JP2012016221A - モータ制御装置及び脱調状態検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータの脱調状態の検出精度を改善する。
【解決手段】モータ制御装置１０において、制御部は、それぞれ異なる位相のコイル電流が流れる少なくとも２相のコイルと、各相のコイルに流れるコイル電流の位相を周期的に切り替えることで回転するロータと、を有するステッピングモータ２０のコイルのそれぞれにパルス幅変調されたパルス電圧を印加する。逆起電圧測定部１２６は、いずれか１つの相のコイルに流れるコイル電流の向きが切り替わる際に一時的に該コイルへのパルス電圧の印加を停止する停止期間を設けて、該停止期間中に該コイルに誘起される逆起電圧を測定する。脱調状態検出部は、測定された逆起電圧が所定の脱調状態判定基準を充足した場合にステッピングモータ２０の脱調状態を検出する。電圧制御部は、停止期間中に、逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルを固定電圧に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置及び脱調状態検出方法に関し、より具体的には、ステッピングモータのモータ制御装置及び脱調状態検出方法に関する。

特許文献１には、ステッピングモータの制御信号における各ステップ単位の期間内に、ステッピングモータの回転に影響しない程度の短い時間だけ制御信号の供給を停止する停止期間を設け、その停止期間にコイルに誘起される逆起電圧を測定することにより、ステッピングモータの脱調状態を検出する技術が開示されている。

特許文献２には、特許文献１に記載された技術において、ステッピングモータを最大トルクで使用可能とするとともに、脱調状態を検出する技術が開示されている。特許文献２の技術では、Ｎ相のコイルを有するステッピングモータを駆動するために各相のコイルに制御電流又は制御電圧を通電する手段と、各相のコイルに誘起される逆起電圧を個別に測定する手段と、が用いられる。特許文献２の技術では、ステッピングモータのロータにおける１ステップ歩進中の所定時点でステッピングモータの回転に影響を与えない程度の短い時間だけ各相のコイルの制御電流又は制御電圧の通電を相毎に順番に停止させるとともに、通電停止中のコイルに誘起される逆起電圧の測定結果に基づいてステッピングモータの脱調状態を検出する。具体的には、少なくとも１つの相のコイルに誘起される逆起電圧の測定結果が、所定の脱調状態判定基準を充足した場合に脱調状態が検出される。

欧州特許公開ＥＰ１４６０７５７号公報 特開２００９−２６１０４５号公報

しかしながら、特許文献２には、以下の様な問題がある。図６に示すように、特許文献２では、Ａ相のコイル（制御電圧の通電を停止するコイル）への制御電圧の通電を停止させた場合であっても、Ｂ相のコイル（制御電圧の通電を継続するコイル）への制御電圧の通電はパルス幅変調（以下、「ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）」という）により行われている。ＰＷＭにより行われる通電のオン／オフが切り換えられるときに発生するノイズは、通電停止中のＡ相のコイルの逆起電圧の波形に重畳される（図７の楕円部分Ｄを参照）。従って、Ａ相のコイルの電圧を測定しても、Ａ相のコイルに誘起される逆起電圧を正確に測定することはできない。その結果、ステッピングモータの脱調状態の検出において誤検出が発生する。

上記の課題を解決するために、本発明に係るモータ制御装置は、
それぞれ異なる位相のコイル電流が流れる少なくとも２相のコイルと、各相のコイルに流れるコイル電流の位相を周期的に切り替えることで回転するロータと、を有するステッピングモータの前記コイルのそれぞれにパルス幅変調されたパルス電圧を印加する制御部と、
いずれか１つの相のコイルに流れるコイル電流の向きが切り替わる際に一時的に該コイルへのパルス電圧の印加を停止する停止期間を設けて、該停止期間中に該コイルに誘起される逆起電圧を測定する逆起電圧測定部と、
前記測定された逆起電圧が所定の脱調状態判定基準を充足した場合に前記ステッピングモータの脱調状態を検出する脱調状態検出部と、を備えるモータ制御装置において、
前記停止期間中に、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルを固定電圧に設定する電圧制御部を備える。

好ましくは、前記電圧制御部は、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルに対して、前記固定電圧の電圧レベルを電源電圧レベル又はグラウンド（ＧＮＤ）レベルにする。

また、好ましくは、前記電圧制御部は、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルに前記停止期間中に印加する前記固定電圧を予め定めた基準電圧レベルに設定する。

上記の課題を解決するために、本発明に係る脱調状態検出方法は、
それぞれ異なる位相のコイル電流が流れる少なくとも２相のコイルと、各相のコイルに流れるコイル電流の位相を周期的に切り替えることで回転するロータと、を有するステッピングモータの前記コイルのそれぞれにパルス幅変調されたパルス電圧を印加するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御ステップと、
いずれか１つの相のコイルに流れるコイル電流の向きが切り替わる際に一時的に該コイルへのパルス電圧の印加を停止する停止期間を設けて、該停止期間中に該コイルに誘起される逆起電圧を測定する逆起電圧測定ステップと、
前記測定された逆起電圧が所定の脱調状態判定基準を充足した場合に前記ステッピングモータの脱調状態を検出する脱調状態検出ステップと、を備える脱調状態検出方法において、
前記停止期間中に、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルを固定電圧に設定する定電圧制御ステップを備える。

好ましくは、前記定電圧制御ステップは、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルに対して、前記停止期間の直前に印加していた電圧レベルを前記停止期間中維持する。

また、好ましくは、前記定電圧制御ステップは、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルに前記停止期間中に印加する前記固定電圧を予め定めた基準電圧レベルに設定する。

本発明によれば、ステッピングモータの脱調状態を高精度に検出することができる。

本発明の実施形態に係るステッピングモータシステム１の構成を示すブロック図。 図１のステッピングモータ２０の構成を示す回路図。 図２のコイル２１Ａのコイル電流Ｉａ及びコイル電圧ＶＡ、並びにコイル２１Ｂのコイル電流Ｉｂ及びコイル電圧ＶＢを表す概略図。 本発明の実施形態に係るステッピングモータの脱調状態検出処理の手順を示すフローチャート。 図３の矩形部分Ｃの拡大図。 従来の脱調状態検出処理を説明するための概略図。 従来の脱調状態検出処理を説明するための概略図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施形態に係るステッピングモータシステムについて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るステッピングモータシステム１の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、ステッピングモータシステム１は、モータ制御装置１０と、ステッピングモータ２０と、を備える。モータ制御装置１０は、ステッピングモータ２０を制御するモジュールである。ステッピングモータ２０は、Ａ相及びＢ相の２相励磁で駆動する２相ステッピングモータである。例えば、ステッピングモータ２０は、車載エアコン用のアクチュエータとして利用される。

図１のモータ制御装置１０は、制御回路１２と、駆動回路１４と、を備える。制御回路１２は、駆動回路１４を制御する回路である。制御回路１２は、中央演算処理装置（以下、「ＣＰＵ（Central Processing Unit）」という）１２２と、電流測定部１２４と、逆起電圧測定部１２６と、を備える。駆動回路１４は、ステッピングモータ２０を駆動する回路である。駆動回路１４は、モータ駆動部１４２と、電流センサ１４４と、を備える。

図１のＣＰＵ１２２は、電流測定部１２４から供給される測定結果（後述する）に基づいてステッピングモータ２０に印加する電圧を制御するための制御信号を生成し、生成した制御信号をモータ駆動部１４２に供給するプロセッサである。

図１の電流測定部１２４は、電流センサ１４４から供給される電流センシング結果（後述する）に基づいて、ステッピングモータ２０の各相のコイルに流れる電流（以下、「コイル電流」という）を測定し、測定結果をＣＰＵ１２２に供給するモジュールである。

図１の逆起電圧測定部１２６は、ステッピングモータ２０の各相のコイルに誘起される逆起電圧を測定し、測定結果をＣＰＵ１２２に供給するモジュールである。

図１のモータ駆動部１４２は、ＣＰＵ１２２から供給される制御信号に基づいて、ステッピングモータ２０の各相のコイルに電圧を印加するモジュールである。

図１の電流センサ１４４は、ステッピングモータ２０のコイル電流をセンシングし、電流センシング結果を電流測定部１２４に供給するモジュールである。

図１のステッピングモータ２０について説明する。図２は、図１のステッピングモータ２０の構成を示す回路図である。

図２に示すように、図１のステッピングモータ２０は、２つのコイル２１Ａ，２１Ｂと、ロータ２２と、複数のステータヨーク（図示せず）と、を備える。

図２のコイル２１Ａ，２１Ｂは、それぞれ、ステータヨークを励磁するコイルである。コイル２１Ａ，２１Ｂは、それぞれ、駆動回路１４に接続される。コイル２１Ａは、Ａ相のコイルである。コイル２１Ｂは、Ｂ相のコイルである。コイル２１Ａ，２１Ｂには、それぞれ異なる位相のコイル電流が流れる。

図２のロータ２２は、円周方向に沿ってＳ極２２ＳとＮ極２２Ｎとが交互に反転するように多極着磁された永久磁石を備える。ロータ２２は、各相のコイル（コイル２１Ａ，２１Ｂ）に流れるコイル電流の位相を周期的に切り替えることで回転する。

図１のＣＰＵ１２２及びモータ駆動部１４２は、ステッピングモータ２０のコイル２１Ａ，２１Ｂのそれぞれにパルス幅変調されたパルス電圧を印加する制御部として動作する。以下、ＣＰＵ１２２及びモータ駆動部１４２を総称して「制御部」という。

図１の逆起電圧測定部１２６は、いずれか１つの相のコイル（コイル２１Ａ，２１Ｂ）に流れるコイル電流の向きが切り替わる際に一時的に該コイルへのパルス電圧の印加を停止する停止期間を設けて、該停止期間中に該コイルに誘起される逆起電圧を測定する。

図２のステッピングモータ２０の動作について説明する。図３は、図２のコイル２１Ａのコイル電流Ｉａ及びコイル電圧ＶＡ、並びにコイル２１Ｂのコイル電流Ｉｂ及びコイル電圧ＶＢを表す概略図である。なお、図３では、コイル電圧ＶＡ，ＶＢが塗りつぶされている領域は、極めて微細なパルス幅を有するパルス電圧がコイル２１Ａ，２１Ｂに印加されていることを示している。

前述のとおり、図２のコイル２１Ａ，２１Ｂには、制御部によりパルス電圧が印加される。停止期間中にコイル２１Ａ，２１Ｂに誘起される逆起電圧は、図１の逆起電圧測定部１２６により測定される。

図３に示すように、図２のコイル２１Ａには、所定の周期でコイル電流Ｉａの極性（すなわち、図２のコイル電流Ｉａの方向）が変わるように、パルス電圧が印加される。コイル電流Ｉａの極性が変わるときには、コイル電流Ｉａがゼロになるようにコイル２１Ａへのパルス電圧の印加が停止される停止期間が設けられる。停止期間では、コイル２１Ａに逆起電圧が誘起される。

一方、図３に示すように、図２のコイル２１Ｂには、コイル２１Ａと同一の周期で且つコイルＡに対して所定の位相だけ遅れてコイル電流Ｉｂの極性（すなわち、図２のコイル電流Ｉｂの方向）が変わるように、パルス電圧が印加される。コイル電流Ｉｂの極性が変わるときには、コイル電流Ｉｂがゼロになるようにコイル２１Ｂへのパルス電圧の印加が停止される停止期間が設けられる。停止期間中では、コイル２１Ｂに逆起電圧が誘起される。

図２のコイル２１Ａ，２１Ｂにそれぞれコイル電流Ｉａ，Ｉｂが流れると、コイル電流Ｉａ，Ｉｂの極性に応じてコイル２１Ａ，２１Ｂのステータヨークが励磁される。これにより、ロータ２２が所定のステップ単位で回転する。

本発明の実施形態に係るステッピングモータの脱調状態検出方法について説明する。図４は、本発明の実施形態に係るステッピングモータの駆動処理の手順を示すフローチャートである。図５は、図３の矩形部分Ｃの拡大図である。以下、図２のコイル２１Ａが逆起電圧を測定するコイルである例について説明する。

図４の駆動処理は、ステッピングモータ２０の駆動を開始してから停止するまで、繰り返される。

＜図４：ＰＷＭ制御（Ｓ４０１）＞ 制御部が、図２のコイル２１Ａ，２１Ｂにパルス電圧を印加する。これにより、コイル２１Ａ，２１Ｂにそれぞれコイル電流Ｉａ，Ｉｂが流れる。ＰＷＭ制御（Ｓ４０１）の後は、通電停止（Ｓ４０２）及び定電圧制御（Ｓ４０３）が実行される。

＜図４：通電停止（Ｓ４０２）＞ 制御部が、所定の停止期間だけコイル２１Ａへのパルス電圧の印加を停止する。これにより、図５に示すように、コイル２１Ａのコイル電流Ｉａがゼロになる。停止期間は、図１のＣＰＵ１２２により任意に設定される。例えば、ＣＰＵ１２２は、予め決められた停止期間を設定しても良いし、ステッピングモータシステム１の外部から停止期間の設定を受け付けても良い。

＜図４：定電圧制御（Ｓ４０３）＞ 制御部が、停止期間中はコイル２１Ｂのコイル電圧ＶＢを固定電圧に設定する。すなわち、定電圧制御（Ｓ４０３）では、制御部は、停止期間中に、逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイル（コイル２１Ｂ）を固定電圧に設定する電圧制御部として動作する。固定電圧の電圧レベルは、直前のコイル２１Ｂのコイル電圧ＶＢと同じ電圧レベル（すなわち、電源電圧レベル又はグラウンド（ＧＮＤ）レベル）であっても良いし、所定の基準電圧レベルであっても良い。これにより、図５に示すように、コイル２１Ｂのコイル電圧ＶＢが一定（本実施形態では、電源電圧レベル）になる。この場合、本実施形態では、固定電圧の電圧レベルを電源電圧レベルとしているため、コイル２１Ｂのコイル電流Ｉｂは、ＰＷＭ制御（Ｓ４０１）におけるコイル２１Ｂのコイル電流Ｉｂに比べて多少上昇する。停止期間中のコイル２１Ｂのコイル電圧ＶＢは一定であるので、コイル電圧ＶＢの印加に伴うノイズは発生しない。その結果、停止期間中のコイル２１Ａのコイル電圧ＶＡにはノイズが重畳されない。すなわち、停止期間中のコイル２１Ａのコイル電圧ＶＡを測定することにより、コイル２１Ａに誘起される逆起電圧が正確に測定される。これにより、脱調状態の誤検出を防ぐことができる。

＜図４：逆起電圧測定（Ｓ４０４）＞ 図１の逆起電圧測定部１２６が、停止期間中にコイル２１Ａに誘起される逆起電圧を測定し、測定結果をＣＰＵ１２２に供給する。

＜図４：Ｓ４０５＞ 図１のＣＰＵ１２２が、逆起電圧測定部１２６の測定結果が所定の脱調状態判定基準を充足するか否かを判定する。すなわち、Ｓ４０５では、ＣＰＵ１２２は、測定された逆起電圧が所定の脱調状態判定基準を充足した場合にステッピングモータ２０の脱調状態を検出する脱調状態検出部として動作する。そして、逆起電圧測定部１２６の測定結果が脱調状態判定基準を充足すると判定された（すなわち、ステッピングモータ２０の脱調状態が検出された）場合には（Ｓ４０５−ＹＥＳ）、モータ停止（Ｓ４０６）が実行される。また、逆起電圧測定部１２６の測定結果が脱調状態判定基準を充足しないと判定された（すなわち、ステッピングモータ２０の脱調状態が検出されなかった）場合には（Ｓ４０５−ＮＯ）、再び、ＰＷＭ制御（Ｓ４０１）に戻る。

＜図４：モータ停止（Ｓ４０６）＞ 制御部が、図１のステッピングモータ２０の駆動を停止する。モータ停止（Ｓ４０６）の後に、駆動処理が終了する。

なお、本発明の実施形態では、図１のステッピングモータ２０が２相ステッピングモータである例について説明したが、本発明の範囲はこれに限られるものではない。本発明は、３相以上のステッピングモータについても適用可能である。この場合には、いずれか１つの相（逆起電圧を測定する相）のコイルについて図４の通電停止（Ｓ４０２）が実行され、逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルについて図４の定電圧制御（Ｓ４０３）が実行される。

また、本発明の実施形態では、コイル電流Ｉａ，Ｉｂが矩形波である例について説明したが、本発明の範囲はこれに限られるものではない。本発明は、コイル電流Ｉａ，Ｉｂが正弦波等の非直線波である場合においても適用可能である。

また、本発明の実施形態では、図１のＣＰＵ１２２及びモータ駆動部１４２が制御部として動作する例について説明したが、本発明の範囲はこれに限られるものではない。本発明は、制御部が論理回路により実現される場合についても適用可能である。さらに、脱調状態検出部及び電圧制御部が、論理回路により実現されても良い。

本発明の実施形態によれば、逆起電圧を測定するコイルに対して図４の通電停止（Ｓ４０２）が実行されている間に、逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルに対して定電圧制御（Ｓ４０３）が実行される。従って、逆起電圧を測定するコイルのコイル電圧には、逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルへのパルス電圧の印加に起因するノイズが重畳されない。逆起電圧測定（Ｓ４０４）では、逆起電圧を測定するコイルのコイル電圧（すなわち、ノイズが重畳されていない電圧）を測定することにより、逆起電圧を測定するコイルに誘起される逆起電圧が正確に測定される。Ｓ４０５では、逆起電圧測定（Ｓ４０４）の測定結果が脱調状態判定基準を充足するか否かが判定される。これにより、ステッピングモータ２０の脱調状態を高精度に検出することができる。

本発明の実施形態に係るモータ制御装置１０の少なくとも一部は、ハードウェアで構成しても良いし、ソフトウェアで構成しても良い。ソフトウェアで構成する場合には、モータ制御装置１０の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させても良い。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でも良い。

また、本発明の実施形態に係るモータ制御装置１０の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布しても良い。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布しても良い。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化される。また、上述した実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明が形成可能である。例えば、上述した実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ ステッピングモータシステム
１０ モータ制御装置
１２ 制御回路
１２２ ＣＰＵ
１２４ 電流測定部
１２６ 逆起電圧測定部
１４ 駆動回路
１４２ モータ駆動部
１４４ 電流センサ
２０ ステッピングモータ
２１Ａ，２１Ｂ コイル
２２ ロータ
２２Ｎ Ｎ極
２２Ｓ Ｓ極

Claims (6)

1. それぞれ異なる位相のコイル電流が流れる少なくとも２相のコイルと、各相のコイルに流れるコイル電流の位相を周期的に切り替えることで回転するロータと、を有するステッピングモータの前記コイルのそれぞれにパルス幅変調されたパルス電圧を印加する制御部と、
   いずれか１つの相のコイルに流れるコイル電流の向きが切り替わる際に一時的に該コイルへのパルス電圧の印加を停止する停止期間を設けて、該停止期間中に該コイルに誘起される逆起電圧を測定する逆起電圧測定部と、
   前記測定された逆起電圧が所定の脱調状態判定基準を充足した場合に前記ステッピングモータの脱調状態を検出する脱調状態検出部と、を備えるモータ制御装置において、
   前記停止期間中に、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルを固定電圧に設定する電圧制御部を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記電圧制御部は、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルに対して、前記固定電圧の電圧レベルを電源電圧レベル又はグラウンド（ＧＮＤ）レベルにすることを特徴とする、請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記電圧制御部は、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルに前記停止期間中に印加する前記固定電圧を予め定めた基準電圧レベルに設定することを特徴とする、請求項１記載のモータ制御装置。
4. それぞれ異なる位相のコイル電流が流れる少なくとも２相のコイルと、各相のコイルに流れるコイル電流の位相を周期的に切り替えることで回転するロータと、を有するステッピングモータの前記コイルのそれぞれにパルス幅変調されたパルス電圧を印加するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御ステップと、
   いずれか１つの相のコイルに流れるコイル電流の向きが切り替わる際に一時的に該コイルへのパルス電圧の印加を停止する停止期間を設けて、該停止期間中に該コイルに誘起される逆起電圧を測定する逆起電圧測定ステップと、
   前記測定された逆起電圧が所定の脱調状態判定基準を充足した場合に前記ステッピングモータの脱調状態を検出する脱調状態検出ステップと、を備える脱調状態検出方法において、
   前記停止期間中に、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルを固定電圧に設定する定電圧制御ステップを備えることを特徴とする脱調状態検出方法。
5. 前記定電圧制御ステップは、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルに対して、前記停止期間の直前に印加していた電圧レベルを前記停止期間中維持することを特徴とする、請求項４記載の脱調状態検出方法。
6. 前記定電圧制御ステップは、前記逆起電圧を測定するコイル以外の全てのコイルに前記停止期間中に印加する前記固定電圧を予め定めた基準電圧レベルに設定することを特徴とする、請求項４記載の脱調状態検出方法。