JPH01295696A - ステップモータの駆動装置 - 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、例えばオートバイや自動車の制御に用いられ
るステップモータの駆動装置に関する。

〔従来技術、および発明が解決しようとする課題〕ステ
ップモータの駆動方法においては、一般的に、ステップ
モータの巻線利用効率がよいという理由で、よく使用さ
れているバイポーラ駆動方法が公知である。このバイポ
ーラ駆動方法では、ユニポーラ駆動方法に比較しステッ
プモータの巻線・インダクタンスの増加が著しく、ステ
ップモータ高速駆動時には、この巻線インダクタンスの
影響により、モータ巻線に規定された量だけの電流が立
ち上がりきらなくなり、モータ発生トルクの低下が起こ
ってしまうという問題があった。そこで、このような問
題を解決するために例えば、特開昭６０−２００７９８
号公報に開示されたステップモータの駆動方法において
は、一般に、ステップモータ高速駆動時の発生トルクの
低下を、ステップモータへの印加電圧を変化（増減）さ
せることにより改善しようとすることが従来実施されて
きた。

しかしながら、たとえば、自動車、オートバイ等のよう
に、印加電圧（即ちバッテリ電圧）がＤＣ１２Ｖという
ように一定の電圧であり、変化させることが困難な場合
には、上記のような制御を行って、ステップモータの発
生トルクを改善することができない。また、印加電圧が
低いため、高速駆動時の発生トルクの低下も目立ったも
のとなってしまう、という問題があった。

したがって、本発明に係る装置においては、高速駆動時
のトルク特性を改善して高速領域でも脱調することなく
使用可能であり、また低速領域でもモータ発熱量を低減
させることの可能なステップモータを提供することを目
的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、ステップモータの一つの相の巻線お
よび他の相の巻線へ電流を供給する駆動回路、および該
駆動回路へ制御信号を供給する制御回路が設けられ、該
制御回路はステップモータの駆動周波数を検出して該駆
動回路へ駆動指令信号を供給し得るようになっており、
それにより、ステップモータの駆動周波数に応じてステ
ップモータの巻線への電流供給について、コイルの一端
から他端へ流れる電流供給によるバイポーラ駆動形態と
、コイルの両端からコイル中点へ流れる電流供給による
ユニポーラ駆動形態の間で切換えが行われ得るようにな
っていることを特徴とする、ステップモータの駆動装置
、が提供される。

〔作　用〕

本発明による装置においては、ステップモータの駆動周
波数が、所定の周波数たとえば、モータの発生トルクが
低下しはじめる駆動周波数を超えたら、バイポーラ駆動
から、ユニポーラ駆動に切り換え、モータの巻線インダ
クタンスを減少させて巻線電流の過渡応答性を向上させ
、巻線電流を確保し印加電圧を増加させることなく、高
速駆動時の発生トルクの低下を改善する。

〔実施例〕

第１関は、本発明の一実施例としてのステップモータの
駆動装置を示す図である。

第１図を参照すると、制御回路３は駆動回路２に制御信
号を送り、駆動回路２は、制御回路３からの信号に従い
、駆動回路２に接続されたステップモータ１を適切に駆
動制御する。

また、駆動回路２には、駆動周波数モニタ５０が接続さ
れ、ステップモータ１の駆動周波数が随時制御回路３に
送られるような構成になっている。

本発明の特徴の一つは、上記駆動周波数モニタ５０を備
え、常にステップモータ１の駆動周波数を監視し、ステ
ップモータ１の駆動周波数が所定の周波数（たとえば、
発生トルクが低下し始める駆動周波数）になった時に、
制御回路３でそれを察知し、ステップモータ１のトルク
低下を改善するように最適制御を行なうところにある。

第１図の駆動回路２は、■を電源電圧として、ステップ
モータ１を定電圧方式で駆動する。この駆動回路２には
、制御回路３から信号が人力されている。制御回路３か
らの信号５（Ａ）　、　５（Ｂ）　、　５（Ａ）Ｓ（π
）は、ステップモータ１を駆動させるための、励磁相切
換タイミングの信号であり、この信号により、駆動回路
２はステップモータ１の各励磁相を随時切り換えている
。

制御回路３の出力波形を第５図出力波形部に示す。第５
図は駆動パルス順・・・つまり駆動シーケンスに従って
書いである。そして、同図には、多数ある駆動方法の代
表例として、１相励磁駆動のパターンを示すものとする
。

以上のような作用により、通常は、第５図出力波形部に
示すような、制御回路３の出力波形に従い、同図電流波
形部（１）に示すような電流波形でモータの各巻線に電
流を流してステップモータ１を最適に駆動している。し
かし、第５図電流波形部（１）に示す電流波形は低い駆
動周波数域のものであり、駆動周波数が高くなるに従い
、モータ巻線のインダクタンスの影響で、第５図電流波
形部（２）のように電流の立ち上がり方が悪くなり、つ
いには、第５図電流波形部（３）に示すように、基準電
流値１０に達しきらなくなってしまう。巻線電流が基準
電流値に達しなければ、基卓のトルクは発生し得ない。

これが、高速駆動時にモータの発生トルクが低下する原
因である。

そこで本発明では第１図に示すような駆動周波数モニタ
５０を設置することにより、上記問題点に対処しようと
試みた。

駆動周波数モニタ５０は駆動回路２のステップモータ励
磁相切り換えタイミングから、ステップモータ１の駆動
周波数を検知し、制御回路３に随時データを送り出して
いる。制御回路３では、駆動周波数モニタ５０から送ら
れてくる駆動周波数のデータを常に監視し、所定の駆動
周波数（たとえば、ステップモータ１の発生トルクの低
下が始まる駆動周波数）になったら、 駆動回路２にステップモータ１の駆動方法を変えるよう
に信号Ｓ　（Ｃ）を送る。駆動回路２はその信号Ｓ　（
Ｃ）に従い、ステップモータ１の駆動方法をＡ−τ、Ｂ
−丁の巻線に電流を双方向に流して使うバイポーラ駆動
からＡ−中点、τ−中点、Ｂ−中点、■−中点の巻線に
一方向に電流を流して使うユニポーラ駆動に切り換える
。具体的な切り換え方法については、後述する。

このように、バイポーラ駆動方法からユニポーラ駆動方
法に切り換えることにより、モータ巻線のｌ相あたりの
インダクタンスは１／４となり、（なぜならば、インダ
クタンスは巻線長さの２乗に比例して増加するから）高
速駆動時のモータ巻線の過渡応答性が向上する。これに
より、モータ巻線の電流値は十分、基準電流値Ｉ０に達
するようになる。

ここで、バイポーラ駆動方法からユニポーラ駆動方法に
切り換えることにより、モータ巻線の■相あたりの巻数
（ターン数）も１／２になってしまうため、バイポーラ
駆動時の基準電流値Ｉ０の巻線電流のままでは、起磁力
（＝アンペア・ターン：モータ巻線の巻数と、そこを流
れる電流値をかけ合わせたもので、モータの発生トルク
は、この起磁力に比例している。）も１／２となり、発
生トルクが１／２になってしまう。そこで、バイポーラ
駆動方法からユニポーラ駆動方法に切り換える時に、同
時にモータ巻線の基準電流値を１０から２■。（２倍の
夏。）にする必要がある。

基準電流値を２倍にしても、モータ巻線のインダクタン
スは１／４になっているので、高速駆動時のインダクタ
ンスの影響も小さくなり、十分基準電流値２１ｏに達す
るものである。これにより、高速駆動時のモータの発生
トルクの低下が改善できるのである。

この時のモータのトルク特性を第３図に示す。

実線は改善前、破線は改善後の特性を示す。矢印Ｐは駆
動方法を切り換える、所定の駆動周波数の設定点である
。

次に、駆動回路２の回路図の説明をする。第４図におい
て、ステップモータ１には２つのコイル相、Ａ−１間、
Ｂ−Ｂ間が存在し、各々のコイル相の中点から、それぞ
れＡτ中点、ＢＢ中点の端子が出ているものである。Ａ
、−人−、Ｂ、Ｂの各コイル！？−はパワートランジス
タとパワートランジスタの直列接続点２１１．２１５．
２２１．２２５にそれぞれ接続され、各コイルの中点端
子はそれぞれ、パワートランジスタ２１８．２２８に接
続されている。各コイル端子に接続されている各パワー
トランジスタ２１０、２１２．２１４．・・・２２６．
２２８はそれぞれ、ゲート２３０、２３２．２３４．２
３６及び２４０．２４２．２４４．２４６を介して、マ
イクロコンピュータ５に接続され、マイクロコンピュー
タ５の指令のもとにオン・オフされる。バイポーラ駆動
時には、２１０と２１２．２１４と２１６．２２０と２
２２及び２２４と２２６の各パワートランジスタの組み
合わせでオン・オフ制御され、第４図中、ステップモー
タ１のコイル相の上に実線で示すように、各コイル相に
電流が流れる。そして、マイクロコンピュータ５からの
指令で、ユニポーラ駆動に切り換えるよう信号Ｓ　（Ｃ
）がだされると、パワートランジスタ２１２．２１６．
２２２及び２２６のオン・オフ制御は中止され、そのか
わりに、パワートランジスタ２１８．２２８をオン・オ
フ制御して、第４図中に破線で示すように、各コイル相
に電流を流して、ステップモータ１をユニポーラ方式で
駆動するのである。ゲー）２３０．２３２゜２３４、２
３６及び２４０．２４２．２４４．２４６は、上記のバ
イポーラ駆動とユニポーラ駆動でのパワートランジスタ
のオン・オフ制御を切り換える論理回路を構成するもの
である。

また、マイクロコンピュータ５内にある駆動周波数モニ
タ５０は、コンピュータ内部のカウンタ機能を使ったも
ので、パワートランジスタへのオン・オフ信号を該カウ
ンタでカウントすることにより、ステップモータ１の駆
動周波数を測定している。

以上の回路作動をタイミング図である第６図を参照して
更に説明する。第６図の各図の左側記号は第５図の各信
号発生箇所と対応する。

信号５（Ａ）　、　５（Ｂ）　、　５（Ａ）　、　Ｓ（
π）は各々コイル相への通電を制御するオン・オフ信号
である。この図では、１和動Ｍ１駆動のパターンを示す
。信号５（Ｃ）は、バイポーラ駆動とユニポーラ駆動の
切り換え信号である。時間ｔ、とｔ２の間は、モータの
発生トルクが低下しはじめ、バイポーラ駆動からユニポ
ーラ駆動に切り換わる期間を示し、時間ｔ　＋　とｔ２
の間は、マイクロコンピュータ５からの信号５（Ｃ）が
変化している。信号５（ｅ）。

５（ｆ）　、　Ｓ（ｇ）　、　５（ｈ）は、バイポーラ
駆動時にパワートランジスタ２１２．２１０．２２２．
２２６をオン・オフ制御する信号であり、信号５（ｉ）
　、　５（ｊ）は、ユニポーラ駆動時にパワートランジ
スタ２１８．２２８をオン・オフ制御する信号である。

信号５（ｅ）　、　５（ｆ）　、　Ｓ（ｇ）　。

５（ｈ）　、　５（ｉ）　、　５（ｊ）は信号５（Ａ）
　、　５（Ｂ）　、　５（Ａ）　、　Ｓ（π）及びＳ　
（Ｃ）に応じて変化するものである。

Ｓ（コイルＡ）　、Ｓ　（コイルＢ）　、Ｓ　　（コイ
ルτ）、Ｓ（コイルＴ）には第４図中の各コイルＡ、Ｂ
。

τ、Ｔに流れる電流波形を示す。バイポーラ駆動時には
、Ａ、−人一のコイル相で同時にまた、Ｂ、Ｂのコイル
相でも同時に、基準電流値■。だけの電流が流れている
が、時間ｔ１とｔ２の間は、Ａ。

Ｂ、τ、■別個に、基準電流値の２倍の２Ｉｏの電流が
流れるようになる。これによって、バイポーラ駆動時と
、ユニポーラ駆動時の起磁力（アンペア・ターン）の差
をなくして、発生トルクを同じにしているのである。

なお、バイポーラ駆動時とユニポーラ駆動時と゛の、コ
イル電流値の比率を１：２にする方法は、抵抗分割法、
定電流駆動法等を用いて各種の方法が考えられるが、今
回の実施例ではバイポーラ駆動とユニポーラ駆動との、
モータの巻線抵抗の比率が２：ｌになることを利用して
、Ｉ−Ｖ／Ｒの関係から、１：２の電流比率を実現して
いる。

第２図に、制御回路３の構成を示す、制御回路３は、マ
イクロコンピュータ５と、このマイクロコンピュータ５
に基準クロックパルスを供給するクロックジェネレータ
７２とから構成されている。

マイクロコンピュータ５は、クロックジェネレータ７２
からの基準クロック信号に基づき、ＣＰＵ　５４により
プリセットできる任意の時間毎に割込要求を発生するプ
ログラマブルタイマ５２と、この割込要求に応じて割込
処理を実行させる割込制御回路５３と、ステップモータ
１の駆動制御処理を実行するＣＰＵ　５４と、ＣＰｔ１
５４で演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや
データが予め記録されたＲＯＭ　５５と、同じ＜ＣＰＵ
５４で演算処理を実行するのに必要なデータが一時的に
読み書きされるＲＡＭ５６と、このＲＡＭ　５６の一部
を使い、ステップモータ１の最新駆動周波数情報をラッ
チする駆動周波数モニタ５０と、駆動回路２に駆動信号
や切換信号を出力する入出力バッファ５７、とから構成
されている。

以下、前記の如く構成された制御回路３で実行されるス
テップモータｌの駆動制御処理について第７図に示すフ
ローチャートを参照して説明する。

駆動周波数モニタ５０は、マイクロコンピュータ５内部
のＲＡＭ　５Ｇの一部を使い、ＲＯＭ　５５内に記録さ
れたステップモータ制御用データをもとに、ＣＰＵ　５
４で算出されたステップモータ駆動周波数情報を駆動周
波数の変更毎に最新情報としてラッチしておくバッファ
であり、ラッチされる駆動周波数情報の更新は、ＣＰＵ
のメインルーチンで、ステップモータ１の駆動周波数を
変更する毎に行なわれるものとする。

ここでいう駆動周波数情報とは、たとえば第８図に示す
ように駆動周波数の逆数、つまり周期をいい、この周期
そのものが、プログラマブルタイマ５２のプリセットデ
ータとなるのである。ここでは、１００ＫＨｚを基準ク
ロックとしているので、第８図に示す如きデータとなる
。

第７図は、常時くり返し実行され、ステップモータ１の
駆動周波数モニタ５０から出力される情報に基づき、ス
テップモータ１の駆動パターンを算出する、駆動パター
ン算出ルーチンを表わしている。

図に示す如く、この処理が開始されると、まずステップ
１０１を実行し、ステップモータ１の駆動周波数モニタ
５０より、駆動周波数情報ＲＰＰＳを読み込む。

次のステップ１０２では、駆動周波数情報ＲＰＰＳと、
基準駆動周波数情報ＢＡＰＰＳとの大小比較を行なう。

大小比較の結果、ＲＰＰＳ　＞　ＢＡＰＰＳであると判
断されると、ステップ１０３に移行して、信号Ｃを「１
」にセットし、駆動パターンをバイポーラ駆動にする、
と、算出する。

一方、上記ステップ１０２においてＲＰＰＳ≦ＢＡＰＰ
Ｓと判断された場合は、ステップ１０４に移行して、信
号Ｃを「０」にセットし、駆動パターンをユニポーラ駆
動にする、と、算出する。

ここで、上記ステップ１０２で大小比較される基準駆動
周波数情報ＢＡＰＰＳは、マイクロコンピュータ５内の
ＲＯＭ　５５に予め記録されているデータであり、その
値は、ステップモータ１のトルク低下の始まる、所定の
駆動周波数である。

第６図には、１相励磁の駆動パターンのみを示したが、
他の２相励磁、１−２相励磁、ダブルｌ−２相励磁、ト
リプル１−２相励磁、マイクロステップ等の駆動パター
ンでも同様に高速駆動時のステップモータのトルク特性
の改善が行なえる。

また、第４図には、定電圧駆動の駆動回路のみを示した
が、他の定電流駆動の駆動回路を用いても同様にトルク
特性の改善が行なえる。この定電流駆動の場合は、モー
タ巻線電流の変化も容易に実施できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高速駆動時のトルク特性を改善するこ
とにより、高速域でも脱調することなく、高速域までス
テップモータを使用できる。また、駆動周波数モニタ、
切換信号等、すべて制御回路内のソフト上で対応可能で
あり、モータの種類、励磁方法が変わっても切り換えの
パラメータが、モータ駆動周波数だけであるので、制御
ソフトの数値変更によりすぐ対応できる。また、バイポ
ーラ駆動により、ユニポーラ駆動と同一トルクを出して
も電流が１／２ですむから、低駆動周波数域のモータ発
熱が少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としてのステップモータ駆動
装置を示す図； 第２図は第１図装置における制御回路のブロック図； 第３図はステップモータのトルク特性を示す図；第４図
は第１図装置において巻線相互間のバイポーラ駆動とユ
ニポーラ駆動の切換を示す図；第５図は第１図装置にお
ける１相励磁駆動パターンの波形図； 第６図は第５図の各信号発生箇所に対応する第４図装置
のタイミング図； 第７図はバイポーラ駆動とユニポーラ駆動に対する駆動
パターンの算出ルーチンの流れ図；第８図は第２図の制
御回路のプログラマブルタイマの駆動周波数に対するプ
リセットデータを説明する図、である。 １・・・ステップモータ、　　　２・・・駆動回路、３
・・・制御回路、 ５・・・マイクロコンピュータ、 ５０・・・駆動周波数モニタ、 ２１１、２１５．２２１．２２５・・・直列接続点、２
１０、２１２．２１４．２１６．２１８．２２０．２２
２．２２４゜２２６、２２８・・・パワートランジスタ
、２３０、２３２．２３４．２３６．２４０．２４２．
２４４．２４６・・・ゲート、 ５２・・・プログラマブルタイマ、 ５３・・・割込制御回路、　　５４・・・ｃｐｕ、５５
・・・ＲＯＭ、　　　　　　　５６・・・ＲＡＭ。 ５７・・・人出カバソファ。 第２＠ 第３回 −ノ　　　　　−ノ　　　　　−ノ　　　　　−ノＣｌ
２ＣＱ　　　　　ω　　　　ω

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　ステップモータの一つの相の巻線および他の相の巻線
   へ電流を供給する駆動回路、および該駆動回路へ制御信
   号を供給する制御回路が設けられ、該制御回路はステッ
   プモータの駆動周波数を検出して該駆動回路へ駆動指令
   信号を供給し得るようになっており、 それにより、ステップモータの駆動周波数に応じてステ
   ップモータの巻線への電流供給について、コイルの一端
   から他端へ流れる電流供給によるバイポーラ駆動形態と
   、コイルの両端からコイル中点へ流れる電流供給による
   ユニポーラ駆動形態の間で切換えが行われ得るようにな
   っている、ことを特徴とする、ステップモータの駆動装
   置。