JP5327666B2 - ステッピングモータ駆動装置及びステッピングモータ駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、スター結線、環状結線等の複数の励磁コイルを有するステッピングモータを駆動するための駆動装置であって、回動指令パルスに応じて励磁コイルに対する励磁を変更するステッピングモータ用駆動装置と、その駆動方法に関する。

一般に、Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を駆動する場合には、外部からステッピングモータの駆動装置に回動指令パルスを入力し、駆動装置がその入力した回動指令パルスを計数し、その計数値に応じてＮ相ステッピングモータの励磁コイルに対する励磁を切り替えることにより、回動指令パルスの総数に比例した角度だけモータ回転子を回転させる制御を行っている。

この、Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子の位置決め分解能を細かくする際には、Ｎ相ステッピングモータの機械的構造から決定される機械角を半分に分割するハーフステップ駆動や、更に細かい角度に分割して位置決めするマイクロステップ駆動が行われている。

例えば、特許第３２２３２１６号公報（以下、特許文献１と呼ぶ。）に記載されているステッピングモータの駆動方式では、低回転域においては４相励磁時のＰＷＭ（パルス幅変調：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）のデューティを変化させることで各相の励磁電流を段階的に調節して、マイクロステップ駆動（特許文献１では、微小角駆動と記載されている。）を行っている。そして、回動指令パルスの周波数がＰＷＭ周波数よりも短くなる高回転域においては、ＰＷＭを用いない４相励磁によるフルステップ駆動の制御に切り替えている。

ところが、特許文献１にも記載されているように、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動との境界部分において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えると、励磁パターンが急激に変化することに起因する振動（モータ回転子の回転数が変動すること。）が発生する。

この境界部分の回転数で発生する振動が、ステッピングモータの制御対象であるキャリッジの固有振動数と共振すると、その振幅が増大し、ワークの搬送等に支承をきたしたり、騒音が発生するなどの原因となる。そこで、特許文献１では、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動の切り替えを、回転数に応じて徐々に行うようにしている。これにより、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動との境界部分において、より滑らかな回転を得ることができるとしている。

ここで、特許文献１に記載されている発明と、後段にて説明する本願発明との相違点を明確にするために、特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式について、図を引用して概略説明することにする。

先ず、特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式を実現するための駆動回路について図１８を用いて説明する。特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式は、５相ステッピングモータ用の駆動方式である。特許文献１には、当該５相ステッピングモータ用の駆動回路が記載されていないので、特許第２８２１６９６号公報（以下、特許文献２と呼ぶ。）の第２図を図１８として引用して説明することにする。

先ず、特許文献１に記載されている５相ステッピングモータの駆動方式のうち、高回転域において用いられている４相励磁によるフルステップ駆動時の励磁パターンについて説明する。

図１８に示す駆動回路を用いて４相励磁によるフルステップ駆動を行う場合には、例えば以下のように励磁コイルの各端子に電圧を印加して励磁を行っている。先ず、端子Ａと接続されているハイサイド（特許文献１では上アームと記載されている。）駆動素子Ｑ１のＦＥＴをオンにし、ローサイド（特許文献１では下アームと記載されている。）駆動素子Ｑ２のＦＥＴをオフにする。このようにして端子Ａに＋Ｖ（Ｖ）の正極の電圧を印加する。同時に、ローサイド駆動素子Ｑ６をオンにし、ハイサイド駆動素子Ｑ５をオフにして端子Ｃに０（Ｖ）の負極に接続する。同様に、ローサイド駆動素子Ｑ８をオンにし、ハイサイド駆動素子Ｑ７をオフにして端子Ｃを０（Ｖ）の負極に接続する。

このように、３つの端子を電源に接続することで、端子ＡからＡφ、Ｂφを経由して端子Ｃに電流を流すとともに、端子ＡからＥφ、Ｄφを経由して端子Ｃに電流が流れて、Ａφ、Ｂφ、Ｅφ、Ｄφの４相が励磁される。この励磁状態をステップ０＊Ｎの基本ステップ位置と呼ぶことにする。

図１９に、ステップ０＊Ｎ〜９＊Ｎ間における各端子に対するフルステップ駆動時の駆動パターンを示す。図１９は、特許文献１の図３に示される図である。図１９に示すように、いずれのステップ角においても３つの端子に正極又は負極の電圧を印加しているので、常時４相励磁を行っていることになる。

図１９に示すように、各励磁コイルに対する励磁を切り替えることで、ステッピングモータの電気角３６０°（歯数５０Ｔの５相ハイブリッドステッピングモータの場合、電気角３６０°＝機械角７．２°に相当する。）をステップ０＊Ｎ〜９＊Ｎまで１０分割することができる。

なお、例えばフルステップ駆動時においてステップ０＊Ｎの励磁を行っている際には、端子Ｂ及び端子Ｅに対しては電圧を印加しておらず、常にハイインピーダンス状態となっている。すなわち、図１８に示すハイサイド駆動素子Ｑ３及びローサイド駆動素子Ｑ４、並びにハイサイド駆動素子Ｑ９及びローサイド駆動素子Ｑ１０は、全てオフとなっている。

次に、特許文献１に記載されている５相ステッピングモータの駆動方式のうち、低回転域において用いられる４相励磁によるマイクロステップ駆動時の励磁パターンについて説明する。

例えば、ステップ０＊Ｎとステップ１＊Ｎの間のＥ０の区間においてマイクロステップ駆動を行う場合には、図２０に示すように、端子Ｂを介して印加する電圧を電気角に応じて増加させるとともに、端子Ｃを介して印加していた電圧を電気角に応じて減少させる。電流の増減は、ＰＷＭのデューティを変更することによって行っている。なお、この図２０は、特許文献１の図２に示される図である。

マイクロステップ駆動時においてステップ０＊Ｎの励磁を行う場合には、フルステップ駆動時においては常にハイインピーダンス状態としていた端子Ｂ及び端子Ｅに対して、＋Ｖ（Ｖ）及び０（Ｖ）の電圧を交互に５０％のデューティで印加することで実現している。したがって、この状態では、図１８に示すハイサイド駆動素子Ｑ３及びローサイド駆動素子Ｑ４、並びにハイサイド駆動素子Ｑ９及びローサイド駆動素子Ｑ１０のＦＥＴは、オン−オフを常時繰り返している状態となっている。このように、特許文献１においては、同一のステップ０＊Ｎにおける励磁であるにも関わらず、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動とで、全く異なる励磁を行っている。したがって、特許文献１に記載されている励磁切替方法では、マイクロステップ駆動の励磁とフルステップ駆動の励磁とを明確に切り替える必要がある。

この、ＰＷＭを用いた４相励磁によるマイクロステップ駆動時の励磁方法について、図２１及び図２２を用いて説明する。図２１は、マイクロステップ駆動時のステップ０＊Ｎ〜９＊Ｎの間において、端子Ａに印加する電圧（デューティ）について説明する図であり、特許文献１の図８に示される図である。なお、図２２は、特許文献１の図６に示される図に対して捕捉を行ったものである。

図２１に示されるように、区間Ｅ０及び区間Ｅ９の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１が１００％のオンデューティで＋Ｖ（Ｖ）を印加している。したがって、ローサイドの駆動素子Ｑ２は０％のオンデューティとなる（なお、フルステップ駆動時には、区図１９に示したように、間Ｅ０〜区間Ｅ９の全ての区間において１００％又は０％のオンデューティの何れかとなっている。）。

他方、区間Ｅ４及び区間Ｅ５の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１が０％のオンデューティとなり、ローサイドの駆動素子Ｑ２が１００％のオンデューティで０（Ｖ）の電圧を印加する。

また、区間Ｅ２及び区間Ｅ７の範囲では、端子Ａに対して、ハイサイドの駆動素子Ｑ１及びローサイドの駆動素子Ｑ２の双方が、５０％のオンデューティで＋Ｖ（Ｖ）を印加している。

また、区間Ｅ１、Ｅ３、Ｅ６及び区間Ｅ８の範囲では、端子Ａに対して、ハイサイドの駆動素子Ｑ１及びローサイドの駆動素子Ｑ２のデューティを細かく変更して電気角を変更し、マイクロステップを実現している。

次に、図２２を用いて４相励磁によるマイクロステップ駆動時のＰＷＭ波形について説明する。図２２に示すように、区間Ｅ０及び区間Ｅ９の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１が１００％のオンデューティで＋Ｖ（Ｖ）の電圧を印加している。したがって、ローサイドの駆動素子Ｑ２は０％のオンデューティとなる。

区間Ｅ４及び区間Ｅ５の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１が０％のオンデューティとなり、ローサイドの駆動素子Ｑ２が１００％のオンデューティで０（Ｖ）の電圧を印加している。

区間Ｅ２及び区間Ｅ７の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１及びローサイドの駆動素子Ｑ２が、５０％のオンデューティで＋Ｖ（Ｖ）を印加している。

区間Ｅ１及び区間Ｅ８の範囲では、駆動素子Ｑ１のオンデューティが５０％を越えており、駆動素子Ｑ２のオンデューティが５０％未満である。区間Ｅ３及び区間Ｅ６の範囲では、駆動素子Ｑ１のオンデューティが５０％未満であり、駆動素子Ｑ２のオンデューティが５０％を越えている。

このステッピングモータの駆動方式を用い、あるモータ回転子の回転数を境にして、急にマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えると、励磁パターンが急激に変化することに起因する振動（モータ回転子の回転数が変動すること。）が発生することになる。

そこで特許文献１では、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動との切り替えを、回転数を用いた２つの閾値の間（境界部分と呼ぶ。）において、この２つの閾値の間における回転数に応じて徐々に行うようにした。特許文献１では、図２３に示すように、マイクロステップ駆動パターンとフルステップ駆動パターンとの境界部分に、モータ回転子の回転数に応じて励磁パターンを徐々に遷移させる遷移速度帯ＴＳ１〜ＴＳ４を設けている。なお、図２３は、特許文献１の図５に捕捉を加えた図である。

次に、図２４を用いて、遷移速度帯ＴＳ１〜ＴＳ４におけるＰＷＭ波形を説明する。図２４は、特許文献１の図７に捕捉を加えたものである。特許文献１では、遷移速度帯において、図２４に示すＭ１及びＭ２のパルス幅ＭＷをモータ回転子の回転数に応じて長くすることにより、マイクロステップ駆動用のＰＷＭ波形から、フルステップ駆動用の１００％オンデューティ波形に遷移させている。

特許文献１に記載されている発明では、この遷移速度帯において、図２４に示すＭ１及びＭ２のパルス幅をモータ回転子の回転数に応じて徐々に変化させている。これにより、回転数の変化に不連続なポイントがなくなるので、低回転域から高回転域まで滑らかな回転が得られるとしている。

また、特許文献３（特開２００６−３４０５１０号）には、特許文献１に記載されている駆動方式を用いた際に、前記遷移速度帯において切り替え途中の励磁状態が継続することにより発生するモータ回転子の振動を低減することを目的とした発明が開示されている。

特許文献１では、上述の図２３に示したように、遷移速度帯ＴＳ１〜ＴＳ４において、モータ回転子の回転数に応じてＭ１及びＭ２のパルス幅を長くすることにより、マイクロステップ用のＰＷＭ波形からフルステップ駆動用の１００％オンデューティの励磁波形に遷移させている。このように、モータ回転子の回転数のみに基づいて励磁状態を変化させる場合に、指令回転数として前記遷移速度帯の回転数を指令すると、切り替え途中の励磁状態がそのまま継続されることになり、このため、モータ回転子が振動するなどの不安定で好ましくない駆動状態が続いてしまうことがあった。

そこで特許文献３に記載されているステッピングモータの制御方法では、特許文献１に記載されている駆動方式の問題点に鑑み、駆動形態の切り替え途中の励磁状態が継続されることを回避して、より安定かつ円滑にステッピングモータを駆動することを目的として掲げている。

特許文献３に記載されているステッピングモータの制御方法では、回転数に依存した遷移速度帯ＴＳ１〜ＴＳ４を廃止し、モータ回転子の回転数がＦ１（ｒｐｍ）を超えた場合に、所定の時間ＴＷ内においてＭのパルス幅を徐々に長してゆき、マイクロステップ用のＰＷＭ波形からフルステップ駆動用の１００％オンデューティの励磁波形に遷移させている。

また、モータ回転子の回転数がＦ２（ｒｐｍ）を下回った際（Ｆ１＞Ｆ２）には、所定の時間ＴＷ内においてＭのパルス幅を徐々に短くしてゆき、フルステップ駆動用の１００％オンデューティの励磁波形から、マイクロステップ用のＰＷＭ波形に遷移させている。更に、急激に回転数が減少した際には、時間ＴＷの経過を待たずに、Ｍのパルス幅を０に設定する機能も付加してある。

特許文献３に記載されている発明によれば、駆動形態を切り替える途中の励磁状態を、所定の時間ＴＷ内において必ず終了するようにしたことにより、切り替え途中の励磁状態が継続されることを回避して、より安定かつ円滑にステッピングモータを駆動することができるとしている。

また、特許文献４（特開２００８-６１４３９号公報）には、マイクロステップ駆動の分解能を向上させて、低振動の超低速回転を可能にするステッピングモータの駆動方法が開示されている。この特許文献４に記載されているステッピングモータの駆動方法は、マイクロステップ駆動を更に低速域へ発展させる技術である。これに対し本願発明は、この特許文献４に記載されているマイクロステップ駆動の特徴である低振動性を、より高速回転域まで発展させることを可能にするものである。
特許第３２２３２１６号公報 特許第２８２１６９６号公報 特開２００６−３４０５１０号公報 特開２００８−６１４３９号公報

先ず、特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式における問題点について考察する。

特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式における第１の問題点として、マイクロステップ駆動時において高い回転数を指令した場合に、モータ回転子に振動が発生する問題を挙げることができる。

例えば、特許文献１の段落番号［０００４］にも記載されているように、特許文献１の駆動方式では、出力素子のスイッチング（微小角駆動を行わせる場合の駆動素子のオン・オフのスイッチング）と外部の発振器から入力されるパルス信号による励磁シーケンスの切り替わりにより干渉が生じて、モータ回転子が振動してしまうことになる。これは、特許文献１に記載されている駆動方式では、マイクロステップ駆動中にモータ回転子の回転数が上昇するにつれて、励磁切替の間隔が短くなってくるからでり、回動指令パルスの間隔がＰＷＭのオン・オフデューティの切替周期に近づくと、ＰＷＭ励磁が完了せずに途中で終わってしまって、不完全なＰＷＭ励磁を行い続けることになるからである。そして、この不完全なＰＷＭ励磁によるオン・オフのデューティがもたらす影響が大きくなってくる。

例えば、図２５に示すように、回動指令パルスが所定の間隔で入力され、当該回動指令パルスのタイミングに同期して、マイクロステップ駆動時において電気角を計数するアドレスカウンタが更新されるものとする。一方、ＰＷＭの周期ＴＰは、回動指令パルスの間隔よりも若干短いものとし、５０％のデューティで励磁コイルを励磁していたとする。

すると、図２５に示すように、５０％のデューティで励磁しているはずのものが、回動指令パルスが入力される毎にＰＷＭの励磁周期をリセットしているために、実際には６７％デューティになってしまう。実際に励磁するデューティがこれだけ異なってしまうと、各相巻線に流れる励磁電流のコントロールが不完全になって各期間に流れる励磁電流に変動を生じ、その結果、モータ回転子に振動が発生することになる。この影響を少なくするためには、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替える回転数を下げて、回動指令パルスの間隔がＰＷＭ周期ＴＰよりもかなり長くなるような、低い回転数で切り替える必要が生ずる。

しかし、低い回転数においてマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えると、その低回転時においては特にモータ回転子の速度変動が目立つために、よりモータ回転子の回転数の変動が少なくなるような工夫が必要となる。

通常、ＰＷＭ周波数は、通常可聴音を外した１５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度に設定される。例えばＰＷＭ周波数を２０ｋＨｚに設定し、一般に多用されている歯数５０Ｔの５相ハイブリッドステッピングモータに対して機械角を１００分割したマイクロステップ駆動を行った場合には、角度指令の回動指令パルスがＰＷＭ周波数の２０ｋＨｚを越えるのが２４０ｒｐｍ（＝４ｒｐｓ）となる。

ステッピングモータの駆動に関しては、年を追う毎に高分解能化及び低振動化に対する要望が高まっている。例えば、従来は６ｒｐｍ〜６０ｒｐｍ（０．１ｒｐｓ〜１ｒｐｓ）程度の回転数でモータ回転子が安定して回転することが求められていたが、近年ではステッピングモータの機械角を１／２０００まで分割した高分解能の駆動を行いながら、６ｒｐｓ（０．１ｒｐｍ）以下の超低回転における回転の滑らかさが要求されている。

そこで、上記の例で機械角を２０００分割すると、角度指令の回動指令パルスがＰＷＭ周波数の２０ｋＨｚを越えるのが１２ｒｐｍ（＝０．２ｒｐｓ）となってしまう。そうすると、回動指令パルスがＰＷＭ周波数に近づく１２ｒｐｍの手前で、モータ回転子に発生する振動が大きくなってしまうことになる。

特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式における第２の問題点として、低い回転数でマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えた際にモータ回転子に振動が発生する問題を挙げることができる。

上述のように、近年では、ステッピングモータを用いた精密位置決め及び高回転駆動や、定速駆動を行う要求が増えている。特許文献１に記載されているように、比較的低回転で４相励磁によるフルステップ駆動に切り替えてしまうと、フルステップ駆動時において常に２つ以上の励磁コイルの端子がハイインピーダンス状態となることに起因して、モータ回転子の定回転性が損なわれるという問題が生ずる。

上述のように、マイクロステップ駆動の分解能を向上させると、比較的低回転域において４相励磁によるフルステップ駆動に切り替える必要が生ずる。すると、その低回転域においてフルステップ駆動に切り替えた際に、モータ回転子に振動が発生してしまうという不具合を生じる。

このように制御されたステッピングモータを用いてキャリッジ等を駆動する場合には、安定した駆動が必要とされる低回転域においてキャリッジに振動が発生するなどの不具合を生じる。

特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式における第３の問題点として、遷移速度帯において加減速を行う際に発生するモータ回転子の振動の問題を挙げることができる。

例えば、図２３に示した遷移速度帯ＴＳ１においては、モータ回転子の回転数が、完全なマイクロステップ駆動パターンで駆動する速度域に近いにもかかわらず、区間Ｅ１から区間Ｅ２に切り換わるステップ２＊Ｎの前後で、急激に階段状に駆動素子Ｑ１のオンデューティが低下する波形となる。ところが、その後の区間Ｅ３では徐々にオンデューティが変化してゆくというように、モータ回転子の回転数が少し変化しただけで、急激に回転変動が増大するという問題点を含んでいる。

したがって、遷移速度帯において緩やかな加減速を指令した場合に、滑らかな回転が得られず、振動が発生することとなる。このようなステッピングモータの駆動方式を用いる場合には、液体の搬送や軽量部品の搬送を目的とした精密な駆動の用途には適さないという不具合を生じることになる。更に、上述の第１の問題点で挙げた、回動指令パルスがＰＷＭのオン・オフデューティの切替周波数に近づいた際に大きくなるモータ回転子の振動との影響が合わさって、より大きな振動を発する可能性がある。

これに対し、特許文献３に記載されているステッピングモータの制御方法では、遷移速度帯において一定の回転数を指令した場合であっても、駆動形態を切り替える途中の励磁状態は所定の時間ＴＷ内において必ず終了するので、切り替え途中の励磁状態が継続されることは回避されることになる。しかし、４相励磁とＰＷＭのデューティを変更する制御とを組み合わせてマイクロステップを行う限り、回動指令パルスがＰＷＭのオン・オフデューティの切替周波数に近づいた際に発生する振動の影響や、この振動を避けるためにマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えるタイミングを低い回転数で実行しなければならないといった問題は残ることになる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ステッピングモータ用駆動装置において、電気角の分解能が１／１００以下となるような微小角における停止精度（スタティック特性）を確保し、超低回転域から高回転域に至るまでの回転の滑らかさ（ダイナミック特性）を確保することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αを微細ステップにｍ分割するマイクロステップを実現するステッピングモータ駆動装置にあって、
Ｎ相ステッピングモータの回動指令パルスが入力されると、前記微細ステップの歩進数を計数して出力するｍ分割カウンタと、前記ｍ分割カウンタの上位の桁に位置し基本ステップの歩進数を計数して出力する基本ステップカウンタとを有する電気角位置管理手段と、
Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を、前記基本ステップの歩進数に対応した１の基本ステップ位置に位置決めするために、Ｎ相の励磁コイルのうちの所定の２相の組合せを励磁する１の励磁組と、他の基本ステップ位置に位置決めするための別の２相の組合せを励磁する他の励磁組との励磁組合せを出力する励磁相組合せ出力手段と、前記ｍ分割カウンタの値及び前記基本ステップカウンタの値とに応じて、前記２つの励磁組合せの励磁
回数又は励磁時間をそれぞれ漸増及び漸減することにより、前記２つの励磁組合せの励磁割合を決定する励磁割合決定手段と、
所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に、前記励磁組を構成する単位励磁相に対する励磁を切り替えるための単位励磁切替指令を出力する単位励磁周期出力手段と、前記単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、前記励磁割合に応じた前記２つの励磁組合せによる励磁を切り替えるための組合せ励磁切替指令を出力する、組合せ励磁周期出力手段と、
前記組合せ励磁切替指令が出力される毎に、又は前記組合せ励磁切替指令が出力される毎に加えて前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に、新たな前記励磁割合を記憶する励磁割合記憶手段と、前記励磁割合記憶手段に記憶されている前記励磁割合を用い、前記２つの励磁組合せを構成する前記単位励磁相に対する励磁を、前記単位励磁切替指令が出力される毎に切り替えて、駆動素子を介して順次出力してゆく励磁波形出力手段と、を備え、
前記励磁組を構成する前記２相の励磁が、前記励磁コイルにおける全ての端子がモータ駆動電源の正極又は負極の何れかに接続している励磁であることを特徴とする。

本発明に係るステッピングモータ駆動装置では、ステッピングモータの励磁コイルの全ての端子を電源の正極又は負極のいずれかに接続した２相励磁を、時間的にずらして複数組み合わせることで４相励磁を実現し、マイクロステップ駆動時の停止精度と回転の滑らかさを確保しつつ、マイクロステップ駆動の高分解能化を実現している。この駆動方法によれば、マイクロステップ駆動時と、フルステップ駆動時の双方において、基本角ステップにおける励磁を統一することができる。

これに加えて本発明では、回動指令パルスの入力に伴う励磁の更新を、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令に基づいて行うことにより、マイクロステップ駆動時における励磁サイクルを確保することができ、不完全な励磁が発生することを防止する。このように、回動指令パルスの入力に伴う励磁の更新を、組合せ励磁周期ＴＣ毎に行うことで、モータ回転子の回転数を上げる回動指令が入力されたことにより、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりも短くなった場合であっても、モータ回転子の回転が安定することになる。

更に、基本ステップカウンタの値が更新される毎に励磁の更新を行うことによって、モータ回転子の回転数を更に上げる回動指令により、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合においても、ステップの間引きを拡大しながら２相励磁の合成による４相励磁を継続することでモータ回転子の等速回転性を確保して、回転を安定させることができる。また、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り替えをシームレスに行うことができるとともに、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り替えを、広い回転域から選択することができる。

また、上記課題を解決するために本発明は、Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αを微細ステップにｍ分割するマイクロステップを実現するステッピングモータ駆動装置にあって、
Ｎ相ステッピングモータの回動指令パルスが入力されると、前記微細ステップの歩進数を計数して出力するｍ分割カウンタと、前記ｍ分割カウンタの上位の桁に位置し基本ステップの歩進数を計数して出力する基本ステップカウンタとを有する電気角位置管理手段と、
Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を、前記基本ステップの歩進数に対応した１の基本ステップ位置に位置決めするために、Ｎ相の励磁コイルのうちの所定の２相の組合せを励磁する１の励磁組と、他の基本ステップ位置に位置決めするための別の２相の組合せを励磁する他の励磁組との励磁組合せを出力する励磁相組合せ出力手段と、
前記ｍ分割カウンタの値及び前記基本ステップカウンタの値とに応じて、前記２つの励磁組合せの励磁回数又は励磁時間をそれぞれ漸増及び漸減することにより、前記２つの励磁組合せの励磁割合を決定する励磁割合決定手段と、
所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に、前記励磁組を構成する単位励磁相に対する励磁を切り替えるための単位励磁切替指令を出力する単位励磁周期出力手段と、前記単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、前記励磁割合に応じた前記２つの励磁組合せによる励磁を切り替えるための組合せ励磁切替指令を出力し、更に前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に前記組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに前記組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始する、組合せ励磁周期出力手段と、
前記組合せ励磁切替指令が出力される毎に、新たな前記励磁割合を記憶する励磁割合記憶手段と、前記励磁割合記憶手段に記憶されている前記励磁割合を用い、前記２つの励磁組合せを構成する前記単位励磁相に対する励磁を、前記単位励磁切替指令が出力される毎に切り替えて、駆動素子を介して順次出力してゆく励磁波形出力手段と、を備え、
前記励磁組を構成する前記２相の励磁が、前記励磁コイルにおける全ての端子がモータ駆動電源の正極又は負極の何れかに接続している励磁であることを特徴とする。

本発明に係るステッピングモータ駆動装置では、ステッピングモータの励磁コイルの全ての端子を電源の正極又は負極のいずれかに接続した２相励磁を、時間的にずらして複数組み合わせて合成することで４相励磁を実現し、マイクロステップ駆動時の停止精度と回転の滑らかさを確保しつつ、マイクロステップ駆動の高分解能化を実現している。これにより、マイクロステップ駆動時と、フルステップ駆動時の双方において、基本角ステップにおける励磁を統一することができる。

これに加えて本発明では、回動指令パルスの入力に伴う励磁の更新を、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令に基づいて行うことにより、マイクロステップ駆動時における励磁サイクルを確保することができ、不完全な励磁が発生することを防止する。このように、回動指令パルスの入力に伴う励磁の更新を、組合せ励磁周期ＴＣ毎に行うことで、モータ回転子の回転数を上げる回動指令が入力されたことにより、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりも短くなった場合であっても、モータ回転子の回転が安定することになる。

更に、本発明では、基本ステップカウンタの値が更新される毎に組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始するように構成したので、基本ステップカウンタの値が更新される毎に励磁の更新を行うことができる。これによって、モータ回転子の回転数を更に上げる回動指令により、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合においても、ステップの間引きを拡大しながら２相励磁の合成による４相励磁を継続することでモータ回転子の等速回転性を確保して、回転を安定させることができる。また、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り替えをシームレスに行うことができるとともに、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り替えを、広い回転域から選択することができる。

また、本発明に係る前記単位励磁周期出力手段は、前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に前記単位励磁切替指令を出力するとともに、新たに前記単位励磁周期Ｔの計数を開始するように構成することを特徴とする。

本発明によれば、新たな組合せ励磁周期ＴＣの計数開始と同期して単位励磁周期Ｔの計数を開始することができるので、組合せ励磁周期ＴＣ内における励磁を、より正確に行うことができる。

本発明によれば、ステッピングモータ用駆動装置において、２相励磁の合成による４相励磁を用いたマイクロステップ駆動を行う回転域を拡大することにより、電気角の分解能が１／１００以下となるような微小角における停止精度（スタティック特性）を確保し、超低回転域から高回転域に至るまでの回転の滑らかさ（ダイナミック特性）を確保することができる。

また、本発明によれば、モータ回転子の回転数の上昇に伴ってステップの間引きを拡大しながら２相励磁の合成による４相励磁を継続することができる。これにより、モータ回転子の回転数が上昇しても、等速回転性が確保されるので、比較的高い回転数まで回転が安定するマイクロステップ駆動を継続することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を、添付図面に示す実施例に基づいて具体的に説明する。

図１は、５相ステッピングモータ１の各励磁コイルに対し、回動指令パルスが入力される毎に励磁態様を切り替えることが可能な、ステッピングモータ駆動装置１０の内部構成を示すブロック図である。

なお、図１は、本発明に係るステッピングモータ駆動装置１０をペンダゴン結線方式の５相ステッピングモータ１に接続した状態を示している。同図に示す実施形態では、ペンダゴン結線方式の５相ステッピングモータ１を接続してマイクロステップの駆動制御を行う実施形態を示しているが、本発明はペンタゴン結線方式のステッピングモータ、又は、５相のステッピングモータに限定するものではなく、スター結線方式のステッピングモータ、又は、３相のステッピングモータにも応用することが可能である。また、直動型のステッピングモータにも応用することができる。

図１に示すように、本発明に係るステッピングモータ駆動装置１０は、上位のコンピュータ等の外部機器から５相ステッピングモータ１の回動指令パルスＣＷＰ（Ｃｌｏｃｋ Ｗｉｓｅ Ｐｕｌｓｅ）、又は、回動指令パルスＣＣＷＰ（Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｃｌｏｃｋ Ｗｉｓｅ Ｐｕｌｓｅ）を入力し、５相ステッピングモータ１の各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁するためのハイサイド指令及びローサイド指令を、各駆動素子ＴＲ１〜ＴＲ１０に出力する励磁波形決定手段１２を備えている。

また、ステッピングモータ駆動装置１０は、励磁コイル１ａ〜１ｅのインピーダンスに応じて、供給する駆動電源の電流を制御するモータ電流制御手段１６と、各相の励磁コイル１ａ〜１ｅとモータ電流制御手段１６の正極との導通又は遮断を制御するハイサイド駆動素子ＴＲ１、ＴＲ３、ＴＲ５、ＴＲ７、及びＴＲ９と、各相の励磁コイル１ａ〜１ｅと駆動電源の負極との導通又は遮断を制御するローサイド駆動素子ＴＲ２、ＴＲ４、ＴＲ６、ＴＲ８、及びＴＲ１０とを備えている。また、ステッピングモータ駆動装置１０は、励磁コイル１ａ〜１ｅが発した起電力をバイパスするダイオードＤ１〜Ｄ１０を備えている。

上述の回動指令パルスＣＷＰは、５相ステッピングモータ１のモータ回転子を所定の回動位置まで時計回りに正転させるための指令パルスであり、ＣＣＷＰは所定の回動位置まで反時計回りに逆転させるための指令パルスである。

図１に示す励磁波形決定手段１２は、単位時間内に入力した回動指令パルスの数量を計数することで、指令されたモータ回転子の指令回転数を検出する指令回転数検出手段１２ｖと、入力した回動指令パルスを用いて微細ステップ及び基本ステップの歩進数を計数する電気角位置管理手段１２ａと、基本ステップの歩進数に応じて５相ステッピングモータ１のモータ回転子を１の基本ステップ位置に位置決めするための第１励磁組、及び他の基本ステップ位置に位置決めするための第２励磁組との組合せを出力する励磁相組合せ出力手段１２ｂと、回数分割ステップカウンタの値及び基本ステップカウンタの値に応じて２つの励磁組合せの励磁回数割合又は励磁時間割合等を決定する励磁回数割合決定手段１２ｄ（励磁割合決定手段の一形態）とを備えている。

また、励磁波形決定手段１２は、所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に単位励磁切替指令を出力する単位励磁周期出力手段１２ｈと、所定の組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に組合せ励磁切替指令を出力する組合せ励磁周期出力手段１２ｃとを備えている。

また、励磁波形決定手段１２は、組合せ励磁切替指令が出力される毎、又は基本ステップカウンタの値が更新される毎に新たな励磁回数割合又は励磁時間割合等を記憶する励磁回数割合記憶手段１２ｉ（励磁割合記憶手段の一形態）と、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶されている励磁回数割合又は励磁時間割合等に応じた励磁の指令を順次出力してゆく励磁波形出力手段１２ｅとを備えている。

なお、励磁相組合せ出力手段１２ｂと、励磁回数割合決定手段１２ｄと、励磁回数割合記憶手段１２ｉと、励磁波形出力手段１２ｅとの機能を統合し、これらを一つの素子で構成することも可能であるが、本実施例では各機能の説明を容易にするために、各機能毎に構成を分けて記載している。

モータ電流制御手段１６は、５相ステッピングモータ１の励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁する電力を供給する電源ＰＳと、電源ＰＳの電圧を平滑化するコンデンサＣ１と、定電流駆動を行うために、励磁コイル１ａ〜１ｅに流れている電流を検出する電流検出抵抗１５と、短時間に電圧の供給及び遮断を繰り返すＰＷＭ駆動を行うことによって励磁コイル１ａ〜１ｅに供給する電圧を調節するトランジスタＴＲ１１とを備えている。

また、モータ電流制御手段１６は、電流検出抵抗１５の両端に発生した電圧に応じてトランジスタＴＲ１１をオン、オフ制御することによって、励磁コイル１ａ〜１ｅのインピーダンス変化に依存せずに所定の電流を供給する制御を行う定電流コントロール回路１４と、励磁コイル１ａ〜１ｅが発する起電力をバイパスするダイオードＤ１１と、ＰＷＭにより生じた間欠的な電圧を入力して平滑化したモータ駆動電圧を生成するチョークコイルＬ１及びコンデンサＣ２とを備えている。

定電流コントロール回路１４は、励磁コイル１ａ〜１ｅに供給する電流を検出し、その検出電流と基準電流との差を誤差信号として生成してトランジスタＴＲ１１のオン−オフ制御を行う。これにより、励磁コイル１ａ〜１ｅに供給する電圧を調節して、ステッピングモータの励磁コイルに対する総電流が所定の電流に定まるように制御することができる。トランジスタＴＲ１１のオン、オフにより脈流となった電圧は、チョークコイルＬ１及びコンデンサＣ２により平滑化されて、駆動素子ＴＲ１〜ＴＲ１０を介して励磁コイル１ａ〜１ｅに供給される。

例えば、電流検出抵抗１５を流れる電流が減少した場合には、誤差信号のレベルが上昇するので、トランジスタＴＲ１１のオン時間を長くする。すると、トランジスタＴＲ１１を通過した電圧は、チョークコイルＬ１及びコンデンサＣ２により平滑化されて高い電圧となって励磁コイル１ａ〜１ｅに印加されるので、励磁電圧を増加させる制御を行うことができる。また、電流検出抵抗１５を流れる電流が増加した場合には、誤差信号のレベルが下降するので、トランジスタＴＲ１１のオン時間を短くする。このようにして、励磁コイル１ａ〜１ｅに印加する電圧を減少させる制御を行うことができる。

このように、モータ電流制御手段１６を用いて５相ステッピングモータ１の励磁電圧を適宜調節することによって、励磁波形決定手段１２が出力する第１励磁組又は第２励磁組の励磁周期Ｔとは無関係に励磁電流を安定化させ、５相ステッピングモータ１を定電流駆動することができる。

次に、５相ステッピングモータ１の機械角を基本ステップ毎に１０分割する際の励磁について、図２〜図４を用いて説明する。

先ず、図２（ａ）に示すように、ペンタゴン結線方式を採用した５相ステッピングモータ１の励磁コイル１ａ〜１ｅと、励磁相ＡＢＣＤＥａｂｃｄｅの励磁電流の方向とを定義する。そして、図２（ｂ）に示すように、５相ステッピングモータ１の励磁相ＡＢＣＤＥａｂｃｄｅと、トルクベクトルＶＡ〜Ｖｅとの関係とを定義する。

図２（ａ）に示すように、励磁コイル１ａに流す電流の方向に応じて、励磁相Ａ及び励磁相ａを定義する。以下同様にして、励磁コイル１ｂ〜１ｅに流す電流の方向に応じて、それぞれ励磁相ＢｂＣｃＤｄＥｅを定義する。そして、各励磁相を励磁した際のトルクベクトルＶＡ〜ＶＥ及びトルクベクトルＶａ〜Ｖｅの向きを、図２（ｂ）に示すように定義する。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、励磁コイル１ａに流す電流は、励磁Ａと励磁ａとでは逆方向であり、トルクベクトルもＶＡとＶａとで逆方向になる。

次に、図３に、モータ回転子を所定の基本ステップ位置に位置決めする励磁相の組み合わせ例を示す。

なお、表現を簡略化するために、５相の励磁コイル１ａ〜１ｅのうちの複数の励磁コイルに対して同時に励磁電流を流すことにより、多相励磁を行う際の単位励磁相の組合わせを励磁組と呼ぶ。例えば、励磁相Ａ及び励磁相Ｂの２相の単位励磁相を同時に励磁した状態を２相励磁と呼び、これを励磁組（ＡＢ）と表記する。更に、擬似的な４相励磁を実現するために、励磁組（ＡＢ）及び励磁組（ＣＤ）を時間をずらして時系列的に合成して励磁する場合を、励磁組（ＡＢ−ＣＤ）と表記することにする。

図３に示す実施例では、５相ステッピングモータ１のモータ回転子をステップ＝０＊Ｎの基本ステップで停止させる際に、励磁相ＡＢＣＤの４相を励磁する。ところが、単一の電源を用いてこの４相を同時に励磁することはできないので、励磁組（ＢＣ）及び励磁組（ＡＤ）を時間をずらして時系列的に交互に励磁して、４相励磁を実現する。すなわち、モータ回転子をステップ＝０＊Ｎの基本ステップで停止させる際には、５相ステッピングモータ１に対して励磁組（ＢＣ−ＡＤ）の励磁を行う。

また、図３に示すように、５相ステッピングモータ１のモータ回転子を、ステップ＝１＊Ｎの基本ステップで停止させる際には、５相ステッピングモータ１に対して励磁組（ＣＤ−ＢＥ）の励磁を行う。このように、ステップ＝０＊Ｎからステップ＝９＊Ｎまでの励磁を切り替えることによって、各基本ステップにおける位置決めを行うことができる。

例えば、５相ステッピングモータの基本ステップ角αが０．７２°の場合には、励磁相をＡＢＣＤ→ＢＣＤＥ→ＣＤＥａ→ＤＥａｂ→Ｅａｂｃ→ａｂｃｄ→ｂｃｄｅ→ｃｄｅＡ→ｄｅＡＢ→ｅＡＢＣの順序で１０回切り替えることにより、モータ回転子を７．２°回転させることができる。更に、この１０ステップ（０〜９）の歩進を５０回繰り返すと、モータ回転子が３６０°、すなわち丁度１回転することになる。

次に、図４に、モータ回転子を所定の基本ステップ位置に位置決めする励磁相の組み合わせの他の実施例を示す。

図４に示す実施例では、モータ回転子をステップ＝０＊Ｎの基本ステップで停止させる際に、励磁組（ＡＢ−ＣＤ）を励磁する。また、モータ回転子をステップ＝１＊Ｎの基本ステップで停止させる際には、励磁組（ＢＣ−ＤＥ）を励磁する。このように、ステップ＝０＊Ｎからステップ＝９＊Ｎまでの励磁を切り替えることによって、各基本ステップにおける位置決めを行うことができる。

なお、図３及び図４に示す実施例では、励磁コイル１ａ〜１ｅの両端が、必ずモータ電流制御手段１６の正極（＋）又は負極（−）のいずれかの制御された電位に接続されるように励磁している。このように、常に励磁コイル１ａ〜１ｅの端子が開放しないように２相励磁を行うことによって、前ステップから次ステップに切り替えて歩進を行った際の電流のオーバーシュートを減少させ、ダンピング特性を向上させることが可能となり、モータ回転子に発生する振動の低減と騒音の低減とを図ることができる。

次に、図１に示した励磁波形決定手段１２を構成する各ブロックの処理について、図５を用いて説明する。

図５に示す励磁波形決定手段１２は、５相ステッピングモータ１の回動指令パルスを入力し、単位時間内に入力した回動指令パルスの数量を計数して、指令されたモータ回転子の指令回転数を検出する指令回転数検出手段１２ｖを備えている。

また、励磁波形決定手段１２の電気角位置管理手段１２ａは、上位の桁から順に、５相ステッピングモータ１の回動指令パルスをｍ回入力する毎に基本ステップの歩進数を計数して出力する基本ステップカウンタと、回動指令パルスを入力する毎に基本ステップ角αをｍ分割した回数分割ステップの歩進数を計数して出力するｍ分割カウンタ（以降、回数分割ステップカウンタと記載する。）とを備えている。

図５に示す回数分割ステップカウンタは、回動指令パルスＣＷＰを入力する毎に回数分割ステップの歩進数をカウントアップし、回動指令パルスＣＣＷＰを入力する毎に回数分割ステップの歩進数をカウントダウンして、その値を励磁回数割合決定手段１２ｄに出力する。なお、回数分割ステップカウンタの下位に、当該回数分割ステップを更に細分割するためのカウンタを別途設けることも可能である。

基本ステップカウンタは、回数分割ステップカウンタの上位の桁に該当し、回数分割ステップカウンタの値が「９」から「０」に切り替わる際に一つカウントアップするように構成する。また回数分割ステップカウンタの値が、「０」から「９」に切り替わる際に一つカウントダウンするように構成する。基本ステップカウンタが計数する基本ステップの歩進数は、図３及び図４に示した基本ステップ位置（ステップ＝０＊Ｎ〜９＊Ｎ）を表し、モータ回転子を所定のステップの位置に位置決めする励磁相の組み合わせを決定するためのカウンタである。

励磁相組合せ出力手段１２ｂは、基本ステップカウンタから基本ステップの歩進数を入力すると、５相ステッピングモータ１のモータ回転子を１の基本ステップ位置に位置決めするための第１励磁組、及び、他の基本ステップ位置に位置決めするための第２励磁組の、励磁相の組合せを出力する。５相のステッピングモータを駆動する場合には、第１励磁組及び第２励磁組の組合せの数量は、図３及び図４に示したように、５相ステッピングモータ１の相数Ｎの２倍の１０種類存在する。

図５に示す励磁相組合せ出力手段１２ｂの内部には、５相ステッピングモータ１を励磁する際の励磁相の組合せが記憶されている。第１励磁組の４相を励磁する際には、２相の励磁組Ｆ１及び２相の励磁組Ｆ２を２回に分けて励磁するための励磁組（Ｆ１−Ｆ２）を出力する。また、第２励磁組の４相を励磁する際には、２相の励磁組Ｆ３及び２相の励磁組Ｆ４を２回に分けて励磁するための励磁組（Ｆ３−Ｆ４）を出力する。

例えば、図３に示した励磁を行う場合であって、基本ステップカウンタが基本ステップの歩進数として「０」を出力している場合（ステップ＝０＊Ｎの場合）には、基本ステップの歩進数が「０」と「１」との間をｍ分割したマイクロステップを実現すべく、第１励磁組として励磁組（ＡＤ−ＢＣ）を出力し、第２励磁組として励磁組（ＢＥ−ＣＤ）を出力する。

基本ステップカウンタが基本ステップの歩進数として「１」を出力している場合（ステップ＝１＊Ｎの場合）には、基本ステップの歩進数が「１」と「２」との間をｍ分割したマイクロステップを実現するべく、第１励磁組として励磁組（ＢＥ−ＣＤ）を出力し、第２励磁組として励磁組（Ｃａ−ＤＥ）を出力する。以降同様に、基本ステップの歩進数に応じて第１励磁組と第２励磁組とを出力する。

励磁相組合せ出力手段１２ｂの機能を実現する素子として、ＲＯＭなどのメモリを用いることができる。その場合には、電気角位置管理手段１２ａは、メモリのアドレスカウンタとして機能するように構成する。

励磁回数割合決定手段１２ｄは、回数分割ステップの歩進数に応じて、第１励磁組を励磁する回数又は時間等を漸増又は漸減するとともに、第２励磁組を励磁する回数又は時間等を漸減又は漸増することにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁割合を決定して出力する機能を備えている。

例えば、回数分割ステップの分割数をｍ＝１０に設定している場合には、第１励磁組を励磁する回数を１０回〜１回まで漸減するとともに、第２励磁組を励磁する回数を０回〜９回まで漸増することにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を１０：０〜１：９まで変更して出力する機能を備えている。なお、図５に示す実施例では、４相励磁を実現するために２相励磁を２回出力して合成しているので、励磁回数は２回×ｍ分割＝２０回（０Ｐ〜１９Ｐ）となっている。

図５に示す実施例によれば、回数分割ステップカウンタが回数分割ステップの歩進数として「０」を出力している場合には、第１励磁組のＦ１、Ｆ２の繰り返しを励磁相０Ｐ〜１９Ｐに代入して出力する。これにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を１０：０に設定して、基本ステップの歩進数「０」の位置にモータ回転子を位置決めすることができる。

回数分割ステップカウンタが回数分割ステップの歩進数として「１」を出力している場合には、第２励磁組のＦ３、Ｆ４を励磁相０Ｐ、１Ｐに代入して出力し、第１励磁組のＦ１、Ｆ２の繰り返しを２Ｐ〜１９Ｐに代入して出力する。これにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を９：１に設定して、基本ステップの歩進数「０」と「１」との間を１０分割した位置にモータ回転子を位置決めすることができる。

以下同様に、回数分割ステップの歩進数に応じて第１励磁組を励磁する回数を漸増又は漸減するとともに、第２励磁組を励磁する回数を漸減又は漸増することにより励磁相０Ｐ〜１９Ｐを定め、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を決定して出力する。

励磁波形出力手段１２ｅは、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶されている励磁回数割合に応じた励磁の指令を取得して、２つの励磁組合せを構成する単位励磁相に対する励磁を、単位励磁切替指令が出力される毎に切り替える。そして、各励磁コイルの端子に接続されている駆動素子ＴＲ１〜ＴＲ１０に対して出力するハイサイド指令及びローサイド指令を生成して、順次出力してゆく。

駆動素子ＴＲ１〜ＴＲ１０は、励磁波形出力手段１２ｅから取得したハイサイド指令及びローサイド指令に応じて５相ステッピングモータ１の各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁する。

単位励磁周期出力手段１２ｈは、所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に、励磁組を構成する単位励磁相に対する励磁を切り替えるための単位励磁切替指令を出力する。また、組合せ励磁周期出力手段１２ｃは、単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、励磁回数割合に応じた２つの励磁組合せによる励磁（例えば励磁相０Ｐ〜１９Ｐ。）を切り替えるための組合せ励磁切替指令を出力する。例えば組合せ励磁周期ＴＣとして５０μｓ、単位励磁周期Ｔとして２．５μｓの値を用いることができる。

励磁回数割合決定手段１２ｄが出力する励磁相０Ｐ〜１９Ｐを、組合せ励磁周期ＴＣ毎に繰り返して出力することにより、基本ステップ角αをｍ分割したマイクロステップを実現することが可能となる。

例えば、図５の励磁回数割合決定手段１２ｄに示すように、回数分割ステップの歩進数が０の場合には、第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）のみが組合せ励磁周期ＴＣ毎に繰り返し励磁され、モータ回転子は基本ステップ＝０＊Ｎの位置に位置決めされる。この状態において回動指令パルスが１パルス入力されると、回数分割ステップカウンタの値が１増加して、回数分割ステップの歩進数が１となる。すると、組合せ励磁周期ＴＣ内において第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）が１回励磁され、第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）が９回励磁される。この割合での励磁が組合せ励磁周期ＴＣ毎に繰り返されることにより、モータ回転子は（基本ステップ＝０＊Ｎ）＋（回数分割ステップ＝１）の位置に位置決めされる。

このようにして、回数分割ステップの歩進数に応じて第１励磁組を励磁する回数を漸減するとともに、第２励磁組を励磁する回数を漸増することにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を１０：０〜１：９まで変更して、回数分割ステップの歩進数に応じた位置決めを行うことができる。

なお、図５の励磁回数割合決定手段１２ｄに示した実施形態では、励磁回数割合の遷移を判り易く説明する都合上、励磁組Ｆ１（ＡＤ）及び励磁組Ｆ２（ＢＣ）並びに励磁組Ｆ３（ＢＥ）及び励磁組Ｆ４（ＣＤ）を時間をずらして時系列的に交互に励磁して、４相励磁を実現する実施形態を示したが、図６に示すようにそれぞれの励磁組を纏めて連続して励磁することもできる。この図６に示すように、それぞれの励磁組を纏めて励磁することによって、励磁の切替回数を減少させて、励磁の切替時に発生する熱損失やノイズの発生等を減少させることができる。

上記に示した実施形態では、１つの基本ステップの歩進数に対して、励磁回数割合を変更する回数分割により１０分割したマイクロステップを実現する実施形態を示したが、本発明は１０分割に限定するものではなく、２０分割、４０分割、その他の分割数を用いることもできる。また、回数分割に加えて、第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）を励磁する時間を漸減するとともに、第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）を励磁する時間を漸増することにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁時間割合を変更する、時間分割によるマイクロステップを用いることもできる。

次に、５相ステッピングモータ１のモータ回転子が回転している状態における、励磁切替タイミングについて図７〜図１０を用いて説明する。ここで、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎に励磁を切り替える励磁切替方法を励磁周期同期更新と呼ぶ。これに加えて、以下に説明するように、基本ステップカウンタの更新に伴って組合せ励磁周期ＴＣの途中から励磁を更新する励磁切替方法を基本ステップ同期更新１と称することにする。なお、図７〜図１０に示す実施例は、図５に示したように、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０とした場合を示している。

また、図７〜図１０には、回動指令パルスＣＷＰが入力された場合の回数分割ステップカウンタの値（２桁の数値で表記してある。）の変化と、当該回数分割ステップカウンタの上位の桁に該当する基本ステップカウンタの値（２桁の数値で表記してある。）の変化と、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令と、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶されたステップ位置（４桁の数値で表記してある。）とを、横軸を時間に取って表してある。なお、励磁回数割合記憶手段１２ｉが記憶するのは、第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合であるが、ここでは説明の都合上、回数分割ステップカウンタの値と、基本ステップカウンタの値とを表記している。

これらの各図のうち、図７は、組合せ励磁周期ＴＣよりも回動指令パルス間隔の方が長い場合におけるステップ位置の変化（励磁切替タイミング）を表している。図８は、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／２．５の場合におけるステップ位置の変化を表している。図９は、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合におけるステップ位置の変化を表している。また、図１０は、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりも短くなった場合におけるステップ位置の変化を表している。

最初に、図７を用いて、組合せ励磁周期ＴＣよりも回動指令パルス間隔の方が長い場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図７に示す状態は、モータ回転子が約１．５ｒｐｓ（９０ｒｐｍ）で回転している状態である。

図７に示すように、回動指令パルスＣＷＰが入力されると、その立ち上がりで回数分割ステップカウンタの値が更新される（例えば、Ｌ０８からＬ０９に更新される。）。このように、回動指令パルスＣＷＰが入力される毎に、回数分割ステップカウンタの値が更新されてゆき、回数分割ステップカウンタの値がＬ０９からＬ００に切り替わる際には、基本ステップカウンタの値が更新される（例えば、Ｈ００からＨ０１に更新される。）。

なお、本発明の実施例１において使用する組合せ励磁切替指令は、回動指令パルスとは無関係なタイミングで生成される。この組合せ励磁切替指令は、組合せ励磁周期出力手段１２ｃにより組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成される。

励磁周期同期更新による励磁切替方法においては、この組合せ励磁切替指令に基づいてのみ、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶する第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合（ステップ位置に相当する。）とを更新する。これに対し、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法では、前記組合せ励磁切替指令に加えて、基本ステップカウンタの更新に伴って、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶する第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合とを更新するようにしている。

図７に示すように、励磁周期同期更新による励磁切替方法では、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成される組合せ励磁周期ＴＣ毎に、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶するステップ位置の更新を行っているため、回数分割ステップの駆動を３×ＴＣの励磁更新周期で行う場合と、２×ＴＣの励磁更新周期で行う場合とが生ずる。

基本ステップ同期更新１の励磁切替方法を併用した場合であっても、回数分割ステップの駆動を行う際には、励磁周期同期更新による励磁切替方法と同様に、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成される組合せ励磁周期ＴＣ毎に行う。ところが、基本ステップカウンタが更新されると、そのタイミングでも励磁回数割合記憶手段１２ｉが第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合とを更新する。

したがって、基本ステップカウンタが更新される付近では、図７に示すように、励磁更新周期はＴＲ１及びＴＲ２となる。これらの励磁更新周期は、いずれも３×ＴＣ＞ＴＲ１、ＴＲ２＞２×ＴＣの範囲にあるので、回数分割ステップの駆動はいくぶん安定することとなり、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じない。

次に、図８を用いて、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／２．５の場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図８に示す状態は、モータ回転子が約１０ｒｐｓ（６００ｒｐｍ）で回転している状態である。なお、図７にて説明した事項と同一の事項については、その説明を省略するものとする。

図８に示す実施形態では、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりも短いために、１乃至２のマイクロステップ位置が間引かれることになる。励磁周期同期更新による励磁切替方法においては、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎にステップ位置を更新しているので、ステップ位置は比較的安定したものとなる。基本ステップ同期更新１の励磁切替方法では、この組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令に加えて、更に基本ステップカウンタの更新に合わせてステップ位置を更新するようにしている。

基本ステップ同期更新１の励磁切替方法を用いた場合には、基本ステップカウンタが更新された際においても、励磁回数割合記憶手段１２ｉが第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合とを更新する。したがって、基本ステップカウンタが更新される付近（例えばＨ００からＨ０１に切り替わる位置。）では、ＴＲ１１の励磁更新周期でステップ位置０００９に相当する励磁を行い、次にＴＲ１２の励磁更新周期で０１００のステップ位置に相当する励磁を行うこととなる。

また、他の基本ステップカウンタが更新される付近（例えばＨ０１からＨ０２に切り替わる位置。）では、ＴＲ１３（＜ＴＣ）の励磁更新周期でステップ位置０１０９に相当する励磁を行い、次にＴＲ１４（＜ＴＣ）の励磁更新周期で０２００のステップ位置に相当する励磁を行うこととなる。こうすることで、組合せ励磁周期ＴＣを更に細かく分割して励磁することになるので、回数分割ステップの間引き駆動がいくぶん安定することとなる。このように、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じない。

図８に示す実施例では、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶するステップ位置として、回数分割ステップを含めており、間引きを加えたマイクロステップ駆動を行っている状態を示している。実験結果によれば、加速時においては５ｒｐｓ（３００ｒｐｍ）でマイクロステップ駆動の励磁からフルステップ駆動の励磁に切り替え、減速時においては４．６ｒｐｓ（２７６ｒｐｍ）でフルステップ駆動の励磁からマイクロステップ駆動の励磁に切り替えるように構成しても、実用上問題となる振動は発生しなかった。したがって、図８に示す回転数において、既にフルステップ駆動を行うことができる。

次に、図９を用いて、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図９に示す状態は、モータ回転子が約３０ｒｐｓ（１８００ｒｐｍ）で回転している状態である。なお、図７にて説明した事項と同一の事項については、その説明を省略するものとする。

図９に示す実施形態では、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりもかなり短いために、５乃至６のマイクロステップ位置が間引かれることになる。励磁周期同期更新の励磁切替方法のみを用いた場合において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えた場合には、ステップ位置０１００の励磁更新周期が２×ＴＣとなり、ステップ位置０２００の励磁更新周期がＴＣとなって等速回転性が若干悪化し、モータ回転子に振動が発生することになる。

他方、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法を用いてマイクロステップ駆動を行う場合には、基本ステップカウンタが更新される付近において励磁の更新頻度が増して、回数分割ステップの補完が行われる。これにより、駆動がいくぶん安定することとなる。したがって、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じないことになる。

更に、この図９に示す回動指令パルス間隔において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えた場合には、ステップ位置０１００の励磁更新周期、ステップ位置０２００の励磁更新周期、ステップ０３００の励磁更新周期等が共にＴＲとなるので、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法を用いることにより、フルステップ駆動時における等速回転性が維持されることになる。

次に、図１０を用いて、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図１０に示す状態は、モータ回転子が約６０ｒｐｓ（３６００ｒｐｍ）で回転している状態である。なお、図７にて説明した事項と同一の事項については、その説明を省略するものとする。

図１０に示す実施形態では、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短いために、基本角ステップを含めた多くのマイクロステップ位置が間引かれる。なお、この図１０に示す回動指令パルス間隔においては、もはやマイクロステップ駆動を行う意味は無いので、フルステップ駆動に切り替えて駆動することが好ましい。

励磁周期同期更新による励磁切替方法を用いてフルステップ駆動を行った場合には、各励磁更新周期ＴＣにおけるステップ位置が、０１００、０２００、０４００、０６００…となるために等間隔にならず、モータ回転子の等速回転性が若干悪化し、モータ回転子に振動が発生することになる。

他方、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法によるマイクロステップ駆動を用いた場合には、基本ステップカウンタが更新される付近において励磁の更新頻度が増して、回数分割ステップの補完が行われる。これにより、駆動がいくぶん安定することとなり、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じない。

また、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法を用いてフルステップ駆動を行う場合には、各励磁更新周期ＴＲにおけるステップ位置は基本ステップの歩進数となるので、フルステップ駆動時における等速回転性が確保されることになる。

したがって、励磁周期同期更新による励磁切替方法に加えて、基本ステップ同期更新１による励磁切替方法を用いることにより、モータ回転子の回転数が高い場合における振動を低減することができる。更に、マイクロステップ駆動を行う速度域で２相励磁を合成した４相励磁を用い、ステッピングモータの全てのコイル端子を正極又は負極の何れかに接続しておくことで、停止時の停止精度を向上させるとともに、超低回転域から低回転域における回転の滑らかさを確保することができる。また、モータ回転子の振動を増加させることなく、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替える回転数を、広い回転域から選択することができる。

次に、基本ステップ同期更新１による励磁切替方法を実現する際において、上記の組合せ励磁周期ＴＣの途中で励磁を切り替える方法について、図１１及び図１２を用いて説明する。

図１１及び図１２は、マイクロステップ駆動を実現するために、回数分割ステップ毎の励磁回数割合と、単位励磁周期Ｔ及び組合せ励磁周期ＴＣとの関係を表した図である。このうち、図１１は、組合せ励磁周期ＴＣにおいて、所定の励磁回数割合に応じた励磁が完結している状態を表した図である。図１１に示す励磁割合は、先の図６に示した励磁回数割合決定手段１２ｄが、それぞれの回数分割ステップの歩進数に応じて決定する励磁割合を表している。

他方、図１２は、組合せ励磁周期ＴＣ内において基本ステップカウンタの値がＨ００からＨ０１に切り替わったことにより、組合せ励磁周期ＴＣの途中からＨ０１に相当する電気角位置（ステップ１＊Ｎ）の励磁組合せに切り替えている状態を表した図である。

図１２に示すように、時刻ｔｃ１においては、基本ステップカウンタの値がＨ００であり、回数分割ステップカウンタの値がＬ０８であるので、その時刻ｔｃ１における電気角位置＝ステップ０＊Ｎ＋（Ｎ／１０）＊８に対応した励磁割合を、励磁回数割合記憶手段１２ｉが励磁回数割合決定手段１２ｄから取得して記憶する。そして、この励磁割合で励磁の出力を行う。

時刻ｔｃ１の後に、回動指令パルスＣＷＰを入力して回数分割ステップカウンタの値がＬ０８からＬ０９に遷移し、更に、時刻ｔｃ２において回動指令パルスＣＷＰを入力すると、回数分割ステップカウンタの値がＬ０９からＬ００に遷移し、基本ステップカウンタの値がＨ００からＨ０１に遷移する。すると、励磁回数割合記憶手段１２ｉは、時刻ｔｃ２における電気角位置（ステップ１＊Ｎ）に対応した励磁割合を、新たに励磁回数割合決定手段１２ｄから取得して記憶する。そして、図１２に示すように、時刻ｔｃ２から時刻ｔｃ３まで、新たに記憶した励磁の出力を行う。

こうすることによって、励磁周期同期更新による励磁切替方法に加えて、基本ステップ同期更新１による励磁切替方法を実現することができる。

次に、５相ステッピングモータ１のモータ回転子が回転している状態における、励磁切替タイミングの実施例２について説明する。上述の実施例１では、励磁周期同期更新による励磁切替方法に加えて、基本ステップカウンタの更新に伴って組合せ励磁周期ＴＣの途中から励磁を更新する基本ステップ同期更新１による励磁切替方法を用いていた。これに対して、当該実施例２では、基本ステップカウンタの値が更新される毎に、組合せ励磁周期出力手段１２ｃが組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始するように構成してある。したがって励磁回数割合記憶手段１２ｉは、組合せ励磁周期出力手段１２ｃが出力する組合せ励磁切替指令に基づいて励磁を切り替えることで、基本ステップに同期して励磁を更新することができる。

また、これに加えて、基本ステップカウンタの値が更新される毎に、単位励磁周期出力手段１２ｈが単位励磁切替指令を出力するとともに、新たに単位励磁周期Ｔの計数を開始するように構成することもできる。

この実施例２を用いた場合の励磁切替タイミングについて、図１３〜図１６を用いて説明する。前述のように、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎に励磁を切り替える励磁切替方法を励磁周期同期更新と呼んでいる。そして、以下に説明するように、本発明の実施例２に係る励磁切替タイミングを、基本ステップ同期更新２と称することにする。図１３〜図１６に示す実施例は、図５に示した実施例と同様に、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０とした場合を示している。なお、図７〜図１０に示した事項と同一の事項については同一の名称を付して、その説明を省略する。

図１３〜図１６には、回動指令パルスＣＷＰが入力された場合の回数分割ステップカウンタの値（２桁の数値で表記してある。）の変化と、当該回数分割ステップカウンタの上位の桁に該当する基本ステップカウンタの値（２桁の数値で表記してある。）の変化と、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令と、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶されたステップ位置（４桁の数値で表記してある。）とを、横軸を時間に取って表してある。なお、励磁回数割合記憶手段１２ｉが記憶するのは、第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合であるが、ここでは説明の都合上、回数分割ステップカウンタの値と、基本ステップカウンタの値とを表記している。

これらの各図のうち、図１３は、組合せ励磁周期ＴＣよりも回動指令パルス間隔の方が長い場合におけるステップ位置の変化（励磁切替タイミング）を表している。図１４は、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／２．５の場合におけるステップ位置の変化を表している。図１５は、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合におけるステップ位置の変化を表している。また、図１６は、基本ステップカウンタの更新間隔が、組合せ励磁周期ＴＣよりも短くなった場合におけるステップ位置の変化を表している。

最初に、図１３を用いて、組合せ励磁周期ＴＣよりも回動指令パルス間隔の方が長い場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図１３に示す状態は、モータ回転子が約１．５ｒｐｓ（９０ｒｐｍ）で回転している状態である。

図１３に示すように、回動指令パルスＣＷＰが入力されると、その立ち上がりで回数分割ステップカウンタの値が更新される（例えば、Ｌ０８からＬ０９に更新される。）。このように、回動指令パルスＣＷＰが入力される毎に、回数分割ステップカウンタの値が更新され、回数分割ステップカウンタの値がＬ０９からＬ００に切り替わる際に、基本ステップカウンタの値が更新される（例えば、Ｈ００からＨ０１に更新される。）。

なお、励磁周期同期更新による励磁切替方法では、組合せ励磁切替指令を、回動指令パルスとは無関係に組合せ励磁周期出力手段１２ｃにより組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成しているが、本発明の実施例２にて説明する組合せ励磁切替指令は、この組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成する条件に加えて、基本ステップカウンタの値が更新される毎に出力するように構成してある。更に、基本ステップカウンタの値が更新される毎に、新たに組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始するように構成してある。

したがって、本発明の実施例２に係る基本ステップ同期更新２の励磁切替方法では、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令に加えて、基本ステップカウンタの更新に同期して組合せ励磁切替指令を出力して、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶する第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合とを更新する。

図１３に示すように、励磁周期同期更新による励磁切替方法では、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成される組合せ励磁周期ＴＣ毎に、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶するステップ位置の更新を行っているため、回数分割ステップの駆動を３×ＴＣの励磁更新周期で行う場合と、２×ＴＣの励磁更新周期で行う場合とが生ずることになる。

これに対し、基本ステップ同期更新２の励磁切替方法を用いた場合には、基本ステップカウンタの値が更新されない状態では、励磁周期同期更新による励磁切替方法と同様に、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成される組合せ励磁周期ＴＣ毎に行う。しかし、基本ステップカウンタが更新されると、そのタイミングでも組合せ励磁切替指令を出力するとともに、組合せ励磁周期ＴＣの計数をリセットして新たな計数を開始する。その後、組合せ励磁周期ＴＣが経過する毎に組合せ励磁切替指令を出力し、組合せ励磁周期ＴＣの計数をリセットして新たな計数を開始する処理を繰り返し行う。

励磁回数割合記憶手段１２ｉは、組合せ励磁切替指令に基づいて、第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合とを更新する。したがって、基本ステップカウンタが更新される付近（例えばｔｃ１０の位置付近）における励磁更新周期は、通常の組合せ励磁周期ＴＣよりも短いＴＣ１０となる。図１３に示す実施形態の場合には、３×ＴＣの励磁更新周期が短縮されて、２×ＴＣ＋ＴＣ１０となり、２×ＴＣの組合せ励磁周期に近づくことになる。したがって、回数分割ステップの駆動はいくぶん安定することとなり、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じないことになる。

次に、図１４を用いて、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／２．５の場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図１４に示す状態は、モータ回転子が約１０ｒｐｓ（６００ｒｐｍ）で回転している状態である。なお、図１３にて説明した事項と同一の事項については、その説明を省略するものとする。

図１４に示す実施形態では、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりも短いために、１乃至２のマイクロステップ位置が間引かれることになる。励磁周期同期更新による励磁切替方法においては、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎にステップ位置を更新しているので、ステップ位置は比較的安定したものとなる。基本ステップ同期更新２の励磁切替方法では、基本ステップカウンタが更新された場合にも組合せ励磁切替指令が出力されるので、基本ステップカウンタの更新に合わせて、ステップ位置を更新することができる。

このように、基本ステップ同期更新２の励磁切替方法を用いた場合には、基本ステップカウンタが更新された際においても、組合せ励磁切替指令が出力されて、励磁回数割合記憶手段１２ｉが第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合とを更新する。したがって、基本ステップカウンタが更新される付近（例えばＨ００からＨ０１に切り替わる位置。）では、組合せ励磁周期ＴＣよりも短いＴＣ２０の励磁更新周期でステップ位置０００９に相当する励磁を行い、次にＴＣの励磁更新周期で０１００のステップ位置に相当する励磁を行うこととなる。

また、他の基本ステップカウンタが更新される付近（例えばＨ０１からＨ０２に切り替わる位置。）では、ＴＣ２１（＜ＴＣ）の励磁更新周期でステップ位置０１０９に相当する励磁を行い、次にＴＣの励磁更新周期で０２００のステップ位置に相当する励磁を行うこととなる。こうすることで、間引いた歩進数が少ない励磁更新周期ＴＣ２１を短くするので、回数分割ステップの間引き駆動がいくぶん安定することとなる。また、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じないことになる。なお、図８を用いて説明した場合と同様に、この図１４に示す回転数においてフルステップ駆動を行うこともできる。

次に、図１５を用いて、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図１５に示す状態は、モータ回転子が約３０ｒｐｓ（１８００ｒｐｍ）で回転している状態である。なお、図１３にて説明した事項と同一の事項については、その説明を省略するものとする。

図１５に示す実施形態では、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりもかなり短いために、５乃至６のマイクロステップ位置が間引かれることになる。励磁周期同期更新の励磁切替方法のみを用いた場合において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えた場合には、ステップ位置０１００の励磁更新周期が２×ＴＣとなり、ステップ位置０２００の励磁更新周期がＴＣとなって等速回転性が若干悪化し、モータ回転子に振動が発生することになる。

他方、基本ステップ同期更新２の励磁切替方法を用いてマイクロステップ駆動を行う場合には、基本ステップカウンタが更新される付近において励磁の更新頻度が増して、回数分割ステップの補完が行われる。これにより、駆動がいくぶん安定することとなる。したがって、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じないことになる。

更に、この図１５に示す回動指令パルス間隔において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えた場合には、ステップ位置０１００の励磁更新周期、ステップ位置０２００の励磁更新周期、ステップ０３００の励磁更新周期等が共にＴＲとなるので、基本ステップ同期更新２の励磁切替方法を用いることにより、フルステップ駆動時における等速回転性が維持されることになる。

次に、図１６を用いて、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図１６に示す状態は、モータ回転子が約６０ｒｐｓ（３６００ｒｐｍ）で回転している状態である。なお、図１３にて説明した事項と同一の事項については、その説明を省略するものとする。

図１６に示す実施形態では、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短いために、基本角ステップを含めた多くのマイクロステップ位置が間引かれる。なお、この図１６に示す回動指令パルス間隔においては、もはやマイクロステップ駆動を行う意味は無いので、フルステップ駆動に切り替えて駆動することが好ましい。

励磁周期同期更新による励磁切替方法を用いてフルステップ駆動を行った場合には、各励磁更新周期ＴＣにおけるステップ位置が、０１００、０２００、０４００、０６００…となるため等間隔にならず、モータ回転子の等速回転性が若干悪化し、モータ回転子に振動が発生することになる。

他方、基本ステップ同期更新２の励磁切替方法によるフルステップ駆動を用いた場合には、基本ステップカウンタが更新される毎に毎回励磁を切り替えるので、各励磁更新周期ＴＲにおけるステップ位置は、基本ステップの歩進数となって、フルステップ駆動時における等速回転性が確保されることになる。

したがって、基本ステップカウンタの値が更新される毎に組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始することとなる基本ステップ同期更新２の励磁切替方法を用いることにより、モータ回転子の回転数が高い場合における振動を低減することができる。更に、マイクロステップ駆動を行う速度域で２相励磁を合成した４相励磁を用い、ステッピングモータの全てのコイル端子を正極又は負極の何れかに接続しておくことで、停止時の停止精度を向上させるとともに、超低回転域から低回転域における回転の滑らかさを確保することができる。また、モータ回転子の振動を増加させることなく、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替える回転数を、より広い回転域から選択することができる。

次に、本発明に係るステッピングモータ駆動装置の特徴について図１７を用いて説明する。図１７（ａ）は、特許文献１又は３を用いた場合に振動低減効果が得られる回転数の範囲を模式的に表した図である。図１７（ｂ）は、本発明に係るステッピングモータ駆動装置を用いた場合に振動低減効果が得られる回転数の範囲を模式的に表した図である。

図１７（ａ）に示すように、背景技術として挙げた特許文献１又は３を用いた場合の振動低減効果は、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動との境界部分において発生する振動のみを低減することを目的とするものである。そして、フルステップ駆動に切り替えなければならない回転数は比較的低い回転数となる。

したがって、フルステップ駆動により低回転駆動を行う状況下では、常に２つ以上の励磁コイルの端子がハイインピーダンス状態となることに起因して、モータ回転子の定回転性が損なわれ、振動が発生する。

モータ回転子に振動が発生している状態において、このモータ回転子の振動数とキャリッジの固有振動数とが一致した場合又は近接した場合には、モータ回転子の振動とキャリッジの振動とが共振し、一般に２０〜３０倍の振幅となって現れる。このようにキャリッジの振動が大きくなってしまうと、液体の搬送や軽量物の精密な搬送などを行うことができないといった不具合を生ずる。

これに対し、本発明に係るステッピングモータ駆動装置では、モータ回転子の回転数の上昇に伴ってステップの間引きを拡大しながら２相励磁の合成による４相励磁を行うので、比較的高い回転数までマイクロステップ駆動を継続することができる。

したがって、モータ回転子の回転数が上昇しても２相励磁による等速回転性が確保されるので、比較的高い回転数まで回転が安定するマイクロステップ駆動を継続することができる。

したがって、本発明に係るステッピングモータ駆動装置を用いてキャリッジ等の駆動制御を行うことにより、励磁コイルの端子にハイインピーダンス状態をつくらない２相励磁の合成による４相励磁を用いたマイクロステップ駆動を行う回転域を拡大することができる。すなわち、電気角の分解能が１／１００以下となるような微小角における停止精度（スタティック特性）を確保し、超低回転域から高回転域に至るまでの回転の滑らかさ（ダイナミック特性）を確保することができる。

本発明に係るステッピングモータ駆動装置及びマイクロステップ方法は、精密な位置決め又は低振動の低回転域駆動に加え、静粛性が要求される用途に好適である。例えば、光計測装置、光電子デバイス作製装置、有機ＥＬ作製装置、デバイスプロセス装置、若しくは有機半導体素子作製装置等に適用することができる。

なお、前記光計測装置の用途として、並列光演算技術、レーザ安定化技術、超高回転域分光技術、超高回転域光制御技術、若しくは光パルスタイミング同期技術等の光制御の技術分野や、単一光子検出技術、超高回転域光計測技術、ホログラム計測技術、各種表面分光技術、電界発光計測技術、移動度計測技術、又は干渉計測技術等の技術分野を挙げることができる。

また、上記の実施例では、本発明のマイクロステップ方法を回転型のステッピングモータの駆動に用いた実施例を示したが、直動型のステッピングモータに応用することも可能である。

５相ステッピングモータの各励磁コイルに対し、基本ステップ角が更新される毎に励磁を切り替えることが可能な、ステッピングモータ駆動装置の内部構成を示すブロック図である。 （ａ）は、ペンタゴン結線方式を採用した５相ステッピングモータの励磁コイル１ａ〜１ｅと、励磁相ＡＢＣＤＥａｂｃｄｅの励磁電流の方向とを定義する図である。（ｂ）は、５相ステッピングモータの励磁相ＡＢＣＤＥａｂｃｄｅと、トルクベクトルＶＡ〜Ｖｅとの関係を定義する図である。 モータ回転子を所定の基本ステップ位置に位置決めする励磁相の組み合わせ例を示す図である。 モータ回転子を所定の基本ステップ位置に位置決めする励磁相の組み合わせの他の実施例を示す図である。 図１に示した励磁波形決定手段における各機能を説明する図である。 励磁回数割合決定手段において、各励磁相の励磁組を纏めて出力する他の励磁形態を示す図である。 組合せ励磁周期ＴＣよりも回動指令パルス間隔の方が長い場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。 回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／２．５の場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。 回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。 基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。 図６に示した励磁回数割合決定手段が決定する、回数分割ステップの歩進数に応じた励磁回数割合の遷移を表した図であり、組合せ励磁周期ＴＣにおいて、所定の励磁回数割合に応じた励磁が完結している状態を表した図である。 基本ステップカウンタの値が更新されたことに伴って、組合せ励磁周期ＴＣ内において励磁組合せを切り替えた状態を表す図である。 組合せ励磁周期ＴＣよりも回動指令パルス間隔の方が長い場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。 回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／２．５の場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。 回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。 基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。 （ａ）は、特許文献１又は３を用いた場合に振動低減効果が得られる回転数の範囲を模式的に表した図であり、（ｂ）は、本発明に係るステッピングモータ駆動装置を用いた場合に振動低減効果が得られる回転数の範囲を模式的に表した図である。 特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式を実現するための駆動回路について説明する図である。 特許文献１の図３に示されているフルステップ駆動時の駆動パターンを説明する図である。 特許文献１の図２に示されているマイクロステップ駆動時の駆動パターンを説明する図である。 特許文献１の図８に示されているマイクロステップ駆動時において端子Ａに印加する電圧（デューティ）について説明する図である。 特許文献１の図６に示されているマイクロステップ駆動時におけるＰＷＭパターンを説明する図である。 特許文献１の図５に示されているマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に移行する際のＰＷＭパターンの遷移を説明する図である。 特許文献１の図７に示されているマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に移行する際に、Ｍ１及びＭ２を用いたＰＷＭパターンの遷移を説明する図である。 従来のマイクロステップ駆動時において、回動指令パルスに同期して電気角を更新する場合の、回動指令パルスとＰＷＭ波形との関係を表した図である。

符号の説明

１ ５相ステッピングモータ
１ａ〜１ｅ 励磁コイル
１０ ステッピングモータ駆動装置
１２ 励磁波形決定手段
１２ａ 電気角位置管理手段
１２ｂ 励磁相組合せ出力手段
１２ｃ 組合せ励磁周期出力手段
１２ｄ 励磁回数割合決定手段（励磁割合決定手段）
１２ｅ 励磁波形出力手段
１２ｈ 単一励磁周期出力手段
１２ｉ 励磁回数割合記憶手段（励磁割合記憶手段）
１２ｖ 指令回転数検出手段
１４ 定電流コントロール回路
１５ 電流検出抵抗
１６ モータ電流制御手段
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ１１ ダイオード
Ｌ１ チョークコイル
ＰＳ 電源
ＴＲ１〜ＴＲ１０ 駆動素子
ＴＲ１１ トランジスタ
ＶＡ〜ＶＥ、Ｖａ〜Ｖｅ トルクベクトル

Claims (4)

1. Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αを微細ステップにｍ分割するマイクロステップを実現するステッピングモータ駆動装置にあって、
   Ｎ相ステッピングモータの回動指令パルスが入力されると、前記微細ステップの歩進数を計数して出力するｍ分割カウンタと、前記ｍ分割カウンタの上位の桁に位置し基本ステップの歩進数を計数して出力する基本ステップカウンタとを有する電気角位置管理手段と、
   Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を、前記基本ステップの歩進数に対応した１の基本ステップ位置に位置決めするために、Ｎ相の励磁コイルのうちの所定の２相の組合せを励磁する１の励磁組と、他の基本ステップ位置に位置決めするための別の２相の組合せを励磁する他の励磁組との励磁組合せを出力する励磁相組合せ出力手段と、
   前記ｍ分割カウンタの値及び前記基本ステップカウンタの値とに応じて、前記２つの励磁組合せの励磁回数又は励磁時間をそれぞれ漸増及び漸減することにより、前記２つの励磁組合せの励磁割合を決定する励磁割合決定手段と、
   所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に、前記励磁組を構成する単位励磁相に対する励磁を切り替えるための単位励磁切替指令を出力する単位励磁周期出力手段と、
   前記単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、前記励磁割合に応じた前記２つの励磁組合せによる励磁を切り替えるための組合せ励磁切替指令を出力する、組合せ励磁周期出力手段と、
   前記組合せ励磁切替指令が出力される毎に、又は前記組合せ励磁切替指令が出力される毎に加えて前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に、新たな前記励磁割合を記憶する励磁割合記憶手段と、
   前記励磁割合記憶手段に記憶されている前記励磁割合を用い、前記２つの励磁組合せを構成する前記単位励磁相に対する励磁を、前記単位励磁切替指令が出力される毎に切り替えて、駆動素子を介して順次出力してゆく励磁波形出力手段と、
   を備え、
   前記励磁組を構成する前記２相の励磁が、前記励磁コイルにおける全ての端子がモータ駆動電源の正極又は負極の何れかに接続している励磁であることを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
2. Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αを微細ステップにｍ分割するマイクロステップを実現するステッピングモータ駆動装置にあって、
   Ｎ相ステッピングモータの回動指令パルスが入力されると、前記微細ステップの歩進数を計数して出力するｍ分割カウンタと、前記ｍ分割カウンタの上位の桁に位置し基本ステップの歩進数を計数して出力する基本ステップカウンタとを有する電気角位置管理手段と、
   Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を、前記基本ステップの歩進数に対応した１の基本ステップ位置に位置決めするために、Ｎ相の励磁コイルのうちの所定の２相の組合せを励磁する１の励磁組と、他の基本ステップ位置に位置決めするための別の２相の組合せを励磁する他の励磁組との励磁組合せを出力する励磁相組合せ出力手段と、
   前記ｍ分割カウンタの値及び前記基本ステップカウンタの値とに応じて、前記２つの励磁組合せの励磁回数又は励磁時間をそれぞれ漸増及び漸減することにより、前記２つの励磁組合せの励磁割合を決定する励磁割合決定手段と、
   所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に、前記励磁組を構成する単位励磁相に対する励磁を切り替えるための単位励磁切替指令を出力する単位励磁周期出力手段と、
   前記単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、前記励磁割合に応じた前記２つの励磁組合せによる励磁を切り替えるための組合せ励磁切替指令を出力し、更に前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に前記組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに前記組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始する、組合せ励磁周期出力手段と、
   前記組合せ励磁切替指令が出力される毎に、新たな前記励磁割合を記憶する励磁割合記憶手段と、
   前記励磁割合記憶手段に記憶されている前記励磁割合を用い、前記２つの励磁組合せを構成する前記単位励磁相に対する励磁を、前記単位励磁切替指令が出力される毎に切り替えて、駆動素子を介して順次出力してゆく励磁波形出力手段と、
   を備え、
   前記励磁組を構成する前記２相の励磁が、前記励磁コイルにおける全ての端子がモータ駆動電源の正極又は負極の何れかに接続している励磁であることを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
3. 前記単位励磁周期出力手段は、前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に前記単位励磁切替指令を出力するとともに、新たに前記単位励磁周期Ｔの計数を開始することを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータ駆動装置。
4. 前記請求項１〜３のいずれかに記載のステッピングモータ駆動装置を用いたＮ相ステッピングモータの駆動方法。

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