JPH06153591A - ステップモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ステップモータの励磁駆動電圧としての三角
関数波に対し、ステップモータのロータへのホールデン
グトルクをほぼ一定とするよう電圧補正した補正値とし
て出力する励磁手段を備え、ｓｉｎ波に対してはＶ
₀ （１＋ｆ（ｓｉｎ２θ））ｓｉｎθなる補正値をもっ
て励磁コイルに出力するよう構成した。 【効果】 ステップモータの１相励磁時と２相励磁時に
おけるロータへのホールデングトルク変化特性を改善
し、きわめてスムーズな動特性を得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロステップ駆動
方式のステップモータ駆動装置に係り、特に指針指示計
器の駆動源としてスムーズな回動を行い得る補正駆動電
圧波形を出力する駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりステップモータの駆動方式とし
てモータ自体のステップ数に係りなくスムーズな回転運
動を行わしめるマイクロステップ駆動方式が知られてい
る。しかしながら、このようなマイクロステップ駆動方
式によるステップモータ駆動においても、ステップモー
タの励磁コイルに印加する三角関数波の駆動電圧（電
流）の電気角のようにはロータがリニアに回転しないと
いう現実があり、たとえばステップモータのステータ極
歯とロータによるディテントトルクやロータへの磁界の
歪みによる脈動が原因となり機械的回転角の非直線性と
なって現れるという問題を有していた。

【０００３】こうした非直線性を改善するため、励磁コ
イルへの駆動電圧（電流）波形を補正する方法が提案さ
れており、たとえば特開昭63-171,197号に開示される補
正方法がある。これは、三角関数波の駆動電圧（電流）
の電気角を補正し、１相励磁位置においては小さく、２
相励磁位置においては大きくなる機械的回転角の傾きを
リニアにするもので、前述したディテントトルク等に起
因する非直線性に対する補正としてはきわめて効果的な
方法となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、励磁駆動電
気角に対する機械的回転角の直線性に関しては前記補正
方法にて対応可能であり、さらにステップモータ本体の
構造改良にてもある程度の非直線性の改善が可能となる
が、励磁駆動電気角の変化に対する機械的回転角の追従
動作に脈動を生ずるという回転作動時のスムーズな動き
が得られないといった問題は改善できないままとなって
いる。

【０００５】すなわち、ステップモータの励磁コイルへ
の三角関数波からなる駆動電圧（電流）の電気角に応じ
たロータへの磁力作用によるホールデングトルクは、ス
テップモータのステータ極歯とロータ磁極の間隙や極歯
ピッチ等によって常に一定のトルクを得られるものでは
なく、たとえば１相励磁位置でのホールデングトルクに
比して２相励磁位置でのトルクが大きくなったりあるい
は小さくなったりして、結果的に電気角に対するロータ
のホールデングトルクに強弱が生じるため、電気角に基
づく駆動電圧（電流）の変化へのロータの追従動作に脈
動が生じ、特にその変化率が大きい場合には、ホールデ
ングトルクの強弱による追従動作の脈動が目立ち、たと
えば指示計器として指針を駆動する際には指針の脈動が
無視し得なくなってくる。

【０００６】また、上記脈動は、ステッピングモータの
構造（ステータ極歯ピッチやロータとのギャップ等）と
駆動電圧（電流）の変化率との関係で大きくなる点を有
し、現象としては駆動電圧（電流）の変化率に対応した
電気角位置毎のホールデングトルクの変化に対するロー
タの回転特性の共振作用が生ずる変化率が存在すること
があり、特に指示計器のように測定事象の変化速度が様
々に変化する場合には、ある変化速度にて特に大きな脈
動指示が生じ、指示計器としてのスムーズな指示特性を
得られないという問題がある。

【０００７】ホールデングトルクの強弱によるロータ回
転時の脈動現象は、前述した従来構成の電気角補正とは
全く関係のない動特性として生ずるものであり、ホール
デングトルクの弱い位置から強い位置あるいは強い位置
から弱い位置へのロータの追従動作時に、上記各位置間
のトルクの強弱変化に伴う追従速度の変化となって現
れ、これが脈動となって生ずるものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記脈動を押
さえ動特性をスムーズなものとするための補正励磁を行
うもので、三角関数波からなる駆動電圧（電流）に対し
てステップモータのステップ間におけるロータへのホー
ルデングトルクをほぼ一定とするよう電圧（電流）補正
した補正値を出力するステップモータ励磁手段を備えた
ものである。さらに本発明の励磁手段における補正電圧
Ｖsin ，Ｖcos が、Ｖsin ＝Ｖ₀ （１＋ｆ（ｓｉｎ２
θ））ｓｉｎθおよびＶcos ＝Ｖ₀ （１＋ｆ（ｃｏｓ２
θ））ｃｏｓθとなるｆ関数を含む補正を行うものであ
り、その具体的関数式として、Ｖsin ＝Ｖ₀ （１＋Ｋ
（Ａｂｓ（ｓｉｎ２θ））a ）ｓｉｎθおよびＶcos ＝
Ｖ ₀ （１＋Ｋ（Ａｂｓ（ｓｉｎ２θ））a ）ｃｏｓθで
あることを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】ステップモータのステップ間におけるロータへ
のホールデングトルクをほぼ一定とするよう三角関数波
からなる駆動電圧（電流）を補正することにより、ステ
ップモータの駆動電気角変化に対する機械的回転作動の
動特性が脈動することなくスムーズとなり、指示計器に
おいてはその指針の指示特性がきわめて良好となる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す回路ブロック
図であり、指示計器として使用するステップモータ駆動
装置の基本構成を示している。このようなステップモー
タ駆動による指示計器の代表的なものとしてたとえば特
開昭61-129,573号あるいは特開平1-223,312 号に開示さ
れる比較差分増減方式が採用され、指示計器の駆動源と
してのステップモータをマイクロステップ駆動する構成
が一般的となっている。

【００１１】本発明の実施例における指示計器としての
基本構成はこうした演算方式にて容易に達成し得るが、
励磁信号の波形の特定には、特に三角関数波をマイクロ
ステップ駆動方式で生成するうえでは、たとえば特開平
2-136,100 号に開示されるようなＲＯＭへの波形値記憶
方式を用いるのが容易である。

【００１２】図１において、測定量の変化に応じた周波
数パルス信号を発生するセンサ１の出力を、所定のゲー
ト周期によるカウント測定や周期測定方式にて計測し、
その変化の差を求めてその差に応じた電気角に相当する
ステップ作動を行わせるべく演算処理する演算処理手段
２に入力する。演算処理手段２にて求められた電気角デ
ータは励磁手段３に供給され、ステップモータ４をマイ
クロステップ駆動するべく励磁信号が生成される。

【００１３】ステップモータ４にはＰＭ型モータが使用
され、Ａ相の励磁コイル５ＡとＢ相の励磁コイル５Ｂへ
の励磁によるロータ６の回転駆動が行われる。ロータ６
の出力軸には指示計器としての指針７が固着され、スケ
ール板８の目盛との対比判読にて測定量の変化を読み取
るようにしている。

【００１４】励磁手段３は、演算処理手段２からの電気
角データに基づいて予め三角関数波の補正値を記憶した
ＲＯＭ９の励磁データを制御回路10にて読み出し、電気
角データに対応した三角関数波の補正値（デジタル値）
に応じた励磁電圧となるデューティ比信号としてＰＷＭ
変換出力するとともに、Ａ相コイル５ＡとＢ相コイル５
Ｂに各々ｓｉｎ波，ｃｏｓ波の補正特性の励磁信号とし
て分配する分配回路11を通して励磁回路12に供給する構
成から成っている。

【００１５】ＲＯＭ９には電気角データに対応した任意
のマイクロステップ分解能にての三角関数波の補正値
が、ステップモータ４への励磁駆動電圧の補正電圧値と
対応するデジタル値として記憶されている。たとえば、
ステップモータ４のステップ数を決めるステータ極歯間
をマイクロステップ駆動するための電気角θが360 °で
あり、この電気角θに対して三角関数波であるｓｉｎ
波，ｃｏｓ波特性の変化を90°（１／４象現分）だけ12
8 分割したデータとして記憶し、ｓｉｎ波特性について
はこの１／４象現分のデータを利用して生成し、ｃｏｓ
波特性についてはこれに90°分の位相補正をして生成す
ることで記憶容量を少なくするよう構成している。

【００１６】すなわち、ＲＯＭ９には、90／128 度のマ
イクロステップ分解能にて、128 個のエリアに各ステッ
プ角すなわち電気角θに対応する本発明になる補正電圧
値に対応したデジタルデータが記憶されており、演算処
理手段２からの電気角θのデータに対応して制御回路10
によりＲＯＭ９からのデータが読み出され、ｓｉｎ波特
性とｃｏｓ波特性の各電気角θに対応した補正値データ
がＰＷＭ変換されて、補正電圧値を示すデューティ比信
号としてＡ相コイル５ＡとＢ相コイル５Ｂに供給され
る。

【００１７】ここでのＲＯＭ９に記憶される電気角θに
対応した補正値データは、Ａ相コイル５Ａへの励磁駆動
電圧Ｖsin とＢ相コイル５Ｂへの励磁駆動電圧Ｖcos
が、各々、 Ｖsin ＝Ｖ₀ （１＋Ｋ（Ａｂｓ（ｓｉｎ２θ））a ）ｓ
ｉｎθ Ｖcos ＝Ｖ₀ （１＋Ｋ（Ａｂｓ（ｓｉｎ２θ））a ）ｃ
ｏｓθ となるよう電気角θに対するこれら補正電圧値を生成し
得る１／４象現分のデジタルデータとして設定してお
く。もちろんＲＯＭ９の容量が充分に確保し得るなら
ば、上記補正電圧値に対応する電気角360 °分の補正値
データを予め記憶しておき、これに基づいて上記電圧Ｖ
sin とＶcos を生成するようにしてもよい。

【００１８】図２は、本発明の第２実施例を示す回路ブ
ロック図であり、指示計器としての基本構成は図１の実
施例と同じであるが、励磁手段３における補正値の生成
回路が異なっている。図１の実施例では、励磁手段３か
ら出力する補正電圧値に対応させて予め補正値データを
ＲＯＭ９に記憶させておき、これを変換して励磁駆動電
圧としたものであるが、図２の実施例では、ＲＯＭ９に
は電気角θに対して補正のない三角関数波データを記憶
させておき、電気角θに対してＲＯＭ９から読み出した
三角関数波データに基づくＰＷＭ変換信号あるいはＤＣ
電圧信号を本発明になる補正関数にて補正し、その補正
後の信号を励磁駆動電圧としてステップモータ４に出力
する構成としたものである。

【００１９】すなわち、図２において励磁手段３は、補
正を加えない三角関数波の励磁駆動電圧Ｖ₀ sin θとＶ
₀ cos θを生成し得るような電気角θに対してｓｉｎ
θ，ｃｏｓθで変化する三角関数波データをＲＯＭ９に
予め記憶させておき、制御回路10にて演算処理手段２か
らの電気角データに対応する三角関数波データをＲＯＭ
９から読み出し、それに対応するＤＣ電圧信号として分
配回路11に出力する。

【００２０】分配回路11にてｓｉｎ波特性信号とｃｏｓ
特性信号すなわちＶ₀ sin θとＶ₀cos θに分配された
電圧信号は、補正回路13に入力され、ここでのアナログ
演算処理（演算増幅等）によって補正電圧値Ｖsin とＶ
cos が生成される。つまり補正回路13に入力された三角
関数波電圧信号Ｖ₀ sin θおよびＶ₀ cosθは、各々制
御回路10からの電気角θに対応した補正関数（１＋Ｋ
（Ａｂｓ（ｓｉｎ２θ））a ）によって定まる補正係数
としてＶ₀ sin θおよびＶ₀ cos θとのアナログ演算処
理が成され、補正回路13で補正された補正電圧値Ｖsin
とＶcos は、 Ｖsin ＝Ｖ₀ ｓｉｎθ（１＋Ｋ（Ａｂｓ（ｓｉｎ２
θ））a ） Ｖcos ＝Ｖ₀ ｃｏｓθ（１＋Ｋ（Ａｂｓ（ｓｉｎ２
θ））a ） としてステップモータ４のＡ相コイル５ＡおよびＢ相コ
イル５Ｂに印加される。ここで、Ｖ₀ は励磁ピーク電圧
値であり、ａは正の実数であり、Ｋは正もしくは負の実
数であって、ａおよびＫはステップモータ４本体の機械
的特性に合わせて任意に決定するものである。また、上
記補正式は、図１の実施例におけるＲＯＭ９への補正値
データ決定式と同じであり、Ａｂｓ（絶対値）はａ乗と
いう演算処理を行う上での処理上の都合によるものであ
る。

【００２１】図１および図２における各実施例に関し、
いずれも、励磁コイル５に加えられる補正電圧値は同じ
であって、こうした本発明になる補正後の駆動電圧を加
えることで、ステップモータ４のホールデングトルクの
強弱による脈動が良好に押さえられ、動特性としてきわ
めてスムーズな作動を得られるものである。

【００２２】こうした補正電圧値の電気角θに対する変
化を補正前の三角関数波電圧値と比較表示したものが図
３である。ｓｉｎ波特性とｃｏｓ波特性とはその補正に
おいて波形的には同等であって、各補正電圧Ｖsin ，Ｖ
cos について補正前のＶ₀ sin θおよびＶ₀ cos θと比
較できるように示してある。

【００２３】図３において、電気角θに対する補正を加
えない三角関数波すなわちＶ₀ sinθをαとすれば、補
正電圧値Ｖsin は補正式のａとＫの値設定によってたと
えばβのように変化させることができる。この場合の補
正条件としては、ステップモータのホールデングトルク
特性として、図４に示すような電気角θに対する変化を
有するものを使用した場合を採用している。すなわち、
ステップモータの三角関数波励磁時のホールデングトル
ク特性としては、電気角θの１相励磁時のホールデング
トルクに対して、２相励磁時たとえばその典型的電気角
の45°, 135 °, 225 °, 315 °の各励磁時のホールデ
ングトルクが図のように小さくなるものを用いている。

【００２４】従って、図３に示す補正電圧値βは、上記
２相励磁時のホールデングトルクダウンを補正する方向
に補正関数にて歪ませる補正を行っている。これによ
り、ホールデングトルクダウンしている２相励磁範囲で
は、そのトルクダウン分が補正電圧値によってトルクア
ップ補正され、電気角θの全範囲にわたってほぼ一様な
トルク特性を得ることができ、結果としてロータの動特
性が脈動のないきわめてスムーズなものとなる。

【００２５】なお、図３における補正電圧値βの、２相
励磁範囲における歪み方向（補正方向）と歪み率（補正
曲率）は、各々前述した補正式におけるＫの正負および
ａとＫの値の選定によって自由に決めることができ、ス
テップモータの構造に基づくホールデングトルク特性に
合わせて、電気角に対する一様なトルクを得られる補正
条件を設定してやればよく、これはステップモータの種
類に応じて実験的にそのホールデングトルク特性を見極
めさえすれば容易に設定できるものである。

【００２６】また、本発明による補正方式によれば、補
正電圧値Ｖsin とＶcos の関係がＶsin ／Ｖcos ＝ｓｉ
ｎθ／ｃｏｓθとなるため、静特性すなわち電気角θに
対する純粋なる機械的回転角への影響は全くなく、ホー
ルデングトルクのみを電気角全域で一様なものとするこ
とができ、きわめてスムーズな回転運動を電気角に対す
る忠実な機械的回転角とともに達成することが可能とな
る。

【００２７】なお、前述した各実施例ともに補正電圧値
Ｖsin ，Ｖcos の補正式として、三角関数波に対する補
正関数に（１＋Ｋ（Ａｂｓ（ｓｉｎ２θ））a ）を用い
たが、これはステップモータのホールデングトルク特性
に対して比較的理想的な補正を行い得る条件にて設定し
たものであり、（１＋ｆ（ｓｉｎ２θ））における補正
関数に限らず、これに近似した三角波や台形波関数、す
なわちｓｉｎ２θを変数としない電気角θに対応してこ
れに近似する歪み特性を有した補正波形を重畳したりし
てもよく、要はステップモータのホールデングトルク特
性としての２相励磁範囲におけるトルク変動分を励磁電
圧（電流）の歪み補正にて補正するものであればよい。

【００２８】

【発明の効果】本発明になるステップモータ駆動装置に
よれば、ステップモータの１相励磁時に対する２相励磁
範囲におけるロータへのホールデングトルク変動分を、
励磁駆動電圧（電流）補正によりトルク補正すること
で、トルク変動によるロータの動特性における脈動を良
好に押さえることができ、ロータの回転運動をきわめて
スムーズなものに改善することが可能となり、電気角に
対する機械的回転角への影響もなく、きわめて優れた駆
動を行うことができる。特に、指示計器の駆動源として
使用すれば、回動指針の作動をきわめてスムーズなもの
とすることができるため、ステップモータの機械的作動
特性も、きわめて良好に補償して実用性の優れたものと
することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回路ブロック図。

【図２】本発明の第２実施例を示す回路ブロック図。

【図３】本発明に係る電気角に対する励磁補正電圧値の
変化を示す電圧波形図。

【図４】ステップモータの三角関数波励磁に対するロー
タのホールデングトルク特性を示すトルク特性図。

【符号の説明】

１ センサ ２ 演算処理手段 ３ 励磁手段 ４ ステップモータ ５ 励磁コイル ６ ロータ ７ 指針 ８ スケール板 ９ ＲＯＭ 10 制御回路 11 分配回路 12 励磁回路 13 補正回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステップモータと、このステップモータ
   をマイクロステップ駆動するようステップモータの励磁
   コイルにｓｉｎ波等の三角関数波からなる駆動電圧（電
   流）を印加する励磁手段とを有し、前記励磁手段は、三
   角関数波からなる駆動電圧（電流）に対してステップモ
   ータのステップ間におけるロータへのホールデングトル
   クをほぼ一定とするよう電圧（電流）補正した補正値と
   して出力することを特徴とするステップモータ駆動装
   置。
2. 【請求項２】 前記励磁手段における三角関数波からな
   る駆動電圧を各々Ｖ₀sinθ，Ｖ₀cosθ（Ｖ₀ はピーク電
   圧値, θは駆動電気角）とするとき、前記励磁手段にお
   ける補正電圧Ｖsin ，Ｖcos が、 Ｖsin ＝Ｖ₀ （１＋ｆ（ｓｉｎ２θ））ｓｉｎθ Ｖcos ＝Ｖ₀ （１＋ｆ（ｃｏｓ２θ））ｃｏｓθ となるｆ関数を含む補正値として出力されることを特徴
   とする請求項１記載のステップモータ駆動装置。
3. 【請求項３】 前記励磁手段における補正出力が、 Ｖsin ＝Ｖ₀ （１＋Ｋ（Ａｂｓ（ｓｉｎ２θ））a ）ｓ
   ｉｎθ Ｖcos ＝Ｖ₀ （１＋Ｋ（Ａｂｓ（ｓｉｎ２θ））a ）ｃ
   ｏｓθ ただし、ａは正の実数，Ｋは正もしくは負の実数。 であることを特徴とする請求項２記載のステップモータ
   駆動装置。