JPH0373240B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、閉ループ・ステツプ・モータ制御に
係り、特に別個に位置検出エンコーダすなわちパ
ルス・エミツタを必要とすることなくステツプ・
モータのインクリメント位置を検出することに関
する。 ［従来技術］ ステツプ・モータの巻線をモータの駆動と位置
測定フイードバツク・パルスの供給の双方に使用
することは公知である。しかし、従来の装置は、
モータ巻線からのフイードバツク信号に対して複
雑な処理を施さなければならず、コストが高くな
る問題がある。このように複雑な処理が必要とな
るのは、感知巻線として使用される巻線に電流が
誘導されると、この誘導電流による電圧降下がモ
ータの永久磁石によつて誘導される開放回路の
EMFに加わるためである。従つて、モータの永
久磁石によつて誘導されるEMFを検出するため
には、誘導電流による電圧降下を再構成して巻線
信号から差し引かなければならない。 米国特許第4282471号は、巻線信号から誘導電
流による電圧降下を差し引くために再構成されロ
ツクされた応答を基準信号として使用することを
開示している。 米国特許第4234838号は、可変磁気抵抗モータ
に対して同様の方法を使用している。 米国特許第4065708号は、電流による電圧降下
をシミユレートする増幅器の出力を差し引く加算
増幅器を開示している。 これらの方法の主たる欠点は、再構成回路の利
得係数をモータのパラメータに適合したものにす
る必要があることである。別の欠点は、これらの
方法のあるものは、雑音に敏感な微分回路を含み
ドリフトが生じやすいことである。 誘導電流による電圧降下を再構成するとき、巻
線のインダクタンス及び抵抗が再構成の計算に算
入される。特に、巻線抵抗は温度とともに変化
し、検出信号に位相誤差を生じさせる。永久磁石
ステツプ・モータの巻線のインダクンスはしばし
ば一定と仮定されるが、実際には、少くとも回転
子の角度の関数としての変動と、モータの磁気回
路の温度の関数としての変動とが存在する。 誘導電流による電圧降下から誘導EMFを分離
する別の従来方法は、モータに特別の感知コイル
を付加し、感知コイル中に誘導される電圧降下成
分を除去するために外部変圧器を使用するもので
ある。この方法の欠点は、モータのコストが増大
することと、モータの巻線インダグタンスに適合
するように外部変圧器を調整する必要があること
である。 米国特許第4255693号は、電流による電圧降下
を補償する別の複雑な方法を開示している。この
方法は、巻線電流を所定波形に規制するパルス幅
変調Ｈ型駆動回路によつて永久磁石ステツプ・モ
ータの巻線を駆動するものである。モータの永久
磁石によつて誘導されたEMFは電流に影響を与
えるので、パルス幅変調器はパルス幅を変化させ
ることによつて連続的に補償する。フイルタ及び
移相器が、永久磁石によつて誘導されるEMFの
間接的等価物として使用されるこれらの変形する
パルス幅を変出するのに使用される。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明は、従来のように特別の波形発生器や微
分回路を使用しない簡単な構成で、永久磁石回転
子によつて巻線に生じる誘導電圧の零交差を検出
するステツプ・モータ制御装置を提供することを
目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明の重要な特徴は、直交する巻線を有する
２相ステツプ・モータの永久磁石回転子によつて
巻線に誘導されるEMFを直接測定することにあ
る。 本発明のステツプ・モータ制御装置は、電源電
圧、基準電圧及び巻線に結合され、直交する巻線
を、互いに時間的に重複しない関係で交互に上記
電源電圧と上記基準電圧との間に結合することに
よつて、巻線駆動をする手段と、直交する巻線の
各々を通つて上記基準電圧から上記電源電圧への
向きに電流を流すように各々の巻線の端と上記電
源電圧及び上記基準電圧との間に夫々接続され、
駆動された巻線に回転子によつて誘導される電圧
が零交差する前に、該駆動された巻線の磁界エネ
ルギを消失させて該巻線の電流を零に減衰させ該
巻線を開放回路状態にするための単方向導通素子
と、直交する巻線の各々の両端に接続され、上記
駆動された巻線が開放回路状態になつた後に、該
巻線に上記回転子によつて誘導される電圧の零交
差を感知する手段とを有することを特徴とする。 実施例 本発明によつて行われる逆EMFの直接検出は、
どの相巻線の両端の開放電圧をモータの永久磁石
によつて巻線に誘導される逆EMFに等しいとい
う事実に基くものである。通常のステツプ・モー
タ動作の間、相巻線は通常開放されておらず、
“４相中２相オン”励磁の場合には相巻線は磁気
的に減結合さえされていない。従つて、本発明に
よつて行われる直接検出のキー・ポイントは、互
いに直交関係にある巻線の相励磁順序と駆動回路
の型である。 第２図には、互いに直交するように配設された
巻線を有する２層永久磁石ステツプ・モータが示
されている。永久磁石モータは、実際には、１回
転につき多くのモータ・ステツプを実現するため
に多重歯車と固定子磁極とが一致した歯を有す
る。回転子１１は永久磁石のＮ及びＳ極を有す
る。一対の固定子磁極１３及び１５は２極モータ
の１つの磁極対Ａを形成する。固定子磁極１７及
び１９によつて形成される別の磁極対Ｂは、磁極
対Ａに対して軸が直交する関係にある。磁極１３
には端子２１及び２３を有する巻線が巻かれ、磁
極１５には端子２５及び２７を有する巻線が巻か
れ、磁極１７には端子３５及び３７を有する巻線
が巻かれ、磁極１９には端子３１及び３３を有す
る巻線が巻かれている。これらの巻線は第１図に
詳細に示された本発明による駆動回路の実施例に
接続されている。 第３図には、磁極対Ａ及びＢの各巻線に誘導さ
れるEMF波形が第２図の固定子位置に対応する
Ｏ位置とともに示されている。第３図の２つの波
形は単純な正弦波形であり、零交差点はデイテン
トすなわちステツプ角位置を示す。 上述のように、逆EMF波形からステツプ・モ
ータの回転子位置を直接検出する能力で重要なフ
アクタは、使用される駆動回路の型と相励磁順序
である。本発明の駆動回路の好ましい実施例は、
第４図に簡単に示されている２相“Ｈ”駆動回路
である。この回路は、単一の電圧供給源から巻線
の双極励磁を可能にするものである。巻線が直交
的に駆動される限り他の駆動回路も使用できる。
換言すれば、逆EMFの零交差点を検出するため
に、各巻線が動作時間の半分の間オフとされオン
状態の巻線から磁気的に減結合される様に２極モ
ータは１度に１相で駆動されなければならない。 前述のように、逆EMFを直接検出するには、
逆EMF信号を与える巻線は電流による電圧降下
が除去される実質的開放回路でなければばらな
い。第４図において、オフ巻線の開放回路状態と
は、４つのトランジスタ４１，４３，４５及び４
７が全て電流を導通させていないことを意味す
る。例えばトランジスタ４１及び４７がターンオ
フしたときに生じる誘導性キツクVAはダイオー
ド５５及び５３によつて電源電圧より約１又は２
ボルト高い値にクランプされる。この値はダイオ
ード電圧降下に依存する。これらの抑制ダイオー
ド５５及び５３は、前の励磁による磁界が消失し
て磁界エネルギが完全に消費されるまで導通状態
を継続する。VAが電源電圧に等しいか又はこれ
より小さくなと、それ以上電流は流れることがで
きず、ダイオードは導通をやめ、巻線は実質的に
開放状態となる。前の励磁による磁界が消失する
と、電流は流れなくなり、オフ巻線の端子２１及
び２３間の電圧VAは、回転子の永久磁石によつ
て巻線に誘導される電圧EMFのみとなる。 第５図の等価回路は、モータが加速されている
ときに供給電圧よりさほど大きくない値に誘導電
圧キツクをクランプすることを示す。第５図にお
いてDIは減衰電流を示す。モータが加速してい
るとき、EMFは電流の流れを阻止するよう作用
する。後述のように、モータが減衰しているとき
には、EMFの極性は反転し、電流の流れを助長
し、電流減衰時間をより長くする。 前の例において、トランジスタ４３及び４５が
導通状態からターンオフすると、ダイオード５７
及び５１は励磁用磁界エネルギが消失するまで誘
導性キツクの大きさを制御するためにクランプ電
流路を形成する。 永久磁石回転子によつて巻線に誘導される
EMFは、正確に測定されるためにその巻線の励
磁のオフ期間の間零を交差しなければならない。 同様に、巻線の電流の減衰速度は、永久磁石モ
ータによつて誘導されるEMFの零交差に先立つ
て開放状態が生じるように十分に高くなければな
らない。さらに、モータは、オン及びオフ相が減
結合されるように１度に１つの相がオンとなる直
交相機械として駆動されなければならない。 第６図には、モータが一定速度で運転されてい
るときの磁極対Ａ及びＢの典型的波形が示されて
いる。モータの永久磁石によつて誘導される
EMFの零交差を検出するために、導通角CAと減
衰角DAの和（励磁角）は正の平均トルクを与え
るために−πから０の範囲内になければならな
い。これらの角度の和が０からπの範囲内にあれ
ば、モータを減衰させる負のトルクが得られる。 適当に制限された導通角を得るために、供給電
圧が大きい低インピーダンス・モータを使用する
と低コストで良好な性能を得られることが判明し
た。このことを第６図を参照して説明する。第６
図において、導通角CAは−π／２を中心として
示されている。この結果、低速度において、すな
わち、電流の立上り及び立下り時間がステツプ周
囲に比較して無視できるほどに小さい場合、正の
平均トルクが最大になる。従つて、低インピーダ
ンス・モータを使用すると、励磁角の位置が−π
からＯの間隔の外側にくることなく利用可能モー
タ・トルクを最適に使用できる。低インピーダン
ス・モータ及び高い供給電圧を使用すると、電流
の減衰が急速となり、減衰時間が短くなることに
より減衰角が最小となり、導通角の位置決めをよ
りフレキシブルにできる。例えば、減衰角を実質
的に零とした場合は、導通角の位置を−π〜０の
間隔に維持したまま、導通角の中心を−3π／４
〜−π／４の範囲で変えることができる。これに
より、モータに対してある程度の閉ループ速度制
御が可能となる。 モータのインピーダンスが低いこと及び駆動電
圧が高いことは、励磁角が０からπの間にあるモ
ータ減速の間も重要である。この間隔の間、減衰
磁界及び回転子の永久磁石によつて誘導される
EMFは、巻線中の電流が零に減衰するのに必要
な時間を増大させるように加算される。供給電圧
を高くし且つインダクタンスを低くすることによ
り、回転子の永久磁石によつて誘導されるEMF
の影響を克服でき、電流の減衰を急速にできる。 第６図には、磁極対Ａに対する第４図の駆動回
路のトランジスタ４１及び４７の導通に対応する
導通角CAが参照番号61によつて示されている。
参照番号62によつて示された減衰角６２は、電流
を０に急速に減衰させるためにダイオード５５及
び５３が巻線電圧を供給電圧にクランプする期間
に対応する。同様に、導通角６３は磁極対Ｂを駆
動する駆動回路のトランジスタ４１及び４７の導
通に対応する。減衰角６４は磁極対Ｂの駆動回路
のダイオード５５及び５３の電流の導通に対応す
る。導通角６５は磁極対Ａの駆動回路のトランジ
スタ４３及び４５の励磁電流に導通に対応する。
減衰角６６はダイオード５７及び５１を通しての
励磁磁界エネルギの消費に対応する。第６図にお
いて、回転子の永久磁石によつて巻線に誘導され
る電圧が零交差するとき（これはモータのデイテ
ント角である）、巻線には電流は流れない。モー
タのデイテント角に対応するエミツタ・パルスを
供給するためにこの零交差が検出される。この零
交差を検出するのに使用される回路の詳細構成は
第７図に示されている。 第７図の回路の説明に入る前に、第１図に示さ
れた本発明による駆動回路の実施例について説明
する。第１図の駆動回路は、電流感知抵抗１０１
及び比較器１０３を有するパルス幅変調電流制限
回路を含む。比較器１０３は、電流感知抵抗１０
１の端子電圧と、直流電源から導出される基準電
圧とを比較する。抵抗１０１の端子電圧が基準電
圧より大きくなるようなレベルに電流が増大する
と、双安定回路１０５がリセツトされる。双安定
回路１０５がリセツトされると、その出力は
ANDゲート１１１，１１３，１１５及び１１７
のいずれの出力も禁止する。これらのANDゲー
トは、通常、磁極対Ａ及びＢの各巻線のためのト
ランジスタ４１，４３，４５及び４７に順序信号
を供給する。双安定回路１０５は、電流がわずか
に減衰した後該回路１０５を繰返しセツトするた
めに20KHzのクロツク入力信号を受ける。このよ
うにして、低インピーダンス・モータは、該モー
タ中に過度の電流及び温度を生じさせることなく
高い電源電圧によつて駆動できる。 第７図には、各巻線に誘導されるEMFを感知
する感知手段の具体的構成例が示されている。参
照符号Ａ，Ａ−，Ｂ及びＢ−が付された入力端子
は、磁極対Ａ及びＢの巻線端子であり、第１図に
おいて同じ符号が付された端子に対応する。差動
増幅器２１１及び２１３は２つの機能を果す。ま
ず、差動増幅器は入力電圧を適当なレベルに低減
するために該電圧にスケール・フアクタを乗ず
る。次に、差動増幅器は論理回路及びマイクロプ
ロセツサ回路によつて処理するために入力電圧を
接地電位（零電圧）に関連付ける。差動増幅器２
１１及び２１３の出力には比較器２１５及び２１
７がそれぞれ接続される。これらの比較器は、回
転子の永久磁石によつて各巻線に誘導され上述の
ようにスケーリングされ且つ関連付けられた
EMFを零ボルトと比較し、EMFが零ボルトと交
差するときに出力信号を発生する。この出力信号
は、多機能インターフエース・アダプタ２１９の
割込入力に割込信号として与えられる。アダプ
タ・チツプ２１９の割込入力は立上り及び立下り
検出のどちらかに応答するようにマイクロプロセ
ツサによつてプログラム可能であり、割込可能レ
ジスタは独立した割込み及びマスキングを可能に
する。このようなアダプタは、この分野で周知で
あり、例えばSYNERTEK Incorporatedの
SY6522とすることができる。 第１表に示されたマイクロプログラムの制御の
下に、例えばSY6502（これもSYNERTEK製）
ようなマイクロプロセツサ２２１は交互に付勢及
び消勢され、各割込みにおいて立上りそして立下
りを検出するために交互にセツトされる（第９図
のブロツク４３９）。これにより、第３図に示さ
れた両EMF波形が正電圧から負電圧へ又はその
逆へ向けて零交差するときに両EMF波の各零交
差を検出できる。

【表】

【表】

【表】

【表】 第８図は、モータを駆動するために巻線に電流
パルスを与える相選択信号と回転子の永久磁石に
よつて巻線に誘導されるEMFとの関係を示す。
モータを始動させるために、２つの開放ループ・
パルスがマイクロプロセツサによつて発生され
る。次に続くパルスは、回転子の永久磁石によつ
て巻線に誘導されるEMF波形の零交差点を感知
検出することによつて発生し始める。この例にお
いては、零交差点において各巻線に電流を与える
ように駆動回路が切換えられる。この結果、２段
階の進み角が生じる。事象の順序及び割込制御プ
ログラムは、第１表及び第９図に示されている。
第１パルスの持続時間は、最小負荷において
EMF波形の最初の零交差の前に開放回路状態が
生じるように選択される。これにより負荷の増加
に対して適応力が最大となる。 再び第８図を参照するに、モータをデイテント
位置に保持するために第１表のステートメント３
４及び第９図のブロツク４１５に示されているよ
うに磁極対Ａの巻線に保持電流が供給されている
ものとする。保持電流は、第９図のブロツク４１
９に示されているように時間０においてターンオ
フされる。これにより、第８図において参照番号
311が付された波形の一部に示されているように
クランプされる誘導キツクが生じる。Ａ巻線が消
磁されると同時に、参照番号313によつて示され
るようにＢ巻線が励磁される。比較器１０３の電
流制限動作並びに駆動トランジスタ４３及び４５
を交互にオフ及びオンに切換える双安定回路１０
５の動作が、電圧波形３１３及び３１５中の破線
として第８図に示されている。波形３１９等は同
様な電圧パルス幅変調されているが、感知動作を
わかりやすくするために、これらの詳細は示さな
い。マイクロプロセツサによつてステートメント
５８（第９図のブロツク４２１）において1.6ミ
リ秒の遅延が計数された後、元の保持電流と反対
の方向にＡ磁極巻線に電流を流すように第１図の
トランジスタ４３及び４５をターンオンするため
にステート番号４４（第９図のブロツク４２３）
のマイクロプログラムに戻る。Ａ巻線の端子電圧
は第８図に参照番号315によつて示されている。
ここにおいて、多機能割込アダプタ２１９は回転
子の永久磁石によつてＢ巻線に誘導されるEMF
の零交差３１７を検出すようにセツトアツプされ
る。そして、第１表のプログラムは、第７図の回
路によつて割込みが発生されるまでステートメン
ト５７で待機する（第９図のブロツク４２７）。
割込みを受けると、プログラムはステートメント
７１において割込サービス・ルーチンにジヤンプ
し（第９図のブロツク４２９）、これによりＡ磁
極巻線の電流をオフに切換え、電圧波形３１９に
よつて駆動されるＢ磁極巻線の電流をターンオン
する。Ａ磁極巻線の誘導キツク３２１は電源電圧
にクランプされ、これによりモータの永久磁石に
よつてＡ巻線に誘導されるEMFが参照番号３２
３によつて示される点で零交差するかなり前にＡ
巻線の電流が減衰する。Ｂ磁極巻線に電流を流す
ようにトランジスタをターンオンした後、プログ
ラムはブロツク４３３，４３５及び４３７におい
てステツプ数を検査し続ける。例えば、ステツプ
数が100ならば、モータは36ステツプの間加速さ
れ、ステツプ79までは第６図の運転モードで動作
され、然る後にステツプ100まで減衰される。ス
テツプ100においてモータを停止位置で止めるた
めに巻線の１つに小さな定常状態電流が連続的に
供給される（第９図のブロツク４４５）。小電流
は多機能インターフエース・アダプタによつて与
えられる参照符号PEDが付されたペデスタル信
号によつて第１図の回路に与えられる。ペデスタ
ル信号PEDは小さな基準電圧値を供給し、これ
により比較器１０３は励磁中の巻線により短い巻
線により短い電圧パルスを供給する。 モータは加速及び運転状態の双方につき同じ割
込プログラミングで駆動される。運転状態の間、
正の加速トルクがモータ負荷とバランスする。加
速から減速へ移行させるためには、反対極性のト
ランジシヨンを検出して単一のマスキング遅延を
生じさせるように割込プログラミングを変更する
必要がある。 このことが、第８図において、正の零交差トラ
ンジシヨン３３０がマスクされている部分
（mkd）に示されている。割込入力の応答極性が
変更されているので、参照番号331で示される点
の零交差で通常与えられる割込みは、巻線の電流
を変化させないように無視される。参照番号333
で示される点の180度遅れた零交差は、巻線を切
換えて負トルクを発生させる電流を流すのに使用
される。参照番号335が付された部分に示されて
いるように、Ａ磁極巻線の誘導性キツクは減速の
間幅が広くなる。何故なら、モータ巻線によつて
誘導されるEMFが誘導性キツクにエネルギーを
付加するからである。参照番号337で示される点
で次の零交差が生じる前に電流が零に減衰する限
り、幅広の電流減衰パルスは問題を生じさせな
い。その後、モータはステツプ100まで各零交差
毎に切換え続ける。ステツプ100において、Ａ相
がモータをデイテント位置に保持するよう付勢さ
れている状態でプログラムは終了する。なお、第
８図中、Accは加速を、INTは割込を、Transは
トランジシヨンを、Decは減速をそれぞれ示す。 プログラムがステツプ・モータを36ステツプ駆
動した後、加速トルクを、負荷を駆動し且つ一定
速度を生じさせるのに必要なトルクに低減させる
ように切換遅延が与えられる。この遅延により、
導通角が他の巻線のEMF波形の零交差点をほぼ
中心として形成される。この遅延は第６図におい
て運転遅延RDとして示されている。遅延RDは、
割込ベクトルをステートメント６７（第９図のブ
ロツク４３１）に変更して割込がステートメント
７１において行われる前に遅延ルーチンを開始す
ることにより第１表のマイクロプログラムによつ
て与えられる。 上述のように、低インピーダンス２極ステツ
プ・モータは、回転子の永久磁石によつて巻線に
誘導される電圧が直接検出され且つ別個のエミツ
タ又は他の速度もしくは位置検出ハードウエアの
必要なくモータの動作の制御するためのエミツ
タ・パルスとして使用されるように比較的高い電
圧源で駆動できる。 モータ定格電圧よりかなり高い電源電圧（５乃
至20倍）を使用することにより駆動電流を急速に
低減できる。モータ速度を非常に低くする必要が
あるときには、電源電圧はより高い速度を必要と
するときほど高くする必要はない。 高い駆動電圧と低インピーダンス・モータ巻線
を使用することにより、低いモータ角速度で過度
の巻線電流が生じる可能性がある。過度電流を防
止するために、パルス幅変調電流応答スイツチが
設けられる。 ［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明による
ステツプ・モータ制御装置は、ステツプ・モータ
の永久磁石によつて誘導されるEMFを直接測定
するものであるから、簡単な構成であり安定で且
つ信頼性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は２相永久電石ステツプ・モータを駆動
する本発明による駆動回路の実施例を示す回路
図、第２図は２相永久電石ステツプ・モータの典
型的構成を示す概略図、第３図は第２図のモータ
の各相の巻線の１つの誘導されるEMF波形を示
す波形図、第４図は第２図のモータの１つの相の
ためのＨ駆動回路を示す回路図、第５図は駆動電
流が減衰しているときの第４図の駆動回路の等価
回路を示す回路図、第６図はモータが一定速度で
運転されているときの励磁波形を示す波形図、第
７図はモータの永久磁石によつて巻線に誘導され
るEMFを直接検出するのに使用される回路を示
す回路図、第８図はモータ動作が定常状態運転か
ら減速運転に変化したとき及びモータが減速して
いるときにモータの巻線の端子電圧を示す波形
図、第９図は第１表のマイクロコードによつて行
なわれる動作を示す流れ線図である。 １１……回転子、１３，１５，１７，１９……
固定子磁極、２１，２３，２５，２７，３１，３
３，３５，３７……巻線端子、４１，４３，４
５，４７……トランジスタ、６１，６３，６５…
…導通角、６２，６４，６６……減衰角、１０１
……電流感知抵抗、１０３……比較器、１０５…
…双安定回路、１１１，１１３，１１５，１１７
……ANDゲート、２１１，２１３……差動増幅
器、２１５，２１７……比較器、２１９……イン
ターフエース・アダプタ、２２１……マイクロプ
ロセツサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直交するように配設された巻線及び永久磁石
   回転子を有する２相ステツプ・モータのための制
   御装置において、 上記直交する巻線を、互いに時間的に重複しな
   い関係で交互に電源電圧と基準電圧との間に結合
   することによつて上記直交する巻線を２相駆動す
   る巻線駆動手段と、 上記直交する巻線の各々を通つて上記基準電圧
   から上記電源電圧への向きに電流が流れることが
   できるように各々の巻線の端と上記電源電圧及び
   上記基準電圧との間に夫々接続された単方向導通
   素子と、 上記直交する巻線の各々の両端に接続され、上
   記回転子によつて各巻線に生じる誘導電圧の零交
   差を感知する手段とを有し、 上記巻線駆動手段は、各相の駆動時間と、駆動
   された巻線が駆動終了後開放回路状態になるまで
   の時間との和が、上記誘導電圧の半サイクルより
   も短く、且つ駆動された巻線が、この巻線に生じ
   る上記誘導電圧の零交差の前に上記開放回路状態
   になるようなタイミングで上記直交する巻線を駆
   動することを特徴とするステツプ・モータ制御装
   置。