JPS6158499A - Position and speed detector of stepping motor - Google Patents

Position and speed detector of stepping motor

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JPS6158499A
JPS6158499A JP18121584A JP18121584A JPS6158499A JP S6158499 A JPS6158499 A JP S6158499A JP 18121584 A JP18121584 A JP 18121584A JP 18121584 A JP18121584 A JP 18121584A JP S6158499 A JPS6158499 A JP S6158499A
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circuit
signal
waveform shaping
rotor
induced voltage
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Kiyoshi Wakai
若井 清志
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Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
    • H02P8/14Arrangements for controlling speed or speed and torque

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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a rotary position and a rotary speed signal of a rotor without special sensor by detecting the induced voltage of an exciting coil at different rotary positions. CONSTITUTION:Induced voltages Ea1, Eb1 are respectively output in phase difference pi/2 from exciting coils 1, 2, 3, 4 of unexcited state. Then, the induced voltages Ea1, Eb1 are input through differential amplifiers 7a, 7b and the first waveform shapers 8a, 8b to a calculator 9. The signal is calculated by the calculator 9 to become a position signal Pa=sinNtheta and a position signal Pb= cosNtheta, and presented at output terminals 18a, 18b. Thus, a speed signal V and position signals Pa, Pb are simultaneously obtained from induced voltages Ea1, Eb1.

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、ステ7ビングモータの回転位置およびその回
転速度を検出するための電気的な装置に関する。
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an electrical device for detecting the rotational position and rotational speed of a stepping motor.

従来技術 例えば、位置制御用のサーボ制御系は、一般的に、第1
図に示すような構成となっている。すなわち目標値Sは
、加え合わせ点40を経て、調節部41に加えられ、操
作信号となって操作部としてのモータ42に与えられる
。ここでモータ42は、外乱りの影響を受ける制御対象
43を駆りJする。一方、検出部44は、制御対象43
の制御量を検出し、測定値として上記加え合わせ点40
にフィードバックすることによって、調節部41に偏差
として与えられる。このようなサーボ制御系では、検出
部44の位置センサとしてエンコーダ、ポテンショメー
タ、レゾルバ等が用いられ、また速度検出用のセンサと
して、タコジェネレークが使用されている。
Prior Art For example, in a servo control system for position control, the first
The configuration is as shown in the figure. That is, the target value S is applied to the adjustment section 41 via the summing point 40, and is applied as an operation signal to the motor 42 serving as the operation section. Here, the motor 42 drives a controlled object 43 that is affected by external disturbances. On the other hand, the detection unit 44 detects the control target 43
Detects the control amount of and uses the above addition point 40 as the measured value.
is fed back to the adjustment section 41 as a deviation. In such a servo control system, an encoder, a potentiometer, a resolver, etc. are used as a position sensor of the detection unit 44, and a tachogenerator is used as a speed detection sensor.

したがって、このような従来の位置制御用のサーボ系で
は、特別なセンサが必要となり、またこれらのセンサと
モータまたは負荷との結合が必要となるが、その結合過
程のためにサーボ系に不感帯やヒステリシス特性が起き
、制御特性が悪化している。
Therefore, such a conventional servo system for position control requires special sensors and also requires coupling these sensors to a motor or load, but this coupling process creates a dead zone or a dead zone in the servo system. Hysteresis characteristics occur and control characteristics deteriorate.

発明の目的およびその解決手段 したがって、本発明の目的は、従来のような特別なセン
サを用いないで、モータの磁極コイルなどに発生する誘
起電圧からサーボ系のフィードバック信号となるロータ
の回転位置および回転速度信号を得ることである。
OBJECTS OF THE INVENTION AND SOLUTIONS THEREOF Therefore, an object of the present invention is to determine the rotational position of the rotor and the feedback signal of the servo system from the induced voltage generated in the magnetic pole coils of the motor, etc., without using a special sensor as in the past. The purpose is to obtain a rotation speed signal.

そこで本発明は、ステッピングモータの励磁コイルなど
の誘起電圧を異なる回転位置で検出することにより、位
相差π/2の電圧つまりサインおよびコサインの形の誘
起電圧として検出し、それらの誘起電圧に平方、加算、
平方根および波形整形などの操作を施すことにより、速
度信号(dθ/dt)および位置信号(s i nNθ
、cosNθ)を同時に得るようにしている。
Therefore, the present invention detects the induced voltage of the excitation coil of a stepping motor at different rotational positions, detects it as a voltage with a phase difference of π/2, that is, the induced voltage in the form of sine and cosine, and squares these induced voltages. , addition,
By performing operations such as square root and waveform shaping, the speed signal (dθ/dt) and position signal (s i nNθ
, cosNθ) are obtained at the same time.

発明の構成 以下、゛本発明の構成を第2図ないし第4図に基づいて
具体的に説明する。
Configuration of the Invention Below, the configuration of the present invention will be specifically explained based on FIGS. 2 to 4.

まず、第2図は、本発明の位置および速度検出装置1を
示している。その検出対象のステッピングモータ2の励
磁コイル■、■、■、■は、誘起電圧検出手段3内の駆
動回路4に接続されている。
First, FIG. 2 shows a position and speed detection device 1 of the present invention. The excitation coils (1), (2), (2), (2) of the stepping motor 2 to be detected are connected to a drive circuit 4 in the induced voltage detection means 3.

この駆動回路4およびこれの入力端に接続された分配回
路5はともに出力側でスイッチング回路6に接続されて
いる。このスイッチング回路6は2つの出力端側でそれ
ぞれの差動増幅器7a、7bの一方の入力端に接続され
ている。この差動増幅器7a、7bの他方の入力端は、
共通の電源端子33に接続されており、さらに前記励磁
コイル■、■の接続点および励磁コイル■、■の接続点
に共通に接続されている。
This drive circuit 4 and the distribution circuit 5 connected to its input end are both connected to a switching circuit 6 on the output side. This switching circuit 6 has two output ends connected to one input end of each differential amplifier 7a, 7b. The other input terminal of the differential amplifiers 7a and 7b is
It is connected to a common power supply terminal 33, and is also commonly connected to the connection point of the excitation coils (1) and (2) and the connection point of the excitation coils (2) and (2).

そしてこの差動増幅器7a、7bの出力端は、第1の波
形整形回路8a、8bを経て、演算回路9の内部の平方
回路10a、10bおよび除算回路15a、15bの一
方の入力端にそれぞれ接続されている。これらの平方回
路10a、10bは、共に加算回路11、平行根回路1
2、第2の波形整形回路13および増幅回路14を経て
速度信号Vの出力端子17に順次接続されている。
The output terminals of the differential amplifiers 7a and 7b are connected to one input terminal of the square circuits 10a and 10b and the division circuits 15a and 15b inside the arithmetic circuit 9 through the first waveform shaping circuits 8a and 8b, respectively. has been done. These square circuits 10a and 10b are both an adder circuit 11 and a parallel root circuit 1.
2. It is sequentially connected to the output terminal 17 of the speed signal V via the second waveform shaping circuit 13 and the amplifier circuit 14.

また、上記第2の波形整形回路13の出力端は、除算回
路15a、15bの他方の入力端にも接続されている。
Further, the output terminal of the second waveform shaping circuit 13 is also connected to the other input terminals of the division circuits 15a and 15b.

この除算回路15a、15bはそれぞれ増幅回路16a
、16bを経て位置信号pa。
These division circuits 15a and 15b are each an amplifier circuit 16a.
, 16b and the position signal pa.

pbの出力端子18a、18bにそれぞれ接続されてい
る。
pb output terminals 18a and 18b, respectively.

つぎに第3図は、2相励磁方式による誘起電圧検出手段
3の具体的な回路例をしている。制御信号φf、φ2は
、入力端子19.20から入力され、直接、またはイン
バータ21.22を経て、スイッチング用のトランジス
タ23.24.25.26のベースにそれぞれ印加され
る。このトランジスタ23.24.25.26は、励磁
コイル■、■、■、■のそれぞれの端子とアース27と
の間に接続されている。また、スイッチング回路6のス
イッチ素子28.29.30.31は、励磁コイル■、
■、■、■の一端と、それぞれの差動増幅器7a、7b
の入力端側に接続されている。そして、これらのスイッ
チ素子28.29.30.31は、上記制御信号φ1、
φ2によって直接、またはインパーク21.22によっ
て反転された信号によって、それぞれ駆動されるように
なっている。
Next, FIG. 3 shows a specific circuit example of the induced voltage detection means 3 using the two-phase excitation method. Control signals φf and φ2 are input from input terminals 19.20 and applied directly or via inverters 21.22 to the bases of switching transistors 23.24.25.26, respectively. The transistors 23, 24, 25, and 26 are connected between the respective terminals of the excitation coils (1), (2), (2), (3) and the ground 27. In addition, the switching elements 28, 29, 30, and 31 of the switching circuit 6 include the excitation coil ■,
■, ■, one end of ■, and the respective differential amplifiers 7a, 7b
is connected to the input end of the These switch elements 28, 29, 30, 31 receive the control signals φ1,
It is designed to be driven directly by φ2 or by a signal inverted by impark 21, 22, respectively.

発明の作用 次に、上記位置および速度検出装置1の作用を説明する
Operation of the Invention Next, the operation of the position and speed detection device 1 will be explained.

駆動回路4の入力端子19.20に第4図に示すような
制御信号φ1、φ2が位相を異にしながら入力されてい
るため、スイッチング用のトランジスタ23.24.2
5.26は、順次オン・オフを繰り返す。この結果、励
磁コイル■、■、■、■に第4図で示すような位相で、
励磁電流Iが順次流れる。これによって、ステッピング
モータ2のロータ2aは、制御信号φ1、φ2と同期し
ながら回転する。
Since the control signals φ1 and φ2 shown in FIG. 4 are input to the input terminals 19.20 of the drive circuit 4 with different phases, the switching transistors 23.24.2
5.26 repeats on and off sequentially. As a result, the excitation coils ■, ■, ■, ■ have the phases shown in Figure 4.
Excitation current I flows sequentially. As a result, the rotor 2a of the stepping motor 2 rotates in synchronization with the control signals φ1 and φ2.

一方、この制御信号φ1、φ2は、直接またはインバー
タ21.22によってスイッチ素子28.29.30.
31を駆動する信号ともなっているため、それらのスイ
ッチ素子28.29.30゜31は、非励磁状態の励磁
コイル■、■、■、■と対応して順次オンの状態に設定
される。すなわち例えば時刻tでは、励磁コイル■、■
が励磁状態にあるため、それ以外の励磁コイル■、■に
対応するスイッチ素子29.31がオンの状態になる。
On the other hand, the control signals φ1, φ2 are applied to the switching elements 28, 29, 30, . . . directly or by the inverters 21, 22.
31, the switching elements 28, 29, 30, 31 are sequentially turned on corresponding to the excitation coils 2, 2, 3, and 3 in the non-excited state. That is, for example, at time t, the excitation coils ■, ■
is in the excited state, the switch elements 29 and 31 corresponding to the other excitation coils ① and ② are in the on state.

このようにして、非励磁状態の励磁コイル■、■、■、
■から誘起電圧Eal、Ea2が位相差π/2のもとに
取り出される。スイッチ素子28.29またはスイッチ
素子30.31は、交互にオン・オフを繰り返すが、そ
の2相出力すなわち誘起電圧Eal、Eb2は、時間軸
上で、連続状態となっている。
In this way, the excitation coil in the de-energized state ■, ■, ■,
The induced voltages Eal and Ea2 are extracted from (2) with a phase difference of π/2. The switch element 28.29 or the switch element 30.31 is alternately turned on and off, but its two-phase output, that is, the induced voltages Eal and Eb2 are in a continuous state on the time axis.

そしてこの誘起電圧Eal、Eblは、それぞれの差動
増幅器7a、7bおよび第1の波形整形回路8a、8b
を経て演算回路9に入力される。
These induced voltages Eal and Ebl are applied to the respective differential amplifiers 7a and 7b and the first waveform shaping circuits 8a and 8b.
The signal is input to the arithmetic circuit 9 via the .

ここで、第1の波形整形回路8a、8bは、誘起電圧E
al、Eblの高調波の除去の他、励磁コイル■、■、
■、■の自己インダクタンスおよびそれらの相互インダ
クタンスにより誘起される電圧分を除去している。この
結果、第1の波形整形回路8a、8bの出力、つまり誘
起電圧Eat、Eblは極数をN、最大値をAとし、回
転角をθとすれば、下記のように、ロータ2aの着磁位
置および着磁分布(sinNθ)およびロータ2aの回
転速度(dθ/dt)の積に比例した値となっている。
Here, the first waveform shaping circuits 8a and 8b generate an induced voltage E
In addition to removing harmonics of al and Ebl, excitation coils ■, ■,
The voltage components induced by the self-inductances (1) and (2) and their mutual inductance are removed. As a result, the outputs of the first waveform shaping circuits 8a and 8b, that is, the induced voltages Eat and Ebl, are determined as follows when the number of poles is N, the maximum value is A, and the rotation angle is θ. The value is proportional to the product of the magnetic position, the magnetization distribution (sinNθ), and the rotational speed (dθ/dt) of the rotor 2a.

Ea 1wAs inNθ−dθ/dtEbl=Aco
sNθ・dθ/dt 次に、この誘起電圧Eal、Eblは、それぞれ平方回
路10a、10bを経て二乗され、平方信号Ea2、E
b2となり、共に加算回路11に入力される。ここで(
sin2θ+cosθ=1〕の三角関数の定理を利用し
て加算回路11の出力とし下記の信号E3が得られる。
Ea 1wAs inNθ−dθ/dtEbl=Aco
sNθ・dθ/dt Next, the induced voltages Eal and Ebl are squared through square circuits 10a and 10b, respectively, and squared signals Ea2 and E
b2 and both are input to the adder circuit 11. here(
The following signal E3 is obtained as the output of the adder circuit 11 by using the theorem of trigonometric functions: sin2θ+cosθ=1].

E3= (AsinNθ?+(ACO,SNθデ=(A
−dθ/dt)” そしてこの信号E3は、平方根回路12によって信号E
4=lA−dθ/dtlとなり、第2の波形整形回路1
3の入力となる。ここで第2の波形整形回路13は、前
段の平方根回路12の使用により信号が絶対値で処理さ
れるため、dθ/dtを所要の正負信号に変換する機能
を持つ。このようにして第2の波形整形回路13の出力
としての信号E5=A−dθ/dtは、増幅回路14を
経て速度信号■となる。
E3= (AsinNθ?+(ACO,SNθde=(A
−dθ/dt)” Then, this signal E3 is converted into a signal E by the square root circuit 12.
4=lA-dθ/dtl, and the second waveform shaping circuit 1
3 inputs. Here, the second waveform shaping circuit 13 has a function of converting dθ/dt into a required positive/negative signal because the signal is processed in absolute value by using the square root circuit 12 at the previous stage. In this way, the signal E5=A-dθ/dt as the output of the second waveform shaping circuit 13 passes through the amplifier circuit 14 and becomes the speed signal ■.

一方、この信号E5は除算回路15a、15bによって
前記の電圧Eal、Eblとの割算により、信号Ea6
−sinNθまたは信号Eb6=cosNθとなった後
それぞれの増幅回路16a、16bによって増幅され、
位置信号Pa−5inNθおよび位置信号Pb=cos
Nθとなり、出力端子18a、18bに現れる。このよ
うにして誘起電圧Eal、Eblから速度信号■および
位置信号Pa、Pbが同時に得られる。
On the other hand, this signal E5 is divided by the voltages Eal and Ebl by the division circuits 15a and 15b, and the signal Ea6 is
-sinNθ or after the signal Eb6=cosNθ, it is amplified by the respective amplifier circuits 16a and 16b,
Position signal Pa-5inNθ and position signal Pb=cos
Nθ and appears at the output terminals 18a and 18b. In this way, the speed signal (2) and the position signals Pa, Pb are obtained simultaneously from the induced voltages Eal and Ebl.

他の実施例の構成および作用 次に、第4図は、バイポーラ型のステッピングモータ1
に励磁コイル■、■と別なサーチコイル32a、32b
を別に付加した例を示している。
Structure and operation of other embodiments Next, FIG. 4 shows a bipolar stepping motor 1.
Excitation coils ■, ■ and separate search coils 32a, 32b
An example is shown in which .

これらのサーチコイル32a、32bは、π/2だけ位
相のずれた状態で配列されており、前記と同様にロータ
2aの回転時に、誘起電圧Eat、Eblを発生する。
These search coils 32a and 32b are arranged with a phase difference of π/2, and generate induced voltages Eat and Ebl when the rotor 2a rotates as described above.

その後の動作は、第1図の実施例と同様である。The subsequent operation is similar to that of the embodiment shown in FIG.

発明の変形例 上記実施例は、演算回路9を必要な複数の機能回路によ
って実現しているが、このような演W、機能は、コンピ
ュータのプログラムの分野においても実現できるから、
その場合のコンピュータの演算部は、上記演算回路9と
均等なものとなる。
Modifications of the Invention In the above embodiment, the arithmetic circuit 9 is realized by a plurality of necessary functional circuits, but such operations and functions can also be realized in the field of computer programs.
In this case, the computing section of the computer is equivalent to the computing circuit 9 described above.

発明の効果 本発明では、下記の特有の効果が得られる。Effect of the invention The present invention provides the following unique effects.

まず、制御対象の位置信号および速度信号がエンコーダ
、ポテンショメータ、レゾルバ等のセンサを用いないで
検出できる。このことは、価格的に有利となるのみなら
ず、スペース的な自由度の増大ともなり、さらにサーボ
系における不要な不懸帯、ヒステリシス特性等を減じる
という機能的効果となる。
First, position signals and speed signals of a controlled object can be detected without using sensors such as encoders, potentiometers, and resolvers. This is not only advantageous in terms of cost, but also increases the degree of freedom in terms of space, and has the functional effect of reducing unnecessary suspension bands, hysteresis characteristics, etc. in the servo system.

次に、wJ単な回路構成によって、位置信号や速度信号
が同時に得られる。すなわちユニポーラ型のステッピン
グモータの場合には、演算回路を付加することで足り、
またバイポーラ型のステッピングモータの場合には、サ
ーチコイルおよび演算回路などを追加することによって
、その目的が簡単に実現できる。
Next, a position signal and a speed signal can be obtained at the same time with a simple circuit configuration. In other words, in the case of a unipolar stepping motor, it is sufficient to add an arithmetic circuit.
Furthermore, in the case of a bipolar stepping motor, the purpose can be easily achieved by adding a search coil, an arithmetic circuit, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は一般的なサーボ系のブロック線図、第2図は本
発明のステッピングモータの位置および速度検出装置の
ブロック線図、第3図は駆動回路およびスイッチング回
路の回路図、第4図は制御信号、励磁状態およびスイッ
チング状態を示すタイムチャート図、第5図は他の実施
例のブロック線図である。 1・・ステッピングモータの位置および速度検出装ff
i、2・・ステッピングモータ、2a・・ロータ、3・
・誘起電圧検出手段、4・・駆動回路、5・・分配回路
、6・・スイッチング回路、7a、7b・・差動増幅器
、8a、8b・・第1の波形整形回路、9−−/JI算
回路、ioa、10b・・平方回路、11・・加算回路
、12・・平方根回路、13・・第2の波形整形回路、
14・・増幅回路、15a、15b・・・除算回路、1
6a、16b・・増幅回路、17.18a、18b・・
出力端子。
Fig. 1 is a block diagram of a general servo system, Fig. 2 is a block diagram of a stepping motor position and speed detection device of the present invention, Fig. 3 is a circuit diagram of a drive circuit and a switching circuit, and Fig. 4 5 is a time chart showing control signals, excitation states and switching states, and FIG. 5 is a block diagram of another embodiment. 1. Stepping motor position and speed detection device ff
i, 2...Stepping motor, 2a...Rotor, 3...
- Induced voltage detection means, 4... Drive circuit, 5... Distribution circuit, 6... Switching circuit, 7a, 7b... Differential amplifier, 8a, 8b... First waveform shaping circuit, 9--/JI arithmetic circuit, ioa, 10b...square circuit, 11...addition circuit, 12...square root circuit, 13...second waveform shaping circuit,
14...Amplification circuit, 15a, 15b...Division circuit, 1
6a, 16b...Amplification circuit, 17.18a, 18b...
Output terminal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] ロータと、このロータの回転によって誘起電圧を発生さ
せる誘起電圧発生手段と、この誘起電圧発生手段により
発生する誘起電圧をサインおよびコサインの形に分けか
つ波形整形する第1の波形整形回路と、サインおよびコ
サインの形として上記第1の波形整形回路から出た各信
号をそれぞれ平方する平方回路と、この平方回路からの
信号を加算する加算回路と、この加算回路からの信号の
ルートをとる平方根回路と、この平方根回路からの信号
を所要の正負信号に変換する第2の波形整形回路と、こ
の第2の波形整形回路からの信号で上記第1の波形整形
回路からの各信号を除す除算回路とを有し、上記第2の
波形整形回路からの信号をロータの速度信号とし、上記
除算回路からの各信号をロータの位置信号として検出す
ることを特徴とするステッピングモータの位置および速
度検出装置。
a rotor, an induced voltage generating means that generates an induced voltage by the rotation of the rotor, a first waveform shaping circuit that divides the induced voltage generated by the induced voltage generating means into sine and cosine shapes and shapes the waveform; and a square circuit that squares each signal output from the first waveform shaping circuit in the form of a cosine, an adder circuit that adds the signals from the square circuit, and a square root circuit that takes the route of the signal from the adder circuit. a second waveform shaping circuit that converts the signal from this square root circuit into a required positive/negative signal; and a division that divides each signal from the first waveform shaping circuit by the signal from this second waveform shaping circuit. A stepper motor position and speed detection circuit, characterized in that the signal from the second waveform shaping circuit is detected as a rotor speed signal, and each signal from the division circuit is detected as a rotor position signal. Device.
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