(57)【要約】【課題】複数台のモーターを効率的に駆動する。【解決手段】モーター駆動装置は、直列接続された一対のスイッチング素子（Ｔｒ１及びＴｒ２、Ｔｒ３及びＴｒ４、Ｔｒ５及びＴｒ６、Ｔｒ７及びＴｒ８、並びにＴｒ９及びＴｒ１０）を有する直列回路部ｎ組が互いに並列接続されてなる駆動回路部１を備える。ただし、ｎは５以上の整数である。そして、ｎ組の前記直列回路部における前記一対のスイッチング素子の各接続点Ｎ１〜Ｎ５と、複数台のモーターが有する合計（ｎ−１）個のコイルφａ１、φｂ１、φａ２及びφｂ２とが交互に接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された一対のスイッチング素子を有する直列回路部ｎ組が互いに並列接続されてなる駆動回路部を備え、ｎは５以上の整数であり、
ｎ組の前記直列回路部における前記一対のスイッチング素子の各接続点と、複数台のモーターが有する合計（ｎ−１）個のコイルとが交互に接続される、モーター駆動装置。
【請求項２】
前記（ｎ−１）個のコイルの各々を流れるコイル電流に基づいて、ｎ組の前記直列回路部の各々における前記一対のスイッチング素子の動作を制御する制御部をさらに備える請求項１に記載のモーター駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記コイル電流に基づいて、前記（ｎ−１）個のコイルの各々に印加されるべき電圧指令値を算出し、
前記電圧指令値に基づいて、ｎ個の前記接続点の各々における接続点電圧を算出し、
前記接続点電圧に基づいて、ｎ組の前記直列回路部の各々における前記一対のスイッチング素子の動作を制御する、請求項２に記載のモーター駆動装置。
【請求項４】
前記モーターがステッピングモーターである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のモーター駆動装置。
【請求項５】
ｎ＝２ｋ＋１であって、ｋは２以上の整数であり、
前記複数台のモーターがｋ台の２相ステッピングモーターである、請求項４に記載のモーター駆動装置。
【請求項６】
ｋ＝２である、請求項５に記載のモーター駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモーター駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、４相ステッピングモーターの駆動回路によって２相ステッピングモーターを２台同時に駆動可能なステッピングモーター駆動回路が記載されている。特許文献２には、ステッピングモーターはｎ個であり、前記各ステッピングモーターに備えられる励磁コイルは２つであって、ブリッジ回路の各辺に設けられるスイッチング素子をそれぞれ１個とし、全ブリッジ回路を「４ｎ＋２」個のスイッチング素子で構成したステッピングモーターの駆動回路が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実公昭６３−１６３２０号公報
【特許文献２】特開２０００−６９７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、複数台のモーターを効率的に駆動することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係るモーター駆動装置は、直列接続された一対のスイッチング素子を有する直列回路部ｎ組が互いに並列接続されてなる駆動回路部を備える。ただし、ｎは５以上の整数である。そして、ｎ組の前記直列回路部における前記一対のスイッチング素子の各接続点と、複数台のモーターが有する合計（ｎ−１）個のコイルとが交互に接続される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、複数台のモーターを効率的に駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】２台の２相ステッピングモーターが接続された駆動回路を示す説明図である。
【図２】モーター内の１つのコイルを励磁するための回路を示す説明図である。
【図３】制御部の説明図である。
【図４】１台の５相ステッピングモーターが接続された駆動回路を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
【０００９】
図１に、２台の２相ステッピングモーターを駆動するための駆動回路１を示す。駆動回路１には、第１の２相ステッピングモーターＭ１と第２の２相ステッピングモーターＭ２とが接続される。
【００１０】
駆動回路１は、外部から電源電圧が入力される電源端子Ｖｃｃと、０ボルト等の基準電位に接続される接地端子Ｇｎｄと、電源ライン１１及び１２とを有する。電源ライン１１は電源端子Ｖｃｃに接続し、電源ライン１２は接地端子Ｇｎｄに接続する。
【００１１】
駆動回路１は、直列接続された一対のスイッチング素子Ｔｒ１及びＴｒ２を有する第１の直列回路部と、直列接続された一対のスイッチング素子Ｔｒ３及びＴｒ４を有する第２の直列回路部とを有する。加えて、駆動回路１は、直列接続された一対のスイッチング素子Ｔｒ５及びＴｒ６を有する第３の直列回路部と、直列接続された一対のスイッチング素子Ｔｒ７及びＴｒ８を有する第４の直列回路部と、直列接続された一対のスイッチング素子Ｔｒ９及びＴｒ１０を有する第５の直列回路部とを有する。なお、直列回路部の各々をハーフブリッジ回路部と呼ぶこともできる。
【００１２】
これら５組の直列回路部は、電源ライン１１及び１２間で互いに並列接続されている。スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５、Ｔｒ７及びＴｒ９はそれぞれ、各直列回路部の上アームを構成している。また、スイッチング素子Ｔｒ２、Ｔｒ４、Ｔｒ６、Ｔｒ８及びＴｒ１０はそれぞれ、各直列回路部の下アームを構成している。
【００１３】
図１において、第１から第５の直列回路部の各々における一対のスイッチング素子の接続点をそれぞれ、符号Ｎ１〜Ｎ５により示す。
【００１４】
第１の２相ステッピングモーターＭ１は、ａ相コイルφａ１及びｂ相コイルφｂ１を有し、第２の２相ステッピングモーターＭ２は、ａ相コイルφａ２及びｂ相コイルφｂ２を有する。第１の２相ステッピングモーターＭ１のａ相コイルφａ１の両端は、接続点Ｎ１及びＮ２に接続され、同モーターのｂ相コイルφｂ１の両端は、接続点Ｎ２及びＮ３に接続される。同様に、第２の２相ステッピングモーターＭ２のａ相コイルφａ２の両端は、接続点Ｎ３及びＮ４に接続され、同モーターのｂ相コイルφｂ２の両端は、接続点Ｎ４及びＮ５に接続される。
【００１５】
このように、５組の直列回路部における一対のスイッチング素子の各接続点Ｎ１〜Ｎ５と、２台の２相ステッピングモーターが有する合計４個のコイル（φａ１、φｂ１、φａ２、φｂ２）とが交互に接続される。
【００１６】
以下、モーターの駆動について一般的な説明を行った後、図１に示した駆動回路による駆動方法について説明する。
【００１７】
一般に、モーターを動作させるには、モーター内部に備えられた１以上のコイルに所望の電流を流す必要がある。そのための基本回路を図２に示す。
【００１８】
この基本回路は、電源端子Ｖｃｃと、接地端子Ｇｎｄと、直列接続された一対のスイッチング素子Ｔｒ３１及びＴｒ３２を有する直列回路部と、直列接続された一対のスイッチング素子Ｔｒ３３及びＴｒ３４を有する直列回路部とを備えている。両直列回路部は、電源端子Ｖｃｃ及び接地端子Ｇｎｄの間で互いに並列接続されている。スイッチング素子Ｔｒ３１及びＴｒ３３はそれぞれ、各直列回路部の上アームを構成している。また、スイッチング素子Ｔｒ３２及びＴｒ３４はそれぞれ、各直列回路部の下アームを構成している。
【００１９】
スイッチング素子Ｔｒ３１とスイッチング素子Ｔｒ３２との接続点Ｎ３１と、スイッチング素子Ｔｒ３３とスイッチング素子Ｔｒ３４との接続点Ｎ３２とに、あるステッピングモーターが有する１つのコイルＣが接続される。
【００２０】
スイッチング素子Ｔｒ３１及びＴｒ３４がオンし、スイッチング素子Ｔｒ３２及びＴｒ３３がオフしている場合、矢印Ｙ１に示すように、電源端子Ｖｃｃからスイッチング素子Ｔｒ３１を経てコイルＣへと電流が流れる。コイルＣを流れた電流はスイッチング素子Ｔｒ３４を経て接地端子Ｇｎｄへと流れる。
【００２１】
スイッチング素子Ｔｒ３２及びＴｒ３３がオンし、スイッチング素子Ｔｒ３１及びＴｒ３４がオフしている場合、矢印Ｙ２に示すように、電源端子Ｖｃｃからスイッチング素子Ｔｒ３３を経てコイルＣへと電流が流れる。コイルＣを流れた電流はスイッチング素子Ｔｒ３２を経て接地端子Ｇｎｄへと流れる。
【００２２】
このように、スイッチング素子Ｔｒ３１〜Ｔｒ３４のスイッチングにより、コイルＣの双方向に通電を行うことができる。すなわち、ステッピングモーターのバイポーラ駆動が可能となる。なお、図２に示した回路はフルブリッジ回路と呼ばれる。
【００２３】
図２に示した、４個のスイッチング素子を有する回路を用いて、２つのコイルを備えた１台の２相ステッピングモーターを駆動する場合には、同回路を２組用いることになる。つまり、スイッチング素子は８個必要となる。
【００２４】
続いて、１台の２相ステッピングモーターを駆動する場合の各コイルに与えるべき電圧の定め方を説明する。２相ステッピングモーターはコイルを２個有する。一方のコイルをａ相コイルとし、他方のコイルをｂ相コイルとする。ある時刻ｔにおいて、ａ相コイルに流すべき電流（ａ相電流指令値）をｉａ＊（ｔ）、ｂ相コイルに流すべき電流（ｂ相電流指令値）をｉｂ＊（ｔ）とする。
【００２５】
また、時刻ｔにおいて、ａ相コイルを流れる電流の検出値であるａ相電流検出値をｉａ（ｔ）とし、ｂ相コイルを流れる電流の検出値であるｂ相電流検出値をｉｂ（ｔ）とする。
【００２６】
駆動回路は、ａ相電流指令値ｉａ＊（ｔ）とａ相電流検出値ｉａ（ｔ）とが等しくなるように、かつ、ｂ相電流指令値ｉｂ＊（ｔ）とｂ相電流検出値ｉｂ（ｔ）とが等しくなるように、２相ステッピングモーターを駆動する。例えば、Δｔを指令更新周期、ｋを任意に定める正の比例定数とすると、時刻ｔ＋Δｔにおいて、ａ相コイルに印加すべき電圧指令値ｅａ（ｔ＋Δｔ）とｂ相コイルに印加すべき電圧指令値ｅｂ（ｔ＋Δｔ）とは次式により決定される。
【数１】
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【００２７】
式（１）によれば、電流指令値と電流検出値の差に比例する電圧が各コイルに印加される。これは交流比例制御として知られている。交流比例制御は電流制御方法としてはもっとも単純なものである。他にも、電流指令値と電流検出値の一致性を高めるための様々な電流制御方法が知られている。
【００２８】
続いて、図１に示した駆動回路による駆動方法について説明する。この駆動方法は、上述の交流比例制御を用いることにする。しかし、その他の電流制御方法を用いることも可能である。いずれにしても、電流指令値と電流検出値から電圧指令値を決定することができればよい。
【００２９】
以下の説明において、簡略化のために、電流指令値と電流検出値は時刻ｔにおけるものとし、「（ｔ）」による明示的な時刻表記を行わないこととする。また、電圧指令値は時刻ｔ＋Δｔにおけるものとし、「（ｔ＋Δｔ）」による明示的な時刻表記を行わないこととする。
【００３０】
第１の２相ステッピングモーターＭ１のａ相コイルφａ１に印加すべき電圧指令値をｅａ１とし、同モーターのｂ相コイルφｂ１に印加すべき電圧指令値をｅｂ１とする。また、第２の２相ステッピングモーターＭ２のａ相コイルφａ２に印加すべき電圧指令値をｅａ２とし、同モーターのｂ相コイルφｂ２に印加すべき電圧指令値をｅｂ２とする。さらに、接続点Ｎ１〜Ｎ５における電圧をそれぞれｖ１〜ｖ５とする。
【００３１】
第１の２相ステッピングモーターＭ１のａ相コイルφａ１を流れるａ相電流検出値をｉａ１とし、同モーターのｂ相コイルφｂ１を流れるｂ相電流検出値をｉｂ１とする。ａ相電流検出値ｉａ１は、接続点Ｎ１から接続点Ｎ２へと流れる方向を正の方向とする。ｂ相電流検出値ｉｂ１は、接続点Ｎ２から接続点Ｎ３へと流れる方向を正の方向とする。
【００３２】
また、第２の２相ステッピングモーターＭ２のａ相コイルφａ２を流れるａ相電流検出値をｉａ２とし、同モーターのｂ相コイルφｂ２を流れるｂ相電流検出値をｉｂ２とする。ａ相電流検出値ｉａ２は、接続点Ｎ３から接続点Ｎ４へと流れる方向を正の方向とする。ｂ相電流検出値ｉｂ２は、接続点Ｎ４から接続点Ｎ５へと流れる方向を正の方向とする。
【００３３】
２台の２相ステッピングモーターのそれぞれを駆動するためには、各コイルの電流検出値（コイル電流）ｉａ１、ｉｂ１、ｉａ２、ｉｂ２を取得する必要がある。図１に示すように、直列回路部における一対のスイッチング素子の接続点とコイルとの間にそれぞれ電流検出部Ｄ１〜Ｄ４を設けることで、当該コイルを流れるコイル電流を直接的に検出することができる。
【００３４】
あるいは、下アームを構成するスイッチング素子Ｔｒ２、Ｔｒ４、Ｔｒ６、Ｔｒ８及びＴｒ１０と、接地端子Ｇｎｄとの間にそれぞれ電流検出手段を設け、これらの電流検出手段により、各直列回路部の下アームから接地端子Ｇｎｄへと流れる素子電流ｉ１〜ｉ５を検出し、その素子電流からコイル電流ｉａ１、ｉｂ１、ｉａ２及びｉｂ２を算出することもできる。
【００３５】
または、各直列回路部の上アームを構成するスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５、Ｔｒ７及びＴｒ９と、電源端子Ｖｃｃとの間にそれぞれ電流検出手段を設けることでその素子電流からコイル電流ｉａ１、ｉｂ１、ｉａ２及びｉｂ２を算出することもできる。
【００３６】
このように得られたコイル電流を用いて、次のように電流制御系を構成する。以下、第１の２相ステッピングモーターＭ１のａ相電流指令値をｉａ１＊とし、同モーターのｂ相電流指令値をｉｂ１＊とする。また、第２の２相ステッピングモーターＭ２のａ相電流指令値をｉａ２＊とし、同モーターのｂ相電流指令値をｉｂ２＊とする。
【００３７】
第１の２相ステッピングモーターＭ１の電流指令値と第２の２相ステッピングモーターＭ２の電流指令値との間には何等の関係はなく、それぞれのステッピングモーターの回転角指令と電流振幅設定値のみに基づいて別個に生成される。また、各ステッピングモーターのａ相電流指令値とｂ相電流指令値との間にも何等の制約はなく、図２に示したような駆動回路を２台用いる時と同様に任意の電流とすることができる。例えば等振幅で９０°位相差の正弦波を用いたマイクロステップに代表されるような、モーターの性能を活かした使い方が可能である。
【００３８】
式（１）と同様に電流制御系を交流比例制御で構成すると、第１の２相ステッピングモーターＭ１のａ相電圧指令値ｅａ１と、同モーターのｂ相電圧指令値ｅｂ１と、第２の２相ステッピングモーターＭ２のａ相電圧指令値ｅａ２と、同モーターのｂ相電圧指令値ｅｂ２とは、次式で与えられる。
【数２】
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【００３９】
図１から判るように、各コイルは２つの直列回路部内の接続点間にまたがって接続されているため、コイルに印加される電圧は、接続点間の電圧差に等しくなる。この関係をまとめると次式となる。
【数３】
2020068635.tif 000005
【００４０】
式（３）を、行列を用いてまとめると次式となる。
【数４】
2020068635.tif 000006
【００４１】
式（４）中の行列は、正方行列ではないため、本来の意味での逆行列を持たない。そこで、ムーア・ペンローズ（Ｍｏｏｒｅ−Ｐｅｎｒｏｓｅ）一般逆行列を用いる。接続点電圧ｖ１〜ｖ５は、ムーア・ペンローズ一般逆行列を用いて以下のように表される。
【数５】
2020068635.tif 000007
【００４２】
ムーア・ペンローズ一般逆行列は変換後のベクトルのノルムを最小にする変換であるから、この変換は所望のコイル電圧に対して駆動回路端子電圧振幅を最も小さくする。このことは、同じ駆動回路端子電圧振幅に対しては、コイル電圧を最も高くし得ることを意味するので、より高いモーター特性を得るという一般的要求に叶う変換方法といえる。
【００４３】
以上の説明を要約すると、まず、電流検出部Ｄ１〜Ｄ４を用いるなどしてコイル電流を得る。このコイル電流と式（２）とによって電圧指令値が与えられる。この電圧指令値を用いて式（５）のように接続点電圧が得られる。
【００４４】
図３に、駆動回路１を制御する制御回路７を示す。制御回路７は、コイル電流取得部７１と、電圧指令値算出部７２と、接続点電圧算出部７３とを有する。コイル電流取得部７１は、電流検出部Ｄ１〜Ｄ４により検出された各電流をモーターのコイル電流として取得する。あるいは、コイル電流取得部７１は、前述のとおり、各直列回路部の上アーム又は下アームを流れる素子電流から各コイルのコイル電流を導き出してもよい。電圧指令値算出部７２は、コイル電流と式（２）とによって電圧指令値を算出する。接続点電圧算出部７３は、電圧指令値と式（５）とから接続点電圧を算出する。この接続点電圧に基づいてスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ１０のスイッチング動作が制御される。このスイッチング動作によって接続点の電圧が、算出された接続点電圧ｖ１〜ｖ５とされる。
【００４５】
式（２）において第１のステッピングモーターの電流指令値と第２のステッピングモーター電流指令値が独立であるということによって、２台のステッピングモーターの動作の独立性が得られる。
【００４６】
なお、図１に示した駆動回路１は、１台の５相ステッピングモーターを駆動するためにも用いることができる。図４に、５相ステッピングモーターＭ５が接続された駆動回路１を示す。
【００４７】
５相ステッピングモーターＭ５は、ａ相コイルφａ５と、ｂ相コイルφｂ５と、ｃ相コイルφｃ５と、ｄ相コイルφｄ５と、ｅ相コイルφｅ５とを有する。これらのコイルは、各相コイルの一端及び他端が順次接続されて環状に構成される。
【００４８】
具体的には、まず、ａ相コイルφａ５の一端は、接続点Ｎ５１に接続される。ａ相コイルφａ５の他端は、接続点Ｎ５２を介して、ｃ相コイルφｃ５の一端に接続する。ｃ相コイルφｃ５の他端は、接続点Ｎ５３を介して、ｅ相コイルφｅ５の一端に接続する。ｅ相コイルφｅ５の他端は、接続点Ｎ５４を介して、ｂ相コイルφｂ５の一端に接続する。ｂ相コイルφｂ５の他端は、接続点Ｎ５５を介して、ｄ相コイルφｄ５の一端に接続する。ｄ相コイルφｄ５の他端は、接続点Ｎ５１を介して、ａ相コイルφａ５の一端に接続する。
【００４９】
そして、５相ステッピングモーターＭ５の接続点Ｎ５１〜Ｎ５５はそれぞれ、駆動回路１の接続点Ｎ１〜Ｎ５に接続される。
【００５０】
このように、上記の実施形態によれば、１台の５相ステッピングモーターを駆動するための駆動回路と同一の駆動回路を用いて、２台の２相ステッピングモーターを駆動することができる。
【００５１】
また、２台の２相ステッピングモーターに与える電流を互いに独立且つ任意の波形とすることができる。その結果、それぞれのモーターを別個の位置・速度に制御できるとともに、モーターの性能を活かした使い方が可能となる。
【００５２】
各々のモーターの、励磁位置指令と電流制御部を個別に実装し、個別に生成された電圧指令値を用いて上記の駆動回路によりモーターを駆動することができる。
【００５３】
図２に示したような駆動回路を用いて２台の２相ステッピングモーターを駆動するためには、同駆動回路が４組必要となる。つまり、スイッチング素子は１６個必要となる。これに対し、上記の実施形態によればスイッチング素子は１０個で済む。つまり、回路規模が小さく、小型化・低コストを図ることができる。
【００５４】
［他の形態］
図１において、第１のステッピングモーターのａ相コイルと同モーターのｂ相コイルと第２のステッピングモーターのａ相コイルと同モーターのｂ相コイルとが順に接続されているが、これら４個のコイルの接続順は任意に定めることができる。
【００５５】
図１に示した駆動回路を用いて、１台の３相ステッピングモーター及び１台の単相ステッピングモーターを駆動することもできる。あるいは、４台の単相ステッピングモーターを駆動することもできる。
【００５６】
図１に示した駆動回路部は５組の直列回路部を備えているが、直列回路部の数を増やすことも可能である。計７組の直列回路部を設けることで、３台の２相ステッピングモーターを駆動することができる。計９組の直列回路部を設けることで、４台の２相ステッピングモーターを駆動することができる。
【００５７】
これまでステッピングモーターを例に説明してきたが、上記実施形態は、ステッピングモーター以外の、電圧印加によって駆動されるモーターにも適用可能である。
【００５８】
駆動回路部がｎ組の直列回路部を備えている場合（ただし、ｎは５以上の整数）、合計で（ｎ−１）個のコイルを有する複数台のモーターを駆動することができる。このとき、ｎ組の直列回路部における一対のスイッチング素子の各接続点と、上記（ｎ−１）個のコイルとが交互に接続される。上記複数台のモーターにおいて、モーター毎のコイル数が同じであってもよいし、異なっていてもよい。いずれにしても、上記複数台のモーターの合計コイル数が（ｎ−１）個であればよい。
【００５９】
ｎが５以上の奇数である場合、すなわちｎ＝２ｋ＋１（ただし、ｋは２以上の整数）である場合、合計で２ｋ（＝ｎ−１）個のコイルを有する複数台のモーターを駆動することができる。斯かる複数台のモーターが全て２相ステッピングモーターであるならば、ｋ台の２相ステッピングモーターを駆動することができる。
【００６０】
制御部の機能的構成は、図３に示した態様に限られるものではなく、例えば、各機能部を統合して実装したり、逆に、各機能部をさらに分散して実装したりすることも可能である。
【００６１】
図１に示した駆動回路部と図３に示した制御部とを併せて駆動装置と呼ぶこともできる。
【００６２】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１                駆動回路
Ｖｃｃ            電源端子
Ｇｎｄ            接地端子
１１、１２        電源ライン
Ｔｒ１〜Ｔｒ１０  スイッチング素子
Ｎ１〜Ｎ５        接続点
Ｄ１〜Ｄ４        電流検出部
Ｍ１              第１の２相ステッピングモーター
φａ１            ａ相コイル
φｂ１            ｂ相コイル
Ｍ２              第２の２相ステッピングモーター
φａ２            ａ相コイル
φｂ２            ｂ相コイル
【図１】
2020068635.tif 000008
【図２】
2020068635.tif 000009
【図３】
2020068635.tif 000010
【図４】
2020068635.tif 000011