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DE102007043930B4 - Steuervorrichtung für einen Schrittmotor - Google Patents

Steuervorrichtung für einen Schrittmotor Download PDF

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DE102007043930B4
DE102007043930B4 DE102007043930.1A DE102007043930A DE102007043930B4 DE 102007043930 B4 DE102007043930 B4 DE 102007043930B4 DE 102007043930 A DE102007043930 A DE 102007043930A DE 102007043930 B4 DE102007043930 B4 DE 102007043930B4
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Oriental Motor Co Ltd
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Oriental Motor Co Ltd
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/18Controlling the angular speed together with angular position or phase

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)

Abstract

Steuervorrichtung für einen Schrittmotor, die auf der Basis eines Rotorpositionsbefehls (θcom) zur Steuerung einer Position eines Rotors und einer Rotorposition (θfb) als einer aktuellen Position des Rotors eine Phase (θi) eines Wicklungsstrombefehls bestimmt, der einen elektrischen Strom steuert, der in eine Wicklung eingespeist wird, und Strombefehle (Iacom und Ibcom) für entsprechende Phasen auf der Basis der Phasenwinkel eines Wicklungsstrombefehls (θi) erzeugt, die Steuervorrichtung umfassend: Mittel zur Berechnung von Positionsabweichungen (30) zur Berechnung einer Abweichung (δθ) zwischen dem Positionsbefehl und der Rotorposition: Mittel zur Berechnung von Rotorgeschwindigkeitsbefehlen (21) zur Berechnung eines Rotorgeschwindigkeitsbefehls (ωcom) auf der Basis des Positionsbefehls; Mittel zur Berechnung der Rotorgeschwindigkeit (22) zur Berechnung der Rotorgeschwindigkeit (ωfb) auf der Basis der Rotorposition; Mittel zur Berechnung der Geschwindigkeitsabweichung (31) zur Berechnung einer Abweichung (δω) zwischen dem Rotorgeschwindigkeitsbefehl und der Rotorgeschwindigkeit; Mittel zur Generierung von Festwerten (24) zur Generierung eines positiven Festwertes (+K) und eines negativen Festwertes (–K), wenn die Positionsabweichung jeweils positiv oder negativ ist; erste Beurteilungsmittel (27) zur Beurteilung, ob die Positionsabweichung innerhalb eines vorher festgelegten Bereiches ist; zweite Beurteilungsmittel (28) zur Beurteilung, ob ein Vorzeichen der Positionsabweichung und ein Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung miteinander übereinstimmen; und Mittel zur Phaseneinstellung (34 bis 35) zur Einstellung des Phasenwinkels eines Wicklungsstrombefehls auf der Basis des Rotorpositionsbefehls, wenn die Positionsabweichung innerhalb des vorher festgelegten Bereiches ist, zur Einstellung des Phasenwinkels eines Wicklungsstrombefehls auf der Basis eines Wertes, der durch Summierung der Rotorposition, des Festwertes und eines Korrekturwertes des Voreilwinkels, der eine Funktion von der Rotorgeschwindigkeit ist, erhalten wird, wenn die Positionsabweichung den vorher festgelegten Bereich überschreitet und ein Vorzeichen der Positionsabweichung und ein Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung miteinander übereinstimmen, und zur Einstellung des Phasenwinkels eines Wicklungsstrombefehls auf der Basis eines Wertes, der durch Summierung der Rotorposition, des Festwertes, eines Korrekturwertes des Voreilwinkels, der eine Funktion von der Rotorgeschwindigkeit ist, und der Geschwindigkeitsabweichung multipliziert mit einer vorher festgelegten Konstante (Kdo), erhalten wird, wenn die Positionsabweichung den vorher festgelegten Bereich überschreitet und ein Vorzeichen der Positionsabweichung und ein Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung nicht miteinander übereinstimmen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Fachgebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Schrittmotor und spezieller ein Verfahren zur Steuerung des Voreilwinkels.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Im Allgemeinen verwendet eine Steuervorrichtung für einen Schrittmotor ein Impulssignal als Befehlssignal. Mit anderen Worten, die Steuervorrichtung steuert eine Position mit einer Impulsanzahl und die Geschwindigkeit mit einer Impulsfrequenz.
  • Aus der Druckschrift JP H08- 116 691 A ist ein Steuerverfahren mit einer stabilen Ansteuercharakteristik bekannt. Hierzu wird die Zeitsteuerung für das Umschalten des Regelkreises und des Rückkopplungsregelsystems auf der Grundlage eines Sollwerts oder des Betriebszustands in dem Rückkopplungsregelsystem bestimmt. Bei diesem Verfahren wird die Rückkopplungssteuerung ausgewählt, während der Motorantriebsbefehl eingegeben wird, und wenn der Motorantriebsstoppbefehl eingegeben wird, verlangsamt sich der Schrittmotor in Annäherung an einen vorbestimmten Sollwert.
  • Frühere Beispiele für Verfahren zum Einstellen des Wertes eines Voreilwinkels, der mit dem Drehmoment des Schrittmotors korrespondiert, in so einer Steuervorrichtung sind in der Druckschrift JP 3 715 276 B2 (auch veröffentlicht als DE 603 05 363 T2 ) und der Druckschrift JP H11- 113 289 A offenbart. In einem Verfahren 1, offenbart in der JP 3 715 276 B2 , und einem Verfahren 2, offenbart in der JP H11- 113 289 A , wird eine Stromphase θi jeder Phasenwicklung wie unten beschrieben bestimmt.
  • Verfahren 1
    • Wenn δθ < 90° θi = θcom
    • Wenn δθ > 90° θi = θfb + 90° + Kv·ω + Ke·ω·δθ
    • wobei θcom ein Positionsbefehl ist, θfb eine Rotorposition ist, δθ eine Positionsabweichung ist, θi eine Stromphase ist, Kv eine proportionale Konstante ist, Ke eine proportionale Konstante ist und ω die Rotorgeschwindigkeit ist.
  • Verfahren 2
    • Wenn δθ < 90° + Kv·ωfb θi = θcom
    • Wenn δθ > 90° θi = θfb + 90° + Kv·ωfb
    • wobei ωfb die Rotorgeschwindigkeit ist.
  • Entsprechend den Verfahren der Vergangenheit werden der Befehl für die Rotorposition und die Rotorposition verglichen. Wenn die Positionsabweichung innerhalb eines vorher bestimmten Bereiches liegt, wird eine Erregungsphase mit dem Positionsbefehl als stabiler Punkt eingestellt. Wenn die Positionsabweichung den vorher bestimmtem Bereich überschreitet, wird ein Vorlaufwinkelwert auf einen optimalen Wert eingestellt. Der optimale Vorlaufwinkelwert meint in den Verfahren der Vergangenheit einen Vorlaufwinkelwert, mit dem ein maximales Drehmoment bezogen auf die Geschwindigkeit ωfb generiert werden kann.
  • Jedoch wird bei den Verfahren der Vergangenheit ein Motor, wenn die Positionsabweichung den vorher bestimmten Bereich überschreitet, mit dem maximalen Drehmoment beschleunigt, das generiert werden kann. Daher kann die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, der in eine Position des Positionsbefehls (Zielposition) dreht, substantiell die Geschwindigkeit eines Geschwindigkeitsbefehls (Zielgeschwindigkeit) überschreiten und eine unten beschriebene Unzulänglichkeit verursachen.
  • Zum Beispiel, wenn eine Rotorwelle durch eine externe Kraft gedreht wird, dreht sich der Rotor, wenn die Rotorwelle offen ist, mit dem maximalen Drehmoment, um in eine Ausgangsposition zurückzukehren. Beim Zurückkehren in die Ausgangsposition ist es wahrscheinlich, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors eine abnorme Geschwindigkeit erreicht. Da der Rotor nicht verlangsamt wird, bis der Rotor in die Nähe der Ausgangsposition gelangt, kann der Rotor durch die Trägheit des Rotors und einen Betriebszustand eine Position überschreiten, in der der Rotor anhalten sollte. Wenn die Trägheit groß ist, kann der Rotor unfähig sein zu stoppen, während er wiederholt die Position überschreitet und sich zurück bewegt. Ein ähnliches Phänomen kann durch ein unzureichendes Beschleunigungsmoment während des Betriebes, Schwankungen in einem Betriebszustand und dergleichen auftreten.
  • ZIEL UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der Probleme in der Vergangenheit gemacht und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Steuervorrichtung für einen Schrittmotor zur Verfügung zu stellen, die das Drehmoment, das von einem Motor erzeugt wird, reduzieren kann und die Expansion einer Geschwindigkeitsabweichung steuern kann, wenn die Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors einen Geschwindigkeitsbefehl überschreitet.
  • Um das Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Steuervorrichtung für einen Schrittmotor zur Verfügung, die auf der Basis eines Rotorpositionsbefehls (θcom) zur Steuerung einer Position eines Rotors und einer Rotorposition (θfb) als einer aktuellen Position des Rotors eine Phase (θi) eines Wicklungsstrombefehls bestimmt, der einen elektrischen Strom steuert, der in eine Wicklung eingespeist wird, und Strombefehle (Iacom und Ibcom) für entsprechende Phasen auf der Basis der Phasenwinkel eines Wicklungsstrombefehls (θi) erzeugt, die Steuervorrichtung umfassend:
    Mittel zur Berechnung von Positionsabweichungen (30) zur Berechnung einer Abweichung (δθ) zwischen dem Positionsbefehl und der Rotorposition:
    Mittel zur Berechnung von Rotorgeschwindigkeitsbefehlen (21) zur Berechnung eines Rotorgeschwindigkeitsbefehls (ωcom) auf der Basis des Positionsbefehls;
    Mittel zur Berechnung der Rotorgeschwindigkeit (22) zur Berechnung der Rotorgeschwindigkeit (ωfb) auf der Basis der Rotorposition;
    Mittel zur Berechnung der Geschwindigkeitsabweichung (31) zur Berechnung einer Abweichung (δω) zwischen dem Rotorgeschwindigkeitsbefehl und der Rotorgeschwindigkeit;
    Mittel zur Generierung von Festwerten (24) zur Generierung eines positiven Festwertes (+K) und eines negativen Festwertes (–K), wenn die Positionsabweichung jeweils positiv oder negativ ist;
    erste Beurteilungsmittel (27) zur Beurteilung, ob die Positionsabweichung innerhalb eines vorher festgelegten Bereiches ist;
    zweite Beurteilungsmittel (28) zur Beurteilung, ob ein Vorzeichen der Positionsabweichung und ein Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung miteinander übereinstimmen; und
    Mittel zur Phaseneinstellung (34 bis 35) zur Einstellung des Phasenwinkels eines Wicklungsstrombefehls auf der Basis des Rotorpositionsbefehls, wenn die Positionsabweichung innerhalb des vorher festgelegten Bereiches ist, zur Einstellung des Phasenwinkels eines Wicklungsstrombefehls auf der Basis eines Wertes, der durch Summierung der Rotorposition, des Festwertes und eines Korrekturwertes des Voreilwinkels, der eine Funktion von der Rotorgeschwindigkeit ist, erhalten wird, wenn die Positionsabweichung den vorher festgelegten Bereich überschreitet und ein Vorzeichen der Positionsabweichung und ein Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung miteinander übereinstimmen, und zur Einstellung des Phasenwinkels eines Wicklungsstrombefehls auf der Basis eines Wertes, der durch Summierung der Rotorposition, des Festwertes, eines Korrekturwertes des Voreilwinkels, der eine Funktion von der Rotorgeschwindigkeit ist, und der Geschwindigkeitsabweichung multipliziert mit einer vorher festgelegten Konstante (Kdo), erhalten wird, wenn die Positionsabweichung den vorher festgelegten Bereich überschreitet und ein Vorzeichen der Positionsabweichung und ein Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung nicht miteinander übereinstimmen.
  • Es ist wünschenswert, dass der Festwert ein Wert ist, der äquivalent einem elektrischen Winkel von 90° ist.
  • Zum Beispiel, der vorher festgelegte Bereich ist so eingestellt, dass er einen unteren Grenzwert aufweist, der durch Summierung des negativen Festwertes und eines Wertes, der durch eine Funktion (f(ωfb)) der Rotorgeschwindigkeit definiert ist, erhalten wird, und einen oberen Grenzwert aufweist, der durch Summierung des positiven Festwertes und eines Wertes, der durch die Funktion der Rotorgeschwindigkeit definiert ist, erhalten wird.
  • Zum Beispiel, der vorher festgelegte Bereich ist so eingestellt, dass er einen unteren Grenzwert aufweist, der durch Summierung des negativen Festwertes und eines Wertes erhalten wird, der durch Multiplikation der Rotorgeschwindigkeit mit einem vorher festgelegten Koeffizienten (Kv) erhalten wird, und einen oberen Grenzwert aufweist, der durch Summierung des positiven Festwertes und eines Wertes erhalten wird, der durch Multiplikation der Rotorgeschwindigkeit mit dem vorher festgelegten Koeffizienten erhalten wird. In diesem Fall kann der vorher festgelegte Koeffizient (Kv) 0 sein.
  • Der Korrekturwert des Voreilwinkels ist auf einen Wert eingestellt, der durch die Funktion (f(ωfb)) der Rotorgeschwindigkeit definiert ist. Der Korrekturwert des Voreilwinkels kann ein Wert sein, der durch Summierung eines Wertes, der ein Produkt des vorher festgelegten Koeffizienten (Kv) und der Rotorgeschwindigkeit ist, oder eines Wertes, der ein Produkt des vorher festgelegten Koeffizienten (Kv) und der Rotorgeschwindigkeit ist, und eines Wertes, der ein Produkt des vorher festgelegten Koeffizienten (Ke), der Rotorgeschwindigkeit und der Positionsabweichung ist, erhalten wird.
  • Die Phase des Wicklungsstrombefehls, die auf der Basis des Rotorpositionsbefehls eingestellt ist, kann die Geschwindigkeitsabweichung beinhalten. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Erregungsphase zur Generierung eines maximalen Drehmomentes eingestellt, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors geringer als ein Geschwindigkeitsbefehl ist. Die Erregungsphase wird zur Reduzierung des von einem Motor generierten Drehmomentes und zur Steuerung der Expansion einer Geschwindigkeitsabweichung eingestellt, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors den Geschwindigkeitsbefehl überschreitet. Dadurch ist es möglich, eine übermäßige Rotationsgeschwindigkeit des Rotors und ein Einfangen zu dem Zeitpunkt zu vermeiden, wenn die Positionsabweichung einen vorher festgelegten Bereich überschreitet, und den Rotor stabil und schnell in Position zu bringen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das den Gesamtaufbau einer Steuervorrichtung für einen Schrittmotor entsprechend eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegende Erfindung zeigt;
  • 2 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für den Aufbau einer arithmetischen Einheit zeigt;
  • 3 ist eine Darstellung, die ein Modell der Ausbildung einer Strombefehlphase zeigt, die mit einer Kombination der Polaritäten einer Positionsabweichung und einer Geschwindigkeitsabweichung korrespondiert; und
  • 4 ist ein Blockschaltbild, das ein weiteres Beispiel für den Aufbau der arithmetischen Einheit zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das den Gesamtaufbau einer Steuervorrichtung für einen Schrittmotor entsprechend eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In 1 wird ein Positionsbefehl θcom für einen Rotor eines Schrittmotors 50 in Form eines Impulssignals über ein Eingangsterminal 10 des Positionsbefehls in eine arithmetische Einheit 20 eingespeist. Ein Positionsdetektor 60 steht zur Verfügung, um eine aktuelle Position des Rotors (hier im Weiteren als Rotorposition bezeichnet) θfb zu erfassen. Ein Ausgangssignal des Positionsdetektors 60 wird in die arithmetische Einheit 20 eingespeist. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Zweiphasen-Hybridmotor als Schrittmotor 50 verwendet.
  • Die arithmetische Einheit 20 berechnet einen Strombefehl Iacom für die A-Phase und einen Strombefehl Ibcom für die B-Phase auf der Basis des Positionsbefehls θcom und der Rotorposition θfb, wie später beschrieben wird. Eine Stromverstärkereinheit 40 beinhaltet einen allseits bekannten PWM-Inverter und gibt elektrische Stromsignale an entsprechende Phasenwicklungen von Schrittmotor 50 ab, die mit den Strombefehlen Iacom und Ibcom korrespondieren.
  • 2 ist ein Blockschaltbild, das Details der arithmetischen Einheit 20 zeigt.
  • In 2 berechnet ein erstes Subtrahierglied 30 eine Abweichung δθ zwischen dem Positionsbefehl θcom und der Rotorposition θfb bezüglich des Rotors. Eine erste Differenzierschaltung 21 differenziert den Positionsbefehl θcom zur Erzeugung eines Geschwindigkeitsbefehls ωcom. Eine zweite Differenzierschaltung 22 differenziert die Rotorposition θfb zur Erzeugung einer Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ωfb. Ein Geschwindigkeitskompensator 23 multipliziert die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ωfb mit einer proportionalen Konstante Kv zur Geschwindigkeitskompensation. Ein Festwertgenerator 24 generiert einen Festwert +K, wenn die Positionsabweichung δθ positiv ist, und generiert einen Festwert –K, wenn die Positionsabweichung δθ negativ ist. Als Wert K ist ein Wert wünschenswert, der äquivalent einem elektrischen Winkel von 90° ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Wert K auf so einen Wert eingestellt.
  • Ein zweites Subtrahierglied 31 subtrahiert die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ω vom Geschwindigkeitsbefehl ωcom und gibt die Geschwindigkeitsabweichung δω ab. Ein erstes Addierglied 32 summiert den Festwert K oder –K, der im Festwertgenerator 24 erzeugt wird, und einen Ausgangswert Kv·ωfb des Geschwindigkeitskompensators 23.
  • Ein erster Geschwindigkeitsdifferenzkompensator 25 und ein zweiter Geschwindigkeitsdifferenzkompensator 26 multiplizieren die Geschwindigkeitsabweichung δω, die vom Subtrahierglied 31 abgegebene wird, jeweils mit den proportionalen Konstanten Kdi und Kdo zur Kompensation der Geschwindigkeit.
  • Ein erstes Beurteilungselement 27 führt eine vergleichende Beurteilung der Positionsabweichung δθ und eines Ausgangswertes K + Kv·ωfb bzw. –K + Kv·ωfb des ersten Addiergliedes 32 durch. Wenn –K + Kv·ωfb < δθ < K + Kv ·ωfb ist, verbindet das erste Beurteilungselement 27 ein erstes Schalterelement 35 mit einer Anschlussseite ”a”. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, verbindet das erste Beurteilungselement 27 das Schalterelement 35 mit einer Anschlussseite ”b”. Ein zweites Beurteilungselement 28 trennt ein zweites Schalterelement 36 nur, wenn die Vorzeichen (positiv oder negativ) der Positionsabweichung δθ und der Geschwindigkeitsabweichung δω miteinander übereinstimmen.
  • Ein zweites Addierglied 33 summiert den Positionsbefehl θcom und ein Ausgangssignal Kdi·δω des ersten Geschwindigkeitsdifferenzkompensators 25 und leitet ein Ergebnis der Addition zum Anschlusspunkt ”a” des ersten Schalterelementes 35. Ein drittes Addierglied 34 summiert ein Ausgangssignal Kdo·δω des zweiten Geschwindigkeitsdifferenzkompensators 26, das über das zweite Schalterelement 36 anliegt, den Ausgangswert K + Kv·ωfb bzw. –K + Kv·ωfb des ersten Addiergliedes 32 und die Rotorposition θfb und leitet ein Ergebnis der Addition zum Anschlusspunkt ”b” des ersten Schalterelementes 35. Ein Koordinatenkonverter 29 gibt die resultierenden Strombefehle Iacom = Ki·sinθi und Ibcom = Ki·cosθi auf der Basis einer Strombefehlphase θi, die später beschrieben wird, über das erste Schalterelement 35 ab.
  • Spezifische Funktionsweisen der Steuervorrichtung entsprechend dieses Ausführungsbeispiels werden unten erläutert.
  • Wie unten beschrieben, berechnet die Steuervorrichtung entsprechend dieses Ausführungsbeispiels die Strombefehlphase θi auf der Basis des Rotorpositionsbefehls ein und der Rotorposition θfb und erzeugt den Strombefehl der A-Phase Iacom und der B-Phase Ibcom aus der Strombefehlsphase θi. Die Verwendung der Strombefehlphase θi, berechnet auf der Basis des Positionsbefehls θcom, ist grundsätzlich die gleiche wie die Verwendung der Strombefehlphase θi im Falle eines gewöhnlichen Steuersystems für einen Schrittmotor mit offenem Regelkreis.
  • Es wird auf der Basis eines Bereiches der Positionsabweichung δθ, beurteilt, ob die Phase des Strombefehls θi auf der Basis des Rotorpositionsbefehls θcom oder der Rotorposition θfb berechnet wird.
  • In der arithmetischen Einheit 20, die in 2 dargestellt ist, verbindet das Beurteilungselement 27 das Schalterelement 35 mit der Anschlussseite ”a” wenn der Bereich der Positionsabweichung δθ die folgende Formel erfüllt (1). –K + Kv·ωfb < δθ < K + Kv·ωfb (1).
  • In der Folge wird, wie durch die folgende Formel (2) angezeigt, ein Ergebnis der Addition durch das Addierglied 33 vom Schalterelement 35 als Phase des Strombefehls θi abgegeben. Auf diese Weise wird, wenn die Positionsabweichung δθ im Bereich der angezeigten Formel (1) liegt, die Phase des Strombefehls θi auf der Basis des Positionsbefehls θcom berechnet (siehe Fläche E in 3). θi = θcom + Kdi·δω (2).
  • Als Festwert K in Formel (1) ist es wünschenswert, einen Wert zu verwenden, der äquivalent einem elektrischen Winkel von 90° ist. Jedoch ist der Festwert K nicht darauf limitiert. Die Phase des Strombefehls θi kann auf θi = θcom eingestellt werden. Wenn jedoch ein Ausdruck Kdi·δω auf der Basis der Stromabweichung δω, wie in Formel (2), addiert wird, wirkt das auf die Steuerung der Vibration während der Rotation.
  • Die Phase des Strombefehls θi, die auf der Basis der Rotorposition θfb berechnet wird, wird unten beschrieben.
  • Das erste Beurteilungselement 27 verbindet das Schalterelement 35 mit der Anschlussseite ”b”, wenn ein Bereich der Positionsabweichung θδ den Bereich der Formel (1) überschreitet, d. h., wenn δθ > K + Kv·ωfb oder δθ < –K + Kv·ωfb ist. In diesem Fall trennt das zweite Beurteilungselement 28 das Schalterelement 36 nur, wenn die Vorzeichen (positiv oder negativ) der Positionsabweichung δθ und der Geschwindigkeitsabweichung δω miteinander übereinstimmen. So werden schließlich vier Strombefehlphasen θi (siehe Flächen A bis D in 3) entsprechend der folgenden Bedingungen ”a” bis ”d” berechnet. Diese Strombefehlphasen θi werden entsprechend den Bedingungen ”a” bis ”d” vom Schalterelement 35 abgegeben.
    Bedingung ”a”: δθ > + K + Kv·ωfb, δθ > 0, δω > 0 (das Schalterelement 36 ist getrennt) θi = θfb + K + Kv·ωfb (3) Bedingung ”b”: δθ > +K + Kv·ωfb, δθ > 0, δω < 0 (das Schalterelement 36 ist geschlossen) θi = θfb + K + Kv·ωfb + Kdo·δω (4) Bedingung ”c”: δθ < –K + Kv·ωfb, δθ < 0, δω < 0 (das Schalterelement 36 ist getrennt) θi = θfb – K + Kv·ωfb (5) Bedingung ”d”: δθ < –K + Kv·ωfb, δθ < 0, δω > 0 (das Schalterelement 36 ist geschlossen) θi = θfb – K + Kv·ωfb + Kd0·δω (6)
  • Die Strombefehlphasen θi, die nach der Formel (2) und den Formeln (3) bis (6) berechnet werden, werden in den Koordinatenkonverter 29 eingegeben und in Strombefehle Iacom und Ibcom für die entsprechenden Phasen konvertiert. Der Motor 50 ist nicht auf einen Zweiphasen-Motor limitiert und kann zum Beispiel ein Dreiphasen- oder Fünfphasen-Motor sein. In diesem Fall konvertiert der Koordinatenkonverter 29 die Strombefehlphase θi in Strombefehle in einer Anzahl, die der Anzahl der Phasen des Motors 50 entspricht.
  • Gemäß der Strombefehlphase θi, die nach Formel (2) berechnet wird, wird der Motor 50 auf eine befohlene Geschwindigkeit bei maximalem Drehmoment beschleunigt. In diesem Fall, da der Ausdruck Kv·ωfb der Geschwindigkeitskompensation in die Beurteilungsformel (1) integriert ist, ist das Schalten bei Generierung eines maximalen Drehmomentes, das eine Verzögerung in einem elektrischen Strom und eine Verzögerung in der Berechnung auf Grund der Induktivität der Wicklung kompensiert, möglich.
  • Andererseits, entsprechend der Strombefehlphasen θi, die auf der Basis der Rotorposition θfb bestimmt werden, d. h. der Strombefehlphasen θi, die nach den Formeln (3) bis (6) berechnet werden, ist folgender Effekt vorhanden.
  • Zum Beispiel, wenn der Motor 50 übermäßig in eine CW-Richtung dreht, ist die Geschwindigkeitsabweichung δω negativ und die Positionsabweichung δθ ist positiv. Somit wird die Strombefehlphase θ, auf der Basis von Formel (4) bestimmt. In diesem Fall, da ein dritter Ausdruck Kd0·δω von Formel (4) ein negativer Wert ist, wird ein Voreilwinkel bezüglich der Rotorposition θfb reduziert. Im Ergebnis verringert sich das Drehmoment.
  • Auf diese Weise wird in dem oben beschriebenen Beispiel eine Erregungsphase eingestellt, um das generierte Drehmoment zu reduzieren und die Geschwindigkeitsabweichung zu steuem. Somit ist es möglich, eine übermäßige Rotation des Rotors und ein Einfangen (Überschreiten und Unterschreiten) auf Grund der Expansion der Geschwindigkeitsabweichung zu vermeiden und den Rotor stabil und schnell in Position zu bringen. Die stabile und schnelle Positionierung des Rotors ist ebenfalls mit der Strombefehlphase θi möglich, die durch Formel (6) bestimmt wird.
  • Wenn der Ausdruck Kd0·δω in Formel (4) größer ist als der Festwert K, wird ein Drehmoment in die entgegengesetzte Richtung generiert. Somit wird ein Wert des Koeffizienten Kd0 eingestellt, um einen angemessenen Steuerungseffekt der Geschwindigkeitsabweichung zu erzielen.
  • Entsprechend den Strombefehlphasen θi, die nach den Formeln (3) und (5) bestimmt werden, wird ein Voreliwinkelwert, bei dem der Motor ein maximales Drehmoment generiert, eingestellt.
  • Der Kern der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wert eines Voreilwinkels für die Generierung eines maximalen Drehmomentes auf der Basis eines Ergebnisses der Beurteilung der Polaritäten der Positionsabweichung δθ und der Geschwindigkeitsabweichung δω zu dem Zeitpunkt zu nutzen, in dem die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ωfb nicht den Geschwindigkeitsbefehl ωcom erreicht, und einen Wert, der durch Multiplikation der Geschwindigkeitsabweichung δω mit einem Koeffizienten erhalten wird, zum Voreilwinkelwert zu addieren, um das maximale Drehmoment (da die Poolarität von δω entgegengesetzt der von δθ ist, wird der Voreilwinkelwert durch diese Addition reduziert) auf der Basis eines Ergebnisses der Beurteilung der Polaritäten zu dem Zeitpunkt, wann die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ωfb den Geschwindigkeitsbefehl ωcom überschreitet, zu generieren. Damit gibt es keine Einschränkung für ein Verfahren, um annähernd den Voreilwinkelwert für die Generierung des maximalen Drehmomentes zu erzielen. Daher können als Korrekturwert des Voreilwinkels (im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, Kv·ωfb) nicht nur eine proportionale Funktion der Rotorgeschwindigkeit ωfb, sondern auch eine Funktion zweiten Grades und eine Funktion dritten Grades f(ωfb) und dergleichen genutzt werden.
  • Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Rotorgeschwindigkeit ωfb als Korrekturwert für den Voreilwinkel genutzt. Jedoch kann auch die Positionsabweichung δθ zusätzlich zur Rotorgeschwindigkeit ωfb genutzt werden. 4 zeigt eine arithmetische Einheit 20', die sowohl die Rotorgeschwindigkeit ωfb als auch die Positionsabweichung δθ als Korrekturwert des Voreilwinkels nutzt.
  • Die arithmetische Einheit 20' unterscheidet sich dadurch von der arithmetischen Einheit 20 des ersten Ausführungsbeispiels, dass ein Geschwindigkeits-/Positions-Abweichungskompensator 37 zur Verfügung steht und ein Ausgangswert des Festwertgenerators 24 in die zweite Beurteilungseinheit 8 eingespeist wird.
  • In der arithmetischen Einheit 20' verbindet die erste Beurteilungseinheit 27 das Schalterelement 35 mit der Anschlussseite ”a”, wenn ein Bereich der Positionsabweichung δθ die folgende Formel (7) erfühlt. In diesem Fall wird die Strombefehlphase θi = θcom + Kdi·δω von Formel (2) über das Schalterelement 35 abgegeben, wie im ersten Ausführungsbeispiel. Wie im ersten Ausführungsbeispiel kann die Strombefehlphase θi auf θi = θcom eingestellt werden. –K < δθ < + K (7)
  • Wenn ein Bereich der Positionsabweichung δθ den Bereich von Formel (7) überschreitet, wird, da das Schalterelement 35 mit der Anschlussseite ”b” verbunden ist, die Strombefehlphase θi auf der Basis der Rotorposition θfb eingestellt. Der Geschwindigkeits-/Positions-Abweichungskompensator 37 empfängt die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ωfb und die Positionsabweichung des Rotors δθ, führt eine arithmetische Operation zur Multiplikation der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ωfb und der Positionsabweichung des Rotors δθ mit einem vorher festgelegten Koeffizienten Kθ durch und speist ein Ergebnis der arithmetischen Operation Ke·ωfb·δθ in das Addierglied 32 ein. Dadurch werden in der arithmetischen Einheit 20' vier Strombefehlphasen θi gemäß den folgenden Bedingungen ”a” bis ”d” berechnet und durch das Schalterelement 35 gemäß den Bedingungen ”a” bis ”d” abgegeben.
    Bedingung ”a”: δθ > K, δθ > 0, δω > 0 (das Schalterelement 36 ist getrennt) θi = θfb + K + Kv·ωfb + Kθ·ωfb·δθ (8 ) Bedingung ”b”: δθ > K, δθ > 0, δω < 0 (das Schalterelement 36 ist geschlossen) θi = θfb + K + Kv·ωfb + Kθ·ωfb·δθ + Kd0·δω (9) Bedingung ”c”: δθ < –K, δθ < 0, δω < 0 (das Schalterelement 36 ist getrennt) θi = θfb + K + Kv·ωfb + Ke·ωfb·δθ (10) Bedingung ”d”: δθ < –K + Kv·ωfb, δθ < 0, δω > 0 (das Schalterelement 36 ist geschlossen) θi = θfb – K + Kv·ωfb + Ke·ωfb·δθ + Kd0·δω (11)
  • Ein Betriebseffekt, der durch Nutzung der arithmetischen Einheit 20 erzielt wird, ist derselbe wie der Betriebseffekt, der erzielt wird, wenn die arithmetische Einheit 20 genutzt wird. Daher wird die Erläuterung des Betriebseffektes weggelassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    POSITIONSBEFEHL
    20
    ARITHMETISCHE EINHEIT
    21
    ERSTE DIFFERENZIERSCHALTUNG
    22
    ZWEITE DIFFERENZIERSCHALTUNG
    23
    GESCHWINDIGKEITSKOMPENSATOR
    24
    FESTWERTGENERATOR
    25
    ERSTER GESCHWINDIGKEITSDIFFERENZKOMPENSATOR
    28
    ZWEITER GESCHWINDIGKEITSDIFFERENZKOMPENSATOR
    27
    ERSTE BEURTEILUNGSEINHEIT
    28
    ZWEITE BEURTEILUNGSEINHEIT
    29
    KOORDINATENKONVERTER
    30
    ERSTES SUBTRAHIERGLIED
    31
    ZWEITES SUBTRAHIERGLIED
    32
    ERSTES ADDIERGLIED
    33
    ZWEITES ADDIERGLIED
    34
    DRITTES ADDIERGLIED
    35
    ERSTES SCHALTERELEMENT
    36
    ZWEITES SCHALTERELEMENT
    37
    GESCHWINDIGKEITS-/POSITIONS-ABWEICHUNGSKOMPENSATOR
    40
    STROMVERSTÄRKEREINHEIT
    50
    SCHRITTMOTOR
    60
    POSITIONSDETEKTOR

Claims (9)

  1. Steuervorrichtung für einen Schrittmotor, die auf der Basis eines Rotorpositionsbefehls (θcom) zur Steuerung einer Position eines Rotors und einer Rotorposition (θfb) als einer aktuellen Position des Rotors eine Phase (θi) eines Wicklungsstrombefehls bestimmt, der einen elektrischen Strom steuert, der in eine Wicklung eingespeist wird, und Strombefehle (Iacom und Ibcom) für entsprechende Phasen auf der Basis der Phasenwinkel eines Wicklungsstrombefehls (θi) erzeugt, die Steuervorrichtung umfassend: Mittel zur Berechnung von Positionsabweichungen (30) zur Berechnung einer Abweichung (δθ) zwischen dem Positionsbefehl und der Rotorposition: Mittel zur Berechnung von Rotorgeschwindigkeitsbefehlen (21) zur Berechnung eines Rotorgeschwindigkeitsbefehls (ωcom) auf der Basis des Positionsbefehls; Mittel zur Berechnung der Rotorgeschwindigkeit (22) zur Berechnung der Rotorgeschwindigkeit (ωfb) auf der Basis der Rotorposition; Mittel zur Berechnung der Geschwindigkeitsabweichung (31) zur Berechnung einer Abweichung (δω) zwischen dem Rotorgeschwindigkeitsbefehl und der Rotorgeschwindigkeit; Mittel zur Generierung von Festwerten (24) zur Generierung eines positiven Festwertes (+K) und eines negativen Festwertes (–K), wenn die Positionsabweichung jeweils positiv oder negativ ist; erste Beurteilungsmittel (27) zur Beurteilung, ob die Positionsabweichung innerhalb eines vorher festgelegten Bereiches ist; zweite Beurteilungsmittel (28) zur Beurteilung, ob ein Vorzeichen der Positionsabweichung und ein Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung miteinander übereinstimmen; und Mittel zur Phaseneinstellung (34 bis 35) zur Einstellung des Phasenwinkels eines Wicklungsstrombefehls auf der Basis des Rotorpositionsbefehls, wenn die Positionsabweichung innerhalb des vorher festgelegten Bereiches ist, zur Einstellung des Phasenwinkels eines Wicklungsstrombefehls auf der Basis eines Wertes, der durch Summierung der Rotorposition, des Festwertes und eines Korrekturwertes des Voreilwinkels, der eine Funktion von der Rotorgeschwindigkeit ist, erhalten wird, wenn die Positionsabweichung den vorher festgelegten Bereich überschreitet und ein Vorzeichen der Positionsabweichung und ein Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung miteinander übereinstimmen, und zur Einstellung des Phasenwinkels eines Wicklungsstrombefehls auf der Basis eines Wertes, der durch Summierung der Rotorposition, des Festwertes, eines Korrekturwertes des Voreilwinkels, der eine Funktion von der Rotorgeschwindigkeit ist, und der Geschwindigkeitsabweichung multipliziert mit einer vorher festgelegten Konstante (Kdo), erhalten wird, wenn die Positionsabweichung den vorher festgelegten Bereich überschreitet und ein Vorzeichen der Positionsabweichung und ein Vorzeichen der Geschwindigkeitsabweichung nicht miteinander übereinstimmen.
  2. Steuervorrichtung für einen Schrittmotor nach Anspruch 1, wobei der Festwert ein Wert ist, der äquivalent einem elektrischen Winkel von 90° ist.
  3. Steuervorrichtung für einen Schrittmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei der vorher festgelegte Bereich einen unteren Grenzwert aufweist, der durch Summierung des negativen Festwertes und eines Wertes, der durch eine Funktion (f(ωfb)) der Rotorgeschwindigkeit definiert ist, erhalten wird, und einen oberen Grenzwert aufweist, der durch Summierung des positiven Festwertes und eines Wertes, der durch die Funktion der Rotorgeschwindigkeit definiert ist, erhalten wird.
  4. Steuervorrichtung für einen Schrittmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei der vorher festgelegte Bereich einen unteren Grenzwert aufweist, der durch Summierung des negativen Festwertes und eines Wertes erhalten wird, der durch Multiplikation der Rotorgeschwindigkeit mit einem vorher festgelegten Koeffizienten (Kv) erhalten wird, und einen oberen Grenzwert aufweist, der durch Summierung des positiven Festwertes und eines Wertes erhalten wird, der durch Multiplikation der Rotorgeschwindigkeit mit dem vorher festgelegten Koeffizienten erhalten wird.
  5. Steuervorrichtung für einen Schrittmotor nach Anspruch 4, wobei der vorher festgelegte Koeffizient (Kv) 0 ist.
  6. Steuervorrichtung für einen Schrittmotor nach Anspruch 1, wobei der Korrekturwert des Voreilwinkels ein Wert ist, der durch eine Funktion der Rotorgeschwindigkeit (f(ωfb)) definiert ist.
  7. Steuervorrichtung für einen Schrittmotor nach Anspruch 1, wobei der Korrekturwert des Voreilwinkels ein Wert ist, der ein Produkt aus einem vorher festgelegten Koeffizienten (Kv) und der Rotorgeschwindigkeit ist.
  8. Steuervorrichtung für einen Schrittmotor nach Anspruch 1, wobei der Korrekturwert des Voreilwinkels ein Wert ist, der erhalten wird durch Summierung eines Wertes, der ein Produkt aus einem vorher festgelegten Koeffizienten (Kv) und der Rotorgeschwindigkeit ist, und eines Wertes, der ein Produkt aus einem vorher festgelegten Koeffizienten (Ke), der Rotorgeschwindigkeit und der Positionsabweichung ist.
  9. Steuervorrichtung für einen Schrittmotor nach Anspruch 1, wobei der Phasenwinkel eines Wicklungsstrombefehls, eingestellt auf der Basis des Rotorpositionsbefehls, die Geschwindigkeitsabweichung beinhaltet.
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