JPH10201294A - ３相ステップモータの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】安価で振動や騒音の少ない３相ステップモータ
の駆動回路を提供することを目的としている。 【解決手段】駆動パルス発生回路１から２相励磁と３相
励磁のタイミングを検出するタイミングロジック回路２
と、タイミングロジック回路２の出力信号により３相励
磁巻線５への総電流を可変制御するＰＷＭ回路７と、２
相励磁時は総電流を少なく、３相励磁時には総電流を多
く流すようにＰＷＭ回路７のパルス幅を変化させる通電
制御手段７ａとを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，星状に結線した３相励
磁巻線を有する固定子と、永久磁石を有する回転子から
成るモータの駆動制御を行う３相ステップモータの駆動
回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、星状結線の３相励磁巻線を施
した固定子と、上記固定子と所定の空隙をもって対向し
且つ永久磁石を含む回転子とで構成した永久磁石形３相
ステップモータにおいて、励磁巻線に流す駆動電流を所
望の電流値に制御する場合、各相に双方向の電流を流せ
るようにブリッジ接続した主回路を構成し、このブリッ
ジ回路をスイッチング操作することで励磁巻線に流れる
電流値を制御している。その電流制御の方法は励磁巻線
に流れる総電流を抵抗などを使用し検出して、電流指令
値と比較し、比較結果に基づくパルス信号によってパル
ス幅制御（以下，ＰＷＭと略称する）方式で定電流制御
が行われている。ＰＷＭ方式にすることでインバータ回
路のスイッチ素子の損失を低減し素子も小型化される。
また、定電流制御することで環境温度変化や自己発熱に
よる温度変化に対してモータのトルク変化が少なくな
る。

【０００３】図３は従来の３相ステップモータの駆動回
路構成図の一例である。図に示すように、５はＵ相、Ｖ
相、Ｗ相の巻線を星状結線した３相励磁巻線で、回転子
に永久磁石を備え、固定子の極歯と回転子の極歯の関係
は最適の形に構成されている。その詳細説明は特開平２
−２６９４５８号公報等に開示されている。

【０００４】また、Ｖccは駆動電源、１は駆動パルス発
生回路、１４はＵ、Ｖ、Ｗ相に通電する順序を指定する
ロジック回路、４は各相のスイッチ素子と環流素子で構
成されるインバータ回路である。インバータ回路４は決
められたロジック信号により３相励磁巻線５に通電す
る。６は３相励磁巻線５の各相に流れる駆動電流の総和
を検出するために設けられた抵抗とフィルタを構成する
抵抗、コンデンサから成る電流検出器である。電流検出
器６で検出された駆動電流は電圧信号に変換されてＰＷ
Ｍ回路７に入力される。ＰＷＭ回路７内には、誤差増幅
回路、発振回路、鋸波発生回路、比較回路が含まれい
る。入力された駆動電流の電圧信号は基準電圧発生装置
１３の電圧と突き合わせが行われる。その結果の差分電
圧が上記比較回路へ入力され、鋸波状キャリア信号とレ
ベル比較が行われて、上記差分電圧のレベルに応じたパ
ルス幅を有するパルス信号が生成される。該パルス信号
は、ベース駆動回路３で各相上アームのスイッチ素子を
駆動するのに適したベース信号を出力し、該ベース信号
によってＰＷＭ回路７のキャリア周波数で各相スイッチ
素子のオン・オフ制御が行われる。この結果、３相励磁
巻線５のＵ、Ｖ、Ｗ相巻線には上記パルス信号のパルス
幅に見合った駆動電流が通電される。

【０００５】図４は図３の各部の信号波形を示すタイミ
ングチャート図である。（ａ）は駆動パルス発生回路１
の出力であり、（ｂ）〜（ｇ）はロジック回路１４の出
力で、Ｕ、Ｖ、Ｗ相に対する通電ロジックであり、イン
バータ回路４の６個のトランジスタに対応する信号で
ｕ、ｄはそれぞれの相の上アーム、下アームを示す。
（ｈ）〜（ｊ）はＵ、Ｖ、Ｗ相に通電される電流波形
で、正方向と負方向に流れるバイポーラ通電となつてい
る。また、ＰＷＭ回路７のキャリア周波数は４０ｋＨｚ
と高く、ＰＷＭ回路７のリップルは電流波形には現れな
い。Ｕ、Ｖ、Ｗ各相の電流の総和である総電流は（ｋ）
に示すように、（１．０）で一定となるように電流制御
されるため、各相の電流レベルは通電区間（ｈ）により
（０．５）、（１．０）、（０）と変化する。また、通
電区間〜は駆動ステップ毎の状態を示すもので、
は２相励磁、は３相励磁状態にあることがわ
かる。この様な２相励磁と３相励磁を組み合わせた励磁
方式を２−３相励磁方式と呼ぶ。

【０００６】図８は各通電区間に発生するトルクをベク
トルで示した図である。図に示すように、太線矢印は
〜の通電区間におけるＵ、Ｖ、Ｗ相に発生する１２０
度位相のずれたトルクベクトルの和であり、図中の数字
（０．５）、（１．０）、（１．５）、（１．７３）は
トルクベクトルの大きさを示すものである。例えば、３
相励磁の通電区間の場合図４の各相電流値より、トル
クベクトルの和はＵ相（０．５，∠０）、Ｖ相（１．
０，∠２π／３）、Ｗ相（０．５，∠４π／３）から
（１．５，∠５π／３）と求まる。同様にして２相励磁
の通電区間の場合Ｕ相（１．０，∠０）、Ｖ相（１．
０，∠２π／３）、Ｗ相（０）から（１．７３，∠１１
π／６）と求まる。これより２相励磁時は３相励磁時
に比べトルクベクトルが大きいことがわかる。以上の
ような一定電流制御回路の構成においては、通電区間に
よりトルクベクトルの大きさが異なり、回転トルクの不
均一性が生じている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような３
相ステップモータの駆動回路においては、回転トルクの
不均一性のために振動や騒音が大きくなってしまう。こ
の問題を解決するためにマイクロステップ駆動のような
回路が提案されているが回路構成が複雑且つ高価となる
場合が多く、簡易で安価な回路構成で振動や騒音を低減
したＰＷＭ駆動回路の実現が望まれている。

【０００８】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、安価で振動や騒音の少ない３相ステップモ
ータの駆動回路を提供することを目的としている。

【０００９】

【問題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明においては、外部入力の駆動パルスから２相
励磁と３相励磁のタイミングを検出するタイミングロジ
ック回路と、上記タイミングロジック回路の出力信号に
より上記３相励磁巻線への総電流を可変制御するＰＷＭ
回路と、２相励磁時は総電流を少なく、３相励磁時には
総電流を多く流すように上記ＰＷＭ回路のパルス幅を変
化させる通電制御手段とを設ける。

【００１０】また、上記駆動パルスのパルス幅が５〜２
０％である初期区間で、上記励磁巻線への総電流を上記
駆動パルスの到来毎に初期区間のみ約１／２に低減させ
る低減パルス発生回路を設ける。

【００１１】

【発明の実施の形態】図２は本発明に係る３相ステップ
モータの駆動回路の実施の形態を示す図である。図に示
すように、駆動パルス発生回路１の入力から、３相励磁
巻線５の２相励磁と３相励磁のタイミングを検出し信号
を出力するタイミングロジック回路２と、タイミングロ
ジック回路２の出力信号と基準電圧発生装置１１からの
基準電圧で動作する電子スイッチ１２と、電子スイッチ
１２の出力信号と駆動電流の総和を検出する電流検出器
６との信号により、総電流を可変制御するＰＷＭ回路７
と、ＰＷＭ回路７内に設けられた、２相励磁時は総電流
を少なく、３相励磁時には総電流を多く流すようにパル
ス幅を変化させる通電制御手段７ａと、ＰＷＭ回路７の
出力信号によりインバータ回路４を駆動するベース駆動
回路３とから構成されている。電子スイッチ１２は３相
励磁巻線５の総電流値指令である電圧値を切り換えてＰ
ＷＭ回路７へ入力する。つまり、３相励磁の通電区間
では従来と同じく電流比（０．５）、と（１．０）
で通電して、２相励磁の通電区間では電流比を
（０．８７）で通電する。

【００１２】図５は上記の動作を示すタイミングチャー
ト図である。図に示すように、駆動パルス（ａ）毎に電
流値指令信号（ｂ）を発生させて、総電流を２相励磁時
には電流比（０．８７）、３相励磁時には電流比（１．
０）に設定することにより、３相励磁巻線５の各相の電
流比が上記（０．５）、（０．８７）、（１．０）とな
るように、通電制御手段７ａにより定電流制御している
（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）。各通電区間（ｇ）の総電流を
（ｆ）に示した。

【００１３】図９は図２の駆動回路で駆動した時のトル
クベクトル図である。図に示すように、通電区間で各
相のベクトルはＵ相（０．５，∠０）、Ｖ相（１．０，
∠２π／３）、Ｗ相（０．５，∠４π／３）でトルクベ
クトルの総和は（１．５，∠５π／３）となり、通電区
間で各相のベクトルはＵ相（０．８７，∠０）、Ｖ相
（０．８７，∠２π／３）、Ｗ相（０）でトルクベクト
ルの総和は（１．５，∠１１π／６）となる。従来の図
８と比較すると２相励磁と３相励磁との発生トルクの大
きさが一致することがわかる。

【００１４】上述のように、ＰＷＭ方式で各相の総電流
を設定した値に定電流制御することで、駆動パルス毎に
発生するトルクベクトルは一定の大きさに制御され、モ
ータは高い駆動周波数まで安定に動作し、振動、騒音も
低減される。

【００１５】また、本発明の駆動回路の構成は非常に簡
素化されていて小型で安価に製作でき、ＩＣ化も容易で
あり大幅なコストダウンも可能となる。

【００１６】図１は本発明に係る３相ステップモータの
駆動回路の別の実施の形態を示す図で、図２を更に改善
したものである。図に示すように、１０は駆動パルスの
１周期毎にその周波数で一定パルス幅となる低減パルス
を発生する低減パルス発生回路であり、低減パルス発生
回路１０の出力信号で電子スイッチ８をオン・オフする
ことで、総電流指令となる基準電圧発生装置９からの基
準電圧を１／２に低減させてＰＷＭ回路７に入力する。

【００１７】図６は上記の動作を示すタイミングチャー
ト図である。図に示すように、駆動パルス（ａ）に同期
して一定幅Ｔの低減パルス（ｃ）を発生させている。こ
の低減パルス（ｃ）は駆動パルス（ａ）の周波数の５〜
２０％パルス幅に設定しているため、駆動パルス（ａ）
の周波数が変化した際自動的に低減パルス幅Ｔは変化
し、常に同じパルス幅比となつている。こうして、駆動
パルス毎にその周波数の５〜２０％の通電区間で各相の
電流は１／２となるように通電制御手段を用いて制御し
ている。通電区間（ｈ）毎の総電流を（ｇ）に示した。

【００１８】図１０は図１の駆動回路で駆動した時のト
ルクベクトル図である。図に示すように、太破線矢印が
この低減パルス発生時のトルクベクトルとなる。例え
ば、通電区間の時間Ｔでは低減パルス発生時のトルク
ベクトルの総和は（０．２５，∠０）＋（０．５，∠２
π／３）＋（０．２５，∠４π／３）＝（０．７５，∠
５π／３）となり、時間Ｔを過ぎるとトルクベクトルの
総和は２倍の（１．５，∠５π／３）となる。

【００１９】図７は通電区間におけるＵ相の電流変化
と加速度センサによるモータ振動の測定値である。
（ａ）は従来の図４の通電方式によるもので、（ｂ）は
本発明を用いた通電方式によるものであり、トルクが２
段階に滑らかに発生するため、振動のオーバシュート、
アンダーシュート、整定時間が大幅に改善されているこ
とがわかる。また、低減パルスの幅は駆動パルス周期の
５〜２０％で且つ電流値の低減量は１／２が振動や騒音
に最も効果的であることが実験値から把握されている。

【００２０】上述のように、低減パルスを付加した駆動
回路に於いては、駆動パルス周波数が大きく変化して
も、低減パルス幅の割合は変化せず、幅広い周波数領域
で更に一層振動と騒音を低減することが可能となった。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明のように、本発明に係る３相
ステップモータの駆動回路においては、ＰＷＭ方式で各
相の総電流を定電流制御することで、駆動パルス毎に発
生するトルクベクトルは一定の大きさに制御されるの
で、３相ステップモータは高い駆動周波数まで安定に動
作し、振動、騒音も低減される。また、駆動回路の構成
は非常に簡素化されていて小型で安価に製作でき、ＩＣ
化も容易であり大幅なコストダウンも可能となる。

【００２２】また、駆動パルスのパルス幅が５〜２０％
である初期区間で、励磁巻線への総電流を駆動パルスの
到来毎に初期区間のみ約１／２に低減させる低減パルス
発生回路を備えたときには、幅広い周波数領域で更に一
層振動と騒音を低減することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３相ステップモータの駆動回路の
別の実施の形態を示す回路構成図である。

【図２】本発明に係る３相ステップモータの駆動回路の
実施の形態を示す回路構成図である。

【図３】従来の３相ステップモータの駆動回路構成図で
ある。

【図４】従来の３相ステップモータの駆動回路で駆動し
た時の動作タイミングチャート図である。

【図５】図２の駆動回路での動作タイミングチャート図
である。

【図６】図１の駆動回路での動作タイミングチャート図
である。

【図７】ある通電区間での相電流の変化とモータ振動特
性を示す図である。

【図８】従来の３相ステップモータの駆動回路で駆動し
た時のトルクベクトル図である。

【図９】図２の駆動回路で駆動した時のトルクベクトル
図である。

【図１０】図１の駆動回路で駆動した時のトルクベクト
ル図である。

【符号の説明】

１ ：駆動パルス発生回路 ２ ：タイミングロジック回路 ３ ：ベース駆動回路 ４ ：インバータ回路 ５ ：３相励磁巻線 ６ ：電流検出器 ７ ：ＰＷＭ回路 ７ａ：通電制御手段 ８ ：電子スイッチ ９ ：基準電圧発生装置 １０ ：低減パルス発生回路 １１ ：基準電圧発生装置 １２ ：電子スイッチ １３ ：基準電圧発生装置 １４ ：ロジック回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】星状結線の３相励磁巻線を施した固定子
   と、上記固定子と所定の空隙をもって対向し且つ永久磁
   石を含む回転子とで構成した永久磁石形３相ステップモ
   ータを、２−３相励磁方式で上記３相励磁巻線にバイポ
   ーラ通電で駆動制御する３相ステップモータの駆動回路
   において、外部入力の駆動パルスから２相励磁と３相励
   磁のタイミングを検出するタイミングロジック回路と、
   上記タイミングロジック回路の出力信号により上記３相
   励磁巻線への総電流を可変制御するＰＷＭ回路と、２相
   励磁時は総電流を少なく、３相励磁時には総電流を多く
   流すように上記ＰＷＭ回路のデューティを変化させる通
   電制御手段とを備えたことを特徴とする３相ステップモ
   ータの駆動回路。
2. 【請求項２】上記駆動パルスのパルス幅が５〜２０％で
   ある初期区間で、上記励磁巻線への総電流を上記駆動パ
   ルスの到来毎に初期区間のみ約１／２に低減させる低減
   パルス発生回路を備えたことを特徴とする請求項１に記
   載の３相ステップモータの駆動回路。