JP6943542B2 - 多相パルスモータの脱調検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、多相パルスモータの各相巻線に通電を行う駆動装置の外部に接続されて、前記モータの脱調を検出する装置に関する。

パルスモータ（ステッピングモータ）の脱調を検出する技術については、従来様々な構成が提案されている。例えば、特許文献１には、ステッピングモータによりレンズを駆動する撮像装置に適用されるモータ駆動装置について、脱調検出を行う構成が開示されている。

特開２０１４−１７１３４４号公報

しかしながら、従来の脱調検出を行う構成は、何れもパルスモータに通電を行う駆動装置の内部に設けられているか、或いは駆動装置を含むシステムに予め組み込まれている。したがって、既に製品として完成している駆動装置を使用することを前提にすると、その駆動装置を改造して脱調検出機能を搭載する必要があり、従来技術の適用は事実上困難であった。

また、特許文献１で検出対象としている脱調は、回転子への停止命令が出された後に、外力等により回転子が動いてしまう現象、とされている（段落［０００２］）。ところが、実際には、パルスモータを駆動している状態でも、モータの駆動対象が障害物に衝突するなどして回転が停止することがあり、この場合でも脱調が発生する。しかし、特許文献１では、このような状況で発生した脱調に如何にして対応するかは開示されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、既存の駆動装置の改造を必要とすることなく、モータの駆動制御中に発生した脱調を検出できる多相パルスモータの脱調検出装置を提供することにある。

請求項１記載の多相パルスモータの脱調検出装置によれば、電流検出手段により、多相パルスモータ駆動装置に出力されて多相パルスモータの巻線に通電される電流を検出する。そして、脱調検出手段は、検出された電流の波形に脈流が発生したことを検出すると、脱調検出信号を上位制御装置に出力する。

多相パルスモータが、駆動装置が出力している通電制御指令に従い正常に制御されている状態では、駆動装置が多相パルスモータの巻線に通電している電流の波形に大きな歪みは生じない。しかし、多相パルスモータの回転が例えば障害物の存在により妨げられたことで、駆動装置による制御が降伏状態になると、多相パルスモータの回転が瞬間的に反転することに伴い通電電流の波形に大きな歪みが発生する。そこで、脱調検出手段が、通電電流波形の変化を監視すれば、上述の状態に基づく多相パルスモータの反転を検出できる。

そして、駆動制御装置がフィードフォワード制御を行っている状態で多相パルスモータの回転が妨げられれば、それは制御の脱調を意味する。したがって、脱調検出手段が脱調検出信号を出力すれば、その信号を上位の制御装置が受けることで、多相パルスモータの脱調に対処するための動作を行うことが可能になる。すなわち、本発明の脱調検出装置によれば、既存の駆動装置に接続して通電電流を検出するだけで、多相パルスモータが脱調したことを検出できるので、駆動装置自体に改造を施さずとも、モータの駆動制御中に発生した脱調も含めて検出が可能となる。

具体的には、脱調検出手段は、演算手段により多相パルスモータの各相電流の２乗和を演算し、判定手段は、その演算の結果が所定の閾値を上回ると脈流の発生を検出して脱調検出信号を出力する。多相パルスモータの各相電流は、所定の位相差を有する波形により通電されている。ここで、各相電流をベクトルと見た場合、それらのベクトルの合成値は、多相パルスモータが駆動装置により正常に制御されている状態では定常的に一定の値を示す。

一方、上述のように、多相パルスモータの回転が妨げられて駆動装置による制御が降伏状態になると、ベクトルの合成値は、前記一定の値を外れて大きく変動する。そして、各相電流の２乗和は各ベクトルの合成値に相当する値であるから、脱調検出手段が上記のように評価を行うことで、多相パルスモータが脱調したことを確実に検出できる。

一実施形態であり、リニアアクチュエータ駆動システムの全体構成を示す図 リニアアクチュエータの構成を示す斜視図 パルスモータの駆動制御が正常な場合の（ａ）相電流、（ｂ）相電圧、（ｃ）演算部の演算結果を示す波形図 パルスモータの駆動制御が脱調した場合の（ａ）相電流、（ｂ）相電圧、（ｃ）演算部の演算結果を示す波形図 モータ駆動システム全体の処理を示すフローチャート

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１に示すリニアアクチュエータ駆動システムにおいて、制御対象であるモータは、例えば２相パルスモータ１である。パルスモータ１は、直動軸２上の移動体３を移動させる駆動力を発生させるもので、リニアアクチュエータ４の一部を構成している。直動軸４の原点側にはリミットセンサ５が配置されており、リミットセンサ５は、移動体３が直動軸４の原点（Home position）に到達した際にＯＮ信号を出力する。

図２に示すように、パルスモータ１は、図中で直動軸２の右端に配置されている駆動部５０の内部に配置されている。駆動部５０の内部には、図示しないが、減速機やパルスモータ１の回転駆動力を直線駆動力に変換するための駆動力変換機構等が配置されている。

リミットセンサ５が出力するＯＮ信号は、上位制御装置であるＰＬＣ（Programmable Logic Controller）６に入力されている。ＰＬＣ６は、ドライバボード７（駆動装置）を介してパルスモータ１の駆動を制御する。ドライバボード７は、ドライバ部８とＣＰＵ９（マイクロコンピュータ，制御回路）とを備えている。ドライバボード７には、コネクタ１０を介して外部より２４Ｖの直流電源が供給されており、２４Ｖの電源はパルスモータ１の駆動用電源としてドライバ回路７に供給されている。また、２４Ｖの電源はＤＣ／ＤＣコンバータ１１により５Ｖに降圧されて、ＣＰＵ９等に制御用電源として供給されている。

ＰＬＣ６とドライバボード７とはコネクタ１２を介して接続されており、ＰＬＣ６はＣＰＵ９に対して、パルスモータ１の回転方向を指示するＣＷ信号及びＣＣＷ信号と、アラーム（ALARM）信号とを出力する。これらの信号は、それぞれフォトカプラ（ＰＣ）１３（１）〜１３（３）を介してＣＰＵ９に入力される。また、ＣＰＵ９は、フォトカプラ１３（４）を介してＰＬＣ６側にアラーム信号を出力する。これらの信号の入出力は、ＩＯポート１４を介して行われる。そして、ＣＰＵ９は、アラーム信号の入力があるか、又は自身がアラーム信号を出力すると、ＩＯポート１５を介してＬＥＤ１６に通電を行い、ＬＥＤ１６を点灯させる。

ドライバ部８は、それぞれ４個のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１７（１）〜１７（４）からなる２つのＨブリッジ回路１８Ａ，１８Ｂ（駆動回路）を備えている。下側に配置されているＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１７（２）、１７（４）のソースとグランドとの間には、それぞれシャント抵抗１９（１）、１９（２）が接続されている。シャント抵抗１９（１）、１９（２）の上端は、それぞれ差動アンプ２０の入力端子に接続されている。Ｈブリッジ回路１８Ａ，１８Ｂそれぞれの差動アンプ２０Ａ，２０Ｂの出力電圧は、ＣＰＵ９が内蔵するＡ／Ｄコンバータ２１によりＡ／Ｄ変換されて読み込まれる。ＣＰＵ９は、差動アンプ２０Ａ，２０Ｂの出力電圧を参照しながらパルスモータ１の通電制御を行う。

ドライバボード７とパルスモータ１とはコネクタ２２を介して接続されており、Ｈブリッジ回路１８Ａの出力端子はパルスモータ１の固定子巻線２３Ａの両端に接続され、Ｈブリッジ回路１８Ｂの出力端子は固定子巻線２３Ｂの両端に接続されている。ＣＰＵ９は、４チャネル分のＰＷＭ信号出力部２４を備えており、それら４チャネル分のＰＷＭ信号（通電制御指令）は、ゲートドライバ２５（１）〜２５（４）を介して、ドライバ部８のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１７（１）〜１７（４）の各ゲートにそれぞれ出力される。

各Ｈブリッジ回路１８Ａ，１８Ｂでは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１７（１）及び１７（４）と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１７（３）及び１７（２）とがそれぞれ共通のＰＷＭ信号で駆動される。例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１７（１）及び１７（４）を同時にオンすると固定子巻線２３に正極性の電流が通電され、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１７（３）及び１７（２）を同時にオンすると固定子巻線２３に負極性の電流が通電される。

ＣＰＵ９は、Ｈブリッジ回路１８Ａ，１８Ｂを介して、パルスモータ１の固定子巻線２３Ａ，２３Ｂに対し、位相差が９０度となる正弦波状の電流を通電する。パルスモータ１を正転（ＣＷ方向）させる場合と逆転（ＣＣＷ方向）させる場合とで、９０度の位相差の進み・遅れの関係が逆になる。ＣＰＵ９は、パルスモータ１を駆動制御する際には、Ａ／Ｄコンバータ２１を介してシャント抵抗１９に流れる電流を監視しており、過電流状態が発生するとＰＬＣ６に対してアラーム信号を送信する。また、ＣＰＵ９は、外部より機能テストを行ためのＪＴＡＧインターフェイス（Ｉ／Ｆ）２６を備えている。

ドライバボード７とパルスモータ１の固定子巻線２３Ａ（Ａ相），２３Ｂ（Ｂ相）とを接続する配線の各一方には、脱調検出装置３１の電流センサ３２Ａ，３２Ｂ（電流検出手段）がそれぞれ介挿されている。脱調検出装置３１は、電流センサ３２Ａ，３２Ｂにより検出されるＡ相，Ｂ相電流を、電流センス部３３（電流検出手段）を介して増幅等すると、演算部３４（脱調検出手段，演算手段）において演算（乗算及び加算）を行い、コンパレータ３５（脱調検出手段，判定手段）に出力する。コンパレータ３５は、演算部３４の演算結果を所定の閾値と比較し、演算結果が閾値を上回ると、フォトカプラ３６を介してアラーム信号（脱調検出信号）をＰＬＣ６に出力する。

次に、本実施形態の作用について説明する。脱調検出装置３１は、上述のようにドライバボード７の外部に接続された状態で、Ａ相，Ｂ相電流を検出することでパルスモータ１の脱調を検出する。パルスモータ１が、リニアアクチュエータ４の移動体３を直線移動させた際に、例えば移動体３が障害物に衝突して移動が妨げられるおそれがある。ＰＬＣ６は、パルスモータ１の回転量や移動体３の移動位置を検出せずにフィードフォワード制御を行っている。したがって、上述のように移動体３が障害物に衝突すると、以降は移動体３の正確な位置が把握できなくなるため（脱調状態）、移動体３を一度原点に復帰させる必要がある。

図３（ａ）に示すように、パルスモータ１が正転している場合は、Ａ相電流がＢ相電流に対して９０度進み位相となっており、パルスモータ１が逆転すると、Ａ相電流がＢ相電流に対して９０度遅れ位相となる。図３（ｃ）に示す演算部３４の演算結果は、Ａ相，Ｂ相電流をそれぞれベクトルと見た場合の合成値となる２乗和の平方根より、平方根の演算を省略した２乗和（Ａ^２＋Ｂ^２）である。このように、正常な制御状態でパルスモータ１を正逆転させている場合、演算結果は略一定値を示す。尚、Ａ相，Ｂ相電圧は、このスケールでは表現できないが、正弦波状の電流を通電するためにデューティが連続的に変化するＰＷＭ信号となっている。

一方、図４は、移動体３が障害物に衝突して移動が妨げられた場合の各波形を示す。パルスモータ１の回転が妨げられても、ドライバボード７の制御には直ちに反映されずに暫く正常な制御が継続される。少し遅れてドライバボード７の制御が降伏状態になりパルスモータ１が僅かに逆転すると、発電機としての動作で発電エネルギーが発生し、正弦波状の相電流に脈流が発生する。このようにして電流波形に生じた歪みにより、演算部３４の演算結果が大きく変化する（図４（ｃ）参照）。すると、コンパレータ３５において演算結果が閾値を上回るのでパルスモータ１の脱調状態が検出され、脱調検出装置３１は、ＰＬＣ６にアラーム信号を出力する。

以下、制御システム全体の処理内容について、図５を参照して説明する。尚、図中のステップ番号に添えて示す（Ｐ）はＰＬＣ６による処理、（Ｄ）はドライバボード７による処理、（Ｓ）は脱調検出装置３１による処理であることを示す。先ず、ＰＬＣ６は、移動体３を任意の目標位置に移動させるため、その目標位置に応じたカウンタ値をセットする。また、パルス出力数のカウントの初期値を「１」とする（Ｓ１）。次に、移動体３を前記目標位置に移動させるためのパルスモータ１の回転方向指令を生成し、ドライバボード７に出力する（Ｓ２）。

すると、ドライバボード７のＣＰＵ９は、上記の回転方向指令に応じてＨブリッジ回路１８の駆動指令を生成し、ゲートドライバ２５を駆動する（Ｓ３）。これにより、パルスモータ１の固定子巻線２３Ａ，２３Ｂが励磁される（Ｓ４）。次に、ＣＰＵ９は、Ａ／Ｄコンバータ２１を介してＡ相、Ｂ相電流を検出し（Ｓ５）、電流値が正常か否かを判断する（Ｓ６）。正常であれば（ＹＥＳ）特に処理を行わない。そして、ＰＬＣ６は、パルス出力数のカウント値がステップＳ１でセットした値に達するまで（Ｓ７）、ステップＳ１〜Ｓ７のループを繰り返し実行する。

ステップＳ６において電流値が異常であれば（ＮＯ）、ＣＰＵ９はＰＬＣ６にアラーム信号を出力して（Ｓ８）、パルスモータ１の駆動を停止させる（Ｓ９）。アラーム信号を受けたＰＬＣ６は、ドライバボード７を介して原点復帰操作を行う（Ｓ１０）。すなわち、リミットセンサ５がＯＮ信号を出力するまでの間（Ｓ１１：ＮＯ）移動体３を原点方向に移動させる。そして、移動体３が原点に達してリミットセンサ５がＯＮ信号を出力すると（Ｓ１１：ＹＥＳ）、原点復帰が完了する（Ｓ１２）。

一方、脱調検出装置３１は、ステップＳ５〜Ｓ１０の間にドライバボード７と並行して動作する。先ず、電流センス部３３によりＡ相，Ｂ相電流を検出し（Ｓ１３）、演算部３４において演算（乗算及び加算）を実行する（Ｓ１４）。そして、コンパレータ３５により演算結果が基準値（閾値）より高いか否かを判断する（Ｓ１５）。演算結果が基準値以下であれば（ＮＯ）ステップＳ１３に戻る。演算結果が基準値より高ければ（ＹＥＳ）、アラーム信号をＰＬＣ６に出力する（Ｓ１６）。すると、上記アラーム信号は、ＰＬＣ６を経由してドライバボード７に入力され（Ｓ１７）、ＣＰＵ９はパルスモータ１の駆動を停止させる（Ｓ１８）。その後はステップＳ１０に移行する。

以上のように本実施形態によれば、脱調検出装置３１をドライバボード７の外部で接続し、電流センサ３２Ａ，３２Ｂによってドライバボード７がパルスモータ１の巻線２３Ａ，２３Ｂに通電する電流を検出する。そして、検出された電流の波形の変化により、パルスモータ１の回転方向が、ドライバボード７が出力しているＰＷＭ信号に従うことなく反転したことを検出すると、アラーム信号をＰＬＣ６に出力する。

したがって、既存の製品であるドライバボード７を使用してパルスモータ１を駆動制御する場合に、パルスモータ１の脱調を検出するため、ドライバボード７を改造して内部構成に手を加える必要が無い。つまり、脱調検出装置３１をドライバボード７の外部に接続するだけで、パルスモータ１の脱調を、駆動制御中に発生した脱調も含めて容易に検出することが可能になる。

そして、脱調検出装置３１は、演算部３４により各相電流の２乗和を演算し、コンパレータ３５は、その２乗和の値が所定の閾値を上回るとアラーム信号を出力する。したがって、脱調の発生に伴う通電電流波形の変化を上記の演算結果により評価することで、パルスモータ１が脱調したことを確実に検出できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
パルスモータの相数は、３相以上であっても良い。
また、パルスモータは、リニアアクチュエータを構成するものに限らない。
脱調検出装置の機能を、マイクロコンピュータのソフトウェアにより実現しても良い。

図面中、１は２相パルスモータ、６はＰＬＣ（上位制御装置）、７はドライバボード（駆動装置）、９はＣＰＵ（制御回路）、１８はＨブリッジ回路（駆動回路）、３１は脱調検出装置、３２は電流センサ（電流検出手段）、３３は電流センス部（電流検出手段）、３４は演算部（脱調検出手段，演算手段）、３５はコンパレータ（脱調検出手段，判定手段）を示す。

Claims (1)

1. 多相パルスモータの各相巻線に通電を行う駆動回路と、上位制御装置より入力される回転方向指令に応じて、前記駆動回路に前記通電制御指令を出力する制御回路とを備えてなる既存の多相パルスモータ駆動装置に接続されるもので、
   前記巻線に通電される電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流の波形に脈流が発生したことを検出すると、脱調検出信号を前記上位制御装置に出力する脱調検出手段とを備え、
   前記脱調検出手段は、
   前記各相電流の２乗和を演算する演算手段と、
   前記演算の結果が所定の閾値を上回ると、前記脈流の発生を検出して前記脱調検出信号を出力する判定手段とを備える多相パルスモータの脱調検出装置。

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