JPS6096199A - ステツピング・モータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はステッピング・モータを効率的に駆動する回路
に関する。

〔従来の技術〕

ステッピング・モータはＸ−Ｙプロッタ等の如くデジタ
ル制御される機械に最適である。第６ａ図はステッピン
グ・モータ及びその駆動回路のブロック図である。ステ
ッピング・モータ１０を固定子１２、コイル（巻線）１
４ａ〜１４４ｄ及び回転子１６で構成する。モータ１０
はＶＲ（可変レラクタンス）型又はＰＭ　（永久磁石）
型ステッピング拳モータでもよい。励磁回路２０の動作
はステッピング・モータがＶＲ型でもＰＭ型でも同じな
ので、説明を簡略化するためこの説明では、モータ１０
が図示の如く永久磁石の回転子１６を有するＰＭ型とす
る。制御回路１８及び励磁回路２０を含む駆動回路によ
り、ステッピング・モータ１０を駆動する。なお、制御
回路１８は入力パルスに応じて多相パルスＰＬ−Ｐ４ｔ
−発生する分配器として働き、励磁回路２０は制御回路
１８からのパルスに応答して多相駆動電圧全コイル１４
ａ〜１４ｄに供給する。制御回路１８は、フリップ・フ
ロップ及びゲート回路で構成され、所望周波数で第５図
に示す如きパルスＰＬ−Ｐ４を発生する従来回路でもよ
い。コイル１４ａ〜１４ｄは第６ａ図′に示すモノファ
イラ巻でもよいし、第６ｂ図に示すバイファイラ巻でも
よい。

回転子１６の回転動作（バイポーラ励磁モードの場合）
を以下に要約するが、以下に述べる本発明の実施例の各
々において、固定子１２の各磁極（極歯）は指定された
磁気極性になる。第６ｃ図に示す如く、磁極ａ及びｄ並
びにｂ及びＣが夫々Ｓ並びにＮのとき、回転子１６は第
６Ｃ図（１）に示す位置にある。磁極ａ及びＣの極性が
変化せずに、磁極す及びｄが夫々Ｓ及びＮＫ切替ると、
回転子１６のＮ及びＳ磁極が第６Ｃ図（２）の位置とな
る。

次に磁極す及びｄの極性を切替えずに、磁極ａ及びＣの
極性を夫々Ｎ及びＳに切替えると、回転子１６ＯＮ及び
Ｓ極が第６ｃ図（３）に示す位置となる。

磁極ａ及びＣを切替えずに、磁極す及びｄの極性をＮ及
びＳに切替えると、回転子１６のＮ及びＳ極は第６Ｃ図
（４）に示す位置となる。最後に、磁極す及びｄを切替
えずに磁極ａ及びＣを再び切換えると、第６Ｃ図（５）
、即ち（１）に示す位置に回転子１６が戻る。同様に、
動作順番が逆ならば、回転子１６が反時計方向に回転す
る。モノファイラ巻及びバイファイラ巻モータの両方に
おいて、コイル１４ａのスイッチング（切替）時間はコ
イル１４ｃのスイッチング時間に同期しており、コイル
ｊ４　ｂのスイッチング時間ハコイル１４ｄのスイッチ
ング時間に同期している点に注意されたい。

上述の如く、制御回路１８からのパルスに応答して、励
磁回路２０がコイル１４ａ〜１４ｄを励磁する。制御回
路１８からのパルスＰ１〜Ｐ４間の位相関係を調整して
、回転子１６の回転方向を変更できる。

以下に説明する本発明の実施例では、２相励磁モードで
モータを励磁する。更にモノファイラ巻モータに適用す
る場合、物理的に互いに１８０度異なる固定子の磁極の
巻線を、各磁極の相補的な磁界が発生するように、励磁
する。寸だバイファイラ巻モータに適用する場合、固定
子の磁極対の両方を占める２個の巻線（例えば第６ｂ図
の１４ａ及び１４ｃ）を独立に励磁してもよい。バイフ
ァイラ巻線の一方を付勢すると、発生した磁界により磁
極は相補的極性となり、バイファイラ巻線の他方を付勢
すると、発生した磁界により磁極は逆の相補的極性とな
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ステッピング・モータを用いる機械を駆動する際に、ス
テッピング・モータの回転子を効率的にかつ正確に回転
させることが望脣しい。ステッピング・モータのコイル
、即ち巻線は、供給された信号に対し誘導性負荷となる
。各コイルはインダクタ及び抵抗器の直列組合せと見な
せるので、これらの時定数は長くなシ望ましくない。更
に、回転子が回転中、コイルに逆起電力が発生する。駆
動電圧をステッピング・モータのコイルに供給してその
ステッピング・モータを励磁するには、その供給電圧が
コイルのインダクタンス及び抵抗の影響に打勝たなけれ
ばならない。インダクタンスの影響により、コイル内に
電流が流れたり、変化するのが妨げられる。駆動電圧の
スイッチング速度が速くなると、電流が所望動作レベル
に達する立上り時間が更に問題となシ、回転子に加わる
トルクが弱くなる。よって、高速動作においてステッピ
ング・モータの性能を維持するには、電流の立上り時間
ｔｔｍかくすることが必要であるとされている。この目
的のため、従来、種々の技術が広く用いられている。

従来技術の１つでは、ステッピング争モータのコイルと
直列に抵抗器を挿入し、電源電圧を上昇して、コイルの
時定数を下げている。しかし、この技術には、挿入した
抵抗器により電力を消費するという欠点がある。他の従
来技術は２個の電源を用い、一方の電源からの高電圧を
ステッピング・モータのコイルに供給して、スイッチン
グ時における電流の立上シ時間を短かくすると共に、コ
イル内の電流が所定値に達した後、他方の電源からの低
電圧をコイルに供給している。この従来技術は、２個の
電源回路と電源電圧切替回路を必要とするので、構成が
複雑であり、寸だこの従来技術を実現する手段は高価で
ある。

更に他の従来技術は、コイル内の電流の流れを制御する
電流レギーレータを備えている。しかし、この従来技術
も実現するには複雑かつ高価である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のステッピング・モータ駆動回路は、ダイオード
（２２，２８，３０，３６，５４，１２２゜１２８．２
６８，２７０）、スイッチング素子（２４゜２６，３２
．　３４，１２４，１２６，２２４，２２６）、及びス
テッピング・モータのコイル（１４ａ、１４ｃ）の直列
回路と、この直列回路のダイオードに接続されたコンデ
ンサ（４６〜５２．５６．１４６．１４８゜２４６．２
４８）と、スイッチング素子を導通又は非導通に切替え
てステッピング・モータの回転全制御する制御回路（１
８）とを具えている。

〔作用〕

本発明によれば、ステッピング・モータ（以下、単にモ
ータということもある）の各駆動コイルを、対で、かつ
各対の一方のコイルと他方のコイルとに１８０度の位相
差があるように制御する。本発明は、従来の均一なイン
タリーブ（互い違いになった）パルスの制御により、コ
イルをユニポーラ又はバイポーラ運転で励磁する回路を
備えており、制御パルスの数とコイルの数が等しく、各
パルスが特定のコイルに対応する。また、互いに１８０
度異なる２個のコイルに割当てられたパルスは、位相が
互いに１８０度異なっている。

本発明の駆動回路は、スイッチングが行なわれないとき
、通常動作電圧を伺勢したコイルに供給し、スイッチン
グの過渡期に高電圧を供給して、新たに付勢されたコイ
ルの電流が所望値になるのを速める（電流の立上り時間
を短かくする）。新たに付勢されたコイルに高電圧を瞬
間的に供給するのに必要なエネルギｆニー１１ｊえるに
は、コンデンサを設け、前に付勢されたコイル内の残り
のエネルギをこのコンデンサに転送し、コンデンサの電
荷に加算する。よって、必要な高電圧が得られる。

〔実施例〕

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施例について
説明する。本発明の全体的なブロック図には第６ａ図が
適用でき、特にその励磁回路２０を改良したものである
。第１図は本発明の第１実施例による励磁回路２０の半
分を示す。この実施例は、モノファイラ巻又はバイファ
イラ巻ステッピング・モータのいずれにも適用できる。

ダイオード２２、スイッチング素子２４．２６及びダイ
オード２８を電位源、即ち直流電圧源＋■及び−■間に
直列接続する。同様に、ダイオード３０、スイッチング
素子３２．３４及びダイオード３６を電圧源＋■及び−
Ｖ間に直列接続する。スイッチング素子２４，２６．３
２及び３４としては、リレーの如き高速機械スイッチ又
はスイッチング・ノくイポーラ・トランジスタの如き電
子スイッチが利用できる。スイッチング素子２４及び３
４を制御回路１８からのパルスＰ１で制御し、スイッチ
ング素子２６及び３２を制御回路１８からのノζルスＰ
２で制御する（第５図参照）。ダイオード３８゜４０．
４２及び４４を夫々スイッチング素子２４゜２６．３２
及び３４に並列接続する。これらダイオードは、スイッ
チング素子が単方向性の場合、逆方向の導通を行なう。

ステッピング・モータ１０のコイル１４ａはスイッチン
グ素子２４及び２６の共通接続点と他の電位源、即ち接
地との間に接続する。同様に、ステッピング・モータ１
０のコイル１４ｃは接地とスイッチング素子３２及び３
４の共通接続点と゛の間に接続する。コンデンサ４６を
接地とダイオード２２及び３８の共通接続点との間に接
続し、コンデンサ４８を接地とダイオード２８及び４０
の共通接続点との間に接続し、コンデンサ５０を接地と
ダイオード３０及び４２の共通接続点との間に接続し、
コンデンサ５２を接地とダイオード３６及び４４の共通
接続点との間に接続する。ステッピング拳モータ１０の
コイル１４ｂ及び１４ｄ用に同様な回路を励磁回路２０
内に設け、制御回路１８からのパルスＰ３及びＰ４によ
り制御する点に注意されたい。

パルスＰ１及びＰ２によりスイッチング素子２４及び３
４が閉じ（オン）、他のスイッチング素子２６及び３２
が開く（オフ）第１状態において、電圧源＋■からの電
流はダイオード２２、スイッチング素子２４、コイル１
４ａｆ：介して接地に流れ、接地からの電流はコイル１
４Ｃ，スイッチング素子３４、ダイオード３６を介して
電圧源−Ｖに流れる。スイッチング素子２４及び３４を
開き、スイッチング素子２６及び３２を閉じる第２状態
では、電流が電圧流子Ｖからダイオード３０、スイッチ
ング素子３２、コイル１４ｃｔ介して接地に流れると共
に、接地からコイル１４ａ、スイッチング素子２６、ダ
イ″オード２８を介して電圧源−■に流れる。第１状態
から第２状態に（又は第２状態から第１状態に）切替わ
るとき、コイル１４ａ及び１４ｃの誘導特性により、こ
れらコイル１４ａ及び１４ｃを流れる電流の方向を急速
に変えることはできない。この切替えの後の短期間、電
流が接地からコンデンサ４８、ダイオード４０、コイル
１４ａを介して接地に流れると共に、接地からコイル１
４ｃ１ダイオード４２、コンデンサ５０を介して接地に
も流れる。よって、コイル１４ａ及び１４Ｃ内のエネル
ギがコンデンサ４８及び５０に転送され、これらコンデ
ンサ４８及び５０は夫々負の高電圧及び正の高電圧（こ
れら電圧の値はコンデンサの容量によシ決する）に充電
される。即ち、Ａ点及びＢ点の電圧は夫々負及び正に変
化する。コンデンサ４８及び５０は切替え動作の前に予
め電圧−Ｖ及び＋Ｖに夫々充電されており、これらコン
デンサは切替え動作後直ちにコイル１４ａ及び１４ｃを
流れる電流により更に充電される点に注意されたい。ま
だ、コンデンサ４８及び５０に充電された電圧の絶対値
が夫々対応する電圧源−■及び＋■の絶対値を越えると
、ダイオード２８及び３０は夫々電圧源−■及び＋■を
効果的に切離すことにも注意されたい。状態が変化した
とき、コンデンサ４８及び５０の高電圧により、電流の
流れの反転及びコイル１４ａ、１４ｃ内の新た々電流レ
ベルが落着くのを促進する。これは、インダクタに流れ
る電流の変化割合は、このインダクタの両端間の電圧に
比例するためである。コンデンサ４８及び５０の弁端間
の電圧の値が夫々電圧−■及び＋Ｖに戻ると、切替え動
作が完了し、電圧源−■及び十Ｖは「静止状態」電流を
コイル１４ａ及び１４ｃｌ／Ｉｃ流す。このとき、ダイ
オード４０及び４２が逆バイアスされる。

第２状態から第１状態に切替わるときも同様な動作が行
なわれ、この際、ダイオード２２及び３６がダイオード
２８及び３０に対応し、ダイオード３８及び４４がダイ
オード４０及び４２に対応し、コンデンサ４６及び５２
がコンデンサ４８及び５０に対応する。ダイオード、ｊ
８．４０．４２及び４４は（バイポーラ・トランジスタ
の如き）単方向性スイッチング素子２４，２６．３２及
び３４のバイパスとして必要である。スイッチング素子
がＣＭＯ８素子の如く双方向性の場合は、バイパス・ダ
イオードが不要である。

第２図は本発明の第２実施例による励磁回路２０の半分
を示す。この実施例は、モノコアイラ！又はバイファイ
ラ巻ステッピング・モータのいずれにも適用できる。ま
だ、この実施例は第１図の実施例と類似しているが、ダ
イオード２２及び３０の代りにダイオード５４を設け、
ダイオード２８及び３６を除去し、スイッチング素子２
６及び３４を一■電圧源の代りに接地に接続し、コンデ
ンサ４６〜５２を除去し、単一のコンデンサ５６をダイ
オード５４のカソード及び接地間に接続し、コイル１４
ａ及び１４ｃの共通接続点を接地するのを止めている。

パルスＰ１に応答してスイッチング素子２４及び３４が
閉じ、パルスＰ２に応答しｆスイッチング素子２６及び
３２が開いた第１状態において、電流は電圧源＋Ｖから
ダイオード５４、スイッチング素子２４、コイル１４ａ
及び１４ｃ、スイッチング素子３４を介して接地に流れ
る。パルスＰ１及びＰ２に応答してスイッチング素子２
４及び３４が開き、スイッチング素子２６及び３２が閉
じて第２状態になると、電流は電圧源子Ｖからダイオー
ド５４、スイッチング素子３２、コイル１４ｃ及び１４
ａ、スイッチング素子２６を介して接地に流れる。第１
状態から第２状態に切替わると、コイル１４ａ及び１４
ｃの誘導特性により、Ａ点の電圧は負に変化し、Ｂ点の
電圧は正に変化して、電流がコイル１４ａ及び１４ｃを
Ａ点からＢ点に流れるのを維持しようとする。この電流
は、接地からダイオード４０、コイル１４ａ１コイル１
４ｃ、ダイオード４２、コンデンサ５６を介して接地に
流れる。なお、状態が変化する前に、ダイオード５４を
介してコンデンサ５６は＋Ｖに充電されている点に注意
されたい。よって、コンデンサ５６は電圧子Ｖよシも高
い電圧（この電圧の値はコンデンザの容量により決まる
）に充電され、直列ダイオード５４は、電流源としての
電圧源＋■を回路の他の部分から切離なず。コンデンサ
５６に発生した高電圧は、電流の流れがＡ点からＢ点へ
の方向から逆方向に反転するのを促進する。切替え動作
が完了し、コンデンサの電圧が＋■電圧源のレベルにま
で下ると、電圧源＋■により再び電流がダイオード５４
、スイッチング素子３２、コイル１４Ｃ及び１４ａ、ス
イッチング素子２６を介して接地に流れる。第２状態か
ら第１状態に切替わるときも、同様な動作が行なわれる
。なお、スイッチング素子２４，２６．３２及び３４が
双方向性の場合、ダイオード３８〜４４を除去してもよ
い。この実施例でも、ステッピング・モータ１０のコイ
ル１４ｂ及び１４ｄ用に同様々回路を励磁回路２０内に
設けて、パルスＰ３及びＰ４で制御する点に注意された
い。

第３図は本発明の第３実施例による励磁回路２０を示す
が、この実施例はノくイコアイラ巻ステッピング・モー
タにのみ利用できる。ダイ゛オード１２２、ステッピン
グ・モータ１０のコイル１４ａ及びスイッチング素子１
２４を電圧源→−■及び接地間に直列接続し、ダイオー
ド１２８、コイル１４ｃ及びスイッチング素子１２６も
電圧源＋■及び接地間の直列接続する。コンデンサ１４
６及び１４８の一方の電極を夫々ダイオード１２２及び
１２８のカソードに接続し、これらコンデンサの他方の
電極を接地する。更に、ダイオード１６０及び１６２を
第３図に示す如く接続する。スイッチング素子１２４及
び１２６は、制御回路１８からのノ々ルスＰ１及びＰ２
（第５図参照）により夫々制御する。

第１状態においてスイッチング素子１２４が開き、スイ
ッチング素子１２６が閉じると、電流は電圧源＋■から
ダイオード１２８、コイル１４Ｃ１スイツチング素子１
２６を介して接地に流れる。

スイッチング素子１２４が閉じ、スイッチング素子１２
６が開く第２状態では、電流が電圧源＋■からダイオー
ド１２２、コイル１４ａ、スイッチング素子１２４を介
して接地に流れる。第１状態から第２状態に切替わると
き、Ａ点の電圧が上昇し、電流が接地からコンデンサ１
４８を介して流れると共に、十■電圧源からダイオード
１２８、コイル１４Ｃ，ダイオードエ６０、コンデンサ
１４６を介して接地に流れ、その結果コンデンサ１４６
を充電する。コンデンサ１４６は前もってダイオード１
２２を介して電圧＋■に充電されていることに注意され
たい。よって、コンデンサ１４６に発生した電圧は電圧
−１−Ｖよりも高くなり、ダイオード１２２は十■電圧
源から電流が流れるのを阻止する。切替え動作によるコ
ンデンサ１４６のこの高電圧により、コイル１４ａの電
流を速く安定させる。切替え動作の完了後、電圧源＋■
から低電圧＋■をコイル１４ａに供給する。第２状態か
ら第１状態に切替るときも同様な動作である。コイル１
４ｂ及び１４ｄ用に同様々回路を励磁回路２０内に設け
て、パルスＰ３及びＰ４により制御する。

第４図は本発明の第４実施例による励磁回路２０の半分
を示すが、この実施例はバイファイラ巻ステッピング・
モータにのみ利用できる。ステッピング・モータ１０の
コイル１４ａ１ダイオード２６８及びスイッチング素子
２２４から成る直列回路を電圧源＋Ｖ及び接地間に接続
する。同様に、コイル１４Ｃ１ダイオード２７０及びス
イッチング素子２２６から成る直列回路を電圧源＋Ｖ及
び接地間に接続する。コンデンサ２４６及びダイオード
２７２から成る直列回路をコイル１４ａに並列接続し、
コンデンサ２４８及びダイオード２７４から成る直列回
路をコイル１４Ｃに並列接続する。

トランス２７６の一方の巻線をコンデンサ２４６に並列
接続し、他方の巻線をコンデンサ２４８に並列接続する
。スイッチング素子２２４及び２２６を制御回路１８か
らのパルスＰ１及びＰ２（第５図参照）により夫々制御
する。

第１状態においては、スイッチング素子２２４が閉じ、
スイッチング素子２２６が開いて、電圧源＋■からコイ
ル１４ａ１ダイオード２６８、スイッチング素子２２４
を介して接地への電流路が形成される。第２状態におい
ては、スイッチング素子２２４が開き、スイッチング素
子２２６が閉じて、電圧源＋Ｖからコイル１４Ｃ１ダイ
オード２７０、スイッチング素子２２６を介して接地へ
の電流路が形成される。第１状態から第２状態に切替わ
ると、コイル１４ａ内のエネルギによりＡ点の電圧が正
方向に変化し、コンデンサ２４６を高電圧（その値はコ
ンデンサの容量により決丑る）に充電する。トランス２
７６は反転トランスであシ、コンデンサ２４６の電荷を
逆極性でコンデンサ２４８に結合する。よって、同時に
コンデンサ２４８は大きな負電圧に充電される。コンデ
ンサ２４６及び２４８の発生した正及び負の高電圧は、
コイル１４ａから急速にエネルギを減らし、コイル１４
ｃに電流を流し始める。切替えが完了すると、コンデン
サ２４６及び２４８の電圧の絶対値が下がり、電圧源＋
Ｖにより電流がコイル１４ｃに流れる。第２状態から第
１状態に切替るときも、回路は同様に動作する。回路が
第１及び第２状態間で切替るときを除いて、ダイオード
２７２及び２７４はトランス２７６を分離する。トラン
ス２７６−１ｆｉ負（７）大電圧切替変移を行なうとき
、ダイオード２６８及び２７０は夫々スイッチング素子
２２４及び２２６を分離する。コイル１４ｂ及び１４ｄ
用に同様な回路を励磁回路２０内に設けて、パルスＰ３
及びＰ４により制御する。−１：た、励磁コイルの各々
はその一端が共通ノード、即ち＋■ノードに接続されて
いるので、この実施例は、励磁コイルの各々の一端が互
いに相互接続されたバイファイラ巻ステッピング・モー
タに利用できる。

上述は本発明の好適な実施例についての説明であるが、
本発明の要旨を逸脱することなく種々の変更及び変形が
可能である。例えば、本発明はＶＲ型ステッピング・モ
ータ等にも適用できる。ステッピング・モータの巻線は
モノファイラ巻でもバイファイラ巻でもよい。また、ス
イッチング素子は半導体素子でも機械的素子でもよく、
ステッピング・モータの等しく離れた駆動コイルの数は
任意の偶数でよい。更に、制御回路１８が発生する均一
にインタリーブしたパルスの数を増したり、磁極巻線の
各グループを並列又は直列に相互接続して、これらを制
御回路１８からの共通パルスにより制御することにより
、任意の偶数の磁極を有するステッピング・モータに本
発明を適用できる。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明は、状態が変化しないときステッピン
グ・モータのコイルに低電圧を加え、状態変化のときに
高電圧を加えるので、状態が高速に変化し、ステッピン
グ・モータを効率良く駆動できる。切替えを行なう前に
ステッピング・モータの巻線に蓄えられたエネルギから
高電圧を得るので、新だな電源が不要で、抵抗器は大電
力を消費せず、回路は簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の回路図、第２図は本発明
の第２実施例の回路図、第３図は本発明の第３実施例の
回路図、第４図は本発明の第４実施例の回路図、第５図
は制御回路からのパルスＰＬ−Ｐ４の関係を示す波形図
、第６ａ図はモノファイラ巻ステッピング・モータ及び
その駆動回路のブロック図、第６ｂ図はバイファイラ巻
ステッピング・モータを示す図、第６Ｃ図はステッピン
グ・モータの回転動作を説明する図である。 図において、２’４．２６．３２．３４．１２４．１２
６゜２２４及び２２６はスイッチング素子、１８はａｉ
ｌ制御回路、２０は励磁回路である。 特許出願人　ソニー・テクトロニクス株式会社第４図 （１）　（２）　（３） （４）　（５） ２０ｂ八 第６ｂ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ダイオード、スイッチング素子及びステッピング・モー
   タのコイルの直列回路と、該直列回路の上記ダイオード
   に接続されたコンデンサと、上記スイッチング素子を導
   通又は非導通に切替えて上記ステッピング・モータの回
   転を制御する制御回路とを具えたステッピング・モータ
   駆動回路。