JP4966046B2

JP4966046B2 - ５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置

Info

Publication number: JP4966046B2
Application number: JP2007037585A
Authority: JP
Inventors: 博文里見
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-02-19
Also published as: JP2008206248A

Description

本発明は、５相ステッピングモータの１ステップ角を、多分割化する５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置に関する。

この種のステッピングモータは、基本ステップ角θｓで運転されるフルステップ駆動、またはその１／２で運転されるハーフステップ駆動が一般的であるが、巻線電流を制御することにより、さらに細かく分割することが可能である。このような電流制御による多分割化を、一般にマイクロステップ駆動と呼んでいる。
特許第２８２１６９６号公報特開平３−９３４９５号公報

このような制御方式においては、前記各相巻線の相電流波形が、台形波または正弦波となるように各相毎の電流制御を行わねばならず、電流検出器も相数分必要となるため、部品コストがアップし、回路構成も複雑になるという問題点があった。
この問題点を解決し制御回路の簡素化が行えるひとつの方式が、本出願人により、開示され実用化されている（特許文献１）。
この方式は、電気角で７２°ずつ位相のシフトした５個の相巻線を順番に環状に接続した５相ステッピングモータの、各相巻線の接続点電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅの波形を図１１に示すような台形波状に制御することにより、各相巻線に流れる電流Ｉａｂ、Ｉｂｃ、Ｉｃｄ、Ｉｄｅ、Ｉｅａを図１２に示すような台形波形にすることができ、その発生トルクベクトルの軌跡は図１３に示すように１０角形となる。また各相巻線の接続点に流れ込む線電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅは、図１２に示す各相巻線の相電流からキルヒホッフの電流則により図１４に示すようになる。図１４の各線電流の正の値はインバータの一方（上側）アームを流れる電流であり、負の値は他方（下側）アームを流れる電流であることを意味している。したがって各線電流の正の値を加算したものが直流電源からインバータ回路部に流れ込む電流であり、常に一定値となることが分かる。
すなわち、前記特許の方式によれば、各相毎の相電流をそれぞれ所定の波形に制御するのではなく、インバータ回路部に流れるトータル電流を一定に制御すれば各相電流波形が図１２に示すように制御されることになる。したがって電流検出器はひとつでよく、その結果、回路構成も簡素化されるというメリットがあるが、前述のようにトルクベクトルの軌跡が１０角形の辺上を動くので、約５％のトルクリップルが原理的に発生するという問題点があった。

本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解決し、簡単な構成で、しかもトルクリップルの少ないマイクロステップ駆動を行い得る５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、電気角で７２°ずつ位相のシフトした５個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路５組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した５相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、
上記各一対のスイッチング素子の一方がＯＮの時は、他方はＯＦＦ、他方がＯＮの時は一方はＯＦＦになるようにＯＮ，ＯＦＦのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、
前記各相巻線に流れる相電流Ｉ（ｋ，ｔ）は、ｔを時間変数、ｔ０を単位時間間隔、αを任意の定数（０≦α≦１０）、ｋを前記各接続点に対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）とし、｛ｔ/ｔ０−２（ｋ-１）＋α｝を１０で除したときの剰余値が、正の場合はそのままＡ（ｋ、ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ、ｔ）とし、Ｉ０を定数、ｆ（ｍ）およびg（ｍ）をｍの関数とするとき、Ｉ（ｋ、ｔ）＝Ｉ０×Ｄ（ｋ、ｔ）で表され、Ｄ（ｋ、ｔ）は、以下の式で表されることにある。

本発明の効果としては、すなわち、特許文献１の場合にはトルクベクトルの軌跡は前述のように１０角形となり、トルクリップルは５．１％となるが、本発明の場合（ｍ＝０．４１）には、トルクベクトルの軌跡は図５に示すように２０角形と、円軌跡に近くなり、トルクリップルも図６に示すように、１．１％と小さくできることが分かる。またｍの値を、０．３８≦ｍ≦０．４４の範囲に選べば、トルクリップルは従来の場合（特許文献１）の半分以下にすることができる。このように、従来に比べてトルクリップルを減少させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。
図1は、本発明に関わる５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の一実施形態で、該駆動装置の構成ブロック図、図２は、５相ステッピングモータと、５相ハーフブリッジインバータ回路部との接続を示した回路図、図３は、図２の５相ステッピングモータの各相巻線の接続点の指示電圧波形を示す波形図、図４は、各相巻線に流れる電流波形を示す波形図、図５は、一周期に２０個のピークを持つトルクベクトルの軌跡を示す図、図６は、ｍの値を０．３５から０．５まで変化させたときのトルクリップルの値を示す図、図７は、図２の５相ステッピングモータの等価回路、図８は、各相巻線に流入する線電流を示す波形図、図９は、ａ＝１．１８１、ｍ＝０．４１，Ｉｏ＝１とするときの相電流Ｉ（ｋ、ｔ）を示す波形図、図１０は、１周期に２０個のピークを持つことが示されたトルクの波形図である。

図1において、1は５相ステッピングモータ、２は前記５相ステッピングモータ１に接続された５相のハーフブリッジインバータ回路部（以下、インバータ回路部２と略称する。）である。３はインバータ回路部２に直流電圧を供給する直流電源であり、７は前記インバータ回路部２に流れる電流を検出器４によって検出し、前記インバータ回路部２に流れる電流を一定に制御する定電流制御部である。５は５相指示電圧パターン発生回路６からの出力信号に基づいて、前記インバータ回路部２にパルス幅変調方式でゲート信号を供給するパルス幅変調パターン発生回路である。

図２は電気角で７２°ずつ位相のシフトした各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφを順番に接続して環状に形成した５相ステッピングモータ１と、５相ハーフブリッジインバータ回路部２との接続を示した回路図であり、各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφの接続点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを、直列接続した各一対のスイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６、Ｑ７とＱ８、Ｑ９とＱ１０のそれぞれの接続点ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅに接続している。そして直列接続された前記スイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６、Ｑ７とＱ８、Ｑ９とＱ１０からなる５組の直列回路は、互いに並列接続され、図示しない直流電源（Ｖ）の電源、ＧＮＤ間に接続されている。５相ステッピングモータの各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφの接続点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅには、図３に示すような指示電圧波形を示す電圧Ｖが印加される。図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、各接続点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの指示電圧波形を示している。各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφには、図９に示すような電流波形を示す電流Ｉが流れる。

通常ＯＮ時間比率Ｄ（ｋ、ｔ）＝Ｄｏ（ｔ）×Ｄ´（ｋ、ｔ）の最大値はＤｏ（ｔ）の値調整により定電流制御が行えるように1より小さい値に設定されている。また各接続点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの指示電圧波形Ｖ（ｋ、ｔ）はＤ（ｋ、ｔ）に比例し、先に説明した図３に示すような波形となる。
各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφに流れる相電流は、図１２と同様に、駆動パルス周波数により決まる周期関数であり、ＩｂｃはＩａｂに対し、ＩｃｄはＩｂｃに対し、ＩｄｅはＩｃｄに対し、ＩｅａはＩｄｅに対し、それぞれ1周期の２／１０だけ時間的に遅らせる方向に波形をシフトした関係になっている。

ここで、この電流の周波数をｆとすると、電流の周期は1／ｆであり、この１／１０を単位時間間隔ｔｏ（＝１／１０ｆ）とすると、（ｔ／ｔｏ）は電流の周期に依存せず、1周期を１０とした数値を返すことになる。また、−2（ｋ−1）は、ｋ＝０，１，２，３，４とすると、２，０、-２、-４、-６となり、1周期の２／１０ずつ、時間的に遅らせる方向に波形をシフトさせることを意味している。
またαは時間ｔ＝０のときの位相を意味しており、1周期の中で任意に設定できる。

したがって、｛ｔ／ｔｏ−2（ｋ−1）＋α｝を１０で除したときの剰余値が、正の場合はそのまま、Ａ（ｋ、ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ、ｔ）とすると、Ａ（ｋ、ｔ）は、時間ｔに対し、０≦Ａ（ｋ、ｔ）＜１０に直線的に変化する、のこぎり波となる。
これを使用することにより、１周期を１０とする波形を定義でき、実際の波形はＤ（ｋ、ｔ）により特徴付けられる。
また電流周波数ｆはｆ＝１／（１０ｔｏ）で表せ、マイクロステップ時の分解能は、時間変数ｔの増分を（Δｔ＝ｔｏ／ｒ）とすると、ｒ＝２はハーフステップ駆動、ｒ＝１０は１／１０マイクロステップ駆動を意味している。

すなわち、各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφに流れる相電流Ｉ（ｋ，ｔ）は、ｔを時間変数、ｔｏを単位時間間隔、αを任意の定数（０≦α≦１０）、ｋを前記各接続点に対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）とし、｛ｔ/ｔｏ−２（ｋ-１）＋α｝を１０で除したときの剰余値が、正の場合はそのままＡ（ｋ、ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ、ｔ）とし、Ｉｏを定数、ｆ（ｍ）およびｇ（ｍ）をｍの関数とするとき、Ｉ（ｋ、ｔ）＝Ｉｏ×Ｄ（ｋ、ｔ）で表され、Ｄ（ｋ、ｔ）は、以下の式で表される。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は各接続点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）を代入した各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφに流れる相電流Ｉ（ｋ，ｔ）をそれぞれ示している。

上記式から相電流Ｉ（ｋ、ｔ）＝Ｉｏ×Ｄ（ｋ、ｔ）は、ａ＝１．１８１、ｍ＝０．４１、Ｉｏ＝１とすると、相電流Ｉ（ｋ、ｔ）は、図９のような波形となる。これは（前記図１２）に対応している。すなわち、Ｉ（０、ｔ）＝Ｉａｂ（ｔ）、Ｉ（１、ｔ）＝Ｉｂｃ（ｔ）、Ｉ（２、ｔ）＝Ｉｃｄ（ｔ）、Ｉ（３、ｔ）＝Ｉｄｅ（ｔ）、Ｉ（４、ｔ）＝Ｉｅａ（ｔ）である。
前記５相ステッピングモータ１の各相電流によるトルクのＸ軸成分、Ｙ軸成分はＫｔをトルク定数とすると次式で表せる。

Ｔｘａ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉａｂ（ｔ）×ｃｏｓ（２π×０／５）
Ｔｙａ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉａｂ（ｔ）×ｓｉｎ（２π×０／５）
Ｔｘｂ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉｂｃ（ｔ）×ｃｏｓ（２π×１／５）
Ｔｙｂ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉｂｃ（ｔ）×ｓｉｎ（２π×１／５）
Ｔｘｃ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉｃｄ（ｔ）×ｃｏｓ（２π×２／５）
Ｔｙｃ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉｃｄ（ｔ）×ｓｉｎ（２π×２／５）
Ｔｘｄ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉｄｅ（ｔ）×ｃｏｓ（２π×３／５）
Ｔｙｄ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉｄｅ（ｔ）×ｓｉｎ（２π×３／５）
Ｔｘｅ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉｅａ（ｔ）×ｃｏｓ（２π×４／５）
Ｔｙｅ（ｔ）＝Ｋｔ×Ｉｅａ（ｔ）×ｓｉｎ（２π×４／５）

したがって５相ステッピングモータ1の発生トルクのＸ軸成分、Ｙ軸成分はそれぞれの合計として以下のように表せる。

Ｔｘ（ｔ）＝Ｔｘａ（ｔ）＋Ｔｘｂ（ｔ）＋Ｔｘｃ（ｔ）＋Ｔｘｄ（ｔ）＋Ｔｘｅ（ｔ）
Ｔｙ（ｔ）＝Ｔｙａ（ｔ）＋Ｔｙｂ（ｔ）＋Ｔｙｃ（ｔ）＋Ｔｙｄ（ｔ）＋Ｔｙｅ（ｔ）

トルクの大きさは｜Ｔ（ｔ）｜＝√（Ｔｘ（ｔ）²＋Ｔｙ（ｔ）²）であり、図１０のように１周期に２０個のピークをもつことが分かる。このときの最大値／最小値は１．０１１であり、トルクリップルは１．１％と小さいことが分かる。また２０個のピークを持つことからトルクベクトルの軌跡（図５参照）は２０角形となっていることが分かる。

図６は、ｍの値を０．３５から０．５まで変化させたときのトルクリップルの値を示しており、ｍ＝０．５は、（特許文献１）の場合に相当する。
すなわち、（特許文献１）の場合にはトルクベクトルの軌跡は前述のように１０角形となり、トルクリップルは５．１％となるが、本実施例の場合（ｍ＝０．４１）には、トルクベクトルの軌跡は図５に示すように２０角形と、円軌跡に近くなり、トルクリップルも１．１％と小さくできることが分かる。またｍの値を、０．３８≦ｍ≦０．４４の範囲に選べば、トルクリップルは従来の場合（特許文献１）の半分以下にすることができる。

図７は、前記５相ステッピングモータ1の等価回路である。ここで、Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅは、各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφの接続点Ａ，ＢＣ，Ｄ，Ｅに流入する線電流であり、Ｉａｂ、Ｉｂｃ、Ｉｃｄ、Ｉｄｅ、Ｉｅａは、各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφに流れる相電流である。また、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅは前記各接続点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの指示電圧Ｖ（０、ｔ）、Ｖ（１、ｔ）、Ｖ（２、ｔ）、Ｖ（３、ｔ）、Ｖ（４、ｔ）を表しており、Ｒ_A、Ｒ_B、Ｒ_C、Ｒ_D、Ｒ_Eは各相巻線の巻線抵抗、Ｌ_A、Ｌ_B、Ｌ_C、Ｌ_D、Ｌ_Eは、各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφのインダクタンスである。
各電流は図示の方向を正にとっているので、次の関係が得られる。

Ｉａ＝Ｉａｂ−Ｉｅａ
Ｉｂ＝Ｉｂｃ−Ｉａｂ
Ｉｃ＝Ｉｃｄ−Ｉｂｃ
Ｉｄ＝Ｉｄｅ−Ｉｃｄ
Ｉｅ＝Ｉｅａ−Ｉｄｅ

図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、線電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅの波形を図示したものである。前述と同様にインバータに流入するトータル電流を求めてみると、一定値となることが分かる。すなわち、トータル電流を一定に制御することにより、各相電流波形が巻線の逆起電圧等の影響で図４の波形から外れてしまうのを、防ぐことができるということを意味している。

上記実施の形態によれば、ｍ＝０．４１の場合には、トルクベクトルの軌跡は図５に示すように２０角形と、円軌跡に近くなり、トルクリップルも１．１％と小さくできることが分かる。またｍの値を、０．３８≦ｍ≦０．４４の範囲に選べば、トルクリップルは従来の場合（特許文献１）の半分以下にすることができる。このように、従来に比べてトルクリップルを減少させることができる。

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、ｍを０．３８≦ｍ≦０．４４の範囲内で、任意に選択することができ、必要に応じてトルクリップルを減少させることができる。など、その他、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５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の一実施形態を示すブロック図である。本発明による５相ステッピングモータと、５相ハーフブリッジインバータ回路部との接続を示した回路図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、図２の５相ステッピングモータの各相巻線の接続点の指示電圧波形を示す波形図である。相巻線に流れる電流波形を示す波形図である。一周期に２０個のピークを持つトルクベクトルの軌跡を示す図である。ｍの値を０．３５から０．５まで変化させたときのトルクリップルの値を示す図である。図２の５相ステッピングモータの等価回路である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、各相巻線に流入する線電流を示す波形図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、ａ＝１．１８１、ｍ＝０．４１，Ｉｏ＝１とするときの相電流Ｉ（ｋ、ｔ）を示す波形図である。トルクの大きさは、｜Ｔ（ｔ）｜＝√（Ｔｘ（ｔ）²＋Ｔｙ（ｔ）²）で表され、１周期に２０個のピークを持つことが示された波形図である。従来の５相ステッピングモータの指示電圧信号の時間変化を示すタイムチャートである。従来のマイクロステップ駆動における各相電流の時間変化を示すタイムチャートである。図１２の各相電流に対応するトルクベクトルを示すダイヤグラムである。従来の５相ステッピングモータの巻線の接続点に流入する電流の時間変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１５相ステッピングモータ
２５相のハーフブリッジインバータ回路部
３直流電源
４検出器
５パルス幅変調パターン発生回路
６５相指示電圧パターン発生回路
７定電流制御部
Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφ 相巻線
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ接続点

Claims

電気角で７２°ずつ位相のシフトした５個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路５組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した５相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、
上記各一対のスイッチング素子の一方がＯＮの時は、他方はＯＦＦ、他方がＯＮの時は一方はＯＦＦになるようにＯＮ，ＯＦＦのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、
前記各相巻線に流れる相電流Ｉ（ｋ，ｔ）は、ｔを時間変数、ｔｏを単位時間間隔、αを任意の定数（０≦α≦１０）、ｋを前記各接続点に対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）とし、｛ｔ/ｔｏ−２（ｋ-１）＋α｝を１０で除したときの剰余値が、正の場合はそのままＡ（ｋ、ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ、ｔ）とし、Ｉｏを定数、ｆ（ｍ）およびｇ（ｍ）をｍの関数とするとき、Ｉ（ｋ、ｔ）＝Ｉｏ×Ｄ（ｋ、ｔ）で表され、Ｄ（ｋ、ｔ）は、以下の式で表されることを特徴とする５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。