JPH03203595A - ステッピングモータの駆動方法および駆動装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、ステッピングモータの駆動方法および駆動
装置に関する。

（従来の技術） 周知のように、ステッピングモータはデジタル信号によ
る駆動が容易で、しかもオープンループ制御ながら高精
度な位置決めが可能であることから、ＯＡ機器の分野を
はじめ多くの分野で使用されている。

代表的なステッピングモータは、外周面に小歯を複数等
ピツチに有したロータを設け、このロータの外側にステ
ータコアを配置し、このステータコアの内面に相数に対
応した数のステータ突極を設け、これら突極のロータと
対向する面に小歯を複数等ピツチに設け、さらに各ステ
ータ突極の外周にそれぞれ励磁巻線を装着したものとな
っている。そして、駆動装置で各励磁巻線を定められた
シーケンスにしたがって順次、切換励磁し、これによっ
てステータ側小歯に対向するロータ側小歯に吸引力ある
いは反発力を作用させてステップ動作を行わせる構成と
なっている。

ところで、上記のように構成されるステッピングモータ
では、低速域ではロータが階動することによって速度変
動が生じ、また高速域では周波数応答特性の低下から階
動はしないものの励磁相聞の出力トルクのばらつきが原
因して速度変動が生じる。この速度変動について、さら
に第１１図から第１４図を用いて説明する。すなわち、
第１１図はハイブリッド形（同極形）の５相ステツピン
グモータを低速駆動したときのトルク特性を示している
。この例は励磁シーケンスが１０ステツプの繰り返しに
なっている場合で、摩擦負荷や励磁損間でのトルク特性
にばらつきが存在していない場合である。今、点Ｐで停
止している初期状態から励磁をスタートさせた場合、停
止点から次のステップの励磁を行うと、１で示すトルク
カーブから２のトルクカーブに切換わる。この瞬間、ト
ルクが発生し、ロータは１ステツプだけ進んで点Ｑで停
止する。さらに、駆動シーケンスにしたがって励磁を順
次切換えると、ロータが連続的に移動する。この図から
判るように、出力トルクは太線のように大きく変動する
。このため、ロータには励磁切換え周波数に一致した速
度変動が生ずる。

上述した例は、５つの励磁相聞に出力トルクのばらつき
が存ｉしていない場合の例であるが、実際には各励磁相
聞に出力トルクのばらつきが必ず存在している。したが
って、第１２図に示すように、１〜０のトルクカーブに
変動がある場合には、その周波数に等しい速度変動が重
畳されることになる。

第１３図は上述したハイブリッド形５相ステッピングモ
ータを１５１）０）１ｚで励磁切換（これをパルスレー
ト１５００ｐｐｓと呼ぶ）したときの速度変動を示し、
また第１４図はそのときのパワースペクトルを示してい
る。第１４図から明らかなように、励磁周波数である１
５００Ｈｚ以外に　１５０Ｈｚ、　　３７５Ｈｚ。

７５０Ｈｚに顕著なピークが現れている。これは励磁周
波数の１／１０．１／４．１／２に相当しており、励磁
相聞の出力トルクのばらつきに起因している。すなわち
、１／２．１／４は励磁コイルに電流が流れるときの切
換時の出力トルクのばらりきであり、１／１０は５層の
各コイルにおいて電流か流れるときの切換時の出力トル
クのばらつきが生じ励磁周波数の（１１５）　×（１／
２）倍の周波数で現れたピークである。このように、ス
テッピングモータを動作させた場合、ｍを整数としたと
き励磁周波数の１　／　ｍ倍の速度変動が現れ、さらに
ステッピングモータの励磁コイルの相数をｎとしたとき
励磁周波数の（１／　ｎ　）　Ｘ　（１／　ｍ　）倍の
速度変動が現れる。

このように、ステッピングモータが低速で動作している
ときには、１ステツプ毎に速度変動が起こり、また高速
領域では励磁相聞の出力トルクのばらつきに起因して数
ステップに相当する周期の速度変動が生じる。このよう
な速度変動は、ステッピングモータの大きな欠点となっ
ており、特に、精密機器の駆動源として使用した場合に
は、速度変動のために要求性能を満たさないことが多々
ある。

そこで、このような速度変動を低減するために、従来は
ロータ軸や負荷軸にダイナミックダンパを取付けたり、
トルク伝達機構の中間に減衰材を挿入して抑制したり、
あるいは大きなフライホイールを用いて回転を円滑化し
たりする手法が採用されている。また、機械的付加手段
により速度変動を低減できない場合には、１ステツプ移
動量を小さくするためにロータおよびステータの小歯の
ピッチを狭めたり、励磁相の数を増したりするなどして
、ステッピングモータの構造を変更することにより速度
変動を低減することも試みられている。

さらに、電気的な手法として、異なる励磁相への印加電
流を段階的に増減して、ロータの励磁停止点を段階的に
すらすことにより、１ステツプを数ステラプル数１０ス
テップに分割する、いわゆるマイクロステップ駆動方式
で速度変動を低減させようとする試みもなされている。

しかしながら、外部的付加要素を設けて速度変動を低減
する方式では全体の大型化を招くばかりか、大きな速度
変動低減効果を期待できないと言う問題があった。また
、マイクロステップ駆動方式を採用しても、異なる励磁
相聞でトルク特性にばらつきのある場合には、やはり大
きな速度変動低減効果が得られない問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、従来の速度変動低減方法では、外部付加要
素を必要としたり、構造変更を必要としたりし、簡便に
、かつ効果的に速度変動を低減することが困難であった
。

そこでこの発明は、簡単な電気的手法で、速度変動を極
めて小さくてきるステッピングモータの駆動方法および
駆動装置を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために、この発明では、ステータ側
に設けられた複数の励磁巻線を所定の順序で切換え励磁
するに当り、ｍを整数としたとき励磁周波数の１　／　
ｍ倍の周波数と、ステッピングモータの励磁コイルの相
数をｎとしたとき励磁周波数の（１／ｎ）Ｘ　（１／ｍ
）倍の周波数で励磁を切換える時間間隔を変動させるよ
うにしている。

この場合、励磁の切換えに供されるパルスのパルスレー
トを前述したように励磁周波数の１　／　ｍ倍の周波数
と励磁周波数の（１／　ｎ　）　Ｘ　（１／　ｍ　）倍
の周波数に現れている速度変動とは逆位相に変動させる
と効果的である。また、励磁切換えタイミングの時間間
隔を、より細かく変動させるためにマイクロステップ駆
動方式を併用することも効果的である。

（作用） ステッピングモータの励磁切換タイミングの時間間隔を
一定に保って駆動すると、各励磁相でのトルク特性のば
らつき等が原因して必ず固有の速度変動が生しる。

この速度変動の周波数は、ｍを整数としたとき励磁周波
数の１／ｍ倍の周波数と、ステッピングモータの励磁コ
イルの相数をｎとしたとき励磁周波数の（１／　ｎ　）
　Ｘ　（１／　ｍ　）倍の周波数となる。

この発明では、上記速度変動と同周期で、かつ逆位相と
なり、適度な振幅をもつようにパルスレトを変動させて
いる。この結果、両変動による速度変動が互いに打ち消
し合ってステッピングモータ固有の速度変動が低減され
る。

なお、ステッピングモータ固有の速度変動の周波数か比
較的高周波領域にある場合には、マイクロステップ駆動
方式を併用し、ステッピングモータの基準ステップ量を
分割すると共に励磁切換えタイミングの時間間隔をより
滑らかに変動させることによって効果的に速度変動を低
減させることができる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図にはこの発明を適用した駆動装置の概略構成が示
されている。

図中１はハイブリッド形（同極形）で５相のステッピン
グモータを示し、２は駆動装置を示している。

ステッピングモータ１は、ロータ１０と、ステータ２０
とで構成されている。ロータ１０は、第２図に示すよう
に、非磁性材で形成された軸１１と、この軸１１の外周
に装着されるとともに軸方向に着磁された永久磁石１２
と、永久磁石１２の両端側からそれぞれキャップ状に装
着された磁性材製の歯切りカップ１３ａ、１３ｂとで構
成されている。歯切りカップ１３ａ、１３ｂには、この
例ではそれぞれ周方向に等ピッチに５０個の小歯１４が
形成されている。なお、歯切りカップ１３ａ側の小歯１
４と、歯切りカップ１３ｂ側の小歯１４とは周方向に１
７２ピツチの位相差を持って設けられている。一方、ス
テータ２０は、第３図に示すように、ロータ１０を囲む
ように配置されたステータコア２１と、このステータコ
ア２１の内面に突設された１０本のステータ突極２２と
、これらステータ突極２２の先端部に等ピッチに設けら
れた小歯２３と、ステータ突極２２に巻装された励磁巻
線２４とで構成されている。なお、各励磁巻線２４は、
相対向するステータ突極２２に装着されたもの同志が直
列あるいは並列に接続され、これによって５つの励磁相
Ａ、Ｂ５Ｃ５Ｄ。

Ｅに区分けされた５相構成となっている。

駆動装置２は、大きく別けて、励磁回路３０と、分配回
路４０と、記憶回路５０と、演算回路６０と、速度設定
器７０とで構成されている。

励磁回路３０は、第４図に示すように、各励磁相を構成
する励磁巻線の両端をそれぞれパワートランジスタ３１
．３２を介して電源ライン３３．３４に接続し、対角線
上に位置するパワートランジスタ同志を順番にオン、オ
フすることにより、各相の励磁巻線に正あるいは負の電
流を流し、ステータ２０とロータ１０との間に磁界を発
生させるように構成されている。

分配回路４０は、後述する演算回路６０の出力パルスに
したがって第５図に代表的な励磁シーケンスを示すよう
に、各相の励磁巻線に励磁電流を流スべくパワートラン
ジスタ３１．３２をオン、オフ制御するベース信号を出
力するように構成されている。この例では１０ステツプ
の繰り返しになっている。

この速度変動の周波数は、ｍを整数倍としたとき励磁周
波数の１　／　ｍ倍の周波数と、ステッピングモータ１
の励磁コイルの相数をｎとしたとき励磁周波数の（１／
　ｎ　）　Ｘ　（１／　ｍ　）倍の周波数となる。すな
わち、この駆動装置２では、ステッピングモータ１の製
作後、使用最大速度までの範囲を複数段階に分け、各段
階における１０ステツプ範囲の速度変動を調べておき、
これら速度変動データを速度変動振幅を考慮に入れた１
周期分の正弦波状の変動波に模擬し、この速度変動デー
タを予め記憶回路５０に記憶させている。

演算回路６０は、速度設定器７０（パルス発生手段）か
ら速度設定信号が与えられると、設定速度に対応した速
度変動データを記憶回路５０から読出し、設定速度と速
度変動データとに基いて分配回路４０に供給する出力パ
ルスの間隔（ステップ間隔）を制御する。なお、このと
き記憶回路５０から読出される速度変動データの位相を
考慮に入れ、パルス時間間隔の逆数で定義されるパルス
レートの変動が速度変動に対してはほぼ逆位相となるよ
うに上記パルス間隔を制御している。

このような構成であると、速度設定器７０である速度を
設定すると、この速度設定器７０の出力は一定の傾斜で
設定速度に対応するレベルまで増加する。速度設定器７
０の出力が立ち上がると、演算回路６０が速度設定器７
０の出力に対応した速度変動データを記憶回路５０から
読出し、上記出力と読出された速度変動データとに基い
て出力パルスの時間間隔を制御する。このパルス間隔の
パルスレートの変動は、記憶回路５０から読出される速
度変動データに対してはほぼ逆位相となっている。演算
回路６０の出力パルスは分配回路４０に与えられ、この
分配回路４０から励磁回路３０のパワートランジスタ３
１．３２を第５図に示すように予め定められた順序にオ
ン、オフさせるためのベース信号が出力される。したが
って、ステッピングモータ１のロータ１０が回転を開始
する。

この場合、ステッピングモータ１の固有の速度変動を考
慮に入れ、各励磁相Ａ、Ｂ、Ｃ，ＤＳＥの励磁タイミン
グを制御しているので、固有の速度変動分を打ち消すこ
とができ、滑らかな回転を行なわせることができる。

第６図（ａ）はステッピングモータ１を定速回転動駆動
しているときの励磁切換タイミングを示している。この
切換タイミングにしたがって各相を構成する励磁巻線の
励磁が切換られる。この駆動装置２では、励磁切換タイ
ミングの時間間隔をΔｔを基準としてΔｔ　ｍｉｎ〜Δ
ｔ　＋ｎａｘの間で変動させている。この時間間隔の逆
数がパルスレートであり、このパルスレートは第６図（
ｂ）に示すように周期Ｔで正弦波状に変動している。

もし、ステッピングモータ１に固有の速度変動がなけれ
ば、ステッピングモータ１は第６図（ｂ）に示すような
周期Ｔで速度変動しながら回転する。

しかし、通常のステッピングモータには必ず固有の速度
変動が存在している。この駆動装置２では周期Ｔをステ
ッピングモータ固有の速度変動周期と一致させ、かつ、
はぼ逆位相となるように励磁切換タイミングの時間間隔
、つまりパルスレートを変動させている。したがって、
今、振幅が適当に設定されているものとすると、パルス
レートの変動に伴う速度変動でステッピングモータ固有
の速度変動を打消すことかでき、ロータ１０を滑かに回
転させることができる。

第７図には、この駆動装置２を使ってハイブリッド形５
相ステッピングモータの速度変動を低減した例が示され
ている。これは先に第１３図を用いて説明したモ〜りを
使い、同じ駆動条件（速度設定器７０の出力パルスのパ
ルスレートが１５０［１ｐｐｓ　）で、かつ励磁切換タ
イミングの時間間隔の変動周波数を１５０Ｈｚとし、し
かも上記変動位相がステッピングモータ固有の速度変動
と逆位相となるように制御した例である。このときのパ
ワスペクトルは第８図に示す結果となった。この図から
、速度変動低減のターゲットとしている１５０Ｈｚでの
ピークレベルがＮ１３図の場合に比べて激減し、速度波
形が滑らかになっていることが判る。

上述した実施例は、低減すべき速度変動が１０ステップ
分に相当し、励磁切換タイミングの時間間隔を比較的滑
らかに変動させることができるステッピングモータを対
象にした例である。しかし、励磁切換タイミングの時間
間隔を正弦波状に変動させようとしても滑らかな変動カ
ーブにはならず、充分な速度変動低減効果が得られない
ことがある。

このように、充分に滑らかな変動カーブが得られない場
合には、マイクロステップ駆動を用いればよい。この駆
動方法は同時に励磁している異なる励磁巻線へΦ印加電
圧を段階的に増減することにより、ロータ停止点をずら
すものであり、基本ステップ量を数ステラプル数１０ス
テップに分割することができる。

マイクロステップ駆動の概念を第９図を用いて簡単に説
明する。この例は２相バイポーラ型ステツピングモータ
であり、ロータ８０とステータ９０の構造は５相ステツ
ピングモータとほぼ同様であるが、励磁巻線数が２組で
ある。各励磁巻線Ｘ、Ｙに印加する電圧はパルス状では
なく、デジタル演算回路から出力されたデジタル量をＤ
／Ａ変換するなどして第１０図に示すような正弦波状と
している。また、励磁巻線Ｘ、励磁巻線Ｙへの印加電圧
は９０°位相がずれるようにしである。

このような駆動方法で励磁すると、ロータの移動量は第
１０図に示すようになり、この例では基本ステップ量θ
Ｓの１／４ずつステップ動作する。

このように、速度変動周期が基本ステップの４ステップ
分であるときには、励磁タイミング切換時間の時間間隔
を１６ステツプで周期的に変動させればよく、これによ
って、より滑らかにでき、速度変動低減効果を増大させ
ることができる。

なお、２相ステツピングモータにおいてマイクロステッ
プ駆動を併用する場合について説明したが、５相あるい
は４相ステツピングモータでも全く同様であり、マイク
ロステップ駆動を併用して励磁切換タイミングの時間間
隔を周期的に切換えることにより、速度変動低減効果を
増すことができる。

上述した実施例では、この発明の詳細な説明するために
、単一の周波数成分を持つ場合への適用について述べて
いるが、複数の周波数成分を持っていても、その周波数
がステッピングモータ駆動周波数より小さい範囲にあれ
ばこの発明の適用が可能である。また、この発明のステ
ッピングモータをレーザプリンタ、シリアルプリンタ、
熱転写プリンタ、インクジェットプリンタ、イメージス
キャナあるいはＣＴスキャナの寝台の駆動などに用いる
ことができる。

［発明の効果コ 以上のように、この発明によれば、外部的付加要素を必
要とすることなく、ステッピングモータ有の速度変動を
簡便に低減できるので、従来、困難であった精密機器へ
の適用に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を適用した駆動装置の概略構成図、第
２図は同装置によって駆動されるステッピングモータに
おけるロータの縦断面図、第３図は同ロータを組み込ん
だステータの平面図、第４図は同駆動装置における励磁
回路の構成図、第５図は同駆動装置における分配回路の
動作シーケンスを示す図、第６図（ａ）は同駆動装置の
おける演算回路のパルス出力の一例を示す図、第６図（
ｂ）は同パルス出力をパルスレートに変換した例を示す
図、第７図は同駆動装置で高速域を制御した例の速度変
動結果を示す図、第８図は第７図に示す条件におけるパ
ワースペクトルを示す図、第９図および第１０図はマイ
クロステップ駆動方式を併用する場合の例を説明するた
めの図、第１１図はハイブリッド形５相ステッピングモ
ータにおいて各励磁相聞にトルク出力のばらつきがない
場合のトルク出力特性を示す図、第１２図はハイブリッ
ド形５相ステッピングモータにおいて各励磁相聞にトル
ク出力のばらつきが存在している場合のトルク出力特性
を示す図、第１３図はハイブリッド形５相ステッピング
モータにおいて各励磁相聞にトルク出力のばらつきが存
在している場合の速度変動を示す図、第１４図は第１３
図に示した条件でのパワースペクトルを示す図である。 １・・・ステッピングモータ、２・・・駆動装置、１０
．８０・・・ロータ、２０．９０・・・ステータ、３０
・・・励磁回路、４０・・・分配回路、５０・・・記憶
回路、６０・・・演算回路、７０・・・速度設定器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ステッピングを駆動するために、ステータ側に設
   けられた複数の励磁巻線を所定の順序で切換え励磁する
   に当り、そのステッピングモータ固有の速度変動に対応
   させて励磁を切換える時間間隔を、周期性を持たせて変
   動させるステッピングモータの駆動方法において、その
   変動させる周波数をステッピングモータの相数ｎおよび
   整数ｍからｆｐ＝ｆ×（１／ｎ）×（１／ｍ）の関係で
   導かれる周波数ｆｐおよびｆｑ＝ｆ×（１／ｍ）の関係
   で導かれる周波数ｆｑとしたことを特徴とするステッピ
   ングモータの駆動方法。
2. （２）ステッピングモータを駆動するために、ステータ
   側に設けられた複数の励磁巻線を所定の順序で切換え励
   磁するためのものであって、ステッピングモータの相数
   ｎおよび整数ｍからｆｐ＝ｆ×（１／ｎ）×（１／ｍ）
   の関係で導かれる周波数ｆｐおよびｆｑ＝ｆ×（１×ｍ
   ）の関係で導かれる周波数ｆｑの速度変動データを予め
   記憶する記憶手段と、励磁を切換えるためのパルスを発
   生させるパルス発生手段と、前記記憶手段に記憶されて
   いる速度変動データを読出し、この速度変動データに対
   応させて前記パルス発生手段のパルスレートを速度変動
   とは逆位相に変動させる手段とを具備してなることを特
   徴とするステッピングモータの駆動装置。