JP3942030B2 - ステッピングモータ駆動装置 - Google Patents

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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。
従来，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。
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いる。また，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４０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４０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４０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。例えば設定値１選択時は定格電流値に対して１２０％の設定値，設定値２選択時は１００％（定格電流値）の設定値，設定値３選択時は８０％の設定値，設定値４選択時は５０％の設定値にすることができる。ＣＯＳ信号生成器２１とＳＩＮ信号生成器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と同じ構成にパルス入力/非入力判定器４２とカウンタ（タイマ）４３と電流指令切換スイッチ４１を備える。パルス入力/非入力判定器４２は，外部指令パルス入力端子１０に加えられる指令パルス入力時にＯＦＦと判定し，非入力時にＯＮと判定する。カウンタ（タイマ）４３は，ＯＮ判定時にカウンタを起動し，ＯＦＦ判定時にカウンタをクリアする。電流指令切換スイッチ４１は，前記カウンタ（タイマ）４３のカウンタがクリアされた時にスイッチをＡ側に切り換えて，例えば電流指令を設定値１の定格電流値とし，前記カウンタ（タイマ）４３のカウンタがフルとなった所定時間には，スイッチをＢ側に切り換えて電流指令を設定値２の定格電流値の半分に決定するものである。
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。
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,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，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，該トルク成分電流を絶対値に変換する絶対値変換器と，モータを駆動することができる最小電流とする最小電流指令値からモータの出力トルクが最大となる最大電流指令値までの範囲を連続的に可変する電流指令調整器を有し，モータの負荷トルクに応じて前記電流指令を可変するように構成する。
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最小電流指令値から最大電流指令値の範囲で自動的に，かつ連続的に可変することが可能となる。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信号生成器２１とＳＩＮ信号生成器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調整器動作について詳述する。負荷トルクはモータの発生トルクであるため，モータのトルク成分電流Ｍｑと比例関係にある。トルク成分電流Ｍｑ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が停止時かつ負荷トルクが零時の電流ベクトルｉは，図３のＭｄ上だけに投影されるのでトルク成分電流Ｍｑ＝０となる。逆に，ステッピングモータが最大トルクを出力する状態では，電流ベクトルｉは，図３のＭｑ上だけに投影されるのでトルク成分電流Ｍｑ＝最大となる。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*を出力する電流指令調整器３２の詳細図を図２に示す。電流指令ｉ*は，比例制御器３５の出力と第１の電流指令処理器３６の出力λ１と第２の電流指令処理器３７の出力λ２とを加算したものである。第１の電流指令処理器３６の出力λ１は，３３の出力である最大電流指令値ｉ＊ｍａｘと比例制御器３５の出力との差分値ε１が零より小さい時にλ１を零とし，それ以外の時はλ１＝ε１とするものである。第２の電流指令処理器３７の出力λ２は，３４の出力である最小電流指令値ｉ＊ｍｉｎと比例制御器３５の出力との差分値ε２が零より大きい時にλ２を零とし，それ以外の時はλ２＝ε２とするものである。
３４の出力である最小電流指令値ｉ＊ｍｉｎは，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値である。また３３の出力である最大電流指令値ｉ＊ｍａｘは，モータが出力可能な最大電流指令値であり，電流指令値増により生じる過電流，インバータ破損，モータ過発熱等を考慮して必要最大値とする。
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最小電流指令値から最大電流指令値の範囲で自動的に，かつ連続的に可変することがが可能となる。
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詳細図である。 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
１３，１４，１５ 加算器
１６ 電流指令設定値１
１７ 電流指令設定値２
１８ 電流指令設定値３
１９ 電流指令設定値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 電流指令調整器
３３ 最大電流指令値
３４ 最小電流指令値
３５ 比例制御器
３６ 第１の電流指令処理器
３７ 第２の電流指令処理器
４０ 電流指令設定スイッチ
４１ 電流指令切換スイッチ
４２ パルス入力/非入力判定器
４３ カウンタ（タイマ）
５０ 電流指令設定値１
５１ 電流指令設定値２

Claims (1)

  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し，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，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，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を備えるステッピングモータの駆動装置において，該トルク成分電流を絶対値に変換する絶対値変換器と，該絶対値変換器により変換したトルク成分電流をモータを駆動することができる最小電流とする最小電流指令値からモータの出力トルクが最大となる最大電流指令値までの範囲を連続的に可変する電流指令調整器を有し，モータの負荷トルクに応じて負荷トルクが大きくなれば該電流指令を大きく，負荷トルクが小さくなれば該電流指令を小さく，前記電流指令を可変するように構成されていること、を特徴とするステッピングモータ駆動装置。
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