JP4745838B2 - Control method and apparatus for electric actuator - Google Patents
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Description
本発明は、エンコーダを付設したステッピングモータをPWM(パルス幅変調)方式のパワードライブ部で駆動して、アクチュエータを作動させる電動アクチュエータの制御方法及び制御方法に関する。 The present invention relates to a control method and a control method for an electric actuator in which a stepping motor provided with an encoder is driven by a PWM (pulse width modulation) type power drive unit to operate the actuator.
電動アクチュエータは、一般にACサーボモータ又はステッピングモータを制御してメカ本体を駆動する。ACサーボモータ駆動は、閉ループベクトル電流制御が一般であるが、停止時の微小振動、速度−負荷変動による電流変化が大きいという欠点である。 The electric actuator generally controls an AC servo motor or a stepping motor to drive the mechanical body. The AC servo motor drive is generally closed-loop vector current control, but has the disadvantage that current variation due to minute vibrations at the time of stoppage and speed-load fluctuation is large.
そこで、モータコイルのインダクタンスを極力小さくするため、巻き線を太くする方法があるが、投入電力が大きくなり、ACサーボモータの欠点でもある電流の変化大により装置の温度余裕率や装置外部の電源系の潮流が乱れなどの問題が懸念される。 In order to minimize the inductance of the motor coil as much as possible, there is a method of making the windings thicker. However, the input power increases and the current variation, which is also a drawback of the AC servo motor, causes the temperature margin of the device and the power supply outside the device. There are concerns about problems such as turbulence in the system.
これに比べて、ステッピングモータは構造的に極数が多いので、開ループ制御で停止制度が高く、マイクロステップでは更に停止位置の分解能を高めることができる。ステッピングモータの開ループ制御を行っている従来例として、特許文献1(特開2004−320847号公報)や特許文献2(特許第3503893号公報)などがある。 Compared to this, since the stepping motor has a large number of poles in structure, the stop system is high by the open loop control, and the resolution of the stop position can be further increased in the microstep. Conventional examples of performing open loop control of a stepping motor include Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-320847) and Patent Document 2 (Japanese Patent No. 3503893).
しかし、反面、長所である多極数により、例えば50の歯数であると、1回転あたりの励磁周波数がACサーボモータの10倍程度高くなり、高速ではモータ指令電流とモータ相電流波形がまったく異なった波形となり、脱調をきたす。 However, due to the advantage of the number of multipoles, for example, if the number of teeth is 50, the excitation frequency per rotation is about 10 times higher than that of the AC servo motor, and the motor command current and the motor phase current waveform are completely different at high speed. It becomes a different waveform and causes step-out.
これを図によって解説すると、図1はステッピングモータのコイルを励磁する励磁電流波形と、発生するトルクτの関係を示す波形図で、相電流はA相がsin波形、B相がcos波形で出力され、それらのベクトル位相角、つまりベクトル合成が励磁角θrで、sin90°で励磁角はθr=0である。正常時には、励磁角θrは、ステッピングモータのロータ軸の角度であるロータ角θmより90°進んでおり、励磁角θrとロータ角θmの差であるすべり角θが一定であると、トルクτは一定値となる。
This can be explained with reference to the figure. FIG. 1 is a waveform diagram showing the relationship between the excitation current waveform for exciting the coil of the stepping motor and the generated torque τ. The phase current is output as a sin waveform for the A phase and a cosine waveform for the B phase. The vector phase angle, that is, the vector synthesis is the excitation angle θr, and the excitation angle is θr = 0 at
低速域ではこのような関係が成立するが、しかし、中速域以上(中高速域)では、モータの逆起電力の増大により、PWMデューティ比が飽和するため、電流が歪み、低速域と同じような指令値で制御すると、電流が希望通りに流れず、必要トルクが得られなくなり、その結果、中高速域まで速度を上げることができなくなる。 Such a relationship is established in the low speed range. However, in the middle speed range or higher (middle high speed range), the PWM duty ratio is saturated due to the increase of the back electromotive force of the motor, so that the current is distorted and the same as the low speed range. When the control is performed with such a command value, the current does not flow as desired, and the necessary torque cannot be obtained, and as a result, the speed cannot be increased to the middle / high speed range.
図2は、速度12rpsの場合の指令電圧VA(矩形波)と、A相及びB相の相電流IA、IBの実測波形で、(A)はすべり角θがπ/2、つまり90°の場合、(B)は(3/2)π、つまり135°の場合で、指令電圧VAに対する相電流IA、IBの歪みが顕著である。 FIG. 2 is a measured waveform of the command voltage VA (rectangular wave) at a speed of 12 rps and phase currents IA and IB of the A phase and the B phase. (A) is a slip angle θ of π / 2, that is, 90 °. In this case, (B) is (3/2) π, that is, 135 °, and the distortion of the phase currents IA and IB with respect to the command voltage VA is remarkable.
そこで、非特許文献1(平成14年電気学会産業応用部門大会講演集第131〜134頁『高速領域におけるHB形ステッピングモータの開ループ制御』には、低速、中速、高速域にわけた進み制御が提案されているが、しかし、電動アクチュエータはメカ本体の力、加速度、速度、位置の組み合わせパターンを効率的に制御することが目的であり、ステッピングモータで複雑な処理が必要になると、それを制御するコントローラの複雑化・大型化及びコストアップが伴う。
本発明の課題は、ステッピングモータを用いた電動アクチュエータにおいて、電動アクチュエータのメカ本体の安定的な制御を経済的に実現するため、簡単な回路構成及び簡単なアルゴリズムで、ステッピングモータを低速域と中高速域に分けて支障なく簡単に安定制御できるようにすることにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electric actuator using a stepping motor with a simple circuit configuration and a simple algorithm so that the stable control of the mechanical body of the electric actuator is economically realized. The purpose is to make it possible to perform stable control easily and without difficulty in dividing into high-speed regions.
本発明による電動アクチュエータの制御方法は、エンコーダを付設したステッピングモータをパルス幅変調方式のパワードライブ部で駆動して、アクチュエータを作動させる電動アクチュエータにおいて、パワードライブ部におけるパルス幅変調のデューティ比が100%であるか否かを1励磁周期で判断して、ステッピングモータの速度を中高速域と低速域とに判別するとともに、ステッピングモータのA・B2相の相電流のベクトル位相角θiと前記エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求め、低速域では、このすべり角θが30°以下のときは相電流を定格の所定割合以下で数段階に変化させ、30°から90°の間は定格のまま数段階に変化させ、90°以上のときは定格の所定割合以上で数段階に変化させ、中高速域では、パワードライブ部に対して、すべり角θが90°になるまでは、2相の相電流を決定する励磁角を進み制御することを特徴とする。 In the electric actuator control method according to the present invention, the stepping motor provided with the encoder is driven by the pulse width modulation type power drive unit to operate the actuator, and the duty ratio of the pulse width modulation in the power drive unit is 100. Is determined in one excitation cycle, and the speed of the stepping motor is discriminated between the medium and high speed range and the low speed range, and the vector phase angle θi of the phase current of the A / B2 phase of the stepping motor and the encoder The slip angle θ, which is the phase difference from the rotor shaft phase angle θm obtained from the above, is obtained, and in the low speed range, when this slip angle θ is 30 ° or less, the phase current is changed in several steps at a rated ratio or less. , Change between 30 ° and 90 ° in several steps with the rated value, and when it is 90 ° or more, change it into several steps at a predetermined ratio or more of the rated value. In the middle and high speed range, the excitation angle for determining the two-phase phase current is advanced and controlled with respect to the power drive unit until the slip angle θ reaches 90 °.
低速域では、ステッピングモータに対する電流指令のカウント値からA・B2相の相電流のベクトル位相角θiを換算して、ロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求める。
一方、中高速域では、ステッピングモータのA・B2相の相電流を検出し、そのベクトル位相角θiが45°、135°、225°、315°のときに、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求める。
In the low speed range, the vector phase angle θi of the phase currents of the A and B phases is converted from the count value of the current command for the stepping motor, and the slip angle θ, which is the phase difference from the rotor shaft phase angle θm, is obtained.
On the other hand, in the medium / high speed range, the phase currents of the A and B phases of the stepping motor are detected, and when the vector phase angle θi is 45 °, 135 °, 225 °, 315 °, the phase of the rotor shaft obtained from the encoder A slip angle θ, which is a phase difference from the angle θm, is obtained.
ベクトル位相角θiである45°、135°、225°、315°は、検出した2相の相電流が同じになったときの極性から、論理演算により簡単に判断できる。 The vector phase angle θi of 45 °, 135 °, 225 °, and 315 ° can be easily determined by logical operation based on the polarity when the detected two-phase phase currents are the same.
低速域において相電流を数段階に変えるとき、すべり角θが30°以下のときは相電流を定格の1/2以下で数段階に変化させ、30°から90°の間は定格のまま数段階に変化させ、90°以上のときは定格の2倍で数段階に変化させる。
低速域において相電流を数段階に変えるときは、予め演算して求めて記憶されているテーブルの数値を参照する。
低速域においてすべり角θが90°以上のときに、定格が最大定格である場合には、パワードライブ部に対して指令する角速度ωの指令値を減少させる。
低速域において相電流を変える段階は2〜5段階程度でよい。
When changing the phase current in several steps in the low speed range, if the slip angle θ is 30 ° or less, the phase current is changed in several steps at less than 1/2 of the rating, and the rating is a number between 30 ° and 90 °. Change it in steps, and if it is 90 ° or more, change it in several steps at twice the rating.
When changing the phase current to several stages in the low speed region, the numerical values in the table calculated and stored in advance are referred to.
When the slip angle θ is 90 ° or more in the low speed range and the rating is the maximum rating, the command value of the angular velocity ω commanded to the power drive unit is decreased.
The step of changing the phase current in the low speed range may be about 2 to 5 steps.
本発明による電動アクチュエータの制御装置は、パワードライブ部におけるパルス幅変調のデューティ比が100%であるか否かを1励磁周期で判断して、ステッピングモータの速度を中高速域と低速域とに判別する低速域/中高速域判別手段と、ステッピングモータのA・B2相の相電流のベクトル位相角θiを求める位相角演算手段と、その位相角θiと、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求めるすべり角演算手段と、低速域では、すべり角θが30°以下のときは相電流を定格の所定割合以下で数段階に変化させ、30°から90°の間は定格のまま数段階に変化させ、90°以上のときは定格の所定割合以上で数段階に変化させるように、パワードライブ部を制御し、中高速域では、パワードライブ部に対して、すべり角θが90°になるまでは、2相の相電流を決定する励磁角を進み制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。 The control device for the electric actuator according to the present invention determines whether the duty ratio of the pulse width modulation in the power drive unit is 100% or not in one excitation cycle, and sets the speed of the stepping motor to the medium high speed range and the low speed range. Low-speed / medium / high-speed range discriminating means for discriminating, phase angle calculating means for obtaining the vector phase angle θi of the phase currents of the A and B phases of the stepping motor, the phase angle θi, and the phase angle of the rotor shaft obtained from the encoder a slip angle calculating means for obtaining a slip angle θ which is a phase difference with θm, and in a low speed range, when the slip angle θ is 30 ° or less, the phase current is changed in several steps at a predetermined ratio or less of the rated value, and from 30 ° The power drive unit is controlled so that it is changed in several steps while maintaining the rating during 90 °, and is changed in several steps at a predetermined ratio or more of the rating when it is 90 ° or more. Relative blanking unit, until the slip angle θ is 90 °, characterized in that a control means for controlling the flow proceeds excitation angle which determines the phase currents of two phases.
本発明は、ステッピングモータの速度を、パルス幅変調のデューティ比が100%であるか否かにより中高速域と低速域とに分けて判別し、電流歪みが生じない低速域では、すべり角θが30°以下であるか、30°から90°の間であるか、90°以上であるかにより、相電流を定格の所定割合以下とするか、定格のままとするか、定格の所定割合以上とするかの切り替えを行い、そのいずれの場合にも相電流を数段階に変化させるので、低速域で生じがちな振動をパワードライブ部自身で抑制してスムーズな減速・加速を行える。
一方、電流歪みが生じる中高速域では、すべり角θが90°になるまで、2相の相電流を決定する励磁角を強制的に進み制御するので、必要トルクを確保しながら中高速域での速度上昇を支障なく行える。
The present invention discriminates the speed of the stepping motor into a medium-high speed range and a low-speed range depending on whether the duty ratio of the pulse width modulation is 100%, and in the low speed range where no current distortion occurs, the slip angle θ Depending on whether the current is 30 ° or less, between 30 ° and 90 °, or 90 ° or more, the phase current is set to a predetermined ratio or less of the rated value, or remains at the rated value, or a predetermined ratio of the rated value. In either case, the phase current is changed in several stages, so that the vibration that tends to occur in the low speed range can be suppressed by the power drive unit itself, and smooth deceleration / acceleration can be performed.
On the other hand, in the medium / high speed region where current distortion occurs, the excitation angle that determines the two-phase current is forcibly advanced and controlled until the slip angle θ reaches 90 °. Speed up without any hindrance.
すべり角θを求める場合、低速域では、ステッピングモータに対する電流指令のカウント値からA・B2相の相電流のベクトル位相角θiを換算して、ロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求め、中高速域では、ステッピングモータのA・B2相の相電流を検出し、そのベクトル位相角θiが45°、135°、225°、315°のときに、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求めると、低速域、中高速域のいずれの場合も、特別な数式演算を行うことなく、比較と論理と言った単純なアルゴリズム(ハードウェア処理で行う場合には単純な比較回路、単純な論理回路)ですべり角θを求めることができる。 When calculating the slip angle θ, in the low speed range, the vector phase angle θi of the phase currents of the A and B phases is converted from the count value of the current command for the stepping motor, and the slip is the phase difference from the rotor shaft phase angle θm. The angle θ is obtained, and in the middle and high speed range, the phase currents of the A and B phases of the stepping motor are detected, and the rotor obtained from the encoder when the vector phase angle θi is 45 °, 135 °, 225 °, 315 ° When the slip angle θ, which is the phase difference from the axis phase angle θm, is obtained, a simple algorithm (hardware and comparison) is used in both the low speed range and the medium / high speed range without performing special mathematical calculations. In the case of hardware processing, the slip angle θ can be obtained with a simple comparison circuit or simple logic circuit.
低速域において相電流を数段階に変えるとき、すべり角θが30°以下のとき(θ<30°)は相電流を定格の1/2以下で数段階に変化させ、30°から90°の間(30°≦θ≦90°)は定格のまま数段階に変化させ、90°以上(θ>90°)のときは定格の2倍で数段階に変化させたり、更に、その数段階に変化させるときの値を、予め演算して求めて記憶されているテーブルの数値を参照して決定すれば、パワードライブ部に対する制御を単純化できる。 When the phase current is changed in several steps in the low speed region, when the slip angle θ is 30 ° or less (θ <30 °), the phase current is changed in several steps at less than 1/2 of the rating, and the phase current is changed from 30 ° to 90 °. The interval (30 ° ≦ θ ≦ 90 °) is changed in several stages with the rating, and when it is 90 ° or more (θ> 90 °), it is changed in several steps at twice the rating. Control of the power drive unit can be simplified by determining values to be changed with reference to numerical values stored in a table obtained by calculation in advance.
低速域においてすべり角θが90°以上のときに、定格が最大定格である場合には、パワードライブ部に対して指令する角速度ωの指令値を減少させることにより、速やかに変速できる。 If the rating is the maximum rating when the slip angle θ is 90 ° or more in the low speed range, the speed can be changed quickly by decreasing the command value of the angular velocity ω commanded to the power drive unit.
図を参照して本発明の作用・効果を説明すると、図3は2相ステッピングモータのA相・B相の指令電圧と、磁化方向のロータ角(軸角度)の関係を極座標系で示し、低速域ではこの図のようになる。A相・B相の相電流をa軸・b軸、ロータ軸をd軸とすると、A相・B相の相電流の合成ベクトルがベクトル位相角θi、a軸に対するロータ軸の角度が位相角θmとなり、q軸成分がトルクτとなる。そして、ベクトル位相角θiとロータ軸の位相角θmとの位相差がすべり角θ(θ=θi−θm)となる。 The operation and effect of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 shows the relationship between the A-phase and B-phase command voltages of the two-phase stepping motor and the rotor angle (axis angle) in the magnetization direction in a polar coordinate system. In the low speed range, it looks like this figure. Assuming that the A-phase and B-phase currents are the a-axis and b-axis, and the rotor shaft is the d-axis, the combined vector of the phase currents of the A-phase and B-phase is the vector phase angle θi, and the rotor shaft angle with respect to the a-axis is the phase angle θm, and the q-axis component becomes the torque τ. The phase difference between the vector phase angle θi and the rotor shaft phase angle θm is the slip angle θ (θ = θi−θm).
このすべり角θとトルクτの関係を波形にすると図4のように示すことができる。パルス幅変調方式のパワードライブ部に対して、cw(時計方向への回転)、ccw(反時計方向への回転)のクロック信号が与えられると、パワードライブ部は、A相・B相が定格のベクトル位相角θiとなるように、パルス幅変調にて相電流を流す。 If the relationship between the slip angle θ and the torque τ is a waveform, it can be shown in FIG. When a clock signal of cw (clockwise rotation) or ccw (counterclockwise rotation) is given to the pulse width modulation type power drive unit, the power drive unit is rated for A phase and B phase. The phase current is made to flow by pulse width modulation so that the vector phase angle θi becomes.
ステッピングモータは、モータトルクτ=外部負荷トルクτLとなるようなすべり角θで駆動するので、図4において、定格トルクを実線のsin波形で示すと、外部負荷トルクτLが低負荷となると、トルクがa点から0になる方向に移行するので、低速での振動が顕著になる。例えば、負荷が定格トルク1.0であればa点であるが、0.5だとb点となる。ここで、b点ではすべり角は30°であるから、破線のsin波形となるように、A・B2相の相電流を決定するモータへの指令電圧を定格の1/2とすることにより。低速時の振動をパワードライブ部自身で抑制することができる。また、30°から90°の間(30°≦θ≦90°)は定格のままとし、90°以上のとき(θ>90°)は逆に定格の2倍とすれば、必要トルクを確実に確保しながら低速域での減速・加速をスムーズに行える。 Since the stepping motor is driven at a slip angle θ such that the motor torque τ = external load torque τL, when the rated torque is indicated by a solid sin waveform in FIG. 4, when the external load torque τL becomes a low load, the torque Shift from the point a to 0, so that vibration at low speed becomes remarkable. For example, if the load is rated torque 1.0, it is point a, but if it is 0.5, point b. Here, since the slip angle at point b is 30 °, the command voltage to the motor for determining the phase currents of the A and B phases is set to ½ of the rating so as to obtain a sine waveform with a broken line. Vibration at low speed can be suppressed by the power drive unit itself. Also, the rated torque is maintained between 30 ° and 90 ° (30 ° ≦ θ ≦ 90 °), and when it is 90 ° or more (θ> 90 °), the required torque can be ensured by double the rating. It is possible to smoothly decelerate and accelerate in the low speed range while ensuring high speed.
低速域では、このように、ベクトル位相角θiとロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θにより発生トルクが決まる。ベクトル位相角θiは、ステッピングモータに対する電流指令のカウント値から換算でき、ロータ軸の位相角θmは、エンコーダからの信号にて角度をカウントすることにより検出できる。 In the low speed range, the generated torque is thus determined by the slip angle θ which is the phase difference between the vector phase angle θi and the rotor shaft phase angle θm. The vector phase angle θi can be converted from the count value of the current command for the stepping motor, and the rotor shaft phase angle θm can be detected by counting the angle with a signal from the encoder.
しかし、中速域以上では、上述のようにPWMデューティ比が飽和して電流が歪み、必要トルクが得られなくなる。
そこで、PWMデューティ比が飽和、つまり100%になったか否かで、中高速域と低速域とを判別する。中高速域では、すべり角θを低速域と同様に求めることができないので、ステッピングモータのA・B2相の相電流IA・IBを検出して、ベクトル位相角θiを求めるが、それを全ての角度について数式演算してすべり角θを求めると、処理が複雑になるとともに、CPU(Central Processing Unit)への負荷が大きくなるので、2相のステッピングモータの特性により、2相の相電流が1励磁周期で同じになるのは、ベクトル位相角θiが45°、135°、225°、315°の90°おきで、そのときに極性が変わることから、これら4点の位相角をA・B2相の相電流の極性から判断し、これら4点についてのみ、ロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求めることで、簡略化している。
However, above the medium speed range, as described above, the PWM duty ratio is saturated, the current is distorted, and the required torque cannot be obtained.
Therefore, the medium / high speed range and the low speed range are determined depending on whether the PWM duty ratio is saturated, that is, 100%. In the middle and high speed range, the slip angle θ cannot be obtained in the same manner as the low speed range. Therefore, the phase currents IA and IB of the stepping motors A and B are detected and the vector phase angle θi is obtained. When the slip angle θ is obtained by calculating the angle with respect to the angle, the processing becomes complicated and the load on the CPU (Central Processing Unit) increases. Therefore, the two-phase phase current is 1 due to the characteristics of the two-phase stepping motor. The excitation cycle is the same because the vector phase angle θi is every 90 ° of 45 °, 135 °, 225 °, and 315 °, and the polarity changes at that time. Judging from the polarity of the phase current of the phase, only the four points are simplified by obtaining the slip angle θ which is the phase difference from the phase angle θm of the rotor shaft.
なお、このように1励磁周期で極性が4回変わることから、第4調波のリップルが発生するが、サンプリングが同期しているため、検出変動を抑制できる効果がある。 Since the polarity changes four times in one excitation cycle as described above, a ripple of the fourth harmonic is generated. However, since the sampling is synchronized, there is an effect that the detection fluctuation can be suppressed.
図5は、A・B2相の相電流IA・IBを検出して、それからベクトル位相角θiを計算し(θi=tan−1(IB/IA))、これと、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとを、速度12rpsの場合の指令電圧VAと対応させて示す波形である。図5(A)は、指令電圧による励磁角と、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの差であるすべり角θはπ/2、つまり90°であるが、A・B2相の相電流IA・IBを検出して求めたベクトル位相角θiと、ロータ軸の位相角θmとの差は、30°程度となっていて、電流の位相に遅れが生じている。図5(B)は、指令電圧による励磁角と、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの差であるすべり角θは135°であるが、A・B2相の相電流IA・IBを検出して求めたベクトル位相角θiと、ロータ軸の位相角θmとの差は約90°となっており、この場合も電流の位相に遅れが生じている。 FIG. 5 detects the phase currents IA and IB of the A and B phases, calculates the vector phase angle θi therefrom (θi = tan −1 (IB / IA)), and the rotor shaft obtained from the encoder. It is a waveform showing the phase angle θm in correspondence with the command voltage VA when the speed is 12 rps. FIG. 5A shows that the slip angle θ, which is the difference between the excitation angle by the command voltage and the phase angle θm of the rotor shaft obtained from the encoder, is π / 2, that is, 90 °. The difference between the vector phase angle θi obtained by detecting the currents IA and IB and the phase angle θm of the rotor shaft is about 30 °, and the current phase is delayed. FIG. 5B shows that the slip angle θ, which is the difference between the excitation angle based on the command voltage and the phase angle θm of the rotor shaft obtained from the encoder, is 135 °, but the phase currents IA and IB of the A and B phases are The difference between the detected vector phase angle θi and the rotor shaft phase angle θm is about 90 °. In this case as well, the current phase is delayed.
そこで、中高速域では、A・B2相の相電流IA・IBを検出して、それから計算したベクトル位相角θiと、ロータ軸の位相角θmとの差であるすべり角θが90°になるまでは、2相の相電流を決定する励磁角を進み制御し、90°以上になったら通常のPWM制御を行うことで、必要トルクを確保しながら速度を上昇できる。 Therefore, in the medium and high speed range, the phase currents IA and IB of the A and B phases are detected, and the slip angle θ that is the difference between the vector phase angle θi calculated from the phase current θi and the phase angle θm of the rotor shaft is 90 °. Up to this point, the excitation angle for determining the two-phase phase current is advanced and controlled, and when the angle exceeds 90 °, the normal PWM control is performed, so that the speed can be increased while securing the necessary torque.
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図6は、本発明を適用する場合のシステム構成例で、複数の電動アクチュエータ1を接続ケーブル2を介してコントローラ3に接続し、このコントローラ3に、動力用電源4及び制御用電源5を電源ケーブル8・9を介して接続するとともに、ユーザ設備となるプラグラマブルコントローラ6やパーソナルコンピュータ7などをそれぞれの通信ケーブル10・11を介して接続し、複数の電動アクチュエータ1を1台のコントローラ3にて中継して電源供給及び集中制御する構成例となっており、本発明による制御装置は、コントローラ3内に内蔵されている。
FIG. 6 shows an example of a system configuration when the present invention is applied. A plurality of
図7は、コントローラ3の内部構成を機能分けしたブロック図である。このコントローラ3には、プラグラマブルコントローラ6及びパーソナルコンピュータ7と接続するためのインターフェース12、ユーザにおいて設定する電動アクチュエータ1の制御位置や速度や力や各種のパラメータ類や初期設定値などを保存するユーザ設定情報保存部13、本発明による制御装置が含まれるコントロール部14、電動アクチュエータ1のステッピングモータ20をPWM(パルス幅変調)により駆動するパワードライブ部15、それから出力される電流を検出したり、ステッピングモータ20に付設されたエンコーダ21からの信号によりロータ軸の角度を検出するセンシング部16を備えている。
FIG. 7 is a block diagram in which the internal configuration of the
電動アクチュエータ1は、ステッピングモータ20の回転を減速機構22で減速して本体機構部23を駆動し、ワークの位置決めや把持等を行う。
The
図8に、コントロール部14に含まれる本発明による制御装置と、パワードライブ部15と、センシング部16の詳細を示す。
FIG. 8 shows details of the control device according to the present invention, the
コントロール部14の中枢であるMPU(Micro Processing Unit)30には、図7におけるユーザ設定情報保存部13がメモリにより確保されている。このMPU30に、ステッピングモータ20を回転させるための角速度ωの指令が与えられると、MPU30は、角速度/位相角変換部31で角速度ωを位相角に変換し、ステッピングモータ20の速度が低速域であるか中高速域であるかにより、速度別制御部、つまり低速域制御部32と中高速域制御部33とが、それぞれのテーブルを参照して、低速域と中高速域とで別々の処理を行う。低速域と中高速域であるかは、低速域/中高速域判別部34が、パワードライブ部15のA相・B相のPWM制御部35A・35Bにおけるパルス幅変調のデューティ比が100%であるか否かを1励磁周期で判断し、100%であれば中高速域、それ以下であれば低速域と判別する。
A user setting
一方、センシング部16のロータ角度検出部36は、エンコーダ21からのA相、B相、Z相の信号からロータ軸の位相角θmを計数して検出する。この位相角θmは、低速域制御部32及び中高速域制御部33に与えられる。これら低速域制御部32及び中高速域制御部33のそれぞれのテーブルには、予め演算して求めた各種の値が位相角θmに従って保存されている。
On the other hand, the
図9にその演算例とパラメータを図表にして示す。この例は、図10に示すように、角加速度dω/dtでステッピングモータ20の起動・停止を指令し、中高速域で定速運転状態として、電動アクチュエータ1の本体機構部23の位置Lを線形に移動させる場合を想定している。
FIG. 9 is a chart showing an example of the calculation and parameters. In this example, as shown in FIG. 10, the start / stop of the stepping
パワードライブ部15のA相・B相のPWM制御部35A・35Bは、低速域の場合には低速域制御部32にて、高中速域の場合には中高速域制御部33にて別々に制御される。そして、A相・B相のそれぞれにおいて、パワードライブ部15のA相ドライバ37A、B相ドライバ37Bにて、ステッピングモータ20のA相コイル38A、B相コイル38BにA相・B相の電流がそれぞれ供給されてこれらコイルが励磁され、ステッピングモータ20のロータが回転する。その際、A相・B相のそれぞれの電流センサ39A・39Bにて、A相・B相の電流IA・IBが検出される。
The A-phase / B-phase
センシング部16の相電流ベクトル角検出部40は、電流センサ39A・39Bで検出されたA相電流IA、B相電流IBを比較器で比較し、その出力をインバータで反転してアンド回路で論理積するという論理処理により、A・B2相の相電流のベクトル位相差θiが、45°、135°、225°、315°となったことを検出する。すなわち、A・B2相の相電流IA・IBが同じになったとき(IA=IB)の2相の相電流の極性から、これら4点の位相角度(ベクトル位相差θi)を検出する。これを表にして示すと次の表1のようになる。
The phase current vector
低速域の場合には、低速域制御部32が、ステッピングモータ20に対する電流指令信号をカウントし、そのカウント値からA・B2相の相電流IA・IBのベクトル位相差θiを換算する。そして、その換算したベクトル位相差θiと、ロータ角度検出部36からのロータ軸位相角θmとの差としてすべり角θを求める。
In the case of the low speed region, the low speed
一方、中高速域の場合には、中高速域制御部33が、相電流ベクトル角検出部40からのベクトル位相差θiと、ロータ角度検出部36からのロータ軸位相角θmとの差としてすべり角θを求める。
On the other hand, in the middle / high speed range, the middle / high speed range control unit 33 slips as the difference between the vector phase difference θi from the phase current vector
低速域制御部32と中高速域制御部33とは、A相・B相のPWM制御部35A・35Bへ電流指令を与えてA相電流・B相電流を決定する際に、すべり角θにより相電流を変えるが、その変化の態様も異なっている。
The low-speed
図11の(A)に低速域の場合の制御ルーチン、同(B)に中高速域の場合の制御ルーチンを示し、これらのどちらへ行くかは、低速域/中高速域判別部34による1励磁周期の判定結果に基づき割り込みで行われる。 FIG. 11A shows a control routine in the case of the low speed region, and FIG. 11B shows a control routine in the case of the medium and high speed region. This is done by interruption based on the result of excitation cycle determination.
低速域/中高速域判別部34の判定結果が低速域の場合には、上記のようにステッピングモータ20に対する電流指令のカウント値からA・B2相の相電流のベクトル位相角θiを換算して、ロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求める。実際には、図11(A)の制御ルーチンのステップS1で、ロータ角度検出部36のカウンタのカウント値n1と電流指令カウンタのカウント値n2との差n3を求め、この差n3からユーザ設定情報保存部13に保存されている換算式を参照して、ステップS2で励磁角に換算したすべり角θを求める。
When the determination result of the low speed / medium / high
そして、次のステップS3では、ユーザ設定情報保存部13のテーブルに例えば次の表2(θ−I表)のように保存されている低速制御用マトリックを参照して、すべり角θが30°以下のとき(θ<30°)と、30°から90°の間(30°≦θ≦90°)と、90°以上(θ>90°)とで、異なった電流指令値を与える。この表2の例は、定格電流を最大定格とその1/2の2段階に変える場合の例で、すべり角θが30°≦θ≦90°の場合は定格通りの電流であるが、θ<30°の場合は、定格が最大定格のときはその1/2(最大定格を1とすると、0.5)、定格が最大定格の1/2の場合は同じ定格(最大定格の1/2)とする。一方、θ>90°の場合は、定格が最大定格のときは、図8の角速度/位相角変換部31へ与える角速度ωを減少させ、定格が最大定格の1/2のときは定格の2倍(最大定格)とする。
In the next step S3, the slip angle θ is set to 30 ° with reference to the low speed control matrix stored in the table of the user setting
次の表3は、定格電流を最大定格と、その1/2(最大定格を1とすると、0.5)と、1/4(同じく0.25)と、1/8(同じく0.125)の4段階に変える場合の例である。 The following Table 3 shows that the rated current is the maximum rating, ½ (0.5 when the maximum rating is 1), ¼ (also 0.25), and 8 (also 0.125). It is an example in the case of changing to four stages.
本発明は、ステッピングモータ20を電動アクチュエータ1の駆動源として、ステッピングモータ20を簡易に制御することを旨としていることから、低速域で定格電流をこのように数段階に変える場合の段数は、2〜5段階程度が実用的である。
Since the present invention is intended to easily control the stepping
上記のように、ステップS3で3段階のすべり角θに応じて決定されるベクトル電流値をA相、B相の相電流として配分するため、このベクトル電流値をIとすると、ステップS4では、図8のA相のPWM制御部35Aに対してI・sinθの値を与え、B相のPWM制御部35Bに対してはI・cosθの値を与える。
As described above, since the vector current value determined according to the slip angle θ in the three stages in step S3 is distributed as the phase currents of the A phase and the B phase, assuming that this vector current value is I, in step S4, A value of I · sin θ is given to the A-phase
一方、図11の(B)の中高速域の場合には、ステップS11で、A・B2相の電流の位相を判別して記憶するとともに、ロータ角度検出部36のカウンタのカウント値を記憶してから、ステップS12で、そのカウント値を励磁角に換算したロータ軸位相角θmを、ユーザ設定情報保存部13に保存の換算表から求める。
On the other hand, in the middle / high speed range of FIG. 11B, in step S11, the phases of the currents A and B are determined and stored, and the count value of the counter of the
次のステップS13では、相電流ベクトル角検出部40において上記の表1に従い検出される45°、135°、225°、315°の4点のベクトル位相差θiのそれぞれについてのみ、これと、ロータ軸位相角θmとの差であるすべり角θを計算する。
In the next step S13, only the four vector phase differences θi of 45 °, 135 °, 225 °, and 315 ° detected by the phase current vector
そして、このすべり角θが90°以下(θ≦90°)であるか否かをステップS14で判断して、すべり角θが90°になるまでは(図12に示すように、すべり角θが90°となって、励磁電流I1のベクトルとトルクτのベクトルとが同じになるまでは)、ステップS15で、A相・B相のPWM制御部35A・35Bに対してA相・B相の2相の相電流を決定する励磁角を進み制御し、90°以上(θ>90)となったら、ステップS16で通常のPWM制御を行う。
Then, it is determined in step S14 whether or not this slip angle θ is 90 ° or less (θ ≦ 90 °), and until the slip angle θ reaches 90 ° (as shown in FIG. 12, the slip angle θ Until the excitation current I1 vector and the torque τ vector become the same) in step S15, the A phase / B phase
上記実施例では、A・B2相のステッピングモータ(バイポーラ巻線)を例にしたが、本発明は2相ユニポーラ巻線のステッピングモータや3相以上のステッピングモータにも応用できる。 In the above embodiment, an A / B two-phase stepping motor (bipolar winding) is taken as an example, but the present invention can also be applied to a two-phase unipolar winding stepping motor or a three-phase or more stepping motor.
1 電動アクチュエータ
2 接続ケーブル
3 コントローラ
4 動力用電源
5 制御用電源
6 プラグラマブルコントローラ
7 パーソナルコンピュータ
8・9 電源ケーブル
10・11 通信ケーブル
12 インターフェース
13 ユーザ設定情報保存部
14 コントロール部
15 パワードライブ部
16 センシング部
20 ステッピングモータ
21 エンコーダ
22 減速機構
23 本体機構部
30 MPU
31 角速度/位相角変換部
32 低速域制御部
33 中高速域制御部
34 低速域/中高速域判別部
35A・35B PWM制御部
36 ロータ角度検出部
37A A相ドライバ
37B B相ドライバ
38A A相コイル
38B B相コイル
39A・39B 電流センサ
40 相電流ベクトル角検出部
DESCRIPTION OF
31 Angular velocity / phase
Claims (13)
前記パワードライブ部におけるパルス幅変調のデューティ比が100%であるか否かを1励磁周期で判断して、ステッピングモータの速度を中高速域と低速域とに判別するとともに、
ステッピングモータのA・B2相の相電流のベクトル位相角θiと前記エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求め、
低速域では、このすべり角θが30°以下のときは相電流を定格の所定割合以下で数段階に変化させ、30°から90°の間は定格のまま数段階に変化させ、90°以上のときは定格の所定割合以上で数段階に変化させ、
中高速域では、前記パワードライブ部に対して、すべり角θが90°になるまでは、2相の相電流を決定する励磁角を進み制御する、
ことを特徴とする電動アクチュエータの制御方法。 In an electric actuator that operates a stepping motor with an encoder driven by a pulse width modulation type power drive unit to operate the actuator,
Whether or not the duty ratio of the pulse width modulation in the power drive unit is 100% is determined by one excitation cycle, and the speed of the stepping motor is determined as a medium high speed range and a low speed range,
A slip angle θ, which is a phase difference between the vector phase angle θi of the phase currents of the A and B phases of the stepping motor and the phase angle θm of the rotor shaft obtained from the encoder,
In the low speed range, when the slip angle θ is 30 ° or less, the phase current is changed in several steps at a predetermined ratio or less of the rated value, and in the range between 30 ° and 90 °, the rated current is changed in several steps, and 90 ° or more. In the case of, it is changed in several steps at a predetermined ratio or more of the rating,
In the medium and high speed range, the excitation angle that determines the phase current of the two phases is advanced and controlled with respect to the power drive unit until the slip angle θ reaches 90 °.
A method for controlling an electric actuator.
中高速域では、ステッピングモータのA・B2相の相電流を検出し、そのベクトル位相角θiが45°、135°、225°、315°のときに、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求めることを特徴とする請求項1に記載の電動アクチュエータの制御方法。 In the low speed range, the vector phase angle θi of the phase currents of the A and B phases is converted from the count value of the current command for the stepping motor, and the slip angle θ that is the phase difference from the rotor shaft phase angle θm is obtained.
In the middle and high speed range, the phase currents of the A and B phases of the stepping motor are detected, and when the vector phase angle θi is 45 °, 135 °, 225 °, 315 °, the phase angle θm of the rotor shaft obtained from the encoder The method of controlling an electric actuator according to claim 1, wherein a slip angle θ that is a phase difference between the first and second phases is obtained.
前記パワードライブ部におけるパルス幅変調のデューティ比が100%であるか否かを1励磁周期で判断して、ステッピングモータの速度を中高速域と低速域とに判別する低速域/中高速域判別手段と、
前記ステッピングモータのA・B2相の相電流のベクトル位相角θiを求める位相角演算手段と、
その位相角θiと、前記エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求めるすべり角演算手段と、
低速域では、すべり角θが30°以下のときは相電流を定格の所定割合以下で数段階に変化させ、30°から90°の間は定格のまま数段階に変化させ、90°以上のときは定格の所定割合以上で数段階に変化させるように、前記パワードライブ部を制御し、中高速域では、前記パワードライブ部に対して、すべり角θが90°になるまでは、2相の相電流を決定する励磁角を進み制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする電動アクチュエータの制御装置。 A control device for an electric actuator that drives an actuator by driving a stepping motor provided with an encoder with a power drive unit of a pulse width modulation method,
Deciding whether the duty ratio of pulse width modulation in the power drive unit is 100% or not in one excitation cycle, and discriminating the speed of the stepping motor into a medium / high speed region and a low / low speed region Means,
Phase angle calculation means for obtaining a vector phase angle θi of the phase currents of the A and B phases of the stepping motor;
A slip angle calculating means for obtaining a slip angle θ which is a phase difference between the phase angle θi and the phase angle θm of the rotor shaft obtained from the encoder;
In the low speed range, when the slip angle θ is 30 ° or less, the phase current is changed in several steps at a predetermined ratio or less of the rated value, and in the range between 30 ° and 90 °, the rated current is changed in several steps, and the phase current is changed to 90 ° or more. In some cases, the power drive unit is controlled to change in several steps at a predetermined ratio or more of the rated value, and in the middle / high speed range, the two-phase operation is performed until the slip angle θ reaches 90 ° with respect to the power drive unit. Control means for advancing and controlling the excitation angle for determining the phase current of
An electric actuator control apparatus comprising:
中高速域では、位相角演算手段がステッピングモータのA・B2相の相電流を検出して、45°、135°、225°、315°のベクトル位相角θiを判断し、すべり角演算手段が、その各ベクトル位相角θiについて、前記エンコーダから得られるロータ軸の位相角θmとの位相差であるすべり角θを求めることを特徴とする請求項8に記載の電動アクチュエータの制御装置。 In the low speed range, the phase angle calculation means converts the vector phase angle θi of the phase currents of the A and B phases from the count value of the current command for the stepping motor, and the slip angle calculation means is obtained from the encoder and the phase angle θi. Obtain the slip angle θ, which is the phase difference from the rotor shaft phase angle θm,
In the middle and high speed range, the phase angle calculation means detects the phase currents of the A and B phases of the stepping motor, determines the vector phase angle θi of 45 °, 135 °, 225 °, and 315 °, and the slip angle calculation means 9. The electric actuator control device according to claim 8, wherein a slip angle θ, which is a phase difference from the phase angle θm of the rotor shaft obtained from the encoder, is obtained for each vector phase angle θi.
The slip angle calculation means determines 45 °, 135 °, 225 °, and 315 ° from the polarity when the detected phase currents of the two phases become the same as the phase angle θi of the combined vector of the A and B phases. The control device for an electric actuator according to any one of claims 10 to 12.
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