JP2004266974A - Micro step method for stepping motor and stepping motor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel micro step method using a conventionally used circuit, and a stepping motor driven by this micro step method. <P>SOLUTION: All the three phases U to W are constantly kept in excited state at least when the stepping motor is driven. The rate of output of the excitation pattern in a basic step and the excitation pattern in the next basic step is varied by gradually increasing or decreasing it on a step-by-step basis. The portions between the basic steps are segmented. The PWM frequency from a constant-current control circuit 2 and the excitation pattern outputted from an excitation pattern generation circuit 1 are synchronized with each other. The number of times of the output of excitation pattern from the excitation pattern generation circuit 1 is controlled to carry out micro step driving. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は放射状結線のN相ステッピングモータにおけるマイクロステップ駆動(多分割駆動)を、ステッピングモータの駆動時に常時N相を全て励磁状態となして行うマイクロステップ方法及び同マイクロステップ方法で駆動されるステッピングモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
ステッピングモータは、複数の相(巻線)を備えており、基本ステップに対応した励磁パターンで各相を励磁することで、基本ステップに対応した合成トルクベクトルが得られる。励磁パターンを他の基本ステップの励磁パターンに変更することで、合成トルクベクトルを新たな基本ステップに対応した位置に進行させることができ、これによってステッピングモータを所定の回転角度だけ回転させることができるようになっている。
【0003】
また、ステッピングモータは、基本的には次のパルスが入力されてステップが歩進されるまで繰り返し出力される基本ステップの励磁パターンにより所定の角度位置に駆動制御される。次のパルスが入力されてステップが一つ歩進する毎に新たな基本ステップの励磁パターンによる角度位置にステップ駆動される。この駆動が、フルステップ駆動と呼ばれている。
【0004】
図1、2を用いて以下に放射状結線した3相ステッピングモータのステップ駆動について簡単に説明する。図1には、放射状結線した3相ステッピングモータのコイル巻線と励磁電流の向き及びトルクベクトルを示すモータ結線図を示しており、図2としては、図1におけるトルクベクトル図を示している。図1において、各相の矢印は電流の向きを表しており、トルクベクトル図上のU、V、W、u、v、wに対応して示してある。
【0005】
今、U相の終端を正極に接続し、V相及びW相の終端を負極に接続すると、U相では実線の矢印で示す電流が流れトルクベクトルUが発生し、V相では点線の矢印で示す電流が流れトルクベクトルvが発生し、W相でも同じく点線の矢印で示す電流が流れトルクベクトルwが発生する。各相で発生したトルクベクトルU、v、wを図2のトルクベクトル図上で表すと、発生したトルクベクトルU、v、wの合成トルクベクトルは図2のU方向のベクトルとなる。
【0006】
このとき各相に流した電流の向きにより各相に発生するトルクベクトルをvUw等の形で表現したものを励磁パターンと呼んでいる。合成トルクベクトルがステップ毎に、例えばU→w→V→u→W→v→Uのように隣り合う基本ステップ毎にステップ駆動することをフルステップ駆動と呼び、ステップ毎に基本ステップの半分の中間角毎、上記例では、ステップ毎にUの次にUとwとの中間角位置となり、その次のステップでwの位置となるように基本ステップの半分の角度ステップ駆動することをハーフステップ駆動と呼んでいる。またステップ毎に基本ステップ間を多分割に分割駆動するものをマイクロステップ駆動(多分割駆動)と呼ばれており、本願発明は、基本ステップ間をステップ毎に多分割に分割駆動するマイクロステップ駆動に関するものである。
【0007】
ハーフステップ駆動以上の多分割駆動によるマイクロステップ駆動についても従来から各種提案があり、各相電流検出回路、パルス幅変調パターン発生回路、電圧指示パターン発生回路、PWMパルス発生回路、電流指令回路、出力段スイッチングデューティ補正回路等を、従来回路に追加することでマイクロステップ駆動が行われている。
【0008】
一般に3相や5相ステッピングモータにおけるマイクロステップ駆動としては、各相に流れる電流を個々に検出し、各相の電流を制御する方法が従来から行われていた(例えば、特許文献1参照。)。また、ステップ毎に前の励磁パターンから次の励磁パターンへ切り替える時に、5相のうち或る励磁相の励磁電流をステップ毎に出力デューティ制御して漸増あるいは漸減させることで、励磁相の出力ベクトルを制御してマイクロステップ駆動するもの(例えば、特許文献2参照。)や、同じく5相ステッピングモータにおいて、励磁パターンの組合せとして1相を逆励磁させることによりマイクロステップ駆動するもの(例えば、特許文献3参照。)が提案されている。
【0009】
特許文献1の特に従来例として記載されたもののように、従来から行われているものでは各相に流れる電流を個々に検出し、各相の電流を制御する方法が行われている。この方法では、電流検出回路と制御回路が相の数だけ必要となり、回路が複雑になるばかりか、各相の電流検出回路のバラツキの調整が困難であった。また、電流検出回路と制御回路を相の数だけ必要とするため、コストアップにつながるなど色々な問題をかかえていた。
【0010】
また、特許文献2に記載されたものを図15、図16を用いて説明すると、図15に示すように、A相、C相、E相の相コイル21,23,25と、B相、D相の相コイル22,24とを互いに逆相にして夫々の一端を共通接続して放射状結線となっている。A相、C相、E相、B相、D相の相コイル21、23、25、22、24の他端を、トランジスタTAP 、TCP 、TEP 、TBP 、TDP を各別に介して電源27の正極+と、トランジスタTAN 、TCN 、TEN 、TBN 、TDN を各別に介して電源27の負極−と接続する。
【0011】
ステップ毎に2又は3個の相コイルを並列励磁する第1の相コイルグループとそれら以外の相コイルを並列励磁する第2の相コイルグループとの直列回路を形成し、図16に示すように並列励磁している3個のうちの1個の相コイルの電流をデューティ制御する。
即ち、図16における「オン」の期間を1として、kを0<k<1の期間でオンさせる。
【0012】
この特許文献2に記載されたものは、励磁相の出力ベクトルを制御するものであるが、制御対象の励磁相に残存する電流を強制的に打ち消すものがないため、デューティ設定に対して期待値以上の電流が流れ続けることになり、この残存電流によって多分割駆動が難しいものになるという問題点があった。
【0013】
更に、特許文献3に記載されたものは、放射状結線された5相ステッピングモータにおいて、相反する励磁を用いて、コイルに流れ続ける電流を打ち消して制御しているものである。しかし、5相ステッピングモータの5相を全て励磁するものではなく、1相をハイインピーダンス状態として残りの4相を励磁しているため、ハイインピーダンス状態が引き起こす急激な電圧の変化によって、モータ回転中に振動が発生する恐れがあった。
【0014】
【特許文献1】
特許第3182325号公報(クレーム、段落0002〜0007、0012〜0019、図1、図2)
【特許文献2】
特開平10−94291号公報(要約、段落0014〜0025、第1図〜第12図、表1)
【特許文献3】
特許第3162862号公報(段落0012、0033〜0037、第11図〜第13図)
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような問題を取り除き、ステッピングモータの少なくとも駆動時には常時N相を全て励磁状態となすとともに、従来から用いられている回路を利用した新規なマイクロステップ駆動方法を提供することであり、また、同新規なマイクロステップ駆動方法により駆動されるステッピングモータを提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本願発明の課題は本件請求項1〜8に記載された各発明により達成される。
即ち、本件請求項1に係る発明は、定電流コントロール回路及び励磁パターン発生回路を備え、放射状結線したN相ステッピングモータのマイクロステップ方法において、ステッピングモータの少なくとも駆動時には、常時N相を全て励磁状態となし、各基本ステップに対応した合成トルクベクトルを発生させる基本励磁パターンとして、それぞれ少なくとも1以上の組合せによる励磁パターンを前記励磁パターン発生回路に設定し、一つの励磁シーケンス中に前記基本ステップの中間段階に対応した合成トルクベクトルを発生させる中間励磁パターンを、前記中間段階の前後の基本ステップにおけるそれぞれの前記基本励磁パターンの出力割合を変更して組合せた励磁パターンとして前記励磁パターン発生回路に設定し、一つの励磁シーケンス中における前記励磁パターン発生回路から出力される個々の励磁パターンの出力割合をステップ毎に漸増並びに漸減して、前記前段階の基本ステップでの基本励磁パターンから次の基本ステップでの基本励磁パターンへ連続的に変化させ、一つの励磁シーケンス中における前記合成トルクベクトルが、前記ステップ毎に基本ステップ間を多分割駆動されてな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方法にある。
【0017】
この発明では、ステッピングモータの少なくとも駆動時には、常時N相を全て励磁状態としているので、どの相もハイインピーダンス状態となることがない。このため、相としての各コイル巻線の両端に印加される電圧は常に制御されたものとすることができる。ハイインピーダンス状態が引き起こす急激な電圧の変化が発生することを無くし、ステッピングモータの回転中の振動を抑制することができる。
【0018】
また、定電流コントロール回路により総電流を検出して、総電流を一定とする制御を行うことができるので、各相に流れる電流を個別に検出して、しかも各相の電流制御を個別に行う必要がなくなる。このため、基本ステップ用の安価な基本回路構成でマイクロステップ駆動を行うことができるようになる。
【0019】
しかも、中間励磁パターンを前後の基本励磁パターンのそれぞれの出力割合を変更して組合せた励磁パターンにより設定しており、組合せた個々の励磁パターンの出力割合をステップ毎に漸増並びに漸減して、前段階での基本励磁パターンから前記後段階での基本励磁パターンへ連続的に変化させているので、マイクロステップ駆動を行わせる機能を励磁パターン発生回路内のロジック部に集約することができる。
このため、特別な駆動回路を用いることなく、従来のフルステップ用の駆動回路を用いたままで、ロジック部の変更のみでマイクロステップ駆動を実現することができる。
【0020】
更に、ステッピングモータの駆動タイプとして、一般にモータ駆動電圧制御タイプと出力段チョッパタイプが用いられているが、本願発明のマイクロステップ方法は上記両タイプで駆動するステッピングモータに対して適用することができる。
特に、本願発明のマイクロステップ方法をモータ駆動電圧制御タイプのステッピングモータに適用したときには、マイクロステップの分解能を高分解能とすることができ、出力段チョッパタイプのステッピングモータに適用したときには、ローコストでマイクロステップ駆動回路を構成することができる。
【0021】
本件請求項2に係る発明は、請求項1記載の事項に加えて、励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力周期と定電流コントロール回路から出力されるPWM周期とを同期させ、各ステップにおける前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの励磁時間を均一となし、ステップ毎に前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力割合の漸増並びに漸減を、各ステップにおいて前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力周期の発生回数を漸増並びに漸減することを限定したマイクロステップ方法にある。
【0022】
この発明では、励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力周期と定電流コントロールのPWM周期とを同期させ、個々の励磁パターンの励磁時間を均一としたうえで、励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力周期を発生させる回数を漸増並びに漸減することにより、ステップ毎に励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力割合の漸増並びに漸減を行っている。
【0023】
即ち、PWM周期と個々の励磁パターン出力の切替を同期させているので、励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターン出力と定電流コントロールの出力とを一対一の関係とすることができる。
【0024】
しかも、励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力周期を発生させる回数を漸増並びに漸減することにより、マイクロステップの多分割を行うことができるようになる。個々の励磁パターンの出力時間は一定となるので、励磁パターンの組合せの比率で合成トルクベクトルを操作することができるようになる。
【0025】
また、マイクロステップを制御するロジック回路も簡単となり、従来のフルステップ用の駆動回路を用いたままで励磁パターン発生回路におけるロジック部の変更と、定電流コントロール回路のPWM周期と励磁パターン発生回路の励磁パターンの出力周期とを同期させることでマイクロステップを行うことが可能となる。本発明により、既存の駆動回路を有効に利用することができ、安価にマイクロステップを行わせることができる。
【0026】
特に、本発明を出力段チョッパタイプで駆動するステッピングモータに適用したときには、定電流コントロール回路の出力を励磁パターン発生回路が受け取り、出力段におけるスイッチング手段で電流をON/OFF制御することで、ステッピングモータに流れる総電流を一定に制御することができるようになる。
【0027】
ステッピングモータに流れる電流は、各相におけるコイル巻線のインダクタンスによって平滑されるので、PWM周期中における前記スイッチング手段での電流をONしている時間の比率が高くなれば、電流は増加し、前記スイッチング手段での電流をONしている時間の比率が下がれば電流は減少することができる。これにより、定電流コントロールと励磁パターン出力の両方を、出力段で担うことができるようになる。
【0028】
本件請求項3に係る発明は、請求項2記載の事項に加えて、定電流コントロール回路から励磁パターンの出力をONとする信号が前記励磁パターン発生回路に入力されている間は、前記励磁パターン発生回路から出力する基本励磁パターン又は中間励磁パターンに従って各相を励磁し、同定電流コントロール回路出力から励磁パターンの出力をOFFとする信号が前記励磁パターン発生回路に入力されている間は、前記コイル巻線終端の何れも前記電源電圧の同一極に接続することにより、同コイル巻線の終端すべてを同電位としてモータを非励磁とすることを限定したマイクロステップ方法にある。
【0029】
この発明では、定電流コントロール回路から励磁パターンの出力をOFFとする指令が励磁パターン発生回路に入力されたときには、励磁パターン発生回路は、出力段の上側のスイッチング手段を全てONまたはOFFさせ、かつ出力段の下側のスイッチング手段をすべて上側のスイッチング手段とは逆にOFFまたはONさせることにより、各相のコイル巻線の終端を同電位となして、各相を非励磁状態としている。
【0030】
これにより、定電流コントロール回路の出力が励磁パターンの出力をOFFとする指令を励磁パターン発生回路に出力したときには、各相の電位を同電位とすることで安定させることができる。しかも、次のステップに切替えた場合でも、各相の接続点において急激な電位の変化が生じなくなる。仮に、電流のオーバーシュートが発生したとしてもその大きさは非常に小さくすることができ、しかも収斂しやすくすることができる。このため円滑な相電流を流すことができ、またダンピングの低減と低速時の振動を抑えることが可能となる。
【0031】
本件請求項4に係る発明は、請求項2または3記載の事項に加えて、定電流コントロール回路が、ステッピングモータの各相のインピーダンスの変化による総電流の変化を検出し、前記総電流が一定となるように、励磁パターン発生回路に対してスイッチング手段の電流ONとする時間を制御することを限定したマイクロステップ方法にある。
【0032】
この発明では、ステッピングモータに流れる電流は、コイル巻線のインダクタンスによって平滑されるので、PWM周期中の出力段でのスイッチング手段における電流ONの比率が高くなれば、電流は増加し、電流ONしている時間の比率が下がれば電流は減少することができる。出力段でのスイッチング手段における電流ON/OFF時間の長さを制御することで、各相に流れる総電流を一定に制御することができる。
【0033】
本件請求項5に係る発明は、請求項1記載の事項に加えて、励磁パターン発生回路から出力する基本励磁パターン及び中間励磁パターンの出力周期を一定となし、ステップ毎に前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力割合の漸増並びに漸減を、前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの励磁時間の比率を変化させることにより行うことを限定したマイクロステップ方法にある。
【0034】
この発明では、励磁パターン発生回路から出力する基本励磁パターン及び中間励磁パターンの出力周期を一定とした状態で、ステップ毎に励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力割合を漸増並びに漸減させるのに、励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの励磁時間の比率を変化させることにより行っている。
【0035】
このため、個々の励磁パターンの励磁時間をナノオーダー等やそれ以下の時間にまで短縮設定することができ、マイクロステップの分解能を必要なだけ高めることができる。特に、この発明をモータ駆動電圧制御タイプで駆動するステッピングモータに適用したときには、各相の電流を検出することなく、総電流を検出しこれを定電流コントロールにより制御することができるので、回路構成を簡略化することもできる。
【0036】
本件請求項6に係る発明は、請求項5記載の事項に加えて、定電流コントロール回路が、ステッピングモータの各相のインピーダンスの変化による総電流の変化を検出し、前記総電流が一定となるように、電源電圧と出力段間に前記電源電圧と並列に設けたモータ駆動電圧に対して電源電圧の断接を行う電源用スイッチング手段の電流ONとする時間を制御することを限定したマイクロステップ方法にある。
【0037】
この発明では、電源電圧とモータ駆動電圧間に設けた電源用スイッチング手段の電流ON/OFF時間を制御することで、モータ駆動電圧を一定とすることができ、各相に供給する総電流を一定となるように制御することができる。
【0038】
本件請求項7、8に係る発明は、請求項1〜6記載のマイクロステップ方法にて駆動されるステッピングモータを、位置決め用モータまたは超低速等速用モータとして使用することを特徴とするステッピングモータにある。
【0039】
本願発明によるマイクロステップ方法を適用したステッピングモータは、分割精度を高めることができ、しかもハイインピーダンス状態を生じさせず、低速回転での振動を抑制することができるので、位置決めモータや超低速の等速モータとして使用することができる。本願発明のステッピングモータは、ファクシミリー、複写機、プリンタ、磁気ディスク装置をはじめとするOA機器からNC工作機械、ロボット、半導体製造装置をはじめとする各種FA機械、駅務機械、食品機械、包装機械といったコンピュータ制御化される機構部の高精度位置決め用モータとして使用することができる。
【0040】
更に、本願発明のステッピングモータは、位置決め精度をさらに高度化することができ低速回転での振動を抑制することができるので、光ファイバー分野、ナノテクノロジー分野、電子顕微鏡等の位置決め装置の駆動モータまたは超低速等速用駆動部材の駆動モータとして使用することができる。
【0041】
【発明の実施形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
第1実施例では出力段チョッパタイプの放射状結線の3相ステッピングモータを説明し、第2実施例としてモータ駆動電圧制御タイプの放射状結線の3相ステッピングモータを説明し、第3実施例として放射状結線の5相ステッピングモータする。本願発明はこれら各実施例に限定されるものではなく、放射状結線のN相が3以上のN相ステッピングモータに対して適用できるものである。
【0042】
図3は、本願発明の第1実施例における出力段チョッパタイプのマイクロステップ回路構成図を示しており、図4は、励磁パターンvUwと励磁パターンUwVを出力する場合の励磁出力の状態を示している。図5は、PWM回路と励磁出力との関係を示している。図6は、基本ステップのスタート位置から次の基本ステップまでを10分割した場合の励磁パターンの発生比率とフルステップ、ハーフステップ時の合成トルクベクトルを示した図であり、図7は、結線方法の3相ステッピングモータにおけるフルステップ及びハーフステップ状態における励磁パターンを示している。
【0043】
以下図3、図8及び図12において、スイッチング手段としてトランジスタを用いた例を示しているが、スイッチング手段としてはトランジスタに限定されるものではなく、電界効果トランジスタ(FET)等を用いることができるものである。
【0044】
図3に示すように、W相のコイル巻線5とU相のコイル巻線6及びVW相のコイル巻線7の各始点が一点で接続され放射状に結線している。W相のコイル巻線5の終端は、電源電圧17の正極(+Vc)側にはトランジスタT1を介して接続され、接地電位(GND)側にはトランジスタT4を介して接続されている。これらのトランジスタT1、T4がON/OFFすることでW相のコイル巻線5に相電流が供給される。
【0045】
同様にしてU相のコイル巻線6の終端は、電源電圧17の正極(+Vc)側にはトランジスタT2を介して接続され、接地電位(GND)側にはトランジスタT5を介して接続されており、さらにV相のコイル巻線7の終端は、電源電圧17の正極(+Vc)側にはトランジスタT3を介して接続され、接地電位(GND)側にはトランジスタT6を介して接続されている。
【0046】
即ち、出力段4における各トランジスタT1〜T6のON/OFFによって、各相のコイル巻線5〜7の終端を電源電圧17の正極または負極、即ち接地電位に接続して各相のコイル巻線5〜7に電圧を印加して励磁電流を流すことができる。
【0047】
各相のコイル巻線5〜7の終端と一対のトランジスタ(T1,T4)、(T2,T5)、(T3,T6)の中点を結ぶ結線と電源電圧17の正極(+Vc)側及び接地電位(GND)側との間にはそれぞれダイオードD1〜D6が設置されているが、これらのダイオードは必ずしも設置することが必要なものではなく、必要に応じて適宜設置することができるものである。
【0048】
励磁パターン発生回路1は、励磁パターンを内蔵しており、指令パルスによる歩進位置情報と励磁パターンの出力順情報から出力する励磁パターンデータを選択して、出力段4におけるゲート信号として出力し、該当するトランジスタのON/OFF制御を行う。また、定電流コントロール回路2からのOFF指令、即ち励磁パターンを出力させない指令によって非励磁時の出力処理も行う。
【0049】
非励磁時の出力処理としては、励磁パターン発生回路1は、出力段4におけるトランジスタT1〜T3を全てOFFさせると共に、出力段4におけるトランジスタT4〜T6を全てONさせること、あるいは、トランジスタT1〜T3を全てONさせると共に、出力段4におけるトランジスタT4〜T6を全てOFFさせることにより、ステッピングモータの各相U〜Wのコイル巻線5〜7の終端を同電位として、各相を非励磁状態とする処理を行う。
【0050】
これにより、定電流コントロール回路2からの前記OFF指令により、各相U〜Wの電位を安定させることができる。次のステップに切替えた場合でも、各相U〜Wの接続点において急激な電位の変化が生じなくなり、電流のオーバーシュートが発生したとしても非常に小さくすることができ、しかも収斂しやすくすることができる。このため円滑な相電流を流すことができるようになり、ダンピングの低減と低速時の振動を抑えることが可能となる。
【0051】
即ち、定電流コントロール回路2は、総電流をセンシング抵抗3で検出した電圧と基準電圧との誤差を増幅し、図4、5に示すように増幅された比較電圧と定電流コントロール回路2内部で発生するランプ波とを比較して、出力段4における各トランジスタT1〜T6をONさせる時間、即ちON幅の制御をPWM制御で行うことができる。
【0052】
定電流コントロール回路2は、例えば、ステッピングモータの回転速度が上昇して各相U〜Wのインピーダンスが高くなったのを、総電流センシング抵抗3により検出した電圧と基準電圧との誤差を増幅した比較電圧を求め、図5に示すように比較電圧の高さとランプ波との交点から、出力段4のスイッチング手段における電流をONしている時間、即ちON幅を広げる制御を励磁パターン発生回路1に行わせることで相に流れる電流を一定に保つことができる。また逆に、ステッピングモータの回転速度が減少して各相U〜Wのインピーダンスが低くなると、ON幅を狭める制御を励磁パターン発生回路1に行わせることで相に流れる電流を一定に保つことができる。
【0053】
第1実施例で示す出力段チョッパタイプにおいては、定電流コントロール回路2の出力を励磁パターン発生回路1が受け取り、出力段4におけるトランジスタT1〜T6のON/OFF制御を行わせることで、ステッピングモータの各相U〜Wのコイル巻線5〜7に供給する総電流を一定に制御することができる。
【0054】
定電流コントロール回路2がON指令を出力したときには、励磁パターン発生回路1は、同励磁パターン発生回路1内に記憶してある励磁パターンに従って出力段4のトランジスタT1〜T6に対してON/OFF制御信号を出力する。これにより、ステッピングモータの各相U〜Wに励磁電流を流すことができ、合成トルクベクトルの向きを動かしてステッピングモータを駆動することができる。
【0055】
次に、マイクロステップ駆動の例として、基本ステップ(フルステップ)間を10分割する場合について説明する。放射状結線の3相ステッピングモータは、図1、2に示すように電気角60度毎のトルクベクトルを構成している。
【0056】
図7に示すように各基本ステップにおける励磁パターンを均等に出力する2組の励磁パターンにより設定し、基本ステップ間の中間段階における励磁パターンを前後の基本ステップにおける励磁パターンの出力割合を変化させることにより設定することができる。
【0057】
例えば、図7に示すようにハーフステップにおける励磁パターンについてみると、前後の励磁パターンを加えて、それを1/2としたものを励磁パターンとすることができる。
即ち、スタート位置である基本ステップにおける励磁パターンとしてvUwとUwVとをN/2個ずつ交互に出力している状態を考えると、次の基本ステップにおいては励磁パターンとしてUwVとwVuとをN/2個ずつ交互に出力した状態を設定している。この2つの基本ステップ間のハーフステップにおける励磁パターンは、N/2個ずつ交互に出力するvUwとUwVに、同じくN/2個ずつ交互に出力するUwVとwVuとを加えてそれぞれを1/2とした、(N/2)/2のvUwとN/2のUwVと(N/2)/2のwVuをそれぞれの出力個数の比率で交互に出力する3つの励磁パターンの組合せで設定することができる。
【0058】
なお、基本ステップにおける励磁パターンは、図7に示すものに限定されるものではなく他の励磁パターンにより設定することができるものである。
【0059】
スタート位置における合成トルクベクトルをUwとして、次の基本ステップでの合成トルクベクトルwVまでの電気角60度を10分割し、分割数(10)の2倍の20個の励磁パターン出力でトルクベクトルを合成する場合について見ると、このときの基本ステップのフルステップにおける励磁パターン及びハーフステップにおける励磁パターンは、上述した通り図7に示す励磁パターンとすることができる。
【0060】
図6は、励磁パターンvUwと励磁パターンUwVを出力する場合の励磁出力の状態を示したもので、励磁パターン発生回路1と定電流コントロール回路2におけるPWM周期によって出力段4は「vUwの励磁と非励磁」・「UwVの励磁と非励磁」を繰り返すことになる。この結果、励磁による合成トルクベクトルは、Vとvが同じ比率で打ち消し合うこととなり、Uwの方向になる。
【0061】
励磁パターン発生回路1は、指令パルスによってシーケンスが進む毎に20個の励磁パターンの出力比率を変えていく。最初にスタート位置から指令パルスが励磁パターン発生回路1に一発入力されると、励磁シーケンスは「+1」歩進することになる。このとき、励磁パターン発生回路1は、20個の励磁パターンの出力比率を「vUw:UwV:wVu=9:10:1」とする。
【0062】
次に指令パルスが励磁パターン発生回路1に入力されると、20個の励磁パターンの出力比率を「vUw:UwV:wVu=8:10:2」とする。
【0063】
このようにして、各ステップで励磁パターンUwVは一定のまま、ステップ毎に励磁パターンvUwが1個ずつ減少し、励磁パターンwVuが1個ずつ増加していくことになる。即ち、励磁パターンの出力割合をステップ毎に漸減並びに漸増させることができる。
【0064】
中間のハーフステップ(+5ステップ目)では、励磁パターンの発生比率は「vUw:UwV:wVu=5:10:5」となり、合成トルクベクトルはwの方向となる。また、図6から分る通り、どのステップ位置においても20個の励磁パターンでトルクベクトルを合成することができる。
【0065】
このようにして、指令パルスによってシーケンスが進む各ステップ毎に、励磁パターン発生回路1は20個の励磁パターンを定電流コントロール回路2のPWM周期と同期して切替えることができる。
【0066】
20個の励磁パターンは、励磁パターン発生回路1において予め定めておいた順番で出力することができる。指令パルスが入力されない限り、歩進は行われず、その位置での励磁パターンを繰り返し順番に出力し続けることになる。
【0067】
PWMの周期を、仮に10μsとした場合には、励磁パターンによる合成トルクベクトルは200μs(10μs×20パターン)周期で制御できることになる。
【0068】
基本ステップ間の分割数を10とし、20個の励磁パターン出力でトルクベクトルを合成し、PWM周期を10μsとした場合を説明したが、上述の分割数や励磁パターンの出力数、PWMの周期に限定されるものではなく、任意の分割数や励磁パターンの出力数及びPWM周期を設定できるものである。
【0069】
次に、本願発明の第2実施例におけるモータ駆動電圧制御タイプのマイクロステップ方法について説明する。図8には第2実施例におけるマイクロステップ回路構成図をしめしており、図9は、励磁パターンの出力周期を一定とし、ステップ毎の個別の励磁パターンvUw、UwV及びwVuの出力時間とその出力割合を示している。図10は、励磁パターン出力のサイクルと励磁パターン出力時間との関係を示しており、図11には、フルステップ及びハーフステップ状態における励磁パターンを示している。
【0070】
第2実施例におけるモータ駆動電圧制御タイプのマイクロステップ回路構成図は、基本的には第1実施例における出力段チョッパタイプのマイクロステップ回路構成図と同様の回路構成を備えており、共通する回路構成については同一の機能を奏するので、第1実施例で用いた部材符号と同じ部材符号を用いることによりその部材の説明を省略する。
【0071】
また、第2実施例で説明する励磁パターンは、第1実施例における励磁パターンと同じ励磁パターンを用いるが、第2実施例で用いることのできる励磁パターンは、以下で説明する励磁パターンに限定されるものではなく、本願発明を達成することのできる励磁パターンであれば、他の励磁パターンを採用することができるものである。
【0072】
出力段4においてダイオードD1〜D6を設けているが、これらのダイオードD1〜D6は必ずしも設定することが必要なものではなく、必要に応じて適宜設定することができるものである。
【0073】
図8に示すようにモータ駆動電圧制御タイプでは、出力段チョッパタイプのように電源電圧17を出力段4から直接ステッピングモータの各相U〜Wのコイル巻線5〜7に印加するのではなく、電源電圧17を一旦モータ駆動電圧18に変換した後に、ステッピングモータの各相U〜Wのコイル巻線5〜7に印加している。
【0074】
電源電圧17と出力段4との間にはモータ駆動電圧18及びダイオード10がそれぞれ並列に配され、電源用スイッチング手段8及びコイル9が電源電圧17とモータ駆動電圧18間に直列に配されている。電源用スイッチング手段8としてトランジスタを用いたものを示しているが、電源用スイッチング手段8としてはトランジスタに限定されるものではなく、電界効果トランジスタ(FET)等を用いることができる。
【0075】
定電流コントロール回路2は、総電流センシング抵抗3で検出された電圧と基準電圧とを比較して、ステッピングモータのコイル巻線におけるインピーダンスの変化を検出し、電源用スイッチング手段8のON/OFF制御を行うことでモータ駆動電圧18を制御して、モータ駆動電圧18からステッピングモータに供給する総電流を一定になるように制御している。
【0076】
総電流センシング抵抗3で検出された電圧と基準電圧との誤差を増幅した比較電圧と、定電流コントロール回路2内部で発生するランプ波とを比較して、図5に示したと同様にステッピングモータのコイル巻線5〜7におけるインピーダンスが高いことを検出すると、電源用スイッチング手段8で電流をONする時間、即ちON幅を広げてモータ駆動電圧18を高くする。また、インピーダンスが低いことを検出したときには、電源用スイッチング手段8のON幅を狭めてモータ駆動電圧18を低くする。
この電源用スイッチング手段8を制御することによって、ステッピングモータの各相に流れる総電流を一定に制御することができる。
【0077】
励磁パターン発生回路1は、励磁パターンを出力段4にゲート信号として出力するだけであり、出力段チョッパタイプのときのように励磁/非励磁を行わずに、常にステッピングモータは励磁状態とすることができる。定電流コントロール回路2により総電流の制御を行っているので、励磁パターン発生回路1と出力段4の間で励磁/非励磁のスイッチングを行わなくてすむ。
【0078】
また、出力段チョッパタイプでは、PWM周期と励磁パターン発生回路1から出力される基本励磁パターン或いは中間励磁パターンの周期とを同期させているので、基本ステップ間で分割することのできる励磁パターン数は自ずと制限が加わっている。これに対し、モータ駆動電圧制御タイプでは、定電流コントロール回路2とは独立して励磁パターン発生回路1から励磁パターンを出力することができるので、基本ステップ間で分割することのできる励磁パターン数は自由に設定することができ、出力段チョッパに比べて、マイクロステップとしてはるかに多くの分割を行うことが可能となる。
【0079】
次に、マイクロステップ駆動を行うための第2実施例における多分割する方法について説明する。
図11に示すように基本ステップでの励磁では、第1実施例と同様に2種類の3相励磁パターンを組み合わせて、励磁パターンによる合成トルクベクトルを作る。
【0080】
基本ステップ以外の励磁では、3種類の3相励磁パターンを組み合わせて、励磁パターンによる合成トルクベクトルを作る。このとき、基本励磁パターン及び中間励磁パターンの出力周期を一定に定めて、同一定の出力周期内で個別の励磁パターンの出力時間の割合を変えることによって、シーケンス中の各ステップでの合成トルクベクトルを操作する。
【0081】
図9は、基本励磁パターン及び中間励磁パターンの出力周期を100μsとし、スタート位置(フルステップ)から次のフルステップまでを100分割した場合における、各ステップにおける個別の励磁パターンの出力時間と出力周期100μsに対する割合を示している。
【0082】
指令パルスが励磁パターン発生回路1に入力される毎に、歩進する個別の励磁パターンvUwを0.5μsずつ減らし、励磁パターンwVuを0.5μsずつ増やしていく。この操作は、すべての励磁パターン発生回路1におけるロジック回路で構成することができる。
【0083】
なお、100μsとした出力周期や基本ステップから次の基本ステップまでを100分割し、ステップ毎の増減する出力時間を0.5μsとしたものは、説明用の例示であって、本願発明は、これらの数値に限定されるものではなく、ナノセコンド(ns)オーダーでの出力周期、出力時間等任意の値および単位で行うことができるものである。
【0084】
図10には、基本励磁パターン及び中間励磁パターンの出力周期と個別の励磁パターンの出力時間の割合を示している。このとき、基本励磁パターン及び中間励磁パターン出力周期は常に一定としている。
【0085】
励磁パターン発生回路1に指令パルスが入力される毎に、励磁パターンvUwの出力時間を0.5μsずつ漸減し、励磁パターンwVuの出力時間を0.5μsずつ漸増させ、励磁パターンUwVは各ステップにおいて出力時間を一定としている。
【0086】
これにより、個別の励磁パターン出力時間の割合を変化させることで、合成トルクベクトルを変化させ、これによりステッピングモータを歩進させることができる。即ち、スタート時の基本ステップでは、合成ベクトルがUwであったものが、ハーフスッテップにおいてはwとなり、次の基本ステップではwVとすることができる。
【0087】
指令パルスが励磁パターン発生回路1に入力されない限り、その位置での個々の励磁パターンの出力時間の割合は変化せずに出力を繰り返し、ステップが歩進することで次のステップにおける個別の励磁パターンの出力時間の割合が更新され新たな出力時間で個別の励磁パターンの出力が繰り返される。
【0088】
図11に、第2実施例における基本ステップとハーフステップにおける励磁パターンの様子を示しているように、基本ステップ間では、PT2の出力時間は一定で、PT1の出力時間はステップ毎に0.5μsずつ減少し、PT3はステップ毎に0.5μsずつ増加する。
次の基本ステップにおいては、前段階でPT1の励磁パターンの出力時間がゼロとなり、代わって前段階でPT2であった励磁パターンが新たなPT1となる。PT2には前段階でPT3であったものが代わりに入り、PT3としては更にその次の基本ステップにおけるPT2となるものが入ることになる。
【0089】
第2実施例においては、各相の電流を検出することなく、定電流コントロール回路2により総電流を検出し、これにより電源用スイッチング手段8を制御することでモータ駆動電圧を制御して、総電流を一定に制御することができる。また、基本ステップにおける励磁では、2種類の3相励磁パターンを組み合わせることで、2種類の個別の励磁パターンから合成トルクベクトルを作ることができる。
【0090】
更に、基本ステップ以外における励磁では、3種類の3相励磁パターンを組み合わせることによって、個別の励磁パターンによる合成トルクベクトルを作ることができる。しかも、2種類の個別の励磁パターンは前後の基本ステップにおける励磁パターンの組合せ割合を変えることにより作ることができる。
【0091】
しかも、基本励磁パターン及び中間励磁パターンの出力周期を一定にして、周期内に出力する個別の励磁パターンの出力時間の割合をステップ毎に変更することによって、各ステップにおける個別の励磁パターンよって作られる合成トルクベクトルを操作することができ、基本ステップを多分割するマイクロステップを行うことができる。
【0092】
次に第3実施例である放射上結線の5相スッテピングモータについて説明する。第3実施例においても出力段チョッパタイプ及びモータ駆動電圧制御タイプで駆動するステッピングモータに対して適用することができる。図12には、出力段チョッパタイプ及びモータ駆動電圧制御タイプにおける5相ステッピングモータのマイクロステップ回路構成の一部として出力段と結線図との関係を示している。
【0093】
3相における出力段チョッパタイプ及びモータ駆動電圧制御タイプをそれぞれ示した図3及び図8の出力段4では、一対のトランジスタが3組並列に配されているが、図12に5相の出力段4を示すように、更に2組の一対のトランジスタが配され、各一対のトランジスタの中点が5相A〜Eのコイル巻線の終端と各別に連結した構成となっている。これ以外の構成は、出力段チョッパタイプでは図3に示す構成及びモータ駆動電圧制御タイプでは図8に示す構成と同じ構成となっているので、各部材についての説明は省略する。
【0094】
出力段4におけるスイッチング手段としてトランジスタを用いた例を示しているが、スイッチング手段としてはトランジスタに限定されるものではなく、電界効果トランジスタ(FET)等を用いることができるものである。また、出力段4においてダイオードD1〜D10を設けているが、これらのダイオードD1〜D10は必ずしも設定することが必要なものではなく、必要に応じて適宜設定することができるものである。
【0095】
3相における励磁パターンとして図13には、出力段チョッパタイプにおける励磁パターンとして、また図14には、モータ駆動電圧制御タイプにおける励磁パターンとして、基本ステップおよびハーフステップでの励磁パターンを示している。これに対して5相のときは、3相のときとは異なり基本ステップでの励磁パターンは1種類で行うことができ、中間における励磁パターンは、前後の基本励磁パターンである2種類の励磁パターンの出力割合を変化させることにより得ることができる。
【0096】
前後の基本励磁パターンの出力割合を変化させる方法は、3相のときに出力段チョッパタイプ及びモータ駆動電圧制御タイプで行ったと同様に、基本ステップにおける基本励磁パターンと次の基本ステップにおける基本励磁パターンとのそれぞれの出力割合を、ステップ毎に漸減並びに漸増することにより、基本ステップの励磁パターンから次の基本ステップの励磁パターンへ連続的に変化させることができる。
【0097】
しかも、3相のときと同様に、5相においても出力段チョッパタイプでは、定電流コントロール回路2からのPWM周期と励磁パターン発生回路1から出力する励磁パターンの出力とを同期させ、各ステップ毎の個々の励磁パターンの出力周期を出力する回数を漸減並びに漸増することによりマイクロステップ駆動を行わせることができ、モータ駆動電圧制御タイプでは、各ステップ毎の個々の励磁パターンの出力周期の時間の割合を漸減並びに漸増することによりマイクロステップ駆動を行わせることができる。
このため5相の場合については、その具体的な説明を省略する。
【0098】
5相の場合もステッピングモータの駆動時には、5相すべてを励磁することができ、ハイインピーダンス状態を生じさせることがなくステッピングモータの駆動を行うことができる。また、出力段チョッパタイプの場合には、3相のときの出力段チョッパタイプと同様に励磁パターンの制御を行うことができ、非励磁状態において3相のときと同様に5相すべてのコイル巻線の終端を同一極とする。
【0099】
モータ駆動電圧制御タイプのときには、3相のときのモータ駆動電圧制御タイプと同様に励磁パターンの制御を行うことができる。
【0100】
以上、3相及び5相の放射状結線したステッピングモータについて説明したが、本願発明は3相及び5相に限定されるものではなく、3相以上の放射状結線したN相ステッピングモータのマイクロステップ方法として適用できるものである。しかも、本願発明によるマイクロステップ方法を適用したステッピングモータは、分割精度を高めることができしかもハイインピーダンス状態を生じさせず、低速回転での振動を抑制することができるので、位置決めモータや超低速の等速モータとして使用することができる。
【0101】
本願発明のステッピングモータは、ファクシミリー、複写機、プリンタ、磁気ディスク装置をはじめとするOA機器からNC工作機械、ロボット、半導体製造装置をはじめとする各種FA機械、駅務機械、食品機械、包装機械といったコンピュータ制御化される機構部の高精度位置決め用モータとして使用することができる。
【0102】
更に、本願発明のステッピングモータは、位置決め精度をさらに高度化することができ低速回転での振動を抑制することができるので、光ファイバー分野、ナノテクノロジー分野、電子顕微鏡等の位置決め装置用モータや超低速等速用モータとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】放射状結線した3相ステッピングモータのモータ結線図である。
【図2】3相ステッピングモータのトルクベクトル図である。
【図3】3相ステッピングモータの出力段チョッパタイプのマイクロステップ回路構成図である。
【図4】出力段チョッパタイプにおける励磁出力状態を示す図である。
【図5】出力段チョッパタイプにおけるPWM回路と励磁出力との関係を示す図である。
【図6】出力段チョッパタイプにおける基本ステップ及びハーフステップにおける合成ベクトルを示した図である。
【図7】出力段チョッパタイプにおける励磁パターンを示した図である。
【図8】モータ駆動電圧制御タイプにおけるマイクロステップ回路構成図である。
【図9】モータ駆動電圧制御タイプにおける励磁パターンの出力割合を示している図である。
【図10】モータ駆動電圧制御タイプにおける励磁パターン出力周期と出力時間の関係を示す図である。
【図11】モータ駆動電圧制御タイプにおける励磁パターンを示す図である。
【図12】5相ステッピングモータの出力段を示す図である。
【図13】5相の出力段チョッパタイプにおける励磁パターンを示した図である。
【図14】5相のモータ駆動電圧制御タイプにおける励磁パターンを示した図である。
【図15】従来例におけるマイクロステップ回路構成図である。
【図16】従来例における出力段におけるデューティ制御を示す図である。
【符号の説明】
1 励磁パターン発生回路
2 定電流コントロール回路
3 センシング抵抗
4 出力段
5〜7 コイル巻線
8 電源用スイッチング手段
9 コイル
10 ダイオード
11〜15 コイル巻線
17 電源電圧
18 モータ駆動電圧
21〜25 相コイル
+Vc 電源電圧の正極電位
+Vm モータ駆動電圧の正極電位
GND 接地電位
T1〜T10 スイッチング手段
D1〜D10 ダイオード
A〜E、a〜e トルクベクトル
U〜W、u〜w トルクベクトル
TAP〜TEP トランジスタ
TAN〜TEN トランジスタ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microstepping method in which microstep driving (multi-division driving) in a radially connected N-phase stepping motor is always performed with all N phases in an excited state when the stepping motor is driven, and stepping driven by the microstepping method. Motor related.
[0002]
[Prior art]
The stepping motor has a plurality of phases (windings), and by exciting each phase with an excitation pattern corresponding to the basic step, a combined torque vector corresponding to the basic step is obtained. By changing the excitation pattern to the excitation pattern of another basic step, the resultant torque vector can be advanced to a position corresponding to the new basic step, thereby rotating the stepping motor by a predetermined rotation angle. It has become.
[0003]
The stepping motor is basically driven to a predetermined angular position by an excitation pattern of a basic step repeatedly output until the next pulse is input and the step is advanced. Each time the next pulse is input and the step advances one step, the step is driven to the angular position by the excitation pattern of the new basic step. This drive is called full-step drive.
[0004]
The step driving of the radially connected three-phase stepping motor will be briefly described below with reference to FIGS. FIG. 1 shows a motor connection diagram showing the coil windings of the radially connected three-phase stepping motor, the direction of the exciting current and the torque vector, and FIG. 2 shows the torque vector diagram in FIG. In FIG. 1, the arrows of each phase represent the direction of the current, and are shown corresponding to U, V, W, u, v, w on the torque vector diagram.
[0005]
Now, when the U-phase terminal is connected to the positive electrode and the V-phase and W-phase terminals are connected to the negative electrode, a current indicated by a solid arrow flows in the U phase, and a torque vector U is generated. The current shown flows and a torque vector v is generated, and also in the W phase, the current shown by the dotted arrow flows and a torque vector w is generated. When the torque vectors U, v, w generated in each phase are represented on the torque vector diagram of FIG. 2, the resultant torque vector of the generated torque vectors U, v, w is a vector in the U direction of FIG.
[0006]
A torque vector generated in each phase according to the direction of the current flowing in each phase at this time is expressed as vUw or the like, and is called an excitation pattern. Driving the combined torque vector step by step at every adjacent basic step, for example, U → w → V → u → W → v → U, is called full-step driving. In each of the intermediate angles, in the above example, the intermediate angle position between U and w is set next to U for each step, and the half-step drive of half the basic step is performed so that the position becomes w in the next step. Called driving. In addition, a method in which the basic steps are divided into multiple divisions at each step is referred to as micro-step driving (multi-division driving). It is about.
[0007]
Conventionally, there have been various proposals for micro-step driving by multi-division driving more than half-step driving. Each phase current detection circuit, pulse width modulation pattern generation circuit, voltage instruction pattern generation circuit, PWM pulse generation circuit, current command circuit, output Micro-step driving is performed by adding a stage switching duty correction circuit and the like to a conventional circuit.
[0008]
Generally, as a micro-step drive in a three-phase or five-phase stepping motor, a method of individually detecting a current flowing in each phase and controlling the current of each phase has been conventionally performed (for example, see Patent Document 1). . Also, when switching from the previous excitation pattern to the next excitation pattern at each step, the excitation current of a certain excitation phase among the five phases is output duty controlled at each step to gradually increase or decrease, so that the output vector of the excitation phase is obtained. (See, for example, Patent Document 2) and a micro-step drive in which a single phase is reversely excited as a combination of excitation patterns in a five-phase stepping motor (for example, see Patent Document 2). 3) has been proposed.
[0009]
Conventionally, as disclosed in Patent Document 1 as a conventional example, a method of controlling a current of each phase by individually detecting a current flowing in each phase is performed. In this method, the number of the current detection circuits and the number of the control circuits are required by the number of phases, which not only complicates the circuit but also makes it difficult to adjust the variation of the current detection circuits of each phase. Also, since the number of current detection circuits and control circuits is required by the number of phases, various problems such as an increase in cost have been encountered.
[0010]
Also, the one described in Patent Document 2 will be described with reference to FIGS. 15 and 16. As shown in FIG. 15, A-phase, C-phase, and E-phase phase coils 21, 23, 25, and B-phase, The phase coils 22 and 24 of the D phase are in opposite phases to each other and one ends thereof are commonly connected to form a radial connection. The other ends of the phase coils 21, 23, 25, 22, and 24 of the A phase, the C phase, the E phase, the B phase, and the D phase are connected to the positive electrode of the power supply 27 via transistors TAP, TCP, TEP, TBP, and TDP respectively. + And the negative electrode − of the power supply 27 via the transistors TAN, TCN, TEN, TBN, and TDN respectively.
[0011]
For each step, a series circuit of a first phase coil group for exciting two or three phase coils in parallel and a second phase coil group for exciting other phase coils in parallel are formed, as shown in FIG. Duty control is performed on the current of one of the three phase coils excited in parallel.
That is, assuming that the “ON” period in FIG. 16 is 1, k is turned on in the period of 0 <k <1.
[0012]
The device described in Patent Document 2 controls the output vector of the excitation phase. However, since there is no method for forcibly canceling the current remaining in the excitation phase to be controlled, an expected value for the duty setting is not obtained. The above current continues to flow, and there is a problem that the multi-division driving becomes difficult due to the remaining current.
[0013]
Further, the one described in Patent Document 3 is a method in which, in a radially connected five-phase stepping motor, a current that continues to flow through a coil is canceled by using opposing excitations and controlled. However, not all of the five phases of the five-phase stepping motor are excited, but one phase is in a high impedance state and the remaining four phases are excited. Vibration may occur.
[0014]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3182325 (claims, paragraphs 0002 to 0007, 0012 to 0019, FIGS. 1 and 2)
[Patent Document 2]
JP-A-10-94291 (abstract, paragraphs 0014 to 0025, FIGS. 1 to 12, table 1)
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3162862 (paragraphs 0012, 0033 to 0037, FIGS. 11 to 13)
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention eliminates the above-described problems, and provides a novel micro-step driving method using a conventionally used circuit, in which at least at the time of driving the stepping motor, all N phases are always in an excited state. Another object of the present invention is to provide a stepping motor driven by the novel micro-step driving method.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is achieved by the inventions described in claims 1 to 8 of the present application.
That is, the invention according to claim 1 includes a constant current control circuit and an excitation pattern generation circuit, and in a microstepping method of an N-phase stepping motor radially connected, at least when the stepping motor is driven, all N phases are always in an excited state. As the basic excitation pattern for generating a combined torque vector corresponding to each basic step, an excitation pattern based on at least one or more combinations is set in the excitation pattern generation circuit, and an intermediate of the basic steps is performed in one excitation sequence. An intermediate excitation pattern for generating a combined torque vector corresponding to a step is set in the excitation pattern generation circuit as an excitation pattern obtained by changing the output ratio of each of the basic excitation patterns in the basic steps before and after the intermediate step. , One excitation sequence The output ratio of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit during the step is gradually increased and decreased for each step, and the basic excitation pattern in the next basic step is changed from the basic excitation pattern in the previous basic step. Wherein the combined torque vector in one excitation sequence is driven in multiple divisions between basic steps for each step.
[0017]
According to the present invention, at least at the time of driving the stepping motor, all the N phases are always in the excitation state, so that none of the phases is in the high impedance state. For this reason, the voltage applied to both ends of each coil winding as a phase can always be controlled. A sudden change in voltage caused by the high impedance state does not occur, and vibration during rotation of the stepping motor can be suppressed.
[0018]
In addition, since the constant current control circuit detects the total current and can perform control to keep the total current constant, the current flowing in each phase is individually detected, and the current control of each phase is individually performed. Eliminates the need. Therefore, microstep driving can be performed with an inexpensive basic circuit configuration for the basic step.
[0019]
Moreover, the intermediate excitation pattern is set by the combined excitation pattern by changing the output ratio of each of the front and rear basic excitation patterns, and the output ratio of each combined excitation pattern is gradually increased and decreased for each step, and Since the basic excitation pattern at the stage is continuously changed from the basic excitation pattern at the later stage, the function of performing the micro-step driving can be integrated in the logic unit in the excitation pattern generation circuit.
For this reason, microstep driving can be realized only by changing the logic unit without using a special driving circuit and using a conventional full-step driving circuit.
[0020]
Further, as a driving type of the stepping motor, a motor driving voltage control type and an output stage chopper type are generally used, but the micro step method of the present invention can be applied to the stepping motor driven by both types. .
In particular, when the micro step method of the present invention is applied to a motor drive voltage control type stepping motor, the resolution of the micro step can be made high, and when it is applied to an output stage chopper type stepping motor, the micro step can be performed at low cost. A step driving circuit can be configured.
[0021]
The invention according to claim 2 provides, in addition to the features described in claim 1, an output cycle of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit and a PWM cycle output from the constant current control circuit. The excitation time of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit in the step is made uniform, and the output ratio of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit is gradually increased and decreased in each step. The present invention is directed to a microstep method in which the number of times of generation of an output cycle of each excitation pattern output from an excitation pattern generation circuit is gradually increased and decreased.
[0022]
According to the present invention, the output period of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit is synchronized with the PWM period of the constant current control to make the excitation time of each excitation pattern uniform, By gradually increasing and decreasing the number of times that the output cycle of each excitation pattern is generated, the output ratio of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit is gradually increased and decreased for each step.
[0023]
That is, since the switching between the PWM cycle and the output of each excitation pattern is synchronized, the output of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit and the output of the constant current control can be in a one-to-one relationship.
[0024]
In addition, by gradually increasing and decreasing the number of times of generation of the output cycle of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit, it becomes possible to perform multi-step microsteps. Since the output time of each excitation pattern is constant, the combined torque vector can be operated at the ratio of the combination of the excitation patterns.
[0025]
In addition, the logic circuit for controlling the micro-step is simplified, and the logic section in the excitation pattern generation circuit is changed while using the conventional full-step drive circuit, and the PWM cycle of the constant current control circuit and the excitation of the excitation pattern generation circuit are changed. The microstep can be performed by synchronizing the output cycle of the pattern. According to the present invention, an existing drive circuit can be effectively used, and microsteps can be performed at low cost.
[0026]
In particular, when the present invention is applied to a stepping motor driven by an output stage chopper type, the excitation pattern generation circuit receives the output of the constant current control circuit, and controls the ON / OFF of the current by the switching means in the output stage, thereby achieving stepping. The total current flowing through the motor can be controlled to be constant.
[0027]
Since the current flowing through the stepping motor is smoothed by the inductance of the coil winding in each phase, the current increases when the ratio of the time during which the current in the switching means is ON during the PWM cycle increases, and the current increases. The current can be reduced if the ratio of the time during which the current in the switching means is ON is reduced. Thus, both the constant current control and the excitation pattern output can be performed by the output stage.
[0028]
According to a third aspect of the present invention, in addition to the second aspect, while the signal for turning on the output of the excitation pattern from the constant current control circuit is input to the excitation pattern generation circuit, the excitation pattern is generated. While the signal for exciting each phase according to the basic excitation pattern or the intermediate excitation pattern output from the generation circuit and turning off the output of the excitation pattern from the identification current control circuit output is input to the excitation pattern generation circuit, the coil A microstep method in which all of the winding ends are connected to the same pole of the power supply voltage so that all ends of the coil winding are set to the same potential and the motor is de-energized.
[0029]
According to the present invention, when a command to turn off the excitation pattern output from the constant current control circuit is input to the excitation pattern generation circuit, the excitation pattern generation circuit turns on or off all the switching means on the upper side of the output stage, and By turning all the lower switching means of the output stage OFF or ON in reverse to the upper switching means, the terminal ends of the coil windings of each phase are set to the same potential, and each phase is in a non-excited state.
[0030]
Thus, when the output of the constant current control circuit outputs a command to turn off the output of the excitation pattern to the excitation pattern generation circuit, the potential of each phase can be stabilized by setting the same potential. In addition, even when switching to the next step, a rapid change in potential at the connection point of each phase does not occur. Even if an overshoot of the current occurs, its magnitude can be made very small, and the convergence can be made easy. For this reason, it is possible to flow a smooth phase current, and it is possible to reduce damping and suppress vibration at low speed.
[0031]
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the second aspect, the constant current control circuit detects a change in a total current due to a change in impedance of each phase of the stepping motor, and the total current is constant. Thus, there is a microstep method in which the control of the time during which the current of the switching means is turned on for the excitation pattern generating circuit is limited.
[0032]
According to the present invention, the current flowing in the stepping motor is smoothed by the inductance of the coil winding. Therefore, if the ratio of the current ON in the switching means in the output stage during the PWM cycle increases, the current increases and the current turns ON. The current can be reduced if the ratio of the time is reduced. By controlling the length of the current ON / OFF time in the switching means in the output stage, the total current flowing in each phase can be controlled to be constant.
[0033]
According to a fifth aspect of the present invention, in addition to the features of the first aspect, the output periods of the basic excitation pattern and the intermediate excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit are made constant, and the excitation pattern generation circuit The microstep method is limited to gradually increasing and decreasing the output ratio of each excitation pattern to be output by changing the ratio of the excitation time of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit.
[0034]
According to the present invention, the output ratio of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit is gradually increased and decreased for each step while the output periods of the basic excitation pattern and the intermediate excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit are kept constant. However, this is performed by changing the ratio of the excitation time of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit.
[0035]
Therefore, the excitation time of each excitation pattern can be shortened to a time on the order of nanometers or less, and the resolution of microsteps can be increased as needed. In particular, when the present invention is applied to a stepping motor driven by a motor drive voltage control type, the total current can be detected and controlled by the constant current control without detecting the current of each phase. Can also be simplified.
[0036]
In the invention according to claim 6, in addition to the features described in claim 5, the constant current control circuit detects a change in total current due to a change in impedance of each phase of the stepping motor, and the total current becomes constant. As described above, a micro step in which the time for turning on the current of the power supply switching means for connecting and disconnecting the power supply voltage to the motor drive voltage provided in parallel with the power supply voltage between the power supply voltage and the output stage is limited. In the way.
[0037]
According to the present invention, the motor drive voltage can be made constant by controlling the current ON / OFF time of the power supply switching means provided between the power supply voltage and the motor drive voltage, and the total current supplied to each phase can be made constant. Can be controlled so that
[0038]
The invention according to claims 7 and 8 is characterized in that the stepping motor driven by the microstep method according to claims 1 to 6 is used as a positioning motor or an ultra-low speed constant speed motor. It is in.
[0039]
The stepping motor to which the micro-step method according to the present invention is applied can improve the division accuracy, and does not generate a high impedance state, and can suppress vibration at low speed rotation. It can be used as a high speed motor. The stepping motor of the present invention is applicable to various FA machines such as facsimile machines, copiers, printers, magnetic disk drives, OA machines, NC machine tools, robots, semiconductor manufacturing machines, stationery machines, food machines, and packaging machines. It can be used as a high-precision positioning motor for a computer-controlled mechanism such as a machine.
[0040]
Furthermore, since the stepping motor of the present invention can further enhance the positioning accuracy and suppress vibration at low rotation speed, the stepping motor of the positioning device such as the optical fiber field, the nanotechnology field, the electron microscope or the like can be used. It can be used as a drive motor for a low-speed constant-speed drive member.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
In the first embodiment, an output stage chopper type radial connection three-phase stepping motor will be described. As a second embodiment, a motor drive voltage control type radial connection three-phase stepping motor will be described. As a third embodiment, a radial connection will be described. 5 stepping motor. The present invention is not limited to these embodiments, but is applicable to an N-phase stepping motor having three or more N-phases in radial connection.
[0042]
FIG. 3 is a configuration diagram of a microstep circuit of an output stage chopper type in the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows a state of an excitation output when outputting an excitation pattern vUw and an excitation pattern UwV. I have. FIG. 5 shows the relationship between the PWM circuit and the excitation output. FIG. 6 is a diagram showing an excitation pattern generation ratio and a combined torque vector at the time of full step and half step when the basic step is divided into 10 from the start position to the next basic step. 3 shows an excitation pattern in a full step and a half step state in the three-phase stepping motor of FIG.
[0043]
FIGS. 3, 8, and 12 show examples in which a transistor is used as the switching means. However, the switching means is not limited to a transistor, and a field effect transistor (FET) or the like can be used. Things.
[0044]
As shown in FIG. 3, the starting points of the W-phase coil winding 5, the U-phase coil winding 6, and the VW-phase coil winding 7 are connected at one point and are radially connected. The terminal end of the W-phase coil winding 5 is connected to the positive (+ Vc) side of the power supply voltage 17 via a transistor T1 and connected to the ground potential (GND) side via a transistor T4. A phase current is supplied to the W-phase coil winding 5 by turning on / off these transistors T1 and T4.
[0045]
Similarly, the terminal of the U-phase coil winding 6 is connected to the positive (+ Vc) side of the power supply voltage 17 via the transistor T2 and connected to the ground potential (GND) side via the transistor T5. Further, the terminal of the V-phase coil winding 7 is connected to the positive electrode (+ Vc) side of the power supply voltage 17 via a transistor T3, and is connected to the ground potential (GND) side via a transistor T6.
[0046]
That is, by turning on / off each of the transistors T1 to T6 in the output stage 4, the terminals of the coil windings 5 to 7 of each phase are connected to the positive or negative electrode of the power supply voltage 17, that is, the ground potential. A voltage can be applied to 5 to 7 to flow an exciting current.
[0047]
A wire connecting the terminal of the coil windings 5 to 7 of each phase and the middle point of the pair of transistors (T1, T4), (T2, T5), (T3, T6), the positive (+ Vc) side of the power supply voltage 17, and ground Diodes D1 to D6 are respectively installed between the potential (GND) side and these diodes, but these diodes are not necessarily required to be installed, and can be appropriately installed as necessary. .
[0048]
The excitation pattern generation circuit 1 has a built-in excitation pattern, selects excitation pattern data to be output from step position information by a command pulse and output order information of the excitation pattern, and outputs it as a gate signal in the output stage 4. The ON / OFF control of the corresponding transistor is performed. In addition, an output process at the time of non-excitation is also performed by an OFF command from the constant current control circuit 2, that is, a command not to output the excitation pattern.
[0049]
As the output processing at the time of non-excitation, the excitation pattern generation circuit 1 turns off all the transistors T1 to T3 in the output stage 4 and turns on all the transistors T4 to T6 in the output stage 4; Are turned on and all the transistors T4 to T6 in the output stage 4 are turned off, so that the ends of the coil windings 5 to 7 of the respective phases U to W of the stepping motor are set to the same potential, and each phase is set to the non-excited state. Is performed.
[0050]
Thus, the potential of each phase U to W can be stabilized by the OFF command from the constant current control circuit 2. Even when switching to the next step, abrupt potential change does not occur at the connection point of each phase U to W, and even if an overshoot of current occurs, it can be made very small, and it is easy to converge. Can be. For this reason, it becomes possible to flow a smooth phase current, and it is possible to reduce the damping and suppress the vibration at low speed.
[0051]
That is, the constant current control circuit 2 amplifies the error between the voltage detected by the sensing resistor 3 of the total current and the reference voltage, and the amplified comparison voltage and the inside of the constant current control circuit 2 as shown in FIGS. By comparing with the generated ramp wave, the time for turning on each of the transistors T1 to T6 in the output stage 4, that is, the ON width can be controlled by the PWM control.
[0052]
The constant current control circuit 2 amplifies the error between the voltage detected by the total current sensing resistor 3 and the reference voltage, for example, when the rotational speed of the stepping motor increases and the impedance of each phase U to W increases. The comparison voltage is obtained, and as shown in FIG. 5, from the intersection of the height of the comparison voltage and the ramp wave, the time during which the current in the switching means of the output stage 4 is ON, that is, the control for expanding the ON width is controlled by the excitation pattern generation circuit 1. , The current flowing through the phase can be kept constant. Conversely, when the rotational speed of the stepping motor decreases and the impedance of each phase U to W decreases, the excitation pattern generation circuit 1 performs control to narrow the ON width, so that the current flowing through the phase can be kept constant. it can.
[0053]
In the output stage chopper type shown in the first embodiment, the output of the constant current control circuit 2 is received by the excitation pattern generation circuit 1, and the ON / OFF control of the transistors T1 to T6 in the output stage 4 is performed, whereby the stepping motor is controlled. , The total current supplied to the coil windings 5 to 7 of each phase U to W can be controlled to be constant.
[0054]
When the constant current control circuit 2 outputs an ON command, the excitation pattern generation circuit 1 performs ON / OFF control on the transistors T1 to T6 of the output stage 4 in accordance with the excitation pattern stored in the excitation pattern generation circuit 1. Output a signal. As a result, an exciting current can be supplied to each of the phases U to W of the stepping motor, and the direction of the resultant torque vector can be moved to drive the stepping motor.
[0055]
Next, as an example of micro-step driving, a case in which a basic step (full step) is divided into 10 parts will be described. The radially connected three-phase stepping motor forms a torque vector for every 60 electrical degrees as shown in FIGS.
[0056]
As shown in FIG. 7, the excitation pattern in each basic step is set by two sets of excitation patterns that output evenly, and the excitation pattern in the intermediate stage between the basic steps is changed in the output ratio of the excitation pattern in the preceding and succeeding basic steps. Can be set.
[0057]
For example, as shown in FIG. 7, regarding the excitation pattern in the half step, the excitation pattern before and after the half step can be added, and the half of the excitation pattern can be used as the excitation pattern.
In other words, considering a state in which N / 2 vUw and UwV are alternately output as excitation patterns in a basic step which is a start position, UwV and wVu are set to N / 2 in the next basic step as excitation patterns. A state in which the output is performed alternately for each is set. The excitation pattern in the half step between these two basic steps is obtained by adding Vww and UwV, which are output alternately by N / 2, to UwV and wVu, which are also output alternately by N / 2, and halving each. (N / 2) / 2 vUw, N / 2 UwV, and (N / 2) / 2 wVu are set by a combination of three excitation patterns that are alternately output at the ratio of the respective output numbers. Can be.
[0058]
Note that the excitation pattern in the basic step is not limited to that shown in FIG. 7, and can be set by another excitation pattern.
[0059]
Assuming that the resultant torque vector at the start position is Uw, the electrical angle 60 degrees up to the resultant torque vector wV in the next basic step is divided into ten, and the torque vector is output with twenty excitation pattern outputs that are twice the number of divisions (10). Looking at the case of combining, the excitation pattern in the full step of the basic step and the excitation pattern in the half step at this time can be the excitation pattern shown in FIG. 7 as described above.
[0060]
FIG. 6 shows the state of the excitation output when the excitation pattern vUw and the excitation pattern UwV are output, and the output stage 4 performs the “vUw excitation and the "Excitation" and "UwV excitation and non-excitation" are repeated. As a result, the resultant torque vector due to the excitation is such that V and v cancel each other at the same ratio, and are in the direction of Uw.
[0061]
The excitation pattern generation circuit 1 changes the output ratio of the 20 excitation patterns each time the sequence advances according to the command pulse. When a command pulse is first input from the start position to the excitation pattern generation circuit 1, the excitation sequence advances by "+1". At this time, the excitation pattern generation circuit 1 sets the output ratio of the 20 excitation patterns to “vUw: UwV: wVu = 9: 10: 1”.
[0062]
Next, when a command pulse is input to the excitation pattern generation circuit 1, the output ratio of the 20 excitation patterns is set to “vUw: UwV: wVu = 8: 10: 2”.
[0063]
Thus, the excitation pattern vUw decreases by one and the excitation pattern wVu increases by one at each step while the excitation pattern UwV remains constant at each step. That is, the output ratio of the excitation pattern can be gradually reduced and increased for each step.
[0064]
In the intermediate half step (+ 5th step), the excitation pattern generation ratio is “vUw: UwV: wVu = 5: 10: 5”, and the resultant torque vector is in the direction of w. Further, as can be seen from FIG. 6, a torque vector can be synthesized with 20 excitation patterns at any step position.
[0065]
In this manner, the excitation pattern generation circuit 1 can switch the 20 excitation patterns in synchronization with the PWM cycle of the constant current control circuit 2 at each step in which the sequence proceeds by the command pulse.
[0066]
The twenty excitation patterns can be output in a predetermined order in the excitation pattern generation circuit 1. Unless a command pulse is input, the step is not performed, and the excitation pattern at that position is repeatedly output in order.
[0067]
Assuming that the PWM cycle is 10 μs, the resultant torque vector based on the excitation pattern can be controlled at a cycle of 200 μs (10 μs × 20 patterns).
[0068]
The case where the number of divisions between the basic steps is 10 and the torque vector is synthesized with the output of 20 excitation patterns and the PWM cycle is 10 μs has been described. The present invention is not limited to this, and can set an arbitrary number of divisions, the number of outputs of the excitation pattern, and the PWM cycle.
[0069]
Next, a description will be given of a micro step method of a motor drive voltage control type according to a second embodiment of the present invention. FIG. 8 shows a microstep circuit configuration diagram in the second embodiment, and FIG. 9 shows a case where the output period of the excitation pattern is fixed, and the output time of each excitation pattern vUw, UwV and wVu and its output for each step. The percentage is shown. FIG. 10 shows the relationship between the excitation pattern output cycle and the excitation pattern output time, and FIG. 11 shows the excitation patterns in the full step and half step states.
[0070]
The motor drive voltage control type micro-step circuit configuration diagram in the second embodiment basically has the same circuit configuration as the output stage chopper type micro-step circuit configuration diagram in the first embodiment. Since the configuration has the same function, the description of the members will be omitted by using the same reference numerals as those used in the first embodiment.
[0071]
The excitation pattern described in the second embodiment uses the same excitation pattern as the excitation pattern in the first embodiment, but the excitation pattern that can be used in the second embodiment is limited to the excitation pattern described below. Instead, any other excitation pattern that can achieve the present invention can be used.
[0072]
Although the diodes D1 to D6 are provided in the output stage 4, these diodes D1 to D6 are not necessarily required to be set, and can be appropriately set as needed.
[0073]
As shown in FIG. 8, in the motor drive voltage control type, the power supply voltage 17 is not directly applied from the output stage 4 to the coil windings 5 to 7 of each phase U to W of the stepping motor as in the output stage chopper type. After the power supply voltage 17 is once converted to the motor drive voltage 18, the power supply voltage 17 is applied to the coil windings 5 to 7 of each phase U to W of the stepping motor.
[0074]
A motor drive voltage 18 and a diode 10 are respectively arranged in parallel between the power supply voltage 17 and the output stage 4, and a power supply switching means 8 and a coil 9 are arranged in series between the power supply voltage 17 and the motor drive voltage 18. I have. Although a transistor using a transistor as the power supply switching means 8 is shown, the power supply switching means 8 is not limited to a transistor, and a field effect transistor (FET) or the like can be used.
[0075]
The constant current control circuit 2 compares the voltage detected by the total current sensing resistor 3 with a reference voltage, detects a change in impedance in the coil winding of the stepping motor, and controls ON / OFF of the power supply switching means 8. Is performed to control the motor driving voltage 18 so that the total current supplied to the stepping motor from the motor driving voltage 18 is controlled to be constant.
[0076]
The comparison voltage obtained by amplifying the error between the voltage detected by the total current sensing resistor 3 and the reference voltage is compared with the ramp wave generated inside the constant current control circuit 2 to determine the stepping motor voltage as shown in FIG. When it is detected that the impedance in the coil windings 5 to 7 is high, the time during which the current is turned on by the power supply switching means 8, that is, the ON width is increased, and the motor drive voltage 18 is increased. When it is detected that the impedance is low, the ON width of the power supply switching means 8 is reduced to lower the motor drive voltage 18.
By controlling the power supply switching means 8, the total current flowing in each phase of the stepping motor can be controlled to be constant.
[0077]
The excitation pattern generation circuit 1 only outputs the excitation pattern to the output stage 4 as a gate signal, and does not perform excitation / non-excitation as in the case of the output stage chopper type, and always keeps the stepping motor in the excitation state. Can be. Since the total current is controlled by the constant current control circuit 2, there is no need to perform excitation / non-excitation switching between the excitation pattern generation circuit 1 and the output stage 4.
[0078]
Further, in the output stage chopper type, the PWM cycle is synchronized with the cycle of the basic excitation pattern or the intermediate excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit 1, so that the number of excitation patterns that can be divided between the basic steps is Naturally, there are restrictions. On the other hand, in the motor drive voltage control type, since the excitation pattern can be output from the excitation pattern generation circuit 1 independently of the constant current control circuit 2, the number of excitation patterns that can be divided between the basic steps is It can be set freely, and it is possible to perform much more divisions as microsteps as compared with the output stage chopper.
[0079]
Next, a multi-division method in the second embodiment for performing the micro-step driving will be described.
As shown in FIG. 11, in the excitation in the basic step, a combined torque vector based on the excitation pattern is created by combining two types of three-phase excitation patterns as in the first embodiment.
[0080]
In the excitation other than the basic steps, a combined torque vector based on the excitation pattern is created by combining three types of three-phase excitation patterns. At this time, the output cycle of the basic excitation pattern and the intermediate excitation pattern is fixed, and the ratio of the output time of each excitation pattern within the same constant output cycle is changed, so that the combined torque vector at each step in the sequence is obtained. To operate.
[0081]
FIG. 9 shows the output time and output period of each individual excitation pattern in each step when the output period of the basic excitation pattern and the intermediate excitation pattern is 100 μs, and the period from the start position (full step) to the next full step is divided into 100. The ratio with respect to 100 μs is shown.
[0082]
Each time a command pulse is input to the excitation pattern generation circuit 1, the stepped individual excitation pattern vUw is reduced by 0.5 μs and the excitation pattern wVu is increased by 0.5 μs. This operation can be configured by a logic circuit in all the excitation pattern generation circuits 1.
[0083]
Note that the output period and the basic step from 100 μs to the next basic step are divided into 100, and the output time to be increased or decreased for each step is set to 0.5 μs. However, the present invention is not limited to the above numerical value, but can be performed with an arbitrary value and unit such as an output cycle and an output time in the order of nanoseconds (ns).
[0084]
FIG. 10 shows the output period of the basic excitation pattern and the intermediate excitation pattern and the ratio of the output time of each individual excitation pattern. At this time, the output periods of the basic excitation pattern and the intermediate excitation pattern are always constant.
[0085]
Each time a command pulse is input to the excitation pattern generation circuit 1, the output time of the excitation pattern vUw is gradually reduced by 0.5 μs, and the output time of the excitation pattern wVu is gradually increased by 0.5 μs. The output time is fixed.
[0086]
As a result, by changing the ratio of the individual excitation pattern output time, the resultant torque vector is changed, and thereby the stepping motor can be advanced. That is, the composite vector is Uw in the basic step at the start, but becomes w in the half step, and can be wV in the next basic step.
[0087]
Unless a command pulse is input to the excitation pattern generation circuit 1, the output time ratio of each excitation pattern at that position does not change, and the output is repeated. , And the output of the individual excitation pattern is repeated at the new output time.
[0088]
As shown in FIG. 11, the state of the excitation pattern in the basic step and the half step in the second embodiment, the output time of PT2 is constant between the basic steps, and the output time of PT1 is 0.5 μs per step. , And PT3 increases by 0.5 μs for each step.
In the next basic step, the output time of the excitation pattern of PT1 becomes zero in the previous stage, and the excitation pattern which was PT2 in the previous stage becomes a new PT1 instead. PT2 is replaced by the one that was PT3 in the previous stage, and PT3 is replaced by PT2 that becomes PT2 in the next basic step.
[0089]
In the second embodiment, the total current is detected by the constant current control circuit 2 without detecting the current of each phase, and the motor driving voltage is controlled by controlling the switching means 8 for the power supply. The current can be controlled to be constant. Also, in the excitation in the basic step, a combined torque vector can be created from two individual excitation patterns by combining two types of three-phase excitation patterns.
[0090]
Further, in the excitation in steps other than the basic steps, a combined torque vector can be created by individual excitation patterns by combining three types of three-phase excitation patterns. Moreover, two types of individual excitation patterns can be created by changing the combination ratio of the excitation patterns in the preceding and following basic steps.
[0091]
In addition, the output periods of the basic excitation pattern and the intermediate excitation pattern are kept constant, and the ratio of the output time of the individual excitation patterns to be output within the period is changed for each step. The resultant torque vector can be manipulated and microsteps can be performed that divide the basic step into multiples.
[0092]
Next, a description will be given of a radially-connected 5-phase stepping motor according to a third embodiment. The third embodiment can also be applied to a stepping motor driven by an output stage chopper type and a motor drive voltage control type. FIG. 12 shows the relationship between the output stage and the connection diagram as a part of the microstep circuit configuration of the five-phase stepping motor of the output stage chopper type and the motor drive voltage control type.
[0093]
In the output stage 4 of FIGS. 3 and 8 showing the output stage chopper type and the motor drive voltage control type in three phases, respectively, three pairs of transistors are arranged in parallel. As shown in FIG. 4, two pairs of transistors are further arranged, and the midpoint of each pair of transistors is separately connected to the ends of the five-phase A to E coil windings. The other configuration is the same as the configuration shown in FIG. 3 for the output stage chopper type and the configuration shown in FIG. 8 for the motor drive voltage control type, and the description of each member will be omitted.
[0094]
Although an example in which a transistor is used as the switching means in the output stage 4 is shown, the switching means is not limited to a transistor, and a field effect transistor (FET) or the like can be used. Further, although the diodes D1 to D10 are provided in the output stage 4, these diodes D1 to D10 are not necessarily required to be set, and can be appropriately set as needed.
[0095]
FIG. 13 shows an excitation pattern in the output stage chopper type as an excitation pattern in three phases, and FIG. 14 shows an excitation pattern in the basic step and half step as an excitation pattern in the motor drive voltage control type. On the other hand, in the case of five phases, unlike the case of three phases, the excitation pattern in the basic step can be performed by one type, and the excitation patterns in the middle are two types of excitation patterns which are the basic excitation patterns before and after. Can be obtained by changing the output ratio.
[0096]
The method of changing the output ratio of the basic excitation pattern before and after is similar to that performed in the output stage chopper type and the motor drive voltage control type in the case of three phases, and the basic excitation pattern in the basic step and the basic excitation pattern in the next basic step. By gradually decreasing and gradually increasing the output ratio of each step, the excitation pattern of the basic step can be continuously changed to the excitation pattern of the next basic step.
[0097]
Further, as in the case of the three-phase, the output stage chopper type also synchronizes the PWM cycle from the constant current control circuit 2 with the output of the excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit 1 in each of the five phases. The microstep drive can be performed by gradually decreasing and gradually increasing the number of times to output the output cycle of each excitation pattern.In the motor drive voltage control type, the time of the output cycle of the individual excitation pattern for each step can be set. The micro-step drive can be performed by gradually decreasing and gradually increasing the ratio.
Therefore, a specific description of the case of five phases is omitted.
[0098]
Also in the case of the five phases, when driving the stepping motor, all five phases can be excited, and the stepping motor can be driven without causing a high impedance state. In addition, in the case of the output stage chopper type, the excitation pattern can be controlled in the same manner as in the output stage chopper type in the case of three phases, and the coil winding of all five phases can be performed in the non-excited state as in the case of the three phases The ends of the lines are at the same pole.
[0099]
In the case of the motor drive voltage control type, the excitation pattern can be controlled in the same manner as in the case of the three-phase motor drive voltage control type.
[0100]
Although the three-phase and five-phase radially connected stepping motors have been described above, the present invention is not limited to the three-phase and five-phase stepping motors. Applicable. Moreover, the stepping motor to which the micro-step method according to the present invention is applied can improve the division accuracy, does not cause a high impedance state, and can suppress the vibration at low speed rotation. It can be used as a constant speed motor.
[0101]
The stepping motor of the present invention is applicable to various FA machines such as facsimile machines, copiers, printers, magnetic disk drives, OA machines, NC machine tools, robots, semiconductor manufacturing machines, stationery machines, food machines, and packaging machines. It can be used as a high-precision positioning motor for a computer-controlled mechanism such as a machine.
[0102]
Further, the stepping motor of the present invention can further improve the positioning accuracy and suppress vibration at low rotation speed, so that the motor for positioning devices such as optical fiber field, nanotechnology field, electron microscope, etc. It can be used as a constant speed motor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a motor connection diagram of a radially connected three-phase stepping motor.
FIG. 2 is a torque vector diagram of a three-phase stepping motor.
FIG. 3 is a configuration diagram of a micro-step circuit of an output stage chopper type of a three-phase stepping motor.
FIG. 4 is a diagram showing an excitation output state in an output stage chopper type.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a PWM circuit and an excitation output in an output stage chopper type.
FIG. 6 is a diagram showing combined vectors in a basic step and a half step in the output stage chopper type.
FIG. 7 is a diagram showing an excitation pattern in the output stage chopper type.
FIG. 8 is a block diagram of a micro step circuit in a motor drive voltage control type.
FIG. 9 is a diagram showing an output ratio of an excitation pattern in a motor drive voltage control type.
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between an excitation pattern output cycle and an output time in a motor drive voltage control type.
FIG. 11 is a diagram showing an excitation pattern in a motor drive voltage control type.
FIG. 12 is a diagram illustrating an output stage of a five-phase stepping motor.
FIG. 13 is a diagram showing an excitation pattern in a 5-phase output stage chopper type.
FIG. 14 is a diagram showing an excitation pattern in a five-phase motor drive voltage control type.
FIG. 15 is a configuration diagram of a micro-step circuit in a conventional example.
FIG. 16 is a diagram showing duty control in an output stage in a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 Excitation pattern generation circuit
2 Constant current control circuit
3 Sensing resistance
4 Output stage
5-7 coil winding
8 Switching means for power supply
9 coils
10 Diode
11-15 coil winding
17 Power supply voltage
18 Motor drive voltage
21 to 25 phase coil
+ Vc Positive potential of power supply voltage
+ Vm Positive potential of motor drive voltage
GND Ground potential
T1 to T10 Switching means
D1 to D10 Diode
A to E, a to e Torque vectors
U ~ W, u ~ w Torque vector
TAP to TEP transistor
TAN-TEN transistor

Claims (8)

定電流コントロール回路及び励磁パターン発生回路を備え、N相ステッピングモータの各コイル巻線を、その始端を1点で接続して放射状に結線し、これらの相の端部に各別に出力段としてのスイッチング手段を接続し、同スイッチング手段に電源電圧の正極又は負極を接続して各相を励磁するステッピングモータのマイクロステップ方法において、
前記ステッピングモータの少なくとも駆動時には、常時N相を全て励磁状態となし、
各基本ステップに対応した合成トルクベクトルを発生させる基本励磁パターンとして、それぞれ少なくとも1以上の組合せによる励磁パターンを前記励磁パターン発生回路に設定し、
一つの励磁シーケンス中に前記基本ステップの中間段階に対応した合成トルクベクトルを発生させる中間励磁パターンを、前記中間段階の前後の基本ステップにおけるそれぞれの前記基本励磁パターンの出力割合を変更して組合せた励磁パターンとして前記励磁パターン発生回路に設定し、
一つの励磁シーケンス中における前記励磁パターン発生回路から出力される個々の励磁パターンの出力割合をステップ毎に漸増並びに漸減して、前記前段階の基本ステップでの基本励磁パターンから次の基本ステップでの基本励磁パターンへ連続的に変化させ、
一つの励磁シーケンス中における前記合成トルクベクトルが、前記ステップ毎に基本ステップ間を多分割駆動されてな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方法。
A constant current control circuit and an excitation pattern generation circuit are provided. Each coil winding of the N-phase stepping motor is connected radially by connecting its starting end at a single point, and each of these phases is individually connected to an end as an output stage. In a micro-step method of a stepping motor that connects a switching means and connects a positive or negative power supply voltage to the switching means to excite each phase,
At least at the time of driving the stepping motor, all N phases are always in an excited state,
As a basic excitation pattern for generating a combined torque vector corresponding to each basic step, an excitation pattern by at least one or more combinations is set in the excitation pattern generation circuit,
An intermediate excitation pattern for generating a combined torque vector corresponding to an intermediate stage of the basic steps during one excitation sequence was combined by changing the output ratio of each of the basic excitation patterns in the basic steps before and after the intermediate stage. Set as the excitation pattern in the excitation pattern generation circuit,
The output ratio of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit in one excitation sequence is gradually increased and decreased step by step, and the basic excitation pattern in the previous basic step is changed from the basic excitation pattern in the previous basic step to the next basic step. Continuously change to the basic excitation pattern,
A micro-stepping method for a stepping motor, characterized in that the combined torque vector in one excitation sequence is driven in multiple divisions between basic steps for each step.
前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力周期と前記定電流コントロール回路から出力されるPWM周期とを同期させ、各ステップにおける前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの励磁時間を均一となし、
ステップ毎に前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力割合の漸増並びに漸減を、各ステップにおいて前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力周期の発生回数を漸増並びに漸減することにより行うことを特徴とする請求項1記載のマイクロステップ方法。
The output period of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit is synchronized with the PWM period output from the constant current control circuit, and the excitation time of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit in each step The uniform and none
The output ratio of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit is gradually increased and decreased for each step, and the number of times of generation of the output cycle of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit is gradually increased and decreased in each step. 2. The microstep method according to claim 1, wherein the method is performed.
前記定電流コントロール回路から励磁パターンの出力をONとする信号が前記励磁パターン発生回路に入力されている間は、前記励磁パターン発生回路から出力する基本励磁パターン又は中間励磁パターンに従って各相を励磁し、
同定電流コントロール回路出力から励磁パターンの出力をOFFとする信号が前記励磁パターン発生回路に入力されている間は、前記コイル巻線終端の何れも前記電源電圧の同一極に接続することにより、同コイル巻線の終端すべてを同電位としてモータを非励磁とすることを特徴とする請求項2記載のマイクロステップ方法。
While the signal for turning on the output of the excitation pattern from the constant current control circuit is input to the excitation pattern generation circuit, each phase is excited according to the basic excitation pattern or the intermediate excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit. ,
While a signal for turning off the output of the excitation pattern from the output of the identification current control circuit is being input to the excitation pattern generation circuit, any one of the coil winding ends is connected to the same pole of the power supply voltage, so that the same 3. The micro-step method according to claim 2, wherein all ends of the coil winding are set to the same potential to de-energize the motor.
前記定電流コントロール回路が、前記ステッピングモータの各相のインピーダンスの変化による総電流の変化を検出し、
前記総電流が一定となるように、前記励磁パターン発生回路に対して前記スイッチング手段の電流ONとする時間を制御することを特徴とする請求項2または3記載のマイクロステップ方法。
The constant current control circuit detects a change in total current due to a change in impedance of each phase of the stepping motor,
4. The micro-step method according to claim 2, wherein a time during which the switching means is turned on with respect to the excitation pattern generating circuit is controlled so that the total current is constant.
前記励磁パターン発生回路から出力する基本励磁パターン及び中間励磁パターンの出力周期を一定となし、
ステップ毎に前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの出力割合の漸増並びに漸減を、前記励磁パターン発生回路から出力する個々の励磁パターンの励磁時間の比率を変化させることにより行うことを特徴とする請求項1記載のマイクロステップ方法。
Making the output cycle of the basic excitation pattern and the intermediate excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit constant,
The output ratio of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit is gradually increased and decreased at each step by changing the ratio of the excitation time of each excitation pattern output from the excitation pattern generation circuit. The microstep method according to claim 1, wherein
前記定電流コントロール回路が、前記ステッピングモータの各相のインピーダンスの変化による総電流の変化を検出し、
前記総電流が一定となるように、前記電源電圧と出力段間に前記電源電圧と並列に設けたモータ駆動電圧に対して前記電源電圧の断接を行う電源用スイッチング手段の電流ONとする時間を制御することを特徴とする請求項5記載のマイクロステップ方法。
The constant current control circuit detects a change in total current due to a change in impedance of each phase of the stepping motor,
Time for turning on the current of the power supply switching means for connecting and disconnecting the power supply voltage to and from the motor drive voltage provided between the power supply voltage and the output stage in parallel with the power supply voltage so that the total current is constant. 6. The microstep method according to claim 5, wherein is controlled.
前記請求項1〜6記載のマイクロステップ方法にて駆動されるステッピングモータを、位置決め用モータとして使用することを特徴とするステッピングモータ。7. A stepping motor, wherein a stepping motor driven by the microstep method according to claim 1 is used as a positioning motor. 前記請求項1〜6記載のマイクロステップ方法にて駆動されるステッピングモータを、超低速等速用モータとして使用することを特徴とするステッピングモータ。7. A stepping motor, wherein the stepping motor driven by the micro step method according to claim 1 is used as a motor for an ultra-low speed constant speed.
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