JP3768476B2 - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はステッピングモータの角度および速度を制御するためのステッピングモータの駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】
IEE Proc.-Electr.Power Appl.,Vol.142,No.1,January 1995
【非特許文献２】
平成１３年度電気学会産業応用部門大会講演論文１１０（第二分冊６５９頁）
装置の高機能化に伴いモータは低振動で広範囲に亘り回転できることが求められているが、ステッピングモータは各巻線の電流通電状態を外部より加える指令パルスの印加毎に切り替えることで回転するため、通電条件の切り替えに伴う振動の発生および脱調が問題となっている。
【０００３】
振動低減のために、パルス幅変調方式（以下、ＰＷＭ方式と記す）のインバータを用いて巻線通電電流を滑らかに変化させるマイクロステップ駆動が振動低減策として一般的である。この場合においても、指令パルスに対して遅滞なく巻線印加電圧の状態を変更する操作を繰り返しており、ロータは印加電圧の変化に追従する形で回転するが、ロータ回転角度（モータ回転実角度）とは無関係に通電条件を決定していることから、根本的に脱調を回避することはできない。
【０００４】
このため、脱調を防ぐために、ロータ回転角度を検出する角度検出器を具備し脱調限界における適正な励磁条件を選択する制御方式が提案されている。
【０００５】
脱調を防ぐためには、例えば非特許文献１に記載されているように、モータ励磁角度を制御する方式が考えられる。この非特許文献１によると、インクリメンタルエンコーダを用いて、通常状態ではステッピングモータを開ループ制御で駆動し、指令パルスとエンコーダにより検出されたロータ回転角度との差である角度偏差の値に応じて励磁タイミングを変更し、脱調を回避するとともに高速回転を実現することができる。
【０００６】
図６は非特許文献１に示された従来のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。図に示されるように、指令および帰還信号受信部３１１は角度指令入力端子３１６から角度指令信号θ＊を入力し、またエンコーダ３４０からロータ回転角度に応じた角度検出信号θｆを入力し、速度判定器３１４は指令および帰還信号受信部３１１の出力を入力して速度を判定し、位置偏差計数器３１５は指令および帰還信号受信部３１１の出力を入力して位置偏差を計数し、制御アルゴリズム実行部３１２は指令および帰還信号受信部３１１、速度判定器３１４、位置偏差計数器３１５の出力を入力して制御アルゴリズムを実行し、パルス信号発生器３１３は制御アルゴリズム実行部３１２の出力を入力してパルス信号を発生し、トルク発生部３２０はパルス信号発生器３１３からのパルス信号を入力してステッピングモータ動力部３３０を制御している。
【０００７】
図６に示されたステッピングモータの駆動装置では、巻線インダクタンスのためにモータ励磁電流が印加電圧に対して遅相となることを見込んで、モータ励磁タイミングを指令角度よりも進める操作を行ない、安定な制御系を簡単な構成で実現している。すなわち、同期運転可能な状態においては、角度指令信号θ＊を直接励磁信号として用い、同期運転が維持できない場合か維持できない状態になりつつある場合には、ロータ回転角度に対して励磁条件を決定しており、励磁の基準を切り替えることにより脱調を回避している。そして、励磁の切り替え条件は、進角度を変更した時のモータ回転数対最大トルク発生条件を実験で求めている。
【０００８】
図７は非特許文献２に示された従来のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。図に示されるように、演算器２２は角度指令入力端子１０に加えられる角度指令信号θ＊、ステッピングモータ８０のロータ軸に接続されたエンコーダ９０の信号を角度演算器（角度演算手段）９１によって回転角度に変換した角度検出信号θｆを用いて進角度γを演算する。ここで、角度検出信号θｆはステッピングモータ８０のロータ回転角度に応じている。また、電流検出器５５、５６はモータ相電流ｉαｆ、ｉβｆを検出し、座標変換器（座標変換手段）６１はモータ相電流ｉαｆ、ｉβｆを進角度γを用いて回転座標系電流ｉｄｆ、ｉｑｆに変換する。すなわち、座標変換器６１は進角度γを用いて固定座標系から回転座標系へ変換する。また、加算器（加算手段）５１はｄ軸電流指令入力端子３１に加えられるｄ軸電流指令ｉｄ ＊と回転座標系電流ｉｄｆとの差分すなわち電流偏差を求め、加算器（加算手段）５２はｑ軸電流指令入力端子３２に加えられるｑ軸電流指令ｉｑ ＊と回転座標系電流ｉｑｆとの差分すなわち電流偏差を求める。また、電流制御器（電流制御手段）５３、５４は加算器５１、５２の出力すなわち電流偏差を増幅し、座標変換器（座標変換手段）６２は演算器２２、電流制御器５３、５４の出力を入力して、回転座標系から固定座標系へ変換する。また、ＰＷＭインバータ７０は座標変換器６２の出力を入力してステッピングモータ８０に対して所定の電圧を印加し、ステッピングモータ８０を回転させる。
【０００９】
ここで、同期電動機の一種であるステッピングモータは、例えば非特許文献２に記載されているように、負荷トルク電流（ｑ軸成分電流）をｉｑ、速度起電力をＥｅｍｆ、モータ巻線インピーダンスをＺ、モータ印加電圧（コイル印加電圧）をＶ、モータ巻線抵抗をＲ、モータ回転角周波数（電気角）をωｒｅ、係数をｋ、インピーダンス角をφ、負荷トルク（モータ発生トルク）をＴ、コイルに入る磁束をΦとすると、負荷トルクＴに対応した適正な進角度γを（１）式で決定することができる。この進角度γとは、モータ磁束に対するモータ印加電圧Ｖの位相角である。
【００１０】
また、巻線インダクタンスをＬとすると、インピーダンス角φは（２）式で表される。
【００１１】
φ＝tan−１(ωｒｅＬ／Ｒ) （２）
また、このときの負荷トルクＴは（３）式で表される。
【００１２】
但し、（１）式および（３）式の導出にあたり、（４）式から（７）式の関係が成り立つものとし、定常状態を考え、ｐＬｄ＝ｐＬｑ＝０（ｐ；微分演算子）とした。高速回転時においてはＲ≪ωｒｅＬ、低速回転時においてはＲ≫ωｒｅＬとして近似が可能である。
【００１３】
νｄ＝ｋＶcosγ （４）
νｑ＝ｋＶsinγ （５）
Ｌｄ＝Ｌｑ＝Ｌ （６）
Ｚ＝Ｒ＋ｊωｒｅＬ （７）
（１）式において、モータ巻線抵抗Ｒ、巻線インダクタンスＬの値は既知とすることができるから、負荷トルク電流ｉｑ、モータ回転角周波数ωｒｅによって進角度γを決定することで、ステッピングモータは任意の回転数で負荷トルクＴに平衡した状態を維持することができる。すなわち、進角度γを制御することで最大発生トルク範囲内でステッピングモータを脱調することなく、回転制御可能となることが分かる。
【００１４】
また、電源電圧をＶ０とすると、（８）式が成り立つ。
【００１５】
（８）式において、通常電源電圧Ｖ０は一定であるから、モータの最大モータ印加電圧は電源電圧Ｖ０以下となる。ωｒｅΦは速度起電力Ｅｅｍｆである。
【００１６】
図８は（８）式においてωｒｅΦ＞Ｖ０の場合についてモータ内部電圧の関係を示す図である。図に示すように、モータ印加電圧Ｖはｄ軸方向のリアクタンス降下ωｒｅＬｉｑである線分ＡＣと、ｑ軸方向のリアクタンス降下ωｒｅＬｉｄである線分ＣＢ、およびｑ軸方向の速度起電力の逆方向分−ωｒｅΦ＝−Ｅｅｍｆである線分ＯＡのベクトル合成値線分ＯＢとなる。円Ｐは半径がＶ０の円を示す。図８はモータのモータ印加電圧位相を制御することで、速度起電力Ｅｅｍｆが電源電圧Ｖ０を超える回転数までモータを駆動できることを示すものである。ゆえに、図７に示した従来のステッピングモータの駆動装置では（１）式を基に進角制御を行なうことが可能である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図６に示した従来のステッピングモータの駆動装置においては、ステッピングモータの定数変化に対応するために事前にモータ特性を調査し、適正な励磁角度の切り替え条件を把握する必要がある。また、角度偏差の大きさで励磁の基準を指令側とロータ回転角度とで切り替えを行なうため、切り替え操作が頻繁に発生する場合、切り替えの前後で励磁角度が微妙に変化するため振動が発生するという問題が生じる。
【００１８】
また、図７に示した従来のステッピングモータの駆動装置においては、（１）式に示す負荷トルクＴまたは負荷トルクＴに対抗するモータトルク発生に必要な負荷トルク電流ｉｑの変化に応じて進角度γを制御するため、負荷トルクＴを検出するか負荷トルクＴに対抗するモータトルク電流を推定する必要があるが、負荷トルクＴの検出またはモータトルク電流の推定は困難であり、システム構成も複雑で演算時間が長くなり、コストも高くなるという問題点があった。
【００１９】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、複雑な演算を行なう必要がなく、高速に処理が可能であり、しかも振動が発生することがないステッピングモータの駆動装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、ロータ回転角度に対してモータ印加電圧の位相を制御するステッピングモータの駆動装置において、外部から得る指令角度と上記ロータ回転角度との差である角度偏差を演算する角度偏差演算手段と、上記角度偏差と所定値とを比較し、上記角度偏差が上記所定値以下の場合には上記角度偏差を出力し、上記角度偏差が上記所定値を超えた場合は一定値を出力する偏差値処理手段とを設け、上記偏差値処理手段の出力と、上記ロータ回転角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、上記角度偏差と上記ロータ回転角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とを上記ロータ回転角度に加算した値で上記モータ印加電圧の位相を制御する。
【００２２】
また、ロータ回転角度に対してモータ印加電圧の位相を制御するステッピングモータの駆動装置において、外部から得る指令角度と上記ロータ回転角度との差である角度偏差を演算する角度偏差演算手段と、上記角度偏差と所定値とを比較し、上記角度偏差が上記所定値以下の場合には上記角度偏差を出力し、上記角度偏差が上記所定値を超えた場合は一定値を出力する偏差値処理手段とを設け、上記偏差値処理手段の出力と、上記指令角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、上記角度偏差と上記指令角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とを上記ロータ回転角度に加算した値で上記モータ印加電圧の位相を制御する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は参考例のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。図に示すように、進角制御器（進角制御手段）２０は角度指令信号θ＊、角度検出信号θｆを入力して進角度γを演算し、座標変換器６２は進角制御器２０、電流制御器５３、５４の出力を入力して、回転座標系から固定座標系へ変換し、ＰＷＭインバータ７０は座標変換器６２の出力を入力してステッピングモータ８０に対して所定の電圧を印加し、ステッピングモータ８０を回転させる。
なお、座標変換器６１は、進角制御器２０の出力である進角度γを用いて、モータ相電流ｉαｆ、ｉβｆを回転座標系の電流ｉｄｆ、ｉｑｆに変換する。
【００２４】
図２は図１に示したステッピングモータの駆動装置の進角制御器の詳細を示す図である。図に示すように、進角制御器２０は角度偏差演算部（角度偏差演算手段）２０１、偏差値処理部（偏差値処理手段）２０２および加算器（加算手段）２０３を有し、角度偏差演算部２０１は角度指令信号θ＊と角度検出信号θｆとを入力して角度偏差信号εｓを出力し、偏差値処理部２０２は角度偏差信号εｓと所定値（電気角）θｒｅｆ（たとえば９０度）とを比較し、角度偏差信号εｓが所定値θｒｅｆ以下となったときには出力λとして角度偏差信号εｓを出力し、角度偏差信号εｓが所定値θｒｅｆを超えたときは出力λとして一定値（たとえば９０度）を出力する。また、加算器２０３は偏差値処理部２０２の出力λに角度検出信号θｆを加算して進角度γを求める。
【００２５】
すなわち、図１、図２に示したステッピングモータの駆動装置においては、外部から得る指令角度とロータ回転角度との差である角度偏差を演算する角度偏差演算部２０１と、角度偏差と所定値とを比較し、角度偏差が所定値以下の場合には角度偏差を出力し、角度偏差が所定値を超えた場合は一定値を出力する偏差値処理部２０２とを設け、偏差値処理部２０２の出力をロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御する。
【００２６】
図３は（１）式におけるモータ回転角周波数ωｒｅに対する進角度γの変化を示すグラフである。図３において、線ａは（１）式第１項の値の変化を示すもので、（１）式第１項の値はインピーダンス角φであり、モータ回転角周波数ωｒｅの増加とともに９０度に漸近する。また、線ｂ1、ｂ2は（１）式第２項の値の変化を示すもので、線ｂ1は負荷トルクＴが大きい場合を示し、線ｂ2は負荷トルクＴが小さい場合を示し、（１）式第２項の値はモータ回転角周波数ωｒｅの増加とともに増加し、（１）式第２項の値の最大値は９０度である。また、線ｃ1、ｃ2は（１）式の値すなわち進角度γの変化を示すもので、線ｃ1は負荷トルクＴが大きい場合を示し、線ｃ2は負荷トルクＴが小さい場合を示す。
【００２７】
これに対してハイブリッド形ステッピングモータは周知の通り電流と磁束の外積に比例したトルクを発生するため、電流と磁束との相対角度すなわち負荷角をδ、モータ印加電圧と磁束との相対角すなわち角度偏差をε（ε＝φ＋δ）、モータの最大トルクをＴＨとすると、負荷トルクＴは（９）式で近似できる。
【００２８】
Ｔ＝ＴＨsinδ＝ＴＨsin(ε−φ) （９）
（９）式から負荷トルクＴと角度偏差εとの関係は（１０）式で表される。
【００２９】
ε＝φ＋sin−１(Ｔ／ＴＨ) （１０）
（９）式、（１０）式はロータ回転角度を基準に角度を定義している。したがって、進角度γに角度偏差εを用いることで、負荷トルクＴを検出する場合と同等の効果を得ることができる。ただし、（１０）式は第１項φがモータ回転角周波数ωｒｅの変化に対して０から９０度の範囲で変化し、第２項もＴ≦ＴＨで０から９０度まで変化するため、角度偏差εを用いる範囲を９０度以内の所定値に止めることで、全速度領域で（１０）式が成り立つ。
【００３０】
すなわち、偏差値処理部２０２の出力λを角度検出信号θｆ（ロータ回転角度）に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御するように構成することで、常にロータ回転角度を基に進角度γを決定することができ、基準を変える操作が発生せず、図６に示したステッピングモータの駆動装置のように振動発生原因として問題となる励磁基準の切り替え操作を行なわない構成とすることができる。
【００３１】
したがって、図１、図２に示したステッピングモータの駆動装置においては、負荷トルク電流ｉｑの変化に応じて進角度γを制御したり、複雑な演算を行なう必要がなく、高速に処理が可能な進角制御システムを安価に実現でき、しかも振動が発生することがない。すなわち、簡単な操作でステッピングモータの適正進角度を常に一定の処理内容で、切り替え操作なしに行なうことが可能であるから、低振動で、脱調を回避しつつ高速領域まで回転を維持することができる。
【００３２】
図４は本発明に係るステッピングモータの駆動装置の一部を示すブロック図である。図に示すように、微分器（微分手段）２２１は角度検出信号θｆを時間微分し、乗算器（乗算手段）２１１は角度偏差信号εｓと微分器（微分手段）２２１の出力すなわちモータ回転速度信号とを乗算し、係数器（係数手段）２１２は乗算器２１１の出力を係数倍し、係数器（係数手段）２２２は微分器２２１の出力を係数倍している。そして、乗算器２１１と係数器２１２とで偏差補償部（偏差補償手段）２１０が構成され、微分器２２１と係数器２２２とで速度補償部（速度補償手段）２２０が構成されている。また、加算器（加算手段）２０４は偏差値処理部２０２の出力λに角度検出信号θｆ、偏差補償部２１０の出力および速度補償部２２０の出力を加算して進角度γを求める。
【００３３】
すなわち、図４に示したステッピングモータの駆動装置においては、偏差値処理部２０２の出力と、ロータ回転角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、上記角度偏差と上記ロータ回転角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とをロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御する。
【００３４】
このようなステッピングモータの駆動装置においては、偏差補償部２１０が設けられているから、係数を適当に選択することで（１）式第２項を一次関数で近似することができる。また、速度補償部２２０が設けられているから、サンプリング処理などの速度に比例した角度誤差を独立に補正することができる。
【００３５】
また、図５は本発明に係る他のステッピングモータの駆動装置の一部を示すブロック図である。図に示すように、微分器（微分手段）２２３は角度指令信号θ＊を時間微分し、乗算器２１１は角度偏差εと微分器２２３の出力すなわちモータ回転速度信号とを乗算し、係数器２２２は微分器２２３の出力を係数倍している。そして、微分器２２３と係数器２２２とで速度補償部（速度補償手段）２２４が構成されている。また、加算器（加算手段）２０５は偏差値処理部２０２の出力λに角度検出信号θｆ、偏差補償部２１０の出力および速度補償部２２４の出力を加算して進角度γを求める。
【００３６】
すなわち、図５に示したステッピングモータの駆動装置においては、偏差値処理部２０２の出力と、指令角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、角度偏差と指令角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とをロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御する。
【００３７】
このようなステッピングモータの駆動装置においても、係数を適当に選択することで（１）式第２項を一次関数で近似することができ、また速度補償部２２４が設けられているから、サンプリング処理などの速度に比例した角度誤差を独立に補正することができる。また、微分器２２３は角度指令信号θ＊を時間微分しているから、モータ振動などのモータ回転速度変動の影響を受けずらい安定した制御を実現できる。
【００３８】
なお、上述実施の形態においては、角度検出器にエンコーダ９０を用いているが、例えばレゾルバなどの相当性能のセンサであれば代替が可能であり、またモータ軸直結のセンサである必要もない。また、上述実施の形態においては、電流検出器５５、５６を用い電流制御を行なったが、電圧駆動方式のドライバについても適用可能である。また、上述実施の形態においては、２相ステッピングモータについて詳述したが、多相ステッピングモータにおいても本発明は適用可能である。また、進角制御器はマイクロプロセッサを用いることで容易に実現可能であるが、例えばアップダウンカウンタを用いて角度偏差を計算し、上記アップダウンカウンタの所定下位桁を出力信号とすることで角度偏差検出部と偏差信号処理部とを同時に構成することもできる。また、ステッピングモータの駆動装置をソフトウエアで処理する場合には、処理内容を簡略化したことにより高価で高機能のＣＰＵを必要とせず安価な処理回路で進角制御機能を実現できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係るステッピングモータの駆動装置においては、複雑な演算を行なう必要がなく、高速に処理が可能であり、しかも振動が発生することがない。
【００４０】
また、偏差値処理手段の出力と、ロータ回転角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、角度偏差とロータ回転角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とをロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御したときには、係数を適当に選択することで（１）式第２項を一次関数で近似することができ、またサンプリング処理などの速度に比例した角度誤差を独立に補正することができる。
【００４１】
また、偏差値処理手段の出力と、指令角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、角度偏差と指令角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とをロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御したときには、係数を適当に選択することで（１）式第２項を一次関数で近似することができ、またサンプリング処理などの速度に比例した角度誤差を独立に補正することができ、さらにモータ振動などのモータ回転速度変動の影響を受けずらい安定した制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示したステッピングモータの駆動装置の進角制御器の詳細を示す図である。
【図３】（１）式におけるモータ回転角周波数ωｒｅに対する進角度γの変化を示すグラフである。
【図４】 本発明に係るステッピングモータの駆動装置の一部を示すブロック図である。
【図５】本発明に係る他のステッピングモータの駆動装置の一部を示すブロック図である。
【図６】従来のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図７】従来の他のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図８】モータ内部電圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…角度指令入力端子
２０…進角制御器
３１…ｄ軸電流指令入力端子
３２…ｑ軸電流指令入力端子
５１…加算器
５２…加算器
５３…電流制御器
５４…電流制御器
５５…電流検出器
５６…電流検出器
６１…座標変換器
６２…座標変換器
７０…ＰＷＭインバータ
８０…ステッピングモータ
９０…エンコーダ
９１…角度演算器
２０１…角度偏差演算部
２０２…偏差値処理部
２０３…加算器
２０４…加算器
２０５…加算器
２１０…偏差補償部
２１１…乗算器
２１２…係数器
２２０…速度補償部
２２１…微分器
２２２…係数器
２２３…微分器
２２４…速度補償部
【発明の属する技術分野】
本発明はステッピングモータの角度および速度を制御するためのステッピングモータの駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】
IEE Proc.-Electr.Power Appl.,Vol.142,No.1,January 1995
【非特許文献２】
平成１３年度電気学会産業応用部門大会講演論文１１０（第二分冊６５９頁）
装置の高機能化に伴いモータは低振動で広範囲に亘り回転できることが求められているが、ステッピングモータは各巻線の電流通電状態を外部より加える指令パルスの印加毎に切り替えることで回転するため、通電条件の切り替えに伴う振動の発生および脱調が問題となっている。
【０００３】
振動低減のために、パルス幅変調方式（以下、ＰＷＭ方式と記す）のインバータを用いて巻線通電電流を滑らかに変化させるマイクロステップ駆動が振動低減策として一般的である。この場合においても、指令パルスに対して遅滞なく巻線印加電圧の状態を変更する操作を繰り返しており、ロータは印加電圧の変化に追従する形で回転するが、ロータ回転角度（モータ回転実角度）とは無関係に通電条件を決定していることから、根本的に脱調を回避することはできない。
【０００４】
このため、脱調を防ぐために、ロータ回転角度を検出する角度検出器を具備し脱調限界における適正な励磁条件を選択する制御方式が提案されている。
【０００５】
脱調を防ぐためには、例えば非特許文献１に記載されているように、モータ励磁角度を制御する方式が考えられる。この非特許文献１によると、インクリメンタルエンコーダを用いて、通常状態ではステッピングモータを開ループ制御で駆動し、指令パルスとエンコーダにより検出されたロータ回転角度との差である角度偏差の値に応じて励磁タイミングを変更し、脱調を回避するとともに高速回転を実現することができる。
【０００６】
図６は非特許文献１に示された従来のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。図に示されるように、指令および帰還信号受信部３１１は角度指令入力端子３１６から角度指令信号θ＊を入力し、またエンコーダ３４０からロータ回転角度に応じた角度検出信号θｆを入力し、速度判定器３１４は指令および帰還信号受信部３１１の出力を入力して速度を判定し、位置偏差計数器３１５は指令および帰還信号受信部３１１の出力を入力して位置偏差を計数し、制御アルゴリズム実行部３１２は指令および帰還信号受信部３１１、速度判定器３１４、位置偏差計数器３１５の出力を入力して制御アルゴリズムを実行し、パルス信号発生器３１３は制御アルゴリズム実行部３１２の出力を入力してパルス信号を発生し、トルク発生部３２０はパルス信号発生器３１３からのパルス信号を入力してステッピングモータ動力部３３０を制御している。
【０００７】
図６に示されたステッピングモータの駆動装置では、巻線インダクタンスのためにモータ励磁電流が印加電圧に対して遅相となることを見込んで、モータ励磁タイミングを指令角度よりも進める操作を行ない、安定な制御系を簡単な構成で実現している。すなわち、同期運転可能な状態においては、角度指令信号θ＊を直接励磁信号として用い、同期運転が維持できない場合か維持できない状態になりつつある場合には、ロータ回転角度に対して励磁条件を決定しており、励磁の基準を切り替えることにより脱調を回避している。そして、励磁の切り替え条件は、進角度を変更した時のモータ回転数対最大トルク発生条件を実験で求めている。
【０００８】
図７は非特許文献２に示された従来のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。図に示されるように、演算器２２は角度指令入力端子１０に加えられる角度指令信号θ＊、ステッピングモータ８０のロータ軸に接続されたエンコーダ９０の信号を角度演算器（角度演算手段）９１によって回転角度に変換した角度検出信号θｆを用いて進角度γを演算する。ここで、角度検出信号θｆはステッピングモータ８０のロータ回転角度に応じている。また、電流検出器５５、５６はモータ相電流ｉαｆ、ｉβｆを検出し、座標変換器（座標変換手段）６１はモータ相電流ｉαｆ、ｉβｆを進角度γを用いて回転座標系電流ｉｄｆ、ｉｑｆに変換する。すなわち、座標変換器６１は進角度γを用いて固定座標系から回転座標系へ変換する。また、加算器（加算手段）５１はｄ軸電流指令入力端子３１に加えられるｄ軸電流指令ｉｄ ＊と回転座標系電流ｉｄｆとの差分すなわち電流偏差を求め、加算器（加算手段）５２はｑ軸電流指令入力端子３２に加えられるｑ軸電流指令ｉｑ ＊と回転座標系電流ｉｑｆとの差分すなわち電流偏差を求める。また、電流制御器（電流制御手段）５３、５４は加算器５１、５２の出力すなわち電流偏差を増幅し、座標変換器（座標変換手段）６２は演算器２２、電流制御器５３、５４の出力を入力して、回転座標系から固定座標系へ変換する。また、ＰＷＭインバータ７０は座標変換器６２の出力を入力してステッピングモータ８０に対して所定の電圧を印加し、ステッピングモータ８０を回転させる。
【０００９】
ここで、同期電動機の一種であるステッピングモータは、例えば非特許文献２に記載されているように、負荷トルク電流（ｑ軸成分電流）をｉｑ、速度起電力をＥｅｍｆ、モータ巻線インピーダンスをＺ、モータ印加電圧（コイル印加電圧）をＶ、モータ巻線抵抗をＲ、モータ回転角周波数（電気角）をωｒｅ、係数をｋ、インピーダンス角をφ、負荷トルク（モータ発生トルク）をＴ、コイルに入る磁束をΦとすると、負荷トルクＴに対応した適正な進角度γを（１）式で決定することができる。この進角度γとは、モータ磁束に対するモータ印加電圧Ｖの位相角である。
【００１０】
【００１１】
φ＝tan−１(ωｒｅＬ／Ｒ) （２）
また、このときの負荷トルクＴは（３）式で表される。
【００１２】
【００１３】
νｄ＝ｋＶcosγ （４）
νｑ＝ｋＶsinγ （５）
Ｌｄ＝Ｌｑ＝Ｌ （６）
Ｚ＝Ｒ＋ｊωｒｅＬ （７）
（１）式において、モータ巻線抵抗Ｒ、巻線インダクタンスＬの値は既知とすることができるから、負荷トルク電流ｉｑ、モータ回転角周波数ωｒｅによって進角度γを決定することで、ステッピングモータは任意の回転数で負荷トルクＴに平衡した状態を維持することができる。すなわち、進角度γを制御することで最大発生トルク範囲内でステッピングモータを脱調することなく、回転制御可能となることが分かる。
【００１４】
また、電源電圧をＶ０とすると、（８）式が成り立つ。
【００１５】
【００１６】
図８は（８）式においてωｒｅΦ＞Ｖ０の場合についてモータ内部電圧の関係を示す図である。図に示すように、モータ印加電圧Ｖはｄ軸方向のリアクタンス降下ωｒｅＬｉｑである線分ＡＣと、ｑ軸方向のリアクタンス降下ωｒｅＬｉｄである線分ＣＢ、およびｑ軸方向の速度起電力の逆方向分−ωｒｅΦ＝−Ｅｅｍｆである線分ＯＡのベクトル合成値線分ＯＢとなる。円Ｐは半径がＶ０の円を示す。図８はモータのモータ印加電圧位相を制御することで、速度起電力Ｅｅｍｆが電源電圧Ｖ０を超える回転数までモータを駆動できることを示すものである。ゆえに、図７に示した従来のステッピングモータの駆動装置では（１）式を基に進角制御を行なうことが可能である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図６に示した従来のステッピングモータの駆動装置においては、ステッピングモータの定数変化に対応するために事前にモータ特性を調査し、適正な励磁角度の切り替え条件を把握する必要がある。また、角度偏差の大きさで励磁の基準を指令側とロータ回転角度とで切り替えを行なうため、切り替え操作が頻繁に発生する場合、切り替えの前後で励磁角度が微妙に変化するため振動が発生するという問題が生じる。
【００１８】
また、図７に示した従来のステッピングモータの駆動装置においては、（１）式に示す負荷トルクＴまたは負荷トルクＴに対抗するモータトルク発生に必要な負荷トルク電流ｉｑの変化に応じて進角度γを制御するため、負荷トルクＴを検出するか負荷トルクＴに対抗するモータトルク電流を推定する必要があるが、負荷トルクＴの検出またはモータトルク電流の推定は困難であり、システム構成も複雑で演算時間が長くなり、コストも高くなるという問題点があった。
【００１９】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、複雑な演算を行なう必要がなく、高速に処理が可能であり、しかも振動が発生することがないステッピングモータの駆動装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、ロータ回転角度に対してモータ印加電圧の位相を制御するステッピングモータの駆動装置において、外部から得る指令角度と上記ロータ回転角度との差である角度偏差を演算する角度偏差演算手段と、上記角度偏差と所定値とを比較し、上記角度偏差が上記所定値以下の場合には上記角度偏差を出力し、上記角度偏差が上記所定値を超えた場合は一定値を出力する偏差値処理手段とを設け、上記偏差値処理手段の出力と、上記ロータ回転角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、上記角度偏差と上記ロータ回転角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とを上記ロータ回転角度に加算した値で上記モータ印加電圧の位相を制御する。
【００２２】
また、ロータ回転角度に対してモータ印加電圧の位相を制御するステッピングモータの駆動装置において、外部から得る指令角度と上記ロータ回転角度との差である角度偏差を演算する角度偏差演算手段と、上記角度偏差と所定値とを比較し、上記角度偏差が上記所定値以下の場合には上記角度偏差を出力し、上記角度偏差が上記所定値を超えた場合は一定値を出力する偏差値処理手段とを設け、上記偏差値処理手段の出力と、上記指令角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、上記角度偏差と上記指令角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とを上記ロータ回転角度に加算した値で上記モータ印加電圧の位相を制御する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は参考例のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。図に示すように、進角制御器（進角制御手段）２０は角度指令信号θ＊、角度検出信号θｆを入力して進角度γを演算し、座標変換器６２は進角制御器２０、電流制御器５３、５４の出力を入力して、回転座標系から固定座標系へ変換し、ＰＷＭインバータ７０は座標変換器６２の出力を入力してステッピングモータ８０に対して所定の電圧を印加し、ステッピングモータ８０を回転させる。
なお、座標変換器６１は、進角制御器２０の出力である進角度γを用いて、モータ相電流ｉαｆ、ｉβｆを回転座標系の電流ｉｄｆ、ｉｑｆに変換する。
【００２４】
図２は図１に示したステッピングモータの駆動装置の進角制御器の詳細を示す図である。図に示すように、進角制御器２０は角度偏差演算部（角度偏差演算手段）２０１、偏差値処理部（偏差値処理手段）２０２および加算器（加算手段）２０３を有し、角度偏差演算部２０１は角度指令信号θ＊と角度検出信号θｆとを入力して角度偏差信号εｓを出力し、偏差値処理部２０２は角度偏差信号εｓと所定値（電気角）θｒｅｆ（たとえば９０度）とを比較し、角度偏差信号εｓが所定値θｒｅｆ以下となったときには出力λとして角度偏差信号εｓを出力し、角度偏差信号εｓが所定値θｒｅｆを超えたときは出力λとして一定値（たとえば９０度）を出力する。また、加算器２０３は偏差値処理部２０２の出力λに角度検出信号θｆを加算して進角度γを求める。
【００２５】
すなわち、図１、図２に示したステッピングモータの駆動装置においては、外部から得る指令角度とロータ回転角度との差である角度偏差を演算する角度偏差演算部２０１と、角度偏差と所定値とを比較し、角度偏差が所定値以下の場合には角度偏差を出力し、角度偏差が所定値を超えた場合は一定値を出力する偏差値処理部２０２とを設け、偏差値処理部２０２の出力をロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御する。
【００２６】
図３は（１）式におけるモータ回転角周波数ωｒｅに対する進角度γの変化を示すグラフである。図３において、線ａは（１）式第１項の値の変化を示すもので、（１）式第１項の値はインピーダンス角φであり、モータ回転角周波数ωｒｅの増加とともに９０度に漸近する。また、線ｂ1、ｂ2は（１）式第２項の値の変化を示すもので、線ｂ1は負荷トルクＴが大きい場合を示し、線ｂ2は負荷トルクＴが小さい場合を示し、（１）式第２項の値はモータ回転角周波数ωｒｅの増加とともに増加し、（１）式第２項の値の最大値は９０度である。また、線ｃ1、ｃ2は（１）式の値すなわち進角度γの変化を示すもので、線ｃ1は負荷トルクＴが大きい場合を示し、線ｃ2は負荷トルクＴが小さい場合を示す。
【００２７】
これに対してハイブリッド形ステッピングモータは周知の通り電流と磁束の外積に比例したトルクを発生するため、電流と磁束との相対角度すなわち負荷角をδ、モータ印加電圧と磁束との相対角すなわち角度偏差をε（ε＝φ＋δ）、モータの最大トルクをＴＨとすると、負荷トルクＴは（９）式で近似できる。
【００２８】
Ｔ＝ＴＨsinδ＝ＴＨsin(ε−φ) （９）
（９）式から負荷トルクＴと角度偏差εとの関係は（１０）式で表される。
【００２９】
ε＝φ＋sin−１(Ｔ／ＴＨ) （１０）
（９）式、（１０）式はロータ回転角度を基準に角度を定義している。したがって、進角度γに角度偏差εを用いることで、負荷トルクＴを検出する場合と同等の効果を得ることができる。ただし、（１０）式は第１項φがモータ回転角周波数ωｒｅの変化に対して０から９０度の範囲で変化し、第２項もＴ≦ＴＨで０から９０度まで変化するため、角度偏差εを用いる範囲を９０度以内の所定値に止めることで、全速度領域で（１０）式が成り立つ。
【００３０】
すなわち、偏差値処理部２０２の出力λを角度検出信号θｆ（ロータ回転角度）に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御するように構成することで、常にロータ回転角度を基に進角度γを決定することができ、基準を変える操作が発生せず、図６に示したステッピングモータの駆動装置のように振動発生原因として問題となる励磁基準の切り替え操作を行なわない構成とすることができる。
【００３１】
したがって、図１、図２に示したステッピングモータの駆動装置においては、負荷トルク電流ｉｑの変化に応じて進角度γを制御したり、複雑な演算を行なう必要がなく、高速に処理が可能な進角制御システムを安価に実現でき、しかも振動が発生することがない。すなわち、簡単な操作でステッピングモータの適正進角度を常に一定の処理内容で、切り替え操作なしに行なうことが可能であるから、低振動で、脱調を回避しつつ高速領域まで回転を維持することができる。
【００３２】
図４は本発明に係るステッピングモータの駆動装置の一部を示すブロック図である。図に示すように、微分器（微分手段）２２１は角度検出信号θｆを時間微分し、乗算器（乗算手段）２１１は角度偏差信号εｓと微分器（微分手段）２２１の出力すなわちモータ回転速度信号とを乗算し、係数器（係数手段）２１２は乗算器２１１の出力を係数倍し、係数器（係数手段）２２２は微分器２２１の出力を係数倍している。そして、乗算器２１１と係数器２１２とで偏差補償部（偏差補償手段）２１０が構成され、微分器２２１と係数器２２２とで速度補償部（速度補償手段）２２０が構成されている。また、加算器（加算手段）２０４は偏差値処理部２０２の出力λに角度検出信号θｆ、偏差補償部２１０の出力および速度補償部２２０の出力を加算して進角度γを求める。
【００３３】
すなわち、図４に示したステッピングモータの駆動装置においては、偏差値処理部２０２の出力と、ロータ回転角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、上記角度偏差と上記ロータ回転角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とをロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御する。
【００３４】
このようなステッピングモータの駆動装置においては、偏差補償部２１０が設けられているから、係数を適当に選択することで（１）式第２項を一次関数で近似することができる。また、速度補償部２２０が設けられているから、サンプリング処理などの速度に比例した角度誤差を独立に補正することができる。
【００３５】
また、図５は本発明に係る他のステッピングモータの駆動装置の一部を示すブロック図である。図に示すように、微分器（微分手段）２２３は角度指令信号θ＊を時間微分し、乗算器２１１は角度偏差εと微分器２２３の出力すなわちモータ回転速度信号とを乗算し、係数器２２２は微分器２２３の出力を係数倍している。そして、微分器２２３と係数器２２２とで速度補償部（速度補償手段）２２４が構成されている。また、加算器（加算手段）２０５は偏差値処理部２０２の出力λに角度検出信号θｆ、偏差補償部２１０の出力および速度補償部２２４の出力を加算して進角度γを求める。
【００３６】
すなわち、図５に示したステッピングモータの駆動装置においては、偏差値処理部２０２の出力と、指令角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、角度偏差と指令角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とをロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御する。
【００３７】
このようなステッピングモータの駆動装置においても、係数を適当に選択することで（１）式第２項を一次関数で近似することができ、また速度補償部２２４が設けられているから、サンプリング処理などの速度に比例した角度誤差を独立に補正することができる。また、微分器２２３は角度指令信号θ＊を時間微分しているから、モータ振動などのモータ回転速度変動の影響を受けずらい安定した制御を実現できる。
【００３８】
なお、上述実施の形態においては、角度検出器にエンコーダ９０を用いているが、例えばレゾルバなどの相当性能のセンサであれば代替が可能であり、またモータ軸直結のセンサである必要もない。また、上述実施の形態においては、電流検出器５５、５６を用い電流制御を行なったが、電圧駆動方式のドライバについても適用可能である。また、上述実施の形態においては、２相ステッピングモータについて詳述したが、多相ステッピングモータにおいても本発明は適用可能である。また、進角制御器はマイクロプロセッサを用いることで容易に実現可能であるが、例えばアップダウンカウンタを用いて角度偏差を計算し、上記アップダウンカウンタの所定下位桁を出力信号とすることで角度偏差検出部と偏差信号処理部とを同時に構成することもできる。また、ステッピングモータの駆動装置をソフトウエアで処理する場合には、処理内容を簡略化したことにより高価で高機能のＣＰＵを必要とせず安価な処理回路で進角制御機能を実現できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係るステッピングモータの駆動装置においては、複雑な演算を行なう必要がなく、高速に処理が可能であり、しかも振動が発生することがない。
【００４０】
また、偏差値処理手段の出力と、ロータ回転角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、角度偏差とロータ回転角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とをロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御したときには、係数を適当に選択することで（１）式第２項を一次関数で近似することができ、またサンプリング処理などの速度に比例した角度誤差を独立に補正することができる。
【００４１】
また、偏差値処理手段の出力と、指令角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、角度偏差と指令角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とをロータ回転角度に加算した値でモータ印加電圧の位相を制御したときには、係数を適当に選択することで（１）式第２項を一次関数で近似することができ、またサンプリング処理などの速度に比例した角度誤差を独立に補正することができ、さらにモータ振動などのモータ回転速度変動の影響を受けずらい安定した制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示したステッピングモータの駆動装置の進角制御器の詳細を示す図である。
【図３】（１）式におけるモータ回転角周波数ωｒｅに対する進角度γの変化を示すグラフである。
【図４】 本発明に係るステッピングモータの駆動装置の一部を示すブロック図である。
【図５】本発明に係る他のステッピングモータの駆動装置の一部を示すブロック図である。
【図６】従来のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図７】従来の他のステッピングモータの駆動装置を示すブロック図である。
【図８】モータ内部電圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…角度指令入力端子
２０…進角制御器
３１…ｄ軸電流指令入力端子
３２…ｑ軸電流指令入力端子
５１…加算器
５２…加算器
５３…電流制御器
５４…電流制御器
５５…電流検出器
５６…電流検出器
６１…座標変換器
６２…座標変換器
７０…ＰＷＭインバータ
８０…ステッピングモータ
９０…エンコーダ
９１…角度演算器
２０１…角度偏差演算部
２０２…偏差値処理部
２０３…加算器
２０４…加算器
２０５…加算器
２１０…偏差補償部
２１１…乗算器
２１２…係数器
２２０…速度補償部
２２１…微分器
２２２…係数器
２２３…微分器
２２４…速度補償部
Claims (2)
- ロータ回転角度に対してモータ印加電圧の位相を制御するステッピングモータの駆動装置において、外部から得る指令角度と上記ロータ回転角度との差である角度偏差を演算する角度偏差演算手段と、上記角度偏差と所定値とを比較し、上記角度偏差が上記所定値以下の場合には上記角度偏差を出力し、上記角度偏差が上記所定値を超えた場合は一定値を出力する偏差値処理手段とを具備し、上記偏差値処理手段の出力と、上記ロータ回転角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、上記角度偏差と上記ロータ回転角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とを上記ロータ回転角度に加算した値で上記モータ印加電圧の位相を制御することを特徴とするステッピングモータの駆動装置。
- ロータ回転角度に対してモータ印加電圧の位相を制御するステッピングモータの駆動装置において、外部から得る指令角度と上記ロータ回転角度との差である角度偏差を演算する角度偏差演算手段と、上記角度偏差と所定値とを比較し、上記角度偏差が上記所定値以下の場合には上記角度偏差を出力し、上記角度偏差が上記所定値を超えた場合は一定値を出力する偏差値処理手段とを具備し、上記偏差値処理手段の出力と、上記指令角度の時間微分値を係数倍した速度補償値と、上記角度偏差と上記指令角度の時間微分値とを乗じたのち係数倍した偏差補償値とを上記ロータ回転角度に加算した値で上記モータ印加電圧の位相を制御することを特徴とするステッピングモータの駆動装置。
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