(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチング素子のスイッチング回数を少なくし、指示電圧の値も小さくし、スイッチングノイズを低減する。【解決手段】ｔを時間変数、ｔ0を単位時間間隔、αを任意定数（0≦α≦10）、ｋを前記各接続点に対応する数値（ｋ＝0、1、2、3、4）、モータが、電気角で72°ずつ位相のシフトした各相巻線を順番に環状に接続した場合はｍ＝2、電気角で144°ずつ位相のシフトした各巻線を順番に環状に接続した場合はｍ＝4とし、（ｔ/ｔ0−ｍ・ｋ＋α）を10で除した時の剰余値が、正の場合はそのままA(k, t)とし、負の場合はその値に10を加えたものをA(k, t)とし、インバータに印加電圧をV0(t)とするとき、前記スイッチング素子の各接続点の電圧Ｖ（ｋ，ｔ）が、制御されるとともに、前記直流電圧V0(t)はインバータ回路に供給される電流が一定になるように制御されるステッピングモータの駆動装置。【選択図】図１
2008187852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる５組の直列回路で構成されるインバータ回路を直流電源に接続し、上記各一対のスイッチング素子の接続点を、環状結線された５相ステッピングモータの各相巻線の各接続点に接続し、上記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦ制御してパルス幅変調を行う５相ステッピングモータの駆動装置において、
ｔを時間変数、ｔ0を単位時間間隔、αを任意定数（０≦α≦１０）、ｋを前記各接続点に対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）とし、前記５相ステッピングモータが、電気角で７２°ずつ位相のシフトした各相巻線を順番に環状に接続した場合はｍ＝２、電気角で１４４°ずつ位相のシフトした各相巻線を順番に環状に接続した場合はｍ＝４とし、（ｔ/ｔ0−ｍ・ｋ＋α）を１０で除した時の剰余値が、正の場合はそのままＡ（ｋ，ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ，ｔ）とし、前記インバータ回路に印加される直流電圧をＶ0（ｔ）とするとき、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧Ｖ（ｋ，ｔ）が、次式で表されるとともに、前記直流電圧Ｖ0（ｔ）は前記インバータ回路に供給される電流が一定になるように制御されることを特徴とする５相ステッピングモータの駆動装置。
【数１】
2008187852.tif 000010
【請求項２】
互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる５組の直列回路で構成されるインバータ回路を直流電源に接続し、上記各一対のスイッチング素子の接続点を、星状結線された５相ステッピングモータの各相巻線の各接続点に接続し、上記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦ制御してパルス幅変調を行う５相ステッピングモータの駆動装置において、
ｔを時間変数、ｔ0を単位時間間隔、αを任意定数（０≦α≦１０）、ｋを前記各接続点に対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）とし、（ｔ/ｔ0−２・ｋ＋α）を１０で除した時の剰余値が、正の場合はそのままＡ（ｋ，ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ，ｔ）とし、前記インバータ回路に印加される直流電圧をＶ0（ｔ）とするとき、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧Ｖ（ｋ，ｔ）が次式で表されるとともに、前記直流電圧Ｖ0（ｔ）は前記インバータ回路に供給される電流が一定になるように制御されることを特徴とする５相ステッピングモータの駆動装置。
【数２】
2008187852.tif 000011
【請求項３】
前記時間変数ｔの単位増分Δｔが（ｔ0 /ｒ）であり、ｒは１≦ｒを満足する整数であることを特徴とする請求項１または２に記載の５相ステッピングモータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は５相ステッピングモータでマイクロステップ駆動を行う５相ステッピングモータの駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
５相ステッピングモータでは、モータ巻線への入力端子の数が５個のモータ巻線の結線方式として、図１６、図１７、図１８に示すような３種類のモータ巻線の結線方式が存在する。
【０００３】
図１６と図１７の結線方式は一般的にペンタゴン結線（環状結線）と呼ばれている。
図１８の結線方式は一般的にスター結線（星状結線）と呼ばれている。
【０００４】
５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動にあっては、それぞれモータ巻線の結線方式に合わせて、励磁方式を変える必要がある。
特許文献１は、従来の、この種の５相ステッピングモータの駆動装置であり、図１６のモータ巻線の結線方式を対象にしている。
特許文献１における５相ステッピングモータでマイクロステップ駆動（微小角駆動）を行う指示電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅの各相指示電圧波形は以下の式で与えられ、図１９のようになる。
【０００５】
【数３】
2008187852.tif 000003
【０００６】
【特許文献１】特許第２８２１６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１９のような指示電圧波形によるパルス幅変調による各相電圧制御にあっては次のような問題があった。
すなわち、５相ステッピングモータの全ての相が常に作動することから、常時スイッチング操作を行う必要があるので、５相分のスイッチング損失、スイッチングノイズが発生する。
また、指示電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅの値が大きいため、モータフレーム電位の変動が大きく、漏れ電流が大きい。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決し、インバータ回路のスイッチング素子のスイッチング回数をできるだけ少なくし、指示電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅの値もできるだけ小さくし、なおかつ、従来の指示電圧波形と同等以上のマイクロステップ駆動が可能な指示電圧波形を見出すことができる５相ステッピングモータの駆動装置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】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる５組の直列回路で構成されるインバータ回路を直流電源に接続し、上記各一対のスイッチング素子の接続点を、環状結線された５相ステッピングモータの各相巻線の各接続点に接続し、上記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦ制御してパルス幅変調を行う５相ステッピングモータの駆動装置において、
ｔを時間変数、ｔ0を単位時間間隔、αを任意定数（０≦α≦１０）、ｋを前記各接続点に対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）とし、前記５相ステッピングモータが、電気角で７２°ずつ位相のシフトした各相巻線を順番に環状に接続した場合はｍ＝２、電気角で１４４°ずつ位相のシフトした各相巻線を順番に環状に接続した場合はｍ＝４とし、（ｔ/ｔ0−ｍ・ｋ＋α）を１０で除した時の剰余値が、正の場合はそのままＡ（ｋ，ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ，ｔ）とし、前記インバータ回路に印加される直流電圧をＶ0（ｔ）とするとき、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧Ｖ（ｋ，ｔ）が、次式で表されるとともに、前記直流電圧Ｖ0（ｔ）は前記インバータ回路に供給される電流が一定になるように制御されることにある。
【数１】
2008187852.tif 000004
【００１０】
また、本発明は、互いに直列接続された一対のスイッチング素子からなる５組の直列回路で構成されるインバータ回路を直流電源に接続し、上記各一対のスイッチング素子の接続点を、星状結線された５相ステッピングモータの各相巻線の各接続点に接続し、上記スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦ制御してパルス幅変調を行う５相ステッピングモータの駆動装置において、
ｔを時間変数、ｔ0を単位時間間隔、αを任意定数（０≦α≦１０）、ｋを前記各接続点に対応する数値（ｋ＝０、１、２、３、４）とし、（ｔ/ｔ0−２・ｋ＋α）を１０で除した時の剰余値が、正の場合はそのままＡ（ｋ，ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ，ｔ）とし、前記インバータ回路に印加される直流電圧をＶ0（ｔ）とするとき、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧Ｖ（ｋ，ｔ）が次式で表されるとともに、前記直流電圧Ｖ0（ｔ）は前記インバータ回路に供給される電流が一定になるように制御されることにある。
【数２】
2008187852.tif 000005
【００１１】
さらに、本発明は、前記時間変数ｔの単位増分Δｔが（ｔ0/ｒ）であり、ｒは１≦ｒを満足する整数であることにある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の効果としては、通電時は５相中の１相あるいは２相のスイチングが停止するのでスイチング素子のスイッチング損失が減少する。スイッチング回数の減少はＥＭＣノイズ低減にも効果がある。またコモンモード電圧変動が少なくなり漏れ電流を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図示の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に関わる５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動のブロック図である。図２はペンタゴン結線による環状に結線した５相ステッピングモータ１の各相巻線Ａφ・・・・Ｅφと５相ハーフブリッジインバータ回路２を示したものである。
【００１４】
図１において、１はハイブリット型５相ステッピングモータである。２は５相ステッピングモータ１の各相巻線に接続した５相ハーフブリッジインバータ回路である。３はインバータ回路２に直流電圧を供給する直流電源である。４は直流電源３とインバータ回路２相互間に配設された検出器で、インバータ回路２に流れる電流を検出するものである。
５は５相指示電圧パターン発生回路６からの出力信号に基づいて、インバータ回路２にパルス幅変調方式でゲート信号を供給するパルス幅変調パターン発生器である。
７は前記検出器４と５相指示電圧パターン発生回路６との間に配設され、前記インバータ回路２に流れる電流を検出器４によって検出し、インバータ回路２に流す電流を一定に制御する定電流制御部である。
【００１５】
図２はペンタゴン結線による環状に結線した５相ステッピングモータ１の各相巻線Ａφ・・・・Ｅφと、５相ハーフブリッジインバータ回路２を示したものである。前記５相ステッピングモータ１は、電気角で７２°ずつ位相のシフトした各相巻線Ａφ・・・・Ｅφを順番に環状に接続したものである。前記５相ハーフブリッジインバータ回路２は、互いに直列接続された各１対のスイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６、Ｑ７とＱ８、Ｑ９とＱ１０からなる５組の直列回路を互いに並列接続して構成されている。スイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６、Ｑ７とＱ８、Ｑ９とＱ１０としては、ＭＯＳ  ＦＥＴを用いているが、サイリスタあるいはトランジスタなど、他のスイッチング素子を用いることもできる。
前記５相ステッピングモータ１は、各相巻線Ａφ・・・・Ｅφの接続点Ａ・・・・Ｅを、前記インバータ回路２における直列接続した各１対のスイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６、Ｑ７とＱ８、Ｑ９とＱ１０の接続点ａ・・・・ｅに接続している。
【００１６】
前記インバータ回路２は直流電源３の電源端子ＶとＧＮＤ端子間に接続し、上記各１対のスイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６、Ｑ７とＱ８、Ｑ９とＱ１０の一方（上側）がＯＮの時は他方（下側）が０ＦＦ、一方（上側）がＯＦＦの時は他方（下側）がＯＮとなるようにＯＮ、０ＦＦのスイッチング制御を行ってパルス幅変調を行うものである。
【００１７】
次に５相ステッピングモータ１をマイクロステップ駆動するためには、５相ステッピングモータ１の各相巻線Ａφ・・・・Ｅφに流す電流を常に図３の電流波形にする必要がある。
ところが周知のとおり、５相ステッピングモータ１の巻線Ａφ・・・・Ｅφには逆起電力が発生し、この逆起電力は周波数によって変化する。
それゆえ、５相ステッピングモータ１の駆動速度によって巻線Ａφ・・・・Ｅφの逆起電力が変化し、その結果、相電流波形が変化して、図３の電流波形から外れてしまう。
これを防ぐため本発明では、インバータ回路２に流れる電流が５相ステッピングモータ１の駆動速度によらず、常に一定となるように制御している。
【００１８】
これを図１及び図２を用いて説明する。
５相ステッピングモータ１にはインバータ回路２から電流が供給され、インバータ回路２には直流電源３から直流電流（電圧）が供給される。本発明では直流電源３からインバータ回路２に供給される電流を常に一定になるように制御する。
【００１９】
そのため直流電源３とインバータ回路２の間に配設された検出器４を用い、直流電源３からインバータ回路２に供給される電流を検出している。
そして、５相ステッピングモータ１の巻線Ａφ・・・・Ｅφの逆起電圧でモータに供給される電流が減少した場合には、同時に直流電源３よりインバータ回路２に供給される電流も減少するため、これを検出器４で検出し、その検出結果に基づいて、５相指示パターン発生回路６の電圧振幅Ｖ0を大きくし、巻線Ａφ・・・・Ｅφに印加される実効電圧を高くして５相ステッピングモータ１の巻線Ａφ・・・・Ｅφに供給される電流を増加させる。
【００２０】
本発明の各相指示電圧波形は以下の式で与えられ、図４のようになる。
ｔを時間変数（時間変数とは、単位時間間隔を単位とした時間である。）、ｔ0を単位時間間隔（単位時間間隔とは、通常ステップに要する時間で、図４でいうと、Ｔ１-Ｔ０に相当する。）、αを任意定数（０≦α≦１０）、ｋを前記各接続点ａ・・・・ｅに対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）、とし、そして（ｔ/ｔ0−２・ｋ＋α）を１０で除した時の剰余値が、正の場合はそのままＡ（ｋ，ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ，ｔ）とし、前記インバータ回路２に印加される直流電圧をＶ0（ｔ）とするとき、
前記スイッチング素子の各接続点の電圧Ｖ（ｋ，ｔ）が、次式で表されるとともに、前記直流電圧Ｖ0（ｔ）は前記インバータ回路に供給される電流が一定になるように制御される。
【００２１】
【数１】
2008187852.tif 000006
【００２２】
前記パルス幅変調パターン発生回路５では、各相指示電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅとキャリア三角波の比較を行い、スイッチンング素子Ｑ１〜Ｑ１０のＯＮ・ＯＦＦ制御を行う。
図５、図６に従来と本発明のパルス幅変調パターン（１相のみ）を比較して示す。
図６に示された本発明では三角波のピーク電圧Ｖｐに対する指示電圧Ｖｋの比率がスイッチングのスイッチング周期におけるＯＮ時間の比率Ｄｋとなる。
よって本発明のパルス幅変調方式では電圧指示の最大値Ｖ0をＯＮ比率の最大値Ｄ0と置き換えると以下の式のようになる。
【００２３】
【数４】
2008187852.tif 000007
【００２４】
従来は全ての期間でスイッチングが行われている（図５参照）のに対し、本発明ではＴ６〜Ｔ８の期間ではスイッチングが行われない（図６参照）。
図７、図８に従来（図７）と本発明（図８）の巻線電流を０に制御した時のパルス幅変調波形及びモータのコモンモード電圧（Ｅｃｏｍ）を示す。
【００２５】
また図９、図１０にＴ０．５、図１１、図１２にＴ１の時の従来（図９、図１１）と本発明（図１０、図１２）のパルス幅変調波形及びモータのコモンモード電圧（Ｅｃｏｍ）を比較して示す。
モータのコモンモード電圧（Ｅｃｏｍ）はＡ〜Ｅの電圧の平均値である。各巻線とモータフレーム間は浮遊容量で結合しており、モータフレームが接地された場合、コモンモード電圧（Ｅｃｏｍ）の変動が大きいほどモータフレームから漏れ電流が増大する。
【００２６】
従来は電流０の時にコモンモード電圧変動は最大となるが、本発明ではコモンモード電圧変動は０となる。また従来は全ての相がスイッチングを行っているが、本発明ではスイチングが行われない相がある（図１０の電圧Ｅｃおよび図１２の電圧ＥｂおよびＥｃ参照）。
Ｔ０．５の場合、従来は全ての相がスイチングを行うが、本発明では１相のスイチングが停止する。
コモンモード電圧変動の変動幅は４／５となり実効値も減少する。
Ｔ１の場合、２相のスイッチングが停止し、コモンモード電圧変動幅も３／５となり実行値も減少する。
【００２７】
次に、図１３は図２と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する本発明の他の実施の形態で、電気角で１４４°ずつ位相のシフトした各相巻線を順番に環状に接続したものである。
スイッチング素子の各接続点ａ・・・・ｅの電圧を図１４のようにすると良い。これを式で表すと次のようになる。
ｔを時間変数、ｔ0を単位時間間隔、αを任意定数（0≦α≦10）、ｋを前記各接続点ａ・・・・ｅに対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）、とし、そして（ｔ/ｔ0−４・ｋ＋α）を１０で除した時の剰余値が、正の場合はそのままＡ(ｋ,ｔ)とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ(k, t)とし、前記インバータ２に印加される直流電圧をＶ0（ｔ）とするとき、
【００２８】
【数１】
2008187852.tif 000008
【００２９】
さらに、各相巻線を星状に結線した場合（図１８参照）、スイッチング素子の各接続点ａ・・・・ｅの電圧を図１５のようにすると良い。これが第三の実施の形態である。これを式で表すと次のようになる。
ｔを時間変数、ｔ0を単位時間間隔、αを任意定数（0≦α≦10）、ｋを前記各接続点に対応する数値（ｋ＝０，１，２，３，４）とし、そして（ｔ/ｔ0−２・ｋ＋α）を１０で除した時の剰余値が、正の場合はそのままＡ（ｋ，ｔ）とし、負の場合はその値に１０を加えたものをＡ（ｋ，ｔ）とし、前記インバータに印加される直流電圧をＶ0（ｔ）とするとき、
【００３０】
【数２】
2008187852.tif 000009
【００３１】
以上説明してきたように、上記実施の形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
以上述べたように本発明によれば、通電時は５相中の１相あるいは２相のスイチングが停止するのでスイチング素子のスイッチング損失が減少する。スイッチング回数の減少はＥＭＣノイズ低減にも効果がある。またコモンモード電圧変動が少なくなり漏れ電流を減少させることができる。前記先行技術１では定電流コンバータ回路が必要だが、本発明では5相指示パターン発生回路の電圧振幅Ｖ0を操作することにより定電流制御を行うため、定電流コンバータ回路は不要である。
【００３２】
なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、上記要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態による５相ステッピングモータの駆動装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態によるペンタゴン結線による環状に結線した５相ステッピングモータの各相巻線と５相ハーフブリッジインバータ回路の結線図である。
【図３】本発明の実施の形態による５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置における各相電流の時間変化を示すタイムチャート（T1の場合）である。
【図４】本発明の指示電圧信号の時間変化を示すタイムチャートである。
【図５】従来の指示電圧波形とキャリア三角波とパルス幅変調信号の関係を示すタイムチャート（１相のみ）である。
【図６】本発明の指示電圧波形とキャリア三角波とパルス幅変調信号の関係を示すタイムチャート（１相のみ）である。
【図７】従来の指示電圧波形とキャリア三角波とパルス幅変調信号及びモータコモンモード電圧の関係を示すタイムチャート（電流を０に制御する場合）である。
【図８】本発明の指示電圧波形とキャリア三角波とパルス幅変調信号及びモータコモンモード電圧の関係を示すタイムチャート（電流を０に制御する場合）である。
【図９】従来の指示電圧波形とキャリア三角波とパルス幅変調信号及びモータコモンモード電圧の関係を示すタイムチャート（Ｔ０．５の場合）である。
【図１０】本発明の指示電圧波形とキャリア三角波とパルス幅変調信号及びモータコモンモード電圧の関係を示すタイムチャート（Ｔ０．５の場合）である。
【図１１】従来の指示電圧波形とキャリア三角波とパルス幅変調信号及びモータコモンモード電圧の関係を示すタイムチャート（Ｔ１の場合）である。
【図１２】本発明の指示電圧波形とキャリア三角波とパルス幅変調信号及びモータコモンモード電圧の関係を示すタイムチャート（Ｔ１の場合）である。
【図１３】本発明の他の実施の形態によるペンタゴン結線による環状に結線した５相ステッピングモータの各相巻線と５相ハーフブリッジインバータ回路の結線図である。
【図１４】本発明の第二の指示電圧信号の時間変化を示すタイムチャートである。
【図１５】本発明のさらに他の実施の形態による星状結線の場合の第三の指示電圧信号の時間変化を示すタイムチャートである。
【図１６】ペンタゴン結線（環状結線）と呼ばれている結線方式の５相ステッピングモータの各相巻線の結線図である。
【図１７】ペンタゴン結線（環状結線）と呼ばれている結線方式の５相ステッピングモータの各相巻線の結線図である。
【図１８】スター結線（星状結線）と呼ばれている結線方式の５相ステッピングモータの各相巻線の結線図である。
【図１９】従来の５相ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置における指示電圧信号の時間変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
１  ハイブリット型５相ステッピングモータ
２  ５相ハーフブリッジインバータ回路
３  直流電源
４  検出器
５  パルス幅変調パターン発生器
６  ５相指示電圧パターン発生回路
７  定電流制御部
【図１】
2008187852.tif 000012
【図２】
2008187852.tif 000013
【図３】
2008187852.tif 000014
【図４】
2008187852.tif 000015
【図５】
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【図６】
2008187852.tif 000017
【図７】
2008187852.tif 000018
【図８】
2008187852.tif 000019
【図９】
2008187852.tif 000020
【図１０】
2008187852.tif 000021
【図１１】
2008187852.tif 000022
【図１２】
2008187852.tif 000023
【図１３】
2008187852.tif 000024
【図１４】
2008187852.tif 000025
【図１５】
2008187852.tif 000026
【図１６】
2008187852.tif 000027
【図１７】
2008187852.tif 000028
【図１８】
2008187852.tif 000029
【図１９】
2008187852.tif 000030