JP4644466B2 - ステッピングモータの脱調検出方法および脱調検出装置 - Google Patents
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1.センサ(位置、速度、加速度、検出巻線)を用いたステッピングモータの脱調検出方法(特許文献1)である。
この脱調検出方法は、センサをキャリッジに配設し、センサが横切ることによりキャリッジの位置を確認する。
この方法では、センサをモータ軸あるいは機構に設置しなければならないため、装置が大きくなりセンサ用の電線も必要となる。
この脱調検出方法は、ロータ位置検出手段により駆動コイルに発生する逆起電圧によりロータ位置を検出し、ロータ位置検出手段の出力により駆動コイルに通電するタイミングを通電タイミング生成手段により生成する。
この方法では、特別に逆電圧検出回路が必要で、大きな過渡現象を生じないマイクロステップ駆動には使用できない。
この脱調検出方法としては、モータに流れる電流と、通常動作時の基準となる電流とを比較し、基準電流よりモータ電流が大きくなった状態において、モータが脱調したと認識をすることが可能となる。
しかしながら、負荷により波形が変化する可能性があり、正確に脱調検出ができない。また、実機における実験により閾値を決める必要がある。
この脱調検出方法は、ステッピングモータのステータコイルに生じた逆起電力をリカバリ電流としてステータコイルに戻すリカバリ回路の電流又は電圧を検出する検出手段と、この検出手段の検出結果を所定の基準と比較して脱調の有無を判定する判定手段とからなり、前記検出手段は、前記リカバリ回路にLC並列共振回路を配設してこのLC並列共振回路に生じる共振波形を検出する手段として構成し、 前記判定手段は、ステータコイルへの電流のオン時又はオフ時における過渡現象に伴って前記検出手段の検出した共振波形に基づいて脱調の有無を判定する。
しかしながら、この脱調検出方法では、負荷により波形が変化する可能性があり、正確に脱調検出ができない。また、実機における実験により閾値を決める必要がある。
この脱調検出方法は、ステップモータの各相のコイル電流の総和を検知する全電流検知手段と、この全電流検知手段の検知信号のリップル成分を抽出するリップル抽出手段と、このリップル抽出手段の出力値を所定の基準値と比較し、その出力値が基準値を超えている場合にステップモータに脱調が生じていると判断する。
しかしながら、この脱調検出方法では、特別に全相電流のリップル検出回路が必要となる。
また、本発明は、ステッピングモータの脱調検出方法であって、速度指令に基づき指示電気角を演算し、電流指令と電流検出器で検出される駆動電流から出力電圧を演算し、前記指示電気角と出力電圧から電圧指令値を、N相ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置に、出力し、前記電圧指令値および、前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とを2相交流に変換し、前記変換された電流、電圧を誘起起電圧推定演算装置に入力して、前記モータの各相の誘起電圧を算出し、正弦関数発生器および余弦関数発生器によって、あらかじめ求められ、又は推定されて入力された前記モータの回転子位置に対応して、それぞれの正弦関数値と余弦関数値とを発生し、前記誘起起電圧推定演算装置から算出された前記各相の誘起起電圧のそれぞれと、前記正弦関数発生器及び余弦関数発生器のそれぞれから発生する正弦関数値と余弦関数値とをそれぞれ乗算し、これら算出された算出結果を演算して求められた回転子の推定演算結果と、前記制御部の指示電気角とから偏差を求め、該偏差が、ゼロより大きいか、または−πより小さいときに脱調と判定することにある。
さらに、本発明は、前記制御装置から前記モータ駆動装置に入力する前記電圧指令値は、速度指令を電気角演算装置により指令電気角にし、電流指令を前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とともに電流制御装置により正弦波状の電圧にし、前記指令電気角と前記正弦波状電圧とをともに電圧指令演算装置により出力される前記モータの各相の電圧指令値であることにある。
またさらに、本発明は、速度指令に基づき指示電気角を演算し、電流指令と電流検出器で検出される駆動電流から出力電圧を演算し、前記指示電気角と出力電圧から電圧指令値を、N相ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置に、出力する制御装置と、
前記電圧指令値および、前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とを入力し、前記モータの各相の誘起電圧を算出する誘起起電圧推定演算装置と、
あらかじめ求められ、又は推定されて入力された前記モータの回転子位置に対応して、それぞれの正弦関数値と余弦関数値とを発生する正弦関数発生器および余弦関数発生器と、
前記誘起起電圧推定演算装置から算出された前記各相の誘起起電圧から2相交流に変換するN相2相交流変換装置と、
前記N相2相交流変換装置によって変換された前記誘起起電圧のそれぞれと、前記正弦関数発生器及び余弦関数発生器のそれぞれから発生する正弦関数値と余弦関数値とをそれぞれ乗算する、前記モータの相数に対応する複数の乗算器と、
前記それぞれの乗算器からの出力の差を演算する減算器と、
前記減算器からの出力を増幅するための第1の増幅器と、
該第1の増幅器の出力を積分演算するための第1の積分器と、
該第1の積分器の出力をさらに積分するための第2の積分器と、
前記第1の積分器の出力を増幅するための第2の増幅器と、
前記第2の積分器の出力と前記第2の増幅器の出力とを加算する加算器と、
前記加算器からの算出電気角と、前記制御部の指示電気角とから、脱調検出する脱調検出装置を備え、
前記加算器からの算出電気角を、前記モータの回転子推定位置として、前記正弦関数発生器と前記余弦関数発生器の前記回転子位置に代えるようにそれぞれフィードバックして、繰り返し演算するとともに、この加算器からの算出電気角と、前記制御部の指示電気角との差が、ゼロより大きいか、または−πより小さいときに脱調と判定することにある。
また、本発明は、速度指令に基づき指示電気角を演算し、電流指令と電流検出器で検出される駆動電流から出力電圧を演算し、前記指示電気角と出力電圧から電圧指令値を、N相ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置に、出力する制御装置と、
前記電圧指令値および、前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とを入力し、2相交流に変換するN相2相交流変換装置と、
前記N相2相交流変換装置によって変換された電流、電圧から各相の誘起電圧を算出する誘起起電圧推定演算装置と、
あらかじめ求められ、又は推定されて入力された前記モータの回転子位置に対応して、それぞれの正弦関数値と余弦関数値とを発生する正弦関数発生器および余弦関数発生器と、
前記誘起起電圧推定演算装置によって演算された前記誘起起電圧のそれぞれと、前記正弦関数発生器及び余弦関数発生器のそれぞれから発生する正弦関数値と余弦関数値とをそれぞれ乗算する、前記モータの相数に対応する複数の乗算器と、
前記それぞれの乗算器からの出力の差を演算する減算器と、
前記減算器からの出力を増幅するための第1の増幅器と、
該第1の増幅器の出力を積分演算するための第1の積分器と、
該第1の積分器の出力をさらに積分するための第2の積分器と、
前記第1の積分器の出力を増幅するための第2の増幅器と、
前記第2の積分器の出力と前記第2の増幅器の出力とを加算する加算器と、
前記加算器からの算出電気角と、前記制御部の指示電気角とから、脱調検出する脱調検出装置を備え、
前記加算器からの算出電気角を、前記モータの回転子推定位置として、前記正弦関数発生器と前記余弦関数発生器の前記回転子位置に代えるようにそれぞれフィードバックして、繰り返し演算するとともに、この加算器からの算出電気角と、前記制御部の指示電気角との差が、ゼロより大きいか、または−πより小さいときに脱調と判定することにある。
さらに、本発明は、前記制御装置から前記モータ駆動装置に入力する前記電圧指令値は、速度指令を指示電気角に変換する電気角演算装置と、電流指令を、前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とともに正弦波状の電圧に変換する電流制御装置と、前記指示電気角と前記正弦波状電圧とともに前記モータの各相の電圧指令値を出力する電圧指令演算装置とを備えてなることにある。
ステッピングモータのマイクロステップ駆動に応用ができ、特別な専用モータを必要とせず、制御装置からの出力である各相出力電圧指示と各相の相電流を検出し、演算することができるという優れた効果を奏する。また、本発明によれば、フィルタの機能も持つため、検出ミスが少ない。さらに、特別な検出回路を必要せず、CPUで演算が可能である。またさらに、実機における実験により閾値を決める必要がない。
図1は、ステッピングモータの脱調検出装置を示す系統図である。
各相の印加電圧をV、電流をI、誘起起電圧をE、インピーダンスをZとおけば、N相ステッピングモータの電流電圧方程式は次式となる。
電圧は制御器からの電圧指示、電流は電流検出値、N相ステッピングモータのインピーダンスはあらかじめ測定しておいた値(各相のインダクタンス値と抵抗値)を用いれば、次式で表される。
求めた誘起起電圧の推定値を2相交流に変換する。
例えば、3相交流を2相交流に変換する変換行列cは次式となる。
誘起起電圧eα、eβを誘起させる、界磁のα、β相電気子巻線鎖交磁束数Φfα、Φfβは、その最大値をΦf‘とすると次式で表される。
(9)式から(10)式を引くと次式となる。
この計算を行う部分を減算器11とする。
すなわち、図1における減算器11の結果はθre−θestの計算を行ったこととなる。そこで、増幅器12の増幅率をA1、増幅器15の増幅率をA2、積分器13,14の伝達関数を1/sとおき、図1における誘起起電圧推定演算装置8以後の伝達関数を求めると次式となる。
ここで、求めた回転子推定結果θestはα相電気子巻線を基準として時計回りに取った誘起起電圧の電気角の推定結果である。従って、界磁位置は90°進んだ角度となる。
一般的に、ステッピングモータの駆動においては、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。
求めた回転子推定結果θestはα相電気子巻線を基準として時計回りに取った誘起起電圧の電気角の推定結果である。従って、界磁位置は90°進んだ角度であるから、指示電気角θと回転子推定結果θestを入力とし、その差がゼロより大きいか、−πより小さいかで判定を行うことで脱調現象を判定する。この判定を行っているのが脱調検出装置20である。
この場合、電圧指令演算装置5と電流検出器2には、N相2相変換装置19を先に接続し、N相2相変換装置19に誘起起電圧推定演算装置8を接続したものである。
すなわち、電圧指令値VNと電流iNをそれぞれN相2相変換装置19で2相交流に変換し、2相交流量に変換された電流電圧を誘起起電圧推定演算装置8で誘起起電圧eNを推定して、誘起起電圧eα、eβを求めることが出来る。
この方法を用いると、電圧と電流2つの検出値を2相交流に変換しなければならないため、演算量が増加する。
ステッピングモータのマイクロステップ駆動に応用ができ、特別な専用モータを必要とせず、制御装置からの出力である各相出力電圧指示と各相の相電流を検出し、演算することができるという優れた効果を奏する。また、本発明によれば、フィルタの機能も持つため、検出ミスが少ない。さらに、特別な検出回路を必要せず、CPUで演算が可能である。またさらに、実機における実験により閾値を決める必要がない。
2 電流検出器
3 モータドライバ(モータ駆動装置)
4 交流電源
5 電圧指令演算装置
6 電流制御装置
7 電気角演算装置
8 誘起電圧推定演算装置
9,10 乗算器
11 減算器
12 第1の増幅器
13 第1の積分器
14 第2の積分器
15 第2の増幅器
16 加算器
17 正弦(sin)関数発生器
18 余弦(cos)関数発生器
19 N相2相変換装置
20 脱調検出装置
eα、eβ 誘起起電圧
iα、iβ 駆動電流値
i* 電流指令
Vα、Vβ 電圧指令値
V* 正弦波状電圧
ω* rm 速度指令
θ 指示電気角
θest 回転子推定結果(電気角の推定結果)
Claims (6)
- ステッピングモータの脱調検出方法であって、速度指令に基づき指示電気角を演算し、電流指令と電流検出器で検出される駆動電流から出力電圧を演算し、前記指示電気角と出力電圧から電圧指令値を、N相ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置に、出力し、前記電圧指令値および、前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とを誘起起電圧推定演算装置に入力して、前記モータの各相の誘起電圧を算出し、正弦関数発生器および余弦関数発生器によって、あらかじめ求められ、又は推定されて入力された前記モータの回転子位置に対応して、それぞれの正弦関数値と余弦関数値とを発生し、前記誘起起電圧推定演算装置から算出された前記各相の誘起起電圧から2相交流に変換し、前記変換された前記誘起起電圧のそれぞれと、前記正弦関数発生器及び余弦関数発生器のそれぞれから発生する正弦関数値と余弦関数値とをそれぞれ乗算し、これら算出された算出結果を演算して求められた回転子の推定演算結果と、前記制御部の指示電気角とから偏差を求め、該偏差が、ゼロより大きいか、または−πより小さいときに脱調と判定することを特徴とするステッピングモータの脱調検出方法。
- ステッピングモータの脱調検出方法であって、速度指令に基づき指示電気角を演算し、電流指令と電流検出器で検出される駆動電流から出力電圧を演算し、前記指示電気角と出力電圧から電圧指令値を、N相ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置に、出力し、前記電圧指令値および、前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とを2相交流に変換し、前記変換された電流、電圧を誘起起電圧推定演算装置に入力して、前記モータの各相の誘起電圧を算出し、正弦関数発生器および余弦関数発生器によって、あらかじめ求められ、又は推定されて入力された前記モータの回転子位置に対応して、それぞれの正弦関数値と余弦関数値とを発生し、前記誘起起電圧推定演算装置から算出された前記各相の誘起起電圧のそれぞれと、前記正弦関数発生器及び余弦関数発生器のそれぞれから発生する正弦関数値と余弦関数値とをそれぞれ乗算し、これら算出された算出結果を演算して求められた回転子の推定演算結果と、前記制御部の指示電気角とから偏差を求め、該偏差が、ゼロより大きいか、または−πより小さいときに脱調と判定することを特徴とするステッピングモータの脱調検出方法。
- 前記制御装置から前記モータ駆動装置に入力する前記電圧指令値は、速度指令を電気角演算装置により指令電気角にし、電流指令を前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とともに電流制御装置により正弦波状の電圧にし、前記指令電気角と前記正弦波状電圧とをともに電圧指令演算装置により出力される前記モータの各相の電圧指令値であることを特徴とする請求項1または2に記載のステッピングモータの脱調検出方法。
- 速度指令に基づき指示電気角を演算し、電流指令と電流検出器で検出される駆動電流から出力電圧を演算し、前記指示電気角と出力電圧から電圧指令値を、N相ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置に、出力する制御装置と、
前記電圧指令値および、前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とを入力し、前記モータの各相の誘起電圧を算出する誘起起電圧推定演算装置と、
あらかじめ求められ、又は推定されて入力された前記モータの回転子位置に対応して、それぞれの正弦関数値と余弦関数値とを発生する正弦関数発生器および余弦関数発生器と、
前記誘起起電圧推定演算装置から算出された前記各相の誘起起電圧から2相交流に変換するN相2相交流変換装置と、
前記N相2相交流変換装置によって変換された前記誘起起電圧のそれぞれと、前記正弦関数発生器及び余弦関数発生器のそれぞれから発生する正弦関数値と余弦関数値とをそれぞれ乗算する、前記モータの相数に対応する複数の乗算器と、
前記それぞれの乗算器からの出力の差を演算する減算器と、
前記減算器からの出力を増幅するための第1の増幅器と、
該第1の増幅器の出力を積分演算するための第1の積分器と、
該第1の積分器の出力をさらに積分するための第2の積分器と、
前記第1の積分器の出力を増幅するための第2の増幅器と、
前記第2の積分器の出力と前記第2の増幅器の出力とを加算する加算器と、
前記加算器からの算出電気角と、前記制御部の指示電気角とから、脱調検出する脱調検出装置を備え、
前記加算器からの算出電気角を、前記モータの回転子推定位置として、前記正弦関数発生器と前記余弦関数発生器の前記回転子位置に代えるようにそれぞれフィードバックして、繰り返し演算するとともに、この加算器からの算出電気角と、前記制御部の指示電気角との差が、ゼロより大きいか、または−πより小さいときに脱調と判定することを特徴とするステッピングモータの脱調検出装置。 - 速度指令に基づき指示電気角を演算し、電流指令と電流検出器で検出される駆動電流から出力電圧を演算し、前記指示電気角と出力電圧から電圧指令値を、N相ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置に、出力する制御装置と、
前記電圧指令値および、前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とを入力し、2相交流に変換するN相2相交流変換装置と、
前記N相2相交流変換装置によって変換された電流、電圧から各相の誘起電圧を算出する誘起起電圧推定演算装置と、
あらかじめ求められ、又は推定されて入力された前記モータの回転子位置に対応して、それぞれの正弦関数値と余弦関数値とを発生する正弦関数発生器および余弦関数発生器と、
前記誘起起電圧推定演算装置によって演算された前記誘起起電圧のそれぞれと、前記正弦関数発生器及び余弦関数発生器のそれぞれから発生する正弦関数値と余弦関数値とをそれぞれ乗算する、前記モータの相数に対応する複数の乗算器と、
前記それぞれの乗算器からの出力の差を演算する減算器と、
前記減算器からの出力を増幅するための第1の増幅器と、
該第1の増幅器の出力を積分演算するための第1の積分器と、
該第1の積分器の出力をさらに積分するための第2の積分器と、
前記第1の積分器の出力を増幅するための第2の増幅器と、
前記第2の積分器の出力と前記第2の増幅器の出力とを加算する加算器と、
前記加算器からの算出電気角と、前記制御部の指示電気角とから、脱調検出する脱調検出装置を備え、
前記加算器からの算出電気角を、前記モータの回転子推定位置として、前記正弦関数発生器と前記余弦関数発生器の前記回転子位置に代えるようにそれぞれフィードバックして、繰り返し演算するとともに、この加算器からの算出電気角と、前記制御部の指示電気角との差が、ゼロより大きいか、または−πより小さいときに脱調と判定することを特徴とするステッピングモータの脱調検出装置。 - 前記制御装置から前記モータ駆動装置に入力する前記電圧指令値は、速度指令を指示電気角に変換する電気角演算装置と、電流指令を、前記電流検出器で検出される前記駆動電流の値とともに正弦波状の電圧に変換する電流制御装置と、前記指示電気角と前記正弦波状電圧とともに前記モータの各相の電圧指令値を出力する電圧指令演算装置とを備えてなる請求項4または5に記載のステッピングモータの脱調検出装置。
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