JP4481262B2 - ステッピングモータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は角度指令に応じてステッピングモータを制御するステッピングモータの制御装置に関するものである。

図５は従来のステッピングモータの制御装置を示す図である。図に示すように、ステッピングモータ１の最大電流値指令Ｉmax＊を入力する最大電流値指令入力端子２が設けられ、ステッピングモータ１の角度指令θ＊を入力する角度指令入力端子３が設けられ、角度指令θ＊を入力してデータテーブルにより正弦波信号sinθ＊を出力する正弦波信号発生器４が設けられ、角度指令θ＊を入力してデータテーブルにより余弦波信号cosθ＊を出力する余弦波信号発生器５が設けられ、最大電流値指令Ｉmax＊と正弦波信号sinθ＊とを乗算してα相の電流指令値ｉα＊を出力する乗算器６が設けられ、最大電流値指令Ｉmax＊と余弦波信号cosθ＊とを乗算してβ相の電流指令値ｉβ＊を出力する乗算器７が設けられ、ステッピングモータ１のα相、β相の巻線電流値を検出して、巻線電流検出値ｉαｆ、ｉβｆを出力する電流検出器８、９が設けられ、電流指令値ｉα＊から巻線電流検出値ｉαｆを減算して電流偏差Δｉαを出力する減算器１０が設けられ、電流指令値ｉβ＊から巻線電流検出値ｉβｆを減算して電流偏差Δｉβを出力する減算器１１が設けられ、電流偏差Δｉαを入力してステッピングモータ１のα相の励磁電流を出力する電流制御器１２が設けられ、電流偏差Δｉβを入力してステッピングモータ１のβ相の励磁電流を出力する電流制御器１３が設けられ、α相、β相の励磁電流に応じてステッピングモータ１の巻線にα相印加電圧Ｖα、β相印加電圧Ｖβを印加するインバータ１４が設けられている。

このステッピングモータの制御装置においては、正弦波信号発生器４、余弦波信号発生器５、乗算器６、７により電流指令値ｉα＊、ｉβ＊を求め、減算器１０、１１、電流制御器１２、１３、インバータ１４により電流指令値ｉα＊、ｉβ＊と巻線電流検出値ｉαｆ、ｉβｆとの差である電流偏差Δｉα、Δｉβに応じてステッピングモータ１の巻線にα相印加電圧Ｖα、β相印加電圧Ｖβを印加するから、ステッピングモータ１の速度、位置を制御することができる。
特開２００４−１８０４８０号公報 特開２００４−２７４９２２号公報 特開２００４−２８９８９８号公報

しかし、このようなステッピングモータの制御装置においては、ステッピングモータ１の負荷トルクに応じた制御を行なうことができないから、ステッピングモータ１を高速で回転することができない。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、ステッピングモータを高速で回転することができるステッピングモータの制御装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、角度指令に応じてステッピングモータを制御するステッピングモータの制御装置において、上記ステッピングモータの電流偏差として負荷トルク電流偏差を用いて進角を演算する進角演算手段と、上記角度指令と上記進角とを加算して巻線励磁角度を求める加算手段と、上記ステッピングモータに上記巻線励磁角度に応じた印加電圧を印加する電圧印加手段とを設け、上記進角演算手段に、上記負荷トルク電流偏差を用いて演算した値が所定角度未満のときには上記負荷トルク電流偏差を用いて演算した値をそのまま出力し、上記負荷トルク電流偏差を用いて演算した値が上記所定角度以上のときには上記所定角度を出力する制限手段を設ける。

この場合、上記進角演算手段に、上記ステッピングモータの角度および上記電圧印加手段の電流偏差から上記負荷トルク電流偏差を求める座標変換手段を設けてもよい。

この場合、上記ステッピングモータの角度を検出する角度検出手段を設け、上記ステッピングモータの角度として上記角度検出手段によって検出した検出角度を用いてもよい。

また、上記ステッピングモータの角度を推定する角度推定手段を設け、上記ステッピングモータの角度として上記角度推定手段によって推定した推定角度を用いてもよい。

この場合、上記所定角度を１００〜１４０度としてもよい。

本発明に係るステッピングモータの制御装置においては、進角を負荷トルク電流偏差に応じた値にしているから、速度に関わらずステッピングモータにほぼ最大のトルクを発生させることができるので、ステッピングモータを高速で回転することができる。

図１は本発明に係るステッピングモータの制御装置を示す図である。図に示すように、ステッピングモータ１のロータ位置を検出するエンコーダ２１が設けられ、エンコーダ２１の出力を入力して検出角度θｆを演算する角度演算器２２が設けられ、電流偏差Δｉα、Δｉβおよび検出角度θｆを入力して進角Δθを出力する進角制御器２３が設けられ、角度指令θ＊と進角Δθとを加算して巻線励磁角度を演算する加算器２４が設けられている。そして、正弦波信号発生器４は正弦波信号sin（θ＊＋Δθ）を出力し、余弦波信号発生器５は余弦波信号cos（θ＊＋Δθ）を出力する。

図２は図１に示したステッピングモータの制御装置の進角制御器を示す図である。図に示すように、電流偏差Δｉα、Δｉβおよび検出角度θｆから負荷トルク電流偏差（ｑ軸電流偏差）Δｉｑを演算する座標変換器２５が設けられ、負荷トルク電流偏差Δｉｑを入力するＰＩ補償器２６が設けられ、ＰＩ補償器２６の出力が１２０度未満のときにはＰＩ補償器２６の出力をそのまま出力し、ＰＩ補償器２６の出力が１２０度以上のときには１２０度を出力するリミッタ２７が設けられ、設定角入力端子２８に設定された９０度の設定角とリミッタ２７の出力とを加算する加算器２９が設けられ、加算器２９の出力を増幅して進角Δθを出力する増幅器３０が設けられ、座標変換器２５、リミッタ２７、加算器２９等により進角制御器２３が構成されている。

そして、進角制御器２３によりステッピングモータの負荷トルク電流偏差に応じた進角を演算する進角演算手段が構成されている。また、加算器２４により角度指令と進角とを加算して巻線励磁角度を求める加算手段が構成されている。また、正弦波信号発生器４、余弦波信号発生器５、乗算器６、７、減算器１０、１１、電流制御器１２、１３、インバータ１４によりステッピングモータに巻線励磁角度に応じた印加電圧を印加する電圧印加手段が構成されている。また、座標変換器２５によりステッピングモータの角度（ロータ磁極位置）および電圧印加手段の電流偏差から負荷トルク電流偏差を求める座標変換手段が構成されている。また、エンコーダ２１、角度演算器２２によりステッピングモータの角度を検出する角度検出手段が構成されている。また、リミッタ２７により負荷トルク電流偏差に応じた値が１２０度未満のときには負荷トルク電流偏差に応じた値をそのまま出力し、負荷トルク電流偏差に応じた値が１２０度以上のときには１２０度を出力する制限手段が構成されている。また、加算器２９により制限手段の出力に設定角を加算する加算手段が構成されている。

このステッピングモータの制御装置においては、座標変換器２５により電流偏差Δｉα、Δｉβおよび検出角度θｆから負荷トルク電流偏差Δｉｑを演算し、進角制御器２３により負荷トルク電流偏差Δｉｑに応じた進角Δθを求め、加算器２４により角度指令θ＊と進角Δθとを加算して巻線励磁角度を求め、正弦波信号発生器４、余弦波信号発生器５、乗算器６、７により巻線励磁角度に応じた電流指令値ｉα＊、ｉβ＊を求め、減算器１０、１１、電流制御器１２、１３、インバータ１４により電流指令値ｉα＊、ｉβ＊と巻線電流検出値ｉαｆ、ｉβｆとの差である電流偏差Δｉα、Δｉβに応じてステッピングモータ１の巻線にα相印加電圧Ｖα、β相印加電圧Ｖβを印加する。なお、ｄ軸電流偏差によるｄ軸電流の制御は行なわない。

このようなステッピングモータの制御装置においては、進角Δθを負荷トルク電流偏差Δｉｑに応じた値にしているから、ステッピングモータ１の負荷トルクに応じた制御を行なうことができるので、速度に関わらずステッピングモータ１にほぼ最大のトルクを発生させることができるため、ステッピングモータを高速で回転することができる。

図３は本発明に係る他のステッピングモータの制御装置を示す図である。図に示すように、巻線電流検出値ｉαｆ、ｉβｆおよびα相印加電圧Ｖα、β相印加電圧Ｖβを入力して推定角度θｐを出力する角度推定器３１が設けられ、進角制御器２３ａは電流偏差Δｉα、Δｉβおよび推定角度θｐを入力して進角Δθを出力する。すなわち、進角制御器２３ａは検出角度θｆの代わりに推定角度θｐを用いて、進角制御器２３と同様に進角Δθを演算する。

図４は図３に示したステッピングモータの制御装置の角度推定器を示す図である。図に示すように、ステッピングモータ１のα相の巻線抵抗をＲα、α相の巻線インダクタンスをＬα、ラプラス演算子をｓとしたとき、巻線電流検出値ｉαｆを係数（Ｒα＋ｓＬα）倍する逆関数特性演算器３２が設けられ、ステッピングモータ１のβ相の巻線抵抗をＲβ、β相の巻線インダクタンスをＬβとしたとき、巻線電流検出値ｉβｆを係数（Ｒβ＋ｓＬβ）倍する逆関数特性演算器３３が設けられ、α相印加電圧Ｖαから逆関数特性演算器３２の出力を減算する減算器３４が設けられ、β相印加電圧Ｖβから逆関数特性演算器３３の出力を減算する減算器３５が設けられ、α相の巻線電流値をｉα（＝ｉαｆ）、α相の速度起電力をｅαとしたとき、次式によって速度起電力ｅαを求める平滑回路３６が設けられている。

また、β相の巻線電流値をｉβ（＝ｉβｆ）、β相の速度起電力をｅβとしたとき、次式によって速度起電力ｅβを求める平滑回路３７が設けられている。

また、次式によって推定角度θｐを演算する角度演算器３８が設けられている。 θｐ＝tan^−１(−ｅα／ｅβ)
そして、逆関数特性演算器３２、３３、平滑回路３６、３７、角度演算器３８等により角度推定器３１が構成され、角度推定器３１によりステッピングモータの角度を推定する角度推定手段が構成されている。

このステッピングモータの制御装置においては、座標変換器２５により電流偏差Δｉα、Δｉβおよび推定角度θｐから負荷トルク電流偏差Δｉｑを演算し、図１、図２に示したステッピングモータの制御装置と同様に、進角Δθを負荷トルク電流偏差Δｉｑに応じた値にしているから、ステッピングモータ１の負荷トルクに応じた制御を行なうことができるので、速度に関わらずステッピングモータ１にほぼ最大のトルクを発生させることができるため、ステッピングモータを高速で回転することができる。

なお、上述実施の形態においては、設定角入力端子２８に設定された９０度の設定角とリミッタ２７の出力とを加算する加算器２９を設けたが、負荷トルク電流偏差に応じた値に設定角を加算する加算手段を設けてもよい。また、上述実施の形態においては、設定角を９０度としたが、設定角を０〜９０度としてもよい。また、上述実施の形態においては、ＰＩ補償器２６の出力が１２０度未満のときにはＰＩ補償器２６の出力をそのまま出力し、ＰＩ補償器２６の出力が１２０度以上のときには１２０度を出力するリミッタ２７を設けたが、負荷トルク電流偏差に応じた値が所定角度未満のときには負荷トルク電流偏差に応じた値をそのまま出力し、負荷トルク電流偏差に応じた値が所定角度以上のときには所定角度を出力する制限手段を設けてもよく、この場合所定角度を１００〜１４０度としてもよい。また、上述実施の形態においては、ＰＩ補償器２６を用いたが、ＰＩ補償器２６の代わりにＰ補償器を用いてもよい。

本発明に係るステッピングモータの制御装置を示す図である。 図１に示したステッピングモータの制御装置の進角制御器を示す図である。 本発明に係る他のステッピングモータの制御装置を示す図である。 図３に示したステッピングモータの制御装置の角度推定器を示す図である。 従来のステッピングモータの制御装置を示す図である。

符号の説明

１…ステッピングモータ
２…最大電流値指令入力端子
３…角度指令入力端子
４…正弦波信号発生器
５…余弦波信号発生器
６、７…乗算器
８、９…電流検出器
１０、１１…減算器
１２、１３…電流制御器
１４…インバータ
２１…エンコーダ
２２…角度演算器
２３…進角制御器
２３ａ…進角制御器
２４…加算器
２５…座標変換器
２７…リミッタ
２８…角度設定器
２９…加算器
３１…角度推定器

Claims (5)

1. 角度指令に応じてステッピングモータを制御するステッピングモータの制御装置において、
   上記ステッピングモータの電流偏差として負荷トルク電流偏差を用いて進角を演算する進角演算手段と、上記角度指令と上記進角とを加算して巻線励磁角度を求める加算手段と、上記ステッピングモータに上記巻線励磁角度に応じた印加電圧を印加する電圧印加手段とを具備し、
   上記進角演算手段は、上記負荷トルク電流偏差を用いて演算した値が所定角度未満のときには上記負荷トルク電流偏差を用いて演算した値をそのまま出力し、上記負荷トルク電流偏差を用いて演算した値が上記所定角度以上のときには上記所定角度を出力する制限手段を有することを特徴とするステッピングモータの制御装置。
2. 上記進角演算手段は、上記ステッピングモータの角度および上記電圧印加手段の電流偏差から上記負荷トルク電流偏差を求める座標変換手段を有することを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータの制御装置。
3. 上記ステッピングモータの角度を検出する角度検出手段を設け、上記ステッピングモータの角度として上記角度検出手段によって検出した検出角度を用いることを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータの制御装置。
4. 上記ステッピングモータの角度を推定する角度推定手段を設け、上記ステッピングモータの角度として上記角度推定手段によって推定した推定角度を用いることを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータの制御装置。
5. 上記所定角度を１００〜１４０度としたことを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータの制御装置。

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