JPS63133895A - ステッピングモータの微小角駆動方法とその装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はステッピングモータの移動角を従来にも増して
微小に針側して駆動させる事により、その回啄運動及び
停止精度を高めたステッピングモータの駆動方式の改良
に関する。

（従来の技術） ステッピングモータはパルスモータある（１は階動電動
機とも称され、入力パルスに対応してステ・ンプ駆動さ
れるものであり、２相〜多相式のものなど各種のものが
実用に供されている。５相ステツピングモータを例にと
ってみれば、従来の駆動方式として１パルスで０．７２
°又は０．３６°で駆動されているものであるが、移動
角が粗であって回軟が円滑でないという欠点やドライブ
周波数との間に機械的な共振点があり、この周波数にお
いては駆動小米ないという現象が生ずるというような欠
点がありだ。そこで、これらステッピングモータに特有
な欠点を克服するためにモータコイル（八）（Ｂ）・・
・の電流制御を行い、合成トルクベクトルの方向を徐々
に変化させる事に上り、０．７２’　　を１０分割ある
いは２０分割して１パルスで０．０７２°又は０．０３
６゜等の移動角でステップ駆動させる駆動方式が望まれ
ていた。この姿望に対して、従来は、ｌｌＳｌ図に示す
ように１つのモータコイル（＾）（Ｂ）・・・に対して
４個の出力素子（Ｔｒｌ）（Ｔｒｚ）（Ｔｒｓ）（Ｔｒ
ｚ）・＝をブリッジに組み、十■の電圧をモータコイル
（＾）（Ｂ）・・・にりえる事により駆動電流をモータ
コイル（＾）（Ｂ）・・・に流し、このモータコイル（
＾）（Ｂ）・・・に流れた駆動電流を電流検出用のセン
ス抵抗（Ｒ１〉・・・でモータコイル（＾）（Ｂ）・・
・毎に各／ｊ検出し、モータコイル（＾）（Ｂ）・・・
毎に出力素子（Ｔｒ　）を独立してスイッチング制御し
、（→０→Ｅ）と言うようにトルクベクトルを徐々に変
化させて微小角駆動を行う（即ち、５相パルスモータで
あれば、５つのモータコイル（＾）（８）（Ｃ）ＣＤ）
（Ｅ）の駆動電流を５つのモータコイル制御回路（Ｍｌ
）〜（Ｍ、）が各々電流制御し、各々の出力素子（Ｔｒ
ｌ）〜（Ｔｒｉｏ）を適宜スイッチング制御して、モー
タコイル電流をコントロールする。）という方法を探り
ていた。（ＰＩＳ２図） （発明が解決使用とする問題点） 処が、この方式では、 ■　各ｊＪｌに４個の出力＾了（１’ｒ１）（Ｔｒｚ）
（１’ｒ−）（Ｔｒ４）・・・をブリッジにＡｌｌみ、
各相ｈ７に駆動１１流を検出してコントロールしている
ため、１１相ステツピングモータではモータコイル制御
回路ＣＭ）がｎ個（換ｄすれ１ｒ、出力素子（Ｔｒ）が
４ｎ個（５相パルスモータでは２０例）、検出回路が＋
１個（５４１１パルスモータでは５個）１必要となって
回路容体が繁雑になり、コストアップの原因となるもの
であり、■　＋■の電圧を各相ｆ＋１に制御しているた
めに最低でも　ｎ個の出力素子（Ｔｒ）をスイッチング
制御しており　（換言すれば、（ｎ　−１）個の出力素
子（Ｔｒ）で定格電流のスイッチング制御をなし、残り
の１個の出力素子（ＴＩ・）で微小角駆！Ｉノ電流のス
イッチング制御をなＣ０）、その結果＋１個の出力素子
（Ｔｒ）の発熱による電力損失や入イツチングノイズが
発生するとＨう欠点があり、 ■　更に、＋■の電圧を各相毎にスイッチング制御して
いるために・ｅ−ターフイル（＾）（Ｂ）・・・に流れ
る定格電流と微小角駆動電流に電流リップルが生じ、そ
の結果、停止ｋ、時に停止位置の安定性に欠けるという
欠点もある。

本発明は、このような従来例の欠点に鑑みてなされたも
ので、その目的とする処は、直列接続した１組のモータ
コイルの中間の接続点をスイッチング制御して（＋）端
から中間接続点に駆動電流の一部乃至全部を引き込んだ
り、逆に中間接続点から（−）端に駆動電流の一部乃至
全部を流し込んだりする事により、両モータコイルの駆
動ベクトルを合成した合成ベクトルの方向を漸次変え、
これにより出力素子や検出回路を減らし、回路全体を従
来例に比べて簡素にしてコストを押さえ、その結果、こ
のようにスイッチング制御を行う出力素子の数も少なく
する事が出来で出力素子の発熱による電力損失やスイッ
チングノイズの発生をほとんど無くす事が出来、更に、
モーターフィルに流れる定格電流と微小角部！１１電流
に電流リップルの発生を無くす事が出来て回軟の滑らか
さの向上や停止位置の安定性を高める事が出来たステッ
ピングモータの微小角駆動方式を提供するにある。

（問題点を解決するためのＪ′％段） 本発明は、上記目的を達・成するために、■　ｎ相のモ
ータコイル（＾）・・・を環状に１ｕ列接続し、モータ
コイル（＾）・・・の各接続点にモータコイル制御回路
（Ｍ、）・・・を接続したステッピングモータ駆動回路
においで、 ■　直列接続せる１組のモータコイル（＾）（Ｂ）・・
・の一端の電圧を（＋）にすると共に他端の電圧を（−
）にし、中間の接続点を電圧制御して（＋）端から中Ｉ
′ｌｌｌ接続点に駆動電流の一部乃至全部を引き込んだ
り、逆に中間接続点から（−）端に駆動電流の一部乃至
全部を流し込んだりする。

■　これにより、各モータコイル（＾）・・・とロータ
の間で発生する互いに方向の異なる駆動ベクトルの大き
さを適宜漸増乃至漸減させ、両駆動ベクトルを合成した
合成ベクトルの方向を漸次変えてり１く事に上りステッ
ピングモータの微小角駆動を行う。

：という技術的手段を採用してりする。

（作　　用） しかして、第４図■■■■■・・・に示すように、モー
タコイル（＾）（Ｂ）・・・が順次励磁されて行くので
あるが、Ｐ点では■→■→■に合わせて（＋）→（）＼
イインビーグンス）→（−）と言うように、Ｑ　）、！
ｆ、では■→■→■に合わせて（−）→（ハイインピー
ダンス）→（十）と言うよう１こ変化していく。このＰ
点及びＱ点の電圧変化を徐々に行わせる事により、ステ
ッピングモータの微小角駆動が行なわれるものである。

ここで、Ｐ点、Ｑ点の電位コントロールはＰ点に（＝Ｉ
いてはＡ、Ｂ相の接続点の（−）ｇＡのセンス抵抗（Ｒ
２）に流れる電流の検出によりコントロールされ、Ｑ点
に付いてはＡ、Ｅ相の接続点の（−）側のセンス抵抗（
Ｒ１）に流れる電流の検出により、コントロールされる
。一方、ＤＶ主電圧＋）は、Ｄ。

Ｃ相の接続点の（−）側のセンス抵抗（Ｒ２）に流れる
２組分（２ｉｏ）の電流検出により行なわれ、常に２組
分（２１゜）の定格電流が流れるＤＶＩ圧（＋）をコン
トロールする。

ここでは、！／Ｓ４図■〜■までの励磁パターンを例に
採ったもので、Ｄｖ電圧（十）のコントロールはセンス
抵抗（Ｒ４）のみで（ｒなわれているが、池の励磁パタ
ーンに移った時、ＤＶ主電圧＋）のコントロールを行う
センス抵抗（Ｒ）は、第１表に示すＬうに当然順次移り
変わって行くものである。

（実　施　例） 以下、添付図面によって本発明の第１実施例を詳述する
。本実施例では、５相ステツピングモータを例に取って
説明するが、勿論、こねに限られるものでなく、２相〜
多相ステツピングモータに適用小米る事はト（うまでも
ない。

第３図は本発明にかかる駆動回路の第１実施例で、直流
？ｔｔＦｉ（図示せず。）の出力を千３ツバ制御する半
導体チδツバ（１）、半導体チクソバ（１）をパルス幅
変調スイッチング作用によって制御する定格電流検出回
路（図示せず）、フライホイルダイオード（２）、半導
体チョ２バ（１）の出力側に直列に挿入されたりアクド
ル（３）、平滑コンデ：／す（４）、ステッピングモー
タ制御回路（Ｓ＞などから構成されている。直流電源（
図示せず、）は一般には交流電源を余波整流１７で得た
直？！？［！源が用いられる。ステッピングモータル制
御器１ｉ３（Ｓ）に付いて説明する。

まず、２個の出力素子（ＴｒＩ）（Ｔｒｚ）−（Ｔｒ−
＞（Ｔｒ、。）を隣接させて直列接続し、更にこの出力
側にセンス抵抗（Ｉｌ、）〜（Ｒ２）を直列接続して１
組のモータフィル制御回路（）Ｉ）を構成する。次いで
、ステッピングモータの相数に等しい組み（５相ステツ
ピングモータであれば、５組）のそ−タコイル制御回１
ｍ　（Ｍｌ　）〜（Ｒ７）を並列接続してステッピング
モータ制御回路（Ｓ）を摺成し、出力素子（ＴｒＩ）（
Ｔｒｚ）−（Ｔｒ、）（Ｔｒｌ。）の接続点と久チッピ
ング毛−夕のモータコイル（＾）〜（Ｅ）の接続点とを
それぞれ接続する。

本実施例では５相ステツピングモータを例として採用し
ているので、Ａ−Ｅ相まで５個のモータコイル制御回路
（Ｍ、）〜（Ｍ、）が設けられている。ここで、図の結
線方式はペンタゴン結線と呼ばれる結線方式で、各モー
タコイル（＾）〜（Ｅ）の接続点を（＋）、（−）にす
る事により、ステッピングモータのモータ駆！！＋＋が
なされる事になる。勿論、ステッピングモータの相数が
５相でない場合には、ステッピングモータの相数に対応
せるモータコイル制御回路（Ｒ３〉〜（Ｍ、）が設けら
れる事になる。そ−タコイル制御回路（Ｌ）’−（Ｍｓ
）に挿入されたセンス抵抗（Ｒ１）〜（Ｒｓ）は、微小
角駆動及び定格駆動のために各相毎に設けられた電流検
出用の抵抗で、この検出電流をコントロールする事によ
り定電流駆動並１に微小角ＩＡ！Ｉｊを行うものである
。このセンス抵抗（Ｒ１）〜（Ｒ６）は１オ一ム程度の
低い抵抗値としである。

以上の構成においで、定電流電源の＋■主電圧パルス幅
変調スイッチング制御して得たＤＶ主電圧＋）ヲパルス
モータのモータコイル（＾）〜（Ｅ）に与え、駆動電流
を流すことによりモータ駆動がなされるのである。即ち
、本回路では、ペンタゴン結線における４−５相励磁シ
ーケンスを徐々に変化させる事により、ロータのＡ−Ｅ
の各相に生起したベクトルを合成した合成ベクトルの方
向を徐々に変化させて微小角駆動を甘うものである。

ａ）　さて、ペンタゴン結線における４相励磁シーケン
スは、第４図■→■→■・・・・・・の順にモータコイ
ルが励磁され、１ステップ＝０，７２°でモータ駆動さ
れて行くものである。ここで、第４図■の場今は、Ａ、
Ｂ相では出力素子（Ｔｒ、）（Ｔｒｓ）（Ｔｒ４）がオ
ンになり、センス抵抗（Ｒ２）に（２：。）の電流が流
れ、同様にＣ，Ｃ相では出力素子（Ｔｒｓ）（Ｔｒｓ）
（Ｔｒｓ）がオンになり、センス抵抗（Ｒ１）に（２＋
ｏ）の電流が流れるものである。尚、出力素子（Ｔｒ、
＞（Ｔｒｇ）がオン状態であるため、Ｅ相には電流が流
れない。これを第６図のベクトル図で言えば、Ａ−Ｃ相
が定格電流（１）で励磁されている■に該当する。以下
、第４図■、■・・・・・・も励磁相が変わるだけで考
え方は同様であり、それぞれ第６図■、■・・・・・・
に１該当する。

第４図■、■・・・・・・は５相励磁の場合であるが、
この事を更に分かりやすくするために、モータコイルを
抵抗に置き換えた等価回路を用いて説明する。ここで、
モータコイル（＾）〜（Ｅ）の直流抵抗値をそれぞれ（
Ｒｏ）とする。

＋＋）さて、Ｃ，Ｃ相に関し、センス抵抗（Ｒ１）によ
るｍ流検出にてセンス抵抗（Ｒ４）に（２ｉｏ）の電流
が流れるようにＤＶ主電圧＋）がコントロールされてい
るのであるが、このＤＶ主電圧＋）はり、Ｃ相のインピ
ーダンスのみでコント、ロールされるものである。こ−
で出力素子（Ｔｒ、）をスイッチング制御して徐々にオ
フにして出力素子（Ｔｒ、）を通ってＰ点に供給される
電流量いＸ）を漸減させると、これにつれて（ｉＥ）ｌ
（ｉΔ）が変化していく。

この時、（ｉＥ）、（！＾）の関係は；（ｉＥ／ｉ＾）
＝（Ｒｏ・ｉＥ／Ｒｏ・ｉ＾）＝（Ｒｏ・１゜−Ｒｏ・
ｉ＾）／（ＲＯ・ｉ＾）＝（１゜−１へ）バｉ＾） （何故ならば、ＤＶ＝Ｒ，・１゜＝Ｒ，・ｉＥ＋　ｌ犬
。・ｉ、へ）故に、（ｉＥ＞＝　（ｉｏ−ｉΔ） ；というｉｆ流変化となる。

（尚、センス抵抗（Ｒ２）の電圧降下は無視しうるほと
小さい、） よって、出力素子（Ｔｒ、）をスイッチング制御で徐々
にオフにして行く。出力素子（Ｔｒ、）が完全にオフと
なると出力素子（Ｔｒｚ）が徐々にオンになり、その結
果（ｉＥ）がＯから漸増して（ｉＥ−１／２ｉ０）から
（ｉＥ”ｉｏ）となり、一方、（ｉ＾）は漸減して（ｉ
＾＝１７２ｉ−）となって最後にＯになる。

ここで、 （ｉＥ−０、ｉ＾＝１０）の場合は■の状態であり、（
ｉＥ＝　１／２ｉ。、１Δ＝１／２ｉ、）の場合が■の
状態であり、（＋Ｅ＝！ａｓ　！＾＝０）の場合が■の
状態である。

この時、センス抵抗（Ｒ２）は２ｉ６→１／２ｉｏ→１
０に漸次減少する。

続いて■→■→■と順次４−５相励磁していく場合は上
記の逆を行えば良く、この時のセンス抵抗（Ｒ２）の検
出電流は（１０→２１０）へと漸増して行（。

ｆｊＳ６図のベクトル図においで、■と■の場合Ａ。

Ｅ相とＢ、相が１７２のトルクベクトルとなるが移動角
には彰春がなく、又、■、■、■の合成ベクトル０９５
％の大すさであるから、ホールディングトルクにおいて
もほとんど影響がない。

ｅ）　　Ｊ二足のよう１こ、■→■→■→■→■→・・
・・・・と順次励磁される過程ｔこおいて、Ｐ点は第４
図■〜■に示すように、（＋）→（ハイインピーダンス
）→（−）と変化していく、一方、Ｑ点は（−）→（ハ
イインピーダンス）→（＋）へと変化していく、このＰ
、Ｑ点の電圧変化を徐々に行わせる事により、ペンタゴ
ン結線での微小角駆動がなされるのである。

以上に述べたように、本発明は５相励磁時においで、５
相のモータコイルに流れる定格電流のうち３組分は、十
ｖ電圧を半導体チクツバ（１）にて制御する（ただし、
制御ｌｌ±２相分で行なわれろ。）事により得られたＤ
Ｖ主電圧＋）によって励磁されるものであり、残りの２
相分は１組の出力素子のスイッチング制御を行うことで
微小角駆動を行うものである。

次に、本発明の第２実施例に付いて説明する。

第２実施例の微小角駆動方式並びに駆動原理は第１実施
例とほぼ同一であるが、ｌ）Ｖ電圧（＋）のフントロー
ル及び微小角駆動コントロールの電流検出をより簡明に
するためにＧＮＤ側出力出力素子ｒ２）・・・の出力端
を接続してこれに１個の定格電流検出用のセンス抵抗（
Ｒ１）を直列接続し、同時に各モータフィル制御回路（
Ｍｌ）・・・の出力素子（Ｔｒｌ）（Ｔｒ２）・・・の
各接続、αに微小角駆動電流制御用の出力素子（Ｔｒ、
＋）−（ｒｒ＋ｓ）を並列接続し、この出力素子（Ｔｒ
ｌｌ）〜（Ｔｒ１５）に１個の微小角駆動電流検出用の
センス抵抗（Ｒ２）を直列接続しである。Ｐｔ５１実施
例でのＤ■電圧フントロールはセンス抵抗（Ｒ３）によ
り、微小角駆動コントロールはセンス抵抗（Ｒ２月７で
行なわれるよ）になっている。

ｔＪＳ２実施例の制御方式を等何回路で示した第８図に
従って説明する。

ａ）　　５相励磁の場合、Ｃ，Ｄ相の電流は出力素子（
Ｔｒ、＞（Ｔｒ、）並びにＧＮＤ側出力出力素子ｒｓ　
）がオンになってセンス抵抗（Ｒ１）に２倍の定４？ｔ
Ｘ流（２ｉｏ）が流れてＤＶ主電圧＋）のコントロール
が行なわれる。

一方、出力素子（Ｔｒｉ（Ｔｒｓ）並びにＧＮＤＩ出力
素子（Ｔｒ、２）がオンになってＢ相に定格電流（１０
）が、又、Ｅ、Ａ相に（ｉＥ）、（ｉ＾）の微小角駆動
電流が流れ、これらの和（ｉｏ＋！ｙ）がセンス抵抗（
Ｒ７）に流れで微小角駆動コントロールが什なわれるの
である。ｂ）即ち、第１実施例と同様に出力素子（Ｔｒ
　ｌ　）（Ｔｒ、□）をスイッチング制御して微小角駆
動を行うのである。

■即ち、出力素子（Ｔｒｌ＋）がオフであって、出力素
子（”ｒ、）をスイッチング制御して微小角部！！ＩＪ
Ｊ電流の制御を行うと、センス抵抗（Ｒ７）には、電流
（ｉ、＋ｉ＾＝　ｉｏ＋ｉＥ＋　ｉＸ）が流れ、第１実
施例と１９Ｊ様の電流ｆｌｌ制御となる。

■出力素子（Ｔｒ、）がオフとなり、続いて出力素子（
Ｔｒ、、）が徐々にオンとなってくるとＥ相の電流の一
部が出力素子（Ｔｒ＋＋）に流れ込んで、（ｉＥ＝ｉ＾
＋ｉＸ）となり、 センス抵抗（Ｒ２）には、 電流（ｉｏ＋＋＾＋ｉＸ＝　ｉｏ＋　ｉＥ）が流れる事
になる。

■従って、第２実施例の場合は、 ２＋６→１．５＋６→２ｉｏにて第４図の徽小角駆豹Ｊ
がなさ／しる事になる。

（＞’、Ｉ　Ｔ　ｆ’、曾） ＦＴ、ｓｉ表にＤＶｌｉ圧（＋）のコントロール及び微
小角駆動コントロールを行う時のセンス抵抗（Ｒ）を示
す。矢印は微小角駆動が行なわれる箇所である。

（第１表） ４相励磁　励磁相　　ＤＶ制御の　微小角制御の（効　
　果） 本発明は叙−ヒのように、直列接続せるＬＭのモータフ
ィルの一端の電圧を（＋）にすると共に他端の電圧を（
−）にし、中間の接続点を電圧制御して（＋）端から中
間接続点に駆動電流の一部乃至全部を引き込んだり、逆
に中間接続点から（−）ｊ２に駆動電流の一部乃至全部
を流し込んだりするので、各モータコイルとロータの間
で発生する互いに方向の異なる駆動ベクトルの大ささを
適宜漸増乃至漸減させる事が出来、その結果面駆動ベク
トルを合成した合成ベクトルの方向を漸次変えていく事
によりステッピングモータの微小角駆動を行うものであ
る。ここで、 ■定格電流が流れる相については２相分の定格電流を制
御するためのセンス抵抗にて定格電流のコントロールを
行い、微小角駆動を行う２つの相においては当該相に接
続された２個１組の出力素子のいずれかをスイッチング
ｌ！ＩＩＪＮシて微小角制御用のセンス抵抗を通る電流
を２ｉ６→１０→２ｉｏ又は２ｉｏ→１．５１゜→２１
０に変化させ、その結果、定格電流制御用のセンス抵抗
の電圧変化を検知するため検知回路と、全小角制御用の
センス抵抗の電圧変化を検知する検知回路の２回路で微
小角駆動小米ると言う利点があり、 ■（ｎ−１）相励磁時は（ｎ　−１）相に、ｎ相励磁時
は（ｎ　−２）相のモータコイルに流れる定格電流は、
定ｖｒ電流制御回路にて安定に制御されたＤＶ主電圧て
流される事になり、ｎ相励磁時の残りの２相分のみが微
小角駆動電流制御回路にてスイッチング制御されてり７
プルをわずかに生ずるものであり、その結果リップル発
生量は金相にわたってリップルが発生する従来例の１７
ｎになり、その結果ステッピングモーターの振動が少な
（、且つ、停止Ｆ位置が安定するという利点も有り、■
　スイッチング制御される素子が回路全体で半導体チク
ツバと微小角駆動を行っている２つの内いずれかの出力
素子の計２個しかないためｎ個の出力素子を作動させね
ばならない従来回路に比べて熱損失が少なく、又スイッ
チングノイズも少ないという利点もある。

更に、叙ｌこの上うな方式を採用しているので、出力素
子の数も従来の１／２乃至３／４となり、回路全体を簡
素化ｒる事が出来、コストダウンに寄りすると言う利点
がある。

尚、ステッピングモータの２相弐〜多相式まで応用は汀
うホでもなく自在である。

【図面の簡単な説明】

第１図・・・一部を省略した従来Ｕ路結線図、第２図・
・・従来回路の励磁パターンシーケンス図、第３図・・
・本発明の第１実施例の駆動回路結線図、第４図・・・
本発明の励磁コイルの模式図、第５図・・・本発明の第
１実施例の５相励磁時の等価回路図、 第６図・・・本発明の励磁パターンンーケンス図。 第７図・・・本発明のｆ！Ｓ２実施例の駆動回路結線図
、ｔｌＳ８図・・・本発明の第１実施例の５相励磁時の
等価回路図、 第９図・・・本発明における隣接せるモータコイルの説
明回路図。 （Ｈ）・・・モータコイル制御回路、 （＾）〜（Ｅ）・・・モータコイル、 （Ｒ）・・・センス抵抗、　　（Ｔｒ）・・・出力素子
、（１）・・・半導体チクツバ、 （２）・・・フライホイルダイオード、（３）・・・リ
アクトル、　　（４）・・・平滑コンデンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｎ相のモータコイルを環状に直列接続し、モータ
   コイルの各接続点にスイッチング回路を接続したステッ
   ピングモータの駆動回路においで、直列接続せる１組の
   モータコイルの一端の電圧を（＋）にすると共に他端の
   電圧を（−）にし、中間の接続点を電圧制御して（＋）
   端から中間接続点に駆動電流の一部乃至全部を引き込ん
   だり、逆に中間接続点から（−）端に駆動電流の一部乃
   至全部を流し込んだりする事により、各モータコイルと
   ロータの間で発生する互いに方向の異なる駆動ベクトル
   の大きさを適宜漸増乃至漸減させ、両駆動ベクトルを合
   成した合成ベクトルの方向を漸次変えていく事を特後と
   するステッピングモータの微小角駆動方式。