JP2007097374A - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータ駆動装置において，モータ電圧信号を一定周期のサンプリング信号でＡＤ変換する際に不要な信号成分が発生する。
【解決手段】ＡＤ変換部は，交流アナログ信号を一定周期でディジタル値に変換するＡＤ変換器と，ディジタル値に変換した交流信号を波形１周期に亘り累積するディジタル累積器と，ディジタル値を保持するデータ保持器と，入力信号が所定範囲を超えた場合所定値を出力し入力信号が所定範囲以内の場合に入力信号の値を出力するリミッタとを具備し，前記ＡＤ変換器の出力を前記ディジタル累積器に入力し，得られた交流信号１周期分の累積値を前記データ保持器の一方の入力値とし，前記データ保持器出力を前記リミッタの入力とし，前記リミッタの出力と，前記データ保持器の出力の差を前記データ保持器の他方の入力値とし，前記リミッタ出力を補正値として前記ＡＤ変換器のディジタル値から差し引いて出力するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は，モータ電圧信号を用いるステッピングモータの駆動装置に関する。

特開２００４−３５０３８６号公報

ステッピングモータは，衆知のとおり外部指令パルスの印加毎に一定角度ずつ歩進回転をするため振動が発生しやすく脱調も問題となっている。
ステッピングモータを搭載する装置の高精度高機能化に対応するため，モータ励磁電流やモータ印加電圧を利用して振動の低減や脱調回避などの機能を有する駆動装置が検討され実用化されている
従来，モータ印加電圧を利用したステッピングモータの駆動装置としては，特開２００４−３５０３８６号公報に記載されたものがある。

図６は従来技術によるモータ電圧信号を用いるステッピングモータの駆動回路例を示している。
電流制御装置１６０は，駆動部としてのドライブ回路部１１０と，ドライブ回路部１１０から出力電圧波形情報を検出する電圧検出部１２０と，出力電圧波形情報をＡＤ変換するＡＤコンバータ部１３０と，出力電圧波形情報に基づいてステッピングモータ７０を駆動させる電流設定信号を算出する電流設定部としての電流シーケンス設定部１４０と，電流シーケンス設定部１４０から電流設定信号が入力される制御部１５０によって構成される。
従来技術によるモータ電圧信号を用いたステッピングモータの駆動回路例では，ステッピングモータ７０の駆動制御中に，常にドライブ回路部１１０からの出力電圧波形情報の検出を行い，検出された電圧波形情報の変化に基づいてステッピングモータ７０の駆動電流の設定を行い，トルク負荷の小さい部分において無駄に流れる電流の低減を図っている。

前記機能を実現するために，制御部１５０は，ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
Ｕｎｉｔ），ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ），ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成されており，ドライブ回路部１１０からの出力電圧波形情報は電圧検出部１２０で検出した後，ＡＤコンバータ１３０を介して，ディジタル値に変換して電流シーケンス設定部１４０に出力するように構成されている。
即ち，特開２００４−３５０３８６号公報に記載される従来の方式では，図６に示す構成図のように，モータ電圧信号をＡＤコンバータ部１３０でＡＤ変換した値を用いてステッピングモータの駆動を行っている。

ここで，図６においてモータ速度が高速になるとモータ電流を制御するドライブ回路部１１０の出力電圧が飽和し，電圧検出部１２０の出力信号が台形波状又は矩形波状の電圧信号となる。台形波状又は矩形波状の電圧信号を一定周期のサンプリング信号によりＡＤ変換を行うと，電圧信号周期とサンプリング信号周期との間で干渉が起こり，ＡＤ変換後の信号に不要な信号成分が発生するため，ステッピングモータ７０の駆動電流の設定が不要な信号成分に伴い安定しないという問題がある。

従来方法において，モータ速度が高速になるとモータ電流を制御するドライブ回路の出力電圧が飽和しモータ電流を制御できない状態となり，電流制御器の出力信号が台形波状又は矩形波状の電圧信号となる。台形波状又は矩形波状の電圧信号は，一定周期のサンプリング信号によりＡＤ変換を行うと電圧信号周期とサンプリング信号周期との間で干渉が起こり，ＡＤ変換後の信号に不必要な信号成分が発生し，ステッピングモータの駆動特性に影響を及ぼすという問題がある。
本発明は，ＡＤ変換後の電圧信号を安定にする効果を持ち，構成が簡単で安価なステッピングモータの駆動装置の実現を目的としている。

上記問題を解決するために本発明では，ステッピングモータ７０に角度指令（θ＊）を入力し階段状電流を通電するステッピングモータの駆動装置において，前記角度指令（θ＊）に従い電流指令（ｉ＊）を発生する角度制御部１と，モータ駆動電流を検出する電流検出器５１と，モータ通電電流を制御する電流制御部２と，モータ印加電圧を検出する電圧検出器５２と，前記電圧検出器５２及び前記電流検出器５１の出力をディジタル値に変換するＡＤ変換部９０及び９１とを具備し，モータ印加電圧及びモータ通電電流がアナログ交流信号であって，前記ＡＤ変換部９０及び９１は前記電流検出器５１及び前記電圧検出器５２の出力信号を一定の周期でディジタル値に変換するサンプリング処理を行い，角度制御部１は前記ＡＤ変換部９０及び９１の出力を用いて角度指令（θ＊）を補正し，電流指令生成器４０により電流指令（ｉ＊）を出力し，電流制御部２は前記電流指令（ｉ＊）に従ってモータ通電電流を制御するように構成されたステッピングモータの駆動装置において，前記ＡＤ変換部９０及び９１は，ディジタル値に変換した信号を波形１周期に亘り累積する機能を有し，かつ，前記累積機能により得られた累積値が０となるようにＡＤ変換部出力を補正する機能を有するように構成する。

また，ＡＤ変換部９０及び９１は，交流アナログ信号を一定周期でディジタル値に変換するＡＤ変換器と，ディジタル値に変換した交流信号を波形１周期に亘り累積するディジタル累積器と，ディジタル値を保持するデータ保持器と，入力信号が所定範囲を超えた場合所定値を出力し入力信号が所定範囲以内の場合に入力信号の値を出力するリミッタとを具備し，前記ＡＤ変換器の出力を前記ディジタル累積器に入力し，該ディジタル累積器から得られる交流信号１周期分の累積値を前記データ保持器の一方の入力値とし，前記データ保持器出力を前記リミッタの入力とし，前記リミッタの出力と，前記データ保持器の出力の差を前記データ保持器の他方の入力値とし，前記リミッタ出力を補正値として前記ＡＤ変換器のディジタル値から差し引いて出力するように構成する。

また，前記補正値はモータ停止時において０とし，所定速度を超えてから有効となるようにすることで，停止時の安定性を向上させるとが可能である。

本発明に係る駆動装置は，ＡＤ変換後の台形波状又は矩形波状電圧信号正側の面積と負側の面積が等しくなるようにＡＤ変換部出力値を補正するものである。

即ち，前記構成にすることで，ＡＤ変換部９０及び９１においてアナログ信号を一定周期でサンプリングする場合にＡＤ変換後の信号に発生する不必要な誤差成分のうち，交流信号の対称性を改善することができる。
なぜならば，信号波形の１周期分を累積した値は，交流信号の正側と負側の非対称成分を示しているから，ＡＤ変換後の信号に電圧信号波形１周期の累積値を前記累積値符号と反対側の極性波形部に加算することで，正負面積差が小さくなるからであり，累積値が０になったとき，ＡＤ変換後の直流分又は低周波成分が補正されたことになる。

本発明を実施するための最良の形態は，モータ駆動に係る信号をＡＤ変換して用いるステッピングモータの制御装置である。

図１は本発明の実施例である。１０は角度指令入力端子，３０は角度制御器，４０は電流指令生成器，５０は電流制御器，５１及び５２は電流検出器，６０はＰＷＭインバータ，７０はステッピングモータ，８０は磁極位置推定器，９０及び９１はＡＤ変換部である。
図１の内容を概説する。角度指令入力端子１０に印加される角度指令（θ＊）が，角度制御器の一方の入力端子に接続し，磁極位置推定器８０の出力である磁極位置推定値（θｆ）を角度制御器の他方の入力端子に接続し，励磁角度指令（θ＊＊）を得る。該励磁角度指令（θ＊＊）を電流指令生成器に入力し，電流指令（ｉ＊）を得る。電流制御器５０，ＰＷＭインバータ６０，電流検出器５１は，前記電流制御器５０に印加される電流指令（ｉ＊）を電流指令とする電流制御系を構成し，所望の特性を得ている。
電流制御器５０の出力である電圧指令（ｖ＊）をＡＤ変換器９１に入力し，ＡＤ変換器９１の出力である電圧指令ディジタル値（ｖｚ）を磁極位置検出器８０の一方の入力端子に接続し，電流検出器５１の出力であるモータ電流（ｉｆ）をＡＤ変換器９０に入力し，ＡＤ変換器の出力であるモータ電流ディジタル値（ｉｚ）を磁極位置検出器８０の他方の入力端子に接続し，磁極位置推定値（θｆ）を得る。

図２はＡＤ変換器９０の詳細図である。動作信号発生器２００，ＡＤ変換器２１０，１周期累積器２２０，切換器２３０，保持器２４０，リミッタ２５０，加算器２６０及び２７０で構成される。
動作信号発生器２００から出力される第１の動作信号（Ｔｓ１），第２の動作信号（Ｔｓ２）及び第３の動作信号（Ｔｓ３）は，まず第１の動作信号（Ｔｓ１）が出力された後，第２の動作信号（Ｔｓ２）が出力され，第２の動作信号（Ｔｓ２）が出力された後，第３の動作信号（Ｔｓ３）が出力される。以降，該順序で動作信号（Ｔｓ１），（Ｔｓ２）及び（Ｔｓ３）が繰り返し出力される。
ＡＤ変換器２１０は，外部から与えられるアナログ入力信号（ｖ＊）を第１の動作信号（Ｔｓ１）によってＡＤ変換し，電圧指令ディジタル値（ｖｚ’）を出力する。
１周期累積器２２０は，電圧指令ディジタル値（ｖｚ’）を第２の動作信号（Ｔｓ２）によって波形１周期に亘り累積し，１周期分の累積結果である累積ディジタル値（ｖｓ）を一方の出力端子から出力し，１周期分の累積が完了したときにのみ累積完了信号（Ｔｅｎｄ）を他方の出力端子から出力する。１周期累積器２２０の一方の出力である累積ディジタル値（ｖｓ）は，切換器２３０の一方の入力端子に接続する。
保持器２４０は，第３の動作信号（Ｔｓ３）によって切換器２３０の出力を保持する。リミッタ２５０は，保持器２４０の出力を入力とし，入力信号が所定範囲を超えた場合所定値を出力し，入力信号が所定範囲以内の場合に入力信号を出力する。加算器２６０は，正極性側入力端子に保持器２４０の出力を接続し，負極性側入力端子にリミッタ２５０の出力を接続し，出力である差分信号（ｖｐ）を切換器２３０の他方の入力端子に接続する。
切換器２３０は，第１の入力端子に接続されている累積完了信号（Ｔｅｎｄ）によって切換動作を行い，累積完了信号（Ｔｅｎｄ）が出力されている間は，１周期累積器の出力（ｖｓ）を選択し，累積完了信号（Ｔｅｎｄ）が出力されていないときは，加算器２３０の出力である差分信号（ｖｐ）を選択する。
加算器２７０は，正極性側入力端子にＡＤ変換器２１０の出力を接続し，負極性側入力端子にリミッタ２５０の出力を接続し，出力である差分信号（ｖｚ）を外部に出力する。

図５は，ＡＤ変換部９０の処理内容を示すフローチャートである。Ｔｓ１が出力されるとＡＤ変換が開始され，Ｔｓ２が出力されるとＡＤ変換後の値を累積演算する。累積演算器は，交流入力信号の１周期分の累積操作完了を判定し，１周期分の累積が完了した場合にはＴｓ３が出力されると累積値を保持器にセットし，累積値をクリアする。１周期分の累積が完了していない場合にはＴｓ３が出力されると保持器の値とリミッタ出力値の差分を保持器にセットする。次に，保持器の出力値をリミッタ演算し，ＡＤ変換出力値とリミッタ出力値の差分を外部に出力する。

図３は，図２の動作を示す第１の説明図である。図３において，波形（ｖｚ’）は図２におけるＡＤ変換器２１０の出力であり，波形（ｖｃ）は図２におけるリミッタ２５０の出力である。図３中の（ａ）部の１周期累積結果が，（ｂ）部である。

図４は，図２の動作を示す第２の説明図である。図４において，波形（ｖｚ）は図２における加算器２７０の出力であり，波形（ｖｚ’）は図２におけるＡＤ２１０の出力である。波形（ｖｚ’）に対し波形（ｖｚ）には，補正信号が付加されている。

図２に示したように，電圧信号補正器は簡単な構成で実現できるので，電圧信号ディジタル値を必要とする駆動回路が安価に実現できる。特にマイクロプロセッサを用いる場合には，複雑な演算を必要しないため低機能で安価なマイクロプロセッサを使用できる。

本発明の実施例である。 本発明の実施例の部分説明図である。 本発明の第１の動作説明図である。 本発明の第２の動作説明図である。 本発明の動作説明フローチャートである。 従来例ブロック図である。

符号の説明

１ 角度制御部
２ 電流制御部
１０ 角度指令入力端子
３０ 角度制御器
４０ 電流指令生成器
５０ 電流制御器
５１ 電流検出器
５２ 電圧検出器
６０ ＰＷＭインバータ
７０ ステッピングモータ
８０ 磁極位置推定器
９０，９１ ＡＤ変換部
１１０ ドライブ回路部
１２０ 電圧検出部
１３０ ＡＤコンバータ部
１４０ 電流シーケンス設定部
１４１ 演算部
１４２ 一時記憶部
１５０ 制御回路部
１６０ 電流制御装置
２００ 動作信号発生器
２１０ ＡＤ変換器
２２０ １周期累積器
２３０ 切換器
２４０ 保持器
２５０ リミッタ
２６０，２７０ 加算器

Claims (3)

1. 外部から印加されるパルス列指令に従い階段状電流を通電するステッピングモータの駆動装置において，前記パルス列指令に従い電流指令を発生する角度制御部と，モータ駆動電流を検出する電流検出器と，モータ通電電流を制御する電流制御部と，モータ印加電圧を検出する電圧検出器と，前記電圧検出器及び前記電流検出器の出力をディジタル値に変換するアナログディジタル変換部（以下ＡＤ変換部と称する。）とを具備し，モータ印加電圧及びモータ通電電流がアナログ交流信号であって，前記ＡＤ変換部は前記電流検出器及び前記電圧検出器の出力信号を一定周期でディジタル値に変換するサンプリング処理を行い，角度制御部は前記ＡＤ変換部の出力を用いて電流指令を補正し，電流制御部は前記電流指令に従ってモータ通電電流を制御するように構成されたステッピングモータの駆動装置において，前記ＡＤ変換部は，ディジタル値に変換した信号を波形１周期に亘り累積する機能を有し，かつ，前記累積機能により得られた累積値が０となるようにＡＤ変換部出力を補正する機能を有するステッピングモータの駆動装置。
2. ＡＤ変換部は，交流アナログ信号を一定周期でディジタル値に変換するＡＤ変換器と，ディジタル値に変換した交流信号を波形１周期に亘り累積するディジタル累積器と，ディジタル値を保持するデータ保持器と，入力信号が所定範囲を超えた場合所定値を出力し入力信号が所定範囲以内の場合に入力信号の値を出力するリミッタとを具備し，前記ＡＤ変換器の出力を前記ディジタル累積器に入力し，該ディジタル累積器から得られる交流信号１周期分の累積値を前記データ保持器の一方の入力値とし，前記データ保持器出力を前記リミッタの入力とし，前記リミッタの出力と，前記データ保持器の出力の差を前記データ保持器の他方の入力値とし，前記リミッタ出力を補正値として前記ＡＤ変換器のディジタル値から差し引いて出力するように構成したことを特徴とする１項記載のステッピングモータの駆動装置。
3. 前記補正値はモータ停止時において０とし，所定速度を超えてから有効となるようにした１項記載のステッピングモータの駆動装置。
   

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