JP5016636B2 - ２相ステッピングモータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は２相ステッピングモータを低コストで高分解及び高精度で駆動させることが可能な２相ステッピングモータ駆動装置に関する。

ステッピングモータは、位置センサを使用せずにオープンループで位置決め制御と確認 が容易に行うことができる等の特性を生かして各種機器に広く利用されている。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は２相ステッピングモータである。その主たる理由は駆動装置（ドライバ）を含めたモータ装置全体のコストを低く抑えることが可能だからである。

２相ステッピングモータの場合、その励磁方式の代表例として１相励磁方式、２相励磁方式及び１−２ 相励磁方式がある。１相励磁方式又は２相励磁方式によりフルステップ駆動（基本ステップ角：１．８°）が実現され、１−２相励磁方式によりハーフステップ駆動（ハーフステップ角：０．９°）が実現される。また、ステップ角を微細化することが可能なマイクロステップ駆動方式については、常時２相のコイルに電流を流し、その電流レベルを微細に変化させることから、原理的に２相励磁方式を発展させたものである。

２相ステッピングモータ駆動装置については、励磁方式だけでなくモータのコイル接続法によっても回路構成が大きく異なる。例えば、ＡＢ相コモン共通型の２相ステッピング モータに使用される駆動装置の一例として特許文献１等に示すものがある。

特開平１０−１７４４１６号公報

しかしながら、上記従来例によると、マイクロステップ駆動方式を採用しない限り、２ 相ステッピングモータをハーフステップ角に比べて小さなステップ角単位で駆動させることは困難である。それ故、高い位置決め精度が要求されるときは、２相ステッピングモータではなく５相ステッピングモータ等を使用するのが現状であり、大幅なコスト高を招来するという問題があった。また、マイクロステップ駆動方式を用いると、同モータを高分解能で駆動することが可能であるが、実際には角度分割の均等性が保たれておらず、高精度化を図ることが困難という別の問題も指摘されている。

本発明は上記した背景の下で創作されたものであって、その目的とするところは、２相 ステッピングモータを容易にハーフステップ角に比べて小さなステップ角単位で駆動させることが可能な２相ステッピングモータ駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の２相ステッピングモータ駆動装置は、Ａ相コイルの正側端子Ａと負側端子／Ａとの間の中点ａとＢ相コイルの正側端子Ｂと負側端子／Ｂと の間の中点ｂとが互いに共通に電気接続されたコイル結線構造を有した２相ステッピングモータを駆動させる装置であって、スイッチング素子のフルブリッジ回路を２組用いて同 モータのＡ相、Ｂ相コイルに流れる各電流を生成するバイポーラ型のスイッチング部と、 入力パルスに従ってスイッチング部を構成する各スイッチング素子を、基本ステップを４分割した分割ステップ毎に所定のパターンでオンオフさせる励磁制御部とを備えている。 特に励磁制御部については、(1) 基本ステップｎの期間にてＡ相コイルに流れる電流を正方向から負方向にかけて順次変化させ、Ｂ相コイルに流れる電流を正方向のＨレベルに維持し、基本ステップｎ＋１にてＡ相コイルに流れる電流を負方向のＨレベルに維持し、Ｂ相コイルに流れる電流を正方向から負方向にかけて順次変化させ、基本ステップｎ＋２の 期間にてＡ相コイルに流れる電流を負方向から正方向にかけて順次変化させ、Ｂ相コイルに流れる電流を負方向のＨレベルに維持し、基本ステップｎ＋３にてＡ相コイルに流れる電流を正方向のＨレベルに維持し、Ｂ相コイルに流れる電流を負方向から正方向にかけて 順次変化させるようにし、(2)Ａ相コイルに流れる電流を正方向から負方向に変化させる過程で、Ｂ相コイルの中点ｂを通じて中点ａから負側端子／Ａに、同様に中点ａから正側端子Ａに順次的に電流が流れるようにし、Ａ相コイルに流れる電流を負方向から正方向に変化させる過程で、Ｂ相コイルの中点ｂを通じて中点ａから正側端子Ａに、同様に中点ａから負側端子／Ａに順次的に電流が流れるようにする一方、Ｂ相コイルに流れる電流を正方向から負方向に変化させる過程で、Ａ相コイルの中点ａを通じて中点ｂから負側端子／ Ｂに、同様に中点ｂから正側端子Ｂに順次的に電流が流れるようにし、Ｂ相コイルに流れる電流を負方向から正方向に変化させる過程で、Ａ相コイルの中点ａを通じて中点ｂから正側端子Ｂに、同様に中点ｂから負側端子／Ｂに順次的に電流が流れるようにした構成となっている。

上記した発明によると、２相ステッピングモータがＡ相コイルの中点ａとＢ相コイルの中点ｂとが互いに共通に電気接続されたコイル結線構造を有しながら、励磁シーケンスを変更するだけで１／４ステップ励磁パターンで駆動させることが可能になる。それ故、同モータを含めた構成全体の低コスト化及び同モータの駆動の高分解化を図る上で大きな意義がある。

２相ステッピングモータをマイクロステップ駆動させる場合、励磁制御部については、電流変化相コイルに係るスイッチング素子のうち一部のスイッチング素子を分割ステップ の期間にてマイクロステップ毎に制御し、他のスイッチング素子を当該分割ステップの期間にてアクティブ状態又は非アクティブ状態にさせる構成とすると良い。ここで言う電流維持相コイルとは、Ａ相、Ｂ相コイルのうち基本ステップの期間にてＨレベル又はＬレベ ルに電流を維持させる側のコイルをいうものとする。

上記した下位概念の発明によると、マイクロステップ駆動の前提となる励磁シーケンスパターンのステップ数が従来に比べて倍増していることから、同モータの高分解化を一層 を図ることが可能になる。しかもマイクロステップ駆動に必要な微細電流制御に係るスイ ッチング素子が全相ではなく一部だけであるので、微細電流制御に関する構成が簡素化さ れ、この点でも低コスト化を図ることが可能になる。

この場合の励磁制御部の具体例としては、電流変化相コイルに係る一部のスイッチング素子の出力電流をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御するのに必要なＰＷＭ波形のデューティ比 のデータがマイクロステップ角毎に予め記録されたメモリ部と、入力パルスに従ってメモリ部上のデータを順次読み出すアドレス生成部と、当該メモリ部上のデータに基づいてＰ ＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記入力パルスを計数して励磁シーケンスのステップ数を求める相励磁カウンタ部と、相励磁カウンタ部が示すステップ数に対応した相 分配パターンでもってＰＷＭ信号生成部から出力されたＰＷＭ信号、Ｈレベルの信号、Ｌレベルの信号を相分配するとともに相分配された信号により前記スイッチング部を構成する各スイッチング素子をオンオフさせる相分配回路部とを有した構成のものがある。

定電流制御方式の上記装置において、励磁制御部については、他のスイッチング素子がアクティブ状態、非アクティブ状態であるときのＨレベル、Ｌレベルの各電流値が微調整可能な構成とすることが好ましい。

上記した下位概念の発明によると、他のスイッチング素子がアクティブ状態、非アクティブ状態であるときのＨレベル、Ｌレベルの各電流値、即ち、電流維持相に係る電流が正又は負方向に微調整されると、これに伴って電流変化相に係る電流も反対方向に変化する。よって、２相ステッピングモータや駆動装置の出力段の特性等にバラツキがあっても、電流維持相に係る電流と電流変化相に係る電流とのバランスを適切にすることで同モータの進み角が正確になり、その結果、マイクロステップ駆動の高精度化を図ることが可能になる。

上記装置において、励磁制御部のメモリ部については、基本ステップ角を均等に微細分割した角度単位で前記ステッピングモータをマイクロステップ駆動が可能なようにＰＷＭ 波形のデューティ比のデータが基本ステップ角又は分割ステップ角の全範囲についてマイ クロステップ角毎に微調整されていることが好ましい。

上記した下位概念の発明によると、メモリ部に記録されたＰＷＭ波形のデューティ比のデータが基本ステップ角又は分割ステップ角の全範囲についてマイクロステップ角毎に微調整されていることから、２相ステッピングモータをマイクロステップ駆動させるに当たり、角度分割の均等性が保たれ、これに伴って、マイクロステップ駆動の駆動の高精度化を図ることが可能になる。

本発明の実施の形態に係る２相ステッピングモータ駆動装置の構成図である。 同装置に採用される励磁シーケンスを示す図である。 同装置の励磁制御部に含まれるメモリ部に記録されたデータの内容を説明すための図である。 図２に示す励磁シーケンスパターンの１／４ステップ毎の進行に伴って２相ステッピングモータの各相コイルに流れる電流の変化を模式的に示した図である。 同２相ステッピングモータの各相コイルに流れる電流の変化を示すタイミングチャートである。 第１変形例に係る図であって、同装置に採用される別の励磁シーケンスを示す図である。 同装置の各スイッチング素子をオンオフする各種励磁信号を波形を示す図である。 図６に示す励磁シーケンスパターンの１／４ステップ毎の進行に伴って２相ステッピングモータの各相コイルに流れる電流の変化を示した図である。 第２変形例に係る図であって、同装置の別の励磁シーケンスを示す図である。 同装置の各スイッチング素子をオンオフする各種励磁信号を波形を示す図である。 第３変形例に係る図であって、同装置に採用される別の励磁シーケンスパターンを示す図である。 図１１に示す励磁シーケンスパターンの１／４ステップ毎の進行に伴って２相ステッピングモータの各相コイルに流れる電流の変化を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施の形態に係る２相ステッピングモータ駆動装置( 以下、単に駆動装置と称する。）を図１乃至図８を参照して説明する。なお、特許請求の範囲に記載された発明特定事項と同装置の構成要素との間で対応関係が不明なものについては後記する符号の説明の欄において併せて示すものとする。

ここに例として挙げる駆動装置１については、図１に示すように２相ステッピングモータＭ( 以下、単にステッピングモータＭと称する。)を入力パルスαに応じて定電流パルス幅変調（ＰＷＭ）制御方式によりマイクロステップ駆動する装置である。図中１０はスイッチング部、２０は励磁制御部、３０は電源回路部、４０は定電流回路部である。これらの各部により駆動装置１が構成されている。

ステッピングモータＭについては、相数が２、ＨＢ型のモータ構造を有したステッピングモータであり、駆動装置１に対して4 本のリード線を用いて外付けされている。コイル 結線構造はＡＢ 相コモン共通型であり、Ａ相コイルの正側端子Ａと負側端子／Ａとの間の中点ａと、Ｂ相コイルの正側端子Ｂと負側端子／Ｂとの間の中点ｂとの間が共通に電気接続されている。

電源回路３０については、電源トランスや整流用ダイオードブリッジ等を組み合わせた回路であって、入力された商用交流を所定レベルの直流電圧に変換して各回路構成部に供給している。

定電流回路部４０ については、電源回路部３０ とスイッチング部１０との間に接続された周知の定電流回路であって、スイッチング部１０に供給される電源電流をトランジスタ等を用いて負帰還制御して定電流化している。

スイッチング部１０については、ＮＰＮ型のトランジスタであるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８を用いたバイポーラ型の駆動回路であって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のフルブリッジ回路１１ とスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ ４のフルブリッジ回路１２との２組を用いて、ステッピングモータＭのＡ相、Ｂ相コイルに流れる各電流を生成している。

なお、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８の各ベースに入力される各励磁信号を図中Ａ＋，Ａ−，／Ａ＋，／Ａ−，Ｂ＋，Ｂ−，／Ｂ＋，／Ｂ−として表している。

励磁制御部２０については、入力パルスαに従ってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８をオンオフさせる励磁信号Ａ＋，Ａ−，／Ａ＋，／Ａ−，Ｂ＋，Ｂ−，／Ｂ＋，／Ｂ−を各々生 成する回路であって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８を、基本ステップ（基本ステップ角：１．８°）を４分割した分割ステップ（分割ステップ角：０．４５° ）毎に所定のパターンでオンオフさせることが可能な構成となっている。また、後記する電流変化相コイルに係るスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のうち一部のスイッチング素子を分割ステップの期間にてマイクロステップ毎に制御し、他のスイッチング素子を当該分割ステップの期間にてアクティブ状態又は非アクティブ状態にさせる構成となっている。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８ をオンオフさせる励磁シーケンスは図２に示す通りであり、この励磁シーケンスによりステッピングモータＭのＡ相コイル、Ｂ相コイルに実際に流れる電流は図５に示す通りである。図２及び図５中の上段に示された「０」〜「３」については、基本ステップのステップ数を示しており、その下段に示された「０−０」〜「３−３」については、分割ステップのステップ数を示している。図２中の「Ｈ」については、Ｈレベルの信号が分割ステップ毎に各励磁信号に分配されたことを示し、図２中の「Ｌ」については、Ｌレベルの信号が分割ステップ毎に各励磁信号に分配されたことを示している。図６、図９及び図１２についても同様である。図２中の「ＰＷＭ（I）」〜「ＰＷＭ（IV）」については、４種類のパターンのＰＷＭ信号が各励磁信号に分配されることを示している。

即ち、図２及び図５に示すように基本ステップ０の期間にてＡ相コイルに流れる電流を正方向から負方向にかけて順次変化させ、Ｂ相コイルに流れる電流を正方向のＨレベルに 維持し、基本ステップ１にてＡ相コイルに流れる電流を負方向のＨレベルに維持し、Ｂ相コイルに流れる電流を正方向から負方向にかけて順次変化させ、基本ステップ２の期間に てＡ相コイルに流れる電流を負方向から正方向にかけて順次変化させ、Ｂ相コイルに流れ る電流を負方向のＨレベルに維持し、基本ステップ３にてＡ相コイルに流れる電流を正方 向のＨレベルに維持し、Ｂ相コイルに流れる電流を負方向から正方向にかけて順次変化させるようになっている。

このように基本ステップ０、２においては、ステッピングモータＭのＡ相コイルに流れる電流の大きさ及び方向が変化し、Ｂ相コイルに流れる電流の大きさがＨレベル又はＬレベルに維持される。一方、基本ステップ１、３においては、Ａ相コイルに流れる電流の大きさがＬレベル又はＨレベルに維持され、Ｂ相コイルに流れる電流の大きさ及び方向が変化する。

なお、ステッピングモータＭのＡ相、Ｂ相コイルのうち基本ステップ０〜３の各期間にてＨレベル又はＬレベルに電流を維持させる側のコイルを電流維持相コイルとし、基本ステップ０〜３の期間にて電流を変化させる側のコイルを電流変化相コイルとしている。

上記した励磁シーケンスを実現する機能を有した励磁制御部２０の具体的な構成は以下の通りである。

励磁制御部２０は、本実施形態においては、図１に示す通りアドレス生成部２１、メモリ部２２、ＰＷＭ信号生成部２３、相分配回路部２４、相励磁カウンタ部２５及び分解能設定部２６を有した構成となっている。

メモリ部２２については、電流変化相コイルに係る一部のスイッチング素子の出力電流をＰＷＭ制御するのに必要なＰＷＭ波形のデューティ比のデータが基本ステップに該当する全角度領域においてマイクロステップ角毎に予め記録されている。

図３はステッピングモータＭを基本ステップ角（１．８°）に対して１００で角度分割したマイクロステップ駆動を行う例の場合のメモリ２２に記録されたデータの内容を示したものである。図３中のグラフの横軸はマイクロステップ角、縦軸はＰＷＭ波形のデュー ティ比を各々示している。

図３中「I」，「II」，「III」及び「IV」で示した各データ群は、図２に示す「ＰＷＭ （I）」，「ＰＷＭ（II）」，「ＰＷＭ（III）」及び「ＰＷＭ（IV）」に係るＰＷＭ 信号の波形を作成するのに必要なデータである。従来のデータは直線式で表されるようなものであったが、本発明で使用されるデータは図３中の部分拡大図に示されるようにバラツキが見られる。具体的には、メモリ部２２上のＰＷＭ波形のデューティ比のデータは、ステッピングモータＭを実際にマイクロステップ駆動させてその進み角を測定して得た実験データであって、基本ステップ角を均等に微細分割された角度単位でステッピングモータＭがマイクロステップ駆動が可能なように基本ステップの全角度範囲（基本ステップ角）についてマイクロステップ角（図示例では０．０１８°） 毎に微調整されたものである。

分解能設定部２６については、マイクロステップ角の分解能を設定入力するためのスイッチ等であって、本実施形態においては３段階に設定可能になっている。例えば、マイクロステップ角の最大が上記例のとおり０．０１８°であるとすると、分解能設定部２６を通じて０．０１８°（分解能：１／１００） 、０．０３６°（分解能１／５０） 、０．０７２°（分解能：１／２５） の分解能が設定可能になっている。

アドレス生成部２１については、図１に示すように入力パルスαに従ってメモリ部２２上のデータを順次読み出す回路部である。具体的には、入力パルスαをカウンタ等を用い て計数し、当該計数値及び分解能設定部２６ の設定値に基づいてメモリ部２２上のデータを順次的に読み出すためのアドレス信号を生成する構成となっている。

図３で示す例を用いて具体的な動作を説明する。分解能設定値２６の設定値が０．０１８°である場合、入力パルスαが２４個入力されると、アドレスが０から２５に順次的に変化してカウントアップされ、この過程でメモリ部２２上の「ＰＷＭ（I）」の各データの全てが読み出される。引き続いて、入力パルスαが２５個入力されると、アドレスが２５から４９に順次的に変化し、この過程でメモリ部２２上の「ＰＷＭ（II）」の各データが全て読み出される。メモリ部２２上の「ＰＷＭ（III）」、「ＰＷＭ（IV）」のデータについても全く同様にして各々読み出される。以後はこの繰り返しである。方向信号が負方向であるときは上記と全く逆に読み出される。

分解能設定値２６の設定値が０．０３６°である場合、入力パルスαが１２個入力されると、アドレスが０から２４に２つ飛ばしで順次的に変化して、即ち、上記に比べて２倍の速さでカウントアップされ、この過程でメモリ部２２上の「ＰＷＭ（I）」の一部のデータが読み出される。引き続いて、アドレスが２６から４８に２つ飛ばしで順次的に変化してカウントアップされ、この過程でメモリ部２２上の「ＰＷＭ（II）」の一部のデータが読み出される。メモリ部２２上の「ＰＷＭ（III）」、「ＰＷＭ（IV）」の各データについても全く同様にして読み出される。以後はこの繰り返しである。方向信号が負方向であるときは上記と全く逆に読み出される。

分解能設定値２６の設定値が０．０７２°である場合、入力パルスαが６個入力されると、アドレスが０から２４に４つ飛ばしで順次的に変化して、即ち、上記に比べて４倍の速さでカウントアップされ、この過程でメモリ部２２上の「ＰＷＭ（I）」の一部のデータが読み出される。引き続いて、アドレスが２８から４８に４つ飛ばしで順次的に変化してカウントアップされ、この過程でメモリ部２２上の「ＰＷＭ（II）」の一部のデータが読み出される。メモリ部２２上の「ＰＷＭ（III）」、「ＰＷＭ（IV）」の各データについても全く同様にして読み出される。以後はこの繰り返しである。方向信号が負方向であるときは上記と全く逆に読み出される。

相励磁カウンタ部２５は、入力パルスαを分解能設定値２６の設定値に従って計数するカウンタであり、励磁シーケンスのステップ数、即ち、基本ステップ数０〜３又は分解ステップ数０−０〜３−３を計数している。

図３で示す例を用いて具体的な動作を説明する。分解能設定値２６の設定値が０．０１８°である場合、入力パルスαが２４個（又は２５個）入力される度にカウントされ、その計数値が分解ステップ０−０，０−１，０−２，０−３，１−０・・・３−３を順次的に示す。以後はこの繰り返しである。分解能設定値２６の設定値が０．０３６である場合、入力パルスαが１２個入力される度にカウントされ、その計数値が分解ステップ０−０，０−２，１−０，１−２・・・３−３を順次的に示す。以後はこの繰り返しである。分解能設定値２６の設定値が０．０７２である場合、入力パルスαが６個入力される度にカウントされ、その計数値が基本ステップ０，１，２，３又は分解ステップ０−０，１−０，２−０，３−０を順次的に示す。以後はこの繰り返しである。

ＰＷＭ信号生成部２３については、図１に示すようにアドレス生成部２１により読み出されたメモリ部２２上のデータに基づいてＰＷＭ信号を生成する回路部である。具体的には、メモリ部２２上のデータが読み出されると、読み出されたデータに等しいデューティ比を有したＰＷＭ波形を有したＰＷＭ 信号を生成するようになっている。

相分配回路部２４は、相励磁カウンタ部２５が示すステップ数に対応した図２中に示す相分配パターンでもってＰＷＭ信号生成部２３から出力されたＰＷＭ信号、Ｈレベルの信号、Ｌレベルの信号を相分配するとともに相分配された励磁信号Ａ＋，Ａ−，／Ａ＋，／Ａ−，Ｂ＋，Ｂ−，／Ｂ＋，／Ｂ−をスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８をオンオフさせる構成となっている。

図２中の「ＰＷＭ（I）」，「ＰＷＭ（II）」，「ＰＷＭ（III）」及び「ＰＷＭ（IV）」については、図３に示す「I」，「II」，「III」及び「IV」のデータ群により作成されるＰＷＭ信号が割り当てられることを示している。図２中の「Ｈ」及び「Ｌ」については、相分配回路部２４により作成されたＨレベル、L レベルの信号が割り当てられることを示している。図６、図９及び図１１についても同様である。ここでいうＨレベルの信号とは、スイッチング素子Ｑ１等を完全にアクティブ状態にするレベルの電圧を有した信号をいい、Ｌレベルの信号とは、スイッチング素子Ｑ１等を完全に非アクティブ状態にするレベルの電圧を有した信号をいう。

相分配回路部２４の具体的な動作は以下の通りである。

相励磁カウンタ部２５ が示す励磁シーケンスのステップ数が０−０である場合、その期間では、図２に示す「ＰＷＭ（I）」に係るＰＷＭ信号が励磁信号Ａ＋に分配され、Ｈレベルの信号が励磁信号／Ａ−，Ｂ＋，／Ｂ−に各々分配され、Ｌレベルの信号が励磁信号Ａ−，／Ａ＋，Ｂ−，／Ｂ＋に各々分配される。この場合、スイッチング素子Ｑ１のみがマイクロステップ毎に制御され、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ８はアクティブ状態又は非アクティブ状態である。相励磁カウンタ部２５が励磁シーケンスのステップ数が０−１，０−２，０−３である場合も同様であり、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ２，Ｑ３のみがマイクロステップ毎に各々制御され、他のスイッチング素子はアクティブ状態又は非アクティブ状態である。即ち、基本ステップ０の期間においては、Ａ相コイルが電流変化相コイルであり、Ｂ相コイルが電流維持相コイルである。

相励磁カウンタ部２５が示す励磁シーケンスのステップ数が１−０である場合、その期間では、図２に示す「ＰＷＭ（I）」に係るＰＷＭ 信号が励磁信号Ｂ＋ に分配され、Ｈレベルの信号が励磁信号／Ｂ−，／Ｂ−に各々分配され、Ｌレベルの信号が励磁信号Ａ＋，Ａ−，／Ａ＋，Ｂ−，／Ｂ＋に各々分配される。この場合、スイッチング素子Ｑ５のみがマイクロステップ毎に制御され、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ８はアクティブ状態又は非アクティブ状態である。相励磁カウンタ部２５が励磁シーケンスのステップ数が１−１，１−２，１−３である場合も上記と同様であり、スイッチング素子Ｑ８，Ｑ６，Ｑ７のみがマイクロステップ毎に各々制御され、他のスイッチング素子はアクティブ状態又は非アクティブ状態である。即ち、基本ステップ１の期間においては、Ｂ相コイルが電流変化相コイルであり、Ａ相コイルが電流維持相コイルである。

なお、相励磁カウンタ部２５が示す励磁シーケンスのステップ数が２−０〜３−３である場合も上記と全く同様に分配される。

分解能設定値２６の設定値が上記した通りに０．０１８°である場合である、励磁シーケンスが分割ステップ０−０、０−１・・・と順次的に変化して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８が励磁信号Ａ＋等によりスイッチングされる結果、ステッピングモータＭのＡ相、 Ｂ相コイルに各々流れる電流の大きさとその変化については図４及び図５に示す通りとなる。図４中の矢印は各相コイルの電流の流れを示している。図中示す実線は電流維持相に係る電流である。図中示す破線は電流変化相に係る電流であり、マイクロステップ制御されてマイクロステップ毎に刻々と変化していることを示している。

図２に示す励磁シーケンスは分解能設定値２６ の設定値が０．０３６°である場合、励磁シーケンスが分割ステップ０−０，０−２，１−０・・・と順次的に変化し、分解能設定値２６の設定値が０．０７２ °である場合、分解ステップのステップ数０−０，１−０，２−０ ，３−０・・・と順次的に変化する。これらの場合のステッピングモータＭのＡ相、Ｂ相コイルに各々流れる電流の大きさとその変化についても図４及び図５の該当ステップに示すもの同一である。

上記のように構成された駆動装置１による場合、マイクロステップ駆動の前提となる励磁シーケンスが１／ ４ステップ励磁パターンであり、そのステップ数が従来に比べて倍増していることから、ステッピングモータＭの駆動の高分解化を一層を図ることが可能になる。また、マイクロステップ駆動に必要な微細電流制御に係るスイッチング素子が全相ではなく一部だけであるので、ＰＷＭ 信号生成部２３の構成が簡素化され、低コスト化を図ることが可能になる。さらに、メモリ部２２ に記録されたＰＷＭ波形のデューティ比のデータが基本ステップの全角度範囲についてマイクロステップ角毎に微調整されていることから、ステッピングモータＭをマイクロステップ駆動させるに当たり、角度分割の均等性が保たれ、これに伴って、同モータの駆動の高精度化を図ることが可能になる。それ故、ステッピングモータＭを含めた構成全体の低コスト化及び同モータの駆動の高分解化を図る上で大きな意義がある。

次に、駆動装置１の励磁シーケンスの第１変形例を図６〜図８を参照して説明する。図１等で示す例と異なる点を中心として説明するものとし、共通する部分についてはその説明を省略する。なお、図６、図８は上記例の図２、図４に対応した図である。

相分配回路部２４において採用されている励磁シーケンスは図６に示す通りであり、分割ステップ０−０の期間中の所定タイミングでの各励磁信号の波形は図７に示す通りである。図６中の「ＰＷＭ」及び「／ＰＷＭ」については、２種類のパターンのＰＷＭ信号が割り当てられることを示している。「ＰＷＭ」に係る励磁信号については、図７に示すように１／２Ｔ（Ｔ：ＰＷＭ周期）でのポイントを基準としてミラー状に反転させたのが「／ＰＷＭ」に係る励磁信号となっている。

相励磁カウンタ部２５ が示す励磁シーケンスのステップ数が０−０である場合、その期間では、ＰＷＭ 、／ＰＷＭとして示したパターンのＰＷＭ信号が励磁信号Ａ＋、Ａ−に各々分配され、Ｈレベルの信号が励磁信号／Ａ−，Ｂ＋，／Ｂ−に各々分配され、Ｌレベルの信号が励磁信号／Ａ＋，Ｂ−，／Ｂ＋に各々分配される。この場合、スイッチング素子 Ｑ１、Ｑ２ がマイクロステップ毎に制御され、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８はアクティブ状態又は非アクティブ状態である。

相励磁カウンタ部２５ が示す励磁シーケンスのステップ数が０−１である場合、／ＰＷＭ、ＰＷＭとして示したパターンのＰＷＭ信号が励磁信号Ａ＋、Ａ−に各々分配され、Ｈレベルの信号が励磁信号Ｂ＋，／Ｂ−に各々分配され、Ｌレベルの信号が励磁信号Ａ＋，Ａ−，Ｂ−，／Ｂ＋に各々分配される。この場合、スイッチング素子Ｑ３ ，Ｑ４がマイクロステップ毎に制御され、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４〜Ｑ８はアクティブ状態又は非アクティブ状態である。相励磁カウンタ部２５が励磁シーケンスのステップ数が０−２，０−３である場合も上記と同様である。なお、相励磁カウンタ部２５ が示す励磁シーケンスのステップ数が１−０〜３−３である場合も上記と全く同様に分配される。

励磁シーケンスが分割ステップ０−０ 、０−１ ・・・と順次的に変化して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８が励磁信号Ａ＋等によりスイッチングされる結果、ステッピングモータＭのＡ相、Ｂ相コイルに各々流れる電流の大きさとその変化については図８に示す通りとなる。

相分配回路部２４ において上記した励磁シーケンスが採用されていることから、メモリ部２２、アドレス生成部２１及びＰＷＭ 信号生成部２３についても以下のような相違点がある。上記例と相違する部分についてのみ説明し、共通する部分については説明を省略する。

メモリ部２２については、図６に示す「ＰＷＭ」に係るＰＷＭ信号の波形を作成するのに必要なデータが分割ステップに該当する角度領域においてマイクロステップ角毎に予め記録されている。図３で示す例で説明すると、メモリ部２２には図３中に示す「I」に相当するデータ群だけが記録されている。

アドレス生成部２１については、図３で示す例を用いて具体的な動作を説明すると、分解能設定値２６ が０．０１８°である場合、入力パルスαが２４個（又は２５個）入力されると、この過程でメモリ部２２から図３中に示す「I」に相当するデータ群の全てが読み出される。以後はこの繰り返しである。分解能設定値２６ が０．０３６、０．０７２°である場合、入力パルスαが１２個、６個入力されると、この過程でメモリ部２２から図３中に示す「I」に相当するデータ群の一部が読み出される。以後はこの繰り返しである。なお、方向信号が負方向であるときは上記と全く逆に読み出される。

ＰＷＭ信号生成部２３については、図３で示す例を用いて具体的な動作を説明すると、 メモリ部２２から図３中の「I」に相当するデータ群により「ＰＷＭ」に係るＰＷＭ 信号を作成するだけでなく、このＰＷＭ 信号を上記したようにミラー状に反転させる方法により「／ＰＷＭ」に係るＰＷＭ信号を作成可能になっている。

上記のように構成された第１変形例に係る駆動装置１による場合、メモリ部２２の容量が上記例の１／４で良く、予め用意しておくデータの点数も少ないことから、超高分解能のマイクロステップ駆動を行うに当たり大きなメリットがある。

次に、駆動装置１の励磁シーケンスの第２変形例を図９及び図１０を参照して説明する。第１変形例と異なる点を中心として説明するものとし、共通する部分についてはその説明を省略する。なお、図９、図１０ は上記例の図６、図７に各々対応した図である。

相分配回路部２４において採用されている励磁シーケンスは図９に示す通りであり、分割ステップ０−０の期間中の所定タイミングでの各励磁信号の波形は図１０に示す通りで ある。図９中の「Ｈad」，「Ｌad」については、Ｈレベルの信号、Ｌレベルの信号に近い信号であって、電圧のレベルが微調整された信号が割り当てられることを示している。

相励磁カウンタ部２５ が示す励磁シーケンスのステップ数が０−０である場合、その期間では、「ＰＷＭ」 、「／ＰＷＭ」として示したパターンのＰＷＭ信号が励磁信号Ａ＋、Ａ−に各々分配され、Ｈレベルの信号が励磁信号／Ａ−に分配され、「Ｈad」の信号が励磁信号Ｂ＋，／Ｂ−に各々分配され、Ｌレベルの信号が励磁信号／Ａ＋に分配され、「Ｌad」の信号が励磁信号Ｂ−，／Ｂ＋に各々分配される。この場合、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がマイクロステップ毎に制御され、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４はアクティブ状態又は非アクティブ状態であり、スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８はアクティブ又は非アクティブに近い状態である。

相励磁カウンタ部２５ が示す励磁シーケンスのステップ数が０−１である場合、／ＰＷＭ、ＰＷＭ として示したパターンのＰＷＭ信号が励磁信号／Ａ＋ 、／Ａ−に各々分配され、Ｌレベルの信号が励磁信号Ａ＋，Ａ−に各々分配され、「Ｈad」の信号が励磁信号Ｂ＋，／Ｂ−に各々分配され、「Ｌad」の信号が励磁信号Ｂ−，／Ｂ＋ に各々分配される。この場合、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がマイクロステップ毎に制御され、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は非アクティブ状態であり、スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８はアクティブ又は非アクティブに近い状態である。相励磁カウンタ部２５が励磁シーケンスのステップ数が０−２，０−３である場合も上記と同様である。なお、相励磁カウンタ部２５が示す励磁シーケンスのステップ数が１−０〜３−３である場合も上記と全く同様に分配される。

励磁シーケンスが分割ステップ０−０ 、０−１ ・・・と順次的に変化して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８が励磁信号Ａ＋等によりスイッチングされる結果、ステッピングモータＭのＡ相、Ｂ相コイルに各々流れる電流の大きさとその変化については図８及び図５に示すものと全く同様になる。

このように相分配回路部２４については、図１０に示すようにＨレベル、Ｌレベルの信号だけでなく、「Ｈad」，「Ｌad」の各信号も出力している。本実施形態においては、「Ｈad」，「Ｌad」の信号は「ＰＷＭ」と同じくＰＷＭ信号であるが、そのデューティ比がマイクロステップ角毎に調整されない点で「ＰＷＭ」の信号とは異なっている。「Ｈad」，「Ｌad」の各信号のデューティ比を図１中に示す電流バランス調整部２７により調整可能にしている。

電流バランス調整部２７については、「Ｈad」，「Ｌad」の各信号のデューティ比を各々微調整するためのスイッチ等である。即ち、電流バランス調整部２７を通じて相分配回路部２４にて生成される「Ｈad 」，「Ｌad 」の各信号のデューティ比が微調整され、その結果、ステッピングモータＭのＡ相コイル、Ｂ相コイルの図８中の実線で示す電流維持相に係る電流の大きさが微調整可能になっている。

上記のように構成された第２変形例に係る駆動装置１による場合、上記した効果に加えて、次のような効果がある。ステッピングモータＭの各相コイルの残留磁気特性、巻線抵抗及びインダクタンス等の特性のバラツキや駆動装置１の出力段の特性のバラツキにより、ステッピングモータＭの電流変化相に係る電流と電流維持相に係る電流との間のバランスを適切にすることができず、その結果、電流変化相に係る電流を制御するだけでは所望のステップ角が得られない場合がある。この点、第２変形例に係る駆動装置１による場合、定電流制御であり且つ電流維持相に係る電流が微調整可能であることから、電流維持相に係る電流を正又は負方向に微調整すると、これに応じて電流変化相に係る電流が反対方向に変化する。これはステッピングモータＭの中点の接続の有無に無関係である。その結果、電流変化相に係る電流と電流維持相に係る電流との間のバランスを適切にすることができ、その結果、マイクロステップ駆動時の進み角が正確になる。よって、ステッピングモータＭの特性や駆動装置１の出力段のバラツキに大きく左右されず、マイクロステップ駆動の高精度化を図ることが可能になる。

次に第３変形例に係る駆動装置１を図１１及び図１２を参照して説明する。第３変形例は上記した例とは異なりマイクロステップ駆動ではなく、フルステップ駆動（基本ステップ角：１．８°）、ハーフステッフ駆動（ハーフステップ角：０．９°）、１ ／４ステップ駆動（１／４ステップ角：０．４５°）である。図１等で示す例と異なる点を中心として説明するものとし、共通する部分についてはその説明を省略する。なお、図１１、図１２は上記例の図２、図４に各々対応した図である。

励磁制御部２０のうちアドレス生成部２１ 、メモリ部２２ 、ＰＷＭ信号生成部２３に相当するものが省略されている。分解能設定部２６ は、本実施形態では、１．８°（フルステップ駆動）、０．９°（ ハーフステッフ駆動）、０．４５°（１／ ４ステップ駆動）の３段階に設定可能になっている。相分配回路部２４において採用されている励磁シーケンスは図１１ に示す通りである。

分解能設定値２６の設定値が０．４５ °である場合、入力パルスαが入力される度に相励磁カウンタ２５がカウントされ、その計数値が分解ステップ０−０，０−１，０−２，０−３，１−０・・・３−３を順次的に示す。以後はこの繰り返しである。励磁シーケンスが上記の通り順次的に変化して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８ が励磁信号Ａ＋等に従ってスイッチングされると、ステッピングモータＭのＡ相、Ｂ相コイルに各々流れる電流の大きさとその変化については図１２に示す通りとなる。

分解能設定値２６ の設定値が０．９ °である場合、入力パルスαが入力される度に相励磁カウンタ２５がカウントされ、その計数値が分解ステップ０−０，０−２，０−２，１−０，１−２・・・３−２ を順次的に示す。以後はこの繰り返しである。分解能設定値２６の設定値が１．８ °である場合、入力パルスαが入力される度に相励磁カウンタ２５がカウントされ、その計数値が分解ステップ０−０，１−０，２−０，３−０を順次的に示す。以後はこの繰り返しである。励磁シーケンスが上記の通り順次的に変化して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８が励磁信号Ａ＋等に従ってスイッチングされると、ステッピングモータＭのＡ相、Ｂ相コイルに各々流れる電流の大きさとその変化については図１２の該当ステップに示すものと同一となる。

上記のように構成された第３変形例に係る駆動装置１による場合、ステッピングモータＭを１／４ ステップ励磁パターンで駆動させることが可能であり、基本的に励磁シーケンスを変更するだけで良いことから簡単に実現することが可能となる。それ故、同モータＭ を含めた構成全体の低コスト化及び同モータの駆動の高分解化を図る上で大きな意義がある。

なお、本発明に係る２相ステッピングモータ駆動装置は、Ａ相コイルの中点ａとＢ相コイルの中点ｂとが互いに共通に電気接続されたコイル結線構造を有する限り、適用可能な２相ステッピングモータの種類が問われない。スイッチング部については、同モータのＡ相、Ｂ相コイルに流れる各電流を生成するバイポーラ型のものである限り、回路構成が問われない。励磁制御部については、入力パルスに従ってスイッチング部を構成する各スイッチング素子を、基本ステップを４分割した分割ステップ毎に所定のパターンでオンオフさせる構成である限り、その構成が問われない。分解能設定部の設定可能範囲、定電流制御方式の種類等についても適宜設計変更すれば良い。

１ 駆動装置（２相ステッピングモータ駆動装置）
１０ スイッチング部
２０ 電流制御部
２１ アドレス生成部
２２ メモリ部
２３ ＰＷＭ 信号生成部
２４ 相分配回路部
Ｍ ステッピングモータ（２相ステッピングモータ）

Claims (5)

1. Ａ相コイルの正側端子Ａと負側端子／Ａとの間の中点ａとＢ相コイルの正側端子Ｂと負側端子／Ｂ との間の中点ｂとが互いに共通に電気接続されたコイル結線構造を有した２相ステッピングモータを駆動させる装置であって、同モータのＡ相、Ｂ相コイルに流れる各電流を生成するバイポーラ型のスイッチング部と、入力パルスに従ってスイッチング部を構成する各スイッチング素子を、基本ステップを４分割した分割ステップ毎に所定のパターンでオンオフさせる励磁制御部とを備え、前記励磁制御部は、(1) 基本ステップｎの期間にてＡ相コイルに流れる電流を正方向から負方向にかけて順次変化させ、Ｂ相コイルに流れる電流を正方向のＨレベルに維持し、基本ステップｎ＋１にてＡ相コイルに流れる電流を負方向のＨレベルに維持し、Ｂ相コイルに流れる電流を正方向から負方向にかけて順次変化させ、基本ステップｎ＋２の期間にてＡ相コイルに流れる電流を負方向から正方向にかけて順次変化させ、Ｂ相コイルに流れる電流を負方向のＨレベルに維持し、基本ステップｎ＋３にてＡ相コイルに流れる電流を正方向のＨレベルに維持し、Ｂ相コイルに流れる電流を負方向から正方向にかけて順次変化させるようにし、(2) Ａ相コイルに流れる電流を正方向から負方向に変化させる過程で、Ｂ相コイルの中点ｂを通じて中点ａから負側端子／Ａに、同様に中点ａから正側端子Ａに順次的に電流が流れるようにし、Ａ相コイルに流れる電流を負方向から正方向に変化させる過程で、Ｂ相コイルの中点ｂを通じて中点ａから正側端子Ａに、同様に中点ａから負側端子／Ａ に順次的に電流が流れるようにする一方、Ｂ相コイルに流れる電流を正方向から負方向に変化させる過程で、Ａ相コイルの中点ａを通じて中点ｂから負側端子／Ｂに、同様に中点ｂから正側端子Ｂに順次的に電流が流れるようにし、Ｂ相コイルに流れる電流を負方向から正方向に変化させる過程で、Ａ相コイルの中点ａを通じて中点ｂから正側端子Ｂに、同様に中点ｂから負側端子／Ｂ に順次的に電流が流れるようにした構成となっていることを特徴とする２相ステッピングモータ駆動装置。
2. ２相ステッピングモータをマイクロステップ駆動させる場合の請求項１記載の２相ステッピングモータ駆動装置において、Ａ相、Ｂ相コイルのうち基本ステップの期間にてＨレベル又はＬレベルに電流を維持させる側のコイルを電流維持相コイルとし、当該基本ステップの期間にて電流を変化させる側のコイルを電流変化相コイルとした場合、前記励磁制御部は、電流変化相コイルに係るスイッチング素子のうち一部のスイッチング素子を分割ステップの期間にてマイクロステップ毎に制御し、他のスイッチング素子を当該分割ステップの期間にてアクティブ状態又は非アクティブ状態にさせる構成となっていることを特徴とする２相ステッピングモータ駆動装置。
3. 請求項２記載の２相ステッピングモータ駆動装置において、前記励磁制御部は、電流変化相コイルに係る一部のスイッチング素子の出力電流をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御するのに必要なＰＷＭ波形のデューティ比のデータがマイクロステップ角毎に予め記録されたメモリ部と、入力パルスに従ってメモリ部上のデータを順次読み出すアドレス生成部と、 当該メモリ部上のデータに基づいてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記入力パルスを計数して励磁シーケンスのステップ数を求める相励磁カウンタ部と、相励磁カウンタ部が示すステップ数に対応した相分配パターンでもってＰＷＭ信号生成部から出力されたＰＷＭ信号、Ｈレベルの信号、Ｌレベルの信号を相分配するとともに相分配された信号により前記スイッチング部を構成する各スイッチング素子をオンオフさせる相分配回路部とを有した構成となっていることを特徴とする２相ステッピングモータ駆動装置。
4. 定電流制御方式の請求項２記載の２相ステッピングモータ駆動装置において、前記励磁制御部は、他のスイッチング素子がアクティブ状態、非アクティブ状態であるときのＨレベル、Ｌレベルの各電流値が微調整可能な構成となっていることを特徴とする２相ステッピングモータ駆動装置。
5. 請求項３記載の２相ステッピングモータ駆動装置において、前記メモリ部は、基本ステップ角を均等に微細分割した角度単位で前記ステッピングモータをマイクロステップ駆動が可能なようにＰＷＭ波形のデューティ比のデータが基本ステップ角又は分割ステップ角の範囲についてマイクロステップ角毎に微調整されていることを特徴とする２相ステッピングモータの駆動装置。

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