バイポーラ・ステッピングモータ (パートII) : マイクロステッピングおよび減衰モード
はじめに
このシリーズのパートIでは、バイポーラ・ステッピングモータの3つの制御モードと、デュアル・フルブリッジドライブを含む機械構造について説明しました。パートIIでは、マイクロステッピングと、それがデュアル・フルブリッジドライブを制御する方法について説明します。
マイクロステッピング
以前は、より多くの電気角の位置を取得するために、単相ステップとフルステップのステッピングの組み合わせとしてハーフステップ・ステッピングモードが導入されました。マイクロステップは中間の角度位置を追加し、より細かいステップを作成します。
図1は、マイクロステッピングの8つのサブディビジョンを示しています。単相ステッピングの電気角90°を 8等分し、8つの電流位置を表します。各位置の電流は、相の巻線とフェーズBの巻線の電流によって合成されたベクトルです。結果となるベクトルの振幅は常に1です。
図1 : 電気角の8セグメント
制御値を取得するには、各位置の電流をそれぞれフェーズAとフェーズBに投影する必要があります (表1参照)。
表1 : 8ステップ・マイクロステッピングの値
| ステッピングモード | 相対電流レベルシーケンス (%) | 電流位置 | |
| フェーズA | フェーズB | ||
| 8ステップ | 100 | 0 | 1 |
| 98.08 | 19.51 | 2 | |
| 92.39 | 38.27 | 3 | |
| 83.15 | 55.56 | 4 | |
| 70.71 | 70.71 | 5 | |
| 55.56 | 83.15 | 6 | |
| 38.27 | 92.39 | 7 | |
| 19.51 | 98.08 | 8 | |
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フェーズAとフェーズBの電流は、表1の対応する値に基づいて制御できます。電流を制御することにより、フェーズAとフェーズBの電流ベクトルを対応する角度で合成することができます。
8つのサブディビジョン (またはステップ) の制御下では、バイポーラ・ステッピングモータの電流は正弦波に似ています (図2参照)。より多くのステップがある場合、バイポーラ・ステッピングモータの巻線を流れる電流は、標準的な正弦波に似ています。正弦波電流波形により、モータの出力トルク変動が抑えられ、空間に円形の回転磁界が形成され、ステッピングモータの回転安定性が向上します。
図2: 8ステップのマイクロステップのフェーズAおよびフェーズBの電流波形
減衰モードによる電流レギュレーション
低速減衰と高速減衰は、各ステップで電流を安定させるために使用される一般的な制御方法です。フェーズAの単一ステップについて考えてみましょう。図3は、フェーズAのフルブリッジ・ドライブによって駆動される4つのMOSFETのオン / オフ機能を制御することによって達成される、フェーズAの電流レギュレーション波形を示しています。
2つの減衰モードについては、以下でさらに詳しく説明します。
図3 : フェーズAの電流レギュレーション波形
Slow Decay (低速減衰)
Q1とQ4がオンになると、電源電圧 (U) がフェーズAの巻線に印加され、電流が上昇し始めます。対応する等価回路で、Rは巻線抵抗、Lはインダクタンス (等価インピーダンスを持つ)、Eはロータの移動磁場によって巻線に生成される逆起電力です (図4参照)。逆起電力は巻線回路に作用します。
電流値が目的の値に達したら、電流を減らす必要があります。そうしないと、電流が増加し続け、設定値を超えることがあります。この状況では、ゆっくりとした減衰が必要です。
図4は、フェーズAのフルブリッジ駆動の低速減衰プロセスを示しています。
図4 : フェーズAのフルブリッジ・ドライブの低速減衰プロセス
低速減衰に入るには、Q1をオフにしてQ2をオンにします (デッドタイムは無視する)。これは、フェーズAの巻線を短絡することと同じです。巻線インダクタンスを流れる電流により、電流の方向は急激に変化せず、電流は2つの下部MOSFETで循環電流を形成します。回路には逆起電力 (E) のみが働き、電流は逆電圧降下 (-E) の影響を受け、降下し始めます。抵抗による電圧降下を無視すると、電流は (E/L) の速度で減少します。
電流が一定時間低下した後、Q2がオフになり、Q1がオンになって、電流が再び上昇します。このプロセスは、各ステップでの電流を安定化します。
Fast Decay (高速減衰)
電流がより低い電流を必要とするステップに入ろうとする場合、電流はさらに低下する必要があります。電流が十分に速く減少しないと、低速の減衰速度では、電流を望むレベルまで減少させるのに十分な速さではない場合があります。この状況では、高速減衰が必要です (図5参照)。
図5 : フェーズAのフルブリッジ・ドライブの高速減衰プロセス
高速減衰中は、Q1とQ4がオフになった後にQ2とQ3がオンになります (デッドタイムは無視する)。このとき、電源電圧はフェーズAの巻線に逆向きに印加され、逆起電力 (E) と直列に印加されます。巻線インダクタンスを流れる電流は急激に変化しないため、電流はQ2からQ3に流れます。電流は ( (E U) / L) の速度で減少するため、電流は低速減衰よりも速く減少します。
異なる電流制御の比較
電流が次のステップの設定値まで低下すると、電流レギュレーション方式が高速減衰から低速減衰に変わります。低速減衰と高速減衰の両方を利用することで、電流リップルを最小限に抑えながら、制御された電流を迅速に変化させることができます。図6は、高速減衰、低速減衰、および高速減衰と低速減衰の組み合わせを使用する電流波形を示しています。電流波形は緑色です。
図6 : 異なる電流制御下での電流波形
低速減衰では、電流は次のステップに下降しながらより長い時間にわたって減少しますが、これにより波形が歪んでしまいます。
高速減衰と低速減衰が一緒に動作すると、低速減衰はバイポーラ・ステッピングモータがステップ位置に保持されている場合に電流を調整し、高速減衰は電流を次のステップ値に急速に低下する必要がある場合に、より効果的に電流を制御します。
結論
マイクロステッピングは、フルステップまたはハーフステップモードと比較して、より細かい位置決めとよりスムーズな動作を可能にします。本稿では、ステップ間の低速減衰と高速減衰を使用して電流を安定させる方法について説明しました。また、これらの減衰モードを組み合わせることでトルクリップルを低減し、振動や騒音を低減することができます。
MPSはアプリケーションのニーズに合わせて、さまざまな機能のステッピングモータ・ドライバを提供します。
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