JP2010284053A - ステッピングモータ脱調検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータ等の高効率化と装置の低コスト化との双方を図るようにする。
【解決手段】 脱調検出装置１は、ステッピングモータ２の中点αの電圧を検出して中点電圧信号ａとして出力する電圧検出部１０と、回転速度信号ｂ及び中点電圧信号ａに基づいて同モータ２の脱調の有無を判定する脱調判定部２０とを備えている。同モータ２が脱調すると、同モータ２の中点αの電圧のレベルに特有の変化が現れる。この現象は同モータ２の回転速度によっても変化する。よって、同モータ２の中点αの電圧を検出する一方、同モータ２の回転速度が入力されると、同モータ２の脱調の有無を検知することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明はエンコーダやレゾルバ等のセンサを使用することなくステッピングモータの脱調を効果的に検出することが可能なステッピングモータ脱調検出装置に関する。

従来のステッピングモータ脱調検出装置については、ドライバの出力ラインに介在された脱調検出回路を用いてモータ電流等を検出し、この検出信号に現れる変化を監視して脱調の有無を検知するのが一般的であった（例えば、特許文献１等がある）。

特開２００７−２３３６６４０号公報

しかしながら、ドライバの出力ライン上に脱調検出回路が設けられ、同回路に大きなモータ電流が流れることから損失が大きく、この点でモータ等の高効率化を図ることが困難である。もっとも、エンコーダやレゾルバ等のセンサを使用した装置を使用すると、上記問題が一応解消されるものの、装置自体の低コスト化を図ることが困難になるという別の問題を招来する。

本発明は上記した背景の下で創作されたものであって、その目的とするところは、モータ等の高効率化と装置の低コスト化との双方を図ることが可能なステッピングモータ脱調検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のステッピングモータ脱調検出装置は、ステッピングモータの各相コイルの結線上の中点の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部の検出電圧のレベル、周波数又は波形に現れる変化を監視し、当該監視結果に基づいて同モータの脱調及び／又はその兆候の有無を判定する脱調判定部とを備えた構成にしている。

脱調判定部の具体例としては、ステッピングモータの脱調又はその徴候の有無を判定するのに必要な基準値が予め用意されており、電圧検出部の検出電圧のレベル、周波数又は波形と当該基準値とを比較し、当該比較結果に基づいて同モータの脱調又はその徴候の有無を判定する構成としたものがある。

上記した本発明は次のような新しい知見に基づいている。即ち、ステッピングモータが脱調又はそれに近い状態（高負荷状態を含む）になると、同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧のレベル、周波数又は波形等に特有の変化が現れる。よって、同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧のレベル等に現れる変化を監視するようにすれば、同モータの脱調又はその兆候（高負荷状態を含む）の有無を判定することが可能になる。

従って、本発明によると、ステッピングモータの各相コイルの結線上の中点に電圧検出部の入力側を接続しても同回路に大きな電流が流れないことから、損失が非常に小さく、この点でモータ又はドライバ等の高効率化を図ることが可能になる。また、装置全体の構成が非常にシンプルであることから低コスト化を容易に図ることも可能になる。

ステッピングモータの使用周波数帯域が広範囲である場合、次のような脱調判定部を使用することが好ましい。即ち、脱調判定部は、ステッピングモータの脱調又はその徴候の有無を判定するのに必要な基準値が同モータの回転速度の区分毎に予め用意され、モータの回転速度が入力されており、電圧検出部の検出電圧のレベル、周波数又は波形と入力された同モータの回転速度に対応した当該基準値とを比較し、当該比較結果に基づいて同モータの脱調又はその徴候の有無を判定する構成としている。

上記した下位概念の発明は次のような知見に基づいている。即ち、ステッピングモータが脱調又はそれに近い状態になると、同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧のレベル等に特有の変化が現れるが、この現象が同モータの回転速度に応じて変化する。

従って、上記した下位概念の発明によると、ステッピングモータの脱調等の有無を判定するのに必要な基準値を同モータの回転速度の区分毎に予め用意しておき、その中から同モータの実際の回転速度に対応した基準値を用いる構成となっているので、ステッピングモータの使用周波数帯域が広範囲である場合であっても同モータの脱調等の検出精度を高くすることが可能になる。

ステッピングモータの脱調等の有無を判定するに当たり、同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧のレベルの変化を監視する場合、次のような脱調判定部を使用することが好ましい。即ち、脱調判定部は、同モータの加速／減速の開始時であるときは、検出部の検出電圧のレベルを用いた同モータの脱調等の有無の判定を停止させる機能を併有した構成としている。

上記した下位概念の発明は次のような知見に基づいている。即ち、ステッピングモータの加速／減速の開始時には脱調等がなくても各相コイルの結線上の中点の電圧のレベルが高くなることがある。

従って、上記した下位概念の発明によると、ステッピングモータの加速／減速の開始時であるときは、同モータの脱調等の有無の判定を停止させる構成となっているので、同モータが高加速度で加速／減速される場合であっても同モータの脱調等の検出精度を高くすることが可能になる。

ステッピングモータの各相コイルの一端又は中間部が中点として共通に接続されている場合の上記電圧検出部の具体例については、中点に電気的に接続されたリード部と、リード部を通じて導かれた中点の電圧を前置処理して信号として出力する出力部とを有した構成とすると良い。

ステッピングモータの各相コイルが環状に接続され、各相コイルの結線上の中点が存在しない場合の上記電圧検出部の具体例については、各相コイルに対応して互いに星状に接続された抵抗体群であって各相コイルの各接続点に一端が接続された中点回路部と、中点回路部における共通接続側の他端を各相コイルの結線上の中点とし当該中点に電気的に接続されたリード部と、リード部を通じて導かれた中点の電圧を前置処理して信号として出力する出力部とを有した構成とすると良い。

本発明の実施の形態に係るステッピングモータ脱調検出装置のブロック図である。 入力周波数が１０ｋＨｚであるステッピングモータ正常回転時の同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧の波形図である。 入力周波数が１０ｋＨｚであるステッピングモータ脱調時の同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧の波形図である。 入力周波数が１ｋＨｚであるステッピングモータ脱調時の同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧の波形図である。 ステッピングモータの回転開始時の同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧の波形図である。 同装置の脱調判定部で処理されるソフトウエアのフローチャートである。 ３相スター型ステッピングモータの巻線構造図である。 新４相型ステッピングモータの巻線構造図である。 ５相スター型ステッピングモータの巻線構造図である。 ３相デルタ型ステッピングモータの巻線構造図である。 ５相ペンタゴン型ステッピングモータの巻線構造図である。

以下、本発明の実施の形態に係るステッピングモータ脱調検出装置（以下、単に脱調検出装置と称する。）を図１乃至図６を参照して説明する。なお、特許請求の範囲に記載された発明特定事項と同装置の構成要素との間で対応関係が不明なものについては後記する符号の説明の欄において併せて示すものとする。

ここに例として挙げる脱調検出装置１については、図１に示すようにエンコーダやレゾルバ等のセンサを使用することなくステッピングモータ２の脱調又はその兆候を効果的に検出することが可能な装置であり、電圧検出部１０及び脱調判定部２０を有した構成となっている。

なお、ステッピングモータ２は、ロータ２１、Ａ相コイル２２及びＢ相コイル２３を有し、Ａ相コイル２２とＢ相コイル２３との各中間部が中点αとして共通に接続された巻線構造となっている。即ち、図１に示されたステッピングモータ２は新２相型ステッピングモータである。

電圧検出部１０については、ステッピングモータ２の中点αの電圧を検出する回路であって、中点αに電気的に接続されたリード線であってステッピングモータ２と同装置１との間を接続するリード部１１と、リード部１１を通じて導かれた中点αの電圧を前置処理して中点電圧信号ａとして出力する出力部１２とを有した構成となっている。

なお、ステッピングモータ２については、リード部１１をＡ相コイル２２及びＢ相コイル２３に接続してこれを外部に取り出す必要があるが、同モータのリード端子の構造によっては、リード部１１を外部に取り出す必要がない場合もある。これは後述する中点回路部１３、１３’についても同様である。

出力部１２については、中点αの電圧を分圧するとともに直流成分の阻止等を行う分圧回路１２１と、同回路１２１の後段に接続された振幅制限回路１２２と、同回路１２２の後段に接続されたオペアンプ増幅回路１２３とを有した構成となっている。オペアンプ増幅回路１２３から出力される中点電圧信号ａは、中点αの電圧を脱調判定部２０の処理に適した形に前置処理した信号であるが、中点αの電圧のレベル、周波数、波形等の情報が含まれた内容になっている。

脱調判定部２０については、アナログ形式の中点電圧信号ａ及びデジタル形式の回転速度信号ｂを入力としてステッピングモータ２の脱調又はその兆候の有無を判定し、その判定結果をアラーム信号ｃとして出力する構成となっており、本実施形態ではＣＰＵ（中央演算装置）を用いている。

なお、回転速度信号ｂは入力指令パルスを相分配して相励磁信号を生成する図外のドライバから出力された信号であり、ステッピングモータ２の回転速度指令を示しており、同モータ２の入力周波数又は回転速度と実質上同一内容を示している。

図２乃至図５に示すグラフの縦軸は中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値、横軸はサンプリング時間を表している。図２は入力周波数が１０ｋＨｚであるモータ正常回転時、図３は入力周波数が１０ｋＨｚであるモータ脱調時、図４は入力周波数が１ｋＨｚであるモータ脱調時、図５はモータ回転開始時を各々示している。

即ち、ステッピングモータ２が脱調すると、図２に示すように同モータ２の中点αの電圧のレベル、周波数又は波形等に特有の変化が現れる。この現象は図３に示すようにモータ２の回転速度によっても変化する。これは同モータ２の種類や駆動電流等のレベルに大きく左右されず、脱調直前であっても上記に近い現象が現れることが実験により確かめられている。よって、同モータ２の駆動中において中点αの電圧のレベル、周波数又は波形等を常時監視することにより、同モータ２の脱調又はその兆候の有無を判定することが可能になる。このような原理でもって脱調判定部２０により同モータ２の脱調等の判定している。本実施形態においては、脱調判定部２０の判定処理を簡単化にするために、中点αの電圧のレベルを常時監視するようにしている。

ただ、図５に示すように同モータ２の回転開始時には脱調等がなくても中点αの電圧のレベルが高くなり、これが誤判定の要因となり得る。この現象は同モータ２の回転速度指令、自起動又は傾斜等のパラメータに左右されず、同モータ２の一定速度からの再加速時、減速開始時にも同一の現象が現れることが実験により確かめられている。そこで、脱調判定部２０は、回転速度信号ｂに基づいて同モータ２の回転速度の変化を把握し、その結果、同モータ２の加速開始時又は減速開始時であるときには、同モータ２の脱調又はその徴候の有無の判定を停止させて誤判定になるのを未然に防止している。

脱調判定部２０は、本実施形態においては、同モータ２の脱調の有無を判定するのに必要な基準値が同モータ２の回転速度区分毎に予め用意されており、同モータ２の回転速度が１ｋＨｚ以上２ｋＨｚ未満であるときは基準値が中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値の値で示された２５０（第１基準値）、同モータ２の回転速度が２ｋＨｚ以上であるときは基準値が中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値の値が示された６００（第２基準値）とされている。そして、中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値と同モータ２の回転速度の区分に対応した上記基準値とを大小比較し、この大小比較結果に基づいて同モータ２の脱調の有無を判定する基本構成となっている。

脱調判定部２０にて具体的に処理されるプログラムの流れは図６に示す通りである。但し、図６中においては、同モータ２の加速開始時又は減速開始時であるときに同モータ２の脱調等の有無の判定を停止させる処理が省略されている。

まず、回転速度信号ｂを通じてステッピングモータ２の回転速度指令を入力し、中点電圧信号ａをＡ／Ｄ変換して中点αの電圧のレベルを入力する（処理１）。その結果、同モータ２の回転速度が１ｋＨｚ以上２ｋＨｚ未満であるときには、処理２及び処理３が行われる一方、同モータ２の回転速度が２ｋＨｚ以上であるときには、処理４が行われる。これらの処理の終了後には再び最初に戻り、以後はこのループ処理の繰り返しである。

処理２においては、中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値が１００以下になった回数をカウントし、そのカウント値が所定回数になると、フラグＡをセットする。フラグＡがセットされた状態で、中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値が第１基準値の２５０を超えると、直ぐに脱調であると判定せずに、フラグＢをセットする。

処理３においては、フラグＢがセットされた状態で、中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値を所定回数を監視し、この中に第２基準値の６００以上のものがなかったときは、同モータ２の回転開始時の影響ではないとして、同モータ２が脱調したと判定し、アラーム信号ｃをアクティブとする。第２基準値の６００以上のものがあったときは、処理３の処理が終了となり再び最初に戻る。フラグＡ、Ｂがリセット状態であるときも同様である。

処理４においては、中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値が第２基準値の６００を超えた回数をカウントする。カウントアップされた後、中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値が第２基準値の６００以下であり且つカウントが１〜ｎを示しているときは、同モータ２の回転開始時の影響ではないとして、同モータ２が脱調したと判定し、アラーム信号ｃをアクティブとする。中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値が第２基準値の６００を超えないときは、処理４の処理が終了となり再び最初に戻る。カウントアップされた後、中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値が第２基準値の６００を連続的に超えたときも同様である。

さらに、脱調判定部２０は、同モータ２の脱調の徴候の有無を判定するのに必要な別の基準値が同モータ２の回転速度区分毎に予め用意されており、上記と全く同様の方法でもって同モータ２の脱調の徴候の有無を判定し、同モータ２に脱調の徴候があると判定したときには、アラーム信号ｃをアクティブとする基本構成となっている。

なお、ステッピングモータ２の種類や駆動電流値等により、脱調や高負荷状態を示す電
圧が異なることから、同モータ２の脱調又はその徴候の有無を判定するのに必要な同モータ２の回転速度の区分の数、区分毎の基準値、中点電圧信号ａのＡ／Ｄ変換値が基準値を超えた回数等については、実験等を通じて適宜調整すれば良い。また、中点電圧信号ａに含まれる高調波成分をフィルター回路等を用いて検出し、検出された高調波成分のレベルと同モータ２の回転速度に対応した基準値とを比較し、当該比較結果に基づいて同モータ２の脱調又はその徴候の有無を判定するようにしてもかまわない。

脱調検出装置１の適用対象となるステッピングモータの相数及び巻線構造等については
図１に示す新２相型ステッピングモータだけに止まらない。例えば、各相コイルの一端が中点として共通に接続されている第１タイプのステッピングモータ（例えば、図７、図８、図９に各々示された３相スター型、新４相型、５相スター型のステッピングモータ）の他、各相コイルが環状に接続された第２のタイプのステッピングモータ（例えば、図１０、図１１に各々示された３相デルタ型、５相ペンタゴン型のステッピングモータ）にも適用可能である。

ただ、第２のタイプのステッピングモータの場合、各相コイルの結線上の中点が存在しないことから、例えば、図１０に示す３相デルタ型のステッピングモータについては、高抵抗で同一抵抗値の３つの抵抗器Ｒを各相コイルに対応して互いに星状に接続された中点回路部１３を設け、中点回路部１３の一端を各相コイルの各接続点に接続し、共通接続側の他端を中点αとし、リード部１１を電気的に接続するようにする。図１１に示す５相デルタ型のステッピングモータについても全く同様であり、高抵抗で同一抵抗値の５つの抵抗器Ｒを各相コイルに対応して互いに星状に接続された中点回路部１３’を設け、中点回路部１３’の一端を各相コイルの各接続点に接続し、共通接続側の他端を中点αとし、リード部１１を電気的に接続するようにする。

上記のように構成された脱調検出装置１によると、ステッピングモータ２の中点αに電圧検出部１０のリード部１１を接続してもリード部１１に大きな電流が流れないことから、従来とは異なり損失が非常に小さく、この点で同モータ２又はドライバ等の高効率化を図ることが可能になる。また、ステッピングモータの適用可能範囲が非常に広いことから、汎用性が高く非常に実用的である。しかも装置全体の構成が非常にシンプルであることから低コスト化を容易に図ることも可能である。

なお、本発明に係る脱調検出装置は、ステッピングモータのドライバ又はコントローラと一体化する形態であっても良い。電圧検出部については、ステッピングモータの各相コイルの結線上の中点の電圧を検出するとともに検出した電圧を脱調判定部に出力する機能を有する限り、どのような回路構成にしてもかまわず、脱調判定部の構成に応じて適宜設計変更すれば良い。脱調判定部については、同モータの回転速度との関係において電圧検出部の検出電圧のレベル、周波数及び／又は波形等を監視して同モータの脱調又はその兆候の有無を判定する機能を有する限り、その構成が問われず、ハードウェアによりその機能を実現しても良い。同モータの回転速度については、ドライバに入力される指令パルスやロータリエンコーダから出力されたエンコーダ信号をカウントして求めるようにしてもかまわない。

１ 脱調検出装置（ステッピングモータ脱調検出装置）
１０ 電圧検出部
１１ リード部
１２ 出力部
２０ 脱調判定部
２ ステッピングモータ
２１ ロータ
２２、２３ Ａ相コイル、Ｂ相コイル
α 中点（各相コイルの結線上の中点）

Claims (6)

1. ステッピングモータの各相コイルの結線上の中点の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部の検出電圧のレベル、周波数又は波形に現れる変化を監視し、当該監視結果に基づいて同モータの脱調及び／又はその兆候の有無を判定する脱調判定部とを備えたことを特徴とするステッピングモータ脱調検出装置。
2. 請求項１記載のステッピングモータ脱調検出装置において、前記脱調判定部は、前記ステッピングモータの脱調又はその徴候の有無を判定するのに必要な基準値が予め用意されており、前記電圧検出部の検出電圧のレベル、周波数又は波形と当該基準値とを比較し、当該比較結果に基づいて同モータの脱調又はその徴候の有無を判定する構成となっていることを特徴とするステッピングモータ脱調検出装置。
3. 請求項１記載のステッピングモータ脱調検出装置において、前記脱調判定部は、前記ステッピングモータの脱調又はその徴候の有無を判定するのに必要な基準値が同モータの回転速度の区分毎に予め用意され、前記モータの回転速度が入力されており、前記電圧検出部の検出電圧のレベル、周波数又は波形と入力された同モータの回転速度に対応した当該基準値とを比較し、当該比較結果に基づいて同モータの脱調又はその徴候の有無を判定する構成となっていることを特徴とするステッピングモータ脱調検出装置。
4. 請求項３記載のステッピングモータ脱調検出装置において、前記脱調判定部は、入力された同モータの回転速度に基づいて加速／減速の開始時であるときは、前記電圧検出部の検出電圧のレベルを用いた同モータの脱調等の有無の判定を停止させる機能を有した構成となっていることを特徴とするステッピングモータ脱調検出装置。
5. ステッピングモータの各相コイルの一端又は中間部が前記中点として共通に接続されて
   いる場合の請求項１、２又は３記載のステッピングモータの脱調検出装置において、前記電圧検出部は、前記中点に電気的に接続されたリード部と、リード部を通じて導かれた中点の電圧を前置処理して信号として出力する出力部とを有した構成となっていることを特徴とするステッピングモータ脱調検出装置。
6. ステッピングモータの各相コイルが環状に接続され、各相コイルの結線上の中点が存在
   しない場合の請求項１、２又は３記載のステッピングモータの脱調検出装置において、前記電圧検出部は、前記各相コイルに対応して互いに星状に接続された抵抗体群であって前記各相コイルの各接続点に一端が接続された中点回路部と、中点回路部における共通接続側の他端を各相コイルの結線上の中点とし当該中点に電気的に接続されたリード部と、リード部を通じて導かれた中点の電圧を前置処理して信号として出力する出力部とを有した構成となっていることを特徴とするステッピングモータ脱調検出装置。

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