CN101388634A - 步进电机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种步进电机的控制装置，其设有：判断转子的位置偏差是否在规定范围内的第一判断装置(27)；判断位置偏差的正负是否与速度偏差的正负一致的第二判断装置(28)；相位设定装置(34～35)，其在位置偏差在规定范围内时，根据位置指令设定绕线电流指令相位，在位置偏差超过规定范围并且位置偏差与速度偏差的正负一致时，根据使转子位置、固定值以及对应转子速度的超前角修正值相加所得的值，设定绕线电流指令相位，在位置偏差超过规定范围且位置偏差与速度偏差的正负不一致时，根据使转子位置、固定值、对应转子速度的超前角修正值以及乘以规定系数(K_do)的速度偏差相加所得的值，设定绕线电流指令的相位。

Description

步进电机的控制装置

技术领域

本发明涉及步进电机的控制装置，特别涉及用于超前角控制的技术。

背景技术

在步进电机的控制装置中，一般将脉冲信号用作指令信号，即，通过脉冲数指令位置，通过脉冲频率指令速度。在这种控制装置中，例如在专利文献1以及专利文献2中披露了设定与步进电机的转矩对应的超前角的技术的现有技术的例子。在该专利文献1涉及的现有技术的例子1以及专利文献2涉及的现有技术的例子2中，分别以下面的方式将各相绕线的电流相位设定为θ_i。

现有技术的例子1：

在δ₀<90°时，

θ_i＝θ_com，

在δ₀>90°时，

θ_i＝θ_fb+90°+K_V·ω+K_e·ω·δ₀，

其中，θ_com：位置指令，θ_fb：转子位置，δ₀：位置偏差，θ_i：电流相位，K_V：比例常量，K_e：比例常量，ω：转子速度。

现有技术的例子2：

在δ₀<90°+KV·ω_fb时，

θ_i＝θ_com，

在δ_θ>90°时，

θ_i＝θ_fb+90°+K_V·ω_fb，

其中，ω_fb：转子速度。

根据上面所述的各个现有技术的例子，比较转子位置指令与转子位置。并且，若位置偏差在规定范围内，则设定以位置指令作为稳定点的激磁相位，在位置偏差超过规定范围的情况下，将超前角保持在最佳值。在所述现有技术的例子中的最佳超前角值，意味着对应速度ω_fb产生最大转矩的超前角值。

专利文献1：特许第3715276号公报

专利文献2：特许平11—113289号公报

但是，在上述现有技术的例子中，在位置偏差超过规定范围时，电机会因其产生的最大转矩而加速。因此，存在以下情况，即：朝向位置指令(目标位置)位置的转子的转动速度大大超过速度指令(目标速度)的速度，从而产生以下不良情况。

例如，在通过外力使转子轴旋转之后，若释放该转子轴，则会通过最大转矩使转子向原始位置作返回转动，从而担心转子的转动速度会达到异常速度。另外，由于转子到达原始位置附近之前不会减速，因此，因转子或负载的惯性会导致转子超过应停止的位置。并且，在上述惯性较大的情况下，还会重复反复超过的运转，以致达到不能停止的状态。相同的现象也会由运转时加速转矩不足、载荷变化等因素引起。

发明内容

本发明是针对上述现有技术的问题作出的，其目的在于提供一种步进电机的控制装置，该装置在转子的转动速度超过速度指令的情况下，能够减小电机的产生转矩以抑止速度偏差的扩大。

为了实现上述目的，本发明提供一种步进电机的控制装置，其根据指令转子位置的转子位置指令(θ_com)以及作为转子实际位置的转子位置(θ_fb)，确定指令流过绕线的电流的绕线电流指令相位(θ_i)，并根据该绕线电流指令相位(θ_i)形成关于各个相的电流指令(I_acom，I_bcom)，其特征在于，所述步进电机的控制装置设有：计算上述位置指令和上述转子位置的偏差(δ₀)的位置偏差计算装置(30)；根据上述位置指令计算转子速度指令(ω_com)的转子速度指令计算装置(21)；根据上述转子位置计算转子速度(ω_fb)的转子速度计算装置(22)；计算上述转子速度指令和上述转子速度的偏差(δ_ω)的速度偏差计算装置(31)；固定值产生器(24)，在上述位置偏差为正以及负的情况下，分别产生正的固定值(+K)以及负的固定值(-K)；判断上述位置偏差是否在规定范围内的第一判断装置(27)；判断上述位置偏差的正负是否与上述速度偏差的正负一致的第二判断装置(28)；相位设定装置(34～35)，在上述位置偏差在上述规定范围内的情况下，根据上述转子位置指令设定上述绕线电流指令相位，在上述位置偏差超过上述规定范围并且上述位置偏差与上述速度偏差的正负相一致的情况下，根据使上述转子位置、上述固定值以及对应上述转子速度的超前角修正值相加所得的值，设定上述绕线电流指令相位，在上述位置偏差超过上述规定范围并且上述位置偏差与上述速度偏差的正负不一致的情况下，根据使上述转子位置、上述固定值、对应上述转子速度的超前角修正值以及乘以规定系数(K_do)的上述速度偏差相加所得的值，设定上述绕线电流指令的相位。

上述固定值为相当于电气角90°的值。

上述规定范围的设定方式为：例如，具有使带有负号的上述固定值与由上述转子速度的函数(f(ω_fb))确定的值相加所得的下限值，并具有使带有正号的上述固定值与由上述转子速度的函数确定的值相加所得的上限值。

上述规定范围的设定方式为：例如，具有使带有负号的上述固定值与上述转子速度乘以规定系数(K_V)所得的值相加所得的下限值，并具有使带有正号的上述固定值与上述转子速度乘以规定系数所得的值相加所得的上限值。在这种情况下，优选上述规定的系数(K_V)为0。

上述超前角修正值设定为例如是由上述转子速度的函数(f(ω_fb))确定的值。另外，上述超前角修正值是由规定系数(K_V)与上述转子速度的积构成的值，或者，上述超前角修正值是规定系数(K_V)与上述转子速度(ω_fb)的积(K_V·ω_fb)加上规定系数(K_e)、上述转子速度及上述位置偏差(δ₀)的积(K_e·ω_fb·δ₀)所得的值。。

在根据上述转子位置指令设定的上述绕线电流指令相位中，可以含有上述速度偏差。

根据本发明，在转子转动速度不满足速度指令的情况下，设定产生最大转矩的激磁相位，在转子转动速度超过速度指令的情况下，以减小电机的产生转矩来抑止速度偏差的方式设定激磁相位。因此，可以防止在位置偏差超过规定范围时转子的过度转动速度以及振荡运动的发生，以便稳定、迅速地对转子进行定位。

附图说明

图1为框图，其显示了本发明第一个实施例的步进电机控制装置的整体结构。

图2为显示运算部的一个结构例的框图。

图3显示了对应于位置偏差与速度偏差的极性组合的电流指令相位的形成图形。

图4显示了运算部的其它结构的框图。

附图标记：

20，20’     运算部

21           第一微分器

22           第二微分器

23           速度补偿器

24           固定值产生器

25           第一速度差补偿器

26           第二速度差补偿器

27           第一判断装置

28           第二判断装置

29           坐标变换器

30           第一减法器

31           第二减法器

32           第一加法器

33           第二加法器

34           第三加法器

35           第一开关元件

36           第二开关元件

37           速度、位置偏差补偿器

40           电流增幅器

50           步进电机

具体实施方式

图1为框图，其显示了本发明一个实施例的步进电机控制装置的整体结构。

在图1中，通过位置指令输入端子10，以脉冲信号的形式将针对步进电机50的转子的位置指令θ_com输入运算部20。位置检测器60是为检测上述转子的实际位置(以下称为转子位置)θ_fb而设置的，其输出被输入上述运算部20中。在本实施例中，作为步进电机50，使用了具有两相混合型结构的步进电机。

如下所述，运算部20根据上述位置指令θ_com以及实际位置θ_fb，计算A相电流指令I_acom以及B相电流指令I_bcom。电流增幅部40由众所周知的PWM变流器构成，将对应于上述电流指令I_acom，，I_bcom的电流输送至步进电机50的各相绕线。

图2为显示上述运算部20的细节的框图。

在该图2中，第一减法器30计算与上述转子相关的位置指令θ_com与实际位置θ_fb的偏差δ₀。第一微分器21对位置指令θ_com进行微分以形成速度指令ω_com，第二微分器22对转子位置θ_fb进行微分以形成转子转动速度ω_fb。速度补偿器23使速度补偿的比例常量K_V与转子转动速度ω_fb相乘。固定值产生器24在位置偏差δ₀为正时产生固定值+K，在位置偏差δ_θ为负时产生固定值—K。值K希望为与电气角90°相当的值，在本实施例中，就是以该值进行设定的。

第二减法器31由速度指令ω_com减去转子转动速度ω_fb，并输出速度偏差δω。第一加法器32使固定值产生器24产生的固定值K或—K与速度补偿器23的输出K_v·ω_fb相加。

第一速度差补偿器25与第二速度补偿器26分别使速度差补偿的比例常量K_di以及K_do与由减法器31输出的速度偏差δ_ω相乘。

第一判断装置27进行位置偏差δ_θ与第一加法器32的输出K+K_V·ω_fb或—K+K_V·ω_fb的比较判断，在—K+K_V·ω_fb<δ₀<K+K_V·ω_fb的情况下，使第一开关元件35与端子a侧相连，在不满足该条件的情况下，使该开关元件35与端子b侧相连。第二判断装置28仅在位置偏差δ₀以及速度偏差δ_ω的符号(正负)相一致时才断开第二开关元件36。

第二加法器33使位置指令θ_com与第一速度差补偿器25的输出K_di·δ_ω相加，并将该计算结果添加至第一开关元件35的端子a侧。另外，第三加法器34使通过第二开关元件36添加的第二速度差补偿器26的输出K_do·δ_ω、第一加法器32的输出K+K_V·ω_fb或—K+K_V·ω_fb以及转子位置θ_fb相加，并将该结果添加至第一开关元件35的端子b侧。坐标变换器29根据通过第一开关元件35提供的后面所述的电流指令相位θ_i，输出电流指令I_acom＝K_i·sin θ_i以及I_bcom＝K_i·cos θ_i。

下面，将对本实施例涉及的控制装置的具体作用进行说明。

如下所述，本实施例涉及的控制装置根据转子位置指令θ_com与转子位置θ_fb中的任意一个计算电流指令相位θ_i，并由该电流指令相位θ_i形成A相电流指令I_acom以及B相电流指令I_bcom。采用根据位置指令θ_com计算的电流指令相位θ_i的话，基本上与通常的开环步进电机控制系统的情况相同。

根据位置偏差δ₀的范围判断是否根据转子位置指令θ_com与转子位置θ_fb中的任意一个计算电流指令相位θ_i。

即，在图2所示的运算部20中，上述第一判断装置27在位置偏差δ₀的范围满足下式(1)的关系时，使开关元件35与端子a相连。

—K+K_V·ω_fb<δ₀<+K+K_V·ω_fb···(1)

因此，如下式(2)所示，将加法器33的计算结果作为电流指令的相位θ_i，从开关元件35输出。这样，在位置偏差δ₀处于式(1)所示的范围内时，根据位置指令θ_com计算电流指令相位θ_i(参见图3中的区域E)。

θ_i＝θ_com+K_di·δ_ω···(2)

另外，作为式(1)的固定值K，虽然希望使用相当于电气角90°的值，但不应局限于此。另外，也可以使电流指令的相位θ_i达到θ＝θ_com。

然而，若如式(2)那样，添加了基于电流偏差δ_ω的项K_di·δ_ω，则能够抑止转动时的振动，因此是有效的。

下面，对根据转子位置θ_fb计算电流指令的相位θ_i的情况进行说明。

第一判断装置27在位置偏差δ₀的范围超过式(1)的范围时，即，在δ_θ>+K+K_V·ω_fb或者δ_θ<-K+K_V·ω_fb时，使开关元件35与端子b侧相连。在这种情况下，第二判断装置28仅仅在位置偏差δ_θ与速度偏差δ_ω的符号(正负)相一致时才断开第二开关元件36，结果，计算与以下条件a～d对应的4个电流指令的相位θ_i(参见图3中的区域A～D)，并根据这些条件a～b，从开关元件35输出这些相位。

条件a：δ₀>+K+K_V·ω_fb，δ₀>0，δ_ω>0(开关元件36断开)

θ_i＝θ_fb+K+K_V·ω_fb···(3)

条件b：δ₀>+K+K_V·ω_fb，δ₀>0，δ_ω<0(开关元件36接通)

θ_i＝θ_fb+K+K_V·ω_fb+K_do·δ_ω···(4)

条件c：δ₀<-K+K_V·ω_fb，δ₀<0，δ_ω<0(开关元件36断开)

θ_i＝θ_fb-K+K_V·ω_fb···(5)

条件d：δ₀<-K+K_V·ω_fb，δ_θ<0，δ_ω>0(开关元件36接通)

θ_i＝θ_fb-K+K_V·ω_fb+K_do·δ_ω···(6)

将通过式(2)以及式(3)～(6)计算的电流指令相位θ_i输入坐标变换器29，并将其转换为针对各相的电流指令I_acom，I_bcom。另外，电机50不应局限于两相结构，例如，也可以采用三相、五相结构。在这种情况下，坐标变换器29将电流指令相位θ_i转换为数量与电机50的相数对应的电流指令。

通过按式(2)所得的电流指令相位θ_i，使电机50以在最大转矩下跟随指令速度的方式加速。此时因在判断式(1)中包含速度补偿项K_V·ω_fb，因此，对因绕线电感器产生的电流的延时或计算滞后进行补偿的最大转矩产生点可以转换。

另一方面，通过根据转子位置θ_fb确定的电流指令相位θ_i，即，通过由式(3)～(6)计算的电流指令相位θ_i，能够获得以下效果。

即，例如，由于在电机50沿CW方向过度转动的情况下，在速度偏差δ_ω为负，而位置偏差δ₀为正时，根据式(4)确定电流指令相位θ_i。在这种情况下，由于式(4)的第三项K_do·δ_ω为负值，因此，减小了转子位置θ_fb的超前角，结果，转矩减小。

这样，在上述例子中，由于设定了激磁相位以便减小产生的转矩并抑止速度偏差，因此，能够防止由速度偏差扩大造成的转子的过度转动或振荡动作(过调量，负脉冲信号)，以便能够稳定、迅速地对该转子进行定位。通过由式(6)确定的电流指令相位θ_i，可以实现转子的稳定、迅速定位。

若式(4)中的K_do·δ_ω的项大于固定值K，则会产生逆向转矩。因此，应调整系数K_do的值以获得适当的速度偏差的抑止效果。

通过由式(3)、(5)确定的电流指令相位θ_i，设定电机产生最大转矩的超前角值。

本发明的要点在于：由于根据转子转动速度ω_fb没有达到速度指令ω_com时的位置偏差δ₀、速度偏差δ_ω的极性判断结果，使用产生最大转矩的超前角值，并且，根据转子转动速度ω_fb超过速度指令ω_com时的该极性判断结果，由上述产生最大转矩的超前角值加上在速度偏差δ_ω上乘以系数所得的值(由于δ_ω的极性与δ₀的极性相反，因此，通过该加法运算，超前角值减小)，因此，不存在对用于近似获得产生最大转矩的超前角值的方法的限制。所以，作为超前角修正值(在上述实施例中，为K_V·ω_fb)不仅可以使用转子速度ω_fb的比例函数，也可以使用二次函数或三次函数f(ω_fb)等。

在上述实施例中，虽然在超前角修正值中使用了转子速度ω_fb，但是，也可以在转子速度ω_fb上添加使用位置偏差δ₀。图4显示了具有在超前角修正值中使用转子速度ω_fb和位置偏差δ_θ两个值的结构的运算部20’。

该运算部20’与上述第一实施例中运算部20的结构不同点在于：设有速度、位置偏差补偿器37以及将固定值产生器24的输出输入到第一判断装置27。

在该运算部20’中，在位置偏差δ_θ的范围满足下式(7)的关系时，第一判断装置27使开关元件35与端子a侧相连。此时，从开关元件35，以与第一实施例的情况相同的方式，通过开关元件35输出在上述式(2)中所示的电流指令相位θ_i＝θ_com+K_di·δ_ω。另外，在本实施例中，也可使上述电流指令相位θ_i达到θ＝θ_com。

—K<δ₀<+K···(7)

在位置偏差δ₀的范围超过式(7)的范围时，使开关元件35与端子b侧相连，因此，根据转子位置θ_fb设定电流指令相位θ_i。即，速度、位置偏差补偿器37输入转子转动速度ω_fb以及转子位置偏差δ_θ，以执行使它们与规定系数K_e相乘的运算，将其运算结果K_e·ω_fb·δ₀输入上述加法器32。因此，在运算部20’中，计算与以下条件a～d对应的四个电流指令相位θ_i，并根据该条件a～d，将它们从开关元件35中输出。

条件a：δ₀>K，δ₀>0，δ_ω>0(开关元件36断开)

θ_i＝θ_fb+K+K_V·ω_fb+K_e·ω_fb·δ₀···(8)

条件b：δ₀>K，δ₀>0，δ_ω<0(开关元件36接通)

θ_i＝θ_fb+K+K_V·ω_fb+K_e·ω_fb·δ₀+K_do·δ_ω···(9)

条件c：δ₀<-K，δ₀<0，δ_ω<0(开关元件36断开)

θ_i＝θ_fb-K+K_V·ω_fb+K_e·ω_fb·δ₀···(10)

条件d：δ₀<-K+K_V·ω_fb，δ₀<0，δ_ω>0(开关元件36接通)

θ_i＝θ_fb-K+K_V·ω_fb+K_e·ω_fb·δ₀+K_do·δ_ω···(11)

由于采用该运算部20’时的作用效果与采用上述运算部20时的作用效果相同，故省略了对其运算效果的说明。

Claims (9)

1.一种步进电机的控制装置，其根据指令转子位置的转子位置指令(θ_com)以及作为转子实际位置的转子位置(θ_fb)，确定指令流过绕线的电流的绕线电流指令相位(θ_i)，并根据该绕线电流指令相位(θ_i)形成关于各个相的电流指令(I_acom，I_bcom)，其特征在于，所述步进电机的控制装置设有：

计算上述位置指令和上述转子位置的偏差(δ₀)的位置偏差计算装置(30)；

根据上述位置指令计算转子速度指令(ω_com)的转子速度指令计算装置(21)；

根据上述转子位置计算转子速度(ω_fb)的转子速度计算装置(22)；

计算上述转子速度指令和上述转子速度的偏差(δ_ω)的速度偏差计算装置(31)；

固定值产生器(24)，在上述位置偏差为正以及负的情况下，分别产生正的固定值(K)以及负的固定值(—K)；

判断上述位置偏差是否在规定范围内的第一判断装置(27)；

判断上述位置偏差的正负是否与上述速度偏差的正负相一致的第二判断装置(28)；

相位设定装置(34～35)，在上述位置偏差在上述规定范围内的情况下，根据上述转子位置指令设定上述绕线电流指令相位，在上述位置偏差超过上述规定范围并且上述位置偏差与上述速度偏差的正负相一致的情况下，根据使上述转子位置、上述固定值以及对应上述转子速度的超前角修正值相加所得的值，设定上述绕线电流指令相位，在上述位置偏差超过上述规定范围并且上述位置偏差与上述速度偏差的正负不一致的情况下，根据使上述转子位置、上述固定值、对应上述转子速度的超前角修正值、以及乘以规定系数(K_do)的上述速度偏差相加所得的值，设定上述绕线电流指令的相位。

2.根据权利要求1所述的步进电机的控制装置，其特征在于，上述固定值为相当于电气角90°的值。

3.根据权利要求1或2所述的步进电机的控制装置，其特征在于，上述规定范围具有使带有负号的上述固定值与由上述转子速度的函数(f(ω_fb))确定的值相加所得的下限值，并具有使带有正号的上述固定值与由上述转子速度的函数确定的值相加所得的上限值。

4.根据权利要求1或2所述的步进电机的控制装置，其特征在于，上述规定范围具有使带有负号的上述固定值与上述转子速度乘以规定系数(K_v)所得的值相加所得的下限值，并具有使带有正号的上述固定值与上述转子速度乘以规定系数所得的值相加所得的上限值。

5.根据权利要求4所述的步进电机的控制装置，其特征在于，上述规定系数(K_v)为0。

6.根据权利要求1所述的步进电机的控制装置，其特征在于，上述超前角修正值是由上述转子速度的函数(f(ω_fb))确定的值。

7.根据权利要求1所述的步进电机的控制装置，其特征在于，上述超前角修正值是由规定系数(K_v)与上述转子速度的积构成的值。

8.根据权利要求1所述的步进电机的控制装置，其特征在于，上述超前角修正值是规定系数(K_v)与上述转子速度(ω_fb)的积(K_v·ω_fb)加上规定系数(K_c)、上述转子速度及上述位置偏差(δ₀)的积(K_e·ω_fb·δ_θ)所得的值。

9.根据权利要求1所述的步进电机的控制装置，其特征在于，在根据上述转子位置指令设定的上述绕线电流指令相位中含有上述速度偏差。

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