JP4362488B2 - 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。
前記閉ループ制御を行う場合には、磁極位置を検出する必要がある。
以下その従来例について説明する。
図４の従来例１は、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。前記α相電流指令ｉα*は、ＣＯＳ信号生成器２１の出力ＣＯＳ*と電流指令入力端子１４に外部から印加される電流指令ｉ*を乗じたものである。また、前記β相電流指令ｉβ*は、ＳＩＮ信号生成器２２の出力ＳＩＮ*と前記電流指令ｉ*を乗じたものである。従来例１では、電源投入時に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進角制御器２０によって生成される励磁角度θ*を用いてＣＯＳ信号生成器２１の出力ＣＯＳ*とＳＩＮ信号生成器２２の出力ＳＩＮ*を生成し、モータが励磁されて停止しているロータ位置を初期磁極位置としていた。図５は５０極対、基本ステップ角度１．８度のステッピングモータの角度−トルク特性（θ―T特性）の例であるが、実線を定格電流通電時のθ−Ｔ特性、破線で表示した特性は定格電流の５０％通電時のθ−Ｔ特性を示している。周知の通りモータのロータ角度と発生トルクの関係は（１）式で近似することができ、発生トルクはモータ電流に比例する。図５のＡ点は安定点と言われるポイントで、前記従来例１ではＡ点にロータが停止すると仮定して前記Ａ点を初期磁極位置としている。しかしながら、前記手法では負荷トルクの影響により初期磁極位置を誤って検出してしまう。
例えば、図５に示す通りロータが停止している状態において０．１Ｎｍの負荷トルクが生じる場合では、ロータが停止する位置は図５のＢ点となり、安定点Ａからθ２だけずれてしまうため，負荷を担った状態で起動した場合ではＢ点が初期磁極位置として検出されることになる。初期磁極位置に誤差があると磁束と電流の間の位相誤差が大きくなるため発生トルクが低下するという問題がある。
図４の従来例１は、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。前記α相電流指令ｉα*は、ＣＯＳ信号生成器２１の出力ＣＯＳ*と電流指令入力端子１４に外部から印加される電流指令ｉ*を乗じたものである。また、前記β相電流指令ｉβ*は、ＳＩＮ信号生成器２２の出力ＳＩＮ*と前記電流指令ｉ*を乗じたものである。従来例１では、電源投入時に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進角制御器２０によって生成される励磁角度θ*を用いてＣＯＳ信号生成器２１の出力ＣＯＳ*とＳＩＮ信号生成器２２の出力ＳＩＮ*を生成し、モータが励磁されて停止しているロータ位置を初期磁極位置としていた。図５は５０極対、基本ステップ角度１．８度のステッピングモータの角度−トルク特性（θ―T特性）の例であるが、実線を定格電流通電時のθ−Ｔ特性、破線で表示した特性は定格電流の５０％通電時のθ−Ｔ特性を示している。周知の通りモータのロータ角度と発生トルクの関係は（１）式で近似することができ、発生トルクはモータ電流に比例する。図５のＡ点は安定点と言われるポイントで、前記従来例１ではＡ点にロータが停止すると仮定して前記Ａ点を初期磁極位置としている。しかしながら、前記手法では負荷トルクの影響により初期磁極位置を誤って検出してしまう。
例えば、図５に示す通りロータが停止している状態において０．１Ｎｍの負荷トルクが生じる場合では、ロータが停止する位置は図５のＢ点となり、安定点Ａからθ２だけずれてしまうため，負荷を担った状態で起動した場合ではＢ点が初期磁極位置として検出されることになる。初期磁極位置に誤差があると磁束と電流の間の位相誤差が大きくなるため発生トルクが低下するという問題がある。
Ｔ：モータトルク ｋｔ：トルク定数 ｉ＊：電流指令 θ：磁極位置（電気角）
従来例１の方法では磁極位置検出時にロータに負荷トルクが生じる場合において正確な初期磁極位置が検出できな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、指令位置に対する高い停止位置精度を得るために正確な初期磁極位置を検出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モータ巻線に正弦波状電流を通電し、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ステッピングモータの駆動装置において、ロータ回転角度を検出する角度検出器と、前記外部指令パルスと前記ロータ回転角度から励磁角度を演算する進角制御器と、ステッピングモータを駆動するインバータと、ステッピングモータの電流を制御するための電流制御器と、モータ電流を検出する電流検出器と、電流振幅指令を発生する電流指令発生器とを具備し、モータ停止時において前記電流指令発生器から異なる２種類の電流指令を発生させたときの角度検出器出力の変化情報を用いてステッピングモータの前記ロータ回転角度を決定する角度指令を補正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、初期磁極位置検出時にロータに負荷トルクが生じる場合においても、正確な初期磁極位置を検出することが可能となる。例えば、モータ停止時にロータに重力による負荷トルクが発生する垂直軸方向の駆動システム等の用途においても正確な初期磁極位置を検出することができる。
発明を実施するための最良の形態を図１に示す。
定格電流時のθ−Ｔ特性が図５の実線となるステッピングモータのロータが停止している状態において０．１Ｎｍの負荷トルクが生じる場合は、図５のＢ点が磁極位置となってしまうことは前記の通りである。また、定格電流の５０％時のθ−Ｔ特性は波線となり、ステッピングモータのロータが停止している状態において０．１Ｎｍの負荷トルクが生じる場合は、図５のＣ点で停止する。Ｂ点における磁極位置θ２は位置指令θｈ*に対して負荷を担ったことにより安定点Ａ点からλ＝θ２−θｈ*だけずれていることになる。また、Ｃ点における磁極位置θ１は位置指令θｈ*に対して負荷を担ったことに加え励磁電流が変化したことにより安定点Ａ点から更に大きくずれてε＝θ１−θｈ*だけずれていることになる。前記位置偏差λ及びεは位置指令θｈ*を与えた場合に発生する停止位置の誤差と言えるから補正する必要がある。
補正角度Δは最初に定格電流の５０％でステッピングモータを励磁して図５のθ１の位置を検出し、次に定格電流でステッピングモータを励磁して図５のθ２の位置を検出し、θ１とθ２の角度差δ（δ＝θ１−θ２＝ε−λ）から（２）式によって導きだすことができる。
補正角度Δは最初に定格電流の５０％でステッピングモータを励磁して図５のθ１の位置を検出し、次に定格電流でステッピングモータを励磁して図５のθ２の位置を検出し、θ１とθ２の角度差δ（δ＝θ１−θ２＝ε−λ）から（２）式によって導きだすことができる。
ａ：第1の電流指令振幅／第２の電流指令振幅（ａ≠０）
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で所定の電圧を印加しステッピングモータ２７を励磁する。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と、乗算器１２、１３を入力とする電流制御器２３の出力であり、電流制御器２３はステッピングモータ２７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している。前記α相電流指令ｉα*は、ＣＯＳ信号生成器２１の出力ＣＯＳ*と磁極位置補正器３２からの電流指令ｉ*を乗じたものである。また、前記β相電流指令ｉβ*は、ＳＩＮ信号生成器２２の出力信号ＳＩＮ*と磁極位置補正器３２からの電流指令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には、進角制御器２０と磁極位置補正器３２の差分である励磁角度θ＊が入力される。進角制御器２０には、外部指令パルス入力端子１０からの指令パルスと、ステッピングモータ２７に取り付けてある角度検出器２８と角度演算器２９によって得られた角度検出信号θｆとが入力され、この進角制御器２０の出力と、磁極位置補正器３２からの補正角度θｈとを加算器１１により加算して得られた励磁角度θ*を用いてＣＯＳ信号ＣＯＳ*とＳＩＮ信号ＳＩＮ*を生成する。
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で所定の電圧を印加しステッピングモータ２７を励磁する。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と、乗算器１２、１３を入力とする電流制御器２３の出力であり、電流制御器２３はステッピングモータ２７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している。前記α相電流指令ｉα*は、ＣＯＳ信号生成器２１の出力ＣＯＳ*と磁極位置補正器３２からの電流指令ｉ*を乗じたものである。また、前記β相電流指令ｉβ*は、ＳＩＮ信号生成器２２の出力信号ＳＩＮ*と磁極位置補正器３２からの電流指令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には、進角制御器２０と磁極位置補正器３２の差分である励磁角度θ＊が入力される。進角制御器２０には、外部指令パルス入力端子１０からの指令パルスと、ステッピングモータ２７に取り付けてある角度検出器２８と角度演算器２９によって得られた角度検出信号θｆとが入力され、この進角制御器２０の出力と、磁極位置補正器３２からの補正角度θｈとを加算器１１により加算して得られた励磁角度θ*を用いてＣＯＳ信号ＣＯＳ*とＳＩＮ信号ＳＩＮ*を生成する。
次に本発明の磁極位置補正器３２の動作について図１、図２及び図３を用いて詳述する。
まず第１ステップとして電源投入時において動作指定器５０から出力０が発生するものとして、Ｄフリップフロップ回路５２〜５６によって第３の切換器６２をＡ側に接続して０設定器６１の出力値である０を外部に補正角度θｈとして出力し、電流指令ｉ*はＤフリップフロップ回路５２、５３、５４によって第２の切換器５８をＡ側に接続して例えば定格電流の５０％に設定した第１の電流指令発生器３０からの第１の電流指令とする。前記第１の電流指令によって得られるステッピングモータ２７のロータ停止位置θｈ１を角度演算器２９で検出し第１の切換器５７をＡ側に接続して第１のラッチ回路５９にラッチする。
まず第１ステップとして電源投入時において動作指定器５０から出力０が発生するものとして、Ｄフリップフロップ回路５２〜５６によって第３の切換器６２をＡ側に接続して０設定器６１の出力値である０を外部に補正角度θｈとして出力し、電流指令ｉ*はＤフリップフロップ回路５２、５３、５４によって第２の切換器５８をＡ側に接続して例えば定格電流の５０％に設定した第１の電流指令発生器３０からの第１の電流指令とする。前記第１の電流指令によって得られるステッピングモータ２７のロータ停止位置θｈ１を角度演算器２９で検出し第１の切換器５７をＡ側に接続して第１のラッチ回路５９にラッチする。
次に第２ステップとして動作指定器５０の出力から１を発生させ、電流指令ｉ*はＤフリップフロップ回路５２、５３、５４によって第２の切換器５８をＢ側に接続して例えば定格電流である第２の電流指令発生器３１からの第２の電流指令とする。前記第２の電流指令によって得られるステッピングモータ２７のロータ停止位置θｈ２を角度演算器２９で検出し第１の切換器５７をＢ側に接続して第２のラッチ回路６０にラッチする。
最後に補正角度θｈは、第１のラッチ回路５９にラッチした角度θf１と第２のラッチ回路６０にラッチした角度θf２とを減算器７０により減算して補正角度値データテーブル６３の検索データとし、Ｄフリップフロップ回路５２〜５６によって第３の切換器６２をＢ側に接続して補正角度データテーブル６３から補正角度を出力するものである。
なお、パルス発生器５１はフリップフロップ回路５２〜５６の同期処理のために例えば周波数１ＭＨｚのクロックパルス発生器でフリップフロップ回路５２〜５６のクロック入力端子に接続されている。
最後に補正角度θｈは、第１のラッチ回路５９にラッチした角度θf１と第２のラッチ回路６０にラッチした角度θf２とを減算器７０により減算して補正角度値データテーブル６３の検索データとし、Ｄフリップフロップ回路５２〜５６によって第３の切換器６２をＢ側に接続して補正角度データテーブル６３から補正角度を出力するものである。
なお、パルス発生器５１はフリップフロップ回路５２〜５６の同期処理のために例えば周波数１ＭＨｚのクロックパルス発生器でフリップフロップ回路５２〜５６のクロック入力端子に接続されている。
前記補正角度データテーブル６３に記憶するデータは、（２）式のΔをデータ検索アドレスとして、（２）式右辺の演算結果をデータとして記憶する。これにより、補正角度θｈを速やかに算出することが可能となる。
前述した第１の電流指令と第２の電流指令は定格電流の５０％と定格電流としたが、かならずしもそうする必要がない。また、補正角度の算出はデータテーブルを使用したが、処理時間に余裕があるのであれば、実際に演算してもかまわない。
前記手法により、初期磁極位置検出時にロータに負荷トルクが生じる場合においても、正確な初期磁極位置を検出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。
１０ 外部指令パルス入力端子
１１ 加算器
１２、１３ 乗算器
１４ 電流指令入力端子
２０ 進角制御器
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 第１の電流指令
３１ 第２の電流指令
３２ 磁極位置補正器
５０ 動作指定器
５１ パルス発生器
５２ 第１のＤフリップフロップ回路
５３ 第２のＤフリップフロップ回路
５４ 第３のＤフリップフロップ回路
５５ 第４のＤフリップフロップ回路
５６ 第５のＤフリップフロップ回路
５７ 第１の切換器
５８ 第２の切換器
５９ 第１のラッチ回路
６０ 第２のラッチ回路
６１ ０設定値
６２ 第３の切換器
６３ 補正角度データテーブル
１１ 加算器
１２、１３ 乗算器
１４ 電流指令入力端子
２０ 進角制御器
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 第１の電流指令
３１ 第２の電流指令
３２ 磁極位置補正器
５０ 動作指定器
５１ パルス発生器
５２ 第１のＤフリップフロップ回路
５３ 第２のＤフリップフロップ回路
５４ 第３のＤフリップフロップ回路
５５ 第４のＤフリップフロップ回路
５６ 第５のＤフリップフロップ回路
５７ 第１の切換器
５８ 第２の切換器
５９ 第１のラッチ回路
６０ 第２のラッチ回路
６１ ０設定値
６２ 第３の切換器
６３ 補正角度データテーブル
Claims (1)
- 外部指令パルスの印加ごとにモータ巻線に正弦波状電流を通電し、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ステッピングモータの駆動装置において、ロータ回転角度を検出する角度検出器と、前記外部指令パルスと前記ロータ回転角度から励磁角度を演算する進角制御器と、ステッピングモータを駆動するインバータと、ステッピングモータの電流を制御するための電流制御器と、モータ電流を検出する電流検出器と、電流振幅指令を発生する電流指令発生器とを具備し、モータ停止時において前記電流指令発生器から異なる２種類の電流指令を発生させたときの角度検出器出力の変化情報を用いてステッピングモータの前記ロータ回転角度を決定する角度指令を補正す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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| EP07251099A EP1835611B1 (en) | 2006-03-17 | 2007-03-15 | Stepping motor controlling device |
| DE602007000545T DE602007000545D1 (de) | 2006-03-17 | 2007-03-15 | Vorrichtung zur Schrittmotorsteuerung |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| FR3079983B1 (fr) | 2018-04-09 | 2020-04-10 | Moving Magnet Technologies | Procede de commande d’un moteur polyphase |
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