JP3727981B2 - ステッピングモータ駆動回路 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、モータ駆動回路の誤動作を禁止するステッピングモータ駆動回路に関し,特に、モータ駆動回路を駆動するための入力基準電圧が規定の電圧に達しない際に、この入力基準電圧のモータ駆動回路への入力を実質的に禁止するステッピングモータ駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のステッピングモータ駆動回路の欠点を解消して、無駄な電力消費をほとんどなくすと共に、高精度の高速定速度回転を行うことができるステッピングモータ駆動回路が先願の特願平6−133805に提案されている。
【0003】
この先願の発明では、MPUのPWMユニットから変化するディーティ比に対応するPWM信号が発生され、PWM信号の変化するディーティ比で表される階段状の電圧レベルをローパスフィルタによって滑らかなほぼ連続した基準電圧に変換し、この基準電圧に対して設定される電流値でステッピングモータのコイルを励磁し、この設定される電流値を定電流駆動回路で維持しているものである。
【0004】
この先願の発明のステッピングモータ駆動制御回路のモータ駆動回路には定電流駆動回路として電流値任意設定型定電流駆動回路を用いている。この定電流駆動回路はステッピングモータのコイルに供給する電流を指示された電流値となるように一定に維持すると共に、指示される電流値を任意に設定できるように構成されているものである。さらに、詳しくいうと、モータのコイルに供給する電流を設定するにはその電流値に対応した電圧を検出し、この検出された検出電圧と前記ローパスフィルタからの基準電圧が高いか低いかに応じてコンパレータの出力を制御して電流を一定に維持するようにしているものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
先願の定電流駆動回路ではモータのコイルに供給する電流をゼロにするため、ローパスフィルタからの基準電圧をゼロにしてあげる必要がある。しかしながら、基準電圧を0Vに設定しても基準電圧設定回路の出力オフセット等のよって完全に0V[GND(接地)レベル]に達しない。即ち、MPUのPWMユニットからPWM信号がハイレベルとローレベルのロジック信号で出力されるが、ロジック信号のローレベル信号は実際0Vであることは少なく、0.6V以下の電圧を有している。このため、基準電圧を0Vに設定しても定電流駆動回路のコンパレータに入力されるローパスフィルタからの基準電圧は0Vにはなっておらず、0.6V以下の電圧のなっている。このため、コンパレータが誤動作を起こす恐れがある。また、基準電圧がGNDレベルに達したとしても、ノイズの影響によりコンパレータが誤動作を起こす恐れもある。
【0006】
また、先願の定電流駆動回路はディスクリート部品で構成されており、回路全体が高価になるうえにプリント基板上での占有面積も大きいため、この定電流駆動回路を採用する装置の小型化や低価格化の障害になっていた。通常、これらの電源は常に回路に供給されており、モータ駆動を行わない時の回路の消費電力を抑えるため、別にスタンバイ状態にコントロールする回路および制御端子を設けているが、回路が複雑になるうえ制御線が余分に必要である。
【0007】
本発明の目的は、上記欠点を解決しよとするもので、定電流駆動回路を採用するモータ駆動回路の誤動作を禁止し余分な制御信号をはぶいたステッピングモータ駆動制御回路を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明によれば、出力端間にステッピングモータのコイルを接続し、複数対のスイッチの切替え動作により前記コイルに正逆方向の電流を流すブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に供給される駆動電圧を入力するドライブ電源端子とを備える1チップの形態の集積回路とPWM信号と前記複数対のスイッチの切替えを制御する選択信号とを出力するマイクロコントローラを有するステッピングモータ駆動制御回路であって、前記PWM信号の変化するデューティ比に応じた階段状の電圧レベルを滑らかなほぼ連続した電圧信号に変換するローパスフィルタと、前記マイクロコントローラから出力される信号に応じて制御電力の出力/停止を前記集積回路に対して行うスイッチ回路と、前記集積回路は、前記ローパスフィルタから出力される電圧信号を入力する電圧信号入力端子と、前記選択信号を入力する選択信号入力端子と、前記電圧信号入力端子から入力された電圧信号と前記コイルの電流に対応して得られる検出電圧とを比較し、その比較結果を出力するコンパレータと、前記電圧信号入力端子から入力される電圧信号の電圧レベルが所定の電圧レベルに達するまで出力する禁止回路と、前記複数対のスイッチに対して出力されるそれぞれ選択信号がともにハイレベルである場合に出力するナンドゲートと、前記コンパレータから出力される比較結果と前記禁止回路からの出力と前記ナンドゲートからの出力に基づいて、前記複数対のスイッチに対して選択信号の出力の制御を行う複数のゲート回路と、前記ドライブ電源端子とは別に、前記スイッチ回路から出力される制御電力を入力する制御電源端子と、前記制御電源端子に接続され、前記制御電源端子の状態に応じて前記コンパレータ、前記ナンドゲート、及び前記複数のゲート回路に対するバイアス電流の出力/停止の切替えを行う制御回路とを有し、前記マイクロコントローラは、前記ステッピングモータを駆動する場合には前記スイッチ回路に対して前記オン信号を出力し、前記ステッピングモータを駆動させない場合に前記スイッチ回路に対してオフ信号を出力する制御を行うことを特徴とする。
【0009】
【実施例】
次に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【0010】
(実施例1)
図1は、本発明のステッピングモータ駆動制御回路である。図1において、ステッピングモータを制御するマイクロコントローラ101には、PWMユニット102が内蔵されている。このPWMユニット102は周波数とデューティ比を設定可能なパルス信号E、Fを出力する。出力ポート103がマイクロコントローラ101に内蔵されており、この出力ポート103はコード化されたステッピングモータ制御信号(以下、単に制御信号という)A、B、C、D並びにスタンバイ信号Gを出力する。マイクロコントローラ101はさらにプログラム可能なタイマーユニット109を内蔵している。タイマーユニット109は、例えば、制御信号を変化させるタイミング、即ち、ステップ時間その他を設定するのに用いられる。また、ROM110はモータの駆動速度やPWMデューティ比等のデータを格納している。
【0011】
PWMユニット102のパルス信号E、Fは、抵抗器R1、R2とコンデンサC1、C2から構成されたローパスフィルタ104a、104bに入力される。ローパスフィルタ104a、104bの出力は、モータ駆動回路である定電流駆動回路105に入力される。
【0012】
定電流駆動回路105は、入力端子に入力された電圧によって決定される電流をモータ巻線に流すように機能する回路であり、これは、詳細には後述するが、センサ抵抗器108a、108bを流れる電流値によって決められた電圧(以下検出電圧という)と入力端子に入力される基準電圧をコンパレータで比較し、モータ巻線107a、107bに電流が多く流れるようになると、電流を少なくし、また電流が少なく流れるようになると、電流を多く流すようにして、電流制御トランジスタの電源電圧の変動とは無関係に入力電圧値によって決められた一定の電流をモータ巻線107a、107bに流すためのものである。
【0013】
106は出力ポート103からのスタンバイ制御信号Gでオン、オフされるトランジスタスイッチング回路であり、このスイッチング回路106のオン/オフ動作による動作信号が定電流駆動回路105に供給される。
【0014】
図2は図1に示すモータ駆動回路である定電流駆動回路105(電流値任意設定型定電流駆動回路)を示すもので、この定電流駆動回路はIC化した1チップで構成されている。図2において、端子番号1および2は基準電圧入力端子、3および4は電流検出信号入力端子、5〜8は選択信号入力端子、9〜12はドライブ出力端子、13はドライブ電源(ソース)端子、14および15はシンク端子、16は内部回路駆動電源端子、17はGND端子(接地端子)である。
【0015】
基準電圧入力端子1および2のそれぞれには、図4aに示すようなPWM信号からローパスフィルタ104a、104bを通して作成された図4bに示すような例えばほぼ正弦波形状(場合によっては、二乗波形状)の電圧出力が入力される。さらに詳細にいうと、図1に示すマイクロコントローラ101のPWMユニット102で発生するPWM信号をローパスフィルタ104a、104bを通して階段状電圧のつなぎ目を滑らかにしたほぼ正弦波形状の電圧波形が基準電圧入力端子1および2に印加される。そして、定電流駆動回路の通常の動作モードでは、この印加された電圧値に対応する電流がステッピングモータのモータ巻線107a、107bに流れるようになっている。
【0016】
電流値入力検出端子3は、シンク端子14に接続されており、シンク端子14とGND端子17の間にはセンサ抵抗器108aが接続されている。電流値検出入力端子3は、センサ抵抗器108aに流れる電流、即ちモータ巻線107aに流れる電流を電圧値の項目で検出して、その電圧を、基準電圧入力端子1から入力された電圧(正確には、さらに降圧された電圧)と比較するために後述するコンパレータAの反転入力端子に入力するものである。同様に、電流値入力検出端子4は、シンク端子15に接続されており、シンク端子15とGND端子17の間にはセンサ抵抗器108bが接続されている。電流値検出入力端子4は、センサ抵抗器108bに流れる電流、即ちモータ巻線に流れる電流を電圧値の項目で検出して、その電圧を、基準電圧入力端子2から入力された電圧(正確には、さらに降圧された電圧)と比較するために後述するコンパレータBの反転入力端子に入力するものである。
【0017】
選択信号入力端子5、6、7、8には、図5に示すようなパルス波形が入力されて、後述するAND(アンド)ゲートC、D、E、Fのオン・オフを制御する。さらに具体的には、選択信号入力端子5には、図5aのAで示すパルスが入力され、選択信号入力端子6には、図5cのCで示すパルスが入力され、選択信号入力端子7には、図5bのBで示すパルスが入力され、選択信号入力端子8には、図5dのDで示すパルスが入力される。
【0018】
ドライブ端子9と10の間、およびドライブ端子11と12の間にはモータ巻線107a、107bがそれぞれ接続される。また、ソース端子13にはドライブ電源が接続され、GND端子17は接地されている。
【0019】
再び図2を参照して、図2中、記号A、Bは、基準電圧入力と電流検出信号電圧とを比較するためのコンパレータであり、コンパレータAの出力は、ANDゲートC、Dに入力され、コンパレータBの出力は、ANDゲートE、Fに入力されている。
【0020】
記号G、H、I、J、K、L、M、Nはオン/オフスイッチとして機能するNPNトランジスタであり、前記ANDゲートC、D、E、Fの出力によってオン/オフ制御される。O、Pは、それぞれ、基準入力電圧が規定の電圧になるまで、前記ANDゲートC、D、E、Fをオフさせておくための禁止回路としてのコンパレータであり、Q、Rは基準電圧入力のインピーダンス変換を行うと共に入力レベルを例えば1/10にするためのバッファアンプであり、S、Tは、誤動作によって、選択信号入力端子5と6が同時にH(ハイ)となったとき、または選択信号入力端子7と8が同時にH(ハイ)となったとき、前記ANDゲートC、DまたはE、Fを閉じるためのNAND(ナンド)ゲートであり、U、V、W、X、Y、Z、a、bはモータコイル(巻線)107a、107bによる逆起電流を解消するためのクランプダイオードである。
【0021】
dは内部回路駆動電源端子16のオン/オフによって駆動回路の内部バイアスをオン/オフするためのスタンバイ回路であり、eは内部バイアス回路であり、fは、スタンバイ回路のオン/オフによって内部バイアス回路をオン/オフするトランジスタである。動作を概略すると、ステッピングモータを駆動しないとき、MPU101の出力ポート103からのスタンバイ制御信号Gでスイッチング回路がオフされ、内部回路駆動電源端子16をオフすることによって内部のバイアス電流をカットする。即ち、内部回路駆動電源端子16をオフすると、スタンドバイ回路dによってトランジスタfのベースが”H”(ハイ)となり、トランジスタfはオンし、この結果、内部バイアスeは短絡状態となるので、バイアス電流(例えば、コンパレータA、Bおよびその他のコンパレータ、ANDゲートC、D、E、F等、NANDゲートS、T等を作動させるための電流)が流れなくなる。即ち、スタンバイ状態になる。
【0022】
一方、ステッピングモータを駆動する場合には、MPU101の出力ポート103からのスタンバイ制御信号Gでスイッチング回路がオンされ、内部回路駆動電源端子をオンすることによって内部のバイアス電流を供給する。即ち、内部回路駆動電源端子16をオンすると、スタンドバイ回路dによってトランジスタfのベースが”L”(ロー)となり、トランジスタfはオフし、この結果、内部バイアスeに電流が流れる。
【0023】
前述のように、内部回路駆動電源端子にスタンバイ切り替え機能を連動させたため、専用にスタンバイ端子を設ける場合に比べてICパッケージのピン数を少なくできる。
【0024】
次に、本発明の定電流駆動回路の動作の一例を説明する。今、選択信号入力端子5に入力される信号入力がHであり、選択信号入力端子6に入力される信号入力がLであるときに、基準入力電圧端子1の入力電圧の1/10の値がコンパレータOで規定されている規定電圧より高いと仮定する。このとき、コンパレータOの出力は”H”となる。基準入力電圧端子1の入力電圧の1/10の値が電流値検出信号入力端子3の電圧より高いとき、コンパレータAの出力は”H”となる。この状態では、ANDゲートCのいずれの入力端子の入力も”H”であるので、ANDゲートの出力は”H”となり、即ち開き、トランジスタスイッチGおよびJがオンとなる。このため、ドライブ出力端子9と10の間に接続されたモータ巻線107aにはドライブ出力端子9から10へ向かって電流が流れる。さらに詳細にいうと、電流は、ドライブ電源から、ソース端子13、トランジスタG、モータ巻線(図示せず)、トランジスタJ、シンク端子14、センサ抵抗器108aを通り、GND端子17に流れる。
【0025】
モータ巻線107aに流れる電流値はセンサ抵抗器108aで検出され、電流値検出信号入力端子3に電圧で印加される。モータ巻線107aに流れる電流は増加していき、基準入力電圧端子1の入力電圧の1/10の値が電流値検出信号入力端子3の電圧より低くなる。この結果、ANDゲートCが閉じ、トランジスタGおよびJがオフする。トランジスタGおよびJのオフの結果、センサ抵抗器108aに流れる電流は減少し、再び、基準入力電圧端子1の入力電圧の1/10の値が電流値検出信号入力端子3の電圧より高くなる。以下、基準入力電圧端子1の入力電圧の1/10の値より電流値検出信号端子の電圧が低いか高いかによって、ANDゲートCは、オン、オフを繰り返す。したがって、センサ抵抗器108aに流れる電流、即ちモータ巻線107aに流れる電流は、基準入力電圧端子1の入力電圧の1/10の値、言い換えると、基準入力電圧端子1の入力電圧によって決められる。勿論、基準入力電圧端子1の入力電圧の値が変わると、それに応じて、モータ巻線107aに流れる電流も変わることになる。このように、この回路は、モータ巻線107aに流れる電流値を基準入力端子に印加する電圧値で任意に設定でき、かつ電流値は設定した値に維持される、即ち定電流となる電流値任意設定型定電流駆動回路である。
【0026】
前述の説明は、基準入力電圧端子1の入力電圧の1/10の値がコンパレータOで規定されている規定電圧より高い場合に向けられたものであるが、基準入力電圧端子1の入力電圧の1/10の値がコンパレータOで規定されている規定電圧より低い場合には、コンパレータの出力は”L”となり、基準入力電圧端子1の入力電圧の1/10の値が電流値検出信号入力端子3の電圧より高くても、ANDゲートCは開かない。したがって、コンパレータOの規定電圧を基準電圧発生回路の”0V”出力時のオフセット電圧もしくは誤動作を起こす原因になるノイズレベルのどちらか高いほうのレベルより大きくしておくことによって、基準電圧入力を”0V”に設定したとき確実にドライブ電流を切ることができる。また、前記ANDゲートC、D、E、Fを規定の基準入力電圧になるまで、オフさせるための禁止回路として図6のような構成でも実現可能である。NPNトランジスタ(イ)、(ロ)は、通常ベース電圧が約0.6Vでオンする。抵抗(ハ)、(に)および(ホ)、(へ)の比によりトランジスタ(イ)、(ロ)のオンする電圧を任意に設定可能である。NPNトランジスタがオンすると、次段のトランジスタ(ト)、(チ)がオンするため、ANDゲート(リ)、(ヌ)の入力がHになり、トランジスタ(ト)、(チ)がオフ状態ではANDゲートの入力はロLとなるため、モータ電流を止める禁止回路として働く。
【0027】
(実施例2)
図3は、本発明の実施例2のIC化した定電流駆動回路を示す図である。実施例1では、オン/オフスイッチとして、NPNトランジスタG、H、I、J、K、L、M、Nが用いられている。ただし、大電流をドライブする必要のあるドライブICでは、ドライブ負荷に電流を流すので、スイッチに大電流が通過するため、トランジスタで構成すると発熱の問題がある。実施例2では、この問題を解決するために、NPNトランジスタに代えて、図3に示すように、FETをスイッチとして用いたものである。他の構成および動作は実施例1と同様であるので、説明は省略する。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、ドライブ電流(モータ巻線電流)を決定するための基準電圧を入力するコンパレータを、入力される基準電圧がGND電位に対して規定の電圧に達するまではゲート回路を閉じ、ドライブ電流を流さないように構成することにより、基準電圧を”0V”に設定したときに確実にドライブ電流を切ることができる。
【0029】
また、電流値任意設定型定電流回路をIC化して1チップで構成することにより、従来例のようにディスクリート部品で構成する場合に比べて、回路全体が安価になると共に、プリント基板上での占有面積も小さくなり、この定電流回路を採用する装置の小型化や低価格化を実現できる。
【0030】
さらに、ドライブ負荷に電流を供給するためのドライブ電源端子とは別に、内部の回路を駆動するための回路駆動電源を持つ、この回路駆動電源のオン/オフに連動してオン時には通常の動作モード、オフ時には内部駆動回路の消費電力を抑えるスタンバイモードになるように、回路駆動電源端子とスタンバイ切り替えの両機能を兼ね合わせた構成にして、負荷をドライブしないときにはスタンバイモードにして内部のバイアス電流をカットすることにより無駄な消費電流を抑えることができる。また、内部回路駆動電源端子にスタンバイ切り替え機能を連動させたため、専用にスタンバイ端子を設けるよりICパッケージのピン数を少なくできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係わるステッピングモータ駆動制御回路の回路図である。
【図2】図2は、本発明の実施例1を示す図1のモータ駆動回路としての定電流駆動回路を示す図である。
【図3】図2は、本発明の実施例2を示す図1のモータ駆動回路としての定電流駆動回路を示す図である。
【図4】図3は、電流値任意設定型定電流駆動回路の基準電圧入力端子に印加する電圧波形を説明するための波形図である。
【図5】図5は、電流値任意設定型定電流駆動回路の選択信号入力端子に加えられるパルス信号を示す波形図である。
【図6】図6は、本発明の実施例1におけるコンパレータに代えて用いられる禁止回路を含むモータ駆動回路としての定電流駆動回路を示す図である。
【符号の説明】
A、B、O、P コンパレータ
C、D、E、F ANDゲート
G、H、I、J、K、L、M、N NPNトランジスタ
Q、R バッファアンプ
S、T NANDゲート
U、V、W、X、Y、Z、a、b クランプダイオード
d スタンバイ回路
e 内部バイアス回路
f トランジスタ
Claims (5)
- 出力端間にステッピングモータのコイルを接続し、複数対のスイッチの切替え動作により前記コイルに正逆方向の電流を流すブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に供給される駆動電圧を入力するドライブ電源端子とを備える1チップの形態の集積回路とPWM信号と前記複数対のスイッチの切替えをそれぞれ制御する選択信号とを出力するマイクロコントローラを有するステッピングモータ駆動制御回路であって、
前記PWM信号の変化するデューティ比に応じた階段状の電圧レベルを滑らかなほぼ連続した電圧信号に変換するローパスフィルタと、
前記マイクロコントローラから出力される信号に応じて制御電力の出力 / 停止を前記集積回路に対して行うスイッチ回路と、
前記集積回路は、
前記ローパスフィルタから出力される電圧信号を入力する電圧信号入力端子と、
前記選択信号を入力する選択信号入力端子と、
前記電圧信号入力端子から入力された電圧信号と前記コイルの電流に対応して得られる検出電圧とを比較し、その比較結果を出力するコンパレータと、
前記電圧信号入力端子から入力される電圧信号の電圧レベルが所定の電圧レベルに達するまで出力する禁止回路と、
前記複数対のスイッチに対して出力されるそれぞれ選択信号がともにハイレベルである場合に出力するナンドゲートと、
前記コンパレータから出力される比較結果と前記禁止回路からの出力と前記ナンドゲートからの出力に基づいて、前記複数対のスイッチに対して選択信号の出力の制御を行う複数のゲート回路と、
前記ドライブ電源端子とは別に、前記スイッチ回路から出力される制御電力を入力する制御電源端子と、
前記制御電源端子に接続され、前記制御電源端子の状態に応じて前記コンパレータ、前記ナンドゲート、及び前記複数のゲート回路に対するバイアス電流の出力 / 停止の切替えを行う制御回路とを有し、
前記マイクロコントローラは、前記ステッピングモータを駆動する場合には前記スイッチ回路に対して前記オン信号を出力し、前記ステッピングモータを駆動させない場合に前記スイッチ回路に対してオフ信号を出力する制御を行うことを特徴とするステッピングモータ駆動制御回路。 - 請求項1に記載のステッピングモータ駆動回路において、前記ブリッジ回路の複数対のスイッチは前記コイルのドライブ電流のシンク電流とソース側につながる4個のスイッチを持ち、該4個のスイッチは、前記出力端の一方につながるシンク側のスイッチと前記出力端の他方につながるソース側のスイッチおよび前記出力端の一方につながるソース側のスイッチと前記出力端の他方につながるシンク側のスイッチが対をなすように2対のスイッチを構成していることを特徴とするステッピングモータ駆動制御回路。
- 請求項1に記載のステッピングモータ駆動回路において、前記制御回路から選択信号が一本づつ入力されるゲート回路を複数有し、前記複数のゲート回路のそれぞれの出力は前記選択信号により前記スイッチ対が選択的にオン/オフされるようにそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項ステッピングモータ駆動制御回路。
- 請求項1に記載のステッピングモータ駆動制御回路において、前記2本の選択信号のレベルがともにハイレベルになった場合には、前記ゲート回路はそれぞれ前記スイッチ対をオフするように構成されていることを特徴とするステッピングモータ駆動制御回路。
- 請求項1に記載のステッピングモータ制御駆動回路において、前記ブリッジ回路は、前記出力端からドライブ電源に向かって順方向となるダイオード及び接地から前記出力端に向かって順方向となるダイオードを接続したことを特徴とするステッピングモータ制御駆動回路。
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