DE60305363T2

DE60305363T2 - Schrittmotorantrieb

Info

Publication number: DE60305363T2
Application number: DE60305363T
Authority: DE
Inventors: c/o Japan Servo Co. Akio Kiryu-shi Takemori; c/o Japan Servo Co. Yoshifumi Kiryu-shi Kuwano; c/o Japan Servo Co. Yukinari Kiryu-shi Takahashi; c/o Japan Servo Co. Hiroaki Kiryu-shi Taka
Original assignee: Japan Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2023-03-06
Also published as: EP1345316A1; US6850026B2; DE60305363D1; EP1345316B1; US20030173929A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schrittmotortreiber zur Regelung der Drehwinkelposition und der Drehgeschwindigkeit eines Schrittmotors.
Durch die starke Funktionalisierung von Systemen, die mit Motoren ausgestattet sind, besteht Bedarf an Motoren, deren Schwingungspegel niedrig sind und deren Drehgeschwindigkeitsbereiche groß sind. Da ein Schrittmotor jedes Mal, wenn ein Satz externer Befehlsimpulse gegeben wird, dazu veranlasst wird, eine Schrittdrehung zu vollziehen, indem ein Erregerstrom für eine Wicklung plötzlich geändert wird, stellten sich insofern Probleme, als der Schrittmotor eine Schwingung auslöst und zum Schrittverlust neigt, wenn der Erregerstrom geändert wird.
Zur Senkung des Schwingungspegels eines Schrittmotors wird weitgehend ein Mikroschritt-Erregungssystem verwendet, bei dem ein Wechselrichter vom Typ PWM (Pulsweitenmodulation) verwendet wird, um die Erregerströme für die Wicklungen stufenlos zu ändern. In diesem Fall werden die Erregerströme für die Wicklungen ohne Verzögerungen wiederholt in Übereinstimmung mit den Befehlsimpulsen geändert, und nach der Änderung der Erregerströme für die Wicklungen dreht sich ein Rotor des Schrittmotors. Auch in diesem Fall kann ein Schrittverlust nicht vollständig verhindert werden, da die Erregerströme unabhängig von der Drehwinkelposition des Rotors an die Wicklungen angelegt werden.
Um dieses Problem zu lösen wird ein Regelungssystem vorgeschlagen, bei dem ein Winkeldetektor zur Detektion der Drehwinkelposition eines Rotors bereitgestellt ist und der Schrittverlust durch passendes Einstellen einer Erregungsbedingung an einer Schrittverlustgrenze verhindert wird.
Eine Schrittmotorregelungseinrichtung, bei der der Erregungswinkel geregelt wird, um den Schrittverlust zu verhindern, ist beispielsweise in "IEE Proc. Electr. Power Appl.", Band 142, Nr. 1, 1. Januar 1995 (hierin Folge als "Stand der Technik 1" bezeichnet) geoffenbart. Gemäß der im Stand der Technik 1 geoffenbarten Schrittmotorregelungseinrichtung wird ein Inkrementalkodierer verwendet, um die Winkelposition eines Rotors zu detektieren, der Schrittmotor wird normal durch einen offenen Regelkreis betrieben, die Erregungszeit wird je nach Winkelabweichung, also der Differenz zwischen einem durch einen Satz an Befehlsimpulsen gegebenen Befehlswinkel und einem vom Kodierer detektierten Drehwinkel des Rotors, variiert und der Schrittmotor kann selbst bei hoher Geschwindigkeit ohne Schrittverlust betrieben werden.
Dieser Schrittmotor umfasst Folgendes:
einen Kodierer zur Detektion des Drehwinkels eines Rotors,
einen Befehls- und Rückkoppelungssignalempfänger, der die Winkelbefehlssignale von außen und die detektierten Winkelsignale des Kodierers empfängt,
eine Geschwindigkeits-Diskriminierungsvorrichtung, die die Ausgangssignale des Befehls- und Rückkoppelungssignalempfängers empfängt und die Geschwindigkeiten des Rotors diskriminiert,
einen Winkelabweichungszähler, der die Ausgangssignale des Befehls- und Rückkoppelungssignalempfängers empfängt und die Winkelabweichungen zählt,
ein Regelungsalgorithmus-Umsetzungsteil, das die Ausgangssignale des Befehls- und Rückkoppelungssignalempfängers, die Ausgangssignale der Geschwindigkeits-Diskriminierungsvorrichtung und die Ausgangssignale des Winkelabweichungszählers empfängt und den Regelungsalgorithmus ausführt,
einen Impulssignalgenerator, der die Ausgangssignale des Regelungsalgorithmus-Umsetzungsteils empfängt und Impulssignale erzeugt, und
einen Drehmomentsignalgenerator, der die Impulssignale des Impulssignalgenerators empfängt und die Motordynamik des Schrittmotors ist.
Bei diesem Schrittmotortreiber wird unter Antizipierung einer Verzögerung eines Motorerregungsstroms in Bezug auf die angelegte Spannung aufgrund der Wicklungsinduktivität die Motorerregungstaktgebung auf den Befehlswinkel vorgezogen, sodass ein stabiles Regelungssystem mit einer einfachen Struktur erhalten ist, Das heißt, dass das Winkelbefehlsignal θ* ohne Änderung als Erregungssignal verwendet wird, solange der Schrittmotor synchronisiert bleibt, während eine Erregungsbedingung unter Berücksichtigung des Drehwinkels des Rotors bestimmt wird, wenn die Synchronisation verloren geht oder verloren gehen wird. Somit wird ein Schrittausfall durch Ändern des Erregungskriteriums verhindert. Die Bedingung für die Änderung der Erregung wird durch einen Versuch erhalten, bei dem die maximale Drehmomenterzeugungsbedingung für die Rotorgeschwindigkeit bei einem vorgegebenen Voreilwinkel bestimmt wird.
In der Zwischenzeit kann ein geeigneter Voreilwinkel γ für einen Schrittmotor, der eine Art Synchronmotor ist, auf Grundlage einer Spannungsgleichung durch die Gleichung (1) wie folgt bestimmt werden: γ = tan–1{(ωreL)/R} + sin–1{(Ziq)/V + (REemf)/(ZV) (1)worin γ der Voreilwinkel ist, ω_re die Drehwinkel- (elektrische Winkel-) Frequenz (Stromgrundfrequenz) des Motors, L die Induktivität einer Wicklung des Motors ist, R ein Widerstand der Wicklung des Motors ist, Z die Impedanz der Wicklung des Motors ist, i_q eine q-Achsenkomponente des Stroms in der Wicklung des Motors (hierin in Folge als q-Achsenstrom bezeichnet) ist, V die an den Motor angelegte Spannung ist und E_emf die Geschwindigkeits-EMK (elektromotorische Kraft) ist.
Nun wird erläutert, wie die Gleichung (1) erhalten wird.
Die Gleichungen (2) und (3) werden gebildet, indem eine d-Achsenkomponente der an den Motor angelegten Spannung durch v_d die Größe des Stroms in der Wicklung des Motors durch I und eine d-Achsenkomponente des Stroms in der Wicklung des Motors (hierin in Folge als d-Achsenstrom bezeichnet) durch i_d ausgedrückt wird: V = (Vd 2 + vq 2)1/2 (2) I = (id 2 + iq 2)1/2 (3)
Die Spannungsgleichung für v_d und v_q wird durch die Gleichung (4) wie folgt ausgedrückt:
worin p ein Differentialoperator ist, L_d eine d-Achsenkomponente der Induktivität der Wicklung ist, L_q eine q-Achsenkomponente der Induktivität der Wicklung ist, ω_re die Drehwinkelfrequenz des Motors ist und Φ_m der Magnetfluss des Motors ist.
Wird pL_d = pL_q = 0 und R << ω_reL in einem stabilen Zustand bei einer hohen Drehgeschwindigkeit angenommen, so wird die Gleichung (4) angenähert und die Gleichungen (5) und (6) wie folgt erhalten. Vd = –ωreLqiq (5) Vq = ωreLdid + ωreφm (6)
Werden nun v_d und v_q der Gleichungen (5) und (6) für v_d und v_q in den Gleichungen (2) und (3) verwendet, so wird eine Gleichung (7) wie folgt erhalten. V2 = (–ωreLqiq)2 + (ωreLdid + ωreφm)2 (7)
In der Gleichung (7) ist die an den Motor angelegte Höchstspannung normalerweise kleiner als eine Quellenspannung V₀, die normalerweise konstant ist. Zudem entspricht ω_reΦ_m der elektromotorische Geschwindigkeitskraft E_emf.
8 zeigt die Beziehung zwischen den inneren Spannungen eines Motors in Gleichung (7), wenn ω_reΦ_m > V₀ gilt. Wie 8 zu entnehmen ist, entspricht die Größe der an den Motor angelegten Spannung V (= V₀) einem resultierenden Vektor OB eines Vektors AC in der Richtung der d-Achse, was einen Reaktanzabfall ω_reL_qi_q darstellt, eines Vektors CB in der Richtung der q-Achse, was einen Reaktanzabfall ω_reL_di_d darstellt, und eines Vektors OA in der Richtung der q-Achse, was eine gegenelektromotorische Geschwindigkeitskraft –ω_reΦ_m = –E_emf darstellt. Der Kreis P zeigt einen Kreis mit einem Radius V₀. 8 zeigt einen Motor, der selbst bei einer Drehgeschwindigkeit angetrieben werden kann, bei der die elektromotorische Geschwindigkeitskraft E_emf die Quellenspannung V₀ überschreitet, indem eine Phase der an den Motor angelegten Spannung geregelt wird.
In einem stabilen Zustand bei hoher Drehgeschwindigkeit gilt pL_d = pL_q = 0, und die Gleichung (4) kann als eine Gleichung (8) wie folgt angenähert werden.
Aus der Gleichung (8) wird der q-Achsenstrom i_q durch die folgende Gleichung (9) erhalten iq = (V/Z)sin(γ – ϕ) – (R/Z2)ωreφm (9)worin Folgendes angenommen wird: vd = Vcosγ (10) vq = Vsinγ (11) Ld = Lq = L (12) Z = R + jωreL (13)und φ = tan–1(ωreL/R) (14)
Weiters wird angenommen, dass ein Motor erzeugtes Drehmoment proportional zu i_q ist, sodass T = ktiq = {(ktV)/Z}sin(γ – ϕ) – (kt/Z2)Rωreφm (15)worin k_t eine proportionale Konstante ist.
Somit wird eine Gleichung (16), die einen Voreilwinkel γ ausdrückt, entsprechend der obigen Gleichung (1) erhalten. γ = φ + sin–1{(ZT)/(ktV) + [R/(ZV)]ωreφm} = tan–1{(ωreL)/R} + sin–1{(Ziq)/V + [R/(ZV)]ωreφm} = tan–1{(ωreL)/R} + sin–1{(Ziq)/V + [REcmf)/(ZV)] (16)
Da der Widerstand R und die Induktivität L der Wicklung des Motors als bekannte Werte betrachtet werden können, kann der Voreilwinkel γ aus dem q-Achsenstrom i_q und der Drehwinkelfrequenz ω_re des Motors unter Verwendung der obigen Gleichung ermittelt werden.
Durch Angeben des Drehwinkels γ gemäß der Gleichung (1) oder (16) kann ein Schrittmotor auf einem Drehmoment bei beliebiger Drehgeschwindigkeit in einem Gleichgewichtszustand gehalten werden. Das bedeutet, dass durch Regeln des Voreilwinkels γ ein Schrittmotor hinsichtlich der Drehung ohne Schrittverlust auf einen Hochgeschwindigkeitsbereich geregelt werden kann.
Ein Schrittmotortreiber, bei dem ein Berechnungselement den Voreilwinkel γ unter Verwendung der Gleichung (1) aus einem Befehlswinkel θ* und dem detektierten Winkel θ_f berechnet wird, ist in "Proc.", Industrial Application Branch, Japan Society of Electric Engineering, Band 2, Nr. 110, S. 659, 2001 (hierin in folge als "Stand der Technik 2" bezeichnet) geoffenbart. Bei diesem Schrittmotortreiber wird der Befehlswinkel θ* von außen gegeben, während der detektierte Winkel θ_f durch die Umwandlung von Signalen, die von einem mit einer Rotorachse des Schrittmotors verbundenen Kodierer gesendet wurden, in einen Drehwinkel des Motors erhalten wird.
Dieser Schrittmotortreiber umfasst Folgendes:
ein Berechnungselement, das den Voreilwinkel γ aus einem Befehlswinkel θ* und einem detektierten Winkel θ_f, der durch Umwandlung von Signalen, die von einem mit einer Rotorachse des Schrittmotors verbundenen Kodierer gesendet wurden, in einen Drehwinkel des Motors erhalten wird, berechnet,
Stromdetektoren, die Stromwerte i_αf, i_βf in den Wicklungen des Motors detektieren,
einen ersten Koordinatenwandler, der die Stromwerte i_αf, i_βf in Stromwerte i_df, i_qf in einem Drehkoordinatensystem umwandelt,
einen Subtrahierer, der eine Stromabweichung, d. h. die Differenz zwischen einem Befehlsstromwert i_d*, der von außen gegeben wird, und dem Stromwert i_df, beide im Drehkoordinatensystem, ermittelt,
einen weiteren Subtrahierer, der eine weitere Stromabweichung, d. h. die Differenz zwischen einem Befehlsstromwert i_d*, der von außen gegeben wird, und dem Stromwert i_qf, beide im Drehkoordinatensystem, ermittelt,
Stromregelungsvorrichtungen, die die Stromabweichungen verstärken,
einen zweiten Koordinatenwandler, der die Ausgangssignale des Berechnungselements und die Ausgangssignale der Stromregelungsvorrichtungen empfängt und die verstärkten Stromabweichungen im Drehkoordinatensystem in Werte in einem festen Koordinatensystem umwandelt, und
einen PWM-Inverter, der die Ausgangssignale des zweiten Koordinatenwandlers empfängt und die an die Wicklungen des Schrittmotors für die Drehung des Schrittmotors angelegte Spannung erzeugt.
Bei dem im Stand der Technik 2 geoffenbarten Schrittmotor kann also eine Voreilwinkelregelung unter Verwendung der Gleichung (1) mithilfe des Berechnungselements erhalten werden. Da jedoch der Voreilwinkel γ in Übereinstimmung mit den Änderungen des Belastungsmoments geregelt wird, ist es notwendig, das Belastungsmoment oder den q-Achsenstrom (Belastungsmomentstrom), der zur Erzeugung des Belastungsmoments erforderlich ist, zu detektieren.
Demnach stellt sich das Problem, dass die Berechnung des Voreilwinkels kompliziert ist und demnach das System zur Berechnung des Voreilwinkels teuer ist. Im Besonderen ist der Zeitaufwand zur Berechnung des Voreilwinkels mithilfe eines Mikrocomputers sehr groß, wenn ein Mikrocomputer im System verwendet wird.
Wie oben erwähnt ist es bei der im Stand der Technik 1 geoffenbarten Schrittmotorregelungseinrichtung, bei der eine Voreilwinkelregelung ausgeführt wird, notwendig, die Motorkenndaten vorher experimentell zu beobachten, damit die Regelung des Schrittmotors dem zu regelnden Schrittmotor entspricht.
Bei dem im Stand der Technik 2 geoffenbarten Schrittmotortreiber ist es notwendig, den Belastungsmomentstrom zu detektieren, die Berechnung des Voreilwinkels ist kompliziert und das System zur Berechnung des Voreilwinkels ist teuer, da der Voreilwinkel γ in Übereinstimmung mit den Änderungen des Belastungsmoments, d. h. des q-Achsenstroms in Gleichung (1), geregelt wird.
Es wäre wünschenswert, das obgenannte Problem zu lösen und einen Schrittmotortreiber bereitzustellen, bei dem es nicht notwendig ist, die Motorkenndaten vorher zu beobachten und zu kennen, und bei dem es nicht notwendig ist, den Belastungsmomentstrom zu detektieren, dessen Systemkonstruktion einfach und kostengünstig ist und der imstande ist, eine stabile Regelung eines Schrittmotors auf einen Hochgeschwindigkeitsbereich bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Schrittmotortreiber nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Beim Schrittmotortreiber gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet das Voreilwinkelregelungsmittel die Winkelabweichung, bei der es sich um die Differenz zwischen dem Befehlswinkel und dem detektierten Winkel handelt, vergleicht die Winkelabweichung mit dem vorbestimmten Wert, gibt den Befehlswinkel wie er ist als korrigierten Befehlswinkel aus, wenn die Winkelabweichung kleiner als der vorbestimmte Wert ist, und gibt einen Wert, der durch das Addieren eines angenäherten Voreilwinkels zum detektieren Winkel erhalten wird, als korrigierten Befehlswinkel aus, wenn die Winkelabweichung größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert ist. Demnach kann der passende Voreilwinkel für den Schrittmotor durch einen einfachen Vorgang bestimmt und die Phase der angelegten Spannung geregelt werden. Somit kann ein Schrittmotortreiber bereitgestellt werden, bei dem es nicht notwendig ist, die Motorkenndaten vorher zu beobachten und zu kennen, und bei dem es nicht notwendig ist, den Belastungsmomentstrom zu detektieren, dessen Systemkonstruktion einfach und kostengünstig ist und der imstande ist, eine stabile Regelung eines Schrittmotors auf einen Hochgeschwindigkeitsbereich bereitzustellen.
Zu Beispielzwecken wird nun die Erfindung detaillierter und anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben:
1 ist ein Blockschaltbild, das einen Schrittmotortreiber gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Drehwinkelfrequenz ω_re eines Motors und dem Voreilwinkel γ zeigt.
3 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungseinrichtung eines Schrittmotortreibers zeigt.
4 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungseinrichtung des Schrittmotortreibers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungseinrichtung des Schrittmotortreibers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungseinrichtung eines Schrittmotortreibers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungseinrichtung eines Schrittmotortreibers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen den inneren Spannungen eines Motors.
1 ist ein Blockschaltbild, das einen Schrittmotortreiber gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ein in der Zeichnung dargestellter Schrittmotor 80 wird durch Spannungen gedreht, die von einem PWM-Gleichrichter an seine Motorwicklungen angelegt werden.
Die Wicklungsstromwerte i_αf, i_αf des Schrittmotors 80 in einem festen a-β-Koordinatensystem werden von Stromdetektoren 55, 56, bei denen es sich um Stromdetektionsmittel handelt, detektiert und an einen ersten Koordinatenwandler 61 übertragen, bei dem es sich um ein erstes Koordinatenumwandlungsmittel handelt.
Ein Winkelberechnungselement 91, bei dem es sich um ein Winkelberechnungsmittel handelt, empfängt ein die Position des Rotors (nicht dargestellt) des Schrittmotors 80 betreffendes Rotorpositionsdetektionssignal von einem Kodierer 90, bei dem es sich um ein Rotorpositionsdetektionsmittel handelt, und berechnet einen detektierten Winkel θ_f, der die Drehwinkelposition des Rotors darstellt.
Der erste Koordinatenwandler 61 wandelt die Wicklungsstromwerte i_αf, i_βf im festen α-β-Koordinatensystem in einen d-Achsenwicklungsstromwert i_df und in einen q-Achsenwicklungsstromwert i_qf in einem d-q-Drehkoordinatensystem um.
Andererseits werden ein d-Achsenbefehlsstromwert i_d* und ein q-Achsenbefehlsstromwert i_q* an einen d-Achsenstrombefehl-Eingangsanschluss 31 bzw. einen q-Achsenstrombefehl-Eingangsanschluss 32 angelegt.
Ein Subtrahierer 51 empfängt den d-Achsenbefehlsstromwert i_d* und den d-Achsenwicklungsstromwert i_df und berechnet die d-Achsenstromabweichung, also die Differenz zwischen dem d-Achsenbefehlsstromwert i_d* und den d-Achsenwicklungsstromwert i_df.
Eine Stromregelungseinrichtung 53, bei der es sich um ein Stromregelungsmittel handelt, verstärkt die d-Achsenstromabweichung und überträgt die verstärkte d-Achsenstromabweichung an einen zweiten Koordinatenwandler 62, bei dem es sich um ein zweites Umwandlungsmittel handelt.
Analog dazu empfängt ein Subtrahierer 52 den q-Achsenbefehlsstromwert i_q* und den q-Achsenwicklungsstromwert i_qf und berechnet die q-Achsenstromabweichung, also die Differenz zwischen dem q-Achsenbefehlsstromwert i_q* und den q-Achsenwicklungsstromwert i_qf.
Eine Stromregelungseinrichtung 54, bei der es sich um ein weiteres Stromregelungsmittel handelt, verstärkt die q-Achsenstromabweichung und überträgt die verstärkte q-Achsenstromabweichung an den zweiten Koordinatenwandler 62, bei dem es sich um ein zweites Umwandlungsmittel handelt.
Der zweite Koordinatenwandler 62 wandelt die verstärkte d-Achsenstromabweichung und die verstärkte q-Achsenstromabweichung im d-q-Rotationskoordinatensystem in Werte im festen α-β-Koordinatensystem um und überträgt diese an den PWM-Inverter 70 als Stromsteuersignale im festen α-β-Koordinatensystem.
Der PWM-Inverter 70 erzeugt Spannungen in Übereinstimmung mit den Stromregelsignalen im festen α-β-Koordinatensystem und speist diese in die Motorwicklungen ein.
Eine Voreilwinkelregelungseinrichtung 20, bei der es sich um ein Voreilwinkelregelungsmittel handelt, erzeugt auf der Grundlage einer Winkelabweichung δ, bei der es sich um die Differenz zwischen einem von außen gegebenen Befehlswinkel θ* und dem detektierten Winkel θ_f, der die Drehwinkelposition des Rotors darstellt, handelt, einen korrigierten Befehlswinkel θ_r. Die Einzelheiten der Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 werden nachstehend erläutert.
Der erste Koordinatenwandler 61 führt die Umwandlung vom festen α-ß-Koordinatensystem in das d-q-Drehkoordinatensystem unter Verwendung des korrigierten Befehlswinkels θ_r durch, der von der Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 übertragen wird. Auch der zweite Koordinatenwandler 61 führt die Umwandlung vom d-q- Drehkoordinatensystem in das feste α-β-Koordinatensystem unter Verwendung des korrigierten Befehlswinkels θ_r durch.
Demnach wird die Phase der an den Motor angelegten Spannung dem korrigierten Befehlswinkels θ_r entsprechend durchgeführt.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Drehwinkelfrequenz ω_re eines Motors und dem Voreilwinkel γ zeigt, die sich aus der Gleichung (1) ergibt. In 2(a) zeigt a-1 die Summe der Werte des ersten Terms und des zweiten Terms der Gleichung (1), während a-3 den Wert des zweiten Terms der Gleichung (1) zeigt.
Der erste Term der Gleichung (1) ist ein Phasenwinkel, der die Impedanz des Motors betrifft und sich im Zuge des Anstiegs der Drehwinkelfrequenz ω_re des Motors langsam 90° nähert. Der zweite Term der Gleichung (1) ändert sich mit der Drehwinkelfrequenz ω_re und der Änderung des q-Achsenstroms (Belastungsmomentstrom) i_q des Motors.
Wie allgemein bekannt ist, kann ein Drehmoment T in einem Motor bei konstantem Erregungsstrom des Motors durch eine Gleichung (17) wie folgt angenähert werden. T = Tmsinδ (17)worin T_m das statische Höchstdrehmoment und δ ein Belastungswinkel ist. Der Belastungswinkel δ entspricht der Winkelabweichung, also der Differenz zwischen dem Befehlswinkel θ* und dem detektierten Winkel θ_f, wenn die Achse als Bezugsachse herangezogen wird.
Ist die Drehwinkelfrequenz ω_re relativ klein und auch die Winkelabweichung (oder der Belastungswinkel) δ klein, so ist zu erkennen, dass das Motordrehmoment der Gleichung (17) entsprechend erzeigt wird. Demnach ist keine Voreilwinkelregelung notwendig, wenn die Winkelabweichung δ unter einem vorbestimmten Wert liegt, und der Befehlswinkel θ* wird so wie er ist als Phase der an den Motor angelegten Spannung verwendet. Beispielsweise wird 90° als vorbestimmter Wert verwendet.
Ist die Winkelabweichung δ gleich groß wie oder größer als der vorbestimmte Wert, so nähert sich der Wert des ersten Terms der Gleichung (1) langsam einer Konstante. Dementsprechend wird eine Konstante als erste Annäherung für den ersten Term der Gleichung (1) verwendet. Angesichts der Charakteristik der trigonometrischen Funktion wird 90° oder Wert in der Nähe von 90° bevorzugt als diese Konstante verwendet.
2(b) ist ein Graph, der die Beziehung zwischen den Werten des ersten Terms der Gleichung (1) und der Drehwinkelfrequenz ω_re des Motors zeigt. Bei diesem Graph zeigt b-1 die exakten Werte des ersten Terms, b-2 die Werte des anstelle des ersten Terms verwendeten Befehlswinkels θ*, b-3 den Bereich, an dem der erste Term durch den Befehlswinkel θ* ersetzt wurde, und b-4 den Bereich, an dem der erste Term durch die Konstante angenähert wird.
Der zweite Term der Gleichung (1) kann wie die erste Annäherung durch eine lineare Gleichung der Drehwinkelfrequenz ω_re des Motors angenähert werden, d. h. die mit einem passenden Faktor multiplizierte Drehwinkelfrequenz ω_re kann praktisch als die Werte des zweiten Terms verwendet werden. Der Wert der mit einem passenden Faktor multiplizierten Drehwinkelfrequenz ω_re wird als Geschwindigkeitskompensationswert bezeichnet.
Weiters ändert sich, wie in 2(b) gezeigt ist, der zweite Term der Gleichung (1) mit der Drehwinkelfrequenz ω_re und der Änderung des q-Achsenstroms (Belastungsmoments) i_q. Die Steigung der Änderung des Werts des zweiten Terms nimmt mit der Zunahme der Drehwinkelfrequenz ω_re und des q-Achsenstroms (Belastungsmoments) i_q rasch zu. Die Beziehung zwischen dem erzeugten Drehmoment T und der Winkelabweichung δ ist durch Gleichung (17) dargestellt, das Drehmoment T und der Belastungswinkel (Winkelabweichung) δ ändern sich mit dem gleichen Vorzeichen, wenn δ ≤ 90° gilt, und die Winkelabweichung δ kann durch den Arkussinus des Drehmoments T ausgedrückt werden. Demzufolge wird ein Wert, der durch Multiplizieren der Winkelabweichung δ mit der Drehwinkelfrequenz ω_re und danach mit einem passenden Faktor erhalten wird, zum obigen Wert der ersten Annäherung des zweiten Terms der Gleichung (1) addiert, um die Änderung des Werts des zweiten Terms durch die Drehwinkelfrequenz ω_re und den q-Achsenstrom (Belastungsmoment) i_q widerzuspiegeln. Somit kann eine weitere Korrektur des Voreilwinkels für die Änderung der Belastung durchgeführt werden. Der durch Multiplizieren der Winkelabweichung δ mit der Drehwinkelfrequenz ω_re und danach mit einem passenden Faktor erhaltene Wert wird als Abweichungskompensationswert bezeichnet.
2(c) ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem zweiten Term der Gleichung (1) und der Drehwinkelfrequenz ω_re des Rotors zeigt. Bei diesem Graph zeigt c-1 die exakten Werte des zweiten Terms der Gleichung (1), c-2 die Summe des Geschwindigkeitskompensationswerts und des Abweichungskompensationswerts, c-3 den Abweichungskompensationswert und c-4 den Geschwindigkeitskompensationswert.
3 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungsvorrichtung 20 eines Schrittmotortreibers zeigt. Die in der Zeichnung dargestellte Voreilwinkelregelungsvorrichtung 20 umfasst einen Subtrahierer 26, ein Abweichungswert-Verarbeitungsteil 202 und einen Addierer 27.
Der Subtrahiert 26 subtrahiert den detektierten Winkel θf, d. h. ein Ausgangssignal des Winkelberechnungselements 91, vom Befehlswinkel θ*, der an einem Winkelbefehl-Eingangsklemme 10 gegeben wird, und gibt die Winkelabweichung δ aus.
Der Abweichungswert-Verarbeitungsteil 202 vergleicht die Winkelabweichung δ mit einem vorbestimmten Wert θ_ref, beispielsweise 90° im elektrischen Winkel, gibt die Winkelabweichung δ als Ausgangssignal λ aus, wenn die Winkelabweichung δ unter dem vorbestimmten Wert θ_ref liegt, und gibt einen festen Wert, beispielsweise 90°, aus wenn die Winkelabweichung δ größer als der vorbestimmten Wert θ_ref oder gleich groß wie dieser ist.
Der Addierer 27 addiert den detektierten Winkel θf zum Ausgangssignal λ des Abweichungswert-Verarbeitungsteils 202 hinzu und gibt den korrigierten Befehlswinkel θ_r aus.
Somit gibt die Voreilwinkelregelungsvorrichtung 20 den Befehlswinkel θ* aus so wie er ist, wenn die Winkelabweichung δ unter dem vorbestimmten Wert θ_ref liegt, wohingegen die Voreilwinkelregelungsvorrichtung 20 einen Wert, der durch Addieren des festen Werts als einen angenäherten Voreilwinkel zum detektierten Winkel θ_f erhalten wurde, als korrigierten Befehlswinkel θ_r ausgibt, wenn die Winkelabweichung δ größer als der vorbestimmten Wert θ_ref oder gleich groß wie dieser ist.
4 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungsvorrichtung 20 eines Schrittmotortreibers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ein in 4 dargestellter Subtrahiert 26 subtrahiert den detektierten Winkel θ_f vom Befehlswinkel θ*, um die Winkelabweichung δ zu berechnen.
Ein Diskriminator 24 erzeugt ein Schaltsignal, das davon abhängt, ob die Winkelabweichung δ (elektrischer Winkel) kleiner als ein vorbestimmter Wert, beispielsweise 90°, oder größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert ist.
Ein Umschalter 30 verbindet einen Schalter mit einer Befehlswinkel-θ*-Seite, um den Befehlswinkel θ* so wie er ist auszugeben, wenn die Winkelabweichung δ dem Umschaltsignal zufolge kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
Der Umschalter 30 verbindet den Schalter mit einer Addierer-27-Seite, um den korrigierten Befehlswinkel θ_r für die Voreilwinkelregelung auszugeben, wenn die Winkel abweichung δ dem Umschaltsignal zufolge größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert ist.
Ein Differentiator 23 differenziert den detektierten Winkel θ_f, um die Drehwinkelfrequenz ω_re des Rotors zu erhalten.
Ein Geschwindigkeitskompensationselement 29 multipliziert die Drehwinkelfrequenz ω_re mit einem vorbestimmten Faktor k_ω, um den Geschwindigkeitskompensationswert zu erhalten.
Ein Multiplikator 22 multipliziert die Winkelabweichung δ mit der Drehwinkelfrequenz ω_re.
Ein Abweichungskompensationselement 28 multipliziert das Ausgangssignal des Multiplikators 22 mit einem Faktor k_R, um den Abweichungskompensationswert zu erhalten.
Der Addierer 27 addiert den detektierten Winkel θ_f, einen festen Wert (beispielsweise 90°), der von einem Festwertgenerator 21 bereitgestellt wird, den Geschwindigkeitskompensationswert und den Abweichungskompensationswert und gibt den korrigierten Befehlswinkel θ_r aus, wenn die Winkelabweichung δ (elektrischer Winkel) größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert ist. Somit addiert der Addierer 27 einen angenäherten Voreilwinkel zum detektierten Winkel θ_f, um den korrigierten Befehlswinkel θ_r auszugeben, wenn die Winkelabweichung δ (elektrischer Winkel) größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert ist.
5 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 des Schrittmotorantriebs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bei der Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die in 4 veranschaulicht ist, wird der detektierte Winkel θ_f differenziert, um die Drehwinkelfrequenz ω_re des Rotors zu erhalten. Bei der Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 gemäß der weiteren, in 5 veranschaulichten Ausführungsform, wird der Befehlswinkel θ* differenziert, um die Drehwinkelfrequenz ω_re zu erhalten. Die Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 gemäß der in 5 veranschaulichten Ausführungsform ist die gleiche wie jene gemäß der in 4 veranschaulichten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass der Befehlswinkel θ* anstelle des detektierte Winkels θ_f differenziert wird, um die Drehwinkelfrequenz ω_re zu erhalten. Auch in diesem Fall kann die Drehwinkelregelung auf einem Hochgeschwindigkeitsbereich unter Beibehaltung der stabilen Drehung des Motors ohne Schrittverlust durchgeführt werden.
6 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 des Schrittmotorantriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 6 subtrahiert ein Subtrahierer 201 den detektierten Winkel θf vom Befehlswinkel θ*, um die Winkelabweichung δ zu berechnen.
Ein Abweichungswert-Verarbeitungsteil 202 vergleicht die Winkelabweichung δ mit einem vorbestimmten Wert θ_ref, gibt die Winkelabweichung δ als Ausgangssignal λ aus, wenn die Winkelabweichung δ kleiner als der vorbestimmte Wert θ_ref ist, und gibt einen festen Wert als Ausgangssignal λ aus, wenn die Winkelabweichung δ größer als der vorbestimmte Wert θ_ref oder gleich groß wie dieser ist.
Ein Differentiator 221 differenziert den detektierten Winkel θf, um die Drehwinkelfrequenz ω_re des Rotors zu erhalten.
Ein Geschwindigkeitskompensationselement 222 multipliziert die Drehwinkelfrequenz ω_re mit einem vorbestimmten Faktor k_ω, um den Geschwindigkeitskompensationswert zu erhalten.
Ein Multiplikator 211 multipliziert die Winkelabweichung δ mit der Drehwinkelfrequenz ωre Ein Abweichungskompensationselement 212 multipliziert das Ausgangssignal des Multiplikators 211 mit einem Faktor k_R, um den Abweichungskompensationswert zu erhalten.
Ein Addierer 204 addiert den detektierten Winkel θ_f, das Ausgangssignal λ des Abweichungswert-Verarbeitungsteil 202, den Geschwindigkeitskompensationswert und den Abweichungskompensationswert, um den korrigierten Befehlswinkel θ_r auszugeben, wenn die Winkelabweichung δ größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert θ_ref ist. Somit addiert der Addierer 204 einen angenäherten Voreilwinkel zum detektierten Winkel θ_f, um den korrigierten Befehlswinkel θ_r auszugeben, wenn die Winkelabweichung δ (elektrischer Winkel) größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert θ_ref ist.
Ist die Winkelabweichung δ kleiner als der vorbestimmte Wert θ_ref, so entspricht der korrigierte Befehlswinkel θ_r im Wesentlichen der Summe aus der Winkelabweichung δ und dem detektierten Winkel θ_f, d. h. dem Befehlswinkel θ*, da sowohl der Geschwindigkeitskompensationswert als auch der Abweichungskompensationswert klein ist.
Ist die Winkelabweichung δ größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert θ_ref, so ist der Wert des korrigierten Befehlswinkel θ_r die Summe aus dem detektierten Winkel θ_f, dem festen Wert, dem durch Multiplizieren der Drehwinkelfrequenz ω_re des Rotors mit einem vorbestimmten Faktor k_W erhaltenen Wert und dem durch Multiplizieren der Winkelabweichung δ mit der Drehwinkelfrequenz ω_re und danach mit dem Faktor k_R erhaltenen Wert, da das Ausgangssignal λ des Abweichungswert-Verarbeitungsteils 20 der feste Wert ist.
Somit gibt die Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 gemäß der weiteren, in 6 veranschaulichten Ausführungsform den Befehlswinkel θ* im Wesentlichen so wie er ist als korrigierten Befehlswinkel θ_r aus, wenn die Winkelabweichung δ kleiner als der vorbestimmte Wert θ_ref ist. Ist die Winkelabweichung δ hingegen größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert θ_ref, so wird die Summe aus dem festen Wert, dem durch Multiplizieren der Drehwinkelfrequenz ω_re des Rotors mit dem Faktor k_ω erhaltenen Wert und dem durch Multiplizieren der Winkelabweichung δ mit der Drehwinkelfrequenz ω_re und danach mit dem Faktor k_R erhaltenen Wert als angenäherter Voreilwinkel erhalten. Der angenäherte Voreilwinkel wird zum detektierten Winkel θf addiert, um den korrigierten Befehlswinkel θ_r zu erhalten, den die Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 ausgibt.
7 ist ein Blockschaltbild, das eine Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 des Schrittmotorantriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bei der Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 gemäß der in 6 veranschaulichten Ausführungsform wird der detektierte Winkel θ_f differenziert, um die Drehwinkelfrequenz ω_re des Rotors zu erhalten. Bei der Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 gemäß der in 7 veranschaulichten Ausführungsform wird der Befehlswinkel θ* von einem Differentiator 223 differenziert, um die Drehwinkelfrequenz ω_re zu erhalten. Die Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 der in 6 veranschaulichten Ausführungsform ist die gleiche wie die Voreilwinkelregelungseinrichtung 20 der in 7 veranschaulichten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass der Befehlswinkel θ* anstelle des detektierte Winkels θ_f differenziert wird, um die Drehwinkelfrequenz ω_re zu erhalten. Auch in diesem Fall kann die Drehwinkelregelung auf einem Hochgeschwindigkeitsbereich unter Beibehaltung der stabilen Drehung des Motors ohne Schrittverlust durchgeführt werden.
Mit dem Schrittmotortreiber gemäß einer der oben erläuterten Ausführungsformen oder Figuren der vorliegenden Anmeldung kann die Drehung eines Schrittmotors im Hochgeschwindigkeitsbereich ohne Schrittverlust beibehalten werden Da der Schrittmotortreiber gemäß einer der oben erläuterten Ausführungsformen oder Figuren der vorliegenden Anmeldung die Phase der an den Schrittmotor angelegten Spannung regelt, werden keine Regeleinrichtungen für Position und Geschwindigkeit benötigt. Demnach ist die Anzahl der Elemente, die es im Schrittmotortreiber einzustellen gilt, geringer als bei gewöhnlichen Wechselstrom-Servomotoren.
Zudem wird ein Kodierer zur Detektion der Drehwinkelposition des Rotors verwendet, es können aber auch Sensoren, etwa Winkelgeber, die eine ähnliche Funktion ausüben, anstelle des Kodierers eingesetzt werden. Sensoren, die nicht direkt mit der Achse eines Motors verbunden sind, können ebenfalls verwendet werden.
Außerdem wird die Stromregelung unter Verwendung der Stromdetektoren durchgeführt, doch ist die vorliegende Erfindung auch auf einen Motortreiber eines spannungsbetriebene Systems anwendbar.
Obwohl sich die Erklärungen der oben erläuterten Ausführungsformen auf einen Zweiphasen-Schrittmotor beziehen, ist die vorliegende Erfindung auch auf einen Mehrphasen-Schrittmotor anwendbar.
Weiters kann das Voreilwinkelregelungsmittel aus einem Mikroprozessor bestehen.
Beim Schrittmotortreiber gemäß einer der Ausführungsformen oder Figuren der vorliegenden Anmeldung berechnet die Voreilwinkelregelungseinrichtung die Winkelabweichung, also die Differenz zwischen dem Befehlswinkel θ* und dem detektierten Winkel θ_f handelt, vergleicht die Winkelabweichung δ mit dem vorbestimmten Wert θ_ref, gibt den Befehlswinkel wie er ist als den korrigierten Befehlswinkel θ_r aus, wenn die Winkelabweichung kleiner als der vorbestimmte Wert θ_ref ist, und gibt einen Wert, der durch das Addieren eines angenäherten Voreilwinkels zum detektieren Winkel θ_f erhalten wird, als korrigierten Befehlswinkel θ_r aus, wenn die Winkelabweichung δ größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert θ_ref ist. Demnach kann der passende Voreilwinkel für den Schrittmotor durch einen einfachen Vorgang bestimmt und die Phase der angelegten Spannung geregelt werden. Somit kann ein Schrittmotortreiber bereitgestellt werden, bei dem es nicht notwendig ist, die Motorkenndaten vorher zu beobachten und zu kennen, und bei dem es nicht notwendig ist, den Belastungsmomentstrom zu detektieren, dessen Systemkonstruktion einfach und kostengünstig ist und der imstande ist, eine stabile Regelung des Schrittmotors auf einen Hochgeschwindigkeitsbereich bereitzustellen.
Wird ein fester Wert als angenäherter Voreilwinkel verwendet, kann ein Schrittmotortreiber bereitgestellt werden, dessen Systemkonstruktion noch einfacher und noch kostengünstiger ist, und der trotzdem imstande ist, eine stabile Regelung des Schrittmotors auf einen Hochgeschwindigkeitsbereich bereitzustellen.
Wird die Summe aus dem festen Wert, dem durch Multiplizieren der Drehwinkelfrequenz ω_re des Rotors mit dem Faktor k_ω erhaltenen Wert und dem durch Multiplizieren der Winkelabweichung δ mit der Drehwinkelfrequenz ω_re und danach mit dem Faktor k_R erhaltenen Wert als angenäherter Voreilwinkel verwendet, kann ein Schrittmotortreiber bereitgestellt werden, der die Voreilwinkelregelung mit höherer Genauigkeit ausführen kann.
Wird der Wert, der durch Differenzieren des detektierten Winkels θ_f, der vom Winkelberechnungselement detektiert wurde, erhalten wird, als Drehwinkelfrequenz ω_re verwendet, so ist es nicht notwendig, eine Vorrichtung zur Detektion der Drehwinkelfrequenz ω_re oder der Drehgeschwindigkeit des Rotors bereitzustellen.
Wird der Wert, der durch Differenzieren des Befehlswinkels θ*erhalten wird, als Drehwinkelfrequenz ω_re verwendet, so kann eine stabilere Regelung des Schrittmotors, die von Schwingungen des Motors weniger beeinflusst wird, erzielt werden.
Sollten die Berechnungen im Schrittmotortreiber gemäß der vorliegenden Erfindung von einer Computersoftware verarbeitet werden, so ist keine hoch funktionelle und somit kostenaufwendige CPU erforderlich, sondern die Voreilwinkelregelung kann aufgrund der einfachen und leichten Verarbeitung von einem kostengünstigen Prozessor ausgeführt werden.

Claims

Schrittmotortreiber zur Regelung der Phase einer an den Motor (80) angelegten Spannung mit Bezug auf einen Drehwinkel eines Rotors, umfassend: ein Winkelberechnungsmittel (91), das Rotorpositionsdetektionssignale von einem Rotorpositionsdetektionsmittel empfängt und einen detektierten Winkel berechnet, der den Drehwinkel des Rotors repräsentiert; und ein Voreilwinkelregelungsmittel (20), das auf der Grundlage der Differenz zwischen einem von außen gegebenen Befehlswinkel (θ*) und dem detektierten Winkel (θ_f) einen korrigierten Befehlswinkel (θ_r) erzeugt, worin das Voreilwinkelregelungsmittel (20) eine Winkelabweichung (δ), bei der es sich um die Differenz zwischen dem Befehlswinkel (θ*) und dem detektierten Winkel (θ_f) handelt, berechnet, die Winkelabweichung (δ) mit einem vorbestimmten Wert (θ_ref) vergleicht, im Wesentlichen den Befehlswinkel als den korrigierten Befehlswinkel (θ_r) ausgibt, wenn die Winkelabweichung kleiner als der vorbestimmte Wert (θ_ref) ist, und einen Wert, der durch das Addieren eines angenäherten Voreilwinkels zum detektieren Winkel (θf) erhalten wird, als korrigierten Befehlswinkel (θ_r) ausgibt, wenn die Winkelabweichung (δ) größer als oder gleich groß wie der vorbestimmte Wert (θ_ref) ist, und worin die Phase der an den Motor (80) angelegten Spannung dem korrigierten Befehlswinkel (θ_r) entsprechend geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe eines fixen Werts, eines durch die Multiplikation einer Drehwinkelfrequenz (ω_re) des Rotors mit einem Faktor (k_ω) erhaltenen Werts und eines durch die Multiplikation der Winkelabweichung (δ) mit der Drehwinkelfrequenz (ω_re) und daraufhin mit einem anderen Faktor (k_R) erhaltenen Werts als der angenäherte Voreilwinkel herangezogen wird.
Schrittmotortreiber nach Anspruch 1, worin ein durch die Differenzierung des detektierten Winkels erhaltener Wert als die Drehwinkelfrequenz (ω_re) herangezogen wird.
Schrittmotortreiber nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin ein durch die Differenzierung des Befehlswinkels (θ*) erhaltener Wert als die Drehwinkelfrequenz (ω_re) herangezogen wird.