JPH0515194A - モータ制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低コストで高速にモータを回転駆動できると
ともに、低騒音でモータを回転駆動できるモータ制御方
法及び装置を提供することを目的とする。 【構成】 モータ１０５に電力を供給する電源１１２と
モータ１０５との間に電力供給をスイッチングするスイ
ッチング素子１０７を設け、そのモータ１０５の回転モ
ードに応じて、スイッチング素子をスイッチングする信
号のデューティを変更する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばステッピングモ
ータ等のモータの励磁相を切替えて回転駆動するモータ
制御方法及び装置に関するものであり、特に複数の運転
モードを有する、つまりランプアップ／ダウンや定速駆
動、保持動作等を行なうモータ制御方法及び装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ステッピングモータを回転駆動する方式
として、最も一般的に採用されているものに定電圧駆動
方式と定電流方式がある。前者の定電圧駆動方式は回路
構成が簡単であり、安価であるところから広く使用され
ている。しかし、モータの回転周波数が高くなると、モ
ータ巻線のインダクタンスの影響によりモータ巻線の電
流の立上がりが遅くなってしまう。このため、高速回転
駆動を行う場合はモータのトルクの減少を招き、高速回
転ができないという問題がある。また、後者の定電流駆
動方式は、モータ巻線の時定数を小さくするように電圧
及び巻線インダクタンスを設定し、モータ巻線の電流値
を検出しながら、その検出した電流値になるようにトラ
ンジスタなどのスイッチング素子により電流をオン・オ
フして、巻線を流れる電流値を一定に保つ方式である。
このような定電流駆動によれば、モータの高速回転が実
現できるものの、その反面、回路構成が複雑となり、コ
ストが高くなるという問題がある。さらに、ステッピン
グモータを駆動する場合、相励磁の切り替え時にモータ
振動が発生するので、電流値を一定にしたままでモータ
の駆動回転数を変えると騒音が発生する。このため、そ
の定電流値をモータの回転数に適した電流値に変える必
要があり、そのための回路が更に必要になるという問題
がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】さらに、より高度なモ
ータの駆動方式として、モータの最小駆動ステップ角以
下の小さい回転角度を検出できるエンコーダを、そのモ
ータの回転軸に取付け、そのエンコーダよりの信号によ
り、つまりモータの回転に同期して励磁相の切り替えを
行うようにし、電圧又は電流をチョッピングし、そのデ
ューティによりモータの回転速度を変化させる制御方式
が知られている。この方式によるとモータの回転数が変
化した場合でも適正に励磁相を切り替えることができ
る。これにより、いわゆる脱調状態とはならず、さらに
モータ巻線への供給電力に応じた回転周波数となるた
め、騒音の発生をも抑えることができる。しかし、この
方式によれば、駆動回路を構成する部品点数は、モータ
回転軸に取り付けられたエンコーダを含め、前述の定電
圧あるいは定電流方式に比べて最大となり、全体的にも
コストの高いものになってしまうという欠点があつた。

【０００４】本発明は上記従来例に鑑みてなされたもの
で、低コストで高速にモータを回転駆動できるととも
に、低騒音でモータを回転駆動できるモータ制御方法及
び装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のモータ制御装置は以下のような構成を備え
る。即ち、モータの各相の励磁信号を切り替えてモータ
の回転を制御するモータ制御装置であって、モータに電
力を供給する電源と、前記電源と前記モータとの間で、
前記モータへの電力供給をスイッチングするスイッチン
グ手段と、前記モータの回転モードに応じて、前記スイ
ッチング手段におけるスイッチング・タイミングを指示
する指示手段とを有する。

【０００６】上記目的を達成するために本発明のモータ
制御方法は以下のような構成を備える。即ち、モータの
各相の励磁信号を切り替えてモータの回転を制御するモ
ータ制御方法であって、電源よりモータに電力を供給す
る回路上に設けられたスイッチング素子をパルス信号に
よりオン・オフさせ、このパルス信号のデューティ比を
モータの回転モードに応じて変更する。

【０００７】

【作用】以上の構成において、モータに電力を供給する
電源と、そのモータとの間に電力供給をスイッチングす
るスイッチング手段を設け、そのモータの回転モードに
応じて、スイッチング手段におけるスイッチング・タイ
ミングを指示するように動作する。

【０００８】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の好適な実
施例を詳細に説明する。

【０００９】図１は本実施例のモータ駆動回路の概略構
成を示すブロツク図である。

【００１０】図１において、１はモータの回転駆動制御
を行なうマイクロプロセッサ等のＭＰＵで、ワークエリ
アとして使用するＲＡＭ１２１及びＭＰＵの制御プログ
ラムを記憶しているＲＯＭ１２２などを備えている。１
０２はＰＷＭ（パルス幅変調器：Pulse Width Modurato
r ）ユニット（以下、ＰＷＭユニット）で、ＭＰＵバス
に接続され、ＭＰＵ１０１の指示により、その出力周波
数及びデューティを設定してパルス信号を出力すること
ができる。１０３は出力ポートで、ＭＰＵのバスに接続
され、ＭＰＵ１０１より出力される相切り替え信号に同
期して、ステッピングモータ１０５の相励磁信号（Ａ〜
Ｄ）を出力している。１０４はプログラム可能なタイマ
で、ＭＰＵ１０１の指示により計時を開始し、その指示
された時間が経過すると、例えば割込みや制御信号等に
よりＭＰＵ１０１に通知することができる。

【００１１】１０５は２相のユニポーラ結線されたステ
ッピングモータである。１０６はトランジスタアレイ
で、出力ポート１０３より出力された相励磁信号により
対応するトランジスタがオン・オフされ、ステッピング
モータ１０５の各相の励磁を行なっている。１０７は電
流制御用のＰＮＰトランジスタで、ＰＷＭユニット１０
２の出力パルスがインバータ１１１で反転された信号を
入力し、ステッピングモータ１０４に流れる巻線電流を
制御している。１０８はフライホイールダイオードで、
電流制御用トランジスタ１０７がオフした時、ステッピ
ングモータ１０５のコイルに発生する逆起電力による電
流を流すための電流経路を形成している。１０９は逆電
流を防止するためのダイオードで、ステッピングモータ
１０５のコイルに通電された時、コイルの誘起電圧によ
る逆電流を防止している。１１２はモータ１０５に電力
を供給している電源である。

【００１２】図２は、ステッピングモータ１０５を２相
励磁により回転駆動する時のタイミングを示す図であ
る。

【００１３】ＭＰＵ１０１は、出力ポート１０３よりス
テッピングモータ１０５の２相励磁駆動に必要な励磁信
号Ａ〜Ｄを発生する。これら励磁信号が切り替えられる
タイミングは、タイマ１０４による計時に基づいて行わ
れ、ＭＰＵ１０１のソフトウェア制御の下に制御され
る。この励磁相を切り替える時間間隔を変更することに
より、ステッピングモータ１０５の加速、定速、減速、
微速等の各モードの制御が行なわれる。またＭＰＵ１０
１は、ＰＷＭユニット１０２に一定の周波数、例えば人
間の耳の可聴領域より高い２０ＫＨｚ以上の周波数パル
スを出力するように指示しており、加速、定速、減速等
の各モードに対応して、予め定められたデューティでパ
ルス信号を出力するように指示している。

【００１４】図３は、ＭＰＵ１０１よりＰＷＭユニット
１０２に出力される信号１１０の出力波形例とステッピ
ングモータ１０５のスピードとの関係を示す図である。

【００１５】図２に示した信号Ｅのデューティは、信号
１１０が図３のレベル（ｅ）でＰＷＭユニット１０２に
印加された時に対応している。そして、信号１１０の信
号レベルが高くなるほどそのデューティ比が高くなり、
信号レベルが低いほどそのデューティ比が小さくなっ
て、その信号がオンになる時間が短くなっている。

【００１６】こうしてＰＷＭユニット１０２より出力さ
れる信号がハイレベルになることにより、電流制御用ト
ランジスタ１０７が通電状態となり、電源よりの電流が
ステッピングモータ１０５に供給される。また、電流制
御用トランジスタ１０７がオフになると、フライホイー
ルダイオード１０８を通して、オン時にモータ巻線のイ
ンダクタンス分に蓄えられた電力が放出される。このよ
うな動作を繰り返すことにより、ステッピングモータ１
０５の巻線を流れる電流が切り替えられ、ＰＷＭユニッ
ト１０２の出力のパルスデューティに比例した電流値が
流れてモータの回転駆動が行われる。

【００１７】尚、図３において、ａは保持モード、ｂは
ランプアップモード、ｃは定速モード、ｄはランプダウ
ンモード、ｅは高速ランプアップモード、ｆは高速定速
モード、ｇは高速ランプダウンモード、ｈは保持モー
ド、ｉは微速モード、ｊは保持モードをそれぞれ示して
いる。

【００１８】ある周波数でステッピングモータ１０５が
回転する時に必要なＰＷＭの値は、電源電圧、ステッピ
ングモータ１０５の巻線のインダクタンス及び抵抗値、
更にはモータの負荷等に依存している。このため、これ
らの要素のバラツキが所定の範囲内であれば、各モード
において最小限必要な電力のバラツキを考慮した値を予
めＰＷＭユニット１０２の設定値とすることができる。
尚、ステッピングモータ１０５の負荷は加速、定速、減
速等のそれぞれの期間毎に異なる。つまり、高速運転時
では低速運転時に比較して、より大きな電力を必要とな
る。そこで、この実施例では、ステッピングモータ１０
５の負荷に応じたデューティのパルス信号をＰＷＭユニ
ット１０２より出力してトランジスタ１０７に入力する
ことにより、ステッピングモータ１０５の運転に必要な
電力を供給できる。従って、ステッピングモータ１０５
が脱調することなく、しかも必要以上の電力を印加する
ことなく、負荷に応じたトルクでステッピングモータ１
０５を回転させることができる。これにより、ステッピ
ングモータ１０５の回転時の騒音も低減させることが可
能となる。 ＜実施例２＞前述の第１の実施例では、ユニポーラ駆動
のモータの場合の例を示したが、もちろんバイポーラ駆
動のモータに応用することもできる。以下に第２の実施
例としてバイポーラ駆動によるモータ駆動の実施例を示
す。

【００１９】図４〜図６は本発明の第２の実施例のモー
タ駆動回路の構成を示すブロック図である。

【００２０】図４において、１０１ａはステッピングモ
ータ４０１の駆動制御を行なうＭＰＵ、１０２はＭＰＵ
１０１ａのバスに接続され、その周波数及びデューティ
を設定可能なＰＷＭユニット、１０３はＭＰＵ１０１ａ
のバスに接続された出力ポートであり、ステッピングモ
ータ１０５の駆動用にコード化された信号を出力してい
る。１２１ａはＭＰＵ１０１ａのワークエリアとして使
用されるＲＡＭ、１２２ａは、ＭＰＵ１０１ａの制御プ
ログラムや各種データなどを記憶しているＲＯＭであ
る。１０４はタイマである。

【００２１】図５及び図６において、４０１は２相のバ
イポーラ結線されたステッピングモータ、４０３，４０
５は、出力ポート１０３の出力に従ってオン・オフ状態
が切り替えられ、ステッピングモータ１０５の励磁相及
びその相を電流が流れる方向を選択するためのトランジ
スタである。４０２，４０４は、ＰＷＭユニット１０２
の出力を入力し、ステッピングモータ１０５の巻線電流
を制御すると同時に、励磁相及び励磁方向を選択するた
めのトランジスタである。４０６は電流制御用トランジ
スタ４０２，４０４がオフした時、モータ４０１のコイ
ルに発生する起電力に伴う電流を流すための経路を作る
フライホイールダイオードである。

【００２２】以上の構成において、出力ポート１０３か
らのＡ，Ｂ出力はステッピングモータ４０１の巻線の電
流方向を決定する信号であり、この情報によりトランジ
スタ４０３，４０５がオン、オフする。また、出力ポー
ト１０３のＣ，Ｄ出力は、モータ４０１の２本の巻線の
電流をオン・オフするための信号であり、トランジスタ
４０２，４０４に接続される。この実施例の回路の基本
的な動作は、前述の実施例と同様であるが、２相励磁に
よりモータ４０１を回転駆動する時は、Ａ，Ｂで示す出
力のみで回転制御を行うことができる。この時の出力ポ
ート１０３の出力タイミングを図８に示す。

【００２３】また、図８は図４のモータ駆動回路を用い
て、１−２相励磁でステッピングモータ４０１を回転駆
動する時のタイミング図である。

【００２４】この場合は、図８に示す様に、各巻線を流
れる電流値を“０”にしなければならないタイミングが
発生するため、Ｃ，Ｄで示す信号によりトランジスタ４
０２，４０４をオフ状態にして、巻線を流れる電流を遮
断する必要がある。また、４０７はディレイ（遅延）制
御部で、トランジスタ４０２，４０４及び４０３，４０
５の間のスイッチング・タイミングに遅延を持たせ、電
源電圧と接地との間のショート状態が発生しないように
している。

【００２５】以上の構成により、バイポーラ巻線のステ
ッピングモータに対しても同様に、各モードに応じて印
加する電力を制御することが可能となる。 ＜実施例３＞以上の説明は周辺機能を持たないＭＰＵで
説明したが、Ｉ／Ｏポート、タイマ，ＰＷＭ等の機能を
備えた、いわゆる１チップ・マイクロコントローラ（以
下、ＭＣＵ）によって制御することができる。これによ
り、全体を構成する部品点数を減少させることができ
る。このようなＭＣＵを、モータ回転制御に使用し、ユ
ニポーラ駆動した場合を図９に示す。

【００２６】図９において、７１は少なくともＭＰＵ，
Ｉ／Ｏポート，タイマ，ＰＷＭユニット等を内蔵したＭ
ＣＵであり、その出力、制御方式は前述の実施例１，２
で説明したものと同様であるため、それらの説明を省略
する。＜実施例４＞以上説明した実施例では、モータの
ドライバ部については個別の半導体またはトランジスタ
アレイを用いたディスクリート回路の場合で説明した
が、このドライバ部をＩＣ化することも可能である。更
に、こうすることにより、コスト的にも有利となり、機
器を小型にすることができる。

【００２７】図１０はユニポーラ駆動のドライバ部をＩ
Ｃ化した例を示す図で、図１に示した回路部分と共通な
部分は同じ番号で示し、それらの説明を省略する。尚、
図１０において、８１はドライバ部の集積回路であり、
外部との接続端子を○で示している。８２はステッピン
グモータに接続される端子部分を示している。

【００２８】図１１Ａ，図１１Ｂはバイポーラ駆動用の
集積回路のブロック図である。

【００２９】図１１Ａ、図１１Ｂにおいて、これらの図
面のそれぞれは、バイポーラ駆動用ＩＣを示しており、
図５及び図６と共通する部分は同じ番号で示し、それら
の説明を省略する。尚、図１１Ａ、図１１Ｂにおいて、
Ｍ１〜Ｍ４のそれぞれは、ステッピングモータの巻線に
接続される出力端子である。尚、この実施例では、２つ
のブリツジ回路を別個に設けるようにしたが、もちろん
１チップにすることも可能である。 ＜実施例５＞この第５の実施例では、図１２に示すよう
に、モータのドライバ部と制御部とを一体化し、さらに
ＩＣ化している。

【００３０】図１２において、２０１はステッピングモ
ータ２１０の回転制御を行うＭＰＵで、ＭＰＵ２０１の
ワークエリアとして使用されるＲＡＭ２２１、ＭＰＵ２
０１の制御プログラムなどを記憶しているＲＯＭ２２２
などを備えている。２０２はモータのドライバ回路を備
えたドライバＩＣである。

【００３１】以下、このドライバＩＣ２０２の構成を説
明する。２０３はＩ／Ｆレジスタで、ＭＰＵ２０１と本
実施例のドライバＩＣ２０２との間のインターフエース
を制御している。２０４はＰＷＭレジスタで、モータ２
１０の各モード別にＰＷＭの値を予め記憶している。２
０５はＰＷＭユニットで、ＰＷＭレジスタ２０４に記憶
されている値により、モータドライバ２０６に出力する
信号のデューティを決定して出力している。２０７はモ
ータ２１０のランプアップ／ダウン時の定数テーブル、
定速運転時の切り替え時間間隔の定数等を記憶している
モータレジスタ、２０８はタイマで、モータレジスタの
２０７値によりプログラミングされ、ステッピングモー
タ２１０の相切り替えタイミングを発生している。２０
９はエンコーダで、タイマ２０８の出力ごとに、モータ
２１０の相励磁信号を発生している。２１１は外部から
のクロック、又は水晶などの振動子を接続し、必要な周
波数のクロック信号を発生するクロックジエネレータで
ある。２０６は本実施例で説明してきたユニポーラ又は
バイポーラ方式のモータドライバ部、２１０はステッピ
ングモータである。

【００３２】以上の構成により、ＭＰＵ２０１の制御プ
ログラムの動作を示す図１３のフローチヤートを参照し
て、本実施例のＩＣ回路２０２の動作を説明する。

【００３３】まずステップＳ１で、ＭＰＵ２０１は、そ
のバスに接続されたＩ／Ｆレジスタ２０３を介して、予
めＰＷＭレジスタ２０４に各モード別のＰＷＭ値を記憶
させる。次にステップＳ２に進み、Ｉ／Ｆレジスタ２０
３を介してモータレジスタ２０７にモータのランプアッ
プ、ダウンテーブルや定速運転時の時間間隔を記憶させ
る。以上の設定が終了すると、ＭＰＵ２０１は各モード
に移行することをＩ／Ｆレジスタ２０３に指令する。

【００３４】次に、起動から定速回転までの場合を例に
上げて説明する。

【００３５】ステップＳ３では、ＭＰＵ２０１はまず停
止モードから保持モードに移行することをＩ／Ｆレジス
タ２０３に指令する。初期の停止状態においては、モー
タエンコーダ２０９からはモータのいずれの相も励磁す
るパターンが出力されていないので、ステッピングモー
タ２１０は非通電状態である。Ｉ／Ｆレジスタ２０３
は、その保持モードの内容に相当するＰＷＭレジスタ２
０４の内容をＰＷＭユニット２０５に指令し、ＰＷＭユ
ニット２０５はＰＷＭレジスタ２０４よりの信号に応じ
て、ドライバ部２０６に対し所定のデューティのパルス
を出力する。

【００３６】一方、モータレジスタ２０７は、やはりＩ
／Ｆレジスタ２０３からの指示によりモータエンコーダ
２０９出力にモータ相を励磁するパターンを出力させ
る。これにより、ステッピングモータ２１０はある相で
停止し、一定の定電流で保持動作を行なう。次にステッ
プＳ４に進み、ＭＰＵ２０１はランプアップモードに移
行することをＩ／Ｆレジスタ２０３に指示し、Ｉ／Ｆレ
ジスタ２０３はＰＷＭレジスタ２０４のランプアップモ
ードに対応するＰＷＭデューティを選択し、ＰＷＭユニ
ット２０５は、そのデューティを変更する。これと同時
に、モータレジスタ２０７は予め記憶したランプアップ
定数をタイマ２０８にロードし、タイマ２０８はロード
された時間を計時し、設定された時間が経過すると、モ
ータエンコーダ２０９へ相切り替え信号を出力する。こ
れにより、モータエンコーダ２０９は順次適正なモータ
２１０の励磁相信号を発生する。この動作を繰り返すこ
とにより、よりランプアップ動作を実現する。

【００３７】次に、このランプアップのステップ数が終
了すると、モータレジスタ２０７はＩ／Ｆレジスタ２０
３を介し、ＭＰＵ２０１にランプアップ動作が終了する
ことを知らせる。ステップＳ５では、ランプアップ動作
が終了したことを検知するとステップＳ６に進み、ＭＰ
Ｕ２０１は定速モードへの以降を指示する。

【００３８】前述の説明と同様に、ＰＷＭレジスタ２０
４からは定速時の値が読出され、ＰＷＭユニット２０５
に入力され、そのデューティが変更される。一方、モー
タレジスタ２０７より定速時の定数が読み出され、タイ
マ２０８からは常に一定時間間隔のパルスが発生され、
モータ相エンコーダ２０９は一定時間間隔で励磁相の切
り替え信号を発生する。

【００３９】以上説明したように、このような構成によ
るＩＣ回路を作成することにより、周辺回路を含まない
ＭＰＵを使用した場合でも、ＭＰＵ本体のソフトウェア
の負担を少なくし、さらに低コストでモータの回転制御
を行うことができる。

【００４０】尚、本発明は、複数の機器から構成される
システムに適用しても、１つの機器からなる装置に適用
しても良い。また、本発明はシステム或は装置に、本発
明により規定された処理を実行する制御プログラムを供
給することによって達成される場合にも適用できること
は言うまでもない。

【００４１】以上説明したように本実施例によれば、定
電圧駆動に比較して、より高速にモータを回転させるこ
とができ、しかも定電流駆動よりも単純な回路構成、つ
まり安価な回路を実現可能である。

【００４２】さらに、負荷に応じたモータへの電力印加
も、単にファームウェアによりＰＷＭデューティを替え
るだけで実現できるので、モータ運転に必要なだけの電
力を効率よく供給できる。こうして、不必要な電力を与
えることなくモータを回転駆動できるので、モータ回転
時の騒音も低減させると同時に消費電力を低く抑えるこ
とができる。

【００４３】又、本実施例の応用例としては、シリアル
プリンタ等におけるキャリッジの走査のためのキャリッ
ジモータ駆動が考えられ、低騒音、高速、低コスト、低
消費電力の実現が可能である。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、低
コストで高速にモータを回転駆動できるとともに、低騒
音でモータを回転駆動できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例のモータ駆動回路の構成を示すブ
ロック図である。

【図２】各相の励磁信号及びＰＷＭ信号のタイミング図
である。

【図３】第１の実施例におけるモータの回転速度とＰＷ
Ｍ信号との関係を示すタイムチヤートである。

【図４】

【図５】

【図６】第２の実施例のモータ駆動回路の構成を示すブ
ロック図である。

【図７】

【図８】第２の実施例におけるモータの励磁相の駆動信
号を示すタイムチヤートである。

【図９】第３の実施例のモータ駆動回路の構成を示すブ
ロック図である。

【図１０】第４の実施例のユニポーラ駆動のドライバ部
をＩＣ化した例を示す図である。

【図１１】第４の実施例のバイポーラ駆動用の集積回路
のブロック図である。

【図１２】第５の実施例のモータのドライバ部と制御部
とを一体化し、さらにＩＣ化したブロック図である。

【図１３】ＭＰＵの制御プログラムの処理を示すフロー
チャートである。

【符号の説明】

１０１，２０１ ＭＰＵ １０２ ＰＷＭユニット １０３ 出力（Ｉ／Ｏ）ポート １０４ タイマ １０５ ステッピングモータ １０６，４０３，４０５ トランジスタアレイ １０７，４０２，４０４ 電流制御用トランジスタ １０８ フライホイールダイオード １０９ 逆電流防止ダイオード １１２ 電源 １２１ ＲＡＭ １２２ ＲＯＭ ４０７ ディレイ制御ブロック

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータの各相の励磁信号を切り替えてモ
   ータの回転を制御するモータ制御装置であって、 モータに電力を供給する電源と、 前記電源と前記モータとの間で、前記モータへの電力供
   給をスイッチングするスイッチング手段と、 前記モータの回転モードに応じて、前記スイッチング手
   段におけるスイッチング・タイミングを指示する指示手
   段と、 を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 【請求項２】 前記回転モードには、停止、保持、ラン
   プアップ、定速走行、ランプダウンのモードが含まれる
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 【請求項３】 モータの各相の励磁信号を切り替えてモ
   ータの回転を制御するモータ制御方法であって、 電源よりモータに電力を供給する回路上に設けられたス
   イッチング素子をパルス信号によりオン・オフさせ、こ
   のパルス信号のデューティ比をモータの回転モードに応
   じて変更するようにしたことを特徴とするモータ制御方
   法。