JPH09312998A - ステッピングモータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固定子の各相間における電磁力の大きさの差
や各相の位置間隔の差等に基づいて生じる駆動周期の２
倍の周期の速度変動を防止できるステッピングモータの
駆動方法を提供すること。 【解決手段】 回転子７が各相２，３，４，５へ回転す
る際の最大速度が各相２，３，４，５の間で一定となる
ように各相２，３，４，５のコイル８，９に付与する励
磁電流を順次切り換えるようにしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステッピングモー
タの駆動方法に係り、特に、プリンタのキャリッジ駆動
機構あるいは紙送り機構の駆動源として使用されるステ
ッピングモータの駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】印字ヘッドを搭載したキャリッジをプラ
テンに沿って移動させながら１行分の印字を行ない、こ
の１行分の印字を行なった後、記録用紙を１行分搬送
し、つぎの行の印字を行なうことを繰り返して所定の印
字を行なうシリアル式プリンタは、ワードプロセッサな
どの出力装置として多く用いられている。

【０００３】そして、このようなシリアル式プリンタの
キャリッジ駆動機構あるいは紙送り機構を駆動制御する
ために、ステッピングモータが一般的に用いられてい
る。このステッピングモータを使用するのは下記の各理
由による。

【０００４】１． モータの回転角が入力パルス数に比
例し、累積誤差を生じない。

【０００５】２． モータの回転速度が入力パルス速度
に比例し、精密な同期運転が可能で制御域が広い。

【０００６】３． 起動・停止特性が極めてよく、自起
動周波数以下では一定周波数での運転ができる。

【０００７】４． 応答性が高く、出力も高い。

【０００８】５． 入力パルスを目標位置に応じて発生
させるだけで位置を制御できる。

【０００９】６． デジタルで制御できる。

【００１０】ステッピングモータは、その構造を図６に
原理的に示すように、例えば９０度間隔で配置された第
１（Ａ）、第２（Ｂ）、第３（Ｃ）および第４（Ｄ）の
磁極（相）２，３，４，５を有する固定子６と、Ｎ極と
Ｓ極とを１８０度間隔で有する回転自在な永久磁石から
なる回転子７とを備えており、この回転子７に図示しな
い出力軸が連結されている。また、第１（Ａ）および第
３（Ｃ）の磁極２，４には第１のコイル８が巻回され、
第２（Ｂ）および第４（Ｄ）の磁極３，５には第２のコ
イル９が巻回されている。

【００１１】このようなステッピングモータ１を回転駆
動するために、固定子６の各相のコイル８，９に励磁電
流（相電流、コイル電流、励磁電流とも言う）を流す
と、この電流により磁界が発生し、固定子６と回転子７
との間に吸引または反発する電磁力が発生する。この励
磁電流を順次切り換えることにより、固定子６と回転子
７との間の電磁力が切り換わり、回転子７を動かすトル
クとなる。

【００１２】図７には一般的なステッピングモータを駆
動するためのドライバのブロック図が示されている。こ
の図に示すように、ドライバ１０は、制御回路１１、駆
動回路１２および電源１３により構成されている。前記
制御回路１１は、入力インターフェイスのほか、入力電
圧の可変、回転速度や方向、距離および角度など全体を
制御するための機能を有するもので、ステッピングモー
タ１に供給するパルスタイミングの制御を行なうように
なっている。また、前記駆動回路１２は、前記制御回路
１１からのパルス信号を各相に分配、増幅してステッピ
ングモータ１の各相を一定の順序で励磁するための回路
である。前記電源１３としては、ステッピングモータ駆
動用とＩＣ回路用の２種類が必要である。

【００１３】また、ステッピングモータ１の駆動方式に
は、ユニポーラ駆動とバイポーラ駆動とがある。

【００１４】前記ユニポーラ駆動は、図８に１例を示す
ように、各コイル８，９にそれぞれ１個のトランジスタ
２１，２２，２３，２４を接続し、それぞれのトランジ
スタをＯＮすることで、各コイル８，９に一方向のみの
電流を流す方法である。これに対し、バイポーラ駆動
は、図９に示すように各コイル８，９には複数のトラン
ジスタ２５，２６，２７，２８が接続されており、Ａ相
についてのみ説明すると、動作時には第１のトランジス
タ２５と第４のトランジスタ２８をＯＮすることにより
Ａ方向の電流が流れ、第２のトランジスタ２６と第３の
トランジスタ２７をＯＮすることにより逆方向のＡバー
方向の電流が流れるようになっている。ユニポーラ駆動
は、バイポーラ駆動に比べ、トランジスタの数が１／２
のため回路構成が簡単であり、一方、バイポーラ駆動は
入力電力が同じ場合、ユニポーラ駆動よりモータトルク
が大きくとれるという利点がある。

【００１５】また、励磁電流の供給パターンには、１相
励磁、１−２相励磁、２−２相励磁などがある。

【００１６】前記１相励磁によるステッピングモータ１
の駆動方法は、各相を１相ずつ順に励磁して、基本ステ
ップ角度で回転させる最も基本的な駆動方法であり、角
度精度はよいが、駆動トルクが小さいし、また、電力効
率がよくないという欠点があるため、あまり用いられて
いない。なお、特に、１相励磁で駆動したときの１ステ
ップ角度を基本ステップ角度という。

【００１７】前記２−２相励磁によるステッピングモー
タ１の駆動方法は、常に相互に隣位する２相を同時に励
磁し、１回に１つの相の励磁を切り換える方法であり、
常に２相が励磁されるため、１相励磁に比べて電力の利
用効率が高く、同一のモータ電源電圧に対し高い出力を
得ることができるし、また、回転子７のオーバーシュー
トなどの振動に対しても有利に働くため、ステッピング
モータ１の駆動方法として多く用いられている。

【００１８】さらに、前記１−２相励磁によるステッピ
ングモータ１の駆動方法は、１相励磁と２−２相励磁と
を交互に繰り返す方法であり、１相励磁による回転子７
の停止位置と２−２相励磁による停止位置とが、基本ス
テップ角度の１／２だけずれることから、この２つの励
磁状態を交互に繰り返すことにより、１相励磁および２
−２相励磁駆動のステップ角度の１／２のステップ角度
による出力が得られる。このため、他の駆動方法に比べ
て分解能が倍増して細かいステップ送りができるし、ま
た、低騒音で駆動できるとともに、高速時の安定した駆
動が行なえるために、正確な回転量を得るのが必要な場
合に用いられている。

【００１９】しかしながら、このようなステッピングモ
ータ１の駆動方法においては、高速運転時のトルクを確
保するために入力電力を増加すると、低速領域で過大な
トルクが発生されて振動や騒音の原因となる。

【００２０】このような不具合を解決するために、ステ
ッピングモータ１の構造から機械的に決まるステップ角
を、さらに電子回路により細かく分割してステッピング
モータ１の回転子の回転を滑らかに駆動する定電流チョ
ッパ方式によるマイクロステップ駆動と呼ばれる駆動方
法が行なわれている。ここで、２−２相励磁でバイポー
ラ駆動によりマイクロステップ駆動を行なった場合につ
いて説明する。

【００２１】図１０にはフルステップ駆動時とマイクロ
ステップ駆動時の励磁電流の変化の様子が示されてい
る。ステッピングモータ１のトルク角度特性が正弦波形
状であれば、図１０のような正弦波の励磁電流を流すこ
とにより、トルク変動の少ない滑らかな回転が可能とな
る。この正弦波励磁電流は制御回路により１周期を複数
に分割して形成される。図１０は、１周期を４０分割し
た例であるが、基本ステップ角に対しては１０分割され
たことになるので、分解能は１０倍となる。なお、分割
数は任意に設定可能である。

【００２２】また、従来のステッピングモータ１の駆動
方法においては、固定子６の各相を順次励磁するために
各コイル８，９へ流す励磁電流の切り換えが、常に一定
の時間の間隔をもって行なわれていた。これを２−２相
励磁の場合を例にとって説明すると、図１１（縦軸を電
圧、横軸を時間で示す）および図１２（縦軸を電流、横
軸を時間で示す）に示すように、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相およ
びＤ相の各コイル８，９にはそれぞれ一定の周期で方形
波形状のパルス電圧が付与されており、さらに、各相間
におけるパルス電圧は、常に相互に隣位する２相を同時
に励磁するように、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４…の時間経
過ごとにずらして切り換えられ、この切り換える間隔
は、例えばｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４＝…＝ｔＮ＝１ｍｓ
のごとく一定の周期で繰り返されていた。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、前記ステッピ
ングモータ１は、理論上、コイル８，９の巻回された各
相間における電磁力の大きさの差はなく、また、固定子
６の位置間隔も同一であり、前記回転子７が各相から吸
引力あるいは反発力を受けて順次回転していく速度は一
定であるとの前提の下に使用されている。

【００２４】しかしながら、実際のステッピングモータ
１は、固定子６の各相に巻回したコイル８，９の巻数や
その抵抗値の相違により各相間の電磁力が相違していた
り、また、各相の位置間隔は必ずしも一定ではなく大小
の差が生じている場合がある。このような各相における
電磁力や間隔等の差があるにも拘らず、従来のステッピ
ングモータ１の駆動方法では、各相に付与する電圧（励
磁電流）をすべて同一の時間間隔でずらして切り換えて
いたため、図１３および図１４に示すように、各相へ順
次移動する回転子７の回転速度に差が生じてしまってい
た。

【００２５】ここで、図１３は横軸を時間としたときの
速度変動のグラフを示しており、図１４は横軸を周波数
としたときの速度変動のグラフを示している。この例で
は、回転子７がＡ相およびＣ相へ吸引および反発される
ときに回転速度が大きくなり、Ｂ相およびＤ相へ吸引お
よび反発されるときの回転速度は小さくなる傾向を示し
ており、駆動周期（通電時間ｔ）の２倍の周期で速度変
動が生じている。また、これらをフーリエ変換して駆動
周波数として図１４に示すと、この駆動周波数の１／２
の周波数の位置に速度振幅のピークが現われる。

【００２６】このようなステッピングモータ１の速度変
動はキャリッジの駆動等に影響を及ぼし、特に、駆動周
期の２倍の周期で生じる速度変動の影響は顕著に現われ
てしまう。すなわち、この駆動周期の２倍の周期で生じ
る速度変動は、例えば、キャリッジの駆動速度の変動に
つながって画像の濃淡ムラとして生じたり、あるいはス
テッピングモータ１が紙送りモータとして使用される場
合には紙送り精度誤差を低下させたり、スキャナの画像
読み込み駆動モータとして使用される場合には読み込み
精度誤差に影響を及ぼしてしまっていた。

【００２７】本発明は、このような従来のものにおける
問題点を克服し、固定子の各相間における電磁力の大き
さの差や各相の位置間隔の差等に基づいて生じる駆動周
期の２倍の周期の速度変動を防止できるステッピングモ
ータの駆動方法を提供することを目的としている。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１に
記載のステッピングモータの駆動方法の特徴は、回転子
が各相へ回転する際の最大速度が各相間で一定となるよ
うに各相のコイルに付与する励磁電流を順次切り換える
ようにしたことを特徴とする点にある。このように、ス
テッピングモータを駆動することにより、駆動周期の２
倍の周期で生じるステッピングモータの速度変動を抑え
ることができ、ステッピングモータの駆動精度を向上さ
せることができる。

【００２９】また、請求項２に記載のステッピングモー
タの駆動方法の特徴は、回転子の最大速度が大きい電磁
力の組合わせとなる励磁電流の通電時間を短くし、回転
子の最大速度が小さい電磁力の組合わせとなる励磁電流
の通電時間を長くなるように各相のコイルに付与する励
磁電流を切り換える点にある。このように、ステッピン
グモータを駆動することにより、各相に付与する励磁電
流の切り換えタイミングを変えるだけで駆動周期の２倍
の周期で生じるステッピングモータの速度変動を抑える
ことができ、容易にステッピングモータの駆動精度を向
上させることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るステッピング
モータの駆動方法の実施の形態について図面を用いて説
明する。

【００３１】本実施形態のステッピングモータ１の駆動
方法は、前述したバイポーラ駆動回路により、チョッピ
ング駆動を前提としたものである。そして、本実施形態
においては、高速回転時には通常の１−２相励磁あるい
は２−２相励磁で駆動し、低速回転時はマイクロステッ
プ駆動を行なうようにしたものである。ここで、低速回
転時とは、１ステップ当たりの駆動パルス幅がそのモー
タの自起動周波数の３倍（約６５０マイクロ秒）から１
０ミリ秒の駆動時である。

【００３２】そして、前記低速回転時に供給される電流
は、定電流チョッパ方式であるが、各分割時において、
図９に示す駆動回路において電流値が設定値になったと
きに、第１のトランジスタ２５をＯＦＦするが、この状
態において、第４のトランジスタ２８がＯＮの状態とＯ
ＦＦの状態とを選択できるようにして、まず、供給電流
値が設定値になったとき、第１のトランジスタ２５とと
もに第４のトランジスタ２８もＯＦＦにする。すると、
励磁電流は急激に減少（高速減衰）する。そして、所定
値（所定時間）まで減少したら、第４のトランジスタ２
８をＯＮにする。すると、励磁電流の減少は緩慢（低速
減衰）になる。そして、第２の設定値まで電流値が減少
（所定時間経過）すると、再度第１のトランジスタ２５
をＯＮにし、電流値を増加させる。設定値まで電流値が
増加すると、第１のトランジスタ２５および第４のトラ
ンジスタ２８に対して前述した制御を行なう。この制御
を複数回繰り返して、１つの分割時でのチョッピング動
作の制御とする。

【００３３】このようにして制御したときに得られる電
流波形が図１に示されている。この制御を各分割時にお
いて繰り返すことにより、励磁電流は歪みやリップルの
ない滑らかな波形となり、ステッピングモータ１の発熱
を抑えることができるとともに、ステッピングモータ１
の電力損失も小さく抑えることができるので、トルクの
ダウンもないし、また、ステッピングモータ１の回転子
７の回転も振動のない滑らかなものとなる。なお、この
トランジスタ２５，２８のＯＮ、ＯＦＦは制御回路１１
のＣＰＵにより制御される。

【００３４】つぎに、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相およびＤ相の各
相のコイル８，９へ付与する電圧および励磁電流の切り
換えタイミングについて、２−２相励磁で駆動する場合
を例に図２および図３を参照しつつ説明する。

【００３５】図２は各相における電圧の切り換えタイミ
ングを示しており、図３はこの電圧によって各相に流れ
る励磁電流を示している。これらの図２および図３に示
すように、各相へ供給する電圧および電流のパルス幅お
よび通電時間ｔ（ＯＮとＯＦＦとの間隔）は各相ともに
従来の駆動方法によるものと同等であるが、各相のコイ
ル８，９に供給するタイミングが各相の相互間でずらさ
れており、回転子７の回転速度の振幅を一定とするよう
に補正されている。換言すれば、前記通電時間ｔがｔ
１、ｔ２、ｔ３およびｔ４で異なっている。

【００３６】より具体的には、従来の通電時間ｔはすべ
て一定の１．０ｍｓで通電されていたが、本実施形態で
は、ｔ１＝ｔ３＝１．２ｍｓに対してｔ２＝ｔ４＝０．
８ｍｓのごとく通電され、異なる通電時間ｔに設定され
ている。ｔ１とｔ３あるいはｔ２とｔ４とが等しい通電
時間ｔとされているのは、本実施形態のステッピングモ
ータ１が図６に示したような前記固定子６のＡ相とＣ
相、Ｂ相とＤ相とをそれぞれ１本のコイルで巻回しＹ接
続してなる構造を有するモータであるからである。

【００３７】そして、前記回転子７が各相へ回転する際
の最大速度が異なるのは、前述したように、各相に生じ
る吸引または反発する電磁力の大きさの相違や各相の位
置間隔の相違による。したがって、本実施形態では、こ
れらの各相間の差を相殺するために、前記吸引および反
発する電磁力の組合わせによって前記回転子７の最大速
度が大きい前記励磁電流の通電時間ｔを短くし、逆に、
吸引および反発する電磁力の組合わせによって前記回転
子７の最大速度が小さい前記励磁電流の通電時間ｔを長
くするように前記励磁電流の切り換え制御を行なってい
る。

【００３８】このように制御した場合の前記固定子６の
各相における速度変動を振幅で表したグラフを図４およ
び図５に示す。図４は横軸を時間としたときの速度変動
のグラフを示し、図５は横軸を周波数としたときの速度
変動のグラフを示している。図４に示すように、Ａ相、
Ｂ相、Ｃ相およびＤ相の各相における速度変動の振幅は
同一の振幅となっており、従来のような駆動周期の２倍
の周期で速度変動が生じることはない。また、図５に示
すように、周波数のピークも１つのピークのみ表れてお
り、従来のような２つのピークに分れて現われることは
ない。

【００３９】ここで、各相の通電時間ｔ１、ｔ２、ｔ
３、ｔ４の比をいかなる数値に設定するかは、各ステッ
ピングモータ１の各相間における電磁力の大きさの差や
製造誤差等により特有のものであるため、実際の速度変
動を測定しつつ補正することとなる。

【００４０】したがって、このように各相に付与する励
磁電流の切り換えるタイミングを補正するようにしてス
テッピングモータを駆動すれば、固定子６の各相におけ
る電磁力の差や各相の位置間隔の差等に基づいて生じる
駆動周期の２倍の周期のステッピングモータ１の速度変
動を防止でき、画像の濃淡ムラをなくし、紙送り精度お
よびスキャナの読み取り精度を向上させることができ
る。

【００４１】なお、本実施形態における前記固定子６の
各相への通電の切り換えは、高速回転時におけるフルス
テップ駆動および低速回転時におけるマイクロステップ
駆動の場合を問わず適用することができる。また、２−
２相励磁駆動に限らず、１−２相励磁等の場合であって
も同様の効果を奏する。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、固定子の
各相における電磁力の大きさの差や各相の位置間隔の差
等に基づいて生じる駆動周期の２倍の周期のステッピン
グモータの速度変動を防止でき、記録画像の濃淡ムラを
なくし、紙送り精度およびスキャナの読み取り精度を向
上させることができる等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のステッピングモータの駆動方法の実
施の形態による励磁電流の波形図

【図２】 本発明のステッピングモータの駆動方法の実
施の形態における各相の電圧を切り換えるタイミングを
示す説明図

【図３】 本発明のステッピングモータの駆動方法の実
施の形態における各相の励磁電流を切り換えるタイミン
グを示す説明図

【図４】 本発明のステッピングモータの駆動方法の実
施の形態における固定子の速度変動を示す説明図

【図５】 本発明のステッピングモータの駆動方法の実
施の形態における周波数に対する固定子の速度変動を示
す説明図

【図６】 ステッピングモータの構造を説明するための
原理図

【図７】 ステッピングモータのドライバを表わすブロ
ック図

【図８】 ユニポーラ方式のステッピングモータの駆動
回路

【図９】 バイポーラ方式のステッピングモータの駆動
回路

【図１０】 フルステップ駆動時とマイクロステップ駆
動時における励磁電流の変化を説明するための説明図

【図１１】 従来のステッピングモータの駆動方法にお
ける各相の電圧を切り換えるタイミングを示す説明図

【図１２】 従来のステッピングモータの駆動方法にお
ける各相の励磁電流を切り換えるタイミングを示す説明
図

【図１３】 従来のステッピングモータの駆動方法にお
ける固定子の速度変動を示す説明図

【図１４】 従来のステッピングモータの駆動方法にお
ける周波数に対する固定子の速度変動を示す説明図

【符号の説明】

１ ステッピングモータ ２，３，４，５ 磁極（相） ６ 固定子 ７ 回転子 ８，９ コイル １０ ドライバ １１ 制御回路 １２ 駆動回路 １３ 電源 ２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８ ト
ランジスタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイルを巻回した複数の相を有する固定
   子を回転子の周囲に配設し、前記コイルに励磁電流を流
   すことによって前記回転子と前記固定子との間に吸引ま
   たは反発する電磁力を発生させるとともに、各相に流す
   励磁電流を順次切り換えることにより前記電磁力を切り
   換えて前記回転子を回転させるステッピングモータの駆
   動方法であって、前記回転子が各相へ回転する際の最大
   速度が各相間で一定となるように前記励磁電流を切り換
   えるようにしたことを特徴とするステッピングモータの
   駆動方法。
2. 【請求項２】 前記励磁電流の切り換えは、前記回転子
   の最大速度が大きい電磁力の組合わせとなる前記励磁電
   流の通電時間を短くし、前記回転子の最大速度が小さい
   電磁力の組合わせとなる前記励磁電流の通電時間を長く
   なるように切り換えることを特徴とする請求項１に記載
   のステッピングモータの駆動方法。