JP7029041B2

JP7029041B2 - ロバストで効率的なステッパーモーターｂｅｍｆ測定のための方法及び装置

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Publication number: JP7029041B2
Application number: JP2018566293A
Authority: JP
Inventors: ソーソーピング; ラジャラケシュ; ジェインアヌジュ; ヘインマシュー
Original assignee: テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2017-06-15
Publication date: 2022-03-03
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Description

本願は、概してステッパーモーターに関し、更に特定して言えば、バック起電力（ＢＥＭＦ）測定を備えるステッパーモーターに関連する。

ステッパーモーターは、位置に関するタスクのために通常用いられる外的に整流されるモーターである。ステッパーモーターを制御及び動作させるために、開ループ方法論が用いられる。この開ループ手法では、コントローラが整流信号をモーターに送る。開ループ制御は、モーターがコントローラ信号に応答すると仮定する。その後、予期されたモーター応答から位置が判定される。軽負荷モーター及び低速では、開ループ手法はうまく機能する。しかし、開ループステッパーモーター制御システムにおいて、ローターは、ランダム電気ノイズ、高負荷、インパルス負荷、及び／又は制御ライン又はモーター巻線における開路を含む幾つかの理由のため、所望の位置まで整流しない可能性がある。これらの起こり得る欠陥により、多くの位置クリティカル応用例において開ループ制御システムが望ましくないものとなる。

ステッパーモーターがコントローラからの整流信号に従うことを確認するためのシステムにおいて閉ループ手法が用いられることがある。位置的フィードバックは、回転エンコーダをステッパーモーターシャフトに付加すること又は線形エンコーダをそのシステムの別の可動部に付加することによるなど、幾つかの方式で監視され得る。位置的動きを確認するこれらの方法は、付加的な複雑度を付加し、付加的なハードウェアを要求し、全体的なシステムに付加的なコストを付加する。モーター制御では、ローターの動きを感知するために幾つかの外的に整流されるモーターにおいて、バック起電力（ＢＥＭＦ）電圧が用いられる。モーターが電流で駆動されると、カウンタ起電力が電流に対してプッシュする。電気モーターでは、モーターは、コイルが回転すると磁場を通るコイルを有する。従って、モーターは、それがモーターとして回転するのと同時でも、モーターは生成器として働く。結果として生じるＢＥＭＦ電圧は、モーター速度及び位置に比例し、そのため、モーター速度及び位置を間接的に測定するために用いられる。典型的なＢＥＭＦ電圧測定プロセスは、電位をモーターに供給する駆動トランジスタをアイドリングすること、遷移電圧が放電するために充分な時間待機すること、及びその後、ＢＥＭＦに起因する電圧を測定することにより始まる。しかし、ステッパーモーターにおけるＢＥＭＦを測定するこれらの方法の使用には制約がある。ステッパーモーターのためのフルステップモードにおいて、モーター巻線における電流がゼロである時間が存在せず、そのため、ＢＥＭＦ電圧測定は成され得ない。他のオペレーションモードにおいて、初期磁場が減衰するための時間の後、ＢＥＭＦ電圧測定のために利用可能な時間は非常に短い。改善が必要であり、望ましい。

説明される例において、装置が、ステッパーモーターにおけるコイルに電流を供給するように構成されるＦＥＴドライバ回路であって、固定デルタ電流を用いてコイルへの電流をレギュレートするように構成されるＦＥＴドライバ回路と、ＦＥＴドライバ回路に結合され、ステップ制御信号及び方向制御信号に対応するパルスを供給するように構成される電流チョッパーＰＷＭ回路と、電流チョッパーＰＷＭ回路に結合され、オフ時間パルスを測定し、ＢＥＭＦ監視信号を出力するように構成されるバック起電力（ＢＥＭＦ）モニタと、ステップ及び方向制御信号を供給するため電流チョッパーＰＷＭ回路に結合され、及び、ＢＥＭＦ監視信号を受け取るように結合されるコントローラとを含む。

ダイレクトＢＥＭＦ測定及びフィードバックを備える、ステッパーモーターコントローラ、ステッパーモータードライバ、及びステッパーモーターのブロック図である。

フルステップオペレーションにおけるステッパーモーターの位相電流を示すグラフである。

ハーフステップオペレーションにおけるステッパーモーターの位相電流を示すグラフである。

単一モーター位相のための概略である。対応するピーク電流波形のグラフである。

差動Ｖ_ｂｅｍｆ電圧波形、対応するコイル電流波形、及び対応するオン時間パルス波形を示すタイミング図である。

シミュレートされたモーター電圧Ｖｍに対する時間ΔＴ_ｏｎのグラフである。

固定ΔＩステッパーモーターレギュレーション方法の例示の配置のための、差動Ｖ_ｂｅｍｆ電圧波形、対応するコイル電流波形、及び対応するオフ時間パルス波形を示すタイミング図である。

間接的にＢＥＭＦを測定するための例示の配置を備える、ステッパーモーターコントローラ、ステッパーモータードライバ、及びステッパーモーターのブロック図である。

方法配置のためのフローチャートである。

代替の方法配置のためのフローチャートである。

異なる図面における対応する参照番号は及び記号は、別途示されない限り、対応する部分を示す。図面は必ずしも一定の縮尺で描いてはいない。用語「結合される」は、介在要素を用いて成される接続を含み得、「結合される」任意の要素間に付加的な要素及び種々の接続が存在し得る。

ステッパーモーターは、パルス状の信号に応答して精密な機械的モーションを提供する。電気的な電位によって決まる速度で動くＤＣブラシ式モーターとは異なり、ステッパーモーターは、各ステップにおいて一つの位置から別の位置まで精密な漸進的回転で回転する。コントローラが、ステッパーモーターを進めるために必要とされるパルス状の信号を提供する。ステッパーモーターは、ギヤの周りの磁石に整合する鋸歯状鉄ギヤを有し得る。ギヤは、コイルに印加される電流に応答して位置が変化する。パルス幅変調（ＰＷＭ）回路が、コイルにパルスを印加し得る。

図１は、ダイレクトＢＥＭＦ測定及びフィードバックを備える、ステッパーモーターコントローラ、ステッパーモータードライバ、及びステッパーモーターを含むシステムのブロック図である。システム１００は、ステッパーモーターコントローラ、コントローラ１０１、ステッパーモータードライバ、ドライバ１０２、及びステッパーモーター、ＭＴＲ１０４を有する。ステッパーモーター１０４内には、一対のコイル、コイル１１０６及びコイル２１０８が示されている。ステッパーモータードライバであるドライバ１０２は、４つのブロック、電流チョッパーＰＷＭ１１０、ＦＥＴドライバ１１２、ＢＥＭＦ１セクション１２０、及びＢＥＭＦ２セクション１３０を含む。ＢＥＭＦ１セクション１２０は、３つのブロック、ＢＥＭＦ１モニタ１２２、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１２４、及びアナログフロントエンド（ＡＦＥ）１２６を含む。ＢＥＭＦ２セクション１３０は、３つのブロック、ＢＥＭＦ２モニタ１３２、ＡＤＣ１３４、及びＡＦＥ１３６を含む。

コントローラ１０１は、ドライバ１０２に結合される少なくとも２つの入力、ＳＴＥＰ及びDＩＲを有する。コントローラ１０１は、ドライバ１０２から入力ＢＥＭＦを受け取る。電流チョッパーＰＷＭ１１０はＦＥＴドライバ１１２に結合される。コイル１１０６は、ＦＥＴドライバ１１２及びＡＦＥ１２６に結合される。ＡＦＥ１２６はＡＤＣ１２４に結合され、ＡＤＣ１２４は、ＢＥＭＦ１モニタ１２２に結合される。コイル２１０８は、ＦＥＴドライバ１１２及びＡＦＥ１３６に結合される。ＡＦＥ１３６はＡＤＣ１３４に結合され、ＡＤＣ１３４はＢＥＭＦ２モニタ１３２に結合される。

オペレーションにおいて、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）、又はその他の論理デバイスであり得るコントローラ１０１は、ステップ及び方向信号ＳＴＥＰ及びDＩＲをドライバ１０２に提供する。ＳＴＥＰ及びDＩＲ信号は、ステッパーモーターが移動されるステップのステップ距離及び方向を示す。ステップ及び方向信号に応答して、ピーク電流レギュレートされた信号をＦＥＴドライバ１１２に提供するために、ドライバ１０２が電流チョッパーＰＷＭ１１０をアクティブにする。ピーク電流レギュレーションにおいて、パルス幅変調（ＰＷＭ）サイクルの初めに、ドライバ１１２は、高電圧をコイルに印加し、コイル電流は、それが増大するにつれて監視される。電流が所定の限界に達すると、コイルへの電位がオフになり、コイル電流は固定オフ時間、減衰する。各サイクルにおいて、ＦＥＴドライバ１１２は、モーターのコイルへの電流を供給するため、コイル１１０６及びコイル２１０８を駆動する。電流チョッパーＰＷＭ１１０は、電位がコイルに印加されるオン時間を制御するようにオン時間信号を変調するため、パルスをＦＥＴドライバに出力する。この回路は、電流が所定の限界に達するとき電流を「チョップする」ので、回路１１０は、「電流チョッパー」と称される。このように、システムは、電流をレギュレートするためにパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いる。ＢＥＭＦ１セクション１２０は、駆動電流がゼロである時間の間、コイル１１０６を監視する。駆動電流がゼロとなった後、ＡＦＥ１２６は、ＢＥＭＦ電圧を感知及び増幅する。ＡＦＥ１２６はアナログ信号を出力し、ＡＤＣ１２４は、その信号をデジタル化し、デジタル情報をＢＥＭＦ１モニタ１２２に送る。同様のプロセスが、ＢＥＭＦ２セクション１３０を用いてなされる。ＢＥＭＦ２セクション１３０は、駆動電流がゼロである時間の間、コイル２１０８を監視する。駆動電流がゼロとなった後、ＡＦＥ１３６は、ＡＤＣ１３４に、情報をデジタル化させ、ＢＥＭＦ２モニタ１３２に送信させる範囲まで、ＢＥＭＦ電圧を増幅する。コントローラ１０１は、ＢＥＭＦ入力を受け取り、後続のステップ及び方向信号を供給するときＢＥＭＦ情報を組み込む。

図２は、フルステップオペレーションにおけるステッパーモーターの位相電流を示すグラフ２００である。横軸はグラフ２００のための時間であり、縦軸は、ステップ入力２０２信号に対する電圧、位相１電流波形２０４に対する電流、及び位相２電流波形２０６に対する電流である。位相波形は、定常状態電流レベルとして示されている。しかし、位相１電流波形の一部の拡大部２１６は、殆どの定電流レベルを表す定常状態ライン２２０が、図１の電流チョッパー１１０により時間調整され、図１のＦＥＴドライバ１１２により生成される、一連の小さな鋸歯電流ランプ２２０を含むことをより正確に示している。この電流は、上述のＦＥＴドライバ回路へのＰＷＭ信号を用いてほぼ一定の電流レベルを維持するようにレギュレートされる。

フルステップステッパーモーターオペレーションにおいて、位相ＰＨＡＳＥ１及びＰＨＡＳＥ２のいずれも、ＢＥＭＦ電圧を直接測定する機会を残さない非駆動期間ではない。位相１電流波形のゼロ交差２１０及び同相２電流波形のゼロ交差２１２は、電流がゼロアンペアで停止しないことを示す。マイクロステップモーターオペレーションモードでは、コイルがゼロ電流である時間が存在する。しかし、コイル電流がゼロ電流である時間は、ＢＥＭＦ電圧を測定するための時間を提供するには短すぎることがよくある。

図３は、ハーフステップオペレーションにおけるステッパーモーターの位相電流を示すグラフである。グラフ３００において、横軸は時間を表し、縦軸は、ステップ入力３０２に対する電圧、並びに、位相１電流３０４及び位相２電流３０６に対する電流を表す。位相電流に対する定常状態電流レベル表示は、図２における拡大部２１６に類似する一連の小さな鋸歯電流ランプを含む。ハーフステップオペレーションでは、位相１電流波形３０４は、ドライバが駆動しておらず、電流がゼロアンペアである、時間３１０の一部を有する。位相電流がゼロであり、遷移コイル電圧が減衰するために充分な時間が利用可能なとき、ＢＥＭＦ測定が成され得、真のＢＥＭＦ電圧が明らかになる。しかし、モーター速度が増大するにつれて、測定のための利用可能な時間が短くなり、最終的に、測定が成され得る時間は、正確なＢＥＭＦ測定には短すぎる。クォーターステップ又は一層高ステップのオペレーションでは、ゼロ電流の時間が更にいっそう短く、ＢＥＭＦ電圧を測定するための大きな制約となる。一層高速のモーター速度では、ＢＥＭＦ測定を完了するための時間が欠落しているためにダイレクト測定アプローチは機能しない。

図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、単一モーター位相回路のための概略、及びピーク電流波形の対応するグラフである。概略４００は、ハイサイド駆動トランジスタ４１１、ローサイド駆動トランジスタ４１３、モーター巻線４１５、巻線抵抗４１７、及び電圧源４１９として示されるＢＥＭＦ電圧を含む。図４Ａにおけるこの例では、ハイサイドドライバ４１１は導通しており、ローサイドドライバ４１３は、電流矢印４１２により示されるようにオフである。ハイサイドドライバ４１１は、４１０と記されるモーター電圧Ｖｍから、巻線４１５、内部抵抗４１７、ＢＥＭＦ電圧４１９を介して、負の又は接地電位へ、電流を導通する。位相電流レベル（図４Ｂの４１２参照）は、位相電流４１２が、時間Ｔ_ｏｎの間、所定のピーク電流閾値に達するようにするためにハイサイドドライバ４１１をオンにすることによってレギュレートされる。その際、ハイサイドドライバは、固定時間Ｔ_ｏｆｆの間オフにされる（及びローサイドドライバがオンにされる）。固定時間Ｔ_ｏｆｆの終わりに、ハイサイドドライバがオンにされ、プロセスが反復する。上述したように、このプロセスはピーク電流レギュレーションとして知られる。オペレーションは、図４Ｂにおいてグラフ４０１で示される。所定の電流閾値４２０は、図４Ｂにおける鋸歯位相電流４１２波形のピークにおいて示される。波形４１２の初めに、ハイサイドドライバ（図４Ａの４１１）は、４２１と記される時間Ｔ_ｏｎの間、導通する。ピーク電流閾値に達した（図４Ｂの４２７参照）後、ハイサイドドライバは固定期間Ｔ_ｏｆｆ４２３の間オフにされ、電流は、４２５と記される電流差ΔＩ減少する。サイクルは、グラフ４０１の波形４１２に示すように反復する。概略４００及び波形４０１を用いて、電流における変化ΔＩを、下記の式（１）のように表現することができる。

ここで、Ｒは抵抗器４１７の値であり、巻線抵抗Ｉは電流であり、Ｖ_ｂｅｍｆは、図３Ａにおける４１９であるＢＥＭＦに起因する電圧であり、Ｌは、図３Ａのコイル４１５のインダクタンスである。

式（２）により、オン時間Ｔ_ｏｎが与えられる。

ΔＩに対して式（１）を式（２）に代入すると、式（３）によってＴ_ｏｎが与えられる。

式（３）に示すように、オン時間Ｔ_ｏｎはＶ_ｂｅｍｆと共に変化し、これは、Ｖ_ｂｅｍｆを測定するためにＴ_ｏｎを用いることができることを示唆する。オン時間Ｔ_ｏｎは、電流Ｉが所定の最大値に達するまで、モーターにおけるコイルへの電圧Ｖｍを供給するためにモータードライバＦＥＴを制御するために用いられる。その後、電流は次のサイクルまで減衰する。図３に示すように、オン時間Ｔ_ｏｎが変化するので、Ｔ_ｏｎは、Ｖ_ｂｅｍｆを判定することを試みるために用いられ得る。しかし、実際には、この測定には課題がある。式（３）に示すように、Ｔ_ｏｎは、高度に可変のモーター供給電圧Ｖｍ、モーターコイル抵抗Ｒ、及び電圧Ｖ_ｂｅｍｆとは逆に変化する。通常、ＶｍがＶ_ｂｅｍｆよりずっと大きく、Ｖｍにおける高変動を有する場合、Ｖ_ｂｅｍｆ変化をＶｍ変化と区別することは、ロバストな検出方法を提供しない。これ以降に説明されるように、Ｖｍにおける変動を相殺することを試みるために差動測定を用いることは非効率的でもある。

図５は、差動Ｖ_ｂｅｍｆ波形を示すタイミング図である。タイミング図５００は、３つの波形：Ｖ_ｂｅｍｆ５１０、駆動電流５２０、及び位相タイミング５３０を有する。水平又はＸ軸は、タイミング図５００における波形の各々に対する時間である。縦軸は、（ａ）Ｖ_ｂｅｍｆ５１０に対する電圧、（Ｂ）駆動電流５２０に対するアンペア、及び（ｃ）位相タイミング５３０に対する電圧である。Ｖ_ｂｅｍｆ波形５１０は、Ｖ_ｂｅｍｆ電圧の増加ΔＶ_ｂｅｍｆ５１４を示す。駆動電流波形５２０は、ピーク電流閾値５２２、固定時間Ｔ_ｏｆｆ５２４、デルタ電流ΔＩ５２６、及び変化するＴ_ｏｎ５２８を示す。位相波形５３０は、異なる期間の２つの変化するターンオン電圧パルスＴ_ｏｎを示す。Ｔ_ｏｎパルス５３２は、Ｔ_ｏｎパルス５３４より長い。

図５における波形は、ステッパーモーターコイルを駆動する「ピーク電流」方法の別の例である。このピーク電流方法では、Ｔ_ｏｆｆは一定であり、Ｔ_ｏｎは、プログラムされた閾値（図５の５２２）まで電流を駆動するために変化する。式（４）により、オン時間Ｔ_ｏｎにおける変化（ΔＴ_ｏｎ）が与えられる。

式（４）は、差動測定を用いるときでも、差動測定ΔＴ_ｏｎが、変化するモーター電圧Ｖｍ、及び電流Ｉ及び温度依存抵抗Ｒの積に依存することを示す。電圧Ｖｍにおける変動も、一層小さなＶ_ｂｅｍｆ電圧を分かりにくくする。

図６は、差動オン時間ΔＴ_ｏｎに対してグラフ化した、シミュレーションされたモーター電圧Ｖｍの表６００であり、モーター電圧Ｖｍに対する差動量ΔＴ_ｏｎの依存性も図示する。表６００の垂直又はＹ軸は、ΔＴ_ｏｎをマイクロ秒（ｕＳ）で表す。水平又はＸ軸は、Ｖｍをボルト（Ｖ）で表す。データライン６１０は、ΔＴ_ｏｎのシミュレーションを示し、Ｖｍは１０Vから６０Vまで弧を描くように変化する。データライン６１０は、電圧Ｖｍの変化が、ΔＴ_ｏｎに対してダイレクトで非線形の影響を有することを示す。

本願の例示の配置は、ステッパーモーターレギュレーション方式における固定オン時間Ｔ_ｏｎの代わりに、固定デルタ電流範囲ΔＩを用いる。固定ΔＩレギュレーション方法は、モーター電圧Ｖｍに対するΔＴ_ｏｎの依存性を除き、従って、正確でロバストなＢＥＭＦ電圧の評価を可能にする。ＢＥＭＦ測定は、Ｖ_ｂｅｍｆを直接測定することなく、及び位相電流ドライバをディセーブルする必要なく実施される。また、こういった配置の固定ΔＩレギュレーション方法は、モーター電流Ｉがゼロではないときでも、全整流サイクルにわたるＢＥＭＦ電圧評価を可能にする。また、固定ΔＩレギュレーション方法は、モーター電流の位相に関連してＢＥＭＦ電圧を判定することを可能にする。例示の配置において提供されるＶ_ｂｅｍｆ電圧の正確でロバストな評価があれば、Ｖ_ｂｅｍｆ測定値は、外部位置センサを利用することなく及びそれらの外部センサを読むために必要となる関連するハードウェアなしに、ローター動きを判定することが可能となり得る。

図７は、固定ΔＩステッパーモーターレギュレーション方法を用いる配置のオペレーションを示すタイミング図である。タイミング図７００は、３つの波形、Ｖ_ｂｅｍｆ７１０、駆動電流７２０、及び位相タイミング７３０を有する。水平又はｘ軸は、タイミング図７００における波形の各々に対する時間である。Ｖ_ｂｅｍｆ７１０に対する縦軸は、電圧、アンペアでの駆動電流７２０に対する電流、及び位相タイミング７３０に対する電圧である。Ｖ_ｂｅｍｆ波形７１０は、図５におけるΔＶ_ｂｅｍｆ電圧増大５１４に類似する、部分７１１における電圧Ｖ_{ｂｅｍｆ１}と部分７１２における電圧Ｖ_{ｂｅｍｆ２}との間の差動電圧ΔＶ_ｂｅｍｆ７１４を示す。駆動電流波形７２０は、ピーク電流閾値７２２、下側電流閾値７２３、固定デルタ電流ΔＩ７２６、及び変化するＴ_ｏｎ７２８を示す。位相タイミング波形７３０は、２つの変化するターンオフ期間、下側Ｖ_ｂｅｍｆ電圧７１１に対応するＴ_ｏｆｆ１（７３２）、及び高い方のＶ_ｂｅｍｆ電圧７１２に対応するＴ_ｏｆｆ２（７３４）を示す。期間Ｔ_ｏｆｆ１７３２は、期間Ｔ_ｏｆｆ２７３４より短い。駆動電流波形７２０上の２つのエリア、７５０及び７５４は、駆動電流がピーク電流閾値に達した後、生じる。駆動電流波形７２０上の２つのエリア７５２及び７５６は、駆動電流が下側電流閾値に達した後、生じる。オン時間Ｔ_ｏｎは概ね一定として示され、オン時間は、モーターが駆動がされるとき電流Ｉが下側閾値７３２から上側閾値７２２まで上昇する必要がある時間である。オン時間は、モーター抵抗Ｒによって決まり、図７における例において概ね同様であり、また、Ｔ_ｏｎは変化し得る。

オペレーションにおいて、下側閾値及び上側閾値（７２３、７２２）間の電流における変化はΔＩで固定である。オン時間Ｔ_ｏｎの間、コイル電流７２０は、それがピーク電流閾値７２２に達するまで増大する。図７における駆動電流波形７２０を参照すると、ピーク電流閾値はエリア７５０において得られる。時間７５０において、駆動位相７３０はオフにされ、コイル電流はエリア７５２において下側電流閾値７２３に達するまで減衰する。減衰期間Ｔ_ｏｆｆ１７３２は、電圧Ｖ_{ｂｅｍｆ１}、コイル抵抗Ｒ、及びインダクタンスＬに依存性があるが、モーター電圧Ｖｍには依存性がない。電流が期間Ｔ_ｏｆｆ１の終わりにおいて下側電流閾値７２３（エリア７５２において示される）に達した後、プロセスは反復する。エリア７５４への駆動電流波形７２０に続いて、Ｖ_{ｂｅｍｆ１}７１１は、上側電圧Ｖ_{ｂｅｍｆ２}（７１２において示される）に遷移している。コイル電流７２０は、エリア７５４においてピーク電流閾値７２２を達成し、その結果、位相駆動をオフにし、期間Ｔ_ｏｆｆ２７３４が始まる。電流駆動波形７２０に続いて、電流は下側電流閾値７２３（エリア７５６に示される）まで減衰する。Ｖ_ｂｅｍｆレベル７１２がＶ_ｂｅｍｆレベル７１０より高いので、減衰期間Ｔ_ｏｆｆ２７３４は第１のＴ_ｏｆｆ１７３２期間より長い。駆動電流が期間Ｔ_ｏｆｆ２７３４の終わりにおいて下側電流閾値（エリア７５６において）に達した後、プロセスが反復する。電流変化ΔＩが固定である代わりに、この配置では、オフ時間Ｔ_ｏｆｆは固定されない。Ｔ_ｏｆｆ１期間を用いて、ΔＩが下記のように表される。

式（５）は、例示の配置の利用が、高度に可変のモーター電圧ＶｍからＶ_{ｂｅｍｆ１}を独立させることを示す。時間Ｔ_ｏｆｆ１は、コイルインダクタンスＬ、コイル抵抗Ｒ、電流Ｉ、固定デルタ電流ΔＩ、及びＶ_ｂｅｍｆにのみ依存性がある。電流Ｉは監視され、インダクタンスＬは既知であり、ΔＩは既知であり、コイル抵抗Ｒは、種々の温度及び電流Ｉに対して特徴付けられ得る。これらのパラメータを用いて、電圧Ｖ_ｂｅｍｆが、式（５）を用いてコントローラ又はその他のシステム資源により計算され得る。

Ｖ_ｂｅｍｆにおける変化（ΔＶ_ｂｅｍｆ）が所望とされるシステムにおいて、コイル電流Ｉ及び抵抗Ｒは、式（６）を形成する際に示されるように式から除かれる。

式（６）に示すように、電圧Ｖ_ｂｅｍｆにおける変化ΔＶ_ｂｅｍｆは、モーターコイルのインダクタンスＬ、既知のデルタ電流範囲ΔＩ、及び２つの測定されたオフ時間Ｔ_ｏｆｆ１及びＴ_ｏｆｆ２にのみ依存性がある。用語ΔＶ_ｂｅｍｆは、温度依存性のコイル抵抗Ｒに、又は高度に可変のモーター電圧Ｖｍに依存しない。変化ΔＶ_ｂｅｍｆは、Ｔ_ｏｆｆ期間の長さに依存性があるので、ΔＶ_ｂｅｍｆを計算するためにシンプルなカウンタを用いることができる。代替として、Ｔ_ｏｆｆ１及びＴ_ｏｆｆ２に対する時間測定値を用いることができる。モーターの位置は、変化ΔＶ_ｂｅｍｆを用いて判定され得る。本願の配置の利用により、Ｖ_ｂｅｍｆを直接測定するために典型的に用いられる複雑なハードウェアの必要性が低減される。

図８は、間接的にＢＥＭＦを測定する例示の配置を備える、ステッパーモーターコントローラ、ステッパーモータードライバ、及びステッパーモーターを含むシステムのブロック図である。システム８００は、ステッパーモーターコントローラ８０１、ステッパーモータードライバ８０２、及びステッパーモーター８０４を有する。ステッパーモーター８０４内には、一対のコイル、コイル１８０６及びコイル２８０８が示されている。ステッパーモータードライバ８０２は、３つのブロック、電流チョッパーＰＷＭ８１０、ＦＥＴドライバ８１２、及びＢＥＭＦモニタ８２２を含む。

コントローラ８０１は、ＳＴＥＰ及びDＩＲである少なくとも２つの入力を有し、これらはドライバ８０２に結合される。コントローラ８０１は、ドライバ８０２内のＢＥＭＦモニタ８２２から入力ＢＥＭＦを受け取る。電流チョッパーＰＷＭ８１０は、ＦＥＴドライバ８１２及びＢＥＭＦモニタ８２２に結合される。ＦＥＴドライバ８１２は、コイル１８０６及びコイル２８０８に結合される。

一例の配置において、ドライバ８０２は、単一モノリシック半導体回路として実装され得る。別の例示の配置において、ドライバ８０２及びコントローラ８０１が単一半導体回路上に実装され得る。コントローラ８０１は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラユニットなどのプログラマブルデバイスを用いて、又は状態機械などの論理回路要素により実装され得る。フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コンプレックスロジックプログラマブルデバイス（ＣＰＬＤ）、及び特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などのユーザー定義可能な半導体回路が、コントローラ８０１を実装するために用いられ得、代替の配置において、更に、ドライバ８０２を含み得る。こういった配置を実装するためにデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）及びミックスドシグナルプロセッサ（ＭＳＰ）を用いることもできる。

オペレーションにおいて、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラユニット、又はその他の論理デバイスであり得るコントローラ８０１は、ステップ及び方向信号ＳＴＥＰ及びＤＩＲをドライバ８０２に提供する。ステップ及び方向信号に応答して、ドライバ８０２は、所定の電流変化ΔＩを用いることによりレギュレートされるパルス信号をＦＥＴドライバ８１２に提供するために、電流チョッパーＰＷＭ８１０をアクティブにする。このドライバは、図７の波形７３０に示すように動作する。ＦＥＴドライバ８１２は、一つの位相に対してコイル１８０６を、及びステッパーモーターの第２の位相に対してコイル２８０８を駆動する。一例において、ＢＥＭＦモニタ８２２は、電流チョッパー８１０Ｔ_ｏｆｆ出力のパルスレートをカウントし、カウントレート情報をＢＥＭＦ信号を介してコントローラに提供する。別の例において、ＢＥＭＦモニタ８２２内の高周波数基準クロック（２０ＭＨｚなど）が、適時にＴ_ｏｆｆパルス幅を測定するために用いられ、この時間が、ＢＥＭＦ信号上の出力として供給される。コントローラ８０１は、ＢＥＭＦ信号情報を受け取り、ＢＥＭＦ値を計算し、それを後続のステップ及び方向信号に組み込む。コントローラ８０１は、電圧Ｖ_ｂｅｍｆに対するダイレクト計算を用いて、又はモーターステップを追跡するためにＢＥＭＦの変化（ΔＶ_ｂｅｍｆ）を追跡することにより、ステッパーモーターの位置を判定し得る。上述した式５及び６は、コントローラ８０１により計算され得る。

ステッパーモータードライバ８０２のための例示の配置を図１のステッパーモータードライバ１０２と比較すると、ステッパーモータードライバ８０２に必要とされるハードウェアの量及び複雑度は、図１のステッパーモータードライバ１０２に示されている対のＡＦＥ１２６及び１３６及びＡＤＣ１２４及び１３４により低減されている。また、整流サイクルの間の任意の時間に及び任意のステッピングモードでＢＥＭＦ電圧を間接的に判定するステッパーモータードライバ８０２の能力は、ローター動きに対するＢＥＭＦ電圧を判定及び用いるために一層ロバストな例示の配置を含むステッパーモータードライバ８０２をつくる。

図９は、方法配置９００を説明するフローチャートである。図９において、固定デルタ電流をステッパーモーターに供給するドライバについてオフ時間Ｔ_ｏｆｆの長さを判定するための方法が示される。式（５）に示すように、電流変化ΔＩが既知であるので、電流Ｉ、抵抗Ｒ、及びインダクタンスＬ値を用いて、ＢＥＭＦに起因する電圧Ｖ_ｂｅｍｆを判定するためにオフ時間Ｔ_ｏｆｆを用いることができる。

この方法は工程９０１の「開始」で始まる。この方法は、ドライバが、図１に示すようなステッパーモーターの位相に対するコイルへの電流供給を始める工程９０３に移る。一例において、パワーＦＥＴなどのハイサイドドライバデバイスが、コイルをモーター電圧Ｖｍに結合する。この方法は、電流がテストされる工程９０５に移る。コイルを介する電流であるコイル電流が監視される。判定工程９０５で偽である場合、この方法は、工程９０３でコイルへの電流を供給することで継続する。図７に示すように、電流が所定の最大値Ｉ_ｍａｘに達すると、この方法は工程９０７に移る。

工程９０７で、カウンタが初期化される。例えば、カウンタは、図８におけるＢＥＭＦモニタブロック８２２にあり得る。この方法はその後、工程９０９に続く。工程９０９で、オフ時間Ｔ_ｏｆｆは、コイルを接地電位に結合することによって実施される。この方法は、コイル電流がテストされる判定ブロック９１１に移る。コイル電流が最小電流Ｉ_ｍｉｎより大きい場合、この方法は工程９１５に移り、カウンタをインクリメントする。この方法はその後、方法工程９０９で、オフ時間Ｔ_ｏｆｆを実施することで継続し、電流が最小電流に達するまで図７に示すような所定の最小電流に対して電流をテストする。電流が最小電流Ｉ_ｍｉｎより大きい間、カウンタは、Ｔ_ｏｆｆ期間の間、時間をカウントするために工程９１５でインクリメントされる。ブロック９１１における判定が真であるとき、この方法は、時間期間Ｔ_ｏｆｆを示すカウントを出力する。この方法はその後、工程９０３に戻り、電流をモーターに供給することにより継続する。このサイクルは反復する。図７に示すように、この方法は、モーターコイルへの電流をレギュレートするために、固定電流変化ΔＩを用いて電流を供給する。

図１０は、ＢＥＭＦ電圧における変化ΔＶ_ｂｅｍｆを判定するため、Ｔ_ｏｆｆカウンタ測定値（又は、代替として、Ｔ_ｏｆｆ時間）を用いるための方法１０００をフローチャートで図示する。図８において、図１０の方法がコントローラ８０１内に実装され得る。

図１０において、この方法は工程１００１で始まる。工程１００３で、オフ時間Ｔ_ｏｆｆ１の間、第１の値が受信される。一例において、コントローラ８０１は、ＢＥＭＦモニタ８２２からオフ時間カウントを受信し得る。Ｔ_ｏｆｆカウントは、時間Ｔ_ｏｆｆの持続期間に対応する。工程１００５で、第２のオフ時間Ｔ_ｏｆｆ２が受信される。また、図８において、コントローラ８０１は、ＢＥＭＦモニタ８２２から第２のオフ時間カウントを受信し得る。工程１００７で、上述した式（６）を用いてΔＶ_ｂｅｍｆの変化が計算される。モーターの位置は、Ｖ_ｂｅｍｆの変化を用いて判定され得る。例えば、図７に示すように、変化ΔＶ_ｂｅｍｆは、位置変化に対応する。

代替のアプローチにおいて、図８におけるコントローラ８０１は、電圧Ｖ_ｂｅｍｆ及び式（５）を用いてモーター位置を判定し得る。式（５）における計算は抵抗Ｒに依存し、抵抗Ｒは温度依存性である。

こういった配置では、フルステップオペレーションに対しても、ステッパーモーターに対する電圧Ｖ_ｂｅｍｆが判定され得る。電流に対して固定範囲をレギュレーション方法として利用することにより、こういった配置は、電圧Ｖｍとは独立して、及びゼロ電流状況を起こすことなしに、ＢＥＭＦ電圧Ｖ_ｂｅｍｆ、又はＶ_ｂｅｍｆにおける変化を判定することを可能にする。ＢＥＭＦ電圧を用いてモーター位置が判定され得る。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。

Claims

方法であって、
オン時間とオフ時間とを有するパルス幅変調された信号を周期的にステッパーモーターにおけるコイルに供給することであって、前記オン時間が前記コイルにおける電流を所定の最小電流から所定の最大電流まで増大させる時間に対応し、前記オフ時間が前記コイルにおける電流を前記所定の最大電流から所定の最小電流まで低減させる時間に対応する、前記供給することと、
第１のサイクルにおいて、前記パルス幅変調された信号を供給して第１のオフ時間を測定することと、
第２のサイクルにおいて、前記パルス幅変調された信号を供給して第２のオフ時間を測定することと、
前記コイルのインダクタンスと前記電流における固定された変化と前記第１のオフ時間と前記第２のオフ時間との間の差とを用いて、前記ステッパーモーターに対する逆起電力（ＢＥＭＦ）に起因する電圧における変化を判定することと、
を含む、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のオフ時間を測定することが、第１のオフ時間の間に既知の周波数のパルスをカウントすることと、前記第１のオフ時間に比例する第１のカウントをストアすることとを含む、方法。
請求項２に記載の方法であって、
前記第２のオフ時間を測定することが、第２のオフ時間の間に既知の周波数のパルスをカウントすることと、前記第２のオフ時間に比例する第２のカウントをストアすることと含む、方法。
請求項３に記載の方法であって、
前記第１のカウントと前記第２のカウントとが、前記電流を前記コイルに供給する駆動回路に結合される逆起電力モニタにおけるカウンタを用いて形成される、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のオフ時間と前記第２のオフ時間との間の差を用いることが、前記第１のオフ時間から前記第２のオフ時間を減じることを含む、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記ステッパーモーターに対する逆起電力に起因する電圧における前記変化ΔＶ_ｂｅｍｆを判定することが、
ΔＶ_ｂｅｍｆ＝Ｌ×ΔＩ（（１／Ｔ_ｏｆｆ２）－（１／Ｔ_ｏｆｆ１））
を計算することを含み、Ｔ_ｏｆｆ１が前記第１のオフ時間であり、Ｔ_ｏｆｆ２が前記第２のオフ時間であり、ΔＩが前記所定の最大電流と前記所定の最小電流との間の差であり、Ｌが前記コイルのインダクタンスである、方法。
ステッパーモーターのための逆起電力（ＢＥＭＦ）電圧を判定するための方法であって、
ＦＥＴドライバ回路に結合される電流チョッパーパルス幅変調回路を用いてステッパーモーターにおけるコイルに電圧を供給することであって、前記電流チョッパーパルス幅変調回路がステップ制御信号と方向制御信号とに対応するパルスを供給するように構成され、前記パルスがコイルにおける電流を所定の最大電流まで増加させるために要求されるオン時間の間に供給される、前記ステッパーモーターにおけるコイルに電圧を供給することと、
前記コイルにおける電流を所定の最小電流まで低減させ得ることに対応するオフ時間の間に前記ステッパーモーターにおけるコイルへの電圧を取り除くことと、
前記オフ時間の期間を測定するために基準クロックの複数のパルスをカウントすることと、
前記所定の最小電流と前記所定の最大電流と間の電流における変化と、前記オフ時間と、前記コイルのインダクタンスと、前記コイルにおける電流と、前記コイルの抵抗とを用いて、前記ＢＥＭＦに起因する電圧を判定することと、
を含む、方法。
請求項７に記載の方法であって、
前記ＢＥＭＦに起因する電圧を判定することが、
（１／Ｔ_ｏｆｆ１）＝（Ｉ×Ｒ－Ｖ_{ｂｅｍｆ１}）／（Ｌ×ΔＩ）
を計算することを含み、Ｔ_ｏｆｆ１が前記オフ時間であり、ΔＩが前記所定の最大電流と前記所定の最小電流との間の差である固定デルタ電流であり、Ｌが前記コイルのインダクタンスであり、Ｉが前記コイルへの定電流であり、Ｒが前記コイルの抵抗であり、Ｖ_{ｂｅｍｆ１}が前記ＢＥＭＦに起因する電圧である、方法。
請求項８に記載の方法であって、
前記ステッパーモーターの位置を判定するために前記Ｖ_{ｂｅｍｆ１}電圧を用いることを更に含む、方法。
装置であって、
ステッパーモーターにおけるコイルに電流を供給し、固定デルタ電流ΔＩを用いて前記コイルへの前記電流をレギュレートするように構成されるＦＥＴドライバ回路と、
前記ＦＥＴドライバ回路に結合される電流チョッパーパルス幅変調回路であって、ステップ制御信号と方向制御信号とに対応するパルスを供給するように構成される、前記電流チョッパーパルス幅変調回路と、
前記電流チョッパーパルス幅変調回路に結合され、オフ時間パルスを測定して逆起電力（ＢＥＭＦ）監視信号を出力するように構成されるＢＥＭＦモニタであって、前記オフ時間期間に対応するカウントを形成するためにオフ時間の間に前記電流チョッパーパルス幅変調回路からのパルスをカウントするカウンタを含む、前記前記ＢＥＭＦモニタと、
前記ステップ制御信号と前記方向制御信号とを供給するために前記電流チョッパーパルス幅変調回路に結合され、前記ＢＥＭＦ監視信号を受け取るように更に結合されるコントローラであって、前記オフ時間パルスに対して前記オフ時間Ｔ_ｏｆｆ１に対応する前記カウントを受け取り、ΔＩが前記固定デルタ電流であり、Ｌが前記コイルのインダクタンスであり、Ｒが前記モーターの抵抗であり、Ｉが前記モーターへの定電流であり、Ｖ_{ｂｅｍｆ１}が前記ＢＥＭＦに起因する前記電圧である、
（１／Ｔ_ｏｆｆ１）＝（Ｉ×Ｒ－Ｖ_{ｂｅｍｆ１}）／（Ｌ×ΔＩ）
を計算することによって前記ＢＥＭＦに起因する電圧を判定するように構成される、前記コントローラと、
を含む、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記ＦＥＴドライバが、前記電流が所定の最大電流まで増大するまでオン時間の間に前記コイルに前記電流を供給し、前記電流が所定の最小電流まで減少するまで継続するオフ時間の間に前記コイルへの電流の供給を停止するように更に構成され、
前記所定の最大電流と前記所定の最小電流との間の差が前記固定デルタ電流ΔＩである、装置。
請求項１１に記載の装置であって、
前記コントローラが、
第１のモーターオペレーションに対する第１のオフ時間に対応する第１のカウントを受信し、
第２のモーターオペレーションに対する第２のオフ時間に対応する第２のカウントを受信し、
Ｔ_ｏｆｆ２が前記第２のカウントに対応し、Ｔ_ｏｆｆ１が前記第１のカウントに対応し、ΔＩが前記固定デルタ電流であり、Ｌが前記コイルのインダクタンスに対応する、
ΔＶ_ｂｅｍｆ＝Ｌ×ΔＩ（（１／Ｔ_ｏｆｆ２）－（１／Ｔ_ｏｆｆ１））
を計算することによって前記ＢＥＭＦに起因する電圧における変化ΔＶ_ｂｅｍｆを判定するように構成される、装置。
請求項１２に記載の装置であって、
前記コントローラが、前記ＢＥＭＦに起因する前記電圧における前記変化に対応するモーター位置を判定するように更に構成される、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記電流チョッパーパルス幅変調回路と前記ＦＥＴドライバ回路と前記ＢＥＭＦモニタとが、モノリシック半導体回路上に形成される、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記ステッパーモーターが、第１のコイルとしての前記コイルを含み、少なくとも第２のコイルを更に含む、装置