JP2000333494A - ステップモータの駆動方法および駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステップモータの駆動で、低速から高速に至
るまで振動の少ない円滑な回転動作を実現する。 【解決手段】 所定の駆動周波数以下では電流駆動を行
うと共に、それ以上の駆動周波数では電圧駆動を行うよ
うに増幅器Ａを備えた駆動回路を構成する。そして、比
較的駆動周波数の低い低速回転の場合は、前記増幅器Ａ
を電流増幅器とすることにより駆動コイルＬに正確な電
流Ｉを供給することができ、電流値に対応した正確な回
転角でステップモータを駆動できる。また、比較的駆動
周波数の高い高速回転の場合は、前記増幅器Ａを電圧増
幅器とすることにより共振による振動を回避することが
できることから、低速から高速まで振動の少ない円滑な
回転を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステップモータの
制御に関し、特に低速から高速まで低振動で滑らかな回
転動作が得られるステップモータの駆動方法および駆動
回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、車両や音響機器等の各種指示
器の指針の駆動用、あるいは娯楽用スロットマシンの絵
柄表示ドラムの駆動用等としてステップモータが使用さ
れている。元来、直流モータやサーボモータ等が複雑な
アナログ制御を必要とするのに対し、この種のステップ
モータではデジタル制御による位置制御が比較的容易に
行えることから、その利用範囲は極めて広い。

【０００３】ところが、ステップモータは、基本的には
時系列的な駆動パルスによるステップ駆動であるため、
前記したアナログ制御のモータに比べて駆動時（回転
時）の振動が大きいといった欠点が有った。従って、ス
テップモータを使用する場合は、如何に低振動で且つ滑
らかな回転を実現するかが大きな課題であり、そのため
の好適な各種駆動方法が提案されている。その代表的な
ものとして、ミニステップ駆動、あるいはマイクロステ
ップ駆動と呼ばれる駆動方法が知られている。これらの
駆動方法は、２相以上の相数を持つステップモータの駆
動コイルに印加する電圧や駆動コイルに流す電流を時間
的に正弦波状、或いはデジタル回路による多値の疑似正
弦波状に変化させる方法であり、これにより振動の少な
い滑らかな回転が実現できるものとされている。

【０００４】係るマイクロステップ駆動技術は、車両用
指示計器の駆動として、例えば、特開平６−８２２７１
号公報に１０値の正弦波に近似した階段状波形の電圧で
ステップモータを駆動する方法が開示されている（図３
参照）。この場合、ステップモータの１ステップ角を仮
に１５度とすると、開示技術では１ステップ角は１５度
を５分割した３度となり、図３中破線で示す矩形波によ
る従来の駆動方式に比べて５倍の高分解能を得ることが
できるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ステップモ
ータの駆動方法としては、既述した矩形波や正弦波或い
は多値の疑似正弦波を電圧として駆動コイルに印加する
電圧駆動方式と、電流として駆動コイルに供給する電流
駆動方式とに大別することができるが、それぞれ以下に
示すような長所と短所を有している。

【０００６】前記電流駆動方式は、検出した駆動電流を
増幅器側に負帰還することにより、駆動コイルのインピ
ーダンス変化に依らず常に規定の電流を供給するように
した駆動方式で、低速駆動では指示電流に対応した正確
な回転角を得ることができるため、前記した指示計器や
絵柄表示ドラム等の位置決め用に好適である。

【０００７】ところが、この電流駆動方式は、駆動コイ
ルに回転速度による逆起電圧が発生しても常に一定電流
を供給するように動作するので、例えば、マイクロステ
ップ駆動のような高分解能駆動であっても駆動周波数を
次第に大きくしてモータの回転速度を上昇していくと特
定の周波数において共振を起こし、回転速度が大きく変
動して滑らかな回転が得られなくなるという欠点があ
る。この共振現象は駆動電流によって発生するトルクの
回転角による変化率と回転子の回転慣性質量によるもの
である。

【０００８】一方、前記電圧駆動方式は、前記共振現象
による回転速度の変動を緩和する方法として有効であ
る。すなわち、振動によって回転速度が増加すると、そ
の回転速度に対応した逆起電圧分だけ駆動電流が減少し
て回転子の加速度を下げると共に、回転速度が小さくな
ればその分駆動電流が増加して回転子の加速度を増加す
るように動作するので、結果としてモータ回転時の振動
が緩和される。この方式は前記電流駆動方式と相違し、
特定周波数での共振現象を回避することができるので、
回転速度を広範囲に変化させるマイクロステップ駆動に
好適である。

【０００９】しかし、この電圧駆動方式は、駆動コイル
のインピーダンスが変化するとそれに応じて駆動電流が
変化するため、指示値に対する回転角の正確さは前記し
た電流駆動方式に比べて劣るものとなる。また、高速駆
動時は駆動コイルのインダクタンスによる起電圧や回転
速度に対応する起電圧が大きくなり、駆動トルクが減少
する。回転子を加速できる大きな駆動電流を供給するに
は高い電圧で駆動すれば良いが、逆に低速駆動時に駆動
電流が増大し過ぎてしまうことになる。係る不都合に鑑
み、低速駆動時における駆動電流の増大を防止する技術
として、例えば、特開平９−８４３９２号公報に、回転
速度に応じて駆動コイルを駆動する時間比率（デューテ
ィ）を変化させるようにしたものが提案されているが、
これでは制御形態が複雑化してしまう。

【００１０】本発明は、上記従来方式の欠点に鑑みて成
されたもので、低速から高速まで振動の少ない滑らかな
回転を実現することができるステップモータの駆動方法
および駆動回路を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１に記
載の本発明では、所定の駆動周波数以下では電流駆動を
行うと共に、それ以上の駆動周波数では電圧駆動を行う
ことを特徴とするものである。

【００１２】また、請求項２に記載の本発明では、前記
ステップモータの駆動形式がマイクロステップ駆動であ
ることを特徴とするものである。

【００１３】また、請求項３に記載の本発明では、所定
以下の周波数成分に対しては電流増幅器として動作し、
且つ、所定以上の周波数成分に対しては電圧増幅器とし
て動作する増幅器を備えて成ることを特徴とするもので
ある。

【００１４】本構成では、比較的低い周波数での駆動、
すなわち、低速回転の場合は、増幅器は電流増幅として
動作するので駆動コイルに正確な電流を供給することが
でき、電流値に対応した正確な回転角でステップモータ
を駆動できる。また、比較的駆動周波数の高い高速回転
の場合は、増幅器は電圧増幅器として動作するのでステ
ップモータの逆起電圧による振動抑制効果により共振現
象を回避できる。よって、低速から高速まで広い範囲に
わたって振動の少ない滑らかな回転動作を実現すること
ができる。

【００１５】また、マイクロステップ駆動を行うことに
より、より振動の少ない回転動作を実現することができ
るようになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態を説明する。

【００１７】図１は本発明に係るステップモータの駆動
回路の一実施形態である。尚、本図は１相当たりの駆動
回路であって、実際はステップモータの各相に対応して
同様の駆動回路が複数備えられている。

【００１８】図１において、Ａは電力増幅器で、通常の
演算増幅器と同様に１より十分に大きな電圧増幅率を有
し、且つ負帰還を安定にかけることができる周波数応答
補償が成されている。Ｅはステップモータの駆動コイル
Ｌに流す電流や駆動コイルＬに印加する電圧の指示値を
与える電圧、Ｉはその際に駆動コイルＬに流れる駆動電
流である。Ｃ₁ 、Ｒ₂ は電圧帰還の周波数特性を決定す
るための容量と抵抗、Ｃ₂ 、Ｒ₃ は電流帰還の周波数特
性を決定するための容量と抵抗であり、またＲ ₄ は駆動
電流検出用の抵抗である。

【００１９】本実施形態では、容量Ｃ₁ と抵抗Ｒ₂ の積
で表される時定数τ₁ と容量Ｃ₂ と抵抗Ｒ₃ の積で表さ
れる時定数τ₂ とが略等しくなるように設定されてい
る。これにより、前記電力増幅器Ａは、２π／τ₂ より
低い周波数帯では抵抗Ｒ₃ と容量Ｃ₂ の電流帰還回路に
よって電流増幅器として動作し、また、２π／τ₁ より
高い周波数帯では容量Ｃ₁ と抵抗Ｒ₂ の電圧帰還回路に
よって電圧増幅器として動作する。

【００２０】従って、上記構成の駆動回路では、低速回
転時は電流駆動することにより駆動コイルＬに正確な電
流Ｉを供給することができ、電流値に対応した正確な回
転角でステップモータを駆動できると共に、高速回転時
は電圧駆動することにより、駆動コイルＬに流れる電流
Ｉの正確さは前記した電流駆動に比べて減少するものの
ステップモータの逆起電圧による振動が抑制されるた
め、低速から高速まで広い範囲で振動の少ない滑らかな
回転が実現できるものである。

【００２１】図２は図１に示したアナログ回路を伝達関
数を使用してより普遍的に表したものである。このよう
に、本発明の駆動回路は既述したアナログ処理だけでな
くマイクロプロセッサやデジタルシグナルプロセッサ等
のデジタル信号処理技術によっても実現できるものであ
る。

【００２２】図２において、Ｇ（ｓ）は駆動コイルＬの
端子間電圧から電流への伝達関数である。Ｈ（ｓ）は電
力増幅器Ａの入力電圧から出力電圧への伝達関数であっ
て、既述したように１に比べて十分に大きな電圧増幅率
と負帰還を安定にかけることのできる周波数応答補償の
例として、Ｈ（ｓ）＝Ｇ／（Ｔ_a ｓ＋１）で表せる伝達
関数である。ここで、Ｇは増幅器Ａの電圧増幅率を示し
ており、例えば１００，０００、或いは１，０００，０
００等のように１に比べて十分大きい値である。尚、Ｔ
_a ｓは負帰還で回路が安定となるように選定されるもの
である。Ｐ（ｓ）は電圧帰還の周波数特性を決定する伝
達関数であって、所定の周波数より高い周波数では前記
電力増幅器Ａが電圧増幅器として動作するように設定さ
れており、図１の例では、Ｐ（ｓ）＝Ｋ₁ ｓ／（τ₁ ｓ
＋１）に設定されている。ここで、Ｋ₁ は電圧増幅器と
しての動作時の増幅率を決定する定数である。Ｑ（ｓ）
は電流帰還の周波数特性を決定する伝達関数であり、所
定の周波数より低い周波数では電力増幅器Ａが電流増幅
器として動作するように設定される。図１の例では、Ｑ
（ｓ）＝Ｋ₂ ／（τ₂ ｓ＋１）と設定されている。ここ
で、Ｋ₂ は電流増幅器としての動作時の増幅率を決定す
る定数である。

【００２３】また、図２において、Ｑ（ｓ）＝Ｋ_{2 、}す
なわち、図１においてＣ₂ ＝０，Ｒ ₃ ＝０としても略同
様の効果を得ることができる。これは、比較的高い周波
数帯では電圧帰還の効果で開ループゲインが小さくなっ
ており、電流帰還の有無による閉ループ周波数応答の変
化は極めて小いからである。このように構成すると、低
い周波数帯と高い周波数帯とを区別するためのパラメー
タをτ₁ のみにすることができ、デジタル信号処理によ
り本発明を実施する場合の演算処理を簡略化することが
できる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
所定の周波数より低い駆動周波数では電流駆動を行い、
それ以上の駆動周波数では電圧駆動を行うことにより、
比較的小さな回転速度、即ち、指示計や表示器等の駆動
として使用する場合は電流駆動により正確な指針位置や
表示位置を得ることができ、また比較的高速回転の場合
には電圧駆動することにより共振による振動を制御する
ことができることから、低速から高速まで振動の少ない
円滑な回転を実現できる。

【００２５】また、上記電流駆動および電圧駆動駆動に
加えてステップモータをマイクロステップ駆動すること
により、その相乗効果によってさらに振動を少なくした
円滑な回転動作が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るステップモータの駆動回路図を示
す。

【図２】図１の駆動回路を伝達関数を使用して表した図
である。

【図３】マイクロステップ駆動における各相の印加電圧
波形を示す図である。

【符号の説明】

Ａ 増幅器 Ｌ 駆動コイル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の駆動周波数以下では電流駆動を行
   うと共に、それ以上の駆動周波数では電圧駆動を行うこ
   とを特徴とするステップモータの駆動方法。
2. 【請求項２】 前記ステップモータの駆動形式がマイク
   ロステップ駆動であることを特徴とする請求項１に記載
   のステップモータの駆動方法。
3. 【請求項３】 所定以下の周波数成分に対しては電流増
   幅器として動作し、且つ、所定以上の周波数成分に対し
   ては電圧増幅器として動作する増幅器を備えて成ること
   を特徴とするステップモータの駆動回路。