JPH03169297A - ステッピングモータ制御方法 - 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、ステッピングモー夕制御方法に関する。

（従来の技術） 〈背景〉 プリンタ、ファクシミリ装置、複写機、その他各種の事
務機器において、ステッピングモータは広く使用されて
いる。このステッピングモー夕は、１個のパルスによっ
て一定の回転角だけロータを回転させることができるた
め、その制御性の良さから高精度に対象物を搬送する場
合等に適したモータである。

ここで、ステッピングモー夕を使用したプリンタを例に
とってその動作を説明する。

プリンタのプラテンには印字用紙が巻き付けられるが、
この印字用紙を印字動作に同期させて搬送するいわゆる
ラインフィードを行なうために、ラインフィードモー夕
が設けられる。このラインフィードモー夕もステッピン
グモータから威る。

そのラインフィードモー夕には、所定のタイミングで給
紙を行ない、ホスト側から印字用紙のラインフィード量
に対応する回転角だけプラテンを回転させるためのパル
スが供給される。ラインフィートモータは、このパルス
に基づいてプラテンを回転駆動し、指定された量だけ印
字用紙を搬送する。

〈プリンタの制御回路〉 さて、第２図にはそのようなプリンタの制御回路のブロ
ック図を示した。

図において、パスライン１には、マイクロプロセッサ２
と、リード・オンリ・メモリ　（ＲＯＭ）３と、ランダ
ム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）４と、駆動回路５と、
インタフェース（Ｉ／Ｆ）制御部７と、印字部９とが接
続されている。マイクロプロセッサ２は、このプリンタ
の制御のための演算を行なう回路である。リード・オン
リ・メモノ３は、その動作プログラム等を格納するため
のメモリである。又、ランダム・アクセス・メモリ４は
、演算等の動作に必要な種々のデータを格納するための
メモリである。駆動回路５は、ラインフィートモータ（
ＬＦモータ）６に対しその駆動用のパルスを出力する回
路である。インタフェース制御部７は、ホスト側からイ
ンタフェースコネクタ（Ｉ／Ｆコネクタ）８を介して入
力するシリアルデータを受け入れ、又、インタフェース
コネクタ８を介して所定の情報をホスｌ・側へ送る回路
である。印字部９は、マイクロプロセッサ２の制御によ
って印字用紙に所定の印字を行なう印字ヘッド、及び、
種々のメカニズムから構成される部分である。

〈モータ駆動回路〉 このような第２図の回路図中のラインフィードモータ６
の駆動回路５について、その具体的な結線図を第３図に
示す。

図において、このステッピングモータ６は、１対の励磁
コイル４１．４２により形成される合成磁界のベクトル
を回転させてロータを回転させる２相励磁式ステッピン
グモータからなる。各励磁コイル４１．４２には、それ
ぞれに供給する励磁電流を独立に可変制御することので
きる励磁回路が接続されている。

第３図では、励磁コイル４１に供給ずる駆動電流を制御
する励磁回路のみを図示し、４２のそれば同一構成なの
で図示を省略した。

この励磁回路は、端子４７から制御信号Ｓｌ１が供給さ
れ、端子４３から励磁コイル４ｌに供給される励磁電流
の電流値を決定する制御信号Ｓ１。が供給される。この
回路は、その制御信号Ｓ１２をアナログ変換するＤ／Ａ
変換回路４４と、コンパレータ４５と、単安定マルチバ
イブレータ４６と、ゲート回路５０とを有している。又
、励磁コイル４１への励磁電流のオン・オフタイミング
と、その方向を決定するための、トランジスタＴｌ１〜
トランジスタＴＩ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４とからな
るスイッチ回路が設けられている。

更に、励磁コイル４１に供給される励磁電流をモニタし
、これをコンパレータ４５の反転入力端子に導くための
フィードバック回路が設けられ、これは、抵抗ＲＩＯ、
抵抗Ｒｌ＋及びコンデンサＣ１とにより構成される。な
お、ゲート回路５０は、３つのインバータ５１，５１．
５３と、２つのノアゲーｈ５４，５５とから構成されて
いる。

〈駆動回路の基本動作〉 第３図のステッピングモータ駆動回路は、次のように動
作する。

まず端子４７からモータを駆動すべき制御信号Ｓ．が入
力し、端子４７がハイレベルになると、同時に端子４３
から所定の電流値に該当するデジタル信号（ＰＷＭ信号
）がＤ／Δ変換器４４に入力する。これにより、アナロ
グ変換された信号がコンパレータ４５の非反転入力端子
に入力し、コンパレータ４５の出力が立ち上がる。単安
定マルチバイブレーク４６は、当初その出力をローレベ
ルにしており、コンパレータ４５の立ち下がりによって
トリガされ、一定時間その出力をハイレベルにする回路
である。

こうしてゲート回路５０に端子４７からハイレベルの信
号が入力し、単安定マルチバイブレータ４６からローレ
ベルの信号が入力すると、インバータ５２の出力がハイ
レベル、インバータ５３の出力がロウレベル、ノアゲー
ト５４の出力がロウレベル、ノアゲート５５の出力がハ
イレベルとなる。従ってスイッチ回路６０において、ト
ランジスタＴＩ１とＴ　１４とがオンする。その結果、
図中矢印６■で示したように、励磁コイル４１に励磁電
流が流れる。この電流に比例した電圧が、フィードバッ
ク回路の抵抗ＲＩＱの端子電圧となり、この電圧が抵抗
Ｒｌｌを介してコンパレータ４５の反転入力端子にフィ
ードバックされる。スイッチ回路６０において、ｌ・ラ
ンジスタＴｌｌとＴＩ４がオンした後、励磁コイル４１
の励磁電流はしだいに増加する。

第４図にその様子を示す。

時刻ｔ。にスイッチ回路がオンし、時刻ｔ，に達すると
検出電流値がコンパレータ４５の非反転入力端子に入力
した設定電流値を越える。これによりコンパレータ４５
の出力が立ち下がる。このタイミングで単安定マルチバ
イブレータ４６の出力はハイレベルとなり、ノアゲート
５５の出力がロウレベルに切換わる。ゲート回路５０の
他の出力は変わらない。その結果、トランジスタＴＩ４
がオフとなる。トランジスタＴＩ４がオフして、励磁コ
イル４１の励磁電流がなくなると、抵抗ＲＩＯによる検
出信号がなくなり、コンパレータ４５は再びその出力を
立ち上がらせる。一方、単安定マルチハイブレータ４６
の出力は一定時間△ｔの後口一レベルとなり、再びトラ
ンジスタＴＩ４を才ン？する。

このような動作が、第４図、時刻ｔ３で示した時まで繰
り返され一定の電流値が維持されて、時刻ｔ３で第３図
の端子４７から入力する制御信号Ｓ，Ｉがローレベルと
なる。その結果、トランジスタＴｌ１オフとなって、励
磁コイル４１の励磁電流がＯになる。なお、ダイオード
Ｄ１〜Ｄ４は、このようにトランジスタＴｌｌ〜Ｔｚが
オン・オフした場合に、励磁コイル４１に流れ続けよう
とする電流をバイパスさせるために設けられている、い
わゆる転流ダイオードである。

さて第３図において、今度はゲート回路５０の端子４７
からの入力がロウレベルになって、先の場合と反対に、
トランジスタＴ＋■がオンし、トランジスタＴＩ３がオ
ンする。これによって、励磁コイル４ｌには、矢印６１
と反対方向の励磁電流が流れる。第４図に示した時刻ｔ
４以後の動作は、先に説明した時刻ｔ１〜ｔ４の場合と
同様である。

即ち、この第３図のステッピングモータ駆動回路によれ
ば、コンバレータ４５の入力端子に入力する電流制御の
ための信号電圧に応じた一定の電流が、励磁コイル４１
に供給されることになる。

〈マイクロステップ制御〉 さてここで、第３図に示したステツビングモータ６を微
少角度ずつ滑らかに回転させ、いわゆるマイクロステッ
プ制御をさせるために、励磁コイル４１．４２に対し供
給される励磁電流を連続的に制御する方法を説明する。

第５図は、第３図に示した励磁コイル４１の電流方向を
制御する制御信号Ｓ１１［同図（ａ）］と、その電流値
を制御する制御信号Ｓ１２［同図（ｂ）］と、励磁電流
Ｓ１３［同図（ｃ）コと、同様に励磁コイル４２の電流
方向を制御する制御信号Ｓ２１［同図（ｄ）］と、その
電流値を制御する制御信号Ｓ２２［同図（８）］と、励
磁電流Ｓ２３のレベル変化を、それぞれ示したタイミン
グチャートである。

第５図（ａ）．（ｄ）に示すように、２つの励磁コイル
４１．４２　（第３図）に供給される励磁ｑ ？流の方向制御用の制御信号Ｓ，ｌｌ＋　３２１は、そ
れぞれπ／２ずれて設定されている。

これに対して、各励磁コイル４１．４２の励磁電流制御
用の信号Ｓ１■，Ｓ２■は各々Ｄ／Ａ変換され第５図（
ｂ），（ｅ）に示すような周期波形となる。これら励磁
電流の方向制御信号Ｓｌｌ，　Ｓ２■と励磁電流制御用
信号ＳＩ２，Ｓ２■とにより励磁コイル４１．４２には
各々第５図（Ｃ）．（ｆ）で示すように電気角で互いに
π／２ずれた正弦波状の駆動電流が流れる。このように
制御することによって、ステッピングモー夕のロータを
微小角度ずつ滑らかに回転させることができる。

尚、第５図（ｂ），（ｅ）の波形はデータとして予めＲ
ＯＭ３に格納しており、マイクロプロセッサ２はそのデ
ータを読出して、この（ｂ）（Ｃ）の波形となるパター
ンを駆動回路５に出力する。

以上の説明をもとに、第２図に戻ってプリンタの動作を
説明する。

ホスト側から、インタフェースコネクク８を介１．　　
０ ？てインタフェース制御部７に印字開始命令が入力され
ると、マイクロプロセッサ２はその命令を受けて駆動回
路５にラインフィード信号を供給する。駆動回路５は、
そのラインフィード信号を受けて、ラインフィードモー
タ６に対し制御信号Ｓｌｌ，　　Ｓ２１，　　ＳＩ２，
　　Ｓ２■を供給する。これによって、ラインフィード
モータ６は回転を開始し給紙が行なわれる。この動作に
よって、プリンタが印字可能な状態になると、マイクロ
プロセッサ２はＩ／Ｆ制御部７を介してホスト側に印字
可能な状態であることを知らせる。

次に、ホスト側が印字データを送出すると、インタフェ
ース制御部７を介してＲＡＭ３に格納される。そして、
マイクロプロセッサ２がこの印字データを読出し、所定
の印字信号を作成して印字部９を駆動する。この印字動
作と並行して、マイクロプロセッサ２は、ラインフィー
ドモータ６をマイクロステップで回転させるよう、駆動
回路５に駆動信号を退出する。このように、用紙を滑ら
かに搬送しながら印字を行ない、印字動作が終了１ ｌ したらプリンタから用紙を排出する。

（発明が解決しようとする課題） ところで、プリンタはオフィスで用いられることが多く
低騒音化が要求される。特に、印字音の発生しないノン
インパクトプリンタにおいては、その要求が厳しく、モ
ータ音の低減がプリンタを設計するに当たり重要なテー
マであった。また、プリンタに要求される仕様の多様化
，製品のラインアップ化により、１つのモータで様々な
速度を実現しなければならなくなっている。従って、騒
音の発生し易い５００ｐｐｓ　（パルス毎秒）以下の低
速領域でもステッピングモー夕を使用する場合ができて
きた。前述のマイクロステップ制御は、ステッピングモ
ータの高分解能を実現すると共に回転を滑らかにし、低
速領域における低騒音化を実現する有効な手段であるに
も関わらず、種々の要因により騒音が発生し、さらなる
低騒音化が要求されている。また、モータ音を低減させ
る方法として筐体に遮蔽効果をもたせる方法があるが、
この方法単独で低騒音化は無理であり、実際はモー１ ２ 夕自身の改良との両方で対策を行なっている。

本発明は以上述べたステッピングモー夕の発生するモー
タ音に着目してなされたもので、従来のステッピングモ
ータ制御装置のモータ音を更に低減させることを目的と
する。

（課題を解決するための手段） 本発明のステッピングモー夕制御方法は、複数の励磁コ
イルにより形成される合成磁界のベクトルを回転させて
ロータを回転させる多相励磁式ステッピングモータを駆
動する場合に、予め実測した当該ステッピングモータの
角度変位対静止トルク特性と正弦波との差を相殺する相
補的励磁電流を生成して、前記各励磁コイルに供給する
ことを特徴とするものである。

（作用） 以上の方法によれば、各励磁コイルに相補的励磁電流を
供給することにより、ロータの角度変位に対する各相の
発生トルクを合成した回転ベクトルを一定とすることが
できる。その結果、トルク変動がなくなり騒音が防止さ
れる。

１　３ （実施例） 以下、本発明を図の実施例を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明の方法説明用の、角度変位対静止トル
ク特性のグラフである。図のグラフは、横軸にステッピ
ングモー夕のロータの角度変位をとり、縦軸にトルクを
とったものである。横軸の単位は［゜］，縦軸の単位は
［ｇ　ｃｍｌである。

先ず、このステッピングモータは、１ステップで７．５
６角度変位を生じるものとする。ここで、本来、モータ
の静止トルク特性は、理想的には、図の一点鎖線のよう
に正弦波になることが好ましい。

そのような理想的な特性をもつステッピングモー夕にお
いて、第５図に示す波形で駆動回路５を駆動すれば、励
磁コイル４１．４２によりロータの角度変位に対する各
相の発生トルクを合威した回転ベクトルを一定とするこ
とができる。そのためロータ６は滑らかに回転する。

しかしながら、実際のステッピングモータは、ｌ　４ ロータの磁極の着磁分布が不均一であったり、ステータ
の磁極の形状が不均一であったり、ロータとステータ磁
極間の空隙にばらつき等がある。

従って、モータの角度変位対静止トルク特性は歪んだ形
となる。

本発明等の実験によれば、第１図に示すように、実際の
ステッピングモー夕の角度変位対静止トルク特性は、正
弦波状よりもやや外側に膨らんだ図の実線のような特性
となる。そ１の結果、第５図に示す波形で駆動回路５を
駆動した場合、第１図のハッチングを付した余分なトル
クがトルク変動を引き起こし、モータの振動音発生の原
因となる。

そこで、本発明においては、第１図の実線に示すような
実測トルク特性を予め求める。そして、一点鎖線の正弦
波状のトルク特性との差を相殺する変形した励磁電流、
即ち、相補的励磁電流を演算により求めておく。この相
補的励磁電流を各相の励磁コイルに供給すると、ロータ
の角度変位に対ずる各相の発生トルクを合成した回転ベ
クトル■ ５ が一定となり、上記に示すトルク変動が低減される。

第６図に、上記相補的励磁電流を求める方法を説明する
ため、立体化した静止トルク特性のグラフを示す。

第６図のグラフは、横軸に角度変位を単位［゜］でとり
、縦軸にトルクを単位［ｇ　ｃｍ］でとり、励磁電流を
パラメータとして表わしたものである。

ここで、例えば、０．２Ａの励磁電流を励磁コイルに供
給した場合には、図のパラメータが０．２Ａと表示され
た実線の曲線で、角度変位対静止トルク特性が得られる
。このとき、その実線に内接した破線に示す正弦波状が
理想的トルク特性である。

相補的励磁電流は次のように求める。

例えば、■の点では０．２Ａの励磁電流を供給する。一
方、例えば、■の点では、■の点から垂線を下ろし、理
想的トルク特性の曲線と交わった■の点を求める。励磁
電流をパラメータとして変化１ ６ させた場合、その角度変位対静止トルク特性曲線の包絡
面は、図から明らかなように鞍状の面となる。そして、
■の点から、角度変位面に対し平行に線を引き、上記包
絡面との交点を求める。例えば、励磁電流が０．１６Ａ
の角度変位対静止トルク特性曲線と交わったとする。こ
の点を■とすれば、０．］６Ａを　０．２Ａで“割った
値と　０．２Ａをピーク値とする正弦波の■の点の角度
変位に相当する電流値とを掛け合わせたものが■の点に
おける励磁電流値となる。

上記の要領で、理想的トルク特性曲線上の点から、角度
変位面に平行に直線を引き、その直線と包絡面との交点
を求める作業を繰返し、順次励磁電流値を求めていく。

そのような励磁電流を、先に説明した要領で励磁コイル
に供給すれば、結果として理想的な合成磁界が得られる
ことになる。

理論的には、第６図で説明したような方法により本発明
を実施することができるが、近似的には、三角関数や高
次関数により理想的に近い合成磁界が得られる励磁電流
を得ることができる。

１　７ 本発明者等の実験によれば、ｓｉｎ２波を用いた場合に
、極めて良好な結果を得た。

第７図に、そのよりなｓｉｎ２波を用いた相補的励磁電
流生戒回路の説明図を示す。

図中のグラフに示すように、先ず横軸にメモリアドレス
をとり、縦軸にデータの大きさを２″でとる。このデー
タを格納するリード・オンリ・メモリ２２の記憶容量に
応じてメモリアドレスを設定する。そして、各メモリア
ドレスに対応するビットのデータを、順にリード・オン
リ・メモリ２２に格納しておく。こうすれば、アドレス
カウンタ２１を用いて、リード・オンリ・メモリ２２か
らちょうど図に示すようなｓｉｎ２波２３を読出すこと
ができる。ｓｉｎ２波の周波数は、アドレスカウンタ２
ｌのインクリメント速度により制御される。

第８図に、ｓｉｎ２波を相補的励磁電流に設定した場合
の、第５図と対応する駆動回路の波形を示す。

励磁コイル４１．４２の電流方向を制御する制１　８ ？信号Ｓ．及びＳ２１［同図（ａ），（ｄ）］は、第５
図に示すものと変わるところはない。また、励磁コイル
４１の電流値を制御する制御信号Ｓｌ２［同図（ｂ）］
と、励磁コイル４２の電流値を制御する制御信号Ｓ２■
［同図（ｅ）］は、何れもｓｉｎ２波に相当する波形と
されている。そして、励磁コイル４１．４２の各励磁電
流Ｓ１３［同図（Ｃ）］とＳ２３［同図（ｅ）］とは、
ちょうど第５図（１））から（ｃ）あるいは（ｅ）から
（ｆ）への変換と同様の変換を行なった信号である。こ
れにより、各励磁コイル４１．４２には、ｓｉｎ２波の
励磁電流が互いに電気角でπ／２ずれて供給され、回転
磁界が生じる。

第９図に、種々の波形の励磁電流を励磁コイルに供給し
た場合の平均騒音レベルを比較する比較用のグラフを示
す。

このグラフは、横軸にモータ周波数を毎秒当たりのステ
ッピング周波数［ｐｐｓ］で表わし、縦軸に平均騒音レ
ベルを［ｄＢ］で表わした。

ここでは、方形波とｓｉｎ波とｓｉｎ２波について、１ ９ そのピーク電流が、６００ｍＡの場合と３００ｍＡの場
合を測定した結果を示している。

口及び■でプロットした方形波は、ピーク電流値に関わ
らず比較的騒音が大きい。一方、○と●でプロツ１・シ
たｓｉｎ波及び△と▲でプロットしたｓｉｎ２波は、何
れも２００ｐｐｓ付近で騒音レベルかピークを示す。し
かしながら、　ｓｉｎ波に比べてｓｉｎ２波のほうが、
全体として騒音レベルが低く、これによりモータの騒音
低減効果があることを実証している。即ち、ステッピン
グモー夕の場合、ｓｉｎ２波が上記相補的励磁電流に近
いことが実証された。

本発明においては、先に第６図で示した要領で、理想的
な励磁電流データを演算し、これを出力することが最も
好ましいが、その場合、モータの駆動条件に応じて多種
の制御用データを記憶しておく必要が生じる。一方、第
７図以後の実施例で説明したように、比較的実効性のあ
る励磁電流を、一般的な三角関数や高次関数等により近
似的に求めておけば、演算も容易で制御信号も小容量の
メモリに供給できるという利点がある。

２ Ｏ （発明の効果） 以上説明した本発明のステッピングモー夕制御方法によ
れば、予め、ステッピングモータの角度変位対静止トル
ク特性と正弦波との差を相殺するような相補的励磁電流
を励磁コイルに供給するため、ロータの角度変位に対す
る各相の発生トルクを合成した回転ベクトルが一定に近
付き、ロータの回転トルクもらな無くし、モータの回転
に伴う騒音を十分低減させることができる。これにより
、低騒音化の要求が厳しく、従来ステッピングモー夕が
使用できなかったようなオフィス機器にもステッピング
モータを活用し、機器の性能向上等に役立てることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の説明用角度変位対静止トルク特
性のグラフ、第２図は従来一般のプリンタの制御回路ブ
ロック図、第３図はそのステッピングモータ駆動回路の
結線図、第４図はステッピングモータの駆動電流波形を
示す波形図、第５図は従来方法による駆動回路中の波形
を示す波形２ｌ 図、第６図は本発明の方法を実施する場合の相補的励磁
電流を求めるための立体化した静止トルク特性を示すグ
ラフ、第７図は相補的励磁電流生成回路の説明図、第８
図は本発明の装置の駆動回路の波形、第９図は平均騒音
レベル比較用のグラフである。 ２ ２ ７百〇− Φ ０ ψ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の励磁コイルにより形成される合成磁界のベクトル
   を回転させてロータを回転させる多相励磁式ステッピン
   グモータを駆動する場合に、予め実測した当該ステッピ
   ングモータの角度変位対静止トルク特性と正弦波との差
   を相殺する相補的励磁電流を生成して、前記各励磁コイ
   ルに供給することを特徴とするステッピングモータ制御
   方法。