CN106134068B - 步进电动机的控制方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明可以兼顾高精度的位置控制与高速的速度控制。设有用于进行位置控制的高分辨率编码器(11)、以及用于进行速度控制的低分辨率编码器(21)。具备根据给予的位置指令与基于高分辨率编码器的输出而得到的检测位置之差来生成速度指令的位置控制单元(13、14)、以及根据所述速度指令与基于低分辨率编码器的输出而得到的检测速度之差来生成电流指令的速度控制单元(23、24)，速度控制单元的速度控制周期比位置控制单元的位置控制周期短。

Description

步进电动机的控制方法以及装置
技术领域
本发明涉及电动机的控制方法以及装置，特别是涉及在作为致动器等驱动源使用的情况下能够高精度地进行定位的电动机的控制方法以及装置。
背景技术
为了进行致动器等的动作的细微控制，要求高分辨率的定位精度。为了进行高分辨率的位置控制，在反馈控制中，需要具备高精度地检测电动机的旋转角度位置的高分辨率的编码器。高分辨率的编码器大多以串行通信发送数据，存在为了进行串行通信(串行数据)而花费时间(例如几十μ秒)的问题。
关于电动机控制，作为一例在专利文献1中记载了步进电动机的反馈控制方法以及装置。在该控制装置中，将一个编码器的输出用作用于步进电动机的位置控制以及速度控制的反馈信号。在使用以高分辨率通过串行通信发送数据的编码器的情况下，即使为了进行串行通信而花费几十μ(微)秒的时间，对于位置控制，只要以m(毫)秒级别的控制周期进行反馈控制即可，因此不会产生大的问题。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-320847号公报
然而，对于速度控制，由于步进电动机的极对数多(例如50极对)因此每单位时间的电进角量大若不加快控制周期(例如几十μ秒的级别)则无法适应。因此，无法使用串行通信花费几十μ秒的高分辨率编码器。即，在为了实现高精度的定位控制而使用高分辨率编码器的情况下，存在无法兼顾反馈位置控制与反馈速度控制的问题。
发明内容
本发明的目的在于，在能够高精度地定位的电动机的反馈控制中兼顾位置控制与速度控制。
关于电动机控制装置，本发明涉及一种电动机的控制装置，用于进行包括位置控制以及速度控制的反馈控制，其特征在于，高分辨率编码器，其用于为了进行位置控制而检测电动机的旋转位置；以及低分辨率编码器，其用于为了进行速度控制而检测电动机的转速，速度控制周期比位置控制周期短。
另外，关于控制方法，本发明涉及一种电动机的控制方法，用于进行包括位置控制以及速度控制的反馈控制，其特征在于，设置高分辨率编码器和低分辨率编码器，所述高分辨率编码器用于为了进行位置控制而检测电动机的旋转位置，所述低分辨率编码器用于为了进行速度控制而检测电动机的转速，使速度控制周期比位置控制周期短。
在电动机控制装置的更具体的实施方式中，本发明涉及一种电动机的控制装置，用于进行包括位置控制以及速度控制的反馈控制，其特征在于，所述电动机的控制装置包括：高分辨率编码器，其用于为了进行位置控制而检测电动机的旋转位置；低分辨率编码器，其用于为了进行速度控制而检测电动机的转速；位置控制单元，其根据给予的位置指令与基于所述高分辨率编码器的输出而得到的检测位置之差来生成速度指令；以及速度控制单元，其根据所述速度指令与基于所述低分辨率编码器的输出而得到的检测速度之差来生成驱动输出指令(电流指令或电压指令)，所述速度控制单元的速度控制周期比所述位置控制单元的位置控制周期短。
关于电动机控制方法的更具体的实施方式，本发明涉及一种电动机的控制方法，用于进行包括位置控制以及速度控制的反馈控制，其特征在于，设置高分辨率编码器和低分辨率编码器，所述高分辨率编码器用于为了进行位置控制而检测电动机的旋转位置，所述低分辨率编码器用于为了进行速度控制而检测电动机的转速，根据给予的位置指令与基于所述高分辨率编码器的输出而得到的检测位置之差来生成速度指令，根据所述速度指令与基于所述低分辨率编码器的输出而得到的检测速度之差来生成驱动输出指令(电流指令或电压指令)，使生成驱动输出指令的速度控制的周期比生成速度指令的位置控制的周期短。
在上文中，高分辨率与低分辨率是相对的，作为基准，具体而言，电动机每旋转1圈，高分辨率编码器产生大致8000至420万个脉冲。电动机每旋转1圈，低分辨率编码器产生100至4000个脉冲。
在上文中，位置控制周期与速度控制周期的大小关系也是相对的，作为基准，具体而言，位置控制周期大致是0.5至3毫秒，速度控制周期大致是10至300微秒。
根据本发明，对于需要以高速的控制周期进行反馈的速度控制，使用低分辨率的编码器，对于能够以低速的控制周期进行反馈的位置控制(位置响应)，使用高分辨率的编码器。而且，即使从高分辨率编码器输出串行数据而花费通信时间，在位置控制中也可以为低速的控制周期，因此能够使电动机的位置控制高分辨率化。由于低分辨率编码器生成与旋转量相应的频率的脉冲(不输出串行数据)，因此能够实现控制周期的高速化。
这样，根据本发明，能够兼顾高精度的位置控制与高速的速度控制。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的步进电动机的检测系统、控制系统以及驱动系统的功能框图。
具体实施方式
在该实施例中，将本发明应用于步进电动机。
图1是包含步进电动机的驱动电路以及控制电路(控制装置)的检测系统、控制系统以及驱动系统的功能框图。该图中示出的控制电路的一部分或全部，例如减法运算器13、位置控制器14、减法运算器23、速度控制器24、磁场削弱补偿器31、坐标转换器32等不仅可以通过各个硬件电路来实现，也可以通过计算机(处理器)以及计算机中装入的软件来实现。并且检测系统以及驱动系统的一部分，例如位置检测器12、速度检测器22、减法运算器33、34、电流控制器35、36的一部分或全部也可以通过各个硬件电路或计算机与计算机中装入的软件来实现。
2相步进电动机10由A相(以及A的反转相)及B相(以及B的反转相)的驱动电流(电动机电流)驱动。在步进电动机10中设有两种编码器，即位置控制用的高分辨率编码器11与速度控制用的低分辨率编码器21，来检测步进电动机10的旋转量(旋转角度位置、转数、转速等)。
优选高分辨率编码器1是输出具有8千(即8000)～420万P/rev(脉冲/转)左右的分辨率的信号的编码器，作为一例，是13比特(8192分割/转)或15比特(32768分割/转)绝对式编码器。优选低分辨率编码器21是输出具有100～4000P/rev左右的分辨率的信号的编码器，作为一例，是200脉冲/转的增量式编码器。
高分辨率编码器11的输出信号经由位置检测器12作为表示检测位置(旋转角度位置)的信号(位置响应)向减法运算器13给予。位置检测器12是例如接收从高分辨率编码器11输出的13比特或15比特串行信号并将其转换成并行数据的串行接口。按照如何控制电动机10其本身的驱动、或由电动机10驱动的致动器的移动的程序(例如，圆运动，直线运动等)，由上位的计算机(省略图示)作成对于步进电动机10的位置指令，向减法运算器13给予。减法运算器13求出所给予的位置指令与检测位置之差，将该差向位置控制器14给予。位置控制器14根据所输入的差信号作成对于步进电动机10的速度指令。
低分辨率编码器21的输出信号(例如A、B相脉冲信号)向速度检测器22给予。速度检测器22例如包括计数器，对所输入的A、B相脉冲进行计数并输出检测速度信号(速度响应)(编码器21是低分辨率的编码器，而速度控制是高速的，因此速度检测器22例如通过求取移动平均的方法等实现平滑化而生成表示速度的信号)。减法运算器23求出从位置控制器14输出的速度指令与从速度检测器22输出的检测速度之差，并向速度控制器24给予。速度控制器24根据所输入的速度之差分而生成并输出电流指令(根据电动机的种类也可以是电压指令)。
该电流指令向磁场削弱补偿器31给予。来自速度检测器22的速度信号也输入至磁场削弱补偿器31。在上述的专利文献1中详细地记载了磁场削弱补偿。当步进电动机的旋转提高时因转子磁体的磁通而产生的反电动势增加。因此，将使电流在定子线圈中流通以产生与转子磁体的磁通反向的磁通(不仅在产生转矩的旋转坐标系的q轴上流通有电流，也在d轴上也流通有电流)由此通过使磁通抵消来抑制反电动势的产生的方法称为磁场削弱补偿。该磁场削弱补偿在电流指令值与转速(检测速度)的积超过规定阈值时进行(不进行磁场削弱补偿时，所输入的电流指令(q轴的电流指令值)直接输出)。
坐标转换器32将从磁场削弱补偿器31输出的旋转坐标系的q轴、d轴的电流值(Iq、Id)(在不进行磁场削弱补偿时，Id＝0)转换成静止坐标系的相电流IA、IB作为相电流指令输出。通过电流检测器(省略图示)检测出在电动机10中流动的A相、B相的电流，在减法运算器33、34中分别计算出相电流指令与检测相电流之差，将该差向电流控制器35、36给予。电流控制器35、36根据所输入的差信号，生成控制逆变器(例如PWM(Pulse Width Modulation)逆变器)的信号，来控制逆变器37。并且，通过逆变器37来驱动步进电动机10。
在上文中，位置控制(反馈控制)主要通过高分辨率编码器11、位置检测器12、减法运算器13、位置控制器14(包含生成位置指令的上位计算机)来进行。为了应对高精度的定位要求，使用高分辨率编码器11作为位置控制用的编码器。在这种情况下，即便位置控制的控制周期不快也是足够的(由于通过电动机驱动的致动器的动作慢)，而可以是毫秒级别(0.5～3m秒左右)。作为一例，位置控制周期为1m秒。因此，即使高分辨率编码器11的输出信号的串行通信花费几十μ(微)秒的时间也不存在问题。作为高分辨率编码器，可以使用输出串行数据的高分辨率编码器。
速度控制(反馈控制)主要通过低分辨率编码器21、速度检测器22、减法运算器23、速度控制器24来进行。在步进电动机的情况下，极对数多(例如50极对)，因此必须加快控制周期(数十微秒的级别，例如10～300μ秒)。作为一例，可以是50μ秒。由于使用低分辨率的编码器21，因此能够加快速度控制周期。即，低分辨率的编码器输出如A、B相的脉冲信号那样与电动机的旋转量成比例的(相应的)频率的脉冲信号(不输出串行数据)(无需进行串行通信)，因此用于其传输的时间极短，因而能够实现控制周期的高速化。
如以上那样设置，对于需要以高速的控制周期进行反馈的速度控制(速度响应)，使用低分辨率的编码器，对于能够以低速的控制周期进行反馈的位置控制(位置响应)，使用高分辨率的编码器。而且，即使从高分辨率编码器输出串行数据而花费通信时间，由于在位置控制(位置响应反馈)中可以为低速的控制周期，因此能够使步进电动机的位置控制高分辨率化。
上述实施例涉及步进电动机的反馈控制，特别是本发明在步进电动机的控制中发挥作用，但本发明显然也可以应用于其他类型的电动机，例如AC伺服电动机。
附图标记说明
10 步进电动机
11 高分辨率编码器
12 位置检测器
13、23 减法运算器
14 位置控制器
21 低分辨率编码器
22 速度检测器
24 速度控制器

Claims (14)

1.一种步进电动机的控制装置，用于进行包括位置控制以及速度控制的反馈控制，其特征在于，
所述步进电动机的控制装置包括：
高分辨率编码器，其为位置控制用的编码器，用于为了进行位置控制而检测步进电动机的旋转位置；以及
低分辨率编码器，其为速度控制用的编码器，用于为了进行速度控制而检测步进电动机的转速，
基于由所述低分辨率编码器检测出的转速进行的速度控制的控制周期比基于由所述高分辨率编码器检测出的旋转位置进行的位置控制的控制周期短。
2.一种步进电动机的控制装置，用于进行包括位置控制以及速度控制的反馈控制，其特征在于，
所述步进电动机的控制装置包括：
高分辨率编码器，其为位置控制用的编码器，用于为了进行位置控制而检测步进电动机的旋转位置；
低分辨率编码器，其为速度控制用的编码器，用于为了进行速度控制而检测步进电动机的转速；
位置控制单元，其根据给予的位置指令与基于所述高分辨率编码器的输出而得到的检测位置之差来生成速度指令；以及
速度控制单元，其根据所述速度指令与基于所述低分辨率编码器的输出而得到的检测速度之差来生成驱动输出指令，
所述速度控制单元的速度控制周期比所述位置控制单元的位置控制周期短。
3.根据权利要求2所述的步进电动机的控制装置，其中，
所述驱动输出指令是电流指令。
4.根据权利要求2所述的步进电动机的控制装置，其中，
所述驱动输出指令是电压指令。
5.根据权利要求1或2所述的步进电动机的控制装置，其中，
所述高分辨率编码器输出表示步进电动机的旋转位置的串行数据。
6.根据权利要求1或2所述的步进电动机的控制装置，其中，
步进电动机每旋转1圈，所述高分辨率编码器产生8千至420万个脉冲。
7.根据权利要求5所述的步进电动机的控制装置，其中，
步进电动机每旋转1圈，所述高分辨率编码器产生8千至420万个脉冲。
8.根据权利要求1或2所述的步进电动机的控制装置，其中，
所述低分辨率编码器输出与步进电动机的旋转量相应的频率的脉冲。
9.根据权利要求1或2所述的步进电动机的控制装置，其中，
步进电动机每旋转1圈，所述低分辨率编码器产生100至4000个脉冲。
10.根据权利要求8所述的步进电动机的控制装置，其中，
步进电动机每旋转1圈，所述低分辨率编码器产生100至4000个脉冲。
11.根据权利要求1或2所述的步进电动机的控制装置，其中，
位置控制周期是0.5至3毫秒。
12.根据权利要求1或2所述的步进电动机的控制装置，其中，
速度控制周期是10至300微秒。
13.一种步进电动机的控制方法，用于进行包括位置控制以及速度控制的反馈控制，其特征在于，
设置高分辨率编码器和低分辨率编码器，
所述高分辨率编码器为位置控制用的编码器，用于为了进行位置控制而检测步进电动机的旋转位置，
所述低分辨率编码器为速度控制用的编码器，用于为了进行速度控制而检测步进电动机的转速，
使基于由所述低分辨率编码器检测出的转速进行的速度控制的控制周期比基于由所述高分辨率编码器检测出的旋转位置进行的位置控制的控制周期短。
14.一种步进电动机的控制方法，用于进行包括位置控制以及速度控制的反馈控制，其特征在于，
设置高分辨率编码器和低分辨率编码器，
所述高分辨率编码器为位置控制用的编码器，用于为了进行位置控制而检测步进电动机的旋转位置，
所述低分辨率编码器为速度控制用的编码器，用于为了进行速度控制而检测步进电动机的转速，
根据给予的位置指令与基于所述高分辨率编码器的输出而得到的检测位置之差来生成速度指令，
根据所述速度指令与基于所述低分辨率编码器的输出而得到的检测速度之差来生成驱动输出指令，
使生成驱动输出指令的速度控制的周期比生成速度指令的位置控制的周期短。
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