(57)【要約】【課題】  ステッパモータ制御回路及び方法を提供することである。【解決手段】  ステッパモータは、永久磁石で構成されているロータと、ロータを取り囲んでいる少なくとも２つの励磁コイルを含むステータとを備えている。第１励磁コイルの各端の端子はスイッチング素子を介して電圧源の正極に接続され、第２励磁コイルの各端の端子はスイッチング素子を介して電圧源の負極に接続されるようになっている。両励磁コイルの中央接点は、互いに接続されている。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステッパモータ（１）のための制御回路であって、前記ステッパモータ（１）は、永久磁石によって構成されているロータ（２）と、前記ロータ（２）を取り囲む少なくとも２つの付勢可能な励磁コイル（４）を含むステータ（３）とを備え、前記励磁コイル（４）の端端子（５）はスイッチング素子（８）を介して電圧源の正極（９）及び負極（１０）に切り替え可能に接続されるようになっており、前記制御回路が、
第１励磁コイル（４.1）の端端子（５）をそれぞれ、１個のスイッチング素子（８.1、または８.2）を介して電圧源の正極（９）に接続し、
第２励磁コイル（４.2）の端端子（５）をそれぞれ、１個のスイッチング素子（８.3、または８.4）を介して電圧源の負極（１０）に接続するようになっており、
前記両励磁コイル（４.1、４.2）の２つの中央接点（６）が互いに接続されている、
ことを特徴とする回路。
【請求項２】
互いに接続された複数のステッパモータ（１）が準備され、
ａ）前記ステッパモータ（１）の、前記電圧源の正極（９）に接続される前記各コイル（４）は互いに直列に接続されてそれらの間に接続ノードを形成し、前記隣接するコイル（４）間の接続ノード、及び前記コイル（４）の外側自由端の端子（５）がスイッチング素子（８）を介して前記電圧源の正極（９）に接続され、
ｂ）前記ステッパモータ（１）の、前記電圧源の負極（１０）に接続される前記各コイル（４）は互いに直列に接続されてそれらの間に接続ノードを形成し、前記隣接するコイル（４）間の接続ノード、及び前記コイル（４）の外側自由端の端子（５）がスイッチング素子（８）を介して前記電圧源の負極（１０）に接続されるようになっている、
ことを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記スイッチング素子（８）は、電界効果トランジスタ、バイポラートランジスタ、集積回路（ＩＣ）、またはリレーによって構成されていることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の回路。
【請求項４】
ステッパモータ（１）を制御する方法であって、前記ステッパモータ（１）は、永久磁石によって構成されているロータ（２）と、前記ロータ（２）を取り囲む少なくとも２つの付勢可能な励磁コイル（４）を含むステータ（３）とを備え、第１励磁コイル（４.1）の第１端端子（５.1）は第１スイッチング素子（８.1）を介して電圧源の正極（９）に接続され、前記第１励磁コイル（４.1）の第２端端子（５.2）は第２スイッチング素子（８.2）を介して前記電圧源の正極（９）に接続され、第２励磁コイル（４.2）の第１端端子（５.1）は第３スイッチング素子（８.3）を介して前記電圧源の負極（１０）に接続され、前記第２励磁コイル（４.2）の第２端端子（５.2）は第４スイッチング素子（８.4）を介して電圧源の負極に接続されるようになっており、前記両励磁コイル（４.1、４.2）の中央接点（６）は互いに接続されており、前記ステッパモータを時計方向に回転させるように制御するためには、
ａ）前記第１及び第４スイッチング素子（８.1、８.4）を閉じ、前記第２及び第３スイッチング素子（８.2、８.3）を開き、
ｂ）前記第２及び第４スイッチング素子（８.2、８.4）を閉じ、前記第１及び第３スイッチング素子（８.1、８.3）を開き、
ｃ）前記第２及び第３スイッチング素子（８.2、８.3）を閉じ、前記第１及び第４スイッチング素子（８.1、８.4）を開き、
ｄ）前記第１及び第３スイッチング素子（８.1、８.3）を閉じ、前記第２及び第４スイッチング素子（８.2、８.4）を開く、
プロセスステップを繰り返すことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記ステッパモータ（１）を反時計方向に回転させるように制御するためには、前記プロセスステップｄ）、ｃ）、ｂ）、及びａ）を連続して順次に実行することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステッパモータの制御回路及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステッパモータは、自動車またはオフィス通信、医療エンジニアリング、工具製造、家電、建物サービス、または測定技術の分野において、ユニット及びモジュール内に使用されている。ステッパモータは、ディジタル情報を機械的運動に変換するための適当なドライブである。
【０００３】
半導体産業の急速な発展のために、特に、トランジスタ、ダイオード、及び集積回路が多種にわたるので、ステッパモータは価格が重要であるような応用のみならず、ドライブの信頼性または寿命を直流電動機の機械的転換システムが制限するような応用にも使用されている。ステッパモータは、制御された補助ドライブとしても広く使用されている。
【０００４】
ステッパモータは、通常は幾つかの分離した、スイッチ可能なステータコイルを有するステータ巻線を有しており、ステータコイルの数はステッパモータのステップ角度に対応する。モータの速度及び位置は、開制御チェーンによって制御される。制御にはバイポラードライバＩＣ、並びに離散したユニポラートランジスタが使用されている。従って、制御ユニットは常にロータの現位置を決定し、決定の結果に依存して新しい位置へ運動させることができる。
【０００５】
コイルの配線及び制御に依存して、異なる動作状態を実現することができる。ステッパモータは、ユニポラーステッパモータ及びバイポラーステッパモータに大別することができる。
【０００６】
ユニポラーステッパモータにおいては、ステータコイルの半分だけが付勢される。コイルのセンタータップは電圧源に接続されているが、コイルの端の端子はそれぞれ組合わされたスイッチを介して接地されるので、２つのコイルを用いるユニポラー動作モードでモータを制御するには、モータへの５本の接続ラインと、４個のスイッチとが必要である。
【０００７】
バイポラーステッパモータにおいては、コイルはそれら全体が付勢される。この場合、ステッパモータのコイルはＨブリッジ回路毎に動作し、磁場の極性を反転させるために磁石内の電流の方向を変化させることができる。２つのコイルを使用する場合には、モータへの４本の供給ラインと、８個のスイッチとが必要である。
【０００８】
従来から、複数の回路構成が知られている。
【０００９】
例えば、DE 102 374 34 A1に開示されている電動機のための電源においては、正端子及び負端子を有する直流電圧源の出力電圧が電圧位相平衡回路によって半分にされる。電圧位相平衡回路は正端子及び負端子の他に０電位出力を有しており、この０電位出力は接続された各電動機の端子に接続されている。接続された各電動機の少なくとも１つの別の端子は、それぞれ半ブリッジの２つのドライバトランジスタに接続される。この半ブリッジが、正端子にも、負端子にも接続されるようになっている。
【００１０】
DE 199 25 451 A1には、簡易化された回路構造と、バイポラードライバシステムとを使用するステッパモータ駆動システムが記載されている。この発明の特徴は、ステッパモータが、それぞれのブリッジ回路によって駆動される２つの励磁コイルを有していることである。ブリッジ回路の２つの側に設けられたトランジスタが、両ブリッジ回路によって共通に使用される。従って、ドライバ回路を設計する際に、トランジスタの数を減少させることができる。
【００１１】
ステッパモータのための別のドライバ回路が、WO 01/31773に開示されている。このドライバ回路は、１または幾つかの対の励磁コイルからなり、各励磁コイルは２つの端接点と、センタータップとを有している。励磁コイルのセンタータップは互いに接続されている。更に、電圧源の正端子が第１励磁コイルの端接点を付勢し、電圧源の負端子が第２励磁コイルの端接点を付勢するように設計されているスイッチング素子が設けられている。
【００１２】
US 4,558,268に開示されているステッパモータの制御回路には、２つのステッパモータのために幾つかの半ブリッジが設けられている。これにより必要なスイッチング素子の数は減少するが、ステッパモータは互いに独立的に動作することはできない。
【００１３】
しかしながら、EP 0 657 990 A1に記載されている幾つかのステッパモータを同時に制御するための方法は、ダイオードマルチプレックスを使用している。この場合もスイッチング素子を節約することはできるが、ステッパモータに付加的なダイオードが必要である。更に、この方法でもステッパモータを互いに独立的に動作させることはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、少数のスイッチング素子及び接続ラインを必要とするだけであり、更に、直列接続されたステッパモータを互いに独立的に動作させることを保証するステッパモータ制御回路及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
永久磁石によって構成されているロータと、ロータを取り囲んでいる少なくとも２つの励磁コイルを含むステータとを備えているステッパモータを制御するための本発明による回路においては、第１励磁コイルの各端の端子はスイッチング素子を介して電圧源の正極に接続され、第２励磁コイルの各端の端子はスイッチング素子を介して電圧源の負極に接続されるようになっている。両励磁コイルの中央接点は、互いに接続されている。
【００１６】
この回路配列の長所は、ステッパモータを制御するために４個のスイッチング素子、及び４本の接続ラインだけしか必要としないことである。本発明の回路配列は、４本の接続ラインだけしか必要としないバイポラーステッパモータ、及び４個のスイッチング素子だけしか必要としないユニポラーステッパモータの長所を組合わせている。
【００１７】
第１コイルの両端の端子はそれぞれ、１本の供給ライン及び１個のスイッチング素子によって電圧源の正端子に接続される。一方、第２コイルの両端の端子はそれぞれ、１本の供給ライン及び１個のスイッチング素子によって電圧源の負端子に接続される。以下に詳述するように、使用される４個のスイッチング素子のスイッチングシーケンスを限定することによって、ステッパモータ内に４つの異なる磁気状態を生成することができる。
【００１８】
好ましくは、スイッチング素子として、電界効果トランジスタ、バイポラートランジスタ、集積回路（ＩＣ）、またはリレーを使用する。
【００１９】
本発明の別の実質的な長所は、幾つかのステッパモータを直列に接続した時に、マルチプレックス動作を要せずに、各個々のステッパモータの動作を他のステッパモータの動作から独立させ得ることである。
【００２０】
直列接続されたステッパモータの場合には、ステッパモータの電圧源の正極に接続される励磁コイルは互いに接続され、これらの隣接するコイル間に接続ノードが形成される。更に、これらの接続ノードと、励磁コイルの外側自由端の端子とは、スイッチング素子を介して電圧源の正極に接続される。また、電圧源の負極に接続される励磁コイルは互いに接続され、これらの隣接するコイル間に接続ノードが形成される。更に、負極側のこれらの接続ノードと、負極側の励磁コイルの外側自由端の端子とは、スイッチング素子を介して電圧源の負極に接続される。
【００２１】
本発明による直列回路においては、必要とするスイッチング素子の数Ａｓは、式Ａｓ＝２*ｎ＋２によって表される数まで減少する。ここに、ｎはステッパモータの数である。例えば、５台のステッパモータを直列に接続する場合、14個のスイッチング素子だけしか必要としない。
【００２２】
永久磁石によって構成されているロータと、ロータを完全に取り囲んでいる少なくとも２つの励磁コイルを含むステータとを備えているステッパモータを制御する方法は、第１励磁コイルの第１端端子を第１スイッチング素子を介して電圧源の正極に接続し、第１励磁コイルの第２端端子を第２スイッチング素子を介して電圧源の正極に接続し、第２励磁コイルの第１端端子を第３スイッチング素子を介して電圧源の負極に接続し、第２励磁コイルの第２端端子を第４スイッチング素子を介して電圧源の負極に接続するようになっており、両励磁コイルの中央接点は互いに接続されており、ステッパモータを時計方向に回転させるように制御する場合には、
ａ）第１及び第４スイッチング素子を閉じ、第２及び第３スイッチング素子を開き、
ｂ）第２及び第４スイッチング素子を閉じ、第１及び第３スイッチング素子を開き、
ｃ）第２及び第３スイッチング素子を閉じ、第１及び第４スイッチング素子を開き、
ｄ）第１及び第３スイッチング素子を閉じ、第２及び第４スイッチング素子を開く、
プロセスステップを繰り返す。
【００２３】
当業者には明白なように、上述したプロセスステップは、ロータを360°回転させるだけのものであり、ステッパモータを連続的に動作させるためにはプロセスステップａ）乃至ｄ）を連続して繰り返す必要がある。
【００２４】
永久磁石で構成されているロータを反時計方向に回転させるには、上述したプロセスステップａ）乃至ｄ）を逆の順序で実行するという極めて簡単な手法で実現することができる。
【００２５】
従来技術に優る本発明の重要な長所及び特色は、本質的に、
−バイポラー動作ステッパモータとユニポラー動作ステッパモータとの組合わせ
−これは、両コイルの各端の端子に１本の供給ライン及び１個のスイッチング素子が割当てられ、第１コイルの端端子が電圧源の正極に接続され、第２コイルの端端子が電圧源の負極に接続され、そして両コイルの中央接点が互いに接続されていることによる。そして、
−マルチプレクシングを要せずに、直列接続された幾つかのステッパモータを完全に独立動作させ得る、
ことである。
【００２６】
以下に添付図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明するが、当業者ならばこの説明から本発明のさらなる特色及び長所が容易に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１に、典型的な従来技術のユニポラーステッパモータ１を示す。ステッパモータ１は永久磁石で構成されているロータ２と、ステータ３として構成されている２つの励磁コイル４とを有している。各励磁コイル４.1及び４.2は、２つの端端子５.1、５.2、及び中央接点６を含む。両励磁コイル４.1、４.2の全ての端端子５.1、５.2は、接続ライン７.1乃至７.4を介して、及びそれぞれスイッチング素子８.1乃至８.4を使用して電圧源の負極１０、または接地に接続される。両励磁コイル４.1、４.2の中央接点６は互いに接続され、共通スイッチングライン１１によって電圧源の正極９に接続されている。従って、この回路配列の場合、４個のスイッチング素子８.1乃至８.4、４本の接続ライン７.1乃至７.4、及び１本のスイッチングライン１１が必要である。
【００２８】
図２に、典型的な従来技術のバイポラーステッパモータの回路配列を示す。図１に示す回路配列と異なる点は、第１に、両励磁コイル４.1、４.2の中央接点６が互いに接続されていないことである。第２に、両励磁コイル４.1、４.2の全ての端端子５.1、５.2が、接続ライン７.1乃至７.4を介してスイッチングライン１１（各々、電圧源の正極９と負極１０との間を伸びている）に接続されていることである。各スイッチングライン１１には２個のスイッチング素子８が設けられており、これら２個のスイッチング素子８の中の第１の素子は正極９側に配置され、これら２個のスイッチング素子８の中の第２の素子は負極１０側に配置されている。従って、この回路配列の場合、ステッパモータ１への４本の接続ライン７.1乃至７.4と、８個のスイッチング素子８とが必要である。
【００２９】
ステッパモータ１を制御するための本発明による回路配列を、図３に示す。第１励磁コイル４.1の両端の端子５.1、５.2は、１本の接続ライン７.1乃至７.4、及び１個のスイッチング素子８.1、８.2によってそれぞれ電圧源の正極９に接続される。第２励磁コイル４.2の両端の端子５.1、５.2は、１本の接続ライン７.1乃至７.4、及び１個のスイッチング素子８.1、８.2によってそれぞれ電圧源の負極１０に接続される。両励磁コイル４.1、４.2の中央接点６は、互いに接続されている。図４．１−４．４に示すように、使用される４個のスイッチング素子８.1乃至８.4のスイッチングシーケンスを限定することによって、ステッパモータ１内に４つの異なる磁気状態を生成することができる。必要なスイッチング素子８の数、及び必要な接続ライン７の数は４に減少している。
【００３０】
図４．１−４．４に、本発明の回路配列の方法によるロータ２の４つの磁気状態、即ち位相を示す。この場合の回路配列は、図３に対応している。ステッパモータ１を時計方向に回転させるように制御する場合には、図４．１−４．４に示すプロセスステップを連続的に繰り返す。
【００３１】
図４．１においては、第１及び第４スイッチング素子８.1、８.4が閉じられ、第２及び第３スイッチング素子８.2、８.3が開かれる。矢印によって示すように、電流は電圧源の正極９から、閉じられた第１スイッチング素子８.1を通して第１励磁コイル４.1の第１端接点５.1へ流れる。第１励磁コイル４.1を通過した後の電流は、第１励磁コイル４.1の中央接点６を通って第２励磁コイル４.2の中央接点６へ流れる。第２励磁コイル４.2を通過した電流は、第２励磁コイル４.2の第２端接点５.2から、閉じられている第４スイッチング素子８.4を介して電圧源の負極１０へ流れる。
【００３２】
図４．２においては、第２及び第４スイッチング素子８.2、８.4が閉じられ、第１及び第３スイッチング素子８.1、８.3が開かれる。矢印によって示すように、電流は電圧源の正極９から、閉じられた第２スイッチング素子８.2を通して第１励磁コイル４.1の第２端接点５.2へ流れる。第１励磁コイル４.1を通過した後の電流は、第１励磁コイル４.1の中央接点６を通って第２励磁コイル４.2の中央接点６へ流れる。第２励磁コイル４.2を通過した電流は、第２励磁コイル４.2の第２端接点５.2から、閉じられている第４スイッチング素子８.4を介して電圧源の負極１０へ流れる。
【００３３】
図４．１においては、第２及び第３スイッチング素子８.2、８.3が閉じられ、第１及び第４スイッチング素子８.1、８.4が開かれる。矢印によって示すように、電流は電圧源の正極９から、閉じられた第２スイッチング素子８.2を通して第１励磁コイル４.1の第２端接点５.2へ流れる。第１励磁コイル４.1を通過した後の電流は、第１励磁コイル４.1の中央接点６を通って第２励磁コイル４.2の中央接点６へ流れる。第２励磁コイル４.2を通過した電流は、第２励磁コイル４.2の第１端接点５.1から、閉じられている第３スイッチング素子８.3を介して電圧源の負極１０へ流れる。
【００３４】
図４．４においては、第１及び第３スイッチング素子８.1、８.3が閉じられ、第２及び第４スイッチング素子８.2、８.4が開かれる。矢印によって示すように、電流は電圧源の正極９から、閉じられた第１スイッチング素子８.1を通して第１励磁コイル４.1の第２端接点５.2へ流れる。第１励磁コイル４.1を通過した後の電流は、第１励磁コイル４.1の中央接点６を通って第２励磁コイル４.2の中央接点６へ流れる。第２励磁コイル４.2を通過した電流は、第２励磁コイル４.2の第２端接点５.2から、閉じられている第３スイッチング素子８.3を介して電圧源の負極１０へ流れる。
【００３５】
４個のスイッチング素子８.1乃至８.4の上述した開閉に依存して、ロータ２を構成している永久磁石は、各スイッチング毎に90°ずつ回転する。
【００３６】
ロータ２の反時計方向への回転は、図４．１乃至４．４のプロセスステップを逆順序で遂行することによって可能になる。
【００３７】
もし幾台かのステッパモータ１を互いに直列に結合しなければならないのであれば、それらは図５に従ってスイッチされる。図５においては、３台のステッパモータ１が互いに接続され、同一のスイッチング素子８を使用しているにも拘わらず互いに独立的に動作することができる。
【００３８】
ステッパモータ１を直列接続する場合には、ステッパモータ１の（電圧源の正極９側に接続される）励磁コイル４.1を互いに接続してそれらの間に接続ノードを形成させる。その場合、第１ステッパモータ１の第１励磁コイル４.1の第２端接点５.2を第２ステッパモータ１の第１励磁コイル４.1の第１端接点５.1に接続してノードを形成させ、第２ステッパモータ１の第１励磁コイル４.1の第２端接点５.2を第３ステッパモータ１の第１励磁コイル４.1の第１端接点５.1に接続してノードを形成させる。これらのノードと電圧源の正極９との間にスイッチング素子８.2、８.3を配置する。更に、第１ステッパモータ１の第１励磁コイル４.1の第１端接点５.1、及び第１ステッパモータ１の第２励磁コイル４.1の第２端接点５.2を、スイッチング素子８.1、８.4を通して電圧源の正極９に接続する。励磁コイル４.1の中央接点６は、ユニポラー動作ステッパモータ１におけるように、互いに接続する。
【００３９】
更に、第１ステッパモータ１の第２励磁コイル４.2の第１端接点５.1を第２ステッパモータ１の第２励磁コイル４.2の第２端接点５.2に接続してノードを形成させ、第２ステッパモータ１の第２励磁コイル４.2の第１端接点５.1を第３ステッパモータ１の第２励磁コイル４.2の第２端接点５.2に接続してノードを形成させる。これらのノードと電圧源の負極１０との間にスイッチング素子８.2.2、８.n.2を配置する。更に、第１ステッパモータ１の第２励磁コイル４.2の第２端接点５.2、及び第３ステッパモータ１の第２励磁コイル４.2の第１端接点５.1をそれぞれ、スイッチング素子８.1.2、８.(n＋1).2を通して電圧源の負極１０に接続する。図示の例においては、第１ステッパモータ１はスイッチング素子８.1.1、８.2.1、８.1.2、及び８.2.2によって制御され、また各ｎ番目のステッパモータ１はスイッチング素子８.n.1、８.(n).1、８.n.2、及び８.(n＋1).2によって制御される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来技術による典型的なユニポラー動作ステッパモータを示す図である。
【図２】従来技術による典型的なバイポラー動作ステッパモータを示す図である。
【図３】ステッパモータを動作させるための本発明による回路配列を示す図である。
【図４．１】ロータの４つの磁気状態、即ち位相を示す図である。
【図４．２】ロータの４つの磁気状態、即ち位相を示す図である。
【図４．３】ロータの４つの磁気状態、即ち位相を示す図である。
【図４．４】ロータの４つの磁気状態、即ち位相を示す図である。
【図５】３台のステッパモータが直列接続されている場合の本発明の回路配列を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    ステッパモータ
２    ロータ／永久磁石
３    ステータ
４    コイル／電磁石
４.1    第１励磁コイル
４.2    第２励磁コイル
５    端端子
５.1    第１端端子／端接点
５.2    第２端端子／端接点
６    中央端子／中央接点
７    供給ライン
７.1    第１供給ライン
７.2    第２供給ライン
７.3    第３供給ライン
７.4    第４供給ライン
８    スイッチング素子
８.1−８.8    第１乃至第８スイッチング素子
８.1.1−８.(n＋1).1    さらなるスイッチング素子
８.2.1−８.(n＋1).2    さらなるスイッチング素子
９    電圧源の正極
１０    電圧源の負極
１１    スイッチングライン
【図１】
2006020496.tif 000003
【図２】
2006020496.tif 000004
【図３】
2006020496.tif 000005
【図４．１】
2006020496.tif 000006
【図４．２】
2006020496.tif 000007
【図４．３】
2006020496.tif 000008
【図４．４】
2006020496.tif 000009
【図５】
2006020496.tif 000010