JP3928805B2 - ステッピングモータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は，位置および速度を制御するためのステッピングモータの駆動装置に関する。

特開平０８−０９８５９５ ステップモータの理論と応用，大木創著，実教出版発行 ステッピング・モータとマイコン制御，見城，菅原共著，総合電子出版社発行 従来，非特許文献２３１頁から２３３頁に記載されているように，ステッピングモータの電流制御系は,電流指令を固定値としている事が多い。

このため，ステッピングモータは，停止時および低速時においても所定の電流を流すため，消費電力が大きく効率が悪いという問題がある。また，高速応答が必要とされる場合には電流指令値を大きくしてトルク出力を大きくしたいという要望がある。

この改善策として，駆動時には必要トルクが発生できるだけの電流指令を選択できるようにして，停止時には停止後所定時間に達した時に電流指令を必要最小値に下げて消費電力を抑える手法がとられている。

以下その従来例について説明する。
図４の従来例１において，ステッピングモータ２７に対してＰＷＭインバータ２４でステッピングモータに所定の電圧を印加しロータを回転させる。ＰＷＭインバータ２４の指令は，電流検出器２５，２６で検出した相電流ｉαｆ，ｉβｆを電流制御器２３に入力してステッピングモータに流す電流をα相電流指令ｉα*，β相電流指令ｉβ*と一致するように制御するものである。該α相電流指令ｉα*は，ＣＯＳ信号ＣＯＳ*と電流指令設定スイッチ１３の設定値すなわち電流指令ｉ*を乗じたものである。また，該β相電流指令ｉβ*は，ＳＩＮ信号ＳＩＮ*と電流指令設定スイッチ１３の設定値すなわち電流指令ｉ*を乗じたものである。該電流指令設定スイッチ１３は，ステッピングモータの仕様で決定される定格電流値に対して数種類の設定ができるようになっている。例えば電流指令設定器１の設定値１選択時は定格電流値に対して１２０％の設定値，電流指令設定器２の設定値２選択時は１００％（定格電流値）の設定値，電流指令設定器３の設定値３選択時は８０％の設定値，電流指令設定器４の設定値４選択時は５０％の設定値にすることができる。ＣＯＳ信号発生器２１とＳＩＮ信号発生器２２は，外部指令パルス入力端子１０に加えられる指令パルスから励磁角度生成器２０によって生成される励磁角度θ*を用いてＣＯＳ信号ＣＯＳ*とＳＩＮ信号ＳＩＮ*を生成する。

図５の従来例２においては，図４と同じ構成に停止判断基準値設定器３５と指令速度検出器３６と第１の比較器３７とＤフリップフロップ回路３８とタイマ３９とタイマ時間設定器４１と第２の比較器４０と電流指令切換スイッチ４２を付加した構成である。電流指令設定器４３の設定値と電流指令設定器４４の設定値は，スイッチ制御信号の値により切換スイッチ４２によって切り換えられる。該切換スイッチ４２の切り換えを行うスイッチ制御信号は，指令速度検出器３６の出力と停止判断基準値設定器３５の設定値とを第１比較器３７によって比較して指令速度検出器３６の出力値が停止判断基準値設定器３５の設定値と一致した時に１クロックの信号をＤフリップフロップ回路３８に出力してタイマスタート信号を１とし，同時にタイマ３９を起動して該タイマ３９の値とタイマ時間設定器４１の設定値とを第２の比較器４０によって比較して該タイマ３９の値が，該タイマ時間設定器４１の設定値と一致した時にスイッチ制御信号を０とするものである。

特開平０８−０９８５９５に記載される従来技術内容は，上記電流指令の切り替えをモ−タの加速回転、定常回転、および減速回転において、各動作条件で予め定められた電流指令を切り替えるもので，条件判定と電流指令の切り替えをＣＰＵ（演算処理装置）で行うステッピングモータの制御装置が開示されている。

解決しようとする問題点は前述したように,従来の方法では，予め電流指令を一定に設定してステッピングモータの電流を制御するため，消費電力が大きく，効率が悪いという問題があった。また，高速応答が必要とされる場合には電流指令値を大きくしてトルク出力を大きくしたいという要望がある。

本発明は,ステッピングモータの駆動装置において,前記問題を解決し,停止時，動作時，更に高速応答時においてもモータの負荷に応じて電流指令を可変できるように制御することを目的としている。

前記課題を解決するために本発明では, 外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において，前記外部指令パルスから正弦波状モータ電流を発生させるための励磁角度を生成する励磁角度生成器と,励磁角度から指令速度を算出する指令速度検出器と，電流指令によりモータの励磁電流を制御する電流制御器と，モータに流れる電流を検出する電流検出器と，ロータ回転角度を検出する角度検出器と，ロータ回転角度からロータ速度を算出する速度検出器と，前記電流検出器の正弦波(交流)電流値を該角度検出器のロータ回転角度値で固定座標系から回転座標系へ変換して磁束を発生するための電流と直交してトルク発生に関与するトルク成分電流を算出する座標変換器と，前記トルク成分電流を絶対値に変換する絶対値変換器と，前記絶対値変換したトルク成分電流に比例した値を出力する係数１以上の比例制御器と，モータを駆動することができる最小電流とする電流指令値に前記比例制御器出力値を加算して負荷トルクに応じてモータの電流指令を可変する電流指令調整器を有し，負荷トルクに応じてモータのトルクを調整するように構成する。更に，速度偏差が基準値を超えた時に所定の期間だけモータに最大電流を通電するための電流指令切り換え機能を設ける。

本発明によるステッピングモータ駆動装置は，負荷に応じて電流指令を自動的に調整することが可能である。このため，従来例のように，必要トルクが発生できるだけの電流指令を予めロジックスイッチ等のハード機構により選択する必要がない。また，本発明の前記動作により,モータの消費電力を改善することが可能となり、モータの発熱も抑えることが可能となる。

発明を実施するための最良の形態を図１に示す。

図１は本発明の実施例である。図２は本発明の電流指令調整器の実施例である。
図１において，ステッピングモータ２７に対してＰＷＭインバータ２４でステッピングモータに所定の電圧を印加しロータを回転させる。ＰＷＭインバータ２４の指令は，電流検出器２５，２６で検出した相電流ｉαｆ，ｉβｆを電流制御器２３に入力してステッピングモータに流す電流をα相電流指令ｉα*，β相電流指令ｉβ*と一致するように制御するものである。該α相電流指令ｉα*は，ＣＯＳ信号ＣＯＳ*と電流指令ｉ*を乗じたものである。また，該β相電流指令ｉβ*は，ＳＩＮ信号ＳＩＮ*と電流指令ｉ*を乗じたものである。ＣＯＳ信号発生器２１とＳＩＮ信号発生器２２は，外部指令パルス入力端子１０に加えられる指令パルスから励磁角度生成器２０によって生成される励磁角度θ*を用いてＣＯＳ信号ＣＯＳ*とＳＩＮ信号ＳＩＮ*を生成する。

次に本発明の電流指令を制御する動作について詳述する。負荷トルクはモータのトルク成分電流Ｉｑと比例関係にある。トルク成分電流Ｉｑは，相電流ｉαｆとｉβｆとステッピングモータ２７に取り付けた角度検出器２８の信号から角度演算器２９の出力である角度検出θｆとを座標変換器３０で固定座標系から回転座標系に変換したものである。座標変換器３０での演算は，図３のモータベクトル図の関係から数１となる。

数１，図３からステッピングモータに流す電流を一定とした条件の下でモータ停止時かつ発生トルクがゼロ時の電流ベクトルｉは，図３のｄ軸上だけに投影されるので励磁成分電流Ｉｄ＝ｉとなり，トルク成分電流Ｉｑ＝０となる。逆に，ステッピングモータが最大トルクを発生する状態では，電流ベクトルｉは，図３のｑ軸上だけに投影されるのでトルク成分電流Ｉｑ＝ｉとなり，励磁成分電流Ｉｄ＝０となる。前記動作は，駆動時においても同様であり，負荷トルクを検出することが可能となる。

電流指令ｉ*は，前記トルク成分電流Ｉｑを絶対値変換器３１によって絶対値変換して比例制御器３２で係数倍した値と，電流指令初期値設定器３４とを加算した後，リミッタ５７によりリミットを掛けたものと，最大電流指令値設定器（I*max）５３とを切換スイッチ６１により切り換える。該切換スイッチ６１の切り換えは，スイッチ制御信号により行う。スイッチ制御信号は，指令速度検出器５０の出力とロータ速度検出器５１の出力とを減算した後，絶対値変換器５４にて絶対値変換した値と，高速応答判断基準値設定器５２とを第１の比較器５５によって比較して絶対値変換器５４の出力値が高速応答判断基準値設定器５２以上となった時に第１の比較器５５から１クロックの信号をＤフリップフロップ回路５６に出力してスイッチ制御信号を１とし，同時にタイマ６０を起動して該タイマ６０の値とタイマ時間設定値５８とを第２の比較器５９によって比較して該タイマ６０の値がタイマ時間設定器５８と一致した時に第２の比較器５９から信号をＤフリップフロップ回路５６に出力してスイッチ制御信号を０とするものである。

モータ起動時（電源投入時）に起動トルクを得るための初期設定として，電流指令初期値３４の設定値は起動トルクを得るための必要最小値とし，比例制御器３２の係数は１以上とする。また，モータの過熱保護，インバータ破損回避のためリミッタ５７を設ける。

高速応答判断基準値設定器５２の設定値は駆動するモータに対して，上位システムから外部指令パルス入力端子１０を通して高速応答の要求がなされたことを判断するための基準値である。タイマ時間設定値５８の設定値は，前記高速応答動作時の最大電流指令設定値（I*max）５３を維持するための時間設定を行うためのもので，モータの整定時間（モータの動作が安定になるまでの時間）を考慮して設定する。

前記手法により，負荷トルクを検出し，負荷トルクに応じて電流指令を自動的に調整することが可能となる。また，瞬時に高トルクを必要とする大振幅ステップ応答のような高速応答においても，電流指令ｉ*が乱れることなく一定値となり，モータの整定時間を短くすることが可能となる。

尚，本発明の実施例では，角度検出器にエンコーダを用いているが例えばレゾルバなどの相当性能の検出器であれば代替が可能である。また，モータ軸直結のセンサである必要もない。また，２相ステッピングモータについて詳述したが，多相ステッピングモータにおいても本発明は適用可能である。

本発明の実施例である。 本発明の電流指令調整器である。 ベクトル図である。 従来例１である。 従来例２である。

符号の説明

１０ 外部指令パルス入力端子
１１，１２ 乗算器
１３ 電流指令設定スイッチ
１５ 電流指令設定器１
１６ 電流指令設定器２
１７ 電流指令設定器３
１８ 電流指令設定器４
２０ 励磁角度生成器
２１ COS信号生成器
２２ SIN信号生成器
２３ 電流制御器
２４ ＰＷＭインバータ
２５，２６ 電流検出器
２７ ステッピングモータ
２８ 角度検出器（エンコーダ）
２９ 角度演算器
３０ 座標変換器(αβ／ｄｑ座標変換器)
３１ 絶対値変換器
３２ 比例制御器
３３ 電流指令調整器
３４ 電流指令初期値設定器
３５ 停止判断基準値設定器
３６ 指令速度検出器
３７ 第１の比較器
３８ Ｄフリップフロップ回路
３９ タイマ
４０ 第２の比較器
４１ タイマ時間設定器
４２ 電流指令切換スイッチ
４３ 電流指令設定器１
４４ 電流指令設定器２
４４ 電流指令設定器２
５０ 指令速度検出器
５１ ロータ速度検出器
５２ ロータ速度検出器
５３ 最大電流指令値設定器
５４ 絶対値変換器
５５ 第１の比較器
５６ Ｄフリップフロップ回路
５７ リミッタ
５８ タイマ時間設定器
５９ 第２の比較器
６０ タイマ
６１ 切換スイッチ

Claims (2)

1. 外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において，前記外部指令パルスから正弦波状モータ電流を発生させるための励磁角度を生成する励磁角度生成器と,励磁角度から指令速度を算出する指令速度検出器と，電流指令によりモータの励磁電流を制御する電流制御器と，モータに流れる電流を検出する電流検出器と，ロータ回転角度を検出する角度検出器と，ロータ回転角度からロータ速度を算出する速度検出器と，前記電流検出器の正弦波(交流)電流値を該角度検出器のロータ回転角度値で固定座標系から回転座標系へ変換して磁束を発生するための電流と直交してトルク発生に関与するトルク成分電流を算出する座標変換器と，前記トルク成分電流を絶対値に変換する絶対値変換器と，前記絶対値変換したトルク成分電流に比例した値を出力する係数１以上の比例制御器と，モータを駆動することができる最小電流とする電流指令値に前記比例制御器出力値を加算して負荷トルクに応じてモータの電流指令を可変する電流指令調整器を有し，負荷トルクに応じてモータのトルクを調整するように構成したステッピングモータ駆動装置。
2. 前記駆動装置において，前記電流指令調整器は指令速度とロータ速度との差から速度偏差を算出して基準とする速度差より大きいと判断した時に電流指令を所定の期間だけ最大値にするように構成した請求項１に記載のステッピングモータ駆動装置。