JP2004180354A

JP2004180354A - Method and apparatus for estimating rotor position of stepping motor

Info

Publication number: JP2004180354A
Application number: JP2002340441A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yoneda; 真米田; Hideo Domeki; 英雄百目鬼
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-25
Also published as: JP4235436B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To propose a method for estimating rotor positions wherein, when a stepping motor is driven, its rotor position is computed from command voltages in respective phases outputted from a controller and the detected driving currents in respective phases of the motor. <P>SOLUTION: Command voltage values which are inputted from the controller 5 to the driving device 3 for the stepping motor 1 and determine the driving currents passed through the individual phases of the motor and the values of the driving current are multiplied together. The induced voltages in the individual phases computed by an induced voltage estimating and computing device 12 and sine function values and cosine function values corresponding to the rotor positions of the motor, predetermined and inputted to a rotor position estimating device 11 are multiplied together. Thereafter, subtraction, amplification, integration, and addition are carried out. The value thus computed is fed back as the estimated rotor position (electrical angle) of the motor so as to replace the previous rotor position. Then, the computation is repeated, and the computed value is taken as the estimated position of the rotor. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータの回転子位置推定方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のステッピングモータの回転子位置及び速度検出方法は、次の２種類に分類できる。
１）前記モータの非励磁状態の励磁コイルから誘起電圧を計測する方法としては、すでに開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
２）また、前記モータに誘起電圧検出用の巻線を特別に設け、誘起電圧を計測する方法としては、すでに開示されている（例えば、特許文献２参照）。
３）さらに、ステッピングモータの負荷検出のためには、逆起電圧検出回路を設け負荷角を求める方法もある。そして、前記負荷角がわかれぱ回転子位置も推定可能であることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特公平２−１９７２０号公報；ステッピングモータの位置および速度検出装置
【特許文献２】
特開平５−２８４７９０号公報；モータの回転検出装置
特開平１０−２５７７４５号公報；ロータ位置検出機構付ステッピングモータ
【特許文献３】
特公平６−４０７５５号公報；ステップモータの負荷検出方法
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のような従来の前記ステッピングモータのそれぞれの方法にあっては、次のようないろいろな問題点があった。
１）非励磁状態の励磁コイルから誘起電圧を計測する方法にあっては、非励磁状態のない、いわゆるマイクロステップ駆動には応用できず、また、高速回転では、非励磁状態の時間が短くなり、誘起電圧の検出が難しい。
【０００６】
２）また、誘起電圧検出用の巻線を特別に設け、誘起電圧を計測する方法にあっては、別途、専用のステッピングモータを用意しなければならない。
３）ステッピングモータの負荷検出方法には、誘起起電圧検出用の巻線を設けるうえに、さらに、特別に誘起電圧検出回路が必要である。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解消し、ステッピングモータのマイクロステップ駆動に応用ができ、特別な専用モータを必要とせず、制御装置からの出力である各相の指令電圧と、検出される前記モータの各相の駆動電流とを演算するステッピングモータの回転子位置推定方法を提案することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は前記問題点を解消し、前記ステッピングモータの回転子位置推定方法を具体化したステッピングモータの回転子位置推定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の構成は、ステッピングモータの駆動に際し、制御装置からモータ駆動装置に入力する前記モータの各相に流す駆動電流を決定するための電圧指令値と、電流検出器で検出される前記駆動電流の値とを、誘起電圧推定演算装置により前記各相の誘起電圧を算出し、正弦関数発生器と余弦関数発生器とにより、あらかじめ求められ、又はあらかじめ推定されて入力された前記モータの回転子位置（電気角）に対応するそれぞれの正弦関数値と余弦関数値とを、それぞれの乗算器により対応する前記算出された各相の誘起電圧にそれぞれ乗算し、減算器により、前記それぞれの乗算器からの乗算されたそれぞれの出力の差を算出し、前記減算器からの出力を第１の増幅器より増幅し、その出力を第１の積分器により積分演算をし、前記第１の積分器からの出力を、並列的に、第２の積分器と第２の増幅器によりそれぞれ積分演算するとともに、増幅し、加算器により、前記第２の積分器からの出力と前記第２の増幅器からの出力との和を算出して、前記加算器からの算出電気角を、前記モータの回転子推定位置（電気角）として、前記正弦関数発生器と前記余弦関数発生器の前記回転子位置に代えるようにそれぞれフィードバックして繰り返し演算することにより、前記加算器からの算出電気角を、前記回転子の推定位置とするステッピングモータの回転子位置推定方法である。
【００１０】
前記制御装置から前記モータ駆動装置に入力する前記電圧指令値は、速度指令を電気角演算装置により指令電気角にし、電流指令を前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とともに電流制御装置により正弦波状の電圧にし、前記指令電気角と前記正弦波状電圧とをともに電圧指令演算装置により出力される前記モータの各相の電圧指令値であるステッピングモータの回転子位置推定方法である。
【００１１】
ステッピングモータの回転子位置推定装置であって、制御装置からモータ駆動装置に入力する前記モータの各相に流す駆動電流を決定するための電圧指令値と、電流検出器で検出される前記駆動電流の値とを入力し、前記モータの各相の誘起電圧を算出する誘起起電圧推定演算装置と、あらかじめ求められ、又は推定されて入力された前記モータの回転子位置（電気角）に対応して、それぞれの正弦関数値と余弦関数値とを発生する正弦関数発生器及び余弦関数発生器と、前記誘起起電圧推定演算装置から算出される前記各相の誘起電圧のそれぞれと、前記正弦関数発生器及び余弦関数発生器のそれぞれから発生する正弦関数値と余弦関数値とをそれぞれ乗算する、前記モータの相数に対応する複数の乗算器と、前記それぞれの乗算器からの出力の差を演算する減算器と、前記減算器からの出力を増幅するための第１の増幅器と、該第１の増幅器の出力を積分演算するための第１の積分器と、該第１の積分器の出力をさらに積分するための第２の積分器と、前記第１の積分器の出力を増幅するための第２の増幅器と、前記第２の積分器の出力と前記第２の増幅器の出力とを加算する加算器とからなり、前記加算器からの算出電気角を、前記モータの回転子推定位置（電気角）として、前記正弦関数発生器と前記余弦関数発生器の前記回転子位置に代えるようにそれぞれフィードバックして繰り返し演算することにより、前記加算器からの算出電気角を、前記回転子の推定位置とするステッピングモータの回転子位置推定装置である。
【００１２】
前記制御装置は、モータ駆動装置に前記電圧指令値を入力するため、速度指令を指令電気角にする電気角演算装置と、指令電流を前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とともに入力して、正弦波状の電圧を出力する電流制御装置と、前記電気角演算装置から出力される前記指令電気角と前記電流制御装置から出力される前記正弦波状電圧とをともにに入力して、前記電圧指令値を出力する電圧指令演算装置とからなるステッピングモータの回転子位置推定装置である。
【００１３】
本発明のステッピングモータの回転子位置推定方法とその装置は、以上のように構成され、前記加算器からの算出電気角を、前記モータの回転子推定位置（電気角）として、前記正弦関数発生器と前記余弦関数発生器の前記回転子位置にそれぞれフィードバックして繰り返し演算することにより、前記回転子位置の推定精度を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
図１は、本発明のステッピングモータの回転子位置推定方法の一実施例を示す該モータの回転子位置推定装置の構成系統図である。
【００１５】
図１において、１は２相ステッピングモータで、該モータ１を回動又は回転駆動するため、交流電源２から前記モータ１に、そのモータドライバ（モータ駆動装置）３により駆動電力を供給する。５は該モータ１の制御装置、１１は該ステッピングモータ１の回転子位置推定装置を示す。
【００１６】
まず、前記モータ１を制御する制御装置５は、前記モータドライバ３に対して前記モータ１の各相に流れる駆動電流を決定する電圧指令値を算出して入力するための装置で、該モータ１の各相に流れる駆動電流値を検出する電流検出器６と、電気角演算装置７と、電流制御装置８と、電圧指令演算装置９とからなる。
【００１７】
前記制御装置５は、外部からの速度指令ω^＊ _ｒｍを前記電気角演算装置７により指令電気角θ^＊ _ｒｅにし、同様に外部からの電流指令ｉ^＊を、前記電流検出器６で検出される前記駆動電流の値ｉα、ｉβとともに前記電流制御装置８により正弦波状の電圧Ｖ^＊にし、次いで、前記指令電気角θ^＊ _ｒｅと前記正弦波状の電圧Ｖ^＊とをともに前記電圧指令演算装置９に入力して、該電圧指令演算装置９により演算し、前記ドライバ３へ出力する前記モータ１の各相の電圧指令値Ｖα、Ｖβを決定している。
【００１８】
前記回転子位置推定装置１１は、誘起電圧推定演算装置１２と、正弦（ｓｉｎ）関数発生器１３及び余弦（ｃｏｓ）関数発生器１４と、前記モータの相数に対応する複数（本実施例では２個）の乗算器１５，１６と、減算器１７と、第１、第２の増幅器１８，１９と、第１、第２の積分器２０，２１と、加算器２２とからなる。
【００１９】
前記誘起電圧推定演算装置１２は、前記制御装置５から出力される前記モータ１の各相（又は各相巻線）に流す駆動電流を決定するための前記電圧指令値Ｖα、Ｖβと、前記電流検出器６で検出される前記駆動電流の値ｉα、ｉβとを入力し、前記モータ１の各相の誘起電圧（本実施例では、前記モータ１は２相ステッピングモータのため２つの誘起電圧）ｅα、ｅβを算出する。
【００２０】
前記正弦関数発生器１３及び前記余弦関数発生器１４は、あらかじめ求められ又はあらかじめ推定されて、入力された前記モータ１の回転子位置（電気角）に対応して、それぞれの正弦関数値ｓｉｎθ^ｅｓｔ _ｒｅと余弦関数値ｃｏｓθ^ｅｓｔ _ｒｅとを発生する。
前記複数（ここでは２個）の乗算器１５，１６のそれぞれは、前記誘起電圧推定演算装置１２から算出される各相の誘起電圧ｅα、ｅβのそれぞれと、前記正弦関数発生器１３と前記余弦関数発生器１４のそれぞれから発生する正弦関数値ｓｉｎθ^ｅｓｔ _ｒｅと余弦関数値ｃｏｓθ^ｅｓｔ _ｒｅとを乗算する。
【００２１】
前記減算器１７は、前記それぞれの乗算器１５，１６からの出力同士の差を演算する。
前記第１の増幅器１８は、前記減算器１７の出力（前記乗算器１５，１６からの出力の差）を増幅し、前記第１の積分器２０は、前記第１の増幅器１８の出力を積分演算する。
そして、前記第２の積分器２１は、前記第１の積分器２０からの出力をさらに積分するとともに、前記第２の増幅器１９は、前記第２の積分器２１に並列に接続されて、該第１の積分器２０からの出力を増幅する。
【００２２】
前記加算器２２は、前記第２の積分器２１からの出力と前記第２の増幅器１９からの出力とを加算して、その算出出力を前記モータ１の回転子の推定位置（電気角）にするとともに、該算出出力を、前記モータ１の回転子推定位置（電気角）として、前記正弦関数発生器１３と前記余弦関数発生器１４に前記あらかじめ求められ又は推定されて、入力された回転子位置に代えるようにフィードバックして、繰り返し演算する。
このように、前記モータ１の回転子推定位置を繰り返し演算することにより、前記加算器２２からの前記算出出力結果を、精度の高い前記回転子の推定位置とすることができる。
【００２３】
次いで、図１において、前記回転子位置推定装置１１により前記モータ１の回転子の推定位置を、数式を用いて説明する。
前記制御装置５において、電流指令ｉ^＊と前記電流検出器６で検出された２相交流電流ｉα、ｉβを入力とする前記電流制御装置８で正弦波状の出力電圧Ｖ^＊を決定し、速度指令ω^＊ _ｒｍを入力とする前記電気角演算装置７により指令電気角θ^＊ _ｒｅを決定する。前記出力電圧Ｖ^＊と前記指令電気角θ^＊ _ｒｅとを入力とし、前記電圧指令演算装置９により２相電圧指令値Ｖα、Ｖβを決定する。なお、前記２相ステッピングモータ１は正弦波状の振幅が一定な電流で駆動されているものとする。
【００２４】
ここで、前記２相電圧指令値Ｖα、Ｖβと前記２相交流電流ｉα、ｉβから前記誘起電圧推定演算装置１２により、前記モータ１の各相の誘起電圧ｅα、ｅβを演算、推定する。
【００２５】
あらかじめ求め、又は推定しておいた回転子位置推定電気角θ^ｅｓｔ _ｒｅを入力とする前記正弦関数発生器１３でｓｉｎθ^ｅｓｔ _ｒｅを計算する。該ｓｉｎθ^ｅｓｔ _ｒｅの計算結果と推定した前記２相交流誘起電圧の１相分ｅβとを、前記乗算器１５に入力して乗算を行う。同様に、前記あらかじめ求めておいた回転子位置推定電気角θ^ｅｓｔ _ｒｅを入力とする前記余弦関数発生器１４でｃｏｓθ^ｅｓｔ _ｒｅを計算する。該ｃｏｓθ^ｅｓｔ _ｒｅの計算結果と推定した前記２相交流誘起電圧の１相分ｅβとを、前記乗算器１６に入力して乗算を行う。ここで求めたｅβ×ｓｉｎθ^ｅｓｔ _ｒｅとｅα×ｃｏｓθ^ｅｓｔ _ｒｅとの値を前記減算器１７に入力して、その差であるｅα×ｃｏｓθ^ｅｓｔ _ｒｅ−ｅβ×ｓｉｎθ^ｅｓｔ _ｒｅを求める。
【００２６】
前記ｅα×ｃｏｓθ^ｅｓｔ _ｒｅ−ｅβ×ｓｉｎθ^ｅｓｔ _ｒｅを前記第１の増幅器１８に入力して、これを増幅する。該第１の増幅器１８で増幅した出力を前記第１の積分器２０に入力して積分を行う。該第１の積分器２０により積分した出力結果を、さらに第２の積分器２１に入力して積分するとともに、前記第１の積分器２０からの積分した出力を、前記第２の積分器２１に並列に接続される前記第２の増幅器１９により増幅を行う。そして前記第２の積分器２１からの積分結果と前記第２の増幅器１９からの増幅結果とを、前記加算器２２に入力して前記積分出力と前記増幅出力との加算を行う。
【００２７】
前記加算器２２からの算出出力（電気角）を前記モータ１の回転子の推定位置にするとともに、該算出出力を、前記モータ１の回転子推定位置（電気角）として、前記正弦関数発生器１３と前記余弦関数発生器１４に前記あらかじめ求められ又は推定されて、入力された回転子位置に代えるようにフィードバックして、繰り返し演算する。
この動作を繰り返すことにより、前記加算器２２からの算出出力を前記モータの推定される回転子位置（電気角）θ^ｅｓｔ _ｒｅとしている。
【００２８】
次に、前記回転子位置推定装置１１の作用を説明する。
前記２相ステッピングモータ１の巻線の、Ｌを１相分の自己インダクタンス値、Ｒを１相分の抵抗値、Ｍを相互インダクタンス値、ｉα、ｉβを各相の相電流、Ｖα、Ｖβは各相の相電圧、ｅα、ｅβを各相の誘起電圧とする。
このときの前記モータ１の電流電圧方程式は次式となる。
【数１】

【００２９】
電圧は制御装置５からの電圧指示値、電流は電流検出値で、前記自己インダクタンスＬ、相互インダクタンスＭ及び抵抗値Ｒは、あらかじめ計測しておいた値を用いれば、次式により前記誘起電圧ｅα、ｅβの瞬時値が求めることができる。
【数２】

この計算を行う部分を前記誘起電圧推定演算装置１２である。
【００３０】
次に、推定した誘起電圧情報から位置情報を得る方法を説明する。
前記誘起電圧ｅα、ｅβを誘起させる、界磁のα、β相の電機子巻線鎖交磁束数ψ_ｆ _α、ψ_ｆ _βは、その最大値をψ_ｆ′とすると次式で表される。
【数３】

【００３１】
ここで、θ_ｒｅは、α相電機子巻線を基準として時計回りに取った界磁の角度（電気角）であり、ω_ｒｅを電気角速度とすると次式で表される。
【数４】

このときの各相の誘起電圧ｅα、ｅβは次式となる。
【数５】

【００３２】
前記モータ１の回転子の推定位置演算結果θ^ｅｓｔ _ｒｅの正弦（ｓｉｎ）値及び余弦（ｃｏｓ）値を求め、それぞれの値と前記誘起電圧ｅα、ｅβとを乗算すると次式となる。
【数６】

この計算を行う部分を前記正弦関数発生器１３、前記余弦関数発生器１４及び前記乗算器１５、１６である。
【００３３】
前記（８）式から前記（９）式を減算すると次式となる。
【数７】

ここで、θ^ｅｓｔ _ｒｅ≒θ_ｒｅであれぱ、次式の関係が成り立つ。
【数８】

【００３４】
前記（１１）式を前記（１０）式に代入すると次式となる。
【数９】

前記（１２）式は、推定結果（電気角）と実測値（電気角）の偏差に比例した値となることが分かる。この計算を行う部分が前記減算器１７である。
【００３５】
すなわち、図１における前記減算器１７からの出力結果は、θ_ｒｅ−θ^ｅｓｔ _ｒｅの計算を行ったこととなる。そこで、前記第１の増幅器１８の増幅率をＡ１、前記第２の増幅器１９の増幅率をＡ２、前記第１、第２の積分器１３，１４の伝達関数を１／ｓとおき、図１における前記誘起電圧推定演算装置１２以後の伝達関数を求めると次式となる。
【数１０】

前記（１３）式は、前記モータ１の回転子の推定位置（電気角）θ^ｅｓｔ _ｒｅと実位置（電気角）θ_ｒｅとは、時間∽（無限大）で一致するトラッキングフィルタとなっていることを示している。
【００３６】
また、前記回転子の推定位置を、所望のダンピングファクタや固有振動数の応答で求めようとするために、前記第１の増幅器１８の増幅率Ａ１、前記第２の増幅器１９の増幅率Ａ２を設定することができる。
ここで、求めた前記回転子推定位置θ^ｅｓｔ _ｒｅは、α相電機子巻線を基準として時計回りに取った誘起電圧の電気角の推定結果である。従って、界磁位置は９０゜進んだ角度となる。
【００３７】
図２は、時間に対する電気角で示す推定位置の結果で、電気角周波数１６Ｈｚ、電流指令を１Ａとして、電流制御を行ったときの本実施例により、推定した電気角の推定結果である。この結果からわかるように、前記誘起電圧の推定結果にはノイズ成分を含んでいない。
【００３８】
次いで、他の実施例として、前記トラッキングフィルタの代わりに逆正接関数を用いても、前記回転子の推定位置θ^ｅｓｔ _ｒｅを求めることができる。
図３は、電気角周波数１６Ｈｚ、電流指令を１Ａとして、電流制御を行ったときの誘起電圧の推定結果（電気角）である。この結果からわかるように、前記誘起電圧の推定結果にはノイズ成分を多く含んでいる。
【００３９】
この情報を使って、電気角を逆正接関数で求めた結果が図４に示すように、電気角周波数１６Ｈｚ、電流指令を１Ａとし、電流制御を行ったときの逆正接関数を用いて推定した電気角の推定結果である。この方法では推定結果にノイズが発生し、，そのままモータ制御に使用することは不可能であることがわかる。
また、逆正接関数の出力は±９０゜の範囲である。推定範囲を０゜から３６０゜にするためには、場合分けを行う必要がある。
【００４０】
なお、本発明の技術は前記実施の形態における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明のステッピングモータの回転子位置推定方法によれば、前記請求項１に示す構成であるので、ステッピングモータのマイクロステップ駆動に応用ができ、特別な専用モータを必要とせず、制御装置からの出力である各相出力電圧指示と各相の相電流を検出し、演算することができるという優れた効果を奏する。
【００４２】
また、本発明のステッピングモータの回転子位置推定装置によれば、前記請求項３に示す構成であるので、ステッピングモータのマイクロステップ駆動に応用ができ、特別な専用モータを必要とせず、制御装置からの出力である各相出力電圧指示と各相の相電流を検出し、演算することができるという優れた効果を奏する。
【００４３】
また、本発明の前記方法及びその装置によれば、さらに次の効果が得られる。すなわち、フィルタの機能も持つため、検出ノイズが少なく、通常、誘起電圧と同位相で電流を制御する。
そのため、本発明により推定した位置情報をそのまま励磁位置として使用することができる。さらに、推定範囲を０゜から３６０゜まで場合分けをすることなく、電気角を推定して、前記モータの回転子の位置を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のステッピングモータの回転子位置推定方法の実施の形態の一実施例を示す該モータの制御装置と回転子位置推定装置の構成系統図である。
【図２】電気角周波数１６Ｈｚ、電流指令を１Ａとし、電流制御を行ったときの本実施例により、推定した電気角の推定結果である。
【図３】電気角周波数１６Ｈｚ、電流指令を１Ａとし、電流制御を行ったときの誘起電圧の推定結果である。
【図４】電気角周波数１６Ｈｚ、電流指令を１Ａとし、電流制御を行ったときの逆正接関数を用いて推定した電気角の推定結果である。
【符号の説明】
１２相ステッピングモータ
２交流電源
３モータドライバ（モータ駆動装置）
５モータ制御装置
６電流検出器
７電気角演算装置
８電流制御装置
９電圧指令演算装置
１１回転子位置推定装置
１２誘起電圧推定演算装置
１３正弦（ｓｉｎ）関数発生器
１４余弦（ｃｏｓ）関数発生器
１５、１６乗算器
１７減算器
１８第１の増幅器
１９第２の増幅器
２０第１の積分器
２１第２の積分器
２２加算器
ｅα、ｅβ 誘起電圧
ｉα、ｉβ 駆動電流値
ｉ^＊指令電流
Ｖα、Ｖβ 電圧指令値
Ｖ^＊正弦波状電圧
θ^＊ _ｒｅ指令電気角
θ_ｒｅ回転子実位置（電気角）
θ^ｅｓｔ _ｒｅ回転子推定位置（電気角）
ω^＊ _ｒｍ速度指令[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for estimating a rotor position of a stepping motor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, methods for detecting the rotor position and speed of this type of stepping motor can be classified into the following two types.
1) A method of measuring an induced voltage from an excitation coil in a non-excitation state of the motor has been already disclosed (for example, see Patent Document 1).
[0003]
2) In addition, a method for measuring the induced voltage by providing a winding for detecting the induced voltage in the motor is already disclosed (for example, see Patent Document 2).
3) Further, for detecting the load of the stepping motor, there is a method of obtaining a load angle by providing a back electromotive voltage detection circuit. It is known that the load angle can be determined and the rotor position can also be estimated (for example, see Patent Document 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-B-2-19720; Position and speed detection device of stepping motor [Patent Document 2]
JP-A-5-284790; Motor rotation detecting device JP-A-10-257745; Stepping motor with rotor position detecting mechanism
Japanese Patent Publication No. 6-40755; Step motor load detection method
[Problems to be solved by the invention]
However, in each of the above-described conventional methods of the stepping motor, there are various problems as follows.
1) The method of measuring the induced voltage from the excitation coil in the non-excited state cannot be applied to the so-called micro-step drive without the non-excited state. , It is difficult to detect the induced voltage.
[0006]
2) In addition, in a method for measuring the induced voltage by providing a winding for detecting the induced voltage, a dedicated stepping motor must be separately prepared.
3) In the method of detecting the load of the stepping motor, in addition to providing a winding for detecting an induced electromotive voltage, a special induced voltage detection circuit is required.
[0007]
The present invention has been made in view of such a point, and its object is to solve the above-mentioned problems, can be applied to the micro-step drive of the stepping motor, does not require a special dedicated motor, each output from the control device. An object of the present invention is to propose a method for estimating a rotor position of a stepping motor, which calculates a phase command voltage and a detected drive current of each phase of the motor.
[0008]
Another object of the present invention is to provide an apparatus for estimating the rotor position of a stepping motor, which solves the above-mentioned problem and embodies the method for estimating the rotor position of the stepping motor.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A configuration of the present invention for achieving the above object has a configuration in which, when driving a stepping motor, a voltage command value input from a control device to a motor driving device for determining a driving current to flow through each phase of the motor, and a current detector The value of the drive current detected in the above, the induced voltage of each phase is calculated by an induced voltage estimating arithmetic unit, and is obtained or estimated in advance by a sine function generator and a cosine function generator and input. The respective sine function values and cosine function values corresponding to the determined rotor position (electrical angle) of the motor are respectively multiplied by the corresponding induced voltages of the respective phases by respective multipliers, and subtracters By calculating the difference between the respective outputs multiplied from the respective multipliers, the output from the subtractor is amplified by the first amplifier, and the output is output by the first integrator. An integration operation is performed, and an output from the first integrator is integrated in parallel by a second integrator and a second amplifier, respectively, and is amplified. And the sum of the output from the second amplifier and the output from the second amplifier, and the calculated electrical angle from the adder is used as the estimated rotor position (electrical angle) of the motor, and the sine function generator and the The cosine function generator performs feedback calculation so as to substitute for the rotor position, and repeats the calculation, whereby the calculated electrical angle from the adder is used as the estimated position of the rotor. is there.
[0010]
The voltage command value input from the control device to the motor drive device, a speed command is converted into a command electric angle by an electric angle calculation device, and the current command is a current control device together with the drive current value detected by the current detector. And a rotor position estimation method for a stepping motor, which is a voltage command value of each phase of the motor, which is output by a voltage command calculation device together with the command electric angle and the sinusoidal voltage.
[0011]
A rotor position estimating device for a stepping motor, comprising: a voltage command value input to a motor driving device from a control device for determining a driving current to flow through each phase of the motor; and a driving current detected by a current detector. And an induced electromotive force estimating and calculating device for calculating an induced voltage of each phase of the motor, and a rotor position (electrical angle) of the motor which is obtained or estimated and input in advance. A sine function generator and a cosine function generator that generate respective sine function values and cosine function values, each of the induced voltages of each phase calculated from the induced electromotive force estimation calculation device, and the sine function A plurality of multipliers corresponding to the number of phases of the motor, each multiplying a sine function value and a cosine function value generated from each of the generator and the cosine function generator; and A subtractor for calculating a difference in force, a first amplifier for amplifying an output from the subtractor, a first integrator for integrating an output of the first amplifier, and a first integrator. A second integrator for further integrating the output of the integrator, a second amplifier for amplifying the output of the first integrator, the output of the second integrator and the second And an adder for adding the output of the amplifier. The electrical angle calculated from the adder is regarded as a rotor estimated position (electrical angle) of the motor, and the rotation of the sine function generator and the cosine function generator is performed. This is a rotor position estimating device for a stepping motor in which an electrical angle calculated from the adder is used as an estimated position of the rotor by performing feedback and repeated calculations so as to substitute for the child position.
[0012]
In order to input the voltage command value to the motor drive device, the control device inputs an electric angle calculation device that converts a speed command into a command electric angle, and inputs a command current together with a value of the drive current detected by the current detector. A current controller that outputs a sinusoidal voltage, and the command electric angle output from the electric angle calculator and the sinusoidal voltage output from the current controller are both input together, This is a rotor position estimating device for a stepping motor, comprising a voltage command calculating device for outputting a voltage command value.
[0013]
The method and the apparatus for estimating the rotor position of a stepping motor according to the present invention are configured as described above, and the sine function generation is performed by using the electric angle calculated from the adder as the estimated rotor position (electric angle) of the motor. By performing feedback calculation on the rotor position of the generator and the rotor position of the cosine function generator and repeating the calculation, the accuracy of estimating the rotor position can be improved.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be illustratively described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a rotor position estimating apparatus for a stepping motor according to an embodiment of the present invention.
[0015]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a two-phase stepping motor. To rotate or rotate the motor 1, driving power is supplied from an AC power supply 2 to the motor 1 by a motor driver (motor driving device) 3. Reference numeral 5 denotes a control device for the motor 1, and reference numeral 11 denotes a rotor position estimating device for the stepping motor 1.
[0016]
First, a control device 5 for controlling the motor 1 is a device for calculating and inputting a voltage command value for determining a drive current flowing through each phase of the motor 1 to the motor driver 3. A current detector 6 for detecting the value of the drive current flowing in each phase, an electrical angle calculation device 7, a current control device 8, and a voltage command calculation device 9.
[0017]
The control device 5 converts the external speed command ω ^* _rm into the command electric angle θ ^* _re by the electric angle calculation device 7, and similarly detects the external current command i ^* by the current detector 6. The current control device 8 sets the sinusoidal voltage V ^* together with the drive current values iα and iβ, and then sends both the command electrical angle θ ^* _re and the sinusoidal voltage V ^* to the voltage command computing device 9. The voltage command values Vα and Vβ of each phase of the motor 1 to be input and calculated by the voltage command calculation device 9 and output to the driver 3 are determined.
[0018]
The rotor position estimating device 11 includes an induced voltage estimating operation device 12, a sine (sin) function generator 13, a cosine function generator 14, and a plurality (corresponding to the number of phases of the motor in the present embodiment). (Two)

multipliers

15 and 16, a subtractor 17, first and

second amplifiers

18 and 19, first and

second integrators

20 and 21, and an adder 22.
[0019]
The induced voltage estimating and calculating device 12 includes: the voltage command values Vα and Vβ for determining a drive current to be supplied to each phase (or each phase winding) of the motor 1 and output from the control device 5; The drive current values iα and iβ detected by the detector 6 are input, and the induced voltage of each phase of the motor 1 (in the present embodiment, two induced voltages because the motor 1 is a two-phase stepping motor) eα and eβ are calculated.
[0020]
The sine function generator 13 and the cosine function generator 14 are respectively obtained or estimated in advance, and correspond to the input rotor position (electrical angle) of the motor 1, and the respective sine function values sinθ ^est _re and the cosine function value cosθ ^est _re .
The plurality of (here, two)

multipliers

15 and 16 respectively include the induced voltages eα and eβ of the respective phases calculated by the induced voltage estimating operation device 12, the sine function generator 13 and the cosine The sine function value sinθ ^est _re generated from each of the function generators 14 is multiplied by the cosine function value cos θ ^est _re .
[0021]
The subtracter 17 calculates a difference between outputs from the

respective multipliers

15 and 16.
The first amplifier 18 amplifies the output of the subtractor 17 (the difference between the outputs from the multipliers 15 and 16), and the first integrator 20 integrates the output of the first amplifier 18. Calculate.
The second integrator 21 further integrates the output from the first integrator 20, and the second amplifier 19 is connected to the second integrator 21 in parallel. The output from the first integrator 20 is amplified.
[0022]
The adder 22 adds the output from the second integrator 21 and the output from the second amplifier 19, and outputs the calculated output to the estimated position (electrical angle) of the rotor of the motor 1. In addition, the calculated output is used as the rotor estimated position (electrical angle) of the motor 1 by the sine function generator 13 and the cosine function generator 14, which are obtained or estimated in advance and input to the rotor. Feedback is performed in place of the position, and the calculation is repeated.
In this way, by repeatedly calculating the estimated rotor position of the motor 1, the calculated output result from the adder 22 can be a highly accurate estimated rotor position.
[0023]
Next, referring to FIG. 1, the estimated position of the rotor of the motor 1 by the rotor position estimating device 11 will be described using mathematical expressions.
In the control device 5, a sine-wave output voltage V ^* is determined by the current control device 8 that receives the current command i ^* and the two-phase alternating currents iα and iβ detected by the current detector 6 as inputs. A command electric angle θ ^* _re is determined by the electric angle calculation device 7 having ω ^* _rm as an input. The output voltage V ^* and the command electric angle θ ^* _re are input, and the voltage command calculation device 9 determines two-phase voltage command values Vα and Vβ. It is assumed that the two-phase stepping motor 1 is driven by a sinusoidal current having a constant amplitude.
[0024]
Here, the induced voltage eα, eβ of each phase of the motor 1 is calculated and estimated from the two-phase voltage command values Vα, Vβ and the two-phase AC currents iα, iβ by the induced voltage estimating calculation device 12.
[0025]
A sin θ ^est _re is calculated by the sine function generator 13 using the rotor position estimation electrical angle θ ^est _re obtained or estimated in advance as an input. And one phase eβ of the 2-phase AC induced voltage estimation and calculation result of the sin [theta ^est _re, performs multiplication is input to the multiplier 15. Similarly, cos θ ^est _re is calculated by the cosine function generator 14 using the rotor position estimation electric angle θ ^est _re obtained in advance as an input. And one phase eβ of the 2-phase AC induced voltage estimation and calculation results of the cos [theta] ^est _re, performs multiplication is input to the multiplier 16. Enter a value between eβ × sinθ ^est _re and eα × cosθ ^est _re obtained here to the subtracter 17 obtains a ^{_{eα × cosθ est re -eβ × sinθ}} est re is the difference.
[0026]
Enter the ^{_{eα × cosθ est re -eβ × sinθ}} est re to the first amplifier 18, which amplifies it. The output amplified by the first amplifier 18 is input to the first integrator 20 to perform integration. The output result integrated by the first integrator 20 is further input to a second integrator 21 for integration, and the integrated output from the first integrator 20 is combined with the second integrator 21. The amplification is performed by the second amplifier 19 connected in parallel to the second amplifier. Then, the integration result from the second integrator 21 and the amplification result from the second amplifier 19 are input to the adder 22, and the integration output and the amplification output are added.
[0027]
The calculated output (electrical angle) from the adder 22 is used as the estimated position of the rotor of the motor 1, and the calculated output is used as the estimated position (electrical angle) of the rotor of the motor 1, and the sine function generator is used. 13 and the cosine function generator 14 are fed back to replace the previously obtained or estimated rotor position with the input rotor position, and repeatedly calculate.
By repeating this operation, and the rotor position (electrical angle) theta ^est _re the calculated output is estimated of the motor from the adder 22.
[0028]
Next, the operation of the rotor position estimating device 11 will be described.
In the windings of the two-phase stepping motor 1, L is a self-inductance value for one phase, R is a resistance value for one phase, M is a mutual inductance value, iα and iβ are phase currents of each phase, and Vα and Vβ are The phase voltages of each phase, eα, and eβ, are the induced voltages of each phase.
The current-voltage equation of the motor 1 at this time is as follows.
[Expression 1]

[0029]
The voltage is a voltage instruction value from the control device 5, the current is a current detection value, and the self-inductance L, the mutual inductance M, and the resistance value R are calculated by the following equation using the values measured in advance. , Eβ can be obtained.
[Expression 2]

The part that performs this calculation is the induced voltage estimation calculation device 12.
[0030]
Next, a method for obtaining position information from the estimated induced voltage information will be described.
The field flux α, β phase armature winding interlinkage flux numbers ψ _f _α , _{ｆ f} _β that induce the induced voltages eα, eβ are expressed by the following equations, where the maximum value is _{ｆ f} ′. .
[Equation 3]

[0031]
Here, θ _re is the angle (electric angle) of the field taken clockwise with respect to the α-phase armature winding, and is expressed by the following equation, where ω _re is the electric angular velocity.
[Expression 4]

At this time, the induced voltages eα and eβ of the respective phases are expressed by the following equations.
[Equation 5]

[0032]
Obtains a sine (sin) value and the cosine (cos) value of the estimated position calculation result theta ^est _re of the rotor the motor 1, becomes the the respective values induced voltage Iarufa, when multiplied by the eβ the following equation.
[Formula 6]

The parts that perform this calculation are the sine function generator 13, the cosine function generator 14, and the

multipliers

15, 16.
[0033]
When the above equation (9) is subtracted from the above equation (8), the following equation is obtained.
[Expression 7]

Here, if θ ^est _re ≒ θ _reぱ, the following equation holds.
[Equation 8]

[0034]
Substituting equation (11) into equation (10) gives the following equation.
[Equation 9]

It can be seen that equation (12) is a value proportional to the deviation between the estimation result (electrical angle) and the measured value (electrical angle). The part that performs this calculation is the subtractor 17.
[0035]
In other words, the output result from the subtractor 17 in FIG. 1 indicates that θ _re −θ ^est _re has been calculated. Therefore, the amplification factor of the first amplifier 18 is A1, the amplification factor of the second amplifier 19 is A2, and the transfer functions of the first and second integrators 13 and 14 are 1 / s. The following equation is obtained when the transfer function after the induced voltage estimation operation device 12 is obtained.
[Expression 10]

In the expression (13), the estimated position (electrical angle) θ ^est _re of the rotor of the motor 1 and the actual position (electrical angle) θ _re are a tracking filter that coincides at time ∽ (infinity). It is shown that.
[0036]
Further, in order to obtain the estimated position of the rotor with a response of a desired damping factor or natural frequency, the amplification factor A1 of the first amplifier 18 and the amplification factor A2 of the second amplifier 19 are determined. Can be set.
Here, the rotor position estimate theta ^est _re determined is an estimated result of the electrical angle of the induced voltage taken clockwise relative to the α-phase armature winding. Therefore, the field position becomes an angle advanced by 90 °.
[0037]
FIG. 2 is a result of the estimated position represented by the electric angle with respect to time, and is a result of the estimation of the electric angle estimated by the present embodiment when the current control is performed with the electric angle frequency being 16 Hz and the current command being 1 A. As can be seen from the result, the estimation result of the induced voltage does not include a noise component.
[0038]
Then, as another embodiment, be using an inverse tangent function instead of the tracking filter, it is possible to obtain the estimated position theta ^est _re of the rotor.
FIG. 3 is an estimation result (electric angle) of the induced voltage when the current control is performed with the electric angular frequency of 16 Hz and the current command set to 1 A. As can be seen from the result, the estimation result of the induced voltage contains many noise components.
[0039]
Using this information, the result obtained by calculating the electrical angle with the arc tangent function was estimated using the arc tangent function when the current control was performed with the electrical angle frequency being 16 Hz and the current command being 1 A, as shown in FIG. It is an estimation result of an electric angle. With this method, noise is generated in the estimation result, and it can be seen that it is impossible to use the method for motor control as it is.
The output of the arctangent function is in the range of ± 90 °. In order to make the estimation range from 0 ° to 360 °, it is necessary to perform case division.
[0040]
Note that the technology of the present invention is not limited to the technology in the above-described embodiment, and may be implemented by means of other modes that perform the same function. , Can be added.
[0041]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the rotor position estimating method of the stepping motor of the present invention, the configuration shown in claim 1 can be applied to the micro-step drive of the stepping motor, and a special dedicated motor can be used. An excellent effect is obtained in that it is not necessary to detect and calculate the phase output voltage instruction of each phase and the phase current of each phase, which are outputs from the control device.
[0042]
Further, according to the rotor position estimating device of the present invention, since it has the structure shown in claim 3, it can be applied to micro-step driving of the stepping motor, and does not require a special dedicated motor. It is possible to detect and calculate the phase output voltage instruction and the phase current of each phase, which are outputs from the microcomputer.
[0043]
Further, according to the method and the apparatus of the present invention, the following effects can be further obtained. That is, since the filter also has a filter function, detection noise is small, and the current is usually controlled in the same phase as the induced voltage.
Therefore, the position information estimated according to the present invention can be used as it is as the excitation position. Further, the electric angle can be estimated and the position of the rotor of the motor can be estimated without dividing the estimation range from 0 ° to 360 °.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration system diagram of a control device of a stepping motor and a rotor position estimating device showing an example of an embodiment of a rotor position estimating method of the present invention.
FIG. 2 is an estimation result of an electrical angle estimated by the present embodiment when an electric angular frequency is 16 Hz, a current command is 1 A, and current control is performed.
FIG. 3 is an estimation result of an induced voltage when current control is performed with an electrical angular frequency of 16 Hz and a current command of 1 A.
FIG. 4 shows an estimation result of an electrical angle estimated using an arctangent function when current control is performed with an electrical angular frequency of 16 Hz and a current command of 1 A.
[Explanation of symbols]
1 Two-phase stepping motor 2 AC power supply 3 Motor driver (motor drive device)
Reference Signs List 5 Motor control device 6 Current detector 7 Electric angle calculation device 8 Current control device 9 Voltage command calculation device 11 Rotor position estimation device 12 Induction voltage estimation calculation device 13 Sine function generator 14

Cosine function generator

15, 16 multiplier 17 subtracter 18 first amplifier 19 second amplifier 20 first integrator 21 second integrator 22 adder eα, eβ induced voltage iα, iβ drive current value i ^* command current Vα, Vβ Voltage command value V ^* Sine wave voltage θ ^* _re command electric angle θ _re Rotor actual position (electric angle)
θ ^est _re Rotor estimated position (electrical angle)
ω ^* _rm speed command

Claims

When driving the stepping motor,
A voltage command value for determining a drive current flowing through each phase of the motor input from the control device to the motor drive device, and a value of the drive current detected by a current detector, the induced voltage estimation calculation device, Calculate the induced voltage of each phase,
The respective sine function value and cosine function value corresponding to the rotor position of the motor previously obtained or estimated and input by the sine function generator and the cosine function generator are calculated by respective multipliers. The corresponding induced voltages of the respective phases are respectively multiplied,
Calculating, by a subtractor, a difference between the respective multiplied outputs from the respective multipliers;
The output from the subtractor is amplified by a first amplifier, and the output is integrated by a first integrator,
Integrating and amplifying the output from the first integrator by a second integrator and a second amplifier, respectively, in parallel;
The adder calculates the sum of the output from the second integrator and the output from the second amplifier,
The electrical angle calculated from the adder, as a rotor estimated position of the motor, by repeatedly feeding back and replacing the sine function generator and the rotor position of the cosine function generator, and repeatedly calculating, A method for estimating a rotor position of a stepping motor, wherein an electrical angle calculated from an adder is used as an estimated position of the rotor.

The voltage command value input from the control device to the motor drive device,
The speed command is converted into a command electric angle by the electric angle calculation device, and the current command is converted into a sinusoidal voltage by the current control device together with the value of the drive current detected by the current detector,
2. The method according to claim 1, wherein the command electric angle and the sinusoidal voltage are both voltage command values of each phase of the motor output by a voltage command calculation device. .

A rotor position estimating device for a stepping motor,
A voltage command value for determining a drive current to be passed through each phase of the motor, which is input from the control device to the motor drive device, and a value of the drive current detected by a current detector are input, and each phase of the motor is input. An induced electromotive voltage estimation calculating device for calculating an induced voltage of
A sine function generator and a cosine function generator that generate a sine function value and a cosine function value, respectively, corresponding to the rotor position of the motor that has been determined or estimated and input in advance,
Multiplying each of the induced voltages of the respective phases calculated from the induced electromotive voltage estimation calculation device by a sine function value and a cosine function value generated from each of the sine function generator and the cosine function generator, A plurality of multipliers corresponding to the number of motor phases;
A subtractor for calculating a difference between outputs from the respective multipliers,
A first amplifier for amplifying the output from the subtractor;
A first integrator for integrating the output of the first amplifier,
A second integrator for further integrating the output of the first integrator;
A second amplifier for amplifying the output of the first integrator;
An adder for adding the output of the second integrator and the output of the second amplifier,
The electrical angle calculated from the adder, as a rotor estimated position of the motor, by repeatedly feeding back and replacing the sine function generator and the rotor position of the cosine function generator, and repeatedly calculating, A rotor position estimating device for a stepping motor, wherein an electrical angle calculated from an adder is used as an estimated position of the rotor.

The control device is for inputting the voltage command value to the motor drive device,
An electrical angle calculation device that converts a speed command into a command electric angle, a current control device that inputs a command current together with the value of the drive current detected by the current detector, and outputs a sinusoidal voltage,
A voltage command calculator that inputs both the command electrical angle output from the electrical angle calculator and the sinusoidal voltage output from the current controller and outputs the voltage command value. The rotor position estimating device for a stepping motor according to claim 3.