軸に加わる場合は、モータがアクティブに加速しているか減速しているかによって進み角または遅れ角と呼ばれる角変位θＡを生じる。負荷が加わって回転子が停止する場合は、この変位角によって規定される位置に休止することになる。このモータは加えられた外部の力と釣り合うためにこの負荷に抗して磁気トルクＴＡを生成する。この負荷が増加するにつれ、変位角もまたモータの最大保持トルクＴＨに到達するまで増加する。いったんＴＨを過ぎると、モータは不安定領域に入る。この領域では、逆方向のトルクが生じ、回転子は不安定点を飛び越して次の安定点ヘ行く。この不安定性は隣接するステップの間を移動する場合モータ回転子の振動を引き起こす可能性がある。
【００２０】
その変位角は次の関係から算出され、
θ＝（ｐ÷２π）・ｓｉｎ−１（Ｔｌ÷Ｔｈ）、すなわちＴｌ＝Ｔｈ・ｓｉｎ（２πθ／ｐ）                                                  （３）
上式でθは変位角であり、ｐは回転子歯のピッチ、Ｔｌは負荷トルク、Ｔｈはモータの定格保持トルクである。
【００２１】
図４Ｂはモータの保持トルクを変えたときのトルク対回転子角の間の関係を図示している。トルク対負荷の比が高いシステムが安定になることが明らかである。残念ながら、通常は、モータの重量や容積、使用可能な駆動電流、モータ価格などへの配慮からある用途を想定したステッパモータシステムのトルク対負荷の比は比較的低く維持することが要求される。
【００２２】
ステッパモータシステムの性能（駆動およびモータ）もまたモータによって移動される負荷の機械的パラメータに大きく依存する。この負荷は一般に摩擦および慣性負荷の組み合わせである。摩擦負荷は一般に静的摩擦負荷成分と動的摩擦負荷成分の２つの成分を含む。静的摩擦負荷はモータが動いていないときに存在する動作への抵抗である。動的摩擦負荷は一般にモータの速度に比例する。ステップ全体にわたって摩擦負荷に打ち勝つためには最小のトルクレベルが必要である。摩擦負荷を増加させると最高速度が減少、加速が低下し、モータの位置の誤差が増加する。
【００２３】
慣性は回転速度の変化に対する抵抗である。慣性負荷を高くすると高い慣性開始トルクが要求され、また高い制止トルクも要求される。慣性負荷を増加させると以下に述べるように速度安定性が増加し、望みの速度に到達するのに要する時間が増加、また最大自起動パルス速度が減少する。
【００２４】
所与のステッパモータの回転子の振動は特定の摩擦およびそこに存在する慣性負荷に依存することになる。この関係から、望ましくない回転子の振動は機械的な減衰操作で低減することができる。しかしながら、半ステップまたはマイクロステッピング駆動モードを使用するなどの電気的減衰操作を適用することによってこれらの振動を低減する方がより簡単であることがよくある。
【００２５】
代表的なステッパモータに対する一般化されたトルク対速度曲線を図５に示した。所与のステッパモータシステムのトルク対速度特性は、モータの特性、その通電モード、および駆動の種類または駆動方法に依存することになる。速度対トルク曲線のいくつかの標準的な態様がこの図に見られる。保持トルクはこのステッパモータが休止しているときこのモータによって生成される最大のトルクである。各軸と引込みトルク曲線の間に定められる領域は自起動（停止）領域と呼ばれる。この曲線は同期を保ってモータが即座に起動（または停止）できる最大周波数（すなわち、１秒当たりのステップ数）を規定している。最大自起動速度はその無負荷最大周波数である。引込みトルク曲線と脱出トルク曲線の間の領域はスルー領域と呼ばれる。この領域はモータが一度動き出すと同期を保って動作する最大周波数を規定する。最大連続応答速度はその無負荷最大動作周波数である。
【００２６】
引込み特性は負荷によっても変化する。負荷慣性が大きくなればなるほど、引込み領域は小さくなる。この曲線の形からステップ速度がステッパモータのトルク出力能力に影響を与えることを観察することができる。速度増加に伴うトルク出力の減少は、高速度においてはモータのインダクタンスがその相の巻き線の電流を減少させるその相の巻き線のインピーダンスを支配し始め、これによってモータが発生する磁束（およびトルク）が減少するという事実によって引き起こされる。
【００２７】
１ステップ指令入力に対する代表的な回転子角対時間応答を図６に示した。ステッパモータに対し１ステップのパルスが印加されると、この回転子は次のステップされる位置へ１ステップに対し角度θ分回転し始める。ｔの値はモータ軸がこの角度分回転するのに要する時間である。このステップ時間はトルクの慣性（負荷）に対する比ならびに用いる駆動の種類に大きく依存する。
【００２８】
このトルクは変位の関数であるので、それに従って加速もまた変位の関数になる。したがって、ステップを大きく増加して移動する場合は、大きなトルクが生じ、その結果大きく加速することになる。この加速（および関連した回転慣性）はモータの望ましいステップ角度を通り過ぎた回転すなわちオーバシュートを引き起こし、図に示すように減衰振動（一般にリンギングと呼ばれる）する結果になる。セトリング時間Ｔはこれらの振動が止まるのに要する時間である。
【００２９】
この振動あるいはリンギングはステッパモータの応用でしばしば問題を生じる。オーバシュートおよび減衰振動は無駄なエネルギーとなり、特にモータを低速でステップ動作させる場合はそれが顕著である。さらに、リンギングはしばしば耳に聞こえる雑音を発生し、これは環境によっては不快なものになる可能性がある。さらにまた、このリンギングはしばしば負荷と結合し、望ましくない負荷振動を生じる可能性がある。
【００３０】
ステッパモータのオーバシュートやリンギングが望ましくないような装置の１つの実施例の概略が図７に示してある。この装置は、非常に正確な流量で患者の体内に医薬用液体を注入するために使用されるカセット式注入ポンプであるが、この装置のさらに詳しい内容は「Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ  ａｃｒｏｓｓ  Ｖａｌｖｅｓ  ｉｎ  Ｃａｓｓｅｔｔｅ  Ｔｙｐｅ  ＩＶ  Ｐｕｍｐ」と題する共に係属中で普通に譲渡された特許出願に開示されており、その特許の開示内容と図面が特に参考文献として本明細書に記載してある（この共に係属中の出願に記載されているカセット式注入ポンプは多重チャネルポンプであるが、図７には図示するために同じような単一チャネルポンプが示してあることに注目すべきである）。医薬用液体の供給源１２はカセット１５の最も近い端部１６と流れが連絡した状態で結合される。カセット内に送る医薬用液体の流量は供給バルブ２０によって選択的に制御される。このカセット内の通路に入った後に、医薬用液体は空気センサ２２を通り混合室２６内に流入する。最も近い（または入口）圧力センサ２４は混合室２６に隣接して配置される。この医薬用液体は入口弁２８が開放位置にあるときにこの入口弁を通って混合室２６を出ていき、液を吐出するチャンバ３０に流入する。
【００３１】
液吐出チャンバ３０の一方の側は弾力性のある隔膜２９で覆われている。プランジャ４２がこの弾力的な隔膜に作用し、この弾力的な隔膜を中に含まれる液体と置き換わるようにチャンバ内へ押し込むので、この医薬用液体は液吐出チャンバ３０から（入口弁２８が閉止して出口弁３２が開いているとき）強制的に押出される。このプランジャ作用は直線駆動機構、たとえば親ねじまたはボールねじ（図示してない）を３．６°ステッパモータ１９で位置決めすることによって容易に行われる。このカセット式ポンプの１実施形態において、プランジャ位置は−４８９ステップから＋２２０ステップまで可変であり、ホーム位置は通常０ステップになるように規定される。プランジャ４２が３３３μｌの液体を送出する定格行程距離は＋１６９ステップである。
【００３２】
出口弁３２が開放位置にある場合は、このチャンバから押し込まれた医薬用液体は末端の圧力センサ３４を通り過ぎ、末端の空気センサ３６を通り、チューブセットを通ってこのカセットから出て患者４０のところに搬送される。この注入ポンプはステッパモータ用の制御ユニット１７も備えている。制御ユニット１７は好ましくは、注入ポンプの作動を制御してこの医薬用液体を望み通りに送出するための制御アルゴリズムの実行を可能にするマイクロプロセッサ、記憶装置およびモータ駆動回路を備える（この図では個別に示してない）。このマイクロプロセッサはプランジャの位置を制御するためにステッパモータを制御し、このプランジャが液体をチャンバ３０から押出す。
【００３３】
図７において、ホーム位置（ステップ位置０）にあるプランジャ４２が示されている。この位置はポンプサイクルの開始位置に相当する。プランジャ４２が液を吐出するチャンバ３０の弾力性のある隔膜と接触して、この隔膜にわずかなたわみを生じていることに注目する必要がある。ポンプサイクルの初めは、出口弁３２が閉止して入口弁２８が開いており、供給弁２０は開放位置にあって、液吐出チャンバ３０は適当な量の医薬用液体で充たされている。
【００３４】
ステッパモータのユーザはこの注入ポンプが広範囲の送出量を供給するようにできるので、この装置は特に小児科の患者へ送る液体を極度に低い医薬用液体送出量で投与するときに使用するのによく適したものになっている。たとえば、この注入ポンプは１００μｌ／時もの低い流量に量が制御された医薬用液体を供給することができる。この流量はステッパモータをおよそ７０秒毎に一回ステップ動作させることによって達成されるので各ステップ動作毎にその患者へ２マイクロリットルの医薬用液体を送出する。
【００３５】
前記の注入ポンプの全体的な寸法は非常に小さく、このポンプは蓄電池で供給する電力で動作する。したがって、駆動システムはできるだけ効率的なことが非常に重要である。さらに、この装置は患者に非常に近接して使用されるので、駆動システムがきわめて静粛であることが重要である。したがって、このステッピングモータがきわめて低速で動作される場合に非常に効率が高くて発生するリンギングが最小になる注入ポンプおよびその他の装置用として適したステッパモータ駆動方式を提供することが望まれる。
【００３６】
発明の概要
本発明によれば、効率を達成しオーバシュートおよびそれに伴うリンギング作用を実質的に除去するステッパモータを駆動する方法が提供される。この方法は、ステッパモータの巻き線を駆動する際に使用される電流レベルをこのモータをステップ動作させる時に所望の新しいステップされる位置に到達したときにこのモータの速度が実質的にゼロになるように制御し、これによってオーバシュートとリンギングおよびこれらの作用に伴うむだなエネルギーを除去する。
【００３７】
本発明の第１の態様によれば、このステッパモータは、相当する駆動シーケンスによってこの巻き線が通電される場合にステッパモータの回転子が複数のステップされる位置を通って回転できるように構成された複数の巻き線および磁極を備える。この方法は、このモータのどのようなステップされる位置とも整列していない磁界ベクトルを発生するように、選択された巻き線を所定のステップ時間の間、所定の電流レベルで通電する段階を含む。この電流レベルは、このステップ時間とステッパモータの動的１ステップ応答特性に応じて決定され、隣接するステップされる位置に到達した時にこのモータ速度が実質的にゼロになるように負荷をかける。この時点で、回転子を移動させるように通電されたステッパモータの巻き線の電気が切られ、回転子がこのステッパモータに固有のデテントトルクによって所定の位置に保持される。隣接するステップされる位置に到達した時にこのモータ速度が実質的にゼロであるので、オーバシュートがなく、したがってリンギングが除去される。このステップ時間はモータを負荷に結合して実験的にテストして導くことが好ましい。このステッパモータは、このモータをステッブ動作させる時に選択された一対の巻き線が通電される４相ユニポーラの巻き線構成を具備することが好ましい。
【００３８】
本発明の他の態様によれば、この一対の巻き線を駆動する電流レベルは、単一の巻き線をこの負荷を移動するのに適した電流レベルで通電してこのステッパモータ回転子を１ステップ分ステップ動作させることによって決定される。この手順は、モータの時間応答に対する１つステップされる位置に相当する減衰振動を発生することになる。ステップ時間は次にこの減衰振動の第１ピークが生じる時間に注目することによって決定される。それから、適当な一対の巻き線を単一巻き線を駆動する時に使用するのと同じ電流レベルで通電することにより全ステップ駆動モードを使用してこのステッパモータが１ステップ分ステップ動作を行なう。この方法によればモータがステップ動作でそこへ移動している指令された位置を通り過ぎるオーバシュートを有する他の減衰振動が発生する。その後整列していない磁界ベクトルの方向に対応する角度をオーバシュートのピーク振幅に応じて決定することができ、磁界ベクトル角の正弦および余弦に基づいてこの一対の巻き線を駆動するのに使用できる修正電流レベルが導かれる。
【００３９】
本発明の他の態様によれば、駆動電流とステップ時間を制御するためにプログラム設定された論理装置が提供される。好ましくはマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラであるこの論理装置は、好ましくはチョッパ駆動を備え巻き線中に望ましい電流レベルを生成するモータ駆動回路への入力である電流出力を生成するＤ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）へ指令信号を送る。
【００４０】
本発明のさらに別の態様は、一般に上記の方法の各ステップを実行するステッパモータ位置決め装置に向けたものである。この位置決め装置はステッパモータ、駆動回路、および一般にこの方法の各段階と一致する各機能を実行するようにプログラム設定された制御装置を備える。この位置決め装置は、親ねじ、ボールねじ、歯車減速機、ベルト駆動、ラックアンドピニオン駆動などの種々の位置決め手段と一緒に使用することができる。好ましい実施例においては、位置決め装置がカセット式医療用注入ポンプと一緒に使われる。
【００４１】
本発明の前記の態様およびそれに付随する利点の多くは、添付図を参照し、以下の詳細な説明を参照すればよく理解されるようになるので、より容易に認識されるようになろう。
【００４２】
好ましい実施形態の説明
本発明は、低速において効率がより高くなりオーバシュートおよびリンギングを除去するステッパモータ用の擬似半ステップモータ駆動方式を対象とする。本発明を上記で説明したカセット式注入ポンプについて使用した場合を参照しながら以下に説明する。しかしながら、この擬似半ステップモータ駆動方式は本明細書で説明する特定の用途に限定されるものではなく、代わりに、ステッパモータを採用する様々な用途に応用できることに注意する必要がある。
【００４３】
電磁石を通って流れる電流の量が磁界強度を決定する。したがって、（固定子面の回転子磁石に対する相対的な向きに加えて）それぞれの固定子の巻き線を通って流れる電流の量によって固定子が回転子に及ぼすトルクが決定される。本発明で使用されるステッパモータ制御システムを使用すればそれぞれの巻き線を通って流れる電流の大きさを個別に制御することが可能になり、これによって回転子がステップされる位置の間を移動するときにより正確な制御がもたらされる。
【００４４】
図８に示すように、２つの巻き線の磁界による力が水平および垂直な各成分に分割された各ベクトルとして形に表わしてある。このベクトルは合成磁気ベクトルを決定するために加えられている。上記で説明したように、回転子のアームがアーム自体を合成磁気ベクトルと一線に揃えようとする。本発明では、ステッパモータ巻き線の電流を選択的に設定するため、したがって合成磁気ベクトルの大きさと方向を制御するために２チャネル８ビットのＤＡＣコンバータがピーク制限一定オフタイムのチョッパ駆動とともに使用される。
【００４５】
ステップＮ＋１がステップＮのベクトルからθｅ°の回転子変位を引き起こし、ベクトルＮ￣が大きさαを持ち、ベクトルＮ￣＋￣１￣が大きさβを持つならば、合成した大きさは
【数１】
0004786099.tif 000003
であり、合成した方向はステップＮ＋１からθｅ／９０°・ａｒｃｔａｎ（α／β）°である。
【００４６】
図９および以下の式は大きさがＦｍの磁界ベクトルが、下記のトルクＴｌが加えられたことにより、安定な機械的平衡位置からθだけずれる場合に起きることを説明している。
Ｔｌ＝−Ｒ・Ｆｍ・ｓｉｎ（θ）                                （４）
θが大きくなるにつれ、回転子が平衡点に戻るように促すより大きなトルクが生じる。θが小さい場合はｓｉｎ（θ）≒θ、さらに平衡において、
Ｔｌ＝−Ｒ・Ｆｍ・θ＝Ｔｍ                                    （５）
Ｒ＝１で慣性モーメントＪがＲによって決定される場合は
Ｔｍ＝−Ｆｍ・θ                                              （６）
【００４７】
モータおよび親ねじによって慣性負荷を加速するのに要するトルクは下記となる。
Ｔｍ＝Ｊ・α                                                  （７）
粘性摩擦によって発生されるトルクが時計方向であると定義すると、この系の動作の微分方程式は、
【数２】
0004786099.tif 000004
であり、上式でＣは親ねじの潤滑性、および親ねじにかかるプランジャの力によって決まる粘性減衰の係数である。
【００４８】
全体をＪで割って以下を得る。
【数３】
0004786099.tif 000005
この式は、モータが弱減衰しているときは、その目標位置にステップ動作し、振動するかあるいは「リンギング」することを示している。
【００４９】
式（９）は以下のように表わすこともできる。
【数４】
0004786099.tif 000006
上式で
【数５】
0004786099.tif 000007
【数６】
0004786099.tif 000008
および
【数７】
0004786099.tif 000009
この微分方程式は、以下のようにステップ応答に対して時間を基準とする角変位を決定して解くことができる。
【数８】
0004786099.tif 000010
Ｘ１およびＸ２に対して２つの独立な方程式を得るために、初期条件θ（０）＝０、および、
【数９】
0004786099.tif 000011
を仮定すると、
【数１０】
0004786099.tif 000012
となり定常状態の位置を得る。
【００５０】
θ（ｔ）を微分し、ｔ＝０とすると、以下を得る。
【数１１】
0004786099.tif 000013
したがって、時間に応じてのモータ位置の方程式は下記のようになる。
【数１２】
0004786099.tif 000014
前記の方程式のいくつかをこの方程式に代入して、以下のように回転子位置、回転子定常状態の位置、振幅および位相シフトを決定する簡単な方程式を得ることができる。
【数１３】
0004786099.tif 000015
【数１４】
0004786099.tif 000016
【数１５】
0004786099.tif 000017
【数１６】
0004786099.tif 000018
上式で
【数１７】
0004786099.tif 000019
【数１８】
0004786099.tif 000020
（ｃ２−４ＪＦｍ）＜０のときは、システムは弱減衰であり（すなわち、ζ＜１）、
（ｃ２−４ＪＦｍ）＞０のときは、システムは過大減衰であり、
（ｃ２−４ＪＦｍ）＝０のときは、システムはクリティカルな減衰である（すなわち、オーバシュートおよびリンギングがゼロ）。
【００５１】
本発明による擬似半ステップ駆動方式は、オーバシュートおよび振動が除去されるように、得られる磁気ベクトルがある大きさとある回転子からの角度Δθに設定されるように固定子巻き線の電流を調整する。
【００５２】
このプランジャモータシステムは好ましくは３．６°ステッパモータ、潤滑された親ねじ、プランジャおよび上記で説明したようにこのプランジャと接触しある範囲の圧力を受けるダイアフラムを持つカセットを備える。このステッパモータが回転してステップ動作増分で親ねじを回し、これによってプランジャをカセットの内外に移動させダイアフラムをカセットの液吐出チャンバ内にたわませる。このプランジャ位置の制御は固定子巻き線を通って流れる電流を、８ビットＤＡＣおよびモータ駆動回路を含む電流制御回路を介して制御するソフトウェアプログラムによって実行される。電流制御回路のさらに詳細な内容は以下で説明する。この目的は消費電力をできるだけ少なくしながらステッパモータの回転子を確実に増分的に移動することである。その他の目的はオーバシュートおよびリンギングを除去することである。
【００５３】
１ステップ応答
磁気ベクトル（θｅ）が９０°変化するとき、このステッパモータは機械的に（一般に減衰振動後）３．６°回転する。この解析では、装置毎のモータ慣性（Ｊ）や減衰係数（ｃ）のばらつきおよび装置の運転寿命に対するばらつきは無視できるとした。また、減衰係数（ｃ）はプランジャにかかる圧力の増加とともに変化する可能性があるが、この影響は特性化することができ再現性があると考えられる。
【００５４】
式（１１）から、振動の固有周波数は、
【数１９】
0004786099.tif 000021
であり、Ｊは一定なためにωｎは磁力ベクトルＦｍの大きさによって決まる。Ｆｍは巻き線の電流を変えることにより制御できるので、ωｎも制御できる。
【００５５】
式（１３）から、減衰している角周波数方程式は以下のようになる。
【数２０】
0004786099.tif 000022
【００５６】
γ＜＜ωｎのときはωｄ≒ωｎとなり、このωｎは主にＦｍによって決まる。さらに、モータ位置（Ｘ）の振幅はＦｍと独立な指数関数の係数ｅ−γｔによって決まり範囲が定められる。式（２０）によってわかるように、モータ位置の振幅は
【数２１】
0004786099.tif 000023
によって決まる。
【００５７】
この注入ポンプで使用される親ねじ／プランジャ装置に結合されたステッパモータの正規化１ステップ応答対時間の結果が図１０に示される。この正規化位相の軸は、０．０が初期ステップ位置に対応し、１．０が初期ステップ位置から１ステップ離れたステップされる位置に対応し、２．０が初期ステップ位置から２ステップ離れたステップされる位置に対応するようステップされる位置に関係する電気位相角に対応している。この振動の包絡線は指数関数減衰係数ｅ−γｔによって範囲が定められている。
【００５８】
前記の式から、ωｎ、およびピークオーバシュート位置｜θ（ｔ１）｜ｍａｘはＦｍおよびＸを調整することによって個別に設定できることが理解できる。
【００５９】
擬似半ステップモータ駆動法
擬似半ステップモータ駆動法の目的は回転子を位置θ（ｔｌ）に移動することであり、この回転子がこの位置に到達した瞬間に
【数２２】
0004786099.tif 000024
にする（すなわち、速度ゼロを達成する）ことである。モータ位相位置方程式を用いると、（ωｄｔ−φ）＝１８０°のときこの振動は速度ゼロに達する。ステップ時間ｔｌと呼ばれる、巻き線が通電されている時間はソフトウェアによるプログラム設定が可能であり、ＦｍおよびＸは回転子が９０°（電気的）回転するように設定され、以下に説明するように負荷とモータ特性に基づいて実験的に決定されるステップ時間ｔｌの終りに速度ゼロに達する。また、ＤＡＣの設定と巻き線電流によって実際に生じたＦｍの間の伝達関数のどのような変動にも打ち勝つように、この回転子はある時間この位置に保持されることになる。
【００６０】
図１１はθｅの電気角変位になり
【数２３】
0004786099.tif 000025
の関係が成り立つときに合成力Ｆｍがトルクを生成するようにこのステッパモータの巻き線ＡおよびＢを通電するときに回転子に作用する磁気ベクトル力Ｆｍを例示している。
【００６１】
図１２は、モータをステップ動作したときにオーバシュートが最小になりリンギングがなくなるようにあるステッパモータの駆動パラメータ（電流および継続時間）および負荷を決定するための論理流れ図を示す。このプロセスは平衡位置（すなわち、デテント位置）にモータがあるところから始まる。ブロック１５０において、親ねじ／プランジャ装置をその全動作範囲にわたって駆動するのに十分な（適当な安全率を持たせて）実験的に求めた電流でモータ巻き線の１つ（ＡかＢのいずれか）を駆動することによってモータが１ステップ分ステップ動作を行なう。この動作が図１３に示す弱減衰と同様な１ステップ応答を生ずることになる。得られた減衰振動の正確な形は特定の負荷とモータ特性に依存することになる。通電された巻き線に対応する固定子によって発生する磁力Ｆｍは巻き線の電流レベルに比例することになる。Ｘを一定に保ちながらＦｍを変化させた（すなわち、電流を変化させた）ときの影響を図１３に示す。予想されたことながら、Ｆｍが大きいと次のステップへ到達する経過時間が少なくなるが、大きな量のオーバシュートが生じ、これに対しＦｍが小さいと経過時間が増加する結果になり、オーバシュートはこれに応じて減少する。
【００６２】
次にブロック１５２において、最初の振動ピークが起きるまで（すなわち、速度がゼロの状態が存在する最初の瞬間まで）の経過時間が記録される。この時間はステップ時間ｔｌに相当する。次にブロック１５４で、単一の巻き線を通電して（すなわち、このステップ時間の間全ステップ駆動モードを使用して）モータをステップ動作させたときに加えたのと同じ電流レベルを使用して、両方の巻き線をこのステップ時間の間通電することによってモータが１ステップ分回転される。この動作は結果として図１０に示すのと同様な別の弱減衰になる。次に９０°の電気ステップ角度に対する、第１のピークにおけるオーバシュートの振幅に相当するオーバシュート比が、ブロック１５６でこのオーバシュートピークにおける電気角度を９０°で割ることによって算出される。
【００６３】
次いで、このオーバシュート比に基づく修正された駆動電流レベルがブロック１５８で以下のように計算される。この第１のオーバシュートはモータの標準的な全ステップ角度に一致することが望ましく、これはこのオーバシュート比に基づく指令された角度Δθｅを縮小することによって達成することができる。
Δθｅ＝９０°／オーバシュート比                            （２４）
【００６４】
さらにこの縮小した指令角度を生成する巻き線電流が以下の式によって算出でき、
Ａ＝Ｆｍｓｉｎ（Δθｅ）                                    （２５）
Ｂ＝Ｆｍｃｏｓ（Δθｅ）                                    （２６）
上式においてＦｍはオーバシュート比を決定するために全ステップモードでモータを駆動する場合に上記で使用された巻き線電流レベルに相当する。
【００６５】
このステッパモータの巻き線がこれらの修正された電流レベルで通電される場合は、磁界ベクトルがステップされる位置に一致しないように指令された角度Δθｅに応じて磁界ベクトルが発生する。結果として、この回転子はこの指令された角度を通り過ぎて（オーバシュート）回転することになり、このオーバシュートしたピークはステップ時間の終りにステップされる位置に一致することになる。この時点で、巻き線の電流が切られて回転子がこのステッパモータに固有のデテントトルクによってステップされる位置に保持される。ピークのオーバシュートが速度ゼロの状態に対応しているので、実質的に速度がゼロでこの新しいステップされる位置に達しており、これによってオーバシュートおよびリンギングを除去している。
【００６６】
実施例
ほとんど減衰のないステッパモータを使用し、プランジャを移動するために適切な電流で単一巻き線を通電したときステップ時間ｔｌ＝３．０ミリｓが決定されたとする。この適切な電流は、モータが負荷を望ましい動作範囲分移動するまで単一巻き線の電流を増分的に増加させることによって決定することができる。この動作は図１４に示すマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ１００、２チャンネルＤＡＣ１０２、２チャンネルチョッパ駆動１０４、ユニポーラモータ駆動回路１０６および２チャンネル電流感知回路１０８を含むモータ制御／駆動回路によって達成することができる。このモータ制御／駆動回路はステッパモータ１１０を駆動するために使用される。マイクロプロセッサはモータ巻き線の電流レベルを制御し、またモータ駆動回路にステッパモータ用の適当な制御信号（すなわち、電流指令、位相の順序付けなど）を供給するようにプログラム設定されている。マイクロプロセッサは２チャンネルＤＡＣへ入力のためディジタル電流指令制御信号１１２を供給する。このＤＡＣはディジタル入力信号をアナログ電圧出力信号１１４に変換し、この変換信号がチョッパ駆動回路へ入力として供給される。このチョッパ駆動回路は一般にステッパモータを駆動するために使用され、パルス幅変調駆動やピーク制限一定オフタイム駆動などの方式がある。チョッパ駆動はＤＡＣによって生成されたアナログ信号に比例する電流出力１１６を生成する。電流出力１１６はユニポーラステッパモータ駆動回路への入力として受信される。
【００６７】
電流指令制御信号の供給に加えて、マイクロプロセッサはモータ駆動回路へ一連のモータ制御信号１１８も供給しており、モータ駆動回路はチョッパ駆動出力およびモータ制御信号に基づいてステッパモータの巻き線に電流を供給する。チョッパ駆動電流出力の調整ができるようにチョッパ駆動へ閉ループフィードバック信号を与える２チャネル電流感知回路を使用することによって望ましい電流レベルがモータ巻き線内に維持される。
【００６８】
この実施例では、両巻き線を３ミリ秒間通電した後回転子を９０°（電気角度）に到達させることが望ましい。前記の説明においては、単一チャネルの使用だけを検討したことに留意する必要がある。両方の巻き線を同時に駆動するためには、両チャネルの信号を処理する必要がある。両チャネルに対し同じＤＡＣ設定を使用して、両巻き線を３ミリ秒間通電し、これによって回転子を９０°の前後に回転させると結果は図１０に示す弱減衰振動になる。最初の速度ゼロ状態は約１．６８（すなわち、ピーク振幅の電気角度対９０°ステップ角度の比）の正規化位相値に相当し、望ましい９０°位置を６８％越えていることを示している。したがって、ピークに達した際の速度が実質的にゼロになるように、
【数２４】
0004786099.tif 000026
と置くことによって、回転子がこの振動の最初のピークにおいて９０°位置に到達する必要がある。この結果は定常状態モータ位置の振幅をその９０°定格値の５９．５％に減衰することによって得られ、この５９．５％への減衰は方程式（２５）および（２６）を用い、Δθｅ＝０．９３５ラジアンとして巻き線ＡとＢの両方の電流レベルを修正することによって達成することができる。それから巻き線ＡとＢがステップ時間の間、計算された電流レベルで通電されて９０°（電気的）において最初のオーバシュートピークを引き起こし、その後、両巻き線のスイッチが開いて（図３Ａ参照）各巻き線の電源を切る。この時点では、この回転子は無視できるほどの速度なので、回転子はこのモータ固有のデテントトルクによって所定の場所に容易に保持される。
【００６９】
この方法によれば、回転子はオーバシュートが実質的にゼロでステップ動作を行なうことができ、これによってこの位置決め装置の効率が改善されリンギングが除去される。この方法を適用した結果を図１５に示すが、巻き線ＡおよびＢの修正電流レベルによって上記の実施例に対応するステップ応答が著しく減衰していることがわかる。
【００７０】
従来の半ステップ駆動モードおよび本発明の擬似半ステップ駆動モードを使用した場合の実際のモータ／負荷の１ステップ応答がそれぞれ図１６Ａおよび１６Ｂに示されており、これは実験によるテスト時のオシロスコープによる電気回転子角対時間の表示である。この図に示されるグラフは上記で説明した注入ポンプのプランジャを作動させるために用いた潤滑した親ねじの回転に使用した３．６°ステッパモータのテストに対応している。図１６Ａにはっきりと示されているように、たとえモータに対する負荷によってもたらされる減衰動作があったとしても、従来の半ステップ駆動モードが用いられる場合は依然相当な量のオーバシュートおよびリンギングがあった。対照的に、本発明による擬似半ステップ駆動方法が用いられた場合は、図１６Ｂに示すように、モータ回転子が１ステップ分回転しても実質的にオーバシュートやリンギングがなかった。
【００７１】
本発明の好ましい実施形態に関する前記の説明では、ユニポーラステッパモータが使用されている。本発明方法に関しては適当なバイポーラモータも使用することができるので、この実施例に限定しているものではない。同様に、負荷としての親ねじ装置の使用は本発明の範囲を限定しようとするものではない。本発明の実施に当たっては、歯車減速器、ボールねじ駆動、ベルト駆動、ラックアンドピニオン駆動などを含むどのようなタイプの回転装置または直線位置決め装置でもステッパモータに接続して使用することができる。これらの位置決め装置のいずれを使用する場合でも、修正された電流レベルとステップ時間は、このステッパモータを特定の装置に結合しこの装置に接続した何らかの負荷を駆動する時の動的な１ステップ応答を評価することによって決定することができる。さらにこの駆動回路を制御するためにマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを使用する方法の別法として、プログラム設定が可能な論理装置や特定用途向けの集積回路などの他のタイプの論理装置をこの目的のために使用することができる。
【００７２】
本発明について、本発明を実施する好ましい形態およびその変更形態を参照しながら説明してきたが、通常の当業者は本特許請求の範囲内で他の多くの変更態様が可能であることを理解しよう。したがって、以上に述べた説明はなんら本発明の範囲を限定しようとするものではなく、それよりも請求項に述べたことによって範囲全体が決定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  バイポーラステッパモータで用いられる磁気回路の簡略化した図である。
【図２Ａ】  ユニポーラステッパモータの主要部品を示す簡略化した図である。
【図２Ｂ】  バイポーラステッパモータの主要部品を示す簡略化した図である。
【図３Ａ】  ユニポーラステッパモータで使用される駆動回路の概略を表わすものである。
【図３Ｂ】  バイポーラステッパモータで使用される駆動回路の概略を表わすものである。
【図４Ａ】  理想的なステッパモータのトルク対位置曲線を示すグラフである。
【図４Ｂ】  ステッパモータの変位角、負荷および保持トルクの間の関係を示すグラフである。
【図５】  ステッパモータに関連する種々の動作領域を示すグラフである。
【図６】  ステッパモータ回転子を１ステップ分移動させる場合に起こる典型的な弱減衰振動を示す、回転子角対時間のグラフである。
【図７】  本発明の例示的な応用を示す、ステッパモータを具備するカセット式注入ポンプの簡略ブロック図である。
【図８】  ステッパモータの異なる相が通電された場合にこのステッパモータの回転子に印加されるトルクを示すベクトル図である。
【図９】  ステッパモータの回転子が回転して平衡位置から離れる場合に発生する磁力の影響を示すベクトル図である。
【図１０】  ステッパモータの正規化１ステップ振幅対時間応答に対応する弱減衰振動を示すベクトル図である。
【図１１】  ステッパモータの巻き線の電流によって発生する磁力を変更する場合の影響を示すベクトル図である。
【図１２】  オーバシュートを最小にするためにステッパモータに印加すべき修正駆動電流を算出するために本発明で用いられる論理を示す流れ図である。
【図１３】  磁力ベクトルの強度を修正する場合の影響を示す正規化１ステップ位相振幅対時間応答のグラフである。
【図１４】  ユニポーラステッパモータ駆動用の例示的な制御／駆動回路の簡略ブロック図である。
【図１５】  本発明の駆動方法によって作成した改善ステップ応答を示す正規化１ステップ振幅対時間応答のグラフである。
【図１６Ａ】  従来の半ステップ駆動シーケンスを用いるステッパモータの回転子位置対時間のオシロスコープによる記録を表わす図である。
【図１６Ｂ】  本発明の駆動方法を用いるステッパモータの回転子位置対時間のオシロスコープによる記録を表わす図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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