JPS6031199B2 - ステツピングモ−タ駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は各種ステッピングモータの駆動回路の改良に係
る。

例えば、或る種のステッピングモータについて検討する
に、そのステータには例えばロータの中心を介して相対
向し同時に同方向の磁場を発生するよう互いに直列に接
続された一対の励磁コイルが互いに直交するように設け
られ、この二組の励磁回路により強度が一定であるが、
その方向が上記励磁回路の中心軸のなす角、即ち９０ｏ
の整数分の一ずつステップ状に変化する回転磁界が形成
され、ロータがこの回転磁界に追随してステップ状に回
動せしめられるタイプのステッピングモータがある。

このタイプのステッピングモータを駆動する駆動回路に
は各種のものがあるが、例えば各励磁回路ごとにその励
磁電流の方向を正逆両方向に切換え得るスイッチ回路網
が後続されており、且つ、それぞれの励磁回路に流れる
電流をいくつかの基準値のうちの一つに一致させるよう
な選択回路又は制御回路が設けられており、これらによ
り各励磁回路を流れる電流の向きと大きさとをステップ
状に制御し、上記の一定強度でステップ状に回転する磁
界を発生せしめ、ロータの回転角を制御するようになつ
ている。

然しながら、従来公知の駆動装置では、励磁弦流の制御
が完全でなく、位相角ごとに生じる誤差が大きく、また
温度ドリフト等も無視できないので、モータの引き込み
トルク、脱出トルク、回転角等の誤差が大きかった。

以下その理由を説明する。

従釆公知の駆動回路は、 各励磁回路と駆動用直流電源との間にそれぞれ接続され
励磁回路を流れる電流の方向を正逆両方向に切換え得る
スイッチ回路網と、上記スイッチ回路網を介して各励磁
コイルに流れる電流を制御するため各励磁回路に直列に
挿入される電流制御スイッチと、適宜の駆動制御回路が
出力するパルス信号に応答し上記スイッチ回路網の各ス
イッチを順次輪番的に切換える制御回路と、複数段の電
圧信号を出力し得る基準電圧発生回路と、各励磁回路毎
に設けられ、上記駆動制御装置の出力する上記パルス信
号より繰返し周波数の高いパルス信号に応動して上記基
準電圧出力回路の出力を順次選択して出力する選択回路
と、上記励磁回路毎にそれぞれ直列に挿入された抵抗と
、上記各抵抗の端子電圧をそれぞれ平滑化するため各抵
抗毎に設けられる平滑回路と、上記各平滑回路の出力と
それに応答して与えられる上記選択回路の出力とをそれ
ぞれ比較し前者が後者以下であるときのみ対応する励磁
回路の電流制御スイッチを開とする指令信号を発振する
励磁電流制御回路から成るものであった。

而して、上記の回路に於ては、各励磁回路が、電流制御
スイッチと、電流方向切換えスイッチとを介して直流電
源に接続されており、電流方向切換えスイッチは、数日
２乃至１００日２程度の繰返し周波数の指令パルスで切
換えられ、各励磁コイルに与えられる基準電圧は上記指
令パルスのＮ倍（但し、Ｎは電気的分割数）の繰返し周
波数の指令パルスにより切換えられる。

一方電流制御スイッチのオンオフ繰返し周波数は回路特
性から通常数１０〜１００ＫＨ２程度に限定されている
。

而して、この程度の繰返し周波数でも、ステッピングモ
ータの分割数Ｎがさほど大きくなく、且つその回転数で
駆動されていると基準電圧が一つの基準値に保たれてい
る期間内に電流制御スイッチが数ｌｑ司以上オン・オフ
されるから、問題は少ない。

然しながら、この回路は本質的に低周波数回路であるこ
とから周波数応答特性が悪く、叙上の如き問題があり、
特に回転数やトルクが変動する場合いよいよ誤動作をす
ることがあった。

本発明は叙上の鏡部こ立ってなされたものであって、そ
の目的とするところは、簡単な回路で確実に励磁函流が
制御できるこの種のステッピングモータの駆動回路、特
に電気的分割によるステップ駆動が確実に行なわれるよ
うに改良した回路を提供することにある。

而して、本願発明の要旨とするところは、励磁電流をそ
のステップ周期より格段に高い繰返し周波数のパルスと
し、回路全体の周波数応答を高め、これによりステッビ
ングモータの特性を改善することにある。

以下図面により本発明の詳細を説明する。

図面は本発明にか）るステッピングモータ駆動回路の一
実施例を示す回路図である。

而して、図中、１は上記のステッピングモータであり、
２はそのロー夕、３，３′及び４，４′はそれぞれ対を
なし励磁回路を構成する二組の励磁コイルである。

また５乃至８及び９乃至１２は、それぞれ励磁コイル３
，３′及び４，４′に接続され、それらの励磁電流の方
向を切換えるスイッチ回路網を構成するスイッチング素
子、１１３及び１４はそれぞれ励磁コイル３，３′及び
４，４′の励磁回路を開閉し平均励磁電流を制御するス
イッチング素子、１５及び１６は各励磁電流を検出する
ため挿入された抵抗、１７は歩進指令パルス発振器等を
含む例えば数値制御装置の記録テープからの読み出し指
令情報信号の出力装置、１８は前記指令情報信号を例え
ば並列バィナリコードの信号に変換出力する信号変換装
置、１９及び２０はアィソレータ、２１は複数の基準電
圧を発生する基準電圧発生回路、２２及び２３はＩＣス
イッチ、２４及び２５はそれぞれ励磁方向を切換制御す
るスイッチング素子５乃至８及び９乃至１２の開閉状態
を制御する励磁方向制御回路、２６及び２７は抵抗１５
，１６の端子電圧を平滑化する平滑回路、２８及び２９
は比較回路、３０は高周波パルス発振器、３１及び３２
はゲート回路作動と共に信号増幅を行なう演算増幅器、
３３は励磁電源である。励磁コイル３，３′の励磁回路
と同４，４′の励磁回路とは全く同形であるから、前者
についてのみ説明する。

励磁コイル３，３′は直列に接続され一つの励磁回路を
構成しており、これにスイッチング素子５及び８から成
る回路並びに同７及び６から成る回路がそれぞれ直列で
、互いに逆並列に接続され、公知のブリッジ回路が形成
される。パルス発振器３０は、二つの励磁コイル３，３
′及び４．４′に共通の励磁信号源であり、その出力は
比較回路２８及び２９によって制御される演算増幅器３
１及び３２を介して電源３３を有する各スイッチング素
子１３及び１４に、その制御信号として入力する。

スイッチング素子１３の出力側端子はスイッチング素子
５及び７の接続点に接続され、これにより電源３３の出
力電流が供給される。また、スイッチング素子６及び８
の接続点は励磁電流検出用の挿入抵抗１６を介して接地
される。

一方、励磁方向制御回路２４のＱ出力が状態１であると
、スイッチング素子５及び８が導通し、同６及び７が非
導通となるが、逆にＱ出力が状態１となるときは、スイ
ッチング素子６及び７が導通し、同５及び８が非導通と
なる。

従って、今、比較回路２８の信号が出力しているとする
と、パルス発振器３０の出力パルスに応じてスイッチン
グ素子１３はオン・オフし、Ｑ出力が状態１であるとき
は、スイッチング素子５→励磁コイル３→同３′→スイ
ッチング素子８→挿入抵抗１６という電離を通り、また
Ｑ出力が状態１であるときは、スイッチング素子７→励
磁コイル３′→同３→スイッチング素子６→挿入抵抗１
６という亀路を通ってパルス励磁電流がコイル３，３′
に電源３３から流れる。

このため、励磁方向制御回路２４の出力が反転すると、
励磁コイル３，３′の励磁方向が逆転する。そして平均
励磁電流の大きさは、後述するように比較制御回路２８
の出力信号により制御または設定されている。同様にし
て、励磁コイル４，４′もパルス発振器３０の出力でオ
ン・オフされるスイッチング素子１４からの出力パルス
により励磁される。

その励磁方向制御回路２５の出力で制御されるスイッチ
ング素子９，１０，１１及び１２により決定され、且つ
その平均励磁電流の大きさは比較制御回路２９の出力信
号により制御または設定される。上記の場合、パルス発
振器３０の発振周波数は、例えばＩＭＨＺの高周波に設
定してあり、このため、各励磁回路に供給される励磁電
流はＩＭＨｚの高周波パルスの脈流的なものとなるが、
平均励磁電流の大きさは従来公３句のものと同様に制御
されることになる。即ち、スイッチング素子１３，１４
の出力励磁電流の大きさは、パルス発振器３０の発振信
号パルスと比較回路２８，２９の信号が入力する演算増
幅器３１，３２の出力信号のデューティフアクタによっ
て制御されるもので、前記比較回路２８．２９には基準
電圧発生回路２１に設けられている例えば５段階の電圧
信号の１つが信号変換装置１８を介して、駆動制御装置
１７により選択されたＩＣスイッチ２２，２３の出力電
圧が前記比較回路２８，２９に入力して、対応する励磁
回路の平均電流が上記５段階の１つの基準値に対応した
値となるよう制御する。

この場合、比較回路２８と２９とには通常は同一レベル
の設定信号が入力しない。上記の如く比較回路２８と２
９に、それぞれ或レベルの信号電圧が設定電圧として基
準電圧発生回路２１から各ＩＣスイッチ２２，２３を介
して入力している状態で、該回路２８，２９の出力と発
振器３０の出力とによってスイッチング素子１３，１４
が導適すると、励磁コイル３，３′及び４，４′に励磁
電流が流れ始めるが、該電流は０．１０程度の抵抗１５
，１６により検出され、その端子に現れる脈流状の検出
信号はそれぞれ平滑回路２６，２７によって平滑化され
て前記比較回路２８，２９に帰還入力し、該帰還入力信
号が０から増大するに従って回路２８，２９の出力信号
を減少、または前記帰還入力信号が増大してＩＣスイッ
チ２２，２３から入力する設定信号電圧と同一になった
時に回路２８，２９の出力を零とするようにスイッチン
グ素子１３，１４を制御し（回路２８，２９の出力が零
のとき増幅器３１，３２の出力も零となってスイッチン
グ素子１３，１４は不導通）、回路２８，２９の出力が
零となると、スイッチング素子１３及び１４はオフとな
って励磁コイル３，３′及び４，４′の励磁電流は断た
れ、抵抗１５，１６の検出信号はなくなり、平滑回路２
６，２７から回路２８，２９に入力する信号もなくなる
から、スイッチング素子１３，１４は再びオンとなる。

このようなスイッチング素子１３，１４のオン・オフ、
即ち励磁電流のオン・オフは、発振器３０の発振周波数
ＩＭＨＺより格段に低いが、ロータのステッピング回数
よりは格段に高い繰返し周波数、例えば１０ＫＨ２前後
で行なわれるから、このようなスイッチング素子１３，
１４のオン・オフによってロータは回動せず、且つこの
ような制御はＩＣスイッチ２２，２３の切換により比較
回路２９，２９に基準電圧発生回路２１から入力する入
力設定電圧が切換えられた後にも同様に行なわれて励磁
電流が変化するので、別途手段を講ずることなくＩＣス
イッチ２２，２３の切換だけで励磁電流制御が行なわれ
ることになる。

即ち、例えば、比較回路２８，２９への発生回路２１か
らの入力設定電圧が高い程スイッチング素子１３，１４
ノズルオン・オフ周波数は通常低くなり、逆に入力設定
電圧が低い程スイッチング素子１３，１４ノズルオン・
オフ周波数は通常高くなっている。

励磁コイル３，３′及び４，４′に対する平均励磁電流
の設定制御は、上記ＩＣスイッチ２２，２３によって選
択され基準電圧発生回路２１から比較回路２８，２９に
入力する電圧信号の大きさと、上述の如きスイッチング
素子１３，１４のオン・オフ周波数によって定まる。

そして、上記ＩＣスイッチ２２，２３の切換は、数値制
御装置１７の出力１８からの指令信号によって、信号変
換装置１８を介して行なわれ、同指令信号は励磁方向制
御回路２４，２５にも入力してスイッチング素子５乃至
８及び９乃至１２を切換制御する。

而して、スイッチング素子１３及び１４が上記の如くオ
ン・オフ導通を繰り返しているときは、励磁コイル３，
３′及び／又は４，４′にＩＣスィッチ２２，２３によ
って選択された発生回路２１の選択設定電圧に応ずる所
定の励磁電流が流れ、このため、励磁コイル３，３′及
び４，４′の中央部には、これらの電流の方向と大きさ
により定まる合成磁界が発生し、ロータ２の磁極は、こ
の合成磁界の方向に向けられるものである。

而して、この合成磁界の方向及び大きさは、出力装置１
８の計数値、即ちバイナリコードの信号ｉに対応したも
のとなる。

即ち、歩進指令パルスによってＮＣ装置が制御信号を出
力し、出力装置１８の計数が、ｉから（ｉ＋１）に進め
られると、上記合成磁界はＨｉから日（ｉ＋１）に変り
、ロータ２はこれに追随して回動せしめられる。然ると
きは、励磁コイル３，３′及び４，４′には正逆両方向
に励磁電流が流れるが、これらの励磁電流の向きに拘わ
らず、抵抗１５及び１６を通る電流の向きは常に一定と
なるものである。

この抵抗１５及び１６の端子電圧は、それぞれ平滑回路
２７及び２６を介して、それぞれ比較回路２８及び２９
の上記他の一方の入力端子にフィードバックされる。比
較回路２８及び２９の作用は前述した通りである。

而して、今、スイッチング素子１３及び１４が発振器３
０の高周波信号でオン・オフせしめられたとすると、電
源３３から励磁電流がそれぞれ励磁コイル３，３′及び
４，４′に上記高周波でオン・オフする電流として、且
つ比較回路２８，２９に入力する選択された発生回路２
１の基準電圧レベルに応じた振幅を有する高周波のパル
ス又は脈流露流として供給される。

励磁コイル３，３′及び４，４′の励磁電流は、上記高
周波パルス又は脈流露流の名コイルごとの振幅、周波数
及び励磁回路の諸定数により定まるスルーレートで上昇
し、このため挿入抵抗１５及び１６の端子電圧も上昇す
る。

挿入抵抗１５及び１６の各端子間電圧はそれぞれ平滑回
路２６及び２７で平滑化され、該各平滑電圧は、比較回
路２８及び２９の他方の入力端子にＩＣスイッチの選択
回路２２，２３から入力している基準電圧と比較され、
上記平滑電圧が基準電圧と同一になれば、スイッチング
素子１３及び１４がオフとなると挿入抵抗１５及び１６
の端子電圧は零となるから、前述の如くスイッチング素
子１３及び１４は、発振器３０の高周波パルスでオン・
オフされ前述の作動を数値制御１７から次の指令信号が
出力する迄繰返し、ステッピングモータ１の回動は停止
している。

なお、上記の場合、比較回路２８，２９の出力が零とな
る時間や時期は格別、相互に同期する訳ではないが、挿
入抵抗１５，１６の検出信号によってオン・オフするス
イッチング素子１３及び１４の該オン・オフ周波数を、
前述の如くステッピングモータ１の自起動周波数よりも
高く設定しておくことにより、上言己非同期状態が生じ
ても、数値制御装置１７から次の動作指令信号が出力せ
ず、信号変換回路１８のバィナリコードが歩進等変化し
ない以上ステッピングモーターは回動しない。

而して、数値制御装置１７が少なくとも一つのパルスを
発生し、信号変換回路１８のバィナリコードが変化又は
歩進せしめられると、励磁コイル３，３′及び４，４′
の励磁電流は新しいステップに適合するように切換えら
れ、以下同様にしてステッピングモータ１が駆動される
ものである。

而して、叙上の制御回路は、総て高周波回路であり、そ
のため周波数応答特性が極めて良好なものであるから、
これによれば励磁コイル３，３′及び４，４′の励磁電
流を極めて正確、確実に制御できるものである。従って
本発明によるときは、ロータの進み角、一定速度に於け
る脱出トルク、引込トルクその他の特性を向上させると
共に、トルク又は速度が変動する場合も誤動作等がなく
、従ってこれを用いた制御系の安定性と信頼性を高め得
るものである。なお、本発明の構成は叙上の実施例に限
定されるものではない。

いくつかの例を拳げれば次の通りである。

まずバイナリコードの信号を出力する出力回路１８の代
りには、ロー夕の位相角を二進コードに変換できる総て
のェンコーダを利用できるものであり、これらの例とし
てはリングカウンタ、シフトカウンタその他のカゥンタ
、選択回路等が拳げられる。またＩＣスイッチは、他の
デコーダその他の選択回路が利用でき、励磁方向制御回
路の構成要素には選択回路、バイステーフルェレメント
、演算回路、シフトレジスタ等が利用できるものである
。スイッチング素子１３及び１４の制御回路としては、
より高次の制御を行なうため、より高度な演算回路、論
理回路等を各種組合せて用いることもある。

而して、これらの制御回路は、二つの比較回路２８及び
２９の出力状態が一致及び不一致となったとき、スイッ
チング素子１３及び１４の開閉をより合理的に行なうた
め用いるものである。また、挿入抵抗１５又は１６と、
平滑回路２７又は２６とは、一体的に構成されることも
あり、またこれらに代えて公知の電圧検出器等を利用す
ることも可能である。

また、本発明は、永久磁石型、異極又は徴４・角変位の
可変リラクタンス型、ハイブリッド型等各種形式のステ
ッピングモータに、且つ各種形式のステツピングモータ
に於ける１相、２相、３相、２〜３相、又はダブル１〜
２相等の各種励磁方式のものにも適用できるものである
。本発明は叙上の如く構成されるから、本発明によると
きは、極めてコンパクトでありながら、ステッピングモ
ータを正確、確実に駆動できる駆動回路を提供できるも
のである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明にか）るステッピングモータ駆動回路の一
実施例を示す回路図である。 １……ステツピングモータ、２……ロータ、３，３′，
４，４′・・・・・・励磁コイル、５乃至１２・・・・
・・励磁方向を切換えるスイッチ回路網を構成するスイ
ッチング素子、１３，１４・・・・・・励磁電流制御用
のスイッチング素子、１５，１６・・・・・・抵抗、１
７・・・・・・数値制御装置、１８・・・・・・信号変
換回路、１９，２０・・・・・・アィソレータ、２１・
・・・・・基準電圧発生回路、２２，２３…・・・ＩＣ
スイッチ、２４，２５・…・・励磁方向制御回路、２６
，２７・・・・・・平滑回路、２８，２９・・・・・・
比較回路、３０・…・・高周波パルス発振器、３１，３
２・・・・・・演算増幅器（ゲート回路）、３３・・・
・・・電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ロータと、上記ロータの周囲に放散同形に配列され
   互いに対をなすコイルを直列に接続した励磁回路を複数
   個有するステツピングモータの駆動回路であつて、 上
   記各励磁回路と駆動用直流電源との間にそれぞれ接続さ
   れ励磁回路を流れる電流の方向を正逆両方向に切換え得
   るスイツチ回路網と、上記スイツチ回路網を介して各励
   磁コイルに流れる電流を制御するため各励磁回路に直列
   に挿入される電流制御スイツチと、適宜の駆動制御回路
   が出力するパルス信号に応答した上記スイツチ回路網の
   各スイツチを順次輪番的に切換える制御回路と、複数段
   の電圧信号を出力し得る基準電圧発生回路と、各励磁回
   路毎に設けられ、上記駆動制御装置の出力する上記パル
   ス信号に応動して上記基準電圧出力回路の出力を順次選
   択して出力する選択回路と、上記励磁回路毎にそれぞれ
   直列に挿入された抵抗と、上記各抵抗の端子電圧をそれ
   ぞれ平滑化するため各抵抗毎に設けられる平滑回路と、
   上記各平滑回路の出力とそれに応答して与えられる上記
   選択回路の出力とをそれぞれ比較し前者が後者以下であ
   るときのみ対応する励磁回路の電流制御スイツチを開と
   する指令信号を発振する励磁電流制御回路から成るもの
   に於て、 上記励磁電流制御回路が、電流制御スイツチ
   の開閉制御信号として用いられる高周波パルスを発振す
   る発振器と、上記各平滑回路の出力とそれに応答して与
   えられる上記選択回路の出力とを比較し前者が後者以下
   であるとき特定の信号を発生する比較回路と、上記比較
   回路が上記特定の信号を発生したときのみ、上記高周波
   パルス発振器の出力パルスを通過させ上記電流制御スイ
   ツチに制御信号として供給するゲート回路から成ること
   を特徴とする上記のステツピングモータ駆動回路。