(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えてステッピングモータを制御するステッピングモータ駆動制御装置であって、
前記ステッピングモータに流れる実電流を検出する電流検出器と、
前記センサレス駆動を実行するために、位置指示と前記検出した実電流に基づいて、前記ステッピングモータの各相に流す駆動電流を決定するためのセンサレス駆動指令を形成するセンサレス制御手段と、
前記マイクロステップ駆動時における前記ステッピングモータの負荷を推定して第１の負荷推定値を得る負荷推定器と
を備え、
前記センサレス制御手段は、前記マイクロステップ駆動から前記センサレス駆動に切り替えたときに、前記推定した負荷に見合う前記駆動電流を決定するための前記センサレス駆動指令を前記切り替えの直前において得た前記第１の負荷推定値を用いて形成するように構成されている、ステッピングモータ駆動制御装置。
【請求項２】
前記位置指示に基づいて速度指示を形成する速度指示器をさらに備え、
前記センサレス制御手段は、前記速度指示と前記実電流に基づいて推定された推定速度との偏差にＰＩ補償を施すことによって得られるトルク分電流指示を用いて前記センサレス駆動指令を形成するように、かつ前記センサレス駆動に切り替えたときに、前記第１の負荷推定値を用いて前記ＰＩ補償のための積分要素の初期値を設定するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のステッピングモータ駆動制御装置。
【請求項３】
前記マイクロステップ駆動を実行するために、前記位置指示に基づいて、前記ステッピングモータの各相に流す駆動電流を決定するためのマイクロステップ駆動指令を形成するマイクロステップ制御手段を備え、
前記センサレス制御手段は、前記センサレス駆動時における前記ステッピングモータの負荷を推定して第２の負荷推定値を算出し、
前記マイクロステップ制御手段は、前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替えたときに、前記推定したセンサレス駆動時の負荷に見合う前記駆動電流を決定するための前記マイクロステップ駆動指令を前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替える直前において算出した前記第２の負荷推定値を用いて形成するように構成されている、請求項１又は２に記載のステッピングモータ駆動制御装置。
【請求項４】
前記位置指示に基づいて電気角指示を形成する電気角指示器をさらに備え、
該電気角指示器は、前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替えたときに、前記第２の負荷推定値を用いて電気角指示を形成し、
前記マイクロステップ制御手段は、前記電気角指示に基づいて、前記マイクロステップ駆動指令を形成することを特徴とする、請求項３に記載のステッピングモータ駆動制御装
置。
【請求項５】
前記位置指示と前記実電流に基づいて推定された推定電気角とを比較して、両者の偏差を算出する位置誤差調整器をさらに備え、
前記電気角指示器は、前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替えたときに、前記偏差を前記位置指示に加算して、該偏差を加算した位置指示と前記第２の負荷推定値とから前記電気角指示を形成することを特徴とする、請求項４に記載のステッピングモータ駆動制御装置。
【請求項６】
マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えてステッピングモータを制御するステッピングモータ駆動制御方法であって、
前記ステッピングモータに流れる実電流を検出する電流検出ステップと、
前記センサレス駆動を実行するために、位置指示と前記検出した実電流に基づいて、前記ステッピングモータの各相に流す駆動電流を決定するためのセンサレス駆動指令を形成するセンサレス制御ステップと、
前記マイクロステップ駆動時における前記ステッピングモータの負荷を推定して第１の負荷推定値を得る第１の負荷推定ステップと
を含み、
前記センサレス制御ステップは、前記マイクロステップ駆動から前記センサレス駆動に切り替えたときに、前記推定した負荷に見合う前記駆動電流を決定するための前記センサレス駆動指令を前記切り替えの直前において得た前記第１の負荷推定値を用いて形成するステップを含む、ステッピングモータ駆動制御方法。
【請求項７】
前記マイクロステップ駆動を実行するために、前記位置指示に基づいて、前記ステッピングモータの各相に流す駆動電流を決定するためのマイクロステップ駆動指令を形成するマイクロステップ制御ステップと、
前記センサレス駆動時の前記ステッピングモータの負荷を推定して第２の負荷推定値を得る第２の負荷推定ステップと
を含み、
前記マイクロステップ制御ステップは、前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替えたときに、前記推定したセンサレス制御時の負荷に見合う前記駆動電流を決定するための前記マイクロステップ駆動指令を前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替える直前において算出した前記第２の負荷推定値を用いて形成するように構成されている、請求項６に記載のステッピングモータ駆動制御方法。
【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駆動制御装置及びステッピングモータ駆動制御方法に関し、特に、複数の駆動方法を選択的に切り替えて実行するように制御するステッピングモータ駆動制御装置及びステッピングモータ駆動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ステッピングモータの駆動方法としては、定電流マイクロステップ駆動が一般的に知られている。しかしながら、この駆動方法では負荷に因らず一定電流を流してモータを駆動するため、効率が悪いという問題があった。そこで、効率の良い制御を行なうために、センサレス制御を適用することが考えられている。センサレス制御とは、回転子位置及び／又は速度を検出するセンサ（位置検出センサ、回転速度センサ等）を用いないで実行するモータ駆動制御方法である。ステッピングモータのモータモデルは一般の同期電動機のモデルと同一である。したがって、同期電動機全般に提案されているセンサレス制御を適用することができる。
【０００３】
センサレス制御を利用したステッピングモータの駆動方法としては、例えば特許文献１が挙げられる。特許文献１の制御方法においては、低速領域ではオープンループ制御とし、高速領域ではステッピングモータ内に生成される逆起電力をドライバからの電圧と電流により算出し、この算出された逆起電力を利用してロータとステータの位置関係を求め、この位置関係を利用してロータの位置を制御するクローズドループ制御を採用している。
【０００４】
特許文献２に開示された駆動制御装置では、ステッピングモータの回転速度を基準値と比較し、基準値より低いときはオープンループによる駆動系統を選択し、基準値より高いときはクローズドループによる駆動系を選択するように構成されている。
【０００５】
特許文献３に開示された駆動制御装置は、チョッパオフ直後に開放相のスイッチング素子を短期間オンさせ、スイッチング素子の出力静電容量を速やかに充放電するように構成されている。
【特許文献１】特開平９−３２２５９２号公報
【特許文献２】特開平５−１０３５００号公報
【特許文献３】特開平１０−４２５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１〜３に開示されたステッピングモータの駆動制御においては、それぞれ次のような問題点がある。特許文献１及び特許文献２に開示された駆動制御装置では、モータが負荷を負った場合に、オープンループ制御とクローズドループ制御とを切り替えると、切替時に大きな過渡現象が生じてしまう。また、特許文献３に開示された駆動制御では、複雑な励磁シーケンスを用いて逆起電力を検出する必要がある。
【０００７】
これらの従来技術の問題点に鑑みて、本発明の目的は、ステッピングモータの駆動方法を切り替えることにより、複雑な励磁シーケンス等を用いずにステッピングモータを効率よく駆動すると共に、前記駆動方法の切替時における過渡現象を抑制して安定した駆動を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えてステッピングモータを制御するステッピングモータ駆動制御装置であって、前記ステッピングモータに流れる実電流を検出する電流検出器と、前記センサレス駆動を実行するために、位置指示と前記検出した実電流に基づいて、前記ステッピングモータの各相に流す駆動電流を決定するためのセンサレス駆動指令を形成するセンサレス制御手段と、前記マイクロステップ駆動時における前記ステッピングモータの負荷を推定して第１の負荷推定値を得る負荷推定器とを備え、前記センサレス制御手段は、前記マイクロステップ駆動から前記センサレス駆動に切り替えたときに、前記推定した負荷に見合う前記駆動電流を決定するための前記センサレス駆動指令を前記切り替えの直前において得た前記第１の負荷推定値を用いて形成するように構成されている。
【０００９】
上記ステッピングモータ駆動制御装置は、前記位置指示に基づいて速度指示を形成する速度指示器をさらに備え、前記センサレス制御手段は、前記速度指示と前記実電流に基づいて推定された推定速度との偏差にＰＩ補償を施すことによって得られるトルク分電流指示を用いて前記センサレス駆動指令を形成するように、かつ前記センサレス駆動に切り替えたときに、前記第１の負荷推定値を用いて前記ＰＩ補償のための積分要素の初期値を設定するように構成してもよい。
【００１０】
また、前記マイクロステップ駆動を実行するために、前記位置指示に基づいて、前記ステッピングモータの各相に流す駆動電流を決定するためのマイクロステップ駆動指令を形成するマイクロステップ制御手段を備え、前記センサレス制御手段は、前記センサレス駆動時における前記ステッピングモータの負荷を推定して第２の負荷推定値を算出し、前記マイクロステップ制御手段は、前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替えたときに、前記推定したセンサレス駆動時の負荷に見合う前記駆動電流を決定するための前記マイクロステップ駆動指令を前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替える直前において算出した前記第２の負荷推定値を用いて形成するように構成してもよい。
【００１１】
さらに、前記位置指示に基づいて電気角指示を形成する電気角指示器をさらに備え、該電気角指示器は、前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替えたときに、前記第２の負荷推定値を用いて電気角指示を形成し、前記マイクロステップ制御手段は、前記電気角指示に基づいて、前記マイクロステップ駆動指令を形成するように構成してもよい。
【００１５】
さらに、前記位置指示と前記実電流に基づいて推定された推定電気角とを比較して、両者の偏差を算出する位置誤差調整器を備え、前記電気角指示器は、前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替えたときに、前記偏差を前記位置指示に加算して、該偏差を加算した位置指示と前記第２の負荷推定値とから前記電気角指示を形成するように構成してもよい。
【００１６】
また、本発明は、マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えてステッピングモータを制御するステッピングモータ駆動制御方法であって、前記ステッピングモータに流れる実電流を検出する電流検出ステップと、前記センサレス駆動を実行するために、位置指示と前記検出した実電流に基づいて、前記ステッピングモータの各相に流す駆動電流を決定するためのセンサレス駆動指令を形成するセンサレス制御ステップと、前記マイクロステップ駆動時における前記ステッピングモータの負荷を推定して第１の負荷推定値を得る第１の負荷推定ステップとを含み、前記センサレス制御ステップは、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替えたときに、前記推定した負荷に見合う前記駆動電流を決定するための前記センサレス駆動指令を前記切り替えの直前において得た前記第１の負荷推定値を用いて形成するステップを含む。
【００１７】
上記ステッピングモータ駆動制御方法は、前記マイクロステップ駆動を実行するために、前記位置指示に基づいて、前記ステッピングモータの各相に流す駆動電流を決定するためのマイクロステップ駆動指令を形成するマイクロステップ制御ステップと、前記センサレス駆動時の前記ステッピングモータの負荷を推定して第２の負荷推定値を得る第２の負荷推定ステップとを含み、前記マイクロステップ制御ステップは、前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替えたときに、前記推定したセンサレス制御時の負荷に見合う前記駆動電流を決定するための前記マイクロステップ駆動指令を前記センサレス駆動から前記マイクロステップ駆動に切り替える直前において算出した前記第２の負荷推定値を用いて形成するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るステッピングモータ駆動制御装置及びステッピングモータ駆動制御方法では、マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えてステッピングモータを制御する。マイクロステップ駆動は、一般的にすべての回転速度領域において有効ではなく低速領域において優位性が高いという性質がある。一方、センサレス駆動は、一般的にステッピングモータの停止時及び低速領域よりも中・高速領域において優位性が高いという性質がある。
【００１９】
本発明では、複雑な励磁シーケンス等を用いずに、マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えてステッピングモータを制御するため、停止時及び低速領域においてマイクロステップ駆動を実行し、中・高速領域においてセンサレス駆動を実行することによって、精度が高く効率の良い制御を行なうことが可能となっている。
【００２０】
さらに、本発明は、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替えたときに、マイクロステップ駆動時におけるステッピングモータの負荷を推定して得られた負荷推定値を用いて、モータ駆動電流を決定するためのセンサレス駆動指令を形成している。したがって、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替えた瞬間及び直後において、前記センサレス駆動指令にマイクロステップ駆動時の負荷推定値が反映されるため、マイクロステップ駆動時の負荷に見合う電流が前記ステッピングモータに流れる。したがって、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替えたときに生じる速度変動等の過渡現象を抑制して安定した駆動を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の第１の実施形態を添付の図により説明する。図１に本実施形態に係るステッピングモータ駆動制御装置の回路図を模式的に示す。ステッピングモータ駆動制御装置１は、外部から与えられた位置指示θ＊に基づいてＮ相ＨＢ形ステッピングモータ２の回転子位置制御を実行している。この位置制御に際しては、マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とが選択的に切り替えられて実行される。本実施形態において、ステッピングモータ駆動制御装置１は、ステッピングモータ２の停止時と低速領域においてマイクロステップ駆動を実行し、中・高速領域においてセンサレス駆動を実行するように構成されている。
【００２２】
まず、停止時はマイクロステップ駆動で位置を保持し、位置指示θ＊が入力されると、マイクロステップ駆動で始動する。その後、速度が中高速になると、位置指示θ＊を入力とする駆動方法切替器３によりセンサレス駆動に駆動方法を切り替える。停止位置に近づくと、ステッピングモータ２は減速し、低速となったところで駆動方法切替器３によってマイクロステップ駆動に切り替え、停止位置で停止する。
【００２３】
マイクロステップ駆動とセンサレス駆動を切り替える基準値である速度閾値は予め設定されている。駆動方法切替器３は、位置指示θ＊から速度を算出し、算出した速度と予め設定された速度閾値とを比較して、マイクロステップ駆動を実行するか、センサレス駆動を実行するかを判定して、切替信号を出力し、スイッチ４を介してマイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えている。
【００２４】
［センサレス駆動時］
定常状態におけるセンサレス駆動について以下に説明する。
速度指示器５は位置指示θ＊から速度指示ωｓを算出してセンサレス制御部６に出力する。センサレス制御部６は、速度指示ωｓと、ステッピングモータ２に流れている実電流ｉＮとに基づいて、センサレス駆動用指令ＶｓＮを算出して、ＰＷＭインバータ７に出力する。ステッピングモータ２に流れている実電流ｉＮは、電流検出器８で検出される。前記センサレス駆動用指令ＶｓＮは、ステッピングモータ２の各相に流す駆動電流を決定するための指令値である。
【００２５】
本実施形態おけるセンサレス制御部６は、定常状態においてセンサレス制御を行なってセンサレス駆動用指令ＶｓＮを形成する手段であればよく、特定のセンサレス制御を行なう手段に限定されるものではない。
【００２６】
センサレス制御部６の一例を以下に簡単に説明する。センサレス制御部６は、（図示しない）ＰＩ制御器を有する速度制御器を備えている。この速度制御器は、速度指示器５から出力された速度指示と実電流ｉＮに基づいて推定された推定速度との差分を算出し、該差分に対してＰＩ制御を行ない、トルク分電流指示を形成する。センサレス制御部６は、形成されたトルク分電流指示と、予め設定され又は算出された推定励磁分電流指示と、実電流ｉＮに基づいて推定された推定電気角とから、前記センサレス駆動用指令ＶｓＮを算出して、ＰＷＭインバータ７に出力する。ＰＷＭインバータ７は前記センサレス駆動用指令ＶｓＮを電力増幅し、ステッピングモータ２をセンサレス駆動する。
【００２７】
なお、センサレス制御部６は、センサレス駆動を実行している間、センサレス駆動時の負荷の値を示す負荷推定値Ｔｓを算出している。この負荷推定値は後述のようにセンサレス駆動からマイクロステップ駆動への切替時において、駆動制御に用いられる。該負荷推定値Ｔｓの算出については、後の［センサレス駆動からマイクロステップ駆動への切替時］において詳述する。
【００２８】
［マイクロステップ駆動時］
定常状態におけるマイクロステップ駆動について以下に説明する。入力された位置指示θ＊から電気角指示器９が電気角指示θｍを算出する。電気角指示θｍはステッピングモータ２の励磁電気角を指示する値である。マイクロステップ制御部１０は、算出された電気角指示θｍと電流検出器８によって検出したステッピングモータ２の実電流ｉＮと外部から与えられたマイクロステップ電流指示（マイクロステップ駆動用設定電流値）に基づいて、マイクロステップ駆動用指令ＶｍＮを形成して出力する。マイクロステップ駆動用指令ＶｍＮは、ステッピングモータ２の各相に流す駆動電流を決定するための指令値である。算出されたマイクロステップ駆動用指令ＶｍＮは、ＰＷＭインバータ７に出力され、ＰＷＭインバータ７はマイクロステップ駆動用指令ＶｍＮを電力増幅し、ステッピングモータ２をマイクロステップ駆動する。
【００２９】
なお、負荷推定器１１は、マイクロステップ駆動を実行している間、マイクロステップ駆動時の負荷の値を示す負荷推定値Ｔｍを算出している。この負荷推定値Ｔｍは後述のようにマイクロステップ駆動からセンサレス駆動への切替時において、駆動制御に用いられる。該負荷推定値Ｔｍの算出については、後の［マイクロステップ駆動からセンサレス駆動への切替時］において詳述する。
【００３０】
［マイクロステップ駆動からセンサレス駆動への切替時］
以下に、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動へ切り替えるときのステッピングモータ駆動制御装置１の動作について説明する。
ステッピングモータの駆動において、負荷のない場合には、マイクロステップ駆動とセンサレス駆動の両駆動方式における電気角を合致させて切り替えを行うことで、速度変動のない切り替え動作を行うことが出来る。しかしながら、負荷がある場合には、過渡現象として速度変動が生じる。特にマイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替える場合には大きな速度変動を生じ、場合によっては制御不能となる。
【００３１】
多くのセンサレス制御は、積分器を備えた速度制御器を用いて、要求トルクに応じた電流を流すように電流を制御する。駆動方法切り替え時点ではセンサレス駆動を行っていないため、切替時のトルク分電流指示は、速度制御器における積分器の初期値によって決定される。すなわち、積分器の初期値がゼロに設定されている場合、切替時のトルク分電流指示はゼロになる。したがって、有負荷の場合、負荷に見合ったトルク分電流指示が形成されるまでに速度変動が生じる。
【００３２】
図３は、ステッピングモータが負荷を負った場合における、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動へ切り替えたときの時間と速度の関係を示す実験結果である。
図３においては、時間０の時点でマイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替わっている。図３から明らかなように、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替えた直後から０．４秒を超える間において大きな速度変動が生じている。
【００３３】
そこで、本発明においては、マイクロステップ駆動時の定常状態の負荷を推定し、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動へ切り替えたときに、推定した負荷に見合った電流がステッピングモータに流れるように制御を行なうことによって、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動への切替時における速度変動を抑制している。
【００３４】
本実施形態では、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替えたときに、マイクロステップ駆動時の負荷に見合った積分初期値を速度制御器の積分器に設定することによって、前記負荷に見合った電流がステッピングモータに流れるように制御している。
【００３５】
先に述べたようにマイクロステップ駆動時の負荷の値を示す負荷推定値Ｔｍは、マイクロステップ駆動時に負荷推定器１１によって算出される。
図２に負荷推定器１１の回路図を模式的に示す。以下、図２を参照して負荷Ｔｍの算出方法を説明する。ステッピングモータ２の発生トルクＴは鎖交磁束数φａと電流Ｉａと磁束位置（回転子位置）θｒｅと励磁位置（励磁電気角）θから次式で求めることが出来る。
【数１】
0005078676.tif 000002
鎖交磁束数φａはモータ定数、電流Ｉａは相電流のピーク値であって、予め設定値として与えられている。励磁位置θは電気角指示θｍに対応する指示値であるため既知である。したがって、磁束位置（回転子位置）θｒｅを推定できれば、負荷Ｔｍ（発生トルクＴ）を推定することが出来る。
【００３６】
負荷推定器１１に備えられた誘起起電圧推定演算装置２０は、電流検出器８で検出した実電流ｉＮとマイクロステップ駆動指令ＶｍＮから各相の誘起起電圧ｅＮを推定する。誘起起電圧推定演算装置２０には、Ｎ相２相変換装置２１が接続されている。Ｎ相２相変換装置２１は、推定された各相の誘起起電圧ｅＮを２相交流に変換して誘起起電圧ｅα、ｅβを求める。
【００３７】
負荷推定器１１は、さらに、ｓｉｎ関数発生器２２とｃｏｓ関数発生器２３とを備えている。ｓｉｎ関数発生器２２は、あらかじめ求め又は推定しておいた回転子位置推定電気角θｅｓｔｒｅを入力としてｓｉｎθｅｓｔｒｅを算出する。乗算器２４は、算出されたｓｉｎθｅｓｔｒｅと推定した２相交流誘起起電圧の１相分ｅβとを入力として乗算を行う。
【００３８】
同様に、ｃｏｓ関数発生器２３は、あらかじめ求め又は推定しておいた回転子位置推定電気角θｅｓｔｒｅを入力としてｃｏｓθｅｓｔｒｅを算出する。乗算器２６は、算出したｃｏｓθｅｓｔｒｅと推定した２相交流誘起起電圧の１相分ｅαとを入力として乗算を行う。ここで求めたｅβ×ｓｉｎθｅｓｔｒｅとｅα×ｃｏｓθｅｓｔｒｅとの値を減算器２５に入力して、その差であるｅα×ｃｏｓθｅｓｔｒｅ−ｅβ×ｓｉｎθｅｓｔｒｅを求める。
【００３９】
求めたｅα×ｃｏｓθｅｓｔｒｅ−ｅβ×ｓｉｎθｅｓｔｒｅを第１の増幅器２７に入力して、これを増幅する。第１の増幅器２７で増幅した出力を第１の積分器２８に入力して積分する。該第１の積分器２８により積分した出力結果を、さらに第２の積分器２９に入力して積分するとともに、前記第１の積分器２８からの出力を、前記第２の積分器２９に並列に接続される前記第２の増幅器３０に入力して増幅する。そして第２の積分器２９からの積分結果と第２の増幅器３０からの増幅結果とを、加算器３１に入力して積分出力と増幅出力とを加算する。
【００４０】
加算器３１からの算出出力θｅｓｔｒｅをステッピングモータ２の回転子の推定位置にすると共に、該算出出力を、前記あらかじめ求められ又は推定されて入力された回転子位置に代えるように、ｓｉｎ関数発生器２２とｃｏｓ関数発生器２３にフィードバックして、繰り返し演算する。
【００４１】
この動作を繰り返すことにより、前記加算器３１からの算出出力をステッピングモータ２の推定される回転子位置θｅｓｔｒｅとしている。負荷推定値算出部３２は、推定された回転子位置θｅｓｔｒｅと電気角指示器９から出力された電気角指示（励磁電気角）θｍとを入力としてマイクロステップ駆動時の負荷推定値Ｔｍを算出する。
【００４２】
次に、上記に説明した負荷推定器１１の作用を数式を用いてより詳細に説明する。
各相の印加電圧をＶ、電流をＩ、誘起起電圧をＥ、インピーダンスをＺとおけば、Ｎ相ステッピングモータの電流電圧方程式は次式となる。
【００４３】
【数２】
0005078676.tif 000003
ここで、Ｖ、Ｉ、ＥはＮ列の行列、ＺはＮ行Ｎ列の行列である。
電圧Ｖにはマイクロステップ駆動指令ＶｍＮを、電流Ｉには電流検出器８で検出した実電流ｉＮを、Ｎ相ステッピングモータのインピーダンスＺにはあらかじめ測定しておいた値（各相のインダクタンス値と抵抗値）を用いれば、誘起起電圧Ｅは次式から求められる。
【００４４】
【数３】
0005078676.tif 000004
この計算を行う部分を誘起起電圧推定演算装置２０とする。求めた誘起起電圧の推定値を２相交流に変換する。例えば、３相交流を２相交流に変換する変換行列ｃは次式となる。
【００４５】
【数４】
0005078676.tif 000005
対象となるモータが３相であった場合は上式を用いる。相数により変換行列を変更する。Ｎ相２相変換装置２１は、誘起起電圧推定演算装置２０で求めたＮ相の誘起起電圧推定結果を変換行列で２相交流に変換し、２相交流の誘起起電圧の瞬時値を算出する。
【００４６】
次に、推定した誘起電圧情報から位置情報を得る方法を説明する。
前記誘起電圧ｅα、ｅβを誘起させる、界磁のα、β相の電機子巻線鎖交磁束数ψｆα、ψｆβは、その最大値をψｆ′とすると次式で表される。
【数５】
0005078676.tif 000006
【００４７】
ここで、θｒｅは、α相電機子巻線を基準として時計回りに取った界磁の角度（電気角）であり、ωｒｅを電気角速度とすると次式で表される。
【数６】
0005078676.tif 000007
このときの各相の誘起電圧ｅα、ｅβは次式となる。
【数７】
0005078676.tif 000008
【００４８】
ステッピングモータ２の回転子の推定位置演算結果θｅｓｔｒｅの正弦（ｓｉｎ）値及び余弦（ｃｏｓ）値を求め、それぞれの値と誘起電圧ｅα、ｅβとを乗算すると次式となる。
【数８】
0005078676.tif 000009
この計算を行う部分は、ｓｉｎ関数発生器２２、ｃｏｓ関数発生器２３及び乗算器２４，２６である。
【００４９】
前記（１０）式から前記（１１）式を減算すると次式となる。
【数９】
0005078676.tif 000010
ここで、θｅｓｔｒｅ≒θｒｅであれば、次式の関係が成り立つ。
【数１０】
0005078676.tif 000011
【００５０】
前記（１３）式を前記（１２）式に代入すると次式となる。
【数１１】
0005078676.tif 000012
前記（１４）式は、推定結果θｅｓｔｒｅと実測値θｒｅの偏差に比例した値となることが分かる。この計算を行う部分が減算器２５である。
【００５１】
すなわち、図２における減算器２５からの出力結果は、θｒｅ−θｅｓｔｒｅの計算を行ったこととなる。そこで、第１の増幅器２７の増幅率をＡ１、第２の増幅器３０の増幅率をＡ２、第１、第２の積分器２７，２８の伝達関数を１／ｓとおき、図２における誘起起電圧推定演算装置２０以後の伝達関数を求めると次式となる。
【数１２】
0005078676.tif 000013
前記（１５）式は、ステッピングモータ２の回転子の推定位置θｅｓｔｒｅと実位置θｒｅとは、時間∽（無限大）で一致するトラッキングフィルタとなっていることを示している。
【００５２】
また、前記回転子の推定位置を、所望のダンピングファクタや固有振動数の応答で求めようとするために、前記第１の増幅器２７の増幅率Ａ１、前記第２の増幅器３０の増幅率Ａ２を設定することができる。
【００５３】
負荷推定値算出部３２は（図示しない）減算器で、推定された回転子位置（電気角）θｅｓｔｒｅと電気角指示器９から出力された電気角指示（励磁電気角）θｍとの差を算出する。ここで、求めた回転子推定位置θｅｓｔｒｅは、α相電機子巻線を基準として時計回りに取った誘起電圧の電気角の推定結果である。従って、界磁位置は９０゜進んだ角度となる。したがって、前記減算器で算出された差にπ／２を（図示しない）加算器で加算して、負荷角θ−θｒｅを推定する。
【００５４】
負荷推定値算出部３２は、推定した負荷角θ−θｒｅと予め設定されている相電流のピーク電流値ｉａとモータ定数φａから前記（１）式を用いて負荷推定値Ｔｍを算出する。負荷推定器１１は、前述のように、前記（１５）式によって表されるトラッキングフィルタによって推定された回転子位置を用いて負荷推定値Ｔｍを算出している。該トラッキングフィルタは高周波成分をカットするフィルタ機能を有しているため、負荷推定器１１による負荷推定値Ｔｍの算出に際して、検出ノイズによる負荷推定値の変動を除去することができる。
【００５５】
マイクロステップ駆動からセンサレス制御に切り替えられると、センサレス制御部は、負荷推定値算出部３２で推定された負荷推定値Ｔｍを取得して、速度制御器に備えられた積分器の初期値を負荷推定値Ｔｍに見合う値に設定する。ここで、負荷推定値Ｔｍは、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動へ切り替えられる直前に算出された負荷推定値Ｔｍである。前記積分初期値は、負荷推定値Ｔｍをトルク定数で除算して電流に換算し、さらに制御ゲインで除算することにより決定される。
【００５６】
このように、速度制御器の積分器の初期値をマイクロステップ駆動時の負荷の値に見合う値に設定することによって、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動へ切り替えた瞬間及び直後にマイクロステップ駆動時の負荷に見合う電流がステッピングモータに流れるように制御され、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動へ切り替えたときの速度変動を抑制することができる。
【００５７】
図４は、ステッピングモータ駆動制御装置１において、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動へ切り替えたときの時間と速度の関係を示す実験結果である。
図４からも明らかなように、本実施形態においては、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動へ切り替えたときの過渡現象が抑制されて、切替時の速度変動はほとんど生じていない。
【００５８】
［センサレス駆動からマイクロステップ駆動への切替時］
センサレス駆動からマイクロステップ駆動への切替時においては、電気角指示器９が、センサレス駆動時におけるモータ２の負荷の値を示す負荷推定値Ｔｓを、センサレス制御部６から取得し、該推定負荷値Ｔｓと入力された位置指示θ＊とに基づいて、該推定負荷値Ｔｓに見合う電流をステッピングモータ２に流すように電気角指示θｍを形成する。
【００５９】
センサレス制御では、一般的にオブザーバやモータ逆モデルを使用して磁束位置を推定し、推定した磁束位置に基づいてトルク分電流の大きさを制御している。したがって、センサレス制御部６は、トルク定数とトルク分電流から負荷推定値Ｔｓを算出している。
【００６０】
センサレス駆動からマイクロステップ駆動への切替時に、電気角指示器９が取得する負荷推定値Ｔｓは、センサレス駆動からマイクロステップ駆動へ切り替えられる直前にセンサレス制御部６で算出された負荷推定値Ｔｓである。
【００６１】
上記のように、センサレス駆動からマイクロステップ駆動へ切り替えられるときに、推定負荷値Ｔｓに見合う電流がステッピングモータ２に流れるため、センサレス駆動からマイクロステップ駆動への切替時における速度変動を抑制することができる。
【００６２】
以上に説明したように、本実施形態では、マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを選択的に切り替えることによって効率の良い位置制御を実現すると共に、マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えるときに、それぞれ切替前の負荷の値に見合う電流をステッピングモータ２に流すように制御しているため、切替時の速度変動を抑制して安定した制御を実現している。
さらに、負荷推定器１１における負荷推定方法として、前述の方法を実行しているため、モータに検出巻線等を用いないので、特別なモータを必要としない。また検出巻線等を使わないので、特別な検出回路を必要とせず、ＣＰＵで演算が可能である。
【００６３】
［第２の実施形態］
図５に第２の実施形態を示す。ステッピングモータ駆動制御装置４０は、第１の実施形態と同様に、Ｎ相ＨＢ形ステッピングモータ３９の停止時と低速領域においてマイクロステップ駆動を実行し、中・高速領域においてセンサレス駆動を実行するように構成されている。駆動方法の切替は、第１の実施形態と同様に、駆動方法切替器４２によって実行される。駆動方法切替器４２から出力された切替信号に応じてスイッチ４３，４４が切り替えられることによって、上記駆動方法が切り替えられる。図５においては、スイッチ４３，４４はマイクロステップ駆動を選択している。
【００６４】
速度指示器４５に接続された減算器４６、速度制御器４７、電流制御器４８、モータモデル４９、速度・電気角推定器５０及び座標変換器５１は、第１の実施形態におけるセンサレス制御部６に対応する。電気角指示器５２に接続された座標変換器５３、減算器５４、電流制御器５５は、第１の実施形態におけるマイクロステップ制御部１０に対応する。負荷推定器５６は、第１の実施形態における負荷推定器１１と同様の処理を実行する。
【００６５】
定常状態におけるセンサレス駆動では、位置指示θ＊を入力とする速度指示器４５から出力された速度指示ωｓと、電流検出器４１によって検出された実電流ｉＮに基づいて推定された推定速度とが減算器４６に入力されて、速度指示ωｓと推定速度との差分が速度制御器４７に入力される。速度制御器４７は、ＰＩ制御器を備え、入力された差分に対してＰＩ制御を行なってトルク分電流指示として電流制御器４８に出力する。
【００６６】
電流制御器４８は、予め設定され又は算出された推定励磁分電流指示とトルク分電流指示とから、ｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｓをスイッチ４３を介して座標変換器５８に出力する。座標変換器５８には、さらに、電流検出器４１によって検出された実電流ｉＮに基づいて算出された推定電気角がスイッチ４４を介して入力される。
【００６７】
座標変換器５８は、ｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｓと推定電気角とを入力としてｄｑ−３相変換を実行し、センサレス駆動用指令ＶｓＮをＰＷＭインバータ５９に出力する。ＰＷＭインバータ５９はセンサレス駆動用指令ＶｓＮを電力増幅し、ステッピングモータ２をセンサレス駆動する。
【００６８】
前記推定速度及び前記推定電気角は、速度・電気角推定器５０によって算出される。速度・電気角推定器５０には、モータモデル４９から取得されたモデル電流と、座標変換器５１を介して軸変換された実電流とが入力される。モータモデル４９は、モータの数学モデルであって、電圧速度から電流値を推定するものである。座標変換器５１は、電流検出器４１によって検知された相電流とフィードバックされた推定電気角を入力として３相−ｄｑ変換を実行して励磁分電流とトルク分電流とを算出し、速度・電気角推定器５０に出力している。
【００６９】
速度・電気角推定器５０はモデル電流と実電流（３相−ｄｑ変換された前記励磁分電流とトルク分電流）との差分（誤差）から速度及び電気角を算出して、推定速度及び前記推定電気角を出力している。
【００７０】
定常状態におけるマイクロステップ駆動では、電気角指示器５２が位置指示θ＊を入力として電気角指示（励磁電気角）θｍを出力する。座標変換器５３は電気角指示θｍと電流検出器４１によって検出された実電流ｉＮとを入力として３相−ｄｑ変換を実行して直流電流を算出し、該直流電流を減算器５４に出力する。減算器５４は、入力されたマイクロステップ電流指示と前記直流電流との差分を算出して電流制御器５５に出力する。電流制御器５５は、入力値に対してＰＩ制御を行なって、ｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｍを出力する。
【００７１】
出力されたｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｍはスイッチ４３を介して座標変換器５８に出力される。座標変換器５８には、さらに、電気角指示器５２から出力された電気角指示θｍがスイッチ４４を介して入力される。座標変換器５８はｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｍと電気角指示θｍとを入力としてｄｑ−３相変換を実行し、マイクロステップ駆動用指令ＶｍＮをＰＷＭインバータ５９に入力する。ＰＷＭインバータ５９はマイクロステップ駆動用指令ＶｍＮを電力増幅し、ステッピングモータ３９をマイクロステップ駆動する。
【００７２】
マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替わるときには、第１の実施形態と同様に、負荷推定器５６で推定された推定負荷値Ｔｍに見合った積分初期値が速度制御器４７の積分器に設定される。したがって、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替わるときの速度変動を抑制することができる。なお、本実施形態では、モータ逆モデルを用いてｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｓを算出しているため、電流制御器４８おいてＰＩ制御器を設ける必要がない。よって、マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替えるときに電流制御器４８において積分初期値を設定する必要はない。
【００７３】
センサレス駆動からマイクロステップ駆動に切り替わるときには、センサレス駆動時の負荷の値を示す負荷推定値Ｔｓが速度制御器４７から電気角指示器５２に出力される。速度制御器４７は前記速度指示ωｓと推定速度との差分に基づいて算出したトルク分電流に対して、予め与えられているモータ定数を乗じて負荷推定値Ｔｓを算出している。
【００７４】
電気角指示器５２には、さらに位置指示θ＊が入力される。この位置指示θ＊は、前記マイクロステップ駆動に切り替わる際に位置誤差調整器５７にも入力される。以下、位置誤差調整器５７について説明する。速度・電気角推定器５０で推定された推定電気角が位置誤差調整器５７に入力される。位置誤差調整器５７は、推定電気角と位置指示θ＊とを入力として両者の偏差を算出し、該偏差を電気角指示器５２に出力する。電気角指示器５２は入力された偏差を位置指示θ＊に加算する。電気角指示器５２は、前記偏差を加算した位置指示θ＊と負荷推定値Ｔｓとから、センサレス駆動時の負荷に見合う電流がモータ３９に流れるように、電気角指示（励磁電気角）θｍを形成して、座標変換器５３に出力している。
【００７５】
前記位置誤差調整器５７は、速度制御系であるセンサレス駆動と位置制御系であるマイクロステップ駆動とを切り替えるときに生じる演算誤差を解消する目的を有している。すなわち、センサレス駆動では、速度指示器４５を介して位置指示θ＊から速度指示ωｓを算出する等、位置と速度の変換を実行している。したがって、このような変換の過程で生じた演算誤差によって速度指示と位置指示の整合がとれなくなる可能性がある。
【００７６】
そこで、位置誤差調整器５７は、速度指示と位置指示の整合をとるために、入力された推定電気角と入力された位置指示θ＊との偏差を算出して、電気角指示器５２に出力している。そして、電気角指示器５２は該偏差を位置指示θ＊に加算して電気角指示θｍを形成している。これにより、マイクロステップ駆動に切り替えたときに、演算誤差等が解消された電気角指示θｍが出力されることになる。
【００７７】
［第３の実施形態］
図６に第３の実施形態を示す。Ｎ相ＨＢ形モータ６１を駆動制御するステッピングモータ駆動制御装置６０において、速度指示器６２に接続された減算器６３、速度制御器６４、電流制御器６５、適応オブザーバ６６、積分器６７、座標変換器６８は、第１の実施形態におけるセンサレス制御部６に対応する。電気角指示器６９に接続された座標変換器７０、（図示しない）減算器を備えた電流制御器７１は第１の実施形態におけるマイクロステップ制御部１０に対応する。負荷推定器７２は、第１の実施形態における負荷推定器１１と同様の処理を実行する。駆動方法切替器７３による駆動方法の切替及び定常状態のマイクロステップ駆動については、第２の実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、図６においては、スイッチ７４，７５はマイクロステップ駆動を選択している。
【００７８】
定常状態のセンサレス駆動において、速度指示器６２は位置指示θ＊を入力として速度指示ωｓを算出して減算器６３に入力する。減算器６３は速度指示器６２から出力された速度指示ωｓと電流検出器７６によって検出された実電流に基づいて推定された推定速度との差分を算出して速度制御器６４に出力する。速度制御器６４は、ＰＩ制御器を備え、入力された差分に対してＰＩ制御を行なってトルク分電流指示を形成し、該トルク分電流指示を電流制御器６５に出力している。
【００７９】
電流制御器６５は、ＰＩ制御器を備え、予め設定され又は算出された推定励磁分電流指示及びトルク分電流指示と、電流検出器７６によって検出された実電流から算出された励磁分電流及びトルク分電流との差分を算出してＰＩ制御を実行し、ｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｓを形成して出力している。ｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｓはスイッチ７４を介して座標変換器７７に入力される。座標変換器７７には、さらにスイッチ７５を介して、電流検出器７６によって検出された実電流に基づいて推定された推定電気角が入力される。
【００８０】
座標変換器７７はｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｓと推定電気角とを入力としてｄｑ−３相変換を実行し、センサレス駆動用指令ＶｓＮをＰＷＭインバータ７８に入力する。ＰＷＭインバータ７８はセンサレス駆動用指令ＶｓＮを電力増幅し、ステッピングモータ６１をセンサレス駆動する。
【００８１】
前記推定速度及び前記推定電気角は、適応オブザーバ６６によって算出される。適応オブザーバ６６には電流検出器７６によって検出された実電流が座標変換器６８を介して入力される。座標変換器６８はフィードバックされた推定電気角と入力された実電流（相電流）とから、３相−ｄｑ変換を実行して、励磁分電流とトルク分電流（ｄｑ軸電流）とを算出して、適応オブザーバ６６に入力している。
【００８２】
適応オブザーバ６６は、入力された実電流（ｄｑ軸電流）と、電流制御器６５から出力されたｄｑ軸電圧指示Ｖｄｑｓの電圧とから推定速度を算出し、該推定速度を積分器６７を介して積分することによって推定電気角を算出している。
本実施形態のように、センサレス制御手段として適応オブザーバ６６を使用すると、各制御部分のゲイン設定が容易になる。
【００８３】
マイクロステップ駆動からセンサレス駆動に切り替えるときは、上記第２の実施形態と同様に、負荷推定器７２で算出した負荷推定値Ｔｍに見合う積分初期値を速度制御器６４の積分器に設定する。加えて、本実施形態では、電流制御器６５においてもＰＩ制御を実行しているため、電流制御器６５の積分器においても、負荷推定器７２で算出した負荷推定値Ｔｍに見合う積分初期値を設定する。
【００８４】
センサレス駆動からマイクロステップ駆動に切り替えるときは、上記第２の実施形態と同様に、速度制御器６４から出力されたセンサレス駆動時の負荷推定値Ｔｓを電気角指示器６９に入力する。位置誤差調整器７９は、位置指示θ＊と適応オブザーバ６６で推定された推定電気角とを入力として、両者の偏差を電気角指示器６９に出力する。電気角指示器６９は、該偏差を加算した位置指示θ＊と負荷推定値Ｔｓとから、センサレス駆動時の負荷に見合った電流がステッピングモータ６１に流れるように、電気角指示（励磁電気角）θｍを形成している。
【００８５】
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
例えば、上記実施形態における定常時のセンサレス制御及びマイクロステップ制御は上記実施形態に限定されない。他の構成要素及び制御によって実行される様々なセンサレス制御及びマイクロステップ制御を本発明に適用することができる。
また、上記第１の実施形態における負荷推定器ではトラッキングフィルタを用いて回転子推定位置を算出しているがこれに限定されない。例えば、逆正接関を用いて回転子推定位置θｅｓｔｒｅを算出することもできる。この場合、前記Ｎ相２相変換装置２１によって２相交流に変換して求められた誘起起電圧ｅα、ｅβを、逆正接関数に入力し、該逆正接関数からの出力をフィルタに入力し、該フィルタからの出力を回転子推定位置θｅｓｔｒｅとして前記負荷推定値算出部３２に出力するように構成しても良い。
既述の実施形態では、Ｎ相ＨＢ形ステッピングモータを駆動対象のモータとして採用しているがこれに限定されず、他のタイプのステッピングモータを駆動対象としても良い。      
【００８６】
上記第２及び第３の実施形態では、位置誤差調整器は、センサレス駆動からマイクロステップ駆動へ切り替えたときに動作している。しかしながら、位置誤差調整器５７，７９はセンサレス駆動中に動作して位置誤差を調整することもできる。この場合、位置誤差調整器５７，７９は、センサレス駆動中において、位置指示θ＊と推定電気角の偏差を算出して速度指示器４５，６２に出力する。速度指示器４５，６２は該偏差を位置指示θ＊に加算して該偏差を加算した位置指示θ＊から速度指示を算出することによって、演算誤差等が補正された速度指示を出力する。このように、センサレス駆動中に速度指示器４５，６２から出力される速度指示が位置誤差調整器５７，７９を介してすでに調整されている場合には、マイクロステップ駆動へ切り替える際に、推定電気角の位置指示θ＊に対する誤差等を補正する必要はない。したがって、上記第２及び第３の実施形態において、センサレス駆動中に位置誤差調整器５７，７９を介して上記速度指示を調整した場合には、位置誤差調整器５７，７９は、前記偏差を電気角指示器５２，６９に出力する必要はない。      
【００８７】
上記第２及び第３の実施形態において、センサレス制御時の負荷推定値Ｔｓは速度制御器４７，６４においてトルク分電流に基づいて算出されているが、これに限定されない。例えば、座標変換器５１，６８から出力されるトルク分電流に、任意の演算手段を介してモータ定数を乗じることによってセンサレス制御時の負荷推定値Ｔｓを算出し、該算出した負荷推定値Ｔｓを電気角指示器５２，６９に入力するように構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】第１の実施形態に係るステッピングモータ駆動制御装置の模式的な回路図である。
【図２】第１の実施形態に係る負荷推定器の模式的な回路図である。
【図３】マイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えたときの速度変動を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態に係るステッピングモータ駆動制御装置によってマイクロステップ駆動とセンサレス駆動とを切り替えたときの速度変動を示すグラフである。
【図５】第２の実施形態に係るステッピングモータ駆動制御装置の模式的な回路図である。
【図６】第３の実施形態に係るステッピングモータ駆動制御装置の模式的な回路図である。
【符号の説明】
【００８９】
１，４０，６０  ステッピングモータ駆動制御装置
２，３９，６１  ステッピングモータ
３，４２，７３  駆動方法切替器
５，４５，６２  速度指示器
６  センサレス制御部
８，４１，７６  電流検出器
９，５２，６９  電気角指示器
１０  マイクロステップ制御部
１１，５６，７２  負荷推定器
４７，６４  速度制御器
４８，６５  電流制御器
４９  モータモデル
５０  速度・電気角推定器
５７，７９  位置誤差調整器
６６  適応オブザーバ
【図１】
0005078676.tif 000014
【図２】
0005078676.tif 000015
【図３】
0005078676.tif 000016
【図４】
0005078676.tif 000017
【図５】
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【図６】
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