JP2002325494A - ステッピングモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステッピングモータの無駄なトルク出力を抑
えることができるようにする。 【構成】 入力パルス信号αに応じてステッピングモー
タＢの回転角及び速度を制御するためにステッピングモ
ータＢに供給すべきモータ電流βを生成する出力部４
と、出力部４に給電すべき直流電圧を生成する電源回路
部１と、電源回路部１から出力部４に供給される駆動電
流Ｉｄの大きさを検知する電流検知部３と、電流検知部
３の検知結果と基準値とを比較し、当該比較結果に基づ
いて駆動電流Ｉｄを定電流制御する定電流制御部２と、
ステッピングモータＢの速度−トルク特性を改善するべ
く、入力パルス信号αが示すモータ速度に応じた基準値
を生成する基準値生成部５とを備えた構成となってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はステッピングモータ
を駆動させるために必要な定電流制御方式のステッピン
グモータ駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のステッピングモータ駆動装置の
代表的な構成として図７に示すようなものがある。

【０００３】同図に示すステッピングモータ駆動装置Ａ
１は、入力パルス信号αに応じてステッピングモータＢ
の回転角及び速度を制御するためにステッピングモータ
Ｂに供給すべきモータ電流βを生成する装置であり、大
きく別けて、電源回路部１、定電流制御部２、電流検知
部３、出力部４及びリファレンス回路６から構成されて
いる。

【０００４】電源回路部１は商用交流から直流電圧に変
換する回路であって、直流電圧を定電流制御部２及び電
流検知部３を順次的に介して出力部４に給電するように
なっている。電流検知部３は電源回路部１から出力部４
に供給される駆動電流Ｉｄの大きさを検知する検知抵抗
であって、その両端に現れる電圧を検知信号ｄとして出
力するようになっている。リファレンス回路６は基準電
圧を基準信号ｒｅｆとして出力する基準電圧生成回路で
ある。

【０００５】定電流制御部２は駆動電流Ｉｄを定電流制
御する回路であって、駆動電流Ｉｄを調節するためのト
ランジスタ２１と、検知信号ｄと基準信号ｒｅｆとの偏
差と、一定振幅の三角波信号とを大小比較することによ
りＰＷＭ信号を生成してトランジスタ２１のベース側に
出力するＰＷＭ制御回路２３から構成されている。

【０００６】出力部４は、入力パルス信号αに応じてス
テッピングモータＢを駆動させるためのモータ電流βを
生成する回路であって、入力パルス信号αに基づいてス
テッピングモータＢで採用されている励磁パターンに合
致した各相励磁信号を出力する相分配用ＩＣ回路４１
と、各相励磁信号に基づいてステッピングモータＢの各
相コイルを励磁させるための各相電流（モータ電流β）
を生成する出力トランジスタ回路４２から構成されてい
る。

【０００７】

【発明が解消しようとする課題】しかしながら、上記従
来例による場合、ステッピングモータＢのトルク特性が
図８（ａ）に示すように中速度領域において膨れ上が
り、その領域において無駄なトルクが出力され、非効率
的であるという問題が指摘されている。例えば、中速度
領域のモータ速度ｆに対し必要なトルクがＴ１であると
しても、ステッピングモータＢの実際のトルク出力がＴ
１より大きいＴ２であるときには、（Ｔ２−Ｔ１）だけ
無駄なトルクを出力していることになる。このときに
は、ステッピングモータＢ及びステッピングモータ駆動
装置Ａ１の消費電流が大きく、モータの発熱も著しくな
る。

【０００８】もっとも、リファレンス回路６の基準電圧
を低く設定すると、図８（ｂ）に示すように中速度領域
のモータ速度ｆに対し実際のトルクがＴ１となるもの
の、ステッピングモータＢのトルクが全体的に小さくな
り、高速度領域では高速性が低下し、低速度領域ではト
ルク不足となる。

【０００９】本発明は上記した背景の下で創作されたも
のであって、その目的とするところは、ステッピングモ
ータの無駄なトルク出力を抑えることができるように改
良したステッピングモータ駆動装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のステッピングモ
ータ駆動装置は、入力パルス信号に応じてステッピング
モータの回転角及び速度を制御するためにステッピング
モータに供給すべきモータ電流を生成する出力部と、出
力部に給電すべき直流電圧を生成する電源回路部と、電
源回路部から出力部に供給される駆動電流の大きさを検
知する電流検知部と、電流検知部の検知結果と基準値と
を比較し、当該比較結果に基づいて駆動電流を定電流制
御する定電流制御部と、ステッピングモータの速度−ト
ルク特性を改善するべく、入力パルス信号又は速度検知
入力信号が示すモータ速度に応じた基準値を生成する基
準値生成部とを具備した構成にしている。

【００１１】このような構成による場合、入力パルス信
号等が示すモータ速度に応じて基準値が変化し、これに
伴って駆動電流、ひいてはステッピングモータのトルク
が変化する。よって、モータ速度に応じて基準値を適切
に変化させると、ステッピングモータの速度−トルク特
性が改善される。

【００１２】基準値生成部としては、ステッピングモー
タのモータ速度と、ステッピングモータが当該モータ速
度で駆動する場合に必要とされるトルクに対応した基準
値との関係を示すデータテーブルが予め用意されてお
り、入力パルス信号等が示すモータ速度に応じた基準値
をデータテーブルを参照して求めて生成する構成のもの
を用いると良い。

【００１３】定電流制御部としては、電流検知部から出
力された検知信号と基準値生成部から基準値として出力
された基準信号との偏差を示す信号と、一定振幅の三角
波信号とを大小比較することによりＰＷＭ信号を生成
し、当該ＰＷＭ信号に応じて駆動電流を調節する構成の
ものを用いると良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１はステッピングモータ駆動装
置のブロック図、図２は同装置の定電流制御部のＰＷＭ
制御回路の動作を説明するための各種信号の波形図、図
３は同装置の基準値生成部の動作を説明するための各種
信号のタイミングチャート、図４は同装置により駆動さ
れるステッピングモータの速度−トルク特性を示すグラ
フ、図５はステッピングモータ駆動装置の速度−消費電
流特性を示すグラフ、図６はステッピングモータの時間
−温度の特性を示すグラフである。

【００１５】ここに掲げるステッピングモータ駆動装置
Ａは、図外の制御回路等から導かれた入力パルス信号α
が入力されると、これに応じてステッピングモータＢを
駆動させるドライバであって、下記のような構成となっ
ている。

【００１６】ステッピングモータ駆動装置Ａは、入力パ
ルス信号αに応じてステッピングモータＢの回転角及び
速度を制御するためにステッピングモータＢに供給すべ
きモータ電流βを生成する出力部４と、出力部４に給電
すべき直流電圧を生成する電源回路部１と、電源回路部
１から出力部４に供給される駆動電流Ｉｄの大きさを検
知する電流検知部３と、電流検知部３の検知結果と基準
値とを比較し、当該比較結果に基づいて駆動電流Ｉｄを
定電流制御する定電流制御部２と、ステッピングモータ
Ｂの速度−トルク特性を改善するべく、入力パルス信号
αが示すモータ速度に応じた基準値を生成する基準値生
成部５とを備えた構成となっている。

【００１７】出力部４は、入力パルス信号αに応じてス
テッピングモータＢを駆動させるためのモータ電流βを
生成する回路であって、入力パルス信号αに基づいてス
テッピングモータＢで採用されている励磁パターンに合
致した各相励磁信号を出力する相分配用ＩＣ回路４１
と、各相励磁信号に基づいてステッピングモータＢの各
相コイルを励磁させるための各相電流（モータ電流β）
を生成する出力トランジスタ回路４２から構成されてい
る。

【００１８】電源回路部１は入力された商用交流から直
流電圧に変換する回路であって、直流電圧を定電流制御
部２及び電流検知部３を順次的に介して出力部４に給電
するようになっている。

【００１９】電流検知部３は定電流制御部２と出力部４
との間に設けられた検出抵抗であって、その両端に現れ
る電圧を検知信号ｄとして出力するようになっている。

【００２０】定電流制御部２は駆動電流Ｉｄを定電流制
御する回路であって、駆動電流Ｉｄを調節するためのト
ランジスタ２１と、図２に示すように検知信号ｄと基準
信号ｒｅｆとの偏差を示す信号と、一定振幅の三角波信
号ｔとを大小比較することによりＰＷＭ信号を生成して
トランジスタ２１のベース側に出力するＰＷＭ制御回路
２３から構成されている。ＰＷＭ制御回路２３は、具体
的には、一定振幅を有した三角波信号ｔを生成する発振
回路と、検知信号ｄと基準信号ｒｅｆとの偏差を求める
差分回路と、差分回路の出力信号と三角波信号ｔとを大
小比較するコンパレータとを有した構成となっている。

【００２１】基準値生成部５は、ここではステッピング
モータＢのモータ速度と、ステッピングモータＢが当該
モータ速度で駆動する場合に必要とされるトルクに対応
した基準値との関係を示すデータテーブルが予め用意さ
れており、入力パルス信号αが示すモータ速度に応じた
基準値をデータテーブルを参照して求めて生成する構成
となっている。具体的には、上記データテーブルが記録
されたメモリ５２と、基準クロックを入力パルス信号α
の一周期分だけ計数してモータ速度を求め、当該モータ
速度のデータを読み出しアドレスとしてメモリ５２に出
力するカウンタ５１と、メモリ５２から読み出されたデ
ジタルの基準値をアナログの基準信号ｒｅｆに変換する
Ｄ／Ａコンバータ５３とを有した構成となっている。

【００２２】メモリ５１上のデータテーブルは、不要な
トルクが発生しているモータ速度に対しステッピングモ
ータＢが必要なトルクが発生するような基準値を実験等
により予め求めたものである。必要なトルクは、駆動方
式だけでなく、ステッピングモータの種類によっても異
なる。ステッピングモータ駆動装置Ａは多種類のステッ
ピングモータを駆動することが可能であるので、モータ
の種類毎にデータテーブルを用意し、図外のモータ切替
用スイッチを新たに設けて、これらのデータテーブルを
切り換えることができるようにしている。

【００２３】なお、ステッピングモータ駆動装置Ａに
は、図外のフルステップ／ハーフステップ切換用スイッ
チが備えられており、同スイッチを通じてフルステップ
駆動／ハーフステップ駆動を交互に切り換えることがで
きるようになっている。フルステップ時とハーフステッ
プ時においては何れも同じデータテーブルを使用してい
るものの、ハーフステップ時には入力パルス信号αを１
／２に分周した信号の一周期を計測して、モータ速度を
求めるようにしている。

【００２４】入力パルス信号αの一周期の時間をカウン
タ５２により計数することによりモータ速度が検出する
ことが可能となるのは、入力パルス信号αの一周期の時
間がモータ速度指令を表しているからである。ステッピ
ングモータＢの速度−トルクを改善することが必要であ
るのは、ここではモータ速度が中速度領域以上（フルス
テップ時で数百Ｈｚ以上）であることから、０〜数百Ｈ
ｚの低速度領域についてはカウンタ５２がオーバフロー
するように、カウンタ５２の最大カウント数を設定して
いる。カウンタ５２がオーバフローしたときには、再び
計数が開始されない限り、その計数値０が維持されるよ
うになっている。

【００２５】カウンタ５２等の動作は図４に示す通りと
なっている。入力パルス信号αの立ち下がりエッジで、
カウンタ５２の計数が開始され、次に入力パルス信号α
が立ち下がると、カウンタ５２の計数が停止する。その
結果、入力パルス信号αの一周期の時間がカウンタ５２
により計数される。そして、カウンタ５２の計数結果を
読み出しアドレスとしてメモリ５１の出力する。その
後、入力パルス信号αの立ち下がりエッジで、カウンタ
５２の計数を再び開始する。以後は上記と同様の動作の
繰り返しとなる。

【００２６】即ち、カウンタ５２から読み出しアドレス
が出力される毎に、メモリ５１に記録された基準値がメ
モリ５１から読み出され、Ｄ／Ａコンバータ５３から基
準信号ｒｅｆが出力されるようになっている。ただ、モ
ータ速度が中速度領域以上であるときには、基準信号ｒ
ｅｆがモータ速度に応じて変化するものの、低速度領域
のモータ速度であるときには、メモリ５１から読み出さ
れる基準値が変化せず、基準信号ｒｅｆがモータ速度に
関係なく一定になるようになっている。

【００２７】以上のように構成されたステッピングモー
タ駆動装置Ａによる場合、入力パルス信号αが示すモー
タ速度に応じた基準値が求められ、モータ速度が中速度
領域であるときには、ステッピングモータＢのトルクを
抑える方向に基準信号ｒｅｆがモータ速度に応じて変化
するようになっている。その結果、図５に示すように従
来装置とは異なり中速度領域(300Hz〜8KHz) において膨
れ上がった部分がなくなり、ステッピングモータＢの速
度−トルク特性が改善されている。これは無駄なトルク
が発生していないことを示している。不必要なトルクの
みをカットしたことから自起動速度や高速度領域でのト
ルク低下を生じない。しかも図６に示すようにステッピ
ングモータ駆動装置Ａの消費電流特性も改善されてい
る。

【００２８】図７はステッピングモータ駆動装置Ａを用
いて３ＫＨｚの等速度で連続３０分間駆動させたときの
ステッピングモータＢの温度変化を示したグラフであ
る。等速駆動させて数分後に従来装置を用いた場合に比
べて発熱が２０パーセント以上低下しており、３０分後
には、従来装置においてはステッピングモータＢが８０
℃以上になっているの対して、ステッピングモータ駆動
装置Ａにおいては約６０℃になっており、ステッピング
モータＢの発熱が効果的に抑えられている。これは、ス
テッピングモータ駆動装置Ａ自体の発熱についても同様
である。

【００２９】このようにステッピングモータ駆動装置Ａ
の発熱が抑えられることから、高効率化を図ることがで
きる。しかも出力トランジスタ等に用いられる放熱板に
ついては小型で安価なもので良く、その周辺部品につい
ても高耐熱型のものを用いる必要がなくなる。それ故、
装置全体の小型軽量化及び低コスト化を図る上で大きな
意義がある。

【００３０】ここでは、ステッピングモータＢの負荷ト
ルクが中速度領域での速度に関係なく一定であるとした
が、低速度領域においても高いトルクが必要であるとき
には、メモリ５１上のデータテーブルを書き換えるだけ
で良く、この場合もステッピングモータの速度−トルク
特性を改善することが可能となる。特に、モータへ定格
電流を流した状態でのトルク範囲内であれば自由なトル
ク特性を実現することが可能となる。また、使用条件に
より定格以上の電流が流れてもかまわない場合には、定
格でのトルク以上の出力を生成することも可能である。

【００３１】なお、本発明に０るステッピングモータ駆
動装置は上記実施形態に限定されず、以下のように設計
変更してもかまわない。

【００３２】まず、基準値生成部については、ステッピ
ングモータの速度−トルク特性を改善するべく、入力パ
ルス信号又は速度検知入力信号が示すモータ速度に応じ
た基準値を生成する機能を有する限り、どのような構成
のものを用いても良い。例えば、モータ速度を検知する
に当たり、Ｆ／Ｖコンバータやエンコーダ( モータ速度
を実測する場合であって、その実測結果が速度検知入力
信号である) 等を用いたり、モータ速度に応じた基準値
を生成するに当たり、折れ線近似モデルのアナログ回路
等を用いてもかまわない。

【００３３】定電流制御部については、電流検知部の検
知結果と基準値とを比較し、当該比較結果に基づいて駆
動電流を定電流制御する機能を有する限り、どのような
構成のものを用いても良い。

【００３４】

【発明の効果】以上、本発明に係るステッピングモータ
駆動装置による場合、入力パルス信号等が示すモータ速
度に応じて基準値が変化し、これに伴って、駆動電流、
ひいてはステッピングモータのトルクが変化する構成と
なっているので、モータ速度に応じて基準値を適切に変
化させると、ステッピングモータの速度−トルク特性が
改善することができ、ステッピングモータの無駄なトル
ク出力を抑えることが可能となる。よって、ステッピン
グモータ駆動装置等の発熱が抑えられ、高効率化等のメ
リットを奏することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を説明するための図であっ
て、ステッピングモータ駆動装置のブロック図である。

【図２】同装置の定電流制御部のＰＷＭ制御回路の動作
を説明するための各種信号の波形図である。

【図３】同装置の基準値生成部の動作を説明するための
各種信号のタイミングチャートである。

【図４】同装置により駆動されるステッピングモータの
速度−トルク特性を示すグラフである。

【図５】同装置の速度−消費電流特性を示すグラフあ
る。

【図６】同ステッピングモータの時間−温度の特性を示
すグラフである。

【図７】本発明の従来技術を説明するための図であっ
て、ステッピングモータ駆動装置のブロック図である。

【図８】同装置により駆動されるステッピングモータの
速度−トルク特性及び速度−消費電流特性を示すグラフ
である。

【符号の説明】

Ａ ステッピングモータ駆動装置 １ 電源回路部 ２ 定電流制御部 ３ 電流検知部 ４ 出力部 ５ 基準値生成部 α 入力パルス信号 β モータ電流 Ｉｄ 駆動電流

フロントページの続き (72)発明者 易 建強 京都府京都市右京区嵯峨広沢南下馬野町12 番地 マイコム株式会社内 (72)発明者 黒田 勝也 京都府京都市右京区嵯峨広沢南下馬野町12 番地 マイコム株式会社内 (72)発明者 稲田 晃穂 京都府京都市右京区嵯峨広沢南下馬野町12 番地 マイコム株式会社内 Ｆターム(参考） 5H580 BB01 CA12 DD05 EE02 FA02 FA22 GG04 HH22 JJ07

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力パルス信号に応じてステッピングモ
   ータの回転角及び速度を制御するためにステッピングモ
   ータに供給すべきモータ電流を生成する出力部と、出力
   部に給電すべき直流電圧を生成する電源回路部と、電源
   回路部から出力部に供給される駆動電流の大きさを検知
   する電流検知部と、電流検知部の検知結果と基準値とを
   比較し、当該比較結果に基づいて駆動電流を定電流制御
   する定電流制御部と、ステッピングモータの速度−トル
   ク特性を改善するべく、入力パルス信号又は速度検知入
   力信号が示すモータ速度に応じた基準値を生成する基準
   値生成部とを具備したことを特徴とするステッピングモ
   ータ駆動装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のステッピングモータ駆動
   装置において、前記基準値生成部は、ステッピングモー
   タのモータ速度と、ステッピングモータが当該モータ速
   度で駆動する場合に必要とされるトルクに対応した基準
   値との関係を示すデータテーブルが予め用意されてお
   り、入力パルス信号又は速度検知入力信号が示すモータ
   速度に応じた基準値をデータテーブルを参照して求めて
   生成する構成となっていることを特徴とするステッピン
   グモータ駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のステッピングモー
   タ駆動装置において、前記定電流制御部は、電流検知部
   から出力された検知信号と基準値生成部から基準値とし
   て出力された基準信号との偏差を示す信号と、一定振幅
   の三角波信号とを大小比較することによりＰＷＭ信号を
   生成し、当該ＰＷＭ信号に応じて駆動電流を調節する構
   成となっていることを特徴とするステッピングモータ駆
   動装置。