JP2009213332A - ステッピングモータの停止方法及びその駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のステッピングモータの駆動回路は、ロータの停止中にパワー素子に常に電流が流れるので、パワー素子が発熱するとともに、前記電流を考慮して定電圧源の容量を大きくする必要がある。
【解決手段】本発明によるステッピングモータの停止方法及びその駆動回路は、ロータの回転を停止させる際に、制御回路の制御により、第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４を開成するとともに前記第５パワー素子Ｑ５を閉成し、前記各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂを前記グラウンドから切り離すとともに、前記各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの入力端を前記第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４の出力端に短絡する。また、前記各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂで発生した逆起電力を前記第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４と前記第５パワー素子Ｑ５とにより前記定電圧源３に回生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステッピングモータの停止方法及びその駆動回路に関し、特に、ロータの回転を停止させる際に、制御回路の制御により、第１〜第４整流素子の出力端と定電圧源との間に回生素子と並行に接続された第５パワー素子を閉成するとともに、前記第１〜第４パワー素子を開成するように構成することで、パワー素子の発熱を抑えることができるとともに、定電圧源の容量を引き下げることができるようにするための新規な改良に関するものである。

従来用いられていたステッピングモータの停止方法及びその駆動回路は、例えば下記の特許文献１，２等に挙げられており、図３〜図７に示すように構成されている。
図３は、従来のステッピングモータの駆動回路を示す回路図である。図において、ステッピングモータの駆動回路には、Ａ相巻線１と、Ｂ相巻線２と、定電圧源３と、スイッチとして作動される第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４と、ロータ４とが設けられている。

前記Ａ相巻線１の中間位置には前記定電圧源３が接続され、このＡ相巻線１の両端は第１及び第２パワー素子Ｑ１，Ｑ２を介して接地されている。すなわち、Ａ相巻線１に流れる電流の向きは、第１及び第２パワー素子Ｑ１，Ｑ２の開閉状態に応じて切り換えられる。換言すると、前記Ａ相巻線１には、順方向の磁束を発生する順方向Ａ相巻線１ａと、逆方向の磁束を発生する逆方向Ａ相巻線１ｂとが設けられている。このＡ相巻線１と同様に、前記Ｂ相巻線２の中間位置にも前記定電圧源３が接続され、このＢ相巻線２の両端は第３及び第４パワー素子Ｑ３，Ｑ４を介して接地されている。前記Ａ相巻線１と同様に、Ｂ相巻線２には、順方向の磁束を発生する順方向Ｂ相巻線２ａと、逆方向の磁束を発生する逆方向Ｂ相巻線２ｂとが設けられている。周知のように、前記第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４の開閉が選択的に切り換えられることで、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの励磁状態が切り換えられて前記ロータ４が駆動される。なお、各巻線１，２の中間位置は各巻線１，２（巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の入力端であり、各巻線１，２の両端は各巻線１，２（巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の出力端である。

図４は図３のステッピングモータの駆動回路を詳細に示す回路図であり、全相励磁によりロータ４を停止させる回路構成を示している。図において、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの出力端には、前記第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４と並列に第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４が接続されており、前記第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４の出力端と前記定電圧源３との間には回生素子ＺＤ１が接続されている。これら第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４と回生素子ＺＤ１とは、電流の通電状態の切り替えにより各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂで発生する逆起電力を定電圧源３に回生するためのものである。
なお、この例では、前記第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４はＦＥＴであり、第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４は入力端から出力端に向かう方向が順方向のダイオードであり、回生素子ＺＤ１は入力端から出力端に向かう方向が順方向のツェナーダイオードである。また、回生素子ＺＤ１は抵抗素子でもよい。

次に、図５は、図４の駆動回路を用いてのステッピングモータの停止方法を示す説明図である。なお、図４及び図５のステッピングモータの駆動回路がスロットマシンのリール駆動に用いられているとして説明する。リールの回転時に上位コントローラから制御回路（図示せず）に停止指令が入力されると、ロータ４が所定の停止実行位置（停止励磁相）に至った時点で、制御回路の制御により、前記第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４のすべてが閉成される。このとき、すべての巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂが通電されて励磁状態とされる。図中の矢印Ｂは定電圧源３の電圧による電流の流れを示している。

このとき、停止実行位置直前に励磁されていた相には磁束が発生しているが、順方向及び逆方向のすべての巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂが同時に励磁されているため、巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂが役割を果たさなくなり、残留していた磁束は各々の巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの励磁にて徐々に消えていく。一方で、駆動源であるモータからの動力供給が断たれているので、リールは惰性で回転を続けるが、ロータ４の磁石の磁力がブレーキの役割を果たし、リールは徐々に減速される。そして、惰性によるリールの回転速度が遅くなり、ロータ歯とイナーシャ歯の引き合ういずれかの位置でリールが停止される。

次に、図６は、別の従来のステッピングモータの駆動回路を詳細に示す回路図であり、電源切断によりロータ４を停止させる回路構成を示している。図７は、図６の駆動回路を用いてのステッピングモータの停止方法を示す説明図である。
図６の回路は、図４の回路に第５パワー素子Ｑ５を追加した回路である。すなわち、定電圧源３と各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの入力端との間には、前記第５パワー素子Ｑ５が接続されている。この駆動回路では、図７に示すように、前記第５パワー素子Ｑ５を開成することで、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂから定電圧源３を切断し、ロータ４の回転を停止させる。また、第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４を閉成することで、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂで発生した逆起電力を、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの内部抵抗で消費するとともに、グラウンドに吸収させる。図中の矢印Ｃは逆起電力による電流の流れを示している。

特開２００３−１５３５９２号公報 特開２００６−２４６６７７号公報

上記のような図４及び図５に示す従来のステッピングモータの駆動回路では、全相励磁によりロータ４を停止させるので、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの内部抵抗により、ロータ４の停止中でも前記第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４に電流が流れてしまう。このため、停止中の電流により前記第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４が発熱してしまうとともに、この電流を考慮して定電圧源３の容量を大きくする必要がある。
これに対して、上記のような図６及び図７に示す従来のステッピングモータの駆動回路では、ロータ４を停止する際に、第５パワー素子Ｑ５により各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂから定電圧源３を切り離すので、全相励磁の場合よりも停止中の電流を少なくすることができる。しかしながら、この駆動回路では、ロータ４の回転中に常に第５パワー素子Ｑ５に電流が流れるので、第５パワー素子Ｑ５の発熱が大きくなり、発熱を考慮した素子選定が必要となる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パワー素子の発熱を抑えることができるとともに、定電圧源の容量を引き下げることができるステッピングモータの停止方法及びその駆動回路を提供することである。

本発明に係るステッピングモータの停止方法は、ロータを駆動するための磁束を発生する順方向Ａ相巻線、逆方向Ａ相巻線、順方向Ｂ相巻線、及び逆方向Ｂ相巻線と、前記各巻線の入力端に接続された定電圧源と、前記各巻線の出力端とグラウンドとの間に接続された第１〜第４パワー素子と、前記各巻線の出力端に前記第１〜第４パワー素子と並列に接続された第１〜第４整流素子と、前記第１〜第４整流素子の出力端と前記定電圧源との間に接続された回生素子と、前記第１〜第４整流素子の出力端と前記定電圧源との間で前記回生素子と並列に接続された第５パワー素子と、前記第１〜第５パワー素子の開閉を制御する制御回路とを備えたステッピングモータの駆動回路を用い、前記ロータの回転を停止させる際に、前記制御回路の制御により、前記第１〜第４パワー素子を開成するとともに前記第５パワー素子を閉成し、前記各巻線を前記グラウンドから切り離すとともに、前記各巻線の入力端を前記第１〜第４整流素子の出力端に短絡し、前記各巻線で発生した逆起電力を前記第１〜第４整流素子と前記第５パワー素子とにより前記定電圧源に回生する。
また、本発明に係るステッピングモータの駆動回路は、ロータを駆動するための磁束を発生する順方向Ａ相巻線、逆方向Ａ相巻線、順方向Ｂ相巻線、及び逆方向Ｂ相巻線と、前記各巻線の入力端に接続された定電圧源と、前記各巻線の出力端とグラウンドとの間に接続された第１〜第４パワー素子と、前記各巻線の出力端に前記第１〜第４パワー素子と並列に接続された第１〜第４整流素子と、前記第１〜第４整流素子の出力端と前記定電圧源との間に接続された回生素子と、前記第１〜第４整流素子の出力端と前記定電圧源との間で前記回生素子と並列に接続された第５パワー素子と、前記第１〜第５パワー素子の開閉を制御する制御回路とを備え、前記制御回路の制御により、前記ロータを駆動する際に、前記第５パワー素子を開成するとともに前記第１〜第４パワー素子を選択的に閉成し、前記各巻線の励磁状態を切り換えるとともに、前記各巻線で発生した逆起電力を前記第１〜第４整流素子と前記回生素子とにより前記定電圧源に回生し、前記ロータの回転を停止させる際に、前記第１〜第４パワー素子を開成するとともに前記第５パワー素子を閉成し、前記各巻線を前記グラウンドから切り離すとともに、前記各巻線の入力端を前記第１〜第４整流素子の出力端に短絡し、前記各巻線で発生した逆起電力を前記第１〜第４整流素子と前記第５パワー素子とにより前記定電圧源に回生する。

本発明のステッピングモータの停止方法及びその駆動回路によれば、前記ロータの回転を停止させる際に、前記第１〜第４パワー素子を開成するとともに前記第５パワー素子を閉成し、前記各巻線を前記グラウンドから切り離すとともに、前記各巻線の入力端を前記第１〜第４整流素子の出力端に短絡するので、ロータの停止中に前記第１〜第５パワー素子に電流が常に流れることを防止できる。これにより、前記第１〜第５パワー素子の発熱を抑えることができるとともに、定電圧源の容量を引き下げることができる。また、ロータの回転中に第５パワー素子を開成するので、ロータの回転中に常に第５パワー素子に電流が流れることを防止でき、第５パワー素子の発熱を抑えることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるステッピングモータの駆動回路を示す回路図である。なお、従来のステッピングモータの駆動回路と同一又は同等部分については同一の符号を用いて説明する。また、駆動回路の全体としての構成は、従来例の構成（図３）と同様であるので、実施の形態１のステッピングモータの駆動回路の説明に図３を援用する。
図３に示すように、Ａ相巻線１と、Ｂ相巻線２と、定電圧源３と、スイッチとして作動される第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４と、ロータ４とが設けられている。前記Ａ相巻線１の中間位置には前記定電圧源３が接続され、このＡ相巻線１の両端は前記第１及び第２パワー素子Ｑ１，Ｑ２を介して接地されている。すなわち、Ａ相巻線１に流れる電流の向きは、第１及び第２パワー素子Ｑ１，Ｑ２の開閉状態に応じて切り換えられる。換言すると、前記Ａ相巻線１には、順方向の磁束を発生する順方向Ａ相巻線１ａと、逆方向の磁束を発生する逆方向Ａ相巻線１ｂとが設けられている。このＡ相巻線１と同様に、前記Ｂ相巻線２の中間位置にも前記定電圧源３が接続され、このＢ相巻線２の両端は第３及び第４パワー素子Ｑ３，Ｑ４を介して接地されている。前記Ａ相巻線１と同様に、Ｂ相巻線２には、順方向の磁束を発生する順方向Ｂ相巻線２ａと、逆方向の磁束を発生する逆方向Ｂ相巻線２ｂとが設けられている。なお、各巻線１，２の中間位置は各巻線１，２（巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の入力端であり、各巻線１，２の両端は各巻線１，２（巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の出力端である。

図１に示すように、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの出力端には、前記第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４と並列に第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４が接続されており、前記第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４の出力端と前記定電圧源３との間には回生素子ＺＤ１が接続されている。また、前記第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４の出力端と前記定電圧源３との間には、前記回生素子ＺＤ１と並列に第５パワー素子Ｑ５が接続されている。なお、この例では、前記第１〜第５パワー素子Ｑ１〜Ｑ５はＦＥＴであり、第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４は入力端から出力端に向かう方向が順方向のダイオードであり、回生素子ＺＤ１は入力端から出力端に向かう方向が順方向のツェナーダイオードである。また、回生素子ＺＤ１は抵抗素子でもよい。

周知のように、前記第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４の開閉が選択的に切り換えられることで、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの励磁状態が切り換えられて前記ロータ４が駆動される。このとき、図６及び図７に示す従来構成とは異なり、第５パワー素子Ｑ５が開成されて、ロータ４の回転中に第５パワー素子Ｑ５に電流が流れることが防止される。前記第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４と前記回生素子ＺＤ１とは、電流の通電状態の切り替えにより各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂで発生する逆起電力を定電圧源３に回生する。

次に、図２は、図１の駆動回路を用いてのステッピングモータの停止方法を示す説明図である。図１及び図２のステッピングモータの駆動回路がスロットマシンにおけるリール駆動に用いられているとして説明する。リールの回転時に上位コントローラから制御回路（図示せず）に停止指令が入力されると、ロータ４が所定の停止実行位置（停止励磁相）に至った時点で、制御回路の制御により、前記第１〜第４パワー素子Ｑ１〜Ｑ４が開成されるとともに、前記第５パワー素子Ｑ５が閉成される。すなわち、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂがグラウンドから切り離されるとともに、各巻線１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの入力端が第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４の出力端に短絡される。これにより、図４及び図５に示す従来構成とは異なり、ロータ４の停止中に前記第１〜第５パワー素子Ｑ１〜Ｑ５に電流が常に流れることが防止される。従って、前記第１〜第５パワー素子Ｑ１〜Ｑ５が発熱することを防止できるとともに、定電圧源３の容量を引き下げることができる。

ここで、停止実行位置直前に励磁されていた相には磁束が発生しているが、図２に示すように、逆起電力は、前記第１〜第４整流素子ＣＲ１〜ＣＲ４と前記第５パワー素子Ｑ５とを介して定電圧源３に回生される。図中の矢印Ａは逆起電力による電流の流れを示している。一方で、駆動源であるモータからの動力供給が断たれているので、リールは惰性で回転を続けるが、ロータ４の磁石の磁力がブレーキの役割を果たし、リールは徐々に減速される。そして、惰性によるリールの回転速度が遅くなり、ロータ歯とイナーシャ歯の引き合ういずれかの位置でリールが停止される。

本発明の実施の形態１によるステッピングモータの駆動回路を示す回路図である。 図１の駆動回路を用いてのステッピングモータの停止方法を示す説明図である。 従来のステッピングモータの駆動回路を示す回路図である。 図３のステッピングモータの駆動回路を詳細に示す回路図である。 図４の駆動回路を用いてのステッピングモータの停止方法を示す説明図である。 別の従来のステッピングモータの駆動回路を詳細に示す回路図である。 図６の駆動回路を用いてのステッピングモータの停止方法を示す説明図である。

符号の説明

１ａ 順方向Ａ相巻線
１ｂ 逆方向Ａ相巻線
２ａ 順方向Ｂ相巻線
２ｂ 逆方向Ｂ相巻線
３ 定電圧源
４ ロータ
ＣＲ１〜ＣＲ４ 第１〜第４整流素子
Ｑ１〜Ｑ５ 第１〜第５パワー素子
ＺＤ１ 回生素子

Claims (2)

1. ロータ（４）を駆動するための磁束を発生する順方向Ａ相巻線（１ａ）、逆方向Ａ相巻線（１ｂ）、順方向Ｂ相巻線（２ａ）、及び逆方向Ｂ相巻線（２ｂ）と、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の入力端に接続された定電圧源（３）と、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の出力端とグラウンドとの間に接続された第１〜第４パワー素子（Ｑ１〜Ｑ４）と、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の出力端に前記第１〜第４パワー素子（Ｑ１〜Ｑ４）と並列に接続された第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）と、前記第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）の出力端と前記定電圧源（３）との間に接続された回生素子（ＺＤ１）と、前記第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）の出力端と前記定電圧源（３）との間で前記回生素子（ＺＤ１）と並列に接続された第５パワー素子（Ｑ５）と、前記第１〜第５パワー素子（Ｑ１〜Ｑ５）の開閉を制御する制御回路とを備えたステッピングモータの駆動回路を用い、
   前記ロータ（４）の回転を停止させる際に、前記制御回路の制御により、前記第１〜第４パワー素子（Ｑ１〜Ｑ４）を開成するとともに前記第５パワー素子（Ｑ５）を閉成し、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）を前記グラウンドから切り離すとともに、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の入力端を前記第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）の出力端に短絡し、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）で発生した逆起電力を前記第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）と前記第５パワー素子（Ｑ５）とにより前記定電圧源（３）に回生することを特徴とするステッピングモータの停止方法。
2. ロータ（４）を駆動するための磁束を発生する順方向Ａ相巻線（１ａ）、逆方向Ａ相巻線（１ｂ）、順方向Ｂ相巻線（２ａ）、及び逆方向Ｂ相巻線（２ｂ）と、
   前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の入力端に接続された定電圧源（３）と、
   前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の出力端とグラウンドとの間に接続された第１〜第４パワー素子（Ｑ１〜Ｑ４）と、
   前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の出力端に前記第１〜第４パワー素子（Ｑ１〜Ｑ４）と並列に接続された第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）と、
   前記第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）の出力端と前記定電圧源（３）との間に接続された回生素子（ＺＤ１）と、
   前記第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）の出力端と前記定電圧源（３）との間で前記回生素子（ＺＤ１）と並列に接続された第５パワー素子（Ｑ５）と、
   前記第１〜第５パワー素子（Ｑ１〜Ｑ５）の開閉を制御する制御回路と
   を備え、
   前記制御回路の制御により、
   前記ロータ（４）を駆動する際に、前記第５パワー素子（Ｑ５）を開成するとともに前記第１〜第４パワー素子（Ｑ１〜Ｑ４）を選択的に閉成し、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の励磁状態を切り換えるとともに、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）で発生した逆起電力を前記第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）と前記回生素子（ＺＤ１）とにより前記定電圧源（３）に回生し、
   前記ロータ（４）の回転を停止させる際に、前記第１〜第４パワー素子（Ｑ１〜Ｑ４）を開成するとともに前記第５パワー素子（Ｑ５）を閉成し、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）を前記グラウンドから切り離すとともに、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の入力端を前記第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）の出力端に短絡し、前記各巻線（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）で発生した逆起電力を前記第１〜第４整流素子（ＣＲ１〜ＣＲ４）と前記第５パワー素子（Ｑ５）とにより前記定電圧源（３）に回生することを特徴とするステッピングモータの駆動回路。

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