JP4216845B2 - ３相ステッピングモータの駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、３相ステッピングモータの駆動回路に係り、特に小形で低消費電力と、トルク特性の設定を記憶し任意に選択することができる技術に関する。

図２は、従来から実施されている３相ステッピングモータ駆動回路のブロック図の一例で、回転数と回転方向を指令する外部指令回路からの外部指令信号を受け、モータコイル各相の励磁角を決定する励磁角制御回路と、励磁角制御回路から出力されるゲート信号よりモータコイル各相に流れる電流比を制御する３相全波駆動回路からなる励磁角制御部と、モータコイルに流れる電流を検出して、これを電流を制御するレギュレータ制御回路とスイッチングレギュレータからなる電流制御部より構成されている。

図示の駆動回路において、励磁角制御部では外部信号を受けて励磁角を制御するマイコン、ゲートアレイ等の制御ＩＣおよびその周辺回路や３相全波駆動回路が、電流制御部ではスイッチングレギュレータおよびレギュレータ制御回路を構成するためにＦＥＴ、チョークコイル、ダイオード、電解コンデンサ、制御ＩＣ等多くの電子部品が必要で、これ等の部品を搭載するために基板サイズが大きくなり、部品コストが高くなる。

特開平９−１１７１９８

本発明が解決しようとする課題は、励磁角制御回路と３相全波駆動回路から成る励磁角制御部と、レギュレータ制御回路とスイッチングレギュレータから成る電流制御部とで構成された従来技術の制御回路において、電流制御部はＦＥＴ、チョークコイル、ダイオード、電解コンデンサ、制御ＩＣ等多くの電子部品が必要で、これ等の部品を搭載するために基板サイズが大きくなると言う問題があり、この従来技術の回路に比べ、部品数を削減し、基板サイズを小さくし、部品コストを削減した低廉な小型の駆動回路を得ることが課題である。

本発明は、課題を解決するため、モータコイルの励磁角と、モータコイル全体に流れる総電流を同時に制御する回路をワンチップマイコンで構成することにより実現した。

本発明になる３相ステッピングモータ駆動回路は、従来技術になる駆動回路と比較して、励磁角の制御と、総電流の制御をワンチップマイコンにより構成することで、従来技術による回路において電流制御部で必要であった制御ＩＣ、チヨークコイル、ＦＥＴ、ダイオード、電解コンデンサ等が削減できるので部品コスト及び基板サイズを各々１／２以下にすることができるのと、スイッチングレギュレータ回路が無くなるため、そこでの電力損失が無くなることで電力消費を削減し、加えて外部信号であるパルス信号の１パルス毎の励磁角を変えることでステップ角を任意に設定することと、トルク特性をモータの回転数に応じて任意に設定することが可能である。

以下、図面により説明する。

図１は、本発明になる３相ステッピングモータの駆動回路のブロック図を示し、全体を外部信号入力部と、マイコン部と、ドライバ部とにより構成される。

外部信号入力部１は、ステッピングモータの回転を指令する信号を受け入れるところで、回転量を指令するパルス信号２と、回転方向を指令する信号３がマイコン部４に入力される。

マイコン部４はワンチップマイコンで構成され、この内部をさらに大別すると、励磁角の制御を行う励磁角制御部４−１と、総電流の制御を行う電流制御部４−２とＰＷＭ信号生成部１１に分けられる。

励磁角制御部４−１は、電気角生成部５と、位相角生成部６とで構成されており、電流制御部４−２は、増幅器７と、Ａ／Ｄコンバータ８と電流リファレンス生成部９と、電圧振幅生成部１０より構成されている。

ドライバ部２０は、２個の半導体通電制御素子２５−１を直列に接続したアーム３個を並列に接続して電源の＋端と接地端に接続して３相全波駆動回路２６を構成し、各アームの半導体通電制御素子２５−１のゲート端子に制御信号を送るデッドタイム生成回路２１の出力端子を接続し、かつ前記アーム３個を並列に接続した接続端の（−）側と接地端との間に一個の電流検出抵抗２３を接続し、該電流検出抵抗２３と前記接続端と接地端との間にフィルタ回路２４を接続し、該フィルタ回路の出力をマイコン部４の増幅器７に接続し、前記３個のアームに設けた２個の半導体通電制御素子２５−１を直列に接続した接続点は３相ステッピングモータの３相巻線２２を接続されている。

励磁角制御部４−１を詳述すると、電気角生成部５は外部信号部１より入力されたパルス信号２と回転方向指令信号３に対応する電気角θを発生させるところで、図３に示すように外部信号部のパルス信号２の立下りエッジをトリガし、このときの回転方向信号がＨレベルならばパルス信号入力前の電気角θ_ＯＬＤに対して電気角をΔθだけ増加させ、回転方向信号がＬレベルならばパルス信号入力前の電気角θ_ＯＬＤに対して電気角をΔθだけ減少させる。
回転方向信号がＨレベルの時 ： θ＝θ_ＯＬＤ＋Δθ
回転方向信号がＬレベルの時 ： θ＝θ_ＯＬＤ−Δθ

Δθは電気角の増減値を表し、あらかじめ以下のＳｔｅｐ設定リストの中から選択しておく。
Ｆｕｌｌ Ｓｔｅｐ ： Δθ＝６０゜
Ｈａｌｆ Ｓｔｅｐ ： Δθ＝３０゜
１／４Ｍｉｃｒｏ Ｓｔｅｐ ： Δθ＝１５゜
１／８Ｍｉｃｒｏ Ｓｔｅｐ ： Δθ＝７．５゜
例えば、「１／８Ｍｉｃｒｏ Ｓｔｅｐ」を選択すればΔθ＝７．５゜となり１パルス信号を入力するごとに電気角で７．５゜回転し、「Ｈａｌｆ Ｓｔｅｐ」を選択すれば ３０゜回転することになる。

位相生成部６では、電気角生成部５から出力された電気角θを入力し、該電気角θをＵ相励磁角度θ_uとして、これに対して１２０°の位相差を持つＶ相励磁角度θ_vと、２４０°の位相差を持つＷ相励磁角度θ_wを生成する。
Ｕ相励磁角度 ： θ_u＝θ
Ｖ相励磁角度 ： θ_v＝θ+１２０°
Ｗ相励磁角度 ： θ_w＝θ＋２４０°

電流制御部４−２を詳述すると、ドライバ部２０の電流検出抵抗２３で検出された電流値を、フイルタ回路２４を介してマイコン部４の増幅器７に接続し、該増幅器７の出力をＡ／Ｄコンバータ８に入力してデジタル値に変換し、電圧振幅生成部１０の一方の入力端子に接続し、他の入力端子に前記電流リファレンス設定部９の出力を接続し、電圧振幅生成部１０の出力をＰＷＭ信号生成部１１に入力する。

Ａ／Ｄコンバータ８から出力された電流フィードバック値Ｉ_ＦＢと、電流リファレンス生成部９から出力された電流リファレンス値Ｉ_ＲＥＦは図４に示すように、電圧振幅生成部１０にて比較されて、その結果より電圧振幅Ｖ_Ａが演算されて、ＰＷＭ信号生成部１１に出力される。
Ｉ_ＲＥＦ＞Ｉ_ＦＢならば電圧振幅Ｖ_Ａ増
Ｉ_ＲＥＦ＜Ｉ_ＦＢならば電圧振幅Ｖ_Ａ減
Ｉ_ＲＥＦ＝Ｉ_ＦＢならば電圧振幅Ｖ_Ａはそのまま

電流フィードバック値Ｉ_ＦＢも電圧振幅Ｖ_Ａの増減によって増減するため、最終的に、電圧振幅Ｖ_ＡはＩ_ＲＥＦ＝Ｉ_ＦＢとなる値に収束するように制御される。

ＰＷＭ信号生成部１１はＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対し夫々１個のＰＷＭ信号生成部１１−１を備え、夫々の角度信号端子に前記位相生成部６の出力が接続され、各相の励磁角度情報θ_u、θ_v、θ_wが入力され、各々の電圧信号端子に前記電圧振幅生成部１０が接続され、電圧振幅情報Ｖ_Ａが入力される。

ＰＷＭ信号生成部１１では各相の励磁角度θ_u、θ_v、θ_wと電圧振幅Ｖ_Ａから各相のＰＷＭ信号のデューティを決定し、各相のゲート駆動用のＰＷＭ信号Ｇ_Ｕ，Ｇ_Ｖ，Ｇ_Ｗを生成し、ドライバ部２０のデッドタイム生成回路２１に出力する。

ＰＷＭ信号のデューティを生成する方法は、図５に示すように、行を電圧振幅インデックスとし、列を励磁角度インデックスとしたPWMデューティデータを格納するＰＷＭデューティ行列を用意しておき、ＰＷＭ信号生成部１１に入力された励磁角度と振幅から、PWMデューティ行列の該当するデータを取り出すようにしておくことでマイコンの計算処理負担を軽減することができる。

デッドタイム生成回路２１はＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対し夫々１個のデッドタイム生成回路を備え、３相全波駆動回路２６の上下半導体制御素子２５−１のゲート端子に同時にＯＮが入力されてアーム短絡を起こさないように、図６に示すように、マイコン４のＰＷＭ信号生成部１１から出力されたＰＷＭ信号Ｇに上下半導体制御素子が同時にＯＦＦする期間であるデッドタイムＴ_ｄを挿入して３相全波駆動回路２６の角半導体制御素子２５−１のゲート端子に出力する。

電流検出抵抗２３は全部の半導体通電制御素子２５の電流が流れる位置に１個設けられているだけなので、電源電流を検出していることになり、これを一定値になるように制御しようとすると電源電流一定制御となるため、モータの回転数が上昇するとトルクが低下するという問題があり、これを解決するために、電流リファレンス生成部９ではモータの回転数に対応して電流リファレンス値Ｉ_ＲＥＦを変化させる。

しかし、回転数を検出するためのエンコーダなどのセンサは設けてないので、外部信号部１のパルス信号２の周期Ｔを利用して電流リファレンス値Ｉ_ＲＥＦを生成する。

電流リファレンス生成部９ではパルス信号２の入力周期Ｔを常に監視し、入力周期Ｔが長い時、すなわち低速回転時には電流リファレンス値Ｉ_ＲＥＦを下げて、入力周期が短い時、すなわち高速回転時には電流リファレンス値Ｉ_ＲＥＦを上げて電圧振幅生成部１０に出力する。

パルス入力周期Ｔと電流リファレンス値Ｉ_ＲＥＦの関係は、図７に示すように、パルス入力周期Ｔをインデックスとする電流リファレンス配列を用意しておき、パルス入力周期Ｔの値から電流リファレンス配列の該当するデータを取り出すようにしておくことで、トルク特性を任意に設定できると共に、マイコンの計算処理負担を軽減することができる。

前述電圧振幅生成部１０において、電流フィードバック値Ｉ_ＦＢと電流リファレンス値Ｉ_ＲＥＦとが比較される時、電流リファレンス生成部９により、低速回転時にはＩ_ＲＥＦは小さい値となるから、自動的に電圧振幅Ｖ_Ａが減少するように制御されてＩ_ＦＢも減少し、反対に、高速回転時にはＶ_Ａが増大するように制御されてＩ_ＦＢも増大する。

電流リファレンス生成部９を持たない場合、モータ回転数ｎとモータトルクτの関係をグラフに示すと図８のようになり、回転数が上がるとトルクが低下しているが、電流リファレンス生成部９を付加すると、モータ回転数ｎとモータトルクτの関係をグラフに示すと図９のようになり、ある回転数まではトルクが平坦に発生するため、ステッピングモータを高速回転時でも使い易くなる。

本発明になる３相ステッピングモータの駆動回路は、電気角設定部５と、位相角生成部６と、増幅器７、Ａ／Ｄコンバータ８、電流リファレンス生成部９、制御電圧生成部１０、ＰＷＭ信号生成部１１がワンチップマイコンで形成されており、該ワンチップマイコンで励磁角制御と電流制御を合わせて行うので、従来技術の駆動回路より部品コストと基板サイズを１／２以下にすることが可能で、かつ消費電力を削減すると共にトルク特性を任意に設定することが可能である。

本発明になる３相ステッピングモータの駆動回路のように、励磁角制御と電流制御との双方をワンチップマイコンにより構成することは他の駆動回路においても利用可能で、部品コスト、基板サイズの削減を容易に実現できる。

本発明になる３相ステッピングモータの駆動回路のブロック図である。 従来から実施されている３相ステッピングモータの駆動回路のブロック図である。 パルス信号と回転方向信号による電気角生成の説明図。 電圧振幅生成部による電圧振幅生成の説明図。 ＰＷＭ信号生成部でのＰＷＭ信号のデューティ生成の説明図。 デッドタイム生成回路によるＰＷＭ信号へのデッドタイム挿入の説明図。 電流レファレンス生成部による電流リファレンス生成の説明図 電流制御改善前のトルク特性 本発明により改良されたトルク特性

符号の説明

１ 外部信号部
２ パルス入力
３ 回転方向信号
４ マイコン部
５ 電気角生成部
６ 位相生成部
７ 増幅器
８ Ａ／Ｄコンバータ
９ 電流レファレンス生成部
１０ 電圧振幅生成回路
１１ ＰＷＭ信号生成部
２０ ドライバ部
２１ デッドタイム生成回路
２２ ３相ステッピングモータの巻線
２３ 電流検出抵抗
２４ フィルタ回路
２５ 半導体通電制御素子
２６ ３相全波駆動回路

Claims (2)

1. ３相ステッピングモータの駆動回路で、２個の半導体通電制御素子を直列に接続したアーム３個を並列に接続して電源の＋端と接地端に接続し、前記各アームの２個の半導体通電制御素子を直列に接続した接続点に３相巻線を接続してなる３相全波駆動回路と、該３相全波駆動回路を駆動するためのデッドタイム生成回路を設け、かつＰＷＭ制御をするものにおいて、前記３個のアームの接続点と接地端の間に１個の電流検出用抵抗を接続し、該電流検出用抵抗の電圧を、抵抗とコンデンサを接続したフィルタ回路を介して電流フィードバック信号として出力する構成のドライブ回路と、前記デッドタイム生成回路に接続され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相にＰＷＭ制御信号を送るための３個のＰＷＭ信号生成部を接続し、該３個のＰＷＭ信号生成部の夫々の角度信号入力端に、Ｕ相励磁角と、これに対して１２０度の位相を持つＶ相励磁角と、２４０度の位相差を持つＷ相励磁角の信号を発生する位相生成部の出力を接続し、前記位相角生成部の入力端に、電気角生成部の出力を接続し、該電気角生成部の入力端に、外部信号のパルス信号と回転方向信号とを接続すると共に、該外部信号のパルス信号を電流リファレンス生成部に接続し、前記ドライブ回路の電流フィードバック信号を増幅器に接続し、該増幅器の出力を変換するＡ／Ｄコンバータに接続し、該Ａ／Ｄコンバータの出力と、前記電流リファレンス生成部の出力との比較演算を行い、電圧振幅を生成する電圧振幅生成部の入力端に接続し、該電圧振幅生成部の出力を、前記３個のＰＷＭ信号生成部の電圧信号入力端に接続してなる励磁角制御部と電流制御部とを、ワンチップマイコンにより構成し、該ワンチップマイコンに設けられた前記３個のＰＷＭ信号生成回路の出力を、前記ドライブ回路のデッドタイム生成回路に接続するように構成したこと、を特徴とする３相ステッピングモータの駆動回路。
2. 電流リファレンス生成部により、外部信号のパルス信号の周期に応じて電流リファレンス値を変更できることで、高速域でのトルク特性を改善できること、を特徴とする請求項１に記載の３相ステッピングモータの駆動回路。

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