JPH1042598A - ステッピングモータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御回路を複雑化することなく、マイクロス
テップ駆動時における振動を抑制することができるステ
ッピングモータの駆動方法を提供すること。 【解決手段】 マイクロステップ駆動により各相２，
３，４，５へ供給する励磁電流を三角波電流に形成する
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７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（励磁電流）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、回転子を動かすトルクとなる。

【００１２】図８には一般的なステッピングモータを駆
動するためのモータドライバＩＣのブロック図が示され
ている。この図に示すように、モータドライバＩＣ１０
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９に１例を示す
ように、各コイルにそれぞれ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１０に示
すように各コイル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Ｂ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。なお、後述する本発明におけるステッピン
グモータ１の駆動方法はバイポーラ駆動によるものであ
る。

【００１５】また、励磁電流の通電方式には、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１１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１１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１１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】ところで、従来のマイクロステップ駆動に
おける定電流チョッパ方式は、以下に説明するどちらか
の方法を用いることで定電流を得ている。ここで、使用
している定電流チョッパドライバは、図１２にその電流
波形を示すように、供給電流値が設定値になったら所定
時間の電流ＯＦＦ状態を設け、その後再び供給電流値が
設定値になるようにＯＮ状態とすることで、定電流を保
つように構成したものである。

【００２３】そして、この定電流を得るための第１の方
法は、図１０に示す駆動回路において、電源ＯＮ状態
で、第１のトランジスタ２５および第４トランジスタ２
８をＯＮとし、供給電流値が設定値になったときに、第
４のトランジスタ２８をＯＮに保持した状態で第１のト
ランジスタ２５をＯＦＦとする。すると、励磁電流は徐
々に減少するが、所定時間が経過すると、再び第１のト
ランジスタ２５をＯＮ状態にし、電流を設定値まで増加
させ、再度第１のトランジスタ２５をＯＦＦにするとい
う動作を繰り返すものである。また、第２の方法は、図
１０に示す駆動回路において、第１のトランジスタ２５
および第４トランジスタ２８をＯＮとし、供給電流値が
設定値になったときに、第１のトランジスタ２５をＯＦ
Ｆにすると同時に第４のトランジスタ２８もＯＦＦし、
電流値を急激に減少させ、所定時間経ったところで、第
１のトランジスタ２５および第４のトランジスタ２８を
ＯＮにして電流を設定値まで増加させ、再度第１のトラ
ンジスタ２５および第４のトランジスタ２８をＯＦＦに
するという動作を繰り返すものである。

【００２４】なお、前述した説明では、Ａ相の励磁電流
についてのみ説明しているが、他の相のコイルに対して
も励磁時間をずらして同様の制御がなされる。

【００２５】前記第１の方法によると、図１３に示すよ
うに電流リップルは小さくできるが、励磁電流が歪んで
しまい、ステッピングモータの発熱が大きくなるという
不具合がある。

【００２６】また、第２の方法においては、図１１に示
すように、電流リップルが大きくなってモータの損失が
大きくなり、トルクが減少するという不具合がある。

【００２７】さらに、高速回転時のマイクロステップ駆
動は高周波数での駆動パルス付与でさらに１ステップ
（パルス）を細かく分割する必要があるために、駆動回
路ならびにその制御が複雑になるという不具合があっ
た。

【００２８】このような従来のものにおける問題点を克
服するステッピングモータの駆動方法として、本件出願
人は、特願平８−２５１８０号において、モータの高速
回転時は通常の励磁方式で駆動し、低速回転時はマイク
ロステップ駆動を行なうとともに、マイクロステップ駆
動時において供給する定電流のためのチョッピング動作
時のＯＦＦ時の電流の減少を高速減衰と低速減衰を組み
合わせて行なうようにしたステッピングモータの駆動方
法を提案している。

【００２９】かかる駆動方法によれば、制御回路を複雑
化することなく、電流リップルを小さくでき、モータの
発熱および低速回転時の振動を抑えることができる。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
ステッピングモータの駆動方法においては、マイクロス
テップ駆動時においてモータドライバＩＣ１０のＡ相お
よびＣ相に巻回した第１コイル８およびＢ相およびＤ相
に巻回した第２コイル９に対応するリファレンス電圧
は、図１５（ａ）および図１５（ｂ）にその波形を示す
ように正弦波であり、このリファレンス電圧に基づき各
コイル８，９に供給される励磁電流も図１６（ａ）およ
び図１６（ｂ）に示すように正弦波となる。このときの
第１コイル８と第２コイル９の励磁電流の総和をみる
と、図１６（ｃ）に示すように、電流和リップルが生じ
てしまっていた。これを拡大した図を図１７に示すと、
第１コイル８の励磁電流と第２コイル９の励磁電流とが
重なるごとに電流和がピークを有する。このような電流
和リップルはステッピングモータのトルクリップルとな
り、マイクロステップ駆動時における振動発生の一原因
となっていた。

【００３１】本発明は、かかる問題点に鑑みて為された
ものであり、制御回路を複雑化することなく、マイクロ
ステップ駆動時における振動を抑制することができるス
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。

【００３２】

【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、マイク
ロステップ駆動により各相へ供給する励磁電流を三角波
電流に形成するようにした点にある。このようにステッ
ピングモータを駆動することにより、電流和リップルが
生じるのを防止し、制御回路を複雑化することなくマイ
クロステップ駆動時における振動を抑制することができ
る。

【００３３】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、ステッピングモータの各コイル
にバイアス電流を加えた前記励磁電流を流すようにした
点にある。そして、このようにステッピングモータを駆
動することにより、モータの振動レベルをより良好にす
ることができる。

【００３４】

【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。

【００３５】本発明のステッピングモータの駆動方法
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、本発明において
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、低速回転時は三角波電流を供給するマ
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１０００マイクロ秒から１０ミリ秒の駆動時であ
る。

【００３６】そして、供給される電流は、定電流チョッ
パ方式であって、各分割時において、図１０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ＯＦＦ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２８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。

【００３７】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
抑制された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。したが
って、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、このトランジスタのＯＮ、ＯＦＦは制御回路
１４のＣＰＵにより制御される。

【００３８】つぎに、マイクロステップ駆動において、
前述の制御を行なう場合のモータドライバＩＣ１０に供
給するリファレンス電圧と各コイル８，９の励磁電流の
波形を図２および図３に示す。図２（ａ）はモータドラ
イバＩＣ１０に供給されるＡ相およびＣ相に巻回した第
１コイル８に対応するリファレンス電圧を示しており、
図２（ｂ）は同様にＢ相およびＤ相に巻回した第２コイ
ル９に対応するリファレンス電圧を示している。また、
図３（ａ）は図２（ａ）のリファレンス電圧に基づく前
記第１コイル８に流れる励磁電流を示しており、図３
（ｂ）は図２（ｂ）のリファレンス電圧に基づく前記第
２コイル９に流れる励磁電流を示している。これらの図
に示すように、モータドライバＩＣ１０へ供給されるリ
ファレンス電圧の波形を直線状に増加あるいは減少する
三角波形状とすることにより、第１コイル８および第２
コイル９に供給される励磁電流もその波形が直線状に増
加あるいは減少する三角波形状とすることができる。そ
して、このときの第１コイル８および第１コイルの各励
磁電流を総和したグラフを図３（ｃ）に示すとともに、
これを拡大した図を図４に示す。これらの図に示すよう
に、第１コイル８と第２コイル９とに流す励磁電流の電
流和は一定となる。つまり、電流和リップルが生じな
い。

【００３９】したがって、トルクリップルも生ぜず、ス
テッピングモータ１の振動をより一層効果的に抑制でき
る。

【００４０】つぎに、本発明の他の実施形態を図５およ
び図６に示す。

【００４１】本実施形態は、前述のマイクロステップ駆
動において制御される前記励磁電流を前記第１コイル８
および前記第２コイル９に供給する際に、バイアスをか
けるようにしたものである。このバイアスをかけると
は、所定の動作点を得るために交流電圧に直流電圧を加
えて電圧のゼロ点をプラスまたはマイナス側へ偏らせた
り、あるいは、交流電流に直流電流を加えて電流のゼロ
点をプラスまたはマイナス側へ偏らせるようにすること
をいう。

【００４２】このように前記励磁電流にバイアス電流を
かけるために、図５にその波形を示すように、モータド
ライバＩＣ１０へのリファレンス電圧をバイアスをかけ
たものとする。

【００４３】図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ
第１コイル８および第２コイルに対応するモータドライ
バＩＣ１０のリファレンス電圧波形を示したもので、前
記図２のリファレンス電圧に対してバイアスがかけられ
ていることを示している。これにより、図６（ａ）およ
び図６（ｂ）に示すように、第１コイル８および第２コ
イル９に供給される励磁電流もバイアスのかかったもの
となり、これらの励磁電流を総和すると、図６（ｃ）に
示すように、その電流和は一定となって電流和リップル
は生じない。

【００４４】したがって、励磁電流にバイアスをかけて
供給するようにすれば、前記ステッピングモータ１の振
動レベルがより良好となって安定した回転駆動を得るこ
とができる。

【００４５】なお、本発明は前記実施の形態のものに限
定されるものではなく、必要に応じて種々変更すること
が可能である。

【００４６】たとえば、マイクロステップ駆動は低速回
転時において行なうように制御しているが、高速回転さ
せる場合でも、その加速度領域においては、前述した定
電流チョッパ方式でマイクロステップ駆動を用いれば、
振動などの防止に大きな効果がある。

【００４７】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。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、制御回路
を複雑化することなく、マイクロステップ駆動時におけ
る振動を抑制することができるという優れた効果を奏す
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電流リップルの状態を示す波
形図

【図２】 （ａ）は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モータドライバＩＣの第１コイ
ルに対応するリファレンス電圧を示す波形図、（ｂ）は
同様にドライバＩＣの第２コイルに対応するリファレン
ス電圧を示す波形図

【図３】 （ａ）は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第１コイルの励磁電流を示す波
形図、（ｂ）は第２コイルの（ａ）と同様の波形図、
（ｃ）は第１コイルと第２コイルの励磁電流の電流和を
示す説明図

【図４】 図３（ｃ）の拡大図

【図５】 （ａ）は本発明の他の実施形態としてモータ
ドライバＩＣの第１コイルに対応するバイアスをかけた
リファレンス電圧を示す波形図、（ｂ）は同様にモータ
ドライバＩＣの第２コイルに対応するバイアスをかけた
リファレンス電圧を示す波形図

【図６】 （ａ）は本発明の他の実施形態として第１コ
イルのバイアスをかけた励磁電流を示す波形図、（ｂ）
は同様に第２コイルにバイアスをかけた励磁電流を示す
波形図、（ｃ）は第１コイルと第２コイルのバイアス電
流をかけた励磁電流の電流和を示す説明図

【図７】 ステッピングモータの構造を説明するための
原理図

【図８】 ステッピングモータのドライバを表わすブロ
ック図

【図９】 ユニポーラ方式のステッピングモータの駆動
回路

【図１０】 バイポーラ方式のステッピングモータの駆
動回路

【図１１】 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１２】 定電流チョッパ方式による励磁電流の波形
図

【図１３】 従来の駆動方法である低速減衰時の励磁電
流を表わす波形図

【図１４】 従来の駆動方法である高速減衰時の励磁電
流を表わす波形図

【図１５】 （ａ）は従来のステッピングモータの駆動
方法によるモータドライバＩＣの第１コイルに対応する
リファレンス電圧を示す波形図、（ｂ）は同様にモータ
ドライバＩＣの第２コイルに対応するリファレンス電圧
を示す波形図

【図１６】 （ａ）は従来のステッピングモータの駆動
方法による第１コイルの励磁電流を示す波形図、（ｂ）
は第２コイルの（ａ）と同様の波形図、（ｃ）は第１コ
イルと第２コイルの励磁電流の電流和を示す説明図

【図１７】 図１６（ｃ）の拡大図

【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 第１コイル ９ 第２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、前記励磁電流をマイクロステップ駆動
   により三角波電流に形成する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】 前記励磁電流にバイアス電流をかけて供
   給するようにした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。