JPH06178595A - モータ制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ステッピングモータ駆動方式において、低速
走行時の騒音やコギングによる精度不良を改善する。 【構成】 モータの巻き線に供給する電力を制御するた
めのファームウエアによるデューティを設定可能なパル
ス発生手段により、モータの駆動１励磁ごと、あるいは
１励磁内を複数分割にしてモータの巻き線への電力供給
量、つまりパルスデューティをあらかじめファームウエ
アのプログラムにより設定することによりオープンルー
プでモータ制御する方式にさらに定速走行の各モードご
とにパルスデューティを変えるステッピングモータ駆動
方式において、パルスデューティを変則的に行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステッピングモータを
駆動源としたモータ制御方式に関するものであり、特に
運転モードを数種類持つ場合、つまりランプアップダウ
ン等の手段により駆動する場合や、複数の速度での定速
駆動、保持を行う場合のモータ制御方式に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ステッピングモータは回転位置決め精度
が優れているため近年産業用機器の駆動源として幅広く
用いられてきている。特にオフィス用事務機器、いわゆ
るＯＡ機器の駆動用モータとして数多く用いれられてい
る。

【０００３】このようなステッピングモータの駆動方式
として代表的なものに定電圧駆動がある。この方式は回
路構成が最も簡単であり、コスト的にも最も安価である
ことから広く使用されている。しかし駆動周波数が高く
なるとモータ巻き線のインダクタンスの影響によりモー
タ巻き線の電流立ち上がりが遅くなり高回転でトルク減
少を招き高速回転が出来ないという問題がある。

【０００４】また高速回転に対応させるための駆動方式
として定電流駆動が知られている。この方式は、モータ
巻き線の時定数を小さくし、モータ巻き線のインダクタ
ンスを検出し、設定した電流値になるようにトランジス
タのスイッチング素子により電流をオンオフし一定に保
つ方式ではあり、高速回転は実現できる反面、回路が複
雑になりコストが高くなるという欠点があった。さらに
ステッピングモータの場合、駆動切り替え時のモータ振
動が発生するため電流値を一定にして回転数を変えると
騒音が発生するため、回転数に適した電流値に変える必
要があり、そのための回路も更に必要となる欠点もあっ
た。

【０００５】さらに高度な駆動方式としてモータの軸に
そのモータの解像度より高い精度のエンコーダを取り付
け、その情報によりモータの動きに同期して相の切り替
えを行い、電圧、又は電流をチョッピングしてそのデュ
ーティにより回転速度を変化させる制御方式が知られて
いる。この制御方式によると、モータの回転数が変化し
た場合でも適正な相の切り替えが行え、いわゆる脱調状
態とはならず、さらに巻き線への電力に応じた回転周波
数となるため騒音の発生も押さえることが可能である。
しかし回路構成部品はモータのエンコーダを含め最大と
なりコストの高い構成となってしまうという欠点があっ
た。

【０００６】さらには上記のような巻き線の電流検出に
よる定電流方式、および閉ループ制御においては回路構
成が複雑になるという欠点があったため、モータの巻き
線に供給する電力を制御するためのファームウエアによ
るデューティを設定可能なパルス発生手段により、モー
タの駆動１励磁ごと、あるいは１励磁内を複数分割にし
てモータの巻き線への電力供給量、つまりパルスデュー
ティをあらかじめファームウエアのプログラムにより設
定することによりオープンループでモータ制御を行ない
モーターの運転に必要なだけの電力を供給し効率的な駆
動を行うステッピングモータ駆動方法も提案されてい
る。また、この方式の改良案として１励磁内を複数分割
駆動方式で巻き線への電力供給量、つまりパルスデュー
ティを正弦波状に近く設定したり、あるいは停止、保
持、ランプアップダウン、定速走行の各モードごとにパ
ルスデューティを変えるステッピングモータ駆動方式も
提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、巻き線の電流検出による定電流方式、および
閉ループ制御においては前述のように回路構成が複雑に
なるという欠点があり、モータの巻き線に供給する電力
を制御するためのファームウエアによるデューティを設
定可能なパルス発生手段により、モータの駆動１励磁ご
と、あるいは１励磁内を複数分割にてモータの巻き線へ
の電力供給量、つまりパルスデューティをあらかじめフ
ァームウエアのプログラムにより設定することによりオ
ープンループでモータ制御する方式にさらに定速走行の
各モードごとにパルスデューティを変えるステッピング
モータ駆動方式においても複数の定速回転数に応じて低
騒音、高精度を実現することは困難であった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、モータ
の巻き線に供給する電力を制御するためのファームウエ
アによるデューティを設定可能なパルス発生手段によ
り、モータの駆動１励磁ごと、あるいは１励磁内を複数
分割にしてモータの巻き線への電力供給量、つまりパル
スデューティをあらかじめファームウエアのプログラム
により設定することによりオープンループでモータ制御
する方式にさらに定速走行の各モードごとにパルスデュ
ーティを変えるステッピングモータ駆動方式において、
パルスデューティを変則的に行うことにより、とくに低
速走行時の騒音やコギングによる精度不良を改善するも
のである。

【０００９】

【実施例】（実施例１）図１は本発明の構成要素を示す
ブロック図である。図１において、符号１はモータ駆動
制御をおこなうＭＰＵを示し、２はＭＰＵバスに接続さ
れ、その周波数およびデューティを設定可能なPulse Wi
dth Modulator （以下ＰＷＭユニットという）を示し、
３はＭＰＵバスに接続された出力ポートでありステッピ
ングモータの駆動用にコード化された信号を発生するＩ
／Ｏポートを示し、４は２相のユニポーラ結線されたス
テッピングモータを示し、５はＩ／Ｏポート出力３によ
りステッピングモータ４の巻き線電流を制御する電流制
御トランジスタを示す。７は電流制御トランジスタ４が
オフしたときの電流を流す経路を作るフライホイールダ
イオードを示し、８はコイルの誘導電圧による逆電流を
防止するダイオードを示し、８はＭＰＵ１のＭＰＵバス
に接続されたプログラム可能なタイマユニットを示す。

【００１０】以上の構成において、ＭＰＵ１は出力ポー
ト３よりステッピングモータ４の駆動に必要な２相励磁
のための図２のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに示すような信号を発生
する。その出力が変化するタイミングはタイマ９により
ＭＰＵ１のソフトにより制御され出力される。その変化
させる時間により加速、高速一定速、低速一定速、減速
等の各モードの制御が行われる。

【００１１】ＭＰＵ１はＰＷＭユニット２に一定の周波
数、例えば人間の耳の可聴領域より高い２０Ｋｚ以上の
周波数でモータ駆動のステップモータテーブルと同様に
励磁毎に予め定められたデューティパルスの出力を行う
ように設定する。その出力例を図２のＥ、Ｆに示す。こ
の出力により電流制御トランジスタ６は通電状態とな
り、電流をステッピングモータ４に供給する。またオフ
時にフライホイールダイオード８を通しオン時にステッ
ピングモータ４の巻き線のインダクタンスに貯えられた
電力を放出し、これを繰り返すことによりステッピング
モータ４の選択されている巻き線に２つの出力パルスデ
ューティに比例する値の電流を流すことが可能となる。
この時のステッピングモータのスピードの例を図３に示
す。図３においてａは保持モード、ｂは低速ランプアッ
プモード、ｃは低速定速モード、ｄは定速ランプダウン
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は保持モードを示す。

【００１２】ステッピングモータのある周波数で回転時
に必要なＰＷＭの値は、電源電圧、ステッピングモータ
の巻き線のインダクタンス及び抵抗値に依存するため、
前記要素のバラツキの範囲であれば、各モードに必要最
小限な電力値をバラツキを考慮に入れた値のＰＷＭ値で
設定することが可能である。前記各モードでは必要なト
ルクはそれぞれ異なり、したがって、各モードで必要な
トルクに応じたデューティのパルスをトランジスタ６に
入力することによりステッピングモータの運転に必要な
電力を供給できる。

【００１３】一般的に高速定速モードに比べ低速定速モ
ードではステッピングモータのトルクが過剰となるた
め、ＰＷＭのデューティを低くしなけらばならないが、
ＰＷＭのデューティを低くしすぎると、ステッピングモ
ータに供給される電力カーブは図５に示すように不安定
なものとなり電源電圧、ステッピングモータの巻き線の
インダクタンス及び抵抗値のバラツキによる影響が大き
く出てしまう。このような電流波形をステッピングモー
タに入力すると回転が不安定となり回転ムラが生じてし
まう。

【００１４】そこで図４に示すような電流波形になるよ
うにＰＷＭのデューティを設定することによりＰＷＭの
デューティの低い領域が無くなり、またステッピングモ
ータの出力トルクも低速定速回転に必要十分な程度に低
下する。

【００１５】（実施例２）実施例１では励磁内の入力電
流波形（カーブ）を励磁内で前半に対し後半が低くなっ
ているが、図６に示すように励磁内で後半に対し前半が
低くなる入力電流波形（カーブ）としても同様の効果が
得られる。

【００１６】（実施例３）図７に本発明の第３の実施例
を示す。第１の実施例で述べたように低速定速回転時に
は図４のような電流波形になるようにＰＷＭデューティ
を設定することが望ましい。またステッピングモータの
稼働音の低速には正弦波になるようにＰＷＭデューティ
により電流設定をすることが望ましい。このためこの２
つの条件を満足するため保持モードａ、低速ランプアッ
プモードｂ、低速定速モードｃ、定速ランプダウンモー
ドｄ、高速ランプアップモードｅ、高速定速モードｆ、
高速ランプダウンモードｇのそれぞれで電流カーブの形
を変化させる制御を行う。特に低速ランプアップモード
ｂでは低速定速回転での駆動電流波形ｃを得るため、ｂ
１、ｂ２、ｂ３のように徐々に正弦波駆動からｃ１波形
駆動に変化させていく。同様に低速ランプダウンモード
ｄではｄ１、ｄ２、ｄ３のように徐々にｃ波形駆動から
正弦波駆動に変化させていく。

【００１７】（実施例４）ステッピングモータは通常停
止状態では外力により回転することの無いように弱励磁
してローターの位置ずれを防止しているが、この時は２
相で励磁しておくことが望ましい。しかしながら、本発
明のような駆動を行うと、ステップ数と進み角度の関係
に矛盾が生じる。このことを駆動電流波形を正弦波駆動
で行った時を例に図９により説明する。

【００１８】図８ではＡ、Ｂ相での入力電流波形を示す
曲線はスタート前は両方の相に弱励磁をかけローターの
位置を保持している。その時のロータの位置と励磁相の
様子を略図に示す。スタート後の１ステップはＡ相はな
だらかにアップしＢ相ははなだらかにダウンしている。
Ａ相電流値が最高となりＢ相は０となっている。このた
めロータに位置は図９のｂの状態となる。次のステップ
ではＢ相の電流が立ち上がりＡ相の電流は減少する。そ
の後順次この動作が繰り返される。図を見ると明らかな
ようにａではｂからｃに比して半ステップ分しかロータ
は移動していない。停止直前の１パルスも同様に半ステ
ッピングモータ分しか回転しない。

【００１９】上記発明での電流値はステッピングモータ
の巻き線抵抗およびそのリアクタンス、ＰＷＭデューテ
ィによって決定するためステッピングモータの捲線仕様
は抵抗値は２５オーム以上４０オーム以下であることが
望ましく、インダクタンスは１５ｍｈ以下であることが
望ましい。しかし、この値は本発明の制御自体の効果に
影響を与えるものではないので、もちろんここに挙げた
値以外のステッピングモータに対しても十分効果はあ
る。

【００２０】

【発明の効果】デューティ設定可能なパルス発生手段と
前記パルスのデューティで決定される電流で各相の励磁
を行うステッピングモータ駆動回路と、ステッピングモ
ータ１励磁内でデューティを変化させるデューティ可変
手段を有するモータ制御装置において一連の駆動動作に
応じて励磁内の入力電流波形（カーブ）を変化させ、さ
らに励磁内の入力電流波形（カーブ）を励磁内で前半に
対し後半が低くなる、あるいは励磁内で後半に対し前半
が低くなるようにＰＷＭデューティを設定し、ランプア
ップ制御時またはランプダウン制御時あるいはランプア
ップ制御時とランプダウン制御時両方に、徐々に励磁内
で前半に対し後半が低くなる、あるいは励磁内で後半に
対し前半が低くなるように電流波形に変化させることに
より回転ムラや騒音の少ないモータ制御方式を実現でき
た。

【００２１】さらに回転数より励磁内の入力電流波形
（カーブ）を最適化すると複数の定速回転モードがあっ
ても回転ムラや騒音の少ないモータ制御方式を実現でき
る。

【００２２】またステッピングモータ回転の最初の１パ
ルス及び停止直前の最後の１パルスにロータが半ステッ
プ分回転することにより停止時の十分な停止位置決めト
ルクと回転時の滑らかな駆動が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施例のブロック図であ
る。

【図２】図２は本発明の第１実施例のタイムチャートで
ある。

【図３】図３は本発明の第１実施例の走行スピードの説
明図である。

【図４】図４は本発明の第１実施例の電流カーブの説明
図である。

【図５】図５は本発明の第１実施例の説明図である。

【図６】図６は本発明の第２実施例の説明図である。

【図７】図７は本発明の第３実施例の説明図である。

【図８】図８は本発明の第４実施例の説明図である。

【図９】図９は本発明の第４実施例の説明図である。

【符号の説明】

１ ＭＰＵ ２ ＰＷＭユニット ３ Ｉ／Ｏポート ４ ステッピングモータ ５ 電流制御トランジスタ ６ 電流制御トランジスタ ７ フライホイールダイオード ８ タイマユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 哲夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 才川 悟志 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 斉藤 宏行 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 谷黒 昌宏 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 木下 啓之 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 川上 英明 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 デューティ設定可能なパルス発生手段
   と、前記パルスのデューティで決定される電流で各相の
   励磁を行うステッピングモータ駆動回路と、ステッピン
   グモータの１励磁内でデューティを変化させるデューテ
   ィ可変手段を有するモータ制御装置において、一連の駆
   動動作に応じて励磁内の入力電流波形を変化させること
   を特徴とするモータ制御方式。
2. 【請求項２】 デューティ設定可能なパルス発生手段
   と、前記パルスのデューティで決定される電流で各相の
   励磁を行うステッピングモータ駆動回路と、ステッピン
   グモータの１励磁内でデューティを変化させるデューテ
   ィ可変手段を有するモータ制御装置において、励磁内の
   入力電流波形を励磁内で前半に対し後半が低くなる、あ
   るいは励磁内で後半に対し前半が低くなることを特徴と
   するモータ制御方式。
3. 【請求項３】 少なくとも２つ以上の定速回転モードを
   有し低速定速回転モードのみ請求項１又は２の制御を行
   うことを特徴とするモータ制御方式。
4. 【請求項４】 デューティ設定可能なパルス発生手段
   と、前記パルスのデューティで決定される電流で各相の
   励磁を行うステッピングモータ駆動回路と、ステッピン
   グモータの１励磁内でデューティを変化させるデューテ
   ィ可変手段と、ランプアップ制御、ランプダウン制御が
   可能な制御手段を有するモータ制御装置において、ラン
   プアップ制御時またはランプダウン制御時あるいはラン
   プアップ制御時とランプダウン制御時の両方に、請求項
   ２の電流波形に徐々に変化させることを特徴とするモー
   タ制御方式。
5. 【請求項５】 少なくとも２つ以上の定速回転モードを
   有し低速定速回転モードのみ請求項２の制御を行ない高
   速定速モードでは近似正弦波電流波形としたことを特徴
   とするモータ制御方式。
6. 【請求項６】 前記高速定速回転モードは１０回転／秒
   以上であることを特徴とする請求項５のモータ制御方
   式。
7. 【請求項７】 デューティ設定可能なパルス発生手段と
   前記パルスのデューティで決定される電流で各相の励磁
   を行うステッピングモータ駆動回路と、ステッピングモ
   ータの１励磁内でデューティを変化させるデューティ可
   変手段を有するモータ制御装置において、ステッピング
   モータ回転の最初の１パルスは及び停止直前の最後の１
   パルスにロータが半ステップ分回転することを特徴とし
   たモータ制御方式。
8. 【請求項８】 前記ステッピングモータの抵抗値は２５
   オーム以上３５オーム以下であることを特徴とする請求
   項１から７のいずれか１つに記載のモータ制御方式。
9. 【請求項９】 前記ステッピングモータのインダクタン
   スは１５ｍｈ以下であることを特徴とする請求項１から
   ７のいずれか１つに記載のモータ制御方式。