JP2004289898A - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ステッピングモータの磁極位置を推定する場合、推定位置の分解能が低い、高速回転時の検出が困難、２相、５相など、相数の異なるステッピングモータに対応することが困難などの問題があった。
【構成】上記問題を解決するために本発明では、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ相電流を検出する電流検出器と、モータ巻線抵抗と巻線インダクタンスの直列回路と同一時定数の一次遅れ要素で構成するモータ巻線定数特性演算器とをそれぞれ各相独立に備え、モータ印加電圧検出値を前記モータ巻線定数特性演算器に印加し、前記モータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分を演算し、各相独立に得られるモータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分から逆正接を演算する磁極位置推定器を構成し，前記磁極位置推定器の推定値を用いてモータを制御する。
【選択図】 図１
【構成】上記問題を解決するために本発明では、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ相電流を検出する電流検出器と、モータ巻線抵抗と巻線インダクタンスの直列回路と同一時定数の一次遅れ要素で構成するモータ巻線定数特性演算器とをそれぞれ各相独立に備え、モータ印加電圧検出値を前記モータ巻線定数特性演算器に印加し、前記モータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分を演算し、各相独立に得られるモータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分から逆正接を演算する磁極位置推定器を構成し，前記磁極位置推定器の推定値を用いてモータを制御する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、位置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】
ステッピングモータは一般に開ループ位置制御を行う制御モータであり、駆動方法を工夫して振動、騒音を低減している。また、脱調現象を回避するためにステッピングモータに位置検出器を搭載し、閉ループ制御を行うことも検討されている。脱調を回避し正確な位置制御を実現するためには位置検出器を用いた閉ループ駆動方式が有効である。しかし、配線の増加やコストの上昇を伴うため、適用範囲が制限される。
そのため、モータの固有定数や動作時の観測可能情報からモータの磁極位置、即ち磁極位置を推定するセンサレス駆動技術が検討されている。
ハイブリッド形ステッピングモータは、永久磁石形同期電動機と類似した特性を有し、モータの挙動把握、解析に同期電動機の解析手法が用いられることがあり、ハイブリッド形ステッピングモータのセンサレス駆動を実現する方法としても、同期電動機のセンサレス駆動技術の応用展開が考えられる。しかし、ステッピングモータは駆動時の印加電圧が方形波状パルス波形または階段状擬似正弦波形であるため電圧、電流に高次の奇数高調波が多く含まれること、例えば分解能１．８度／ステップの２相機で１００極であるように同期電動機に対してモータ極数が１０倍程度多い多極機であることが大きな特徴といえる。そのため、位置推定演算の時間遅れの影響が大きい、微分演算時の雑音が大きいなどの技術課題があるため、ステッピングモータの位置センサレス駆動技術適用事例が非常に少ない。
【０００３】
国際公開番号ＷＯ００／０４４３２文献（以下公知文献１と称する）は、ステッピングモータの位置センサレス制御装置に関する数少ない適用事例である。以下、公知文献１の概要を記述する。
図５は公知文献１の実施例である。公知文献１は、３相ハイブリッド形ステッピングモータを対象として、零速度（停止）時及び低速回転時は、外部から位置指令入力端子１０１に与えられる位置指令パルスにしたがいモータ通電状態を強制的に切り替えることでモータを駆動する。これを同期運転と称する。
【０００４】
速度が上昇し速度起電力を検出できる状態にあるときは、ロータ位置検出回路１９１でモータ端子電圧からモータ速度起電力の極性の切り替わりを検出し、ロータ位置信号を生成しゲート信号発生回路１６０に与えるとともに、転流タイミング信号を転流パルス発生回路に出力する。転流パルス発生回路１９２は、ロータ位置検出回路１９１で生成した転流タイミング信号で磁極位置が変化するごとに位置検出パルスを発生し、偏差カウンタ１１１に出力する。偏差カウンタ１１１は、前記位置指令パルスと前記位置検出パルスをそれぞれ計数し、その差分である位置偏差を出力する。前記位置偏差は電圧指令制御回路１３０及びＰＷＭ（パルス幅変調）制御回路１４２を通りゲート信号発生回路にモータ印加電圧を調整するためのＰＷＭ変調信号として与えられる。即ち、速度起電力が検出可能な場合には、速度起電力に基づき励磁タイミングを決定し、且つモータ印加電圧を調整することで指令に対する位置ずれを是正する運転を行っている。これを位置センサレス閉ループ運転と称する。
【０００５】
ここで、電圧指令制御回路の入力は、位置偏差と、位置偏差の積分値を用いたＰＩ補償器と、転流パルス発生回路で検出した位置検出パルスの周波数成分即ち回転速度を用いた速度補償器を用いて生成することで位置指令パルスに対する追従性が向上することが記述されている。また、ロータ位置検出は、モータ各相それぞれの端子電圧と仮想中性点電圧を比較し極性反転位置を検出し生成していることが記述されている。
【０００６】
なお、同期運転と位置センサレス閉ループ運転の切り替えは、運転モード切替回路１５０で所定の切り替え条件に基づき運転切り替え信号を発生し、切り替えスイッチ１５１及び１５２を切り替えることで実現している。また、同期運転用ＰＷＭ発生回路１４１及びバイアス制御回路１１２は、同期運転時の駆動条件と切り替え時の適正条件を与えるものである。
【０００７】
以上の如く、公知文献１は、モータの端子電圧を検出し、基準電圧と比較することでモータの速度起電力に基づく磁極位置を検出し、磁極位置の検出が可能な場合には位置センサレス閉ループ運転と称する前記速度起電力に基づく磁極位置でモータの励磁切り替えと、前記位置偏差に基づくモータ印加電圧の調整を行っている。
【０００８】
しかし、公知文献１による従来技術の場合、モータ速度起電力の極性反転タイミングを検出するものであるから、例えば、マイクロステップ駆動を行う場合の微小な励磁位置の変化を必要とする場合には検出分解能が低いという問題がある。
また、公知文献１による従来技術では、モータの速度起電力の極性反転位置に対応して励磁切り替えを行い、位置偏差の変化で印加電圧を調整するため、印加電圧が飽和する領域以降の高速回転が困難であるという問題がある。
また、公知文献１による従来技術では３相ステッピングモータへの適用を前提とした内容であり、２相、５相など、相数の異なるステッピングモータに対応することが困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上の如く、従来技術では、ステッピングモータを駆動状態でモータ諸種定数から磁極位置を検出する場合、検出位置の分解能が低いという問題があった。また、磁極位置と励磁切り替え条件が固定されており，印加電圧が飽和する領域以降の高速回転が困難であるという問題があった。また、２相、５相など、相数の異なるステッピングモータに対応することが困難であるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決し、多相ハイブリッド形ステッピングモータにおいて、磁極位置検出の分解能が高いセンサレス磁極位置検出方法を実現し脱調現象を検出または回避することを目的としている。
また、多相ハイブリッド形ステッピングモータにおいて、高速回転可能なモータ駆動装置を実現することを目的としている。
また、ハイブリッド形ステッピングモータにおいて、モータ相数の影響を受けずらいセンサレス磁極位置検出方法及びモータ駆動装置を実現することを目的としている。
【００１１】
【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、正弦波状階段電流を通電する多相ステッピングモータの駆動装置において、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ相電流を検出する電流検出器と、モータ巻線抵抗と巻線インダクタンスの直列回路と同一時定数の一次遅れ要素で構成するモータ巻線定数特性演算器とをそれぞれ巻線相ごとに独立に備え、前記電圧検出器の出力であるモータ印加電圧検出値を前記モータ巻線定数特性演算器に印加し、前記モータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分を演算し、各相独立に得られるモータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分から逆正接を演算する磁極位置推定器を構成し、前記磁極位置推定器の出力からモータ磁極位置を推定するように構成した位置推定器を設ける。
【００１２】
また、前記磁極位置推定器の出力に巻線時定数によって発生するモータの回転速度に対する電流の位相角度を補正してモータ磁極位置を推定するように構成した位置推定器を設ける。
【００１３】
また、ステッピングモータの脱調を判定するために、前記磁極位置推定器の出力に巻線時定数によって発生するモータの回転速度に対する電流の位相角度を補正してモータ磁極位置を推定し、外部から印加する位置指令と前記モータ磁極位置推定値の差を演算する位置偏差演算器を設け、前記位置偏差の大きさが所定値を超えたことを検出するように構成する。
【００１４】
また、位置指令からモータ指令速度を演算し、前記モータ指令速度に対応する回転角周波数を用いて電流の位相角度を補正する機能を有する位置推定器にて推定したモータ磁極位置推定値をモータ磁極位置検出値として用い、前記位置指令と前記モータ磁極位置検出値でモータ励磁位置を制御するように構成する。
【００１５】
また、前記モータ巻線定数特性演算器の出力値と前記モータ相電流検出値の差分から逆正接を演算する前記磁極位置推定器の推定値を微分演算し、前記推定値の微分値に対応する回転角周波数を用いて電流の位相角度を補正する機能を有する位置推定器にて推定したモータ磁極位置推定値をモータ磁極位置検出値として用い、前記位置指令と前記モータ磁極位置検出値でモータ励磁位置を制御するように構成する。
【００１６】
また、前記モータ巻線定数特性演算器はモータと同一時定数の抵抗とコンデンサの直列回路で構成し、前記直列回路に電圧検出器の出力である印加電圧検出値を加え、コンデンサ端子電圧を係数倍した値を出力信号とするように構成する。
【００１７】
また、前記モータ巻線定数特性演算器はモータと同一時定数の抵抗とコンデンサの直列回路で構成し、前記直列回路に電圧検出器の出力である印加電圧検出値を加え、コンデンサ端子電圧を係数倍した値を出力信号とするように構成する。
【００１８】
また、モータ印加電圧に比例した制御電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器の検出値を増幅する係数器を設け、前記磁極位置推定器のモータ印加電圧検出器に代替するように構成する。
【００１９】
また、多相ステッピングモータにおいて、モータ印加電圧検出値及びモータ相電流検出値を多相から２相への座標変換演算を行い、多相信号を２相相当信号として前記磁極位置推定器に加えるように構成する。
【００２０】
【作用】
上記構成にすることで、本発明の課題とする高分解能のセンサレス磁極位置推定方法を実現することが可能となり、高速回転可能なステッピングモータ駆動装置を実現することができる。また、ステッピングモータにおいて、モータ相数の影響を受けずらいセンサレス磁極位置推定方法及びモータ駆動装置を実現することができる。以下その根拠を記述する。
モータの速度起電力は数式１（α相）及び数式２（β相）で表すことができる。
【数１】
【数２】
また、モータの電圧方程式を数式３（α相）及び数式４（β相）で表す。
【数３】
【数４】
ただし、数式で使用した記号は、ｅα、ｅβはモータの速度起電力、ｉα、ｉβはモータの相電流、θｒｅは電気角で表したモータ回転角度、ωｒｅは電気角で表したモータ軸回転角速度（モータの基本角周波数、θｒｅ＝ωｒｅｔ）、Φはモータ磁束、ｖα、ｖβはモータの印加電圧、Ｒα、Ｒβは巻線抵抗、Ｌα、Ｌβは巻線インダクタンス、ｐは微分演算子である。ここで、モータ巻線定数Ｚα＝Ｒα＋ｐＬα、Ｚβ＝Ｒβ＋ｐＬβとした。なお、添え字のα、βはそれぞれのモータ相を示している。
【００２１】
数式３、数式４でモータが零速度（停止）状態では速度起電力が零となるから、このときの印加電圧と電流の関係は数式３、数式４と同一の電圧を印加した場合、数式５、数式６となる。
【数５】
【数６】
数式３から数式５を差し引き、数式７を得る。
【数７】
同様に数式４から数式６を差し引き、数式８を得る。
【数８】
【００２２】
相電流の差分を正弦波（ｉ０α−ｉα＝Ｉｍｃｏｓθｒｅ、ｉ０β−ｉβ＝Ｉｍｓｉｎθｒｅ）、Ｌα＝Ｌβ＝Ｌ＝一定、Ｒα＝Ｒβ＝Ｒ＝一定と仮定すると、数式７、数式８はそれぞれ数式９、数式１０となる。
【数９】
【数１０】
ただし、数式９、数式１０において、Ｅｅα、Ｅｅβはα相及びβ相の推定速度起電力、位相角ΦはΦ＝ｔａｎ−１｛ωｒｅＬ／（Ｒ＋ＬｐＩｍ）｝である。したがって、推定角度θｅはα相、β相の推定速度起電力の比から求めることができ、数式１１となる。
【数１１】
仮定より、θｒｅ＝ｔａｎ−１｛（ｉ０β−ｉβ）／（ｉ０α−ｉα）｝となるから、数式１１は数式１２に書き改めることができる。
【数１２】
【００２３】
したがって、モータ零速度時の相電流ｉ０α、ｉ０βとモータ回転時の相電流ｉα、ｉβとが検出できれば磁極位置θｅを推定できる。
図１及び図２は本発明の実施例であるが、本発明では、回転時モータ相電流は図１記載の電流検出器６１、６２で検出し、零速度時モータ相電流は、巻線定数と同一時定数の一次遅れ要素である図２記載のモータ巻線定数特性演算器５３、５４の出力とした。零速度時のモータは巻線抵抗と巻線インダクタンスの直列回路と見なすことができるから、モータ印加電圧に対してモータ電流は巻線定数によって決定される一次遅れ応答特性である。よって、モータ巻線定数特性演算器５３、５４は零速度時モータモデルに相当し、モータ巻線定数特性演算器５３、５４の電流はモータ零速度時相電流に相当する。加算器５５、５６でモータ回転時相電流と零速度時相電流の差分を演算し、逆正接演算器５７で数式１２の計算を実行することで推定角度を得ている。なお、係数器５１、５２は、零速度時モータモデルであるモータ巻線定数特性演算器５３、５４の構成を電子部品で行う場合と実際のモータ巻線定数による零速度状態の相違を調整する調整要素である。また、数式１２第２項は位置指令を微分して求めた速度指令とモータ巻線定数から求めることができる。よって、数式１２によるモータ磁極位置推定値は図２を含む図１の構成で実現可能であり、しかも、連続的に変化するモータ電流から磁極位置を推定しているため、高分解能の磁極位置推定値が得られる。
また、数式１２第１項はモータの速度起電力に比例した値から得られる角度であるから、数式１２第２項は上記位置指令の微分に替えて数式１２第１項を微分して求めた角周波数とモータ巻線定数からも同等値を求めることができる。
【００２４】
また、数式１２の演算は、連続系において実行する場合には時間遅れを伴わずに磁極位置推定を行うことができ、離散系において実行する場合には速度演算と前記モータ巻線定数特性演算の一次遅れ要素の演算に要する１サンプリング周期の遅れで磁極位置推定を行うことができるため、多相ハイブリッド形ステッピングモータにおいて、高速回転時まで適用可能である。
【００２５】
また、モータ巻線定数特性演算器は、一次遅れ要素であることから、モータと同一時定数の抵抗とコンデンサの直列回路で構成し、前記直列回路に電圧検出器の出力である印加電圧検出値を加え、コンデンサ端子電圧を係数倍した値を出力信号とすることで、零速度時電流と等価な信号を得ることができるため、実用的なモータ巻線定数特性演算器を構成できる。
【００２６】
また、インバータの出力がモータ印加電圧であるが、インバータのゲート信号または電流補償器の出力は印加電圧に比例しており、モータ巻線定数特性演算器にはゲート信号または電流制御器出力信号を係数器で補正したのちモータ巻線定数特性演算器に印加することでモータ印加電圧を用いた場合と等価な信号を得ることができる。ただし、モータ印加電圧とゲート信号がインバータの上下アーム短絡防止を目的とした無駄時間（デッドタイム）を含んでいるのに対して、電流補償器の出力はデッドタイムを含んでいないため、電流補償器の出力を用いる場合には、無駄時間を考慮した補正を行うほうが好ましい。
【００２７】
また、多相ステッピングモータの相電流検出値及びモータ印加電圧検出値を２相信号に変換する座標変換を行うことで、本発明は異なる相数のステッピングモータに適用することができる。
【００２８】
【実施例】
図１は本発明の第１の実施例を示すブロック図である。
図１において、磁極位置推定器５０（詳細は後述する）は、ステッピングモータ７０のα相モータ通電電流を検出する第１の電流検出器６１の出力ｉαと、β相モータ通電電流を検出する第２の電流検出器６２の出力ｉβと、ステッピングモータ７０の第１相（α相）モータ印加電圧Ｖαと、第２相（β相）モータ印加電圧Ｖβと、微分器８１の出力ω＊を入力とし、磁極位置推定値θｅを発生する。位置指令入力端子１０に入力される位置指令θ＊と前記磁極位置推定値θｅを位置制御器３０に入力する。位置制御器３０の出力と、電流振幅指令入力端子２０に加える電流振幅指令ｉ＊を電流制御器４０に加え、電流制御器４０（詳細は後述する）によりステッピングモータ７０の印加電圧を制御するように構成する。なお、位置指令θ＊を微分器８１で微分し速度指令ω＊を得ている。
【００２９】
図２は磁極位置推定器５０の内部構成を示すブロック図である。図１に示す電流検出器６１、６２で回転時モータ相電流ｉα及びｉβを検出し、加算器５５及び５６の一方の入力端子に加える。電流制御器４０の出力であるモータ印加電圧ｖα、ｖβを係数器５１、５２を介してモータ巻線定数特性演算器５３、５４に加えモータ零速度時の相電流ｉ０α、ｉ０βを求め、加算器５５、５６の他方の入力端子に加える。モータ零速度時の相電流ｉ０α、ｉ０βと回転時モータ相電流ｉα及びｉβの差分である加算器５５及び５６の出力を逆正接演算器５７に加え数式１２第１項であるθｒｅを求める。一方、微分器８１出力のモータ速度指令ω＊を用いて位相角演算器５８で数式１２第２項の演算を行う。最後に、加算器５９で数式１２第１項であるθｒｅと数式１２第２項である位相角φを加算し磁極位置推定値θｅを出力する。
【００３０】
ここで、モータ巻線定数特性演算器５３、５４は、モータ零速度時の電流に比例した値を得るものであるから、例えば、モータ巻線定数と同一時定数となるように構成した抵抗とコンデンサの直列回路でコンデンサ端子電圧を出力としている。このときの零速度時モータ電流ｉ０αとコンデンサ端子電圧ｖｃの関係は数式１３となるから、前段の係数器５１、５２は増幅度１／Ｒとする。
【数１３】
ただし、Ｃは巻線定数特性演算器に用いたコンデンサの静電容量、ｒは巻線定数特性演算器に用いた抵抗で、Ｌ／Ｒ＝Ｃｒの関係が成り立つように定数を決定した。
【００３１】
位置制御器３０について詳述する。
図３は位置制御器の実施例である。位置制御器３０は、位置指令入力端子１０に加えられる位置指令と、磁極位置推定器５０の出力である磁極位置推定値θｅ入力としている。加算器３１は位置指令θ＊と磁極位置推定値θｅの差（位置偏差）を求め、前記位置偏差を位置補償器３２に与える。位置補償器３２は位置偏差を増幅し、加算器３３で位置補償器３２の出力γと磁極位置推定値θｅを加えて位置制御信号λを出力する。ステッピングモータは位置指令に追従して回転するが、指令が印加されると過渡的に位置偏差を生じる。図３の構成で、位置偏差εが発生すると位置制御信号λは磁極位置推定値θｅに位置偏差を増幅した値が出力される。例えば、位置補償器３２がゲイン１倍の比例要素であれば、位置制御信号λは位置指令そのものとなる。また、図３の実施例では位置補償器３２に位置偏差εが既定値（例えば電気角９０度）を超えた場合、出力を一定値に保つ飽和特性を持たせている。これにより、脱調限界においてモータ励磁角度をロータ磁極位置推定値に対して一定の励磁角度を維持することが可能となり、モータは磁極位置推定が可能な範囲で脱調を回避することができる。
【００３２】
電流制御器４０について詳述する。
図４は電流制御器４０の実施例である。電流制御器４０は電流振幅指令入力端子２０から与えられる外部電流振幅指令ｉ＊と、位置制御器３０の出力である位置制御信号λと、前記第１の電流検出器６１の出力である第１の電流検出値ｉαと、前記第２の電流検出器６２の出力である第２の電流検出値ｉβを入力として、第１のモータ印加電圧Ｖαと、第２のモータ印加電圧Ｖβを出力するものである。
励磁信号発生器４１は位置制御信号λを角度信号としてモータ印加電圧の基本信号である２相交流ｃｏｓλ及びｓｉｎλを発生する。
前記２相交流は乗算器４２及び４３で外部電流振幅指令ｉ＊に比例した振幅に変換された電流指令（ｉ＊ｃｏｓλ及びｉ＊ｓｉｎλ）を生成する。加算器４４及び４５は前記電流指令と、２相電流検出値ｉα、ｉβとの電流偏差を演算する。前記電流偏差は電流補償器４６及び４７で増幅したのち、ＰＷＭ（パルス幅変調）変換器４８に加えられる。
ＰＷＭ変換器４８は、第１相の電流補償器４６の出力ＶａｃｒαをＰＷＭ変調しインバータ駆動信号Ｖｇαを生成する。同様にＰＷＭ変換器４８は、第２相の電流補償器４７の出力ＶａｃｒβをＰＷＭ変調しインバータ駆動信号Ｖｇβを生成する。インバータ４９は、第１相のインバータ駆動信号Ｖｇα及び第２相のインバータ駆動信号Ｖｇβにより第１相（α相）モータ印加電圧Ｖαと、第２相（β相）モータ印加電圧Ｖβを出力する。
【００３３】
即ち、電流制御器４０は、電流指令とモータ電流との差が小さくなるような電流制御を行い、モータの励磁位置は、位置制御信号λにより決定される。つまり、ステッピングモータとしての歩進位置の制御と速度上昇に伴うモータ励磁位置の補正が位置制御信号λを調整することで可能となっている。
【００３４】
図６は、本発明の第２の実施例である。
図６は、図１の第１の実施例に対して、電流制御器４０は同一構成で、位置制御器と磁極位置推定器の構成が異なる。
【００３５】
磁極位置推定器の構成については、第１の実施例では、図２に示した通り磁極位置推定器５０の入力はモータ端子電圧（Ｖα、Ｖβ）及びモータ相電流（ｉα、ｉβ）としたが、第２の実施例では、図６に示すように磁極位置推定器５００の入力は、第１の実施例のモータ端子電圧（Ｖα、Ｖβ）に替えて図４にある電流補償器４６の出力Ｖａｃｒα及び電流補償器４７の出力Ｖａｃｒβを用いている。モータ相電流（ｉα、ｉβ）は第１の実施例と同一のものである。また、磁極位置推定器５００の構成も第１の実施例と同様に図２の通りである。ただし、電流補償器の出力は、モータ印加電圧と比例関係にあるため、磁極位置推定器５００内の係数器の設定が第１の実施例とは異なり、係数器５１、５２は増幅度１／Ｒに更に比例係数を乗じた値としている。
【００３６】
位置制御器の構成については、第１の実施例では、図３に示した通り位置制御信号λは磁極位置推定値θｅに位置偏差を増幅した値としたが、第２の実施例では、図７に示すように、位置制御信号λは磁極位置推定値θｅに位置偏差を増幅した値と、磁極位置推定値θｅを微分し係数倍した値を加算している。これは、速度の変化に対応して、モータの励磁位置を調整するものである。また，３６は基準値発生器であり，加算器３１の出力である位置偏差εを比較器３７で比較し，位置偏差が基準値を超えた場合偏差過大信号ｅｒｒを発生する。偏差過大信号ｅｒｒは，詳細構成を省略したが，電流制御器４０の出力を遮断しモータを停止させるための信号として用いる。
【００３７】
【発明の効果】
上記のごとく、ステッピングモータの駆動において、高速で高分解能のモータ磁極位置推定値が得られるため、通常のステッピングモータと同様に特別な検出器を設けることなく、位置検出器付のモータと同等の駆動特性を実現できる。よって、本発明によるステッピングモータ駆動装置は、開ループ制御方式に比べ同一モータを使いながら脱調の恐れが少なく信頼性の高い装置を構築できる。なお、離散値演算を実施する場合、マイクロプロセッサ等の集積回路が使用可能であるため、本発明による駆動装置は、小型、低価格で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る第１の実施例及び第２の実施例の機能説明用部分ブロック図である。
【図３】本発明に係る第１の実施例における位置制御器の詳細ブロック図である。
【図４】本発明に係る第１の実施例における電流制御器の詳細ブロック図である。
【図５】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。
【図６】本発明に係る第２の実施例を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る第２の実施例における位置制御器の詳細ブロック図である。
【００３９】
【符号の説明】
１０ 位置指令入力端子
２０ 電流振幅指令入力端子
３０、３００ 位置制御器
３１ 加算器
３２ 位置補償器
３３ 加算器
３４ 微分器
３５ 係数器
３６ 基準値発生器
３７ 比較器
４０ 電流制御器
４１ 励磁信号発生器
４２、４３ 乗算器
４４、４５ 加算器
４６、４７ 電流補償器
４８ ＰＷＭ変換器
４９ インバータ
５０、５００ 磁極位置推定器
５１、５２ 係数器
５３、５４ モータ巻線定数特性演算器
５５、５６ 加算器
５７ 逆正接演算器
５８ 位相角演算器
５９ 加算器
６１、６２ 電流検出器
７０ ステッピングモータ
８１ 微分器
１０１ 位置指令入力端子
１１１ 偏差カウンタ
１２０ 加算器
１３０ 電圧指令制御回路
１４１ 同期運転用ＰＷＭ発生回路
１４２ ＰＷＭ制御回路
１５１、１５２ 切り替えスイッチ
１６０ ゲート信号発生回路
１７０ インバータ
１８０ ステッピングモータ
１９１ ロータ位置検出回路
１９２ 転流パルス発生回路
【産業上の利用分野】
本発明は、位置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】
ステッピングモータは一般に開ループ位置制御を行う制御モータであり、駆動方法を工夫して振動、騒音を低減している。また、脱調現象を回避するためにステッピングモータに位置検出器を搭載し、閉ループ制御を行うことも検討されている。脱調を回避し正確な位置制御を実現するためには位置検出器を用いた閉ループ駆動方式が有効である。しかし、配線の増加やコストの上昇を伴うため、適用範囲が制限される。
そのため、モータの固有定数や動作時の観測可能情報からモータの磁極位置、即ち磁極位置を推定するセンサレス駆動技術が検討されている。
ハイブリッド形ステッピングモータは、永久磁石形同期電動機と類似した特性を有し、モータの挙動把握、解析に同期電動機の解析手法が用いられることがあり、ハイブリッド形ステッピングモータのセンサレス駆動を実現する方法としても、同期電動機のセンサレス駆動技術の応用展開が考えられる。しかし、ステッピングモータは駆動時の印加電圧が方形波状パルス波形または階段状擬似正弦波形であるため電圧、電流に高次の奇数高調波が多く含まれること、例えば分解能１．８度／ステップの２相機で１００極であるように同期電動機に対してモータ極数が１０倍程度多い多極機であることが大きな特徴といえる。そのため、位置推定演算の時間遅れの影響が大きい、微分演算時の雑音が大きいなどの技術課題があるため、ステッピングモータの位置センサレス駆動技術適用事例が非常に少ない。
【０００３】
国際公開番号ＷＯ００／０４４３２文献（以下公知文献１と称する）は、ステッピングモータの位置センサレス制御装置に関する数少ない適用事例である。以下、公知文献１の概要を記述する。
図５は公知文献１の実施例である。公知文献１は、３相ハイブリッド形ステッピングモータを対象として、零速度（停止）時及び低速回転時は、外部から位置指令入力端子１０１に与えられる位置指令パルスにしたがいモータ通電状態を強制的に切り替えることでモータを駆動する。これを同期運転と称する。
【０００４】
速度が上昇し速度起電力を検出できる状態にあるときは、ロータ位置検出回路１９１でモータ端子電圧からモータ速度起電力の極性の切り替わりを検出し、ロータ位置信号を生成しゲート信号発生回路１６０に与えるとともに、転流タイミング信号を転流パルス発生回路に出力する。転流パルス発生回路１９２は、ロータ位置検出回路１９１で生成した転流タイミング信号で磁極位置が変化するごとに位置検出パルスを発生し、偏差カウンタ１１１に出力する。偏差カウンタ１１１は、前記位置指令パルスと前記位置検出パルスをそれぞれ計数し、その差分である位置偏差を出力する。前記位置偏差は電圧指令制御回路１３０及びＰＷＭ（パルス幅変調）制御回路１４２を通りゲート信号発生回路にモータ印加電圧を調整するためのＰＷＭ変調信号として与えられる。即ち、速度起電力が検出可能な場合には、速度起電力に基づき励磁タイミングを決定し、且つモータ印加電圧を調整することで指令に対する位置ずれを是正する運転を行っている。これを位置センサレス閉ループ運転と称する。
【０００５】
ここで、電圧指令制御回路の入力は、位置偏差と、位置偏差の積分値を用いたＰＩ補償器と、転流パルス発生回路で検出した位置検出パルスの周波数成分即ち回転速度を用いた速度補償器を用いて生成することで位置指令パルスに対する追従性が向上することが記述されている。また、ロータ位置検出は、モータ各相それぞれの端子電圧と仮想中性点電圧を比較し極性反転位置を検出し生成していることが記述されている。
【０００６】
なお、同期運転と位置センサレス閉ループ運転の切り替えは、運転モード切替回路１５０で所定の切り替え条件に基づき運転切り替え信号を発生し、切り替えスイッチ１５１及び１５２を切り替えることで実現している。また、同期運転用ＰＷＭ発生回路１４１及びバイアス制御回路１１２は、同期運転時の駆動条件と切り替え時の適正条件を与えるものである。
【０００７】
以上の如く、公知文献１は、モータの端子電圧を検出し、基準電圧と比較することでモータの速度起電力に基づく磁極位置を検出し、磁極位置の検出が可能な場合には位置センサレス閉ループ運転と称する前記速度起電力に基づく磁極位置でモータの励磁切り替えと、前記位置偏差に基づくモータ印加電圧の調整を行っている。
【０００８】
しかし、公知文献１による従来技術の場合、モータ速度起電力の極性反転タイミングを検出するものであるから、例えば、マイクロステップ駆動を行う場合の微小な励磁位置の変化を必要とする場合には検出分解能が低いという問題がある。
また、公知文献１による従来技術では、モータの速度起電力の極性反転位置に対応して励磁切り替えを行い、位置偏差の変化で印加電圧を調整するため、印加電圧が飽和する領域以降の高速回転が困難であるという問題がある。
また、公知文献１による従来技術では３相ステッピングモータへの適用を前提とした内容であり、２相、５相など、相数の異なるステッピングモータに対応することが困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上の如く、従来技術では、ステッピングモータを駆動状態でモータ諸種定数から磁極位置を検出する場合、検出位置の分解能が低いという問題があった。また、磁極位置と励磁切り替え条件が固定されており，印加電圧が飽和する領域以降の高速回転が困難であるという問題があった。また、２相、５相など、相数の異なるステッピングモータに対応することが困難であるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決し、多相ハイブリッド形ステッピングモータにおいて、磁極位置検出の分解能が高いセンサレス磁極位置検出方法を実現し脱調現象を検出または回避することを目的としている。
また、多相ハイブリッド形ステッピングモータにおいて、高速回転可能なモータ駆動装置を実現することを目的としている。
また、ハイブリッド形ステッピングモータにおいて、モータ相数の影響を受けずらいセンサレス磁極位置検出方法及びモータ駆動装置を実現することを目的としている。
【００１１】
【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、正弦波状階段電流を通電する多相ステッピングモータの駆動装置において、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ相電流を検出する電流検出器と、モータ巻線抵抗と巻線インダクタンスの直列回路と同一時定数の一次遅れ要素で構成するモータ巻線定数特性演算器とをそれぞれ巻線相ごとに独立に備え、前記電圧検出器の出力であるモータ印加電圧検出値を前記モータ巻線定数特性演算器に印加し、前記モータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分を演算し、各相独立に得られるモータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分から逆正接を演算する磁極位置推定器を構成し、前記磁極位置推定器の出力からモータ磁極位置を推定するように構成した位置推定器を設ける。
【００１２】
また、前記磁極位置推定器の出力に巻線時定数によって発生するモータの回転速度に対する電流の位相角度を補正してモータ磁極位置を推定するように構成した位置推定器を設ける。
【００１３】
また、ステッピングモータの脱調を判定するために、前記磁極位置推定器の出力に巻線時定数によって発生するモータの回転速度に対する電流の位相角度を補正してモータ磁極位置を推定し、外部から印加する位置指令と前記モータ磁極位置推定値の差を演算する位置偏差演算器を設け、前記位置偏差の大きさが所定値を超えたことを検出するように構成する。
【００１４】
また、位置指令からモータ指令速度を演算し、前記モータ指令速度に対応する回転角周波数を用いて電流の位相角度を補正する機能を有する位置推定器にて推定したモータ磁極位置推定値をモータ磁極位置検出値として用い、前記位置指令と前記モータ磁極位置検出値でモータ励磁位置を制御するように構成する。
【００１５】
また、前記モータ巻線定数特性演算器の出力値と前記モータ相電流検出値の差分から逆正接を演算する前記磁極位置推定器の推定値を微分演算し、前記推定値の微分値に対応する回転角周波数を用いて電流の位相角度を補正する機能を有する位置推定器にて推定したモータ磁極位置推定値をモータ磁極位置検出値として用い、前記位置指令と前記モータ磁極位置検出値でモータ励磁位置を制御するように構成する。
【００１６】
また、前記モータ巻線定数特性演算器はモータと同一時定数の抵抗とコンデンサの直列回路で構成し、前記直列回路に電圧検出器の出力である印加電圧検出値を加え、コンデンサ端子電圧を係数倍した値を出力信号とするように構成する。
【００１７】
また、前記モータ巻線定数特性演算器はモータと同一時定数の抵抗とコンデンサの直列回路で構成し、前記直列回路に電圧検出器の出力である印加電圧検出値を加え、コンデンサ端子電圧を係数倍した値を出力信号とするように構成する。
【００１８】
また、モータ印加電圧に比例した制御電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器の検出値を増幅する係数器を設け、前記磁極位置推定器のモータ印加電圧検出器に代替するように構成する。
【００１９】
また、多相ステッピングモータにおいて、モータ印加電圧検出値及びモータ相電流検出値を多相から２相への座標変換演算を行い、多相信号を２相相当信号として前記磁極位置推定器に加えるように構成する。
【００２０】
【作用】
上記構成にすることで、本発明の課題とする高分解能のセンサレス磁極位置推定方法を実現することが可能となり、高速回転可能なステッピングモータ駆動装置を実現することができる。また、ステッピングモータにおいて、モータ相数の影響を受けずらいセンサレス磁極位置推定方法及びモータ駆動装置を実現することができる。以下その根拠を記述する。
モータの速度起電力は数式１（α相）及び数式２（β相）で表すことができる。
【数１】
【数３】
【００２１】
数式３、数式４でモータが零速度（停止）状態では速度起電力が零となるから、このときの印加電圧と電流の関係は数式３、数式４と同一の電圧を印加した場合、数式５、数式６となる。
【数５】
【数７】
【数８】
相電流の差分を正弦波（ｉ０α−ｉα＝Ｉｍｃｏｓθｒｅ、ｉ０β−ｉβ＝Ｉｍｓｉｎθｒｅ）、Ｌα＝Ｌβ＝Ｌ＝一定、Ｒα＝Ｒβ＝Ｒ＝一定と仮定すると、数式７、数式８はそれぞれ数式９、数式１０となる。
【数９】
【数１１】
【数１２】
したがって、モータ零速度時の相電流ｉ０α、ｉ０βとモータ回転時の相電流ｉα、ｉβとが検出できれば磁極位置θｅを推定できる。
図１及び図２は本発明の実施例であるが、本発明では、回転時モータ相電流は図１記載の電流検出器６１、６２で検出し、零速度時モータ相電流は、巻線定数と同一時定数の一次遅れ要素である図２記載のモータ巻線定数特性演算器５３、５４の出力とした。零速度時のモータは巻線抵抗と巻線インダクタンスの直列回路と見なすことができるから、モータ印加電圧に対してモータ電流は巻線定数によって決定される一次遅れ応答特性である。よって、モータ巻線定数特性演算器５３、５４は零速度時モータモデルに相当し、モータ巻線定数特性演算器５３、５４の電流はモータ零速度時相電流に相当する。加算器５５、５６でモータ回転時相電流と零速度時相電流の差分を演算し、逆正接演算器５７で数式１２の計算を実行することで推定角度を得ている。なお、係数器５１、５２は、零速度時モータモデルであるモータ巻線定数特性演算器５３、５４の構成を電子部品で行う場合と実際のモータ巻線定数による零速度状態の相違を調整する調整要素である。また、数式１２第２項は位置指令を微分して求めた速度指令とモータ巻線定数から求めることができる。よって、数式１２によるモータ磁極位置推定値は図２を含む図１の構成で実現可能であり、しかも、連続的に変化するモータ電流から磁極位置を推定しているため、高分解能の磁極位置推定値が得られる。
また、数式１２第１項はモータの速度起電力に比例した値から得られる角度であるから、数式１２第２項は上記位置指令の微分に替えて数式１２第１項を微分して求めた角周波数とモータ巻線定数からも同等値を求めることができる。
【００２４】
また、数式１２の演算は、連続系において実行する場合には時間遅れを伴わずに磁極位置推定を行うことができ、離散系において実行する場合には速度演算と前記モータ巻線定数特性演算の一次遅れ要素の演算に要する１サンプリング周期の遅れで磁極位置推定を行うことができるため、多相ハイブリッド形ステッピングモータにおいて、高速回転時まで適用可能である。
【００２５】
また、モータ巻線定数特性演算器は、一次遅れ要素であることから、モータと同一時定数の抵抗とコンデンサの直列回路で構成し、前記直列回路に電圧検出器の出力である印加電圧検出値を加え、コンデンサ端子電圧を係数倍した値を出力信号とすることで、零速度時電流と等価な信号を得ることができるため、実用的なモータ巻線定数特性演算器を構成できる。
【００２６】
また、インバータの出力がモータ印加電圧であるが、インバータのゲート信号または電流補償器の出力は印加電圧に比例しており、モータ巻線定数特性演算器にはゲート信号または電流制御器出力信号を係数器で補正したのちモータ巻線定数特性演算器に印加することでモータ印加電圧を用いた場合と等価な信号を得ることができる。ただし、モータ印加電圧とゲート信号がインバータの上下アーム短絡防止を目的とした無駄時間（デッドタイム）を含んでいるのに対して、電流補償器の出力はデッドタイムを含んでいないため、電流補償器の出力を用いる場合には、無駄時間を考慮した補正を行うほうが好ましい。
【００２７】
また、多相ステッピングモータの相電流検出値及びモータ印加電圧検出値を２相信号に変換する座標変換を行うことで、本発明は異なる相数のステッピングモータに適用することができる。
【００２８】
【実施例】
図１は本発明の第１の実施例を示すブロック図である。
図１において、磁極位置推定器５０（詳細は後述する）は、ステッピングモータ７０のα相モータ通電電流を検出する第１の電流検出器６１の出力ｉαと、β相モータ通電電流を検出する第２の電流検出器６２の出力ｉβと、ステッピングモータ７０の第１相（α相）モータ印加電圧Ｖαと、第２相（β相）モータ印加電圧Ｖβと、微分器８１の出力ω＊を入力とし、磁極位置推定値θｅを発生する。位置指令入力端子１０に入力される位置指令θ＊と前記磁極位置推定値θｅを位置制御器３０に入力する。位置制御器３０の出力と、電流振幅指令入力端子２０に加える電流振幅指令ｉ＊を電流制御器４０に加え、電流制御器４０（詳細は後述する）によりステッピングモータ７０の印加電圧を制御するように構成する。なお、位置指令θ＊を微分器８１で微分し速度指令ω＊を得ている。
【００２９】
図２は磁極位置推定器５０の内部構成を示すブロック図である。図１に示す電流検出器６１、６２で回転時モータ相電流ｉα及びｉβを検出し、加算器５５及び５６の一方の入力端子に加える。電流制御器４０の出力であるモータ印加電圧ｖα、ｖβを係数器５１、５２を介してモータ巻線定数特性演算器５３、５４に加えモータ零速度時の相電流ｉ０α、ｉ０βを求め、加算器５５、５６の他方の入力端子に加える。モータ零速度時の相電流ｉ０α、ｉ０βと回転時モータ相電流ｉα及びｉβの差分である加算器５５及び５６の出力を逆正接演算器５７に加え数式１２第１項であるθｒｅを求める。一方、微分器８１出力のモータ速度指令ω＊を用いて位相角演算器５８で数式１２第２項の演算を行う。最後に、加算器５９で数式１２第１項であるθｒｅと数式１２第２項である位相角φを加算し磁極位置推定値θｅを出力する。
【００３０】
ここで、モータ巻線定数特性演算器５３、５４は、モータ零速度時の電流に比例した値を得るものであるから、例えば、モータ巻線定数と同一時定数となるように構成した抵抗とコンデンサの直列回路でコンデンサ端子電圧を出力としている。このときの零速度時モータ電流ｉ０αとコンデンサ端子電圧ｖｃの関係は数式１３となるから、前段の係数器５１、５２は増幅度１／Ｒとする。
【数１３】
【００３１】
位置制御器３０について詳述する。
図３は位置制御器の実施例である。位置制御器３０は、位置指令入力端子１０に加えられる位置指令と、磁極位置推定器５０の出力である磁極位置推定値θｅ入力としている。加算器３１は位置指令θ＊と磁極位置推定値θｅの差（位置偏差）を求め、前記位置偏差を位置補償器３２に与える。位置補償器３２は位置偏差を増幅し、加算器３３で位置補償器３２の出力γと磁極位置推定値θｅを加えて位置制御信号λを出力する。ステッピングモータは位置指令に追従して回転するが、指令が印加されると過渡的に位置偏差を生じる。図３の構成で、位置偏差εが発生すると位置制御信号λは磁極位置推定値θｅに位置偏差を増幅した値が出力される。例えば、位置補償器３２がゲイン１倍の比例要素であれば、位置制御信号λは位置指令そのものとなる。また、図３の実施例では位置補償器３２に位置偏差εが既定値（例えば電気角９０度）を超えた場合、出力を一定値に保つ飽和特性を持たせている。これにより、脱調限界においてモータ励磁角度をロータ磁極位置推定値に対して一定の励磁角度を維持することが可能となり、モータは磁極位置推定が可能な範囲で脱調を回避することができる。
【００３２】
電流制御器４０について詳述する。
図４は電流制御器４０の実施例である。電流制御器４０は電流振幅指令入力端子２０から与えられる外部電流振幅指令ｉ＊と、位置制御器３０の出力である位置制御信号λと、前記第１の電流検出器６１の出力である第１の電流検出値ｉαと、前記第２の電流検出器６２の出力である第２の電流検出値ｉβを入力として、第１のモータ印加電圧Ｖαと、第２のモータ印加電圧Ｖβを出力するものである。
励磁信号発生器４１は位置制御信号λを角度信号としてモータ印加電圧の基本信号である２相交流ｃｏｓλ及びｓｉｎλを発生する。
前記２相交流は乗算器４２及び４３で外部電流振幅指令ｉ＊に比例した振幅に変換された電流指令（ｉ＊ｃｏｓλ及びｉ＊ｓｉｎλ）を生成する。加算器４４及び４５は前記電流指令と、２相電流検出値ｉα、ｉβとの電流偏差を演算する。前記電流偏差は電流補償器４６及び４７で増幅したのち、ＰＷＭ（パルス幅変調）変換器４８に加えられる。
ＰＷＭ変換器４８は、第１相の電流補償器４６の出力ＶａｃｒαをＰＷＭ変調しインバータ駆動信号Ｖｇαを生成する。同様にＰＷＭ変換器４８は、第２相の電流補償器４７の出力ＶａｃｒβをＰＷＭ変調しインバータ駆動信号Ｖｇβを生成する。インバータ４９は、第１相のインバータ駆動信号Ｖｇα及び第２相のインバータ駆動信号Ｖｇβにより第１相（α相）モータ印加電圧Ｖαと、第２相（β相）モータ印加電圧Ｖβを出力する。
【００３３】
即ち、電流制御器４０は、電流指令とモータ電流との差が小さくなるような電流制御を行い、モータの励磁位置は、位置制御信号λにより決定される。つまり、ステッピングモータとしての歩進位置の制御と速度上昇に伴うモータ励磁位置の補正が位置制御信号λを調整することで可能となっている。
【００３４】
図６は、本発明の第２の実施例である。
図６は、図１の第１の実施例に対して、電流制御器４０は同一構成で、位置制御器と磁極位置推定器の構成が異なる。
【００３５】
磁極位置推定器の構成については、第１の実施例では、図２に示した通り磁極位置推定器５０の入力はモータ端子電圧（Ｖα、Ｖβ）及びモータ相電流（ｉα、ｉβ）としたが、第２の実施例では、図６に示すように磁極位置推定器５００の入力は、第１の実施例のモータ端子電圧（Ｖα、Ｖβ）に替えて図４にある電流補償器４６の出力Ｖａｃｒα及び電流補償器４７の出力Ｖａｃｒβを用いている。モータ相電流（ｉα、ｉβ）は第１の実施例と同一のものである。また、磁極位置推定器５００の構成も第１の実施例と同様に図２の通りである。ただし、電流補償器の出力は、モータ印加電圧と比例関係にあるため、磁極位置推定器５００内の係数器の設定が第１の実施例とは異なり、係数器５１、５２は増幅度１／Ｒに更に比例係数を乗じた値としている。
【００３６】
位置制御器の構成については、第１の実施例では、図３に示した通り位置制御信号λは磁極位置推定値θｅに位置偏差を増幅した値としたが、第２の実施例では、図７に示すように、位置制御信号λは磁極位置推定値θｅに位置偏差を増幅した値と、磁極位置推定値θｅを微分し係数倍した値を加算している。これは、速度の変化に対応して、モータの励磁位置を調整するものである。また，３６は基準値発生器であり，加算器３１の出力である位置偏差εを比較器３７で比較し，位置偏差が基準値を超えた場合偏差過大信号ｅｒｒを発生する。偏差過大信号ｅｒｒは，詳細構成を省略したが，電流制御器４０の出力を遮断しモータを停止させるための信号として用いる。
【００３７】
【発明の効果】
上記のごとく、ステッピングモータの駆動において、高速で高分解能のモータ磁極位置推定値が得られるため、通常のステッピングモータと同様に特別な検出器を設けることなく、位置検出器付のモータと同等の駆動特性を実現できる。よって、本発明によるステッピングモータ駆動装置は、開ループ制御方式に比べ同一モータを使いながら脱調の恐れが少なく信頼性の高い装置を構築できる。なお、離散値演算を実施する場合、マイクロプロセッサ等の集積回路が使用可能であるため、本発明による駆動装置は、小型、低価格で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る第１の実施例及び第２の実施例の機能説明用部分ブロック図である。
【図３】本発明に係る第１の実施例における位置制御器の詳細ブロック図である。
【図４】本発明に係る第１の実施例における電流制御器の詳細ブロック図である。
【図５】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。
【図６】本発明に係る第２の実施例を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る第２の実施例における位置制御器の詳細ブロック図である。
【００３９】
【符号の説明】
１０ 位置指令入力端子
２０ 電流振幅指令入力端子
３０、３００ 位置制御器
３１ 加算器
３２ 位置補償器
３３ 加算器
３４ 微分器
３５ 係数器
３６ 基準値発生器
３７ 比較器
４０ 電流制御器
４１ 励磁信号発生器
４２、４３ 乗算器
４４、４５ 加算器
４６、４７ 電流補償器
４８ ＰＷＭ変換器
４９ インバータ
５０、５００ 磁極位置推定器
５１、５２ 係数器
５３、５４ モータ巻線定数特性演算器
５５、５６ 加算器
５７ 逆正接演算器
５８ 位相角演算器
５９ 加算器
６１、６２ 電流検出器
７０ ステッピングモータ
８１ 微分器
１０１ 位置指令入力端子
１１１ 偏差カウンタ
１２０ 加算器
１３０ 電圧指令制御回路
１４１ 同期運転用ＰＷＭ発生回路
１４２ ＰＷＭ制御回路
１５１、１５２ 切り替えスイッチ
１６０ ゲート信号発生回路
１７０ インバータ
１８０ ステッピングモータ
１９１ ロータ位置検出回路
１９２ 転流パルス発生回路
Claims (9)
- 外部から印加する位置指令に従い正弦波状階段電流を通電する多相ステッピングモータの駆動装置において、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ相電流を検出する電流検出器と、モータ巻線抵抗と巻線インダクタンスの直列回路と同一時定数の一次遅れ要素で構成するモータ巻線定数特性演算器とをそれぞれ巻線相ごとに独立に備え、前記電圧検出器の出力であるモータ印加電圧検出値を前記モータ巻線定数特性演算器に印加し、前記モータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分を演算し、各相独立に得られるモータ巻線定数特性演算器の出力値とモータ相電流検出値の差分から逆正接を演算する磁極位置推定器を備え、前記磁極位置推定器の出力からモータ磁極位置を推定するように構成したステッピングモータの駆動装置。
- 前記磁極位置推定器の出力に巻線時定数によって発生するモータの回転速度に対する電流の位相角度を補正してモータ磁極位置を推定するように構成した１項記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記磁極位置推定器の出力に巻線時定数によって発生するモータの回転速度に対する電流の位相角度を補正してモータ磁極位置を推定し、前記位置指令と前記モータ磁極位置推定値の差を演算する位置偏差演算器と、前記位置偏差の大きさが所定値を超えたことを検出する比較器を備えた２項記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記位置指令からモータ指令速度を演算し、前記モータ指令速度に対応する回転角周波数を用いて電流の位相角度を補正する機能を有する位置推定器にて推定したモータ磁極位置推定値をモータ磁極位置検出値として用い、前記位置指令と前記モータ磁極位置検出値でモータ励磁位置を制御するように構成した２項記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記モータ巻線定数特性演算器の出力値と前記モータ相電流検出値の差分から逆正接を演算する前記磁極位置推定器の推定値を微分演算し、前記推定値の微分値に対応する回転角周波数を用いて電流の位相角度を補正する機能を有する位置推定器にて推定したモータ磁極位置推定値をモータ磁極位置検出値として用い、前記位置指令と前記モータ磁極位置検出値でモータ励磁位置を制御するように構成した２項記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記モータ巻線定数特性演算器はモータと同一時定数の抵抗とコンデンサの直列回路で構成し、前記直列回路に電圧検出器の出力である印加電圧検出値を加え、コンデンサ端子電圧を係数倍した値を出力信号とする３項記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記モータ巻線定数特性演算器はモータと同一時定数の抵抗とコンデンサの直列回路で構成し、前記直列回路に電圧検出器の出力である印加電圧検出値を加え、コンデンサ端子電圧を係数倍した値を出力信号とする４項記載のステッピングモータの駆動装置。
- モータ印加電圧に比例した制御電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器の検出値を増幅する係数器を設け、前記磁極位置推定器のモータ印加電圧検出器に代替するように構成した５項もしくは６項記載のステッピングモータの駆動装置。
- 多相ステッピングモータにおいて、モータ印加電圧検出値及びモータ相電流検出値を多相から２相への座標変換演算を行い、多相信号を２相相当信号として前記磁極位置推定器に加えるように構成した７項記載のステッピングモータの駆動装置。
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