JP5354897B2 - ステッピングモータ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、パルス幅変調によりステッピングモータの回転制御を行うステッピングモータ制御装置に関する。

ステッピングモータの回転駆動制御において、励磁相を切り換えるための歩進パルスによって回転速度を設定し、ＰＷＭ制御によってモータのトルクを設定する手法が広く用いられている。

近年、ステッピングモータの高速化の要請から、従来に比較して歩進パルス周期が短くなる傾向があり、歩進パルス周期とＰＷＭ周期とが近接するようになってきている。歩進パルス周期とＰＷＭ周期とが近接するようになると、ＰＷＭ制御動作が不安定になり易いという問題がある。例えば、ＰＷＭがオフのタイミングで次の歩進パルスが入力されると、コイル電流供給用のトランジスタのオン／オフ制御が適正に行われず、ステッピングモータのトルクの制御が適正に行えないことがあった。

このような問題に対処するための従来技術の中には、歩進パルス周期とＰＷＭ周期とを同期させることによって、ステッピングモータの回転ムラを防止する技術が存在する（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−４５７９７号公報

上述の特許文献１に係る技術では、歩進パルス周期とＰＷＭ周期とを同期させようとする結果、歩進パルス周期の調整の自由度が低下する。歩進パルス周期の調整の自由度の低下は、ステッピングモータの回転制御の自由度の低下を招くため好ましくない。実用的には、歩進パルス周期は、ＰＷＭ周期よりも短くならない範囲で所望の値に設定できることが好ましいと言える。

この発明の目的は、歩進パルス周期の調整の自由度を担保しつつ、ステッピングモータのトルクの制御を適正に行うことが可能なステッピングモータ制御装置を提供することである。

この発明に係るステッピングモータ制御装置は、励磁相を切り替えるための歩進パルスによって回転速度を設定し、パルス幅変調によりトルクを設定することにより、パルス幅変調によりステッピングモータの回転制御を行う。このステッピングモータ制御装置は、信号出力用フリップフロップ、周期カウンタ、セット手段、リセット手段、検出手段、および初期化手段を備える。

信号出力用フリップフロップは、セット状態およびリセット状態に選択的に切り換わることによりデューティ値に対応するオンオフ信号からなるパルス幅信号を出力するように構成される。フリップフロップの例として、ＪＫフリップフロップが挙げられる。

周期カウンタは、クロックパルスに基づいてパルス幅変調周期をカウントするように構成される。セット手段は、周期カウンタがパルス幅変調周期をカウントアップするたびに信号出力用フリップフロップをセット状態にするように構成される。リセット手段は、ステッピングモータに対する電流値が設定値を超えたときに信号出力用フリップフロップをリセット状態にするように構成される。検出手段は、歩進パルスの入力を検出する。

初期化手段は、検出手段が歩進パルスの入力を検出したときに、周期カウンタのカウント値をリセットするとともに、信号出力用フリップフロップをセット状態にするように構成される。

この初期化手段の作用により、新しい歩進パルスが入力される毎に、ＰＷＭ周期カウンタがリセットされるとともに、ＰＷＭ制御動作が再スタートする。このため、歩進パルス周期とＰＷＭ周期とが近接する状況においても、適正なパルス幅信号を出力することが可能になる。この結果、歩進パルス周期およびＰＷＭ周期をそれぞれ独立して設定し、しかも歩進パルス周期とＰＷＭ周期とが近接する場合でも、コイル電流供給用のトランジスタのオン／オフ制御を適正に実行することが可能である。

本発明によれば、歩進パルス周期の調整の自由度を担保しつつ、ステッピングモータのトルクの制御を適正に行うことが可能である。

図１は、本発明の実施形態に係るステッピングモータ制御装置１０の概略を示すブロック図である。ステッピングモータ制御装置１０は、ステッピングモータ１４に接続されており、パルス幅変調によりステッピングモータ１４の回転制御を行う。ステッピングモータ制御装置１０は、クロックパルス（ＣＬＫ）、歩進パルス（ＣＷ、ＣＣＷ）、および電流検出回路１６の検出結果に基づいてステッピングモータ１４の回転制御を行うように構成される。

ステッピングモータ制御装置１０は、ＰＷＭ制御部１２およびコイル電流検出回路１６を備える。ＰＷＭ制御部１２は、ステッピングモータ１４に印加する電圧をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御によって制御する。ＰＷＭ制御部１２は、ＰＷＭ制御におけるデューティ値に対応するオンオフ信号からなるパルス幅信号を生成するためのパルス幅信号発生回路２０を備える。

図２を用いて、パルス幅信号発生回路２０の構成を説明する。パルス幅信号発生回路２０は、周期カウンタ２０２を備える。周期カウンタ２０２は、クロックパルス（ＣＬＫ）に基づいてパルス幅変調周期をカウントする。この実施形態では、クロックパルス（ＣＬＫ）は８ＭＨｚに設定されるとともに、パルス幅変調周期が３２μＳに設定されている。なお、クロック周波数およびＰＷＭ周波数は、この実施形態の値に限定されるものではなく、所望の値に設定することも可能である。例えば、ＰＷＭ周波数は、１０〜１００ｋＨｚ程度の範囲で任意の値を選択すれば良い。

周期カウンタ２０２は、パルス幅変調周期をカウントアップするたびにカウント値をゼロにリセットするとともにハイレベル信号を出力Ｑから出力するように構成される。一方で、周期カウンタ２０２は、パルス幅変調周期をカウントアップする前であってもＲＥＳＥＴ端子にハイレベル信号が入力されたときには、カウント値をゼロにリセットするように構成される。

周期カウンタ２０２の出力Ｑは、ＯＲゲート２０６の入力に接続される。ＯＲゲート２０６は他に２つの入力を有しており、そのうちの１つはＡＮＤゲート２３０の出力に接続され、他の１つはＡＮＤゲート２３２の出力に接続される。

ＡＮＤゲート２３０は、有効な歩進パルス（ＣＷ）が入力されたときにハイレベル信号をＯＲゲート２０６に対して出力するように構成される。具体的には、ＡＮＤゲート２３０は２つの入力を有しており、１つはフリップフロップ２２６の出力Ｑに接続されており、他の１つはフリップフロップ２２２の出力Ｑバーに接続される。フリップフロップ２２６の入力Ｄは、フリップフロップ２２２の出力Ｑに接続される。フリップフロップ２２２の入力Ｄには、バッファ２１８を介して歩進パルス（ＣＷ）が入力する。

一方、ＡＮＤゲート２３２は、有効な歩進パルス（ＣＣＷ）が入力されたときにハイレベル信号をＯＲゲート２０６に対して出力するように構成される。具体的には、ＡＮＤゲート２３２は２つの入力を有しており、１つはフリップフロップ２２８の出力Ｑに接続されており、他の１つはフリップフロップ２２４の出力Ｑバーに接続される。フリップフロップ２２８の入力Ｄは、フリップフロップ２２４の出力Ｑに接続される。フリップフロップ２２４の入力Ｄには、バッファ２２０を介して歩進パルス（ＣＣＷ）が入力する。

ＯＲゲート２０６とＡＮＤゲート２３０との間には、ＯＲゲート２０４の入力に接続された分岐点が配置される。同様に、ＯＲゲート２０６とＡＮＤゲート２３２との間にも、ＯＲゲート２０４の入力に接続された分岐点が配置される。ＯＲゲート２０４の出力は、周期カウンタ２０２のＲＥＳＥＴ端子に接続される。

ＯＲゲート２０６の出力は、フリップフロップ２０８の入力Ｊに接続される。フリップフロップ２０８は、その出力ＱがＡＮＤゲート２１０の入力に接続される。ＡＮＤゲート２１０の出力は、フリップフロップ２１２の入力Ｊに接続される。ＡＮＤゲート２１０およびフリップフロップ２１２の間には、フリップフロップ２０８の入力Ｋに接続された分岐点が配置される。

フリップフロップ２１２は、パルス幅信号を発生する役割を担う。この実施形態では、フリップフロップ２１２が本発明の信号出力用フリップフロップに対応する。フリップフロップ２１２の出力Ｑから出力される信号レベルに基づいて、ＰＷＭ制御におけるデューティ比が設定される。フリップフロップ２１２の入力Ｋは、コイル電流検出回路１６に接続される。

コイル電流検出回路１６は、ステッピングモータ１４のコイル１４２に流れる電流が設定値を超えると、フリップフロップ２１２の入力Ｋに対してハイレベル信号を出力するように構成されたコンパレータ１６２を備える。

フリップフロップ２１２の出力Ｑは、分岐点を介してフリップフロップ２１４の入力Ｄにも接続される。フリップフロップ２１４は、その出力Ｑがフリップフロップ２１６の入力Ｄに接続される。フリップフロップ２１６は、その出力ＱバーがＡＮＤゲート２１０の入力に接続される。

続いて、パルス幅信号発生回路２０の動作を説明する。パルス幅信号発生回路２０において、周期カウンタ２０２は、パルス幅変調周期をカウントアップするたびにフリップフロップ２１２をセット状態にする。具体的には、周期カウンタ２０２は、パルス幅変調周期をカウントアップするたびに、カウント値をゼロにリセットするとともにハイレベル信号を１２５ｎＳ間だけＯＲゲート２０６に入力させる。ステッピングモータ１４のコイル１４２に流れる電流が設定値以下であり、かつ、フリップフロップ２１２がリセット状態の場合には、ＯＲゲート２０６がハイレベル信号を出力することによってフリップフロップ２１２がセット状態になる。

フリップフロップ２１２がセット状態になってから２クロック後には、フリップフロップ２１６の出力ＱバーからＡＮＤゲート２１０にローレベル信号が出力され、ＡＮＤゲート２１０の出力がローレベルに切り換わる。この状態において、コイル電流検出回路１６からハイレベル信号がフリップフロップ２１２の入力Ｋが入力すると、フリップフロップ２１２がリセット状態になる。

フリップフロップ２１２がリセット状態になってから２クロック後には、フリップフロップ２１６の出力ＱバーからＡＮＤゲート２１０にハイレベル信号が出力され、ＡＮＤゲート２１０からハイレベル信号を出力することが可能になる。この状態において、フリップフロップ２０８の出力ＱからＡＮＤゲート２１０にハイレベル信号が出力されると、ＡＮＤゲート２１０の出力からフリップフロップ２１２の入力Ｊにハイレベル信号が供給される。なお、この実施形態では、フリップフロップ２１２の状態変化とフリップフロップ２１６の状態変化との間の時間差が２クロック分であるが、この時間差は２クロック分に限定されることはない。この時間差は、フリップフロップ２１２およびフリップフロップ２１６の間に配置するフリップフロップの数を増減させることによって、所望の値にすることが可能である。

さらに、有効な歩進パルス（ＣＷ）が入力されたときには、ＡＮＤゲート２３０からＯＲゲート２０４を介して周期カウンタ２０２のＲＥＳＥＴ端子にハイレベル信号が供給される。また、有効な歩進パルス（ＣＣＷ）が入力されたときには、ＡＮＤゲート２３２からＯＲゲート２０４を介して周期カウンタ２０２のＲＥＳＥＴ端子にハイレベル信号が供給される。

このため、有効な歩進パルス（ＣＷ）または有効な歩進パルス（ＣＣＷ）が入力するたびに、周期カウンタ２０２のカウント値がリセットされる。また、有効な歩進パルス（ＣＷ）または有効な歩進パルス（ＣＣＷ）が入力するたびに、ＯＲゲート２０６にハイレベル信号が供給される。この結果、新しい歩進パルス（ＣＷ、ＣＣＷ）が入力される毎に、ＰＷＭ周期カウンタがリセットされるとともに、ＰＷＭ制御動作が再スタートする。この結果、ＰＷＭ周期毎に電流の設定を素早く適正に行うことが可能になる。

続いて、図３（Ａ）を用いて、ステッピングモータ１４のコイル１４２に流れる電流が設定値を超えた直後の一定期間においてフリップフロップ２１２をリセット状態に維持する流れを説明する。

ステッピングモータ１４のコイル１４２に流れる電流が設定値を超えると、図３に示すように、コンパレータ１６４の出力がローレベルからハイレベルに変化する。このため、ＡＮＤゲート２１０からフリップフロップ２１２の入力Ｊにローレベル信号が供給されるとともに、コンパレータ１６４からフリップフロップ２１２の入力Ｋにハイレベル信号が供給され、フリップフロップ２１２がリセット状態になる。この結果、フリップフロップ２１２の出力Ｑがハイレベルからローレベルに変化する。フリップフロップ２１２に１クロック遅れてフリップフロップ２１４の出力Ｑがハイレベルからローレベルに変化する。また、フリップフロップ２１４に１クロック遅れてフリップフロップ２１６の出力Ｑがハイレベルからローレベルに変化するとともに、その出力Ｑバーがローレベルからハイレベルに変化する。フリップフロップ２１６の出力Ｑバーがハイレベルになるまでの間は、ＡＮＤゲート２１０からフリップフロップ２１２の入力Ｊにハイレベル信号が供給されることはない。このため、ステッピングモータ１４のコイル１４２に流れる電流が設定値を超えた直後の一定期間においてフリップフロップ２１２はリセット状態に維持される。

なお、上述の「一定期間」は、コイル電流供給用のトランジスタがオフになってから電流検出抵抗の電圧が低下するのに十分な長さに設定される。

さらに、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）を用いて、ステッピングモータ１４のコイル１４２に流れる電流が設定値を超えた直後の一定期間以上においてフリップフロップ２１２をセット状態にするための信号が保持される点を説明する。

図３（Ｂ）はフリップフロップ２０８を設けなかった場合におけるＡＮＤゲート２１０の出力状態を示しており、図３（Ｃ）はフリップフロップ２０８を設けた場合におけるＡＮＤゲート２１０の出力状態を示している。

上述のように、ステッピングモータ１４のコイル１４２に流れる電流が設定値を超えた後はフリップフロップ２１６の出力ＱバーがハイレベルになるまでＡＮＤゲート２１０の出力はローレベルになる。この結果、ＡＮＤゲート２１０からフリップフロップ２０８の入力Ｋにローレベル信号が供給される。このタイミングで、ＯＲゲート２０６からフリップフロップ２０８の入力Ｊにハイレベルの信号が供給されると、フリップフロップ２０８はセット状態に維持され、その出力Ｑがハイレベルに維持される。このため、図３（Ｃ）に示すように、フリップフロップ２１６の出力Ｑバーがハイレベルになった後にＡＮＤゲート２１０の出力がローレベルからハイレベルに変化する。したがって、ステッピングモータ１４のコイル１４２に流れる電流が設定値を超えている時に歩進パルス（ＣＷ、ＣＣＷ）が入力した場合でも、適正なタイミングでフリップフロップ２１２をセット状態にすることが可能である。この結果、コイル電流の電流値が過剰に増加するという不都合の発生を防止しつつ、フリップフロップ２１２の再セットを適正に行うことができる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施形態に係るステッピングモータ制御装置の概略を示すブロック図である。 パルス幅信号発生回路の概略を示す図である。 パルス幅信号発生回路における信号出力状態を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０−ステッピングモータ制御装置
１４−ステッピングモータ
１６−コイル電流検出回路
２０−パルス幅信号発生回路
２０２−周期カウンタ
２１２−フリップフロップ

Claims (3)

1. 励磁相を切り替えるための歩進パルスによって回転速度を設定し、パルス幅変調によりトルクを設定することにより、ステッピングモータの回転制御を行うステッピングモータ制御装置であって、
   セット状態およびリセット状態に選択的に切り換わることによりデューティ値に対応するオンオフ信号からなるパルス幅信号を出力するように構成された信号出力用フリップフロップと、
   クロックパルスに基づいてパルス幅変調周期をカウントするように構成された周期カウンタと、
   前記周期カウンタが前記パルス幅変調周期をカウントアップするたびに前記信号出力用フリップフロップをセット状態にするように構成されたセット手段と、
   前記ステッピングモータに対する電流値が設定値を超えたときに前記信号出力用フリップフロップをリセット状態にするように構成されたリセット手段と、
   歩進パルスの入力を検出する検出手段と、
   前記検出手段が歩進パルスの入力を検出したときに、前記周期カウンタのカウント値をリセットするとともに、前記信号出力用フリップフロップをセット状態にするように構成された初期化手段と、
   を備えたステッピングモータ制御装置。
2. 前記リセット手段が前記信号出力用フリップフロップをリセット状態にした直後の一定期間は前記信号出力用フリップフロップをリセット状態に維持するための手段をさらに備えた請求項１に記載のステッピングモータ制御装置。
3. 前記初期化手段は、前記リセット手段が前記信号出力用フリップフロップをリセット状態にした直後の一定期間以上において前記信号出力用フリップフロップをセット状態にするための信号を保持するように構成された請求項２に記載のステッピングモータ制御装置。

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