CN101043195B - 步进马达的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的步进马达的控制装置具有：超前角运算装置，其运算与步进马达的负荷转矩电流偏差相对应的超前角；加法装置，其通过将角度指令和提前角相加求取绕组激磁角度；电压外加装置，其给步进马达外加与绕组激磁角度相对应的外加电压。

Description

步进马达的控制装置

技术领域

本发明涉及按照角度指令控制步进马达的步进马达控制装置。

背景技术

在现用的步进马达的控制装置之中，由于是根据最大电流值指令以及角度指令求出电流指令值，按照电流指令值和绕组电流检出值之差的电流偏差给步进马达的绕组外加外加电压的，因而可控制步进马达的速度及位置。

然而，在此种步进马达的控制装置之中，由于不能进行与步进马达的负荷转矩对应的控制，因而不能使步进马达高速旋转。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可使步进马达高速旋转的步进马达控制装置。

若采用本发明，可提供一种步进马达控制装置，其具有：提前角运算装置，其运算与步进马达的负荷转矩电流偏差相对应的提前角；加法装置，其通过将角度指令和提前角相加求取绕组激磁角度；电压外加装置，其给步进马达外加与绕组激磁角度相对应的电压。

在该步进马达控制装置之中，由于将提前角设定为与负荷转矩电流偏差相对应的值上，因而可与速度无关地使步进马达产生大致最大的转矩，使步进马达高速旋转。

附图说明

图1示出本发明的步进马达控制装置。

图2示出图1所示的步进马达控制装置的提前角控制器。

图3示出本发明的另一种步进马达控制装置。

图4示出图3所示的步进马达控制装置的角度推定器。

图5示出本发明的另一种步进马达控制装置。

图6示出图5所示的步进马达控制装置的磁极位置修正器。而图7、图8则是图5、图6所示的步进马达控制装置的动作说明图。

具体实施方式

下面用图1及图2说明本发明的步进马达控制装置。步进马达2的最大电流指令Imax^＊输入最大电流指令输入端子4。步进马达2的角度指令θ^＊输入角度指令输入端子6。正弦波信号发生器8输入角度指令θ^＊和提前角Δθ(说明后述)的相加值后利用数据表输出正弦波信号sin(θ^＊+Δθ)。余弦波信号发生器10输入角度指令θ^＊和提前角Δθ的相加值后利用数据表输出余弦波信号cos(θ^＊+Δθ)。乘法器12将最大电流指令Imax^＊和正弦波信号sin(θ^＊+Δθ)相乘后输出α相的电流指令值iα^＊。乘法器14将最大电流值指令Imax^＊和余弦波信号cos(θ^＊+Δθ)相乘后输出β相的电流指令值iβ^＊。电流检出器16、18检出步进马达2的α相β相的绕组电流值后输出绕组电流检出值iαf、iβf。减法器20从电流指令值iα^＊中减去绕组电流检出值iαf后输出电流偏差Δiα。减法器22从电流指令值iβ^＊中减去绕组电流值iβf后输出电流偏差Δiβ。电流控制器24输入电流偏差Δiα后输出步进马达2的α相的激磁电流。电流控制器26输入电流偏差Δiβ后输出步进马达2的β相的激磁电流。变换器28按照α相、β相的激磁电流给步进马达2的绕组外加α相外加电压Vα、β相外加电压Vβ。编码器30检出步进马达2的转子位置。角度运算器32输入编码器30的输出后运算检出角度θf。提前角控制器34输入电流偏差Δiα、Δiβ以及检出角度θf后输出提前角Δθ。加法器36将角度指令θ^＊和提前角Δθ相加后运算绕组激磁角度。

座标变换器38根据电流偏差Δiα、Δiβ以及检出角度θf运算负荷转矩电流偏差(q轴电流偏差)Δiq。PI补偿器40输入负荷转矩电流偏差Δiq。PI补偿器40的输出小于120度时，限幅器42直接输出PI补偿器40的输出，PI补偿器40的输出为120度以上时，限幅器42输出120度。加法器46将设定角输入端子44上设定的90度的设定角和限幅器42的输出相加。放大器48将加法器46的输出放大后输出提前角Δθ。并且由座标变换器38、限幅器42、加法器46等构成提前角控制器34。

此外，由提前角控制器34构成运算步进马达的负荷转矩电流偏差相应的提前角的提前角运算装置。此外，由加法器36构成将角度指令和提前角相加后求取绕组激磁角度的加法装置。此外，由正弦波信号发生器8、余弦波信号发生器10、乘法器12、14、减法器20、22、电流控制器24、26、逆变器28构成给步进马达外加与绕组激磁角度相对应的外加电压的电压外加装置。此外，由座标变换器38构成根据步进马达的角度(转子磁极位置)以及电压外加装置的电流偏差求取负荷转矩电流偏差的座标变换装置。此外，由编码器30、角度运算器32构成检出步进马达的角度的角度检出装置。此外，由限幅器42构成限制装置，其在与负荷转矩电流偏差相对应的值小于120度时直接输出与负荷转矩电流偏差相对应的值，在与负荷转矩电流偏差相对应的值为120度以上时，输出120度。此外，由加法器46构成将设定角加到限制装置的输出上的加法装置。

在该步进马达控制装置之中，由座标变换器38根据电流偏差Δiα、Δiβ以及检出角度θf运算负荷转矩电流偏差Δiq，由提前角控制器34求出与负荷转矩电流偏差Δiq相对应的提前角Δθ，由加法器36将角度指令θ＊和提前角Δθ相加后求出绕组激磁角度，由正弦波信号发生器8、余弦波信号发生器10、乘法器12、14求出与绕组激磁角度相对应的电流指令值iα^＊、iβ^＊，由减法器20、22、电流控制器24、26、变换器28按照电流指令值iα^＊、iβ^＊和绕组电流检出值iαf、iβf的差的电流偏差Δiα、Δiβ给步进马达2的绕组外加α相外加电压Vα、β相外加电压Vβ。而并不进行根据d轴电流偏差的d轴电流的控制。

在此种步进马达控制装置之中，由于将提前角Δθ设定为与负荷转矩电流偏差Δiq相对应的值，因而可进行与步进马达2的负荷转矩相对应的控制，由于可与速度无关地使步进马达2产生大致最大的转矩，因而可使步进马达高速旋转。

下面用图3、图4说明本发明的另一种步进马达控制装置，角度推定器52输入绕组电流检出值iαf、iβf以及α相外加电压Vα、β相外加电压Vβ后输出推定角度θP。提前角控制器54输入电流偏差Δiα、Δiβ以及推定角度θP后输出提前角Δθ。即，提前角控制器54使用推定角度θP取代检出角度θf，与提前角控制器34相同，运算提前角Δθ。加法器56将角度指令θ^＊和提前角Δθ相加后运算绕组激磁角度。

当把步进马达2的α相的绕组电阻设为Rα、把α相的绕组电感设为Lα，把拉普拉斯算子设为S时，反函数特性运算器58把绕组电流检出值iαf系数(Rα+SLα)倍。把步进马达2的β相的绕组电阻设为Rβ、把β相的绕组电感设为Lβ时，反函数特性运算器60将绕组电流检出值iβf系数(Rβ+SLβ)倍。减法器62从α相外加电压Vα中减去反函数特性运算器58的输出。减法器64从β相外加电压Vβ中减去反函数特性运算器60的输出。即，在把α相的绕组电流值设为iα(＝iαf)、把α相的速率电动势设为eα时，减法器62的输出根据下式的关系构成速率电动势eα。

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{e}}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-R_{\mathrm{\α}}/L_{\mathrm{\α}}& -1/L_{\mathrm{\α}}& 0\\ 0& 0& 1\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{e}}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}1/L_{\mathrm{\α}}\\ 0\\ 0\end{array}\right]V_{\mathrm{\α}}---\left(1\right)$

此外，在把β相的绕组电流值设为iβ(＝iβf)，把β相的速率电动势设为eβ时，减法器64的输出根据下式关系构成速率电动势eβ。

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}}\\ {\stackrel{\·}{e}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-R_{\mathrm{\β}}/L_{\mathrm{\β}}& -1/L_{\mathrm{\β}}& 0\\ 0& 0& 1\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}}\\ {\stackrel{\·}{e}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}1/L_{\mathrm{\β}}\\ 0\\ 0\end{array}\right]V_{\mathrm{\β}}---\left(2\right)$

角度运算器70根据下式运算推定角度θP。

θp＝tan^-i(-eα/eβ)        (3)

并由反函数特性运算器58、60、平滑电路66、68、角度运算器70等构成角度推定器52，由角度推定器52构成推定步进马达角度的角度推定装置。

在该步进马达控制装置之中，由座标变换器38根据电流偏差Δiα、Δiβ以及推定角度θP运算负荷转矩电流偏差Δiq，与图1、图2所示的步进马达控制装置相同，由于将提前角Δθ设定为与负荷转矩电流偏差Δiq相对应的值，因而可进行步进马达2的负荷转矩相对应的控制，由于可与速度无关地使步进马达2产生大致最大的转矩，因而可使步进马达高速旋转。

在上述实施方式中，设有加法器46，其将设定角输出端子44上设定的90度的设定角和限幅器42的输出相加，但也可设置在与负荷转矩电流偏差相对应的值上加上设定角的加法装置。此外，在上述实施方式中，将设定角定为90度，但也可将设定角设定为0～90度。此外，在上述实施方式中，设置了限幅器42，其在PI补偿器40的输出小于120度时直接输出PI补偿器40的输出，在PI补偿器40的输出为120以上时输出120度，但也可设置与负荷转矩电流偏差相对应的值小于规定角度时直接输出与负荷转矩电流相对应的值，与负荷转矩电流偏差相对应的值为规定角度以上时输出规定角度的限制装置，此时，规定角度可设定为100～140度。此外，在上述实施方式中，使用的是PI补偿器40，但也可使用P补偿器取代PI补偿器40。

下面用图5、图6说明本发明的的另一种步进马达控制装置，第1最大电流指令Imax1^＊输入最大电流指令输入端子72。第2最大电流指令Imax2^＊(＝2×Imax1^＊)输入最大电流指令输入端子74。磁极位置修正器76输入最大电流指令Imax1^＊、Imax2^＊、检出角度θf后，输出修正角θh，最大电流值指令Imax^＊。减法器78从角度指令θ^＊中减法修正角θh。乘法器80将最大电流值指令Imax^＊和正弦波信号sin(θ^＊-θh+Δθ)相乘后输出电流指令值iα^＊。乘法器82将最大电流值指令Imax^＊和余弦波信号cos(θ^＊-θh+Δθ)相乘后输出电流指令值iβ^＊。

动作设定器84在投入电源时作为第1步骤输出0，然后作为第2步骤输出1，D触发电路86给D端子输入动作没定器84的输出。D触发电路88给D端子输入D触发电路86的Q端子的输出。D触发电路90给D端子输入D触发电路88的Q端子的输出。D触发电路92给D端子输入D触发电路90的Q端子的输出。D触发电路94给D端子输入D触发电路92的Q端子的输出。时钟脉冲发生器96产生时钟脉冲，给D触发电路86～94的CK端子输出时钟脉冲。切换器98的输入端子与角度运算器32连接，当D触发电路90的Q端子的输出为0时，输入端子和A输出端子连接，当D触发电路90的Q端子的输出为1时，输入端子和B输出端子连接。切换器100的A输入端子和最大电流指令输入端子72连接，B输入端子和最大电流指令输入端子74连接，当D触发电路90的Q端子的输出为0时，A输入端子与输出端子连接，当D触发电路90的Q端子的输出为1时，B输入端子和输出端子连接。闩锁电路102当D触发电路88的Q端子的输出为1时，锁存切换器98的A输出端子的输出，输出锁存的值。闩锁电路104当D触发电路92的Q端子的输出为1时，锁紧切换器98的B输出端子的输出，输出闩锁的值。减法器106输出从闩锁电路102的输出中减去闩锁电路104的输出的值。修正角度值发生器108存储着基于减法器106的输出值，即角度差δ和修正角度值Δ的关系，即下式的关系的修正角度值数据表，按照减法器106的输出值输出修正角度值Δ。

Δ＝tan^-i{a·sinδ/(1-a·cosδ)}        (4)

此处，a＝Imax1^＊/Imax2^＊。0设定器110输出0。切换器112的A输入端子与0设定器110连接，B输入端子与修正角度值发生器108连接，当D触发电路94的Q端子的输出为0时，A输入端子和输出端子连接，当D触发电路94的Q端子的输出为1时，B输入端子和输出端子连接。并从磁极位置修正器76给乘法器80、82输出切换器100的输出，即最大电流值指令Imax^＊，给减法器78输出切换器112的输出，即输出修正角θh。此外，由D触发电路86～94、切换器98、100、112、修正角度值发生器108等构成磁极位置修正器，其在马达起动时输出第1最大电流指令，接着输出第2最大电流指令，检出输出第1最大电流指令时的第1角度以及输出第2最大电流指令时的第2角度，用第1角度和第2角度的变化信息输出角度指令的修正值。

在该步进马达控制装置之中，一投入电源，动作设定器84即输出0，D触发电路86～94的Q端子的输出成为0。因此切换器98的输入端子和A输出端子连接。此外，由于切换器100的A输入端子和输出端子连接，因而从磁极位置修正器76给乘法器80、82作为最大电流值指令Imax^＊输出最大电流指令Imax1^＊。此外，由于切换器112的A输入端子和输出端子连接，因而从磁极位置修正器76给减法器78作为修正角θh输出0。因此，电流指令值iα^＊成为Imax1^＊、sin(θ^＊+Δθ)，此外，电流指令值iβ^＊成为Imax1^＊、cos(θ^＊+Δθ)，按照电流指令值iα^＊、iβ^＊、绕组电流检出值iαf、iβf，给步进马达2的绕组外加外加电压Vα、Vβ。接着，动作设定器84输出1，时钟脉冲发生器96一输出时钟脉冲，即如图7所示，D触发电路86的Q端子的输出成为1，时钟脉冲发生器96一输出下一时钟脉冲，由于D触发电路88的Q端子的输出成为1，因而闩锁电路102闩锁该时间点上的检出角度θf，即图8(说明后述)的第1角度θ1。接着，时钟脉冲发生器96一输出下一时钟脉冲，由于D触发电路90的Q端子的输出成为1，因而切换器98的输入端子和B输出端子连接。此外，由于切换器100的B输入端子和输出端子连接，因而从磁极位置修正器76给乘法器80、82作为最大电流值指令Imax^＊输出最大电流指令Imax2^＊。因此，电流指令值iα^＊成为Imax2^＊·sin(θ^＊+Δθ)，此外，电流指令值iβ^＊成为Imax2^＊·cos(θ^＊+Δθ)，按照电流指令值iα^＊、iβ^＊、绕组电流检出值iαf、iβf，给步进马达2的绕组外加外加电压Vα、Vβ。接着，时钟脉冲发生器96一输出下一时钟脉冲，由于D触发电路92的Q端子的输出成为1，因而闩锁电路104闩锁该时间点上的检出角度θf，即图8的第2角度θ2，于是，减法器106运算角度差δ(＝θ1-θ2)，修正角度值发生器108输出与角度差δ对应的修正角度值Δ。接着，时钟脉冲发生器96一输出下一时钟脉冲，由于D触发电路94的Q端子的输出成为1，切换器112的B输入端子和输出端子连接，因而从磁极位置修正器76给减法器78作为修正角θh输出修正角度值Δ。因此，电流指令值iα^＊成为Imax2^＊·sin(θ^＊-Δ+Δθ)，此外，电流指令值iβ^＊成为Imax2^＊·cos(θ^＊-Δ+Δθ)，按照电流指令值iα^＊、iβ^＊、绕组电流检出值iαf、iβf，给步进马达2的绕组外加外加电压Vα、Vβ。

图8是50极对，基本步进角度1.8度的步进马达的角度转距特性(θ-T特性)的例示，实线表示额定电流供电时，即最大电流值指令Imax^＊为最大电流指令Imax2^＊时的θ一T特性，虚线表示所表示的特性为额定电流50％通电时，即最大电流值指令Imax^＊为最大电流指令Imax1时的θ-T特性。众所周知，步进马达的转子角度和发生转矩的关系为若将发生转矩设为T，将转矩常数设为kt，将磁极位置设为θ，则可用下式近似，发生转矩T与马达电流成比例。

T＝kt·Imax^*·sinθ    (5)

点A是称之为稳定点的点，假定转子在点A上停止，若将点A设为初始磁极位置，受负荷转矩的影响，最终导致误检出初始磁极位置。例如，以额定电流通电时，在步进马达的转子停止状态下，0.1Nm的负荷转矩作用的情况下，转子停止的位置，即初始磁极位置成为B点，导致从点A偏离位置偏差λ＝θ2-θ^＊。并且，一旦在初始磁极位置上出现误差，由于磁力线和电流之间的相位误差增大，因而出现发生转矩低下的问题。

此外，以额定电流的50％通电时，在步进马达的转子停止的状态下，0.1Nm的负荷转矩作用的情况下，转子在点C停止。并且除承担负荷之外，由于激磁电流发生了改变，点C从点A发生更大的偏离，点C相对于角度指令θ^＊即从点A偏离位置偏差ε＝θ1-θ^＊。并且，通过首先以额定电流的50％激磁步进马达2，检出角度θ1，进而以额定电流激磁步进马达2，检出角度θ2，将角度θ1和角度θ2的角度差δ(＝θ1-θ2＝ε-λ)代入上述式(4)，即可导出用于修正初始磁极位置误差的修正角度值Δ。

在图5、图6所示的步进马达控制装置之中，一投入电源，由于可首先从磁极位置修正器76给乘法器80、82作为最大电流值指令Imax^＊输出最大电流指令Imax1^＊，因而可首先用额定电流50％激磁步进马达2。接着，闩锁电路102闩锁角度θ1。接着，由于可从磁极位置修正器76给乘法器80、82作为最大电流值指令Imax^＊输出最大电流指令Imax2^＊，因而能以额定电流激磁步进马达2。接着，闩锁电路104闩锁角度θ2。接着，减法器106运算角度差δ，修正角度值发生器108输出与角度差δ对应的修正角度值Δ，由磁极位置修正器76给减法器78作为修正角θh输出修正角度值Δ，绕组激磁角度成为θ^＊-Δ+Δθ。因此，由于即使在起动时负荷转矩作用于转子的情况下，仍可修正初始磁极位置的误差，因而不会加大磁力线和电流间的相位误差，可防止发生转矩低下。例如，即使在马达停止时，转子上产生由重力引起的负荷转矩的垂直轴方向的驱动***的用途上，也可修正初始磁极位置的误差。

此外，由于使用的是存储了修正角度数据表的值修正角度值发生器108，因而可迅速计算出修正角度值Δ。

此处将最大电流指令Imax1^＊、Imax2^＊设定为额定电流的50％和额定电流，但并非必须如此。此处是通过修正角度值发生器108求出修正角度值Δ的，但如果处理时间有富余，也可用式(4)运算修正角度值Δ。

此外，在本发明的实施例中，是将编码器30用于角度检出器的，但若是例如解析器等的相当性能的检出器，也可代替。此外，角度检出器也不必是马达轴直接连接的传感器。此外，对二相步进马达进行了详述，但在多相步进马达之中，也可适用本发明。

Claims (7)

1.一种按照角度指令控制步进马达的步进马达的控制装置，其特征在于，包括：

a、提前角运算装置，其运算与上述步进马达的负荷转矩电流偏差相对应的提前角；

b、加法装置，其通过将上述角度指令和上述提前角相加求取绕组激磁角度；

c、电压外加装置，其给上述步进马达外加与上述绕组激磁角度相对应的外加电压，其中，

上述提前角运算装置具有：

限制装置，其在与上述负荷转矩电流偏差对应的值小于规定角度时直接输出与上述负荷转矩电流偏差对应的值，在与上述负荷转矩电流偏差对应的值为上述规定角度以上时输出上述规定角度；

加法装置，其将设定角加到上述限制装置的输出上。

2.根据权利要求1所述的步进马达的控制装置，其特征在于：上述提前角运算装置具有座标变换装置，其根据上述步进马达的角度以及上述电压外加装置的电流偏差求出上述负荷转矩电流偏差。

3.根据权利要求2所述的步进马达的控制装置，其特征在于：设有检出上述步进马达的角度的角度检出装置，将上述角度检出装置检出的检出角度作为上述步进马达的角度使用。

4.根据权利要求2所述的步进马达的控制装置，其特征在于：设有推定上述步进马达的角度的角度推定装置，将上述角度推定装置推定出的推定角度作为上述步进马达的角度使用。

5.根据权利要求1所述的步进马达的控制装置，其特征在于：将上述规定角度设定为100～140度。

6.根据权利要求1所述的步进马达的控制装置，其特征在于：将上述设定角设定为0～90度。

7.根据权利要求1所述的步进马达的控制装置，其特征在于，具有：磁极位置修正器，其在马达起动时输出第1最大电流指令，接着输出第2最大电流指令，检出输出上述第1最大电流指令时的第1角度以及输出上述第2最大电流指令时的第2角度，利用上述第1角度和上述第2角度的变化信息，输出上述角度指令的修正值。

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