JP7296620B2 - Drive controller for stepping motor - Google Patents
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Description
本発明は、ステッピングモータをベクトル制御のサーボモータと同等の運転をする、閉ループ制御によるステッピングモータの駆動制御装置に関する。 The present invention relates to a drive control device for a stepping motor using closed-loop control, which operates the stepping motor in the same manner as a vector-controlled servomotor.
従来、ステッピングモータの駆動制御装置としては、パルス信号を印加して所望の回転制御を行う開ループで制御する装置と、ステッピングモータの回転制御をエンコーダからの信号を用いてフィードバック制御する閉ループで制御する装置が知られている。
閉ループ制御による装置は、位置ループ、速度ループ、電流制御ループを持つ2相の多極ACサーボモータと同等の構成であり、開ループ制御に比較して、脱調レスで高応答な用途(ロボット・その他の電子機器)へステッピングモータの適用範囲を広げるものである。
Conventional drive control devices for stepping motors include an open-loop control device that applies a pulse signal to perform desired rotation control, and a closed-loop control device that performs feedback control of the stepping motor rotation control using signals from an encoder. Devices are known for
A closed-loop control device has a configuration equivalent to a two-phase multi-pole AC servomotor with a position loop, velocity loop, and current control loop.・Other electronic devices).
しかしながら、特許文献1のような閉ループ制御によるステッピングモータの駆動装置においては、多くのディスクリート部品をワンチップ化して励磁電流波形の制御が組み込まれている専用ICを使うとハードウェアが簡単になり、座標変換や相変換等の複雑な制御が不要になるが、サーボ運転に必要な4象限運転することができないという課題があった。
However, in a stepping motor drive device using closed-loop control such as that disclosed in
本発明は、この課題を解決するもので、前述の専用ICを用いてステッピングモータを閉ループ制御の4象限運転で駆動する装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve this problem and to provide an apparatus for driving a stepping motor in four-quadrant operation of closed-loop control using the aforementioned dedicated IC.
上記目的を達成するため、本発明によるステッピングモータの駆動制御装置は、回転駆動されるステッピングモータと、制御プログラムに従って前記ステッピングモータの回転位置を指令する位置指令手段と、前記ステッピングモータの回転を制御する回転制御手段と、前記回転制御手段からの信号に従って励磁電流をステッピングモータに供給する駆動手段と、前記ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出手段とを備え、前記回転制御手段が、前記位置指令手段からの位置指令信号と位置検出手段からの位置検出信号の差分から回転速度を出力する位置制御部と、前記位置検出手段からのステッピングモータの回転位置により回転速度を算出する速度検出部と、前記位置制御部からの回転速度と前記速度検出部からの回転速度の差分から電流設定信号を出力する速度制御部と、前記位置検出信号により前記ステッピングモータを進角させる第1パルス信号を出力する第1パルス指令部と、前記電流設定信号と前記位置検出信号により前記駆動手段が認識可能なパルス幅で前記第1パルス信号より短い周期の第2パルス信号を出力する第2パルス指令部とを備え、前記第2パルス指令部が前記第2パルス信号によって励磁電流の位相を所望の角度に進角させるよう構成したものである。 In order to achieve the above object, the stepping motor drive control apparatus according to the present invention comprises a stepping motor to be rotationally driven, position command means for commanding the rotational position of the stepping motor according to a control program, and control of the rotation of the stepping motor. drive means for supplying an exciting current to the stepping motor according to a signal from the rotation control means; and position detection means for detecting the rotational position of the stepping motor, wherein the rotation control means detects the position of the stepping motor. a position control section for outputting a rotation speed from the difference between a position command signal from the command means and a position detection signal from the position detection means; and a speed detection section for calculating the rotation speed from the rotation position of the stepping motor from the position detection means. a speed control unit for outputting a current setting signal from the difference between the rotation speed from the position control unit and the rotation speed from the speed detection unit; and a first pulse signal for advancing the stepping motor according to the position detection signal. and a second pulse command section for outputting a second pulse signal having a pulse width recognizable by the driving means based on the current setting signal and the position detection signal and a period shorter than that of the first pulse signal. and the second pulse command section advances the phase of the excitation current to a desired angle by the second pulse signal.
このような構成により、励磁電流を任意の角度に進角させることができる。 With such a configuration, the excitation current can be advanced by any angle.
また、本発明によるステッピングモータの駆動制御装置は、前記第2パルス信号によって進角される位相進角度が、180度に設定できるよう構成したものである。 Further, the stepping motor drive control device according to the present invention is configured such that the phase advance angle advanced by the second pulse signal can be set to 180 degrees.
このような構成により、前記ステッピングモータを4象限運転可能にすることができ、サーボ運転が可能となる。 With such a configuration, the stepping motor can be operated in four quadrants, enabling servo operation.
また、本発明によるステッピングモータの駆動制御装置は、前記第2パルス信号によって進角される位相進角度が、0度~90度の範囲に設定できるよう構成したものである。 Further, the stepping motor drive control device according to the present invention is configured such that the phase advancing angle advanced by the second pulse signal can be set within a range of 0 degrees to 90 degrees.
このような構成により、弱め界磁の制御が実現でき、より高速な回転を得ることができる。 With such a configuration, field-weakening control can be realized, and higher speed rotation can be obtained.
本発明によるステッピングモータの駆動制御装置によれば、ステッピングモータを駆動させる第1パルス信号に、任意に位相を進角させる第1パルス信号より短い周期を持つ第2パルス信号を割り込ませることにより、任意の進角度に励磁電流を設定することができる。
また、励磁電流を180度進角させることにより、正転力行と正転回生と逆転力行と逆転回生の運転モードがある4象限運転の制御が実現できる。
さらにまた、励磁電流を所望する位相分0度~90度(例えば、22.5度)進角させることにより、弱め界磁の制御が実現でき、より高速な回転が得られる。
また、ステッピングモータの駆動手段に専用ICを用いることで安価な構成で、4象限運転が実現できる。
According to the stepping motor drive control device according to the present invention, the first pulse signal for driving the stepping motor is interrupted by the second pulse signal having a shorter period than the first pulse signal for arbitrarily advancing the phase. The excitation current can be set to any advance angle.
Further, by advancing the exciting current by 180 degrees, it is possible to realize four-quadrant operation control having operation modes of forward rotation power running, forward rotation regeneration, reverse rotation power running, and reverse rotation regeneration.
Furthermore, by advancing the excitation current by a desired phase amount of 0 to 90 degrees (for example, 22.5 degrees), field-weakening control can be realized, and higher-speed rotation can be obtained.
Further, by using a dedicated IC for the drive means of the stepping motor, four-quadrant operation can be realized with an inexpensive configuration.
以下、本発明によるステッピングモータの駆動制御装置について、一構成例である図1と図2を用いて説明する。 A drive control device for a stepping motor according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
図1は、本発明の実施の形態に係わるステッピングモータの駆動制御装置の一構成例をブロック図で示すもので、1は回転制御されるステッピングモータで、2はステッピングモータの回転位置を指令する位置指令手段で、3はステッピングモータの回転を制御する回転制御手段で、4は回転制御手段からの信号に従って励磁電流をステッピングモータに供給する駆動手段で、5はステッピングモータの回転位置を検出する位置検出手段である。 FIG. 1 is a block diagram showing one configuration example of a stepping motor drive control apparatus according to an embodiment of the present invention. 1 is a stepping motor whose rotation is controlled, and 2 is a stepping motor rotation position command. 3 is a rotation control means for controlling the rotation of the stepping motor; 4 is a driving means for supplying an exciting current to the stepping motor according to a signal from the rotation control means; and 5 is for detecting the rotational position of the stepping motor. position detection means.
ステッピングモータ1は、A相固定子とB相固定子と永久磁石回転子から構成されており、駆動手段4からのA相励磁電流ECaとB相励磁電流ECbで回転駆動される。
The
位置指令手段2は、ステッピングモータ1の制御プログラム21とカウンタ22からなる。
The position command means 2 consists of a
駆動手段4は、多くのディスクリート部品をワンチップ化して励磁電流波形の制御が組み込まれている専用ICである。 The driving means 4 is a dedicated IC in which many discrete components are integrated into one chip and control of the excitation current waveform is incorporated.
位置検出手段5は、A相励磁電流ECaとB相励磁電流ECbにより作られる磁束とステッピングモータ1の永久磁石回転子の磁束が直交するよう位置合わせされたエンコーダ(図示しない)を用いて、ステッピングモータ1の回転位置を検出し、位置検出信号Pdを出力する。
The position detecting means 5 uses an encoder (not shown) positioned so that the magnetic flux generated by the A-phase excitation current ECa and the B-phase excitation current ECb and the magnetic flux of the permanent magnet rotor of the
図2は回転制御手段3の一構成例を示す。
31は、位置指令手段2からの位置指令信号Pcと位置検出手段5からの位置検出信号Pdの差分から回転速度指令信号Scを出力する位置制御部で、32は、位置制御部31からの回転速度指令信号Scと速度検出部33からの回転速度検出信号Sdの差分から電流設定信号Icを出力する速度制御部で、33は、位置検出手段5からのステッピングモータ1の回転検出信号Pdにより回転速度を算出して回転速度検出信号Sdを出力する速度検出部で、34は、位置検出手段5からの位置検出信号Pdによりステッピングモータ1を進角させる第1パルス信号を出力する第1パルス指令部で、35は、位置検出手段5からの位置検出信号Pdと速度制御部からの電流設定信号Icにより駆動手段4が認識可能なパルス幅で第1パルス信号PLS1より短い周期の第2パルス信号PLS2を出力する第2パルス指令部である。
FIG. 2 shows a configuration example of the rotation control means 3. As shown in FIG.
位置制御部2は、ステッピングモータ1の制御プログラム21から出力されるパルス信号P1と回転方向信号D1をカウンタ22でカウントし、ステッピングモータ1の回転位置の目標値を示す信号として位置指令信号Pcを出力する。
The
位置制御部31は、位置指令信号Pcと位置検出信号Pdの差分から回転速度を算出し、その回転速度の目標値を示す信号として回転速度指令信号Scを出力する。
The
速度制御部32は、回転速度指令信号Scと回転速度検出信号Sdの差分からステッピングモータ1を励磁する電流を算出し、その励磁電流の目標値を示す信号として電流設定信号Icを出力する。
The
速度検出部33は、位置検出信号Pdにより回転速度を算出して、回転速度検出信号Sdを出力する。
The
第1パルス指令部34は、位置検出信号Pdによりステッピングモータ1を進角させる第1パルス信号PLS1と回転方向信号DIR1を出力する。
第2パルス指令部35は、電流設定信号Icと位置検出信号Pdにより第2パルス信号PLS2と回転方向信号DIR2と励磁許可信号Exの3種類の信号を出力する。
第2パルス信号PLS2は、駆動手段3が認識可能なパルス幅でかつ第1パルス信号PLS1より短い周期を持つ信号である。
The first
The second
The second pulse signal PLS2 is a signal having a pulse width that can be recognized by the driving means 3 and a period shorter than that of the first pulse signal PLS1.
パルス信号PLSは、第1パルス信号PLS1と第2パルス信号PLS2のいずれかが出力される信号であり、回転方向信号DIRは、第1回転方向信号DIR1と第2回転方向信号DIR2のいずれかが出力される信号である。
なお、第1パルス信号PLS1が出力されるときは第1回転方向信号DIR1が、第2パルス信号PLS2が出力されるときは第2回転方向信号DIR2が出力される。
The pulse signal PLS is a signal from which either the first pulse signal PLS1 or the second pulse signal PLS2 is output, and the rotation direction signal DIR is either the first rotation direction signal DIR1 or the second rotation direction signal DIR2. This is the output signal.
The first rotation direction signal DIR1 is output when the first pulse signal PLS1 is output, and the second rotation direction signal DIR2 is output when the second pulse signal PLS2 is output.
駆動手段4は、多くのディスクリート部品をワンチップにしたステッピングモータ1を駆動する専用ICであり、パルス信号PLSと回転方向信号DIRと電流設定信号Icと励磁許可信号Exに従ってステッピングモータ1にA相励磁電流ECaとB相励磁電流ECbを流す。
The driving means 4 is a dedicated IC for driving the
次に、本発明の一実施例の動作を図3から図7を用いて説明する。 Next, the operation of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 7. FIG.
図3はステッピングモータ1を1/8マイクロステップ駆動で正回転させる場合の波形図で、回転制御手段3から出力されるパルス信号PLSと回転方向信号DIRと励磁許可信号Ex、及び、駆動手段4から出力されるA相励磁電流ECaとB相励磁電流ECbの時間の流れを示す。
FIG. 3 is a waveform chart when the stepping
次に、本発明による実施の形態における4象限運転の正転力行から正転回生へモードを切り替える制御方法について図4と図5を用いて説明する。
例として、図3の1/8マイクロステップ駆動の励磁電流波形において、C31で示すタイミングで回生が発生した場合、励磁電流の極性を反転させるため、180度分進角したC33で示す励磁電流波形に切り替える必要がある。切り替えた結果を図4と図5に示す。
図5は、図4のB41で示す励磁電流を180度分進角させる動作を拡大した図である。
Next, a control method for switching the mode from normal rotation power running to normal rotation regeneration in four-quadrant operation according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.
As an example, in the excitation current waveform for 1/8 microstep drive in FIG. 3, when regeneration occurs at the timing indicated by C31, the excitation current waveform indicated by C33 is advanced by 180 degrees in order to reverse the polarity of the excitation current. need to switch to The result of switching is shown in FIGS. 4 and 5. FIG.
FIG. 5 is an enlarged view of the operation of advancing the excitation current by 180 degrees indicated by B41 in FIG.
図5のT51で示すタイミングで、駆動手段4の励磁許可信号Exを禁止にして、モータ巻線への励磁電流をOFFさせる。
次に、ステッピングモータ1の回転方向信号DIRは正回転(CW)を維持したまま、図5のS51で示すように短い周期で第2パルス信号PLS2をパルス信号PLSとして180度分(この場合、16個のパルス信号)進角させるために印加する。
次に、図5のT52で示すタイミングで、駆動手段4の励磁許可信号Exを許可にして、モータ巻線への励磁電流をONさせることで励磁電流波形を切り替える。
At the timing indicated by T51 in FIG. 5, the excitation enable signal Ex of the drive means 4 is disabled to turn off the excitation current to the motor windings.
Next, while the rotation direction signal DIR of the stepping
Next, at the timing indicated by T52 in FIG. 5, the exciting current waveform is switched by turning on the exciting current to the motor windings by enabling the excitation enable signal Ex of the driving means 4 .
なお、一般には回生が発生するとき電流指令はゼロであるため、第2パルス信号PLS2を印加している間、励磁許可信号Exを禁止することが必須ではない。 Incidentally, since the current command is generally zero when regeneration occurs, it is not essential to prohibit the excitation enable signal Ex while the second pulse signal PLS2 is being applied.
次に、1/8マイクロステップ駆動時の4象限運転の正転力行から逆転力行へモードを切り替える制御方法について説明する。
正転力行から正転回生へモードを切り替える制御方法と同様に、まず、駆動手段4の励磁許可信号Exを禁止にして、モータ巻線への励磁電流をOFFさせる。
次に、ステッピングモータ1の回転方向信号DIRは正回転(CW)を維持したまま、短い周期で第2パルス信号PLS2をパルス信号PLSとして180度分(この場合、16個のパルス信号)進角させるために印加する。
次に、回転方向信号DIRを逆回転(CCW)に変更した後、駆動手段4の励磁許可信号Exを許可にして、モータ巻線への励磁電流をONさせることで、励磁電流波形を切り替える。
Next, a control method for switching the mode from forward rotation power running to reverse rotation power running in four-quadrant operation during 1/8 microstep driving will be described.
As in the control method for switching the mode from normal rotation power running to normal rotation regeneration, first, the excitation permission signal Ex of the driving means 4 is disabled to turn off the excitation current to the motor windings.
Next, while the rotation direction signal DIR of the stepping
Next, after changing the rotation direction signal DIR to reverse rotation (CCW), the excitation enable signal Ex of the driving means 4 is set to enable, and the excitation current waveform is switched by turning on the excitation current to the motor windings.
なお、ステッピングモータ1の回転方向信号DIRは第2パルス信号PLS2を全て印加し終わるまで維持し、駆動手段4の励磁許可信号Exを許可する前に、回転方向信号DIRを変更する。その時の回転方向信号DIRは、正転力行/正転回生モードの場合は、正回転(CW)、逆転力行/逆転回生モードの場合は、逆回転(CCW)とする。
The rotation direction signal DIR of the stepping
励磁電流波形を切り替えるために、駆動手段4に印加する第2パルス信号PLS2の数は下式1で求められる。
例として、1/8マイクロステップ駆動で励磁電流波形を180度進める場合、下式2となり
16個の第2パルス信号PLS2を駆動手段4に印加すればよい。
The number of second pulse signals PLS2 to be applied to the driving means 4 for switching the exciting current waveform is obtained by the following equation (1).
As an example, when advancing the excitation current waveform by 180 degrees with 1/8 microstep drive, the following
16 second pulse signals PLS2 may be applied to the driving means 4. FIG.
1/8マイクロステップ駆動時の、4象限運転のモード切り替えで印加する第2パルス信号の数を下表に示す。
The table below shows the number of second pulse signals applied for mode switching of four-quadrant operation during 1/8 microstep driving.
次は本発明による実施の形態における高速回転するための弱め界磁の制御方法について図6と図7を用いて説明する。弱め界磁を制御するため、励磁電流波形の位相を進める角度分の第2パルス信号PLS2をパルス信号PLSとして駆動手段4に印可することで、励磁電流波形を瞬時に切り替える。 Next, a method of controlling field weakening for high-speed rotation in an embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. In order to control the field weakening, the second pulse signal PLS2 for advancing the phase of the exciting current waveform is applied to the driving means 4 as the pulse signal PLS, thereby instantaneously switching the exciting current waveform.
例として、図3の1/8マイクロステップ駆動の励磁電流波形において、C31で示すタイミングで弱め界磁に切り替える場合、励磁電流の位相を0度~90度(この場合、22.5度)進角したC32で示す励磁電流波形に切り替える必要がある。切り替えた結果を図6と図7に示す。
図7は、図6のB61で示す励磁電流を22.5度分進角させる動作を拡大した図である。
As an example, in the excitation current waveform of 1/8 microstep drive in FIG. It is necessary to switch to the excitation current waveform shown by squared C32. 6 and 7 show the results of the switching.
FIG. 7 is an enlarged view of the operation of advancing the excitation current by 22.5 degrees indicated by B61 in FIG.
まず、図7のT71で示すタイミングで、駆動手段4の励磁許可信号Exを禁止にして、モータ巻線への励磁電流をOFFさせる。
次に、ステッピングモータ1の回転方向信号DIRは正回転(CW)を維持したまま、図7のS71で示すように短い周期で第2パルス信号PLS2をパルス信号PLSとして22.5度分(この場合、2個のパルス信号)進角させるために印加する。
次に、図7のT72で示すタイミングで、駆動手段4の励磁許可信号Exを許可にして、モータ巻線への励磁電流をONさせることで、A相励磁電流ECaとB相励磁電流ECbにより作られる磁束とステッピングモータ1の永久磁石回転子の磁束が直交するよう合わせされた位置から22.5度分進角した弱め界磁を実現する。
First, at the timing indicated by T71 in FIG. 7, the excitation enable signal Ex of the drive means 4 is disabled to turn off the excitation current to the motor windings.
Next, while the rotation direction signal DIR of the stepping
Next, at the timing indicated by T72 in FIG. 7, the excitation enable signal Ex of the driving means 4 is enabled, and the excitation current to the motor windings is turned ON. A field weakening is realized by advancing the magnetic flux by 22.5 degrees from the position where the generated magnetic flux and the magnetic flux of the permanent magnet rotor of the stepping
なお、第2パルス信号PLS2を駆動手段4に印加する数が少なく、期間も非常に短いため、第2パルス信号PLS2を印加している間は、励磁許可信号Exを禁止することが必須ではない。 Since the number of times the second pulse signal PLS2 is applied to the driving means 4 is small and the period is very short, it is not essential to prohibit the excitation enable signal Ex while the second pulse signal PLS2 is being applied. .
次に、4象限運転と弱め界磁を同時に実現する方法を説明する。
4象限運転と弱め界磁を同時に実現する方法は、4象限運転のモード切り替えに必要な第2パルス信号PLS2と、弱め界磁を実現するために必要な位相角度に相当する第2パルス信号PLS2を合わせた数の第2パルス信号PLS2をパルス信号PLSとして駆動手段4に印加することである。
Next, a method for realizing four-quadrant operation and field-weakening at the same time will be described.
A method of simultaneously realizing four-quadrant operation and field-weakening uses a second pulse signal PLS2 necessary for mode switching of the four-quadrant operation and a second pulse signal PLS2 corresponding to the phase angle necessary for realizing field-weakening. is applied to the driving means 4 as the pulse signal PLS.
本発明によるステッピングモータの駆動装置は、ロボット駆動などに用いられるステッピングモータを用いた装置に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The stepping motor drive device according to the present invention is useful for devices using stepping motors used for driving robots and the like.
1 ステッピングモータ
2 位置指令手段
3 回転制御手段
4 駆動手段
5 位置検出手段
21 制御プログラム
22 カウンタ
31 位置制御部
32 速度制御部
33 速度検出部
34 第1パルス指令部
35 第2パルス指令部
Pc 位置指令信号
Pd 位置検出信号
Sc 回転速度指令信号
Sd 回転速度検出信号
Ic 電流設定信号
Ex 励磁許可信号
PLS1 第1パルス信号
DIR1 第1回転方向信号
PLS2 第2パルス信号
DIR2 第2回転方向信号
PLS パルス信号
DIR 回転方向信号
ECa A相励磁電流
ECb B相励磁電流
1 stepping
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