JP2009112174A

JP2009112174A - モータ駆動装置及びモータ駆動方法

Info

Publication number: JP2009112174A
Application number: JP2007284689A
Authority: JP
Inventors: Hiroharu Saito; 弘治齊藤; Takefumi Yamanoi; 健文山ノ井; Kuniyuki Kubo; 邦之久保
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2009-05-21

Abstract

【課題】本発明は、工程数の増大を招くことなく、角度精度の低いステッピングモータでも、駆動時の振動や騒音を効果的に低減することが可能なモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るモータ駆動装置１０は、所定周期毎に速度設定値を累積的に加算していき、その演算結果が閾値を超えたときに出力値をリセットする累積加算部（１２２、１２３）と；正弦波１周期分の数値データを順次格納して成り、所定周期毎に累積加算部の出力値で指定される数値データを読み出して、複数相の正弦波信号を出力する記憶部１２４と；正弦波信号に応じてステッピングモータに設けられた複数相の励磁コイルに所定の位相差を持った正弦波状の励磁電流を供給する駆動部１３と；累積加算部の出力値をモニタし、これが正弦波信号のゼロクロスポイント近傍に相当する値であるときに、速度設定値を引き下げるように補正する速度補正部（１２５、１２６）と；を有して成る。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロステップ方式でステッピングモータの駆動制御を行うモータ駆動装置、及び、モータ駆動方法に関するものである。

従来より、パルス入力に同期して一定角度ずつ回転するステッピングモータは、簡易な構成で正確な位置決め制御が可能であるという利点から、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話などのレンズ駆動手段、若しくは、プリンタやファクシミリなどの紙送り手段など、様々な用途で幅広く利用されている。

また、従来より、ステッピングモータの駆動方式としては、各相の励磁コイルに流す励磁電流を正弦波状に整形することによって、高い分解能でロータの回転を制御するマイクロステップ方式が知られている。

なお、上記に関連する従来技術としては、特許文献１〜３などを挙げることができる。
特開２００３−２２４９９７号公報特開２００３−３３０９０号公報特開平４−３０８４９７号公報

確かに、マイクロステップ方式でステッピングモータの駆動制御を行えば、ステップ角の分解能を高めてトルクリップルを抑制し、ステッピングモータの駆動に伴う振動や騒音を低減することが可能である。

しかしながら、マイクロステップ方式での駆動制御によって、駆動時の振動や騒音を良好に低減し得るのは、角度精度の高い高価なステッピングモータのみであり、角度精度の低い安価なステッピングモータを駆動対象とした場合には、駆動時の振動や騒音を効果的に低減することができなかった。

なお、特許文献１の従来技術は、駆動対象となるステッピングモータ毎に静止角度精度の測定を行った上で、これを理論値に補正する電流設定データを制御部のメモリ内に数値データとして予め格納しておき、この電流設定データに基づいて各相の励磁電流を調整する構成とされていたため、駆動対象となるステッピングモータ毎に、静止角度精度の測定や電流設定データの格納を事前に実施せねばならず、工程数の増大が招かれていた。

また、特許文献２の従来技術は、漏洩磁束の影響を考慮して、各相の励磁電流に適切な位相差を与えることにより、角精度を上げる構成とされていたため、駆動対象となるステッピングモータ毎に、各々の製造ばらつきを勘案して、励磁電流の位相差を最適化せねばならず、工程数の増大が招かれていた。

また、特許文献３の従来技術は、励磁コイル間の電気角誤差量に応じて予め設定されたランク毎に補正値を記憶し、制御対象となるステッピングモータ毎に、そのランクに応じた補正値を読み出して、各相の励磁電流の位相を調整する構成とされていたため、補正値の格納を事前に実施せねばならず、工程数の増大が招かれていた。また、特許文献３の従来技術では、補正値を記憶しておくためのメモリが別途必要となっていた。

本発明は、上記の問題点に鑑み、工程数の増大を招くことなく、角度精度の低いステッピングモータを駆動対象とする場合であっても、駆動時の振動や騒音を効果的に低減することが可能なモータ駆動装置、及び、モータ駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るモータ駆動装置は、所定のクロック周期毎に速度設定値を累積的に加算していき、その演算結果が所定の閾値を超えたときに出力値をリセットする累積加算部と；正弦波１周期分の数値データを順次格納して成り、所定のクロック周期毎に前記累積加算部の出力値で指定されるアドレスの数値データを読み出すことで、複数相の正弦波信号を出力する記憶部と；前記複数相の正弦波信号に応じて、駆動対象となるステッピングモータに設けられた複数相の励磁コイルに所定の位相差を持った正弦波状の励磁電流を供給する駆動部と；前記累積加算部の出力値をモニタし、これが正弦波信号のゼロクロスポイント近傍に相当する値であるときに、前記速度設定値を引き下げるように補正する速度補正部と；を有して成る構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成るモータ駆動装置は、前記累積加算部と前記速度補正部とを複数相分有して成り、各相毎の励磁電流について個別的な速度補正を施す構成（第２の構成）にしてもよい。

また、本発明に係るモータ駆動方法は、所定のクロック周期毎に速度設定値を累積的に加算していき、その演算結果が所定の閾値を超えたときに出力値をリセットするステップと；正弦波１周期分の数値データを順次格納しておき、所定のクロック周期毎に前記累積加算部の出力値で指定されるアドレスの数値データを読み出すことで、複数相の正弦波信号を出力するステップと；前記複数相の正弦波信号に応じて、駆動対象となるステッピングモータに設けられた複数相の励磁コイルに所定の位相差を持った正弦波状の励磁電流を供給するステップと；前記累積加算部の出力値をモニタし、これが正弦波信号のゼロクロスポイント近傍に相当する値であるときに、前記速度設定値を引き下げるように補正するステップと；を有して成る構成（第３の構成）とされている。

本発明によれば、工程数の増大を招くことなく、角度精度の低いステッピングモータを駆動対象とする場合でも、駆動時の振動や騒音を効果的に低減することが可能となる。

図１は、モータ駆動装置を備えた電気機器の一構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、本構成例の電気機器は、モータ駆動装置１０と、ステッピングモータ２０と、を有して成る。なお、ステッピングモータ２０を備えた電気機器の一例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話、プリンタ、ファクシミリなどを挙げることができ、ステッピングモータ２０の用途としては、レンズ駆動手段や紙送り手段などを挙げることができる。

モータ駆動装置１０は、設定インターフェイス部１１（以下では、設定Ｉ／Ｆ部１１と略称する）と、制御部１２と、駆動部１３と、を有して成る。

設定Ｉ／Ｆ部１１は、電気機器に搭載されたマイコン（不図示）や機器外部の制御主体から、ステッピングモータ２０のコントロール信号（回転速度や回転方向などを指示するための制御信号）を受け取り、これを制御部１２に伝達する手段である。

制御部１２は、設定Ｉ／Ｆ部１１を介して入力されるコントロール信号に基づいて、ステッピングモータ２０をマイクロステップ方式で駆動するための正弦波信号を生成する手段である。なお、制御部１２の内部構成及び動作については後ほど詳細に説明する。

駆動部１３は、制御部１２から入力される正弦波信号に応じて、ステッピングモータ２０に励磁電流を供給する手段である。

ステッピングモータ２０は、円周方向にＮ極とＳ極が交互に着磁されたロータ２１と、駆動部１３から互いに所定の位相差（電気角９０°）を持った励磁電流が供給されるＡ相励磁コイル２２及びＢ相励磁コイル２３と、を有して成る。

次に、本発明の特徴部分である制御部１２の内部構成及び動作を説明するのに先立ち、ステッピングモータ２０の駆動時に振動や騒音が生じる原因について、図２を参照しながら説明する。

図２は、モータ駆動時に振動や騒音が生じる原因を説明するための図である。なお、図２（ａ）は、ロータ２１の回転軸が理想的な位置Ｐから位置Ｐ’にずれた場合の影響を示すための模式図であり、図２（ｂ）は、励磁電流の波形を示す図であり、図２（ｃ）は、回転速度の挙動を示す図である。

ステッピングモータ２０において、Ａ相励磁コイル２２及びＢ相励磁コイル２３を用いてＮ極ないしＳ極に励磁されるステータヨーク（図２（ａ）中の黒塗り四角マーク及び白抜き四角マークを参照）は、円周方向に等間隔で配置されているが、ステッピングモータ２０の製造ばらつきによって、ロータ２１の回転軸が理想的な位置Ｐから位置Ｐ’にずれていると、ロータ２１の磁極とステータヨークとの位置関係が崩れてしまい、見かけ上、ステータヨークが等間隔ではなくなる（図２（ａ）中の破線を参照）。

このとき、Ａ相、Ｂ相の励磁電流が完全な正弦波形状（図２（ｂ）を参照）であると、励磁電流のゼロクロス近傍（励磁電流がゼロ値となる電気角及びその前後）で、回転速度が瞬間的に上昇する区間ｚ（ロータ２１に着磁された複数の磁極のうち、互いの位相が１８０°反転している一対の磁極に着目したとき、一方の磁極が安定位置に到達してから、他方の磁極が安定位置に到達するまでの区間）が生じてしまい、モータ駆動時の振動や騒音が招来されていた（図２（ａ）〜（ｃ）を参照）。

このようなメカニズムに鑑み、本発明に係るモータ駆動装置１０は、区間ｚにおける回転速度の上昇を意図的に抑制する機構を制御部１２に搭載した構成とされている。以下では、制御部１２の内部構成及び動作についての詳細な説明を行う。

図３は、制御部１２の一構成例を示すブロック図である。

図３に示すように、本構成例の制御部１２は、速度設定レジスタ１２１と、加算器１２２と、現在位置レジスタ１２３と、正弦波変換ＲＯＭ［Read Only Memory］１２４と、補正係数設定部１２５と、乗算器１２６と、を有して成る。

速度設定レジスタ１２１は、設定Ｉ／Ｆ部１１を介して入力されるコントロール信号のうち、ステッピングモータ２０の回転速度を設定するための速度設定値を格納し、これを乗算器１２６に出力する手段である。

加算器１２２は、乗算器１２６の出力値と現在位置レジスタ１２３の出力値とを所定のクロック周期毎に加算し、これを現在位置レジスタ１２３に出力する手段である。なお、加算器１２２は、出力値が所定の閾値を超えるとゼロ値にリセットされる構成とされている。従って、加算器１２２のリセット周期は、乗算器１２６の出力値（補正済みの速度設定値）が大きいほど短くなり、小さいほど長くなる。

現在位置レジスタ１２３は、所定のクロック周期毎に加算器１２２の出力値を格納し、これを正弦波変換ＲＯＭ１２４に出力する一方、加算器１２２に対しても、その格納値を帰還出力する手段である。従って、現在位置レジスタ１２３には、所定のクロック周期毎に乗算器１２６の出力値（補正済みの速度設定値）が累積的に加算されていく形となる。また、現在位置レジスタ１２３は、その格納値を補正係数設定部１２５にも出力する。

このように、本構成例の制御部１２では、加算器１２２と現在位置レジスタ１２３とを協働させることにより、所定のクロック周期毎に乗算器１２６の出力値（補正済みの速度設定値）を累積的に加算していき、その演算結果が所定の閾値を超えたときに出力値をリセットする累積加算部が形成されている。

正弦波変換ＲＯＭ１２４は、そのメモリ空間に正弦波１周期分の数値データを順次格納して成り、所定のクロック周期毎に現在位置レジスタ１２３の出力値で指定されるアドレスの数値データを読み出すことで、デジタル的な正弦波信号（正弦波に近似された階段状信号）を出力する手段である。

なお、正弦波変換ＲＯＭ１２４のフロントエンドには、現在位置レジスタ１２３の出力値をアドレスに変換するデコーダ（不図示）が搭載されており、現在位置レジスタ１２３の一出力値に応じて、Ａ相の正弦波信号を生成するためのアドレス変換処理と、Ｂ相の正弦波信号（余弦波信号）を生成するためのアドレス変換処理が順次行われ、両相の正弦波信号が順次出力される。

このように、正弦波変換ＲＯＭ１２４には、現在位置レジスタ１２３に格納された加算器１２２の出力値がアドレスとして入力されているので、正弦波信号の周期は、加算器１２２のリセット周期と一致する。すなわち、正弦波信号の周期は、乗算器１２６の出力値（延いては、速度設定レジスタ１２１に格納される速度設定値）が大きいほど短くなり、小さいほど長くなる。

補正係数設定部１２５は、現在位置レジスタ１２３の出力値をモニタして、これが正弦波信号のゼロクロスポイント近傍（電気角０°、９０°、１８０°、２７０°、３６０°を位相中心として、±１０°前後）に相当する値であるか否かを判定し、その判定結果に応じた補正係数α（ゼロクロスポイント近傍では０＜α＜１、その余の場合にはα＝１）を乗算器１２６に出力する手段である。

乗算器１２６は、速度設定レジスタ１２１の出力値に対して、補正係数設定部１２５から指示された補正係数αを乗算し、これを加算器１２２に出力する手段である。

このように、本構成例の制御部１２では、補正係数設定部１２５と乗算器１２６とを協働させることにより、現在位置レジスタ１２３の出力値をモニタし、これが正弦波信号のゼロクロスポイント近傍に相当する値であるときに、速度設定値を引き下げるように補正する速度補正部が形成されている。

次に、上記構成から成る制御部１２による回転速度の補正動作について説明する。

図４は、制御部１２による回転速度の補正動作を説明するための図である。なお、図４（ａ）は、現在位置レジスタ１２３の出力値を示す図であり、図４（ｂ）は、励磁電流の波形を示す図であり、図４（ｃ）は、回転速度の挙動を示す図である。

なお、図４（ｂ）、（ｃ）において、実線は本発明（回転速度の補正あり）の波形及び挙動を示しており、破線は従来（回転速度の補正なし）の波形及び挙動を示している。

先にも述べたように、補正係数設定部１２５は、現在位置レジスタ１２３の出力値が正弦波信号のゼロクロスポイント近傍に相当する値であるか否かを判定し、その判定結果に応じた補正係数α（ゼロクロスポイント近傍では０＜α＜１、その余の場合にはα＝１）を乗算器１２６に出力する。

従って、正弦波信号のゼロクロスポイント近傍では、加算器１２２で累積加算される乗算器１２６の出力値が小さくなるので、その区間における現在位置レジスタ１２３のインクリメント速度が低下し、Ａ相、Ｂ相の正弦波信号の周期が共に長くなる（図４（ａ）、（ｂ）を参照）。その結果、図４（ｃ）で示す通り、上記区間における回転速度の瞬間的な上昇が抑制されるので、モータ駆動時の振動や騒音を低減することが可能となる。

また、本発明に係るモータ駆動装置１０であれば、正弦波変換ＲＯＭ１２４に格納される数値データについても、何ら補正処理を施すことなく、従前通りに順次格納しておけば足りるため、事前の準備工程（補正データを得るための角度精度測定など）を何ら必要とせずに、回転速度の補正動作を実現することが可能である。

また、本発明に係るモータ駆動装置１０であれば、正弦波信号の生成手段として一般的なダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ［Direct Digital Synthesizer］）をベースとし、これに補正係数設定部１２５と乗算器１２６のみを追加すれば足りるので、回路規模を不要に増大することもない。

ただし、図３の構成では、Ａ相、Ｂ相いずれか一方の正弦波信号がゼロクロスポイント近傍となったとき、両相の正弦波信号に速度補正の影響が及ぶため、これを回避したければ、先述の累積加算部（１２２、１２３）と速度補正部（１２５、１２６）とを複数相分有して成り、各相毎の励磁電流について個別的な速度補正を施す構成を採用すればよい。

具体的には、図５の変形例で示すように、Ａ相の正弦波信号を個別に制御する手段として、加算器１２２ａ、現在位置レジスタ１２３ａ、補正係数設定部１２５ａ、及び、乗算器１２６ａを設けるとともに、Ｂ相の正弦波信号を個別に制御する手段として、加算器１２２ｂ、現在位置レジスタ１２３ｂ、補正係数設定部１２５ｂ、及び、乗算器１２６ｂを別途設ける構成にすればよい。

このような構成であれば、ゼロクロスポイント近傍となる正弦波信号についてのみ、上記の速度補正を施すことが可能となる。

なお、上記の実施形態では、ステッピングモータ２０を２相駆動する構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、３相駆動以上の場合についても広く適用することが可能である。

また、上記の実施形態では、モータ駆動装置１０に速度補正部（１２５、１２６）を備えた構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、現在位置レジスタ１２３の出力値を装置外部のマイコン等でモニタし、速度設定値自体に補正を施す構成としても構わない。

また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

本発明は、ステッピングモータを備えた機器（デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話、プリンタ、ファクシミリなど）の低騒音化を実現する上で有用な技術である。

は、モータ駆動装置を備えた電気機器の一構成例を示すブロック図である。は、モータ駆動時に振動や騒音が生じる原因を説明するための図である。は、制御部１２の一構成例を示すブロック図である。は、回転速度の補正動作を説明するための図である。は、制御部１２の一変形例を示すブロック図である。

符号の説明

１０モータ駆動装置
１１設定インターフェイス部（設定Ｉ／Ｆ部）
１２制御部
１２１速度設定レジスタ
１２２、１２２ａ、１２２ｂ加算器
１２３、１２３ａ、１２３ｂ現在位置レジスタ
１２４正弦波変換ＲＯＭ
１２５、１２５ａ、１２５ｂ補正係数設定部
１２６、１２６ａ、１２６ｂ乗算器
１３駆動部
２０ステッピングモータ
２１ロータ
２２Ａ相励磁コイル
２３Ｂ相励磁コイル

Claims

所定のクロック周期毎に速度設定値を累積的に加算していき、その演算結果が所定の閾値を超えたときに出力値をリセットする累積加算部と；
正弦波１周期分の数値データを順次格納して成り、所定のクロック周期毎に前記累積加算部の出力値で指定されるアドレスの数値データを読み出すことで、複数相の正弦波信号を出力する記憶部と；
前記複数相の正弦波信号に応じて、駆動対象となるステッピングモータに設けられた複数相の励磁コイルに所定の位相差を持った正弦波状の励磁電流を供給する駆動部と；
前記累積加算部の出力値をモニタし、これが正弦波信号のゼロクロスポイント近傍に相当する値であるときに、前記速度設定値を引き下げるように補正する速度補正部と；
を有して成ることを特徴とするモータ駆動装置。
前記累積加算部と前記速度補正部とを複数相分有して成り、各相毎の励磁電流について個別的な速度補正を施すことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
所定のクロック周期毎に速度設定値を累積的に加算していき、その演算結果が所定の閾値を超えたときに出力値をリセットするステップと；
正弦波１周期分の数値データを順次格納しておき、所定のクロック周期毎に前記累積加算部の出力値で指定されるアドレスの数値データを読み出すことで、複数相の正弦波信号を出力するステップと；
前記複数相の正弦波信号に応じて、駆動対象となるステッピングモータに設けられた複数相の励磁コイルに所定の位相差を持った正弦波状の励磁電流を供給するステップと；
前記累積加算部の出力値をモニタし、これが正弦波信号のゼロクロスポイント近傍に相当する値であるときに、前記速度設定値を引き下げるように補正するステップと；
を有して成ることを特徴とするモータ駆動方法。