JP3089025B2 - Control method and control device for stepping motor - Google Patents
Control method and control device for stepping motorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、入力パルス信号によって、１ステップづつ
回転あるいは移動するステッピングモータに用いられる
制御方法および制御装置に関するものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control method and a control device used for a stepping motor that rotates or moves by one step according to an input pulse signal.
（従来の技術） ステッピングモータは、永久磁石付きのロータを囲ん
で通常２〜５相の電磁石の磁極を持ち、励磁する磁極を
順次切換えることにより駆動される。そして励磁極の切
換えを停止することによりモータはその位置に保持され
るものである。このためこのモータにおいては、回転角
（リニアモータの場合は移動距離、以下同様）は励磁相
の切換え回数に比例する。(Prior Art) A stepping motor has magnetic poles of usually two to five-phase electromagnets surrounding a rotor with a permanent magnet, and is driven by sequentially switching magnetic poles to be excited. By stopping the switching of the excitation pole, the motor is held at that position. Therefore, in this motor, the rotation angle (moving distance in the case of a linear motor, the same applies hereinafter) is proportional to the number of times of switching of the excitation phase.
このモータの制御方法としては、定電圧励磁方式と、
定電流励磁方式とがある。The control method of this motor includes a constant voltage excitation method,
There is a constant current excitation method.
定電圧励磁方式は、コイルの励磁時に励磁電圧を定格
電圧にし、無励磁時にはこの励磁電圧を０にするもので
ある。しかしこの方式は高速運転時にコイルの励磁時間
が短くなるにつれてコイルのインダクタンスのために励
磁電流が減少し、トルクが減少するという問題がある。In the constant voltage excitation method, the excitation voltage is set to a rated voltage when the coil is excited, and the excitation voltage is set to 0 when the coil is not excited. However, this method has a problem in that the exciting current decreases due to the inductance of the coil and the torque decreases as the exciting time of the coil becomes shorter during high-speed operation.
定電流励磁方式は励磁電流を一定に保持するものであ
り、高速運転時のトルクを大きく確保できる利点を有す
るが、反面低速運転時に１ステップ毎の回転速度（移動
速度）の変化が過大になり、回転（移動）に伴う脈動が
大きく振動が増加するという問題が生じる。The constant current excitation method maintains the excitation current constant, and has the advantage that a large torque can be secured during high-speed operation. However, the change in the rotation speed (moving speed) for each step becomes excessive during low-speed operation. However, there is a problem that pulsation accompanying rotation (movement) is large and vibration increases.
またこれら従来の方式では、入力パルス信号の周波数
を周波数・電圧変換回路（Ｆ−Ｖ変換回路）で検出し、
この回路が出力する周波数に対応する電圧によって励磁
電圧（定電圧励磁方式の場合）や励磁電流（定電流励磁
方式の場合）を設定していた。ここに周波数・電圧変換
回路は、積分回路を用いるものであるため、入力パルス
信号の周波数変化に対するモータ回転速度変化の応答性
が悪いという問題もあった。In these conventional systems, the frequency of the input pulse signal is detected by a frequency / voltage conversion circuit (FV conversion circuit),
The excitation voltage (in the case of the constant voltage excitation method) and the excitation current (in the case of the constant current excitation method) are set by the voltage corresponding to the frequency output from this circuit. Here, since the frequency / voltage conversion circuit uses an integrating circuit, there is a problem that the response of the motor rotation speed change to the frequency change of the input pulse signal is poor.
（発明の目的） 本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、
高速運転時のトルクを大きくすると共に、低速運転時に
おける振動の発生を抑制し滑らかな低速運転を可能に
し、また入力パルス信号に対する速度変化の応答性を向
上させることができる。ステッピングモータの制御方法
を提供することを第１の目的とする。、 またこの方法の実施に直接用いる制御装置を提供する
ことを他の目的とする。(Object of the Invention) The present invention has been made in view of such circumstances,
It is possible to increase the torque at the time of high-speed operation, suppress the generation of vibration at the time of low-speed operation, enable smooth low-speed operation, and improve the response of a speed change to an input pulse signal. A first object is to provide a control method of a stepping motor. It is another object of the present invention to provide a control device directly used for performing the method.
（発明の構成） 本発明によればこの第１の目的は、入力パルス信号に
同期して励磁相を切換えて駆動するステッピングモータ
の制御方法において、前記入力パルス信号に同期して出
力される鋸歯状波にほぼ反比例して時間と共に電圧が減
少する台形波を形成し、この台形波の最低電圧を前記入
力パルス信号に同期してホールドすることにより印加電
圧信号を形成し、この印加電圧信号の増減に対応してス
テッピングモータの駆動電圧のデューティ比をパルス幅
制御方式によって増減することを特徴とするステッピン
グモータの制御方法、により達成される。(Constitution of the Invention) According to the present invention, a first object of the present invention is to provide a method for controlling a stepping motor that drives by switching an excitation phase in synchronization with an input pulse signal, and a saw tooth output in synchronization with the input pulse signal. A trapezoidal wave whose voltage decreases with time in inverse proportion to the shape of the trapezoidal wave is formed, and an applied voltage signal is formed by holding the lowest voltage of the trapezoidal wave in synchronization with the input pulse signal. A stepping motor control method characterized in that the duty ratio of the drive voltage of the stepping motor is increased or decreased by a pulse width control method in response to the increase or decrease.
また第２の目的は、入力パルス信号に同期して励磁相
を切換えてステッピングモータを駆動するステッピング
モータの制御装置において、前記入力パルス信号に同期
して鋸歯状波を出力する鋸歯状波発生回路と、前記鋸歯
状波の電圧にほぼ反比例して時間と共に電圧が減少する
台形波を出力するアナログ乗算器と、この台形波の最低
電圧を前記入力パルス信号に同期してホールドすること
により印加電圧信号を出力するサンプルホールド回路
と、この印加電圧信号の増減に対応してデューティ比が
増減する駆動電圧を出力するパルス幅変調回路と、この
駆動電圧をステッピングモータに同期して所定の相に分
配するスイッチング回路とを備えることを特徴とするス
テッピングモータの制御装置、により達成される。A second object of the present invention is to provide a stepping motor control device for driving a stepping motor by switching an excitation phase in synchronization with an input pulse signal, and a sawtooth wave generating circuit for outputting a sawtooth wave in synchronization with the input pulse signal. An analog multiplier that outputs a trapezoidal wave whose voltage decreases with time substantially in inverse proportion to the voltage of the sawtooth wave, and an applied voltage by holding the lowest voltage of the trapezoidal wave in synchronization with the input pulse signal. A sample-and-hold circuit that outputs a signal, a pulse width modulation circuit that outputs a drive voltage whose duty ratio increases or decreases in response to an increase or decrease in the applied voltage signal, and distributes the drive voltage to a predetermined phase in synchronization with the stepping motor And a switching circuit for controlling the stepping motor.
（作用） モータの速度を高くする時には、入力パルス信号の周
波数が高くなり連続する入力パルス信号の周期が短くな
るため、これに対応してステッピングモータの駆動電圧
も増加する。このため高速時の短い励磁時間内にもコイ
ルのインダクタンスに対向して十分な励磁電流が流れ
る。この結果定電圧励磁方式に比べ、高速時のトルクは
確保される。(Operation) When the speed of the motor is increased, the frequency of the input pulse signal is increased and the period of the continuous input pulse signal is shortened. Accordingly, the drive voltage of the stepping motor is correspondingly increased. For this reason, a sufficient exciting current flows in opposition to the inductance of the coil even within a short exciting time at a high speed. As a result, the torque at the time of high speed is secured as compared with the constant voltage excitation method.
モータ速度が低くなると入力パルス信号の周波数が減
少し、連続する入力パルス信号の周期が長くなる。この
ためモータの駆動電圧が減少し、時間当りの励磁電流の
変化が減少する。従って低速時の１ステップ角（１ステ
ップ距離）間の回転（移動）速度の変化が低下し、定電
流励磁方式と比べて運転に伴う脈動が少なくなり振動が
小さくなる。As the motor speed decreases, the frequency of the input pulse signal decreases, and the period of the continuous input pulse signal increases. For this reason, the drive voltage of the motor decreases, and the change in the exciting current per unit time decreases. Therefore, the change in the rotation (movement) speed during one step angle (one step distance) at low speed is reduced, and the pulsation accompanying the operation is reduced and the vibration is reduced as compared with the constant current excitation method.
また入力パルス信号に同期して出力される鋸歯状波に
ほぼ反比例して時間と共に電圧が減少する台形波を形成
し、この台形波の最低電圧を入力パルス信号に同期して
ホールドすることにより印加電圧信号を形成し、モータ
の駆動電圧をパルス幅制御する際のデューティ比をこの
印加電圧信号に基づいて設定するから、入力パルス信号
による指令速度変化に対するモータ速度の応答性が極め
て高くなる。従って例えばモータの停止状態から加速す
る場合に、最初の入力パルス信号とその次の（２番目
の）入力パルス信号との間の時間幅（周期）によって瞬
時にモータに印加すべき電圧（駆動電圧）が算出され
る。この結果速やかな加速が可能になる。In addition, a trapezoidal wave whose voltage decreases with time almost in inverse proportion to the sawtooth wave output in synchronization with the input pulse signal is formed, and the lowest voltage of this trapezoidal wave is applied by holding in synchronization with the input pulse signal. Since the voltage signal is formed, and the duty ratio for controlling the pulse width of the drive voltage of the motor is set based on the applied voltage signal, the responsiveness of the motor speed to the change in the command speed by the input pulse signal is extremely high. Therefore, for example, when accelerating from a stopped state of the motor, the voltage (drive voltage) to be instantaneously applied to the motor is determined by the time width (period) between the first input pulse signal and the next (second) input pulse signal. ) Is calculated. As a result, quick acceleration becomes possible.
（実施例） 第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図はそ
の各部の出力波形図、第3A〜Ｃ図は速度による印加電圧
信号υの変化の説明図、第4A〜Ｃ図はこれらに対応する
励磁電圧の変化を示す図である。(Embodiment) FIG. 1 is a block diagram of one embodiment of the present invention, FIG. 2 is an output waveform diagram of each part thereof, FIGS. 3A to 3C are explanatory diagrams of a change in an applied voltage signal に よ る with speed, and FIGS. FIG. C is a diagram showing a change in the excitation voltage corresponding to these.
第１図において符号10はステッピングモータであり、
永久磁石付きのロータ10aと、これを囲む複数の励磁コ
イル10bとを有する。12は励磁相切換回路であり、回転
（移動）速度を指令する入力パルス信号ａ、正逆転指令
信号ｂ、ロータ10aの回転角度（移動距離）を示すステ
ップ切換信号ｃに基づいて相信号ｄを出力する。この相
信号ｄに基づいてスイッチング回路14は後記するように
して決められた駆動電圧Ｖを所定のコイルに順番に印加
する。In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a stepping motor,
It has a rotor 10a with a permanent magnet and a plurality of excitation coils 10b surrounding the rotor 10a. Reference numeral 12 denotes an excitation phase switching circuit, which generates a phase signal d based on an input pulse signal a for commanding a rotation (movement) speed, a forward / reverse rotation command signal b, and a step switching signal c indicating a rotation angle (movement distance) of the rotor 10a. Output. On the basis of the phase signal d, the switching circuit 14 sequentially applies a drive voltage V determined as described later to a predetermined coil.
この駆動電圧Ｖは入力パルス信号ａの周波数の増減に
対応して増減するように決められる。入力パルス信号ａ
は第2A図に示す矩形波であり、指令する回転速度（移動
速度）の増減に対応してその周波数が増減する。The drive voltage V is determined so as to increase or decrease according to the increase or decrease of the frequency of the input pulse signal a. Input pulse signal a
Is a rectangular wave shown in FIG. 2A, and its frequency increases or decreases in response to an increase or decrease in a commanded rotational speed (moving speed).
16は遅延回路であり、入力パルス信号ａが０（Ｌレベ
ル）になる度にコンデンサ16aを放電してインバータ16b
の出力を“1"（Ｈレベル）とし、入力パルス信号ａが１
になるとインバータ16bの出力を“0"にする。Reference numeral 16 denotes a delay circuit which discharges the capacitor 16a every time the input pulse signal a becomes 0 (L level), and
Is "1" (H level) and the input pulse signal a is 1
Then, the output of the inverter 16b is set to "0".
18は鋸歯状波発生回路であり、インバータ16bにより
オン・オフされるスイッチングトランジスタ18aと、定
電流回路18bにより充電されるコンデンサ18cとを持つ。
そしてトランジスタ18aはインバータ16bの出力が“1"に
なるとオンとなってコンデンサ18cを放電し、インバー
タ16bが“0"になるとオフとなってコンデンサ18cを定電
流で充電させる。このためコンデンサ18cの電圧ｅは第2
B図に示す鋸歯状波となる。Reference numeral 18 denotes a sawtooth wave generating circuit, which has a switching transistor 18a turned on / off by an inverter 16b and a capacitor 18c charged by a constant current circuit 18b.
The transistor 18a turns on when the output of the inverter 16b becomes "1" and discharges the capacitor 18c, and turns off when the inverter 16b becomes "0" to charge the capacitor 18c with a constant current. Therefore, the voltage e of the capacitor 18c becomes the second
The result is a sawtooth wave shown in FIG.
20はアナログ乗算器であり、図に示す入力I1、I2、I4
を用いて、 I3＝（I1×I2）/I4 の演算を行う。この出力I3は反転増幅器22においてその
極性を反転して増幅され、第2C図に示す出力電圧ｆとな
る。すなわちこの出力電圧ｆの波形は一定の周期Ｔ毎に
時間ｔに略反比例して減少する双曲線をもって時間ｔと
共に減少するほぼ台形波状となっている。Reference numeral 20 denotes an analog multiplier, which has inputs I 1 , I 2 , I 4 shown in the figure.
Is used to calculate I 3 = (I 1 × I 2 ) / I 4 . The output I 3 is amplified by inverting its polarity in the inverting amplifier 22, the output voltage f which is shown in 2C FIG. In other words, the waveform of the output voltage f has a substantially trapezoidal waveform that decreases with time t with a hyperbola that decreases substantially in inverse proportion to time t at regular intervals T.
24はサンプルホールド回路であり、電圧ｆの最小値を
ホールドする。このホールド回路24はタイマ26によりリ
セットあるいはセットされる。すなわちこのタイマ26
は、入力パルス信号ａが０から１に変化する時にセット
信号gsを出力し、ホールド回路24を作動状態にする。こ
こに電圧ｆは前記遅延回路16により入力パルス信号ａよ
り僅かに遅れているから、ホールド回路24は電圧ｆの立
上がり直前の電圧すなわち最低電圧をホールドすること
になる。またこのタイマ26は、一定時間Tgの経過後には
リセット信号grを出力し、ホールド回路24を不作動にし
て一定電圧の基準印加電圧信号υ１を出力させる。Reference numeral 24 denotes a sample and hold circuit which holds the minimum value of the voltage f. The hold circuit 24 is reset or set by a timer 26. That is, this timer 26
Outputs the set signal gs when the input pulse signal a changes from 0 to 1, and activates the hold circuit 24. Since the voltage f is slightly delayed from the input pulse signal a by the delay circuit 16, the hold circuit 24 holds the voltage immediately before the rise of the voltage f, that is, the lowest voltage. The timer 26 is after a lapse of a predetermined time T g outputs a reset signal g r, the hold circuit 24 in the inoperative to output the reference voltage applied signal upsilon 1 constant voltage.
ここにリセット信号grとセット信号gsとの時間間隔Tg
が入力パルス信号ａの周期Ｔよりも小さい極低速状態に
おいては、第3A図に示すように基準印加電圧υ１がホー
ルド回路24の出力となる。Time interval T g of the here and the reset signal g r and a set signal g s
There in a small very low speed state than the period T of the input pulse signal a, the reference voltage applied upsilon 1 as shown in FIG. 3A is the output of the hold circuit 24.
また入力パルス信号ａの周期が十分に短く高速を指令
している時には、第2C図に示す波形ｆは減少途中で重な
り、第3B図に示すように出力電圧υは印加電圧信号υ２
に上昇する。中間の速度を指令するときには第3C図に示
すように波形ｆの重なりが広がって出力電圧υは印加電
圧信号υ３に下降する。このようにホールド回路24の出
力電圧υは極低速では基準印加電圧信号υ１になり、中
速、高速になるに従って上昇していってυ３、υ２とな
る。When the cycle of the input pulse signal a is short enough to command a high speed, the waveform f shown in FIG. 2C overlaps during the decrease, and the output voltage υ becomes the applied voltage signal υ 2 as shown in FIG. 3B.
To rise. The output voltage upsilon spreads overlap waveform f as shown in Figure 3C decreases to the applied voltage signal upsilon 3 when commanding the intermediate speed. Thus the output voltage upsilon of the hold circuit 24 becomes the reference voltage applied signal upsilon 1 is extremely slow, medium, and it began to rise with increasing speed upsilon 3, a upsilon 2.
28はパルス幅変調回路（PWM）である。この回路28は
印加電圧信号υの電圧の高さによってパルス幅が変化す
る駆動電圧Ｖを出力する。すなわち第4A図に示すよう
に、極低速での基準印加電圧υ１ではパルス幅が狭くな
りデューティ比が小さいパルスP1を出力する。このため
その平均電圧は十分に低くなり駆動電圧V1となる。また
速度の増加に対応する印加電圧信号υ３、υ２に対して
は、パルスP3、P2のデューティ比が増加し、その平均で
ある駆動電圧V3、V2も上昇する。この駆動電圧Ｖはスイ
ッチング回路14で各相に分配されモータ10が回転され
る。28 is a pulse width modulation circuit (PWM). This circuit 28 outputs a drive voltage V whose pulse width changes according to the height of the voltage of the applied voltage signal υ. That is, as shown in FIG. 4A, and outputs a pulse P 1 duty ratio is small narrows the pulse width at the reference voltage applied upsilon 1 at extremely low speed. Therefore the average voltage is sufficiently low as the drive voltage V 1. For the applied voltage signals υ 3 , υ 2 corresponding to the increase in speed, the duty ratio of the pulses P 3 , P 2 increases, and the average drive voltages V 3 , V 2 also increase. The driving voltage V is distributed to each phase by the switching circuit 14, and the motor 10 is rotated.
（発明の効果） 特許請求の範囲第（１）項の発明によれば、入力パル
ス信号に同期して出力される鋸歯状波にほぼ反比例して
時間と共に電圧が減少する台形波を形成し、この台形波
の最低電圧を入力パルス信号に同期してホールドするこ
とにより印加電圧信号を形成し、この印加電圧信号の増
減に対応して、モータ駆動電圧のデューティ比をパルス
幅制御方式によって増減するから、高速時には高圧の駆
動電圧を印加することになり、コイルのインダクタンス
に抗して十分な励磁電流を供給することができ高速での
トルク減少を防止できる。また低速時には駆動電圧を下
げるのでモータの回転（移動）速度を抑制でき１ステッ
プ角（距離）毎の回転（移動）に伴う振動が減り滑らか
な低速運転が可能になる。ここに印加電圧信号は入力パ
ルス信号に同期して発生するから、入力パルス信号の時
間幅すなわち周期の変化に対してモータ駆動電圧のデュ
ーティ比は瞬時に変化することになる。このためモータ
の速やかな加速が可能になり、速度応答性が向上する。(Effects of the Invention) According to the invention of claim (1), a trapezoidal wave whose voltage decreases with time is formed substantially in inverse proportion to a sawtooth wave output in synchronization with an input pulse signal, An applied voltage signal is formed by holding the lowest voltage of the trapezoidal wave in synchronization with the input pulse signal, and the duty ratio of the motor drive voltage is increased or decreased by a pulse width control method in accordance with the increase or decrease of the applied voltage signal. Therefore, at a high speed, a high drive voltage is applied, so that a sufficient exciting current can be supplied against the inductance of the coil, and a torque reduction at a high speed can be prevented. Also, at low speeds, the drive voltage is reduced, so that the rotation (movement) speed of the motor can be suppressed, and the vibration associated with rotation (movement) for each step angle (distance) is reduced, enabling smooth low-speed operation. Here, since the applied voltage signal is generated in synchronization with the input pulse signal, the duty ratio of the motor drive voltage changes instantaneously with respect to the change of the time width, that is, the period of the input pulse signal. Therefore, the motor can be rapidly accelerated, and the speed responsiveness is improved.
また第（２）項に記載された発明によれば、この第
（１）項の発明の実施に直接使用する制御装置が得られ
る。According to the invention described in the item (2), a control device directly used for implementing the invention described in the item (1) is obtained.
第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図はその
各部の出力波形図、第3A〜Ｃ図は速度による印加電圧信
号υの変化の説明図、第4A〜Ｃ図はこれらに対応する励
磁電圧の変化を示す図である。 10……ステッピングモータ、 14……スイッチング回路、 16……遅延回路、18……鋸歯状波発生回路、 20……乗算器、22……反転増幅回路、 24……サンプルホールド回路、 26……タイマ、 28……パルス幅変調回路。FIG. 1 is a block diagram of one embodiment of the present invention, FIG. 2 is an output waveform diagram of each part, FIGS. 3A to 3C are explanatory diagrams of a change in an applied voltage signal に よ る with speed, and FIGS. FIG. 7 is a diagram showing a change in an excitation voltage corresponding to FIG. 10 Stepping motor, 14 Switching circuit, 16 Delay circuit, 18 Sawtooth wave generation circuit, 20 Multiplier, 22 Inverting amplifier circuit, 24 Sample hold circuit, 26 Timer, 28 pulse width modulation circuit.
Claims (2)
て駆動するステッピングモータの制御方法において、 前記入力パルス信号に同期して出力される鋸歯状波にほ
ぼ反比例して時間と共に電圧が減少する台形波を形成
し、この台形波の最低電圧を前記入力パルス信号に同期
してホールドすることにより印加電圧信号を形成し、こ
の印加電圧信号の増減に対応してステッピングモータの
駆動電圧のデューティ比をパルス幅制御方式によって増
減することを特徴とするステッピングモータの制御方
法。1. A method of controlling a stepping motor for driving by switching an excitation phase in synchronization with an input pulse signal, wherein the voltage decreases with time substantially in inverse proportion to a sawtooth wave output in synchronization with the input pulse signal. A trapezoidal wave is formed, and an applied voltage signal is formed by holding the lowest voltage of the trapezoidal wave in synchronization with the input pulse signal, and the duty of the drive voltage of the stepping motor is adjusted in accordance with the increase or decrease of the applied voltage signal. A method for controlling a stepping motor, wherein the ratio is increased or decreased by a pulse width control method.
てステッピングモータを駆動するステッピングモータの
制御装置において、 前記入力パルス信号に同期して鋸歯状波を出力する鋸歯
状波発生回路と、前記鋸歯状波の電圧にほぼ反比例して
時間と共に電圧が減少する台形波を出力するアナログ乗
算器と、この台形波の最低電圧を前記入力パルス信号に
同期してホールドすることにより印加電圧信号を出力す
るサンプルホールド回路と、この印加電圧信号の増減に
対応してデューティ比が増減する駆動電圧を出力するパ
ルス幅変調回路と、この駆動電圧をステッピングモータ
に同期して所定の相に分配するスイッチング回路とを備
えることを特徴とするステッピングモータの制御装置。2. A stepping motor control device for driving a stepping motor by switching an excitation phase in synchronization with an input pulse signal, comprising: a sawtooth wave generating circuit for outputting a sawtooth wave in synchronization with the input pulse signal; An analog multiplier that outputs a trapezoidal wave whose voltage decreases with time in substantially inverse proportion to the voltage of the sawtooth wave, and an applied voltage signal by holding the lowest voltage of the trapezoidal wave in synchronization with the input pulse signal. A sample-and-hold circuit for outputting, a pulse width modulation circuit for outputting a drive voltage whose duty ratio increases or decreases in response to an increase or decrease of the applied voltage signal, and switching for distributing the drive voltage to a predetermined phase in synchronization with a stepping motor And a circuit for controlling the stepping motor.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25034390A JP3089025B2 (en) | 1990-09-21 | 1990-09-21 | Control method and control device for stepping motor |
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| JPH04133695A JPH04133695A (en) | 1992-05-07 |
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|---|---|---|---|---|
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1990
- 1990-09-21 JP JP25034390A patent/JP3089025B2/en not_active Expired - Lifetime
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