JP2000184791A - ステッピングモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】脱調を防止しつつ高速駆動が可能なステッピン
グモータ駆動回路を提供すること。 【解決手段】ステッピングモータの駆動時において、両
スイッチング素子ＴＲ１、ＴＲ２を遮断すると、励磁コ
イル３に蓄積された磁気エネルギーによる電流が、第２
のダイオードＤ２、コンデンサＣ、直流電源の他端、第
３のダイオードＤ３、励磁コイル３、第２のダイオード
Ｄ２と流れ、コンデンサＣに蓄電される。両スイッチン
グ素子ＴＲ１、ＴＲ２を導通すると、両スイッチング素
子を通じて直流電源及びコンデンサＣの両方から並列に
励磁コイル３に通電されるので、通電が急速となる。起
動初期時に駆動パルス電圧のクロック周波数を低下させ
る。これにより、起動初期には、コンデンサＣの蓄電電
力の助勢がなくても、励磁コイル３に通電する電流を最
終的に十分なレベルまで増加することができるととも
に、励磁コイルに十分な磁気エネルギーを蓄積できるの
で、この磁気エネルギーを次回の通電助勢のためにコン
デンサに蓄電することができ、その結果として、脱調を
防止することができる。

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及
びその初期化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平３−３６９９号公報は、ロータ駆
動用の励磁コイルの磁気エネルギーをコンデンサに回収
し、その蓄電電力を次回のコイル通電時に利用するステ
ッピングモータ駆動回路（磁気エネルギ回収型ステッピ
ングモータ）を開示している。更に具体的に説明する
と、この駆動回路は、一主端がステッピングモータの励
磁コイルの一端に接続される第１のスイッチング素子、
第１のスイッチング素子の他主端と直流電源の一端とを
接続する第１のダイオード、一主端が励磁コイルの他端
に、他主端が直流電源の他端に接続される第２のスイッ
チング素子、一端が直流電源の他端に接続されるコンデ
ンサ、一端が励磁コイルの他端に、他端がコンデンサの
他端に接続される第２のダイオード、及び、一端が励磁
コイルの一端に、他端が直流電源の他端に接続される第
３のダイオードを有し、両スイッチング素子の遮断時に
励磁コイルの磁気エネルギーをコンデンサに蓄電し、両
スイッチング素子の導通時にコンデンサの蓄電電力を前
記励磁コイルに通電するコイル励磁回路を有している。

【０００３】この磁気エネルギ回収型ステッピングモー
タは、従来のステッピングモータより高速駆動が可能で
あるという特徴を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の磁気エネルギ回収型ステッピングモータはステ
ッピングモータの起動初期（通電停止状態から所定時間
（コンデンサの蓄電電力が自然放電するに十分な時間）
経過後、スイッチング素子に最初のパルス電圧を印加し
て、停止しているロータを最初に駆動する期間をいう）
において、コンデンサに蓄電がなされていないために、
コイルへの通電電流が小さくなり、その分だけ生じる磁
界（初期磁界）が小さくなり、その結果として、起動初
期において脱調を起こしやすいという問題があった。

【０００５】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
であり、脱調を防止しつつ高速駆動が可能なステッピン
グモータ駆動回路を提供することをその目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
励磁コイルの両端が一対のスイッチング素子を通じて直
流電源から給電される形式のステッピングモータ駆動回
路に適用される。ステッピングモータの駆動時におい
て、両スイッチング素子を遮断すると、励磁コイルに蓄
積された磁気エネルギーにより励磁コイルの両端に大き
な逆起電圧が誘導され、それによる電流が、第２のダイ
オード、コンデンサ、直流電源の他端、第３のダイオー
ド、励磁コイル、第２のダイオードと流れ、コンデンサ
に蓄電される。

【０００７】このコンデンサによる磁気エネルギー吸収
により、上記通電遮断直後における励磁コイルの磁気エ
ネルギーの速やかな消滅、および、スイッチング素子の
保護が実現する。ステッピングモータの駆動時におい
て、両スイッチング素子を導通すると、両スイッチング
素子を通じて直流電源及びコンデンサの両方から並列に
励磁コイルに通電されるので、通電が急速となる。

【０００８】結局、この磁気エネルギ回収型ステッピン
グモータでは、通常のステッピングモータに比較して励
磁コイルへの通電電流の変化速度を高速とすることがで
きるので、高速クロック運転動作を実現することができ
る。ただし、このような高速クロック運転を行う場合、
起動初期において脱調が生じ易くなることがわかった。

【０００９】本発明者らが調べた結果、この起動初期に
おける脱調の発生は、起動初期には、ロータは動摩擦係
数に比べて大きな静止摩擦係数が作用して負荷トルクが
大きくなるにもかかわらず、コンデンサに蓄電電力が存
在しないために、励磁コイルへの通電が弱く、そのため
に発生トルクが小さくなるためであることがわかった。

【００１０】そこで、本構成では、起動初期時に駆動パ
ルス電圧のクロック周波数を低下させる。これにより、
起動初期には、コンデンサの蓄電電力の助勢がなくて
も、励磁コイルに通電する電流を最終的に十分なレベル
まで増加することができるとともに、励磁コイルに十分
な磁気エネルギーを蓄積できるので、この磁気エネルギ
ーを次回の通電助勢のためにコンデンサに蓄電すること
ができ、その結果として、脱調を防止することができ
る。また、上記クロック周波数の低下、通電用のパルス
電圧のパルス幅の増大により、いったんコンデンサに十
分な電力を蓄電した後は、その助勢によりその後の高速
クロック運転を脱調なしに実施することができる。

【００１１】クロック周波数を低下する期間は、ステッ
ピングモータの各相の励磁コイルすべてに１回通電する
期間（以下、最初の１サイクル期間という）以上であれ
ばよく、その後の所定時間を含んでもよい。これによ
り、脱調を防止しつつ高速駆動が可能なステッピングモ
ータ駆動回路を実現することができる。請求項２記載の
構成のステッピングモータ駆動回路は、上記に説明した
磁気エネルギ回収型ステッピングモータにおける上記起
動初期における脱調問題を改善するために、ステッピン
グモータの起動初期時の駆動パルス電圧印加前にすべて
の励磁コイルへ所定期間同時に予備通電する。

【００１２】ステッピングモータの各励磁コイルに同時
に予備通電すれば、各励磁コイルが発生するトルクの合
計は０となり、ロータは現在の安定位置に保持されつ
つ、上記予備通電の遮断時に励磁コイルの大きな逆起電
圧ですべてのコンデンサを充電することができるので、
上記脱調問題を回避することができる。

【００１３】

【発明を実施するための形態】本発明が適用されるステ
ッピングモータの形式としては、互いに位相が異なるク
ロックパルス電圧（相電圧）が印加されるスイッチング
素子を各相の励磁コイルの両側に有する、いわゆる両切
り形式のコイル励磁回路を有するステッピングモータで
あればよく、構造形式、駆動形式は問わない。

【００１４】

【実施例１】本発明のＰＭ型ステッピングモータ駆動回
路の一例として、ステッピングモータの４つの励磁コイ
ルを２相励磁で駆動するステッピングモータ駆動回路を
図面を参照して説明する。この回路は、必要な４相
（Ａ、反転Ａ、Ｂ、反転Ｂ）の駆動パルス電圧を発生す
るマイコン構成のコントローラ１００と、これら駆動パ
ルス電圧で４つの励磁コイル３への通電を制御するコイ
ル駆動回路２００とを有している。コントローラ１００
は、作成した４相（Ａ、反転Ａ、Ｂ、反転Ｂ）の駆動パ
ルス電圧信号をその出力ポートで増幅してコイル駆動回
路２００に出力する。もちろん、コントローラ１００で
の駆動パルス電圧作成をデジタル回路で行ってもよい。

【００１５】コイル駆動回路２００は、４相の励磁コイ
ル３を個別に駆動するために、図２に示す回路形式のコ
イル励磁回路１を４つ有している。ただし、図１ではＡ
相の励磁コイル駆動用のコイル励磁回路１のみを図示
し、駆動位相だけが異なり回路構成が同じである残りの
３つのコイル励磁回路１の図示を省略している。図３
に、各コイル励磁回路１のスイッチング素子に印加する
駆動パルス電圧の波形を示す。Ｐは基準とするクロック
パルスである。各駆動パルス電圧は、デューティ比が５
０％のパルスであり、駆動パルス電圧Ａ、Ｂ、反転Ａ、
反転Ｂの順で位相が９０度づつずれており、同時に２つ
の励磁コイルに通電する２相駆動を行っている。

【００１６】コイル励磁回路１は、図２に示すように、
第１のスイッチング素子ＴＲ１、第１のダイオードＤ
１、第２のスイッチング素子ＴＲ２、コンデンサＣ、第
２のダイオードＤ２、第３のダイオードＤ３、インバー
タＩＮを有している。インバータＩＮは入力される駆動
パルス電圧を反転するためのものである。第１のスイッ
チング素子ＴＲ１は、コレクタが励磁コイル３の一端に
接続されるＰＮＰトランジスタからなる。第１のダイオ
ードＤのカソードは第１のスイッチング素子のエミッタ
に接続され、そのアノードは直流電源の高位端＋Ｂに接
続されている。第２のスイッチング素子ＴＲ２は、コレ
クタが励磁コイル３の他端に、エミッタが直流電源の低
位端ＧＮＤに接続されるＮＰＮトランジスタからなる。
コンデンサＣの一端は直流電源の低位端ＧＮＤに、他端
は第１のスイッチング素子ＴＲ１のエミッタに接続され
ている。

【００１７】第２のダイオードＤ２のアノードは励磁コ
イル３の他端に、カソードがコンデンサＣの他端に接続
されている。第３のダイオードＤ３のカソードは励磁コ
イル３の一端に、アノードは直流電源の低位端ＧＮＧに
接続されている。このコイル励磁回路１のステッピング
モータの駆動時における動作を以下に説明する。

【００１８】駆動パルス電圧Ａがハイレベルとなると励
磁コイル３に通電が行われ、駆動パルス電圧Ａがローレ
ベルとなって両スイッチング素子ＴＲ１、ＴＲ２を遮断
すると励磁コイル３に蓄積された磁気エネルギーにより
励磁コイル３の両端に逆起電圧が誘導され、それによる
電流が、第２のダイオードＤ２、コンデンサＣ、直流電
源の接地端ＧＮＤ、第３のダイオードＤ３、励磁コイル
１、第２のダイオードＤ２と流れ、コンデンサＣに蓄電
される。

【００１９】このコンデンサＣによる磁気エネルギー吸
収により、上記通電遮断直後における励磁コイル１の磁
気エネルギーの速やかな消滅、および、スイッチング素
子ＴＲ１、ＴＲ２の保護が実現する。両スイッチング素
子ＴＲ１、ＴＲ２を通じて直流電源＋Ｂ及びコンデンサ
Ｃの両方から並列に励磁コイル１に通電されるので、通
電が急速となる。

【００２０】結局、この磁気エネルギ回収型ステッピン
グモータでは、通常のステッピングモータに比較して励
磁コイル１への通電電流の変化速度を高速とすることが
できるので、高速クロック運転動作を実現することがで
きる。コントローラ１００の動作を図４に示すフローチ
ャートを参照して説明する。まず、電源投入とともに初
期化し（Ｓ１００）、起動初期かどうかを判定する（Ｓ
１０２）。なお、ここで、起動初期とは、初期化直後、
または、前回のロータ駆動用の駆動パルス電圧出力から
所定時間（ここでは数秒）以上経過した後の所定期間
（ここではたとえば１００ｍｓｅｃ）をいうものとす
る。後者はコンデンサＣの電圧が自然放電により低下し
た場合に対応するためのものである。

【００２１】起動初期であれば、駆動パルス電圧のクロ
ック周波数を低に設定し（Ｓ１０４）、そうでなければ
駆動パルス電圧のクロック周波数を高に設定する（Ｓ１
０６）。ここで、低クロック周波数は高クロック周波数
の１／４の値に設定している。次に、入力指令に基づい
て、回動角度に比例するクロックパルス数および入力さ
れる回動方向指令に基づいて４相の駆動パルス電圧の配
列モードを決定する（Ｓ１０８）。

【００２２】次に、上述のようにして決定されたクロッ
ク周波数、クロックパルス数および駆動パルス電圧の配
列モードに基づいて駆動パルス電圧を出力し（Ｓ１１
０）、ステップＳ１０２にリターンする。これにより、
この起動初期には、励磁コイル３への通電時間が長くな
るので、ロータは脱調することなく回動することができ
る。そして、ロータが起動した後は、コンデンサＣへの
充電が十分に行われているので、タイマ回路８が設定時
間後に発振回路４の高周波数クロックパルスをパルス分
配増幅回路７に供給しても、それに追従して脱調するこ
となくロータを回転させることができる。 （変形態様）他の実施態様を図５を参照して以下に説明
する。

【００２３】この回路は、コントローラ１００のクロッ
ク周波数切り替え制御をデジタル回路で行ったもので、
発振回路４、分周回路５、切り替え回路６、パルス分配
増幅回路７、モノマルチバイブレータ回路８を有してい
る。発振回路４は一定のクロック周波数でデューティ比
が５０％のクロックパルスを発生しており、このクロッ
クパルスは切り替え回路６及び分周回路５に入力され
る。

【００２４】分周回路５は、上記クロックパルスを分周
して１／４周期でデューティ比が５０％の低クロック周
波数の第二クロックパルスを発生してそれを切り替え回
路６に出力する。切り替え回路６は入力される高低２つ
のクロックパルスの一方を選択してパルス分配増幅回路
７に出力し、パルス分配増幅回路７は入力されるクロッ
クパルスに基づいて、互いに位相が９０度づつ異なる４
つの駆動パルスを形成して上記４つのコイル励磁回路１
に分配する。なお、この分配順序は図２のタイミングチ
ャートに示すように正転時と逆転時で異なるが、その分
配モードの変更はパルス分配増幅回路７に入力される正
転又は逆転指令に基づいてパルス分配増幅回路７の制御
回路で行われる。また、パルス分配増幅回路７は入力さ
れる回動角値に対応する必要なクロックパルス数に出力
クロックパルス数が達した時点でクロックパルスの出力
を停止するが、この種のステッピングモータ制御自体は
従来と同じであるので、説明を省略する。

【００２５】モノマルチバイブレータ回路８は、ステッ
ピングモータの起動開始を示すパルス入力が入力される
と所定幅のパルスを一個切り替え回路６に出力し、切り
替え回路６はこのパルスが入力されている間だけ、分周
回路５のパルスをパルス分配増幅回路７に出力する。な
お、上記「ステッピングモータの起動開始を示すパルス
入力」はマイコンで形成してもよく、その他、起動初期
時に一定時間手動オンされる手動スイッチなどで形成し
てもよい。

【００２６】これにより、この起動初期には、励磁コイ
ル３への通電時間が長くなるので、ロータは脱調するこ
となく回動することができる。そして、ロータが起動し
た後は、コンデンサＣへの充電が十分に行われているの
で、モノマルチバイブレータ回路８が設定時間後に発振
回路４の高周波数クロックパルスをパルス分配増幅回路
７に供給しても、それに追従して脱調することなくロー
タを回転させることができる。

【００２７】なお、モノマルチバイブレータ回路８の代
わりにカウンタを用いたデジタルタイマ回路をもちいて
もよいことはもちろんである。 （変形態様）他の実施態様を図５を参照して以下に説明
する。この回路は、図５に示すモノマルチバイブレータ
回路８の代わりに用いる切り替え信号作成回路の一例を
示すもので、コンデンサ１１と抵抗１２とからなる積分
回路の入力端Ｘは、図２に示すコンデンサＣの高位端に
接続されている。

【００２８】コンパレータ１３は、図８に示すモノマル
チバイブレータ回路８の代わりに、この積分回路の出力
電圧が参照電圧Ｖｒｅｆ未満のうちは、ハイレベル電圧
を切り替え回路６に出力して低周波数のクロックパルス
を選択させ、この積分回路の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅ
ｆを超えると、ローレベル電圧を切り替え回路６に出力
して高周波数のクロックパルスを選択させるものであ
る。

【００２９】このようにすれば、ステッピングモータの
運転状況に関わらず常に脱調を防止することができる。
なお、ステッピングモータの長期の回転停止を検出する
ことができれば、上記したコンパレータを用いないデジ
タル回路で同様の回路を構成してもよい。

【００３０】

【実施例２】他の実施例を図１を参照して以下に説明す
る。この実施例は、図４に示すフローチャートにおいて
Ｓ１０４の代わりにＳ１０５を用い、Ｓ１０６を省略し
たものである。この実施例のステップＳ１０５では、す
べての励磁コイル３への同時通電及び一定時間後の同時
遮断を指令する。

【００３１】このようにすれば、上記通電によりロータ
を回動させることなく、通電遮断時にすべてのコンデン
サＣを励磁コイル３の磁気エネルギーにより十分に高く
予備充電することができる。もちろん、この時のパルス
はロータ回動用のパルスとしてカウントしない。このよ
うにすれば、起動初期または長時間の起動停止後におけ
るコンデンサＣの充電不足を解消することができるの
で、実施例１，２のような低クロック周波数運転を省略
しつつ脱調を防止することができる。

【００３２】

【実施例３】他の実施例を図８を参照して以下に説明す
る。この実施例は、実施例１において、コイルを双方向
通電形式としたものであり、このコイル励磁回路でも同
様の起動初期の脱調防止効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のステッピングモータ駆動回路を示す
ブロック図である。

【図２】コイル駆動回路２００の一部としてのコイル励
磁回路の回路図である。

【図３】コイル励磁回路のスイッチング素子へ印加され
る駆動パルス電圧のタイミングチャートである。

【図４】コントローラ１００の制御動作を示すフローチ
ャートである。

【図５】コントローラ１００の代用をなすデジタル回路
を示すブロック回路図である。

【図６】コンデンサＣの充電不足検出回路を示す回路図
である。

【図７】コントローラ１００の制御動作の他例を示すフ
ローチャートである。

【図８】双方向通電型の励磁コイルを駆動するコイル励
磁回路を示す回路図である。

【符号の説明】

ＴＲ１は第１のスイッチング素子、ＴＲ２は第２のスイ
ッチング素子、Ｄ１は第１のダイオード、Ｄ２は第２の
ダイオード、Ｄ３は第３のダイオード、Ｃはコンデン
サ、１はコイル励磁回路、３は励磁コイ１００はコント
ローラ（駆動パルス発生手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一主端がステッピングモータの励磁コイル
   の一端に接続される第１のスイッチング素子、 前記第１のスイッチング素子の他主端と直流電源の一端
   とを接続する第１のダイオード、 一主端が前記励磁コイルの他端に、他主端が前記直流電
   源の他端に接続される第２のスイッチング素子、 一端が前記直流電源の他端に、他端が前記第１のスイッ
   チング素子の前記他主端に接続されるコンデンサ、 一端が前記励磁コイルの前記他端に、他端が前記コンデ
   ンサの他端に接続される第２のダイオード、及び、 一端が前記励磁コイルの前記一端に、他端が前記直流電
   源の他端に接続される第３のダイオード、 を有し、前記両スイッチング素子の遮断時に前記励磁コ
   イルの磁気エネルギーを前記コンデンサに蓄電し、前記
   両スイッチング素子の導通時に前記コンデンサの蓄電電
   力を前記励磁コイルに通電するコイル励磁回路と、 前記スイッチング素子に駆動パルス電圧を印加するとと
   もに、前記ステッピングモータの起動初期時に前記駆動
   パルス電圧のクロック周波数を低下させる駆動パルス発
   生手段と、 を備えることを特徴とするステッピングモータ駆動回
   路。
2. 【請求項２】一主端がステッピングモータの励磁コイル
   の一端に接続される第１のスイッチング素子、 前記第１のスイッチング素子の他主端と直流電源の一端
   とを接続する第１のダイオード、 一主端が前記励磁コイルの他端に、他主端が前記直流電
   源の他端に接続される第２のスイッチング素子、 一端が前記直流電源の他端に、他端が前記第１のスイッ
   チング素子の前記他主端に接続されるコンデンサ、 一端が前記励磁コイルの前記他端に、他端が前記コンデ
   ンサの他端に接続される第２のダイオード、及び、 一端が前記励磁コイルの前記一端に、他端が前記直流電
   源の他端に接続される第３のダイオード、 を有し、前記両スイッチング素子の遮断時に前記励磁コ
   イルの磁気エネルギーを前記コンデンサに蓄電し、前記
   両スイッチング素子の導通時に前記コンデンサの蓄電電
   力を前記励磁コイルに通電するコイル励磁回路と、 前記スイッチング素子に駆動パルス電圧を印加するとと
   もに、前記ステッピングモータの起動初期時の前記駆動
   パルス電圧印加前にすべての前記励磁コイルへ所定期間
   同時に予備通電する駆動パルス発生手段と、 を備えることを特徴とするステッピングモータ駆動回
   路。