TWI559673B - Stepping motor drive device - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種步進馬達之驅動裝置。
一般之步進馬達已知有藉2個線圈在相互不同之激磁時間被激磁而驅動之2相步進馬達。
習知之雙極型2相步進馬達1係按各線圈設有對2個線圈分別切換通電方向之正反而驅動之驅動裝置100(第10圖)。
驅動裝置100包含有輸出為步進馬達110之動作指令之電流值指令的CPU101、輸出按照電流值指令之指令電流值之D/A轉換部102、以流至步進馬達之線圈之電流值對指令電流值之差分，輸出偏差之電流偏差生成部103、輸出規則之鋸齒狀之三角波的三角波產生電路104。按照比較值之信號與三角波之信號的比較，生成為ON-OFF之連續信號之PWM信號的PWM產生電路105、進行分別流至步進馬達110之2個線圈之電流的正反方向及ON-OFF之切換的橋接電路106、檢測流至各線圈之電流之電流檢測部107。
又，根據上述結構，在驅動裝置100，對步進馬達110，進行了所謂之比例控制(P控制)(例如參照專利文獻1)。
專利文獻1 日本專利公開公報2009-095148號
然而，在習知雙極型2相步進馬達之驅動裝置中進行之比例控制(P控制)有輸出產生穩定偏差或易受雜訊之影響之缺點。
是故，亦有使用比例+積分控制(PI控制)之方法作為其因應。但是，在雙極型2相步進馬達之控制中，需週期性地切換流至各線圈之電流之正負極性。於馬達之高速旋轉時之電流切換為正負其中一者時，有因在此之前所累計之電流偏差之累計值而造成電流追蹤慢之問題。
依據第11圖來說明，在積分控制中，藉使電流偏差之累計值Iei反映於流至線圈之電流值，可減低穩定偏差或雜訊之影響。然而，在指令電流值Ir從正轉變成負之時間點(圖中之點C1)，因電流偏差之累計值Iie仍為正，故將應使負電流值(反方向之電流)流至線圈之處積分控制之成份反應累計值Iei，而進行正之補正，而使追蹤性降低。
又，在指令電流值Ir從負轉變成正之時間點(圖中之點C2)，亦產生了同樣之現象。
又，亦使用比例+積分控制+微分控制(PID控制)之方法，當使用微分控制時，控制系統複雜，而因增益設定，有控制發散之問題。又，由於為PID控制時，亦包含積分控制，故上述追跟蹤性之問題無法根本解決。
本發明之目的在於對雙極型2相步進馬達之驅動裝置，在不使控制系統複雜化下，使追蹤性提高。
申請專利範圍第1項記載之發明特徵在於包含有電流檢測部及控制部，該電流檢測部係檢測流至雙極型2相步進馬達之線圈之電流值者；該控制部係依據指令電流值與前述電流檢測部之檢測電流值的電流偏差進行流至前述線圈之電流之反饋控制者，前述指令電流值係依據對前述雙極型2相步進馬達之動作指令之對前述線圈的指令電流值；又，前述控制部求出前述電流偏差之累計值，藉由該累計值與前述電流偏差之值，決定流至前述線圈之電流值；當前述指令電流值之正負極性轉換時，重設前述電流偏差之累計值後，繼續累計。
申請專利範圍第2項記載之發明具有與申請專利範圍第1項記載之發明相同之結構，並且，前述控制部從該指令電流值與電流偏差之累計值的相乘值，判定前述指令電流值之正負極性之轉換。
申請專利範圍第3項記載之發明具有與申請專利範圍第1或2項記載之發明相同之結構，並且，前述控制部由DSP(Digital Signal Processor)構成。
因申請專利範圍第1項記載之發明於指令電流值週期性轉換時，檢測該轉換，進行重設電流偏差累計值之處理，故排除緊接在指令電流值之極性轉換之後，因電流偏差累計值之極性與指令電流值不一致而引起之電流追蹤性之降低的影響。因此，可在不產生微分控制之施行等控制系統之複雜化下，謀求反饋控制之追蹤性之提高。
由於申請專利範圍第2項記載之發明係從該指令電流值與電流偏差之累計值的相乘值來判定指令電流值之正負極性，故相較於例如記憶前一指令電流值且藉由與新指令電流值之對比來進行極性轉換之判定的情形，不需記憶前一指令電流值之處理或手段，而可謀求控制系統之簡易化。
由於申請專利範圍第3項記載之發明使用適合週期且連續之處理之DSP作為控制部，故可謀求處理之高速化，而可謀求追蹤性之進一步提高。
第1圖係顯示連接有本發明步進馬達之驅動裝置之雙極型2相式步進馬達之結構的說明圖。
第2圖係顯示步進馬達之驅動裝置之結構的塊圖。
第3圖係橋接電路之電路圖。
第4圖係DSP之功能塊圖。
第5圖係顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，指令電流值Ir、檢測電流值Id、電流偏差Ie、及電流偏差累計值Iei之變化的線圖。第5(A)圖係顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，來自CPU之指令電流值Ir與檢測電流值Id之變化的線圖，第5(B)圖係顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，電流之偏差Ie與電流偏差累計值Iei之變化的線圖。
第6圖係顯示DSP所作之對步進馬達之線圈之通電控制的流程圖。
第7圖係顯示隨著馬達之低速驅動時之時間經過的指令電流值Ir、進行重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Id、進行不重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Idm之變化之線圖。
第8圖係顯示隨著馬達之中速驅動時之時間經過的指令電流值Ir、進行重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Id、進行不重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Idm之變化之線圖。
第9圖係顯示隨著馬達之高速驅動時之時間經過的指令電流值Ir、進行重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Id、進行不重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Idm之變化之線圖。
第10圖係顯示習知雙極型2相步進馬達之驅動裝置之一結構例的塊圖。
第11圖係顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，指令電流值Ir、實際流至線圈之電流值Id、該等之電流偏差Ie及電流偏差之累計值Iei之變化的線圖。
以下，依據第1圖至第9圖，詳細地說明本發明之實施形態。
本發明實施形態之步進馬達1之驅動裝置7係按步進馬達1之A相及B相的各線圈4、5而設，各驅動裝置7連接於用以輸出按照為步進馬達1之目的之動作而訂定之電流值指令的CPU8。
步進馬達1具有與該步進馬達1之旋轉軸構成一體而設成可旋轉之圓柱狀轉子2、設於轉子2之周圍之圓筒狀定子3、在定子3之內周部，捲繞於朝靠近轉子2之方向突出而設之芯部3a、3b，而藉後述驅動裝置7所作之電流控制，以變更/維持轉子2之旋轉角度的線圈4、5。此外，將各線圈4、5簡略化而顯示，實際上由複數線圈構成，該等以串聯且均一間隔交互地配置於轉子2之周圍。
轉子2係永久磁鐵等之磁性體，連結於圖中未示之步進馬達1之旋轉軸，而支撐成可旋轉。定子3係設於轉子2之周圍之圓筒狀磁性材料(例如鐵)，並於其內周部設有朝靠近轉子2之方向突出而設之芯部3a~3b。
線圈4、5係捲繞於芯部3a、3b之繞線，藉以後述之驅動裝置7，使電流流動而激磁，而具有作為電磁鐵之功能。此時，線圈4、5透過各驅動裝置7，以CPU8進行錯開相位，而使電流值週期性地變化之電流控制。又，以微步進行步進馬達1之旋轉驅動，該微步係藉將2個線圈4、5之電流比率細微地變化，而可獲得更細微之步進角度。
接著，就步進馬達之驅動裝置7，詳細地說明。
步進馬達之驅動裝置7控制步進馬達1之驅動/停止及旋轉角度。如第1圖所示，步進馬達之驅動裝置7設於各步進馬達1之線圈4、5，以進行流至線圈4、5之電流之控制。
此外，在以下之說明，就連接於線圈4之驅動裝置7進行說明，而省略為相同之結構之線圈5之驅動裝置7的說明。
如第2圖所示，步進馬達之驅動裝置7具有檢測流至步進馬達1之線圈4之電流值的電流檢測部44、進行連接之切換，以對線圈4分別於預定方向(正方向)及其反方向進行通電的橋接電路20、及作為控制部之DSP(Digital Signal Processor)30，該控制部係依據指令電流值與電流檢測部11之檢測電流值之電流偏差，進行流至線圈4之電流之反饋控制，以透過橋接電路20，使按照來自CPU8之指令電流值之電流流至線圈4。
電流檢測部11係串聯於線圈4之分路電阻，可獲得按照流至線圈4之電流值之檢測信號。
如第3圖所示，橋接電路20構成以FET21~24及二極體25~28構成之H橋接電路，藉由此橋接電路20，將線圈4連接於電源裝置6。
此外，電源裝置6為線圈4、5所共用。亦即，對1個電源裝置6連接2個驅動裝置7之橋接電路20，以使電流流至線圈4、5。
FET21~24係所謂3端子之場效電晶體，FET21、22其中一電極與線圈4之一端連接，FET23、24其中一電極與線圈4之另一端連接。又，FET21、23之另一電極與電源裝置6連接，FET22、24之另一電極與接地9連接。
又，FET21~24之閘極與DSP30連接，當以該DSP30對閘極施加電壓時，具有使按照該電壓之值之電流從電源裝置6流至線圈4之「開關元件」的功能。此外，FET21~24可進行雙方向之通電。
又，DSP30進行切換成將FET21與24同時ON，將FET22與23同時OFF之連接狀態及將FET21與24同時OFF，將FET22與23同時ON之連接狀態。又，為前者之連接狀態時，在線圈4，電流往第3圖之右方向流動(第3圖實線箭號)，為後者之連接狀態時，在線圈4，電流往第3圖之左方向流動(第3圖虛線箭號)。
二極體25~28分別與FET21~24並聯。又，各二極體25~28之正極(陽極)連接於接地9側，負極(陰極)連接於電源裝置6側。亦即，來自電源裝置6之電流不流至二極體25~28，與電流源裝置6之電流之方向相反的方向之電流流動時，該相反方向之電流在二極體25~28流動。藉此，藉該相反之方向之電流流至FET21~24，防止FET21~24破損。即，二極體25~28具有作為FET21~24之保護電路之功能。
在第4圖中，DSP30主要構造成實現作為比較部31、比例處理部32、積分處理部33、及PWM信號生成部36之功能，該比較部係求出電流檢測部11之檢測電流值Id對依據來自CPU8之步進馬達1之線圈4的指令電流值Ir之偏差Ie者，該比例處理部係於偏差Ie乘上比例增益Kp者，該積分處理部係依據偏差Ie，進行積分處理者，該PWM信號生成部係依據比例處理部32與積分處理部33之處理結果，生成對橋接電路20之PWM信號，以於線圈4進行預定電流之通電者。
此外，在上述各部31、32、33、36之連續之一連串處理以一定之週期反覆執行。
在第5圖中，上段(A)之線圖顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，來自CPU之指令電流值Ir與檢測電流值Id之變化，下段(B)之線圖係顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，電流之偏差Ie與電流偏差累計值Iei之變化。
對線圈4及線圈5進行通電，以反覆進行以π/2之相位差，形成為正弦波形之週期之電流值的變化。然後，CPU8進行構成階段性變化，以標繪上述正弦波形之指令電流之數值輸出，而執行微步驅動。
比較部31將來自上述CPU8之指令電流值Ir與來自電流檢測部11之檢測電流值Id相減，而算出電流偏差Ie。
Ir-Id=Ie
然後，將所算出之電流偏差Ie輸出至比例處理部32及積分處理部33。
比例處理部32於從比較部31所輸入之電流偏差Ie乘上預定之比例增益Kp後，將之輸出至PWM信號生成部36。
積分處理部33具有累計從比較部31輸入之每次之電流偏差Ie之累計部34、判定是否重設累計部34所累計之電流偏差累計值Iei之判定部35。此外，DSP30內藏有記憶體，電流偏差累計值Iei記憶保持於此記憶體內。
在習知進行之反饋之積分控制中，從步進馬達1之驅動開始至停止為止，連續進行電流偏差Ie之累計。結果，如雙極型2相步進馬達1般，指令電流值Ir之極性週期性地轉換時，在緊接於指令電流值Ir之極性轉換後，會與在此之前所累計之電流偏差累計值Iei產生極性不一致，積分控制成份作用為妨礙對指令電流值Ir之追蹤，而產生了線圈之通電性之追蹤性降低的問題。
是故，積分處理部33之判定部35讀取來自CPU8之指令電流值Ir，判定相對於前一指令電流值其極性是否已轉換。具體言之，根據將指令電流值Ir與電流偏差累計值Iei相乘之相乘值是否為負極性來判定。亦即，指令電流值Ir之極性未變化時，由於在此之前之電極偏差累計值Iei與極性一致，故相乘時，必定形成為正，而由於在緊接於指令電流值Ir之極性轉換後，會與電流偏差累計值Iei不一致，故相乘時，其相乘值必定為負，故可檢測指令電流值Ir之極性之轉換。
又，判定部35於判斷為非在緊接於指令電流值Ir之極性轉換後時，與以往之控制同樣地，於電流偏差累計值Iei乘上積分增益，將之輸出至PWM信號生成部36。又，於判定為在緊接於指令電流值Ir之極性轉換後時，判定部35令電流偏差累計值Iei為0，將之輸出至PWM信號生成部36。
即，如第5圖所示，在指令電流值Ir之極性轉換之點P1~P3中，將電流偏差累計值Iei重設為0，之後，重新進行累計。
PWM信號生成部36將比例處理部32之輸出Kp×Ie與積分處理部33之輸出Ki×Iei(重設時，Iei=0)相加，算出其總和值Ret。
Ret=Kp×Ie+Ki×Iei
又，以按照上述總和值Ret之數值之負載比，生成為ON與OFF之反覆之信號的PWM信號，並將之輸出至橋接電路。負載比設定成按照Ret之數值，成比例地增大。即，若Ret之值為正，絕對值大時，ON之比率為0.5以上，而按照絕對值，將負載比訂定為更接近1.0，若Ret之值為負，絕對值大時，OFF之比率為0.5以上，而按照絕對值，將負載比訂定為更接近1.0。
此外，總和值Ret與PWM信號之負載比亦可於DSP30內準備訂定相互對應關係之表，參照此表，進行界定按照總和值Ret之負載比之處理。
藉此，對線圈4修正成預定電流往正或反方向流動，通電量追蹤指令電流值。
即，DSP30(控制部)求出電流偏差之累計值Iei(電流偏差累計值Iei)，藉由該累計值Iei與電流偏差Ie之值，決定流至線圈4之電流值，並且，當指令電流值Iei之正負極性轉換時，重設電流偏差之累計值(Iei=0)後，繼續累計。
依據第6圖之流程圖，就上述驅動裝置7所作之步進馬達1之控制，特別說明DSP30(控制部)所作之對步進馬達1之線圈4的通電控制。
首先，於開始步進馬達1之驅動之際，重設電流偏差累計值Iei之值([Iei=0]：步驟S1)。
然後，DSP30從CPU8讀取指令電流值Ir，並且，從電流檢測部11讀取檢測電流值Id(步驟S3)，比較部31從指令電流值Ir減掉檢測電流值Id，而算出電流偏差Ie([Ir-Id=Ie]：步驟S5)。
接著，在積分處理部33之累計部34，將電流偏差Ie加至記憶體內之電流偏差累計值Iei之值(步驟S7)。
進一步，判定部35將指令電流值Ir與電流偏差累計值Iei相乘，判定該相乘值是否不到0(負)[Ir×Iei＜0]：步驟S9)。
此時，若Ir×Iei＜0(步驟S9：YES)，由於緊接於指令電流值Ir之極性轉換後，電流偏差累計值Iei為極性尚未轉換之狀態，故進行重設記憶體內之電流偏差累計值Iei之處理([Iei=0])：步驟S11)。
另一方面，若Ir×Iei≧0時(步驟S9：NO)，在比例處理部32，於電流偏差Ie乘上比例增益Kp，在積分處理部33，於電流偏差累計值Iei乘上積分增益Ki，而算出該等之值之總和值Ret([Ret=Kp×Ie+ki×Iei]：步驟S13)。
然後，在PWM信號生成部36，依據總合值Ret，界定負載比，將按照此之PWM信號輸出至橋接電路20(步驟S15)。
橋接電路20按照PWM信號，交互進行FET21、24之ON與FET22、23之ON，使正反電流流至線圈4，總而言之，使按照負載比之電流通電。
之後，使處理返回步驟S3，進行下個指令電流值Ir與檢測電流值Id之讀入。此外，步驟S3至S17之處理在步進馬達1之驅動中，以一定之週期反覆執行。
又，在上述流程圖中，僅顯示對步進馬達1中之其中一線圈4之電流控制，關於另一線圈5，在使指令電流值Ir之相位延遲π/2之狀態下，進行與上述相同之電流控制。
上述步進馬達之驅動裝置7所作之電流控制在下述點具有特徵，前述點係檢測指令電流值Ir之極性之轉換，而重設電流偏差累計值Iei。
就此之效果，依據第7圖~第9圖作說明。
因電流偏差累計值Iei較指令電流值，極性轉換慢而引起的對指令電流值之追蹤性之降低當步進馬達1之驅動越高速，便越顯著。
可知於第7圖所示之步進馬達1之低速驅動時，上述驅動裝置7之檢測電流值Id與習知PI控制之檢測電流值Idm差小，於第8圖所示之中速驅動時，驅動裝置7之檢測電流值Id可以比起習知PI控制之檢測電流值Idm較接近指令電流值Ir之值追蹤，於第9圖之高速驅動時，驅動裝置7之檢測電流值Id可以比起習知PI控制之檢測電流值Idm較接近指令電流值Ir之值且接近指令電流值Ir之相位追蹤。
如此，因雙極型2相步進馬達1之驅動裝置7當檢測指令電流值Ir之極性之轉換時，進行重設電流偏差累計值Iei之值的處理，故在不增加微分控制之控制系統下，可對以高追蹤性流至步進馬達1之線圈之電流，進行反饋控制。特別是於馬達之高速驅動時，可抑制追蹤之緩慢。
此外，在上述步進馬達之驅動裝置7，例示了CPU8之指令電流值Ir進行按照微步之輸出的情形，於步進數較少之全步進驅動或半步進驅動時，即使進行同樣之電流控制，仍具效果。
又，在驅動裝置7使用了DSP30，亦可使用可進行電流之讀入處理之CPU、使用程序器之微電腦、類比電路取代此。
1，110．．．步進馬達
2．．．轉子
3．．．定子
3a，3b．．．芯部
4，5．．．線圈
6．．．電源裝置
7，100．．．驅動裝置
8，101．．．CPU
9．．．接地
11，107．．．電流檢測部
20，106．．．橋接電路
21-24．．．FET
25-28．．．二極體
30．．．DSP
31．．．比較部
32．．．比例處理部
33．．．積分處理部
34．．．累計部
35．．．判定部
36．．．PWM信號生成部
102．．．D/A轉換部
103．．．電流偏差生成部
104．．．三角波產生電路
105．．．PWM產生電路
Id．．．檢測電流值
Ie．．．偏差
Iei．．．電流偏差之累計值
Ir．．．指令電流值
Kp．．．比例增益
Ret．．．總和值
C1，P1-P3．．．點
S1，S3，S5，S7，S9．．．步驟
S11，S13，S15，S17．．．步驟
第1圖係顯示連接有本發明步進馬達之驅動裝置之雙極型2相式步進馬達之結構的說明圖。
第2圖係顯示步進馬達之驅動裝置之結構的塊圖。
第3圖係橋接電路之電路圖。
第4圖係DSP之功能塊圖。
第5圖係顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，指令電流值Ir、檢測電流值Id、電流偏差Ie、及電流偏差累計值Iei之變化的線圖。第5(A)圖係顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，來自CPU之指令電流值Ir與檢測電流值Id之變化的線圖，第5(B)圖係顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，電流之偏差Ie與電流偏差累計值Iei之變化的線圖。
第6圖係顯示DSP所作之對步進馬達之線圈之通電控制的流程圖。
第7圖係顯示隨著馬達之低速驅動時之時間經過的指令電流值Ir、進行重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Id、進行不重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Idm之變化之線圖。
第8圖係顯示隨著馬達之中速驅動時之時間經過的指令電流值Ir、進行重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Id、進行不重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Idm之變化之線圖。
第9圖係顯示隨著馬達之高速驅動時之時間經過的指令電流值Ir、進行重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Id、進行不重設電流偏差累計值Iei之控制時的檢測電流值Idm之變化之線圖。
第10圖係顯示習知雙極型2相步進馬達之驅動裝置之一結構例的塊圖。
第11圖係顯示以橫軸為時間，以縱軸為電流值，指令電流值Ir、實際流至線圈之電流值Id、該等之電流偏差Ie及電流偏差之累計值Iei之變化的線圖。
Id．．．檢測電流值
Ie．．．偏差
Iei．．．電流偏差之累計值
Ir．．．指令電流值
P1-P3．．．點
Claims (2)
- 一種雙極型2相步進馬達之驅動裝置，其特徵在於包含有：電流檢測部，係檢測流至雙極型2相步進馬達之線圈之電流值者；控制部，係依據指令電流值與前述電流檢測部之檢測電流值的電流偏差進行流至前述線圈之電流之反饋控制者，前述指令電流值係依據對前述雙極型2相步進馬達之動作指令之對前述線圈的指令電流值；又，前述控制部求出前述電流偏差之累計值，藉由該累計值與前述電流偏差之值，決定流至前述線圈之電流值；當前述指令電流值之正負極性轉換時，重設前述電流偏差之累計值後，繼續累計，其中前述控制部從該指令電流值與電流偏差之累計值的相乘值，判定前述指令電流值之正負極性之轉換。
- 如申請專利範圍第1項之雙極型2相步進馬達之驅動裝置，其中前述控制部由DSP(Digital Signal Processor)構成。
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