JP2010074909A - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】マイクロプロセッサによるモータへの通電異常を検出する。
【解決手段】所定の励磁パターンに従って、各ステップに定められた電流値で各コイル94,95に通電が行われるように制御するステッピングモータの駆動装置10において、励磁パターンに従って各ステップを推移させるように指令出力を行うマイクロプロセッサ1と、指令出力に基づくステップに定められた電流値となるように各コイルへの通電を行う制御回路20と、各コイルの通電電流値を検出する電流検出手段11と、各検出電流値を合計し、その絶対値を求める加算手段71,72と、検出電流の合計の絶対値が所定値を超える場合に各コイルへの通電を絶つ電流停止手段74,75とを備えている。
【選択図】図2

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動装置に関する。
2相ステッピングモータ90には、A相とB相と呼ばれる2つのコイル94,95がある(図1参照)。例えば、1−2相励磁方式でステッピングモータを駆動させる場合、図6に示すように、A相とB相の各のコイル94,95に流す電流値の組合せパターンが8ステップあり、ステップ0から7までを順番に切り替えて通電することによりステッピングモータは回転する。
ステッピングモータを上述のように駆動させるために、図7に示す駆動装置100が用いられている。
駆動装置100は、図6のタイミングで電流の指令値として8ビットの信号を出力するCPU101と、A相とB相の各コイル94,95ごとに設けられたブリッジ回路110と、A相とB相の各コイル94,95ごとに設けられ、各ブリッジ回路110に設けられたスイッチング素子111〜114のオンオフを制御する制御回路120とを備えている。
このブリッジ回路110は、ステッピングモータを正回転させるときにはスイッチング素子112,113をOFFにしたままスイッチング素子111,114のON-OFF制御を行い、逆回転の際にはその逆とする。
ブリッジ回路110は、コイル94(95)の両端部のそれぞれについて電源供給側に接続可能なスイッチング素子であるFET111,112と、アース側に接続可能なFET113,114と、コイル94(95)に通電される電流値を検出する電流検出器115とを備えている。
制御回路120は、CPU101の指令値の信号出力をアナログ変換するDAコンバータ121と、アナログ変換された電流指令値とブリッジ回路110に設けられた電流検出器115で検出されたコイル94(95)の通電電流値相当の電圧信号とを比較するエラーアンプ122と、一定の電圧幅で増減を繰り返す連続的な三角波信号を出力する三角波発生器123と、エラーアンプ122から出力された比較値(差)を示す出力信号と三角波信号の大小の比較を行うことでPWM信号を生成するコンパレータ124と、コンパレータ124のPWM信号を反転するNOT回路125とを備えている。
図6に示すように、0から7のステップでは、A相、B相のそれぞれのコイル94(95)について、0を含んで正負に五段階の電流値が変化するように通電が行われ、なお且つ、A相とB相とでは位相を1/4ずらして通電が行われる。
CPU101は、各相のコイル94(95)について、5段階の電流指令値を8ビットデータで出力し、DAコンバータ121は図8のテーブルに従って電流指令値のアナログ値を出力するようになっている。
そして、エラーアンプ103による指令値と実際に流れている電流値との差に応じたデューティ比でPWM信号が生成されて、これが各FET111,114(又は112,113)を駆動させるON/OFF信号となる。これにより、指令値に比べ実際の電流が小さいと、ON時間が長くなることで電流を多く流そうとする。また、逆に指令値より実際の電流が大きいとON時間が短くなり電流を減らそうとする。以上の動作によりモータ電流は図6に示す電流波形となりモータを駆動させることができる(例えば、特許文献1参照)。
特開平9−163795号公報
ところで、特許文献1に示すようなステッピングモータの駆動装置では、制御回路及びブリッジ回路側の異常によりモータの定格電流を超えるような過電流がコイルに通電されてモータが焼損することがないように、回路中で電流検出を行い、過電流の発生をCPU側で監視することが一般に行われている。
ところが、異常の発生は、CPUのハードウェア故障又はソフトウェア異常等の理由により、CPUから出力される電流指令値(8ビットの信号)が誤った出力をする場合もある。例えば、CPUからの信号電圧がLレベル固定となると指令値は00H、Hレベル固定となるとFFHとなり、これは電流指令として正方向または逆方向へ最大電流を指示することになり、このような場合にもモータの定格電流を超えて焼損してしまう。
しかしながら、上記のように、CPU側で制御回路の電流を監視するという方法では、上記のようなCPUのハードウェア故障又はソフトウェア異常等に起因する異常を防ぐことができないという問題があった。
本発明は、CPUのハードウェア故障又はソフトウェア異常等に起因する異常を抑止することを目的とする。
請求項1記載の発明は、A相コイルとB相コイルへの通電電流値を1/4位相のズレで増減させる複数のステップからなる励磁パターンに従って、各ステップに定められた電流値で前記各コイルに通電が行われるように制御するステッピングモータの駆動装置において、プログラムに従って前記ステッピングモータに回転動作を行わせるために、前記励磁パターンに従って前記各ステップを推移させるように指令出力を行うマイクロプロセッサと、前記マイクロプロセッサの指令出力に基づくステップに定められた電流値となるように前記A相及びB相コイルへの通電を行う制御回路と、前記A相コイルとB相コイルの通電電流値を個々に検出する電流検出手段と、前記各電流検出手段の検出出力を合計し、その絶対値を求める加算手段と、前記検出電流の合計の絶対値が所定値を超える場合に前記各コイルへの通電を絶つ電流停止手段とを備えることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明と同様の構成を備えると共に、前記加算手段は、前記各電流検出手段の検出出力を合計する加算回路と、その合計出力の絶対値を求める絶対値回路とを備えることを特徴とする。
請求項1記載の発明によれば、A相コイルとB相コイルの通電電流値を検出し、合計すると共にその絶対値に基づいて各コイルへの通電電流の異常を検出するので、マイクロプロセッサの処理に依存することなく異常検出が可能となり、マイクロプロセッサにより異常が発生している場合でも、各コイルへの通電を停止させることでき、ステッピングモータの焼損を効果的に回避することが可能となる。
また、A相コイルとB相コイルの通電電流値の合計の絶対値から異常を検出するので、各相ごとの異常検出を行う構成を不要とし、回路の簡易単純化を図ることができ、生産性の向上を図ることが可能となる。
請求項2では、各コイルの通電の異常を検出して通電を停止するまでの機能を、電流検出手段、加算回路、絶対値回路で実行するが、これらの構成は、いずれもオペアンプや抵抗器等のアナログ回路で容易に実現させることができるため、マイクロプロセッサにより異常が発生している場合でも、その影響を受けることなく、ソフトウェアに依存しないアナログ回路により検出することができ、異常検出をより確実に行うことが可能となる。
(本発明によるステッピングモータ90の駆動装置の全体構成)
本発明の実施形態である2相ステッピングモータの駆動装置10について図1乃至図5に基づいて説明する。図1は本発明によるステッピングモータ90の構成を示す説明図、図2は駆動装置10の全体構成を示すブロック図である。
(ステッピングモータ)
ステッピングモータ90は、図1に示すように、当該ステッピングモータ90の回転軸と連結されて回転可能に設けられた回転子92と、回転子92の周囲に設けられた円筒状の固定子93と、固定子93の内周部において回転子92に近接する方向に突出して設けられた芯部93a、93bに巻きつけられて、後述する励磁回路10による電流制御によって励磁されて回転子2の回転角度を変更/維持するコイル94,95とを備えている。
(ステッピングモータの駆動装置)
ステッピングモータの駆動装置10は、ステッピングモータ90の各コイル94,95ごとに通電を行う制御回路20,20と、各制御回路20,20を制御するマイクロプロセッサとしてのCPU1と、各コイル94,95にそれぞれ併設された電流検出手段としての電流検出器11,11と、ステッピングモータ90への異常電流の発生を検出する異常検出回路70とを備えている。
ステッピングモータ90は、ステップ0から7からなる励磁パターンに従って各ステップごとに定められた電流値に従って各コイル94,95に通電が行われることで回転駆動が行われる(図6参照)。
A相コイル94には、ステップ0〜7で、+3.6,+5.0,+3.6,0,-3.6,-5.0,-3.6,0Aの通電が行われ、B相コイル95には、ステップ0〜7で、-3.6,0,+3.6,+5.0,+3.6,0,-3.6,-5.0Aの通電が行われる(図8参照)。つまり、各コイル94,95には、同じ周期で1/4位相のズレで増減の変化を行うように通電が行われる。
上記CPU1は、各コイル94,95に対して各ステップごとに上述の決まった組合せとなる電流値を流すように指令値を出力するようになっている。また、CPU1は、各制御回路20と8ビットのデータバスで接続されており、各制御回路20に対してそれぞれの電流値を特定するための8bitデータからなる電流指令値を出力する。
(制御回路)
制御回路20は、A相コイル94とB相コイル95とについて、いずれも同じ構成からなるので、以下の説明ではA相コイル94の制御回路20についてのみ説明することとする。
制御回路20は、コイル94への通電のON-OFF切り換えを行うブリッジ回路30と、ブリッジ回路30の備えるスイッチング素子であるFET31〜34のON-OFF制御を行うドライブ回路40とを備えている。
(制御回路:ブリッジ回路)
ブリッジ回路30は、コイル94の一端部と電源装置2との間に並列して設けられたFET31及びダイオード35と、コイル94の他端部と電源装置2との間に並列して設けられたFET32及びダイオード36と、コイル94の一端部とアースとの間に並列して設けられたFET33及びダイオード37と、コイル94の他端部とアースとの間に並列して設けられたFET34及びダイオード35とを備えている。
そして、ドライブ回路50の制御により、FET31とFET34とが同時にONされることによりコイル94に正方向に通電が行われ、FET32とFET33とが同時にONされることによりコイル94に逆方向に通電が行われるようになっている。
また、ダイオード35〜38は、アノードはアース側に、カソードは電源装置側に接続されている。つまり、電源装置からの電流がダイオード35〜38に流れることはなく、電源装置による電流の方向とは逆方向の通電を許容する。これにより、当該逆の方向の電流がFET31〜34を破損することを防止する。
(制御回路:ドライブ回路)
ドライブ回路40は、CPU1の電流指令値の信号出力をアナログ変換するDAコンバータ41と、アナログ変換された電流指令値とブリッジ回路110に設けられた電流検出器115で検出されたコイル94(95)の通電電流値相当の電圧信号とを比較する比較器としてのエラーアンプ42と、一定の電圧幅で増減を繰り返す連続的な三角波信号を出力する三角波発生器43と、エラーアンプ42から出力された比較値(差)を示す出力信号と三角波信号の大小の比較を行うことでPWM信号を生成するコンパレータ44と、コンパレータ44のPWM信号を反転するNOT回路45とを備えている。
上記DAコンバータ41は、前述したCPU1から出力される8bitデータの電流指令値とアナログ信号である電流指令値との対応関係を示すテーブル(図8参照)を記憶しており、これに従ってCPU1からの電流指令値をアナログの電流指令値に変換してエラーアンプ42に入力する。
エラーアンプ42は、DAコンバータ41からの電流指令値の信号(電圧)からコイル94に隣接して直列に接続された電流検出器11から得られた電流検出電圧を減じた差の値に所定のゲインを乗じた比較信号を出力する。
電流検出器11は所定抵抗値の抵抗器であり、コイル94に流れる電流値に比例した電圧値の信号を得ることができる。一方、DAコンバータ41は、目標とするコイルの電流値がコイル94に流れた場合に電流検出器11で得られるであろう電圧値からなる電流指令値の信号出力を行う。これにより、コイル94に流れる電流値が目標電流値に満たない場合にその差に比例した電圧の比較信号が出力される。
三角波発生器43は、図3に示すように、所定の最小電位と最大電位との間で一定の増加率と減少率とで増減を繰り返す連続する三角状の電圧変化を示す三角波信号Hを出力する。
コンパレータ44は、エラーアンプ42からの比較信号(図3に示す符号I)と三角波信号Hとの電位の比較を行い、比較信号Iが高い場合にはHレベル、三角波信号Hが高い場合にはLレベルとなる矩形のPWM信号Kを出力する。前述したように、エラーアンプ42において検出電流の方が低い場合には比較信号は低い値となるが、そのような場合には、図3における信号Jと三角波信号Hとが比較され、Hレベルの期間に対してLレベル期間の比率が大きい(デューティ比が小さい)PWM信号Lが生成される。
コンパレータ44からのPWM信号は、分岐して、一方は後述する異常検出回路70の第一のAND回路74を介してブリッジ回路30のFET31,34に入力され、他方はNOT回路45と後述する異常検出回路70の第二のAND回路75を介してブリッジ回路30のFET32,33に入力される。
NOT回路45は、PWM信号のON-OFFを反転して第二のAND回路75に入力する。
これにより、ステッピングモータ90は、電流指令値に満たない電流がコイル94に流れていると、コンパレータ44によりデューティ比が大きなPWM信号が生成され、電流指令値に近い値の電流がコイル94に流れていると、コンパレータ44によりデューティ比が小さなPWM信号が生成され、これらにより、FET31,34はON期間が増減されて実質的な電流値の増減調節が行われ、コイル94への通電を電流指令値に近づけることができる。
(異常検出回路)
異常検出回路70は、A相コイル94に併設された電流検出器11により検出されるA相電流検出電圧VaとB相コイル95に併設された電流検出器11により検出されるB相電流検出電圧Vbの合計を求める加算回路71と、加算回路71で求められた合計値の絶対値を求める絶対値回路72と、絶対値回路72で求められた絶対値電圧と所定の基準電圧Vrefとを比較する比較器としてのコンパレータ73と、当該コンパレータ73の出力とドライブ回路40のコンパレータ44の出力とが両方ともONの場合にブリッジ回路30のFET31,34にON信号を入力する第一のAND回路74と、コンパレータ73の出力とドライブ回路40のNOT回路45の出力とが両方ともONの場合にブリッジ回路30のFET32,33にON信号を入力する第二のAND回路75とを備えている。
なお、第一のAND回路74と第二のAND回路75とは、各コイル94,95に対応して二つずつ設けられている。
加算回路71は、オペアンプを含むアナログ回路で構成され、A相電流検出電圧VaとB相電流検出電圧Vbの合計電圧V01(=Va+Vb)を出力する。
絶対値回路72は、オペアンプを含むアナログ回路で構成され、合計電圧V01の絶対値電圧V02(=|Va+Vb|)を出力する。
このように、加算回路71と絶対値回路72とにより、加算手段が構成されることとなる。
コンパレータ73は、基準電圧Vrefと絶対値電圧V02とを比較して基準電圧Vrefが大きい場合には監視信号V03をHレベルで出力し、小さい場合には監視信号V03をLレベルで出力する。上記基準電圧Vrefは、ステッピングモータ90の各コイル94,95に対して通常の制御で流され電流値を超える値か、或いは、ステッピングモータ90の破損を生じない範囲の電流値(例えば、定格電流値)に設定することが望ましい。前述したように、各コイル94,95は五段階で通電される電流値が変化し、且つ1/4位相のズレがあるので、A相とB相のコイルに通電される電流値の組合せは決まっており、その中で採り得る最大の電流合計値より若干大きな値(ここでは7.2Aより幾分大きな値)を設定すれば良い。無論、ステッピングモータ90の定格電流値でも良い。
第一のAND回路74は、FET31,34に信号入力を行い、その信号がHレベルの場合に各FET31,34をONに切り替え、Lレベルの場合にOFFに切り替える。そして、この第一のAND回路74は、コンパレータ73からの監視信号V03とドライブ回路40のコンパレータ44からのPWM信号とが入力され、それぞれがいずれもHレベルの場合にHレベルの信号出力を行い、いずれか一方でもLレベルの場合には第一のAND回路74はLレベルの信号出力しか行わない。
第二のAND回路47は、FET32,33に信号入力を行い、その信号がHレベルの場合に各FET32,33をONに切り替え、Lレベルの場合にOFFに切り替える。そして、この第二のAND回路47は、コンパレータ73からの監視信号V03とドライブ回路40のNOT回路45からの反転PWM信号とが入力され、それぞれがいずれもHレベルの場合にHレベルの信号出力を行い、いずれか一方でもLレベルの場合には第二のAND回路75はLレベルの信号出力しか行わない。
このように、第一及び第二のAND回路74,75は、異常検出時に各コイル94,95への通電を絶つ電流停止手段として機能することとなる。
(ステッピングモータの駆動装置の動作説明)
以下、図4のフローチャート及び図5の説明図に基づいてステッピングモータの駆動装置10の動作説明を行う。
ステッピングモータ90の駆動のために、A相とB相の各ドライブ回路40,40に、CPU1が励磁パターンに従って各ステップに定められた組み合わせで電流指令値の出力を開始する。
各DAコンバータ41は、そのテーブルに従って電流指令値をアナログ変換し、各エラーアンプ42は、各コイル94,95の検出電流値と指令値とを比較して、その差に応じた比較信号を出力する。
そして、各コンパレータ44は、三角波信号を比較信号を比較し、PWM信号を生成して、第一のAND回路74とNOT回路45とに入力する。NOT回路45は反転PWM信号を生成して第二のAND回路75に入力する。
一方、異常検出回路70では、加算回路71が、各電流検出器11からのA相電流検出電圧VaとB相電流検出電圧Vbの入力を受けて(ステップS1:図5(A))、それらの合計値V01を算出する(ステップS2:図5(B))。さらに、絶対値回路72が合計値V01の絶対値V02を算出する(ステップS3:図5(C))。
そして、コンパレータ74が、絶対値V02を基準電圧Vrefと比較して(ステップS4)、基準電圧Vrefを超えない場合には、異常は発生していないものとして、監視信号V03をHレベルで出力する(ステップS5)。これにより、各ドライブ回路40から出力されるPWM信号及び反転PWM信号がブリッジ回路30の各FET31〜34に入力され(ステップS6)、各FET31〜34はON-OFFの切り換えが行われる(ステップS7)。そして、電流指令値に応じた電流が各コイル94,95に通電されてステッピングモータ90が駆動を行う。
また、コンパレータ74が絶対値V02を基準電圧Vrefと比較した結果、基準電圧Vrefを超えた場合には、異常が発生しているものとして、監視信号V03をLレベルで出力する(ステップS8)。これにより、各ドライブ回路40から出力されるPWM信号及び反転PWM信号は各AND回路74,75で遮断され(ステップS9)、ステッピングモータ90の駆動が停止される(ステップS10)。
(発明の実施形態の効果)
上記ステッピングモータの駆動装置10では、異常検出回路70により、A相コイル94とB相コイル95の通電電流値を検出し、合計すると共にその絶対値に基づいて各コイル94,95への通電電流の異常を検出するので、CPU1の処理に依存することなく異常検出が可能となり、CPU1により異常が発生している場合でも、各コイル94,95への通電を停止させることでき、ステッピングモータ90の焼損を効果的に回避することが可能となる。
また、A相コイル94とB相コイル95の通電電流値の合計の絶対値から異常を検出するので、各相ごとの異常検出を行う構成を不要とし、回路の簡易単純化を図ることができ、生産性の向上を図ることが可能となる。
さらに、上記駆動装置10では、各コイル94,95の通電の異常を検出して通電を停止するまでの機能を、電流検出器11、加算回路、絶対値回路で実行するが、これらの構成は、いずれもオペアンプや抵抗器等のアナログ回路で容易に実現させることができるため、CPU1により異常が発生している場合でも、その影響を受けることなく、ソフトウェアに依存しないアナログ回路により検出することができ、異常検出をより確実に行うことが可能となる。
(その他)
なお、上記ステッピングモータの駆動装置10では、制御をいわゆる1−2相励磁で行う場合を例示したが、1相励磁、2相励磁に適用しても良い。
また、上記駆動装置10では、CPU1(マイクロプロセッサ)側で励磁パターンを記憶して、CPU1が励磁パターン通りとなるように電流指令値を出力する構成を採っているが、これに限らず、例えば、ドライブ回路側で励磁パターンを記憶して、CPU1は、ステップを進める指令のみを出力する構成としても良い。
また、異常検出回路70の各論理回路74,754の構成は上記のものに限らず、同様に機能する他の組合せであっても良いことは言うまでもない。
制御対象となるステッピングモータの構成を示す説明図である。 ステッピングモータの駆動装置の構成を示すブロック図である。 PWM信号の生成原理を示す説明図である。 駆動装置の動作を示すフローチャートである。 図5(A)はA相及びB相コイルの通電電流値を示す説明図、図5(B)はA相及びB相コイルの通電電流値の合計を示す説明図、図5(C)はA相及びB相コイルの通電電流の合計との絶対値を示す説明図である。 ステッピングモータの1−2相励磁の励磁パターンを示す説明図である。 従来のステッピングモータの駆動装置の構成を示すブロック図である。 CPUからの電流指令値をアナログ化するための変換テーブルを示す説明図である。
符号の説明
1 CPU(マイクロプロセッサ)
10 駆動装置
11 電流検出器(電流検出手段)
20 制御回路
30 ブリッジ回路
40 ドライブ回路
70 異常検出回路
71 加算回路
72 絶対値回路
74 第一のAND回路(電流停止手段)
75 第二のAND回路(電流停止手段)
90 ステッピングモータ
94 A相コイル
95 B相コイル

Claims (2)

  1. A相コイルとB相コイルへの通電電流値を1/4位相のズレで増減させる複数のステップからなる励磁パターンに従って、各ステップに定められた電流値で前記各コイルに通電が行われるように制御するステッピングモータの駆動装置において、
    プログラムに従って前記ステッピングモータに回転動作を行わせるために、前記励磁パターンに従って前記各ステップを推移させるように指令出力を行うマイクロプロセッサと、
    前記マイクロプロセッサの指令出力に基づくステップに定められた電流値となるように前記A相及びB相コイルへの通電を行う制御回路と、
    前記A相コイルとB相コイルの通電電流値を個々に検出する電流検出手段と、
    前記各電流検出手段の検出出力を合計し、その絶対値を求める加算手段と、
    前記検出電流の合計の絶対値が所定値を超える場合に前記各コイルへの通電を絶つ電流停止手段とを備えることを特徴とするステッピングモータの駆動装置。
  2. 前記加算手段は、前記各電流検出手段の検出出力を合計する加算回路と、その合計出力の絶対値を求める絶対値回路とを備え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の駆動装置。
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