JP5490461B2 - Stepping motor drive device - Google Patents
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Description
本発明はステッピングモータをマイクロステップ駆動させるステッピングモータ駆動装
置に関する。
The present invention relates to a stepping motor driving apparatus that microsteps a stepping motor.
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駆動する手法の一つとして、モータ巻線に供給する駆動電流を微細に増減させて、モータ固有の基本ステップ角に比べて微小な角度単位で駆動可能なマイクロステップ駆動方式がある。マイクロステップ駆動方式の駆動装置の従来例として、特許文献1等に開示されたものがある。
Stepping motors are widely used in various devices by taking advantage of characteristics such as easy positioning control and confirmation in an open loop without using a position sensor. As one of the methods for driving the stepping motor, there is a microstep driving method in which the driving current supplied to the motor winding is finely increased / decreased so that it can be driven in a minute angle unit compared to the basic step angle unique to the motor. As a conventional example of a microstep drive type drive device, there is one disclosed in
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問題が指摘されている。また、使用するステッピングモータの相数については、機構系の減速比や制御対象の座標系により決定されるのが一般的であり、これに関連して他のものに比べて相対的に安価な2相、3相のステッピングモータを使用することができことがあり、この点で低コスト化を図ることが困難という別の問題も指摘されている。 However, in the case of the above conventional example, it is possible to drive the stepping motor with high resolution. However, in reality, the uniformity of the angle division is not maintained, and it is difficult to achieve high accuracy. Has been. Further, the number of phase of the stepping motor to be used is generally determined by the reduction ratio of the mechanical system and the coordinate system to be controlled, and in this connection, it is relatively inexpensive compared to other motors. A two-phase or three-phase stepping motor may be used, and another problem is pointed out that it is difficult to reduce the cost.
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、ステッピングモータを含めた装置の高精度化及び低コスト化を図ることが可能なステッピングモータ駆動装置を提供することにある。 The present invention was created under the above-described background, and an object of the present invention is to provide a stepping motor driving device capable of achieving high accuracy and low cost of the device including the stepping motor. There is to do.
上記課題を解決するために、本発明のステッピングモータ駆動装置は、PWM電流制御方式のステッピングモータ駆動装置において、ステッピングモータをマイクロステップ駆動させるのに必要な電流データがマイクロステップ角毎に順次的に予め記録されたメモリ部と、入力パルスの入力に従ってメモリ部上の電流データを順次読み出すアドレス生成部と、メモリ部から読み出された電流データに対応したデューティ比を有したPWM信号を生成するPWM信号生成部と、入力パルスの入力に従って励磁シーケンスのステップ数を計数す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当該PWM信号を相分配して各相励磁信号を生成する相分配回路部と、複数のスイッチング素子を有し且つ各スイッチング素子を前記相励磁信号に応じてオンオフさせてステッピングモータの各相電流を生成するスイッチング部と、前記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レベルの各電流値を微調整可能にする電流バランス調整部とを備え、前記メモリ部は、実際に使用されるステッピングモータが均等分割角で回転可能するように電流データがマイクロステップ角毎に予め微調整されている。 In order to solve the above-described problems, the stepping motor driving device of the present invention is a PWM current control type stepping motor driving device in which current data necessary for microstep driving of the stepping motor is sequentially obtained for each microstep angle. A pre-recorded memory unit, an address generation unit that sequentially reads out current data on the memory unit in accordance with an input pulse, and a PWM that generates a PWM signal having a duty ratio corresponding to the current data read from the memory unit A signal generator, a phase excitation counter that counts the number of steps in the excitation sequence according to the input pulse input, and a phase distribution pattern corresponding to the number of steps indicated by the phase excitation counter for phase-distributing the PWM signal and exciting each phase. A phase distribution circuit section for generating a signal, a plurality of switching elements, and each switch; A switching unit for generating each phase current of the stepping motor a quenching device turns on and off in response to the phase excitation signal, the switching element is in an active state, H-level when it is inactive, the current values of L level A current balance adjustment section that enables fine adjustment , and the memory section is finely adjusted in advance for each microstep angle so that a stepping motor that is actually used can rotate at an equal division angle.
上記した本発明によると、メモリ部に記録された電流データがマイクロステップ角毎に微調整されていることから、その結果、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、同モータの駆動の高精度化を図ることが可能になる。また、電流バランス調整部を備えることから、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レベルの電流値が±方向に微調整されると、これに伴って微細電流制御に係るスイッチング素子の電流値も反対方向に微調整される。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、各スイッチング素子の間の電流のバランスを適切にすることが可能になる。それ故、同モータの進み角を正確にすることかでき、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。 According to the present invention described above, since the current data recorded in the memory unit is finely adjusted for each microstep angle, as a result, when the stepping motor is driven by a microstep, the uniformity of the angle division is maintained, Along with this, it becomes possible to increase the accuracy of driving the motor. In addition, since the current balance adjusting unit is provided, when the current values of the H level and the L level when the other switching elements are in the active state and the inactive state are finely adjusted in the ± direction, The current value of the switching element related to the control is also finely adjusted in the opposite direction. Therefore, even if there are variations in the characteristics of the output stage of the two-phase stepping motor or the driving device, it is possible to appropriately balance the current between the switching elements. Therefore, the advance angle of the motor can be made accurate, and as a result, it is possible to improve the precision of microstep drive.
上記装置の相分配回路部については、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信号生成部にて生成されたPWM信号の他、Hレベルの信号、Lレベルの信号を相分配して各相励磁信号を生成する構成とするのが好ましい。 As for the phase distribution circuit unit of the above-mentioned device, in addition to the PWM signal generated by the PWM signal generation unit with the phase distribution pattern corresponding to the number of steps indicated by the phase excitation counter unit, an H level signal and an L level signal are output. It is preferable that the phase excitation signal is generated by phase distribution.
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る。また、他のスイッチング素子については、Hレベル又はLレベルの信号が分配されているので、この点で高トルクが得られるという別の効果も奏する。 According to the invention of the subordinate concept described above, since the switching elements related to the fine current control necessary for the micro step drive are not all phases but only a part, the configuration relating to the fine current control is simplified. Further, since the H level or L level signal is distributed to the other switching elements, there is another effect that high torque can be obtained in this respect.
上記装置において、ステッピングモータをマイクロステップ駆動するに当たっての分解能を設定入力するための分解能設定部を有した構成としても良い。この場合のアドレス生成部については、メモリ部から電流データを順次読み出すに当たり、読み出しアドレスを当該分解能に対応した飛び数Cだけ入力パルスの入力毎に変化させる構成とするものを使用すると良い。 The above-described apparatus may have a configuration having a resolution setting unit for setting and inputting a resolution when the stepping motor is micro-step driven. In this case, as the address generation unit, it is preferable to use a configuration in which when reading current data sequentially from the memory unit, the read address is changed for each input pulse by the number C of jumps corresponding to the resolution.
上記した下位概念の発明によると、上記した角度分割の均等性を容易に実現することが可能となり、コスト面でメリットが得ちれる。 According to the above-described invention of the subordinate concept, it is possible to easily realize the uniformity of the angle division described above, and to obtain a merit in terms of cost.
ステッピングモータ( フルステップ角:x)の相数がN(N≧2)相である場合、分解能設定部については、N相ステッピングモータ(フルステップ角:y)との間でステップ当たりの進み角が共通するM(M≠N)相ステッピングモータの当該進み角に対応する分解能RMが設定入力可能である構成とすると良い。アドレス生成部については、メモリ部から電流データを順次読み出すに当たり、読み出しアドレスを、分解能RMにx/yを乗じて得た分解能RNに対応した飛び数Cだけ入力パルスの入力毎に変化させる構成とする。 When the number of phases of the stepping motor (full step angle: x) is N (N ≧ 2), the resolution setting unit has an advance angle per step with the N phase stepping motor (full step angle: y). It is preferable that the resolution RM corresponding to the advance angle of the M (M ≠ N) phase stepping motors having the same can be set and inputted. The address generation unit is configured to change the read address for each input pulse input by the number of jumps C corresponding to the resolution RN obtained by multiplying the resolution RM by x / y when sequentially reading current data from the memory unit. To do.
上記した下位概念の発明によると、N相ステッピングモータを実際に使用しながらM相ステッピングモータの進み角が実現される構成となっているので、従来とは異なり制御対象の座標系や機械系の減速比等に応じて同モータの相数を選定する必要がなくなる。しかもあらゆる制御対象等に他のものに比べて相対的に安価な2相、3相のステッピングモータを使用することが可能となり、コスト面で大きなメリットが得られる。 According to the invention of the subordinate concept described above, the lead angle of the M-phase stepping motor is realized while actually using the N-phase stepping motor. There is no need to select the number of phases of the motor according to the reduction ratio or the like. In addition, it is possible to use a relatively inexpensive two-phase and three-phase stepping motor for all controlled objects and the like, and a great merit is obtained in terms of cost.
上記装置のメモリ部については、電流データの数WがMの倍数であり且つ分解能設定部の分解能に対応した飛び数Cで割り切ることが可能な値に設定されているものを用いると良い。好ましくは、電流データの数WがMとNとの公倍数であり且つWの整数倍が分解能設定部の分解能に対応した飛び数Cで割り切ることが可能な値に設定されているものを用いると良い。 As the memory unit of the above-described device, it is preferable to use a memory unit in which the number W of current data is a multiple of M and is set to a value that can be divided by the number C of jumps corresponding to the resolution of the resolution setting unit. Preferably, the number W of current data is a common multiple of M and N, and an integer multiple of W is set to a value that can be divided by the number of jumps C corresponding to the resolution of the resolution setting unit. good.
上記した下位概念の発明によると、メモリ部の容量を大きくすることなく分解能の設定範囲を大きくすることが可能になり、コスト面で大きなメリットが得られる。 According to the invention of the subordinate concept described above, the resolution setting range can be increased without increasing the capacity of the memory unit, and a great merit can be obtained in terms of cost.
以下、本発明の実施の形態に係る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7を参照して説明する。 A stepping motor driving device (hereinafter simply referred to as a driving device) according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
ここに例として挙げる駆動装置1については、図1に示すようにステッピングモータmを入力パルスαに応じてPWM(パルス幅変調)電流方式によりマイクロステップ駆動する装置である。本実施形態においては、ステッピングモータmとして2相ステッピングモータ(相数N=2、フルステップ角x=1.8 °)を用いて5相ステッピングモータ(相数M=5,フルステップ角y=0.72°) の進み角が得られるようになっている。図中10はスイッチング部、20はメモリ部、30はアドレス生成部、40はPWN信号生成部、50は相分配回路部、60は相励磁カウンタ部、70は分解能設定部、91は電流電源回路部、92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。
As shown in FIG. 1, the
ステッピングモータmについては、ロータ磁極数が50、HBのモータ構造を有した2相ステッピングモータであって、コイル接続方式がA,B相独立型であり、駆動装置1に対し4 本のリード線を用いて外付けされている。
The stepping motor m is a two-phase stepping motor having a motor structure with a rotor magnetic pole number of 50 and HB, the coil connection method is A and B phase independent type, and four lead wires for the
電源回路部91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。
The power
定電流回路部92については、電源回路部91とスイッチング部10との間に接続された回路であって、電源回路部91からスイッチング部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。
The constant
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〜Q4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。
The
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。
The excitation signals input to the bases of the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, and Q8 are represented by A +, A−, / A +, / A−, B +, B−, / B +, / B
-Is represented as-.
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4に示す通りである。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6及び図7に示す通りとなる。 An excitation sequence for turning on / off the switching elements Q1 to Q8 is as shown in FIG. The current actually flowing through the A phase coil and the B phase coil of the stepping motor m by this excitation sequence is as shown in FIGS.
図4、図6及び図7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「0−1」〜「3−2」については、ハーフステップのステップ数を示している。 4, 6, and 7, “0” to “3” shown in the upper part indicate the number of basic steps, and “0-1” to “3-” shown in the lower part thereof. “2” indicates the number of half steps.
図6中の「PWM A相→/A相」については、A相コイルのA端子から/A端子に流れる電流がPWM制御されて刻々と変化していることを示している。「PWM /A相→A相」、「PWM B相→/B相」及び「PWM /B相→B相」についても同様の表現法となっている。図6中の「A相→/A相」は、A相コイルのA端子から/A端子に流れる電流が一定に制御されることを意味している。「/A相→A相」、「B相→/B相」及び「/B相→B相」についても同様の表現法となっている。図6にはステッピングモータmの電気角が示されている。 “PWM A phase → / A phase” in FIG. 6 indicates that the current flowing from the A terminal of the A phase coil to the / A terminal is changed every moment by PWM control. “PWM / A phase → A phase”, “PWM B phase → / B phase” and “PWM / B phase → B phase” are also expressed in a similar manner. “A phase → / A phase” in FIG. 6 means that the current flowing from the A terminal of the A phase coil to the / A terminal is controlled to be constant. “/ A phase → A phase”, “B phase → / B phase” and “/ B phase → B phase” are also expressed in a similar manner. FIG. 6 shows the electrical angle of the stepping motor m.
即ち、図7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。
That is, as shown in FIG. 7, during the period of
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。
Thus, in the
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。
Of the A-phase and B-phase coils of the stepping motor m, the coil on the side that maintains the current at the H level or the L level in each period of the
メモリ部20については、ステッピングモータmをマイクロステップ駆動させるのに必要な電流データがマイクロステップ角毎に順次的に予め記録されている。本実施形態においては、電流変化相に係るスイッチング素子Q1〜Q8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マイクロステップ角毎に記録されている。
In the
図2はステッピングモータmをフルステップ角(1.8 °)に対して1000で角度分割したマイクロステップ駆動を行う場合のメモリ20に記録されたデータの内容を示したものである。図2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。
FIG. 2 shows the contents of data recorded in the
図2中「I」及び「II」で示した各データ群については、図4に示す「PWM(I)」及び「PWM(II)」に係るPWM信号を生成するのに必要なデータであり、読み出しアドレス0〜499に記録された電流データが「I」のデータ群(マイクロステップ角θN=0.000°〜0.900°の電流データ)に属する一方、読み出しアドレス500〜999に記録された電流データが「II」のデータ群(マイクロステップ角θN=0.918°〜1.800°の電流データ)に属している。図6中には「PWM(I)」及び「PWM(II)」に係るPWM信号を生成するのに必要なメモリ20上の電流データの読み出しアドレスが示されている。
The data groups indicated by “I” and “II” in FIG. 2 are data necessary for generating the PWM signals related to “PWM (I)” and “PWM (II)” shown in FIG. The current data recorded in the read addresses 0 to 499 belong to the data group “I” (current data of microstep angle θN = 0.000 ° to 0.900 °), while the current data recorded in the read addresses 500 to 999 It belongs to the data group of “II” (current data of microstep angle θN = 0.918 ° to 1.800 °). FIG. 6 shows read addresses of current data on the
メモリ部20に記録された電流データは従来のような直線式で表されるようなものではなく、図2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20上のPWM波形のデューティ比のデータについては、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、ステッピングモータmが実際上均等分割角で回転可能なようにマイクロステップ角(図示例では0.0018°)毎に微調整されたものである。
The current data recorded in the
メモリ部20上の電流データの数Wについては、メモリ容量や分解能設定部70の分解能設定範囲の関係で決まり、本実施形態においては1000としている。
The number W of current data on the
分解能設定部70については、ステッピングモータmをマイクロステップ駆動するに当たっての分解能を設定入力するためのスイッチ等である。本実施形態においては、2相ステッピングモータとの間でフルステップ当たりの進み角が共通する5相ステッピングモータの当該進み角に対応する分解能RMが設定入力可能であり、図3に示すように1 から400 まで多段階に設定入力可能になっている。図3中には5相ステッピングモータの分解能RMに対応する2相ステッピングモータの分解能RN及び進み角等が併せて示されている。
The
アドレス生成部30については、図1に示すように入力パルスαの入力に従ってメモリ部22上の電流データを順次読み出す回路部である。本実施形態においては、メモリ部20から電流データを順次読み出すに当たり、読み出しアドレスを、分解能設定部70により設定された分解能RMに2.5(x/y=5/2)を乗じて得た分解能RNに対応した飛び数C(=W/RN)だけ入力パルスの入力毎に変化させる構成となっている。読み出しアドレスについては、方向信号βが正転を示すときには入力パルスαの入力に従って増加させる一方、方向信号βが逆転を示すときには入力パルスαの入力に従って減少させる。また、メモリ部20の電流データの個数Wが1000であることから、読み出しアドレスのカウンタについても入力パルスαの1000個の入力によりオーバーフローするようになっている。
The
ところで、分解能設定部70の分解能設定範囲とメモリ部20の電流データの数Wとの間には密接な関係がある。メモリ部20の電流データの数Wについては、a)5(=M)の倍数であり且つ分解能設定部70の分解能RM(又は分解能RN)に対応した飛び数Cで割り切ることが可能な値に設定されている、又は、b)5(=M)と2(=N)との公倍数であり且つWの整数倍(その整数値をAとする)を分解能設定部70の分解能RM(又は分解能RN)に対応した飛び数Cで割り切ることが可能な値に設定されている、というルールに沿って決定されている。逆に、メモリ部20の電流データの数Wがメモリ容量等の関係で最初に決定された場合、分解設定部70の分解能RM(又は分解能RN)の範囲については、上記a)又はb)のルールに沿って決定されることになる。
Incidentally, there is a close relationship between the resolution setting range of the
本実施形態において、図3で示された分解能RM=2,4,8,10,16,20,40,50,80,100,200及び400については、上記a)のルールに沿って決定されたものであり、分解能RM=1,2.5,5及び25については、上記b)のルールに沿って決定されたものである。 In this embodiment, the resolution RM = 2, 4, 8, 10, 16, 20, 40, 50, 80, 100, 200, and 400 shown in FIG. 3 is determined according to the rule a). The resolutions RM = 1, 2.5, 5 and 25 are determined according to the rule b).
図3で示す分解能RMについては一例であるが、上記a)のルールだけでなくb)のルールに従って決定することが可能であることから、この点で分解能設定部70の分解能設定範囲が格段に広くなった。
The resolution RM shown in FIG. 3 is an example, but it can be determined not only according to the rule a) but also according to the rule b). Therefore, the resolution setting range of the
なお、電流データの数W=1000である場合、上記a)又はb)のルールの下では分解能RM=3を対象に含めることが不可能となる。実現すべきステップ角の関係上、分解能RM=3を対象に含めることが必要であるときには、メモリ部20上の電流データの数W=600又900 等に変更すると良い。
When the number W of current data is 1000, it is impossible to include the resolution RM = 3 as a target under the rule a) or b). When the resolution RM = 3 needs to be included in the target because of the step angle to be realized, the number of current data on the
アドレス生成部30の動作については次の通りである。例えば、分解能設定部70を通じて分解能RM=10が設定されたとすると、図3に示すようにステッピングモータmの進み角が0.072°であり、読み出しアドレスの飛び数Cが40 となる。方向信号βが正転を示すときには、メモリ部20の読み出しアドレスが入力パルスαの入力毎に飛び数C=40だけ増加する。この過程でマイクロステップ角θNが0.072°,0.144°,0.216°,0.288°・・である電流データがメモリ部20から順次読み出される。その後、マイクロステップ角θNが1.8°、3.6°、5.4°及び7.2°を超えた時点で、読み出しアドレスがリセットされる。一方、方向信号βが逆転を示すときには、メモリ部20の読み出しアドレスが入力パルスαの入力毎に飛び数C=40だけ減少し、上記と全く同様の動作となる。
The operation of the
相励磁カウンタ部60は、入力パルスαの入力及び分解能設定値70を通じて設定された分解能RMに従って図4、図6及び図7に示すステッピングモータmの励磁シーケンスのハーフステップ数0−1〜3−2を計数するカウンタである。計数方向は方向信号βが示す方向であり、計数結果はPWM信号生成部40及び相分配回路部50に出力している。
The phase
PWM信号生成部40については、メモリ部20から読み出された電流データに対応したデューティ比を有したPWM信号を生成する回路部である。即ち、アドレス生成部30によりメモリ部20上の電流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(「PWM(I)」又は「PWM(II)」に係るPWM信号)を生成して相分配回路部50に出力するようになっている。
The PWM
相分配回路部50は、相励磁カウンタ部60が示す励磁シーケンスのハーフステップ数0−1〜3−2に対応した図4中に示す相分配パターンでPWM信号生成部23から出力されたPWM信号の他、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−によりスイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8をオンオフさせる構成となっている。Hレベルの信号、Lレベルの信号については相分配回路部50にて生成している。
The phase
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。 Here, the H level signal means a signal having a voltage level at which the switching element Q1 and the like are completely activated, and the L level signal completely brings the switching element Q1 and the like into an inactive state. A signal having a level voltage.
図4中の「H」については、Hレベルの信号がハーフステップ毎に各励磁信号に分配されることを示し、図2中の「L」については、Lレベルの信号がハーフステップ毎に各励磁信号に分配されることを示している。図4中の「PWM(I)」及び「PWM(II)」については、PWM信号生成部40により生成された「PWM(I)」及び「PWM(II)」に係るPWM信号が各励磁信号に分配されることを示している。図5はハーフステップ0−1の期間中の所定タイミングの各励磁信号の波形を示したものである。図5中のTはPWM周期を示している。
“H” in FIG. 4 indicates that an H level signal is distributed to each excitation signal for each half step, and for “L” in FIG. 2, an L level signal is provided for each half step. It shows that the excitation signal is distributed. As for “PWM (I)” and “PWM (II)” in FIG. 4, the PWM signals related to “PWM (I)” and “PWM (II)” generated by the PWM
上記のように構成された駆動装置1による場合、メモリ部20に記録された電流データがマイクロステップ角毎に微調整されていることから、その結果、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。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Q1〜Q8のうちPWM信号が分配されているのが一部だけであり、その他についてはHレベル又はLレベルの信号が分配されているので、微細電流制御に関する構成が簡素化されるとともに高トルクが得られる。さらに、2相ステッピングモータを実際に使用しながら5相ステッピングモータの進み角が実現されることから、ステッピングモータを含めた装置全体の大幅な低コスト化を図ることが可能になる。
In the case of the
次に、駆動装置1の励磁シーケンスの変形例を図8及び図9 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8、図9 は上記例の図4、図5に各々対応した図である。
Next, a modification of the excitation sequence of the
相分配回路部50 において採用されている励磁シーケンスは図8に示す通りであり、ハーフステップ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9に示す通りで ある。図9中TはPWM周期を示している。図8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。
The excitation sequence employed in the phase
相励磁カウンタ部60 が示す励磁シーケンスのハーフステップ数が0−0である場合、その期間では、「PWM(I)」に係るPWM信号が励磁信号A+に分配され、Lレベルの信号が励磁信号A−,/A+及び/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Q1がマイクロステップ毎に制御され、スイッチング素子Q2〜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。
When the half step number of the excitation sequence indicated by the
相励磁カウンタ部60 が示す励磁シーケンスのハーフステップ数が0−1である場合、その期間では、「PWM(II)」に係るPWM信号が励磁信号/A+に分配され、Lレベルの信号が励磁信号A+,A−及び/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及び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60が示す励磁シーケンスのハーフスステップ数が1−1〜3−2である場合も上記と全く同様である。
When the number of half steps of the excitation sequence indicated by the phase
励磁シーケンスがハーフステップ0−1 、0−2 ・・・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6及び図7に示すものと全く同様になる。 The excitation sequence is sequentially changed to half steps 0-1, 0-2, etc., and the switching elements Q1 to Q8 are switched by the excitation signal A + or the like. As a result, the A phase and B phase coils of the stepping motor M are switched. The magnitude of the current flowing and its change are exactly the same as those shown in FIGS.
このように相分配回路部50については、図8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80により調整可能にしている。
As described above, the phase
電流バランス調整部80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80を通じて相分配回路部50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相コイル又はB相コイルの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。
The current
上記のように構成された変形例による場合、次のような効果が得られる。図1等に示す駆動装置1については、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が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、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±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。
According to the modification configured as described above, the following effects can be obtained. In the
なお、本発明に係るステッピングモータ駆動装置は、ステッピングモータの相数や相コイルの結線方法、励磁シーケンス等が問われず、駆動対象等に応じて適宜変更すれば良い。特に2相ステッピングモータを用いて3相ステッピングモータの進み角を上記と同様の方法で実現することが可能である。即ち、使用するステッピングモータとは異なる相数を有したステッピングモータの進み角も同様に実現することが可能である。メモリ部については、ステッピングモータをマイクロステップ駆動させるのに必要な電流データがマイクロステップ角毎に順次的に予め記録されている限り、電流データの数及び電流値等を適宜設計変更すれば良い。分解能設定部については、ステッピングモータをマイクロステップ駆動するに当たっての分解能を設定入力することが可能である構成である限り、設定入力法が問われず、相数が異なる2種類以上のステッピングモータの分解能が設定入力可能なようにしても良い。アドレス生成部については、入力パルスの入力に従ってメモリ部上の電流データを順次読み出す構成である限り、回路構成が問われずソフトウエアを用いて同様の機能を実現しても良い。また、実際に使用するステッピングモータの進み角を実現するときは、読み出しアドレスを、分解能設定部を通じて設定された分解能に対応した飛び数だけ入力パルスの入力毎に変化させる構成であっても良い。PWM信号生成部については、メモリ部から読み出された電流データに対応したデューティ比を有したPWM信号を生成する限り、信号波形や回路構成が問われずソフトウエアを用いて同様の機能を実現しても良い。相励磁カウンタ部については、入力パルスの入力に従って励磁シーケンスのフルステップ、ハーフステップ又は分割ステップ等のステップ数を計数する限り、回路構成が問われずソフトウエアを用いて同様の機能を実現しても良い。相分配回路部については、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当該PWM信号を相分配して各相励磁信号を生成する限り、相分配する信号の種類、相分配パターン、回路構成が問われずソフトウエアを用いて同様の機能を実現しても良い。スイッチング部については、スイッチング素子を有し且つ各スイッチング素子を相励磁信号に応じてオンオフさせてステッピングモータの各相電流を生成することが可能である限り、スイッチング素子の種類や回路構成が問われない。 Note that the stepping motor driving apparatus according to the present invention may be appropriately changed according to the object to be driven, regardless of the number of phases of the stepping motor, the phase coil connection method, the excitation sequence, and the like. In particular, the lead angle of the three-phase stepping motor can be realized by the same method as described above using a two-phase stepping motor. That is, the advance angle of a stepping motor having a phase number different from that of the stepping motor to be used can be realized in the same manner. For the memory unit, the number of current data, the current value, and the like may be appropriately changed as long as current data necessary to drive the stepping motor in microsteps is sequentially recorded in advance for each microstep angle. As long as the resolution setting unit is configured to be able to set and input the resolution for driving the stepping motor in microsteps, the resolution of two or more types of stepping motors having different numbers of phases can be used regardless of the setting input method. Setting input may be made possible. As long as the address generation unit is configured to sequentially read current data on the memory unit according to the input of the input pulse, the same function may be realized using software regardless of the circuit configuration. In order to realize the lead angle of the stepping motor that is actually used, the read address may be changed for each input pulse by the number of jumps corresponding to the resolution set through the resolution setting unit. As long as the PWM signal generation unit generates a PWM signal having a duty ratio corresponding to the current data read from the memory unit, the same function is realized using software regardless of the signal waveform or circuit configuration. May be. For the phase excitation counter unit, the same function can be realized using software regardless of the circuit configuration as long as the number of steps such as full step, half step, or division step of the excitation sequence is counted according to the input of the input pulse. good. As for the phase distribution circuit unit, as long as the phase distribution pattern corresponding to the number of steps indicated by the phase excitation counter unit distributes the PWM signal to generate each phase excitation signal, the type of signal to be phase distributed, the phase distribution pattern, The same function may be realized using software regardless of the circuit configuration. As long as the switching unit has a switching element and can generate each phase current of the stepping motor by turning on and off each switching element according to the phase excitation signal, the type and circuit configuration of the switching element are questioned. Absent.
1 駆動装置(ステッピングモータ駆動装置)
10 スイッチング部
Q1〜Q8 スイッチング素子
20 メモリ部
30 アドレス生成部
40 PWM信号生成部
50 相分配回路部
60 相励磁カウンタ部
70 分解能設定部
80 電流バランス調整部
m ステッピングモータ
1 Drive unit (Stepping motor drive unit)
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