步进马达的控制装置、步进马达的控制方法以及步进马达驱动控制系统
阅读说明：本技术 步进马达的控制装置、步进马达的控制方法以及步进马达驱动控制系统 (Stepping motor control device, stepping motor control method, and stepping motor drive control system ) 是由 木村秀树 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：一种步进马达的控制装置、步进马达的控制方法以及步进马达驱动控制系统。实施方式的步进马达的控制装置具备：表生成部,使用在变更驱动电流的设定值的切换信号的第一频率下产生的第一感应电压和在第二频率下产生的第二感应电压的值,在上述切换信号的频率比预定的频率低的动作区域生成与上述切换信号的频率成比例的阈值的数据表；以及电流控制部,根据上述阈值与检测到的感应电压的比较结果来控制上述驱动电流的值。(A control device for a stepping motor, a control method for a stepping motor, and a stepping motor drive control system. A stepping motor control device according to an embodiment includes: a table generating unit that generates a data table of a threshold value proportional to a frequency of a switching signal in an operation region in which the frequency of the switching signal is lower than a predetermined frequency, using values of a first induced voltage generated at a first frequency of the switching signal and a second induced voltage generated at a second frequency, the first frequency changing a set value of a drive current; and a current control unit for controlling the value of the drive current in accordance with a result of comparison between the threshold value and the detected induced voltage.)
本申请主张享有2019年3月4日提出申请的日本国特许出愿号2019－38978的优先权的权益，该日本国特许出愿的全部内容都在本申请中被援引。
技术领域
本实施方式一般涉及步进马达的控制装置、步进马达的控制方法以及步进马达驱动控制系统。
背景技术
以往，为了改善步进马达的效率，公开了根据扭矩来控制驱动电流的技术。尝试在所需要的扭矩降低的状态下减少驱动电流，提高效率。步进马达从低速旋转至高速旋转遍及宽范围地动作。为了避免失调，一般供给相对于所需要的扭矩具有余量的驱动电流。然而，过剩的驱动电流的供给会使耗电量增大。
发明内容
一个实施方式提供一种能够从低速旋转至高速旋转在宽范围的动作状态下改善步进马达的效率的步进马达的控制装置、步进马达的控制方法以及步进马达驱动控制系统。
根据一个实施方式，步进马达的控制装置具备：表生成部，使用在变更驱动电流的设定值的切换信号的第一频率下产生的第一感应电压和在第二频率下产生的第二感应电压的值，在上述切换信号的频率比预定的频率低的动作区域生成与上述切换信号的频率成比例的阈值的数据表；以及电流控制部，将上述阈值与检测到的感应电压进行比较，并根据其比较结果来控制上述驱动电流的值。
附图说明
图1是示出步进马达的控制装置的一个实施方式的图。
图2是示出驱动电流和切换信号的关系的图。
图3是示出低速侧的控制方法的一个例子的图。
图4是示出低速侧的控制方法的其他例子的图。
图5是低速侧的控制方法的流程图。
图6是示出高速侧的控制方法的例子的图。
图7是示出励磁模式的变更的例子的图。
图8是高速侧的控制方法的流程图。
图9是说明效果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式所涉及的步进马达的控制装置、步进马达的控制方法以及步进马达驱动控制系统详细地进行说明。另外，并非利用上述实施方式来限定本发明。
(第一实施方式)
图1是示出步进马达的控制装置的一个实施方式的图。示出1相的量的结构。本实施方式具有构成朝励磁线圈10供给驱动电流的H开关的PMOS晶体管11、13和NMOS晶体管12、14。
PMOS晶体管11和NMOS晶体管12的源极/漏极电路串联连接在电源端子110与接地端子111之间。同样，PMOS晶体管13和NMOS晶体管14的源极/漏极电路串联连接在电源端子110与接地端子111之间。PMOS晶体管11和NMOS晶体管12的漏极连接于输出端子112。PMOS晶体管13和NMOS晶体管14的漏极连接于输出端子113。在输出端子112与113之间连接有励磁线圈10。将驱动电流朝励磁线圈10供给而使其产生磁场，从而使步进马达的转子(未图示)旋转。励磁线圈10和转子构成步进马达。步进马达和控制装置一起构成步进马达驱动控制系统。
各MOS晶体管11～14具有寄生二极管11D～14D。各寄生二极管11D～14D形成相对于供反方向的漏极电流流动的各个MOS晶体管的源极/漏极电路并联连接的电流路。
具备以NMOS晶体管12的漏极为基准而检测源极/漏极间的电压的电压检测电路20。电压检测电路20检测供反方向的漏极电流流动的NMOS晶体管12的漏极/源极间电压。电压检测电路20的检测值被朝选择电路23供给。
具备以接地电位为基准而检测NMOS晶体管12的漏极/源极间电压的电压检测电路21。电压检测电路21检测供顺方向的漏极电流流动的NMOS晶体管12的漏极/源极间电压。电压检测电路21的检测值被朝选择电路23供给。选择电路23利用定时控制电路24选择电压检测电路20、21的任一方的输出并朝驱动控制电路41供给。
在NMOS晶体管14设置有电压检测电路30、31、选择电路33、以及定时控制电路34。
电压检测电路30以漏极为基准而检测供反方向的漏极电流流动的NMOS晶体管14的漏极/源极间电压。电压检测电路30的检测值被朝选择电路33供给。电压检测电路31以接地电位为基准而检测供顺方向的漏极电流流动的NMOS晶体管14的源极/漏极电压。电压检测电路31的检测值被朝选择电路33供给。
选择电路33利用定时控制电路34选择电压检测电路30、31的任一方的输出并朝驱动控制电路41供给。
定时控制电路24、34控制使各MOS晶体管11～14导通/截止的定时。例如，切换PMOS晶体管11与NMOS晶体管14导通的充电模式、NMOS晶体管12与PMOS晶体管13导通的放电模式、NMOS晶体管12与14导通的低速放电模式等。
并且，定时控制电路24、34将变更各微步的驱动电流的设定值的切换信号朝PWM控制电路40以及驱动控制电路41供给。PWM控制电路40响应于切换信号而生成与驱动电流的设定值对应的占空比的PWM信号，并朝各MOS晶体管11～14供给。
在励磁模式相同的情况下，根据切换信号的频率而步进马达的旋转频率变化。因而，驱动控制电路41能够根据切换信号的频率来检测步进马达的旋转频率。因此，为了方便，有时使用旋转频率来作为表示切换信号的频率和步进马达的旋转频率双方的用语。
并且，定时控制电路24、34将控制检测感应电压或者驱动电流的定时的信号朝选择电路23、33供给。选择电路23、33响应于定时控制信号而将所选择的电压检测电路20、21、30、31的输出(感应电压信息)朝驱动控制电路41供给。
驱动控制电路41将根据来自选择电路23、33的输出控制朝励磁线圈10供给的驱动电流的控制信号朝PWM控制电路40供给。在驱动控制电路41连接有供给参照电压Vref的电源50。参照电压Vref作为设定驱动电流的电压使用。例如，作为设定驱动电流的上限值的电压使用。
驱动控制电路41具有模式设定部411。模式设定部411设定步进马达的励磁模式。并且，模式设定部411基于感应电压信息设定励磁模式。励磁模式包含2相励磁、1－2相励磁、W1－2相励磁、2W1－2相励磁、4W1－2相励磁等。
驱动控制电路41具有表生成部412。表生成部412基于感应电压信息制作对检测感应电压的阈值进行了修正的数据表。在因旋转频率低而所产生的感应电压小的低速侧的动作区域中，制作与频率成比例地变小的阈值的修正表。由此，即便在旋转频率小的动作区域中也能够根据扭矩来适当地调整驱动电流。
驱动控制电路41具有存储部413。存储部413存储与励磁模式关联的驱动电流的设定值、切换信号的频率等各种参数或感应电压信息等。
驱动控制电路41具有电流控制部414。电流控制部414根据感应电压与阈值的比较结果来控制驱动电流。例如，在感应电压比阈值大的情况下，进行使驱动电流减小的控制。
驱动控制电路41具有运算部415。运算部415计算从驱动电流成为零的时刻至被供给接下来的切换信号为止的判定时间与存储于存储部413的预定的设定时间之间的时间差。预定的设定时间例如考虑运算部415的处理速度设定。例如，通过对在判定时间内产生的时钟信号(未图示)进行计数来计算从驱动电流成为零的时刻至接下来的切换信号为止的判定时间。另外，切换信号的周期能够根据励磁模式预先设定。因而，也可以根据驱动电流成为零的时刻和预先设定的切换信号的周期的信息来计算判定时间。
PWM控制电路40将对导通/截止进行控制的PWM信号朝各MOS晶体管11～14的栅极供给。PWM控制电路40根据来自驱动控制电路41的控制信号对各MOS晶体管11～14的导通时间进行控制而使朝励磁线圈10供给的驱动电流增减，生成进行变更步进马达的励磁模式的控制的PWM信号。
驱动控制电路41根据在输出端子112、113中检测到的感应电压而将调整驱动电流的控制信号朝PWM控制电路40供给。在相对于所需要的扭矩而驱动电流过剩的情况下，公知会产生感应电压。因而，通过根据感应电压来调整驱动电流，能够避免过剩的驱动电流的供给而高效地削减耗电量。
感应电压作为驱动电流为零时的输出电压呈现。因而，通过检测驱动电流为零时的输出端子112或者113的电压来检测感应电压。即、感应电压被作为驱动电流为零时的输出电压处理来掌握。
例如，在驱动电流为零时使NMOS晶体管12截止，利用此时的输出端子112的电压、即NMOS晶体管12的源极/漏极间电压来检测感应电压。并且，检测NMOS晶体管12导通时的源极/漏极间电压，检测该电压为零时驱动电流变为零这一情况。关于NMOS晶体管14也同样。
因而，根据NMOS晶体管12、14的导通状态检测感应电压、或者检测驱动电流变为零这一情况。
驱动控制电路41在判定时间比预定时间短时，将进行变更为增长切换信号的周期的励磁模式的控制的信号朝PWM控制电路40和定时控制电路24、34供给。由此，加宽驱动电流的微步的宽度而确保可靠地进行感应电压的检测的期间，基于根据扭矩产生的感应电压来控制驱动电流。
根据本实施方式，在因旋转频率低而感应电压小的动作区域，使感应电压的阈值与频率成比例地减小。由此，能够扩大能够检测感应电压的动作范围，因此能够扩宽与扭矩对应的驱动电流的控制范围。因而，能够避免失调、且能够适当地降低耗电量。
并且，在因旋转频率为高速而难以进行感应电压的检测的情况下，通过变更为加宽微步的宽度的励磁模式，使得能够进行感应电压的检测。由此，基于检测到的感应电压而根据扭矩调整驱动电流。即、能够进行与扭矩对应的驱动电流的调整，实现失调的避免和低耗电化。
并且，低速侧的阈值的修正和高速侧的切换信号的周期的调整均能够根据实际的动作状态实时地进行。即、能够在宽范围的动作区域进行与步进马达的动作状态对应的适当的控制。
图2是示出驱动电流与切换信号的关系的图。上部示出微步的驱动电流波形L1，下部示出切换信号。在切换信号的上升沿，步切换。图2示出以16步使步进马达旋转1周的励磁模式的例子。例如，通过利用切换信号变更步数，进行变更励磁模式的控制。
通过在切换信号的各定时S1至S16调整PWM信号的占空比，调整各步的驱动电流的值。在图2的定时S4至S5，根据PWM信号的占空比调整驱动电流的上限值。
各步的驱动电流的值通过各MOS晶体管11～14的导通/截止的控制来维持。在驱动电流被设定为零的步，进行感应电压的检测或者驱动电流变为零的时刻的检测。即、驱动电流被设定为零(0％)的步是用于检测感应电压而进行与扭矩对应的控制的检测期间。图2所示的检测期间是定时S8至S9之间、以及定时S16至S1之间的步。
在步数相同的励磁模式中，根据切换信号的频率而步进马达的旋转频率变化。即、通过提高切换信号的频率，步进马达的旋转频率上升。因而，切换信号的频率成为表示步进马达的旋转频率的指标。
图3是示出低速侧的控制方法的例子的图。横轴示出步进马达的旋转频率，纵轴示出感应电压的阈值。即、横轴的旋转频率与切换信号的频率对应。以下也同样。实线L2示出感应电压。
将使步进马达以无负荷状态动作、感应电压成为饱和状态时的切换信号的频率设为旋转频率f3。检测此时的旋转频率f3下的感应电压V3。感应电压比检测到的感应电压V3大时表示相对于所需要的扭矩而驱动电流被过剩地供给的状态。因而，感应电压V3被设为用于进行比旋转频率f3高的旋转频率下的驱动电流的控制的阈值。
其次，例如，使切换信号的频率下降至旋转频率f1，检测此时的感应电压V1。旋转频率f1是旋转频率f3的1/2。
旋转频率f下的阈值的修正数据线L3根据旋转频率f1、f3和感应电压V1、V3的值而用式(1)表示。V0作为旋转频率为零(0)时的阈值计算。式(1)的计算由运算部415进行。
V＝V0+[(V3－V1)/(f3－f1)]×f (1)
将利用式(1)得到的阈值V和在对应的旋转频率f检测到的感应电压的值进行比较。在相比阈值而感应电压高的情况下进行减小驱动电流的控制。相反，在相比阈值而感应电压低的情况下进行增大驱动电流的控制。通过上述控制，能够避免低速动作时的失调，且能够根据扭矩而适当地调整驱动电流。
图4是示出低速侧的控制方法的其他例子的图。横轴表示步进马达的旋转频率、纵轴表示感应电压的阈值。实线L4表示感应电压。与图3的情况同样，检测并记录感应电压为饱和状态时的旋转频率f3下的感应电压V3。
使切换信号的频率下降至例如旋转频率f3的一半的旋转频率f1。当无法进行感应电压的检测的情况下，使旋转频率上升，直至成为能够检测的状态为止。记录检测到感应电压的下限的旋转频率f2和此时的感应电压V2。
阈值的修正数据线L5根据旋转频率f2、f3和此时的感应电压V2、V3的值而用式(2)表示。
V＝V0+[(V3－V2)/(f3－f2)]×f (2)
在旋转频率f2至f3的低速动作范围中，将利用式(2)得到的阈值和在对应的旋转频率f下检测到的感应电压进行比较。当相比阈值而感应电压高的情况下进行减小驱动电流的控制。相反，当相比阈值而感应电压低的情况下进行增大驱动电流的控制。通过上述控制，能够避免低速动作时的失调，且能够根据扭矩而适当地调整驱动电流。
在上述控制方法的例子中，对一个修正数据线的情况进行了说明，但也可以设置多个修正数据线。例如，在图3的例子中，也可以使用旋转频率f1与f3的中间的旋转频率和此时的感应电压的值，与式(1)同样，计算从旋转频率f3至中间旋转频率为止的范围、以及从中间旋转频率至旋转频率f1为止的范围中的修正数据线。另外，旋转频率f1并不限于旋转频率f3的1/2，也可以是1/3等，能够任意设定。
图5是低速侧的控制方法的流程图。与上述控制方法对应。设置低速侧的阈值，例如以无负荷状态开始动作(S101)。初始值被存储于存储部413。与各微步对应的驱动电流的值、感应电压、励磁模式等被设置为初始值。其次，通过提高切换信号的频率而提高旋转频率(S102)。
判断感应电压是否变为最大(S103)。即、检测感应电压是否饱和。当感应电压变为最大的情况下(S103：是)，记录此时的旋转频率f3和感应电压V3(S104)。当感应电压并未变为最大的情况下(S103：否)，使旋转频率进一步上升。其次，通过降低切换信号的频率而降低旋转频率(S105)。
当旋转频率成为f3/2的情况下(S106：是)，进行感应电压的检测。当检测到感应电压的产生的情况下(S107：是)，记录此时的旋转频率f1和检测到的感应电压V1(S108)。
当未检测到感应电压的情况下(S107：否)，提高旋转频率(S109)。当通过旋转频率的上升而产生感应电压的情况下(S110：是)，记录此时的旋转频率f2和检测到的感应电压V2的值(S111)。当未产生感应电压的情况下(S110：否)，使旋转频率上升。
使用式(1)或者式(2)，计算根据各个旋转频率修正后的阈值，制作修正表(S112)。当产生感应电压的情况下使用式(1)，当未产生感应电压的情况下使用式(2)。修正表被存储于存储部413。根据修正表的阈值和在动作中检测到的感应电压的比较结果来控制驱动电流(S113)。
通过上述控制的流程，能够基于修正后的阈值来扩大低速侧的与扭矩对应的控制的范围。因而，由于根据所需要的扭矩实时地控制驱动电流，因此能够避免失调且降低耗电量。
图6是用于说明高速侧的控制方法的图。上部的实线L6表示驱动电流，点划线L7表示输出电压，下部示出切换信号。与图2的定时S8至S9的之间、即驱动电流的设定值为零(0％)的步对应。
感应电压被作为驱动电流变为零后的输出电压检测。因而，在图6中，从驱动电流变为零的时刻t0直至被供给接下来的切换信号的定时S9为止的判定时间t的期间的输出电压的上升量表示感应电压。
当切换信号的频率上升而变为高速动作的情况下步间的周期T变短。驱动电流相对于输出电压的下降沿而带有一定的时间延迟地降低。因而，若周期T变短，则判定时间t变短，感应电压的检测变得困难。因此，当判定时间t相比预定的可检测时间变短的情况下，变更为周期T长的励磁模式。例如，将4W1－2相励磁变更为2W1－2相励磁。
通过该控制，能够可靠地进行感应电压的检测，通过感应电压和阈值的比较能够适当地控制驱动电流。即、通过使高速侧的感应电压的检测范围扩大，在相对于阈值而感应电压高的情况下减小驱动电流，由此能够实现低耗电化。
图7是用于示出变更励磁模式的控制方法的例子的图。左侧示出变更励磁模式前的状态，右侧示出变更励磁模式后的状态。
左侧示出的驱动电流波形L8具有对应于根据切换信号从定时S0、S01朝S07的过渡而驱动电流变小的步。
关于右侧示出的驱动电流波形L9，根据频率变更后的切换信号，变更为与驱动电流波形L8的2段的量的步相当的、步的宽度长的励磁模式。例如，将左侧示出的4W1－2相励磁的模式变更为右侧示出的2W1－2相励磁的模式。
通过励磁模式的变更，切换信号间的周期变长，能够延长感应电压的判定期间。由此，进行感应电压的检测和基于检测到的感应电压的驱动电流的调整，因此能够根据扭矩适当地控制驱动电流。
另外，即便变更励磁模式也能够使旋转频率相同。例如，通过将相对于1个切换信号而使驱动电流变化1段的量的步的励磁模式变更为变化2段的量的步的励磁模式，即便切换信号的频率成为1/2也能够使步进马达的旋转频率相同。因而，即便在判定时间变短的情况下自动地变更励磁模式也能够使步进马达的旋转频率相同，因此用户能够在未意识到励磁模式被变更这一情况的情况下使用步进马达。
图8是高速侧的控制方法的流程图。提高步进马达的旋转频率，开始高速侧的动作，进行驱动电流的设定值为零的步的检测(S201)。
检测输出电压是否为零(S202)。当检测到输出电压为零的情况下(S202：是)，进行驱动电流变为零的时刻的检测(S203)。在输出电压不为零的情况下(S202：否)，继续进行检测。当检测到驱动电流为零的情况下(S203：是)，将从变为零的时刻至被供给接下来的切换信号为止的时间即判定时间与预定的设定时间进行比较(S204)。当驱动电流不为零的情况下(S203：否)，继续进行检测。
当判定时间比设定时间短的情况下(S204：是)，作为能够进行励磁模式的变更的判定次数进行计数(S205)。当判定时间比设定时间长的情况下(S204：否)，朝增加步数的励磁模式变更(S206)。即、朝缩短步幅的励磁模式变更。通过增加步的段数，能够活用借助细致地控制旋转角度的微步实现的特性。
当判定次数的计数数达到预定次数以上的情况下(S207：是)，朝减少步数、即加长步幅的励磁模式变更(S208)。由此，能够检测感应电压的时间变长，因此能够可靠地检测感应电压。通过进行在达到预定次数以上的情况下变更励磁模式的控制，能够提高可否进行励磁模式的变更的判定的可靠性。当判定次数的计数数比预定次数少的情况下(S207：否)，继续进行将判定时间与设定时间进行比较的处理。
通过根据判定时间与预定的设定时间的比较来变更励磁模式，在高速侧能够可靠地进行感应电压的检测。由此，能够根据检测到的感应电压适当地控制驱动电流，因此能够避免相对于所需要的扭矩供给过剩的驱动电流，从而能够实现低耗电化。
图9是用于说明本实施方式的效果的图。横轴相对地示出旋转频率，纵轴相对地示出驱动电流的削减效果。根据本实施方式的步进马达的控制装置以及步进马达的控制方法，通过在低速动作侧LA和高速动作侧HA检测感应电压，能够根据扭矩适当地控制驱动电流。
即、在低速侧LA，使感应电压的阈值与频率成比例地降低，由此能够如在图3中说明了的那样使能够进行与扭矩对应的驱动电流的控制的区域从虚线L10扩大至实线L11。并且，在高速侧HA，加长切换信号的周期，由此能够使能够检测感应电压的动作区域同样从虚线L10扩大至实线L11所示的范围。
即、能够使能够进行削减过剩的驱动电流而实现低耗电化的控制的区域从DW3扩大至DW1。由于在宽范围的动作区域中根据所需要的扭矩适当地调整驱动电流，因此能够避免失调，并实现低耗电化。
以上对本发明的几个实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过是作为例子加以提示，并非意图限定发明的范围。上述新的实施方式能够以其他各种各样的方式加以实施，能够在不脱离发明的主旨的范围进行各种省略、置换、变更。上述实施方式及其变形包含于发明的范围或主旨中，并且包含于技术方案所记载的发明及其等同的范围中。