モータ駆動装置及びモータの駆動制御方法
【課題】安価な回路構成で一般的な制御方法による起動を行うとともに、エラー発生時には適切なリカバリー動作を実現する。
【解決手段】モータの駆動開始時には、第１の駆動手段によってモータを駆動した後、第２の駆動手段によってモータを駆動するように、第１の駆動手段と第２の駆動手段とを切り替える制御手段と、を有し、第１の駆動手段は、所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、判定手段が検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数でモータを駆動し、第２の駆動手段は、所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、判定手段が検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、所定の加速度よりも低い加速度でモータを駆動する。
【解決手段】モータの駆動開始時には、第１の駆動手段によってモータを駆動した後、第２の駆動手段によってモータを駆動するように、第１の駆動手段と第２の駆動手段とを切り替える制御手段と、を有し、第１の駆動手段は、所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、判定手段が検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数でモータを駆動し、第２の駆動手段は、所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、判定手段が検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、所定の加速度よりも低い加速度でモータを駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータ駆動装置及びモータの駆動制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータを起動するときは先ず決められた駆動周波数に同期させて駆動制御を行うオープンループ制御を行った後、回転子の回転位相を検出する検出センサからの検出信号を元に駆動制御を行うフィードバック制御に切り替える。この際、モータの外乱など何らかの要因により回転ムラが生じるとオープンループ制御からフィードバック制御への切り替えがスムーズに行われないという問題が発生する。そこで、このような問題を解決するために特許文献１のようなブラシレスモータの制御装置が開示されている。このブラシレスモータの制御装置では、オープンループ制御である同期モード運転のための駆動信号とフィードバック制御である位相検出モード運転のための駆動信号との位相を比較回路で比較し、その位相差がほぼ零になったときに同期モード運転から位相検出モード運転に移行する。そして、同期モード運転時に制御部からの駆動信号に位相検出回路からの位相検出信号の情報を加味し、この駆動信号と位相検出モード運転のための駆動信号との位相差を比較回路で比較し、その位相差が小さくなるようしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−８７７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１に開示された従来技術では、同期モード運転時の駆動信号と位相検出モード運転のための駆動信号とを比較し、その差が小さくなる様に同期モード運転を制御しているので、比較回路追加によるコスト増大を招いてしまう。また、起動時の同期モード運転時にその切り替えタイミングも変化させることが必要になるため、制御が複雑化してしまうという問題点も発生する。更に、同期運転モードにも関わらず、位相検出モード運転に同期するように駆動すること自体が、既に位置検出運転モードと同じ制御を行うことになっている。そのため、一般的な制御方法である一定速度の同期運転から位置フィードバック運転に切り替える切り替え制御の概念から逸脱する制御となり、速度変動の影響を受けて脱調を起こすなどの問題が発生しやすくなる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、安価な回路構成にて一般的な制御方法による起動を行うととともに、エラー発生時には適切なリカバリー動作を実現することができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の一側面としてのモータ駆動装置は、ロータマグネットと前記ロータマグネットの回転位置を検出する検出器を備えたモータと、前記検出器からの出力が所定の範囲内であるか否かを判定する判定手段と、前記モータをオープンループ制御により駆動する第１の駆動手段と、前記モータをフィードバック制御により駆動する第２の駆動手段と、前記モータの駆動開始時には、前記第１の駆動手段によって前記モータを駆動した後、前記第２の駆動手段によって前記モータを駆動するように、前記第１の駆動手段と前記第２の駆動手段とを切り替える制御手段と、を有し、前記第１の駆動手段は、所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数で前記モータを駆動し、前記第２の駆動手段は、所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の加速度よりも低い加速度で前記モータを駆動することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の他の側面としてのモータの駆動制御方法は、駆動時にオープンループ制御を行った後、フィードバック制御を行うモータの駆動制御方法であって、前記モータをオープンループ制御により駆動する第１の駆動ステップと、所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、ロータマグネットの回転位置を検出する検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数で前記モータを駆動するステップと、オープンループ制御とフィードバック制御とを切り替える制御ステップと、前記モータをフィードバック制御により駆動する第２の駆動ステップと、所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、前記検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の加速度よりも低い加速度で前記モータを駆動するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、安価な回路構成で一般的な制御方法による起動を行うとともに、エラー発生時には適切なリカバリー動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例に用いられるステッピングモータの分解斜視図である。
【図２】本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】ヨークと位置センサとロータの位相関係を示す軸方向断面図である。
【図４】ロータの回転位置とモータトルクとの関係及びロータ位置と位置センサの出力の関係を示す図である。
【図５】進角回路の構成を示す回路図である。
【図６】フィードバック駆動の動作を示す軸方向断面図である。
【図７】進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合のロータの回転角度とモータトルクおよび各信号の出力との関係を示す図である。
【図８】進角を変えたときのトルクと回転数の関係を示す図である。
【図９】モータを起動するときの様子を示す速度線図である。
【図１０】本発明の起動時のフローチャートである。
【図１１】本発明のモータ制御装置を用いた撮像装置の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に用いられるステッピングモータ１０１の分解斜視図である。
【００１１】
まず、ステッピングモータ１０１の部品構成について説明する。ロータ２０２は、ロータマグネット２０２ａとシャフト部２０２ｂを有する。第１の軸受４０３と第２の軸受４０４は、それぞれシャフト部２０２ｂを軸支する。第１のコイル２０３は、非導電部材で形成されたボビン４０１に巻かれている。第２のコイル２０４は、非導電部材で形成されたボビン４０２に巻かれている。第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６は、電磁鋼板等で形成されている。リング部材４０５は、第１のヨーク２０５、第２のヨーク２０６、ボビン４０１およびボビン４０２をそれぞれ位置決めする。フレキシブルプリント基板４０６は、第１のコイル２０３と第２のコイル２０４と電気的に接続される。フレキシブルプリント基板４０６には、ロータマグネット２０２ａの回転位置検出器である第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８がロータの周方向に実装されている。なお、ロータマグネット２０２ａは、外周が多極着磁された円筒形状の永久磁石である。角度位置に対し、径方向の磁力の強さが正弦波状に変化する着磁パターンを有する。
【００１２】
次に、各部品の相関について説明する。ロータ２０２は、長軸側が第１の軸受４０３に、短軸側が第２の軸受４０４により軸支されている。第１の軸受４０３は、ボビン４０１に設けられた穴部（第１のコイル２０３の内径部）４０１ａに挿通される。第２の軸受４０４は、ボビン４０２に設けられた穴部（第２のコイル２０４の内径部）４０２ａに挿通される。第１の軸受４０３の外径部は、第１のヨーク２０５の穴部２０５ａに圧入により固定される。第２の軸受４０４の外径部は、第２のヨーク２０６の穴部２０６ａに圧入により固定される。その際、第１のヨーク２０５の歯部２０５ｂは、ボビン４０１に設けられた穴部４０１ｂに挿通される。第２のヨーク２０６の歯部２０６ｂは、ボビン４０２に設けられた穴部４０２ｂに挿通される。
【００１３】
以上によりボビン（コイル含む）４０１と第１のヨーク２０５と第１の軸受４０３は、一体となる。同様に、ボビン（コイル含む）４０２と第２のヨーク２０６と第２の軸受４０４は、一体となる。そして、ボビンの内径部４０１ｃ、４０２ｃをリング部材４０５の外径部４０５ａにそれぞれ嵌合させる。このときに第１のヨーク２０５の歯部２０５ｂおよび第２のヨーク２０６の歯部２０６ｂの先端付近がロータ２０２のマグネット面に対向するように配置される。
【００１４】
図２は、本実施形態のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。位置センサ信号処理回路（判定手段）３０１は、前述のステッピングモータ１０１と、ステッピングモータ１０１に含まれる第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力を処理する。位置センサ信号処理回路３０１からの出力は、制御部３０２およびフィードバック駆動回路（第２の駆動手段）３０３に入力される。制御部３０２は、フィードバック制御による駆動、オープンループ制御による駆動のいずれかを選択して、駆動パルス数と回転方向を出力する制御手段として機能する。フィードバック駆動回路３０３は、制御部３０２により選択され、ステッピングモータ１０１の駆動信号を生成するフィードバック駆動手段として機能する。オープンループ駆動回路（第１の駆動手段）３０４は、制御部３０２により選択され、ステッピングモータ１０１の駆動信号を生成するオープンループ駆動手段として機能する。フィードバック駆動回路３０３から出力される駆動パルスおよびオープンループ駆動回路３０４から出力される駆動パルスは、モータドライバ３０５を介してステッピングモータ１０１に供給される。
【００１５】
次に、ステッピングモータ１０１のオープンループ制御による駆動（以下、オープンループ駆動という）について説明する。
【００１６】
制御部３０２がオープンループ駆動を選択すると、制御部３０２はオープンループ駆動回路３０４に駆動パルス数と回転方向を出力する。オープンループ駆動回路３０４は、入力された駆動パルス数と回転方向にしたがって、予め設定される時間間隔の駆動パルスをモータドライバ３０５に出力する。モータドライバ３０５は、予め設定される時間間隔の駆動パルスにしたがって、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを順次切り替える。オープンループ駆動では、オープンループ駆動回路３０４が出力する駆動パルスの時間間隔を変更することによって、ロータ２０２の回転速度を変更することが可能である。また、オープンループ駆動回路３０４は、制御部３０２から入力された駆動パルス数だけ駆動パルスを出力するので、ロータ２０２の回転量を制御することが可能である。
【００１７】
オープンループ駆動では、予め設定される時間間隔で第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを切り替える。
【００１８】
オープンループ駆動の際に、駆動パルスの時間間隔を短くしていくと、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンの切り替えに対してロータが応答できなくなり、脱調をおこす可能性がある。このため、オープンループ駆動における高速駆動は、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンの切り替えに対してロータが応答できる範囲内となる。
【００１９】
次に、ステッピングモータ１０１のフィードバック制御による駆動（以下、フィードバック駆動という）について説明する。
【００２０】
制御部３０２がフィードバック駆動を選択すると、制御部３０２はフィードバック駆動回路３０３に駆動パルス数と回転方向を出力する。フィードバック駆動回路３０３は、入力された駆動パルス数と回転方向にしたがって、所定の時間間隔の駆動パルスをモータドライバ３０５に出力する。フィードバック駆動回路３０３から出力される駆動パルスの時間間隔は、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力によって変化する。モータドライバ３０５は、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力によって変化する時間間隔の駆動パルスにしたがって、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを順次切り替える。フィードバック駆動では、フィードバック駆動回路３０３は、制御部３０２から入力された駆動パルス数だけ駆動パルスを出力するので、ロータ２０２の回転量を制御することが可能である。また、フィードバック駆動回路３０３は進角回路を含み、進角回路は、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力から進角信号を生成する。フィードバック駆動回路３０３は進角量を制御することで、ステッピングモータ１０１のトルク−回転数特性を変化させることが可能となる。進角制御については後述する。
【００２１】
フィードバック駆動では、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力によって変化する時間間隔で第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを切り替える。ロータ２０２の位置に応じて、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンの切り替えを行うため、ロータ２０２の応答遅れによる脱調の発生を低減でき、オープンループ駆動よりも高速駆動が可能になる。
【００２２】
次に、ステッピングモータ１０１におけるヨークと位置センサの位相関係について説明する。
【００２３】
図３は、ヨークと位置センサとロータの位相関係を示す軸方向断面図である。図中で時計回りを正の方向とする。２０５ｂ１〜ｂ４は第１のヨーク２０５の磁極歯、２０６ｂ１〜ｂ４は第２のヨーク２０６の磁極歯である。本実施例では、マグネットの極数は８極、着磁角Ｐは４５°である。また、第１のヨークを基準とすると、第２のヨークの位相Ｐ／２は−２２．５°、第１の位置センサ２０７の位相β１は＋２２．５°、第２の位置センサ２０８の位相β２は−４５°である。
【００２４】
以下の説明では、電気角を用いてモータの動作を説明する。電気角とは、マグネット磁力の１周期を３６０°として表したものであり、ロータの極数をＭ、実際の角度をθ０とすると、電気角θは以下の式で表せる。
【００２５】
θ＝θ０×Ｍ／２ （式１−１）
第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６の位相差、第１の位置センサ２０７と第２の位置センサ２０８の位相差、第１のヨーク２０５と第１の位置センサ２０７の位相差は全て電気角で９０°である。なお、図３において、第１のヨークの磁極歯の中心とロータマグネット２０２ａのＮ極中心が対向している。この状態をロータの初期状態とし、電気角０°とする。
（ロータ位置とモータトルクの関係、ロータ位置とセンサ出力の関係）
ここで、ステッピングモータ１０１におけるロータ位置とモータトルクとの関係、ロータ位置とセンサ出力の関係について説明する。
【００２６】
図４は、ロータの回転位置とモータトルクとの関係、ロータの回転位置と位置検出センサ出力との関係を示すグラフである。
【００２７】
図４（ａ）は、ロータの回転角度とモータトルクの関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸はモータトルクを示す。モータトルクは、ロータを時計回りに回転させるトルクを正とする。
【００２８】
第１のコイル２０３に正方向の電流を流すと、第１のヨーク２０５がＮ極に磁化し、ロータマグネット２０２ａの磁極との間に電磁気力が発生する。また、第２のコイル２０４に正方向の電流を流すと、第２のヨーク２０６がＮ極に磁化し、マグネットの磁極との間に電磁気力が発生する。２つの電磁気力を合成すると、ロータ２０２の回転にともなって概略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ＋）。他の通電状態においても、同様に、概略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ−、Ａ−Ｂ−、Ａ−Ｂ＋）。また、第１のヨーク２０５は第２のヨーク２０６に対して電気角で９０°の位相をもって配置されるため、４つのトルクは互いに電気角で９０°の位相差を持っている。
【００２９】
図４（ｂ）は、ロータの回転角度と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。
【００３０】
ロータマグネット２０２ａの径方向磁力の強さは、電気角に対しておおよそ正弦波状になるように着磁している。そのため、第１の位置センサ２０７からは概略正弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ａ）。なお、本実施例では、第１の位置センサ２０７は、ロータマグネット２０２ａのＮ極と対向するときに正の値を出力する。
【００３１】
また、第２の位置センサ２０８は第１の位置センサ２０７に対して電気角で９０°の位相をもって配置されるため、第２の位置センサ２０８からは余弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ｂ）。なお、本実施例では、第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して極性を反転してあるため、ロータマグネット２０２ａのＳ極と対向するときに正の値を出力する。
【００３２】
フィードバック駆動回路３０３に含まれる進角回路は、位置センサ信号処理回路３０１にて処理された、第１の位置センサ２０７の出力と第２の位置センサ２０８の出力をもとに所定の演算を行う。そして、進角回路によって第１の進角信号と第２の進角信号を出力する。以下、進角信号の演算方法について述べる。
【００３３】
電気角θ、第１の位置センサ２０７の出力をＨＥ１、第２の位置センサ２０８の出力をＨＥ２とすると、各信号は次のように表される。
【００３４】
ＨＥ１＝ｓｉｎθ、ＨＥ２＝ｃｏｓθ （式２−１）
また、ＨＥ１を進角αだけ進めた第１の進角信号をＰＳ１、ＨＥ２を進角αだけ進めた第２の進角信号をＰＳ２とすると、ＨＥ１、ＨＥ２、αを用いて、次のように演算することが可能である。
【００３５】
ＰＳ１＝ｓｉｎ（θ＋α）＝ＨＥ１×ｃｏｓα＋ＨＥ２×ｓｉｎα （式３−１）
ＰＳ２＝ｃｏｓ（θ＋α）＝ＨＥ２×ｃｏｓα−ＨＥ１×ｓｉｎα （式３−２）
本実施例ではこの演算式をもとに進角回路を構成する。
【００３６】
図５は、進角回路の構成を示す回路図である。本実施例における進角回路を、例えば図５に示すようなアナログ回路で構成することで上記の演算が実現可能である。まず、各位置センサ出力を所定の増幅率Ａだけ増幅した信号と、さらにそれらを反転させた信号を生成する。それらに適切な抵抗値Ｒ１、Ｒ２をかけて加算することにより、進角信号を生成する。第１の進角信号ＰＳ１、第２の進角信号ＰＳ２は次のように表される。
【００３７】
ＰＳ１＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｓｉｎθ＋Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｃｏｓθ （式４−１）
ＰＳ２＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｃｏｓθ−Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｓｉｎθ （式４−２）
回路中の可変抵抗Ｒ、Ｒ１、Ｒ２を次のように選ぶことで、任意の進角αだけ進めた進角信号を生成することができる。
【００３８】
Ｒ／Ｒ１＝ｃｏｓα、Ｒ／Ｒ２＝ｓｉｎα （式５−１）
さらに、第１の進角信号ＰＳ１、第２の進角信号ＰＳ２に対してコンパレータを用いて２値化した２値化信号を出力する。
【００３９】
以上に説明した進角信号の生成方法は、本発明を実現するための一例であり、この方法のみに限定されない。上記の演算を行うデジタル回路によって進角信号を生成してもよいし、高分解能のエンコーダを用いて通電を切り替えるパルス間隔を調整することで進角信号を生成してもよい。これら周知の方法を用いても上記進角信号の生成方法と同様の効果が得られる。
【００４０】
ここで、フィードバック駆動における通電切り替えについて説明する。まず、進角回路から出力される進角信号が有する進角がゼロの場合についてフィードバック駆動の動作を説明する。
【００４１】
図４（ｂ）において、位置センサ信号Ａ、Ｂは、それぞれ第１及び第２の位置センサ２０７、２０８の出力である。２値化信号Ａ、Ｂは、位置センサ信号Ａ、Ｂに対し、コンパレータを用いて２値化を行った信号である。
【００４２】
フィードバック駆動では、２値化信号Ａをもとに第１のコイル２０３の通電を切り替え、２値化信号Ｂをもとに第２のコイル２０４の通電を切り替える。すなわち、２値化信号Ａが正の値を示すとき第１のコイル２０３に正方向の電流を流し、負の値を示すとき第１のコイル２０３に逆方向の電流を流す。また、２値化信号Ｂが正の値を示すとき第２のコイル２０４に正方向の電流を流し、負の値を示すとき第２のコイル２０４に逆方向の電流を流す。
【００４３】
図６は、フィードバック駆動の動作を示す軸方向断面図である。
【００４４】
図６（ａ）は、ロータが電気角で１３５°回転した状態を示している。位置センサ信号Ａ、Ｂは図４（ｂ）の（Ａ）で示した値を示しており、２値化信号Ａは正、２値化信号Ｂは負の値を示している。従って、第１のコイル２０３には正方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＮ極に磁化し、第２のコイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ＋Ｂ−に対応する時計回りのトルクがはたらき、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
【００４５】
図６（ｂ）は、ロータ２０２が電気角で１８０°回転した状態を示している。第１の位置センサ２０７はロータマグネット２０２ａのＮ極とＳ極の境界に位置する。そのため、電気角１８０°を境に２値化信号Ａは正の値から負の値に切り換わり、第１のコイル２０３の通電方向が正方向から逆方向へ切り換わる。この電気角は、トルク曲線Ａ＋Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ−との交点の電気角と一致する。
【００４６】
図６（ｂ’）は、ロータが電気角で１８０°回転し、第１のコイル２０３の通電方向が切り換わった状態を示している。第１のコイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクがはたらき、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
【００４７】
図６（ｃ）はロータ２０２が電気角で２２５°回転した状態を示している。各進角信号は図４（ｂ）の（Ｃ）で示した値を示しており、２値化信号Ａ、Ｂはともに負の値を示している。従って、第１のコイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクがはたらき、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
【００４８】
図６（ｄ）はロータ２０２が電気角で２７０°回転した状態を示している。第２の位置センサ２０８はロータマグネット２０２ａのＮ極とＳ極の境界に位置する。そのため、電気角２７０°を境に２値化信号Ｂは負の値から正の値に切り換わり、第２のコイル２０４の通電方向が逆方向から正方向へ切り換わる。この電気角は、トルク曲線Ａ−Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ＋との交点の電気角と一致する。
【００４９】
図６（ｄ’）はロータが電気角で２７０°回転し、第２のコイル２０４の通電方向が切り換わった状態を示している。第１のコイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には正方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＮ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ＋に対応する時計回りのトルクがはたらき、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
【００５０】
以上の動作を繰り返すことで、ロータ２０２を連続的に回転させることが可能となる。また、２値化信号Ａまたは２値化信号Ｂの正負を反転させれば、逆回転も可能である。
【００５１】
次に、進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合についてフィードバック駆動の動作を説明する。
【００５２】
図７は、進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合のロータの回転角度とモータトルクおよび各信号の出力との関係を示すグラフである。
【００５３】
図７（ｂ）は、ロータの回転角度と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。図７（ｂ）において、センサ信号Ａ、Ｂに対して進角信号Ａ、Ｂがそれぞれ所定の進角αだけ進んでいる。また、進角信号をもとに生成された２値化信号Ａ、Ｂもそれぞれセンサ信号Ａ、Ｂに対して進角αだけ進んでいる。フィードバック駆動では、２値化信号Ａをもとに第１のコイルの通電を切り替え、２値化信号Ｂをもとに第２のコイルの通電を切り替えるため、コイルの通電切り替えタイミングは進角がゼロのときに比べて進角αだけ早いことになる。
【００５４】
図８は、進角を変えたときのトルクと回転数の関係を示すグラフである。横軸はモータのトルクを、縦軸はモータの回転数を示す。
【００５５】
グラフから、進角αによってトルクと回転数の関係が変化する性質がわかる。この性質を用いて、フィードバック駆動では駆動条件によって進角αを変える進角制御を行っている。一定の負荷条件下でフィードバック駆動を行う場合、進角αを制御することで駆動速度を制御することも可能である。
【００５６】
上述したオープンループ駆動とフィードバック駆動とを組み合わせて制御することによって、通常のステップモータと同等の精度で目標位置に停止可能であるとともに、通常のステップモータに比べ、より高速に目標位置に到達可能となる。そして、オープンループ駆動時若しくはフィードバック駆動における加速制御時に外乱負荷の影響を受けて脱調エラーを起こしたときには、以下のような制御を行うことでより確実な起動を行うことが可能となる。
【００５７】
図９は、ステッピングモータ１０１が起動するときの様子を示す速度線図であり、横軸が時間、縦軸が速度である。通常の起動に際しては、最初に予め決められた速度Ｖ１までオープンループ駆動により加速駆動された後に時刻ｔ１（Ｐ１ポイント）において、フィードバック駆動に切り替えが行われる。その後、フィードバック駆動により速度Ｖ２まで加速された後、時刻ｔ２に於いて定速駆動に入る。
【００５８】
図９（ａ）において、フィードバック駆動途中の時間ｔ４（速度Ｖ３）において何らかの要因によりモータの同期が取れなくなり、９０１に示すような速度カーブで脱調停止したとする。このとき、モータ１０１には前述の通り二つの位置センサ２０７、２０８が備えられているので、モータが何らかの要因で起動途中に脱調停止したことが判別可能である。このとき、時間ｔ４（速度Ｖ３）において異常が発生したことから、フィードバック駆動による加速途中にエラー停止したことも判別できる。
【００５９】
モータの再起動において、まず前回の起動ではオープンループ駆動からフィードバック駆動切り替えまでに異常は発生していないので、オープンループ駆動自体は前回と同じく時刻ｔ１において速度Ｖ１になる様にオープンループ駆動による加速を行う。その後、フィードバック駆動による加速においては、前回の加速度よりも低い加速度になる様にフィードバック駆動における加速駆動を行う。具体的には図９（ａ）の９０２に示すように時刻ｔ１からｔ３までの間に速度Ｖ１からＶ２となる様に前回よりも低加速の起動を行うものである。このように低加速度によるフィードバック駆動における加速駆動を行うことで脱調エラーを回避したフィードバック駆動を行うことが可能となる。
【００６０】
次に、図９（ｂ）において、オープンループ駆動による加速途中の時間ｔ５（速度Ｖ４）において何らかの要因によりモータの同期が取れなくなり、９０３に示すような速度カーブに沿って回転が停止したとする。このときも前述と同じく二つの位置センサ２０７、２０８により、モータが何らかの要因で起動途中に脱調停止したことが判別可能である。このとき、時間ｔ５（速度Ｖ４）において不具合が発生したことから、オープンループ駆動による加速途中にエラーが発生したことも判別可能である。したがって、モータを再起動させる場合には、通常のオープンループ駆動からフィードバック駆動への切り替え点Ｐ１よりも回転数の低い切り替え点Ｐ２（時刻ｔ１、速度Ｖ５）を設定する。このとき、図９（ｂ）においては加速度が前回と同じ加速度で制御しているが、この加速度が低くなる様に制御しても良い。言い換えると速度Ｖ５に到達する時間をｔ１よりも長くなる様に、すなわちグラフの傾きが少なくなるように、ゆっくり加速することも可能である。そしてオープンループ駆動により速度Ｖ５に確実に同期させた後、切り替え点Ｐ２でフィードバック駆動に切り替えて加速駆動を行う。
【００６１】
このとき、フィードバック駆動の加速度を通常より低くなる様に設定してより確実に加速制御することも可能である。このような再起動制御を行うことで、図９（ｂ）の９０４に示すような速度曲線にしたがって再起動を行い、エラーを回避したオープンループ駆動からフィードバック駆動への切り替え及びフィードバック駆動による加速駆動を行うことが出来る。
【００６２】
図１０は、上述の駆動制御内容をフローに示した起動フローチャートである。
フローに沿って再度起動制御に関して簡単に説明を行う。まずメインの起動フローはＳ１０１において、起動サブルーチンが開始されると、Ｓ１０２においてステップ駆動であるオープンループ駆動による加速が行われる。このとき脱調エラー判別を二つの位置センサ２０７、２０８からの検出信号で行う。具体的には、正転及び逆転において時系列で検出されるべき信号は決まっているので、この検出されるべき信号の順番や、駆動周期に対する検出信号の値の食い違いを監視し脱調及び停止判別を行う。このとき、検出信号が所定の範囲内であれば問題が無く、予め決められたフィードバック駆動への切り替え周波数に達するとＳ１０４でフィードバック駆動に切り替えられてフィードバック駆動による加速駆動が行われる。そしてフィードバック駆動時にも前述と同じく検出信号が所定の範囲内であるか否かをＳ１０５で行った後問題が無ければ、Ｓ１０６において起動制御ルーチンから抜け出す。
【００６３】
次に、エラー発生時の制御に関して説明する。オープンループ駆動による加速中Ｓ１０３において検出信号が所定の範囲外であるとして回転異常が検出されると、Ｓ２０１においてエラー回数の確認が行われる。ここで予め決められた回数のエラーが発生したときには、起動制御を中止してＳ２０２においてエラーストップする。もし規定回数に達していなかったときにはＳ２０３において、オープンループ駆動周波数を前回よりも低い値にセットしてＳ１０２へ戻り再度起動を試みる。このとき図１１に示すように、たとえばデジタルカメラ１２０１などの光学機器に備え付けられた表示部１２０１ａに“ＥＲＲＯＲ”を表示させて機器の動作をストップさせる。次に、フィードバック駆動による加速駆動時にＳ１０５において検出信号が所定の範囲外であるとして異常が検出されたときには、Ｓ３０１において、前述と同じくエラー発生回数の確認が行われる。ここでも、予め決められた回数のエラーが発生したときは起動制御を中止しＳ３０２においてエラーストップする。このときも上述と同様、たとえばデジタルカメラ１２０１などの光学機器に備え付けられた表示部１２０１ａに“ＥＲＲＯＲ”を表示させて機器の動作をストップさせる。もしエラー発生回数が規定回数に達していなかったときはＳ３０３に移行してフィードバック駆動の加速度を前回よりも低く設定した後、Ｓ１０２へ戻って再起動が行われる。
【００６４】
上述したようにオープンループ駆動からフィードバック駆動による切り替え加速時に何らかの要因によりモータがエラーストップしても夫々のパラメーターを適宜変更しながら最適な起動制御を行うことが出来るので、モータの駆動信頼性を向上させることが出来る。
【００６５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、オープンループ駆動若しくはフィードバック駆動のどちらのエラーストップであっても、再起動時にはオープンループ駆動の同期速度を前回よりも下げるとともに、フィードバック駆動の加速度を前回よりも低くして駆動することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
安価で簡単な駆動制御方法により、ブラシレスモータの起動信頼性を向上させることが出来る。
【符号の説明】
【００６７】
１０１ ステッピングモータ
３０１ 位置センサ信号処理回路
３０２ 制御部
３０３ フィードバック駆動回路
３０４ オープンループ駆動回路
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータ駆動装置及びモータの駆動制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータを起動するときは先ず決められた駆動周波数に同期させて駆動制御を行うオープンループ制御を行った後、回転子の回転位相を検出する検出センサからの検出信号を元に駆動制御を行うフィードバック制御に切り替える。この際、モータの外乱など何らかの要因により回転ムラが生じるとオープンループ制御からフィードバック制御への切り替えがスムーズに行われないという問題が発生する。そこで、このような問題を解決するために特許文献１のようなブラシレスモータの制御装置が開示されている。このブラシレスモータの制御装置では、オープンループ制御である同期モード運転のための駆動信号とフィードバック制御である位相検出モード運転のための駆動信号との位相を比較回路で比較し、その位相差がほぼ零になったときに同期モード運転から位相検出モード運転に移行する。そして、同期モード運転時に制御部からの駆動信号に位相検出回路からの位相検出信号の情報を加味し、この駆動信号と位相検出モード運転のための駆動信号との位相差を比較回路で比較し、その位相差が小さくなるようしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−８７７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１に開示された従来技術では、同期モード運転時の駆動信号と位相検出モード運転のための駆動信号とを比較し、その差が小さくなる様に同期モード運転を制御しているので、比較回路追加によるコスト増大を招いてしまう。また、起動時の同期モード運転時にその切り替えタイミングも変化させることが必要になるため、制御が複雑化してしまうという問題点も発生する。更に、同期運転モードにも関わらず、位相検出モード運転に同期するように駆動すること自体が、既に位置検出運転モードと同じ制御を行うことになっている。そのため、一般的な制御方法である一定速度の同期運転から位置フィードバック運転に切り替える切り替え制御の概念から逸脱する制御となり、速度変動の影響を受けて脱調を起こすなどの問題が発生しやすくなる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、安価な回路構成にて一般的な制御方法による起動を行うととともに、エラー発生時には適切なリカバリー動作を実現することができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の一側面としてのモータ駆動装置は、ロータマグネットと前記ロータマグネットの回転位置を検出する検出器を備えたモータと、前記検出器からの出力が所定の範囲内であるか否かを判定する判定手段と、前記モータをオープンループ制御により駆動する第１の駆動手段と、前記モータをフィードバック制御により駆動する第２の駆動手段と、前記モータの駆動開始時には、前記第１の駆動手段によって前記モータを駆動した後、前記第２の駆動手段によって前記モータを駆動するように、前記第１の駆動手段と前記第２の駆動手段とを切り替える制御手段と、を有し、前記第１の駆動手段は、所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数で前記モータを駆動し、前記第２の駆動手段は、所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の加速度よりも低い加速度で前記モータを駆動することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の他の側面としてのモータの駆動制御方法は、駆動時にオープンループ制御を行った後、フィードバック制御を行うモータの駆動制御方法であって、前記モータをオープンループ制御により駆動する第１の駆動ステップと、所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、ロータマグネットの回転位置を検出する検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数で前記モータを駆動するステップと、オープンループ制御とフィードバック制御とを切り替える制御ステップと、前記モータをフィードバック制御により駆動する第２の駆動ステップと、所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、前記検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の加速度よりも低い加速度で前記モータを駆動するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、安価な回路構成で一般的な制御方法による起動を行うとともに、エラー発生時には適切なリカバリー動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例に用いられるステッピングモータの分解斜視図である。
【図２】本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】ヨークと位置センサとロータの位相関係を示す軸方向断面図である。
【図４】ロータの回転位置とモータトルクとの関係及びロータ位置と位置センサの出力の関係を示す図である。
【図５】進角回路の構成を示す回路図である。
【図６】フィードバック駆動の動作を示す軸方向断面図である。
【図７】進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合のロータの回転角度とモータトルクおよび各信号の出力との関係を示す図である。
【図８】進角を変えたときのトルクと回転数の関係を示す図である。
【図９】モータを起動するときの様子を示す速度線図である。
【図１０】本発明の起動時のフローチャートである。
【図１１】本発明のモータ制御装置を用いた撮像装置の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に用いられるステッピングモータ１０１の分解斜視図である。
【００１１】
まず、ステッピングモータ１０１の部品構成について説明する。ロータ２０２は、ロータマグネット２０２ａとシャフト部２０２ｂを有する。第１の軸受４０３と第２の軸受４０４は、それぞれシャフト部２０２ｂを軸支する。第１のコイル２０３は、非導電部材で形成されたボビン４０１に巻かれている。第２のコイル２０４は、非導電部材で形成されたボビン４０２に巻かれている。第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６は、電磁鋼板等で形成されている。リング部材４０５は、第１のヨーク２０５、第２のヨーク２０６、ボビン４０１およびボビン４０２をそれぞれ位置決めする。フレキシブルプリント基板４０６は、第１のコイル２０３と第２のコイル２０４と電気的に接続される。フレキシブルプリント基板４０６には、ロータマグネット２０２ａの回転位置検出器である第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８がロータの周方向に実装されている。なお、ロータマグネット２０２ａは、外周が多極着磁された円筒形状の永久磁石である。角度位置に対し、径方向の磁力の強さが正弦波状に変化する着磁パターンを有する。
【００１２】
次に、各部品の相関について説明する。ロータ２０２は、長軸側が第１の軸受４０３に、短軸側が第２の軸受４０４により軸支されている。第１の軸受４０３は、ボビン４０１に設けられた穴部（第１のコイル２０３の内径部）４０１ａに挿通される。第２の軸受４０４は、ボビン４０２に設けられた穴部（第２のコイル２０４の内径部）４０２ａに挿通される。第１の軸受４０３の外径部は、第１のヨーク２０５の穴部２０５ａに圧入により固定される。第２の軸受４０４の外径部は、第２のヨーク２０６の穴部２０６ａに圧入により固定される。その際、第１のヨーク２０５の歯部２０５ｂは、ボビン４０１に設けられた穴部４０１ｂに挿通される。第２のヨーク２０６の歯部２０６ｂは、ボビン４０２に設けられた穴部４０２ｂに挿通される。
【００１３】
以上によりボビン（コイル含む）４０１と第１のヨーク２０５と第１の軸受４０３は、一体となる。同様に、ボビン（コイル含む）４０２と第２のヨーク２０６と第２の軸受４０４は、一体となる。そして、ボビンの内径部４０１ｃ、４０２ｃをリング部材４０５の外径部４０５ａにそれぞれ嵌合させる。このときに第１のヨーク２０５の歯部２０５ｂおよび第２のヨーク２０６の歯部２０６ｂの先端付近がロータ２０２のマグネット面に対向するように配置される。
【００１４】
図２は、本実施形態のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。位置センサ信号処理回路（判定手段）３０１は、前述のステッピングモータ１０１と、ステッピングモータ１０１に含まれる第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力を処理する。位置センサ信号処理回路３０１からの出力は、制御部３０２およびフィードバック駆動回路（第２の駆動手段）３０３に入力される。制御部３０２は、フィードバック制御による駆動、オープンループ制御による駆動のいずれかを選択して、駆動パルス数と回転方向を出力する制御手段として機能する。フィードバック駆動回路３０３は、制御部３０２により選択され、ステッピングモータ１０１の駆動信号を生成するフィードバック駆動手段として機能する。オープンループ駆動回路（第１の駆動手段）３０４は、制御部３０２により選択され、ステッピングモータ１０１の駆動信号を生成するオープンループ駆動手段として機能する。フィードバック駆動回路３０３から出力される駆動パルスおよびオープンループ駆動回路３０４から出力される駆動パルスは、モータドライバ３０５を介してステッピングモータ１０１に供給される。
【００１５】
次に、ステッピングモータ１０１のオープンループ制御による駆動（以下、オープンループ駆動という）について説明する。
【００１６】
制御部３０２がオープンループ駆動を選択すると、制御部３０２はオープンループ駆動回路３０４に駆動パルス数と回転方向を出力する。オープンループ駆動回路３０４は、入力された駆動パルス数と回転方向にしたがって、予め設定される時間間隔の駆動パルスをモータドライバ３０５に出力する。モータドライバ３０５は、予め設定される時間間隔の駆動パルスにしたがって、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを順次切り替える。オープンループ駆動では、オープンループ駆動回路３０４が出力する駆動パルスの時間間隔を変更することによって、ロータ２０２の回転速度を変更することが可能である。また、オープンループ駆動回路３０４は、制御部３０２から入力された駆動パルス数だけ駆動パルスを出力するので、ロータ２０２の回転量を制御することが可能である。
【００１７】
オープンループ駆動では、予め設定される時間間隔で第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを切り替える。
【００１８】
オープンループ駆動の際に、駆動パルスの時間間隔を短くしていくと、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンの切り替えに対してロータが応答できなくなり、脱調をおこす可能性がある。このため、オープンループ駆動における高速駆動は、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンの切り替えに対してロータが応答できる範囲内となる。
【００１９】
次に、ステッピングモータ１０１のフィードバック制御による駆動（以下、フィードバック駆動という）について説明する。
【００２０】
制御部３０２がフィードバック駆動を選択すると、制御部３０２はフィードバック駆動回路３０３に駆動パルス数と回転方向を出力する。フィードバック駆動回路３０３は、入力された駆動パルス数と回転方向にしたがって、所定の時間間隔の駆動パルスをモータドライバ３０５に出力する。フィードバック駆動回路３０３から出力される駆動パルスの時間間隔は、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力によって変化する。モータドライバ３０５は、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力によって変化する時間間隔の駆動パルスにしたがって、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを順次切り替える。フィードバック駆動では、フィードバック駆動回路３０３は、制御部３０２から入力された駆動パルス数だけ駆動パルスを出力するので、ロータ２０２の回転量を制御することが可能である。また、フィードバック駆動回路３０３は進角回路を含み、進角回路は、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力から進角信号を生成する。フィードバック駆動回路３０３は進角量を制御することで、ステッピングモータ１０１のトルク−回転数特性を変化させることが可能となる。進角制御については後述する。
【００２１】
フィードバック駆動では、第１の位置センサ２０７および第２の位置センサ２０８の出力によって変化する時間間隔で第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンを切り替える。ロータ２０２の位置に応じて、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４の通電パターンの切り替えを行うため、ロータ２０２の応答遅れによる脱調の発生を低減でき、オープンループ駆動よりも高速駆動が可能になる。
【００２２】
次に、ステッピングモータ１０１におけるヨークと位置センサの位相関係について説明する。
【００２３】
図３は、ヨークと位置センサとロータの位相関係を示す軸方向断面図である。図中で時計回りを正の方向とする。２０５ｂ１〜ｂ４は第１のヨーク２０５の磁極歯、２０６ｂ１〜ｂ４は第２のヨーク２０６の磁極歯である。本実施例では、マグネットの極数は８極、着磁角Ｐは４５°である。また、第１のヨークを基準とすると、第２のヨークの位相Ｐ／２は−２２．５°、第１の位置センサ２０７の位相β１は＋２２．５°、第２の位置センサ２０８の位相β２は−４５°である。
【００２４】
以下の説明では、電気角を用いてモータの動作を説明する。電気角とは、マグネット磁力の１周期を３６０°として表したものであり、ロータの極数をＭ、実際の角度をθ０とすると、電気角θは以下の式で表せる。
【００２５】
θ＝θ０×Ｍ／２ （式１−１）
第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６の位相差、第１の位置センサ２０７と第２の位置センサ２０８の位相差、第１のヨーク２０５と第１の位置センサ２０７の位相差は全て電気角で９０°である。なお、図３において、第１のヨークの磁極歯の中心とロータマグネット２０２ａのＮ極中心が対向している。この状態をロータの初期状態とし、電気角０°とする。
（ロータ位置とモータトルクの関係、ロータ位置とセンサ出力の関係）
ここで、ステッピングモータ１０１におけるロータ位置とモータトルクとの関係、ロータ位置とセンサ出力の関係について説明する。
【００２６】
図４は、ロータの回転位置とモータトルクとの関係、ロータの回転位置と位置検出センサ出力との関係を示すグラフである。
【００２７】
図４（ａ）は、ロータの回転角度とモータトルクの関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸はモータトルクを示す。モータトルクは、ロータを時計回りに回転させるトルクを正とする。
【００２８】
第１のコイル２０３に正方向の電流を流すと、第１のヨーク２０５がＮ極に磁化し、ロータマグネット２０２ａの磁極との間に電磁気力が発生する。また、第２のコイル２０４に正方向の電流を流すと、第２のヨーク２０６がＮ極に磁化し、マグネットの磁極との間に電磁気力が発生する。２つの電磁気力を合成すると、ロータ２０２の回転にともなって概略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ＋）。他の通電状態においても、同様に、概略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ−、Ａ−Ｂ−、Ａ−Ｂ＋）。また、第１のヨーク２０５は第２のヨーク２０６に対して電気角で９０°の位相をもって配置されるため、４つのトルクは互いに電気角で９０°の位相差を持っている。
【００２９】
図４（ｂ）は、ロータの回転角度と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。
【００３０】
ロータマグネット２０２ａの径方向磁力の強さは、電気角に対しておおよそ正弦波状になるように着磁している。そのため、第１の位置センサ２０７からは概略正弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ａ）。なお、本実施例では、第１の位置センサ２０７は、ロータマグネット２０２ａのＮ極と対向するときに正の値を出力する。
【００３１】
また、第２の位置センサ２０８は第１の位置センサ２０７に対して電気角で９０°の位相をもって配置されるため、第２の位置センサ２０８からは余弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ｂ）。なお、本実施例では、第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して極性を反転してあるため、ロータマグネット２０２ａのＳ極と対向するときに正の値を出力する。
【００３２】
フィードバック駆動回路３０３に含まれる進角回路は、位置センサ信号処理回路３０１にて処理された、第１の位置センサ２０７の出力と第２の位置センサ２０８の出力をもとに所定の演算を行う。そして、進角回路によって第１の進角信号と第２の進角信号を出力する。以下、進角信号の演算方法について述べる。
【００３３】
電気角θ、第１の位置センサ２０７の出力をＨＥ１、第２の位置センサ２０８の出力をＨＥ２とすると、各信号は次のように表される。
【００３４】
ＨＥ１＝ｓｉｎθ、ＨＥ２＝ｃｏｓθ （式２−１）
また、ＨＥ１を進角αだけ進めた第１の進角信号をＰＳ１、ＨＥ２を進角αだけ進めた第２の進角信号をＰＳ２とすると、ＨＥ１、ＨＥ２、αを用いて、次のように演算することが可能である。
【００３５】
ＰＳ１＝ｓｉｎ（θ＋α）＝ＨＥ１×ｃｏｓα＋ＨＥ２×ｓｉｎα （式３−１）
ＰＳ２＝ｃｏｓ（θ＋α）＝ＨＥ２×ｃｏｓα−ＨＥ１×ｓｉｎα （式３−２）
本実施例ではこの演算式をもとに進角回路を構成する。
【００３６】
図５は、進角回路の構成を示す回路図である。本実施例における進角回路を、例えば図５に示すようなアナログ回路で構成することで上記の演算が実現可能である。まず、各位置センサ出力を所定の増幅率Ａだけ増幅した信号と、さらにそれらを反転させた信号を生成する。それらに適切な抵抗値Ｒ１、Ｒ２をかけて加算することにより、進角信号を生成する。第１の進角信号ＰＳ１、第２の進角信号ＰＳ２は次のように表される。
【００３７】
ＰＳ１＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｓｉｎθ＋Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｃｏｓθ （式４−１）
ＰＳ２＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｃｏｓθ−Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｓｉｎθ （式４−２）
回路中の可変抵抗Ｒ、Ｒ１、Ｒ２を次のように選ぶことで、任意の進角αだけ進めた進角信号を生成することができる。
【００３８】
Ｒ／Ｒ１＝ｃｏｓα、Ｒ／Ｒ２＝ｓｉｎα （式５−１）
さらに、第１の進角信号ＰＳ１、第２の進角信号ＰＳ２に対してコンパレータを用いて２値化した２値化信号を出力する。
【００３９】
以上に説明した進角信号の生成方法は、本発明を実現するための一例であり、この方法のみに限定されない。上記の演算を行うデジタル回路によって進角信号を生成してもよいし、高分解能のエンコーダを用いて通電を切り替えるパルス間隔を調整することで進角信号を生成してもよい。これら周知の方法を用いても上記進角信号の生成方法と同様の効果が得られる。
【００４０】
ここで、フィードバック駆動における通電切り替えについて説明する。まず、進角回路から出力される進角信号が有する進角がゼロの場合についてフィードバック駆動の動作を説明する。
【００４１】
図４（ｂ）において、位置センサ信号Ａ、Ｂは、それぞれ第１及び第２の位置センサ２０７、２０８の出力である。２値化信号Ａ、Ｂは、位置センサ信号Ａ、Ｂに対し、コンパレータを用いて２値化を行った信号である。
【００４２】
フィードバック駆動では、２値化信号Ａをもとに第１のコイル２０３の通電を切り替え、２値化信号Ｂをもとに第２のコイル２０４の通電を切り替える。すなわち、２値化信号Ａが正の値を示すとき第１のコイル２０３に正方向の電流を流し、負の値を示すとき第１のコイル２０３に逆方向の電流を流す。また、２値化信号Ｂが正の値を示すとき第２のコイル２０４に正方向の電流を流し、負の値を示すとき第２のコイル２０４に逆方向の電流を流す。
【００４３】
図６は、フィードバック駆動の動作を示す軸方向断面図である。
【００４４】
図６（ａ）は、ロータが電気角で１３５°回転した状態を示している。位置センサ信号Ａ、Ｂは図４（ｂ）の（Ａ）で示した値を示しており、２値化信号Ａは正、２値化信号Ｂは負の値を示している。従って、第１のコイル２０３には正方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＮ極に磁化し、第２のコイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ＋Ｂ−に対応する時計回りのトルクがはたらき、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
【００４５】
図６（ｂ）は、ロータ２０２が電気角で１８０°回転した状態を示している。第１の位置センサ２０７はロータマグネット２０２ａのＮ極とＳ極の境界に位置する。そのため、電気角１８０°を境に２値化信号Ａは正の値から負の値に切り換わり、第１のコイル２０３の通電方向が正方向から逆方向へ切り換わる。この電気角は、トルク曲線Ａ＋Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ−との交点の電気角と一致する。
【００４６】
図６（ｂ’）は、ロータが電気角で１８０°回転し、第１のコイル２０３の通電方向が切り換わった状態を示している。第１のコイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクがはたらき、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
【００４７】
図６（ｃ）はロータ２０２が電気角で２２５°回転した状態を示している。各進角信号は図４（ｂ）の（Ｃ）で示した値を示しており、２値化信号Ａ、Ｂはともに負の値を示している。従って、第１のコイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクがはたらき、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
【００４８】
図６（ｄ）はロータ２０２が電気角で２７０°回転した状態を示している。第２の位置センサ２０８はロータマグネット２０２ａのＮ極とＳ極の境界に位置する。そのため、電気角２７０°を境に２値化信号Ｂは負の値から正の値に切り換わり、第２のコイル２０４の通電方向が逆方向から正方向へ切り換わる。この電気角は、トルク曲線Ａ−Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ＋との交点の電気角と一致する。
【００４９】
図６（ｄ’）はロータが電気角で２７０°回転し、第２のコイル２０４の通電方向が切り換わった状態を示している。第１のコイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には正方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＮ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ＋に対応する時計回りのトルクがはたらき、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
【００５０】
以上の動作を繰り返すことで、ロータ２０２を連続的に回転させることが可能となる。また、２値化信号Ａまたは２値化信号Ｂの正負を反転させれば、逆回転も可能である。
【００５１】
次に、進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合についてフィードバック駆動の動作を説明する。
【００５２】
図７は、進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合のロータの回転角度とモータトルクおよび各信号の出力との関係を示すグラフである。
【００５３】
図７（ｂ）は、ロータの回転角度と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。図７（ｂ）において、センサ信号Ａ、Ｂに対して進角信号Ａ、Ｂがそれぞれ所定の進角αだけ進んでいる。また、進角信号をもとに生成された２値化信号Ａ、Ｂもそれぞれセンサ信号Ａ、Ｂに対して進角αだけ進んでいる。フィードバック駆動では、２値化信号Ａをもとに第１のコイルの通電を切り替え、２値化信号Ｂをもとに第２のコイルの通電を切り替えるため、コイルの通電切り替えタイミングは進角がゼロのときに比べて進角αだけ早いことになる。
【００５４】
図８は、進角を変えたときのトルクと回転数の関係を示すグラフである。横軸はモータのトルクを、縦軸はモータの回転数を示す。
【００５５】
グラフから、進角αによってトルクと回転数の関係が変化する性質がわかる。この性質を用いて、フィードバック駆動では駆動条件によって進角αを変える進角制御を行っている。一定の負荷条件下でフィードバック駆動を行う場合、進角αを制御することで駆動速度を制御することも可能である。
【００５６】
上述したオープンループ駆動とフィードバック駆動とを組み合わせて制御することによって、通常のステップモータと同等の精度で目標位置に停止可能であるとともに、通常のステップモータに比べ、より高速に目標位置に到達可能となる。そして、オープンループ駆動時若しくはフィードバック駆動における加速制御時に外乱負荷の影響を受けて脱調エラーを起こしたときには、以下のような制御を行うことでより確実な起動を行うことが可能となる。
【００５７】
図９は、ステッピングモータ１０１が起動するときの様子を示す速度線図であり、横軸が時間、縦軸が速度である。通常の起動に際しては、最初に予め決められた速度Ｖ１までオープンループ駆動により加速駆動された後に時刻ｔ１（Ｐ１ポイント）において、フィードバック駆動に切り替えが行われる。その後、フィードバック駆動により速度Ｖ２まで加速された後、時刻ｔ２に於いて定速駆動に入る。
【００５８】
図９（ａ）において、フィードバック駆動途中の時間ｔ４（速度Ｖ３）において何らかの要因によりモータの同期が取れなくなり、９０１に示すような速度カーブで脱調停止したとする。このとき、モータ１０１には前述の通り二つの位置センサ２０７、２０８が備えられているので、モータが何らかの要因で起動途中に脱調停止したことが判別可能である。このとき、時間ｔ４（速度Ｖ３）において異常が発生したことから、フィードバック駆動による加速途中にエラー停止したことも判別できる。
【００５９】
モータの再起動において、まず前回の起動ではオープンループ駆動からフィードバック駆動切り替えまでに異常は発生していないので、オープンループ駆動自体は前回と同じく時刻ｔ１において速度Ｖ１になる様にオープンループ駆動による加速を行う。その後、フィードバック駆動による加速においては、前回の加速度よりも低い加速度になる様にフィードバック駆動における加速駆動を行う。具体的には図９（ａ）の９０２に示すように時刻ｔ１からｔ３までの間に速度Ｖ１からＶ２となる様に前回よりも低加速の起動を行うものである。このように低加速度によるフィードバック駆動における加速駆動を行うことで脱調エラーを回避したフィードバック駆動を行うことが可能となる。
【００６０】
次に、図９（ｂ）において、オープンループ駆動による加速途中の時間ｔ５（速度Ｖ４）において何らかの要因によりモータの同期が取れなくなり、９０３に示すような速度カーブに沿って回転が停止したとする。このときも前述と同じく二つの位置センサ２０７、２０８により、モータが何らかの要因で起動途中に脱調停止したことが判別可能である。このとき、時間ｔ５（速度Ｖ４）において不具合が発生したことから、オープンループ駆動による加速途中にエラーが発生したことも判別可能である。したがって、モータを再起動させる場合には、通常のオープンループ駆動からフィードバック駆動への切り替え点Ｐ１よりも回転数の低い切り替え点Ｐ２（時刻ｔ１、速度Ｖ５）を設定する。このとき、図９（ｂ）においては加速度が前回と同じ加速度で制御しているが、この加速度が低くなる様に制御しても良い。言い換えると速度Ｖ５に到達する時間をｔ１よりも長くなる様に、すなわちグラフの傾きが少なくなるように、ゆっくり加速することも可能である。そしてオープンループ駆動により速度Ｖ５に確実に同期させた後、切り替え点Ｐ２でフィードバック駆動に切り替えて加速駆動を行う。
【００６１】
このとき、フィードバック駆動の加速度を通常より低くなる様に設定してより確実に加速制御することも可能である。このような再起動制御を行うことで、図９（ｂ）の９０４に示すような速度曲線にしたがって再起動を行い、エラーを回避したオープンループ駆動からフィードバック駆動への切り替え及びフィードバック駆動による加速駆動を行うことが出来る。
【００６２】
図１０は、上述の駆動制御内容をフローに示した起動フローチャートである。
フローに沿って再度起動制御に関して簡単に説明を行う。まずメインの起動フローはＳ１０１において、起動サブルーチンが開始されると、Ｓ１０２においてステップ駆動であるオープンループ駆動による加速が行われる。このとき脱調エラー判別を二つの位置センサ２０７、２０８からの検出信号で行う。具体的には、正転及び逆転において時系列で検出されるべき信号は決まっているので、この検出されるべき信号の順番や、駆動周期に対する検出信号の値の食い違いを監視し脱調及び停止判別を行う。このとき、検出信号が所定の範囲内であれば問題が無く、予め決められたフィードバック駆動への切り替え周波数に達するとＳ１０４でフィードバック駆動に切り替えられてフィードバック駆動による加速駆動が行われる。そしてフィードバック駆動時にも前述と同じく検出信号が所定の範囲内であるか否かをＳ１０５で行った後問題が無ければ、Ｓ１０６において起動制御ルーチンから抜け出す。
【００６３】
次に、エラー発生時の制御に関して説明する。オープンループ駆動による加速中Ｓ１０３において検出信号が所定の範囲外であるとして回転異常が検出されると、Ｓ２０１においてエラー回数の確認が行われる。ここで予め決められた回数のエラーが発生したときには、起動制御を中止してＳ２０２においてエラーストップする。もし規定回数に達していなかったときにはＳ２０３において、オープンループ駆動周波数を前回よりも低い値にセットしてＳ１０２へ戻り再度起動を試みる。このとき図１１に示すように、たとえばデジタルカメラ１２０１などの光学機器に備え付けられた表示部１２０１ａに“ＥＲＲＯＲ”を表示させて機器の動作をストップさせる。次に、フィードバック駆動による加速駆動時にＳ１０５において検出信号が所定の範囲外であるとして異常が検出されたときには、Ｓ３０１において、前述と同じくエラー発生回数の確認が行われる。ここでも、予め決められた回数のエラーが発生したときは起動制御を中止しＳ３０２においてエラーストップする。このときも上述と同様、たとえばデジタルカメラ１２０１などの光学機器に備え付けられた表示部１２０１ａに“ＥＲＲＯＲ”を表示させて機器の動作をストップさせる。もしエラー発生回数が規定回数に達していなかったときはＳ３０３に移行してフィードバック駆動の加速度を前回よりも低く設定した後、Ｓ１０２へ戻って再起動が行われる。
【００６４】
上述したようにオープンループ駆動からフィードバック駆動による切り替え加速時に何らかの要因によりモータがエラーストップしても夫々のパラメーターを適宜変更しながら最適な起動制御を行うことが出来るので、モータの駆動信頼性を向上させることが出来る。
【００６５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、オープンループ駆動若しくはフィードバック駆動のどちらのエラーストップであっても、再起動時にはオープンループ駆動の同期速度を前回よりも下げるとともに、フィードバック駆動の加速度を前回よりも低くして駆動することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
安価で簡単な駆動制御方法により、ブラシレスモータの起動信頼性を向上させることが出来る。
【符号の説明】
【００６７】
１０１ ステッピングモータ
３０１ 位置センサ信号処理回路
３０２ 制御部
３０３ フィードバック駆動回路
３０４ オープンループ駆動回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータマグネットと前記ロータマグネットの回転位置を検出する検出器を備えたモータと、
前記検出器からの出力が所定の範囲内であるか否かを判定する判定手段と、
前記モータをオープンループ制御により駆動する第１の駆動手段と、
前記モータをフィードバック制御により駆動する第２の駆動手段と、
前記モータの駆動開始時には、前記第１の駆動手段によって前記モータを駆動した後、前記第２の駆動手段によって前記モータを駆動するように、前記前記第１の駆動手段と前記第２の駆動手段とを切り替える制御手段と、を有し、
前記第１の駆動手段は、所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数で前記モータを駆動し、
前記第２の駆動手段は、所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の加速度よりも低い加速度で前記モータを駆動することを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した回数が規定回数を越えた場合、前記第１の駆動手段及び前記第２の駆動手段は前記モータの駆動を停止することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
駆動時にオープンループ制御を行った後、フィードバック制御を行うモータの駆動制御方法であって、
前記モータをオープンループ制御により駆動する第１の駆動ステップと、
所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、ロータマグネットの回転位置を検出する検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数で前記モータを駆動するステップと、
前記モータをフィードバック制御により駆動する第２の駆動ステップと、
所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、前記検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の加速度よりも低い加速度で前記モータを駆動するステップと、を有することを特徴とするモータの駆動制御方法。
【請求項４】
前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した回数が規定回数を越えた場合、前記第１の駆動ステップ及び前記第２の駆動ステップにおいて前記モータの駆動を停止することを特徴とする請求項３に記載のモータの駆動制御方法。
【請求項１】
ロータマグネットと前記ロータマグネットの回転位置を検出する検出器を備えたモータと、
前記検出器からの出力が所定の範囲内であるか否かを判定する判定手段と、
前記モータをオープンループ制御により駆動する第１の駆動手段と、
前記モータをフィードバック制御により駆動する第２の駆動手段と、
前記モータの駆動開始時には、前記第１の駆動手段によって前記モータを駆動した後、前記第２の駆動手段によって前記モータを駆動するように、前記前記第１の駆動手段と前記第２の駆動手段とを切り替える制御手段と、を有し、
前記第１の駆動手段は、所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数で前記モータを駆動し、
前記第２の駆動手段は、所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の加速度よりも低い加速度で前記モータを駆動することを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記判定手段が前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した回数が規定回数を越えた場合、前記第１の駆動手段及び前記第２の駆動手段は前記モータの駆動を停止することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
駆動時にオープンループ制御を行った後、フィードバック制御を行うモータの駆動制御方法であって、
前記モータをオープンループ制御により駆動する第１の駆動ステップと、
所定の駆動周波数でオープンループ制御をしている際に、ロータマグネットの回転位置を検出する検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の駆動周波数よりも低い駆動周波数で前記モータを駆動するステップと、
前記モータをフィードバック制御により駆動する第２の駆動ステップと、
所定の加速度でフィードバック制御をしている際に、前記検出器からの出力が所定の範囲外であると判定した場合、前記所定の加速度よりも低い加速度で前記モータを駆動するステップと、を有することを特徴とするモータの駆動制御方法。
【請求項４】
前記検出器からの出力が前記所定の範囲外であると判定した回数が規定回数を越えた場合、前記第１の駆動ステップ及び前記第２の駆動ステップにおいて前記モータの駆動を停止することを特徴とする請求項３に記載のモータの駆動制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−５５７６７（Ｐ２０１３−５５７６７Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９１６０３（Ｐ２０１１−１９１６０３）
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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