JP2003284389A - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents
ステッピングモータの駆動装置Info
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- H02P8/22—Control of step size; Intermediate stepping, e.g. microstepping
Abstract
ップ駆動の機能を有する多相ステッピングモータを高速
回転領域まで安定に制御することを目的とする。 【構成】上記課題を解決するために本発明では、モータ
の巻線に階段状の電流を通電するための電流制御部を含
むインバータと、該モータのロータ位置を検出する位置
検出器を具備した永久磁石ステッピングモータの駆動装
置において、該モータ内ロータの磁束方向をd軸、d軸
と直交する方向をq軸とする回転座標系上において、モ
ータ通電電流のd軸成分とq軸成分の指令値で励磁角を
決定し、該ステッピングモータの印加電圧の位相を制御
する。
Description
るためのステッピングモータ駆動装置に関する。
騒音で広範囲に亘り回転できることが求められている
が、ステッピングモータは各巻線の通電状態を外部指令
パルスの印加毎に瞬時に切り替えることで歩進回転する
ため、電流の切り替え時に発生する振動騒音の低減及び
脱調の防止が課題である。振動騒音の低減及び脱調防止
のために、パルス幅変調方式(以下PWM方式と記す)
のインバータを用いて巻線電流を滑らかに変化させるマ
イクロステップ駆動が一般的である。
弦波状の階段電流を、モータ相数に応じた位相差で通電
することで実現できるから、モータ相数に応じた複数の
相電流を制御することになり、駆動回路の構成は相数の
増加とともに複雑になってしまう。問題を簡略化するた
めに、ACサーボモータの制御に多く用いられている回
転座標系への座標変換を導入したインバータ制御装置の
応用が考えられる。該インバータ制御装置技術は、回転
角度を直接管理できるため、高分解能のマイクロステッ
プ駆動を実現するには好適の技術である。ステッピング
モータに対し回転座標系制御技術の適用例は少ないが、
脱調を回避してマイクロステップ駆動を実現するため
に、例えば特開平6−225595記載の通り、各相電
流をd−q回転座標系に変換し、モータ電流の制御を回
転座標系で取り扱う制御装置がある。特開平6−225
595記載方式では、図5に示す構成図の如くステッピ
ングモータが永久磁石形同期モータと同一モデルである
という前提で、ステッピングモータにエンコーダを接続
し、電流制御、速度制御、位置制御の各閉ループ制御系
を構成しこれらをd−q回転座標系に変換し位置制御を
実現する具体的手法が記載されている。又、制御構成の
簡略化を目的に、d、q軸成分の非干渉要素の省略と、
電流指令を直接d、q軸上で与えることが明記されてい
る。この場合、ステッピングモータの駆動装置は、位置
検出信号が位置指令に一致するようにモータ位置を制御
するから、ステッピングモータは、位置指令及び位置検
出器の分解能に応じて微小歩進、即ちマイクロステップ
駆動が可能となる。
テッピングモータ制御装置は、モータの回転角度を制御
するために、磁束方向成分をd軸、該d軸と直交する方
向をq軸として、モータ通電電流をq軸方向に一致さ
せ、q軸電流を速度偏差に応じて制御する構成になって
おり、位置制御を実現するために位置制御器及び速度制
御器を設け、モータ発生トルクを制御するものであり、
停止時の振動を伴う構成であった。又、q軸電流を負荷
の増減に対応して制御するには、常にモータの誘起電圧
と内部電圧降下の和よりも大きな印加電圧が必要となる
が、一般にステッピングモータは磁極対数が50前後の
多極機であるため、インダクタンス成分による電圧降下
が大きく制御範囲が制限されるという問題もあった。
ータのマイクロステップ駆動装置において、高精度のマ
イクロステップ駆動を実現するために座標変換を適用す
る駆動装置では、位置検出器、位置制御器及び速度制御
器が必要であり、構成が複雑で高価な制御装置となって
いた。又、従来のd−q回転座標系におけるモータ制御
方式は、モータ電流を制御するための十分な印加電圧が
印加されることを前提としいるのに対して、実際には多
極同期機の一種であるステッピングモータでは、高速領
域まで制御することが困難であった。本発明は、振動の
少ない高精度マイクロステップ駆動の機能を有する多相
ステッピングモータを高速回転領域まで安定に制御する
ことを目的としている。
に本発明では、モータの巻線に階段状の電流を通電する
ための電流制御部を含むインバータと、該モータのロー
タ位置を検出する位置検出器を具備した永久磁石ステッ
ピングモータの駆動装置において、該モータ内ロータの
磁束方向をd軸、d軸と直交する方向をq軸とする回転
座標系上において、モータ通電電流のd軸成分とq軸成
分の指令値で励磁角を決定し、該ステッピングモータの
印加電圧の位相を制御する。又、外部指令として位置指
令と、位置検出値と、印加電圧振幅値を設け、モータ通
電電流のd軸成分とq軸成分の指令値は、位置指令と、
位置検出値と、位置指令の時間微分である速度指令と、
印加電圧振幅値を用いて発生させるように構成し、該ス
テッピングモータの印加電圧の位相を制御する。又、演
算誤差を小さくするために、モータ通電電流のq軸成分
の指令値は、位置指令と位置検出値の差分である位置偏
差を比例、積分、微分補償器で増幅した値とする。又、
演算誤差を小さくするために、モータ通電電流のd軸成
分の指令値は、該印加電圧振幅指令をと、同期モータの
電圧方程式から演算したd軸電圧指令Vd*とq軸電圧
指令Vq*で決定される電圧振幅値の差を誤差補償器で
増幅した値を補正値として、同期モータの電圧方程式で
決定したid*に加算する。
する。同期電動機の一種であるステッピングモータは、
電圧方程式から励磁角γを数式1で決定することができ
る。
はq軸印加電圧指令である。
有意性を記述する。モータ印加電圧の大きさをV、電源
電圧をV0とし、そのd軸及びq軸成分をVd及びVq
とする。又、モータ巻線電流の大きさをI0として、そ
のd軸及びq軸成分をid及びiqとすると、数式2、
数式3の関係が成り立つ。
りとなる。
軸成分、Lqは巻線インダクタンスのq軸成分、Rは巻
線抵抗、ωreはモータの電流基本周波数、Φmはモー
タ磁束を表わす。ここで、高速回転に於ける定常状態を
考え、pLd=pLq=0、R≪ωreLと置いて数式
4を近似すると数式5、数式6が得られる。
得る。
V0となることは明らかである。又、ωreΦは速度起
電力Eemfである。数式7からd軸電流を導くと、
f=ωreΦが電源電圧V0より大きくなる場合に対応
する。
インバータを介してモータに電圧を印加する場合に、P
WMデューティー比を制御することで、モータの速度起
電力と電圧降下の和に等しい電圧Vを得ることができ
る。しかし、モータ速度ωreが上昇すると速度起電力
Eemf=ωreΦが電源電圧V0より大きくなり、V
は一定値V0となるため、電流を制御するのに十分な電
圧が維持できなくなる。つまり、モータ制御領域は印加
電圧可変領域と印加電圧一定領域に区分され、印加電圧
一定領域ではd電流は数式9となる。
例する。
*とモータ位置検出値θreの差、即ち位置偏差が大き
くなるとモータ発生トルクを大きくする必要があること
から、q軸電流指令iq*は偏差に比例した値になるよ
うに制御するものとして、
令をパルス列で加え、位置指令の周波数成分は速度指令
となる。よって、位置指令θ*が与えられると速度指令
ωre*は既知の値として取り扱うことができる。よっ
て、数式8に速度指令、q軸電流指令を用いて、更に電
圧振幅指令指令V*を入力することによりq軸電流指令
の大きさを数式12で求めることができる。
q軸の指令電圧を数式13、数式13で得ることがで
き、適正な励磁角γは数式1で決定することができる。
d軸を角度の基準として電気角で90度から180度の
範囲を示し、id*が正符号の場合、d軸を角度の基準
として電気角で0度から90度の範囲を示すことは明ら
かである。又、静止座標系に変換する際には、進角制御
値γはλに位置検出値θreを加えた値になる。
った結果発生する誤差を補正することを考える。数式1
0における位置偏差の係数kに対して、例えば比例、積
分、微分補償器を用いた数式15でiq*を決定するこ
とで誤差を小さくすることができる。
った結果発生する誤差を補正することを考える。入力値
として電圧振幅指令V*を設定し、演算誤差があるとV
d*とVq*の二乗和の平方根が示す印加電圧振幅値V
dqと電圧振幅指令V*とが異なるため、Vd*とVq
*で決定される電圧振幅値と電圧振幅指令指令V*を比
較し誤差補償器で増幅した値を補正値として、既に決定
したid*に加算する。例えば、数式11に対しての通
り、誤差補償器に比例、積分補償器を用いて、数式16
でiqd*を決定することで誤差を小さくすることがで
きる。
は、印加電圧が一定となるステッピングモータ駆動領域
において、モータ印加電圧のd軸成分とq軸成分の指令
値で励磁角を制御することにより負荷に対応したモータ
駆動条件を得ることができる。
の指令値は、位置指令と、位置検出値と、速度指令と、
印加電圧振幅値を用いて発生させることができ、位置検
出値を除き、指令側信号で励磁角を制御するため、安定
な動作が得られる。
正するために、位置偏差の係数を比例、積分、微分補償
器を用いた数式14でiq*を決定することでiq*の
誤差を小さくすることができる。
正するために、電圧振幅指令V*を設定し、Vd*とV
q*で決定される電圧振幅値と電圧振幅指令指令V*を
比較し誤差補償器で増幅した値を補正値として、既に決
定したid*に加算することで、id*の誤差を小さく
することができる。
において、ステッピングモータ60に直結した位置検出
器70の位置検出信号θreと電圧振幅指令V*、及び
位置指令θ*が進角値演算器50に入力され、進角制御
信号λを発生する。該λは別に設けた電流振幅指令Ip
*とともに電流指令変換器10に入力される。該電流指
令変換器では、数式17による座標変換を行い、固定座
標系の電流指令iα*及びiβ*を発生する。
びiβfが該iα*及びiβ*に一致するよう電流制御
器20及びPWMインバータ30を介して該ステッピン
グモータ60に適正電圧を印加する。
である。位置指令θre*と位置検出信号θreの差を
補償器51に入力しq軸電流指令iq*を得る。一方、
位置指令θre*を速度検出機53に入力し速度指令ω
re*を得る。該iq*と、該ωre*、及び電圧振幅
指令V*をid*演算器54に入力しid*を得る。該
iq*及び該id*を電圧指令演算器52に入力し電圧
指令Vd*、Vq*を得る。更に該Vd*、該Vq*を
励磁角演算器55に入力し励磁角信号γを得る。最後
に、位置検出信号θreと該γを加算し進角制御信号λ
を得るものである。
積分、微分補償器とすることで、該iq*の精度向上を
図ることができる。
成を変更した第2の実施例である。図3では第1の実施
例に対し絶対値演算器56、補償器57を付加し、該i
d*の精度向上を図ったものである。
成を変更した第3の実施例である。図4では第2の実施
例に対し速度検出器53の出力である速度指令ωre*
を係数器59で増幅した値を該γに加算し、例えばサン
プル値制御における無駄時間の影響を補正するために、
速度指令に比例した角度を進角制御信号に補正するもの
でる。
成を変更した第4の実施例である。図5では第2の実施
例に対し速度検出器58、係数器59を付加し、例えば
サンプル値制御における無駄時間の影響を補正するため
に、検出速度に比例した角度を進角制御信号に補正する
ものでる。
軸上に変換し電流検出信号と比較し制御しているが、電
流検出信号iαf、iβfをdq軸上に投影し、回転座
標軸上で電流制御を行うこともできる。又、実施例で
は、2相ステッピングモータを例に説明しているが、座
標変換の特徴から多相ステッピングモータにも適用は可
能である。
装置は、高速回転領域においても同期電動機の電圧方程
式が成り立つ条件でモータを駆動するため、脱調を回避
しつつ負荷に見合った安定な駆動状態を維持でき。又、
制御演算には、外部指令を用いているため、安定な動作
が得られる。更に、演算誤差を補正する手段を設けるこ
とで高精度のマイクロステップ駆動を実現できる。
細説明図である。
細説明図である。
細説明図である。
細説明図である。
器) 64 第4の座標変換器(αβ/uvw座標変換
器) 101〜105 加算器 110 位置制御器 120 速度制御器 130 座標変換器(dq/3相座標変換器) 141、142 電流制御器 160 位置、速度、角度信号処理器 170 三角関数発生器
Claims (7)
- 【請求項1】 モータの巻線に階段状の電流を通電する
ための電流制御部を含むインバータと、該モータのロー
タ位置を検出する位置検出器を具備した永久磁石ステッ
ピングモータの駆動装置において、該モータのロータ磁
束方向をd軸、d軸と直交する方向をq軸とする回転座
標系上において、モータ通電電流のd軸成分とq軸成分
の指令値からモータ通電励磁角を決定し、該ステッピン
グモータの印加電圧の位相を制御することを特徴とする
ステッピングモータの駆動装置。 - 【請求項2】 外部指令として位置指令と、位置検出値
と、印加電圧振幅値を設け、モータ通電電流のd軸成分
とq軸成分の指令値は、位置指令と、位置検出値と、位
置指令の時間微分である速度指令と、印加電圧振幅値を
用いて発生し、モータ通電電流のd軸成分とq軸成分の
指令値からモータ通電励磁角を決定し、該ステッピング
モータの印加電圧の位相を制御することを特徴とする1
項記載のステッピングモータの駆動装置。 - 【請求項3】 モータ通電電流のq軸成分の指令値は、
位置指令と位置検出値の差分である位置偏差を微分要素
を含む補償器で増幅した値であることを特徴とする2項
記載のステッピングモータの駆動装置。 - 【請求項4】 モータ通電電流のd軸成分の指令値は、
該印加電圧振幅指令と、同期モータの電圧方程式から演
算したd軸電圧指令Vd*とq軸電圧指令Vq*で決定
される電圧振幅値の差を誤差補償器で増幅した値を用い
て、同期モータの電圧方程式で決定したid*を補正す
ることを特徴とした2項又は3項記載のステッピングモ
ータの駆動装置。 - 【請求項5】 速度に比例した値を該通電励磁角に加算
することを特徴とする2項又は3項又は4項記載の項記載
のステッピングモータの駆動装置。 - 【請求項6】 速度としては指令値を用いることを特徴
とする5項記載の項記載のステッピングモータの駆動装
置。 - 【請求項7】 速度としいてはモータ速度検出値を用い
ることを特徴とする5項記載の項記載のステッピングモ
ータの駆動装置。
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