JPH08116693A - ステッピングモータの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ステッピングモータの騒音の発生と発熱を抑
制するとともに、駆動回路の発熱および消費電力の低減
を図る。 【構成】 ステッピングモータ２の励磁タイミングに基
づいて励磁相を順次切り替える励磁切替手段１５と、モ
ータ２に励磁電流を供給する励磁電流供給手段１４と、
モータ２に流れる励磁電流を検出する電流検出手段１１
と、モータ２で被駆動媒体を駆動する速度および加速度
に対応した基準信号を発生する基準信号発生手段１３
と、前記電流検出手段１１から出力される検出信号と基
準信号発生手段１３から発生される基準信号とを比較し
てモータ２の励磁電流供給手段の制御を行う励磁電流供
給手段動作制御手段１２とを具備したステッピングモー
タの駆動回路１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、画像読取装置
のキャリッジ駆動装置やプリンタ装置のドラム駆動装置
などに用いられるステッピングモータ駆動回路に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図３に示すようステッピングモータの駆
動は、励磁パルスの周波数を制御して速度制御している
が、立上がりおよび立下がり時はスローアップ・スロー
ダウンして駆動することは必須の技術となっており、負
荷の駆動時は大きなトルクが必要なため定電流駆動して
スローアップ・スローダウン中のみに電流を多く流すシ
ステムもすでに提案されている。

【０００３】しかしながら、特開平１−２０５１８２号
公報，特開平２−１９０３６８号公報，特開昭６３−２
６２０９８号公報に開示される従来のステッピングモー
タ駆動装置は、電流の制御を段階的に行っているので、
電流が急峻に変化する点で被駆動媒体に振動が生じると
いう欠点があった。図１０は、上述の電流制御法を示
す。（Ａ）は、特開平１−２０５１８２号公報に示され
る制御法であり、定速度に移行するときのハンチングを
防止しており設定電流を定速度の値に変化させるときに
振動を発生する。（Ｂ）は、特開平２−１９０３６８号
公報に示される制御方法であり、起動トルクを段階的に
制御して円滑に定速度運転に移行させるもので、加速減
速時の設定電流を変化させる時点で振動を発生する。
（Ｃ）は、特開平１−２６２０９８号公報に示される方
法であり、定速度運転移行時の振動の発生を抑制しよう
とするものであるが、同様に定速度運転に移行するとき
に振動を発生する。これらはモータの加減速・定速駆動
する時の負荷トルクの変化に対しモータの駆動トルクが
最適に制御されていないために生じていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解決するものであり、加速時または減速時もしくは定
速駆動時に生じる振動を抑えるステッピングモータ駆動
回路を提供するものである。また、本発明の他の目的
は、ステッピングモータの騒音の発生を抑え、発熱を抑
制するとともに、モータドライバの発熱および消費電力
の低減を図ることにある。

【０００５】さらに、本発明の他の目的は、低速域から
高速域でのトルクを確保し、かつ振動を低減するステッ
ピングモータ駆動回路を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るステッピングモータ駆動回路は、モー
タに供給する励磁電流を制御するために用いられる基準
信号に着目し、従来ＣＰＵ等によって上記基準信号を段
階的に操作していたのに対し、駆動媒体を制御する速度
信号および加速度信号に対応して上記基準信号をアナロ
グ的に制御するようにしたことを特徴とする。

【０００７】具体的には、励磁パルスの周波数およびそ
の周波数の変化率を検出し、これを基に基準信号を発生
する基準信号発生手段を備え、モータに流れる励磁電流
を検出して得られる検出信号と上記基準信号発生手段に
よって発生される基準信号とを比較して、上記モータに
供給する励磁電流を制御するものである。

【０００８】さらに、低速減から高速域までのトルクを
確保するとともに、振動を低減するために、駆動電圧を
駆動速度に応じて切り替える様にし、上記速度信号およ
び加速度信号から導出される基準信号を、この駆動電圧
に対応して、モータの駆動電圧／駆動電流対トルク特性
に合わせて修正している。

【０００９】具体的には、励磁パルスの周波数およびそ
の周波数の変化率を検出し、これを基に基準信号を発生
し、さらに駆動電圧信号で上記基準信号を修正する基準
信号発生手段を備え、モータに流れる励磁電流を検出し
て得られる検出信号と上記基準信号発生手段から発生さ
れる基準信号とを比較して、上記モータに供給する励磁
電流をオン／オフ制御するものである。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図１は、本発明の一実施例に係わるステッピン
グモータ駆動回路の回路構成を示す図であり、図２は、
基準信号発生回路の詳細な構成を示す図である。

【００１１】本発明のステッピングモータ駆動回路１
は、励磁電流を検出する電流検出手段１１と、後述する
励磁電流供給手段のオン／オフ動作を制御する比較器１
２１とチョッパ１２２からなるオン／オフ動作制御手段
１２と、後述する励磁切替手段から出力される駆動周波
数に基づいて基準信号を発生する基準信号発生手段１３
と、パルスモータへの励磁電流を制御する励磁電流供給
手段１４と、速度パターンに基づいてパルスモータの駆
動周波数などを制御するパルスデバイダ１５１とＣＰＵ
１５２とＲＯＭおよびＲＡＭからなる記憶手段１５３と
タイマ回路１５４からなる励磁切替手段１５とからな
り、ステッピングモータ２へ励磁電流を供給する。

【００１２】すなわち、このステッピングモータ駆動回
路１は、ステッピングモータ２に流れる励磁電流を電流
検出器１１で検出し電圧Ｖmに変換し、この電圧Ｖmを比
較器１２１で基準信号発生器１３から出力される基準電
圧Ｖref.と比較し、この比較した結果に応じて励磁電流
を供給する励磁電流供給手段１４の動作をＰＷＭチョッ
パ回路１２２で制御するように構成されている。

【００１３】図２に示すように、上記基準信号発生器１
３は、励磁切替手段１５のＣＰＵ１５２から供給される
励磁パルスの周波数から速度信号を検出し電圧に変換す
るＦ／Ｖ変換回路１３１と、励磁パルスの周波数の変化
成分から加速度信号を抽出し電圧に変換するＦ／α／Ｖ
変換回路１３２と、Ｆ／Ｖ変換回路１３１の出力Ｖvを
抵抗Ｒvで重み付けした信号ＩｖとＦ／α／Ｖ変換回路
１３２の出力Ｖαを抵抗Ｒαで重み付けした信号Ｉαを
加算して基準電圧Ｖref.を出力する加算手段１３３から
構成される。

【００１４】図３は、パルスモータの励磁電流値（Ａ）
をパラメータにして駆動トルク（Ｔ）−励磁周波数
（Ｆ）特性を示す図で、励磁電流はＡ1からＡ5になるに
つれて大きくなる様に示されている。パルスモータの駆
動トルク（Ｔ）は、励磁周波数（Ｆ）が低いほど大き
く、かつ励磁電流（Ａ）が大きいほど大きくなる。曲線
Ａ〜Ｅの説明は後に行う。

【００１５】また、被駆動媒体の負荷トルクＴ_Lは、イ
ナーシャをＪとし、加速度をαとし、駆動系の粘性係数
をＤとし、動作速度をＷとし、摩擦負荷をＦ_Lとする
と、

【００１６】加速時の負荷トルクは、Ｔ_L＝Ｊ・α＋Ｄ
・Ｗ＋Ｆ_L…（１）で示され、

【００１７】定速時の負荷トルクは、Ｔ_L＝Ｄ・Ｗ＋Ｆ_L
……………（２）で示される。

【００１８】一方、図４は、パルスモータの運転時の速
度プロファイルと、このプロファイルに応じた速度基準
信号および加速度基準信号ならびに速度および加速度基
準信号などの時間的な変化を示し、さらに、このプロフ
ァイルに対応した励磁電流の時間的ナ変かを示してい
る。また、制動時の停止位置のずれを保証する基準信号
のパターンを示している。

【００１９】図４（Ａ）に示すように、パルスモータの
運転時の速度プロファイルは曲線ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅに
示されるように、停止時ａから指数関数の加速曲線ｂに
沿って加速され、定速ｃで運転した後、減速曲線ｄに沿
って減速されやがて停止ｅする。図４（Ｂ）は、このプ
ロファイルに対応した速度基準信号を示し、図４（Ｃ）
は、同じく加速度基準信号を、図４（Ｄ）は、このとき
の速度基準信号と加速度基準信号の和の信号を示してい
る。

【００２０】図４（Ａ）に示す指数関数でモータの励磁
パルスを制御した時に必要な加速時のトルクと減速時の
トルクと定速時のトルクは、前述の（１）式および
（２）式から算出することが可能で、この時の駆動トル
クの変化を図３の中に太い実線の曲線ａ〜ｅで示す。駆
動トルク曲線の各点ａ〜ｅは、速度プロファイルの各点
ａ〜ｅに対応している。

【００２１】この曲線に示されるように、パルスモータ
起動時ａには、励磁電流（Ａ）を増加させて起動トルク
を得たｂ後、励磁電流（Ａ）を減少させながら励磁周波
数（Ｆ）を上げてゆき、所定速度に達した点ｃで励磁電
流（Ａ）と励磁周波数（Ｆ）を固定して定速運転に移行
する。停止動作は、励磁周波数（Ｆ）を下げるとともに
励磁電流（Ａ）を増加させて制動を掛けて減速し、停止
位置ｄに達したときに励磁電流（Ａ）と励磁周波数
（Ｆ）を零にして、パルスモータを停止させる。

【００２２】上記の式から、加速域および定速域ならび
に減速域で必要なパルスモータの励磁電流を求めると、
図４（Ｅ）のようになり、この電流値にトルクの安全率
を見込んだ励磁電流で駆動するのが理想的な駆動とな
る。

【００２３】本発明では、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すよ
う、速度基準信号と加速度基準信号をそれぞれ励磁プロ
ファイルに基づいて生成しており、両基準信号は速度お
よび加速度に比例した出力を得るように構成し、図２の
基準信号発生器１３の抵抗Ｒｖおよび抵抗Ｒαによる重
み付けでモータのトルクカーブに合わせた基準信号Ｖre
f.を作り出すことを可能にした。

【００２４】また、上記実施例では、パルスモータ２の
停止時には励磁電流がゼロとなってしまうことから、モ
ータの安定角からのズレが生じる危険性があり、これに
対処するために、基準信号発生手段１３に基準信号が低
下する方向の時に所定の時定数をもたせ、図４（Ｆ）の
ような基準信号を発生するように構成することで、ズレ
の発生を防ぐことができる。

【００２５】図５は、図６（Ａ）に示されるような運転
速度プロファイルで直線的な加速および減速を行う時に
必要な駆動トルクを（１）式および（２）式から算出し
たものである。このように直線的な加速や減速を行うに
は、パルスモータ起動時ａには、励磁電流（Ａ）を増加
させて起動トルクを得たｂ後、この駆動トルクが一定に
維持されるように励磁電流（Ａ）と励磁周波数（Ｆ）を
上げて加速し、所定速度に達した点ｃで励磁周波数
（Ｆ）を固定するとともに励磁電流（Ａ）を減少させて
定速度を維持して定速運転ｄに移行する。停止動作は、
励磁周波数（Ｆ）を固定したまま励磁電流（Ａ）を増加
させて励磁周波数に拘束したｅ後、励磁周波数（Ｆ）と
励磁電流（Ａ）を減少させて一定の加速度で制動を掛け
て減速し、停止位置ｆに達したときに励磁電流（Ａ）と
励磁周波数（Ｆ）を零にして、パルスモータを停止ｇさ
せる。

【００２６】また、図６（Ａ）〜（Ｄ）は、図４（Ａ）
〜（Ｄ）と同様に、それぞれ速度プロファイルと速度基
準信号と加速度基準信号と速度基準信号および加速度基
準信号の加算値のパターンを示しており、加速および減
速は直線的になされ、速度信号は加速域および減速域で
直線的に変化し、加速度基準信号は加速域および減速域
で一定値で与えられ、速度基準信号および加速度基準信
号の加算値は、両者の和のパターンで示される。

【００２７】図６（Ｅ）は、図５に示した曲線を得る励
磁電流波形を示している。図５のａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−
ｆ−ｇは図６（Ａ）および図６（Ｅ）のａ−ｂ−ｃ−ｄ
−ｅ−ｆ−ｇにそれぞれ対応している。

【００２８】ここで加速終了時の振動および停止時のモ
ータの安定角からのズレを防ぐ目的で、前実施例と同様
な時定数を基準信号発生器１３に持たせた時の基準信号
を図６（Ｆ）に示す。

【００２９】次ぎに、第２の実施例を図７および図８を
用いて説明する。図７は、本発明の第２の実施例に係わ
るステッピングモータ駆動回路の回路構成を示す図であ
り、図８は、この実施例に用いる基準信号発生器の具体
的構成を示す図である。

【００３０】この実施例のステッピングモータ駆動回路
１´は、励磁電流を検出する電流検出器１１と、比較器
１２１とチョッパ１２２からなるオン／オフ動作制御手
段１２と、基準信号を発生する基準信号発生器１３´
と、励磁電流供給手段１４と、パルスデバイダ１５１と
ＣＰＵ１５２とＲＯＭおよびＲＡＭからなる記憶手段１
５３とタイマ回路１５４からなる励磁切替手段１５とか
らなり、ステッピングモータ２へ励磁電流を供給する。

【００３１】すなわち、このステッピングモータ駆動回
路１´は、ステッピングモータ２に流れる励磁電流を電
流検出器１１で検出し電圧Ｖmに変換し、この電圧Ｖmを
比較器１２１で基準信号発生器１３´から出力される基
準電圧Ｖ´ref.と比較し、この比較した結果に応じて励
磁電流を供給する励磁電流供給手段１４の動作をＰＷＭ
チョッパ回路１２２で制御する点で、第１の実施例と同
じである。しかしながら、基準信号発生器１３´から出
力される基準電圧Ｖ´ref.が励磁切替手段１５からの駆
動電圧によって制御されている点で、第１の実施例と異
なっている。

【００３２】上記基準信号発生器１３´は、励磁切替手
段１５のＣＰＵ１５２から供給される励磁パルス（Ｆ）
を周波数に比例した電圧に変換するＦ／Ｖ変換器１３１
と、励磁パルス（Ｆ）を周波数の変化率に比例した電圧
に変換するＦ／α／Ｖ変換回路１３２と加算手段１３３
から成り、Ｆ／Ｖ変換器１３１の変換出力Ｖｖを抵抗Ｒ
ｖで決まる値に重み付けし、Ｆ／α／Ｖ変換回路１３２
の変換出力Ｖαを抵抗Ｒαで決まる値に重み付けして加
算して基準電圧Ｖ´ref.を出力するに当たって、ＣＰＵ
１５２からの駆動電圧値信号に基づいて加算手段１３３
の利得を制御する利得切替手段１３４を備えている。

【００３３】図９は、一般的なステッピングモータの駆
動周波数−駆動トルク特性を示す特性曲線であり、パラ
メータの一つに駆動電流をとっており、その添字の数値
の大きさによって駆動電流の大きさを示し、パラメータ
の他の一つに駆動電圧をとっており、曲線に付したＡま
たはＢによって電圧の大きさを示している。この特性曲
線によれば、駆動電圧および駆動電流が大きいほど高い
駆動トルクを得られることを示している。この曲線から
駆動電圧を変えた場合には電流値（電流基準信号）もそ
れに伴い修正する必要があることが分かる。

【００３４】その動作特性は、第１の実施例の説明で示
した図３の特性と図４の動作曲線に準ずるが、図８の利
得切替手段１３３のフィードバック抵抗Ｒｆ１〜Ｒｆｎ
を駆動電圧に基づいて選択することによって、利得を調
整している。さらに、この実施例でもモータの停止時に
は励磁電流がゼロとなってしまうことから、モータの安
定角からのズレが生じる危険性があり、これに対しては
第１の実施例と同様に基準信号発生手段に基準信号が低
下する方向の時所定の時定数をもたせて、ずれの発生を
防ぐとともに、制動時に振動が発生することを防いでい
る。

【００３５】また、速度プロファイルを第４図に示すよ
うな指数関数曲線の加速および減速とすることに代え
て、図６に示すような直線的な加速および減速とするこ
ともできることは第１の実施例の場合と同様である。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、被駆動
媒体の速度および加速度に対応して基準信号を発生する
基準信号発生手段を備え、パルスモータに流れる電流を
検出して得られる検出信号と、上記基準信号発生手段か
ら発生した基準信号とを比較してパルスモータに供給す
る励磁電流を制御するようにしたので、負荷トルクの変
化に対応した駆動トルクを発生することが可能となり、
被駆動媒体の振動の発生を抑制するとともに、モータの
騒音発生ならびに発熱を制限することができる。さら
に、モータドライバの発熱を減少するとともに、消費電
力の低減を図ることができる。

【００３７】さらに、本発明によれば、被駆動媒体の速
度および加速度ならびに駆動電圧に対応して基準信号を
発生する基準信号発生手段を備え、パルスモータに流れ
る電流を検出して得られる検出信号と、上記基準信号発
生手段から発生した基準信号とを比較してパルスモータ
に供給する励磁電流を制御したので、負荷トルクの変化
に対応した駆動トルクを発生することが可能となるとと
もに、起動時および制動時に駆動電圧を増大することに
よってハンチングなどを阻止することができ、被駆動媒
体の振動の発生を抑制するとともに、モータの騒音の発
生や発熱、を制限することができ、さらに、モータドラ
イバの発熱を減少させるとともに消費電力の低減を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係わるステッピングモー
タ駆動回路の回路構成を示す図。

【図２】 本発明の一実施例に係わるステッピングモー
タ駆動回路の基準信号発生器の構成を示す図。

【図３】 指数関数加減速時のパルスモータの駆動トル
ク（Ｔ）−励磁周波数（Ｆ）の関係を励磁電流値（Ａ）
をパラメータにして示す図。

【図４】 指数関数加減速時の速度パターンと基準信号
の関係を示す図。

【図５】 直線的加減速時のパルスモータの駆動トルク
（Ｔ）−励磁周波数（Ｆ）の関係を励磁電流値（Ａ）を
パラメータにして示す図。

【図６】 直線的加減速時の速度パターンと基準信号の
関係を示す図。

【図７】 本発明の第２の実施例に係わるステッピング
モータ駆動回路の回路構成を示す図。

【図８】 本発明の第２の実施例に係わるステッピング
モータ駆動回路の基準信号発生器の構成を示す図。

【図９】 パルスモータの駆動トルク（Ｔ）−励磁周波
数（Ｆ）の関係を励磁電流値（Ａ）と駆動電圧（Ｂ）を
パラメータにして示す図。

【図１０】 従来のステッピングモータの電流制御法を
示した図。

【符号の説明】

１ パルスモータ駆動回路、 ２ ステッピングモー
タ、 １１ 電流検出器、 １２ 励磁電流供給手段オ
ンオフ動作制御手段、 １３ 基準信号発生器、１５
励磁切替手段、 １２１ 比較器、 １２２ チョッ
パ、 １３１ Ｆ／Ｖ変換器、 １３２ Ｆ／α／Ｖ変
換回路、 １３３ 加算手段、 １３４利得切替手段、
１５１ パルスデバイダ、 １５２ ＣＰＵ、 １５３
記憶手段、 １５４ タイマ回路。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被駆動媒体に駆動力を伝達するステッピ
   ングモータの駆動回路において、ステッピングモータの
   励磁タイミングに基づいて励磁相を順次切り替える励磁
   切替手段と、ステッピングモータに励磁電流を供給する
   励磁電流供給手段と、ステッピングモータに流れる励磁
   電流を検出する電流検出手段と、ステッピングモータで
   被駆動媒体を駆動する速度および加速度に対応した基準
   信号を発生する基準信号発生手段と、電流検出手段から
   出力される検出信号と基準信号発生手段から発生される
   基準信号とを比較してステッピングモータの励磁電流供
   給手段の制御を行う励磁電流供給手段動作制御手段とを
   具備したことを特徴とするステッピングモータ駆動回
   路。
2. 【請求項２】 駆動電流の基準信号を速度に比例した基
   準信号と加速度に比例した基準信号を加算して生成する
   請求項１に記載のステッピングモータ駆動回路。
3. 【請求項３】 速度と加速度の基準信号を励磁パルスに
   基づいて生成する請求項２に記載のステッピングモータ
   駆動回路。
4. 【請求項４】 基準信号発生手段に所定の時定数をもた
   せた請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のステッ
   ピングモータ駆動回路。
5. 【請求項５】 基準信号が低下する方向の時だけ基準信
   号発生手段に所定の時定数をもたせた請求項４に記載の
   ステッピングモータ駆動回路。
6. 【請求項６】 被駆動媒体に駆動力を伝達するステッピ
   ングモータの駆動回路において、ステッピングモータの
   励磁タイミングに基づいて励磁相を順次切り替える励磁
   切替手段と、ステッピングモータに励磁電流を供給する
   励磁電流供給手段と、ステッピングモータに流れる励磁
   電流を検出する電流検出手段と、ステッピングモータで
   被駆動媒体を駆動する速度および加速度ならびに駆動電
   圧に対応した基準信号を発生する基準信号発生手段と、
   電流検出手段から出力される検出信号と基準信号発生手
   段から発生される基準信号とを比較してステッピングモ
   ータの励磁電流供給手段の制御を行う励磁電流供給手段
   動作制御手段とを具備したことを特徴とするステッピン
   グモータ駆動回路。
7. 【請求項７】 駆動電流の基準信号を速度に比例した基
   準信号と加速度に比例した基準信号および駆動電圧で決
   まる利得によって生成する請求項６に記載のステッピン
   グモータ駆動回路。
8. 【請求項８】 速度と加速度の基準信号を励磁パルスに
   基づいて生成する請求項６記載のステッピングモータ駆
   動回路。
9. 【請求項９】 基準信号発生手段に所定の時定数をもた
   せた請求項５ないし請求項８のいずれかに記載のステッ
   ピングモータ駆動回路。
10. 【請求項１０】 基準信号が低下する方向の時だけ基準
    信号発生手段に所定の時定数をもたせた請求項９に記載
    のステッピングモータ駆動回路。