JPH06335293A - ステップモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はバイフアイラ巻線を有するステップ
モータの駆動回路の改良に関するもので、ＰＷＭ制御方
式定電流駆動回路において、駆動周波数が中域以上で発
生する共振現象を抑制することができるステップモータ
の駆動回路を得るのが目的である。 【構成】 本発明においては、外部直流電源と各バイフ
アイラ巻線の共通接続点の間に接続され、巻線の誘導電
圧による還流電流が前記外部直流電源へ還流するを阻止
する整流器と、前記バイフアイラ巻線の共通接続点と接
地との間に接続され、前記誘導電圧が対相スイッチ素子
のオン状態へ移行するのを付勢することができる容量の
コンデンサを備えた構成により目的を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，バイファイラ巻線を有
するステップモータの駆動回路の改良に関するもので，
さらに詳しくは，ＰＷＭ制御方式定電流駆動回路で運転
される前記ステップモータの振動を低減する技術に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりバイファイラ巻線を有するステ
ップモータを運転する方法として，図４に示す駆動回路
が採用されている。図４で，直流電圧ＶMを供給する外
部直流電源１の出力が，Ａ相及びＣ相とＢ相及びＤ相を
それぞれ対とし，Ａ相の巻始めとＣ相の巻終わりを共通
接続点とし，またＢ相の巻始めとＤ相の巻終わりを共通
接続点とするバイファイラ巻線を施したステップモータ
２の各共通接続点に直接接続されており，Ａ相巻線，Ｃ
相巻線，Ｂ相巻線，Ｄ相巻線の他端は各々ＦＥＴを採用
したスイッチ素子８，９，１０，１１のドレイン電極に
接続されている。一方，スイッチ素子８及び９のソース
電極とスイッチ素子１０及び１１のソース電極がそれぞ
れ共通接続され，各接続点に各々小抵抗値の電流検出抵
抗器１６と１７が接続されていて，スイッチ素子８また
は９がオン状態で流れる電流を電流検出抵抗器１６で検
出し，スイッチ素子１０または１１がオン状態で流れる
電流を電流検出抵抗器１７で検出する構成となってい
る。また，各スイッチ素子と実質的には並列に整流素子
１２，１３，１４，１５がカソード電極を各スイッチ素
子のドレイン電極に接続する極性で備えられている。前
記電流検出抵抗器１６及び１７で生じる電圧即ち検出電
流値はＰＷＭ制御回路１８へフィードバックされ，可変
抵抗器１９で設定された指令電流値と内部で比較されて
所定のパルス幅を有するスイッチ素子ゲート駆動信号即
ちＰＷＭ制御信号を生成する。一方，ステップモータ駆
動回路の外部からは，ステップモータ２を運転する指令
パルスがパルス分配回路２０の入力端子２１に加えら
れ，入力された指令パルスに応じて予め設定された励磁
シーケンスに従ってステップモータ２のＡ相，Ｃ相，Ｂ
相，Ｄ相の通電タイミングが生成される。この通電タイ
ミングと前記ＰＷＭ制御信号の論理積演算の結果得られ
る信号で，各スイッチ素子のゲート電極ＡＧ，ＣＧ，Ｂ
Ｇ，ＤＧの駆動が行われる。図５は，従来例のステップ
モータ駆動回路で運転されたステップモータの振動特性
の一例を示している。同図で，横軸がパルス分配回路２
０の入力端子２１に入力される駆動周波数ｆ，縦軸がス
テップモータ２が発生する振動の大きさＧを表してい
る。一般に，ステップモータ２は停止点におけるトルク
の傾きで表されるバネ定数と負荷慣性をパラメータとし
て決められる固有振動数を有しており，ステップモータ
２を運転する駆動周波数ｆを０から徐々に高くしていく
と，まず共振域Ｒ１でこの固有振動数に関連づけられる
大きな振動を発生する。共振域Ｒ１を超えて駆動周波数
ｆを高めていくと，非常に振動が少なく安定した運転が
可能となるが，更に駆動周波数ｆを高めていくと，途中
の共振域Ｒ２で比較的小さいがステップモータ応用シス
テムに影響を及ぼす振動が発生する。更に駆動周波数ｆ
を高めてステップモータ２を高速に運転すると，共振域
Ｒ３で徐々に増幅する振動を発生し，同期運転が不能と
なって自己停止する。通常，ステップモータ応用システ
ムを設計する際は，以上のような振動特性を考慮して大
きな共振域Ｒ１を回避した運転方法が採用され，該共振
域Ｒ１を超えた振動の少ない領域を利用するが，しばし
ば共振域Ｒ２と遭遇することとなり，ステップモータ応
用システムの精度を低下させる不具合を呈していた。一
般にこの現象は，ステップモータ２の励磁を定電圧制御
した場合に顕著に現れ，振動の発生原因は，ステップモ
ータ２の回転時に制動作用が角速度の変動を助長する方
向に働くためと考えられており，この対策として粘性結
合慣性ダンパなどの機械的ダンパの付加やＰＷＭ制御方
式などを採用した定電流駆動回路が有効とされている。
しかし，機械的ダンパの付加はコストの増加が著しく，
更に結果的にステップモータの長さを増加させモータの
収納スペースが大きくなるなどの欠点があり，殆どの場
合，図４に示した従来例のＰＷＭ制御方式定電流駆動回
路が採用される。しかし，従来例のステップモータ駆動
回路では，前述のように共振域Ｒ２に対する対策が不十
分であり，その理由を図６に示した従来例のステップモ
ータ駆動回路で２相励磁シーケンスでＡ相巻線及びＣ相
巻線を励磁した場合の各部の電圧及び電流波形により説
明する。図６で，ＶAG及びＶCGがスイッチ素子８及び９
のゲート電極ＡＧ及びＣＧに入力される電圧波形，ＶA
及びＶCがスイッチ素子８及び９のドレイン電極部に生
じる電圧波形，ＩA及びＩCがＡ相巻線及びＣ相巻線を流
れる電流波形を示している。時刻ｔ０から時刻ｔ２まで
がＡ相励磁状態を，時刻ｔ２から時刻ｔ３までがＣ相励
磁状態を示している。時刻ｔ０でＡ相励磁を開始するた
めＶAGが所定のＨレベルに立ち上がるとスイッチ素子８
がオンとなり，Ａ相巻線の電流ＩAは，一旦負の電流が
流れた後に外部直流電源１の供給電圧ＶMとステップモ
ータ２の巻線抵抗値とインダクタンス値とをパラメータ
とする関数で立ち上がって行く。つまり励磁電流ＩAは
励磁切り換えと同時に設定電流値へ立ち上がることがで
きず，時刻ｔ０と時刻ｔ１’の区間は定電流駆動が不能
となる区間であり，いわば定電圧駆動されている区間で
ある。励磁電流ＩAが設定電流に到達するとＰＷＭキャ
リア周波数の時間間隔で可変幅のオンとオフが繰り返さ
れ，励磁電流の定電流化が行われる。時刻ｔ２でスイッ
チ素子８をオフとして励磁シーケンスをＡ相励磁からＣ
相励磁に切り換えると，Ａ相巻線では励磁電流を持続す
るように誘導電圧が誘起され，発生したエネルギはバイ
ファイラ巻の対相であるＣ相巻線を介して外部直流電源
１側へ回生され，還流電流は電源コンデンサ３に吸収さ
れて電流の消費に応じてスイッチ素子８のドレイン電極
の電圧ＶAは急速に減少することとなる。以上のような
動作は励磁シーケンスに従ってＡ相及びＣ相で同様に繰
り返し行われる。図６の説明のように時刻ｔ０から時刻
ｔ１’の区間は，いわば定電圧駆動の区間であり前述の
共振域Ｒ２における振動現象を著しくする一因となって
いる。また，振動現象が発生するとステップモータ２の
永久磁石付き回転子の角速度が変動して逆起電力が変動
するためｔ０−ｔ１’区間の励磁電流を揺るがして更に
振動を大きくすることになる。従って，従来例のステッ
プモータ駆動回路における定電流制御不能区間を可能な
限り短くし，更に励磁電流の立ち上げを付勢することが
望まれていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
点を鑑み，バイファイラ巻線を有するステップモータを
運転するＰＷＭ制御方式定電流駆動回路において，駆動
周波数が中域以上で発生する共振現象を抑制することが
可能なステップモータ駆動回路の実現を課題としてい
る。

【０００４】

【問題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため本発明においては，外部直流電源との間に接続さ
れたバイファイラ巻線を複数有するステップモータの駆
動回路において，各相バイファイラ巻線の一端に接続さ
れ励磁電流を所定の励磁シーケンスに従い且つ励磁電流
が所定の設定電流値となるような時間間隔で通電をオン
・オフするスイッチ素子と，該スイッチ素子と並列に接
続され該スイッチ素子がオンからオフへ切り替わる時に
生じる誘導電圧による還流電流を互いにバイファイラ巻
線の対相を経由させる電流路を形成する整流素子と，前
記外部直流電源と各バイファイラ巻線の共通接続点の間
に接続され前記還流電流の該外部直流電源への還流を阻
止する整流素子と，該バイファイラ巻線の共通接続点と
接地点との間に接続され且つ少なくとも前記誘導電圧が
対相スイッチ素子のオン状態への移行を付勢することが
可能な容量を有するコンデンサとを備えた構成としてい
る。

【０００５】

【実施例】図１は，本発明によるステップモータ駆動回
路の構成を示している。図１で，Ａ相及びＣ相とＢ相及
びＤ相をそれぞれ対とし，Ａ相の巻始めとＣ相の巻終わ
りを共通接続点とし，またＢ相の巻始めとＤ相の巻終わ
りを共通接続点とするバイファイラ巻線を施したステッ
プモータ２の各共通接続点と直流電圧ＶMを供給する外
部直流電源１との間にはステップモータ２から該外部直
流電源１へ還流電流を阻止する整流素子４及び５が接続
されており，Ａ相巻線，Ｃ相巻線，Ｂ相巻線，Ｄ相巻線
の他端は各々ＦＥＴを採用したスイッチ素子８，９，１
０，１１のドレイン電極に接続されている。また，ステ
ップモータ２の各共通接続点と整流素子４及び５との接
続点には各々小容量の還流吸収コンデンサ６及び７が接
続されている。

【０００６】一方，スイッチ素子８及び９のソース電極
とスイッチ素子１０及び１１のソース電極がそれぞれ共
通接続され，各接続点に各々小抵抗値の電流検出抵抗器
１６と１７が接続されていて，スイッチ素子８または９
がオン状態で流れる電流を電流検出抵抗器１６で検出
し，スイッチ素子１０または１１がオン状態で流れる電
流を電流検出抵抗器１７で検出する構成となっている。
また，各スイッチ素子と実質的には並列に整流素子１
２，１３，１４，１５がカソード電極を各スイッチ素子
のドレイン電極に接続する極性で備えられている。

【０００７】前記電流検出抵抗器１６及び１７で生じる
電圧即ち検出電流値はＰＷＭ制御回路１８へフィードバ
ックされ，可変抵抗器１９で設定された指令電流値と内
部で比較されて所定のパルス幅を有するスイッチ素子ゲ
ート駆動信号即ちＰＷＭ制御信号を生成する。一方，ス
テップモータ駆動回路の外部からは，ステップモータ２
を運転する指令パルスがパルス分配回路２０の入力端子
２１に加えられ，入力された指令パルスに応じて予め設
定された励磁シーケンスに従ってステップモータ２のＡ
相，Ｃ相，Ｂ相，Ｄ相の通電タイミングが生成される。
この通電タイミングと前記ＰＷＭ制御信号の論理積演算
の結果得られる信号で，各スイッチ素子のゲート電極Ａ
Ｇ，ＣＧ，ＢＧ，ＤＧの駆動が行われる。

【０００８】図２は，図１に示したステップモータ駆動
回路におけるＡ相及びＣ相励磁回路部を示し，Ａ相励磁
時にスイッチ素子８がオンとなった時の順方向電流ＩAF
とオフとなったときの還流電流ＩCBの電流路を示してい
る。同図で，Ａ相に励磁電流ＩAを通電するためスイッ
チ素子８をオン状態にすると，外部直流電源１から供給
される電流は，整流素子４→Ａ相巻線→スイッチ素子８
→電流検出抵抗１６→接地，のように破線で示す順電流
路ＩAFの経路を流れる。次にスイッチ素子８をオフ状態
とすると，Ａ相巻線を流れる電流ＩAを持続するように
誘導電圧を発生し，発生したエネルギを吸収するように
還流電流が，接地→整流素子１３→Ｃ相巻線→還流吸収
コンデンサ６，のように破線で示す還流電流路ＩCBの経
路を流れる。また，Ｃ相側の励磁をオン・オフする場合
もＡ相励磁と同様且つ対称的に電流路が形成される。

【０００９】このような動作を行う本発明のステップモ
ータ駆動回路において，２相励磁シーケンスでＡ相巻線
及びＣ相巻線を励磁した場合の各部の電圧及び電流波形
を図３に示す。同図で，ＶAG及びＶCGがスイッチ素子８
及び９のゲート電極ＡＧ及びＣＧに入力される電圧波
形，ＶA及びＶCがスイッチ素子８及び９のドレイン電極
部に生じる電圧波形，ＩA及びＩCがＡ相巻線及びＣ相巻
線を流れる電流波形を示している。時刻ｔ０から時刻ｔ
２までがＡ相励磁状態を，時刻ｔ２から時刻ｔ３までが
Ｃ相励磁状態を示している。また，時刻ｔ０の直前では
Ｃ相励磁が行われており，Ｃ相励磁→Ａ相励磁の切り換
えでスイッチ素子９がオフとされる。この時，Ｃ相巻線
に流れていた励磁電流ＩCが持続するように誘導電圧が
誘起され，エネルギを還流電流として対相のＡ相巻線を
介して還流吸収コンデンサ４へ還流させるが，還流吸収
コンデンサ４の容量を適度に小さくしておくと還流スイ
ッチ素子９のドレイン電圧ＶCを押し上げる。

【００１０】同時に時刻ｔ０でＡ相励磁を開始するため
ＶAGが所定のＨレベルに立ち上がるとスイッチ素子８が
オンとなる。この時，Ａ相巻線には一旦負極性の電流が
流れるが，前記Ｃ相巻線の誘導電圧で押し上げられたス
イッチ素子９のドレイン電圧ＶCによってＡ相励磁電流
ＩAが正の極性に付勢され，電流の立ち上がりが急峻と
なる。電圧ＶCの押し上げが吸収された後に，電流ＩAは
外部直流電源１の供給電圧ＶMとステップモータ２の巻
線抵抗値とインダクタンス値とをパラメータとする関数
で立ち上がって行く。この結果，定電流制御不能区間を
示す時刻ｔ０−時刻ｔ１の区間が短縮されることにな
る。

【００１１】この後，励磁電流ＩAが設定電流に到達す
るとＰＷＭキャリア周波数の時間間隔で可変幅のオンと
オフが繰り返され，励磁電流の定電流化が行われる。時
刻ｔ２でスイッチ素子８をオフとして励磁シーケンスを
Ａ相励磁からＣ相励磁に切り換えると，前述と同様に，
Ａ相巻線では励磁電流を持続するように誘導電圧が誘起
され，発生したエネルギはバイファイラ巻の対相である
Ｃ相巻線を介して還流吸収コンデンサ６へ回生される
が，スイッチ素子８のドレイン電圧ＶAの押し上げが生
じるのでＣ相励磁電流ＩCの立ち上げが改善される。以
上のような動作は励磁シーケンスに従ってＡ相及びＣ相
で同様に繰り返し行われる。

【００１２】一方，還流吸収コンデンサ６の容量値につ
いて本発明者らが実験で確認したところ，ステップモー
タ２の１相当たりの巻線抵抗値が約５Ω，インダクタン
ス値が測定周波数１ｋＨｚで約７ｍＨ，外部直流電源１
による供給電圧ＶMがＤＣ２４Ｖの時，１０μＦ以下の
容量を有するコンデンサを採用すると，図５で示した共
振域Ｒ２の振動を大幅に低減できることが分かった。ま
た，その容量値の下限は，容量値が小さいほど効果的で
あるが，スイッチ素子８，９，１０，１１のドレイン・
ソース電極間耐圧を考慮して決めることになる。

【００１３】

【発明の効果】以上の説明のように本発明によれば，バ
イファイラ巻線を有するステップモータを運転するＰＷ
Ｍ制御方式定電流駆動回路で，バイファイラ巻線の共通
接続点と外部直流電源との間に励磁相スイッチング・オ
フ時の還流電流を阻止する整流素子を接続し，且つ前記
共通接続点に還流電流を吸収してバイファイラ巻線の対
相の励磁相スイッチング・オンを付勢することが可能な
容量のコンデンサを接続しているので励磁相切り換え時
の対相励磁電流の立ち上げを付勢して定電流制御不能区
間を短くでき，その結果，駆動周波数が中域以上の場合
に発生する振動を低減したステップモータ駆動回路を提
供することが可能となる。

【００１４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のステップモータ駆動回路の構成を示
す。

【図２】本発明のステップモータ駆動回路のＡ相及びＣ
相における電流の流れを示す。

【図３】本発明のステップモータ駆動回路の各部の電圧
及び電流波形を示す。

【図４】従来例のステップモータ駆動回路の構成を示
す。

【図５】従来例のステップモータ駆動回路で運転された
ステップモータの振動特性の一例を示す。

【図６】従来例のステップモータ駆動回路の各部の電圧
及び電流波形を示す。

【符号の説明】

１ 外部直流電源２ ステップモータ ３ 電源コンデンサ ４，５，１２，１３，１４，１５ 整流素子 ６，７ 還流吸収コンデンサ ８，９，１０，１１ スイッチ素子 １６，１７ 電流検出抵抗器 １８ ＰＷＭ制御回路 １９ 可変抵抗器 ２０ パルス分配回路 ２１ 入力端子 Ａ Ａ相巻線 Ｂ Ｂ相巻線 Ｃ Ｃ相巻線 Ｄ Ｄ相巻線 ＡＧ スイッチ素子８のゲート電極 ＢＧ スイッチ素子１０のゲート電極 ＣＧ スイッチ素子９のゲート電極 ＤＧ スイッチ素子１１のゲート電極 ＶA スイッチ素子８のドレイン電極の電圧 ＶC スイッチ素子９のドレイン電極の電圧 ＶM 外部直流電源１による供給電圧 ＩA Ａ相巻線励磁電流 ＩC Ｃ相巻線励磁電流

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部直流電源との間に接続されたバイフ
   ァイラ巻線を複数有するステップモータの駆動回路にお
   いて，各相バイファイラ巻線の一端に接続され励磁電流
   を所定の励磁シーケンスに従い且つ励磁電流が所定の設
   定電流値となるような時間間隔で通電をオン・オフする
   スイッチ素子と，該スイッチ素子と並列に接続され該ス
   イッチ素子がオンからオフへ切り替わる時に生じる誘導
   電圧による還流電流を互いにバイファイラ巻線の対相を
   経由させる電流路を形成する整流素子と，前記外部直流
   電源と各バイファイラ巻線の共通接続点の間に接続され
   前記還流電流の該外部直流電源への還流を阻止する整流
   素子と，該バイファイラ巻線の共通接続点と接地点との
   間に接続され且つ少なくとも前記誘導電圧が対相スイッ
   チ素子のオン状態への移行を付勢することが可能な容量
   を有するコンデンサとで構成したことを特徴とするステ
   ップモータ駆動回路。