JP4713973B2 - ステッピングモータの駆動方法および駆動装置 - Google Patents

Description

本発明はステッピングモータの高効率運転を行うステッピングモータの駆動方法および駆動装置に関する。

従来、この種のステッピングモータの駆動方法としては、次のような方法が知られている。
自励チョッパ方式とパルス幅変調を切り替えて電流を制御する方法（特許文献１）。
非励磁相の誘起起電圧を検出し、この大きさで電流を制御する方法（特許文献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４）。
励磁位置に対するロータ位置の位相差で回転速度を制御する方法（特許文献５）。
特許第２６１３８７２号公報 特開平第８−１９２９５号公報 特許第３１５８０９３号公報 特開２０００−２３６６９６号公報 特開平第１０−１４６０９５号公報

しかしながら、それぞれの方法には次のような課題があった。
特許文献１の方法では、自励チョッパ方式とパルス幅変調を切り替えて電流を制御するので、負荷に応じて、電力を制御できない。
特許文献２の方法では、非励磁相の誘起起電圧を検出し、この大きさで電流を制御するので、マイクロステップに応用できない。
特許文献３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である。
特許文献４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。
特許文献５の方法では、励磁位置に対するロータ位置の位相差で回転速度を制御するので、ロータ位置を検出するための検出器が必要である。

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、制御器出力である各相出力電圧指示と各相の相電流を検出して演算し、モータに流れる電流を負荷に応じて増減することにより、発熱を低減して、高効率運転を行うことができるステッピングモータの駆動方法および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の駆動方法であって、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、前記指示電気角とから負荷角を推定し、この推定結果から負荷に見合う電流指令を演算し、該電流指令に基づき上記出力電圧を演算することにある。
また、本発明は、ステッピングモータの駆動方法であって、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起電圧を算出し、前記各相の誘起起電圧を２相交流に変換するとともに、逆正接関数によって得られる位置情報から推定電気角を推定し、該推定電気角と前記指示電気角とから負荷角を推定し、この推定結果から負荷に見合う電流指令を演算し、該電流指令に基づき上記出力電圧を演算することにある。
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とともに、これら演算結果から電気角を算出する演算部と、
前記演算部からの算出電気角と前記制御部の指示電気角とから、負荷角を推定する手段と、
前記負荷角の推定結果から負荷に見合う電流指令を演算する電流指令演算装置を備え、
前記負荷角を推定する手段の推定結果から前記電流指令演算装置によって負荷に見合う電流指令を電流制御装置に出力することにある。
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、
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から位置情報を推定する逆正接関数の回路と、
前記逆正接関数の回路からの算出電気角と前記制御部の指示電気角とから、負荷角を推定する手段と、
前記負荷角の推定結果から負荷に見合う電流指令を演算する電流指令演算装置を備え、
前記負荷角を推定する手段の推定結果から前記電流指令演算装置によって負荷に見合う電流指令を電流制御装置に出力することにある。

本発明は、以下の効果を奏する。
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、制御器出力である各相出力電圧指示と各相の相電流を検出して演算し、モータに流れる電流を負荷に応じて増減することにより、発熱を低減して、高効率運転を行うことができる。

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は高効率運転を行うステッピングモータの駆動装置を示す系統図である。

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（モータ駆動装置）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６に接続されている。この電流制御装置６には、電流指令i^*が入力され、この電流指令i^*と電流検出器２で検出したN相交流電流i_Nを入力として正弦波状の出力電圧V^*を決定する。一方、速度指令ω_rm ^*を入力とする電気角演算装置７により指示電気角θを決定する。電気角演算装置７と電流制御装置６は、電圧指令演算装置５に接続され、この電圧指令演算装置５は、出力電圧V^*と指示電気角θを入力とし、Ｎ相電圧指令値V_Nを決定し、Ｎ相ステッピングモータ１は正弦波状の振幅の一定な電流で駆動されているものとする。

前記電圧指令演算装置５と電流検出器２には、誘起起電圧推定演算装置８が接続され、この誘起起電圧推定演算装置８は、電圧指令値V_Nと電流i_Nから各相の誘起起電圧e_Nを推定する。この誘起起電圧推定演算装置８には、Ｎ相２相変換装置２０が接続され、その結果を２相交流に変換して誘起起電圧eα、eβを求める。

１８はｃｏｓ関数発生器、１９はｓｉｎ関数発生器である。ｓｉｎ関数発生器１９は、あらかじめ求めておいた回転子位置推定結果θ_estを入力とするもので、ｓｉｎ関数発生器１９で、ｓｉｎθ_estを計算する。９は、ｓｉｎ関数発生器１９とＮ相２相変換装置２０の結果が入力される乗算器で、１０は、ｃｏｓ関数発生器１８とＮ相２相変換装置２０の結果が入力される乗算器である。
ｓｉｎθ_estの計算結果と推定した２相交流誘起起電圧の１相分eβを入力とする乗算器９で乗算を行う。
同じように、ｃｏｓ関数発生器１８は、あらかじめ求めておいた回転子位置推定結果θ_estを入力とするもので、ｃｏｓ関数発生器１８でｓｉｎθ_estを計算する。ｓｉｎθ_estの計算結果と推定した２相交流誘起起電圧の１相分eβを入力とする乗算器１０で乗算を行う。

これら乗算器９，１０は、減算器１１に接続され、この減算器１１は、乗算器９，１０で求めた、ｓｉｎθ_estとｃｏｓθ_estの値を入力として、eα×ｃｏｓθ_est −eβ×ｓｉｎθ_estを求める。減算器１１には、第１の増幅器１２が接続され、減算器１１で求められたeα×ｃｏｓθ_est −eβ×ｓｉｎθ_estを第１の増幅器１２に入力して増幅する。
第１の増幅器１２には、第１の積分器１３が接続され、この第１の積分器１３は、第１の増幅器１２で増幅した値を入力して積分を行う。第１の積分器１３には、第２の積分器１４が接続され、第２の積分器１４には、第２の増幅器１５が並列接続されている。第１の積分器１３で積分した結果は、第２の積分器１４および第２の増幅器１５に入力され、第２の積分器１４で積分、第２の増幅器１５で増幅を行う。第２の積分器１４および第２の増幅器１５は、加算器１６に接続され、加算器１６は第２の積分器１４の積分結果と第２の増幅器１５の増幅結果が入力され、加算器１６で積分結果と増幅結果の加算を行う。
この場合、前記減算器１１、第１、第２の増幅器１２、１５、第１、第２の積分器１３、１４、および加算器１６とで演算部を構成する。
加算器１６の結果はｓｉｎ関数発生器１９とｃｏｓ関数発生器１８にそれぞれフィードバックされ、前記動作を繰り返すことにより回転子位置θ_estを推定する。
本発明では、上述のごとく、回転子位置を推定する方式のため、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。
また、検出巻線等を使わないので、特別な検出回路を必要とせず、ＣＰＵで演算が可能である。

加算器１６は、電気角演算装置７に接続された減算器１７に接続されており、電気角演算装置７からの指示電気角θと加算器１６からの回転子位置θ_estが減算器１７に入力されて減算を行う。減算器１７には、加算器２１が接続され、減算器１７の入力信号にπ/２を加算し、負荷角θ-θ_reを推定する。電流指令演算装置２２では減算器１７の推定結果から負荷に見合う電流指令を算出し、電流指令エミッタ２３を介して電流制御演算装置６に電流指令i^*が送られる。このように、減算器１７の減算結果を入力とする電流指令演算装置２２で負荷に見合った電流指令を演算、電流指令を入力とする電流制御演算装置６で所望の電流に電流を制御するものである。

次に、上記の実施の形態の作用を説明する。
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。

ここで、Ｖ、Ｉ、ＥはＮ列の行列、ＺはＮ行Ｎ列の行列である。
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。

この計算を行う部分を誘起起電圧推定演算装置８とする。
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。

対象となるモータが３相であった場合は上式を用いる。相数により変換行列を変更する。誘起起電圧推定演算装置８で求めたＮ相の誘起起電圧推定結果を上記の変換行列で２相交流に変換する装置をＮ相２相変換装置２０と呼ぶ。Ｎ相２相変換装置２０で２相交流の誘起起電圧の瞬時値を求めることが出来る。

次に、推定した誘起起電圧情報から誘起起電圧の位置情報を得る方法を説明する。
eα、eβを誘起させる、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界磁の角度（電気角）であり、ω_reを電気角速度とすると次式で表される。

このときの各相の誘起起電圧eα、eβは次式となる。

回転子の推定位置演算結果θ_estのｓｉｎ、ｃｏｓの値を求め、それぞれの値と誘起起電圧eα、eβを乗算すると次式となる。

この計算を行う部分をｓｉｎ関数発生器１９、ｃｏｓ関数発生器１８、乗算器９、１０とする。
（９）式から（１０）式を引くと次式となる。

ここで、θ_est とθ_re が近い値であれば、次式の関係が成り立つ。

（１２）式を（１１）に代入すると次式となる。

すなわち、（１３）式は推定結果と実測値の偏差に比例した値となることが分かる。
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θ_re−θ_est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１３の増幅率をＡ２、積分器１２，１４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。

（１６）式は回転子の推定結果θ_estと実位置θ_reは、時間∞で一致するトラッキングフィルタとなっていることを示している。
また、推定結果を所望のダンピングファクタや固有振動数の応答で求めようとするために、増幅器１２の増幅率Ａ１、増幅器１３の増幅率Ａ２を設定することができる。
ここで、求めた回転子推定結果θ_est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。

次にステッピングモータの発生トルクを説明する。
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。

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。

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。

つぎに高効率運転方法を説明する。
（１９）式において、電流を一定とすると、励磁する電気角θとロータ位置θ_reとの差は負荷に比例し、θ−θ_reがπ/2で正方向の最大値、−π/2で負方向の最大値となる。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。
したがって、励磁する電気角θとロータ位置θ_reとの差により電流値を制御することでステッピングモータの効率のよい運転が実現できる。
求めた回転子推定結果θ_est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、励磁する電気角θと推定電気角θ_estとの差を減算器１７でとり、その結果にπ/２を加算器２１で加算し、負荷角θ-θ_reを推定する。推定結果から負荷に見合う電流指令を電流指令演算装置２２で演算し、電流指令を算出することで、ステッピングモータ１の高効率運転を実現する。しかしながら、ステッピングモータ１に流れる電流がゼロとなってしまうと、電圧指令値Ｖ_Nと電流ｉ_Nから回転子の推定結果θ_estを推定することができなくなるため、電流指令リミッタ２３により定められた電流以上の電流を流すように運転する。
本発明においては、負荷角検出のために励磁切り替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。
回転子位置を推定する方式のため、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とせず、ＣＰＵで演算が可能である。

図２および図３は、本発明の他の実施の形態を示したもので、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。
図２の装置では、図１の装置の電流指令リミッタ２３に速度指示を入力したもので、この場合、指示回転数に見合ったトルクマージンを確保することができる。

図３の装置では、Ｎ相２相変換装置２０によって２相交流に変換して求められた誘起起電圧eα、eβを、逆正接関数２４に入力し、フィルタ２５を介して回転子推定結果θ_estを減算器１７に送る。このように、トラッキングフィルタを使わないで逆正接関数を用いても位置情報を推定できる。
しかし、誘起起電圧の推定演算に微分演算を行うため、推定結果にノイズを多く含むために電流指令演算に間違いが生ずる可能性が高くなる。そこで、この場合、位置推定結果にフィルタ２５を入れる必要がある。

以上のように、本発明の実施形態によれば、以下の効果が得られる。
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、制御器出力である各相出力電圧指示と各相の相電流を検出して演算し、モータに流れる電流を負荷に応じて増減することにより、発熱を低減して、高効率運転を行うことができる。

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。

本発明の実施の形態によるステッピングモータの駆動装置を示すシステム構成図である。 本発明の他の実施の形態によるステッピングモータの駆動装置を示すシステム構成図である。 本発明の他の実施の形態によるステッピングモータの駆動装置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 モータドライバ
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 減算器
１８ ｃｏｓ関数発生器
１９ ｓｉｎ関数発生器
２０ Ｎ相２相変換装置
２１ 加算器
２２ 電流指令演算装置
２３ 電流指令エミッタ
２４ 逆正接関数
２５ フィルタ

Claims (4)

1. ステッピングモータの駆動方法であって、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、前記指示電気角とから負荷角を推定し、この推定結果から負荷に見合う電流指令を演算し、該電流指令に基づき上記出力電圧を演算することを特徴とするステッピングモータの駆動方法。
2. ステッピングモータの駆動方法であって、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起電圧を算出し、前記各相の誘起起電圧を２相交流に変換するとともに、逆正接関数によって得られる位置情報から推定電気角を推定し、該推定電気角と前記指示電気角とから負荷角を推定し、この推定結果から負荷に見合う電流指令を演算し、該電流指令に基づき上記出力電圧を演算することを特徴とするステッピングモータの駆動方法。
3. 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とともに、これら演算結果から電気角を算出する演算部と、
   前記演算部からの算出電気角と前記制御部の指示電気角とから、負荷角を推定する手段と、
   前記負荷角の推定結果から負荷に見合う電流指令を演算する電流指令演算装置を備え、
   前記負荷角を推定する手段の推定結果から前記電流指令演算装置によって負荷に見合う電流指令を電流制御装置に出力することを特徴とするステッピングモータの駆動装置。
4. 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、
   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から位置情報を推定する逆正接関数の回路と、
   前記逆正接関数の回路からの算出電気角と前記制御部の指示電気角とから、負荷角を推定する手段と、
   前記負荷角の推定結果から負荷に見合う電流指令を演算する電流指令演算装置を備え、
   前記負荷角を推定する手段の推定結果から前記電流指令演算装置によって負荷に見合う電流指令を電流制御装置に出力することを特徴とするステッピングモータの駆動装置。

Images