JPS5831837B2 - ステッピングモ−タ駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えばファクシミリや精密駆動機器等に用い
られるステッピングモータの駆動装置に関し、特に１ス
テツプづつ移動と停止を繰り返す際の応答精度を高めた
ステッピングモータ駆動装置を提供するものである。

ステッピングモータの駆動方法のうち、従来より第１図
に示す移駆時間Ｔ１ を短縮する方法として、ステッピ
ングモータに高電圧を加えて起部トルクを太きくし、短
時間にロータを回転させる方法があったが、この方法を
用いると第２図の移動量曲線Ｍ１で示すように、所定の
移動量θ。

を移動させる時間は短くなるが、オーバーシュートや・
・ツチングが生じてし渣い、停止する昔でに時間がかか
り、実質的には、移動時間Ｔ１が短くはならないという
問題点があった。

この問題を解決するために、■ステップ（θ。

）移動する途中でロータの逆転方向にパルスを加え、ブ
レーキ力を作用させてθ。

の安定点に近づけ、ロータが１ステツプ（θ。

）移動した時に再び１ステップ移動時の位相で励磁して
オーバーシュートか少なく、・・ンチングもほとんどな
くロータを停止させる駆動方法（ポジカスト方式）が提
案されている。

前記ポジカスト方式には、２相励磁ポジカストと１−２
相励磁ポジカストの２種類あるが、本発明は１２相励磁
ポジ力スト方式の改良に関するものである。

１−２相励磁のポジカスト方式を説明すると、第３図に
示す様に、１ずＡ相・Ｂ相の２相に励磁しているときに
ロータがａ点の位置で安定状態にあり、このロータをｂ
点に移動させる時に、人相の励磁を切ると、ロータはＢ
相に吸引されてｂ方向に回転をはじめ、そのｔｔＢ相の
位置を通過するとＢ相から逆方向トルクを受けるため、
ｂ点に回転スピードをおとしながら近づいてゆく。

そしてロータがｂ点付近に達した時にＡ相を励磁して、
Ｂ相とＡ相の２相励磁でロータをｂ点に保持するもので
ある。

しかしながら、実際には第４図に示すように一点鎖線の
理想的移動量曲線Ｍ２のようにはならず、立上がりは遅
く、オーバーシュート・・・ンチングが生ずる実線の移
動量曲線Ｍ３のような特性になる。

この原因を、第５図の相電流の変化特性と、第６〜９図
の回点角・トルク特性図を用いて説明すると、時刻ｔｏ
でＡ相の励磁を切ると、巻線に逆起電力が生じたり、巻
線内部のコンデンサ成分のために相電流は第５図の破線
Ａ１に示すように電流値がゼロになる昔でにｔｏ〜ｔ１
だけの時間を要し、この値は実際には２〜３ｍｓもあっ
た。

この時のロータ回転角とトルクとの関係を、第６〜９図
に示す。

破線は各相を励磁した時の励磁トルク曲線ＡＴｔたはＢ
Ｔであり、実線は合成トルク曲線ＵＴである。

そしてロータの回転力は合成トルク曲線によって示され
る。

第６図ではＡ相、Ｂ相の２相を励磁しており、０点では
Ａ相励磁トルク（曲線ＡＴ１）とＢ相励磁トルク（曲線
ＢＴ１）とがつり合っているためロータが０点にあれば
停止状態である。

また６Ｐが１−２相励磁の１ステツプ角（θ。

／２）である。第７図は人相の通電を切り、人相の電流
値が減少中の人相の励磁トルクＡＴ２と、通電中のＢ相
の励磁トルクＢＴＩを破線で示す。

このときの合成トルクは実線ＵＴ２で示す。

第８図はＢ相だけに通電している時の励磁トルクＢＴ１
で、合成トルクＵＴ３はＢ相のものと同じである。

第９図は、Ｂ相とＡ相に通電した時の各相の励磁トルク
を破線ＢＴ１．ＡＴ１で示し、合成トルク曲線を実線Ｕ
Ｔ４で示す。

１−２相のポジカスト制御の場合、１ステツプでロータ
は、第６図の０点からＰを通りすき′ＣＱ点１で移動量
θ。

分を回転するわけであるが、この間に、ロータに作用す
る合成トルクは理想的には第６図の状態から第８，９図
の状態へと変化する。

ところが、通常は人相を切っても、相電流値は、第５図
の破線Ａ１で示すような減少をするため、第７図に示す
ように、ＰＱ方向への回転トルクが理想の場合よりも小
さい合成トルク曲線ＵＴ２が、長い時間存在する。

したがってロータが十分加速されず、次にＡ相に通電し
たとき発生する第９図の合成トルクＵＴ４のためにロー
タはＱ方向に大きなトルクを受け、回転速を増すが、Ｑ
点ではと咬らず、大きなオーバーシュート、及びハンチ
ングが生じていた。

本発明は上記の問題点を解決するために電気的な過渡状
態を短くするとともに適正なトルクをかげて応答精度を
向上させたステッピングモータ駆動装置を提供するもの
である。

以下に第１０図〜第１２図の構成図、第１３図に動作説
明図を示して本発明の一実施例を詳しく説明する。

第１０図は本実施例の構成図であり、第１１図、第１２
図は各部の詳細で示す構成図である。

１０は励磁切換パルス発生手段で、その詳細図を第１１
図に示す。

１０ａはフリップフロップ回路、１０ｂはオシュレータ
で、このオシュレータはフリップフロップ回路１０ａの
出力により発振を開始し、その周波数は５０ＫＨｚであ
る。

オシュレータ１０ｂの出力はｎ進カウンタ−１０ｃに入
力させる。

さらにｎ進カウンタ−１０ｃの出力をデコーダ１０ｄに
入れる。

ｎ進カウンタ１０ｃがｎ個カウントするとキャリーＣａ
を出し、その信号により、フリップフロップ回路１０ａ
をクリヤーする。

デコーダ１０ｄの出力はステッピングモータ励磁回路１
１の正転入力端子ＣＷ及び逆転入力端子ＣＣＷに接続さ
れる。

第１２図はステッピングモータ励磁回路１１で、４相の
内、人相、−Ａ相の励磁回路の定電流回路を示す。

なお、励磁回路１１は、パワーオン・プリセットにより
２相励磁状態とする１−２相バイポーラ励磁を行なうチ
ョッパ一方式の定電流電源である。

またＢ相・Ｂ釦用に全く同じ励磁回路が備えられるもの
である。

第１２図ａで、１１ａはスイッチング回路、１１ｂは移
相パルス発生器、１１ｃは誤差増幅器で、基準電圧１１
ｄと基準抵抗１１ｅの電圧値を比較し、増幅する。

この構成によって、モータのコイル電流が低い時、例え
ば、通電開始時には大電圧が加わり、電流が短時間に増
大するが、所定の電流値に近づくにつれて、加わる電圧
が減少し、常に所定の電流を流すようにするものである
。

１１ｆ、１１ｆ’、１１ｇ。１１ｇ′は相電流切換用ト
ランジスタで、正方向（例えば時計方向）ＣＷ、逆方向
（反時計方向）ＣＣＷにシフト可能なリングカウンタ１
１ｈにより制御される。

ここで前記リングカウンタ１１ｈについて説明する。

本実施例では４相巻線の１−２相バイポ一２励磁方式で
あるので、第１２図すに示す８方向の励磁位置があり、
この励磁方向を順次切換えることによりロータを回転さ
せるものである。

なお、各相の通電方向は、第１２図Ｃのように直列接続
されたＡ、Ａ相巻線の接続点から電流をとり出す向きを
それぞれ人相、Ａ相の正方向と定める。

上記バイポーラ方式では第１２図ａのようにＡ、Ａ相の
巻線を接続するから、図中破線Ｘ方向の電流では人相が
正（ト）、Ａ相が逆（ハ）の方向に通電されているもの
と表示する。

したがって人相と人相、Ｂ相とＢ相は常に通電方向が互
いに逆になる。

下表に上記８方向の励磁位置と各相の通電方向とを示す
。

上記８方向の励磁位置の切換は前記リングカウンタ１１
ｈによって行われる。

リングカウンタ１１ｈを順次シフトさせるとトランジス
タ１１ｆ。

１１ｆ’が同時にスイッチングされ、捷たトランジスタ
１１ｇ、１１ｇ’も同時にスイッチングされて各相巻線
の通電方向がＸ方向、Ｙ方向、ゼロの場合に切り換えら
れ、前記シフトが時計方向（ＣＷ）であれば上記の表の
１“、２“、３“４“・・・と励磁位置が移り、反時計
方向（ＣＣＷ）であれば励磁位置が逆方向に順次移って
ゆく。

１２Ｕ４相巻線のステッピングモータでホールディング
トルクＴｏを有し、１−２相励磁のステップ角はθ。

／２である。１３は負荷で、モータ軸換算の摩擦負荷ト
ルクＴＦはホールディングトルクＴ。

の１／８以下になる様に構成しである。い渣励磁位置を
前記の表の６“の位置にプリセットし、次にデコーダ１
０ｄの出力のうち、第１パルス、第２パルスをステッピ
ングモータ励磁回路１１の正転入力端子ＣＷに投入する
。

逆転入力パルスは、モータの巻線電流値を測定しつつ、
第１３図す及びＣに示す様に、相電流値が一１ｏより＋
ｉｏに変化する途中で、ゼロ付近に達した時に、逆転入
力が入るように、デコーダ１１ｄの出力タイミングを設
定する。

次に、ステッピングモータ１２のロータの動きを観測し
、ロータの回転速度がゼロに近づいた時に、正転方向の
入力端子にパルスが投入されるデコーダの出力端子を設
定する。

以上の構成及びパルスタイミングに設定すると、チョッ
パ一方式の定電流電源であるため、人相を−ｉ。

の相電流値に励磁した６“の状態より状態７“に移る時
、２つの正転パルスがロータの機械的時定数（２〜３ｍ
５）に比べ非常に短い０．１ｍｓの時間で加わるため、
相電流は、−ｉ。

より十ｉ。

になるように急激に変化する。とのＡ相の相電流値がゼ
ロ付近で、逆転パルスを１パルス加えて相電流を流さな
い７“の励磁状態とする。

しかし実際には人相の相電流がすぐには減少せず、わず
かにオーバーシュートした後、コイルに流れていた電流
がコレクタ電流として１１ｇ又は１１ｆ′のスイッチン
グトランジスタより流れてアースされる。

このとき、すなわち逆転パルスが加えられる時はオーバ
ーシュートにしても電流の絶対値が小さいのですみやか
にゼロになる。

これに対して従来のものでは、６“の状態から７“の状
態に移る場合に第１３図Ｃの時間Ｏで人相の電流をただ
オフするだけであるので、実際の電流値は同図Ｃの破線
で示すような過渡特性となり、電流値が実際ゼロになっ
て７“の状態になる捷でに長い時間を必要としていた。

なおこの時、第１３図ｄに示スようにＢ相の電流値は−
１０の一定のす１である。

上記のように本実施例ではＡ相の電流値がすみやかにゼ
ロとなるのでロータに加わる合成トルク曲線は第６図の
状態より、極く短時間に、第８図の状態に切換わり、ロ
ータは、第８図のトルク曲線ＢＴＩの力を受けなから０
−）Ｐ→Ｑと回転をする。

さらに、第８図のトルク曲線ＢＴ１は、Ｐ点に対し点対
称形をしているため、ロータに対する０２間の加速トル
クとＰＱ間のブレーキトルクが等しいことになり、ロー
タがＱ点に近づいた時、ロータの回転速度は落ちて、ゼ
ロに近づく。

この時に第１３図ａの正転方向パルスを加え、短時間に
Ａ相電流を変化させて＋１０にすると、すなわち状態８
“かすみやかに得られて、第９図のＡ相に相当する励磁
トルクが生じ、Ｑ点ではトルクゼロの合成トルク曲線と
なり、ロータは上記のように回転速度がゼロに近かった
のでオーバーシュート及びハンチングが非常に少なくて
停止する。

この時のロータの回転波形を第１３図のｅに示す。

ロータに加わる摩擦負荷トルクＴＦが太きいと、状態７
“の間に０点１で達しないことがあるため、摩擦負荷ト
ルクＴＦは、モータ軸換算値で、ホールディングトルク
Ｔ。

の１／８以下にしである。上記実施例からも明らかなよ
うに本発明によれば、１−２相バイポ一ラ方式で駆動す
るにあたり２相励磁状態から１相励磁状態に切り換える
時点で、極めて短時間に励磁切換手段を２段進め、１段
後退させるようシフトさせることにより、電流の過渡状
態をすみやかに終了させてオーバーシュートやハンチン
グの非常に少ないロータの動作全実現し、応答精度を十
分に高めたステッピングモータ駆動装置を提供すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は理想的なステッピングモータの移動量（ステッ
プ応答）を示す特性図、第２図はステップ応答を示す特
性図、第３図は位相とロータ位置を示す説明図、第４図
は従来の駆動装置によるステップ応答の特性図、第５図
は従来の相電流値曲線図、第６図、第７図、第８図、第
９図はトルク特性線図、第１０図は本発明の駆動装置の
一実施例を示す構成図、第１１図、第１２図は要部構成
図、第１３図は本実施例の要部波形図および要部特性線
図である。 １０・・・励磁切換パルス発生手段、１０ａ・・・フリ
ップフロップ手１［１０ｂ・・・オシュレータ、１０ｃ
・・・ｎ進カウンタ−，１０ｄ・・・デコーダ、１１・
・・ステッピングモータ励磁回路、１１ａ・・・スイッ
チング回路、１１ｈ・・・リングカウンタ、１２・・・
ステッピングモータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 正相コイルと逆相コイルとを直列に接続した励磁コ
   イルを有し、１−２相バイポ一ラ方式により駆動される
   ステッピングモータと、前記励磁コイルの両端にそれぞ
   れエミッタ（コレクタ）を接続した第１、第２のトラン
   ジスタと、前記励磁コイルの両端にそれぞれコレクタ（
   エミッタ）か接続され、またエミッタ（コレクタ）が接
   地されている第３、第４のトランジスタと、前記第１、
   第２のコレクタ（エミッタ）に接続され、前記励磁コイ
   ルに電力を与えると電源と、前記第１、第３のトランジ
   スタと第２、第４のトランジスタとの各ベースに励磁切
   換信号を与える励磁切換手段と、前記励磁切換手段に励
   磁切換パルスを与えるパルス発生手段とを具備し、前記
   ステッピングモータの起動時に前記励磁切換手段は２相
   励磁状態から１相励磁状態への切換時点で順方向に２段
   階、その後逆方向に１段階相状態をシフトさせ、さらに
   １相励磁状態から２相励磁状態への切換時点で順方向に
   １段階相状態をシフトさせるように前記トランジスタに
   励磁切換信号を与えることを特徴とするステッピングモ
   ータ駆動装置。 ２ ステッピングモータの巻線を励磁する電源が定電流
   回路で構成されたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のステッピングモータ駆動装置。 ３ 定電流回路がチョッパ一方式であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のステッピングモータ駆動
   装置。 ４ 励磁切換のパルス発生手段もしくはステッピングモ
   ータの励磁切換手段のいずれかに初期状態を２相励磁状
   態とするプリセット信号発生手段を備えたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のステッピングモータ駆
   動装置。