专利名称：步进电动机驱动装置及驱动方法
技术领域：
本发明涉及步进电动机驱动装置及驱动方法。
背景技术：
在对步进电动机进行转矩控制时，是通过控制电动机电流值来进行转矩控制的。 作为进行该转矩控制的一个方法，有根据驱动负载、速度来控制电动机电流的驱动方法 (参照专利文献1)；作为其他方法，有利用不失步程度的恒定电流值来实施加减速、勻速的 驱动方法。另外，在用恒定电流值对电动机电流值进行控制时，对防止失步用的电流值估计 有余量来进行转矩设定。现有技术文献专利文献1 日本专利特公平06-009439号公报
发明内容
本发明要解决的问题对步进电动机根据驱动负载、旋转速度来控制电动机电流的驱动方法，其电路规 模较大且复杂，需要耗费成本、开发期间、调整时间。另一方面，在不实施根据负载的大小来 增减电动机电流的电流控制、而利用恒定电流值来实施电动机的加减速运转或勻速运转的 驱动方法中，存在的问题是由于考虑到负载变动并为了防止产生失步而估计某种程度的 余量来设定电动机电流，因此会消耗掉无用的功率。本发明是为了解决这些问题而完成的，其目的在于提供一种步进电动机驱动装置 及驱动方法，是通过监视步进电动机的励磁稳定点与转子位置关系来进行驱动控制，难以 失步，而且通过进行转矩控制，实现稳定的驱动动作。用于解决问题的方法本发明为了解决上述问题，其特征在于，包括以下的结构。一种步进电动机的驱动装置，根据由线圈的励磁相所决定的转子的停止位置即励 磁稳定点、与实际的转子位置的相位差来进行驱动控制，其特征在于，包括转子位置检测 部，用于检测上述步进电动机的相对于定子的在旋转方向的转子位置；以及励磁相控制部， 基于从控制器输入的指示上述转子的转子位置的位置指令，生成对线圈进行励磁的励磁指 令，上述励磁相控制部通过算出使上述励磁稳定点相对于实际的转子位置在顺时针方向或 者逆时针方向错开的励磁相设定指令，将与上述励磁相设定指令对应的励磁指令输出至电 动机驱动器，从而控制在上述步进电动机中产生的转矩的大小和方向，其中该实际的转子 位置是在逐次设定上述励磁稳定点以使转子到达上述位置指令所指示的转子位置时由上 述转子位置检测部得到。另外，上述励磁相控制部包括算出上述励磁相设定指令的动作控制部，其特征在于，上述动作控制部在产生使转子相对于实际的转子位置向顺时针方向 旋转的转矩时，算出使上述励磁稳定点相对于实际的转子的位置在顺时针方向错开的上述励磁相设定指令；在产生使转子相对于实际的转子位置向逆时针方向旋转的转矩时，算出 使上述励磁稳定点相对于实际的转子的位置在逆时针方向错开的上述励磁相设定指令。另外，一种步进电动机的驱动方法，根据由线圈的励磁相所决定的转子的停止位 置即励磁稳定点、与实际的转子位置的相位差来进行驱动控制，其特征在于，转子位置检测 部检测上述步进电动机的相对于定子的在旋转方向的转子位置，基于从控制器输入的指示 上述转子的转子位置的位置指令，励磁相控制部生成对线圈进行励磁的励磁指令，上述励 磁相控制部算出使上述励磁稳定点相对于实际的转子位置在顺时针方向或者逆时针方向 错开的励磁相设定指令，将与上述励磁相设定指令对应的励磁指令输出至电动机驱动器， 从而控制在上述步进电动机中产生的转矩的大小和方向，其中该实际的转子位置是在逐次 设定上述励磁稳定点以使转子到达上述位置指令所指示的转子位置时由上述转子位置检 测部得到。发明的效果若使用上述的步进电动机驱动装置及驱动方法，则励磁相控制部通过算出使励磁 稳定点相对于实际的转子位置在顺时针方向或者逆时针方向错开的励磁相设定指令，其中 该实际的转子位置是在逐次设定该励磁稳定点以使转子到达位置指令所指示的转子位置 时由转子位置检测部得到，将与该励磁相设定指令对应的励磁指令输出至电动机驱动器， 从而控制来自电动机的产生转矩的大小和方向。据此，对于作用于转子的产生转矩的大小 和方向，产生与要驱动的负载平衡的必要转矩，实现稳定的驱动动作。另外，通过监视励磁 稳定点与转子位置关系，可以减少失步的可能，由于不必如一般的驱动方法那样，考虑到负 载变动并为了防止产生失步而利用估计有某种程度的余量的恒定电流值进行电动机驱动， 因此相对而言没有消耗掉无用的功率。
图1是步进电动机的驱动装置的结构框图。图2是以励磁相控制部为中心的结构框图。图3A及图IBB是表示转子位置与励磁位置的位置关系、和产生转矩的大小及方向 的曲线图。图4A及图4B是表示转子位置与励磁位置的位置关系、和产生转矩的大小及方向 的曲线图。图5是表示使用步进电动机进行推压运转时的装置结构例的说明图。标号说明1步进电动机Ia输出轴2编码器3控制器4励磁相控制部5电动机驱动器6位置指令计数器7转子位置计数器
8动作控制部9监视部10脉冲生成部11安装构件13联轴节14滚珠丝杠15可动臂16 工件17限制壁
具体实施例方式下面，参照附图，说明本发明所涉及的步进电动机驱动装置及驱动方法的实施方 式。图1表示步进电动机的驱动装置的结构框图。步进电动机驱动装置不利用电动机电流值进行控制，而通过使步进电动机1的励 磁稳定点相对于实际的转子位置在顺时针方向或者逆时针方向错开，来进行转矩控制。编码器2(转子位置检测部)设在步进电动机1的输出轴Ia上，利用与步进电动 机1的旋转量相应的输出脉冲来检测转子位置。控制器3输出成为步进电动机1的驱动指令的位置指令。位置指令是由CW方向 (顺时针方向)脉冲/CCW(逆时针方向)脉冲、WR(旋转方向信号)/CLK(时钟信号)等构 成的旋转指令信号，是使转子旋转预定量并最终停止在哪个转子位置的指令。励磁相控制部4基于来自控制器3的位置指令将励磁指令输出至电动机驱动器5， 并且算出后述的励磁相设定指令。电动机驱动器5通过在电动机内产生与来自励磁相控制部4的励磁指令相应的励 磁状态来驱动电动机。电动机驱动器5具有可以对步进角进行分割驱动的微步功能(本实 施方式中举例表示分割为16份)，由于分割数增多，从而可以形成更多的励磁状态，因此可 以设定很多的励磁稳定点。另外，励磁相控制部4基于使转子到达位置指令所指示的转子位置时的转子位置 信息，对于电动机驱动器5输出使励磁稳定点相对于实际的转子的位置前后移动的励磁指 令，从而控制对转子产生的转矩的大小和方向。下面，说明该控制动作。图2是表示励磁相控制部4的处理流程的结构框图。在励磁相控制部4中，具有监视实际的转子位置与励磁稳定点的关系、为了防止 失步并控制转矩的大小和方向来变更励磁稳定点的位置相对于转子位置的功能。位置指令计数器6对来自控制器3的位置指令信息(脉冲串)进行计数。如果是 单脉冲输入方式，则向CW(CLK)端子输入脉冲；如果是双脉冲输入方式，则除了 CW端子，还 向CCW(DIR)端子输入脉冲。另外，转子位置计数器7对步进电动机1的转子的位置信息(编码器2的检测脉 冲)进行计数。接下来，动作控制部8算出校正位置偏差的励磁相设定指令，该位置偏差是位置指令信息与实际的转子位置信息的计数之差。该励磁相设定指令是通过操作励磁状态、使 励磁稳定点相对于实际的转子位置在顺时针方向或者逆时针方向错开的指令信息，是控制 在电动机中产生的转矩的大小和方向的命令。据此，可以实现迅速的电动机的旋转角度控 制。另外，监视部9对从动作控制部8输出的励磁相设定指令进行监视，使得电动机不 会失步。监视部9监视从转子位置计数器7输出的转子的旋转位置、旋转方向等转子位置 信息，在励磁稳定点变更到从动作控制部8输入的励磁相设定指令所指示的位置电动机就 会失步时，将励磁相设定指令限制在不失步的范围。例如，在从动作控制部8输出的励磁相 设定指令所指示的励磁稳定点的位置相对于转子位置超过失步判定基准值(上限值及下 限值)时，限制励磁设定指令使励磁稳定点的位置位于失步判定基准值的范围内。据此，由 于不会如一般的驱动方法那样，考虑到负载变动并为了防止产生失步而利用估计有某种程 度的余量的恒定电流值进行电动机驱动，因此相对而言没有消耗掉无用的功率。接下来，以来自监视部9的励磁相设定指令为基准，脉冲生成部10生成为了变更 励磁稳定点的位置而向电动机驱动器5输出的励磁指令。若电动机驱动器5是单脉冲输入方式，则励磁指令由驱动脉冲和旋转方向切换信 号构成；若是双脉冲输入方式，则由CW方向驱动脉冲和CCW方向驱动信号构成。以下参照具体例，说明励磁相控制部4的转矩的大小和方向的控制方法。参照图3及图4，说明励磁相控制部4所生成的励磁指令的一个例子。图3A中，表 示在步进电动机1中、转子位置和励磁稳定点的位置关系所决定的转矩特性是大致正弦波 的特性。在转子相对于励磁稳定点Ex位于相位在CCW侧错开π /2的转子位置PE时，在CW 方向(顺时针方向)产生最大转矩；在转子位于在CW方向错开π/2的转子位置时，在CCW 方向(逆时针方向)产生最大转矩。S卩，通过使励磁稳定点Ex的位置相对于转子位置错开，可以控制产生的转矩的方 向、大小。另外，如上所述，理论上在相位相对于励磁稳定点Ex前进或后退π /2时会成为最 大转矩，但实际上在转子旋转的状况下，不一定通过设定在η /2就能得到最大转矩，经验 上在π/2以上π以下的范围内设定励磁稳定点Ex与转子位置的相位差时能产生最大转 矩的情况较多。例如，在转子需要在CW方向加速时，励磁相控制部4通过对电动机驱动器5输出 驱动脉冲，积极地使励磁稳定点移动，从而产生在CW方向加速的适量的转矩，使得产生转 子位置PE和励磁位置Ex的位置关系作为目标的大小的转矩(图:3Β的状态)。在图4Α中，在使转子对于CW方向减速时，励磁相控制部4通过对电动机驱动器5 输出驱动脉冲，使励磁稳定点Ex相对于转子位置向CCW侧移动，产生与CW方向相反方向的 适量的转矩并减速，使转子位置PE与励磁位置Ex的位置关系成为产生适量的转矩的位置 关系。如图4Β所示，通过励磁相控制部4对于电动机驱动器5输出各种用于使励磁稳定 点移动的驱动脉冲，使励磁稳定点Ex移动，从而使在电动机中产生的转矩特性变化，控制 产生转矩的大小、方向。
将励磁稳定点与转子位置之差定义作为相位差，此处该相位差与产生的转矩的关 系如以下的表1所示。另外，相位差的符号在励磁稳定点相对于转子位置在CW方向错开的 状态下设为正，在CCW方向错开的状态下设为负。[表 1]表1相位差与产生的转矩的关系考虑CW方向的转矩控制的情况
权利要求
1.一种步进电动机的驱动装置，根据由线圈的励磁相所决定的转子的停止位置即励磁 稳定点、与实际的转子位置的相位差来进行驱动控制，其特征在于，包括转子位置检测部，用于检测所述步进电动机的相对于定子的在旋转方向的转子 位置；以及励磁相控制部，基于从控制器输入的指示所述转子的转子位置的位置指令，生成对线 圈进行励磁的励磁指令，所述励磁相控制部通过算出使所述励磁稳定点相对于实际的转子位置在顺时针方向 或者逆时针方向错开的励磁相设定指令，其中该实际的转子位置是在逐次设定所述励磁稳 定点以使转子到达所述位置指令所指示的转子位置时由所述转子位置检测部得到，将与所 述励磁相设定指令对应的励磁指令输出至电动机驱动器，从而控制在所述步进电动机中产 生的转矩的大小和方向，其中该实际的转子位置是在逐次设定所述励磁稳定点以使转子到 达所述位置指令所指示的转子位置时由所述转子位置检测部得到。
2.如权利要求1所述的步进电动机驱动装置，其特征在于，所述励磁相控制部包括算出所述励磁相设定指令的动作控制部，所述动作控制部在产生使转子相对于实际的转子位置向顺时针方向旋转的转矩时，算出使所述励磁稳 定点相对于实际的转子的位置在顺时针方向错开的所述励磁相设定指令；在产生使转子相对于实际的转子位置向逆时针方向旋转的转矩时，算出使所述励磁稳 定点相对于实际的转子的位置在逆时针方向错开的所述励磁相设定指令。
3.一种步进电动机的驱动方法，根据由线圈的励磁相所决定的转子的停止位置即励磁 稳定点、与实际的转子位置的相位差来进行驱动控制，其特征在于，转子位置检测部检测所述步进电动机的相对于定子的在旋转方向的转子位置，基于从控制器输入的指示所述转子的转子位置的位置指令，励磁相控制部生成对线圈 进行励磁的励磁指令，所述励磁相控制部算出使所述励磁稳定点相对于实际的转子位置在顺时针方向或者 逆时针方向错开的励磁相设定指令，将与所述励磁相设定指令对应的励磁指令输出至电动 机驱动器，从而控制在所述步进电动机中产生的转矩的大小和方向，其中该实际的转子位 置是在逐次设定所述励磁稳定点以使转子到达所述位置指令所指示的转子位置时由所述 转子位置检测部得到。
全文摘要
本发明提供一种步进电动机驱动装置及驱动方法，通过监视步进电动机的励磁稳定点与转子位置关系来进行驱动控制，从而难以失步，而且通过进行转矩控制，实现稳定的驱动动作。励磁相控制部(4)通过算出使励磁稳定点相对于实际的转子位置在顺时针方向或者逆时针方向错开的励磁相设定指令，其中实际的转子位置是在逐次设定励磁稳定点以使转子到达利用控制器(3)的位置指令所指示的转子位置时由转子位置计数器(7)得到，将与励磁相设定指令对应的励磁指令输出至电动机驱动器(5)，从而控制在步进电动机(1)中产生的转矩的大小和方向。
文档编号H02P8/14GK102097991SQ20101060232
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月13日 优先权日2009年12月15日
发明者大久保政志, 高松正英, 龙野仁一 申请人:信浓绢糸株式会社