(57)【要約】【課題】ステッピングモータは停止トルクが得られるために、モータ停止中でも磁束ベクトルを固定して電流を常時流す必要があるため、モータ停止中は多少のトルク減少は免れないが、モータ電流を低減させて流しておく必要があり、３相励磁パターンの位置で停止している場合は、２相励磁パターンの位置で停止している場合に比べ、同一トルクでありながら、消費電力は３対２となり、５０％の無駄な電力消費を生ずるという欠点があった。【解決手段】停止中には２相または３相励磁の条件を判別することによって、３相励磁期間で停止中の場合のみ３相中の中間１相を２相励磁期間で停止中の場合の電流設定値の約１．６倍の電流設定値に切り替えて主回路当該相モータコイルに流すことによって、前記電流設定値の切り替えを行わない場合に比べて約５４％の消費電力で同一停止トルクとなり、消費電力節減効果が期待できる５相ステッピングモータドライブ装置とした。【選択図】図１
2010110083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般産業用機械に使用される位置決めモータ用ドライブ装置であって、正転指令パルスによってアップカウントし、逆転指令パルスによってダウンカウントする１０進１桁カウンタを設け、該１０進１桁カウンタの現在値を０〜９までの電気的位相で表し、各位相における５相分のコイルの中から２または３相の励磁相を決め、励磁相の励磁信号によって主回路正極側各相のトランジスタのゲート信号をドライブし、主回路各相モータコイルに流れる電流検出器からのフィードバックと主回路電流設定器の設定値との比較によって主回路負極側各相のトランジスタのゲートをスイッチングすることによって、正転または逆転指令パルスとともに励磁相を順次切り替え、該主回路各相モータコイルに設定した主回路設定電流で流し、回転トルクを発生させる５相ステッピングモータドライブ装置において、０〜９までの電気的位相の変化を検出した結果からタイマーを起動し、さらに該タイマーのタイムアップ結果からモータが停止中か、または回転中かを判別し、該主回路電流設定器の設定値を切り替えることによって、回転中には第１の電流設定値で前記主回路各相モータコイルに電流を流し、停止中は２相または３相励磁の条件を判別することによって、２相励磁期間で停止中の場合は第２の電流設定値で前記主回路各相モータコイルに電流を流して該モータを停止させ、３相励磁期間で停止中の場合のみ３相中の中間１相を該第２の電流設定値の約1.6倍の第３の電流設定値に切り替えて主回路当該相モータコイルに電流を流すことによって、該第３の電流設定値への切り替えを行わない場合と比べて約５４％の消費電力で同一停止トルクが得られることを特徴とする５相ステッピングモータドライブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般産業用ステッピングモータのドライブ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般産業用に使用されるモータのなかでも機械加工等に使用され、厳密な回転角度位置まで制御する必要のあるものについてはステッピングモータが使用されている。なかでも５相ステッピングモータは比較的大容量のモータにも使用されており、１パルス毎の回転指令パルスが外部の制御装置から回転方向を指定して入力され、モータに装着された５相分のコイルを順次励磁し、目的とする回転位置に到達するまでモータを回転させていく。このため指定のモータ回転方向と回転指令パルスに従って磁束ベクトルを回転させる必要があるが、５相コイルのうち２相または３相分のコイルを直流電流で励磁することによってつくられる励磁パターンを順次回転させることによって回転トルクが得られる。さらに５相ステッピングモータは、この励磁パターンを停止させることによって停止トルクを得ることも可能であり、簡単に位置決め装置が製作可能となるので広く使われている。
【０００３】
停止トルクが得られるために、モータ回転中はもとよりモータ停止中でも磁束ベクトルを固定して電流を常時流す必要があるため、モータ停止中は多少のトルク減少は免れないが、モータ電流を減少させて流しておく必要があり、３相励磁パターンの位置で停止している場合は、２相励磁パターンの位置で停止している場合に比べ、同一トルクでありながら、消費電力は３対２となり、５０％の無駄な電力消費を生ずるという欠点があった。このため２相励磁位置のみで停止させる方法も考えられるが、停止位置精度が犠牲となり、得策ではなかった。
【０００４】
前記の５０％の無駄な電力消費という欠点は、５相ステッピングモータの特性によるものである。５相ステッピングモータの５組のモータコイルは電気的角度で７２度ずつ配列しており、そのうちの２組または３組のコイルを励磁する組み合わせによって３６度ずつの励磁ベクトルが生成される。この場合の合成励磁ベクトルを計算すると一定の大きさとなるため、モータトルクの変動等は起きない。しかしながら３相励磁パターンの場合の両端のコイルの電気位置的角度は144度あり、両コイルの作る合成励磁ベクトルは、180度に近くほぼ対向する位置になってしまうということによるものである。
【０００５】
この改善策として、正転指令パルスと逆転指令パルスによってアップまたはダウンカウントするカウンタを設け、カウンタの現在値を０〜９までの電気的位相を算出し、電気的位相の変化を検出した結果からタイマーを起動し、その結果からモータが停止中か、または回転中かを判別し、主回路電流設定器の値を切り替えることによって、回転中には第１の電流設定値からなる電流を主回路各相モータコイルに流して回転させ、停止中には２相または３相励磁の条件を判別することによって、２相励磁期間では第２電流設定値からなる電流を主回路各相モータコイルに流して停止させ、３相励磁期間の場合のみ３相中の中間１相を第２電流設定値の約1.6倍の第３の電流設定値に切り替えて主回路当該相モータコイルに流すことによって、前記第３の電流設定値への切り替えを行わない場合と比べて約５４％の消費電力で同一停止トルクが得られ、消費電力節減効果が期待できる５相ステッピングモータドライブ装置とした。
【特許文献１】特開平１３−２０４１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上述したような５相ステッピングモータのドライブ装置を具現化したもので５組のモータコイルは電気的角度で７２度ずつ配列しており、そのうちの２組または３組のコイルを励磁する組み合わせによって３６度ずつの合成励磁ベクトルが生成される。この場合の合成励磁ベクトルを計算すると一定の大きさとなるため、モータトルクの変動等は起きない。しかしながら３相励磁パターンの場合の両端のコイルの電気位置的角度は144度あり、両コイルの作る励磁ベクトルは、180度に近くほぼ対向する位置になってしまうということによるものである。このため無効な電力によりドライブ装置の出力トランジスタは２相励磁パターンの場合と比べて３／２倍の時間でゲートドライブされており、過熱によるオーバーヒートの原因にもなっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
正転指令パルスと逆転指令パルスによってアップまたはダウンカウントする１０進カウンタ１桁を設け、１０進カウンタの現在値を数値０〜９までの電気的位相で表し、各位相における５相分のコイルの中から２または３相の励磁相を決め、励磁相の励磁信号によって主回路正極側各相のトランジスタのゲート信号をドライブし、主回路各相モータコイルに流れる電流検出器からのフィードバックと主回路電流設定器の値との比較によって主回路負極側各相のトランジスタのゲートをスイッチングすることによって、正転または逆転指令パルスとともに励磁相を順次切り替え、各相モータコイルに設定した主回路設定電流で流し、設定した主回路電流指令における回転トルクを発生させる５相ステッピングモータドライブ装置において、０〜９までの電気的位相の変化を検出した結果からタイマーを起動し、さらに該タイマーのタイムアップ結果からモータが停止中か、または回転中かを判別し、主回路電流設定器の値を切り替えることによって、回転中には第１の電流設定値を主回路各相モータコイルに流して回転させ、停止中には２相または３相励磁の条件を判別することによって、２相励磁期間で停止中の場合は第２の電流設定値を主回路各相モータコイルに流して停止させ、３相励磁期間で停止中の場合のみ３相中の中間１相を第２の電流設定値の約1.6倍の第３の電流設定値に切り替えて主回路当該相モータコイルに流すことによって、前記第３の電流設定値への切り替えを行わない場合と比べて約５４％の消費電力で同一停止トルクが得られ、消費電力節減効果が期待できる５相ステッピングモータドライブ装置とした。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように本発明によれば、複雑な回路やソフトウェアを構成することなく最小のシステムで構成できる格別で消費電力節減効果が期待できる５相ステッピングモータドライブ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１図は本発明の一実施例の概要構成を示すものであり、この動作の理解を容易にするための励磁ベクトルメカニズム・タイムチャートを示したものが第２図〜第３図で、本装置をソフトウェアにて構成した場合についてのフローチャートが図４である。
【実施例１】
【００１０】
第１図において１は交流電源入力であり、単相または三相でも可能であり電源電圧についても何れも可能である。
２は交流電源を直流に変換するダイオードブリッジである。
３はダイオードブリッジにより得られた直流電源を充電するためのコンデンサである。
４はコンデンサによって充電された直流電源より内部制御ロジックを動作させるための低圧電源をつくるための低圧電源変換器である。
１１は正転指令パルスを入力するポートであり、パルスの立ち上がりまたは立下りのいずれかにおいて回転指令とする正転指令パルス入力ポートである。
１２は逆転指令パルスを入力するポートであり、パルスの立ち上がりまたは立下りのいずれかにおいて回転指令とする逆転指令パルス入力ポートである。
１３は正転指令パルスが入力されるたびにカウントアップするアップカウンタである。
１４は逆転指令パルスが入力されるたびにカウントダウンするダウンカウンタである。
１５はアップカウントまたはダウンカウントした現在値を積算する１０進カウンタである。
１６は１０進カウンタの１０を設定する１０進カウンタ設定器である。
１７は１０進カウンタの現在値で表した０〜９の１０進カウンタ位相値である。
１８は位相値の変化を検出して起動する位相値変化検出タイマーである。
１９はタイマーの出力である回転または停止を表す電流切り替え信号である。
２０は位相値から求められる５相励磁信号を生成するテーブルで、電流切り替え信号が停止の場合、内容を変更できる構造になっており、各相の励磁信号によってトランジスタのゲート信号をドライブしている５相励磁信号生成テーブルである。
２１〜２５は５相分それぞれ別になっている正極側の主回路トランジスタである。
２６はモータ回転中の主回路各相の電流を設定する第１の電流設定器であるモータ回転中主回路各相電流設定器である。
２７は２相励磁でモータ停止中の主回路各相の電流を設定する第２の電流設定器であるモータ停止中主回路各相電流設定器である。
２８は３相励磁でモータ停止中の中間１相だけを励磁するための主回路当該相の電流を設定する第３の電流設定器であるモータ停止中中間１相電流設定器である。
３１〜３５はステッピングモータの各相のコイルである。
４１〜４５は５相分それぞれ別になっている負極側主回路トランジスタである。
５１〜５４は主回路各相の電流検出器である主回路各相電流検出器である。
６１〜６５は負極側トランジスタのゲートを開閉するための負極側トランジスタゲート開閉比較器である。
【００１１】
つぎに図１の適用例の動作について、横軸を時間軸とした場合のモータ各相の励磁状態およびベクトル図について図２を用いて説明する。
図２のタイムチャートは横軸を時間軸とした５相のモータコイルを励磁するタイミングを表したもので正転する場合は、位相０から順次９まで加算され、再び０から始まる位相値を表しているが、各位相における５相コイルをＡ相〜Ｅ相として色塗りした部分が励磁電流を流した状態を表している。従って逆転する場合は、位相０から位相９へ戻り、順次減算される
ことになる。このタイムチャートからみてもわかるように２相分のみ励磁する状態と３相分が励磁される場合と交互に繰り返されていることがわかる。
また３相励磁状態での中間の１相については特に濃い色で色塗りしている。
【００１２】
つぎに図２のベクトル図は５相ステッピングモータ励磁ベクトル図を表したもので、正五角形に並べられたコイルの励磁ベクトルの算出の方法について説明する。
正五角形の中心から頂点への半直線を１つのコイルを励磁した場合のベクトルとし、大きさをａとすると、ＡＢ２相を励磁した場合はＡＢ２相間の角度は電気角３６０度を五等分して７２度となり、更に２等分されるので励磁ベクトルの大きさは
Ｊ（ａｂ）＝２＊ａ＊ＣＯＳ（３６度）＝１．６１８ａ
となる。
次にＡＢＣ３相を励磁した場合の励磁ベクトルは中心であるＢ相と同一方向で、
Ｊ（ａｂｃ）＝ａ＋２＊ａ＊ＣＯＳ（７２度）＝１．６１８ａ
となり、大きさは同じで、角度が３６度時計周りに回転したベクトルとなる。
以下同様に励磁位置を変更することによって励磁ベクトルを時計方向に３６度ずつ回転させることができる。
上記のように２相励磁と３相励磁でも大きさは同じであるが、必要とする電力は２対３の比率となり、回転中はともかくとして、停止中に３相励磁の状態が長く続くことはステッピングモータおよびドライブ装置にとって良くないことである。
ここで、３相励磁パターンの位置で停止している場合、３相中の中間の１相について、２相励磁期間で停止中の場合の電流設定値の１．６１８倍の電流で励磁電流を流せば３相励磁の状態となり、同一の特性が得られる。
したがって、この場合における消費電流は
１．６１８／３＝０．５３９
となり、消費電力は電流に比例するので、前記の２相励磁期間で停止中の場合の電流設定値の１．６１８倍の電流設定値への切り替えを行わない場合と比べて約５４％の消費電力で済むことになり、省エネルギーもさることながら、ステッピングモータおよびドライブ装置の温度上昇低減の効果もあり、長寿命化を計ることが可能である。
【００１３】
さらに図１の適用例の動作について、図３で実際の動作状態について説明する。
図３は図１の適用例の動作について、横軸を時間軸としてドライブ装置の入力信号である正転信号と逆転信号から実際のモータ回転位置である位相カウント値と停止検出までを表している。本図でＣＷは正転信号をＣＣＷは逆転信号を表し、いずれも最低周波数（最低運転速度）での信号を与えた場合をあらわしており、Ｔmaxより長いＴstop値によって停止を検出することを表している。
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、無駄なエネルギー消費することなく最小の消費電力で構成できる格別な５相ステッピングモータドライブ装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本装置の技術を応用すれば、複雑な回路やソフトウェアを構成することなく最小のシステム構成で、位置精度を落とすことなく消費電力節減効果が期待できる５相ステッピングモータドライブ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明における一実施例を示す全体ブロック図
【図２】本発明における一実施例を示すタイミングチャート・ベクトル図
【図３】本発明における一実施例を示すタイミングチャート図
【図４】本発明における一実施例を示すフローチャート図
【符号の説明】
【００１７】
１    交流電源入力
２    交流電源を直流に変換するダイオードブリッジ
３    コンデンサ
４    低圧電源変換器
１１    正転指令パルス入力ポート
１２    逆転指令パルス入力ポート
１３    アップカウンタ
１４    ダウンカウンタ
１５    １０進カウンタ
１６    １０進カウンタ設定器
１７    １０進カウンタ位相値
１８    位相値変化検出タイマー
１９    電流切り替え信号
２０    ５相励磁信号生成テーブル
２１〜２５  正極側の主回路トランジスタ
２６    モータ回転中主回路各相電流設定器
２７    モータ停止中主回路各相電流設定器
２８    モータ停止中中間１相電流設定器
３１〜３５  ステッピングモータの各相のコイル
４１〜４５  負極側主回路トランジスタ
５１〜５４  主回路各相電流検出器
６１〜６５  負極側トランジスタゲート開閉比較器
【図１】
2010110083.tif 000003
【図２】
2010110083.tif 000004
【図３】
2010110083.tif 000005
【図４】
2010110083.tif 000006