JP5491207B2 - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents
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Description
相巻線を流れる相電流の電流値を検出する電流検出部と、
前記電流検出部の検出結果に基づき、前記相巻線を流れる前記相電流を定電流制御する定電流制御部と、
前記電流検出部の検出結果に基づき、前記相電流の零クロスを検出する零クロス検知部と、
前記ステッピングモータの駆動制御パルス信号のエッジと前記零クロス検知部により検知された前記零クロスとの間の位相差を検知する位相差検知部と、
前記位相差検知部により検知された前記位相差に応じた電流値で前記定電流制御部に定電流制御を行わせる制御装置とを備えた。
(モータドライバIC300)
まず、本実施例に用いる定電流制御方式のモータドライバIC(定電流制御部)300について、図2を用いて簡単に説明する。図2は、2相ステッピングモータドライバIC300の一般的な内部回路のブロック図である。駆動制御パルス信号発生器200から駆動制御パルス信号CLKがモータドライバIC300に入力される毎に、モータドライバIC300は、励磁相を切り替えて2相ステッピングモータ400のロータを回転させる。モータドライバIC300が定電流制御方式の場合、2相ステッピングモータ400のA相巻線402に流れるA相電流の電流値及びB相巻線404に流れるB相電流の電流値が、電流設定端子Vrefにて設定した所定の電流値となるように定電流制御する。具体的には、A相巻線402及びB相巻線404は、半導体スイッチ素子(ここではMOS−FET)で構成されるHブリッジ412及び414のそれぞれに接続されている。A相巻線402及びB相巻線404に流れる電流値をA相電流検出抵抗(定電流制御用A相電流検出部)201及びB相電流検出抵抗(定電流制御用B相電流検出部)202でそれぞれ検出する。A相電流検出抵抗201及びB相電流検出抵抗202により検出される電流値と、電流設定端子Vrefの所定の電流値とを、差動増幅器416及び418でそれぞれ比較する。A相巻線402及びB相巻線404に流れる電流が所定の電流値となるように、Hブリッジ412及び414の各半導体スイッチ素子のオン・オフ比が決定される。この構成は、いわゆる定電流PWM(パルス幅変調)制御と呼ばれる制御を行うパルス幅制御部である。通常、予め想定される負荷トルクTlにマージンを上乗せしたトルクを出力できる決め打ちの電流値を電流設定端子Vrefに設定するように設計される。従って、負荷トルクTlが想定と異なったトルクとなった場合には、脱調や振動が発生してしまう。これに対し、本実施例では、A相電流検出抵抗201及びB相電流検出抵抗202により検出される電流値の零クロスのタイミングに基づいて、負荷トルクTlを求める。この負荷トルクTlにマージンを上乗せしたトルクを出力するための電流値を求める。この電流値に対応した電圧を電流設定端子Vrefに印加する。すなわち、求めたトルクを出力するための電流値に対応した制御値を設定する。
次に、本発明で利用するステッピングモータの相電流による負荷トルクの検出方法について、図3〜図5を用いて説明する。一般的にモータの定常状態における電流とトルクの関係は比例関係にある。ただし、モータは自身の速度に比例した発電特性を備えるため、図4に示すように駆動周波数(回転速度)により出力トルクは変化することになる。図4は、トルクコンバータを用いて測定したステッピングモータの出力トルク特性を示している。モータドライバIC300の電流設定端子Vrefに、1.22Aの電流、1.06Aの電流、及び0.9Aの電流を設定した。図4は、電流設定端子Vrefに設定した電流値を変化させたときの駆動周波数に対する出力トルクTmの関係を示している。本実施形態では、この特性情報をテーブルとして保持しておき、このテーブルを参照することにより、駆動周波数において出力トルクTmを発生させるために必要な電流値を求める。
図5(a)及び(b)は、ステッピングモータの駆動周波数を変化させたときの負荷トルクTlに対する位相差比の関係を示す特性図である。図5において、縦軸は位相差比を示し、横軸はステッピングモータ軸に印加されている負荷トルクTlを示している。図5(a)は、モータドライバIC300の電流設定端子Vrefに設定した電流値が0.9アンペア(A)のときの特性図である。図5(b)は、電流設定端子Vrefに設定した電流値が1.3アンペア(A)のときの特性図である。本実施例では、この特性情報をテーブルとして保持しておき、このテーブルを参照することにより、求めた位相差比と駆動周波数から負荷トルクTlを求める。そして、前述したように、負荷トルクTlにマージンを上乗せした出力トルクTmを発生させるために必要な電流値を、図4に示される特性を示すテーブルを参照することにより求め、この電流値に対応した電圧を電流設定端子Vrefに印加する。
I・R+L・dI/dt+em=Vin (式1)
ここで、Vin:入力電圧、em:逆起電圧、R:巻線抵抗、I:巻線電流、L:巻線インダクタンスである。
なお、逆起電圧emは、モータ回転速度ωに比例し、次式で表される。
em=Ke・ω (式2)
ここで、Keは、逆起電力定数である。
Tm=Kt・Im (式3)
ここで、Ktは、トルク定数である。
動作時平均電流:静止時電流=(Vin−Ke・ω)/Z:Vin/Z
これにより求められる速度別逆起電圧による電流減衰に伴う位相差比の拡大比率を補正することで、低中速領域と同様に負荷トルクTlと位相差比の関係が得られることになる。
図1は、本実施例の補正制御回路500のブロック図である。本実施例において、ステッピングモータの駆動装置は、モータドライバIC300と補正制御回路500とからなる。補正制御回路500において、電流検出段は、A相電流検出抵抗201、B相電流検出抵抗202、及び零クロス検知用電流検出部203を有する。電流検出段以外の部分(図1中の参照符号100で示すブロック)は、プログラミング可能なゲートアレイ(FPGA)100を用いたハード回路にて構成している。FPGA(以下、補正制御部という。)100の内部の周期測定部104及び位相差検知部105は、基本的には補正制御部100の基準クロックを用いたカウンタを有する。A相電流検出抵抗201を流れるA相電流は、零クロス検知用電流検出部203の増幅器(比較器)205により増幅されて、A相電流信号Ia_sensとして出力される。A相電流零クロス検知部102aは、A相電流信号Ia_sensの零交点(零クロス)を検知する。B相電流検出抵抗202を流れるB相電流は、零クロス検知用電流検出部203の増幅器(比較器)207により増幅されて、B相電流信号Ib_sensとして出力される。B相電流零クロス検知部102bは、B相電流信号Ib_sensの零交点(零クロス)を検知する。なお、本実施例においては、A相電流零クロス検知部102a及びB相電流零クロス検知部102bを補正制御部100内に構成したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、A相電流検出抵抗201及びB相電流検出抵抗202での検出値を外部比較器にいれた零クロス検知部として、その検出結果(Hi/Low)を入力する構成としてもよい。
次に、図1に示した補正制御回路500による位相差の検出動作を図6を用いて説明する。位相差カウントなどについては、前述した図3で説明した通りである。図6は、模式的に、負荷トルクTlと零クロス検出信号Izeroが変化する様子を示している。図1を参照して、駆動制御パルス信号発生器200は、ステッピングモータの位置指令及び速度指令としての駆動制御パルス信号CLKを発生する。CLKエッジ検知部101は、駆動制御パルス信号CLKの立ち上がりエッジを検出する。CLKエッジ検知部101が駆動制御パルス信号CLKの立ち上がりエッジを検出すると、周期測定部104及び位相差検知部105のカウンタがリセットされる。各カウンタは、補正制御部100の基準クロック単位(ここでは40MHz)でカウントする構成となっている。周期測定部104のカウンタは、次の駆動制御パルス信号CLKの立ち上がりエッジが検出されるまでカウントする。次の立ち上がりエッジが検出されると、周期測定部104は、その時点での周期カウント値CLK_prdをレジスタに保持し、カウンタをリセットする。周期カウント値CLK_prdは、前述の駆動制御パルス間周期(立ち上がりエッジ−立ち上がりエッジ間周期)PH_CLKに対応し、駆動制御パルス間周期PH_CLKをカウント数により表した数値である。一方、位相差検知部105のカウンタは、上記リセットから零交点が検出されるまでカウントする。OR(論理和)回路103は、A相電流零クロス検知部102a及びB相電流零クロス検知部102bでの検出結果の論理和をとる。A相電流PH−A_Iの零交点又はB相電流PH−B_Iの零交点が検出されると、論理和回路103は、零クロス検出信号Izeroを出力する。位相差検知部105は、論理和回路103からの零クロス検出信号Izeroが入力されると、その時点での位相差カウント値Ph_contをレジスタに保持し、カウンタをリセットする。位相差カウント値Ph_contは、前述の零クロス位相差PH_R0に対応し、零クロス位相差PH_R0をカウント数により表した数値である。なお、本実施例において、CLKエッジ検知部101は、駆動制御パルス信号CLKの立ち上がりエッジを検出しているが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、CLKエッジ検知部101は、駆動制御パルス信号CLKの立ち下がりエッジを検出してもよい。そして、立ち下がりエッジ基準により、周期測定部104が周期カウント値CLK_prdを検出し、位相差検知部105が位相差カウント値Ph_contを検出するように構成してもよい。
次に、各レジスタに保持された周期カウント値CLK_prd及び位相差カウント値Ph_contは、電流補正部(制御装置)106へ入力される。電流補正部106は、次のような処理を行う。
(1)駆動制御パルス信号CLKの周期カウント値CLK_prdを逆数演算することにより駆動周波数を算出する。
(2)周期カウント値CLK_prdと位相差カウント値Ph_contとから位相差比(CLK_prd÷Ph_cont)を算出する。
(3)(1)で算出した駆動周波数、及び(2)で算出した位相差比に基づいて、ステッピングモータの回転軸に印加された負荷トルクTlを求める。負荷トルクTlは、図5に示した駆動周波数を変化させたときの負荷トルクTlに対する位相差比の関係を示すテーブル又は演算式を使用して求める。この場合、位相差比は、前述したように、速度比(駆動周波数比)及び電流比に基づいて補正された後、計算に使用される。
(4)(1)で算出した駆動周波数、及び(3)で算出した負荷トルクTlに基づいて、電流設定端子Vrefに設定すべき電流値を求める。電流値は、図4に示したような電流設定端子Vrefに設定した電流値を変化させたときの駆動周波数に対する出力トルクTmの関係を示すテーブル又は演算式を使用して求める。
(5)補正電流値の算出において、ステッピングモータの動作範囲が広い場合には、所定の回転速度以上の範囲において、ステッピングモータの逆起電圧特性の表、速度補正比、又は算出近似式により、補正電流値を算出する。
(6)ドライバIC300の電流設定端子Vrefへ(4)で算出した補正電流値、又は(5)で算出した補正電流値に対応した電圧を出力する。
以上のような処理を行うことにより、ステッピングモータのモータ巻線に流す電流の定電流制御指令値(ドライバIC300の電流設定端子Vrefに印加する所定の電流値)を負荷トルクに応じて補正することが可能となる。
図7は、本実施例の位相差比とエンコーダによる位置偏差とを比較した図である。図7(a)は、台形駆動時の全体図である。図7(b)は、起動時の拡大図である。図7(c)は、ローパスフィルタ処理時の図である。図7の位相差比は、上記の(1)〜(5)までの処理により負荷トルクの変化を検出した結果である。図7の位置偏差は、モータ軸にエンコーダを取り付けて駆動制御パルス信号CLKに対する実回転位置の偏差量(遅れ側を“+”とする)を測定した結果である。図7(a)及び(b)に示すように、相電流の零クロス位相差比は、エンコーダにより検出された偏差量にほぼ比例した値を示していることが分かる。ただし、実際の相電流はスイッチングによる定電流PWM制御を行っているため、ノイズ成分が多い。このため、図7(b)に示すように位置偏差と比較して位相差比は大きめの変化度を示す傾向がある。実際の使用においては、PID制御によるフィードバック制御などの適用が考えられるが、電流検出部でのノイズ要素は微分要素(D制御)に対する影響を除去するため適切なローパスフィルタ等の適用が不可欠である。図7(c)は、ローパスフィルタ処理を適用した場合の位相差比出力状態を示す。
102b・・・B相電流零クロス検知部、
104・・・周期測定部、
105・・・位相差検知部、
106・・・電流補正部(制御装置)、
201・・・A相電流検出抵抗(定電流制御用A相電流検出部)、
202・・・B相電流検出抵抗(定電流制御用B相電流検出部)、
300・・・モータドライバIC(定電流制御部)、
400・・・ステッピングモータ、
402・・・A相巻線、
404・・・B相巻線、
500・・・補正制御回路(駆動装置の一部)
Claims (5)
- ステッピングモータの駆動装置において、
相巻線を流れる相電流の電流値を検出する電流検出部と、
前記電流検出部の検出結果に基づき、前記相巻線を流れる前記相電流を定電流制御する定電流制御部と、
前記電流検出部の検出結果に基づき、前記相電流の零クロスを検出する零クロス検知部と、
前記ステッピングモータの駆動制御パルス信号のエッジと前記零クロス検知部により検知された前記零クロスとの間の位相差を検知する位相差検知部と、
前記位相差検知部により検知された前記位相差に応じた電流値で前記定電流制御部に定電流制御を行わせる制御装置とを備えたことを特徴とするステッピングモータの駆動装置。 - 前記ステッピングモータの前記駆動制御パルス信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジを基準として、エッジ間周期を検出する周期測定部を更に備え、
前記制御装置は、前記エッジ間周期に対する前記位相差の比である位相差比と前記ステッピングモータの駆動周波数とに応じた電流値で前記定電流制御部に定電流制御を行わせ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駆動装置。 - 前記制御装置は、前記位相差比と前記駆動周波数に基づいて負荷トルクを求め、前記負荷トルクに基づいた電流値で前記定電流制御部に定電流制御を行わせることを特徴とする請求項2に記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記制御装置は、前記駆動周波数と前記位相差比と前記負荷トルクの関係を表すテーブル又は近似式により負荷トルクを求めることを特徴とする請求項3に記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記制御装置は、前記エッジ間周期に基づいて前記駆動周波数を求めることを特徴とする請求項2に記載のステッピングモータの駆動装置。
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