JP5052046B2 - ステッピングモータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの制御装置に関し、特に、運転中の回転子の振動が抑制されるように該ステッピングモータを制御する装置に関するものである。

位置指令に基づく電流指令によってステッピングモータを制御している場合、該ステッピングモータの回転子に振動を発生することがある。その振動の発生要因としては、次のようなものが考えられる。
（ａ）トルクリップルと慣性の共振
（ｂ）サンプリング制御の時間間隔の粗さの影響
（ｃ）その他、未知の要因

そこで、従来、ステッピングモータの回転速度偏差を検出し、この回転速度偏差に基づく励磁位相の補正処理によってステッピングモータの回転子の振動を抑制するという技術が提案されている。（例えば、特許文献１参照）

特開２０００−４５９８号公報

しかし、上記従来技術によれば、後述するように、励磁位相制御に伴うトルク変化量が負荷に依存し、しかも、位相制御に伴うトルク変化量が制限を受ける。したがって、負荷の状態によっては、ステッピングモータの回転子の振動を十分に抑制することができなくなるおそれがある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ステッピングモータの回転子の振動を負荷の状態によらず常に安定に抑制することができるステッピングモータの制御装置を提供することにある。

本発明は、位置指令に対応する電流指令によってステッピングモータを制御する制御装置であって、前記ステッピングモータの速度偏差を検出する速度偏差検出手段と、前記速度偏差に基づいて、前記ステッピングモータのトルク変動に対応するトルク分電流を規定し、このトルク分電流から前記トルク変動に基づく回転子の振動を抑制するための振動抑制電流を演算する振動抑制電流演算手段と、前記電流指令を前記振動抑制電流によって補正する手段と、を備えることによって前記目的を達成している。

前記速度偏差検出手段は、前記ステッピングモータの実回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置指令の時間変化に基づいて速度指令を演算する第１の演算手段と、前記回転位置の時間変化に基づいて前記ステッピングモータの回転速度を演算する第２の演算手段と、前記速度指令に対する前記回転速度の偏差を演算する第３の演算手段と、を備えることができる。

本発明に係るステッピングモータ制御装置は、前記ステッピングモータの実回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置指令に対する前記実回転位置の偏差に基づいて前記ステッピングモータの脱調状態を検出する脱調状態検出手段と、前記脱調状態の検出時に、前記位置指令に対応する電流指令を前記実際の回転位置に対応する電流指令に切り替える切り替え手段と、をさらに備えることができる。

ステッピングモータの回転子の歯数の周期を持つトルクリップルに対応するには、前記位置検出手段として高い分解能が要求される。そこで、前記位置検出手段としては、前記ステッピングモータの回転子の歯数と同じ極数を有する可変リラクタンス形レゾルバを使用することが望ましい。

本発明によれば、ステッピングモータの速度偏差を検出する速度偏差検出手段と、前記速度偏差に基づいて、前記ステッピングモータのトルク変動に対応するトルク分電流の補正値を演算する補正値演算手段と、電流指令を前記電流指令補正値によって補正する手段と、を備えるので、トルク分電流の制御に伴うトルク変化量が負荷(位相)に依存せず、しかも、電流限界またはトルク限界に至るまでの分電流制御が可能となる。従って、ステッピングモータ１０の回転子の振動を負荷の状態によらず常に安定に抑制することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。
図１において、ステッピングモータ（例えば、２相）１０には、その回転子の位置を検出する位置センサ２０が結合されている。ステッピングモータ１０のトルクリップルは、その回転子の歯数の周期に依存するので、該トルクリップルに対応した適正なモータ電流の制御を行うためは、前記位置センサ２として高分解能のものを使用することが望ましい。そこで、この実施の形態では、ステッピングモータ１０の回転子の歯数と同じ極数を有する可変リラクタンス形レゾルバを使用している。この場合、該レゾルバの出力信号が復調器３０によって上記回転子の位置を示す信号に復調される。

信号処理部４０は、位置指令信号（上記回転子の目標位置を指令する信号）と、復調器３０から出力される上記回転子の実際の位置を示す信号（以下、位置検出信号という）とに基づいて電流指令値を決定し、この電流指令値を電力増幅器５５に入力する。
上記信号処理部４０は、図２に一構成例を示すように、切り替え制御部４１、速度指令部４２、速度検出部４３、脱調防止スイッチ４４、電流指令演算部４５、振動抑制電流演算部４６等を備えている。そして、この信号処理部４０では、単位時間Δｔの間隔のタイミング・・・ｔ_i-n ，ｔ_i-n-1 ，・・・，ｔ_i-3 ， ｔ_i-2 ， ｔ_i-1 ，ｔ_i ，・・・で上記位置指令信号および位置検出信号がサンプリングされる。

切り替え制御部４１は、位置指令信号と位置検出信号との偏差を監視し、その偏差（電気角）に基づいて、脱調防止スイッチ４４を端子ａと端子ｂのいずれかに切り替え接続する。
速度指令部４２は、上記時刻ｔ_i，ｔ_i-1における位置指令信号の差分、つまり、位置指令信号の時間Δｔにおける変化を速度指令信号として抽出する差分抽出部４２ａと、抽出した速度指令信号に含まれた雑音成分を除去する低域フィルタ４２ｂとを備えている。
また、速度検出部４３は、上記時刻ｔ_i，時刻ｔ_i-1における位置検出信号の差分を速度検出信号として抽出する差分抽出部４３ａと、抽出した速度信号に含まれた雑音成分を除去する低域フィルタ４３ｂとを備えている。

脱調防止スイッチ４４は、端子ａに位置指令信号が入力され、端子ｂに位置検出信号が入力される。切り替え制御部４１は、位置指令信号と位置検出信号の偏差に基づいて上記脱調防止スイッチ４４を次のように切り替え接続する。
（ａ）−９０゜≦偏差≦＋９０゜の場合は、ステッピングモータ１０が同調状態にあると判断して、脱調防止スイッチ４４を端子ａ側に接続する。これにより、ＳＴモード（ステッピングモータモード）を選択されて、いわゆる開ループ制御が実行されることになる。
（ｂ）−９０゜＞偏差量または＋９０゜＜偏差量の場合は、ステッピングモータ１０が脱調状態にあると判断して、脱調防止スイッチ４４を端子ｂ側に接続する。これにより、ＢＬモード（ブラシレスモータモード）が選択されて、いわゆる閉ループ制御が実行されることになる。

以下、信号処理部４０の作用について説明する。この信号処理部４０においては、通常、脱調防止スイッチ４４が端子ａ側に接続された状態にあり、この場合、位置指令信号が上記脱調防止スイッチ４４を介して電流指令演算部４５に入力される。
電流指令演算部４５は、位置指令信号に基づいて電流指令、すなわち、電流指令演算部４５は、ステッピングモータ１０のＡ相巻線に対するＡ相電流指令Ｉ_Acmd（ｓｉｎ相電流指令）およびＢ相巻線に対するＢ相電流指令Ｉ_Bcmd（ｃｏｓ相電流指令）を演算し、この電流指令を加算器４８に入力する。

一方、減算器４７は、速度指令部４２から出力される速度指令信号Ｖ_CMDより速度検出部４３から出力される速度検出信号Ｖ_FBを減じる演算を実行し、その演算結果である速度偏差Ｖ_CMD−Ｖ_FBを振動抑制電流演算部４６に入力する。
上記速度偏差Ｖ_CMD−Ｖ_FBは、ステッピングモータ１０のトルク変動（トルクリップル）に対応する。そして、このトルク変動に対応するトルク分電流（ｑ軸電流）Ｉ_qDは、下式（１）によって与えられる。
Ｉ_qD＝Ｋ_D×（Ｖ_CMD−Ｖ_FB） （１）
ここで、Ｋ_Dは定数である。
そこで、電流指令演算部４５は、上記トルク分電流Ｉ_qDと下記変換式（２）とを用いて、上記トルク変動を補正するためのＡ相振動抑制電流Ｉ_ADおよびＢ相振動抑制電流Ｉ_BDを演算する。なお、式（２）の右辺の括弧内は、回転変換行列である。

ここで、θ_eは前記ステッピングモータ１０の回転子回転位置である。

上記振動抑制電流演算部４６で演算されたＡ相振動抑制電流Ｉ_ADおよびＢ相振動抑制電流Ｉ_BDは、前記加算器４８に入力される。したがって、加算器４８からは、前記Ａ相電流指令Ｉ_AcmdにＡ相振動抑制電流Ｉ_ADを加算した補正済みＡ相電流指令Ｉ_Acmd’および前記Ｂ相電流指令Ｉ_BcmdにＢ相振動抑制電流Ｉ_BDを加算した補正済みＢ相電流指令Ｉ_Bcmd’が出力される。

上記Ａ相電流指令Ｉ_Acmd’およびＢ相電流指令Ｉ_Bcmd’は、図１に示す電力増幅器５０を介してステッピングモータ１０の図示していないＡ相巻線およびＢ相巻線にそれぞれ供給され，これによって，該ステッピングモータ１０が回転駆動される。
上記したようにＡ相電流指令Ｉ_Acmd’およびＢ相電流指令Ｉ_Bcmd’は、前記Ａ相振動抑制電流Ｉ_ADおよびＢ相振動抑制電流Ｉ_BDによって補正されたものである。これにより、ステッピングモータ１０は、トルク変動がなくなるようにその駆動電流が制御され、その結果、該ステッピングモータ１０の回転子の振動が抑制される。

このように、この実施の形態によれば、トルク分電流（負荷トルクに比例する電流）の制御によって上記回転子の振動を抑制しているので、前述視した従来技術に比して、以下のような作用効果上の利点が得られる。
ステッピングモータ１０は、定常時において、図３に実線で例示するような位相−トルク（θ−Ｔ）特性Ａをもつ。つまり、励磁位相に対してトルクが正弦波状に変化する特性を有する。
このような特性を有するステッピングモータ１０は、無負荷時にはトルク＝０（位相＝０）付近で回転し、有負荷時には負荷トルクとモータートルクがつり合った位相で回転する。

前述した従来技術では、ステッピングモータの回転速度偏差に基づく励磁位相の補正処理によってステッピングモータの回転子の振動を抑制している。この場合、無負荷時および有負荷時の位相制御（位相制御量は等しいものとする）によるトルク変化は、例えばΔＴ１およびΔＴ２のようにそれぞれ表される。つまり、有負荷時よりも無負荷時の方がトルクの変化が大きくなる。
このように、従来技術によれば、制御に伴うトルク変化量が負荷（位相）に依存し、しかも該トルク変化量が特性Ａに基づく制限を受ける。したがって、負荷の状態によっては、十分に振動を抑制することができなくなるおそれがある。

これに対して、本実施形態に係るステッピングモータの制御装置によれば、あるトルク分電流が電流指令に付加されたとき（トルク分電流制御時）に、図３に点線で例示したようなθ−Ｔ特性Ｂ、つまり、実線のθ−Ｔ特性をトルク軸方向に垂直移動した特性Ｂが設定される。このトルク分電流制御に基づく無負荷時および有負荷時のトルク変化は、例えば、ΔＴ３およびΔＴ４（≒ΔＴ３）としてそれぞれ示される。
結局、トルク分電流を制御する本実施形態では、制御に伴うトルク変化量が負荷（位相）に依存せず、しかも、電流限界またはトルク限界に至るまでの分電流の制御が可能となる。従って、ステッピングモータ１０の回転子の振動を負荷の状態によらず常に安定に抑制することができる。

なお、ステッピングモータ１０が脱調運転状態になると、切り替え制御部４１によって脱調防止スイッチ４４が端子ｂ側に切り替えられて、電流指令演算部４５が位置検出信号に基づいて電流指令を演算することになるので、ステッピングモータ１０が同調運転状態になるように閉ループ制御される。そして、この場合においても、上記回転子の振動を抑制する制御は続行される。なお、ステッピングモータ１０が同調運転状態に戻ると、脱調防止スイッチ４４が端子ａ側に接続されるので、再びモータ１０が位置指令信号に基づいて開ループ制御されることになる。

本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更、付加が可能なものである。例えば、上記電力増幅器５０に代えて、ＰＷＭインバータを適用しても良く、また、上記信号処理部４０における信号処理をマイクロプロセッサによるプログラム処理によって実行しても良い。

本発明の一実施形態に係るステッピングモータの全体構成を示すブロック図である。 信号処理部の構成例を示すブロック図である。 位相制御によるトルク変化と分電流制御によるトルク変化をそれぞれ例示したグラフである。

符号の説明

１０ ステッピングモータ
２０ 位置センサ
３０ 復調器
４０ 信号処理部
４１ 切り替え制御部
４２ 速度指令部
４３ 速度検出部
４４ 脱調防止スイッチ
４５ 電流指令演算部
４６ 振動抑制電流演算部
４７ 減算器
４８ 加算器

Claims (4)

1. 位置指令に対応する電流指令によってステッピングモータを制御する制御装置であって、
   前記ステッピングモータの速度偏差を検出する速度偏差検出手段と、
   前記速度偏差に基づいて、前記ステッピングモータのトルク変動に対応するトルク分電流を規定し、このトルク分電流から前記トルク変動に基づく回転子の振動を抑制するための振動抑制電流を演算する振動抑制電流演算手段と、
   前記電流指令を前記振動抑制電流によって補正する手段と、
   を備えることを特徴とするステッピングモータの制御装置。
2. 前記速度偏差検出手段は、
   前記ステッピングモータの実回転位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置指令の時間変化に基づいて速度指令を演算する第１の演算手段と、
   前記回転位置の時間変化に基づいて前記ステッピングモータの回転速度を演算する第２の演算手段と、
   前記速度指令に対する前記回転速度の偏差を演算する第３の演算手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータの制御装置。
3. 前記ステッピングモータの実回転位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置指令に対する前記実回転位置の偏差に基づいて前記ステッピングモータの脱調状態を検出する脱調状態検出手段と、
   前記脱調状態の検出時に、前記位置指令に対応する電流指令を前記実際の回転位置に対応する電流指令に切り替える切り替え手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータの制御装置。
4. 前記位置検出手段が、前記ステッピングモータの回転子の歯数と同じ極数を有する可変リラクタンス形レゾルバであることを特徴とする請求項２または３に記載のステッピングモータの制御装置。

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