(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの巻線に階段状の電流を通電するための電流制御部を含むインバータと、該モータのロータ位置を検出する位置検出器を具備した永久磁石ステッピングモータの駆動装置において、該モータのロータ磁束方向をｄ軸、ｄ軸と直交する方向をｑ軸とする回転座標系上において、モータ通電電流のｄ軸成分とｑ軸成分の指令値からモータ通電励磁角を決定し、該ステッピングモータの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。
【請求項２】
外部指令として位置指令と、位置検出値と、印加電圧振幅値を設け、モータ通電電流のｄ軸成分とｑ軸成分の指令値は、位置指令と、位置検出値と、位置指令の時間微分である速度指令と、印加電圧振幅値を用いて発生し、モータ通電電流のｄ軸成分とｑ軸成分の指令値からモータ通電励磁角を決定し、該ステッピングモータの印加電圧の位相を制御することを特徴とする1項記載のステッピングモータの駆動装置。
【請求項３】
モータ通電電流のｑ軸成分の指令値は、位置指令と位置検出値の差分である位置偏差を微分要素を含む補償器で増幅した値であることを特徴とする２項記載のステッピングモータの駆動装置。
【請求項４】
モータ通電電流のｄ軸成分の指令値は、該印加電圧振幅指令と、同期モータの電圧方程式から演算したｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊で決定される電圧振幅値の差を誤差補償器で増幅した値を用いて、同期モータの電圧方程式で決定したｉｄ＊を補正することを特徴とした２項又は３項記載のステッピングモータの駆動装置。
【請求項５】
速度に比例した値を該通電励磁角に加算することを特徴とする2項又は3項又は4項記載の項記載のステッピングモータの駆動装置。
【請求項６】
速度としては指令値を用いることを特徴とする５項記載の項記載のステッピングモータの駆動装置。
【請求項７】
速度としいてはモータ速度検出値を用いることを特徴とする５項記載の項記載のステッピングモータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、位置及び速度を制御するためのステッピングモータ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
装置の高機能化に伴い、モータは低振動低騒音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通電状態を外部指令パルスの印加毎に瞬時に切り替えることで歩進回転するため、電流の切り替え時に発生する振動騒音の低減及び脱調の防止が課題である。
振動騒音の低減及び脱調防止のために、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電流を滑らかに変化させるマイクロステップ駆動が一般的である。
【０００３】
マイクロステップ駆動は、モータ巻線に正弦波状の階段電流を、モータ相数に応じた位相差で通電することで実現できるから、モータ相数に応じた複数の相電流を制御することになり、駆動回路の構成は相数の増加とともに複雑になってしまう。問題を簡略化するために、ＡＣサーボモータの制御に多く用いられている回転座標系への座標変換を導入したインバータ制御装置の応用が考えられる。該インバータ制御装置技術は、回転角度を直接管理できるため、高分解能のマイクロステップ駆動を実現するには好適の技術である。
ステッピングモータに対し回転座標系制御技術の適用例は少ないが、脱調を回避してマイクロステップ駆動を実現するために、例えば特開平６−２２５５９５記載の通り、各相電流をｄ−ｑ回転座標系に変換し、モータ電流の制御を回転座標系で取り扱う制御装置がある。
特開平６−２２５５９５記載方式では、図５に示す構成図の如くステッピングモータが永久磁石形同期モータと同一モデルであるという前提で、ステッピングモータにエンコーダを接続し、電流制御、速度制御、位置制御の各閉ループ制御系を構成しこれらをｄ−ｑ回転座標系に変換し位置制御を実現する具体的手法が記載されている。又、制御構成の簡略化を目的に、ｄ、ｑ軸成分の非干渉要素の省略と、電流指令を直接ｄ、ｑ軸上で与えることが明記されている。この場合、ステッピングモータの駆動装置は、位置検出信号が位置指令に一致するようにモータ位置を制御するから、ステッピングモータは、位置指令及び位置検出器の分解能に応じて微小歩進、即ちマイクロステップ駆動が可能となる。
【０００４】
しかし、特開平６−２２５５９５記載のステッピングモータ制御装置は、モータの回転角度を制御するために、磁束方向成分をｄ軸、該ｄ軸と直交する方向をｑ軸として、モータ通電電流をｑ軸方向に一致させ、ｑ軸電流を速度偏差に応じて制御する構成になっており、位置制御を実現するために位置制御器及び速度制御器を設け、モータ発生トルクを制御するものであり、停止時の振動を伴う構成であった。  又、ｑ軸電流を負荷の増減に対応して制御するには、常にモータの誘起電圧と内部電圧降下の和よりも大きな印加電圧が必要となるが、一般にステッピングモータは磁極対数が５０前後の多極機であるため、インダクタンス成分による電圧降下が大きく制御範囲が制限されるという問題もあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置において、高精度のマイクロステップ駆動を実現するために座標変換を適用する駆動装置では、位置検出器、位置制御器及び速度制御器が必要であり、構成が複雑で高価な制御装置となっていた。
又、従来のｄ−ｑ回転座標系におけるモータ制御方式は、モータ電流を制御するための十分な印加電圧が印加されることを前提としいるのに対して、実際には多極同期機の一種であるステッピングモータでは、高速領域まで制御することが困難であった。
本発明は、振動の少ない高精度マイクロステップ駆動の機能を有する多相ステッピングモータを高速回転領域まで安定に制御することを目的としている。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では、モータの巻線に階段状の電流を通電するための電流制御部を含むインバータと、該モータのロータ位置を検出する位置検出器を具備した永久磁石ステッピングモータの駆動装置において、該モータ内ロータの磁束方向をｄ軸、ｄ軸と直交する方向をｑ軸とする回転座標系上において、モータ通電電流のｄ軸成分とｑ軸成分の指令値で励磁角を決定し、該ステッピングモータの印加電圧の位相を制御する。
又、外部指令として位置指令と、位置検出値と、印加電圧振幅値を設け、モータ通電電流のｄ軸成分とｑ軸成分の指令値は、位置指令と、位置検出値と、位置指令の時間微分である速度指令と、印加電圧振幅値を用いて発生させるように構成し、該ステッピングモータの印加電圧の位相を制御する。
又、演算誤差を小さくするために、モータ通電電流のｑ軸成分の指令値は、位置指令と位置検出値の差分である位置偏差を比例、積分、微分補償器で増幅した値とする。
又、演算誤差を小さくするために、モータ通電電流のｄ軸成分の指令値は、該印加電圧振幅指令をと、同期モータの電圧方程式から演算したｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊で決定される電圧振幅値の差を誤差補償器で増幅した値を補正値として、同期モータの電圧方程式で決定したｉｄ＊に加算する。
【０００７】
上記を適用した場合の動作内容以下に詳述する。
同期電動機の一種であるステッピングモータは、電圧方程式から励磁角γを数式１で決定することができる。
【数１】
0003661864.tif 000002
但し、γは励磁角、Ｖｄ＊はｄ軸印加電圧指令、Ｖｑ＊はｑ軸印加電圧指令である。
【０００８】
以下数式１の導出過程を示し、進角制御の有意性を記述する。
モータ印加電圧の大きさをＶ、電源電圧をＶ０とし、そのｄ軸及びｑ軸成分をＶｄ及びＶｑとする。又、モータ巻線電流の大きさをＩ０として、そのｄ軸及びｑ軸成分をｉｄ及びｉｑとすると、数式２、数式３の関係が成り立つ。
【数２】
0003661864.tif 000003
【数３】
0003661864.tif 000004
Ｖｄ、Ｖｑに関して、モータの電圧方程式は数式４の通りとなる。
【数４】
0003661864.tif 000005
但し、ｐは微分演算子、Ｌｄは巻線インダクタンスのｄ軸成分、Ｌｑは巻線インダクタンスのｑ軸成分、Ｒは巻線抵抗、ωｒｅはモータの電流基本周波数、Φｍはモータ磁束を表わす。ここで、高速回転に於ける定常状態を考え、ｐＬｄ＝ｐＬｑ＝０、Ｒ≪ωｒｅＬ（但しＬｄ＝Ｌｑ＝Ｌ）と置いて数式４を近似すると数式５、数式６が得られる。
【数５】
0003661864.tif 000006
【数６】
0003661864.tif 000007
数式５、数式６を数式２、数式３に代入して、数式７を得る。
【数７】
0003661864.tif 000008
【０００９】
数式７において、モータの最大印加電圧はＶ０となることは明らかである。又、ωｒｅΦｍは速度起電力Ｅｅｍｆである。数式７からｄ軸電流を導くと、
【数８】
0003661864.tif 000009
但し、正符号は通常運転状態、負符号は後述するＥｅｍｆ＝ωｒｅΦｍが電源電圧Ｖ０より大きくなる場合に対応する。
【００１０】
数式８で、モータ印加電圧は例えばＰＷＭインバータを介してモータに電圧を印加する場合に、ＰＷＭデューティー比を制御することで、モータの速度起電力と電圧降下の和に等しい電圧Ｖを得ることができる。
しかし、モータ速度ωｒｅが上昇すると速度起電力Ｅｅｍｆ＝ωｒｅΦｍが電源電圧Ｖ０より大きくなり、Ｖは一定値Ｖ０となるため、電流を制御するのに十分な電圧が維持できなくなる。つまり、モータ制御領域は印加電圧可変領域と印加電圧一定領域に区分され、印加電圧一定領域ではｄ電流は数式９となる。
【数９】
0003661864.tif 000010
モータ発生トルクＴは比例定数をｋｔとして、ｉｑに比例する。
【数１０】
0003661864.tif 000011
【００１１】
位置制御を行う上で、モータの角度指令θ＊とモータ位置検出値θｒｅの差、即ち位置偏差が大きくなるとモータ発生トルクを大きくする必要があることから、ｑ軸電流指令ｉｑ＊は偏差に比例した値になるように制御するものとして、
【数１１】
0003661864.tif 000012
【００１２】
一般にステッピングモータは、外部位置指令をパルス列で加え、位置指令の周波数成分は速度指令となる。よって、位置指令θ＊が与えられると速度指令ωｒｅ＊は既知の値として取り扱うことができる。よって、数式８に速度指令、ｑ軸電流指令を用いて、更に電圧振幅指令指令Ｖ＊を入力することによりｑ軸電流指令の大きさを数式１２で求めることができる。
【数１２】
0003661864.tif 000013
【００１３】
以上より、数式５、数式６に対してｄ軸、ｑ軸の指令電圧を数式１３、数式１４で得ることができ、適正な励磁角γは数式１で決定することができる。
【数１３】
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【数１４】
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【００１４】
尚、励磁角γは、ｉｄ＊が負符号の場合、ｄ軸を角度の基準として電気角で９０度から１８０度の範囲を示し、ｉｄ＊が正符号の場合、ｄ軸を角度の基準として電気角で０度から９０度の範囲を示すことは明らかである。
又、静止座標系に変換する際には、進角制御信号λは励磁角γに位置検出値θｒｅを加えた値になる。
【００１５】
又、ｉｑ＊の導出過程で仮定、省略等を行った結果発生する誤差を補正することを考える。数式１１における位置偏差の係数ｋに対して、例えば比例、積分、微分補償器を用いた数式１５でｉｑ＊を決定することで誤差を小さくすることができる。
【数１５】
0003661864.tif 000016
但し，ｓ：ラプラス演算子，kpq：比例係数，kiq：積分係数，kdq：微分係数
【００１６】
又、ｉｄ＊の導出過程で仮定、省略等を行った結果発生する誤差を補正することを考える。入力値として電圧振幅指令Ｖ＊を設定し、演算誤差があるとＶｄ＊とＶｑ＊の二乗和の平方根が示す印加電圧振幅値Ｖｄｑと電圧振幅指令Ｖ＊とが異なるため、Ｖｄ＊とＶｑ＊で決定される電圧振幅値と電圧振幅指令指令Ｖ＊を比較し誤差補償器で増幅した値を補正値として、既に決定したｉｄ＊に加算する。例えば、数式１２に対して、誤差補償器に比例、積分補償器を用いて、数式１６でｉｄ＊を決定することで誤差を小さくすることができる。
【数１６】
0003661864.tif 000017
【００１７】
【作用】
本発明によるステッピングモータの制御装置は、印加電圧が一定となるステッピングモータ駆動領域において、モータ印加電圧のｄ軸成分とｑ軸成分の指令値で励磁角を制御することにより負荷に対応したモータ駆動条件を得ることができる。
【００１８】
又、モータ印加電圧のｄ軸成分とｑ軸成分の指令値は、位置指令と、位置検出値と、速度指令と、印加電圧振幅値を用いて発生させることができ、位置検出値を除き、指令側信号で励磁角を制御するため、安定な動作が得られる。
【００１９】
又、ｉｑ＊の導出過程で発生する誤差を補正するために、位置偏差の係数を比例、積分、微分補償器を用いた数式１５でｉｑ＊を決定することでｉｑ＊の誤差を小さくすることができる。
【００２０】
又、ｉｄ＊の導出過程で発生する誤差を補正するために、電圧振幅指令Ｖ＊を設定し、Ｖｄ＊とＶｑ＊で決定される電圧振幅値と電圧振幅指令指令Ｖ＊を比較し誤差補償器で増幅した値を補正値として、既に決定したｉｄ＊に加算することで、ｉｄ＊の誤差を小さくすることができる。
【００２１】
【実施例】
実施例について図を参照して説明する。図１において、ステッピングモータ６０に直結した位置検出器７０の位置検出信号θｒｅと電圧振幅指令Ｖ＊、及び位置指令θｒｅ＊が進角値演算器５０に入力され、進角制御信号λを発生する。  該進角制御信号λは別に設けた電流振幅指令Ｉｐ＊とともに電流指令変換器１０に入力される。該電流指令変換器では、数式１７による座標変換を行い、固定座標系の電流指令ｉα＊及びｉβ＊を発生する。
【数１７】
0003661864.tif 000018
電流検出器４１、４２からのモータ電流検出値ｉαｆ及びｉβｆが該ｉα＊及びｉβ＊に一致するよう電流制御器２０及びＰＷＭインバータ３０を介して該ステッピングモータ６０に適正電圧を印加する。
【００２２】
進角値演算器５０の詳細構成は図２の通りである。位置指令θｒｅ＊と位置検出信号θｒｅの差を補償器５１に入力しｑ軸電流指令ｉｑ＊を得る。一方、位置指令θｒｅ＊を速度検出機５３に入力し速度指令ωｒｅ＊を得る。該ｉｑ＊と、該ωｒｅ＊、及び電圧振幅指令Ｖ＊をｉｄ＊演算器５４に入力しｉｄ＊を得る。該ｉｑ＊及び該ｉｄ＊を電圧指令演算器５２に入力し電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を得る。更に該Ｖｄ＊、該Ｖｑ＊を励磁角演算器５５に入力し励磁角γを得る。最後に、位置検出信号θｒｅと該励磁角γを加算し進角制御信号λを得るものである。
【００２３】
ここで、補償器５１の構成を、特に比例、積分、微分補償器とすることで、該ｉｑ＊の精度向上を図ることができる。
【００２４】
図３は図１における進角値演算器５０の構成を変更した第２の実施例である。
図３では第１の実施例に対し絶対値演算器５６、補償器５７を付加し、該ｉｄ＊の精度向上を図ったものである。
【００２５】
図４は図１における進角値演算器５０の構成を変更した第３の実施例である。
図４では第２の実施例に対し速度検出器５３の出力である速度指令ωｒｅ＊を係数器５９で増幅した値を該励磁角γに加算し、例えばサンプル値制御における無駄時間の影響を補正するために、速度指令に比例した角度を進角制御信号に補正するものである。
【００２６】
図５は図１における進角値演算器５０の構成を変更した第４の実施例である。
図５では第２の実施例に対し速度検出器５８、係数器５９を付加し、例えばサンプル値制御における無駄時間の影響を補正するために、検出速度に比例した角度を進角制御信号に補正するものである。
【００２７】
尚、実施例では電流指令を固定座標α、β軸上に変換し電流検出信号と比較し制御しているが、電流検出信号ｉαｆ、ｉβｆをｄｑ軸上に投影し、回転座標軸上で電流制御を行うこともできる。
又、実施例では、２相ステッピングモータを例に説明しているが、座標変換の特徴から多相ステッピングモータにも適用は可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によるステッピングモータの制御装置は、高速回転領域においても同期電動機の電圧方程式が成り立つ条件でモータを駆動するため、脱調を回避しつつ負荷に見合った安定な駆動状態を維持でき。
又、制御演算には、外部指令を用いているため、安定な動作が得られる。更に、演算誤差を補正する手段を設けることで高精度のマイクロステップ駆動を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である。
【図２】本発明の第１の実施例における進角値演算器詳細説明図である。
【図３】本発明の第２の実施例における進角値演算器詳細説明図である。
【図４】本発明の第３の実施例における進角値演算器詳細説明図である。
【図５】本発明の第４の実施例における進角値演算器詳細説明図である。
【図６】特開平６−２２５５９５記載の従来例である。
【符号の説明】
１０        電流指令変換器
２０        電流制御器
３０        ＰＷＭインバータ
４１、４２  電流検出器
３１、３２、３３        電流検出器
４１        第１の電流制御器（ｄ軸）
４２        第２の電流制御器（ｑ軸）
５０        進角値演算器
５１        補償器
５２        電圧指令演算器
５３        速度検出器
５４        ｉｄ＊演算器
５５        励磁角演算器
５６        振幅値演算器
５７        補償器
５８        速度検出器
５９        係数器
６０        ステッピングモータ
７０        位置検出器
６３        第３の座標変換器（ｕｖｗ／αβ座標変換器）
６４        第４の座標変換器（αβ／ｕｖｗ座標変換器）
１０１〜１０５      加算器
１１０      位置制御器
１２０      速度制御器
１３０      座標変換器（ｄｑ／３相座標変換器）
１４１、１４２      電流制御器
１６０      位置、速度、角度信号処理器
１７０      三角関数発生器
【図１】
0003661864.tif 000019
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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