JP2001333598A - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents
ステッピングモータの駆動装置Info
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- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
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- Control Of Stepping Motors (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ステッピングモータの駆動装置において、マイ
クロステップ駆動の分解能を維持しつつ制御装置の効率
を向上すること。 【解決手段】電圧制御用インバータの上下アームをＰＷ
Ｍ方式により正弦波若しくは正弦波状の階段波形とする
ことでトルクリップルを低減し円滑な回転を得る。
クロステップ駆動の分解能を維持しつつ制御装置の効率
を向上すること。 【解決手段】電圧制御用インバータの上下アームをＰＷ
Ｍ方式により正弦波若しくは正弦波状の階段波形とする
ことでトルクリップルを低減し円滑な回転を得る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，位置及び速度を制御す
るための三相ステッピングモータのマイクロステップ駆
動回路に関する。
るための三相ステッピングモータのマイクロステップ駆
動回路に関する。
【０００２】
【従来技術】ステッピングモータは各巻線の電流通電状
態を外部より加える指令パルスの印加毎に切り替えるこ
とで回転するが，切り替え直後に機械的振動が発生し問
題となることが多い。この対策としてマイクロステップ
駆動方式と呼ばれる技術がある。 これは各通電相の電
流配分を徐々に変化させて回転を滑らかにしようとする
方式で，例えば相電流の変化を数段階から十数段階に取
りフルステップ駆動角度を細分化する場合が一般的であ
る。この場合，ステッピングモータ各巻線に対する印加
電圧は，例えば特許第２８５１５５７号に記載の如く図
７に示すように電圧制御用インバータの上下アームをＰ
ＷＭ方式により正弦波若しくは正弦波状の階段波形とす
ることでトルクリップルを低減し円滑な回転を得るよう
にしている。
態を外部より加える指令パルスの印加毎に切り替えるこ
とで回転するが，切り替え直後に機械的振動が発生し問
題となることが多い。この対策としてマイクロステップ
駆動方式と呼ばれる技術がある。 これは各通電相の電
流配分を徐々に変化させて回転を滑らかにしようとする
方式で，例えば相電流の変化を数段階から十数段階に取
りフルステップ駆動角度を細分化する場合が一般的であ
る。この場合，ステッピングモータ各巻線に対する印加
電圧は，例えば特許第２８５１５５７号に記載の如く図
７に示すように電圧制御用インバータの上下アームをＰ
ＷＭ方式により正弦波若しくは正弦波状の階段波形とす
ることでトルクリップルを低減し円滑な回転を得るよう
にしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしこの際，各相イ
ンバータは所定の電圧変化を実現するために常に２相乃
至３相の上下アームそれぞれがオン，オフ動作を行う必
要があり，スイッチング動作を行うアーム個数分だけス
イッチング損失が発生しており，装置効率向上の妨げと
なっている。以上のように，従来の三相ステッピングモ
ータのマイクロステップ駆動装置では制御回路の損失が
大きいという問題があり，本発明は，マイクロステップ
駆動の分解能を維持しつつ制御装置の効率を向上するこ
とを目的としている。
ンバータは所定の電圧変化を実現するために常に２相乃
至３相の上下アームそれぞれがオン，オフ動作を行う必
要があり，スイッチング動作を行うアーム個数分だけス
イッチング損失が発生しており，装置効率向上の妨げと
なっている。以上のように，従来の三相ステッピングモ
ータのマイクロステップ駆動装置では制御回路の損失が
大きいという問題があり，本発明は，マイクロステップ
駆動の分解能を維持しつつ制御装置の効率を向上するこ
とを目的としている。
【０００４】
【問題を解決するための手段】上記目的のため本発明で
は，インバータの各相出力電圧は常に１相分のみが変化
するようにモータ印加電圧の制御を行う。また，外部指
令パルスの印加毎に電圧ベクトルの回転角度が常に一定
になるよう１相のインバータ出力を制御する。特に制御
手段としてＰＷＭ方式を採用し，マイクロステップ分割
数をｎ，分割数ｎ段のうちｋ番目の回転角度をθｋ，電
圧を制御するためにインバータ対象相上アームのｋ番目
のＰＷＭ周期に対するオン時間の比即ちＰＷＭのデュー
ティー比をｄｋとした時， θｋ＝（π／３）・ｋ／ｎ ｄｋ＝ｓｉｎθｋ／ｓｉｎ（θｋ＋π／３） 但し、ｋは，０≦ｋ≦（ｎ−１）の整数 となるようにＰＷＭデューティー比を選択するように構
成する。尚，必然的に下アームのオン時間比率は１−ｄ
ｋとなる。但し，角度単位は弧度法によるものとする。
は，インバータの各相出力電圧は常に１相分のみが変化
するようにモータ印加電圧の制御を行う。また，外部指
令パルスの印加毎に電圧ベクトルの回転角度が常に一定
になるよう１相のインバータ出力を制御する。特に制御
手段としてＰＷＭ方式を採用し，マイクロステップ分割
数をｎ，分割数ｎ段のうちｋ番目の回転角度をθｋ，電
圧を制御するためにインバータ対象相上アームのｋ番目
のＰＷＭ周期に対するオン時間の比即ちＰＷＭのデュー
ティー比をｄｋとした時， θｋ＝（π／３）・ｋ／ｎ ｄｋ＝ｓｉｎθｋ／ｓｉｎ（θｋ＋π／３） 但し、ｋは，０≦ｋ≦（ｎ−１）の整数 となるようにＰＷＭデューティー比を選択するように構
成する。尚，必然的に下アームのオン時間比率は１−ｄ
ｋとなる。但し，角度単位は弧度法によるものとする。
【０００５】
【作用】本発明によれば，スイッチングによる損失は常
に１相分アームで発生することから，３相アームが同時
動作する正弦波駆動方式の約１／３に軽減できる。更
に，歩進動作を常に一定角度にすべくインバータのデュ
ーティー比を決定しているため回転精度を損ねることは
無い。
に１相分アームで発生することから，３相アームが同時
動作する正弦波駆動方式の約１／３に軽減できる。更
に，歩進動作を常に一定角度にすべくインバータのデュ
ーティー比を決定しているため回転精度を損ねることは
無い。
【０００６】
【実施例】図１に本発明の実施例を示す。１０は駆動用
電源，２０は平滑用コンデンサである。３０はインバー
タ部で，Ｕ相上下アーム３１及び３４，Ｖ相上下アーム
３２及び３５，Ｗ相上下ア−ム３３及び３６の６個のス
イッチング素子で構成されている。４０は駆動対象のス
テッピングモータで，インバータ３０により印加電圧を
変化させている。５０はベース駆動回路を含むインバー
タ制御部で，図には示していない上位コントローラから
端子６０に加えられる外部パルス列指令の入力毎に励磁
パターンを更新するとともにモータ印加電圧に比例する
ＰＷＭデューティー比を決定しインバータ５０を駆動す
る。
電源，２０は平滑用コンデンサである。３０はインバー
タ部で，Ｕ相上下アーム３１及び３４，Ｖ相上下アーム
３２及び３５，Ｗ相上下ア−ム３３及び３６の６個のス
イッチング素子で構成されている。４０は駆動対象のス
テッピングモータで，インバータ３０により印加電圧を
変化させている。５０はベース駆動回路を含むインバー
タ制御部で，図には示していない上位コントローラから
端子６０に加えられる外部パルス列指令の入力毎に励磁
パターンを更新するとともにモータ印加電圧に比例する
ＰＷＭデューティー比を決定しインバータ５０を駆動す
る。
【０００７】図２は本発明による制御装置の動作を分か
り易くするための例としてマイクロステップの分割数を
４分割としたマイクロステップ動作時の説明図で，各ス
テップ毎のインバータ出力電圧を示している。図２に於
いて，Ｐｃは端子６０に印加されるパルス列指令，Ｅｕ
はＵ相端子電圧の平均値，ＥvはＶ相端子電圧の平均
値，ＥｗはＷ相端子電圧の平均値である。外部パルス列
指令Ｐｃが入力される毎に各相印加電圧が変化すること
でモータが回転するが，本発明では，例えば図２にある
ａからｄの状態ではではＵ相上アームがオン，Ｖ相下ア
ームがオンの状態でＷ相のみを上下アームのオン時間比
率を変えてｂｃｄと端子電圧を階段状に変化させる。つ
まり常に１組のアームでのみ電圧が変化するようにして
いる。
り易くするための例としてマイクロステップの分割数を
４分割としたマイクロステップ動作時の説明図で，各ス
テップ毎のインバータ出力電圧を示している。図２に於
いて，Ｐｃは端子６０に印加されるパルス列指令，Ｅｕ
はＵ相端子電圧の平均値，ＥvはＶ相端子電圧の平均
値，ＥｗはＷ相端子電圧の平均値である。外部パルス列
指令Ｐｃが入力される毎に各相印加電圧が変化すること
でモータが回転するが，本発明では，例えば図２にある
ａからｄの状態ではではＵ相上アームがオン，Ｖ相下ア
ームがオンの状態でＷ相のみを上下アームのオン時間比
率を変えてｂｃｄと端子電圧を階段状に変化させる。つ
まり常に１組のアームでのみ電圧が変化するようにして
いる。
【０００８】ここで，インバータの動作をスイッチング
条件と出力電圧の関係で詳述する。表１は，インバータ
の上アームがオンの場合を１，下アームがオンの場合を
０として三相インバータスイッチング条件を示したもの
で，各スイッチング条件を表１上段の名称（番号）で電
圧ベクトルとして定義する。上下アームが同時オンの状
態はアーム短絡状態を意味することから無いものとす
る。また，上下アーム同時オフの条件は表１には示して
いない。
条件と出力電圧の関係で詳述する。表１は，インバータ
の上アームがオンの場合を１，下アームがオンの場合を
０として三相インバータスイッチング条件を示したもの
で，各スイッチング条件を表１上段の名称（番号）で電
圧ベクトルとして定義する。上下アームが同時オンの状
態はアーム短絡状態を意味することから無いものとす
る。また，上下アーム同時オフの条件は表１には示して
いない。
【表１】 周知の通り，表１に示す８種類のスイッチング条件の中
から表１下段に示す順序で電圧ベクトルを選択すること
によりモータは電気角２πの区間を回転する。回転方向
と電圧ベクトルの関係を図３に示す。尚，電圧ベクトル
Ｖ０，Ｖ７はモータ回転には直接寄与しないゼロ電圧を
発生する条件である。
から表１下段に示す順序で電圧ベクトルを選択すること
によりモータは電気角２πの区間を回転する。回転方向
と電圧ベクトルの関係を図３に示す。尚，電圧ベクトル
Ｖ０，Ｖ７はモータ回転には直接寄与しないゼロ電圧を
発生する条件である。
【０００９】例えば，素子の電圧損失を無視して図３に
おける電圧ベクトルＶ４を発生する条件を考えると，モ
ータ端子電圧はＵ相がＶｐ，Ｖ相及びＷ相が０に設定さ
れ図５に示すように電流が流れ，図２ではａの状態にあ
たる。また，電圧ベクトルＶ５を発生する条件を考える
と，モータ端子電圧はＵ相及びＷ相がＶｐ，Ｖ相が０に
設定され図６に示すように電流が流れ，図２ではｅの状
態にあたる。ここでモータ相数をＰとすると，電圧ベク
トルをＶ４からＶ５に切り替えることでモータは電気角
で（π／Ｐ）だけ回転する。図５に於いて，電源電圧を
Ｖｐとした時Ｕ相端子電圧はＶｐでありＶ相及びＷ相端
子電圧は０であるから，合成電圧は大きさがＵ相印加電
圧Ｖuの１．５倍で角度はＵ相電圧ベクトルの方向と一
致する。Ｖ相電圧を図５の状態から図６の状態に段階状
に変化させた場合，モータの中性点電圧Ｖｃは Ｖｃ＝Ｖｐ（１＋ｄｋ）／３ ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１） となる。Ｖｐは前述の電源電圧，ｄｋは電圧ベクトルＶ
４からＶ５へｎ段階に変化する際のＶ相アームの取る第
ｋ番目のＰＷＭデューティー比である。また，各相の印
加電圧は Ｖｕ＝Ｖｐ−Ｖｃ＝Ｖｐ（２−ｄｋ）／３ ・・・・・・・・・（２） Ｖｖ＝ｄｋ・Ｖｐ−Ｖｃ＝Ｖｐ（２ｄｋ−１）／３ ・・・・（３） Ｖｗ＝０−Ｖｃ＝−Ｖｐ（１＋ｄｋ）／３ ・・・・・・・（４） 合成ベクトルの大きさは数１となり、
おける電圧ベクトルＶ４を発生する条件を考えると，モ
ータ端子電圧はＵ相がＶｐ，Ｖ相及びＷ相が０に設定さ
れ図５に示すように電流が流れ，図２ではａの状態にあ
たる。また，電圧ベクトルＶ５を発生する条件を考える
と，モータ端子電圧はＵ相及びＷ相がＶｐ，Ｖ相が０に
設定され図６に示すように電流が流れ，図２ではｅの状
態にあたる。ここでモータ相数をＰとすると，電圧ベク
トルをＶ４からＶ５に切り替えることでモータは電気角
で（π／Ｐ）だけ回転する。図５に於いて，電源電圧を
Ｖｐとした時Ｕ相端子電圧はＶｐでありＶ相及びＷ相端
子電圧は０であるから，合成電圧は大きさがＵ相印加電
圧Ｖuの１．５倍で角度はＵ相電圧ベクトルの方向と一
致する。Ｖ相電圧を図５の状態から図６の状態に段階状
に変化させた場合，モータの中性点電圧Ｖｃは Ｖｃ＝Ｖｐ（１＋ｄｋ）／３ ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１） となる。Ｖｐは前述の電源電圧，ｄｋは電圧ベクトルＶ
４からＶ５へｎ段階に変化する際のＶ相アームの取る第
ｋ番目のＰＷＭデューティー比である。また，各相の印
加電圧は Ｖｕ＝Ｖｐ−Ｖｃ＝Ｖｐ（２−ｄｋ）／３ ・・・・・・・・・（２） Ｖｖ＝ｄｋ・Ｖｐ−Ｖｃ＝Ｖｐ（２ｄｋ−１）／３ ・・・・（３） Ｖｗ＝０−Ｖｃ＝−Ｖｐ（１＋ｄｋ）／３ ・・・・・・・（４） 合成ベクトルの大きさは数１となり、
【数１】 Ｕ相電圧ベクトルに対する合成ベクトルの角度をθｋと
すると，
すると，
【数２】
【００１０】よって，マイクロステップ動作のステップ
角度を均等にすべく， θｋ＝（π／３）・ｋ／ｎ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８） として決定し，この時のＰＷＭデューティー比を（７）
式で決定することで角度精度は維持できる。
角度を均等にすべく， θｋ＝（π／３）・ｋ／ｎ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８） として決定し，この時のＰＷＭデューティー比を（７）
式で決定することで角度精度は維持できる。
【００１１】図４はマイクロステップ動作を説明するた
めに分割数ｎを４として電圧ベクトルＶ４からＶ５に切
り替える操作を示したベクトル図である。図４に於い
て，電圧ベクトルＶ４及びＶ５の大きさはＶｐであり，
ｄｋ＝０の時電圧ベクトルはＶｗが同図の状態で電圧
ベクトルの合成値は’即ちＶ４となる。ｄｋ＝０．５
に於いてＷ相端子電圧が中性点電圧Ｖｃと一致し実質的
にはＷ相ア−ムはオフと等価な状態となって，電圧ベク
トルの大きさはＶｐの√（３）／２倍で位相角はＶ４に
対してπ／６だけＶ５方向に回転する。この時のＶｗは
，電圧ベクトルの合成値は’となる。また，ｄｋ＝
１ではＶｗが同図の状態で電圧ベクトルの合成値は
’即ち電圧ベクトルがＶ５となるが，この場合，Ｖ５
を初期値として新たにＶ５からＶ１への電圧ベクトルの
変化をＶ４からＶ５までの変化と同様に取り扱いｋの範
囲はを最大ｎ−１とする。
めに分割数ｎを４として電圧ベクトルＶ４からＶ５に切
り替える操作を示したベクトル図である。図４に於い
て，電圧ベクトルＶ４及びＶ５の大きさはＶｐであり，
ｄｋ＝０の時電圧ベクトルはＶｗが同図の状態で電圧
ベクトルの合成値は’即ちＶ４となる。ｄｋ＝０．５
に於いてＷ相端子電圧が中性点電圧Ｖｃと一致し実質的
にはＷ相ア−ムはオフと等価な状態となって，電圧ベク
トルの大きさはＶｐの√（３）／２倍で位相角はＶ４に
対してπ／６だけＶ５方向に回転する。この時のＶｗは
，電圧ベクトルの合成値は’となる。また，ｄｋ＝
１ではＶｗが同図の状態で電圧ベクトルの合成値は
’即ち電圧ベクトルがＶ５となるが，この場合，Ｖ５
を初期値として新たにＶ５からＶ１への電圧ベクトルの
変化をＶ４からＶ５までの変化と同様に取り扱いｋの範
囲はを最大ｎ−１とする。
【００１２】図４ではＷ相端子電圧が増加する方向の場
合を例に取ったが，例えば図２のｆからｊのように電圧
が減少する方向の場合ではＰＷＭデューティー比の変化
をｄｋ’＝（１−ｄｋ）として取り扱えばよい。
合を例に取ったが，例えば図２のｆからｊのように電圧
が減少する方向の場合ではＰＷＭデューティー比の変化
をｄｋ’＝（１−ｄｋ）として取り扱えばよい。
【００１３】今までの説明は図示を容易とするためにマ
イクロステップの分割数をｎ＝４として説明したが、実
際の制御装置においてはこの分割数をはるかに多くして
トルクリップルを減少させるようになっている。尚，こ
れまでの説明ではモータ電流の制御について特に規定し
ていないが，例えば，電源電流を検出し電源電圧を制御
する方式を併用することで本発明の特徴を維持しつつ電
流制御の目的は達成できる。
イクロステップの分割数をｎ＝４として説明したが、実
際の制御装置においてはこの分割数をはるかに多くして
トルクリップルを減少させるようになっている。尚，こ
れまでの説明ではモータ電流の制御について特に規定し
ていないが，例えば，電源電流を検出し電源電圧を制御
する方式を併用することで本発明の特徴を維持しつつ電
流制御の目的は達成できる。
【００１４】
【発明の効果】本発明に成るステッピングモータの制御
装置は上記のような構成であるから、スイッチングによ
る損失は常に１相分アームで発生するのみであるから，
３相アームが同時動作する正弦波駆動方式の約１／３に
軽減できる。更に，歩進動作を常に一定角度にすべくイ
ンバータのデューティー比を決定しているため回転精度
を損ねることは無く効率の高い制御装置を提供できる効
果がある。
装置は上記のような構成であるから、スイッチングによ
る損失は常に１相分アームで発生するのみであるから，
３相アームが同時動作する正弦波駆動方式の約１／３に
軽減できる。更に，歩進動作を常に一定角度にすべくイ
ンバータのデューティー比を決定しているため回転精度
を損ねることは無く効率の高い制御装置を提供できる効
果がある。
【図１】本発明の実施例である。
【図２】本発明のインバータ発生電圧の実施例である。
【図３】インバータ動作説明用の電圧ベクトル図であ
る。
る。
【図４】実施例のインバータ動作説明用の電圧ベクトル
図である。
図である。
【図５】電圧ベクトルＶ４の条件におけるモータ励磁条
件例説明図である。
件例説明図である。
【図６】電圧ベクトルＶ５の条件におけるモータ励磁条
件例説明図である。
件例説明図である。
【図７】従来技術によるインバータ電圧発生例を示す説
明図である。
明図である。
１０ 駆動用電源 ２０ 平滑コンデンサ ３０ インバータ部 ３１ Ｕ相上ア−ム ３２ Ｖ相上ア−ム ３３ Ｗ相上ア−ム ３４ Ｕ相下ア−ム ３５ Ｖ相下ア−ム ３６ Ｗ相下ア−ム ４０ ステッピングモータ ５０ インバータ制御回路 ６０ パルス列指令入力端子
Claims (3)
- 【請求項１】外部指令パルスの印加毎にモータが歩進回
転する三相ステッピングモータ駆動装置に於いて，モー
タの各相に階段状電圧を印加する為の電圧制御部を備え
た多相インバータによりステッピングモータを駆動し，
且つ，該インバータの各相出力電圧は常に１相分のみが
変化するようにモータ印加電圧を制御することを特徴と
するステッピングモータのマイクロステップ駆動用制御
装置。 - 【請求項２】外部指令パルスの印加毎に電圧ベクトルの
回転角度が常に一定になるよう１相のインバータ出力を
制御することを特徴とする１項記載のステッピングモー
タのマイクロステップ駆動用制御装置。 - 【請求項３】インバータ出力電圧をパルス幅変調（以下
ＰＷＭと記す）で階段状に変化させるステッピングモー
タ制御装置に於いて，マイクロステップ分割数をｎ，Ｐ
ＷＭのデューティー比をｄｋとした時， θｋ＝（π／３）・ｋ／ｎ ｄｋ＝ｓｉｎθｋ／ｓｉｎ（θｋ＋π／３） 但し、ｋは，０≦ｋ≦（ｎ−１）の整数 となるようにＰＷＭデューティー比を決定することを特
徴とする１項及び２項記載のステッピングモータのマイ
クロステップ駆動用制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000150833A JP2001333598A (ja) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | ステッピングモータの駆動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000150833A JP2001333598A (ja) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | ステッピングモータの駆動装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001333598A true JP2001333598A (ja) | 2001-11-30 |
Family
ID=18656474
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000150833A Pending JP2001333598A (ja) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | ステッピングモータの駆動装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001333598A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011041369A (ja) * | 2009-08-07 | 2011-02-24 | Mycom Inc | ステッピングモータ駆動装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61147798A (ja) * | 1984-12-17 | 1986-07-05 | Sony Corp | ステツピングモ−タの駆動回路 |
| JPH04308499A (ja) * | 1991-04-05 | 1992-10-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ３相ステッピングモータの駆動方法 |
-
2000
- 2000-05-23 JP JP2000150833A patent/JP2001333598A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61147798A (ja) * | 1984-12-17 | 1986-07-05 | Sony Corp | ステツピングモ−タの駆動回路 |
| JPH04308499A (ja) * | 1991-04-05 | 1992-10-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ３相ステッピングモータの駆動方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011041369A (ja) * | 2009-08-07 | 2011-02-24 | Mycom Inc | ステッピングモータ駆動装置 |
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