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JP2006129543A - ステッピングモータ駆動装置およびステッピングモータ駆動方法 - Google Patents

ステッピングモータ駆動装置およびステッピングモータ駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 回転速度にかかわらずリップル電流を小さくする。
【解決手段】 モータコイル1に流れる電流を制御するためのパワーMOSFET2a〜2dを設け、モータコイル1に流れる電流を検出する電流検出素子15を設け、50%デューティの基本PWM信号を生成する基本PWM信号生成手段16を設け、上限設定値、下限設定値を出力する設定値発生回路12を設け、コイル電流検出値と上限設定値とを比較するコンパレータ13を設け、コイル電流検出値と下限設定値とを比較するコンパレータ14を設け、基本PWM信号およびコンパレータ13、14の出力に基づいてコイル電流検出値が上限設定値、下限設定値に達したことを示す上限比較信号、下限比較信号を生成する比較信号生成手段17を設け、比較信号生成手段17の出力に基づいてパワーMOSFET2a〜2dの制御信号を出力する制御信号生成手段18を設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明はプリンタ、複写機、ロボットなどに用いられるステッピングモータを駆動するステッピングモータ駆動装置およびステッピングモータ駆動方法に関するものである。
図3は従来の3相の独立巻線を有するステッピングモータを駆動するステッピングモータ駆動装置を示す図で、U相部のみを示しており、V相部、W相部の構成はU相部の構成と同様であるから、V相部、W相部の図示を省略している。図に示すように、モータコイル1と電源との間にパワーMOSFET(U1H、U2H)2a、2bが設けられ、モータコイル1とグランドとの間にパワーMOSFET(U1L、U2L)2c、2dが設けられ、パワーMOSFET2a〜2dはHブリッジ型に接続されており、パワーMOSFET2a〜2dはモータコイル1に流れる電流を制御するためのHブリッジ型のスイッチング素子を構成している。また、パワーMOSFET2c、2dとグランドとの間にモータコイル1に流れるコイル電流を検出する電流検出素子3が設けられ、電流検出素子3の出力を増幅する増幅器19が設けられている。また、たとえば制御IC(ASIC)からなる制御手段4から出力された信号に基づいて上限設定値(基準電圧)を発生する上限設定値発生回路5が設けられ、上限設定値発生回路5から出力された上限設定値と増幅器19から出力されたコイル電流検出値との差に比例した信号を出力する差動アンプ6が設けられ、三角波信号を生成する三角波信号生成回路7が設けられ、三角波信号生成回路7によって生成された三角波信号と差動アンプ6の出力信号とを比較するコンパレータ8が設けられ、制御手段4から出力された信号およびコンパレータ8から出力された信号に基づいてパワーMOSFET2a〜2dの制御信号を生成する制御信号生成手段9が設けられ、制御信号生成手段9から出力された制御信号をパワーMOSFET2a〜2dがスイッチングできるレベルにするドライブ部10a、10bが設けられている。
図4は図3に示したステッピングモータ駆動装置のパワーMOSFET部を示す詳細図である。そして、パワーMOSFET2a、2dがオンで、パワーMOSFET2b、2cがオフのときには、線aで示すようにモータ供給電流が流れる。また、パワーMOSFET2a〜2dがオフのときには、線bで示すようにモータ回生電流が流れる。また、パワーMOSFET2aがオンで、パワーMOSFET2b〜2dがオフのときには、線cで示すようにモータ還流電流が流れる。
図5は図3に示したステッピングモータ駆動装置のコイル電流制御の一例を示すグラフである。このコイル電流制御においては、パワーMOSFET2aを常にオンとし、またパワーMOSFET2dを一定の時間ごとにオンにし、コイル電流検出値が上限設定値に達したとき、パワーMOSFET2dをオフにする。また、パワーMOSFET2b、2cを常にオフとする。この場合、パワーMOSFET2a、2dがオンになったときには、モータ供給電流が流れ、コイル電流が増加する。つぎに、コイル電流検出値が上限設定値に達して、パワーMOSFET2dがオフになると、モータ還流電流が流れ、コイル電流がなだらかに減少する。つぎに、前回パワーMOSFET2dがオンになった時点から一定時間経過して、パワーMOSFET2dがオンになると、モータ供給電流が流れ、コイル電流が増加する。つぎに、コイル電流検出値が上限設定値に達して、パワーMOSFET2dがオフになると、モータ還流電流が流れ、コイル電流がなだらかに減少する。このような電流制御をスローディケイ(SLOW DECAY)という。
また、図6は図3に示したステッピングモータ駆動装置の他のコイル電流制御の一例を示すグラフである。このコイル電流制御においては、パワーMOSFET2a、2dを一定時間ごとオンとし、コイル電流検出値が目標電流値に達したとき、パワーMOSFET2a、2dをオフにする。また、パワーMOSFET2b、2cを常にオフとする。この場合、パワーMOSFET2a、2dがオンになったときには、モータ供給電流が流れ、コイル電流が増加する。つぎに、コイル電流検出値が目標電流値に達して、パワーMOSFET2a、2dがオフになると、モータ回生電流が流れ、コイル電流が上記のスローディケイ(SLOW DECAY)より大きく減少する。つぎに、前回パワーMOSFET2a、2dがオンになった時点から一定時間経過して、パワーMOSFET2a、2dがオンになると、モータ供給電流が流れ、コイル電流がまた増加する。つぎに、コイル電流検出値が目標電流値に達して、パワーMOSFET2a、2dがまたオフになると、モータ回生電流が流れ、コイル電流が上記のスローディケイ(SLOW DECAY)より大きく減少する。このような電流制御をファーストディケイ(FAST DECAY)という。
また、図7は図3に示したステッピングモータ駆動装置の他のコイル電流制御の一例を示すグラフである。このコイル電流制御においては、コイル電流検出値が上限設定値に達したとき、パワーMOSFET2aをオフとし、パワーMOSFET2aがオフになった時点から予め定められた所定時間経過後に、パワーMOSFET2aをオンにする。また、パワーMOSFET2dを一定時間ごとオンとし、コイル電流検出値が上限設定値に達したとき、パワーMOSFET2dをオフにする。また、パワーMOSFET2b、2cを常にオフとする。この場合、パワーMOSFET2a、2dがオンになったときには、モータ供給電流が流れ、コイル電流が増加する。つぎに、コイル電流検出値が上限設定値に達して、パワーMOSFET2a、2dがオフになると、モータ回生電流が流れ、コイル電流が減少する。つぎに、パワーMOSFET2aがオフになった時点から所定時間経過して、パワーMOSFET2aがオンになると、モータ還流電流が流れ、コイル電流がなだらかに減少する。つぎに、前回パワーMOSFET2dがオンになった時点から一定時間経過して、パワーMOSFET2dがオンになると、モータ供給電流が流れ、コイル電流が増加する。つぎに、コイル電流検出値が上限設定値に達して、パワーMOSFET2a、2dがオフになると、モータ回生電流が流れ、コイル電流が減少する。つぎに、パワーMOSFET2aがオフになった時点から所定時間経過して、パワーMOSFET2aがオンになると、モータ還流電流が流れ、コイル電流がなだらかに減少する。このような電流制御をミックスディケイ(MIX DECAY)という。
そして、スローディケイはリップル電流が非常に小さいが、高速回転になるとコイル電流が膨らんでしまい、脱調に至る振動が発生してしまう。また、ファーストディケイは高速回転になってもコイル電流が膨らむことはなく、脱調することはないが、低速回転では電流リップルが大きくなり、振動が大きくなってしまう。そこで、スローディケイ、ファーストディケイの長所を得るために、ミックスディケイが採用されることが多い。
なお、この種の従来技術について記載されている文献としては、特許文献1を挙げることができる。
特開2002−281788号公報
しかし、ミックスディケイを採用したときには、モータ還流電流が流れる時間が一定であるから、ある回転速度ではコイル電流の歪が大きくなって、リップル電流が大きくなることがある。このため、ステッピングモータの回転速度によっては、モータ振動が増加し、高速回転応答性が低下し、マイクロステップのステップ角度制度が低下する。
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、回転速度にかかわらずリップル電流が小さいステッピングモータ駆動装置、ステッピングモータ駆動方法を提供することを目的とする。
この目的を達成するため、本発明においては、独立巻線を有するステッピングモータを駆動するステッピングモータ駆動装置において、モータコイルに流れる電流を制御するためのスイッチング素子と、上記モータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、上記電流検出手段の出力であるモータ電流検出値に基づいて上記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段とを設け、上記スイッチング素子制御手段により、上記コイル電流検出値が上限設定値に達するまで上記モータコイルにモータ供給電流を流し、上記コイル電流検出値が上記上限設定値に達した後は上記モータ供給電流を流し始めてから所定時間が経過するまで上記モータコイルにモータ還流電流を流し、上記所定時間が経過したときは上記コイル電流検出値が下限設定値に達するまで上記モータコイルにモータ回生電流を流し、上記コイル電流検出値が上記下限設定値に達した後は上記モータ回生電流を流し始めてから所定時間が経過するまで上記モータコイルにモータ還流電流を流すように上記スイッチング素子を制御する。
また、上記スイッチング素子制御手段に、50%デューティの基本PWM信号を生成する基本PWM信号生成手段と、上記基本PWM信号がオンのときには上記上限設定値を出力し、上記基本PWM信号がオフのときには上記下限設定値を出力する設定値発生手段と、上記コイル電流検出値と上記上限設定値とを比較する第1のコンパレータと、上記コイル電流検出値と上記下限設定値とを比較する第2のコンパレータと、上記基本PWM信号および上記第1、第2のコンパレータの出力に基づいて上記コイル電流検出値が上記上限設定値に達したことを示す上限比較信号および上記コイル電流検出値が上記下限設定値に達したことを示す下限比較信号を生成する比較信号生成手段と、上記比較信号生成手段の出力に基づいて上記スイッチング素子の制御信号を生成する制御信号生成手段とを設ける。
また、上記電流検出手段として0〜5V出力信号の電流センサを用いる。
また、モータコイルに流れる電流を制御するためのスイッチング素子と、上記モータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、上記電流検出手段の出力であるモータ電流検出値に基づいて上記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段とを具備し、独立巻線を有するステッピングモータを駆動するステッピングモータ駆動装置により上記ステッピングモータを駆動する方法において、上記スイッチング素子制御手段により上記スイッチング素子を制御して、上記コイル電流検出値が上限設定値に達するまで上記モータコイルにモータ供給電流を流し、上記コイル電流検出値が上記上限設定値に達した後は上記モータ供給電流を流し始めてから所定時間が経過するまで上記モータコイルにモータ還流電流を流し、上記所定時間が経過したときは上記コイル電流検出値が下限設定値に達するまで上記モータコイルにモータ回生電流を流し、上記コイル電流検出値が上記下限設定値に達した後は上記モータ回生電流を流し始めてから所定時間が経過するまで上記モータコイルにモータ還流電流を流す。
本発明に係るステッピングモータ駆動装置、ステッピングモータ駆動方法においては、コイル電流検出値が下限設定値に達するまでモータ回生電流を流すから、回転速度にかかわらずリップル電流が小さい。
また、スイッチング素子制御手段に、50%デューティの基本PWM信号を生成する基本PWM信号生成手段と、基本PWM信号がオンのときには上限設定値を出力し、基本PWM信号がオフのときには下限設定値を出力する設定値発生手段と、コイル電流検出値と上限設定値とを比較する第1のコンパレータと、コイル電流検出値と下限設定値とを比較する第2のコンパレータと、基本PWM信号および第1、第2のコンパレータの出力に基づいてコイル電流検出値が上限設定値に達したことを示す上限比較信号およびコイル電流検出値が下限設定値に達したことを示す下限比較信号を生成する比較信号生成手段と、比較信号生成手段の出力に基づいてスイッチング素子の制御信号を生成する制御信号生成手段とを設けたときには、50%デューティの基本PWM信号に基づいてパワーMOSFETを制御するから、安定なPWM周波数を持つ制御信号を生成することができるので、振動現象が生ずるのを防止することができる。
また、電流検出手段として0〜5V出力信号の電流センサを用いたときには、電流検出手段の出力を増幅する必要がないから、コイル電流検出値の誤差を抑制することができるので、モータ回転特性に悪い影響を与えることがない。
図1は本発明に係るステッピングモータ駆動装置、すなわち3相の独立巻線を有するステッピングモータを駆動するステッピングモータ駆動装置を示す図で、U相部のみを示しており、V相部、W相部の構成はU相部の構成と同様であるから、V相部、W相部の図示を省略している。図に示すように、モータコイル1と直列にモータコイル1に流れる電流を検出する電流検出素子(電流検出手段)15が設けられ、電流検出素子15として0〜5V出力信号の電流センサが用いられている。また、高精度の基本クロック発生器を用いて50%デューティの基本PWM信号を生成する基本PWM信号生成手段16が設けられ、基本PWM信号がオンのときには上限設定値を出力し、基本PWM信号がオフのときには下限設定値を出力する設定値発生回路12が設けられ、コイル電流検出値と上限設定値とを比較する第1のコンパレータ13が設けられ、コイル電流検出値と下限設定値とを比較する第2のコンパレータ14が設けられ、基本PWM信号およびコンパレータ13、14の出力に基づいてコイル電流検出値が上限設定値に達したことを示す上限比較信号およびコイル電流検出値が下限設定値に達したことを示す下限比較信号を生成する比較信号生成手段17が設けられ、比較信号生成手段17は基本PWM信号がオンになったときにオンとなりかつコイル電流検出値が上限設定値に達してコンパレータ13の出力が0となったときにオフとなる上限比較信号を出力し、また基本PWM信号がオフになったときにオンとなりかつコイル電流検出値が下限設定値に達してコンパレータ14の出力が0となったときにオフとなる下限比較信号を出力する。また、比較信号生成手段17の出力に基づいてパワーMOSFET2a〜2dの制御信号を出力する制御信号生成手段18が設けられている。そして、制御信号生成手段18は、下限比較信号がオンになったときパワーMOSFET2aをオフにし、下限比較信号がオフになったときパワーMOSFET2aをオンにする制御信号を出力し、上限比較信号がオンになったときパワーMOSFET2dをオンにし、上限比較信号がオフになったときパワーMOSFET2dをオフにする制御信号を出力し、パワーMOSFET2b、2cを常にオフにする制御信号を出力する。すなわち、制御信号生成手段18は、上限比較信号がオンになったのちオフになるまでパワーMOSFET2a、2dをオンにしかつパワーMOSFET2b、2cをオフにする制御信号を出力し、上限比較信号がオフになった後は下限比較信号がオンになるまでパワーMOSFET2aをオンにしかつパワーMOSFET2b〜2dをオフにする制御信号を出力し、下限比較信号がオンになったときは下限比較信号がオフになるまでパワーMOSFET2a〜2dをオフにする制御信号を出力し、下限比較信号がオフになった後は上限比較信号がオンになるまでパワーMOSFET2aをオンにしかつパワーMOSFET2b〜2dをオフにする制御信号を出力する。そして、基本PWM信号生成手段16、比較信号生成手段17、制御信号生成手段18は制御IC(ASIC)11によって構成されている。また、設定値発生回路12、コンパレータ13、14、基本PWM信号生成手段16、比較信号生成手段17、制御信号生成手段18によりスイッチング素子制御手段が構成され、スイッチング素子制御手段は、コイル電流検出値が上限設定値に達するまでモータコイル1にモータ供給電流を流し、コイル電流検出値が上限設定値に達した後はモータ供給電流を流し始めてから所定時間が経過するまでモータコイル1にモータ還流電流を流し、所定時間が経過したときはコイル電流検出値が下限設定値に達するまでモータコイル1にモータ回生電流を流し、コイル電流検出値が下限設定値に達した後はモータ回生電流を流し始めてから所定時間が経過するまでモータコイル1にモータ還流電流を流すようにパワーMOSFET2a〜2dを制御する。
つぎに、図1に示したステッピングモータ駆動装置の動作すなわち本発明に係るステッピングモータ駆動方法を図2により説明する。まず、基本PWM信号がオンになると、上限比較信号がオンになるから、制御信号生成手段18がパワーMOSFET2a、2dをオンにしかつパワーMOSFET2b、2cをオフにする制御信号を出力するので、モータコイル1にモータ供給電流が流れ、コイル電流が増加する。つぎに、コイル電流検出値が上限設定値に達すると、上限比較信号がオフとなるから、制御信号生成手段18がパワーMOSFET2aをオンにしかつパワーMOSFET2b〜2dをオフにする制御信号を出力するので、モータコイル1にモータ還流電流が流れ、コイル電流がゆるやかに減少する。つぎに、基本PWM信号がオフになったときは、下限比較信号がオンになるから、制御信号生成手段18がパワーMOSFET2a〜2dをオフにする制御信号を出力するので、モータコイル1にモータ回生電流が流れ、コイル電流が減少する。つぎに、コイル電流検出値が下限設定値に達すると、下限比較信号がオフになるから、制御信号生成手段18がパワーMOSFET2aをオンにしかつパワーMOSFET2b〜2dをオフにする制御信号を出力するので、モータコイル1にモータ還流電流が流れ、コイル電流がゆるやかに減少する。つぎに、基本PWM信号がオンになると、上限比較信号がオンになるから、制御信号生成手段18がパワーMOSFET2a、2dをオンにしかつパワーMOSFET2b、2cをオフにする制御信号を出力するので、モータコイル1にモータ供給電流が流れ、コイル電流が増加する。以下、同様にコイル電流が制御される。
このようなステッピングモータ駆動装置、ステッピングモータ駆動方法においては、コイル電流検出値が下限設定値に達するまでモータコイル1にモータ回生電流が流れるから、コイル電流に応じてモータ還流電流が流れる時間が変動するので、回転速度にかかわらずコイル電流の歪が小さくなり、リップル電流が小さくなる。このため、ステッピングモータの回転速度にかかわらずモータ振動が減少し、高速回転応答性が向上し、マイクロステップのステップ角度制度が向上する。また、50%デューティの基本PWM信号に基づいて制御信号生成手段18がパワーMOSFET2a〜2dの制御信号を出力するから、安定なPWM周波数を持つ制御信号を生成することができるので、振動現象が生ずるのを防止することができる。また、電流検出素子15として0〜5V出力信号の電流センサを用いているから、電流検出素子15の出力を増幅する必要がないので、コイル電流検出値の誤差を抑制することができるため、モータ回転特性に悪い影響を与えることがない。
なお、上述実施の形態においては、3相のステッピングモータを駆動するステッピングモータ駆動装置、ステッピングモータ駆動方法について説明したが、他のステッピングモータを駆動するステッピングモータ駆動装置、ステッピングモータ駆動方法にも本発明を適用できることは明らかである。
本発明に係るステッピングモータ駆動装置を示す図である。 図1に示したステッピングモータ駆動装置の動作を説明するためのグラフである。 従来のステッピングモータ駆動装置を示す図である。 図3に示したステッピングモータ駆動装置のスイッチング素子部を示す詳細図である。 図3に示したステッピングモータ駆動装置のコイル電流制御の一例を示すグラフである。 図3に示したステッピングモータ駆動装置のコイル電流制御の他の一例を示すグラフである。 図3に示したステッピングモータ駆動装置のコイル電流制御の他の一例を示すグラフである。
符号の説明
1…モータコイル
2a〜2d…パワーMOSFET
12…設定値発生回路
13…第1のコンパレータ
14…第2のコンパレータ
15…電流検出素子
16…基本PWM信号生成手段
17…比較信号生成手段
18…制御信号生成手段

Claims (4)

  1. 独立巻線を有するステッピングモータを駆動するステッピングモータ駆動装置において、モータコイルに流れる電流を制御するためのスイッチング素子と、上記モータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、上記電流検出手段の出力であるモータ電流検出値に基づいて上記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段とを具備し、上記スイッチング素子制御手段が、上記コイル電流検出値が上限設定値に達するまで上記モータコイルにモータ供給電流を流し、上記コイル電流検出値が上記上限設定値に達した後は上記モータ供給電流を流し始めてから所定時間が経過するまで上記モータコイルにモータ還流電流を流し、上記所定時間が経過したときは上記コイル電流検出値が下限設定値に達するまで上記モータコイルにモータ回生電流を流し、上記コイル電流検出値が上記下限設定値に達した後は上記モータ回生電流を流し始めてから所定時間が経過するまで上記モータコイルにモータ還流電流を流すように上記スイッチング素子を制御することを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
  2. 上記スイッチング素子制御手段が、50%デューティの基本PWM信号を生成する基本PWM信号生成手段と、上記基本PWM信号がオンのときには上記上限設定値を出力し、上記基本PWM信号がオフのときには上記下限設定値を出力する設定値発生手段と、上記コイル電流検出値と上記上限設定値とを比較する第1のコンパレータと、上記コイル電流検出値と上記下限設定値とを比較する第2のコンパレータと、上記基本PWM信号および上記第1、第2のコンパレータの出力に基づいて上記コイル電流検出値が上記上限設定値に達したことを示す上限比較信号および上記コイル電流検出値が上記下限設定値に達したことを示す下限比較信号を生成する比較信号生成手段と、上記比較信号生成手段の出力に基づいて上記スイッチング素子の制御信号を生成する制御信号生成手段とを有することを特徴とする請求項1に記載のステッピングモータ駆動装置。
  3. 上記電流検出手段として0〜5V出力信号の電流センサを用いたことを特徴とする請求項1または2に記載のステッピングモータ駆動装置。
  4. モータコイルに流れる電流を制御するためのスイッチング素子と、上記モータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、上記電流検出手段の出力であるモータ電流検出値に基づいて上記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段とを具備し、独立巻線を有するステッピングモータを駆動するステッピングモータ駆動装置により上記ステッピングモータを駆動する方法において、上記スイッチング素子制御手段により上記スイッチング素子を制御して、上記コイル電流検出値が上限設定値に達するまで上記モータコイルにモータ供給電流を流し、上記コイル電流検出値が上記上限設定値に達した後は上記モータ供給電流を流し始めてから所定時間が経過するまで上記モータコイルにモータ還流電流を流し、上記所定時間が経過したときは上記コイル電流検出値が下限設定値に達するまで上記モータコイルにモータ回生電流を流し、上記コイル電流検出値が上記下限設定値に達した後は上記モータ回生電流を流し始めてから所定時間が経過するまで上記モータコイルにモータ還流電流を流すことを特徴とするステッピングモータ駆動方法。
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