JPH02123996A - ステッピングモータの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野コ 本発明は高速駆動が可能で、損失を少なくすることが出
来るステッピングモータ用の駆動回路に関する。

［従来の技術］ ステッピングモータは正確な回転角制御が可能で精密な
制御を要求される機器の駆動源に利用されている。ステ
ッピングモータの駆動方式はそのコイルの励磁の仕方に
より区別されるが、ここでは４相モータを例に説明する
と、４相モータは第５図に示す如く、ステータ（固定子
）　ＳＴの中心にロータ（回転子）　ＲＴがあり、ロー
タＲＴは周囲の半分の領域を、一方は永久磁石のＮ極、
他方はＳ極に６磁しである。ステータＳＴは９０度ずつ
位置を異ならせて固定子の磁極を形成すべく、歯を形成
してあり、ここにコイルを２回線分、巻回する。コイル
はステータにおける対向磁極が互いに異なる極性となる
ように巻回しである。

このモータのコイルに電流をどのように流すかにより駆
動すなわち相励磁の方法が異なり、大別するとユニポー
ラ駆動とバイポーラ駆動に分けられる。

ここで、ユニポーラ駆動とは、第７図に示すようにステ
ータＳＴの対向する磁極にコイルφ１とφ３、コイルφ
２とφ４をそれぞれ逆巻に巻装しｆ４−ｓ たそれぞれの対向磁極別の２系統の巻線ヤ轡呻、コイル
φｌとφ３、コイルφ２とφ４は他端側を共通接続して
コモンとし、それぞれのコイルφ１〜φ４は一端側にそ
れぞれ１個ずつスイッチング用のトランジスタＱ１〜Ｑ
４を介在させる。そして、コモン側を例えば直流電源■
の正極側に、そして、各トランジスタＱｌ〜Ｑ４側を負
極側に接続するとともに、第８図に示すように各トラン
ジスタＱｌ−０４を位）ｌをずらして順にスイッチング
することによりコイルを励磁し、ロータＲＴを回転させ
るものである。すなわち、Ｑｌをオンさせるとコモン側
よりφｌの前記一端側に電流１１が流れ、ステータＳＴ
は第５図の上下位置の極が励磁されて第６図（ａ）の状
態になり、Ｑ２をオンさせるとコモン側よりφ２の前記
一端側に電流１２が流れ、ステータＳＴは第５図の左右
位置の極が励磁されて第６図（ｂ）の状態になり、Ｑ３
をオンさせるとコモン側よりφ３の前記一端側に電流１
３が流れ、ステータＳＴは第５図の上下位置の極が励磁
されて第６図（Ｃ）の状態になり、Ｑ４をオンさせると
コモン側よりφ４の前記−端側に電流１４が流れ、ステ
ータＳＴは第５図の左右位置の極が励磁されて第６図（
ｄ）の状態になり、と云った具合に逐次位相を変えてト
ランジスタを一つずつオン／オフさせることにより、回
転駆動させることが出来る。この方式は各コイルに一方
向しか電流を流さないので、ユニポーラ駆動（片極性駆
動）と呼ばれ、制御が最も簡単で、駆動回路の構成も簡
単で済む。

以上は１相励磁の例であり、この他にも２相励磁、１−
２相励磁等と呼ばれるシーケンスがある。

尚、バイポーラ駆動とは、コイルを一系統とし、コイル
に印加する直流の極性を切替えて電流方向を変えるよう
に制御するものである。

ところで、このようなステッピングモータ駆動回路は、
コイルの励磁電流をスイッチング制御により、切替えて
いる。そして、コイルは誘導性負荷であるため、電流切
替え時４＝＝Ｉにはコイルに高い誘起電圧が発生し、こ
の誘起電圧がオフとなったトランジスタに加わるので、
当該トランジスタにはこの逆起電圧と電？Ｓ電圧■との
加算電圧が加わることになる。逆起電圧は数１００Ｖに
も及び、これがトランジスタのエミッターコレクタ間に
かかるので、トランジスタを破壊する危険がある。

そこで、トランジスタ保護のために、保護回路を設ける
ことになる。この保護回路としては従来より第１０図の
ようなものが知られており、各方式によってコイルに流
れる電流の立」ニリ、立下り特性が変化する。

すなわち、■一般的なサージ電圧吸収回路として第１Ｏ
図の（ａ）の回路があげられるが、この第１０図の（ａ
）は各コイルφ■〜φ４それぞれにコイルと並列に逆起
電力を短絡するためのダイオードＤ１〜Ｄ４を接続した
ものである。この場合、トランジスタＱ１のオン時に着
目して見ると、コイルφ１に電流１１が流れる時、相互
誘導の影響でコイルナ３→ダイオードＤ３の経路を辿り
、コイルφ３にも電流１３が流れる。従って、コイル抵
抗をＲ１コイルの自己インダクタンスをＬ１コイルφＩ
とコイルφ３　（またはコイルφ２とコイルφ４）との
間の相互インダクタンスをＨとすると、この時のφ１の
サージ電圧は Ｒｉｌ＋Ｌ（ｄｉｌ／ｄＬ）−Ｍ（ｄｉ３／ｄｉ）＝Ｖ
　　　　　　・・・（１）一方、φ３は、 Ｒ＋３＋Ｌ（ｄ１３７ｄｔ）−Ｍ（ｄｉｌ／ｄｔ）　−
Ｇ　　　　　　−（２）−Δ± １３−　（１／２）（Ｖ／Ｒ）ｃ　　”となり、Ｉ３は
１１に対して逆方向の励磁電流であるため、トルクとし
て作用するＴｕ流（１ｌ−ｉ３　）は１ｌ−ｉ３−（Ｖ
／Ｒ）（１−ｃ−”　　）　　　　　　−（３）（３）
式から明らかなように、ｊｌ・ｉ３の時定数が相互誘導
のない場合の２倍（２１，／Ｒ）になることがわかる。

一方、Ｑｌがオフし、電流が立下がる時はコイルφ１の
磁気エネルギは全てダイオードＤ１を通って流れる。そ
のため、 上ｔ ｉ１＝（Ｖ／Ｒ）ｅ　　Ｌ 一ヱし ｌｌ−１３−（Ｖ／ｌυｅＬ　　　　　　　　　　−（
４）であるから、以下の例に比較して遅い。

改善例１（回路■） これは第１０図の（ｂ）に示す回路例であり、巻線に並
列にダイオードを接続する代わりに各トランジスタＱ１
〜Ｑ４に並列にダイオードｏｔ＝ｏ４を介在させる構成
である。この回路は立上り時において相互誘導の影響が
ないので、■より早い。すなわち、Ｑｌオン時に着目し
て見ると、φｌの電流１１は−３ｔ １１＝（Ｖ／Ｒ）　（１−ｅ　Ｌ） 相互誘導がないのでφ３の電流１３は 従って、 　Ｒｔ ！１−＋３−（Ｖ／ｌυ（１−ｅ　Ｌ）　　　　　−（
５）立」−り時定数は（Ｌ／ＩＯに対応したものとなる
。そのため、（５）式かられかるように■の場合の倍の
速度で立」−ることになる。

一方、立下りすなわち、Ｑ１オフの時は、コイルφｌは
Ｑｌ及びＤＩがともにオフであり、誘導電圧は流れる経
路がないので １１−〇 であるが、コイルφ３側にはダイオードＤ３による電流
路が確保されるため、コイルφ１オフ時、相互誘導の影
響により発生した磁気エネルギによる電流はコイルφ３
→電源Ｖ→ダイオードＤ３の経路で電源を通り流れるた
め、 一△ｔ １３−（Ｖ／Ｒ）（１−２ｅ　　Ｌ） となり、 ■−ｉ３−　−（Ｖ／Ｒ）（１−２ｃｍ”　　　）　　
　　　・・・（６）となって、（６）式かられかるよう
に■より早く立下がることになる。

回路はφｌ〜φ４とこれをスイッチングするトランジス
タＱｌ−Ｑ４の直列回路にダイオード旧〜Ｄ４を順方向
接続し、また、各φｌ〜φ４には前記ＤＩ〜Ｄ４との接
続点にそれぞれアノード側を接続してダイオードＤｉ−
Ｄ４を設け、ダイオードＤｉ−Ｄ４のカソード側はツェ
ナーダイオードＺＤを介して電源Ｖの正極側に接続した
構成である。このような構成において、Ｑｌのオン時に
４Ｕ４して見ると、この時はφ３の側では電流流路がな
いので、相互誘導の影響がないことから、立上り時に相
互誘導の影響がない分、■の構成より早く立上る。これ
は■と同様であり、立上り時定数は（７）式に示すよう
に（Ｌ／Ｒ）である。

一方、立下り時はコイルφ１がオフとなると、φ１の電
磁エネルギによる電流１１はコイルφｌ　−ダイオード
Ｄ５−ツェナーダイオードＺＤの経路で流れ、ツェナー
ダイオードＺＤにより逆起電圧は消費されることになる
。この時、φ３では第１口図（Ｃ）に示す極性で誘導電
圧が生じるが、これと逆方向接続のダイオードＤ３によ
り、相互誘導の影響によるｉ３はトランジスタＱ３には
流れない。そのため、ツェナーダイオードＺＤのツェナ
ー電圧ＶＺＤと電源電圧Ｖとの関係をＶＺＤ＞Ｖとする
ことにより、■より立下りを早くすることが出来る。

これを式で表わすと、 Ｒ１−主ｔ １１＝（Ｖ／Ｒ）ｃ　　’　　−（ＶＺＤ／ｌ０（１−
ｃ　　’　　　　　）−３ｔ　　　　　　　　−Δｔ Ｉｆ−ｉ３−（Ｖ／Ｒ）ｃ　’　　−（ＶＺＤ／Ｒ）（
１−ｃ　’　　）　＝１８）となり、（８）太の如く、
（６）■の場合よりＺＤの要素分、早く立下がる。しか
し、ＺＤの発熱（電流の立下り部の面積ＸｖｚＤが熱に
なる）が非常に大きくなる。

以上の各種保護回路のコイルを流れる電流の応答波形を
示すと第９図の■〜■の如きとなる。第９図において、
時間１０はＱｌがオンした時間、ｔｌはＱｌがオフした
時間をそれぞれ示す。

［発明が解決しようとする課題］ このように、ステッピングモータにおいては、対を成す
極の固定子コイルを同一の線で巻回して構成し、互いに
逆極性になるように巻装しており、また、ユニポーラ型
ではこれと逆極性にもうひとつの巻線を巻回した２系統
のコイル巻同構成とし、各コイルの巻線は片端を共通端
子とし、所定の励磁シーケンスに従い、他端に正極側の
電圧を印加することで、ロータを回転させることから、
コイルφＩ〜φ４の励磁をトランジスタＱｌ−Ｑ４のス
イッチングにより行うため、コイルに生じた逆起電圧か
らトランジスタＱ１〜Ｑ４を保護する必要があり、その
ために、この逆起電圧を逃がす保護回路が設けられる。

そして、トランジスタをオフした後も、逆起電圧により
この保護回路を通って電流が流れ続けるため、電流の立
下りが遅くなる。また、ステッピングモータはユニポー
ラ型では２系統の巻線構成としであるため、保護回路の
方式によってはこの２系統のうち、今回励磁対象となっ
ていない側のコイルに誘導電圧の流路が形成されること
から、相互誘導の影響が避けられず、このために電流の
立上りが遅くなることになる。すなわち、コイルは抵抗
とインダクタンス成分の直列回路とみなすことが出来る
から、電流の立上りと立下り時に応答遅れを生じ、これ
が前記保護回路により影響を受けてモータの回転速度制
御に大きな影響を与えることになる。特にトルクは第８
図の電流波形を見れば分かるように応答速度の遅れであ
る立トリ、立上りのなだらかさは、立下りにおいて、現
在の極にロータを止どめようとするトルクとして作用し
、また、立上りにおいては白樺にロータを吸引しようと
するトルクの立上りが遅くなることを意味する。そして
このことは、回転゛速度を規制し、高速回転を妨げる結
果をもたらす。また、保護回路に流れる電流による発熱
が問題になる。

そこで、この発明の目的とするところは、スイッチング
用トランジスタの保護回路の改善を図ることにより、応
答特性を向上させて高速回転を可能にし、しかも発熱の
少ない効率の良いステッピングモータの駆動回路を提供
することにある。

［課題を解決するための手段］ ８ヒ記目的を達成するため、本発明は次のように構成す
る。すなわち、電源とステッピングモータとを結ぶ駆動
電力供給ライン巾に順方向電流に対し、十分低インピー
ダンスとなり、且つ、逆方向の電流に対しては所定値の
電圧降下を生ずる保護手段を直列に介挿させて構成する
。

［作　用］ このような構成の本装置は、電源とステッピングモータ
とを結ぶ駆動電力供給ライン巾に保護手段を直列に介挿
させて設けてあり、この保護手段は順方向電流に対し、
十分低インピーダンスとなり、且つ、逆方向の電流に対
しては所定値の電圧降下を生ずる。そのため、電流の立
下り時には逆起電圧による電流の流路巾には逆方向の電
流に対して所定値の電圧降下を生ずる保護手段があり、
この保護手段により消費されると同時に、電源にも流れ
て消費されるため、両者による消費により早く立下り、
また、立」−り時には相互誘導の影響かないため、早く
立上る。そのため、高速回転が可能になり、また、逆起
電圧の消費は保護手段と電源とによるので、保護手段の
発熱等も改善されるようになる。

［実施例コ 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明による保護回路の構成例を４相ユニポー
ラ型に適用した場合の回路図である。図中、φ１〜φ４
はそれぞれコイルであり、φ３はφｌの、φ２はφ４の
逆巻回コイルであり、それぞれ対を成す同一固定子極に
巻回され、一端はそれぞれ対応するトランジスタＱｌ−
０４を介して直流電源Ｖの一端に接続されている。また
、コイルφｌ〜φ４の他端は共通接続とし、直流電源Ｖ
の他端に接続されている。ここまでの構成は従来のステ
ッピングモータの駆動回路の基本構成である。

本装置はコイルφ１〜φ４の共通接続端と直流電源Ｖ接
続点との間にツェナーダイオードＺＤを接続するととも
に、各トランジスタＱｌ−Ｑ４にはそのエミッターコレ
クタ間にダイオードＤ１〜Ｄ４をそれそ′れ逆方向接続
しである。

このような構成において、トランジスタオン時の動作は
前記従来回路■のケースと同じである。

すなわち、この回路は立上り時において相互誘導の影響
がないものであり、トランジスタオン時ン時に着目して
見ると、φＩの電流１１は 一二七 １ｌ−（Ｖ／Ｒ）　（１−ｃ　　Ｌ） 相互誘導がないのでφ３の電流ｉ３は 従って、 Ｊ卜 ｌｌ−１３＝（Ｖ／Ｒ）　（ｂｅ　　Ｌ）　　　　　−
（９）で（５）式と同一のものとなり、立」ニリ時定数
は（１、／ｌ？）に対応したものとなる。そのため、（
９）式かられかるように従来技術の■と同様、従来技術
■のケースの倍の速度で立上ることになる。

また、トランジスタオン時フ時の動作は、φｌにおける
誘導電圧の極性が旧側十であり、ダイオードＤＩが逆極
性となるので、この誘導電圧による電流１１の流路が断
たれるため、１１は零、そして、φ３における誘導電圧
の極性がＤ３側−であり、ダイオードＤ３が順方向とな
るので、この誘導電圧による電流１３の流路が確保され
る。そして、電流１３は直流電源Ｖの負極→ダイオード
Ｄ３→コイルφ３−ツェナーダイオードＺＤ→直流電源
Ｖの正極のルートを辿って流れることになり、ツェナー
ダイオードＺＤと直流電源Ｖとにより消費されることに
なる。すなわち、このときの電流ｉｆ、　１３の式は一
旦七　　　　　　　　−坂 ｉｆ−１３＝　（（Ｖ＋ＶＺＤ）／Ｒ）×（１−ｃ　　
’　　　　）−（Ｖ／Ｒ）０’・・・（１０） したがって、従来回路■と同一の能力を得るには、ツェ
ナーダイオードＺＤのツェナー電圧ＶＺＤを小さくでき
、発熱を小さくできるようになる。また、従来回路■と
同一のツェナーダイオードＺＤを用いた場合には、電流
は早く消失するので、より高速な動作が可能になり、且
つ、その時の発熱も従来回路■より小さくなる。

この回路の特性は第９図の■の如きであり従来例に比べ
明らかに立下りの特性が改汲される。

以−１１、本発明はユニポーラ型に対する適用例を説明
したが、バイポーラ型に対しても適用可能である。以下
、その例を説明する。４相バイポーラ型のステッピング
モータの構造を第２図に示す。

バイポーラ型はステータＳＴにおける対向極Ｐ１とＰ３
、Ｐ２とＰ４にそれぞれ１本の巻線によりコイルＩ、ｌ
、　Ｉ、２を巻回し、Ｔφ１側（Ｔφ２側）から電流を
流したり、Ｔφ３側（Ｔφ４側）から電流を流したりす
ることにより、電流方向を変えて励磁する。従って、ト
ランジスタＱ３１−Ｑ３４．Ｑ３５〜Ｑ３ｇをブリッジ
接続し、そのブリッジ中点間にそれぞれ、対応のコイル
ＬＬ、　Ｌ２を接続する。そして、各トランジスタＱ３
１〜Ｑ３４．Ｑ３５〜Ｑ３ｇにはそのエミッターコレク
タ間にトランジスタ保護用のダイオードＤ３１−Ｄ３４
．Ｄ３５〜Ｄ３８を接続し、直流電源■の正極側ライン
とこれらトランジスタブリッジの正極側接続点との間に
、ツェナーダイオードＺＤを接続する。そして、各トラ
ンジスタのうち、ブリッジの対角線の位置関係にあるＱ
３１とＱ３４　、　Ｑ３２とＱ３３　、　Ｑ３５とＱ３
ｇ　、　Ｑ３ＢとＱ３７を励磁シーケンスに従ってオン
／オフすることにより、コイルＬｌ。

１．２の励磁制御と励磁方向の制御を行う。この回路は
コイルＬｌ、　Ｌ２に発生する逆起電圧は各ダイオード
０３１〜Ｄ３４　、　Ｄ３５〜Ｄ３８を通して直流電源
Ｖに流れるが、経路の途巾に直流電源Ｖに対して順方向
接続となるようにツェナーダイオードＺＤが接続してあ
り、これが逆方向電流に対して抵抗分となるので、ツェ
ナーダイオードＺＤのツェナー電圧ＶＺＤ対応分の消費
が成され、直流電源Ｖによる消費とともに利いて来るの
で、立下り特性が良くなる。また、立上りでは相互誘導
は起きないので、保護回路による遅延は影響なく、立上
り特性はコイルの抵抗とインダクタンス分のみで決まる
。

尚、第１図及び第３図における構成中、ツェナーダイオ
ードＺＤ部分を第４図の構成にすると小容瓜ツェナーダ
イオードを利用できる。そして、特にツェナーダイオー
ドはトランジスタと比較すると大容量のものがないので
、これは極めてを用な技術となる。第４図の（ａ）はＮ
ＰＮトランジスタを使用した例であり、当該トランジス
タのコレクターエミッタ間にエミッタ側をアノード側と
してダイオードＤを接続し、また、トランジスタのベー
ス−エミッタ間には抵抗Ｒを、そして、ベース−コレク
タ間にはベース側をアノード側としてツェナーダイオー
ドＺＤを接続する。そして、ダイオードＤが順方向接続
となるように当該回路を電源ライン巾に接続する。

第４図の（ｂ）はトランジスタにＰＮＰ　）ランジスタ
を使用した例であり、当該トランジスタのコレクターエ
ミッタ間にコレクタ側をアノード側としてダイオードＤ
を接続し、また、トランジスタのベース−エミッタ間に
は抵抗Ｒを、そして、ベース−コレクタ間にはベース側
をカソード側としてツェナーダイオードＺＤを接続する
。そして、ダイオードＤが順方向接続となるように当該
回路を電源ライン巾に接続する。

このような回路は、ツェナーダイオードＺＤのツェナー
電圧をトランジスタの動作電圧とするもので、ツェナー
電圧相当分の逆電圧が加わるとトランジスタはオンし、
逆電圧はトランジスタを通って直流電源Ｖに流れ込む。

そのため、大きいツェナーダイオードＺＤを使用しなけ
ればならない場合に、このような回路とするとトランジ
スタの動作電流程度の電流容量を持つツェナーダイオー
ドで間に合わせることが出来る。順方向電流はダイオー
ドＤを通ってバイパスされるので、立上りの遅れに対す
る影響は少なくできる。

このように本装置は、ステータのコイルをスイッチング
素子を介してＯｋｉ流電源に接続し、このスイッチング
素子を所定の励磁シーケンスに従い、オン／オフして順
次励磁することによりロータを回転駆動させる構成とす
ると共に、コイルのスイッチング制御時における逆起電
圧をバイパスさせることにより前記スイッチ素子を保護
する保護手段を設けたステッピングモータの駆動回路に
おいて、電源とコイルとの間にツェナーダイオードを接
続して構成したものである。そのため、コイルの励磁開
始時は相互誘導による誘導電圧の流路はないので、＋１
１互誘導は生ぜず、立上り時の遅れはコイルの抵抗性と
インダクタンス分により決り、保護手段による遅れの要
素の介在はなく、立」ユリを早くできるとともに、コイ
ルのオフ時は相互誘導による誘導電圧をツェナーダイオ
ードと電源とにより消費させるようにしたので、コイル
電流の立下りも早くなり、従って、高速回転が可能にな
る他、誘導電圧をツェナーダイオードと電源とにより消
費させるので、ツェナーダイオードの負担を軽減でき、
従って、発熱を少なくできる等の効果が得られる。その
ため、本発明の駆動回路は高速、高効率が要求される装
置、例えば、電池駆動されるカメラのオートフォーカス
、絞り機構等の駆動用に使用できる。

尚、本発明は」二記し、且つ、図面に示す実施例に限定
することなくその要旨を変更しない範囲内で適宜変形し
て実施し得る。

［発明の効果］ 以」二、詳述したようにこの発明によれば、スイッチン
グ用トランジスタの保護回路の改善を図ることにより、
応答特性を向上させて高速回転を可能にし、しかも発熱
の少ない効率の良いステッピングモータの駆動回路を提
供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は４相
バイポーラ型のステッピングモータの構成を示す図、第
３図は４相バイポーラ型のステッピングモータに適用し
た場合の本発明を示す回路図、第４図は第３図回路にお
けるツェナーダイオードの代用回路例を示す図、第５図
は４相ユニポーラ型のステッピングモータの構成を示す
図、第６図は４柑ユニポーラ型のステッピングモータの
動作を説明するための図、第７図はその駆動回路例を示
す図、第ギ図は４相ユニポーラ型のステッピングモータ
の励磁シーケンスと電流波形を示す図、第９図は各種保
護回路を含めた４相ユニポーラ型のステッピングモータ
駆動回路における立上り立下り特性を示す図、第１０図
は保護回路を含めた従来の４相ユニポーラ型のステッピ
ングモータの駆動回路例を説明するための図である。 φ１〜φ４　、　Ｌｌ、　Ｌ２・・・コイル、Ｑ１〜Ｑ
４．０３１〜３ｇ トランジスタ、 Ｄｉ〜Ｄ４゜ 〜Ｄ３ｇ ・・グイ オード、 ＺＤ・・・ツェナーダイオ− ド、 １？ ・・・　１氏抗、 １？Ｔ 夕、 ＳＴ・・・ステータ、 ■・・・電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　電源とステッピングモータとを結ぶ駆動電力供給ライ
   ン巾に順方向電流に対し、十分低インピーダンスとなり
   、且つ、逆方向の電流に対しては所定値の電圧降下を生
   ずる保護手段を直列に介挿させてなることを特徴とする
   ステッピングモータの駆動回路。