(57)【要約】【課題】  本発明は、構成が簡単で安価な高精度マイクロステップ駆動の機能を有するステッピングモータ駆動装置を実現することを目的としている。【解決手段】  上記課題を解決するために、電流指令に従ってモータ電流を制御する電流制御機能と、ロータ磁極角度を検出する角度検出機能を備え、角度指令入力端子に与えられる角度指令θ＊と角度検出機能で検出したロータ磁極角度θｆを用いて角度指令θ＊とロータ磁極角度θｆの差である角度偏差εを演算し、角度偏差を係数倍した値と、角度偏差の時間微分値を係数倍した値とで角度指令θ＊を補正した値を励磁角度指令とするように構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステッピングモータにパルス列指令を入力し正弦波状階段電流を通電するステッピングモータの駆動装置において、電流指令に従ってモータ電流を制御する電流制御手段と、ロータの磁極角度を検出する角度検出手段を備え、パルス列指令入力端子に与えられるパルス列指令Ｐ＊と、パルス列指令を角度指令θ＊に変換する計数器と、前記角度指令θ＊と角度検出手段で検出したロータ磁極角度θｆを用いて角度指令θ＊とロータ磁極角度θｆの差である角度偏差εを演算し、前記角度偏差εを第１の係数器で係数倍した値と前記角度偏差の時間微分値を第２の係数器で係数倍した値を用いて角度指令θ＊を補正して励磁角度指令とするように構成したステッピングモータの駆動装置。
【請求項２】
前記第１の係数器の係数ｋは０≦ｋ＜１の範囲で決定し、前記角度偏差の時間微分値はローパスフィルタを介し，第２の係数器で係数ｋｓ倍した値を補正値とする１項記載のステッピングモータの駆動装置。
【請求項３】
前記係数器の第１の係数ｋは、停止時においてｋ＝０とし速度増加とともにｋを増加させ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】
前記角度検出手段は、ステッピングモータに印加する電圧と通電電流を入力として磁極角度を演算する角度推定器であることを特徴とする３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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度及び速度を制御するステッピングモータの駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平６−２２５５９５号公報
【０００３】
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一般的である。
【０００４】
マイクロステップ駆動は、モータ巻線に、モータ相数に応じた位相差で正弦波状の階段電流を通電することで実現できる。図６は従来技術による２相ステッピングモータのマイクロステップ駆動回路例を示している。
図６において、パルス列指令入力端子１０に印加されるパルス列指令P＊は、計数器１１で角度指令θ＊に変換され、角度指令θ＊が第１相基本電流指令発生器５１に印加され出力ｃｏｓθ＊を発生する。同様に角度指令θ＊が第２相基本電流指令発生器５２に印加され出力ｓｉｎθ＊を発生する。前記相基本電流指令発生器５１及び５２の出力を乗算器６３及び６４の一方の入力端子に接続し、外部入力端子６１及び６２に印加される電流振幅指令ｉα＊及びｉβ＊を乗算器６３及び６４の他方の入力端子に接続し、第１相電流指令(ｉα＊)(ｃｏｓθ＊)及び第２相電流指令(ｉβ＊)(ｓｉｎθ＊)を得る構成となっている。加算器３１及び３２、電流制御器４１及び４２、インバータ７０電流検出器８１及び８２は、加算器３１及び３２に印加される第１相電流指令(ｉα＊)(ｃｏｓθ＊)及び第２相電流指令(ｉβ＊)(ｓｉｎθ＊)を電流指令とする電流制御系を構成し、所望の特性を実現している。
図６に係るマイクロステップ駆動方式は、角度指令の分解能に応じてステップ状の動作を微小化して滑らかな回転に近づけることができるから、加振力を抑え過渡的な振動を小さくするために有効な技術である。
しかし、前記マイクロステップ駆動方式は、モータの回転状態とは無関係に電流が所定値になるようにモータの印加電圧を制御するものであるから、加振力は小さくなるがステッピングモータの機械的共振や負荷変動に伴う振動などを抑制するものではない。
【０００５】
マイクロステップ機能と振動低減を実現するために、例えば特開平６−２２５５９５記載のとおり、各相電流をｄｑ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７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、角度制御の各閉ループ制御系を構成し、これらをｄｑ回転座標系に変換し角度制御を実現する具体的手法が記載されている。また、制御構成の簡略化を目的に、ｄｑ軸成分の非干渉要素の省略と、電流指令を直接ｄｑ軸上で与えることが明記されている。
【０００６】
しかし、ステッピングモータは磁極数が多く、電流基本周波数ωｒｅが他の制御用モータに比べて高いという特徴がある。このため、ステッピングモータは類似構造である永久磁石形同期モータと同様の制御回路で構成した場合、電流制御器の応答性の限界から、速度の上昇とともに電流制御器ゲインが低下しモータ電流の制御誤差が増大するという問題がある。また、モータは速度起電力Ｅｅｍｆを発生するから、モータ回転数の上昇により前記Ｅｅｍｆが印加電圧に拮抗するか、印加電圧を超える回転数においてモータ電流を制御することができない状態が発生する。
つまり、特開平６−２２５５９５記載方式によるステッピングモータの制御方式に対し印加電圧の限られた実際の装置では、回転数の上昇につれ電流を制御することが困難になり、制御可能範囲が限定されるという問題があった。
また、特開平６−２２５５９５記載のステッピングモータ制御装置は、磁束方向成分をｄ軸、前記ｄ軸と直交する方向をｑ軸として、発生トルクを制御する目的で磁束と直交する電流である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、角度制御を実現するために角度制御器及び速度制御器を設ける必要から、構成が複雑で高価な制御装置となっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上の如く、振動を抑制することを目的として従来方式ではステッピングモータの１ステップあたりの角度変化量を細分化しているが、共振時の振動や負荷変動に対する振動特性は基本的に改善された訳ではない。また、積極的に振動特性を改善仕様とするためにトルクを制御する従来方式では、構成が複雑で高価な制御装置となっていた。
本発明は、振動抑制効果を持つ、構成が簡単で安価なステッピングモータの駆動装置の実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するために本発明では、ステッピングモータにパルス列指令を入力し正弦波状階段電流を通電するステッピングモータの駆動装置において、電流指令に従ってモータ電流を制御する電流制御機能と、ロータの磁極角度を検出する角度検出手段を備え、パルス列指令入力端子に与えられるパルス列指令Ｐ＊を変換した角度指令θ＊と、角度検出手段で検出したロータ磁極角度θｆを用いて、角度指令θ＊とロータ磁極角度θｆの差で、ある角度偏差εを演算し前記角度偏差εを、第１の係数器で係数倍した値と前記角度偏差の時間微分値を、第２の係数器で係数倍した値を用いて角度指令θ＊を、補正して励磁角度指令とするように構成する。
【０００９】
また、前記第１の係数器の係数ｋは０≦ｋ＜１の範囲で決定し、前記角度偏差の時間微分値はローパスフィルタを介し，第２の係数器で係数ｋｓ倍した値を補正値とする。
【００１０】
また、停止時において第１の係数ｋを０とし、且つ第２の係数ｋｓを０として、速度増加とともにkを所定値まで増加させる。
【００１１】
なお、ロータの磁極角度を検出する角度検出手段は、エンコーダやレゾルバに代表されるセンサを用いることができるが、磁極角度推定器でもよい。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成にすることで、本発明の課題とする低振動で高精度の駆動装置を安価に実現することができる。
即ち、パルス列指令入力端子に与えられるパルス列指令Ｐ＊を計数器で角度指令θ＊に変換し、角度指令θ＊と角度検出手段で検出したロータ磁極角度θｆを用いて角度指令θ＊とロータ磁極角度θｆの差である角度偏差εを演算し、角度偏差εに第１の係数ｋを乗じた値を角度指令θ＊から差し引いて励磁角度指令とする構成（これを第１の振動抑制部と称する）でモータの軸剛性を制御できるため低振動駆動を実現できる。この振動抑制手段は偏差が継続的に発生する高速回転で効果が大きいため、回転数の高い領域で有効な手段である。また、角度偏差の時間微分に第２の係数ｋｓを乗じた値を角度指令θ＊に加えて励磁角度指令とする構成（これを第２の振動抑制部と称する）でモータの低振動駆動を実現できる。第２の振動抑制部は過渡的な偏差が発生する急加減速動作時に効果が大きいため、回転数変化率の大きい場合に有効な手段である。
２種類の制御手段を組み合わせることで、従来に比べて広い回転領域を安定に駆動できる。
【００１３】
前記構成で振動抑制が実現できる根拠を以下に示す。
前記係数ｋと最大トルク発生角度の関係はモータの軸トルクが、ロータ角度と励磁角度の偏差δの正弦関数であるとすると、最大発生トルクをＴｍとして軸トルクは数式１で表すことができる。
数式１      Ｔ＝Ｔｍｓｉｎδ
角度指令と角度検出値の偏差である角度偏差εはθ＊−θｆであるから、第１の振動抑制部の出力λｄはθ＊−ｋε＝θ＊（１−ｋ）＋θｆｋとなる。第１の振動抑制部の出力λｄを電流指令の角度信号、即ち励磁角度指令として用いる場合、ロータ磁極角度θｆとλｄの位相差が偏差δと考えることができ、数式２が成り立つ。
数式２      δ＝（１−ｋ）（θ＊−θｆ）＝（１−ｋ）ε
従って発生トルクＴは、図４に示すとおり係数器における第１の係数ｋの大きさを変えることで、最大トルクの発生角度を制御することができる。また、図３に示すとおり回転角度対発生トルクの関係から第１の係数ｋを変えることで安定点における角度偏差に対する発生トルクの勾配（軸剛性と称する）も変化させることができる。
角度偏差εを微分器で微分することによりロータと指令の速度偏差が検出できる。速度変化が減少するように励磁角度指令を変化させることで、過渡的な振動低減効果が得られる。
【００１４】
即ち、前記係数器の第１の係数ｋを０＜ｋ＜１に取ると、第１の振動抑制部の出力λｄは、ロータ磁極角度が指令に対して偏差を持つ場合、角度指令を直接励磁電流の角度指令に用いるよりも小さな指令変化を与えることができるため、直接角度指令を励磁角度とする場合に比べて振動低減効果が得られる。
また、第２の振動抑制部を用いることで、モータが振動状態にあり速度偏差が生じている場合に、速度偏差を小さくするように励磁角度指令を変化させるため、過渡的な振動低減効果が得られる。
【００１５】
磁極角度を検出する手段として、モータの速度起電力を利用した磁極角度推定器を用いる場合、速度が低い回転数領域では角度推定器の検出精度が低下し、特に出力に定常的な誤差が生じた場合においては、第１の振動抑制部の出力λｄに誤差が常時発生するため振動抑制効果が著しく低下するばかりか、自ら振動発生の一因となる可能性がある。第２の振動抑制部は、角度偏差の変化分を用いて励磁角度を補正することから定常的な誤差の影響が小さいため、第１の振動抑制部よりも低速回転領域まで振動抑制効果が維持できる。そこで、第１の振動抑制部は速度上昇に比例して第１の係数ｋを０から所定の値まで増加させることで低速回転領域での効果を制限し、第１の振動抑制部の効果が現れない低速回転領域は第２の振動抑制部で補間することで安定回転域を拡大できる。
また、第１の係数ｋを０に設定すると第１の振動抑制部の出力λｄはθ＊となるから第１の振動抑制部がない場合と同じである。停止時において、ｋ＝０、且つ第２の振動抑制部における第２の係数ｋｓ＝０とすることで、振動のない静止状態を実現できる。
なお、ローパスフィルタは第２の振動抑制部が角度偏差の時間微分操作によるノイズを除去する目的で挿入している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態は、パルス列の位置指令によって位置決め制御を行うステッピングモータの制御装置、特にステッピングモータのマイクロステップ制御機能を有する装置である。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の第１の実施例である。但し、図１の構成で図６と同一内容の構成要素は同一番号を用いている。
図１において、ステッピングモータ９１に対してＰＷＭインバータ７０でモータに所定の電圧を印加して、モータを回転させる。電流検出器８１、８２は第１相のモータ相電流ｉαｆ、第２相のモータ相電流ｉβｆを検出し、第１のモータ相電流ｉαｆは第１の加算器３１の負極側入力端子に接続される。第２のモータ相電流ｉβｆは第２の加算器３２の負極側入力端子に接続される。
第１の加算器３１の正極側入力端子には第１の乗算器６３の出力が接続される。第１の乗算器６３は、励磁角度調整器２０の出力である補正励磁角度λ＊を入力とする余弦波信号発生器５１の出力ｃｏｓλ＊と第１相の電流振幅指令入力端子６１に外部から印加される電流振幅指令ｉα＊とを乗算し第１の電流指令(ｉα＊)(ｃｏｓλ＊)を発生する。
第２の加算器３２の正極側入力端子には第２の乗算器６４の出力が接続される。第２の乗算器６４は、励磁角度補正器２０の出力λ＊を入力とする正弦波信号発生器５２の出力ｓｉｎλ＊と第２相の電流振幅指令入力端子６２に外部から印加される電流振幅指令ｉβ＊とを乗算し第２の電流指令(ｉβ＊)(ｓｉｎλ＊)を発生する。
以上の如く、電流制御器４１、インバータ７０、電流検出器８１及び加算器３１で第１の電流制御部を構成し、第１のモータ相電流が電流指令(ｉα＊)(ｃｏｓλ＊)に一致するように制御されるとともに、電流制御器４２、インバータ７０、電流検出器８２及び加算器３２で第２の電流制御部を構成し、第２のモータ相電流が電流指令(ｉβ＊)(ｓｉｎλ＊)に一致するように制御される。
励磁角度調整器２０は、外部から角度指令入力端子に入力される角度指令θ＊と、モータのロータ角度を検出する角度検出器９２の出力である角度検出値θｆを入力としてモータの駆動条件を適正に制御するための補正励磁角度λ＊を出力する。
【００１８】
図２は励磁角度調整器２０の詳細図である。
加算器２３は、前記角度指令θ＊と、前記角度検出値θｆを入力として角度偏差εを出力する。
係数器２２は角度偏差εを係数倍（第１の係数ｋ倍）し、加算器２４の一方の入力に接続する。加算器２４の他方の入力には角度指令θ＊を接続し、出力λｄを得ている。以上、係数器２２と加算器２４で第１の振動抑制部２１を構成する。
【００１９】
また、第１の振動抑制部２１の出力λｄと、角度偏差εを微分器２６で微分しローパスフィルタ２７を介して得られた信号を加算器２８に印加して、補正励磁角度λ＊を得る。以上、微分器２６とローパスフィルタ２７と第２の係数器２９及び加算器２８を構成要素として補正励磁角度λ＊を出力とする第２の振動抑制部２５を構成する。
【実施例２】
【００２０】
図５は本発明の第２の実施例である。但し、図５の構成で図１と同一内容の構成要素は同一番号を用いている。
図５において、図１に示す第１の実施例の角度検出器９２に対して、モータの第１相及び第２相の印加電圧ｖα、ｖβと、第１相及び第２相の相電流検出値ｉαｆ、ｉβｆを入力とする磁極角度推定器９３を用いてロータ角度検出信号θｆ’を得ている部分が異なる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
図２に示したように、励磁角度調整器は簡単な構成で実現できるから、低振動の駆動回路が安価に実現できる。特にマイクロプロセッサを用いる場合には、複雑な演算を必要しないため低機能で安価なマイクロプロセッサを使用できる。
従って本発明は、振動抑制効果を持ち、構成が簡単で安価なステッピングモータの駆動装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施例である。
【図２】本発明における第１の実施例の部分説明図である。
【図３】本発明における効果説明図である。
【図４】本発明における効果説明図である。
【図５】本発明における第２の実施例である。
【図６】第１の従来例ブロック図である。
【図７】第２の従来例ブロック図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０        パルス列指令入力端子
１１        計数器
２０        励磁角度調整器
２１        第１の振動抑制部
２２        第１の係数器
２３、２４      加算器
２５        第２の振動抑制部
２６        微分器
２７        ローパスフィルタ
２８        加算器
２９        第２の係数器
３１、３２      加算器
４１、４２      電流制御器
５１        余弦波信号発生器
５２        正弦波信号発生器
６１        第１相電流振幅指令入力端子
６２        第２相電流振幅指令入力端子
６３、６４      乗算器
７０        インバータ
８１、８２      電流検出器
９１        ステッピングモータ
９２        角度検出器
９３        磁極角度推定器
１０１、１０２      加算器
１０３、１０４      加算器
１０５      加算器
１１０      位置制御器
１２０      速度制御器
１３０      第１の座標変換器
１４１      第１の電流制御器
１４２      第２の電流制御器
１５０      ＰＷＭインバータ
１５４      第１の電流検出器
１５５      第２の電流検出器
１６０      速度・位置信号処理器
１７０      三角関数発生器
１８０      ステッピングモータ
１９０      角度検出器
【図１】
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【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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【図７】
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