JP4451428B2 - Two-phase stepping motor drive circuit - Google Patents
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Description
本発明は、独立した二つの巻線を有する2相ステッピングモータの駆動回路に係り、従来巻線毎に別々に必要であった、電流制御系を一つとすることで、回路部品の点数を削減し、マイクロコンピュータでの制御を容易、かつ簡略化することができる。 The present invention relates to a drive circuit for a two-phase stepping motor having two independent windings, and reduces the number of circuit components by using a single current control system, which was separately required for each winding. In addition, the control by the microcomputer can be easily and simplified.
ステッピングモータは、各種装置の可動部の移動用に多く利用され、位置センサを使用せずにオープンループで移動量の制御と確認が容易にできる等の特性を生かした利用分野に広く使用されている。ステッピングモータを相数で分類した場合、現在、最も多く利用されているのが2相ステッピングモータであるが、2相ステッピングモータには結線方式にユニポーラ結線とバイポーラ結線があり、それぞれ駆動部の回路構成が異なる。 Stepping motors are widely used for moving the moving parts of various devices, and are widely used in fields of use that make it easy to control and confirm the amount of movement in an open loop without using a position sensor. Yes. When stepping motors are classified by the number of phases, the two-phase stepping motors that are most frequently used at present are two-phase stepping motors, and there are unipolar and bipolar connections in the connection system, and each circuit of the drive unit The configuration is different.
図9は従来から利用されているユニポーラ結線の2相ステッピングモータの駆動回路の構成を示すブロック図である。外部パルス信号Pより、お互いに90度の位相差を持ったA相、B相の目標電気角を決定し、その信号をA相、B相それぞれの電流目標値生成部により、電流目標値信号を生成する。 FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a driving circuit of a unipolar-connected two-phase stepping motor that has been conventionally used. From the external pulse signal P, target electrical angles of the A phase and the B phase having a phase difference of 90 degrees are determined, and the current target value signal is generated by the current target value generation unit for each of the A phase and the B phase. Is generated.
一方、A相巻線、B相巻線それぞれに流れる電流は電流検出抵抗RSA,RSBにより電圧信号に変換されフィルタを経たのち電流フィードバック値信号IFBA,IFBBとなる。
電流目標値信号と電流フィードバック値信号の差(エラー信号)を利用して電流フィードバック制御演算をおこない、PWM指令値信号を生成する。PWM指令値信号はPWMキャリア信号発生部にて生成された三角波とコンパレータにより比較されてPWM信号が生成される。
生成されたPWM信号はさらに、A相ではA相ゲート信号GAとAバー相ゲート信号GAバー、B相ではB相ゲート信号GBとBバー相ゲート信号GBバーの相補PWM信号に分けられる。
こうして生成されたゲート信号によりパワー素子のスイッチングを行い、各相巻線に流れる電流を制御する。外部パルス信号に応じて、A相巻線とB相巻線に流れる電流の比率が変化することでモータが回転する。
A current feedback control calculation is performed using a difference (error signal) between the current target value signal and the current feedback value signal to generate a PWM command value signal. The PWM command value signal is compared with a triangular wave generated by the PWM carrier signal generation unit by a comparator to generate a PWM signal.
The generated PWM signal is further divided into complementary PWM signals of the A phase gate signal GA and the A bar phase gate signal GA bar in the A phase, and the B phase gate signal GB and the B bar phase gate signal GB bar in the B phase.
The power element is switched by the generated gate signal to control the current flowing through each phase winding. The motor rotates by changing the ratio of the current flowing through the A-phase winding and the B-phase winding in accordance with the external pulse signal.
図9に示す従来の駆動回路においては、A相、B相各々に対して電流制御系を構成しているが、オペアンプ、コンパレータ等を用いたハードウェア制御方式では制御演算にかかる時間を考慮する必要がないため、これでも問題はなかった。しかし、この制御系にマイクロコンピュータを用いたソフトウェア制御方式に適用しようとする場合、制御演算を制御周期毎に2度行う必要があり、演算処理能力の低いマイクロコンピュータでは実現が難しかった。また、実際のモータ電流はPWM制御された断続的な電流であり、電源+側からモータ巻線を通り、電源−側に流れる電流と、電源−側からモータ巻線を通り電源+側に回生する電流が繰り返す複雑な波形形状となり、そのため、その電流信号を制御に利用する場合、フィルタ24−a、24−bが必要となる。フィルタはアナログ回路によるハードウェアで構成する場合、駆動回路の部品点数が増加する問題があり、マイクロコンピュータのソフトウェアで構成する場合、処理時間の増加の問題がある。 In the conventional drive circuit shown in FIG. 9, a current control system is configured for each of the A phase and the B phase. However, in the hardware control system using an operational amplifier, a comparator, etc., the time required for the control calculation is taken into consideration. There was no problem because it was not necessary. However, if the control system is to be applied to a software control method using a microcomputer, it is necessary to perform control calculations twice every control cycle, which is difficult to realize with a microcomputer having a low processing capacity. The actual motor current is an intermittent current under PWM control. The current flows from the power source + side through the motor winding to the power source-side, and from the power source-side through the motor winding to the power source + side. Therefore, when the current signal is used for control, filters 24-a and 24-b are required. When the filter is configured by hardware using an analog circuit, there is a problem that the number of parts of the driving circuit increases, and when the filter is configured by software of a microcomputer, there is a problem of increase in processing time.
本発明においては、三角波比較相補PWM方式で駆動するユニポーラ結線またはバイポーラ結線の2相ステッピングモータの駆動回路において、電流フィードバック制御を行うために必要な電流検出抵抗を一つとしてA相とB相の全ての巻線に流れる電流の合成値を検出し、その合成電流値に対してフィードバック制御を行うことで電流制御系を簡略化する。マイクロステップ駆動時にA相とB相の電流波形を正弦波に近づけるため、電流目標値を電気角に応じて可変させる。また、モータ電流の大きさをマイクロコンピュータに入力する際に用いるA/D変換器のサンプリングタイミングを電気角に応じて可変させることで常に、いずれの電気角においても電源+側から電源−側に流れる電流の最大値を検出するため、制御に利用するためフィルタを不要とする。 In the present invention, in a unipolar connection or bipolar connection two-phase stepping motor driving circuit driven by a triangular wave comparison complementary PWM method, a single current detection resistor is required for performing current feedback control. The current control system is simplified by detecting the combined value of the currents flowing through all the windings and performing feedback control on the combined current value. In order to make the A-phase and B-phase current waveforms approach a sine wave during microstep driving, the current target value is varied according to the electrical angle. In addition, by changing the sampling timing of the A / D converter used when inputting the magnitude of the motor current to the microcomputer in accordance with the electrical angle, the power source + side is always changed to the power source-side at any electrical angle. Since the maximum value of the flowing current is detected, a filter is unnecessary for use in control.
本発明の駆動回路は、電流を検出するための電流検出抵抗が従来の二個から一個に削減でき、またフィルタが不要になるため回路部品点数が削減される。また、A/Dコンバータが一つでよく、電流制御系も従来A相とB相とで別々に制御演算を行っていたものを、A相とB相の電流の和の一つについてのみについて制御を行うため、制御演算も簡単になり、処理能力の低い安価なマイクロコンピュータでも実現することができる。
以上の効果により、本発明のステッピングモータ駆動回路は、従来からあるステッピングモータ駆動回路に対して小型化と低コスト化を実現することができる。
In the drive circuit of the present invention, the current detection resistors for detecting current can be reduced from the conventional two to one, and the number of circuit components is reduced because a filter is not required. In addition, only one A / D converter may be used, and the current control system conventionally performs control computation separately for the A phase and the B phase, but only for one of the currents of the A phase and the B phase. Since the control is performed, the control calculation is simplified, and it can be realized even with an inexpensive microcomputer having a low processing capability.
Due to the above effects, the stepping motor drive circuit of the present invention can achieve downsizing and cost reduction compared to the conventional stepping motor drive circuit.
以下図面をもとに説明する。 This will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第1実施例になるユニポーラ結線型の2相ステッピングモータの駆動回路のシステム図を示し、大別して制御部1と駆動部2−1より構成される。
駆動部はユニポーラ結線の2相ステッピングモータの巻線3と、半導体スイッチング素子群4と、電流検出抵抗5より構成される。ユニポーラ結線の2相ステッピングモータの巻線3はA相巻線がCA、CAバーより構成されており、B相巻線がCB、CBバーより構成されている。さらにCA巻線とCAバー巻線はバイファイラ巻となっており、磁気結合されている。CB巻線とCBバー巻線についても同様である。全ての巻線の一端は電源+側に接続されており、もう一端はそれぞれの巻線のスイッチングを行う半導体スイッチング素子SA、SAバー、SB、SBバーのドレイン端子に接続されている。全てのスイッチング素子のソース端子は、電流検出抵抗5の一端に接続されるとともに、制御部1のA/D変換部17に接続される。電流検出抵抗5のもう一端は電源−側に接続される。スイッチング素子SAは制御部1から出力されるゲート信号GAにてON/OFFされ、スイッチング素子SAバーは制御部1から出力されるゲート信号GAバーにてON/OFFされ、スイッチング素子SBは制御部1から出力されるゲート信号GBにてON/OFFされ、スイッチング素子SBバーは制御部1から出力されるゲート信号GBバーにてON/OFFされる。
FIG. 1 shows a system diagram of a drive circuit of a unipolar connection type two-phase stepping motor according to a first embodiment of the present invention, which is roughly composed of a control unit 1 and a drive unit 2-1.
The drive unit includes a winding 3 of a two-phase stepping motor having a unipolar connection, a semiconductor
図4はユニポーラ結線の2相ステッピングモータの巻線のA相について、三角波比較相補PWM方式によるスイッチングを実施する場合の説明である。以下説明はA相で示すがB相についても同様である。SAとSAバーは相補関係にあり、SAがONしている時はSAバーがOFF、SAバーがONしている時はSAがOFFである。ここで三角波は最大値が0で、最小値が1と規格化する。三角波は常にPWMスイッチングタイミング値nと比較されており、三角波の大きさがnより大きい時は、SAがON、SAバーがOFFとなり、nより小さい時はSAがOFF、SAバーがONとなる。
図4−Aはnが0.5の時のSA、SAバーのON/OFFおよび、CA巻線、CAバー巻線に流れる電流の和IAについて示す。nが0.5の時は、SAのON期間と、SAバーのON期間の長さが等しいため、巻線のインダクタンスの影響で電流はほとんど流れない。
図4−Bはnが0.5より小さい時のSA、SAバーのON/OFFおよび、CA巻線、CAバー巻線に流れる電流の和IAについて示す。SAのON期間がSAバーのON期間より長くなるため、SAのON期間では電流は電源+側からCA巻線を通り電源−側に流れ、SAバーのON期間では電流は電源−側からCAバー巻線を通り、電源+側に回生する。すなわち、三角波の山の山側では電流は電源+から電源−に流れ、谷側では電流は電源−から電源+に回生する。
図4−Cはnが0.5より大きい時のSA、SAバーのON/OFFおよび、CA巻線、CAバー巻線に流れる電流の和IAについて示す。SAバーのON期間がSAのON期間より長くなるため、SAバーのON期間では電流は電源+側からCAバー巻線を通り電源−側に流れ、SAのON期間では電流は電源−側からCA巻線を通り、電源+側に回生する。すなわち、三角波の山の谷側では電流は電源+から電源−に流れ、山側では電流は電源−から電源+に回生する。
このように、三角波比較相補PMW方式においては、PWMスイッチングタイミング値nが変わると、電流の流れる方向と期間が変わる。
FIG. 4 is a diagram illustrating a case where the switching of the A phase of the winding of the two-phase stepping motor of the unipolar connection is performed by the triangular wave comparison complementary PWM method. The following description will be given for the A phase, but the same applies to the B phase. SA and SA bar are in a complementary relationship. When SA is ON, SA bar is OFF, and when SA bar is ON, SA is OFF. Here, the triangular wave is standardized with a maximum value of 0 and a minimum value of 1. The triangular wave is always compared with the PWM switching timing value n. When the triangular wave size is larger than n, SA is ON and SA bar is OFF, and when smaller than n, SA is OFF and SA bar is ON. .
FIG. 4A shows SA, the ON / OFF state of the SA bar, and the sum IA of the current flowing through the CA winding and CA bar winding when n is 0.5. When n is 0.5, since the length of the SA ON period and the SA bar ON period are equal, almost no current flows due to the influence of the winding inductance.
FIG. 4-B shows SA / SA bar ON / OFF when n is smaller than 0.5, and the sum IA of the current flowing through the CA winding and CA bar winding. Since the SA ON period is longer than the SA bar ON period, the current flows from the power source + side through the CA winding to the power source-side in the SA bar ON period, and in the SA bar ON period, the current flows from the power source-side to the CA power source. It passes through the bar winding and regenerates to the power source + side. That is, the current flows from the power source + to the power source − on the mountain side of the triangular wave, and the current is regenerated from the power source − to the power source + on the valley side.
FIG. 4C shows the sum IA of SA and SA bar ON / OFF when the n is larger than 0.5 and the current flowing through the CA winding and CA bar winding. Since the SA bar ON period is longer than the SA ON period, in the SA bar ON period, current flows from the power source + side through the CA bar winding to the power source-side, and in the SA ON period, current flows from the power source-side. It passes through the CA winding and regenerates to the power source + side. That is, the current flows from the power source + to the power source − on the valley side of the triangular wave, and the current is regenerated from the power source − to the power source + on the mountain side.
Thus, in the triangular wave comparative complementary PMW system, when the PWM switching timing value n changes, the direction and period of current flow change.
図3は制御部1の内部ブロック図を示し、電気角生成部9と、電流目標値生成部10と、制御演算部11と、位相生成部12と、PWMカウンタ13と、A相スイッチングタイミング生成部14−aと、B相スイッチングタイミング生成部14−b、A相コンパレータ15−aと、B相コンパレータ15−bと、A相相補PWM信号生成部16−aと、B相相補PWM信号生成部16−bと、A/D変換部17より構成され、制御部内部のA/D変換部17はA/Dサンプリングタイミング生成部18、サンプリングタイミングコンパレータ19、サンプラ20、A/D変換器21より構成される。
FIG. 3 shows an internal block diagram of the control unit 1, and an electrical angle generation unit 9, a current target
電気角生成部9は、外部より、モータの回転を指令するパルス信号Pと回転方向を指令する回転方向信号Dが入力され、A相電気角に対応するパルス数TAを生成して位相生成部12、電流目標値生成部10、A/Dサンプリングタイミング生成部18に出力する。電気角生成部9はUP/DOWNカウンタで、パルス信号Pが入力をトリガし、この時の回転方向信号Dの論理レベルによりカウンタ値のインクリメント又はデクリメントを行い、このカウンタ値をTAとして出力する。カウンタ1パルス分の角度は電気角360度を単位ステップ角度θsで分割した値となるため、TAとθsとの積が電気角となる。カウンタの最大値は電気角360度分のステップ数に等しく、フルステップであればカウンタ最大値TAMAXは4でθsは90度、ハーフステップであればTAMAXは8でθsは45度、m分割マイクロステップであればTAMAXは4mでθsは90/mとなる。
The electrical angle generation unit 9 receives a pulse signal P for instructing rotation of the motor and a rotation direction signal D for instructing the rotation direction from outside, and generates a pulse number TA corresponding to the A-phase electrical angle to generate a phase generation unit. 12, output to the target
電流目標値生成部10は、前記電気角生成部9から出力されたA相電気角を受けて電流目標値IREFを生成し、制御演算部11に出力する。ここでIREFはマイクロステップ駆動時の巻線電流を正弦波に近づけ、より低振動化を図るためTAの値に応じて補正処理を施してから出力する。
図5はユニポーラ結線のステッピングモータを4分割マイクロステップで駆動した時の各巻線電流について、電流目標値IREFを一定とした場合と、A相電気角に応じて変えた場合とでの違いを説明する図である。
図5−Aは電流目標値IREFを一定値とした場合の各巻線の電流波形であり、このとき、巻線電流波形は階段状の三角波となる。これはA相とB相の合成電流を常に一定とするようにフィードバック制御がかかるためである。
図5−Bは電流目標値IREFに対して次式の演算をして補正した場合の各巻線の電流波形であり、この場合、電流波形をより正弦波に近づけることができる。
IREF=IREFMAX×sin(TA×θs−45×(2d−3))
ここで、IREFMAXは電流目標値の最大値であり、dは電気角(TA×θs)の象限数を表し、TA×θsが0度以上90度未満であればd=1、90度以上180度未満であればd=2、180度以上270度未満であればd=3、270度以上360度未満であればd=4である。
図5は4分割マイクロステップ駆動時の波形を示しており、この場合θsは22.5度になるが、これよりも高い分割数のマイクロステップ駆動ではθsの値が小さくなるだけで、電流目標値補正の考え方は同じである。また、図7での各相電流波形は回生電流を省略している。
The current target
FIG. 5 explains the difference between the case where the current target value IREF is constant and the case where the current target value IREF is changed according to the A-phase electrical angle, for each winding current when the stepping motor of unipolar connection is driven in four divided microsteps. It is a figure to do.
FIG. 5-A shows the current waveform of each winding when the current target value IREF is a constant value. At this time, the winding current waveform is a stepped triangular wave. This is because feedback control is applied so that the combined current of the A phase and the B phase is always constant.
FIG. 5-B shows the current waveform of each winding when the current target value IREF is corrected by calculating the following equation. In this case, the current waveform can be made closer to a sine wave.
IREF = IREFMAX × sin (TA × θs−45 × (2d−3))
Here, IREFMAX is the maximum value of the current target value, d represents the quadrant number of the electrical angle (TA × θs), and if TA × θs is 0 degree or more and less than 90 degrees, d = 1, 90 degrees or more and 180 degrees. D = 2 if the angle is less than 180 degrees, d = 3 if 180 degrees or more and less than 270 degrees, and d = 4 if it is 270 degrees or more and less than 360 degrees.
FIG. 5 shows a waveform at the time of four-divided microstep drive. In this case, θs is 22.5 degrees. However, in the case of a microstep drive having a higher number of divisions, only the value of θs is reduced, and the current target is reduced. The concept of value correction is the same. Further, the regenerative current is omitted from each phase current waveform in FIG.
制御演算部11では、前記電流目標値生成部10で生成された電流目標値IREFとA/D変換器21にてデジタル信号に変換された電流フィードバック値IFBの差を取りフィードバック制御演算を行い、PWM振幅値AMPを生成し出力する。ここで生成されるPWM振幅値AMPは、モータ巻線電流の振幅を決める値で、電流目標値IREFに対して電流フィードバック値IFBが小さい場合はPWM振幅値AMPが大きくなり、逆に電流目標値IREFに対して電流フィードバック値IFBが大きい場合はPWM振幅値AMPが小さくなるように制御される。
The
位相生成部12では、前記電気角生成部9から出力されたA相電気角に対して90度分の位相差を持つB相電気角を生成し、B相巻線スイッチングタイミング生成部へ出力される。例として4分割マイクロステップ時では90度の位相差は4ステップ分に相当するため、TAが8であればTBは4となる。
The
A相スイッチングタイミング生成部14−aでは、前記電気角生成部9で生成されたA相電気角と、前記制御演算部11で生成されたPWM振幅値AMPを元にA相ゲート信号切替えタイミング値nAを生成してA相コンパレータ15−aの+側入力に出力し、B相スイッチングタイミング生成部14−bでは、前記位相生成部12で生成されたB相電気角と、前記制御演算部11で生成されたPWM振幅値AMPを元にB相ゲート信号切替えタイミング値nBを生成してB相コンパレータ15−bの+側入力に出力する。A相電気角とB相電気角とはお互いに90度の位相差を持って生成されているため、A相ゲート信号切替えタイミング値nAと、B相ゲート信号切替えタイミング値nBは、A相巻線とB相巻線に同じ振幅で、90度の位相差をもつ電流を流すようなスイッチングタイミング値として生成される。
The A-phase switching timing generating unit 14-a, the A-phase electrical angle generated by the electrical angle generating unit 9, the control
PWMカウンタ13はアナログ回路における三角波発生回路をデジタル方式に置き換えた部分であり、一定周期のクロック信号をカウントするUP/DOWNカウンタで、カウンタしたPWMカウンタ値nCNTをA相コンパレータ15−a、B相コンパレータ15−b、サンプリングタイミングコンパレータ19の−側入力に出力する。PWMカウンタ13はカウンタ値nCNTを0から最大値NMAXまでアップカウントした後、再び0にダウンカウントするUP/DOWNカウント動作を繰り返すが、このUP/DOWNカウント動作1回分の動作時間が三角波のひと山の時間、すなわちPWMキャリア周期に相当する。
The
A相コンパレータ15−aでは前記A相スイッチングタイミング生成部14−aから出力されるゲート信号切替えタイミング値nAを+側入力に入力し、前記PWMカウンタ13から出力されるPWMカウンタ値nCNTを−側入力に入力し、PWM源信号GA※をA相相補PWM生成部16−aに出力し、B相コンパレータ15−bでは前記B相スイッチングタイミング生成部14−bから出力されるゲート信号切替えタイミング値nBを+側入力に入力し、前記PWMカウンタ13から出力されるPWMカウンタ値nCNTを−側入力に入力し、PWM源信号GB※をB相相補PWM生成部16−bに出力する。
ゲート信号切替えタイミング値nA、nBがPWMカウンタ値nCNTより大きければGA※、GB※はHレベル、小さければLレベルとなる。
In the A-phase comparator 15-a, the gate signal switching timing value nA output from the A-phase switching timing generator 14-a is input to the + side input, and the PWM counter value nCNT output from the
If the gate signal switching timing values nA, nB are larger than the PWM counter value nCNT, GA * and GB * are H level, and if they are smaller, L level.
A相相補PWM生成部16−aでは、前記A相コンパレータ15−aから出力されるPWM源信号GA※を入力し、同時ONを防ぐためのデットタイムを挿入したPWM信号GAと、その相補信号GAバーを駆動部のスイッチング素子SA、SAバーのゲート端子に出力し、B相相補PWM生成部16−bでは、前記B相コンパレータ15−bから出力されるPWM源信号GB※を入力し、同時ONを防ぐためのデットタイムを挿入したPWM信号GBと、その相補信号GBバーを駆動部のスイッチング素子SB、SBバーのゲート端子に出力する。 In the A-phase complementary PWM generation unit 16-a, the PWM source signal GA * output from the A-phase comparator 15-a is input, and the PWM signal GA into which a dead time for preventing simultaneous ON is inserted, and its complementary signal The GA bar is output to the switching element SA of the drive unit and the gate terminal of the SA bar, and the B phase complementary PWM generation unit 16-b receives the PWM source signal GB * output from the B phase comparator 15-b, The PWM signal GB into which the dead time for preventing simultaneous ON and the complementary signal GB bar are output to the gate terminals of the switching elements SB and SB bar of the drive unit.
図6はモータ電流ISを制御演算に利用するモータ電流フィードバック値IFBに変換する処理を行う電流フィードバック部のブロック図を示す。
モータ電流ISは電流検出抵抗RS5でモータ電流信号VISに変換されてA/D変換部17に送られ、A/Dサンプリングタイミング生成部18とサンプリングタイミングコンパレータ19で生成されたA/Dサンプリング信号TSAMPにより決定されるタイミングで、A/D変換器21に送られここで、デジタルデータである電流フィードバック値IFBに変換され制御演算部11へ出力される。
FIG. 6 is a block diagram of a current feedback unit that performs a process of converting the motor current IS into a motor current feedback value IFB used for control calculation.
The motor current IS is converted into the motor current signal VIS by the current detection resistor RS5 and sent to the A /
A/Dサンプリングタイミング生成部18は、電気角生成部9より出力されるA相電気角と、A相ゲート信号切替えタイミング値nA、B相ゲート信号切替えタイミング値nBの値を入力とし、これらの情報を元にA/Dサンプリングタイミング値nSAMPを決定し、コンパレータの+側入力に出力する。
電流検出抵抗RSに流れる電流ISはA相巻線電流とB相巻線電流の和であるが、PWM制御を行っているため、それぞれの巻線電流は電源+側から電源−側に流れる期間と、電源−側から電源+側に流れる回生期間の繰り返しとなっており、ISの波形は電気角によってその形が変化する。
本発明では、A相とB相それぞれの回生期間を避けて、A相巻線電流とB相巻線電流が共に電源+側から電源−側に流れる期間の電流をA/D変換器で検出するように、電気角に応じてA/D変換サンプリングタイミングnSAMPを決定する。図7はその説明図で、A相ゲート信号切替えタイミング値nA、B相ゲート信号切替えタイミング値nB、A/Dサンプリングタイミング値nSAMPとして、モータ電流信号VISとの関係を示したものである。
図7−AはTA×θsが0度以上90度未満(第1象限)のときで、CA巻線とCB巻線に電源+側から電源−に電流が流れるため、nA>=NMAX/2で、nB>NMAX/2である。このときのnSAMPはNMAX/2以上に設定すれば、電源+側から電源−側に流れる期間のモータ電流値を取得できる。
図7−BはTA×θsが90度以上180度未満(第2象限)のときでCA巻線とCBバー巻線に電源+側から電源−に電流が流れるため、nA>NMAX/2で、nB<=NMAX/2である。このときのnSAMPはnAとnBの中間値、すなわち(nA+nB)/2に設定すれば電源+側から電源−側に流れる期間のモータ電流値を取得できる。
図7−CはTA×θsが180度以上270度未満(第3象限)のときでCAバー巻線とCBバー巻線に電源+側から電源−に電流が流れるため、nA<=NMAX/2で、nB<NMAX/2である。このときのnSAMPはNMAX/2以下に設定すれば、電源+側から電源−側に流れる期間のモータ電流値を取得できる。
図7−DはTA×θsが270度以上360度(0度)未満(第4象限)のときでCAバー巻線とCB巻線に電源+側から電源−に電流が流れるため、nA<NMAX/2で、nB>=NMAX/2である。このときのnSAMPはnAとnBの中間値、すなわち(nA+nB)/2に設定すれば電源+側から電源−側に流れる期間のモータ電流値を取得できる。
The A / D sampling
The current IS flowing through the current detection resistor RS is the sum of the A-phase winding current and the B-phase winding current. Since PWM control is performed, each winding current flows from the power source + side to the power source-side. Then, the regeneration period flowing from the power source − side to the power source + side is repeated, and the shape of the IS waveform changes depending on the electrical angle.
In the present invention, the A / D converter detects the current during the period in which both the A-phase winding current and the B-phase winding current flow from the power source + side to the power source-side, avoiding the regeneration periods of the A phase and the B phase. Thus, the A / D conversion sampling timing nSAMP is determined according to the electrical angle. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship with the motor current signal VIS as an A-phase gate signal switching timing value nA, a B-phase gate signal switching timing value nB, and an A / D sampling timing value nSAMP.
When Figure 7-A is TA × [theta] s is less than 0 degrees 90 degrees or more (first quadrant), power from the power supply + side in CA winding and CB winding - a current flows to, nA> = NMAX / 2 and nB> NMAX / 2. If nSAMP at this time is set to NMAX / 2 or more, the motor current value during the period from the power supply + side to the power supply − side can be acquired.
Figure 7-B from the power supply + side in CA winding and CB bar windings when the TA × [theta] s is less than 180 degrees 90 degrees or more (second quadrant) power - because a current flows to, nA> NMAX / 2 NB <= NMAX / 2. At this time, if nSAMP is set to an intermediate value between nA and nB, that is, (nA + nB) / 2, the motor current value during the period from the power supply + side to the power supply − side can be obtained.
Figure 7-C is TA × [theta] s is less than 270 degrees 180 degrees power from the power supply + side in CA bar winding and CB bar windings when the (third quadrant) - a current flows to, nA <= NMAX / 2, nB <NMAX / 2. If nSAMP at this time is set to NMAX / 2 or less, the motor current value during the period from the power supply + side to the power supply − side can be acquired.
Figure 7-D is from the power supply + side in CA bar winding and CB winding when the TA × [theta] s is 270 degrees or more 360 degrees (0 degrees), less than (4th quadrant) power - a current flows to, nA <NMAX / 2, nB> = NMAX / 2. At this time, if nSAMP is set to an intermediate value between nA and nB, that is, (nA + nB) / 2, the motor current value during the period from the power supply + side to the power supply − side can be obtained.
サンプリングタイミングコンパレータ19では、前記A/Dサンプリングタイミング生成部18から出力されるA/Dサンプリングタイミング値nSAMPを+側入力に入力し、PWMカウンタから出力されるPWMカウンタ値nCNTを−側入力に入力し、これらの値を比較し、比較結果であるTSAMP信号をサンプラに出力する。TSAMP信号はA/Dサンプリングタイミング値nSAMPがPWMカウンタ値より大きい場合Hレベルとなり、小さい場合Lレベルとなる。
In the
サンプラ20は前記サンプリングタイミングコンパレータ19から出力されたTSAMP信号を受けて、TSAMP信号がLレベルからHレベルに立ち上がった瞬間のモータ電流値VISをA/D変換器21に送り込む。A/D変換器21ではその値をデジタルデータに変換し、変換した値を電流フィードバック値IFBとして前記制御演算部11に出力する。
The
図2は本発明の第2実施例になるバイポーラ結線型の2相ステッピングモータの駆動回路のブロック図を示し、大別して制御部1と駆動部2−2より構成され、制御部1の構成は前記第1実施例のユニポーラ結線型の2相ステッピングモータと同一構成である。
駆動部2−2はバイポーラ結線の2相ステッピングモータの巻線6と、半導体スイッチング素子群7−1、7−2、電流検出抵抗5より構成される。バイポーラ結線の2相ステッピングモータではA相巻線CAと、B相巻線CBより構成されている。A相巻線CAの一端はスイッチング素子SA1、SA3のドレイン端子に接続され、もう一端はスイッチング素子SA2、SA4のドレイン端子に接続されており、B相巻線CBの一端はスイッチング素子SB1,SB3のドレイン端子に接続され、もう一端はスイッチング素子SB2,SB4のドレイン端子に接続されている。上側スイッチング素子SA1、SA2、SB1、SB2のソース端子は電源+側に接続されており、下側スイッチング素子SA3、SA4、SB3、SB4のソース端子は電流検出抵抗5の一端に接続されるとともに、制御部1のA/D変換部17に接続される。電流検出抵抗5のもう一端は電源−側に接続される。
スイッチング素子SA1、SA4は制御部から出力されるゲート信号GAにてON/OFFされ、スイッチング素子SA2、SA3は制御部から出力されるゲート信号GAバーにてON/OFFされ、スイッチング素子SB1、SB4は制御部から出力されるゲート信号GBにてON/OFFされ、スイッチング素子SB2、SB3は制御部から出力されるゲート信号GBバーにてON/OFFされる。電源+側に接続されるスイッチング素子SA1、SA2、SB1、SB2はゲート信号のレベルを変換するためのプリドライバ8−a、8−b、8−c、8−dを介して制御部1に接続される。
FIG. 2 is a block diagram of a drive circuit of a bipolar connection type two-phase stepping motor according to a second embodiment of the present invention. The drive circuit is roughly composed of a control unit 1 and a drive unit 2-2. The configuration is the same as that of the unipolar connection type two-phase stepping motor of the first embodiment.
The drive unit 2-2 includes a winding 6 of a two-phase stepping motor with bipolar connection, semiconductor switching element groups 7-1 and 7-2, and a
The switching elements SA1 and SA4 are turned on / off by a gate signal GA output from the control unit, and the switching elements SA2 and SA3 are turned on / off by a gate signal GA bar output from the control unit, and the switching elements SB1 and SB4. Are turned on / off by a gate signal GB output from the control unit, and the switching elements SB2 and SB3 are turned on / off by a gate signal GB bar output from the control unit. The switching elements SA1, SA2, SB1, and SB2 connected to the power source + side are connected to the control unit 1 via predrivers 8-a, 8-b, 8-c, and 8-d for converting the level of the gate signal. Connected.
図8はバイポーラ結線の2相ステッピングモータの巻線のA相について、三角波比較相補PWM方式によるスイッチングを実施する場合の説明である。以下の説明はA相で示すがB相についても同様である。SA1、SA4とSA2、SA3は相補関係にあり、SA1、SA4がONしている時はSA2、SA3がOFF、SA1、SA4がONしている時はSA2、SA3がOFFである。ここで三角波は最大値が0で、最小値が1と規格化する。三角波は常にPWMスイッチングタイミング値nと比較されており、三角波の大きさがnより大きい時は、SA1、SA4がON、SA2、SA3がOFFとなり、nより小さい時はSA1、SA4がOFF、SA2、SA3がONとなる。
図8−Aはnが0.5の時のSA1、SA4とSA2、SA3のON/OFFおよび、CA巻線に流れる電流IAについて示す。nが0.5の時は、SAのON期間と、SAバーのON期間の長さが等しいため、巻線のインダクタンスの影響で電流はほとんど流れない。
図8−Bはnが0.5より小さい時のSA1、SA4とSA2、SA3のON/OFFおよび、CA巻線に流れる電流IAについて示す。SA1、SA4のON期間がSA2、SA3のON期間より長くなるため、SA1、SA2のON期間では電流は電源+側からSA1,CA巻線、SA4を通り電源−側に流れ、SA3、SA4のON期間では電流は電源−側からSA3、CA巻線、SA2を通り電源+側に回生する。すなわち、三角波の山の山側では電流は電源+から電源−に流れ、谷側では電流は電源−から電源+に回生する。
図8−Cはnが0.5より大きい時のSA1、SA4と、SA2、SA3のON/OFFおよび、CA巻線に流れる電流のIAについて示す。SA2、SA3のON期間がSA1、SA4のON期間より長くなるため、SA2、SA3のON期間では電流は電源+側からSA2、CA巻線、SA3を通り電源−側に流れ、SA1、SA4のON期間では電流は電源−側からSA4、CA巻線、SA1を通り、電源+側に回生する。すなわち、三角波の山の谷側では電流は電源+から電源−に流れ、山側では電流は電源−から電源+に回生する。
FIG. 8 is a diagram illustrating a case where switching by the triangular wave comparison complementary PWM method is performed for the A phase of the winding of the two-phase stepping motor of bipolar connection. The following description is given for the A phase, but the same applies to the B phase. SA1 and SA4 and SA2 and SA3 are in a complementary relationship. When SA1 and SA4 are ON, SA2 and SA3 are OFF, and when SA1 and SA4 are ON, SA2 and SA3 are OFF. Here, the triangular wave is standardized with a maximum value of 0 and a minimum value of 1. The triangular wave is always compared with the PWM switching timing value n. When the magnitude of the triangular wave is larger than n, SA1 and SA4 are ON, SA2 and SA3 are OFF, and when smaller than n, SA1 and SA4 are OFF and SA2. , SA3 is turned ON.
FIG. 8A shows ON / OFF of SA1, SA4 and SA2, and SA3 when n is 0.5, and current IA flowing through the CA winding. When n is 0.5, since the length of the SA ON period and the SA bar ON period are equal, almost no current flows due to the influence of the winding inductance.
FIG. 8B shows ON / OFF of SA1, SA4 and SA2, and SA3 when n is smaller than 0.5, and current IA flowing through the CA winding. Since the ON period of SA1 and SA4 is longer than the ON period of SA2 and SA3, the current flows from the power source + side to the power source-side through the SA1, CA winding and SA4 during the SA1 and SA2 ON periods. In the ON period, the current is regenerated from the power source minus side through the SA3, CA winding, and SA2 to the power source plus side. That is, the current flows from the power source + to the power source − on the mountain side of the triangular wave, and the current is regenerated from the power source − to the power source + on the valley side.
FIG. 8C shows ON / OFF of SA1, SA4, SA2, and SA3 when n is larger than 0.5, and IA of the current flowing through the CA winding. Since the ON period of SA2 and SA3 is longer than the ON period of SA1 and SA4, the current flows from the power source + side to the power source negative side through the SA2, CA winding, and SA3 during the SA2 and SA3 ON periods. In the ON period, the current is regenerated from the power source − side to the power source + side through SA4, CA winding, and SA1. That is, the current flows from the power source + to the power source − on the valley side of the triangular wave, and the current is regenerated from the power source − to the power source + on the mountain side.
図4と図8を比較すると、電流IAはユニポーラ結線とバイポーラ結線で同じであり、制御部1の構成はモータがユニポーラ結線でもバイポーラ結線でも全く同じでよい。 Comparing FIG. 4 and FIG. 8, the current IA is the same for the unipolar connection and the bipolar connection, and the configuration of the control unit 1 may be the same whether the motor is a unipolar connection or a bipolar connection.
本発明になる2相ステッピングモータの駆動回路はユニポーラ結線又はバイポーラ結線の2相ステッピングモータの駆動に適し、部品点数が少なくて済む。また、制御部の機能ブロックは全てマイクロコンピュータで構成することができ、かつ制御が簡単であることから、処理能力の低いマイクロコンピュータでも構成可能であり、駆動回路の小型化と低コスト化に貢献し、ステッピングモータを各種の駆動源として利用可能な範囲を拡大する。 The drive circuit for a two-phase stepping motor according to the present invention is suitable for driving a two-phase stepping motor having a unipolar connection or a bipolar connection, and requires a small number of parts. In addition, since all the functional blocks of the control unit can be configured with a microcomputer and control is simple, it can also be configured with a microcomputer with low processing capability, contributing to the miniaturization and cost reduction of the drive circuit. Then, the range in which the stepping motor can be used as various drive sources is expanded.
1 本発明による2相ステッピングモータの制御部
1−1 従来の方式による2相ステッピングモータの制御部
2−1 本発明によるユニポーラ結線の2相ステッピングモータの駆動部
2−2 本発明によるバイポーラ結線の2相ステッピングモータの駆動部
2−3 2相ステッピングモータの駆動部
2−4 従来の方式によるユニポーラ結線の2相ステッピングモータの駆動部
3 ユニポーラ結線の2相ステッピングモータの巻線
4 ユニポーラ結線の2相ステッピングモータのスイッチング素子群
5 電流検出抵抗RS
5−a A相電流検出抵抗RSA
5−b B相電流検出抵抗RSB
6 バイポーラ結線の2相ステッピングモータの巻線
7−1 バイポーラ結線の2相ステッピングモータの上側スイッチング素子群
7−2 バイポーラ結線の2相ステッピングモータの下側スイッチング素子群
8−a、8−b、8−c、8−d プリドライバ
9 電気角生成部
10 電流目標値生成部
10−a A相電流目標値生成部
10−b B相電流目標値生成部
11 制御演算部
11−a A相制御演算部
11−b B相制御演算部
12 位相生成部
13 PMWカウンタ
13−1 PWMキャリア信号発生部
14−a A相スイッチングタイミング生成部
14−b B相スイッチングタイミング生成部
15−a A相コンパレータ
15−b B相コンパレータ
16−a A相相補PWM信号生成部
16−b B相相補PWM信号生成部
17 A/D変換部
18 A/Dサンプリングタイミング生成部
19 サンプリングタイミングコンパレータ
20 サンプラ
21 A/D変換器
22 2相ステッピングモータのモータ巻線およびスイッチング素子
23−a A相電流制御部
23−b B相電流制御部
24−a A相フィルタ
24−b B相フィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control part of 2-phase stepping motor according to the present invention 1-1 Control part of 2-phase stepping motor according to conventional method 2-1 Driving part of unipolar 2-phase stepping motor according to the present invention 2-2 Bipolar connection according to the present invention 2-phase stepping motor drive unit 2-3 2-phase stepping motor drive unit 2-4 2-phase stepping motor drive unit with unipolar connection according to the conventional method 3 Unipolar connection 2-phase stepping motor winding 4
5-a A phase current detection resistor RSA
5-b B phase current detection resistor RSB
6 Bipolar connection 2-phase stepping motor winding 7-1 Bipolar connection 2-phase stepping motor upper switching element group 7-2 Bipolar connection 2-phase stepping motor lower switching element group 8-a, 8-b, 8-c, 8-d Pre-driver 9
Claims (4)
但し補正値は、
「数1」IREF=IREFMAX×sin(TA×θs−45×(2d−3))
ここで、IREFは電流目標値、IREFMAXは電流目標値の最大値であり、TAを電気角を設定するためのステップ数、θsを単位ステップ角としたときに、dは電気角(TA×θs)の象限数を表し、電気角(TA×θs)が0度以上90度未満であればd=1、90度以上180度未満であればd=2、180度以上270度未満であればd=3、270度以上360度未満であればd=4である。 2. The unipolar connection according to claim 1, wherein the output of the current target value generation unit corresponds to an electrical angle range and is output after being corrected by the following mathematical formula 1. Drive circuit for a 2-phase stepping motor.
However, the compensation value,
“Equation 1” IREF = IREFMAX × sin (TA × θs−45 × (2d−3))
Here, IREF is current target value, IREFMAX is the maximum value of the current target value, the number of steps for setting the electrical angle TA, when a unit step angle [theta] s, d is the electrical angle (TA × represents the quadrant number of [theta] s), the electrical angle (TA × [theta] s) is 0 degrees or more is less than 90 degrees d = is less than 1,90 ° than 180 ° d = 2,180 degrees 270 degrees than at any For example, if d = 3 and 270 degrees or more and less than 360 degrees, d = 4 .
但し補正値は、
「数2」IREF=IREFMAX×sin(TA×θs−45×(2d−3))
ここで、IREFは電流目標値、IREFMAXは電流目標値の最大値であり、
TAを電気角を設定するためのステップ数、θsを単位ステップ角としたときに、dは電気角(TA×θs)の象限数を表し、電気角(TA×θs)が0度以上90度未満であればd=1、90度以上180度未満であればd=2、180度以上270度未満であればd=3、270度以上360度未満であればd=4である。 4. The bipolar connection according to claim 3 , wherein the output of the target current value generator corresponds to an electrical angle range and is output after being corrected by the following mathematical formula 2. 5. Drive circuit for a 2-phase stepping motor.
However, the compensation value,
“Equation 2” IREF = IREFMAX × sin (TA × θs−45 × (2d−3))
Here, IREF is current target value, IREFMAX is the maximum value of the current target value,
Number of steps for setting the electrical angle TA, when a unit step angle [theta] s, d represents the quadrant number of the electrical angle (TA × θs), the electrical angle (TA × [theta] s) is 0 degrees 90 degrees If it is less than d, d = 1, if it is 90 degrees or more and less than 180 degrees, d = 2, if it is 180 degrees or more and less than 270 degrees, d = 3, if it is 270 degrees or more and less than 360 degrees, d = 4 .
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