JP3007989B2 - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents

ステッピングモータの駆動装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はステッピングモータの駆動装置に関する。
〔従来の技術〕
現在産業用として使用されているステッピングモータ
は、4相または5相の励磁コイルを有するものが主流を
占めている。ステッピングモータの励磁コイルについて
は、相数が多い程、またマイクロステップ駆動方法にお
いては、励磁電流値のステップ値が細かい程、振動が少
なく、安定した回転を示すことが知られているが、相数
の増大や電流ステップ値の微細化は、一方で、駆動装置
の複雑化を招き、駆動装置の価格を上昇させる結果にな
っている。
以下、5相ステッピングモータを例にとって従来技術
における問題点を説明する。従来の5相ステッピングモ
ータの駆動装置を第3図〜第8図に示す。各図の内訳は
第1表のとおりである。各図において、1はステッピン
グモータ、1A〜1Eは励磁コイル、2A,A〜2E,Eおよ
び3は電力制御用スイッチング素子、4は電源、5は電
流検出器、6は理想電流値発生器、7は電流設定器、8
は誤差検出器、9は誤差増幅器であり、いずれの駆動装
置も誤差増幅器9の出力を用いて、その出力が0になる
ように電力制御用スイッチング素子2A,A〜2E,Eあ
るいは3を制御するようになっている。
〔発明が解決しようとする課題〕 第3図〜第5図に示す方式の駆動装置については、回
路構成が簡単なものの、大きな欠点が2つある。第1の
欠点は、各励磁コイルに流れる電流が0か最大値かの2
値しか持たないため、電流のステップ値が大きく、モー
タの振動が大きいことである。第2の欠点は、その電流
検出及び制御方法に起因するものである。
すなわち、第3図〜第5図の駆動装置で検出された電
流値は、モータ停止時においては各励磁コイルの有効電
流値の総和によるが、モータ回転時にはモータコイルの
逆起電力により、第3図〜第5図にIXで示すような電流
検出器を通過しないモータコイル電流が流れる。これで
は、明らかに各励磁コイルの有効電流値を一定にしたい
という要求が実現できないことになる。つまり精密な励
磁コイル電流精度の要求される産業用途としては、不確
実な変動要素があり不向きである。
第6図〜第8図に示す方式の駆動装置については、第
3図〜第5図の駆動装置における欠点が一応は改善され
ているが、各励磁コイル毎に電流制御回路がその相数分
必要になり、回路の複雑さを招いて、駆動装置が極めて
高価になるばかりでなく、各励磁コイル毎に電流設定や
電流誤差増幅回路のバランスをとる必要があり、バラン
スがくずれるとモータの振動原因になったり、トルクベ
クトルがアンバランスになってトルクの低下を招いたり
する危惧があり、設計や調整の複雑さの要因になってい
る。
本発明の目的は、ステッピングモータの各励磁コイル
の有効電流値が正確に制御可能で、しかも電流制御回路
が相数にかかわらず一つしか必要でなく、従って、制御
精度を高く保ったまま、回路の簡素化や設計、調整の工
数低減が可能な低価格で信頼性に優れたステッピングモ
ータの駆動装置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明のステッピングモータの駆動装置は、2相以上
のN相ステッピングモータの各励磁コイルに流れる実電
流を検出する電流検出器と、該電流検出器が検出する実
電流値に、夫々の励磁コイルに流そうとする理想電流値
を掛け合わせることにより、各実電流中に含まれる理想
電流の比率に相当する交流信号を出力する掛算器と、該
掛算器の出力を加算して直流化する加算器と、該加算器
の直流出力とその設定値との誤差を検出する誤差検出器
と、該誤差検出器が直流で出力する誤差に、夫々励磁コ
イルに流そうとする理想電流値を掛け合わせることによ
り、前記誤差を解消するのに必要な交流のモータ制御信
号を出力する第2掛算器と、該第2の掛算器の出力に基
づいた電圧を各励磁コイルに加える電力制御回路とを具
備することを特徴としてなる。
本発明の別のステッピングモータの駆動装置は、さら
に、各励磁コイルへ加える電圧の1次進み位相補償回路
を具備することを特徴としてなる。
〔作用〕
N相ステッピングモータの各励磁コイルに流れる電流
値に、各々の励磁コイルに流そうとする理想電流値を掛
け合わせたものを加算すると、有効電流が直流として検
出される。この有効電流値とその設定値との誤差に、前
記理想電流値を掛け合わせ、さらにその値に応じた電圧
を各励磁コイルへ加えることにより、前記誤差が解消さ
れる。有効電流が直流として検出されるので、その処理
回路も簡素化される。
ステッピングモータの励磁コイルは一次遅れ要素であ
り、高速回転の場合は励磁コイルへ加える電圧に対して
コイル電流の位相遅れも増大し、制御ループに悪影響が
でる。そのような場合は、各励磁コイルへ加える電圧の
一次進み位相補償回路を設ける。そうすることにより、
無効電流を考慮することなく、簡素な回路構成で高度な
ステッピングモータ駆動が可能になる。
コイル電流の位相遅れを是正するために、コイル電流
の無効分も検出し、これを0にするような制御を行う方
式は、三相サーボモータの分野では提案されている。し
かし、サーボモータに比して低級なステッピングモータ
で、そのような制御方式を採用することは、駆動装置の
大幅な複雑化を招き、これに伴うコスト上昇により商品
競争力を失う結果になる。しかるに、一次進み位相補償
回路によるコイル電流の位相遅れ是正はそのような懸念
がない。なお、本発明の一次進み位相補償回路を用いた
駆動装置は、簡易型のサーボモータ駆動装置としても適
用が可能である。
〔実施例〕
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明の一実施例を示す回路図で、5相ステ
ッピングモータをスター結線してマイクロステップ駆動
する場合についての例を示している。
ステッピングモータ1は、電源4に並列接続されたフ
ルブリッジ構成の電力制御スイッチング素子2A,A〜2
E,Eにより、各励磁コイル1A〜1Eへの印加電圧が制御
されてマイクロステップ駆動される。
各励磁コイル1A〜1Eを流れる電流は、電流検出器11A
〜11Eにて検出される。電流検出器11A〜11Eにて検出さ
れた実電流値は、掛算器13A〜13Eに入力され、ここで理
想電流値発生器12AE〜12Eが出力する各励磁コイル1A〜1
Eの理想電流値にそれぞれ掛け合わされる。掛算器13A〜
13Eの各出力は加算器14にて合算される。加算器14の出
力は、電流設定器15の出力とともに誤差検出器16に入力
され、加算器14出力の目標値に対する誤差が求められ
る。この誤差は、増幅器17にて増幅されて第2掛算器18
A〜18Eに入力され、ここで前記理想電流値に再び掛け合
わされる。そして、加算器14の出力を電流設定器15の出
力に一致させるべく、第2掛算器18A〜18Eの出力に比例
した電圧が励磁コイル1A〜1Eに印加されるよう、電力制
御スイッチング素子2A,A〜2E,Eが制御される。
第1図に示した駆動装置の動作を以下に詳しく説明す
る。
理想電流値発生器12A〜12Eは、巨視的にみると次式で
表現されるような電圧〔VSA〜VSE〕を発生する。
ここでωはステッピングモータ電流の角周波数であ
る。
電流検出器11A〜11Eは、理想的なコイル電流が流れて
いる場合は、次式で表現される電圧〔VXA〜VXE〕を出力
する。
ここで理想的なコイル電流とは、コイルに流れる電流
の実効値が一定値であり、各相間の位相のずれが一定
で、波形ひづみの少ない電流を言う。つまり、各励磁コ
イル電流により発生するトルクベクトルの総和をもとめ
ると、その大きさが一定で、角速度も一定の状態とな
る。この時、コイルを流れる電流は全て有効なトルク発
生のために費やされる。また、前述の条件のうちの一つ
でも、理想値と離れた電流が流れた場合、それにより発
生するトルクが不要な振動を引き起こしたり、トルクの
低下を招いたり、さらにはモータの発熱量の増大させる
といった悪影響がでる。
掛算器13A〜13Eと加算器14とは一体となって、前述の
理想的な電流が各コイルに流れた時に最大直流電圧が得
られるようなモータ有効電流検出器として働き、理想的
な電流が流れた時には次式のような電圧〔VX〕を得るこ
とができる。
VX=VSA×VXA+VSB×VXB+VSC×VXC +VSD×VXD+VSE×VXE …… =2.5×K1×K2 即ち、掛算器13A〜13Eの各出力は、各励磁コイル1A〜
1Eにおける実電流と理想電流の積(VSA×VXA)〜(VSE
×VXE)であり、定性的には各励磁コイル1A〜1Eに流れ
る実電流の中に含まれる理想電流の割合を表す。理想電
流VSA〜VSEの割合は交番状に変化する交流値であり、加
算器14は掛算器13A〜13Eの各出力(VSA×VXA)〜(VSEV
XE)を加算することにより、理想電流VSA〜VSEの割合が
交番状に変化しているものを直流化して有効分を取り出
す。各励磁コイル1A〜1Eに流れる実電流VXA〜VXEが全て
理想電流VSA〜VSEであれば、加算器14の出力VXは式の
とおりの直流電圧を示し、理想電流VXA〜VXEに対する誤
差(波高値及び位相)の大きさに応じて、この出力VX
変化する。
電流設定器15の出力をVSとすると、誤差検出器16によ
って、理想電流値からの誤差電圧VEが次式のように直流
分として演算される。
即ち、電流設定器15の出力VSは、理想電流VSA〜VSE
直流化した直流電圧で、式に示される値である。誤差
検出器16は、電流設定器15の出力VSから加算器14の出力
VXを減算することにより、上述した理想電流VSA〜VSE
対する誤差(波高値及び位相)の大きさを、直流の誤差
電圧VEとして出力する。
VE=VS−VX …… この誤差検出器16の出力VEを増幅器17にて増幅し、第
2掛算器18A〜18Eにて前述の理想電流値発生器12A〜12E
の各出力VSA〜VSEと再び掛算を行う。これにより、第2
掛算器18A〜18Eの出力(VE×VSA)〜(VE×VSE)は、実
電流VXA〜VXEを理想電流VSA〜VSEに一致させるのに必要
な交流のモータ制御信号となる。即ち、この信号は、理
想電流VSA〜VSEに対する誤差量を制御量として、各励磁
コイル1A〜1Eへ印加する電圧を、誤差量に応じて理想電
流VSA〜VSEを中心に加減する交流のモータ制御信号とな
る。さらに電力制御用スイッチング素子2A,A〜2E,
Eを通じて信号を電力へと変換し、実際のコイルへ電圧
が印加され、コイルのインピーダンス等で決まる電流が
流れ、それがさらに電流検出器10A〜10Eで検出されると
いうように、コイルの有効電流値を設定値に保つべくク
ローズループの制御系が構成される。
ステッピングモータ1のコイルは一次遅れ要素であ
り、式のωの値が大きくなってくると、コイルへ加え
る電圧に対してコイル電流の位相遅れも増大し、制御ル
ープに悪影響がでる。その場合は、第2図に示すように
一次進み位相補償回路19を第2掛算器18A〜18Bの出力段
もしくは第2掛算器18A〜18Bへの理想電流値入力ライン
等に挿入する。そうしてコイルの位相遅れを打ち消す
と、ωが増大した場合の制御系の悪影響をコイル電流の
無効分を検出することなく簡単に取り除くことができ
る。
なお、上記実施例は、スター結線された5相ステッピ
ングモータを対象としているが、本発明は5相以外また
はスター結線以外のステッピングモータに適用すること
ができ、また、その駆動装置は簡易タイプのサーボモー
タ駆動装置として利用することもできる。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明のステッピン
グモータ駆動装置は、励磁コイルの相数に関係なく単一
の制御系(誤差処理)で駆動制御を行うこともできる。
しかも、その制御系は直流分のみを扱うので、回路構成
も簡素である。従って、装置構成が簡単で低価格にな
り、また、各励磁コイル毎に電流バランスをとるといっ
た作業も不要になる。さらに、単一の制御系で駆動制御
を行う構成でありながら、従来の単一制御系による駆動
装置に比して、不確定要素(電流検出器を通過しないコ
イル電流の発生等)が少なく、高精度の駆動制御が可能
になる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の実施例を示すステッピン
グモータの駆動装置の回路図、第3図〜第8図は従来の
ステッピングモータの駆動装置の回路図である。 1:ステッピングモータ、1A〜1E:励磁コイル、11A〜11E:
電流検出器、12A〜12E:理想電流値発生器、13A〜13E:掛
算器、14:加算器、15:電流検出器、16:誤差検出器、17:
増幅器、18A〜18E:第2掛算器、19:一次進み位相補償回
路。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2相以上のN相ステッピングモータの各励
    磁コイルに流れる実電流を検出する電流検出器と、該電
    流検出器が検出する実電流値に、夫々の励磁コイルに流
    そうとする理想電流値を掛け合わせることにより、各実
    電流中に含まれる理想電流の比率に相当する交流信号を
    出力する掛算器と、該掛算器の出力を加算して直流化す
    る加算器と、該加算器の直流出力とその設定値との誤差
    を検出する誤差検出器と、該誤差検出器が直流で出力す
    る誤差に、夫々励磁コイルに流そうとする理想電流値を
    掛け合わせることにより、前記誤差を解消するのに必要
    な交流のモータ制御信号を出力する第2掛算器と、該第
    2の掛算器の出力に基づいた電圧を各励磁コイルに加え
    る電力制御回路とを具備することを特徴とするステッピ
    ングモータの駆動装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載したステッピングモータの
    駆動装置が、さらに、各励磁コイルへ加える電圧の1次
    進み位相補償回路を具備することを特徴とするステッピ
    ングモータの駆動装置。
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