JP3725316B2

JP3725316B2 - ５相ステッピングモータの駆動方法

Info

Publication number: JP3725316B2
Application number: JP33515497A
Authority: JP
Inventors: 純安東; 哲也関根; 高史中出
Original assignee: 株式会社メレック
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: JPH11150990A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は分解能を更に高めた５相ステッピングモータの新規な低振動駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
５相ステッピングモータの駆動方法として、定電流チョッパ駆動（図２(イ)に示す励磁パターンと非励磁パターンとを各アドレスにおいて制御指令に従って交互に切り替える駆動方式）は、駆動回路に入力される直流電圧を直接ステッピングモータに印加するため、ＤＶ(直流電圧をより低い駆動電圧に変換してこれをステッピングモータに印加する)方式の駆動回路に比べて印加電圧をＤＶ電圧に変換する回路が不要な分だけ簡素化する事が出来る。
また、ＤＶ方式の場合と違って定格以上の高電圧をステッピングモータに印加する事により、電流の立ち上がりが早くなり、加速特性も改善される。このようなメリットの故に定電流チョッパ駆動方式は一般的に広く使用されている。
【０００３】
しかしながら、加速特性が改善される反面、ステッピングモータの定格以上の高電圧を直接印加する事、並びに図１４、１５に示す非励磁パターンにおいて(〇)印で示す未接続点の電位が不安定になりやすい事から前のステップから次のステップに移った瞬間に非励磁相における電流のオーバーシュートが起こり、ダンピングが大きくなるという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明者らは、特開平８−２７５５８７号公報記載の駆動方法を提案した。この方法は、従来回路をそのまま利用し、回路の複雑化やコストアップを招く事なく、ダンピングの低減及び低速時の低振動を可能とする駆動方法の提供を目的とするもので、『５相ステッピングモータの各相巻線の始端及び終端とを順次に接続して環状に結線し、これらの相巻線の接続点に各別にスイッチング手段を接続し、前記スイッチング手段をスイッチング制御して前記接続点にステッピングモータの定格電圧より高い直流電圧を印加することにより各相巻線の励磁・非励磁を各シーケンス毎に繰り返し行って定電流制御を行う』と言う駆動方法であって、ステッピングモータの各相巻線の非励磁時に各相巻線の接続点すべてを前記直流電圧の正極又は負極に接続するというものであり、前記問題点は解決された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法ではその分解能は１０００分解（ハーフステップ）であり、更なる高精度のダンピングの低減及び低速時の低振動が要求される分野では不十分であり、より一層の性能向上が要求されていた。
本発明は、前記従来例に増して厳しい精度の要求される分野に対応できる５相ステッピングモータの低振動制御方法を開発する事にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の駆動方法は、
(1) ５相ステッピングモータ(2)の各相巻線(A)〜(E)をその始端及び終端とを順次に接続して環状に結線し、これらの相巻線(A)〜(E)の接続点(P1)〜(P5)に各別にスイッチング手段(Tr)を接続し、前記スイッチング手段(Tr)をスイッチング制御して前記接続点(P1)〜(P5)にステッピングモータ(2)の定格電圧より高い直流電圧を印加することにより各相巻線(A)〜(E)の励磁・非励磁を各シーケンス毎に繰り返し行って定電流制御を行う駆動方法において、
(2) ステッピングモータ (2) の各相巻線 (A) 〜 (E) の非励磁時に各相巻線 (A) 〜 (E) の接続点 (P1) 〜 (P5) すべてを前記直流電圧の正極 ( ＋ ) 又は負極（−）に接続し、
(3) 各基本角が４つの分割区分に分割され、各分割区分における各相巻線 (A) 〜 (E) の励磁・非励磁が２相励磁で４回繰り返され、且つ、
(4) 各分割区分において、励磁パターンの切替タイミングを定電流コントロール周期に同期させ、各分割区分における励磁ベクトルの合成出力によって各アドレス毎に歩進させる事を特徴とするものである。その結果、歩進の分解能が向上しそれだけステップ駆動時の振動が小さくなり、滑らかな回転が可能となる。
【００１０】
このようにすれば、ステッピングモータ(2)の各相巻線(A)〜(E)の接続点(P1)〜(P5)すべてを非励磁時に前記直流電圧の正極(＋)或いは負極（−）に接続することになるため、非励磁時には各相巻線(A)〜(E)の接続点(P1)〜(P5)全てを安定したほぼ同一の電位に保つことが出来、従来、非励磁時に発生していた急激な電位の変化を起こすことがない。
【００１１】
即ち、図５、８のアドレス(0)の励磁時において、(E)相はその両端が正極(＋)に接続されているために非励磁状態にある。この状態は非励磁パターンでも同様で、非励磁状態においては、接続点(P1)〜(P5)の全てが正極(＋)に接続されている。《なお、負極(−)に接続されている場合は図示しないが図５〜７から類推可能である。》
【００１２】
従って、非励磁パターンにおいて、全接続点(P1)〜(P5)の電位は正極(＋)《或いは負極（−）》の電位と等しくなり非常に安定している。その結果、前分割区分から次分割区分に切り替えた場合でも各接続点(P1)〜(P5)において急激な電位の変化が生じないため、電流のオーバーシュートが発生したとしても非常に小さくしかも収斂しやすくなり円滑な相電流を流すことが出来、前記の分解能の向上と相俟ってダンピングの低減と低速時の低振動を可能となし得る。
なお、本発明の２種類のシーケンスパターンは、３部に分かれており、第１シーケンスパターンは図５〜７で表され、第２シーケンスパターンは図８〜１０で表される。
【００１３】
【実施の態様】
以下、本発明方法を図面に従って説明する。図１は本発明方法が実施される回路構成である。ここで、スイッチング手段を総称する場合は(Tr)と数字を付さずに示す事とする。相巻線(A)(B)(C)(D)(E)の接続点も同様で(P)で総称する。
本実施例に使用されるモータは５相ステッピングモータ(2)で、その駆動巻線は、５相の相巻線(A)(B)(C)(D)(E)をその始端及び終端とを順次に接続して形成されたた環状結線である。
【００１４】
図１のスイッチング手段(Tr1)〜(Tr10)『スイッチング手段(Tr)としては、例えばトランジスタやＦＥＴが使用される。』は、２個一組のスイッチング手段(Tr_n-1)、(Tr_n)を直列に接続し、該直列に接続されたスイッチング手段(Tr_n-1)、(Tr_n)の接続点▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼▲５▼と環状結線の接続点(P)とが接続されており、これらをスイッチング制御する事により、前述の環状結線の励磁相(A)〜(E)の接続点(P1)〜(P5)を正極(＋)又は負極(−)に接続するようになっている。本実施例では１０個のスイッチング手段(Tr1)〜(Tr10)が使用されており、制御回路(S)を構成している。
【００１５】
制御回路(S)の出力側には小さい値のセンス抵抗(R)が接続され、環状結線に流れる総励磁電流(２i₀)がこれを通過する事によって、その両端にセンシング電圧が発現するようになっている。このセンス電圧を定電流制御回路(1)に入力することにより、総励磁電流量(２i₀)のフィードバック制御が可能となる。
【００１６】
定電流制御回路(1)はＲＯＭ(3)のアドレスライン(3a)に接続される。定電流駆動(1)は、センス抵抗(R)に流れる電流の電圧(センス電圧)を検出し、後述のようにＲＯＭ(3)を介して制御回路(S)のスイッチング制御を行うものである。
【００１７】
ＲＯＭ(3)は、制御回路(S)の各スイッチング手段(Tr)のベースに接続され、スイッチング手段(Tr)の開閉制御を行うものである。ＲＯＭ(3)には５相ステッピングモータ(2)を駆動するシーケンスに対応した励磁パターンのデータと電流制御を行うための非励磁パターンのデータが格納されている。
【００１８】
Ｎ進カウンタ(4)『本実施例では４０進カウンタである。』は、所望の分解能(勿論これに限定されることはないが、本実施例では、分解能が２０００分解で、シーケンスは４０周期である。)に応じたシーケンス周期をＲＯＭ(3)に出力するもので、カウンタ(4)は正転(ＣＷ)でカウント・アップし、逆転(ＣＣＷ)でカウント・ダウンするようになっている。
【００１９】
本発明方法は、電流制御を行うための非励磁パターンとして、環状結線の励磁相(A)〜(E)の接続点(P1)〜(P5)を全て正極(＋)または負極(−)に接続するパターンをＲＯＭ(3)に格納している。
【００２０】
ＲＯＭ(3)は、カウンタ(4)の指令するシーケンスに対応した励磁パターンの出力と、定電流制御回路(1)の信号出力によっての非励磁パターンの出力を各基本角の４以上に分割された各分割区分において交互に行うものである。本発明の要部はこの点にある。そしてこの励磁パターンの出力形式は２通りあり、請求項２に示すような４相励磁方式（図５〜７）と、請求項３に示すような２相励磁方式（図８〜１０）である。まず、４相励磁方式を説明し、その後で２相励磁方式に付いて説明する。
【００２１】
従来例では、図２(イ)に示すように、１シーケンスの一部（網掛部分）に於いて４相励磁が行われ、残部は非励磁であった。換言すれば、励磁と非励磁とが１度づつ繰り返されて、フルステップ駆動がなされる事になる。（図１４、１５の場合はハーフステップ駆動である。）
【００２２】
これに対して本発明方法では、この１基本角を４以上（この場合は４つ）の複数に区分し、その分割された各区分の（網掛部分）に於いて４相励磁が行われ、残部は非励磁とした。非励磁時、接続点(P1)〜(P5)は正極或いは負極に接続される。《図２(ロ)参照》
そして、各分割区分における励磁パターンの一部を順序に従って徐々に変化させて行く事により、各アドレスにおける合成ベクトルの方向と大きさとが、徐々に変化つつ４つ毎のアドレスにおいて、従来例の同じシーケンスのベクトルと同じ方向と大きさを持つように制御している。その結果、分解能が大幅に上がりステップ駆動に起因する振動は大幅に減少する。
【００２３】
なお、図中、(＋)は接続点(P)が正極に接続され、(−)は負極に接続されていることを示す。→は相電流の方向を示す。そして、非励磁状態をつくる非励磁パターンの出力時に全ての励磁相(A)〜(E)の接続点(P1)〜(P5)が正極(＋)《或いは負極（−）》に接続される。
このため非励磁状態においては全ての励磁相(A)〜(E)の接続点(P1)〜(P5)が(＋)電極《或いは負極（−）》に接続されて(＋)電極《或いは負極（−）》と同じ電位を保つ事になり（換言すれば電位が不安定にならず）、その結果安定した電位となり、前の分割区分から次の分割区分に移った瞬間に非励磁相における電流のオーバーシュート現象が起こるというようなことがなく、その結果ダンピングの低減や低速回転における低振動駆動が可能となった。
【００２４】
《実施例１》
この場合は『各分割区分における各相巻線(A)〜(E)の励磁・非励磁が４相励磁で４回繰り返され、各分割区分における励磁ベクトルの合成出力によってロータを各アドレス毎（即ち、アドレス０→アドレス１→アドレス２→…というように）に歩進させる（換言すれば、図２(イ)に示す従来例の或る１つのシーケンス《図２(イ)の場合、アドレス０'》を、図２(ロ)に示すように４つの区分に分割し、各分割区分において励磁パターンの切替タイミングを定電流コントロール周期に同期させた）』場合で、図３(イ)(ロ)にその低速時及び高速時のシーケンスの一部を示し、図５〜８にそのシーケンスにおける時計回り（ＣＷ）の全パターンを示す。
【００２５】
図３(イ)(ロ)において、アドレス０では各分割区分の励磁パターンは、４相励磁の場合で(ABCD)(ABCD)(ABCD)(ABCD)となり、この合成ベクトルは従来例のアドレス０'《図２(イ)》の４相励磁(ABCD)と一致する。
【００２６】
アドレス４では各分割区分の励磁パターンは、(BCDE)(BCDE)(BCDE)(BCDE)の４相励磁でとなり、この合成ベクトルは従来例のアドレス１'《図２(イ)》の４相励磁(BCDE)と一致する。
即ち、アドレス０、４は従来の４相励磁の位置であり、アドレス０からアドレス４迄の移動がフルステップ（基本角＝０.７２°）移動となる。
【００２７】
その中間であるアドレス２は、アドレス０の励磁パターン(ABCD)が２回、アドレス４の励磁パターン(BCDE)が２回出力される事になるので、合成される励磁ベクトルは《ABCDE》となり、ハーフステップの位置にロータが移動する事になる。
【００２８】
アドレス１は、１シーケンス中にアドレス０の励磁パターン(ABCD)が３回、アドレス４の励磁パターン(BCDE)が１回となるので、アドレス０から基本角の１/４だけ移動した位置にロータが移動する事になる。
【００２９】
アドレス３は、１シーケンス中にアドレス０の励磁パターン(ABCD)が３回、アドレス４の励磁パターン(BCDE)が１回となるので、アドレス０から基本角の３/４だけ移動した位置にロータが移動する事になる。
下記に各アドレスの励磁シーケンスを構成する４つの励磁パターンの表を表１として示す。
【００３０】
【化学式等を記載した書面】
【表１】

【００３１】
以上の励磁ベクトル(ABCD)から励磁ベクトル(BCDE)迄の４分割方法を述べたが、アドレス４以降の他の励磁ベクトルも同様の事が適用でき、これによって電気角１周分を４０分解する事ができる。
【００３２】
低速駆動から高速駆動までの範囲でモータインピーダンスの変化による励磁・非励磁の割合が変わっても１シーケンス中の各々の励磁パターンの出力割合はこれに応じて変化するため、各シーケンスにおいて作られる合成ベクトルはこれに影響されない。図３(イ)は低速駆動時で、励磁時間が短く、図３(ロ)は高速駆動時で、励磁時間が長くなっている。
【００３３】
その結果、４アドレスで基本角（０.７２°）だけ移動するので、ステップ駆動の分解能を２０００に高める事ができ、従来のステップ駆動に増して振動が小さくなり、滑らかな回転が可能となる。
【００３４】
《実施例２》
この場合は『各シーケンスが４つの分割区分に分割され、各分割区分における各相巻線の励磁・非励磁が２相励磁で４回繰り返され、各分割区分における励磁ベクトルの合成出力によって各アドレス毎に歩進させる』場合で、励磁パターンが実施例１の場合と相違する。図８〜１０にそのシーケンスにおける時計回り（ＣＷ）の全パターンを示す。
【００３５】
アドレス０では各分割区分の励磁パターンは、２相励磁の場合で(BC)(BC)と、(AD)(AD)となり、この合成ベクトルは《ABCD》となり、従来例のアドレス０'《図２(イ)》の４相励磁(ABCD)と一致する。ここで、各相の励磁割合はＡ：Ｂ：Ｃ：Ｄ＝２：２：２：２である。
【００３６】
アドレス４では各分割区分の励磁パターンは、(BE)(BE)と、(CD)(CD)を１：１で出力するためこの合成ベクトルは《BCDE》となり、従来例のアドレス１'《図２(イ)》の４相励磁(BCDE)と一致する。ここで、各相の励磁割合はＡ：Ｂ：Ｃ：Ｄ＝２：２：２：２である。
この場合もアドレス０、４は従来の４相励磁の位置であり、アドレス０からアドレス４迄の移動がフルステップ（基本角＝０.７２°）移動となる。
【００３７】
その中間であるアドレス２は、励磁パターン（ＢＣ）、（ＡＤ）、（ＣＤ）、（ＢＥ）を１：１：１：１の割合で出力する事になるので、各相の励磁割合はＡ：Ｂ：Ｃ：Ｄ：Ｅ＝１：２：２：２：１である。合成される励磁ベクトルは《ＡＢＣＤＥ》となり、アドレス０と４の中間のハーフステップの位置にロータが移動することになる。
【００３８】
アドレス１は、励磁パターン(BC)、(AD)、(BC)、(CD)を１：１：１：１の割合で出力する事になるので、各相の励磁割合はＡ：Ｂ：Ｃ：Ｄ＝１：２：３：２である。アドレス０の励磁ベクトル《ABCD》に対して電気角で約９.７°進んだ位置となる。２０００分解の１ステップの電気角は９°であり、これに対して１０％以下のずれとなるが、実用上は問題とならない。図４の(θ1)がベクトル《ABCD》に対して移動角が約９.７°の場合を示し、(θ2)がベクトル《BCDE》に対して移動角が約９.７°の場合を示す。
【００３９】
アドレス３は、励磁パターン（ＢＣ）、（ＣＤ）、（ＢＥ）、（ＣＤ）を１：１：１：１の割合で出力する事になるので、各相の励磁割合はＢ：Ｃ：Ｄ：Ｅ＝２：３：２：１である。アドレス４の励磁ベクトル《ＢＣＤＥ》に対して電気角で約９．７°遅れた位置となる。２０００分解の１ステップの電気角は９°であり、これに対して１０％以下のずれとなるが、実用上は問題とならない。
下記に各アドレスの励磁シーケンスを構成する４つの励磁パターンの表を表２として示す。
【００４０】
【化学式等を記載した書面】
【表２】

【００４１】
以上の実施例２における励磁ベクトル(ABCD)から励磁ベクトル(BCDE)迄の４分割方法を述べたが、アドレス４以降の他の励磁ベクトルも同様の事が適用でき、これによって電気角１周分を４０分解する事ができる。
【００４２】
図１１は従来例の振動実験データを示し、図１２は図５〜７の本発明方法１の励磁パターンによって得た振動実験データであり、図１３は図８〜１０の本発明方法２の励磁パターンによって得た振動実験データである。図において横軸が時間、縦軸が速度である。
図１１〜１３によれば、従来例のデータに比べて本発明のデータではステップ駆動時の振動が抑制されている事がよくわかる。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明駆動方式によれば、回路構成を変更する事なく分解能を高める事ができたので、前記効果に加えて更なる低振動を実現し得た。
これに加えて、非励磁時の各相巻線の全ての接続点が正極又は負極に接続され、非励磁時に安定したほぼ同一の電位に保つことが出来るため、前ステップから次ステップに切り替えた場合でも各接続点において急激な電位が十分に抑制され、たとえ電流のオーバーシュートが発生したとしても非常に小さくしかも収斂しやすくなり円滑な相電流を流すことが出来、ダンピングの低減と低速時の低振動を可能となし得た。
また、回路構成も従来と全く同一であるためコストアップとならないという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法が適用される５相ステッピングモータの回路構成図
【図２】従来例と本発明方法の励磁パターンと非励磁パターンの組み合わせ並びに相電流の方向との関係を示すシーケンス比較図
【図３】本発明方法における低速駆動時と高速駆動時の励磁パターンと非励磁パターンの組み合わせの変化を示すシーケンス図
【図４】本発明方法における合成ベクトル図
【図５】本発明の実施例１における励磁パターンのＣＷ方向の全シーケンスの内の前段を示す図面
【図６】本発明の実施例１における励磁パターンのＣＷ方向の全シーケンスの内の中段を示す図面
【図７】本発明の実施例１における励磁パターンのＣＷ方向の全シーケンスの内の後段を示す図面
【図８】本発明の実施例２における励磁パターンのＣＷ方向の全シーケンスの内の前段を示す図面
【図９】本発明の実施例２における励磁パターンのＣＷ方向の全シーケンスの内の中段を示す図面
【図１０】本発明の実施例２における励磁パターンのＣＷ方向の全シーケンスの内の後段を示す図面
【図１１】従来例（１０００分解）の振動試験の結果を表すグラフ
【図１２】本発明方法（２０００分解）の実施例１の振動試験の結果を表すグラフ
【図１３】本発明方法（２０００分解）の実施例２の振動試験の結果を表すグラフ
【図１４】従来例の励磁パターン表すシーケンス図
【図１５】他の従来例の励磁パターン表すシーケンス図
【符号の説明】
(A)(B)(C)(D)(E)…５相ステッピングモータの各相巻線
(P1)〜(P5)…各相巻線の接続点
(Tr)…スイッチング手段
(＋)…正極
(−)…負極
(2)…５相ステッピングモータ

Claims

５相ステッピングモータの各相巻線の始端及び終端とを順次に接続して環状に結線し、これらの相巻線の接続点に各別にスイッチング手段を接続し、前記スイッチング手段をスイッチング制御して前記接続点にステッピングモータの定格電圧より高い直流電圧を印加することにより各相巻線の励磁・非励磁を繰り返し行って定電流制御を行う５相ステッピングモータの駆動方法において、
ステッピングモータの各相巻線の非励磁時に各相巻線の接続点の全てを前記直流電圧の正極又は負極に接続し、
各基本角が４つの分割区分に分割され、各分割区分における各相巻線の励磁・非励磁が２相励磁で４回繰り返され、且つ、
各分割区分において、励磁パターンの切替タイミングを定電流コントロール周期に同期させ、各分割区分における励磁ベクトルの合成出力によって各アドレス毎に歩進させる事を特徴とする５相ステッピングモータの駆動方法。