JP2015035926A - ステッピングモータの制御装置及びステッピングモータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの駆動に伴い発生する音の大きさを抑制可能なステッピングモータの制御装置を提供する。
【解決手段】ステッピングモータの制御装置は、複数のコイルに励磁電流を流してロータを回転させる。制御装置は、駆動回路によりコイルに印加される駆動電圧を制御する制御回路を有している。制御回路は、ステッピングモータの停止時のホールド期間内に、ロータを所定の停止位置まで移動させるためにコイルに流れる励磁電流の大きさを漸次減少させる停止時制御を行う。停止時制御では、励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の停止時閾値以下となるように制御が行われる。
【選択図】図２

Description

この発明は、ステッピングモータの制御装置及びステッピングモータの制御方法に関し、特に、起動時又は停止時にロータを所定の位置に移動させるステッピングモータの制御装置及びステッピングモータの制御方法に関する。

ステッピングモータは、複数のコイルに励磁電流を流してステータを磁化させ、ロータをステップごとに回転駆動する。ステッピングモータの起動時には、一般に、任意の位置にあるロータをステータと対向する位置（初期位置）に引き込むためのホールド電流をコイルに流し、初期位置での振動が収まった後に駆動電流を流して通常の駆動を行うことが行われている。このように駆動することで、ステッピングモータの乱調を防ぎ、確実に起動することができる。

下記特許文献１には、起動時のモータ制御方法について、スタート時にホールド電流を緩やかに上昇させることが記載されている。このような制御方法によれば、起動時にステッピングモータのロータが初期位置へ緩やかに移動するので、振動音や衝撃音の発生を抑制できる。

特開２０１２−０１６１２２号公報

ところで、特許文献１に記載のようなステッピングモータの制御方法を用いてもなお、ステッピングモータの駆動時における振動音や衝撃音などの発生を抑制することが望まれている。

この発明はそのような問題点を解決するためになされたものであり、モータの駆動に伴い発生する音の大きさを抑制可能なステッピングモータの制御装置及びステッピングモータの制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、複数のコイルに励磁電流を流してロータを回転させるステッピングモータの制御装置は、コイルに駆動電圧を印加する駆動手段と、駆動手段により印加される駆動電圧を制御する制御手段とを備え、制御手段は、ステッピングモータの停止時のホールド期間内に、ロータを所定の停止位置まで移動させるためにコイルに流れる励磁電流の大きさを漸次減少させる停止時制御を行う停止時制御手段を有し、停止時制御手段は、励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の停止時閾値以下となるように停止時制御を行う。

好ましくは、停止時閾値は、ロータが停止位置に移動するときに発生する音の大きさが所定の大きさ以下になるように設定されている。

好ましくは、停止時制御手段は、停止時のホールド期間内に、時間の経過と共にデューティ比が小さくなるパルス幅変調された駆動電圧又は時間の経過と共に電圧値が低くなる駆動電圧が駆動手段によりコイルに印加され、励磁電流が時間の経過と共に漸次に減少するように停止時制御を行う。

好ましくは、制御手段は、励磁電流を検出する検出手段と、停止時のホールド期間内に、検出手段により検出された励磁電流が、時間の経過と共に漸次に減少するように予め定められたターゲット電流に近づくように、制御信号を生成する信号生成手段とをさらに有し、駆動手段は、信号生成手段により生成された制御信号に応じたデューティ比のパルス幅変調された駆動電圧を生成する。

好ましくは、信号生成手段は、検出手段により検出された励磁電流がターゲット電流未満である場合は、制御信号を、それまでと比較して駆動電圧のデューティ比が大きくなる第１の値に設定し、検出手段により検出された励磁電流がターゲット電流に達している場合は、制御信号を、複数のコイルへの駆動電圧の印加が停止される第２の値に設定する。

好ましくは、停止時制御手段は、停止時のホールド期間内に励磁電流が線形に減少するように、停止時制御を行う。

好ましくは、停止時制御手段は、停止時のホールド期間の開始時の励磁電流の値が、停止時のホールド期間に入る前にコイルに流れる励磁電流の値の３０パーセントよりも大きくなるようにして停止時制御を行う。

好ましくは、制御手段は、ステッピングモータの脱調を検出する脱調検出手段をさらに有し、停止時制御手段は、脱調検出手段の検出結果に基づいてステッピングモータを停止させるとき、そのホールド期間の励磁電流の励磁パターンが、脱調検出手段によりステッピングモータの脱調が検出されたときと同様の励磁パターンになるように停止時制御を行う。

好ましくは、制御手段は、ステッピングモータの起動時のホールド期間内に、ロータを所定の初期位置まで移動させるためにコイルに流れる励磁電流の大きさを漸次増加させる起動時制御を行う起動時制御手段をさらに有し、起動時制御手段は、励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の起動時閾値以下となるように起動時制御を行う。

好ましくは、起動時制御手段は、起動時のホールド期間の終了時の励磁電流の値が起動時のホールド期間の終了後にコイルに流される励磁電流の値の３０パーセントよりも大きくなるように起動時制御を行う。

この発明の他の局面に従うと、複数のコイルに励磁電流を流してロータを回転させるステッピングモータの制御装置は、コイルに駆動電圧を印加する駆動手段と、駆動手段により印加される駆動電圧を制御する制御手段とを備え、制御手段は、ステッピングモータの起動時のホールド期間内に、ロータを所定の初期位置まで移動させるためにコイルに流れる励磁電流の大きさを漸次増加させる起動時制御を行う起動時制御手段を有し、起動時制御手段は、励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の起動時閾値以下となるように、かつ、起動時のホールド期間の終了時の励磁電流の値が起動時のホールド期間の終了後にコイルに流される励磁電流の値の３０パーセントよりも大きくなるように、起動時制御を行う。

好ましくは、起動時制御手段は、ステッピングモータの脱調が検出された場合において、その次にステッピングモータが駆動されるときに限り、起動時制御を行う。

この発明のさらに他の局面に従うと、複数のコイルに励磁電流を流してロータを回転させるステッピングモータの制御方法は、ステッピングモータの通常駆動時にコイルに印加される駆動電圧を制御する通常制御ステップと、ステッピングモータの停止時のホールド期間内に、ロータを所定の停止位置まで移動させるためにコイルに流れる励磁電流の大きさを漸次減少させる停止時制御を行う停止時制御ステップとを有し、停止時制御ステップは、励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の停止時閾値以下となるように停止時制御を行う。

この発明のさらに他の局面に従うと、複数のコイルに励磁電流を流してロータを回転させるステッピングモータの制御方法は、ステッピングモータの通常駆動時にコイルに印加される駆動電圧を制御する通常制御ステップと、ステッピングモータの起動時のホールド期間内に、ロータを所定の初期位置まで移動させるためにコイルに流れる励磁電流の大きさを漸次増加させる起動時制御を行う起動時制御ステップとを有し、起動時制御ステップは、励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の起動時閾値以下となるように、かつ、起動時のホールド期間の終了時の励磁電流の値が起動時のホールド期間の終了後に通常制御ステップによりコイルに流される励磁電流の値の３０パーセントよりも大きくなるように、起動時制御を行う。

これらの発明に従うと、モータの駆動に伴い発生する音の大きさを抑制可能なステッピングモータの制御装置及びステッピングモータの制御方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるステッピングモータの制御装置を示すブロック図である。 励磁電流の波形の一例を示す図である。 ホールド電流の起動時制御の一例を示す図である。 制御装置の起動時制御の一例を説明するフローチャートである。 従来の停止時制御の一例を示す図である。 本実施の形態の一変型例に係るホールド電流の変化パターンを示す図である。 本実施の形態の一変型例に係るホールド電流の変化パターンを示す図である。 第２の実施の形態におけるステッピングモータの制御装置の基本的な構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態のホールド電流の起動時制御の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態におけるステッピングモータの制御装置について説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態におけるステッピングモータの制御装置を示すブロック図である。

図１に示されるように、制御装置１０は、ステッピングモータ２０に駆動電圧を供給し、ステッピングモータ２０を駆動させる。

ステッピングモータ２０は、ロータと、ステータと、ステータに巻回された複数のコイル（図示せず）とを備えている。ステッピングモータ２０は、例えば、２相のコイルすなわちＡ相コイル及びＢ相コイルを備えている。制御装置１０からステッピングモータ２０へは、Ａ相（＋）、Ａ相（−）、Ｂ相（＋）、及びＢ相（−）のラインなどを経由して、駆動電圧が供給される。本実施の形態において、ステッピングモータ２０は、例えば車載用エアコンのアクチュエータとして用いられるが、これに限られるものではない。

制御装置１０は、大まかに、制御回路（制御手段の一例）３０と駆動回路（駆動手段の一例）４０とを備えている。駆動回路４０は、ステッピングモータ２０のコイルに駆動電圧を印加する。制御回路３０は、駆動回路４０を制御し、駆動回路４０により印加される駆動電圧を制御する。すなわち、制御装置１０は、ステッピングモータ２０の複数のコイルに駆動電圧を印加し、それらのコイルに励磁電流を流すことで、ステッピングモータ２０のロータを回転させる。

制御回路３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）（起動時制御手段、停止時制御手段、信号生成手段の一例）３１と、電流測定部３２と、メモリ３３とを有している。駆動回路４０は、モータ駆動部４１と、電流センシング部４２とを有している。

電流センシング部４２及び電流測定部３２は、ステッピングモータ２０の各コイルに流れる励磁電流値を検出する。より具体的には、電流センシング部４２は、例えば、シャント抵抗に励磁電流を流し、シャント抵抗での電圧降下を検出する。そして、電流測定部３２は、電流センシング部４２で検出された電圧降下に基づいて各コイルの励磁電流値を算出する。

ＣＰＵ３１は、駆動電圧を制御するための制御信号を生成してモータ駆動部４１に出力する。ＣＰＵ３１は、ステッピングモータ２０の通常起動時において、例えば励磁電流が所定の正弦波状になるように、制御信号を生成して出力する。

本実施の形態において、ＣＰＵ３１は、後述のように、ステッピングモータ２０の起動開始時点から、予め定められた起動時のホールド期間中において、起動時制御を行う。また、ＣＰＵ３１は、後述のように、ステッピングモータ２０の通常駆動が終了したステッピングモータ２０の停止開始時点から、予め定められた停止時のホールド期間中において、停止時制御を行う。起動時制御と停止時制御とのそれぞれでは、それぞれの制御に基づいて、制御信号が生成され、出力される。本実施の形態において、制御信号は、パルス幅変調されたＰＷＭ信号である。

モータ駆動部４１は、ＣＰＵ３１から供給された制御信号に従って、パルス幅変調された信号（以下、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号ということがある。）である駆動電圧を、ステッピングモータ２０のコイルに印加する。

このようにしてステッピングモータ２０のコイルに駆動電圧が印加されると、励磁電流が流れてステータが磁化する。２相のコイルに流す励磁電流の向きを交互に切り替えることにより、ステータに励磁される磁極が変化し、ロータが回転する。

図２は、励磁電流の波形の一例を示す図である。

図２において、グラフの横軸は時間ｔであり、縦軸は励磁電流の値である。なお、ステッピングモータ２０のＡ相コイルもＢ相コイルも、同様の励磁電流が流れるように制御される。

図２に示されるように、ステッピングモータ２０が起動してから停止するまで、起動時（時刻ｔ１０〜ｔ１２）、通常駆動時（時刻ｔ１２〜ｔ１６）、及び停止時（時刻ｔ１６〜ｔ１８）の各期間で、制御装置１０により異なる駆動制御が行われる。

通常駆動時においては、通常の励磁電流（通常の励磁電流を駆動電流ということがある。）がコイルに流れるように、制御装置１０から駆動電圧が印加される。なお、図２においては、駆動電流の波形は簡略化して図示されている。実際の駆動電流の波形は、例えば、所定の周期の正弦波状となる。

ここで、本実施の形態において、ＣＰＵ３１は、起動時には起動時制御を行い、停止時には停止時制御を行う。

［起動時制御に関する説明］

起動時制御が行われた場合の励磁電流の推移を例えば図２に基づいて説明すると、次のようである。まず、時刻ｔ１０にステッピングモータ２０の起動が開始されると、ＣＰＵ３１の制御に基づいて、制御装置１０は、ステッピングモータ２０への駆動電圧の印加を開始する。制御装置１０は、その後、ホールド期間ｔ１０〜ｔ１２において、時間の経過と共に、徐々に励磁電流を増加させる制御を行う。制御は、励磁電流が線形に増加するように行われる。ホールド期間中にこのようにロータを初期位置に移動させるためにコイルに流す励磁電流を、ホールド電流ということがある。本実施の形態において、ホールド期間ｔ１０〜ｔ１２の長さは予め定められており、例えば１００ｍｓ（１００ミリ秒）である。ホールド期間の長さは、ロータが初期位置に移動して振動が収まるまでに要する時間を考慮して適宜設定されればよい。

このような起動時制御は、例えば次のようにしてＣＰＵ３１の制御に基づいて行われる。すなわち、ＣＰＵ３１は、電流測定部３２で算出された励磁電流値と、メモリ３３に記憶されているターゲット電流値とを比較する。ＣＰＵ３１は、算出される励磁電流値がターゲット電流値に近づくように、ステッピングモータ２０を駆動するためのデューティ比を調整する。ＣＰＵ３１は、調整したデューティ比に対応する制御信号を生成し、モータ駆動部４１へ供給する。これにより、モータ駆動部４１において、制御信号に応じたデューティ比のパルス幅変調された駆動電圧が生成される。

本実施の形態では、ターゲット電流値は、ホールド期間の終了時に励磁電流値が所定の値（到達電流値）に達するように、時間の経過と共に電流が線形に増加するように設定されている。換言すると、ホールド電流値が到達電流値に達するタイミングと、ホールド期間の終了タイミングは、同時になるように制御が行われる。ターゲット電流値は、例えば、メモリ３３内に記憶されている。

到達電流値は、駆動電流の最大値（起動時のホールド期間の終了後にコイルに流される励磁電流の最大値）の３０パーセントから１００パーセントまでの間の範囲に設定されている。例えば、スタート時（起動開始時）の到達電流値が、駆動電流の最大値の７０パーセントの値に設定されている場合を想定する。このとき、ホールド期間において、駆動電流の最大値の０パーセントの値から、７０パーセントの値すなわち到達電流値に到達するまで、ホールド電流の値が徐々に上昇（増加）するように制御が行われる。ホールド電流の値が到達電流値に到達して起動時のホールド期間が終了すると、ＣＰＵ３１は、励磁電流値を、到達電流値から急激に上昇させて、励磁電流値が駆動電流の最大値（１００パーセントの値）をとる範囲で、安定した通常駆動を開始する。

なお、到達電流値を駆動電流の最大値の３０パーセント未満とすると、励磁力が比較的弱くなるため、起動時制御を行ってもロータを初期位置まで引き込むことができずにステッピングモータ２０を適切に駆動させることができなくなることがある。このような理由から、到達電流値の下限は駆動電流の最大値の３０パーセントになるように（駆動電流値が駆動電流の最大値の３０パーセント以上になるように）、到達電流値の設定を行うことが望ましい。

このように、起動時のホールド期間において、励磁電流（ホールド電流）の大きさが漸次増加するように制御が行われることにより、起動前にロータがどの位置にあっても、ロータがステータに対向する位置（初期位置）にゆっくりと引き込まれ、その位置でロータが静止する。ホールド電流は到達電流値まで上昇するので、ロータを初期位置に確実に引き込むことができる。ホールド期間の終了後、通常駆動動作が行われ、ステッピングモータ２０が確実に動作する。ホールド期間において、ロータが起動前の位置から初期位置まで高速には移動しないので、ステッピングモータ２０からの振動音や衝撃音等の騒音の発生を抑制できる。

図３は、ホールド電流の起動時制御の一例を示す図である。図４は、制御装置１０の起動時制御の一例を説明するフローチャートである。

図３においては、図２の時刻ｔ１１付近における、モータ駆動部４１により印加される駆動電圧の波形と、ターゲット電流及びホールド電流の波形とが拡大して示されている。同図において、時刻ｔ２０〜ｔ２２の期間や時刻ｔ２２〜ｔ２４の期間など、駆動電圧の立ち上がりから次の立ち上がりまでの期間は、ＰＷＭ信号の周期Ｔに相当する。図４においては、ＰＷＭ信号の１周期の間に行われる制御装置１０の処理動作が示されている。

本実施の形態において、ＣＰＵ３１は、起動時のホールド期間内に、時間の経過と共にデューティ比が大きくなるパルス幅変調された駆動電圧がコイルに印加されることで、ホールド電流が時間の経過と共に漸次に増加するように起動時制御を行う。これを、図３及び図４を参照しつつ説明する。

まず、周期Ｔの開始時点である時刻ｔ２０で、ＣＰＵ３１は、制御信号をローからハイ（第１の値）に設定する（ステップＳ１）。これに応じて、モータ駆動部４１は駆動電圧をローからハイにする。駆動電圧のロー及びハイは、例えば０Ｖ及び１２Ｖにそれぞれ対応する。次に、電流センシング部４２及び電流測定部３２は、コイルに流れるホールド電流値を検出する（ステップＳ２）。時刻ｔ２０からｔ２１の直前まで、ホールド電流はターゲット電流より小さいため（ステップＳ３のＮＯ）、ＣＰＵ３１は制御信号をハイ（第１の値）に設定する（ステップＳ４）。この場合、駆動電圧はハイのままであり（ステップＳ１）、ＰＷＭ信号のデューティ比（各周期におけるＰＷＭ信号のオン期間の比率）は大きくなる。駆動電圧がハイであると、コイルに流れる励磁電流は増加していく。

時刻ｔ２１に、ホールド電流がターゲット電流に達すると（ステップＳ３のＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は制御信号をロー（第２の値）に設定する（ステップＳ５）。これに応じて、モータ駆動部４１は駆動電圧をローに設定し（ステップＳ６）、コイルへの駆動電圧の印加を停止する。以降、周期Ｔの終了時点である時刻ｔ２２まで駆動電圧はローである（ステップＳ６，Ｓ７）。周期Ｔに対する駆動電圧がハイである時刻ｔ２０〜ｔ２１の比がＰＷＭ信号のデューティ比である。

駆動電圧がローである時刻ｔ２１〜ｔ２２では、コイルの両端には電圧が印加されないが、コイルのインダクタ成分のため、図３に示すように、ホールド電流は徐々に減少する。これにより、ホールド電流は、ターゲット電流より小さくなる。

その後、次の周期の開始時点である時刻ｔ２２で、制御装置１０は図４の処理動作を開始し、モータ駆動部４１が駆動電圧を再びハイに設定する。これにより、ホールド電流は増加し始める。時刻ｔ２２〜ｔ２４の周期においては、時刻ｔ２０〜ｔ２２の周期よりもターゲット電流が増加している。そのため、時刻ｔ２０〜ｔ２１の期間よりも長い時刻ｔ２２〜ｔ２３の期間において駆動電圧がハイに設定される。

このように、図２のホールド期間ｔ１０〜ｔ１２の間、図４の処理動作が繰り返し行われる。すなわち、ＣＰＵ３１は、ホールド電流の値がターゲット電流の値に達しない場合は、制御信号を、それまでと比較して駆動電圧のデューティ比が大きくなるようにハイに設定し、ホールド電流の値がターゲット電流の値に達している場合は、制御信号を、複数のコイルへの駆動電圧の印加が停止されるローに設定する。これにより、ＰＷＭ信号のデューティ比が徐々に大きくなり、ターゲット電流に従って図２に示されるように線形に増加するホールド電流が生成される。

なお、図３に示されるように、厳密には、ホールド電流は鋸歯状にリップルを伴いながら増加している。しかしながら、ホールド期間（時刻ｔ１０〜ｔ１２）に比べて、ＰＷＭ信号の周期Ｔは十分に短い。例えば、ホールド期間が１００ｍｓであるのに対し、ＰＷＭ信号の周期Ｔは０．１ｍｓ程度である。そのため、ホールド電流は漸次に線形に増加するといえる。

［停止時制御に関する説明］

停止時制御が行われた場合の励磁電流の推移を例えば図２に基づいて説明すると、次のようである。まず、時刻ｔ１６にステッピングモータ２０の停止が開始されると、ＣＰＵ３１は、時刻ｔ１６〜ｔ１８の停止時のホールド期間に、停止時制御を行う。停止時制御が開始されると、制御装置１０は、励磁電流値（ホールド電流値）を所定の値（開始電流）から時間の経過と共に徐々に減少させる制御を行う。制御は、励磁電流が線形に減少するように行われる。このように停止時制御が行われることで、ロータは、所定の停止位置まで移動されて停止する。換言すると、停止時制御は、停止時のホールド期間内に、ロータを所定の停止位置まで移動させるためにホールド電流の大きさを漸次減少させる制御である。本実施の形態において、停止時のホールド期間ｔ１６〜ｔ１８の長さは予め定められており、例えば１００ｍｓ（１００ミリ秒）である。ホールド期間の長さは、ロータが停止位置に移動して振動が収まるまでに要する時間を考慮して、適宜設定されればよい。停止時のホールド期間を、起動時のホールド期間と略同じ長さに設定してもよいし、異なる長さに設定してもよい。

このような停止時制御は、起動時制御と同様に、例えば次のようにしてＣＰＵ３１の制御に基づいて行われる。すなわち、ＣＰＵ３１は、電流測定部３２で算出された励磁電流値と、メモリ３３に記憶されているターゲット電流値とを比較する。ＣＰＵ３１は、算出される励磁電流値がターゲット電流値に近づくように、ステッピングモータ２０を駆動するためのデューティ比を調整する。ＣＰＵ３１は、調整したデューティ比に対応する制御信号を生成し、モータ駆動部４１へ供給する。これにより、モータ駆動部４１において、制御信号に応じたデューティ比のパルス幅変調された駆動電圧が生成される。なお、このときに行われる具体的な制御は、上述の起動時制御において行われる制御方法と同様であるので、具体的な説明は省略する。すなわち、ターゲット電流値が上昇する方向であるか低減する方向であるかは異なるものの、図３及び図４を参照しつつ説明したのと同様の制御が、停止時制御においても行われる。ＣＰＵ３１は、停止時のホールド期間内に、時間の経過と共にデューティ比が小さくなるパルス幅変調された駆動電圧がコイルに印加されることで、ホールド電流が時間の経過と共に漸次に減少するように停止時制御を行う。

本実施の形態では、ターゲット電流値は、ホールド電流値が停止時のホールド期間の開始時に開始電流値をとり、ホールド期間の終了時に略ゼロとなるように、時間の経過と共に電流が線形に減少するように設定されている。換言すると、ホールド電流値がほぼゼロに達するタイミングと、ホールド期間の終了タイミングとは、同時になるように制御が行われる。停止時制御におけるターゲット電流値も、例えば、メモリ３３内に記憶されている。

開始電流値は、駆動電流の最大値（停止時のホールド期間に入る前にコイルに流される励磁電流の最大値）の３０パーセントから１００パーセントまでの間の範囲に設定されている。例えば、スタート時（停止開始時）の開始電流値が、駆動電流の最大値の７０パーセントの値に設定されている場合を想定する。このとき、停止時のホールド期間のスタート時である時刻ｔ１６には、励磁電流の値がそれまでの駆動電流の値（駆動電流の最大値の１００パーセントの値）から開始電流値まで急激に減少するように制御が行われる。その後、時刻ｔ１６〜ｔ１８のホールド期間において、駆動電流の最大値の７０パーセントの値から、０パーセントの値に到達するまで、ホールド電流の値が徐々に低下（減少）するように制御が行われる。ホールド電流の値が駆動電流の最大値の０パーセントの値に到達して停止時のホールド期間が終了すると、ステッピングモータ２０の停止が完了する。

なお、開始電流値を駆動電流の最大値の３０パーセント未満とすると、励磁力が比較的弱くなるため、停止時制御の際にモータを停止位置まで引き込むことができずにロータがフリーとなってしまい、停止時にステッピングモータ２０から発生する騒音の大きさが抑制できる程度が小さくなることがある。このような理由から、開始電流値は、駆動電流の最大値の３０パーセントを下限とするように（駆動電流の最大値の３０パーセント以上になるように）設定することが望ましい。

図５は、従来の停止時制御の一例を示す図である。

図５に示されるように、従来は、ステッピングモータ２０の停止時には、ホールド期間（時刻ｔ９６〜ｔ９８）において、一定の大きさのホールド電流がコイルに流れるようにする制御が行われていた。このような停止時制御が行われた場合には、ロータがステータに対向する位置（停止位置）に向かって高速に移動することになり、ステッピングモータ２０から振動音や衝撃音が発生することがあった。

これに対し、本実施の形態では、図２に示されるように、停止時のホールド期間において、ホールド電流の大きさが漸次減少するように制御が行われる。これにより、停止前にロータがどの位置にあっても、ロータが停止位置にゆっくりと引き込まれ、その位置でロータが静止する。ホールド電流は開始電流値から減少するので、ロータは停止位置に確実に引き込まれる。ホールド期間において、ロータが停止前の位置から停止位置まで高速には移動しないので、ステッピングモータ２０からの振動音や衝撃音等の騒音の発生を抑制できる。

［起動時制御や停止時制御のホールド電流の変化パターンに関する説明］

ここで、上述では、起動時制御や停止時制御は、それぞれ、ホールド期間内にホールド電流が線形に変化するように、ＣＰＵ３１による制御が行われていたが、このようなホールド電流の変化パターンは、線形に変化するものに限られない。例えば、変化パターンは、図２に示されるように時間の経過と励磁電流の大きさとの関係を示したときに、下に凸の曲線状に変化したり、上に凸の曲線状に変化したりするように設定されていてもよい。このような変化パターンは、ターゲット電流値の設定を適宜行うことで設定できる。

図６は、本実施の形態の一変型例に係るホールド電流の変化パターンを示す図である。

図６においては、図２と同様にして、励磁電流の大きさの変化が示されている。図６に示されるように、停止時のホールド期間（時刻ｔ１６〜ｔ１８）において、ホールド電流は、下に凸の曲線状となる下降パターンで変化する。この場合においても、時刻ｔ１６には、ホールド電流の値は開始電流値となる。また、時刻ｔ１８には、ホールド電流の値は、ゼロ（駆動電流の最大値の０パーセントの値）となる。停止時のホールド期間において、当初はホールド電流の単位時間当たりの変化量（変化率）が比較的大きく、時間の経過と共に徐々に変化率が小さくなるように、停止時制御が行われる。

なお、図６において破線で示されるように、起動時制御も、ホールド電流が下に凸の曲線状となる上昇パターンで変化するように行われてもよい。すなわち、時刻ｔ１０〜ｔ１２の起動時のホールド期間において、当初はホールド電流の変化率が比較的小さく、時間の経過と共に徐々に変化率が大きくなって時刻ｔ１２にホールド電流が到達電流値に達するように、起動時制御が行われるようにしてもよい。

図７は、本実施の形態の一変型例に係るホールド電流の変化パターンを示す図である。

図７においても、図２と同様にして、励磁電流の大きさの変化が示されている。図７に示されるように、停止時のホールド期間において、ホールド電流は、上に凸の曲線状となる下降パターンで変化する。この場合においても、時刻ｔ１６には、ホールド電流の値は開始電流値となる。また、時刻ｔ１８には、ホールド電流の値は、ゼロとなる。停止時のホールド期間において、当初はホールド電流の変化率が比較的小さく、時間の経過と共に徐々に変化率が大きくなるように、停止時制御が行われる。

なお、図７において破線で示されるように、起動時制御も、ホールド電流が上に凸の曲線状となる上昇パターンで変化するように行われてもよい。すなわち、起動時のホールド期間において、当初はホールド電流の変化率が比較的大きく、時間の経過と共に徐々に変化率が小さくなって時刻ｔ１２にホールド電流が到達電流値に達するように、起動時制御が行われるようにしてもよい。

本実施の形態において、起動時制御は、このようにホールド電流が線形に増加する場合でも、グラフにおいてホールド電流が上に凸や下に凸の曲線状を描くように増加する場合でも、その変化率は所定の起動時閾値以下になるようにして行われる。また、停止時制御は、ホールド電流が線形に減少する場合でも、グラフにおいてホールド電流が上に凸や下に凸の曲線状を描くように減少する場合でも、その変化率は所定の停止時閾値以下になるようにして行われる。起動時閾値や停止時閾値は、ロータが初期位置に移動するときやロータが停止位置に移動するときに発生する音の大きさが、所定の大きさ以下になるように設定されている。このような起動時閾値や停止時閾値は、実験により適宜求めることができる。

なお、上昇パターンや下降パターンは、それぞれ上述の３種類のものを適宜選択可能である。例えば、起動時においては下に凸形状となる上昇パターンでホールド電流が徐々に上昇するように制御が行われ、停止時においては上に凸形状となる下降パターンでホール度電流が徐々に下降するように制御が行われるようにしてもよいし、その逆であってもよい。

開始電流値を駆動電流値の３０％以上としたときと１００％としたときの騒音抑制効果はほぼ近いレベルである。そのため、停止時制御を行うときの消費電流を小さくすべく、両者を考慮した、駆動電流値の９０％程度を開始電流値の上限として開始電流値を設定することが好ましい。同様に、到達電流値を到達電流値の３０％以上としたときと１００％としたときの騒音抑制効果はほぼ近いレベルである。そのため、停止時制御を行うときの消費電流を小さくすべく、両者を考慮した、駆動電流値の９０％程度を到達電流値の上限として到達電流値を設定することが好ましい。

［第２の実施の形態］

第２の実施の形態における制御装置の基本的な構成は、第１の実施の形態におけるそれと同じであるためここでの説明を繰り返さない。第２の実施の形態においては、ホールド期間内に、時間の経過と共に電圧値が変化する駆動電圧をステッピングモータ２０のコイルに印加する点が第１の実施の形態と異なる。

すなわち、第２の実施の形態において、ＣＰＵ３１は、停止時のホールド期間内に、時間の経過と共に電圧値が低くなる駆動電圧をコイルに印加することで、ホールド電流が時間の経過と共に漸次に減少するように停止時制御を行う。また、ＣＰＵ３１は、起動時のホールド期間内に、時間の経過と共に電圧値が高くなる駆動電圧をコイルに印加することで、ホールド電流が時間の経過と共に漸次に増加するように起動時制御を行う。

図８は、第２の実施の形態におけるステッピングモータ２０の制御装置１０ａの基本的な構成を示すブロック図である。

図８に示されるように、第２の実施の形態における制御装置１０ａは、上述の第１の制御装置１０と比較して、若干構成が異なる制御回路３０ａと駆動回路４０ａとを有している。図８において、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号が付されている。

制御回路３０ａは、ＣＰＵ３１及びメモリ３３ａを備えている。メモリ３３ａには、ターゲット電流ではなく、電圧プロファイルが予め記憶されている。電圧プロファイルは、時間と駆動電圧値との関係を示すテーブルである。ＣＰＵ３１は、電圧プロファイルにより設定された駆動電圧がステッピングモータ２０のコイルに印加されるように、デジタル信号である制御信号を生成し、電圧制御部４３に供給する。

駆動回路４０ａは、電圧制御部４３及びモータ駆動部４１を備えている。電圧制御部４３は、制御信号に応じ駆動電圧を生成し、モータ駆動部４１に供給する。モータ駆動部４１は、駆動電圧をコイルに印加する。

第１の実施形態では、駆動電圧はＰＷＭ信号であり、そのデューティ比を徐々に変化させることで、線形に変化するホールド電流を生成した。これに対し、第２の実施形態では、駆動電圧の電圧値を徐々に変化させ、線形に変化するホールド電流が生成される。ＣＰＵ３１が、起動時制御と停止時制御とを行うことで、第２の実施の形態においても、図２に示されるような励磁電流の波形で、ステッピングモータ２０が駆動される。

図９は、第２の実施の形態のホールド電流の起動時制御の一例を示す図である。

図９は、図２の時刻ｔ１１付近における、モータ駆動部４１により印加される駆動電圧波形と、ホールド電流波形の拡大図である。すなわち、図９は、第１の実施の形態における図３に対応する。

図９に示されるように、電圧プロファイルは、一定時間間隔ごとに駆動電圧が段階的に（図９では０．１Ｖずつ）高くなるように設定されたテーブルである。この電圧プロファイルに従って、駆動電圧がコイルに印加される。

例えば、時刻ｔ３０で１Ｖであった駆動電圧が１．１Ｖに設定されると、それに伴ってホールド電流も増加し、一定値に収束する。その後、時刻ｔ３１で駆動電圧が１．２Ｖに設定されると、ホールド電流はさらに増加する。

駆動電圧が高くなるにつれて、ホールド電流も増加し、図２に示されるように線形に増加するホールド電流が生成される。第２の実施の形態では、図９に示されるように、厳密には、ホールド電流は段階的に増加している。しかしながら、ホールド期間ｔ１０〜ｔ１２に比べ、駆動電圧が一段階大きくなる間隔ｔ３０〜ｔ３１等は十分に短い。そのため、ホールド電流は漸次に線形に増加するということができる。

第２の実施の形態では、停止時制御について段階的に低くなる電圧プロファイルが設定されていることで、停止時制御も、上述と同様に、電圧プロファイルに従って行われる。これにより、停止時のホールド期間に、時間の経過に伴ってホールド電流が徐々に減少するように、停止時制御が行われる。

なお、第２の実施の形態においても、ホールド電流が、線形の変化パターンに限られず下に凸や上に凸の曲線状に変化する変化パターンに従って変化するように、停止時制御や起動時制御が行われるようにしてもよい。

このように、第２の実施形態では、ステッピングモータ２０の電圧値が段階的に変化するように、駆動電圧がコイルに印加される。よって、ホールド電流は線形に徐々に変化し、急激には増加したり減少したりしない。そのため、ロータが初期位置や停止位置まで高速で移動することがなくなり、起動時や停止時において、振動音や衝撃音等の騒音の発生が抑制される。

［その他］

本発明は、上述の実施の形態のそれぞれの構成に限られるものではない。各実施の形態のそれぞれの特徴点を適宜組み合わせてステッピングモータの制御装置が構成されていてもよい。

制御装置は、ステッピングモータが脱調したことを検出したり、その検出結果に応じてステッピングモータが停止することを検出したりするように構成されていてもよい。脱調検出などの方法は、種々のものを用いることができる。このように脱調が検出されてステッピングモータを停止させるとき、ＣＰＵは、そのときの停止時ホールド期間の励磁電流の励磁パターンが、ステッピングモータの脱調が検出されたときと同様の励磁パターンになるようにして停止時制御を行うようにしてもよい。

また、上述の起動時制御は、脱調してステッピングモータが停止したとき、その後にステッピングモータが起動されるときに限って行われるようにしてもよい。

また、起動時のホールド電流は、例えば下記（１）式で近似される直線又は指数関数の形状であってもよい。

Ｉ＝ａ＊ｔ＾ｂ（ｔのｂ乗をａに乗じたもの） …（１）
ここで、Ｉはホールド電流、ｔはホールド期間の開始時刻（図２等の時刻ｔ１０）を基準とする時間、ａ及びｂは定数である。０＜ｂ＜１の場合、図７の破線と似た形状となり、ｂ＝１の場合、図２の形状となり、１＜ｂの場合、図６の破線と似た形状となる。

また、起動時のホールド電流は、例えば下記（２）式で近似される正弦波の形状であってもよい。

ここで、Ｔ０はホールド期間（時刻ｔ１０〜ｔ１２）、ｃ，ｄ，ｅは定数である。ｄ＝ｅ＝０の場合、図７の破線に似た形状となり、ｄ＝３π／２，ｅ＝１の場合、図６の破線と似た形状となる。

もちろん、上記（１），（２）式以外で近似される形状であってもよい。これらの形状のホールド電流は、第１の実施形態におけるターゲット電流又は第２の実施形態における電圧プロファイルを適宜変更することにより実現できる。

また、起動時と同様に、停止時においても、上述の（１）式、（２）式に倣った数式で表されるようなホールド電流が流れるように停止時制御を行うようにしてもよい。

上述の実施の形態における処理は、ソフトウェアによって行っても、ハードウェア回路を用いて行ってもよい。

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，１０ａ 制御装置
２０ ステッピングモータ
３０，３０ａ 制御回路（制御手段の一例）
３１ ＣＰＵ（起動時制御手段、停止時制御手段、信号生成手段の一例）
３２ 電流測定部
３３，３３ａ メモリ
４０，４０ａ 駆動回路（駆動手段の一例）
４１ モータ駆動部
４２ 電流センシング部（検出手段の一例）
４３ 電圧制御部

Claims (14)

1. 複数のコイルに励磁電流を流してロータを回転させるステッピングモータの制御装置であって、
   前記コイルに駆動電圧を印加する駆動手段と、
   前記駆動手段により印加される駆動電圧を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記ステッピングモータの停止時のホールド期間内に、前記ロータを所定の停止位置まで移動させるために前記コイルに流れる励磁電流の大きさを漸次減少させる停止時制御を行う停止時制御手段を有し、
   前記停止時制御手段は、前記励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の停止時閾値以下となるように前記停止時制御を行う、ステッピングモータの制御装置。
2. 前記停止時閾値は、前記ロータが前記停止位置に移動するときに発生する音の大きさが所定の大きさ以下になるように設定されている、請求項１に記載のステッピングモータの制御装置。
3. 前記停止時制御手段は、前記停止時のホールド期間内に、時間の経過と共にデューティ比が小さくなるパルス幅変調された駆動電圧又は時間の経過と共に電圧値が低くなる駆動電圧が前記駆動手段により前記コイルに印加され、前記励磁電流が時間の経過と共に漸次に減少するように前記停止時制御を行う、請求項１又は２に記載のステッピングモータの制御装置。
4. 前記制御手段は、
   前記励磁電流を検出する検出手段と、
   前記停止時のホールド期間内に、前記検出手段により検出された励磁電流が、時間の経過と共に漸次に減少するように予め定められたターゲット電流に近づくように、制御信号を生成する信号生成手段とをさらに有し、
   前記駆動手段は、前記信号生成手段により生成された制御信号に応じたデューティ比のパルス幅変調された駆動電圧を生成する、請求項１から３のいずれかに記載のステッピングモータの制御装置。
5. 前記信号生成手段は、
   前記検出手段により検出された励磁電流が前記ターゲット電流未満である場合は、前記制御信号を、それまでと比較して前記駆動電圧のデューティ比が大きくなる第１の値に設定し、
   前記検出手段により検出された励磁電流が前記ターゲット電流に達している場合は、前記制御信号を、前記複数のコイルへの駆動電圧の印加が停止される第２の値に設定する、請求項４に記載のステッピングモータの制御装置。
6. 前記停止時制御手段は、前記停止時のホールド期間内に前記励磁電流が線形に減少するように、前記停止時制御を行う、請求項１から５のいずれかに記載のステッピングモータの制御装置。
7. 前記停止時制御手段は、前記停止時のホールド期間の開始時の励磁電流の値が、前記停止時のホールド期間に入る前に前記コイルに流れる励磁電流の値の３０パーセントよりも大きくなるようにして前記停止時制御を行う、請求項１から６のいずれかに記載のステッピングモータの制御装置。
8. 前記制御手段は、
   前記ステッピングモータの脱調を検出する脱調検出手段をさらに有し、
   前記停止時制御手段は、前記脱調検出手段の検出結果に基づいて前記ステッピングモータを停止させるとき、そのホールド期間の前記励磁電流の励磁パターンが、前記脱調検出手段により前記ステッピングモータの脱調が検出されたときと同様の励磁パターンになるように前記停止時制御を行う、請求項１から７のいずれかに記載のステッピングモータの制御装置。
9. 前記制御手段は、前記ステッピングモータの起動時のホールド期間内に、前記ロータを所定の初期位置まで移動させるために前記コイルに流れる励磁電流の大きさを漸次増加させる起動時制御を行う起動時制御手段をさらに有し、
   前記起動時制御手段は、前記励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の起動時閾値以下となるように前記起動時制御を行う、請求項１から８のいずれかに記載のステッピングモータの制御装置。
10. 前記起動時制御手段は、前記起動時のホールド期間の終了時の励磁電流の値が前記起動時のホールド期間の終了後に前記コイルに流される励磁電流の値の３０パーセントよりも大きくなるように前記起動時制御を行う、請求項９に記載のステッピングモータの制御装置。
11. 複数のコイルに励磁電流を流してロータを回転させるステッピングモータの制御装置であって、
    前記コイルに駆動電圧を印加する駆動手段と、
    前記駆動手段により印加される駆動電圧を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記ステッピングモータの起動時のホールド期間内に、前記ロータを所定の初期位置まで移動させるために前記コイルに流れる励磁電流の大きさを漸次増加させる起動時制御を行う起動時制御手段を有し、
    前記起動時制御手段は、前記励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の起動時閾値以下となるように、かつ、前記起動時のホールド期間の終了時の励磁電流の値が前記起動時のホールド期間の終了後に前記コイルに流される励磁電流の値の３０パーセントよりも大きくなるように、前記起動時制御を行う、ステッピングモータの制御装置。
12. 前記起動時制御手段は、前記ステッピングモータの脱調が検出された場合において、その次に前記ステッピングモータが駆動されるときに限り、前記起動時制御を行う、請求項９から１１のいずれかに記載のステッピングモータの制御装置。
13. 複数のコイルに励磁電流を流してロータを回転させるステッピングモータの制御方法であって、
    前記ステッピングモータの通常駆動時に前記コイルに印加される駆動電圧を制御する通常制御ステップと、
    前記ステッピングモータの停止時のホールド期間内に、前記ロータを所定の停止位置まで移動させるために前記コイルに流れる励磁電流の大きさを漸次減少させる停止時制御を行う停止時制御ステップとを有し、
    前記停止時制御ステップは、前記励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の停止時閾値以下となるように前記停止時制御を行う、ステッピングモータの制御方法。
14. 複数のコイルに励磁電流を流してロータを回転させるステッピングモータの制御方法であって、
    前記ステッピングモータの通常駆動時に前記コイルに印加される駆動電圧を制御する通常制御ステップと、
    前記ステッピングモータの起動時のホールド期間内に、前記ロータを所定の初期位置まで移動させるために前記コイルに流れる励磁電流の大きさを漸次増加させる起動時制御を行う起動時制御ステップとを有し、
    前記起動時制御ステップは、前記励磁電流の単位時間当たりの変化量が所定の起動時閾値以下となるように、かつ、前記起動時のホールド期間の終了時の励磁電流の値が前記起動時のホールド期間の終了後に前記通常制御ステップにより前記コイルに流される励磁電流の値の３０パーセントよりも大きくなるように、前記起動時制御を行う、ステッピングモータの制御方法。

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