CN100411298C - 步进电机驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的步进电机驱动装置具有，由相电流及转子旋转角度算出扭矩成分电流的扭矩成分电流算出装置，和求出扭矩成分电流的绝对值的绝对值变换装置，和当指令速度与转子速度的速度偏差在基准值以下时输出第1控制信号及速度偏差超过基准值时输出第2控制信号的高速应答判断装置，和当高速应答判断装置输出第1控制信号时输出对应于扭矩成分电流绝对值的电流指令及当高速应答判断装置输出第2控制信号时将最大电流指令作为电流指令输出的电流指令输出装置。
Description
技术领域
本发明是关于用作控制被驱动装置的位置及速度的驱动步进电机的步进电机驱动装置。
背景技术
以往，对于步进电机装置的电流指令大多是固定值。
为此，即使在步进电机停止时及低速运转时由于流过规定的电流故造成消耗电力加大、效率降低的问题。
作为相应的改善策略，在驱动时采用尽可能选择可发生所需扭矩的电流指令、及在停止时或停止后达到规定时间后将电流指令降到必要的最小值以减少消耗电力的方法。
但是，即使是在这种情况下在驱动时设定规定的电流指令用以控制步进电机的励磁电流，故消耗电力大、效率低，另外在需要高速应答的情况下，不能将步进电机的输出扭矩加大。
发明内容
本发明的目的在于，可提供降低步进电机的消耗电力、且可在需要高速应答的情况下可加大步进电机的输出扭矩的步进电机驱动装置。
采用本发明，可提供具有通过外部指令脉冲生成励磁角度的励磁角度生成装置、和通过励磁角度及电流指令对步进电机的励磁电流进行控制的电流控制装置、和检测步进电机的相电流的电流检测装置、和检测步进电机的转子旋转角度的角度检测装置、和以相电流及转子旋转角度算出扭矩成分电流的扭矩成分电流算出装置、和求出扭矩成分电流的绝对值的绝对值变换装置、和对于指令速度和转子速度之间的速度偏差在基准值以下的情况下输出第1控制信号及速度偏差超过基准值的情况下则输出第2控制信号的高速应答判断装置、和在高速应答判断装置中输出第1控制信号时对应扭矩成分电流的绝对值输出电流指令及在高速应答判断装置中输出第2控制信号时输出电流指令的最大电流指令值的电流指令输出装置的步进电机驱动装置。
对于步进电机驱动装置，由于可对应于步进电机的负荷自动调整电流指令，从而改善步进电机的消耗电力，故可以抑制步进电机发热，并且可在需要高速应答的情况下可加大电流指令使步进电机的扭矩输出增大。
附图说明
图1为本发明的步进电机驱动装置的框图；
图2、图3为图1所示的步进电机驱动装置的部分框图；
图4为电机向量图；
图5为本发明的其他步进电机驱动装置的部分框图。
具体实施方式
通过图1-图3对本发明的步进电机驱动装置进行说明。励磁角度生成器4根据加在外部指令脉冲输入端子2上的外部指令脉冲生成励磁角度θ＊。COS信号发生器6及SIN信号发生器8利用励磁角度θ＊生成COS信号COS＊及SIN信号SIN＊。乘法器36、38将电流指令i＊(说明见后)分别与COS信号COS＊及SIN信号SIN＊相乘，生成α相电流指令iα＊(i＊cosθ＊)、β相电流指令iβ＊(i＊sinθ＊)。电流控制器10输入相电流iαf、iβf(说明见后)，将流过步进电机14的励磁电流(电机线圈电流)控制为与α相电流指令iα＊、β相电流指令iβ＊相一致。PWM变换器12根据电流控制器10的输出在步进电机14上施加相应的电压。也就是说，步进电机14按照外部指令脉冲的施加情况进行正弦波变化的励磁电流通电，具有将基本步角进行细分的微步功能，按照外部指令脉冲的施加状况进行步进旋转。
另外，编码器、分解器等的角度检测器16被安装在步进电机14上，角度演算器18根据角度检测器16的信号输出检测角度(步进电机14的转子旋转角度)θf。电流检测器22、24则检测出步进电机14的相电流iαf、iβf。坐标变换器20由检测角度θf、相电流iαf、iβf演算出扭矩成分电流Iq。此扭矩成分电流Iq由图4的电机矢量图的关系由下式进行表示。
Iq＝-iαf·sinθf+iβf·cosθf
绝对值变换器26求出扭矩成分电流Iq的绝对值。最小电流值设定器30输出最小电流指令值(电流指令初始值)i＊min。在此，最小电流指令值i＊min为，在电机起动时(打开电源时)取得起动扭矩的所必要的最小值。最大电流指令值设定器42输出最大电流指令值i＊max。在此，最大电流指令值i＊max为，步进电机14的可通电的最大电流值，是针对电流指令值增高导致的过电流、变换器破损、电机过热等的进行保护所必要的最大值。
指令速度检测器46为通过将励磁角度θ＊进行微分从而检测出指令速度。转子速度检测器48通过将检测角度θf进行微分而检测出转子速度。加法器50求得指令速度与转子速度之间的差。绝对值变换器52求出上述差值的绝对值即速度偏差。高速应答判断基准设定器54输出规定的基准值。比较器56将速度偏差与基准值进行比较，当速度偏差超过基准值时输出一个时钟的高速应答判断信号。D触发器电路58通常输出第1控制信号，在输入了高速应答判断信号时输出第2控制信号。计时器60从第2控制信号出的时间点进行计时。时间设定器62输出事先设定好的设定时间。比较器64在计时器60测量出与设定时间相等时输出设定时间经过信号。而且，在从比较器64输出设定时间经过信号时，D触发器电路58再次输出第1控制信号。另外，由比较器56、D触发器电路58等构成高速应答判断器66，高速应答判断器输出第1、第2控制信号。
比例控制器28通过将扭矩成分电流Iq的绝对值进行系数倍运算求得负荷扭矩对应电流指令值。比例控制器28的上述系数为1以上。加法器32将最小电流指令值i＊min与负荷扭矩对应电流指令值进行加法运算。限制器44在最小电流指令值i＊min与负荷扭矩对应电流指令值的和数在事先设定的最大电流指令值i＊max以下时输出上述和数，在上述和数超过最大电流指令值i＊max时输出最大电流指令值i＊max。在从高速应答判断器66输出第1控制信号时、切换开关40输出限制器44的输出，在从高速应答判断器66输出第2控制信号时、切换开关40输出最大电流指令值设定器42的输出。由限制器44、切换开关40等构成电流指令调整器34，从电流指令调整器34输出切换开关40的输出，将电流指令调整器34的输出作为电流指令i＊使用。
其次，励磁角度生成器4构成由外部指令脉冲生成励磁角度的励磁角度生成装置。由COS信号发生器6、SIN信号发生器8、乘法器36、38及电流控制器10通过励磁角度及电流指令构成控制励磁电流的电流控制装置。由电流检测器22、24构成检测步进电机的相电流的电流检测装置。角度检测器16及角度演算器18构成检测步进电机的转子旋转角度的角度检测装置。坐标变换器20构成由相电流及转子旋转角度算出扭矩成分电流的扭矩成分电流算出装置。绝对值变换器26构成求出扭矩成分电流的绝对值的绝对值变换装置。高速应答判断66构成在指令速度和转子速度之间的速度偏差在基准值以下时输出第1控制信号以及在速度偏差超过基准值时输出第2控制信号的高速应答判断装置。最大电流指令值设定器42、最小电流指令设定器30及电流指令调整器34构成在高速应答判断装置输出第1控制信号时输出与扭矩成分电流的绝对值相对应的电流指令，在高速应答判断装置输出第2控制信号时将最大电流指令值i＊max作为电流指令进行输出的电流指令输出装置。比例控制器28构成输出与扭矩成分电流的绝对值成比例的负荷扭矩对应电流指令值的比例控制装置。加法器32构成将最小电流指令值i＊min与负荷扭矩对应电流指令值进行相加的加法装置。限制器44构成输出当最小电流指令值i＊min与负荷扭矩对应电流指令值的和超过最大电流指令值时输出最大电流指令值的控制装置。D触发器58、计时器60、时间设定器62及比较器64构成从输出第2控制信号的时点到经过了设定时间时输出第1控制信号的时间控制装置。指令速度检测器46构成由励磁角度的变化检测指令速度的指令速度检测装置。转子速度检测器48构成由转子旋转角度的变化检测转子速度的转子速度检测装置。
对于此步进电机驱动装置，当在外部指令脉冲输入端子2上施加了指令脉冲时，励磁角度生成器4由外部指令脉冲生成励磁角度θ＊，COS信号发生器6及SIN信号发生器8由励磁角度θ＊生成COS信号COS＊及SIN信号SIN＊，乘法器36、38由COS信号COS＊、SIN信号及SIN＊及电流指令i＊生成α相电流指令iα＊及β相电流指令iβ＊，电流控制器10将流过步进电机14的励磁电流控制为与α相电流指令iα＊及β相电流指令iβ＊一致，PWM变换器12以电流控制器10的输出为基础向步进电机施加规定的电压，从而使步进电机14的转子旋转。
另外，角度演算器18输出检测角度θf，电流检测器22、24输出相电流iαf、iβf，坐标变换器20由检测角度θf、相电流iαf、iβf演算出扭矩成分电流Iq，绝对值变换器26求出扭矩成分电流Iq的绝对值。
另外，指令速度检测器46检测出指令速度，转子速度检测器48检测出转子速度，加法器50求出指令速度与转子速度的差，绝对值变换器52求出速度偏差。当速度偏差在基准值以下时比较器56不输出高速应答判断信号而D触发器电路58输出第一控制信号。当速度偏差超过基准值时，由比较器56输出高速应答判断信号，D触发器电路58输出第2控制信号。计时器60从速度偏差超过基准值的时点开始计时，当计时器60的计量时间与时间设定器62的设定时间相等时，比较器64输出设定时间经过信号，D触发器电路58再次输出第1控制信号。为此，当速度偏差在基准值以下时则高速应答判断器66输出第1控制信号。另一方面，当速度偏差超过基准值时则高速应答判断器66输出第2控制信号，当从速度偏差超过基准值的时点开始到经过了设定时间后高速应答判断器66再次输出第1控制信号。
比例控制器28由扭矩成分电流Iq的绝对值求出负荷扭矩对应电流指令值，加法器32将最小电流指令值i＊min和负荷扭矩对应电流指令值进行相加。在高速应答判断器66输出第1控制信号时，当最小电流指令值i＊min与负荷扭矩对应电流指令值的和数在最大电流指令值以下时切换开关40输出最小电流指令值i＊min与负荷扭矩对应电流指令值的和数，当最小电流指令值i＊min与负荷扭矩对应电流指令值的和超过最大电流指令值i＊max时切换开关40输出最大电流指令值i＊max。在高速应答判断器66输出第2控制信号时，切换开关40输出最大电流指令值i＊max。为此，当速度偏差在基准值以下时，电流指令调整器34输出最小电流指令值i＊min和负荷扭矩对应电流指令值的相加。但是，当最小电流指令值i＊min与负荷扭矩对应电流指令值的相加超过最大电流指令值i＊max时电流指令调整器34输出最大电流指令值i＊max。另外，当速度偏差超过标准值时，从速度偏差超过基准值的时点开始到经过设定时间之间电流指令调整器34输出最大电流指令值i＊max。
如此，对于步进电机驱动装置，当扭矩成分电流Iq的绝对值变大，由于负荷扭矩对应电流指令值变大，电流指令i＊变大，所以步进电机14的励磁电流变大。相反的，当扭矩成分电流Iq的绝对值变小、由于负荷扭矩对应电流指令值变小，电流指令i＊变小，所以步进电机14的励磁电流变小。然后，当步进电机14停止、负荷扭矩为零时，由于电流向量i仅投影在图4的d轴上，故扭矩成分电流Iq为零。反之，当步进电机14处于输出最大扭矩的状态下，电流向量i仅投影在图4的q轴上，扭矩成分电流Iq为最大。此动作对于驱动时也相同，扭矩成分电流Iq为与负荷扭矩相对应的值。随之，指令速度的变化变小，对于速度偏差在基准值以下的情况，在负荷扭矩的绝对值变大时由于负荷扭矩对应电流指令变大、故步进电机14的励磁电流变大，反之在负荷扭矩的绝对值变小时由于负荷扭矩对应电流指令变小、故步进电机14的励磁电流变小，由此可以降低消耗电力、可提高效率、另外可以抑制步进电机14的发热。另外，在指令速度急剧变化、速度偏差超过基准值的时，在电流指令i＊达到最大电流指令值i＊max后、在需要高速应答的情况下步进电机14的扭矩输出可以变大。另外，由于在速度偏差超过基准值时，从速度偏差超过基准值的时点到经过设定时间之间电流指令i＊为最大电流指令值i＊max，故可以将电流指令i＊维持在最大电流指令值i＊max直至步进电机的动作进入稳定。另外，即使在负荷扭矩对应电流指令值为零时，由于电流指令i＊成为最小电流指令值i＊min，故可以确保步进电机14起动起来。另外，即使负荷扭矩电流指令值变大，由于电流指令i＊不超过最大电流指令值i＊max，故可以防止变换器破损、电机过热等情况。
图5中说明本发明的其它步进电机驱动装置。电流指令处理器78输入负荷扭矩对应电流指令值、高速应答判断器66发出的控制信号，输出λ3。也就是说，当高速应答判断器66输出第1控制信号时，电流指令处理器78将负荷扭矩对应电流指令值作为输出λ3输出，当高速应答判断器66输出第2控制信号时，电流指令处理器78将零作为输出λ3进行输出。加法器80求出作为输出λ3与最大电流指令值i＊max的差的差分值ε1。加法器82求出作为输出λ3与最小电流指令值i＊min的差的差分值ε2。电流指令处理器84将差分值ε1、高速应答判断器66发出的控制信号进行输入并输出λ1。也就是说，在高速应答判断器66输出第1控制信号的情况下，电流指令处理器84当差分值ε1在零以下时将输出λ1置零，其余情况下使λ1＝ε1。另外，在高速应答判断器66输出第2控制信号情况下，电流指令处理器84不管差分值ε1如何，使输出λ1＝ε1。电流指令处理器86将差分值ε2、高速应答判断器66发出的控制信号进行输入并输出λ2。也就是说，对于高速应答判断器66输出第1控制信号的情况，电流指令处理器86在差分值ε2为零以上时将输出λ2置零，其余情况下使λ2＝ε2。另外，在高速应答判断器66输出第2控制信号的情况下，电流指令处理器86与差分值ε2无关，将输出λ2置零。加法器88从输出λ3上减去输出λ1及输出λ2，输出电流指令i＊。随之，在高速应答判断器66输出第1控制信号的情况下，由于输出λ3为负荷扭矩对应电流指令值，当负荷扭矩对应电流指令值在最小电流指令值i＊min以上且在最大电流指令值i＊max以下时，由于差分值ε1在零以下、差分值ε2在零以上，故由于输出λ1、λ2为零所以加法器88输出负荷扭矩对应电流指令值，当负荷扭矩对应电流指令值不满最小电流指令值i＊min时输出λ1为零、故输出λ2为从负荷扭矩对应电流指令值中减去最小指令值i＊min的值，所以加法器88输出最小电流指令值i＊min，当负荷扭矩对应电流指令值超过最大电流指令值i＊max时，输出λ1为从负荷扭矩对应电流指令值中减去最大电流指令值i＊max的值，由于输出λ2为零所以加法器88输出最大电流指令值i＊max。另外，当高速应答判断器66输出第2控制信号时，不管负荷扭矩对应电流指令值如何输出λ3为零、故差分值ε1、输出λ1为负的最大电流指令值i＊max，另外输出λ2为零，所以加法器88输出最大电流指令值i＊max。另外，由电流指令处理器、84、86等构成电流指令调整器74，电流指令调整器74输出加法器88的输出，电流指令调整器74的输出作为电流指令i＊使用。
其次，最大电流指令值设定器42、最小电流指令值设定器30及电流指令调整器74构成在从高速应答判断装置输出第1控制信号时输出与扭矩成分电流的绝对值相对应的电流指令，在从高速应答判断装置输出第2控制信号时将最大电流指令值作为电流指令进行输出的电流指令输出装置。电流指令调整器74构成当高速应答判断装置输出第1控制信号时，在与扭矩成分电流的绝对值成比例的负荷扭矩对应电流指令值在最小电流指令值以上且在最大电流指令值以下时，输出负荷扭矩对应电流指令值，当负荷扭矩对应电流指令值不满最小电流指令值时输出最小电流指令值，当负荷扭矩对应电流指令值超过最大电流指令值时输出最大电流指令值的电流指令调整装置。
在此步进电机驱动装置上，由比例控制器28通过扭矩成分电流Iq的绝对值求出负荷扭矩对应电流指令值，电流指令处理器78输入负荷扭矩对应电流指令值、高速应答判断器66发出的控制信号并输出λ3，加法器80由输出λ3、最大电流指令值i＊max求出差分值ε1，加法器82由输出λ3、最小电流指令值i＊min求出差分值ε2，电流指令处理器56、58对应于差分值ε1、ε2、高速应答判断器66发出的控制信号输出输出λ1、λ2，加法器60对应于输出λ1-λ3输出电流指令i＊。如此，在高速应答判断器66输出第1控制信号的情况下，当负荷扭矩对应电流指令值在最小电流指令值i＊min以上且在最大电流指令值i＊max以下时，电流指令调整器74输出负荷扭矩对应电流指令值，当负荷扭矩对应电流指令不满最小电流指令值i＊min时，电流指令调整器74将最小电流指令值i＊min作为电流指令i＊输出，当负荷扭矩对应电流指令值超过最大电流指令值i＊max时，电流指令调整器74将最大电流指令值i＊max作为电流指令i＊输出。另外，在高速应答判断器66输出第2控制信号的情况下，电流指令调整器74输出最大电流指令值i＊max。
这样在步进电机驱动装置上，对于指令速度变化小、速度偏差在基准值以下的情况下，负荷扭矩对应电流指令值在最小电流指令值i＊min以上且在最大电流指令值i＊max以下时，电流指令i＊为负荷扭矩对应电流指令值。为此，负荷扭矩的绝对值变大时步进电机14的励磁电流变大，相反的负荷扭矩的绝对值变小时步进电机14的励磁电流变小，所以可以使消耗电力降低、提高效率，另外可以抑制步进电机14的发热。另外，在指令速度急剧变化、速度偏差超过基准值时，由于电流指令i＊变为最大电流指令值i＊max，所以在需要高速应答的情况下可以使步进电机14的扭矩输出变大。另外，由于在速度偏差超过基准值时，从速度偏差超过基准值的时点到经过设定时间之间电流指令i＊为最大电流指令值i＊max，故可以将电流指令i＊维持在最大电流指令值i＊max直至步进电机的动作进入稳定。另外，在负荷扭矩对应电流指令值不满最小电流指令值i＊min时，由于电流指令i＊为最小电流指令值i＊min，故可以保证步进电机14正常起动。另外在负荷扭矩对应电流指令值超过最大电流指令值i＊max时，电流指令i＊为最大电流指令值i＊max，可以防止变换器破损、电机过热等情况。
以上仅针对两相的步进电机做了详细说明，对于多相的步进电机本发明也同样适用。
Claims (8)
1. 一种步进电机驱动装置，包括以下部分，通过施加外部指令脉冲向步进电机进行正弦波状变化的励磁电流的通电，
a)由上述外部指令脉冲生成励磁角度的励磁角度生成装置；
b)由上述励磁角度及电流指令对上述励磁电流进行控制的电流控制装置；
c)检测上述步进电机的相电流的电流检测装置；
d)检测上述步进电机的转子旋转角度的角度检测装置；
e)由上述相电流及上述转子旋转角度算出扭矩成分电流的扭矩成分电流算出装置；
f)求出上述扭矩成分电流的绝对值的绝对值变换装置；
g)指令速度和转子速度之间的速度偏差在基准值以下时输出第1控制信号，上述速度偏差超过基准值时输出第2控制信号的高速应答判断装置；以及
h)在上述高速应答判断装置输出第1控制信号时，对应于上述扭矩成分电流的绝对值输出上述电流指令，在上述高速应答判断装置输出第2控制信号时，将最大电流指令值作为上述电流指令进行输出的电流指令输出装置。
2. 根据权利要求1的步进电机驱动装置，其中上述电流指令输出装置具有通过对第1、第2控制信号进行切换的切换开关。
3. 根据权利要求2的步进电机驱动装置，其中上述电流指令输出装置具有输出与上述扭矩成分电流的绝对值成比例的负荷扭矩对应电流指令值的比例控制装置。
4. 根据权利要求3的步进电机驱动装置，其中上述电流指令输出装置具有将最小电流指令值与上述负荷扭矩对应电流指令值进行相加的加法装置。
5. 根据权利要求4的步进电机驱动装置，其中上述电流指令输出装置具有当上述最小电流指令值与上述负荷扭矩对应电流指令值的和超过最大电流指令值时输出上述最大电流指令值的控制装置。
6. 根据权利要求1的步进电机驱动装置，其中上述电流指令输出装置具有，在上述高速应答判断装置输出第1控制信号的情况下，当与上述扭矩成分电流的绝对值成比例的负荷扭矩对应电流指令值在最小电流指令值以上且在最大电流指令值以下时输出上述负荷扭矩对应电流指令值，当上述负荷扭矩对应电流指令值不满上述最小电流指令值时输出上述最小电流指令值，当上述负荷扭矩对应电流指令值超过上述最大电流指令值时输出上述最大电流指令值的电流指令调整装置。
7. 根据权利要求1的步进电机驱动装置，其中上述高速应答判断装置具有在从上述第2控制信号输出的时点开始经过了设定时间后输出上述第1控制信号的时间限制装置。
8. 根据权利要求1的步进电机的驱动装置，其中上述高速应答判断装置具有从上述励磁角度的变化检测上述指令速度的指令速度检测装置和从上述转子旋转角度的变化检测上述转子速度的转子速度检测装置。
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