JP2002281789A - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 従来のステッピングモータのマイクロステッ
プ駆動装置では高速回転に於いて振動低減効果が低減し
問題となっていた。ステッピングモータのＰＷＭ方式マ
イクロステップ駆動ドライバに於いて，高速回転時の振
動異音を低減する。 【解決手段】 ステッピングモータのＰＷＭ方式マイク
ロステップ駆動ドライバに於いて，全回転数領域の中で
外部指令パルスの周波数をｆｃｏｍ，マイクロステップ
分割数をａ，モータ相数をｍ，モータ磁極対数をＰとし
たとき下記（１）式によるモータ基本周波数ｆｃに対し
てｋ倍（ｋは自然数）となるＰＷＭキャリア周波数ｆｐ
ｗｍで電圧を制御する回転数領域を持つように構成す
る。又，２相ステッピングモータにおいては，第１の相
と第２の相に印加する電圧信号をそれぞれ位相差９０度
のＰＷＭキャリアを用いてＰＷＭ制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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，装置の高機能化に伴いモ
ータは低振動で広範囲に亘り回転できることが重要にな
ってきている。低速回転に於いてはモータ構造で決まる
固有角度（フルステップ角）に対して巻線通電電流を図
６に示す如く滑らかに変化させるマクロステップ駆動が
振動低減策として一般的である。この機能を実現するた
めにトランジスタなどの電力スイッチング素子を用い通
電電流のオンオフ比率を変えて電圧を制御するパルス幅
変調方式（ＰＷＭ）のインバータが用いられている。

【０００３】これに対して，ステッピングモータは磁極
数が多く，他の制御用モータに比べてモータ基本周波数
が高いという特徴がある。例えば，フルステップ角１．
８度の２相ハイブリッド形ステッピングモータではモー
タ極数は５０極対（１００極）であり，３０００ｒ／ｍ
ｉｎではモータ基本周波数が２．５ｋＨｚとなる。従っ
てステッピングモータを駆動する際は，上記モータ基本
周波数をモータ印加電圧とし，該モータ基本波周波数に
対してインバータのＰＷＭキャリア周波数を一定値とし
たとき，両者の周波数が接近するにつれて振幅精度が低
下し印加電圧の波形歪みが問題となる。モータの振動低
減手段としてマイクロステップ駆動技術が普及している
が，以上の理由から振幅方向の分解能が速度の上昇とと
もに低下し，高速回転時には振動低減効果は期待できな
いばかりか干渉による低周波の電圧歪みが振動や不規則
な騒音の原因となっていた。

【０００４】［発明が解決しようとする課題］以上のよ
うに，従来のステッピングモータのマイクロステップ駆
動装置では高速回転に於いて振動低減効果が低減し問題
となっていた。本発明は，ステッピングモータのＰＷＭ
方式マイクロステップ駆動ドライバに於いて，高速回転
時の振動異音を低減することを目的としている。

【０００５】［問題を解決するための手段］上記目的の
ため本発明では，ステッピングモータのＰＷＭ方式マイ
クロステップ駆動ドライバに於いて，全回転数領域の中
で外部指令パルスの周波数をｆｃｏｍ，マイクロステッ
プ分割数をａ，モータ相数をｍ，モータ磁極対数をＰと
したとき（１）式によるモータ基本周波数ｆｃに対して
ｋ倍（ｋは自然数）となるＰＷＭキャリア周波数ｆｐｗ
ｍで電圧を制御する回転数領域を持つように構成する。

【０００６】又，２相ステッピングモータにおいては，
第１の相と第２の相に印加する電圧信号をそれぞれ位相
差９０度のＰＷＭキャリアを用いてＰＷＭ制御する。

【０００７】

【作用】ＰＷＭキャリアと被変調波である印加電圧基本
波成分とを一定比率に保つことで，インバータ出力信号
に，基本周波数に対して低周波の変動成分を低減でき，
振動や異音の原因を低減できる。更に，基本周波数に対
して奇数倍のＰＷＭキャリア周波数とすることでインバ
ータ出力の正負対称性が向上する。このとき，単一キャ
リアでは，２相ステッピングモータに於いて，第１の相
（Ａ相）と第２の相（Ｂ相）とで，キャリアと基本周波
数の間の変調タイミングが異なるため，Ａ相変調用に基
本周波数に対して奇数倍の周波数である第１のキャリア
と，Ｂ相変調用に第１のキャリアに対して９０度位相の
第２のキャリアを用いることで両相間の対称性を高める
ことができる。つまり本発明によれば，高速回転時のＰ
ＷＭキャリア周波数とモータ基本周波数を整数比にとる
ため，変調後のモータ印加電圧にうなり周波数による波
形歪みを従来方式である固定周波数方式よりも小さくで
きる。

【０００８】

【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，Ａ相制御用ブリッジが３０Ａ，Ｂ相制御用ブリ
ッジが３０Ｂであり，さらに各ブリッジは上アーム３１
及び３３，下アーム３２及び３４の８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。

【０００９】図２は本発明の実施例の動作説明図で，指
令周波数により決定される回転指令とＰＷＭ周波数の関
係を示した図である。同図において，ＰＷＭキャリア周
波数の決定に当たっては可聴周波数外の高周波領域を選
択することが好ましいが，スイッチング素子の特性など
で制限があり，実施例では１５ｋＨｚから２５ｋＨｚの
範囲で切り替えるように選択している。また，周波数比
は６倍と１０倍で可変し，低速及び高速回転時で，６倍
及び１０倍の比率が維持できない場合には一定のＰＷＭ
キャリア周波数としている。このように切り替え条件を
決定することで，約１８００ｒ／ｍｉｎ以上の高速回転
領域に於いてモータ基本周波数とＰＷＭキャリア周波数
の間に同期関係が成り立ち伊豆で機，振動の要因となる
印加電圧の低周波成分を低減できる。図３は図２の動作
を実現するための処理を示すフローチャートである。
又，図４は，ＡＢ相の変調条件を均等にするため，電気
角９０度（π／２）だけずらした２種類のＰＷＭキャリ
アをそれぞれＡ相及びＢ相の変調に使用する際の基本電
圧波形との関係を示したものであり，Ａ相とＢ相がキャ
リアに対して同一の関係にあることを示している。図５
は従来技術である固定周波数ＰＷＭ方式の説明図で，キ
ャリア周波数と回転数の関係を示した図である。

【００１０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である。

【図２】本発明によるＰＷＭキャリアと回転数の関係を
示す説明図である。

【図３】本発明の処理内容説明フローチャートである。

【図４】本発明のキャリアと印加電圧の関係図である。

【図５】従来技術によるＰＷＭキャリアと回転数の関係
を示す説明図である。

【図６】マイクロステップ駆動におけるインバータ電圧
発生例説明図である。

【符号の説明】

１０ 駆動用電源 ２０ 平滑コンデンサ ３０ インバータ部 ３０Ａ Ａ相ブリッジ部 ３０Ｂ Ｂ相ブリッジ部 ３１ 上ア−ム ３２ 下ア−ム ３３ 上ア−ム ３４ 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 ＥＡ 第1相印加電圧 ＥＢ 第２相印加電圧 ｆｐｗｍ１ 第１のＰＷＭキャリア ｆｐｗｍ２ 第２のＰＷＭキャリア

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外部指令パルスの印加毎にモータが歩進回
   転するステッピングモータ駆動装置であり，モータの各
   相巻線に階段状の電圧を印加する為の電圧制御部を備え
   た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を正弦波もしくは正弦
   波状の階段波形をパルス幅変調（以下ＰＷＭと記す）を
   用いて発生し，回転角度を微細化するマイクロステップ
   駆動を行うことを目的とした駆動回路に於いて，全回転
   数領域の中で外部指令パルスの周波数をｆｃｏｍ，マイ
   クロステップ分割数をａ，モータ相数をｍとしたとき なる周波数ｆｃ（以下モータ基本周波数と呼ぶ）に対し
   てｋ倍（ｋは自然数）となるように，モータ基本周波数
   に比例したＰＷＭキャリア周波数ｆｐｗｍで変調し電圧
   を制御する回転数領域を持つように構成したことを特徴
   とするステッピングモータの駆動装置。
2. 【請求項２】モータ基本周波数に対して２ｋ−１倍（ｋ
   は自然数）の関係にある第1のＰＷＭキャリアによって
   第1の相に印加する電圧をＰＷＭ方式により制御し，該
   ＰＷＭキャリアに対して同一周波数で電気角９０度の位
   相差を持つ第２のＰＷＭキャリアによって第２の相に印
   加する電圧をＰＷＭ方式により制御する回転数領域を持
   つように構成したことを特徴とする２相ステッピングモ
   ータの駆動装置。