JP4653692B2

JP4653692B2 - ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置

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Publication number: JP4653692B2
Application number: JP2006129475A
Authority: JP
Inventors: 直養湯場崎; 章武藤; 晃穂稲田
Original assignee: マイコム株式会社
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: JP2006246695A

Description

本発明は相電流をＰＷＭ（パルス幅変調）制御方式により細かく制御することにより、ステッピングモータのマイクロステップ駆動を行うステッピングモータのマイクロステップ駆動装置に関する。

５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の従来例として特開平11−122991号公報に開示されたものがある。同装置は図７に示すような基本構成となっている。

図中５０はパルス入力信号に基づいて４種類（正負の違いを考慮に入れると８種類）のＰＷＭ信号Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｄｗ１、Ｄｗ２等を生成するパルス幅変調信号生成部である。図中６０はフルステップのステップを繰り返し計数する相励磁カウンタである。図中７０は相励磁カウンタのカウントに応じたパターンでＰＷＭ信号Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｄｗ１、Ｄｗ２等をＡ〜Ｅ相に分配する相分配回路部である。

なお、相分配回路部７０の後段には、相分配された信号に基づいて相電流を各相毎に生成する駆動回路部（図示省略）が接続されている。

パルス幅変調信号生成部５０には、ＰＷＭ信号Ｕｐ１、Ｕｐ２、ＰＷＭ信号Ｄｗ１、Ｄｗのデューティ比を示すデータが予め記録されたデータテーブル５３１、５３２が各々備えられている。データテーブル５３１、５３２の読み出しアドレスは入力パルス信号に応じて動作するアドレス生成回路５１及びデータセレクタ５２により生成されている。データテーブル５３１、５３２から読み出された各データは、データレジスタ５４１〜５４４で保持され、ミラー回路５５で加工された後、ＰＷＭ生成回路５６１〜５６４に入力される。

ＰＷＭ生成回路５６１〜５６４は、ＰＷＭ信号Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｄｗ１、Ｄｗ２等の原型となる各信号を生成するとともに同信号をＰＷＭカウンタ５７のカウント値を参照して各相に振り分け、これをＰＷＭ信号Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｄｗ１、Ｄｗ２等として出力するようになっている。

なお、ＰＷＭ生成回路５６１〜５６４から出力される信号は、ＰＷＭ信号Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｄｗ１、Ｄｗ２以外に、ミラー回路５５で加工されたＵｐ１Ｒ、Ｕｐ２Ｒ、Ｄｗ１Ｒ、Ｄｗ２Ｒもあるが、これは図示省略されている。

相分配回路部７０はＰＷＭ信号Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｄｗ１、Ｄｗ２等を相励磁カウンタ６０のカウンタ値に従って図８に示すように相分配するようになっている。例えば、ステップ０においては、Ａ⁺、Ａ^-相においてＰＷＭ信号Ｄｗ１、Ｄｗ１Ｂ（ＢはＤｗ１に対して反転した信号であることを示している。他の信号についても同様の表現をしている）が各々出力される。同様に、Ｂ⁺、Ｂ^-相においてＰＷＭ信号Ｄｗ２、Ｄｗ２ＢＲが、Ｃ⁺、Ｃ^-相においてHIGHレベル信号、LOW レベル信号が、Ｄ⁺、Ｄ^-相においてＰＷＭ信号Ｕｐ２、Ｕｐ２ＢＲが、Ｅ⁺、Ｅ^-相においてＰＷＭ信号Ｕｐ１、Ｕｐ１Ｂが各々出力される。

図８に示すような信号が図外の駆動回路部に入力されると、ステッピングモータに流れる相電流がＰＷＭ制御され、この結果、ステッピングモータがマイクロステップ駆動することになる。

しかしながら、上記従来例による場合、ステッピングモータをマイクロステップ駆動させるには、複数種のＰＷＭ信号を生成することが必要不可欠である以上、回路構成が複雑となり、これに伴って装置自体がコスト高になるという問題が指摘されている。

本発明は上記した背景の下で創作されたものであり、その目的とするところは、回路構成を簡単にすることが可能なステッピングモータのマイクロステップ駆動装置を提供することにある。

本発明に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置は、入力パルス信号に基づいてフルステップの１ステップ期間を１周期としてパルス幅が最大レベルから最小レベルに又は最小レベルから最大レベルにマイクロステップ角単位で推移変化するパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成部と、入力パルス信号に基づいてフルステップのステップを繰り返し計数する相励磁カウンタと、相励磁カウンタが示すステップに応じたパターンでHIGHレベル信号、LOW レベル信号及び前記パルス幅変調信号を各相に分配する相分配回路部と、相分配回路部により相分配された信号に基づいて相電流を各相毎に生成する駆動回路部とを備えている。相分配回路部は、前記ステッピングモータにおいて回転磁界が得られるように、フルステップの各々について全相のうち少なくとも一相に前記パルス幅変調信号を分配する一方、他の相にはHIGHレベル信号、LOW レベル信号を各々分配するとともに、ステップが進むに従って当該パルス幅変調信号の分配相を相回転方向に順次移行させる構成となっている。パルス幅変調信号生成部は、前記ステッピングモータをマイクロステップ駆動させる際の同モータの相電流に対応したパルス幅の値を示すＰＷＭ波形生成データがマイクロステップ角単位で予め記録されたメモリ部と、入力パルス信号の入力に従ってメモリ部からＰＷＭ波形生成データを順次読み出す読み出し部と、前記パルス幅変調信号を作成するための基準クロックカウンタであり且つ前記パルス幅変調信号のパルス周期に対応した期間を繰り返し計数するＰＷＭカウント部と、読み出し部のＰＷＭ波形生成データ及びＰＷＭカウント部の計数値が入力され且つ前記相分配回路部に出力すべき正側、負側のパルス幅変調信号を生成するＰＷＭ波形生成部とを有している。ＰＷＭ波形生成部は、ＰＷＭカウント部の計数値が０になると、LOW レベルからHIGHレベルに反転し、その後、同計数値がメモリ部から読み出されたＰＷＭ波形生成データを超えると、当該HIGHレベルをLOW レベルに戻し、このように論理変化する信号を正側のパルス幅変調信号として生成する一方、ＰＷＭカウント部の計数値が当該ＰＷＭ波形生成データを超え、その後、所定のデッドタイム分を超えると、LOW レベルからHIGHレベルに反転させ、その後、同計数値が所定の設定値を超えると、当該HIGHレベルをLOW レベルに戻し、このように論理変化する信号を負側のパルス幅変調信号として生成し、と同時に、ステッピングモータがフルステップの１ステップ期間中の前半期間と後半期間との境に対応した回転角度0.36°を超えたか否かを検出し、ステッピングモータが回転角度0.36°を超えないときは、前記正側、負側のパルス幅変調信号をそのまま出力し、ステッピングモータが回転角度0.36°を超えたときは、前記正側、負側のパルス幅変調信号を互いに逆にして負側、正側のパルス幅変調信号として出力する構成となっている。

このような構成による場合、フルステップの１ステップ期間を１周期としてパルス幅が最大レベルから最小レベルに又は最小レベルから最大レベルにマイクロステップ角単位で推移変化するパルス幅変調信号を全相のうち少なくとも一相に分配する一方、他の相にはHIGHレベル信号及びLOW レベル信号を分配し、ステップが進むに従って、当該パルス幅変調信号の分配相を相回転方向に順次移行させることにより、ステッピングモータのマイクロステップ駆動が行われる。

以上、本発明に係るステッピングモータのマイクロステップ駆動装置による場合、フルステップの１ステップ期間を１周期としてパルス幅が最大レベルから最小レベルに又は最小レベルから最大レベルにマイクロステップ角単位で推移変化するパルス幅変調信号を全相のうち少なくとも一相に分配する一方、他の相にはHIGHレベル信号又はLOW レベル信号を分配し、ステップが進むに従って、当該パルス幅変調信号の分配相を相回転方向に順次移行させることにより、ステッピングモータのマイクロステップ駆動が行われる。即ち、マイクロステップ駆動を行うのに必要なパルス幅変調信号の種類が従来例による場合に比べて少なくて良いことから、回路構成が簡単になり、これに伴って装置自体の低コスト化を図ることが可能になる。しかもＰＷＭ動作を行っている相以外の相がＨｉｇｈかＬｏｗで固定されているため、従来例による場合に比べて大きなトルクが得られる。それ故、回路構成の簡単化による装置の低コスト化だけでなく、装置の高性能化も図られる。

以下、本発明のステッピングモータのマイクロステップ駆動装置の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は同装置のブロック図、図２は同装置のパルス幅変調信号生成部により生成されるＰＷＭ信号の模式的波形図、図３はＰＷＭ信号の波形図、図４は同装置の相分配回路図の出力パターンを示す図、図５は本発明の他の実施の形態を説明するための図４に対応する図、図６は本発明の他の実施の形態を説明するための図４に対応する図である。

ここに掲げるステッピングモータのマイクロステップ駆動装置は、図１に示すように５相ステッピングモータＭに供給すべき相電流をＰＷＭ（パルス幅変調）制御方式により細かく制御することにより、５相ステッピングモータＭのマイクロステップ駆動を行う装置である。ここでは同装置には入力パルス信号ａ、クロックモード信号ｂ及び分解能設定信号ｃ等が入力されている。

同装置は、フルステップの１ステップ期間を１周期としてパルス幅が最大レベルから最小レベルに又は最小レベルから最大レベルに変化するＰＷＭ信号ｆ（パルス幅変調信号：図２参照）を生成するパルス幅変調信号生成部１０と、フルステップのステップを繰り返し計数する相励磁カウンタ２０と、相励磁カウンタ２０が示すステップに応じたパターンでHIGHレベル信号、LOW レベル信号、ＰＷＭ信号ｆのいずれかを各相に分配する相分配回路部３０と、相分配回路部３０により相分配された信号に基づいて相電流を各相毎に生成して５相ステッピングモータＭに出力する駆動回路部４０とを備えた構成となっている。ここでは５相ステッピングモータＭがスター結線されており、駆動回路部４０のＡ⁺，Ａ^-、Ｂ⁺，Ｂ^-、Ｃ⁺，Ｃ^-、Ｄ⁺，Ｄ^-、Ｅ⁺，Ｅ^-相の各出力端子に各々接続されている。以下、各構成部の構成を順に詳しく説明する。

パルス幅変調信号生成部１０には、ＰＷＭ信号ｆのパルス幅を示すデータ（以下、ＰＷＭ波形生成データとする）がデータテーブルとして記録／保持されたメモリ１１及びＪＹＯ回路部１４が備えられている。ここではメモリ１１として外部接続されたＲＯＭを用いている一方、ＪＹＯ回路部１４としてデコーダを用いている。ＰＷＭ波形生成データは５相ステッピングモータＭをマイクロステップで駆動させた場合に実際に流れる相電流の電流値に基づいて作成されたもので、下位８ビットがメモリ１１に記録されている一方、上位３ビットがＪＹＯ回路部１４に保持されている。

ここではＰＷＭ波形生成データを次のような方法を用いて作成している。まず、５相ステッピングモータＭを１／１００でマイクロステップ駆動させ、１パルスずつ動作させたときの各角度毎の相電流値を計測する。計測する範囲については角度位置が０度から０．７２度（相励磁カウンタ２０の１カウント分に相当する）までとする。そして計測された各角度毎の相電流値を線形補間することにより、５相ステッピングモータＭを１／１０００で駆動させたときに相当する各相毎の相電流値を求める。相電流の実測値を線形補間をするのは５相ステッピングモータＭを実際には１／１０００でマイクロステップ駆動させることができないものの、高精度なマイクロステップ駆動を実現するためである。

このようにして５相ステッピングモータＭを１／１０００で駆動させたときの各角度毎の相電流値が求められると、これをＰＷＭ波形のパルス幅の値に変換する。この変換に当たっては、角度位置が０度であるときにＰＷＭ波形のデューティ比が５０となり、０．７２度に近づくにつれて、ＰＷＭ波形のデューティ比が１００に近づくようにする。

上記データテーブルの読み出しアドレスはアドレス生成部１３により生成されている。アドレス生成部１３から出力されるアドレス信号ｅ１により、メモリ１１上に記録されたＰＷＭ波形生成データの下位８ビットが読み出されるようになっている一方、アドレス信号ｅ２によりＪＹＯ回路部１４上に保持されたＰＷＭ波形生成データの上位３ビットが読み出されるようになっている。

アドレス生成部１３は、ＰＬＳＭＯＤＥ回路部１２から出力された信号ｄ１のパルスを計数するカウンタであり、当該計数結果をアドレス信号ｅ１、ｅ２として出力する基本構成となっている。アドレス生成部１３には、信号ｄ１に含まれる回転方向情報に基づいて計数方向を変える他、分解能設定信号ｃに応じて読み出しアドレスの変化の度合いを変更させる機能が含まれている。

ＰＬＳＭＯＤＥ回路部１２は、入力パルス信号ａ、クロックモード信号ｂ及び分解能設定信号ｃが入力されており、これらの信号に基づいて信号ｄ１、ｄ２を生成する回路モジュールとなっている。信号ｄ１は入力パルス信号ａと同一周波数のパルス信号であって、入力パルス信号ａ等から得た回転方向及び分解能の情報が付加されており、アドレス生成部１３に出力されている。一方、信号ｄ２は入力パルス信号ａを分周したパルス信号であって、入力パルス信号ａ等から得た回転方向及び分解能の情報が付加されており、ＰＷＭ周期制御部１９及び相励磁カウンタ２０に出力されている。

ＪＹＯ回路部１４はアドレス信号ｅ２をデコードするデコーダである。デコードされたデータをＰＷＭ波形生成データの上位３ビットとしてＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５に出力されている。

このようにしてメモリ１１及びＪＹＯ回路部１４から読み出されたＰＷＭ波形生成データは、ＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５を介してＰＷＭ波形生成部１７に導かれている。

ＰＷＭカウンタ部１６はＰＷＭ波形を作成するための１１ビットのフリーランカウンタである。ここでは、電源がＯＮにされると、０００（Ｈ）から７ＦＦ（Ｈ）までウカントした後、再び０００（Ｈ）まで戻って７ＦＦ（Ｈ）までカウントするというのがその基本的な動作となっている。０００（Ｈ）から７ＦＦ（Ｈ）までカウントする期間はＰＷＭ信号ｆの１ＰＷＭ周期（図２及び図３参照）と一致している。カウントデータはＰＷＭ波形生成部１７に出力されている。

ＰＷＭ波形生成部１７はＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５から入力されたＰＷＭ波形生成データとＰＷＭカウンタ部１６から入力されたカウントデータとを大小比較し、この比較結果等に基づいてＰＷＭ信号ｆを生成する基本構成となっている。図２及び図３においては、ＰＷＭ信号ｆのプラス側をＰＷＭ信号ｆ⁺として表す一方、マイナス側をＰＷＭ信号ｆ^-として表している。

ＰＷＭ信号ｆは図２に示すようにフルステップの１ステップ期間を１周期とした信号であって、図示例においてはＰＷＭ信号ｆ⁺のパルス幅が最大レベルから最小レベルに３段階に変化している一方、ＰＷＭ信号ｆ^-のパルス幅が最小レベルから最大レベルに３段階に変化している。５相ステッピングモータＭのマイクロステップ駆動を行うには、フルステップの１ステップ期間中に角度位置０．３６度付近を境にして相電流を正から負（又は負から正）に推移させることが必要であるので、これに合わせてＰＷＭ出力の正負を角度位置０．３６度付近を境にして反転させている。ＰＷＭ出力を反転させた期間を図中ＰＷＭ出力正負反転領域として示している。このようなＰＷＭ信号ｆがＰＷＭ波形生成部１７においては次のようにして生成されている。

まず、入力パルス信号ａがＰＬＳＭＯＤＥ回路部１２に１パルス入力されると、アドレス生成部１３により生成される信号ｅ１、ｅ２が変化する。これに伴って、上記データテーブルからＰＷＭ波形生成データが読み出され、ＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５を介してＰＷＭ波形生成部１７に入力される。このときのＰＷＭ波形生成データがＡであるとする。

ＰＷＭ波形生成部１７のプラス側出力は、図３に示すようにＰＷＭカウンタ部１６のカウントデータが０になったタイミングで（図中１,５）、HIGHレベルとなり、その後、ＰＷＭカウンタ部１６のカウントデータがＡになったタイミングで（図中２）、LOW レベルに変化する。この状態はＰＷＭカウンタ部１６のカウントデータが７ＦＦを示すまで継続される。この結果、ＰＷＭ信号ｆ⁺（ＰＷＭ出力正負反転領域においてはＰＷＭ信号ｆ^-になる）の１ＰＷＭ周期の波形が作成される。

一方、ＰＷＭ波形生成部１７のマイナス側出力は、ＰＷＭカウンタ部１６のカウントデータがＡを示した後、所定のデッドタイム分をカウントしたタイミングで（図中３）、LOW レベルからHIGHレベルに変化する。その後、デッドタイムに応じて設定された所定値をカウントしたタイミングで（図中４）、LOW レベルとなる。図示例ではＰＷＭカウンタ部１６のカウントデータがＣを示すタイミングでHIGHレベルからLOW レベルに変化している。この状態はＰＷＭカウンタ部１６のカウントデータが７ＦＦを示すまで継続される。この結果、ＰＷＭ信号ｆ^-（ＰＷＭ出力正負反転領域においてはＰＷＭ信号ｆ⁺になる）の１ＰＷＭ周期の波形が作成される。ＰＷＭ信号ｆ^-は基本的にデッドタイムを勘案してＰＷＭ信号ｆ⁺を反転した信号であり、両信号の関係は常に一定である。

このように入力パルス信号ａがＰＬＳＭＯＤＥ回路部１２に１パルス入力される度にＰＷＭ波形生成部１７においてＰＷＭ信号ｆの１ＰＷＭ周期分の波形が次々と作成される。ＰＷＭ波形生成データが大きくなるに伴って、ＰＷＭ信号ｆのプラス側の比率が長くなる一方、マイナス側の比率が短くなることから、結果として、ＰＷＭ信号ｆの波形はＰＷＭ波形生成データに対応したものとなる。

一方、ＰＷＭカウンタ部１６から出力されたｂｏｒｒｏｗ信号をカウントし、カウント値が回転角度０．３６度付近を示すときには、ＰＷＭ出力を反転させるようになっている。この結果、図２に示すようにＰＷＭ信号ｆ⁺とＰＷＭ信号ｆ^-とが回転角度０．３６°付近を境にしてその前半期間と後半期間（ＰＷＭ出力正負反転領域）とで対称になったＰＷＭ信号ｆが生成される。

このようにして作成されたＰＷＭ信号ｆが相分配回路部３０を介して駆動回路部４０に出力されると、駆動回路部４０において当該信号に基づいた相電流が生成される。当該相電流はフルステップの１ステップ期間において＋１００％から−１００％に変化し、その電流方向は角度位置０．３６度付近において逆転する。このときの相電流の変化はＰＷＭ信号ｆ⁺，ｆ^-を構成する各ＰＷＭ波形により決定されることから、結果として、フルステップの１ステップ期間における相電流は上記データテーブルに記録されたＰＷＭ波形生成データにより細かく制御されることになる。

なお、入力パルス信号ａが入力されなくても、その直前の入力パルス信号ａにより得られたＰＷＭ波形生成データ（ＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５にラッチされたＰＷＭ波形生成データである）により、ＰＷＭ信号ｆの波形出力を維持するようになっている。これは、５相ステッピングモータＭをその時の相励磁位置に保持するためである。

ところで、ＰＷＭカウンタ部１６は一定周期でカウントをしていることから、このカウント周波数に対して入力パルス信号ａの周波数が余りにも高いときには、ＰＷＭ波形を生成することができなくなる。このような高速域の入力パルス信号ａに対応するためにＰＷＭ周期制御部１９が備えられている。

ＰＷＭ周期制御部１９には、ＰＬＳＭＯＤＥ回路部１２からの信号ｄ２とアドレス生成部１３からの信号ｅ２が入力されており、両信号に基づいて制御信号ｈ１、ｈ２を生成するとともにＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５及びＰＷＭカウンタ部１６に出力するようになっている。

ＰＷＭ周期制御部１９は、ＰＬＳＭＯＤＥ回路部１２からの信号ｄ２を通じて入力パルス信号ａのパルス長を求め、当該パルス長と設定値とを比較し、当該比較結果に基づいて、ＰＷＭ周期を入力パルス信号ａのパルス長に応じて２ｎ（ｎ＝１、２・・・）段階に短くするための制御信号ｈ１を生成する機能を有している。制御信号ｈ１はＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５及びＰＷＭカウンタ部１６に出力されている。

このような制御信号ｈ１がＰＷＭカウンタ部１６に入力されると、ＰＷＭカウンタ部１６においては次のような動作となる。即ち、制御信号ｈ１を通じてＰＷＭ周期を１／２ｎにすることを命じられた場合、０００（Ｈ）から始まって７ＦＦ（Ｈ）で終わるというフリーランカウントが、ｍ００（Ｈ）から始まって７ＦＦ×ｍ／２ｎ（Ｈ）（ｍ＝０，１，２・・・２ｎ−１の整数）で終わりとするフリーランカウントに変更される。例えば、ｎ＝１である場合、０００（Ｈ）〜３ＦＦ（Ｈ）、４００（Ｈ）〜７ＦＦ（Ｈ）の各フリーランカウンタが連続して行われ、その結果、ＰＷＭ周期が１／２に短縮されることになる。

一方、制御信号ｈ１がＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５に入力されると、ＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５においては、ＰＷＭカウンタ部１６でのＰＷＭ周期の短縮に対応して次のような動作となる。即ち、制御信号ｈ１を通じてＰＷＭ周期を１／２ｎにすることを命じられた場合、ＰＷＭ波形生成データを下位方向にｎビットシフトして、空いた上位ビットにはＰＷＭカウンタ部１６の同位桁ビットを入るようにされている。

例えば、ｎ＝１であり、ＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５に入力されたＰＷＭ波形生成データが３ＦＦ（Ｈ）であったとする。ＰＷＭ波形生成データが３ＦＦ（Ｈ）であるときには本来デューティ比５０のＰＷＭ波形が生成される。この場合、１１ビット長の３ＦＦ（Ｈ）のＰＷＭ波形生成データが下位方向に１ビットシフトされ、１０ビット長の１ＦＦ（Ｈ）となる。

一方、ＰＷＭカウンタ部１６が０００（Ｈ）〜３ＦＦ（Ｈ）のフリーランカウントを行っているときは、その最上位ビットが０となり、次の４００（Ｈ）〜７ＦＦ（Ｈ）のフリーランカウンタを行っているときは、その最上位ビットが１になる。３ＦＦ（Ｈ）のＰＷＭ波形生成データが下位方向に１ビットシフトされるとともに、空いた上位ビットにはＰＷＭカウンタ部１６の最上位ビットの０又は１が入れられる。この結果、３ＦＦ（Ｈ）というデータを２つの分割した形の１ＦＦ（Ｈ）、５ＦＦ（Ｈ）という２つのＰＷＭ波形生成データが得られ、このデータに基づいて２つのＰＷＭ波形が生成される。ＰＷＭカウンタ部１６においてはＰＷＭ周期が１／２に短縮されていることから、上記したＰＷＭ波形のデューティ比はいずれも５０になる。

ここではｎ＝１である場合について説明したが、ｎ＝２、３、４・・である場合についても全く同様であり、ＰＷＭ周期が１／４、１／８、１／１６・・に短縮される。また、元のＰＷＭ波形生成データが３ＦＦ（Ｈ）以外である場合についても同様であり、短縮された各時間領域において同一のデューティ比を有したＰＷＭ波形が各々生成される。

このようなＰＷＭ周期制御部１９等の機能により入力パルス信号ａの周波数が高いときであっても、ＰＷＭ波形が確保されることになる。もっとも、ＰＷＭ周期が極端に短くなると、ＰＷＭ波形が矩形波に近づいてしまい、その結果、ＰＷＭ周期が最短であるときには、相分配回路部３０との関係で５相ステッピングモータＭがマイクロステップからフルステップに移行し、ＰＷＭ制御を行うことができなくなる。そのためＰＷＭ周期制御部１９等には、入力パルス信号ａについてＰＷＭ波形が矩形波に近くなるような高速域であっても、ＰＷＭ制御を行うことを可能にする機能が付加されている。

ＰＷＭ周期制御部１９は、ＰＬＳＭＯＤＥ回路部１２からの信号ｄ２を通じて入力パルス信号ａのパルス長を求め、当該パルス長が所定値（入力パルス信号ａの周波数に換算したときの値をｆ１とし、これはＰＷＭ波形が矩形波に近くなるような高速域に設定されている）以下であるときに、アドレス生成部１３から出力された信号ｅ２が示すアドレスと予め用意された複数のアドレス設定値Ｍとが一致するか否かを判定し、当該判定結果を制御信号ｈ２として出力する機能を有している。制御信号ｈ２については両アドレスが一致したときにアクティブ状態になる一方、不一致であるときに非アクティブ状態になり、ＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５及びＰＷＭカウンタ部１６に出力されている。

ＰＬＳＣＫＩＭ回路部１２においては、ＰＷＭ波形生成データが順次入力されているが、制御信号ｈ２がアクティブ状態であるときにＰＷＭ波形生成データをラッチしながら随時更新する一方、非アクティブ状態であるときにＰＷＭ波形生成データの更新を中止して直前のＰＷＭ波形生成データをラッチするようになっている。これはＰＷＭカウンタ部１６においても同様であり、制御信号ｈ２がアクティブ状態から非アクティブ状態に変化すると、フリーランカウンタの動作が強制的に停止されるようになっている。

入力パルス信号ａの周波数がｆ１未満であるときに、入力パルス信号ａのパルスが順次入力されると、これに伴って、上記データベースからＰＷＭ波形生成データが読み出され、ＰＬＳＣＫＩＭ回路部１５に順次入力される。例えば、このときのＰＷＭ波形データが１、２、３・・・９、１０，１１・・・・１９、２０、２１であったとすると、これらのデータに基づいてＰＷＭ波形のＰＷＭ幅が順次更新される。

ところが、入力パルス信号ａの周波数がｆ１以上であるときには、例えば、入力パルス信号ａを通じて１０個のパルスが入力される度に、ＰＷＭ波形データを１、１０、２０と順次更新され、これによりＰＷＭ幅の更新の周期が間引かれる。これは、入力パルス信号ａの周波数を１／１０に分周したのと見掛け上同じことであることを意味している。この分周の度合いは複数のアドレス設定値Ｍのアドレス間隔に応じて決定されるようになっている。

相励磁カウンタ２０は信号ｄ２のパルスを計数する１０進カウンタであり、当該計数結果を相分配回路部３０等に出力する構成となっている。相励磁カウンタ２０には、信号ｄ２に含まれる回転方向の情報に応じて計数方向を逆転させる機能の他、分解能の情報に応じてカウントモードを変更させる機能が含まれている。即ち、ＰＬＳＭＯＤＥ回路部１２に入力された分解能設定信号ｃが5 相、4 相以外のモード、例えば、分解能が１／５であることを示しているときには、信号ｄ２を通じて５パルス入力される度に１カウントするようになっている。

相分配回路部３０は、相励磁カウンタ２０のカウントデータに応じたパターンでHIGHレベル信号、LOW レベル信号及びＰＷＭ信号ｆ⁺，ｆ^-をＡ⁺，Ａ^-、Ｂ⁺，Ｂ^-、Ｃ⁺，Ｃ^-、Ｄ⁺，Ｄ^-、Ｅ⁺，Ｅ^-の各相出力に分配するＰＷＭ分配回路３１と、ＰＷＭ分配回路３１から出力された各相信号を波形整形して駆動回路部４０に出力する出力ラッチ回路３２から構成されている。

ＰＷＭ分配回路３１の出力パターンは図４に示す通りとなっている。横軸はフルステップのステップ、縦軸は各相出力を示している。図中１はHIGHレベル信号が割り振られることを示す一方、０はLOW レベル信号が割り振られることを示している。同様に、空白に斜線を入れることなくＰＷＭと記載された部分はＰＷＭ信号ｆ^-が割り振られることを示している一方、空白に斜線が入れられてＰＷＭと記載された部分はＰＷＭ信号ｆ⁺が割り振られることを示している。

即ち、ＰＷＭ分配回路部３０は、５相ステッピングモータＭについて回転磁界が得られるように、フルステップの各々についてＡ〜Ｅ相のうち一相にＰＷＭ信号ｆを分配する一方、他の相にはHIGHレベル信号又はLOW レベル信号を分配するとともに、ＰＷＭ信号ｆの分配相をステップが進むに従って相回転方向、即ち、Ａ〜Ｅ相へと順次移行させる構成となっている。

ＰＷＭ分配回路部３０のＡ⁺相に現れる信号を見ると、ステップ６〜９までHIGHレベル信号が連続して出力された後、ステップ０においてＰＷＭ信号ｆ⁺、が出力され、その後、ステップ１〜４までLOW レベル信号が連続して出力される。一方、Ａ^-相に現れる信号を見ると、ステップ６〜９までHIGHレベル信号が連続して出力された後、ステップ０においてＰＷＭ信号ｆ^-が出力され、ステップ１〜４までHIGHレベル信号が連続して出力される。

即ち、ＰＷＭ信号ｆ⁺については、HIGHレベル信号からLOW レベル信号に切り換えられる間の相当するステップに割り振られる一方、ＰＷＭ信号ｆ^-については、LOW レベル信号からHIGHレベル信号から切り換えられる間の相当するステップに割り振られる。このことはＡ相だけでなくＢ〜Ｅ相についても全く同様である。そのため、ＰＷＭ動作と通常の励磁状態への切り替えがスムーズに行われることになる。

なお、ＰＷＭ分配回路３１には、本来のＰＷＭ信号ｆが入力されない場合に、ＰＷＭ信号ｆを割り振るべき相にＰＷＭ信号ｆの代わりにHIGHレベル信号又はLOW レベル信号を割り振り、これによりマイクロステップではなくフルステップの相出力を行う機能も含まれている。

駆動回路部４０はＦＥＴ等のスイッチング素子から構成されたバイポーラ型の５相スイッチング回路であって、相分配回路部３０から出力された各相信号に基づいて各相のスイッチング素子をオンオフさせ、これにより５相ステッピングモータＭに供給すべき各相電流を生成する基本構成となっている。

以上のように構成された同装置による場合、フルステップの各々についてＡ〜Ｅ相のうち一相にＰＷＭ信号ｆを分配する一方、他の相にはHIGHレベル信号又はLOW レベル信号を分配し、ＰＷＭ信号ｆの分配相をステップが進むに従って相回転方向に順次移行させるだけで、５相ステッピングモータＭをマイクロステップ駆動させることが可能である。従来装置による場合とは異なり、パルス幅変調信号生成部１０において１種類のＰＷＭ信号ｆを生成するだけで良いので、パルス幅変調信号生成部１０の回路構成が非常に簡単になる。また、他の相に分配されるHIGHレベル信号、LOW レベル信号のパターンは従来のフルステップの励磁パターンと同一であるので、相分配回路部３０についても既存の回路に若干の設計変更を加えるだけで良い。

しかも同装置によるマイクロステップ駆動方法による場合、５相のうち４相を同時にＰＷＭ動作させる従来のマイクロステップ駆動方法とは異なり、ＰＷＭ動作を行っている相以外の４相がＨｉｇｈかＬｏｗで固定されているため、従来方法に比べて大きなトルクが得られる。それ故、回路構成の簡単化による装置の低コスト化だけでなく、装置の高性能化も図られる。

上記例においては、５相ステッピングモータＭを５相励磁によりマイクロステップ駆動させる形態であったが、４相励磁によりマイクロステップ駆動させるには、相分配回路部３０において図５に示すような励磁パターンを採用すると良い。即ち、フルステップの各々についてＡ〜Ｅ相のうち２相にＰＷＭ信号Ｍｄ、ＰＷＭ信号Ｍｕを分配する一方、他の相にはHIGHレベル信号又はLOW レベル信号を分配し、ＰＷＭ信号Ｍｄ、ＰＷＭ信号Ｍｕの分配相をステップが進むに従って相回転方向に順次移行させるようになっている。他の相に分配されるHIGHレベル信号又はLOW レベル信号のパターンは既存のパターンと同一となっている。

ＰＷＭ信号Ｍｄは、前述のＰＷＭ信号ｇはフルステップでの１ステップ間を、デューティ比１００から始まりデューティ比５０まで変化した後またデューティ比１０へ推移する動作を行うが、同じフルステップの１ステップ間をデューティ比１００から始まりデューティ比５０まで変化する波形となっている一方、ＰＷＭ信号Ｍｕは、フルステップの１ステップ間をデューティ比５０から始まりデューティ比１００まで変化する波形になっている。

図５に示すような励磁パターンを採用する場合、パルス幅変調信号生成部１０において２種類のＰＷＭ信号Ｍｄ、ＰＷＭ信号Ｍｕを生成する必要があるものの、上記と同様のメリットを期待することができる。

要するに、既存の励磁パターンをベースとして、５相のうち少なくとも一相にＰＷＭ信号を分配するように変更すれば、上記と同様に５相ステッピングモータをマイクロステップ駆動させることが可能となり、ベースとなるフルステップの励磁パターンについては問われない。５相ステッピングモータの結線方式についても問われず、スター結線以外のペンタゴン結線等についても同様に適用可能である。

また、５相ステッピングモータだけの適用に限定されず、４相や２相ステッピングモータについても同様に適用可能である。例えば、２相ステッピングモータの励磁パターンの一例として図６に示すようなものがある。これはハーフステップの既存の励磁パターンをベースとしたものである。

なお、本発明の構成については上記実施形態に限定されず、以下のような形態であっても良い。例えば、パルス幅変調信号生成部については、メモリを用いることなく、パルス幅変調信号を生成するようにしてもかまわない。即ち、フルステップの１ステップ期間を１周期としてパルス幅が最大レベルから最小レベルに又は最小レベルから最大レベルに変化するパルス幅変調信号を生成する機能を有する限り、その回路構成は問われない。また、駆動回路部についても、相分配された信号に基づいて相電流を各相毎に生成する限り、どのような回路構成のものを用いても良い。

本発明の実施の形態を説明するための図であって、５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置のブロック図である。同装置のパルス幅変調信号生成部により生成されるＰＷＭ信号の模式的波形図である。同ＰＷＭ信号の波形図である。同装置の相分配回路図の出力パターンを示す図である。本発明の他の実施の形態を説明するための図４に対応する図である。本発明の他の実施の形態を説明するための図４に対応する図である。従来技術を説明するための図であって、図１に対応する図である。従来技術を説明するための図であって、図４に対応する図である。

符号の説明

１０パルス幅変調信号生成部
２０相励磁カウンタ
３０相分配回路部
４０駆動回路部
Ｍ５相ステッピングモータ
ａ入力パルス信号
ｆＰＷＭ信号

Claims

ステッピングモータのマイクロステップ駆動を行うステッピングモータのマイクロステップ駆動装置において、
入力パルス信号に基づいてフルステップの１ステップ期間を１周期としてパルス幅が最大レベルから最小レベルに又は最小レベルから最大レベルにマイクロステップ角単位で推移変化するパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成部と、入力パルス信号に基づいてフルステップのステップを繰り返し計数する相励磁カウンタと、相励磁カウンタが示すステップに応じたパターンでHIGHレベル信号、LOW レベル信号及び前記パルス幅変調信号を各相に分配する相分配回路部と、相分配回路部により相分配された信号に基づいて相電流を各相毎に生成する駆動回路部とを備え、
前記相分配回路部は、前記ステッピングモータにおいて回転磁界が得られるように、フルステップの各々について全相のうち少なくとも一相に前記パルス幅変調信号を分配する一方、他の相にはHIGHレベル信号、LOW レベル信号を各々分配するとともに、ステップが進むに従って当該パルス幅変調信号の分配相を相回転方向に順次移行させる構成となっており、
前記パルス幅変調信号生成部は、前記ステッピングモータをマイクロステップ駆動させる際の同モータの相電流に対応したパルス幅の値を示すＰＷＭ波形生成データがマイクロステップ角単位で予め記録されたメモリ部と、入力パルス信号の入力に従ってメモリ部からＰＷＭ波形生成データを順次読み出す読み出し部と、前記パルス幅変調信号を作成するための基準クロックカウンタであり且つ前記パルス幅変調信号のパルス周期に対応した期間を繰り返し計数するＰＷＭカウント部と、読み出し部のＰＷＭ波形生成データ及びＰＷＭカウント部の計数値が入力され且つ前記相分配回路部に出力すべき正側、負側のパルス幅変調信号を生成するＰＷＭ波形生成部とを有し、
前記ＰＷＭ波形生成部は、ＰＷＭカウント部の計数値が０になると、LOW レベルからHIGHレベルに反転し、その後、同計数値がメモリ部から読み出されたＰＷＭ波形生成データを超えると、当該HIGHレベルをLOW レベルに戻し、このように論理変化する信号を正側のパルス幅変調信号として生成する一方、ＰＷＭカウント部の計数値が当該ＰＷＭ波形生成データを超え、その後、所定のデッドタイム分を超えると、LOW レベルからHIGHレベルに反転させ、その後、同計数値が所定の設定値を超えると、当該HIGHレベルをLOW レベルに戻し、このように論理変化する信号を負側のパルス幅変調信号として生成し、と同時に、ステッピングモータがフルステップの１ステップ期間中の前半期間と後半期間との境に対応した回転角度0.36°を超えたか否かを検出し、ステッピングモータが回転角度0.36°を超えないときは、前記正側、負側のパルス幅変調信号をそのまま出力し、ステッピングモータが回転角度0.36°を超えたときは、前記正側、負側のパルス幅変調信号を互いに逆にして負側、正側のパルス幅変調信号として出力する構成となっていることを特徴とするステッピングモータのマイクロステップ駆動装置。