JP3656362B2

JP3656362B2 - ステップモータの駆動方法及び駆動装置

Info

Publication number: JP3656362B2
Application number: JP13010497A
Authority: JP
Inventors: 啓友田中
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2017-05-20
Also published as: JPH10323091A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタの印字機構の駆動系などに採用されるステップモータの駆動方法と駆動装置に関し、特に、マイクロステップ駆動の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステップモータは、例えばプリンタの印字機構の駆動系のように、精密な回転機構の制御を必要とする用途において広く使用されている。この種のステップモータは、公知のように、駆動コイル（ステータ）にパルス状の電流（駆動電流）を給電することで、その回転子（ロータ）がパルス周波数に応じた速度で、且つパルス数に応じた角度に回転するように構成される。
【０００３】
このステップモータの駆動方法としては、例えば特開昭６２−２５４６９６号公報に記載されている、マイクロステップ駆動と称される駆動方法がある。このマイクロステップ駆動では、例えば図５に示したような駆動電流でステップモータを駆動している。
【０００４】
具体的には、正弦波を所定の分解能でサンプリングすることで、その振幅値が略正弦波状に段階的に増減する波形を得る。そして、各段階における振幅値を設定値とし、この設定値に近づくように電流振幅が増加と減衰を繰り返す駆動電流をチョッピングにより得、これをステップモータに供給している。
【０００５】
ところで、上記のようにマイクロステップ駆動でステップモータを駆動する場合において、チョッピングの方式としては、上記の減衰を比較的緩やかに、つまり小さい減衰率で行う方式と、同じく比較的急峻に、つまり大きい減衰率で行う方式がある。
【０００６】
ところが、減衰を緩やかに行う方式では、電流の減衰率が緩やかであることから、駆動電流が特定の段階から次の段階に切り替わる際において、ステップモータに給電される駆動電流が全体として正弦波状からかなりずれて歪んだものとなり、それに起因して、モータ振動や騒音が発生する。また、モータ銅損が増加し、駆動コイルやその駆動装置の発熱量が増加するという欠点がある。
【０００７】
また、減衰を急峻に行う方式では、チョッピングの周波数が高いことから、モータ鉄損が増加し、駆動コイルやその駆動装置での発熱量が増加する。さらにリップルが大きくなるため、モータトルクが低下してしまうという欠点がある。
【０００８】
そこで、上記のような欠点を解消するため、減衰を初めは緩やかに次いで急峻に行う方式が提案されている。この方式では、図６に例示したように、電流の減衰率を、例えば、初めは比較的緩やかに（Ｉｓ）、次いで比較的急峻に（Ｉｆ）行うようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように急峻な減衰率と緩やかな減衰率を組み合わせる方式の場合には、特に、駆動電流の設定値の絶対値が減少する減少領域において、上記のような駆動電流の歪みの影響を十分に解消できない。このため、この減少領域におけるモータの振動や騒音発生などを十分に防止できなかった。
【００１０】
本発明は、上記のようなモータの振動や騒音発生などを確実に抑制できる、ステップモータの駆動方法と駆動装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のステップモータの駆動方法は、時間経過とともに段階的に変化する設定値を近づくように電流振幅が増加と減衰を繰り返す駆動電流を供給してステップモータを駆動する方法において、前記設定値が次の段階に移行したときから第１の期間の間は前記駆動電流の減衰を第１の減衰率で行い、前記第１の期間の後から前記設定値がさらに次の段階に移行するまでの第２の期間までは前記駆動電流の減衰を前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で行うことを特徴とする。
【００１２】
上記の第１の期間は、例えば、所定の時間間隔として設定される。あるいは、第１の期間は、設定値が次の段階に移行したときから駆動電流が次の段階の設定値に最初に達するまでの期間に設定される。
【００１３】
また、本発明のステップモータの駆動方法は、前記設定値の絶対値が減少する減少領域を検出し、前記設定値が前記減少領域に含まれるときには、前記第１の期間における前記駆動電流の減衰を前記第１の減衰率で行うとともに、前記第２の期間における前記駆動電流の減衰を前記第２の減衰率で行うことを特徴とする。この場合、設定値が減少領域に含まれないときには、第１の期間および第２の期間における駆動電流の減衰は第２の減衰率で行われる。さらに、設定値の変化は、例えば、駆動電流の振幅の変化が略正弦波状となるように行われる。
【００１４】
また、本発明のステップモータの駆動装置は、時間経過とともに段階的に変化する設定値を近づくように電流振幅が増加と減衰を繰り返す駆動電流を供給するステップモータの駆動装置において、ステップモータに駆動電流を供給する電流供給手段と、前記駆動電流の減衰を第１の減衰率に設定するための第１の設定手段と、前記駆動電流の減衰を前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率に設定するための第２の設定手段と、前記駆動電流の電流検出手段と、前記設定値が次の段階に移行したときから第１の期間までは前記駆動電流の減衰を第１の減衰率で行い、前記第１の期間の後から前記設定値がさらに次の段階に移行するまでの第２の期間は前記駆動電流の減衰を前記第２の減衰率で行うように前記電流供給手段を制御する制御手段とを含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明のステップモータの駆動装置は、さらに、前記第１の期間を設定するための時間設定手段を含む構成とすることもできる。あるいは、制御手段は、駆動電流が次の段階に対応する電流になったことを電流検出手段が検出したときを第１の期間の終りする構成とすることもできる。
【００１６】
また、本発明のステップモータの駆動装置は、前記設定値の絶対値が減少する減少領域を検出する領域検出手段をさらに有し、前記制御手段は、設定値が前記減少領域に含まれるときには、前記第１の期間における駆動電流の減衰を第１の減衰率で行い、前記第２の期間における前記駆動電流の減衰を第２の減衰率で行うことを特徴とする。この場合、制御手段は、設定値が減少領域に含まれないときには、第１の期間および第２の期間における駆動電流の減衰を第２の減衰率で行う。さらに、設定値の変化は、上記と同様に、駆動電流の振幅の変化が略正弦波となるように行われる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付図面を使用して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係るステップモータの駆動装置の構成例を示す図である。
【００１９】
この駆動装置は、第１の制御部Ａと、第２の制御部Ｂとを含んで構成される。第１の制御部Ａは、制御ロジック回路１１、駆動回路１２、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１３、比較器１４、ワンショットマルチバイブレータ１５、駆動コイル１６、エッジ検出回路１７、ワンショットマルチバイブレータ１８などを図示のように接続して構成される。第２の制御部Ｂも同様に、制御ロジック回路２１、駆動回路２２、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）２３、比較器２４、ワンショットマルチバイブレータ２５、駆動コイル２６、エッジ検出回路２７、ワンショットマルチバイブレータ２８などを図示のように接続して構成される。なお、駆動コイル１６，２６は、図示しないステップモータ（２相ステップモータ）の駆動コイルであり、これら駆動コイル１６，２６に駆動電流を給電することで、当該ステップモータのロータが回転動作を行う。
【００２０】
第１の制御部Ａ及び第２の制御部Ｂは、図１から明らかなように同様の接続構成となっており、駆動コイル１６，２６への給電位相のみが異なる。よって、便宜上、第１の制御部Ａについてのみ説明を行い、第２の制御部Ｂについての説明は省略する。
【００２１】
制御ロジック回路１１には、相信号Ａと、ワンショットマルチバイブレータ１５，１８からの出力信号が入力される。制御ロジック回路１１は、これらの信号に基づいて、駆動回路１２を制御する。よって、制御ロジック回路１１は、駆動回路１２を制御する制御手段を構成している。
【００２２】
ここで、相信号Ａは、駆動回路１２から出力される波形の位相を決定するためのものである。そして、図２に例示したように、相信号Ａが正の範囲では、駆動回路１２から出力される駆動電流が正になるように制御ロジック回路１１による制御がなされる。また、相信号Ａが負の範囲では、同じく負になるような制御がなされる。なお、相信号Ｂは、相信号Ａから９０°だけ位相のずれた信号である。
【００２３】
駆動回路１２は、４つのトランジスタ１２ａ〜１２ｄをブリッジ接続するとともに、各トランジスタ１２ａ〜１２ｄのエミッタとコレクタとの間に逆起回生用のダイオード１２ｅ〜１２ｈをそれぞれ接続して構成される回路である。また、トランジスタ１２ａ〜１２ｄのベースには制御ロジック回路１１の出力信号が入力される。そして、この出力信号に基づき、定電流チョッピングによって駆動コイル１６に駆動電流を流し、図示しないステップモータに所望の動作を行わせるようになっている。この駆動回路１２は、ステップモータの駆動コイル６に駆動電流を供給する電流供給手段を構成している。
【００２４】
より具体的には、第１の制御部Ａの場合、チョッピングがＯＮの時には、トランジスタ１２ａ，１２ｄをそれぞれＯＮする。これにより、電圧ＶＢＢ、トランジスタ１２ａ、駆動コイル１６、およびトランジスタ１２ｄを通る電流経路が形成される。このため、増加部分の波形（立ち上がり波形）が形成される。次いで、チョッピングをＯＦＦして電流回生を行う、つまり、トランジスタ１２ａ、１２ｄを共にＯＮからＯＦＦに切換えることで、ダイオード１２ｆ、駆動コイル１６、およびダイオード１２ｇを通って電源に帰還する電流経路が形成される。これにより、急峻な減衰部分の波形、つまり第１の減衰率の波形（立ち下がり波形）が形成される。一方、チョッピングをＯＦＦする場合において、トランジスタ１２ｄをＯＮしたままで、トランジスタ１２ａをＯＮからＯＦＦに切換えることで、ダイオード１２ｆ、駆動コイル１６、トランジスタ１２ｄを通る電流経路が形成される。これにより、緩やかな減衰部分の波形、つまり第２の減衰率の波形（立ち下がり波形）が形成される。
【００２５】
デジタル−アナログ変換器１３には、３つのデジタル信号、すなわちＤａ０、Ｄａ１、Ｄａ２と、基準電圧信号Ｖｒｅｆとが入力されている。これらの３つのデジタル信号Ｄａ０、Ｄａ１、Ｄａ２は、駆動回路１２から出力される駆動電流の値を設定するための信号（電流値設定信号）であり、各デジタル信号の組み合わせと、個々のデジタル信号の組み合わせで表現される数値は、図示しない設定回路によって動的に変更可能に決定される。この設定回路の構成自体は、公知の手段を用いることができるので、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
本実施形態では、設定回路によって８段階の値（０００、００１、０１０、０１１、１００、１０１、１１０、１１１）、つまり８つの状態を表現できるようにする。そして、デジタル−アナログ変換器１３から、これら８つの状態に応じて、例えば図３に示したように、基準電圧Ｖｒｅｆに所定の割合（％）を乗算した値のアナログ信号が出力されるようにする。この出力信号が、ステップモータのマイクロステップ駆動における各段階の電流の設定値となる。
【００２７】
比較器１４は、デジタル−アナログ変換器１３からの出力値と、抵抗Ｒｓａにより検出されたステップモータの駆動電流とを入力し、これらの２つの入力値の差信号を出力する。差信号は、例えば、上記出力値が上記駆動電流よりも大きい場合には正の信号であり、上記出力値が上記駆動電流よりも小さい場合には負の信号である。この差信号は、ワンショットマルチバイブレータ１５に入力される。なお、抵抗Ｒｓａは、駆動電流を検出する電流検出手段を構成する。
【００２８】
ワンショットマルチバイブレータ１５は、コンデンサＣｐａと抵抗Ｒｐａとの並列回路により定まる所定の周期の信号を制御ロジック回路１１に出力する。このワンショットマルチバイブレータ１５は、上記した第２の減衰率で駆動電流を減衰させる時間を設定する。
【００２９】
ワンショットマルチバイブレータ１８は、エッジ検出回路１７からの入力があると、コンデンサＣｄａと抵抗Ｒｄａとの並列回路の時定数により定まる所定の周期の信号を制御ロジック回路１１に出力する。このワンショットマルチバイブレータ１８は、上記した第１の減衰率で駆動電流を減衰させる時間、つまり図４に示した第１の期間を設定する。
【００３０】
エッジ検出回路１７は、信号Ｄａ０におけるエッジ、つまり、信号Ｄａ０の立ち上がり、立ち下がりの両エッジを検出する。エッジ検出回路１７の出力は、ワンショットマルチバイブレータ１８に入力される。
【００３１】
そして、制御ロジック回路１１は、ワンショットマルチバイブレータ１５およびワンショットマルチバイブレータ１８から入力される各信号の周期に基づいて、駆動回路１２における減衰率の設定を制御し、つまり、エッジ検出回路１７が上記のようにエッジを検出した場合はワンショットマルチバイブレータ１８の設定を有効とし、それ以外はワンショットマルチバイブレータ１５の設定を有効とするように制御をする。
【００３２】
より詳しくは、制御ロジック回路１１は、エッジ検出回路１７によるエッジ検出に続く第１の期間における駆動電流の減衰を上記第１の減衰率で行う。また、この第１の期間の後からエッジ検出回路１７がさらに次のエッジを検出するまでの期間、つまり図４に示した第２の期間は、駆動電流の減衰を上記第２の減衰率で行うように、駆動回路１２を制御する。
【００３３】
第２の制御部Ｂを構成する各要素も、上記第１の制御部Ａと同様に動作する。これにより、ステップモータの駆動コイル１６，２６には、上記電流の設定値に近づくように電流振幅が増加と減衰を繰り返す駆動電流が給電される。
【００３４】
次に、本実施形態のステップモータの駆動装置の動作を図２および図３を参照して説明する。
【００３５】
図２において、最上段の「相信号」は上記の相信号Ａあるいは相信号Ｂ、次段の「Ｄ０」，「Ｄ１」，「Ｄ２」はそれぞれ、上記デジタル信号（Ｄａ０／Ｄｂ０，Ｄａ１／Ｄｂ１，Ｄａ２／Ｄｂ２）である。また、図２において太線は、Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２に図示する信号が入力されたときのデジタル−アナログ変換器２３の出力値である。そして、この出力値が、ステップモータの駆動コイル１６，２６に給電される各段階の駆動電流の設定値である。この場合、実際に駆動コイル１６，２６に流れる電流は、図４に示したように、それぞれ各段階の電流の設定値Ｌ１，Ｌ２，あるいはＬ３に近づくようにチョッピングされる。図２の場合、最初は相信号が正の状態である。この状態では、電流の設定値は０％から１００％まで段階的に増大し、次いで、１００％から０％まで段階的に減少する。相信号が負の状態に変化すると、電流の設定値は０％から−１００％まで段階的に減少し、次いで、−１００％から０％まで段階的に増大する。この動作を繰り返すことで、ステップモータがマイクロステップ駆動される。
【００３６】
図３は、デジタル信号Ｄ２、Ｄ１，Ｄ０の各値の組み合わせに応じて、デジタル−アナログ変換器１３，２３から出力される基準電圧Ｖｒｅｆに対する割合を示したものである。すなわち、図３において、「１００％」は、基準電圧Ｖｒｅｆがそのまま出力され、「９２．４％」は、基準電圧Ｖｒｅｆの９２．４％の値（Ｖｒｅｆ×０．９２４）が出力されることを、それぞれ意味している。本例では、設定値（％）として、通常の正弦波に基づいて、これを段階的に（デジタル的に）サンプリングした場合の値が設定される。すなわち、上記の８つの状態に対応して、「０％」、「１９．５％」、「３８．２％」、「５５．５％」、「７０．７％」、「８３．１％」、「９２．４％」、「１００％」の８つの設定値が規定される。
【００３７】
図４は、図２のＩＩ部分における駆動電流を示したものであり、駆動コイル１６、２６に給電される駆動電流の詳細波形を示すものである。図４を参照すると、駆動電流は、周期Ｔで増大と減衰を繰り返す多数の電流成分から構成される。各電流成分の波形は、電流振幅値が漸次増大する増大領域ｔ１と、この増大領域ｔ１の終期から逆に電流振幅値が漸次減衰する減衰領域ｔ２とを有している。駆動電流が所定の段階においては、例えば図４において設定値Ｌ１に近づくように増大と減衰が繰り返される。そして、駆動電流が設定値Ｌ１の段階から次の設定値Ｌ２の段階に切り替わるタイミングに位置する減衰領域（つまり、第１の期間）における減衰率は比較的大きい第１の減衰率となる。一方、第１の期間の後から次の設定値Ｌ３となるまでの第２の期間では、駆動電流の減衰率は、第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率となる。
【００３８】
駆動電流を上記のような波形にするための制御は、例えば図２のＩ部分において、信号Ｄ０の立ち下がりをエッジ検出回路１７により検出し、このエッジ検出回路１７の出力をワンショットマルチバイブレータ１８，２８を介して制御ロジック回路１１，２１に入力することで行っている。つまり、制御ロジック回路１１，２１は、ワンショットマルチバイブレータ１８，２８からの信号によって上記の段階から次の段階への移行の時期を検出するとともに、この入力された信号の周期に基づいて減衰領域における減衰率が相対的に他の減衰領域の減衰率よりも高まるように、駆動回路１２，２２を制御する。
【００３９】
このように、本実施形態の駆動装置では、電流の設定値が低減する方向において設定値が次の段階に移行する領域を検出し、検出された領域における電流振幅値の減衰率を同一設定値となる段階の減衰率よりも大きな値に制御するようにしたので、駆動コイル１６，２６に実際に流れる駆動電流を理想的な正弦波の波形に近付けることができ、駆動電流の波形歪が抑制できる。また、各段階における減衰領域の減衰率が小さいので、駆動コイル等の発熱量を抑制できる。
【００４０】
また、一の段階から他の段階への移行領域での減衰率を適宜調節すること、つまり、駆動電流の減衰を第１の減衰率で行う第１の期間の長さをステップモータのモータ特性に応じて増減することで、ステップモータを効率的に駆動させることもできる。
【００４１】
本実施形態は以上の通りであるが、本発明は、設定値が他の段階に移行するときの減衰領域での減衰率を同一設定値となる段階の減衰領域での減衰率より大きくする点に主眼があり、その実施形態は上述の態様のものに必ずしも限定されるものではない。例えば、設定値の段階数は任意に設定できる。
【００４２】
また、上記した実施の形態において、駆動電流の減衰率の大きさを変える、つまり大きな減衰率から小さい減衰率に変えるタイミングは、ワンショットマルチバイブレータ（１８、２８）において設定されたコンデンサと抵抗の並列回路の時定数により定まる所定の時間の経過後に設定しているが、その他、適宜な手法を用いることができる。例えば、駆動電流が１つの段階から次の段階に対応する電流になったことを検出する電流検出を用い、この電流検出手段の出力のタイミングを上記タイミングとする構成としても良い。
【００４３】
このように構成される実施の形態のステップモータの駆動装置では、上記設定値が次の段階に移行したときには、その時点から所定の期間だけ駆動電流の減衰率を通常よりも大きく、つまり急峻に減衰を行う構成であることから、設定値の変化に対応して迅速に駆動電流を変化させることができる。特に、このような減衰率の切り替えを上記設定値の絶対値が減少する減少領域において行うことで、設定値に切り替えの際の駆動電流の減衰を迅速に行えて、駆動電流の歪みを効果的に抑えることができる。
【００４４】
そして、減少領域において上記のような減衰率の切り替えを行う構成は、例えば、制御ロジック回路１１における上記した減少領域を検出する機能を用いることで容易に実現できる。この場合、減少領域以外の領域では、比較的小さい減衰率で駆動電流を減衰するようにしても良い。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、モータ振動や、発熱量の増加などの問題を生じさせることなくステップモータを駆動することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るステップモータの駆動装置の構成を示す回路図。
【図２】本実施形態の駆動装置の動作を説明するためのグラフ。
【図３】図２のグラフにおける各デジタル信号の組み合わせと、対応する電流の設定値との対応関係を示した図表。
【図４】図２のＩＩ部分に対応する駆動電流の説明図。
【図５】ステップモータのマイクロステップ駆動による駆動電流の波形説明図。
【図６】従来技術における駆動電流の説明図。
【符号の説明】
１１、２１制御ロジック回路
１３、２３デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）
１６、２６駆動コイル
１７、２７エッジ検出回路

Claims

時間経過とともに段階的に変化する設定値に近づくように電流振幅が増加と減衰を繰り返す駆動電流を駆動コイルに供給してステップモータを駆動す方法であって、
まず、前記設定値が次の段階に移行したときから第１の期間の間は前記駆動電流の減衰を第１の減衰率で行い、
続いて、前記第１の期間の後から前記設定値がさらに次の段階に移行するまでの第２の期間までは前記駆動電流の減衰を前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で行うことを特徴とするステップモータの駆動方法。
前記第１の期間が、所定の時間間隔として設定されることを特徴とする請求項１記載の駆動方法。
前記第１の期間は、前記設定値が次の段階に移行したときから前記駆動電流が次の段階の前記設定値に最初に達するまでの期間に設定されることを特徴とする請求項１記載の駆動方法。
前記設定値の絶対値が減少する減少領域を検出し、前記設定値が前記減少領域に含まれるときには、前記第１の期間における前記駆動電流の減衰を前記第１の減衰率で行うとともに、前記第２の期間における前記駆動電流の減衰を前記第２の減衰率で行うことを特徴とする請求項１、２または３記載の駆動方法。
前記設定値が前記減少領域に含まれないときには、前記第１の期間および前記第２の期間における前記駆動電流の減衰を前記第２の減衰率で行うことを特徴とする請求項４記載の駆動方法。
前記駆動電流の振幅の変化が略正弦波状となるように前記設定値を変化させることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の駆動方法。
時間経過とともに段階的に変化する設定値に近づくように電流振幅が増加と減衰を繰り返す駆動電流を駆動コイルに供給するステップモータの駆動装置であって、
ステップモータに駆動電流を供給する電流供給手段と、
前記駆動電流の減衰を第１の減衰率に設定するための第１の設定手段と、前記駆動電流の減衰を前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率に設定するための第２の設定手段と、
前記駆動電流の電流検出手段と、
まず、前記設定値が次の段階に移行したときから第１の期間の間は前記駆動電流の減衰を第１の減衰率で行い、続いて、前記第１の期間の後から前記設定値がさらに次の段階に移行するまでの第２の期間は前記駆動電流の減衰を前記第２の減衰率で行うように前記電流供給手段を制御する制御手段とを含むことを特徴とするステップモータの駆動装置。
前記第１の期間を設定するための時間設定手段をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の駆動装置。
前記制御手段は、駆動電流が次の段階に対応する電流になったことを前記電流検出手段が検出したときを前記第１の期間の終りとすることを特徴とする請求項７記載の駆動装置。
前記設定値の絶対値が減少する減少領域を検出する領域検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、設定値が前記減少領域に含まれるときには、前記第１の期間における駆動電流の減衰を第１の減衰率で行い、前記第２の期間における前記駆動電流の減衰を第２の減衰率で行うことを特徴とする請求項７、８または９記載の駆動装置。
前記制御手段は、前記減少領域に前記設定値が含まれないときには、前記第１の期間および前記第２の期間における前記駆動電流の減衰を前記第２の減衰率で行うことを特徴とする請求項１０記載の駆動装置。
前記駆動電流の振幅の変化が略正弦波となるように前記設定値を変化させることを特徴とする請求項７、８、９、１０または１１記載の駆動装置。