JP2000236696A

JP2000236696A - ステッピングモータの制御方法および制御装置並びにステッピングモータシステム

Info

Publication number: JP2000236696A
Application number: JP2000037431A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Someya; 雅行染谷
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2000-08-29
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: US6150788A; DE10006648A1; JP4498518B2

Abstract

(57)【要約】【課題】新規なステッピングモータシステムおよびそ
の動作を制御する新規な制御方法および制御装置を提供
して、エネルギー利用効率が向上するようにステッピン
グモータに供給する駆動電流を最適化する。【解決手段】同期式モータすなわちステッピングモー
タ１０の一対の直列接続された巻線Ｌ１〜Ｌ５の間のノ
ードＮ１〜Ｎ５における電圧が、動作中に遷移電圧領域
を検出するためにモニタされる。電圧の大きさはステッ
ピングモータに加わるトルク負荷を示しており、この電
圧は駆動電流の大きさを制御するベースとして使用され
て、エネルギー利用効率を向上させる。通常、遷移電圧
領域の持続時間についての最適な値は、目標として確立
されて、検出されたノード電圧値を目標の電圧値にほぼ
一致させるように、調整が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステッピングモー
タの制御方法および制御装置並びにステッピングモータ
システムに関し、特に、負荷トルク検出並びに駆動電流
の最適化決定方法およびその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、従来のサーボモータシステムは
位置検出器を使用して、このモータを駆動するための最
も有効な位置コマンドを提供でき、これにより動作効率
を最大にできる。しかしながら、そのような装置を組み
込むと、モータシステムのコストや構造の複雑性を著し
く高めることになる上に、それを最も効果的に利用する
困難性も増加してしまうこととなる。

【０００３】これに対し、ステッピングモータシステム
は、本来、高い位置決め性能および他の有益な特性を提
供できる。その理由は、位置検出装置を必要とせず、さ
らにそれらの特性は無論、付随的な不都合を避け得るか
らである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ステッピン
グモータを実際的に動作させるには、確実に同期が維持
されるように、大きな駆動電流を印加する必要がある。
このため、たとえ負荷が変動しても、供給する電流は、
加速する間に通常使用する最大値に設定する必要があ
る。一般に、ステッピングモータを駆動するために使用
する電流は、負荷が実際に要求する電流の少なくとも２
倍である。相当な量のエネルギーが結果として（過度の
熱として）浪費されることになり、このためそのような
ステッピングモータシステムは電力消費の点で効率を比
較的に悪くしてしまうという問題点がある。

【０００５】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであって、本発明の主な目的は、新規なステッ
ピングモータシステムおよびその動作を制御する新規な
制御方法および制御装置を提供して、エネルギー利用効
率が向上するようにステッピングモータに供給する駆動
電流を最適化することにある。

【０００６】また、本発明のさらに特定した目的は、ス
テッピングモータに加わるトルク負荷を推定および利用
して、このステッピングモータを駆動するために印加す
る電流を（一般的には、選択的に減少することによっ
て）最適にできるシステム、装置、および方法を提供す
ることにある。

【０００７】本発明の別の特定した目的は、ステッピン
グモータの動作が比較的軽快で、また構造上の複雑性お
よびコストが比較的に低くて済むシステム、装置、およ
び方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】矩形波電圧によって駆動
されるステッピングモータシステムにおける駆動状態の
遷移の後に、隣接した直列に付勢された巻線間の開放ノ
ードに現れる電圧は、最初は時間の関数として有意な方
法で変化することが観測される。定常状態のノード電圧
（すなわち、端子電位の中間の指定されたレベル）に達
する上で、遅延が発生する。この遅延は、モータの巻線
のインダクタンスから発生し、ステッピングモータに加
わるトルク負荷に対してほぼ直線関係を持つ値を有して
いる。この関係は、安定状態および定常状態のフェーズ
の間に発生するノード電圧値のプロフィールに反映され
る。これらのプロフィールには、誘導性の「フライバッ
ク」電流およびモータに加わるトルク負荷の影響を示す
識別可能な部分（本願では「遷移電圧領域」と称する）
が含まれる。これらの機能は、一層詳細に後述する。

【０００９】本発明のいくつかの前述した、またそれに
関連した目的は、ステッピングモータの動作を制御する
方法を提供することによって達成されることが判明し
た。このステッピングモータは、リング構成の中に配置
され、かつ、矩形波電圧によって付勢される多数の直列
接続された巻線を有している。この方法には、次のステ
ップが含まれる。すなわち、少なくとも一対の直列接続
された巻線間のノードにおける電圧を、モータが所定の
速度で動作している間、駆動電流によって巻線対の次の
付勢が発生する遷移電圧領域を検出するためにモニタ
（監視）するステップと、少なくとも１つの遷移電圧領
域の持続時間（すなわち、時間の関数としての幅）を測
定するステップと、少なくとも１つの目標とする持続時
間値を検出された遷移電圧領域に対して確立するステッ
プと、少なくとも１つの遷移電圧領域の測定された持続
時間を目標とする持続時間値と比較するステップと、検
出された遷移電圧領域の測定された持続時間を目標とす
る持続時間値に少なくとも近づけるために、また好まし
くはほぼそれに一致させるために、モータ電流の大きさ
を調整するステップと、が含まれる。

【００１０】モニタされたノード電圧は、通常、遷移プ
ロフィールに従う。この遷移プロフィールは、一対の巻
線が駆動電流によって付勢される状態の変化の直ぐ後に
始まり、一対の巻線への付勢電流の供給が終わる状態の
変化で終了する。そのようなプロフィールの各々は、初
めのインダクタンス支配の領域、およびその直後のリア
クタンス支配の領域から成り、それら２つの領域の１つ
は本願で採用する「遷移電圧領域」を構成する。

【００１１】目標とする持続時間値は、一般に、所定の
速度で動作し、それぞれ最小と最大のトルク負荷のもと
で制御されるモータに対して（または別の同等のモータ
に対して）あらかじめ決められた最小と最大の遷移電圧
領域の中間にある。そのような最小、最大、および中間
の目標とする持続時間値は、多数の駆動電流の大きさの
それぞれの値においてモータに対して確立して、これに
より最小と最大の曲線および目標とする持続時間ライン
を確立することが好ましい。この目標とする持続時間ラ
インに対して、遷移電圧領域の測定された持続時間が比
較ステップにおいて比較される。

【００１２】測定された持続時間が目標ラインの上また
は下にある場合、駆動電流の大きさの値は、これにより
増加または減少される。リアクタンス支配の領域が遷移
電圧領域を構成する場合では、測定された持続時間が目
標ラインと最大曲線との間にある場合は、この大きさは
増加され、それが目標ラインと最小曲線との間にある場
合は、この大きさは減少される。それぞれが異なる速度
におけるモータの動作に対応している、多数のそのよう
な目標ラインが、通常、確立される。それは一般に（ま
た最も望ましいが）、ステッピングモータを動作させ
て、結果として発生する適切なステッピングモータシス
テムのパラメータを電子メモリに記憶させて、これによ
り比較するためにアクセスできる目標とする持続時間ラ
インのライブラリを作成することによって行われる。

【００１３】本発明の制御方法は、一般に、モータに加
わるトルク負荷を推定するために、検出された遷移電圧
領域の測定された持続時間を利用するステップ、および
直接的または間接的にそれに基づいて、（当業者に周知
または明白な電子データ処理技術を利用して）駆動電流
の大きさの値を計算するステップをさらに含む。これに
より、その後に測定された持続時間の値を目標ラインに
近付けるまたは一致させることができる。

【００１４】本発明の別の目的は、説明した特性のモー
タの動作を制御する装置を提供することによって達成さ
れる。

【００１５】本発明の装置は、遷移電圧領域を検出する
ために、モータの少なくとも一対の直列接続された巻線
間のノードにおける電圧をモニタリングする手段と、こ
の検出された遷移電圧領域の持続時間を測定する手段
と、この電圧領域の測定された持続時間をその目標とす
る持続時間値と比較する手段と、この測定された持続時
間を目標とする持続時間値にほぼ一致させるために、駆
動電流の大きさを効率的に調整する手段と、をそれぞれ
備えている。さらなる本発明の目的は、説明した制御装
置に加えて、リング構成内で直列接続された多数の巻線
から構成するステータを有するステッピングモータと、
矩形波電圧を、直列接続された対としてまたモータを駆
動する整流順序で巻線に提供する手段と、を提供するこ
とによって達成される。この提供された電圧は、デュー
ティサイクルを調整することによるなどで、モータ電流
の大きさを制御できるように調整可能である。

【００１６】本発明の制御装置およびモータシステム
は、標準的に、検出された遷移電圧領域の測定された持
続時間と比較するために、説明した特性の少なくとも１
つの目標とする持続時間値を電子的に記憶するメモリ手
段を備えている。たいていの場合、このメモリは、電流
の大きさの値およびモータの動作速度の範囲を示す多数
の目標ラインを記憶する。また、説明した方法のステッ
プを実行するために適合した別の機能も、同様に組み込
むことができることは無論である。この「比較する手
段」は、標準的に、駆動電流の大きさの値を適切に増減
するようにプログラムされた、電子データ処理手段を備
えている。この駆動電流の大きさの値は、記憶された目
標とする持続時間ラインに対する遷移電圧領域の測定さ
れた持続時間の位置に依存している。このデータ処理手
段は、一般に、モータに加わるトルク負荷を推定するた
めに検出された遷移電圧領域の測定された持続時間を利
用するステップ、およびそれに基づいて駆動電流の大き
さに対する最適な値を計算するステップのさらなるステ
ップを実行するようにプログラムされる。

【００１７】

【発明の実施の形態】始めに、図１を参照する。この図
１には、本発明を採用すると共に、全体的に参照番号１
０で示したステッピングモータを備えた５相のステッピ
ングモータのシステムが示されている。このステッピン
グモータ１０は、直列接続されかつ五角形の構成（リン
グ構成の１種であるペンタゴン結線）に配置された５つ
の巻線Ｌ１〜Ｌ５を有している。互いに隣接する各一対
の巻線Ｌ１〜Ｌ５の間にはノードＮ１〜Ｎ５があり、各
ノードＮ１〜Ｎ５は端子Ｔ１〜Ｔ５にそれぞれ接続され
ている。一組のＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ（この図には示
していない）は、全体的に参照番号１２で示したスイッ
チコンポーネントから成り、モータ巻線の端子に接続さ
れたライン１４を通る電流の流れを制御するように機能
する。パルス振幅変調（ＰＡＭ）ユニット１６は、スイ
ッチコンポーネント１２を経由し、レール１８を通って
ステッピングモータに電流を供給する。

【００１８】タップライン２０は、集積回路のプログラ
マブル論理素子（ＰＬＤ）２２をそれぞれの駆動電流ラ
イン１４に動作的に接続する。このＰＬＤ２２は、各ノ
ードＮ１〜Ｎ５で検出された遷移電圧領域の持続時間を
測定し、代表的な信号をライン２６およびアナログ／デ
ィジタル（Ａ／Ｄ）変換器２８を通り中央演算処理ユニ
ット（ＣＰＵ）２４へ送る。このＣＰＵは、当業者には
明白な適切なＲＯＭ容量および必要な機能を備えてい
る。

【００１９】「新しい」ＰＷＭ信号が、ＣＰＵ（中央処
理装置）２４で計算されて、ライン３０を通ってＯＲゲ
ート３２へ送られる。この「新しい」信号の計算は、検
出された遷移電圧領域の測定された持続時間をＣＰＵ２
４のメモリに記憶されている確立された最適の持続時間
値と比較することによって行われる。これにより、ステ
ッピングモータ１０に加わるトルク負荷が表示され、こ
の表示から適切な駆動電流の要求量を決定できる。現在
の電流の設定値を示している信号がスイッチコンポーネ
ント１２から出力されてライン３８において受信される
と、比較器３６が動作され、「元の」ＰＷＭ信号が、同
時に、比較器３６からライン３４を通ってＯＲゲート３
２に送られる。かくして、比較器３６は、相電流を制限
するように動作する。モータ駆動電流の大きさを制御す
る合成ＰＷＭ信号は、ライン４０を通ってＰＡＭユニッ
ト１６に送られる。

【００２０】図２および図３は、下記の表１のシーケン
ス表に記載された「４相オン」の励起パターンに従っ
て、２つの各連続した状態でモータ１０を付勢するコン
ポーネント１２のＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ（ＳＷ１〜Ｓ
Ｗ１０）の状態を示している。なお、この表１では、
「ｏｎ」（オン）表示のない部分は、スイッチが「０ｆ
ｆ」（オフ）であることを示している。

【００２１】

【表１】

【００２２】これらの回路は、フライバックダイオード
クランプＤ１〜Ｄ１０も備えている。各々のノードＮ１
〜Ｎ５で電圧値の同様なプロフィールが観測されるの
で、以後においては説明を簡単にかつ明白にするため
に、ノードＮ１〜Ｎ５のうちの１つのみ（すなわち、ノ
ードＮ２）における電位を特に説明する。このことは、
図４から理解できる。この図４では、電圧が上記表１に
おいて列挙されたステッピングモータの励起状態の設定
と相互に関係付けられている。

【００２３】図２に示したＭＯＳ−ＦＥＴスイッチの設
定では（状態＃１）、レール１８を通って送られ、グラ
ウンド（ＧＮＤ）に流れる電流のフローが、実績表示で
示されている。印加された電位の値をＶ_outで示す。状
態＃２のスイッチ構成を、レール１８から接続された巻
線を通ってＧＮＤへ向かう電流の流れとして、図３に示
す。状態＃１から状態＃２への遷移中に発生した誘導フ
ライバック電流を、図３における点線の流路で示す。

【００２４】図５により一層特定して示すように、ノー
ドＮ２における電圧の値は、モータが状態＃１の付勢に
ある場合は、Ｖ_outである。状態＃２の付勢に遷移する
瞬間に、ダイオードＤ７を通過する順方向バイアス電流
（ＧＮＤ以下の値）に達するまで、ノードＮ２の電位は
減少する。このダイオードＤ７は、導通してノードＮ２
の電圧を維持する。巻線Ｌ３が全電位（Ｖ_out−ＧＮ
Ｄ）で充電を開始して、巻線Ｌ２を通る新しい電流経路
を確立すると、Ｌ２およびＬ３を通る電流が同じレベル
に達するまで、ノードＮ２の電圧は上昇を開始する。こ
の後、印加された全電位差の半分の値（Ｖ_out−ＧＮ
Ｄ）／２を有する定常状態が、ノードＮ２で検出され
る。ノードＮ２を直接ＧＮＤに接続するようにスイッチ
ＳＷ７が閉じられて、状態＃４への遷移が行われるま
で、その状態が維持される。

【００２５】直列接続された一対の巻線の間の開放ノー
ドにおいて検出された電圧は、これらの巻線対が矩形波
電圧によって付勢される状態の変化の直後に始まり、こ
れらの巻線対への付勢電流が終わる状態の変化で終了す
るような遷移プロフィールに従うことが分かる。このプ
ロフィールは２つの領域を持つように観測される、すな
わち、図５で「Ａ」で示した、初期のインダクタンス支
配の領域、およびその直後の、「Ｂ」で示した、リアク
タンス支配の領域である。領域ＡおよびＢのそれぞれの
持続時間（幅）は、アクセスされたノードにおける電圧
に影響するフライバック電流によって決められる。すな
わち、遷移時間（例えば、状態＃１から状態＃４へ）
は、所定の速度に対しては固定されたままであるため、
これらの領域は逆比例する、すなわち互いに補足的な関
係を持つ。すなわち、領域Ａの持続時間が短ければそれ
だけ、領域Ｂの持続時間は長くなり、その逆の場合もあ
る。

【００２６】本発明によれば、領域ＡおよびＢの幅は、
ステッピングモータへのトルク負荷を示していることは
理解されよう。いずれの領域も負荷を推定するベースと
考えることができるが、領域Ｂは任意に選択され、この
ため、後述する「検出された遷移電圧領域」を構成す
る。勿論、同様の原則は、たとえいくつかの値や関係が
逆になっても、自明であるが、領域Ａを使用する場合に
も当てはまる。

【００２７】図６（ａ），（ｂ）において、検出された
遷移電圧領域Ｂの幅に対するトルク負荷の大きさの影響
が示されている。図６（ａ）は、説明した実施形態のよ
うなモータが発生した、検出されたノード電圧のプロフ
ィールの部分を示す。このモータは、相当たり１．４ア
ンペアの定格電流で、分当たり１０００回転の速度で動
作しており、トルク負荷は印加されていない。図６
（ｂ）のプロフィールは、モータは同じ速度で回転して
いるが、最大許容トルク負荷（すなわち、同期が失われ
る直ぐ下の負荷）が加えられている場合の、ノード電圧
のプロフィールの同じ部分を示している。無負荷状態の
領域Ｂの幅の持続時間は、約２６０マイクロセカンドを
示すが、最大負荷の状態では、この領域の幅の持続時間
は約３４０マイクロセカンドを示す。領域Ｂの幅の差
（また逆に、先行する領域Ａにおける差）は、モータに
比較的小さい負荷が加わる場合（結果として、比較的狭
いリアクタンス支配の領域Ｂを発生する）、比較的高い
ピーク値を有する誘導フライバック電流が発生するた
め、また、ステッピングモータに比較的大きなトルク負
荷が加わる場合、比較的低いピークのフライバック電流
値（またこのため、比較的広い領域Ｂが生じる）が発生
するためである。これらの関係を図７に示す。

【００２８】発生したフライバック電流のピークの大き
さは付勢されたトルク巻線のインダクタンスに依存する
こと、このインダクタンスはロータの角度位置によって
影響されること、およびステッピングモータのシャフト
に加わるトルク負荷は、ロータが実際に指示された角度
だけずらされる程度に決定されるであろうことは、説明
によって理解されよう。従って、モータに加わる負荷ト
ルクが大きければ大きいほど、フライバック電流のピー
クの大きさは小さくなり、このため遷移電圧領域のイン
ダクタンス支配領域は狭くなる（そして、リアクタンス
支配領域は広くなる）。

【００２９】図８は、モータに印加されるトルク負荷
が、検出されたノード電圧の持続時間（時間幅）に対し
てプロットされているグラフである。図８から分かるよ
うに、この関係はほぼ直線である。

【００３０】図９に示す無負荷（長方形のポイント）ラ
インおよび最大負荷（三角形のポイント）ラインは、ノ
ードで検出された遷移電圧領域上の（この場合、印加さ
れた電圧のデューティサイクルによって制御された）供
給電流の大きさの効果を示している。図９から分かるよ
うに、この領域の持続時間（電圧の時間幅）は、デュー
ティサイクルに対して、またこのため供給電流の大きさ
に対して、逆比例で減少する。

【００３１】図９には目標ラインも含まれている。その
位置はいくらか不定であるが、この目標ラインはあらゆ
る場合において、無負荷曲線と最大負荷曲線との間に位
置する必要があり、またそれらのほぼ中間にあることが
好ましい。目標ラインが無負荷曲線に近づき過ぎている
場合には、電流の大きさの調整が頻繁に行われ過ぎて、
ステッピングモータの動作は不安定になりがちである。
他方、目標ラインが最大負荷曲線に接近し過ぎている場
合には、エラーに対して同じ程度の小さいマージンしか
与えられないことになり、結果として同期が失われるこ
とによるオーバシューティングの不適当な危険が生ずる
可能性がある。

【００３２】図１０は、本発明が提供する効率を達成す
るために、供給電流の大きさにおいて実行すべき変化を
発生させる基本原理を示す。モータへのトルク負荷が比
較的大きい場合、（前述した実施形態における）供給電
圧のデューティサイクルが増加されて、これにより電流
の大きさを増加させ、また測定された遷移電圧領域の幅
を減少させて、目標ラインで示した値に向かってトルク
負荷をシフトさせ、また理想的には一致させる。逆に言
うと、決定されたトルク負荷が比較的小さい場合には、
デューティサイクルが減少されて、電圧の持続時間を再
度目標ラインに接近させる。例えば、電流の大きさと遷
移領域の持続時間との間の関係は、電圧プロフィールの
領域Ａが領域Ｂの代わりにトルク負荷を推定する場合に
使用される場合、逆比例することは理解されよう。

【００３３】最後に、図１１のタイミング図は、ステッ
ピングモータに最適な電流を供給するために合成ＰＷＭ
信号を確定できる論理を説明している。前述したよう
に、この合成ＰＷＭ信号は、「元の」（古い）ＰＷＭ信
号と「新しい」ＰＷＭ信号とを使用して、ＯＲゲートの
出力部から発生する。これらの信号は同じ周波数であ
り、同期したダウンエッジのタイミングを有する。「元
の」ＰＷＭ信号はドライバ回路に対する最大電流を示
し、一方、「新しい」ＰＷＭ信号は、本発明の負荷トル
ク感知技術を用いるコントローラによって決定される。
ＯＲゲートは、常にハイ論理レベル信号を取るので（一
方が存在すれば、すなわち、ハイのオフ信号がローのオ
ン信号に対して制御されていれば）、この場合のシステ
ムの負荷トルク感知機能は、合成ＰＷＭ信号におけるデ
ューティサイクルを減少させる。このデューティサイク
ルは、ＰＡＭ回路１６の動作を制御して、モータに最適
な電流を供給する。

【００３４】当業者は理解するように、本発明の方法、
装置、およびシステムの中で、本願で説明し、定義され
た新規な考えからもとることなく、各種の変更を行うこ
とができる。例えば、三角形、方形、また他のリング形
状の巻線構成を有するステッピングモータを使用でき
る。実際に、本発明の電流制御およびトルク推定技術
は、本願で説明した特徴付けられた遷移電圧領域を得る
ことができるいかなるモータシステムにも適用できると
考えられる。さらに、パルス幅変調したデューティサイ
クルの調整を電流の大きさを最適に制御する手段として
説明してきたが、例えば比較器を使用するアナログ電流
のフィードバックによるなどの、そうするための他の技
術も勿論採用できる。

【００３５】従って、本発明は、新規なステッピングモ
ータシステム、および、その動作を制御するための、エ
ネルギー使用効率を改良するようにステッピングモータ
に供給された駆動電流を最適にできる新規な方法と装置
を提供することが分かる。本発明によれば、トルク負荷
を推定しかつ使用して、駆動モータに印加された電流を
最適にすることができ、また本発明は、ステピングモー
タの動作が比較的軽快で、構造の複雑性およびコストが
比較的低いシステム、装置、および方法を提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を使用する５相のステッピングモータシ
ステムの概略図である。

【図２】図１のようなシステムで好適なＭＯＳ−ＦＥＴ
スイッチとモータの巻線との配置を示す配線図である。

【図３】図２の駆動状態から連続する駆動状態を示す図
２と同様の配線図である。

【図４】各々１０の駆動状態遷移の２サイクル分の、図
３の方式による、動作している図示したステッピングモ
ータの各５つのノードで検出された電圧のプロフィール
を示す図である。

【図５】４つの連続した遷移状態の間の、前述したモー
タシステムのノードの１つに現れる、電圧プロフィール
「Ｘ」の部分と、影響された巻線で発生した誘導「フラ
イバック」電流において同時に発生する変動の対応する
プロフィール「Ｙ」と、を示す図である。

【図６】図６（ａ），（ｂ）は、一定の速度で動作して
おり、２つの異なるトルク負荷が加えられているステッ
ピングモータで発生する遷移電圧プロフィールを拡大し
て示す時間スケールのグラフである。

【図７】フライバック電流およびノード電圧プロフィー
ル上で３つの異なるトルク負荷の効果を示す、図５と同
様の図である。

【図８】測定された遷移電圧領域の持続時間とモータの
トルク負荷との間に存在するほぼ直線関係を示すプロッ
ト図である。

【図９】無負荷状態および最大負荷状態のもとで、遷移
電圧領域の持続時間上の供給電流のデューティサイクル
の効果、および、間に挟まれた最適な持続時間の目標ラ
インを示すグラフである。

【図１０】検出された遷移電圧領域の持続時間を目標値
に一致させるために適用される一般的な基準を示す図で
ある。

【図１１】本発明の技術に基づく、ステッピングモータ
への電流を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号の波形
を示すタイミング図である。

【符号の説明】

１０ステッピングモータ１２スイッチコンポーネント１６パルス振幅変調（ＰＡＭ）ユニット２２プログラマブル論理素子（ＰＬＤ）２４ＣＰＵ２８アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器３２ＯＲゲート３６比較器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リング構成に配置された、多数の直列接
続された巻線を有すると共に、矩形波電圧によって駆動
されるステッピングモータの動作を制御する方法であっ
て、（ａ）少なくとも一対の直列接続された巻線間の
ノードにおける電圧を、前記ステッピングモータが所定
の速度で動作している間に、駆動電流による前記一対の
巻線の次の付勢が発生する遷移電圧領域を検出するため
にモニタするステップと、（ｂ）前記検出された遷移
電圧領域の持続時間を測定するステップと、（ｃ）前
記検出された遷移電圧領域に対する少なくとも１つの目
標とする持続時間値を確定するステップと、（ｄ）少
なくとも１つの前記遷移電圧領域の前記測定された持続
時間を前記目標とする持続時間値と比較するステップ
と、（ｅ）前記測定された持続時間を前記目標とする
持続時間値にほぼ一致させるために、駆動電流の大きさ
を調整するステップと、をそれぞれ有することを特徴と
するステッピングモータの制御方法。
【請求項２】前記モニタされたノード電圧が、前記一
対の巻線が前記駆動電流によって付勢される状態の変化
の直後に始まり、前記一対の巻線への前記付勢電流の供
給が終わる状態の変化で終了するプロフィールに従い、
それぞれの前記プロフィールが初めのインダクタンス支
配の領域、およびその直後のリアクタンス支配の領域か
ら成り、前記電圧プロフィールの前記インダクタンス支
配の領域および前記リアクタンス支配の領域の１つがそ
れぞれの前記検出された遷移電圧領域を構成することを
特徴とする請求項１に記載のステッピングモータの制御
方法。
【請求項３】前記電圧プロフィールの前記リアクタン
ス支配の領域が、それぞれの前記検出された遷移電圧領
域を構成することを特徴とする請求項２に記載のステッ
ピングモータの制御方法。
【請求項４】前記目標とする持続時間値が、前記所定
の速度で動作しており、それぞれ最小および最大の負荷
トルクが加わるような前記ステッピングモータに対して
あらかじめ決められた最小および最大の遷移電圧領域の
持続時間の中間にあることを特徴とする請求項３に記載
のステッピングモータの制御方法。
【請求項５】中間の目標とする持続時間値が、前記所
定の速度で動作すると共に最小および最大の負荷トルク
が加わる前記ステッピングモータに対して、前記駆動電
流の大きさの多数の値の各々において確立され、これに
より、前記遷移電圧領域の前記測定された持続時間が、
前記比較するステップにおいて比較される目標持続時間
ラインを確立することを特徴とする請求項４に記載のス
テッピングモータの制御方法。
【請求項６】前記測定された持続時間が前記目標とす
る持続時間ラインの上または下にある場合、前記駆動電
流の大きさがそれぞれ増加または減少されることを特徴
とする請求項５に記載のステッピングモータの制御方
法。
【請求項７】前記ステッピングモータに加わるトルク
負荷を推定するために、前記検出された遷移電圧領域の
前記測定された持続時間を使用するステップと、前記推
定された負荷に基づいて、前記測定された持続時間値を
前記目標とする持続時間ラインにほぼ近付けるために、
前記駆動電流の大きさの値を計算するステップと、をさ
らに有することを特徴とする請求項６に記載のステッピ
ングモータの制御方法。
【請求項８】多数の前記目標とする持続時間ラインが
確定されて、前記目標とする持続時間ラインの１つが、
多数の異なる速度の各々で動作するような前記ステッピ
ングモータに対して確立されることを特徴とする請求項
５に記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項９】前記目標とする持続時間ラインが、動作
している前記ステッピングモータによって確立されて、
かつ、前記目標とする持続時間ラインのライブラリが、
前記ステッピングモータの動作パラメータおよび対応す
る前記検出された遷移電圧領域のデータを電子メモリ手
段の中に記憶することによって作成されると共に、前記
目標とする持続時間ラインの前記ライブラリが、前記比
較ステップにおいて前記測定された持続時間と比較する
ためにアクセス可能であることを特徴とする請求項８に
記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項１０】リング構成に配置された、多数の直列
接続された巻線を有すると共に、矩形波電圧によって駆
動されるステッピングモータの動作を制御する装置であ
って、（ａ）遷移電圧領域を検出するために、前記ス
テッピングモータの少なくとも一対の直列接続された巻
線間のノードにおける電圧をモニタする手段と、（ｂ）
前記検出された遷移電圧領域の持続時間を測定する手
段と、（ｃ）前記遷移電圧領域の前記測定された持続
時間をその目標とする持続時間値と比較する手段と、
（ｄ）前記測定された持続時間を前記目標とする持続
時間値にほぼ一致させるために、前記ステッピングモー
タを駆動する駆動電流の大きさを有効に調整する手段
と、をそれぞれ具備することを特徴とするステッピング
モータの制御装置。
【請求項１１】前記モニタされたノード電圧が、前記
一対の巻線が前記駆動電流によって付勢される状態の変
化の直後に始まり、前記一対の巻線への前記付勢電流の
供給が終わる状態の変化で終了するプロフィールに従
い、それぞれの前記プロフィールが始めのインダクタン
ス支配の領域、およびその直後のリアクタンス支配の領
域から成り、前記電圧プロフィールの前記インダクタン
ス支配の領域および前記リアクタンス支配の領域の１つ
がそれぞれの前記検出された遷移電圧領域を構成するこ
とを特徴とする請求項１０に記載のステッピングモータ
の制御装置。
【請求項１２】前記電圧プロフィールの前記リアクタ
ンス支配の領域が、それぞれの前記検出された遷移電圧
領域を構成することを特徴とする請求項１１に記載のス
テッピングモータの制御装置。
【請求項１３】少なくとも１つの目標とする持続時間
値を、前記検出された遷移電圧領域の前記測定された持
続時間と比較するために、電子的に記憶するメモリ手段
をさらに具備することを特徴とする請求項１０に記載の
ステッピングモータの制御装置。
【請求項１４】前記メモリ手段が、前記所定の速度で
動作すると共にそれぞれ最小および最大の負荷トルクが
加わるような前記ステッピングモータに対して、予め設
定された最小および最大の遷移電圧領域の持続時間の中
間にある少なくとも１つの前記目標とする持続時間値を
含むことを特徴とする請求項１３に記載のステッピング
モータの制御装置。
【請求項１５】それぞれの多数の値の前記駆動電流の
大きさにおいて、前記所定の速度で動作すると共に最小
および最大のトルク負荷が加わるような前記ステッピン
グモータに対して、中間の目標とする持続時間値が前記
メモリ手段に記憶され、前記記憶された目標とする持続
時間値が、前記遷移電圧領域の前記測定された持続時間
を比較するために前記手段が比較することができる記憶
された目標とする持続時間ラインを構成することを特徴
とする請求項１４に記載のステッピングモータの制御装
置。
【請求項１６】比較するための前記手段が電子データ
処理手段を備えており、前記データ処理手段は、前記測
定された持続時間がそれぞれ前記記憶された目標とする
持続時間ラインの上または下にある場合、前記駆動電流
の大きさの中で増加または減少を実行するようにプログ
ラムされていることを特徴とする請求項１５に記載のス
テッピングモータの制御装置。
【請求項１７】前記データ処理手段が、前記ステッピ
ングモータに加わるトルク負荷を推定するために、前記
検出された遷移電圧領域の前記測定された持続時間を使
用するステップと、前記推定された負荷に基づいて、前
記測定された持続時間値を前記目標とする持続時間ライ
ンにほぼ一致させるために、前記駆動電流の大きさの値
を計算するステップと、をさらに実行するようにプログ
ラムされていることを特徴とする請求項１６に記載のス
テッピングモータの制御装置。
【請求項１８】多数の前記目標とする持続時間ライン
が前記メモリ手段の中に記憶されて、前記目標とする持
続時間ラインの１つが多数の異なる速度の各々で動作す
る前記ステッピングモータに対して確立されることを特
徴とする請求項１５に記載のステッピングモータの制御
装置。
【請求項１９】（ａ）リング構成で直列接続された多
数の巻線から成るステータを有するステッピングモータ
と、（ｂ）前記巻線を直列接続された対として付勢す
るために、前記ステッピングモータを駆動するための切
換順序で、調整可能な矩形波電圧を提供する手段と、
（ｃ）前記ステッピングモータの動作を制御する制御
装置と、をそれぞれ具備し、前記制御装置が、（ｄ）
遷移電圧領域を検出するために、前記ステッピングモー
タの前記直列接続された巻線の少なくとも１つの対の間
のノードにおける電圧をモニタする手段と、（ｅ）前
記検出された遷移電圧領域の持続時間を測定する手段
と、（ｆ）前記遷移電圧領域の前記測定された持続時
間をその目標とする持続時間値と比較する手段と、
（ｇ）前記提供する手段によって提供された前記矩形
波電圧を効率よく調整して、これにより、前記測定され
た持続時間を前記目標とする持続時間値にほぼ一致させ
るために必要に応じて前記ステッピングモータを駆動す
る電流の大きさを調整する手段と、をそれぞれ具備して
いることを特徴とするステッピングモータシステム。
【請求項２０】前記モニタされたノード電圧が、前記
一対の巻線が前記駆動電流によって付勢される状態の変
化の直後に始まり、前記一対の巻線への前記付勢電流の
供給が終わる状態の変化で終了するプロフィールに従
い、それぞれの前記プロフィールが初めのインダクタン
ス支配の領域、およびその直後のリアクタンス支配の領
域から成り、前記電圧プロフィールの前記インダクタン
ス支配の領域および前記リアクタンス支配の領域の１つ
がそれぞれの前記検出された遷移電圧領域を構成するこ
とを特徴とする請求項１９に記載のステッピングモータ
システム。
【請求項２１】前記電圧プロフィールの前記リアクタ
ンス支配の領域がそれぞれの前記検出された遷移電圧領
域を構成することを特徴とする請求項２０に記載のステ
ッピングモータシステム。
【請求項２２】少なくとも１つの目標とする持続時間
値を、前記検出された遷移電圧領域の前記測定された持
続時間と比較するために、電子的に記憶するメモリ手段
をさらに具備することを特徴とする請求項１９に記載の
ステッピングモータシステム。
【請求項２３】前記メモリ手段が、前記所定の速度で
動作すると共にそれぞれ最小および最大の負荷トルクが
加わるような前記ステッピングモータに対して、予め設
定された最小および最大の遷移電圧領域の持続時間の中
間にある少なくとも１つの前記目標とする持続時間値を
含むことを特徴とする請求項２２に記載のステッピング
モータシステム。
【請求項２４】それぞれの多数の値の前記駆動電流の
大きさにおいて、前記所定の速度で動作すると共に最小
および最大のトルク負荷が加わるような前記ステッピン
グモータに対して、中間の目標とする持続時間値が前記
メモリ手段に記憶され、前記記憶された目標とする持続
時間値が、前記遷移電圧領域の前記測定された持続時間
を比較するために前記手段が比較することができる記憶
された目標とする持続時間ラインを構成することを特徴
とする請求項２３に記載のステッピングモータシステ
ム。
【請求項２５】比較するための前記手段が電子データ
処理手段を備えており、前記データ処理手段は、前記測
定された持続時間がそれぞれ前記記憶された目標とする
持続時間ラインの上または下にある場合、前記駆動電流
の大きさの中で増加または減少を実行するようにプログ
ラムされていることを特徴とする請求項２４に記載のス
テッピングモータシステム。
【請求項２６】前記データ処理手段が、前記ステッピ
ングモータに加わるトルク負荷を推定するために、前記
検出された遷移電圧領域の前記測定された持続時間を使
用するステップと、前記推定された負荷に基づいて、前
記測定された持続時間値を前記目標とする持続時間ライ
ンにほぼ一致させるために、前記駆動電流の大きさの値
を計算するステップと、をさらに実行するようにプログ
ラムされていることを特徴とする請求項２５に記載のス
テッピングモータシステム。
【請求項２７】多数の前記目標とする持続時間ライン
が前記メモリ手段の中に記憶されて、前記目標とする持
続時間ラインの１つが多数の異なる速度の各々で動作す
る前記ステッピングモータに対して確立されることを特
徴とする請求項２４に記載のステッピングモータシステ
ム。