JP2016082673A - 多相パルスモータの脱調検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】既存の駆動装置の改造を必要とすることなくモータの脱調を検出できる多相パルスモータの脱調検出装置を提供する。【解決手段】脱調検出装置31をドライバボード7の外部で接続し、電圧・電流センサ32A,32Bによってドライバボード7がパルスモータ1の巻線23A,23Bに印加する電圧及び通電する電流を検出する。そして、ロジック回路34は、検出された相電圧波形の変化により、パルスモータ1の回転方向が、ドライバボード7が出力しているPWM信号に従うことなく反転したことを検出するとアラーム信号を外部に出力する。【選択図】図1
Description
本発明は、多相パルスモータの各相巻線に通電を行う駆動装置の外部に接続されて、前記モータの脱調を検出する装置に関する。
パルスモータ(ステッピングモータ)の脱調を検出する技術については、従来様々な構成が提案されている。例えば、特許文献1には、ステッピングモータによりレンズを駆動する撮像装置に適用されるモータ駆動装置について、脱調検出を行う構成が開示されている。
しかしながら、従来の脱調検出を行う構成は、何れもパルスモータに通電を行う駆動装置の内部に設けられている。したがって、既に製品として完成している駆動装置を使用することを前提にすると、その駆動装置を改造して脱調検出機能を搭載する必要があり、従来技術の適用は事実上困難であった。
また、特許文献1で検出対象としている脱調は、回転子への停止命令が出された後に、外力等により回転子が動いてしまう現象、とされている(段落[0002])。ところが、実際には、パルスモータを駆動している状態でも、モータの駆動対象が障害物に衝突するなどして回転が停止することがあり、この場合でも脱調が発生する。しかし、特許文献1では、このような状況で発生した脱調に如何にして対応するかは開示されていない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、既存の駆動装置の改造を必要とすることなく、モータの駆動制御中に発生した脱調を検出できる多相パルスモータの脱調検出装置を提供することにある。
請求項1記載の多相パルスモータの脱調検出装置によれば、電圧検出手段により、駆動装置の外部に出力されて多相パルスモータの巻線に印加されている電圧を検出する。そして、脱調検出手段は、検出された電圧の波形の変化により、多相パルスモータの回転方向が、駆動装置が出力している通電制御指令を外れて反転したことを検出すると、脱調検出信号を外部に出力する。
多相パルスモータが、駆動装置が出力している通電制御指令に従い正常に制御されている状態では、駆動装置が多相パルスモータの巻線に印加している電圧の波形に大きな歪みは生じない。しかし、多相パルスモータの回転が例えば障害物の存在により妨げられたことで、駆動装置による制御が降伏状態になると、多相パルスモータの回転が瞬間的に反転することに伴い通電電流の波形に大きな歪みが発生する。一般に、駆動装置は、巻線に通電する電流をモニタしながら通電制御指令を出力しているので、上記のように通電電流波形に歪みが発生すると、それに伴い印加電圧の極性が反転し、一時的に通電電流の極性と不一致の状態になる。そこで、脱調検出手段が、電圧波形の変化を監視すれば、上述の状態に基づく多相パルスモータの反転を検出できる。
そして、駆動制御装置がフィードフォワード制御を行っている状態で多相パルスモータの回転が妨げられれば、それは制御の脱調を意味する。したがって、脱調検出手段が脱調検出信号を外部に出力すれば、その信号を上位の制御装置が受けることで、多相パルスモータの脱調に対処するための動作を行うことが可能になる。すなわち、本発明の脱調検出装置によれば、既存の駆動装置の外部に接続して印加電圧を検出するだけで、多相パルスモータが脱調したことを検出できるので、駆動装置自体に改造を施さずとも、モータの駆動制御中に発生した脱調も含めて検出が可能となる。
請求項2記載の多相パルスモータの脱調検出装置によれば、上位制御装置より多相パルスモータの回転方向の反転を示す反転信号が入力され、電流検出手段は、巻線に通電される電流を検出する。そして、脱調検出手段は、前記反転信号が回転方向の反転を示さないタイミングで、電流の極性に対して電圧の極性が反転したことを検出すると脱調検出信号を出力する。
モータの巻線に印加する電圧の位相に対して、巻線に流れる電流の位相は若干遅れるので、通常の制御状態においても、相電圧の極性と相電流の極性とが不一致となる期間は僅かに発生する。そこで、相電圧に加えて相電流も検出して両者の極性変化を監視すると共に、上位制御装置が出力する反転信号も参照すれば、多相パルスモータの脱調に伴う相電圧波形の変化をより確実に検出できる。
以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図1に示すリニアアクチュエータ駆動システムにおいて、制御対象であるモータは、例えば2相パルスモータ1である。パルスモータ1は、直動軸2上の移動体3を移動させる駆動力を発生させるもので、リニアアクチュエータ4の一部を構成している。直動軸4の原点側にはリミットセンサ5が配置されており、リミットセンサ5は、移動体3が直動軸4の原点(Home position)に到達した際にON信号を出力する。
図2に示すように、パルスモータ1は、図中で直動軸2の右端に配置されている駆動部50の内部に配置されている。駆動部50の内部には、図示しないが、減速機やパルスモータ1の回転駆動力を直線駆動力に変換するための駆動力変換機構等が配置されている。
リミットセンサ5が出力するON信号は、上位制御装置であるPLC(Programmable Logic Controller)6に入力されている。PLC6は、ドライバボード7(駆動装置)を介してパルスモータ1の駆動を制御する。ドライバボード7は、ドライバ部8とCPU9(マイクロコンピュータ,制御回路)とを備えている。ドライバボード7には、コネクタ10を介して外部より24Vの直流電源が供給されており、24Vの電源はパルスモータ1の駆動用電源としてドライバ回路7に供給されている。また、24Vの電源はDC/DCコンバータ11により5Vに降圧されて、CPU9等に制御用電源として供給されている。
PLC6とドライバボード7とはコネクタ12を介して接続されており、PLC6はCPU9に対して、パルスモータ1の回転方向を指示するCW信号及びCCW信号と、アラーム(ALARM)信号とを出力する。これらの信号は、それぞれフォトカプラ(PC)13(1)〜13(3)を介してCPU9に入力される。また、CPU9は、フォトカプラ13(4)を介してPLC6側にアラーム信号を出力する。これらの信号の入出力は、IOポート14を介して行われる。そして、CPU9は、アラーム信号の入力があるか、又は自身がアラーム信号を出力すると、IOポート15を介してLED16に通電を行い、LED16を点灯させる。
ドライバ部8は、それぞれ4個のNチャネルMOSFET17(1)〜17(4)からなる2つのHブリッジ回路18A,18Bを備えている。下側に配置されているNチャネルMOSFET17(2)、17(4)のソースとグランドとの間には、それぞれシャント抵抗19(1)、19(2)が接続されている。シャント抵抗19(1)、19(2)の上端は、それぞれ差動アンプ20の入力端子に接続されている。Hブリッジ回路18A,18Bそれぞれの差動アンプ20A,20Bの出力電圧は、CPU9が内蔵するA/Dコンバータ21によりA/D変換されて読み込まれる。CPU9は、差動アンプ20A,20Bの出力電圧を参照しながらパルスモータ1の通電制御を行う。
ドライバボード7とパルスモータ1とはコネクタ22を介して接続されており、Hブリッジ回路18Aの出力端子はパルスモータ1の固定子巻線23Aの両端に接続され、Hブリッジ回路18Bの出力端子は固定子巻線23Bの両端に接続されている。CPU9は、4チャネル分のPWM信号出力部24を備えており、それら4チャネル分のPWM信号は、ゲートドライバ25(1)〜25(4)を介して、ドライバ部8のNチャネルMOSFET17(1)〜17(4)の各ゲートにそれぞれ出力される。
各Hブリッジ回路18A,18Bでは、NチャネルMOSFET17(1)及び17(4)と、NチャネルMOSFET17(3)及び17(2)とがそれぞれ共通のPWM信号で駆動される。例えば、NチャネルMOSFET17(1)及び17(4)を同時にオンすると固定子巻線23に正極性の電流が通電され、NチャネルMOSFET17(3)及び17(2)を同時にオンすると固定子巻線23に負極性の電流が通電される。
CPU9は、Hブリッジ回路18A,18Bを介して、パルスモータ1の固定子巻線23A,23Bに対し、位相差が90度となる正弦波状の電流を通電する。パルスモータ1を正転(CW方向)させる場合と逆転(CCW方向)させる場合とで、90度の位相差の進み・遅れの関係が逆になる。CPU9は、パルスモータ1を駆動制御する際には、A/Dコンバータ21を介してシャント抵抗19に流れる電流を監視しており、過電流状態が発生するとPLC6に対してアラーム信号を送信する。また、CPU9は、外部より機能テストを行ためのJTAGインターフェイス(I/F)26を備えている。
ドライバボード7とパルスモータ1の固定子巻線23A(A相),23B(B相)とを接続する配線の各一方には、脱調検出装置31の電圧・電流センサ32A,32B(電圧及び電流検出手段)がそれぞれ介挿されている。脱調検出装置31は、電圧・電流センサ32A,32Bにより検出されるA相,B相電圧及び電流を、電圧・電流センス部33(電圧及び電流検出手段)を介して増幅等すると、ロジック回路34(脱調検出手段)に出力する。
また、ロジック回路34には、PLC6がドライバボード7に正転,逆転何れの指令を出力しているかを、ハイ、ローの二値レベルで示すターン信号(TURN,反転信号)がフォトカプラ35を介して入力されている。そして、ロジック回路34は、各入力信号に基づいて後述する条件でパルスモータ1の脱調を検出すると、フォトカプラ36を介してアラーム信号をPLC6に出力する。
次に、本実施形態の作用について説明する。脱調検出装置31は、上述のようにドライバボード7の外部に接続された状態で、A相,B相電圧及び電流を検出することでパルスモータ1の脱調を検出する。パルスモータ1が、リニアアクチュエータ4の移動体3を直線移動させた際に、例えば移動体3が障害物に衝突して移動が妨げられるおそれがある。PLC6は、パルスモータ1の回転量や移動体3の移動位置を検出せずにフィードフォワード制御を行っている。したがって、上述のように移動体3が障害物に衝突すると、以降は移動体3の正確な位置が把握できなくなるため(脱調状態)、移動体3を一度原点に復帰させる必要がある。
図3(a)に示すように、パルスモータ1が正転している場合は、A相電流がB相電流に対して90度進み位相となっており、パルスモータ1が逆転すると、A相電流がB相電流に対して90度遅れ位相となる。尚、A相,B相電圧は、このスケールでは表現できないが、正弦波状の電流を通電するためにデューティが連続的に変化するPWM信号となっている。
一方、図4は、移動体3が障害物に衝突して移動が妨げられた場合の各波形を示す。パルスモータ1の回転が妨げられても、ドライバボード7の制御には直ちに反映されずに暫く正常な制御が継続される。少し遅れてドライバボード7の制御が降伏状態になりパルスモータ1が僅かに逆転すると、発電機としての動作で発電エネルギーが発生し、正弦波状の相電流に脈流が発生する。すると、CPU9は、その脈流として逆方向に流れる電流をA/Dコンバータ21を介して検出し、Hブリッジ回路18に出力する電圧の極性を一瞬反転させる(図4(b)参照)。
図5は、A相電流及びA相電圧波形を拡大して示しているが、電流に脈流が発生する位相は図4と異なっている。図中に示す区間1では、ドライバボード7が固定子巻線23に負極性の電流を通電している。区間2の始めで相電圧の極性は正に切り替わるが、相電流はその時点から少し遅れてゼロクロス点を跨いでいる。そして、ゼロクロス点を跨いだ後の区間3で相電流に上述の脈流が発生しており、それに伴い、相電圧の極性が一瞬だけ正から負に逆転している。脱調検出装置31は、この現象を捉えてパルスモータ1の脱調状態を検出する。
以下、制御システム全体の処理内容について、図6を参照して説明する。尚、図中のステップ番号に添えて示す(P)はPLC6による処理、(D)はドライバボード7による処理、(S)は脱調検出装置31による処理であることを示す。先ず、PLC6は、移動体3を任意の目標位置に移動させるため、その目標位置に応じたカウンタ値をセットする。また、パルス出力数のカウントの初期値を「1」とする(S1)。次に、移動体3を前記目標位置に移動させるためのパルスモータ1の回転方向指令を生成し、ドライバボード7に出力する(S2)。
すると、ドライバボード7のCPU9は、上記の回転方向指令に応じてHブリッジ回路18の駆動指令を生成し、ゲートドライバ25を駆動する(S3)。これにより、パルスモータ1の固定子巻線23A,23Bが励磁される(S4)。次に、CPU9は、A/Dコンバータ21を介してA相、B相電流を検出し(S5)、電流値が正常か否かを判断する(S6)。正常であれば(YES)特に処理を行わない。そして、PLC6は、パルス出力数のカウント値がステップS1でセットした値に達するまで(S7)、ステップS1〜S7のループを繰り返し実行する。
ステップS6において電流値が異常であれば(NO)、CPU9はPLC6にアラーム信号を出力して(S8)、パルスモータ1の駆動を停止させる(S9)。アラーム信号を受けたPLC6は、ドライバボード7を介して原点復帰操作を行う(S10)。すなわち、リミットセンサ5がON信号を出力するまでの間(S11:NO)移動体3を原点方向に移動させる。そして、移動体3が原点に達してリミットセンサ5がON信号を出力すると(S11:YES)、原点復帰が完了する(S12)。
一方、脱調検出装置31は、ステップS5〜S10の間にドライバボード7と並行して動作する。先ず、電圧・電流センス部33によりA相,B相電圧及び電流を検出する(S13)。すると、ロジック回路34は、以下の条件(1)及び(2)を判定する。
(1)ターン信号のレベルが、ハイからロー、又はローからハイに切り替わったタイミングの直後ではない。
(2)相電流極性の正負に対して、相電圧極性の正負が不一致となるように変化した。
(1)ターン信号のレベルが、ハイからロー、又はローからハイに切り替わったタイミングの直後ではない。
(2)相電流極性の正負に対して、相電圧極性の正負が不一致となるように変化した。
これら(1)(2)の条件の何れかが不成立であれば(NO)ステップS13に戻り、(1)(2)の条件が何れも成立すると(YES)、アラーム信号をPLC6に出力する(S15)。すると、上記アラーム信号は、PLC6を経由してドライバボード7に入力され(S16)、CPU9はパルスモータ1の駆動を停止させる(S17)。その後はステップS10に移行する。
以上のように本実施形態によれば、脱調検出装置31をドライバボード7の外部で接続し、電圧・電流センサ32A,32Bによってドライバボード7がパルスモータ1の巻線23A,23Bに印加する電圧及び通電する電流を検出する。そして、ロジック回路34は、検出された相電圧波形の変化により、パルスモータ1の回転方向が、ドライバボード7が出力しているPWM信号に従うことなく反転したことを検出すると、アラーム信号を外部に出力する。
したがって、既存の製品であるドライバボード7を使用してパルスモータ1を駆動制御する場合に、パルスモータ1の脱調を検出するため、ドライバボード7を改造して内部構成に手を加える必要が無い。つまり、脱調検出装置31をドライバボード7の外部に接続するだけで、パルスモータ1の脱調を、駆動制御中に発生した脱調も含めて容易に検出することが可能になる。
より具体的には、脱調検出装置に、PLC6よりターン信号を入力し、ロジック回路34は、ターン信号が回転方向の反転を示さないタイミングで、相電流の極性に対して相電圧の極性が反転したことを検出するとアラーム信号を出力する。すなわち、パルスモータ1の巻線23に印加する電圧の位相に対して、巻線23に流れる電流の位相は若干遅れるので、通常の制御状態でも相電圧の極性と相電流の極性とが不一致となる期間は僅かに発生する。そこで、相電圧に加えて相電流も検出して両者の極性変化を監視すると共に、ターン信号も参照すれば、パルスモータ1の脱調に伴う相電圧波形の変化をより確実に検出できる。
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
パルスモータの相数は、3相以上であっても良い。
また、パルスモータは、リニアアクチュエータを構成するものに限らない。
相電流を検出せず、また、PLC6のターン信号を参照することなく、電圧波形の一時的な極性反転を直接検出しても良い。例えば、パルスモータの駆動周波数に対して極めて短い期間内に、印加電圧の極性が正→負→正に変化したことを検出すれば良い。
脱調検出装置の機能を、マイクロコンピュータのソフトウェアにより実現しても良い。
パルスモータの相数は、3相以上であっても良い。
また、パルスモータは、リニアアクチュエータを構成するものに限らない。
相電流を検出せず、また、PLC6のターン信号を参照することなく、電圧波形の一時的な極性反転を直接検出しても良い。例えば、パルスモータの駆動周波数に対して極めて短い期間内に、印加電圧の極性が正→負→正に変化したことを検出すれば良い。
脱調検出装置の機能を、マイクロコンピュータのソフトウェアにより実現しても良い。
図面中、1は2相パルスモータ、6はPLC(上位制御装置)、7はドライバボード(駆動装置)、9はCPU(制御回路)、18はHブリッジ回路(駆動回路)、31は脱調検出装置、32は電圧・電流センサ(電圧及び電流検出手段)、33は電圧・電流センス部(電圧及び電流検出手段)、34はロジック回路(脱調検出手段)を示す。
Claims (2)
- 多相パルスモータの各相巻線に通電を行う駆動回路と、上位制御装置より入力される回転方向指令に応じて、前記駆動回路に前記通電制御指令を出力する制御回路とを備えてなる多相パルスモータ駆動装置の外部に接続されるもので、
前記巻線の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧波形の変化により、前記多相パルスモータの回転方向が前記通電制御指令を外れて反転したことを検出すると、脱調検出信号を外部に出力する脱調検出手段とを備える多相パルスモータの脱調検出装置。 - 前記上位制御装置より、前記多相パルスモータの回転方向の反転を示す反転信号が入力され、
前記巻線に通電される電流を検出する電流検出手段を備え、
前記脱調検出手段は、前記反転信号が回転方向の反転を示さないタイミングで、前記電流の極性に対して前記電圧の極性が反転したことを検出すると、前記脱調検出信号を出力する請求項1記載の多相パルスモータの脱調検出装置。
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2014
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