JP2008278643A - ステッピングモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、回路規模が増大することなく、回転数全域に渡り、発生する振動を低減し、特に、高速回転領域において動作する場合に、発生するトルクの減少を抑制することができる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。
【解決手段】本発明に係るステッピングモータ駆動装置は、励磁パターン信号及び電流指令信号に従ってコイルに流れる電流を制御するステッピングモータ駆動回路と、基本次指令信号に高調波信号を重畳した電流指令信号を生成する指令信号生成回路とを具備する
また、指令信号生成回路は、基本次指令信号に高調波信号を重畳する際に、ステッピングモータの回転数に応じて、高調波信号の振幅を変更することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電子写真式の複写機、プリンタ、又は、ファクシミリ等の画像形成装置に搭載されるステッピングモータ駆動装置に関し、特に、マイクロステップ方式によってステッピングモータを駆動するためのステッピングモータ駆動装置に関する。

従来、電子写真式の複写機、プリンタ、又は、ファクシミリ等の画像形成装置に内蔵される給紙搬送装置の駆動には、ステッピングモータが広く用いられている。ステッピングモータは、外部から入力されたパルス信号に同期することによって回転するので、例えば、回転子の位置を検出して制御回路にフィードバックする回路を不要とするオープンループ位置制御システムを構成することができる。

例えば、２相ステッピングモータを駆動する駆動方式として、１相励磁方式と、２相励磁方式と、１−２相励磁方式とが広く知られている。一般的に、そのような駆動方式が用いられたステッピングモータ駆動装置においては、ステッピングモータの励磁される相のコイル（巻線）に流れる電流（以下、巻線電流ともいう）を一定とするために定電流制御回路が用いられている。その結果、ステッピングモータは、安定したトルクを出力することができる。

ここで、従来のステッピングモータ駆動装置の構成について簡単に説明する。

図１３は、従来におけるステッピングモータ駆動装置の構成の一例を示す図である。図１３のステッピングモータ駆動回路は、指令信号生成回路３００とステッピングモータ駆動回路２００とで構成される。指令信号生成回路３００は、入力された駆動パルス信号に従い、各相（Ａ，Ａ＊，Ｂ，Ｂ＊）のオン・オフシーケンスを生成する。ステッピングモータ駆動回路２００は、各相（Ａ，Ａ＊，Ｂ，Ｂ＊）のオン期間において、ステッピングモータの巻線電流を一定電流値に制御する。ステッピングモータ駆動回路２００においては、ステッピングモータ１０の各巻線ＬＡ、ＬＡ＊、ＬＢ、ＬＢ＊に流れる電流ｉａ＋ｉａ＊、ｉｂ＋ｉｂ＊が、それぞれＡ相電流検出回路２３０、Ｂ相電流検出回路２４０で検出される。ＰＷＭ制御回路２１０、２２０は、各相の電流が規定の電流値となるように、その電流値に応じて設定された基準電圧と、Ａ相電流検出回路２３０、Ｂ相電流検出回路２４０による検出値とによりオンオフ比率を制御されたパルス信号を生成する。その出力信号を、ＡＮＤ回路４０１，４０２，４０３、４０４により各相の励磁パターンでゲートして、各巻線に接続されたスイッチ１３，１４，１５，１６の駆動信号とする。こうすることで、所定の駆動期間内に流れる各巻線の電流がほぼ一定値となるように制御される。

図１４は、図１３のステッピングモータ駆動回路におけるマイクロステップ駆動方式を説明する図である。マイクロステップ駆動方式では、ステッピングモータの１ステップに対する入力電流が一般に正弦波になることに着目し、入力電流を段階状に変化させて微小な送りを実現するものである。即ち、ステッピングモータのステータとロータの機構特性で決まる基本ステップ角よりも細かい分解能のマイクロステップで駆動するものであり、Ａ相及びＢ相コイルの巻線電流は、図１４に示すような正弦波状の指令信号に従って変化する。

所定の時間における巻線電流値がｉａ１及びｉｂ１である場合に、回転子は、それぞれの巻線電流によって発生したトルクが釣り合う位置ｉ１に静止する。

このような正弦波状の指令信号に従って、ステッピングモータの各コイルの巻線電流を正弦波状に変化させることによって、回転子のステップ角を電気的に制御することができる。

基本のステップ角は、モータの回転子（ロータ）と固定子（ステータ）との間の構造に基づいて決定される。例えば、２相ハイブリッド型（以下、ＨＢ型という）ステッピングモータの場合においては、１．８度、５相ハイブリッド型ステッピングモータの場合においては、０．７２度等となる。

マイクロステップ方式を用いることによって、ステップ角がより細分化されるので、２相励磁方式や１−２相励磁方式と比較して、発生する騒音や振動をより低減できる。また、マイクロステップ方式においては、電気的にステップ角を、例えば１／４〜１／２５６等の所望の値に設定することができる。

図１５は、従来、ステッピングモータが低速領域（図１５では２００ｐｐｓ）において動作する場合に、フルステップ駆動方式による巻線電流と、１／８マイクロステップ駆動方式による巻線電流とを比較する図である。

図１５に示すように、フルステップ駆動方式と１／８マイクロステップ駆動方式とにおいて巻線電流の振幅値を同じとした場合には、１／８マイクロステップ駆動方式の場合は、フルステップ駆動方式の場合よりも電流供給比が小さくなる。その結果、ステッピングモータの低速領域における動作において、振動を低減することができる。

図１６及び図１７は、高速領域（図では４０００ｐｐｓ）マイクロステップ駆動方式における指令信号及び巻線電流と、フルステップ駆動方式の場合の巻線電流とを比較する図である。高速領域では、マイクロステップ駆動であっても、多くの時間で巻線電流が各マイクロステップにおける指令電流値に達せず、電流波形はフルステップ駆動とほぼ同じものとなる。しかし、マイクロステップ駆動方式では、巻線電流が、正弦波状に変化する指令信号に従って制御されているので、電流が小さくなるステップでは、指令電流値を超え、ＰＷＭ制御によって巻線電流がカットされることになる。そのために、図１６及び図１７に示すように、指令信号と１／８マイクロステップ駆動方式の場合の巻線電流との交点近傍において、マイクロステップ駆動方式の場合の巻線電流はフルステップ駆動方式の場合に比しても歪んでしまう。このような巻線電流の歪みはトルクの変動を引き起こしてしまうので、ステッピングモータの高速領域における動作における振動特性が劣化してしまう。

このような問題に対処するために、様々な技術が開発されている。

下記の特許文献１には、マイクロステップ駆動によりコイルに流す励磁電流を形成し、駆動電流波形をフーリエ変換し、高調波の３次成分の絶対値を三角波形の３次成分である１／９より大きくなるように制御するステッピングモータが開示されている。

このステッピングモータによれば、ステッピングモータの振動の発生を著しく低減させることができ、高精度に制御が行われることができるとされている。

このステッピングモータは、フーリエ変換によって求められる高調波成分の絶対値に基づいて制御量が決定するとともに、電流指令値を三角波としている。

従って、上述したステッピングモータが高速領域において動作する場合に発生するトルクの減少と、マイクロステップ駆動方式に用いられる指令値による影響についての課題を解決できない。

また、特許文献２には、低速回転から高速回転に、又は、高速回転から低速回転に移行する際に、ある一定の回転速度を境に、回転速度に応じて出力素子のオンオフのデューティを演算に基づいて変化させるステッピングモータの駆動方法が開示されている。この駆動方法では、低速回転から高速回転に移行する際に基準となる回転数を超えると、各相電流制御パターンからフルステップ駆動のパターンに除除に近づける。逆に、高速回転から低速回転に移行する際に、一定の回転速度未満では、回転速度に応じて出力素子のオンオフのパターンを演算に基づいてフルステップ駆動のパターンから各相電流制御パターンに除除に近づけるように駆動する。このステッピングモータは、高速領域において動作する場合に、マイクロステップ駆動時の影響を低減できるとされている。しかしながら、ＰＷＭパターンの変調等、回転速度の切り替え時における制御が複雑となり、また、ステッピングモータが低速領域において動作する場合に、より振動を低減化することについては、言及されていないし、課題とされてもいない。
特開２００３−９５９２号公報（第１頁、図１） 特許第３２２３２１６号公報（第１頁、図１）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、回路規模が増大することなく、回転数全域に渡り発生する振動を低減し、また、特に高速回転領域において動作する場合に発生するトルク減少を抑制できる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。

上記課題を解決するため、本発明に係るステッピングモータ駆動装置は、電流指令信号によってコイルの巻線電流を変化させることでステッピングモータをステッピングモータの機構特性で決まるステップ角よりも細かい分解能のマイクロステップでマイクロステップ駆動制御するためのステッピングモータ駆動装置であって、コイルに接続されたスイッチを含み、励磁パターン信号及び電流指令信号に従って、コイルの巻線電流を制御するステッピングモータ駆動回路と、スイッチをオン又はオフする励磁パターン信号を出力するとともに、基本周波数を有する基本次指令信号に、ステッピングモータの回転数に応じた振幅を有する、基本次指令信号に対する高調波信号を重畳した電流指令信号を生成する指令信号生成回路とを備える。

本発明によれば、回路規模を増大させることなく、回転数全域に渡り発生する振動を低減し、また、特に高速回転領域において動作する場合に発生するトルクの減少を抑制する。

以下に、本発明を実施するために最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るステッピングモータ駆動装置の構成を示す図である。

図１に示すステッピングモータ駆動装置１は、ステッピングモータ１０と、入力電流検出回路１００と、ステッピングモータ駆動回路２００と、指令信号生成回路３００とを含んでいる。

ステッピングモータ１０は、図示されていないロータ及びヨーク及びポール、電流が流れるＡ相コイル１１（以下、コイル１１という）及びＢ相コイル１２（以下、コイル１２という）を有するステッピングモータである。このステッピングモータは、後述の電流指令信号によってコイルの巻線電流が変化し、ステッピングモータの機構特性で決まるステップ角よりも細かい分解能のマイクロステップでマイクロステップ駆動制御される。

また、電源電圧Ｖｉｎが、コイル１７及びコンデンサ１８を含む入力電流検出回路１００を介して、それぞれのコイルに印加されている。

ステッピングモータ駆動回路２００は、ＰＷＭ制御回路（Pulse Width Modulation：パルス幅変調制御回路）２１０及び２２０と、Ａ相電流検出回路２３０と、Ｂ相電流検出回路２４０とを含んでいる。

さらに、ステッピングモータ駆動回路２００は、半導体スイッチ（以下、スイッチという）１３、１４、１５、１６と、ＡＮＤ回路４０１、４０２、４０３、４０４とを含んでいる。

ＰＷＭ制御回路２１０は、コンパレータ２１１及び２１２を含み、ＰＷＭ制御回路２２０は、コンパレータ２２１及び２２２を含んでいる。

また、Ａ相電流検出回路２３０は、抵抗２３１及び２３２と、コンデンサ２３３とから構成され、Ｂ相電流検出回路２４０は、抵抗２４１及び２４２と、コンデンサ２４３とから構成されている。

図１に示すスイッチ１３、１４、１５、１６として、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET：ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）が用いられている。

指令信号生成回路３００は、スイッチ１３、１４、１５、１６にゲート信号を供給するＡＮＤ回路４０１、４０２、４０３、４０４に励磁パターン信号を供給する。

ＰＷＭ制御回路２１０の出力が、ＡＮＤ回路４０１及び４０２のそれぞれの入力端子に入力されている。また、指令信号生成回路３００から出力された励磁パターン信号が、ＡＮＤ回路４０１及び４０２のそれぞれの入力端子に入力されている。また、ＰＷＭ制御回路２２０の出力が、ＡＮＤ回路４０３及び４０４のそれぞれの入力端子に入力されている。また、指令信号生成回路３００から出力された励磁パターン信号が、ＡＮＤ回路４０３及び４０４のそれぞれの入力端子に入力されている。以上のような構成によって、スイッチ１３、１４、１５、１６は、励磁パターン信号と第１又は第２の電流指令信号によって、オン又はオフされる。

図１に示すように、ステッピングモータ駆動回路２００の内部に構成されたＡ相電流検出回路２３０及びＢ相電流検出回路２４０によって、ステッピングモータ１０のＡ相及びＢ相に流れる電流が検出される。

また、ＰＷＭ制御回路２１０及び２２０によって、励磁パターン信号のデューティ比が変化し、巻線電流が一定となるように制御される。

図１に示すステッピングモータ駆動装置１において、第１及び第２の電流指令信号が、指令信号生成回路３００において生成され、ＰＷＭ制御回路２１０及び２２０に供給される。この構成において、図１と図１３の回路構成は異なる。本実施形態において、指令信号生成回路３００は、ＰＷＭ制御回路２１０に第１の電流指令信号を出力し、ＰＷＭ制御回路２２０に第２の電流指令信号を出力する。また、各相のコイル１１，１２には直流の巻線電流が、スイッチ１３，１４，１５，１６により制御されて通電される。

次に、本実施形態に係るステッピングモータ駆動装置１の動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図２は、図１に示す指令信号生成回路３００から出力された第１又は第２の電流指令信号の一例を示す図である。第１又は第２の電流指令信号とは、離散的な値をとりつつも、正弦波又は余弦波の波形を有する信号である。

まず、ステッピングモータの速度と位相と駆動量とに基づいて、周波数とパルス数が決定された駆動パルス信号が、指令信号生成回路３００に入力される。ステッピングモータの位相とは、回転子と固定子との位置関係をいう。またステッピングモータの速度とは回転子の角速度である。指令信号生成回路３００は、第１の電流指令信号と第２の電流指令信号について、駆動パルス信号に同期して振幅を切り換えて、ステッピングモータ駆動回路２００に供給する。図２に示す第１の電流指令信号及び第２の電流指令信号は、基本周波数を有する正弦波又は余弦波の信号（基本次指令信号）である。

本実施形態において、指令信号生成回路３００は、基本次指令信号から基本周波数の奇数倍の高次周波数を含む高調波信号を生成し、高調波信号を基本次指令信号に重畳して第１又は第２の電流指令信号を生成し、ステッピングモータ駆動回路２００に供給する。

基本次指令信号と高調波信号のいずれの電流指令信号も連続的な信号ではなく、マイクロステップ角に対応する時間ごとに変化する離散値で与えられている。また、図２に示すように、第１及び第２の電流指令信号は、互いに９０度の位相のずれがある。このような位相のずれを発生させることによって、ステップ角を調節することができる。ステッピングモータ１０のコイル１１及びコイル１２に流れる巻線電流が、それぞれ第１及び第２の電流指令信号に従って生成されるデューティ比の励磁パターン信号に応じて変化する。ＰＷＭ制御回路２１０及び２２０は、コイル１１及びコイル１２に流れる電流が、安定的に変化するように、第１及び第２の電流指令信号に従って、制御される。このため、励磁パターン信号と第１及び第２の電流指令信号をまとめて駆動制御信号と呼ぶ場合がある。

指令信号生成回路３００は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array：フィールドプログラマブルゲートアレイ）、マイクロプロセッサ、制御プロセッサ等で構成される。例えば、指令信号生成回路３００がマイクロプロセッサで構成される場合に、後述する図４に示す手順を実現するプログラムが実装され、そのプログラムが実行されることによって、指令信号生成回路３００が、第１及び第２の電流指令信号等を生成する。その場合に、マイクロプロセッサの駆動クロック信号は、図４に示す処理手順を実行すべく、十分に高周波である必要がある。

また、指令信号生成回路３００は、図４の処理手順を実現するハードウエア回路として実現されることもできる。例えば、図３は、そのようなハードウエア回路を実現するためのグラフィカルプログラムの一例である。本実施形態においては、そのようなプログラムとして、日本ナショナルインスツルメンツ社製の計測制御用グラフィカルプログラム開発環境ソフトウエア「ＬａｂＶＩＥＷ」（登録商標）が用いられている。本実施形態において、このようなプログラムを用いることによって、後述する位相のオフセット値、又は、参照位置を参照する開始ポイント等を、効率良く設定することができる。

以下に、図４〜図８を参照しながら、本発明の実施形態に係る、高調波が重畳された第１及び第２の電流指令信号を生成する方法について説明する。

図４は、図１に示す指令信号生成回路３００において、高調波信号が重畳された第１の電流指令信号を生成する方法を示すフローチャートである。

まず、図４におけるステップＳ１において、図１に示す駆動パルス信号の立ち上がり又は立下がりに同期して、例えば、外部のメモリ等に格納されているデータテーブルから所望の参照位置に該当するデータが参照される。ここで、データテーブルとは、図５に示すようなテーブルをいう。このデータテーブルにおいては、それぞれの参照位置と振幅（電圧値を示す）とが対応しており、横軸を参照位置、縦軸を振幅としてグラフ化すると、図６に示すような正弦波状の電流指令信号となる。既に説明したように、マイクロステップ方式においては、コイルの巻線電流（相電流）が、図２に示す電流指令信号に従って、正弦波状に制御される。即ち、図５に示す参照位置は、図２に示す横軸（時間軸）に対応しており、また、マイクロステップ駆動制御における相電流の位相を示すインデックスともいえる。また、図５に示すデータテーブルは、例えば、外部のメモリ等に格納されていて、指令信号生成回路３００が、そのメモリに格納されているデータテーブルの、例えば参照位置「０」の振幅データを参照する。図４のステップＳ１において、Ｉｎｄｘ０とは、図６に示すグラフの参照位置を表していて、例えば、参照位置「０」から「２９」のいずれかの参照位置を表している。

次にステップＳ２において、参照された参照位置Ｉｎｄｘ０の位相が変更される要否が判断される。参照位置Ｉｎｄｘ０の位相が変更される場合には、ステップＳ３に進み、位相が変更される。位相が変更される場合には、ステップＳ３において、参照された参照位置Ｉｎｄｘ０に対して、所望のオフセット値を加算する。例えば、図３に示すプログラムにおいては、参照された参照位置Ｉｎｄｘ０に対して、所望の位相のオフセット値を表すパラメータＩＤ＿Ｏｆｆｓｅｔが加算されている。参照位置Ｉｎｄｘ０の位相が変更されない場合には、ステップＳ３を実行せずにステップＳ４に進む。

図９Ａ及び図９Ｂは、指令信号が、既に説明したオフセット値によって変更される様子を示す図である。図９Ａ及び図９Ｂに示すパルス信号は、図１に示す駆動パルス信号を示している。図９Ａの位相は、オフセット値が０度と設定された場合の指令信号を表している。また、図９Ｂは、オフセット値が４５度と設定された場合の指令信号を表している。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、図９Ｂにおける指令信号と時間軸である横軸との交点が、図９Ａにおける指令信号と時間軸との交点より位相が４５度遅れている。

ステップＳ４において、３次高調波成分を有する電流指令信号（以下、３次指令信号という）、５次高調波成分を有する電流指令信号（以下、５次指令信号という）を生成する要否を判断する。

ここで、生成する場合にはステップＳ５に進み、生成しない場合にはステップＳ５を実行せずにステップＳ６に進む。

ここで、図６、図７、図８を参照しながら、ステップＳ５に示す３次指令信号と５次指令信号の生成方法について説明する。

図６は、外部のメモリ等に格納されているデータテーブルに基づいて生成された基本次指令信号を示す図である。

また、図７は、図６に示す基本次指令信号に基づいて生成された３次指令信号を示す図であり、図８は、図６に示す基本次指令信号に基づいて生成された５次指令信号を示す図である。

なお、図６に示す基本次指令信号において、１周期は、例えば、基本ステップ角が１．８度である２相ＨＢ型のステッピングモータの場合における機械角の７．２度（即ち、４ステップ分）に相当している。

本実施形態においては、図６に示す基本次指令信号の１周期における参照位置０〜２９から、例えば、丸印で示された参照位置０、３、６・・・のように３間隔に参照され、図７に示すような３次指令信号が生成される。同様に、図６に示す基本次指令信号の１周期分における参照位置０〜２９から、菱形印で示された参照位置０、５、１０・・・のように５間隔に参照され、図８に示すような５次指令信号が生成される。

図７又は図８に示す３次指令信号又は５次指令信号における、それぞれの参照位置「Ｉｎｄｘ３」又は「Ｉｎｄｘ５」は、次式（１）、（２）が用いられる。

Ｉｎｄｘ３ ＝ （Ｉｎｄｘ０ ＋ Ｏｆｆｓｅｔ３） ＭＯＤ ３ ・・・（１）
Ｉｎｄｘ５ ＝ （Ｉｎｄｘ０ ＋ Ｏｆｆｓｅｔ５） ＭＯＤ ５ ・・・（２）

ここで、Ｏｆｆｓｅｔ３は、３次指令信号を生成する場合に、参照位置「Ｉｎｄｘ０」に対して設定された（ステップＳ３）位相のオフセット値である。同様に、Ｏｆｆｓｅｔ５は、５次指令信号を生成する場合に、参照位置「Ｉｎｄｘ０」に対して設定された（ステップＳ３）位相のオフセット値である。また、ＭＯＤは、剰余計算を表している。即ち、式（１）に示すように、３次指令信号における参照位置「Ｉｎｄｘ３」は、位相のオフセット差が加えられた基本次指令信号の参照位置「Ｉｎｄｘ０」を、３次指令信号の基本次指令信号に対する周波数の次数３で剰余した結果によって求められる。例えば、図６に示す基本次指令信号の参照位置「３」「６」・・・が、３次指令信号の基本次指令信号に対する次数「３」と剰余した結果が「０」となる参照位置であるので、図７に示す３次指令信号の参照位置とされる。

なお、本実施形態においては、オフセット値Ｏｆｆｓｅｔ３は、４〜６の範囲において固定とされ、オフセット値Ｏｆｆｓｅｔ５は、２〜４の範囲において固定とされているが、可変とされても良い。例えば、図１に示すステッピングモータ駆動装置１に、軸速度検出回路や、モータ振動検出回路等を加え、オフセット値を軸速度やモータの振動を検出することによって、オフセット値がフィードバック制御されるようにしても良い。

図７及び図８に示す参照位置を図６に示す参照位置のタイミングで読み出した場合に、図７に示す信号は、図６に示す信号の３倍の周波数を有し、図８に示す信号は、図６に示す信号の５倍の周波数を有する。

再び、図３を参照すると、ステップＳ６において、参照位置Ｉｎｄｘ０、Ｉｎｄｘ３又はＩｎｄｘ５と、それぞれの上限値とが比較される。例えば、基本次指令信号の場合には、参照位置Ｉｎｄｘ０の上限値は、「２９」とされる。その場合に、参照位置Ｉｎｄｘ０が上限値より小さい場合には、ステップＳ８に進む。また、参照位置が上限値以上である場合には、ステップＳ７において、参照位置Ｉｎｄｘ０、Ｉｎｄｘ３、又は、Ｉｎｄｘ５の値が、０に初期化され、ステップＳ１からステップＳ６を繰り返す。

ステップＳ８において、３次指令信号又は５次指令信号が生成されている場合には、それらの信号が、基本次指令信号に重畳される。

本実施形態においては、既に説明したように、データテーブル等で定義された基本次指令信号から、式（１）又は（２）により、３次指令信号又は５次指令信号が生成され、さらに、それらの高次指令信号が、振幅が変更され、基本次指令信号に重畳される。

本実施形態において、重畳された信号のそれぞれの参照位置における振幅は、次式（３）及び（４）によって表される。
３次指令信号の振幅Ａ３、及び、５次指令信号の振幅Ａ５は、次式（３）及び（４）によって表される。

Ａ［Ｉｎｄｘ０３］＝Ａ［Ｉｎｄｘ０］＋振幅比率×Ａ［Ｉｎｄｘ３］・・（３）
Ａ［Ｉｎｄｘ０５］＝Ａ［Ｉｎｄｘ０］＋振幅比率×Ａ［Ｉｎｄｘ５］・・（４）

以上の式（３）及び（４）において、Ａ［Ｉｎｄｘ０３］は、基本次指令信号に３次指令信号が重畳された信号の各参照位置における振幅を表している。

また、Ａ［Ｉｎｄｘ０］は、基本次指令信号の各参照位置における振幅を表し、Ａ［Ｉｎｄｘ３］は、３次指令信号の各参照位置における振幅を表している。

Ａ［Ｉｎｄｘ０５］は、基本次指令信号に５次指令信号が重畳された信号のそれぞれの参照位置における振幅を表し、Ａ［Ｉｎｄｘ５］は、５次指令信号のそれぞれの参照位置における振幅を表している。

さらに、振幅比率とは、３次又は５次指令信号の振幅を変更するために用いられるパラメータであり、例えば、３次指令信号の振幅を１０％（パーセント）にして、基本次指令信号に重畳させる場合には、振幅比率は０．１とされる。

ステップ８において重畳された信号が、ステップ９において指令信号として、ステッピングモータ駆動回路２００に出力される。

本実施形態において、汎用的なステッピングモータ駆動ＩＣとして知られている三洋セミコンデバイス社製のＳＴＫ６７２−４００シリーズを、ステッピングモータ駆動回路２００として用いることができる。そのような汎用駆動ＩＣの内部には、Ｖｒｅｆ端子に接続され正弦波信号を生成する回路が含まれている場合がある。既に説明したように、基本次指令信号によってステッピングモータ駆動回路２００を駆動する場合には、指令信号生成回路３００からステッピングモータ駆動回路２００に正弦波状の電流指令信号が供給される必要がある。上述の汎用駆動ＩＣを用いると、Ｖｒｅｆ端子に一定電圧を印加することによって、基本次指令信号によってステッピングモータを駆動することができる。また、Ｖｒｅｆ端子に一定の周波数を有する電圧信号を印加することによって、高調波信号を重畳させることもできるので、本実施形態においては、汎用駆動ＩＣを用いることによって、回路の大規模化を防ぐことができる。

図１０、図１１、図１２の下図は、本実施形態に係るステッピングモータ駆動装置１において、計測されたステッピングモータ軸の振幅の変動を示す図である。なお、図１０、図１１、図１２においては、上述の汎用駆動ＩＣを用いて計測されている。また、図１０、図１１、図１２の上図は、汎用駆動ＩＣのＶｒｅｆ端子に供給される基準電圧Ｖｒｅｆと、指令信号に従って、ステッピングモータに流れる巻線電流Ｉｐと、駆動パルス信号を示している。

図１０は、特に、基本次指令信号がステッピングモータ駆動回路に供給された場合に、計測されたステッピングモータ軸の振幅の変動を示す図である。ここで、汎用駆動ＩＣは、電気角３６０度を３２分割した形で電流設定が変化する１／８マイクロステップ動作をし、Ｖｒｅｆ端子に固定電圧が印加される。汎用駆動ＩＣは、Ｖｒｅｆ端子に固定電圧が印加されることによって、ステッピングモータ１０を基本次指令信号で駆動する。

図１１は、特に、ステッピングモータが低速領域において動作する場合のステッピングモータ軸の振幅変動を示す図である。

図１１においては、３次指令信号の振幅比率を０．１（即ち、１０パーセント（％））として、また、５次指令信号の振幅比率を０．１（即ち、１０％）として基本次指令信号に重畳している。本実施形態においては、汎用駆動ＩＣのＶｒｅｆ端子に図１１に示すような基準電圧が印加されることによって、そのような重畳が可能となる。プログラム上においては、参照位置の開始ポイントが、「Ｉｎｄｅｘ＝７」と設定されている。また、３次指令信号について「ＩＤ＿ｏｆｆｓｅｔ＝４」、５次指令信号について「ＩＤ＿ｏｆｆｓｅｔ＝２」と設定されている。従って、３次指令信号と基本次指令信号との位相差は６０度であり、５次指令信号と基本次指令信号との位相差は３０度と設定される。

図１１の下図に示すように、図１０の下図と比べて、ステッピングモータ軸の振幅の変動が３０％程低減している。本実施形態においては、３次指令信号の振幅比率及び５次指令信号の振幅比率が１０パーセント未満の範囲において、図１１に示すような変動の低減の効果が計測されている。なお、ここでいう低速領域とは、例えば、一定の基準速度未満の回転域をいう。例えば、どの位相であっても電流検出回路によって測定されたコイルの巻線電流がそのとき流すべき電流を越え、ＰＷＭ制御回路によってスイッチング制御が実行される程度の回転域が低速領域である。逆に、いずれかの位相（たとえば最も電流が大きくなる位相）において、電流検出回路によって測定された巻線電流がそのとき流すべき電流を越えず、ＰＷＭ制御回路によってスイッチング制御が実行されない程度の回転域が高速領域である。もちろん、低速と高速の区別はこの例に限らず、電流検出回路によって測定されたコイルの巻線電流がそのとき流すべき電流を越えた時間の、電流指令信号の１周期に占める率を基準値と比較し、基準値以上であれば低速、基準値未満なら低速などとしてもよい。

また、図１２は、特に、ステッピングモータが高速領域において動作する場合のステッピングモータ軸の振幅変動を示す図である。図１２においては、３次指令信号の振幅比率及び５次指令信号の振幅比率を０．２（即ち、２０％）として基本次指令信号に重畳している。本実施形態においては、汎用駆動ＩＣのＶｒｅｆ端子に図１２に示すような基準電圧が印加されることによって、そのような重畳が可能となる。また、５次指令信号と基本次指令信号との位相差が９０度と設定されている。

図１２の上図に示すように、ステッピングモータ１０が高速領域において動作する場合に、電流指令信号に基づいて発生する巻線電流の不要な振動が抑制されている。その結果、トルクの不要な振動も抑制されるので、ステッピングモータ軸の振動特性を向上することができる。本実施形態においては、３次指令信号の振幅比率及び５次指令信号の振幅比率が１０パーセント以上かつ２０パーセント以下の範囲において、図１２に示すような振動の低減の効果が計測されている。

また、上述した低回転と高回転との境界を示す基準値を、上述した基準値に相当するモータの回転数を測定し、その回転数を回転数の基準値（基準回転数）として予め記憶しておいても良い。その場合、指令信号生成回路３００は、駆動パルス信号の周波数に基づいてステッピングモータの回転数を監視し、回転数が前述の基準回転数以上となれば、上記高回転域の制御を行う。一方、回転数が基準回転数未満であれば、上記低回転域の制御を行う。

ここで、さらに、３次指令信号と基本次指令信号との位相差を４５度に設定することによって、巻線電流の波形をフルステップ駆動時における電流波形とほぼ同じにすることができることが確認されている。従って、電流供給量が増大するので、トルクの出力を高めることができる。既に説明したように、位相差の設定についてはプログラム上において、簡易に設定することができる。

以上のように、本実施形態において、基本次指令信号に基づいて高調波信号を簡易な方法によって生成し、その基本次指令信号に、ステッピングモータ１０の動作速度領域に応じた所定の振幅比率で高調波信号を重畳する。

その結果、ステッピングモータの回転数全域に渡って、ステッピングモータ軸に発生する振動を効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るステッピングモータ駆動装置の構成を示す図である。 図１に示す指令信号生成回路から出力された電流指令信号の一例を示す図である。 ハードウエア回路を実現するためのグラフィカルプログラムの一例を示すである。 図１に示す指令信号生成回路において、高調波信号が重畳された第１の電流指令信号を生成する方法を示すフローチャートである。 基本次指令信号を生成するためのデータテーブルの一例を示す図である。 基本次指令信号を示す図である。 基本次指令信号に基づいて生成された３次指令信号を示す図である。 基本次指令信号に基づいて生成された５次指令信号を示す図である。 図４に示すステップＳ２において、位相が設定された電流指令信号の一例を示す図である。 図４に示すステップＳ２において、位相が設定された電流指令信号の他の例を示す図である。 基本次指令信号が供給された場合において、計測された基準電源、巻線電流、及び、ステッピングモータ軸の振幅の変動を示す図である。 ステッピングモータが低速領域において動作する場合に、計測された基準電源、巻線電流、及び、ステッピングモータ軸の振幅の変動を示す図である。 ステッピングモータが高速領域において動作する場合に、計測された基準電源、巻線電流、及び、ステッピングモータ軸の振幅の変動を示す図である。 従来におけるステッピングモータ駆動装置の構成を示す図である。 従来のステッピングモータ駆動回路において用いられるマイクロステップ駆動方式を説明する図である。 従来、ステッピングモータが低速領域において動作する場合に、フルステップ駆動方式とマイクロステップ駆動方式とによる巻線電流の比較を示す図である。 従来のフルステップ駆動方式による巻線電流と、マイクロステップ駆動方式による電流指令信号及び巻線電流との比較例を示す図である。 従来のフルステップ駆動方式による巻線電流と、マイクロステップ駆動方式による電流指令信号及び巻線電流との他の比較例を示す図である。

符号の説明

１ ステッピングモータ駆動装置
１０ ステッピングモータ
１１ Ａ相コイル
１２ Ｂ相コイル
１３、１４、１５、１６ スイッチ
１７ コイル
１８、１９、２０、２３３、２４３ コンデンサ
１００ 入力電流検出回路
２００ ステッピングモータ駆動回路
２１０、２２０ ＰＷＭ制御回路
２１１、２１２、２２２、２２１ コンパレータ
２３０ Ａ相電流検出回路
２３１、２３２、２４１、２４２ 抵抗
２４０ Ｂ相電流検出回路
３００ 指令信号生成回路
４０１、４０２、４０３、４０４ ＡＮＤ回路

Claims (6)

1. 電流指令信号によってコイルの巻線電流を変化させることでステッピングモータを前記ステッピングモータの機構特性で決まるステップ角よりも細かい分解能のマイクロステップでマイクロステップ駆動制御するためのステッピングモータ駆動装置であって、
   前記コイルに接続されたスイッチを含み、励磁パターン信号及び前記電流指令信号に従って、前記コイルの巻線電流を制御するステッピングモータ駆動回路と、
   前記スイッチをオン又はオフする前記励磁パターン信号を出力するとともに、基本周波数を有する基本次指令信号に、前記ステッピングモータの回転数に応じた振幅を有する、前記基本次指令信号に対する高調波信号を重畳した前記電流指令信号を生成する指令信号生成回路と、
   を備えることを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
2. 前記ステッピングモータ駆動回路は、前記コイルの巻線電流を検出し、前記励磁パターン信号のデューティ比を変化させて、前記コイルの巻線電流を一定とするパルス幅変調制御回路を、さらに備える請求項１記載のステッピングモータ駆動装置。
3. 前記指令信号生成回路は、前記ステッピングモータの回転数が基準値以上の場合、前記基本次指令信号の１０パーセント以上かつ２０パーセント以下の振幅を有する前記高調波信号を、前記基本次指令信号に重畳することを特徴とする請求項１又は２記載のステッピングモータ駆動装置。
4. 前記指令信号生成回路は、前記ステッピングモータの回転数が基準値未満の場合、前記基本次指令信号の１０パーセント未満の振幅を有する前記高調波信号を、前記基本次指令信号に重畳することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のステッピングモータ駆動装置。
5. 前記指令信号生成回路は、基本次指令信号の位相を表す参照位置に対してオフセット値を加算し、その結果を、前記高調波信号の前記基本次指令信号に対する周波数の次数と剰余することによって、前記高調波信号の参照位置とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のステッピングモータ駆動装置。
6. 前記指令信号生成回路は、前記基本次指令信号の３倍または５倍の周波数を有する前記高調波信号を、前記電流指令信号として、生成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステッピングモータ駆動装置。

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