JP2007181353A - 監視カメラ駆動装置および監視カメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】モータ消費電力が小さく、小型で、応答性能の高い監視カメラ駆動装置を提供する。
【解決手段】ステッピングモータ２にエンコーダ４を取り付ける。位相算出部２２は、位置検出信号Ａ、Ｂ、Ｚを用いてロータの回転位置（電気角）に対応した位相θｅを求め、カメラ位置算出部２４は、監視カメラ３の回転位置θｍを算出する。プリセット運転時において、位置制御部２８は、カメラ位置記憶部２６に記憶された復帰目標位置θmrefに対する回転位置θｍの位置偏差Δθｍを比例演算し目標回転速度ωrefpreを出力する。速度制御部３０は、目標回転速度ωrefに対する回転速度ωの速度偏差Δωを比例積分演算してモータ印加電圧値を出力する。駆動方式選択部３１は、モータ印加電圧から順トルク駆動、逆トルク駆動、ホールド駆動の何れかの通電パターンテーブルを選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステッピングモータを用いた監視カメラ駆動装置および監視カメラシステムに関する。

特許文献１にはハイブリッド型ステッピングモータの制御装置が開示されている。この制御装置は、ロータの回転位置を検出する位置検出手段を備えており、高精度の一定速運転を行う場合にはステッピングモータとして駆動し、高応答の加減速運転を行う場合にはブラシレスモータとして駆動するようになっている。
特開平３−７４１９９号公報

ステッピングモータは、一般に、ステップ角ごとにブレーキ力が発生するため消費電力が大きく、脱調を防止するため急加減速ができないという欠点がある。こうした制約の下で高速回転性能を得るためには、他種類のモータを用いた場合に必要とされるモータ出力に比べて大きい出力能力を備えることが必要となる。その一方で、ステッピングモータは、駆動制御が容易であることから監視カメラ駆動装置など種々の用途に用いられている。

ステッピングモータを監視カメラ駆動装置に適用した場合、監視カメラの多くは屋外（建物の屋上、高速道路、ダム、港など）に設置されているので、監視カメラを駆動するステッピングモータには、外力例えば強風に晒されている状態でも正常に回転し目標位置に静止する能力が要求される。また、旋回時間の短縮も要求されている。このため、従来の監視カメラ駆動装置は、高速回転能力、高い静止能力および脱調防止能力を得るために、大型のステッピングモータを具備していた。しかし、監視カメラは災害時などにも用いられるため、小型で消費電力の小さいものが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、モータ消費電力が小さく、小型で、応答性能の高い監視カメラ駆動装置および監視カメラシステムを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の監視カメラ駆動装置は、
複数相の巻線が巻回されたステータとロータとを備え監視カメラを回転駆動するステッピングモータと、
前記ロータの回転位置を検出し位置検出信号を出力するロータ回転位置検出手段と、
前記位置検出信号に基づいて前記ロータの回転位置に対応した電気位相を求める位相検出手段と、
前記位置検出信号に基づいて前記ステッピングモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
目標の回転速度と検出した回転速度との差から前記巻線に印加する電圧を算出する回転速度制御手段と、
前記電気位相に基づいて、前記巻線に生じる誘起電圧がほぼ最大となるタイミングで前記巻線の通電を切り替える通電相切替手段と、
前記位置検出信号に基づいて前記監視カメラの回転位置を求めるカメラ回転位置算出手段と、
前記監視カメラを目標の回転位置に回転させるときに、前記監視カメラの目標の回転位置と検出した回転位置との差に応じて前記目標の回転速度を算出する位置制御手段とを備えていることを特徴とする。

この構成によれば、ロータの回転位置をフィードバックし、ステッピングモータに具備された永久磁石による誘起電圧と巻線の電流とが所定の位相関係となるように巻線の通電を切り替えてトルクを発生させるので、風などの外力を受け易い監視カメラ駆動用のステッピングモータであっても脱調しにくく、高効率で高応答の駆動が可能となる。また、位置制御ループを備えているので、外力により目標位置からずれた場合に巻線電流が流れ、目標位置に一致している場合には巻線電流が流れない。

本発明の監視カメラ駆動装置によれば、高効率、高応答運転が可能となり、ステッピングモータを小型化できるとともに運転時の消費電力を低減できる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、監視カメラシステムの電気的構成を示している。監視カメラ駆動装置１は、屋外等に設置された監視カメラ３をステッピングモータ２により正逆回転駆動、ホールド駆動するものである。ステッピングモータ２（以下、モータ２と称す）は、例えばロータの磁極が５０歯で、ステータにＡ相、Ｂ相の巻線２ａ、２ｂ（図２参照）が巻回された２段構造のハイブリット型ステッピングモータである。そのロータの回転軸は、図示しないギアを介して監視カメラ３の回転軸に接続されている。また、モータ２の回転軸には、例えば１８００ｐｌｓ／ｒｅｖの分解能を持つインクリメンタル型のエンコーダ４（ロータ回転位置検出手段に相当）が取り付けられている。

マイクロコンピュータからなる制御部５は、インバータ６を介してモータ２の各巻線２ａ、２ｂの通電を制御するものである。図２は、インバータ６の電気的構成を示している。Ａ相巻線２ａの駆動回路とＢ相巻線２ｂの駆動回路（ともに二点差線で囲って示す）は同じ構成である。すなわち、主電源７の正側端子はトランジスタ８を介して直流電源線９に接続されており、主電源７の負側端子は直流電源線１０に直接接続されている。

これら直流電源線９と１０の間には、ＭＯＳＦＥＴ１１〜１４から構成されるブリッジ回路１５と電流検出用の抵抗１６とが直列に接続されており、さらに図示極性のダイオード１７が並列に接続されている。また、過電流保護のため、コンパレータ１８とパルス幅制御回路２０とを備えている。コンパレータ１８は、基準電圧発生回路１９で生成される基準電圧Ｖｒと抵抗１６の両端電圧とを比較するもので、パルス幅制御回路２０は、コンパレータ１８の出力信号に基づいてトランジスタ８のオンオフ状態を制御するようになっている。

続いて、図１に示す制御部５の各ブロックの機能を説明する。各機能ブロックは、マイクロコンピュータがメモリに記憶された制御プログラムを読み出して実行することにより実現されている。
カウンタ２１は、エンコーダ４から出力されるＡ信号、Ｂ信号、Ｚ信号（位置検出信号に相当）を入力し、互いに９０度位相のずれたＡ信号とＢ信号の各エッジをカウントする。位相算出部２２（位相検出手段に相当）は、カウントされたＡ信号とＢ信号の各エッジカウント数、Ｚ信号およびロータ磁極数から、ロータ位置（電気角）に対応した位相θｅ（電気位相に相当）を求める（図３参照）。

速度算出部２３（回転速度検出手段に相当）は、一定時間内におけるＡ信号とＢ信号の各エッジカウント数の変化量からモータ２の回転速度ωを算出する。カメラ位置算出部２４（カメラ回転位置算出手段に相当）は、ある基準位置を定め、位相θｅ、モータ２の回転軸に取り付けられたギアのギア比およびＡ信号とＢ信号の各エッジカウント数から、監視カメラ３の回転位置θｍを算出する。

監視カメラ３の動作には、監視カメラ３を一定速度で旋回させる連続旋回運転、手動で監視カメラの位置を合わせるマニュアル運転、復帰目標位置に自動復帰させるプリセット運転等がある。連続旋回運転時およびマニュアル運転時には、スイッチ２５が「ｍａｎｕ」側に切り替えられ、外部から送信されてくる目標回転速度ωrefmanuを目標回転速度ωrefとして用いる。目標回転速度ωrefmanuがゼロのときは停止指令である。

停止指令時において、通信により現在の停止位置の記憶指令を受信すると、停止している監視カメラ３の現在の絶対位置がカメラ位置記憶部２６に記憶される。この監視カメラ３の絶対位置は、０から２５５までの番号で記憶および管理されており、プリセット運転時の復帰目標位置θmrefとして用いられる。

プリセット運転時には、外部から通信により監視カメラ３の復帰目標位置の番号が指定される。カメラ位置記憶部２６は、この指定された番号の復帰目標位置θmrefを出力し、減算器２７は、この復帰目標位置θmrefから上記カメラ位置算出部２４で算出された監視カメラ３の回転位置θｍを減算して位置偏差Δθｍを得る。位置制御部２８（位置制御手段に相当）は、比例（Ｐ）演算器により構成されており、位置偏差Δθｍを入力とする比例演算を行い、モータ２の符号付きの目標回転速度ωrefpreを出力する。プリセット運転時にはスイッチ２５が「ｐｒｅ」側に切り替えられ、上記目標回転速度ωrefpreが目標回転速度ωrefとして用いられる。

減算器２９は、目標回転速度ωrefから上記速度算出部２３で算出されたモータ２の回転速度ωを減算して速度偏差Δωを得る。速度制御部３０（回転速度制御手段に相当）は、比例積分（ＰＩ）演算器により構成されており、速度偏差Δωを入力とする比例積分演算を行い、符号付きのモータ印加電圧値を出力する。

駆動方式選択部３１は、連続旋回運転時において、速度制御部３０から出力されるモータ印加電圧値から順トルク駆動と逆トルク駆動の何れであるかを判定し、その判定情報と位相算出部２２から出力される位相θｅとから、Ａ相とＢ相に対する通電パターンの選択を行う。また、駆動方式選択部３１は、プリセット運転時において、位置偏差Δθｍに基づいて順トルク駆動もしくは逆トルク駆動またはホールド駆動を選択し、その選択情報と位相算出部２２から出力される位相θｅとから、Ａ相とＢ相に対する通電パターンの選択を行う。

ＲＯＭに記憶された通電パターンテーブルは、位相θｅの３０度ごとに通電巻線と通電極性とからなる通電情報（すなわち巻線Ａの端子Ａ、／Ａ、巻線Ｂの端子Ｂ、／Ｂのオンオフ情報）を有している。通電相切替部３２（通電相切替手段に相当）は、速度制御部３０から出力されたモータ印加電圧値からＰＷＭデューティを計算し、駆動方式選択部３１から出力される通電パターンに従って通電信号を出力する。この通電信号は、ＭＯＳＦＥＴ１１〜１４の各ゲートに与えられる。

次に、モータ２の運転時における作用について図３および図４も参照しながら説明する。連続旋回運転では、外部から指令される回転速度ωrefmanuとモータ２の実際の回転速度ωとが一致するように速度フィードバック制御が行われ、速度偏差Δωに応じた電圧がモータ２に印加される。この場合、駆動方式選択部３１は、正転トルクを生成するための順トルク駆動または逆転トルクを生成するための逆トルク駆動の通電パターンテーブルを選択する。

図３（ａ）は順トルク駆動時の波形図で、図３（ｂ）は逆トルク駆動時の波形図である。図中の正弦波形はモータ２のＡ相巻線２ａとＢ相巻線２ｂの誘起電圧であり、鋸波形は位相θｅである。また、２つの矩形波形は通電信号波形であり、通電信号ＡがＨレベルの時にはＡ端子から／Ａ端子の向きに通電し、通電信号ＡがＬレベルの時には／Ａ端子からＡ端子の向きに通電する。通電信号Ｂも同様である。最下段にはエンコーダのＺ信号が示されている。この図３に示されているように、巻線２ａのＡ相誘起電圧の大きさがほぼ最大となる時点でＢ相巻線２ｂの通電を切り替え、巻線２ｂのＢ相誘起電圧の大きさがほぼ最大となる時点でＡ相巻線２ａの通電を切り替える。

図４は、運転可能なトルクと回転速度との関係を示している。（ａ）は本実施形態の監視カメラ駆動装置１を用いた場合の速度制御可能範囲であり、（ｂ）は従来のステッピングモータを用いた監視カメラ駆動装置の速度制御可能範囲である。従来のオープンループによるステッピングモータの駆動では、ある回転速度以上またはあるトルク以上になると脱調してしまうが、本実施形態の監視カメラ駆動装置１によれば、ＤＣモータのＴ−Ｎ特性あるいはＴ−Ｉ特性と同様の特性を有し、トルクが所定値を超えると回転速度は低下するが脱調することはない。

また、通電相切替部３２は、出力電圧と回転速度ωとに基づいて通電位相について進み角制御を実行する。すなわち、出力電圧が高くなり且つ回転速度が高くなるに従って徐々に通電位相を進み方向に補正する。出力電圧と回転速度の両者を用いるのは、モータロック状態での進み角補正を防止するためである。

一方、プリセット運転では、外部から番号（０〜２５５）により指令される監視カメラ３の復帰目標位置θmrefとモータ２の実際の回転位置θｍとが一致するように位置フィードバック制御が行われ、位置偏差Δθｍに応じた目標回転速度ωref（ωrefpre）が速度制御部３０に与えられる。この位置制御によれば、現在の回転位置θｍが復帰目標位置θmrefから離れているほど目標回転速度ωrefが大きくなり、復帰目標位置θmrefへの復帰時間が短縮される。

駆動方式選択部３１が位置偏差Δθｍに基づいて順トルク駆動と逆トルク駆動の何れかを選択する場合、位置制御部２８は、回転位置θｍが復帰目標位置θmrefに達すると比例ゲインを下げる。比例ゲインが大きいと、位置偏差Δθｍに対する感度が高くなり、監視カメラ３が復帰目標位置θmref付近において振動的になるからである。そこで、本実施形態では、比例ゲインを可変制御することにより、静止中の監視カメラ３が小刻みに振動するのを防止している。

また、駆動方式選択部３１が静止トルクを生成するためのホールド駆動を選択する場合には、監視カメラ３が復帰目標位置θmrefから所定角度範囲内に停止すると、トルクの発生を停止してそれ以上に復帰目標位置θmrefに近づけることをせず、その回転位置θｍでホールドする。この駆動方法によれば、監視カメラ３の小刻みな振動をより確実に防止することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ステッピングモータ２にエンコーダ４を取り付け、その位置検出信号Ａ、Ｂ、Ｚに基づいてロータの回転位置に対応した位相θｅを求め転流制御を行うので、ＤＣモータと同様に高速領域および高トルク領域まで脱調なく回転することが可能となる。また、進み角制御により位相θｅに基づいて巻線２ａ、２ｂに対し常に最適な通電を行うので、効率が高く高応答運転が可能となる。監視カメラ３は、風などの外圧を受け易く、プリセット運転では短時間での復帰目標位置θmrefへの整定が要求されている。従って、監視カメラ駆動装置１の上記特性は監視カメラ３の駆動に好適となる。さらに、高速回転能力および脱調防止能力を持つので、従来よりも小型（小容量）のモータ２を採用できる利点がある。

本実施形態の監視カメラ駆動装置１は、監視カメラ３の回転位置θｍについてのフィードバックループを有している。このため、プリセット運転において、外力がないなどの理由により回転位置θｍが復帰目標位置θmrefに一致している間は、目標回転速度ωrefが０となり、巻線２ａ、２ｂに殆ど電流が流れず、上述の高効率化と相俟って消費電流を低減することができる。このため、長時間に亘るバッテリ駆動が可能となる。

また、順トルク駆動または逆トルク駆動において、位置制御部２８における比例ゲインを可変可能としたので、復帰目標位置θmref付近で監視カメラ３が小刻みに振動するのを防止でき、静止状態での安定した映像が得られる。さらに、ホールド駆動を用いれば、一層安定した静止状態が得られる。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
プリセット運転において、位置制御部２８は、回転位置θｍが復帰目標位置θmrefに近付くと比例ゲインを下げるように構成してもよい。具体的には、復帰目標位置θmrefから所定角度範囲内で比例ゲインを低下させる。また、回転位置θｍが復帰目標位置θmrefに近付くに従って徐々に比例ゲインを下げるように構成してもよい。

駆動方式選択部３１は、通常のステップ駆動が可能なように構成してもよい。この場合には、ＲＯＭにステップ駆動用の通電パターンテーブルを備える。
復帰目標位置θmrefを外部から入力するように構成してもよい。
ステッピングモータ２のロータ磁極数、相数などは適宜変更可能である。
監視カメラ３は設置場所を限定されない。

本発明の一実施形態を示す監視カメラシステムの電気的構成図 インバータの電気的構成図 （ａ）は順トルク駆動時の波形図、（ｂ）は逆トルク駆動時の波形図 運転可能なトルクと回転速度との関係を示す図

符号の説明

図面中、１は監視カメラ駆動装置、２はステッピングモータ、２ａ、２ｂは巻線、３は監視カメラ、４はエンコーダ（ロータ回転位置検出手段）、２２は位相算出部（位相検出手段）、２３は速度算出部（回転速度検出手段）、２４はカメラ位置算出部（カメラ回転位置算出手段）、２８は位置制御部（位置制御手段）、３０は速度制御部（回転速度制御手段）、３２は通電相切替部（通電相切替手段）である。

Claims (7)

1. 複数相の巻線が巻回されたステータとロータとを備え監視カメラを回転駆動するステッピングモータと、
   前記ロータの回転位置を検出し位置検出信号を出力するロータ回転位置検出手段と、
   前記位置検出信号に基づいて前記ロータの回転位置に対応した電気位相を求める位相検出手段と、
   前記位置検出信号に基づいて前記ステッピングモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   目標の回転速度と検出した回転速度との差から前記巻線に印加する電圧を算出する回転速度制御手段と、
   前記電気位相に基づいて、前記巻線に生じる誘起電圧がほぼ最大となるタイミングで前記巻線の通電を切り替える通電相切替手段と、
   前記位置検出信号に基づいて前記監視カメラの回転位置を求めるカメラ回転位置算出手段と、
   前記監視カメラを目標の回転位置に回転させるときに、前記監視カメラの目標の回転位置と検出した回転位置との差に応じて前記目標の回転速度を算出する位置制御手段とを備えていることを特徴とする監視カメラ駆動装置。
2. 前記位置制御手段は、比例制御器により構成されていることを特徴とする請求項１記載の監視カメラ駆動装置。
3. 前記位置制御手段は、前記監視カメラの回転時と目標の回転位置への到達後とで異なる比例ゲインに切り替え可能に構成されていることを特徴とする請求項２記載の監視カメラ駆動装置。
4. 前記通電相切替手段は、正転トルク生成時、逆転トルク生成時、静止トルク生成時のそれぞれについて、所定の電気位相ごとに通電巻線と通電極性とからなる通電情報を示す通電パターンテーブルを備え、前記監視カメラの目標の回転位置と検出した回転位置との差に応じて前記通電パターンテーブルを選択し、その通電パターンテーブルに基づいて前記巻線の通電を切り替えることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の監視カメラ駆動装置。
5. 前記通電相切替手段は、負荷状態に応じて通電相の切り替え位相を補正することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の監視カメラ駆動装置。
6. 前記通電相切替手段は、出力電圧と回転速度とに基づいて前記切り替え位相の補正量を算出することを特徴とする請求項５記載の監視カメラ駆動装置。
7. 監視カメラとこの監視カメラを駆動する監視カメラ駆動装置とから構成される監視カメラシステムにおいて、
   前記監視カメラ駆動装置は、
   複数相の巻線が巻回されたステータとロータとを備え監視カメラを回転駆動するステッピングモータと、
   前記ロータの回転位置を検出し位置検出信号を出力するロータ回転位置検出手段と、
   前記位置検出信号に基づいて前記ロータの回転位置に対応した電気位相を求める位相検出手段と、
   前記位置検出信号に基づいて前記ステッピングモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   目標の回転速度と検出した回転速度との差から前記巻線に印加する電圧を算出する回転速度制御手段と、
   前記電気位相に基づいて、前記巻線に生じる誘起電圧がほぼ最大となるタイミングで前記巻線の通電を切り替える通電相切替手段と、
   前記位置検出信号に基づいて前記監視カメラの回転位置を求めるカメラ回転位置算出手段と、
   前記監視カメラを目標の回転位置に回転させるときに、前記監視カメラの目標の回転位置と検出した回転位置との差に応じて前記目標の回転速度を算出する位置制御手段とを備えていることを特徴とする監視カメラシステム。

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