JP2004129399A - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】モータ相数の増加に伴う電流制御系の規模拡大を不要とし，ステッピングモータを低振動振動で制御する駆動装置の実現を目的とする。
【構成】外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有するステッピングモータの駆動装置において，モータ通電電流を検出する電流検出器と，前記電流検出器の出力から正弦波状モータ通電電流振幅値を検出する電流振幅検出器と，別に外部から与える電流振幅指令と前記モータ通電電流振幅値の大きさの差を演算する電流振幅偏差検出器と，前記電流振幅偏差値を増幅する電流制御器と，前記外部指令パルスを用いてモータ各相に通電するための正弦波状の電流指令を発生する電流指令発生器を有し，前記電流振幅偏差と前記正弦波状電流指令を乗算した値に比例した電圧をモータに印加するように構成する。
【選択図】 図１
【構成】外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有するステッピングモータの駆動装置において，モータ通電電流を検出する電流検出器と，前記電流検出器の出力から正弦波状モータ通電電流振幅値を検出する電流振幅検出器と，別に外部から与える電流振幅指令と前記モータ通電電流振幅値の大きさの差を演算する電流振幅偏差検出器と，前記電流振幅偏差値を増幅する電流制御器と，前記外部指令パルスを用いてモータ各相に通電するための正弦波状の電流指令を発生する電流指令発生器を有し，前記電流振幅偏差と前記正弦波状電流指令を乗算した値に比例した電圧をモータに印加するように構成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，角度及び速度を制御するためのステッピングモータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
装置の高機能化に伴いモータは低振動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電流通電状態を外部より加える指令パルスの印加毎に切り替えることで回転するため，通電条件の切り替えに伴う振動の発生及び脱調が問題となっている。
振動低減のために，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通電電流を滑らかに変化させるマイクロステップ駆動が振動低減策として一般的である。
【０００３】
図４は従来技術による２相ステッピングモータのマイクロステップ駆動を実現するためのブロック図である。
図４において，ステッピングモータ９０はα相，β相２つの巻線を有し，外部指令パルス入力端子１０に入力される角度指令θ＊を正弦波信号発生機能を有する第１の電流指令発生器５１に加え，前記電流指令発生器５１の出力であるｓｉｎθ＊と，α相電流指令入力端子２１に加えたα相電流指令ｉα ＊とを乗算器６１で乗算した後，α相モータ通電電流を検出するα相電流検出器８１の出力ｉαｆと，前記乗算機６１の出力を電流振幅偏差検出器３１に加え，前記電流振幅偏差検出器３１の出力である電流振幅偏差値を，第１の電流制御器４１に加え，前記第１の電流制御器４１の出力をインバータ７０を介してモータ９０のα相巻線に電圧を印加するように構成する。
【０００４】
同様に外部指令パルス入力端子１０に入力される角度指令θ＊を余弦波信号発生機能を有する第２の電流指令発生器５２に加え，前記電流指令発生器５２の出力であるｃｏｓθ＊と，β相電流指令入力端子２２に加えたα相電流指令ｉβ ＊とを乗算器６２で乗算した後，β相モータ通電電流を検出するβ相電流検出器８２の出力ｉβｆと，前記乗算機６２の出力を電流振幅偏差検出器３２に加え，前記電流振幅偏差検出器３２の出力である電流振幅偏差値を，第２の電流制御器４２に加え，前記第２の電流制御器４２の出力をインバータ７０を介してモータ９０のβ相巻線に電圧を印加するように構成する。
このように，従来技術によるステッピングモータの駆動装置では，電流指令に従ったモータ電流を通電すべく，α相，β相の２つのモータ巻線に対して独立した電流制御系でモータ印加電圧を制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし，従来技術による場合，独立した複数の電流制御系が存在することから，ステッピングモータの相数が増加するに連れて電流制御系も同数設ける必要があり，構成が複雑になるという問題があった。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
上記問題を解決するために本発明では，外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有するステッピングモータの駆動装置において，モータ通電電流を検出する電流検出器と，前記電流検出器の出力から正弦波状モータ通電電流振幅値を検出する電流振幅検出器と，別に外部から与える電流振幅指令と前記モータ通電電流振幅値の差を演算する電流振幅偏差検出器と，前記電流振幅偏差値を増幅する電流制御器と，前記外部指令パルスを用いてモータ各相に通電するための正弦波状の電流指令を発生する電流指令発生器を有し，前記電流振幅偏差と前記正弦波状電流指令を乗算した値に比例した電圧をモータに印加するように構成する。
【０００７】
【作用】
各相の電流指令振幅は同一値であることが望ましいため，各相電流検出器の検出信号から電流振幅値を求め，電流振幅指令入力端子から加える電流振幅指令値に対して，電流振幅指令値と電流振幅値の差分を電流制御器で一定となるように制御するため，電流振幅を一定とすることができる。
ここで，α相及びβ相電流が９０°位相差の２相交流であることを前提に，電流振幅検出器において，各相検出電流に対する二乗和の平方根を求めることで電流振幅を得ることができる。
一方で，モータへの各相印加電圧の位相を外部指令パルス入力端子に入力される角度指令θ＊を用いて決定しており，各相電流指令に前記電流制御器の出力を乗じた値を，インバータを介してステッピングモータに印加するように構成したため，ステッピングモータの各相巻線には，振幅が一定になるように制御された９０°位相の正弦波状電流を通電することができる。
即ち，１個の電流制御器を用いて，従来技術を適用した駆動装置と同様に多相ステッピングモータをマイクロステップ駆動することができる。
また，前記電流振幅検出器と，前記電流検出器の間に座標変換機器を設けることで，多相の電流検出器の検出値を９０°位相差の２相電流に変換することができ，多相ステッピングモータの各相巻線には，振幅が一定になるように制御された多相の正弦波状電流を通電することができる。
【０００８】
【実施例】
図１は第１の実施例を示すブロック図である。
図１において，ステッピングモータ９０のα相モータ通電電流を検出するα相電流検出器８１の出力ｉαｆと，β相モータ通電電流を検出するβ相電流検出器８２の出力ｉβｆを，電流振幅検出器１０１に入力し，前記電流振幅検出器１０１では，α相電流検出値ｉαｆとβ相電流検出値ｉβｆの二乗和の平方根を演算することでモータ通電電流振幅値ｉｆを出力する。更に，電流指令入力端子２０から与える電流振幅指令ｉ＊と前記モータ通電電流振幅値ｉｆを電流振幅偏差検出器３０に加え，前記電流振幅偏差検出器３０の出力である電流振幅偏差値を電流制御器４０に加える。
一方で，外部指令パルス入力端子１０に入力される角度指令θ＊を第１の電流指令発生器５１，第２のの電流指令発生器５２に加え，前記第１の電流指令発生器５１の出力であるｓｉｎθ＊と，前記第２の電流指令発生器５２の出力であるｃｏｓθ＊とを発生し，前記電流制御器４０の出力とα相電流指令ｓｉｎθ＊と，前記電流制御器４０の出力とβ相電流指令ｃｏｓθ＊とをそれぞれ第１の乗算器６１及び第２の乗算器６２で乗算した後，インバータ７０を介してモータ９０のα相巻線電圧，β相巻線電圧として印加するように構成する。
【０００９】
また，図２は第２の実施例を示すブロック図である。
図２において，図１と同一機能ブロックは同一番号で示しているが，図１の電流振幅検出器１０１に対して別の機能を有する電流振幅検出器１０２を設ける。前記電流振幅偏差検出器１０２では，α相電流検出値ｉαｆとβ相電流検出値ｉβｆの二乗和を演算することでモータ通電電流振幅値（ｉｆ）２を出力する。また，電流指令入力端子２０から与える電流振幅指令には，図１のｉ＊に対して（ｉ＊）２に相当する値を入力する。
【００１０】
また，図３は第３の実施例を示すブロック図である。
図３において，図１と同一機能ブロックは同一番号で示しているが，図１の対象モータ９０に対して３相ステッピングモータ９１を対象としており，インバータ７１への入力は，図１に対して加算器３３を追加し，且つ電流指令発生器５２の出力をｓｉｎ（θ＊＋１２０°）として，３相ステッピングモータに対応したものとなっている。また，電流振幅検出器１０１とα相電流検出器８１，β相電流検出器８２の間にｄｑ回転座標系変換器１１０を設け，前記ｄｑ回転座標系変換器１１０の出力であるｉｄｆ，ｉｑｆを電流振幅検出器１０１で二乗和の平方根を演算することでモータ通電電流振幅値ｉｆを出力するように構成する。
尚，本発明は，座標変換器の演算内容とインバータ７１への入力指令をモータ総数に応じて変更することで，特に相数に拘ることなく３相機以外の多相機に対しても同様に対応できる。
また，本発明は，モータに磁極検出器を設け，前記磁極検出器の出力信号を外部指令パルスに相当する励磁切り替え信号として用いることでブラシレスモータにも適用可能である。
【００１１】
【発明の効果】
上記のごとく，２相ステッピングモータのマイクロステップ駆動は，相数に応じて９０度位相差の正弦波状モータ電流を通電することで実現できるが，各相電流検出器の検出信号から電流振幅値を求め，振幅値を一定となるように制御することで，電流制御系の構成が簡単になり，装置コストの低減が可能である。また，制御要素を減らすことができるため，電流振幅のばらつきも小さくできる。
また，電流振幅値に対して，電流振幅値の二乗値を求め，一方，外部から加える電流振幅指令を，振幅値の二乗とすることで，正弦波の二乗和の平方根で求められる電流振幅値演算を簡略化できるため，構成が更に簡略化でき，演算にマイクロコンピュータを用いる場合には振幅演算時間を短縮することができる。
更に，電流検出器と電流振幅検出器の間に座標変換器を設けることで，多相ステッピングモータに対して２相ステッピングモータと同様に電流制御系の構成が簡単になり，前記２相ステッピングモータの駆動装置と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る他のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る他のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図４】従来のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【００１２】
【符号の説明】
１０ 角度指令入力端子
２０ 電流振幅指令入力端子
２１ α相電流振幅指令入力端子
２２ β相電流振幅指令入力端子
３０〜３２ 電流振幅偏差検出器
３３ 加算器
４０ 電流制御器
４１ α相電流制御器
４２ β相電流制御器
５１，５２ 電流指令発生器
６１，６２ 乗算器
７０ インバータ
８０，８１ 電流検出器
９０ ステッピングモータ
９１ ステッピングモータ
１０１ 電流振幅検出器
１０２ 電流振幅検出器
１１０ ｄｑ回転座標系変換器
【産業上の利用分野】
本発明は，角度及び速度を制御するためのステッピングモータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
装置の高機能化に伴いモータは低振動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電流通電状態を外部より加える指令パルスの印加毎に切り替えることで回転するため，通電条件の切り替えに伴う振動の発生及び脱調が問題となっている。
振動低減のために，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通電電流を滑らかに変化させるマイクロステップ駆動が振動低減策として一般的である。
【０００３】
図４は従来技術による２相ステッピングモータのマイクロステップ駆動を実現するためのブロック図である。
図４において，ステッピングモータ９０はα相，β相２つの巻線を有し，外部指令パルス入力端子１０に入力される角度指令θ＊を正弦波信号発生機能を有する第１の電流指令発生器５１に加え，前記電流指令発生器５１の出力であるｓｉｎθ＊と，α相電流指令入力端子２１に加えたα相電流指令ｉα ＊とを乗算器６１で乗算した後，α相モータ通電電流を検出するα相電流検出器８１の出力ｉαｆと，前記乗算機６１の出力を電流振幅偏差検出器３１に加え，前記電流振幅偏差検出器３１の出力である電流振幅偏差値を，第１の電流制御器４１に加え，前記第１の電流制御器４１の出力をインバータ７０を介してモータ９０のα相巻線に電圧を印加するように構成する。
【０００４】
同様に外部指令パルス入力端子１０に入力される角度指令θ＊を余弦波信号発生機能を有する第２の電流指令発生器５２に加え，前記電流指令発生器５２の出力であるｃｏｓθ＊と，β相電流指令入力端子２２に加えたα相電流指令ｉβ ＊とを乗算器６２で乗算した後，β相モータ通電電流を検出するβ相電流検出器８２の出力ｉβｆと，前記乗算機６２の出力を電流振幅偏差検出器３２に加え，前記電流振幅偏差検出器３２の出力である電流振幅偏差値を，第２の電流制御器４２に加え，前記第２の電流制御器４２の出力をインバータ７０を介してモータ９０のβ相巻線に電圧を印加するように構成する。
このように，従来技術によるステッピングモータの駆動装置では，電流指令に従ったモータ電流を通電すべく，α相，β相の２つのモータ巻線に対して独立した電流制御系でモータ印加電圧を制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし，従来技術による場合，独立した複数の電流制御系が存在することから，ステッピングモータの相数が増加するに連れて電流制御系も同数設ける必要があり，構成が複雑になるという問題があった。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
上記問題を解決するために本発明では，外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有するステッピングモータの駆動装置において，モータ通電電流を検出する電流検出器と，前記電流検出器の出力から正弦波状モータ通電電流振幅値を検出する電流振幅検出器と，別に外部から与える電流振幅指令と前記モータ通電電流振幅値の差を演算する電流振幅偏差検出器と，前記電流振幅偏差値を増幅する電流制御器と，前記外部指令パルスを用いてモータ各相に通電するための正弦波状の電流指令を発生する電流指令発生器を有し，前記電流振幅偏差と前記正弦波状電流指令を乗算した値に比例した電圧をモータに印加するように構成する。
【０００７】
【作用】
各相の電流指令振幅は同一値であることが望ましいため，各相電流検出器の検出信号から電流振幅値を求め，電流振幅指令入力端子から加える電流振幅指令値に対して，電流振幅指令値と電流振幅値の差分を電流制御器で一定となるように制御するため，電流振幅を一定とすることができる。
ここで，α相及びβ相電流が９０°位相差の２相交流であることを前提に，電流振幅検出器において，各相検出電流に対する二乗和の平方根を求めることで電流振幅を得ることができる。
一方で，モータへの各相印加電圧の位相を外部指令パルス入力端子に入力される角度指令θ＊を用いて決定しており，各相電流指令に前記電流制御器の出力を乗じた値を，インバータを介してステッピングモータに印加するように構成したため，ステッピングモータの各相巻線には，振幅が一定になるように制御された９０°位相の正弦波状電流を通電することができる。
即ち，１個の電流制御器を用いて，従来技術を適用した駆動装置と同様に多相ステッピングモータをマイクロステップ駆動することができる。
また，前記電流振幅検出器と，前記電流検出器の間に座標変換機器を設けることで，多相の電流検出器の検出値を９０°位相差の２相電流に変換することができ，多相ステッピングモータの各相巻線には，振幅が一定になるように制御された多相の正弦波状電流を通電することができる。
【０００８】
【実施例】
図１は第１の実施例を示すブロック図である。
図１において，ステッピングモータ９０のα相モータ通電電流を検出するα相電流検出器８１の出力ｉαｆと，β相モータ通電電流を検出するβ相電流検出器８２の出力ｉβｆを，電流振幅検出器１０１に入力し，前記電流振幅検出器１０１では，α相電流検出値ｉαｆとβ相電流検出値ｉβｆの二乗和の平方根を演算することでモータ通電電流振幅値ｉｆを出力する。更に，電流指令入力端子２０から与える電流振幅指令ｉ＊と前記モータ通電電流振幅値ｉｆを電流振幅偏差検出器３０に加え，前記電流振幅偏差検出器３０の出力である電流振幅偏差値を電流制御器４０に加える。
一方で，外部指令パルス入力端子１０に入力される角度指令θ＊を第１の電流指令発生器５１，第２のの電流指令発生器５２に加え，前記第１の電流指令発生器５１の出力であるｓｉｎθ＊と，前記第２の電流指令発生器５２の出力であるｃｏｓθ＊とを発生し，前記電流制御器４０の出力とα相電流指令ｓｉｎθ＊と，前記電流制御器４０の出力とβ相電流指令ｃｏｓθ＊とをそれぞれ第１の乗算器６１及び第２の乗算器６２で乗算した後，インバータ７０を介してモータ９０のα相巻線電圧，β相巻線電圧として印加するように構成する。
【０００９】
また，図２は第２の実施例を示すブロック図である。
図２において，図１と同一機能ブロックは同一番号で示しているが，図１の電流振幅検出器１０１に対して別の機能を有する電流振幅検出器１０２を設ける。前記電流振幅偏差検出器１０２では，α相電流検出値ｉαｆとβ相電流検出値ｉβｆの二乗和を演算することでモータ通電電流振幅値（ｉｆ）２を出力する。また，電流指令入力端子２０から与える電流振幅指令には，図１のｉ＊に対して（ｉ＊）２に相当する値を入力する。
【００１０】
また，図３は第３の実施例を示すブロック図である。
図３において，図１と同一機能ブロックは同一番号で示しているが，図１の対象モータ９０に対して３相ステッピングモータ９１を対象としており，インバータ７１への入力は，図１に対して加算器３３を追加し，且つ電流指令発生器５２の出力をｓｉｎ（θ＊＋１２０°）として，３相ステッピングモータに対応したものとなっている。また，電流振幅検出器１０１とα相電流検出器８１，β相電流検出器８２の間にｄｑ回転座標系変換器１１０を設け，前記ｄｑ回転座標系変換器１１０の出力であるｉｄｆ，ｉｑｆを電流振幅検出器１０１で二乗和の平方根を演算することでモータ通電電流振幅値ｉｆを出力するように構成する。
尚，本発明は，座標変換器の演算内容とインバータ７１への入力指令をモータ総数に応じて変更することで，特に相数に拘ることなく３相機以外の多相機に対しても同様に対応できる。
また，本発明は，モータに磁極検出器を設け，前記磁極検出器の出力信号を外部指令パルスに相当する励磁切り替え信号として用いることでブラシレスモータにも適用可能である。
【００１１】
【発明の効果】
上記のごとく，２相ステッピングモータのマイクロステップ駆動は，相数に応じて９０度位相差の正弦波状モータ電流を通電することで実現できるが，各相電流検出器の検出信号から電流振幅値を求め，振幅値を一定となるように制御することで，電流制御系の構成が簡単になり，装置コストの低減が可能である。また，制御要素を減らすことができるため，電流振幅のばらつきも小さくできる。
また，電流振幅値に対して，電流振幅値の二乗値を求め，一方，外部から加える電流振幅指令を，振幅値の二乗とすることで，正弦波の二乗和の平方根で求められる電流振幅値演算を簡略化できるため，構成が更に簡略化でき，演算にマイクロコンピュータを用いる場合には振幅演算時間を短縮することができる。
更に，電流検出器と電流振幅検出器の間に座標変換器を設けることで，多相ステッピングモータに対して２相ステッピングモータと同様に電流制御系の構成が簡単になり，前記２相ステッピングモータの駆動装置と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る他のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る他のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図４】従来のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【００１２】
【符号の説明】
１０ 角度指令入力端子
２０ 電流振幅指令入力端子
２１ α相電流振幅指令入力端子
２２ β相電流振幅指令入力端子
３０〜３２ 電流振幅偏差検出器
３３ 加算器
４０ 電流制御器
４１ α相電流制御器
４２ β相電流制御器
５１，５２ 電流指令発生器
６１，６２ 乗算器
７０ インバータ
８０，８１ 電流検出器
９０ ステッピングモータ
９１ ステッピングモータ
１０１ 電流振幅検出器
１０２ 電流振幅検出器
１１０ ｄｑ回転座標系変換器
Claims (3)
- 外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する，外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において，モータ通電電流を検出する電流検出器と，前記電流検出器の出力から正弦波状モータ通電電流振幅値を検出する電流振幅検出器と，別に外部から与える電流振幅指令と前記モータ通電電流振幅値の差である電流振幅偏差値を演算する電流振幅偏差検出器と，前記電流振幅偏差値を増幅する電流制御器と，前記外部指令パルスを用いてモータ各相に通電するための正弦波状の電流指令を発生する電流指令発生器を有し，前記電流振幅偏差値と前記正弦波状の電流指令を乗算した値に比例した電圧をモータに印加するように構成したステッピングモータの駆動装置。
- 前記ステッピングモータの駆動装置において，前記電流振幅検出器の出力が電流検出器の出力から正弦波状モータ通電電流振幅値の二乗を検出するように構成し，且つ，前記外部から与える電流振幅指令が電流振幅の二乗に相当する値とした１項記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記ステッピングモータの駆動装置において，前記電流振幅検出器と，前記電流検出器の間に座標変換機器を設けた１項記載のステッピングモータの駆動装置。
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