JP2020178470A - ステッピングモータの駆動制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】閉ループ制御によるステッピングモータの駆動装置において、一般的な専用ＩＣを使用することで、座標変換や相変換等の複雑な制御を行わず、サーボ運転に必要な４象限運転を可能にする。【解決手段】ステッピングモータの駆動装置は、回転速度を指令する信号を出力する位置制御部と、励磁電流を設定する信号を出力する速度制御部と、回転速度を検出する速度検出部と、ステッピングモータを進角させる第１パルス指令部と、４象限運転を実現する第２パルス指令部を備える。【選択図】図２
Description
本発明は、ステッピングモータをベクトル制御のサーボモータと同等の運転をする、閉ループ制御によるステッピングモータの駆動制御装置に関する。
従来、ステッピングモータの駆動制御装置としては、パルス信号を印加して所望の回転制御を行う開ループで制御する装置と、ステッピングモータの回転制御をエンコーダからの信号を用いてフィードバック制御する閉ループで制御する装置が知られている。
閉ループ制御による装置は、位置ループ、速度ループ、電流制御ループを持つ２相の多極ＡＣサーボモータと同等の構成であり、開ループ制御に比較して、脱調レスで高応答な用途（ロボット・その他の電子機器）へステッピングモータの適用範囲を広げるものである。
閉ループ制御による装置は、位置ループ、速度ループ、電流制御ループを持つ２相の多極ＡＣサーボモータと同等の構成であり、開ループ制御に比較して、脱調レスで高応答な用途（ロボット・その他の電子機器）へステッピングモータの適用範囲を広げるものである。
しかしながら、特許文献１のような閉ループ制御によるステッピングモータの駆動装置においては、多くのディスクリート部品をワンチップ化して励磁電流波形の制御が組み込まれている専用ＩＣを使うとハードウェアが簡単になり、座標変換や相変換等の複雑な制御が不要になるが、サーボ運転に必要な４象限運転することができないという課題があった。
本発明は、この課題を解決するもので、前述の専用ＩＣを用いてステッピングモータを閉ループ制御の４象限運転で駆動する装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明によるステッピングモータの駆動制御装置は、回転駆動されるステッピングモータと、制御プログラムに従って前記ステッピングモータの回転位置を指令する位置指令手段と、前記ステッピングモータの回転を制御する回転制御手段と、前記回転制御手段からの信号に従って励磁電流をステッピングモータに供給する駆動手段と、前記ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出手段とを備え、前記回転制御手段が、前記位置指令手段からの位置指令信号と位置検出手段からの位置検出信号の差分から回転速度を出力する位置制御部と、前記位置検出手段からのステッピングモータの回転位置により回転速度を算出する速度検出部と、前記位置制御部からの回転速度と前記速度検出部からの回転速度の差分から電流設定信号を出力する速度制御部と、前記位置検出信号により前記ステッピングモータを進角させる第１パルス信号を出力する第１パルス指令部と、前記電流設定信号と前記位置検出信号により前記駆動手段が認識可能なパルス幅で前記第１パルス信号より短い周期の第２パルス信号を出力する第２パルス指令部とを備え、前記第２パルス指令部が前記第２パルス信号によって励磁電流の位相を所望の角度に進角させるよう構成したものである。
このような構成により、励磁電流を任意の角度に進角させることができる。
また、本発明によるステッピングモータの駆動制御装置は、前記第２パルス信号によって進角される位相進角度が、１８０度に設定できるよう構成したものである。
このような構成により、前記ステッピングモータを４象限運転可能にすることができ、サーボ運転が可能となる。
また、本発明によるステッピングモータの駆動制御装置は、前記第２パルス信号によって進角される位相進角度が、０度〜９０度の範囲に設定できるよう構成したものである。
このような構成により、弱め界磁の制御が実現でき、より高速な回転を得ることができる。
本発明によるステッピングモータの駆動制御装置によれば、ステッピングモータを駆動させる第１パルス信号に、任意に位相を進角させる第１パルス信号より短い周期を持つ第２パルス信号を割り込ませることにより、任意の進角度に励磁電流を設定することができる。
また、励磁電流を１８０度進角させることにより、正転力行と正転回生と逆転力行と逆転回生の運転モードがある４象限運転の制御が実現できる。
さらにまた、励磁電流を所望する位相分０度〜９０度（例えば、２２．５度）進角させることにより、弱め界磁の制御が実現でき、より高速な回転が得られる。
また、ステッピングモータの駆動手段に専用ＩＣを用いることで安価な構成で、４象限運転が実現できる。
また、励磁電流を１８０度進角させることにより、正転力行と正転回生と逆転力行と逆転回生の運転モードがある４象限運転の制御が実現できる。
さらにまた、励磁電流を所望する位相分０度〜９０度（例えば、２２．５度）進角させることにより、弱め界磁の制御が実現でき、より高速な回転が得られる。
また、ステッピングモータの駆動手段に専用ＩＣを用いることで安価な構成で、４象限運転が実現できる。
以下、本発明によるステッピングモータの駆動制御装置について、一構成例である図１と図２を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係わるステッピングモータの駆動制御装置の一構成例をブロック図で示すもので、１は回転制御されるステッピングモータで、２はステッピングモータの回転位置を指令する位置指令手段で、３はステッピングモータの回転を制御する回転制御手段で、４は回転制御手段からの信号に従って励磁電流をステッピングモータに供給する駆動手段で、５はステッピングモータの回転位置を検出する位置検出手段である。
ステッピングモータ１は、Ａ相固定子とＢ相固定子と永久磁石回転子から構成されており、駆動手段４からのＡ相励磁電流ＥＣａとＢ相励磁電流ＥＣｂで回転駆動される。
位置指令手段２は、ステッピングモータ１の制御プログラム２１とカウンタ２２からなる。
駆動手段４は、多くのディスクリート部品をワンチップ化して励磁電流波形の制御が組み込まれている専用ＩＣである。
位置検出手段５は、Ａ相励磁電流ＥＣａとＢ相励磁電流ＥＣｂにより作られる磁束とステッピングモータ１の永久磁石回転子の磁束が直交するよう位置合わせされたエンコーダ（図示しない）を用いて、ステッピングモータ１の回転位置を検出し、位置検出信号Ｐｄを出力する。
図２は回転制御手段３の一構成例を示す。
３１は、位置指令手段２からの位置指令信号Ｐｃと位置検出手段５からの位置検出信号Ｐｄの差分から回転速度指令信号Ｓｃを出力する位置制御部で、３２は、位置制御部３１からの回転速度指令信号Ｓｃと速度検出部３３からの回転速度検出信号Ｓｄの差分から電流設定信号Ｉｃを出力する速度制御部で、３３は、位置検出手段５からのステッピングモータ１の回転検出信号Ｐｄにより回転速度を算出して回転速度検出信号Ｓｄを出力する速度検出部で、３４は、位置検出手段５からの位置検出信号Ｐｄによりステッピングモータ１を進角させる第１パルス信号を出力する第１パルス指令部で、３５は、位置検出手段５からの位置検出信号Ｐｄと速度制御部からの電流設定信号Ｉｃにより駆動手段４が認識可能なパルス幅で第１パルス信号ＰＬＳ１より短い周期の第２パルス信号ＰＬＳ２を出力する第２パルス指令部である。
３１は、位置指令手段２からの位置指令信号Ｐｃと位置検出手段５からの位置検出信号Ｐｄの差分から回転速度指令信号Ｓｃを出力する位置制御部で、３２は、位置制御部３１からの回転速度指令信号Ｓｃと速度検出部３３からの回転速度検出信号Ｓｄの差分から電流設定信号Ｉｃを出力する速度制御部で、３３は、位置検出手段５からのステッピングモータ１の回転検出信号Ｐｄにより回転速度を算出して回転速度検出信号Ｓｄを出力する速度検出部で、３４は、位置検出手段５からの位置検出信号Ｐｄによりステッピングモータ１を進角させる第１パルス信号を出力する第１パルス指令部で、３５は、位置検出手段５からの位置検出信号Ｐｄと速度制御部からの電流設定信号Ｉｃにより駆動手段４が認識可能なパルス幅で第１パルス信号ＰＬＳ１より短い周期の第２パルス信号ＰＬＳ２を出力する第２パルス指令部である。
位置制御部２は、ステッピングモータ１の制御プログラム２１から出力されるパルス信号Ｐ１と回転方向信号Ｄ１をカウンタ２２でカウントし、ステッピングモータ１の回転位置の目標値を示す信号として位置指令信号Ｐｃを出力する。
位置制御部３１は、位置指令信号Ｐｃと位置検出信号Ｐｄの差分から回転速度を算出し、その回転速度の目標値を示す信号として回転速度指令信号Ｓｃを出力する。
速度制御部３２は、回転速度指令信号Ｓｃと回転速度検出信号Ｓｄの差分からステッピングモータ１を励磁する電流を算出し、その励磁電流の目標値を示す信号として電流設定信号Ｉｃを出力する。
速度検出部３３は、位置検出信号Ｐｄにより回転速度を算出して、回転速度検出信号Ｓｄを出力する。
第１パルス指令部３４は、位置検出信号Ｐｄによりステッピングモータ１を進角させる第１パルス信号ＰＬＳ１と回転方向信号ＤＩＲ１を出力する。
第２パルス指令部３５は、電流設定信号Ｉｃと位置検出信号Ｐｄにより第２パルス信号ＰＬＳ２と回転方向信号ＤＩＲ２と励磁許可信号Ｅｘの３種類の信号を出力する。
第２パルス信号ＰＬＳ２は、駆動手段３が認識可能なパルス幅でかつ第１パルス信号ＰＬＳ１より短い周期を持つ信号である。
第２パルス指令部３５は、電流設定信号Ｉｃと位置検出信号Ｐｄにより第２パルス信号ＰＬＳ２と回転方向信号ＤＩＲ２と励磁許可信号Ｅｘの３種類の信号を出力する。
第２パルス信号ＰＬＳ２は、駆動手段３が認識可能なパルス幅でかつ第１パルス信号ＰＬＳ１より短い周期を持つ信号である。
パルス信号ＰＬＳは、第１パルス信号ＰＬＳ１と第２パルス信号ＰＬＳ２のいずれかが出力される信号であり、回転方向信号ＤＩＲは、第１回転方向信号ＤＩＲ１と第２回転方向信号ＤＩＲ２のいずれかが出力される信号である。
なお、第１パルス信号ＰＬＳ１が出力されるときは第１回転方向信号ＤＩＲ１が、第２パルス信号ＰＬＳ２が出力されるときは第２回転方向信号ＤＩＲ２が出力される。
なお、第１パルス信号ＰＬＳ１が出力されるときは第１回転方向信号ＤＩＲ１が、第２パルス信号ＰＬＳ２が出力されるときは第２回転方向信号ＤＩＲ２が出力される。
駆動手段４は、多くのディスクリート部品をワンチップにしたステッピングモータ１を駆動する専用ＩＣであり、パルス信号ＰＬＳと回転方向信号ＤＩＲと電流設定信号Ｉｃと励磁許可信号Ｅｘに従ってステッピングモータ１にＡ相励磁電流ＥＣａとＢ相励磁電流ＥＣｂを流す。
次に、本発明の一実施例の動作を図３から図７を用いて説明する。
図３はステッピングモータ１を１／８マイクロステップ駆動で正回転させる場合の波形図で、回転制御手段３から出力されるパルス信号ＰＬＳと回転方向信号ＤＩＲと励磁許可信号Ｅｘ、及び、駆動手段４から出力されるＡ相励磁電流ＥＣａとＢ相励磁電流ＥＣｂの時間の流れを示す。
次に、本発明による実施の形態における４象限運転の正転力行から正転回生へモードを切り替える制御方法について図４と図５を用いて説明する。
例として、図３の１／８マイクロステップ駆動の励磁電流波形において、Ｃ３１で示すタイミングで回生が発生した場合、励磁電流の極性を反転させるため、１８０度分進角したＣ３３で示す励磁電流波形に切り替える必要がある。切り替えた結果を図４と図５に示す。
図５は、図４のＢ４１で示す励磁電流を１８０度分進角させる動作を拡大した図である。
例として、図３の１／８マイクロステップ駆動の励磁電流波形において、Ｃ３１で示すタイミングで回生が発生した場合、励磁電流の極性を反転させるため、１８０度分進角したＣ３３で示す励磁電流波形に切り替える必要がある。切り替えた結果を図４と図５に示す。
図５は、図４のＢ４１で示す励磁電流を１８０度分進角させる動作を拡大した図である。
図５のＴ５１で示すタイミングで、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを禁止にして、モータ巻線への励磁電流をＯＦＦさせる。
次に、ステッピングモータ１の回転方向信号ＤＩＲは正回転（ＣＷ）を維持したまま、図５のＳ５１で示すように短い周期で第２パルス信号ＰＬＳ２をパルス信号ＰＬＳとして１８０度分（この場合、１６個のパルス信号）進角させるために印加する。
次に、図５のＴ５２で示すタイミングで、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを許可にして、モータ巻線への励磁電流をＯＮさせることで励磁電流波形を切り替える。
次に、ステッピングモータ１の回転方向信号ＤＩＲは正回転（ＣＷ）を維持したまま、図５のＳ５１で示すように短い周期で第２パルス信号ＰＬＳ２をパルス信号ＰＬＳとして１８０度分（この場合、１６個のパルス信号）進角させるために印加する。
次に、図５のＴ５２で示すタイミングで、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを許可にして、モータ巻線への励磁電流をＯＮさせることで励磁電流波形を切り替える。
なお、一般には回生が発生するとき電流指令はゼロであるため、第２パルス信号ＰＬＳ２を印加している間、励磁許可信号Ｅｘを禁止することが必須ではない。
次に、１／８マイクロステップ駆動時の４象限運転の正転力行から逆転力行へモードを切り替える制御方法について説明する。
正転力行から正転回生へモードを切り替える制御方法と同様に、まず、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを禁止にして、モータ巻線への励磁電流をＯＦＦさせる。
次に、ステッピングモータ１の回転方向信号ＤＩＲは正回転（ＣＷ）を維持したまま、短い周期で第２パルス信号ＰＬＳ２をパルス信号ＰＬＳとして１８０度分（この場合、１６個のパルス信号）進角させるために印加する。
次に、回転方向信号ＤＩＲを逆回転（ＣＣＷ）に変更した後、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを許可にして、モータ巻線への励磁電流をＯＮさせることで、励磁電流波形を切り替える。
正転力行から正転回生へモードを切り替える制御方法と同様に、まず、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを禁止にして、モータ巻線への励磁電流をＯＦＦさせる。
次に、ステッピングモータ１の回転方向信号ＤＩＲは正回転（ＣＷ）を維持したまま、短い周期で第２パルス信号ＰＬＳ２をパルス信号ＰＬＳとして１８０度分（この場合、１６個のパルス信号）進角させるために印加する。
次に、回転方向信号ＤＩＲを逆回転（ＣＣＷ）に変更した後、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを許可にして、モータ巻線への励磁電流をＯＮさせることで、励磁電流波形を切り替える。
なお、ステッピングモータ１の回転方向信号ＤＩＲは第２パルス信号ＰＬＳ２を全て印加し終わるまで維持し、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを許可する前に、回転方向信号ＤＩＲを変更する。その時の回転方向信号ＤＩＲは、正転力行／正転回生モードの場合は、正回転（ＣＷ）、逆転力行／逆転回生モードの場合は、逆回転（ＣＣＷ）とする。
励磁電流波形を切り替えるために、駆動手段４に印加する第２パルス信号ＰＬＳ２の数は下式１で求められる。
例として、１／８マイクロステップ駆動で励磁電流波形を１８０度進める場合、下式２となり
１６個の第２パルス信号ＰＬＳ２を駆動手段４に印加すればよい。
例として、１／８マイクロステップ駆動で励磁電流波形を１８０度進める場合、下式２となり
１６個の第２パルス信号ＰＬＳ２を駆動手段４に印加すればよい。
１／８マイクロステップ駆動時の、４象限運転のモード切り替えで印加する第２パルス信号の数を下表に示す。
次は本発明による実施の形態における高速回転するための弱め界磁の制御方法について図６と図７を用いて説明する。弱め界磁を制御するため、励磁電流波形の位相を進める角度分の第２パルス信号ＰＬＳ２をパルス信号ＰＬＳとして駆動手段４に印可することで、励磁電流波形を瞬時に切り替える。
例として、図３の１／８マイクロステップ駆動の励磁電流波形において、Ｃ３１で示すタイミングで弱め界磁に切り替える場合、励磁電流の位相を０度〜９０度（この場合、２２．５度）進角したＣ３２で示す励磁電流波形に切り替える必要がある。切り替えた結果を図６と図７に示す。
図７は、図６のＢ６１で示す励磁電流を２２．５度分進角させる動作を拡大した図である。
図７は、図６のＢ６１で示す励磁電流を２２．５度分進角させる動作を拡大した図である。
まず、図７のＴ７１で示すタイミングで、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを禁止にして、モータ巻線への励磁電流をＯＦＦさせる。
次に、ステッピングモータ１の回転方向信号ＤＩＲは正回転（ＣＷ）を維持したまま、図７のＳ７１で示すように短い周期で第２パルス信号ＰＬＳ２をパルス信号ＰＬＳとして２２．５度分（この場合、２個のパルス信号）進角させるために印加する。
次に、図７のＴ７２で示すタイミングで、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを許可にして、モータ巻線への励磁電流をＯＮさせることで、Ａ相励磁電流ＥＣａとＢ相励磁電流ＥＣｂにより作られる磁束とステッピングモータ１の永久磁石回転子の磁束が直交するよう合わせされた位置から２２．５度分進角した弱め界磁を実現する。
次に、ステッピングモータ１の回転方向信号ＤＩＲは正回転（ＣＷ）を維持したまま、図７のＳ７１で示すように短い周期で第２パルス信号ＰＬＳ２をパルス信号ＰＬＳとして２２．５度分（この場合、２個のパルス信号）進角させるために印加する。
次に、図７のＴ７２で示すタイミングで、駆動手段４の励磁許可信号Ｅｘを許可にして、モータ巻線への励磁電流をＯＮさせることで、Ａ相励磁電流ＥＣａとＢ相励磁電流ＥＣｂにより作られる磁束とステッピングモータ１の永久磁石回転子の磁束が直交するよう合わせされた位置から２２．５度分進角した弱め界磁を実現する。
なお、第２パルス信号ＰＬＳ２を駆動手段４に印加する数が少なく、期間も非常に短いため、第２パルス信号ＰＬＳ２を印加している間は、励磁許可信号Ｅｘを禁止することが必須ではない。
次に、４象限運転と弱め界磁を同時に実現する方法を説明する。
４象限運転と弱め界磁を同時に実現する方法は、４象限運転のモード切り替えに必要な第２パルス信号ＰＬＳ２と、弱め界磁を実現するために必要な位相角度に相当する第２パルス信号ＰＬＳ２を合わせた数の第２パルス信号ＰＬＳ２をパルス信号ＰＬＳとして駆動手段４に印加することである。
４象限運転と弱め界磁を同時に実現する方法は、４象限運転のモード切り替えに必要な第２パルス信号ＰＬＳ２と、弱め界磁を実現するために必要な位相角度に相当する第２パルス信号ＰＬＳ２を合わせた数の第２パルス信号ＰＬＳ２をパルス信号ＰＬＳとして駆動手段４に印加することである。
本発明によるステッピングモータの駆動装置は、ロボット駆動などに用いられるステッピングモータを用いた装置に有用である。
１ ステッピングモータ
２ 位置指令手段
３ 回転制御手段
４ 駆動手段
５ 位置検出手段
２１ 制御プログラム
２２ カウンタ
３１ 位置制御部
３２ 速度制御部
３３ 速度検出部
３４ 第１パルス指令部
３５ 第２パルス指令部
Ｐｃ 位置指令信号
Ｐｄ 位置検出信号
Ｓｃ 回転速度指令信号
Ｓｄ 回転速度検出信号
Ｉｃ 電流設定信号
Ｅｘ 励磁許可信号
ＰＬＳ１ 第１パルス信号
ＤＩＲ１ 第１回転方向信号
ＰＬＳ２ 第２パルス信号
ＤＩＲ２ 第２回転方向信号
ＰＬＳ パルス信号
ＤＩＲ 回転方向信号
ＥＣａ Ａ相励磁電流
ＥＣｂ Ｂ相励磁電流
２ 位置指令手段
３ 回転制御手段
４ 駆動手段
５ 位置検出手段
２１ 制御プログラム
２２ カウンタ
３１ 位置制御部
３２ 速度制御部
３３ 速度検出部
３４ 第１パルス指令部
３５ 第２パルス指令部
Ｐｃ 位置指令信号
Ｐｄ 位置検出信号
Ｓｃ 回転速度指令信号
Ｓｄ 回転速度検出信号
Ｉｃ 電流設定信号
Ｅｘ 励磁許可信号
ＰＬＳ１ 第１パルス信号
ＤＩＲ１ 第１回転方向信号
ＰＬＳ２ 第２パルス信号
ＤＩＲ２ 第２回転方向信号
ＰＬＳ パルス信号
ＤＩＲ 回転方向信号
ＥＣａ Ａ相励磁電流
ＥＣｂ Ｂ相励磁電流
Claims (3)
- 回転駆動されるステッピングモータと、制御プログラムに従って前記ステッピングモータの回転位置を指令する位置指令手段と、前記ステッピングモータの回転を制御する回転制御手段と、前記回転制御手段からの信号に従って励磁電流をステッピングモータに供給する駆動手段と、前記ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出手段とを備え、前記回転制御手段が、前記位置指令手段からの位置指令信号と位置検出手段からの位置検出信号の差分から回転速度を出力する位置制御部と、前記位置検出手段からのステッピングモータの回転位置により回転速度を算出する速度検出部と、前記位置制御部からの回転速度と前記速度検出部からの回転速度の差分から電流設定信号を出力する速度制御部と、前記位置検出信号により前記ステッピングモータを進角させる第１パルス信号を出力する第１パルス指令部と、前記電流設定信号と前記位置検出信号により前記駆動手段が認識可能なパルス幅で前記第１パルス信号より短い周期の第２パルス信号を出力する第２パルス指令部とを備え、前記第２パルス指令部が前記第２パルス信号によって励磁電流の位相を所望の角度に進角させるよう構成したステッピングモータの駆動制御装置。
- 前記第２パルス指令部が、前記第２パルス信号によって進角される位相進角度が、１８０度に設定できるよう構成したことを特徴とする特許請求項１記載のステッピングモータの駆動制御装置。
- 前記第２パルス指令部が、前記第２パルス信号によって進角される位相進角度が、０度〜９０度の範囲に設定できるよう構成したことを特徴とする特許請求項１及び特許請求項２記載のステッピングモータの駆動制御装置。
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- 2019-04-19 JP JP2019080131A patent/JP7296620B2/ja active Active
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