JP2016131471A - Driving device for stepping motor and driving method of stepping motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、5つの励磁コイルが環状に接続されたHB型の5相ステッピングモータの励磁相を切り替えることにより、ステッピングモータをステップ駆動させる駆動装置及び駆動方法に関する。 The present invention relates to a driving apparatus and a driving method for stepping a stepping motor by switching the excitation phase of an HB type five-phase stepping motor in which five excitation coils are connected in a ring shape.
一般に、5つの励磁コイルを有する5相ステッピングモータのモータ回転子を駆動する場合には、外部からステッピングモータの駆動装置に対して指令パルスを入力し、駆動装置は、その入力した指令パルスを計数するとともに、その計数値に応じて5相ステッピングモータの励磁コイルに対する励磁を切り替えることにより、指令パルスの総数に比例した角度だけモータ回転子を回転させる制御が行われている。 In general, when driving a motor rotor of a five-phase stepping motor having five excitation coils, a command pulse is input from the outside to the stepping motor driving device, and the driving device counts the input command pulses. At the same time, control is performed to rotate the motor rotor by an angle proportional to the total number of command pulses by switching excitation to the excitation coil of the five-phase stepping motor in accordance with the count value.
また、例えば5相ステッピングモータのモータ回転子の位置決め分解能を細かくするために、5相ステッピングモータの機械的構造から決定される基本ステップ角を半分に分割して駆動するハーフステップ駆動や、基本ステップ角を更に細かい角度に分割して駆動するマイクロステップ駆動が行われている。 In addition, for example, in order to make the positioning resolution of the motor rotor of a five-phase stepping motor fine, half-step driving in which the basic step angle determined from the mechanical structure of the five-phase stepping motor is divided in half and driven, Micro-step driving is performed in which the corner is further divided into smaller angles.
例えば特許第5327666号公報(以下、特許文献1と称する)には、N相ステッピングモータの基本ステップ角をm分割したマイクロステップ駆動を行うステッピングモータの駆動装置が開示されている。 For example, Japanese Patent No. 5327666 (hereinafter referred to as Patent Document 1) discloses a driving device for a stepping motor that performs microstep driving by dividing the basic step angle of an N-phase stepping motor into m.
この特許文献1に係るステッピングモータの駆動装置は、微細ステップ(マイクロステップ)の歩進数を計数して出力するm分割カウンタ及び基本ステップ(フルステップ)の歩進数を計数して出力する基本ステップカウンタを有する電気角位置管理手段と、2つの励磁組の励磁組合せを出力する励磁相組合せ出力手段と、m分割カウンタの値及び基本ステップカウンタの値に応じて励磁組合せにおける2つの励磁組の励磁割合を決定する励磁割合決定手段と、所定の単位励磁周期Tが計数される毎に単位励磁切替指令を出力する単位励磁周期出力手段と、単位励磁周期Tの整数倍で構成される組合せ励磁周期TCが計数される毎に組合せ励磁切替指令を出力する組合せ励磁周期出力手段と、組合せ励磁切替指令が出力される毎に、又は組合せ励磁切替指令が出力される毎に加えて基本ステップカウンタの値が更新される毎に新たな励磁割合を記憶する励磁割合記憶手段と、励磁割合記憶手段に記憶されている励磁割合を用いて単位励磁切替指令が出力される毎に励磁を切り替えて駆動素子を介して順次出力してゆく励磁波形出力手段とを備えており、励磁組を構成する2相励磁が励磁コイルにおける全ての端子がモータ駆動電源の正極又は負極の何れかに接続している励磁であることに特徴を有する。
The driving device of the stepping motor according to
この特許文献1に係るステッピングモータの駆動装置について簡単に説明すると、特許文献1の駆動装置では、各フルステップ位置及び各マイクロステップ位置にそれぞれ対応する複数の励磁シーケンスが設定されている。この場合、フルステップ位置に対応する各励磁シーケンスは、2つの2相励磁パターンを組み合わせた1つの励磁組で構成されており、これらの2相励磁パターンの励磁を互いに時間的にずらして行うことにより、合成された4相励磁を実現している。また、マイクロステップ位置に対応する各励磁シーケンスは、2つの2相励磁パターンを有する2組の励磁組を、そのマイクロステップ位置に対応する励磁割合で組み合わせて構成されている。
The stepping motor driving apparatus according to
更に、特許文献1の駆動装置では、指令パレスが入力される毎に各ステップ位置に対応するアドレスをカウントアップ又はカウントダウンして管理するとともに、当該アドレスに対応する励磁シーケンスを選択して、その励磁シーケンスの励磁パターンを、指令パレスとは無関係に生成される単位励磁周期T毎に切り替えて、励磁コイルを所定のサイクル(励磁周期TC)で順番に励磁する。またこのとき、励磁周期TCが繰り返される毎に、管理されているステップ位置のアドレスを確認して、対応する励磁シーケンスを選択する(更新する)。
Furthermore, in the driving device of
更に特許文献1では、上述のように励磁周期TC毎にステップ位置のアドレスを選択するだけでなく、フルステップ位置のアドレスがカウントされる毎に、そのフルステップ位置に対応する励磁シーケンスを選択して(更新して)、2相励磁パターンによる励磁を所定のサイクル(励磁周期TC)で行う。
Further, in
このような特許文献1の駆動装置によれば、ステッピングモータが例えば超低速領域でマイクロステップ駆動を行う際に、励磁シーケンスを更新する周期を安定させて、マイクロステップ駆動を滑らかな回転で安定して行うことができる。
According to such a driving device of
また、ステッピングモータの回転速度を少し速くした低速領域や、更に速くした中速領域でマイクロステップ駆動を行う場合は、励磁シーケンスの更新時に、マイクロステップ位置に対応する励磁シーケンスの間引きをステッピングモータの回転速度に応じて適切に行いながら、マイクロステップ駆動を安定して行うことができる。更に、例えば低速領域又は中速領域において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動へ円滑に切り替えることが可能となるとともに、フルステップ駆動時における等速回転性を安定して維持することができる。 In addition, when microstep drive is performed in the low speed region where the rotation speed of the stepping motor is slightly increased or in the medium speed region where it is further increased, the excitation sequence corresponding to the microstep position is thinned out when the excitation sequence is updated. The microstep drive can be stably performed while performing appropriately according to the rotation speed. Further, for example, in a low speed region or a medium speed region, it is possible to smoothly switch from microstep driving to full step driving, and it is possible to stably maintain constant speed rotation during full step driving.
ステッピングモータは、優れた制御性を有することから、従来から精密機械装置や測定装置などの様々な分野の産業用装置に多く用いられている。
一方、近年の技術発達に伴い、回転速度が速くても所要のトルクが得られるステッピングモータや、低回転速度や超回転低速度の領域でより大きなトルクが得られるステッピングモータが新たに開発され、販売されてきている。また例えば、定格電流がより大きなステッピングモータを用いることにより、ステッピングモータのトルクアップやスピードアップを実現することもできる。
Since stepping motors have excellent controllability, they have been widely used in industrial devices in various fields such as precision mechanical devices and measuring devices.
On the other hand, with the recent technological development, stepping motors that can obtain the required torque even when the rotation speed is high, and stepping motors that can obtain a larger torque in the low rotation speed and super rotation low speed regions have been newly developed, Has been sold. Further, for example, by using a stepping motor having a larger rated current, it is possible to increase the torque and speed of the stepping motor.
このため、ステッピングモータが既に組み付けられて稼働している産業用装置では、上述のようにステッピングモータのトルクを増大させることや、高速化することにより、産業用装置の効率化や生産性の向上を図ることが可能となる。 For this reason, in industrial equipment where the stepping motor is already assembled and operating, increasing the torque of the stepping motor and increasing the speed as described above can improve the efficiency and productivity of the industrial equipment. Can be achieved.
特に、従来のステッピングモータは、低速領域や中速領域におけるトルクは十分に確保されていることが多いものの、モータの回転速度が速い高速領域では、角速度の増大に伴ってモータコイル(励磁コイル)のインピーダンスが高くなることに起因してモータコイルに電流が流れ難くなり、ある回転速度以上では所定の電流が励磁コイルに流れない電流飽和状態になる。このようにステッピングモータが電流飽和状態になると十分なトルクが得られないことから、ステッピングモータを取り換えずに装置の高速化を図ることは難しかった。 In particular, conventional stepping motors often have sufficient torque in the low speed region and medium speed region, but in high speed regions where the motor rotation speed is high, the motor coil (excitation coil) increases as the angular velocity increases. As a result, the current becomes difficult to flow through the motor coil, and the current saturation state in which a predetermined current does not flow through the exciting coil at a certain rotational speed or higher. As described above, since sufficient torque cannot be obtained when the stepping motor is saturated with current, it is difficult to increase the speed of the apparatus without replacing the stepping motor.
なお、上述したように定格電流がより大きなステッピングモータを用いることにより、高速領域のトルクを確保し易くなるものの、電流の増大に伴ってステッピングモータの発熱やその駆動装置(ドライバ)の発熱も大きくなるため、装置によっては定格電流が大きなステッピングモータを利用することができない場合もあった。 As described above, using a stepping motor with a larger rated current makes it easier to secure torque in the high speed region, but as the current increases, the heat generation of the stepping motor and the heat generation of its driving device (driver) also increase. For this reason, depending on the device, a stepping motor having a large rated current may not be used.
また、1台の産業用装置には、多数のステッピングモータと、そのステッピングモータを駆動する多数の駆動装置や制御装置(コントローラ)が用いられており、多いものでは、1台の装置に対して100軸以上のステッピングモータが用いられることもある。 In addition, a large number of stepping motors and a large number of drive devices and controllers (controllers) that drive the stepping motors are used in one industrial device. A stepping motor having 100 axes or more may be used.
このため、1つの装置に組み付けられているステッピングモータを、トルクアップやスピードアップのために新型のステッピングモータや定格電流の大きなステッピングモータに取り換えるためには、多くのステッピングモータを同時に交換するとともに、専用の駆動装置や制御装置等も交換しなければならない。更には、電源の設計や配線の設計なども見直す必要もあるため、多額の費用を要する。 For this reason, in order to replace the stepping motor assembled in one device with a new type stepping motor or a stepping motor with a large rated current for increasing torque or speeding up, many stepping motors must be replaced at the same time. Dedicated drive devices and control devices must also be replaced. Furthermore, since it is necessary to review the design of the power supply and the wiring, a large amount of money is required.
その上、ステッピングモータが用いられている産業用装置の多くは、所定の認証機関から安全規格の認証等を受けているため、装置部品のなかでも重要な部品となるステッピングモータやその駆動装置は、容易に取り換えることができないという問題もあった。このため、ユーザーからは、ステッピングモータを交換することなく、高速領域でのトルクを増大させて装置の高速化や生産性の向上を図ることが切望されていた。 In addition, since many industrial devices that use stepping motors have received safety standard certification from a predetermined certification body, stepping motors and their driving devices, which are important parts of equipment parts, are There was also a problem that it could not be easily replaced. For this reason, it has been eagerly desired by users to increase the torque in the high speed region and increase the speed and productivity of the apparatus without replacing the stepping motor.
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、内部のロジック回路の書き換えによって、ステッピングモータを交換することなく適用することが可能であり、且つ、低速領域や中速領域におけるトルクを確保しつつ、高速領域でのトルクを増大させることが可能なステッピングモータ用駆動装置、及びステッピングモータの駆動方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems. The object of the present invention can be applied without renewing the stepping motor by rewriting the internal logic circuit. It is an object of the present invention to provide a stepping motor driving apparatus and a stepping motor driving method capable of increasing torque in a high speed region while securing torque in a high speed region.
上記目的を達成するために、本発明により提供されるステッピングモータ用駆動装置は、5つの励磁コイルが環状に接続されたHB型の5相ステッピングモータの励磁相を指令パルスの入力により切り替えて、前記ステッピングモータをステップ駆動させるステッピングモータ用駆動装置であって、前記指令パルスを計数して前記ステッピングモータの電気角位置と回転速度とを管理するモータ回転管理部と、複数の励磁パターンを有する励磁シーケンスを記憶する励磁パターン記憶部と、前記モータ回転管理部で管理する電気角位置及び回転速度に基づいて対応する前記励磁シーケンスを前記励磁パターン記憶部から選択する励磁パターン選択部と、複数のスイッチング素子を有し、前記励磁パターン選択部で選択された前記励磁シーケンスの前記励磁パターンに従って各スイッチング素子のON/OFFを制御することにより、前記ステッピングモータの前記励磁相を切り替えるスイッチング部とを備えるステッピングモータ用駆動装置において、前記励磁パターン記憶部に、前記励磁相の合成インピーダンスが4相励磁の励磁パターンよりも低い2相励磁の励磁パターンと、その他の多相励磁の励磁パターンとを組み合わせて設定される複数の高速用励磁シーケンスが記憶されており、前記励磁パターン選択部は、前記モータ回転管理部で管理する前記回転速度が、前記ステッピングモータに流れる電流が飽和する電流飽和回転速度よりも速い所定の高速判定速度以上となる高速領域のときに、前記電気角位置に対応する前記高速用励磁シーケンスを選択するように予め設定されてなることを最も主要な特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a stepping motor drive device provided by the present invention switches the excitation phase of an HB type five-phase stepping motor in which five excitation coils are connected in a ring shape by inputting a command pulse, A stepping motor drive device for step-driving the stepping motor, wherein the motor rotation management unit counts the command pulses and manages the electrical angle position and rotation speed of the stepping motor, and excitation having a plurality of excitation patterns An excitation pattern storage unit for storing a sequence, an excitation pattern selection unit for selecting the corresponding excitation sequence from the excitation pattern storage unit based on an electrical angle position and a rotation speed managed by the motor rotation management unit, and a plurality of switching The excitation sequence selected by the excitation pattern selection unit. In a stepping motor drive apparatus comprising a switching unit that switches the excitation phase of the stepping motor by controlling ON / OFF of each switching element according to the excitation pattern of the excitation pattern, the excitation pattern storage unit stores the excitation phase A plurality of high-speed excitation sequences set by combining two-phase excitation excitation patterns whose combined impedance is lower than that of four-phase excitation and other multi-phase excitation excitation patterns are stored. When the rotation speed managed by the motor rotation management section is a high speed region in which the rotation speed managed by the motor rotation management section is equal to or higher than a predetermined high speed determination speed higher than a current saturation rotation speed at which the current flowing through the stepping motor is saturated, Pre-set to select the high-speed excitation sequence corresponding to the position It is an most important characterized in that is.
特に本発明に係るステッピングモータ用駆動装置では、前記励磁パターン記憶部に、4相励磁の励磁パターンのみを有する複数の中速用励磁シーケンスが記憶されており、前記励磁パターン選択部は、前記回転速度が、前記電流飽和回転速度よりも遅い所定の中速判定速度以上で、前記高速判定速度未満となる中速領域のときに、前記電気角位置に対応する前記中速用励磁シーケンスを選択するように予め設定されていることが好ましい。 In particular, in the stepping motor driving device according to the present invention, the excitation pattern storage unit stores a plurality of medium-speed excitation sequences having only four-phase excitation excitation patterns, and the excitation pattern selection unit performs the rotation. The medium speed excitation sequence corresponding to the electrical angle position is selected when the speed is in a medium speed region that is equal to or higher than a predetermined medium speed determination speed lower than the current saturation rotation speed and less than the high speed determination speed. It is preferable to set in advance.
本発明に係るステッピングモータ用駆動装置において、前記高速用励磁シーケンスは、前記2相励磁の励磁パターンに、4相励磁の励磁パターン及び/又は3相励磁の励磁パターンが組み合わされて設定されていることが好ましい。 In the stepping motor drive device according to the present invention, the high-speed excitation sequence is set by combining the excitation pattern of the two-phase excitation with the excitation pattern of the four-phase excitation and / or the excitation pattern of the three-phase excitation. It is preferable.
また本発明のステッピングモータ用駆動装置において、前記励磁パターン記憶部に、前記高速領域の各回転速度範囲に対応する複数の前記高速用励磁シーケンスを有する高速シーケンス群が記憶されており、前記励磁パターン選択部は、前記回転速度に基づいて前記高速シーケンス群から対応する前記高速用励磁シーケンスを選択するように予め設定されていることが好ましい。 Further, in the stepping motor drive device of the present invention, the excitation pattern storage unit stores a plurality of high-speed sequence groups having a plurality of high-speed excitation sequences corresponding to each rotation speed range of the high-speed region, and the excitation pattern The selection unit is preferably set in advance so as to select the corresponding high-speed excitation sequence from the high-speed sequence group based on the rotation speed.
この場合、前記高速シーケンス群の各高速用励磁シーケンスは、前記回転速度範囲が高速になるほどシーケンス全体の励磁長さが短く設定されていることが好ましい。
また、前記回転速度が前記高速判定速度よりも速い所定の超高速判定速度以上のときに選択される前記高速用励磁シーケンスは、1つのフルステップ位置に対応するトルクベクトルを形成する励磁パターンと、その次のフルステップ位置に対応するトルクベクトルを形成する励磁パターン及び/又は両フルステップ位置間のハーフステップ位置に対応するトルクベクトルを形成する励磁パターンとを有することが好ましい。
In this case, it is preferable that each high-speed excitation sequence of the high-speed sequence group is set such that the excitation length of the entire sequence is set shorter as the rotational speed range becomes higher.
The high-speed excitation sequence selected when the rotation speed is equal to or higher than a predetermined ultra-high determination speed faster than the high-speed determination speed is an excitation pattern that forms a torque vector corresponding to one full step position; It is preferable to have an excitation pattern that forms a torque vector corresponding to the next full step position and / or an excitation pattern that forms a torque vector corresponding to a half step position between both full step positions.
更に、本発明のステッピングモータ用駆動装置は、前記ステッピングモータに流れる電流が飽和したことを判定して前記電流飽和回転速度を検出する電流飽和判定部を有し、前記励磁パターン記憶部に、前記電流飽和回転速度の速度範囲に対応する複数の前記高速シーケンス群が予め記憶されており、前記励磁パターン選択部は、複数の前記高速シーケンス群から、検出された前記電流飽和回転速度に対応する1つの前記高速シーケンス群を選択するように予め設定されていることが好ましい。
Furthermore, the stepping motor drive device of the present invention has a current saturation determination unit that determines that the current flowing through the stepping motor is saturated and detects the current saturation rotation speed, and the excitation pattern storage unit includes the current saturation determination unit. A plurality of the high-speed sequence groups corresponding to the speed range of the current saturation rotation speed are stored in advance, and the excitation
次に、本発明により提供されるステッピングモータの駆動方法は、5つの励磁コイルが環状に接続されたHB型の5相ステッピングモータの励磁相を指令パルスの入力により切り替えて、前記ステッピングモータをステップ駆動させるステッピングモータの駆動方法であって、前記励磁相の合成インピーダンスが4相励磁の励磁パターンよりも低い2相励磁の励磁パターンと、その他の多相励磁の励磁パターンとを組み合わせて設定される複数の高速用励磁シーケンスを、励磁パターン記憶部に予め記憶させておくこと、及び前記モータ回転管理部で管理する前記回転速度が、前記ステッピングモータに流れる電流が飽和する電流飽和回転速度よりも速い所定の高速判定速度以上となる高速領域のときに、前記電気角位置に対応する前記高速用励磁シーケンスを選択することを含んでなることを最も主要な特徴とするものである。 Next, the stepping motor driving method provided by the present invention switches the excitation phase of an HB type five-phase stepping motor in which five excitation coils are connected in a ring shape by inputting a command pulse, and steps the stepping motor. A driving method of a stepping motor to be driven, which is set by combining a two-phase excitation excitation pattern in which the combined impedance of the excitation phases is lower than a four-phase excitation excitation pattern and other multi-phase excitation excitation patterns. A plurality of high-speed excitation sequences are stored in advance in the excitation pattern storage unit, and the rotation speed managed by the motor rotation management unit is faster than a current saturation rotation speed at which a current flowing through the stepping motor is saturated. The high-speed corresponding to the electrical angle position in a high-speed region that is equal to or higher than a predetermined high-speed determination speed It is an most important feature that it comprises selecting the excitation sequence.
特に、本発明に係るステッピングモータの駆動方法は、4相励磁の励磁パターンのみを有する複数の中速用励磁シーケンスを、前記励磁パターン記憶部に予め記憶させておくこと、及び、前記回転速度が、前記電流飽和回転速度よりも遅い所定の中速判定速度以上で、前記高速判定速度未満となる中速領域のときに、前記電気角位置に対応する前記中速用励磁シーケンスを選択することを含んでいることが好ましい。 In particular, the stepping motor driving method according to the present invention stores a plurality of medium-speed excitation sequences having only four-phase excitation excitation patterns in the excitation pattern storage unit in advance, and the rotation speed is Selecting the medium speed excitation sequence corresponding to the electrical angle position in a medium speed region that is equal to or higher than a predetermined medium speed determination speed slower than the current saturation rotation speed and less than the high speed determination speed. It is preferable to include.
また、本発明に係るステッピングモータの駆動方法は、前記高速領域の各回転速度範囲に対応する複数の前記高速用励磁シーケンスを有する高速シーケンス群を、前記励磁パターン記憶部に予め記憶させておくこと、及び、前記高速領域のときに、前記回転速度に基づいて前記高速シーケンス群から対応する前記高速用励磁シーケンスを選択することを含んでいることが好ましい。 In the stepping motor driving method according to the present invention, a high-speed sequence group having a plurality of high-speed excitation sequences corresponding to each rotation speed range of the high-speed region is stored in the excitation pattern storage unit in advance. Preferably, the method includes selecting the corresponding high-speed excitation sequence from the high-speed sequence group based on the rotation speed in the high-speed region.
この場合、本発明の駆動方法は、前記電流飽和回転速度の速度範囲に対応する複数の前記高速シーケンス群を前記励磁パターン記憶部に予め記憶させておくこと、前記ステッピングモータに流れる電流が飽和したことを判定して前記電流飽和回転速度を検出すること、及び、複数の前記高速シーケンス群から、検出した前記電流飽和回転速度に対応する1つの前記高速シーケンス群を選択することを含んでいることが好ましい。 In this case, according to the driving method of the present invention, the plurality of high-speed sequence groups corresponding to the speed range of the current saturation rotation speed are stored in advance in the excitation pattern storage unit, and the current flowing through the stepping motor is saturated. And detecting the current saturation rotation speed, and selecting one high-speed sequence group corresponding to the detected current saturation rotation speed from a plurality of the high-speed sequence groups. Is preferred.
本発明に係るステッピングモータ用駆動装置は、指令パルスの計数によりステッピングモータの電気角位置(アドレス)及び回転速度を管理するモータ回転管理部と、複数の励磁シーケンスを記憶する励磁パターン記憶部と、励磁シーケンスを励磁パターン記憶部から選択する励磁パターン選択部と、複数のスイッチング素子のON/OFFを制御することによりステッピングモータの励磁相を切り替えるスイッチング部とを備える。 A stepping motor drive device according to the present invention includes a motor rotation management unit that manages an electrical angle position (address) and a rotation speed of a stepping motor by counting command pulses, an excitation pattern storage unit that stores a plurality of excitation sequences, An excitation pattern selection unit that selects an excitation sequence from the excitation pattern storage unit, and a switching unit that switches the excitation phase of the stepping motor by controlling ON / OFF of a plurality of switching elements.
特に、本発明の励磁パターン選択部は、中速領域のときに、4相励磁の励磁パターンのみを有する中速用励磁シーケンスを励磁パターン記憶部から選択し、また、4相励磁では電流が飽和する電流飽和回転速度よりも速い高速回転速度以上である高速領域のときに、2相励磁の励磁パターンを例えば4相励磁の励磁パターン等に混ぜた(組み合わせた)高速用励磁シーケンスを励磁パターン記憶部から選択するように予め設定されている。 In particular, the excitation pattern selection unit of the present invention selects the excitation sequence for medium speed having only the excitation pattern of four-phase excitation from the excitation pattern storage unit in the medium speed region, and the current is saturated in four-phase excitation. When the high-speed region is higher than the high-speed rotation speed that is higher than the current saturation rotation speed, the excitation pattern for high-speed excitation is mixed and combined with, for example, the excitation pattern for two-phase excitation and the excitation pattern for four-phase excitation. It is set in advance to select from the part.
このような本発明のステッピングモータ用駆動装置によれば、ステッピングモータの回転速度が低速領域のときは、例えば従来のようなマイクロステップ駆動を行う低速用励磁シーケンスやその他の低速用励磁シーケンスを利用することにより、ステッピングモータを円滑に回転させるとともに、適切なトルクを安定して確保することができる。 According to such a stepping motor drive device of the present invention, when the rotation speed of the stepping motor is in a low speed region, for example, a low speed excitation sequence for performing microstep driving as in the past or other low speed excitation sequences is used. By doing so, the stepping motor can be smoothly rotated and an appropriate torque can be stably secured.
また、回転速度が中速領域のときには、同時に4つの励磁コイルを励磁する4相励磁の励磁パターンを用いてフルステップ駆動を行う。これにより、ステッピングモータをより滑らかに中速領域で回転させるとともに、4相励磁による合成トルクを適切に確保することができる。 Further, when the rotational speed is in the middle speed range, full-step driving is performed using an excitation pattern of four-phase excitation that simultaneously excites four excitation coils. As a result, the stepping motor can be rotated more smoothly in the medium speed region, and the combined torque by the four-phase excitation can be ensured appropriately.
更に、回転速度が高速領域のときには、2相励磁の励磁パターンを少なくとも1つ有する高速用励磁シーケンスに従ってフルステップ駆動を行う。例えば2相励磁の励磁パターンを選択して5相ステッピングモータの励磁を行う場合、中速領域のような4相励磁の励磁パターンで励磁を行う場合に比べて、例えば設定された所定の電流が適切に流れた場合の合成トルクは小さくなるものの、励磁されたコイル全体の合成インピーダンスを低くすることができる(すなわち、5つの励磁コイルのうちの2つのコイルが励磁されたときの合成インピーダンスは、5つの励磁コイルのうちの4つのコイルが励磁されたときの合成インピーダンスよりも低くなる)。 Further, when the rotational speed is in a high speed region, full-step driving is performed according to a high-speed excitation sequence having at least one excitation pattern for two-phase excitation. For example, when the excitation pattern of a 5-phase stepping motor is selected by selecting an excitation pattern of 2-phase excitation, for example, a predetermined current set is larger than when excitation is performed with an excitation pattern of 4-phase excitation such as a medium speed region. Although the combined torque when properly flowing is reduced, the combined impedance of the entire excited coil can be reduced (ie, the combined impedance when two of the five exciting coils are excited is This is lower than the combined impedance when four of the five exciting coils are excited).
このため、モータの回転速度が速くなって励磁コイルのインピーダンスが高くなることにより4相励磁では電流が飽和する回転速度(電流飽和回転速度)よりも速い高速領域においては、合成インピーダンスが低い2相励磁の励磁パターンを利用することにより、電流が飽和した4相励磁の励磁パターンよりも、ステッピングモータに電流が流れ易くなり、その結果、より大きな合成トルクを高速領域で得ることができる。 For this reason, the rotational speed of the motor is increased and the impedance of the exciting coil is increased, so that in the high speed region where the current is saturated in the four-phase excitation (current saturation rotational speed), the combined impedance is low. By using the excitation pattern, the current can flow more easily through the stepping motor than the four-phase excitation pattern in which the current is saturated. As a result, a larger combined torque can be obtained in the high-speed region.
従って、このような2相励磁の励磁パターンを例えば4相励磁の励磁パターン等に混ぜ込んで高速用励磁シーケンスが設定されており、その高速用励磁シーケンスが高速領域で選択されることにより、ステッピングモータの定格電流を大きくすることや発熱を増大させることなく、高速領域におけるトルクの減少割合を従来よりも小さくできるため、高速領域のトルクを効果的に伸ばすことができる。 Therefore, a high-speed excitation sequence is set by mixing such an excitation pattern of two-phase excitation with, for example, an excitation pattern of four-phase excitation, and stepping is performed by selecting the high-speed excitation sequence in the high-speed area. Since the rate of torque reduction in the high speed region can be made smaller than before without increasing the rated current of the motor or increasing heat generation, the torque in the high speed region can be effectively increased.
しかも、本発明の駆動装置は、従来の駆動装置における内部のロジック回路(プログラム)を書き換えることによって、従来のステッピングモータに対して適用することが可能であるため、種々の装置に既に組み付けられているステッピングモータの交換を行う必要がない。このため、ステッピングモータの上述のような高速領域におけるトルクアップや、そのトルクアップによるスピードアップを、大きなコスト負担を生じさせずに実現することができる。 In addition, the drive device of the present invention can be applied to a conventional stepping motor by rewriting an internal logic circuit (program) in the conventional drive device, and thus has already been assembled in various devices. There is no need to replace the existing stepping motor. For this reason, the torque increase in the high-speed region as described above of the stepping motor and the speed increase due to the torque increase can be realized without causing a large cost burden.
このような本発明の駆動装置において、高速用励磁シーケンスは、2相励磁の励磁パターンに、4相励磁の励磁パターン及び/又は3相励磁の励磁パターンが組み合わされて設定されている。このように、例えばステッピングモータの回転特性や振動特性等を考慮して、2相励磁の励磁パターンと、4相励磁の励磁パターン及び/又は3相励磁の励磁パターンとを適切に組み合わせることにより、ステッピングモータの振動を抑えて高速回転を行うことができるとともに、脱調現象を効果的に防止することができる。 In such a drive device of the present invention, the high-speed excitation sequence is set by combining a two-phase excitation pattern and a four-phase excitation pattern and / or a three-phase excitation pattern. In this way, for example, considering the rotation characteristics and vibration characteristics of the stepping motor, by appropriately combining the excitation pattern of two-phase excitation, the excitation pattern of four-phase excitation and / or the excitation pattern of three-phase excitation, It is possible to perform high-speed rotation while suppressing the vibration of the stepping motor, and to effectively prevent the step-out phenomenon.
また本発明のステッピングモータ用駆動装置において、励磁パターン記憶部には、高速領域の各回転速度範囲に対応する複数の高速用励磁シーケンスを有する高速シーケンス群が記憶されており、励磁パターン選択部は、回転速度に基づいて高速シーケンス群から対応する高速用励磁シーケンスを選択するように予め設定されている。 In the stepping motor driving apparatus of the present invention, the excitation pattern storage unit stores a high-speed sequence group having a plurality of high-speed excitation sequences corresponding to each rotation speed range of the high-speed region. The high-speed excitation sequence corresponding to the high-speed sequence group is selected based on the rotation speed.
これにより、高速領域の各回転速度範囲において、回転速度に適切に対応する高速用励磁シーケンスを選択してステッピングモータをステップ駆動させることができるため、ステッピングモータを、より速い回転速度まで円滑に高速回転させることができるとともに、脱調現象をより効果的に防止することができる。 As a result, the stepping motor can be driven stepwise by selecting the high-speed excitation sequence that appropriately corresponds to the rotation speed in each rotation speed range of the high-speed region, so the stepping motor can be smoothly increased to a higher rotation speed. While being able to rotate, a step-out phenomenon can be prevented more effectively.
この場合、高速シーケンス群の各高速用励磁シーケンスは、回転速度範囲が高速になるほどシーケンス全体の励磁長さが短く設定されている。これにより、回転速度が高速になっても、指令パルスの入力に従って高速用励磁シーケンスを更新する際に、高速用励磁シーケンス内で間引かれる励磁パターンの数を少なくし、高速用励磁シーケンスに従ったステップ駆動を安定して行い易くすることができる。 In this case, in each high-speed excitation sequence of the high-speed sequence group, the excitation length of the entire sequence is set shorter as the rotational speed range becomes higher. As a result, even when the rotational speed is increased, when the high-speed excitation sequence is updated according to the input of the command pulse, the number of excitation patterns thinned out in the high-speed excitation sequence is reduced, and the high-speed excitation sequence is followed. The step driving can be performed stably and easily.
また本発明において、回転速度が高速判定速度よりも速い所定の超高速判定速度以上のときに選択される高速用励磁シーケンスは、1つのフルステップ位置に対応するトルクベクトルを形成する励磁パターンと、その次のフルステップ位置に対応するトルクベクトルを形成する励磁パターン及び/又は両フルステップ位置間のハーフステップ位置に対応するトルクベクトルを形成する励磁パターンとを有する。これにより、高速領域でフルステップ駆動を行う際に、モータを次のフルステップ位置まで回転させ易くし、指令パルスの入力による励磁の切り替えに対してモータの回転が追従できなくなることを効果的に防止できる。 Further, in the present invention, the high-speed excitation sequence selected when the rotation speed is equal to or higher than a predetermined ultra-high determination speed faster than the high-speed determination speed is an excitation pattern that forms a torque vector corresponding to one full step position, An excitation pattern for forming a torque vector corresponding to the next full step position and / or an excitation pattern for forming a torque vector corresponding to a half step position between the two full step positions. This makes it easy to rotate the motor to the next full-step position when performing full-step drive in the high-speed region, and effectively prevents the motor from following the switching of excitation by inputting a command pulse. Can be prevented.
更に、本発明の駆動装置は、ステッピングモータに流れる電流が飽和したことを判定して電流飽和回転速度を検出する電流飽和判定部を有しており、励磁パターン記憶部には、電流飽和回転速度の速度範囲に対応する複数の高速シーケンス群が予め記憶されており、励磁パターン選択部は、複数の高速シーケンス群から、検出された電流飽和回転速度に対応する1つの高速シーケンス群を選択するように予め設定されている。これにより、電流飽和回転速度の大きさによってステッピングモータのインダクタンスに基づくモータ特性を判別し、そのステッピングモータに合う最適な高速シーケンス群を選択できるため、ステッピングモータをより円滑に高速領域で回転させることができる。 Furthermore, the drive device of the present invention has a current saturation determination unit that determines that the current flowing through the stepping motor is saturated and detects a current saturation rotation speed, and the excitation pattern storage unit includes a current saturation rotation speed. A plurality of high-speed sequence groups corresponding to the speed range are stored in advance, and the excitation pattern selection unit selects one high-speed sequence group corresponding to the detected current saturation rotation speed from the plurality of high-speed sequence groups. Is set in advance. As a result, the motor characteristics based on the inductance of the stepping motor can be determined based on the magnitude of the current saturation rotation speed, and the optimum high-speed sequence group suitable for the stepping motor can be selected, so that the stepping motor can be rotated more smoothly in the high-speed region. Can do.
次に、本発明に係るステッピングモータの駆動方法では、4相励磁の励磁パターンのみを有する中速用励磁シーケンスと、2相励磁の励磁パターンと、その他の多相励磁の励磁パターンとを組み合わせて設定される複数の高速用励磁シーケンスとを励磁パターン記憶部に予め記憶させておく。そして、ステッピングモータを中速領域でステップ駆動させるときは中速用励磁シーケンスを選択し、また、高速領域でステップ駆動させるときは高速用励磁シーケンスを選択する。 Next, in the stepping motor driving method according to the present invention, the medium speed excitation sequence having only the four-phase excitation pattern, the two-phase excitation pattern, and the other multi-phase excitation pattern are combined. A plurality of high-speed excitation sequences to be set are stored in advance in the excitation pattern storage unit. The medium speed excitation sequence is selected when the stepping motor is step-driven in the medium speed region, and the high speed excitation sequence is selected when the stepping motor is step driven in the high speed region.
これにより、ステッピングモータの回転速度が低速領域のときは、例えば従来のようなマイクロステップ駆動を行う低速用励磁シーケンスなどを利用することにより、ステッピングモータを円滑に回転させるとともに、適切なトルクを安定して確保することができる。また、回転速度が中速領域のときには、同時に4つの励磁コイルを励磁する4相励磁の励磁パターンを用いてフルステップ駆動を行うことにより、ステッピングモータを円滑に回転させるとともに、4相励磁による合成トルクを適切に確保することができる。 As a result, when the rotation speed of the stepping motor is in the low speed region, the stepping motor can be smoothly rotated and the appropriate torque can be stabilized by using, for example, a conventional low-speed excitation sequence that performs microstep driving. Can be secured. In addition, when the rotational speed is in the medium speed range, the stepping motor rotates smoothly by performing full-step driving using the excitation pattern of four-phase excitation that simultaneously excites four excitation coils, and synthesis by four-phase excitation is performed. Torque can be ensured appropriately.
更に、回転速度が高速領域のときには、合成インピーダンスが4相励磁よりも低い少なくとも1つの2相励磁の励磁パターンと、その他の多相励磁の励磁パターンとを有する高速用励磁シーケンスに従ってフルステップ駆動を行うことにより、電流が飽和する4相励磁の励磁パターンよりも、ステッピングモータに電流が流れ易くなり、その結果、より大きな合成トルクを得ることができる。従って、高速領域においてステッピングモータのトルクの減少割合を従来よりも小さくし、高速領域のトルクを効果的に伸ばすことができる。 Further, when the rotational speed is in a high speed region, full-step driving is performed according to a high-speed excitation sequence having at least one two-phase excitation excitation pattern having a synthetic impedance lower than that of four-phase excitation and another multi-phase excitation excitation pattern. By doing so, it becomes easier for the current to flow through the stepping motor than the excitation pattern of the four-phase excitation in which the current is saturated, and as a result, a larger combined torque can be obtained. Therefore, the reduction rate of the torque of the stepping motor in the high speed region can be made smaller than before, and the torque in the high speed region can be effectively increased.
このような本発明の駆動方法では、高速領域の各回転速度範囲に対応する複数の高速用励磁シーケンスを有する高速シーケンス群を、励磁パターン記憶部に予め記憶させておき、そして、回転速度が高速領域のときに、高速シーケンス群から、その回転速度に対応する1つの高速用励磁シーケンスを選択する。 In such a driving method of the present invention, a high-speed sequence group having a plurality of high-speed excitation sequences corresponding to each rotation speed range in the high-speed region is stored in advance in the excitation pattern storage unit, and the rotation speed is high. In the area, one high-speed excitation sequence corresponding to the rotation speed is selected from the high-speed sequence group.
これにより、高速領域の各回転速度範囲において、それぞれの回転速度範囲に適切に対応する高速用励磁シーケンスを選択してステッピングモータをステップ駆動させることができるため、ステッピングモータを、より速い回転速度まで円滑に高速回転させることができるとともに、脱調現象をより効果的に防止することができる。 As a result, in each rotation speed range of the high-speed region, the stepping motor can be step-driven by selecting a high-speed excitation sequence appropriately corresponding to each rotation speed range. While being able to rotate smoothly at high speed, a step-out phenomenon can be prevented more effectively.
この場合、電流飽和回転速度の速度範囲に対応する複数の高速シーケンス群を励磁パターン記憶部に予め記憶させておき、そして、ステッピングモータに流れる電流が飽和したことを判定して電流飽和回転速度を検出し、その検出した電流飽和回転速度に基づいて、複数の高速シーケンス群から対応する1つの高速シーケンス群を選択する。これにより、電流飽和回転速度の大きさによってステッピングモータのインダクタンスに基づくモータ特性を判別し、そのステッピングモータに合う最適な高速シーケンス群を選択できるため、ステッピングモータをより円滑に高速領域で回転させることができる。 In this case, a plurality of high-speed sequence groups corresponding to the speed range of the current saturation rotation speed are stored in advance in the excitation pattern storage unit, and it is determined that the current flowing through the stepping motor is saturated and the current saturation rotation speed is determined. Based on the detected current saturation rotation speed, one corresponding high-speed sequence group is selected from a plurality of high-speed sequence groups. As a result, the motor characteristics based on the inductance of the stepping motor can be determined based on the magnitude of the current saturation rotation speed, and the optimum high-speed sequence group suitable for the stepping motor can be selected, so that the stepping motor can be rotated more smoothly in the high-speed region. Can do.
以下に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
ここで、図1は、第1の実施形態に係るステッピングモータ用駆動装置の内部構成を示すブロック図である。図2の(a)は、ステッピングモータの励磁コイルと励磁電流の方向とを定義する図であり、(b)は、励磁電流が流れたときに各励磁コイルが生成するトルクベクトルを定義する図である。図3〜図6は、CW又はCCW方向における角速度領域の励磁パターンの例を示す模式図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Here, FIG. 1 is a block diagram showing an internal configuration of the stepping motor driving apparatus according to the first embodiment. FIG. 2A is a diagram defining the excitation coil of the stepping motor and the direction of the excitation current, and FIG. 2B is a diagram defining the torque vector generated by each excitation coil when the excitation current flows. It is. 3 to 6 are schematic diagrams showing examples of excitation patterns in the angular velocity region in the CW or CCW direction.
図1に示す第1の実施形態に係るステッピングモータ1用の駆動装置10は、ペンダゴン結線方式のHB型5相ステッピングモータ1に接続され、例えば定格電流が1.4A/相のステッピングモータ1をステップ駆動させるドライバである。この駆動装置10には、コントローラ等の外部機器から指令パルスCWP(ClockWise Pulse)又は指令パルスCCWP(CounterClock Wise Pulse)が入力されるとともに、マイクロステップ駆動するときの分解能(フルステップ角の分割数)を決定する分解能指令が入力される。
A driving
ここで、指令パルスCWPは、5相ステッピングモータ1のモータ回転子(ロータ)を所定の回動位置まで時計回りに正転させるための指令パルスである。指令パルスCCWPは所定の回動位置まで反時計回りに逆転させるための指令パルスである。
Here, the command pulse CWP is a command pulse for causing the motor rotor (rotor) of the five-
次に、5相ステッピングモータ1の電気角一周(7.2°)をフルステップ(基本ステップ)の位置で10分割する際の励磁について、図2〜図6を用いて説明する。
先ず、図2(a)に示すように、ペンタゴン結線方式を採用した5相ステッピングモータ1の励磁コイルを1a,1b,1c,1d,1eとし、各励磁コイル1a,1b,1c,1d,1eに流れる励磁電流をA,a;B,b;C,c;D,d;E,eと定義する。
Next, the excitation when the electrical angle round (7.2 °) of the five-
First, as shown in FIG. 2 (a), the excitation coils of the five-
この場合、励磁電流A,B,C,D,Eと、励磁電流a,b,c,d,eとは、互いに対応するアルファベットについて、励磁コイル1a,1b,1c,1d,1eで反対の向きに流れる電流を示す。また、例えば励磁コイル1aに励磁電流Aを流したときを励磁相Aと表し、反対向きの励磁電流aを流したときを励磁相aと表す。励磁コイル1b〜1eについても、励磁コイル1aの場合と同様とする。
In this case, the excitation currents A, B, C, D, and E and the excitation currents a, b, c, d, and e are opposite in the
更に、図2(b)に示すように、5相ステッピングモータ1の励磁コイル1a,1b,1c,1d,1eに励磁電流A,a;B,b;C,c;D,d;E,eがそれぞれ流れたときに生成されるトルクベクトルを、励磁電流の各アルファベットに対応させて、それぞれトルクベクトルVA,Va,VB,Vb,VC,Vc,VD,Vd,VE,Veと定義する。すなわち、励磁コイル1aに流れる電流は、励磁電流Aと励磁電流aとでは互いに逆方向となり、トルクベクトルVAとトルクベクトルVaも互いに逆方向のベクトルとなる。
Further, as shown in FIG. 2 (b), the excitation currents A, a; B, b; C, c; D, d; E, the
次に、ステッピングモータ1のモータ回転子(ロータ)を各ステップ位置に位置決めする際の励磁相の表示について説明する。なお、表現を簡略化するために、5相の励磁コイル1a〜1eのうちの複数の励磁コイルに対して同時に励磁電流を流すことにより、多相励磁を行う際の励磁相の組み合わせのことを励磁パターン(励磁組)と呼ぶ。
Next, the display of the excitation phase when the motor rotor (rotor) of the stepping
例えば、励磁相A及び励磁相Bの2相を同時に励磁することを2相励磁と称し、これを励磁パターンABと表記する。また、励磁相A、励磁相B、励磁相C、及び励磁相Dの4相を同時に励磁することを4相励磁と呼び、これを励磁パターンABCDと表記する。更に、4相励磁を実現するために、励磁パターンBCと励磁パターンADとを時間的にずらして順番に励磁することにより、4相励磁を2相励磁の合成により実現する場合を、組み合わせ励磁パターンBC−ADと表記することにする。 For example, simultaneous excitation of two phases of excitation phase A and excitation phase B is referred to as two-phase excitation, and this is referred to as excitation pattern AB. Further, simultaneous excitation of the four phases of excitation phase A, excitation phase B, excitation phase C, and excitation phase D is referred to as four-phase excitation, and this is referred to as excitation pattern ABCD. Furthermore, in order to realize the 4-phase excitation, the excitation pattern BC and the excitation pattern AD are sequentially shifted in time to realize the 4-phase excitation by combining the 2-phase excitation. It will be expressed as BC-AD.
例えば本実施形態においては、図3に示したように、励磁パターンABCDの4相の励磁を行うことにより4相励磁を実現し、又は、組み合わせ励磁パターンAB−CDの励磁を行うことにより合成による4相励磁を実現し、それによって、モータ回転子をアドレス「000」に対応するフルステップの位置に位置決めすることができる。 For example, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, four-phase excitation is realized by performing four-phase excitation of the excitation pattern ABCD, or by combining by exciting the combination excitation pattern AB-CD. Four-phase excitation can be realized, whereby the motor rotor can be positioned at the full step position corresponding to the address “000”.
そして、指令パルスCWPが入力されるときは、励磁相を、ABCD→BCDE→CDEa→DEab→Eabc→abcd→bcde→cdeA→deAB→eABCの順序で励磁パターンを10回切り換えて変更することにより、モータ回転子を、フルステップ位置で0.72°ずつ10回ステップ駆動(歩進)させて、電気角一周となる7.2°を回転(正転)させることができる。
When the command pulse CWP is input, the excitation phase is changed by switching the
更に、この10回のフルステップ位置の歩進を50回繰り返すことにより、モータ回転子を360°、すなわち機械角で丁度1回転させることができる。なお、指令パルスCCWPが入力されるときは、励磁相を上記とは逆方向の順序で変更することにより、モータ回転子を逆転させることができる。
Further, by repeating the step of 10 full-
上述のように5相ステッピングモータ1をステップ駆動させる本実施形態の駆動装置10は、指令パルスCWP又はCCWPの入力により励磁コイル1a〜1eを励磁するための励磁パターンを出力する励磁パターン出力部30と、複数のスイッチング素子(パワー素子)TR1〜TR10を有し、励磁パターン出力部30から出力される励磁パターンに従って各スイッチング素子TR1〜TR10のON/OFFを制御する出力段としてのスイッチング部40と、5相ステッピングモータ1の出力段チョッパ型の定電流制御を行うモータ電流制御部50とを有する。
As described above, the
本実施形態の励磁パターン出力部30は、入力される指令パルスを計数して電気角位置(ステップ位置)に対応するアドレスを管理する電気角位置管理部(アドレスカウンタ)31と、指令パルスCWP及びCCWPの計数によりステッピングモータ1の回転速度を管理するモータ回転速度管理部(速度計測カウンタ)32と、一定の単位励磁周期Tを管理する励磁周期カウンタ部33と、複数の励磁シーケンスを記憶する励磁パターン記憶部(メモリ)34と、励磁パターン記憶部34から励磁シーケンスを選択して、その励磁シーケンスに従って励磁パターンを単位励磁周期T毎に出力する励磁パターン選択部35と、PWM定電流コントロール回路51からの信号に従って励磁信号又は非励磁信号を出力する励磁/非励磁処理部36と、励磁コイルに流れる電流が飽和したことを判定する電流飽和判定部37とを有する。
The excitation
なお、本実施形態では、ステッピングモータ1の電気角位置と回転速度とを、電気角位置管理部31とモータ回転速度管理部32の別々の処理部で管理しているが、本発明では、上記2つの管理を1つのモータ回転管理部で管理しても良い。また、その他の処理を行う部分についても、1つの処理部で形成されても良いし、複数の処理部で形成されても良い。
In the present embodiment, the electrical angle position and the rotational speed of the stepping
励磁パターン出力部30における電気角位置管理部31は、電気角位置(ステップ位置)に対応するアドレスを管理しており、管理されるアドレスの数は、マイクロステップの分解能に応じて設定される。例えば本実施形態の場合、分解能は、フルステップ角度(0.72°)を40分割する「1/40」に設定される。このため、管理されるアドレスの数は、図3に示すように「000」〜「399」の400個(フルステップ駆動10回×マイクロステップ分割数40)に設定される。なお、本実施形態の駆動装置10においては、マイクロステップの分解能をユーザーが所定の範囲で任意に設定することが可能であり、その設定された分解能に基づいてアドレスの管理が行われる。
The electrical angle
この電気角位置管理部31は、指令パルスCWPが入力される毎にアドレスの数値をカウントアップし、指令パルスCCWPが入力される毎にアドレスの数値をカウントダウンして、その値を管理するとともに、アドレスの数値をモータ回転速度管理部32や励磁パターン選択部35に出力する。
The electrical angle
なお、この電気角位置管理部31は、ステッピングモータ1の電気角位置の管理することが可能であれば、例えば前述した特許文献1に記載されているように基本ステップ(フルステップ)の歩進数を計数する基本ステップカウンタと、マイクロステップの歩進数を計数する回数分割カウンタとを有する手段より形成することも可能である。
If the electrical angle
モータ回転速度管理部32は、指令パルスCWP及びCCWPを計数して単位時間当たりのパルス入力数から、ステッピングモータ1の演算上の回転速度を管理するとともに、その管理する回転速度の値を励磁パターン選択部35に出力する。
The motor rotational
励磁周期カウンタ部33は、指令パルスCWP及びCCWPとは無関係な一定の単位励磁周期Tを管理するとともに、単位励磁周期T毎に励磁切替指令を出力する。励磁周期カウンタ部33が管理する単位励磁周期Tは、後述する定電流制御においてPWMのタイミングと同期させるために、PWM定電流コントロール回路51にも出力される。
The excitation
また、この励磁周期カウンタ部33は、単位励磁周期Tの整数倍で構成されるシーケンス周期STを管理するとともに、シーケンス周期STが計数される毎に、励磁シーケンスを電気角位置管理部31で管理されているアドレスの値に従って切り替える(又は維持する)シーケンス切替指令を出力する。例えば分解能が1/40に設定されるとともに単位励磁周期Tが13.12μsに設定されている場合には、13.12毎に励磁切替指令が出力されるとともに、低速領域及び中速領域では524.8μs(13.12μs×40)毎にシーケンス切替指令が出力される。
The excitation
励磁パターン記憶部34には、図7及び図8に示すような低速用励磁シーケンス、図10〜図12に示すような中速用励磁シーケンス、及び図14〜図16に示すような複数の高速用励磁シーケンスを有する高速シーケンス群などが記憶されている。
The excitation
この場合、低速用励磁シーケンスは、ステッピングモータ1の回転速度が、予め設定した所定の第1回転速度未満となる低速領域において、ステッピングモータ1をマイクロステップ駆動させるように、フルステップ位置及びマイクロステップ位置の各ステップ位置で位置決めする励磁シーケンスである。ここで、本実施形態における第1回転速度は、例えば後述する電流飽和回転速度よりも小さい所定の回転速度(言い換えると、電流が飽和に至る前の所定の回転速度)として、1.5rps(90rpm)に設定されており、この第1回転速度は、定格電流が1.4A/相のステッピングモータ1において中速領域との境界となる中速判定速度となる。
In this case, the low-speed excitation sequence includes the full step position and the microstep so that the stepping
例えば本実施形態(分解能が1/40の場合)の励磁パターン記憶部34には、ステッピングモータ1をマイクロステップ駆動させるために、「000」〜「399」のアドレスに対応する400種類の低速用励磁シーケンスが設定されて記憶される。
For example, in the present embodiment (when the resolution is 1/40), the excitation
また、各低速用励磁シーケンスは、各アドレスが対応する電気角位置にモータ回転子を位置決めする複数の励磁パターンを有する。特に本実施形態の場合、それぞれの低速用励磁シーケンスは、励磁周期カウンタ部33から出力される励磁切替指令により、単位励磁周期T毎に切り替えられる40回分の励磁パターンを有する。
Each low-speed excitation sequence has a plurality of excitation patterns for positioning the motor rotor at the electrical angle position corresponding to each address. In particular, in the case of the present embodiment, each low-speed excitation sequence has an excitation pattern for 40 times that is switched every unit excitation cycle T by an excitation switching command output from the excitation
この場合、フルステップ位置のアドレスに対応する低速用励磁シーケンスは、合成による4相励磁を実現するために、2つの2相励磁の励磁パターンの組み合わせにより形成される。 In this case, the low-speed excitation sequence corresponding to the address of the full step position is formed by a combination of two two-phase excitation excitation patterns in order to realize four-phase excitation by synthesis.
例えば図3及び図7に示したように、フルステップ位置のアドレス「000」に対応する低速用励磁シーケンスは、20回分の励磁パターンBCと20回分の励磁パターンADとを組み合わせて設定される(すなわち、組み合わせ励磁パターンBC−AD)。 For example, as shown in FIGS. 3 and 7, the low-speed excitation sequence corresponding to the address “000” of the full step position is set by combining the excitation pattern BC for 20 times and the excitation pattern AD for 20 times ( That is, combination excitation pattern BC-AD).
この場合、励磁パターンBCによるトルクベクトル(すなわち、VB+VC)の向きと、励磁パターンADによるトルクベクトル(すなわち、VA+VD)の向きとは同じ向きになる(図2を参考)。また、励磁パターンBCによる合成されたトルクベクトルの大きさは、励磁パターンADによる合成されたトルクベクトルよりも大きくなる。そして、このアドレス「000」に対応する低速用励磁シーケンスは、これらの2つの励磁パターンBCと励磁パターンADが交互に繰り返されることによって、合成による4相励磁ABCDを実現する。 In this case, the direction of the torque vector (namely, VB + VC) by the excitation pattern BC is the same as the direction of the torque vector (namely, VA + VD) by the excitation pattern AD (see FIG. 2). Further, the magnitude of the torque vector synthesized by the excitation pattern BC is larger than the torque vector synthesized by the excitation pattern AD. The low-speed excitation sequence corresponding to the address “000” realizes the four-phase excitation ABCD by synthesis by alternately repeating these two excitation patterns BC and excitation pattern AD.
また、次のフルステップ位置のアドレス「040」に対応する低速用励磁シーケンスは、20回分の励磁パターンCDと20回分の励磁パターンBEとを組み合わせて設定され、これらの2つの2相励磁パターンCD及び2相励磁パターンBEが交互に繰り返されることによって、合成による4相励磁BCDEを実現する。以降同様に、フルステップ位置の各アドレスに対応する低速用励磁シーケンスは、合成による4相励磁を実現する2つの2相励磁パターンをそれぞれ20回ずつ有する。
Further, the low-speed excitation sequence corresponding to the address “040” of the next full step position is set by combining the excitation pattern CD for 20 times and the excitation pattern BE for 20 times, and these two two-phase excitation patterns CD. And the four-phase excitation BCDE by synthesis is realized by alternately repeating the two-phase excitation pattern BE. Similarly, the low-speed excitation sequence corresponding to each address of the full step position has two two-phase excitation patterns for realizing four-phase excitation by
一方、フルステップ位置のアドレス間に設定されるマイクロステップ位置のアドレスに対応する低速用励磁シーケンスは、1つのフルステップ位置における2つの2相励磁パターンを組み合わせた第1の組み合わせ励磁パターンと、その次のフルステップ位置における2つの2相励磁パターンを組み合わせた第2の組み合わせ励磁パターンとを、そのステップ位置に応じた割合で組み合わせて形成される。 On the other hand, the low-speed excitation sequence corresponding to the address of the microstep position set between the addresses of the full step position includes the first combination excitation pattern obtained by combining two two-phase excitation patterns at one full step position, A second combined excitation pattern obtained by combining two two-phase excitation patterns at the next full step position is combined at a ratio corresponding to the step position.
例えば図3及び図7に示したように、アドレス「000」と「040」の間に設定されるそれぞれのマイクロステップ位置のアドレス「001」〜「039」に対応する各低速用励磁シーケンスは、当該フルステップ位置の4相励磁ABCDを実現する2つの2相励磁パターンを組み合わせた第1の組み合わせ励磁パターンBC−ADと、次のフルステップ位置の4相励磁BCDEを実現する2つの2相励磁パターンを組み合わせた第2の組み合わせ励磁パターンCD−BEとを、そのステップ位置に応じた割合で組み合わせて設定されている。 For example, as shown in FIGS. 3 and 7, the low-speed excitation sequences corresponding to the addresses “001” to “039” of the microstep positions set between the addresses “000” and “040” are as follows: First two-phase excitation pattern BC-AD combining two two-phase excitation patterns that realize four-phase excitation ABCD at the full step position and two two-phase excitations that realize four-phase excitation BCDE at the next full step position The second combination excitation pattern CD-BE obtained by combining the patterns is set in combination at a ratio corresponding to the step position.
この場合、アドレスの数値が大きくなるほど、第1の組み合わせ励磁パターンBC−ADの回数を漸減させるとともに、第2の組み合わせ励磁パターンCD−BEの回数を漸増させることによって、それぞれのマイクロステップ位置の各低速用励磁シーケンスが設定されている。 In this case, as the numerical value of the address increases, the number of first combination excitation patterns BC-AD is gradually decreased, and the number of second combination excitation patterns CD-BE is gradually increased, so that each microstep position is increased. Low speed excitation sequence is set.
なお、アドレス「041」以降も同様に、第1の組み合わせ励磁パターンと第2の組み合わせ励磁パターンとを、所定の割合で組み合わせることによって、マイクロステップ位置の各アドレスに対応する低速用励磁シーケンスが設定されている。 Similarly, after the address “041”, by combining the first combination excitation pattern and the second combination excitation pattern at a predetermined ratio, a low-speed excitation sequence corresponding to each address at the microstep position is set. Has been.
なお、本発明における低速用励磁シーケンスは、上述のような1/40の分解能を有するマイクロステップ駆動を行うものに限定されるものではなく、1/40よりも大きい分解能又は小さい分解能を有するマイクロステップ駆動を行うように設定されても良く、或いは、低速領域でマイクロステップ駆動を行わず、フルステップ駆動又はハーフステップ駆動を行うように設定されても良い。 Note that the low-speed excitation sequence in the present invention is not limited to the above-described microstep drive having a 1/40 resolution, but a microstep having a resolution greater than 1/40 or a smaller resolution. It may be set to perform driving, or may be set to perform full step driving or half step driving without performing microstep driving in a low speed region.
また、本実施形態の駆動装置10には、第1回転速度(中速判定速度)として、上述したように1.5rps(90rpm)が設定されているが、これとは別に、1.0rps(60rpm)の値も予備的に設定されており、1.5rpsと1.0rpsとがスイッチによって切り替えることができるようになっている。この1.0rpsの設定は、1.4A/相のインダクタンスが非常に大きいモータを使う場合の予備的な設定であり、通常は1.5rpsに設定されている。
Further, in the driving
更に本発明では、上述のように中速判定速度として所定の速度が設定される代わりに、例えば、後述するようなPWM定電流コントロール回路51で生成するノコギリ波と基準電流及び検出電流間の誤差信号との比較に基づいて、ステッピングモータの回転速度が中速領域になったことを判断する中速判定部を、励磁パターン出力部30に設けておくことも可能である。この中速判定部における具体的な処理については後述する。
Further, in the present invention, instead of setting a predetermined speed as the medium speed determination speed as described above, for example, an error between a sawtooth wave generated by a PWM constant
本実施形態の励磁パターン記憶部34に記憶される中速用励磁シーケンスは、ステッピングモータ1の回転速度が、上述した第1回転速度(中速判定速度)以上で、所定の第2回転速度未満となる中速領域において、ステッピングモータ1をマイクロステップ駆動ではなく、フルステップ駆動させるように位置決めする励磁シーケンスである。この場合、第2回転速度は、例えば後述する電流飽和回転速度よりも大きくなる5.65rps(339rpm)に設定され、この第2回転速度は、高速領域との境界となる高速判定速度となる。
In the excitation sequence for medium speed stored in the excitation
例えば図3〜図6及び図10等に示したように、本実施形態の励磁パターン記憶部34には10種類の中速用励磁シーケンスが記憶されており、それぞれの中速用励磁シーケンスは、単位励磁周期Tが40サイクルする40回分の励磁パターンを有する。
For example, as shown in FIG. 3 to FIG. 6 and FIG. 10 and the like, the excitation
また、各中速用励磁シーケンスは、4つの相を同時に励磁することにより、それぞれのフルステップ位置に対応する単一の4相励磁を実現する4相励磁パターンのみを有する。例えば本実施形態において、指令パルスCWPの入力時(CW方向)において1つのフルステップ位置に位置決めするアドレス「000」〜「039」に対応する中速用励磁シーケンスは、励磁相A、励磁相B、励磁相C、及び励磁相Dの4相が同時に励磁される4相励磁パターンABCDのみを40回分有する。この4相励磁パターンABCDの励磁により、VA+VB+VC+VDのトルクベクトルが生成される。 Each medium speed excitation sequence has only a four-phase excitation pattern that realizes a single four-phase excitation corresponding to each full step position by exciting the four phases simultaneously. For example, in the present embodiment, when the command pulse CWP is input (CW direction), the medium-speed excitation sequence corresponding to the addresses “000” to “039” positioned at one full step position is the excitation phase A and the excitation phase B. The four phases of excitation phase C and excitation phase D are excited at the same time. A torque vector of VA + VB + VC + VD is generated by exciting the four-phase excitation pattern ABCD.
また、指令パルスCWPの入力時(CW方向)において次のフルステップ位置に位置決めするアドレス「040」〜「079」に対応する中速用励磁シーケンスは、励磁相B、励磁相C、励磁相D、及び励磁相Eの4相が同時に励磁される4相励磁パターンBCDEのみを40回分有する。以降同様に、各フルステップ位置に位置決めする複数(40個)のアドレスに対応する中速用励磁シーケンスは、フルステップ位置に位置決めするために4相が同時に励磁される4相励磁パターンのみを40回分有する。 Further, when the command pulse CWP is input (CW direction), the excitation sequence for medium speed corresponding to the addresses “040” to “079” for positioning to the next full step position is excitation phase B, excitation phase C, excitation phase D. , And the four phases of excitation phase E are only 40 times four-phase excitation pattern BCDE that is excited simultaneously. Thereafter, similarly, the medium speed excitation sequence corresponding to a plurality (40) of addresses positioned at each full step position includes only a four-phase excitation pattern in which four phases are simultaneously excited in order to position at the full step position. Have a batch.
一方、指令パルスCCWPの入力時(CCW方向)においては、1つのフルステップ位置に位置決めするアドレスの数値が指令パルスCWPの入力時(CCW方向)とは異なり、例えば図5に示したように、1つのフルステップ位置に位置決めするアドレス「001」〜「040」に対応する中速用励磁シーケンスは、励磁相B、励磁相C、励磁相D、及び励磁相Eの4相が同時に励磁される4相励磁パターンBCDEのみを40回分有する。 On the other hand, when the command pulse CCWP is input (CCW direction), the numerical value of the address positioned at one full step position is different from that when the command pulse CWP is input (CCW direction). For example, as shown in FIG. In the medium speed excitation sequence corresponding to addresses “001” to “040” positioned at one full step position, four phases of excitation phase B, excitation phase C, excitation phase D, and excitation phase E are excited simultaneously. Only four four-phase excitation patterns BCDE are provided.
更に、本実施形態の励磁パターン記憶部34には、ステッピングモータ1のインダクタンスに基づくモータ特性に対応した複数の高速シーケンス群が予め記憶されている。また、それぞれの高速シーケンス群は、ステッピングモータ1の回転速度が上述した第2回転速度以上となる高速領域において、所定の回転速度範囲に対応する複数の高速用励磁シーケンスを有する。
Further, the excitation
特に本実施形態において、励磁パターン記憶部34には、図13に示したように、1つの定格電流に対して3種類の高速シーケンス群が予め設定されており、例えば、定格電流が1.4A/相のステッピングモータ1用として、大インダクタンスタイプの高速シーケンス群、中インダクタンスタイプの高速シーケンス群、及び小インダクタンスタイプの高速シーケンス群が設定されている。
In particular, in the present embodiment, in the excitation
この場合、大インダクタンスタイプの高速シーケンス群は、後述するように電流飽和判定部37にて励磁電流が中速領域で飽和したことを判定した時点の回転速度(電流飽和回転速度:略して飽和MRPS)が、所定の第1設定値(2rps)より小さいときに、励磁パターン選択部35で選択される高速シーケンス群である。
In this case, the high-inductance-type high-speed sequence group has a rotation speed (current saturation rotation speed: abbreviated saturation MRPS for short) when the current
また、中インダクタンスタイプの高速シーケンス群は、電流飽和回転速度が、前記第1設定値(2rps)以上で所定の第2設定値(3.5rps)より小さいときに励磁パターン選択部35で選択される高速シーケンス群であり、小インダクタンスタイプの高速シーケンス群は、電流飽和回転速度が前記第2設定値(3.5rps)以上のときに励磁パターン選択部35で選択される高速シーケンス群である。
The medium inductance type high-speed sequence group is selected by the excitation
また同様に、定格電流が2.4A/相のステッピングモータ1用や、2.8A/相のステッピングモータ1用として、それぞれ、大インダクタンスタイプの高速シーケンス群、中インダクタンスタイプの高速シーケンス群、及び、小インダクタンスタイプの高速シーケンス群の3種類の高速シーケンス群がそれぞれ設定されている。なお、本実施形態では、1つの定格電流に対して3種類の高速シーケンス群が設定されているが、本発明では、1つの定格電流に対して2種類の高速シーケンス群が設定されていても良いし、4種類以上の高速シーケンス群が設定されていても良い。
Similarly, for a stepping
また、大、中、小の各インダクタンスタイプの高速シーケンス群には、モータ回転速度管理部32で管理される回転速度の速度範囲に対応する複数の高速用励磁シーケンスが、各フルステップ位置に位置決めするアドレスに対応して設定されている。
In addition, in the large, medium, and small inductance type high-speed sequence groups, a plurality of high-speed excitation sequences corresponding to the rotational speed range managed by the motor rotational
例えば定格電流が1.4A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群には、指令パルスCWP入力時(CW方向)に1つのフルステップ位置に位置決めするアドレス「000」〜「039」に対応する高速用励磁シーケンスとして、図14に示したような第1高速用励磁シーケンス11〜第6高速用励磁シーケンス16の6種類の励磁シーケンスが設定されている。
For example, in a small inductance type high-speed sequence group with a rated current of 1.4 A / phase, a high-speed corresponding to addresses “000” to “039” positioned at one full step position when a command pulse CWP is input (CW direction). As the excitation sequences for use, six types of excitation sequences of the first high-
具体的に説明すると、1.4A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群における第1高速用励磁シーケンス11は、回転速度が5.65rps以上6.00rps未満の範囲のときに選択される励磁シーケンスである。また、第2高速用励磁シーケンス12〜第6高速用励磁シーケンス16は、それぞれ、回転速度が6.00rps以上7.63rps未満の範囲、7.63rps以上9.53rps未満の範囲、9.53rps以上10.17rps未満の範囲、10.17rps以上10.90rps未満の範囲、10.90rps以上の範囲のときに選択される高速用励磁シーケンスである。この場合、7.63rpsの回転速度を、指令パルスの入力による励磁の切り替えに対してモータの回転が遅れ始めやすくなる超高速判定速度として規定する。
More specifically, the first high-
また、1.4A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群におけるそれぞれの高速用励磁シーケンス11〜16は、1つのフルステップ位置に位置決めする2相励磁の励磁パターン(例えば2相励磁パターンBC)と、その他の多相励磁の励磁パターンとの組み合わせにより設定されている。この場合、1つのフルステップ位置に位置決めする2相励磁パターン(2相励磁パターンBC)は、各高速用励磁シーケンス11〜16の最初の繰り返し回数(すなわち、「00」回)、又は、最初から数回分の繰り返し回数(例えば、「00」回〜「02」回)に設定されている。
Further, each of the high-
また、このような2相励磁パターン(2相励磁パターンBC)と組み合わされるその他の多相励磁パターンとしては、図4に示したように、4相を同時に励磁してそのフルステップ位置に位置決めする4相励磁パターン(例えば4相励磁パターンABCD)、フルステップ位置間にあるハーフステップ位置に位置決めする3相励磁パターン(例えば3相励磁パターンBCD)、次のフルステップ位置に位置決めする2相励磁パターン(例えば2相励磁パターンCD)、及び、4相を同時に励磁して次のフルステップ位置に位置決めする4相励磁パターン(例えば4相励磁パターンBCDE)の中の少なくとも1つの励磁パターンが、ステッピングモータ1の回転特性や回転速度、更にステッピングモータ1の使い方などに応じて組み合わされる。
In addition, as another multi-phase excitation pattern combined with such a two-phase excitation pattern (two-phase excitation pattern BC), as shown in FIG. 4, four phases are simultaneously excited and positioned at the full step position. Four-phase excitation pattern (for example, four-phase excitation pattern ABCD), three-phase excitation pattern (for example, three-phase excitation pattern BCD) to be positioned at a half-step position between full-step positions, and two-phase excitation pattern to be positioned at the next full-step position At least one excitation pattern (for example, a two-phase excitation pattern CD) and a four-phase excitation pattern (for example, a four-phase excitation pattern BCDE) for simultaneously exciting the four phases and positioning them at the next full step position is a stepping motor. 1 according to the rotation characteristics and rotation speed, and further how to use the stepping
これらのその他の多相励磁パターンを組み合わせることにより、後述するように、ステッピングモータ1に振動や脱調現象を生じさせ難くして、ステッピングモータ1を滑らかに回転させられることが可能となる。
By combining these other multi-phase excitation patterns, it is possible to make the stepping
更に、各高速用励磁シーケンス11〜16に設定される励磁パターンの繰り返し回数(磁シーケンス全体の励磁長さ)は、上述した低速用励磁シーケンスや中速用励磁シーケンスで設定される繰り返し回数(40回)よりも少なくされており、しかも、回転速度範囲がより高速となる高速用励磁シーケンスになるほど、励磁パターンの繰り返し回数をより少なくしている。
Further, the number of repetitions of the excitation pattern set in each of the high-
これにより、ステッピングモータ1を高速領域でステップ駆動させるときに、フルステップ位置の変更による高速用励磁シーケンスの切り替わり時(シーケンス更新時)に、高速用励磁シーケンス内で間引かれる励磁パターンの数を少なくできる。
As a result, when the stepping
より具体的に説明すると、本実施形態において、ステッピングモータ1をステップ駆動させるために励磁シーケンスの切り替え(更新)が行われるが、その励磁シーケンスを切り替えるタイミングは、後述するように、励磁パターン選択部35が励磁周期カウンタ部33からシーケンス切替指令を受けたときと、電気角位置管理部31で管理されているアドレスがフルステップ位置の数値に切り替わるときである。
More specifically, in this embodiment, the excitation sequence is switched (updated) in order to drive the stepping
特に高速領域では、指令パルスCWP又はCCWPの入力によるアドレスのカウントアップ又はカウントダウンが速いため、アドレスがフルステップ位置の数値に切り替わる間隔が、シーケンス切替指令を受ける間隔よりも短くなる。このため、高速領域では、実質的に、電気角位置管理部31で管理されているアドレスがフルステップ位置の数値に切り替わるタイミングで、励磁シーケンスの切り替えが行われる。
Particularly in the high-speed region, the address count-up or count-down due to the input of the command pulse CWP or CCWP is fast, so the interval at which the address is switched to the numerical value of the full step position is shorter than the interval at which the sequence switching command is received. For this reason, in the high-speed region, the excitation sequence is substantially switched at the timing when the address managed by the electrical angle
このような場合において、高速領域では高速用励磁シーケンスの切り替え間隔が短くなるため、例えば高速用励磁シーケンスにおける励磁パターンの繰り返し回数が40サイクルもある(高速用励磁シーケンスが40回の励磁パターンを有する)と、励磁パターンを40回も繰り返す前に、高速用励磁シーケンスが次のフルステップ位置の高速用励磁シーケンスに切り替えられてしまい、高速用励磁シーケンスの後側の回数に設定される励磁パターンが間引かれることになる(後側の励磁パターンが出力されないことになる)。 In such a case, since the switching interval of the high-speed excitation sequence is shortened in the high-speed region, for example, the number of repetitions of the excitation pattern in the high-speed excitation sequence is 40 cycles (the high-speed excitation sequence has 40 excitation patterns). ), Before the excitation pattern is repeated 40 times, the high-speed excitation sequence is switched to the next full-step position high-speed excitation sequence, and the excitation pattern set to the number of times after the high-speed excitation sequence is It will be thinned out (the back side excitation pattern will not be output).
これに対して、上述のように各高速用励磁シーケンスにおける励磁パターンの繰り返し回数を40サイクルよりも少なくし、且つ、回転速度範囲がより高速となる高速用励磁シーケンスになるほど、励磁パターンの繰り返し回数をより少なくすることにより、高速用励磁シーケンス内で間引かれる励磁パターンの数を少なくし、高速用励磁シーケンスに従ったフルステップ駆動を安定して行い易くすることができる。 On the other hand, as described above, the number of repetitions of the excitation pattern in each high-speed excitation sequence is less than 40 cycles, and the number of repetitions of the excitation pattern increases as the high-speed excitation sequence has a higher rotation speed range. By reducing the number, it is possible to reduce the number of excitation patterns to be thinned out in the high-speed excitation sequence, and to facilitate stable and stable full-step driving according to the high-speed excitation sequence.
ここで、図14に示した1.4A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群における第1高速用励磁シーケンス11〜第6高速用励磁シーケンス16を具体的に見てみると、指令パルスCWP入力時(CW方向)におけるアドレス「000」〜「039」に対応する第1高速用励磁シーケンス11は、「00」回〜「02」回のサイクルに設定される2相励磁パターンBCと、「03」回〜「26」回のサイクルに設定され、4相が同時に励磁される4相励磁パターンABCDとを有し、合計の繰り返し回数が27回分の励磁パターンから形成されている。
Here, when the first high
このように第1高速用励磁シーケンス11が、コイル全体の合成インピーダンスが4相励磁パターンABCDよりも低い2相励磁パターンBCを有することにより、後述するように、高速領域では電流が飽和する4相励磁の励磁パターンよりもステッピングモータ1に電流を流れ易くすることができる。それにより、電流飽和に伴う合成トルクの減少割合を小さく抑えて、回転速度が5.65rps以上の高速領域でのトルクを効果的に伸ばすことが可能となる。
As described later, the first high-
また、第1高速用励磁シーケンス11が、2相励磁パターンBCだけでなく、4相励磁パターンABCDを後段側に有することにより、例えば高速用励磁シーケンスが、フルステップ位置のアドレス変更により切り換わるとき(更新されるとき)に緩和的な作用を発揮し、ステッピングモータ1の振動を生じ難くできるとともに、脱調現象を効果的に防止することができる。
Further, when the first high-
また図14に示したように、回転速度が6.00rps以上7.63rps未満の範囲で選択される第2高速用励磁シーケンス12は、「00」回〜「02」回のサイクルに設定される2相励磁パターンBCと、「03」回〜「20」回のサイクルに設定され、4相が同時に励磁される4相励磁パターンABCDとを有する。
Further, as shown in FIG. 14, the second high-
すなわち、この第2高速用励磁シーケンス12は、合計の繰り返し回数が21回分の励磁パターンから形成されており、第1高速用励磁シーケンス11よりも励磁パターンの繰り返し回数を減少させている。この第2高速用励磁シーケンス12も、第1高速用励磁シーケンス11と同様に、電流飽和に伴う合成トルクの減少割合を小さく抑えて、回転速度が6.00rps以上の高速領域でのトルクを効果的に伸ばすことが可能となる。
That is, the second high-
回転速度が7.63rps(超高速判定速度)以上9.53rps未満の範囲で選択される第3高速用励磁シーケンス13は、「00」回のサイクルに設定される2相励磁パターンBCと、「01」回〜「16」回のサイクルに設定され、4相が同時に励磁される4相励磁パターンABCDと、「17」回〜「19」回のサイクルに設定され、次のフルステップ位置に位置決めする2相励磁パターンCDとを有し、合計の繰り返し回数が20回分の励磁パターンから形成されている。
The third high-
これにより、回転速度が7.63rps以上の高速領域でのトルクを効果的に伸ばすことが可能となる。また、次のフルステップ位置に位置決めする2相励磁パターンCDを有することによって、超高速判定速度(7.63rps)以上の高速領域において、モータを次のフルステップ位置まで回転させ易くし、指令パルスの入力による励磁の切り替えに対してモータの回転が追従できなくなることを効果的に防止できる。 As a result, it is possible to effectively increase the torque in the high speed region where the rotational speed is 7.63 rps or higher. Also, by having the two-phase excitation pattern CD that is positioned at the next full step position, the motor can be easily rotated to the next full step position in a high speed region that is higher than the ultra high speed determination speed (7.63 rps), and the command pulse It is possible to effectively prevent the rotation of the motor from following the switching of excitation by the input of.
回転速度が9.53rps以上10.17rps未満の範囲で選択される第4高速用励磁シーケンス14、及び、回転速度が10.17rps以上10.90rps未満の範囲で選択される第5高速用励磁シーケンス15は、2相励磁パターンBC、4相励磁パターンABCD、及び2相励磁パターンCDを図14に示した割合で有するため、第3高速用励磁シーケンス13と同様に、それぞれの範囲の高速領域でのトルクを効果的に伸ばすことが可能となるとともに、指令パルスの入力による励磁の切り替えに対してモータの回転が追従できなくなることを効果的に防止できる。
A fourth high-
回転速度が10.90rps以上の範囲で選択される第6高速用励磁シーケンス16は、「00」回〜「02」回のサイクルに設定される2相励磁パターンBCと、「03」回〜「04」回のサイクルに設定され、ハーフステップ位置に位置決めする3相励磁パターンBCDと、「05」回〜「13」回のサイクルに設定され、4相を同時に励磁して次のフルステップ位置に位置決めする4相励磁パターンBCDEとを有し、合計の繰り返し回数が14回分の励磁パターンから形成されている。
The sixth high-
このような高速領域で選択される第6高速用励磁シーケンス16は、その高速領域でのトルクを効果的に伸ばすことが可能となるとともに、指令パルスの入力に対してモータの回転が遅れないように、モータを次のフルステップ位置までより一層回転させ易くすることができる。
The sixth high-
本実施形態の励磁パターン出力部30における励磁パターン選択部35は、上述した励磁パターン記憶部34に記憶されている複数の励磁シーケンスの中から、モータ回転速度管理部32で管理される回転速度と、電気角位置管理部31で管理されるアドレス(電気角位置)とに基づいて、適切な1つの励磁シーケンスを選択し、その選択した励磁シーケンスに従って、励磁パターンを出力段であるスイッチング部40に単位励磁周期T毎に出力する。
The excitation
本実施形態の励磁パターン出力部30における励磁/非励磁処理部36は、モータ電流制御部50のPWM定電流コントロール回路51からの信号に従って、励磁状態と非励磁状態とを切り替えることにより、励磁コイル1a〜1eに流れる電流を一定に制御する出力段チョッパ型の電流制御を行う。
The excitation /
ここで、モータ電流制御部50と励磁/非励磁処理部36による出力段チョッパ型の定電流制御について、図1及び図8等を参照しながら説明する。
本実施形態のモータ電流制御部50は、励磁コイル1a〜1eを励磁する電力を供給する電源PS1と、電源PS1の電圧を平滑化するコンデンサC1と、定電流駆動を行うために励磁コイル1a〜1eに流れている電流を検出する電流検出抵抗R1と、励磁コイル1a〜1eのインピーダンスに応じて励磁コイル1a〜1eに対する励磁出力の時間を調節するPWM定電流コントロール回路51とを有しており、出力段チョッパ型の定電流制御を行う従来の一般的なモータ電流制御部と同様に構成されている。
Here, the output stage chopper type constant current control by the motor
The motor
ここで、例えば図8に示すように、励磁パターン出力部30の励磁パターン選択部35が、励磁周期カウンタ部33から励磁切替指令が出力される毎(単位励磁周期T毎)に、例えば、2相励磁パターンBC、2相励磁パターンAD、2相励磁パターンBC、2相励磁パターンAD、・・・というように所定の励磁シーケンスに従った励磁パターンを出力する場合を例にして、定電流制御について説明する。
Here, for example, as shown in FIG. 8, every time the excitation
このとき、単位励磁周期Tの情報は、モータ電流制御部50のPWM定電流コントロール回路51にも出力され、単位励磁周期T毎に略三角形状の複数の振動を有するノコギリ波を生成する。また同時に、PWM定電流コントロール回路51は、一定の励磁電流を得るために、基準電流値と図1の電流検出抵抗R1の両端に発生する検出電流との誤差信号を生成し、誤差信号のレベルと上述のノコギリ波のレベルとを比較する。そして、誤差信号≧ノコギリ波の関係が成立する場合には、励磁/非励磁処理部36で励磁出力を励磁状態にして、励磁コイルに所定の電流を流す(励磁コイルを励磁する)。
At this time, the information of the unit excitation period T is also output to the PWM constant
また、誤差信号<ノコギリ波の関係が成立する場合には、PWM定電流コントロール回路51から信号を出力して、励磁/非励磁処理部36で励磁出力を非励磁状態する。特に、この非励磁状態のときには、励磁コイル1a〜1eの端子をハイインピーダンス状態にならないように、図9の(a)及び(b)に示したように、全ての端子を正極に接続する(以下、この状態を「ポジティブOFF」と言う)か、或いは、全ての端子を負極に接続する(以下、この状態を「ネガティブOFF」と言う)。このような「ポジティブOFF」や「ネガティブOFF」を行うことにより、励磁出力を切り換える際の電流のオーバーシュートを減少させ、ダンピング特性を向上させることが可能となり、振動の低減や騒音の低減を図ることができる。
When the relationship of error signal <sawtooth wave is established, a signal is output from the PWM constant
なお、本実施形態においては、励磁/非励磁処理部36によって励磁出力を非励磁状態にするときは、すべての非励磁状態で常に「ポジティブOFF」を選択しても良いし、常に「ネガティブOFF」を選択しても良い。或いは、非励磁状態のときに、「ポジティブOFF」と「ネガティブOFF」とを規則的に(例えば交互に)切り替えても良いし、「ポジティブOFF」と「ネガティブOFF」とをランダムに切り替えても良い。
In this embodiment, when the excitation output is set to the non-excitation state by the excitation /
このような出力段チョッパ型の定電流制御を行うことにより、例えば図8に示すように、回転速度が遅いために電流検出抵抗R1を流れる電流が増加し易い場合には、誤差信号のレベルが下降するので、励磁出力の時間が短くなり、結果的に励磁コイル1a〜1eに流れる電流を減少させた制御を行うことができる。 By performing such output stage chopper type constant current control, as shown in FIG. 8, for example, when the current flowing through the current detection resistor R1 is likely to increase due to the low rotation speed, the level of the error signal is reduced. Since it descends, the excitation output time is shortened, and as a result, it is possible to perform control in which the current flowing through the excitation coils 1a to 1e is reduced.
一方、例えば回転速度が速くなることによって電流検出抵抗R1を流れる電流が減少する場合には(例えば図11を参照)、誤差信号のレベルが上昇するので、励磁出力の時間を長くすることができ、それにより、励磁コイル1a〜1eに流れる電流を増加させる制御を行うことができる。このように、本実施形態の駆動装置10では、単位励磁周期T毎の励磁出力と定電流制御の両方を簡単な回路構成で同時に行うことができる。
On the other hand, for example, when the current flowing through the current detection resistor R1 decreases due to an increase in the rotational speed (see, for example, FIG. 11), the error signal level increases, so that the excitation output time can be lengthened. Thereby, the control which increases the electric current which flows into the
電流飽和判定部37は、例えば図12に示すように、1回の単位励磁周期T内で非励磁状態があるかないかを判定して、非励磁状態がない場合にフラグ1を立てる第1判定部と、フラグ1の状態を確認して、フラグ1が立った状態が3回の単位励磁周期Tで続いたらフラグ2を立てて電流が飽和したことを判定する第2判定部とを有する。
For example, as shown in FIG. 12, the current
例えば中速領域において4相励磁パターンで励磁コイル1a〜1eの励磁を行う場合、ステッピングモータ1の回転速度が速くなると、励磁コイルのインピーダンスが高くなる。このため、ステッピングモータ1の回転が、ある回転速度よりも速くなると、電流が所定の大きさまで立ち上がる前に励磁パターンが切り換えられてしまい、十分なトルクが得られなくなる。このように、電流が所定の大きさまで立ち上がる前に励磁パターンが切り換えられる状態が、電流が飽和した状態となる。なお、電流が飽和に達する回転速度は、そのステッピングモータのモータ特性毎に異なる。
For example, when the excitation coils 1a to 1e are excited with a four-phase excitation pattern in the medium speed region, the impedance of the excitation coil increases as the rotation speed of the stepping
本実施形態の電流飽和判定部37では、電流が所定の大きさまで立ち上がる前に励磁パターンが切り換えられるか否かを、言い換えると、定電流制御において1回の単位励磁周期T内で非励磁状態があるかないかを第1判定部で判定する。この場合、第1判定部では、1回の単位励磁周期T内で非励磁状態があったときには第1判定部がフラグ1を倒した状態を維持し、1回の単位励磁周期T内で非励磁状態がなかった場合にはフラグ1を立てる処理を行う。また、例えばフラグ1が立った後に、1回の単位励磁周期T内で非励磁状態があったと判定された場合には、フラグ1を再び倒す処理を行う。
In the current
更に、電流飽和判定部37の第2判定部では、第1判定部の処理によりフラグ1が立っているか倒れているかを判定し、フラグ1が立った状態が3回の単位励磁周期Tで維持されたときを、ステッピングモータ1に流れる電流が飽和して所定の大きさまで流れなくなる電流飽和状態に達した時点と判定し、フラグ2を立てる処理を行う。
Further, the second determination unit of the current
また同時に、電流飽和判定部37では、フラグ2を立てたときに、その時点でモータ回転速度管理部32で管理されているステッピングモータ1の回転速度を検出して電流飽和回転速度としてメモリに記憶する。この電流飽和判定部37で検出された電流飽和回転速度は、上述したような励磁パターン記憶部34に記憶されている大、中、小の3種類のインダクタンスタイプの高速シーケンス群から、1つの高速シーケンス群を励磁パターン選択部35で選択するときに利用される。
At the same time, when the
なお、上述したように中速判定速度として所定の速度が予め設定される代わりに、例えば励磁パターン出力部30に、ステッピングモータの回転速度が中速領域になったことを判断する中速判定部(図示省略)を備えることも可能であり、この場合、中速判定部は、励磁出力の励磁デューティー比(すなわち、「励磁出力時間/単位励磁周期T」で表される単位励磁周期T内における励磁出力時間(ON時間)の割合)が60%を超えるか否かを判定し、60%を超えた場合にフラグ1を立てる中速第1判定部と、フラグ1の状態を確認して、フラグ1が立った状態が3回の単位励磁周期Tで続いたらフラグ2を立てる中速第2判定部とを有する。
As described above, instead of the predetermined speed being set in advance as the medium speed determination speed, for example, the excitation
そして、このような中速判定部では、中速第1判定部にて、ON時間を計測して励磁デューティー比が60%を超えていない場合にはフラグ1を倒した状態を維持し、励磁デューティー比が60%を超えた場合にはフラグ1を立てる処理を行う。また、例えばフラグ1が立った後に、励磁デューティー比が60%以下になったと判定された場合には、フラグ1を再び倒す処理を行う。更に、中速第2判定部にて、第1判定部の処理によりフラグ1が立っているか倒れているかを判定し、フラグ1が立った状態が3回の単位励磁周期Tで維持された場合を、ステッピングモータの回転速度が中速領域にあると判定してフラグ2を立てる処理を行うことによって、励磁パターン選択部35に中速領域の信号を出力することが可能である。
In such a medium speed determination section, the medium speed first determination section measures the ON time and maintains the state in which the
本実施形態のスイッチング部(出力段)40は、各相の励磁コイル1a〜1eとモータ電流制御部50の正極との導通又は遮断を制御するスイッチング素子(ハイサイドパワー素子)TR1,TR3,TR5,TR7,TR9と、各相の励磁コイル1a〜1eとモータ電流制御部50の負極との導通又は遮断を制御するスイッチング素子(ローサイドパワー素子)TR2,TR4,TR6,TR8,TR10と、励磁コイル1a〜1eが発した起電力をバイパスするダイオードD1〜D10と、励磁パターン出力部30から出力される励磁パターンに従って各スイッチング素子TR1〜TR10のON/OFFを切り替えるパワー素子駆動回路41と、ステッピングモータ1に接続される出力端子OUT1〜OUT5とを有しており、従来の一般的なスイッチング部(出力段)と同様に構成されている。
The switching unit (output stage) 40 according to the present embodiment includes switching elements (high-side power elements) TR1, TR3, and TR5 that control conduction or cutoff between the excitation coils 1a to 1e of each phase and the positive electrode of the motor
次に、上述した本実施形態の駆動装置10を用いて、定格電流が1.4A/相のステッピングモータ1をステップ駆動する方法について説明する。
励磁パターン出力部30に、指令パルスCWP又はCCWPが入力されると、電気角位置管理部31では、指令パルスCWPが入力される毎にアドレスをカウントアップし、指令パルスCCWPが入力される毎にアドレスをカウントダウンして、そのアドレスの数値を管理するとともに、そのアドレスの数値をモータ回転速度管理部32や励磁パターン選択部35に出力する。また、モータ回転速度管理部32では、単位時間当たりのパルス入力数からステッピングモータ1の回転速度を管理するとともに、その管理する回転速度の数値を励磁パターン選択部35に出力する。
Next, a method for step-driving the stepping
When the command pulse CWP or CCWP is input to the excitation
また、励磁パターン出力部30の励磁周期カウンタ部33は、指令パルスCWP及びCCWPとは無関係な一定の単位励磁周期Tを管理するとともに、単位励磁周期T毎に励磁切替指令を励磁パターン選択部35及びPWM定電流コントロール回路51に出力する。更に、励磁周期カウンタ部33は、一定のシーケンス周期ST(単位励磁周期Tの整数倍の周期)毎にシーケンス切替指令を励磁パターン選択部35に出力する。
In addition, the excitation
励磁パターン出力部30の励磁パターン選択部35では、励磁パターン記憶部34に記憶されている複数の励磁シーケンスの中から、モータ回転速度管理部32から出力される回転速度と、電気角位置管理部31から出力されるアドレスの数値とに基づいて、条件に合った励磁シーケンスを選択し、その選択した励磁シーケンスに従って、励磁パターンを単位励磁周期T毎に順番に出力する。
In the excitation
また同時に、励磁パターン出力部30の励磁/非励磁処理部36は、モータ電流制御部50のPWM定電流コントロール回路51からの信号に従って励磁状態と非励磁状態とを切り替えることにより定電流制御を行う。
At the same time, the excitation /
これにより、スイッチング部40では、励磁パターン選択部35から出力される励磁パターンと、励磁/非励磁処理部36からの信号に従ってスイッチング素子TR1〜TR10のONとOFFを制御することにより、励磁コイルに対する励磁を切り替えて、ステッピングモータ1をステップ駆動させることができる。
As a result, the switching
ここで、例えば指令パルスの入力が遅く、ステッピングモータ1を、回転速度が第1回転速度(1.5rps)未満の低速領域で回転させる場合について、図3、図7、及び図8を参照しながら説明する。特に本実施形態では、低速領域のときに分解能が1/40のマイクロステップ駆動を行う場合について説明するが、本発明は、低速領域のときに、マイクロステップ駆動を行わずに、フルステップ駆動又はハーフステップ駆動を行う場合にも適用することが可能である。
Here, for example, in the case where the input of the command pulse is slow and the stepping
低速領域において、例えば電気角位置管理部31で管理されているアドレスが「000」の場合、励磁パターン選択部35は、励磁パターン記憶部34に記憶されている複数の低速用励磁シーケンスから、アドレス「000」に対応する低速用励磁シーケンス、すなわち、20回の励磁パターンBCと20回の励磁パターンADとが交互に組み合わされた低速用励磁シーケンス(図7を参照)を選択し、この選択した低速用励磁シーケンスに従って、励磁パターンを単位励磁周期T毎に順番に切り替えてスイッチング部40に出力する。
In the low speed region, for example, when the address managed by the electrical angle
これにより、励磁コイル1a〜1eでは、2組の励磁パターンBCと励磁パターンADが交互に繰り返されることによって、合成による4相励磁ABCDのトルクベクトルを生成し、モータ回転子をアドレス「000」のフルステップ位置に位置決めすることができる。
Thus, in the
そして、励磁パターン選択部35は、アドレス「000」に対応する低速用励磁シーケンスに従った励磁パターンの出力(単位励磁周期T毎の出力)が40回行われると、励磁周期カウンタ部33からシーケンス切替指令を受けて、電気角位置管理部31で管理されているアドレスの数値を読み出し、そのアドレスに対応する低速用励磁シーケンスを選択する。
When the excitation pattern output (output for each unit excitation cycle T) is performed 40 times according to the low-speed excitation sequence corresponding to the address “000”, the excitation
例えば、アドレス「000」に対応する低速用励磁シーケンスの励磁パターンを40回行った後にシーケンス切替指令を受けたときに、電気角位置管理部31のアドレスが「000」である場合、再びアドレス「000」に対応する低速用励磁シーケンスを選択して、その低速用励磁シーケンスの励磁パターンを40回行う。
For example, when the sequence switching command is received after 40 times of the excitation pattern of the low-speed excitation sequence corresponding to the address “000” is received and the address of the electrical angle
一方、シーケンス切替指令を受けたときに、電気角位置管理部31のアドレスが指令パルスCWPの入力により「001」にカウントアップされている場合は、そのアドレス「001」に対応する低速用励磁シーケンスを選択して励磁シーケンスの切り替えを行い、「001」に対応する低速用励磁シーケンスに従って40回の励磁パターンの出力を行う。
On the other hand, when the sequence switching command is received, if the address of the electrical angle
この場合、アドレス「001」〜「039」に対応する各低速用励磁シーケンスは、前述したように、当該フルステップ位置の4相励磁ABCDを実現する2つの2相励磁パターンを組み合わせた第1の組み合わせ励磁パターンBC−ADと、次のフルステップ位置の4相励磁BCDEを実現する2つの2相励磁パターンを組み合わせた第2の組み合わせ励磁パターンCD−BEとを、そのステップ位置に応じた割合で組み合わせて設定されている(図3及び図7を参照)。 In this case, each of the low-speed excitation sequences corresponding to the addresses “001” to “039” is a first combination of two two-phase excitation patterns that realize four-phase excitation ABCD at the full step position as described above. The combination excitation pattern BC-AD and the second combination excitation pattern CD-BE obtained by combining two two-phase excitation patterns that realize the four-phase excitation BCDE at the next full step position are in proportion to the step position. They are set in combination (see FIGS. 3 and 7).
このため、アドレス「001」に対応する低速用励磁シーケンス(すなわち、20回の励磁パターンBC、19回の励磁パターンAD、及び1回の励磁パターンBEが組み合わされた低速用励磁シーケンス)に従って励磁パターンの出力を40回行うことにより、フルステップ位置間を40分割したアドレス「001」に対応するマイクロステップ位置にモータ回転子を位置決めすることができる。
Therefore, the excitation pattern according to the low-speed excitation sequence corresponding to the address “001” (that is, the low-speed excitation sequence in which 20 excitation patterns BC, 19 excitation patterns AD, and 1 excitation pattern BE are combined). Is
以下同様に、低速用励磁シーケンスに従った励磁パターン出力を40回ずつ行いながら、シーケンス切替指令を受ける度に電気角位置管理部31で管理されているアドレスに対応した低速用励磁シーケンスを選択して低速用励磁シーケンスの更新(切り替え)を行うことにより、ステッピングモータ1をマイクロステップ駆動させることができる。
Similarly, while performing excitation pattern output according to the low-
なお、本実施形態では、上述のように低速用励磁シーケンスの励磁パターンを40回行う毎(シーケンス切替指令を受ける毎)に、低速用励磁シーケンスの更新を行うだけでなく、指令パルスCWP又は指令パルスCCWPの入力により、電気角位置管理部31のアドレスがフルステップ位置に対応するアドレスに切り替わる毎にも、低速用励磁シーケンスの更新を行う。
In this embodiment, as described above, every time the excitation pattern of the low-speed excitation sequence is performed 40 times (every time the sequence switching command is received), not only the low-speed excitation sequence is updated, but also the command pulse CWP or command The low-speed excitation sequence is updated every time the address of the electrical angle
これにより、ステッピングモータ1を低速領域で安定してマイクロステップ駆動させることができるとともに、適切なトルクを安定して確保することができる。また、例えば低速領域内でステッピングモータ1の回転速度が速くなっても、励磁シーケンスの更新時に、フルステップ位置のアドレスに対応する励磁シーケンスが間引かれることを防止するとともに、マイクロステップ位置のアドレスに対応する励磁シーケンスの間引きを少なくして、マイクロステップ駆動を円滑に行うことができる。
As a result, the stepping
次に、本実施形態において、ステッピングモータ1の回転速度を高めて、回転速度が1.5rps(第1回転速度)以上で、5.65rps(第2回転速度)未満となる中速領域でステッピングモータ1を回転させる場合には、ステッピングモータ1のステップ駆動を、低速領域のマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替える。
Next, in the present embodiment, the rotation speed of the stepping
この場合、励磁シーケンスの更新が、上述のようにシーケンス切替指令を受ける毎に行われるとともに電気角位置管理部31のアドレスがフルステップ位置に対応するアドレスに切り替わる毎に行われるため、例えば低速領域において指令パルスの入力が速くなって、フルステップ位置のアドレスが切り替わる周期が、シーケンス切替指令が出力される一定の周期よりも短くなった場合には、励磁シーケンスの更新時を、フルステップ位置のアドレスが切り替わるタイミングに合わせることができる。
In this case, the excitation sequence is updated every time the sequence switching command is received as described above, and every time the address of the electrical angle
そして、このような低速領域において、励磁シーケンスの更新がフルステップ位置のアドレスが切り替わるタイミングに合わせられることにより、低速領域のマイクロステップ駆動から、中速領域のフルステップ駆動に切り替えるときに、振動や脱調現象を生じさせ難くすることができるとともに、ステップ駆動の等速回転性を安定して維持することができる。 In such a low speed region, the excitation sequence is updated at the timing when the address of the full step position is switched, so that when switching from the micro step drive in the low speed region to the full step drive in the medium speed region, vibration or The step-out phenomenon can be made difficult to occur, and the constant speed rotation of the step drive can be stably maintained.
この中速領域では、図3、図10及び図11に示したように、例えば指令パルスCWPの入力時に電気角位置管理部31で管理されているアドレスが「000」〜「039」の場合に、励磁パターン選択部35は、励磁パターン記憶部34に記憶されている複数の中速用励磁シーケンスから、アドレス「000」〜「039」に対応する中速用励磁シーケンス、すなわち、励磁相A〜Dの4相が同時に励磁される4相励磁パターンABCDのみを40サイクル分有する中速用励磁シーケンスを選択し、この選択した中速用励磁シーケンスに従って4相励磁パターンABCDを単位励磁周期T毎にスイッチング部40に出力する。これにより、励磁コイル1a〜1eでは4相励磁ABCDのトルクベクトルを生成し、モータ回転子をフルステップ位置に位置決めすることができる。
In this medium speed region, as shown in FIGS. 3, 10, and 11, for example, when the address managed by the electrical angle
また、励磁パターン選択部35が励磁周期カウンタ部33からシーケンス切替指令を受けると、電気角位置管理部31で管理されているアドレスの数値を読み、そのアドレスに対応する低速用励磁シーケンスを選択する。この場合、電気角位置管理部31のアドレスが「000」〜「039」の場合は、同じ中速用励磁シーケンスが励磁パターン選択部35で再び選択される。
When the excitation
そして、指令パルスCWPの入力により電気角位置管理部31のアドレスが、「039」からフルステップ位置に対応するアドレス「040」にカウントアップされたときに、励磁パターン選択部35は、アドレス「040」〜「079」に対応する中速用励磁シーケンス、すなわち、励磁相B〜Eの4相が同時に励磁される4相励磁パターンBCDEのみを40サイクル分有する中速用励磁シーケンスを選択することにより、中速用励磁シーケンスの切り替え(更新)がなされる。
When the address of the electrical angle
以下同様に、中速用励磁シーケンスに従った4相励磁パターンの出力を繰り返し行いながら、電気角位置管理部31のアドレスがフルステップ位置に対応するアドレスに変更される毎に中速用励磁シーケンスを切り替える(更新する)ことにより、ステッピングモータ1を中速領域で安定してフルステップ駆動させることができ、また、4相励磁による合成トルクを適切に確保することができる。
Similarly, every time the address of the electrical angle
また、この中速領域でステッピングモータ1をフルステップ駆動させているときに、中速領域内でステッピングモータ1の回転速度が速くなると、励磁コイルのインピーダンスが高くなって電流が飽和する状態となる(言い換えると、中速領域内で電流が飽和するように第1回転速度(中速判定速度)と第2回転速度(高速判定速度)とが予め設定されている)。この場合、本実施形態では、励磁パターン出力部30の電流飽和判定部37で、上述したようにフラグ1及びフラグ2を立てる処理を行うことにより(図12を参照)、電流飽和状態に達した時点を判定するとともに、電流飽和状態に達したときのモータ回転速度管理部32で管理されている回転速度を検出して電流飽和回転速度として記憶する。
Further, when the stepping
そして、励磁パターン選択部35は、励磁パターン記憶部34に記憶されている大、中、小の3種類のインダクタンスタイプの高速シーケンス群(図13を参照)から、電流飽和判定部37で検出された電流飽和回転速度に基づいて1つの高速シーケンス群を選択する。本実施形態においては、例えば電流飽和回転速度が4.0rpsで、励磁パターン選択部35によって小インダクタンスタイプの高速シーケンス群が選択される場合を例に挙げて説明する。
The excitation
また、ステッピングモータ1の回転速度を更に高めて、回転速度が5.65rps(第2回転速度)以上となる高速領域においてステッピングモータ1をフルステップ駆動で回転させる場合には、定格電流が1.4A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群から、モータ回転速度管理部32で管理されている回転速度と、電気角位置管理部31で管理されているアドレスとに基づいて、1つの高速用励磁シーケンスを選択する。
Further, when the rotation speed of the stepping
例えばモータ回転速度管理部32で管理されている回転速度が5.80rpsで、電気角位置管理部31で管理されているアドレスが「000」の場合には、図14に示したように、アドレス「000」〜「039」に対応する第1高速用励磁シーケンス11、すなわち、「00」〜「02」のサイクルに設定される2相励磁パターンBCと、「03」〜「26」のサイクルに設定され、4相が同時に励磁される4相励磁パターンABCDとを有する第1高速用励磁シーケンス11を選択し、この選択した高速用励磁シーケンス11に従って各励磁パターンを単位励磁周期T毎に順番に出力する。
For example, when the rotational speed managed by the motor rotational
なおこの場合、励磁周期カウンタ部33では、単位励磁周期T毎に励磁切替指令を出力するとともに、第1高速用励磁シーケンス11における励磁パターンの繰り返し回数に応じた間隔でシーケンス切替指令が出力される。
In this case, the excitation
また、指令パルスCWPの入力により、電気角位置管理部31のアドレスが「039」からフルステップ位置に対応するアドレス「040」にカウントアップされたときには、励磁パターン選択部35は、図4に示すようなアドレス「040」〜「079」に対応する励磁パターン成分を有する次の第1高速用励磁シーケンス11を選択して、高速用励磁シーケンスの切り替え(更新)がなされる。
When the address of the electrical angle
以下同様に、高速用励磁シーケンスに従った励磁パターンの出力を繰り返し行いながら、電気角位置管理部31のアドレスがフルステップ位置に対応するアドレスに変更される毎に高速用励磁シーケンスを切り替える(更新する)ことにより、ステッピングモータ1を高速領域で安定してフルステップ駆動させることができる。
Similarly, the output of the excitation pattern according to the high-speed excitation sequence is repeated, and the high-speed excitation sequence is switched every time the address of the electrical angle
また、第1高速用励磁シーケンス11が、上述のようにコイル全体の合成インピーダンスが4相励磁パターンよりも低い2相励磁パターンを有して形成されていることにより、ステッピングモータ1に電流を流れ易くすることができるため、例えば4相励磁パターンのみを有する励磁シーケンスに比べて、電流飽和に伴うトルクの減少割合を小さくし、回転速度が5.65rps以上6.00rps未満の範囲の高速領域においてトルクを増大させることができる。
Further, since the first high-
更に、第1高速用励磁シーケンス11が、2相励磁パターンBCだけでなく、「03」〜「20」の後側のサイクルに4相励磁パターンABCDを有することにより、ステッピングモータ1の振動を生じ難くできるとともに、脱調現象をより効果的に防止することができる。
Further, the first high-
なお、ここでは、モータ回転速度管理部32で管理されている回転速度が5.65rps以上6.00rps未満の範囲の高速領域の場合について説明したが、例えば電気角位置管理部31で管理されているアドレスが「000」であって、モータ回転速度管理部32で管理されている回転速度が6.00rps以上7.63rps未満の範囲の場合には、図14に示した第2高速用励磁シーケンス12、すなわち、「00」〜「02」のサイクルに設定される2相励磁パターンBCと、「03」〜「20」のサイクルに設定される4相励磁パターンABCDとを有する第2高速用励磁シーケンス12が選択される。これにより、第1高速用励磁シーケンス11と同様に、電流飽和に伴うトルクの減少割合を小さく抑えて、回転速度が6.00rps以上7.63rps未満の範囲の高速領域におけるトルクを増大させることができる。
Here, a case has been described in which the rotational speed managed by the motor rotational
また、モータ回転速度管理部32で管理されている回転速度が7.63rps以上9.53rps未満の範囲の場合には、図14に示した第3高速用励磁シーケンス13、すなわち、「00」のサイクルに設定される2相励磁パターンBCと、「01」〜「16」のサイクルに設定される4相励磁パターンABCDと、「17」〜「19」のサイクルに設定され、次のフルステップ位置に位置決めする2相励磁パターンCDとを有する第3高速用励磁シーケンス13が選択される。
When the rotation speed managed by the motor rotation
これにより、第1高速用励磁シーケンス11と同様に、電流飽和に伴うトルクの減少割合を小さく抑えて、回転速度が7.63rps以上9.53rps未満の範囲の高速領域におけるトルクを増大させることができる。また、その高速領域においてモータを次のフルステップ位置まで回転させ易くし、指令パルスの入力による励磁の切り替えに対してモータの回転が追従できなくなることを効果的に防止できる。
As a result, similarly to the first high-
更に、モータ回転速度管理部32で管理されている回転速度が9.53rps以上10.17rps未満の範囲の場合には、2相励磁パターンBC、4相励磁パターンABCD、及び2相励磁パターンCDを図14に示した割合で有する第4高速用励磁シーケンス14が選択され、また、管理されている回転速度が10.17rps以上10.90rps未満の範囲の場合には、2相励磁パターンBC、4相励磁パターンABCD、及び2相励磁パターンCDを図14に示した割合で有する第5高速用励磁シーケンス15が選択される。更にまた、モータ回転速度管理部32で管理されている回転速度が10.90rps以上の範囲の場合には、2相励磁パターンBC、3相励磁パターンBCD、及び4相励磁パターンBCDEを図14に示した割合で有する第6高速用励磁シーケンス16が選択される。
Further, when the rotation speed managed by the motor rotation
これらの第4高速用励磁シーケンス14〜第6高速用励磁シーケンス16が選択される場合でも、それぞれの回転速度範囲の高速領域におけるトルクを増大させることができるとともに、各高速領域においてモータを次のフルステップ位置まで回転させ易くし、指令パルスの入力による励磁の切り替えに対してモータの回転が追従できなくなることを効果的に防止できる。
Even when the fourth high-
またその他の例として、本実施形態において、定格電流が1.4A/相の中インダクタンスタイプの高速シーケンス群に設定される5種類の高速用励磁シーケンスを図15に示し、定格電流が2.8A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群に設定される4種類の高速用励磁シーケンスを図16に示す。 As another example, FIG. 15 shows five types of high-speed excitation sequences set in the high-speed sequence group of the rated current of 1.4 A / phase and the medium inductance type in this embodiment, and the rated current is 2.8 A. FIG. 16 shows four types of high-speed excitation sequences set in the / phase small inductance type high-speed sequence group.
これらの高速シーケンス群やその他のタイプの高速シーケンス群においても、各高速用励磁シーケンスは、1.4A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群の場合と同様に、1つのフルステップ位置に位置決めする2相励磁の励磁パターン(例えば2相励磁パターンBC)と、その他の多相励磁の励磁パターンとを有する。 In these high-speed sequence groups and other types of high-speed sequence groups as well, each high-speed excitation sequence is positioned at one full-step position, as in the case of the 1.4 A / phase small inductance type high-speed sequence group. There are two-phase excitation excitation patterns (for example, two-phase excitation pattern BC) and other multi-phase excitation excitation patterns.
従って、ステッピングモータ1のモータ特性に対応する何れの高速シーケンス群においても、高速領域のトルクを安定して効果的に伸ばすことが可能となり、更には、高速用励磁シーケンスが切り換わるときにステッピングモータ1の振動を生じ難くできるとともに脱調現象を効果的に防止することや、指令パルスの入力による励磁の切り替えに対してモータの回転が追従できなくなることを防止すること等のような1.4A/相小インダクタンスタイプの高速シーケンス群の場合と同様の効果が得られる。
Accordingly, in any high-speed sequence group corresponding to the motor characteristics of the stepping
次に、本発明の第2の実施形態に係るステッピングモータ1用の駆動装置として、定電流制御を、上述した第1の実施形態に係る出力段チョッパ型とは異なるモータ駆動電圧変換型(以下、DV型と略記する)で行う駆動装置20について、図17を参照しながら説明する。
Next, as a driving device for the stepping
第2の実施形態に係る駆動装置20は、指令パルスCWP又はCCWPが入力されて、5相ステッピングモータ1の励磁コイル1a〜1eを励磁するための励磁パターンを出力する励磁パターン出力部60と、複数のスイッチング素子(パワー素子)TR1〜TR10を有する出力段としてのスイッチング部40と、DV型の定電流制御を行うモータ電流制御部70とを有する。この場合、スイッチング部40は、前述した第1の実施形態に係るスイッチング部40と同様に構成されているため、ここではその詳細な説明を省略することとする。
The
第2の実施形態に係るモータ電流制御部70では、DV型の定電流制御が行われる。このモータ電流制御部70は、5相ステッピングモータ1の励磁コイル1a〜1eを励磁する電力を供給する電源PS2と、電源PS2の電圧を平滑化する第1コンデンサC2aと、励磁コイル1a〜1eに流れる電流を検出する第1及び第2電流検出抵抗R2a,R2bと、検出された電流に基づいて定電流制御を行うPWM定電流コントロール回路71と、ON/OFFの切り替えが可能なスイッチング素子TR11と、PWM定電流コントロール回路71からの出力信号に基づいてスイッチング素子TR11のON/OFFを切り替えるパワー素子駆動回路72と、励磁コイル1a〜1eが発する起電力をバイパスするダイオードD11と、PWMにより生じた間欠的な電圧を入力して平滑化したモータ駆動電圧を生成するチョークコイルL2及び第2コンデンサC2bと、モータ駆動電圧をデジタル化して励磁パターン出力部60に送るA/D変換器73とを有する。
The motor current control unit 70 according to the second embodiment performs DV type constant current control. The motor current control unit 70 supplies a power source PS2 that supplies power for exciting the excitation coils 1a to 1e of the five-
この場合、PWM定電流コントロール回路71は、励磁コイル1a〜1eに流れる電流と基準電流との差を誤差信号として生成してスイッチング素子TR11のON/OFFの制御を行う。これにより、励磁コイル1a〜1eに供給する電圧を調節して、ステッピングモータ1の励磁コイルに対する総電流が所定の電流に定まるように制御することができる。
In this case, the PWM constant current control circuit 71 generates a difference between the current flowing in the
例えば、第1及び第2電流検出抵抗R2a,R2bを流れる電流が減少した場合には、誤差信号のレベルが上昇するので、PWM定電流コントロール回路71によって、スイッチング素子TR11のオン時間を長くする。それにより、スイッチング素子TR11を通過した電圧は、チョークコイルL2及び第2コンデンサC2bにより平滑化されて高い電圧となって励磁コイル1a〜1eに印加されるので、励磁電圧を増加させる制御を行うことができる。
For example, when the current flowing through the first and second current detection resistors R2a and R2b decreases, the level of the error signal increases, so that the on-time of the switching element TR11 is lengthened by the PWM constant current control circuit 71. As a result, the voltage passing through the switching element TR11 is smoothed by the choke coil L2 and the second capacitor C2b and becomes a high voltage, which is applied to the
一方、第1及び第2電流検出抵抗R2a,R2bを流れる電流が増加した場合には、誤差信号のレベルが下降するので、スイッチング素子TR11のオン時間を短くして、励磁電圧を減少させる制御を行う。このように、モータ電流制御部70を用いて5相ステッピングモータ1の励磁電圧を適宜調節することによって、励磁周期カウンタ部63が管理する単位励磁周期Tとは無関係に励磁電流を安定化させ、5相ステッピングモータ1を定電流駆動することができる。
On the other hand, when the current flowing through the first and second current detection resistors R2a and R2b increases, the level of the error signal decreases, so that the on-time of the switching element TR11 is shortened to reduce the excitation voltage. Do. Thus, by appropriately adjusting the excitation voltage of the five-
また、第2の実施形態に係る励磁パターン出力部60は、入力される指令パルスを計数して電気角位置に対応するアドレスを管理する電気角位置管理部61と、指令パルスの計数によりステッピングモータ1の回転速度を管理するモータ回転速度管理部62と、一定の単位励磁周期Tを管理する励磁周期カウンタ部63と、複数の励磁シーケンスを記憶する励磁パターン記憶部(メモリ)64と、励磁パターン記憶部64から1つの励磁シーケンスを選択して、その励磁シーケンスに従って励磁パターンを出力する励磁パターン選択部65と、励磁コイルに流れる電流が飽和したことを判定する電流飽和判定部67とを有する。
The excitation pattern output unit 60 according to the second embodiment includes an electrical angle position management unit 61 that counts input command pulses and manages an address corresponding to the electrical angle position, and a stepping motor based on the command pulse count. A motor rotation
この場合、電気角位置管理部61、モータ回転速度管理部62、励磁周期カウンタ部63、及び励磁パターン選択部65については、前述した第1の実施形態に係る励磁パターン出力部30の各処理部と同様に構成されているため、ここではその詳細な説明を省略することとする。
In this case, the electrical angle position management unit 61, the motor rotation
また、この第2の実施形態の駆動装置20では、上述したようにDV型の定電流制御が行われるため、電流飽和判定部67では、モータ電流制御部70における励磁・非励磁状態を判定して、前述した第1の実施形態の場合と同様にフラグ1及びフラグ2を立てる処理を行うことにより、電流が飽和状態に達した時点を検出するとともに、その時点での回転速度を電流飽和回転速度としてメモリに記憶する。この場合、モータ電流制御部70には平滑回路が設けられているため、前述した第1の実施形態における出力段チョッパ型の場合に比べて、電流が飽和した状態をより安定して検出することが可能である。
Further, in the driving
更に、この励磁パターン出力部60のメモリには、中速判定速度(第1回転速度)として、例えば1.5rpsの回転速度が設定されており、高速判定速度(第2回転速度)として、例えば5.65rpsの回転速度が設定されている。 Further, in the memory of the excitation pattern output unit 60, for example, a rotation speed of 1.5 rps is set as a medium speed determination speed (first rotation speed), and as a high speed determination speed (second rotation speed), for example, A rotation speed of 5.65 rps is set.
なお、第2の実施形態に係る励磁パターン出力部60では、中速判定速度として所定の速度(1.5rps)が設定される代わりに、前述の第1の実施形態で説明したような、ステッピングモータの回転速度が中速領域になったことを判断する中速判定部を設けることも可能である。 In the excitation pattern output unit 60 according to the second embodiment, instead of setting a predetermined speed (1.5 rps) as the medium speed determination speed, the stepping as described in the first embodiment is used. It is also possible to provide a medium speed determination unit that determines that the rotation speed of the motor is in the medium speed region.
この場合、第2の実施形態に係る中速判定部は、励磁出力の励磁デューティー比が70%を超えるか否かを判定し、70%を超えた場合にフラグ1を立てる中速第1判定部と、フラグ1の状態を確認して、フラグ1が立った状態が3回の単位励磁周期Tで続いたらフラグ2を立てる中速第2判定部とを有する。従って、この中速判定部では、フラグ1が立った状態が3回の単位励磁周期Tで維持された場合に回転速度が中速領域にあると判定して、励磁パターン選択部35に中速領域の信号を出力することが可能である。
In this case, the medium speed determination unit according to the second embodiment determines whether or not the excitation duty ratio of the excitation output exceeds 70%, and when the ratio exceeds 70%, the medium speed first determination that sets the
なお、第2の実施形態の駆動装置20では、DV型の定電流制御を行うため、前述した第1の実施形態における出力段チョッパ型の場合よりも電流飽和状態を安定して検出することができる。従って、第2の実施形態では、中速判定速度(第1回転速度)を、前述した第1の実施形態と同様の1.5rps(又は1.5rpsよりも少し大きな数値)に設定することでき、また、中速判定部を設ける場合には、中速第1判定部にてフラグ1を立てる際の励磁デューティー比の判定基準を、前述した第1の実施形態の場合の60%よりも大きな70%に設定することが可能である。それにより、電流が飽和する前に、低速領域のマイクロステップ駆動から中速領域のフルステップ駆動に安定して切り替えることができ、また、第1の実施形態における出力段チョッパ型の場合よりも速い回転速度までマイクロステップ駆動を行うことが可能となる。
Since the driving
第2の実施形態に係る励磁パターン記憶部64には、ステッピングモータ1の回転速度が所定の第1回転速度(中速判定速度、例えば1.5rps)未満となる低速領域用の低速用励磁シーケンスと、ステッピングモータ1の回転速度が第1回転速度以上で所定の第2回転速度(高速判定速度、例えば5.65rps)未満となる中速領域用の中速用励磁シーケンスと、ステッピングモータ1の回転速度が第2回転速度以上となる高速領域用の複数の高速用励磁シーケンスを有する高速シーケンス群などが記憶されている。
The excitation pattern storage unit 64 according to the second embodiment includes a low-speed excitation sequence for a low speed region in which the rotation speed of the stepping
この場合、低速用励磁シーケンスは、低速領域においてステッピングモータ1をマイクロステップ駆動させるように、フルステップ位置及びマイクロステップ位置の各ステップ位置で位置決めする励磁シーケンスである。
In this case, the low-speed excitation sequence is an excitation sequence in which the stepping
例えば分解能が1/40の場合には、ステッピングモータ1をマイクロステップ駆動させるために、図3及び図5に示したように、「000」〜「399」のアドレスに対応する400種類の低速用励磁シーケンスが設定されて記憶される。また、各低速用励磁シーケンスは、各アドレスの電気角位置に位置決めできるように組み合わされた複数の2相励磁パターンを有しており、各励磁パターンは、励磁周期カウンタ部63から出力される励磁切替指令に基づいて切り替えられる。
For example, when the resolution is 1/40, 400 kinds of low speeds corresponding to addresses “000” to “399” are used as shown in FIGS. An excitation sequence is set and stored. Each low-speed excitation sequence has a plurality of two-phase excitation patterns combined so as to be positioned at the electrical angle position of each address. Each excitation pattern is an excitation output from the excitation
この場合、フルステップ位置のアドレス(例えば「000」)に対応する低速用励磁シーケンスは、合成による4相励磁を実現するために、2つの2相励磁の励磁パターンの組み合わせにより形成される。一方、マイクロステップ位置のアドレス(例えば「001」〜「039」)に対応する低速用励磁シーケンスは、1つのフルステップ位置における2つの2相励磁パターンを組み合わせた第1の組み合わせ励磁パターンと、その次のフルステップ位置における2つの2相励磁パターンを組み合わせた第2の組み合わせ励磁パターンとを、そのステップ位置に応じた割合で組み合わせて形成される。 In this case, the low-speed excitation sequence corresponding to the address of the full step position (for example, “000”) is formed by a combination of two two-phase excitation excitation patterns in order to realize four-phase excitation by synthesis. On the other hand, the low-speed excitation sequence corresponding to the address of the microstep position (for example, “001” to “039”) includes a first combination excitation pattern obtained by combining two two-phase excitation patterns at one full step position, A second combined excitation pattern obtained by combining two two-phase excitation patterns at the next full step position is combined at a ratio corresponding to the step position.
より具体的に説明すると、フルステップ位置のアドレス「000」に対応する低速用励磁シーケンスは、励磁パターンBCと励磁パターンADとが同じ回数又は時間割合(励磁デューティー比)で組み合わされて設定されており、それによって、合成による4相励磁ABCDを実現する。 More specifically, the low-speed excitation sequence corresponding to the address “000” of the full step position is set by combining the excitation pattern BC and the excitation pattern AD in the same number or time ratio (excitation duty ratio). Thus, a four-phase excitation ABCD by synthesis is realized.
更に、次のフルステップ位置のアドレス「040」に対応する低速用励磁シーケンスは、励磁パターンCDと励磁パターンBEとが同じ回数又は時間割合で組み合わされて設定されており、それによって、合成による4相励磁BCDEを実現する。以降同様に、フルステップ位置の各アドレスに対応する低速用励磁シーケンスは、合成による4相励磁を実現する2つの2相励磁パターンを同じ回数又は時間割合で有する。 Further, the low-speed excitation sequence corresponding to the address “040” of the next full-step position is set by combining the excitation pattern CD and the excitation pattern BE in the same number of times or time ratio, thereby 4 Realize phase excitation BCDE. Similarly, the low-speed excitation sequence corresponding to each address of the full step position has two two-phase excitation patterns that realize four-phase excitation by synthesis at the same number or time ratio.
また、アドレス「000」と「040」の間に設定されるマイクロステップ位置のアドレス「001」〜「039」に対応する各低速用励磁シーケンスは、当該フルステップ位置の4相励磁ABCDを実現する2つの2相励磁パターンを組み合わせた第1の組み合わせ励磁パターンBC−ADと、次のフルステップ位置の4相励磁BCDEを実現する2つの2相励磁パターンを組み合わせた第2の組み合わせ励磁パターンCD−BEとを、そのステップ位置に応じた割合で組み合わせて設定されている。 In addition, each low-speed excitation sequence corresponding to the microstep position addresses “001” to “039” set between addresses “000” and “040” realizes four-phase excitation ABCD at the full step position. First combination excitation pattern BC-AD, which combines two two-phase excitation patterns, and second combination excitation pattern CD-, which combines two two-phase excitation patterns that realize four-phase excitation BCDE at the next full-step position. BE is set in combination at a ratio corresponding to the step position.
この場合、アドレスの数値が大きくなるほど、第1の組み合わせ励磁パターンBC−ADの回数又は時間割合を漸減させるとともに、第2の組み合わせ励磁パターンCD−BEの回数又は時間割合を漸増させることによって、それぞれのマイクロステップ位置の各低速用励磁シーケンスが設定されている。なお、アドレス「041」以降も同様に、マイクロステップ位置の各アドレスに対応する第1の組み合わせ励磁パターンと第2の組み合わせ励磁パターンとを、所定の割合で組み合わせることで各マイクロステップ位置に対応する低速用励磁シーケンスが設定されている。 In this case, as the numerical value of the address increases, the number or time ratio of the first combination excitation pattern BC-AD is gradually decreased and the number or time ratio of the second combination excitation pattern CD-BE is gradually increased. Each low-speed excitation sequence at the microstep position is set. Similarly, after the address “041”, the first combination excitation pattern and the second combination excitation pattern corresponding to each address of the microstep position are combined at a predetermined ratio to correspond to each microstep position. Low speed excitation sequence is set.
また、この第2の実施形態における中速用励磁シーケンスは、中速領域においてステッピングモータ1をフルステップ駆動させるように各フルステップ位置で位置決めする励磁シーケンスであり、励磁パターン記憶部64には、それぞれのフルステップ位置に位置決めする10種類の中速用励磁シーケンスが記憶されている(図3及び図5を参照)。
Further, the medium-speed excitation sequence in the second embodiment is an excitation sequence for positioning at each full-step position so that the stepping
各中速用励磁シーケンスは、4つの相を同時に励磁することにより、それぞれのフルステップ位置に対応する4相励磁を実現する4相励磁パターンのみを有する。例えば、指令パルスCWPの入力時(CW方向)における1つのフルステップ位置に位置決めするアドレス「000」〜「039」に対応する中速用励磁シーケンスは、励磁相A、励磁相B、励磁相C、及び励磁相Dの4相が同時に励磁される4相励磁パターンABCDのみを有し、この4相励磁パターンABCDによりVA+VB+VC+VDのトルクベクトルが形成される。 Each medium speed excitation sequence has only a four-phase excitation pattern that realizes four-phase excitation corresponding to each full-step position by exciting the four phases simultaneously. For example, the medium-speed excitation sequence corresponding to addresses “000” to “039” positioned at one full step position when the command pulse CWP is input (CW direction) is excitation phase A, excitation phase B, and excitation phase C. , And the four-phase excitation pattern ABCD in which the four phases of the excitation phase D are simultaneously excited, and a torque vector of VA + VB + VC + VD is formed by this four-phase excitation pattern ABCD.
また、次のアドレス「040」〜「079」に対応する中速用励磁シーケンスは、励磁相B、励磁相C、励磁相D、及び励磁相Eの4相が同時に励磁される4相励磁パターンBCDEのみを有する。以降同様に、各中速用励磁シーケンスは、対応するフルステップ位置に位置決めするための4相励磁パターンのみを有する。 The medium-speed excitation sequence corresponding to the next addresses “040” to “079” is a four-phase excitation pattern in which four phases of excitation phase B, excitation phase C, excitation phase D, and excitation phase E are excited simultaneously. Has only BCDE. Thereafter, similarly, each medium speed excitation sequence has only a four-phase excitation pattern for positioning to the corresponding full step position.
更に、励磁パターン記憶部64には、ステッピングモータ1のインダクタンスに基づくモータ特性に対応した複数の高速シーケンス群(例えば大、中、小の各インダクタンスタイプに対応する3種類の高速シーケンス群)が予め記憶されているとともに(図13を参照)、それぞれの高速シーケンス群は、高速領域において所定の回転速度範囲に対応する複数の高速用励磁シーケンスを有する。 Further, in the excitation pattern storage unit 64, a plurality of high-speed sequence groups corresponding to motor characteristics based on the inductance of the stepping motor 1 (for example, three types of high-speed sequence groups corresponding to large, medium, and small inductance types) are stored in advance. While being stored (see FIG. 13), each high-speed sequence group has a plurality of high-speed excitation sequences corresponding to a predetermined rotation speed range in the high-speed region.
また、各高速シーケンス群には、モータ回転速度管理部62で管理される回転速度の速度範囲に対応する複数の高速用励磁シーケンスが設定されており、例えば定格電流が1.4A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群には、第1の実施形態の場合と同様に、第1高速用励磁シーケンス〜第6高速用励磁シーケンスの6種類の励磁シーケンスが設定されている。
Each high-speed sequence group is set with a plurality of high-speed excitation sequences corresponding to the rotational speed range managed by the motor rotational
この場合、第1高速用励磁シーケンス〜第6高速用励磁シーケンスは、それぞれ、ステッピングモータ1の回転速度が所定の回転速度範囲のときに選択される励磁シーケンスであり、第1〜第6の各高速用励磁シーケンスは、第1の実施形態の場合における第1高速用励磁シーケンス〜第6高速用励磁シーケンスと異なる回転速度範囲で選択される。
In this case, the first high-speed excitation sequence to the sixth high-speed excitation sequence are excitation sequences that are selected when the rotation speed of the stepping
また、1.4A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群における各高速用励磁シーケンスは、1つのフルステップ位置に位置決めする2相励磁の励磁パターン(例えば2相励磁パターンBC)と、その他の多相励磁の励磁パターンとの組み合わせにより形成されている(図4及び図6を参照)。この場合、1つのフルステップ位置に位置決めする2相励磁パターン(2相励磁パターンBC)は、各高速用励磁シーケンスの最初の段階(すなわち、最初の繰り返し回数若しくは最初から数回分の繰り返し回数、又は初め側の時間割合)に設定される。 Further, each high-speed excitation sequence in the 1.4 A / phase small-inductance type high-speed sequence group includes two-phase excitation excitation patterns (for example, two-phase excitation pattern BC) positioned at one full step position, and other various excitation sequences. It is formed by a combination with an excitation pattern of phase excitation (see FIGS. 4 and 6). In this case, the two-phase excitation pattern (two-phase excitation pattern BC) positioned at one full-step position is the first stage of each high-speed excitation sequence (that is, the first repetition number or the first several repetitions, or Time ratio on the first side).
また、上記2相励磁パターンに組み合わされるその他の多相励磁パターンとしては、前述の第1の実施形態の場合と同様に、4相を同時に励磁してそのフルステップ位置に位置決めする4相励磁パターン、次のフルステップ位置に位置決めする2相励磁パターン、4相を同時に励磁して次のフルステップ位置に位置決めする4相励磁パターン、及び、2つのフルステップ位置間のハーフステップ位置に位置決めする3相励磁パターンの中の少なくとも1つの励磁パターンが、ステッピングモータ1の回転特性や回転速度、更にステッピングモータ1の使い方などに応じて組み合わされる。
Further, as other multi-phase excitation patterns combined with the above-described two-phase excitation pattern, as in the case of the first embodiment, a four-phase excitation pattern in which four phases are simultaneously excited and positioned at the full step position. Two-phase excitation pattern for positioning at the next full step position, four-phase excitation pattern for simultaneously exciting four phases and positioning at the next full step position, and positioning at a half step position between the two
更に、各高速用励磁シーケンスにおけるシーケンス全体の励磁長さ(すなわち、励磁パターンの繰り返し回数又は励磁時間)は、前述の第1の実施形態の場合と同様に、上述した低速用励磁シーケンスや中速用励磁シーケンスよりも短くされており、しかも、回転速度範囲がより高速となる高速用励磁シーケンスになるほど、シーケンス全体の励磁長さがより短くされている。 Further, the excitation length of the entire sequence in each high-speed excitation sequence (that is, the number of excitation pattern repetitions or the excitation time) is the same as in the case of the first embodiment described above. The excitation length of the entire sequence is made shorter as the high-speed excitation sequence has a higher rotational speed range.
以上のように、第2の実施形態に係る駆動装置20では、ステッピングモータ1の回転速度及びアドレスに応じた複数の励磁シーケンスが励磁パターン記憶部64に記憶されており、また、励磁パターン選択部65は、励磁パターン記憶部64に記憶されている複数の励磁シーケンスの中からモータ回転速度管理部62で管理される回転速度と、電気角位置管理部61で管理されるアドレス(電気角位置)とに基づいて適切な1つの励磁シーケンスを選択することができる。
As described above, in the
次に、上述した第2の実施形態の駆動装置20を用いて、定格電流が1.4A/相のステッピングモータ1をステップ駆動する方法について説明する。
励磁パターン出力部60に、指令パルスCWP又はCCWPが入力されると、電気角位置管理部61で、指令パルスCWPが入力される毎にアドレスの数値をカウントアップし、指令パルスCCWPが入力される毎にアドレスの数値をカウントダウンしてその数値を管理するとともに、そのアドレスの数値をモータ回転速度管理部62や励磁パターン選択部65に出力する。また、モータ回転速度管理部62では、単位時間当たりのパルス入力数からステッピングモータ1の回転速度を管理するとともに、その管理する回転速度の数値を励磁パターン選択部65に出力する。
Next, a method of step-driving the stepping
When the command pulse CWP or CCWP is input to the excitation pattern output unit 60, the electrical angle position management unit 61 counts up the numerical value of the address every time the command pulse CWP is input, and the command pulse CCWP is input. Each time, the numerical value of the address is counted down to manage the numerical value, and the numerical value of the address is output to the motor rotation
また、励磁パターン出力部60の励磁周期カウンタ部63は、指令パルスとは無関係な一定の単位励磁周期Tを管理するとともに、単位励磁周期T毎に励磁切替指令を励磁パターン選択部65に出力する。更に、励磁周期カウンタ部63は、一定のシーケンス周期ST(単位励磁周期Tの整数倍の周期)毎にシーケンス切替指令を励磁パターン選択部65に出力する。
The excitation
励磁パターン出力部60の励磁パターン選択部65では、励磁パターン記憶部64に記憶されている複数の励磁シーケンスの中から、モータ回転速度管理部62から出力される回転速度と、電気角位置管理部61から出力されるアドレスの値とに基づいて、条件に合った励磁シーケンスを選択し、その選択した励磁シーケンスに従って励磁パターンを、単位励磁周期T毎に順番に出力する。これにより、スイッチング部40では、励磁パターン選択部65から出力される励磁パターンに従ってスイッチング素子TR1〜TR10のONとOFFを制御することにより、5つの励磁コイル1a〜1eに対する励磁を切り替えて、ステッピングモータ1をステップ駆動させることができる。
In the excitation pattern selection unit 65 of the excitation pattern output unit 60, the rotation speed output from the motor rotation
例えばステッピングモータ1を低速領域で回転させる場合、電気角位置管理部61で管理されているアドレスが「000」であれば、励磁パターン選択部65は、励磁パターン記憶部64に記憶されている複数の低速用励磁シーケンスから、アドレス「000」に対応する低速用励磁シーケンス、すなわち、2相励磁パターンBCと2相励磁パターンADとが同じ回数又は時間割合で組み合わされた低速用励磁シーケンスを選択し、この選択した低速用励磁シーケンスに従って励磁パターンを単位励磁周期T毎に切り替えながらスイッチング部40に出力する。
For example, when the stepping
これにより、励磁コイル1a〜1eでは、2組の励磁パターンBCと励磁パターンADが交互に繰り返されることによって、合成による4相励磁ABCDのトルクベクトルを生成し、モータ回転子をアドレス「000」のフルステップ位置に位置決めすることができる。
Thus, in the
そして、励磁パターン選択部65は、アドレス「000」に対応する低速用励磁シーケンスに従った励磁パターンの出力が所定のサイクル又は所定の時間で行われると、励磁周期カウンタ部63からシーケンス切替指令を受けて、電気角位置管理部61で管理されているアドレスの数値を読み、そのアドレスに対応する低速用励磁シーケンスを選択することにより、低速用励磁シーケンスの更新(切り替え)を行う。
Then, when the excitation pattern output according to the low speed excitation sequence corresponding to the address “000” is performed in a predetermined cycle or a predetermined time, the excitation pattern selection unit 65 issues a sequence switching command from the excitation
以下同様に、低速用励磁シーケンスに従った励磁パターン出力を所定のサイクル又は所定の時間で行いながら、シーケンス切替指令を受ける毎に電気角位置管理部61で管理されているアドレスに対応した低速用励磁シーケンスの更新(切り替え)を行うことにより、ステッピングモータ1を低速領域で安定してマイクロステップ駆動させることができる。更に、この第2の実施形態では、シーケンス切替指令を受ける毎に低速用励磁シーケンスの更新を行うとともに、指令パルスCWP又はCCWPの入力により電気角位置管理部61のアドレスがフルステップ位置に対応するアドレスに切り替わる毎にも、低速用励磁シーケンスの更新を行う。
In the same manner, the output of the excitation pattern according to the excitation sequence for low speed is performed in a predetermined cycle or time, and each time the sequence switching command is received, the low speed corresponding to the address managed by the electrical angle position management unit 61 is received. By updating (switching) the excitation sequence, the stepping
これにより、ステッピングモータ1を低速領域でより安定してマイクロステップ駆動させることができるとともに、適切なトルクを安定して確保することができる。また、例えば低速領域内でステッピングモータ1の回転速度が速くなっても、励磁シーケンスの更新時に、フルステップ位置のアドレスに対応する励磁シーケンスが間引かれることを防止できるとともに、マイクロステップ位置のアドレスに対応する励磁シーケンスの間引きを少なくして、マイクロステップ駆動を円滑に行うことができる。
Thereby, the stepping
次に、中速領域でステッピングモータ1を回転させる場合、ステッピングモータ1のステップ駆動を、低速領域のマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替える。この場合、励磁シーケンスの更新が、上述のようにシーケンス切替指令を受ける毎に行われるだけでなく、電気角位置管理部61のアドレスがフルステップ位置に対応するアドレスに切り替わる毎に行われることにより、前述の第1の実施形態と同様に、低速領域のマイクロステップ駆動から、中速領域のフルステップ駆動に切り替えるときに、振動や脱調現象を生じさせ難くすることができるとともに、ステップ駆動の等速回転性を安定して維持することができる。
Next, when the stepping
この中速領域では、例えば指令パルスCWPの入力時(CW方向)における電気角位置管理部61で管理されているアドレスが「000」〜「039」の場合に、励磁パターン選択部65は、励磁パターン記憶部64に記憶されている複数の中速用励磁シーケンスから、アドレス「000」〜「039」に対応する中速用励磁シーケンス、すなわち、励磁相A〜Dの4相が同時に励磁される4相励磁パターンABCDのみを有する中速用励磁シーケンスを選択し、この選択した中速用励磁シーケンスに従って4相励磁パターンABCDをスイッチング部40に出力する。これにより、励磁コイル1a〜1eでは4相励磁ABCDのトルクベクトル(VA+VB+VC+VD)を生成し、モータ回転子をフルステップ位置に位置決めすることができる。
In this medium speed region, for example, when the address managed by the electrical angle position management unit 61 at the time of inputting the command pulse CWP (CW direction) is “000” to “039”, the excitation pattern selection unit 65 From a plurality of medium speed excitation sequences stored in the pattern storage unit 64, medium speed excitation sequences corresponding to addresses "000" to "039", that is, four phases of excitation phases A to D are excited simultaneously. The medium-speed excitation sequence having only the four-phase excitation pattern ABCD is selected, and the four-phase excitation pattern ABCD is output to the
また、指令パルスCWPの入力により電気角位置管理部61のアドレスが、「039」からフルステップ位置に対応するアドレス「040」にカウントアップされたときには、励磁パターン選択部65は、アドレス「040」〜「079」に対応する中速用励磁シーケンス、すなわち、励磁相B〜Eの4相が同時に励磁される4相励磁パターンBCDEのみを有する中速用励磁シーケンスを選択することにより、中速用励磁シーケンスの切り替えがなされる。 When the address of the electrical angle position management unit 61 is counted up from “039” to the address “040” corresponding to the full step position by the input of the command pulse CWP, the excitation pattern selection unit 65 sets the address “040”. By selecting the medium speed excitation sequence corresponding to “079”, that is, the medium speed excitation sequence having only the four phase excitation pattern BCDE in which the four phases of the excitation phases B to E are simultaneously excited. The excitation sequence is switched.
以下同様に、中速用励磁シーケンスに従った4相励磁パターンの出力を繰り返し行いながら、電気角位置管理部61のアドレスがフルステップ位置に対応するアドレスに変更される毎に中速用励磁シーケンスを切り替えることにより、ステッピングモータ1を中速領域で安定してフルステップ駆動させることができ、また、4相励磁による合成トルクを適切に確保することができる。
Similarly, every time the address of the electrical angle position management unit 61 is changed to an address corresponding to the full step position while repeating the output of the four-phase excitation pattern according to the medium speed excitation sequence, the medium speed excitation sequence. By switching between, the stepping
また、この中速領域において電流が飽和した状態になると、励磁パターン出力部60の電流飽和判定部67で、前述の第1の実施形態の場合と同様にフラグ1及びフラグ2を立てる処理を行う。これにより、電流飽和状態に達した時点を判定するとともに、電流飽和状態に達したときのモータ回転速度管理部62で管理されている回転速度を検出して電流飽和回転速度として記憶する。
When the current is saturated in the medium speed region, the current
そして、励磁パターン選択部65は、励磁パターン記憶部64に記憶されている大、中、小の3種類のインダクタンスタイプの高速シーケンス群(図13を参考)から、電流飽和判定部67で検出された電流飽和回転速度に基づいて1つの高速シーケンス群を選択する。この第2の実施形態においては、例えば電流飽和回転速度が4.0rpsで、励磁パターン選択部65によって小インダクタンスタイプの高速シーケンス群が選択される場合を例に挙げて説明する。
The excitation pattern selection unit 65 is detected by the current
高速領域でステッピングモータ1を回転させる場合、励磁パターン選択部65が、定格電流が1.4A/相の小インダクタンスタイプの高速シーケンス群から、モータ回転速度管理部62で管理されている回転速度と、電気角位置管理部61で管理されているアドレスとに基づいて、1つの高速用励磁シーケンスを選択する。
When the stepping
例えば電気角位置管理部61で管理されているアドレスが「000」で、且つ、モータ回転速度管理部62で管理されている回転速度が、ある所定の回転速度範囲内のときには、励磁パターン選択部65は、2相励磁パターンBCと、4相が同時に励磁される4相励磁パターンABCDとを有する第1高速用励磁シーケンスを選択し、この選択した高速用励磁シーケンスに従って各励磁パターンを単位励磁周期T毎に順番に出力する。
For example, when the address managed by the electrical angle position management unit 61 is “000” and the rotation speed managed by the motor rotation
また、モータ回転速度管理部62で管理されている回転速度が前記所定の回転速度範囲よりも大きいときは、その回転速度に基づいて、第2高速用励磁シーケンス〜第6高速用励磁シーケンスのうちから、対応する1つの高速用励磁シーケンスが選択される。
Further, when the rotation speed managed by the motor rotation
これにより、当該第1の実施形態の場合と同様に、高速領域のそれぞれの速度範囲におけるトルクを安定して効果的に伸ばすことが可能となり、更には、高速用励磁シーケンスが切り換わるときにステッピングモータ1の振動を生じ難くできるとともに脱調現象を効果的に防止することや、指令パルスの入力による励磁の切り替えに対してモータの回転が追従できなくなることを防止すること等の効果も得られる。
As a result, as in the case of the first embodiment, it is possible to stably and effectively increase the torque in each speed range of the high-speed region. Further, when the high-speed excitation sequence is switched, stepping is performed. The vibration of the
実施例1として、前述した第1の実施形態に係る本発明の出力段チョッパ型の駆動装置10(図1を参照)と、中速領域及び高速領域において同時に4相を励磁する4相励磁パターンのみでステッピングモータをフルステップ駆動させる従来の駆動装置とを、定格電流が1.4A/相のステッピングモータ(小インダクタンスタイプ)に適用した。 As Example 1, the output stage chopper type drive device 10 (see FIG. 1) of the present invention according to the first embodiment described above and a four-phase excitation pattern for exciting four phases simultaneously in the medium speed region and the high speed region. The conventional driving device that drives the stepping motor in a full step only with a stepping motor with a rated current of 1.4 A / phase (small inductance type) was applied.
この場合、ステッピングモータを様々な回転速度でステップ駆動させるとともに、所定の回転速度において得られるステッピングモータのトルクを測定することにより、2つの駆動装置で得られるステッピングモータのトルク特性を比較した。 In this case, the stepping motor was step-driven at various rotational speeds, and the torque characteristics of the stepping motors obtained by the two driving devices were compared by measuring the torque of the stepping motor obtained at a predetermined rotational speed.
図18に、本発明の駆動装置10を用いて得られるステッピングモータのトルク特性と、従来の駆動装置を用いて得られるステッピングモータのトルク特性とを重ねたグラフを示す。ここで、図18のグラフの横軸は、1分間当たりの回転速度(rpm)を表し、縦軸は、各回転速度で得られるステッピングモータのトルクの大きさ(N・m)を表している。また同グラフにおいて、本発明の駆動装置10を用いて得られるステッピングモータのトルク特性を実線で示すとともに、従来の駆動装置を用いて得られるステッピングモータのトルク特性を点線で示す。
FIG. 18 is a graph in which the torque characteristics of the stepping motor obtained using the
図18に示したように、本発明の駆動装置10と従来の駆動装置との間で励磁シーケンスが変わらない低速領域(例えば回転速度が0rpmよりも大きく90rpm未満の領域)や、中速領域(例えば回転速度が90rpm以上339rpm未満の領域)では、これら2つの駆動装置で得られるステッピングモータのトルクは変わらなかった。一方、回転速度が339rpm以上となる高速領域(特に、回転速度が600rpm以上の領域)では、本発明の駆動装置10を用いることにより、従来の駆動装置を用いる場合よりも大きなトルクを得られることが確認できた。
As shown in FIG. 18, the excitation sequence does not change between the driving
またこれにより、高速領域においてより大きなトルクが得られる本発明の駆動装置10を用いる場合、従来の駆動装置を用いる場合に比べて、1.5倍位の高速化が可能であることが判った。このような高速化が可能になれば、例えば定電圧指令の対象外となるDC24V入力タイプの本発明の駆動装置10で、DC36V入力タイプの従来の駆動装置に相当する高速特性が得られることになる。
Further, it was found that when using the
実施例2として、前述した第1の実施形態に係る本発明の出力段チョッパ型の駆動装置10と、中速領域及び高速領域において4相励磁パターンのみでステッピングモータをフルステップ駆動させる従来の駆動装置とを、定格電流が1.4A/相のステッピングモータ(中インダクタンスタイプ)に適用した場合に得られるステッピングモータのトルク特性を比較した。
As Example 2, the output stage chopper
図19に、本発明の駆動装置10を用いて得られるステッピングモータのトルク特性(実線)と、従来の駆動装置を用いて得られるステッピングモータのトルク特性(点線)とを重ねたグラフを示す。
FIG. 19 shows a graph in which the torque characteristics (solid line) of the stepping motor obtained using the
図19に示したように、低速領域(例えば回転速度が0rpmよりも大きく90rpm未満の領域)や、中速領域(例えば回転速度が90rpm以上339rpm未満の領域)では、2つの駆動装置で得られるトルクは変わらなかったが、回転速度が339rpm以上となる高速領域では、本発明の駆動装置10を用いることにより、従来の駆動装置を用いる場合よりも大きなトルクを得られることが確認できた。
As shown in FIG. 19, in a low speed region (for example, a region where the rotation speed is greater than 0 rpm and less than 90 rpm) and a medium speed region (for example, a region where the rotation speed is 90 rpm or more and less than 339 rpm), it is obtained with two driving devices. Although the torque did not change, it was confirmed that, in the high speed region where the rotational speed is 339 rpm or more, it is possible to obtain a larger torque than when the conventional driving device is used by using the
実施例3として、前述した第1の実施形態に係る本発明の出力段チョッパ型の駆動装置10と、中速領域及び高速領域において4相励磁パターンのみでステッピングモータをフルステップ駆動させる従来の駆動装置とを、定格電流が2.8A/相の同じステッピングモータ(小インダクタンスタイプ)に適用した場合に得られるトルク特性を比較した。
As Example 3, the output stage chopper
図20に、本発明の駆動装置10を用いて得られるステッピングモータのトルク特性(実線)と、従来の駆動装置を用いて得られるステッピングモータのトルク特性(点線)とを重ねたグラフを示す。この場合、従来の駆動装置ではステッピングモータに2.8A/相の励磁電流を出力した場合に得られるトルク特性を示しているのに対し、本発明の駆動装置10では、励磁電流の出力を2.4A/相と低く設定した場合に得られるトルク特性を示している。
FIG. 20 shows a graph in which the torque characteristics (solid line) of the stepping motor obtained using the driving
図20に示したように、出力する電流の大きさの違いから、回転速度が600rpmより小さい低速領域や中速領域では、従来の駆動装置の方が本発明の駆動装置10よりも大きなトルクが得られている。一方、回転速度が600rpmよりも大きくなると、本発明の駆動装置10を用いることにより、ステッピングモータの定格電流よりも0.4A/相少ない電流の設定であっても、定格電流を出力する従来の駆動装置よりも大きなトルクを得られることが確認できた。すなわち、本発明の駆動装置10によれば、出力する励磁電流が少なくても大きなトルクが得られることが確認された。
As shown in FIG. 20, due to the difference in the magnitude of the output current, in the low speed region and the medium speed region where the rotational speed is less than 600 rpm, the conventional drive device has a larger torque than the
実施例4として、前述した第2の実施形態に係る本発明のDV型の駆動装置20(図17を参照)と、中速領域及び高速領域において4相励磁パターンのみでステッピングモータをフルステップ駆動させる従来の駆動装置とを、定格電流が1.4A/相のステッピングモータ(中インダクタンスタイプ)に適用した場合に得られるステッピングモータのトルク特性を比較した。 As Example 4, the DV-type drive device 20 (see FIG. 17) of the present invention according to the second embodiment described above and the stepping motor is driven in a full step with only the four-phase excitation pattern in the medium speed region and the high speed region. The torque characteristics of the stepping motor obtained when the conventional driving device is applied to a stepping motor having a rated current of 1.4 A / phase (medium inductance type) were compared.
図21に、本発明の駆動装置20を用いて得られるステッピングモータのトルク特性(実線)と、従来の駆動装置を用いて得られるステッピングモータのトルク特性(点線)とを重ねたグラフを示す。
FIG. 21 shows a graph in which the torque characteristics (solid line) of the stepping motor obtained using the
図21に示したように、本発明の駆動装置20と従来の駆動装置とでは、実施例1や実施例2の場合と同様に、低速領域や中速領域で得られるトルクは変わらなかったものの、高速領域では、本発明の駆動装置20を用いることにより、従来の駆動装置を用いる場合よりも大きなトルクを得られることが確認できた。
As shown in FIG. 21, in the driving
1 ステッピングモータ
1a〜1e 励磁コイル
10 駆動装置
11 第1高速用励磁シーケンス
12 第2高速用励磁シーケンス
13 第3高速用励磁シーケンス
14 第4高速用励磁シーケンス
15 第5高速用励磁シーケンス
16 第6高速用励磁シーケンス
20 駆動装置
30 励磁パターン出力部
31 電気角位置管理部(アドレスカウンタ)
32 モータ回転速度管理部(速度計測カウンタ)
33 励磁周期カウンタ部
34 励磁パターン記憶部(メモリ)
35 励磁パターン選択部
36 励磁/非励磁処理部
37 電流飽和判定部
40 スイッチング部(出力段)
41 パワー素子駆動回路
50 モータ電流制御部
51 PWM定電流コントロール回路
60 励磁パターン出力部
61 電気角位置管理部
62 モータ回転速度管理部
63 励磁周期カウンタ部
64 励磁パターン記憶部(メモリ)
65 励磁パターン選択部
67 電流飽和判定部
70 モータ電流制御部
71 PWM定電流コントロール回路
72 パワー素子駆動回路
73 A/D変換器
A,a 励磁コイルに流れる励磁電流の方向
B,b 励磁コイルに流れる励磁電流の方向
C,c 励磁コイルに流れる励磁電流の方向
D,d 励磁コイルに流れる励磁電流の方向
E,e 励磁コイルに流れる励磁電流の方向
CWP,CCWP 指令パルス
C1 コンデンサ
C2a 第1コンデンサ
C2b 第2コンデンサ
D1〜D11 ダイオード
L2 チョークコイル
OUT1〜OUT5 出力端子
PS1,PS2 電源
R1 電流検出抵抗
R2a 第1電流検出抵抗
R2b 第2電流検出抵抗
T 単位励磁周期
TR1〜TR11 スイッチング素子(パワー素子)
VA,Va トルクベクトル
VB,Vb トルクベクトル
VC,Vc トルクベクトル
VD,Vd トルクベクトル
VE,Ve トルクベクトル
DESCRIPTION OF
32 Motor rotation speed management part (speed measurement counter)
33 Excitation
35 Excitation
41 Power
65 Excitation
VA, Va Torque vector VB, Vb Torque vector VC, Vc Torque vector VD, Vd Torque vector VE, Ve Torque vector
Claims (11)
前記励磁パターン記憶部に、前記励磁相の合成インピーダンスが4相励磁の励磁パターンよりも低い2相励磁の励磁パターンと、その他の多相励磁の励磁パターンとを組み合わせて設定される複数の高速用励磁シーケンスが記憶されており、
前記励磁パターン選択部は、前記モータ回転管理部で管理する前記回転速度が、前記ステッピングモータに流れる電流が飽和する電流飽和回転速度よりも速い所定の高速判定速度以上となる高速領域のときに、前記電気角位置に対応する前記高速用励磁シーケンスを選択するように予め設定されてなる、
ことを特徴とするステッピングモータ用駆動装置。 A stepping motor drive device that switches the excitation phase of an HB type five-phase stepping motor, in which five excitation coils are connected in a ring, by inputting a command pulse, and step-drives the stepping motor, counting the command pulse A motor rotation management unit for managing the electrical angle position and rotation speed of the stepping motor, an excitation pattern storage unit for storing an excitation sequence having a plurality of excitation patterns, and an electrical angle position managed by the motor rotation management unit And an excitation pattern selection unit that selects the corresponding excitation sequence based on the rotation speed from the excitation pattern storage unit, and a plurality of switching elements, and the excitation pattern of the excitation sequence selected by the excitation pattern selection unit By controlling ON / OFF of each switching element according to The drive device for a stepping motor and a switching unit for switching the excitation phase of said stepping motor,
A plurality of high-speed excitations that are set in the excitation pattern storage unit in combination with an excitation pattern of two-phase excitation in which the synthetic impedance of the excitation phase is lower than an excitation pattern of four-phase excitation and other multi-phase excitation excitation patterns Excitation sequence is stored,
The excitation pattern selection unit is a high-speed region in which the rotation speed managed by the motor rotation management unit is equal to or higher than a predetermined high-speed determination speed faster than a current saturation rotation speed at which a current flowing through the stepping motor is saturated. Pre-set to select the high-speed excitation sequence corresponding to the electrical angle position,
A driving device for a stepping motor.
前記励磁パターン選択部は、前記回転速度が、前記電流飽和回転速度よりも遅い所定の中速判定速度以上で、前記高速判定速度未満となる中速領域のときに、前記電気角位置に対応する前記中速用励磁シーケンスを選択するように予め設定されてなる、
請求項1記載のステッピングモータ用駆動装置。 A plurality of medium-speed excitation sequences having only four-phase excitation excitation patterns are stored in the excitation pattern storage unit,
The excitation pattern selection unit corresponds to the electrical angle position when the rotation speed is a medium speed region that is equal to or higher than a predetermined medium speed determination speed that is lower than the current saturation rotation speed and less than the high speed determination speed. Pre-set to select the medium speed excitation sequence,
The stepping motor drive device according to claim 1.
前記励磁パターン選択部は、前記回転速度に基づいて前記高速シーケンス群から対応する前記高速用励磁シーケンスを選択するように予め設定されてなる、
請求項1〜3のいずれかに記載のステッピングモータ用駆動装置。 A high-speed sequence group having a plurality of high-speed excitation sequences corresponding to each rotation speed range of the high-speed region is stored in the excitation pattern storage unit,
The excitation pattern selection unit is preset to select the corresponding high-speed excitation sequence from the high-speed sequence group based on the rotation speed.
The drive device for stepping motors in any one of Claims 1-3.
前記励磁パターン記憶部に、前記電流飽和回転速度の速度範囲に対応する複数の前記高速シーケンス群が予め記憶されており、
前記励磁パターン選択部は、複数の前記高速シーケンス群から、検出された前記電流飽和回転速度に対応する1つの前記高速シーケンス群を選択するように予め設定されてなる、
請求項3〜6のいずれかに記載のステッピングモータ用駆動装置。 A current saturation determination unit that determines that the current flowing through the stepping motor is saturated and detects the current saturation rotation speed;
In the excitation pattern storage unit, a plurality of the high-speed sequence groups corresponding to the speed range of the current saturation rotation speed are stored in advance,
The excitation pattern selection unit is preset to select one high-speed sequence group corresponding to the detected current saturation rotation speed from a plurality of high-speed sequence groups.
The stepping motor drive device according to any one of claims 3 to 6.
前記励磁相の合成インピーダンスが4相励磁の励磁パターンよりも低い2相励磁の励磁パターンと、その他の多相励磁の励磁パターンとを組み合わせて設定される複数の高速用励磁シーケンスを、励磁パターン記憶部に予め記憶させておくこと、及び
前記モータ回転管理部で管理する前記回転速度が、前記ステッピングモータに流れる電流が飽和する電流飽和回転速度よりも速い所定の高速判定速度以上となる高速領域のときに、前記電気角位置に対応する前記高速用励磁シーケンスを選択すること、
を含んでなることを特徴とするステッピングモータの駆動方法。 A stepping motor driving method in which the excitation phase of an HB type five-phase stepping motor in which five excitation coils are connected in a ring shape is switched by inputting a command pulse, and the stepping motor is step-driven.
A plurality of high-speed excitation sequences set by combining two-phase excitation excitation patterns whose combined impedance of excitation phases is lower than that of four-phase excitation and other multi-phase excitation excitation patterns are stored as excitation patterns. In a high-speed region in which the rotation speed managed by the motor rotation management unit is equal to or higher than a predetermined high-speed determination speed faster than a current saturation rotation speed at which a current flowing in the stepping motor is saturated. Sometimes selecting the high-speed excitation sequence corresponding to the electrical angle position,
A stepping motor driving method comprising:
前記回転速度が、前記電流飽和回転速度よりも遅い所定の中速判定速度以上で、前記高速判定速度未満となる中速領域のときに、前記電気角位置に対応する前記中速用励磁シーケンスを選択すること、
を含んでなる請求項8記載のステッピングモータの駆動方法。 Storing a plurality of medium speed excitation sequences having only four-phase excitation excitation patterns in the excitation pattern storage unit; and
The medium speed excitation sequence corresponding to the electrical angle position when the rotation speed is a medium speed region that is equal to or higher than a predetermined medium speed determination speed that is lower than the current saturation rotation speed and less than the high speed determination speed. To choose,
The stepping motor drive method according to claim 8, comprising:
前記高速領域のときに、前記回転速度に基づいて前記高速シーケンス群から対応する前記高速用励磁シーケンスを選択すること、
を含んでなる請求項8又は9記載のステッピングモータの駆動方法。 Storing in advance in the excitation pattern storage unit a high-speed sequence group having a plurality of high-speed excitation sequences corresponding to each rotation speed range of the high-speed region; and
Selecting the corresponding high-speed excitation sequence from the high-speed sequence group based on the rotation speed in the high-speed region;
A stepping motor drive method according to claim 8 or 9, comprising:
前記ステッピングモータに流れる電流が飽和したことを判定して前記電流飽和回転速度を検出すること、及び、
複数の前記高速シーケンス群から、検出した前記電流飽和回転速度に対応する1つの前記高速シーケンス群を選択すること、
を含んでなる請求項10記載のステッピングモータの駆動方法。 A plurality of the high-speed sequence groups corresponding to the speed range of the current saturation rotation speed are stored in advance in the excitation pattern storage unit;
Determining that the current flowing through the stepping motor is saturated and detecting the current saturation rotation speed; and
Selecting one high-speed sequence group corresponding to the detected current saturation rotational speed from a plurality of the high-speed sequence groups;
The stepping motor drive method according to claim 10 comprising:
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