JP4399783B2 - ステッピングモータの駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動装置に係り、特に、ステッピングモータの基本ステップ角を分割してマイクロステップ駆動する駆動装置に関する。

近年、ステッピングモータの駆動においては、その基本ステップ角をｎ分割して駆動する所謂マイクロステップ駆動が多用されている。このマイクロステップ駆動は、駆動角度を細かく設定できるので、特に、磁気ディスク装置の磁気ヘッド駆動において好適な駆動方法である。

このマイクロステップ駆動を用いた従来の駆動制御装置について図５，図６を用いて説明する。これらの図は、後述する特許文献１に記載された図を基にしている。
図５はステッピングモータを駆動するための従来の駆動制御装置の構成を示すものである。
アップダウンカウンタ１０１は、回転方向信号ＵＰ／ＤＯＷＮによりクロックパルスＣＰを計数アップまたは計数ダウンする。
ＲＯＭ１０２ａ，１０２ｂには、正弦波及び余弦波の振幅データが記憶されている。
Ｄ／Ａコンバータ１３１ａ，１３１ｂは、アップダウンカウンタ１０１の出力をアドレスデータとして各ＲＯＭ１０２ａ，１０２ｂから読み出された振幅データをアナログ信号に変換する。
駆動回路１３２ａ，１３２ｂは、Ｄ／Ａコンバータ１３１ａ，１３１ｂから出力されたアナログ信号に応じてステッピングモータ４を駆動する。
Ｄ／Ａコンバータ１３１ａ，１３１ｂと駆動回路１３２ａ，１３２ｂとにより励磁電流制御部１０３ａ，１０３ｂが構成される。
この駆動制御装置で駆動されるステッピングモータ４は、ステータコイル４ａ，４ｂを備えている。

以上のように構成されたステッピングモータ４とその駆動制御装置の動作について、図５，図６を用いて説明する。
図６は、ステッピングモータ４の初期状態である逆転方向で静止している状態から、回転方向信号ＵＰ／ＤＯＷＮをアップ（Ｈ）にすることで正転方向に基本ステップ角で４ステップ角だけ回転した後、回転方向信号ＵＰ／ＤＯＷＮをダウン（Ｌ）にすることで逆転方向の回転に切り替わるまで、の各部の作用を示している。

まず、回転方向信号ＵＰ／ＤＯＷＮにより、アップダウンカウンタ１０１の計数方向が設定される。
クロックパルスＣＰが入力されると、アップダウンカウンタ１０１は計数動作をはじめる。
アップダウンカウンタ１０１の計数値をアドレスデータとしてＲＯＭ１０２ａ，１０２ｂから正弦波、余弦波の振幅データが順次読み出される。
読み出された振幅データは、励磁電流制御部１０３ａ，１０３ｂのＤ／Ａコンバータ１３１ａ，１３１ｂによりアナログ信号に変換され、励磁信号として駆動回路１３２ａ，１３２ｂに入力される。
駆動回路は、例えば定電流駆動によってステッピングモータ４のステータコイル４ａ，４ｂを駆動する。

この各部の作用において、最初にクロックパルスＣＰが入力されてアップダウンカウンタ１０１が計数アップ動作を開始すると、励磁位置の回転角が正方向に移動し、これにより回転子位置との間に位相差が生じてトルクが発生する。
そして、この発生トルクが増大し、正方向の最大摩擦トルクと平衡状態になった時点でモータの回転子は移動を開始して励磁位置に追従していく。

図６におけるｔ１の時点で、回転方向信号ＵＰ／ＤＯＷＮが反転してアップダウンカウンタ１０１が計数ダウンを開始すると、励磁位置の回転角は逆方向に移動する。そして、励磁位置と回転子位置との位相差が逆方向になり、さらに、この逆方向の発生トルクが増大して最大摩擦トルクと平衡状態になると回転子は励磁位置に追従を始める。

ステッピングモータは、内部摩擦損失等により励磁位置と回転子位置との間に位相差が発生して回転子の停止位置がずれるという所謂ヒステリシス現象があって正確な位置決めが難しいという問題点を有していることは周知である。

例えば、図６のｔ１の時点で、逆方向に移動パルス数をセットしても、当図に示すヒステリシスの範囲において回転子は移動できず、結果としてセットした移動数に相当する移動が行われないという問題点があった。

この問題点に対して、移動方向が変わった場合にヒステリシス分に相当するパルス数を増やす補正を行ってこのヒステリシス現象を低減させる改善技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開平６−１８９５９８号公報

しかしながら、上述した従来技術は、回転子の停止状態における回転子の摩擦トルクと発生トルクとの平衡状態からの補正（図６におけるヒステリシス境界であるｔ１あるいはｔ４の時点での補正）については有効であるものの、例えば、ヒステリシス内での補正に対応するものではなかった。

また、回転子が長時間停止してその摩擦トルクが低下した際に、発生トルクの方が大きくなって回転を開始してしまい、その結果、位置精度が悪化するという問題があった。

そこで、本発明は、ヒステリシス現象の影響を低減させ、回転子を精度よく安定して移動及び停止させることができるステッピングモータの駆動装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本願発明は手段として次の構成を有する。
１） ステッピングモータの回転子の回転方向に応じてクロックパルスをアップカウント又はダウンカウントし、得られたカウント値を出力するアップダウンカウンタと、
出力された前記カウント値に応じた回転角で前記ステッピングモータをマイクロステップ駆動する駆動手段と、を備えたステッピングモータの駆動装置において、
前記回転方向が正方向の場合に前記クロックパルスをアップカウントし前記回転方向が逆方向の場合に前記クロックパルスをダウンカウントして、前記回転子の励磁位置との関係で補正カウント値ｘを得るカウンタ手段と、
前記補正カウント値ｘと、与えられた目標移動パルス数ｈと、前記ステッピングモータのヒステリシス範囲のパルス数に相当する値ｍと、を用い、
前記正方向に移動して前記ヒステリシス範囲内で停止した前記回転子を、前記正方向に回転させる際には、前記クロックパルスのパルス数ＣＰｎをＣＰｎ＝ｈ＋ｍ−ｘとし、前記逆方向に回転させる際には、前記クロックパルスのパルス数ＣＰｎをＣＰｎ＝ｈ＋ｘとして、前記アップダウンカウンタに出力するパルス付与手段と、
を備え、
前記カウンタ手段は、前記アップカウントして得られた補正カウント値ｘを前記値ｍ以上でｍにセットする一方、前記ダウンカウントして得られた補正カウント値ｘをゼロ以下でゼロにセットすることを特徴とするステッピングモータの駆動装置である。
２） 前記ステッピングモータの駆動後に、励磁位相を前記駆動時の回転方向とは反対方向に変換する励磁位相変換手段を備えたことを特徴とする１）に記載のステッピングモータの駆動装置である。

本発明によれば、ヒステリシス現象の影響が低減し、回転子を精度よく安定して所定角度移動させることができ、安定して停止状態を維持することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図４を用いて説明する。
図１は、本発明のステッピングモータの駆動制御装置における実施例の基本構成を説明する図であり、
図２は、本発明のステッピングモータの駆動制御装置における実施例の動作を説明する図であり、
図３は、本発明のステッピングモータの駆動制御装置における実施例の具体的構成を説明する図であり、
図４は、本発明のステッピングモータの駆動制御装置における実施例を説明するフローチャートである。

まず、図３を用いて駆動制御装置の実施例の構成を詳述する。
当図において、アップダウンカウンタ１は、回転方向信号ｄｉｒによりクロックパルスＣＰを計数アップまたは計数ダウンする。
ＲＯＭ２ａ，２ｂには、正弦波及び余弦波の振幅データが記憶されている。
Ｄ／Ａコンバータ３１ａ，３１ｂは、カウンタＣの出力をアドレスデータとして各ＲＯＭ２ａ，２ｂから読み出された振幅データをアナログ信号に変換する。
駆動回路３２ａ，３２ｂは、Ｄ／Ａコンバータ３１ａ，３１ｂから出力されたアナログ信号に応じてステッピングモータ４を駆動する。
Ｄ／Ａコンバータ３１ａ，３１ｂと駆動回路３２ａ，３２ｂとにより励磁電流制御部３ａ，３ｂを構成する。
全体を制御するマイコンＭ１，Ｍ２と切り替え器Ｃｓｗとについての詳細は後述する。
また、この駆動制御装置により駆動されるステッピングモータ４は、ステータコイル４ａ，４ｂを有している。

マイコンＭ１，Ｍ２は、以下に説明するカウンタ部Ａ，パルス付与部Ｂ，励磁強度変更部Ｃ，位相変換部Ｄを備えている。励磁強度変更部Ｃと位相変換部Ｄについては、いずれか一方を備えているものでもよい。

カウント部Ａは、「処理ＡＡ」のフローチャート〔図４（Ａ）参照〕の処理を実行する。回転方向信号ｄｉｒが正方向の場合に、クロックパルスＣＰをアップカウントし、これがｍ発以上であればｍにセットする。
また、回転方向信号ｄｉｒが逆方向の場合に、クロックパルスＣＰをダウンカウントし、これが０（ゼロ）以下であれば０（ゼロ）にセットする。

パルス付与部Ｂは、カウント部Ａでのカウント値をｘとし、回転子の目標移動パルス数ｈと回転方向ｄｉｒとが与えられた時に、ドライブ（アップダウンカウンタ１以降）に与えるクロックパルスＣＰのパルス数を、正方向の場合にｈ＋（ｍ−ｘ）とし、逆方向の場合にｈ＋ｘとする。

励磁強度変更部Ｃは、回転子が停止した際に、励磁強度を低下させる。

励磁位相変換部Ｄは、回転子が停止した際に、励磁位相を反対に転換する。

共有メモリＳＭは、ａｉｍ＿ｃｏｕｎｔ（励磁パルス数），ｄｉｒｒ（方向），ｘ（パル数），ｓｔａｒｔ（開始）の各メモリ番地に数値を記憶する。
ｄｉｒ信号は従来技術（図５，図６参照）における回転方向信号ＵＰ／ＤＯＷＮに相当する信号である。

ステッピングモータ４は、基本ステップ角を１６個に分割してマイクロステップ駆動される。また、駆動のために与えられるパルス数をｘとし、ヒステリシス範囲はパルス数でｍに相当する範囲とする。

マイコンＭ２は、目標移動パルス数ｈと方向ｄｉｒｒとが与えられた時、ｍ及び共有メモリＳＭに取り込まれたパルス数ｘを読みこんで「処理ＢＢ」のフローチャート〔図４（Ｂ）参照〕処理を実行し、各値を共有メモリＳＭ内のａｉｍ＿ｃｏｕｎｔ（励磁パルス数），ｄｉｒｒ（方向），ｓｔａｒｔ（開始）に書きこむ。

励磁パルス数ａと方向ｄｉｒｒが与えられた時は、「処理ＤＤ」のフローチャート〔図４（Ｄ）参照〕処理を実行し、各値を共有メモリＳＭ内の、ａｉｍ＿ｃｏｕｎｔ（励磁パルス数），ｄｉｒｒ（方向），ｓｔａｒｔ（開始）に書きこむ。

マイコンＭ１は、周期ｔｍ毎に通常処理で示すフローチャートの処理を実行している。本実施例では、「処理ＡＡ」〔図４（Ａ）参照〕も周期ｔｍ毎に実行される。
「通常処理」のフローチャート〔図４（Ｅ）参照〕では、ｓｔａｒｔ＝１になったことを受けて、ｄｉｒｒを出力し、また、ｄｉｖｃをカウントし、処理周期５回毎にＣＰ＝１を出力する。
また、これをｃｐ＿ｃｏｕｎｔ（クロックパルス数）でカウントし、ａｉｍ＿ｃｏｕｎｔになったら、ｓｔａｒｔ＝０（ゼロ）にして終了する。

カウント部Ａで行われる処理ＡＡでは、ＣＰ＝１の時、ｄｉｒ＝１ならば、ｘをインクリメントしｍで制限をかける。
ｄｉｒ＝０ならば、ｘをデクリメントし、０（ゼロ）で制限をかける。

励磁強度変更部Ｃで行われる処理ＣＣでは、励磁強度を下げる場合に、ｒｅｉｊｉ＿ｋｙｏｕｄｏ＝０（ゼロ）に応じてｓｗ＝１を出力し、切り換え器Ｃｓｗのスイッチの下側を選択させる。

次に、この実施例の動作について、図２を用いて説明する。
まず、ｔ０＝０（ゼロ）で、回転子の回転角はＨ０の位置にあるものとする。この状態から、基本ステップ角で４ステップ角分、回転子を正回転方向に回転させる。この４ステップは、マイクロステップ数で、４＊１６＝６４（個）に相当する。
以下の説明においては、ｈ０＝６４，ｍ＝１２とする。

まず、励磁強度を上げた状態にして、ｒｅｉｊｉ＿ｋｙｏｕｄｏ＝１にして、マイコンＭ２で処理ＣＣを実行する。

次に、目標移動パルス数：ｈ＝ｈ０，方向：正回転方向ａｉｍ＿ｄｉｒ＝１にし、ｓｔａｒｔ＝１とする。

マイコンＭ２が処理ＢＢを実行し、共有メモリＳＭのデータは、ｘ＝ｍ，ａｉｍ＿ｃｏｕｎｔ＝ｈ＋ｍ−ｘ，ｄｉｒ＝１，ｓｔａｒｔ＝１となる。
マイコンＭ１は、このｓｔａｒｔ＝１を受けて通常処理を実行し、ｄｉｒ＝１にしてクロックパルスＣＰをｈ発だけ発生させる。
また、処理ＡＡが実行されてｘをインクリメントするが、上述したように制限されてｍのままとなる。

回転方向信号ｄｉｒにより、アップダウンカウンタ１の計数方向が設定される。

アップダウンカウンタ１は、クロックパルスＣＰが入力されることにより計数動作を始める。その計数値をアドレスデータとして、ＲＯＭ２ａ，２ｂから正弦波、余弦波の振幅データが順次読み出される。

読み出された振幅データは、励磁電流制御部３ａ，３ｂのＤ／Ａコンバータ３１ａ，３１ｂによりアナログ信号に変換され、励磁信号として駆動回路３２ａ，３２ｂに入力される。

駆動回路３２ａ，３２ｂは、例えば定電流駆動によってステッピングモータ４のステータコイル４ａ，４ｂを駆動する。これにより回転子は回転移動し、ｔ１時点で、回転角Ｈ３の位置となり停止する。

この状態において、発生トルクと摩擦トルクとは平衡状態にあるが、仮に、状態が変わって摩擦トルクが小さくなった場合、発生トルクの方が大きくなり、この回転子は正転方向に回転してしまう。

このため、回転子が停止した直後、ｒｅｉｊｉ＿ｋｙｏｕｄｏ＝０（ゼロ）にして、マイコンＭ２の処理ＣＣを実行する。
この処理ＣＣにより、ＲＯＭ２ａ，２ｂからの読み出しデータが１／２になって励磁強度が１／２となる。その結果、発生トルクが１／２になり、回転子の不要な回転移動を防ぐことができる。

また、励磁パルス数：ａ＝ｄ（例えば、ｄ＝３），方向：ｒ＿ｄｉｒ＝０（ゼロ）とし、マイコンＭ２で処理ＤＤを実行させ、励磁位相をｄパルス逆回転してｘ＝ｍ−ｄ，ｔ２の位置Ｋ０にすれば、この場合も発生トルクが下がり回転子の不要な回転を防いでこれを安定して停止させることができる。

次に、このようなヒステリシスの範囲内の位置Ｋ０から、目標移動パルス数ｈを与えたときの動作について説明する。この位置Ｋ０は、上述のように、ｘ＝ｍ−ｄとなる位置である。

位置Ｋ０から正回転角ｈ１だけ回転子を回転移動させたい場合、ａｉｍ＿ｄｉｒ＝１，ｈ＝ｈ１としてマイコンＭ２に処理ＢＢを実行させれば、ａｉｍ＿ｃｏｕｎｔ＝ｈ１＋ｍ−ｘ＝ｈ１＋ｄとなり、マイコンＭ１は、ｄｉｒ＝１でクロックパルスＣＰを（ｈ１＋ｄ）パルス発生させる。
これによって励磁位置はＫ１になり、回転子はｔ３の時点から正方向に回転を始め、ｔ６の時点で、Ｗ１の位置まで回転移動する。この移動における回転角は、Ｈ３からＨ１であり、正回転角ｈ１だけ移動したことになる。

一方、逆回転角ｈ２だけ回転子を回転移動させたい場合、ａｉｍ＿ｄｉｒ＝０，ｈ＝ｈ２としてマイコンＭ２に処理ＢＢを実行させれば、ａｉｍ＿ｃｏｕｎｔ＝ｈ２＋ｘ＝ｈ２＋ｍ−ｄとなり、マイコンＭ１は、ｄｉｒ＝０でクロックパルスＣＰを（ｈ２＋ｍ−ｄ）パルス発生させる。
これによって励磁位置はＫ２になり、回転子はｔ４の時点から逆方向に回転を始め、ｔ５の時点で、Ｗ１の位置まで回転移動する。この移動における回転角は、Ｈ３からＨ２であり、逆回転角ｈ２だけ移動したことになる。

上述した駆動制御装置の実施例によれば、ヒステリシス現象の影響を大幅に低減することができ、回転子の回転角度を極めて高精度にすることができる。また、停止後の回転子の不要な回転を防止し、これを極めて安定して静止させることができる。

また、この駆動制御装置は、以下のような駆動制御方法でステッピングモータを駆動するものであればよい。
即ち、ステッピングモータ（４）の回転方向に応じてクロックパルス（ＣＰ）をアップカウント又はダウンカウントし、得られたカウント値を出力するアップダウンカウンタ（１）と、出力された前記カウント値に応じた回転角で前記ステッピングモータ（４）をマイクロステップ駆動する駆動手段とを備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駆動方法において、
前記クロックパルス（ＣＰ）を、アップカウントの制限値Ｕとダウンカウントの制限値Ｄとの間で前記回転方向に応じてアップカウント又はダウンカウントして補正カウント値Ｘを得るステップと、前記補正カウント値Ｘと与えられた目標移動パルス数ｈとを用い、前記クロックパルス（ＣＰ）のパルス数ＣＰｎを、前記アップカウント時にはＣＰｎ＝ｈ＋Ｕ−Ｘとし、前記ダウンカウント時にはＣＰｎ＝ｈ−Ｄ＋Ｘとして前記アップダウンカウンタ（１）に出力するステップとを有することを特徴とするステッピングモータの駆動方法である。

また、この駆動方法において、前記ステッピングモータ（４）の駆動後に、励磁位相を前記駆動時の回転方向とは反対方向に変換するステップ、又は、励磁強度を下げる励磁強度変更ステップを備えたことを特徴とするステッピングモータの駆動方法である。

本発明の実施例は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよい。
例えば、図１に本発明のステッピングモータの駆動装置の基本的構成を示しているが、上述した実施例は、この基本的構成に対してマイコン１，２等を用いて具現化した一例を示したものであり、この実施例に限るものではないことは言うまでもない。

本発明のステッピングモータの駆動制御装置における実施例の基本構成を説明する図である。 本発明のステッピングモータの駆動制御装置における実施例の動作を説明する図である。 本発明のステッピングモータの駆動制御装置における実施例の具体的構成を説明する図である。 本発明のステッピングモータの駆動制御装置の実施例を説明するフローチャートである。 従来の駆動制御装置の構成を説明する図である。 従来の駆動制御装置の動作を説明する図である。

符号の説明

１ アップダウンカウンタ
２ａ，２ｂ ＲＯＭ
３ａ，３ｂ 励磁電流制御部
４ ステッピングモータ
４ａ，４ｂ ステータコイル
３１ａ，３１ｂ Ｄ／Ａコンバータ
３２ａ，３２ｂ 駆動回路
Ａ カウンタ部
Ｂ パルス付与部
Ｃ 励磁強度変更部
ＣＰ クロックパルス
Ｃｓｗ 切り替え器
Ｄ 位相変換部
Ｍ１，Ｍ２ マイコン
ＳＭ 共有メモリ

Claims (2)

1. ステッピングモータの回転子の回転方向に応じてクロックパルスをアップカウント又はダウンカウントし、得られたカウント値を出力するアップダウンカウンタと、
   出力された前記カウント値に応じた回転角で前記ステッピングモータをマイクロステップ駆動する駆動手段と、を備えたステッピングモータの駆動装置において、
   前記回転方向が正方向の場合に前記クロックパルスをアップカウントし前記回転方向が逆方向の場合に前記クロックパルスをダウンカウントして、前記回転子の励磁位置との関係で補正カウント値ｘを得るカウンタ手段と、
   前記補正カウント値ｘと、与えられた目標移動パルス数ｈと、前記ステッピングモータのヒステリシス範囲のパルス数に相当する値ｍと、を用い、
   前記正方向に移動して前記ヒステリシス範囲内で停止した前記回転子を、前記正方向に回転させる際には、前記クロックパルスのパルス数ＣＰｎをＣＰｎ＝ｈ＋ｍ−ｘとし、前記逆方向に回転させる際には、前記クロックパルスのパルス数ＣＰｎをＣＰｎ＝ｈ＋ｘとして、前記アップダウンカウンタに出力するパルス付与手段と、
   を備え、
   前記カウンタ手段は、前記アップカウントして得られた補正カウント値ｘを前記値ｍ以上でｍにセットする一方、前記ダウンカウントして得られた補正カウント値ｘをゼロ以下でゼロにセットすることを特徴とするステッピングモータの駆動装置。
2. 前記ステッピングモータの駆動後に、
   励磁位相を前記駆動時の回転方向とは反対方向に変換する励磁位相変換手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のステッピングモータの駆動装置。

Images