JPH01291699A - ステップモータの駆動回路 - 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１ 本発明は、チョッパ方式の定電流駆動型のステップモー
タの駆動回路に関するものである。

［従来の技術１ ステップモータは、ｉ＋＊な制御で精度のよい位置精度
が得られる利点があるが、反面速度が遅いという欠点が
あると共に、停止Ｆ、時の振動が大きいため制動しにく
いなどの欠、克がある。近年、速度に関しては、チョッ
パ方式の定電流駆動型の駆動回路を用いることにより高
速にできるようになっている。このチ町ツバ方式の定電
流駆動型の駆動回路では、定格電圧以上の電圧を励磁コ
イルに印加し、このときのコイル電流を検出して設定値
と比較し、所定の電流値に達したならば、励磁コイルへ
の電圧の印加を停止して、モータを定電流駆動しており
、定格電圧以上の電圧を励磁コイルに印加することによ
り、電流の立ち上がりを速くし、高速で回転できるよう
にしである。しかし、チョッパ方式の定電流駆動型の駆
動回路の最大の欠点は、ロータの制動性が悪く、仲々停
止しない点にある。

従来の一定の電圧を印加する定電圧駆動型の駆動回路に
おいては、ロータの停止時点の振動により、モータの励
磁コイルに逆起電圧が発生し、この逆起電圧がロータの
振動を抑える方向に作用していたので、比較的に制動性
は良かった。しかしながら、チョッパ方式の定電流駆動
型の駆動回路では、ロータの振動により発生した逆起電
圧によるコイルミ流の変化を、この駆動回路自体−（゛
打ち消してしまう。このため、制動は摩擦力だけになっ
て、制動力が得られなかった。このようにチッッパ方式
による定電流駆動型の駆動回路は制動性が悪く、定電圧
型の駆動回路の方が制動性が良いことは良く知られてい
る。

その数字的な説明を以下に示す。第７図（ａ）は逆起電
圧がコイル電流に影響を与える定電圧駆動型の駆動回路
のブロック線図であり、同図（１））が逆起電圧がフィ
ードバックしない定電流駆動型の駆動回路のブロック線
図である。第７図（１））のように逆起電圧がフィード
バックしない場合のトルク方程式は Ｔａ＝−に、Ｉａｓｉｎθｓ　　−（１）Ｔｌ）＝　Ｋ
　＠　Ｉ　ｂｃｏｓθｓ　　　−（２）となる。なお、
Ｔａ、Ｔｂは夫々Ａ相及（／Ｂ相のトルク、Ｉ　１１．
　Ｉ　ｂは夫々Ａ相及びＢ相の相電流、θＳはロータの
電気角、及びに０はトルク定数である。

モータをマイクロステップ駆動（ｓｉｎ−ｃｏｓ駆動）
すると、相電流Ｉ　ａｔ　Ｉ　ｂは Ｔａ＝ｃｏｓθｅ　　　　　　　−（３）１１ｔ＝ｓｉ
ｎθｅ　　　　　　　・・・（４）と表せる。なお、θ
ｅはステータの電気角である。

（３）？（４）式をトルク方程式に代入し、モータ全体
のトルクＴｇを求めると、 ＴＢ＝Ｔａ＋Ｔｂ ＝　Ｋ　ｏＩ　、５ｉｎ（θｅ−θＳ）　　・（５）と
なる。ここでθｅ−θｓ＃０とすると、Ｔｇ＃Ｋ　ｏ　
Ｉ　ｏ（θｅ−θＳ）　　−（６）と近似できる。

次に、モータの運動方程式は、 Ｔｇ＝Ｌ（Ｊ！！−り十ＢωＳ）　・・・（７）　　　
ｄｔ となる。なお、Ｎは極対数、Ｊはモータのイナーシャ、
Ｂは粘性定数、及びω５＝ｄ（？ｓである。

ｄｔ （６）、（７）式より、 ＫｏＩｏ（θｅ−θｓ）＝　”Ａ　Ｊ　”！！−’−＋
　Ｂ　ωｓ）　　−（８）Ｎ　　　　　ｄｔ となる。この（８）式をラプラス（Ｌａｐｌａｃｅ）変
換して、整理すると、 但し、に＝に、１．Ｎである。

（９）式は２次遅れの応答であるから、滅旋比ζ及び固
有角周波数ωｎは ωｎ＝（口ぐ７］］・・・（１１） となる。２次遅れの応答は滅貨比こと固有角周波数ω■
で表すことができ、許容範囲±５％を逸脱しなくなるま
での時間である整定時間Ｔｓは、となる。ここで、整定
時間Ｔｓを（１０）、（１１）式を用いて表すと、 となる。（１３）式より粘性定数Ｂを増加させれば、整
定時間Ｔｓが小さくなり、制動性が良くなることが分か
る。従って、粘性定数Ｂ、つまりは粘性トルクを増加さ
せる方法として、第７図（ａ）に示すようにして相電流
を増加すれば良い。

第７図（ａ）では、逆起電圧が以下のようにフィードバ
ックするものとする。

■ｂ＝　Ｉ　ｏｓｉｎθｅ−β１．）ω５ｃｏｓ９ｓな
お、βは帰還率である。モータトルクは、Ｔｇ＝Ｔａ＋
Ｔｂ ＝　Ｋ　、　Ｉ　、１ｓｉｎθｅｃｏｓθ９−ｃｏ’３
θｅｓｉｎθＳ−βω５（ｓｉｎ”θｓ＋ｅｏｓ２θＳ
）ｔ”　Ｋ　、　Ｉ　ｏ（ｓｉｎ（θｅ−θＳ）−βω
ｓｌ　　−（１５）となり、θｅ−θＳ＃０とすると、
ｓ　ｉ　ｎ　（θｅ−θＳ）嬌θｅ−θＳと近似でき、 Ｔ　［１＃Ｋ　ｏ　Ｉ　ｏ（θｅ−θＳ−βωＳ）・・
・（１６）となる。

モータの運動方程式は ・・・（１７） Ｋ、１．（θｅ−θＳ） となる。（１８）式の伝達関数は となる。但し、Ｋ＝に、Ｉ。Ｎである。　（１８）、（
１９）式より粘性定数がＢからＢ＋βにと増加し、整定
時開Ｔｓは と減少し、帰還率βの大きさにより、整定時間ＴＳを充
分に小さくできることが分かる。

ところで、近年ではステップモータでありながら、外部
に速度センサを取り付け、フィードバック制御により制
動効果を得る方式や、別部品のグンパを取り付けたりす
る方式が提案され、また実施されている。しかし、これ
らはコスト高になるため、結局はオープンループでの制
動が望ましい。

従来のチョッパ方式の定電流駆動型の駆動回路を第４図
に示す。モータのドライブ部としては、通常４個のトラ
ンジスタＱ、〜Ｑ、をＨブリッジ構成にしたインバータ
を用い、モータの励磁コイルＬに交流を流す。通常、励
磁コイルＬに定格電圧以上の電圧を印加して、トランジ
スタＱ、、Ｑ、及びＱ２．Ｑ、がオンした時に励磁コイ
ルしに流れる電流の立ち上がり時間を早くする。上記ト
ランジスタＱ、、Ｑ２は、論理回路１でオンオフ制御さ
れる。つまり、この論理回路１では、マイクロコンピュ
ータから出力された駆動パルス（クロック）（第５図（
ａ））、ＣＷ／ＣＣＷ切換信号などから第５図（ｂ）、
（ｅ）に示すステップモータの励磁相を切り換える切換
信号Ａ、Ｂを作成する。この駆動回路では、トランジス
タＱ、、Ｑ、の共通接続されたエミッタとアースとの間
に接続されたコイル電流検出用の抵抗Ｒｓによってコイ
ル電流を検出して、モータを定電流駆動するようにしで
ある。つまり、抵抗Ｒｓの両端電圧であるセンス電圧Ｖ
ｓと基準電圧Ｖ　ｒｅｆとを比較するコンパレータＣＰ
と、チョッピング周波数を決定する矩形波パルス信号を
発振する発振器２と、発振器２の出力でセットされると
共に、コンパレータＣＰの出力でリセットされるＲ３７
リツプ７０γブ３とを備え、このＲ８７リツププロツプ
３の出力でトランジスタＱ、、Ｑ。

をオンオフしてモータを定電流駆動する。

上記定電流駆動動作を第６図に従って詳述する。

モータの始動時にはセンス電圧Ｖｓが基準電圧■「ｅ「
よりも低いため、コンパレータＣＰの出カババイレベル
状態を維持し、第６図（ｂ）の左側に示すようにＲ８７
リツプ７ａツブ３の出力Ｑはハイレベル状態に保持され
る。従って、トランジスタＱ１．Ｑ、は導通状態のまま
で、トランジスタＱ、、Ｑ２のオンオフに従ってコイル
電流が増加する。そして、コイル電流が増加して抵抗Ｒ
ｓにて検出されるセンス電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを
越えると、コンパレータＣＰの出力がローレベルに立ち
下がり、第６図（ｂ）に示すようにＲ３７リツプ７０ツ
ブ３をリセットして、トランジスタＱ、、Ｑ、がオフと
なる。このため、このときには第６図（ａ）に示すよう
にコイル電流は低下する。そして、発振器２の出力がハ
イレベルに立ち上がったときには第６図（ｂ）に示すよ
うにＲ３７リツプ７０ツブ３がセットされ、これにより
コイル電流が再び増加する。

この動作をｔＩｆＪＧ図に示すように繰り返すことによ
り、コイル電流を一定に保つ。

このチョッパ方式の定電流駆動型の駆動回路は上述した
ように、停止時にロータの振動による逆起電圧を打ち消
すので、制動力が弱くなる。とは言え、チ３ツバ方式を
使用しないと、コイル電流値を定格を越えないようにす
るためには、励磁コイルに印加する電圧を低くする必要
があり、高速性の面で性能が悪くなるという欠点があり
、両者ともに一長一短がある。

［発明が解決しようとする課題１ 本発明は上述の点に鑑みて為されたものであ↑）、その
目的とするところは、チ５ツバ方式の定電流駆動型の駆
動回路を基本として、高速性を維持し、且つ停止時には
良好な制動力が得られるステップモータの駆動回路を提
供することにある。

［課題を解決するための手段１ 上記目的を達成するために、本発明はモータの停止時に
はオンデユーテイが一定の定電圧パルスを励磁コイルに
印加している。

（作用） 本発明は、上述のようにモータの停止時にはオンデユー
テイが一定の定電圧パルスを励磁コイルに印加すること
により、停止時には近似的にステップモータを定電圧駆
動して、良好な制動力が得られるようにし、定格を越え
るパルス電圧を励磁コイルに印加すると共に、コイル電
流を検出して励磁コイルへのパルス電圧の印加時間を制
御してコイル電流を一定に保ってロータを回転するステ
ップモータの駆動回路を基本としているので、通常運転
時には高速性を維持することができるようにしたもので
ある。

（実施例） 第１図乃至第３図に本発明の一実施例を示す。

本実施例はチョッパ方式の定電流駆動型の駆動回路を基
本とし、停止時だけ見掛は主定電圧駆動型にするように
したものである。兵体的には、Ｒ６７リツプ７０ツブ３
とトランジスタＱ３．Ｑ、の共通後ａされたベースとの
間、及びトランジスタＱ１．Ｑ、の共通接続されたエミ
ッタとコンパレータＣＰの反転入力との開に、夫々外部
から供給される停止信号Ｖｓｔｏｐに応じて切り換られ
るスイッチｓｗ、、ｓｗ２を設け、スイッチＳＷ、を介
して停止時にコンパレータＣＰの出力をトランジスタＱ
　３１Ｑ、のベースに入力すると共に、スイッチＳＷ２
を介して三角波発振器４の出力をコンパレータＣＰの反
忙入力に入力するようにしである。従って、停止時には
第２図（ａ）に示す三角波発振器４の出力がスイッチＳ
Ｗ２を介してコンパレータＣＰに入力され、このコンパ
レータＣＰからは同図（、ｂ）に示すオンデユーテイが
一定の定電圧パルスが出力される。このオンデユーテイ
一定の定電圧パルスはスイッチＳＷｌを介してトランジ
スタＱｌ、Ｑ。

に入力される。即ち、停止信号Ｖ　５ｔｏｐがスイッチ
Ｓ　Ｗ　Ｉｒ　Ｓ　Ｗ　２に入力された場合（第３図（
ｂ）に示すように停止信号Ｖｓｔｏｐがローレベルとな
ると）、近似的に定電圧駆動する。なお、ここで近似的
と述べでいるのは、励磁コイルＬにはチ３ツビングした
電圧が印加されるからである。従って、定電圧駆動型の
駆動回路とほぼ同様に、ロータの振動により励磁コイル
しに逆起電圧が発生し、この逆起電圧がロータの振動を
抑えるように働き、制動性が良くなるのである。第３図
（ａ）の太い実線（イ）が本実施例のロータの振動状態
を示し、細い実線（ロ）が従来のチョッパ方式の定電流
駆動型の［動回路のロータの振動状態を示す。しかも、
本実施例の停止時に励磁コイルＬに印加される電圧はパ
ルス信号であるので、発熱を少なくできる利、αもある
。

１発明の効果１ 本発明は上述のように、モータの停止時にはオンデユー
テイが一定の定電圧パルスを励磁コイルに印加している
ので、停止時には近似的にステップモータを定電圧駆動
することができ、このためチョッパ方式の定電流駆動型
の駆動回路においても良好な制動力を得ることができる
効果がある。

しかも、チョッパ方式の定電流駆動型の駆動回路を基本
としているので、高速性はそのまま維持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図及びＭＳ３
図は同上の動作説明図、第４図は従来例の回路図、第５
図及び第６図は同上の動作説明図、第７図（ａ）、（ｂ
）は夫々定電圧型及び定電流型の駆動回路のブロック線
図である。 １は論理回路、２は発振器、３はＲ８７リツプ７０ツブ
、４は三角波発振器、Ｌは励磁コイル、Ｑ、−Ｑ、はト
ランジスタ、Ｒｓは抵抗、ＣＰはコンパレータ、ＳＷ、
、ＳＷ２はスイッチ、Ｖ　５ｔｏｐは停止信号である。 代理人　弁理士　石　１）艮　七 第２図 第３図 第７図 （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）定格を越えるパルス電圧を励磁コイルに印加する
   と共に、コイル電流を検出して励磁コイルへのパルス電
   圧の印加時間を制御してコイル電流を一定に保ってロー
   タを回転するステップモータの駆動回路において、モー
   タの停止時にはオンデューティが一定の定電圧パルスを
   励磁コイルに印加して成ることを特徴とするステップモ
   ータの駆動回路。