JP4166327B2 - Stepping motor apparatus having a position sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータに回転子の位置センサを備え、運転中のステッピングモータの回転子の振動が抑制されるステッピングモータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種のステッピングモータの制御は、その固定子の磁界を回転(以下、)回転磁界という)させて、磁力の吸引、反発により、その回転子が前記回転磁界に追従することで、機械的な回転力が発生する。普及しているステッピングモータは、その回転子の歯数が50など多極であるが、2極の簡単なステッピングモータを示すと、図4のようになる。
【0003】
図4において、2極のステッピングモータMのそれぞれ磁極に巻回されている固定子巻線A相及び固定子巻線B相に交流励磁電流を流し、前記それぞれの固定子巻線により発生し、互いに90度の位相差を有するA相磁界とB相磁界を合成して回転磁界を形成させる。この回転磁界に対し、所定の極性に磁化されている回転子が追従するように回動して、機械的な回転力が発生される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のステッピングモータMの通常の運転中に前記回転子に、しばしば振動が発生するという問題点があった。その振動の発生要因としては、次のようなものが考えられる。
(a)トルクリップルと慣性の共振
(b)サンプリング制御の時間間隔の粗さの影響
(c)その他、未知の要因
【0005】
すなわち、ステッピングモータMは、ある速度領域で急に振動が大きくなったり、出力トルクが落ち込んだりすることがある。また、ある場合には、逆転やミススッテプが発生する。これらの現象は、低速領域では該モータの固有周波数に入力パルスの周波数が一致したときに発生する。
このような共振の起こる条件は、摩擦負荷や慣性負荷などにより異なるが、一般には、100〜250pps付近が低速領域での共振領域となる。また、その他の要因で高速領域でも発生する。共振が問題となる場合は、1−2相励磁方式で使用したり、機械的ダンパや駆動回路上で、その対策を行っていたが、十分ではなかった。
【0006】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解消し、運転中、回転子に発生する振動が抑制されるような位置センサを備えるステッピングモータ装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の装置の構成は、位置センサ2を備えるステッピングモータであって、該位置センサから出力される、回転子位置の検出信号を、復調器を介して復調して、マイコン4の一方の入力端に入力し、該マイコンは、前記復調された位置検出信号と、他方の入力端に入力される位置指令信号とからそれぞれの速度信号に変換し、該それぞれの速度信号に低域通過フィルタをかけた後の両信号の差により、前記モータの固定子磁極の励磁位相の補正分を演算し、その演算された該補正分を前記位置指令信号に加算した信号を出力し、その出力信号を、増幅器を介し、励磁電流として前記モータに供給して、該モータの運転時における振動を抑制することを特徴とする位置センサを備えるステッピングモータ装置である。
【0008】
前記マイコン4は、前記位置指令信号を速度指令信号にする、低域通過フィルタ4hを備える速度指令部4aと、前記位置検出信号を速度検出信号にする、低域通過フィルタ4hを備える速度検出部4bと、前記速度指令部4aからの前記速度指令信号と、前記速度検出部4bからの前記速度検出信号との差をとる減算部4cと、前記差の信号に、励磁位相の補正分としての係数を掛算する掛算部4dと、前記位置指令信号側(STモード(ステッピングモータモード)側)と前記位置検出信号側(BLモード(ブラシレスモータモード)側)のいずれかに切換えるための脱調防止スイッチ4fと、前記脱調防止スイッチ4fの切換えにより、前記掛算部4dからの前記励磁位相の補正分としての出力信号を、前記脱調防止スイッチ4fを介して、前記位置指令信号又は前記位置検出信号のいずれかに加算して、前記モータを励磁するための励磁位相信号を出力する加算部4eとから構成され、前記位置センサにより前記モータの回転子の振動を検出して、前記マイコンにより、前記位置指令信号又は前記位置検出信号のいずれかに、前記励磁位相の補正分を加算するように前記励磁位相信号を出力させる位置センサを備えるステッピングモータ装置である。
【0009】
前記マイコン4は、さらに、前記脱調防止スイッチ4fを切り替えるための切り替え制御部4jを備え、該切り替え制御部により、前記位置指令信号と前記位置検出信号との偏差量が、
(a)−90゜≦偏差量≦+90゜の場合は、前記位置指令信号側(STモード側)に切り替え、
(b)−90゜>偏差量、+90゜<偏差量の場合は、前記位置検出信号側(BLモード側)に切り替える
位置センサを備えるステッピングモータ装置である。
【0011】
本発明は、以上のように構成されているので、ステッピングモータに組み付けられた位置センサにより、前記モータの回転子の振動を検出して、前記マイコンにより、前記モータの励磁位相に補正をかけるようにしている。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。図1および図2は、本発明の位置センサを備えるステッピングモータ装置の一実施の形態を示す図で、図1は、位置センサを組み付けたステッピングモータとマイコンを含む回路を示す構成図、図2は、位置センサからの検出信号をマイコン側に負帰還して励磁位相に補正をかけるようなマイコン内の構成制御ブロックを示す図である。
【0013】
図1において、ステッピングモータ(例えば、2相)1に、その回転子の運転中の位置を検出するための位置センサ2として、可変リラクタンス形(以下、VR形という)レゾルバを結合し、該位置センサ2から出力される前記モータ1の回転子の位置検出信号を、復調器3により復調して、マイコン(マイクロコンピュータ、又は中央処理装置)4の一方の入力端に入力する。該マイコン4の他方の入力端には、図示しない位置設定器から位置指令信号が入力されている。
【0014】
前記マイコン4において、前記復調器3からの復調された位置検出信号と、前記位置指令信号とからそれぞれの速度を求め、該それぞれの速度の差により、前記モータ1の固定子磁極が発生する回転磁界の角度、すなわち励磁位相の補正分を演算し、該励磁位相の補正分を前記位置指令信号に加算して、前記モータ1を励磁するための励磁位相信号として出力する。
そして、該マイコン4からの前記出力信号、すなわち前記モータ1を励磁するための励磁位相信号を、電力増幅器5により増幅して、前記モータ1に励磁電流(例えば、2相)として供給している。
【0015】
この場合、前記モータ1のトルクリップルは、その回転子の歯数の周期に依存するので、該トルクリップルに対応させるため、前記位置センサ2としては、高い分解能が必要である。このため、前記位置センサ2に、前記VR形レゾルバを採用し、該レゾルバは、前記回転子の歯数と同じ極数を有し、高い分解能を確保している。
【0016】
次いで、図2により、本実施の形態の主要な動作を説明する。
前記マイコン4は、前記位置指令信号を速度指令信号にする速度指令部4aと、前記位置センサ2からの前記位置検出信号を速度検出信号にする速度検出部4bと、前記速度指令部4aからの速度指令信号と前記速度検出部4bからの速度検出信号との差をとる減算部4cと、この差の信号に後記係数を掛算する掛算部4dと、該掛算部4dからの出力信号(前記励磁位相の補正分)を、脱調防止スイッチ4f(STモード(ステッピングモータモード)側に投入)を介して、前記位置指令信号に加算して、前記モータ1を励磁するための励磁位相信号を出力する加算部4eと、前記脱調防止スイッチ4fとからなっている。なお、前記脱調防止スイッチ4fは、通常、STモード側に投入されている。
【0017】
また、前記加算部4eは、前記掛算部4dからの出力信号(前記励磁位相の補正分)を、該脱調防止スイッチ4f(BLモード(ブラシレスモータモード)側に投入)を介して、前記位置検出信号に加算して、前記モータ1を励磁するための励磁位相信号を出力するようになっている。
【0018】
前記脱調防止スイッチ4fについては、前記マイコン4のなかで、前記位置指令信号と前記位置検出信号との偏差を切り替え制御部4jにより監視し、かつその偏差量(電気角)によって、該脱調防止スイッチ4fのSTモード(ステッピングモータモード)とBLモード(ブラシレスモータモード)のいずれかに切り替えている。すなわち、
(a)−90゜≦偏差量≦+90゜の場合は、STモードにして、前記モータ巻線の励磁状態を切り替える。いわゆる、開ループ制御にする。
(b)−90゜>偏差量、+90゜<偏差量の場合は、BLモードにして、励磁電流の位相が、回転子位置の90゜先の励磁安定点になるように励磁する。いわゆる、閉ループ制御にする。
そして、前記切り替え制御部4jによる前記脱調防止スイッチ4fの切り替えによって、前記モータ1の回転子が、位置指令信号に対して脱調することなく追従して、位置決めができるようになっている。
【0019】
本実施の形態における、前記マイコン4による本来の制御は、一定の単位時間Δt間隔での時間刻みごとに前記モータ1の制御を行う。この時間刻みは、差分抽出部4gにて、次のようにする。
‥‥‥ti-n ,ti-n-1 ,‥‥‥,ti-3 ,ti-2 ,ti-1 ,ti ,‥‥
ここで、時間ti-1 とti にて、前記位置センサ2としての前記レゾルバからの位置検出信号は、前記速度検出部4bにて、xi-1 とxi になり、このときの位置の時間間隔Δtでの差分Δxi は、時間ti での前記回転子の速度に相当する。
すなわち、Δxi =xi −xi-1 となる。
さらに、検出精度の影響を低減するため、低域通過フィルタ4hをかけたものを速度検出信号VFBとする。
【0020】
前記位置指令信号についても、前記速度指令部4aにて、前記速度検出部4bの差分抽出部4gと等価な処理をしたものに、低域通過フィルタ4hをかけて、速度指令信号VCMD とする。
そして、前記速度検出信号VFBと前記速度指令信号VCMD との差分に、前記係数としてのKD を掛算して、励磁位相の補正分PD 、すなわち、PD =KD (VCMD −VFB)として、前記位置指令信号に加算して、前記モータ1の励磁位相信号にする。
【0021】
この場合、前記マイコン4において、速度検出は反転して反映されるため、過剰速度に対しては、回転磁界の励磁位相を遅らせる方向に、速度不足に対しては、回転磁界の励磁位相を進ませる方向に制御される。これにより、前記ステッピングモータ1の回転子の振動を抑制することができる。
図3は、励磁位相に制御をかけたときの、位相角に対するトルクを示す図で、この位相角−トルク特性を利用することにより、前記回転子の振動抑制制御を行うことができる。
【0022】
なお、本発明の技術は前記実施の形態における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。
【0023】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の位置センサを備えるステッピングモータ装置によれば、回転子の位置センサを備えるステッピングモータであって、該位置センサから出力される該モータの回転子位置の検出信号を、マイコンの一方の入力端に入力し、位置指令信号を該マイコンの他方の入力端に入力し、該マイコンから前記モータを励磁するための励磁位相信号を出力する前記マイコンを備え、前記位置センサにより前記モータの回転子の振動を検出して、前記マイコンにより、前記位置指令信号に、前記励磁位相の補正分を加算するように前記励磁位相信号を出力させ、増幅器を介して前記モータに励磁電流を供給するので、前記モータの運転中、回転子に発生する振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態を示す、位置センサを組み付けたステッピングモータとマイコンを含む回路を示す構成図である。
【図2】位置センサからの検出信号をマイコン側に負帰還して励磁位相補正をかけるようなマイコン内の制御ブロックを示す図である。
【図3】ステッピングモータの励磁位相に制御をかけたときの、位相角に対するトルク特性を示す図である。
【図4】2極のステッピングモータのモデルを示す説明図である。
【符号の説明】
1 ステッピングモータ
2 位置センサ(可変リラクタンス形レゾルバ)
3 復調器
4 マイコン
4a 速度指令部
4b 速度検出部
4c 減算部
4d 掛算部
4e 加算部
4f 脱調防止スイッチ
4g 差分抽出部
4h 低域通過フィルタ
5 電力増幅器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stepping motor device that includes a rotor position sensor in a stepping motor and suppresses vibration of the rotor of the stepping motor during operation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this kind of stepping motor is controlled by rotating the magnetic field of the stator (hereinafter referred to as a rotating magnetic field) and causing the rotor to follow the rotating magnetic field by attracting and repelling the magnetic force. Rotational force is generated. A popular stepping motor has a multi-pole such as 50 rotor teeth, but a simple two-pole stepping motor is shown in FIG.
[0003]
In FIG. 4, an alternating current is passed through the stator winding A phase and the stator winding B phase wound around the magnetic poles of the two-pole stepping motor M, and generated by the respective stator windings. A rotating magnetic field is formed by synthesizing an A phase magnetic field and a B phase magnetic field having a phase difference of 90 degrees from each other. The rotating magnetic field is rotated so that the rotor magnetized to a predetermined polarity follows to generate a mechanical rotational force.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, there has been a problem that the rotor often vibrates during the normal operation of the conventional stepping motor M. The following factors can be considered as the cause of the vibration.
(A) Torque ripple and inertia resonance (b) Effects of sampling control time interval roughness (c) Other unknown factors
That is, the stepping motor M may suddenly increase in vibration in a certain speed region or the output torque may drop. In some cases, reverse rotation and misstep occur. These phenomena occur when the frequency of the input pulse matches the natural frequency of the motor in the low speed region.
The conditions under which such resonance occurs vary depending on the frictional load, inertial load, and the like, but generally, the vicinity of 100 to 250 pps is the resonance region in the low speed region. It also occurs in the high speed region due to other factors. When resonance becomes a problem, it has been used in the 1-2 phase excitation method or measures are taken on a mechanical damper or a drive circuit, but this is not sufficient.
[0006]
The present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a stepping motor device including a position sensor that eliminates the above-described problems and suppresses vibrations generated in a rotor during operation. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The configuration of the apparatus of the present invention for achieving the above object is a stepping motor including a position sensor 2, which demodulates a rotor position detection signal output from the position sensor via a demodulator. Are input to one input terminal of the
[0008]
The
[0009]
The
(A) If −90 ° ≦ deviation amount ≦ + 90 °, switch to the position command signal side (ST mode side)
(B) In the case of -90 [deg.]> Deviation amount and +90 [deg.] <Deviation amount, the stepping motor device includes a position sensor that switches to the position detection signal side (BL mode side) .
[0011]
Since the present invention is configured as described above, the vibration of the rotor of the motor is detected by the position sensor assembled in the stepping motor, and the excitation phase of the motor is corrected by the microcomputer. I have to.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 and 2 are diagrams showing an embodiment of a stepping motor device having a position sensor according to the present invention. FIG. 1 is a configuration diagram showing a circuit including a stepping motor and a microcomputer in which the position sensor is assembled. These are the figures which show the structure control block in a microcomputer which corrects an excitation phase by negatively feeding back the detection signal from a position sensor to the microcomputer side.
[0013]
In FIG. 1, a variable reluctance type (hereinafter referred to as VR type) resolver is coupled to a stepping motor (for example, two-phase) 1 as a position sensor 2 for detecting the operating position of the rotor. The position detection signal of the rotor of the motor 1 output from the sensor 2 is demodulated by the demodulator 3 and input to one input terminal of the microcomputer (microcomputer or central processing unit) 4. A position command signal is input to the other input terminal of the
[0014]
In the
The output signal from the
[0015]
In this case, since the torque ripple of the motor 1 depends on the period of the number of teeth of the rotor, the position sensor 2 needs a high resolution in order to correspond to the torque ripple. For this reason, the VR type resolver is adopted for the position sensor 2, and the resolver has the same number of poles as the number of teeth of the rotor, and ensures high resolution.
[0016]
Next, the main operation of the present embodiment will be described with reference to FIG.
The
[0017]
Furthermore, the addition unit 4e the output signal from the multiplication section 4d (correction amount of the excitation phase), through a dehydration tone prevention switch 4f (BL mode (input to the brushless motor mode) side), the position In addition to the detection signal, an excitation phase signal for exciting the motor 1 is output.
[0018]
Regarding the step-out prevention switch 4f, in the
(A) When −90 ° ≦ deviation amount ≦ + 90 °, the ST mode is set and the excitation state of the motor winding is switched. So-called open loop control is used.
(B) When −90 °> deviation amount and + 90 ° <deviation amount, the BL mode is set and excitation is performed so that the excitation current phase is an excitation stable point 90 ° ahead of the rotor position. So-called closed loop control is used.
By switching the step-out prevention switch 4f by the switching
[0019]
In the present embodiment, the original control by the
... t in , t in-1 , ..., t i-3 , t i-2 , t i-1 , t i , ...
Here, at time t i-1 and t i , the position detection signal from the resolver as the position sensor 2 becomes x i-1 and x i at the speed detection unit 4b. The difference Δx i at the position time interval Δt corresponds to the speed of the rotor at time t i .
That is, Δx i = x i −x i−1 .
Furthermore, in order to reduce the influence of detection accuracy, a signal obtained by applying a low-
[0020]
The speed command signal V CMD is also obtained by applying a low-
Then, the difference between the speed detection signal V FB and the speed command signal V CMD, by multiplying the K D as the coefficient correction amount P D of the exciting phase, i.e., P D = K D (V CMD - V FB ) is added to the position command signal to form an excitation phase signal for the motor 1.
[0021]
In this case, since the speed detection is reflected in the
FIG. 3 is a diagram showing the torque with respect to the phase angle when the excitation phase is controlled. By utilizing this phase angle-torque characteristic, the vibration suppression control of the rotor can be performed.
[0022]
Note that the technology of the present invention is not limited to the technology in the above-described embodiment, and may be implemented by means of other modes that perform the same function, and the technology of the present invention may be variously modified within the scope of the above-described configuration. Can be added.
[0023]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the stepping motor apparatus including the position sensor of the present invention, the stepping motor includes a rotor position sensor, and the rotor position of the motor output from the position sensor is determined. A detection signal is input to one input terminal of the microcomputer, a position command signal is input to the other input terminal of the microcomputer, and the microcomputer outputs an excitation phase signal for exciting the motor from the microcomputer, The vibration of the rotor of the motor is detected by the position sensor, and the excitation phase signal is output by the microcomputer so as to add the correction amount of the excitation phase to the position command signal. Since an excitation current is supplied to the motor, vibration generated in the rotor can be suppressed during operation of the motor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a circuit including a stepping motor and a microcomputer incorporating a position sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a control block in a microcomputer that negatively feeds back a detection signal from a position sensor to the microcomputer side to apply excitation phase correction.
FIG. 3 is a diagram illustrating a torque characteristic with respect to a phase angle when the excitation phase of the stepping motor is controlled.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a model of a two-pole stepping motor.
[Explanation of symbols]
1 Stepping motor 2 Position sensor (variable reluctance type resolver)
3
Claims (3)
該位置センサから出力される、回転子位置の検出信号を、復調器を介して復調して、マイコンの一方の入力端に入力し、該マイコンは、前記復調された位置検出信号と、他方の入力端に入力される位置指令信号とからそれぞれの速度信号に変換し、該それぞれの速度信号に低域通過フィルタをかけた後の両信号の差により、前記モータの固定子磁極の励磁位相の補正分を演算し、その演算された該補正分を前記位置指令信号に加算した信号を出力し、
その出力信号を、増幅器を介し、励磁電流として前記モータに供給して、該モータの運転時における振動を抑制することを特徴とする位置センサを備えるステッピングモータ装置。A stepping motor comprising a position sensor,
The rotor position detection signal output from the position sensor is demodulated via a demodulator and input to one input terminal of the microcomputer. The microcomputer detects the demodulated position detection signal and the other signal. The position command signal input to the input terminal is converted into each speed signal, and after the low-pass filter is applied to each speed signal, the excitation phase of the stator magnetic pole of the motor is determined by the difference between the two signals . Calculate a correction amount, and output a signal obtained by adding the calculated correction amount to the position command signal ,
A stepping motor device provided with a position sensor, wherein the output signal is supplied to the motor as an excitation current via an amplifier to suppress vibration during operation of the motor.
前記位置指令信号を速度指令信号にする、低域通過フィルタを備える速度指令部と、
前記位置検出信号を速度検出信号にする、低域通過フィルタを備える速度検出部と、
前記速度指令部からの前記速度指令信号と、前記速度検出部からの前記速度検出信号との差をとる減算部と、
前記差の信号に、励磁位相の補正分としての係数を掛算する掛算部と、
前記位置指令信号側と前記位置検出信号側のいずれかに切換えるための脱調防止スイッチと、
前記脱調防止スイッチの切換えにより、前記掛算部からの前記励磁位相の補正分としての出力信号を、前記脱調防止スイッチを介して、前記位置指令信号又は前記位置検出信号のいずれかに加算して、前記モータを励磁するための励磁位相信号を出力する加算部と
から構成され、
前記位置センサにより前記モータの回転子の振動を検出して、前記マイコンにより、前記位置指令信号又は前記位置検出信号のいずれかに、前記励磁位相の補正分を加算するように前記励磁位相信号を出力させることを特徴とする請求項1に記載の位置センサを備えるステッピングモータ装置。 The microcomputer is
A speed command unit including a low-pass filter, which makes the position command signal a speed command signal;
A speed detection unit including a low-pass filter that converts the position detection signal into a speed detection signal;
A subtraction unit that takes a difference between the speed command signal from the speed command unit and the speed detection signal from the speed detection unit;
A multiplication unit for multiplying the difference signal by a coefficient as a correction amount of the excitation phase;
A step-out prevention switch for switching to either the position command signal side or the position detection signal side;
By switching the step-out prevention switch, the output signal as the correction of the excitation phase from the multiplication unit is added to either the position command signal or the position detection signal through the step-out prevention switch. An adder for outputting an excitation phase signal for exciting the motor;
Consisting of
The vibration of the rotor of the motor is detected by the position sensor, and the excitation phase signal is added by the microcomputer so as to add the correction amount of the excitation phase to either the position command signal or the position detection signal. a stepping motor device including a position sensor according to claim 1, characterized in Rukoto is output.
(a)−90゜≦偏差量≦+90゜の場合は、前記位置指令信号側に切り替え、
(b)−90゜>偏差量、+90゜<偏差量の場合は、前記位置検出信号側に切り替える
ことを特徴とする請求項2に記載の位置センサを備えるステッピングモータ装置。 The microcomputer further includes a switching control unit for switching the step-out prevention switch, and the switching control unit allows a deviation amount between the position command signal and the position detection signal,
(A) If −90 ° ≦ deviation amount ≦ + 90 °, switch to the position command signal side,
The stepping motor device having a position sensor according to claim 2 , wherein when (b) -90 [deg.]> Deviation amount and +90 [deg.] <Deviation amount, switching to the position detection signal side is performed .
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