JPH01148096A - ステツピングモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はステッピングモータ駆動回路に係り、特にプリ
ンタ、プロッタ、Ｘ−Ｙテーブル等の高速、低消費電力
駆動を必要とする分野に好適なステッピングモータ駆動
回路に関するものである。

〔従来の技術〕

ステッピングモータの定格電力Ｐｓは、１相当りの定格
電流Ｉｓと定格電圧Ｖｓとの積に相数Ｎｐ　を乗じた値
、すなわち、Ｐｓ＝ＩｓＸＶｓＸＮｐで与えられる。

したがって、モータ自体の発熱上の制約から励磁電流Ｉ
Ｌが決定すると、駆動電圧Ｖｏの上限は定格電力Ｐｓに
制約される。一方、ステッピングモータの高速駆動を実
現するためには、定格電圧Ｖｓの数倍の高電圧Ｖｏをモ
ータ巻線に印加することにより、モータ巻線の抵抗分Ｒ
Ｌとインダクタンスしで決まる時定数ＴＭ（＝Ｌ／ＲＬ
）を短縮し、励磁電流ＩＬの立ち上り特性を昨善する方
法が一般的である。この方式の代表例は、通常第３図に
示す回路で構成される。同図において、１９は電圧ＥＨ
の高電圧電源、２４は電圧Ｅｔ、の低電圧電源であり、
ＥＨ＞２ＥＬの関係がある。励磁回路２７には通常低電
圧源２４の低電圧ＥＬが逆流防止用ダイオード２３を介
して供給される。高電圧Ｅｏを励磁回路２７に供給する
ためには、ＤＥＴ端子にＩｇＨ”レベル信号を入力して
抵抗２５を介してトランジスタ２６のベースに印加し、
トランジスタ２６のコレクタから抵抗、２１を介してト
ランジスタ２２のベースに印加してトランジスタ２６．
２３をオンする必要がある。２ｏはトランジスタ２２の
ベースとエミッタ間に接続した抵抗である。

第４図の動作説明図において、励磁パルスＣＬＫの入力
時刻ｔｌからＴＨの期間、定格電圧Ｖｓの数倍の高電圧
ＥＨを励磁回路２７に印加することで、励磁電流ＩＬを
早く立ち上げ、必要トルクを確立し、その後、励磁電流
Ｉしが確立してから次の励磁パルスＣＬＫが入力するま
での期間ＴＬは、定格電圧Ｖｓに近い低電圧Ｅｔ、を励
磁回路２７に印加することでモータの定格以内の電力で
保持トルクを得る駆動方法である。

通常Ｔｏはモータ巻線の時定数Ｔにに設定するため、励
磁パルス周波数が１　／　Ｔ　ｓ以上の高速駆動状態で
は、低電圧ＥＬが印加される期間ＴＬは零となり、常に
高電圧ＥＭが励磁回路２７に印加されることになり、モ
ータの高速回転が維持される。高電圧ＥＨを印加しない
場合の励磁電流工しは、第４図の破線で示す波形となり
、励磁電流工しの立ち上り時刻がモータ巻線の時定数分
子８分だけ遅延するため、斜線部の電流はモータ巻線に
供給されないことになり、高速時にはトルク不足を生じ
て高速駆動が不可能となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、２電源駆動力式と呼ばれ、原理上同一
容量で出力電圧差が数倍異なる高圧、低圧電源を両方必
要とするという問題点があり、低コストの駆動回路への
応用は困難である。また、電源を２組必要とするため、
電気回路の信頼度を大きく左右するパワー関連部品点数
の増加を生じ２システムとしての信頼性と効果の低下を
招くという欠点があった。

本発明の目的は、単一の電源のみにより２電源駆動力式
と同等以上の高速駆動特性と効率を有するステッピング
モータ駆動回路を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ステッピングモータの各励磁巻線に流れる
励磁電流の総和を検出する電流検出回路と、この電流検
出回路の出力信号と基準電圧とを比較してその差をパル
ス幅変調信号（以下ＰＷＭ信号と称する）として出力す
るパルス幅変調信号発生回路（以下ＰＷＭ信号発生回路
と称する）と、このＰＷＭ信号発生回路の出力信号によ
り制御され、出力励磁電圧を上記電流検出回路の出力信
号と反比例する方向に制御するスイッチングレギュレー
タとを設けた構成として複数の励磁巻線を有するステッ
ピングモータの各励磁巻線を励磁相切換信号により順次
切り換えて駆動するようにして達成するようにした。

（作用〕 ステッピングモータは、そのインダクタンスと巻線抵抗
で決まる時定数によって高速回転時に励磁電流が減少し
、トルクが低下するため、高速回転が困難になる。高速
回転時のトルク低下を補うため、励磁電圧を高く設定す
ると、中低速回転時に定格以上の励磁電流が流れ、定格
以上の電力を消費するため、効率が悪くなる。そこで、
電流検出回路によって励磁電流を検出し、この検出信号
により励磁電圧を可変することにより、（１）励磁電流
が少ない高速回転時には励磁電圧を上昇させることによ
り励磁電流を増加させてトルク低下を防止し、（２）励
磁電流が十分流れる中低速回転時には励磁電圧を下降さ
せることにより励磁電流を定格以下に抑えて消費電力の
増加を防ぐことができ、高速回転及び駆動速度全域にわ
たる高効率駆動を実現することができる。

〔実施例〕

以下本発明を第１図に示した実施例及び第２図を用いて
詳細に説明する。

第１図は本発明のステッピングモータ駆動回路の一実施
例を示す回路図である。第１図において。

駆動パルス信号及び正転逆転判別信号が相励磁信号発生
回路１８に入力されると、相励磁信号発生回路１８はス
テッピングモータの相磁磁用スイッチング素子をドライ
ブするための励磁シーケンス信号を出力する。励磁シー
ケンス信号は、ステッピングモータ励磁回路及びステッ
ピングモータ１７の使用するステッピングモータの相数
２巻線構成によって１相励磁、２相励磁、１−２相励磁
。

ダブル１−２相励磁、２−３相励磁、４相励磁。

４−５相励磁、５相励磁等に分類され、使用目的により
最適な励磁シーケンスを選択する。ステッピングモータ
励磁回路に励磁シーケンス信号が入力されると、励磁シ
ーケンス信号に接続されているスイッチング素子がオン
して導通状態となり。

このスイッチング素子に接続しであるステッピングモー
タの巻線に励磁電流が流れる。各巻線に流れる励磁電流
の総゛和Σ工しは、電流検出抵抗１６へ流れ込み、検出
抵抗１６の両端に検出電圧ＶＬ（＝ΣＩＬＸＲ７，Ｒ７
：抵出抵抗１６の抵抗値）を生じさせる。検出抵抗１６
で発生したジュール熱は効率の低下を招くため、通常は
検出抵抗１６の抵抗値Ｒ７は１Ω以下の小さい値に設定
する。

このため、検出電圧ｖしは、数ｍＶから数十ｍＶオーダ
の小さすぎる値となることがあり、このＶＬ、を−旦演
算増幅器１０で（１＋Ｒ５／Ｒ４）倍（Ｒ４；抵抗１５
の抵抗値、Ｒ５；抵抗１１の抵抗値）に増幅して数Ｖオ
ーダまで増幅してＶ　Ｌ　’に変換し、この電圧ｖし′
　をＰＷＭ信号発生回路９に入力する。ＰＷＭ信号発生
回路９は基準電圧源、誤差増幅器、三角波発振器、コン
パレータ。

保護回路、出力トランジスタで構成されていて、ディス
クリート及びモノリシックＩＣどちらでも組むことがで
きる。特に後者の場合、スイッチングレギュレータ制御
用汎用ＩＣとして豊富な品種が製品化されており、安価
で容易にＰＷＭ信号発生回路９を構成することができる
。ＰＷＭ信号発生回路９の動作波形を第２図の拡大部に
示す。第２図において、検出電圧ＶＬ’　　の値がＰＷ
Ｍ信号発生回路９の内部の基準三角波ｖ　ｒｅｚ　と比
較され、ＰＷＭ信号発生回路９の出力トランジスタ９１
のコレクタ波形は、 （イ）　　ＶＬ’　　＞Ｖｒｅｉならば“Ｈ”レベル出
力期間が延びる。

（ロ）　　ＶＬ’　　＞Ｖｒｅ□ならば１１　Ｌ　Ｉ＋
レベル出力期間が延びる。

いわゆるパルス幅変調動作を実行する。すなわち、ステ
ッピングモータ励磁電流の総和ΣＩｓ、が小とくなると
、ＰＷＭ信号のｇｉ　Ｌ”レベル期間が延びて、トラン
ジスタ３のオン期間が長くなり、インダクタンス７への
電流供給量が増加する。単位時間当りのインダクタンス
７内部でのエネルギー蓄積量が負荷のステッピングモー
タ励磁回路への供給電力量を上回り始めるため、励磁電
圧Ｖ。

は上昇し始める。逆に励磁電流の総和ΣＩＬが大きくな
ると、ＰＷＭ信号の＃　Ｈ１ルベル期間が延びて、トラ
ンジスタ３のオン期間が短くなり、インダクタンス７に
供給される電力よりも負荷に供給される電力が大となる
。このため、インダクタンス７に蓄積されている電力は
、ダイオード６゜インダクタンス７、平滑コンデンサ８
の生棲及びステッピングモータで構成されるループ内を
循環してステッピングモータ内部で消費されるため、励
磁電圧Ｖｏは徐々に下降する。第１図の回路で駆動パル
ス信号の速度を徐々に加速した場合の励磁電圧ＶＤ及び
ステッピングモータの励磁電流の総和ΣＩＬの動作波形
を第２図に示しである。同図において、最初の駆動パル
ス信号ＣＬＫＩが入力した時刻Ｔｏからモータ時定数Ｔ
Ｍ（＝　Ｌ　／　Ｒ１、）経過するまでの期間は、ＶＬ
（＝ΣＩＬＸＲ７゜Ｒ７；抵抗１６の抵抗値）　＜Ｖｒ
ｅｚが成立するための励磁電圧Ｖｏが上昇し始め、励磁
電流の総和ΣＩｔ、の立ち上り時間を短縮し、モータの
回転応答を早めようとする。次に、時刻ＴＭを過ぎると
、逆にＶ　Ｌ　＞　Ｖ　ｒ　ｅ　ｘが成立するため、励
磁電流の総和ΣＩＬは目標値をオーバシュートした後、
目標電流値に収束する。以上は間欠的なパルス入力時の
応答であるが、１　／　Ｔ　Ｍを越える高速パルスが入
力された場合には、検出電圧ＶＬはさらに減少傾向とな
り、これと反比例して励磁電圧Ｖｏはさらに上昇を続け
、最終的には電源電圧Ｅからトランジスタ３のコレクタ
・エミッタ間飽和電圧ＶＣＥ（ＳＡＴ）とインダクタン
ス７の巻線抵抗値ＲＬ、１による電圧降下ＩＬＸＲＬ１
を引いた電圧ＣＥ−ＶＣＥ（ＳＡＴ）　　（Ｉ　Ｌ　Ｘ
　ＲＬＩ）まで上昇する。ここで、実質的にはＥ　＞　
ＶＣＥ（ＳＡＴ）　＋　（Ｉ　Ｌ　Ｘ　ＲＬＩ）である
ため、高速時にはほぼ電源電圧Ｅそのものがステッピン
グモータに印加されることになり、高速駆動が可能とな
る。

以上述べた実施例において、第１図の一点鎖線で囲んだ
部分は降圧形スイッチングレギュレータで構成しである
が、この部分を昇圧形スイッチングレギュレータに変更
することにより、励磁電圧Ｖｏを電源電圧Ｅよりも高く
設定することができるため、ステッピングモータをさら
に高電圧で駆動することができる。また、電源電圧Ｅが
低い値に制限されている場合にも昇圧形は有効である。

その他、絶縁が必要な場合には、絶縁形フライバック形
、絶縁形フォワード形等他のスイッチングレギュレータ
構成とすることができる。また、ステッピングモータ励
磁回路は、ユニポーラ、バイポーラいずれの構成でも採
用できる。さらにＰＷＭ信号発生回路９の検出電圧ＶＬ
の入力部を高利得でＯｖから入力範囲をもつ誤差増幅器
で構成することにより、演算増幅器１０を省略すること
が可能である。その他の応用例として、インピーダンス
を利用した応用部品、例えば、リニアアクチュエータソ
レノイド、円筒形ソレノイド、電磁リレー等の高速開閉
動作を要求される場合には、上記実施例の中でステッピ
ングモータの部分を上記応用部分で置き換えるだけで適
用可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、特殊な部品を用
いることなく単一電源のみで２電源駆動力式と同等以上
のステッピングモータの高速駆動を実現することができ
、また、ステッピングモータの種類、励磁回路を選ばな
いため、ステッピングモータの種類２機械ｎ構部等を一
切変更しないで駆動回路のみを変更することにより、従
来Ｉａ種の駆動速度を数倍高速化することができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のステッピングモータ駆動回路の一実施
例を示す回路図、第２図は第１図の回路の動作説明図、
第３図は従来例の回路図、第４図は従来例の動作説明図
である。 ■・・・直流電源、２，８・・・平滑コンデンサ、３・
・・スイッチングトランジスタ、４，５，１１，１２゜
１４．１５．１６・・・抵抗、６・・・ダイオード、７
・・・インダクタンス、９・・・Ｐ　Ｗ　Ｍ　（ｆｉ号
発生回路、１０・・・演算増幅器、１７・・・ステッピ
ングモータ及び励磁回路、１８・・・相励磁信号発生回
路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．複数の励磁巻線を有するステツピングモータの各励
   磁巻線を励磁相切換信号によつて順次切り換えて駆動す
   るステツピングモータ駆動回路において、前記ステツピ
   ングモータの各励磁巻線に流れる励磁電流の総和を検出
   する電流検出回路と、該電流検出回路の出力信号と基準
   電圧とを比較してその差をパルス幅変調信号として出力
   するパルス幅変調信号発生回路と、該パルス幅変調信号
   発生回路の出力信号により制御され、出力励磁電圧を前
   記電流検出回路の出力信号と反比例する方向に制御する
   スイツチングレギユレータとを設けたことを特徴とする
   ステツピングモータ駆動回路。
2. ２．前記パルス幅変調信号発生回路を前記電流検出回路
   の出力信号と前記基準電圧との差を周波数変調信号とし
   て出力する周波数変調信号発生回路とした特許請求の範
   囲第１項記載のステツピングモータ駆動回路。
3. ３．前記電流検出回路の後段に前記ステツピングモータ
   駆動周波数に応じて前記出力励磁電圧に特定の位相特性
   を与える位相回路を設けた構成の特許請求の範囲第１項
   記載のステツピングモータ駆動回路。