JP6622983B2

JP6622983B2 - ステッピングモータ駆動回路

Info

Publication number: JP6622983B2
Application number: JP2015105537A
Authority: JP
Inventors: 木村　秀樹; 秀樹木村; 勝考佐々木
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2035-05-25
Also published as: US9871485B2; US20160352271A1; JP2016220469A

Description

本発明の実施形態は、ステッピングモータ駆動回路に関する。

従来、ステッピングモータは、オープン制御の容易さや保持トルクの大きい特長を有し、非常に多くの数が多岐の分野で使われている。

しかし、このステッピングモータは、駆動時の騒音や効率の問題があるといわれている。

このステッピングモータの振動を低減するための既存技術としては、マイクロステップ駆動がある。

このマイクロステップ駆動は、ステッピングモータに供給する駆動電流の電流変化のステップを細かくし、滑らかにステッピングモータを駆動する技術である。特に、駆動電流の波形を疑似正弦波にすることで、駆動電流がステッピングモータを駆動する際に理想とされる正弦波に近くなる。

但し、各電流ステップの移行タイミングは、基準クロック信号に同期され制御されている。このため、ステッピングモータを同じ回転数で駆動する場合は、マイクロステップ駆動でステップが細かくなるとともに、基準クロック信号の周波数を高くする必要がある。

したがって、基準クロック信号を出力するＭＣＵ（ＭｅｃｈａｎｉｓｍＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）へ負荷が掛りすぎるため、マイクロステップ駆動を用いた振動対策にも限界がある。

特開２００８−６１４３９号公報

実施形態は、駆動時の振動を低減することが可能なステッピングモータ駆動回路を提供する。

実施形態に従ったステッピングモータ駆動回路は、ステッピングモータの駆動を制御するステッピングモータ駆動回路である。ステッピングモータ駆動回路は、基準クロック信号の周期で階段状に変化する疑似正弦波状の波形の駆動電流を生成し、前記駆動電流がゼロの時の前記ステッピングモータのコイルの励磁電圧の測定値に応じて、前記駆動電流の波形を変化させる。

図１は、第１の実施形態に係るステッピングモータ駆動回路１０の構成の一例を示す図である。図２は、基準クロック信号ＣＬＫと、ステッピングモータＭのコイルに供給される駆動電流と、イネーブル信号ＳＥと、を示す波形図である。図３は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも進んでいる場合における、コイルに誘起される誘起電圧の波形の一例を示す波形図である。図４は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも進んでいる場合に、電流制御回路ＤＣが出力する駆動電流の波形の一例を示す波形図である。図５は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも遅れている場合における、コイルに誘起される誘起電圧の波形の一例を示す波形図である。図６は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも遅れている場合に、電流制御回路ＤＣが出力する駆動電流の波形の一例を示す波形図である。図７は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも大きく遅れている場合における、コイルに誘起される誘起電圧の波形の一例を示す波形図である。図８は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも大きく遅れている場合に、電流制御回路ＤＣが出力する駆動電流の波形の一例を示す波形図である。

以下、各実施形態について図面に基づいて説明する。

第１の実施形態

図１は、第１の実施形態に係るステッピングモータ駆動回路１０を含むステッピングモータ駆動システム１００の構成の一例を示す図である。また、図２は、基準クロック信号ＣＬＫと、ステッピングモータＭのコイルに供給される疑似正弦波状の駆動電流の波形と、イネーブル信号ＳＥと、を示す波形図である。なお、図２の例では、２つの相（Ａ相、Ｂ相）のコイルに供給される駆動電流を示している。また、図２の例では、簡単のため、イネーブル信号ＳＥは、Ａ相の駆動電流に対応するもののみ表記し、Ｂ相の駆動電流に対応するものは省略している。また、以下では、Ａ相の駆動電流ＩＡに注目して説明するが、Ｂ相の駆動電流や、さらに他の相の駆動電流に関してもＡ相と同様である。

図１に示すように、ステッピングモータ駆動システム１００は、制御装置ＭＣＵと、ステッピングモータＭと、ステッピングモータ駆動システム１０と、を備える。

ステッピングモータＭは、電磁石を構成する複数のコイルを含むステータ（図示せず）と、磁石を含むロータ（図示せず）と、を有する。

制御装置ＭＣＵは、基準クロック信号ＣＬＫや指令信号（ステッピングモータＭの回転速度、位相やトルク等を規定する信号）を、ステッピングモータ駆動回路１０に出力する。

ステッピングモータ駆動回路１０は、外部の制御装置ＭＣＵから入力される基準クロック信号ＣＬＫ、指令信号に応じて、ステッピングモータＭの駆動を制御する。

このステッピングモータ駆動回路１０は、例えば、図１に示すように、電流制御回路ＤＣと、コンパレータＣＯＭＰと、論理回路ＬＣと、を備える。

論理回路ＬＣは、外部（制御装置ＭＣＵ）から入力される基準クロック信号ＣＬＫ、指令信号、及び、コンパレータＣＯＭＰから入力される比較結果信号Ｓ１に基づいて、制御信号ＳＣを出力する。

また、論理回路ＬＣは、駆動電流ＩＡがゼロＡ（ゼロ％）になる期間にコンパレータＣＯＭＰの比較動作を活性化させるイネーブル信号ＳＥを、コンパレータＣＯＭＰに出力する。

また、コンパレータＣＯＭＰは、駆動電流ＩＡがゼロＡの時、すなわち、イネーブル信号ＳＥがアクティブの時、比較動作を行う。コンパレータＣＯＭＰは、ステッピングモータＭのコイルの励磁電圧の測定値と、予め設定された閾値Ｖｒｅｆとを比較し、この比較結果に基づいた比較結果信号Ｓ１を論理回路ＬＣに出力する。

例えば、駆動電流ＩＡがゼロＡの時のコイルの励磁電圧の測定値が既述の閾値未満である場合、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも進んでいる（ステッピングモータＭに目標値以上のトルクが発生するように駆動電流が供給されている）と判断される。

一方、駆動電流ＩＡがゼロＡの時のコイルの励磁電圧の測定値が既述の閾値以上である場合、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも遅れている（ステッピングモータＭに目標値未満のトルクが発生するように駆動電流が供給されている（駆動電流が足りない））と判断される。

なお、目標位相とは、ステッピングモータＭのトルクが目標値であるときにおける、コイルの励磁電圧の位相である。

電流制御回路ＤＣは、制御信号ＳＣに応じて、駆動電流ＩＡを制御する。

例えば、電流制御回路ＤＣは、ステッピングモータＭのステータのコイルに、基準クロック信号ＣＬＫの周期で階段状に変化する疑似正弦波状の波形の駆動電流ＩＡを供給する（図２）。

ここで、上述のように、制御信号ＳＣは、基準クロック信号ＣＬＫ、外部（制御装置ＭＣＵ）から入力される指令信号、及び、比較結果信号Ｓ１に基づく信号である。このように、制御信号ＳＣは、比較結果信号Ｓ１に含まれる上述のコイルの誘起電圧の位相に関する情報を含む。

言い換えれば、電流制御回路ＤＣは、クロックＣＬＫに同期せずにコイルの誘起電圧の位相に関する情報、すなわち、比較結果信号Ｓ１に応じて、駆動電流ＩＡの波形を変化させる。

例えば、電流制御回路ＤＣは、駆動電流ＩＡがゼロの時のコイルの励磁電圧の測定値が既述の閾値未満であることを比較結果信号Ｓ１が示す場合には、駆動電流ＩＡの疑似正弦波状の波形が正弦波に近づくように、駆動電流ＩＡを制御する。

すなわち、電流制御回路ＤＣは、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも進んでいる場合には、駆動電流ＩＡの疑似正弦波状の波形が正弦波に近づくように、駆動電流ＩＡを制御する。

特に、電流制御回路ＤＣは、駆動電流ＩＡの疑似正弦波状の波形が正弦波に近づくように、基準クロック信号ＣＬＫの周期よりも短い周期で（基準クロック信号ＣＬＫを超えた分解能で）駆動電流ＩＡを正弦波に近づけるよう制御することができる。

そのため、階段状に正弦波を分割し制御する疑似正弦波において、その階段状の電流を疑似分割し、階段電流（ステップ電流）のステップ間をアナログ状の遷移電流として補完する。そして、電流軌跡をステップではなくアナログ遷移波形に近い電流値とすることで、ステップ遷移でのトルク変動と、電気的なdi/dtの急変による磁力及び機械側の応答・反応遅れによる振動影響の影響を極小化できる。これにより、高周波成分のノイズ、及び、コギングトルクの減少が期待できる。

なお、コイルの励磁電圧の情報に加えて、ひとつ前のタイミング（ステップとステップとの間、及び、電気角単位）のモータ回転スピードの情報に基づいて、駆動電流を制御してもよい。これにより、階段状のステップ間の電流軌跡の補完精度を上げることができるため、さらなる、騒音抑制精度を実現できる。

一方、駆動電流ＩＡがゼロＡの時のコイルの励磁電圧の測定値が既述の閾値以上であることを比較結果信号Ｓ１が示す場合には、電流制御回路ＤＣは、駆動電流ＩＡの絶対値の平均値が増加するように、駆動電流ＩＡを制御する。

すなわち、電流制御回路ＤＣは、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも遅れている場合には、駆動電流ＩＡの絶対値の平均値が増加するように、駆動電流ＩＡを制御する。

特に、電流制御回路ＤＣは、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも大きく遅れている場合、駆動電流ＩＡの疑似正弦波状の波形を矩形波に近づくように、駆動電流ＩＡを制御する。

ここで、ステッピングモータＭの動作時に、階段状の駆動電流のステップとステップとの間では、駆動電流に対して定電流制御をかける。この時に、ステッピングモータＭの回転による発電効果及びステッピングモータＭのロータとステータ間の誘導による起電力によってＰＷＭ制御のデューティが変化する。このデューティの変化を監視することによりロータの推定位置が概算できるため、ＰＷＭ制御のデューティ変化のパラメータを定電流の基準値の変化（補填係数）へ補填することができ、精度を向上させることができる。また、定位電流の値を自動ゲイン制御（Auto Gain Control）技術に用いるようにしてもよい。

また、ステッピングモータＭの非動作時のステッピングモータＭのリアクタンス、抵抗値を求めるようにしてもよい。これらの値を駆動前のセットアップ時に測定できるシステムをステッピングモータ駆動回路１０に適用することによりさらに、波形精度を向上させることができる。

ここで、以上のような構成を有するステッピングモータ駆動回路１０の動作特性について説明する。

図３は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも進んでいる場合における、コイルに誘起される誘起電圧の波形の一例を示す波形図である。なお、図３において、ａは、測定されたコイルの誘起電圧の波形を示し、ｂは、目標位相の誘起電圧の波形を示す。また、図４は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも進んでいる場合に、電流制御回路ＤＣが出力する駆動電流の波形の一例を示す波形図である。

例えば、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも進んでいる場合（図３）、既述のように、電流制御回路ＤＣは、駆動電流ＩＡの疑似正弦波状の波形が正弦波に近づくように、駆動電流を制御する（図４）。

これにより、ステップ遷移でのトルク変動と、電気的なdi/dtの急変による磁力及び機械側の応答・反応遅れによる振動影響の影響を極小化できる。これにより、高周波成分のノイズ、及び、コギングトルクの減少が期待できる。

また、図５は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも遅れている場合における、コイルに誘起される誘起電圧の波形の一例を示す波形図である。なお、図５において、ａは、測定されたコイルの誘起電圧の波形を示し、ｂは、目標位相の誘起電圧の波形を示す。また、図６は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも遅れている場合に、電流制御回路ＤＣが出力する駆動電流の波形の一例を示す波形図である。

例えば、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも遅れている場合（図５）、既述のように、電流制御回路ＤＣは、駆動電流ＩＡの絶対値の平均値が増加するように、駆動電流を制御する（図６）。図６の例では、変化させる前の駆動電流の振幅を上限として、疑似正弦波の各位相で電流値が増加するように、駆動電流が制御されている。

これにより、ステッピングモータＭに供給される駆動電流が増加するので、トルクを増加させて既述の目標値に近づけることができる。すなわち、トルク不足による、ステッピングモータＭの振動を低減することができる。

また、図７は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも大きく遅れている場合における、コイルに誘起される誘起電圧の波形の一例を示す波形図である。なお、図７において、ａは、測定されたコイルの誘起電圧の波形を示し、ｂは、目標位相の誘起電圧の波形を示す。図８は、コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも大きく遅れている場合に、電流制御回路ＤＣが出力する駆動電流の波形の一例を示す波形図である。

既述のように、電流制御回路ＤＣは、電流制御回路ＤＣは、駆動電流ＩＡの疑似正弦波状の波形を矩形波に近づくように、駆動電流ＩＡを制御する。図８の例では、駆動電流は、変化させる前の駆動電流の振幅を上限として、台形状に制御されている。

これにより、ステッピングモータＭに供給される駆動電流がさらに増加するので、トルクをさらに増加させて既述の目標値に近づけることができる。すなわち、トルク不足による、ステッピングモータＭの振動をより確実に低減することができる。

以上のように、電流制御回路ＤＣは、クロックＣＬＫや指令信号による疑似正弦波状の駆動電流ＩＡに加え、比較結果信号Ｓ１（コイルの誘起電圧の位相）に応じて、駆動電流ＩＡの波形を変化させる。

なお、図４、図６、図８の例では、電流制御回路ＤＣは、駆動電流ＩＡの波形の変化の前後において、駆動電流ＩＡの波形の振幅は、同じになるように制御している。しかし、電流制御回路ＤＣは、駆動電流ＩＡの波形の変化の前後において、駆動電流ＩＡの波形の振幅が異なるように制御するようにしてもよい。

このように、ステッピングモータ駆動回路１０は、ステッピングモータＭを駆動する環境に最適な定電流テーブルで、駆動電流のゲインを自動に可変して駆動する。

そして、正弦波に対してモータが最適に必要な波形（たとえば、正弦波を少し２相励磁方向に膨らませたり、正弦波の頂点付近をひずませる、もしくは、へこませる）の補正を同時にかけるようにしてもよい。これにより、より広い範囲で低騒音駆動が可能となる。

このように、ステッピングモータＭを駆動する環境（必要なトルク等）に合わせて駆動電流を制御して、ゲインを自動に可変して駆動を行うことにより、騒音を低減させながら、高効率な制御（必要時に必要なトルク供給を、最適な波形を持って効率良い動作を行う）が期待できる。

以上のように、本第１の実施形態に係るステッピングモータ駆動回路によれば、駆動時の振動を低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００ステッピングモータ駆動システム
ＭＣＵ制御装置
Ｍステッピングモータ
１０ステッピングモータ駆動システム
ＤＣ電流制御回路
ＣＯＭＰコンパレータ
ＬＣ論理回路

Claims

ステッピングモータのコイルに、基準クロック信号の周期で階段状に変化する疑似正弦波状の波形の駆動電流を供給する電流制御回路と、
前記駆動電流がゼロの時の前記コイルの励磁電圧の測定値と、閾値とを比較し、比較結果信号を出力するコンパレータと、を備え、
前記電流制御回路は、
前記測定値が前記閾値以上であることを前記比較結果信号が示す場合には、前記駆動電流の絶対値の平均値が増加するように、前記駆動電流を制御する
ことを特徴とするステッピングモータ駆動回路。
前記電流制御回路は、
前記測定値が前記閾値未満であることを前記比較結果信号が示す場合には、前記駆動電流の前記疑似正弦波状の波形が正弦波に近づくように、前記駆動電流を制御することを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ駆動回路。
前記電流制御回路は、
前記コイルの誘起電圧の位相が目標位相よりも進んでいる場合には、前記駆動電流の前記疑似正弦波状の波形が正弦波に近づくように、前記駆動電流を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ駆動回路。
前記電流制御回路は、
前記コイルの誘起電圧の位相が前記目標位相よりも遅れている場合には、前記駆動電流の絶対値の平均値が増加するように、前記駆動電流を制御する
ことを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータ駆動回路。
前記目標位相は、前記ステッピングモータのトルクが目標値であるときにおける、前記コイルの励磁電圧の位相である
ことを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータ駆動回路。