JPH0832195B2 - ステツプモータ駆動方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、電気的なステップモータを複数の電圧で以
って駆動する方法及び装置に関する。特に電力及びトル
ク出力をできるだけ大きくし、しかも過度の電流及び熱
の発生によりモータ巻線に損傷を受けないよう、モータ
駆動期間中の異なる時刻に異なる電圧を与える駆動方法
及び装置に関する。

B.従来技術 ステップモータは、通常動作時に出力軸の運動即ちス
テップが不連続になっているモータである。ステータの
歯及びロータの歯の数及び物理的な構成がステップ当り
の出力軸の回転の度数を決める。各回転ステップは基本
的に一様な大きさであり、同じ回転角度である。これは
連続デューティ・モータの特性である連続回転とは異な
る。適切に駆動されれば、ステップモータはまだ異なる
速度で、しかも異なるトルク出力で動作することができ
る。そして連続運動というより一定の角度増分で歩進回
転するので、ステップモータは特定の位置に進んで、正
確な位置に磁気的に回転止めされる。従ってステップモ
ータはマイクロプロセッサ又はディジタル・コンピュー
タからのディジタル電気信号を機械的運動に変換する磁
気増幅器として作用することがある。

ステップモータを付勢する１つ１つのディジタル入力
信号は１つずつの正確なステップ即ち１つの運動角度ず
つ歩進する。ステップモータ用のコントローラは、所望
の出力に合せて所定の周波数、期間及び振幅のディジタ
ル付勢パルスを、適宜の時刻に発生する。これらのパル
スは、各ステップモータ巻線に与えられその駆動期間中
或る大きさのエネルギーで付勢し、所望の不連続の始
動、回転、停止を生じる。一般には、モータ巻線に所定
の期間、電圧パルスを与え、その巻線中に駆動電流を流
す。その結果生じる起磁力により、ロータが回転させら
れ、軸が回転し始めるとき逆起電力を発生する。

ステップモータ巻線は、直列接続のインダクタンス及
び抵抗として現われる典型的な誘導負荷である。従っ
て、モータ巻線に電圧が印加されるとき、電流の上り方
は、L/R（インダクタンス／抵抗）の時定数で以って指
数関数的に上る。従来の知識では、モータ巻線が１つの
駆動位相即ち駆動期間中、最初に付勢されるとき巻線電
流はできるだけ早く上昇すべきであると考えられてい
た。これはモータの速度、電力、及びトルクの出力特性
を意図的に増加させ、改良する。そして、典型的な誘導
負荷のため電流の上り具合が、印加電圧に正比例するの
で、各回の駆動期間即ち駆動ステップ中の最初の付勢時
には定格より高い電圧が巻線に印加される。しかし安定
状態の電流はモータの損傷を防ぐため或るレベルより下
に維持されるべきであり、従ってその電圧の或る期間が
経てば一般に小さくされる。

従来から、巻線中に高電圧を用いて電流を生じ、次い
で低電圧に切換えて電流を減じるかできるだけ低い電流
を維持するというように２通りの電圧で駆動する例が多
々知られている。これは回路の電力消費を小さくし、性
能を改良している。そのような駆動は軸を回転させるの
に高電流まで素早く立上らせることが必要な「移動兼保
持」応用例でしばしば使用されるが、それを所定の場所
に保持するには小さい電流で十分である。ステップモー
タ駆動回路の複雑さが増すことから、また既に所定の場
所にあるハードウエアを大規模に取換える場合の高コス
トや困難さがあることから、ステップモータの性能を、
現存する駆動回路にできるだけ変化を加えずに、改良す
ることが望ましい。

従来技法では、巻線が最初に付勢されたときにVHが与
えられ、所定の期間中、それが継続していた。第1A図と
第1C図に懸け渡された破線を参照されたい。これは巻線
Ａが最初に付勢されるのがいつかというのを反映してい
る。Pedパルスの期間によって確立される所定の期間の
間、高電圧VHで以って付勢させ、その後、Pedパルスが
終了する時点から、次のPedパルスが与えられるか又は
位相Ａ信号が終了する（即ち低レベルになるか論理値０
になる）まで、低電圧VLが印加される。これは高い割合
の初期電流の立上りを誘起していたが、モータを保護す
るため後でそれを制限した。夫々の巻線は、十分な回転
が生じるまでVH次いでVLという同じパターンで逐次に付
勢されていた。

C.発明が解決しようとする問題点 しかし、従来のように最初に高電圧、その後低電圧に
１つの駆動位相中で切換える２レベル駆動方法では出力
トルクに限界があった。

本発明の目的は、ステップモータ巻線に印加される電
圧を増加させずにトルク出力を増加させるステップモー
タ駆動方法及び装置を提供することにある。

D.問題を解決する手段 上記及びその他の目的は、モータ巻線に最初の付勢を
与え、同じ巻線に同じ駆動位相中、最初の付勢のときよ
り高い電圧の第２の付勢を与えることとより成る方法と
により達成される。その第２の付勢は、その巻線が駆動
位相の終りに減勢される時刻の少なくともその直前に与
えられる。

本発明のステップモータ駆動装置は、上記のような駆
動方法を実現する制御信号をマイクロプロセッサ等の制
御手段で、トランジスタ・スイッチ群及びそれらへの論
理信号等で構成される切換手段に与え、これによって高
電圧源及び低電圧源からの電圧付勢をステップモータの
各駆動位相中に於て切換えつつ与える構成をとる。

E.実施例 第1A図、第1B図及び第1D図は、第２図及び第３図に示
すステップモータ用の２電圧及至２ペデスタル駆動回路
の入力に与えられるディジタル論理信号を示す。この回
路は所望のステップ回転を得るよう調時したシーケンス
でステップモータの巻線に低電圧VL又は高電圧VHを与え
る。このような回路は広汎に使用され、良く知られてい
る。

第３図に示すように、モータ駆動回路14は、ステップ
モータを遂次に付勢するためエネルギー及び論理信号を
受取る。内部又は外部の電源15は、低電圧VL及び高電圧
VHを与える。マイクロプロセッサ16はメモリ17に記憶さ
れた命令又は他の何らかの信号に応答して位相Ａ、位相
Ｂ及び「ペデスタル」即ちPedといった論理信号を発生
する。これらの論理信号は、モータ駆動回路の切換素子
として動作する。即ち高電圧及び低電圧を選択的にゲー
トし、それらをＡ、、Ｂ、、で示すようにステップ
モータ18の巻線に与える切換素子として動作する。

低電圧VLは、全部で４つのモータ巻線Ａ、、Ｂ、
に選択的に印加するのに利用できる。VLからの電流は抵
抗２によって制限される。VLは、第1A図及び第1B図の論
理信号を位相Ａ入力及び位相Ｂ入力に与えることによっ
て、選択したモータ巻線に逐次にゲートされる。位相Ａ
論理信号はトランジスタ・スイッチ３を直接ゲートし、
ANOTに反転されて、トランジスタ・スイッチ４をゲート
する。同様に、位相Ｂ論理信号はトランジスタ・スイッ
チ５を直接ゲートし、BNOTに反転されて、トランジスタ
・スイッチ６をゲートする。

高電圧VHも、モータ巻線Ａ、、Ｂ、に選択的に印
加される。VHは、位相Ａ及び位相Ｂ入力とPed入力とに
論理信号を与えることによって、選択されたモータ巻線
に逐次ゲートされる。位相Ａ及び位相Ｂという論理信号
群は、上述とおり直接的又は間接的トランジスタ・スイ
ッチに３−６をPed論理信号はトランジスタ・スイッチ
７を直接的にゲートする。

本発明は、従来と同じ駆動回路を用いる利点を享受し
たら、異なるタイミングで高い電圧を印加できる。異な
るタイミングというのは、巻線が滅勢される時刻又は位
相が変化する時刻の直前の時刻である。第２図を再び参
照する。モータ巻線Ｂを駆動位相の間付勢しようとする
とき、位相Ｂのための論理信号が、第1B図の破線11で示
すように、最初の第１の付勢19の間、高レベルになる。
しかし論理信号Pedは第1D図の破線11で示すように低
い。従って最初に巻き線Ｂに印加される電圧は、従来技
術で教示するように高電圧ではなく、低電圧である。駆
動相位相の終りに巻線Ｂが滅勢されるが、その直前に、
その同じ駆動位相の第２の付勢20の間その最初の電圧よ
りも高い電圧が巻線Ｂに印加される。これは第1D図の破
線12で示すとおりである。この手順は、図示のとおり各
駆動位相の間続行する。

巻線Ｂに印加される２レベルのペデスタル電圧の経時
変化は第1F図に示す。それに対応する電流を第1E図に示
す。その論理信号や電圧付勢のためのタイミングやパル
スの形状は特定の応用例へのモータ出力を最適化するよ
う変えても良い。例えば、VL及びVHの付勢期間はほぼ等
しいように図示したが、変えても良い。同様に１回の付
勢中に印加される電圧はステップ電圧以外でも良い。例
えば傾斜電圧波形でもＨ字状その他の形状でも良い。但
しその駆動位相中、巻線が滅勢される時刻の直前の第２
の又は最後の付勢の方が最初の付勢のときよりも高い電
圧の付勢でなければならない。パルスの形状は、インダ
クタンス・コイルの導電性コアに誘導される微視的に循
環する電流である渦電流や抵抗の不所望の効果、温度に
従うインピーダンスの変化、周波数、温度又は電流の関
数としてコイルのインダクタンスに生じる変化といった
不所望の効果を除く助けとなるかもしれない。

本発明に従って電圧付勢のタイミングを変えれば、ト
ルクが明らかに増すことをテストデータは示している。

高電圧を印加するタイミングを本発明のようにシフト
させることによって何故効果が改善されるかは完全には
わかっていないが、巻線が滅勢される時刻の直前に高電
圧の付勢を印加することで、モータの逆起電力をもっと
も効果的に克服すると考えられる。

F.発明の効果 本発明のステップモータ駆動方法及び装置により従来
より高いトルクが得られる。

【図面の簡単な説明】

第1A図、第1B図及び第1D図は、第２図に示すようなステ
ップモータ用の２つの電圧乃至ペデスタル駆動回路に印
加される論理信号のレベルの経時変化を示す本発明の実
施例の波形図である。 第1C図は、第1D図のに対応する従来技術の波形図であ
る。 第1E図は、第1A図、第1B図、第1D図の論理信号を用い
て、モータ巻線に流れる合計電流の経時変化を示す波形
図である。 そして第1F図は、第1A図、第1B図、第1D図の論理信号を
用いて、位相Ｂのモータ巻線に印加される電圧の経時変
化を示す波形図である。 第２図は、ステップモータ用の基本的には２つの電圧乃
至ペデスタル駆動回路を示す電気的な図式図である。 第３図は、ステップモータ用の基本的には２つの電圧乃
至ペデスタル駆動回路を示す図式的なブロック図であ
る。 ３〜７…トランジスタ・スイッチ、14……モータ駆動回
路、15……電源、16……マイクロプロセッサ、17……メ
モリ、18……ステップモータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニコラス・ジヨナーサン・クロール アメリカ合衆国ノース・カロライナ州シヤ ーロツト、ペリー・レーン6738番地 (56)参考文献 特開 昭63−7197（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−104317（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−83299（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−172399（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステップモータを複数の付勢で以って駆動
   する方法にして、 ロータがステータに対して位置を変えて一定角度だけス
   テップ回転するようにするための１の駆動期間におい
   て、 まず、 駆動期間の始まりを含む時間にモータ巻線に最初の付勢
   を与え、 その後、 上記同じ駆動期間の終りの直前を含む時間に上記最初の
   付勢のときより高い電圧での付勢を上記の同じモータ巻
   線に与え、 その後、 新たな付勢を与えることなく上記同じ駆動期間の終りに
   上記巻線が滅勢されることを含む、 ステップモータ駆動方法。
2. 【請求項２】ステップモータを複数の付勢で以って駆動
   する装置にして、 高電圧源と、 低電圧源と、 制御信号に応じて、選択したステップモータ巻線に高電
   圧及び低電圧を選択的に印加する切換手段と、 上記切換手段で、１つの選択したステップモータ巻線
   に、ロータがステータに対して位置を変えて一定角度だ
   けステップ回転するようにするための１の駆動期間にお
   いて、まず、駆動期間の始まりを含む時間に低電圧付勢
   を与え、その後、上記の同じ駆動期間の終りの直前を含
   む時間に上記の同じモータ巻線に高電圧付勢を与え、そ
   の後、新たな電圧を付勢しないような制御信号を、上記
   切換手段に上記駆動期間の終りのタイミングで与える制
   御手段とを具備する、 ステップモータ駆動装置。