JP2808275B2 - 電磁作動子装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序で本発明を説明する。 Ａ 産業上の利用分野 Ｂ 開示の概要 Ｃ 従来技術 Ｄ 発明が解決しようとする問題点 Ｅ 問題点を解決するための手段 Ｆ 実施例 F1 コミユテーシヨン位相感知 F2 コミユテート式ステツプモータの制御 F21 簡単なPID制御装置 F22 非直線性に対する補償 F3 電子コミユテータの動作 F31 コミユテータ論理 F32 位相の前進 F4 電子コミユテータ式ステツプモータの制御 F41 比例的・積分・誘導式デジタル制御（PID） F42 簡単なPD制御装置 F43 非直線性に対する補償 F44 積分条件及びPID制御装置 F45 可変利得 F46 性能 Ｇ 注記 G1 速度の見積りのための高次式の誘導 G2 平方根の計算 G3 結合型モータのコミユテーシヨン論理 G4 電磁作動子システムの利点 G5 改良方法 Ｈ 発明の効果 Ａ産業上の利用分野 本発明は電磁作動子（actuator）システム、より具体
的に言えば、増幅入力として、コンピユータにより与え
られるダイナミツク位置訂正信号及び偏差（以下変則と
もいう）訂正制御信号によつて、電子コミユテータを介
して、位置−感知ダブル閉ループモードにより動作され
るステツパモータを使つた電磁作動子装置に関する。 Ｂ開示の概要 本明細書はプログラム可能な論理アレー及びマイクロ
プロセツサによつて与えられた位置訂正及び変則訂正制
御信号による電子コミユテータを介して、位置−感知閉
ループモードで動作されるステツパモータを作動子とし
て使用する精密で強力な位置決め装置を与えることが開
示されている。モータ位相の位置感知に基づき、ステツ
パモータの電子コミユテータを使つて、モータコイルを
正しく付勢することは、付勢すべきモータの選択の問題
をプログラム可能な論理アレーへ転換する。その論理ア
レーの論理によつて、現在のアーマチヤ位置の関数とし
て簡単な動作制御を与え、そして温度上昇、平方根法
則、位相前進のような変則を、所望のアーマチヤの位置
と現在のアーマチヤの位置のフイートバツク信号の関数
として、マイクロプロセツサによつて訂正し、そしてモ
ータの基本ステツプ位置とは別個に、高い位置的精度の
制御及び高い速度で高い駆動力（トルク）制御を与え
る。標準の３位相磁気抵抗感知器がモータ位相を感知す
ると共に、訂正を計算するためのマイクロプロセツサへ
モータ位置をフイードバツクするのに使われる。ステツ
パモータの実際の制御は単一の増幅された変調制御信号
によつて伝達される。 Ｃ従来技術 トルクを発生するために、通常の直流モータは自動的
に切換えられ又はブラシによつて適当な時間でコミユテ
ート（切換）される多くの巻線を持つている。ブラシな
し直流モータにおける巻線は位置感知器又は電子スイツ
チによつて切換えられる。 ステツパモータは高い駆動力又はトルク出力を持つて
いる。ステツパモータは非常に低い速度でこの高いトル
クを生ずることが可能なので、それ等はロボツトのため
の直接駆動作動子として魅力がある。残念なことには、
ステツパモータのための共通の“制御”方法はそれ等の
基本ステツプ位置においてのみモータを位置させること
が出来る順序づけ論理を使つている。この従来の制御は
高速度又は変動する負荷の下では良好に動作することが
出来ない。 直接駆動の応用例に対しては、ステツパモータそれ自
身を基本ステツプの間に位置付けることが望まれる。コ
イル電流のバランス選択を通じて基本ステツプ位置の間
の平衡点を与える“マイクロ−ステツピング”の通常の
アプローチは手間が掛り、モータのダイナミツクスを考
慮しておらず、且つ電力の浪費がある。第２に、トルク
又は駆動力を引き出す制御はロボツト作動子について望
ましい特性であるけれども、然し、そのような制御は比
例的誘導（Proportional Derivative−PD）及び比例的
積分誘導（Proportional Integral Derivative−PID）
のようなステツパモータの従来の制御法則では困難であ
る。 以下に代表的な先行技術を記載する。 ・ 1984年５月のイリノイ大学の「歩進運動制御システ
ム及び装置」に関する第13回年次シンポジユウムの会報
であつて、トンプソン（L.Thompson）及びリー（M.Le
e）による「万能・ブラシなしモータのコミユテータ」
と題する文献がある。 ・ 1984年５月のイリノイ大学の「歩進運動制御システ
ム及び装置」に関する第13回年次シンポジユウムの会報
であつて、オウデツト（C.Oudet）による「直流対ステ
ツパ：新しいアプローチ」（DC Versus Stepper:A New
Approach）と題する文献はどのようにして永久磁石のス
テツパモータを直流モータに変換するかを開示している
が、モータ位相を検出するために、その実行のためのモ
ータの運動を必要とする。従つて、モータ位相感知器と
コイル切換回路との間の真の直流結合がない。永久磁石
のステツパモータの基本的な理論の論議がある。 ・ 1984年６月、米国デトロイトのロボツト８会議にお
けるウエルバーン（R.Welburn）の「直接駆動ロボツト
用のための超高度トルクシステム」（Ultra High Torqu
e System for Direct Drive Robotics）と題する文献は
電子コミユテータと12ビツトのデジタル位置フイードバ
ツクを有する同期モータを開示しているが、平方根法則
は持つておらず、且つ複雑なコミユテータを使用してい
る。 ・ 1984年11月の産業エレクトロニクス（Industrial E
lectronics）に関するIEEE会報、Vol.IE−31、No.4に、
パアソン（W.R.Person）及びセン（P.C.Sen）による
「移送システムのための同期モータを使つたブラシなし
直流モータ推進力」（Brushless DC motor Propulsion
Using Synchronous Motors for Transit Systems）と題
する刊行物は同期モータの電子コミユテータを開示して
いる。 ・ 1976年５月のイリノイ大学における歩進運動制御シ
ステム及び装置に関する第５回年次シンポジユウムの会
報、「リニヤ・ステツピングモータのダイナミツク応答
及び制御方法」（Dynamic Responses and Control Aspe
cts of Liner Stepping Motors）と題するパウレツコ
（J.P.Pawletko）による文献はステツパモータにおける
実験モータ及び要約された制御技術が開示されている。 ・ 1984年５月のイリノイ大学における歩進運動制御シ
ステム及び装置に関する第13回年次シンポジユウムの会
報に、パウレツコ（J.P.Pawletko）及びチヤイ（H.D.Ch
ai）による文献「非結合位相のリニヤ・ステツパモー
タ」（Linear Stepping Motor with Uncoupled Phase
s）は他の実験モータが開示されている。 ・ 米国特許第4,254,370号には、ステツパモータへの
要求速度がその固有の速度を超かに越えたとしても、そ
の固有速度でステツパモータを動作する位置フイードバ
ツクを有する、コミユテータとしてのバツフア翻訳器を
使用することが開示されている。 ・ 米国特許第4,349,771号には要求信号を軸位置信号
と比較する積分システムを使つた閉ループシステムが開
示されている。 ・ 米国特許第4,426,608号には、光学位置感知器を使
う選択されたデユーテイサイクルに従つた進み角度の変
調装置が開示されている。 ・ 米国特許第4,429,268号には、加速及び減速制御メ
モリを使う閉ループ速度制御における位置フイードバツ
ク及び電子コミユテーシヨンを開示している。 Ｄ発明が解決しようとする問題点 従来の技術はモータの位置フイードバツク閉ループ制
御のための種々の電子コミユテータ又は直接的な電子制
御方法を開示しているけれども、それ等は、ダブル閉ル
ープ・ステツパモータ・システムである本発明の教示又
は示唆がない。位置のフイードバツクを使用したストア
ドプログラムのマイクロプロセツサは、現在位置及び要
求位置の組合せの関数として適正なステツパモータの位
置及び変則の訂正を計算し、そして、プログラム可能な
論理アレーへ位相制御信号を供給する。コミユテータ中
のプログラム可能な論理アレーもまた位置のフイードバ
ツクを受け取り、そして低いコストで非常に高い速度と
強力且つ精密な位置決めを達成するために、ステツパモ
ータのコイル中に電流を流す電路を完成する。位置を訂
正し、且つ平方根法則で生じる偏差などを訂正するマイ
クロプロセツサの訂正は、基本ステツプ以下の小さな歩
進の微少位置制御によつて、位置、速度及びトルクを制
御する単一の増幅可変サーボ要求信号として表示され
る。 本発明の目的は単一の電流（電圧）増幅制御信号によ
るダイナミツク制御で、高い精度の位置割り当てを有す
るステツパモータの作動子のパワー及び経済性を利用す
ることにある。 本発明の他の目的は、単一の制御変数によるモータ制
御を有するステツパモータの実用的な電子コミユテータ
・システムを可能とすることにあり、その制御が位置に
は無関係なので、制御の観点からは、本発明に従つた電
子コミユテータを付属したステツパモータは標準の直流
モータと同じように見える。 本発明の他の目的は、位置とは別個である単一の制御
変数によつて制御を達成するようにステツパモータの制
御を簡単にすることにあり、しかも単一の制御変数を介
して変則の訂正が出来る。 本発明の他の目的は、単一の制御要求入力を介して、
制御法則に従つて適当なコイルを制御するために、ステ
ツパモータへ電子コミユテーシヨンを適用することにあ
る。 本発明の目的は、モータ位置（角度）とは独立して、
単一の制御入力でステツパモータ制御を達成し且つモー
タから最大の駆動力（トルク）を得ることにある。 本発明の他の目的は、モータの現在位置、速度及びモ
ータの駆動力の所望の方向をモータに与え且つ所望の方
向へ駆動力を最大化するコイルを付勢することを与える
コミユテーシヨン原理に追従させることにある。 本発明の目的は適当な大きさで動作コイルを付勢する
ことによつて位置の独立を達成することにある。 本発明の他の目的には、制御入力を形成するため、モ
ータの駆動力の所望の方向と結合された付勢コイルへ印
加された電流又は電圧の大きさ、及び制御入力値を指令
する制御法則を使つて、すべての型のステツパモータ、
即ち、リニヤ型可変磁気抵抗ステツパモータ、結合型位
相又は非結合型位相ステツパモータ、又は永久磁石ステ
ツパモータ、又はハイブリツド型ステツパモータ等のた
めにコミユテーシヨン原理を実行させることにある。 Ｅ問題点を解決するための手段 本発明の特徴は動的な増幅制御信号を計算するマイク
ロプロセツサを使つて、コイル付勢選択信号と位相前進
信号とを与えるために、電子コミユテータ中のプログラ
ム可能な論理アレーを使用することである。ここで、コ
イル付勢信号は最初のフイードバツク・ループ中の現在
の位置フイードバツク信号と、方向制御信号と、位相前
進信号との合成関数の信号である。２番目の、即ち後続
するフイードバツク・ループ中の現在の位置フイードバ
ツク信号の合成関数としての位相前進信号は、ステツパ
モータのモータコイルへ電流（電圧）増幅制御信号とし
て差し向けられた動的な位置訂正及び変則訂正を有する
位置信号制御情報を、プログラム可能な論理アレーへ位
相前進信号として与える。 Ｆ実施例 ダブル閉ループで動的に変則を訂正し、コンピユータ
で選択される電子コミユテーシヨン技術を用いた電磁作
動子システムの良好な実施例を示し、以下に詳細に説明
する。リニヤ・ステツパモータ又は回転ステツパモータ
を制御する本発明の電子コミユテーシヨンは、モータ位
相の位置感知と、制御法則の適用及び変則の訂正と、到
着位置の選択とに基づいてモータのコイルを正しく付勢
する。 ステツパモータの電子コミユテータは直流モータのブ
ラシと同じ機能を持ち、そしてブラシなしの直流モータ
のコミユテータと類似する。コンピユータは、モータコ
イルへの増幅制御信号が電子コミユテータによつて選択
されると、現在位置が訂正され、且つ可変磁気抵抗ステ
ツパモータにおける平方根法則に基づく駆動力の偏差な
どが訂正された、起動から目的位置到着までのプロフイ
ールを準備する。 本発明の電磁作動子システムにおいて、ステツパモー
タは直流サーボモータと殆ど同じ機能の能力を持つ。コ
ミユテーシヨンは位置感知により決定されたモータコイ
ルを正しく付勢することである。本発明の電磁作動子シ
ステム中の電子コミユテーシヨンは直流モータにおける
ブラシと同じ機能を有し、且つブラシなし直流モータの
電子コミユテーシヨン類似している。本発明に従つて、
電子コミユテーシヨン及び簡単な制御法則（例えば後述
のPID制御）を使うことによつて、モータの基本ステツ
プ位置とは独立して、リニヤ・ステツプモータ又は回転
ステツプモータを高い位置精度、高い速度、高い駆動力
又はトルクで制御することが出来る。これ等の能力は、
ロボツトのための作動子の効果的な直接駆動器として、
ステツパモータの使用を可能にする。 モータは一方が他方に対して相対的に移動する２つの
部分から成つている。 コイル：モータはリジツドに結合された２個のＥ−コア
を含む。Ｅ−コアの夫々の脚に１個のコイルがあり、合
計３個のコイルが装着されている。 バー： Ｅ−コアの間に置かれたバーは各面に一定の間
隔、即ちピツチの矩形歯を持つている。 第２図は３相のV.R.（可変磁気抵抗器）リニヤステツ
パモータを示す。モータはリジツドに結合された２個の
Ｅ−コア11を含み、夫々のコアは３個の脚を有し、各脚
は各々コイルが装着されている。一定の間隔の即ちピツ
チの矩形歯を具えたバー12は２個の対向するＥ−コアの
間に置かれる。この特定のバーは2.54粍（0.1インチ）
の歯ピツチを持つ。第２図は半ステツプ（half step）
によつてバーを右方へ移動するためのモータの順序付け
の結果を示す。バーを１歯ピツチ移動するのには６つの
半ステツプが必要である。バーを右方へ半ステツプ移動
するために、コアは、１個のコイル及び２個のコイルを
交番的に付勢することにより、図示されたように付勢さ
れる。左方への移動はコイルの付勢順序を反転すること
により達成される。半ステツプでなく、一度にただ１個
のコイルを付勢することにより、１ステツプによつてモ
ータを進ませることは可能であるけれども、この方法は
駆動力の変化が大きいので魅力がない。第２図に示され
た、モータの６つの粗調整位置はコミユテーシヨン位相
と言われる。コミユテーシヨン位相及び所望の移動方向
はどのコイルが付勢されるかにより決められる。第２図
はこの結合型位相モータの複雑な磁束路を示す。例え
ば、付勢されている１つのコイルからの磁束はＥ−コア
の３個の脚すべてを通過する。 位相１、２、３、４、５から０へそして１へ戻る順序
はコイルAA′中の磁束方向を上向きから下向きへ変化す
る必要がある。そのような変化を同時に起すことは出来
ないので、磁束方向の反転を必要としない方がより良
い。第２図に示されたように方向づけられた磁束を持つ
た６個の位相を介してモータを交番的に歩進し、且つそ
れから磁束を反転することによつて、磁束方向の急激な
変化が除去される。従つて、このモータ及び多くの回転
モータの順序づけは非常に複雑である。 第３図及び第４図はパウレツコ（Pawletko）及びチヤ
イ（Chai）により開発され、簡単化された順序づけを有
する非結合型モータを示す。可変磁気抵抗モータの基本
的動作原理は非結合型モータのそれと同じであるが、然
し各モータコイル中の磁束の相対的な方向は重要ではな
い。以下の議論において、最初に非結合型モータのコミ
ユテーシヨンを討議し、次にどのようにして結合型モー
タをコミユテートすることが出来るかを示すことが最も
簡単である。ステツパモータ11、12はプログラム可能の
論理アレー（PLA）14へ位置情報をフイードバツクする
位置感知器13を持つ。PLA14はコミユテーシヨン・スイ
ツチ15へ制御信号を与える。スイツチ15はステツパモー
タの動作を完成するため、夫々に接続されているコイル
16へ電流を付勢する回路を完成する。位置感知器13は複
数の磁気抵抗器（MR）17から作られており、MRは密接し
て感知を行う従来の方法と同様にバー12の歯に対面して
配列される。MR17は増幅器18を介して比較器19へ出力を
与え、比較器19はフイードバツクのためのバイナリ信号
を与える。電力即ちパワー増幅器20は制御増幅ステツパ
モータ要求信号を受け取り、これに従つたパワー制御を
モータコイルへ与える。 フイードバツク接続器は位置データをPLA14へ戻すた
めのフイードバツク路21を与える。 F1 コミユテーシヨン位相感知 ブラシなしの直流モータのコミユテータのように、ス
テツパモータのコミユテータは３個の部分、即ち位置感
知器、コミユテータ論理及び電子コイルスイツチを含
む。位置感知器は、モータが０、１、・・・・又は５の
うち何れの位相にあるかを検出するための充分な情報を
与えなければならない。 第５図は、どのようにして３個の磁気抵抗器（MR）感
知器が効果的に必要な信号を与えることが出来るかを示
す。MRはＥ−コアに装着されており、バーがMRの下を動
くにつれて変化するパーミアンスを感知する。第５図は
MRの３つの出力電圧を示し、夫々は１歯ピツチ2.54粍の
周期を持つ。各MRは隣りのMRから1/3ピツチの位置に物
理的に装着されているため、各信号は位相が120゜づつ
ずれている。第４図に示されたMRの出力点上の比較器
（Ｃ）は３つのバイナリ信号AB、BC及びCAを発生する。
３デジツトのバイナリワードAB、BC、CAは、モータが第
２図に示した位置の１つに対応するコミユテーシヨン位
相のグレイ（Gray）コードを表示する。コミユテーシヨ
ンを制御することを位相情報を取り出すことから完全に
切り放す。MRの電圧はA/Dコンバータにより測ることが
出来、そしてモータの位置を決定するため処理される。 第５図は６個の独立した位相と、「前進」又は「後
退」の所望の駆動方向との関数として付勢されるべきコ
イルの選択を示す。 第６図は、コミユテーシヨンの結果、各コイル及び１
対のコイルが一定の電流の下で、位置の関数として発生
することの出来る駆動力を示す。位置の関数として、完
全にサイン的な駆動力に近似しているため（実際の駆動
力はこれほど完全でない）、コミユテーシヨンは殆ど一
定のトルクを与える。この変化率はたつた13％である。 ３相非結合型ステツパモータのコミユテーシヨン論理
は次の３つの論理式で表わされる。 ここで、Ａ、Ｂ及びＣは、コイルＡ又はＢ又はＣがオ
ンであるか否かを示す論理変数である。AB、BC、及びCA
は対応するMRの出力の間の比較の論理値を表わし、従つ
てグレイコードでコミユテーシヨン位相を表わす。 結合型モータのコミユテーシヨン論理はモータ位相の
間での結合のため、より複雑である。何故なら上述の位
相間の結合は、磁束の方向が同じ方向へ戻るために、モ
ータが12の半ステツプの歩進を必要とするからである。 付勢されるコイルの順序は、駆動の方向で1.5位相
（１位相と２位相の間）の平均的位相前進を有する半ス
テツプの代表的開ループ順序に従う。電子コミユィテー
シヨンと通常の半ステツプコミユテーシヨンの間の主た
る相異は、コイル順序がモータ位相感知器（本例ではM
R）からのフイードバツクによつて自動的に発生される
ことである。事実、コミユテータ論理は、モータを循環
する非常に速い閉ループのフイードバツク・システムと
して機能する（毎秒1.5メートルのモータ速度におい
て、毎秒3600回のコイルの切換が必要である）。第４図
において、コイル切換回路は記号化されたトランジスタ
Ａ、Ｂ及びＣで表示されている。実際の回路は使用され
る最大電圧及び必要とされる切換時間に従つて相当複雑
である。 実際の切換回路はコイルの電流をオン又はオフに切換
えるに要する最小時間により制限される。この制限はコ
イルのインダクタンスＬ及び最大電圧V_maxにより左右さ
れる。切換回路は方程式|di/dt|_max＝V_max/Lによつて操
作することが出来る。 電流及び駆動力を効果的に構築する際の遅延が正しい
コミユテーシヨンを遅らせる。この問題は測定されたモ
ータ位相を前進させ、従つてミユーテーシヨンを前進さ
せることによつて部分的に克服することが出来る。この
結果は、通常のステツパモータ制御における励起の前進
と同じである。モータは高速度においてより高いトルク
を生ずる。 次式は位相の前進を達成するための必要な論理式であ
り、式中、V_Sは必要な位相前進の符号即ちサイン（方向
の）、そしてV₁、V₀は半ステツプの単位のバイナリの数
値である。 新しいいバイナリワード はV₁、V₀の大きさにより決められた値、V_Sの方向へ前進
された位置位相の測定値を表わす。前進値を含む正しい
コミユテーシヨンで到達するために、 はコミユテータ論理式（１）中のAB、BC、CAと置き換わ
る。 F2 コミユテート式ステツプモータの制御 電子的にコミユテートされるステツパモータのデジタ
ル制御装置は、ある瞬間にモータへ印加されるべき電圧
（電流）の大きさと、モータにより発生されるべき駆動
力の方向とを決定することのみが必要とされる。通常の
直流サーボモータ・システムにおいては同じ大きさと同
じ符号の駆動電圧が直流モータへ与えられる。 結合型及び非結合型位相の可変磁気抵抗ステツパモー
タはデジタルPID（比例的、積分、誘導式）（proportia
l、integral、derivative）制御法則で駆動される。こ
れは簡単なサーボ制御法を代表するけれども、ステツパ
モータを制御するのにその法則を使用するのは新規であ
る。 多くの市販のマイクロプロセツサが利用しうるけれど
も、RRAカードに付されたデジタル及びアナログ端子を
有するモトロラ68000は実験用として好適なマイクィロ
プロセツサである。このプロセツサは、モータ位置を翻
訳する作業、モータ速度を見積る作業及び制御信号を合
成する作業を行う（第１図）。 第１図は、マイクロプロセツサ24へ位置データを与え
る粗調整位置のフイードバツクループ22及び微調整位置
のフイードバツクループ23を除けば、第４図と似てい
る。 モータ位置はMR信号からか、又は別個のエンコーダか
ら引き出される。速度はタコメータで測定しうるけれど
も、然し、特にリニヤ作動子の場合の付加的な費用や複
雑化のために、タコメータは本装置に使用しなかつた。
このプロセツサで充分に速度見積りがなし得た。 F21 簡単なPID制御装置 制御条件を計算する第１のステツプは時間、ｋにおけ
るモータの所望の位置x_d及び実際の位置x_kとの相異を形
成することである。時間ｋにおけるモータの速度をv_kと
すると、独立したPD制御法則は、 U_k＝−K_e（x_k−x_d）−K_vv_k ・・・（３） ここでK_e及びK_vは夫々位置的エラー及び速度の利得で
あり、且つU_kは制御値である。 タコメータがないから、見積値_ｋをv_kのために使わ
れねばならない。最も簡単な速度の見積りは過去の位置
測定のうちの最新の差異を数字的に誘導した値を使うこ
とである。 _ｋ＝x_k−x_k-1 ・・・（４） これは、むしろ「ノイズの多い」見積り器として知ら
れているので、他の簡単な方法が用いられる。例えば、
２次式又は３次式をデータx_k、x_k-1、x_k-2・・・・に適
合し、然る後、時間ｋにおけるその高次式の誘導値を評
価する見積り方法がある。そのような見積りによるエラ
ーは、充分に高いサンプル速度では小さいことが証明出
来る。事実、これ等の見積り値は0.5キロヘルツから２
キロエルツの間の種々のサンプル速度におけるPIDサー
ボ操作の性能を向上した。 U_k＝−K_e（x_k−x_d）−K_{v ｋ}において、U_kの符号はモ
ータが加速されるべき方向を決定し、そしてその大きさ
は電圧の大きさを決定する。U_kの符号は信号Ｆによつて
コミユテータへ出力され、U_kの値はモータを駆動するた
めのパワー増幅器へ出力され、そして値_ｋは数値化さ
れて、位相の前進を制御するためコミユテータへ与えら
れる（第１図）。最後に、安定的なエラーなし基準に適
応させるために、リニヤ制御の設計者はPID制御を形成
する制御へ積分条件（別個のケースの合計）を付加す
る。 ここで、ｎ＜ｋは或る有限値であるように選ばれる。
若しこの制御法則が漸近線的に安定状態であれば、ｋが
無限大になると位置x_kの値はx_dの値そのものになる。 この簡単な制御は大きな柔軟性を与える。利得は負荷
及び所望の軌道に従つてモータのトランジエント応答を
特定するよう調節される。モータシステム全体は、操作
が例えばAMLのようなロボツト用のプログラミング言語
によつて特定されるロボツトの適用装置に簡単に導入さ
れる。 F22 非直線性に対する補償 直流サーボモータとは異なつて、V.R.モータは明瞭な
非直線性を持つ。磁束飽和の値よりずつと低い電流レベ
ルにおいて発生された静的駆動力はコイル電流の平方根
と比例する。リニヤ制御法則で所望の位置へモータを
「サーボ」しようと試みると、性能に悪影響を与える非
直線性に遭遇する。非直線性に対して顕著に補償するこ
とはモータをU_kで駆動しないで、 で駆動することである。 この補償は電流が制御用として使われた時、正しい。
事実、制御用として電圧が印加された時であつてさえ
も、良いトランジエント（transient）応答で極めて強
い固定の強さ、即ちステイフネス（stiffness）（大き
なK_eの値）が平方根法則により達成された。より良い性
能にするため、u_kはモータ・コミユテータ・システムを
駆動する制御信号としてのU_kと置換する。 コミユテータと結合されたこの制御方法の良い性能は
このアプローチを非常に魅力的なものにする。大きな移
動に対して、PD制御装置は非結合モータの0.5メートル
（18インチ）のバーを毎秒1.4メートル（毎秒55イン
チ）以上の速度で駆動しても、モータを精密な制動状態
で停止させた。他の応用例において、良好なトランジエ
ント応答を有する0.002粍（0.00008インチ）の分解能エ
ンコーダを有するPID制御装置は全くエラーがなかつ
た。 第７図は、結合型位相リニヤモータを0.025粍（0.001
インチ）ステツプ移動するよう命令した時のトランジエ
ント応答を示す。このPD制御装置の顕著なステイフネス
（命令された種々の平衡位置からモータを変位するに要
する力）は90Nt/ミリメートル（毎インチ450ポンド）で
あると測定された。このステイフネスはマイクロステツ
プ方法のステイフネスに匹敵する。 第８図は、毎秒0.5メートル（毎秒20インチ）の速度
で且つ毎秒毎秒10メートル（1G）の加速度又は減速度に
おいて、AMLの管理の下で150粍（６インチ）の移動を命
令した結果を示す。目的の位置と実際の位置との間の誤
差は各瞬間において５粍（0.2インチ）以上は殆ど越え
ることがない。この性能を達成するために、利得K_v及び
K_eは位置エラー及び速度に基づく２つの値の間で切り換
えられた。第２図は“半ステツプ”によつて、バーを右
へ移動するためのモータの順序づけをの結果を図示する
ものである（この例ではコイルが固定されバーが運動す
るものとして表わした方が都合がよい）。第２図の水平
の矢印の移動によつて表示されているように、バーを１
歯ピツチ移動するため、図示のように、６つの半ステツ
プを取ることが必要である。従つて各半ステツプはバー
を1/6歯ピツチ（例えば0.43粍）移動する。 １個のコイルと２個のコイルを交番的に付勢してバー
を右方へ半ステツプさせる場合、位相１、２、３、４、
５及び０（半ステツプ）の順序が繰返される。左方への
移動は位相の順序を逆にすることにより行われる。一時
に唯１個のコイルを付勢し、位相１、３及び５の順序を
繰返すことによつて、半ステツプでなく１ステツプによ
つてモータを進めることもまた可能である。この方法
は、歩進が大きいこと、最大駆動力が低いこと、モータ
が歩進している間で駆動力の変動が大きいという点で劣
つている。 半ステツプ法を使つて達成することが出来る最高の位
置的分解能は半ステツプ（例えば約0.43粍）である。１
ステツプ法を使うと、１ステツプ分解能しか達成出来な
い。 若しモータが位相１、２、３、４、５から０を経て１
へ戻る順序付けをされたならば、コイルAA′中の磁束は
上向きから下向きへ変化する。そのような磁束の方向変
化はゼロ時間（有限の電圧で）にすることは出来ないの
で、このトランジシヨンにおける磁束の方向変化は必要
としないのがより望ましい。このことは半ステツプの２
つのサイクルの間を交番する“ダブルサイクル”によつ
て達成することが出来る。即ち、“ダブルサイクル”の
第１サイクルは第２図に示された磁束の方向であり、こ
れに対して第２サイクルはすべての磁束がそれと反対方
向にある。これは磁気的にそのように結合されたステツ
パモータの順序付けを複雑化する。 パウレツコ及びチヤイによつて開発された非結合型モ
ータは感嘆化された順序付けを持つ。可変磁気抵抗非結
合型モータの動作の基本原理は結合型モータと同じであ
るが、非結合型モータにおいては各モータコイル中の磁
束の相対的方向は重要でない。従つて、結合型モータに
必要とした“ダブルサイクル”順序は非結合型モータに
は必要でない。 非結合型モータの順序付けの単純さは非結合型モータ
の特に簡単な電子コミユィテータにも反映される。これ
は、モータが１方向へ移動する時、コミユテータは標準
の開ループ、半ステツプのモータ順序付けを再生する
（閉ループ・フイードバツクによつて）ことのため予期
されている。そのような閉ループのコミユテータがどの
ように動作するかについては次の項で説明する。 F3 電子コミユテータの動作 ブラシなし直流モータのコミユテータと同様に、ステ
ツパモータの電子コミユテータは次の３個の部分を含
む。 （イ） 位置感知器 （ロ） コミユテータ論理 （ハ） コイル用電子スイツチ 上記の部分表を標準のステツパモータ制御装置と比較
すると、位置感知器が追加されているのが分る。コミユ
テータが標準の順序付け論理の複雑さとほぼ対応するの
で、残りの部分は等価である。以下にこれ等の３個の部
分の細部について説明する。 ３相非結合型ステツパモータにおいて、モータが６つ
の位相、１、・・・・５、０のうちのどの位相に入つて
いるのかを３個の磁気抵抗感知器によつて推測すること
を第５図に示してある。３個のMRはＥ−コアの端部に装
着されており、そしてMRがバーの歯に沿つて移動すると
変化するバーの磁気抵抗を感知する。 第５図は磁気抵抗器（MR）感知器の理想的な出力を電
圧として示しており、その出力はバーの１歯ピツチの周
期に関して、コイルに対するバーの相対的な位置のサイ
ン関数である。磁気抵抗器（磁気ひずみ抵抗器）がシー
メンス社で販売されており、磁束及びバイアスの結果と
してのその抵抗値の変化は、歯形が形成された強磁性体
バーのための便利且つ効果的な変換器（MR）即ち近接ト
ランジユーサを作る。３個のMR感知器はバーの１歯ピツ
チの1/3夫々離されて物理的に装着される。これは３つ
のMR電圧を120゜離すことになる（第５図）。MRの各対
の出力を比較する比較器（Ｃ）の出力を使うことによつ
て、モータが入つている位相（半ステツプ）のグレイコ
ードを表示する３個の論理変数AB、BC及びCAを得ること
が出来る。 実際上、MR出力はサイン関数でスキユーする。それに
もかかわらず、MRの夫々の利得及びオフセツト（４つの
調節）と、バーに対するMRのスキユーとを適当に調節す
ることによつて、正確な６個のモータ位相を得ることが
出来る。２番目の簡単な方法はモータ位相を決定するた
め、ゼロ交差を使うことである（たつた３つの調節）。
上述の調節は非常に精密ではないが、整合したMRを使用
することによつて調節を避けることが出来る。本発明者
の経験では、よく整合していないMRの場合で、最初１回
の調節を必要としただけであつた。 MRが感知したモータ位相に対する、実際のモータ位相
との初期のアライメントを行うことが必要である。 第１図のシステム全体において、MRは２つの測定のた
めに使われる。 ・ モータ位相‥‥‥バーに相関するコイルの位置 ・ モータ位置‥‥‥与えられた点（絶対位置）に相関
するコイルの位置 MR感知器はバーに相関するコイルの磁気的位置を物理
的に測定する。モータ位相を測定することは理想的な感
知器であるが、然しこの感知器は、モータの“絶対”位
置としてそれを翻訳した時、無視出来ないエラーを持つ
ことになる。我々は以下の３つのタイプのエラーを考慮
した。 （イ） 測定値を絶対位置へ翻訳する際に影響する「一
定のエラー」。 （ロ） 位置付けの繰返し性に影響する「変化するエラ
ー」。 （ハ） 位置付けの分解能を制限する「感知器のノイ
ズ」。 バーの歯の間隔の正確さのために、「一定のエラー」
は良好な実施例では１粍以下である。このエラーは調整
即ちキヤイブレーシヨンすることが出来、そしてルツク
アツプ・テーブルを使うことによつて補正することが出
来る。バーの熱膨張のために、「変化するエラー」は容
易に調整出来ないが、良好な実施例では最悪の場合でも
0.1粍に制限出来たし、代表的には0.01粍以下である。
0.5メートルのバー上に500000個（19ビツト）のダイナ
ミツク範囲を与える数キロヘルツの周波数帯において
「感知器のノイズ」は約0.0008粍へ位置分解能を制限す
る。 MRを使つて“絶対”モータ位置を得るためには、位置
検出の粗調整部分としての、MR位相のトランジシヨンを
計数（カウント）すること（良好な実施例では10ビツ
ト）と、微調整位置分解能を得るために適当なMR出力の
A/D（アナログからデジタルへの）変換値（更に付加的
な９ビツト）とが使用される。以下の論理式はA/D変換
器により読取られる適当なアナログ出力を選択する。 ここでコードMR1及びMR0は以下の通り翻訳される。 01＝MR_A、10＝MR_B及び11＝MR_C 良好な実施例において、サンプル速度（２キロヘル
ツ）は、マイクロプロセツサがすべてのMRトランジシヨ
ン（粗調整位置）を失わないことを保証するほど充分高
くない。前に測定されたモータ速度（速度の見積りに関
する注記G1参照）及びモータ位置から取り出された見積
り位相を更新するためのMRの位相測定値（AB、BC、CA）
を使つて、この問題を克服する。従つて、サンプルの間
で２つ以上の位相の変化（半ステツプで）が生じたとし
ても、粗調整位置“カウント”は失われない。 F31 コミユテータ論理 第５図は６つの独立した位相（半ステツプ）及び所望
の駆動方向、「前進」又は「後退」の関数として付勢さ
れるコイルの選択を示す。この選択は前述のコミユテー
シヨン原理に従い、且つモータ位置の関数である駆動力
リツプルを極めて低く（約13％）する（第６図）。 プラス１歩進位相又はマイナス１歩進位相（１つの完
全な半ステツプ）までのエラーが生じたとしても、モー
タは依然として「正しい方向」へ駆動力を与えるという
ことは、このコミユテーシヨン機能の最も重要な特性で
ある。この特性は、モータ位相を感知する際に避け得な
いエラーが生ずる、ステツパモータの実際の動作のため
に大切な特性である。 ３相「非結合型」ステツパモータのためのコミユテー
シヨン論理は以下の３つの論理式によつて代表される。 ここでＡ、Ｂ及びＣはＡ又はＢ又はＣはが夫々オンで
あるか否かを代表する論理変数であり、AB、BC及びCAは
対応するMRの出力、即ちグレイコードのモータ位相の出
力同志の比較の論理変数を表わす。 「結合型」モータのコミユテーシヨン論理はより複雑
であり、（G3参照）加わつた複雑さは、磁束が同じ方向
へ戻るよう12個の半ステツプを循回するモータを必要と
する、モータ位相の間の結合の結果によるものである。 付勢されるコイルの順序は“1.5位相”（１“位相”
及び２“位相”の間）の移動の方向で、平均の位相前進
を有する半ステツプの標準開ループの順序に従う。本発
明の電子コミユテーシヨンと“標準半ステツプ”こミユ
テーシヨンとの間の主たる相異は、コイルの順序付けが
モータ位相感知器（実施例ではMR）からの閉ループフイ
ードバツクによつて発生され、従つて決して同期が失わ
れないことである。事実、コミユテータ論理は、ステツ
パモータを循環する非常に速い閉ループフイードバツク
システム（正しい時間において、毎秒1.5メートル、毎
秒3600回のコイル切換が必要である。）として機能す
る。このことは高速であることと、変化するモータ付加
に対して敏感でないこととを同時に達成するための主要
部であつて、これを標準のアプローチで達成することは
殆ど不可能である。 以下の論理変数Ｓは、唯１個のコイルが付勢される場
合に真実である。 第６図において、上掲の論理式はパワー増幅器の利得
（第１図）を変調するのに使われたので、１個又は２個
のコイルを付勢することによる実際の駆動力の変動（40
％まで）は（９）の論理式を使用したために補償された
のだと本発明者は推測した。 F32 位相の前進 第４図においては、コイルの切換回路は“シンボル化
された”トランジスタＡ、Ｂ及びＣで表わされている。
本明細書では、これ等の回路は使用される電圧及び要求
される切換時間に従つて相当複雑であることを述べれば
充分であろう。非結合型ステツプモータのためには通
常、“半ブリツジ回路”を使うのが良い。 切換回路から受ける実際的な制限はコイルに流れる電
流をオン又はオフにさせる最小限の時間による制限であ
る。この制限はコイルのインダクタンスＬ及び最大電圧
V_maxのためであり、切換回路は方程式|di/dt|＝V_max/L
により操作することが出来る。 この影響のために、コミユテータによるコイルの正し
い付勢はモータ速度が増加するにつれて確実に遅延され
る。コイルの電流に必要な切換え時間に比較してモータ
が非常に速く移動すると、コミユテータは矩形波ではな
く三角波をモータに供給する。この時点及びそれを越え
た時点で、コイルの電流を切換える際の有効な遅延は最
大になり、1.5位相（半ステツプ）に等しくなる。 モータ速度の見積り値を使うことによつて、測定され
たモータ位相を適当に前進することでこの遅延問題を解
決することが出来る。然し乍ら、上述の最大遅延点を越
えて、1.5位相以上の前進は効果がなく、モータの駆動
力は速度が増加すると瞬間的に低下する（コイル中で到
達した最大電流が低下する）。 以下の論理式は上述の位相前進を達成するために必要
な論理式であり、式中、V_Sは必要とする位相前進の符号
（方向）であり、V₁、V₀は半ステツプの単位中のバイナ
リ値である。 位相前進論理式の機能は、グレイコードで表わされた
必要とする“前進位相” を得るために、符号（V_s）を付された入力値（V₁、V₀）
と、測定された位相（グレイコードのAB、BC、CA）とを
加算演算を行うことだけである。事実、若しグレイコー
ドがバイナリに変換されているならば、標準のバイナリ
加算器が相前進のために使用しうる（適当な循環論理に
より）。６位相以上が使われた場合、この“グレイコー
ド加算器”はずつと複雑になることは注意が必要であ
る。 事実、良好な実施例において、すべての位相を２つに
分割（半ステツプでなく1/4ステツプを使用）すること
によつて、モータの速度が増加した時、駆動力のリツプ
ルが減少する良い性能を得ることが出来、３個の1/4ス
テツプ（1.5半ステツプ）である理想的な最大の位相−
前進を達成することが出来た。 チツプの数を減らすために、プログラムされた論理ア
レー（Programmed Logic Array−PLA）が所望の論理を
実行するのに使われる。非結合型モータに対して、１個
の83S153PLAはコミユテーシヨン論理式（８）、１個の
２コイル論理式（９）、及び位相前進論理式（10）を含
むのに充分である。結合型モータに対して同じPLAが位
相前進及び１個−２個コイル論理式のために使われ、そ
して多数の入力／出力接続と付加的な複雑性（G3参照）
のため、第２のPLAがコミユテーシヨンのために必要で
あつた。 測定されたモータの位相を実際のモータの位相に調節
する、即ちコイルとバーの間の相対関係を調節するため
に、簡単なアルゴリズムを含む位相−前進論理を使うこ
とが出来るのは注意を要する。 F4 電子コミユテート式ステツプモータの制御 F41 比例的・積分・誘導式デジタル制御（PID） 電子的にコミユテートされたステツパモータのデジタ
ル制御装置は、ある瞬間でモータへ印加される電圧の大
きさを決めることと、モータにより発生される駆動力の
方向を決めることのみが必要である。通常の直流サーボ
において、駆動電圧の大きさ及び符号によつて同じ信号
が直流モータへ与えられる。 ２つのリニヤ可変磁気抵抗（VR）モータ、即ち結合型
位相モータ及び非結合型位相モータは、モトローラ6800
0マイクロプロセツサ及び関連したD/A及びA/Dコンバー
タで実行されるPID制御法則で駆動される（第１図）。
これは簡単なサーボ方法を代表するけれども、ステツパ
モータを駆動するための装置は新規であり、その秀れた
性能は以下に明らかになる。また、制御方法はリニヤス
テツプモータにもVRステツプモータにも制限されない。 他の多くの市販のマイクロプロセツサ・システムでも
実施しうるけれども、モトローラ68000及びRRAカード上
に設けられている、関連するデジタル及びアナログポー
トは実験のための便利な装置である。プロセツサはモー
タ位置を翻訳すること、モータ速度を見積ること、及び
制御信号を合成することの仕事が割り当てられる。モー
タ位置はMR信号から又は別個のエンコーダから取り出さ
れる。速度はタコメータから測定しうるけれども、特に
リニヤモータの場合、費用とか複雑性のため、タコメー
タの使用は最適ではない。マイクロプロセツサは速度の
充分な見積りを与えることが出来る。 F42 簡単なPD制御装置 制御条件を計算する第１のステツプはモータの所望の
位置x_dと、時間（ｋ）x_kにおけるモータの実際の位置と
の間の差異を作り出すことである。時間ｋにおいてモー
タの速度がv_kで与えられると、独立したPD制御法則は U_k＝−K_e（x_k−x_d）−K_vv_k ・・・（11） ここでK_e、K_vは夫々位置的エラー及び速度に関する利
得であり、U_kは制御値である。 タコメータがないので、見積り値_ｋはv_kのために作
らなければならない。見積りをする簡単な方法は速度に
比例する見積り値を形成するため、過去の位置測定値に
ついて数字的な誘導を行うことである。過去の位置測定
値は最も近い過去の位置に関するものである。 _ｋ＝x_k−x_k-1 ・・・（12） これはむしろ“多雑音（noisy）”見積り器として知
られているので、他の簡単な方法が利用される。例え
ば、２次又は３次の高次式をデータx_k、x_k-1、x_k-2・・
・・に適合し、且つ次に、時間ｋにおけるその高次式の
誘導値を評価することによつて見積り値を算出した場合
の誤差は、サンプル速度が充分に高ければ、小さいこと
が証明出来る。事実、この見積り方法は0.5キロヘルツ
から２キロヘルツの間の種々のサンプル速度の実験でPI
Dサーボの性能を向上させた。 U_k＝−K_e（x_k−x_d）−K_{v ｋ}において、U_kの符号はモ
ータが加速される方向を決定し、U_kの値は電圧の大きさ
を決定する。U_kの符号は、Ｆの信号によつて、コミユテ
ータへ出力されるから、U_kの値はモータを駆動するため
のパワー増幅器への出力であり、そして_ｋの値は数値
化されて、位相前進の制御のため、コミユテータへ与え
られる（第１図）。 F43 非直線性に対する補償 直流サーボモータと異なつてVRモータは、特に飽和以
下の低電流レベルで非直線性を持つ。この非直線性とは
静的駆動力がコイル電流の平方根の値で直接的に変化す
ることである。我々はリニヤ制御法則を有する点へモー
タを“サーボ”するよう試みるので、この非直線性は性
能に悪い影響を与える。非直線性を顕著に補償するもの
はモータへU_kの値を供給せず、 を供給することである。 この補償は電流が制御変数として使われた時、正し
い。 事実、良好なトランジエント応答で極めて高いステイ
フネス（大きなK_eの値）が平方根の方法で達成出来た
（平方根の補償のためのG2参照）。 F44 積分条件及びPID制御装置 最後に、安定的なエラーなし基準に適合させるため、
PID制御を有するリニヤ制御の設計に積分条件（別個の
ケースの合計）を加える。 ここでｎ＜ｋは、x_k−x_d及び_ｋに出来るだけ従属し
た或る有限な値が通常選ばれる。若しこの制御が漸近線
的に安定であれば、位置x_kの値はｋが無限大になるとx_d
の値そのものである。 積分の“巻き上げ”（wind up）のために、積分制御
器は長いセツト時間で損失を受けることが有りうる。一
例として挙げると、摩擦により起きた位置的エラーに打
ち勝つために積分が作り出されることである。積分条件
は、位置エラーの符号が変更されるまで減少することが
出来ない。従つて積分はモータの移動し過ぎを発生する
ことがある。 この現象に対抗するため、小さな移動のために以下の
抗“巻き上げ”条件が含められる。これはずつと速いセ
ツト時間を達成する。 条件K_w（x_k−x_n）の効果は、モータが移動したら、積
分条件の影響を減らすことである。 従つて、VRステツプモータに使われる制御法則は（1
3）式であり、そこでU_kは（15）式により計算される。 F45 可変利得 0.5メータのバーを0.01粍又はそれ以下に正確に位置
させることに困難が伴うことが分つた。モータの動作特
性がたとえ完全にリニヤであつたとしても、他の非直線
性が存在する。その１つの原因は、パワー増幅器が限ら
れた大きさの電圧しか供給出来ないことである。速い応
答を保証すること、そして、高度な位置的精度を得るた
めに摩擦に打勝つことは大きなフイードバツク利得、K_e
及びK_vを必要とする。そのような大きな値は小さな移動
に対しては問題ないが、例えば0.3メートルのような大
きな移動が要求された時、これ等の大きな利得の値はパ
ワー駆動装置をその最大出力へ直に飽和させる。これは
モータの閉ループを大きな移動として効果的に駆動し、
過剰な移動を生ずる。第２に、AMLのようなロボツトの
プログラミング言語は作動子が追従するための一連のセ
ツトポイントい（複数個のx_dの順序）を発生するけれど
も、作動子（この場合、リニヤモータ）が各セツトポイ
ントに到着することは実際に必要な性能ではない。等間
隔に置かれたセツトポイントの順序は作動子を一定の速
度で駆動することを実際は意味するのであつて、作動子
をセツトポイントからセツトポイントへ出来るだけ速く
移動させることではない。第３に、高い利得は制御装置
の安定性の範囲を減少する。大きな利得で以て大きな移
動をすることは、構造的な振動を生じる大きな力を発生
し、不安定さを増す。 これ等のすべての問題は単純に、利得K_e及びK_vを変化
することに帰することが出来る。|x_k−x_d|の値、又は
ｋの値が大きい時、利得の値は減少される。この単純な
方策は高利得の困難を軽減し、そして高い位置的正確性
及び速い応答を保証する。このタイプの制御はデジタル
的には極めて容易に実施しうるけれども、アナログ制御
装置で実施するには可成り厄介なことである。 F46 性能 コミユテータと結合したこれ等の素朴な制御方法の際
立つた良い成果はこの全体のアプローチを極めて魅力的
にする。大きな移動、即ち0.5メートル（18インチ）の
バーを毎秒1.4メートル以上の速度で非結合型位相モー
タを駆動しても、PD制御装置はそのバーを精密に制動し
た態様で停止させた。 より重要なことはこの制御方法で達成することの出来
る位置的な正確さとステイフネスとにある。第７図は結
合型位相リニヤモータを0.025粍（0.001インチ）のステ
ツプで移動するよう命令した結果を示す。このPD制御装
置の顕著なステイフネス（命令された種々の平衡位置か
ら百分の数粍だけモータを変位するに必要な力の大き
さ）は90Nt/粍（毎インチ当り450ポンド）と測定され
た。これは非常に良いとは言えないがマイクロ−ステツ
ピング方法に匹敵する。トランジエント応答は極めて良
い。 第８図において、毎秒0.5メートル（毎秒20インチ）
の速度で且つ毎秒毎秒10メートル（1G）の加速度又は減
速度でAMLの制御の下で150粍（６インチ）の移動の命令
の結果である。目的位置x_dと実際の位置との間のエラー
は、各瞬間において５粍（0.2インチ）を越えない。 他の応用例において、PID制御装置は非結合型位相モ
ータを同じトランジエント応答を持つ、0.002粍（0.000
08インチ）の分解能エンコーダでエラーなしのサーボ動
作を行つた。 Ｇ 注記 G1 速度の見積りのための高次式の誘導 高次式を適合すること、及び誘導値を取ることは速度
を見積るための最適な解答ではないけれども、それは便
宜な方法であり且つモータのモデル化（modelling）を
必要としない。データx_k及びx_k-1を当嵌めた直線の傾斜
である一次方程式の誘導値はしばしばそれで充分である
けれども、高次の方程式による近似値が得られればなお
良い。 データx_k、x_k-1、x_k-2を使つた特定の二次方程式の誘
導値を評価する数式は、 3x_k−4x_k-1＋x_k-2 である。 三次方程式の等価式は、 11x_k−18x_k-1＋9x_k-2−2x_k-3 である。 これ等の数式は速度にほぼ比例する信号を与える。 G2 平方根の計算 68000アツセンブラで平方根を計算することは非常に
簡単である。ニユートン（Newton）−ラフソン（Raphso
n）反復数を組み合せた初期条件値（good initial gues
s）の設定がプロセスを完成する。 手続の概要を以下に説明する。 （ｉ） 初期条件値の設定 （Ｕ０）の値のバイナリ表示中の最高位の非ゼロビ
ツトのインデツクスがｎであるとする。例えばＵ＝57
（10進法で）あると仮定すると、ｎ＝６である。ｎの値
はＵのロガリズムに近似するので、n/2は のロガリズムの近似値である。Ｕの平方根を見い出すプ
ロセスを開始するための妥当な初期条件値の設定は、 U⁰＝２^n/2、又は２^{（ｎ−１）/2}若しｎが奇数なら
ば、２^{（ｎ−１）/2} 従つて上述の57の例では初期条件値は８である。一般
論として、この初期条件値の近似値は平方根そのものの の関数の範囲内にある。 （ii）ニユートン−ラフソン反復数 平方根のための循環的反復数は、 uⁱ⁺¹＝（U/uⁱ＋uⁱ＋１）/2 である。 32ビツトの整数のための、３つの反復数を結合した上
述の初期条件値は平方根を整数の精度（16ビツトの結
果）で完成するのに充分である。 G3 結合型モータのコミユテーシヨン論理 磁気的に結合された位相ステツパモータに必要なコミ
ユテーシヨン論理を以下に説明する。非結合型位相モー
タと比較して、付加された複雑性はモータ位相の間の磁
気的結合の結果である。その磁気的結合は磁束が同じ方
向へ戻るために、モータが12の半ステツプ（２つの基本
的ステツプ）を取るよう要求する。従つて、付加された
複雑性は、 （ｉ）２つ位の論理変数が磁束方向を指定するように各
コイルのために必要とされる。例えば第６図のコイルA
A′について言えば、論理変数Ａは“上向き”磁束がオ
ン又はオフィの何れかを指定するのに使われ、一方論理
変数は“下向き”磁束がオン又はオフの何れかを指定
するのに使われる。 （ii）４つの状態（２個の論理変数:T1、T2で記号化
されている）は２回反復される６半ステツプサイクルを
持続するのに必要とされる。変数ST1（ST2）はT1（T2）
を論理１（セツト）へ強制するのに使われ、一方CT1（C
T2）はTI（T2）を論理０（リセツト）へ強制するのに使
われる。 以下の論理式に従つて、状態T1及びT2は更新される。 G4 電磁作動子システムの利点 本発明の電磁作動子システムと従来装置の間の重要な
相異は、コミユテーシヨン論理により処理される時、コ
ミユテーシヨンを直接発生する３相直流感知器MRを使用
することである。位置測定及び正しいコミユテーシヨン
を達成するために、復調とかパルスの計数（そして計数
のし損いの可能性）とかを必要としない。MR及び比較器
がコミユテーシヨンのために直接必要な信号を発生す
る。正しいコミユテーシヨンを設定するため、アライメ
ントのための初期移動を必要としない。パワーをオンに
すると直ちに正しいコミユテーシヨンが行われる。 第２に、コイルの重複した付勢で非直線的に結合され
た平方根法則による訂正が性能を著しく向上する。残留
したトルクリツプルを更に訂正する必要は殆どない。コ
イルを付勢する決定がコミユテータにより操作されるの
で、ステツプモータを制御する多くの負担が除かれる。
コミユテートされたステツプモータの制御は通常の直流
サーボモータと同じである。このアプローチには他の重
要な利点がある。 ・ ステツパモータは１ステツプ又は半ステツプで移動
するようにもはや制限されない。 コミユテーシヨンは、通常のマイクロ−ステツピング
が行う基本ステツプの間のステツプで位置決めする簡単
な手段を与える。モータの位置的な正確さは位置フイー
ドバツク及び制御システムのデザインの質によつて決め
られる。 ・ 閉ループ制御は単純である。 単一の入力、即ち電圧の方向及び大きさはモータの位
置とは無関係に所望の方向の加速を与える。従つて、簡
単な制御法則（例えばPID）でも高い性能を達成する。 ・ 位置、速度及び駆動力制御等に、より柔軟な制御目
的を達成することが出来る。 ・ モータは同期を失うことがない。 コミユテータは所望の方向に駆動力を発生するよう適
正なコイルを付勢するので、通常のモータ制御において
生ずる高速におけるタイミング・ミスの問題が起きな
い。モータは、負荷の突然の変化によつて駆動力を乱さ
れたとしても、常に所定の方向に駆動力を加える。 ・ モータは間違つた平衡位置に停止することがない。 制御法則が平衡位置を定義する。変位したとしても、
モータは所定の平衡位置に戻る。通常のステツプ方法の
モータは３つの平衡状態のうちの何れか１つに停止する
ことになる。 ・ モータ“走り過ぎ”ない。 位相前進を持つコミユテーシヨンは、モータが撹乱さ
れたとしても、高速度で暴走しないことを保証する。 ・ 電力消費は大きさで１桁又は２桁のオーダで低下さ
れる。 電力は位置誤りがあつた場合にだけ消費される。モー
タが所望の位置か又はその近所に停止した時、制御電圧
はゼロか又は僅かの大きさが加えられる。反対に、マイ
クロステツプ、又は通常のステツプモータは常に大電流
を必要とする。 ・ １個のコイル及び２個のコイルの間の交番によるコ
イル付勢の重なりはモータの位置が変化した時に、駆動
力リツプルを減らす。低いトルクリツプルは高い精度を
達成する簡単な制御方法の設計に役立つ。 G5 改良方法 可変磁気抵抗ステツパモータの矩形波法則の既知の特
性に類似した或る型のステツパモータに影響を与える温
度上昇特性や他の固有の変則などを補償するためコンピ
ユータをプログラムすることによつて、幾つかの明らか
な改良を計ることが出来る。 ・ トルクリツプル補償 このシステムは位置を感知することが出来、且つ位置
の関数として残留したトルクリツプルを除去するため
に、パワー増幅器の利得を調節することが出来る。MRが
直接に、又はROMが位置の関数としての補償を与えるこ
とが出来る。 ・ より良い制御デザイン コミユテートされるモータをモデル化することは、従
来のデザイン技術（“進ませ−遅らせ”補償）、ステツ
パモータを置き換えるための特別注文の制御法則又は他
の特殊の仕事を結合して改良した制御法則のデザインを
導き出すことが出来る。 ・ より連続した位相前進 上述したものの２倍の分解能を持つ位相前進を有する
コミユテータを作ることは簡単である。そのようなコミ
ユテータは高速度で改良された駆動力を達成する。 リニヤロボツトを制御するための作動子として本発明
を説明して来たが、高いトルク及び低い慣性を有する可
変磁気抵抗ステツパを必要に応じて通常の直流モータに
置き換えることの出来る他の業務に使用するため、本発
明に変形、修正を施すことはこの道の専門家に明らかな
ことである。VRステツプモータは製造費が安価で且つ高
い精度で制御することが出来るので、それが多くの永久
磁石直流モータに置き換わることが考えられる。勿論、
若し、位置感知器のコストが安価になれば、現在使われ
ているステツパモータのすべての応用装置は本発明の将
来の適用範囲である。 Ｈ 発明の効果 本発明の利点は、駆動力及び経済性の点で知られてい
る市販のステツパモータがマイクロプロセツサ、プログ
ラム可能な論理アレー及びコンピユータを含む位置感知
及び外部電子装置を組み合わせることによつて精密な位
置決め装置として動作されることである。 本発明の他の利点は、本発明に従つて改良されたステ
ツパモータが１ステツプを分割した分数ステツプの歩進
で位置決めされることである。 本発明の他の利点は、ステツパモータがマイクロプロ
セツサによつて考慮される複雑なダイナミツク制御パタ
ーンに従つて動作されることであり、制御パターンはプ
ログラミングで容易に再構成され、且つ現在の位置、所
望の位置、温度変則及び磁気的変則及び他のフアクタの
ために訂正される。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に従つた電子コミユテータを有するステ
ツパモータのマイクロプロセツサ制御装置の模式図、第
２図は半ステツプ制御によつてステツパモータが歩進す
る態様を説明する図、第３図は２個のＥ−コア及び１個
のバーの一部を示し、且つ非結合型位相の３相可変磁気
抵抗（VR）リニヤモータの積層板を示す図、第４図は３
相非結合型位相ステツパモータのためのコミユテータ部
分を示す図、第５図は３相ステツパモータのコミユテー
タの原理を示す図、第６図は３相ステツパモータの静的
駆動力リツプルを示す図、第７図はPD制御装置を使つた
小さなステツプ応答の位置／時間を示す図、第８図は２
組の利得を有するPD制御装置を使つた大きなステツプ応
答の位置／時間を示す図である。 11……コア、12……バー、13……位置感知装置、14……
プログラム可能論理アレー、17……可変磁気抵抗器、19
……比較器、20……電力増幅制御器、21,22,23……フイ
ードバツク路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レオナード・アラン・カツツ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ヨークタ ウン・ハイツ、オールド・ヨークタウ ン・ロード2849番地 (72)発明者 デニス・ジーン・マンザー アメリカ合衆国ニユーヨーク州ベツドフ オード・ヒルズ、ハンデイ・レーン11番 地 (56)参考文献 特開 昭59−92798（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−85599（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−103994（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−141597（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．（ａ）複数個のコイル（Ａ、Ｂ、Ｃ）を有し、予め
   決められた複数の位相を順次繰り返すことによって駆動
   されるステッパモータ（11、12）と、 （ｂ）上記コイルに電力を供給するために上記コイルに
   接続された電力供給手段（20）と、 （ｃ）上記複数のコイルに関連する上記ステッパモータ
   の複数のバー位置を感知し、その各バー位置信号を順に
   ２つずつ対にして比較することにより、上記ステッパモ
   ータの位相を表すコードを発生する位置感知器（13）
   と、 （ｄ）上記位置感知器からのコードをフィードバック入
   力として受け取り、上記ステッパモータの駆動方向に応
   じて、付勢すべきコイルを選択するための選択信号を発
   生するプログラム可能な論理手段（14）と、 （ｅ）上記選択信号に応答して上記電力供給手段及び選
   択されたコイルを通る付勢回路を完成するように上記コ
   イルに接続されたコイル切換手段（15）と、 を具備する電磁作動子装置