JP4871131B2 - ステッピングモータの停止固定検出方法と、停止検出器を備えたステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、ステッピング型電動減速ギヤの分野（「ステッピング」モードで制御される同期多相電動機）に関し、特に、「マイクロステップ」モードで制御される電動減速ギヤに関する。

本発明の原理をいっそう理解するために、改めて説明するが、「ステッピング」制御モードは、全体ステップと呼ばれるロータ位置での回転増分で運転を行い、たとえば、この回転増分は、三相（または二相）モータの各相に存在する電流の電気周期ごとに６個の全体ステップ（または４個）に対応する。この回転増分を減らして、たとえば動作時のノイズやロータ位置で発生する振動を減らすために、図１に示したように全体ステップをマイクロステップに分割することができる。

これを行うために、全体ステップによる制御モードとは違って、モータの各相を、各ステップのマイクロステップ数に応じてほぼ正弦曲線状の電流で制御しなければならない。図２の例では、３相モータの場合、モータの３つの相で電気的に１２０°位相が異なるほぼ正弦曲線状の３つの電波を課すために、６個のトランジスタが必要になることが分かる。

ステッピング電動減速ギヤの停止または固定を検出する通常の方法は、モータの相に導入される電圧値を、これらの相の制御トランジスタの特定の状態（たとえば、使用されない相に導入される電圧を干渉なしに測定可能な開放状態）で検出する手段を使用する。

従って、パワートランジスタ全体を同時に用いて「マイクロステップ」モードで制御される多相モータの場合、このような導入電圧の測定値を得ることは難しい。

従来技術では、たとえば、欧州特許第０４５８１５９号明細書、米国特許第４６７２２８２号明細書、米国特許出願公開第２００３／０１１７１００号明細書、欧州特許第１１７８３７９号明細書、米国特許出願公開第２００３／０１５５８８３号明細書等のステッピングモータの停止検出手段が知られており、モータの相の一つにおける導入電圧値またはコイル内を流れる電流へのその影響が測定される。これらの全ての解決方法の大きな欠点は、モータのロータの共鳴モードでモータの許容誤差の影響を受けやすく（導入電圧は、モータのトルク定数、巻きの数、温度等に比例する）、外部の様々な事象に応じて検出の信頼性の割合が低下することにある。上記の解決方法の別の欠点は、たとえば欧州特許第１１７８３７９号明細書または米国特許出願公開第２００３/０１１７１００号明細書に記載されているように、相が供給されないまさにそのシーケンスの間に、全体ステップまたは１／２ピッチで検出が行われることにある。そのため、これらの方法の欠点は、停止情報が瞬間的に入手できず、正確な停止情報を得るには各相で測定が必要であり、停止情報をモータの相に連続供給できないことにある。

本発明の目的は、モータのＮ個の相により消費される全体電流の測定を介して、相の非供給状態で導入電圧の測定をしなくても、多相電動減速ギヤ、特に「マイクロステップ」モードで制御される多相電動減速ギヤの停止検出を行う高信頼性かつ堅牢な方法を提案することにある。

本発明は、その最も一般的な意味において、２相または３相モータの電流（相における一定電流の制御）または電圧（一定電圧の制御）の「マイクロステップ」供給モードに適用される包括的な停止検出方法に関する。「マイクロステップ」供給モードは、「全体ステップ」モードよりもロータ位置での移動増分がずっと細かいという長所を有し、そのために動作ノイズレベルがずっと抑えられる。この特徴は、空調バルブ用の電動減速ギヤの用途で特に重要であるが、今日まで、「マイクロステップ」制御モードによる停止検出方法は全く提案されていない。

本発明の原理は、多相モータのＮ個の相の和で消費される全体電流をサンプリング抵抗Ｒ１で測定すること（図２、３）からなり、また、入力電気パワーＰ_Ｅｌｅｃ（供給電圧＋Ｖとサンプリング抵抗Ｒ１で流れる全体電流Ｉとの積に等しい（図２および図３））を機械パワーＰ_{Ｍeｃａｎｉｑｕｅ}（電動減速ギヤから供給されるトルクとその速度との積に等しい）およびジュールパワーＰ_{Ｊｏｕｌｅ}（モータのＮ個の相で分散されるジュールパワーの和に等しい）に変換する役割を果たすシステムとして、電動減速ギヤをみなすことからなる。

すなわち

この式は、減速ギヤにおける損失を考慮していないので概算であるが、相の全体電流Ｉの測定時にＰ_{Ｊｏｕｌｅ}＋Ｐ_{Ｍeｃａｎｉｑｕｅ}がとる値に応じて特定の動作条件を解釈可能であることがよく分かる。

たとえば、図４は、一定速度のマイクロステップモードの動作とロータの固定との間で、抵抗Ｒ１で流れる全体電流Ｉの変化を示している。

有利には、Ｎ個の相における全体電流の測定方法と、全体電流Ｉの変化を処理する数学的または統計的な方法とを組み合わせることができ、こうした数学的または統計的な方法により、停止点または固定点における電動減速ギヤの大きな負荷を区別することができる。

変形実施形態によれば、数学的または統計的な検出演算は、この方法の精度を高めるとともに、電流Ｉが絶対値であるというあらゆる概念を取り去るように、サンプリング抵抗Ｒ１でサンプリングされた全体電流値の標準偏差の２乗に比例する変数を計算することからなる。

有利には、本発明による方法は、電動減速ギヤが付与可能な最大トルクの決定ステップおよび／または電動減速ギヤのロータによる同期損失の決定ステップを含む。

本発明は、添付図面に関する以下の説明を読めば、いっそう理解されるであろう。

図１は、たとえば１周期で２４個の「マイクロステップ」に分割される多相モータの１つの相の電流の電気周期を示す。２４という数は、本発明を実施するために一般に使用される数であり、電気周期ごとに６個の全体ステップを使用する従来の方法に比べて著しくノイズが低減される。

図２は、相Ｃ（またはＢもしくはＡ）を通る電流を制御する６個のトランジスタＱ１〜Ｑ６のＱ１とＱ４（またはＱ２とＱ５、Ｑ３とＱ６）を用いた、本発明による「マイクロステップモード」の３相ドライバの簡単な電気配線図である。抵抗Ｒ１は、フィルタ（Ｒ２、Ｃ１）を介して各相を通る電流ＩＡ、ＩＢ、ＩＣの和を測定するサンプリング抵抗である。フィルタＲ２、Ｃ１の出力は、たとえばマイクロコントローラのアナログ/デジタル変換器を用いて処理される。

図３は、８個のトランジスタＱ１〜Ｑ８を用いた本発明による２相ドライバの簡単な電気配線図であり、２個の相Ａ、Ｂの電流の和が、フィルタ（Ｒ２、Ｃ１）を介して抵抗Ｒ１で測定される。

図４は、マイクロステップ供給モードで、抵抗Ｒ１で測定された多相モータのＮ個の相の電流Ｉの和の変化を示す図である。電流は、電動減速ギヤのロータの停止または固定以外の規則正しい同期動作では、グラフの領域１で安定値をとるが、その後、電動減速ギヤが停止位置に達すると、グラフの領域２の著しく高い不規則な値に変化する。

図５は、抵抗Ｒ１で測定された電流Ｉの変化を処理する数学的または統計的な方法の実施を示している。図５の例では、たとえばマイクロコントローラのアナログ/デジタル変換器を用いて電流Ｉの値をサンプリングし、Ｎ個のサンプルの値ｘｉの標準偏差σを、次のように計算する。

より詳しく述べると、図５では、相の全体電流Ｉの値との比較により値Ｎ^２*σを示した。このような数学的な方法により、規則正しい動作領域１と固定動作領域２とをこれまでよりもはっきりと区別し、値Ｎ^２*σに対して標準偏差の閾値Ｅを決定し、この閾値から、マイクロコントローラまたはＡＳＩＣは、電動減速ギヤが停止または固定していると判断する。従来技術で開示された電動減速ギヤの相の導入電圧の分析方法に比べて、この方法の大きな長所の一つは、検出閾値を越えると瞬時に実施されることにある。

図６、７は、本発明が特に適用される自動車の空調バルブ用の２相または３相電動減速ギヤの３次元の図である。この電動減速ギヤは、たとえば減速比が約１／７２０で４段減速式であるので、減速ギヤに一定の弾性が得られる。減速機のこのような仕上げ剛性は、電動減速ギヤが通る硬点と固定点とを混同しないようにという検出方法の感度の要求によるものである。電流Ｉのサンプリングの数学的な処理方法により、電動減速ギヤの以下の様々な状態を区別することができる。
−規則正しい同期モード
−電動減速ギヤから供給されるトルクの増加
−電動減速ギヤのロータの失速による停止点への到達

ここで説明したステッピングモータの停止または固定検出方法は、好適には、マイクロステップモードでの供給に適用されるが、この方法が有効であり続ける１ステップ当りのマイクロステップ数を、１ステップ当り１００個のマイクロステップを超える値から、全体ステップに対応する単位値に変えられることはいうまでもない。

同様に、電圧または電流の制御モードは、本発明の実施に対して本質的なものではない。

相の全体電流のサンプリングを処理する数学的な演算は、多種多様であってよく、平均値、標準偏差、または他のあらゆる統計的な信号処理方法に基づいて行うことができる。

さらに、本発明による検出方法は、１／１０００を越える値から、直結モータのチャージによる使用に対応する単位値まで減速比が変化可能な、ステッピング電動減速ギヤに特に適用される。

「マイクロステップ」に再分割される多相モータの１つの相における電流の電気周期を示す図である。 本発明による三相ドライバの簡単な電気配線図である。 本発明による二相ドライバの簡単な電気配線図である。 電圧モードで「マイクロステップ」制御される三相電動減速ギヤの全体消費電流を示す図である。 同様の全体電流と、２乗された標準偏差の値とを示す図である。 空調バルブ用の２相電動減速ギヤの実施形態を示す図である。 空調バルブ用の３相電動減速ギヤの実施形態を示す図である。

符号の説明

Ｒ１ サンプリング抵抗
Ｐ_Ｅｌｅｃ 入力電気パワー
Ｐ_{Ｍeｃａｎｉｑｕｅ} 機械パワー
Ｐ_{Ｊｏｕｌｅ} ジュールパワー
Ａ、Ｂ、Ｃ 相
Ｑ１〜Ｑ６ トランジスタ
Ｒ２、Ｃ１ フィルタ
ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ 電流
＋Ｖ 供給電圧

Claims (12)

1. Ｎ相（Ｎは２以上の自然数）の相を有する同期多相モータの停止検出方法であって、
   前記同期多相モータは、前記Ｎ個の相の各々で流れる電流の和が一定となるようにマイクロステップ化された正弦波電流波形によるステッピングモードにより制御されることで、一定量のトルクで制御され、
   前記同期多相モータのＮ個の相の各々で流れる電流の和を測定し、前記同期多相モータの同期動作時の前記電流の和と、停止時の前記電流の和と、の差に基づいて、停止検出閾値を計算し、
   前記電流の和が前記停止検出閾値を超えたことで、前記同期多相モータの停止と判断することを特徴とする方法。
2. 前記同期多相モータのＮ個の相の各々で流れる前記電流の和の測定が、サンプリングにより行われることを特徴とする請求項１に記載の検出方法。
3. サンプリングされた電流値が、数学的または統計的な演算により処理され、前記停止検出閾値が、前記処理の結果に対して決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の検出方法。
4. 停止点への到着領域と、前記同期多相モータのマイクロステップモードにおける同期動作領域とを区別する停止検出ステップを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出方法。
5. ２相ステッピング同期多相モータに適用されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出方法。
6. ３相ステッピング同期多相モータに適用されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出方法。
7. 前記同期多相モータを自動車の空調バルブの電動減速ギヤに適用されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出方法。
8. 前記電流の和が前記停止検出閾値を超えたことで、前記同期多相モータからのトルクが増加したと認識し、前記同期多相モータが停止または固定されたと決定するステップを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出方法。
9. ｒが有限の実数であるとき、減速比１からｒのステッピング電動減速ギヤに適用されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出方法。
10. ｍが１以上の整数であるとき、１ステップ当りｍ個のマイクロステップを含むマイクロステップモードで制御されるステッピング同期多相モータに適用されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検出方法。
11. 請求項１に記載の同期多相モータにおいて、前記同期多相モータは「マイクロステップ」モードのステッピングモータおよび電子制御回路を含み、モータのＮ個の相により消費される全体電流の測定回路からなる停止検出手段を含むことを特徴とする同期多相モータ。
12. 前記停止検出手段が、サンプリング抵抗Ｒ１と、多相モータのＮ個の相の和で消費される全体電流を前記抵抗で測定する手段とを含むことを特徴とする請求項１１に記載の同期多相モータ。

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