JP2007135365A - ステッピングモータ駆動装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電源に重畳されるノイズを効果的に抑制可能なステッピングモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】ステッピングモータ駆動装置は、ブリッジ回路３と定電流回路４と制御回路とを含む。ブリッジ回路３は電源ＶＢに接続され、ステッピングモータのコイル２に位相を切り替えながら駆動電流を通電して、ステッピングモータを回転駆動する。定電流回路４は負帰還型で、コイル２に通電された駆動電流をモニターして、ブリッジ回路３に一定レベルの駆動電流が流れるようにする。制御回路は、駆動電流の位相を切り替えるとき及び駆動電流の通電をオフするとき、定電流回路４を制御して駆動電流の一定レベルを下げ、以ってコイル２に発生するキックバック電圧を分散する。これにより電源ＶＢに重畳するノイズを抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブリッジ回路でコイルに通電する位相を切換えながらステッピングモータを駆動する装置に関する。より詳しくは、位相切換時に発生する電源ノイズを抑制する技術に関する。

従来、ステッピングモータから電源に重畳するノイズを抑制する方式としては、次の特許文献１に開示された技術が知られている。
特開平９−１５４２９７号公報

図８は、特許文献１に開示されたステッピングモータ駆動装置を示す回路図である。このモータ駆動回路は、動作モードから待機モードへの移行時に、モータ駆動回路の電源ＶＣＣにノイズが重畳するのを防止するものである。ステッピングモータ１０１は二相のコイル１０２，１０３を備えている。コイル１０２は図示のモータ駆動回路の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に接続されており、駆動トランジスタ１０４，１０５，１０６，１０７からなるブリッジ回路により駆動される。イネーブル信号ＥＮＡが動作モードから待機モードになったとき、コンデンサ１３７が充電を開始し、駆動トランジスタ１０４、１０５、１０６、１０７の前段に設けられた電流ミラー回路１２０、１２１、１２２、１２３、１３８、１３９、１４０、１４１の電流がコンデンサ１３７の端子電圧の上昇によって徐々に減少し、これに伴い駆動トランジスタ１０４、１０５、１０６、１０７が最終的にオフしたときの回生電流が小さくなる。これによって電源ＶＣＣにノイズが重畳するのを防ぐことが出来る。

特許文献１に開示された技術によると、モータ駆動回路のＥＮＡ端子に制御信号を入れることで、モータの駆動オフ時に駆動電流が緩やかに減少する様にしている。これにより、ノイズの発生を抑えている。しかしながら、実際のモータ駆動回路において電源に重畳するノイズとしては、駆動オフ時のみではなく駆動相の切換時にも発生する。このため特許文献１の従来技術は、駆動オフ時には非常に効果的に作用するものの、駆動電流の位相切換時に生じるノイズについては、無防備であるという課題がある。特許文献１に開示された技術は、ＥＮＡ端子と電流制御を関連付けることで、特にユーザーに意識させることなく電源ノイズを低減させている。但しこの従来技術は駆動オフ時に発生するノイズに対処するものであり、駆動相切換時に発生するノイズについては何ら考慮がなされていない。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は電源に重畳されるノイズを効果的に抑制可能なステッピングモータ駆動装置を提供することを目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明にかかるステッピングモータ駆動装置は、電源に接続され、ステッピングモータのコイルに位相を切り替えながら駆動電流を通電して、該ステッピングモータを回転駆動するブリッジ回路と、該コイルに通電された駆動電流をモニターして、該ブリッジ回路に一定レベルの駆動電流が流れるようにする負帰還型の定電流回路と、該駆動電流の位相を切り替えるとき及び該駆動電流の通電をオフするとき、該定電流回路を制御して該駆動電流の該一定レベルを下げ、以って該コイルに発生するキックバック電圧を分散する制御回路とを有し、これにより電源に重畳するノイズを抑制することを特徴とする。

具体的には前記制御回路は、該駆動電流を高い一定レベルから低い一定レベルに二段階で制御する。又前記制御回路は、ＣＰＵからなり所定のソフトウェアを実行することで、該定電流回路を制御する。

本発明は又、電源に接続され、ステッピングモータのコイルに位相を切り替えながら駆動電流を通電して、該ステッピングモータを回転駆動するブリッジ回路と、該コイルに通電された駆動電流をモニターして、該ブリッジ回路に一定レベルの駆動電流が流れるようにする負帰還型の定電流回路とを有するステッピングモータ駆動装置の制御方法であって、該駆動電流の位相を切り替えるとき及び該駆動電流の通電をオフするとき、該定電流回路を制御して該駆動電流の該一定レベルを下げ、以って該コイルに発生するキックバック電圧を分散し、これにより電源に重畳するノイズを抑制することを特徴とする。

本発明によれば、駆動電流の位相を切換えるとき、定電流回路を制御して駆動電流のレベルを一端通常レベルから低レベルに下げ、その後位相を切換える様にしている。この様に駆動電流の変化を分断することで、コイルに発生するキックバック電圧を分散可能である。よって駆動オフ直前ばかりでなく位相切換え直前の電流を低く抑えることが可能で、その結果電源に重畳するノイズ幅を小さくすることが出来る。具体的な制御では、駆動電流の低減化はソフトウェアで行う様にしている。電流設定については処理容易化のため、通常の高レベルと位相切換時及び駆動オフ時に用いる低レベルの二段階を切換えるようにしている。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明にかかるステッピングモータ駆動装置の構成を示す回路図である。図示する様に、本ステッピングモータ駆動装置１は、基本的にブリッジ回路３と定電流回路４と制御回路（図示せず）とで構成されている。ブリッジ回路３は、ステッピングモータのコイル２に位相を切換えながら駆動電流を通電して、ステッピングモータを正逆双方向に回転駆動する。定電流回路４は、コイル２に通電された駆動電流の変化をモニターして、その結果に基づきブリッジ回路３に一定レベルの駆動電流が流れるようにフィードバック制御しており、いわゆる負帰還型である。制御回路は、駆動電流の位相を切換えるとき及び駆動電流の通電をオフするとき、定電流回路４を制御して駆動電流の一定レベルを下げ、以ってコイル２に発生するキックバック電圧を分散する。これにより、電源ＶＢに重畳するノイズを抑制することが出来る。好ましくは、この制御回路は、駆動電流を高い一定レベルから低い一定レベルに二段階で制御する。好ましくはこの制御回路は、ＣＰＵからなり所定のソフトウェアを実行することで、定電流回路４を制御する。

引き続き図１を参照して、ステッピングモータ駆動装置１に含まれるブリッジ回路３及び定電流回路４を詳細に説明する。まずブリッジ回路３は電源ＶＢと接地ＧＮＤとの間に接続されており、４個のトランジスタ３１，３２，３３，３４で構成されている。通常ステッピングモータは二相のコイルからなるが、図では理解を容易にするため１個分のコイル２のみを示してある。１個のコイル２を駆動するために１個のブリッジ回路３が必要である。各トランジスタ３１，３２，３３，３４のベースは制御回路によってオンオフ制御され、これによりコイル２に二方向の駆動電流を通電する。トランジスタ３１と３４がオンでトランジスタ３２と３３がオフのとき、コイル２には電源ＶＢから接地ＧＮＤに向かって一方向の駆動電流が流れる。逆にトランジスタ３１と３４がオフでトランジスタ３２と３３がオンのとき、コイル２には反対方向の駆動電流が流れる。この様にトランジスタ３１ないし３４をオンオフ制御することで、コイル２に流れる駆動電流の位相を切換制御している。コイル２に流れる駆動電流は電源ＶＢから供給され検出抵抗Ｒを通って接地電位ＧＮＤに流れる。

定電流回路４は差動増幅器（オペアンプ）４１とスイッチ４２と基準抵抗４３ないし４６とで構成されている。差動増幅器４１の出力端子はブリッジ回路３のトランジスタ３２のベースに接続している。差動増幅器４１の負側入力端子は検出抵抗Ｒに接続されている。この負側入力端子には、検出抵抗Ｒに流れる駆動電流の電圧降下分が入力される。換言すると、差動増幅器４１は負入力端子側で、コイル２に流れる駆動電流の変化をモニターしている。一方差動増幅器４１の正入力端子側には、スイッチ４２を介して基準電圧が印加される。この基準電圧は、基準抵抗４３ないし４６によって設定されている。基準抵抗４３ないし４６は所定の基準電位Ｖｒｅｇと接地電位ＧＮＤとの間に接続されており、２個の異なった基準電位を設定可能である。図ではこの基準電位を設定１と設定２で表してある。スイッチ４２は設定１または設定２のいずれかを選択して差動増幅器４１の正側入力端子に供給する。差動増幅器４１は、負側入力端子でモニターした電位が正入力端子側に供給される基準電位と一致するように、トランジスタ３２のベース電流を制御する。差動増幅器４１は負帰還型の定電流回路を構成する。

ここでスイッチ４２は設定１と設定２を切換えるために制御端子ＩＳＥＬを備えている。このＩＳＲＬには図示しない制御回路から切換信号が送られる。前述したようにこの制御回路は、駆動電流の位相を切換えるとき及び駆動電流の通電をオフするとき、駆動電流を高い一定レベル（例えば設定１）から低い一定レベル（例えば設定２）に二段階で制御する。即ち設定１の基準電位は設定２の基準電位よりも高く設定されている。好ましくは、設定１の基準電位に比べ設定２の基準電位はその半分となっている。したがって、駆動電流は高レベルから低レベルまで丁度半分になるように制御されている。但し本発明はこれに限られるものではなく、レベル設定は適宜行われる。

図２は、本発明にかかるステッピングモータ駆動装置の全体構成を示す模式的なブロック図である。図示する様に、ステッピングモータ駆動装置１は基本的にドライブ回路３／４と制御ＣＰＵ５とで構成されている。ドライブ回路３／４は図１に示したブリッジ回路３と定電流回路４を含んでいる。制御ＣＰＵ５は本ステッピングモータ制御装置１の制御回路を構成している。本実施形態では、制御回路が制御ＣＰＵ５からなり、所定のソフトウェアを実行することで、ドライブ回路３／４に含まれている。定電流回路を制御している。具体的には、図１に示した定電流回路４の電流制御端子ＩＳＥＬに基準電圧切換用の制御信号を入力している。なおこのステッピングモータ駆動装置１は電源監視用の回路６も内蔵している。

このステッピングモータ駆動装置１によって駆動されるステッピングモータはユニット化されている。即ちステッピングモータ２Ｓと位置センサ２Ｐとでユニット２Ｕを構成している。ステッピングモータ（ＳＴＭ）２Ｓは二相のコイルからなり、正逆双方向に回転可能である。ステッピングモータ２Ｓに含まれるローターの回転位置がセンサ２Ｐによって検出され、その結果がステッピングモータ駆動装置１側の制御ＣＰＵ５に入力される。制御ＣＰＵ５は検出結果にしたがって、ドライブ回路３／４に制御信号を出力している。

ステッピングモータ駆動装置１にはホストＣＰＵ７が接続されている。ホストＣＰＵ７はステッピングモータ駆動装置１に対してモータの起動命令、停止命令、正転命令、逆転命令などを出力する。ステッピングモータ駆動装置１側の制御ＣＰＵ５はホストＣＰＵ７からの命令に従って、ドライブ回路３／４を制御する。逆に制御ＣＰＵ５から出力されたエラー信号はホストＣＰＵ７側に送られ、所定のエラー処理が行われる。

図２に示したシステムは例えばカメラに適用できる。この場合モータユニット２Ｕはカメラのシャッタの駆動に使われる。ステッピングモータ駆動装置１はワンチップのドライバＩＣからなり、カメラのシャッタ基板に組み込まれる。ホストＣＰＵ７はカメラ本体を制御するものであり、例えば露光動作を行うときには、ドライバＩＣ１に対してシャッタの開閉命令を送る。ドライバＩＣ１はこの開閉命令に応じてモータユニット２Ｕを正逆回転駆動し、以ってシャッタの開閉動作を行う。

図３は、本発明にかかるステッピングモータ駆動装置１の具体的な構成例を示す回路図である。図示する様に、本ステッピングモータ駆動装置１は、二相コイルのステッピングモータ２Ｓと、位置センサ２Ｐと、モータドライバ３／４とＣＰＵ５と発振回路８とで構成されている。ステッピングモータ２Ｓは二相のコイルを駆動するため、一対の入力端子Ａ，Ａと（図では一対の入力端子を互いに区別するため片方の記号Ａにバーを入れてある）と他の一対の入力端子Ｂ，Ｂとを備えている（図では一対の入力端子を互いに区別するため片方の記号Ｂにバーを入れてある）。位置センサ２Ｐは発光ダイオードとフォトトランジスタで構成されている。フォトトランジスタから出力された検出結果は、制御ＣＰＵ５にフィードバックされる。

モータドライバ３／４は、ステッピングモータ２Ｓに含まれる各コイルの端子Ａ，Ａ及びＢ，Ｂにそれぞれ 適切な位相で駆動電流を供給する。ステッピングモータ２Ｓの各コイルに流れる駆動電流は、モータドライバ３／４の２ピンもしくは４ピンに接続された検出抵抗Ｒ１またはＲ２の電位に対して負帰還をかけることで決定している。なお検出抵抗Ｒ１，Ｒ２はモータドライバ３／４によって適宜選択される。モータドライバ３／４は端子ＩＳＥＬを備えており、制御ＣＰＵ５から送られる切換信号に応じて、ステッピングモータ２Ｓに供給する駆動電流のレベルを制御している。ＩＳＥＬ＝１のとき、駆動電流は１／２のレベルに設定される。

ＣＰＵ５は所定の制御用ソフトウェアを実行することにより、モータドライバ３／４の各端子ＩＳＥＬ，ＥＮＡ，ＩＮ１ないしＩＮ４に制御信号を送っている。ＣＰＵ５は特に位相切換時と駆動オフ時の駆動電流制御のために、モータドライバ３／４の制御端子ＩＳＥＬに切換信号を送っている。なお発振回路８はＣＰＵ５に動作用のクロックを供給している。

図４は、図３に示したＣＰＵ５で実行される制御ソフトウェアの流れを示すフローチャートである。（１）は位相切換えの場合のモータ駆動処理を表している。駆動電流の位相を切換えるタイミングが到来したら、ステップＳ１でＩＳＥＬ＝１に設定し、駆動電流を通常のレベルから半分のレベルに下げる。ステップＳ２では駆動電流を半分に下げた状態を所定時間だけ維持する。続いてステップＳ３で位相送りを実行し、駆動電流の位相を切換える。さらに所定時間経過した後、ステップＳ４でＩＳＥＬ＝０に設定し、駆動電流を半分のレベルから通常のレベルに戻す。続いてステップＳ５で駆動電流のパルス幅が所定時間幅に到達するまで待機する。ステップＳ６で駆動パルスの出力が完了したか否かを判断する。

（２）はステッピングモータの駆動オフ時の流れを示すフローチャートである。駆動オフのタイミングが到来するとステップＳ１１でＩＳＥＬ＝１に設定し、駆動電流を通常のレベルから一端半分のレベルに下げる。ステップＳ１２で所定時間待機した後、ステップＳ１３でＥＮＡ＝０に設定し通電をオフする。その後ステップＳ１４で待機した後、ステップＳ１５でＩＳＥＬ＝０に設定し、次の駆動に備える。

図５は、図３に示したモータドライバ３／４から出力される駆動電流波形を示す模式図である。（Ａ）はステッピングモータ２ＳのコイルＡに通電される駆動電流波形を表している。図示する様に、駆動電流波形は周期的に正極性と負極性で位相が切換る。タイミングＴ１で正極性から負極性への位相切換時点が到来すると、駆動電流を通常のレベル＋Ｉから半分のレベル＋Ｉ／２に下げる。キックバック電圧の抑制に必要な時間が経過した後のタイミングＴ２で、位相の切換を実行する。この後引き続きキックバック電圧の抑制に必要な時間幅だけ半分のレベル−Ｉ／２を維持した後タイミングＴ３で通常のレベル−Ｉに戻す。−Ｉのレベルを維持した後、再び次の位相切換えのタイミングＴ４が来るまで通常のレベル−Ｉを維持する。この様にしてキックバック電圧の発生を抑制した駆動電流パルスがコイルＡに印加される。

駆動オフのタイミングが到来した時点Ｔ５では、駆動電流を通常のレベル−Ｉから一端半分のレベル−Ｉ／２に下げる。この後キックバック電圧を抑制するために必要な時間幅を維持した後、駆動電流を−Ｉ／２のレベルから０レベルにし、通電を停止する。

（Ｂ）は同じステッピングモータのコイルＢに通電される駆動電流波形を表している。この駆動電流波形もコイルＡの駆動電流波形と同様に、位相切換え時と駆動オフ時に駆動電流レベルの二段階制御が行われ、キックバック電圧の発生を抑制するようにしている。

図６は、駆動オフ時に現れるコイルＡの端子電圧の変化と、電源電位ＶＢ及び接地電位ＧＮＤの変化を実測したグラフである。横軸に時間ｔを取り、縦軸に電圧Ｖを取ってある。

グラフ（１）は駆動電流の二段切換をしない場合である。グラフから明らかなように駆動オフのタイミングＴ５でコイルＡの端子電圧は大きく変動し、これが電源電圧ＶＢに重畳している。なおグラフ（１）は時間軸ｔの１メモリを１０μｓに取ってある。グラフ（２）はこの時間軸ｔを１メモリ４００μｓに取ってある。換言するとグラフ（１）はグラフ（２）を時間軸に沿って拡大したものである。

グラフ（３）は本発明に従って駆動電流を段階的に切換えた場合の電圧波形である。グラフから明らかなように駆動オフのタイミングＴ５でやはりコイル端子電圧は変化しているが、その幅は二段切換を行わない（１）の場合に比べて小さくなっている。この様にピーク電圧が抑制されるので、電源ＶＢに重畳されるノイズもほとんど目立たない。なおグラフ（４）はグラフ（３）の時間軸を縮小したものである。

図７は、駆動電流の位相切換時に現れる電圧変化を示すグラフである。理解を容易にするため、図６に示した駆動オフ時の電圧変化を表すグラフと同じ表記を採用している。（１）は駆動電流波形の段階的制御を行わない場合である。グラフから明らかなようにコイル端子電圧は位相切換えのタイミングＴ１で大きなピークが生じている。グラフ（２）はグラフ（１）の時間幅を縮小したものであり、１メモリが４００μｓである。

グラフ（３）は駆動電流波形を二段階で切換え制御した場合である。位相切換えのタイミングＴ１で、やはりコイルの端子電圧にピークが現れるが、二段階制御を行わなかった場合に比べ、ピークの高さは抑制されている。グラフ（４）はグラフ（３）の時間軸を縮小したものである。

本発明にかかるステッピングモータ駆動装置の構成を示す回路図である。 本発明にかかるステッピングモータ駆動装置を含むシステムのブロック図である。 図１に示したステッピングモータ駆動装置の具体的な構成例を示す回路図である。 図３に示したステッピングモータ駆動装置の動作説明に供するフローチャートである。 同じく動作説明に供する波形図である。 同じく動作説明に供するグラフである。 同じく動作説明に供するグラフである。 従来のモータ駆動装置の一例を示す回路図である。

符号の説明

１・・・ステッピングモータ駆動装置、２・・・コイル、３・・・ブリッジ回路、４・・・定電流回路、５・・・制御ＣＰＵ，７・・・ホストＣＰＵ

Claims (4)

1. 電源に接続され、ステッピングモータのコイルに位相を切り替えながら駆動電流を通電して、該ステッピングモータを回転駆動するブリッジ回路と、
   該コイルに通電された駆動電流をモニターして、該ブリッジ回路に一定レベルの駆動電流が流れるようにする負帰還型の定電流回路と、
   該駆動電流の位相を切り替えるとき及び該駆動電流の通電をオフするとき、該定電流回路を制御して該駆動電流の該一定レベルを下げ、以って該コイルに発生するキックバック電圧を分散する制御回路とを有し、
   これにより電源に重畳するノイズを抑制することを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
2. 前記制御回路は、該駆動電流を高い一定レベルから低い一定レベルに二段階で制御することを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ駆動装置。
3. 前記制御回路は、ＣＰＵからなり所定のソフトウェアを実行することで、該定電流回路を制御することを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ駆動装置。
4. 電源に接続され、ステッピングモータのコイルに位相を切り替えながら駆動電流を通電して、該ステッピングモータを回転駆動するブリッジ回路と、該コイルに通電された駆動電流をモニターして、該ブリッジ回路に一定レベルの駆動電流が流れるようにする負帰還型の定電流回路とを有するステッピングモータ駆動装置の制御方法であって、
   該駆動電流の位相を切り替えるとき及び該駆動電流の通電をオフするとき、該定電流回路を制御して該駆動電流の該一定レベルを下げ、以って該コイルに発生するキックバック電圧を分散し、これにより電源に重畳するノイズを抑制することを特徴とするステッピングモータ駆動装置の制御方法。
   

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