JP5214162B2 - ５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置 - Google Patents

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として、前記各相巻線の相電流波形を正弦波とする制御方式がある。この場合の発生トルクベクトルの軌跡は円となり、トルクリップルを最小にすることが可能である。しかし、この場合には各相毎の電流制御を行う必要から、電流検出器も相数分必要となり、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）
すなわち、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（前記特許文献１の図７）の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（前記特許文献１の図３）の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（前記特許文献１の図４）に示すように１０角形となる。
この場合、各相巻線の接続点に流れ込む線電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅは、（前記特許文献１の図３）の各相巻線の相電流からキルヒホッフの電流則により（前記特許文献１の図８）のようになる。
（前記特許文献１の図８）の各線電流の正の値はインバータの上側アームを流れる電流であり、負の値は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、この場合には、各相毎の電流をそれぞれ所定の波形に制御する必要はなく、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よいので、電流検出器はひとつでよく、回路構成も簡素化されるというメリットがある。
しかし、この場合にはトルクベクトルの軌跡が１０角形の辺上を動くので５．２％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、前記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、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には基本波成分の他に少なくとも３次高調波成分が重畳されており、基本波成分の大きさをＶとしたとき、３次高調波成分の大きさはｋ３・Ｖで表され、ｋ３は−０．０７〜−０．１６に設定されていることにある。
また、本発明は、電気角で１４４°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、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には基本波成分の他に少なくとも３次高調波成分が重畳されており、基本波成分の大きさをＶとしたとき、３次高調波成分の大きさはｋ３・Ｖで表され、ｋ３は−０．５〜−１．０に設定されていることにある。
さらに、本発明は、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星状に接続した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、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には基本波成分の他に少なくとも３次高調波成分が重畳されており、基本波成分の大きさをＶとしたとき、３次高調波成分の大きさはｋ３・Ｖで表され、ｋ３は−０．２０〜−０．４２に設定されていることにある。

各結線方式において、端子電圧の３次高調波比率ｋ３を適切に選ぶと、正弦波駆動でありながらトータル電流のリップルを１％以下にすることが可能であり、トータル電流一定制御が行えるため、簡単な構成で、しかもトルクリップルの少ない５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置が実現できる。高調波比率はトータル電流のリップルを低く抑えられる範囲で、できるだけ小さめの値を選ぶことにより、抵抗損失の増加を抑えることができる。

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である。
３はインバータ回路部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、インバータ回路部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、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、５相ステッピングモータの５個の入力端子Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４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。

図３は５相ステッピングモータの各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφの接続の態様を示したもので、図３(ａ)は、電気角で７２°ずつ位相のシフトした５個の相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφを順番に環状に接続したものである。図３(ｂ)は、電気角で１４４°ずつ位相のシフトした５個の相巻線Ａφ、Ｃφ、Ｅφ、Ｂφ、Ｄφを順番に環状に接続したものである。図３(ｃ)は、電気角で７２°ずつ位相のシフトした５個の相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφの一端を共通接続して星状に接続したものである。

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の各接続点ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの電圧波形としては、基本波分に奇数次高調波分を重畳させたものが可能である。

各接続点ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの電圧Ｖａ（ｔ）、Ｖｂ（ｔ）、Ｖｃ（ｔ）、Ｖｄ（ｔ）、Ｖｅ（ｔ）は、図３(ａ)および図３（ｃ）のモータを接続する場合は、電気角で７２°ずつ位相のシフトした波形とし、図３（ｂ）のモータを接続する場合は電気角で１４４°ずつ位相のシフトした波形とする。すなわち、各端子電圧に奇数次高調波が含まれているとすると、各端子電圧は次式で表せる。

ここでｋ＝０，１，２，３，４であり、モータの入力端子Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に対応している。ｍは結線方式に依存する数値であり、図３（ａ）と（ｃ）の場合はｍ＝２、（ｂ）の場合はｍ＝４である。ｉは高調波の次数であり、ｋｉは端子電圧の高調波比率である。

こうすることにより、各相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφには、電気角で７２°ずつ位相のシフトした電流ＩＡ（ｔ）、ＩＢ（ｔ）、ＩＣ（ｔ）、ＩＤ（ｔ）、ＩＥ（ｔ）を流すことができる。このとき各相電流の基本波分の大きさをＩｏとすると、各相電流は、次式のようになる。

ここで、ｎは相を表し、ｎ＝０，１，２，３，４が、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ相に対応している。
ε_iは相電流の高調波比率である。
基本成分の大きさＩ₀および位相φの大きさは、巻線抵抗をＲとすると、

図３（ａ）の場合、
Ｉｏ＝（２Ｖ／Ｒ）ｓｉｎ(π／５)
φ＝３π／１０

図３（ｂ）の場合、
Ｉｏ＝（２Ｖ／Ｒ）ｓｉｎ(２π／５)
φ＝π／１０

図３（ｃ）の場合、
Ｉｏ＝Ｖ／Ｒとなる。
φ＝０

また電流に含まれる高調波分の比率εｉは、端子電圧の高調波比率をｋｉとすると、以下のようになる。

図３（ａ）の場合、
εｉ＝ｋｉ｛ｓｉｎ（ｉπ／５）／ｓｉｎ（π／５）｝ｃｏｓ｛（ｉ−１）π／２｝

図３（ｂ）の場合、
εｉ＝ｋｉ｛ｓｉｎ（２ｉπ／５）／ｓｉｎ（２π／５）｝ｃｏｓ｛（ｉ−１）π／２｝

図３（ｃ）の場合は、
εｉ＝ｋｉ （ただし、ｉは次数であり奇数とする。）

５相ステッピングモータの各相トルクの式は次式で表せる。
ＴＡ＝ＩＡ（ｔ）×Ｋｔ×ｓｉｎθ
ＴＢ＝ＩＢ（ｔ）×Ｋｔ×ｓｉｎ（θ−７２°）
ＴＣ＝ＩＣ（ｔ）×Ｋｔ×ｓｉｎ（θ−１４４°）
ＴＤ＝ＩＤ（ｔ）×Ｋｔ×ｓｉｎ（θ＋１４４°）
ＴＥ＝ＩＥ（ｔ）×Ｋｔ×ｓｉｎ（θ＋７２°）
ここでＫｔはトルク定数、θは空間的な角度である。

電流波形は前記のように奇数次高調波を含んでおり、次式のように表せる。
ＩＡ（ｔ）＝Ｉｏ｛ｓｉｎωｔ＋ε３・ｓｉｎ３ωｔ＋ε５・ｓｉｎ５ωｔ＋ε７・ｓｉｎ７ωｔ＋・・・・｝
（ここで、ωは角速度である。）

前記の式の右辺のωｔを（ωｔ−７２°）に置き換えれば、ＩＢ（ｔ）の式となり、（ωｔ−１４４°）、（ωｔ＋１４４°）、（ωｔ＋７２°）に置き換えれば、ＩＣ（ｔ）、ＩＤ（ｔ）、ＩＥ（ｔ）の式となる。

前記各相トルクの合成値がトータルの発生トルクとなるので、前記の電流の式を前記各相トルク式に代入して整理すると、トータルのトルクは次式で表せる。

Ｔ（ｔ、θ）＝２．５ＫｔＩｏ×｛ｃｏｓ（ωｔ−θ）−ε９・ｃｏｓ（９ωｔ＋θ）＋ε１１・ｃｏｓ（１１ωｔ−θ）−ε１９・ｃｏｓ（１９ωｔ＋θ）＋ε２１・ｃｏｓ（２１ωｔ−θ）−・・・・｝

すなわち、存在する高調波成分の次数ｉは,ｎを１以上の整数とすると、１０ｎ±１の次数であり、それ以外の次数の高調波はトルクに影響しないことが分かる。
前記式において、トルクの基本波成分が最大となるのは、ωｔ−θ＝０、すなわちθ＝ωｔのときであるから、この条件を前式に代入すると、以下のようになり、トルクベクトルの変動の様子をみることができる。

Ｔ（ωｔ）＝２．５Ｋｔ・Ｉｏ×｛１＋（ε１１−ε９）ｃｏｓ（１０ωｔ）＋（ε２１−ε１９）ｃｏｓ（２０ωｔ）＋・・・｝

ここで、端子電圧波形に３次の高調波を重畳した場合について検討してみる。
図７に、図３（ａ）の結線方式において、−１２％の３次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す。二点鎖線が基本波、点線が３次高調波、実線が合成した端子電圧波形である。また、図８に、図３（ｂ）の結線方式において、−８０％の３次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す。二点鎖線が基本波、点線が３次高調波、実線が合成した端子電圧波形である。さらに、図９に、図３（ｃ）の結線方式において、−３０％の３次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す。二点鎖線が基本波、点線が３次高調波、実線が合成した端子電圧波形である。
図１０、図１１，図１２は、端子電圧波形がそれぞれ図７、図８、図９の場合の相電流波形で、Ａ相電流、Ｂ相電流、Ｃ相電流を示している。実線がＡ相電流、点線がＢ相電流、二点鎖線がＣ相電流である。
３次以外の高調波を含んでいないとすると、１０ｎ次の脈動トルク成分は発生せず、トルクベクトルの大きさは一定となり、トルクベクトルの軌跡は円となることが分かる。
しかし１０ｎ±１次以外の高調波はトルクには影響しないが、相電流波形やトータル電流波形、相巻線における抵抗損失などに影響を与える。
各相巻線の接続点に流れ込む線電流は、図３（ａ）、（ｂ）の場合は、各相巻線の相電流からキルヒホッフの電流則により求められ、図３（ｃ）の場合は、線電流＝相電流である。
また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るので、図３の各結線方式に対し、３次高調波比率ｋ３に対するトータル電流のリップルの変化を求めてみると、図４、図５、図６のようになり、各結線方式において、端子電圧の３次高調波比率ｋ３を適切に選ぶと、トータル電流のリップルを１％以下にすることが可能であり、トータル電流一定制御が行えることが分かる。

今、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の場合のスイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６、Ｑ７とＱ８、Ｑ９とＱ１０の各接続点ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの電圧波形に３次高調波成分が含まれているかを、図４、図５、図６から見てみると、
トータル電流のリップルを２％以下にする３次高調波比率ｋ３の範囲は、図３（ａ）の場合、図４から−７〜−１６％、また、図３（ｂ）の場合、図５から−５０〜−１００％、さらに、図３（ｃ）の場合、図６から−２０〜−４２％であることが分かる。

また巻線電流による抵抗損失は２．５×(Ｉｏ＾２)×Ｒ×（１＋ε３＾２)で表されるため、高調波比率はトータル電流のリップルを低く抑えられる範囲で、できるだけ小さめの値を選ぶことにより、抵抗損失の増加を抑えられることが分かる。

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で適宜、変更して実施しうることは言うまでもない。

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である。 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)は、電気角で７２°ずつ位相のシフトした５個の相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφを順番に環状に接続した結線図、(ｂ)は、電気角で１４４°ずつ位相のシフトした５個の相巻線Ａφ、Ｂφ、Ｃφ、Ｄφ、Ｅφを順番に環状に接続した結線図、(ｃ)は、電気角で７２°ずつ位相のシフトした５個の相巻線Ａφ、Ｃφ、Ｅφ、Ｂφ、Ｄφの一端を共通接続して星状に接続した結線図である。 図３（ａ）の結線方式に対し、３次高調波比率ｋ３に対するトータル電流のリップルの変化を示す図である。 図３（ｂ）の結線方式に対し、３次高調波比率ｋ３に対するトータル電流のリップルの変化を示す図である。 図３（ｃ）の結線方式に対し、３次高調波比率ｋ３に対するトータル電流のリップルの変化を示す図である。 図３（ａ）の結線方式において、−１２％の３次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す波形図である。 図３（ｂ）の結線方式において、−８０％の３次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す波形図である。 図３（ｃ）の結線方式において、−３０％の３次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す波形図である。 端子電圧波形が図７の場合の相電流波形で、Ａ相電流、Ｂ相電流、Ｃ相電流を示す波形図である。 端子電圧波形が図８の場合の相電流波形で、Ａ相電流、Ｂ相電流、Ｃ相電流を示す波形図である。 端子電圧波形が図９の場合の相電流波形で、Ａ相電流、Ｂ相電流、Ｃ相電流を示す波形図である。

符号の説明

１ ５相ステッピングモータ
２ ５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
６ ５相指示電圧パターン発生回路
７ 定電流制御部

Claims (3)

1. 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、前記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、
   前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には基本波成分の他に少なくとも３次高調波成分が重畳されており、基本波成分の大きさをＶとしたとき、３次高調波成分の大きさはｋ３・Ｖで表され、ｋ３は−０．０７〜−０．１６に設定されてい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。
2. 電気角で１４４°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、
   前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には基本波成分の他に少なくとも３次高調波成分が重畳されており、基本波成分の大きさをＶとしたとき、３次高調波成分の大きさはｋ３・Ｖで表され、ｋ３は−０．５〜−１．０に設定されてい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。
3. 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星状に接続した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、
   前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には基本波成分の他に少なくとも３次高調波成分が重畳されており、基本波成分の大きさをＶとしたとき、３次高調波成分の大きさはｋ３・Ｖで表され、ｋ３は−０．２０〜−０．４２に設定されてい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。

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