JP2008167579A - ３相ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で精度の高い電流検出方式を実現し、低価格でしかも高精度のステッピングモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】ＰＷＭ方式による３相ステッピングモータ駆動装置において、ＰＷＭ１周期区間内でモータ総電流を４回又は２回検出し、複数回の検出電流から各相電流を演算しモータ電流制御を行う。前記電流検出器の検出信号は第１相、第２相及び第３相のＰＷＭ信号のうちで隣り合うエッジの時間差が前記ＡＤ変換器の変換時間以上の場合はＰＷＭ１周期の中で電流を４回検出し、ＰＷＭ信号の隣り合うエッジの時間差がＡＤ変換器の変換時間未満の場合にはＰＷＭ１周期の中で電流を２回検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置及び速度を制御するための三相ステッピングモータの駆動回路に関する。

特許第２８５１５５７号公報

ステッピングモータは外部から印加される角度指令に従って各巻線の電流通電状態を切り替えることで回転するが、切り替え直後に機械的振動が発生し問題となることが多い。
この対策としてマイクロステップ駆動方式と呼ばれる技術がある。これは各通電相の電流配分を徐々に変化させて回転を滑らかにしようとする方式で、例えば相電流の変化を数段階から十数段階に取りフルステップ駆動時の角度を細分化する場合が一般的である。
この場合、ステッピングモータ各巻線に対する通電電流は、例えば図２に示すように電圧制御用インバータの上下アームをＰＷＭ方式により正弦波若しくは正弦波状の階段波形とすることで所定電流を通電し円滑な回転を得ている。各相インバータは所定の電圧変化を実現するためにモータの通電電流を検出する必要があるが、例えば図３に示すようにステッピングモータ９０とインバータ部５０の間の各相接続部に電流検出器６１、６２、及び６３を挿入して検出値を電流制御部２１に入力する方式が考えられる。ここで用いる電流検出器６１、６２、及び６３は絶縁型か、又は検出部電圧変化が大きいために特殊な構成を必要とし高価となり、これらを使用することによりステッピングモータのブラシレスサーボモータに対する価格的優位性が失われてしまう。また、図４に示すようにインバータ５０の下アーム共通接続線側とグランドの間に電流検出器６０を挿入しローパスフィルタ７１を介して３相総電流を検出する方式では、環流及び回生を除くモータ通電電流の平均値を検出しており、モータの瞬時電流を検出できないため電流検出精度が低下するという問題があった。

簡単な構成で検出精度の高い電流検出方式を実現し、低価格でしかも高精度のステッピングモータ駆動装置を提供する。

前記課題を解決するために本発明では、ＰＷＭ方式による３相ステッピングモータ駆動装置において、ＰＷＭ１周期区間におけるモータ総電流を特定の時点の電流値を電流検出信号として検出しモータ電流制御を行う。即ち３相ステッピングモータの駆動装置において、外部から印加される角度指令に従いステッピングモータ通電電流指令を生成する電流指令発生器と、三角波信号発生器と、ステッピングモータ通電電流指令と前記三角波信号発生器で発生する三角波信号を比較し２値信号に変換するＰＷＭ信号発生器と、ＰＷＭ信号発生器で生成するＰＷＭ信号に従いステッピングモータの通電電流を制御するインバータと、電流検出器と、ＡＤ変換器を具備し、前記ＰＷＭ信号発生器は３相ステッピングモータの第１相用電流ＰＷＭ信号と第２相用電流ＰＷＭ信号と第３相用電流ＰＷＭ信号を生成し、前記インバータは第１の上アームスイッチング素子と第１の下アームスイッチング素子を直列に接続した第１相アーム群と、第２の上アームスイッチング素子と第２の下アームスイッチング素子を直列に接続した第２相アーム群と、第３の上アームスイッチング素子と第３の下アームスイッチング素子を直列に接続した第３相アーム群とから成り、３個のアーム群を並列に接続した３相ブリッジを構成し、上アームスイッチング素子の共通接続部をステッピングモータ駆動用主電源に接続し、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の接続部をそれぞれ３相ステッピングモータの各相巻線端子に接続し、下アームスイッチング素子の共通接続部を前記電流検出器に接続し、前記電流検出器の出力は前記ＡＤ変換器を介して前記電流指令発生器の別の入力信号として電流指令発生器に印加するように構成し、前記電流検出器の検出信号は第１相、第２相及び第３相のＰＷＭ信号のうちで隣り合うエッジの時間差が前記ＡＤ変換器の変換時間以上の場合はＰＷＭ１周期の中で電流を４回検出し、ＰＷＭ信号の隣り合うエッジの時間差がＡＤ変換器の変換時間未満の場合はＰＷＭ１周期の中で電流を２回検出する。

また、４回の電流検出の時点は、ＰＷＭ信号の隣接する立ち上がりエッジの間の時点及び隣接する立ち下がりエッジの間の時点とる。

また、２回の電流検出の時点は、各相ＰＷＭ信号のＰＷＭ周期に対する上アームのｏｎ時間の比が５０％に対して大きい場合を正、小さい場合を負としたときの３相ＰＷＭ信号の異極性相の立ち上がりエッジの間の時点及び異一極性相の立ち下がりエッジの間の時点を電流検出時点とする。

また、電流検出値は２回乃至４回の検出結果のうち最大値を用いる。

また、電流検出値は２回乃至４回の検出結果のうち２つの大きい値の平均値を用いる。

簡単な電流検出回路の構成で精度の高い３相ステッピングモータのＰＷＭ方式電流制御が実現できる。

発明を実施するための最良の形態を図１に示す。
図１に示す３相ステッピングモータの駆動装置において、外部から角度指令入力端子１０に印加される角度指令に従いステッピングモータ通電電流指令を生成する電流指令発生器２０と、三角波信号発生器３０と、電流指令発生器２０の出力であるステッピングモータ通電電流指令と前記三角波信号発生器３０で発生する三角波信号を比較し２値信号に変換するＰＷＭ信号発生器４０と、ＰＷＭ信号発生器４０で生成するＰＷＭ信号に従いステッピングモータの通電電流を制御するインバータ５０と、電流検出器６０と、ＡＤ変換器７０を具備し、前記ＰＷＭ信号発生器４０は３相ステッピングモータの第１相用電流ＰＷＭ信号と第２相用電流ＰＷＭ信号と第３相用電流ＰＷＭ信号を生成し、前記インバータは第１の上アームスイッチング素子と第１の下アームスイッチング素子を直列に接続した第１相アーム群Ｓｕと、第２の上アームスイッチング素子と第２の下アームスイッチング素子を直列に接続した第２相アーム群Ｓｖと、第３の上アームスイッチング素子と第３の下アームスイッチング素子を直列に接続した第３相アーム群Ｓｗとからなり、３個のアーム群を並列に接続した３相ブリッジを構成し、上アームスイッチング素子の共通接続部をステッピングモータ駆動用主電源端子８０に接続し、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の接続部をそれぞれ３相ステッピングモータ９０の各相巻線端子に接続し、下アームスイッチング素子の共通接続部を前記電流検出器６０に接続し、前記電流検出器の出力は前記ＡＤ変換器７０を介して前記電流指令発生器２０の別の入力信号として電流指令発生器２０に印加するように構成し、前記電流検出器６０の検出信号はＡＤ変換器７０によってディジタル信号に変換し電流制御を行うための電流検出信号としている。ここで、ＡＤ変換器７０の変換時点は第１相アーム群Ｓｕ、第２相アーム群Ｓｖ及び第３相アーム群Ｓｗに対して印加されるＰＷＭ信号のうち隣接する立ち上がりエッジの間の時点及び隣接する立ち下がりエッジの時間差から電流検出時点演算器７５によって決定している。

第１相アーム群Ｓｕと第２相アーム群Ｓｖと第３相アーム群Ｓｗの各相アーム群は上アームと下アームが相補の動作を行っており、ＰＷＭ制御において、ＰＷＭ周期に対する上アームのｏｎ時間の比が５０％以上を正方向電流、５０％未満を負方向電流が流れるため、電流流路は図５に示すＡ−１からＢ−３の６種類の条件に区分できる。更に、３相のうち２相が正方向電流の場合のＡ−１、Ａ−２及びＡ−３からなるＡ群と、２相が負方向電流の場合のＢ−１、Ｂ−２及びＢ−３からなるＢ群に区分できる。

図６はＡ群の相電流流路の例である。図６に対応するＰＷＭスイッチングパターンと電流検出器の検出電流の関係を図７に示す。
前記電流検出時点演算器７５は、図７においてＡＤ変換器７０に対する変換時点が（ｔ１Ａ＋ｔ２Ａ）／２、（ｔ２Ａ＋ｔ３Ａ）／２、（ｔ４Ａ＋ｔ５Ａ）／２及び（ｔ５Ａ＋ｔ６Ａ）／２の各時間毎にトリガ信号を発生し、４回の電流検出信号を得ている。

また、図８はＢ群の相電流流路の例である。図８に対応するＰＷＭスイッチングパターンと電流検出器の検出電流の関係を図９に示す。
前記電流検出時点演算器７５は、図９においてＡＤ変換器７０に対する変換時点が（ｔ１Ｂ＋ｔ２Ｂ）／２、（ｔ２Ｂ＋ｔ３Ｂ）／２、（ｔ４Ｂ＋ｔ５Ｂ）／２及び（ｔ５Ｂ＋ｔ６Ｂ）／２の各時間毎にトリガ信号を発生し、４回の電流検出信号を得ている。

ここで、図６及び図７から明らかな通り、（ｔ１Ａ＋ｔ２Ａ）／２及び（ｔ５Ａ＋ｔ６Ａ）／２の時点で検出した電流はＩｗ＊に対する実電流Ｉｗｆであり、（ｔ２Ａ＋ｔ３Ａ）／２（ｔ４Ａ＋ｔ５Ａ）／２の時点で検出した電流はＩｕ＊に対する実電流Ｉｕｆである。また、３相の電流はＩｕ＊＋Ｉｖ＊＋Ｉｗ＊＝０、Ｉｕｆ＋Ｉｖｆ＋Ｉｗｆ＝０の関係が成り立つから、２回乃至４回の電流検出でＰＷＭ期間１周期における第１相の瞬時電流Ｉｕｆと第３相の瞬時電流Ｉｗｆを検出することができるとともに、第２相の瞬時電流Ｉｖｆを導出することができる。

同様に、図８及び図９から明らかな通り、（ｔ１Ｂ＋ｔ２Ｂ）／２及び（ｔ５Ｂ＋ｔ６Ｂ）／２の時点で検出した電流はＩｗ＊に対する実電流Ｉｗｆであり、（ｔ３Ｂ＋ｔ４ＢＡ）／２及び（ｔ４Ｂ＋ｔ５Ｂ）／２の時点で検出した電流はＩｕ＊に対する実電流Ｉｕｆである。また、３相の電流はＩｕ＊＋Ｉｖ＊＋Ｉｗ＊＝０、Ｉｕｆ＋Ｉｖｆ＋Ｉｗｆ＝０の関係が成り立つから、２回乃至４回の電流検出でＰＷＭ期間１周期における第１相の瞬時電流Ｉｕｆと第３相の瞬時電流Ｉｗｆを検出することができるとともに、第２相の瞬時電流Ｉｖｆを導出することができる。

また、２回の電流検出の時点は、各相ＰＷＭ信号のＤｕｔｙが５０％に対して大きい場合を正、小さい場合を負としたときの３相ＰＷＭ信号の異極性相の立ち上がりエッジの間の時点及び異一極性相の立ち下がりエッジの間の時点を電流検出時点とする。即ちＡ群における電流検出の時点は図７ではＳｕとＳｖが正、Ｓｗが負であるから、（ｔ１Ａ＋ｔ２Ａ）／２及び（ｔ５Ａ＋ｔ６Ａ）／２の２回で、Ｂ群における電流検出の時点は図９ではＳｕが正、ＳｖとＳｗが負であるから（ｔ２Ｂ＋ｔ３Ｂ）／２及び（ｔ４Ｂ＋ｔ５Ｂ）／２の２回となる。

特にステッピングモータは、外部から端子１０に印加される角度指令θと、図１では省略したが電流指令発生器内部に予め設定している電流振幅指令Ｉｍ＊に従い各時点における各相電流指令の瞬時値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊及びＩｗ＊を算出しており、逆に瞬時値から振幅値を求めることも可能である。同様に検出電流についても角度指令θを用いることで検出電流の振幅値Ｉｍｆを演算することができる。ＰＷＭキャリア一周期に４回の電流検出を行う場合は検出信号の差分から３相電流を求め、ＰＷＭキャリア一周期に２回の電流検出を行う場合には、電流振幅の最も大きい相の電流を検出し検出電流の振幅値Ｉｍｆを演算した後、更に他の２相の電流を推定することで３相分の電流制御が可能である。

本発明になる３相ステッピングモータの駆動装置は３相ステッピングモータの駆動に適し、部品点数が少なくて済む。また、制御部の機能ブロックは全てマイクロコンピュータで構成することができ、かつ制御が簡単であることから、処理能力の低いマイクロコンピュータでも構成可能であり、駆動回路の小型化と低コスト化に貢献し、ステッピングモータを各種駆動源として利用範囲を拡大することができる。

本発明になる３相ステッピングモータの駆動回路の構成を示すブロック図である。 ３相ステッピングモータのマイクロステップの電流例である。 従来の方式による３相ステッピングモータ駆動回路の第１の構成を示すブロック図である。 従来の方式による３相ステッピングモータ駆動回路の第２の構成を示すブロック図である。 本発明における３相ステッピングモータ駆動回路の第１の動作説明図である。 本発明における３相ステッピングモータの駆動電流の説明図である。 本発明における３相ステッピングモータ駆動回路の第１の動作に対応する電流検出器の出力信号説明図である。 本発明における３相ステッピングモータ駆動回路の第２の動作説明図である。 本発明における３相ステッピングモータ駆動回路の第２の動作に対応する電流検出器の出力信号説明図である。

符号の説明

１０ 角度指令入力端子
２０ 電流指令発生器
３０ 三角波信号発生器
４０ ＰＷＭ信号発生器
５０ インバータ
５１ 上アームスイッチング素子
５２ 下アームスイッチング素子
６０、６１、６２、６３ 電流検出器
７０ ＡＤ変換器
７１ ローパスフィルタ
７５ 電流検出時点演算器
８０ 電源接続端子
９０ ステッピングモータ

Claims (5)

1. ３相ステッピングモータの駆動装置において、外部から印加される角度指令に従いステッピングモータ通電電流指令を生成する電流指令発生器と、三角波信号発生器と、ステッピングモータ通電電流指令と前記三角波信号発生器で発生する三角波信号を比較し２値信号に変換するＰＷＭ信号発生器と、ＰＷＭ信号発生器で生成するＰＷＭ信号に従いステッピングモータの通電電流を制御するインバータと、電流検出器と、ＡＤ変換器を具備し、前記ＰＷＭ信号発生器は３相ステッピングモータの第１相用電流ＰＷＭ信号と第２相用電流ＰＷＭ信号と第３相用電流ＰＷＭ信号を生成し、前記インバータは第１の上アームスイッチング素子と第１の下アームスイッチング素子を直列に接続した第１相アーム群と、第２の上アームスイッチング素子と第２の下アームスイッチング素子を直列に接続した第２相アーム群と、第３の上アームスイッチング素子と第３の下アームスイッチング素子を直列に接続した第３相アーム群とから成り、３個のアーム群を並列に接続した３相ハーフブリッジを構成し、上アームスイッチング素子の共通接続部をステッピングモータ駆動用主電源に接続し、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の接続部をそれぞれ３相ステッピングモータの各相巻線端子に接続し、下アームスイッチング素子の共通接続部を前記電流検出器に接続し、前記電流検出器の出力は前記ＡＤ変換器を介して前記電流指令発生器の別の入力信号として電流指令発生器に印加するように構成し、前記電流検出器の検出信号は第１相と第２相と第３相の隣り合うＰＷＭ信号のエッジの時間差が前記ＡＤ変換器の変換時間以上の場合はＰＷＭ１周期の中で電流を４回検出し、隣り合うＰＷＭ信号のエッジの時間差がＡＤ変換器の変換時間未満の場合はＰＷＭ１周期の中で電流を２回検出することを特徴とする３相ステッピングモータの駆動装置。
2. ４回の電流検出の時点は、ＰＷＭ信号の隣接する立ち上がりエッジの間の時点及び隣接する立ち下がりエッジの間の時点とする１項記載の３相ステッピングモータの駆動装置。
3. ２回の電流検出の時点は、各相ＰＷＭ制御において、ＰＷＭ周期に対する上アームのｏｎ時間の比が５０％以上を正、５０％未満を負としたときの３相ＰＷＭ信号の異極性相の立ち上がりエッジの間の時点及び異極性相の立ち下がりエッジの間の時点を電流検出時点とする１項及び２項記載の３相ステッピングモータの駆動装置。
4. 電流検出値は２回乃至４回の検出結果のうち最大値を用いる１項及び２項記載の３相ステッピングモータの駆動装置。
5. 電流検出値は２回乃至４回の検出結果のうち２つの大きい値の平均値を用いる１項及び２項記載の３相ステッピングモータの駆動装置。

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