計測自動制御学会東北支部 第 267 回研究集会 (2011.10.28)
資料番号 267-9

ステッピングモータのマイクロステップ駆動における中速域振動の抑制
Damping of Medium-Velocity-Range Oscillation in Microstep Drive of a Stepping Motor○千釜大和*，松尾健史*，三浦 武*，田島克文*，米田 真**○Hirokazu Chigama*, Kenshi Matsuo*, Takeshi Miura*, Katsubumi Tajima*, Makoto Yoneda***秋田大学, **オリエンタルモーター*Akita University, **Oriental Motor Co., Ltd．
キーワード：ステッピングモータ(stepping motor)，マイクロステップ駆動(microstep drive)，中速域振動(medium-velocity-range oscillation)

連絡先：〒010-8502 秋田県秋田市手形学園町 1-1

秋田大学大学院 工学資源学研究科

三浦 武，Tel.：(018)889-2329，Fax.：(018)837-0406，E-mail：miura@ipc.akita-u.ac.jp

り固有振動とは異なる 2)．

1. はじめに

フルステップ駆動において，この中速域
ステッピングモータは指令パルスの総振動を防ぐ手法としては，遺伝的アルゴリ数・周波数によって回転角度・回転速度をズムを用いて最適なパルス幅を導出するも制御することができるという特徴を持つ．のが提案されている 3)．

開ループでの位置制御および速度制御が可

一方，文献 4)では，各相の巻線に流れる能であり，また制御システムを低コストで励磁電流の微細な調整を行い，1 パルスあ簡易に構築できるため，コンピュータの周たりの駆動角度を細分化するマイクロステ

辺機器を始め FA(Factory Automation)機器やップ駆動においても，ステッピングモータOA(Office Automation)機器などのアクチュに供給される励磁電流の変動に応じて励磁エータとして幅広く用いられている 1)．

シーケンスの位相を操作することで，中速ステッピングモータを駆動させる際に，域振動を抑制する方法が提案されている．

固有振動数よりも高いパルス周波数領域

しかし，励磁電流の変動をフィードバック(500～1500pps)で現れる中速域振動はよくさせるメカニズムが十分解明されていない．

知られている．これはモータの構造と駆動

そこで，本研究ではステッピングモータ回路からなるシステムの作用によるもので，の回転の様子を明確に示す機械系の物理量

その周波数はパルス周波数の 1/4～1/5 となとして回転速度をフィードバックに用いる．
-1-

目標回転速度と実際の回転速度の偏差に応れる．そのとき，回転速度はシャフトにカじて励磁シーケンスの位相を操作することップリングを介して直結されたタコジェネで，マイクロステップ駆動時における中速レータによって検出され，A/D 変換器を通域振動を抑制する．

して PC へ入力される．

2. 実験システムの構成

表 1 ステッピングモータの仕様
Table 1 Specifications of the stepping motor.

本研究で用いた実験システムを図 1 に示

Rated voltage

6.0

[V]

す．使用したステッピングモータは，2 相Rated current

0.8[A]

ハイブリッド形，バイファイラ巻の PK244

Holding torque

0.26

[N・m]

-6-02B(オリエンタルモーター社製)であり，そRotor inertia

5.4×10の仕様を表 1 に示す．また，使用したタコ

Step angle

1.8[N・m・s2/rad][deg.]

ジェネレータは TS680N1E3(多摩川精機社製)であり，その発生電圧係数は 3.0 V/kmin-1

3. 制御システムである．
前述のように，本実験システムでは，モ本研究で用いた制御システムについて説ータの駆動方法としてマイクロステップ駆明する．本実験においては，一定速度でモ動を用いる．ここでは基本ステップ角を 16ータの駆動を行う．そこで用いられるマイ分割とした 0.1125deg.ごとにトルク平衡点

クロステップ駆動時の励磁電流波形を図を移動させている．

2(a)に示す．ここでは，縦軸が電流値 I，横軸が電気角  d であり，基本ステップ角を 16分割，4 ステップで一周期 64 分割とした．

Personal computer

また，通常のマイクロステップ駆動時の回D/A converter

転速度  の時間変化の例を図 2(b)に示す．

A/D converter

図中で，  r は目標回転速度，  e は偏差Drive circuit

Low pass filter

Stepping Motor

Tachogenerator(  e =  r   )を表している．図 2(c)には，駆動中の励磁電流の電気角の位相  d の時間変化を示す．
図 2(c)中の  d は，本制御システムにお図 1 実験システム
Fig. 1

いて新たに加えられる操作量である．そのExperimental system.

値を得る手段を以下に示す．例えば，図 2(a)パーソナルコンピュータ(PC)から各相のの第 23 ステップ目を励磁している場合を励磁電流の指令値が D/A 変換器を介して電考える．このとき，図 2(b)のように回転速流制御形駆動回路に送られる．この指令値度が目標速度  r より偏差  e だけ速くなっに従って，電源からステッピングモータのているときには励磁電流の位相を遅らせな各相に励磁電流が流され，モータが駆動さければならない（図中の矢印方向）．一方で，-2-

回転速度が目標値より遅いときは位相を進

64steps
16steps

IAめなければならない（図中の矢印と逆方向）
．

AB

B

これを実現するために，マイクロステップ

A

駆動時の電気角の位相を操作する量である

3

21


2 23rd step0 d の値を(1)式のように与える．
 d  K pe

d2

(1)

ここで，p は比例ゲインである．この値を決定するにあたり，0 よりわずかずつ増加(a) Waveform of exciting current

させながら試行錯誤的に調整した．



これより，新たに与えられたこの時刻に

er

おける電気角  d ' は次式のようになる．

t d '   d   d23rd step(2)この制御則を図 3 に示す制御システムに実装している．

(b) Example of rotor speed

4. 実験

dAdjustment of electrical angle
at the 23rd step2

4. 1 負荷条件と回転速度

 d

モータの振動特性には回転軸の慣性モー0t

メントの変化が大きな影響を与えることはよく知られている．よって，ここでは，慣(c) Temporal variation of electrical angle

性負荷を用いて，慣性モーメントの増加にr :目標回転速度

e : 偏差(e  r   )よるステッピングモータの振動の変化を見：実際の回転速度

 d ': 操作量(位相)る．
本実験では表 2 に示す load1~load4 の 4 種

図 2 回転速度と励磁電流波形の関係

類の負荷を用いる．また，ステッピングモ

Fig.2ータの負荷ごとの中速域振動の様子を見る

Relationship between the rotor speed

ために，図 1 に示す実験システムにより，and the waveform of exciting current.

中速域振動の現れる 600pps～900pps の回転

r

e+

Phase controller-d 'Stepping
Motor

速度の振幅を確認する．ここで，pps 値はフ

ルステップ駆動に換算した場合の値であり，以下においても同様である．

図 3 制御システム
Fig.3

Control system.
-3-表 2 負荷の慣性モーメント4.2 実験結果

Table 2 Moment of inertia of loads.
Loadload of inertia [N･m･s2/rad]

前章の手法を用いてステッピングモータ

no load0.0を駆動し，その効果を検証した．表 1 の各

load1

20.0×10-6

負荷条件に対応する実験結果を図 4(a)～(e)load2

30.0×10-6のそれぞれに示す．ここでは，点線が通常

load3

35.0×10-6のマイクロステップ駆動の場合，実線が提

load4-6

40.0×10

案手法を用いた場合を示す．

60

Amplitude of rotor speed [min-1]

Amplitude of rotor speed [min-1]

conventional method
present method
50403020100600

620

640

660

60
50403020100800

rotor speed [pps]

Amplitude of rotor speed [min-1]

50
40302010780

800

820

840

60
50403020100760

780

800

rotor speed [pps]rotor speed [pps](c) load2(d) load3
6050403020
100760780

800820840

rotor speed [pps](e) load4
図 4 回転速度の振幅の比較
Fig. 4840(b) load1

60

Amplitude of rotor speed [min-1]

Amplitude of rotor speed [min-1](a) no load

0820

rotor speed [pps]Comparison of the amplitude of rotor speed.
-4-820860図 4(a)の無負荷の場合の速度－振動特性

conventional method
present method

を見ると，振幅が最大値を示す速度におい220て最も振動が抑制できていることがわかる．

210

rotor speed [min-1]

一方，負荷を取り付けた場合を見ると，図4(d)の load3 の場合以外は，振幅が最大値を示す速度付近では振動がそれほど抑制されなかった．
他方で，図 4(b)の load1 の場合には，振幅200190
180170が最大値となる速度より 20pps 遅い速度に550

おいて，また(c)の load2 の場合には 20pps

560

570

580590600590600590

600

time [ms]速い速度，(d)の load2 では 40pps 速い速度(a) 620pps

においてそれぞれ振動抑制の効果が表れている．

220

上記に示した速度領域近辺における提案

210

rotor speed [min-1]

手法の効果を検討する．
無負荷の場合の回転速度の時間変化を図5 に，load1 を取り付けた場合を図 6 に，load4 の場合を図 7 に示す．
無負荷時において振動抑制の効果が最も200190180170

顕著に現れた速度に対応する図 5(b)を見る

550

560570580と，振動抑制が十分でない時間領域も見らtime [ms]れるが，全体としては比較的良好な効果が(b) 631pps得られていることがわかる．回転速度が高い(c)の場合は，提案手法を適用しない場合220の振幅がそもそも小さく，提案手法を適用

210

rotor speed [min-1]

しても特に振動は悪化しなかった．
load1 を取り付けたときに振動抑制の効果が最も現れた図 6(b)の場合はばらつきなく振動が抑制されている．また，(a)と(b)においては効果が見られなかった．このこと

200
190
180170から，効果のある速度範囲は比較的狭いと550考えられる．

560

570

580

time [ms]load4 を取り付けたときに最も効果が高(c) 640pps

かった図 7(b)の場合は，複数の周波数で振動が現れているが，提案手法を適用するこ

図 5 回転速度の時間変化(無負荷)とで低い側の周波数の振動を抑制できていFig.5 Temporal variation of rotor speed (no load).
-5-260

300

250

280

rotor speed [min-1]

rotor speed [min-1]

conventional method
present method

240

230

260

240

220

220

550

conventional method
present method

560

570

580

590

550

600

560

260

300

250

280

240

230

560

570

600

590

600

590

600

260

240

580

590

600

550

560

570

580

time [ms]time [ms](b) 800pps(b) 834pps

260

300

250

280

rotor speed [min-1]

rotor speed [min-1]

590

220

220

240

230

260

240

220

220

550

580

(a) 825pps

rotor speed [min-1]

rotor speed [min-1](a) 790pps

550

570

time [ms]time [ms]560

570580590

600

550560570

580

time [ms]time [ms](c) 810pps(c) 845pps

図 6 回転速度の時間変化(load1)

図 7 回転速度の時間変化(load4)

Fig.6 Temporal variation of rotor speed (load1).

Fig.7 Temporal variation of rotor speed (load4).
-6-

る．一方で，(a)，(b)の両者とも，図 5(c)の4)

オリエンタルモーター株式会社，山本

場合と同様にそもそも振動が小さく，また昭泰，長澤洋文：ステッピングモータ提案手法の適用によってその特性も悪化し駆動装置，特開平 10-337096 (1998)ていない．
上記の結果より，現段階では振動抑制の効果が見られる速度領域がある程度限定されていることがわかる．その領域を拡大するための改善を行うことが今後の課題として挙げられる．
5. おわりに本研究では，ステッピングモータのマイクロステップ駆動において発生する中速域振動を抑制するために，回転速度の偏差に応じて励磁シーケンスの位相を操作する制御システムの効果を検討した．
上記の手法によりある程度の効果は見られたが，適用できる速度領域が十分でないことも示された．その改善が今後の課題である．
参考文献

1)

百目鬼英雄：ステッピングモータの使い方，7/13，工業調査会 (1993)

2)

見城尚志，菅原晟：ステッピングモータとマイコン制御，123/127，総合電子出版社 (1994)
3)

T. Miura, A. Tazaki, H. Kurita, Y. Akiyama
and T. Taniguchi：Open-Loop Control of a
Stepping Motor with Switching Sequence
tuned by Genetic Algorithm, SMIC’99
TOKYO Small Motor & Servo Motors
International Conference, C1-1,199/202(1999)-7-