JP3789778B2 - ステッピングモータの駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はステッピングモータの駆動方法に係り、特に、プリンタのキャリッジ駆動機構あるいは紙送り機構の駆動源として使用されるステッピングモータの駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、印字ヘッドを搭載したキャリッジをプラテンに沿って移動させながら1行分の印字を行ない、この1行分の印字を行なった後、記録用紙を1行分搬送し、次の行の印字を行なうことを繰り返して所定の印字を行なうシリアル式プリンタが、コンピュータやワードプロセッサ等の出力装置として多く用いられている。
【0003】
そして、このようなシリアル式プリンタのキャリッジ駆動機構あるいは紙送り機構を駆動するための駆動モータとして、従来からステッピングモータが用いられている。このステッピングモータは、モータの回転角が入力パルス数に比例するため累積誤差を生じない、モータの回転速度が入力パルス速度に比例し精密な同期運転が可能で制御域が広い、起動・停止特性が極めてよく自起動周波数以下では一定周波数での運転ができる、応答性が高く出力も高い、入力パルスを目標位置に応じて発生させるだけで位置を制御できる、デジタルで制御できるといった理由により、多く使用されている。
【0004】
図19はこのようなステッピングモータの一般的な構造を示したもので、ステッピングモータ10は、例えば、90度間隔で配置された第1(A)、第2(B)、第3(C)および第4(D)の磁極(相)11,12,13,14を有するステータ15と、N極とS極とを180度間隔で有する回転自在な永久磁石からなるロータ16とを備えており、このロータ16に図示しない出力軸が連結されるようになっている。また、前記各磁極11,12,13,14にはコイル17がそれぞれ巻回されている。
【0005】
このようなステッピングモータ10を回転駆動するために、ステータ15の各相のコイル17に励磁電流(相電流)を流すと、この電流により磁界が発生し、ステータ15とロータ16との間に吸引または反発する電磁力が発生する。この励磁電流を順次切り換えることにより、ステータ15とロータ16との間の電磁力が切り換わり、ロータ16を動かすトルクとなる。そして、このようなステッピングモータの駆動方式としては、例えば、1相励磁駆動、1−2相励磁駆動、2−2相励磁駆動等がある。
【0006】
しかしながら、このようなステッピングモータ10の駆動方法においては、高速運転時のトルクを確保するために入力電力が増加すると、低速領域で過大なトルクが発生されて振動や騒音の原因となる。
【0007】
このような不具合を解決するために、ステッピングモータ10の構造から機械的に決まるステップ角を、さらに電子回路により細かく分割してステッピングモータ1のロータ16の回転を滑らかに駆動するマイクロステップ駆動と呼ばれる駆動方法が採用されている。
【0008】
そして、従来、このようなマイクロステップ駆動においては、ステッピングモータ10に対して正弦波によるパルスを供給することにより、ステッピングモータ10の駆動を行なうようになっていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来のステッピングモータの駆動方法においては、正弦波によるパルスにより駆動制御するものであるが、このような駆動制御ではステッピングモータ10のロータ16が回転する際に、振動が発生してしまうという問題があった。
【0010】
そのため、従来から三角波のパルスによりステッピングモータ10を駆動制御することが行なわれている。このように三角波のパルスにより駆動制御することにより、正弦波のパルスを用いて駆動制御する場合に比較して、より振動を低減させることができるものである。
【0011】
しかし、このような三角波のパルスには高調波成分が含まれており、この高調波成分により、やはり振動の発生を除去することはできないという問題を有している。
【0012】
このようにステッピングモータ10に振動が発生すると、例えば、このステッピングモータ10をプリンタのキャリッジ駆動モータに適用した場合には、記録画像むらの発生を招いたり、プリンタの紙送りモータに適用した場合には、紙送り精度の低下を招いてしまう。
【0013】
本発明は前記した点に鑑みてなされたもので、ステッピングモータの振動の発生を著しく低減させることができ、高精度の制御を行なうことのできるステッピングモータの駆動方法を提供することを目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明に係るステッピングモータの駆動方法は、コイルを巻回した複数の相を有するステータをロータの周囲に配設し、前記コイルに励磁電流を流すことによって前記ロータと前記ステータとの間に吸引または反発する電磁力を発生させるとともに、各相に流す励磁電流を順次切り換えることにより前記電磁力を切り換えて前記ロータを回転させるステッピングモータの駆動方法であって、前記励磁電流をマイクロステップ駆動により形成するとともに、この駆動電流波形をフーリエ変換して得られる高調波の3次成分の絶対値を、三角波形の3次成分である1/9より大きくなるように制御するようにしたことを特徴とするものである。
【0015】
この発明によれば、前記励磁電流を三角波のパルスによるマイクロステップ駆動により形成するとともに、この三角波のパルスをフーリエ変換して得られる高調波の3次成分の絶対値を、三角波形の3次成分である1/9より大きくなるように制御するようにしているので、ステッピングモータの回転の際に生じる振動を著しく低減させることができる。その結果、例えば、プリンタのキャリッジ駆動モータに適用した場合に、記録画像のむらを防止することができるとともに、紙送りモータに適用した場合に紙送り精度を向上させることができ、高精度の制御を行なうことが可能となる。
【0016】
また、他の発明は、請求項1において、前記ロータの回転に負荷が加わる場合に、前記三角波のパルスをフーリエ変換して得られる高調波の5次成分の値を、三角波形の5次成分である1/25より大きくなるように制御するようにしたことを特徴とするものである。
【0017】
この発明によれば、ロータの回転に負荷が加わる場合に、三角波のパルスをフーリエ変換して得られる高調波の5次成分の値を、三角波形の5次成分である1/25より大きくなるように制御するようにしているので、ロータの回転に負荷が加わる場合に、ステッピングモータの回転の際に生じる振動を著しく低減させることができる。その結果、例えば、プリンタのキャリッジ駆動モータに適用した場合に、記録画像のむらを防止することができるとともに、紙送りモータに適用した場合に紙送り精度を向上させることができ、高精度の制御を行なうことが可能となる。
【0018】
さらに、他の発明は、請求項1または請求項2において、前記高調波の3次成分の絶対値または5次成分の値をそれぞれ調整可能としたことを特徴とするものである。
【0019】
この発明によれば、高調波の3次成分の絶対値または5次成分の値をそれぞれ調整可能としているので、3次成分または5次成分の値を容易に制御することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図1から図18を参照して説明する。
【0021】
図1は本発明のステッピングモータの駆動方法を適用するための制御装置の実施の一形態を示したもので、このステッピングモータ1の制御装置2は、制御回路3、駆動回路4および電源5により構成されている。前記制御回路3は、入力インタフェースのほか、入力電圧の可変、回転速度や方向、距離および角度等全体を制御するための機能を有するもので、ステッピングモータ1に供給するパルスタイミングを制御するようになっている。また、前記駆動回路4は、前記制御回路3からのパルス信号を各相に分配、増幅してステッピングモータ1の各相を一定の順序で励磁するようになっており、さらに、前記電源5は、ステッピングモータ駆動用とIC回路用の2種類により構成されている。
【0022】
次に、このような構成の制御装置2を用いた本発明のステッピングモータ1の駆動方法について説明する。
【0023】
本実施形態においては、制御装置2の制御回路3により、ステッピングモータ1に供給するパルスタイミングをマイクロステップ駆動により制御するようになっている
一般に、マイクロステップ駆動を正弦波により制御する場合には、その正弦波f(x)は次式で表される。
【0024】
【式1】
【0025】
また、この正弦波に対して三角波のパルスを用いた方が振動が小さくなることがわかっており、この三角波により制御する場合は、正弦波をフーリエ変換することにより、次式で表される。
【0026】
【式2】
【0027】
この式によれば、三角波の場合、周波数成分として3次成分および5次成分の高調波成分を含むことがわかる。
【0028】
そのため、本実施形態においては、制御回路3により、前記3次成分を−1/32 より小さくするように制御するとともに、5次成分を1/52 より大きい値となるように制御するようになっている。なお、3次成分については、符号が(−)であるため、|1/32 |の値を大きくするように制御することになる。また、これら3次成分の絶対値および5次成分の値を大きく制御する際に、任意の値に設定することもできるが、それぞれの値をn倍にする方が容易に制御ができる。
【0029】
図2から図5は三角波による励磁電流波形を示したもので、図2および図3に示すように、5次成分を4倍または2倍に設定した状態で、3次成分を3倍から5倍に設定した場合、基準となる三角波と比較して、3次成分の値の倍数が増加するにしたがって波形の頂上部分が高くなるとともに、ふもと部分が狭まるように波形が変化することがわかる。
【0030】
一方、図4および図5に示すように、3次成分を2倍または3倍に設定した状態で、5次成分を2倍から4倍または0倍から2倍に設定した場合、基準となる三角波と比較して、5次成分の値の倍数が増加するにしたがって波形の頂上部分が高くなるとともに、ふもと部分が広がるように波形が変化することがわかる。
【0031】
次に、図6から図9はこのような励磁電流波形を用いたステッピングモータの周波数応答特性の測定結果、ロータに対する負荷がない場合についてを示したもので、縦軸は角速度変動成分の実効値、横軸は加振振動数である。この周波数応答特性によれば、80Hz付近に主共振応答が現れており、160Hz付近に1/2分数調波共振応答が現れていることがわかる。
【0032】
ここで、図6は5次成分を4倍に設定した状態で、3次成分を3倍から5倍に設定した場合を示し、図7は5次成分を2倍に設定した状態で、3次成分を3倍から5倍に設定した場合を示している。これらによれば、3次成分の値の倍数が増加するにしたがって主共振および1/2分数調波共振の共振のピークが減少することがわかる。
【0033】
また、図8は3次成分を2倍に設定した状態で、5次成分を2倍から4倍に設定した場合を示し、図9は3次成分を3倍に設定した状態で、5次成分を0倍から2倍に設定した場合を示している。これらによれば、5次成分の値の倍数が増加するにしたがって1/2分数調波共振の共振のピークと主共振のピークが増加することがわかる。
【0034】
以上の結果をまとめると、図10および図11のようになる。図10は3次成分を基準とした場合の5次成分の変化に対する主共振のピークの変化を、図11は5次成分を基準とした場合の3次成分の変化に対する主共振のピークの変化をそれぞれまとめたものである。図からわかるように、ロータに対する負荷がない場合は、3次成分の値の倍数が増加するにしたがって、主共振のピークが減少する一方、5次成分の値の倍数が増加するにしたがって主共振のピークが増加することがわかる。
【0035】
また、図12から図17は3次成分と5次成分とをそれぞれ適宜変化させた場合の、ステッピングモータ1に対して摩擦負荷を100gから300gの範囲で与えた場合の周波数応答特性の測定結果を示したものである。
【0036】
この測定結果によれば、ロータに摩擦負荷が加わった場合には、5次成分の値を増加させることにより、主共振のピークが減少する傾向にあることがわかる。
【0037】
さらに、図18は、ロータに対する摩擦負荷を100gから300gの範囲で与えた場合について、3次成分を4倍として5次成分の変化に対する主共振のピークの関係をまとめたものである。図18から、ロータに負荷がある場合は、5次成分の値の倍数が増加するにしたがって、主共振のピークがある範囲までは減少することがわかる。
【0038】
したがって、本実施形態においては、フーリエ変換による高調波の3次成分を増加させることにより、主共振のピークを低減させることができ、5次成分を増加させることにより、ロータに摩擦負荷が加わった場合には、主共振のピークを低減させることができるようになる。
【0039】
そのため、このような3次成分の値および5次成分の値を適宜設定して、制御装置2の制御回路3によりステッピングモータ1にパルスを供給することにより、ステッピングモータ1の回転の際に生じる振動を著しく低減させることができるものである。
【0040】
したがって、本実施形態においては、フーリエ変換による高調波の3次成分の値および5次成分の値を適宜設定して、制御装置2の制御回路3によりステッピングモータ1にパルスを供給するようにしているので、ステッピングモータ1の回転の際に生じる振動を著しく低減させることができる。その結果、例えば、プリンタのキャリッジ駆動モータに適用した場合に、記録画像のむらを防止することができるとともに、紙送りモータに適用した場合に紙送り精度を向上させることができ、高精度の制御を行なうことが可能となる。
【0041】
なお、本発明は前記実施形態のものに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することが可能である。
【0042】
【発明の効果】
以上述べたように本発明に係るステッピングモータの駆動方法は、励磁電流を三角波のパルスによるマイクロステップ駆動により形成するとともに、この三角波のパルスをフーリエ変換して得られる高調波の3次成分の絶対値を大きくなるように制御するようにしているので、ステッピングモータの回転の際に生じる振動を著しく低減させることができる。その結果、例えば、プリンタのキャリッジ駆動モータに適用した場合に、記録画像のむらを防止することができるとともに、紙送りモータに適用した場合に紙送り精度を向上させることができ、高精度の制御を行なうことが可能となる。
【0043】
また、他の発明は、ロータの回転に負荷が加わる場合に、三角波のパルスをフーリエ変換して得られる高調波の5次成分を大きくなるように制御するようにしているので、ロータの回転に負荷が加わる場合に、ステッピングモータの回転の際に生じる振動を著しく低減させることができる。その結果、例えば、プリンタのキャリッジ駆動モータに適用した場合に、記録画像のむらを防止することができるとともに、紙送りモータに適用した場合に紙送り精度を向上させることができ、高精度の制御を行なうことが可能となる。
【0044】
さらに、他の発明は、高調波の3次成分の絶対値または5次成分の値をそれぞれn倍となるように制御するようにしているので、3次成分または5次成分の値を容易に制御することができる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るステッピングモータの駆動方法を実施するための制御装置の実施の一形態を示すブロック図
【図2】 本発明の駆動方法による三角波の5次成分を4倍とし3次成分を3倍から5倍に変化させた場合の励磁電流波形を示す説明図
【図3】 本発明の駆動方法による三角波の5次成分を2倍とし3次成分を3倍から5倍に変化させた場合の励磁電流波形を示す説明図
【図4】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を2倍とし5次成分を2倍から4倍に変化させた場合の励磁電流波形を示す説明図
【図5】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を3倍とし5次成分を0倍から2倍に変化させた場合の励磁電流波形を示す説明図
【図6】 本発明の駆動方法による図2の励磁電流波形による周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図7】 本発明の駆動方法による図3の励磁電流波形による周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図8】 本発明の駆動方法による図4の励磁電流波形による周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図9】 本発明の駆動方法による図5の励磁電流波形による周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図10】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を基準とした場合の5次成分の変化に対する主共振のピークの関係を示す説明図
【図11】 本発明の駆動方法による三角波の5次成分を基準とした場合の3次成分の変化に対する主共振のピークの関係を示す説明図
【図12】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を4倍とし5次成分を0倍とした場合における摩擦負荷を変化させた場合の周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図13】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を4倍とし5次成分を1倍とした場合における摩擦負荷を変化させた場合の周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図14】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を4倍とし5次成分を2倍とした場合における摩擦負荷を変化させた場合の周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図15】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を4倍とし5次成分を3倍とした場合における摩擦負荷を変化させた場合の周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図16】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を4倍とし5次成分を4倍とした場合における摩擦負荷を変化させた場合の周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図17】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を4倍とし5次成分を5倍とした場合における摩擦負荷を変化させた場合の周波数応答特性の測定結果を示す説明図
【図18】 本発明の駆動方法による三角波の3次成分を4倍とし5次成分を変化させた場合における摩擦負荷を変化させた場合の主共振のピークの関係を示す説明図
【図19】 従来の一般的なステッピングモータを示す概略構成図
【符号の説明】
1 ステッピングモータ
2 制御装置
3 制御回路
4 駆動回路
5 電源
Claims (3)
- コイルを巻回した複数の相を有するステータをロータの周囲に配設し、前記コイルに励磁電流を流すことによって前記ロータと前記ステータとの間に吸引または反発する電磁力を発生させるとともに、各相に流す励磁電流を順次切り換えることにより前記電磁力を切り換えて前記ロータを回転させるステッピングモータの駆動方法であって、前記励磁電流をマイクロステップ駆動により形成するとともに、この駆動電流波形をフーリエ変換して得られる高調波の3次成分の絶対値を、三角波形の3次成分である1/9より大きくなるように制御するようにしたことを特徴とするステッピングモータの駆動方法。
- 前記ロータの回転に負荷が加わる場合に、前記三角波のパルスをフーリエ変換して得られる高調波の5次成分の値を、三角波形の5次成分である1/25より大きくなるように制御するようにしたことを特徴とする請求項1に記載のステッピングモータの駆動方法。
- 前記高調波の3次成分の絶対値または5次成分の値をそれぞれ調整可能としたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のステッピングモータの駆動方法。
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