马达驱动控制装置以及马达驱动控制方法
【专利摘要】本发明提供马达驱动控制装置以及马达驱动控制方法，其抑制在周期性地调制步进马达的驱动频率时所产生的异响、转矩脉动。马达驱动控制装置(100)具备：桥控制电路(110)，其控制在步进马达(120)流动的交流电流；频率调制表(106)，其用于在以规定速度驱动步进马达(120)时，对步进马达(120)的速度进行频率调制；以及电流增益表(105)，其用于以因频率调制而带来的步进马达(120)的速度越接近该步进马达(120)的共振频率，越减小在步进马达(120)流动的交流电流的有效值的方式进行控制。
【专利说明】
马达驱动控制装置以及马达驱动控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及马达驱动控制装置以及马达驱动控制方法。
【背景技术】
[0002]在专利文献I的段落0030中记载了“通过周期性地调制恒速旋转期间的马达驱动频率，能够大幅度地降低由脉冲马达产生的噪音。”。
[0003]在专利文献I的段落0006中记载了“其特征在于，在以正常速度(fo)驱动脉冲马达时，在该正常驱动速度(fo)重叠以周期(Ι/fs)变动的调制宽度(Af)的信号进行驱动。”。另夕卜，在专利文献I的段落0022?0027中记载了噪音降低效果适当的周期(Ι/fs)与调制宽度(Af)的设定范围。
[0004]专利文献I:日本特开平6-245590号公报
【发明内容】
[0005]步进马达在规定的驱动速度下具有共振频率，在以接近该共振频率的速度驱动马达的情况下，存在由于频率调制而产生大的振动脉动，并且产生异响(蜂鸣音)的课题。并且存在由于频率调制而产生转矩脉动的课题。
[0006]因此，本发明的课题在于，提供能够抑制在周期性地调制步进马达的驱动频率时所产生的异响、转矩脉动的马达驱动控制装置以及马达驱动控制方法。
[0007]为了解决上述的课题，第I发明的马达驱动控制装置具备:控制电路，其控制在马达流动的交流电流;频率调制单元，其在以规定速度驱动上述马达时，对上述马达的速度进行频率调制；以及电流有效值控制单元，其以上述马达的速度因上述频率调制单元而越接近该马达的共振频率，越减小在该马达流动的交流电流的有效值的方式进行控制。
[0008]第2发明的马达驱动控制装置具备:控制电路，其控制在马达流动的交流电流;频率调制单元，其在以规定速度驱动上述马达时，对上述马达的速度进行频率调制；以及电流有效值控制单元，其以与由上述频率调制单元所调制的上述马达的速度变化相同的相位对在该马达流动的交流电流的有效值进行频率调制控制。
[0009]对于其他单元，在用于实施发明的实施方式中进行说明。
[0010]根据本发明，能够抑制在周期性地调制步进马达的驱动频率时所产生的异响、转矩脉动。
【附图说明】
[0011]图1是表示本实施方式中的马达驱动控制装置的概要的构成图。
[0012]图2是本实施方式中的马达驱动控制装置的详细框图。
[0013]图3是对在高于共振频率的速度区域施加了频率调制时的异响的抑制动作进行说明的图。
[0014]图4是对在低于共振频率的速度区域施加了频率调制时的异响的抑制动作进行说明的图。
[0015]图5是对扭矩变动的抑制动作进行说明的图。
[0016]图6是表示频率调制与基准电流值的关系的波形图。
[0017]图7是表示一个周期被分割为32个的基准电流值的例子的图。
[0018]图8是表示本实施方式中的基准电流值的控制处理与设定处理的流程图。
[0019]图9是对比较例中的振动与异响的产生原因进行说明的图。
[0020]附图标记说明:
[0021]20…H桥电路；100…马达驱动控制装置；101…CPU; 102…计时器；103."R0M; 10令..参照电流表;105…电流增益表(电流有效值控制单元)；106…频率调制表(频率调制单元)；107...乘法器；108…桥控制部；110…桥控制电路(控制电路)；111…P丽信号产生器；1仏..D/A转换器；113…电流检测部；114…比较器；120…步进马达(马达)；126...转子；122…定子；124…定子绕组；130…上位装置。
【具体实施方式】
[0022]以下，参照各图对用于实施本发明的实施方式详细地进行说明。
[0023]图1是表示马达驱动控制装置100的概要的构成图。
[0024]在图1中，步进马达120为双极型二相步进马达，具有:转子126，其具有永久磁铁并被设置为能够转动；和定子122XP、122XN、122YP、122YN，它们设置于上述转子126的周围的圆周方向4等分位置。上述定子122XP、122XN构成X相。定子122YP、122YN构成Y相。以下，在不特别区分各定子时，将它们简单地记载为定子122。
[0025]上述定子分别卷绕有绕组。卷绕于定子122YP、122YN的绕组以串联的方式被连接，将两绕组统称为“定子绕组124Y”。同样地，卷绕于定子122XP、122XN的绕组以串联的方式被连接，将两绕组统称为“定子绕组124X”。
[0026]上位装置130输出指示步进马达120的旋转速度的速度指令信号。马达驱动控制装置100按照该速度指令信号对步进马达120进行驱动控制。在马达驱动控制装置100设置有H桥电路20X、20Y，分别对定子绕组124X、124Y施加X相电压VMX、Y相电压VMY。
[0027]图2是马达驱动控制装置100的详细框图。此外，虽然在图1中示出了两个系统的定子绕组124X、124Y与两个系统的H桥电路20X、20Y，但是在图2中示出了它们之中的一方的定子绕组124与一方的H桥电路20。
[0028]设置于马达驱动控制装置100的内部的CPU(中央处理器:Central ProcessingUnitHOl，基于存储于ROM(只读存储器:Read Only Memory) 103的各种表格、控制程序来控制各部分。计时器102在CPUlOl的控制下测定从重置的时刻起的经过时间。桥控制部108基于来自CPUl OI的指令，控制桥控制电路110 (控制电路)的各部分，从而控制在步进马达120流动的交流电流。乘法器107由CPUl OI控制，在参数上乘以增益，并输出其运算结果。
[0029]在本实施方式的R0M103储存有参照电流表104、电流增益表105以及频率调制表106。
[0030]在参照电流表104储存有微步下的参照电流值的序列。此处，微步是指对步进马达120的90度的基本步距角更细分地控制的情况的控制单位。通过对步进马达120进行微步驱动，与全步驱动的情况相比，能够有效地降低低速度区域的振动、噪音。此处，构成为储存有参照电流表104的各参照电流值，并整体形成为正弦波状。
[0031]在电流增益表105储存有乘以参照电流而计算基准电流值Iref时的电流增益值的序列。该电流增益是使在马达流动的交流电流的有效值变化的数值，电流增益值的序列为与后述的频率调制同步地正弦波状地变动的值。能够利用该电流增益表105(电流有效值控制单元)控制在马达流动的交流电流的有效值。
[0032]在频率调制表106储存有微步期间的序列。此处，马达驱动控制装置100对马达速度施加频率调制，因此该微步期间的序列为正弦波状地变动的值。在以规定的旋转速度驱动步进马达120时，能够利用该频率调制表106(频率调制单元)对该旋转速度施加频率调制。由此，能够大幅度地降低步进马达120的噪音。
[0033]以下，对比较例与本实施方式的马达驱动控制装置100的频率调制进行说明。在比较例中，施加基于频率调制表106的频率调制，并且将微步的参照电流作为基准电流值Iref输出。在后述的图9中示出了此时的波形例。
[0034]与此相对，本实施方式的马达驱动控制装置100同样地施加基于频率调制表106的频率调制，并且在微步的参照电流上乘以与频率调制同步的电流增益，并将其作为基准电流值Iref输出。
[0035]此处，桥控制电路110构成为一体的集成电路。在其内部，PWM(脉冲宽度调制:Pulse Width Modulat1n)信号产生器111基于桥控制部108所进行的控制生成PffM信号并将其供给至H桥电路20。在H桥电路20桥接有FET(场效应管:Field-Effect Transistor)，被供给至H桥电路20的PffM信号是作为栅级电压被施加于上述FET的开/关信号。
[0036]基于该PffM信号，H桥电路20生成马达电压，并将其施加于步进马达120的定子绕组124。该马达电压实际上是图1所示的X相电压VMX以及Y相电压VMY。
[0037]电流检测部113通过按照电流方向测定在H桥电路20流动的电流值，而输出在定子绕组124流动的电流的电流测定值Icoil。D/A转换器112从桥控制部108接收基准电流值Iref的数字值，并将其转换为模拟值。比较器114对模拟值的电流测定值Icoil与基准电流值Iref进行比较，若前者为后者以上，则输出“I”信号，并且在除此以外的情况下输出“O”信号。该比较信号被输入至桥控制部108。桥控制部108能够基于该比较信号进行控制以使电流测定值Icoi I接近基准电流值Iref。
[0038]图9(a)、图9(b)是对比较例的振动与异响的产生原因进行说明的图。
[0039]图9(a)是对比较例的频率调制进行说明的图。图9(a)的纵轴表示步进马达120的振动，横轴表示步进马达120的速度。在该步进马达120的共振频率fr下，共振引起的振动处于峰值。
[0040]并且在图9(a)的图表重叠有步进马达120的速度的频率调制图表。该图表的下方向表示时间经过，横向表示速度。
[0041]在图9(a)的比较例中，以比步进马达120(参照图2)的共振频率fr快的速度使该步进马达120旋转，并且施加频率调制。此时，若步进马达120的旋转速度变大，则共振引起的振动变小，若旋转速度变小，则共振引起的振动变大。由于频率调制的频率为可听区域，所以该振动的变化作为异响(蜂鸣音)被听到。
[0042]图9(b)是对比较例的频率调制进行说明的波形图。图9(b)的纵轴表示步进马达120的振动，横轴表示时间。
[0043]在该图中示出了若步进马达120的速度变大，则共振引起的振动变小，若步进马达120的速度变小，则共振引起的振动变大。
[0044]以下，适当地参照图3?图8对本实施方式的动作进行说明。本实施方式的马达驱动控制装置100，与由频率调制所带来的步进马达120的旋转速度对应地，对在该步进马达120流动的电流进行控制。由此，能够抑制异响或者/以及转矩脉动。
[0045]图3(a)?图3 (e)是对在大于共振频率fr的区域施加了频率调制时的异响的抑制动作进行说明的图。
[0046]图3(a)是对频率调制进行说明的图。图3(a)的纵轴表示步进马达120的振动，横轴表示步进马达120的速度。在该步进马达120的共振频率fr下，共振引起的振动处于峰值。并且在图3(a)的图表重叠有步进马达120的速度的频率调制图表。该图表的下方向表示时间经过，横向表示速度。
[0047]图3(b)是伴随着频率调制而产生的速度相对于时间变化的图表。步进马达120的速度以规定速度为中心而正弦波状地变化。此外，图3(b)?图3(e)的图表的原点纵轴均表示频率调制的中心值。
[0048]图3(c)是马达电流一定的情况下的伴随着频率调制而产生的振动整体相对于时间的变化的图表。该步进马达120的振动因共振而以规定值为中心呈正弦波状且相位与速度相反地变化。
[0049]图3(d)是基于本实施方式的控制的马达电流的有效值相对于时间的变化的图表。在本实施方式中，使步进马达120的马达电流的有效值呈正弦波状且相位与速度相同地变化。此处，马达电流的有效值由基准电流值I ref控制。通过使用于计算基准电流值I ref的电流增益以规定值(例如1.0)为中心呈正弦波状且相位与频率调制相同地变化，能够将马达电流的有效值控制为正弦波状且相位与速度相同。
[0050]扭矩与马达电流的有效值成比例地变动，该扭矩所引起的振动变动。因此，通过将马达电流的有效值控制为正弦波状且相位与速度相同，能够使扭矩所引起的振动正弦波状且相位与速度相同地变化，从而能够抵消伴随着频率调制所带来的共振振动的变化。
[0051]换句话说，以由频率调制所带来的步进马达120的速度越接近该步进马达120的共振频率，越减小电流增益表105的电流增益，越减小在该步进马达120流动的交流电流的有效值的方式进行控制。
[0052]此时，由于驱动步进马达120的规定速度大于该步进马达120的共振频率，所以电流增益表105以步进马达120的速度越大，越增大电流增益的方式构成，换句话说，电流增益表105构成为包括相位与频率调制相同地变化的电流增益的表。
[0053 ]图3 (e)是基于本实施方式的控制的振动整体的变化的抑制结果的图表。虚线表示图3(c)中的马达电流一定的情况下的振动的变化，实线表示通过本实施方式的控制抑制了振动整体的变化的情况。根据本实施方式，通过扭矩所引起的振动的变化来抵消伴随着频率调制而产生的共振振动相对于时间的变化，因此能够抑制异响。
[0054]图4(a)?图4 (e)是对在小于共振频率fr的区域施加了频率调制时的异响的抑制动作进行说明的图。
[0055]图4(a)是对频率调制进行说明的图。图4(a)的纵轴表示步进马达120的振动，横轴表示步进马达120的速度。在该步进马达120的共振频率fr下，共振所引起的振动处于峰值。并且在图4(a)的图表重叠有步进马达120的速度的频率调制图表。该图表的下方向表示时间经过，横向表示速度。
[0056]图4(b)是伴随着频率调制而产生的速度相对于时间的变化的图表。步进马达120的速度以规定速度为中心而正弦波状地变化。此外，图4(b)?图4(e)的图表的原点纵轴均表示频率调制的中心值。
[0057]图4(c)是马达电流一定的情况下的伴随着频率调制而产生的振动相对于时间的变化的图表。该步进马达120的振动因共振而以规定值为中心呈正弦波状且相位与速度相同地变化。
[0058]图4(d)是基于本实施方式的控制的马达电流的有效值相对于时间的变化的图表。在本实施方式中，使步进马达120的马达电流的有效值呈正弦波状且相位与速度相反地变化。此处，马达电流的有效值由基准电流值I ref控制。通过使用于计算基准电流值I ref的电流增益以规定值(例如1.0)为中心呈正弦波状且相位与频率调制相反地变化，能够将马达电流的有效值控制为正弦波状且相位与速度相反。
[0059]扭矩与马达电流的有效值成比例地变动，该扭矩所引起的振动变动。因此，通过将马达电流的有效值控制为正弦波状且相位与速度相反，能够使扭矩所引起的振动呈正弦波状且相位与速度相反地变化，从而能够抵消伴随着频率调制而带来的共振振动的变化。
[0060]换句话说，以由频率调制所带来的步进马达120的速度越接近该步进马达120的共振频率，越减小电流增益表105的电流增益，越减小在该步进马达120流动的交流电流的有效值的方式进行控制。
[0061]此时，由于驱动步进马达120的规定速度小于该步进马达120的共振频率，所以电流增益表105以步进马达120的速度越大，越减小电流增益的方式构成，换句话说电流增益表105构成为包括相位与频率调制相反地变化的电流增益的表。
[0062 ]图4 (e)是基于本实施方式的控制的振动整体的变化的抑制结果的图表。虚线表示图4(c)中的马达电流一定的情况下的振动的变化，实线表示通过本实施方式的控制抑制了振动整体的变化的情况。根据本实施方式，通过扭矩所引起的振动的变化来抵消伴随着频率调制而带来的振动相对于时间的变化，因此能够抑制异响。
[0063]图5(a)?图5(d)是对伴随着频率调制而产生的扭矩变动的抑制动作进行说明的图。
[0064]图5(a)是伴随着频率调制而产生的速度相对于时间的变化的图表。步进马达120的速度以规定速度为中心而正弦波状地变化。此外，图5(a)?图5(d)的图表的原点纵轴均表示频率调制的中心值。
[0065]图5(b)是马达电流一定的情况下的伴随着频率调制而产生的扭矩相对于时间的变化。步进马达120的速度越大，其扭矩越减小，步进马达120的速度越减小，其扭矩越增大。换句话说，步进马达120的扭矩以规定值为中心呈正弦波状且相位与速度相反地变化。
[0066]图5(c)是基于本实施方式的控制的马达电流的有效值相对于时间的变化的图表。在本实施方式中，使步进马达120的马达电流的有效值呈正弦波状且相位与速度相同地变化。通过使用于计算基准电流值Iref的电流增益以规定值(例如1.0)为中心呈正弦波状且相位与频率调制相同地变化，能够将马达电流的有效值控制为正弦波状且相位与速度相同。
[0067]扭矩与马达电流的有效值成比例地变动。因此，通过将马达电流的有效值控制为正弦波状且相位与速度相同，能够使扭矩呈正弦波状且相位与速度相反地变化，从而能够抵消伴随着频率调制所带来的扭矩变化。
[0068]换句话说，电流增益表105构成为包括相位与由频率调制所带来的步进马达120的速度变化相同地变化的电流增益的表，由此，能够将马达电流的有效值控制为正弦波状且相位与速度相同。
[0069]图5(d)是基于本实施方式的控制的扭矩变动的抑制结果的图表。虚线表示图5(b)中的马达电流一定的情况下的扭矩的变化，实线表示通过本实施方式的控制抑制了扭矩整体的变化的情况。根据本实施方式，由于通过马达电流的有效值所引起的扭矩变动来抵消伴随着频率调制所带来的扭矩变动，所以能够抑制转矩脉动。
[0070]图6(a)、图6(b)是表示频率调制与基准电流值Iref的关系的波形图。此时，步进马达120的速度大于共振频率fr。
[0071]图6(a)的纵轴表示速度，横轴表示共用的时间。这样，步进马达120的速度以规定值为中心调制为正弦波状。
[0072]图6(b)的纵轴表示基准电流值Iref，横轴表示共用的时间。这样，步进马达120的基准电流值Iref的包络线呈正弦波状且相位与速度相同地变化。此处，基准电流值Iref的包络线表示马达电流的有效值。
[0073 ]在基准电流值Ir ef的包络线的振幅小时，基准电流值Ir ef的频率变小，在基准电流值Iref的包络线的振幅大时，基准电流值Iref的频率变大。通过如这样控制，能够抑制振动的变化。
[0074]图7是表示I周期被分割为32个的各微步中的基准电流值Iref的例子的图。图7的纵轴表示基准电流值Iref，横轴表示时间。I周期被分割为32微步。该基准电流值Iref为正弦波状。
[0075]每一个微步的周期Tm，为一个细箭头所示的电流设定时机。每一个周期，为一个粗箭头所示的频率调制时机。
[0076]图8(a)、图8(b)是表示本实施方式中的基准电流值Iref的控制处理与设定处理的流程图。
[0077]图8(a)表示主程序中的基准电流值Iref的控制处理。
[0078]与该马达驱动控制装置100启动的同时该主程序开始进行。
[0079]马达驱动控制装置100的CPUlOl在步骤SlO进行各部分的初始设定，在步骤Sll允许计时器102的中断。在计时器102设定有频率调制表106的最初的微步周期。由此，图8(b)所示的计时器中断启动。
[0080]之后，CPUlOl利用桥控制部108反复进行以基准电流值Iref为目标值的电流控制。该基准电流值Iref通过计时器中断来设定。
[0081 ]图8(b)表示基于计时器中断的基准电流值Iref的设定处理。通过该计时器中断，设定基准电流值Iref，微步开始。
[0082]若计时器中断启动，则CPUlOl在步骤S20判断是否为频率调制时机。本实施方式的频率调制时机如图7所示一个周期存在一次，并且32微步存在一次。若判断为频率调制时机(步骤S20—是)，则CPUl OI进入频率调制时机所涉及的步骤S21、S22的处理。
[0083]在频率调制时机所涉及的步骤S21，CPU101根据频率调制表106在计时器102设定接下来的微步的周期，根据电流增益表105，设定本次的微步的电流增益之后(步骤S22)，进入电流设定时机所涉及的步骤S23、S24的处理。
[0084]若在步骤S20判断为并非为频率调制时机(步骤S20—否)，则CPUlOl进入电流设定时机所涉及的步骤S23、S24的处理。
[0085]在电流设定时机所涉及的步骤S23，CPU101设定参照电流表104的本次的微步的参照电流值，在参照电流值上乘以电流增益值，计算基准电流值Iref (步骤S24)，恢复至原处理。
[0086]在本实施方式中，在以快于马达的共振频率fr的速度使马达旋转的情况下，以随着旋转速度因频率调制而变快，马达电流变得大于参照电流值的方式进行控制。并且以随着旋转速度变慢，马达电流变得小于参照电流值的方式进行控制。
[0087]另外，在以慢于马达的共振频率fr的速度使马达旋转的情况下，以随着旋转速度因频率调制而变快，使马达电流变得小于参照电流值的方式进行控制。并且以随着旋转速度变慢，使马达电流变得大于参照电流值的方式进行控制。
[0088]S卩，以随着旋转速度因频率调制而接近共振频率fr，马达电流与旋转速度对应地变得小于参照电流值的方式进行控制，以随着旋转速度远离共振频率fr，马达电流与旋转速度对应地变得大于参照电流值的方式进行控制。由此，能够抑制振动脉动，降低异响(蜂鸣音)。由于能够抑制马达的振动脉动，所以能够抑制安装有马达的促动器的振动以及噪
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[0089]另外，以随着旋转速度因频率调制而变快，马达电流的大小与旋转速度对应地变得大于参照电流值的方式进行控制，以随着旋转速度变慢，马达电流与旋转速度对应地变得小于参照电流值的方式进行控制。
[0090]通过本控制能够降低转矩脉动。由于抑制转矩脉动，所以能够使安装于马达的负载稳定地转动。
[0091](变形例)
[0092]本发明并不局限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够变更实施，例如，存在如下的(a)?(e)的变更。
[0093](a)在上述实施方式中，虽然在与马达的速度的频率调制的设定相同的时机实施马达的电流设定，但是也可以为其他时机。
[0094](b)在频率调制时机执行的步骤S21、S22的处理并不局限于每一个周期，也可以按照规定的周期执行。例如，也可以按照每两个周期执行步骤S21、S22的处理。另外电流设定时机并不局限于I周期32次。上述次数能够任意设定。
[0095](c)在上述实施方式中，虽然利用频率调制表106与电流增益表105进行控制，但是也可以通过运算导出频率调制、电流增益的数值。
[0096](d)在上述实施方式中，根据速度是否大于步进马达120的共振频率fr而进行不同的动作。但是并不局限于此，也可以判断步进马达120的速度是否大于共振频率fr，并切换为对应的电流增益表105进行控制。
[0097](e)在上述实施方式中，虽然对马达速度施加正弦波状的频率调制，并实施与其同步的正弦波状的电流设定，但是只要马达速度与马达电流同步便可以为任意的振动波形，而并不局限于正弦波状。
【主权项】
1.一种马达驱动控制装置，其特征在于，具备: 控制电路，其控制在马达流动的交流电流； 频率调制单元，其在以规定速度驱动所述马达时，对所述马达的速度进行频率调制；以及 电流有效值控制单元，其以如下方式进行控制:由所述频率调制单元所调制的所述马达的速度越接近该马达的共振频率，越减小在该马达流动的交流电流的有效值。2.根据权利要求1所述的马达驱动控制装置，其特征在于， 所述电流有效值控制单元以如下方式进行控制:若驱动所述马达的规定速度大于该马达的共振频率，则所述马达的速度越减小，越减小在该马达流动的交流电流的有效值以抑制该马达的振动的变化。3.根据权利要求2所述的马达驱动控制装置，其特征在于， 所述频率调制单元构成为包括频率的表格， 所述电流有效值控制单元构成为包括相位与所述频率调制单元相同地变化的电流增益的表格。4.根据权利要求1所述的马达驱动控制装置，其特征在于， 所述电流有效值控制单元以如下方式进行控制:若驱动所述马达的规定速度小于该马达的共振频率，则所述马达的速度越减小，越增大在该马达流动的交流电流的有效值以抑制该马达的振动的变化。5.一种马达驱动控制装置，其特征在于，具备: 控制电路，其控制在马达流动的交流电流； 频率调制单元，其在以规定速度驱动所述马达时，对所述马达的速度进行频率调制；以及 电流有效值控制单元，其以与由所述频率调制单元所调制的所述马达的速度变化相同的相位对在该马达流动的交流电流的有效值进行频率调制控制。6.—种驱动控制方法，其为具备对在马达流动的交流电流进行控制的控制电路的马达驱动控制装置的驱动控制方法，其特征在于， 所述控制电路执行如下步骤: 在以规定速度驱动所述马达时，对所述马达的速度进行频率调制的步骤;和以由频率调制而带来的所述马达的速度越接近该马达的共振频率，越减小在该马达流动的交流电流的有效值的方式进行控制的步骤。
【文档编号】H02P8/18GK105991074SQ201610140017
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】宫地茂树, 松井隆之, 关彻也
【申请人】美蓓亚株式会社