JPS648560B2

JPS648560B2 -

Info

Publication number: JPS648560B2
Application number: JP564182A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shimizu
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1982-01-18
Filing date: 1982-01-18
Publication date: 1989-02-14
Also published as: JPS58123399A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は２相ステツプモータ駆動装置、特に２
相ステツプモータの回転速度、および方向をデジ
タル制御によつて制御する２相ステツプモータ駆
動装置に関する。

励磁捲線にパルス電圧を印加し、このパルス例
に対応して１パルスごとに一定角度づつ歩進させ
るステツプモータは良く知られている。

ステツプモータはブラシのような機械的しゆう
動部がなく、また印加するパルス数と回転角が一
致し累積誤差が現れないという特徴をもつている
が、急速な停止を行うときなどにおいては安定す
るまで時間がかかり、また動作が本質的に階動的
である。従つてステツプモータを利用して精密な
制御を行うときには、一般的に数10Hz以下の超低
周波数正弦波により連続的に滑らかに動作させる
ことを行つている。

従来この種の２相ステツプモータの回転速度、
および方向を滑らかにかつ連続的に制御する方法
としては次の２つの方法がある。

第１の方法は、互に90゜の位相差を有する第１
および第２の正弦波電圧を２相ステツプモータの
２つの励磁捲線に印加し、これらの周波数および
第１もしくは第２の正弦波電圧の極性を制御する
ことにより回転速度および方向の制御を行うアナ
ログ電圧によるアナログ制御を基本とする方法で
ある。

第２の方法は、第１の方法において第１および
第２の正弦波電圧を発生する場合に、部分的にデ
ジタル処理を行つて励磁捲線に印加する第１およ
び第２の正弦波電圧を発生するもので、この内容
は昭和54年12月２日付の公開特許公報、特開昭54
−16103「２相ステツプモータ用制御装置」に詳述
されている。

しかしながら、これら従来の第１および第２の
方法はいづれも電圧を、その大きさに対応した周
波数に変換する周波数制御方法を基本としている
ため、構成する回路の演算増幅器等のドリフトに
よる動作変動や経時変化の影響等を受け、かつ制
御範囲も構成する回路で限定されて柔軟性も乏し
いという欠点がある。

本発明の目的は上述した欠点を除去し、プログ
ラム制御により周波数と極性を自由に変えること
が出来るデジタル制御を行うという簡単な手段に
より、構成する回路による動作変動や経時変化を
受けることが極めて少く、また制御の柔軟性も高
い２相ステツプモータ駆動装置を提供することに
ある。

本発明の装置は、２相ステツプモータの回転速
度、方向を制御量に応じて制御する２相ステツプ
モータ駆動装置において、周波数ｆの基準用正弦
波信号を前記２相ステツプモータの角度分解能に
もとづいて設定する第１の分周比で分周した周波
数f_Rの信号を第１のサンプリングパルスおよびこ
の第１のサンプリングパルスから４分の１周期遅
延させた第２のサンプリングパルスでサンプリン
グして駆動用正弦波電圧を得るステツプモータ駆
動手段と、前記駆動用正弦波電圧の周波数にもと
づいて設定する第２の分周比で前記周波数ｆを分
周した周波数と前記周波数ｆとの和および差の周
波数を求め前記２相ステツプモータの回転方向に
対応し前記和および差の周波数のいずれか一方を
選択しこれを前記第１の分周比で分周した周波数
f_Sとこの周波数f_Sを４分の１周期遅延させた周波
数の信号とをそれぞれ前記第１のサンプリングパ
ルスおよび第２のサンプリングパルスとして発生
し前記駆動用正弦波電圧の周波数と極性とをプロ
グラム制御により任意に制御するデイジタル制御
手段と、前記２相ステツプモータの負荷の位置を
検出する位置検出手段とを備えて構成される。

次に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図で
ある。予め制御用プログラムを内蔵したマイクロ
プロセツサ１は、位置指令器９から位置指令信号
９０１を受けると、内蔵するプログラム制御のの
もとにこの位置指令信号９０１と、後述する位置
検出器５からＡ−Ｄコンバータ３を介して入力す
る負荷１０の角度位置情報とを比較し、所望の回
転速度および方向に対応する位置制御信号を設定
したうえバスライン１０１を介してステツプモー
タ駆動部６に送出する。メモリ２はこれらの信号
データをマイクロプロセツサ１の制御によつてス
トアするためのメモリである。

ステツプモータ駆動部６はマイクロプロセツサ
１から送出されたこの位置制御信号を受けるとマ
イクロプロセツサ１のプログラムの制御のもとに
後述する回路により２相ステツプモータ４の第１
の励磁捲線７および第２の励磁捲線８に、互に位
相が90度ずれ、所望の回転速度に対応した周波数
と極性を有する駆動用超低周波数正弦波電圧_D1
と_D2とを出力し、２相ステツプモータ４を動作
させる。

ポテンシヨメータを用いた位置検出器５は、２
相ステツプモータ４のロータ軸ギヤ機構１１を介
して結合された負荷１０に機械的に結合されてお
り、負荷１０の角度位置に比例する電圧を出力す
る。この電圧はＡ−Ｄコンバータ３に送出されデ
ジタル量に変換し、マイクロプロセツサ１のプロ
グラムの制御のもとにバスライン１０１およびメ
モリ２を介してマイクロプロセツサ１において、
上述したように位置指令信号との比較を行つてス
テツプモータ駆動部６に位置制御信号として出力
する。

このようにして本実施例では、マイクロプロセ
ツサ１の内蔵するプログラムの制御のもとに２相
ステツプモータ４の回転速度、および方向をデジ
タル処理により設定し、滑らかな連続的動作を行
い、構成する回路要素による変動および経時変化
を受けることが極めて少く、また制御範囲もプロ
グラムによつて自由に設定出来るようにしてい
る。

第２図は第１図の実施例におけるステツプモー
タ駆動部の部分を詳細に示すブロツク図である。
以下に第２図を参照して本実施例による２相ステ
ツプモータ駆動装置の動作を詳細に説明する。

基準とする周波数のクロツク信号パルスを出
力するクロツク信号発生器６１の出力は、このク
ロツク信号パルスを第１の分周比１／4000に分周
する固定分周器６２Ａ、および分周比を予め設定
した１／Ｎ（Ｎは正の整数）に分周するプログラ
マブル分周器６３、ならびにNAND回路７０お
よび排他的論理和回路（以下EX−ORと称する）
７１に入力される。

固定分周器６２Ａに入力した信号は次の(1)式で
示される周波数_Rに分周される。

_R＝／4000 …(1) (1)式で示される周波数_Rに分周されたクロツク
信号パルスは帯域通過フイルタ、BPF６４によ
つて_Rの周波数正弦波電圧にろ波され、サンプル
ホールド回路６６Ａに出力される。

一方、プログラマブル分周器６３に入力した周
波数のクロツク信号パルスは、マイクロプロセ
ツサ１の内蔵するプログラムの制御のもとに、分
周比設定信号１００２により１／Ｎの第２の分周
比で分周され周波数／Ｎのクロツク信号パルス
となつてパルス遅延回路７２に送出される。

パルス遅延回路７２は、入力した／Ｎの周波
数のクロツク信号パルスを遅延させてNAND回
路７０、およびEX−OR回路７２に入力する。
この場合パルス遅延回路７２による入力の遅延量
は、NAND回路７０とEX−OR回路７１で行う
それぞれのパルス演算に必要な量、本実施例では
クロツク信号パルスの周期の1/4の時間、すなわ
ち90度遅延させている。

NAND回路７０と、EX−OR回路７１の入力
端子にはクロツク信号発生器６１から入力する周
波数のクロツク信号パルスと、パルス遅延回路
７２から入力する周波数／Ｎのクロツク信号パ
ルスが同時に入力し、NAND回路７０ではこれ
ら２入力のパルス演算、EX−OR回路７１では
２入力のパルス加算を論理演算し、NAND回路
７０の出力には次の(2)式に示す周波数₁の出力パ
ルス、またEX−OR回路７１の出力には次(3)式
に示す周波数₂の出力パルスが発生する。

₁＝−／Ｎ＝周波数（１−１／Ｎ） …(2) ₂＝＋／Ｎ＝（１＋１／Ｎ） …(3) 第３図はクロツク信号パルスの分周および(2)、
(3)式によるパルス減算および加算の動作の内容を
示すパルスタイミングチヤートである。

プログラマブル分周器６３、およびNAND回
路７０、EX−OR回路に入力するクロツク信号
パルス(c)は周波数のパルス列であり、プログラ
マブル分周器６３に入力したパルス列(c)は分周比
１／Ｎで分周され／Ｎの周波数のパルス列(a)と
して出力し、パルス遅延回路７２でパルス減算お
よび加算に必要な遅延量Δtだけ遅延されてパル
ス列(b)として出力する。本実施例ではこの遅延量
Δtは入力するクロツク信号パルス列(c)の1/4週期
としている。

NAND回路７０では、クロツク信号パルス列
(c)と、パルス遅延回路の出力パルス列(b)とを同時
に入力し、減算演算によりＮ番目ごとにパルス減
算し、かつ極性の反転した出力、−／Ｎ、す
なわち(2)式で示される₁の周波数のパルス列(d)を
出力し、EX−OR回路７１では、クロツク信号
パルス列(c)と、パルス遅延回路の出力パルス列(b)
とを同時に入力し、加算演算によりＮ番目ごとに
パルス加算した出力、＋／Ｎ、すなわち(3)式
で示される₂の周波数のパルス列(e)を出力する。

これらの₁および₂の周波数のパルス出力は、
マルチプレクサ６９に入力し、マイクロプロセツ
サ１のプログラムの制御のもとにセレクト信号１
００１により₁もしくは₂いづれかの周波数のパ
ルス出力₃を出力する。f₃は次の(4)式に示す。

₃＝（１±１／Ｎ） …(4) (4)式において、複号±はセレクト信号１００１
によりいづれかの符号をとるものである。

セレクト信号１００１は、位置検出器５の出力
に応答して、マイクロプロセツサ１のプログラム
の制御のもとに(4)式の＋、−いづれか、すなわち
₁もしくは₂いづれかの信号をセレクトする制御
を行う信号である。

固定分周器６２Ｂはマルチプレクサ６９の出力
を受け、固定分周器６２Ａと同じく１／4000の分
周比で分周した周波数のパルス信号_Sすなわち
₃／4000の周波数のパルス信号を出力し、これを
モノステーブルマルチバイブレータ６７Ａ、およ
び1/4サイクル遅延回路６５を介してモノステー
ブルマルチバイブレータ６７に送出する。

モノステーブルマルチバイブレータ６７Ａは
１／4000に分周されたマルチプレクサ６９の出力
パルス周波数_Sに対応した数のパルスをパルス幅
を設定したうえサンプリングパルスとしサンプル
ホールド回路６６Ａに送出する。

1/4サイクル遅延回路６５は、入力した周波数
_Sのパルス列信号を1/4サイクル、すなわち90度
位相を遅延させて出力し、この出力はモノステー
ブルマルチバイブレータ６７Ｂでパルス幅を設定
したうえでサンプリングパルスとしてサンプルホ
ールド回路６６Ｂに送出する。

サンプルホールド回路６６Ａおよび６６Ｂは、
BPF６４の出力すなわちクロツク信号発生器６
１の周波数の１／4000に分周された周波数_Rの正
弦波出力を受け、これをモノステーブルマルチバ
イブレータ６７Ａおよび６７Ｂの周波数_Sの出力
パルスによつてサンプリングしホールドすること
によつて、出力としては_R−_Sの周波数_Dの信号
を電力増幅器６８Ａおよび６８Ｂに送出する。こ
の場合サンプルホールド回路６６Ａの出力は、入
力した_Rの周波数の正弦波信号をサンプリングパ
ルス_Sでサンプリングして得られる周波数_Dの正
弦波であり、一方、サンプルホールド回路６６Ｂ
をサンプリングするサンプリングパルスの周波数
_Sであつてサンプルホールド回路６６Ａのサンプ
リングパルスとは等しく周波数を有するが位相が
１／４サイクルすなわち90度遅れており、従つてサ
ンプルホールド回路６６Ｂの出力は周波数_Dの余
弦波として出力される。

なお、一般的に、サンプルホールド回路で入力
信号をサンプリング周波数によつてスイツチング
しサンプリングして出力する場合、スイツチング
によつて入力信号の基本周波数のほかに多くの周
波数スペクトラムが発生し、サンプリング周波数
の選び方によつてはこれらの周波数スペクトラム
の１部が基本入力信号とともに出力するという問
題があるが、本実施例ではサンプリング周波数と
サンプルホールド回路６６Ａ，６６Ｂの低域周波
数通過特性を所望の出力低周波数信号に対応して
予め設定しておくことにより、この問題の影響は
無いようにしている。

サンプルホールド回路６６Ａおよび６６Ｂの出
力は、それぞれ電力増幅器６８Ａおよび６８Ｂに
送出され、２相ステツプモータ４の駆動レベルま
で増幅した後、それぞれ励磁捲線７および８に印
加される。従つて２相ステツプモータは周波数_D
の正弦波電圧を第１の励磁捲線７に、周波数が_D
で前記正弦波電位よりも位相が90度遅れた余弦波
電圧を第２の励磁捲線８に受けて、周波数_Dに比
例した速度で回転する。

また、前述した周波数_Dは次の(5)式で示される
ように、正もしくは負の極性を有するものであ
る。_D ＝_R−_S＝_R−_R（１±１／Ｎ）＝〓_R／Ｎ…
(5) 複号の極性はセレクト信号１００１の制御によ
り＋か、−かのいづれかをとる。セレクト信号１
００１によつて＋_R／Ｎとなつた場合は、サンプ
ルホールド回路６６Ａの出力は正弦波出力とな
り、サンプルホールド回路６６Ｂの出力は、この
正弦波出力よりも90度位相の遅れた余弦波出力と
なる。セレクト信号１００１によつて−_R／Ｎと
なつた場合には、正弦波であるサンプルホールド
６６Ａの出力の極性が反転し、余弦波であるサン
プルホールド６６Ｂの出力の極性は変らない。従
つて、励磁捲線７に加はる電圧の極性が反転し、
２相ステツプモータ４の回転方向変換できる。

上述したように２相ステツプモータ４は、分周
比１／Ｎおよびセレクト信号１００１によつて回
転速度と方向を変更することが出来るが、この分
周比１／Ｎおよびセレクト信号による極性変更
は、次のような帰還ループで行われる。

すなわち位置指令信号９０１によつて分周比
１／Ｎおよびセレクト信号１００１による極性設
定を受けた２相ステツプモータ４が動作すると、
この２相ステツプモータ４のロータに取付けてあ
る位置検出器５は、負荷１０の角度位置に比例す
る電圧を出力し、この電圧はＡ−Ｄコンバータ３
によりデジタル量に変換された後、マイクロプロ
セツサ１のプログラムの制御のもとに位置指令信
号９０１と比較され、その大きさ、および極性に
応答してセレクト信号１００１および分周比設定
信号１００２を出力して分周比１／Ｎの変更設定
およびマルチプレクサ６９の出力パルス信号周波
数₃と₁とするか₂とするか、すなわち(4)式で示
す±／Ｎの極性セレクトを行う。

サンプルホールド回路６６Ａの出力正弦波信号
の周波数_Dは(5)式からも明らかな如く、複号の極
性を有しており、この極性をマイクロプロセツサ
１のプログラムの制御のもとに設定したセレクト
信号１００１によつて決定することによつて２相
ステツプモータの極性を変えることが出来る。

２相ステツプモータ４の駆動用正弦波電圧の周
波数_Dと回転角度は正比例し、本実施例ではこの
周波数と回転角度の数値を等しいものに設定して
あるので、回転角度をE_Rとすると_DとE_Rの関係は
次の(6)式で示される。

_D＝E_R …(6) 従つて(5)式と(6)式から次の(7)式が誘導される。

Ｎ＝_R／E_R …(7) 故に、_Rを回転角度E_Rで除算したＮをプログラ
マブル分周器に予めセツトしておくことによつて
サーボ系として構成することが出来る。

次に、代表的数値例をもつて実施例の動作を説
明する。クロツク信号パルスの周波数を2MHz
とすると_R、_Sおよび_Dはそれぞれ次の(8)、(9)、
および(10)式で示すことができる。

前記_R＝／4000＝500（Hz） …(8)_S ＝_R（１±１／Ｎ）＝500（１±１／Ｎ） …(9)_D ＝_R−_S＝〓_R／Ｎ＝〓500／Ｎ …(10) 従つて、たとえばＮが50のときは_Dは10（Hz）、
Ｎが500のときは_Dは１（Hz）の正弦波が得られ、
このようにしてマイクロプロセツサ１のプログラ
ムの制御のもとにサーボ系による帰還動作で、安
定した連続的な２相ステツプモータ４の動作を行
うことが出来る。

以上は本発明の一実施例として基本的な実施例
をとり上げて説明したが、その他の変形例につい
ても本発明を適用出来ることは２相ステツプモー
タの所望の角度分解能に対応し明らかである。

たとえば、本実施例においては固定分周器６２
Ａおよび６２Ｂによる固定分周比を１／4000とし
ているが、これは他の任意の値でよく、またマル
チプレクサ６９はセレクト信号１００１によつて
₁もしくは₂いづれかを出力する他の切替回路を
利用してもよいことは明らかで、NAND回路７
０およびEX−OR回路７１も同様な機能を有す
る他の論理回路に置換えても差支えない。

さらにメモリ２、およびＡ−Ｄコンバータ３は
所望に応じ、マイクロプロセツサ１と組合せて単
一の構成とすることも容易であり、また、位置検
出器５はデジタルエンコーダを用いることにより
完全にドリフト等をとり除くことも容易であり、
これらはいづれも本発明の主旨を損うことなく簡
単に実施出来る。

以上説明したように本発明によれば、プログラ
ム制御により周波数と極性を自由に変えることが
出来るデジタル制御を行うという簡単な手段を備
えることにより、構成する回路による動作変動や
経時変化を受けることが極めて少く、また制御の
柔軟性も極めて高い２相ステツプモータの駆動を
行うことが出来る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図は第１図の実施例の一部を詳細に示すブロ
ツク図、第３図は第２図のブロツク図におけるパ
ルスの動作の時間的関係を示すパルスタイミング
チヤートである。第１図および第２図において、１……マイクロ
プロセツサ、２……メモリ、３……Ａ−Ｄコンバ
ータ、４……２相ステツプモータ、５……位置検
出器、６……ステツプモータ駆動部、７，８……
励磁捲線、９……位置指令器、６１……クロツク
信号発生器、６２Ａ，６２Ｂ……固定分周器、６
３……プログラマブル分周器、６４……BPF、
６５……1/4サイクル遅延回路、６６Ａ，６６Ｂ
……サンプルホールド回路、６７Ａ，６７Ｂ……
モノステーブルマルチバイブレータ、６８Ａ，６
８Ｂ……電力増幅器、６９……マルチプレクサ、
７０……NAND回路、７１……EX−OR回路、
７２……パルス遅延回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１２相ステツプモータの回転速度、方向を制御
量に応じて制御する２相ステツプモータ駆動装置
において、周波数ｆの基準用信号を前記２相ステ
ツプモータに付与する角度分解能に対応してあら
かじめ設定する第１の分周比で分周した周波数f_R
の信号を前記周波数ｆの基準用信号を前記周波数
f_Rと前記２相ステツプモータの回転角度との数値
比にもとづいてあらかじめ設定する複数の第２の
分周比Ｎで分周した周波数ｆ／Ｎと前記周波数ｆ
との和および差の周波数（ｆ±ｆ／Ｎ）のいずれ
かをさらに前記第１の分周比で分周して得る周波
数f_Sの第１のサンプリングパルスおよびこの第１
のサンプリングパルスから４分の１周期遅延させ
た第２のサンプリングパルスでサンプリングして
前記２相ステツプモータを駆動すべき互いに90度
の位相差を有しかつ周波数（f_R−f_S）の駆動用正
弦波電圧を得るステツプモータ駆動手段と、前記
２相ステツプモータの負荷の角度位置情報を入手
しつつ前記ステツプモータ駆動手段に対して前記
和および差の周波数（ｆ±ｆ／Ｎ）のいずれかの
選択を指定して前記２相ステツプモータの極性の
保持せしめるとともに前記第２の分周比Ｎの指定
によつて回転速度を指定する制御をプログラム制
御により任意に制御するデイジタル制御手段と、
前記２相ステツプモータの負荷の角度位置情報を
検出しこれを前記デイジタル制御手段に提供する
位置検出手段とを備えて成ることを特徴とする２
相ステツプモータ駆動装置。