JP2016127653A - モータ電流制御装置およびモータ電流制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スイッチング素子を有しモータに設けられたモータコイルに接続されるHブリッジ回路と、スイッチング素子を所定のPWM周期毎に駆動し、Hブリッジ回路に対して、モータコイルに流れるモータ電流(Icoil)を増加させるチャージモード、モータ電流を減衰させる高速減衰モード、または低速減衰モードのうち何れかの動作モードを指定する制御手段とを有し、制御手段は、各PWM周期の開始時からの経過時間が所定の電流制御再実行時間(Tr)に至る前にモータ電流と電流基準値(Iref)との比較結果に基づいて何れかの動作モードを選択するとともに、経過時間が電流制御再実行時間に至った後にモータ電流と電流基準値との比較結果に基づいて何れかの動作モードを選択するようにした。
【選択図】図5
Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、装置を安価に構成しつつ目標値に対するモータ電流の追従性を高めることができるモータ電流制御装置およびモータ電流制御方法を提供することを目的とする。
スイッチング素子とダイオードとを有しモータに設けられたモータコイルに接続されるHブリッジ回路と、
スイッチング素子を所定のPWM周期毎に駆動し、Hブリッジ回路に対して、モータコイルに流れるモータ電流を増加させるチャージモード、モータ電流を減衰させる高速減衰モード、または高速減衰モードよりも遅い減衰速度でモータ電流を減衰させる低速減衰モードのうち何れかの動作モードを指定する制御手段と、
を有し、
制御手段は、各PWM周期の開始時からの経過時間が所定の電流制御再実行時間に至る前にモータ電流と電流基準値との比較結果に基づいて何れかの動作モードを選択するとともに、経過時間が電流制御再実行時間に至った後にモータ電流と電流基準値との比較結果に基づいて何れかの動作モードを選択することを特徴とする。
(全体構成)
次に、図1を参照し、本発明の一実施形態によるモータ制御システムの全体構成を説明する。
図1において、ステッピングモータ120は、バイポーラ型2相ステッピングモータであり、永久磁石を有し回動自在に設けられた回転子126と、回転子126の周囲の周回方向4等分位置に設けられた固定子とを有している。これらの固定子は、X相の固定子122XP,122XNと、Y相の固定子122YP,122YNとからなる。これらの固定子には各々巻線が巻回されている。固定子122YP,122YNに巻回された巻線は直列に接続されており、両巻線を合わせて「固定子巻線124Y」という。同様に、固定子122XP,122XNに巻回された巻線は直列に接続されており、両巻線を合わせて「固定子巻線124X」という。
次に、図2を参照し、モータ制御装置100の詳細を説明する。なお、図1には2系統の固定子巻線124X,124Yと、2系統のHブリッジ回路20X,20Yを示したが、図2では、これらをまとめて1系統の固定子巻線124と、1系統のHブリッジ回路20として示している。
(Hブリッジ回路20の動作モード)
次に、図3(a)〜(f)を参照し、Hブリッジ回路20の動作モードを説明する。
固定子巻線124に流れるモータ電流の絶対値を増加させてゆく場合には、図3(a)に示すように、斜めに対向する2つのFETがオン状態にされる。図示の例では、FET4,6がオン状態であり、FET2,8がオフ状態である。この状態では、FET6、固定子巻線124、FET4を介して破線で示す方向にモータ電流が流れるとともに、当該モータ電流が増加してゆく。この動作モードを「チャージモード」という。
図2においてブリッジ制御部107からD/Aコンバータ115に供給される電流基準値Irefは、実際には、X相の電流基準値IXrefとY相の電流基準値IYrefとからなる。ステッピングモータ120の一回転、すなわち回転角θが0〜2πの範囲におけるこれら電流基準値IXref,IYrefの設定例を図4(a),(b)に示す。図示のように、電流基準値IXref,IYrefは、コサインカーブ、サインカーブを階段波で近似した波形になる。このようにして電流基準値を定めてモータを駆動する方式はマイクロステップ方式と呼ばれており、特に低速回転時に残留振動が小さく安定性に優れている特徴がある。
次に、図5に示す波形図を参照し、上昇期間における電流制御の概要を説明する。
図5において時刻t0,t10,t20,t30,t40,t50,t60は、PWM周期Tの開始時刻である。また、マイクロステップ周期Tmは、図示の例ではPWM周期Tの2倍であり、マイクロステップ周期Tm毎に電流基準値Irefが変動している。また、図5には、電圧VMout0,VMout1および閾値超過フラグCLの波形も併記する。最下部に示す「チャージモード」と記されている箇所は、動作モードがチャージモードである期間を黒線で、それ以外の動作モードの期間を白抜き線で表示している。
次に、図6に示す波形図を参照し、下降期間における電流制御の概要を説明する。
図6において時刻t100,t110,t120,t130,t140,t150,t160は、PWM周期Tの開始時刻である。図5において説明した上昇期間の場合と同様に、下降期間においてもマイクロステップ周期TmはPWM周期Tの2倍である。また、最小デューティ時間Tmin、最大デューティ時間Tmaxおよび電流制御再実行時間Trが設定されている点も、上昇期間に対する処理と同様である。但し、下降期間においては、減衰モードとして、高速減衰モードおよび低速減衰モードの双方が選択され得る。
<上昇期間>
(最小デューティ時間Tminに至るまでの処理)
次に、図7を参照し、上昇期間における動作の詳細を説明する。なお、図7は、ROM103に記憶されCPU101によって実行される制御プログラムである、上昇期間制御ルーチンのフローチャートであり、上昇期間においてPWM周期毎に起動される。
そして、最小デューティ時間Tminが経過すると、ステップS4にて「Yes」と判定され処理はステップS6に進む。ここでは、閾値超過フラグCLが“1”であるか否かが判定される。ここで「Yes」と判定されると、ステップS8にて現在の動作モードがチャージモードであるか否かが判定される。さらに「Yes」と判定されると、処理はステップS10に進み、動作モードが低速減衰モードに切り替えられる。図5に示した時刻t32,t52における電流測定値Icoilの変化は、このように、最小デューティ時間Tminの経過とともに動作モードを低速減衰モードに切り替えた具体例である。
また、電流制御再実行時間Trに至るまで閾値超過フラグCLが“0”のままであれば、動作モードはチャージモードのまま維持される。従って、電流制御再実行時間Trにおける動作モードは、チャージモードまたは低速減衰モードの何れか一方に設定されていることが解る。PWM周期開始後の経過時間が電流制御再実行時間Trに等しくなると、ステップS12において「Yes」と判定され処理はステップS14に進む。ここでは、閾値超過フラグCLが“0”であるか否かが判定される。ここで「Yes」と判定されると処理はステップS16に進み、動作モードがチャージモードに設定される。
上述のステップS12においては、経過時間が電流制御再実行時間Trに等しくなったタイミングのみ「Yes」と判定され、それ以降は常に「No」と判定される。ここで、電流制御再実行時間Trにおける動作モードが低速減衰モードであったとすると、それ以降、動作モードを他のモードに切り替えるステップが実行されることはない。従って、その後は低速減衰モードが維持され続けることになる。
PWM周期開始後の経過時間が最大デューティ時間Tmaxに等しくなると、ステップS18において「Yes」と判定され、処理はステップS20に進む。ここでは、動作モードが低速減衰モードに設定される。すなわち、従前の動作モードがチャージモードであったなら、低速減衰モードに切り替えられ、従前の動作モードが低速減衰モードであったなら、該モードがそのまま維持される。次に、ステップS22においては、当該PWM周期が終了するまで処理が待機する。従って、動作モードは低速減衰モードに維持される。そして、ステップS22において「Yes」と判定されると、ステップS24にて、本ルーチンの処理は終了する。
(最小デューティ時間Tminに至るまでの処理)
次に、図8,図9を参照し、下降期間における動作の詳細を説明する。なお、図8,図9は、ROM103に記憶されCPU101によって実行される制御プログラムである、下降期間制御ルーチンのフローチャートであり、下降期間においてPWM周期毎に起動される。
そして、最小デューティ時間Tminが経過した後は、ステップS34にて「Yes」と判定され処理はステップS36に進む。ここでは、閾値超過フラグCLが“1”であるか否かが判定される。ここで「Yes」と判定されると、ステップS38にて現在の動作モードがチャージモードであるか否かが判定される。さらに「Yes」と判定されると、処理はステップS40に進み、動作モードが高速減衰モードに切り替えられる。図6に示した時刻t122,t132,t142,t152における電流測定値Icoilの変化は、このように、最小デューティ時間Tminの経過とともに動作モードを高速減衰モードに切り替えた具体例である。
電流制御再実行時間Trに至るまで閾値超過フラグCLが“0”のままであれば、動作モードはチャージモードのまま維持される。従って、電流制御再実行時間Trにおける動作モードは、チャージモードまたは高速減衰モードの何れか一方に設定されているはずである。電流制御再実行時間Trの経過時に処理がステップS42に進むと、ここで「Yes」と判定され処理はステップS44に進む。ここでは、閾値超過フラグCLが“0”であるか否かが判定される。ここで「Yes」と判定されると処理はステップS46に進み、動作モードが低速減衰モードに設定される。一方、閾値超過フラグCLが“1”である場合には、ステップS44において「No」と判定され、従前の動作モード(高速減衰モード)がそのまま維持される。
上述のステップS42においては、タイマ104の示す経過時間が電流制御再実行時間Trに等しくなったタイミングのみ「Yes」と判定され、それ以降は常に「No」と判定される。また、電流制御再実行時間Trは既に経過しているから、ステップS33では常に「Yes」と判定される。
経過時間が最大デューティ時間Tmaxに等しくなると、ステップS54において「Yes」と判定され、処理はステップS56に進む。ここでは、動作モードがチャージモードであるか否かが判定される。ここで「Yes」と判定されると、処理はステップS58に進み、動作モードが低速減衰モードに設定される。従って、ステップS56,S58の処理が終了した時点で、動作モードは高速減衰モードまたは低速減衰モードのうち何れかになる。次に、ステップS60においては、当該PWM周期が終了するまで処理が待機する。従って、動作モードは高速減衰モードまたは低速減衰モードに維持される。そして、経過時間がPWM周期Tになると、ステップS60において「Yes」と判定されると、ステップS62にて、本ルーチンの処理は終了する。
スイッチング素子(2,4,6,8)を有しモータに設けられたモータコイル(124)に接続されるHブリッジ回路(20)と、
スイッチング素子(2,4,6,8)を所定のPWM周期毎に駆動し、Hブリッジ回路(20)に対して、モータコイル(124)に流れるモータ電流(Icoil)を増加させるチャージモード、モータ電流(Icoil)を減衰させる高速減衰モード、または高速減衰モードよりも遅い減衰速度でモータ電流(Icoil)を減衰させる低速減衰モードのうち何れかの動作モードを指定する制御手段(101)と、
を有し、制御手段(101)は、各PWM周期の開始時からの経過時間が所定の電流制御再実行時間(Tr)に至る前にモータ電流(Icoil)と電流基準値(Iref)との比較結果に基づいて何れかの動作モードを選択するとともに、経過時間が電流制御再実行時間(Tr)に至った後にモータ電流(Icoil)と電流基準値(Iref)との比較結果に基づいて何れかの動作モードを選択するものである。
電流基準値(Iref)が上昇している期間において、最小デューティ時間(Tmin)以降で電流制御再実行時間(Tr)以前にモータ電流(Icoil)が電流基準値(Iref)以上になったことを検出する(フラグCL=1)と、動作モードを低速減衰モードに設定する(t14,t24,S4〜S10)とともに、電流制御再実行時間(Tr)において動作モードが低速減衰モードであってモータ電流(Icoil)が電流基準値(Iref)未満になったことを検出する(フラグCL=0)と、動作モードをチャージモードに設定する(t37,t54,S12〜S16)ものである。
モータの回転子(126)と固定子(122XP,122XN,122YP,122YN)との位置関係(回転角θ)に基づいて、PWM周期毎に電流基準値(Iref)を設定するステップ(S1,S30)と、
各PWM周期の開始時からの経過時間が所定の電流制御再実行時間(Tr)に至る前にモータ電流(Icoil)と電流基準値(Iref)との比較結果に基づいて何れかの動作モードを選択するステップ(S4〜S10,S34〜S40)と、
各PWM周期において電流制御再実行時間(Tr)が経過した後にモータ電流(Icoil)と電流基準値(Iref)との比較結果に基づいて何れかの動作モードを選択するステップ(S12〜S16,S42〜S46)とを実行するものである。
以上のような構成により、本実施形態による効果は、下記の通りである。
(1)1つの固定子巻線124(図2参照)に対して1つの比較器114でモータ制御を行うため、モータ制御装置100を安価に構成できる。
(2)1回のPWM周期において、閾値超過フラグCLに基づいてHブリッジ回路20の動作モードを複数回切り替えることができるため、モータ電流の電流リップルを抑制でき。これにより、モータの駆動効率を上昇させることができるとともに、モータのトルクの損失と騒音、振動等を低減することができる。
(3)また、1回のPWM周期において動作モードを複数回切り替えることができることにより、電流基準値Irefに対するモータ電流の大きな遅延を抑制することができる。これにより、PWM周期を長くすることができ、モータ制御装置100を安価に構成することができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
(2)また、上記実施形態においては、電流制御再実行時間Trにおける動作モードの再設定は1回のPWM周期について1回実行したが、複数の電流制御再実行時間Trを定めることにより、1回のPWM周期について動作モードの再設定を複数回実行してもよい。
(5)また、上記実施形態では、モータ120としてバイポーラ型2相ステッピングモータを適用した例を説明したが、モータ120の種類や相数は用途に応じて様々なものを適用することができる。また、上記実施形態においては、電流基準値Irefの設定方式としてマイクロステップ方式を採用したが、電流基準値Irefは回転角θに対して連続的に変化する値を用いてもよい。
12,14,16,18 ダイオード
20,20X,20Y Hブリッジ回路
100 モータ制御装置
101 CPU(制御手段)
102 RAM
103 ROM
104 タイマ
105 I/Oポート
106 バス
107 ブリッジ制御部
110 ブリッジ制御回路
111 電流フィルタ
112 電流制限制御部
113 PWM信号発生器
114 比較器
115 D/Aコンバータ
116 電流検出部
117 A/Dコンバータ
118 BEMF検出部
120 ステッピングモータ
122YP,122XN,122YN,122XP 固定子
124,124X,124Y 固定子巻線(モータコイル)
126 回転子
130 上位装置
140 直流電源
142 アース線
Claims (5)
- スイッチング素子を有しモータに設けられたモータコイルに接続されるHブリッジ回路と、
前記スイッチング素子を所定のPWM周期毎に駆動し、前記Hブリッジ回路に対して、前記モータコイルに流れるモータ電流を増加させるチャージモード、前記モータ電流を減衰させる高速減衰モード、または前記高速減衰モードよりも遅い減衰速度で前記モータ電流を減衰させる低速減衰モードのうち何れかの動作モードを指定する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記各PWM周期の開始時からの経過時間が所定の電流制御再実行時間に至る前に前記モータ電流と電流基準値との比較結果に基づいて何れかの前記動作モードを選択するとともに、前記経過時間が前記電流制御再実行時間に至った後に前記モータ電流と前記電流基準値との比較結果に基づいて何れかの前記動作モードを選択する
ことを特徴とするモータ電流制御装置。 - 前記制御手段は、前記各PWM周期の開始時から、前記電流制御再実行時間よりも短い最小デューティ時間が経過するまでは、前記動作モードを前記チャージモードに設定する
ことを特徴とする請求項1記載のモータ電流制御装置。 - 前記制御手段は、前記電流基準値が上昇している期間において、前記最小デューティ時間以降で前記電流制御再実行時間以前に前記モータ電流が前記電流基準値以上になったことを検出すると、前記動作モードを前記低速減衰モードに設定するとともに、前記電流制御再実行時間において前記動作モードが前記低速減衰モードであって前記モータ電流が前記電流基準値未満になったことを検出すると、前記動作モードを前記チャージモードに設定する
ことを特徴とする請求項2記載のモータ電流制御装置。 - 前記制御手段は、前記電流基準値が下降している期間において、前記最小デューティ時間以降で前記電流制御再実行時間以前に前記モータ電流が前記電流基準値以上になったことを検出すると、前記動作モードを前記高速減衰モードに設定するとともに、前記電流制御再実行時間において前記モータ電流が前記電流基準値未満になったことを検出すると、前記動作モードを前記低速減衰モードに設定する
ことを特徴とする請求項2記載のモータ電流制御装置。 - スイッチング素子を有しモータに設けられたモータコイルに接続されるHブリッジ回路と、前記スイッチング素子を所定のPWM周期毎に駆動し、前記Hブリッジ回路に対して、前記モータコイルに流れるモータ電流を増加させるチャージモード、前記モータ電流を減衰させる高速減衰モード、または前記高速減衰モードよりも遅い減衰速度で前記モータ電流を減衰させる低速減衰モードのうち何れかの動作モードを指定する制御手段とを有するモータ電流制御装置を制御するモータ電流制御方法において、
前記モータの回転子と固定子との位置関係に基づいて、前記PWM周期毎に電流基準値を設定するステップと、
前記各PWM周期の開始時からの経過時間が所定の電流制御再実行時間に至る前に前記モータ電流と前記電流基準値との比較結果に基づいて何れかの前記動作モードを選択するステップと、
前記各PWM周期において前記電流制御再実行時間が経過した後に前記モータ電流と前記電流基準値との比較結果に基づいて何れかの前記動作モードを選択するステップと
を実行することを特徴とするモータ電流制御方法。
Priority Applications (4)
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