(57)【要約】ステッパモータ制御回路は、電流がモータ相において減少し、同時に下降電流波形を辿るときに、高速および低速電流減衰の両方をモータ相に適用することによって、リプル電流を減少させる。制御回路は、初期高速減衰を使用して、巻線電流を減少させ、次いで巻線電流が再度サンプリングされるまで、低速減衰に切り換える。制御回路は、巻線電流をサンプリングし、サンプリングされた電流を基準電流と比較し、電流を印加するべきか、あるいは高速および／または低速減衰方法を使用して電流を減少させるべきか決定する。別の相電流サンプリング回路により、定電流センシング、あるいは選択的電流センシングを可能とする。
2005506026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ相電流を基準電流と比較し、出力を供給するコンパレータ回路と、
前記コンパレータ回路およびモータ相に結合され、モータ相電流を出力に応じて調整するモータ電流制御装置とを備え、前記モータ電流制御装置が、低速および高速電流減衰を選択的に前記モータ相に使用して、前記モータ相電流を減少させる、ステッパモータ制御システム。
【請求項２】
前記モータ電流制御装置が、高速電流減衰を使用して前記モータ相電流を基準電流まで減少させ、かつ所定時間期間後に低速電流減衰に切り換える、請求項１に記載のステッパモータ制御システム。
【請求項３】
前記所定時間期間が、前記モータ相電流を基準電流まで減少させるのに要する経過時間の２倍に等しい、請求項２に記載のステッパモータ制御システム。
【請求項４】
前記モータ電流制御装置が、前記基準電流がゼロの場合には、前記高速電流減衰だけを使用して前記モータ相電流を減少させる、請求項２に記載のステッパモータ制御システム。
【請求項５】
正弦波基準生成器と、
余弦波基準生成器と、
第１のモータ相電流を正弦波基準電流と比較し、かつ第２のモータ相電流を余弦波基準電流と比較するコンパレータ回路と、
前記コンパレータ回路と第１および第２のモータ相とに結合されて、前記第１および第２のモータ相電流を調整するモータ電流制御装置とを備え、前記モータ電流制御装置が、増加する正弦波または余弦波基準電流に追従するために、前記第１および第２のモータ相電流を増加し、かつ減少する正弦波または余弦波基準電流に追従するために、前記モータ相電流を減少するように、低速および高速電流減衰を前記モータ相に選択的に使用するステッパモータ制御システム。
【請求項６】
前記モータ電流制御装置が、前記高速電流減衰を使用して前記モータ相電流を基準電流まで減少させ、かつ所定時間期間後に低速電流減衰に切り換え、前記所定時間期間が、前記モータ相電流を基準電流まで減少させるのに要する経過時間の２倍に等しい、請求項５に記載のステッパモータ制御システム。
【請求項７】
前記第１のモータ相電流が、前記第１のモータ相の巻線に直列に結合された抵抗器および差動増幅器を使用して測定される、請求項５に記載のステッパモータ制御システム。
【請求項８】
前記第２のモータ相電流が、前記第２のモータフェーズの巻線に直列に結合された抵抗器および差動増幅器を使用して測定される、請求項５に記載のステッパモータ制御システム。
【請求項９】
前記第１のモータ相電流が、前記第１のモータ相の巻線に結合された抵抗器を使用して測定される、請求項５に記載のステッパモータ制御システム。
【請求項１０】
前記第２のモータ相電流が、前記第２のモータ相の巻線に結合された抵抗器および差動増幅器を使用して測定される、請求項５に記載のステッパモータ制御システム。
【請求項１１】
正弦波基準生成器と、
余弦波基準生成器と、
第１のモータ相電流を正弦波基準電流と比較し、かつ第２のモータ相電流を余弦波基準電流と比較するコンパレータ回路と、
前記コンパレータ回路と第１および第２のモータ相とに結合されて、前記第１および第２のモータ相電流を調整するモータ電流制御装置とを備え、前記モータ電流制御装置が、増加する正弦波または余弦波基準電流に追従するために、前記第１および第２のモータ相電流を増加し、かつ前記モータ電流制御装置が、減少する正弦波または余弦波基準電流に追従するために、前記高速電流減衰を使用して、前記モータ相電流を減少させ、かつ所定時間期間後に低速電流減衰に切り換え、前記所定時間期間が、前記モータ相電流を基準電流まで減少させるのに要する経過時間の２倍に等しいステッパモータ制御システム。
【請求項１２】
モータ相電流を基準電流と比較することと、
前記モータ相電流が前記基準電流より大きいときに、前記モータ相電流が前記基準電流より低くなるまで、高速電流減衰方法を使用して、前記モータ相電流を前記基準電流まで減少させ、さらに前記モータ相電流を、低速電流減衰方法を使用して減少させることとを含むステッパモータの動作方法。
【請求項１３】
さらに、前記モータ相電流が前記基準電流より小さいときに、前記モータ相電流を前記基準電流まで増加することと、
前記モータ相電流が前記基準電流に達した後に、前記モータ相電流を、低速電流減衰方法を使用して減少させることとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、前記基準電流がゼロに等しいときに、前記モータ相電流を、前記高速電流減衰方法を使用して減少させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
第１のモータ相電流を、正弦波形の減少スロープを辿る第１の基準電流と比較することと、
前記第１のモータ相電流が前記第１の基準電流より大きいときに、前記第１のモータ相電流が前記第１の基準電流に等しくなるまで、高速電流減衰方法を使用して、前記第１のモータ相電流を前記第１の基準電流まで減少させることと、
前記第１のモータ相電流を前記第１の基準電流に等しくするように減少させるのに要する第１の時間期間を測定することと、
さらに、前記高速電流減衰方法を、測定された前記第１の時間期間に等しい第２の時間期間に適用することと、
さらに、前記第１のモータ相電流を、前記第２の時間期間後に低速電流減衰方法を使用して減少させることを含むステッパモータの動作方法。
【請求項１６】
さらに、第２のモータ相電流を、正弦波形の増加スロープを辿る第２の基準電流と比較することと、
前記第２のモータ相電流が前記第２の基準電流より小さいときに、前記第２のモータ相電流を、前記第２の基準電流に等しくなるまで増加することと、
前記第２のモータ相電流が前記第２の基準電流に等しくなった後に、前記第２のモータ相電流を、低速電流減衰方法を使用して減少させることとを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
さらに、前記第１のモータ相電流が前記第１の基準電流より小さいときに、前記第１のモータ相電流を前記第１の基準電流に等しくなるまで増加することと、
前記第１のモータ相電流が前記第１の基準電流に等しくなった後に、前記第１のモータ相電流を、低速電流減衰方法を使用して減少させることとを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の基準電流がゼロに等しくし、さらに前記第１のモータ相電流を、高速電流減衰方法を使用して減少させることを含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ねステッパモータに関し、特に本発明は、ステッパモータ電流の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステッピングモータは、整流子のない電動機と見ることができる。一般的に、ステッパモータの全ての巻線は、ステータの一部であり、ロータは、永久磁石であるか、もしくは可変リラクタンスモータの場合には、ある軟磁性材料の歯付きブロック、あるいはこれらの混成品である。整流は、すべてモータ制御装置によって外部で扱われ、一般的に、モータおよび制御装置は、モータが固定位置に保持されるとともに一方向または反対方向に回転可能となるように構成される。大抵のステッピングモータは、音声周波数でステップ動作可能であり、ステッピングモータを急速に回転することを可能とし、かつ適切な制御装置により、制御された方向で始動および停止可能である。
【０００３】
ステッパモータドライバは、通常、ステップクロックを供給してドライバ電子装置の回路を作動させ、電流をサンプリングし、かつ結合されるステッパモータの巻線もしくは相に対して電流を印加する。印加される電流の量は、モータ軸の所望の位置に直接応じる。回転運動のため、電流が、ステッパモータの対向する巻線に直角位相で印加される。マイクロステッピングドライバでは、相電流が、正弦波として一方の相に、かつ余弦波として反対の相に印加され、モータ位置が、正弦波形および余弦波形に従った別々の点で規定される。関係するステップクロックからの各パルスによって、モータが、正弦および余弦駆動ステップに従って次の位置に進む。モータの回転のため、ステップクロックが連続的に印加され、モータがマイクロステッピングシーケンスにより反復運動する。モータを固定位置に保持するため、モータドライバは、所望の位置の正弦波形および余弦波形の値で表される大きさを有する定電流を、各巻線に印加しなければならない。１９９３年１１月２３日に発行された米国特許第５２６４７７０号のステッパモータドライバ回路の一例に関する説明を、参照されたい。
【０００４】
モータ巻線は、ワイヤの連続的コイルから成るので、誘導特性と抵抗特性を併せて示し、かつ印加された電流の上昇および減衰に対する関連する時定数を示す。電流を調整するために、電圧を絶えず印加すると電力消費過剰となるため、ステッパモータドライバは、電圧を周期的にモータ巻線に印加しかつ除去する。印加された電流は、電圧除去後に時間とともに減衰するため、位置相電流は、モータを所定位置に保持するために、周期的に各巻線に再充電される。これは、通常、各巻線両端の高い電圧を切り換えて、モータが所定値に達するまで電流を増加させ、次いで電圧を急速に切ることによって達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ステッパモータのマイクロステップドライバ回路は、一般に、印加された電流の正弦波または余弦波をディジタルで表すディジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換器から基準値を生成する。各巻線の実際の相電流が、次いで基準値と比較される。動作電流を、モータ巻線に上昇波形エッジで印加すると、巻線の相電流が基準値に達するまで、高電圧が巻線両端に印加される。電流波形の下降エッジでは、電流が巻線から除去され、それによって下降方向の正弦波形または余弦波形が複製される。これは、通常、いわゆる高速減衰方法（ｆａｓｔ  ｄｅｃａｙ  ｍｅｔｈｏｄ）か、あるいは低速減衰方法（ｓｌｏｗ  ｄｅｃａｙ  ｍｅｔｈｏｄ）のいずれかを使用して達成される。高速減衰設定しか与えない回路を使用した場合には、モータへの駆動電流に生じるリプルが多すぎる結果、効率が落ちる。低速減衰設定しか与えない回路を使用した場合には、効率は上がるが、電流の除去が十分でないため、運動に歪みを生じ、また共振を生じる可能性が大きい。他の方法では、低速および高速減衰方法の両方を異なる巻線に使用する。たとえば、米国特許第５２６４７７０号では、１つの巻線の上昇波形のための充電オン時間が、高速減衰中の別の巻線の下降波形のための時間を設定するために使用される。この方法は、低速動作で高いリプル電流を生じる。
【０００６】
上述の理由により、かつ当業者が本明細書を読みかつ理解することにより明らかになる以下の他の理由により、当分野では新規なモータドライバおよび方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ステッパモータドライバに関する前述の問題および他の問題に取り組むものであり、以下の明細書を読みかつ考察することによって理解されよう。
【０００８】
一実施形態において、ステッパモータ制御システムは、モータ相電流を基準電流と比較して、出力を供給するコンパレータ回路と、コンパレータ回路およびモータ相に結合され、モータ相電流を出力に応じて調整するモータ電流制御装置とを備える。モータ電流制御装置は、モータ相電流を減少するために、モータ相に低速および高速電流減衰を選択的に使用する。
【０００９】
別の実施形態において、ステッパモータ制御システムは、正弦波基準生成器と、余弦波基準生成器と、コンパレータ回路とを備え、このコンパレータ回路は、第１のモータ相電流を正弦波基準電流と比較し、かつ第２のモータ相電流を余弦波基準電流と比較する。モータ電流制御装置が、コンパレータ回路と第１および第２のモータ相とに結合され、第１および第２のモータ相電流を調整する。モータ電流制御装置は、増加する正弦波または余弦波基準電流に追従するために、第１および第２のモータ相電流を増加し、かつ減少する正弦波または余弦波基準電流に追従するために、モータ相電流を減少するように、低速および高速電流減衰をモータ相に選択的に使用する。
【００１０】
ステッパモータの動作方法が、モータ相電流を基準電流と比較することと、モータ相電流が基準電流より大きいとき、モータ相電流が基準電流より低くなるまで、モータ相電流を、高速電流減衰方法を使用して基準電流まで減少させることとを含む。モータ相電流は、さらに低速電流減衰方法を使用して減少される。
【００１１】
ステッパモータの動作方法が、第１のモータ相電流を、正弦波形の減少スロープを辿る第１の基準電流と比較することと、第１のモータ相電流が第１の基準電流より大きいとき、第１のモータ相電流が第１の基準電流に等しくなるまで、第１のモータ相電流を、高速電流減衰方法を使用して第１の基準電流まで減少させることとを含む。方法は、さらに、第１のモータ相電流を第１の基準電流に等しくなるように減少させるために要する第１の時間期間を測定することと、さらに、高速電流減衰方法を測定された第１の時間期間に等しい第２の時間期間に適用することと、さらに、第２の時間期間後に低速電流減衰方法を使用して第１のモータ相電流を減少させることとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明において、添付図面を参照する。添付図面は、本明細書の一部を成し、かつ本発明を実施可能な特定の好ましい実施形態を例示する。それらの実施形態は、当業者が本発明を実施し得るよう十分に詳細に説明しており、また、他の実施形態も利用可能であり、論理的、機械的、および電気的変更が、本発明の精神および範囲を逸脱することなくなされ得ることが理解される。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で理解されるべきでなく、本発明の範囲は請求項によってのみ規定される。
【００１３】
ステッパモータドライバは、通常、ステップクロックを供給してドライバ電子装置の回路を作動する。マイクロステッピングドライバにおいて回転運動のために、モータ相電流が、正弦波として一方の相に、かつ余弦波として反対の相に印加され、モータ位置が、正弦波形および余弦波形に従った別々の点で規定される。関係するステップクロックからの各パルスによって、モータは、正弦波形および余弦波形の経路を辿って次の位置に進む。モータを円滑に回転させるため、ステップクロックが連続的に印加される。モータを固定された位置に保持するため、モータドライバは、各巻線に、所望の位置の正弦波形および余弦波形の値で表される大きさを有する定電流を印加する。ドライバの効率を高く維持するためには、チョッピング制御された電流駆動が使用される。この技術において、モータ巻線を通る電流は、チョッピング制御回路によって感知されかつ制御され、それによって電流が定格レベルに維持される。
【００１４】
上述の通り、ステッパモータドライバは、低速および高速減衰の両方を使用して、ステッパモータを制御することができる。概して、低速減衰は、モータ相において電流を増加するときに使用され、高速減衰は、巻線における電流を減少するときに使用される。本発明は、特に波形の減少する相で、正弦波形および余弦波形に従ったリプル電流を減少させる、モータドライバの実施形態を提供する。
【００１５】
本発明は、一実施形態において、モータ速度の広い範囲にわたって、特に波形の減少する相で、正弦波形および余弦波形に従ってモータリプル電流を減少させるチョッピング制御回路を提供する。回路性能は、インダクタンス、抵抗等のモータパラメータに対して敏感ではない。
【００１６】
図１を参照すると、チョッピング回路１００の単純にされた概略図は、同期化された正弦波発生器１０２および余弦波発生器１０４、相Ａドライバ１０６および相Ｂドライバ１０８、コンパレータ１１０および１１２、電流制御切換論理回路１２０、ならびに発振器１２２を含む。動作中、ステップクロックパルスが、正弦コード生成器および余弦コード生成器への入力１２４に供給される。正弦波および余弦波出力の１つの値を表すディジタル化されたデータが、バス１およびバス２で生成される。ディジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換器１３０および１３２が、バス１およびバス２からの入力データに比例する出力電圧をそれぞれ発生する。Ｄ／Ａ変換器の出力は、所望の相Ａおよび相Ｂ電流に対応する基準信号として使用される。ステップクロックが連続して発生すると、Ｄ／Ａ出力は、正弦曲線の値を完全に通る。制御回路への内部制御により、正弦曲線がセグメント化されるレベルの数が定められる。
【００１７】
コンパレータ１１０および１１２を使用して、基準電流が、相Ａおよび相Ｂの巻線からの測定された電流と比較される。相Ａおよび相Ｂ電流検出回路（図１には示さず）が、測定された基準電流を供給する。コンパレータの出力が、以下に説明するように、電流制御切換回路１２０に結合されてドライバ電流を制御する。
【００１８】
正弦コード生成器１０４および余弦コード生成器１０６は、対応する正弦波形および余弦波形の上昇もしくは下降の大きさを示すスロープ信号をも生成する。モータ相電流は、基準波形に従わされるため、スロープ信号は、また、関係する相Ａおよび相Ｂ電流の上昇もしくは下降するときを示す。これらのスロープ信号は、選択された実装によって必要なら、電流制御切換回路に結合されることができる。電流制御切換回路は、モータ相における高速または低速電流減衰を制御する。一実施形態において、差動電流検出増幅器が使用され、電流制御論理を、以下に説明のように図３のフローチャートに示す。フローチャートは、各相別々に適用される。即ち、フローチャートは、相Ａに関するある経路と相Ｂに関する別の経路とを含む。
【００１９】
図２を参照すると、本発明の一実施形態の典型的な相電流およびゲーティングクロックが示される。２つのゲーティングクロック（約２２ＫＨｚ）を使用して、コンパレータ１１０および１１２の出力を切換回路１２０でサンプリングする。図示のタイミングダイヤグラムでは、相Ａが上昇波形を辿り（増加電流）、相Ｂが下降波形を辿る（減少電流）。相Ａゲーティングクロックと相Ｂゲーティングクロックは、１８０度相がずれる。一方の相電流のみが、いずれのときも上昇波形スロープを有する。
【００２０】
モータ相（金属コア周囲に巻回するワイヤのコイル）の電流は、駆動電圧を除いた後も流れ続ける傾向があることに注意することが重要である。これは、コイルおよびコアに、電気インダクタンスの特性があるためであり、電流の流れによってコア内に生じた磁場に基づくものである。電流の流れに変化があると、インダクタンスによって抵抗を受ける。さらに、モータのロータの運動によって、コイル内に逆起電力（電圧）が誘起され、印加電圧に対抗する。モータの運動および熱としてのエネルギーの散逸により、結局電流は自然に減少するが、制御された減少ではない。それはまた、駆動電圧の印加時に電流の増加に抵抗する。モータの性質として、モータがより高速で運動するにつれ、さらに電流を相コイルに強制的に入れること、あるいは電流を減少することはますます困難となる。
【００２１】
動作中、相Ａが上昇波形スロープにあり（大きさが増大中）、相Ｂが下降波形スロープにある（大きさが減少中）と仮定する。相Ａは増加する電流を要し、相Ｂは電流の減少を要する。基本的に、電流制御の選択肢は、電流印加（駆動オン）、高速減衰での駆動オフ、および低速減衰での駆動オフの３通りある。
【００２２】
増加する電流もしくは減少する電流ステップ間では、相電流が維持される。即ち、基準電流が使用されて、定電流が維持される。たとえば、図２の初めの３つの相ゲーティングクロックパルスは、相電流を基準電流Ｒ１およびＲ３の近くに維持するために使用される。第３のクロック信号に次いで、相Ａ電流は、新たな基準電流Ｒ２に増加し、相Ｂは、新たな基準電流Ｒ４に減少する。従来の電流管理システムと対照的に、本発明のシステムは、電流リプルをゼロに近い値で減少するように、高速減衰と低速減衰との間で切り換わる。
【００２３】
図２および図３を参照し、相クロックが発生する時３０２に、電流（相Ａ）が、正弦波基準によって必要な基準電流より大きいかどうかを決定するために点検される３０４。その電流が、基準電流より大きくなければ、次いで高電圧（駆動オン）が、モータ巻線の両端に印加される３０６。相Ａ電流レベルが、一時的に無視され（コンパレータ入力の「ブランク」と称される）て、電気スイッチングノイズが回避される。ブランクが終わると、コンパレータは、基準波形Ｒ１と比較される実際の相Ａ電流をモニタすることが可能になる３０８。テスト３１０でＩ＞Ｒｅｆが真、即ち、電流が基準電流より大きいとき、次いで相Ａは、低速減衰に切り換わる３１２。ここでも、一時的なブランキング間隔が、観察される３１４。低速減衰は、別の相クロックが発生する３０２まで維持される。相Ａか相Ｂいずれかにより生成されたブランキング期間が、両相ともブランキングすることに注意されたい。基準電流がＲ２に対して増加された（本例の第４のゲーティングクロック信号）とき、相電流が、新たな基準電流に増加し、その後低速減衰が開始される。
【００２４】
同様に、図３のフローチャートが、以下のように相Ｂに適用される。相Ｂは、減少する電流の大きさを有する。切換論理制御回路により、駆動オン、駆動オフ低速減衰、および駆動オフ高速減衰が、相Ｂに適用されるときを決定する。相Ｂでは、低速減衰と高速減衰の両方が適用される。相Ａと相Ｂとの間の相互干渉を回避するために、相Ｂにおける切り換えは、相Ａのブランキング期間中は防止される。下降波形中の電流調整を、以下に説明する。
【００２５】
相Ｂ（即ちゲーティング）クロックの上昇エッジで、相Ｂ電流が基準レベルＲ３より高い場合には３０４、フロー図の左側の経路をとる。駆動オフ高速減衰が開始され３２０、相電流を基準電流まで放電するのに要する時間が、測定される（図２の間隔Ｔ１、Ｔ６、Ｔ９）。これを行うため、カウンタがカウントアップ可能にされる３２０。電流がＲ３基準より少なくなったとき３２４、カウンタがカウントダウン可能にされる。カウントダウン時間中、測定された時間（時間間隔Ｔ２、Ｔ７、Ｔ１０）に等しい期間に亘り高速減衰が維持される３２６。この時間の終わりに、低速減衰が、次のゲーティングクロック信号（間隔Ｔ３、Ｔ８、Ｔ１１）まで適用される。ブランキング間隔の後３１４、制御部が次のゲーティングクロック信号を待つ。
【００２６】
相Ｂ相クロックの上昇エッジで、相Ｂ電流が間隔Ｔ４により示す必要な基準より低い場合には、フローチャートの右側を辿る。駆動オンが開始されて、コンパレータ回路のブランキング中に電流が印加される。ブランキング期間が終わると、コンパレータ回路が使用可能となり、電流が基準と比較される。電流が基準レベルに達した後に、低速減衰が適用される。コンパレータが短期間ブランキングされ、次いでフローチャートの頂上に戻り、再び相クロックを待つ。１つの実施形態においては、基準電流ゼロの場合には、高速電流減衰のみを使用して、モータ電流制御装置がモータ相電流を減少させる。そのように、低速減衰の適用あるいは高速減衰の適用についての決定はなされないが、高速減衰にデフォルトされる。それによって、よりゼロに近いモータ相電流値での電流リプルがさらに減少する。
【００２７】
上述の動作を実行するために使用されることができる、異なる回路構成がある。２つの考えられる回路構成を、以下に高速減衰および低速減衰に関してより詳細に説明する。上述の通り、電流をモータ巻線から除去するために使用し得る方法が２つ（高速および低速減衰）ある。図４Ａを参照すると、Ｈブリッジ１５０が示され、Ｈブリッジ１５０は、モータ巻線を電源結線に結合する４つのダイオード１５２〜１５５を含む。２つのソーススイッチ１６０および１６２と、２つのシンクスイッチ１６４および１６６が結合され、ダイオードを選択的にバイパスする。高速減衰中は、スイッチはすべてオフにされる。この構成では、巻線１７０は、ダイオードを介してアースと電源電圧との間に接続される。前述のように、スイッチが切られた瞬間には、巻線のインダクタンス特性によって巻線の電流が同方向に流れ続けようとする。このインダクタンスによって、印加電圧より十分に大きい巻線両端の内部電圧が生成され、電流がアースから電源へ流され、結果としてエネルギー散逸が増加する。低速減衰中は、ソース１およびソース２、またはシンク１およびシンク２のいずれかがオンになるため、巻線両端の電圧はきわめて小さい。エネルギー散逸は、低速減衰において大幅に減少する。センス抵抗器１８０が、モータ巻線に直列に結合される。
【００２８】
図４Ｂを参照して、図３のフローチャートに従って作動する本発明のチョッピング回路２００の一実施形態を説明する。このチョッピング回路は、図１の回路と類似しており、図示されるＨブリッジ１０６および１０８と、センス抵抗器１８０とを有している。センス抵抗器１８０は、モータ巻線に直列に結合される。差動増幅器がセンス抵抗器に結合され、各相に関するコンパレータ回路への入力を与える。
【００２９】
作動中、ステップクロックパルスが、正弦コード生成器１０４および余弦コード生成器１０６に入力される。正弦波および余弦波出力を表す結果としてのディジタル化されたデータが、バス１およびバス２で生成される。Ｄ／Ａ変換器１３０および１３２が、バス１およびバス２からの入力データに比例する出力電圧をそれぞれ発生する。Ｄ／Ａ変換器の出力は、所望の相Ａおよび相Ｂ電流に対応する基準電流信号を提供する。基準電圧は、次いで、コンパレータ１１０および１１２を使用して、対応する相Ａおよび相Ｂ巻線の電流と比較される。相電流は、各相のセンス抵抗器両端に結合された差動増幅器１８２および１８６を使用して決定される。コンパレータの出力は、電流制御切換論理回路１２０によって、印加電流がその所定の基準レベルに達したときを示すために使用される。電流制御切換論理回路は、次いで高速もしくは低速減衰を選択するための論理を前述のように実行する。
【００３０】
正弦コード生成器および余弦コード生成器、ゲーティングクロック発振器、および電流制御切換論理回路は、１つのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）で実装されることができる。
【００３１】
巻線の電流を表１に記載のシーケンスで制御することは、センス抵抗器の電圧変化を限定することによる、差動増幅器の不要なコモンモードノイズを減少することができる。表１は、図４Ａのセンス抵抗器を、モータコイルの反対側に移動した場合には変更されよう。
【表１】
2005506026.tif 000003
【００３２】
加えて、電流制御切換論理回路は、ノイズを覆うのに十分な時間を有するマスク、もしくはブランクを含むことができる。ノイズは、巻線で電圧を急に切り換えることにより生じる。巻線間キャパシタンスが、電流波形にスパイクを発生させることがある。この回路の利点は、電流を連続的に検知することである。
【００３３】
図５Ａおよび図５Ｂを参照して、チョッピング回路の代替実施形態３００を説明する。回路は、基本的に図４に示す回路と同じであるが、差動増幅器回路が除かれている。図５Ａのように、動作中にスイッチ１６４または１６６を閉じることによって、センス抵抗器１８０が巻線１７０とアースとの間に電気的に接続される。相Ａおよび相Ｂの電流センス回路は、同一であり、２つのコンパレータ（２１６および２１８）と反転増幅器（２１２）とを含む。コンパレータ２１６は、センス電圧とＤ／Ａからの基準電圧とを比較する。増幅器２１２は、Ｄ／Ａ変換器の出力を反転する。この反転された出力が、供給されたセンス電圧とコンパレータ２１６を使用して比較される。電流制御切換論理回路１２０は、相が電流印加モード、もしくはセンス抵抗器電圧が正のときは、コンパレータ２１６からの出力信号だけを受け入れる。電流制御切換論理回路は、相が駆動オフ高速減衰モード、すなわちセンス抵抗器電圧が負のときは、コンパレータ２１８からの出力信号だけを受け入れる。センス電圧は、巻線に電流を印加しているなら正（アースより上）である。センス電圧は、駆動オフ高速減衰では負（アースより下）である。低速減衰モードではセンス電圧はない。したがって、ドライバがオンになり、電流が測定される。その結果、制御方法が、上述のフローチャートと多少異なる。正弦（または余弦）生成器からのスロープ信号およびゼロ信号が、利用されなければならない。
【００３４】
上昇波形スロープにおいては、電流を印加する、駆動オンモードおよび駆動オフ／低速減衰モードしかない。低速減衰では電流測定ができないため、電流制御切換論理回路１２０は、前の低速減衰サイクルからの電流レベルにかかわりなく電流を巻線に印加する。したがって、上昇波形スロープでは図４Ｂと図５Ｂの回路作動間に違いがある。
【００３５】
しかし、下降波形エッジでは、図５Ｂの電流制御切換論理回路は、低速減衰中の巻線電流が、基準より上か下かを知ってから、高速減衰への切り換えを決める必要がある。動作中、駆動オン電流印加モードは、きわめて短時間実行されて巻線の電流を検出する。このレベル（基準レベルより高、低、あるいは同等）に基づき、前述の電流調整基準が実行される。
【００３６】
一般的に、Ｈブリッジ出力がオンになったときに、電圧スパイクがセンス抵抗器両端に生じる。このスパイクは、システムのノイズに、センス抵抗器を流れる再循環ダイオードの逆回復電流が加わることによって生じる。このスパイクの大きさが基準電圧を超えるのに十分な高さの場合は、コンパレータが、誤って間違い信号を電流制御切換論理回路に与えかねない。この問題の解決方法は、電流制御切換論理回路１２０のデッドタイム、またはブランキングタイム（ゲーティングクロックの上昇エッジから始まる）を使用して、スパイクを隠すことである。ブランキングタイムは、伝播遅延にスパイク期間（通常５０ｎｓから２００ｎｓ）を加えた和より長く設定される。さらに、センス抵抗器両端の電圧は、回路が電流印加から高速減衰に切り換わるときに、短期間に正から負に変わる。電流制御切換論理回路は、対応するコンパレータからの入力信号を短期間（３マイクロ秒以下）無視するようにブランキングタイムを設定し、次いでコンパレータの出力により電流を再び制御することができる。
【００３７】
波形電流の上昇部分では、制御アルゴリズムを、下降部分におけるように実行し得ることに注意されたい。しかし、実際には、増加相の電流は、通常次の相クロックが発生するときは基準より低いのが常である。最も重要なことは、減少スロープ、即ち電流を連続的に除去しなければならない電流部分では、様々なモータ速度で生じ得る機械的共振により、電流レベルは予測不能であるということである。
【００３８】
本実施形態の長所は、差動増幅器を要しないのでコスト節減になることである。短所は、電流検出期間中に巻線電流が乱れ得ることである。
【００３９】
結論
リプル電流を減少させるステッパモータ制御回路について以上に説明した。制御回路は、モータ相の電流が減少し同時に下降電流波形を辿るときに、高速および低速電流減衰の両方をモータ相に適用する。制御回路は、初期高速減衰を使用して巻線電流を減少させ、次いで巻線電流が再度サンプリングされるまで、低速減衰に切り換える。制御回路は、巻線電流をサンプリングし、サンプリングされた電流を基準電流と比較し、電流を印加するべきか、あるいは高速および／または低速減衰方法を使用して減少させるべきか決定する。異なる巻線電流サンプリング回路について説明した。一実施形態は、定電流センシングを提供し、代替の実施形態は、選択的電流センシングを可能とする。
【００４０】
本明細書では、特定の実施形態について図示しかつ説明したが、当業者は、同じ目的を達成しようとする任意の構成が、示された特定の実施形態に代え得ることを理解するであろう。本出願は、本発明のいかなる改変もしくは変形も包含することを意図している。したがって、本発明が、請求項とその均等物によってのみ制限されることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態によるモータドライバの概略図である。
【図２】図１のモータドライバのゲーティングクロックおよび相電流を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の流れ図である。
【図４Ａ】Ｈブリッジの概略図である。
【図４Ｂ】本発明の別の実施形態によるモータドライバの概略図である。
【図５Ａ】別のＨブリッジの概略図である。
【図５Ｂ】本発明のさらに別の実施形態によるモータドライバの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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