ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法及び装置
【課題】
ステッピングモータの低速でのマイクロステップ駆動と高速でのセンサレス駆動の両方において、ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する。
【解決手段】
本発明の方法は、インバータ３からステッピングモータ１に供給されるモータ電流を電流検出器２が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、電流検出器２により検出されたモータ電流と電気角とを２軸直流電流値に変換し、２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出し、２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定されたステッピングモータ１の回転子の速度とを用いて、モータ電流を磁束オブザーバ８が推定し、磁束オブザーバ８により推定されたモータ電流と２軸直流電流値との偏差から回転子の速度を推定し、推定された回転子の速度を積分して回転子の位置を推定する。
ステッピングモータの低速でのマイクロステップ駆動と高速でのセンサレス駆動の両方において、ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する。
【解決手段】
本発明の方法は、インバータ３からステッピングモータ１に供給されるモータ電流を電流検出器２が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、電流検出器２により検出されたモータ電流と電気角とを２軸直流電流値に変換し、２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出し、２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定されたステッピングモータ１の回転子の速度とを用いて、モータ電流を磁束オブザーバ８が推定し、磁束オブザーバ８により推定されたモータ電流と２軸直流電流値との偏差から回転子の速度を推定し、推定された回転子の速度を積分して回転子の位置を推定する。
【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回転子の位置及び速度を推定する方法及び装置に関する。具体的には、本発明は、ステッピングモータの低速運転時のマイクロステップ駆動の制御に好適な回転子の位置及び速度を推定する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステッピングモータは、位置センサを使用することなくパルスというデジタル量で制御できるモータである。そのため、コンピュータ制御での位置決め用途に広く使われている。
【０００３】
このようなステッピングモータの回転子の位置及び速度を検出するために、モータの非励磁状態のコイルに発生する誘起電圧を利用する手法（特許文献１参照）や、モータに誘起電圧検出用の巻線を特別に設けて、その巻線に発生する誘起電圧を利用する手法（特許文献２、３参照）がある。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の手法にあっては、非励磁状態のない、低速運転時のいわゆるマイクロステップ駆動には応用できず、また、高速運転時には、非励磁状態の時間が短くなり、誘起電圧の検出が難しいという問題がある。また、特許文献２、３に記載の手法にあっては、別途、専用のステッピングモータを用意しなければならないという問題がある。
【０００５】
このような問題点を解決するため、本願出願人は、モーターモデルと２次トラッキングフィルタを用いて回転子の位置を推定する方法に係る発明について特許を受けている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平２−１９７２０号公報
【特許文献２】特開平５−２８４７９０号公報
【特許文献３】特開平１０−２５７７４５号公報
【特許文献４】特許第４２３５４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献４に記載の方法にあっては、マイクロステップ駆動には応用可能であるものの、回転子の位置の推定結果を用いてセンサレス駆動することが難しく、高速でのセンサレス駆動時にステッピングモータが脱調してしまうという問題があった。
【０００８】
また、磁束オブザーバを用いた回転子の位置及び速度の推定にあっては、ステッピングモータの高速運転時には適用できるものの、低速運転時には適用できないという問題があった。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、その目的は上記の問題点を解消し、ステッピングモータの低速でのマイクロステップ駆動と高速でのセンサレス駆動の両方に適用ができながら、特別な専用モータを必要とせずに、ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出し、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を磁束オブザーバが推定し、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求め、前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出し、前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換し、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、磁束オブザーバが前記モータ電流を推定し、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とする。
【００１２】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法の別の形態によれば、前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として電流を推定する。
【００１３】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法の別の形態によれば、推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いる。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換するＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出する電流制御器と、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求める乗算器と、前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出する電流制御器と、前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換する第１のＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換する第２のＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の別の形態によれば、前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として電流を推定する。
【００１７】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の別の形態によれば、推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出し、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を磁束オブザーバが推定し、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とするため、磁束オブザーバを用いてステッピングモータの回転子の位置及び速度を効率的に推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。
【００１９】
本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求め、前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出し、前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換し、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、磁束オブザーバが前記モータ電流を推定し、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とするため、交流量で電流制御を行った場合にも、磁束オブザーバを用いてステッピングモータの回転子の位置及び速度を効率的に推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。
【００２０】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法の別の形態によれば、前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として電流を推定するため、回転子の速度と位置に加えて、ステッピングモータへ供給される電流も精度良く推定することができる。
【００２１】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法の別の形態によれば、推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いるため、ステッピングモータの低速運転時のマイクロステップ駆動においても、回転子の位置と速度を推定することができる。
【００２２】
本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換するＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出する電流制御器と、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器とを備えたことを特徴とするため、磁束オブザーバを用いてステッピングモータの回転子の位置及び速度を効率的に推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。
【００２３】
本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求める乗算器と、前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出する電流制御器と、前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換する第１のＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換する第２のＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器とを備えたことを特徴とするため、交流量で電流制御を行った場合にも、磁束オブザーバを用いてステッピングモータの回転子の位置及び速度を効率的に推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。
【００２４】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の別の形態によれば、前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として電流を推定するため、回転子の速度と位置に加えて、ステッピングモータへ供給される電流も精度良く推定することができる。
【００２５】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の別の形態によれば、推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いるため、ステッピングモータの低速運転時のマイクロステップ駆動においても、回転子の位置と速度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の一実施形態を示す構成系統図である。
【図２】定電流マイクロステップ駆動時の電流電圧ベクトル図である。
【図３】磁束オブザーバの入力電圧と電流推定結果とを示す図である。
【図４】定電流マイクロステップ駆動時の回転子の位置の推定結果を示す図である。
【図５】本発明のステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の他の実施形態を示す構成系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態に基づいたステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置を示す構成系統図である。
【００２９】
１はＮ相ステッピングモータであり、このＮ相ステッピングモータ１にはインバータ３が接続されている。インバータ３は、図示しない交流電源に接続されており、交流電源から供給される電力をＮ相ステッピングモータ１に供給する。このインバータ３にはＡＢ／Ｎ相座標変換器４が接続されており、このＡＢ／Ｎ相座標変換器４はＮ相交流電圧指示値をインバータ３へ出力する。ＡＢ／Ｎ相座標変換器４には電流制御器６が接続されており、この電流制御器６は２軸直流電圧指示値をＡＢ／Ｎ相座標変換器４に出力する。この電流制御器６には減算器１１が接続されている。この減算器１１には、外部からの２軸直流電流指示値と、後述するＮ相／ＡＢ座標変換器５からの２軸直流電流値とが入力され、減算される。
【００３０】
Ｎ相ステッピングモータ１とインバータ３との間には電流検出器２が設けられ、電流検出器２はＮ相／ＡＢ座標変換器５に接続されている。電流検出器２は、インバータ３からＮ相ステッピングモータに供給されるモータ電流を検出し、検出値をＮ相／ＡＢ座標変換器５に出力する。Ｎ相／ＡＢ座標変換器５は前記減算器１１に接続されている。７は電気角演算器であり、この電気角演算器７は前記ＡＢ／Ｎ相座標変換器４とＮ相／ＡＢ座標変換器５とに接続されている。電気角演算器７は、外部から入力されたパルスを基に電気角を演算し、演算した電気角をＡＢ／Ｎ相座標変換器４とＮ相／ＡＢ座標変換器５とに出力する。Ｎ相／ＡＢ座標変換器５は、電気角演算器７により演算された電気角と、電流検出器２により検出されたモータ電流とを２軸直流電流値へ変換し、その２軸直流電流値を減算器１１へ出力する。
【００３１】
前記電流制御器６には磁束オブザーバ８が接続されている。この磁束オブザーバ８は、電流制御器６の出力である２軸直流電圧指示値と、速度推定器９により予め求められ又は予め推定された回転子の速度とを用いて、Ｎ相ステッピングモータ１へ供給されている電流を推定するものである。この磁束オブザーバ８は減算器１２に接続されて、推定電流を出力する。減算器１２にはＮ相／ＡＢ座標変換器５が接続されており、前記磁束オブザーバ８からの推定電流から前記２軸直流電流値が減算される。この減算器１２には速度推定器９が接続されており、速度推定器９には前記磁束オブザーバ８とともに積分器１０が接続されている。速度推定器９は磁束オブザーバ８と積分器１０とに推定速度を出力する。積分器１０は、速度推定器９から入力された推定速度から推定位置を算出する。
【００３２】
上記のような構成の装置において、Ｎ相ステッピングモータ１はインバータ３から交流電力が供給されて駆動される。このときモータに流れるモータ電流は、電流検出器２により検出される。また、電気角演算器７は外部から入力されたパルスを電気角に変換する。一方、Ｎ相／ＡＢ座標変換器５は、電流検出器２により検出されたモータ電流を、直交座標系（Ａ軸、Ｂ軸）を座標軸においた直流へと変換する処理を行う。具体的には、Ｎ相／ＡＢ座標変換器５は、電気角演算器７により得られた電気角と電流検出器２により検出された電流検出値とを用いて２軸直流電流値に変換する。減算器１１は、この２軸直流電流値と外部から入力された２軸直流電流指示値との偏差を求める。この偏差を用いて、電流制御器６は２軸直流電圧指示値を算出する。この２軸直流電圧指示値と電気角とを用いてＡＢ／Ｎ相座標変換器４はＮ相交流電圧指示値を求めて、インバータ３へ出力する。これにより、Ｎ相ステッピングモータ１は、定電流マイクロステップ駆動（開ループ駆動）する。
【００３３】
次に、Ｎ相ステッピングモータ１が定電流マイクロステップ駆動（開ループ駆動）している際の回転子の位置と速度を推定する流れについて述べる。まず、磁束オブザーバ８は、電流制御器６の出力である２軸直流電圧指示値と、速度推定器９により予め求められ又は予め推定された回転子の速度とを用いて、Ｎ相ステッピングモータ１へ供給されている電流を推定する。減算器１２は、磁束オブザーバ８により推定された電流と２軸直流電流値との偏差を求める。この偏差の入力を受けて、速度推定器９は回転子の速度を推定する。速度推定器９に入力される偏差がゼロとなるまで、速度推定器９は回転子の速度を推定し、推定した速度を磁束オブザーバ８へ出力する。積分器１０は、速度推定器９により得られた回転子の推定速度を積分して、回転子の位置を推定する。
【００３４】
次に、Ｎ相ステッピングモータ１が３相ステッピングモータである場合の作用を説明する。３相ステッピングモータのαβ座標における状態方程式は次式で表される。
【数１】
【００３５】
ただし、Ｒは電機子抵抗であり、Ｌは１相分のインダクタンスであり、ωｒは回転角速度である。φｓは固定子磁束であり、φαｓはα軸の固定子磁束であり、φβｓはβ軸の固定子磁束である。φｒは回転子磁束であり、φαｒはα軸の回転子磁束であり、φβｒはβ軸の回転子磁束である。ｖαｓはα相の電圧であり、ｖβｓはα相の電圧であり、ｉαｓはα相の電流であり、ｉβｓはβ相の電流である。
【００３６】
次式で定義する磁束オブザーバを用いれば、制御入力と測定出力から状態変数を再現することができる。
【数２】
【００３７】
ただし、行列Ｈはゲインであり、
【数３】
は回転子の推定速度であり、
【数４】
は固定子の推定磁束であり、
【数５】
は回転子の推定磁束であり、
【数６】
は３相ステッピングモータの推定電流である。
【００３８】
ｄｑ座標の磁束オブザーバは次式で表される。
【数７】
【００３９】
このときの３相ステッピングモータの推定電流と実電流との誤差は次式で求められる。
【数８】
【００４０】
実電流と推定電流との誤差の未知パラメータは、回転子の推定速度
【数９】
と運転速度ωである。したがって、何らかの推定器を用いて電流誤差から推定速度
【数１０】
を算出し、算出した推定速度
【数１１】
を誤差ブロックにフィードバックさせることにより、速度誤差はゼロに収束する。まず、電流誤差ベクトルの差分をスカラー量に変換するため次式の演算を行う。
【数１２】
【００４１】
（５）式の分母を展開し整理し総磁束量で除算すると次式となる。
【数１３】
【００４２】
回転子の推定速度のパラメータ調整則をＰＩ制御器とし、次式で推定する。
【数１４】
【００４３】
整理すると次式となる。
【数１５】
【００４４】
ステッピングモータでは回転子ｑ軸磁束はゼロとする運転周波数を選択することで、推定ｑ軸磁束はゼロとなる。（８）式は次式となる。
【数１６】
この（９）式の計算は、速度推定器９によって行われる。
【００４５】
次に運転速度ωを求める。（３）式の状態方程式最下段に注目する。
【数１７】
【００４６】
（１０）式において、回転子推定ｑ軸磁束をゼロとおき、運転速度ωについて解くと、次式となる。
【数１８】
【００４７】
速度推定器９が（９）式により算出した回転子の推定速度を積分器１０が積分することで、回転子の位置を推定することができる。
【００４８】
開ループ駆動時、２軸直流（ＡＢ軸）で電流制御を行い、電気角は入力パルスから作成する。電流ベクトルを基準とし、無負荷で開ループ駆動を行った場合のベクトル図を図２に示している。図中、ｉは電流ベクトルであり、φは磁束ベクトルであり、ｅ０は誘起電圧ベクトルであり、Ｖは電圧ベクトルであり、Ｒは電機子抵抗であり、ωは回転子の速度であり、Ｌは１相分のインダクタンスである。図２では電流ベクトルｉをＡ軸と置いているが、電流ベクトルの位置をどこに置いても駆動可能である。
【００４９】
速度と位置の推定を行う磁束オブザーバ８の入力であるｄｑ軸電圧指示値は、開ループ駆動時のＡＢ軸電圧指示値とする。
【００５０】
開ループ電圧と磁束オブザーバ８のベクトル図を図３に示している。図中の誘起電圧ベクトルｅ０を中心とする円は、モータのインピーダンスωＬと推定電流ベクトル
【数１９】
とによる電圧ベクトル
【数２０】
の取りえる軌跡である。
【００５１】
図３において、開ループ電圧ベクトルを、ｑ軸成分が負となるＶ２あるいはＶ３とすると、開ループ電圧ベクトルＶ２、Ｖ３のいずれも電圧ベクトルの軌跡とは一致しないため、回転子の位置と速度の推定は収束することができない。
【００５２】
また、開ループ電圧ベクトルを、ｄ軸成分及びｑ軸成分がともに正となるＶ１とすると、位置と速度の推定結果は収束することができる。他方、図２のＢ軸と図３のｑ軸の向きが逆であり、さらにｄ軸に制御器が存在しないため、大きなｄ軸電流誤差Δｉｄｓを生じる。
【００５３】
開ループ電圧ベクトルを、ｑ軸成分が正となりｄ軸成分が負となるＶ４とすると、位置と速度の推定結果は収束し、かつｄ軸の電流誤差Δｉｄｓも小さくなる。
【００５４】
そこで、開ループ駆動時における磁束オブザーバ８の電圧ベクトルは、ｑ軸成分を正とし、ｄ軸成分を負とすると、推定電流は実電流と位相πの位置となる。
【００５５】
したがって、開ループ駆動時は磁束オブザーバ８の入力となるｄ軸電圧指示値を負とし、ｑ軸電圧指示値を正として、（３）式と（１１）式とを演算する磁束オブザーバ８でモータ電流を推定する。推定した電流と実電流との偏差を用いて（９）式を演算する速度推定器９で速度を推定することで開ループ駆動時の回転子の位置を求めることができる。
【００５６】
開ループで駆動中に上記の手法を用いて、３相ステッピングモータの回転子の位置を推定した結果を図４に示している。図４の横軸は時間（秒）を表しており、縦軸は電気角（πラジアン）を表している。そして、符号Ｘは回転子の実位置を示しており、符号Ｙは推定された回転子の位置を示している。この図４によれば、実位置Ｘに対し推定された位置Ｙは１８０度位相で検出されていることがわかる。
【００５７】
上記のような構成の装置によれば、低速運転時のマイクロステップ駆動と高速運転時のセンサレス駆動との双方において、磁束オブザーバ８を用いて回転子の速度と位置を推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。加えて、Ｎ相ステッピングモータ１へ供給される電流も精度良く推定できる。
【００５８】
図５は、本発明の他の実施形態を示したもので、同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略する。
【００５９】
図５に示した装置では、電流制御器６と電流検出器２とに減算器１１が接続されている。減算器１１には乗算器１３が接続されている。乗算器１３には正弦波発生器１４が接続されている。乗算器１３は、外部から電流指示値の入力を受ける。正弦波発生器１４には、外部からパルスを入力される電気角演算器７が接続されており、この電気角演算器７には、後述する第１のＮ相／ＡＢ座標変換器１５と第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６とに接続されている。
【００６０】
１５は第１のＮ相／ＡＢ座標変換器であり、第１のＮ相／ＡＢ座標変換器１５は電気角演算器７とともに電流制御器６に接続されている。１６は第２のＮ相／ＡＢ座標変換器であり、第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６は電気角演算器７とともに電流検出器２に接続されている。第１のＮ相／ＡＢ座標変換器１５には磁束オブザーバ８が接続されている。磁束オブザーバ８と第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６には、磁束オブザーバ８からの推定電流と第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６からの２軸直流電流値を減算する減算器１２が接続されている。
【００６１】
上記のような構成の装置において、電流制御は交流量により行われる。具体的には、電気角演算器７は外部から入力されたパルスを電気角に変換する。この電気角に基づいて正弦波発生器１４は正弦波信号を乗算器１３へ出力する。乗算器１３は入力された正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求め、減算器１１へ出力する。減算器１１は、交流電流指示値と電流検出器２の出力である交流電流との偏差を算出する。この偏差を用いて、電流制御器６は電圧指示値を算出し、インバータ３へ出力する。このようにして、Ｎ相ステッピングモータ１は、定電流マイクロステップ駆動（開ループ駆動）する。
【００６２】
Ｎ相ステッピングモータ１が定電流マイクロステップ駆動（開ループ駆動）している際の回転子の位置と速度を推定するために、まず、第１のＮ相／ＡＢ座標変換器１５は、電流制御器６の出力である電圧指示値と電気角演算器７の出力である電気角とから２軸直流電圧指示値を求めて磁束オブザーバ８へ出力する。磁束オブザーバ８は、２軸直流電圧指示値と、速度推定器９により予め求められ又は予め推定された回転子の速度とから電流を推定する。第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６は、電流検出器２により検出された交流電流と、電気角演算器７の出力である電気角とを２軸直流電流値へ変換して減算器１２へ出力する。減算器１２は、２軸直流電流値と磁束オブザーバ８により推定された電流との偏差を求めて速度推定器９へ出力する。速度推定器９は、入力された偏差から回転子の速度を推定する。速度推定器９に入力される偏差がゼロとなるまで、速度推定器９は回転子の速度を推定し、推定した速度を磁束オブザーバ８へ出力する。積分器１０は、速度推定器９により得られた回転子の推定速度を積分して、回転子の位置を推定する。
【００６３】
上記のような構成の装置によれば、交流量で電流制御を行った場合にも、低速運転時のマイクロステップ駆動と高速運転時のセンサレス駆動との双方において、磁束オブザーバ８を用いて回転子の速度と位置を推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。加えて、Ｎ相ステッピングモータ１へ供給される電流も精度良く推定できる。
【符号の説明】
【００６４】
１ Ｎ相ステッピングモータ
２ 電流検出器
３ インバータ
４ ＡＢ／Ｎ相座標変換器
５ Ｎ相／ＡＢ座標変換器
６ 電流制御器
７ 電気角演算器
８ 磁束オブザーバ
９ 速度推定器
１０ 積分器
１１、１２ 減算器
１３ 乗算器
１４ 正弦波発生器
１５ 第１のＮ相／ＡＢ座標変換器
１６ 第２のＮ相／ＡＢ座標変換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法及び装置に関する。具体的には、本発明は、ステッピングモータの低速運転時のマイクロステップ駆動の制御に好適な回転子の位置及び速度を推定する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステッピングモータは、位置センサを使用することなくパルスというデジタル量で制御できるモータである。そのため、コンピュータ制御での位置決め用途に広く使われている。
【０００３】
このようなステッピングモータの回転子の位置及び速度を検出するために、モータの非励磁状態のコイルに発生する誘起電圧を利用する手法（特許文献１参照）や、モータに誘起電圧検出用の巻線を特別に設けて、その巻線に発生する誘起電圧を利用する手法（特許文献２、３参照）がある。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の手法にあっては、非励磁状態のない、低速運転時のいわゆるマイクロステップ駆動には応用できず、また、高速運転時には、非励磁状態の時間が短くなり、誘起電圧の検出が難しいという問題がある。また、特許文献２、３に記載の手法にあっては、別途、専用のステッピングモータを用意しなければならないという問題がある。
【０００５】
このような問題点を解決するため、本願出願人は、モーターモデルと２次トラッキングフィルタを用いて回転子の位置を推定する方法に係る発明について特許を受けている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平２−１９７２０号公報
【特許文献２】特開平５−２８４７９０号公報
【特許文献３】特開平１０−２５７７４５号公報
【特許文献４】特許第４２３５４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献４に記載の方法にあっては、マイクロステップ駆動には応用可能であるものの、回転子の位置の推定結果を用いてセンサレス駆動することが難しく、高速でのセンサレス駆動時にステッピングモータが脱調してしまうという問題があった。
【０００８】
また、磁束オブザーバを用いた回転子の位置及び速度の推定にあっては、ステッピングモータの高速運転時には適用できるものの、低速運転時には適用できないという問題があった。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、その目的は上記の問題点を解消し、ステッピングモータの低速でのマイクロステップ駆動と高速でのセンサレス駆動の両方に適用ができながら、特別な専用モータを必要とせずに、ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出し、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を磁束オブザーバが推定し、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求め、前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出し、前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換し、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、磁束オブザーバが前記モータ電流を推定し、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とする。
【００１２】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法の別の形態によれば、前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として電流を推定する。
【００１３】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法の別の形態によれば、推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いる。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換するＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出する電流制御器と、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求める乗算器と、前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出する電流制御器と、前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換する第１のＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換する第２のＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の別の形態によれば、前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として電流を推定する。
【００１７】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の別の形態によれば、推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出し、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を磁束オブザーバが推定し、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とするため、磁束オブザーバを用いてステッピングモータの回転子の位置及び速度を効率的に推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。
【００１９】
本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求め、前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出し、前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換し、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、磁束オブザーバが前記モータ電流を推定し、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とするため、交流量で電流制御を行った場合にも、磁束オブザーバを用いてステッピングモータの回転子の位置及び速度を効率的に推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。
【００２０】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法の別の形態によれば、前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として電流を推定するため、回転子の速度と位置に加えて、ステッピングモータへ供給される電流も精度良く推定することができる。
【００２１】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法の別の形態によれば、推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いるため、ステッピングモータの低速運転時のマイクロステップ駆動においても、回転子の位置と速度を推定することができる。
【００２２】
本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換するＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出する電流制御器と、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器とを備えたことを特徴とするため、磁束オブザーバを用いてステッピングモータの回転子の位置及び速度を効率的に推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。
【００２３】
本発明に係るステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置は、インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求める乗算器と、前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出する電流制御器と、前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換する第１のＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換する第２のＮ相／ＡＢ座標変換器と、前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器とを備えたことを特徴とするため、交流量で電流制御を行った場合にも、磁束オブザーバを用いてステッピングモータの回転子の位置及び速度を効率的に推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。
【００２４】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の別の形態によれば、前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として電流を推定するため、回転子の速度と位置に加えて、ステッピングモータへ供給される電流も精度良く推定することができる。
【００２５】
上記ステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の別の形態によれば、推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いるため、ステッピングモータの低速運転時のマイクロステップ駆動においても、回転子の位置と速度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の一実施形態を示す構成系統図である。
【図２】定電流マイクロステップ駆動時の電流電圧ベクトル図である。
【図３】磁束オブザーバの入力電圧と電流推定結果とを示す図である。
【図４】定電流マイクロステップ駆動時の回転子の位置の推定結果を示す図である。
【図５】本発明のステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置の他の実施形態を示す構成系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態に基づいたステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置を示す構成系統図である。
【００２９】
１はＮ相ステッピングモータであり、このＮ相ステッピングモータ１にはインバータ３が接続されている。インバータ３は、図示しない交流電源に接続されており、交流電源から供給される電力をＮ相ステッピングモータ１に供給する。このインバータ３にはＡＢ／Ｎ相座標変換器４が接続されており、このＡＢ／Ｎ相座標変換器４はＮ相交流電圧指示値をインバータ３へ出力する。ＡＢ／Ｎ相座標変換器４には電流制御器６が接続されており、この電流制御器６は２軸直流電圧指示値をＡＢ／Ｎ相座標変換器４に出力する。この電流制御器６には減算器１１が接続されている。この減算器１１には、外部からの２軸直流電流指示値と、後述するＮ相／ＡＢ座標変換器５からの２軸直流電流値とが入力され、減算される。
【００３０】
Ｎ相ステッピングモータ１とインバータ３との間には電流検出器２が設けられ、電流検出器２はＮ相／ＡＢ座標変換器５に接続されている。電流検出器２は、インバータ３からＮ相ステッピングモータに供給されるモータ電流を検出し、検出値をＮ相／ＡＢ座標変換器５に出力する。Ｎ相／ＡＢ座標変換器５は前記減算器１１に接続されている。７は電気角演算器であり、この電気角演算器７は前記ＡＢ／Ｎ相座標変換器４とＮ相／ＡＢ座標変換器５とに接続されている。電気角演算器７は、外部から入力されたパルスを基に電気角を演算し、演算した電気角をＡＢ／Ｎ相座標変換器４とＮ相／ＡＢ座標変換器５とに出力する。Ｎ相／ＡＢ座標変換器５は、電気角演算器７により演算された電気角と、電流検出器２により検出されたモータ電流とを２軸直流電流値へ変換し、その２軸直流電流値を減算器１１へ出力する。
【００３１】
前記電流制御器６には磁束オブザーバ８が接続されている。この磁束オブザーバ８は、電流制御器６の出力である２軸直流電圧指示値と、速度推定器９により予め求められ又は予め推定された回転子の速度とを用いて、Ｎ相ステッピングモータ１へ供給されている電流を推定するものである。この磁束オブザーバ８は減算器１２に接続されて、推定電流を出力する。減算器１２にはＮ相／ＡＢ座標変換器５が接続されており、前記磁束オブザーバ８からの推定電流から前記２軸直流電流値が減算される。この減算器１２には速度推定器９が接続されており、速度推定器９には前記磁束オブザーバ８とともに積分器１０が接続されている。速度推定器９は磁束オブザーバ８と積分器１０とに推定速度を出力する。積分器１０は、速度推定器９から入力された推定速度から推定位置を算出する。
【００３２】
上記のような構成の装置において、Ｎ相ステッピングモータ１はインバータ３から交流電力が供給されて駆動される。このときモータに流れるモータ電流は、電流検出器２により検出される。また、電気角演算器７は外部から入力されたパルスを電気角に変換する。一方、Ｎ相／ＡＢ座標変換器５は、電流検出器２により検出されたモータ電流を、直交座標系（Ａ軸、Ｂ軸）を座標軸においた直流へと変換する処理を行う。具体的には、Ｎ相／ＡＢ座標変換器５は、電気角演算器７により得られた電気角と電流検出器２により検出された電流検出値とを用いて２軸直流電流値に変換する。減算器１１は、この２軸直流電流値と外部から入力された２軸直流電流指示値との偏差を求める。この偏差を用いて、電流制御器６は２軸直流電圧指示値を算出する。この２軸直流電圧指示値と電気角とを用いてＡＢ／Ｎ相座標変換器４はＮ相交流電圧指示値を求めて、インバータ３へ出力する。これにより、Ｎ相ステッピングモータ１は、定電流マイクロステップ駆動（開ループ駆動）する。
【００３３】
次に、Ｎ相ステッピングモータ１が定電流マイクロステップ駆動（開ループ駆動）している際の回転子の位置と速度を推定する流れについて述べる。まず、磁束オブザーバ８は、電流制御器６の出力である２軸直流電圧指示値と、速度推定器９により予め求められ又は予め推定された回転子の速度とを用いて、Ｎ相ステッピングモータ１へ供給されている電流を推定する。減算器１２は、磁束オブザーバ８により推定された電流と２軸直流電流値との偏差を求める。この偏差の入力を受けて、速度推定器９は回転子の速度を推定する。速度推定器９に入力される偏差がゼロとなるまで、速度推定器９は回転子の速度を推定し、推定した速度を磁束オブザーバ８へ出力する。積分器１０は、速度推定器９により得られた回転子の推定速度を積分して、回転子の位置を推定する。
【００３４】
次に、Ｎ相ステッピングモータ１が３相ステッピングモータである場合の作用を説明する。３相ステッピングモータのαβ座標における状態方程式は次式で表される。
【数１】
【００３５】
ただし、Ｒは電機子抵抗であり、Ｌは１相分のインダクタンスであり、ωｒは回転角速度である。φｓは固定子磁束であり、φαｓはα軸の固定子磁束であり、φβｓはβ軸の固定子磁束である。φｒは回転子磁束であり、φαｒはα軸の回転子磁束であり、φβｒはβ軸の回転子磁束である。ｖαｓはα相の電圧であり、ｖβｓはα相の電圧であり、ｉαｓはα相の電流であり、ｉβｓはβ相の電流である。
【００３６】
次式で定義する磁束オブザーバを用いれば、制御入力と測定出力から状態変数を再現することができる。
【数２】
【００３７】
ただし、行列Ｈはゲインであり、
【数３】
は回転子の推定速度であり、
【数４】
は固定子の推定磁束であり、
【数５】
は回転子の推定磁束であり、
【数６】
は３相ステッピングモータの推定電流である。
【００３８】
ｄｑ座標の磁束オブザーバは次式で表される。
【数７】
【００３９】
このときの３相ステッピングモータの推定電流と実電流との誤差は次式で求められる。
【数８】
【００４０】
実電流と推定電流との誤差の未知パラメータは、回転子の推定速度
【数９】
と運転速度ωである。したがって、何らかの推定器を用いて電流誤差から推定速度
【数１０】
を算出し、算出した推定速度
【数１１】
を誤差ブロックにフィードバックさせることにより、速度誤差はゼロに収束する。まず、電流誤差ベクトルの差分をスカラー量に変換するため次式の演算を行う。
【数１２】
【００４１】
（５）式の分母を展開し整理し総磁束量で除算すると次式となる。
【数１３】
【００４２】
回転子の推定速度のパラメータ調整則をＰＩ制御器とし、次式で推定する。
【数１４】
【００４３】
整理すると次式となる。
【数１５】
【００４４】
ステッピングモータでは回転子ｑ軸磁束はゼロとする運転周波数を選択することで、推定ｑ軸磁束はゼロとなる。（８）式は次式となる。
【数１６】
この（９）式の計算は、速度推定器９によって行われる。
【００４５】
次に運転速度ωを求める。（３）式の状態方程式最下段に注目する。
【数１７】
【００４６】
（１０）式において、回転子推定ｑ軸磁束をゼロとおき、運転速度ωについて解くと、次式となる。
【数１８】
【００４７】
速度推定器９が（９）式により算出した回転子の推定速度を積分器１０が積分することで、回転子の位置を推定することができる。
【００４８】
開ループ駆動時、２軸直流（ＡＢ軸）で電流制御を行い、電気角は入力パルスから作成する。電流ベクトルを基準とし、無負荷で開ループ駆動を行った場合のベクトル図を図２に示している。図中、ｉは電流ベクトルであり、φは磁束ベクトルであり、ｅ０は誘起電圧ベクトルであり、Ｖは電圧ベクトルであり、Ｒは電機子抵抗であり、ωは回転子の速度であり、Ｌは１相分のインダクタンスである。図２では電流ベクトルｉをＡ軸と置いているが、電流ベクトルの位置をどこに置いても駆動可能である。
【００４９】
速度と位置の推定を行う磁束オブザーバ８の入力であるｄｑ軸電圧指示値は、開ループ駆動時のＡＢ軸電圧指示値とする。
【００５０】
開ループ電圧と磁束オブザーバ８のベクトル図を図３に示している。図中の誘起電圧ベクトルｅ０を中心とする円は、モータのインピーダンスωＬと推定電流ベクトル
【数１９】
とによる電圧ベクトル
【数２０】
の取りえる軌跡である。
【００５１】
図３において、開ループ電圧ベクトルを、ｑ軸成分が負となるＶ２あるいはＶ３とすると、開ループ電圧ベクトルＶ２、Ｖ３のいずれも電圧ベクトルの軌跡とは一致しないため、回転子の位置と速度の推定は収束することができない。
【００５２】
また、開ループ電圧ベクトルを、ｄ軸成分及びｑ軸成分がともに正となるＶ１とすると、位置と速度の推定結果は収束することができる。他方、図２のＢ軸と図３のｑ軸の向きが逆であり、さらにｄ軸に制御器が存在しないため、大きなｄ軸電流誤差Δｉｄｓを生じる。
【００５３】
開ループ電圧ベクトルを、ｑ軸成分が正となりｄ軸成分が負となるＶ４とすると、位置と速度の推定結果は収束し、かつｄ軸の電流誤差Δｉｄｓも小さくなる。
【００５４】
そこで、開ループ駆動時における磁束オブザーバ８の電圧ベクトルは、ｑ軸成分を正とし、ｄ軸成分を負とすると、推定電流は実電流と位相πの位置となる。
【００５５】
したがって、開ループ駆動時は磁束オブザーバ８の入力となるｄ軸電圧指示値を負とし、ｑ軸電圧指示値を正として、（３）式と（１１）式とを演算する磁束オブザーバ８でモータ電流を推定する。推定した電流と実電流との偏差を用いて（９）式を演算する速度推定器９で速度を推定することで開ループ駆動時の回転子の位置を求めることができる。
【００５６】
開ループで駆動中に上記の手法を用いて、３相ステッピングモータの回転子の位置を推定した結果を図４に示している。図４の横軸は時間（秒）を表しており、縦軸は電気角（πラジアン）を表している。そして、符号Ｘは回転子の実位置を示しており、符号Ｙは推定された回転子の位置を示している。この図４によれば、実位置Ｘに対し推定された位置Ｙは１８０度位相で検出されていることがわかる。
【００５７】
上記のような構成の装置によれば、低速運転時のマイクロステップ駆動と高速運転時のセンサレス駆動との双方において、磁束オブザーバ８を用いて回転子の速度と位置を推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。加えて、Ｎ相ステッピングモータ１へ供給される電流も精度良く推定できる。
【００５８】
図５は、本発明の他の実施形態を示したもので、同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略する。
【００５９】
図５に示した装置では、電流制御器６と電流検出器２とに減算器１１が接続されている。減算器１１には乗算器１３が接続されている。乗算器１３には正弦波発生器１４が接続されている。乗算器１３は、外部から電流指示値の入力を受ける。正弦波発生器１４には、外部からパルスを入力される電気角演算器７が接続されており、この電気角演算器７には、後述する第１のＮ相／ＡＢ座標変換器１５と第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６とに接続されている。
【００６０】
１５は第１のＮ相／ＡＢ座標変換器であり、第１のＮ相／ＡＢ座標変換器１５は電気角演算器７とともに電流制御器６に接続されている。１６は第２のＮ相／ＡＢ座標変換器であり、第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６は電気角演算器７とともに電流検出器２に接続されている。第１のＮ相／ＡＢ座標変換器１５には磁束オブザーバ８が接続されている。磁束オブザーバ８と第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６には、磁束オブザーバ８からの推定電流と第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６からの２軸直流電流値を減算する減算器１２が接続されている。
【００６１】
上記のような構成の装置において、電流制御は交流量により行われる。具体的には、電気角演算器７は外部から入力されたパルスを電気角に変換する。この電気角に基づいて正弦波発生器１４は正弦波信号を乗算器１３へ出力する。乗算器１３は入力された正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求め、減算器１１へ出力する。減算器１１は、交流電流指示値と電流検出器２の出力である交流電流との偏差を算出する。この偏差を用いて、電流制御器６は電圧指示値を算出し、インバータ３へ出力する。このようにして、Ｎ相ステッピングモータ１は、定電流マイクロステップ駆動（開ループ駆動）する。
【００６２】
Ｎ相ステッピングモータ１が定電流マイクロステップ駆動（開ループ駆動）している際の回転子の位置と速度を推定するために、まず、第１のＮ相／ＡＢ座標変換器１５は、電流制御器６の出力である電圧指示値と電気角演算器７の出力である電気角とから２軸直流電圧指示値を求めて磁束オブザーバ８へ出力する。磁束オブザーバ８は、２軸直流電圧指示値と、速度推定器９により予め求められ又は予め推定された回転子の速度とから電流を推定する。第２のＮ相／ＡＢ座標変換器１６は、電流検出器２により検出された交流電流と、電気角演算器７の出力である電気角とを２軸直流電流値へ変換して減算器１２へ出力する。減算器１２は、２軸直流電流値と磁束オブザーバ８により推定された電流との偏差を求めて速度推定器９へ出力する。速度推定器９は、入力された偏差から回転子の速度を推定する。速度推定器９に入力される偏差がゼロとなるまで、速度推定器９は回転子の速度を推定し、推定した速度を磁束オブザーバ８へ出力する。積分器１０は、速度推定器９により得られた回転子の推定速度を積分して、回転子の位置を推定する。
【００６３】
上記のような構成の装置によれば、交流量で電流制御を行った場合にも、低速運転時のマイクロステップ駆動と高速運転時のセンサレス駆動との双方において、磁束オブザーバ８を用いて回転子の速度と位置を推定することができる。そして、推定された回転子の位置から回転子のトルクを推定することができる。加えて、Ｎ相ステッピングモータ１へ供給される電流も精度良く推定できる。
【符号の説明】
【００６４】
１ Ｎ相ステッピングモータ
２ 電流検出器
３ インバータ
４ ＡＢ／Ｎ相座標変換器
５ Ｎ相／ＡＢ座標変換器
６ 電流制御器
７ 電気角演算器
８ 磁束オブザーバ
９ 速度推定器
１０ 積分器
１１、１２ 減算器
１３ 乗算器
１４ 正弦波発生器
１５ 第１のＮ相／ＡＢ座標変換器
１６ 第２のＮ相／ＡＢ座標変換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、
外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、
前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、
前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出し、
前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を磁束オブザーバが推定し、
前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、
推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とするステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法。
【請求項２】
インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、
外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、
前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求め、
前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出し、
前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換し、
前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、磁束オブザーバが前記モータ電流を推定し、
前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、
前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、
推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とするステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法。
【請求項３】
前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として前記モータ電流を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、
外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、
前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換するＮ相／ＡＢ座標変換器と、
前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出する電流制御器と、
前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、
前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、
推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器と
を備えたことを特徴とするステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置。
【請求項６】
インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、
外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、
前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求める乗算器と、
前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出する電流制御器と、
前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換する第１のＮ相／ＡＢ座標変換器と、
前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、
前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換する第２のＮ相／ＡＢ座標変換器と、
前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、
推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器と
を備えたことを特徴とするステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置。
【請求項７】
前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として前記モータ電流を推定することを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１】
インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、
外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、
前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、
前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出し、
前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を磁束オブザーバが推定し、
前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、
推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とするステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法。
【請求項２】
インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を電流検出器が検出し、
外部から入力されるパルス入力を電気角に変換し、
前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求め、
前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出し、
前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換し、
前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、磁束オブザーバが前記モータ電流を推定し、
前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換し、
前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定し、
推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定することを特徴とするステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する方法。
【請求項３】
前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として前記モータ電流を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、
外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、
前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換するＮ相／ＡＢ座標変換器と、
前記２軸直流電流値と外部からの電流指示値との偏差から２軸直流電圧指示値を算出する電流制御器と、
前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、
前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、
推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器と
を備えたことを特徴とするステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置。
【請求項６】
インバータからステッピングモータに供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、
外部から入力されるパルス入力を電気角に変換する電気角演算器と、
前記電気角から得られた正弦波信号と外部からの電流指示値とを乗算して交流電流指示値を求める乗算器と、
前記交流電流指示値と前記電流検出器により検出されたモータ電流との偏差から電圧指示値を算出する電流制御器と、
前記電圧指示値と前記電気角を２軸直流電圧指示値に変換する第１のＮ相／ＡＢ座標変換器と、
前記２軸直流電圧指示値と予め求められ又は予め推定された前記ステッピングモータの回転子の速度とを用いて、前記モータ電流を推定する磁束オブザーバと、
前記電流検出器により検出されたモータ電流と前記電気角とを２軸直流電流値に変換する第２のＮ相／ＡＢ座標変換器と、
前記磁束オブザーバにより推定されたモータ電流と前記２軸直流電流値との偏差から前記回転子の速度を推定する速度推定器と、
推定された前記回転子の速度を積分して該回転子の位置を推定する積分器と
を備えたことを特徴とするステッピングモータの回転子の位置及び速度を推定する装置。
【請求項７】
前記磁束オブザーバがｄ軸電圧を負数とし、ｑ軸電圧を正数として前記モータ電流を推定することを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
推定された前記回転子の位置及び速度を、前記ステッピングモータのマイクロステップ駆動時の制御に用いることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２３９５１８（Ｐ２０１１−２３９５１８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０７０９１（Ｐ２０１０−１０７０９１）
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔発行者名〕 日本ＡＥＭ学会 〔刊行物名〕 第１８回ＭＡＧＤＡコンファレンスｉｎ東京 電磁現象及び電磁力に関するコンファレンス講演論文集 〔発行年月日〕 平成２１年１１月１９日
【出願人】（０００１０３７９２）オリエンタルモーター株式会社 (150)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔発行者名〕 日本ＡＥＭ学会 〔刊行物名〕 第１８回ＭＡＧＤＡコンファレンスｉｎ東京 電磁現象及び電磁力に関するコンファレンス講演論文集 〔発行年月日〕 平成２１年１１月１９日
【出願人】（０００１０３７９２）オリエンタルモーター株式会社 (150)
【Ｆターム（参考）】
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