JP2003033087A - モータ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電源電圧をモニタし電源電圧に応じてモータ
に流れる総合電流を変化させモータ内コイルに流れる電
流を一定に保つようにし電源電圧が変動もしくは変更さ
れても常にモータの発生するトルクを一定にすることを
可能するモータ駆動制御装置を提供する。 【構成】 モータに流れる電流を設定するモータ電流設
定手段と、モータを駆動するのに必要な電源の電圧を検
知する電圧検知手段と、電圧検知手段からの電圧情報に
従ってモータ電流設定手段によりモータに流れる電流を
変更する手段と、を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はモータ駆動制御装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年スイッチング技術の発展に伴い、５
相ステッピングモータを回路の簡単化などの利点のある
励磁と非励磁を交互に連続的に繰り返すチョッパー駆動
にてモータに流す電流を調整し駆動する駆動法が可能と
なってきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このチ
ョッパー駆動法で電源電圧が変化するとモータ内コイル
に流れる電流も変化し、その結果発生するトルクも変化
してしまい回転むらを生じるという問題があった。ま
た、様々な電源電圧に対応するためには同じトルクを発
生させるのに電圧に応じて電流の設定値を変更させなけ
ればならず使い勝手が悪い。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、電源電圧をモニタし電源電圧に応じて電流をモータ
に流れる総合電流を変化させモータ内コイルに流れる電
流を一定に保つようにし電源電圧が変動もしくは変更さ
れても常にモータの発生するトルクを一定にすることを
可能とした。

【０００５】

【実施例】本発明の実施例について説明する。図１は本
発明の実施例のブロック図であり、５は５相ステッピン
グモータ（以下モータ）、１はモータ５を駆動制御する
制御部であり、例えばマイクロコンピュータの構成とな
っており、２はモータ５を駆動するための駆動パルスを
発生するロジック部、３はロジック部2からの駆動パル
スの電圧を変換するプリドライバ部、４はプリドライバ
部３からの駆動パルスに基づいてモータ５の各給電点に
電流を供給し、モータ５を回転させるドライブ部、６は
モータ５に流れた電流を検知するための電流検知抵抗
（以下Ｒd）、７はRd６で得られた信号を平滑するため
のローパスフィルタ（以下LPF）、８はLPF７からのアナ
ログ信号をデジタル信号に変換するためのA／D変換器
（以下A／D）である。

【０００６】９はモータ５のステップ速度を決定する外
部からの歩進パルス（以下MCLK）を入力するためのMCLK
入力端子、１０はモータ５を回転／停止を指示する信号
（以下S／S）を入力するためのS／S入力端子、１１はモ
ータ５の回転方向を指示する信号（以下CW／CCW）を入
力するためのCW／CCW入力端子、１２はマイクロステッ
プの分割数を指示する信号（以下DIV）を入力するため
のDIV入力端子、１３はモータ５に流れる電流を指示す
る信号（以下CUR）を入力するためのCUR入力端子、１
４、１５は電源電圧Vmを分割する抵抗器、１６はR１とR
２により分割された信号のノイズを除去するためのコン
デンサ、１７はR１とR２で分割された信号をA／D変換し
制御部１に出力するAD変換機である。

【０００７】図２はロジック部２のブロック図であり、
２０１はCLK信号によりカウントアップされるカウン
タ、２０２、２０４はデータを記憶し記憶したデータを
出力するプリセットレジスタ、２０３、２０５は２つの
入力されたデータを比較する比較器、２０６はANDゲー
ト、２０７〜２１１は駆動パルスを生成するパルス生成
器である。

【０００８】図３はパルス生成器のブロック図であり、
３０１はデータを記憶し記憶したデータを出力するプリ
セットレジスタ、３０２は入力された２つのデータを比
較する比較器、３０３はデッドタイム付加回路、３０４
はインバータゲート、３０５はANDゲート、３０６はOR
ゲートである。

【０００９】図４はデッドタイム付加回路３０３のブロ
ック図であり、４０１は信号を一定時間遅らせるための
遅延回路、４０２はORゲート、４０３はANDゲートであ
る。

【００１０】図５はプリドライバ部３の回路図であり、
５０１〜５２０は抵抗器、５２１〜５３０はNPNトラン
ジスタであり、A＋〜E＋はトランジスタ５２１〜５２５
がオンの時Vm＊R２／（R１＋R２）、オフの時Vmの値に
変換され、A−〜E−はトランジスタ５２６〜５３０がオ
ンの時０、オフの時Vm＊R４／（R３＋R４）の値にドラ
イバ部４のFETのゲート電圧を確保するようにレベル変
換される。

【００１１】図６はドライブ部４の内部回路およびモー
タ５の内部構成およびその配線の図であり、６０１〜６
０５はPchFET素子、６０６〜６１０はNchFET素子、６１
１〜６１５は各相のコイルでそれぞれLa〜Leに対応して
いる。

【００１２】図７は図２におけるカウンタ２０２からの
カウント情報をもとに発生させられる駆動パルスおよび
それに基づくモータ５の１つの給電点の状態を表すタイ
ムチャートである。

【００１３】図８は駆動パルスによりマイクロステップ
が行われる様子をモータ５の各給電点の状態で表したタ
イムチャートである。

【００１４】図９は図８の給電点の状態によりモータ５
の各コイルに流れる電流を示した図である。

【００１５】次に動作について説明する。図１でS／S入
力端子９より入力され、スタート指示がされ、MCLK入力
端子９にMCLKが入力されると、CW／CCW、DIV、CURの条
件に従い、MCLKに同期してモータ駆動パルスを発生し、
モータ５を回転させる。制御部１では駆動パルスを発生
させるためにカウンタ等のクロックとなるCLK、駆動パ
ルスを発生／停止を指示するSTOP、パルス発生に必要な
データを送るためのDATAをロジック部２に送る。

【００１６】図２で制御部１からのCLKはカウンタ２０
１に入力されカウントアップされそのカウント情報をCO
UNTとして出力する。プリセットレジスタ２０２には制
御部１からカウントデータNがラッチされそのデータを
出力しており、比較器２０３にてプリセットレジスタ２
０２からのデータとCOUNTを比較し一致すれば一致信号
を出力しカウンタ２０１に入力され、カウンタ２０１で
はこの信号によりカウント値はリセットされ再び０から
カウントされる。図７のCOＵNTのようにCLKに基づきCOU
NTが０からNまでカウントアップしNになると再び０から
カウントアップするといった動作を繰り返す。CLKの周
期は常に一定であるため、０からNまでカウントアップ
する時間はNに従うことになる。この期間をTpwmとす
る。

【００１７】COUNTの情報をもとに各パルス生成器２０
７〜２１１ではモータ５を駆動するための駆動パルスが
生成される。ここでプリセットレジスタ２０２をREGPW
M、２０４をREGOPENとし、各パルス生成器２０７〜２１
１内のプリセットレジスタ３０１をそれぞれREGA、REG
B、REGC、REGD、REGEとする。パルス生成器２０７を例
にとり以下パルス発生の流れを説明する。

【００１８】図3で制御部1からのデータNaがREGA（プリ
セットレジスタ３０１）にラッチされており、前記した
COUNTと比較器３０２で比較され比較結果をデッドタイ
ム付加回路３０３に出力しドライブ４のPchFET、NchFET
を同時に貫通しないよう駆動し給電点の状態を決める２
つの信号を作り、FOPENの信号に従うANDゲート３０５、
ORゲート３０６を通り、Ａ＋、Ａ−として出力し、プリ
ドライバ部３によりレベル変換されドライブ部４により
給電点の状態を決定することになる。

【００１９】図４のデッドタイム付加回路３０３では１
つの信号を一定期間遅延する遅延回路４０１と遅延しな
い信号のAND、OR（４０２、４０３）をとり、それぞれP
ch、Nch用FET駆動パルスとして出力され、SW特性による
PchFET、NchFETの貫通を防ぐ構成となっている。ここで
はこのデッドタイムは本発明とは直接的には関係はなく
またほかのパルス周期に比べ十分に小さいものであるた
め、以下デッドタイムは無視して説明する。

【００２０】FOPENがローレベルである時、REGAの値（N
a）とCOUNTとの比較によりＡ＋、Ａ−は図７(上段)のよ
うにCOUNTがNaまではローレベルでNaを超えるとハイレ
ベルになり、これをTpwmの周期で繰り返し駆動パルスを
生成する。この時の給電点の状態は図７(中段)のように
なり、COUNTがNaまでは電流を引き込む状態の期間（プ
ル状態期間Tpull）とNaを超えると電源より電流を流し
込む状態の期間（プッシュ状態期間Tpush）とを繰り返
す状態となる。

【００２１】FOPENは給電点の状態をオープン状態にす
るもので、図２のプリセットレジスタ２０４（REGOPE
N）にデータNopenがラッチされているとそのデータとCO
UNTを比較して、図７（上段）のようにCOUNTがNopenま
ではローレベルでNopenを超えるとハイレベルを出力す
る。その信号はSTOPとANDゲート２０６によりANDされ、
各パルス生成器にFOPENとして送られる。STOPはモータ
５が回転時にはローレベルとなる。FOPENがハイレベル
のときは図７（下段）のようにハイレベル期間のみ全給
電点は全てオープン状態になる。またSTOPをハイレベル
にするとFOPENはハイレベルとなり全給電点をオープン
状態にしモータ５に電流は流れなくなるため、モータ５
は停止する。

【００２２】次に動作について説明する。本発明によれ
ば、モータ５に流す駆動電流はPWMによりなされ、その
周期中でモータ５の各相コイルに流す電流の割合を決め
る期間（マイクロステップ期間）と各相に分配された電
流をホールドするショート期間とに分けられモータ５を
駆動する。PWM期間をTpwm、マイクロステップ期間をTm
s、ショート期間をTshtとする。図８の給電点Ａ、
Ｂ、ＣのPWMの１周期をみるとマイクロステップ期間Tms
では給電点Ａはプッシュ状態（＋）、給電点Ｄはプル状
態（−）となっており、給電点Ｂ、Ｃが−、−の期間は
給電点ＡからＢへコイルLaを通って電流は流れ、＋、−
の期間は給電点ＢからＣへコイルLbを通って電流は流
れ、＋、＋の期間は給電点ＣからＤへコイルLcを通って
電流は流れ、各給電点が両隣の給電点と同じ状態である
ときは各コイルの両端はFET素子によりVm側にオンされ
ショートされた状態となり、コイルに流れる電流はホー
ルドされる。

【００２３】このように給電点Ｂ、Ｃのプル／プッシュ
期間によりコイルLa、Lb、Lcに流れる電流量の割合が決
まり、同様にLd、Leに流れる電流量は給電点Ｄのプル／
プッシュの割合で決まる。さらにショート期間Tshtでは
全給電点に対して全てプッシュ側で即ちVm側にFET素子
によりオンされた状態であるため、各コイルの両端はシ
ョートされたことになりこの期間各コイルに流れる電流
はホールドされる。従ってマイクロステップ期間Tmsで
は各コイルに流れる電流量を決定し、ショート期間Tsht
によりモータ全体に流れる電流を決定することになる。

【００２４】次に４分割のマイクロステップ動作を例に
とりマイクロステップについて説明する。MCLKの立上り
で、図８の〜のように各給電点の状態を変化させた
とき各コイルに流れる電流の変化は図９の〜のよう
になる。ここでショート期間を一定としたとき、各コイ
ルに流れる電流が最大値のときは給電点の状態の両隣の
状態が片方が＋、もう片方が−になっておりマイクロス
テップ期間のプル／プッシュの割合が１：１となってい
る時であり、その時の電流の最大値をＩ０とする。、
は４相励磁状態であり、各コイルの状態を〜に直
接変えると、フルステップ駆動で１ステップ回転するこ
とになる。マイクロステップはこのフルステップ駆動で
の１ステップ各コイルに流す電流の割合を細かく制御す
ることでさらに分割するもので図８〜のように各給
電点の状態を変化させると図９〜のように各コイル
に流れる電流は変化し、モータ５はの位置から１ステ
ップを４分割した角度をMCLKの立上りごとに回転し４つ
進んだところで次の４相励磁相に移動することができ
る。

【００２５】このようにしてモータ５がMCLKごとに回転
させるように各給電点の状態を変化させることで所望の
分割数でMCLKに同期してモータ５を回転させることがで
きる。

【００２６】次にマイクロステップの制御について説明
する。図10はモータ５を制御するメイン制御フローチャ
ートである。制御部１ではＳ／Ｓ信号によりモータステ
ートの支持を受けると（１００１）、各給電点をモータ
駆動状態などモータ駆動に必要な設定を行い（１００
２）、マイクロステップ割り込みを許可して（１００
３）、電流制御タイマ割り込みを許可し（１００４）、
Ｓ／Ｓよりモータストップの指示があるまで（１００
５）モータ５を駆動状態にし、停止指示を受けると、各
給電点を停止状態にして各割り込みを禁止するなどの停
止処理を行い（１００６）、モータスタート待機状態と
なる。

【００２７】図11はマイクロステップ割り込みのフロー
チャートで、MCLKの立上りで即座に割り込みがかるよう
になっている。割り込みがかると各パルス生成器２０７
〜２１１内の各レジスタREGA〜REGEにBUFA〜BUFEのデー
タをセットして（１１０１）駆動パルスを生成する。こ
の時プリセットレジスタ２０４にはTpwmより大きい期間
を設定するようなデータがラッチされておりFOPENはロ
ーレベルの状態となりオープン期間は生成されないよう
になっている。次にMCLKの周期を検出する（１１０
２）。

【００２８】CW／CCWによる回転方向の指示をチェック
し（１１０３）CW方向であればＭをインクリメントし
（１１０４）ＭがDIVより指示された分割数を超えると
（１１０５）Ｍは０にリセットされ（１００６）Ｎをイ
ンクリメントし（１１０７）Ｎが１０を超えると（１１
０８）Ｎは０にセット（１１０９）される。CCW方向の
時にはＭはデクリメントされ（１１１０）マイナスにな
ると（１１１１）Ｍに分割数−１をセットして（１１１
２）Ｎをデクリメントして（１１１３）Ｎがマイナスで
あれば（１１１４）Ｎに９をセット（１１１５）する。
次にＰにＮをセットして（１１１６）サブルーチンDATS
ETを呼び出して次のMCLKの立上がり時の励磁パターンを
セットするためのデータを演算してDATAとして返しそれ
ぞれの演算結果をREGA、REGB、REGC、REGD、REGEにセッ
トして割り込みから抜ける（１１１７〜１１２６）。

【００２９】表１はフルステップで１０ステップ分（電
気角３６０°）のマイクロステップ期間中の各給電点の
状態を示す。表１で＋はプル状態、−はプッシュ状態で
５０％はプッシュ期間：プル期間の比が1：1のときを表
す。表のようにMCLKに従ってＮを０から９に向かって励
磁パターンを変化させていくと、モータ５はフルステッ
プ駆動となりCW方向に回転する。この時給電点のＡの状
態をＦ（Ｎ）とし、Ｎをステップ番号とすると、 給電点 Ａ： Ｆ（Ｎ） Ｂ： Ｆ（Ｎ−８） Ｃ： Ｆ（Ｎ−６） Ｄ： Ｆ（Ｎ−４） Ｅ： Ｆ（Ｎ−５） となる。

【００３０】また給電点Ａでマイクロステップのための
プッシュ期間／プル期間の割合を変更する区間はＮが２
〜３、３〜４、７〜８、９〜０に移行する区間で、CW方
向に回転するものとするとステップ間の分割した位置を
Ｍ（Ｍ＝０、１、・・・、分割数−１）とし、マイクロ
ステップ期間Tmsを設定するプリセットレジスタ２０２
のデータをTMSとして、各Ｎの値での給電点状態を表す
と、 Ｎ＝０、１のとき −（プル状態） Ｎ＝２のとき （１／２）＊（TMS／分割数）＊Ｍ Ｎ＝３のとき （１／２）＊TMS Ｎ＝４のとき （１／２）＊TMS＋（１／２）＊（TMS／分割数）＊Ｍ Ｎ＝５、６のとき ＋（プッシュ状態） Ｎ＝７のとき （TMS−（１／２）＊（TMS／分割数）＊Ｍ Ｎ＝８のとき （１／２）＊TMS Ｎ＝９のとき （１／２）＊TMS−（１／２）＊（TMS／分割数）＊Ｍ となり、マイクロステップ時の給電点Ａの駆動パルス生
成が行われる。

【００３１】これをもとにして各給電点に対しての駆動
パルスの演算ルーチンがDATSETであり、そのフローチャ
ートを示したのが図12である。図12で演算した各給電点
の状態データBUFA〜BUFEをMCLKの立上がり時にREGA〜RE
GEにデータをセットする工程を繰り返し行うことで分割
数に従った励磁パターンをMCLKごとに切換えモータ５を
駆動しマイクロステップが可能となる。

【００３２】次に電流制御について説明する。図13はモ
ータ５を一定速度で駆動している条件で電源電圧Vmを変
化させた時に任意の１つのコイルに流れる電流量を一定
となるようPWM期間Tpwmを調整した時の電源電圧VmとPWM
周期Tpwmの関係をグラフに表したものである。図のよう
に電流ILが一定であればVmとTpwmは比例関係にある。逆
に言うと電源電圧Vmが変化したとき電流ILを一定にする
ためにはVmに対してTpwmを比例するよう変化させればよ
いことになる。

【００３３】図14は電流制御タイマ割り込みのフローチ
ャートである。モータ５がタイマ割り込みは一定期間お
きに割り込みがかかる。割り込みがかかると TPWM←K1＊CUR＊VDET （1） となるようTpwmは演算される（１４０１）。ここでTpwm
を決めるプリセットレジスタ２０２のセットデータをTP
WM、K1は任意の係数、CURは制御部１に指示された電流
指示データ、VDETは電源電圧Vmを分割しＡ／Ｄ変換した
データを制御部１で読取ったものである。このようにす
ることで電源電圧に比例したTpwmが得られ、CUR、速
度、K1が一定であれば、コイルに流れる電流値ILを一定
に保つことができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
源電圧をモニタし電源電圧に応じてモータに流れる総合
電流を変化させモータ内コイルに流れる電流を一定に保
つようにし電源電圧が変動もしくは変更されても常にモ
ータの発生するトルクを一定にすることを可能とした。

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はモータ駆動装置全体のブロック図であ
る。

【図２】図２はロジック部のブロック図である。

【図３】図３はパルス生成器のブロック図である。

【図４】図４はデッドタイム付加回路のブロック図であ
る。

【図５】図５はプリドライバの回路図である。

【図６】図６はドライブ部４の内部回路図およびモータ
５の内部構成およびその配線図である。

【図７】図７は駆動パルスと給電点状態を表すタイムチ
ャート図である。

【図８】図８はマイクロステップを給電点状態で表した
タイムチャート図である。

【図９】図９はモータ５の各コイルに流れる電流を表し
た図である。

【図１０】図10は制御部のメイン制御のフローチャート
である。

【図１１】図11はマイクロステップ割り込みのフローチ
ャートである。

【図１２】図12は駆動パルス演算のフローチャートであ
る。

【図１３】図13は電源電圧−モータコイル電流特性図で
ある。

【図１４】図14は電流制御タイマ割り込みのフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１ 制御部 ２ ロジック部 ３ プリドライバ部 ４ ドライブ部 ５ ５相ステッピングモータ ６ 電流検知抵抗器 ７ LPF 14、15 電流電圧検知用抵抗器 8、17Ａ／Ｄ変換器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータに流れる電流を設定するモータ電
   流設定手段と、モータを駆動するのに必要な電源の電圧
   を検知する電圧検知手段と、該電圧検知手段からの電圧
   情報に従って前記モータ電流設定手段によりモータに流
   れる電流を変更する手段と、を持つことを特徴とするモ
   ータ駆動制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のモータ駆動制御装置にお
   いて、前記電圧検知手段の前記電圧情報に反比例して電
   流を変更することを特徴とするモータ駆動制御装置。
3. 【請求項３】 モータコイルに電源から電流を供給する
   励磁手段と、モータコイルに電源から電流を供給しない
   非励磁手段と、前記励磁手段を任意の期間設定する励磁
   期間設定手段と、前記非励磁手段を別の任意の期間設定
   する非励磁期間設定手段と、前記励磁期間設定手段と前
   記非励磁期間設定手段とを交互に繰り返してなるＰＷＭ
   手段と、前記励磁手段もしくは前記非励磁手段の励磁パ
   ターンを変化させることでモータを駆動するモータ駆動
   制御装置において、 電源電圧を計測する電源電圧検知手段と、該電源電圧検
   知手段により検知された電圧情報に従って前記励磁期間
   と前記非励磁期間の割合を変更する変更手段と、を有す
   ることを特徴とするモータ駆動制御装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載のモータ駆動制御装置にお
   いて、前記励磁期間設定手段により励磁期間を一定にし
   たとき、前記電源電圧検知手段からの電圧情報に従って
   前記励磁期間と前記非励磁期間とを足したＰＷＭ期間を
   変更させるＰＷＭ期間変更手段をさらに有することを特
   徴とするモータ駆動制御装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載のモータ駆動制御装置にお
   いて、前記電源電圧検知手段からの電圧情報に比例して
   前記ＰＷＭ期間を変更させる手段をさらに有することを
   特徴とするモータ駆動制御装置。
6. 【請求項６】 請求項３記載のモータ駆動制御装置にお
   いて、前記励磁期間と前記非励磁期間とを足したＰＷＭ
   期間を一定にしたとき、前記電源電圧検知手段からの電
   圧情報に従ってその励磁期間設定手段により励磁期間を
   変更させる手段をさらに有することを特徴とするモータ
   駆動制御装置。
7. 【請求項７】 請求項４記載のモータ駆動制御装置にお
   いて、前記電源電圧検知手段からの電圧情報に反比例し
   てその励磁期間を変更する手段をさらに有することを特
   徴とするモータ駆動制御装置。