JP2007202336A - 電動アクチュエータの制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動アクチュエータのメカ本体の安定的な制御を経済的に実現するため、簡単な回路構成及び簡単なアルゴリズムで、ステッピングモータを低速域と中高速域に分けて支障なく簡単に安定制御できるようにする。
【解決手段】ステッピングモータの速度を中高速域と低速域とに判別する。ステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉとエンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求め、低速域では、このすべり角θが３０°以下のときは相電流を定格の所定割合以下で数段階に変化させ、３０°から９０°の間は定格のまま数段階に変化させ、９０°以上のときは定格の所定割合以上で数段階に変化させる。中高速域では、パワードライブ部に対して、すべり角θが９０°になるまでは、２相の相電流を決定する励磁角を進み制御する。
【選択図】図８

Description

本発明は、エンコーダを付設したステッピングモータをＰＷＭ（パルス幅変調）方式のパワードライブ部で駆動して、アクチュエータを作動させる電動アクチュエータの制御方法及び制御方法に関する。

電動アクチュエータは、一般にＡＣサーボモータ又はステッピングモータを制御してメカ本体を駆動する。ＡＣサーボモータ駆動は、閉ループベクトル電流制御が一般であるが、停止時の微小振動、速度−負荷変動による電流変化が大きいという欠点である。

そこで、モータコイルのインダクタンスを極力小さくするため、巻き線を太くする方法があるが、投入電力が大きくなり、ＡＣサーボモータの欠点でもある電流の変化大により装置の温度余裕率や装置外部の電源系の潮流が乱れなどの問題が懸念される。

これに比べて、ステッピングモータは構造的に極数が多いので、開ループ制御で停止制度が高く、マイクロステップでは更に停止位置の分解能を高めることができる。ステッピングモータの開ループ制御を行っている従来例として、特許文献１（特開２００４−３２０８４７号公報）や特許文献２（特許第３５０３８９３号公報）などがある。

しかし、反面、長所である多極数により、例えば５０の歯数であると、１回転あたりの励磁周波数がＡＣサーボモータの１０倍程度高くなり、高速ではモータ指令電流とモータ相電流波形がまったく異なった波形となり、脱調をきたす。

これを図によって解説すると、図１はステッピングモータのコイルを励磁する励磁電流波形と、発生するトルクτの関係を示す波形図で、相電流はＡ相がｓｉｎ波形、Ｂ相がｃｏｓ波形で出力され、それらのベクトル位相角、つまりベクトル合成が励磁角θｒで、ｓｉｎ９０°で励磁角はθｒ＝０である。正常時には、励磁角θｒは、ステッピングモータのロータ軸の角度であるロータ角θｍより９０°進んでおり、励磁角θｒとロータ角θｍの差であるすべり角θが一定であると、トルクτは一定値となる。

低速域ではこのような関係が成立するが、しかし、中速域以上（中高速域）では、モータの逆起電力の増大により、ＰＷＭデューティ比が飽和するため、電流が歪み、低速域と同じような指令値で制御すると、電流が希望通りに流れず、必要トルクが得られなくなり、その結果、中高速域まで速度を上げることができなくなる。

図２は、速度１２ｒｐｓの場合の指令電圧ＶＡ（矩形波）と、Ａ相及びＢ相の相電流ＩＡ、ＩＢの実測波形で、（Ａ）はすべり角θがπ／２、つまり９０°の場合、（Ｂ）は（３／２）π、つまり１３５°の場合で、指令電圧ＶＡに対する相電流ＩＡ、ＩＢの歪みが顕著である。

そこで、非特許文献１（平成１４年電気学会産業応用部門大会講演集第１３１〜１３４頁『高速領域におけるＨＢ形ステッピングモータの開ループ制御』には、低速、中速、高速域にわけた進み制御が提案されているが、しかし、電動アクチュエータはメカ本体の力、加速度、速度、位置の組み合わせパターンを効率的に制御することが目的であり、ステッピングモータで複雑な処理が必要になると、それを制御するコントローラの複雑化・大型化及びコストアップが伴う。
特開２００４−３２０８４７号公報 特許第３５０３８９３号公報 平成１４年電気学会産業応用部門大会講演集第１３１〜１３４頁『高速領域におけるＨＢ形ステッピングモータの開ループ制御』

本発明の課題は、ステッピングモータを用いた電動アクチュエータにおいて、電動アクチュエータのメカ本体の安定的な制御を経済的に実現するため、簡単な回路構成及び簡単なアルゴリズムで、ステッピングモータを低速域と中高速域に分けて支障なく簡単に安定制御できるようにすることにある。

本発明による電動アクチュエータの制御方法は、エンコーダを付設したステッピングモータをパルス幅変調方式のパワードライブ部で駆動して、アクチュエータを作動させる電動アクチュエータにおいて、パワードライブ部におけるパルス幅変調のデューティ比が１００％であるか否かを１励磁周期で判断して、ステッピングモータの速度を中高速域と低速域とに判別するとともに、ステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉと前記エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求め、低速域では、このすべり角θが３０°以下のときは相電流を定格の所定割合以下で数段階に変化させ、３０°から９０°の間は定格のまま数段階に変化させ、９０°以上のときは定格の所定割合以上で数段階に変化させ、中高速域では、パワードライブ部に対して、すべり角θが９０°になるまでは、２相の相電流を決定する励磁角を進み制御することを特徴とする。

低速域では、ステッピングモータに対する電流指令のカウント値からＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉを換算して、ロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求める。
一方、中高速域では、ステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流を検出し、そのベクトル位相角θｉが４５°、１３５°、２２５°、３１５°のときに、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求める。

ベクトル位相角θｉである４５°、１３５°、２２５°、３１５°は、検出した２相の相電流が同じになったときの極性から、論理演算により簡単に判断できる。

低速域において相電流を数段階に変えるとき、すべり角θが３０°以下のときは相電流を定格の１／２以下で数段階に変化させ、３０°から９０°の間は定格のまま数段階に変化させ、９０°以上のときは定格の２倍で数段階に変化させる。
低速域において相電流を数段階に変えるときは、予め演算して求めて記憶されているテーブルの数値を参照する。
低速域においてすべり角θが９０°以上のときに、定格が最大定格である場合には、パワードライブ部に対して指令する角速度ωの指令値を減少させる。
低速域において相電流を変える段階は２〜５段階程度でよい。

本発明による電動アクチュエータの制御装置は、パワードライブ部におけるパルス幅変調のデューティ比が１００％であるか否かを１励磁周期で判断して、ステッピングモータの速度を中高速域と低速域とに判別する低速域／中高速域判別手段と、ステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉを求める位相角演算手段と、その位相角θｉと、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求めるすべり角演算手段と、低速域では、すべり角θが３０°以下のときは相電流を定格の所定割合以下で数段階に変化させ、３０°から９０°の間は定格のまま数段階に変化させ、９０°以上のときは定格の所定割合以上で数段階に変化させるように、パワードライブ部を制御し、中高速域では、パワードライブ部に対して、すべり角θが９０°になるまでは、２相の相電流を決定する励磁角を進み制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、ステッピングモータの速度を、パルス幅変調のデューティ比が１００％であるか否かにより中高速域と低速域とに分けて判別し、電流歪みが生じない低速域では、すべり角θが３０°以下であるか、３０°から９０°の間であるか、９０°以上であるかにより、相電流を定格の所定割合以下とするか、定格のままとするか、定格の所定割合以上とするかの切り替えを行い、そのいずれの場合にも相電流を数段階に変化させるので、低速域で生じがちな振動をパワードライブ部自身で抑制してスムーズな減速・加速を行える。
一方、電流歪みが生じる中高速域では、すべり角θが９０°になるまで、２相の相電流を決定する励磁角を強制的に進み制御するので、必要トルクを確保しながら中高速域での速度上昇を支障なく行える。

すべり角θを求める場合、低速域では、ステッピングモータに対する電流指令のカウント値からＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉを換算して、ロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求め、中高速域では、ステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流を検出し、そのベクトル位相角θｉが４５°、１３５°、２２５°、３１５°のときに、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求めると、低速域、中高速域のいずれの場合も、特別な数式演算を行うことなく、比較と論理と言った単純なアルゴリズム（ハードウェア処理で行う場合には単純な比較回路、単純な論理回路）ですべり角θを求めることができる。

低速域において相電流を数段階に変えるとき、すべり角θが３０°以下のとき（θ＜３０°）は相電流を定格の１／２以下で数段階に変化させ、３０°から９０°の間（３０°≦θ≦９０°）は定格のまま数段階に変化させ、９０°以上（θ＞９０°）のときは定格の２倍で数段階に変化させたり、更に、その数段階に変化させるときの値を、予め演算して求めて記憶されているテーブルの数値を参照して決定すれば、パワードライブ部に対する制御を単純化できる。

低速域においてすべり角θが９０°以上のときに、定格が最大定格である場合には、パワードライブ部に対して指令する角速度ωの指令値を減少させることにより、速やかに変速できる。

図を参照して本発明の作用・効果を説明すると、図３は２相ステッピングモータのＡ相・Ｂ相の指令電圧と、磁化方向のロータ角（軸角度）の関係を極座標系で示し、低速域ではこの図のようになる。Ａ相・Ｂ相の相電流をａ軸・ｂ軸、ロータ軸をｄ軸とすると、Ａ相・Ｂ相の相電流の合成ベクトルがベクトル位相角θｉ、ａ軸に対するロータ軸の角度が位相角θｍとなり、ｑ軸成分がトルクτとなる。そして、ベクトル位相角θｉとロータ軸の位相角θｍとの位相差がすべり角θ（θ＝θｉ−θｍ）となる。

このすべり角θとトルクτの関係を波形にすると図４のように示すことができる。パルス幅変調方式のパワードライブ部に対して、ｃｗ（時計方向への回転）、ｃｃｗ（反時計方向への回転）のクロック信号が与えられると、パワードライブ部は、Ａ相・Ｂ相が定格のベクトル位相角θｉとなるように、パルス幅変調にて相電流を流す。

ステッピングモータは、モータトルクτ＝外部負荷トルクτＬとなるようなすべり角θで駆動するので、図４において、定格トルクを実線のｓｉｎ波形で示すと、外部負荷トルクτＬが低負荷となると、トルクがａ点から０になる方向に移行するので、低速での振動が顕著になる。例えば、負荷が定格トルク１．０であればａ点であるが、０．５だとｂ点となる。ここで、ｂ点ではすべり角は３０°であるから、破線のｓｉｎ波形となるように、Ａ・Ｂ２相の相電流を決定するモータへの指令電圧を定格の１／２とすることにより。低速時の振動をパワードライブ部自身で抑制することができる。また、３０°から９０°の間（３０°≦θ≦９０°）は定格のままとし、９０°以上のとき（θ＞９０°）は逆に定格の２倍とすれば、必要トルクを確実に確保しながら低速域での減速・加速をスムーズに行える。

低速域では、このように、ベクトル位相角θｉとロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θにより発生トルクが決まる。ベクトル位相角θｉは、ステッピングモータに対する電流指令のカウント値から換算でき、ロータ軸の位相角θｍは、エンコーダからの信号にて角度をカウントすることにより検出できる。

しかし、中速域以上では、上述のようにＰＷＭデューティ比が飽和して電流が歪み、必要トルクが得られなくなる。
そこで、ＰＷＭデューティ比が飽和、つまり１００％になったか否かで、中高速域と低速域とを判別する。中高速域では、すべり角θを低速域と同様に求めることができないので、ステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流ＩＡ・ＩＢを検出して、ベクトル位相角θｉを求めるが、それを全ての角度について数式演算してすべり角θを求めると、処理が複雑になるとともに、ＣＰＵ（Central Processing Unit）への負荷が大きくなるので、２相のステッピングモータの特性により、２相の相電流が１励磁周期で同じになるのは、ベクトル位相角θｉが４５°、１３５°、２２５°、３１５°の９０°おきで、そのときに極性が変わることから、これら４点の位相角をＡ・Ｂ２相の相電流の極性から判断し、これら４点についてのみ、ロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求めることで、簡略化している。

なお、このように１励磁周期で極性が４回変わることから、第４調波のリップルが発生するが、サンプリングが同期しているため、検出変動を抑制できる効果がある。

図５は、Ａ・Ｂ２相の相電流ＩＡ・ＩＢを検出して、それからベクトル位相角θｉを計算し（θｉ＝ｔａｎ^−１（ＩＢ／ＩＡ））、これと、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとを、速度１２ｒｐｓの場合の指令電圧ＶＡと対応させて示す波形である。図５（Ａ）は、指令電圧による励磁角と、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの差であるすべり角θはπ／２、つまり９０°であるが、Ａ・Ｂ２相の相電流ＩＡ・ＩＢを検出して求めたベクトル位相角θｉと、ロータ軸の位相角θｍとの差は、３０°程度となっていて、電流の位相に遅れが生じている。図５（Ｂ）は、指令電圧による励磁角と、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの差であるすべり角θは１３５°であるが、Ａ・Ｂ２相の相電流ＩＡ・ＩＢを検出して求めたベクトル位相角θｉと、ロータ軸の位相角θｍとの差は約９０°となっており、この場合も電流の位相に遅れが生じている。

そこで、中高速域では、Ａ・Ｂ２相の相電流ＩＡ・ＩＢを検出して、それから計算したベクトル位相角θｉと、ロータ軸の位相角θｍとの差であるすべり角θが９０°になるまでは、２相の相電流を決定する励磁角を進み制御し、９０°以上になったら通常のＰＷＭ制御を行うことで、必要トルクを確保しながら速度を上昇できる。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図６は、本発明を適用する場合のシステム構成例で、複数の電動アクチュエータ１を接続ケーブル２を介してコントローラ３に接続し、このコントローラ３に、動力用電源４及び制御用電源５を電源ケーブル８・９を介して接続するとともに、ユーザ設備となるプラグラマブルコントローラ６やパーソナルコンピュータ７などをそれぞれの通信ケーブル１０・１１を介して接続し、複数の電動アクチュエータ１を１台のコントローラ３にて中継して電源供給及び集中制御する構成例となっており、本発明による制御装置は、コントローラ３内に内蔵されている。

図７は、コントローラ３の内部構成を機能分けしたブロック図である。このコントローラ３には、プラグラマブルコントローラ６及びパーソナルコンピュータ７と接続するためのインターフェース１２、ユーザにおいて設定する電動アクチュエータ１の制御位置や速度や力や各種のパラメータ類や初期設定値などを保存するユーザ設定情報保存部１３、本発明による制御装置が含まれるコントロール部１４、電動アクチュエータ１のステッピングモータ２０をＰＷＭ（パルス幅変調）により駆動するパワードライブ部１５、それから出力される電流を検出したり、ステッピングモータ２０に付設されたエンコーダ２１からの信号によりロータ軸の角度を検出するセンシング部１６を備えている。

電動アクチュエータ１は、ステッピングモータ２０の回転を減速機構２２で減速して本体機構部２３を駆動し、ワークの位置決めや把持等を行う。

図８に、コントロール部１４に含まれる本発明による制御装置と、パワードライブ部１５と、センシング部１６の詳細を示す。

コントロール部１４の中枢であるＭＰＵ（Micro Processing Unit）３０には、図７におけるユーザ設定情報保存部１３がメモリにより確保されている。このＭＰＵ３０に、ステッピングモータ２０を回転させるための角速度ωの指令が与えられると、ＭＰＵ３０は、角速度／位相角変換部３１で角速度ωを位相角に変換し、ステッピングモータ２０の速度が低速域であるか中高速域であるかにより、速度別制御部、つまり低速域制御部３２と中高速域制御部３３とが、それぞれのテーブルを参照して、低速域と中高速域とで別々の処理を行う。低速域と中高速域であるかは、低速域／中高速域判別部３４が、パワードライブ部１５のＡ相・Ｂ相のＰＷＭ制御部３５Ａ・３５Ｂにおけるパルス幅変調のデューティ比が１００％であるか否かを１励磁周期で判断し、１００％であれば中高速域、それ以下であれば低速域と判別する。

一方、センシング部１６のロータ角度検出部３６は、エンコーダ２１からのＡ相、Ｂ相、Ｚ相の信号からロータ軸の位相角θｍを計数して検出する。この位相角θｍは、低速域制御部３２及び中高速域制御部３３に与えられる。これら低速域制御部３２及び中高速域制御部３３のそれぞれのテーブルには、予め演算して求めた各種の値が位相角θｍに従って保存されている。

図９にその演算例とパラメータを図表にして示す。この例は、図１０に示すように、角加速度ｄω／ｄｔでステッピングモータ２０の起動・停止を指令し、中高速域で定速運転状態として、電動アクチュエータ１の本体機構部２３の位置Ｌを線形に移動させる場合を想定している。

パワードライブ部１５のＡ相・Ｂ相のＰＷＭ制御部３５Ａ・３５Ｂは、低速域の場合には低速域制御部３２にて、高中速域の場合には中高速域制御部３３にて別々に制御される。そして、Ａ相・Ｂ相のそれぞれにおいて、パワードライブ部１５のＡ相ドライバ３７Ａ、Ｂ相ドライバ３７Ｂにて、ステッピングモータ２０のＡ相コイル３８Ａ、Ｂ相コイル３８ＢにＡ相・Ｂ相の電流がそれぞれ供給されてこれらコイルが励磁され、ステッピングモータ２０のロータが回転する。その際、Ａ相・Ｂ相のそれぞれの電流センサ３９Ａ・３９Ｂにて、Ａ相・Ｂ相の電流ＩＡ・ＩＢが検出される。

センシング部１６の相電流ベクトル角検出部４０は、電流センサ３９Ａ・３９Ｂで検出されたＡ相電流ＩＡ、Ｂ相電流ＩＢを比較器で比較し、その出力をインバータで反転してアンド回路で論理積するという論理処理により、Ａ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相差θｉが、４５°、１３５°、２２５°、３１５°となったことを検出する。すなわち、Ａ・Ｂ２相の相電流ＩＡ・ＩＢが同じになったとき（ＩＡ＝ＩＢ）の２相の相電流の極性から、これら４点の位相角度（ベクトル位相差θｉ）を検出する。これを表にして示すと次の表１のようになる。

低速域の場合には、低速域制御部３２が、ステッピングモータ２０に対する電流指令信号をカウントし、そのカウント値からＡ・Ｂ２相の相電流ＩＡ・ＩＢのベクトル位相差θｉを換算する。そして、その換算したベクトル位相差θｉと、ロータ角度検出部３６からのロータ軸位相角θｍとの差としてすべり角θを求める。

一方、中高速域の場合には、中高速域制御部３３が、相電流ベクトル角検出部４０からのベクトル位相差θｉと、ロータ角度検出部３６からのロータ軸位相角θｍとの差としてすべり角θを求める。

低速域制御部３２と中高速域制御部３３とは、Ａ相・Ｂ相のＰＷＭ制御部３５Ａ・３５Ｂへ電流指令を与えてＡ相電流・Ｂ相電流を決定する際に、すべり角θにより相電流を変えるが、その変化の態様も異なっている。

図１１の（Ａ）に低速域の場合の制御ルーチン、同（Ｂ）に中高速域の場合の制御ルーチンを示し、これらのどちらへ行くかは、低速域／中高速域判別部３４による１励磁周期の判定結果に基づき割り込みで行われる。

低速域／中高速域判別部３４の判定結果が低速域の場合には、上記のようにステッピングモータ２０に対する電流指令のカウント値からＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉを換算して、ロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求める。実際には、図１１（Ａ）の制御ルーチンのステップＳ１で、ロータ角度検出部３６のカウンタのカウント値ｎ１と電流指令カウンタのカウント値ｎ２との差ｎ３を求め、この差ｎ３からユーザ設定情報保存部１３に保存されている換算式を参照して、ステップＳ２で励磁角に換算したすべり角θを求める。

そして、次のステップＳ３では、ユーザ設定情報保存部１３のテーブルに例えば次の表２（θ−Ｉ表）のように保存されている低速制御用マトリックを参照して、すべり角θが３０°以下のとき（θ＜３０°）と、３０°から９０°の間（３０°≦θ≦９０°）と、９０°以上（θ＞９０°）とで、異なった電流指令値を与える。この表２の例は、定格電流を最大定格とその１／２の２段階に変える場合の例で、すべり角θが３０°≦θ≦９０°の場合は定格通りの電流であるが、θ＜３０°の場合は、定格が最大定格のときはその１／２（最大定格を１とすると、０．５）、定格が最大定格の１／２の場合は同じ定格（最大定格の１／２）とする。一方、θ＞９０°の場合は、定格が最大定格のときは、図８の角速度／位相角変換部３１へ与える角速度ωを減少させ、定格が最大定格の１／２のときは定格の２倍（最大定格）とする。

次の表３は、定格電流を最大定格と、その１／２（最大定格を１とすると、０．５）と、１／４（同じく０．２５）と、１／８（同じく０．１２５）の４段階に変える場合の例である。

本発明は、ステッピングモータ２０を電動アクチュエータ１の駆動源として、ステッピングモータ２０を簡易に制御することを旨としていることから、低速域で定格電流をこのように数段階に変える場合の段数は、２〜５段階程度が実用的である。

上記のように、ステップＳ３で３段階のすべり角θに応じて決定されるベクトル電流値をＡ相、Ｂ相の相電流として配分するため、このベクトル電流値をＩとすると、ステップＳ４では、図８のＡ相のＰＷＭ制御部３５Ａに対してＩ・ｓｉｎθの値を与え、Ｂ相のＰＷＭ制御部３５Ｂに対してはＩ・ｃｏｓθの値を与える。

一方、図１１の（Ｂ）の中高速域の場合には、ステップＳ１１で、Ａ・Ｂ２相の電流の位相を判別して記憶するとともに、ロータ角度検出部３６のカウンタのカウント値を記憶してから、ステップＳ１２で、そのカウント値を励磁角に換算したロータ軸位相角θｍを、ユーザ設定情報保存部１３に保存の換算表から求める。

次のステップＳ１３では、相電流ベクトル角検出部４０において上記の表１に従い検出される４５°、１３５°、２２５°、３１５°の４点のベクトル位相差θｉのそれぞれについてのみ、これと、ロータ軸位相角θｍとの差であるすべり角θを計算する。

そして、このすべり角θが９０°以下（θ≦９０°）であるか否かをステップＳ１４で判断して、すべり角θが９０°になるまでは（図１２に示すように、すべり角θが９０°となって、励磁電流Ｉ１のベクトルとトルクτのベクトルとが同じになるまでは）、ステップＳ１５で、Ａ相・Ｂ相のＰＷＭ制御部３５Ａ・３５Ｂに対してＡ相・Ｂ相の２相の相電流を決定する励磁角を進み制御し、９０°以上（θ＞９０）となったら、ステップＳ１６で通常のＰＷＭ制御を行う。

上記実施例では、Ａ・Ｂ２相のステッピングモータ（バイポーラ巻線）を例にしたが、本発明は２相ユニポーラ巻線のステッピングモータや３相以上のステッピングモータにも応用できる。

ステッピングモータのコイルを励磁する励磁電流波形と、発生するトルクτの関係を示す波形図である。 ステッピングモータの速度が１２ｒｐｓの場合の指令電圧ＶＡ（矩形波）と、Ａ相及びＢ相の相電流実測波形で、（Ａ）はすべり角θがπ／２の場合、（Ｂ）は（３／２）πの場合である。 ２相ステッピングモータのＡ相・Ｂ相の指令電圧と、磁化方向のロータ角の関係を極座標系で示す図である。 すべり角θとトルクτの関係を示す波形図である。 Ａ・Ｂ２相の相電流を検出して、それからベクトル位相角θｉを計算し、これと、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとを、速度１２ｒｐｓの場合の指令電圧ＶＡと対応させて示す波形で、（Ａ）はすべり角θがπ／２、（Ｂ）は（３／２）πの場合である。 本発明を適用する場合のシステム構成例を示す図である。 図６のコントローラの内部構成を機能分けしたブロック図である。 コントロール部に含まれる本発明による制御装置と、パワードライブ部と、センシング部の詳細を示す回路図である。 低速域制御部及び中高速域制御部において参照する演算例とパラメータとを示す図表である。 角加速度ｄでステッピングモータの起動・停止を指令し、中高速域で定速運転状態として、電動アクチュエータの本体機構部の位置Ｌを線形に移動させる場合を想定したタイミングチャートである。 低速域、中高速域のそれぞれの場合の流れで、（Ａ）は低速域の制御ルーチン、（Ｂ）は中高速域の制御ルーチンを示す。 すべり角θが９０°となって、励磁電流Ｉ１のベクトルとトルクτのベクトルとが同じになることを示す図である。

符号の説明

１ 電動アクチュエータ
２ 接続ケーブル
３ コントローラ
４ 動力用電源
５ 制御用電源
６ プラグラマブルコントローラ
７ パーソナルコンピュータ
８・９ 電源ケーブル
１０・１１ 通信ケーブル
１２ インターフェース
１３ ユーザ設定情報保存部
１４ コントロール部
１５ パワードライブ部
１６ センシング部
２０ ステッピングモータ
２１ エンコーダ
２２ 減速機構
２３ 本体機構部
３０ ＭＰＵ
３１ 角速度／位相角変換部
３２ 低速域制御部
３３ 中高速域制御部
３４ 低速域／中高速域判別部
３５Ａ・３５Ｂ ＰＷＭ制御部
３６ ロータ角度検出部
３７Ａ Ａ相ドライバ
３７Ｂ Ｂ相ドライバ
３８Ａ Ａ相コイル
３８Ｂ Ｂ相コイル
３９Ａ・３９Ｂ 電流センサ
４０ 相電流ベクトル角検出部

Claims (13)

1. エンコーダを付設したステッピングモータをパルス幅変調方式のパワードライブ部で駆動して、アクチュエータを作動させる電動アクチュエータにおいて、
   前記パワードライブ部におけるパルス幅変調のデューティ比が１００％であるか否かを１励磁周期で判断して、ステッピングモータの速度を中高速域と低速域とに判別するとともに、
   ステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉと前記エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求め、
   低速域では、このすべり角θが３０°以下のときは相電流を定格の所定割合以下で数段階に変化させ、３０°から９０°の間は定格のまま数段階に変化させ、９０°以上のときは定格の所定割合以上で数段階に変化させ、
   中高速域では、前記パワードライブ部に対して、すべり角θが９０°になるまでは、２相の相電流を決定する励磁角を進み制御する、
   ことを特徴とする電動アクチュエータの制御方法。
2. 低速域では、ステッピングモータに対する電流指令のカウント値からＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉを換算して、ロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求め、
   中高速域では、ステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流を検出し、そのベクトル位相角θｉが４５°、１３５°、２２５°、３１５°のときに、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求めることを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータの制御方法。
3. ベクトル位相角θｉである４５°、１３５°、２２５°、３１５°は、検出した２相の相電流が同じになったときの極性から判断することを特徴とする請求項２に記載の電動アクチュエータの制御方法。
4. 低速域において相電流を数段階に変えるとき、すべり角θが３０°以下のときは相電流を定格の１／２以下で数段階に変化させ、３０°から９０°の間は定格のまま数段階に変化させ、９０°以上のときは定格の２倍で数段階に変化させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電動アクチュエータの制御方法。
5. 低速域において相電流を数段階に変えるときは、予め演算して求めて記憶されているテーブルの数値を参照することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電動アクチュエータの制御方法。
6. 低速域においてすべり角θが９０°以上のときに、定格が最大定格である場合には、パワードライブ部に対して指令する角速度ωの指令値を減少させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電動アクチュエータの制御方法。
7. 低速域において相電流を変える段階は２〜５段階であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電動アクチュエータの制御方法。
8. エンコーダを付設したステッピングモータをパルス幅変調方式のパワードライブ部で駆動して、アクチュエータを作動させる電動アクチュエータのための制御装置であって、
   前記パワードライブ部におけるパルス幅変調のデューティ比が１００％であるか否かを１励磁周期で判断して、ステッピングモータの速度を中高速域と低速域とに判別する低速域／中高速域判別手段と、
   前記ステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉを求める位相角演算手段と、
   その位相角θｉと、前記エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求めるすべり角演算手段と、
   低速域では、すべり角θが３０°以下のときは相電流を定格の所定割合以下で数段階に変化させ、３０°から９０°の間は定格のまま数段階に変化させ、９０°以上のときは定格の所定割合以上で数段階に変化させるように、前記パワードライブ部を制御し、中高速域では、前記パワードライブ部に対して、すべり角θが９０°になるまでは、２相の相電流を決定する励磁角を進み制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電動アクチュエータの制御装置。
9. 低速域では、位相角演算手段がステッピングモータに対する電流指令のカウント値からＡ・Ｂ２相の相電流のベクトル位相角θｉを換算し、すべり角演算手段が、その位相角θｉと、エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求め、
   中高速域では、位相角演算手段がステッピングモータのＡ・Ｂ２相の相電流を検出して、４５°、１３５°、２２５°、３１５°のベクトル位相角θｉを判断し、すべり角演算手段が、その各ベクトル位相角θｉについて、前記エンコーダから得られるロータ軸の位相角θｍとの位相差であるすべり角θを求めることを特徴とする請求項８に記載の電動アクチュエータの制御装置。
10. 位相角演算手段は、ベクトル位相角θｉである４５°、１３５°、２２５°、３１５°を、検出した２相の相電流が同じになったときの極性から判断することを特徴とする請求項９に記載の電動アクチュエータの制御装置。
11. 制御手段は、低速域において相電流を数段階に変える場合に、すべり角θが３０°以下のときは相電流を定格の１／２以下で数段階に変化させ、３０°から９０°の間は定格のまま数段階に変化させ、９０°以上のときは定格の２倍で数段階に変化させることを特徴とする請求項８又は９に記載の電動アクチュエータの制御装置。
12. 制御手段は、低速域において相電流を数段階に変えるときは、予め演算して求めて記憶されているテーブルの数値を参照することを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載の電動アクチュエータの制御装置。
13. すべり角演算手段は、Ａ・Ｂ２相の合成ベクトルの位相角θｉを、検出した２相の相電流が同じになったときの極性から、４５°、１３５°、２２５°、３１５°を判断することを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載の電動アクチュエータの制御装置。
    

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