JP5489648B2 - Motor drive device - Google Patents
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Description
本発明はモータ駆動装置に係り、特に、ロータの位置を検出する位置センサを有するモータ駆動装置に関する。 The present invention relates to a motor drive device, and more particularly to a motor drive device having a position sensor for detecting the position of a rotor.
オープンループ駆動及びフィードバック駆動を切り替えてモータの駆動制御を行うモータ駆動装置において、フィードバック駆動からオープンループ駆動への切り替えは、通常、位置センサに基づいて検出されたロータの回転周波数が所定値に達したときに行われる。
特許文献１では、オープンループ駆動及びフィードバック駆動の切り替えを、モータの位置センサの出力に応じたタイミングで行うことが開示されている。また、切り替え時におけるロータの回転位置を、ロータがマイクロステップ駆動において電磁気的に安定して静止する位置に一致させることで、切り替え時のロータの振動を防止する方法が開示されている。
In motor drive devices that perform motor drive control by switching between open-loop drive and feedback drive, switching from feedback drive to open-loop drive is usually performed when the rotational frequency of the rotor detected based on the position sensor reaches a predetermined value. When done.
Patent Document 1 discloses that switching between open-loop driving and feedback driving is performed at a timing according to the output of a motor position sensor. Also disclosed is a method for preventing vibration of the rotor at the time of switching by matching the rotational position of the rotor at the time of switching with the position where the rotor is electromagnetically stable and stationary in microstep drive.
しかしながら、フィードバック駆動からオープンループ駆動へ切り替える際にロータの回転加速度が急変する場合、ロータの回転慣性のために衝撃振動が生じる。特許文献１に開示された技術では、このような振動の発生を抑制できない。 However, when the rotational acceleration of the rotor changes suddenly when switching from feedback driving to open loop driving, impact vibration occurs due to the rotational inertia of the rotor. The technique disclosed in Patent Document 1 cannot suppress the occurrence of such vibration.
そこで本発明は、フィードバック駆動からオープンループ駆動へ切り替える際に生じる振動を低減するモータ駆動装置を提供する。 Therefore, the present invention provides a motor drive device that reduces vibrations that occur when switching from feedback drive to open loop drive.
本発明の一側面としてのモータ駆動装置は、所定の時間間隔に従ってモータのコイルへの通電を切り替えることで、前記モータをオープンループ駆動する第１駆動手段と、ロータの位置を検出する位置センサの出力に応じて前記モータの前記コイルへの通電を切り替えることで、前記モータをフィードバック駆動する第２駆動手段と、前記位置センサの出力から前記ロータの回転周波数及び回転角加速度を算出する演算手段と、前記第２駆動手段によって前記モータをフィードバック駆動するフィードバック駆動区間にて、前記モータを減速させ、前記フィードバック駆動区間にて、前記モータを減速させた後、前記第１駆動手段によって前記モータをオープンループ駆動するオープンループ駆動区間に切り替え、前記モータを前記オープンループ駆動区間に切り替えた後、前記オープンループ駆動区間にて、前記モータを予め設定される初期回転周波数および初期回転角加速度にて減速させるように制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記フィードバック駆動区間における前記モータの減速開始位置での回転周波数と、前記フィードバック駆動区間における前記モータの減速開始位置から所定の位置までの回転角加速度を計測し、前記モータの減速開始位置から前記オープンループ駆動区間への切り替え位置までの間に、前記計測した回転周波数を前記初期回転周波数と略一致させ、前記計測した回転角加速度を前記初期回転角加速度と略一致させるように制御することを特徴とする。 A motor driving device according to one aspect of the present invention includes: a first driving unit that performs open-loop driving of the motor by switching energization to a coil of the motor according to a predetermined time interval; and a position sensor that detects a position of the rotor. A second driving unit that feedback-drives the motor by switching energization of the coil of the motor according to an output; and an arithmetic unit that calculates the rotational frequency and rotational angular acceleration of the rotor from the output of the position sensor; The motor is decelerated in a feedback driving section in which the motor is feedback-driven by the second driving means , and after the motor is decelerated in the feedback driving section, the motor is opened by the first driving means. Switch to the open-loop drive section for loop drive and open the motor After switching the-loop drive section, wherein in an open-loop drive section, and a control means for controlling so as to decelerate at preset the initial rotation frequency and the initial rotational angular acceleration of the motor, the control The means measures the rotational frequency at the deceleration start position of the motor in the feedback drive section and the rotational angular acceleration from the motor deceleration start position to a predetermined position in the feedback drive section, and the motor deceleration start position. The measured rotational frequency is made to substantially coincide with the initial rotational frequency and the measured rotational angular acceleration is made to substantially coincide with the initial rotational angular acceleration during the period from to the switching position to the open loop drive section. It is characterized by that .
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。 Other objects and features of the present invention are illustrated in the following examples.
本発明によれば、フィードバック駆動からオープンループ駆動へ切り替える際に生じる振動を低減するモータ駆動装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the motor drive device which reduces the vibration which arises when switching from feedback drive to open loop drive can be provided.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
まず、本実施例のモータ駆動装置により駆動されるモータの構成について説明する。図１は、本実施例のモータ１０１の外観斜視図である。なお、図１では、説明のため一部の部品を破断して示している。モータ１０１は、マグネット２０１を有するロータ２０２、第１の励磁コイル２０３、第２の励磁コイル２０４、第１のヨーク２０５、第２のヨーク２０６、第１の位置センサ２０７、及び、第２の位置センサ２０８を備える。このうち、第１の励磁コイル２０３、第２の励磁コイル２０４、第１のヨーク２０５、第２のヨーク２０６、第１の位置センサ２０７、及び、第２の位置センサ２０８によってステータが構成される。 First, the configuration of a motor driven by the motor drive device of this embodiment will be described. FIG. 1 is an external perspective view of a motor 101 of this embodiment. In FIG. 1, some parts are shown broken for illustration. The motor 101 includes a rotor 202 having a magnet 201, a first excitation coil 203, a second excitation coil 204, a first yoke 205, a second yoke 206, a first position sensor 207, and a second position. A sensor 208 is provided. Among these, the first excitation coil 203, the second excitation coil 204, the first yoke 205, the second yoke 206, the first position sensor 207, and the second position sensor 208 constitute a stator. .
マグネット２０１は、外周が多極着磁された円筒形状の永久磁石である。角度位置に対し、径方向の磁力の強さが正弦波状に変化する着磁パターンを有する。マグネット２０１としては、例えば、磁束密度の高いネオジウム磁石が用いられるが、これに限定されるものではない。ロータ２０２は、ステータに対して回転可能に支持され、マグネット２０１と一体に固定されている。 The magnet 201 is a cylindrical permanent magnet whose outer periphery is multipolarly magnetized. It has a magnetization pattern in which the strength of the magnetic force in the radial direction changes in a sinusoidal shape with respect to the angular position. As the magnet 201, for example, a neodymium magnet having a high magnetic flux density is used, but is not limited thereto. The rotor 202 is rotatably supported with respect to the stator and is fixed integrally with the magnet 201.
第１のヨーク２０５は、第１の励磁コイル２０３に励磁される複数の磁極歯を有する。励磁される極を切り替えることで、ロータ２０２に与えるトルクを変化させることができる。第２のヨーク２０６は、第２の励磁コイル２０４に励磁される複数の磁極歯を有する。励磁される極を切り替えることで、ロータ２０２に与えるトルクを変化させることができる。 The first yoke 205 has a plurality of magnetic pole teeth that are excited by the first excitation coil 203. The torque applied to the rotor 202 can be changed by switching the poles to be excited. The second yoke 206 has a plurality of magnetic pole teeth that are excited by the second excitation coil 204. The torque applied to the rotor 202 can be changed by switching the poles to be excited.
第１の位置センサ２０７及び第２の位置センサ２０８は、マグネット２０１の磁束を検出して、その検出信号を出力するホール素子である。本実施例において、マグネット２０１の磁束はホール素子によって検出される。しかしながら、ロータ位置の検出方式はこれに限定されるものではない。ロータの回転に伴って変位する検出用マグネットを配置して検出してもよく、また、遮光板やパターン面を光学センサによって読み取ってもよい。位置センサは、モータと一体に固定されていてもよく、また、モータとは別部材に固定されていてもよい。 The first position sensor 207 and the second position sensor 208 are Hall elements that detect the magnetic flux of the magnet 201 and output a detection signal thereof. In this embodiment, the magnetic flux of the magnet 201 is detected by a Hall element. However, the rotor position detection method is not limited to this. Detection may be performed by arranging a detection magnet that is displaced with the rotation of the rotor, and the light shielding plate and the pattern surface may be read by an optical sensor. The position sensor may be fixed integrally with the motor, or may be fixed to a member different from the motor.
次に、本実施例におけるモータ駆動装置の構成について説明する。図２は、モータ駆動装置１のブロック構成図である。３０１は、モータ１０１に備えられた第１の位置センサ２０７及び第２の位置センサ２０８の出力を処理する位置センサ信号処理回路（演算手段）である。位置センサ信号処理回路３０１は、各位置センサの出力からロータ２０２の回転周波数及び回転角加速度を算出する。３０２は、後述のフィードバック駆動回路３０３又はオープンループ駆動回路３０４のいずれかを選択して、ロータ２０２の加速駆動、定速駆動、及び、減速駆動（停止駆動）等の各駆動制御を行う制御部（制御手段）である。３０３はフィードバック駆動回路であり、３０４はオープンループ駆動回路である。フィードバック駆動回路３０３及びオープンループ駆動回路３０４のうち制御部３０２により選択された一方は、モータ１０１の駆動信号を生成する。３０５は、フィードバック駆動回路３０３又はオープンループ駆動回路３０４からの駆動信号に基づいてモータ１０１を駆動するモータドライバである。モータ駆動装置１は、以上の構成要素を備える。 Next, the configuration of the motor driving device in the present embodiment will be described. FIG. 2 is a block configuration diagram of the motor drive device 1. Reference numeral 301 denotes a position sensor signal processing circuit (calculation means) that processes the outputs of the first position sensor 207 and the second position sensor 208 provided in the motor 101. The position sensor signal processing circuit 301 calculates the rotational frequency and rotational angular acceleration of the rotor 202 from the output of each position sensor. A control unit 302 selects either a feedback drive circuit 303 or an open loop drive circuit 304 described later, and performs drive control such as acceleration drive, constant speed drive, and deceleration drive (stop drive) of the rotor 202. (Control means). Reference numeral 303 is a feedback drive circuit, and 304 is an open loop drive circuit. One of the feedback drive circuit 303 and the open loop drive circuit 304 selected by the control unit 302 generates a drive signal for the motor 101. A motor driver 305 drives the motor 101 based on a drive signal from the feedback drive circuit 303 or the open loop drive circuit 304. The motor drive device 1 includes the above components.
オープンループ駆動回路３０４及びモータドライバ３０５（第１駆動手段）は、モータ１０１に対してオープンループ駆動（ＯＰ駆動）を行う。ＯＰ駆動とは、通常のステップモータのオープンループ制御と同様に、所定の時間間隔に従ってモータのコイルへの通電を切り替える駆動方法である。すなわち、オープンループ駆動回路３０４及びモータドライバ３０５は、駆動パルス間隔（駆動周波数）と回転方向に従って、第１の励磁コイル２０３と第２の励磁コイル２０４への通電を順次切り替える。このような制御により、ロータ２０２を所望の速度で回転させることができる（速度制御）。また、駆動パルス数に従って、ロータ２０２を所望の角度だけ回転させることも可能である（位置制御）。 The open loop drive circuit 304 and the motor driver 305 (first drive means) perform open loop drive (OP drive) on the motor 101. The OP driving is a driving method for switching energization to the motor coil in accordance with a predetermined time interval, similarly to the open loop control of a normal step motor. That is, the open loop drive circuit 304 and the motor driver 305 sequentially switch energization to the first excitation coil 203 and the second excitation coil 204 according to the drive pulse interval (drive frequency) and the rotation direction. By such control, the rotor 202 can be rotated at a desired speed (speed control). It is also possible to rotate the rotor 202 by a desired angle according to the number of drive pulses (position control).
このように、ＯＰ駆動では、所定の時間間隔（駆動パルス間隔）に従ってコイルへの通電を切り替える。このため、位置センサの検出結果の影響を受けずにコイルの通電切り替えタイミングを制御することができる。ただし、駆動速度を速く（駆動パルス間隔を短く）すると、コイル通電の切り替えに対するロータの応答が困難となり、脱調を起こす可能性がある。このため、駆動パルス間隔に加減を加える必要があり、高速での駆動が制限される。 Thus, in OP driving, energization of the coil is switched according to a predetermined time interval (drive pulse interval). For this reason, it is possible to control the coil energization switching timing without being affected by the detection result of the position sensor. However, if the driving speed is increased (driving pulse interval is shortened), it becomes difficult for the rotor to respond to switching of the coil energization, which may cause a step-out. For this reason, it is necessary to add or subtract the drive pulse interval, and high-speed driving is limited.
フィードバック駆動回路３０３及びモータドライバ３０５（第２駆動手段）は、モータ１０１に対してフィードバック駆動（ＦＢ駆動）を行う。ＦＢ駆動とは、ロータ２０２の位置を検出する位置センサ（第１の位置センサ２０７、第２の位置センサ２０８）の出力に応じてモータのコイルへの通電を切り替える駆動方法である。すなわち、フィードバック駆動回路３０３及びモータドライバ３０５は、駆動パルス数、回転方向、及び、位置センサの出力する検出信号をもとに生成される進角信号に従って、第１の励磁コイル２０３と第２の励磁コイル２０４との通電を順次切り替える。このような制御により、ロータ２０２を所望の角度だけ回転させることが可能である（位置制御）。また、第１の励磁コイル２０３と第２の励磁コイル２０４に流れる電流又は電圧を制御することで、ロータ２０２を所望のトルクで回転させることもできる（電流／電圧制御）。さらに、前記検出信号と前記進角信号との間の位相差（進角）を制御することで、トルク−回転数特性を変化させることが可能である（進角制御）。なお、進角制御については後述する。 The feedback drive circuit 303 and the motor driver 305 (second drive means) perform feedback drive (FB drive) with respect to the motor 101. The FB drive is a drive method that switches energization to the motor coil in accordance with the output of a position sensor (first position sensor 207, second position sensor 208) that detects the position of the rotor 202. In other words, the feedback drive circuit 303 and the motor driver 305 are connected to the first exciting coil 203 and the second excitation coil according to the number of drive pulses, the rotation direction, and the advance angle signal generated based on the detection signal output from the position sensor. The energization with the exciting coil 204 is sequentially switched. By such control, it is possible to rotate the rotor 202 by a desired angle (position control). Further, by controlling the current or voltage flowing through the first exciting coil 203 and the second exciting coil 204, the rotor 202 can be rotated with a desired torque (current / voltage control). Furthermore, by controlling the phase difference (advance angle) between the detection signal and the advance angle signal, it is possible to change the torque-rotation speed characteristic (advance angle control). The advance angle control will be described later.
ＦＢ駆動では、コイルの通電切り替えはロータの位置に合わせて行われる。このため、ロータの応答遅れによる脱調の発生を低減させることができ、高速駆動が可能となる。 In the FB drive, the energization switching of the coil is performed in accordance with the position of the rotor. For this reason, the occurrence of step-out due to the response delay of the rotor can be reduced, and high-speed driving is possible.
次に、本実施例のモータ１０１におけるヨークと位置センサの位相関係について説明する。図３は、モータ１０１において、ヨーク、位置センサ、及び、ロータの位相関係を示す軸方向の断面図である。図３中では、時計回りを正の方向とする。２０５ａ〜２０５ｄは第１のヨーク２０５の磁極歯であり、２０６ａ〜２０６ｄは第２のヨーク２０６の磁極歯である。本実施例では、マグネットの極数は８極であり、着磁角Ｐは４５°である。また、第１のヨーク２０５を基準とすると、第２のヨーク２０６の位相Ｐ／２は−２２．５°、第１の位置センサ２０７の位相β１は＋２２．５°、第２の位置センサ２０８の位相β２は−４５°である。 Next, the phase relationship between the yoke and the position sensor in the motor 101 of this embodiment will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view in the axial direction showing the phase relationship between the yoke, the position sensor, and the rotor in the motor 101. In FIG. 3, the clockwise direction is the positive direction. 205 a to 205 d are magnetic pole teeth of the first yoke 205, and 206 a to 206 d are magnetic pole teeth of the second yoke 206. In this embodiment, the number of poles of the magnet is 8 and the magnetization angle P is 45 °. When the first yoke 205 is used as a reference, the phase P / 2 of the second yoke 206 is −22.5 °, the phase β1 of the first position sensor 207 is + 22.5 °, and the second position sensor 208 is used. The phase β2 is −45 °.
以下、電気角を用いてモータの動作について説明する。電気角とは、マグネット磁力の１周期を３６０°として表されるものであり、ロータの極数をＭ、実際の角度をθ０とすると、電気角θは以下の式（１）で表される。 Hereinafter, the operation of the motor will be described using the electrical angle. The electrical angle is expressed by assuming that one period of the magnet magnetic force is 360 °. When the number of poles of the rotor is M and the actual angle is θ 0 , the electrical angle θ is expressed by the following equation (1). The
θ＝θ０×Ｍ／２ …（１）
第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６の位相差、第１の位置センサ２０７と第２の位置センサ２０８の位相差、第１のヨーク２０５と第１の位置センサ２０７の位相差は全て、電気角で９０°である。なお、図３において、第１のヨーク２０５の磁極歯中心とマグネット２０１のＮ極中心は対向している。この状態をロータの初期状態とし、電気角を０°とする。
θ = θ 0 × M / 2 (1)
The phase difference between the first yoke 205 and the second yoke 206, the phase difference between the first position sensor 207 and the second position sensor 208, and the phase difference between the first yoke 205 and the first position sensor 207 are all The electrical angle is 90 °. In FIG. 3, the magnetic pole tooth center of the first yoke 205 and the north pole center of the magnet 201 are opposed to each other. This state is the initial state of the rotor, and the electrical angle is 0 °.
次に、モータ１０１におけるロータの回転角度とモータトルクとの関係、及び、ロータの回転角度と各信号との関係について説明する。図４は、ロータの回転角度とモータトルク及び位置センサの出力との関係を示すグラフである。 Next, the relationship between the rotation angle of the rotor and the motor torque in the motor 101 and the relationship between the rotation angle of the rotor and each signal will be described. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the rotor, the motor torque, and the output of the position sensor.
図４（１）は、ロータの回転角度（ロータ位置）とモータトルクとの関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸はモータトルクを示す。図４（１）において、ロータを時計回りに回転させるモータトルクを正とする。第１の励磁コイル２０３に正方向の電流を流すと、第１のヨーク２０５がＮ極に磁化し、マグネット２０１の磁極との間に電磁気力が発生する。また、第２の励磁コイル２０４に正方向の電流を流すと、第２のヨーク２０６がＮ極に磁化し、マグネットの磁極との間に電磁気力が発生する。２つの電磁気力を合成すると、ロータ２０２の回転に伴って略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ＋）。他の通電状態においても、同様に、略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ−、Ａ−Ｂ−、Ａ−Ｂ＋）。また第１のヨーク２０５は、第２のヨーク２０６に対して電気角で９０°の位相を有して配置される。このため、４つのトルクは、互いに電気角で９０°の位相差を有する。 FIG. 4A is a graph showing the relationship between the rotation angle (rotor position) of the rotor and the motor torque, where the horizontal axis represents the electrical angle and the vertical axis represents the motor torque. In FIG. 4A, the motor torque that rotates the rotor clockwise is positive. When a positive current is passed through the first exciting coil 203, the first yoke 205 is magnetized to the N pole, and an electromagnetic force is generated between the magnetic pole of the magnet 201. Further, when a positive current is passed through the second exciting coil 204, the second yoke 206 is magnetized to the N pole, and an electromagnetic force is generated between the magnetic pole of the magnet. When the two electromagnetic forces are combined, a substantially sinusoidal torque is obtained as the rotor 202 rotates (torque curve A + B +). Similarly, a substantially sinusoidal torque can be obtained in other energized states (torque curves A + B−, AB−, and AB−). The first yoke 205 is disposed with a phase of 90 ° in electrical angle with respect to the second yoke 206. For this reason, the four torques have a phase difference of 90 ° in electrical angle.
図４（２）は、ロータの回転角度（ロータ位置）と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。マグネット２０１は、その径方向における磁力の強さが電気角に対して略正弦波状になるように着磁される。このため、第１の位置センサ２０７からは、略正弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ａ）。なお本実施例では、第１の位置センサ２０７は、マグネット２０１のＮ極と対向するときに正の値を出力する。 FIG. 4B is a graph showing the relationship between the rotation angle of the rotor (rotor position) and the output of each signal. The horizontal axis indicates the electrical angle, and the vertical axis indicates the output of each signal. The magnet 201 is magnetized so that the strength of the magnetic force in the radial direction is substantially sinusoidal with respect to the electrical angle. Therefore, a substantially sinusoidal signal is obtained from the first position sensor 207 (position sensor signal A). In the present embodiment, the first position sensor 207 outputs a positive value when facing the north pole of the magnet 201.
また、第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して電気角で９０°の位相を有して配置される。このため、第２の位置センサ２０８からは略余弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ｂ）。本実施例において、第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して反転した極性を有する。このため、第２の位置センサ２０８は、マグネット２０１のＳ極と対向するときに正の値を出力する。 The second position sensor 208 is arranged with a phase of 90 ° in electrical angle with respect to the first position sensor 207. Therefore, a substantially cosine wave-like signal is obtained from the second position sensor 208 (position sensor signal B). In the present embodiment, the second position sensor 208 has an inverted polarity with respect to the first position sensor 207. For this reason, the second position sensor 208 outputs a positive value when facing the south pole of the magnet 201.
第１の位置センサ２０７及び第２の位置センサ２０８の出力は、位置センサ信号処理回路３０１で所定の演算が行われ、フィードバック駆動回路３０３の一部を構成する進角回路に入力される。進角回路は、制御部３０２にて設定される任意の進角を有する第１の進角信号及び第２の進角信号を出力する。以下、これらの進角信号の演算方法について説明する。 Outputs of the first position sensor 207 and the second position sensor 208 are subjected to a predetermined calculation by the position sensor signal processing circuit 301 and are input to an advance angle circuit constituting a part of the feedback drive circuit 303. The advance angle circuit outputs a first advance angle signal and a second advance angle signal having an arbitrary advance angle set by the control unit 302. Hereinafter, a method for calculating these advance signals will be described.
電気角をθ、第１の位置センサ２０７の出力をＨＥ１、第２の位置センサ２０８の出力をＨＥ２とすると、各出力は、次の式（２−１）、（２−２）のように表される。 Assuming that the electrical angle is θ, the output of the first position sensor 207 is HE1, and the output of the second position sensor 208 is HE2, each output is expressed by the following equations (2-1) and (2-2). expressed.
ＨＥ１＝ｓｉｎθ … （２−１）
ＨＥ２＝ｃｏｓθ … （２−２）
ここで、進角αだけ進めた第１の進角信号をＰＳ１、進角αだけ進めた第２の進角信号をＰＳ２とすると、ＨＥ１、ＨＥ２、αを用いて、次の式（３−１）、（３−２）ように演算することができる。
HE1 = sin θ (2-1)
HE2 = cos θ (2-2)
Here, if the first advance signal advanced by the advance angle α is PS1, and the second advance signal advanced by the advance angle α is PS2, the following equation (3- It can be calculated as 1) and (3-2).
ＰＳ１＝ｓｉｎ（θ＋α）＝ＨＥ１×ｃｏｓα＋ＨＥ２×ｓｉｎα … （３−１）
ＰＳ２＝ｃｏｓ（θ＋α）＝ＨＥ２×ｃｏｓα−ＨＥ１×ｓｉｎα … （３−２）
本実施例では、上記の演算式（３−１）、（３−２）に基づいて進角回路を構成する。図５は、本実施例における進角回路３０６の構成を示す図である。進角回路３０６は、例えば図５に示されるようなアナログ回路で構成される。このような進角回路により、上記の演算が実現可能となる。まず、各位置センサ出力を所定の増幅率Ａで増幅した信号と、さらにそれらの出力を反転させた信号を生成する（Ａｓｉｎθ、Ａｃｏｓθ、−Ａｓｉｎθ、−Ａｃｏｓθ）。これらの信号に適切な抵抗値Ｒ１、Ｒ２を掛けて加算することにより、進角信号が生成される。第１の進角信号ＰＳ１、第２の進角信号ＰＳ２は次の式（４−１）、（４−２）のように表される。
PS1 = sin (θ + α) = HE1 × cos α + HE2 × sin α (3-1)
PS2 = cos (θ + α) = HE2 × cos α−HE1 × sin α (3-2)
In the present embodiment, the advance circuit is configured based on the arithmetic expressions (3-1) and (3-2). FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the advance angle circuit 306 in the present embodiment. The advance circuit 306 is constituted by an analog circuit as shown in FIG. 5, for example. Such an advance circuit makes it possible to realize the above calculation. First, a signal obtained by amplifying each position sensor output with a predetermined amplification factor A and a signal obtained by inverting those outputs are generated (Asin θ, Acos θ, −Asin θ, −A cos θ). These signals are multiplied by appropriate resistance values R1 and R2 and added to generate an advance angle signal. The first advance signal PS1 and the second advance signal PS2 are expressed by the following equations (4-1) and (4-2).
ＰＳ１＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｓｉｎθ＋Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｃｏｓθ … （４−１）
ＰＳ２＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｃｏｓθ−Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｓｉｎθ … （４−２）
進角回路中の抵抗Ｒ、可変抵抗Ｒ１、Ｒ２を以下の式（５−１）、（５−２）を満たすように選ぶことで、任意の進角αだけ進めた進角信号を生成することができる。
PS1 = A × (R / R1) × sin θ + A × (R / R2) cos θ (4-1)
PS2 = A × (R / R1) × cos θ−A × (R / R2) sin θ (4-2)
By selecting the resistor R and the variable resistors R1 and R2 in the advance angle circuit so as to satisfy the following expressions (5-1) and (5-2), an advance angle signal advanced by an arbitrary advance angle α is generated. be able to.
Ｒ／Ｒ１＝ｃｏｓα … （５−１）
Ｒ／Ｒ２＝ｓｉｎα … （５−２）
第１の進角信号ＰＳ１及び第２の進角信号ＰＳ２は、コンパレータにより二値化され、コンパレータから二値化信号が出力される。
R / R1 = cos α (5-1)
R / R2 = sin α (5-2)
The first advance signal PS1 and the second advance signal PS2 are binarized by a comparator, and a binarized signal is output from the comparator.
本実施例における進角信号の生成方法は、上述のアナログ回路を用いた方法に限定されるものではない。デジタル回路を用いて進角信号を生成してもよく、また、高分解能のエンコーダを用いて通電を切り替えるパルス間隔を調整することで進角信号を生成してもよい。 The method of generating the advance signal in the present embodiment is not limited to the method using the above-described analog circuit. An advance angle signal may be generated using a digital circuit, or an advance angle signal may be generated by adjusting a pulse interval for switching energization using a high-resolution encoder.
次に、ＦＢ駆動における通電切り替えについて説明する。まず、進角回路３０６から出力される進角信号の進角がゼロの場合について、ＦＢ駆動の動作を説明する。図４（２）において、進角信号Ａ、進角信号Ｂは、位置センサ信号Ａと位置センサ信号Ｂに対して前述の進角演算を行い、進角が与えられた信号である。図４（２）には、進角がゼロの場合が示されている。このため、第１の位置センサ２０７の出力であるセンサ信号Ａと進角信号Ａ、第２の位置センサ２０８の出力であるセンサ信号Ｂと進角信号Ｂは、それぞれ一致している。２値化信号Ａ及び２値化信号Ｂは、進角信号Ａ及び進角信号Ｂに対して、コンパレータで２値化を行うことにより得られた信号である。 Next, energization switching in the FB drive will be described. First, the operation of the FB drive when the advance angle of the advance angle signal output from the advance angle circuit 306 is zero will be described. In FIG. 4B, the advance angle signal A and the advance angle signal B are signals obtained by performing the aforementioned advance angle calculation on the position sensor signal A and the position sensor signal B, and giving the advance angle. FIG. 4 (2) shows a case where the advance angle is zero. For this reason, the sensor signal A and the advance angle signal A, which are the outputs of the first position sensor 207, and the sensor signal B and the advance angle signal B, which are the outputs of the second position sensor 208, match each other. The binarized signal A and the binarized signal B are signals obtained by binarizing the advance angle signal A and the advance angle signal B with a comparator.
ＦＢ駆動において、モータドライバ３０５は、２値化信号Ａに基づいて第１の励磁コイル２０３の通電を切り替え、２値化信号Ｂに基づいて第２の励磁コイル２０４の通電を切り替える。すなわち、モータドライバ３０５は、２値化信号Ａが正の値である場合に第１の励磁コイル２０３に正方向の電流を流し、負の値である場合に第１の励磁コイル２０３に逆方向の電流を流す。またモータドライバ３０５は、２値化信号Ｂが正の値である場合に第２の励磁コイル２０４に正方向の電流を流し、負の値である場合に第２の励磁コイル２０４に逆方向の電流を流す。 In the FB drive, the motor driver 305 switches the energization of the first excitation coil 203 based on the binarized signal A and switches the energization of the second excitation coil 204 based on the binarized signal B. That is, the motor driver 305 passes a current in the positive direction through the first excitation coil 203 when the binarized signal A is a positive value, and reverses the direction through the first excitation coil 203 when the binarized signal A is a negative value. Current. The motor driver 305 causes a current in the positive direction to flow through the second excitation coil 204 when the binarized signal B is a positive value, and the reverse direction through the second excitation coil 204 when the binary signal B is a negative value. Apply current.
図６は、本実施例のモータ１０１において、ＦＢ駆動時の動作を示す軸方向の断面図である。図６（ａ）は、ロータが電気角で１３５°回転した状態を示している。このとき、図４（２）中の（ａ）で表されるように、２値化信号Ａは正、２値化信号Ｂは負の値をそれぞれ示す。従って、第１の励磁コイル２０３には正方向の電流が流れ、第１のヨーク２０５はＮ極に磁化する。一方、第２の励磁コイル２０４には逆方向の電流が流れ、第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ＋Ｂ−に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。 FIG. 6 is a cross-sectional view in the axial direction showing the operation during the FB drive in the motor 101 of this embodiment. FIG. 6A shows a state in which the rotor is rotated 135 ° in electrical angle. At this time, as represented by (a) in FIG. 4B, the binarized signal A indicates a positive value, and the binarized signal B indicates a negative value. Therefore, a positive current flows through the first exciting coil 203, and the first yoke 205 is magnetized to the north pole. On the other hand, a reverse current flows through the second exciting coil 204, and the second yoke 206 is magnetized to the south pole. At this time, the clockwise torque corresponding to the torque curve A + B- in FIG.
図６（ｂ）は、ロータ２０２が電気角で１８０°回転した状態を示している。このとき、２値化信号Ａ、Ｂは図４（２）中の（ｂ）で表される。第１の位置センサ２０７は、マグネット２０１のＮ極とＳ極の境界に位置する。このため、電気角１８０°を境に２値化信号Ａは正から負の値に切り替わり、第１の励磁コイル２０３の通電方向が正方向から逆方向へ切り替わる。この電気角は、トルク曲線Ａ＋Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ−との交点の電気角と一致する。 FIG. 6B shows a state where the rotor 202 is rotated by 180 ° in electrical angle. At this time, the binarized signals A and B are represented by (b) in FIG. The first position sensor 207 is located at the boundary between the N pole and the S pole of the magnet 201. For this reason, the binarized signal A is switched from a positive value to a negative value at an electrical angle of 180 °, and the energization direction of the first excitation coil 203 is switched from the positive direction to the reverse direction. This electrical angle coincides with the electrical angle at the intersection of the torque curve A + B− and the torque curve AB−.
図６（ｂ’）はロータが電気角で１８０°回転し、第１の励磁コイル２０３の通電方向が切り替わった状態を示している。第１の励磁コイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２の励磁コイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。 FIG. 6 (b ′) shows a state where the rotor is rotated by 180 ° in electrical angle and the energization direction of the first excitation coil 203 is switched. A reverse current flows through the first excitation coil 203 and the first yoke 205 is magnetized to the south pole, and a reverse current flows through the second excitation coil 204 and the second yoke 206 flows through the south pole. Is magnetized. At this time, the clockwise torque corresponding to the torque curve AB in FIG. 4A works, and the rotor 202 receives the rotational force in the θ direction and rotates.
図６（ｃ）はロータ２０２が電気角で２２５°回転した状態を示している。このとき、図４（２）の（ｃ）で表されるように、２値化信号Ａ、Ｂはいずれも負の値を示す。従って、第１の励磁コイル２０３には逆方向（負方向）の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２の励磁コイル２０４にも逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。 FIG. 6C shows a state in which the rotor 202 is rotated by 225 ° in electrical angle. At this time, as shown by (c) in FIG. 4B, the binarized signals A and B both show negative values. Accordingly, a current in the reverse direction (negative direction) flows through the first excitation coil 203, the first yoke 205 is magnetized to the south pole, and a current in the reverse direction flows through the second excitation coil 204 as well. The yoke 206 is magnetized to the south pole. At this time, the clockwise torque corresponding to the torque curve AB in FIG. 4A works, and the rotor 202 receives the rotational force in the θ direction and rotates.
図６（ｄ）は、ロータ２０２が電気角で２７０°回転した状態を示している。２値化信号Ａ、Ｂは図４（２）の（ｄ）で表される。このとき、第２の位置センサ２０８は、マグネット２０１のＮ極とＳ極の境界に位置する。このため、電気角２７０°を境に２値化信号Ｂは負から正の値に切り替わり、第２の励磁コイル２０４の通電方向が逆方向から正方向へ切り替わる。この電気角は、トルク曲線Ａ−Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ＋との交点の電気角と一致する。 FIG. 6D shows a state in which the rotor 202 is rotated by 270 ° in electrical angle. The binarized signals A and B are represented by (d) in FIG. At this time, the second position sensor 208 is located at the boundary between the N pole and the S pole of the magnet 201. For this reason, the binarized signal B is switched from a negative value to a positive value at an electrical angle of 270 °, and the energization direction of the second exciting coil 204 is switched from the reverse direction to the positive direction. This electrical angle coincides with the electrical angle at the intersection of the torque curve AB- and the torque curve AB +.
図６（ｄ’）は、ロータ２０２が電気角で２７０°回転し、第２の励磁コイル２０４の通電方向が切り替わった状態を示している。第２の励磁コイル２０４には正方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＮ極に磁化し、第１の励磁コイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化する。このとき、ロータ２０２には図４（１）のトルク曲線Ａ−Ｂ＋に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
以上の動作を繰り返すことで、ロータ２０２を連続的に回転させることができる。また、２値化信号Ａ、Ｂの正負を反転させることにより、逆に回転させることも可能である。
FIG. 6D ′ shows a state where the rotor 202 has rotated 270 ° in electrical angle and the energization direction of the second excitation coil 204 has been switched. A positive current flows through the second exciting coil 204 and the second yoke 206 magnetizes in the N pole, and a reverse current flows through the first exciting coil 203 and the first yoke 205 passes through the S pole. Is magnetized. At this time, clockwise torque corresponding to the torque curve A−B + in FIG. 4A acts on the rotor 202, and the rotor 202 rotates by receiving rotational force in the θ direction.
By repeating the above operation, the rotor 202 can be continuously rotated. Further, by reversing the positive and negative values of the binarized signals A and B, it is possible to rotate them in reverse.
次に、進角回路３０６から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合におけるＦＢ駆動の動作を説明する。図７は、進角信号が所定の進角αを有する場合において、ロータの回転角度とモータトルク及び各信号の出力との関係を示すグラフである。 Next, the FB drive operation when the advance signal output from the advance circuit 306 has a predetermined advance α will be described. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the rotor, the motor torque, and the output of each signal when the advance angle signal has a predetermined advance angle α.
図７（１）は、ロータの回転角度（ロータ位置）とモータトルクとの関係を示し、横軸は電気角を、縦軸はモータトルクを示す。図７（２）は、ロータの回転角度（ロータ位置）と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。図７（２）において、進角信号Ａは、センサ信号Ａに対して所定の進角αだけ進んでいる。同様に、進角信号Ｂは、センサ信号Ｂに対して所定の進角αだけ進んでいる。また、進角信号Ａ、Ｂに基づいて生成された２値化信号Ａ、Ｂも、それぞれセンサ信号Ａ、Ｂに対して進角αだけ進んでいる。ＦＢ駆動では、２値化信号Ａに基づいて第１の励磁コイル２０３への通電を切り替え、２値化信号Ｂに基づいて第２の励磁コイル２０４への通電を切り替える。このため、コイルの通電切り替えタイミングは、進角がゼロの場合に比べて進角αだけ早いことになる。 FIG. 7 (1) shows the relationship between the rotation angle of the rotor (rotor position) and the motor torque, the horizontal axis shows the electrical angle, and the vertical axis shows the motor torque. FIG. 7B is a graph showing the relationship between the rotation angle of the rotor (rotor position) and the output of each signal, where the horizontal axis indicates the electrical angle and the vertical axis indicates the output of each signal. In FIG. 7 (2), the advance angle signal A is advanced with respect to the sensor signal A by a predetermined advance angle α. Similarly, the advance angle signal B is advanced by a predetermined advance angle α with respect to the sensor signal B. The binarized signals A and B generated based on the advance signals A and B are also advanced by the advance angle α with respect to the sensor signals A and B, respectively. In the FB drive, energization to the first excitation coil 203 is switched based on the binarization signal A, and energization to the second excitation coil 204 is switched based on the binarization signal B. For this reason, the energization switching timing of the coil is earlier by the advance angle α than when the advance angle is zero.
図８は、進角を変えたとき（進角値θｐ＝０、αの場合）のトルクと回転数の関係を示すグラフである。横軸はモータのトルクを、縦軸はモータの回転数を示す。図８に示されるように、進角αによってトルクと回転数の関係が変化する。ＦＢ駆動では、この性質を用いて、駆動条件によって進角αを変える進角制御（通電位相制御）が行われる。一定の負荷条件下でＦＢ駆動を行う場合、進角αを制御することで駆動速度を制御することも可能である。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the torque and the rotational speed when the advance angle is changed (when the advance angle value θp = 0, α). The horizontal axis represents the motor torque, and the vertical axis represents the motor speed. As shown in FIG. 8, the relationship between the torque and the rotational speed changes depending on the advance angle α. In the FB drive, using this property, advance angle control (energization phase control) is performed in which the advance angle α is changed according to drive conditions. When FB driving is performed under a certain load condition, the driving speed can be controlled by controlling the advance angle α.
上述のＯＰ駆動とＦＢ駆動とを組み合わせることにより、通常のステップモータと同等の精度でロータを目標位置に停止させることができるとともに、通常のステップモータよりも高速にロータを目標位置に到達させることが可能となる。図９は、本実施例のモータ駆動装置１における理想的な駆動の概略図である。図９において、縦軸はロータ２０２の回転周波数を示し、横軸はロータの回転開始から回転終了（目標位置での停止）までの時間を示す。 By combining the above-mentioned OP drive and FB drive, the rotor can be stopped at the target position with the same accuracy as a normal step motor, and the rotor can reach the target position at a higher speed than the normal step motor. Is possible. FIG. 9 is a schematic diagram of ideal driving in the motor drive device 1 of the present embodiment. In FIG. 9, the vertical axis represents the rotation frequency of the rotor 202, and the horizontal axis represents the time from the start of rotation of the rotor to the end of rotation (stop at the target position).
図９に示されるように、ロータ２０２の回転開始から回転終了（目標位置での停止）までは、ＦＢ駆動を行う区間（ＦＢ駆動区間）とＯＰ駆動を行う区間（ＯＰ駆動区間）に大別される。ＦＢ駆動区間では、回転開始時のロータ停止状態からＦＢ駆動によりロータの回転周波数が増大し、モータ１０１がモータドライバ３０５によって印加された駆動信号の電圧Ｖ１により発生し得る最大の回転周波数Ｆｍａｘ１に到達する。回転周波数Ｆｍａｘ１に到達した後、ロータ２０２は一定の速度（一定の回転周波数Ｆｍａｘ１）で回転する。 As shown in FIG. 9, from the start of rotation of the rotor 202 to the end of rotation (stop at the target position), there are roughly divided into a section for performing FB driving (FB driving section) and a section for performing OP driving (OP driving section). Is done. In the FB drive section, the rotational frequency of the rotor increases by the FB drive from the rotor stop state at the start of rotation, and the maximum rotational frequency F max1 that the motor 101 can generate by the voltage V 1 of the drive signal applied by the motor driver 305. To reach. After reaching the rotational frequency F max1 , the rotor 202 rotates at a constant speed (constant rotational frequency F max1 ).
その後、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間へ移行するため、駆動信号の電圧をＶ２（Ｖ２＜Ｖ１）に低下させてロータ２０２の減速を開始する。この駆動信号の電圧は、例えばＰＷＭ駆動の場合、デューティ比を低下させること等により低下させることができる。本実施例では、デューティ比を低下させる印加電圧制御を用いてロータ２０２を減速させるが、これに限定されるものではない。例えば、励磁コイルへの電流量制御や前述の進角制御等によっても減速動作が可能である。また、これらの制御を複数組み合わせて減速動作を行うことも可能である。 Thereafter, in order to shift from the FB drive section to the OP drive section, the voltage of the drive signal is decreased to V 2 (V 2 <V 1 ) and the rotor 202 starts to decelerate. For example, in the case of PWM drive, the voltage of the drive signal can be reduced by reducing the duty ratio. In this embodiment, the rotor 202 is decelerated using applied voltage control for reducing the duty ratio, but the present invention is not limited to this. For example, the deceleration operation can be performed by controlling the amount of current to the exciting coil, the above-described advance angle control, or the like. It is also possible to perform a deceleration operation by combining a plurality of these controls.
モータ１０１は、モータドライバ３０５により印加される駆動信号の電圧Ｖ２により発生し得る最大の回転周波数Ｆｍａｘ２となるように減速する。すなわちロータ２０２は、（Ｆｍａｘ２−Ｆｍａｘ１）／ΔＴｄで表される負の回転角加速度ＡＦＢ１で減速を開始する。ここで、ΔＴｄはロータ２０２の回転周波数がＦｍａｘ１からＦｍａｘ２に変化するのに要する時間である。 Motor 101 is decelerated so that the maximum rotational frequency F max2 that may occur by a voltage V 2 of the drive signal applied by the motor driver 305. That is, the rotor 202 starts decelerating at a negative rotational angular acceleration A FB1 represented by (F max2 −F max1 ) / ΔT d . Here, ΔT d is the time required for the rotation frequency of the rotor 202 to change from F max1 to F max2 .
制御部３０２は、等加速度（回転角加速度ＡＦＢ１）の減速途中である所定の時間ＴＸに、オープンループ駆動回路３０４及びモータドライバ３０５を用いた駆動を行うＯＰ駆動に切り替える。この時間Ｔｘにおいて、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間に移行する。この切り替え時の前後では、以下の式（６）に表されるように、ＦＢ駆動区間の最後におけるロータ２０２の回転角加速度ＡＸ及び回転周波数ＦＸは、ＯＰ駆動区間の開始時における初期回転角加速度Ａ１及び初期回転周波数Ｆ１とそれぞれ等しいことが理想的である。 Control unit 302, the predetermined time T X reduction is in the middle of uniform acceleration (angular acceleration A FB1), switched to OP drive to perform driving using the open loop driving circuit 304 and the motor driver 305. At this time Tx, the FB drive section shifts to the OP drive section. Before and after the switching, as shown in the following formula (6), the rotational angular acceleration AX and the rotational frequency F X of the rotor 202 at the end of the FB drive section are the initial rotation at the start of the OP drive section. Ideally, the angular acceleration A 1 and the initial rotational frequency F 1 are equal to each other.
ＯＰ駆動時におけるロータ２０２の初期回転周波数Ｆ１は、予め設定された減速パターンに則した値であり、固定値である。同様に、初期回転角加速度Ａ１も固定値である。ＯＰ駆動時における減速パターンは、例えば以下の表１に示されるようなテーブルとして、制御部３０２に保持されている。 The initial rotation frequency F 1 of the rotor 202 during OP driving is a value that conforms to a preset deceleration pattern and is a fixed value. Similarly, the initial rotational angular acceleration A 1 is also a fixed value. The deceleration pattern during OP driving is held in the control unit 302 as a table as shown in Table 1 below, for example.
減速パターンは、第１駆動手段が励磁コイルへの通電を切り替える時間間隔の列Ｔｎ（ｎ＝１、２、…）、及び、第１駆動手段による駆動の際の回転周波数の列Ｆｎ（ｎ＝１、２、…）を定める。表１に示されるように、初期回転周波数Ｆ１は１３７５［ＰＰＳ］である。また、初期回転角加速度Ａ１は、（Ｆ２−Ｆ１）／Ｔ１で算出される。このように、制御部３０２は、ロータ２０２の目標位置に達するまでＯＰ駆動を行い、ロータ２０２を停止させる。 The deceleration pattern includes a sequence T n (n = 1, 2,...) Of time intervals at which the first driving unit switches energization to the exciting coil, and a column F n (rotational frequency when driving by the first driving unit. n = 1, 2,... As shown in Table 1, the initial rotation frequency F 1 is 1375 [PPS]. The initial angular acceleration A 1 is calculated by (F 2 -F 1) / T 1. As described above, the control unit 302 performs OP driving until the target position of the rotor 202 is reached, and stops the rotor 202.
しかしながら、実際には、モータ１０１には製造ばらつき等に基づく個体差がある。このため、モータ１０１が一定電圧によりＦＢ駆動された場合でも、最大の回転周波数Ｆｍａｘ１には個体差があるため、ＦＢ駆動区間の最後の回転角加速度ＡＸがＯＰ駆動区間の初期回転角加速度Ａ１に一致するとは限らない。また、ＦＢ駆動区間の最後の回転周波数ＦＸがＯＰ駆動区間の初期回転周波数Ｆ１に一致しない状態でＯＰ駆動区間に移行する場合がある。ＦＢ駆動区間での最後の回転角加速度ＡＸがＯＰ駆動区間の初期回転加速度Ａ１に一致しない場合、ロータ２０２の回転角加速度が急変する。このため、ロータ２０２に不要な振動等が発生し、モータ１０１が脱調するおそれがある。ＦＢ駆動区間の最後の回転周波数ＦＸがＯＰ駆動区間の初期回転周波数Ｆ１に一致しない状態でＯＰ駆動区間に移行する場合にも、ロータ２０２の回転周波数は急変する。このため、上述と同様に、モータ１０１が脱調するおそれがある。従って、上述のような単純な電圧制御による減速動作だけでは、ＦＢ駆動区間とＯＰ駆動区間との間の円滑な切り替えが困難となる。 In reality, however, the motor 101 has individual differences based on manufacturing variations. Therefore, even when the motor 101 is FB driven by constant voltage, because there are individual differences in the maximum rotational frequency F max1, initial rotational angular acceleration of the last angular acceleration A X is OP driving section FB driving section not necessarily coincide with the a 1. Also, there are cases where the final rotation frequency F X of the FB drive section moves the OP drive section in a state that does not match the initial rotation frequencies F 1 of OP driving section. If the last rotation angular acceleration A X of the FB driving section does not match the initial rotation acceleration A 1 of OP driving section, the rotation angular acceleration of the rotor 202 is suddenly changed. For this reason, unnecessary vibration or the like may occur in the rotor 202, and the motor 101 may step out. Even when migrating to the OP driving section in the state in which the end of the rotation frequency F X of the FB driving section does not match the initial rotation frequencies F 1 of OP driving section, the rotation frequency of the rotor 202 is suddenly changed. For this reason, the motor 101 may step out as described above. Therefore, it is difficult to smoothly switch between the FB drive section and the OP drive section only by the deceleration operation by the simple voltage control as described above.
以下、モータ１０１の製造ばらつきを考慮し、制御部３０２によってロータ２０２の回転周波数及び回転角加速度の制御を行う方法について説明する。図１０は、ＦＢ駆動区間での減速動作の開始時からＯＰ駆動区間の開始時の間のロータ２０２の回転周波数と回転位置との関係を示す図である。図１０において、曲線（Ｉ）は設計中心のモータ１０１による駆動の状態を示す。また同図において、曲線（ＩＩ）及び曲線（ＩＩＩ）はそれぞれ、製造ばらつきによりロータ２０２の最大の回転周波数Ｆｍａｘ１がＦｍａｘ１（＋）及びＦｍａｘ１（−）（Ｆｍａｘ１（＋）＞Ｆｍａｘ１（−））となるモータ１０１の駆動の状態を示す。 Hereinafter, a method for controlling the rotational frequency and rotational angular acceleration of the rotor 202 by the control unit 302 in consideration of manufacturing variations of the motor 101 will be described. FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the rotation frequency and the rotation position of the rotor 202 between the start of the deceleration operation in the FB drive section and the start of the OP drive section. In FIG. 10, a curve (I) shows a state of driving by the motor 101 at the design center. In the same figure, curve (II) and curve (III) indicate that the maximum rotation frequency F max1 of the rotor 202 is F max1 (+) and F max1 (−) (F max1 (+) > F max1 due to manufacturing variations. The state of driving of the motor 101 (-) ) is shown.
制御部３０２は、ＦＢ駆動区間の減速開始位置ＰＦＢ０における回転周波数ＦＦＢ０、及び、減速開始位置ＰＦＢ０から所定の位置ＰＦＢ１に到達するまでの間、位置センサ信号処理回路３０１の出力であるロータ２０２の回転角加速度ＡＦＢ０を計測する。 The control unit 302 outputs the rotational frequency F FB0 at the deceleration start position P FB0 in the FB drive section and the position sensor signal processing circuit 301 until the deceleration start position P FB0 reaches the predetermined position P FB1. The rotational angular acceleration A FB0 of the rotor 202 is measured.
設計中心のモータ１０１（曲線（Ｉ））については、ＦＢ駆動区間の減速開始位置ＰＦＢ０での回転周波数ＦＦＢ０＝Ｆｍａｘ１、及び、減速開始位置ＰＦＢ０から位置ＰＦＢ１までの間の回転角加速度ＡＦＢ０＝ＡＦＢ１が計測される。このようなモータ１０１の場合、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間への円滑な切り替えが可能となる。このため、制御部３０２は回転速度及び回転角加速度を制御することなく、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間への切り替え位置ＰＸまで負の回転角加速度ＡＦＢ１で減速動作を継続する。 For the design-centered motor 101 (curve (I)), the rotation frequency F FB0 = F max1 at the deceleration start position P FB0 in the FB drive section, and the rotation angle between the deceleration start position P FB0 and the position P FB1. The acceleration A FB0 = A FB1 is measured. In the case of such a motor 101, it is possible to smoothly switch from the FB drive section to the OP drive section. Therefore, the control unit 302 without controlling the rotation speed and angular acceleration, and continues the deceleration operation at a negative rotation angular acceleration A FB1 from the FB drive section to the switching position P X to the OP driving section.
設計中心よりも最大の回転周波数が高いモータ１０１（曲線（ＩＩ））については、回転周波数ＦＦＢ０＝Ｆｍａｘ１（＋）、及び、回転角加速度ＡＦＢ０＝ＡＦＢ１（＋）（ＡＦＢ１（＋）＞ＡＦＢ１）が計測される。このとき、回転角加速度ＡＦＢ１（＋）での減速動作を継続すると、切り替え位置ＰＸでのロータ２０２の回転周波数はＦ１より大きく、また、回転角加速度もＡ１より大きくなる。このため、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間への移行に際し、不要な振動が発生してモータ１０１が脱調するおそれがある。 For the motor 101 (curve (II)) whose maximum rotation frequency is higher than the design center, the rotation frequency F FB0 = F max1 (+) and the rotation angular acceleration A FB0 = A FB1 (+) (A FB1 (+ ) ) > A FB1 ) is measured. At this time, when continuing the deceleration in rotation angular acceleration A FB1 (+), the rotational frequency of the rotor 202 at the switching position P X greater than F 1, The rotation angular acceleration becomes greater than A 1. For this reason, when moving from the FB drive section to the OP drive section, unnecessary vibration may occur and the motor 101 may step out.
本実施例では、制御部３０２は、回転変位ＰＸ−ＰＦＢ１の間に、切り替え位置ＰＸでの回転周波数及び回転角加速度がそれぞれＦ１、Ａ１となるように、励磁コイルに印加する電圧のデューティ比を可変にしてフィードバック制御を行う。具体的には、切り替え位置ＰＸでの回転周波数が非制御時の場合よりも小さくなるように、回転加速度を小さく（負の方向に大きく）する。このような制御により、ロータ２０２の回転速度及び回転角加速度は、切り替え位置ＰＸにおいて理想的な回転周波数Ｆ１及び回転角加速度Ａ１に近づく。このため、ＦＢ駆動からＯＰ駆動へ滑らかに移行することができる。 In this embodiment, the control unit 302, between the rotational displacement P X -P FB1, the rotational frequency and the rotational angular acceleration at the switching position P X is such that F 1, A 1, respectively, is applied to the excitation coil Feedback control is performed by changing the voltage duty ratio. Specifically, the rotational frequency at the switching position P X to be less than during the non-control, the rotational acceleration decreases (increases in the negative direction). With such control, the rotational speed and rotational angular acceleration of the rotor 202 approach the ideal rotational frequency F 1 and rotational angular acceleration A 1 at the switching position P X. For this reason, it is possible to smoothly shift from the FB drive to the OP drive.
設計中心よりも最大の回転周波数が低いモータ（曲線（ＩＩＩ））については、回転周波数ＦＦＢ０＝Ｆｍａｘ１（−）、及び、回転角加速度ＡＦＢ０＝ＡＦＢ１（−）（ＡＦＢ１（−）＜ＡＦＢ１）が計測される。このとき、回転角加速度ＡＦＢ１（−）での減速動作を継続すると、切り替え位置ＰＸでのロータ２０２の回転周波数はＦ１より小さく、また、回転角加速度もＡ１より小さくなる。このため、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間への移行に際し、不要な振動が発生してモータ１０１が脱調するおそれがある。 For a motor (curve (III)) having a maximum rotation frequency lower than the design center, the rotation frequency F FB0 = F max1 (−) and the rotation angular acceleration A FB0 = A FB1 (−) (A FB1 (−) <A FB1 ) is measured. At this time, the rotational angular acceleration A FB1 (-) Continuing the deceleration operation, the rotation frequency of the rotor 202 at the switching position P X less than F 1, The rotation angular acceleration is also smaller than A 1. For this reason, when moving from the FB drive section to the OP drive section, unnecessary vibration may occur and the motor 101 may step out.
本実施例では、制御部３０２は、回転変位ＰＸ−ＰＦＢ１の間に、切り替え位置ＰＸでの回転周波数及び回転角加速度がそれぞれＦ１、Ａ１となるように、励磁コイルに印加する電圧のデューティ比を可変にしてフィードバック制御を行う。具体的には、切り替え位置ＰＸでの回転周波数が非制御時の場合よりも大きくなるように、回転加速度を大きく（負の方向に小さく）する。このため、ロータ２０２の回転速度及び回転角加速度は、理想的な回転周波数Ｆ１及び回転角加速度Ａ１に近づき、ＦＢ駆動からＯＰ駆動へ滑らかに移行することができる。 In this embodiment, the control unit 302, between the rotational displacement P X -P FB1, the rotational frequency and the rotational angular acceleration at the switching position P X is such that F 1, A 1, respectively, is applied to the excitation coil Feedback control is performed by changing the voltage duty ratio. Specifically, the rotational frequency at the switching position P X to be larger than during the non-control, to increase the rotational acceleration (reduced in the negative direction). Therefore, rotation speed and angular acceleration of the rotor 202 is closer to the ideal rotational frequency F 1 and angular acceleration A 1, can be a smooth transition from the FB drive to OP drive.
次に、切り替え位置ＰＸでの回転周波数及び回転角加速度の誤差範囲について説明する。図１１は、ＦＢ駆動区間とＯＰ駆動区間の切り替えの際に許容される誤差範囲を示す図である。図１０を参照して説明したように、ＦＢ駆動区間では、ＯＰ駆動区間に切り替わるまで（切り替え位置ＰＸに至るまで）、ロータ２０２の回転周波数及び回転角加速度の制御が行われる。 Next, a description will be given rotational frequency and the error range of the rotation angular acceleration at the switching position P X. FIG. 11 is a diagram illustrating an error range allowed when switching between the FB drive section and the OP drive section. As described with reference to FIG. 10, the FB drive section, before switching to the OP driving section (up to the switching position P X), control of the rotational frequency and the rotational angular acceleration of the rotor 202 is performed.
本実施例において、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間へ切り替わる直前の回転周波数ＦＸ及び回転角加速度ＡＸは、以下の式（７）で表される範囲に収まるように制御されることが好ましい。 In this embodiment, FB rotational frequency F X and the rotation angular acceleration A X immediately before the driving section is switched to the OP driving section is preferably controlled to within a range represented by the following formula (7).
式（７）において、Ｍは、ＯＰ駆動のために制御部３０２が保持する減速パターンに含まれる回転周波数の列Ｆｎに関係する値であり、以下の式（８）を満足する値である。 In Expression (7), M is a value related to the rotation frequency sequence F n included in the deceleration pattern held by the control unit 302 for OP driving, and satisfies the following Expression (8). .
式（８）に示されるように、Ｍは、ＯＰ駆動の開始時におけるロータ２０２の初期回転周波数Ｆ１とＯＰ駆動の次のステップでの回転周波数Ｆ２の差（許容誤差）である。例えば表１に示される減速パターンでは、ステップ１の回転周波数Ｆ１＝１３７５［ＰＰＳ］、ステップ２の回転周波数Ｆ２＝１３０４［ＰＰＳ］であるから、Ｍ＝７１［ＰＰＳ］となる。初期回転周波数Ｆ１から次のステップでの回転周波数Ｆ２への変化量は、本実施例のモータ１０１が駆動可能な回転周波数の変化量である。このため、切り替え直前の回転周波数ＦＸをＦ１±Ｍの範囲に収めるように制御することで、ロータ２０２の不要な振動が低減され、円滑な切り替えが可能となる。 As shown in Expression (8), M is a difference (allowable error) between the initial rotation frequency F 1 of the rotor 202 at the start of OP driving and the rotation frequency F 2 in the next step of OP driving. For example, in the deceleration pattern shown in Table 1, since the rotational frequency F 1 of step 1 = 1375 [PPS] and the rotational frequency F 2 of step 2 = 1304 [PPS], M = 71 [PPS]. The amount of change from the initial rotational frequencies F 1 to the rotational frequency F 2 of the next step is the change amount of the motor 101 can be driven rotational frequency of the present embodiment. Thus, by controlling so as to keep the rotational frequency F X of the switching immediately prior to the range of F 1 ± M, unnecessary vibration of the rotor 202 is reduced, smooth switching is possible.
また式（７）において、Ｎは、モータ１０１の負荷状態における自起動周波数Ｆｓとその通電時間Ｔｓに関係する値（許容誤差）であり、以下の式（９）を満足する値である。 In Expression (7), N is a value (allowable error) related to the self-starting frequency F s in the load state of the motor 101 and its energization time T s , and satisfies the following Expression (9). .
回転角加速度ＡＸの誤差が、モータ１０１が負荷状態でも起動可能な回転周波数（自起動周波数Ｆｓ）での回転加速度Ａｓの範囲内であれば、脱調は発生しない。このため、回転角加速度ＡＸをＡ１±Ｎの範囲に収めることで、ロータ２０２の不要な振動が低減され、円滑な切り替えが可能となる。 If the error of the rotational angular acceleration AX is within the range of the rotational acceleration A s at the rotational frequency (self-starting frequency F s ) that can be started even when the motor 101 is in a load state, no step-out occurs. Therefore, by accommodating the angular acceleration A X in the range of A 1 ± N, unwanted vibration of the rotor 202 is reduced, smooth switching it is possible.
以上のとおり、制御部３０２は、第２駆動手段でロータ２０２の加速駆動、定速駆動、及び、減速駆動を行ってからＦＢ駆動からＯＰ駆動に切り替えて、第１駆動手段でロータ２０２の減速駆動を更に行うように制御する。また、制御部３０２は、位置センサ信号処理回路３０１で算出された第２駆動手段による駆動の際の回転周波数及び回転角加速度が第１駆動手段による駆動の際の初期回転周波数及び初期回転角加速度に近づくように制御する。すなわち、第２駆動手段による駆動の際の回転周波数及び回転加速度が第１駆動手段による駆動の際の初期回転周波数及び初期回転加速度と略一致するように制御される。ここで「略一致」とは、完全に一致する場合だけでなく、実質的に一致していると評価できる程度に近接している場合を含む意味である。 As described above, the control unit 302 performs acceleration driving, constant speed driving, and deceleration driving of the rotor 202 by the second driving unit, and then switches from the FB driving to the OP driving, and the first driving unit decelerates the rotor 202. Control is performed to further drive. In addition, the control unit 302 determines that the rotation frequency and the rotation angular acceleration at the time of driving by the second driving unit calculated by the position sensor signal processing circuit 301 are the initial rotation frequency and the initial rotation angular acceleration at the time of driving by the first driving unit. Control to approach. That is, control is performed so that the rotational frequency and rotational acceleration at the time of driving by the second driving means substantially coincide with the initial rotational frequency and initial rotational acceleration at the time of driving by the first driving means. Here, “substantially match” means not only a case where they are completely matched, but also a case where they are close enough to be evaluated as being substantially matched.
本実施例では、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を可変にして励磁コイルへの印加電圧を制御し、モータ１０１の回転周波数及び回転角加速度を制御する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、励磁コイルに流入する電流量を可変制御する、いわゆるチョッピング制御を用いてもよい。 In this embodiment, the duty ratio of the PWM drive signal is made variable to control the voltage applied to the exciting coil, and the rotational frequency and rotational angular acceleration of the motor 101 are controlled. However, the present invention is not limited to this. For example, so-called chopping control in which the amount of current flowing into the exciting coil is variably controlled may be used.
特に急激な減速を行う際には、デューティ比を変化させることによる印加電圧制御に進角制御（通電位相制御）を組み合わせることが有効である。減速駆動時における進角制御では、励磁コイルへの駆動信号の通電位相と各位置センサの出力位相との位相差を定速駆動時とは異なる値にして制御する。この場合、位置センサ出力の位相に対して、遅れβを有する駆動信号を第１の励磁コイル２０３及び第２の励磁コイル２０４に印加すること（例えば、β＜αの進角制御）で、脱調することなく減速が可能である。これは、定常駆動時の進角制御における進角量αとは異なる進角量β（例えばβ＜α）の進角制御によって、ロータ２０２に対して回転周波数を有する方向とは逆回転の力（減速力）が発生するためである。これにより、デューティ比低減によって印加電圧を下げる以上に減速動作としての効果が得られる。 In particular, when abrupt deceleration is performed, it is effective to combine the advance angle control (energization phase control) with the applied voltage control by changing the duty ratio. In the advance angle control during the deceleration drive, the phase difference between the energization phase of the drive signal to the excitation coil and the output phase of each position sensor is set to a value different from that during the constant speed drive. In this case, the drive signal having a delay β with respect to the phase of the position sensor output is applied to the first excitation coil 203 and the second excitation coil 204 (for example, advance control of β <α), so that it is removed. Deceleration is possible without adjustment. This is because the advance angle control of the advance angle amount β (for example, β <α) different from the advance angle amount α in the advance angle control at the time of steady driving, the force of the rotation opposite to the direction having the rotation frequency with respect to the rotor 202. This is because (deceleration force) is generated. As a result, the effect of the deceleration operation can be obtained more than reducing the applied voltage by reducing the duty ratio.
以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。 The embodiment of the present invention has been specifically described above. However, the present invention is not limited to the matters described as the above-described embodiments, and can be appropriately changed without departing from the technical idea of the present invention.
１ モータ駆動装置
１０１ モータ
２０２ ロータ
２０３ 第１の励磁コイル
２０４ 第２の励磁コイル
２０７ 第１の位置センサ
２０８ 第２の位置センサ
３０２ 制御部
３０３ フィードバック駆動回路
３０４ オープンループ駆動回路
３０５ モータドライバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Motor drive device 101 Motor 202 Rotor 203 1st excitation coil 204 2nd excitation coil 207 1st position sensor 208 2nd position sensor 302 Control part 303 Feedback drive circuit 304 Open loop drive circuit 305 Motor driver
Claims (3)
ロータの位置を検出する位置センサの出力に応じて前記モータの前記コイルへの通電を切り替えることで、前記モータをフィードバック駆動する第２駆動手段と、
前記位置センサの出力から前記ロータの回転周波数及び回転角加速度を算出する演算手段と、
前記第２駆動手段によって前記モータをフィードバック駆動するフィードバック駆動区間にて、前記モータを減速させ、前記フィードバック駆動区間にて、前記モータを減速させた後、前記第１駆動手段によって前記モータをオープンループ駆動するオープンループ駆動区間に切り替え、前記モータを前記オープンループ駆動区間に切り替えた後、前記オープンループ駆動区間にて、前記モータを予め設定される初期回転周波数および初期回転角加速度にて減速させるように制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記フィードバック駆動区間における前記モータの減速開始位置での回転周波数と、前記フィードバック駆動区間における前記モータの減速開始位置から所定の位置までの回転角加速度を計測し、
前記モータの減速開始位置から前記オープンループ駆動区間への切り替え位置までの間に、前記計測した回転周波数を前記初期回転周波数と略一致させ、前記計測した回転角加速度を前記初期回転角加速度と略一致させるように制御することを特徴とするモータ駆動装置。 A first driving means for driving the motor in an open loop by switching energization to a coil of the motor according to a predetermined time interval;
Second driving means for feedback driving the motor by switching energization to the coil of the motor according to the output of a position sensor for detecting the position of the rotor;
A calculation means for calculating a rotation frequency and a rotation angular acceleration of the rotor from an output of the position sensor;
The motor is decelerated in a feedback driving section in which the motor is feedback-driven by the second driving means , and after the motor is decelerated in the feedback driving section, the motor is opened by the first driving means. After switching to the open loop drive section to be driven and switching the motor to the open loop drive section, the motor is decelerated at the preset initial rotational frequency and initial rotational angular acceleration in the open loop drive section. Control means for controlling,
The control means includes
Measure the rotational frequency at the deceleration start position of the motor in the feedback drive section and the rotational angular acceleration from the deceleration start position of the motor in the feedback drive section to a predetermined position,
Between the deceleration start position of the motor and the switching position to the open loop drive section, the measured rotational frequency is substantially matched with the initial rotational frequency, and the measured rotational angular acceleration is substantially equal to the initial rotational angular acceleration. A motor driving device characterized by being controlled to match .
The control means changes the duty ratio of the voltage applied to the coil to substantially match the measured rotational frequency with the initial rotational frequency, and substantially matches the measured rotational angular acceleration with the initial rotational angular acceleration. motor drive device according to claim 1 or 2, wherein the controller controls so as to.
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