JP2577282B2 - Ｎ相パルスモータの相補励磁駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明方法は、Ｎ相パルスモータ
の環状結線における２以上の多分割駆動の新規な制御方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルスモータはステッピングモータある
いは階動電動機とも称され、基本的にパルスの入力毎に
ステップ駆動されるものである。パルスモータには３相
機〜８相機というように多種類の機種が目的に応じて使
用されているが、例えばその内の５相パルスモータにあ
っては、４相又は５相駆動によるフルステップ駆動方式
並びにこれを改良した４−５相駆動によるハーフステッ
プ駆動方式が従来から知られていた。

【０００３】前記４相乃至５相フルステップ駆動では、
ステップ角度が粗く、ロータの回転が滑らかでないとい
う欠点があり、パルスモータを搭載した機器の性能がさ
ほど高くなかった時点では余り問題とされていなかった
が、機器の性能向上と共にこの問題はパルスモータ特有
の欠点となっていた。

【０００４】そこで、発明者らは、特開昭６１-１８５
０５６号を呈示して、５相パルスモータによる、より回
転の滑らかなハーフステップ駆動方式を提案した。即ち
これによれば、２個１組の出力段トランジスタ(Tr₁)(Tr
₂)…(Tr₉)(Tr₁₀)を直列接続すると共に５組の出力段ト
ランジスタを並列接続して駆動回路を形成し、ペンタゴ
ン結線せる５相パルスモータの巻き線(A)〜(E)の結線部
と各組の出力段トランジスタ(Tr₁)(Tr₂)…(Tr₉)(Tr₁₀)
の接続部とを接続し、巻き線を順次Ａ乃至Ｅ相とし、４
相励磁の次にペンタゴン結線の結線部にそれぞれ接続せ
る１組の出力段トランジスタを順次オフにすることによ
り、ペンタゴン結線のいずれか１つの結線部を順次ハイ
インピーダンスにして５相励磁を行うという４相励磁と
５相励磁とを交互に繰り返す駆動方式で、これによれ
ば、ペンタゴン結線方式であるにも拘わらず、従来不可
能とされていた４−５相励磁駆動によるハーフステップ
駆動を行う事ができて、パルスモータのロータの回転を
より滑らかにする事ができたが、この方式では１ステッ
プをより細かく分割して駆動するマイクロステップ駆動
を行う事ができず、回転特性に限界があった。

【０００５】上記最初の２例は、いずれも４相乃至５相
励磁によるフルステップ駆動であってステップ角が大き
く、１ステップのステッピング動作が粗いというパルス
モータ特有の問題があり、それを改善したのが第３従来
例の４−５相励磁によるハーフステップ駆動であるが、
これとても現在の機器性能からすれば不満であって、最
近に至っては、機器性能の一層の向上と共にほとんど同
一の回路構成でありながら、従来のフルステップ駆動は
もとより、ハーフステップ駆動よりももっと滑らかな駆
動方式が提供される事が望まれていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、新たにマイク
ロステップ駆動という方法が導入された。この方法は、
ロータを基本ステップ角内の移動において、１つの相の
巻線に流れている電流を漸次隣の相の巻線に移して行
き、基本ステップ角の移動が完了した時点で隣の相の巻
線に全電流が移って行くように制御するものである。こ
のようなマイクロステップ駆動において、１つの相の流
れる電流をＩ _Ａ 、隣の巻線に流れる電流をＩ _Ｂ とする
と、Ｉ _Ａ ＋Ｉ _Ｂ ＝Ｉ _０ なる条件を保ちながらＩ _Ｂ を次第
に増加していき、基本ステップ角単位の移動の終点では
Ｉ _Ａ ＝０、Ｉ _Ｂ ＝Ｉ _０ となるように電流を制御する。し
かしながらこの方法では、次のような問題点がある。す
なわち、パルスモータのロータ及びステータのピッチに
は機械的な誤差があり、またステータの巻線にも微小な
誤差があり、その結果、図６に示すようなロータの停止
位置のバラツキがある。（理想状態の停止位置を図中黒
丸で示す。黒丸は直線上に位置する事になる。）いま、
基本ステップ角を電流制御によりＮ等分したマイクロス
テップ駆動を行と０→１の場合では、Ｉ _Ａ ＋Ｉ _Ｂ ＝Ｉ _０
の励磁電流制御が行われ、１→２ではＩ _Ｂ ＋Ｉ _Ｃ ＝Ｉ _０
の励磁電流制御が行われ、２→３ではＩ _Ｃ ＋Ｉ _Ｄ ＝Ｉ _０
の励磁電流制御が行われる。以下同様。ここで重要なの
は、励磁電流制御では、０→１、１→２、３→４…と変
化する過程で、現実の前停止位置（Ｑ）と理想状態での
次停止位置（Ｐ）とを結ぶ直線をＮ等分とした位置（図
中黒三角印で示す）を通過していくが、最後の（ｎ−
１）／ｎから基本ステップ角の移動完了位置に移動する
ときに、ロータは理想位置（ｐ）に停止せす、バラツキ
のある現実の停止位置（Ｑ）に停止する事になる。換言
すれば、基本ステップ角の移動開始位置から（ｎ−１）
／ｎ迄は励磁電流制御のために等間隔で移動し、最後の
（ｎ−１）／ｎから基本ステップ角の移動完了位置迄の
移動時に移動角度が変化する事になる（図中、変化部分
と表示している範囲）。この変化は、ロータの滑らかな
回転を阻害する原因となるものである。その原因は、制
御電流が『Ｉ _Ａ ＋Ｉ _Ｂ ＝Ｉ _０ 』→『Ｉ _Ｂ ＋Ｉ _Ｃ ＝１ _０ 』
へ変化する場合に、前記誤差によって厳密に『Ｉ _Ａ ＝Ｉ
_Ｃ 』とならず、『Ｉ _０ 』が制御によって一定であるため
にこれを受けて『Ｉ _Ｂ 』も微妙に変化するためである。
本発明では、従来、パルスモータに適用されていた簡単
な回路構成をそのまま使用してマイクロステップ駆動さ
せる場合において、従来例の欠点である回転の滑らかさ
を阻害する要因を無くすことができる適用範囲の非常に
広いＮ相パルスモータの相補励磁駆動方法を提供する事
をその解決課題とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を達成するため
に本発明の第１法は、請求項１に示すように３相以上の
奇数相パルスモータをＮ相の相補励磁によってＮ相励磁
駆動する方法で、 ３相以上の奇数相パルスモータの
各相巻線(A)…を、その始端及び終端を順次に接続して
環状に結線し、 これらの相の接続点に各別にスイッ
チング手段(Tr₁)…を接続し、 前記スイッチング手
段(Tr₁)…により、環状結線を構成する励磁相の１つの
接続点がいずれの極にも接続されない無接続状態に保持
されると共に他の接続点は交互に正極と負極に接続され
てＮ相励磁を行うＮ相パルスモータの駆動方法におい
て、 前記無接続点を正極又は負極のいずれかに接続
し、 前記無接続点に隣接した接続点の１つを無接続
点に切り替えて励磁パターンを順次切り替えて行くよう
に制御すると共に、 前励磁パターンから次励磁パタ
ーンに切り替える迄の中間段階では、前励磁パターンと
次励磁パターンとを繰り返すようにスイッチング手段に
て制御する事を特徴とするものである。

【０００８】又、本発明の第２方法は、請求項２に示す
ように、Ｎ相パルスモータを(N-1)相の相補励磁によっ
て駆動する方法で、 ３相以上の奇数相パルスモータ
の各相巻線を、その始端及び終端を順次に接続して環状
に結線し、 これらの相の接続点に各別にスイッチン
グ手段を接続し、 前記スイッチング手段により、環
状結線を構成する１つの励磁相の両端を同極に接続する
と共に残る励磁相の両端の接続点を互いに異極に接続し
て(N-1)相の励磁を行うＮ相パルスモータの駆動方法に
おいて、 両端が同極に接続される励磁相が順次隣接
せる励磁相に移動して励磁パターンを切り替えて行くよ
うに制御すると共に、 前励磁パターンから次励磁パ
ターンに切り替える迄の中間段階では、前励磁パターン
と次励磁パターンとを繰り返すようにスイッチング手段
にて制御する事を特徴とするものである。

【０００９】又、本発明の第３方法は、請求項３に示す
ように、Ｎ相パルスモータを多分割駆動相補励磁によっ
て駆動する具体的方法で、 請求項１乃至請求項２に
記載のいずれかのＮ相パルスモータの相補励磁駆動方法
において、 前励磁パターンと次励磁パターンの励磁
効果時間比率に関して、前励磁パターンと次励磁パター
ンの励磁効果時間比率を順次変化させて前励磁パターン
から次励磁パターンに切り替える迄の中間段階を２以上
の多分割に分割して制御することを特徴とするものであ
る。

【００１０】これにより、本発明は励磁電流制御でな
く、励磁パターンの切替による制御であるから、従来か
ら知られている簡単な回路構成であるにも拘わらず、従
来の簡単な回路構成を変更する事なく任意の分割数で極
めて滑らかなステップ駆動が出来る適用範囲の非常に広
い汎用性に富むパルスモータの相補励磁駆動方法を提供
する事ができた。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図示実施例に従って説明す
る。実施例では５相パルスモータを代表例として説明す
るが、勿論これに限られるものではない。図１はパルス
モータの巻き線(A)〜(E)をペンタゴン結線した例であ
る。出力段トランジスタ(Tr₁)乃至(Tr₁₀)は、(Tr₁)(T
r₂)、(Tr₃)(Tr₄)、(Tr₅)(Tr₆)、(Tr₇)(Tr₈)、(Tr₉)(Tr
₁₀)の５組に分けられ、２個１組にて直列接続され、こ
の５組が並列接続されて駆動回路を構成している。巻き
線(A)〜(E)の結線部はこの直列接続された１組の出力段
トランジスタ(Tr₁)(Tr₂)、(Tr₃)(Tr₄)、(Tr₅)(Tr₆)、(T
r₇)(Tr₈)、(Tr₉)(Tr₁₀)の接続部に接続されている。
(R₁)はセンス抵抗で、センス抵抗(R₁)を通過する励磁相
(A)〜(E)を通る電流の総和とその抵抗値とを掛けてセン
ス電圧を出力し、このセンス電圧と図示しない基準電圧
とを比較して励磁相(A)〜(E)を通る電流の総和が常に４
i₀となるようにするためのものである。(D₁)〜(D₁₀)は
出力段トランジスタ(Tr₁)〜(Tr₁₀)に並列接続されたダ
イオードである。

【００１２】以下、本発明の第１法であるペンタゴン結
線による５相相補励磁方式に付いて説明し、続いて第２
法である４相相補励磁方式に付いて説明する。

【００１３】図２,３のシーケンスはペンタゴン方式の
５相相補励磁による２以上の多分割駆動である。このシ
ーケンスから奇数のＮ相パルスモータによるＮ相相補励
磁を類推する事は容易である。

【００１４】まず、図２の励磁パターン変化を列記して
あるシーケンス表に従ってペンタゴン方式による５相相
補励磁による多分割駆動に付いて説明する。図中、正極
に接続されている接続点は(＋)を白丸で囲んだ印で表示
されており、負極に接続されている接続点は(−)を白丸
で囲んだ印で表示されており、無接続(一対のスイッチ
ング素子がいずれもオフ)となっている接続点は黒丸印
で表示されており、(／)で左右に分割され、その両側に
表示されている印は左側が前パターンを表し、右側が次
パターンを表し、スイッチング素子のスイッチング動作
により前パターンと次パターンとを繰り返している事を
意味している。尚、前記シーケンス表は(a)〜(e)までの
パターンを列記しそれ以降を省略したもので、それ以降
はシーケンスに従った単なる繰り返しであり、図３右側
のシーケンス表を参照すれば理解できる。

【００１５】図２(a)の状態では、ＢＣ相、ＤＥ相の接
続点が正極に接続され、ＡＢ相並びにＣＤ相の接続点が
負極に接続されており、ＡＥ相の接続点が無接続になっ
てＡＥ相が直列接続となっている。ＡＥ相の両端並びに
Ｂ,Ｃ,Ｄ相の両端はそれぞれ異極に接続され、これによ
り、５相総てが励磁されている。

【００１６】次に、パルスが入力すると図２(b)の状態
に励磁パターンが切替わるのであるが、図２(a)の状態
と同じくＢＣ相及びＤＥ相の接続点は正極に、ＣＤ相の
接続点は負極にそのまま接続される。この場合(／)の両
側の記号は同じ極性を表しているので、スイッチングは
行われない。

【００１７】一方、(a)パターンでは無接続であったＡ
Ｅ相の接続点に接続しているスイッチング素子(Tr₂)が
オフの状態からスイッチング状態に切替わり、同時にＡ
Ｂ相の接続点に接続しているスイッチング素子(Tr₄)が
負極に接続している状態からスイッチング状態に切替わ
る。従って、ＡＥ相の接続点では(／)の左側に黒丸が記
載され、右側に(−)を○で囲んだ印が記載されており、
ＡＢ相の接続点は逆に(／)の左側に(−)を○で囲んだ印
が記載され、右側に黒丸が記載されている。これは、同
じタイミングでスイッチング素子(Tr₂)(Tr₄)を交互にオ
ン・オフしている事を表している。これにより、ＡＥ相
とＡＢ相とが交互に直列接続になり、ＡＥ相の直列時に
は電流がＡＢ相の接続点に流れ込み、逆にＡＢ相が直列
の場合、ＡＥ相の接続点に電流が流れ込んで前記直列相
を励磁する。Ｃ,Ｄ相は図２(a)の場合と同様の状態で励
磁される。これにより、図２(b)の場合でもスイッチン
グ作用があるものの、５相による相補励磁が行なわれ
る。

【００１８】続いて、スイッチング素子(Tr₂)がスイッ
チング動作を止めて負極に接続し、スイッチング素子(T
r₄)もスイッチングを止めてオフ状態に切替わったもの
が、図２(c)のパターンである。ここではＡＢ相の接続
点が無接続になり、ＡＢ相が直列接続となっていて直列
相の両端の極性が異極であるためにＢＣ相の接続点から
ＡＥ相の接続点に電流が流れ込む。Ｃ,Ｄ相は依然同一
方向の電流が流れている。これにより、この場合も５相
励磁が行なわれる。

【００１９】ここで、スイッチング素子(Tr₂)のオンに
よる励磁パターン(c)の励磁効果でＡＢ相が励磁される
割合を(Ｘ)とすると、スイッチング素子(Tr₂)に対して
交互にオンとなるスイッチング素子(Tr₄)のオンによる
励磁パターン(a)の励磁効果でＡＥ相が励磁される割合
は(1-X)となる。

【００２０】よって、Ａ,Ｂ,Ｅ各相が励磁される割合
は、 Ｂ相＝Ｘ Ａ相＝Ｘ＋{−(１−Ｘ)}＝２Ｘ−１ 《何故ならば励磁パターン(a),(c)においてＡ相は逆方
向に励磁されるから》 Ｅ相＝(1-X)

【００２１】よって、Ｘ：（１−Ｘ）のパターン切替の
割合を例えば、１：１とした場合にはハーフステップと
する事ができ、パターン切替の割合を例えば、０：１
０．１：０．９ ０．２：０．８ ０．３：０．７
０．４：０．６ ０．５：０．５ ０．６：０．４
０．７：０．３ ０．８：０．２ ０．９：０．１
１．０：０と言うように入力パルスに応じて変化させる
事により、図２の（ａ）〜（ｃ）までを１０分割する事
が可能となる。勿論、ステップ数を更に細かくする事も
可能であるし、逆にステップ数を粗くする事も可能であ
る。即ち、パターン（ｂ）の段階を１０分割する場合、
１０パルスの信号が順次入力するが、その０／１０段目
の部分は、ＡＥ相の直列状態による前励磁パターン：Ａ
Ｂ相の直列状態による次励磁パターン＝１：０であり、
次の１／１０段目ではこれが（０．９：０．１）とな
り、………１０／１０段目では、（０：１）になる。こ
れにより、パターン（ｂ）においてパターン（ａ）から
パターン（ｃ）に移る段階が１０等分されてロータが円
滑に回転する事になる。このようにパターン（ｂ）にお
けるパターン（ａ）から（ｃ）への多分割駆動による変
化は、Ｅ相の励磁効果を徐々に短くし、Ｂ相の励磁効果
を長くして行く事によって得られる。

【００２２】以下、同様でシーケンス図に従って駆動さ
れる事になる。次に、前記パターン切替による作用を図
６に従って更に詳述する。従来例で述べたように、パル
スモータのロータ及びステータのピッチには機械的な誤
差があり、またステータの巻線にも微小な誤差がある。
従って、理想状態の停止位置に対してロータの停止位置
のバラツキがある。パターン切り替えによるマイクロス
テップ制御では、従来例のような電流制御でなく、パタ
ーン切替による制御であるから、バラツキのある現実の
前停止位置（Ｑ１）から次停止位置（Ｑ２）迄のステッ
プ角をＮ等分して制御する事になる。（Ｑ２）→（Ｑ
３）以降も同様。換言すれば、励磁相に流れる電流量に
関係なくパターンが所定の割合で現出するように制御さ
れる事になる。その結果、図６で示す現実の停止位置
（Ｑ）を結ぶ直線上の白丸印上をロータが移動する事に
なる。その結果、従来のように（ｎ−１）／ｎ→ｎに移
動する際のような大きな移動が発生せず、極めて滑らか
なロータの回転が現出される事になる。ここでは、５相
パルスモータによる５相多分割駆動に付いて説明した
が、勿論これに限られず、３相以上の奇数相数のＮ相パ
ルスモータに付いて適用する事ができる。

【００２３】次に、５相パルスモータによる４相相補励
磁による多分割駆動に付いて説明する。ここでは前述の
５相相補励磁の場合と相違する点のみを説明するに留ど
める。 図５右側のシーケンス表において、ステップ０
では、出力段トランジスタ(Tr₁)(Tr₄)(Tr₅)(Tr₈)(Tr₉)
がオン状態で、Ｅ相の両端の接続点が正極に接続されて
おり、他の４つの相に付いては互いに異極に接続されて
励磁されている。この励磁パターンは、図４(a)の４相
励磁状態である。

【００２４】次にパルスが入力すると、図４(b)の状態
に切替わり、正極に接続されたＡＥ相の接続点に接続さ
れたスイッチング素子(Tr₁)(Tr₂)が交互にスイッチング
動作を行い、正極と負極とに交互に接続されるようにな
る。これによりＡ相とＥ相には電流が流れる。

【００２５】一方、Ｂ,Ｃ,Ｄ相は図４(a)と同じ状態で
電流が流れ、図４(b)のスイッチング時でもＡ,Ｅ相は交
互に励磁されるために常時４相励磁状態が保たれる。

【００２６】ここで、スイッチング素子（Ｔｒ_１）（Ｔ
ｒ_２）のオンによる励磁効果の割合（即ち、パターン切
替の割合）を、前述のように細かく段階的に増減させて
行くと、Ａ相を流れる電流は次第に減少し、逆にＥ相に
流れる電流は増加して、パターン切替の割合が０．５：
０．５の処で等しくなり、これを越えた処でＡ相の電流
は０に向かって益々減少し、Ｅ相の電流は（ｉ_０）に向
かって増加していく。そして、最終的には図４の励磁パ
ターン（ｃ）の状態になる。ここで、パターン切替の割
合の変化に従ってロータの角度も段階的に図中の白丸に
沿って円滑に回転して行く。これにより前記場合では１
０分割による且つパターン切替による円滑な多分割駆動
が達成出来る。以下、同様でシーケンス図に従って駆動
される事になる。

【００２７】ここでは、５相パルスモータによる４相相
補励磁による多分割駆動に付いて説明したが、勿論これ
に限られず、上記シーケンスを類推する事により、パル
スモータが３相以上の奇数相の場合、(N-1)相相補励磁
による多分割駆動が達成出来る事が分かる。

【００２８】

【効果】本発明は叙上のような構成であるから、従来の
簡単な回路構成を変更する事なく、３相以上の奇数相数
のＮ相パルスモータをＮ相相補励磁並びに（Ｎ−１）相
相補励磁によって２以上の多分割駆動をパターン切替に
より円滑に行う事が出来るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に使用した駆動回路の回路図

【図２】本発明の第１法の５相パルスモータによる５相
相補励磁の励磁パターン図

【図３】本発明の第１法の５相パルスモータにおけるス
イッチング素子とこれに対応する５相相補励磁シーケン
ス表を記載した図面

【図４】本発明の第２法の５相パルスモータによる４相
相補励磁の励磁パターン図

【図５】本発明の第２法の５相パルスモータにおけるス
イッチング素子とこれに対応する４相相補励磁シーケン
ス表を記載した図面

【図６】本発明と従来とのマイクロステップ駆動の差を
示すグラフ

【図７】 従来例の５相パルスモータによる４−５相励磁
のシーケンス表

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３相以上の奇数相パルスモータの
   各相巻線を、その始端及び終端を順次に接続して環状に
   結線し、これらの相の接続点に各別にスイッチング手段
   を接続し、前記スイッチング手段により、環状結線を構
   成する励磁相の１つの接続点がいずれの極にも接続され
   ない無接続状態に保持されると共に他の接続点は交互に
   正極と負極に接続されてＮ相励磁を行うＮ相パルスモー
   タの駆動方法において、 前記無接続点を正極又は負極のいずれかに接続し、前記
   無接続点に隣接した接続点の１つを無接続点に切り替え
   て励磁パターンを順次切り替えて行くように制御すると
   共に前励磁パターンから次励磁パターンに切り替える迄
   の中間段階では、前励磁パターンと次励磁パターンとを
   繰り返すようにスイッチング手段にて制御する事を特徴
   とするＮ相パルスモータの相補励磁駆動方法。
2. 【請求項２】 ３相以上の奇数相パルスモータの
   各相巻線を、その始端及び終端を順次に接続して環状に
   結線し、これらの相の接続点に各別にスイッチング手段
   を接続し、前記スイッチング手段により、環状結線を構
   成する１つの励磁相の両端を同極に接続すると共に残る
   励磁相の両端の接続点を互いに異極に接続して(N-1)相
   の励磁を行うＮ相パルスモータの駆動方法において、 両端が同極に接続される励磁相が順次隣接せる励磁相に
   移動して励磁パターンを切り替えて行くように制御する
   と共に前励磁パターンから次励磁パターンに切り替える
   迄の中間段階では、前励磁パターンと次励磁パターンと
   を繰り返すようにスイッチング手段にて制御する事を特
   徴とするＮ相パルスモータの相補励磁駆動方法。
3. 【請求項３】 請求項１乃至請求項２に記載のい
   ずれかのＮ相パルスモータの相補励磁駆動方法におい
   て、前励磁パターンと次励磁パターンの励磁効果時間比
   率に関して、前励磁パターンと次励磁パターンの励磁効
   果時間比率を順次変化させて前励磁パターンから次励磁
   パターンに切り替える迄の中間段階を２以上の多分割に
   分割して制御することを特徴とするＮ相パルスモータの
   相補励磁駆動方法。