JPH06121594A - ステッピングモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 制御動作を短くすることができ、しかも確実
にステッピングモータを停止させることができるステッ
ピングモータ駆動回路を提供する。 【構成】 ステッピングモータ１の各相の磁極に巻かれ
た励磁コイル２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの両端間に、整流
回路４が接続されている。整流回路４は励磁コイル２
ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが直流電源Ｅにて励磁制御されて
いない時、コントローラ６にて昇圧コンバータ５と電気
的に接続され、ステッピングモータ１の運動エネルギー
に基づいて同励磁コイル２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂに誘起
された誘導起電力を直流電源Ｅに回生する。その結果、
ステッピングモータ１にはこの電気エネルギーの回生に
よって制動がかけられる。

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駆動
回路に係わり、詳しくはステッピングモータ運転の減速
制御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オープンループで
高精度の位置決め制御を行なうことができ、また、減速
機がなくても低速回転が可能であり、負荷との相性では
バックラッシュレスで伝達誤差の小さい回転が得られる
ため，ＯＡ機器・各種制御機器等に用いられている。そ
の一例として、図５にバイファイラ巻きユニポーラ駆動
方式の２相ステッピングモータの要部回路を示す。

【０００３】図５において、Ａ相に巻いた相反する方向
に磁気結合した励磁コイル３１ａ、３１ｂのうち、一方
（Ａ）相のコイル３１ａは駆動トランジスタＴ１と直列
に接続されている。そして、同トランジスタＴ１のオン
・オフ動作に基づいて直流電源Ｂから電源が印加され、
コイル３１ａは励磁制御される。また、他方（バーＡ
相）のコイル３１ｂは駆動トランジスタＴ２と直列に接
続され、トランジスタＴ２のオン・オフ動作に基づいて
同様に励磁制御される。

【０００４】また、Ｂ相に巻いた相反する方向に磁気結
合した励磁コイル３２ａ，３２ｂのうち、一方（Ｂ相）
のコイル３２ａは駆動トランジスタＴ３と直列に接続さ
れている。そして、同トランジスタＴ３にオン・オフ動
作に基づいて直流電源Ｂから電源が印加され、コイル３
２ａは励磁制御される。また、他方（バーＢ相）のコイ
ル３２ｂは駆動トランジスタＴ４と直列に接続され、ト
ランジスタＴ４のオン・オフ動作に基づいて同様に励磁
制御される。

【０００５】そして、各トランジスタＴ１〜Ｔ４のベー
スに出力する各駆動信号Ｓｄに基づいて各コイル３１ａ
〜３２ｂが励磁制御されてステッピングモータは駆動さ
れる。すなわち、この場合、トランジスタＴ１をオンさ
せ、Ａ相のコイル３１ａを励磁させたのち、トランジス
タＴ３をオンさせ、Ｂ相のコイル３２ａを励磁させる。
次に、トランジスタＴ２をオンさせ、バーＡ相のコイル
３１ｂを励磁させたのち、トランジスタＴ４をオンさ
せ、バーＢ相のコイル３２ｂを励磁させる。以後、この
順次を繰り返すことによってステッピングモータは回転
する。

【０００６】また、各トランジスタＴ１〜Ｔ４にはその
コレクタ・エミッタ間にエミッタからコレクタに向かう
方向を順方向とする回生用のダイオードＤがそれぞれ接
続されている。

【０００７】そして、この各ダイオードＤは、対応する
トランジスタＴ１〜Ｔ４がオンからオフしたとき、通電
していたコイルに生ずる逆起電力によって発生する回生
電流を直流電源Ｂに帰還させるようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記ステッ
ピングモータを所定のステップ数（目的の回動量）だけ
駆動させる場合、その運転パターンは図６に示すような
加速・減速制御で行われる。すなわち、駆動信号の周波
数を図７の周波数−トルク特性で示す自起動領域の周波
数であるｆ（Ｌ）から徐々にスルー領域の周波数である
ｆ（Ｈ）まで上げていく。そして、目的のステップ数に
近づく前に、再びスルー領域のｆ（Ｈ）から自起動領域
のｆ（Ｌ）に周波数を徐々に下げる。そして、所定のス
テップ数だけ回動、すなわち、所定の数の駆動信号を出
力させると、以後の駆動信号の出力を停止させ、ステッ
ピングモータの駆動を停止させる。

【０００９】この駆動信号の周波数を自起動領域からス
ルー領域まで上げ、一定期間そのスルー領域の高い周波
数で駆動させるのは、目的のステップ数（目的の回動
量）に速く到達させるためのものであって、応答性の向
上を図る上で不可欠な制御方法である。

【００１０】しかしながら、ステッピングモータは上記
のようにスルー領域で駆動した後に、自起動領域に戻し
て停止させる必要がある。すなわち、自起動領域におけ
る駆動信号の周波数は、その駆動信号に同期して、ミス
ステップなしに起動・停止・逆転できる周波数の領域に
ある。これに対して、スルー領域における駆動信号の周
波数は同期を失わずに応答することができる周波数の領
域であって、ミスステップなしに停止することはできな
い。従って、ステッピングモータを高速制御するにはス
ルー領域での周波数を利用し、停止させる際には、自起
動領域での周波数を用いなければならない。

【００１１】この停止に移る際、駆動信号の周波数をス
ルー領域から徐々に下げて自起動領域に移行するタイミ
ングはスルー領域で駆動されているモータの慣性力を考
慮して、目的のステップ数に到達する遙か前の時点でお
こなわれる。

【００１２】このスルー領域から自起動領域に移る制御
動作が早ければ早いほどスルー領域で駆動制御する時間
が短くなるため、目的のステップ数（目的の回動量）に
到達させるのに長時間を要することになり、ステッピン
グモータの応答性の向上を図る上で問題となっている。

【００１３】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたものであって、その目的は制御動作を短くすること
ができ、しかも確実にステッピングモータを停止させる
ことができるステッピングモータ駆動回路を提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するため、ステッピングモータの各相の磁極に巻かれた
励磁コイルの両端間に、同励磁コイルが直流電源にて励
磁制御されていない時、ステッピングモータの運動エネ
ルギーに基づいて同励磁コイルに誘起された電気エネル
ギーを回生又は消費する制動回路を設けたステッピング
モータ駆動回路をその要旨とするものである。

【００１５】

【作用】励磁コイルが直流電源にて励磁制御されていな
い時、制動回路はステッピングモータの運動エネルギー
に基づいて同励磁コイルに誘起された電気エネルギーを
回生又は消費するようにしたので、ステッピングモータ
にはこの電気エネルギーの回生又は消費によって制動が
かけられたことになる。

【００１６】従って、ステッピングモータを停止させる
際、この制動力を利用すればステッピングモータをより
効率良く停止、急停止させることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図１〜
３に従って説明する。図１はバイファイラ巻き２相ステ
ッピングモータ１を駆動するためのユニポーラ駆動方式
の駆動回路を示す。Ａ相の磁極には相反する方向に磁気
結合した励磁コイル２ａ，２ｂが巻かれている。また、
Ｂ相の磁極には相反する方向に磁気結合した励磁コイル
３ａ，３ｂが巻かれている。

【００１８】Ａ相の励磁コイル２ａは一端が直流電源Ｅ
の正極に、他端が駆動トランジスタＴ１１を介して直流
電源Ｅの負極に接続され、同駆動トランジスタＴ１１の
オン動作に基づいて直流電源Ｅから電源が印加されて励
磁制御される。また、他方（バーＡ相）の励磁コイル２
ｂは一端が直流電源Ｅの正極に、他端が駆動トランジス
タＴ１２を介して直流電源Ｅの負極に接続され、同駆動
トランジスタＴ１２のオン動作に基づいて同様に励磁制
御される。

【００１９】一方、Ｂ相の励磁コイル３ａは一端が直流
電源Ｅの正極に、他端が駆動トランジスタＴ１３を介し
て直流電源Ｅの負極に接続され、同駆動トランジスタＴ
１３のオン動作に基づいて直流電源Ｅから電源が印加さ
れて励磁制御される。また、他方（バーＢ相）の励磁コ
イル３ｂは一端が直流電源Ｅの正極に、他端が駆動トラ
ンジスタＴ１４を介して直流電源Ｅの負極に接続され、
同駆動トランジスタＴ１４のオン動作に基づいて同様に
励磁制御される。

【００２０】各駆動トランジスタＴ１１〜Ｔ１４にはそ
のコレクタ・エミッタ間にエミッタからコレクタに向か
う方向を順方向とする回生用のダイオードＤ１〜Ｄ４が
それぞれ接続されている。この各ダイオードＤ１〜Ｄ４
は対応する駆動トランジスタＴ１１〜Ｔ１４がオンから
オフしたとき、通電していた励磁コイルに生じる逆起電
力によって発生する回生電流を直流電源Ｅに帰還させる
ようになっている。

【００２１】各相の相反する方向に磁気結合した励磁コ
イル２ａ，２ｂ及び３ａ，３ｂの両端間には、それぞれ
整流回路４が接続されている。該整流回路４は、公知の
単相ブリッジ整流回路であって、４個のダイオードによ
り構成されている。整流回路４の整流された出力は、昇
圧コンバータ５に出力される。該昇圧コンバータ５は、
公知のＤＣ昇圧チョッパであって、平滑用のリアクトル
と還流ダイオード及びサイリスタとから構成される。昇
圧コンバータ５は、コントローラ６から出力される図２
に示す駆動信号Ｓｄ５及びＳｄ６に基づいて動作する。
そして、該昇圧コンバータ５は、駆動信号Ｓｄ５，Ｓｄ
６に基づいて、各整流回路４の直流電圧を入力し、昇圧
して電源Ｅに回生する。

【００２２】すなわち、コントローラ６から駆動信号Ｓ
ｄ５が出力されると、昇圧コンバータ５はＡ相側の整流
回路４と電気的に接続され、同整流回路４からの直流電
圧を昇圧し電源Ｅに回生する。一方、コントローラ６か
ら駆動信号Ｓｄ６が出力されると、昇圧コンバータ５は
Ｂ相側の整流回路４と電気的に接続され、同整流回路４
からの直流電圧を昇圧し電源Ｅに回生する。

【００２３】又、コントローラ６は、駆動トランジスタ
Ｔ１１〜１４のベースに駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４を出力
する。コントローラ６は駆動トランジスタＴ１１に駆動
信号Ｓｄ１を出力し、駆動トランジスタＴ１１をオン・
オフ制御する。コントローラ６は駆動トランジスタＴ１
２に駆動信号Ｓｄ２を出力し、駆動トランジスタＴ１２
をオン・オフ制御する。コントローラ６は駆動トランジ
スタＴ１３に駆動信号Ｓｄ３を出力し、駆動トランジス
タＴ１３をオン・オフ制御する。コントローラ６は駆動
トランジスタＴ１４に駆動信号Ｓｄ４を出力し、駆動ト
ランジスタＴ１４をオン・オフ制御する。

【００２４】そして、本実施例の駆動回路では、ステッ
ピングモータ１を１−２相励磁するための励磁シーケン
スで駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４を出力する。１−２相励磁
方式は公知の励磁方式であって、その詳細は省略するが
図２に示すタイミングで各駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４を出
力して各相を励磁する。

【００２５】次に上記のように構成されたステッピング
モータ駆動回路の作用について説明する。１−２相励磁
にてステッピングモータ１を所定のステップ数（目的の
回動量）だけ駆動させる場合、図３に示すようにコント
ローラ６はまず駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４を自起動領域内
の制御周波数ｆ（Ｌ）でかつ１−２相励磁のタイミング
で出力しステッピングモータ１を起動する。

【００２６】ステッピングモータ１の起動後、コントロ
ーラ６は徐々に駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４の周波数を上げ
て自起動領域内の制御周波数ｆ（Ｌ）から、スルー領域
内に設定された制御周波数ｆ（Ｈ）まで上昇させる。ス
テッピングモータ１はミスステップをすることなく回転
が上昇し，制御周波数ｆ（Ｈ）で運転されるようになっ
た時点で、制御周波数は固定され、ステッピングモータ
１はｆ（Ｈ）で定速運転される。このスルー領域におけ
る速い回転で、ステッピングモータ１は所定のステップ
数（目的の回動量）の大部分の回動を行う。従って、素
早く所定のステップ数（目的の回動量）に到達させるた
めに、ステッピングモータ１の応答速度が上がる。

【００２７】ステッピングモータ１が所定のステップ数
（目的の回動量）に対してあるステップ数まで回動する
と、コントローラ６は停止動作に移る。すなわち、駆動
信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４の周波数をスルー領域から自起動領
域に下げる前に、コントローラ６は昇圧コンバータ５に
対して駆動信号Ｓｄ５，Ｓｄ６を図２の示すタイミング
で出力する。

【００２８】コントローラ６は図２のタイムチャートに
示すように、駆動信号Ｓｄ５をＡ相の励磁コイル２ａ，
２ｂが励磁されていない時間に出力する。又，コントロ
ーラ６は駆動信号Ｓｄ６をＢ相の励磁コイル３ａ，３ｂ
が励磁されていない時間に出力する。そして、駆動信号
Ｓｄ５が出力されることにより、昇圧コンバータ５はＡ
相側の整流回路４と電気的に接続される。また、駆動信
号Ｓｄ６が出力されることにより、昇圧コンバータ５は
Ｂ相側の整流回路４と電気的に接続される。

【００２９】すなわち、励磁が行われていない磁極のコ
イルには、永久磁石よりなる回転子の回転によって誘導
起電力が発生する。この起電力は整流回路４に出力され
る。そして、この起電力は整流回路４にて整流され、そ
の整流された起電力は昇圧コンバータ５を介して直流電
源Ｅに回生される。

【００３０】詳述すると、励磁されていない相のコイル
に発生する起電力は、回転子の運動エネルギーが、電気
エネルギーに変換されたものであるということができ
る。従って、この起電力により、電流を取り出すこと
で、回転子の運動エネルギーを電気エネルギーとして回
生することができる。すなわち、この回生動作により、
モータ１に負荷（制動）を与えていることになる。

【００３１】所定の期間、駆動信号Ｓｄ５，Ｓｄ６を出
力してステップピングモータ１に負荷（制動）を与えた
後、コントローラ６は駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４の周波数
をスルー領域から自起動領域の周波数に徐々に下げ、ス
テッピングモータ１の回転数を低下させていく。この場
合、制御周波数を下げる時間当たりの変化量は、ステッ
ピングモータ１の回転に、回生動作による制動が加わっ
ているため、時間当たりの変化量より大きくしても、ス
テッピングモータはミスステップを起こすことがなく追
従する。そして、駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４の周波数は、
自起動領域内の周波数ｆ（Ｌ）まで下げられると、ステ
ッピングモータ１は直ちに停止される。

【００３２】従って、図３に示すように、本実施例の駆
動回路は、回転子の運動エネルギーの回生を行わない従
来の駆動回路の周波数をスルー領域から自起動領域への
開始時間Ｔ１よりも遅いタイミングＴ２で自起動領域へ
の開始ができる。その結果、回生動作を行うことで、従
来よりも大きい減速度でミスステップをすることなくス
ルー領域を脱して、従来の停止タイミングＴ４よりも速
いタイミングＴ３で目的の回動量を達成して確実に停止
することができる。

【００３３】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく以下の態様で実施してもよい。 （１）前記実施例では所定のステップ数まで回動させる
際の停止動作に使用したが、ステッピングモータの回転
中に急停止させる場合にこの制動を利用してもよい。

【００３４】（２）前記実施例ではバイファイラ巻きの
ユニポーラ駆動方式の駆動回路に具体化したが、図４に
示すユニファイラ巻き２相ステッピングモータのバイポ
ーラ駆動方式の駆動回路に具体化してもよい。

【００３５】すなわち、図４に示すようにＰＮＰトラン
ジスタＴ２１，Ｔ２２、ＮＰＮトランジスタＴ２３，Ｔ
２４がブリッジ回路に構成され、そのブリッジ回路間に
励磁コイル７が接続されている。そして、この励磁コイ
ル７に対して整流回路４０を接続し、その整流回路４０
の整流された出力を、昇圧コンバータ５０に出力する。
そして、昇圧コンバータ５０は図示しないコントローラ
の駆動信号に基づいて整流回路４０を昇圧コンバータ５
０とを電気的に接続し、同昇圧コンバータ５０を介して
直流電源Ｅに出力するようにしてもよい。勿論、整流回
路４０を昇圧コンバータ５０とを電気的に接続するタイ
ミングは当該励磁コイル７がＰＮＰトランジスタＴ２
１，Ｔ２２、ＮＰＮトランジスタＴ２３，Ｔ２４による
励磁動作が行われていない時である。

【００３６】（３） バイファイラ巻線のユニポーラ駆
動方式及びユニファイラ巻線のバイポーラ駆動方式の駆
動回路について実施したが、ステッピングモータの巻線
と駆動方式の組合せは他のものでもよい。

【００３７】（４） 上記実施例では、起電力による交
流を整流し昇圧して電源電圧として回生したが、熱的な
問題が回避できれば、コイル間に抵抗とコントローラに
よりオンされるスイッチを接続して、抵抗においてジュ
ール熱として消費させても良い。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ス
テッピングモータの運転において、制御動作を短くする
ことができ、しかも確実に停止させることができるとい
う優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のバイファイラ巻線のユニポーラ駆動
方式のステッピングモータ駆動回路の概略の回路図であ
る。

【図２】同じく１−２相励磁方式によるステッピングモ
ータ駆動回路の励磁シーケンスと昇圧コンバータの駆動
タイミングを示すタイムチャートである。

【図３】ステッピングモータの運転パターンを示す図で
ある。

【図４】ユニファイラ巻線のバイポーラ駆動方式のステ
ッピングモータ駆動回路を説明するための要部回路図で
ある。

【図５】従来例のバイファイラ巻線のユニポーラ駆動方
式のステッピングモータ駆動回路図である。

【図６】ステッピングモータの運転パターンを示す図で
ある。

【図７】ステッピングモータの制御周波数−トルク特性
を示す図である。

【符号の説明】

１…ステッピングモータ、２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ…励
磁コイル、４…整流回路、５…昇圧コンバータ、６…コ
ントローラ、Ｅ…直流電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステッピングモータの各相の磁極に巻かれ
   た励磁コイルの両端間に、同励磁コイルが直流電源にて
   励磁制御されていない時、ステッピングモータの運動エ
   ネルギーに基づいて同励磁コイルに誘起された電気エネ
   ルギーを回生又は消費する制動回路を設けたステッピン
   グモータ駆動回路。