JP2860618B2 - ステッピングモータドライバ回路 - Google Patents

ステッピングモータドライバ回路

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JP2860618B2 JP4108753A JP10875392A JP2860618B2 JP 2860618 B2 JP2860618 B2 JP 2860618B2 JP 4108753 A JP4108753 A JP 4108753A JP 10875392 A JP10875392 A JP 10875392A JP 2860618 B2 JP2860618 B2 JP 2860618B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はステッピングモータを駆
動させるためのステッピングモータドライバ回路に関す
る。
【0002】
【従来の技術】ステッピングモータを駆動するのに必要
なステッピングモータドライバ回路は、高効率化・高速
特性・回路のコンパクト化等の観点から現在定電流チョ
ッパ駆動方式が主流であり、制御方法として動作の安定
性の観点からPWM方式のものが多い。
【0003】図7はこの種のステッピングモータドライ
バ回路のブロック図である。図中50はステッピングモー
タ10を駆動するのに必要な電力を供給する直流電源であ
る。直流電源50にて生成された電力は、定電流チョッパ
電源40、スイッチング回路20を介してステッピングモー
タ10に供給される。図中70は定電流チョッパ電源40から
スイッチング回路20にかけて流れる電流の大きさを電圧
として検出するための電流検出抵抗であり、この検出結
果は電流フィードバック信号として定電流チョッパ電源
40にフィードバックされる。図中80は基準電圧発生回路
であり、所定の一定電圧を生成し、この基準電圧が基準
電圧信号として定電流チョッパ電源40に出力されてい
る。
【0004】定電流チョッパ電源40は電流フィードバッ
ク信号に応じたバイアス電圧を有する鋸波を生成すると
ともに、この鋸波と基準電圧信号とを比較してパルス幅
変調信号を生成し、このパルス幅変調信号によりスイッ
チングをさせて一定の電流を生成し、スイッチング回路
20に出力するようになっている。
【0005】ステッピングモータ10の励磁順序は入力パ
ルスを所定の位相角で分配して各相の励磁パルスを生成
する励磁切換回路90にて決定され、ステッピングモータ
10の各相電流は各相の励磁パルスによりスイッチングを
するスイッチング回路20にて生成される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例による場合、入力や負荷の変化等の要因とは無関係
にステッピングモータ10の各相電流を定値制御すること
から、モータ性能の向上を図る上で限界があり、ステッ
ピングモータ10の各相電流に発生するノイズや逆起電力
等による誤情報がフィードバック系に取り込まれる結
果、定電流チョッパ電源40にて生成される電流が異常に
なるという可能性もある。
【0007】一方、ステッピングモータは低速域でトル
クが高く、インダクタンスの影響で、高速になるに従っ
てトルクが小さくなるという特性を有している。通常
は、トルクが徐々に小さくなるところの高速域を使用し
ているので、低速域で発生したトルクが無駄となってい
る。言い換えると、最適なトルクが発生しておらず、エ
ネルギー損失も大きいという欠点がある。この点は上記
した誤情報についても同様のことが言える。
【0008】本発明は上記した背景のもとに創作された
ものであり、その目的とするところは、上記欠点のない
ステッピングモータドライバ回路を提供することにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明のステッピングモ
ータドライバ回路は、ステッピングモータを動かすため
の入力指令として導入されたパルス信号を所定の位相角
で分配して各相の励磁パルスを生成する励磁切換回路
と、各相の励磁パルスに応じて各相電流を生成する駆動
回路と、前記パルス信号が示す速度及びその速度変化を
入力としてファジー推論を行って前記入力指令に対する
モータ電流指令値を求めるファジー推論部と、前記駆動
回路に供給されるモータ電流を検出する電流検出器と、
電流検出器の検出結果と前記モータ電流指令値とを比較
し当該比較結果に応じたモータ電流を生成し前記駆動回
路に供給するモータ電流制御回路とを具備しており、前
記ファジー椎論部は、前記ステッピングモータの加速度
−各巻線に発生するノイズ及び/又は逆起電力のレベル
の特性を加味したファジールールが予め記録されてお
り、当該ファジールールを用いて前記電流検出器の検出
結果に含まれると予測されるノイズ等に起因する誤情報
による影響を除外した適正なモータ電流指令値を求める
構成となっている。モータ電流制御回路としては、ファ
ジー推論部により求められたモータ電流指令値に応じた
大きさの基準電圧を生成する基準電圧発生回路と、電流
検出器の検出結果に応じた大きさの鋸波又は三角波の制
御信号と前記基準電圧とを比較してパルス幅変調信号を
生成するパルス幅制御回路と、パルス幅変調信号に応じ
て駆動回路に供給すべきモータ電流を生成する定電流回
路と備えた構成のものを用いることが好ましい。
【0010】
【実施例】以下、マイクロコンピュータを用いたステッ
ピングモータドライバ回路の一実施例について説明す
る。図1は実施例回路のブロック図である。
【0011】図中10はステッピングモータであり、本
実施例では2相ステッピングモータを用いている。図申
30はステッピングモータ10の駆動を制御するための
マイクロコンピュータである。マイクロコンピュータ3
0の入力部には、入力指令たる入カパルス(速度信号)
等が導入されている。マイクロコンピュータ30はソフ
トウエアにより主として励磁切換回路31とファジー推
論部32としての機能を果たしている。
【0012】励磁切換回路31としての機能は、入力パル
スを所定の位相角で分配して各相の励磁パルスを生成す
るとともに、この励磁パルスをスイッチング回路20に出
力することにあり、これによりステッピングモータ10の
励磁順序が決定される。
【0013】ファジー推論部32としての機能は、入力
パルスの周波数及びその変化量を検出し、この検出結果
をファジー推論に基づき評価し入力指令に対する適正な
モータ電流指令値を求めることにある。ファジー推論の
具体的な内容は後述する。
【0014】なお、マイクロコンピュータ30の所定のメ
モリには、ステッピングモータ10の性能を常に最適な状
態に保つのに必要なメンバーシップ関数及びファジープ
ロダクションルールが予め用意されている。相電流指令
値はマイクロコンピュータ30から相電流指令信号αとし
て出力され、基準電圧発生回路60に導かれている。
【0015】基準電圧発生回路60は基準電圧Vsを生成
する回路であるが、相電流指令信号αが示す相電流指令
に応じて基準電圧Vsを可変にするような構成となって
いる。ここでは、相電流指令信号αをD/A変換器でア
ナログに変換し、D/A変換器の出力をバッファアンプ
等で受けて、バッファアンプ等から相電流指令に応じて
変化する基準電圧Vsを取り出すようになっている。
【0016】さて、ステッピングモータ10の駆動電力は
商用交流(AC入力)を入力とした直流電源50から供給
される。直流電源50からの出力電力は、定電流チョッパ
電源40、スイッチング回路20を介してステッピングモー
タ10に導かれている。
【0017】定電流チョッパ電源40の出力とスイッチン
グ回路20の入力との間には、電流検出器としての電流検
出抵抗70が接続されている。この電流検出抵抗70はスイ
ッチング回路20に入力される入力電流εの瞬時値を電圧
として検出するとともに、この検出電圧を電流フィード
バック信号βとして出力するようになっている。電流フ
ィードバック信号βは後述するパルス幅制御回路41に導
かれている。
【0018】定電流チョッパ電源40は、パルス幅制御
回路41、定電流回路42等から構成されている。パル
ス幅制御回路41は電流フィードバック信号βに応じて
電圧でバイアスをした鋸波又は三角波の制御信号を生成
するとともに、この制御信号と基準電圧Vsとを比較し
てパルス幅変調信号γを生成するようになっている。一
方、定電流回路42はパルス幅変調信号γに基づいてト
ランジスタ等をスイッチングさせて、これによりスイッ
チング回路20に供給すべき入力電流εを生成するよう
になっている。なお、基準電圧発生回路60、パルス幅
制御回路41及び定電流回路42によりモータ電流制御
回路が構成されており、これにより電流フィードバック
信号βと相電流指令信号αとを比較し、この比較結果に
応じた入力電流ε(モータ電流)を生成するようになっ
ている。ただ、モータ電流を制御する方式としては、パ
ルス幅制御方式に限定されず、周波数制御方式等を採用
してもかまわない。
【0019】次に、ファジー推論部32に関するマイクロ
コンピュータ30のソフトウエアを図2を参照して説明す
る。
【0020】マイクロコンピュータ30では主として各相
の励磁パルスを作り出すためのプログラム( 励磁切換回
路31としての機能) が逐次処理されているが、入力パル
スが立ち上がる毎又は立ち下がる毎に、このタイミング
で図2に示す割り込みプログラムが処理されるようにな
っている。
【0021】まず、マイクロコンピュータ30に内蔵のタ
イマーカウンタによって入力パルスの周期を求め、この
周期のデータをもとに入力パルスの速度(速度入力デー
タ)を算出する。また入力パルスの速度のデータを所定
のアドレスに格納する(S1)。
【0022】そして今回算出された入力パルスの速度と
前回算出された入力パルスの速度とを比較する等し、入
力パルスの速度の変化量(速度変化入力)を算出する
(S2)。
【0023】これ以後、入力パルスの速度Vと速度変化
* とを入力とし、相電流指令値Cを出力としたファジ
ー推論を行う。即ち、実質的な意味でのファジー推論部
32に相当する部分である( S3〜S8)。
【0024】ファジー推論を行うに当たり必要なファジ
ー集合のメンバーシップ関数は図3に示す通りである。
速度V、速度変化V* 、相電流指令値Cの各全体集合は
デジタル値で各々表されており、各ファジー集合には記
号を用いた名前が付けられている。各々の記号は次のよ
うな意味に対応している。
【0025】 PB(Positive Big ) : 正で大きい PM(Positive Medium ) : 正で中くらい PS(Positive Small) : 正で小さい ZR(Zero) : ゼロ NS(Negative Small) : 負で小さい NM(Negative Medium ) : 負で中くらい NB(Negative Big ) : 負で大きい
【0026】本実施例でのファジープロダクションルー
ルは図4に示す通りであり、マイクロコンピュータ30の
メモリにはIF〜THEN形式で記録されている。
【0027】以下、図3に示すように入力について速度
Vが18、速度変化V* が10である場合を想定し、フ
ァジー推論部32を説明することにする。
【0028】この場合、各々の入力におけるメンバーシ
ップは、速度VがZR(満足度0.69)とPS(満足
度0.31)であり、速度変化VがNS(満足度0.
65)とZR(満足度0.35)である。このメンバー
シップ関数を使用しているファジープロダクションルー
ルは図4に示すように4つである。
【0029】 IF V=ZR & V=NS THEN C=ZR IF V=R & V=ZR THEN C=NS IF V=PS & V =NS THEN C=PS IF V=PS & V =ZR THEN C=ZR
【0030】次に、のファジープロダクションル
ールにおいてルール自身の適合度をミニマム演算により
求める。 0.65=Min(0.69,0.65) 0.35=Min(0.69,0.35) 0.31=Min(0.31,0.65) 0.31=Min(0.31,0.35)
【0031】その後、相電流指令値Cのメンバーシップ
のファジープロダクションルールの適合度で各
々ミニマム演算により求める。相電流指令値Cのメンバ
ーシップ関数は図3中の斜線部に示す通りとなる。そし
てこの斜線部の最大値(マキシム演算)をとる。
【0032】この斜線部の形状がファジー推論の結果
あるが、この形状では取り扱うことができないので、斜
線部の重心位置を確定出力とする。この場合の相電流指
令値Cは図3中CGとして示している。
【0033】この一連のファジー演算を数式で表すと以
下の通りとなる。まず、〜のファジープロダクショ
ンルールをメンバーシップ関数で表す。 ’z (C)=m zR (V)∩m NS (V )∩ mz (C) NS (C)=mzR(V)∩mz (V )∩ mNS (C) PS (C)=mps(V)∩m Ns (V )∩ m ps (C) ’z (C)=mps(V)∩mz (V )∩ mz (C)
【0034】各々の速度V、速度変化Vの入カデータ
を代入して〜のファジープロダクションルールを演
算する。 ’z (C)=mz (18)∩ NS (10)∩mz (C)Min(0.69,0.65)∩mz (C)0.65∩ mz (C) s(C)=mz (18)∩mz (10)∩m Ns (C)Min(0.31,0.65)∩m Ns (C)0.31∩m Ns (C) ps (C)=mps(18)∩m s(10)∩m PS (C)Min(0.31,0.65)∩m ps (C)0.31∩m ps (C) ’z (C)=m ps (18)∩mz (10)∩mz (C)Min(0.31,0.35)∩mz (C)0.31∩mz (C)
【0035】その後、のファジープロダクション
ルールの結論の統合を行い、重心計算による非ファジー
化の演算を行う。 mc ’z (C)Um s(C)Um
ps(C)Um (C) CG=∫y・mc(y)dy/∫mc(y)d
【0036】ファジー推論の結果(CG)である相電流
指令値Cは、マイクロコンピュータ30から相電流指令信
号αとして出力され、これで一連の割り込み処理が終了
するようになっている。
【0037】以上のように構成されたステッピングモー
タドライバ回路を用いてステッピングモータ10を実際に
駆動させた場合の速度−トクル特性、速度−入力電流特
性を図5に示している。なお、特性図に 1/1mode・1/2m
ode ・1/4mode の記載があるが、これはステップ角の分
解能を示したもので、ステッピングモータ10の1回転に
対して200 ・400 ・800 分割に設定されたものである。
【0038】従来機種に比べて、低速域(1Kpps以
下)でのトルクの盛り上がりが無くなっていることが判
る。これは、低速域で相電流を下げ、トルクの盛り上が
りを抑え、トルクカーブを低速域でフラットにするよう
なメンバーシップ関数及びファジープロダクションルー
ルを搭載しているからである。本来的に、低速域でのト
ルクの盛り上がりは必要がなく、従来機種では、低速域
で定格相電流以上の相電流が流れ、モータ及びドライバ
ーが発熱している。これに対して、本案機種では、低速
域でのトルクの盛り上がりが無くされているので、低速
域で不必要な相電流が流れておらず、ステッピングモー
タ10及びステッピングモータドライバ回路の発熱も減少
している。
【0039】さて、入力命令たる入力パルスの周波数の
変化が大きいならば、ステッピングモータ10の加減速が
急となり、ステッピングモータ10の各相巻線に発生する
ノイズや逆起電力のレベルも大きくなる。
【0040】従来機種であれば、ノイズや逆起電力によ
る誤情報により定電流チョッパ電源40にて生成される電
流が異常になる場合があった。本案機種では、入力パル
スの周波数の変化とステッピングモータ10の各相巻線に
発生するノイズや逆起電力のレベルとの相関関係が予め
用意されており、誤情報の発生し易い度合いをファジー
推論により求め、この推論結果を加味して相電流指令値
Cを決定するようなメンバーシップ関数及びファジープ
ロダクションルール等が搭載されている。それ故、ノイ
ズや逆起電力による誤情報が無くなることはないが、定
電流チョッパ電源40にて生成される電流が顕著に異常に
なるということもなく、従来機種に比べると、誤情報に
よる影響が小さくなる。
【0041】特に、図1に示すように、定電流チョッパ
電源40の出力に抵抗71を付加し、抵抗71の両端に発生す
る電圧を逆起電力等の情報としてファジー推論部32に入
力する構成を採るならば、上記したファジープロダクシ
ョンルール等が構築し易く、誤情報に関するファジー推
論の精度も高まるというメリットがある。
【0042】更に、図6にはステッピングモータ10の振
動特性が示されている。従来機種に比べて、振動が低減
していることが判る。これは、ステッピングモータ10及
び負荷の有する共振点が予め求められており、この共振
点を抑え込むようなファジープロダクションルール等を
搭載しているからである。従来機種であれば、上記した
ノイズや逆起電力による誤情報により定電流チョッパ電
源40にて生成される電流が異常になり、この影響でモー
タの振動を助長していたが、本案機種では、誤情報によ
る影響そのものが小さいので、この点もステッピングモ
ータ10の振動の低減を促すことになる。
【0043】なお、図3及び図4に示すメンバーシップ
関数及びファジープロダクションルールは実験により得
られたものであり、このメンバーシップ関数等を用いた
場合に上記した効果が得られる。但し、図6に示す振動
特性は、ステッピングモータ10にタコジェネレータを
連結し、タコジェネレータの出力を微分処理することに
より計測された。
【0044】なお、本発明にかかるステッピングモータ
ドライバ回路は上記実施例に限定されず、例えば、ステ
ッピングモータの周辺の機械系に加速度センサ又はステ
ッピングモータに温度センサを夫々設け、各センサの出
力をファジー推論の入力とするような形態をとっても良
い。
【0045】
【発明の効果】以上、本発明に係るステッピングモータ
ドライバ回路による場合、ステッピングモータを動かす
ための入力指令として導入されたパルス信号をファジー
推論に基づき評価してこの入力指令に対する適正なモー
タ電流指令値を求め、モータ電流指令値に応じてモータ
電流を制御する構成となっているので、入力指令がどの
ように変化してもこれとは無関係にモータ電流を定値制
御していた従来例による場合に比べて、モータ性能を高
めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるステッピングモータ駆動回路の
一実施例を説明するための図であって、実施例回路のブ
ロック図である。
【図2】ファジー推論部に関するマイクロコンピュータ
のソフトウエアを説明するためのフローチャートであ
る。
【図3】速度、速度変化、相電流指令値についてのメン
バーシップ関数を示す図である。
【図4】ファジープロダクションルールを示す図であ
る。
【図5】ステッピングモータの速度−トクル特性、速度
−入力電流特性を示すグラフである。
【図6】ステッピングモータの速度と振動レベルとの
動特性を示すグラフである。
【図7】従来のテッピングモータ駆動回路を説明するた
めの回路図である。
【符号の説明】
10 ステッピングモータ 20 スイッチング回路 30 マイクロコンピュータ 31 励磁切換回路 32 ファジー推論部 40 定電流チョッパ回路 41 パルス幅制御回路 42 定電流回路 60 基準電圧発生回路 70 電流検出抵抗 α 相電流指令信号 β 電流フィードバック信号 γ パルス幅変調信号 ε 入力電流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 充男 京都府京都市右京区嵯峨広沢南下馬野町 12番地 マイコム株式会社内 (72)発明者 北村 英一 京都府京都市右京区嵯峨広沢南下馬野町 12番地 マイコム株式会社内 (72)発明者 芦田 隆次 京都府京都市右京区嵯峨広沢南下馬野町 12番地 マイコム株式会社内 (72)発明者 廣田 薫 東京都世田谷区奥沢1−54−4 (56)参考文献 特開 平3−15298(JP,A) 特開 昭60−139199(JP,A) 特開 昭61−203896(JP,A) 実開 昭64−30699(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02P 8/00 - 8/42

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ステッピングモータを動かすための入力
    指令として導入されたパルス信号を所定の位相角で分配
    して各相の励磁パルスを生成する励磁切換回路と、各相
    の励磁パルスに応じて各相電流を生成する駆動回路と、
    前記パルス信号が示す速度及びその速度変化を入力とし
    てファジー推論を行って前記入力指令に対するモータ電
    流指令値を求めるファジー推論部と、前記駆動回路に供
    給されるモータ電流を検出する電流検出器と、電流検出
    器の検出結果と前記モータ電流指令値とを比較し当該比
    較結果に応じたモータ電流を生成し前記駆動回路に供給
    するモータ電流制御回路とを具備しており、前記ファジ
    ー推論部は、前記ステッピングモータの加速度−各巻線
    に発生するノイズ及び/又は逆起電力のレベルの特性を
    加味したファジールールが予め記録されており、当該フ
    ァジールールを用いて前記電流検出器の検出結果に含ま
    れると予測されるノイズ等に起因する誤情報による影響
    を除外した適正なモータ電流指令値を求める構成となっ
    ていることを特徴とするステッピングモータドライバ回
    路。
  2. 【請求項2】 モータ電流制御回路は、ファジー推論部
    により求められたモータ電流指令値に応じた大きさの基
    準電圧を生成する基準電圧発生回路と、電流検出器の検
    出結果に応じた大きさの鋸波又は三角波の制御信号と前
    記基準電圧とを比較してパルス幅変調信号を生成するパ
    ルス幅制御回路と、パルス幅変調信号に応じて駆動回路
    に供給すべきモータ電流を生成する定電流回路とから構
    成されていることを特徴とする請求項1記載のステッピ
    ングモータドライバ回路。
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JPS61203896A (ja) * 1985-03-06 1986-09-09 Oki Electric Ind Co Ltd パルスモ−タ駆動回路
JPS6430699U (ja) * 1987-08-07 1989-02-27
JPH0315298A (ja) * 1989-06-12 1991-01-23 Omron Corp ステッピングモータによる搬送制御装置

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