(57)【要約】【課題】モータ巻線の等価モデルの各定数を精度よく同定する。【解決手段】モータの印加電圧を制御する可変電圧インバータと、モータ等価モデル内の巻線定数は、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ電流を検出する電流検出器を具備し、前記可変電圧インバータからモータ電流が一定となるように電圧を印加し、電圧検出器の出力と電流検出器の出力から数１の関係式を用いて定数ｋｇを推定した後、可変電圧インバータの出力平均値を前記抵抗値推定時と異なる極性の電圧に変更し、抵抗推定操作時のモータ電流と印加電圧及び前記タイマ回路の計測時間から数２及び数３の関係式を用いて前記２種類の定数を推定するように構成する。【選択図】図１
2005295737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステッピングモータの全体等価モデル又は部分等価モデルを具備したステッピングモータの制御装置において、前記等価モデルが巻線抵抗と巻線の電気的時定数を含む数１、数２、数３で示される３種類の定数を推定することを特徴とするステッピングモータの制御装置。
【数１】
2005295737.tif 000009
【数２】
2005295737.tif 000010
【数３】
2005295737.tif 000011
但し、Ｒは巻線抵抗でＲ＝Ｅ０／Ｉ０、Ｔｓはサンプリング周期、τは巻線時定数でτ＝ｌ／Ｒ、Ｅ０は第一の印加電圧、Ｅは第二の印加電圧、Ｉ０は第一の印加電圧を印加したときのモータ電流である。
【請求項２】
モータの印加電圧を制御する可変電圧インバータと、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ電流を検出する電流検出器を具備し、前記可変電圧インバータからモータ電流が一定となるように電圧を印加し、電圧検出器の出力と電流検出器の出力から数１の関係式を用いて定数ｋｇを推定した後、可変電圧インバータの出力平均値を前記抵抗値推定時と異なる極性の電圧に変更し、抵抗推定操作時のモータ電流と印加電圧及び前記タイマ回路の計測時間から数２及び数３の関係式を用いて前記２種類の定数を推定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制御装置。
【請求項３】
モータの印加電圧を制御する可変電圧インバータと、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ電流を検出する電流検出器と、電流検出器の出力と前記等価モデルから計算される電流値とを比較する比較器と、前記数２、数３の関係を持つ１対のデータｋａ、ｋｂを複数組配列したデータテーブルを具備し、前記可変電圧インバータからモータ電流が一定となるように電圧を印加し、電圧検出器の出力と電流検出器の出力から数１の関係式を用いて定数ｋｇを推定した後、前記可変電圧インバータでモータに交流を印加し、前記電流検出器の出力と前記比較器の出力が最小となるような１対のデータｋａ、ｋｂを前記データテーブルから選択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制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステッピングモータの制御装置、特にモータの等価モデルを有するステッピングモータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００３−４７２９３号公報
【特許文献２】特開平５−２０７７９９号公報
【０００３】
ステッピングモータは、位置制御、速度制御用の低価格モータとして普及している。図６は従来技術によるステッピングモータ制御装置の機能ブロック図である。
図６におけるシステムの動作を概説する。
制御装置は、入力端子３１０から加えられる外部角度指令θ＊と、入力端子３２１から入力される電流振幅指令ｉα*から正弦波信号発生器３５１、乗算器３６１を通してα相電流指令を生成する。α相電流指令は、比較器３３１、電流制御器３４１、可変電圧インバータ３７０、電流検出器３８１で構成される閉ループ電流制御系の指令であり、ステッピングモータ３９０のα相巻線には、電流指令に一致する電流が流れるような電圧が可変電圧インバータ７０から印加される。
同様に、入力端子３１０から加えられる外部角度指令θ＊と、入力端子３２２から入力される電流振幅指令ｉβ*から余弦波信号発生器３５２、乗算器３６２を通してβ相電流指令を生成する。β相電流指令は、比較器３３２、電流制御器３４２、可変電圧インバータ３７０、電流検出器３８２で構成される閉ループ電流制御系の指令であり、ステッピングモータ３９０のβ相巻線には、電流指令に一致する電流が流れるような電圧が可変電圧インバータ３７０から印加される。  通常、α相電流振幅とβ相電流振幅は同一であるから、入力端子３２１、３２２には同一の値が印加され、モータには、位相の異なる正弦波状の電流が流れ、ステッピングモータが回転する。
図６に示すステッピングモータの制御装置は、モータ電流だけを監視する制御装置であり、ステッピングモータの磁極位置や回転速度は監視していないから、脱調や振動などの発生が問題である。
【０００４】
脱調回避や振動抑制の有効な手段に、特許文献１に示す角度検出器を用いたステッピングモータ駆動装置がある。特許文献１のシステム構成を図７に示す。
特許文献１によるステッピングモータの制御装置は、磁束方向軸であるｄ軸に対してインバータ出力電圧の位相を制御する構成とすることで、ステッピングモータの挙動に対して、速度、及び負荷トルクの変化に応じて高速領域までモータ回転を維持することができる。ここで、特許文献１記載の駆動条件は、モータの速度起電力、モータ回転角周波数、モータ極対数、モータインダクタンス、巻線抵抗、巻線インピーダンスといったモータ定数が既知であることが前提となる。特に、モータインダクタンス、巻線抵抗については、実際のモータ設置条件で変化するものであるから、配線材料やインバータのスイッチング素子が持つ抵抗分やインダクタンスが加わったシステム全体の値を把握すべきであり、モータ単独の定数を用いる場合には制御性能を損なうことになる。
また、特許文献１に示された内容は角度検出器が必要であり、モータ形状が大きくなりシステム価格も上昇するという問題がある。
【０００５】
特許文献２は、前記方式で角度検出器に代わる機能を制御回路側に設けたものであり、回転時には角度検出器を具備した制御装置と同様に回転軸の位置を決定できる方法が記載されている。
特許文献２においても、回転軸位置を同定するために制御対象であるモータの巻線定数であるインダクタンスLと巻線抵抗Ｒが用いられている。但し、インダクタンスＬは、実際にはラプラス演算子をｓとして、ｓＬ＝１／ｓＣとなるコンデンサの容量Ｃに置き換えて取り扱っている。
巻線抵抗は特許文献２に記載されている数１３に示されているように、実際のモータ駆動状態における抵抗ＲＡＣを計測し用いることが明記されているが、インダクタンスＬ又は等価なＣについては言及されておらず、回転軸位置の同定に誤差が発生する恐れがある。
【０００６】
即ち、一般的なモータ制御装置と考えられる図６の従来例では、モータの振動、脱調という基本特性の改善方法を持っていないため、特性改善を図るためにはモータ及びモータ制御装置以外の改善装置を付加する必要がある。
上記改善策として特許文献１に示すように角度検出器を用いたステッピングモータ駆動装置とする場合、モータ形状が大きくなり価格も上昇するため使用が制限されるという問題がある。
また、角度検出器を持たない特許文献２の方式では、回転軸位置の同定を行う際に巻線定数の誤差の影響で回転軸位置の同定に誤差が発生する恐れがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上の通り、特許文献２に示す様な回転軸位置検出器を用いない方式を採用し、且つ回転軸位置検出器の検出精度を高くすることが可能であれば、ステッピングモータの脱調を回避して、振動を低減することが可能となる。そのためには、回転軸位置の同定に必要なモータ定数、特に巻線定数を正確に把握することが必須条件となる。
即ち、ステッピングモータの制御装置で、回転軸位置検出器を用いないで回転軸位置の同定を行う機能を有する制御装置では、巻線の定数に固定値又は公称値を用いていたが、実際にモータを駆動する場合、モータの巻線定数に配線及び駆動素子などの配線系統定数を含めて、制御装置から見た電気的な巻線定数を正確に同定する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
モータの制御特性を改善するために、モータ内部の動作を監視するモータの全体等価モデル又は部分等価モデルを制御装置内に具備し、前記等価モデルを、巻線抵抗と巻線の電気的時定数を含む数１、数２、数３で示される３種類の定数を用いて構成する。
【数１】
2005295737.tif 000003
【数２】
2005295737.tif 000004
【数３】
2005295737.tif 000005
但し、Ｒは巻線抵抗でＲ＝Ｅ０／Ｉ０、Ｔｓはサンプリング周期、τは巻線時定数でインダクタンスをＬとしたときτ＝Ｌ／Ｒ、Ｅ０は第一の印加電圧、Ｅは第二の印加電圧、Ｉ０は第一の印加電圧を印加したときのモータ電流である。
【０００９】
また、モータの印加電圧を制御する可変電圧インバータと、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ電流を検出する電流検出器と，電流が所定量だけ変化するために必要な時間を測定する時間測定器を具備し、前記モータ等価モデル内の巻線定数は、前記可変電圧インバータからモータ電流が一定となるように電圧を印加し、電圧検出器の出力と電流検出器の出力から数１の関係式を用いて定数ｋｇを推定した後、可変電圧インバータの出力平均値を前記抵抗値推定時と異なる極性の電圧に変更し、抵抗推定操作時のモータ電流と印加電圧及び前記時間測定器の計測時間から数２及び数３の関係式を用いて前記２種類の定数を推定するように構成する。
【００１０】
また、モータの印加電圧を制御する可変電圧インバータと、モータ印加電圧を検出する電圧検出器と、モータ電流を検出する電流検出器と、電流検出器の出力と前記等価モデルから計算される電流値とを比較する比較器と、前記数２、数３の関係を持つ１対のデータｋａ、ｋｂを複数組配列したデータテーブルを具備し、前記モータ等価モデル内の巻線定数は、前記可変電圧インバータからモータ電流が一定となるように電圧を印加し、電圧検出器の出力と電流検出器の出力から数１の関係式を用いて定数ｋｇを推定した後、前記可変電圧インバータでモータに交流を印加し、前記電流検出器の出力と前記前記等価モデルから計算される電流値の差が最小となるように１対のデータｋａ、ｋｂを前記モータ等価モデル内の確定数として前記データテーブルから選択し逐次更新するように構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の制御装置は、モータの巻線部の同定精度を高め検出操作を容易できる。
また、巻線定数は、配線部を含む正確な値を算定できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
検出操作を容易にするために、時定数を含む２種類の定数と巻線抵抗の逆数を要素とする等価モデルとして取り扱うようにした。
また、等価モデルの各係数は、配線部を含む正確な値を算定できるように装置内の可変電圧インバータを使用して、電流変化時間の計測結果を用いて同定した。
また、等価モデルの各係数は、等価モデルから計算される電流値と実測電流値の差が最小となる値を用いた。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明装置の実施例であって、１０は角度指令入力端子、２１はα相電流指令入力端子、２２はβ相電流指令入力端子、５１は電流指令の正弦波基本信号発生回路、５２は電流指令の余弦波基本信号発生回路、６１及び６２は乗算器、３１及び３２は加算器、４１はα相電流制御器、４２はβ相電流制御器、７０は可変電圧インバータ、８１及び８２は電流検出器、９０はステッピングモータ、１１は角度指令補正器、１２はモータ等価モデルである。
図６に示す従来技術によるステッピングモータ制御装置に対して角度指令補正器１１とモータ等価モデル１２が追加されている。
【００１４】
角度指令補正器は内部変数のうち角度推定値を用いて、外部より角度指令入力端子に印加される角度指令と比較して、振動を抑制するための角度補正信号θ’を発生する。
【００１５】
モータ等価モデル１２の詳細を図２に示す。
９２は数２に示すｋａ、９３は数３に示すｋｂ、９５は数１に示すｋｇ、９１ａ、９１ｂ、９１ｃ及び９１ｄは加算器、９４ａ、９４ｂ及び９４ｃは遅延回路、９６はトルク定数、９７は慣性モーメントの逆数、９８は誘起電圧定数である。なお、図１と同一内容部分は同一番号を付した。ここで、巻線部を９２（ｋａ）、９３（ｋｂ）、９５（ｋｇ）とすると、各要素は以下に示す関係が成り立つ。
【００１６】
図２で、モータが停止している場合にはモータ速度ωｒｅが０であるから印加電圧をＥ、巻線電流をｉ、インダクタンスをＬ、巻線抵抗をＲとすると数４が成り立つ。
【数４】
2005295737.tif 000006
初期電流をＩ０し、数１をｉについて解くと数５が得られる。
【数５】
2005295737.tif 000007
τ=Ｌ／Ｒ、Ｅ0＝Ｒ・Ｉ０と置くと数５から数６が得られる。電圧Ｅ０は初期電流Ｉ０を通電するための初期印加電圧である。
【数６】
2005295737.tif 000008
但し、Ｔｓはサンプリング周期である。
数６で、Ｅ０／Ｅとｔが分かれば時定数τの逆数のＴｓ倍の値を求めることができる。
即ち、モータ印加電圧Ｅ０、Ｅ、及び時間ｔを測定し数６の関係を用いてｋａを求め、更に数２、数３の関係からｋｂ、ｋｇを求めることでモータ巻線の等価モデルを構成することができる。
【００１７】
図３は前記関係を用いた巻線部の同定部機能ブロック図を示す。
モータの部分等価モデル９００は図２の巻線部等価モデルと同一の構成をしている。９０２（ｋａ’）、９０３（ｋｂ’）及び９０５（ｋｇ’）は図２の９２（ｋａ）、９３（ｋｂ）、９５（ｋｇ）に対応し、９０５の値は、可変電圧インバータ７０からモータ電流が一定となるように電圧を印加し、電圧検出器１０３の出力と電流検出器８１の出力から数１の関係式を用いて定数（ｋｇ’）を推定する。即ち、電流指令入力端子２１に図４に示す入力信号ｉα＊を入力し、ｉα＊＝−Ｉ０としたときの印加電圧とモータ電流からｋｇ’を決定する。次いで、ｉα＊を極性の異なる最大値であるｉとして調整部１００によって９０２（ｋａ’）、９０３（ｋｂ’）の値を調整する。調整部１００において、１０１は時間測定器、１０２は零電流検出器、１０３はＥ０を入力として、Ｔｓｌｎ（Ｅ０／Ｅ＋１）の値を出力する第１のデータテーブル、１０４は除算器、１０５はＴｓ／τを入力としてＴｓ／τに対応する数３の関係となるｋｂ’とｋｂ’を基に再計算されたｋａ’の一対のデータを格納した第２のデータテーブルである。電流指令をｉに切り替えた直後に端子１１０に時間測定器起動信号を印加し、零電流検出器１０２の零電流検出信号で時間測定器を停止するとこのときの時間測定器１０１の出力は図４のｔ１となるから、第１のデータテーブル１０３を時間測定器１０１の出力で除算した後、第２のデータテーブル１０５に印加し、数２と数３の関係にある一対のデータを得ることができる。なお，ｔ１の期間は電流制御系の働きで印加電圧が最大電圧Ｅとなることと，サンプリング周期Ｔｓは固定値でから，第１のデータテーブルは，Ｅ０が確定するとデータを検索できる。
【実施例２】
【００１８】
また、図５は別の実施例のブロック図である。
図５において、モータの部分等価モデル９００は図４の実施例と同一の内容であるが、図４の調整部１００に対してモータの部分等価モデル９００の出力であるモータ電流推定値と、電流検出器８１の値が最小となるｋａ’及びｋｂ’を第３のデータテーブル２００より選択し部分等価モデル９００の定数として逐次更新するものである。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
位置制御を目的としたステッピングモータの制御装置の他、センサを使用しないステッピングモータの速度制御装置や振動抑制機能を付加した制御装置にも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例を示した説明図である。
【図２】モータの等価回路を示した説明図である。
【図３】実施例のモータ等価モデル１２の第１の詳細説明図である。（実施例１）
【図４】巻線同定器動作時の説明図である。
【図５】実施例のモータ等価モデル１２の第２の詳細説明図である。（実施例２）
【図６】第１の従来のステッピングモータ駆動回路の説明図である。
【図７】第２の従来のステッピングモータ駆動回路の説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０        角度指令入力端子
１１        進角制御器
１２        モータ等価モデル
２１、２２        電流指令入力端子
３１、３２        比較器
４１、４２        電流制御器
５１        正弦波信号発生器
５２        余弦波信号発生器
６１、６２        乗算器
７０        可変電圧インバータ
８１、８２        電流検出器
９０        モータ
９２        数２に示す係数
９３        数３に示す係数
９５        数１に示す係数
９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄ        加算器
９４ａ、９４ｂ、９４ｃ        遅延回路
９６        トルク定数
９７        慣性モーメントの逆数
９８        誘起電圧定数
２００        第３のデータテーブル
２０１        比較器
３１０        角度指令入力端子
３２１、３２２        電流指令入力端子
３３１、３３２        比較器
３４１、３４２        電流制御器
３５１        正弦波信号発生器
３５２        余弦波信号発生器
３６１、３６２        乗算器
３７０        可変電圧インバータ
３８１、３８２        電流検出器
３９０        モータ
４１０        角度指令入力端子
４２０        進角制御器
４２１、４２２        電流入力端子
４３１、４３２        比較器
４４１、４４２        電流制御器
４４３        第１の座標変換器
４４４        第２の座標変換器
４７０        可変電圧インバータ
４８１、４８２        電流検出器
４９０        モータ
４９１        軸位置検出器
９００        モータの部分等価モデル
９０２        数２に示す係数
９０３        数３に示す係数
９０５        数１に示す係数
１００        調整部によって９０２（ｋａ’）、９０３（ｋｂ’）の値を調整
１０１        時間測定器
１０２        零電流検出器
１０３        第１のデータテーブル
１０４        除算器
１０５        第２のデータテーブル
１０６        平滑回路
１１０        端子
【図４】
2005295737.tif 000012
【図１】
2005295737.tif 000013
【図２】
2005295737.tif 000014
【図３】
2005295737.tif 000015
【図５】
2005295737.tif 000016
【図６】
2005295737.tif 000017
【図７】
2005295737.tif 000018