JPH1032997A - ステッピングモータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回転位置を無限小の分解能で制御できるステッ
ピングモータの駆動方法を提供する。 【解決手段】２個のコイルを有するステッピングモータ
において、２個のコイルに、位相が９０度ずれた三角関
数関係を有する電気信号ｓｉｎθ，ｃｏｓθをそれぞれ
与えることにより、回転シャフトの位置を基本ステップ
角Ｐの４倍の角度範囲内で制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はステッピングモータ
の駆動方法、特に基本ステップ角より細かく回転位置を
制御できる駆動方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、産業用モータとして、２相
（あるいは４相），３相または５相のステッピングモー
タが広く用いられている。ステッピングモータは、一般
にイナーシャに比べて回転トルクが大きく、しかもフィ
ードバック制御しなくても入力パルス信号に応じた正確
な動きが得られるという特徴がある。

【０００３】図１に２相ステッピングモータの一般的な
駆動方法を示す。２相ステッピングモータは、Ａ相，Ｂ
相と称する２組の巻線がステータに巻かれており、Ａ相
とＢ相に図１で示すような電気信号を与えると、Ｐ度ず
つ回転する。Ｐはステッピングモータの基本ステップ角
と称し、１．８度、３．７５度あるいは７．５度と目的
に応じて色々な角度を持つように設計されている。

【０００４】図１でＡ相に電流を印加し、Ｂ相を無励磁
のままにすると、以前の位置からＰ度回転して停止す
る。次にＡ相を励磁したまま、Ｂ相も励磁すると、さら
にＰ度回転して停止する。このように、図１で示す手順
でＡ相，Ｂ相を励磁すると、Ｐ度を基本ステップ角とし
てステッピングモータは回転し続ける。図１から明らか
なように４Ｐ度進むと、同じ動作が繰り返される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、回転角４Ｐ以
内の領域について注目する。Ａ相とＢ相に与える電気信
号の関係を上記のようにＯＮ，ＯＦＦの２段階とした場
合には、分解能はＰ度でしかない。しかし、微小回転に
よって出力圧が大きく変化するようなロータリ型の圧力
制御バルブにステッピングモータを適用した場合には、
基本ステップ角Ｐ程度の分解能では微細な圧力制御がで
きない場合がある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、特殊な信号をコ
イルに入力することにより、回転位置を無限小の分解能
で制御できるステッピングモータの駆動方法を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、２個のコイルを有するス
テッピングモータにおいて、２個のコイルに、位相が９
０度ずれた三角関数関係を有する電気信号をそれぞれ与
えることにより、回転シャフトの位置を基本ステップ角
Ｐの４倍の角度範囲内で制御するものである。

【０００８】また、請求項２に記載の発明は、３個のコ
イルを有するステッピングモータにおいて、３個のコイ
ルに、位相が１２０度ずれた三角関数関係を有する電気
信号をそれぞれ与えることにより、回転シャフトの位置
を基本ステップ角Ｐの６倍の角度範囲内で制御するもの
である。

【０００９】２個のコイルを有するステッピングモータ
を例にとると、４Ｐを一周期とした場合、Ａ相とＢ相に
与えるべき信号を１／４周期ずらす、換言すれば、Ａ相
とＢ相にそれぞれ三角関数関係を有する電気信号を与え
れば、回転角４Ｐ以内の任意の回転位置を分解能無限小
で制御できる。具体的にいえば、Ａ相にｃｏｓθ，Ｂ相
にｓｉｎθに比例する電流を与えると、上記のように回
転角４Ｐ以内の任意の回転位置を制御しうる。ここで、
θは０〜２πの任意の値を示す。

【００１０】また、３個のコイルを有するステッピング
モータの場合には、６Ｐが一周期となるので、３個のコ
イルに与えるべき信号を１／３周期ずつずらす、つまり
それぞれｓｉｎθ，ｓｉｎ（θ−２４０°），ｓｉｎ
（θ−１２０°）のように三角関数関係を有する電気信
号を与えることができれば、回転角６Ｐ以内の任意の回
転位置を分解能無限小で制御できることになる。

【００１１】ステッピングモータには、２個または３個
のコイルを有するものの他に、５個あるいはそれ以上の
コイルを有するステッピングモータもあるが、これらの
ステッピングモータは構造が大型化するとともに、回路
も複雑となるため、制御が難しくなる。これに対し、２
相，３相のステッピングモータは構造が簡単で、回路も
簡単となるので、制御が簡単である。

【００１２】

【発明の実施の形態】図２，図３は本発明を適用した流
体圧制御装置の一実施例を示す。２相（あるいは４
相）、３相または５相のステッピングモータ１２がバル
ブ本体１３にボルト１４で取り付けられている。電気信
号を機械的回転力に変換できるものであれば、ステッピ
ングモータ１２の他に、例えば回転型トルクモータ、Ｄ
ＣモータあるいはＤＣサーボモータなどを用いることが
できるが、本実施例ではモータのロータ慣性が比較的小
さく、発生トルクが比較的大きな（つまり高応答の期待
できる）ステッピングモータを主として入力段に用い
た。したがって、ステッピングモータ以外のモータを排
除するものではない。

【００１３】ステッピングモータ１２の回転シャフト１
５は回転バルブ１６に固定されたシャフト１７にフレキ
シブルカップリング１８を介して強固に接続されてい
る。この実施例では、止めネジ１９でフレキシブルカッ
プリング１８をシャフト１５，１７に固定する方式を図
示しているが、クランプ方式でもよいし、シャフト１
５，１７を一体加工し、フレキシブルカップリング１８
を省略しうる設計としてもよい。回転バルブ１６のシャ
フト１７，２０は軸受２１，２２で支持され、回転バル
ブ１６とこれら軸受２１，２２はスリーブ２３の内周に
回転自在に挿入されている。なお、スリーブ２３はバル
ブ本体１３に固定され、これら部品によって本発明のバ
ルブボデーが構成されている。

【００１４】スリーブ２３には放射状に設けられた３個
の貫通穴、すなわち可変オリフィス穴２４，２５とリザ
ーバタンク２６に加圧流体を戻すためのドレーン穴２７
とが設けられている。穴２４，２５に連通する流路３
６，３７の途中に出力ポート２８，２９が設けられ、出
力ポート２８，２９の圧力Ｐ₁ ，Ｐ₂ を取り出すことが
できるようになっている。出力ポート２８，２９と加圧
流体の供給ポート３０，３１の間には、固定オリフィス
３２，３３が取り付けられている。

【００１５】回転バルブ１６は穴２４，２５に対向する
円筒部に平坦な切欠面３４，３５を有する。なお、一方
の切欠面３５はなくてもよいが、回転バルブ１６の回転
バランスをよくするために設けられている。図３は中立
状態、すなわち穴２４，２５が回転バルブ１６の円筒部
で閉じられた状態を示し、このとき出力ポート２８，２
９の圧力は Ｐ₁ ＝Ｐ₂ ＝Ｐｓ となる。なお、Ｐｓは元圧である。

【００１６】図４は回転バルブ１６が中立位置から時計
回り方向に回転した状態を示す。中立位置では閉じられ
ていた穴２５が、回転バルブ１６に設けられている切欠
面３４によって開口し、供給ポート３１、固定オリフィ
ス３３を流れてくる加圧流体がこの開口部を通り、穴２
７、流路３８を経てリザーバタンク２６に戻る。したが
って、出力ポート２９の圧力Ｐ₂ は元圧Ｐｓより低くな
る。一方、穴２４は回転バルブ１６の円筒部で閉じられ
たままであるから、出力ポート２８の圧力はＰ₁ ＝Ｐｓ
である。すなわち、出力ポート２８，２９の圧力は、Ｐ
₁ ＞Ｐ₂ の関係になる。回転バルブ１６の回転方向を反
時計回り方向にすれば、Ｐ₁ ＜Ｐ₂ となる。このように
して、本発明では回転バルブ１６の回転方向および回転
角度の大きさに応じて出力ポート２８，２９の圧力
Ｐ₁ ，Ｐ₂ を任意に制御できることになる。

【００１７】図２において、プラグ３９は軸受２１，２
２で支持された回転バルブ１６をシャフト１７，２０の
軸方向に移動しないようにするために設けたもので、シ
ール４０で外部への流体のリークを防止している。ま
た、シャフト１７の外周には回転シール４１が設けら
れ、これも外部への流体のリークを防止している。

【００１８】さて、上記の圧力制御バルブの構成によっ
て得られる作用効果について、以下に説明する。図３で
明らかなように、バルブの中立時に可変オリフィスを構
成する穴２４，２５が完全に閉じられ、中立時における
パワーロスが全くない。また、流体に混入したゴミによ
る目詰まりに関しては、図４にみるように開口部を大き
く取ることができるので、ゴミが混入してもゴミ自身が
流れ去る、自浄効果を期待できる。例えば、ゴミが滞留
しても、回転バルブ１６の回転駆動力が大きいので、容
易に除去できる。

【００１９】また、本発明では可動部品が回転バルブ１
６であるため、外部からの衝撃が作用しても、回転方向
の衝撃（実際にはあり得ない）が作用しない限り、出力
圧Ｐ₁ ，Ｐ₂ が変動せず、誤動作しないという特徴があ
る。また、ステッピングモータ１２の駆動力がギヤ機構
などを介在せずに直接回転バルブ１６に伝えられるの
で、イナーシャによる応答性の低下や、バックラッシに
よる精度低下がない。

【００２０】上記実施例では、バルブボデーに２個の可
変オリフィス穴２４，２５とその中間部に１個のドレー
ン穴３８とを形成したが、これに限るものではなく、２
個の可変オリフィス穴と２個のドレーン穴とを形成して
もよい。この場合には、一方の可変オリフィス穴と一方
のドレーン穴とが連通した時、他方の可変オリフィス穴
と他方のドレーンとは連通しないように形成する必要が
ある。また、圧力制御バルブの構造は、上記実施例のよ
うに出力ポート２８，２９の下流側の可変オリフィス２
４，２５をドレーンポート２７と選択的に連通させるこ
とにより、出力圧Ｐ₁ ，Ｐ₂ を制御するものに限らず、
他の公知のバルブ構造、例えばバルブボデーに１個の供
給ポートと２個の出力ポートと２個のドレーンポートと
を設け、回転バルブによって、供給ポートと一方の出力
ポートとを連通させると同時に、ドレーンポートと他方
の出力ポートとを連通させる構造であってもよい。

【００２１】次に、回転バルブ１６を操作するステッピ
ングモータ１２の駆動方法について説明する。ここで
は、本発明の主旨を理解しやすくするため、２相ステッ
ピングモータの場合について詳述する。図１で示す手順
でステッピングモータ１２のＡ相とＢ相に与える電気信
号を制御すれば、その分解能は基本ステップ角Ｐでしか
ない。つまり、最小角が１．８度である。しかし、図２
〜図４に示す圧力制御装置のように、回転バルブ１６が
微小角度回転するだけで出力圧が大きく変化する場合に
は、基本ステップ角Ｐ＝１．８度では微細な圧力制御が
できない場合がある。そこで、次のような制御を行え
ば、回転バルブ１６の特定の回転位置を分解能無限小で
制御でき、圧力を高精度に制御できることになる。すな
わち、図１の４Ｐを一周期とした場合、Ａ相とＢ相に与
えるべき信号を１／４周期ずらす、換言すれば、Ａ相と
Ｂ相にそれぞれｃｏｓとｓｉｎの三角関数関係を有する
電気信号を与えることができれば、回転角４Ｐ以内の任
意の回転位置を分解能無限小で制御できる。具体的にい
えば、Ａ相にｃｏｓθ，Ｂ相にｓｉｎθに比例する電流
を与えると、上記した如く回転角４Ｐ以内の任意の回転
位置を制御しうる。ここで、θは０〜２πの任意の値を
示す。

【００２２】上述した三角関数はマイクロプロセッサ、
あるいは三角関数の関係を予めＲＯＭなどに記憶させる
方法などで容易に得ることができるが、ステッピングモ
ータのＡ相，Ｂ相に印加すべき電気信号に変換するため
には、Ｄ／Ａ変換が追加的に必要になり、経済的ではな
い。そこで、以下にステッピングモータの最適な制御方
法の一例を、図５，図６を参照して具体的に述べる。

【００２３】３９は時間に応じて電圧が三角関数状に変
化する発振器で、例えば特公平６−６６５８７号公報に
開示されたクワドラチャ発振回路などを用いることがで
きる。出力端４０にｓｉｎ状に変化する電圧、出力端４
１にｃｏｓ状に変化する電圧が出力され、それぞれ図６
のＡ，Ｂに示すように周期Ｔ秒を有する。

【００２４】ｓｉｎ状の電圧信号はコンパレータ４２の
正入力に印加され、出力４３から図６のＣの矩形波を得
る。この波形Ｃは、コンデンサ４４，抵抗４５で微分さ
れ、その出力端４６に波形Ｄを得る。この波形Ｄは、電
圧Ｖ₂ と比較され、コンパレータ４７の出力波形が図６
のＥのようになり、アナログスイッチ４８をＯＮ−ＯＦ
Ｆする。演算増幅器４９の負入力には抵抗５０を通じて
電圧Ｖ₀ によって決まる一定電流が流れる。演算増幅器
４９の出力と負入力の間には積分コンデンサ５１が接続
されているので、図６に示すように一定勾配で変化する
電圧Ｆが演算増幅器４９の出力５３に得られる。既に述
べたように、アナログスイッチ４８は図６のＥの信号に
よってＯＮとなるので、一定周期Ｔ秒毎に出力５３はＯ
ｖにリセットされる。なお、抵抗５２はアナログスイッ
チ４８の保護抵抗である。

【００２５】このようにして、ノコギリ歯状の電圧信号
Ｆが図６のように得られ、この信号はコンパレータ５４
の正入力に接続され、負入力に加えられる電圧Ｖ₁ と比
較される。したがって、コンパレータ５４の出力は図６
のＧのようにＶ₁ に応じた時間幅を有するゲート信号と
なる。このゲート信号はコンデンサ５５と抵抗５６で微
分され、図６の波形Ｈを得る。この波形はコンパレータ
５７で電圧Ｖ₃ と比較され、出力５８に図６に示す信号
Ｉを得る。この信号はアナログスイッチ５９，６０をＯ
Ｎ−ＯＦＦする。

【００２６】アナログスイッチ５９はｓｉｎ状電圧信号
回路４０と演算増幅器６５からなる回路に、またアナロ
グスイッチ６０はｃｏｓ状電圧信号回路４１と演算増幅
器６６からなる回路にそれぞれ接続されている。抵抗６
１，６３はアナログスイッチ５９，６０の保護抵抗であ
り、コンデンサ６２，６４はチャージコンデンサの役割
を果たす。演算増幅器６５，６６はボルテージフォロワ
ーになっているので、図６のＩで示すパルスの立ち下が
る時刻におけるの図６のＡ，Ｂの電圧が保持され、出力
６７にはｓｉｎ２πｔ／Ｔ、出力６８にはｃｏｓ２πｔ
／Ｔに比例した電圧が得られ、これらをステッピングモ
ータのＢ相およびＡ相に加えることよいことになる。

【００２７】以上の説明から明らかなように、アナログ
電圧であるＶ₁ を変化させれば、ｔを周期Ｔの範囲内で
任意（厳密には図６のＥで示すリセット時間は除く）に
変化させることができる。そのため、ステッピングモー
タのＡ相，Ｂ相に必要な三角関数の関係をもった電気信
号を与えることができ、結果としてアナログ電圧信号に
よってステッピングモータの回転角度位置をほぼ４Ｐの
角度内で任意に制御できることになる。

【００２８】さて、図６に示した周期Ｔに関して、具体
的には０．１ｍｓｅｃ（１０ＫＨｚ）あるいはさらに短
い周期でも図５の回路は容易に動作する。本発明で述べ
た圧力制御装置は流体の圧力を制御するものであって、
例えば油圧などを非圧縮性流体と仮定しても、応答性と
して２００Ｈｚ程度を考えておけば十分である。したが
って、本発明で提案したステッピングモータの駆動方法
で用いる１０ＫＨｚは全く無視でき、実用的には上述し
たアナログ電圧Ｖ₁ とステッピングモータの回転位置の
間には、ステッピングモータのロータの慣性、Ａ相とＢ
相のコイルのインダクタンスなどに起因する応答遅れ以
外、遅れを生じないと考えることができる。

【００２９】以上は２相ステッピングモータの場合を述
べたが、最近多用されている２相ステッピングモータの
基本ステップ角Ｐは１．８度で、その回転角４Ｐは７．
２度でしかない。つまり、図３のような回転バルブ１６
に適用した場合、左右に３．６度ずつしか回転できな
い。特定の応用分野ではこの角度（７．２度）で十分な
場合があるが、他の応用範囲ではより大きな回転角が要
求される場合がある。基本ステップ角の大きな２相ステ
ッピングモータを選択することも可能であるが、出力ト
ルク及び応答性が劣る。これに対し、３相ステッピング
モータの場合には、基本ステップ角Ｐが３．７５度で、
出力トルクおよび応答性も優れたものが市販されてお
り、しかも、回転角が６Ｐつまり２２．５度であるか
ら、広い分野に応用できるという特長がある。例えば、
図３のような回転バルブ１６に適用した場合、左右に１
１．２５度ずつ回転できることになるので、可変オリフ
ィス穴２４，２５の開度変化を大きくでき、出力圧
Ｐ₁ ，Ｐ₂ の制御範囲を広げることが可能になる。

【００３０】以下に３相ステッピングモータの場合を説
明する。図７は従来の一般的な３相ステッピングモータ
の駆動方法を示し、図７で示すような３つの電気信号を
ステッピングモータの３個（Ｕ，ＶおよびＷ相）のコイ
ルに与えると、２相ステッピングモータと同様に基本ス
テップ角Ｐ度ずつ回転する。図７でＵ相に正の電流を印
加し、Ｖ相を無励磁、Ｗ相に負の電流を印加すると、以
前の位置からＰ度回転して停止する。次に、Ｕ相に正の
電流を印加したままＶ相に負の電流を印加し、Ｗ相を無
励磁とすると、更にＰ度回転して停止する。このよう
に、図７で示す手順でＵ，ＶおよびＷ相を励磁すると、
Ｐ度を基本ステップ角としてステッピングモータは回転
し続ける。図７から明らかなように、６Ｐ進むと、同じ
動作が繰り返される。

【００３１】ここで、回転角６Ｐ以内の領域に注目する
と、Ｕ，ＶおよびＷ相に与える電気信号を正，無，負の
３段階とした場合には、分解能はＰ度でしかないが、次
のような方法を用いれば、特定の回転位置を分解能無限
小で制御できる。即ち、図７の６Ｐを一周期とすれば、
Ｕ，ＶおよびＷ相に与えるべき信号を１／３周期ずつず
らす、つまりＵ，ＶおよびＷ相にそれぞれｓｉｎθ，ｓ
ｉｎ（θ−２４０°），ｓｉｎ（θ−１２０°）の三角
関数関係を有する電気信号を与えることができれば、回
転角６Ｐ以内の任意の回転位置を分解能無限小で制御し
うる。

【００３２】３相の場合は、 ｓｉｎθ＋ｓｉｎ（θ−２４０°）＋ｓｉｎ（θ−１２０°）＝０ …(1) が成り立つので、Ｕ，ＶおよびＷ相に印加すべき電気信
号は容易に得ることができる。即ち、Ｕ相とＷ相に印加
すべき電気信号を得ることができれば、（１）式から Ｕ＋Ｗ＋Ｖ＝０ であるから、 Ｖ＝−Ｕ−Ｗ …(2) の関係でＶが求まる。

【００３３】図８において、Ｕはｓｉｎθ、Ｗはｓｉｎ
（θ−１２０°）を示す。図６のＣ〜Ｉの波形は３相ス
テッピングモータの場合でも全く同じであるため、ここ
では省略する。

【００３４】図９は３相ステッピングモータの駆動回路
の一例を示す。図５と同一機能の部品には同一符号を付
した。図５と図９の違いの１つは、図９では発振器３９
がｓｉｎθとｓｉｎ（θ−１２０°）の２つの信号を出
力することである。勿論、ｓｉｎθとｓｉｎ（θ−２４
０°）との組み合わせでもよく、最も経済的な組み合わ
せを選べばよい。もう１つの違いは、図９では抵抗７
４，７５，７６と演算増幅器７７からなる加算回路を追
加したことである。この例の場合、加算によってＶを得
る方法を示している。

【００３５】上記実施例では、ステッピングモータをロ
ータリ型の圧力制御バルブに適用した例を示したが、こ
れに限るものではなく、微小な回転角の制御が必要な装
置に本発明は適用可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、２個または３個のコイルを有するステッピング
モータにおいて、これらコイルに、位相が９０度または
１２０度ずれた三角関数関係を有する電気信号をそれぞ
れ与えることにより、回転シャフトの位置を基本ステッ
プ角Ｐの４倍または６Ｐの角度範囲内で制御するように
したので、回転角４Ｐまたは６Ｐ以内の任意の回転位置
を分解能無限小で制御できる。したがって、ステッピン
グモータの特性を生かしながら、極めて微細な回転制御
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２相ステッピングモータの一般的な駆動方法を
示す信号波形図である。

【図２】本発明が適用される流体圧制御装置の一例の縦
断面図である。

【図３】図２のＮ−Ｎ線断面図である。

【図４】回転バルブが回転した状態の一部断面図であ
る。

【図５】２相ステッピングモータの制御回路の回路図で
ある。

【図６】図５の制御回路の各部の信号波形図である。

【図７】３相ステッピングモータの一般的な駆動方法を
示す信号波形図である。

【図８】本発明にかかる３相ステッピングモータの駆動
方法を示す信号波形図である。

【図９】３相ステッピングモータの制御回路の回路図で
ある。

【符号の説明】 １２ ステッピングモータ １５ 回転シャフト １６ 回転バルブ ２７ ドレーン穴 ２８，２９ 出力ポート ３０，３１ 供給ポート

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２個のコイルを有するステッピングモータ
   において、 上記２個のコイルに、位相が９０度ずれた三角関数関係
   を有する電気信号をそれぞれ与えることにより、回転シ
   ャフトの位置を基本ステップ角Ｐの４倍の角度範囲内で
   制御することを特徴とするステッピングモータの駆動方
   法。
2. 【請求項２】３個のコイルを有するステッピングモータ
   において、 上記３個のコイルに、位相が１２０度ずれた三角関数関
   係を有する電気信号をそれぞれ与えることにより、回転
   シャフトの位置を基本ステップ角Ｐの６倍の角度範囲内
   で制御することを特徴とするステッピングモータの駆動
   方法。
3. 【請求項３】請求項１に記載のステッピングモータの駆
   動方法において、 位相が９０度ずれた２つの正弦波状電気信号を一周期Ｔ
   内の時間ｔでサンプルホールドすることにより、時間ｔ
   に対応するｓｉｎ（２πｔ／Ｔ）とｃｏｓ（２πｔ／
   Ｔ）とに比例した電圧を得るとともに、これら電圧を２
   個のコイルにそれぞれ与えることを特徴とするステッピ
   ングモータの駆動方法。
4. 【請求項４】請求項２に記載のステッピングモータの駆
   動方法において、 位相が１２０度ずれた２つの正弦波状電気信号を一周期
   Ｔ内の時間ｔでサンプルホールドすることにより、時間
   ｔに対応するｓｉｎ（２πｔ／Ｔ）とｓｉｎ（２πｔ／
   Ｔ−２π／３）またはｓｉｎ（２πｔ／Ｔ−４π／３）
   とに比例した２つの電圧を得るとともに、これら電圧を
   加算することにより残りのｓｉｎ（２πｔ／Ｔ−４π／
   ３）またはｓｉｎ（２πｔ／Ｔ−２π／３）に比例した
   電圧を得、これら電圧を３個のコイルにそれぞれ与える
   ことを特徴とするステッピングモータの駆動方法。