JP2011055629A - ステッピングモータ駆動装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータ駆動装置の励磁モードを素早くスムーズに切り替える。
【解決手段】複数の励磁モードを切り替えてモータ（１３）を駆動するステッピングモータ駆動装置は、複数の励磁モードのうち最大ステップ数の励磁モードで使用されるパルス信号をカウントしてカウント信号を生成するカウンタ回路（３５）と、カウント信号の上位ビットに基づいて、モータ（１３）の各巻線に供給すべき電流の位相を示す信号を生成する位相制御回路（３６）と、適用すべき励磁モードを示す励磁モード信号とカウント信号の下位ビットとの論理演算を行って、ステップ数が少ない励磁モードではカウント信号の下位ビットをマスクする補正回路（３７）と、励磁モード信号、補正回路（３７）の出力信号、およびカウント信号の上位ビットに基づいて、モータ（１３）の各巻線（５，１１）に供給すべき電流の大きさを示す信号を生成する電流値制御回路（３８）とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステッピングモータ駆動装置および方法に関し、特に、ステッピングモータ駆動の励磁モード切り替えに関する。

近年、制御の容易性からステッピングモータが情報機器分野の他、さまざまな分野で使用されている。典型的なステッピングモータは、ＡｃｈおよびＢｃｈの二つのモータ巻線を互いに９０度ずらして配置し、これらモータ巻線に互いに電気角９０度ずれたモータ電流を供給するようになっている。

ステッピングモータの励磁モードには２相励磁や１−２相励磁などさまざまなものがある。２相励磁は４つのモータ電流位相を繰り返してモータを駆動する。１−２相励磁はその倍の８つのモータ電流位相を繰り返してモータを駆動する。その他にＷ１−２相励磁には１６のモータ電流位相があり、さらにマイクロステップ化して数百のモータ電流位相を有する励磁モードがある。

より細かなステップでモータを駆動する１−２相励磁などでは低騒音、低振動が実現できる。一方、ステップ数の少ない２相励磁は騒音、振動特性の点でその他の励磁モードよりも劣るものの、より大きなトルクでモータを駆動することができる。したがって、用途や場面に応じて励磁モードを適宜切り替えている（例えば、特許文献１，２参照）。例えば、ステッピングモータを停止状態から起動させ定常回転状態まで推移させる場合において、起動直後はモータの回転数を上げるためトルクが必要となるため２相励磁で駆動し、定常状態になると騒音、振動特性を必要とするため１−２相励磁に切り替えて駆動することがあり。また、低回転時には振動特性が悪化するため、１−２相励磁などで低振動性を向上させ、高速回転時は２相励磁に切り替えることがある。

特開平８−３７７９９号公報 特開２００６−２８８０５６号公報

図３３は、従来の励磁モード切り替えに係る電流位相の遷移を示す。外円は１−２相励磁のモータ電流位相を示す。１−２相励磁には８つの電流位相（ステップ位置１〜８）がある。内円は２相励磁のモータ電流位相を示す。２相励磁には４つの電流位相（ステップ位置２，４，６，８）がある。励磁モードが違っても同じステップ位置番号では同じ電流位相となる。例えば、ステップ位置４ではＡｃｈモータ電流およびＢｃｈモータ電流ともに正値である。

電流位相がステップ位置１→ステップ位置２→・・・→ステップ位置８→ステップ位置１の順に遷移することでステッピングモータは回転動作する。したがって、励磁モード切り替えは、電流位相が順方向で最も近いステップ位置に遷移するように行うことが望ましい。例えば、１−２相励磁のステップ位置１から２相励磁のステップ位置２に遷移することで、図中の実線で示したように１−２相励磁から２相励磁へのスムーズな励磁モード切り替えが実現される。

特許文献１のステッピングモータ駆動装置は、切り替え前後の励磁モードで共通の電流位相になるまで現状の励磁モードを維持し、共通の電流位相に遷移したときに励磁モードを切り替えている。例えば、１−２相励磁のステップ位置１で励磁モード切り替えが指示されると、ステップ位置２まで１−２相励磁を維持してから２相励磁のステップ位置２に遷移する。このため、実際の励磁モード切り替わりが指示よりも遅れるおそれがある。

特許文献２のステッピングモータ駆動装置は、ステップ位置の変化量が小さくなるように励磁モードを切り替えている。したがって、電流位相が逆方向に遷移することも起こり得る。例えば、図中の破線で示したように、１−２相励磁のステップ位置１から２相励磁のステップ位置８に遷移することがある。このため、ステッピングモータが脱調するおそれがある。

また、従来のステッピングモータ駆動装置では、モータの回転数を変えずに励磁モードだけを切り替えるにはパルス信号の周波数を変える必要がある。例えば、１−２相励磁から２相励磁に切り替える場合にはパルス信号の周波数を１／２にしなければならない。このため、励磁モード切り替えと同時にパルス信号の切り替えも必要となる。

上記問題に鑑み、本発明は、ステッピングモータ駆動装置の励磁モードを素早くスムーズに切り替えることを課題とする。

上記課題を解決するために本発明によって次のような手段を講じた。すなわち、複数の励磁モードを切り替えてモータを駆動するステッピングモータ駆動装置として、複数の励磁モードのうち最大ステップ数の励磁モードで使用されるパルス信号をカウントしてカウント信号を生成するカウンタ回路と、カウント信号の上位ビットに基づいて、モータの各巻線に供給すべき電流の位相を示す信号を生成する位相制御回路と、適用すべき励磁モードを示す励磁モード信号とカウント信号の下位ビットとの論理演算を行って、ステップ数が少ない励磁モードではカウント信号の下位ビットをマスクする補正回路と、励磁モード信号、補正回路の出力信号、およびカウント信号の上位ビットに基づいて、モータの各巻線に供給すべき電流の大きさを示す信号を生成する電流値制御回路とを備えているものとする。

これによると、最大ステップ数の励磁モードで使用されるパルス信号をカウントしてカウント信号が生成され、その下位ビットは励磁モード信号との論理演算によって補正される。特に、ステップ数が少ない励磁モードではカウント信号の下位ビットはマスクされる。そして、補正後のカウント信号および励磁モード信号に基づいて各励磁モードにおけるモータの各巻線の電流位相および電流の大きさが制御される。したがって、励磁モードの切り替えが発生した場合、カウント信号の下位ビットの補正状態が変化することで同じ電流位相または順方向にずれた電流位相に遷移する。

好ましくは、補正回路は、励磁モード信号が遷移したとき、カウント信号の下位ビットを、励磁モード信号が遷移する直前の当該補正回路の出力信号と同じ論理値に設定するものとする。具体的には、補正回路は、励磁モード信号の遷移時にパルスを発生するパルス発生回路と、補正回路の出力信号とパルスとの論理演算を行って、カウント信号の下位ビットを設定するための信号を生成する保持回路とを有する。

これによると、励磁モード切り替え直後のカウント信号の下位ビットが切り替え直前の補正回路の出力信号と同じ論理値に設定される。したがって、励磁モード切り替え前後における電流位相のズレを小さく抑えることができる。

本発明によると、ステッピングモータ駆動装置の励磁モードを素早くスムーズに切り替えることができる。また、励磁モードの切り替えに伴ってパルス信号の周波数を変えなくとも励磁モードの切り替え前後でモータの回転数を一定に保つことができる。これにより、パルス信号の切り替え制御が不要となる。

第１の実施形態に係るステッピングモータ駆動装置の構成図である。 ＰＷＭ制御回路の構成例を示す図である。 ＰＷＭ制御回路内部の各種信号、電流検出抵抗の電圧、およびモータ電流の関係を示すグラフである。 カウンタ回路、位相制御回路、補正回路、および電流値制御回路の構成例を示す図である。 パルス発生回路の構成例を示す図である。 保持回路の構成例を示す図である。 励磁モード信号、補正回路出力、およびカウンタ回路下位ビットの関係を示すタイミングチャートである。 １−２相励磁のときのタイミングチャートである。 ２相励磁のときのタイミングチャートである。 １−２相励磁のあるステップ位置で２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。 １−２相励磁の別のステップ位置で２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。 １−２相励磁のあるステップ位置で２相励磁に切り替えたときの電流位相遷移図である。 １−２相励磁の別のステップ位置で２相励磁に切り替えたときの電流位相遷移図である。 ２相励磁のあるステップ位置で１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。 ２相励磁の別のステップ位置で１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。 ２相励磁のあるステップ位置で１−２相励磁に切り替えたときの電流位相遷移図である。 ２相励磁の別のステップ位置で１−２相励磁に切り替えたときの電流位相遷移図である。 第２の実施形態に係るステッピングモータ駆動装置の構成図である。 カウンタ回路、位相制御回路、補正回路、および電流値制御回路の構成例を示す図である。 パルス発生回路の構成例を示す図である。 励磁モード信号、補正回路出力、およびカウンタ回路下位ビットの関係を示すタイミングチャートである。 Ｗ１−２相励磁のときのタイミングチャートである。 １−２相励磁のときのタイミングチャートである。 ２相励磁のときのタイミングチャートである。 Ｗ１−２相励磁のあるステップ位置で１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。 Ｗ１−２相励磁のあるステップ位置で２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。 Ｗ１−２相励磁のあるステップ位置で１−２相励磁に切り替えたときの電流位相遷移図である。 Ｗ１−２相励磁のあるステップ位置で２相励磁に切り替えたときの電流位相遷移図である。 ２相励磁のあるステップ位置でＷ１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。 １−２相励磁のあるステップ位置でＷ１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。 ２相励磁のあるステップ位置でＷ１−２相励磁に切り替えたときの電流位相遷移図である。 １−２相励磁のあるステップ位置でＷ１−２相励磁に切り替えたときの電流位相遷移図である。 従来の励磁モード切り替えに係る電流位相遷移図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の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。電源ＶＭとグランドとの間に直列にＭＯＳ構造のスイッチング素子１，２が接続されている。また、電源ＶＭとグランドとの間に直列にＭＯＳ構造のスイッチング素子３，４が接続されている。スイッチング素子１，２の接続点とスイッチング素子３，４の接続点との間にモータ巻線５が接続されている。スイッチング素子２，４の接続点とグランドとの間にモータ巻線５に流れるモータ電流に応じた電圧を発生させる電流検出抵抗６が接続されている。モータ巻線５に流れる電流がＡｃｈモータ電流である。

同様に、電源ＶＭとグランドとの間に直列にＭＯＳ構造のスイッチング素子７，８が接続されている。また、電源ＶＭとグランドとの間に直列にＭＯＳ構造のスイッチング素子９，１０が接続されている。スイッチング素子７，８の接続点とスイッチング素子９，１０の接続点との間にモータ巻線１１が接続されている。スイッチング素子８，１０の接続点とグランドとの間にモータ巻線１１に流れるモータ電流に応じた電圧を発生させる電流検出抵抗１２が接続されている。モータ巻線１１に流れる電流がＢｃｈモータ電流である。

モータ１３は、モータ巻線５，１１にそれぞれＡｃｈモータ電流およびＢｃｈモータ電流を供給することで駆動される。スイッチング素子１〜４のゲートは通電制御回路１４に、スイッチング素子７〜１０のゲートは通電制御回路１５に、それぞれ接続されている。通電制御回路１４は、位相制御信号１６およびＰＷＭ信号１８に従ってスイッチング素子１〜４をスイッチング制御する。通電制御回路１５は、位相制御信号１９およびＰＷＭ信号２０に従ってスイッチング素子７〜１０をスイッチング制御する。

具体的には、位相制御信号１６が“Ｈ”かつＰＷＭ信号１８が“Ｈ”のとき、通電制御回路１４は、スイッチング素子１，４のみをオンにして、電源ＶＭ→モータ巻線５（順方向）→グランドの方向にモータ電流を流す。位相制御信号１６が“Ｈ”かつＰＷＭ信号１８が“Ｌ”のとき、通電制御回路１４は、スイッチング素子１をオンにし、スイッチング素子３をオンおよびオフのいずれかにし、さらにスイッチング素子２，４をオフにして、電源ＶＭおよびグランドを介さずに、スイッチング素子１→モータ巻線５→スイッチング素子３→スイッチング素子１の方向にモータ電流を回生させる。特にスイッチング素子３をオンにした場合は同期整流となる。位相制御信号１６が“Ｌ”かつＰＷＭ信号１８が“Ｈ”のとき、通電制御回路１４は、スイッチング素子２，３のみをオンにして、電源ＶＭ→モータ巻線５（逆方向）→グランドの方向にモータ電流を流す。位相制御信号１６が“Ｌ”かつＰＷＭ信号１８が“Ｌ”のとき、通電制御回路１４は、スイッチング素子３をオンにし、スイッチング素子１をオンおよびオフのいずれかにし、さらにスイッチング素子２，４をオフにして、電源ＶＭおよびグランドを介さずに、スイッチング素子３→モータ巻線５→スイッチング素子１→スイッチング素子３の方向にモータ電流を回生させる。特にスイッチング素子３をオンにした場合は同期整流となる。なお、通電制御回路１５の動作についても上記と同様である。

ＰＷＭ信号１８，２０は、それぞれ、ＰＷＭ制御回路１７，２１から出力される。図２は、ＰＷＭ制御回路１７の構成例を示す。ＰＷＭ制御回路１７は、セット優先のＳＲ−ＦＦ（フリップフロップ）２２と基準信号発生部２３とから構成される。ＳＲ−ＦＦ２２は、基準信号発生部２３の出力およびモータ電流検出用のコンパレータ２４（図１参照）の出力をそれぞれセット信号およびリセット信号として受け、ＰＷＭ信号１８を出力する。ＳＲ−ＦＦ２２の出力は、セット信号が“Ｌ”になると“Ｈ”になり、リセット信号が“Ｌ”になると“Ｌ”になる。

基準信号発生部２３は、ＰＷＭ周波数を決定するＰＷＭ回路２５とＰＷＭ回路２５の出力の立ち上りおよび立ち下がりの両エッジまたは片方のエッジで“Ｌ”のパルスを生成するエッジ検出微分パルス回路２６とから構成されている。すなわち、基準信号発生部２３は、一定周波数の“Ｌ”のパルスをＳＲ−ＦＦ２２に入力する。なお、ＰＷＭ制御回路２１も上記と同様の構成である。

コンパレータ２４のプラス側入力およびマイナス側入力には電流検出抵抗６の検出電圧およびＤ／Ａ変換器２８（図１参照）の出力電圧が印加される。マイナス側入力の電圧よりもプラス側入力の電圧の方が高いとき、コンパレータ２４は、“Ｌ”の信号を出力してＳＲ−ＦＦ２２をリセットする。なお、コンパレータ２７のプラス側入力およびマイナス側入力には電流検出抵抗１２の検出電圧およびＤ／Ａ変換器２９の出力電圧が印加される（図１参照）。

図３は、順方向のＡｃｈモータ電流を供給する際の、ＰＷＭ回路２５の出力、ＳＲ−ＦＦ２２の入出力、電流検出抵抗６の検出電圧、およびＡｃｈモータ電流の関係を示す。ＰＷＭ回路２５から“Ｌ”のパルスが一定周波数ｆ_ＰＷＭで出力されると、その立ち上がりエッジで“Ｌ”の微分パルスが生成されてＳＲ−ＦＦ２２がセットされる（時刻ｔ１）。これにより、ＳＲ−ＦＦ２２の出力が“Ｈ”となり、スイッチング素子１，４がターンオンして電源ＶＭ→モータ巻線５（順方向）→グランドの方向にＡｃｈモータ電流が流れる。Ａｃｈモータ電流はモータ巻線５と電流検出抵抗６とで決まる時定数で増加する。電流検出抵抗６には「Ａｃｈモータ電流×電流検出抵抗６の抵抗値」で表されるＡｃｈ検出電圧が発生する。そして、Ａｃｈ検出電圧がＤ／Ａ変換器２８の出力電圧で表されるＡｃｈ目標電圧に達すると、コンパレータ２４の出力が“Ｌ”に遷移してＳＲ−ＦＦ２２がリセットされる（時刻ｔ２）。これにより、ＳＲ−ＦＦ２２の出力は“Ｌ”に遷移してスイッチング素子４がターンオフし、Ａｃｈモータ電流は回生状態または同期整流状態となる。すなわち、Ａｃｈモータ電流のピーク値は「Ｄ／Ａ変換器２８の出力電圧／電流検出抵抗６の抵抗値」で表される。その後、時刻ｔ３でＰＷＭ回路２５からパルスが出力されると上記と同じ動作を繰り返す。Ｂｃｈモータ電流についても上記と同様のことが言える。

図１に戻り、Ｄ／Ａ変換器２８，２９は、それぞれ、入力された多ビット信号３１，３３に応じてモータ電流値基準電圧ＶＲＥＦを分圧した電圧をＡｃｈ検出電圧およびＢｃｈ検出電圧の目標電圧として出力する。カウンタ回路３５は、ステッピングモータ駆動装置で切り替え可能な複数の励磁モードのうち最大ステップ数の励磁モードで使用されるパルス信号ＣＬＫをカウントしてカウント信号３２を生成する。例えば、ステッピングモータ駆動装置が２相励磁および１−２相励磁の二つのモードに対応している場合、カウンタ回路３５には１−２相励磁で使用されるパルス信号ＣＬＫが入力される。位相制御回路３６は、カウント信号３２の上位ビットに基づいて位相制御信号１６，１９を生成する。補正回路３７は、適用すべき励磁モードを示す励磁モード信号ＳＴとカウント信号３２の下位ビットとの論理演算を行ってカウント信号３２の下位ビットを補正する。特に、ステップ数が少ない励磁モードが選択されている場合には、補正回路３７はカウント信号３２の下位ビットをマスクする。電流値制御回路３８は、励磁モード信号ＳＴ、補正回路３７の出力信号、およびカウント信号３２の上位ビットに基づいて信号３１，３３を生成する。

図４は、カウンタ回路３５、位相制御回路３６、補正回路３７、および電流値制御回路３８の構成例を示す。カウンタ回路３５は、３つのＤ−ＦＦ３５１，３５２，３５３からなる３ビットカウンタで構成することができる。各Ｄ−ＦＦの出力はカウント信号３２の各ビットに該当する。初段のＤ−ＦＦ３５１はセット端子およびリセット端子を有しており、クロック端子にパルス信号ＣＬＫが入力される。したがって、Ｄ−ＦＦ３５１の出力はカウント信号３２のＬＳＢに該当し、Ｄ−ＦＦ３５３の出力はカウント信号３２のＭＳＢに該当する。

位相制御回路３６は、カウント信号３２［１］，３２［２］の排他的論理和を位相制御信号１９として出力するとともにカウント信号３２［２］を位相制御信号１６として出力する。したがって、位相制御信号１６の位相は位相制御信号１９の位相よりも電気角９０度だけ進んでいる。なお、括弧内の数字はカウント信号３２のビット位置を表している。

電流値制御回路３８は、励磁モード信号ＳＴ、補正カウント信号３２［０］’、およびカウント信号３２［１］の論理演算を行って信号３１，３３を生成する。なお、励磁モード信号ＳＴが“Ｈ”のときは１−２相励磁、“Ｌ”のときは２相励磁であるとする。

補正回路３７は、カウント信号３２［０］と励磁モード信号ＳＴとの論理積を補正カウント信号３２［０］’として出力する。したがって、補正カウント信号３２［０］’は、１−２相励磁のときはカウント信号３２［０］と一致し、２相励磁のときはカウント信号３２［０］をマスクしたもの、すなわち、“Ｌ”に固定される。

さらに、補正回路３７は、励磁モード信号ＳＴの遷移時にパルスを発生するパルス発生回路３７１と、Ｄ−ＦＦ３５１のセット信号Ｓ１およびリセット信号Ｒ１を生成する保持回路３７２とを有する。図５は、パルス発生回路３７１の構成例を示す。パルス発生回路３７１はパルス信号ＣＬＫよりも十分に高い周波数のクロック信号ＣＬＫ０を受けて、励磁モード信号ＳＴが遷移してから所定の期間“Ｌ”のパルスＰを出力する。図６は、保持回路３７２の構成例を示す。保持回路３７２は、補正カウント信号３２［０］’をクロック信号ＣＬＫ０で２段階ラッチして、そのラッチ出力とパルスＰとの論理演算を行ってＤ−ＦＦ３５１のセット信号Ｓ１およびリセット信号Ｒ１を生成する。

図７は、励磁モード信号ＳＴ、補正回路３７の出力、およびカウンタ回路３５の下位ビットの関係を示す。励磁モード信号ＳＴが遷移すると“Ｌ”のパルスＰが発生する。パルス信号Ｐが出力されている期間において、補正カウント信号３２［０］’が“Ｌ”であればリセット信号Ｒ１は“Ｌ”となり、セット信号Ｓ１は“Ｈ”となる。これにより、Ｄ−ＦＦ３５１がリセットされてカウント信号３２［０］は補正カウント信号３２［０］’と同じ“Ｌ”となる。一方、パルス信号Ｐが出力されている期間において、補正カウント信号３２［０］’が“Ｈ”であればリセット信号Ｒ１は“Ｈ”となり、セット信号Ｓ１は“Ｌ”となる。これにより、Ｄ−ＦＦ３５１がセットされてカウント信号３２［０］は補正カウント信号３２［０］’と同じ“Ｈ”となる。このように、補正回路３７は、励磁モード信号ＳＴが遷移したとき、カウンタ回路３５の下位ビット、具体的にはカウント信号３２［０］を、励磁モード信号ＳＴが遷移する直前の補正カウント信号３２［０］’と同じ論理値に設定する。

図８は、１−２相励磁のときのタイミングチャートである。１−２相励磁では補正カウント信号３２［０］’とカウント信号３２［０］とは等しくなる。信号３１［０］，３１［１］，３１［２］あるいは信号３３［０］，３３［１］，３３［２］はパルス信号ＣＬＫに同期して排他的に“Ｈ”となる。Ａｃｈ目標電圧は、信号３１［２］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×１００％となり、信号３１［１］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×７０．７％となり、信号３１［０］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×０％となる。これにより、Ａｃｈモータ電流のピーク値は略正弦波となる。Ｂｃｈ目標電圧およびＢｃｈモータ電流のピーク値はＡｃｈよりも電気角９０度だけ位相が遅れた波形となる。

図９は、２相励磁のときのタイミングチャートである。２相励磁ではカウンタ回路３５の下位ビットがマスクされるため補正カウント信号３２［０］’は“Ｌ”に固定される。これにより、信号３１［２］，３３［２］は“Ｈ”に、信号３１［０］，３１［１］，３３［０］，３３［１］は“Ｌ”に、Ａｃｈ目標電圧およびＢｃｈ目標電圧はＶＲＥＦ／１０×１００％に、それぞれ固定される。したがって、Ａｃｈモータ電流のピーク値は矩形波となる。Ｂｃｈ目標電圧およびＢｃｈモータ電流のピーク値はＡｃｈよりも電気角９０度だけ位相が遅れた波形となる。

以下に本実施形態に係るステッピングモータ駆動装置による励磁モードの切り替えについていくつか具体例を示す。図１０は、１−２相励磁のステップ位置１で２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。カウント値１で励磁モード信号ＳＴが“Ｈ”から“Ｌ”に遷移すると、補正カウント信号３２［０］’が“Ｌ”に固定され、パルス信号ＣＬＫの次の立ち上がりで２相励磁のステップ位置２に遷移する。図１１は、１−２相励磁のステップ位置２で２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。カウント値２で励磁モード信号ＳＴが“Ｈ”から“Ｌ”に遷移すると、補正カウント信号３２［０］’が“Ｌ”に固定され、２相励磁のステップ位置２に遷移する。

図１２は、１−２相励磁のステップ位置１で２相励磁に切り替えたときの電流位相の遷移を示す。１−２相励磁のステップ位置１から２相励磁のステップ位置２へと順方向に電気角４５度のズレで遷移する。図１３は、１−２相励磁のステップ位置２で２相励磁に切り替えたときの電流位相の遷移を示す。１−２相励磁のステップ位置２から２相励磁のステップ位置２へとズレなしで遷移する。なお、上記以外の１−２相励磁のステップ位置で２相励磁に切り替えた場合も２相励磁の同じステップ位置または順方向に電気角４５度ずれたステップ位置に遷移する。

図１４は、２相励磁のステップ位置４で１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。カウント値４で励磁モード信号ＳＴが“Ｌ”から“Ｈ”に遷移すると、それまで“Ｌ”に固定されていた補正カウント信号３２［０］’がカウント信号３２［０］と同じになり、１−２相励磁のステップ位置５に遷移する。図１５は、２相励磁のステップ位置６で１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。カウント値５で励磁モード信号ＳＴが“Ｌ”から“Ｈ”に遷移すると、カウント信号３２［０］は当該遷移直前の補正カウント信号３２［０］’の論理値である“Ｌ”に遷移し、それまで“Ｌ”に固定されていた補正カウント信号３２［０］’がカウント信号３２［０］と同じになり、１−２相励磁のステップ位置６に遷移する。

図１６は、２相励磁のステップ位置４で１−２相励磁に切り替えたときの電流位相の遷移を示す。２相励磁のステップ位置４から１−２相励磁のステップ位置４へとズレなしで遷移する。図１７は、２相励磁のステップ位置６で１−２相励磁に切り替えたときの電流位相の遷移を示す。２相励磁のステップ位置６から１−２相励磁のステップ位置６へとズレなしで遷移する。なお、上記以外の２相励磁のステップ位置で１−２相励磁に切り替えた場合も２相励磁の同じステップ位置に遷移する。

以上、本実施形態によると、ステッピングモータ駆動装置において２相励磁および１−２相励磁間で励磁モードを素早くスムーズに切り替えることができる。励磁モード切り替え時にステッピングモータが脱調するおそれもない。また、励磁モードの切り替えに伴ってパルス信号ＣＬＫの周波数を変えなくとも励磁モードの切り替え前後でモータの回転数を一定に保つことができる。これにより、パルス信号の切り替え制御が不要となる。

（第２の実施形態）
図１８は、第２の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。本実施形態に係るステッピングモータ駆動装置は、２ビットの励磁モード信号ＳＴに応じて２相励磁、１−２相励磁、およびＷ１−２相励磁での駆動が可能に構成されている。以下、第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

図１９は、カウンタ回路３５Ａ、位相制御回路３６Ａ、補正回路３７Ａ、および電流値制御回路３８Ａの構成例を示す。カウンタ回路３５Ａは、セット端子およびリセット端子を有する４つのＤ−ＦＦ３５１，３５２，３５３，３５４からなる４ビットカウンタで構成することができる。各Ｄ−ＦＦの出力はカウント信号３２の各ビットに該当する。初段のＤ−ＦＦ３５１のクロック端子にパルス信号ＣＬＫが入力される。したがって、Ｄ−ＦＦ３５１の出力はカウント信号３２のＬＳＢに該当し、Ｄ−ＦＦ３５４の出力はカウント信号３２のＭＳＢに該当する。

位相制御回路３６Ａは、カウント信号３２［２］，３２［３］の排他的論理和を位相制御信号１９として出力するとともにカウント信号３２［３］を位相制御信号１６として出力する。したがって、位相制御信号１６の位相は位相制御信号１９の位相よりも電気角９０度だけ進んでいる。

電流値制御回路３８Ａは、励磁モード信号ＳＴ［０］、補正カウント信号３２［０］’，３２［１］’、およびカウント信号３２［２］の論理演算を行って信号３１，３３を生成する。なお、励磁モード信号ＳＴの論理レベルを（ＳＴ［０］，ＳＴ［１］）で表したとき、励磁モード信号ＳＴが（Ｈ，Ｈ）のときはＷ１−２相励磁、（Ｈ，Ｌ）のときは１−２相励磁、（Ｌ，Ｌ）のときは２相励磁であるとする。

補正回路３７Ａは、カウント信号３２［０］と励磁モード信号ＳＴとの論理積を補正カウント信号３２［０］’として出力する。したがって、補正カウント信号３２［０］’は、Ｗ１−２相励磁のときはカウント信号３２［０］と一致し、１−２相励磁および２相励磁のときはカウント信号３２［０］をマスクしたもの、すなわち、“Ｌ”に固定される。また、補正回路３７Ａは、励磁モード信号ＳＴ［０］の反転とカウント信号３２［１］との論理和を補正カウント信号３２［１］’として出力する。したがって、補正カウント信号３２［１］’は、Ｗ１−２相励磁および１−２相励磁のときはカウント信号３２［１］と一致し、２相励磁のときはカウント信号３２［１］をマスクしたもの、すなわち、“Ｈ”に固定される。

さらに、補正回路３７Ａは、励磁モード信号ＳＴの遷移時にパルスを発生するパルス発生回路３７１Ａと、４つの保持回路３７２〜３７５とを有する。図２０は、パルス発生回路３７１Ａの構成例を示す。パルス発生回路３７１Ａはパルス信号ＣＬＫよりも十分に高い周波数のクロック信号ＣＬＫ０を受けて、励磁モード信号ＳＴが遷移してから所定の期間“Ｌ”のパルスＰを出力する。

保持回路３７２〜３７５は図６に倣って構成することができる。具体的には、保持回路３７２は、補正カウント信号３２［０］’をクロック信号ＣＬＫ０でラッチして、そのラッチ出力とパルスＰとの論理演算を行ってＤ−ＦＦ３５１のセット信号Ｓ１およびリセット信号Ｒ１を生成する。保持回路３７３は、補正カウント信号３２［１］’をクロック信号ＣＬＫ０でラッチして、そのラッチ出力とパルスＰとの論理演算を行ってＤ−ＦＦ３５２のセット信号Ｓ２およびリセット信号Ｒ２を生成する。保持回路３７４は、カウント信号３２［２］をクロック信号ＣＬＫ０でラッチして、そのラッチ出力と、パルスＰと励磁モード信号ＳＴ［０］との論理積との論理演算を行ってＤ−ＦＦ３５３のセット信号Ｓ３およびリセット信号Ｒ３を生成する。保持回路３７５は、カウント信号３２［３］をクロック信号ＣＬＫ０でラッチして、そのラッチ出力と、パルスＰと励磁モード信号ＳＴ［０］との論理積との論理演算を行ってＤ−ＦＦ３５４のセット信号Ｓ４およびリセット信号Ｒ４を生成する。

図２１は、励磁モード信号ＳＴ、補正回路３７Ａの出力、およびカウンタ回路３５Ａの下位ビットの関係を示す。励磁モード信号ＳＴが遷移すると“Ｌ”のパルスＰが発生する。パルス信号Ｐが出力されている期間において、補正カウント信号３２［０］’，３２［１］’が“Ｌ”であればリセット信号Ｒ１，Ｒ２は“Ｌ”となり、セット信号Ｓ１，Ｓ２は“Ｈ”となる。これにより、Ｄ−ＦＦ３５１，３５２がリセットされてカウント信号３２［０］，３２［１］は補正カウント信号３２［０］’，３２［１］’と同じ“Ｌ”となる。一方、パルス信号Ｐが出力されている期間において、補正カウント信号３２［０］’，３２［１］’が“Ｈ”であればリセット信号Ｒ１，Ｒ２は“Ｈ”となり、セット信号Ｓ１，Ｓ２は“Ｌ”となる。これにより、Ｄ−ＦＦ３５１，３５２がセットされてカウント信号３２［０］，３２［１］は補正カウント信号３２［０］’，３２［１］’と同じ“Ｈ”となる。このように、補正回路３７Ａは、励磁モード信号ＳＴが遷移したとき、カウンタ回路３５Ａの下位ビット、具体的にはカウント信号３２［０］，３２［１］を、それぞれ、励磁モード信号ＳＴが遷移する直前の補正カウント信号３２［０］’，３２［１］’と同じ論理値に設定する。

カウンタ回路３５Ａの上位ビット、具体的にはカウント信号３２［２］，３２［３］の変化についても、励磁モード信号ＳＴ［０］が“Ｌ”でない場合、すなわち、２相励磁以外では上記と同様である。一方、励磁モード信号ＳＴ［０］が“Ｌ”の場合、すなわち、２相励磁ではＤ−ＦＦ３５３，３５４のリセット信号Ｒ３，Ｒ４およびセット信号Ｓ３，Ｓ４はいずれも“Ｈ”に固定される。したがって、２相励磁ではＤ−ＦＦ３５３，３５４はセットもリセットもされない。

図２２は、Ｗ１−２相励磁のときのタイミングチャートである。Ｗ１−２相励磁では補正カウント信号３２［０］’とカウント信号３２［０］とは等しくなる。また、補正カウント信号３２［１］’とカウント信号３２［１］とは等しくなる。信号３１［０］，３１［１］，３１［２］，３１［３］，３１［４］あるいは信号３３［０］，３３［１］，３３［２］，３３［３］，３３［４］はパルス信号ＣＬＫに同期して排他的に“Ｈ”となる。Ａｃｈ目標電圧は、信号３１［４］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×１００％となり、信号３１［３］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×９２．４％となり、信号３１［２］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×７０．７％となり、信号３１［１］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×３８．４％となり、信号３１［０］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×０％となる。これにより、Ａｃｈモータ電流のピーク値は略正弦波となる。Ｂｃｈ目標電圧およびＢｃｈモータ電流のピーク値はＡｃｈよりも電気角９０度だけ位相が遅れた波形となる。

図２３は、１−２相励磁のときのタイミングチャートである。１−２相励磁では補正カウント信号３２［０］’は“Ｌ”に固定される。また、補正カウント信号３２［１］’とカウント信号３２［１］とは等しくなる。これにより、信号３１［１］，３１［３］，３３［１］，３３［３］は“Ｌ”に固定される。信号３１［０］，３１［２］，３１［４］あるいは信号３３［０］，３３［２］，３３［４］はパルス信号ＣＬＫに同期して排他的に“Ｈ”となる。Ａｃｈ目標電圧は、信号３１［４］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×１００％となり、信号３１［２］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×７０．７％となり、信号３１［０］が“Ｈ”のときＶＲＥＦ／１０×０％となる。これにより、Ａｃｈモータ電流のピーク値は略正弦波となる。Ｂｃｈ目標電圧およびＢｃｈモータ電流のピーク値はＡｃｈよりも電気角９０度だけ位相が遅れた波形となる。

図２４は、２相励磁のときのタイミングチャートである。２相励磁ではカウンタ回路３５Ａの下位ビットがマスクされるため補正カウント信号３２［０］’は“Ｌ”に、補正カウント信号３２［１］’は“Ｈ”に、それぞれ固定される。これにより、Ａｃｈ目標電圧およびＢｃｈ目標電圧はＶＲＥＦ／１０×１００％に、それぞれ固定される。したがって、Ａｃｈモータ電流のピーク値は矩形波となる。Ｂｃｈ目標電圧およびＢｃｈモータ電流のピーク値はＡｃｈよりも電気角９０度だけ位相が遅れた波形となる。

以下に本実施形態に係るステッピングモータ駆動装置による励磁モードの切り替えについていくつか具体例を示す。図２５は、Ｗ１−２相励磁のステップ位置４で１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。カウント値４で励磁モード信号ＳＴ［１］が“Ｈ”から“Ｌ”に遷移すると、補正カウント信号３２［０］’、信号３１［３］，３３［１］が“Ｌ”に固定され、１−２相励磁のステップ位置５に遷移する。

図２６は、Ｗ１−２相励磁のステップ位置４で２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。カウント値４で励磁モード信号ＳＴが（Ｈ，Ｈ）から（Ｌ，Ｌ）に遷移すると、補正カウント信号３２［０］’が“Ｌ”に固定され、補正カウント信号３２［１］’が“Ｈ”に固定され、信号３１［４］が“Ｈ”に固定され、信号３３［４］が“Ｌ”から“Ｈ”に遷移し、２相励磁のステップ位置７に遷移する。

図２７は、Ｗ１−２相励磁のステップ位置５で１−２相励磁に切り替えたときの電流位相の遷移を示す。Ｗ１−２相励磁のステップ位置５から１−２相励磁のステップ位置５へとズレなしで遷移する。図２８は、Ｗ１−２相励磁のステップ位置５で２相励磁に切り替えたときの電流位相の遷移を示す。Ｗ１−２相励磁のステップ位置５から２相励磁のステップ位置７へと順方向に電気角４５度のズレで遷移する。なお、上記以外のＷ１−２相励磁のステップ位置で１−２相励磁または２相励磁に切り替えた場合も１−２相励磁または２相励磁の同じステップ位置または順方向にずれたステップ位置に遷移する。

図２９は、２相励磁のステップ位置３でＷ１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。カウント値２で励磁モード信号ＳＴが（Ｌ，Ｌ）から（Ｈ，Ｈ）に遷移すると、それまで“Ｌ”に固定されていた補正カウント信号３２［０］’，３２［１］’が、それぞれ、カウント信号３２［０］，３２［１］と同じになる。また、信号３１［２］，３３［２］が“Ｌ”から“Ｈ”に遷移し、信号３１［４］，３３［４］が“Ｈ”から“Ｌ”に遷移し、Ｗ１−２相励磁のステップ位置３に遷移する。

図３０は、１−２相励磁のステップ位置３でＷ１−２相励磁に切り替えたときのタイミングチャートである。カウント値４で励磁モード信号ＳＴ［１］が“Ｌ”から“Ｈ”に遷移すると、それまで“Ｌ”に固定されていた補正カウント信号３２［０］’がカウント信号３２［０］と同じになり、Ｗ１−２相励磁のステップ位置５に遷移する。

図３１は、２相励磁のステップ位置３でＷ１−２相励磁に切り替えたときの電流位相の遷移を示す。２相励磁のステップ位置３からＷ１−２相励磁のステップ位置３へとズレなしで遷移する。図３２は、１−２相励磁のステップ位置５でＷ１−２相励磁に切り替えたときの電流位相の遷移を示す。１−２相励磁のステップ位置５からＷ１−２相励磁のステップ位置５へとズレなしで遷移する。なお、上記以外の２相励磁または１−２相励磁のステップ位置でＷ１−２相励磁に切り替えた場合もＷ１−２相励磁の同じステップ位置に遷移する。

以上、本実施形態によると、ステッピングモータ駆動装置において２相励磁、１−２相励磁、およびＷ１−２相励磁の三者間で励磁モードを素早くスムーズに切り替えることができる。励磁モード切り替え時にステッピングモータが脱調するおそれもない。また、励磁モードの切り替えに伴ってパルス信号ＣＬＫの周波数を変えなくとも励磁モードの切り替え前後でモータの回転数を一定に保つことができる。これにより、パルス信号の切り替え制御が不要となる。

なお、カウンタ回路３５Ａ、位相制御回路３６Ａ、補正回路３７Ａ、および電流値制御回路３８Ａを適宜変更することで、よりステップ数の多い励磁モードに対応することができる。また、励磁モード信号ＳＴのビット幅を拡張することで、より多くの励磁モード間で切り替えを行うことができる。いずれの変形例においても励磁モードの切り替えが発生した場合に同じ電流位相または順方向にずれた電流位相に遷移する。

本発明に係るステッピングモータ駆動装置は、励磁モードを素早くスムーズに切り替えることができるため、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどにおける光学レンズの駆動に有用である。

３５ カウンタ回路
３５Ａ カウンタ回路
３６ 位相制御回路
３６Ａ 位相制御回路
３７ 補正回路
３７Ａ 補正回路
３８ 電流値制御回路
３８Ａ 電流値制御回路
３７１ パルス発生回路
３７１Ａ パルス発生回路
３７２ 保持回路

Claims (4)

1. 複数の励磁モードを切り替えてモータを駆動するステッピングモータ駆動装置であって、
   前記複数の励磁モードのうち最大ステップ数の励磁モードで使用されるパルス信号をカウントしてカウント信号を生成するカウンタ回路と、
   前記カウント信号の上位ビットに基づいて、前記モータの各巻線に供給すべき電流の位相を示す信号を生成する位相制御回路と、
   適用すべき励磁モードを示す励磁モード信号と前記カウント信号の下位ビットとの論理演算を行って、ステップ数が少ない励磁モードでは前記カウント信号の下位ビットをマスクする補正回路と、
   前記励磁モード信号、前記補正回路の出力信号、および前記カウント信号の上位ビットに基づいて、前記モータの各巻線に供給すべき電流の大きさを示す信号を生成する電流値制御回路とを備えている
   ことを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
2. 請求項１のステッピングモータ駆動装置において、
   前記補正回路は、前記励磁モード信号が遷移したとき、前記カウント信号の下位ビットを、前記励磁モード信号が遷移する直前の当該補正回路の出力信号と同じ論理値に設定する
   ことを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
3. 請求項２のステッピングモータ駆動装置において、
   前記補正回路は、
   前記励磁モード信号の遷移時にパルスを発生するパルス発生回路と、
   当該補正回路の出力信号と前記パルスとの論理演算を行って、前記カウント信号の下位ビットを設定するための信号を生成する保持回路とを有する
   ことを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
4. 複数の励磁モードを切り替えてモータを駆動するステッピングモータ駆動方法であって、
   前記複数の励磁モードのうち最大ステップ数の励磁モードで使用されるパルス信号をカウントしてカウント信号を生成するステップと、
   前記カウント信号の上位ビットに基づいて、前記モータの各巻線に供給すべき電流の位相を示す信号を生成するステップと、
   適用すべき励磁モードを示す励磁モード信号と前記カウント信号の下位ビットとの論理演算を行って、ステップ数が少ない励磁モードでは前記カウント信号の下位ビットをマスクするステップと、
   前記励磁モード信号、前記補正回路の出力信号、および前記カウント信号の上位ビットに基づいて、前記モータの各巻線に供給すべき電流の大きさを示す信号を生成するステップとを備えている
   ことを特徴とするステッピングモータ駆動方法。

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