JP6249226B2

JP6249226B2 - ステッピングモーターの制御装置

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Publication number: JP6249226B2
Application number: JP2014053364A
Authority: JP
Inventors: 喜信角田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: JP2015177674A

Description

本発明はステッピングモーターの制御装置に関する。

ステッピングモーターの駆動を制御する制御装置が特許文献１に開示される。ステッピングモーターの駆動方式としては、ステッピングモーターのコイルに電圧を加えて目標値までそのコイルに電流を流した後、加えた電圧のＯＮ−ＯＦＦのスイッチングをすることで一定の励磁電流をコイルに流して励磁する定電流駆動方式が知られる。

特開２０００−２３６６９６号公報

上記の定電流駆動方式は、ステッピングモーターのコイルや駆動回路の発熱を抑制できる。しかし、電圧のＯＮとＯＦＦを繰り返すことで放射・伝導ノイズがステッピングモーターのコイルや駆動回路に発生する。

また、コイルに加える電圧値によりコイルに流れる電流が目標値に到達する時間が変化するにも関わらず、従来の定電流駆動方式では、コイルに電圧を加えて励磁が終了（１ステップ分の励磁が終了）するまでの時間が予め規定（固定）されていた。よって、高い電圧をコイルに加えた場合は、それより低い電圧を加えた場合よりも電流の立ち上がり時間が短縮され、励磁時間（電圧のＯＮ−ＯＦＦを繰り返す時間）が不要に長くなり、放射・伝導ノイズが顕著となる場合がある。

本発明の課題は、放電・放射ノイズを低減することができる定電流駆動方式のステッピングモーターの制御装置を提供する。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のステッピングモーターの制御装置は、
ステッピングモーターのコイルに電圧を加えてコイルに流れる電流値を基準値に到達させた後、電圧のＯＮとＯＦＦを繰り返して一定範囲内の定電流をコイルに流して励磁し、ステッピングモーターを駆動する駆動部を有するステッピングモーターの制御装置において、
ステッピングモーターの温度を測定する温度測定部と、
電圧を測定する電圧測定部と、
温度測定部により測定された測定温度と電圧測定部により測定された測定電圧に基づきコイルに電圧を加えてから電流値が基準値に達する到達時間を推定する時間推定部と、
時間推定部により推定された推定時間に応じ、定電流を流して励磁する励磁時間を設定する時間設定部と、を備え、
駆動部は励磁時間、定電流を流してステッピングモーターを駆動することを前提とする。

上記本発明の前提となるステッピングモーターの制御装置では、コイルに電圧を加えてからコイルに流れる電流値が基準値に到達するまでの到達時間を推定し、到達時間に基づき定電流により励磁する励磁時間を設定する。即ち、コイルに加わる電圧に応じて可変する到達時間に基づき励磁時間が設定されるため、電圧に応じて適切な励磁時間を設定できる。そのため、比較的高い電圧がコイルに加わる場合は、不要に長い励磁時間を短縮し、放射・伝導ノイズを低減させることができる。

そして、本発明のステッピングモーターの制御装置では、時間設定部は推定時間に予め定められた第一定数を乗算した算出時間を励磁時間として設定し、駆動部はその算出時間だけ定電流を流してステッピングモーターを駆動することを特徴とする。これによれば、推定時間に対応して適切な励磁時間を設定できる。

また、時間設定部は算出時間とステッピングモーターが脱調しないために予め定められた最低励磁時間を比較する比較部を有し、比較部の比較結果により算出時間が最低励磁時間以上の場合、算出時間を励磁時間に設定する。一方、比較部の比較結果により算出時間が最低励磁時間より短い場合、最低励磁時間を励磁時間に設定する。これによれば、励磁時間が最低励磁時間となることでステッピングモーターが脱調するのを回避できる。

更に、温度測定部は測定した温度に予め定められた第二定数を乗算する温度補正部を有し、温度補正部により補正された補正温度を測定温度とする。これによれば、駆動により上昇するステッピングモーターの上昇温度を加味した上で到達時間を推定でき、適切な励磁時間を設定できる。

本発明に用いるステッピングモーターの一例を示す概念図。本発明の制御装置の電気的構成の概略の一例を示すブロック図。本発明の制御装置によりステッピングモーターのＡ相とＢ相のコイルに印加した印加電圧と印加電流の関係を示すタイムチャート。図２のプログラムの処理の一例を示すフローチャート。測定温度を補正する補正係数と励磁開始してからの時間との関係を示すグラフ。ステッピングモーターのコイルに電圧を印加してコイルに定電流を流す場合の電流値の一連の変動を示すタイムチャート。図６Ａよりも高い電圧を印加した場合の図６Ａに対応するタイムチャート。従来の制御装置により制御したステッピングモーターのＡ相とＢ相のコイルに印加した印加電圧と印加電流の関係を示す２つのタイムチャート（印加電圧以外は同じ条件）。本発明の制御装置と従来の制御装置により制御したステッピングモーターのＡ相とＢ相のコイルに印加した印加電圧と印加電流の関係を示すタイムチャート。モーター温度とバッテリー電圧により設定される推定時間の配列データの一例を説明する説明図。

図１に示す本発明に用いるステッピングモーター１の一例は、回転子２（例えば所定の磁石）と励磁電流により電磁石を磁化して回転子２を回転させる２相のコイル３（Ａ相のコイル３ａとＢ相のコイル３ｂ）を有し、励磁電流を流すコイル３ａ、３ｂとコイル３ａ、３ｂに流れる励磁電流の方向を所定の順序で切り替えて回転子２を回転させるバイポーラ型のモーターである。図２に示すようにステッピングモーター１はモーター本体のモーター温度を検出（例えば、コイル３の温度を検出）するサーミスタ４が内蔵される。

ステッピングモーター１は本発明の一例の制御装置５により制御される。制御装置５は、ステッピングモーター１の温度を測定する温度測定部６と、ステッピングモーター１を駆動するバッテリー電圧を測定する電圧測定部７と、ステッピングモーター１を制御する制御部８と、制御部８からの制御信号に従ってステッピングモーター１を駆動する駆動部９を備える。

温度測定部６はサーミスタ４に接続され、サーミスタ４からの電気信号によりステッピングモーター１のモーター温度（コイル３の温度）を測定する温度測定回路６ａとして構成される。

電圧測定部７は、ステッピングモーター１を駆動するバッテリー１０に接続され、バッテリー１０のバッテリー電圧を検出する電圧測定回路７ａとして構成される。

制御部８はＣＰＵ８ａ、メモリ８ｂ、ＲＯＭ８ｃ、及びＲＡＭ８ｄと、これらをＩ／Ｏポート８ｅ（入出力インターフェース）と接続するバス８ｆを主要部品とするマイコンとして構成され、Ｉ／Ｏポート８ｅには、温度測定回路６ａ、電圧測定回路７ａ及び駆動部９が接続される。

ＣＰＵ８ａは、例えば、温度測定回路６ａと電圧測定回路７ａを通じて測定したモーター温度とバッテリー電圧を常時モニターしてメモリ８ｂに記憶し、メモリ８ｂには、モーター温度の温度データ及びバッテリー電圧の電圧データ等が記憶される。ＲＯＭ８ｃには、メモリ８ｂに記憶された温度データと電圧データからコイル３に流れる電流が基準値に到達する到達時間を推定する時間推定プログラムＰ１と、その到達時間に応じてコイル３に電流を流して励磁する励磁時間を設定する時間設定プログラムＰ２と、その励磁時間励磁してステッピングモーター１を駆動させる駆動プログラムＰ３などが格納される。また、ステッピングモーター１が脱調しないために必要な最短の励磁時間（１ステップ分の励磁時間）として事前に用意した最低励磁時間データＤ１などの各種データも格納される。

時間推定プログラムＰ１は、メモリ８ｂに記憶された温度データ（モーター温度）を読み出して所定温度に補正する補正プログラムと、推定した到達時間（推定時間）をもとに所定の演算をして算出する算出時間を導く算出プログラムを有する。時間設定プログラムＰ２は、算出時間と最低励磁時間を比較する比較プログラムを有する。

ＲＯＭ８ｃに格納された上記の各プログラムは、ＣＰＵ８ａによりＲＡＭ８ｄをワークエリアとして実行され、ＣＰＵ８ａは必要に応じてメモリ８ｂから温度データ及び電圧データなどを読み出す。制御部８が本発明の時間推定部及び時間設定部に相当する。

上記の各種プログラムの実行に応じて制御部８から駆動部９に制御信号が送信される。駆動部９は制御信号に従ってステッピングモーター１を駆動する。例えば、制御部８において、プログラムの実行によりコイル３に励磁電流を流して励磁する励磁時間が設定された場合は、設定された励磁時間に合わせて励磁切り替え信号が制御部８から駆動部９に送信される。

駆動部９は、制御部８から送信される励磁切り替え信号に従い励磁電流を流すコイル３ａ、３ｂとコイル３ａ、３ｂに流れる励磁電流（電流の流れる方向）を制御してステッピングモーター１を駆動するドライバー回路９ａとして構成される。ドライバー回路９ａは、図３に示すようにコイル３ａ、３ｂにバッテリー電圧（図示Ｖ_０又は−Ｖ_０）を加えてコイル３ａ、３ｂに流れる電流値を基準値（図示Ｉ_０又は−Ｉ_０）に到達させた後、電圧のＯＮとＯＦＦを繰り返して一定範囲内の定電流をコイル３に流して励磁する周知の定電流回路を備える。

ドライバー回路９ａにより定電流が流れる様子を具体的に説明する。図示「励磁状態１」の区間の始まりに対応してＢ相のコイル３ｂに正の印加電圧（Ｖ_Ｏ）が所定期間継続して印加されることで、Ｂ相のコイル３ｂに流れる電流が立ち上がる。立ち上がった電流の電流値が基準値（Ｉ_Ｏ）になると、Ｂ相のコイル３ｂに印加した印加電圧（Ｖ_Ｏ）のＯＮ−ＯＦＦを所定周期で繰り返す（ＰＷＭ制御する）ことで一定範囲内の定電流（目標とする電流値以上の定電流）をコイル３ｂに流し、励磁時間（Ｔ_Ｏ）、励磁する（図示「励磁状態１→２」）。

励磁時間の終了とともに図示「励磁状態３」の区間の始まりに対応して今度はＢ相のコイル３ｂに負の印加電圧（−Ｖ_Ｏ）が所定期間継続して印加されることで、Ｂ相のコイル３ｂに流れる電流が負の方向に立ち上がる。その立ち上がった電流の電流値が基準値（−Ｉ_Ｏ）になると、Ｂ相のコイル３ｂに印加した印加電圧（−Ｖ_Ｏ）のＯＮ−ＯＦＦを所定周期で繰り返す（ＰＷＭ制御する）ことで一定範囲内の定電流をコイル３ｂに流し、励磁時間（Ｔ_Ｏ）、励磁する（図示「励磁状態３→４」）。

励磁時間の終了とともに図示「励磁状態１」の区間の始まりに再び戻る。一方、Ａ相のコイル３ａは、例えば、図示「励磁状態４」の区間の始まりに対応してＡ相のコイル３ａに正の印加電圧（Ｖ_Ｏ）が所定期間継続して印加した後、所定のＰＷＭ制御をすることで、励磁時間（Ｔ_Ｏ）、定電流をコイル３ａに流して励磁する（図示「励磁状態４→１」）。その励磁時間の終了とともに、図示「励磁状態２」の区間の始まりに対応して今度は負の印加電圧（−Ｖ_Ｏ）が所定期間印加し、所定のＰＷＭ制御をすることで、励磁時間（Ｔ_Ｏ）、定電流をコイル３ａに流して励磁し（図示「励磁状態２→３」）、励磁時間の終了とともに図示「励磁状態４」の区間の始まりに再び戻る。

そのため、図３に示す例においては、Ｂ相のコイル３ｂに定電流（正の電流）を流して励磁（励磁状態１）→Ａ相のコイル３ａに定電流（負の電流）を流して励磁（励磁状態２）→Ｂ相のコイル３ｂに定電流（負の電流）を流して励磁（励磁状態３）→Ａ相のコイル３ａに定電流（正の電流）を流して励磁（励磁状態４）→Ｂ相のコイル３ｂに定電流（正の電流）を流して励磁（励磁状態１）、のようにＡ相とＢ相のコイル３ａ、３ｂに対して交互（一部重複する期間があるが交互）に電流を流して交互に励磁することでステッピングモーター１を駆動する。

次に図４のフローチャートに基づき前述の各種プログラムの内容の一例を説明する。図４はＡ相、Ｂ相のコイル３ａ、３ｂに電流を流して励磁する励磁時間を設定する一連の処理である。図２のＲＯＭ８ｃの時間設定プログラムＰ２などがＲＡＭ８ｄのワークメモリを作業領域としてＣＰＵ８ａに読み出され、実行される一連の処理である。この処理は、例えば、ステッピングモーター１を駆動する駆動信号をＣＰＵ８ａが受け取った後に、ステッピングモーター１が停止するまで繰り返し実行される。

ＣＰＵ８ａに駆動信号が入力されると、ＣＰＵ８ａが温度測定回路６ａを通じてモニターした直近のモーター温度の温度データをメモリ８ｂから読み出してモーター温度を取得する（ステップＳ１）。次にステッピングモーター１の励磁（ステッピングモーター１が回転）を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２）。

モーター温度は、一般的にモーターの回転（駆動）が継続するにつれて一定温度近傍まで上昇する。そこで、例えば、図５に示すようにステッピングモーター１の励磁（回転）を開始してから所定時間（Ｔ_１）未満なら、ステッピングモーター１の励磁開始からの経過時間に相関する正の定数（ａ）を乗じてモーター温度（測定温度）を補正し（ステップＳ２‘）、ステップＳ３に進む。これにより温度上昇を加味した上での制御ができる。一方、テッピングモーター１の励磁（回転）を開始してから所定時間（Ｔ_１）を経過した場合、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、モーター温度（補正していない測定温度）又は補正したモーター温度（補正温度）からコイル３ａ、３ｂの抵抗値を演算する。例えば、２５℃における銅線の抵抗率と１℃当たりの銅線の抵抗温度係数からモーター温度に基づくコイル３ａ、３ｂの抵抗値を演算する。

抵抗値が演算されると、ＣＰＵ８ａが電圧測定回路７ａを通じてモニターした直近のバッテリー電圧の電圧データをメモリ８ｄから読み出してバッテリー電圧を取得する（ステップＳ４）。

次に取得したバッテリー電圧と演算したコイル３ａ、３ｂの抵抗値からコイル３ａ、３ｂに流れる電流が基準値（Ｉ_Ｏ）に到達するまでの到達時間を推定する。例えば、コイル３ａ、３ｂを抵抗とコイルが直列に接続された回路と仮定して、コイル３ａ、３ｂの印加電圧（Ｖ_Ｏ）、コイル３ａ、３ｂのインダクタンス、測定したコイル３ａ、３ｂの抵抗値、及び定常状態の電流値などから到達時間を演算する。その演算した演算結果を推定した到達時間とする（ステップＳ５）。なお、到達時間はコイル３毎に取得してもよいし、一方のコイル３から取得して両者に共通する到達時間としてもよい。

到達時間を取得すると、その到達時間に予め定められた定数を乗算した算出時間を演算する。例えば、図６Ａに示すように電流が基準値（Ｉ_Ｏ）に到達するまでの到達時間（ｔ_１）と到達時間（ｔ_１）に到達してから定電流を流して励磁する励磁時間（ｔ_０）の電流モデルを予め用意する。その電流モデルの到達時間（ｔ_１）と推定した到達時間（図６Ｂではｔ_２とする）の比率に基づき算出時間（ｔ_０‘）を演算する（ステップＳ６）。よって、到達時間に対応して適切な算出時間を設定できる。

算出時間が算出されると、ＲＯＭ８ｃから対応する最低励磁時間データＤ１が読み出され、算出時間と最低励磁時間の時間の長短について比較する。算出時間が最低励磁時間以上（算出時間≧最低励磁時間）なら算出時間を励磁時間に設定し、算出時間が最低励磁時間に満たない（算出時間＜最低励磁時間）なら最低励磁時間を励磁時間に設定する。そのため、少なくとも最低励磁時間は励磁され、ステッピングモーター１が脱調するのを回避できる。

励磁時間が設定されると、その励磁時間に対応する励磁切り替え信号が制御部８から駆動部９（ドライバー回路９ａ）に送信され、ステッピングモーター１の駆動が制御される。以上の一連の処理が、例えば、ステッピングモーター１の回転中に繰り返し実行される。

図７に示すように従来の制御装置におけるＢ相のコイルに着目すると、印加電圧がＶ_１（Ｖ_２＞Ｖ_１）の場合には、図示「励磁状態１」の区間の開始に同期して印加電圧（Ｖ_１）が印加され、その後にＰＷＭ制御をして図示「励磁状態２」の区間の最後まで印加電圧（Ｖ_１）を印加する。一方、印加電圧がＶ_２（Ｖ_２＞Ｖ_１）の場合には、印加電圧（Ｖ_１）と同じ期間だけ印加電圧（Ｖ_２）を印加するため、基準値（Ｉ_１）に到達する到達時間の差分（ΔＴ）だけＰＷＭ制御が余分に実行され、コイルとドライバー回路に放射・伝導ノイズが発生する。

それに対して本発明の制御装置５では、図６Ｂに示すように到達時間（ｔ_２）に応じて算出時間（ｔ_０‘）（励磁時間）を設定する。よって、図８に示すように比較的高い印加電圧（Ｖ_０）をコイルに加えた場合には、従来の制御装置よりも励磁時間が短く設定され、過度に長い励磁時間を短縮し、放射・伝導ノイズを低減できる。

以上、本発明の実施の態様を説明したが、本発明はその具体的な記載に限定されることなく、例示した構成、処理等を技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせて実施することも可能であるし、またある要素、処理を周知の形態に置き換えて実施することもできる。

上記実施例では算出時間を演算したが、図９に示すように測定したバッテリー電圧とモーター温度が該当する範囲（バッテリー電圧（Ｖ０〜Ｖ１、Ｖ１〜Ｖ２・・・）、モーター温度（Ｔ０〜Ｔ１、Ｔ１〜Ｔ２・・・））に対応付けて特定した算出時間（ｔ_００、ｔ_０１・・・）を配列データなどでＲＯＭ８ｃに格納し、ＣＰＵ８ａがメモリ８ｂから読み出した電圧データと温度データから算出時間を取得し、ＣＰＵ８ａの処理負担を低減させてもよい。

上記実施例ではコイル３の温度をステッピングモーター１のモーター温度としたが、モーターの表面温度などコイル３以外の他の部品からモーター温度を測定してもよい。また、ステッピングモーター１がカーエアコンの冷媒流量を調整する調整弁の開閉手段として用いられる場合は、その冷媒の温度をモーター温度として測定してもよい。

なお、制御装置６を車両用として用いる場合には、オルタネーターなどの充電手段により充電可能なバッテリー１０として構成することにより、ステッピングモーター１を、駆動させる毎に印加電圧（バッテリー１０の電圧）が異なる場合でも、適切な励磁時間励磁できる。

以上の説明では制御部８をマイコンとして構成したが、制御部８と駆動部９をＩＣで構成してもよい。また、コイル３の巻線として２相を例示したが、１相、３相、４相・・・でもよい。ステッピングモーター１の励磁方式としは、１相励磁、１−２相励磁、２相励磁・・・いずれの方式でもよい。更に上記ではバイポーラ方式を例示したが、ユニポーラ方式でもよい。

１ステッピングモーター２回転子
３コイル（Ａ相のコイル３ａ、Ｂ相のコイル３ｂ）
４サーミスタ５制御装置
６温度測定部（温度測定回路６ａ）
７電圧測定部（電圧測定回路７ａ）
８制御部９駆動部
１０バッテリー

Claims

ステッピングモーターのコイルに電圧を加えて前記コイルに流れる電流値を基準値に到達させた後、前記電圧のＯＮとＯＦＦを繰り返して一定範囲内の定電流を前記コイルに流して励磁し、前記ステッピングモーターを駆動する駆動部を有するステッピングモーターの制御装置において、
前記ステッピングモーターの温度を測定する温度測定部と、
前記電圧を測定する電圧測定部と、
前記温度測定部により測定された測定温度と前記電圧測定部により測定された測定電圧に基づき前記コイルに前記電圧を加えてから前記電流値が前記基準値に達する到達時間を推定する時間推定部と、
前記時間推定部により推定された推定時間に応じ、前記定電流を流して励磁する励磁時間を設定する時間設定部と、を備え、
前記時間設定部は、前記推定時間に予め定められた第一定数を乗算した算出時間を前記励磁時間として設定し、
前記駆動部は前記算出時間だけ前記定電流を流して前記ステッピングモーターを駆動することを特徴とするステッピングモーターの制御装置。
前記時間設定部は、前記算出時間と前記ステッピングモーターが脱調しないために予め定められた最低励磁時間を比較する比較部を有し、前記比較部の比較結果により前記算出時間が前記最低励磁時間以上の場合、前記算出時間を前記励磁時間に設定する請求項１に記載のステッピングモーターの制御装置。
前記比較部の比較結果により前記算出時間が前記最低励磁時間より短い場合、前記最低励磁時間を前記励磁時間に設定する請求項２に記載のステッピングモーターの制御装置。
前記温度測定部は、測定した前記温度に予め定められた第二定数を乗算する温度補正部を有し、前記温度補正部により補正された補正温度を前記測定温度とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のステッピングモーターの制御装置。