JP3219111B2 - モータ制御装置 - Google Patents

モータ制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ステッピングモータを
駆動源としたモータ制御装置に関するものであり、特に
運転モードを数種類持つ場合、つまりランプアップダウ
ン等の手段により駆動する場合や、複数の速度での定速
駆動、保持を行う場合のモータ制御装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】ステッピングモータは回転位置決め精度
が優れているため近年産業用機器の駆動源として幅広く
用いられてきている。特にオフィス用事務機器、いわゆ
るOA機器の駆動用モータとして数多く用いれられてい
る。
【0003】このようなステッピングモータの駆動方式
として代表的なものに定電圧駆動がある。この方式は回
路構成が最も簡単であり、コスト的にも最も安価である
ことから広く使用されている。しかし駆動周波数が高く
なるとモータ巻き線のインダクタンスの影響によりモー
タ巻き線の電流立ち上がりが遅くなり高回転でトルク減
少を招き高速回転が出来ないという問題がある。
【0004】また高速回転に対応させるための駆動方式
として定電流駆動が知られている。この方式は、モータ
巻き線の時定数を小さくし、モータ巻き線のインダクタ
ンスを検出し、設定した電流値になるようにトランジス
タのスイッチング素子により電流をオンオフし一定に保
つ方式ではあり、高速回転は実現できる反面、回路が複
雑になりコストが高くなるという欠点があった。さらに
ステッピングモータの場合、駆動切り替え時のモータ振
動が発生するため電流値を一定にして回転数を変えると
騒音が発生するため、回転数に適した電流値に変える必
要があり、そのための回路も更に必要となる欠点もあっ
た。
【0005】さらに高度な駆動方式としてモータの軸に
そのモータの解像度より高い精度のエンコーダを取り付
け、その情報によりモータの動きに同期して相の切り替
えを行い、電圧、又は電流をチョッピングしてそのデュ
ーティにより回転速度を変化させる制御方式が知られて
いる。この制御方式によると、モータの回転数が変化し
た場合でも適正な相の切り替えが行え、いわゆる脱調状
態とはならず、さらに巻き線への電力に応じた回転周波
数となるため騒音の発生も押さえることが可能である。
しかし回路構成部品はモータのエンコーダを含め最大と
なりコストの高い構成となってしまうという欠点があっ
た。
【0006】さらには上記のような巻き線の電流検出に
よる定電流方式、および閉ループ制御においては回路構
成が複雑になるという欠点があったため、モータの巻き
線に供給する電力を制御するためのファームウエアによ
るデューティを設定可能なパルス発生手段により、モー
タの駆動1励磁ごと、あるいは1励磁内を複数分割にし
てモータの巻き線への電力供給量、つまりパルスデュー
ティをあらかじめファームウエアのプログラムにより設
定することによりオープンループでモータ制御を行ない
モーターの運転に必要なだけの電力を供給し効率的な駆
動を行うステッピングモータ駆動方法も提案されてい
る。また、この方式の改良案として1励磁内を複数分割
駆動方式で巻き線への電力供給量、つまりパルスデュー
ティを正弦波状に近く設定したり、あるいは停止、保
持、ランプアップダウン、定速走行の各モードごとにパ
ルスデューティを変えるステッピングモータ駆動方式も
提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、巻き線の電流検出による定電流方式、および
閉ループ制御においては前述のように回路構成が複雑に
なるという欠点があり、モータの巻き線に供給する電力
を制御するためのファームウエアによるデューティを設
定可能なパルス発生手段により、モータの駆動1励磁ご
と、あるいは1励磁内を複数分割にてモータの巻き線へ
の電力供給量、つまりパルスデューティをあらかじめフ
ァームウエアのプログラムにより設定することによりオ
ープンループでモータ制御する方式にさらに定速走行の
各モードごとにパルスデューティを変えるステッピング
モータ駆動方式においても複数の定速回転数に応じて低
騒音、高精度を実現することは困難であった。
【0008】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明は、モータ駆動制御を行うMPUと、モー
タに入力される電流波形を得るためにデューティを設定
する設定手段と、前記設定手段で設定されたデューティ
に応じてモータに入力する電流を制御する電流制御手段
と、を有するモータ制御装置において、低速ランプアッ
プモード、低速定速モード、低速ランプダウンモード、
高速ランプアップモード、高速定速モード、高速ランプ
ダウンモードを備え、前記低速ランプアップモードで
は、モータに入力される1励磁内の電流波形を正弦波か
ら前半の電流値に対して後半の電流値が低くなる波形に
変化させ、前記低速定速モードでは、前記電流波形を前
記前半の電流値に対して後半の電流値が低くなる波形と
し、前記低速ランプダウンモードでは、前記電流波形を
前記前半の電流値に対して後半の電流値が低くなる波形
から正弦波に変化させるように前記設定手段のデューテ
ィを設定することを特徴とする。
【0009】
【実施例】(参考例1) 図1は本発明の実施例1(参考例1、2)の構成要素を
示すブロック図である。図1において、符号1はモータ
駆動制御をおこなうMPUを示し、2はMPUバスに接
続され、その周波数およびデューティを設定可能なPuls
e Width Modulator (以下PWMユニットという)を示
し、3はMPUバスに接続された出力ポートでありステ
ッピングモータの駆動用にコード化された信号を発生す
るI/Oポートを示し、4は2相のユニポーラ結線され
たステッピングモータを示し、5はI/Oポート出力3
によりステッピングモータ4の巻き線電流を制御する電
流制御トランジスタを示す。7は電流制御トランジスタ
5がオフしたときの電流を流す経路を作るフライホイー
ルダイオードを示し、8はコイルの誘導電圧による逆電
流を防止するダイオードを示し、9はMPU1のMPU
バスに接続されたプログラム可能なタイマユニットを示
す。
【0010】以上の構成において、MPU1は出力ポー
ト3よりステッピングモータ4の駆動に必要な2相励磁
のための図2のA、B、C、Dに示すような信号を発生
する。その出力が変化するタイミングはタイマ9により
MPU1のソフトにより制御され出力される。その変化
させる時間により加速、高速一定速、低速一定速、減速
等の各モードの制御が行われる。
【0011】MPU1はPWMユニット2に一定の周波
数、例えば人間の耳の可聴領域より高い20KHz以上
の周波数でモータ駆動のステップモータテーブルと同様
に励磁毎に予め定められたデューティパルスの出力を行
うように設定する。その出力例を図2のE、Fに示す。
この出力により電流制御トランジスタ6は通電状態とな
り、電流をステッピングモータ4に供給する。またオフ
時にフライホイールダイオード8を通しオン時にステッ
ピングモータ4の巻き線のインダクタンスに貯えられた
電力を放出し、これを繰り返すことによりステッピング
モータ4の選択されている巻き線に2つの出力パルスデ
ューティに比例する値の電流を流すことが可能となる。
この時のステッピングモータのスピードの例を図3に示
す。図3においてaは保持モード、bは低速ランプアッ
プモード、cは低速定速モード、dは低速ランプダウン
モード、eは高速ランプアップモード、fは高速定速モ
ード、gは高速ランプダウンモード、hは保持モード、
iは微速モード、jは保持モードを示す。
【0012】ステッピングモータのある周波数で回転時
に必要なPWMの値は、電源電圧、ステッピングモータ
の巻き線のインダクタンス及び抵抗値に依存するため、
前記要素のバラツキの範囲であれば、各モードに必要最
小限な電力値をバラツキを考慮に入れた値のPWM値で
設定することが可能である。前記各モードでは必要なト
ルクはそれぞれ異なり、したがって、各モードで必要な
トルクに応じたデューティのパルスをトランジスタ6に
入力することによりステッピングモータの運転に必要な
電力を供給できる。
【0013】一般的に高速定速モードに比べ低速定速モ
ードではステッピングモータのトルクが過剰となるた
め、PWMのデューティを低くしなけらばならないが、
PWMのデューティを低くしすぎると、ステッピングモ
ータに供給される電流カーブは図5に示すように不安定
なものとなり電源電圧、ステッピングモータの巻き線の
インダクタンス及び抵抗値のバラツキによる影響が大き
く出てしまう。このような電流波形をステッピングモー
タに入力すると回転が不安定となり回転ムラが生じてし
まう。
【0014】そこで図4に示すような電流波形になるよ
うにPWMのデューティを設定することによりPWMの
デューティの低い領域が無くなり、またステッピングモ
ータの出力トルクも低速定速回転に必要十分な程度に低
下する。
【0015】(参考例2) 参考例1では励磁内の入力電流波形(カーブ)を励磁内
で前半に対し後半が低くなっているが、図6に示すよう
に励磁内で後半に対し前半が低くなる入力電流波形(カ
ーブ)としても同様の効果が得られる。
【0016】(実施例1) 図7に本発明の実施例1を示す。参考例1で述べたよう
に低速定速回転時には図4のような電流波形になるよう
にPWMデューティを設定することが望ましい。またス
テッピングモータの稼働音の低減には正弦波になるよう
にPWMデューティにより電流設定をすることが望まし
い。このためこの2つの条件を満足するため保持モード
a、低速ランプアップモードb、低速定速モードc、低
速ランプダウンモードd、高速ランプアップモードe、
高速定速モードf、高速ランプダウンモードgのそれぞ
れで電流カーブの形を変化させる制御を行う。特に低速
ランプアップモードbでは低速定速回転での駆動電流波
形cを得るため、b1、b2、b3のように徐々に正弦
波駆動からc波形駆動に変化させていく。同様に低速ラ
ンプダウンモードdではd1、d2、d3のように徐々
にc波形駆動から正弦波駆動に変化させていく。
【0017】上記発明での電流値はステッピングモータ
の巻き線抵抗およびそのリアクタンス、PWMデューテ
ィによって決定するためステッピングモータの捲線仕様
は抵抗値は25オーム以上40オーム以下であることが
望ましく、インダクタンスは15mh以下であることが
望ましい。しかし、この値は本発明の制御自体の効果に
影響を与えるものではないので、もちろんここに挙げた
値以外のステッピングモータに対しても十分効果はあ
る。
【0018】
【発明の効果】前述したように、本発明によれば、モー
タ駆動制御を行うMPUと、モータに入力される電流波
形を得るためにデューティを設定する設定手段と、前記
設定手段で設定されたデューティに応じてモータに入力
する電流を制御する電流制御手段と、を有するモータ制
御装置において、低速ランプアップモード、低速定速モ
ード、低速ランプダウンモード、高速ランプアップモー
ド、高速定速モード、高速ランプダウンモードを備え、
前記低速ランプアップモードでは、モータに入力される
1励磁内の電流波形を正弦波から前半の電流値に対して
後半の電流値が低くなる波形に変化させ、前記低速定速
モードでは、前記電流波形を前記前半の電流値に対して
後半の電流値が低くなる波形とし、前記低速ランプダウ
ンモードでは、前記電流波形を前記前半の電流値に対し
て後半の電流値が低くなる波形から正弦波に変化させる
ように前記設定手段のデューティを設定するように構成
したので、回転ムラや騒音の少ないモータ制御装置が得
られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の実施例1(参考例1、2)の
回路ブロック図である。
【図2】図2は、本発明の実施例1(参考例1、2)の
タイムチャートである。
【図3】図3は本発明の実施例1(参考例1、2)の走
行スピードの説明図である。
【図4】図4は参考例1の電流カーブを説明するための
波形図である。
【図5】図5は従来例の欠点を説明するための波形図で
ある。
【図6】図6は参考例2の電流カーブを説明するための
波形図である。
【図7】図7は本発明の実施例1の電流カーブを説明す
るための波形図である。
【符号の説明】
1 MPU 2 PWMユニット 3 I/Oポート 4 ステッピングモータ 5 電流制御トランジスタ 6 電流制御トランジスタ 7 フライホイールダイオード 8 ダイオード 9 タイマユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 哲夫 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 才川 悟志 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 斉藤 広行 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 谷黒 昌宏 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 木下 啓之 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 川上 英明 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−231999(JP,A) 特開 昭57−13998(JP,A) 特開 平1−315298(JP,A) 特開 昭61−147799(JP,A) 特開 昭58−15497(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02P 8/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 モータ駆動制御を行うMPUと、モータ
    に入力される電流波形を得るためにデューティを設定す
    る設定手段と、前記設定手段で設定されたデューティに
    応じてモータに入力する電流を制御する電流制御手段
    と、を有するモータ制御装置において、 低速ランプアップモード、低速定速モード、低速ランプ
    ダウンモード、高速ランプアップモード、高速定速モー
    ド、高速ランプダウンモードを備え、 前記低速ランプアップモードでは、モータに入力される
    1励磁内の電流波形を正弦波から前半の電流値に対して
    後半の電流値が低くなる波形に変化させ、 前記低速定速モードでは、前記電流波形を前記前半の電
    流値に対して後半の電流値が低くなる波形とし、 前記低速ランプダウンモードでは、前記電流波形を前記
    前半の電流値に対して後半の電流値が低くなる波形から
    正弦波に変化させるように前記設定手段のデューティを
    設定することを特徴とするモータ制御装置。
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