JPH03273898A - ステッピングモータ制御装置 - 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） 本発明は、プリンタ等に使用されるステッピングモータ
の制御装置に関する。

（従来の技術） 近年、ラップトツブコンピュータをはじめとするポータ
プルタイプのＯＡ機器が広く用いられるようになり、そ
の機能も大幅に向上している。

このような機器において、ポータプル性を持たせるため
には、まず第一に、電源をバッテリにする必要がある。

また、このような機器は、コンパクトに形成しなければ
ならないが、そのためには、プリンタ等の駆動に用いら
れるステッピングモータ等を小形化しなければならない
。しかし、小形であっても充分必要なトルクを発生しな
ければならず、それなりの電流をモータに流さなければ
ならない。この場合、前述のようにバッテリ駆動である
ため、駆動電圧範囲は広く、低電圧時においても充分に
必要なトルクを生じなければならない。

しかし、このように低電圧時において充分なトルクを生
じるモータは、高電圧状態での使用時、発生トルクは過
剰となり、メカ的に大きな振動および騒音を生じる。さ
らにモータの過熱も大きくなり、各国の規格を満足でき
なくなってしまう。

また、上述した電圧範囲の問題だけでな（、ステッピン
グモータに対する駆動周波数の問題も生じる。すなわち
、対象となるＯＡ機器の仕様が向上することにより、ス
テッピングモータの動作速度として、種々のスピードが
要求されるようになってきている。このため、ステッピ
ングモータの駆動周波数は、求められるスピードに対応
して種々変化する。ここで、ステッピングモータとして
求められる特性は、どのようなスピードに対しても一定
のトルクが得られることである。言い換えれば、どのよ
うな駆動周波数に対しても、一定の電流がステッピング
モータの各相に流れるように制御しなければならない。

従来、このような問題に対して、例えば定電圧回路を介
して駆動用電源をステッピングモータに供給していた。

このように構成すると、電源の電圧変動に影響されるこ
となく、ステッピングモータに対して一定電圧を供給で
きるので、前述した電源電圧の変動に伴う振動や騒音の
発生等を防止することができる。

しかし、モータの消費電流が大きいと定電圧回路もそれ
にともなって大容量化しなければならず、コストアップ
になると共に、発生熱量も多くなるので、その放熱対策
をたてねばならない等、構造も複雑化する。また、一定
スピードの場合は一定の電流しか流れないが、速度変化
（駆動周波数の変化）に対しては、やはりトルクの増加
・減少（電流の増・減）が生じ、しかも過熱の問題も生
じる。

また、第７図で示すように、電流フィードバック制御を
行ない、モータ１１に流れる電流値を予定値に保つこと
も考えられている。すなわち、モータ１１の電流をＮＰ
Ｎ型トランジスタ１２のコレクタ・エミッタ間を通して
流し、そのエミッタとアース間に電流検出抵抗Ｒ，を設
け、この電流検出抵抗Ｒ２の両端に生じる、通電電流値
に対応した検出電圧をコンパレータ１３の（−）端子に
入力する。上記コンパレータ１３の（＋）端子には適性
電圧が供給されており、このコンパレータ１３の出力を
前記トランジスタ１２のベースに加えることにより、電
流フィードバック制御を行なうことができる。

このような電流フィードバック制御を行なうと、電源電
圧の変動に影響されず、速度変化に対しても常に一定範
囲の電流を流せる等、有利にはなる。しかし、電流検出
抵抗ＲＭを用いているため、これによって電圧のロスが
生じてしまう。このようなロスの発生は、バッテリ駆動
の場合、大きな問題となる。

また、電流フィードバック制御の場合、第８図で示すよ
うに、ドライブ電流の立ち上がりが、同図（１）で示す
電源電圧の低い場合と、同図（ｂ）で示す電源電圧の高
い場合とでは、大きく異なってしまい、一定のトルクを
維持することが困難となる。このような場合、トルクを
一定に保つには、第７図におけるコンパレータ１３の（
＋）端子側に、図示しないＣＰＵを介して、供給電圧に
対応した電圧波形を入力してやればよい。これは、ステ
ッピングモータのマイクロステップ駆動で一般に用いら
れているが、第７図で示すように、Ｄ／Ａコンバータ１
４が必要になる等、大きなコストアップになる。

（発明が解決しようとする課題） 上記のように、従来、電源電圧の変動により振動や騒音
が生じたり、速度変化に対しトルクの一定化ができなか
ったり、モータの過熱が生じたり、コストアップを招く
等の問題があった。

本発明の目的は、電源電圧の変動や速度変化に影響され
ること無くトルクを一定に保ち、かつ過熱を防止するこ
とができるステッピングモータ制御装置を提供すること
にある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明によるステッピングモータ制御装置は、ステッピ
ングモータに対する駆動信号を入力し、その周波数の増
加に対応して電源電圧を低下させる可変電圧部と、この
可変電圧部の出力電圧を入力し、この出力電圧に対応し
た周波数を生じる電圧／周波数変換回路と、この電圧／
周波数変換回路の出力周波数によりステッピングモータ
の各相電流を断続制御する駆動回路とを備えたものであ
る。

（作用） 本発明では、先ず、可変電圧部により、電源電圧を基に
、ステッピングモータの駆動周波数をパラメータとして
、その周波数の増加に対応して前記電源電圧を低下させ
ている。そして、この可変電圧部の出力電圧に応じた周
波数の出力信号を電圧／周波数変換回路により得ており
、この出力周波数によりステッピングモータの各相電流
を断続制御する。すなわち、電源電圧が低い場合は、電
圧／周波数変換回路の出力周波数を低くして、ステッピ
ングモータの各相電流の通電期間を長くする。これに対
し、電源電圧が高い場合は、電圧／周波数変換回路の出
力周波数が高くなり、ステッピングモータの各相電流を
制御し、その電流波形が、電圧の低い場合と同じになる
ようにし、電源電圧の変化に関係なくほぼ一定のトルク
を得ている。また、ステッピングモータの駆動周波数が
高くなると、通電電流は絞られるので、そのままではト
ルク不足になる。そこで、可変電圧部により、駆動周波
数の増加に対応して電源電圧を低下させ、電圧／周波数
変換回路の出力周波数を低くし、ステッピングモータの
各相電流の通電期間を長＜シ、ステッピングモータは、
どのようなスピードにおいても、はぼ一定のトルクを保
つ。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図において、本発明装置は、図示破線の右側に位置
する可変電圧部２１、同破線の左側に位置する電圧／周
波数変換回路２２、およびステッピングモータ１１の駆
動回路２３に大別される。

先ず、電圧／周波数変換回路２２を説明する。

この電圧／周波数変換回路２２は、可変電圧部２１の出
力電圧（Ａ点電圧）を入力し、その出力電圧に対応した
周波数の出力信号を生じる。すなわち、前記Ａ点電圧は
抵抗Ｒ１ダイオードＤ、を介してコンデンサＣ１に充電
される。このコンデンサＣ１の両端電圧は、コンパレー
タ２５の（＋）ｉ子に入力される。また、コンデンサＣ
１には放電用の抵抗Ｒ２が接続されている。

上記コンパレータ２５の（−）端子には、５■電源が抵
抗Ｒ，，Ｒ４により分圧され、印加されている。また、
この５■電源は、スイッチング素子であるＰＮＰ型トラ
ンジスタ２６のエミッタに接続されている。このトラン
ジスタ２６のコレクタとアース間にはダイオードＤ、と
抵抗Ｒ６とによる直列回路およびダイオードＤ４と抵抗
Ｒ６とによる直列回路がそれぞれ接続されている。また
、このトランジスタ２６のベースは、抵抗Ｒ７を介して
エミッタに接続されると共に、抵抗Ｒ８を介して前記コ
ンパレータ２５の出力端子（Ｂ点）と接続されている。

前記充電用のダイオードＤ１のアノードと前記抵抗Ｒ６
の図示上端（Ｃ点）との間には充電停止用のダイオード
Ｄ２が接続され、また、前記コンパレータ２５の（−）
端子と前記Ｃ点との間にはフィードバック抵抗Ｒ０が接
続されている。

前記ダイオードＤ４と抵抗Ｒ６との接続点からは、この
電圧／周波数変換回路２２の出力電圧Ｖｃｃが出力され
る。

上記回路構成において、Ａ点電圧は、抵抗Ｒ１およびダ
イオードＤ１を介して、所定の時定数によりコンデンサ
Ｃ１に充電される。コンパレータ２５の出力電圧（Ｂ点
電圧）は、その（＋）端子に印加されているコンデンサ
Ｃ５の電圧が、（−）端子に印加された電圧より低いと
き、第５図で示すように、Ｌレベルであり、トランジス
タ２６はオン状態にある。したがって第５図の０点電圧
および出力電圧Ｖ　ｃｃは、共にＩ］レベルとなってい
る。

前記コンデンサＣ０の充電が進み、その電圧が（−）端
子に印加された電圧より高くなると、コンパレータ２５
の出力電圧（Ｂ点電圧）はＨレベルに反転し、トランジ
スタ２６をオフ動作させる。

したがって、第５図の０点電圧および出力電圧Ｖｃｃは
、共にＬレベルに反転する。この動作により、コンデン
サＣ３への充電電流はダイオードＤ２を介してバイパス
され、コンデンサＣ１への充電は停止する。このため、
コンデンサＣＩの充電電荷は抵抗Ｒ２を介して放電され
る。

上記放電により、コンパレータ２５の（＋）端子の電圧
が、（−）端子に印加されている電圧より低くなると、
コンパレータ２５のＢ点電圧は再びＬレベルに反転し、
トランジスタ２６をオン動作させる。トランジスタ２６
がオン動作したことにより、０点電圧および出力電圧Ｖ
ｃｃも再びＨレベルに反転する。したがって、コンデン
サＣ１への充電が再び開始され、以後前述した動作を繰
返す。すなわち、発振動作する。なお、トランジスタ２
６のオフ期間はコンデンサＣ１の放電時間によって決ま
るが、この放電時間は抵抗Ｒ２により一定であるため、
上記オフ期間も一定である。

ここで、Ａ点電圧が高いと、コンデンサＣ１の充電時間
は早くなり、それだけトランジスタ２６がオフになるま
での周期（オン状態の期間）が短くなる。すなわち、オ
フ期間は前述のように一定なので、オフ状態の回数が多
くなることを意味する。反対に、Ａ点電圧が低いと、コ
ンデンサＣ１の充電時間は遅くなり、それだけトランジ
スタ２６がオフになるまでの周期が長くなる。言い換え
ればオフ状態の回数が少なくなる。そして、Ａ点電圧が
ある一定値以下になるとトランジスタ２６はオフせず、
オンのままとなる。

このように電圧／周波数変換回路２２は、入力電圧であ
るＡ点電圧に対応した周波数の出力信号を得る電圧／周
波数変換回路である。

次に、ステッピングモータ１１の駆動回路２３を説明す
る。この駆動回路２３は、上記電圧／周波数変換回路２
２の出力周波数によりステッピングモータ１１の各相電
流を断続制御するものである。ここで、ステッピングモ
ータ１１は、周知の如く、各相巻線を順次励磁すること
により、所定の回転角ずつ回転させるものであり、駆動
回路２３には、回転速度に対応した駆動周波数の、パル
ス状のデータ（以下相データと呼ぶ）Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄが
各相銀に入力される。そして、これら相データＡ、Ｂ。

Ｃ，Ｄが入力されている期間、装置電源２７からステッ
ピングモータ１１に供給される各相電流ａ、ｂ。

ｃ、ｄを、前記電圧／周波数変換回路２２の出力電圧Ｖ
　ｃｃの周波数に従って断続制御する。

この駆動回路２３の基本構成は第２図で示すとおりであ
り、入力側は２個のＰＮＰ型トランジスタ２８．２９を
主体に構成され、また、出力側は２個のＮＰＮ型トラン
ジスタ３０．３１を主体に構成されている。そして、前
記電圧／周波数変換回路２２の出力電圧ＶＣＣは、一方
のＰＮＰ型トランジスタ２８のエミッタに接続され、ま
た、各相データＡ、Ｂ。

Ｃ，Ｄは、他方のＰＮＰ型トランジスタ２９のベースに
接続される。さらに、ステッピングモータ１１の各相電
流ａ、ｂ、ｃ、ｄを通電させるための出力は、２個のＮ
ＰＮ型トランジスタ３０．３１のフレフタから導出され
る。

上記駆動回路２３において、例えばＡ相データが入力さ
れている場合、前記電圧／周波数変換回路２２の出力電
圧Ｖ　ｃｃがＨレベルのとき、ステッピングモータＩＩ
の対応する相電流ａは通電し、同出力電圧Ｖ　ｃｃがＬ
レベルのとき対応する相電流ａは遮断される。すなわち
、電圧／周波数変換回路２２の出力周波数により、ステ
ッピングモータ１１の各相電流ａ、ｂ、ｃ、ｄを断続制
御する。ここで、モータ１１への通電を止める時間、す
なわち、前記電圧／周波数変換回路２２におけるトラン
ジスタ２６のオフ時間は、モータのステッピンググレー
ト（ｐｐｓ）からみて充分小さな値（１０〜２０μｓ）
とする。

次に、可変電圧部２１を説明する。この可変電圧部２１
は、装置電源（非安定化電源）２７の電圧をバに、ステ
ッピングモータ１１の駆動周波数をパラメータとして変
化させた電圧を、Ａ点電圧として出力するものである。

すなわち、装置電源２７の電圧は、抵抗ＲＩｌｌおよび
ダイオ−１！Ｄ、を介してコンデンサＣ２に充電され、
このコンデンサＣ２の両端電圧が前記Ａ点電圧として出
力される。また、このコンデンサＣ２の（＋）端子には
、抵抗Ｒ＋　＋を介してコンパレータ３３の出力端子が
接続されている。

このコンパレータ３３はＡ点電圧を変化させるもので、
その（−）端子には、抵抗Ｒ，２，Ｒ，３で分圧された
電圧と共に、パルス状（矩形波状）の相データ、例えば
Ａ相データが逆向きのダイオードＤ６．Ｄ、を介して入
力される。また（＋）端子には、抵抗Ｒ１４を介して充
電されるコンデンサＣ１の端子電圧が入力されると共に
、このコンデンサＣ１を瞬間的に放電させる相微分信号
が逆向きのダイオードＤ８を介して入力される。

上記回路構成において、コンパレータ３３の（−）端子
に、第３図で示すように、時間幅Ｔ２のＡ相データが入
力されると、（−）端子の電位はＬレベルに立ち下がる
。また、上記Ａ相データの立ち下がりに同期して立ち下
がる相微分データが（＋）端子に入力されると、コンデ
ンサＣ１は瞬時に放電し、（＋）端子の電位も急激に立
ち下がるが、前記（−）端子の電位までは下がらないの
でコンパレータ３３の出力はＨレベルを維持する。

その後、コンデンサＣ３に対する充電が開始されるので
（＋）端子の電位は図示破線で示すごとく徐々に上昇す
る。これに対し、（−）端子の電位は、時間Ｔ２が経過
して人相データが立ち上がることにより、−気にＨレベ
ルまで上昇する。このため、コンパレータ３３の出力は
Ｌレベルに反転する。その後、コンデンサＣ３の充電が
進み、（＋）端子の電位が（−）端子の電位を越えると
、コンパレータ３３の出力は再びＩ］レベルに反転する
。このコンパレータ３３の出力がＬレベルになっている
時間Ｔ、の間、コンデンサＣ１は放電するので、この時
間Ｔ３が長いほどＡ点電圧は低くなる。

ここで、ステッピングモータＩ＋の駆動周波数が高くな
ると、第３図における時間Ｔ２の幅は狭くなるが、コン
デンサＣ３の充電時定数により時間Ｔ、は一定なので、
その分、時間Ｔ３は長くなる。すなわち、駆動周波数が
高くなると、時間Ｔ、が長くなり、したがってＡ点電圧
もその分低くなる。

次に、全体的な動作を説明する。Ａ点電圧が高いと電圧
／周波数変換回路２２の発振周波数が高くなり、トラン
ジスタ２６のオフ回数が増大し、装置電源２７から供給
されモータ１１に流れる電流の立ち上がりを制御する。

一方、Ａ点電圧が低いと電圧／周波数変換回路２２の発
振周波数は低くなり、発振が停止してトランジスタ２６
が常にオン状態になることもある。この場合、モータ１
１に流れる電流の波形は第６図（１）で示すように無制
御状態になる。同図（ｂ）はＡ点電圧が高く、電圧／周
波数変換回路２２から生じる高い発振周波数によりモタ
１１に流れる電流の立ち上がりを制御している状態を示
している。なお、比較のために本発明を適用しない場合
の電流波形を破線によって示している。

第６図から明らかなように、Ａ点電圧が変化しても、電
流波形は両者はぼ一定である。このように電流波形が一
定であるということは、トルクも一定であり、余分な電
流によるモータ１１の過熱を防ぐこともできる。

次に、モータ１１を駆動周波数１００ｐｐｓから２００
ｐｐｓまでの間で駆動する場合を説明する。通常、駆動
周波数が低いほどモータ１１のトルクは大きく、電流も
大きい。したがって、１００ｐｐｓのときに適正な電流
がモータ１１に流れるよう、電圧／周波数変換回路２２
の特性を設定する。

また、１００ｐｐｓのとき、Ａ点電圧が装置電源２７か
らの供給電圧と同じ値になるように可変電圧部２１を設
定する。

通常、駆動周波数が高くなればモータに流れる電流は自
ずと絞られるので、２００ｐｐｓの場合に、Ａ点電圧が
１００ｐｐｓの場合と同じであると、電流は大幅に絞ら
れ、トルク不足となる。

そこで、本発明では、Ａ点電圧を装置電源２７の電圧よ
り低くし、前述した電流制御（電圧／周波数変換回路２
２のトランジスタ２６がオフになる回数）を少なくして
いる。

第４図は、モータ１１に適正電流を流すための、ステッ
ピング駆動周波数とＡ点電圧との関係を示しており、可
変電圧部２１ではこのような関係を成すように抵抗Ｒ，
ｏ、Ｒ，，を設定する。

ここで、第３図における時間Ｔ、は、抵抗■り、４とコ
ンデンサＣ３とで決定されるが、この時間Ｔ１を、駆動
周波数１００ｐｐＳで駆動した場合に、時間Ｔ２と等し
くなるように設定する。このようにすると、コンパレー
タ３３の出力は常にＨレベルになり、装置電源２７から
の供給電圧がそのままＡ点電圧として出力される。

駆動周波数が高くなると、前述のように第３図における
時間Ｔ３が大きくなり、Ａ点電圧を低下させる。このた
め、電圧／周波数変換回路２２の発振周波数も、第５図
の右側で示す１００ｐｐｓの場合より、左側の２００ｐ
ｐｓの方が低くなる。

このようにして、電源電圧の変化やステッピング駆動周
波数の変化に対しても常に一定の電流をモータに流すこ
とができる。

なお、可変電圧部２１におけるＡ点電圧を、ＣＰＵを用
いＤ／Ａコンバータから出力させてもよい。この場合、
第４図の特性をＲＯＭに持たせておけばよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、電源電圧の変化やステッ
ピング駆動周波数の変化に対して、常に一定のトルク（
電流）を得ることができるので、モータをコストダウン
することができると共に、機械的な振動を低減でき、さ
らに過熱保護をも行なうことができる。また、モータの
設計に当たっては、低電圧時の１ポイントを満足させる
だけでよく、設計が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるステッピングモータ制御装置の一
実施例を示す回路図、第２図は第１図における駆動回路
の詳細構成を示す回路図、第３図は第１図で示した可変
電圧部の動作を説明するタイムチャート、第４図は可変
電圧部の特性を示す図、第５図は第１図で示した電圧／
周波数変換回路の発振動作を説明するためのタイムチャ
ート、第６図［１（ｂ）はモータの通電電流波形を示す
図、第７図は従来装置を示す回路図、第８図ｉ）　（ｂ
）は従来装置による電流波形を示す図である。 ＋１−−ステッピングモータ、２し・可変電圧部、２２
・・電圧／周波数変換回路、２３・・駆動回路。 ｍし くα： Ｐ８

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ステッピングモータに対する駆動信号を入力し、
   その周波数の増加に対応して電源電圧を低下させる可変
   電圧部と、 この可変電圧部の出力電圧を入力し、この出力電圧に対
   応した周波数を生じる電圧／周波数変換回路と、 この電圧／周波数変換回路の出力周波数によりステッピ
   ングモータの各相電流を断続制御する駆動回路と、 を備えたことを特徴とするステッピングモータ制御装置
   。