5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置
【課題】 トルクリップルの少ないマイクロステップ駆動を行い得る5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置を提供する。
【解決手段】 電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータ1と、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部2と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器4によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部7とを備え、上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形は3次高調波成分を−7〜−16%含んでいる駆動装置。
【解決手段】 電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータ1と、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部2と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器4によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部7とを備え、上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形は3次高調波成分を−7〜−16%含んでいる駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、5相ステッピングモータの1ステップ角を、多分割化する5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
この種のステッピングモータは、基本ステップ角θsで運転されるフルステップ駆動、またはその1/2で運転されるハーフステップ駆動が一般的であるが、巻線電流を制御することにより、さらに細かく分割することが可能である。このような電流制御による多分割化を、一般にマイクロステップ駆動と呼んでいる。
【特許文献1】特許第2821696号公報
【特許文献2】特開平3−93495号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
このような制御方式として、前記各相巻線の相電流波形を正弦波とする制御方式がある。この場合の発生トルクベクトルの軌跡は円となり、トルクリップルを最小にすることが可能である。しかし、この場合には各相毎の電流制御を行う必要から、電流検出器も相数分必要となり、部品コストがアップし、回路構成も複雑になるという問題点があった。
この問題点を解決し制御回路の簡素化が行えるひとつの方式が、本出願人により、開示され実用化されている。(特許文献1)
すなわち、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータの、各相巻線の接続点電圧Va、Vb、Vc、Vd、Veの波形を(前記特許文献1の図7)のような台形波状に制御することにより、各相巻線に流れる電流Iab、Ibc、Icd、Ide、Ieaを(前記特許文献1の図3)のような台形波形にすることができ、その発生トルクベクトルの軌跡は(前記特許文献1の図4)に示すように10角形となる。
この場合、各相巻線の接続点に流れ込む線電流Ia、Ib、Ic、Id、Ieは、(前記特許文献1の図3)の各相巻線の相電流からキルヒホッフの電流則により(前記特許文献1の図8)のようになる。
(前記特許文献1の図8)の各線電流の正の値はインバータの上側アームを流れる電流であり、負の値は下側アームを流れる電流であることを意味している。したがって各線電流の正の値を加算したものが直流電源からインバータ回路部に流れ込む電流であり、常に一定値となることが分かる。
すなわち、この場合には、各相毎の電流をそれぞれ所定の波形に制御する必要はなく、インバータ回路部に流れるトータル電流を一定に制御すればよいので、電流検出器はひとつでよく、回路構成も簡素化されるというメリットがある。
しかし、この場合にはトルクベクトルの軌跡が10角形の辺上を動くので5.2%のトルクリップルが原理的に発生するという問題点があった。
【0004】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解決し、簡単な構成で、しかもトルクリップルの少ないマイクロステップ駆動を行い得る5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、上記課題を解決するため、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−7〜−16%含んでいることにある。
また、本発明は、電気角で144°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−50〜−100%含んでいることにある。
さらに、本発明は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に星状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−20〜−42%含んでいることにある。
【発明の効果】
【0006】
各結線方式において、端子電圧の3次高調波比率k3を適切に選ぶと、正弦波駆動でありながらトータル電流のリップルを1%以下にすることが可能であり、トータル電流一定制御が行えるため、簡単な構成で、しかもトルクリップルの少ない5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置が実現できる。高調波比率はトータル電流のリップルを低く抑えられる範囲で、できるだけ小さめの値を選ぶことにより、抵抗損失の増加を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。
図1は、本発明に関わる5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の一実施形態で、該駆動装置の構成ブロック図である。
【0008】
図1において、1は5相ステッピングモータ、2は前記5相ステッピングモータ1に接続された5相のハーフブリッジインバータ回路部である。
3はインバータ回路部に直流電圧を供給する直流電源であり、7は前記インバータ回路部2に流れる電流を検出器4によって検出し、インバータ回路部に流れる電流を一定に制御する定電流制御部である。5は5相指示電圧パターン発生回路6からの出力信号に基づいて、インバータ回路部2にパルス幅変調方式でゲート信号を供給するパルス幅変調パターン発生回路である。
【0009】
図2は5相ステッピングモータ1と、5相ハーフブリッジインバータ回路部2との接続を示した回路図であり、5相ステッピングモータの5個の入力端子L0、L1、L2、L3、L4を、直列接続した各一対のスイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6、Q7とQ8、Q9とQ10のそれぞれの接続点a、b、c、d、eに接続している。
そして直列接続された前記スイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6、Q7とQ8、Q9とQ10からなる5組の直列回路は、互いに並列接続され、図示しない直流電源(V)の電源、GND間に接続されている。
【0010】
図3は5相ステッピングモータの各相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφの接続の態様を示したもので、図3(a)は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφを順番に環状に接続したものである。図3(b)は、電気角で144°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Cφ、Eφ、Bφ、Dφを順番に環状に接続したものである。図3(c)は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφの一端を共通接続して星状に接続したものである。
【0011】
前記スイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6、Q7とQ8、Q9とQ10の各接続点a、b、c、d、eの電圧波形としては、基本波分に奇数次高調波分を重畳させたものが可能である。
【0012】
各接続点a、b、c、d、eの電圧Va(t)、Vb(t)、Vc(t)、Vd(t)、Ve(t)は、図3(a)および図3(c)のモータを接続する場合は、電気角で72°ずつ位相のシフトした波形とし、図3(b)のモータを接続する場合は電気角で144°ずつ位相のシフトした波形とする。すなわち、各端子電圧に奇数次高調波が含まれているとすると、各端子電圧は次式で表せる。
【数1】
ここでk=0,1,2,3,4であり、モータの入力端子L0、L1、L2、L3、L4に対応している。mは結線方式に依存する数値であり、図3(a)と(c)の場合はm=2、(b)の場合はm=4である。iは高調波の次数であり、kiは端子電圧の高調波比率である。
【0013】
こうすることにより、各相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφには、電気角で72°ずつ位相のシフトした電流IA(t)、IB(t)、IC(t)、ID(t)、IE(t)を流すことができる。このとき各相電流の基本波分の大きさをIoとすると、各相電流は、次式のようになる。
【数2】
ここで、nは相を表し、n=0,1,2,3,4が、A,B,C,D,E相に対応している。
εiは相電流の高調波比率である。
基本成分の大きさI0および位相φの大きさは、巻線抵抗をRとすると、
【0014】
図3(a)の場合、
Io=(2V/R)sin(π/5)
φ=3π/10
【0015】
図3(b)の場合、
Io=(2V/R)sin(2π/5)
φ=π/10
【0016】
図3(c)の場合、
Io=V/Rとなる。
φ=0
【0017】
また電流に含まれる高調波分の比率εiは、端子電圧の高調波比率をkiとすると、以下のようになる。
【0018】
図3(a)の場合、
εi=ki{sin(iπ/5)/sin(π/5)}cos{(i−1)π/2}
【0019】
図3(b)の場合、
εi=ki{sin(2iπ/5)/sin(2π/5)}cos{(i−1)π/2}
【0020】
図3(c)の場合は、
εi=ki (ただし、iは次数であり奇数とする。)
【0021】
5相ステッピングモータの各相トルクの式は次式で表せる。
TA=IA(t)×Kt×sinθ
TB=IB(t)×Kt×sin(θ−72°)
TC=IC(t)×Kt×sin(θ−144°)
TD=ID(t)×Kt×sin(θ+144°)
TE=IE(t)×Kt×sin(θ+72°)
ここでKtはトルク定数、θは空間的な角度である。
【0022】
電流波形は前記のように奇数次高調波を含んでおり、次式のように表せる。
IA(t)=Io{sinωt+ε3・sin3ωt+ε5・sin5ωt+ε7・sin7ωt+・・・・}
(ここで、ωは角速度である。)
【0023】
前記の式の右辺のωtを(ωt−72°)に置き換えれば、IB(t)の式となり、(ωt−144°)、(ωt+144°)、(ωt+72°)に置き換えれば、IC(t)、ID(t)、IE(t)の式となる。
【0024】
前記各相トルクの合成値がトータルの発生トルクとなるので、前記の電流の式を前記各相トルク式に代入して整理すると、トータルのトルクは次式で表せる。
【0025】
T(t、θ)=2.5KtIo×{cos(ωt−θ)−ε9・cos(9ωt+θ)+ε11・cos(11ωt−θ)−ε19・cos(19ωt+θ)+ε21・cos(21ωt−θ)−・・・・}
【0026】
すなわち、存在する高調波成分の次数iは,nを1以上の整数とすると、10n±1の次数であり、それ以外の次数の高調波はトルクに影響しないことが分かる。
前記式において、トルクの基本波成分が最大となるのは、ωt−θ=0、すなわちθ=ωtのときであるから、この条件を前式に代入すると、以下のようになり、トルクベクトルの変動の様子をみることができる。
【0027】
T(ωt)=2.5Kt・Io×{1+(ε11−ε9)cos(10ωt)+(ε21−ε19)cos(20ωt)+・・・}
【0028】
ここで、端子電圧波形に3次の高調波を重畳した場合について検討してみる。
図7に、図3(a)の結線方式において、−12%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す。二点鎖線が基本波、点線が3次高調波、実線が合成した端子電圧波形である。また、図8に、図3(b)の結線方式において、−80%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す。二点鎖線が基本波、点線が3次高調波、実線が合成した端子電圧波形である。さらに、図9に、図3(c)の結線方式において、−30%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す。二点鎖線が基本波、点線が3次高調波、実線が合成した端子電圧波形である。
図10、図11,図12は、端子電圧波形がそれぞれ図7、図8、図9の場合の相電流波形で、A相電流、B相電流、C相電流を示している。実線がA相電流、点線がB相電流、二点鎖線がC相電流である。
3次以外の高調波を含んでいないとすると、10n次の脈動トルク成分は発生せず、トルクベクトルの大きさは一定となり、トルクベクトルの軌跡は円となることが分かる。
しかし10n±1次以外の高調波はトルクには影響しないが、相電流波形やトータル電流波形、相巻線における抵抗損失などに影響を与える。
各相巻線の接続点に流れ込む線電流は、図3(a)、(b)の場合は、各相巻線の相電流からキルヒホッフの電流則により求められ、図3(c)の場合は、線電流=相電流である。
また各線電流の正の値を加算したものが直流電源からインバータ回路部に流れ込む電流であるので、図3の各結線方式に対し、3次高調波比率k3に対するトータル電流のリップルの変化を求めてみると、図4、図5、図6のようになり、各結線方式において、端子電圧の3次高調波比率k3を適切に選ぶと、トータル電流のリップルを1%以下にすることが可能であり、トータル電流一定制御が行えることが分かる。
【0029】
今、図3(a)、(b)、(c)の場合のスイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6、Q7とQ8、Q9とQ10の各接続点a、b、c、d、eの電圧波形に3次高調波成分が含まれているかを、図4、図5、図6から見てみると、
トータル電流のリップルを2%以下にする3次高調波比率k3の範囲は、図3(a)の場合、図4から−7〜−16%、また、図3(b)の場合、図5から−50〜−100%、さらに、図3(c)の場合、図6から−20〜−42%であることが分かる。
【0030】
また巻線電流による抵抗損失は2.5×(Io^2)×R×(1+ε3^2)で表されるため、高調波比率はトータル電流のリップルを低く抑えられる範囲で、できるだけ小さめの値を選ぶことにより、抵抗損失の増加を抑えられることが分かる。
【0031】
なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜、変更して実施しうることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明に関わる5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の一実施形態で、該駆動装置の構成ブロック図である。
【図2】5相ステッピングモータと、5相ハーフブリッジインバータ回路部との接続を示した回路図である。
【図3】(a)は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφを順番に環状に接続した結線図、(b)は、電気角で144°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφを順番に環状に接続した結線図、(c)は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Cφ、Eφ、Bφ、Dφの一端を共通接続して星状に接続した結線図である。
【図4】図3(a)の結線方式に対し、3次高調波比率k3に対するトータル電流のリップルの変化を示す図である。
【図5】図3(b)の結線方式に対し、3次高調波比率k3に対するトータル電流のリップルの変化を示す図である。
【図6】図3(c)の結線方式に対し、3次高調波比率k3に対するトータル電流のリップルの変化を示す図である。
【図7】図3(a)の結線方式において、−12%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す波形図である。
【図8】図3(b)の結線方式において、−80%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す波形図である。
【図9】図3(c)の結線方式において、−30%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す波形図である。
【図10】端子電圧波形が図7の場合の相電流波形で、A相電流、B相電流、C相電流を示す波形図である。
【図11】端子電圧波形が図8の場合の相電流波形で、A相電流、B相電流、C相電流を示す波形図である。
【図12】端子電圧波形が図9の場合の相電流波形で、A相電流、B相電流、C相電流を示す波形図である。
【符号の説明】
【0033】
1 5相ステッピングモータ
2 5相のハーフブリッジインバータ回路部
3 直流電源
4 検出器
5 パルス幅変調パターン発生回路
6 5相指示電圧パターン発生回路
7 定電流制御部
【技術分野】
【0001】
本発明は、5相ステッピングモータの1ステップ角を、多分割化する5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
この種のステッピングモータは、基本ステップ角θsで運転されるフルステップ駆動、またはその1/2で運転されるハーフステップ駆動が一般的であるが、巻線電流を制御することにより、さらに細かく分割することが可能である。このような電流制御による多分割化を、一般にマイクロステップ駆動と呼んでいる。
【特許文献1】特許第2821696号公報
【特許文献2】特開平3−93495号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
このような制御方式として、前記各相巻線の相電流波形を正弦波とする制御方式がある。この場合の発生トルクベクトルの軌跡は円となり、トルクリップルを最小にすることが可能である。しかし、この場合には各相毎の電流制御を行う必要から、電流検出器も相数分必要となり、部品コストがアップし、回路構成も複雑になるという問題点があった。
この問題点を解決し制御回路の簡素化が行えるひとつの方式が、本出願人により、開示され実用化されている。(特許文献1)
すなわち、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータの、各相巻線の接続点電圧Va、Vb、Vc、Vd、Veの波形を(前記特許文献1の図7)のような台形波状に制御することにより、各相巻線に流れる電流Iab、Ibc、Icd、Ide、Ieaを(前記特許文献1の図3)のような台形波形にすることができ、その発生トルクベクトルの軌跡は(前記特許文献1の図4)に示すように10角形となる。
この場合、各相巻線の接続点に流れ込む線電流Ia、Ib、Ic、Id、Ieは、(前記特許文献1の図3)の各相巻線の相電流からキルヒホッフの電流則により(前記特許文献1の図8)のようになる。
(前記特許文献1の図8)の各線電流の正の値はインバータの上側アームを流れる電流であり、負の値は下側アームを流れる電流であることを意味している。したがって各線電流の正の値を加算したものが直流電源からインバータ回路部に流れ込む電流であり、常に一定値となることが分かる。
すなわち、この場合には、各相毎の電流をそれぞれ所定の波形に制御する必要はなく、インバータ回路部に流れるトータル電流を一定に制御すればよいので、電流検出器はひとつでよく、回路構成も簡素化されるというメリットがある。
しかし、この場合にはトルクベクトルの軌跡が10角形の辺上を動くので5.2%のトルクリップルが原理的に発生するという問題点があった。
【0004】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解決し、簡単な構成で、しかもトルクリップルの少ないマイクロステップ駆動を行い得る5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、上記課題を解決するため、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−7〜−16%含んでいることにある。
また、本発明は、電気角で144°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−50〜−100%含んでいることにある。
さらに、本発明は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に星状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−20〜−42%含んでいることにある。
【発明の効果】
【0006】
各結線方式において、端子電圧の3次高調波比率k3を適切に選ぶと、正弦波駆動でありながらトータル電流のリップルを1%以下にすることが可能であり、トータル電流一定制御が行えるため、簡単な構成で、しかもトルクリップルの少ない5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置が実現できる。高調波比率はトータル電流のリップルを低く抑えられる範囲で、できるだけ小さめの値を選ぶことにより、抵抗損失の増加を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。
図1は、本発明に関わる5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の一実施形態で、該駆動装置の構成ブロック図である。
【0008】
図1において、1は5相ステッピングモータ、2は前記5相ステッピングモータ1に接続された5相のハーフブリッジインバータ回路部である。
3はインバータ回路部に直流電圧を供給する直流電源であり、7は前記インバータ回路部2に流れる電流を検出器4によって検出し、インバータ回路部に流れる電流を一定に制御する定電流制御部である。5は5相指示電圧パターン発生回路6からの出力信号に基づいて、インバータ回路部2にパルス幅変調方式でゲート信号を供給するパルス幅変調パターン発生回路である。
【0009】
図2は5相ステッピングモータ1と、5相ハーフブリッジインバータ回路部2との接続を示した回路図であり、5相ステッピングモータの5個の入力端子L0、L1、L2、L3、L4を、直列接続した各一対のスイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6、Q7とQ8、Q9とQ10のそれぞれの接続点a、b、c、d、eに接続している。
そして直列接続された前記スイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6、Q7とQ8、Q9とQ10からなる5組の直列回路は、互いに並列接続され、図示しない直流電源(V)の電源、GND間に接続されている。
【0010】
図3は5相ステッピングモータの各相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφの接続の態様を示したもので、図3(a)は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφを順番に環状に接続したものである。図3(b)は、電気角で144°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Cφ、Eφ、Bφ、Dφを順番に環状に接続したものである。図3(c)は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφの一端を共通接続して星状に接続したものである。
【0011】
前記スイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6、Q7とQ8、Q9とQ10の各接続点a、b、c、d、eの電圧波形としては、基本波分に奇数次高調波分を重畳させたものが可能である。
【0012】
各接続点a、b、c、d、eの電圧Va(t)、Vb(t)、Vc(t)、Vd(t)、Ve(t)は、図3(a)および図3(c)のモータを接続する場合は、電気角で72°ずつ位相のシフトした波形とし、図3(b)のモータを接続する場合は電気角で144°ずつ位相のシフトした波形とする。すなわち、各端子電圧に奇数次高調波が含まれているとすると、各端子電圧は次式で表せる。
【数1】
ここでk=0,1,2,3,4であり、モータの入力端子L0、L1、L2、L3、L4に対応している。mは結線方式に依存する数値であり、図3(a)と(c)の場合はm=2、(b)の場合はm=4である。iは高調波の次数であり、kiは端子電圧の高調波比率である。
【0013】
こうすることにより、各相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφには、電気角で72°ずつ位相のシフトした電流IA(t)、IB(t)、IC(t)、ID(t)、IE(t)を流すことができる。このとき各相電流の基本波分の大きさをIoとすると、各相電流は、次式のようになる。
【数2】
ここで、nは相を表し、n=0,1,2,3,4が、A,B,C,D,E相に対応している。
εiは相電流の高調波比率である。
基本成分の大きさI0および位相φの大きさは、巻線抵抗をRとすると、
【0014】
図3(a)の場合、
Io=(2V/R)sin(π/5)
φ=3π/10
【0015】
図3(b)の場合、
Io=(2V/R)sin(2π/5)
φ=π/10
【0016】
図3(c)の場合、
Io=V/Rとなる。
φ=0
【0017】
また電流に含まれる高調波分の比率εiは、端子電圧の高調波比率をkiとすると、以下のようになる。
【0018】
図3(a)の場合、
εi=ki{sin(iπ/5)/sin(π/5)}cos{(i−1)π/2}
【0019】
図3(b)の場合、
εi=ki{sin(2iπ/5)/sin(2π/5)}cos{(i−1)π/2}
【0020】
図3(c)の場合は、
εi=ki (ただし、iは次数であり奇数とする。)
【0021】
5相ステッピングモータの各相トルクの式は次式で表せる。
TA=IA(t)×Kt×sinθ
TB=IB(t)×Kt×sin(θ−72°)
TC=IC(t)×Kt×sin(θ−144°)
TD=ID(t)×Kt×sin(θ+144°)
TE=IE(t)×Kt×sin(θ+72°)
ここでKtはトルク定数、θは空間的な角度である。
【0022】
電流波形は前記のように奇数次高調波を含んでおり、次式のように表せる。
IA(t)=Io{sinωt+ε3・sin3ωt+ε5・sin5ωt+ε7・sin7ωt+・・・・}
(ここで、ωは角速度である。)
【0023】
前記の式の右辺のωtを(ωt−72°)に置き換えれば、IB(t)の式となり、(ωt−144°)、(ωt+144°)、(ωt+72°)に置き換えれば、IC(t)、ID(t)、IE(t)の式となる。
【0024】
前記各相トルクの合成値がトータルの発生トルクとなるので、前記の電流の式を前記各相トルク式に代入して整理すると、トータルのトルクは次式で表せる。
【0025】
T(t、θ)=2.5KtIo×{cos(ωt−θ)−ε9・cos(9ωt+θ)+ε11・cos(11ωt−θ)−ε19・cos(19ωt+θ)+ε21・cos(21ωt−θ)−・・・・}
【0026】
すなわち、存在する高調波成分の次数iは,nを1以上の整数とすると、10n±1の次数であり、それ以外の次数の高調波はトルクに影響しないことが分かる。
前記式において、トルクの基本波成分が最大となるのは、ωt−θ=0、すなわちθ=ωtのときであるから、この条件を前式に代入すると、以下のようになり、トルクベクトルの変動の様子をみることができる。
【0027】
T(ωt)=2.5Kt・Io×{1+(ε11−ε9)cos(10ωt)+(ε21−ε19)cos(20ωt)+・・・}
【0028】
ここで、端子電圧波形に3次の高調波を重畳した場合について検討してみる。
図7に、図3(a)の結線方式において、−12%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す。二点鎖線が基本波、点線が3次高調波、実線が合成した端子電圧波形である。また、図8に、図3(b)の結線方式において、−80%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す。二点鎖線が基本波、点線が3次高調波、実線が合成した端子電圧波形である。さらに、図9に、図3(c)の結線方式において、−30%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す。二点鎖線が基本波、点線が3次高調波、実線が合成した端子電圧波形である。
図10、図11,図12は、端子電圧波形がそれぞれ図7、図8、図9の場合の相電流波形で、A相電流、B相電流、C相電流を示している。実線がA相電流、点線がB相電流、二点鎖線がC相電流である。
3次以外の高調波を含んでいないとすると、10n次の脈動トルク成分は発生せず、トルクベクトルの大きさは一定となり、トルクベクトルの軌跡は円となることが分かる。
しかし10n±1次以外の高調波はトルクには影響しないが、相電流波形やトータル電流波形、相巻線における抵抗損失などに影響を与える。
各相巻線の接続点に流れ込む線電流は、図3(a)、(b)の場合は、各相巻線の相電流からキルヒホッフの電流則により求められ、図3(c)の場合は、線電流=相電流である。
また各線電流の正の値を加算したものが直流電源からインバータ回路部に流れ込む電流であるので、図3の各結線方式に対し、3次高調波比率k3に対するトータル電流のリップルの変化を求めてみると、図4、図5、図6のようになり、各結線方式において、端子電圧の3次高調波比率k3を適切に選ぶと、トータル電流のリップルを1%以下にすることが可能であり、トータル電流一定制御が行えることが分かる。
【0029】
今、図3(a)、(b)、(c)の場合のスイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4、Q5とQ6、Q7とQ8、Q9とQ10の各接続点a、b、c、d、eの電圧波形に3次高調波成分が含まれているかを、図4、図5、図6から見てみると、
トータル電流のリップルを2%以下にする3次高調波比率k3の範囲は、図3(a)の場合、図4から−7〜−16%、また、図3(b)の場合、図5から−50〜−100%、さらに、図3(c)の場合、図6から−20〜−42%であることが分かる。
【0030】
また巻線電流による抵抗損失は2.5×(Io^2)×R×(1+ε3^2)で表されるため、高調波比率はトータル電流のリップルを低く抑えられる範囲で、できるだけ小さめの値を選ぶことにより、抵抗損失の増加を抑えられることが分かる。
【0031】
なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜、変更して実施しうることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明に関わる5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の一実施形態で、該駆動装置の構成ブロック図である。
【図2】5相ステッピングモータと、5相ハーフブリッジインバータ回路部との接続を示した回路図である。
【図3】(a)は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφを順番に環状に接続した結線図、(b)は、電気角で144°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Bφ、Cφ、Dφ、Eφを順番に環状に接続した結線図、(c)は、電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線Aφ、Cφ、Eφ、Bφ、Dφの一端を共通接続して星状に接続した結線図である。
【図4】図3(a)の結線方式に対し、3次高調波比率k3に対するトータル電流のリップルの変化を示す図である。
【図5】図3(b)の結線方式に対し、3次高調波比率k3に対するトータル電流のリップルの変化を示す図である。
【図6】図3(c)の結線方式に対し、3次高調波比率k3に対するトータル電流のリップルの変化を示す図である。
【図7】図3(a)の結線方式において、−12%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す波形図である。
【図8】図3(b)の結線方式において、−80%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す波形図である。
【図9】図3(c)の結線方式において、−30%の3次高調波を重畳した場合の端子電圧波形の例を示す波形図である。
【図10】端子電圧波形が図7の場合の相電流波形で、A相電流、B相電流、C相電流を示す波形図である。
【図11】端子電圧波形が図8の場合の相電流波形で、A相電流、B相電流、C相電流を示す波形図である。
【図12】端子電圧波形が図9の場合の相電流波形で、A相電流、B相電流、C相電流を示す波形図である。
【符号の説明】
【0033】
1 5相ステッピングモータ
2 5相のハーフブリッジインバータ回路部
3 直流電源
4 検出器
5 パルス幅変調パターン発生回路
6 5相指示電圧パターン発生回路
7 定電流制御部
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、前記インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、
上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−7〜−16%含んでいることを特徴とする5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
【請求項2】
電気角で144°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、
上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−50〜−100%含んでいることを特徴とする5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
【請求項3】
電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に星状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、
上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−20〜−42%含んでいることを特徴とする5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
【請求項1】
電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、前記インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、
上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−7〜−16%含んでいることを特徴とする5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
【請求項2】
電気角で144°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に環状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、
上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−50〜−100%含んでいることを特徴とする5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
【請求項3】
電気角で72°ずつ位相のシフトした5個の相巻線を順番に星状に接続した5相ステッピングモータと、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる直列回路5組を互いに並列接続して直流電源に接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の各接続点に、前記各相巻線の各接続点を接続した5相ハーフブリッジインバータ回路部と、前記インバータ回路部に流れる電流を検出器によって検出し、インバータ回路部に流れる電流値を一定に制御する電流制御部とを備え、
上記各一対のスイッチング素子の一方がONの時は、他方はOFF、他方がONの時は一方はOFFになるようにON,OFFのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行う5相ステッピングモータの駆動装置において、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧波形には3次高調波成分を−20〜−42%含んでいることを特徴とする5相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2008−236852(P2008−236852A)
【公開日】平成20年10月2日(2008.10.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−70198(P2007−70198)
【出願日】平成19年3月19日(2007.3.19)
【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20年10月2日(2008.10.2)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年3月19日(2007.3.19)
【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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