JP2007336640A - Method and apparatus for detecting step-out of stepping motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はレゾルバやロータリエンコーダなどのような格別のセンサを設置することなしに、モータ駆動のための従来のロジック回路に僅かな変更を加えるだけで、低速駆動域から高速駆動域までの広範な駆動域において、脱調現象の発生を効果的に検出することができるステッピングモータの脱調検出方法とその検出装置に関する。 The present invention has a wide range from a low speed driving range to a high speed driving range by making a slight change to a conventional logic circuit for driving a motor without installing a special sensor such as a resolver or a rotary encoder. The present invention relates to a stepping motor step-out detection method and a detection device thereof that can effectively detect the occurrence of a step-out phenomenon in a driving range.
ステッピングモータは、外部からの指令パルスにより高精度な位置決め制御が可能であるためオープンループ制御ができる。そのため、駆動システムが比較的低価格に構成できＯＡ機器向けやその他の広範な分野で多く使われるようになってきた。ステッピングモータの駆動は、外部からの指令パルスが入力されるたびに、複数個のスイッチング素子をオン／オフ動作させて、予め設定された励磁シーケンスに従い複数の励磁相に流れる励磁電流の方向を制御し、ロータを所定のステップ角歩進させることによりなされる。このステッピングモータには２相励磁、３相励磁、４相励磁及び５相励磁の４機種が多く使われている。これらの機種は、使用目的に応じて使い分けられる。励磁相の結線方式にも、例えば５相ステッピングモータの４−５相駆動方式には、励磁相の結線方式によってスタンダード方式、ペンタゴン方式、スター方式などがある。 Since the stepping motor can perform highly accurate positioning control by an external command pulse, open loop control can be performed. For this reason, the drive system can be configured at a relatively low price, and has been widely used for OA equipment and other wide fields. The stepping motor is driven by turning on / off a plurality of switching elements each time an external command pulse is input, and controlling the direction of excitation current flowing in a plurality of excitation phases according to a preset excitation sequence. This is done by advancing the rotor by a predetermined step angle. There are many types of stepping motors of 2 phase excitation, 3 phase excitation, 4 phase excitation and 5 phase excitation. These models are properly used according to the purpose of use. As for the connection method of the excitation phase, for example, the 4-5 phase driving method of the five-phase stepping motor includes a standard method, a pentagon method, a star method, etc. depending on the connection method of the excitation phase.
ステップ角を歩進させながら駆動されるステッピングモータは、モータ回転時の振動が避けられない。ここで、モータコイルの起電力により発生する余剰電流が励磁電流とは逆方向に流れている。ステッピングモータが振動すると、前記励磁電流と余剰電流との割合が変化する。この振動を抑制するには前記励磁電流と余剰電流との割合を常に一定に維持させなくてはならない。励磁電流と余剰電流との割合を一定に保つようにモータ駆動電圧ＤＶを制御することにより、ステッピングモータの振動を効果的に抑制できる。 A stepping motor driven while stepping the step angle cannot avoid vibration during motor rotation. Here, the surplus current generated by the electromotive force of the motor coil flows in the direction opposite to the excitation current. When the stepping motor vibrates, the ratio between the excitation current and the surplus current changes. In order to suppress this vibration, the ratio between the excitation current and the surplus current must be kept constant at all times. By controlling the motor drive voltage DV so that the ratio between the excitation current and the surplus current is kept constant, the vibration of the stepping motor can be effectively suppressed.
しかるに、余剰電流はモータコイルの起電力によって発生する電流であるから、振動によって増加する余剰電流を相対的に減少させるにはモータ駆動電圧ＤＶを高くしなければならず、逆に振動によって減少する余剰電流を増加させるには駆動電圧ＤＶを低下させなければならない。このように、余剰電流と駆動電圧とは逆比例の関係にあるから、余剰電流を制御しようとする方向とは逆方向に駆動電圧を制御することになり、却って振動を増幅する結果を招きかねないという重大な問題があった。 However, since the surplus current is a current generated by the electromotive force of the motor coil, the motor drive voltage DV must be increased to relatively reduce the surplus current that increases due to vibration, and conversely decreases due to vibration. In order to increase the surplus current, the drive voltage DV must be lowered. Since the surplus current and the drive voltage are in an inversely proportional relationship, the drive voltage is controlled in the direction opposite to the direction in which the surplus current is to be controlled, which may result in amplifying the vibration. There was a serious problem of not.
図２は本出願人が特許権者となっている特許第３２００４７７号（特許文献１）に係るステッピングモータの代表的な駆動回路例を示している。この特許に係る発明は前述の問題を解決するためになさたものであって、モータに振動が発生しても励磁電流と余剰電流との割合を常時一定に保てるように制御できるようにしている。具体的には、供給用電流(i1)をコンデンサ(C1)による充電と放電の繰り返しによって生じる励磁電流(i2)をもってステッピングモータ(M) を駆動させる。励磁電流(i2)は出力段のパワートランジスタからなるスイッチング素子(Tr11)〜(Tr20)のスイッチング動作によりステッピングモータ(M) をステップ駆動させる。駆動回路には、一端がグランド(GND) に接続され他端がコンデンサ(C2)に接続されている第１電流検出用抵抗(R1)と、コンデンサ(C2)と出力段との間に接続された第２電流検出用抵抗(R2)とを備え、前記第２電流検出用抵抗(R2)の電圧と基準電圧(Vref)とを比較して第１電流検出用抵抗(R1)と第２電流検出用抵抗(R2)を流れる電流の和(i1+i2-i3)を一定に保つようにＰＷＭ（パルス幅変調）駆動する。 FIG. 2 shows a typical drive circuit example of a stepping motor according to Japanese Patent No. 3200477 (Patent Document 1), to which the present applicant is a patentee. The invention according to this patent was made in order to solve the above-mentioned problem, and can control so that the ratio between the excitation current and the surplus current can always be kept constant even if vibration occurs in the motor. . More specifically, the stepping motor (M) is driven by the exciting current (i2) generated by repeatedly charging and discharging the supply current (i1) by the capacitor (C1). The exciting current (i2) causes the stepping motor (M) to be step-driven by the switching operation of the switching elements (Tr11) to (Tr20) composed of power transistors in the output stage. The drive circuit is connected between the first current detection resistor (R1), one end connected to the ground (GND) and the other end connected to the capacitor (C2), between the capacitor (C2) and the output stage. A second current detecting resistor (R2), and comparing the voltage of the second current detecting resistor (R2) with a reference voltage (Vref) to compare the first current detecting resistor (R1) and the second current. PWM (pulse width modulation) drive is performed so as to keep the sum (i1 + i2-i3) of the current flowing through the detection resistor (R2) constant.
ここで、デジタル回路の基準電圧操作部では、第２電流検出用抵抗(R2)を流れる励磁総電流(i2-i3) を電流検出回路を通して検出したのちデジタル量に変換した電圧(Vin1)と、モータ駆動電圧をモータ駆動電圧検出回路を通したのちデジタル量に変換した電圧(Vin2)とによりトルク特性がフラットになるように操作し、アナログ量に変換したのち第１アンプ(AMP1)に基準電圧(Vref)としてＰＷＭ制御部に出力する。また、第１及び第２電流検出用抵抗(R1,R2) を通る電流(i1+i2-i3)の電圧を検出して、これを第２アンプ(AMP2)を介してＰＷＭ制御部に向けて出力する。ＰＷＭ制御部では入力する第１アンプ(AMP1)から出力された基準電圧(Vref)と第２アンプ(AMP2)から出力された検出電圧とが等しくなるようにパワー素子(TR1) をＰＷＭ駆動して定電流制御している。 Here, in the reference voltage operation section of the digital circuit, the excitation current (i2-i3) flowing through the second current detection resistor (R2) is detected through the current detection circuit and then converted into a digital amount (Vin1), The motor drive voltage is passed through the motor drive voltage detection circuit and then converted to a digital value (Vin2), and the torque characteristics are operated to become flat. After converting to the analog value, the first amplifier (AMP1) has a reference voltage. Output to the PWM controller as (Vref). Also, the voltage of the current (i1 + i2-i3) passing through the first and second current detection resistors (R1, R2) is detected and directed to the PWM control unit via the second amplifier (AMP2). Output. In the PWM control unit, the power element (TR1) is PWM driven so that the reference voltage (Vref) output from the first amplifier (AMP1) and the detection voltage output from the second amplifier (AMP2) are equal. Constant current control.
同図中のデジタル回路は、励磁パターンの操作回路と励磁電圧操作回路とを備えており、励磁パターンの操作回路には指令パルス検出部、励磁シーケンスカウンタ部及び励磁パターン出力部が設けられ、前記励磁電圧操作回路には基準電圧操作部が設けられている。励磁パターンの操作回路では、外部から入力する指令パルスを検出し、その指令パルスを励磁シーケンスカウンタ部にてカウントして励磁シーケンスの現位置を確定し、図示せぬ記憶部に格納された励磁パターンを抽出して励磁パターン出力部から出力段へと励磁シーケンスに従って出力する。 The digital circuit in the figure includes an excitation pattern operation circuit and an excitation voltage operation circuit. The excitation pattern operation circuit includes a command pulse detection unit, an excitation sequence counter unit, and an excitation pattern output unit. The excitation voltage operation circuit is provided with a reference voltage operation unit. In the excitation pattern operation circuit, the command pulse input from the outside is detected, the command pulse is counted by the excitation sequence counter unit to determine the current position of the excitation sequence, and the excitation pattern stored in the storage unit (not shown) Is extracted and output from the excitation pattern output section to the output stage according to the excitation sequence.
かかる構成を採用することにより、ステッピングモータ(M) の振動により余剰電流(i3)の増減が生じた場合、駆動電圧(DV)の昇降に基づく電流制御と余剰電流(i3)の増減方向とが一致し、この電流制御に従って余剰電流(i3)の制御が容易にでき、モータの振動時であっても余剰電流(i3)と励磁電流(i2)の割合を崩すことなしに制御することが可能となり、その結果、モータの振動を効果的に抑制することができる。 By adopting such a configuration, if the excess current (i3) increases or decreases due to the vibration of the stepping motor (M), the current control based on the increase or decrease of the drive voltage (DV) and the increase or decrease direction of the excess current (i3) In accordance with this current control, the surplus current (i3) can be easily controlled, and even when the motor vibrates, it can be controlled without breaking the ratio of the surplus current (i3) and the excitation current (i2). As a result, the vibration of the motor can be effectively suppressed.
ところで、ステッピングモータは励磁電流の切り替えによる回転磁界に対してロータが遅れることによってトルクを発生させる。この回転磁界に対するロータの遅れ角を負荷角と言い、慣性力と摩擦力が増えると、負荷角も増加する関係にある。ここで、負荷角が発生トルクの最大となるときの角度を越えると、慣性力と摩擦力の合計がモータの最大トルクを上回ることになり、回転磁界にロータが追従できなくなって脱調現象が発生する。このように急激な速度変化や過負荷時には、指令パルスに追従してロータの回転ができなくなり、ステッピングモータが停止し、或いは位置ズレを起こす。これが脱調（ＳＴＥＰ ＯＵＴ）である。 By the way, the stepping motor generates torque when the rotor is delayed with respect to the rotating magnetic field generated by switching the excitation current. The rotor lag angle with respect to the rotating magnetic field is called a load angle, and the load angle increases as the inertial force and the frictional force increase. Here, if the load angle exceeds the maximum generated torque, the sum of the inertial force and frictional force will exceed the maximum torque of the motor, and the rotor will not be able to follow the rotating magnetic field, causing a step-out phenomenon. appear. In such a rapid speed change or overload, the rotor cannot be rotated following the command pulse, and the stepping motor stops or misaligns. This is step-out (STEP OUT).
従来も、脱調の発生を検出したり、或いは脱調の発生を防止する方法に、制御系全体を含めたフルクローズドループ制御方式、或いはモータ単体を対象に制御するセミクローズドループ制御方式が採用されている。これらの場合、いずれにしても何らかのフィードバック用センサが必要となる。 Conventionally, a fully closed loop control method that includes the entire control system or a semi-closed loop control method that controls a single motor has been adopted as a method for detecting the occurrence of a step-out or preventing the occurrence of a step-out. Has been. In any of these cases, some kind of feedback sensor is required.
一方、ロータの位置情報を得るためには、一般的に光学式、電磁誘導式、磁気抵抗素子を使った方式が使われている。過去にもレゾルバやロータリエンコーダなどをフィードバック用センサとしてステッピングモータに取り付けて脱調を防止する提案が多数なされている。前記ロータリエンコーダには光学式と電磁誘導式とがある。 On the other hand, in order to obtain rotor position information, optical, electromagnetic induction and magnetoresistive elements are generally used. In the past, many proposals have been made to prevent a step-out by attaching a resolver, a rotary encoder or the like as a feedback sensor to a stepping motor. The rotary encoder includes an optical type and an electromagnetic induction type.
例えば、特開平６−４６５９６号公報（特許文献２）のステッピング駆動制御回路によると、エンコーダの出力信号と駆動パルス信号によって実際駆動終了位置と目標駆動終了位置とを比較して脱調の有無を判別している。 For example, according to the stepping drive control circuit of Japanese Patent Laid-Open No. 6-46596 (Patent Document 2), the actual drive end position is compared with the target drive end position based on the output signal of the encoder and the drive pulse signal, and the presence or absence of the step-out is determined. Judging.
また例えば、特開平１０−１９１６９５号公報（特許文献３）のステッピングモータの駆動装置によれば、指令パルスの入力時点と指令パルスに基づくエンコーダ検出パルスの入力時点までの動作送れ時間内に、後続の指令パルスが入力してこない場合は、指令パルスの入力時点を基準として励磁シーケンスを進めるタイミングを定め、動作送れ期間内に後続の指令パルスが入力さてくる場合にはエンコーダ検出パルスの入力時点を基準として励磁シーケンスを進めるタイミングを定めると共に動作送れ期間内に後続の指令パルスが入力される度に励磁電流を増大させて、高速時、急加速時、高負荷時の脱調現象を防止すると共に、低速時のトルクを適正値に設定可能にして消費電力の低減及び振動の抑制を図っている。 Further, for example, according to the stepping motor driving apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-191695 (Patent Document 3), the subsequent operation time between the input time of the command pulse and the input time of the encoder detection pulse based on the command pulse is If the command pulse is not input, the timing to advance the excitation sequence is determined based on the input time of the command pulse.If the subsequent command pulse is input within the operation feed period, the input time of the encoder detection pulse is set. In addition to determining the timing to advance the excitation sequence as a reference and increasing the excitation current every time a subsequent command pulse is input within the operation feed period, it prevents the step-out phenomenon at high speed, sudden acceleration, and high load The torque at low speed can be set to an appropriate value to reduce power consumption and vibration.
更に、例えば特開平１０−２４３６９３号公報（特許文献４）のステッピング駆動回路によれば、ステッピング駆動回路への指令パルスとエンコーダからの出力パルスとを比較して角度偏差を演算し、その角度偏差と閾値とを比較して過負荷や脱調に対する注意信号や警告信号を出力することにより、負荷の状態を常に監視して脱調発生を未然に警告し得るようにしている。また、例えば特開平１０−３０４７００号公報（特許文献５）のステッピングモータの脱調検出装置では、ステッピングモータへの駆動パルスの発生から所定時間経過後のフィードバック用エンコーダからの応答パルスを応答検出手段にて検出しており、この応答パルスの発生が一定時間なされてこないときを脱調として検出し警告信号を出力する。 Further, for example, according to the stepping drive circuit disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-243893 (Patent Document 4), the angle deviation is calculated by comparing the command pulse to the stepping drive circuit with the output pulse from the encoder. And the threshold value are output and a warning signal or warning signal for overload or step-out is output, so that the state of the load can be constantly monitored to warn of the occurrence of step-out. Further, for example, in the stepping motor step-out detection device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-304700 (Patent Document 5), a response detection means for detecting a response pulse from a feedback encoder after a predetermined time has elapsed since the generation of a drive pulse to the stepping motor. When the response pulse is not generated for a predetermined time, it is detected as a step-out and a warning signal is output.
また、例えば特開２００３−２８４３９１号公報（特許文献６）のステッピングモータ用異常検知装置及びステッピングモータ駆動装置によれば、エンコーダからのパルス信号のパルス幅と回転指令パルスのパルス幅との比率の変化を検知し、当該検知結果に基づいてエンコーダからのパルス信号とステッピングモータの回転指令パルスとの間で同期がとれているか否かを判定し、或いはエンコーダからのパルス信号のパルスの立ち上がりと回転指令パルスに応じて作成される励磁シーケンスの励磁原点信号のパルスの立ち上がりとの間に入力される指令パルスのパルス数を計数し、当該計数値の変化を比率の変化として検知している。そして、前記回転指令パルスのパルス幅と前記エンコーダからのパルス信号のパルス幅との比率が増加しているときにはステッピングモータに過負荷脱調の兆候があると判定して警告信号を出力するようにしている。 Further, for example, according to the stepping motor abnormality detection device and the stepping motor driving device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-284391 (Patent Document 6), the ratio of the pulse width of the pulse signal from the encoder to the pulse width of the rotation command pulse Change is detected and it is determined whether or not the pulse signal from the encoder and the rotation command pulse of the stepping motor are synchronized based on the detection result, or the rise and rotation of the pulse of the pulse signal from the encoder The number of command pulses input during the excitation origin signal pulse rise of the excitation sequence generated in response to the command pulse is counted, and the change in the count value is detected as a change in the ratio. When the ratio between the pulse width of the rotation command pulse and the pulse width of the pulse signal from the encoder is increased, it is determined that the stepping motor has an indication of an overload step-out and a warning signal is output. ing.
以上は、全てエンコーダを外部センサーとして使用している例であるが、例えば特開２００１−９５２９６号公報（特許文献７）や特開２００１−９５２９７号公報（特許文献８）によれば、エンコーダやレゾルバなどの位置センサを用いずに、脱調することなくステッピングモータを低速域から高速域まで精度よく駆動させることを可能にするステッピングモータの制御方式が提案されている。具体的には、ステッピングモータの逆起電力による誘起電圧ベクトルから位相角を検出し、この位相角から固定子巻線と回転子の磁極との相対的角度を求め、この相対的角度によってステッピングモータを閉ループ制御する。前記位相角の検出は、前記誘起電圧ベクトルを直交する固定子軸に関する各軸成分ごとに算出して、その算出された各軸成分比の逆正接を取ることによりなされる。 The above is an example in which an encoder is used as an external sensor. For example, according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-95296 (Patent Document 7) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-95297 (Patent Document 8), There has been proposed a control method for a stepping motor that can accurately drive the stepping motor from a low speed region to a high speed region without using a position sensor such as a resolver without stepping out. Specifically, the phase angle is detected from the induced voltage vector due to the back electromotive force of the stepping motor, the relative angle between the stator winding and the rotor magnetic pole is obtained from the phase angle, and the stepping motor is determined by this relative angle. Is closed-loop controlled. The phase angle is detected by calculating the induced voltage vector for each axis component related to the orthogonal stator axis and taking the arc tangent of the calculated axis component ratio.
また、前記特許文献７及び８と同様に、脱調現象を速やかに検知して、これを回避するため閉ループ制御する提案が、例えば特開２００５−２４３１４１号公報（特許文献９）によりなされている。この特許文献９は、特に光ディスクのピックアップを水平方向に移動させるステッピングモータの駆動装置、同ステッピングモータの脱調現象を検出するための装置および方法に関するものである。具体的には光ディスク装置に一般的に備えられているピックアップのフォーカスエラー検出部と加速度センサを利用して、レーザ光の焦点位置に関して垂直方向のずれ量を表すフォーカスエラー信号と光ディスク装置の筐体に備えられた加速度センサにより検出される振動情報とを組み合わせるだけで脱調現象の発生を検出する。従って、脱調現象検出のためにエンコーダ等の専用の部品を設ける必要がなく、装置を小型化することができる。脱調現象が検出されると、ステッピングモータの駆動条件を変更するようにしている。その結果、ステッピングモータの動作終了を待つことなく、ステッピングモータを円滑に駆動させることができる。
上述のとおり、従来のこの種のステッピングモータの駆動時に発生する脱調の検出の多くは外付けのエンコーダやレゾルバなどの位置センサを採用している。上記特許文献２〜６もまた、全てが（ロータリ）エンコーダを採用し、外部からの指令パルスに連携させたエンコーダからの出力パルスとの相対的なずれを検出し脱調したと判断し、上位の制御装置に警告信号を室力し、或いは駆動電圧や励磁電流を増減させて加減速させている。
As described above, most of the detection of the step-out that occurs during the driving of this type of conventional stepping motor employs a position sensor such as an external encoder or resolver. The
近年のステッピングモータを搭載する各種装置における位置決めの多様化と小型化が進み、そこに搭載するステッピングモータにも小型化と軽量化とが強く要求されるようになってきている。ここにきて、ステッピングモータの小型化は大きく進んでおり、過去には６０ｍｍ×６０ｍｍから９０ｍｍ×９０ｍｍの取付面であったものが、いまや通常でも４２ｍｍ×４２ｍｍの取付面が一般的となり、装置の可動部に搭載されるステッピングモータでは、その取付面が２８ｍｍ×２８ｍｍが主流となってきている。更には、産業用のハイブリッド型ステッピングモータにあって、装置取付面が２０ｍｍ×２０ｍｍのものまで出現している。この最も小型化されたステッピングモータは可動部の先端ヘッドに搭載されて使われている。 In recent years, various types of devices equipped with stepping motors have been diversified and miniaturized, and stepping motors mounted thereon have been strongly required to be small and light. Here, stepping motors have been greatly reduced in size. In the past, mounting surfaces from 60 mm x 60 mm to 90 mm x 90 mm have become common, but now 42 mm x 42 mm mounting surfaces are common, In the stepping motor mounted on the movable part, the mounting surface of 28 mm × 28 mm has become mainstream. Furthermore, in an industrial hybrid type stepping motor, an apparatus mounting surface appears up to 20 mm × 20 mm. This most miniaturized stepping motor is used by being mounted on the tip head of the movable part.
ところが、上述のようにエンコーダなどの位置センサをモータ本体に取り付けることは、装置側からのステッピングモータに対する「更なる小型化・軽量化」の要求とは相反することになる。このセンサを取り付けることによって、センサの分が大型化するばかりでなく配線も増え、その配線をも含めて重量が大きく増加する。 However, attaching a position sensor such as an encoder to the motor body as described above is contrary to the requirement for “further miniaturization and weight reduction” for the stepping motor from the apparatus side. By attaching this sensor, not only the size of the sensor is increased, but also the wiring is increased, and the weight including the wiring is greatly increased.
一方、こうした別にセンサを設けることによる課題を解消しようとして、特許文献６〜９にあるように、脱調用のセンサを用いずに脱調を予防する閉ループ制御方法も提案されつつある。従って、これらの文献６〜７の制御技術を採用すれば、ステッピングモータの小型化と軽量化を実現することは可能であるが、例えば特許文献７及び８のステッピングモータの制御方法では、ステッピングモータの逆起電力による誘起電圧ベクトルから位相角を検出し、この位相角から固定子巻線と回転子の磁極との相対的角度を求め、この相対的角度によってステッピングモータを閉ループ制御している。前記位相角は、前記誘起電圧ベクトルを直交する固定子軸に関する各軸成分毎に算出して、その算出された各軸成分比の逆正接を更に演算することにより求めている。従って、その演算回路は複雑化し、ステッピングモータの価格を押し上げてしまう。
On the other hand, in order to solve the problem caused by providing such a separate sensor, as disclosed in Patent Documents 6 to 9, a closed-loop control method for preventing step-out without using a step-out sensor is being proposed. Therefore, if the control techniques of these documents 6 to 7 are adopted, the stepping motor can be reduced in size and weight. For example, in the stepping motor control methods of
また、前記特許文献９のステッピングモータの駆動装置は、ピックアップとピックアップに搭載される筐体の振動を検出する加速度センサとを利用して、ステッピングモータであるスレッドモータの脱調を検出するものであって、ステッピングモータ自身による脱調を検出するのではないため、ステッピングモータを搭載する特定の装置の制御回路等を利用するものである。従って、汎用性に乏しく多様な装置に利用することができない。 Further, the stepping motor drive device disclosed in Patent Document 9 uses a pickup and an acceleration sensor that detects vibration of a housing mounted on the pickup to detect step-out of a sled motor that is a stepping motor. Since step-out by the stepping motor itself is not detected, a control circuit or the like of a specific device on which the stepping motor is mounted is used. Therefore, it is not versatile and cannot be used for various devices.
ところで、近年は単一のステッピングモータではなく多数のステッピングモータが単一の装置、例えば多肢ロボットなどに搭載されることが多くなっている。こうして搭載された複数のステッピングモータは、それぞれ単独で制御されることは少なく、互いが同期して制御駆動される。従って、一つのステッピングモータに脱調現象を検知したとき、そのステッピングモータだけを単独に加減速させるように閉ループ制御する上記特許文献７〜９のステッピングモータの脱調制御技術を、複数のステッピングモータを搭載して同期駆動させる装置に採用することは難しい。 By the way, in recent years, not a single stepping motor but many stepping motors are often mounted on a single device such as a multi-limb robot. The plurality of stepping motors mounted in this way are rarely controlled independently, and are controlled and driven in synchronization with each other. Therefore, when the step-out phenomenon is detected in one stepping motor, the stepping motor step-out control technology of the above-mentioned Patent Documents 7 to 9 that performs closed-loop control so that only the stepping motor is accelerated or decelerated independently is applied to a plurality of stepping motors. It is difficult to adopt for a device that is driven synchronously by mounting.
本発明はこうした従来技術の課題を一挙に解消することを目的として開発されたものである。具体的には、殊更に専用のセンサを用いず、また格別の回路を追加せず、従来から使われているデジタル回路を利用して、ステッピングモータの基本特性を変えることなく開ループ制御により確実に脱調の発生を検出判定して上位の制御装置に報知するステッピングモータの脱調検出方法と検出装置とを提供することを目的としている。 The present invention was developed for the purpose of solving such problems of the prior art at once. Specifically, no special sensor is used, no special circuit is added, and a digital circuit that has been used in the past is used to perform reliable by open loop control without changing the basic characteristics of the stepping motor. Another object of the present invention is to provide a stepping motor step-out detection method and a detection device that detect and determine the occurrence of step-out and notify a higher-level control device.
かかる目的は、本発明の第１の主要な構成である、励磁電流をスイッチング制御してステップ駆動させるステッピングモータの脱調検出方法にあって、励磁電流出力回路に発生する励磁電流および／またはモータ駆動電圧を、電流検出用抵抗を介して電流および／又は電圧検出手段により検出すること、検出された励磁電流および／またはモータ駆動電圧をＡ／Ｄ変換器を介してデジタル化すること、脱調判定部においてモータ脱調時に検出される励磁電流および／またはモータ駆動電圧の異常な変動成分を抽出して、抽出された前記異常な変動成分と閾値とを比較し、前記異常な変動成分の値が閾値から外れたとき脱調が生じたと判定すること、及び脱調判定部における脱調であるとの判定に基づき、警告出力手段を介して上位の制御装置に警告信号を出力することを含んでなることを特徴とするステッピングモータの脱調検出方法によって効果的に達成できる。 An object of the present invention is to provide a stepping motor out-of-step detection method in which the excitation current is step-controlled by switching control of the excitation current, which is the first main configuration of the present invention, and the excitation current and / or motor generated in the excitation current output circuit. The drive voltage is detected by current and / or voltage detection means via a current detection resistor, the detected excitation current and / or motor drive voltage is digitized via an A / D converter, step-out An abnormal fluctuation component of the excitation current and / or motor drive voltage detected at the time of motor step-out is extracted by the determination unit, the extracted abnormal fluctuation component is compared with a threshold value, and the value of the abnormal fluctuation component is detected. Based on the determination that the step-out has occurred when the value deviates from the threshold and the step-out determination unit determines that the step-out has occurred, the upper control device via the warning output means It is comprised to output a warning signal can be effectively accomplished by out detection method of a stepping motor according to claim.
好適な第１の態様によれば、前記異常な変動成分が、モータの固有振動周波数以下の帯域におけるロータ回転軸に発生する脱調時の減衰振動による電磁誘導の変化に基づく変動成分であり、前記電流検出用抵抗を介して検出される励磁電流および／またはモータ駆動電圧の前記変動成分に時間差生成手段をもって時間的なずれを生成すること、上記励磁電流および／又はモータ駆動電圧検出手段により直接検出された前記変動成分と、前記時間差生成手段により生成された前記変動成分とを減算部にて減算して異常な変動成分を抽出すること、抽出された異常な変動成分を整流手段をもって整流波に変換すること、整流波に変換された異常な前記変動成分を積分器を介して積分すること、及び積分器から出力される値と閾値とを上記脱調判定部にて比較判定する。 According to a preferred first aspect, the abnormal fluctuation component is a fluctuation component based on a change in electromagnetic induction caused by a damped vibration at the time of step-out generated in the rotor rotation shaft in a band equal to or lower than the natural vibration frequency of the motor, The time difference generating means generates a time lag in the fluctuation component of the excitation current and / or motor drive voltage detected via the current detection resistor, and the excitation current and / or motor drive voltage detection means directly The subtracting unit subtracts the detected fluctuation component and the fluctuation component generated by the time difference generation means to extract an abnormal fluctuation component, and the extracted abnormal fluctuation component is rectified by the rectification means. , Integrating the abnormal fluctuation component converted into a rectified wave via an integrator, and determining the step-out from the value and threshold output from the integrator. Compared by the judges.
好適な第２の態様によれば、前記異常な変動成分が、モータの固有振動周波数以下の帯域におけるロータ回転軸に発生する脱調時の減衰振動による電磁誘導の変化に基づく変動成分であり、前記減衰振動抵抗を介して検出される励磁電流および／またはモータ駆動電圧のうち前記異常な変動成分以外の変動成分を除去する帯域フィルタに通して異常な変動成分を抽出すること、抽出された異常な変動成分を整流手段をもって整流波に変換すること、整流波に変換された異常な変動成分を積分器を介して積分すること、積分器から出力される値と閾値とを上記脱調判定部にて比較判定する。 According to a preferred second aspect, the abnormal fluctuation component is a fluctuation component based on a change in electromagnetic induction caused by a damped vibration at the time of step-out generated in the rotor rotation shaft in a band below the natural vibration frequency of the motor, Extracting abnormal fluctuation components through a bandpass filter that removes fluctuation components other than the abnormal fluctuation components of the excitation current and / or motor drive voltage detected via the damped oscillation resistance, and extracted abnormalities The rectification means converts the variable component into a rectified wave, integrates the abnormal component converted into the rectified wave via the integrator, and the step-out determination unit outputs the value and threshold value output from the integrator. The comparison is determined at.
本発明にあっては上記構成に加えて、前記時間差生成手段又は前記帯域フィルタの上流側において、前記電流検出用抵抗を介して検出される励磁電流および／またはモータ駆動電圧を平滑フィルタに通してノイズ成分を除去することが望ましい。 In the present invention, in addition to the above configuration, an excitation current and / or a motor drive voltage detected via the current detection resistor is passed through a smoothing filter on the upstream side of the time difference generating means or the bandpass filter. It is desirable to remove noise components.
また上記目的は、本発明の第２の主要な構成である、励磁電流をスイッチング制御してステップ駆動させるステッピングモータの駆動装置であって、励磁電流出力回路に発生する励磁電流および／またはモータ駆動電圧を電流検出用抵抗を介して検出する励磁電流および／またはモータ駆動電圧の検出手段と、検出された励磁電流および／またはモータ駆動電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、励磁電流および／またはモータ駆動電圧の検出時に検出される正常駆動時には含まれない異常な変動成分を抽出する変動成分抽出手段、及びその抽出された異常な変動成分と閾値とを比較して、変動成分が閾値から外れたとき、ステッピングモータの駆動に脱調が生じたと判定する比較判定手段を有する脱調判定部と、脱調判定部における脱調であるとの判定に基づき、上位の制御装置に警告信号を出力する警告出力手段とを備えてなることを特徴とするステッピングモータの脱調検出装置によって確実に達成される。 Another object of the present invention is to provide a stepping motor driving apparatus that performs step driving by switching the excitation current, which is the second main configuration of the present invention, and includes the excitation current generated in the excitation current output circuit and / or the motor drive. Excitation current and / or motor drive voltage detection means for detecting voltage via a current detection resistor, A / D converter for A / D converting the detected excitation current and / or motor drive voltage, and excitation current And / or a fluctuation component extraction means for extracting an abnormal fluctuation component not detected during normal driving detected at the time of detecting the motor driving voltage, and comparing the extracted abnormal fluctuation component with a threshold value, A step-out determination unit having a comparison determination unit that determines that a step-out has occurred in the driving of the stepping motor when it deviates from the threshold value, Based on the determination that that is reliably achieved by the step-out detection device of the stepping motor, characterized by comprising a warning output means for outputting a warning signal to a host controller.
この発明にあっても、前記異常な変動成分が、モータの固有振動周波数以下の帯域におけるロータ回転軸に発生する脱調時の減衰振動による電磁誘導の変化に基づく変動成分であり、その好適な第１の態様によれば、前記変動成分抽出手段が、前記電流検出用抵抗を通過した励磁電流および／またはモータ駆動電圧を時間的にずらす時間差生成手段と、上記励磁電流および／又はモータ駆動電圧検出手段により直接検出された変動成分から、前記時間差生成手段により生成された変動成分を減算する減算器とを備え、その減算して得られる変動成分を整流する整流手段と、整流手段により整流された変動成分を積分する積分器とを備えていることが望ましく、好適な第２の態様では、前記変動成分抽出手段が、前記電流検出用抵抗を通過した励磁電流および／またはモータ駆動電圧に発生する異常な変動成分以外の変動成分を除去する帯域フィルタを備え、同帯域フィルタにより除去されなかった異常な変動成分を整流する整流手段と、同整流手段により整流された変動成分を積分する積分器とを備えていることが望ましい。 Even in the present invention, the abnormal fluctuation component is a fluctuation component based on a change in electromagnetic induction due to a damping vibration at the time of step-out generated in the rotor rotation shaft in a band equal to or lower than the natural vibration frequency of the motor. According to the first aspect, the fluctuation component extraction unit includes a time difference generation unit that temporally shifts the excitation current and / or the motor drive voltage that has passed through the current detection resistor, and the excitation current and / or the motor drive voltage. A subtractor for subtracting the fluctuation component generated by the time difference generation means from the fluctuation component directly detected by the detection means; a rectification means for rectifying the fluctuation component obtained by the subtraction; It is desirable to provide an integrator that integrates the fluctuation component. In a preferred second aspect, the fluctuation component extraction means passes through the current detection resistor. A rectifying means for rectifying an abnormal fluctuation component that has not been removed by the band-pass filter, which removes fluctuation components other than the abnormal fluctuation component generated in the magnetic current and / or the motor drive voltage, and the rectification means It is desirable to provide an integrator that integrates the rectified fluctuation component.
好ましくは、前記モータの固有振動周波数以下の帯域が２５０Ｈｚ以下であり、前記減算手段または帯域フィルタの上流側に配され、前記電流検出用抵抗を介して検出された励磁電流および／またはモータ駆動電圧のノイズ成分を除去する平滑フィルタを更に備えているとよい。 Preferably, the band below the natural vibration frequency of the motor is 250 Hz or less, the excitation current and / or the motor drive voltage that is arranged on the upstream side of the subtraction means or the band filter and is detected via the current detection resistor. It is preferable to further include a smoothing filter for removing the noise component.
本願発明者等は、ステッピングモータの脱調発生時に、励磁電流及びモータ駆動電圧に通常の駆動時に発生する波形変化とは異なる異常な波形の発生が生じることに着目した。この異常な波形は、ステッピングモータの駆動時、回転位置を維持するホールド時に発生し、その発生原因について様々な考察と実験を重ねた結果、次の実験(1) 及び(2) によって脱調現象が発生し、その発生原因は脱調時のモータ（ロータ）に激しい振動にあり、その激しい振動の発生から次第に減衰していく過程で生じる電磁誘導がもたらす励磁電流及びモータ駆動電圧の変動によるものであることが判明した。 The inventors of the present application focused on the occurrence of an abnormal waveform different from the waveform change that occurs during normal driving in the excitation current and motor drive voltage when the stepping motor steps out. This abnormal waveform occurs when the stepping motor is driven and when the rotation position is held, and as a result of various considerations and experiments, the out-of-step phenomenon is caused by the following experiments (1) and (2). The cause of the failure is the intense vibration of the motor (rotor) at the time of step-out, which is due to fluctuations in the excitation current and motor drive voltage caused by electromagnetic induction that occurs in the process of gradually decaying from the occurrence of the severe vibration. It turned out to be.
実験(1) ：ステッピングモータの回転中に、外部から摩擦負荷をモータシャフト加え、徐々に摩擦負荷をぞうかさせて、脱調を発生させた。そのときの電流検出用抵抗を流れる励磁電流の変化と、同電流の変化に基づくモータ駆動電圧の変化を検出した。 Experiment (1): While the stepping motor was rotating, a friction load was externally applied to the motor shaft, and the friction load was gradually removed to cause a step-out. A change in excitation current flowing through the current detection resistor and a change in motor drive voltage based on the change in the current were detected.
実験(2) ：ステッピングモータに対するホールド状態を維持する駆動時に、脱調が発生するまでモータシャフトに徐々に外力を加えていった。この外力を加えていって脱調が発生するまでの間、電流検出用抵抗を流れる励磁電流の変化と、同電流の変化に基づくモータ駆動電圧の変化を検出した。 Experiment (2): During driving to maintain the hold state for the stepping motor, an external force was gradually applied to the motor shaft until a step-out occurred. Until the step-out occurs when this external force is applied, a change in the excitation current flowing through the current detection resistor and a change in the motor drive voltage based on the change in the current were detected.
この実験(1) 及び(2) を繰り返して行ったところ、いずれの場合も脱調発生時には励磁電流及びモータ駆動電圧に、通常のモータ駆動時に表出しない特異な波形が常に表出していることが判明した。この異常な波形が発生するときの変動成分を正確に検出できれば、ロータに対する格別の位置センサを用いることなく、単なるデジタル処理にて確実に脱調を検出することができると考えた。 This experiment (1) and (2) was repeated, and in both cases, when step-out occurred, the exciting current and motor drive voltage always showed a unique waveform that did not appear during normal motor drive. There was found. If the fluctuation component when this abnormal waveform is generated can be accurately detected, it is considered that step-out can be reliably detected by simple digital processing without using a special position sensor for the rotor.
そのためには、ステッピングモータの駆動回路のうち従来のデジタル回路に僅かなソフトウェアを変更を加えるだけで、前記変動成分を抽出できるようにした。この抽出したデジタル化された変動成分と予め設定された閾値とを脱調判定部において比較して、もし変動成分の値が閾値を越えたときは脱調であると判定する。このときの変動成分の抽出手段として、本発明ではステッピングモータの駆動時の励磁電流とモータ駆動電圧との変動波形を時間軸上に所要時間差をもってずらす時間差生成手段を追加している。或いは、前記変動成分の抽出手段として、特異な変動成分からなる所定の周波数帯域を除く他の帯域の変動成分を除去する帯域フィルタを追加している。前記時間差生成手段によって変動波形を時間的にずらし、その波形から検出時の未処理の変動波形との間で減算を行うと、その差を大きくすることができ、変動成分をより顕在化させることができる。また、検出時の未処理の変動波形を上述のような帯域フィルタを通すことによっても、同様に上記特異な変動成分だけを確実に抽出できる。 For this purpose, the fluctuation component can be extracted by changing only a small amount of software in the conventional digital circuit in the driving circuit of the stepping motor. The extracted digitized fluctuation component and a preset threshold value are compared in a step-out determination unit. If the value of the fluctuation component exceeds the threshold value, it is determined that the step is out of step. As a fluctuation component extraction means at this time, in the present invention, a time difference generation means for shifting a fluctuation waveform between the excitation current and the motor drive voltage during driving of the stepping motor on the time axis with a required time difference is added. Alternatively, as the fluctuation component extraction means, a band filter for removing fluctuation components in other bands excluding a predetermined frequency band consisting of unique fluctuation components is added. By shifting the fluctuation waveform in time by the time difference generation means and subtracting from the unprocessed fluctuation waveform at the time of detection from the waveform, the difference can be increased and the fluctuation component becomes more obvious. Can do. Similarly, by passing the unprocessed fluctuation waveform at the time of detection through the bandpass filter as described above, only the unique fluctuation component can be reliably extracted.
本発明にあって、好ましくは前述のようにして減算された変動成分または帯域フィルタを介して残された変動成分を比較判定手段に送る前に、先ず整流波に変換し、更には整流された波形を積算器を通して積算して、変動成分と通常成分との差を大きくしている。この整流波変換は、半波整流、全波整流のいずれでもよいが、前記積算結果を大きくしたいときは全整流波変換することが好ましい。また、本発明にあっては、更に加えて前記時間差生成手段または帯域フィルタに入力される以前の波形成分を予め平滑フィルタに通して、ノイズ成分を除去しておくことにより、不要なノイズがなくなり以降の処理結果や判定結果の信頼性が向上する。 In the present invention, preferably, the fluctuation component subtracted as described above or the fluctuation component remaining through the band-pass filter is first converted into a rectified wave and further rectified before being sent to the comparison determination means. The waveform is integrated through an integrator to increase the difference between the fluctuation component and the normal component. This rectification wave conversion may be either half-wave rectification or full-wave rectification, but it is preferable to perform full-rectification wave conversion when it is desired to increase the integration result. In addition, in the present invention, unnecessary noise is eliminated by additionally passing the waveform component before being input to the time difference generating means or the bandpass filter through a smoothing filter in advance. The reliability of subsequent processing results and determination results is improved.
以下、本発明の代表的な実施形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に適用されるマイクロステッピングモータの駆動回路を示している。 Hereinafter, typical embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a driving circuit for a microstepping motor applied to the first embodiment of the present invention.
本実施形態では巻線(A) 〜(E) をペンタゴン結線した５相ステッピングモータを例示している。なお、本発明は５相ステッピングモータに限定されず、２相〜４相のステッピングモータにも適用でき、その結線も、５相ステッピングモータではペンタゴン結線方式の他にスター結線方式があり、３相ステッピングモータの場合にはデルタ結線方式及びスター結線方式、更には一般的なバイポーラ・スタンダード結線方式などを採用した全てのステッピングモータに適用できる。また本発明は、基本の歩進角を電気的に複数に分割して駆動するマイクロステッピングモータにかぎらずフルステップのみのステッピングモータにも適用が可能である。 In the present embodiment, a five-phase stepping motor in which windings (A) to (E) are connected to a Pentagon is illustrated. The present invention is not limited to a five-phase stepping motor, and can be applied to a two-phase to four-phase stepping motor. The five-phase stepping motor has a star connection method in addition to the pentagon connection method. In the case of a stepping motor, it can be applied to all stepping motors adopting a delta connection method, a star connection method, and a general bipolar standard connection method. Further, the present invention is applicable not only to a micro stepping motor that is driven by electrically dividing a basic step angle into a plurality of steps, but also to a stepping motor having only a full step.
図１に示す５相ステッピングモータの駆動回路は、図２に示した従来から実施されている５相ステッピングモータの駆動回路と殆ど変わるところがない。図示実施形態にあっても従来と同様に、である出力段の１０個のスイッチング素子(Tr11)〜(Tr20)を一対１組として直列に接続し、これらの５組のスイッチング素子(Tr11)(Tr12)、(Tr13)(Tr14)、(Tr15)(Tr16)、(Tr17)(Tr18)、(Tr19)(Tr20)を並列接続して駆動回路を構成している。巻き線(A) 〜(E) の結線部は直列に前記接続された各組のスイッチング素子(Tr11)(Tr12)、(Tr13)(Tr14)、(Tr15)(Tr16)、(Tr17)(Tr18)、(Tr19)(Tr20)の接続部に接続されている。 The driving circuit for the five-phase stepping motor shown in FIG. 1 is almost the same as the driving circuit for the five-phase stepping motor shown in FIG. Even in the illustrated embodiment, as in the prior art, ten switching elements (Tr11) to (Tr20) in the output stage are connected in series as a pair, and these five switching elements (Tr11) ( Tr12), (Tr13) (Tr14), (Tr15) (Tr16), (Tr17) (Tr18), (Tr19) (Tr20) are connected in parallel to constitute a drive circuit. The connection portions of windings (A) to (E) are connected in series to each set of switching elements (Tr11) (Tr12), (Tr13) (Tr14), (Tr15) (Tr16), (Tr17) (Tr18 ), (Tr19) and (Tr20).
第１電流検出用抵抗(R1)はコンデンサ(C2)の (−) 側とグランド(GND) との間に直列接続されており、第２電流検出用抵抗(R2)はモータ駆動回路の出力側とコンデンサ(C2)の (−) 側との間に直列接続されている。定電流コントロール部は、第１電流検出用抵抗(R1)及び第２電流検出用抵抗(R2)の電圧の和と、デジタル回路の基準電圧操作部から出力されＤ／Ａ変換された基準電圧(Vref)とを比較して、電流(i1+i2-i3)が一定になるようにパルス幅変調(PWM) 駆動する。 The first current detection resistor (R1) is connected in series between the (−) side of the capacitor (C2) and the ground (GND), and the second current detection resistor (R2) is the output side of the motor drive circuit. And the (−) side of the capacitor (C2). The constant current control unit includes the sum of the voltages of the first current detection resistor (R1) and the second current detection resistor (R2) and a reference voltage (D / A converted) output from the reference voltage operation unit of the digital circuit. Vref) and pulse width modulation (PWM) drive so that the current (i1 + i2-i3) is constant.
デジタル回路は、外部からの指令パルスを受けて、励磁シーケンスに従って励磁パターンを出力段のスイッチング素子(Tr11)(Tr12)、(Tr13)(Tr14)、(Tr15)(Tr16)、(Tr17)(Tr18)、(Tr19)(Tr20)のゲートへ出力して励磁パターンの操作を行う。本発明では、この従来のデジタル回路に後述するような新たにプログラムされた脱調判定部を更に備えている。 The digital circuit receives an external command pulse and changes the excitation pattern according to the excitation sequence to the output stage switching element (Tr11) (Tr12), (Tr13) (Tr14), (Tr15) (Tr16), (Tr17) (Tr18 ), (Tr19) Output to the gate of (Tr20) and operate the excitation pattern. In the present invention, the conventional digital circuit is further provided with a newly programmed step-out determination unit as will be described later.
図１にあって、電流(i1)はモータ駆動電圧(DV)を上下させるとともにコンデンサ(C2)を充電する供給用電流であり、励磁電流(i2)はコンデンサ(C2)の放電によって生じるステッピングモータ駆動用の励磁電流である。この励磁電流(i2)は、図１に破線で示すようにコンデンサ(C2)、駆動回路、第２電流検出用抵抗(R2)を循環する。電流(i3)は既述したようにモータの起電力によって発生する余剰電流であるが、この余剰電流(i3)は、図１に破線で示すように駆動回路のダイオードを介してコンデンサ(C2)、第２電流検出用抵抗(R2)、駆動回路というように前記励磁電流(i2)とは逆方向に循環する。その結果、第２電流検出用抵抗(R2)には励磁電流(i2)から余剰電流(i3)を差し引いた励磁総電流(i2-i3) が流れる。 In FIG. 1, the current (i1) is a supply current for raising and lowering the motor drive voltage (DV) and charging the capacitor (C2), and the exciting current (i2) is a stepping motor generated by discharging the capacitor (C2). Excitation current for driving. The excitation current (i2) circulates through the capacitor (C2), the drive circuit, and the second current detection resistor (R2) as shown by the broken line in FIG. As described above, the current (i3) is a surplus current generated by the electromotive force of the motor. This surplus current (i3) is connected to the capacitor (C2) via the diode of the drive circuit as shown by a broken line in FIG. The second current detection resistor (R2) and the drive circuit circulate in the opposite direction to the excitation current (i2). As a result, the excitation current (i2-i3) obtained by subtracting the surplus current (i3) from the excitation current (i2) flows through the second current detection resistor (R2).
そして、演算増幅器である第２アンプ(AMP2)から出力される基準電圧(Vref)と、第２アンプ(AMP2)から出力される第１及び第２電流検出用抵抗(R1,R2) の検出電圧とが等しくなるように、パワーMOS FET (TR1) でチョッピングされた電流をコイル(L1)とコンデンサ(C2)によって平滑化されたモータ駆動電圧(DV)に変換して、駆動電流(i1+i2-i3)を一定となるようにＰＷＭ駆動する。 The reference voltage (Vref) output from the second amplifier (AMP2), which is an operational amplifier, and the detection voltage of the first and second current detection resistors (R1, R2) output from the second amplifier (AMP2). So that the current chopped by the power MOS FET (TR1) is converted to the motor drive voltage (DV) smoothed by the coil (L1) and the capacitor (C2), and the drive current (i1 + i2 -i3) is PWM driven so as to be constant.
このときの前記基準電圧(Vref)は、電流検出回路及びモータ電圧検出回路から第３及び第４アンプ(AMP3,AMP4) を介して入力されデジタル回路の基準電圧操作部にて設定されたのちＤ／Ａ変換されて得られる電圧である。ここで、基準電圧操作部では励磁電流検出回路及びモータ駆動電圧回路から得られる検出電圧(Vin1,Vin2) によって、トルク特性がフラットになるように基準電圧(Vref)を操作している。 The reference voltage (Vref) at this time is inputted from the current detection circuit and the motor voltage detection circuit via the third and fourth amplifiers (AMP3, AMP4) and set by the reference voltage operation unit of the digital circuit. This is a voltage obtained by / A conversion. Here, in the reference voltage operation unit, the reference voltage (Vref) is operated so that the torque characteristics become flat by the detection voltages (Vin1, Vin2) obtained from the exciting current detection circuit and the motor drive voltage circuit.
本発明は、モータが脱調した瞬間に上記第２電流抵抗(R2)に流れる励磁総電流(i2-i3) 及び上記モータ駆動電圧(DV)に正常駆動時とは異なる大きな乱れが発生することに着目してなされたものである。すなわち、モータに流れる電流や電圧に発生する乱れをもとに脱調したかどうかを判定する。なお、本発明にあって、第２電流検出用抵抗(R2)に流れる励磁総電流(i2-i3) だけを単独に検出してステッピングローラが脱調したかどうかを判定することも可能であり、或いはモータ駆動電圧(DV)だけを単独に検出して脱調したかどうかを判定することもできるが、両者を併用して判定すれば判定の正確度が向上する。 In the present invention, when the motor steps out, the excitation total current (i2-i3) flowing through the second current resistor (R2) and the motor driving voltage (DV) are greatly disturbed differently from those during normal driving. It was made paying attention to. That is, it is determined whether or not the step-out has occurred based on the disturbance generated in the current or voltage flowing through the motor. In the present invention, it is also possible to determine whether the stepping roller has stepped out by detecting only the total excitation current (i2-i3) flowing through the second current detection resistor (R2). Alternatively, it is possible to determine whether or not a step-out has occurred by detecting only the motor drive voltage (DV) alone, but if both are used in combination, the accuracy of the determination is improved.
本実施形態において、図２に示した従来のステッピングモータの駆動回路と異なるところは、図１に示すようにデジタル回路に脱調判定部を設定した点にある。この脱調判定部は、図３に示すように、少なくとも励磁電流および／またはモータ駆動電圧の検出時に検出される正常駆動時には含まれない異常な変動成分を抽出する変動成分抽出手段(G2(s)) と、その抽出された異常な変動成分と閾値とを比較して、変動成分が閾値から外れたとき、ステッピングモータの駆動に脱調が生じたと判定する比較判定手段とを有している。この脱調判定部における脱調検出手順が図３にブロック図として示されている。この図から理解できるように、本発明にあっては、ステッピングモータが備えている開ループ制御の特性をフルに活用しており、しかも本発明における脱調判定部は格別の回路を必要とせず、従来のステッピングモータに配されているデジタル回路を利用して、脱調判定のための簡単なプログラムを作成すれば足り、すべてデジタル処理にて実現できる。 This embodiment differs from the conventional stepping motor drive circuit shown in FIG. 2 in that a step-out determination unit is set in the digital circuit as shown in FIG. As shown in FIG. 3, the step-out determination unit extracts at least fluctuation component extraction means (G 2 ( G 2 ()) that is not included during normal driving and is detected during detection of the excitation current and / or motor drive voltage. s) ) and a comparison determination unit that compares the extracted abnormal fluctuation component with the threshold value and determines that the stepping motor has stepped out when the fluctuation component deviates from the threshold value. Yes. The step-out detection procedure in the step-out determination unit is shown as a block diagram in FIG. As can be understood from this figure, the present invention makes full use of the characteristics of the open loop control provided in the stepping motor, and the step-out determination unit in the present invention does not require any special circuit. It is sufficient to create a simple program for step-out determination using a digital circuit arranged in a conventional stepping motor, and all can be realized by digital processing.
本実施形態にあって、図３に示すように、前記脱調判定部に入力される信号としては、図示せぬ上位の制御装置から出力されるアラームクリア信号と、電流検出回路にて検出される第２電流検出用抵抗(R2)を通過する励磁総電流(i2-i3) 検出値と、モータ駆動電圧(DV)検出値との３種類である。これらの信号のうち励磁総電流(i2-i3) 検出値及びモータ駆動電圧(DV)検出値は、従来の電流検出回路及びモータ駆動電圧検出回路をそのまま利用して求めることが可能であり、本実施形態におけるアラーム解除信号は上位の制御装置において先の脱調発生に対する対策が講じられたのち、上記比較判定手段に直接入力されて先に上位の制御装置に出力されていたアラーム信号を解除する信号であって、これらのアラームクリア信号及びアラーム信号の入出力部は本発明に特有のものである。 In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the signal input to the step-out determination unit is detected by an alarm clear signal output from a host controller (not shown) and a current detection circuit. There are three types: a total excitation current (i2-i3) detection value passing through the second current detection resistor (R2) and a motor drive voltage (DV) detection value. Of these signals, the excitation total current (i2-i3) detection value and motor drive voltage (DV) detection value can be obtained using the conventional current detection circuit and motor drive voltage detection circuit as they are. In the embodiment, after the countermeasure for the previous step-out occurrence is taken in the host controller, the alarm cancel signal in the embodiment is directly input to the comparison determination unit and cancels the alarm signal previously output to the host controller. These alarm clear signals and alarm signal input / output sections are unique to the present invention.
前記脱調判定部の比較判定手段には、同比較判定手段の出力信号から脱調した場合にアラーム信号を形成し、図示せぬ上位の制御装置に同アラ−ム信号を出力する例えばフリップフロップからなる脱調警告回路が接続されている。アラーム信号が上位の制御装置に入力されると、上位の制御部装置は脱調が生じている畏れがあるとして、例えば警告ランプを点滅させ、或いは警報を発するようにして、脱調の原因などが調査され、その原因が取り除かれると、上位の制御装置からアラーム解除信号が上記比較判定手段に出力され、アラーム信号の出力が解除される。 The comparison determination unit of the step-out determination unit forms, for example, a flip-flop that forms an alarm signal when the step-out signal is output from the output signal of the comparison determination unit and outputs the alarm signal to a host controller (not shown). A step-out warning circuit consisting of is connected. When the alarm signal is input to the host control device, the host control unit device may be out of step. For example, the alarm lamp blinks or an alarm is issued to cause the step out. When the cause is removed, an alarm release signal is output from the host control device to the comparison determination means, and the output of the alarm signal is released.
また本実施形態では、図４および図５に示すように、上記変動成分抽出手段 ( G2(s)，G5(s) ) の上流側に平滑用フィルタ( G1(s) , G4(s) ) を配して、脱調判定部に入力された前記励磁総電流(i2-i3) 検出値及びモータ駆動電圧(DV)検出値を、それぞれ平滑用フィルタ( G1(s) ，G4(s) ) に通して、励磁総電流(i2-i3) 検出値及びモータ駆動電圧(DV)検出値に含まれるノイズ成分を除去している。更に本実施形態では、前記変動成分抽出手段( G2(s) ，G5(s) ) と比較判定手段との間に全波整流変換したのち積分する積分器( G3(s) , G6(s) ) が配せられている。なお、励磁総電流(i2-i3) 検出値及びモータ駆動電圧(DV)検出値の整流変換は全波整流でなく半波整流であってもよいが、いずれにしても整流変換により以降の積分器による積分を経たときの変動量が極めて明確に顕在するようになる。図４及び図５は、それぞれ励磁総電流(i2-i3) 検出値とモータ駆動電圧(DV)検出値による判定手順を示している、両者の判定を併用することが好ましい。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the smoothing filters (G 1 (s) , G 4 ) are arranged upstream of the fluctuation component extraction means (G 2 (s) , G 5 (s) ). (s) ), the excitation total current (i2-i3) detection value and the motor drive voltage (DV) detection value input to the step-out determination unit are respectively converted into smoothing filters (G 1 (s) , G4 (s) ) is used to remove noise components contained in the excitation total current (i2-i3) detection value and motor drive voltage (DV) detection value. Furthermore, in this embodiment, integrators (G 3 (s) , G ) that integrate after performing full-wave rectification conversion between the fluctuation component extraction means (G 2 (s) , G 5 (s) ) and the comparison determination means. 6 (s) ). The rectification conversion of the excitation total current (i2-i3) detection value and the motor drive voltage (DV) detection value may be half-wave rectification instead of full-wave rectification, but in any case, the subsequent integration is performed by rectification conversion. The amount of fluctuation when integrating by a vessel becomes very clearly evident. FIGS. 4 and 5 show the determination procedure based on the detection value of the total excitation current (i2-i3) and the detection value of the motor drive voltage (DV), respectively. It is preferable to use both determinations in combination.
ここで、上記異常な変動成分について実験を行い、ステッピングモータが所定の位置で位置決め状態を維持するとき（ホールド時）にモータ軸に何らかの外力が作用して脱調する場合、及びステッピングモータの駆動回転時に脱調する場合のいずれであっても、この異常な変動成分が脱調時に発生するモータロータの激しい減衰振動に伴う電磁誘導がもたらす励磁電流の変動及びモータ駆動電圧の変動であることが判明している。この異常な変動成分が発生する振動周波数帯域はステッピングモータの機種に基づく固有振動周波数の範囲内であることが判明した。特に、２５０Ｈｚ以下であることが多い。 Here, an experiment is performed on the abnormal fluctuation component, and when the stepping motor maintains a positioning state at a predetermined position (at the time of holding), the motor shaft is stepped out due to some external force, and the stepping motor is driven. Regardless of the step-out during rotation, it turns out that this abnormal fluctuation component is the fluctuation of the excitation current and the fluctuation of the motor drive voltage caused by electromagnetic induction due to the intense damping vibration of the motor rotor that occurs during the step-out. is doing. It has been found that the vibration frequency band in which this abnormal fluctuation component occurs is within the range of the natural vibration frequency based on the model of the stepping motor. In particular, it is often 250 Hz or less.
本実施形態では、デジタル回路の内、励磁電流操作部と脱調判定部にＡ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器付きのマイクロコンピュータを用い、励磁パターン操作のための指令パルス検出部、励磁シーケンスカウンタ部および励磁パターン出力部には、マイクロコンピュータとは別にゲートアレイ（ハードロジック）を用いているが、全てを書き換え可能なＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）に置き換えることも可能であり、或いは全てをマイクロコンピュータに取り込むことも可能である。 In the present embodiment, an A / D converter and a microcomputer with a D / A converter are used for the excitation current operation section and the step-out determination section in the digital circuit, a command pulse detection section for excitation pattern operation, excitation A gate array (hard logic) is used separately from the microcomputer for the sequence counter unit and the excitation pattern output unit, but it is possible to replace all with a rewritable FPGA (field programmable gate array), or all It is also possible to import the data into a microcomputer.
既述したとおり、本発明における脱調判定の基本は、ホールド時をも含めたステッピングモータの駆動時にあって、固有振動周波数内の励磁総電流(i2-i3) に発生する変動成分および／またはモータ駆動電圧(DV)と閾値と比較して、脱調であるか否かを判定することにある。前記閾値は、例えばモータの種類（インダクタンス、インピーダンス、結線）や励磁電流の大きさ、モータ回転速度（一定速、加速、減速、停止）、モータ駆動電圧（ｆ特性、摩擦負荷、慣性負荷）などの多様な要因によって決まる。従って、閾値は一律には決めがたい。 As described above, the basics of the step-out determination in the present invention are at the time of driving the stepping motor including the hold time, and the fluctuation component generated in the excitation total current (i2-i3) within the natural vibration frequency and / or Compared to the motor drive voltage (DV) and a threshold value, it is determined whether or not there is a step-out. The threshold value includes, for example, the type of motor (inductance, impedance, connection), the magnitude of excitation current, motor rotation speed (constant speed, acceleration, deceleration, stop), motor drive voltage (f characteristics, friction load, inertia load), etc. It depends on various factors. Therefore, it is difficult to determine the threshold value uniformly.
ここで重要な点は、判定にあたって如何に正確に異常な変動成分を抽出するかにある。この変動成分の抽出手段には、例えば公知の位相変調回路が使われ、図４及び図５に示したように、減算部にて励磁電流検出回路及びモータ駆動電圧検出回路にて検出された励磁総電流(i2-i3) および／またはモータ駆動電圧(DV)と、時間差生成手段により位相差を与えられた同励磁総電流(i2-i3) および／またはモータ駆動電圧(DV)との間の差を演算して異常な変動成分を抽出する。またこの変動成分抽出手段には、前述の時間差生成手段に代えて、励磁電流検出回路及びモータ駆動電圧検出回路にて検出された励磁総電流(i2-i3) および／またはモータ駆動電圧(DV)を、図６に示す他の代表的な実施形態のように、特定の周波数帯域の振動成分を除去する帯域フィルタ(Gd2(s) ) を通しても、異常な変動成分を抽出することが可能である。 The important point here is how to accurately extract an abnormal fluctuation component in the determination. For example, a known phase modulation circuit is used as the fluctuation component extraction means. As shown in FIGS. 4 and 5, the excitation current detected by the excitation current detection circuit and the motor drive voltage detection circuit by the subtraction unit is used. Between the total current (i2-i3) and / or motor drive voltage (DV) and the same total excitation current (i2-i3) and / or motor drive voltage (DV) given a phase difference by the time difference generating means The difference is calculated to extract abnormal fluctuation components. In addition, the fluctuation component extraction means includes, instead of the time difference generation means described above, the excitation total current (i2-i3) detected by the excitation current detection circuit and the motor drive voltage detection circuit and / or the motor drive voltage (DV). As in other typical embodiments shown in FIG. 6, it is possible to extract abnormal fluctuation components even through a bandpass filter (Gd 2 (s) ) that removes vibration components in a specific frequency band. is there.
この他の実施形態による脱調判定部の判定手順を図６を参照して簡単に説明すると、例えば図１に示す励磁電流検出回路にて検出された検出電流に基づき得られる検出電圧(Vin1)を平滑用のローパスフィルタ (Gd1(s) )を通して検出電圧(Vin1)に含まれるノイズ成分を除去したのち上記帯域フィルタ (Gd2(s)) を通して、特定の振動周波数帯の振動成分を除去して、異常な振動成分だけを残す。この異常な振動成分は、例えば整流変換回路を介して全並み整流されたのち積分器 (Gd3(s)) に入力され、前記異常な振動成分を積分する。次いで、この積分された異常な振動成分の信号が判定手段に入力されて、予め設定された閾値と比較し、もしその積分された値が閾値から外れたときは、既述したとおり図示せぬ脱調警告回路を介して上位の制御装置にアラーム信号が出力されて制御装置にて警報などが発せられる。 The determination procedure of the step-out determination unit according to another embodiment will be briefly described with reference to FIG. 6. For example, the detection voltage (Vin1) obtained based on the detection current detected by the excitation current detection circuit shown in FIG. After removing the noise component contained in the detection voltage (Vin1) through the smoothing low-pass filter (Gd 1 (s) ), the vibration component in the specific vibration frequency band is removed through the band filter (Gd 2 (s) ). Thus, only the abnormal vibration component is left. This abnormal vibration component is rectified all over, for example, via a rectification conversion circuit, and then input to an integrator (Gd 3 (s) ) to integrate the abnormal vibration component. Next, the integrated abnormal vibration component signal is input to the determination means and compared with a preset threshold value. If the integrated value deviates from the threshold value, it is not shown as described above. An alarm signal is output to the host control device via the step-out warning circuit, and an alarm is issued by the control device.
図７〜図１４は、脱調が発生したときに図１に示す励磁電流検出回路及びモータ駆動電圧検出回路から得られる検出電圧(Vin1,Vin2) に現れる変動成分と、同変動成分の周波数特性を示したものである。これらの図において、上段は脱調が発生していない場合であり、花壇は脱調が発生した場合である。ここで、図７〜１０はホールド時と低速〜高速回転時の検出電圧(Vin1)の変動成分についての実験結果を示し、図１１は低速回転時の検出電圧(Vin2)の変動成分についての実験結果を示している。また、図１２〜図１４は低速回転時における検出電圧(Vin1)の変動成分を、平滑フィルタ(G1(S)) 、時間差生成手段(G2(S)) 、位相変調回路）、積分器(G3(S)) を通したときの入口と出口の各波形変動を示している。 7 to 14 show fluctuation components appearing in the detection voltages (Vin1, Vin2) obtained from the excitation current detection circuit and the motor drive voltage detection circuit shown in FIG. 1 when a step-out occurs, and the frequency characteristics of the fluctuation components. Is shown. In these figures, the upper stage is a case where step out has not occurred, and the flower bed is a case where step out has occurred. Here, FIGS. 7 to 10 show the experimental results on the fluctuation component of the detection voltage (Vin1) at the time of holding and low speed to high speed rotation, and FIG. Results are shown. 12 to 14 show fluctuation components of the detected voltage (Vin1) during low-speed rotation, such as a smoothing filter (G 1 (S) ), a time difference generation means (G 2 (S) ), a phase modulation circuit), an integrator. Each waveform variation at the inlet and outlet when passing through (G 3 (S) ) is shown.
これらの図から理解できるとおり、脱調時の異常な波形部分と正常な回転時の波形成分との間に明確な差が現れている。以下、図４及び図５に示した脱調判定手順のブロック図に従って、その手順を簡単に説明するとともに、図７〜図１４に基づいて、同一機種のステッピングモータを用いて行った実験による、正常な駆動時（ホールド、低速、中速、高速）と脱調時の各励磁電流、モータ駆動電圧の変動波形による判定結果を説明する。 As can be understood from these figures, a clear difference appears between the abnormal waveform portion at the time of step-out and the waveform component at the time of normal rotation. Hereinafter, according to the block diagram of the step-out determination procedure shown in FIG. 4 and FIG. 5, the procedure will be briefly described, and based on the experiments performed using the same type of stepping motor based on FIGS. A description will be given of determination results based on fluctuation waveforms of each excitation current and motor drive voltage during normal driving (hold, low speed, medium speed, and high speed) and during step-out.
なお、本実験では、先ずステッピングモータに格別の付加がかからないようにホールド状態、低速駆動、中速駆動、高速駆動を行い、そのときの第２電流検出用抵抗(R2)を流れる励磁総電流(i1-i2) 及びモータ駆動電圧(DV)の変化を検出するとともに、既述したように、ステッピングモータを低速、中速及び高速で駆動中に、モータの回転が追従できな高速の指令パルスを瞬間的与えて、脱調を発生させて、そのときの第２電流検出用抵抗(R2)を流れる励磁総電流(i2-i3) の変化と、このときのモータ駆動電圧(DV)の変化とを検出する実験(1) と、ステッピングモータに対するホールド状態を維持する駆動時に、脱調が発生するまでモータシャフトに徐々に外力を加えていったときの、脱調が発生するまでの間に第２電流検出用抵抗(R2)を流れる励磁総電流(i2-i3) の変化と、このときのモータ駆動電圧(DV)の変化とを検出する実験(2) とを行った。 In this experiment, first, hold state, low-speed drive, medium-speed drive, and high-speed drive are performed so that no special addition is applied to the stepping motor, and the total excitation current flowing through the second current detection resistor (R2) at that time ( i1-i2) and a change in motor drive voltage (DV), as described above, a high-speed command pulse that can follow the rotation of the motor while driving the stepping motor at low, medium, and high speeds. Applying instantaneously, causing a step-out, the change in total excitation current (i2-i3) flowing through the second current detection resistor (R2) at that time, and the change in motor drive voltage (DV) at this time During the driving to maintain the hold state for the stepping motor (1) and when an external force is gradually applied to the motor shaft until the step-out occurs, 2 Exciting total current flowing through the resistor (R2) for current detection An experiment (2) for detecting the change of (i2-i3) and the change of the motor drive voltage (DV) at this time was performed.
その判定手順は、例えば図４に示すように、励磁電流検出回路にて検出された励磁総電流(i2-i3) をＡ／Ｄ変換して、そのデジタル量をデジタル回路の脱調判定部に送り込み、平滑用フィルタ(G1(S)) を通して通常の振動成分に含まれるノイズ成分を除去したのち、時間差生成手段(G2(S)、位相変調回路）により位相をずらして、減算によって平滑用フィルタ(G1(S)) 通しただけの変動成分との差を求め、その差の変動成分を全波整流手段を介して全波整流し、次いで積分器(G3(S)) にて積分し、その出力を閾値と比較して脱調であるか否かを判定する。以下に、そのときの実験結果を図７〜図１０に示す。なお、この実験にあたって、低速回転時の回転速度を０．１（ｒｐｍ）、中速回転時の回転速度を２．０（ｒｐｍ）、高速回転時の回転速度を１０．０（ｒｐｍ）とした。 For example, as shown in FIG. 4, the determination procedure includes A / D conversion of the excitation total current (i2-i3) detected by the excitation current detection circuit, and the digital amount is sent to the step-out determination unit of the digital circuit. After removing the noise component included in the normal vibration component through the smoothing filter (G 1 (S) ) , the phase is shifted by the time difference generation means (G 2 (S) , phase modulation circuit) and smoothed by subtraction. Filter (G 1 (S) ) Find the difference from the fluctuation component just passed, full-wave rectification of the fluctuation component of the difference through full-wave rectification means, then to the integrator (G 3 (S) ) And the output is compared with a threshold value to determine whether or not there is a step-out. The experimental results at that time are shown in FIGS. In this experiment, the rotation speed at low speed rotation was 0.1 (rpm), the rotation speed at medium speed rotation was 2.0 (rpm), and the rotation speed at high speed rotation was 10.0 (rpm). .
図７はホールド時の正常な振動波形と脱調時の振動波形とを示しており、同図Ａは正常時の時間(s) −励磁総電流(i2-i3) に基づく検出電圧(Vin1)の変動波形の変化を示しており、同図Ｂは同じく正常時の振動周波数−大きさとの変動波形の変化を示している。また、同図Ｃは脱調時の励磁総電流(i2-i3) に基づく検出電圧(Vin1)の時間経過に対する変動波形の変化を示しており、同図Ｄは同じく脱調時の振動周波数−大きさとの変動波形の変化を示している。 FIG. 7 shows a normal vibration waveform at the time of hold and a vibration waveform at the time of step-out. FIG. 7A shows a detection voltage (Vin1) based on time (s) at normal time−total excitation current (i2-i3). FIG. 5B also shows the change of the fluctuation waveform between the normal vibration frequency and the magnitude. Fig. C shows the change of the fluctuation waveform over time of the detection voltage (Vin1) based on the total excitation current (i2-i3) at the time of step-out, and Fig. D shows the vibration frequency at the time of step-out. The change of the fluctuation waveform with the size is shown.
同図Ａと同図Ｃとを比較すると、図Ａの正常な駆動時には全ての時間帯で波形に異常な変動が発生しておらず、同一周期で同一波形の変動を持続しているが、図Ｃでは駆動を開始してから０．４８秒後に検出電圧(Vin1)の値が０．２〜１．６Ｖの振幅で、正常な駆動時の電圧振幅量０．３〜０．８Ｖの振幅よりも異常に大きな振幅の波形変動が発生しており、特にこのホールド時の実験では異常な変動波形が、０．４８〜０．５４秒の間に連続して２つ形成されていることから、２回の脱調動作によって完全に脱調が脱調が発生していることが理解できる。また、同図Ｂ及び同図Ｄを比較しても０．４８〜０．５４秒の間の時間帯に相当する７０〜１５０Ｈｚの振動周波数帯域において、同じく２回の脱調動作を経て脱調が発生している。 Comparing FIG. A and FIG. C, when the normal driving of FIG. A is performed, no abnormal fluctuation occurs in the waveform in all time zones, and the fluctuation of the same waveform is maintained in the same period. In FIG. C, 0.48 seconds after the start of driving, the value of the detected voltage (Vin1) has an amplitude of 0.2 to 1.6 V, and the amplitude of the voltage amplitude of 0.3 to 0.8 V during normal driving. In particular, in the experiment at the time of holding, two abnormal fluctuation waveforms are formed continuously between 0.48 and 0.54 seconds. It can be understood that the step-out completely occurs by the step-out operation twice. In addition, even if FIG. B and FIG. D are compared, in the vibration frequency band of 70 to 150 Hz corresponding to the time period of 0.48 to 0.54 seconds, the step out operation is performed through the same two step out operations. Has occurred.
図８は低速回転時の正常な振動波形と脱調時の振動波形とを示しており、同図Ａは正常時の励磁総電流(i2-i3) に基づく検出電圧(Vin1)の時間経過に対する変動波形の変化を示しており、同図Ｂは同じく正常時の振動周波数−大きさとの変動波形の変化を示している。また、同図Ｃは脱調時の励磁総電流(i2-i3) に基づく検出電圧(Vin1)の時間経過に対する変動波形の変化を示しており、同図Ｄは同じく脱調時の振動周波数−大きさとの変動波形の変化を示している。 FIG. 8 shows a normal vibration waveform during low-speed rotation and a vibration waveform during step-out, and FIG. 8A shows the detection voltage (Vin1) based on the elapsed time of detection voltage (Vin1) based on the total excitation current (i2-i3) at normal time. The change of the fluctuation waveform is shown, and FIG. 7B also shows the change of the fluctuation waveform with the vibration frequency-magnitude at the normal time. Fig. C shows the change of the fluctuation waveform over time of the detection voltage (Vin1) based on the total excitation current (i2-i3) at the time of step-out, and Fig. D shows the vibration frequency at the time of step-out. The change of the fluctuation waveform with the size is shown.
同図Ａと同図Ｃとを比較すると、図Ａの正常な駆動時には全ての時間帯で０．０２秒の周期で同一波形の変動が持続しているが、図Ｃでは駆動を開始してから０．４９５〜０．５４秒の間に電圧の値０．１〜１．２５Ｖの最大振幅の異常に大きな振幅の波形変動が発生しており、この間に脱調が発生していることを示している。また、同図Ｂ及び同図Ｄの振動周波数に対する変動量の大きさを比較すると、同図Ｄによって１００〜１６０Ｈｚの振動周波数帯域において、同じく脱調が発生していることが分かる。 Comparing FIG. A and FIG. C, when the normal drive of FIG. A is in progress, the fluctuation of the same waveform continues with a period of 0.02 seconds in all time zones, but in FIG. From 0.495 to 0.54 seconds, the voltage value of 0.1 to 1.25 V has an abnormally large amplitude waveform with a maximum amplitude, and a step-out has occurred during this period. Show. Further, comparing the magnitude of the fluctuation amount with respect to the vibration frequency of FIG. B and FIG. D, it can be seen from FIG. D that out-of-step occurs in the vibration frequency band of 100 to 160 Hz.
図９は中速回転時の正常な振動波形と脱調時の振動波形とを示しており、同図Ａは正常時の励磁総電流(i2-i3) に基づく検出電圧(Vin1)の時間経過に対する変動波形の変化を示しており、同図Ｂは同じく正常時の振動周波数−大きさとの変動波形の変化を示している。また、同図Ｃは脱調時の時間(s) −検出電圧(Vin1)の変動波形の変化を示しており、同図Ｄは同じく脱調時の振動周波数−大きさとの変動波形の変化を示している。 Fig. 9 shows the normal vibration waveform during medium speed rotation and the vibration waveform during step-out. Fig. A shows the time lapse of the detection voltage (Vin1) based on the total excitation current (i2-i3) during normal operation. FIG. 5B also shows the change of the fluctuation waveform with the vibration frequency-magnitude at the normal time. Fig. C shows the change in fluctuation waveform of time (s) at the time of step-out-detection voltage (Vin1), and Fig. D shows the change in fluctuation waveform of the vibration frequency-magnitude at the time of step-out. Show.
同図Ａと同図Ｃとを比較すると、図Ａの正常な駆動時には全ての時間帯で０．０５秒の周期で同一波形の変動が持続しているが、図Ｃでは駆動を開始してから０．４９５〜０．５８秒の間に検出電圧(Vin1)の値が−０．４７５〜０．５８Ｖの最大振幅の異常に大きな振幅の波形変動が発生しており、この間に脱調が発生していることを示している。また、同図Ｂ及び同図Ｄにおける振動周波数に対する変動量の大きさを比較すると、同図Ｄによって９０〜２２０Ｈｚの振動周波数帯域において、同じく脱調が発生していることが分かる。 Comparing FIG. A and FIG. C, when the normal drive of FIG. A is in progress, the fluctuation of the same waveform continues with a period of 0.05 seconds in all time zones, but in FIG. From 0.495 to 0.58 seconds, the detection voltage (Vin1) has an abnormally large amplitude waveform with a maximum amplitude of -0.475 to 0.58V. It is occurring. Further, comparing the magnitude of the fluctuation amount with respect to the vibration frequency in FIG. B and FIG. D, it can be seen from FIG. D that out-of-step occurs in the vibration frequency band of 90 to 220 Hz.
図１０は高速回転時の正常な振動波形と脱調時の振動波形とを示しており、同図Ａは正常時の励磁総電流(i2-i3) に基づく検出電圧(Vin1)の時間経過に対する変動波形の変化を示しており、同図Ｂは同じく正常時の振動周波数−大きさとの変動波形の変化を示している。また、同図Ｃは脱調時の励磁総電流(i2-i3) に基づく検出電圧(Vin1)の時間経過に対する変動波形の変化を示しており、同図Ｄは同じく脱調時の振動周波数−大きさとの変動波形の変化を示している。 FIG. 10 shows a normal vibration waveform during high-speed rotation and a vibration waveform during step-out, and FIG. 10A shows the detection voltage (Vin1) based on the elapsed time of the detection voltage (Vin1) based on the normal excitation total current (i2-i3). The change of the fluctuation waveform is shown, and FIG. 7B also shows the change of the fluctuation waveform with the vibration frequency-magnitude at the normal time. Fig. C shows the change of the fluctuation waveform over time of the detection voltage (Vin1) based on the total excitation current (i2-i3) at the time of step-out, and Fig. D shows the vibration frequency at the time of step-out. The change of the fluctuation waveform with the size is shown.
同図Ａと同図Ｃとを比較すると、図Ａの正常な駆動時には全ての時間帯で僅かな振幅で同一波形の変動が持続しているが、図Ｃでは駆動を開始してから０．４８〜０．５４９秒の間に検出電圧(Vin1)の値が−０．３〜０．５Ｖの最大振幅の正常時の高速回転時と比較して異常に大きな振幅の波形変動が発生しており、この間に脱調が発生していることを示している。また、同図Ｂ及び同図Ｄを比較すると９０〜２２０Ｈｚの振動周波数帯域において、同じく脱調が発生していることが分かる。 Comparing FIG. A and FIG. C, when the normal driving of FIG. A is performed, the fluctuation of the same waveform continues with a slight amplitude in all time zones, but in FIG. Between 48 and 0.549 seconds, the value of the detected voltage (Vin1) is -0.3 to 0.5V, and the waveform with abnormally large amplitude is generated compared to the normal high speed rotation with the maximum amplitude. This shows that step-out has occurred during this time. Further, comparing FIG. B and FIG. D, it can be seen that the out-of-step occurs in the vibration frequency band of 90 to 220 Hz.
図１１は、図８に対応する低速回転時のモータ駆動電圧検出回路にて検出されたモータ駆動検出電圧(Vin2)の正常時と脱調時の各振動波形を示しており、同図Ａは正常時の時間−モータ駆動検出電圧(Vin2)の変動波形の変化を示しており、同図Ｂは同じく正常時の振動周波数−振幅の大きさの変化を示している。また、同図Ｃは脱調時の時間−振幅の大きさ変化を示しており、同図Ｄは同じく脱調時の振動周波数−振幅の大きさの変化を示している。これらの図からも、図８に示した時間帯及び振動周波数帯において脱調が発生していることが理解できる。このことから、本発明の脱調検出方法および検出装置の検出対象を、図１に示す検出電流に基づく検出電圧(Vin1)又は検出モータ駆動検出電圧(Vin2)の何れであってもよく、或いは検出電圧(Vin1)とモータ駆動検出電圧(Vin2)とを同時に検出対象とすることもできる。これら２種類の検出電圧(Vin1,Vin2) を同時に検出対象とする場合には、脱調の判定により信頼性が増す。 FIG. 11 shows each vibration waveform when the motor drive detection voltage (Vin2) detected by the motor drive voltage detection circuit during low-speed rotation corresponding to FIG. 8 is normal and step-out. Normal time-changes in the fluctuation waveform of the motor drive detection voltage (Vin2) are shown, and FIG. 5B also shows changes in the normal vibration frequency-amplitude. FIG. 6C shows the change in time-amplitude at the time of step-out, and FIG. D shows the change in vibration frequency-amplitude at the time of step-out. Also from these figures, it can be understood that the step-out occurs in the time zone and the vibration frequency band shown in FIG. Therefore, the detection target of the step-out detection method and the detection device of the present invention may be either the detection voltage (Vin1) or the detection motor drive detection voltage (Vin2) based on the detection current shown in FIG. The detection voltage (Vin1) and the motor drive detection voltage (Vin2) can be detected simultaneously. When these two types of detection voltages (Vin1, Vin2) are to be detected at the same time, reliability is increased by the determination of step-out.
図１２〜図１４は、上記図８に示した低速回転時の検出電圧(Vin1)を脱調判定部に配された平滑用フィルタ(G1(S)) 、時間差生成手段(G2(S)) 、整流波変換回路及び積分器(G4(S)) に通したときのそれぞれの波形変動を示している。これらの図から、脱調現象の発生を的確に判定するには、検出電圧(Vin1,Vin2) を前述の平滑用フィルタ(G1(S)) 、時間差生成手段(G2(S)) 、整流波変換回路及び積分器(G3(S)) に通すことが有効である。以上の説明から、本発明にあっては、特に前記検出電圧(Vin1,Vin2) を変動成分抽出手段である時間差生成手段(G2(S)) 又は帯域フィルタ(Gd2(s) ) に通すこと、更に好ましくは前記整流波変換回路及び積分器(G3(S),G d3(s)) に通せば、前記検出電圧(Vin1,Vin2) に含まれる異常な変動成分だけを確実に検出できることが理解できよう。 12 to 14 show a smoothing filter (G 1 (S) ) arranged in the step-out determination unit, the time difference generating means (G 2 (S )) ), Each waveform fluctuation when passing through the rectification wave conversion circuit and the integrator (G4 (S) ) is shown. From these figures, in order to accurately determine the occurrence of the step-out phenomenon, the detection voltage (Vin1, Vin2) is determined by the smoothing filter (G 1 (S) ), the time difference generating means (G 2 (S) ), It is effective to pass through a rectification wave conversion circuit and an integrator (G 3 (S) ). From the above description, in the present invention, in particular, the detected voltage (Vin1, Vin2) is passed through the time difference generating means (G 2 (S) ) or the band filter (G d2 (s) ) which is the fluctuation component extracting means. More preferably, if it is passed through the rectified wave conversion circuit and the integrator (G 3 (S) , G d3 (s) ), only abnormal fluctuation components included in the detection voltages (Vin1, Vin2) are reliably detected. You can understand what you can do.
ＴＲ１ パワーＭＯＳ ＦＥＴ
Ｔｒ１１〜Ｔｒ２０ スイッチング素子
Ｃ１，Ｃ２ コイデンサ
Ｌ１ コイル
Ｒ１，Ｒ２ 第１及び第２電流検出用抵抗
ＤＶ モータ駆動電圧
Vin1 励磁総電流に基づく検出電圧
Vin2 モータ駆動検出電圧
ｉ1 供給電流
ｉ2 励磁総電流
ｉ3 モータ起電流（余剰電流）
TR1 power MOS FET
Tr11 to Tr20 Switching elements C1, C2 Codensers L1 Coils R1, R2 First and second current detection resistors DV Motor drive voltage
Detection voltage based on Vin1 excitation total current
Vin2 Motor drive detection voltage i1 Supply current i2 Excitation current i3 Motor electromotive current (surplus current)
Claims (9)
励磁電流出力回路に発生する励磁電流および／またはモータ駆動電圧を、電流検出用抵抗を介して電流および／又は電圧検出手段により検出すること、
検出された励磁電流および／またはモータ駆動電圧をＡ／Ｄ変換器を介してデジタル化すること、
モータ脱調時に検出される励磁電流および／またはモータ駆動電圧の異常な変動成分を抽出して任意に設定される閾値とを比較し、異常な変動成分の値が閾値から外れたときに、脱調判定部において脱調が生じたと判定すること、及び
脱調判定部における脱調であるとの判定に基づき、警告出力手段を介して上位の制御装置に警告信号を出力すること、
を含んでなることを特徴とするステッピングモータの脱調検出方法。 A step-out detection method for a stepping motor that performs step-control by switching control of excitation current,
Detecting the excitation current and / or motor drive voltage generated in the excitation current output circuit by means of current and / or voltage detection means via a current detection resistor;
Digitizing the detected excitation current and / or motor drive voltage via an A / D converter;
An abnormal fluctuation component of the excitation current and / or motor drive voltage detected at the time of motor step-out is extracted and compared with an arbitrarily set threshold value.When the abnormal fluctuation component value deviates from the threshold value, the deviation is detected. Determining that a step-out has occurred in the tone determination unit, and outputting a warning signal to the upper control device via the warning output means based on the determination that the step-out determination unit is out of step;
A step-out detection method for a stepping motor, comprising:
前記電流検出用抵抗を介して検出される励磁電流および／またはモータ駆動電圧の前記変動成分に時間差生成手段をもって時間的なずれを生成すること、
上記励磁電流および／又はモータ駆動電圧検出手段により直接検出された前記変動成分と、前記時間差生成手段により生成された前記変動成分とを減算部にて減算して異常な変動成分を抽出すること、
抽出された異常な変動成分を整流手段をもって整流波に変換すること、
整流波に変換された異常な前記変動成分を積分器を介して積分すること、及び
積分器から出力される値と閾値とを上記脱調判定部にて比較判定すること、
を含んでなる請求項１記載の脱調検出方法。 The abnormal fluctuation component is a fluctuation component based on a change in electromagnetic induction caused by a damped vibration at the time of step-out occurring in the rotor rotation shaft in a band below the natural vibration frequency of the motor
Generating a time lag with a time difference generating means for the fluctuation component of the excitation current and / or motor drive voltage detected via the current detection resistor;
Subtracting the fluctuation component directly detected by the excitation current and / or motor drive voltage detection means and the fluctuation component generated by the time difference generation means by a subtractor to extract an abnormal fluctuation component;
Converting the extracted abnormal fluctuation component into a rectified wave by a rectifying means,
Integrating the abnormal fluctuation component converted into a rectified wave through an integrator, and comparing and determining the value output from the integrator and the threshold value in the step-out determination unit;
The step-out detection method according to claim 1, comprising:
前記減衰振動抵抗を介して検出される励磁電流および／またはモータ駆動電圧のうち前記異常な変動成分以外の変動成分を除去する帯域フィルタに通して異常な変動成分を抽出すること、
抽出された異常な変動成分を整流手段をもって整流波に変換すること、
整流波に変換された異常な変動成分を積分器を介して積分すること、
積分器から出力される値と閾値とを上記脱調判定部にて比較判定すること、
を含んでなる請求項１記載の脱調検出方法。 The abnormal fluctuation component is a fluctuation component based on a change in electromagnetic induction due to a damped vibration at the time of step-out occurring in the rotor rotation shaft in a band below the natural vibration frequency of the motor,
Extracting an abnormal fluctuation component through a bandpass filter that removes fluctuation components other than the abnormal fluctuation component of the excitation current and / or motor drive voltage detected via the damped oscillation resistance;
Converting the extracted abnormal fluctuation component into a rectified wave by a rectifying means,
Integrating the abnormal fluctuation component converted into a rectified wave via an integrator;
The step-out determination unit compares and determines the value output from the integrator and the threshold value,
The step-out detection method according to claim 1, comprising:
を含んでなる請求項２又は３に記載の脱調検出方法。 On the upstream side of the time difference generating means or the bandpass filter, passing the excitation current and / or motor drive voltage detected via the current detection resistor through a smoothing filter to remove noise components;
The step-out detection method according to claim 2 or 3, comprising:
励磁電流出力回路に発生する励磁電流および／またはモータ駆動電圧を電流検出用抵抗を介して検出する励磁電流および／またはモータ駆動電圧の検出手段と、
検出された励磁電流および／またはモータ駆動電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、 励磁電流および／またはモータ駆動電圧の検出時に検出される正常駆動時には含まれない異常な変動成分を抽出する変動成分抽出手段、及びその抽出された異常な変動成分と閾値とを比較して、前記異常な変動成分が閾値から外れたとき、ステッピングモータの駆動に脱調が生じたと判定する比較判定手段とを有する脱調判定部と、
脱調判定部における脱調であるとの判定に基づき、上位の制御装置に警告信号を出力する警告出力手段と、
を備えてなることを特徴とするステッピングモータの脱調検出装置。 A stepping motor out-of-step detection device that performs step control by switching the excitation current,
Excitation current and / or motor drive voltage detection means for detecting the excitation current and / or motor drive voltage generated in the excitation current output circuit via a current detection resistor;
An A / D converter that A / D converts the detected excitation current and / or motor drive voltage, and an abnormal fluctuation component that is not included during normal driving and is detected when the excitation current and / or motor drive voltage is detected. And a comparison determination unit that compares the extracted abnormal fluctuation component with a threshold value and determines that a step-out of the stepping motor has occurred when the abnormal fluctuation component deviates from the threshold value. A step-out determination unit having
Warning output means for outputting a warning signal to a higher-level control device based on the determination of step-out in the step-out determination unit;
A stepping motor out-of-step detection device comprising:
前記変動成分抽出手段が、
前記電流検出用抵抗を通過した励磁電流および／またはモータ駆動電圧を時間的にずらす時間差生成手段と、
上記励磁電流および／又はモータ駆動電圧検出手段により直接検出された変動成分から、前記時間差生成手段により生成された変動成分を減算する減算器と、
を備え、
その減算して得られる変動成分を整流する整流手段と、
整流手段により整流された変動成分を積分する積分器と、
を備えてなる請求項５記載の脱調検出装置。 The abnormal fluctuation component is a fluctuation component based on a change in electromagnetic induction due to a damped vibration at the time of step-out occurring in the rotor rotation shaft in a band below the natural vibration frequency of the motor,
The fluctuation component extraction means is
A time difference generating means for shifting the excitation current and / or the motor drive voltage that has passed through the current detection resistor in time;
A subtractor for subtracting the fluctuation component generated by the time difference generation means from the fluctuation component directly detected by the excitation current and / or motor drive voltage detection means;
With
Rectifying means for rectifying the fluctuation component obtained by the subtraction;
An integrator for integrating the fluctuation component rectified by the rectifying means;
A step-out detection apparatus according to claim 5.
前記変動成分抽出手段が、
前記電流検出用抵抗を通過した励磁電流および／またはモータ駆動電圧に発生する異常な変動成分以外の変動成分を除去する帯域フィルタを備え、
同帯域フィルタにより除去されなかった異常な変動成分を整流する整流手段と、
同整流手段により整流された変動成分を積分する積分器と、
を備えてなる請求項５記載の脱調検出装置。 The abnormal fluctuation component is a fluctuation component based on a change in electromagnetic induction due to a damped vibration at the time of step-out occurring in the rotor rotation shaft in a band below the natural vibration frequency of the motor,
The fluctuation component extraction means is
A bandpass filter for removing fluctuation components other than the abnormal fluctuation component generated in the excitation current and / or motor drive voltage that has passed through the current detection resistor;
Rectifying means for rectifying an abnormal fluctuation component not removed by the same band filter;
An integrator for integrating the fluctuation component rectified by the rectifying means;
A step-out detection apparatus according to claim 5.
The smoothing filter further disposed on the upstream side of the subtracting means or the bandpass filter for removing noise components of the excitation current and / or motor driving voltage detected via the current detection resistor. The step-out detection device described in 1.
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