JP4508970B2 - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの高効率な駆動ができ脱調現象を回避することができるステッピングモータの駆動装置に関する。

従来、この種のステッピングモータの駆動方法としては、次のような技術が知られている。
１．位置信号を見ながら、励磁位置を調整する方法（特許文献１）。
２．コンバータ出力電流でモ−タの電流を制御する方法（特許文献２）。
３．ステッピングモータの巻線電圧でトルク負荷を検出し、電流制御をおこなう方法（特許文献３）。
４．ステッピングモータ制御器とサーボモータ制御器の電流指示の配分を調整する方法（特許文献４）。
特開平２−２３１００号公報 特許第３１５８０９３号公報 特開２０００−２３６６９６号公報 特開２００４−３２８８２１号公報

しかしながら、上記先行技術には次のような課題があった。
特許文献１の方法では、位置信号を見ながら、励磁位置を調整するので、脱調現象の回避は可能であるが高効率運転は実現できない。
また、特許文献２の方法では、コンバータ出力電流でモ−タの電流を制御するので、対象となる負荷にどのような電流値にするか実験が必要となり、脱調現象は回避できない。
さらに、特許文献３の方法では、ステッピングモータの巻線電圧でトルク負荷を検出し、電流制御をおこなうので、リング状に巻線を構成されたステッピングモータ以外には使用できない。よって脱調現象は回避できない。
またさらに、特許文献４の方法では、ステッピングモータ制御器とサーボモータ制御器の電流指示の配分を調整する方法なので、あらかじめ電流配分の比率を負荷により調整しなければならない。

本発明は、上記課題を解決し、マイクロステップ駆動に応用が可能で特別なモータを必要とせず、ステッピングモータに位置検出器を設け、位置指示とロータ位置との偏差を演算し、その演算結果からステッピングモータに流れる電流を負荷に応じて増減するとともに、ステッピングモータの励磁位置を制御することにより、ステッピングモータの高効率な駆動ができ脱調現象を回避することができるステッピングモータの駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ステッピングモータに供給される電流を検出し、この検出電流と、電流指令に基づいて電圧指令演算装置に送る出力電圧を決定する電流制御装置を備え、この電流制御装置から送られる出力電圧と、外部から送られる位置指令信号に基づいて上記電圧指令演算装置からモータドライブの電圧指令値を決定するステッピングモータの駆動装置であって、前記ステッピングモータの回転子位置を検出する位置検出器を備え、この位置検出器の検出信号と、前記位置指令信号が入力され、前記回転子位置検出信号と前記位置指令信号から指令位置と回転子位置との偏差を演算する位置偏差演算装置を備え、この位置偏差演算装置で演算した位置偏差信号が入力される電流指令演算装置を備え、この電流指令演算装置によって前記電流制御装置に送る電流指令を決定し、上記電圧指令演算装置に上記位置指令信号を送る回路に、上記位置指令信号と上記位置検出器の検出信号を選択的に切り替える切替スイッチを備えたことにある。

本発明によれば、以下に列挙する効果が得られる。
脱調現象検出のために励磁切り換え時にステッピングモータの巻線電圧の検出を行わないので、マイクロステップ駆動に応用が可能である。
脱調現象回避のためにモータに検出巻線等を用いないので、特別なモータを必要としない。
検出巻線等を使わないので、特別な検出回路を必要せず、ＣＰＵで演算が可能である。
使用する位置検出器は負荷角が±π/２を越えるか否かを判断できればよいので、高分解能の位置検出器を必要としない。

以下図示の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１において、１はＮ相ステッピングモータで、Ｎ相ステッピングモータ１はモータドライバ３を介して交流電源４に接続されている。交流電源４はモータドライバ３に、モータドライバ３はＮ相ステッピングモータ１に電力を供給する。Ｎ相ステッピングモータ１とモータドライバ３との間には、電流検出器２が設けられ、電流検出器２は、電流制御装置８に接続されている。電流制御装置８には、電流指令演算装置１０が接続され、電流指令演算装置１０から電流指令i^* が入力されるものである。この一定の電流指令i^*と電流検出器２で検出したＮ相交流電流i_Nが電流制御装置８に入力され、この電流制御装置８では、電圧指令演算装置６に送る出力電圧の大きさV^*を決定するものである。一方、上記電圧指令演算装置６には切替スイッチ７を介して位置指令θ^* が入力されるものである。上記切替スイッチ７は接点ａ，接点ｂを切り替えられるスイッチｓを有するもので、運転動作切替装置１１を介して接点ａ，接点ｂのいずれかにスイッチｓが切り替えられる。接点ａ側には位置指令θ^*が供給され、接点ｂ側には、位置検出器５の出力θ_mが供給されるものである。

切替スイッチ７のスイッチｓが接点a側に設定されていたとすると、電圧指令演算装置６の入力である電気角は位置指令θ*となり、電圧指令演算装置６でＮ相電圧指令値ＶNを決定し、Ｎ相ステッピングモータ１には正弦波状の振幅で一定の電流が供給されて駆動されているものとする。

ここで、Ｎ相ステッピングモータ１の位置検出器５の出力であるθ_mと、位置指令θ^* は、位置偏差演算装置９に入力され、位置偏差θ_errを演算するものである。
位置偏差演算装置９は、電流指令演算装置１０と運転切替装置１１に接続され、位置偏差演算装置９で演算された位置偏差θ_errは、電流指令演算装置１０と運転切替装置１１に送られる。
位置偏差演算装置９で演算された位置偏差θ_errは、演算した位置偏差θ_errを入力とする電流指令演算装置１０で電流指令i^*を決定する。
また、位置偏差θ_errを入力とする運転切替装置１１において、電圧指令演算装置６で使用する電気角を、位置指令θ^*か、位置検出器５の出力であるθ_mのどちらを使用するか決定する。この結果をもとに切替スイッチ７で、使用する電気角θ^* 、θ_mを切り替えるものである。

次に、２相ステッピングモータを例にとり、上記の実施例の作用を説明する。
２相ステッピングモータの界磁のα、β相電気子巻線鎖交磁束数Φ_fα、Φ_fβは、その最大値をΦ_f‘とすると次式で表される。

ここで、θ_reはα相電気子巻線を基準として時計回りに取った回転子位置（電気角）である。
一般的に、ステッピングモータの駆動では、回転子位置に無関係に励磁位置を決定し、一定電流に制御された相電流を指示回転速度に見合った電気角速度で回転界磁をつくり駆動する。このときの電流を次式とする。

ステッピングモータの発生トルクは各相の電流と鎖交磁束数の積和であらわされるので次式となる。

上式で鎖交磁束数はモータ固有の定数であるから、ステッピングモータの発生トルクは電流iと負荷角θ^*-θ_reで決定される。図２に負荷角に対するステッピングモータの発生トルクを示す。
（５）式から電流iが一定であれば、負荷角θ^*-θ_reが＋π/2で発生トルクは最大値、−π/２で最小値となる。

一般的にステッピングモータの駆動方法は電流を一定とする定電流駆動方式が用いられている。しかしながら、電流値を一定とすると負荷に因らずステッピングモータに電力を供給するため、余分な電力は全て損失となる。
従って、正回転方向にトルクを発生するときは負荷角θ^*-θ_reを＋π/2に保つように電流を制御し、負回転方向にトルクを発生するときは負荷角θ^*-θ_reを−π/2に保つように電流を制御すれば、最大効率運転を実現することができる。しかしながら、負荷角θ^*-θ_reが±π/2を越えるとステッピングモータは脱調現象を起こし、同期を外れてしまい回転することができなくなる。

そこで、負荷角θ^*-θ_reに応じて電流を制御することで高効率運転を実現した。実際には、電流指示i^*をゼロとしてしまうとステッピングモータの利点である停止時の安定性が損なわれるため、負荷角θ^*-θ_reがπ/８程度の小さな値であった場合は定格電流の１/４程度の電流指示とし、それを越えると次第に電流指示を増加していくような電流指示を作成することとした。この様子を図３に示す。

（回転）位置検出器５の出力であるθ_mを回転子位置θ_reに合わせて取り付けると、負荷角θ^*-θ_reはθ^*-θ_mで求めることができる。この演算を位置偏差演算装置９で行っている。負荷角θ^*-θ_reに等しい位置偏差θ_errから、図３に示すような負荷角に対する電流指示を電流指示演算装置１０で演算して決定し、電流制御することでステッピングモータの高効率運転を実現する。

要求されるトルクが大きくなれば、電流指示を大きくしていくがモータの定格電流や電力回路の制約により設定電流の上限値が存在する。これを越えると脱調現象を起こし、モータは停止してしまう。
そこで、位置偏差θ_errが±π/２を越えそうになったら、運転動作切替１１で切替スィッチ７を接点aから接点ｂに切替える。
このとき、電流指示は最大値となり、負荷角θ^*-θ_reはπ/２で固定されるため、発生トルクは次式となる。

要求トルクが（６）式の値を下回ると次第に、位置偏差θ_errが小さくなってくる。
位置偏差θ_errが±π/２以内となったところで、運転動作切替装置１１で切替スィッチ７を接点ｂから接点aに切替える。
以上の説明からわかるように、本発明において使用する位置検出器は、負荷角が±π/２を越えるか否かを判断できればよいので、高分解能の位置検出器を必要としない。
また、脱調現象回避のためにモータに検出巻線等を用いないので、特別なモータを必要としない。
さらにまた、モータに検出巻線等を使わないので、特別な検出回路も必要としないため、ＣＰＵでの演算が可能である。

３相、５相ステッピングモータの場合は誘起起電圧の式、電流の定義が相数分だけ必要となり、式中の位相差が３相の場合２π/３、５相の場合２π/５となるが、発生トルクは（５）式となり、同様の制御が可能である。

図４は、本発明の他の実施の形態で、図１と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。
この場合、位置検出器５の出力側に分解能調整装置１２を備えたもので、接点ｂには、分解能調整装置１２を介して位置指令（位置指示）θ*と合わせた回転検出器５の出力θ_mが供給されるものである。
したがって、位置検出器５の分解能をマイクロステップ駆動の分解能と合わせなくても、位置検出器５の出力に分解能調整装置１２を置くことで、位置指令θ*と合わせることができる。
これにより、低分解能の位置検出器を使っても実現が可能である。
本発明では、脱調検出のために励磁切り換え時にステッピングモータの巻線電圧を検出しないので、マイクロステップ駆動に応用が可能である。

上記実施の形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
脱調現象検出のために励磁切り換え時にステッピングモータの巻線電圧の検出を行わないので、マイクロステップ駆動に応用が可能である。
脱調現象回避のためにモータに検出巻線等を用いないので、特別なモータを必要としない。
検出巻線等を使わないので、特別な検出回路を必要せず、ＣＰＵで演算が可能である。
使用する位置検出器は負荷角が±π/２を越えるか否かを判断できればよいので、高分解能の検出器を必要としない。
位置検出器５の分解能をマイクロステップ駆動の分解能と合わせなくても、位置検出器５の出力に分解能調整装置１２を置くことで、位置指令θ*と合わせることができる。
よって、低分解能の位置検出器を使っても実現が可能であることから、高分解能の位置検出器を必要としない。こうして、ステッピングモータに流れる電流を負荷に応じて増減するとともに、ステッピングモータの励磁位置を制御して脱調現象を回避することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。

本発明によるステッピングモータの駆動装置の実施の形態を示すシステム構成図である。 ステッピングモータの負荷角に対する発生トルクの関係を示す図である。 高効率でステッピングモータを駆動するための電流指示と負荷角の関係を示す特性図である。 本発明によるステッピングモータの駆動装置の他の実施の形態を示すシステム構成図である。

符号の説明

１ Ｎ相ステッピングモータ
２ 電流検出器
３ ドライバ
４ 交流電源
６ 電圧指令演算装置
８ 電流制御装置
９ 位置偏差演算装置
１０ 電流指令演算装置
１１ 運転切替装置

Claims (1)

1. ステッピングモータに供給される電流を検出し、この検出電流と、電流指令に基づいて電圧指令演算装置に送る出力電圧を決定する電流制御装置を備え、この電流制御装置から送られる出力電圧と、外部から送られる位置指令信号に基づいて上記電圧指令演算装置からモータドライブの電圧指令値を決定するステッピングモータの駆動装置であって、前記ステッピングモータの回転子位置を検出する位置検出器を備え、この位置検出器の検出信号と、前記位置指令信号が入力され、前記回転子位置検出信号と前記位置指令信号から指令位置と回転子位置との偏差を演算する位置偏差演算装置を備え、この位置偏差演算装置で演算した位置偏差信号が入力される電流指令演算装置を備え、この電流指令演算装置によって前記電流制御装置に送る電流指令を決定し、上記電圧指令演算装置に上記位置指令信号を送る回路に、上記位置指令信号と上記位置検出器の検出信号を選択的に切り替える切替スイッチを備えたことを特徴とするステッピングモータの駆動装置。

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