(57)【要約】【課題】  高い駆動トルクを得ることでき、かつ振動または騒音を抑制した「モータ駆動装置およびモータ駆動方法」を提供する。【解決手段】  本発明は、２相励磁永久磁石型ステッピングモータのモータ駆動装置に関するものである。モータ駆動装置は、マイクロステップ駆動電流を各相の巻線に供給する駆動回路を含み、マイクロステップ駆動電流は、励磁方向反転時のみ一次直線的に変化し保持状態ではピーク電流値を維持する台形波電流波形を有し、かつ各相の電気角位相差が４５度である。【選択図】    図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２相励磁永久磁石型ステッピングモータのモータ駆動装置であって、
ステッピングモータの各相の巻線にマイクロステップ駆動電流を供給する駆動回路を含み、
前記マイクロステップ駆動電流は、励磁方向反転時のみ一次直線的に変化し保持状態ではピーク電流値を維持する台形波電流波形を有し、かつ各相の電気角位相差が４５度である、モータ駆動装置。
【請求項２】
前記駆動回路は、入力されたパルス信号に同期してマイクロステップ駆動電流を生成し、前記一次直線的に変化する台形波電流波形は、ｎ（ｎは、２以上の自然数）分割されたステップを有する、請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
２相励磁永久磁石型ステッピングモータのモータ駆動方法であって、
マイクロステップ駆動電流を各相の巻線に供給するステップを含み、
前記マイクロステップ駆動電流は、励磁方向反転時のみ一次直線的に変化し保持状態ではピーク電流値を維持する台形波電流波形を有し、かつ各相の電気角位相差が４５度である、モータ駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２相励磁ＰＭ型（永久磁石型）ステッピングモータのマイクロステップ駆動方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に２相励磁ＰＭ型ステッピングモーターの動作原理概念図を示す。同図は、静止状態から第１ステップパルスの指示によりＡ相駆動コイルの励磁方向が反転した瞬間を表している。この時、ローターマグネットの磁極とＡ相の磁極は同磁極となり互いに反発しあい、Ｂ相の磁極とは異磁極であるため互いに吸引しあう状態が維持されているので、ローターは時計方向に回転を始め、図中の点線で示す位置へ９０度（電気角度）回転する。以降、Ｂ相駆動コイルの励磁方向を反転、更にＡ相駆動コイルの励磁方向を反転、と各相２ステップ毎に励磁方向を反転させることにより、ローターマグネットが入力されたステップ信号に同期して連続的に回転する。
【０００３】
２相励磁ＰＭ型ステッピングモーターは、低速回転の時、比較的大きな回転力を得られる反面、ステップ間での減衰運動が残り易く、装置全体へ振動を与え、不快な騒音の原因となっている。この対策として、１ステップ間を細かく分割し、駆動コイル巻線の電流を単純な反転でなく、Ａ相Ｂ相二つの駆動コイル巻線の電流比率を細かく変化させていく、いわゆるマイクロステップ駆動により振動を低減させる方式が知られている。このようなマイクロステップ駆動では、駆動電流波形を方形波ではなく、正弦波、台形波、三角波等の波形形状で電流を制御している（特許文献１、２、３）。
【０００４】
また、ステッピングモータは、フィードバック回路なしの開ループ制御で使用されることが一般的ではある。しかし、振動対策として、モータ出力軸に速度を検出する何らかの手段を設けた場合には、閉ループ制御である速度制御駆動によっても、大幅に振動を抑制させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許２８２１６９６号公報
【特許文献２】特開昭６１−１９６７９９号公報
【特許文献３】特開平８−２５１９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のステッピングモータの駆動方式には、次のような課題がある。図２に、フルステップ駆動方式の方形波電流波形の一例を示す。図３に、適当なステッピングモータを想定し、フルステップ駆動での回転挙動を数値解析した結果を示す。上側のグラフにローターの回転角度θｍと回転角速度ωｍを、下側のグラフにＡ相駆動コイル端子間電流とＢ相駆動コイル端子間電流を示している。想定したモータは外形Φ１０ｍｍ、５極対１８度ステップ角度の小型２相励磁ＰＭ型ステッピングモーターで、パルスレート１００ｐｐｓ、無負荷、駆動電流４００ｍＡ、８ステップ送りの駆動条件で解析した結果である。フルステップ駆動では、解析結果から判るようにステップ間の減衰運動が低減しないうちに次のステップが入力される為、大きな速度変動をしながら回転している。
【０００７】
（１）マイクロステップ駆動方式
図４に、従来のマイクロステップ駆動方式の電流波形を示す。一般に、マイクロステップ駆動方式では、図２に示すフルステップ駆動方式の矩形波電流波形を正弦波電流波形に置き換え、１ステップ間を適当な数で分割し擬似正弦波を作っている。図４は、１ステップ間を４分割した例を示している。また、図５は、１ステップ間を８分割した、正弦波マイクロステップ駆動での回転挙動を数値解析した結果を表している。ステッピングモータの仕様及び解析駆動条件は、図３に示すフルステップ駆動のときと同一である。
【０００８】
図５に示す解析結果から、正弦波マイクロステップ駆動では始動時及び停止時に多少の減衰運動が残るものの回転中の速度変動が抑制されていることが判る。このようにマイクロステップ駆動方式により回転動作時の振動抑制の効果を期待できるものの、駆動電流がフルステップ駆動方式の矩形波電流波形から擬似正弦波電流波形となる為、駆動回転トルクの低下が危惧される。ステッピングモータの回転トルクは、略々駆動電流に比例することから、電流実効値により駆動トルクが決定される。
【０００９】
正弦波電流波形では、Ｉｍｐｅａｋをピーク電流値とした場合、電流実効値Ｉｍｅは、次式で表される。
Ｉｍｅ＝Ｉｍｐｅａｋ×√（１／２）＝Ｉｍｐｅａｋ×０．７０７
【００１０】
フルステップ駆動方式に比べ、同じピーク駆動電流値の設定では３０％程度の駆動トルクの低下となる。フルステップ駆動方式と同レベルの駆動トルク特性を得る為には、駆動電流値の設定を大きくする必要があり、場合によっては電源電圧まで大きくする必要性が生じてしまう。
【００１１】
（２）速度制御定電圧駆動方式
図６に、速度制御定電圧駆動方式での回転挙動を数値解析した結果を示す。モータ仕様、解析駆動条件は図３に示すフルステップ駆動のときと同一であるが、ローターの回転角速度を検出する手段を追加し、目標となる角速度からのずれに基づき駆動コイル電圧を反転させる制御を行っている。動作中全域に渡り、大幅に速度変動が抑制され、滑らかな回転動作していることが判る。速度制御定電圧駆動方式は、大幅な回転動作時の振動抑制の効果を期待できる好ましい駆動方式であるものの、ローターの回転角速度を検出する手段を追加する必要があるため、装置が複雑化し、かつコスト負担が大きくなるという課題がある。
【００１２】
本発明は、従来のマイクロステップ駆動方式の基本手法を踏襲しながらも、高い駆動回転トルクを得ることでき、かつ振動または騒音を抑制したモータ駆動装置およびモータ駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るモータ駆動装置は、２相励磁永久磁石型ステッピングモータのものであって、ステッピングモータの各相の巻線にマイクロステップ駆動電流を供給する駆動回路を含み、前記マイクロステップ駆動電流は、励磁方向反転時のみ一次直線的に変化し保持状態ではピーク電流値を維持する台形波電流波形を有し、かつ各相の電気角位相差が４５度である。
【００１４】
好ましくは前記駆動回路は、入力されたパルス信号に同期してマイクロステップ駆動電流を生成し、前記一次直線的に変化する台形波電流波形は、ｎ（ｎは、２以上の自然数）分割されたステップを有する。
【００１５】
本発明に係るモータ駆動方法は、２相励磁永久磁石型ステッピングモータのものであって、マイクロステップ駆動電流を各相の巻線に供給するステップを含み、前記マイクロステップ駆動電流は、励磁方向反転時のみ一次直線的に変化し保持状態ではピーク電流値を維持する台形波電流波形を有し、かつ各相の電気角位相差が４５度である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、励磁方向反転時のみ一次直線的に変化する台形波電流波形を有し、かつ各相の電気角位相差が４５度であるマイクロステップ駆動電流によりステッピングモータを駆動するようにしたので、正弦波形状のマイクロステップ駆動電流と比較して駆動回転トルクを大きくすることができる。また、速度制御定電圧駆動方式のように、ローターの回転角速度を検出する手段を必要とすることなく、回転動作時の抑制の効果を得ることができる。さらにマイクロステップ駆動電流に４５度の電気角位相差を設けることで、スタート時のローターの回転角速度のオーバーシュート量を抑制し、また停止時のセトリング時間を短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】２相励磁ＰＭ型ステッピングモーターの動作原理の概念を説明する図である。
【図２】従来のフルステップ駆動方式の電流波形の一例である。
【図３】図２に示すフルステップ駆動時の挙動解析結果を示すグラフである。
【図４】従来のマイクロステップ駆動方式の正弦波電流波形の一例である。
【図５】正弦波マイクロステップ駆動時の挙動解析結果を示すグラフである。
【図６】従来の速度制御定電圧駆動方式の挙動解析結果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例に係るモータ駆動装置の一構成例を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施例に係るモータ駆動装置のマイクロステップ駆動方式の台形波電流波形の一例を示す図である。
【図９】本実施例によるマイクロステップ駆動時の挙動解析結果を示すグラフである。
【図１０】本実施例の台形波マイクロステップ駆動方式と、従来のフルステップ駆動方式および正弦波マイクロステップ駆動方式とを比較した、プルイン・プルアウトのトルクを示すグラフである。
【図１１】正弦波位相遅れ４５度電気角マイクロステップ駆動時の挙動解析結果を示すグラフである。
【図１２】台形波位相遅れ無しマイクロステップ駆動時の挙動解析結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施態様について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の好ましい態様では、２相励磁型ＰＭステッピングモータのマイクロステップ駆動方式に関し、台形波電流波形の駆動電流をステッピングモータに供給することにより、正弦波電流波形のときよりも電流実効値を改善し、回転駆動トルクを向上させる。さらに、Ａ相／Ｂ相への駆動電流の位相差を４５度電気角とすることで、位相が無しの場合と比較して、ステッピングモータの振動、騒音の抑制効果を改善する。
【実施例】
【００１９】
図７は、本実施例による２相励磁ＰＭ（永久磁石型）ステッピングモータのモータ駆動装置の概略構成を示すブロック図である。本実施例のモータ駆動装置１０は、ステッピングモータの回転速度や回転角度などを制御するためのパルス信号を発生する制御部２０と、制御部２０からパルス信号に基づきマイクロステップ駆動電流を生成し、これをステッピングモータ４０へ供給する駆動回路３０と、Ａ相およびＢ相の駆動コイルを有しマイクロステップ駆動電流により動作されるステッピングモータ４０とを含んで構成される。
【００２０】
制御部２０は、例えば、ＣＤやＤＶＤプレーヤーなどのステッピングモータの回転角度や回転速度を決定するためのパルス信号を生成し、これを駆動回路３０へ出力する。制御部２０は、例えば、マイクロコントローラやメモリ等を含み、パルス信号を生成するために必要なデータをメモリに格納するものであってもよい。
【００２１】
駆動回路３０は、制御部２０からのパルス信号を入力し、当該パルス信号を整形、分配するロジック部、電流指令に比例したマイクロステップ駆動電流を各相の駆動コイルに供給する電流生成回路等を含む。
【００２２】
本実施例では、駆動回路３０は、励磁方向反転時のみ一次直線的に変化する台形波電流波形を有し、かつ各相の電気角位相差が４５度であるマイクロステップ駆動電流を生成し、これをステッピングモータ４０に供給する。図８は、本実施例により生成されるマイクロステップ駆動電流の電流波形の一例を示しており、１ステップ間を４分割したものである。同図に示すマイクロステップ駆動電流は、その波形形状から台形波電流波形であり、励磁方向反転時のみ一次直線的に変化し、保持状態ではピーク電流値を維持する。駆動回路３０は、公知の階段波発生回路等により、このような台形波電流波形のマイクロステップ駆動電流を生成する。
【００２３】
ステッピングモータ４０は、図１に示すように、２相永久磁石型であり、Ａ相／Ｂ相の駆動コイルに、駆動回路３０によって生成されたマイクロステップ駆動電流が印加される。後述するように、Ａ相／Ｂ相の駆動コイルに印加されるマイクロステップ駆動電流は、駆動回路３０によって電気角４５度の位相差を与えられる。
【００２４】
本実施例のマイクロステップ駆動電流は、図６に示す速度制御定電圧駆動方式でのＡ相／Ｂ相の駆動コイル端子間に印加される駆動電流の波形を模したものである。このような台形波電流波形では、Ｉｍｐｅａｋをピーク電流値とした場合、電流実効値Ｉｍｅは、次式で表すことができる。
Ｉｍｅ＝Ｉｍｐｅａｋ×√（３／４）＝Ｉｍｐｅａｋ×０．８６６
【００２５】
本実施例のマイクロステップ駆動方式は、フルステップ駆動方式（図２）に比べ、同じピーク駆動電流値の設定では１３％程度の駆動トルク低下となるが、従来技術の正弦波マイクロステップ駆動方式（図４）に比べて、２０％以上の駆動回転トルクの改善を見込むことができる。
【００２６】
図９に、本実施例の台形波マイクロステップ駆動時の回転挙動を数値解析した結果を示す。ここでは、励磁方向判定時のステップを８分割している。ステッピングモータの仕様及び解析駆動条件は図３に示すフルステップ駆動のときと同一である。同図に示すように、則で制御定電圧駆動方式のときと同様に、動作中全域に渡り、大幅に速度変動が抑制され、滑らかな回転動作していることが判る。
【００２７】
図１０に、本実施例によるマイクロステップ駆動方式と、フルステップ駆動および正弦波駆動方式とを比較した、プルイントルク・プルアウトのトルクを示す。横軸はステップレート、縦軸はプルイントルク・プルアウトトルクであり、これは、前述の回転挙動解析を行ったステッピングモータの特性計算結果である。プルイントルクは実線で示され、プルアウトトルクは破線で示されている。同図からも明らかなように、本実施例の台形波マイクロステップ駆動方式（□のドットで示す）は、正弦波マイクロステップ駆動方式（△のドットで示す）に比べ２０％以上のトルク改善と、更なる振動抑制効果を得ることができる。
【００２８】
また、上記したように、駆動回路３０は、電気角４５度の位相差が生じるように、マイクロステップ駆動電流をＡ相／Ｂ相の駆動コイルに供給する。通常のステップ駆動では、それまでの駆動状態での安定ポイントから次のステップに移動する。すなわち、その時点でのトルク曲線のピーク値のポイントからのスタートとなる為、第１ステップで最大駆動トルクが働く。位相をずらすことにより、このピーク点を避けることで、起動直後の過振動を無くすことが可能である。但し、プルイントルクの低下が予想されるが、数値計算結果ではほとんど差がないことが判明した。
【００２９】
図１１は、正弦波位相遅れ４５度電気角のマイクロステップ駆動時（１ステップ８分割）の挙動解析結果であり、これは、上記した図５の正弦波位相遅れ無しのマイクロステップ駆動時の挙動解析結果に対する比較例である。図５では、スタート時と停止時に、ローター角速度に比較的大きなオーバーシュートが見られるが、図１１では、ローター角速度のオーバーシュートが小さくなっていることがわかる。このように、電気角４５度の位相差により振動が抑制され、静音を得ることができる。
【００３０】
図１２は、台形波位相遅れ無しのマイクロステップ駆動時の挙動解析結果であり、これは、図９に示す本実施例の台形波位相遅れ４５度電気角のマイクロステップ駆動時の挙動解析結果に対する比較例である。図１２に示すように、正弦波マイクロステップ駆動のときと同様に、位相差し無しではスタート直後の振動が悪化していることがわかる。また、停止時のオーバーシュートが大きく、安定化するまでの時間が長くなってしまう。これに対し、図９に示す本実施例の位相差電気角４５度の台形波電流波形のマイクロステップ駆動では、スタート時および停止時のオーバーシュートが小さく、その結果、振動が抑制され、かつ停止が安定化するまでの時間を短縮することができる。
【００３１】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０：モータ駆動回路                  ２０：制御部
３０：駆動回路                        ４０：ステッピングモータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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