JP7256044B2 - ステッピングモータの駆動回路およびその駆動方法、それを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動技術に関する。

ステッピングモータは、電子機器、産業機械、ロボットにおいて広く採用される。ステッピングモータは、ホストコントローラが生成する入力クロックに同期して回転する同期モータであり、起動、停止、位置決めに優れた制御性を持っている。さらにステッピングモータは、オープンループでの位置制御が可能であり、またデジタル信号処理に適するという特性を有する。

図１は、従来のステッピングモータとその駆動回路を備えるモータシステムのブロック図である。ホストコントローラ２は、駆動回路４に対して、入力クロックＣＬＫを供給する。駆動回路４は、入力クロックＣＬＫと同期して、励磁位置を変化させる。

図２は、励磁位置を説明する図である。励磁位置は、ステッピングモータ６の２個のコイルＬ１，Ｌ２に流れるコイル電流（駆動電流）Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２の組み合わせとして把握される。図２には、８個の励磁位置１～８が示されている。１相励磁では、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２に交互に電流が流れ、励磁位置２，４，６，８を遷移する。２相励磁では、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２の両方に電流が流れ、励磁位置１，３，５，７を遷移する。１－２相励磁は、１相励磁と２相励磁の組み合わせであり、励磁位置１～８を遷移する。マイクロステップ駆動では、さらに励磁位置が細かく制御される。

図３は、ステッピングモータの駆動シーケンスを説明する図である。始動時に、入力クロックＣＬＫの周波数ｆ_ＩＮは時間とともに上昇し、ステッピングモータが加速する。そして、周波数ｆ_ＩＮがある目標値に到達すると、一定に保たれ、ステッピングモータが定速回転する。その後、ステッピングモータを停止させる際には、入力クロックＣＬＫの周波数を低下させ、ステッピングモータを減速させる。図３の制御を台形波駆動とも称する。

通常状態において、ステッピングモータのロータは、入力クロック数に比例したステップ角ずつ同期して回転する。ところが、急な負荷変動や速度変化が生ずると同期が失われる。これを脱調という。ひとたび脱調すると、その後、ステッピングモータを正常に駆動するために特別な処理が必要となるため、脱調を防止することが望まれる。

そこで、脱調の可能性が高い加速時および減速時においては、速度変化に対して脱調が起こらない程度に十分大きい出力トルクが得られるように、駆動電流の目標値Ｉ_ＲＥＦを、固定的な値Ｉ_ＦＵＬＬに設定する（高トルクモード）。

回転数が安定し、脱調の可能性が低い状況では、駆動電流の目標値Ｉ_ＲＥＦを減少させて、効率を改善させる（高効率モード）。特許文献５には、脱調を防止しつつ、出力トルク（すなわち電流量）をフィードバックにより最適化することにより、消費電力を低減して効率を改善する技術が提案されている。具体的には逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦにもとづいて負荷角φを推定し、負荷角φが目標値φ_ＲＥＦに近づくように駆動電流（コイル電流）Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２の目標値Ｉ_ＲＥＦがフィードバック制御される。逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦは式（１）で表される。
Ｖ_ＢＥＭＦ＝Ｋ_Ｅ×ω×ｃｏｓφ …（１）
ωはステッピングモータの角速度（以下、回転数あるいは周波数という）であり、Ｋ_Ｅは逆起電力定数である。

特許文献５に記載の技術では、負荷角にもとづく検出値ｃｏｓφが、その目標値ｃｏｓ（φ_ＲＥＦ）に近づくように、フィードバックループが形成され、高効率モードにおけるコイル電流Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２が最適化される。

特開平９－１０３０９６号公報 特開２００４－１２０９５７号公報 特開２０００－１８４７８９号公報 特開２００４－１８０３５４号公報 特許第６２５８００４号公報

従来、高効率モードを選択中に、負荷変動が生じたときに、負荷変動に追従できなくなくなってステッピングモータの回転が不安定になるという状況が生じていた。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、負荷変動に対する追従性を改善した駆動回路の提供にある。

本発明のある態様は、ステッピングモータの駆動回路に関する。駆動回路は、ステッピングモータのコイルに生ずる逆起電力を検出する逆起電力検出回路と、ステッピングモータの回転数を示す回転数検出信号を生成する回転数検出回路と、逆起電力にもとづくフィードバック信号とその目標値の誤差がゼロに近づくように電流設定値を生成するフィードバックコントローラを含み、フィードバックコントローラのパラメータが、回転数検出信号にもとづいて変化する電流値設定回路と、コイルに流れるコイル電流の検出値が電流設定値にもとづく目標量に近づくようにパルス変調されるパルス変調信号を生成する定電流チョッパ回路と、パルス変調信号に応じて、コイルに接続されるブリッジ回路を制御するロジック回路と、を備える。

この態様によると、回転数に応じてフィードバックループの応答特性を最適化することができ、負荷変動や入力変動に対する追従性を改善できる。

フィードバックコントローラは、パラメータとして比例ゲインおよび積分ゲインを有するＰＩ制御器であり、比例ゲインが回転数検出信号にもとづいて変化し、積分ゲインは一定であってもよい。比例ゲインのみを可変とすることで、パラメータ変更時に系が不安定になるのを防止できる。

比例ゲインは、回転数に対して単調増加してもよい。

フィードバックコントローラは、回転数検出信号を所定の少なくともひとつのしきい値と比較し、比較結果に応じて、パラメータの値を選択してもよい。

回転数検出信号は、駆動回路に入力される入力クロックまたはそれにもとづく内部信号の周期であってもよい。

電流値設定回路は、逆起電力にもとづいて負荷角を推定する負荷角推定部を含んでもよい。フィードバック信号は、負荷角に応じていてもよい。

フィードバック信号は逆起電力であってもよい。ＰＩ制御器は、逆起電力がその目標値に近づくように電流設定値を調節してもよい。

定電流チョッパ回路は、コイル電流の検出値を、電流設定値にもとづくしきい値と比較するコンパレータと、所定の周波数で発振するオシレータと、コンパレータの出力に応じてオフレベルに遷移し、オシレータの出力に応じてオンレベルに遷移するパルス変調信号を出力するフリップフロップと、を含んでもよい。

駆動回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を１つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば負荷変動や入力変動に対する追従性を改善できる。

従来のステッピングモータとその駆動回路を備えるモータシステムのブロック図である。 励磁位置を説明する図である。 ステッピングモータの駆動シーケンスを説明する図である。 実施の形態に係る駆動回路を備えるモータシステムのブロック図である。 駆動回路の構成例を示す回路図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、回転数ωと比例ゲインＫ_Ｐの関係を示す図である。 図５の駆動回路の動作波形図である。 回転数検出回路およびパラメータ生成部の構成例を示す回路図である。 電流値設定回路の別の構成例を示す図である。 図１０（ａ）～（ｃ）は、駆動回路を備える電子機器の例を示す斜視図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

（実施の形態）
図４は、実施の形態に係る駆動回路２００を備えるモータシステム１００のブロック図である。駆動回路２００は、ステッピングモータ１０２およびホストコントローラ２とともにモータシステム１００を構成する。ステッピングモータ１０２は、ＰＭ（Permanent Magnet）型、ＶＲ型（Variable Reluctance）型、ＨＢ（Hybrid）型のいずれであってもよい。

駆動回路２００の入力ピンＩＮには、ホストコントローラ２から入力クロックＣＬＫが入力される。また駆動回路２００の方向指示ピンＤＩＲには、時計回り（ＣＷ）、反時計回り（ＣＣＷ）を指示する方向指示信号ＤＩＲが入力される。

駆動回路２００は、入力クロックＣＬＫが入力されるたびに、方向指示信号ＤＩＲに応じた方向に、ステッピングモータ１０２のロータを所定角、回転させる。

駆動回路２００は、ブリッジ回路２０２＿１，２０２＿２、電流値設定回路２１０、逆起電力検出回路２３０、回転数検出回路２３２、定電流チョッパ回路２５０＿１，２５０＿２、ロジック回路２７０、モードセレクタ２９０を備え、ひとつの半導体基板上に一体集積化される。

本実施の形態において、ステッピングモータ１０２は２相モータであり、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２を含む。駆動回路２００の駆動方式は特に限定されず、１相励磁、２相励磁、１－２相励磁、あるいはマイクロステップ駆動（Ｗ１－２相駆動、２Ｗ１－２相駆動など）のいずれであってもよい。

第１チャンネルＣＨ１のブリッジ回路２０２＿１は、第１コイルＬ１と接続される。第２チャンネルＣＨ２のブリッジ回路２０２＿２は、第２コイルＬ２と接続される。

ブリッジ回路２０２＿１、２０２＿２はそれぞれ、４つのトランジスタＭ１～Ｍ４を含むＨブリッジ回路である。ブリッジ回路２０２＿１のトランジスタＭ１～Ｍ４は、ロジック回路２７０からの制御信号ＣＮＴ１にもとづいてスイッチングされ、それにより、第１コイルＬ１の電圧（第１コイル電圧ともいう）Ｖ_ＯＵＴ１がスイッチングされる。

ブリッジ回路２０２＿２は、ブリッジ回路２０２＿１と同様に構成され、そのトランジスタＭ１～Ｍ４は、ロジック回路２７０からの制御信号ＣＮＴ２にもとづいてスイッチングされ、それにより、第２コイルＬ２の電圧（第２コイル電圧ともいう）Ｖ_ＯＵＴ２がスイッチングされる。

電流値設定回路２１０は、電流設定値Ｉ_ＲＥＦを生成する。ステッピングモータ１０２の始動直後は、電流設定値Ｉ_ＲＥＦはある所定値（フルトルク設定値という）Ｉ_ＦＵＬＬに固定される。所定値Ｉ_ＦＵＬＬは、電流設定値Ｉ_ＲＥＦが取り得る範囲の最大値としてもよく、この場合、ステッピングモータ１０２はフルトルクで駆動される。この状態を高トルクモードと称する。

ステッピングモータ１０２が安定的に回転しはじめると、言い換えると脱調のおそれが低下すると、高効率モードに遷移する。電流値設定回路２１０は高効率モードにおいて、電流設定値Ｉ_ＲＥＦを、フィードバック制御により調整し、これにより消費電力を削減する。

逆起電力検出回路２３０は、ステッピングモータ１０２のコイルＬ１（Ｌ２）に生ずる逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}（Ｖ_{ＢＥＭＦ２}）を検出する。逆起電力の検出方法は特に限定されず、公知技術を用いればよい。一般的には逆起電力は、ある検出窓（検出区間）を設定し、コイルの両端をハイインピーダンスとし、そのときのコイルの電圧をサンプリングすることにより得ることができる。たとえば１相励磁や１－２相励磁では、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}（Ｖ_{ＢＥＭＦ２}）を、監視対象のコイルの一端（ブリッジ回路の出力）がハイインピーダンスとなる励磁位置（図２の２，４，６，８）ごとに、すなわち所定の励磁位置ごとに測定することができる。

回転数検出回路２３２は、ステッピングモータ１０２の回転数（ω）を取得し、回転数ωを示す検出信号を生成する。たとえば回転数検出回路２３２は、回転数ωの逆数に比例する周期Ｔ（＝２π／ω）を測定し、周期Ｔを検出信号として出力してもよい。脱調が生じていない状況では、入力クロックＣＬＫの周波数（周期）は、ステッピングモータ１０２の回転数（周期）と比例する。したがって回転数検出回路２３２は、入力クロックＣＬＫ、またはそれにもとづいて生成される内部信号の周期を測定し、検出信号としてもよい。

定電流チョッパ回路２５０＿１は、第１コイルＬ１の通電中に、第１コイルＬ１に流れるコイル電流Ｉ_Ｌ１の検出値Ｉ_ＮＦ１が電流設定値Ｉ_ＲＥＦにもとづく目標量に近づくようにパルス変調されるパルス変調信号Ｓ_ＰＷＭ１を生成する。定電流チョッパ回路２５０＿２は、第２コイルＬ２に通電中に、第２コイルＬ２に流れるコイル電流Ｉ_Ｌ２の検出値Ｉ_ＮＦ２が電流設定値Ｉ_ＲＥＦに近づくようにパルス変調されるパルス変調信号Ｓ_ＰＷＭ２を生成する。

ブリッジ回路２０２＿１，２０２＿２はそれぞれ、電流検出抵抗Ｒ_ＮＦを含み、電流検出抵抗Ｒ_ＮＦの電圧降下が、コイル電流Ｉ_Ｌの検出値となる。なお、電流検出抵抗Ｒ_ＮＦの位置は限定されず、電源側に設けてもよいし、ブリッジ回路の２つの出力の間に、コイルと直列に設けてもよい。

ロジック回路２７０は、パルス変調信号Ｓ_ＰＷＭ１に応じて、第１コイルＬ１に接続されるブリッジ回路２０２＿１を制御する。またロジック回路２７０は、パルス変調信号Ｓ_ＰＷＭ２に応じて、第２コイルＬ２に接続されるブリッジ回路２０２＿２を制御する。

ロジック回路２７０は、入力クロックＣＬＫが入力される度に、励磁位置を変化させ、電流を供給するコイル（もしくはコイルのペア）を切り替える。励磁位置は、第１コイルＬ１のコイル電流と第２コイルＬ２それぞれのコイル電流の大きさと向きの組み合わせとして把握される。励磁位置は、入力クロックＣＬＫのポジエッジのみに応じて遷移してもよいし、ネガエッジのみに応じて遷移してもよいし、それらの両方に応じて遷移してもよい。

上述のように、電流値設定回路２１０は、（i）コイル電流の振幅を規定する電流設定値Ｉ_ＲＥＦをフルトルクに相当する大きな値に固定する高トルクモードと、（ii）電流設定値Ｉ_ＲＥＦをフィードバック制御により調整する高効率モードとが切り替え可能に構成される。

電流値設定回路２１０は、フィードバックコントローラ２２０を含む。フィードバックコントローラ２２０は、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}にもとづくフィードバック信号Ｄ_ＦＢとその目標値ＲＥＦの誤差がゼロに近づくように電流設定値Ｉ_ＲＥＦを生成する。フィードバックコントローラ２２０のパラメータは、回転数検出信号Ｔにもとづいて変化する。

電流値設定回路２１０の動作モードは、モードセレクタ２９０が生成するモード選択信号ＭＯＤＥに応じて選択される。モード選択信号ＭＯＤＥは、ハイが高効率モードに、ローが高トルクモードに割り当てられる。

たとえばモードセレクタ２９０は、回転数検出信号Ｔを監視し、ステッピングモータ１０２の回転数が所定のしきい値より高いときに、高効率モードを選択してもよい。

より好ましくは、モードセレクタ２９０は、回転数検出回路２３２が生成する回転数検出信号Ｔが、連続する複数サイクルにわたり安定であるときにモード選択信号ＭＯＤＥをアサート（ハイ）し、不安定であるときにモード選択信号ＭＯＤＥをネゲート（たとえばロー）する。

図５は、駆動回路２００の構成例を示す回路図である。図５には、第１コイルＬ１に関連する部分のみが示される。

ロジック回路２７０は、入力クロックＣＬＫと同期して励磁位置を変化させる。ロジック回路２７０において、いくつかの中間信号が生成される。それらのうち、タイミング信号ＰＨＡＳＥ＿Ａ、ＰＨＡＳＥ＿Ｂは、出力ＯＵＴ１Ａがハイインピーダンスとなる期間あるいはタイミング、出力ＯＵＴ１Ｂがハイインピーダンスとなる期間あるいはタイミングを示す信号として利用できる。

逆起電力検出回路２３０は、タイミング信号ＰＨＡＳＥ＿Ａ，ＰＨＡＳＥ＿Ｂに応答して、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}を測定する。

回転数検出回路２３２は、カウンタ２３４を含む。カウンタ２３４は、タイミング信号ＰＨＡＳＥ＿Ａ、ＰＨＡＳＥ＿Ｂの少なくとも一方の周期Ｔを測定する。タイミング信号ＰＨＡＳＥ＿Ａ，ＰＨＡＳＥ＿Ｂの周期Ｔは、ステッピングモータ１０２の回転数に反比例する回転数検出信号である。

モードセレクタ２９０は、回転数検出信号を監視し、入力クロックＣＬＫの周波数が一定であり、かつしきい値より大きいときに、モード選択信号ＭＯＤＥをハイとし、そうでないときにモード選択信号ＭＯＤＥをローとする。モード選択信号ＭＯＤＥは、電流値設定回路２１０に供給される。電流値設定回路２１０は、モード選択信号ＭＯＤＥがローのとき、高トルクモードとなり、モード選択信号ＭＯＤＥがハイのとき、高効率モードとなる。

電流値設定回路２１０は、フィードバックコントローラ２２０、フィードフォワードコントローラ２４０、マルチプレクサ２１２を含む。フィードフォワードコントローラ２４０は、始動開始直後の高トルクモードにおいて使用される固定的な電流設定値Ｉｘ（＝Ｉ_ＦＵＬＬ）を出力する。

フィードバックコントローラ２２０は、高効率モードにおいてアクティブとなり、逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦにもとづいてフィードバック制御される電流設定値Ｉｙを出力する。

マルチプレクサ２１２は、モード選択信号ＭＯＤＥに応じて、２つの信号Ｉｘ，Ｉｙの一方を選択し、電流設定値Ｉ_ＲＥＦとして出力する。

フィードバックコントローラ２２０は、負荷角推定部２２２、減算器２２４、ＰＩ（比例・積分）制御器２２６を含む。

負荷角推定部２２２は、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}にもとづいて負荷角φを推定する。負荷角φは、第１コイルＬ１に流れる駆動電流で定まる電流ベクトル（つまり位置指令）と、ロータ（可動子）の位置の差に相当する。上述のように、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}は、以下の式で与えられる。
Ｖ_{ＢＥＭＦ１}＝Ｋ_Ｅ・ω・ｃｏｓφ
Ｋ_Ｅは逆起電力定数、ωは回転数である。したがって、逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦを測定することで、負荷角φと相関を有する検出値を生成することができる。たとえば、ｃｏｓφを検出値としてもよく、この場合、検出値は式（２）で表される。
ｃｏｓφ＝Ｖ_{ＢＥＭＦ１}・ω^－１／Ｋ_Ｅ
＝Ｖ_{ＢＥＭＦ１}・（Ｔ／２π）・Ｋ_Ｅ ^－１ …（２）

フィードバックコントローラ２２０は、推定された負荷角φが所定の目標角φ_ＲＥＦに近づくように、電流設定値Ｉｙを生成する。具体的には減算器２２４は、負荷角φにもとづく検出値ｃｏｓφとその目標値ｃｏｓ（φ_ＲＥＦ）の誤差ＥＲＲを生成する。ＰＩ制御器２２６は、誤差ＥＲＲがゼロとなるようにＰＩ制御演算を行い、電流設定値Ｉｙを生成する。

ＰＩ制御器２２６は、制御パラメータとして、比例ゲインＫ_Ｐと積分ゲインＫ_Ｉを含む。比例ゲインＫ_Ｐが回転数検出信号Ｔにもとづいて変化し、積分ゲインＫ_Ｉは一定である。パラメータ生成部２２８は、回転数検出信号Ｔに応じた比例ゲインＫ_ＰをＰＩ制御器２２６に設定する。

定電流チョッパ回路２５０＿１は、Ｄ／Ａコンバータ２５２、ＰＷＭコンパレータ２５４、オシレータ２５６、フリップフロップ２５８を含む。Ｄ／Ａコンバータ２５２は、電流設定値Ｉ_ＲＥＦをアナログ電圧Ｖ_ＲＥＦに変換する。ＰＷＭコンパレータ２５４は、フィードバック信号Ｉ_ＮＦ１を基準電圧Ｖ_ＲＥＦと比較し、Ｉ_ＮＦ１＞Ｖ_ＲＥＦとなると、オフ信号Ｓ_ＯＦＦをアサート（ハイ）する。オシレータ２５６は、チョッピング周波数を規定する周期的なオン信号Ｓ_ＯＮを生成する。フリップフロップ２５８は、オン信号Ｓ_ＯＮに応じてオンレベル（たとえばハイ）に遷移し、オフ信号Ｓ_ＯＦＦに応じてオフレベル（たとえばロー）に遷移するＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭ１を出力する。

図６（ａ）、（ｂ）は、回転数ωと比例ゲインＫ_Ｐの関係を示す図である。比例ゲインＫ_Ｐは、回転数ωに対して単調増加であることが好ましい。比例ゲインＫ_Ｐは、周期Ｔに対して単調減少である。

図６（ａ）に示すように、比例ゲインＫ_Ｐは、離散的な複数の値から選択されてもよい。あるいは図６（ｂ）に示すように、回転数ωの関数として連続的に変化してもよい。

図７は、図５の駆動回路２００の動作波形図である。図７には、周波数の異なる３つの入力クロックＣＬＫの波形に対応する動作（i）～（iii）が示される。

時刻ｔ_０に、入力クロックＣＬＫが入力され、その周波数は時間とともに増大していく。この間、高トルクモードが選択され、電流指令値Ｉ_ＲＥＦは、高トルク設定値Ｉ_ＦＵＬＬに固定される。

そして時刻ｔ_１に入力クロックＣＬＫの周波数ｆ_ＩＮ、言い換えればステッピングモータ１０２の回転数が安定すると、高効率モードに移行する。

動作（i）～（iii）では、入力クロックＣＬＫの周波数ｆ_ＩＮ、すなわちステッピングモータの回転数が異なっており、入力クロックＣＬＫの周波数ｆ_ＩＮにもとづいて、フィードバックコントローラ２２０のパラメータ（比例ゲインＫ_Ｐ）が選択される。具体的には、周波数ｆ_１、ｆ_２，ｆ_３それぞれに対して、Ｋ_Ｐ１、Ｋ_Ｐ２，Ｋ_Ｐ３が選択される。

高効率モードでは、電流設定値Ｉ_ＲＥＦは、入力クロックＣＬＫの周波数ｆ_ＩＮに応じて、すなわち回転数に応じて、異なる値Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３に収束する。

時刻ｔ_２～ｔ_３の間、負荷が大きくなる。負荷が大きくなると、ロータの回転数を維持するために、電流指令値Ｉ_ＲＥＦが増加するようにフィードバックがかかる。モータの回転数が高いほど、大きな比例ゲインＫ_Ｐで電流指令値Ｉ_ＲＥＦが調節されるため、電流指令値Ｉ_ＲＥＦは、高負荷に対応する値まで速やかに増加する。時刻ｔ_３に負荷が元に戻ると、電流指令値Ｉ_ＲＥＦは、もとの負荷に対応する値まで速やかに減少する。これにより、実際の回転数はほとんど低下しない。

比較のために、比例ゲインＫ_Ｐを、周波数ｆ_ＩＮにかかわらず、一定（Ｋ_Ｐ１）としたときの動作（比較技術という）を一点鎖線で示す。周波数ｆ_ＩＮ＝ｆ_１の場合の波形（i）については、実施の形態（実線）と比較技術（一点鎖線）は一致する。

ｆ_ＩＮ＝ｆ_２の場合、実施の形態に比べて比較技術の比例ゲインＫ_Ｐが低くなる。つまり、負荷が増大したときに、電流指令値Ｉ_ＲＥＦが増加する速度が遅くなる。これにより、トルク不足が生じ、実際の回転数は一点鎖線で示すように大きく低下する。ｆ_ＩＮ＝ｆ_３の場合には、比較技術（一点鎖線）での実際の回転数の落ち込みはさらに顕著となる。

もし仮に比較技術において、比例ゲインＫ_Ｐを、周波数ｆ_ＩＮにかかわらず大きな値Ｋ_Ｐ３に固定したとする。この場合、低速回転時に、比例ゲインＫ_Ｐが過大となり、電流指令値Ｉ_ＲＥＦが振動的となる。つまり負荷変動が発生したときに、実際のモータの回転の安定性が損なわれる。

実施の形態に係る駆動回路２００によれば、回転数に応じて比例ゲインＫ_Ｐを最適化することにより、系の安定性を維持しつつ、負荷変動に対する追従性を改善することができる。

図８は、回転数検出回路２３２およびパラメータ生成部２２８の構成例を示す回路図である。回転数検出回路２３２は、エッジ検出器２３６、カウンタ２３４、係数回路２３８を含む。エッジ検出器２３６は、入力クロックＣＬＫのエッジ（たとえばポジエッジ）を検出する。カウンタ２３４は、システムクロックＣＬＫ_ＳＹＳと、エッジ検出器２３６の出力を受け、エッジ検出器２３６が検出したポジエッジの間隔に含まれるシステムクロックＣＬＫ_ＳＹＳの個数をカウントする。カウンタ２３４の出力は、入力クロックＣＬＫの周期Ｔ_ＣＬＫを示す。係数回路２３８は、周期Ｔ_ＣＬＫに係数を乗算し、モータの回転周期Ｔを示す回転数検出信号に変換する。

パラメータ生成部２２８は、回転数検出信号Ｔを、複数（この例では３個）のしきい値Ｔ_ＴＨ１，Ｔ_ＴＨ２，Ｔ_ＴＨ３と比較し、比較結果に応じて、比例ゲインＫ_Ｐの値を選択する。たとえばパラメータ生成部２２８は、複数の比較器ＣＯＭＰ１～ＣＯＭＰ３と、マルチプレクサＭＵＸを含んでもよい。マルチプレクサＭＵＸは、複数の比例ゲインＫ_Ｐの値Ｋ_Ｐ１～Ｋ_Ｐ４の中から、複数の比較器ＣＯＭＰ１～ＣＯＭＰ３の出力に応じたひとつを選択する。

図９は、電流値設定回路２１０の別の構成例を示す図である。フィードバックコントローラ２２０は、高効率モードにおいてアクティブとなり、負荷角φが目標値φ_ＲＥＦに近づくように値が調節される電流補正値ΔＩを生成する。電流補正値ΔＩは、高トルクモードにおいてゼロである。

フィードフォワードコントローラ２４０は、高効率モードにおいて、所定の高効率設定値Ｉ_ＬＯＷを出力する。Ｉ_ＦＵＬＬ＞Ｉ_ＬＯＷの関係が成り立っていてもよい。電流値設定回路２１０は、図５のマルチプレクサ２１２に代えて加算器２１４を含み、加算器２１４は、フィードフォワードコントローラ２４０が生成する高効率設定値Ｉ_ＬＯＷに、電流補正値ΔＩを加算する。これにより負荷角φが目標値φ_ＲＥＦに近づくように、電流設定値Ｉ_ＲＥＦ＝Ｉ_ＬＯＷ＋ΔＩが調節される。

最後に、駆動回路２００の用途を説明する。駆動回路２００は、さまざまな電子機器に利用される。図１０（ａ）～（ｃ）は、駆動回路２００を備える電子機器の例を示す斜視図である。

図１０（ａ）の電子機器は、光ディスク装置５００である。光ディスク装置５００は、光ディスク５０２と、ピックアップ５０４、を備える。ピックアップ５０４は、光ディスク５０２にデータを書き込み、読み出すために設けられる。ピックアップ５０４は、光ディスク５０２の記録面上を、光ディスクの半径方向に可動となっている（トラッキング）。また、ピックアップ５０４と光ディスクの距離も可変となっている（フォーカシング）。ピックアップ５０４は、図示しないステッピングモータにより位置決めされる。駆動回路２００は、ステッピングモータを制御する。この構成によれば、脱調を防止しながら高効率で、ピックアップ５０４を高精度に位置決めできる。

図１０（ｂ）の電子機器は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、携帯電話端末など、撮像機能付きデバイス６００である。デバイス６００は、撮像素子６０２、オートフォーカス用レンズ６０４を備える。ステッピングモータ１０２は、オートフォーカス用レンズ６０４の位置決めを行う。駆動回路２００はステッピングモータ１０２を駆動するこの構成によれば、脱調を防止しながら高効率で、オートフォーカス用レンズ６０４を高精度に位置決めできる。オートフォーカス用レンズの他、手ぶれ補正用のレンズの駆動に駆動回路２００を用いてもよい。あるいは駆動回路２００は、絞り制御に用いてもよい。

図１０（ｃ）の電子機器は、プリンタ７００である。プリンタ７００は、ヘッド７０２、ガイドレール７０４を備える。ヘッド７０２は、ガイドレール７０４に沿って位置決め可能に支持されている。ステッピングモータ１０２は、ヘッド７０２の位置を制御する。駆動回路２００は、ステッピングモータ１０２を制御する。この構成によれば、脱調を防止しながら高効率で、ヘッド７０２を高精度に位置決めできる。ヘッド駆動用のほか、用紙送り機構用のモータの駆動に、駆動回路２００を用いてもよい。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
ロジック回路２７０は、負荷角φが目標角φ_ＲＥＦに近づくように、電流設定値Ｉ_ＲＥＦを調節することに代えて、あるいはそれと組み合わせて、ブリッジ回路２０２に供給される電源電圧Ｖ_ＤＤを調節してもよい。電源電圧Ｖ_ＤＤを変化させることにより、ステッピングモータ１０２のコイルＬ１、Ｌ２に供給される電力を変化させることができる。

（変形例２）
実施の形態では、ブリッジ回路２０２がフルブリッジ回路（Ｈブリッジ）で構成される場合を説明したが、それには限定されず、ハーフブリッジ回路で構成されてもよい。またブリッジ回路２０２は、駆動回路２００とは別チップであってもよいし、ディスクリート部品であってもよい。

（変形例３）
高効率モードにおける電流設定値Ｉ_ＲＥＦ（Ｉｙ）の生成方法は、実施の形態で説明したものに限定されない。たとえば逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}の目標値Ｖ_{ＢＥＭＦ（ＲＥＦ）}を定めておき、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}が目標値Ｖ_{ＢＥＭＦ（ＲＥＦ）}に近づくように、フィードバックループを構成してもよい。

（変形例４）
実施の形態では２つのコイルに流れる電流Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２は、励磁位置に応じてオン、オフされるが、その電流量は、励磁位置によらずに一定であった。この場合、１－２相励磁の場合にトルクが変動することとなる。この制御に変えて、励磁位置にかかわらずトルクが一定となるように電流Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２を修正してもよい。たとえば１－２相励磁では、励磁位置２，４，６，８における電流Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２の量を、励磁位置１，３，５，７における電流の量の√２倍としてもよい。

（変形例５）
実施の形態ではフィードバックコントローラ２２０をＰＩ制御器で構成したがその限りでなく、ＰＩＤコントローラなどを採用してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

Ｌ１ 第１コイル
Ｌ２ 第２コイル
２ ホストコントローラ
１００ モータシステム
１０２ ステッピングモータ
２００ 駆動回路
２０２ ブリッジ回路
Ｒ_ＮＦ 検出抵抗
２１０ 電流値設定回路
２１２ マルチプレクサ
２１４ 加算器
２２０ フィードバックコントローラ
２２２ 負荷角推定部
２２４ 減算器
２２６ ＰＩ制御器
２２８ パラメータ生成部
２３０ 逆起電力検出回路
２３２ 回転数検出回路
２３４ カウンタ
２３６ エッジ検出器
２３８ 係数回路
２４０ フィードフォワードコントローラ
２５０ 定電流チョッパ回路
２５２ Ｄ／Ａコンバータ
２５４ ＰＷＭコンパレータ
２５６ オシレータ
２５８ フリップフロップ
２７０ ロジック回路
２９０ モードセレクタ

Claims (10)

1. ステッピングモータの駆動回路であって、
   前記ステッピングモータのコイルに生ずる逆起電力を検出する逆起電力検出回路と、
   前記ステッピングモータの回転数を示す回転数検出信号を生成する回転数検出回路と、
   前記逆起電力にもとづくフィードバック信号とその目標値の誤差がゼロに近づくように電流設定値を生成するフィードバックコントローラを含み、前記フィードバックコントローラのパラメータが、前記回転数検出信号にもとづいて変化する電流値設定回路と、
   前記コイルに流れるコイル電流の検出値が前記電流設定値にもとづく目標量に近づくようにパルス変調されるパルス変調信号を生成する定電流チョッパ回路と、
   前記パルス変調信号に応じて、前記コイルに接続されるブリッジ回路を制御するロジック回路と、
   を備え、
   前記フィードバックコントローラは、前記パラメータとして比例ゲインおよび積分ゲインを有するＰＩ制御器を含み、前記比例ゲインが前記回転数検出信号にもとづいて変化し、前記積分ゲインは一定であることを特徴とする駆動回路。
2. 前記比例ゲインは、前記回転数に対して単調増加することを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記フィードバックコントローラは、前記回転数検出信号を所定の少なくともひとつのしきい値と比較し、比較結果に応じて、前記パラメータの値を選択することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。
4. 前記回転数検出信号は、前記駆動回路に入力される入力クロックまたはそれにもとづく内部信号の周期であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の駆動回路。
5. 前記電流値設定回路は、
   前記逆起電力にもとづいて負荷角を推定する負荷角推定部を含み、
   前記フィードバック信号は、前記負荷角に応じていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動回路。
6. 前記フィードバック信号は前記逆起電力であり、前記フィードバックコントローラは、前記逆起電力がその目標値に近づくように前記電流設定値を調節することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動回路。
7. 前記定電流チョッパ回路は、
   前記コイル電流の検出値を、前記電流設定値にもとづくしきい値と比較するコンパレータと、
   所定の周波数で発振するオシレータと、
   前記コンパレータの出力に応じてオフレベルに遷移し、前記オシレータの出力に応じてオンレベルに遷移する前記パルス変調信号を出力するフリップフロップと、
   を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の駆動回路。
8. ひとつの半導体基板に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の駆動回路。
9. ステッピングモータと、
   前記ステッピングモータを駆動する請求項１から８のいずれかに記載の駆動回路と、
   を備えることを特徴とする電子機器。
10. ステッピングモータの駆動方法であって、
    前記ステッピングモータのコイルに生ずる逆起電力を検出するステップと、
    前記ステッピングモータの回転数を示す回転数検出信号を生成するステップと、
    フィードバックコントローラによって、前記逆起電力にもとづくフィードバック信号とその目標値の誤差がゼロに近づくように電流設定値を生成するステップと、
    前記フィードバックコントローラのパラメータを、前記回転数検出信号にもとづいて変化させるステップと、
    前記コイルに流れるコイル電流の検出値が前記電流設定値にもとづく目標量に近づくようにパルス変調されるパルス変調信号を生成するステップと、
    前記パルス変調信号に応じて、前記コイルに接続されるブリッジ回路を制御するステップと、
    を備え、
    前記フィードバックコントローラは、前記パラメータとして比例ゲインおよび積分ゲインを有するＰＩ制御器を含み、前記比例ゲインが前記回転数検出信号にもとづいて変化し、前記積分ゲインは一定であることを特徴とする駆動方法。

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