JPS58163300A - ステツパ−電動機駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の目的、背景〉 この発明は、ステッパー電動機のステータ・コイルを駆
動する回路に関するものであり、特に電動機に要求され
る瞬時トルクに応じてコイル［２種の振幅をもったバイ
ポーラ（双極）駆動電流を供給するための回路に関する
ものである。

一般に、双極ステッパー電動機のステータ・コイルはｔ
　コイル両端間の供給電圧の極性を有効に一整流するブ
リッジ増幅器によって駆動される。この駆動回路は、必
要な切換えを行なうために少なくとも４個のトランジス
タを要する。例えば、電動機が駆動モードと反対の保持
モードにあるとき、コイル電流の振幅を変化させるため
に、駆動電圧を変化させ、駆動インピーダンスを変化さ
せ、あるいは選択可能は゛平均”駆動パラメータを与え
るために駆動信号を断続（チョップ）する等の何らかの
手段を設ける必要がある。このよう々コイル電流の調整
を行なうことのできる回路は、一般には装置を複雑にし
、装置のコストを高め、装置を大型にし、その駆動回路
によって消費されるエネルギを増大させる。

ステッパー電動機のある種の適用例においては、電動機
は、比較的短期間は高トルク・モードで動作し、その動
作の大部分の期間は低速でステップするモードで動作す
る。そのためコイル電流は主として保持電流であること
が要求される。例えば、ビデオ・ディスク・プレヤーで
は、ステッパー電動機は、記録された信号再生用トラン
スジューサを備えたギヤリッジを駆動するために使用さ
れている。演奏の開始時には、キャリッジはレコードの
記録されたトラックの開始点を捜すために急速に移動す
ることが望ましい。このため電動機のステップ率は毎秒
３００ステツプで、電動機は高トルクで動作しなければ
ならない。しかしながら、正規の再生期間中は、キャリ
ッジはレコードのトラックに追随して動くトランスジュ
ーサに調和してゆっくりと移動する必要がある。このモ
ードでは、電動機は毎秒１〜２ステツプでステップ動作
し、低トルク・モードで動作する。

一般には、電動機および電動機駆動回路は共に互いに損
傷を受けることなく短期間過駆動されることが可能であ
る。従って、例えば６■用電動機を加熱するに至らない
極短期間Ｆｉ２ｏｖで付勢することができる０本願発明
者はこの特徴を利用して、特別なステップ率に対しては
高トルクを与え、他の動作モードでは低い保持電流を供
給し、同じような駆動特性をもった通常のブリッジ駆動
回路よりも簡単で安価な双極ステッパー電動機駆動回路
を設計した。

ステッパー電動機のステータ・コイルを駆動するための
この発、明の回路は、相対的に正あるいは相対的に負の
電圧を交互に供給するためにコイルの一方の端子に接続
された１対のスイッチを具備している。コイルの第２の
端子は第１および第２の抵抗器とそれぞれ直列に接続さ
れており、各抵抗器の他端は相対的に正電源、相対的に
負電源にそれぞれ接続されている。コイルの第２の端子
はまたキャパシタと直列に接続されており、そのキャパ
シタの他端は電圧源端子の一方に接続されている。

スイッチはコイルを流れる電流の方向を決定するために
選択的に閉成（ステップ）される。高ステップ率では、
キャパシタは電源端子からコイルを通ってアースへ流れ
る電流を吸収し、逆のスイッチ閉成位置では、バッテリ
のような電源としてコイルを通ってアースへ反転した電
流を流通“させる。コイルを流れる電流はスイッチの駆
動インピーダンスとコイルの固有の抵抗によってのみ制
限される。ステッパー電動機が過駆動されるので、電動
機は比較的高い平均トルクを発生することができる。所
定のスイッチが閉成される低ステップ率では、最初キャ
パシタは、コイルを流通する比較的高い電流パルスを通
過させる短絡回路として動作する。コイル電流は最終的
にはキャパシタを充電し、これによってコイル両端間の
電圧を低下させ、コイルを流れる電流を小さくする〇一
旦キャパシタが充電されると、さらにコイルを流れる電
流はすべて２個の抵抗器の一方を通って供給され、コイ
ル電流は所望の保持電流に制限される。

以下、図を参照しつ＼この発明を説明する。

〈実施例の説明〉 第１図に示す回路は双極ステツノ（−電動機の１つの状
態（位相）についての駆動回路構成を示す。

一般にはこのような形式のステッパー電動機は２つの状
態を持っており、従って電動機を付勢するためにはこの
ような回路を２個必要とする。２つの状態は一般には９
０°の位相関係で付勢される。

第１図において、ステッパー電動機のコイルの第１の端
部２０は１．１キロオーム（ＫΩ）の抵抗器Ｒ１と経て
相対的に正の電圧母線３０に接続されておシ、また１、
Ｉ　ＫΩの抵抗器Ｒ２を経て相対的に負の電圧母線４０
［接続されている。コイルの第１の端部２０と電圧母線
４０との間には１００マイクロ・ファラツド（μＦ）の
キャパシタＣ１が接続されている。コイルの第２の端部
は単極双投スイッチ８１’の可動極に接続されておシ、
そのスイッチの接点は正電圧母線３０、負電圧母線４０
にそれぞれ接続されている。

第１図の回路は次のように動作する。ステツノ（−電動
機のコイルは３０Ωの内部抵抗と、４０ミリヘｙｌＪ（
ｍＨ）のインダクタンスを持っていると仮定する。さら
に、特定の電動機に供給される保持電流の値は低く、例
えば約２０ミリアンペア（ｍＡ）であり、動作サイクル
の開始時に端子１０がアースの電圧母線４０に接続され
ており、またキャパシタＣ１は放電していると仮定する
。時間ｔ。（第５図）においてスイッチＳ１は端子１０
を２０ボルトの電圧母線りに接続する。キャパシタＣ１
は大きく、コイルとキャノぐシタとの直列接続の両端間
のステップ関数入力電圧に関してアースへの実質的な短
絡回路となる。

電流の初期増加率ｄ１／ｄｔはコイルのインダクタンス
−によって支配され、ａｉ／ａｔΦｖ／Ｌによって近似
される。最大可能電流はｖ／Ｒｏに達する。こ＼で、′
ｖは供給される電圧であり、Ｒｏはコイルのインダクタ
ンスである。ピーク値に達した直ぐ後に、キャパシタＣ
１は、■ボルトの両端間のＲＣとＲ２とからなる抵抗分
圧器によって設定される端子２０の平ル電流は’Ｃ＝　
Ｒｏ−０１の時定数で減衰し始める。この場合は、抵抗
器Ｒ１の値はＲ６よりもはるかに太きいので、平衡電圧
の決定に当ってはこれを無視することができる。端子２
０の電圧が一旦平衡電圧に達すると、コイル電流は実質
的に抵抗器Ｒ２によって決定される。この電流値は保持
電流で、抵抗器Ｒ２ｔ／′ｉ、特定の適用例において電
動機の回転子（ロータ）を固定状態に保持するのに充分
な電流をステータ巻線に供給する。図示の回路では、保
持電流は約１８ｍＡである。

電力は電流に比例し、ピーク電流はステッピング・サイ
クルに比例した極く短かい部分のみ流通するに゛すぎな
いから、回路はステップ当り比較的小さな平均電力（す
なわち、連続ピーク電流の場合の約１３ワツトの電力に
対し、２０Ｖ　Ｘ　１ＢｍＡ　＝　３６０ミリワツト（
ｍＷ））を消費するにすぎないことは、第５図からも明
らかである。

負ステップに対しては、スイッチ８１は端子１０をアー
スに接続し、はソ正の母線電圧■に充電されていたキャ
パシタＯＸは、最初バッテリとして動作し、コイルに逆
方向の電流を流通させる。初期負電流パルスは上述の正
パルスの振幅とはソ等しい振幅に達し、その後はキャノ
（シタＣ１の電圧が１イトの平衡値に達する壕で時定数
で−Ｒ８−Ｃで減衰する。

この電圧において、図示の回路では、約１８ｍＡの保持
電流が抵抗器Ｒ１を経て維持される。上述の解析および
第５図の波形から明らかなように、この回路はステータ
・コイルに対して実質的に対称な双極駆動電流を供給す
ることが出来ると見ることができる。

高トルクすなわち急速ステップ・モードで１゜は てロータの極をステータ・コイルを通過して回転させ、
ロータの位ｔがステッピング・）ζルスによって正確に
制御されないような状態に入り込むととがないように、
低ステップ・モードで動作する場合の保持電流に比して
かなり大きくなる。この大きな保持電流は、コイルを過
電圧で駆動し、ステップ期間の終りでコイル電流がなお
増え続けるような回路を設計することによって得られる
。コイル電流がステップ期間の終りでその最大値、すな
わち低ステップ率モードで到達する最大振幅には達しな
いという事実があるにも拘らず、その電流はコイルを駆
動するのに適した電流よりも大きな値に保持される。電
流がその最大値に達する前にスイッチを切換えることに
より、保持電流は実際には駆動電流よりも大きくなり、
ロータの位置をより正確に且つ確実に制御することが出
来るという効果がある。しかしながら、必要とする平均
保持電流を得るために過ｆｒ１圧が使用される時には、
急速ステップ率の動作を長く続けることは出来ず、もし
長時間にわたって動作させると電動機は過熱されるので
充分に注意する必要がある。第４図のコイル電流と時間
との関係を示す波形はこの動作モードを例示している。

電動機が過駆動される状態に対して、コイルの回路はス
テップ期間中、その最大の電流値に達するように条件づ
けられ、しかも実際はその電流が減衰しはじめるのに充
分な時間を与える回路パラメータが選ばれているという
ことを認識する必要がある。ステップ期間中に例えば３
０チという比較的大きな減衰でさえも、もしそのステッ
プ期間中の平均電流がロータの制御、すなわちロータの
位置あるいは特定のステップ率におけるロータとステー
タとの同期を保証するに充分であれば許容される。毎秒
３００のステップ率と、平均保持電流が駆動素子の慣性
を制御するには不充分な低率との間でステップ率が設定
される。

第２図は第１図のスイッチ８１の代りに使用される電子
スイッチを示す。第２図の回路は、直列接続された相補
型電界効果トランジスタからなるインバータである。こ
の回路において、Ｐ型エンハンスメント・モード・トラ
ンジスタＰ１が正電源端子と出力端子１０′との間に接
続されており、その出力端子１０’にはコイルの第２の
端子が接続されている。Ｎ型エンハンスメント・モード
・トランジスタＮｌは相対的に負の電源端子と出力端子
１０’との間に接続されている。両方のトランジスタＰ
１、Ｎ１の制御電極はステップ制御パルスが供給される
入力端子に供給されている。相対的に正の制御電圧が入
力端子に供給されると、トランジスタＮｌは共通ソース
・モードで導通して端子１０’を比較的小さなドレン−
ソース・インピーダンスを経て相対的に負の電源端子に
接続する。一方、相対的に低レベルの制御電圧が入力端
子に供給されると、トランジスタＰ１ハ共通ソース・モ
ードで導通し、端子１０　／を比較的低いソース−ドレ
ン・インピーダンスを経て相対的に正の電源端子に接続
する。

入力制御パルスが相対的に正の電源電圧と相対的に負の
電源電圧との間で振動すると、２個のトランジスタは交
互に導通し、オフすなわち非導通トランジスタはその出
力端子に対して高いインピーダンス（１０５オームある
いはそれ以上）を与える。

従って、第２図の回路は単極双投電子スイッチとして動
作する。

第３図の回路はスイッチＳｌとして使用される他の電子
スイッチを示す。第３図において、トランジスタＱ１の
ペース電極に供給される正電圧により、該トランジスタ
Ｑ、ｌは導通し、出力端子ｌＯ“よりダイオードＤｉを
通って流れる電流を吸収すなわちシンクする。ダイオー
ドＤｌを流れる電流によってその両端間に電圧が発生し
、この電圧ｔｄ　ｎｐｎ　トランジスタＱ２のベース−
エミッタ電極の両端間に印加され、このトランジスタＱ
２のベース−エミッタ間を逆バイアスして、これを非導
通状態に保持する。

トランジスタＱ２のコレクタ電圧は抵抗器Ｒ４によって
正電、源電圧に保持され、ｐｎｐトランジスタＱ３をも
非導通状態に保持する。

トランジスタＱｌのペースに相対的に負の電圧が与えら
れると、これを非導通状態にする。トランジスタＱｌの
コレクタの電圧は、電源端子に接続されたコレクタ抵抗
器Ｒ３によって電源電圧に上昇させられる。トランジス
タＱ１のコレクタが高電圧になることによシ、トランジ
スタＱ２は導通状態に・；イアスされ、端子１０″へエ
ミッタ電流を供給する。

トランジスタＱ２が導通すると、これはｐｎｐトランジ
スタＱ３からペース電流を引出し、該トランジスタＱ３
を共通エミッタ・モードで導通状態にノくイアスする。

これによって端子１０″をトランジスタＱ３のコレクタ
ーエミッタ回路を経て相対的に正の電源端子に結合する
０従って、第３図の回路はトランジスタＱ１のベース電
極に供給される電圧ノ（ルスによって制御される単極双
投スイッチと同様な動作をする。

第２図および第３図の回路で使用するのに選ばれるトラ
ンジスタは、一般に低ステップ・モードの駆動に必要な
消費電力定格を持っている。通常、このような装置は、
例えば急速ステップ・モード＋７）、１：　’５す短か
い動作期間は損傷を受けることなく過駆動される。低速
ステップ・モード時に必要とする電力は小さいので、こ
の回路を安価な素子によって実現することができる。ス
イッチを第２図の形式の構成で実現すれば、僅が２個の
トランジスタで双極電流駆動を行なうことができる。こ
れによって、従来の４個のトランジスタからなるブリッ
ヂ形式のバイポーラ・トランジスタ駆動回路に比して部
品の数を減らもことができ、さらに経済的にスイッチを
構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を実施したステッパー電動機コイル駆
動回路の概略回路図、 第２図および第３図は第１図のスイッチｓｌを実現する
のに使用することのできる電子回路の概略回路図、 第４図および第５図はそれぞれ第１図の回路を高ステッ
プ率、低ステップ率で動作させるときにコイルを流れる
電流のタイミング図である。 ３０・・・第１の電源端子、４０・・・第２の電源端子
、Ｓｌ・・・スイッチ、１０・・・電動機巻線の第１の
端子、２０・・・電動機巻線の第２の端子、Ｒ１・・・
第１の直流インピーダンス手段（第１の抵抗器）、Ｒ２
・・・第２の直流インピーダンス手段“（第２の抵抗器
）ＣＩ・・・キャパシタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１および第２の端子を持った電動機巻線を双極
   駆動するための回路であって、 相対的に正の電源電圧を供給する第１の電源端子および
   相対的に負の電源電圧を供給する第２の電源端子と、 上記巻線の第１の端子を上記第１の電源端子と第２の電
   源端子に交互に結合するだめのスイッチ手段と、 上記第１の電源端子と上記巻線の第２の端子との間に接
   続された第１の直流インピーダンス手段および上記第２
   の電源端子と上記巻線の第２の端子との間に接続された
   第２の直流インピーダンス手段と、 上記巻線の第２の端子と固定・電位点との間に接続され
   たキャパシタと、 ７）＝　ラ；’ｚ　ルステッパー電動機駆動回路。