JP3751367B2 - 多相ステッピングモータとその駆動方式 - Google Patents

多相ステッピングモータとその駆動方式 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は多相ステッピングモータとその駆動方式に関する。
【0002】
【従来の技術】
相数がnの多相ステッピングモータのモータ巻線の接続方式としては、位相差が2πi/n(iはn/2を越えない正の整数であってaの約数でないもの)である相巻線の始端と終端を順次接続して1つの環状に接続するか、相巻線の始端同士または終端同士を一点で接続して1つの星状に接続し、環状の場合には、その各接続点を入力端子とし、星状の場合には、接続点以外を入力端子とするという方法があった。そして、2n個のスイッチング素子で制御する駆動回路に入力端子を接続し、入力パルス信号毎に各端子を電源の正極または負極に接続、或いは、どちらにも接続しないように切り換えて駆動している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ステッピングモータの分解能を高くする方法にモータの相数を多くする方法があるが、相数が多くなると励磁シーケンス構築が複雑になるという課題があった。
【0004】
本発明は上記課題を解決するためのもので、その目的とするところは、多相モータの励磁シーケンスの構築を容易に行うことができる多相ステッピングモータとその駆動方式を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は次のとおりである。
相数がa×b(aは3以上の奇数、bは2以上の整数)の6以上の相数を有するステッピングモータにおいて、相巻線を位相差が2πi/a(iはa/2を越えない正の整数であってaの約数でないもの)である相巻線の始端と終端を順次接続して巻線を環状に接続し、各接続点を入力端子とするb個の巻線組を構成する、または巻線を位相差が2π/aである相巻線の始端同士あるいは終端同士を1点に接続した星状に接続し、非接点を入力端子とするb個の巻線組を構成する。そして、ステッピングモータの前記入力端子にスイッチング手段を接続し、スイッチングにより前記入力端子を駆動電源の正極または負極に接続するか、或いはいずれの極にも接続しないように制御するステッピングモータの駆動回路において、入力パルス毎に任意の環状結線または星状結線の励磁状態が切り換わるように制御する。
【0006】
(作 用)
上記スイッチング手段で接続された各巻線組は、電気角で2π/a度ずつずれたトルクベクトル組を形成し、従って、単一巻線組で励磁状態を切り換えてフルステップ駆動を行うと電気角でπ/aの回転が可能であり、ハーフステップ駆動を行うと電気角でπ/2aの回転が可能である。同時に各トルクベクトル組は、電気角で2π/(a×b)度ずつずれており、従って、各巻線組を一つの相とみなし各巻線組単位で励磁状態を切り換えて、フルステップ駆動を行うと電気角でπ/(a×b)の回転が可能であり、また、ハーフステップ駆動を行うと電気角でπ/(2a×b)の回転が可能である。従って、a相モータの励磁シーケンスの組み合わせでa×b相モータの制御が可能となるため励磁シーケンスの構築が容易になる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態を、a=5、b=3である15相モータで詳しく説明する。
【0008】
各巻線組の接続の方法としては、相巻線を位相差が2πi/a(iはa/2を越えない正の整数であってaの約数でないもの)である相巻線の始端と終端を順次接続して巻線を環状に接続し、各接続点を入力端子とする方法、または巻線を位相差が2π/aである相巻線の始端同士あるいは終端同士を1点に接続した星状に接続し、非接続点を入力端子とする方法がある。
【0009】
図1は巻線組を環状結線で構成し、上記iをi=1としたときの本発明のステッピングモータの相巻線の接続図である。φA〜φOは入力端子C1〜C15に各々接続された相巻線を示し、各入力端子C1〜C15は、スイッチングにより入力端子C1〜C15を駆動電源の正極または負極に接続するか、或いは、いずれの極にも接続しないように制御するステッピングモータの駆動回路に接続される。
【0010】
巻線組W1は、相巻線φAを規準に電気角で72度(=360/5)ずつずれた相巻線φD、φG、φJ、φMの始端と終端が順次接続され、同様に巻線組W2は、相巻線φAから電気角で48度(=360×2/15)ずれた相巻線φCを規準に電気角で72度ずつずれた相巻線φF、φI、φL、φOの始端と終端が順次接続され、更に同様に巻線組W3は、相巻線φAから電気角で24度(=360/15)ずれた相巻線φBを基準に電気角で72度ずつずれた相巻線φE、φH、φK、φNの始端と終端が順次接続されている。各巻線組W1,W2,W3を構成する相巻線(φA、φD、φG、φJ、φM),(φC、φF、φI、φL、φO),(φB、φE、φH、φK、φN)は、同一方向に電流を流した場合、電気角で72度ずつずれたトルクベクトルを形成するとともに、各巻線組W1,W2,W3の対応する相巻線は電気角で24度ずつずれたトルクベクトルを形成する。
【0011】
図2は請求項2の励磁状態を表したタイムチャートの一例であり、Aは相巻線φAの順方向電流、A′は相巻線φAの反対方向の電流による励磁を意味する。他の文字についても同様である。
【0012】
同図において、先ずステップ1では、巻線組W1のA、J′、D、M′相、巻線組W2のI′、C、L′、F相、巻線組W3のB、K′、E、N′相がそれぞれ励磁されるため12相励磁状態となる。次に、ステップ2に移行すると、巻線組W1のA相の励磁が解除されると同時にG相が励磁され、巻線組2及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、12相励磁状態となる。更にステップ3に移行すると、巻線組W2のI′相の励磁が解除されると同時にO′相が励磁され、巻線組W1及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、12相励磁状態となる。更にステップ4では巻線組W3のB相の励磁が解除されると同時にH相が励磁され、巻線組W1及びW2の励磁状態は切り換わらないため12相励磁状態となる。更にステップ5では巻線組W1のJ′相の励磁が解除されると同時にA′相が励磁され、巻線組W2及びW3の励磁状態は切り換わらないため12相励磁状態となる。以下同様にステップ6〜ステップ30においても入力パルス毎に一つの巻線組の励磁状態が切り換わるとともに任意の巻線組の励磁状態は3(=b)パルス毎に切り換わるとともに任意の巻線組の励磁状態は3(=b)パルス毎に切り換わるように制御され、12相励磁状態を繰り返す。
【0013】
図3は上記駆動方式による発生ベクトル図である。同図から分かるように、各ステップにおいて励磁状態が切り換わった巻線組W1,W2,W3による発生ベクトルは、電気角で36度(=180/5)回転した結果、励磁巻線により発生する合成ベクトルは12度(=180/15)回転しており、フルステップ駆動が達成できている。
【0014】
更に、図4は請求項2の励磁状態を表したタイムチャートの上記とは異なる一例である。
同図において、先ずステップ1では、上記ステップ1と等しく、12相励磁状態になる。次に、ステップ2に移行すると、巻線組W1のG相が励磁され、巻線組W2及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、13相励磁状態となる。更にステップ3に移行すると、巻線組W2のO′相が励磁され、巻線組W1及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、14相励磁状態となる。更にステップ4では、巻線組W3のH相が励磁され、巻線組W1及びW2の励磁状態は切り換わらないため15相励磁状態となる。更にステップ5では、巻線組W1のA相の励磁が解除され、巻線組W2及びW3の励磁状態は切り換わらないため14相励磁状態となる。更にステップ6では、巻線組W2のI′相の励磁が解除され、巻線組W1及びW3の励磁状態は切り換わらないため13相励磁状態となる。更にステップ7では、巻線組W3のB相の励磁が解除され、巻線組W1及びW2の励磁状態は切り換わらないため12相励磁状態となる。次に、ステップ8に移行すると、巻線組W1のA′相が励磁され、巻線組W2及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、13相励磁状態となる。以下同様にステップ9〜60においても入力パルス毎に一つの巻線組の励磁状態が切り換わるとともに任意の巻線組の励磁状態は3(=b)パルス毎に切り換わるように制御され、12−13−14−15−14−13相励磁を繰り返す。
【0015】
図5は上記駆動方式による発生ベクトル図である。各相による発生ベクトルは図3と同等であるので省略し、巻線組による発生ベクトルとその合成ベクトルのみを示した。同図から分かるように、各ステップにおいて励磁状態が切り換わった巻線組により発生ベクトルは、電気角で18度(=180/10)回転した結果、励磁巻線により発生する合成ベクトルは6度(=180/30)回転しており、ハーフステップ駆動が達成できている。
【0016】
図6は請求項3の励磁状態を表したタイムチャートの一例である。
同図において、先ずステップ1では、上記ステップ1と等しく、12相励磁となる。次に、ステップ2に移行すると、巻線組W1のG相が励磁され、巻線組W2及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、13相励磁状態となる。更にステップ3に移行すると、巻線組W1のA相の励磁が解除され、巻線組W2及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、12相励磁状態となる。更にステップ4では、巻線組W2のO′相が励磁され、巻線組W1及びW3の励磁状態は切り換わらないため13相励磁状態となる。更にステップ5に移行すると、巻線組W2のI′相の励磁が解除され、巻線組W1及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、12相励磁状態となる。更にステップ6では、巻線組W3のH相が励磁され、巻線組W1及びW2の励磁状態は切り換わらないため13相励磁状態となる。更にステップ7に移行すると、巻線組W3のB相の励磁が解除され、巻線組W1及び巻線組W2の励磁状態は切り換わらないため、12相励磁状態となる。更にステップ8では、巻線組W1のA′相が励磁され、巻線組W2及びW3の励磁状態は切り換わらないため13相励磁状態となる。以下同様にステップ9〜60においても入力パルス毎に一つの巻線組の励磁状態が切り換わるとともに、任意の巻線組の励磁状態は入力パルスにより2回連続して切り換わり、その後引き続く2b−2パルス間は、励磁状態が変化しないように制御され、12−13相励磁状態を繰り返す。
【0017】
図7は上記駆動方式による発生ベクトル図である。
各相による発生ベクトルは図3と同等であるので省略し、巻線組による発生ベクトルとその合成ベクトルのみを示した。同図から分かるように、各ステップにおいて励磁状態が切り換わった巻線組による発生ベクトルは、電気角で18度(=180/10)回転した結果、励磁巻線により発生する合成ベクトルは、6度(=180/30)回転しており、ハーフステップ駆動が達成できている。
【0018】
更に、図8は、請求項4の励磁状態を表したタイムチャートの一例である。
同図において、先ずステップ1では、上記ステップ1と等しく、12相励磁状態となる。次に、ステップ2に移行すると、巻線組W1の全相の励磁が解除され、巻線組W2及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、8相励磁状態となる。更にステップ3に移行すると、巻線組W1のJ′、D、M′、G相が励磁され、巻線組W2及び巻線組W3の励磁状態は切り換わらないため、12相励磁状態となる。更にステップ4では、巻線組W2の全相の励磁が解除され、巻線組W1及びW3の励磁状態は切り換わらないため8相励磁状態となる。更にステップ5では、巻線組W2のC、L′、F、O′相が励磁され、巻線組W1及びW3の励磁状態は切り換わらないため12相励磁状態となる。更にステップ6では、巻線組W3の全相の励磁が解除され、巻線組W1及びW2の励磁状態は切り換わらないため8相励磁状態となる。更にステップ7では、巻線組W3のK′、E、N′、H相が励磁され、巻線組W1及びW2の励磁状態は切り換わらないため12相励磁状態となる。更にステップ8では、巻線組W1の全相の励磁が解除され、巻線組W2及びW3の励磁状態は切り換わらないため8相励磁状態となる。
以下同様にステップ9〜60においても任意の巻線組の励磁状態は入力パルスにより2回連続して切り換わり、その後引き続く2b−2パルス間は、励磁状態が変化しないように制御されており、その切り換え時には、その巻線組が無励磁になる状態が存在するとともに、8−12相励磁を繰り返す。
【0019】
図9は上記駆動方式による発生ベクトル図である。
各相による発生ベクトルは、図3と同等であるので省略し、巻線組による発生ベクトルとその合成ベクトルのみを示した。同図から分かるように、各任意の巻線組の励磁状態の切り換え時に無励磁状態にし、引き続きの励磁によりトルクベクトルが36度(=180/5)回転した結果、各ステップ毎に励磁巻線により発生する合成ベクトルは6度(=180/30)回転しており、ハーフステップ駆動が達成できている。
【0020】
図10は、請求項5の励磁状態を表したタイムチャートの一例である。
同図において、先ずステップ1では、上記ステップ1と等しく、12相励磁状態となる。次に、ステップ2に移行すると、巻線組W1のA相及び巻線組W2のI′相及び巻線組W3のB相の励磁が解除されると同時に、巻線組W1のG相及び巻線組2のO′相及び巻線組W3のH相が励磁され、次に、ステップ3に移行すると、巻線組W1のJ′相及び巻線組W2のC相及び巻線組W3のK′相の励磁が解除されると同時に、巻線組W1のA′相及び巻線組W2のI相及び巻線組W3のB′相が励磁されるため12相励磁状態となる。
以下同様ステップ4〜ステップ10においても3個の巻線組の励磁状態が入力パルス毎に同時に切り換わるように制御され、12相励磁状態を繰り返す。
【0021】
図11は、上記駆動方式による発生ベクトル図である。各相による発生ベクトルは図3と同等であるので省略し、巻線組による発生ベクトルとその合成ベクトルのみを示した。同図から分かるように、各ステップにおいて励磁状態が切り換わった巻線組による発生ベクトルは、電気角で36度(=180/5)回転した結果、励磁巻線により発生する合成ベクトルは36度(1=180/5)回転しており、5(=b)相モータのフルステップ駆動が達成できている。
【0022】
図12は請求項5の励磁状態を表したタイムチャートの上記とは異なる一例である。先ずステップ1では、上記ステップ1と等しく、12相励磁状態となる。次に、ステップ2に移行すると、巻線組W1のG相及び巻線組W2のO′相及び巻線組W3のH相が励磁されるため15相励磁状態となる。次に、ステップ3に移行すると、巻線組W1のA相の及び巻線組W2のI′相及び巻線組W3のB相の励磁が解除されるため12相励磁となる。次に、ステップ4に移行すると、巻線組W1のA′相及び巻線組W2のI相及び巻線組W3のB′相が励磁されるため15相励磁状態となる。以下同様ステップ5〜ステップ20においても3個の巻線組の励磁状態が入力パルス毎に切り換わるように制御され、12−15相励磁状態を繰り返す。
【0023】
図13は上記駆動方式による発生ベクトル図である。
各相による発生ベクトルは図3と同等であるので省略し、巻線組による発生ベクトルとその合成ベクトルのみを示した。同図から分かるように、各ステップにおいて励磁状態が切り換わった巻線組による発生ベクトルは電気角で18度(=180/10)回転した結果、各巻線の発生する合成ベクトルは18度(=180/10)回転しており、5(=b)相モータのハーフステップ駆動が達成できている。
【0024】
なお図示しないが、上記実施例の如き15相ステッピングモータ以外の他の多相ステッピングモータ、例えば45相ステッピングモータに対しても同様に本発明を任意に実施可能であることが分かる。また、入力パルス毎に励磁状態が切り換わる巻線組をb以下の任意の正数とするとともに、その巻線組のトルクベクトルがπ/2aの2a未満の正数倍回転する駆動方式も実施可能であることが分かる。
【0025】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による多相ステッピングモータとその駆動方式によれば、15相ステッピングモータの励磁シーケンスは、5相ステッピングモータの励磁シーケンスを組み合わせて実現できるため、励磁シーケンス構築が容易になる。上記実施の形態のように15相モータのフルステップ、ハーフステップ駆動、5相モータのフルステップ、ハーフステップ駆動が容易に実現できる。
高速運転時には、5相モータとして駆動し、高分解能が必要なところで15相モータとして駆動することが可能となる。
【0026】
また、上記実施の形態の12相励磁時の電源からみた等価回路は、図14のようになり、2個の相巻線を直列に接続した巻線群による6個の並列回路となる(ここで、R:1相あたりの巻線抵抗、V:電源電圧、I:定格電流)。
定格電流0.3A、1相あたりの巻線抵抗を27Ωとすると、駆動電源としては電源容量が1.8A以上、電圧容量が16.2V以上の電源が必要となるが、前記電源は一般的な電源であり、また、スイッチング素子としても一般的なものが使用可能である。
【0027】
一般に、相数がa×b(aは3以上の奇数、bは2以上の整数)のステッピングモータにおいて、巻線組を位相差が2π/aである相巻線の始端と終端を順次接続した環状結線または星状結線で構築すると、m相励磁(mはbと2の公倍数)のとき、電源からみた等価回路は、理想的には、図15に示すように、m/2b個の相巻線を直列に接続した巻線群による2×b個の並列回路となる(ここで、I:定格電流、R:1相あたりの巻線抵抗、m:励磁相数、b:環状結線または星状結線の数)。
このとき、駆動電源としては電流容量が2×b×I以上、電圧容量がm×I×R/2/b以上の電源が必要となる。電源容量やスイッチング素子に適したbを決めることにより通常の電源および低コストで汎用性のあるスイッチング素子での駆動が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の多相ステッピングモータとその駆動方式の実施の形態を示すステッピングモータの相巻線の接続図である。
【図2】請求項2に記載した多相ステッピングモータの励磁状態の一例を表したタイムチャートである。
【図3】図2で示した多相ステッピングモータの駆動方式による発生ベクトル図である。
【図4】図1の多相ステッピングモータの励磁状態の他の一例を表したタイムチャートである。
【図5】図4で示した多相ステッピングモータの駆動方式による発生ベクトル図である。
【図6】請求項3に記載した多相ステッピングモータの励磁状態の一例を表したタイムチャートである。
【図7】図6で示した多相ステッピングモータの駆動方式による発生ベクトル図である。
【図8】請求項4に記載した多相ステッピングモータの励磁状態の一例を表したタイムチャートである。
【図9】図8で示した多相ステッピングモータの駆動方式による発生ベクトル図である。
【図10】請求項5に記載した多相ステッピングモータの励磁状態の他の一例を表したタイムチャートである。
【図11】図10で示した多相ステッピングモータの駆動方式による発生ベクトル図である。
【図12】請求項5に記載した多相ステッピングモータの励磁状態の一例を表したタイムチャートである。
【図13】図12で示した多相ステッピングモータの駆動方式による発生ベクトル図である。
【図14】本発明の実施の形態にかかる12相励磁時の電源からみた等価回路である。
【図15】本発明の実施の形態にかかるm相励磁時の電源からみた等価回路である。
【符号の説明】
W1,W2,W3 巻線組
φA〜φO 相巻線
C1〜C15 入力端子

Claims (5)

  1. 相数がa×b(aは3以上の奇数、bは2以上の整数)で表される6以上の相数を有するステッピングモータにおいて、固定子突極に施された相巻線は、位相が、2π/aずつずれたa個の相巻線を環状または星状に接続した巻線組をb組備えるよう構成されるとともに、a×b個の入力端子を有し、各巻線組が形成する各トルクベクトル組が、電気角で、2π/(a×b)度ずつずれるように構成されたことを特徴とする多相ステッピングモータ。
  2. 相数がa×b(aは3以上の奇数、bは2以上の整数)で表される6以上の相数を有し、かつ固定子突極に施された相巻線は位相が2π/aずつずれたa個の相巻線を環状または星状に接続した巻線組をb組備えるように構成するとともに、a×b個の入力端子を有するステッピングモータであって、上記a×b個の入力端子に各別にスイッチング手段を接続し、スイッチングにより前記各入力端子を駆動電源の正極または負極に接続するか、或いは、いずれの極にも接続しないように制御して、相巻線の励磁を切り換えるステッピングモータの駆動回路において、入力パルス毎に、ひとつの巻線組の励磁状態が切り換わるとともに、任意の巻線組の励磁状態は、b入力パルス毎に切り換わるように制御されており、その切換により、その巻線組によるトルクベクトルは、π/a、またはπ/2a回転することを特徴とする多相ステッピングモータの駆動方式。
  3. 相数がa×b(aは3以上の奇数、bは2以上の整数)で表される6以上の相数を有し、かつ固定子突極に施された相巻線は位相が2π/aずつずれたa個の相巻線を環状または星状に接続した巻線組をb組備えるよう構成するとともに、a×b個の入力端子を有するステッピングモータであって、上記a×b個の入力端子に各別にスイッチング手段を接続し、スイッチングにより前記各入力端子を駆動電源の正極または負極に接続するか、或いはいずれの極にも接続しないように制御して相巻線の励磁状態を切り換えるステッピングモータの駆動回路において、入力パルス毎に一つの巻線組の励磁状態が切り換わるとともに、任意の巻線組の励磁状態は入力パルスにより2回連続して切り換わり、その後引き続く2b−2パルス間は、励磁状態が変化しないことをくり返すように制御されており、その切換時には、その巻線組によるトルクベクトルがπ/2aずつ回転することを特徴とする多相ステッピングモータの駆動方式。
  4. 相数がa×b(aは3以上の奇数、bは2以上の整数)で表される6以上の相数を有し、かつ固定子突極に施された相巻線は位相が2π/aずつずれたa個の相巻線を環状または星状に接続した巻線組をb組備えるよう構成するとともに、a×b個の入力端子を有するステッピングモータであって、上記a×b個の入力端子に各別にスイッチング手段を接続し、スイッチングにより前記各入力端子を駆動電源の正極または負極に接続するか、或いはいずれの極にも接続しないように制御して相巻線の励磁状態を切り換えるステッピングモータの駆動回路において、入力パルス毎にひとつの巻線組の励磁状態が切り換わるとともに任意の巻線組の励磁状態は入力パルスにより2回連続して切り換わり、その後引き続く2b−2パルス間は、励磁状態が変化しないことをくり返すように制御されており、その切り換え時には、その巻線組が無励磁になる状態が存在するとともに、その前後のトルクベクトルの角度はπ/a異なることを特徴とする多相ステッピングモータの駆動方式。
  5. 相数がa×b(aは3以上の奇数、bは2以上の整数)で表される6以上の相数を有し、かつ固定子突極に施された相巻線は位相が2π/aずつずれたa個の相巻線を環状または星状に接続した巻線組をb組備えるよう構成するとともに、a×b個の入力端子を有するステッピングモータであって、上記a×b個の入力端子に各別にスイッチング手段を接続し、スイッチングにより前記各入力端子を駆動電源の正極または負極に接続するか、或いは、いずれの極にも接続しないように制御した相巻線の励磁状態を切り換えるステッピングモータの駆動回路において、b個の巻線組の励磁状態が入力パルス毎に同時に切り換わるように制御されており、その切換により各巻線組によるトルクベクトルが、π/a、またはπ/2a回転することを特徴とする多相ステッピングモータの駆動方式。
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