JP6224349B2 - ステッピングモータ制御システム及びステッピングモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータ制御システム及びステッピングモータ制御方法に関する。

産業用ロボットに用いられるアクチュエータにおいては、モータの回転軸の回転角度を検出し、この回転角度に基づいて更に可動部の位置を検出することが行われている。一般的に回転角度の検出にはアブソリュートエンコーダやレゾルバなどが使用される。エンコーダには、アブソリュートエンコーダとインクリメンタルエンコーダがある。インクリメンタルエンコーダは安価であるが絶対位置を検出できることができないため、原点センサや原点復帰動作などが必要になる。また、アブソリュートエンコーダは光学式や磁気式などが存在し、１回転中の絶対角度を検出することができるが、構造が複雑で高価である。例えば、特許文献１の磁気式アブソリュートエンコーダは、モータの回転軸に、回転角度を検出するための複数の回転検出器が備えられている。

特開２０１１−１０７０４８号公報

しかし、上述した従来の磁気式アブソリュートエンコーダは、複数の回転検出器やアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器が必要であり、構造が複雑になる。更には、複雑な制御回路が必要になるとともにコストが増加する。

本発明は、問題点に鑑みてなされたものであり、簡易に回転子の絶対回転角度を検出することを目的とする。

目的を達成するために、本発明の第１の観点に係るステッピングモータ制御システムは、回転子と固定子巻線とを含むステッピングモータを制御するステッピングモータ制御システムであって、前記回転子の機械角３６０°に対して前記ステッピングモータの極対数以上の分解能を有し、前記回転子の回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記回転子の回転角度に応じて複数の種別の信号を周期的に出力する信号出力手段と、前記信号出力手段により出力された信号の種別に基づいて、前記ステッピングモータの駆動を制御する駆動制御手段と、前記回転角度検出手段により検出された前記回転子の回転角度と、前記信号出力手段により出力された信号の種別とに基づいて、前記回転子の絶対回転角度を取得する絶対回転角度取得手段と、前記固定子巻線に複数の種別の電流を供給する制御を行う電流供給制御手段と、を備え、前記分解能は、前記ステッピングモータの極対数以上であり、前記絶対回転角度取得手段は、前記回転角度検出手段により検出された前記回転子の回転角度と、前記信号出力手段により出力された信号の種別とに加え、前記電流供給制御手段により供給される電流の種別に基づいて、前記回転子の絶対回転角度を取得することを特徴とする。

前記分解能は、前記ステッピングモータの極対数と、前記回転子が前記ステッピングモータの１極対に対応する角度を回転する間に前記信号出力手段によって出力される信号の種別の組み合わせの周期の回数とを乗じた数以上であるようにしてもよい。

前記回転子の回転数を検出する回転数検出手段と、前記絶対回転角度取得手段により取得された前記回転子の回転角度と、前記回転数検出手段により検出された前記回転子の回転数とに基づいて、前記ステッピングモータの駆動によって直線上を移動する移動体の位置を取得する移動体位置取得手段と、を備えるようにしてもよい。

目的を達成するために、本発明の第２の観点に係るステッピングモータ制御方法は、回転子と固定子巻線とを含むステッピングモータを制御するステッピングモータ制御システムにおけるステッピングモータ制御方法であって、前記回転子の機械角３６０°に対して前記ステッピングモータの極対数以上の分解能を有し、前記回転子の回転角度を検出する回転角度検出ステップと、前記回転子の回転角度に応じて複数の種別の信号を周期的に出力する信号出力ステップと、前記信号出力ステップにおいて出力された信号の種別に基づいて、前記ステッピングモータの駆動を制御する駆動制御ステップと、前記回転角度検出ステップにおいて検出された前記回転子の回転角度と、前記信号出力ステップにおいて出力された信号の種別とに基づいて、前記回転子の絶対回転角度を取得する絶対回転角度取得ステップと、前記固定子巻線に複数の種別の電流を供給する制御を行う電流供給制御ステップと、を含み、前記分解能は、前記ステッピングモータの極対数以上であり、前記絶対回転角度取得ステップでは、前記回転角度検出ステップにおいて検出された前記回転子の回転角度と、前記信号出力ステップにおいて出力された信号の種別とに加え、前記電流供給制御ステップにおいて供給される電流の種別に基づいて、前記回転子の絶対回転角度を取得することを特徴とする。

前記分解能は、前記ステッピングモータの極対数と、前記回転子が前記ステッピングモータの１極対に対応する角度を回転する間に前記信号出力ステップにおいて出力される信号の種別の組み合わせの周期の回数とを乗じた数以上であるようにしてもよい。

前記回転子の回転数を検出する回転数検出ステップと、前記絶対回転角度取得ステップにおいて取得された前記回転子の回転角度と、前記回転数検出ステップにおいて検出された前記回転子の回転数とに基づいて、前記ステッピングモータの駆動によって直線上を移動する移動体の位置を取得する移動体位置取得ステップと、を含むようにしてもよい。

本発明によれば、回転角度を検出、取得する複数の手段を組み合わせることによって、簡易に回転子の絶対回転角度を検出することができる。

実施形態に係る電動アクチュエータシステムの概略構成を示す図である。 実施形態に係るアブソリュートユニットの斜視図である。 実施形態に係るアブソリュートユニットの側面図である。 実施形態に係るアブソリュートユニット内の基板上の構成を示す図である。 実施形態に係る固定子と回転子の電気角上での位置の一例を示す図である。 実施形態に係るアブソリュートユニット内の主動歯車、第１従動歯車及び第２従動歯車の回転角度の遷移を示す図である。 実施形態に係る第１の回転子の絶対回転角度取得処理を示すフローチャートである。 実施形態に係る第２の回転子の絶対回転角度取得処理を示すフローチャートである。 実施形態に係るロッドの位置取得処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る電動アクチュエータシステム１００の概略構成を示す図である。図１に示す電動アクチュエータシステム１００は、ハウジング１、モータカバー３、ステッピングモータ５、ジョイント部材７、軸受部材８、ボールねじ９、軸受部材１０、ボールナット１１、中空ロッド１３、ロッド１５、アブソリュートユニット２１及びステッピングモータ制御装置２３を含んで構成される。

ハウジング１にはモータカバー３が連結されている。モータカバー３内にはステッピングモータ５が収容・配置されている。ステッピングモータ５は、２相ＨＢ型（Hybrid Type）ステッピングモータである。ステッピングモータ５は、円柱形の回転子６ｂ、と、回転子６ｂを所定間隔を隔てて収容するように配置される円筒形の固定子６ａと、回転子６ｂに連結されたモータシャフト６ｃとを含んで構成される。本実施形態において、ステッピングモータ５は２相ＨＢ型ステッピングモータであり、固定子巻線としてＡ相巻線及びＢ相巻線（図示せず）が固定子６ａに巻き付けられている。

ステッピングモータ５のモータシャフト６ｃには、ジョイント部材７を介してボールネジ９が連結されている。ボールネジ９にはボールナット１１が螺合しており、ボールナット１１には中空ロッド１３が固着されている。また、中空ロッド１３の先端にはロッド１５が連結されている。また、ジョイント部材７は、軸受部材８、１０によって回転可能に支持されている。

ステッピングモータ５がステッピングモータ制御装置２３からＡ相巻線及びＢ相巻線に供給される電流に応じて駆動すると、回転子６ｂ及びモータシャフト６ｃが回転し、更に、ボールネジ９が回転することにより、ボールネジ９の回転によってその回転を規制されているボールナット１１が軸方向に移動する。このボールナット１１の移動によって、中空ロッド１３、更にはロッド１５が軸方向に移動することになる。

アブソリュートユニット２１は、回転子６ｂの回転角度を取得する。また、アブソリュートユニット２１は、回転子６ｂの回転数を取得し、回転子６ｂの回転角度と回転数とに基づいて、軸方向に移動するロッド１５の位置を取得する。アブソリュートユニット２１の詳細については後述する。

また、ステッピングモータ５は、ステッピングモータ制御装置２３によって制御されるように構成されている。すなわち、ステッピングモータ制御装置２３は、アブソリュートユニット２１からの検出信号及び別途入力される指令信号に基づいて、ステッピングモータ５を制御する。また、ステッピングモータ制御装置２３は、ステッピングモータ５の起動時において、所定の起動制御を実行し、それによって、安定した起動特性を提供する。

図２は、アブソリュートユニット２１の斜視図を示し、図３は、アブソリュートユニット２１の内部の側面図を示す。図２及び図３に示すアブソリュートユニット２１は、ステッピングモータ５に連結されており、ユニットカバー５０、インクリメンタルエンコーダ６０、主動歯車６１、第１従動歯車６２、第２従動歯車６３、軸受６４、６５、歯車保持用プレート６６、６７、磁石７１、７２、７３、基板１０１、第１磁気センサ１５１、第２磁気センサ１５２、第３磁気センサ１５３を含んで構成される。

インクリメンタルエンコーダ６０は、モータシャフト６ｃの回転に伴って信号を出力する。インクリメンタルエンコーダ６０は、例えば光学式であり、光電素子（図示せず）と、所定の角度のピッチでスリットが設けられた格子円盤（図示せず）と、格子円盤を挟んで光電素子に対向する位置に配置される光源（図示せず）とを含んで構成される。

格子円盤はモータシャフト６ｃに取り付けられており、格子円盤の回転軸とモータシャフト６ｃの回転軸とは同軸になっている。格子円盤はモータシャフト６ｃの回転に伴って回転する。その際、光源からの光は、スリットを通過して光電素子まで到達する状態と、格子円盤に遮られて光電素子まで到達しない状態とを繰り返す。

光電素子は、光源からの光が到達する毎に、２つの信号（第１信号及び第２信号）の組み合わせを出力する。第１信号と第２信号の組み合わせは、第１信号がハイレベルであり、第２信号がハイレベルとなる組み合わせ、第１信号がローレベルであり、第２信号がハイレベルとなる組み合わせ、第１信号がローレベルであり、第２信号がローレベルとなる組み合わせ、第１信号がハイレベルであり、第２信号がローレベルとなる組み合わせである。光電素子は、この第１信号及び第２信号の４つの組み合わせを周期的に出力する。なお、インクリメンタルエンコーダ６０は、モータシャフト６ｃの回転に伴って第１信号と第２信号の４つの組み合わせを周期的に出力するものであればよく、磁気式でもよい。

主動歯車６１は、ユニットカバー５０内の空間の中央部に位置し、モータシャフト６ｃに取り付けられており、格子円盤の回転軸とモータシャフト６ｃの回転軸とは同軸になっている。主動歯車６１は、モータシャフト６ｃの回転に伴って回転する。

歯車保持用プレート６６は、ユニットカバー５０の内壁面の側面に取り付けられており、更に歯車保持用プレート６６には、軸受６４が回転可能に取り付けられている。軸受６４の回転軸はモータシャフト６ｃの回転軸と平行となっている。第１従動歯車６２は、軸受６４に取り付けられている。第１従動歯車６２は、主動歯車６１と噛み合うように配置されており、主動歯車６１の回転に伴って回転する。

同様に、歯車保持用プレート６７は、ユニットカバー５０の内壁面の側面に取り付けられており、更に歯車保持用プレート６７には、軸受６５が回転可能に取り付けられている。軸受６５の回転軸はモータシャフト６ｃの回転軸と平行となっている。第２従動歯車６３は、軸受６５に取り付けられている。第２従動歯車６３は、主動歯車６１を挟んで第１従動歯車６２と対向する位置に、主動歯車６１と噛み合うように配置されており、主動歯車６１の回転に伴って回転する。

主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の歯数は、後述する回転子６ｂの回転数の取得、更には、ロッド１５の位置の取得のために異なっており、互いに素となるように設定されている。例えば、主動歯車６１の歯数は２５、第１従動歯車６２の歯数は２４、第２従動歯車６３の歯数は２３である。

磁石７１は、モータシャフト６ｃの先端部に取り付けられている。磁石７２は、軸受６４の先端部に取り付けられ、磁石７３は、軸受６５の先端部に取り付けられている。

基板１０１は、ユニットカバー５０の内壁面の主面に取り付けられている。更に基板１０１には、第１磁気センサ１５１、第２磁気センサ１５２、第３磁気センサ１５３が配置されている。第１磁気センサ１５１は、磁石７１と所定の間隔を空けて対向する位置に配置されている。第１磁気センサ１５１は、モータシャフト６ｃの先端に取り付けられている磁石７１の微細磁束を図示しない磁気検出素子によって検出し、アナログ信号として出力する。このアナログ信号は、磁石７１の回転に応じて電圧が変化し、磁石７１が１回転すると１周期になる正弦波信号である。これにより、第１磁気センサ１５１は、モータシャフト６ｃの回転角度を検出することになる。ここで、モータシャフト６ｃと回転子６ｂとは同軸であり、同一の回転速度で回転する。従って、第１磁気センサ１５１は、回転子６ｂの回転角度（第１回転角度）を検出することになる。

第２磁気センサ１５２は、磁石７２と所定の間隔を空けて対向する位置に配置されている。第２磁気センサ１５２は、軸受６４の先端に取り付けられている磁石７２の微細磁束を図示しない磁気検出素子によって検出し、アナログ信号として出力する。このアナログ信号は、磁石７２の回転に応じて電圧が変化し、磁石７２が１回転すると１周期になる正弦波信号である。これにより、第２磁気センサ１５２は、第１従動歯車６２の回転角度を検出することになる。同様に、第３磁気センサ１５３は磁石７３と所定の間隔を空けて対向する位置に配置されている。第３磁気センサ１５３は、軸受６５の先端に取り付けられている磁石７３の微細磁束を磁気検出素子によって検出し、アナログ信号として出力する。このアナログ信号は、磁石７３の回転に応じて電圧が変化し、磁石７３が１回転すると１周期になる正弦波信号である。これにより、第３磁気センサ１５３は、第２従動歯車６３の回転角度を検出することになる。

基板１０１には、上述した第１磁気センサ１５１、第２磁気センサ１５２、第３磁気センサ１５３の他に、回転子６ｂの回転角度やロッド１５の位置を取得するために必要な構成が配置される。

図４は、基板１０１上の構成を示す図である。図４に示すように、基板１０１上には、制御部１０２、メモリ１０４、インタフェース（Ｉ／Ｆ）部１１０が配置されている。

制御部１０２は、例えばマイクロコンピュータにより構成される。制御部１０２は、メモリ１０４に記憶されたプログラムを実行し、メモリ１０４に記憶された各種データを処理することなどにより、アブソリュートユニット２１の全体を制御する。制御部１０２は、絶対回転角度取得手段としての回転角度取得部１２２と、移動体位置取得手段としての位置取得部１２４との機能を有する。制御部１０２は、インクリメンタルエンコーダ６０と、基板１０１上の第１磁気センサ１５１、第２磁気センサ１５２、第３磁気センサ１５３とを接続する。メモリ１０４は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）である。メモリ１０４は、各種情報を記憶する。Ｉ／Ｆ部１１０は、制御部１０２の制御により、ステッピングモータ制御装置２３との間でデータの送信及び受信を行う。

次に、アブソリュートユニット２１の制御を説明する。本実施形態のステッピングモータ５は、２相ＨＢ型（Hybrid Type）ステッピングモータであり、回転子６ｂは、外周に図示しない小歯を５０個（歯のピッチは３６０°／５０＝７．２°）設けた２個の鉄心からなり、Ｎ極側の鉄心の小歯とＳ極側の鉄心の小歯とは互いに半ピッチずれて５０極対となっている。すなわち、機械角３６０°（回転子６ｂの１回転分）に電気角３６０°（以下、電気角１周期という。）は５０周期存在する。従って、電気角１周期は、機械角３６０°／５０となり、機械角７．２°に対応する。

インクリメンタルエンコーダ６０の分解能は、機械角３６０°で８００パルスである。すなわち、ステッピングモータ５は５０極対であるため、電気角１周期当りのインクリメンタルエンコーダ６０の分解能は、８００パルス／５０となり、電気角１周期当りの分解能は１６となる。また、第１磁気センサ１５１の機械角３６０°当りの分解能は、２００及び５０の何れかである。

機械角３６０°当りの分解能が２００の第１磁気センサ１５１が用いられる場合、第１磁気センサ１５１は、モータシャフト６ｃの回転角度、更には、ステッピングモータ５内の回転子６ｂの回転角度を機械角３６０°／２００＝１．８°の精度で検出することができる。一方、機械角３６０°当りの分解能が５０の第１磁気センサ１５１が用いられる場合、第１磁気センサ１５１は、ステッピングモータ５内の回転子６ｂの回転角度を機械角３６０°／５０＝７．２°の精度で検出することができる。ここで、ステッピングモータ５は、上述したように５０極対であり、電気角１周期あたりの機械角は７．２°である。すなわち、機械角３６０°当りの第１磁気センサ１５１の分解能が５０以上であれば、第１磁気センサ１５１は、回転子６ｂの所定位置が固定子６ａの何れの位置と正対しているかを検出することにより、機械角３６０°で５０周期存在する電気角１周期のうち、何れの電気角１周期に対応する位置しているかを検出可能である。

図５は、ステッピングモータ５内の固定子６ａと回転子６ｂの電気角１周期上での位置の一例を示す図である。上述した通り、インクリメンタルエンコーダ６０の電気角１周期当りの分解能が１６であることに応じて、固定子６ａ及び回転子６ｂの位置は円周方向に１６分割されており、固定子６ａには円周方向に電気角０°の位置から順に右回りに電気角２２．５°毎に１〜１６の固定子位置を特定する番号が付与されている。

また、インクリメンタルエンコーダ６０は、回転子６ｂの回転子位置Ｐが固定子６ａの固定子位置１、５、９、１３と正対する場合には第１信号がハイレベルであり、第２信号がハイレベルとなる組み合わせを出力し、回転子６ｂの回転子位置Ｐが固定子６ａの固定子位置２、６、１０、１４と正対する場合には第１信号がローレベルであり、第２信号がハイレベルとなる組み合わせを出力し、回転子６ｂの回転子位置Ｐが固定子６ａの固定子位置３、７、１１、１５と正対する場合には第１信号がローレベルであり、第２信号がローレベルとなる組み合わせを出力し、回転子６ｂの回転子位置Ｐが固定子６ａの固定子位置４、８、１２、１６と正対する場合には第１信号がハイレベルであり、第２信号がローレベルとなる組み合わせを出力する。

すなわち、第１信号と第２信号との組み合わせは４パターンであり、この４パターンが図５の１つの象限の４つの分解能に対応する。インクリメンタルエンコーダ６０の電気角１周期当たりの分解能が１６であるから、電気角１周期は第１象限、第２象限、第３象限、第４象限に４等分される。

また、固定子６ａに巻き付けられたＡ相巻線及びＢ相巻線に対する電流の供給状態に応じて、回転子６ｂの所定位置である回転子位置Ｐ（図５参照）は、電気角１周期を４等分した第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限の何れかに位置する。

具体的には、Ａ相巻線及びＢ相巻線には、Ａ相巻線にプラスの電流、Ｂ相巻線にプラスの電流、Ａ相巻線にマイナスの電流、Ｂ相巻線にマイナスの電流を供給することで回転子６ｂの所定位置を特定の固定子位置に正対させることができる。Ａ相巻線にプラスの電流が供給される場合、回転子位置Ｐは第１象限に位置し、固定子位置１と正対する。Ｂ相巻線にプラスの電流が供給される場合、回転子位置Ｐは第２象限に位置し、固定子位置５と正対する。Ａ相巻線にマイナスの電流が供給される場合、回転子位置Ｐは第３象限に位置し、固定子位置９と正対する。Ｂ相巻線にマイナスの電流が供給される場合、回転子位置Ｐは第４象限に位置し、固定子位置１３と正対する。なお、Ａ相巻線、Ｂ相巻線に同時に電流を供給することにより、更に細かく固定子位置Ｐを定めることができる。

また、上述したように、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の歯数はそれぞれ異なっており、互いに素となるように設定されている。例えば、主動歯車６１の歯数が２５、第１従動歯車６２の歯数が２４、第２従動歯車６３の歯数が２３である場合、ステッピングモータ５の駆動によってモータシャフト６ｃが回転し、このモータシャフト６ｃの回転に伴って主動歯車６１が回転し、更に、主動歯車６１の回転に伴って第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３が回転すると、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度の遷移は図６に示すものとなる。

図６（Ａ）及び（Ｂ）において横軸は回転子６ｂ、モータシャフト６ｃの回転数を示し、縦軸は主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度を示す。また、図６（Ａ）は最初の部分を示しており、図６（Ｂ）は最後の部分を示す。図６（Ａ）に示すように、初期状態においては、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度は一致しているものとする。ここで初期状態とは、ロッド１５が最もハウジング１に接近したときの状態を示す。なお、ロッド１５が最もハウジング１に接近したときの位置を始点位置とする。

この初期状態からステッピングモータ５が駆動されると、モータシャフト６ｃの回転に伴って主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３が回転する。ここで、回転子６ｂ及びモータシャフト６ｃが１回転すると主動歯車６１も同様に１回転する。一方、第１従動歯車６２は主動歯車６１よりも歯数が少ないため、主動歯車６１が１回転するよりも前に１回転する。また、第２従動歯車６３は第１従動歯車６２よりも更に歯数が少ないため、第１従動歯車６２が１回転するよりも前に１回転する。このため、図６（Ａ）に示すように、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度は徐々にずれる。

更に、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転が継続すると、やがて図６（Ｂ）に示すように、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度が一致するときがある。このときの主動歯車６１の回転数、すなわち、回転子６ｂ及びモータシャフト６ｃの回転数ｎは、ｎ＝２４×２３＝５５２となる。図６から明らかなように、回転子６ｂ及びモータシャフト６ｃの回転数が０〜５５２の間においては、第１従動歯車６２の回転角度と第２従動歯車６３の回転角度との組み合わせが定まれば、その組み合わせに対応する回転子６ｂ及びモータシャフト６ｃの回転数は一意に定まる。すなわち、第１従動歯車６２の回転角度（第２回転角度）と第２従動歯車６３の回転角度（第３回転角度）との組み合わせに基づいて、回転子６ｂの回転数を取得することが可能である。

機械角３６０°当りの分解能が２００の第１磁気センサ１５１が用いられる場合には、アブソリュートユニット２１内の制御部１０２は、上述した第１磁気センサ１５１によって検出される回転子６ｂの回転角度（第１回転角度）と、インクリメンタルエンコーダ６０から出力される第１信号及び第２信号の組み合わせとに基づいて、回転子６ｂの絶対回転角度を取得することができる。また、機械角３６０°当りの分解能が５０の第１磁気センサ１５１が用いられる場合には、制御部１０２は、上述した第１磁気センサ１５１によって検出される回転子６ｂの回転角度（第１回転角度）と、固定子６ａに巻き付けられたＡ相巻線及びＢ相巻線に対する電流の供給状態により特定される象限と、インクリメンタルエンコーダ６０から出力される第１信号及び第２信号の組み合わせとに基づいて、回転子６ｂの絶対回転角度を取得することができる。また、制御部１０２は、第２磁気センサ１５２により検出される第１従動歯車６２の回転角度と第２磁気センサ１５２により検出される第２従動歯車６３の回転角度との組み合わせから回転子６ｂの回転数を取得し、更に、ロッド１５の位置を取得することができる。

また、制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、Ｉ／Ｆ部１１０を介して、ステッピングモータ制御装置２３へ回転子６ｂの第１回転角度や第１信号及び第２信号の組み合わせを出力する。ステッピングモータ制御装置２３は、回転子６ｂの第１回転角度や第１信号及び第２信号の組み合わせに基づいて、ステッピングモータ５の駆動を制御する。具体的には、ステッピングモータ制御装置２３は、回転子６ｂの第１回転角度及び第１信号及び第２信号の組み合わせに基づいて、図５における回転子６ｂの回転子位置Ｐが正対している固定子位置を特定する。更に、特定した固定子位置が所望の固定子位置と異なる場合、ステッピングモータ制御装置２３は、回転子６ｂの回転子位置Ｐを所望の固定子位置に正対させるために、必要な固定子電流ベクトルの電流をＡ相巻線及びＢ相巻線の少なくとも何れかに供給する。

以下、フローチャートを参照しつつ、アブソリュートユニット２１内の制御部１０２による回転子６ｂの絶対回転角度、及び、ロッド１５の位置取得の詳細を説明する。

図７は、機械角３６０°当りの分解能が２００の第１磁気センサ１５１が用いられる場合における、制御部１０２による回転子６ｂの絶対回転角度の取得処理を示すフローチャートである。

第１磁気センサ１５１は、モータシャフト６ｃの回転角度、すなわち、回転子６ｂの回転角度（第１回転角度）を検出し、その第１回転角度を示すアナログ信号を制御部１０２へ出力する。制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１回転角度を示すアナログ信号を取得する（ステップＳ１０１）。

また、インクリメンタルエンコーダ６０は、回転子６ｂの所定位置（回転子位置Ｐ）が正対する固定子位置に対応した第１信号及び第２信号の組み合わせを制御部１０２へ出力する。制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１信号及び第２信号の組み合わせを取得する。更に、回転角度取得部１２２は、第１信号及び第２信号の組み合わせを特定する（ステップＳ１０２）。

ここで、回転角度取得部１２２は、第１信号及び第２信号がともにハイレベルである場合には、図５において回転子６ｂの回転子位置Ｐが固定子６ａの固定子位置１、５、９、１３の何れかと正対していると特定することができる。また、回転角度取得部１２２は、第１信号がローレベルであり、第２信号がハイレベルである場合には、図５において回転子６ｂの回転子位置Ｐが固定子６ａの固定子位置２、６、１０、１４の何れかと正対していると特定することができる。また、回転角度取得部１２２は、第１信号及び第２信号がともにローレベルである場合には、図５において回転子６ｂの回転子位置Ｐが固定子６ａの固定子位置３、７、１１、１５の何れかと正対していると特定することができる。また、回転角度取得部１２２は、第１信号がハイレベルであり、第２信号がローレベルである場合には、図５において回転子６ｂの回転子位置Ｐが固定子６ａの固定子位置４、８、１２、１６の何れかと正対していると特定することができる。

次に、回転角度取得部１２２は、回転子６ｂの第１回転角度の範囲内における、第１信号及び第２信号の組み合わせに対応する角度を、回転子６ｂの絶対回転角度として特定する（ステップＳ１０３）。

ステッピングモータ５は５０極対であるため、機械角３６０°当りの分解能が２００の第１磁気センサ１５１の電気角１周期当りの分解能は４である。このため、第１磁気センサ１５１は、回転子６ｂの所定位置が固定子６ａの何れの位置と正対しているかを検出することにより、回転子６ｂの所定位置が、機械角３６０°で５０周期存在する電気角１周期のうち、何れの電気角１周期に位置し、且つ、その電気角１周期に対応する第１象限〜第４象限のうち、何れに位置しているかを検出可能である。このため、ステップＳ１０３において、回転角度取得部１２２は、まず、ステップＳ１０１において取得した第１回転角度に基づいて、５０周期存在する電気角１周期のうちの何れかの電気角１周期に対応する第１象限〜第４象限のうち、回転子６ｂの所定位置が位置している象限を特定する。

また、上述したように、インクリメンタルエンコーダ６０の１つの象限当りの分解能は４であるため、回転子６ｂの所定位置が１つの象限を４分割した位置（４分割位置）の何れに位置しているかを検出可能である。このため、ステップＳ１０３において、回転角度取得部１２２は、ステップＳ１０２において特定した第１信号及び第２信号の組み合わせに基づいて、特定した象限内において回転子６ｂの所定位置が位置している４分割位置の何れかを特定することができ、更に、その特定した４分割位置に対応する回転角度を回転子６ｂの絶対回転角度として特定することができる。これにより、アブソリュートユニット２１は、回転子６ｂの絶対回転角度を、機械角３６０°／２００／４＝０．４５°の精度で検出することができる。

一方、図８は、機械角３６０°当りの分解能が５０の第１磁気センサ１５１が用いられる場合における、制御部１０２による回転子６ｂの回転角度の取得処理を示すフローチャートである。

まず、ステッピングモータ制御装置２３は、ステッピングモータ５の固定子６ａに巻き付けられたＡ相巻線及びＢ相巻線に電流を供給する。なお、ステッピングモータ５の特性上、１回の電流供給では回転子６ｂの所定位置によっては回転子位置Ｐが所望の固定子位置と正対しない場合が考えられる。そこで、Ａ相巻線及びＢ相巻線の電流の供給状態を複数回変化させることが好ましい。なお、所望の固定子位置と正対させる方法については、当出願人が発明した特開２００５−２６１０２３号に記載の方法などが考えられる。

次に、第１磁気センサ１５１は、モータシャフト６ｃの回転角度、すなわち、回転子６ｂの回転角度（第１回転角度）を検出し、その第１回転角度を示すアナログ信号を制御部１０２へ出力する。制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１回転角度を示すアナログ信号を取得する（ステップＳ２０１）。

また、インクリメンタルエンコーダ６０は、回転子６ｂの所定位置（回転子位置Ｐ）が正対する固定子位置に対応した第１信号及び第２信号の組み合わせを制御部１０２へ出力する。制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１信号及び第２信号の組み合わせを取得する。更に、回転角度取得部１２２は、第１信号及び第２信号の組み合わせを特定する（ステップＳ２０２）。具体的な第１信号及び第２信号の組み合わせの特定方法は、図７のステップＳ１０２と同様である。

また、ステッピングモータ制御装置２３は、ステッピングモータ５の固定子６ａに巻き付けられたＡ相巻線及びＢ相巻線に対する電流の供給状態を制御部１０２へ出力する。上述したように、Ａ相巻線、Ｂ相巻線に電流が供給されているため、制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、ステッピングモータ制御装置２３からのＡ相巻線及びＢ相巻線に対する電流の供給状態を取得する（ステップＳ２０３）。

次に、制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、Ａ相巻線及びＢ相巻線に対する電流の供給状態に基づいて、回転子６ｂの所定位置（回転子位置Ｐ）が位置する象限を特定する（ステップＳ２０４）。上述したように、Ａ相巻線及びＢ相巻線に対する電流の供給状態により、回転子６ｂの所定位置が位置する象限は一意に特定可能であり、回転角度取得部１２２は、Ａ相巻線にプラスの電流が供給される場合、回転子６ｂの所定位置は第１象限に位置し、Ｂ相巻線にプラスの電流が供給される場合、回転子６ｂの所定位置は第２象限に位置し、Ａ相巻線にマイナスの電流が供給される場合、回転子６ｂの所定位置は第３象限に位置し、Ｂ相巻線にマイナスの電流が供給される場合、回転子６ｂの所定位置は第４象限に位置すると特定する。

次に、回転角度取得部１２２は、回転子６ｂの第１回転角度の範囲内であって、特定した象限内における、第１信号及び第２信号の組み合わせに対応する角度を、回転子６ｂの絶対回転角度として特定する（ステップＳ２０５）。

ステッピングモータ５は５０極対であるため、機械角３６０°当りの分解能が５０の第１磁気センサ１５１の電気角１周期当りの分解能は１である。このため、第１磁気センサ１５１は、回転子６ｂの所定位置が固定子６ａの何れの位置と正対しているかを検出することにより、機械角３６０°で５０周期存在する電気角１周期の何れに位置しているかを検出可能である。このため、ステップＳ２０５において、回転角度取得部１２２は、まず、ステップＳ２０１において取得した第１回転角度に基づいて、５０周期存在する電気角１周期のうち、何れの電気角１周期に位置しているかを検出する。

また、ステップＳ２０４において特定された象限は、回転子６ｂの所定位置が位置していると特定された電気角１周期に対応する第１象限〜第４象限のうち、回転子６ｂの所定位置が位置している象限を示す。このため、ステップＳ２０５において、回転角度取得部１２２は、電流の供給状態に基づいて、特定した電気角１周期に対応する第１象限〜第４象限のうち、回転子６ｂの所定位置が位置している象限を特定する。

また、上述したように、インクリメンタルエンコーダ６０の１つの象限当りの分解能は４であり、回転子６ｂの所定位置が１つの象限を４分割した位置（４分割位置）の何れに位置しているかを検出可能である。このため、ステップＳ２０５において、回転角度取得部１２２は、ステップＳ２０２において特定した第１信号及び第２信号の組み合わせに基づいて、特定した象限内において回転子６ｂの所定位置が位置している４分割位置の何れかを特定することができ、更に、その特定した４分割位置に対応する回転角度を回転子６ｂの絶対回転角度として特定することができる。これにより、アブソリュートユニット２１は、回転子６ｂの絶対回転角度を、機械角３６０°／５０／４／４＝０．４５°の精度で検出することができる。

図７及び図８の処理により回転子６ｂの絶対回転角度が取得されるとともに、ロッド１５の位置取得が行われる。図９は、制御部１０２によるロッド１５の位置の取得処理を示すフローチャートである。

制御部１０２内の位置取得部１２４は、回転子６ｂの回転数を取得する（ステップＳ３０１）。具体的には、ロッド１５が最もハウジング１に接近したときの状態である初期状態からステッピングモータ５が駆動され、モータシャフト６ｃの回転に伴って主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３が回転すると、位置取得部１２４は、第１磁気センサ１５１によって検出される主動歯車６１の回転角度（第１回転角度）と、第２磁気センサ１５２によって検出される第１従動歯車６２の回転角度（第２回転角度）と、第２磁気センサ１５３によって検出される第２従動歯車６３の回転角度（第３回転角度）とを取得する。更に、位置取得部１２４は、主動歯車６１の回転角度と、第１従動歯車６２の回転角度と、第２従動歯車６３の回転角度との組み合わせにより一意に定まる回転子６ｂの回転数を取得する。ここで取得される回転子６ｂの回転数の小数点以下の値は切り捨てられる。

次に、位置取得部１２４は、回転角度取得部１２２により図７又は図８の処理によって取得された回転子６ｂの絶対回転角度を取得する（ステップＳ３０２）。

次に、位置取得部１２４は、回転子６ｂの回転数に対するロッド１５の移動距離（第１移動距離）を算出する（ステップＳ３０３）。例えば、メモリ１０４には、回転子６ｂの１回転当りのロッド１５の移動距離が記憶されている。位置取得部１２４は、回転子６ｂの１回転当りのロッド１５の移動距離にステップＳ３０１において取得した回転子６ｂの回転数を乗じることにより、ロッド１５の第１移動距離を算出する。

次に、位置取得部１２４は、回転子６ｂの絶対回転角度に対するロッド１５の移動距離（第２移動距離）を算出する（ステップＳ３０４）。上述したように、アブソリュートユニット２１は、回転子６ｂの絶対回転角度を０．４５°の精度で検出することができる。これに応じて、例えば、メモリ１０４には、回転子６ｂが０．４５°回転するときのロッド１５の移動距離が記憶されている。位置取得部１２４は、回転子６ｂが０．４５°回転するときのロッド１５の移動距離に、ステップＳ３０２において取得した回転子６ｂの絶対回転角度を乗じ、更に、０．４５で除することにより、ロッド１５の第２移動距離を算出する。

次に、位置取得部１２４は、ロッド１５の始点位置（初期状態の位置）に、ステップＳ３０３において算出した第１移動距離と、ステップＳ３０４において算出した第２移動距離とを加算して、ロッド１５の現在位置を特定する（ステップＳ３０５）。

以上説明したように、アブソリュートユニット２１では、機械角３６０°当りの分解能が２００の第１磁気センサ１５１が用いられる場合には、制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１磁気センサ１５１により検出される、回転子６ｂの第１回転角度を取得するとともに、インクリメンタルエンコーダ６０により検出される第１信号及び第２信号の組み合わせを取得する。更に、回転角度取得部１２２は、回転子６ｂの第１回転角度の範囲内における、第１信号及び第２信号の組み合わせに対応する角度を、回転子６ｂの絶対回転角度として特定する。これにより、回転子６ｂの絶対回転角度を０．４５°の精度で検出することができる。

また、アブソリュートユニット２１では、機械角３６０°当りの分解能が５０の第１磁気センサ１５１が用いられる場合には、制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１磁気センサ１５１により検出される、回転子６ｂの第１回転角度を取得するとともに、インクリメンタルエンコーダ６０により検出される第１信号及び第２信号の組み合わせを取得する。更に、回転角度取得部１２２は、Ａ相巻線及びＢ相巻線に対する電流の供給状態に基づいて回転子６ｂの所定位置が位置する象限を特定し、回転子６ｂの第１回転角度の範囲内であって、特定した象限内における、第１信号及び第２信号の組み合わせに対応する角度を、回転子６ｂの絶対回転角度として特定する。これにより、回転子６ｂの絶対回転角度を０．４５°の精度で検出することができる。

このように、インクリメンタルエンコーダ６０に安価な第１磁気センサ１５１を組み合わせることによって、簡易に回転子６ｂの絶対回転角度が検出可能であり、従来の磁気式アブソリュートエンコーダのように、複数の回転検出器やＡ／Ｄ変換器は不要であり、更には、複雑な制御回路も不要であるので、コストを削減することができる。

また、制御部１０２内の位置取得部１２４は、回転子６ｂの回転数を取得し、この回転数に対するロッド１５の第１移動距離を算出するとともに、回転子６ｂの絶対回転角度に対するロッド１５の第２移動距離を算出し、ロッド１５の初期状態の位置に、第１移動距離と第２移動距離とを加算して、ロッド１５の現在位置を特定することができる。更には、上述した算出手法を用いることにより、回転数の情報を保持しておく必要はないため、その保持のための電源供給の手段、例えばバッテリは不要である。

また、ステッピングモータ制御装置２３は、回転子６ｂの第１回転角度や第１信号及び第２信号の組み合わせに基づいて、ステッピングモータ５の駆動を適切に制御することができる。

以上、実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

上述した実施形態では、第１磁気センサ１５１の機械角３６０°当りの分解能が２００の場合と５０の場合とについて説明したが、第１磁気センサ１５１の機械角３６０°当りの分解能が２００超の場合には、分解能が２００の場合と同様、図７に示す処理により回転子６ｂの絶対回転角度を取得することができる。また、第１磁気センサ１５１の機械角３６０°当りの分解能が５０超の場合には、分解能が５０の場合と同様、図８に示す処理により回転子６ｂの絶対回転角度を取得することができる。

また、実施形態では、第１磁気センサ１５１、第２磁気センサ１５２、第３磁気センサ１５３を用いるとともに、磁石７１がモータシャフト６ｃの先端部に、磁石７２が軸受６４の先端部に、磁石７３が軸受６５の先端部にそれぞれ取り付けられているが、これらに代えて、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度を検出する手段を用いる場合にも、同様に本発明を適用することができる。

また、実施形態では、磁石７１がモータシャフト６ｃの先端部に取り付けられるようにしたが、磁石７１は、モータシャフト６ｃと同一の回転角度で回転するように構成されていればよい。例えば、主動歯車６１と連動して回転し、主動歯車６１と同一の歯数を有する第３従動歯車が取り付けられる。第３従動歯車は主動歯車６１と噛み合っていてもよいし、他の従動歯車を介して主動歯車６１と連動して回転してもよい。更に、第３従動歯車の軸受の先端部に磁石７１が取り付けられるとともに、第１磁気センサ１５１が、磁石７１と所定の間隔を空けて対向する位置に配置される。

また、実施形態では、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３が主動歯車６１と噛み合うようにしたが、主動歯車６１と連動して回転するように構成されていればよい。例えば、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３が他の従動歯車を介して主動歯車６１と連動して回転してもよい。

また、実施形態では、磁石７２が軸受６４の先端部に、磁石７３が軸受６５の先端部にそれぞれ取り付けられているが、磁石７２は軸受６４と同一の回転角度で回転し、磁石７３は軸受６５と同一の回転角度で回転するように構成されていればよい。例えば、第１従動歯車６２と連動して回転し、第１従動歯車６２と同一の歯数を有する第４従動歯車が取り付けられる。第４従動歯車は第１従動歯車６２と噛み合っていてもよいし、他の従動歯車を介して第１従動歯車６２と連動して回転してもよい。更に、第４従動歯車の軸受の先端部に磁石７２が取り付けられるとともに、第２磁気センサ１５２が、磁石７２と所定の間隔を空けて対向する位置に配置される。また、第２従動歯車６３と連動して回転し、第２従動歯車６３と同一の歯数を有する第５従動歯車が取り付けられる。第５従動歯車は第２従動歯車６３と噛み合っていてもよいし、他の従動歯車を介して第２従動歯車６３と連動して回転してもよい。更に、第５従動歯車の軸受の先端部に磁石７３が取り付けられるとともに、第３磁気センサ１５３が、磁石７３と所定の間隔を空けて対向する位置に配置される。

また、実施形態では、アブソリュートユニット２１内に基板１０１を配置し、基板上に制御部１０２等が構成されるようにしたが、基板１０１及び制御部１０２等はアブソリュートユニット２１の外部、例えば、ステッピングモータ制御装置２３内に構成されてもよい。また、ステッピングモータ５は、２相ＨＢ型ステッピングモータとしたが、可変リラクタンス型（Variable Reluctance Type）ステッピングモータ、ＰＭ型（Permanent Magnet Type）ステッピングモータ等に対しても同様に本発明を適用可能である。また、ステッピングモータ５の相数に関しても限定されるものではなく、単相、２相、３相、４相、５相等の様々な構成にも本発明を適用可能である。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

１ ハウジング
３ モータカバー
５ ステッピングモータ
６ａ 固定子
６ｂ 回転子
６ｃ モータシャフト
７ ジョイント部材
８ 軸受部材
９ ボールねじ
１０ 軸受部材
１１ ボールナット
１３ 中空ロッド
１５ ロッド
２１ アブソリュートユニット
２３ ステッピングモータ制御装置
５０ ユニットカバー
６０ インクリメンタルエンコーダ
６１ 主動歯車
６２ 第１従動歯車
６３ 第２従動歯車
６４、６５ 軸受
６６、６７ 歯車保持用プレート
７１、７２、７３ 磁石
１００ アクチュエータシステム
１０１ 基板
１０２ 制御部
１０４ メモリ
１０６ モータドライバ回路
１０８ 電流センサ
１１０ Ｉ／Ｆ部
１２２ 回転角度取得部
１２４ 位置取得部
１５１ 第１磁気センサ
１５２ 第２磁気センサ
１５３ 第３磁気センサ

Claims (6)

1. 回転子と固定子巻線とを含むステッピングモータを制御するステッピングモータ制御システムであって、
   前記回転子の機械角３６０°に対して前記ステッピングモータの極対数以上の分解能を有し、前記回転子の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   前記回転子の回転角度に応じて複数の種別の信号を周期的に出力する信号出力手段と、
   前記信号出力手段により出力された信号の種別に基づいて、前記ステッピングモータの駆動を制御する駆動制御手段と、
   前記回転角度検出手段により検出された前記回転子の回転角度と、前記信号出力手段により出力された信号の種別とに基づいて、前記回転子の絶対回転角度を取得する絶対回転角度取得手段と、
   前記固定子巻線に複数の種別の電流を供給する制御を行う電流供給制御手段と、
   を備え、
   前記分解能は、前記ステッピングモータの極対数以上であり、
   前記絶対回転角度取得手段は、前記回転角度検出手段により検出された前記回転子の回転角度と、前記信号出力手段により出力された信号の種別とに加え、前記電流供給制御手段により供給される電流の種別に基づいて、前記回転子の絶対回転角度を取得することを特徴とするステッピングモータ制御システム。
2. 前記分解能は、前記ステッピングモータの極対数と、前記回転子が前記ステッピングモータの１極対に対応する角度を回転する間に前記信号出力手段によって出力される信号の種別の組み合わせの周期の回数とを乗じた数以上であることを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ制御システム。
3. 前記回転子の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記絶対回転角度取得手段により取得された前記回転子の回転角度と、前記回転数検出手段により検出された前記回転子の回転数とに基づいて、前記ステッピングモータの駆動によって直線上を移動する移動体の位置を取得する移動体位置取得手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のステッピングモータ制御システム。
4. 回転子と固定子巻線とを含むステッピングモータを制御するステッピングモータ制御システムにおけるステッピングモータ制御方法であって、
   前記回転子の機械角３６０°に対して前記ステッピングモータの極対数以上の分解能を有し、前記回転子の回転角度を検出する回転角度検出ステップと、
   前記回転子の回転角度に応じて複数の種別の信号を周期的に出力する信号出力ステップと、
   前記信号出力ステップにおいて出力された信号の種別に基づいて、前記ステッピングモータの駆動を制御する駆動制御ステップと、
   前記回転角度検出ステップにおいて検出された前記回転子の回転角度と、前記信号出力ステップにおいて出力された信号の種別とに基づいて、前記回転子の絶対回転角度を取得する絶対回転角度取得ステップと、
   前記固定子巻線に複数の種別の電流を供給する制御を行う電流供給制御ステップと、
   を含み、
   前記分解能は、前記ステッピングモータの極対数以上であり、
   前記絶対回転角度取得ステップでは、前記回転角度検出ステップにおいて検出された前記回転子の回転角度と、前記信号出力ステップにおいて出力された信号の種別とに加え、前記電流供給制御ステップにおいて供給される電流の種別に基づいて、前記回転子の絶対回転角度を取得することを特徴とするステッピングモータ制御方法。
5. 前記分解能は、前記ステッピングモータの極対数と、前記回転子が前記ステッピングモータの１極対に対応する角度を回転する間に前記信号出力ステップにおいて出力される信号の種別の組み合わせの周期の回数とを乗じた数以上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制御方法。
6. 前記回転子の回転数を検出する回転数検出ステップと、
   前記絶対回転角度取得ステップにおいて取得された前記回転子の回転角度と、前記回転数検出ステップにおいて検出された前記回転子の回転数とに基づいて、前記ステッピングモータの駆動によって直線上を移動する移動体の位置を取得する移動体位置取得ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項４又は５に記載のステッピングモータ制御方法。

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