JP2022143391A - モータ制御装置、モータ制御方法、及びモータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】低速回転域から高速回転域まで安定したトルク制御が可能なモータ制御装置、モータ制御方法、及びモータ駆動システムを提供する。【解決手段】本実施形態に係るモータ制御装置は、第１信号生成部と、第２信号生成部と、主制御部と、駆動部と、を備える。第１信号生成部は、モータのステッピング駆動周期を示すクロック信号に基づき、第１制御信号を生成する。第２信号生成部は、モータの回転子の目標位相を示す指令位相に基づき、回転子の位相と目標位相との偏差が小さくなるようにモータに流す励磁電流を制御する第２制御信号を生成する。主制御部は、第１制御信号及び第２制御信号の少なくともいずれかを出力させる制御を第１信号生成部、及び第２信号生成部に対して行う。駆動部は、第１制御信号及び第２制御信号の少なくともいずれかに基づき、モータを駆動する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、モータ制御装置、モータ制御方法、及びモータ駆動システムに関する。

ステッピングモータは、パル信号により回転角度、及び回転速度が正確に制御可能である。このため、高精度な位置決めが必要な産業分野に広く用いられている。また、低速域での回転角度、及び回転速の正確性に加え、高速域までの回転制御が必要とされている。

ところが、ステッピングモータの回転によって発生する誘起電圧はロータが発生する磁束、ステータに流れる電流、ロータの回転速度、巻線のインダクタンス、そして磁極数に比例して発生する。このため、モータの回転によって発生する誘起電圧がモータ電源電圧以上になると、それ以上の電流が流せなくなりモータの回転速度が上がらなくなってしまう。

特開２０１４－１５８３５７号公報

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたものであり、低速回転域から高速回転域まで安定したトルク制御が可能なモータ制御装置、モータ制御方法、及びモータ駆動システムを提供することにある。

本実施形態に係るモータ制御装置は、第１信号生成部と、第２信号生成部と、主制御部と、駆動部と、を備える。第１信号生成部は、モータのステッピング駆動周期を示すクロック信号に基づき、モータに流す励磁電流の極性を示す極性信号と励磁電流の電流量を示す電流量信号とを含む第１制御信号を生成する。第２信号生成部は、モータの回転子の目標位相を示す指令位相に基づき、回転子の位相と目標位相との偏差が小さくなるようにモータに流す励磁電流を制御する第２制御信号を生成する。主制御部は、第１制御信号及び第２制御信号の少なくともいずれかを出力させる制御を第１信号生成部、及び第２信号生成部に対して行う。駆動部は、第１制御信号及び第２制御信号の少なくともいずれかに基づき、モータを駆動する。

第１実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示すブロック図。 ステッピングモータの断面模式図。 モータ制御装置の構成例を示すブロック図。 ブリッジ回路の回路構成例を示す図。 ブリッジ回路のスイッチング動作例を模式的に示す図。 励磁制御部のマイクロステップ制御例を模式的に示す図。 Ａ相コイル及びＢ相コイルにより生成される磁界の向きを示す図。 ステップ毎のＡ相コイル及びＢ相コイルに流れる電流を例示する図。 マイクロステップ制御によるトルクの変動曲線を示す図。 ｄ軸及びｑ軸によって表される回転座標系との関係を示す図。 ベクトル制御部の構成の例を示すブロック図。 主制御部の制御例を模式的に示す図。 主制御部の制御モードの変更を模式的に示す図。 マイクロステップ制御とベクトル制御部を併用した場合のトルクの変動曲線を示す図。 主制御部の制御例を示すフローチャート。 第４制御モードでの１ステップでの回転子の回転角度を示す図。

以下、本発明の実施形態に係るモータ制御装置、モータ制御方法、及びモータ駆動システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
（第１実施形態）

図１は、第１実施形態に係るモータ駆動システム１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、モータ駆動システム１は、マイクロステップ制御、及びベクトル制御が可能なシステムであり、ステッピングモータ１０と、モータ制御装置２０とを備える。

図２は、ステッピングモータ１０の断面模式図である。図２に示すように、ステッピングモータ１０は、例えば二相ステッピングモータである。なお、本実施形態に係るステッピングモータ１０は、二相ステッピングモータであるが、これに限定されない。例えばステッピングモータは、ＰＭ型、ＶＲ型、ハイブリッド型のいずれであってもよい。

ステッピングモータ１０は、例えばロータヨークに永久磁石を設けたロータ１０２と、ステータコアの極歯の回りにモータコイルを巻き付けれたステータ１０４とを有する。コイルＡ、Ａバーは、Ａ相コイル１０ａ（図４参照）を構成しており、コイルＡの一端は、コイルＡバーの一端に接続されている。同様に、コイルＢ、Ｂバーは、Ｂ相コイル１０ｂ（図４参照）を構成しており、コイルＢの一端は、コイルＢバーの一端に接続されている。このように、ステータには電気角で位相が９０度異なるＡ相コイル１０ａとＢ相コイル１０ｂが巻き付けられている。各相コイルには、モータ制御装置２０の制御により所定のモータ電流が流れる。

図３は、モータ制御装置２０の構成例を示すブロック図である。図３に示すように、モータ制御装置２０は、ステッピングモータ１０のマイクロステップ制御と、ベクトル制御とが可能な装置である。モータ制御装置２０は、モータトルク電流Ｉｑ及び界磁電流Ｉｄを独立に制御すると共にマイクロステップ制御と、ベクトル制御との切り換え及び並列駆動が可能である。

モータ制御装置２０は、検出部２００と、ＰＷＭ回路２０２と、励磁制御部２０４と、ベクトル制御部２０６と、主制御部２０８とを、備える。また、ＰＷＭ回路２０２は、ブリッジ回路２０２ａ、２０２ｂを有する。モータ制御装置２０を構成する各回路部は、半導体基板上に一体集積化される。すなわち、励磁制御部２０４と、ベクトル制御部２０６と、主制御部２０８とは、回路として構成可能である。なお、本実施形態に係る励磁制御部２０４が第１信号生成部に対応し、ベクトル制御部２０６が第２信号生成部に対応し、ＰＷＭ回路２０２が駆動部に対応する。

図４は、ブリッジ回路２０２ａの回路構成例を示す図である。図４に示すように、ブリッジ回路２０２ａは例えばＨ型のフルブリッジ回路であり、４つのトランジスタＳ１～Ｓ４を含む。トランジスタＳ１とトランジスタＳ３の第１接続点ｎ１には、Ａ相コイル１０ａの一端が接続され、トランジスタＳ２とトランジスタＳ４の第２接続点ｎ２には、Ａ相コイル１０ａの他端が接続される。また、第１接続点ｎ１と第２接続点ｎ２との間には抵抗Ｒ１が接続され、トランジスタＳ３とトランジスタＳ４の第１接続点ｎ１及び第２接続点ｎ２と異なる側の端部は抵抗Ｒ２の一端に接続される。また、抵抗Ｒ２の他端は接地される。トランジスタＳ１とトランジスタＳ２の第１接続点及び第２接続点と異なる側の端部は電源Ｖｄｄに接続される。ブリッジ回路２０２ａは、励磁制御部２０４、ベクトル制御部２０６の少なくともいずれかの制御信号にもとづいてスイッチングされ、Ａ相コイル１０ａの端部電圧ＶＡの電圧がスイッチングされる。

ブリッジ回路２０２ｂもブリッジ回路２０２ａと同様の構成回路であり、トランジスタＳ１とトランジスタＳ３の第１接続点には、Ｂ相コイル１０ｂの一端が接続され、トランジスタＳ２とトランジスタＳ４の第２接続点には、Ａ相コイル１０ｂの他端が接続される。ブリッジ回路２０２ｂもブリッジ回路２０２ａと同様に、励磁制御部２０４、ベクトル制御部２０６の少なくともいずれかの制御信号にもとづいてスイッチングされ、Ｂ相コイル１０ｂの端部電圧ＶＢの電圧がスイッチングされる。

励磁制御部２０４には、主制御部２０８からクロック信号がパルスとして力される。また、励磁制御部２０４には、主制御部２０８から時計回り（正転）、反時計回り（反転）を指示する方向指示信号が入力される。励磁制御部２０４は、パルスが入力されるたびに、方向指示信号に応じた方向に、ステッピングモータ１０のロータを所定角、回転させる。より詳細には、励磁制御部２０４は、ステッピングモータ１０のモータのステッピング駆動周期を示すクロック信号に基づき、ステッピングモータ１０に流す励磁電流の極性を示す極性信号と励磁電流の電流量を示す電流量信号を含む第１制御信号をＰＷＭ回路２０２に供給する。これにより、励磁制御部２０４は、主制御部２０８からパルスが入力される度に、ステッピングモータ１０内の励磁位置を変化させる。また、パルスの周波数は目標速度に対応し、目標速度は所定周期で変化する。

ベクトル制御部２０６は、ステッピングモータ１０のロータ１０２の目標位相を表す指令位相に基づき、ロータ１０２の位相と目標位相との偏差が小さくなるようにステッピングモータ１０に流す励磁電流を制御する。例えば、ベクトル制御部２０６は、ステッピングモータ１０のロータ１０２の回転位相を基準とした回転座標系における電流値を制御することにより、ステッピングモータ１０をベクトル制御することが可能である。ベクトル制御部２０６には、主制御部２０８からパルスが入力される。パルスの数が指令位相に対応する。また、パルスの周波数は目標速度に対応し、目標速度は所定周期で変化する。ベクトル制御部２０６の詳細も後述する。

主制御部２０８は、ＣＰＵ、クロック回路、メモリ回路などを含んで構成される。メモリ回路は制御プログラム及び各種演算処理を実現させるプログラム及び当該演算処理で用いられるパラメータを格納する。そして、これらの回路と所定のプログラムとが協働することにより、後述する機能を実現する。

主制御部２０８は、マイクロステップ制御を行う第１制御モードと、ベクトル制御を行う第２制御モードと、マイクロステップ制御とベクトル制御とを並列して行う第３制御モードとを有する。また、主制御部２０８には、例えば上位システムから回転方向、回転数、周波数、停止位置等の情報が供給される。例えば、主制御部２０８は、回転数などの情報により各制御モードを切り換えてもよい。或いは、主制御部２０８は、上位システムからの指令により各制御モードを切り換えてもよい。

主制御部２０８は、モータ１０のロータ（回転子）１０２の目標位相を表す指令位相θｒｅｆを生成し、指令位相θｒｅｆを励磁制御部２０４、及びベクトル制御部２０６へ出力する。なお、実際には、主制御部２０８は、励磁制御部２０４、及びベクトル制御部２０６に対してパルス信号を出力しており、パルスの数が指令位相に対応する。また、パルスの周波数は目標速度に対応し、目標速度は所定周期で変化する。指令位相θｒｅｆは、例えば、モータ１０の目標速度に基づいて生成される。

ここで、励磁制御部２０４が行う第１制御モードの制御例を図５～図８を参照して説明する。図５は、ブリッジ回路２０２ａのスイッチング動作例を模式的に示す図である。例えば、ステッピングモータ１０の正転、反転、停止のスイッチング動作例を左から順に示している。正転では、トランジスタＳ１、Ｓ４が通電状態となるこことにより、Ａ相コイル１０ａの一端にプラス電圧が印加され、他端にマイナス電位が印可される。反転では、トランジスタＳ２、Ｓ３が通電状態となるこことにより、Ａ相コイル１０ａの一端にマイナス電圧が印加され、他端にプラス電位が印可される。停止では、トランジスタＳ３、Ｓ４が通電状態となるこことにより、Ａ相コイル１０ａの一端と他端が同電位となる。

再び図３に示すように、励磁制御部２０４は、パルスが主制御部２０８から入力される度に、ＰＷＭ回路２０２を制御して、Ａ相コイル１０ａ、１０ｂ（もしくはコイルのペア）に流れる励磁電流の大きさ及び向きを切り換える。

図６は、励磁制御部２０４のマイクロステップ制御例を模式的に示す図である。Ａ相コイル１０ａ、１０ｂの磁界と回転角度とを順に示している。すなわち、左上から順に０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５度の回転を示す。

上側の左端図では、励磁制御部２０４は、Ｂ相コイル１０ｂの一端から電流を流入させ、Ｂ相コイル１０ｂの他端側から電流を流出させる。Ａ相コイル１０ａには電流を流さない。この時、コイルＢの内側はＮにコイルＢバーの内側はＳになる。ロータ１０２は、Ｂ相コイル１０ｂの磁界Ｍ０に引かれ、上をＳ、下をＮにして止まる。ここでコイルの電流がＩ０の時に、磁界の大きさＭ０が発生するとする。

上側の左から２番目の図では、励磁制御部２０４は、４５度時計まわりに回転させるために、磁界の大きさＭ０は維持し、永久磁石が該当位置に停止する磁界を発生させる。励磁制御部２０４は、Ｂ相コイル１０ｂでは、Ｍ０×ｓｉｎ（４５度）≒Ｍ０×０．７０７の磁界を、Ａ相コイル１０ａでＭ０×ｃｏｓ（４５度）≒Ｍ０×０．７０７の磁界を発生させる。すなわち、Ａ相コイル１０ａで他端側から一端側に電流を流入させる。

励磁制御部２０４は、さらに４５度回転させるために、Ｂ相コイル１０ｂでは、Ｍ０×ｓｉｎ（０度）の磁界を、Ａ相コイル１０ａでＭ０×ｃｏｓ（０度）≒Ｍ０の磁界を発生させる。すなわち、Ｂ相コイル１０ｂには電流を流さない。Ａ相コイル１０ａで他端側から一端側に電流を流入させる。ロータ１０２はＡ相コイル１０の磁界Ｍ０に引かれ、右をＳ、左をＮにして止まる。

図６に示すように、励磁制御部２０４は、パルスが主制御部２０８からパルスが入力される度に、ステッピングモータ１０を所定角度、図６では４５度ずつ回転させる。また、停止位置に対して行き過ぎ、戻り過ぎを何度か繰り返して、ステッピングモータ１０を完全に停止可能に制御できる。このように、第１制御モードでは、磁界の大きさは一定で、角度に応じて各コイルに流れる電流を制御して磁界を合成し、任意のステップでロータを回転させ停止させるマイクロステップ制御を行う。

図７は、マイクロステップ制御によりＡ相コイル１０ａ及びＢ相コイル１０ｂにより生成される磁界の向きを示す図である。すなわち、図７では、励磁制御部２０４による制御により、ステッピングモータ１０が２２．５ずつ回転する例を示している。

図８は、図７の各磁界に対応するステップ毎のＡ相コイル１０ａ及びＢ相コイル１０ｂに流れる電流を例示する図である。上図がＡ相コイル１０ａの電流を示し、下図がＢ相コイル１０ｂの電流を示す。縦軸が電流の大きさを示し、横軸がマイクロステップのステップ数を示す。図８に示すように、励磁制御部２０４は、テップ毎にＰＷＭ回路２０２を制御して、Ａ相コイル１０ａ及びＢ相コイル１０ｂに流れる電流を制御する。このように、励磁制御部２０４によるマイクロステップ制御では、パルス数で回転角度を制御し、周波数で回転速度を制御する。また、励磁制御部２０４は、１パルスに対する１ステップでの回転角を更に細かくすることも可能である。このように、第１制御モードでは、入力パルスに対して１ステップずつ同期しながらロータ１０２を回転させる。これにより、ロータ１０２の微少角の回転制御がより高精度に可能となる。

このように、励磁制御部２０４が生成する第１制御信号には、Ａ層に流す電流の大きさ及び向きを示す第１電流量信号、及び、Ｂ層に流す電流の大きさ及び向きを示す第２電流量信号が含まれる。すなわち、Ａ層、及びＢ層に流す電流の大きさが電流量信号に対応し、電流の向きが極性信号に対応する。

図９は、マイクロステップ制御によるトルクの変動曲線Ｔ９０を示す図である。縦軸がトルクを示し、横軸が回転速度を示す。図９に示すように、マイクロステップ制御では、回転速度が増加するにしたがい、トルクが低下し、回転速度の上限が生じる。そこで、例えば、高速域では、第２制御モードを使用する。第２制御モードであるベクトル制御は、省エネ且つ細かなトルク制御が可能であり、ステッピングモータ１０の回転を低速から高速までより効率的に制御可能である。

図１０、及び図１１に基づき、ベクトル制御部２０６の構成例を説明する。本実施形態では、ロータリエンコーダなどのセンサは設けられていない例で説明するが、これに限定されない。例えば、ロータリエンコーダにより回転位相を検出してもよい、

図１０は、ステッピングモータ（以下、モータと称する場合がある）１０と、ｄ軸及びｑ軸によって表される回転座標系との関係を示す図である。図１０に示すように、静止座標系において、Ａ相コイル１０ａに対応した軸であるα軸と、Ｂ相コイル１０ｂに対応した軸であるβ軸とが定義される。また、図１０では、ロータ１０２に用いられている永久磁石の磁極によって作られる磁束の方向に沿ってｄ軸が定義され、ｄ軸から反時計回りに９０度進んだ方向（ｄ軸に直交する方向）に沿ってｑ軸が定義される。α軸とｄ軸との成す角度はθと定義され、ロータ１０２の回転位相は角度θによって表される。ベクトル制御では、ロータ１０２の回転位相θを基準とした回転座標系を用いる。より具体的には、ベクトル制御では、Ａ相コイル１０ａ及びＢ相コイル１０ｂに流れる駆動電流に対応する電流ベクトルの、回転座標系における電流成分であって、回転子にトルクを発生させるｑ軸電流Ｉｑ（トルク電流成分）と巻線を貫く磁束の強度に影響するｄ軸電流Ｉｄ（励磁電流成分）とが用いられる。

すなわち、ｑ軸電流Ｉｑは、モータ１０のロータ１０２にトルクを発生させるトルク電流に相当する。また、ｄ軸電流Ｉｄは、モータ１０の巻線を貫く磁束の強度に影響する励磁電流に相当する。ベクトル制御部２０６は、ｑ軸電流Ｉｑ及びｄ軸電流Ｉｄをそれぞれ独立に制御することができる。この結果、ベクトル制御部２０６は、ロータ１０２にかかる負荷トルクに応じてｑ軸電流を制御することによって、ロータ１０２が回転するために必要なトルクを効率的に発生させることができる。換言すると、ベクトル制御においては、図１０に示す電流ベクトルの大きさは、ロータ１０２にかかる負荷トルクに応じて変化する。

図１１は、モータ１０を制御するベクトル制御部２０６の構成の例を示すブロック図である。ベクトル制御部２０６は、ロータ１０２の目標位相を表す指令位相θｒｅｆと実際の回転位相θとの偏差が小さくなるようにトルク電流成分の値と励磁電流成分の値とを制御する位相フィードバック制御を行うことによってモータ１０の回転を制御する。また、ロータ１０２の目標速度を表す指令速度と実際の回転速度との偏差が小さくなるようにトルク電流成分の値と励磁電流成分の値とを制御する速度フィードバック制御を行うことによってモータを制御する方法もある。

図１１に示すように、ベクトル制御部２０６は、位相制御回路３００と、電流制御回路３０２と、逆座標変換回路３０４と、ＰＷＤ制御回路３０５と、座標変換回路３０８と、誘起電圧生成回路３１０と、位相検出回路３１２と、演算回路３１４、減算器Ｄ２０、Ｄ２２、Ｄ２４とを有する。

ベクトル制御部２０６は、モータ１０のロータ１０２の回転位相θを後述する方法により決定し、その結果に基づいてベクトル制御を行う。

減算器Ｄ２０は、モータ１０のロータ１０２の回転位相θと指令位相θｒｅｆとの偏差Δθを演算して出力する。位相制御回路３００は、偏差Δθを周期Ｔで取得する。位相制御回路３００は、比例制御（Ｐ）、積分制御（Ｉ）、微分制御（Ｄ）に基づいて、減算器Ｄ２０から出力される偏差が小さくなるように、目標値としてのｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆ及びｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆを生成して出力する。具体的には、位相制御回路３００は、Ｐ制御、Ｉ制御、Ｄ制御に基づいて減算器Ｄ２０から出力される偏差が０になるように、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆ及びｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆを生成して出力する。なお、Ｐ制御とは、制御する対象の値を指令値と推定値との偏差に比例する値に基づいて制御する制御方法である。また、Ｉ制御とは、制御する対象の値を指令値と推定値との偏差の時間積分に比例する値に基づいて制御する制御方法である。また、Ｄ制御とは、制御する対象の値を指令値と推定値との偏差の時間変化に比例する値に基づいて制御する制御方法である。また、第２制御モードでは、位相制御回路３００は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆをｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆよりも小さくなるように制御する。例えば、ロータ１０２が永久磁石である場合には、界磁電流である電流値Ｉｄを０近傍まで低減させる。これにより、回転によって発生する誘起電圧を抑制し、より高い回転速度まで回転させることが可能となる。

モータ１０のＡ相コイル１０Ａに流れる駆動電流ＬＩαは、電流検出器２００ａによって検出され、その後、ＡＤ変換回路３０６によってアナログ値からデジタル値Ｉαへと変換される。また、モータ１０のＢ相コイル１０Ｂに流れる駆動電流ＬＩβは、電流検出器２００ｂによって検出され、その後、ＡＤ変換回路３０６によってアナログ値からデジタル値Ｉβへと変換される。なお、電流検出器２００ａ、２００ｂが電流を検出する周期は、例えば、位相制御回路３００が偏差Δθを取得する周期Ｔ以下の周期である。

ＡＤ変換回路３０６によってアナログ値からデジタル値へと変換された駆動電流の電流値は、静止座標系における電流値Ｉα及びＩβとして、図１０に示す電流ベクトルの位相θｅを用いて（１）、（２）式で示される。電流ベクトルの位相θｅは、α軸と電流ベクトルとの成す角度であり、Ｉは電流ベクトルの大きさである。
Iα=I×cosθe （１）
Iβ=I×sinθe （２）

これらの電流値Ｉα及びＩβは、座標変換回路３０８、及び誘起電圧生成回路３１０に入力される。

座標変換回路３０８は、静止座標系における電流値Ｉα及びＩβを（３）、（４）式によって、回転座標系におけるｑ軸電流の電流値Ｉｑ及びｄ軸電流の電流値Ｉｄに変換する。
Id=cosθ×Iα+sinθ×Iβ （３）
Iq=-sinθ×Iα+cosθ×Iβ （４）

位相制御回路３００から出力されたｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆが減算器Ｄ２２に入力される。また、減算器Ｄ２２には座標変換回路３０８から出力された電流値Ｉｑが入力される。減算器Ｄ２２は、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆと電流値Ｉｑとの偏差を演算し、偏差を電流制御回路３０２に出力する。

位相制御回路３００から出力されたｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆが減算器Ｄ２４に入力される。また、減算器Ｄ２４には座標変換回路３０８から出力された電流値Ｉｄが入力される。減算器Ｄ２４は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆと電流値Ｉｄとの偏差を演算し、偏差を電流制御回路３０２に出力する。

電流制御回路３０２は、ＰＩＤ制御に基づいて、減算器Ｄ２２から出力される偏差が小さくなるように駆動電圧Ｖｑを生成する。具体的には、電流制御回路３０２は、減算器Ｄ２２から出力される偏差が０になるように駆動電圧Ｖｑを生成して逆座標変換回路３０４に出力する。

同様に、電流制御回路３０２は、ＰＩＤ制御に基づいて、減算器Ｄ２４から出力される偏差が小さくなるように駆動電圧Ｖｄを生成する。具体的には、電流制御回路３０２は、減算器Ｄ２４から出力される偏差が０になるように駆動電圧Ｖｄを生成して逆座標変換回路３０４に出力する。

逆座標変換回路３０４は、電流制御回路３０２から出力された回転座標系における駆動電圧Ｖｑ及びＶｄを、（５）、（６）式によって、静止座標系における駆動電圧Ｖα及びＶβに逆変換する。
Vα=cosθ×Vd-sinθ×Vq （５）
Vβ=sinθ×Vd+cosθ×Vq （６）

そして、逆座標変換回路３０４は、逆変換された駆動電圧Ｖα及びＶβをＰＷＤ制御回路３０５及び誘起電圧生成回路３１０に出力する。

ＰＷＤ制御回路３０５は、逆座標変換回路３０４から入力された駆動電圧Ｖα及びＶβに基づくＰＷＭ信号を生成し、ＰＷＭ回路２０２に供給する。これにより、ＰＷＭ回路２０２は、駆動電圧Ｖα及びＶβに応じた駆動電流Ｉα及びＩβを生成し、駆動電流Ｉα及びＩβをモータ１０の各相の巻線に供給することによって、モータ１０を駆動させる。なお、本実施形態においては、ＰＷＭインバータはフルブリッジ回路を有しているが、ＰＷＭインバータはハーフブリッジ回路等であっても良い。

次に、回転位相θを決定する構成について説明する。ロータ１０２の回転位相θの決定には、ロータ１０２の回転によってモータ１０のＡ相及びＢ相コイル１０ａ、１０ｂに誘起される誘起電圧Ｅα及びＥβの値が用いられる。

誘起電圧生成回路３１０は、誘起電圧の値を生成する。より詳細には、誘起電圧生成回路３１０は、誘起電圧Ｅα及びＥβを、ＡＤ変換回路３０６から誘起電圧生成回路３１０に入力された電流値Ｉα及びＩβと、逆座標変換回路３０４から誘起電圧生成回路３１０に入力された駆動電圧Ｖα及びＶβとを用いて、（７）、（８）式にしたがって生成する。
Eα=Vα-R×Iα-L×dIα/dt （７）
Eβ=Vβ-R×Iβ-L×dIβ/dt （８）

ここで、Ｒは巻線レジスタンス、Ｌは巻線インダクタンスである。巻線レジスタンスＲ及び巻線インダクタンスＬの値は使用されているモータ１０に固有の値である。誘起電圧生成回路３１０によって決定された誘起電圧Ｅα及びＥβは位相検出回路３１２に出力される。

位相検出回路３１２は、誘起電圧生成回路３１０から出力された誘起電圧Ｅαと誘起電圧Ｅβとの比に基づいて、次式によってモータ１０のロータ１０２の回転位相θを決定する。上述のように、ロータ１０２の回転位相θは、減算器Ｄ２０に供給される。
θ=tan^-1(-Eβ/Eα) （９）
ベクトル制御部２０６は、ベクトル制御を行う場合は、上述の制御を繰り返し行う。このように、ベクトル制御部２０６は、指令位相θｒｅｆと回転位相θとの偏差が小さくなるように回転座標系における電流値を制御する位相フィードバック制御を用いたベクトル制御を行う。ベクトル制御を行うことによって、モータが脱調状態となることや、余剰トルクに起因してモータ音が増大すること及び消費電力が増大することを抑制することができる。また、位相フィードバック制御を行うことによって、回転子の回転位相が所望の位相になるように回転子の回転位相を制御することができる。

図１２は、主制御部２０８の制御例を模式的に示す図である。主制御部２０８は、励磁制御部２０４を制御して、低速では第１制御モードであるマイクロステップ制御によりモータ１０を制御する。これにより、モータ１０の回転角をより高精度に制御可能となる。

次に、主制御部２０８は、モータ１０が所定の回転速度以上になると、ベクトル制御部２０６を制御して、第２制御モードであるベクトル制御によりモータ１０を制御する。これにより、トルクの低減を抑制しつつモータ１０の回転数を上げることが可能となる。

次に、主制御部２０８は、モータ１０が所定の回転速度未満になると、励磁制御部２０４を制御して、第１制御モードであるマイクロステップ制御によりモータ１０を制御する。これによりモータ１０の回転角をより高精度に制御可能となる。また、主制御部２０８は、第１制御モードと第２制御モードとの変更の間に第３制御モードを入れることが可能である。これにより、モータ１０の振動を抑制しつつ制御モードの変更が可能となる。

図１３は、主制御部２０８の制御モードの変更を模式的に示す図である。縦軸は、ｑ軸電流の電流値Ｉｑ及びｄ軸電流の電流値Ｉｄの大きさを示し、横軸は、時間を示す。

主制御部２０８は、第１制御モードであるマイクロステップ領域では、励磁制御部２０４を制御して、電流値Ｉｑを低減し、回転トルクを抑制する。そして、第３制御モードでは、ベクトル制御部２０６の並列制御を開始する。これにより、マイクロステップ制御と、ベクトル制御とが並列的に行われる。より具体的には、主制御部２０８は、ベクトル制御部２０６の位相制御回路３００を制御し、目標値としてのｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆ及びｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆを生成して出力する。すなわち、第３制制御モードでは、ｄ軸電流指令値ＩｄｒｅｆをＩｄ０からＩｄ１に低減させる。そして、主制御部２０８は、ｄ軸電流指令値Ｉｄがｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅよりも小さくなると、励磁制御部２０４によるマイクロステップ制御を停止し、第２制御モードに移行する。これにより、界磁電流である電流値Ｉｄを低減させることにより、回転によって発生する誘起電圧を抑制し、より高い回転速度まで回転させることが可能となる。

逆に、第２モードから第１モードに移行する際には、主制御部２０８は、ｄ軸電流指令値ＩｄｒｅｆをＩｄ１からＩｄ０に増加させるように、ベクトル制御部２０６の位相制御回路３００を制御する。一方で、主制御部２０８は、ｑ軸電流指令値ＩｑｒｅｆをＩｑ２からＩｑ０に低減させるように、ベクトル制御部２０６の位相制御回路３００を制御する。そして、主制御部２０８は、ｄ軸電流指令値Ｉｄがｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅよりも大きくなると、ベクトル制御部２０６によるベクトル制御を停止し、第１制御モードに移行する。

図１３に示すように、主制御部２０８は、モードの移行時にｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆ及びｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆの時間変化が微分連続となるように生成して出力する。これにより、制御モードの移行時におけるｑ軸電流の電流値Ｉｑ及びｄ軸電流の電流値Ｉｄの時間変化も微分連続となり、モータ１０の振動を抑制しつつモードの移行が可能となる。なお、ｑ軸電流の電流値Ｉｑ及びｄ軸電流の電流値Ｉｄの時間変化が微分不連続となると、モータ１０の振動原因となってしまう。

図１４は、マイクロステップ制御とベクトル制御部を併用した場合のトルクの変動曲線Ｔ９２を示す図である。縦軸がトルクを示し、横軸が回転速度を示す。変動曲線Ｔ９０は図９と同様にマイクロステップ制御によるトルクの変動曲線である。図１４に示す様にベクトル制御を併用することにより、高速回転域でもトルクの低下を抑制可能となる。

図１５は、主制御部２０８の制御例を示すフローチャートである。ここでは、第１制御モードから第２制御モードへの変更制御例を説明する。図１５に示すように、主制御部２０８は、励磁制御部２０４を制御して、モータ１０の駆動を第１制御モードで開始する（ステップＳ１００）。

次に、主制御部２０８は、制御モードに変更指示が上位システムから入力されるか、又は所定の回転速度を超えるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。主制御部２０８は、変更指示が上位システムから入力されず、且つ所定の回転速度を超えていないと判定する場合（ステップＳ１０２のＮＯ）、ステップＳ１００からの処理を繰り返す。

一方で、変更指示が上位システムから入力されたか、又は、所定の回転速度を超えていたと判定する場合（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、主制御部２０８は、制御モードをベクトル制御部２０６の制御を開始し、第３制御モードへと移行する（ステップＳ１０４）。

次に、主制御部２０８は、ベクトル制御部２０６の位相制御回路３００を制御し、ｄ軸電流指令値ＩｄｒｅｆをＩｄ０からＩｄ１に低減させ、ｑ軸電流指令値ＩｑｒｅｆをＩｑ０からＩｑ１に増加させる（ステップＳ１０６）。そして、主制御部２０８は、ｄ軸電流指令値Ｉｄがｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅよりも小さくなったか否かを判定する（ステップＳ１０８）。

主制御部２０８は、ｄ軸電流指令値Ｉｄがｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅ以上であると判定する場合に（ステップＳ１０８のＮＯ）、ステップＳ１０６からの処理を繰り返す。一方で、主制御部２０８は、ｄ軸電流指令値Ｉｄがｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅ未満であると判定する場合に（ステップＳ１０８のＮＯ）、励磁制御部２０４のマイクロステップ制御を停止し、第２制御モードに移行し、移行処理を終了する。

以上説明したように、第１実施形態に係るモータ駆動システム１は、モータ１０に対して、励磁制御部２０４によるマイクロステップ制御と、ベクトル制御部２０６のベクトル制御とを可能にした。これにより、マイクロステップ制御によりモータ１０の回転角制御をより高精度に行うことが可能となり、ベクトル制御によりモータ１０のトルクの低下を抑制し、より高回転までモータ１０を回転させることが可能となる。

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の変形例に係るモータ駆動システム１は、励磁制御部２０４によるマイクロステップ制御時にも、ベクトル制御部２０６の位相制御回路３００を制御し、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆ、及びｄ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆを固定値として出力させる点で第１実施形態に係るモータ駆動システム１と相違する。以下ではで第１実施形態に係るモータ駆動システム１と相違する点を説明する。

第１実施形態の変形例に係るモータ駆動システム１は、第１制御モード時にも、ベクトル制御部２０６を駆動させる第４制御モードを有する。第４制御モードでは、主制御部２０８は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆ、及びｄ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆの絶対値を固定値として出力させる。これにより、マイクロステップ制御時にも、ｑ軸電流Ｉｑが所定値を有するように制御可能となる。例えば、ｑ軸電流Ｉｑをｄ軸電流Ｉｄの５パーセントなるように制御する。

図１６は、第４制御モードでの１ステップでのモータ１０のロータ１０２の回転角度を示す図である。縦軸は、ロータ１０２の回転角度を示し、横軸は時間を示す。回転角度Ｄ１６０は第１制御モードでの回転角度の時系列変動を示し、回転角度Ｄ１６２は第４制御モードでの回転角度の時系列変動を示す。第１制御モードでの回転角度Ｄ１６０は、時間ｔで目標角度θｓに達する。その後、目標角度θｓを中心に変動を繰り返すセットリングタイムを経て、やがて停止する。

一方で、第４制御モードでの回転角度Ｄ１６２は変動が抑制される。このように、マイクロステップ制御時にｑ軸電流Ｉｑを所定値に保つことにより、回転振動が抑制される。これは、ｑ軸電流Ｉｑを所定値に保つことにより一方向の回転トルクが働き、マイクロステップ制御時の振動を抑制すると考えられている。

以上説明したように、第１実施形態の変形例に係るモータ駆動システム１は、励磁制御部２０４によるマイクロステップ制御時にも、ベクトル制御部２０６の位相制御回路３００を制御し、ｄ軸電流Ｉｑを固定値として出力させることとした。これにより、マイクロステップ制御時に回転振動を抑制することが可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な部、方法及びプログラムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した部、方法及びプログラムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。

１：モータ駆動システム、１０：ステッピングモータ、２０：モータ制御装置、１０２：ロータ、２０２：ＰＷＭ回路、２０４：励磁制御部、２０６：ベクトル制御部。

Claims (12)

1. モータのステッピング駆動周期を示すクロック信号に基づき、前記モータに流す励磁電流の極性を示す極性信号と前記励磁電流の電流量を示す電流量信号とを含む第１制御信号を生成する第１信号生成部と、
   前記モータの回転子の目標位相を示す指令位相に基づき、前記回転子の位相と前記目標位相との偏差が小さくなるように前記モータに流す励磁電流を制御する第２制御信号を生成する第２信号生成部と、
   前記第１制御信号及び前記第２制御信号の少なくともいずれかを出力させる制御を前記第１信号生成部、及び前記第２信号生成部に対して行う主制御部と、
   前記第１制御信号及び前記第２制御信号の少なくともいずれかに基づき、前記モータを駆動する駆動部と、
   を備える、モータ制御装置。
2. 前記主制御部は、前記回転子にトルクを与えるｑ軸方向の励磁磁束を生成させるｑ軸電流の大きさと、ｑ軸と直交するｄ軸方向に励磁磁束を生成させるｄ軸電流の大きさとの制御を前記第１信号生成部及び前記第２信号生成部に対して行っており、
   前記第１制御信号では、前記ｑ軸電流よりも前記ｄ軸電流の方が大きくなるように制御し、前記第２制御信号では、前記ｑ軸電流よりも前記ｄ軸電流の方が小さくように制御する、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記主制御部は、前記駆動部に前記第１制御信号を出力させる第１制御モードと、前記駆動部に前記第２制御信号を出力させる第２制御モードと、を有する、請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記主制御部は、前記第１制御モードでは、前記クロック信号に基づき、所定の角度回転させるマイクロステップ制御を前記第１信号生成部に行わせ、第２制御モードでは、ベクトル制御を前記第２信号生成部に行わせる、請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記主制御部は、前記駆動部に前記第１制御信号と、前記第２制御信号とを出力させる第３制御モードと、を更に有する、請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記主制御部は、前記第１制御モードと、前記第２制御モードとを切り換える所定期間に前記第３制御モードを実行する、請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記主制御部は、前記モータの回転数に応じて、前記第１制御モードと、前記第２制御モードとを、切り換える、請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 前記主制御部は、前記第１制御モードと、前記第２制御モードとを切り換える場合に、前記ｑ軸電流、及び前記ｄ軸電流の時間に対する微分値が連続するように前記第１信号生成部、及び前記第２信号生成部を制御する、請求項７に記載のモータ制御装置。
9. 前記主制御部は、前記第１制御モードにおいても、前記ｄ軸電流に対して所定の比率の大きさを有する前記ｑ軸電流を生成させる、請求項８に記載のモータ制御装置。
10. 前記第２信号生成部は、前記ｑ軸電流の大きさを制御する電流制御部を有しており、
    前記第１制御モードにおいて、前記ｑ軸電流の大きさは、前記電流制御部により制御される、請求項９に記載のモータ制御装置。
11. モータと、
    前記モータを制御するモータ制御装置と、
    を備える、モータ駆動システムであって、
    前記モータ制御装置は、
    前記モータのステッピング駆動周期を示すクロック信号に基づき、前記モータに流す励磁電流の極性を示す極性信号と前記励磁電流の電流量を示す電流量信号を含む第１制御信号を生成する第１信号生成部と、
    前記モータの前記回転子の目標位相を表す指令位相に基づき、前記回転子の位相と前記目標位相との偏差が小さくなるように前記モータに流す励磁電流を制御する第２制御信号を生成する第２信号生成部と、
    前記第１制御信号及び前記第２制御信号の少なくともいずれかを出力させる制御を前記第１信号生成部、及び前記第２信号生成部に対して行う主制御部と、
    前記第１制御信号及び前記第２信号の少なくともいずれかに基づき、前記モータを駆動する駆動部と、を有する、
    モータ駆動システム。
12. モータのステッピング駆動周期を示すクロック信号に基づき、前記モータに流す励磁電流の極性を示す極性信号と前記励磁電流の電流量を示す電流量信号を含む第１制御信号を生成する第１信号生成工程と、
    前記モータの前記回転子の目標位相を表す指令位相に基づき、前記回転子の位相と前記目標位相との偏差が小さくなるように前記モータに流す励磁電流を制御する第２制御信号を生成する第２信号生成工程と、
    前記第１制御信号及び前記第２制御信号の少なくともいずれかを出力させる制御を行う主制御工程と、
    前記第１制御信号及び前記第２信号の少なくともいずれかに基づき、前記モータを駆動する駆動工程と、
    を備える、モータ制御方法。

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