JP2006271145A - ステッピングモータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステッピングモータの加速・減速特性の向上を図りうるステッピングモータの制御装置を提供する。
【解決手段】 ステッピングモータを定電流制御で駆動する制御装置であって、外部からのパルス信号入力によりステッピングモータ３の位置・速度を制御し、かつパルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数−電圧変換回路８を有し、該周波数−電圧変換回路８の出力電圧の微分により、指令速度の加速度に応じた電圧を得て、モータ巻線電流指令値に微分電圧の絶対値を加算する回路を設けた制御装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は ステッピングモータの加速・減速特性の向上を目的とする、ステッピングモータの制御装置に関する。

従来、この種のステッピングモータの制御装置としては、例えば、第４図に示すようなものがある。 この制御装置は、励磁シーケンス制御回路１にしたがってインバータ部２を作動し、ステッピングモータ３をインバータ制御している。このインバータ部１はＰＡＭトランジスタ４およびコイルＬを介して電源Ｅに接続され、インバータ部１の制御によってステッピングモータ３のモータコイルに電流を流し、電力を制御している。

ステッピングモータ３は定められた順番でモータコイルに電流を流すと、一定角度だけ回転するモータであり、位置決め制御用に使用される。回転指令は通常、パルス信号で与え、パルスの数で回転角、パルスの周波数で回転スピードを制御する。

定電流駆動方式は電源Ｅとしてモータの定格電圧よりも高い電圧を使用し、スイッチングにより電流が流れ過ぎないように制御する制御方式で、定格電圧をモータに加える定電圧駆動方式に較べて高速性に優れた制御方式である。

図４で励磁シーケンス制御回路１はパルス入力指令を受けて、パルスに同期してインバータ部２の８個のＦＥＴのＯＮ・ＯＦＦを制御し、巻線に電流を流す相を切り替える。
モータに流れる電流は、電流検出抵抗５で電圧信号に変換され、電圧比較器６によってモータに流す電流値を指令する基準電圧と比較され、比較の結果、電流検出電圧が大きい場合は、パルス幅制御回路７によりトランジスタ４のＯＮ時間を短くし、小さい場合はＯＮ時間を長くすることにより、モータに流れる電流を一定に制御している。

ステッピングモータ３の運転パターンとしては、縦軸に速度、横軸に時間を表した図５（ａ）のような台形状の運転パターンで駆動されることが多く、負荷を移動させるには加速時・減速時に一定速度より大きなトルクを必要とする。

また、ステッピングモータは回転時には逆起電力が発生するため、回転速度に応じて印加する電圧をあげないと一定の電流を供給できない。そのため閉ループで電流制御を行っている。一般的に電流制御ループの応答性を早く設計すると加速・減速特性は向上するが、電流制御系の安定性が悪くなり、モータの振動特性が悪化する。
安定性を重視し、応答性を遅く設計すると、加速・減速に電流制御系が追従できずに早い加速・減速時には一定電流をモータに供給できずに加速・減速特性が悪化する。

しかしながら、このような従来の ステッピングモータ制御回路にあっては回転時にモータに流す電流は常に一定となっていたため、加速・減速時に大きなトルクが取れず、加速時間・減速時間を長く取らなければならない。
縦軸に時間、横軸に必要トルクを表した図５（ｂ）に示すように、加速・減速時に必要なトルクに合わせて電流を設定すると、回転時は常に大きな電流が流れるため必要以上のエネルギーを消費し、モータや駆動回路の発熱が大きくなる。
上記、問題点を改善する目的で特許文献１、および特許文献２のように定速運転時と加速・減速時に電流指令値を切り替える制御装置が提案されている。
特開２００１−２５８２９２号公報 特開２００４−１８０３５３号公報

いずれの方式も制御装置内には位置・速度を指令する指令部が含まれており、加速、一定速、減速の運転タイミングを判った上で切り替えることが前提となっている。
また、電流指令値についても加速、減速時と一定速時の２段階の切り替えか、加速に応じて数段階の切り替えを行う程度である。
汎用のステッピングモータ制御回路はパルス列で制御されることが多く、加速、一定速、減速のタイミングについては上位コントローラで制御されており、ステッピングモータ制御回路で把握していないため、電流指令値の切り替えが難しいという問題があった。

本発明は、上記課題を解決し、ステッピングモータの加速・減速特性の向上を図りうるステッピングモータの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ステッピングモータを定電流制御で駆動する制御装置であって、外部からのパルス信号入力によりステッピングモータの位置・速度を制御し、かつパルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数−電圧変換回路を有し、該周波数−電圧変換回路の出力電圧の微分により、指令速度の加速度に応じた電圧を得て、モータ巻線電流指令値に微分電圧の絶対値を加算する回路を設けたことにある。
また、本発明は、ステッピングモータを定電流制御で駆動する制御装置であって、外部からのパルス信号入力によりステッピングモータの位置・速度を制御し、かつパルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数−電圧変換回路を有し、該周波数−電圧変換回路の出力電圧の微分により、指令速度の加速度に応じた電圧を得て、モータ巻線電流指令値に微分電圧を半波整流した電圧を加算する回路を設けたことにある。
さらに、本発明は、ステッピングモータを定電流制御で駆動する制御装置であって、外部からのパルス信号入力によりステッピングモータの位置・速度を制御し、かつパルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数−電圧変換回路を有し、該周波数−電圧変換回路の出力電圧の微分により、指令速度の加速度に応じた電圧を得て、加速度の絶対値が予め決められた判別値より大きい場合は、モータ巻線電流指令値に一定の電圧を加算する回路を設けたことにある。
またさらに，本発明は、ステッピングモータを定電流制御で駆動する制御装置であって、外部からのパルス信号入力によりステッピングモータの位置・速度を制御し、かつパルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数−電圧変換回路を有し、該周波数−電圧変換回路の出力電圧の微分により、指令速度の加速度に応じた電圧を得て、加速度が予め決められた判別値より大きい場合は、モータ巻線電流指令値に一定の電圧を加算する回路を設けたことにある。

本発明によれば、パルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数一電圧変換回路を有し、該周波数一電圧変換回路の出力電圧の微分により、位置・速度指令の加速度を検出できるので、外部コントローラからのパルス入力信号からでも加速、減速の状態が分かり、一定回転時と加速・減速時の電流値を変化させることができる。加速・減速時の電流として一定回転時の巻線電流指令値に該周波数一電圧変換回路の出力電圧を微分電圧の絶対値を加算するか、予め設定した一定電圧を加算することで加速・減速時に一定回転時よりも大きな電流を流すことができるので、トルクが必要な加速・減速時に一定加速時より大きなトルクが発生でき、加速・減速時間を短くすることができる。また、加速・減速時に一定回転時によりも大きな巻線電流指令を与えているので、電流制御系の応答性が遅い場合でも、加速・減速時の電流の応答性されモータ応答性改善効果が見られる。さらにまた、一定電流を流した時と同じ加速・減速時間でモータを運転する場合、一定回転時の電流値をさげることができるので、モータ・制御回路の発熱を抑制することができる。
加速減速時に巻線電流指令値に加算する電圧として一定電圧ではなく該周波数一電圧変換回路の微分値を使用することで、加速度に応じてモータに流す電流を制御できるため、必要に応じた適切な電流をモータに供給することができる。
一般的に、加速時は減速時に較べて大きなトルクが必要となるため、加速時だけ電流指令値に電圧を加算し、減速時には加算しなくても一定の効果が得られる。

以下、図示の実施の形態を、図４と同一部分は同符号を付して示す、図１および図２を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態は２相ステッピングモータ３をＰＡＭ（パルス振幅変調）方式定電流回路にてバイポーラ駆動を行っている。

図１において、１は励磁シーケンス制御回路で、この励磁シーケンス制御回路１は、パルス入力指令を受けて、パルスに同期してインバータ回路２の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するものである。インバータ回路２はＦＥＴを用いたスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８で構成されており、各２個ずつ直列接続されたスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６，スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８を互いに並列接続され、ＦＥＴにより、いわゆるＨブリッジ回路が組まれている。３は２相ステッピングモータで、例えばハイブリッド型２相ステッピングモータを用いる。このステッピングモータ３は、各相巻線が上記直列接続されたスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６，スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８の接続点に接続され、各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦにより各相巻線への電流が制御される。
これらスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８は、直流電源Ｅに接続され、上記励磁シーケンス制御回路１によってスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８のＯＮ・ＯＦＦを制御し、ステッピングモータ３のモータコイルに電流を流し、電力を制御している。

インバータ回路２の一端は、互いに直列接続されたＰＡＭトランジスタ４およびコイルＬを介して直流電源Ｅの正側に接続され、インバータ回路２の他端は、電流検出抵抗５を介して直流電源Ｅの負側に接続されている。ＰＡＭトランジスタ４およびコイルＬの接続点と直流電源Ｅの負側との間にはダイオードＤが接続され、コイルＬのインバータ回路２側と、直流電源Ｅの負側との間には、コンデンサＣが接続されている。

上記励磁シーケンス制御回路１に対して出力される、パルス入力指令は、同時に周波数−電圧変換回路８に入力され、速度指令電圧に変換される。この速度指令電圧は微分回路９に入力され、この微分回路９は速度指令電圧から加速度の成分を取り出し、この加速度の成分を絶対値回路１０を通してから、加算回路１１に出力し、加算回路１１にて定常時の運転電流指令と加算し、最終的な電流指令として電圧指令回路に与えている。電圧比較器６では、電流検出抵抗５から検出される電圧信号と、上記加算回路１１で加算された電流指令が比較される。比較の結果、電流検出電圧が大きい場合は、パルス幅制御回路７によりトランジスタ４のＯＮ時間を短くし、小さい場合はＯＮ時間を長くすることにより、モータに流れる電流を一定に制御している。

次に、上記の実施の形態の作用を説明する。
励磁シーケンス制御回路１はパルス入力に同期して、 ステッピングモータ３のモータコイルを励磁する相を切り替える。インバータ回路２は励磁シーケンス制御回路１からの信号でＦＥＴのＯＮ、ＯＦＦを行い、電流を流す相と方向を切り替える。
インバータ回路２及びステッピングモータ３に流れる電流は電流検出抵抗５を通り電圧信号に変換される。
一方、パルス入力周波数（速度指令）は周波数−電圧変換回路８に入力され、速度指令電圧に変換される(図２（ａ）参照)。この速度指令電圧は微分回路９に送られ、この微分回路９では、速度指令電圧から加速度の成分を取り出し(図２（ｂ）参照)、絶対値回路１０を通してから(図２（ｃ）参照)、加算回路１１で定常時の運転電流指令と加算し、最終的な電流指令として電圧指令回路に与えている(図２（ｄ）参照)。
電圧比較器６では、加算回路１１からの電流指令値と、電流検出抵抗５からの電流検出値との比較を行い、その結果をパルス幅制御回路７に送る。
パルス幅制御回路７では電流指令値と電流検出値との比較結果によりＰＡＭトランジスタ４のＯＮ、ＯＦＦの比率を制御し、ステッピングモータ３に流れる電流値を電流指令に一致するように制御する。
こうして、定常時の電流指令に加速度の絶対値成分を加えることで、トルクが必要となる加速・減速時に定速回転時より大きなトルクが得られる。

図３は本発明の他の実施の形態であり、図１と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。図１の実施の形態と比較すると、絶対値回路１０に代えて半波整流回路４０を用いるとともに、励磁シーケンス制御回路１からの信号とパルス幅制御回路７の信号を信号合成回路５０で合成してインバータ回路２０を制御するようにしたものである。
図３は５相ステッピングモータ３０をＰＷＭ（パルス幅変調）制御方式定電流制御にて駆動する場合の実施の形態である。

外部から速度・位置を指令するパルス列信号から励磁シーケンス制御回路１はパルス入力に同期して、 モータ３０を励磁する相を指定する。インバータ回路２０は、ＦＥＴを用いたスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１０で、５相ブリッジ回路が組まれており、インバータ回路２０は励磁シーケンス制御回路１からの信号とパルス幅制御回路７の信号の合成された信号によりＦＥＴのＯＮ、ＯＦＦを行い、電流を流す相、方向及び電流の大きさを制御するものである。
インバータ回路２０及びモータ３０に流れる電流は、電流検出抵抗５を通り電圧信号に変換され、電流検出値として電圧比較器６に送られる。
電圧比較器６では電流指令値と電流検出値との比較を行い、その結果をパルス幅制御回路７に送られる。
パルス幅制御回路７では、電流指令値と電流検出値の比較結果によりインバータ回路２０のＦＥＴのＯＮ、ＯＦＦの比率を制御しモータ３０に流れる電流値を電流指令に一致するように制御する。

一方、外部から速度・位置を指令するパルス列信号は、周波数−電圧変換回路８に入力される。パルス入力周波数（速度指令）は周波数−電圧変換回路８によって速度指令電圧に変換され、この速度指令電圧は微分回路９に入力される。
そして、微分回路９では速度指令電圧から加速度の成分を取り出し、半波整流回路４０を通してから、加算回路１１に入力される。半波整流回路４０を通した加速度の成分は、この加算回路１１により定常時の運転電流指令と加算され、最終的な電流指令として電圧指令回路に与えている。電圧指令回路では、加算回路１１からの電流指令と、電流検出抵抗５による電流検出値を電圧比較器６により比較してパルス幅制御回路７に入力される。このパルス幅制御回路７では電流指令値と電流検出値との比較結果により電流指令値に一致するように信号合成回路５０に出力し、信号合成回路５０は励磁シーケンス制御回路１からの信号とパルス幅制御回路７からの信号を合成してインバータ回路２０にスイッチング信号を出力する。
一般的に摩擦の影響により減速時には加速時よりもトルクを必要としないことから、半波整流により加速時のみに電流を加算するようにしても、位置決め時間の短縮の目的は達せられる(図５参照)。

以上説明したように、上記実施の形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
外部から速度・位置を指令するパルス列信号から、周波数−電圧変換回路８で周波数−電圧変換により、速度指令に比例する電圧を取り出し、微分回路９をとおすことにより加速度を検出し、その電圧を、一定速度の電流指令値に加算し、定電流制御部に与えるので、トルクが必要な加速・減速時に一定回転時より大きなトルクが発生できるので加速・減速時間を短くすることができ、位置決め時間を短縮できる。また、本発明では、一定回転時の電流値を下げることができるので、モータ及び駆動回路の温度上昇を抑制することができる。さらに、電流制御系の応答性が遅くても、応答性改善効果が見られる。またさらに、制御回路側でモータ運転パターンを把握していなくても、パルス入力指令から加速度に応じた適切な電流をモータに供給することができる。

なお本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、例えば、上記実施の形態では、２相ステッピングモータ３、あるいは５相ステッピングモータ３０について適用したが、３相ステッピングモータあるいは４相ステッピングモータなどにおいても同様に適用できる。また、インバータ回路２、およびインバータ回路２０には、スイッチング素子としてＦＥＴを用いたがＩＧＢＴなど、他の素子を用いることができる。さらにまた、励磁シーケンス制御回路1、周波数一電圧変換回路８、微分回路９、絶対値回路１０、加算回路１１、電圧比較器６、パルス幅制御回路を個別の回路ブロックで構成しているがＣＰＵによるソフトウエアでの信号処理やＬＳＩなどデジタル信号処理により集積化を行っても本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることはいうまでもない。

本発明の実施の形態によるステッピングモータの制御装置を示す回路図である。 図１のステッピングモータの制御装置の各部の波形を示したもので、（ａ）は、周波数−電圧変換後の速度指令電圧の波形図、（ｂ）は、微分回路後の加速度の波形図、（ｃ）は、絶対値回路後の加速度絶対値の波形図、（ｄ）は、加算回路後の電流指令波形図である。 本発明の他の実施の形態によるステッピングモータの制御装置を示す回路図である。 従来のステッピングモータの制御装置を示す回路図である。 （ａ）は、従来のステッピングモータの制御装置の位置決めの運転パターンを示す図、（ｂ）は、従来のステッピングモータの制御装置の必要なトルクの関係図である。

符号の説明

１ 励磁シーケンス制御回路
２，２０ インバータ回路
３ ２相ステッピングモータ
４ ＰＡＭトランジスタ
５ 電流検出抵抗
６ 電圧比較器
７ パルス幅制御回路
８ 周波数−電圧変換回路
９ 微分回路
１０ 絶対値回路
１１ 加算回路
３０ ５相ステッピングモータ
４０ 半波整流回路
５０ 信号合成回路
Ｓ１〜Ｓ８ スイッチング素子

Claims (4)

1. ステッピングモータを定電流制御で駆動する制御装置であって、外部からのパルス信号入力によりステッピングモータの位置・速度を制御し、かつパルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数−電圧変換回路を有し、該周波数−電圧変換回路の出力電圧の微分により、指令速度の加速度に応じた電圧を得て、モータ巻線電流指令値に微分電圧の絶対値を加算する回路を設けたことを特徴とするステッピングモータの制御装置。
2. ステッピングモータを定電流制御で駆動する制御装置であって、外部からのパルス信号入力によりステッピングモータの位置・速度を制御し、かつパルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数−電圧変換回路を有し、該周波数−電圧変換回路の出力電圧の微分により、指令速度の加速度に応じた電圧を得て、モータ巻線電流指令値に微分電圧を半波整流した電圧を加算する回路を設けたことを特徴とするステッピングモータの制御装置。
3. ステッピングモータを定電流制御で駆動する制御装置であって、外部からのパルス信号入力によりステッピングモータの位置・速度を制御し、かつパルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数−電圧変換回路を有し、該周波数−電圧変換回路の出力電圧の微分により、指令速度の加速度に応じた電圧を得て、加速度の絶対値が予め決められた判別値より大きい場合は、モータ巻線電流指令値に一定の電圧を加算する回路を設けたことを特徴とするステッピングモータの制御装置。
4. ステッピングモータを定電流制御で駆動する制御装置であって、外部からのパルス信号入力によりステッピングモータの位置・速度を制御し、かつパルス信号入力による速度指令を電圧に変換する周波数−電圧変換回路を有し、該周波数−電圧変換回路の出力電圧の微分により、指令速度の加速度に応じた電圧を得て、加速度が予め決められた判別値より大きい場合は、モータ巻線電流指令値に一定の電圧を加算する回路を設けたことを特徴とするステッピングモータの制御装置。

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