(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング構成に配置された、多数の直列接続された巻線を有すると共に、矩形波電圧によって駆動されるステッピングモータの動作を制御する方法であって、
（ａ）  少なくとも一対の直列接続された巻線間のノードにおける電圧を、前記ステッピングモータが所定の速度で動作している間に、駆動電流による前記一対の巻線の次の付勢が発生する遷移電圧領域を検出するためにモニタするステップと、
（ｂ）  前記検出された遷移電圧領域の持続時間を測定するステップと、
（ｃ）  前記検出された遷移電圧領域に対する少なくとも１つの目標とする持続時間値を確定するステップと、
（ｄ）  少なくとも１つの前記遷移電圧領域の前記測定された持続時間を前記目標とする持続時間値と比較するステップと、
（ｅ）  前記測定された持続時間を前記目標とする持続時間値にほぼ一致させるために、駆動電流の大きさを調整するステップと、
をそれぞれ有することを特徴とするステッピングモータの制御方法。
【請求項２】
前記モニタされたノード電圧が、前記一対の巻線が前記駆動電流によって付勢される状態の変化の直後に始まり、前記一対の巻線への前記付勢電流の供給が終わる状態の変化で終了するプロフィールに従い、それぞれの前記プロフィールが初めのインダクタンス支配の領域、およびその直後のリアクタンス支配の領域から成り、前記電圧プロフィールの前記インダクタンス支配の領域および前記リアクタンス支配の領域の１つがそれぞれの前記検出された遷移電圧領域を構成することを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項３】
前記電圧プロフィールの前記リアクタンス支配の領域が、それぞれの前記検出された遷移電圧領域を構成することを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項４】
前記目標とする持続時間値が、前記所定の速度で動作しており、それぞれ最小および最大の負荷トルクが加わるような前記ステッピングモータに対してあらかじめ決められた最小および最大の遷移電圧領域の持続時間の中間にあることを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項５】
中間の目標とする持続時間値が、前記所定の速度で動作すると共に最小および最大の負荷トルクが加わる前記ステッピングモータに対して、前記駆動電流の大きさの多数の値の各々において確立され、これにより、前記遷移電圧領域の前記測定された持続時間が、前記比較するステップにおいて比較される目標持続時間ラインを確立することを特徴とする請求項４に記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項６】
前記測定された持続時間が前記目標とする持続時間ラインの上または下にある場合、前記駆動電流の大きさがそれぞれ増加または減少されることを特徴とする請求項５に記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項７】
前記ステッピングモータに加わるトルク負荷を推定するために、前記検出された遷移電圧領域の前記測定された持続時間を使用するステップと、前記推定された負荷に基づいて、前記測定された持続時間値を前記目標とする持続時間ラインにほぼ近付けるために、前記駆動電流の大きさの値を計算するステップと、をさらに有することを特徴とする請求項６に記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項８】
多数の前記目標とする持続時間ラインが確定されて、前記目標とする持続時間ラインの１つが、多数の異なる速度の各々で動作するような前記ステッピングモータに対して確立されることを特徴とする請求項５に記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項９】
前記目標とする持続時間ラインが、動作している前記ステッピングモータによって確立されて、かつ、前記目標とする持続時間ラインのライブラリが、前記ステッピングモータの動作パラメータおよび対応する前記検出された遷移電圧領域のデータを電子メモリ手段の中に記憶することによって作成されると共に、前記目標とする持続時間ラインの前記ライブラリが、前記比較ステップにおいて前記測定された持続時間と比較するためにアクセス可能であることを特徴とする請求項８に記載のステッピングモータの制御方法。
【請求項１０】
リング構成に配置された、多数の直列接続された巻線を有すると共に、矩形波電圧によって駆動されるステッピングモータの動作を制御する装置であって、
（ａ）  遷移電圧領域を検出するために、前記ステッピングモータの少なくとも一対の直列接続された巻線間のノードにおける電圧をモニタする手段と、
（ｂ）  前記検出された遷移電圧領域の持続時間を測定する手段と、
（ｃ）  前記遷移電圧領域の前記測定された持続時間をその目標とする持続時間値と比較する手段と、
（ｄ）  前記測定された持続時間を前記目標とする持続時間値にほぼ一致させるために、前記ステッピングモータを駆動する駆動電流の大きさを有効に調整する手段と、
をそれぞれ具備することを特徴とするステッピングモータの制御装置。
【請求項１１】
前記モニタされたノード電圧が、前記一対の巻線が前記駆動電流によって付勢される状態の変化の直後に始まり、前記一対の巻線への前記付勢電流の供給が終わる状態の変化で終了するプロフィールに従い、それぞれの前記プロフィールが始めのインダクタンス支配の領域、およびその直後のリアクタンス支配の領域から成り、前記電圧プロフィールの前記インダクタンス支配の領域および前記リアクタンス支配の領域の１つがそれぞれの前記検出された遷移電圧領域を構成することを特徴とする請求項１０に記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項１２】
前記電圧プロフィールの前記リアクタンス支配の領域が、それぞれの前記検出された遷移電圧領域を構成することを特徴とする請求項１１に記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの目標とする持続時間値を、前記検出された遷移電圧領域の前記測定された持続時間と比較するために、電子的に記憶するメモリ手段をさらに具備することを特徴とする請求項１０に記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項１４】
前記メモリ手段が、前記所定の速度で動作すると共にそれぞれ最小および最大の負荷トルクが加わるような前記ステッピングモータに対して、予め設定された最小および最大の遷移電圧領域の持続時間の中間にある少なくとも１つの前記目標とする持続時間値を含むことを特徴とする請求項１３に記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項１５】
それぞれの多数の値の前記駆動電流の大きさにおいて、前記所定の速度で動作すると共に最小および最大のトルク負荷が加わるような前記ステッピングモータに対して、中間の目標とする持続時間値が前記メモリ手段に記憶され、前記記憶された目標とする持続時間値が、前記遷移電圧領域の前記測定された持続時間を比較するために前記手段が比較することができる記憶された目標とする持続時間ラインを構成することを特徴とする請求項１４に記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項１６】
比較するための前記手段が電子データ処理手段を備えており、前記データ処理手段は、前記測定された持続時間がそれぞれ前記記憶された目標とする持続時間ラインの上または下にある場合、前記駆動電流の大きさの中で増加または減少を実行するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１５に記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項１７】
前記データ処理手段が、前記ステッピングモータに加わるトルク負荷を推定するために、前記検出された遷移電圧領域の前記測定された持続時間を使用するステップと、前記推定された負荷に基づいて、前記測定された持続時間値を前記目標とする持続時間ラインにほぼ一致させるために、前記駆動電流の大きさの値を計算するステップと、をさらに実行するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１６に記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項１８】
多数の前記目標とする持続時間ラインが前記メモリ手段の中に記憶されて、前記目標とする持続時間ラインの１つが多数の異なる速度の各々で動作する前記ステッピングモータに対して確立されることを特徴とする請求項１５に記載のステッピングモータの制御装置。
【請求項１９】
（ａ）  リング構成で直列接続された多数の巻線から成るステータを有するステッピングモータと、
（ｂ）  前記巻線を直列接続された対として付勢するために、前記ステッピングモータを駆動するための切換順序で、調整可能な矩形波電圧を提供する手段と、
（ｃ）  前記ステッピングモータの動作を制御する制御装置と、
をそれぞれ具備し、
前記制御装置が、
（ｄ）  遷移電圧領域を検出するために、前記ステッピングモータの前記直列接続された巻線の少なくとも１つの対の間のノードにおける電圧をモニタする手段と、
（ｅ）  前記検出された遷移電圧領域の持続時間を測定する手段と、
（ｆ）  前記遷移電圧領域の前記測定された持続時間をその目標とする持続時間値と比較する手段と、
（ｇ）  前記提供する手段によって提供された前記矩形波電圧を効率よく調整して、これにより、前記測定された持続時間を前記目標とする持続時間値にほぼ一致させるために必要に応じて前記ステッピングモータを駆動する電流の大きさを調整する手段と、
をそれぞれ具備していることを特徴とするステッピングモータシステム。
【請求項２０】
前記モニタされたノード電圧が、前記一対の巻線が前記駆動電流によって付勢される状態の変化の直後に始まり、前記一対の巻線への前記付勢電流の供給が終わる状態の変化で終了するプロフィールに従い、それぞれの前記プロフィールが初めのインダクタンス支配の領域、およびその直後のリアクタンス支配の領域から成り、前記電圧プロフィールの前記インダクタンス支配の領域および前記リアクタンス支配の領域の１つがそれぞれの前記検出された遷移電圧領域を構成することを特徴とする請求項１９に記載のステッピングモータシステム。
【請求項２１】
前記電圧プロフィールの前記リアクタンス支配の領域がそれぞれの前記検出された遷移電圧領域を構成することを特徴とする請求項２０に記載のステッピングモータシステム。
【請求項２２】
少なくとも１つの目標とする持続時間値を、前記検出された遷移電圧領域の前記測定された持続時間と比較するために、電子的に記憶するメモリ手段をさらに具備することを特徴とする請求項１９に記載のステッピングモータシステム。
【請求項２３】
前記メモリ手段が、前記所定の速度で動作すると共にそれぞれ最小および最大の負荷トルクが加わるような前記ステッピングモータに対して、予め設定された最小および最大の遷移電圧領域の持続時間の中間にある少なくとも１つの前記目標とする持続時間値を含むことを特徴とする請求項２２に記載のステッピングモータシステム。
【請求項２４】
それぞれの多数の値の前記駆動電流の大きさにおいて、前記所定の速度で動作すると共に最小および最大のトルク負荷が加わるような前記ステッピングモータに対して、中間の目標とする持続時間値が前記メモリ手段に記憶され、前記記憶された目標とする持続時間値が、前記遷移電圧領域の前記測定された持続時間を比較するために前記手段が比較することができる記憶された目標とする持続時間ラインを構成することを特徴とする請求項２３に記載のステッピングモータシステム。
【請求項２５】
比較するための前記手段が電子データ処理手段を備えており、前記データ処理手段は、前記測定された持続時間がそれぞれ前記記憶された目標とする持続時間ラインの上または下にある場合、前記駆動電流の大きさの中で増加または減少を実行するようにプログラムされていることを特徴とする請求項２４に記載のステッピングモータシステム。
【請求項２６】
前記データ処理手段が、前記ステッピングモータに加わるトルク負荷を推定するために、前記検出された遷移電圧領域の前記測定された持続時間を使用するステップと、前記推定された負荷に基づいて、前記測定された持続時間値を前記目標とする持続時間ラインにほぼ一致させるために、前記駆動電流の大きさの値を計算するステップと、をさらに実行するようにプログラムされていることを特徴とする請求項２５に記載のステッピングモータシステム。
【請求項２７】
多数の前記目標とする持続時間ラインが前記メモリ手段の中に記憶されて、前記目標とする持続時間ラインの１つが多数の異なる速度の各々で動作する前記ステッピングモータに対して確立されることを特徴とする請求項２４に記載のステッピングモータシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータの制御方法および制御装置並びにステッピングモータシステムに関し、特に、負荷トルク検出並びに駆動電流の最適化決定方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、従来のサーボモータシステムは位置検出器を使用して、このモータを駆動するための最も有効な位置コマンドを提供でき、これにより動作効率を最大にできる。しかしながら、そのような装置を組み込むと、モータシステムのコストや構造の複雑性を著しく高めることになる上に、それを最も効果的に利用する困難性も増加してしまうこととなる。
【０００３】
これに対し、ステッピングモータシステムは、本来、高い位置決め性能および他の有益な特性を提供できる。その理由は、位置検出装置を必要とせず、さらにそれらの特性は無論、付随的な不都合を避け得るからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ステッピングモータを実際的に動作させるには、確実に同期が維持されるように、大きな駆動電流を印加する必要がある。このため、たとえ負荷が変動しても、供給する電流は、加速する間に通常使用する最大値に設定する必要がある。一般に、ステッピングモータを駆動するために使用する電流は、負荷が実際に要求する電流の少なくとも２倍である。相当な量のエネルギーが結果として（過度の熱として）浪費されることになり、このためそのようなステッピングモータシステムは電力消費の点で効率を比較的に悪くしてしまうという問題点がある。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の主な目的は、新規なステッピングモータシステムおよびその動作を制御する新規な制御方法および制御装置を提供して、エネルギー利用効率が向上するようにステッピングモータに供給する駆動電流を最適化することにある。
【０００６】
また、本発明のさらに特定した目的は、ステッピングモータに加わるトルク負荷を推定および利用して、このステッピングモータを駆動するために印加する電流を（一般的には、選択的に減少することによって）最適にできるシステム、装置、および方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の別の特定した目的は、ステッピングモータの動作が比較的軽快で、また構造上の複雑性およびコストが比較的に低くて済むシステム、装置、および方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
矩形波電圧によって駆動されるステッピングモータシステムにおける駆動状態の遷移の後に、隣接した直列に付勢された巻線間の開放ノードに現れる電圧は、最初は時間の関数として有意な方法で変化することが観測される。定常状態のノード電圧（すなわち、端子電位の中間の指定されたレベル）に達する上で、遅延が発生する。この遅延は、モータの巻線のインダクタンスから発生し、ステッピングモータに加わるトルク負荷に対してほぼ直線関係を持つ値を有している。この関係は、安定状態および定常状態のフェーズの間に発生するノード電圧値のプロフィールに反映される。これらのプロフィールには、誘導性の「フライバック」電流およびモータに加わるトルク負荷の影響を示す識別可能な部分（本願では「遷移電圧領域」と称する）が含まれる。これらの機能は、一層詳細に後述する。
【０００９】
本発明のいくつかの前述した、またそれに関連した目的は、ステッピングモータの動作を制御する方法を提供することによって達成されることが判明した。このステッピングモータは、リング構成の中に配置され、かつ、矩形波電圧によって付勢される多数の直列接続された巻線を有している。この方法には、次のステップが含まれる。すなわち、少なくとも一対の直列接続された巻線間のノードにおける電圧を、モータが所定の速度で動作している間、駆動電流によって巻線対の次の付勢が発生する遷移電圧領域を検出するためにモニタ（監視）するステップと、少なくとも１つの遷移電圧領域の持続時間（すなわち、時間の関数としての幅）を測定するステップと、少なくとも１つの目標とする持続時間値を検出された遷移電圧領域に対して確立するステップと、少なくとも１つの遷移電圧領域の測定された持続時間を目標とする持続時間値と比較するステップと、検出された遷移電圧領域の測定された持続時間を目標とする持続時間値に少なくとも近づけるために、また好ましくはほぼそれに一致させるために、モータ電流の大きさを調整するステップと、が含まれる。
【００１０】
モニタされたノード電圧は、通常、遷移プロフィールに従う。この遷移プロフィールは、一対の巻線が駆動電流によって付勢される状態の変化の直ぐ後に始まり、一対の巻線への付勢電流の供給が終わる状態の変化で終了する。そのようなプロフィールの各々は、初めのインダクタンス支配の領域、およびその直後のリアクタンス支配の領域から成り、それら２つの領域の１つは本願で採用する「遷移電圧領域」を構成する。
【００１１】
目標とする持続時間値は、一般に、所定の速度で動作し、それぞれ最小と最大のトルク負荷のもとで制御されるモータに対して（または別の同等のモータに対して）あらかじめ決められた最小と最大の遷移電圧領域の中間にある。そのような最小、最大、および中間の目標とする持続時間値は、多数の駆動電流の大きさのそれぞれの値においてモータに対して確立して、これにより最小と最大の曲線および目標とする持続時間ラインを確立することが好ましい。この目標とする持続時間ラインに対して、遷移電圧領域の測定された持続時間が比較ステップにおいて比較される。
【００１２】
測定された持続時間が目標ラインの上または下にある場合、駆動電流の大きさの値は、これにより増加または減少される。リアクタンス支配の領域が遷移電圧領域を構成する場合では、測定された持続時間が目標ラインと最大曲線との間にある場合は、この大きさは増加され、それが目標ラインと最小曲線との間にある場合は、この大きさは減少される。それぞれが異なる速度におけるモータの動作に対応している、多数のそのような目標ラインが、通常、確立される。それは一般に（また最も望ましいが）、ステッピングモータを動作させて、結果として発生する適切なステッピングモータシステムのパラメータを電子メモリに記憶させて、これにより比較するためにアクセスできる目標とする持続時間ラインのライブラリを作成することによって行われる。
【００１３】
本発明の制御方法は、一般に、モータに加わるトルク負荷を推定するために、検出された遷移電圧領域の測定された持続時間を利用するステップ、および直接的または間接的にそれに基づいて、（当業者に周知または明白な電子データ処理技術を利用して）駆動電流の大きさの値を計算するステップをさらに含む。これにより、その後に測定された持続時間の値を目標ラインに近付けるまたは一致させることができる。
【００１４】
本発明の別の目的は、説明した特性のモータの動作を制御する装置を提供することによって達成される。
【００１５】
本発明の装置は、遷移電圧領域を検出するために、モータの少なくとも一対の直列接続された巻線間のノードにおける電圧をモニタリングする手段と、この検出された遷移電圧領域の持続時間を測定する手段と、この電圧領域の測定された持続時間をその目標とする持続時間値と比較する手段と、この測定された持続時間を目標とする持続時間値にほぼ一致させるために、駆動電流の大きさを効率的に調整する手段と、をそれぞれ備えている。さらなる本発明の目的は、説明した制御装置に加えて、リング構成内で直列接続された多数の巻線から構成するステータを有するステッピングモータと、矩形波電圧を、直列接続された対としてまたモータを駆動する整流順序で巻線に提供する手段と、を提供することによって達成される。この提供された電圧は、デューティサイクルを調整することによるなどで、モータ電流の大きさを制御できるように調整可能である。
【００１６】
本発明の制御装置およびモータシステムは、標準的に、検出された遷移電圧領域の測定された持続時間と比較するために、説明した特性の少なくとも１つの目標とする持続時間値を電子的に記憶するメモリ手段を備えている。たいていの場合、このメモリは、電流の大きさの値およびモータの動作速度の範囲を示す多数の目標ラインを記憶する。また、説明した方法のステップを実行するために適合した別の機能も、同様に組み込むことができることは無論である。この「比較する手段」は、標準的に、駆動電流の大きさの値を適切に増減するようにプログラムされた、電子データ処理手段を備えている。この駆動電流の大きさの値は、記憶された目標とする持続時間ラインに対する遷移電圧領域の測定された持続時間の位置に依存している。このデータ処理手段は、一般に、モータに加わるトルク負荷を推定するために検出された遷移電圧領域の測定された持続時間を利用するステップ、およびそれに基づいて駆動電流の大きさに対する最適な値を計算するステップのさらなるステップを実行するようにプログラムされる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
始めに、図１を参照する。この図１には、本発明を採用すると共に、全体的に参照番号１０で示したステッピングモータを備えた５相のステッピングモータのシステムが示されている。このステッピングモータ１０は、直列接続されかつ五角形の構成（リング構成の１種であるペンタゴン結線）に配置された５つの巻線Ｌ１〜Ｌ５を有している。互いに隣接する各一対の巻線Ｌ１〜Ｌ５の間にはノードＮ１〜Ｎ５があり、各ノードＮ１〜Ｎ５は端子Ｔ１〜Ｔ５にそれぞれ接続されている。一組のＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ（この図には示していない）は、全体的に参照番号１２で示したスイッチコンポーネントから成り、モータ巻線の端子に接続されたライン１４を通る電流の流れを制御するように機能する。パルス振幅変調（ＰＡＭ）ユニット１６は、スイッチコンポーネント１２を経由し、レール１８を通ってステッピングモータに電流を供給する。
【００１８】
タップライン２０は、集積回路のプログラマブル論理素子（ＰＬＤ）２２をそれぞれの駆動電流ライン１４に動作的に接続する。このＰＬＤ２２は、各ノードＮ１〜Ｎ５で検出された遷移電圧領域の持続時間を測定し、代表的な信号をライン２６およびアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２８を通り中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）２４へ送る。このＣＰＵは、当業者には明白な適切なＲＯＭ容量および必要な機能を備えている。
【００１９】
「新しい」ＰＷＭ信号が、ＣＰＵ（中央処理装置）２４で計算されて、ライン３０を通ってＯＲゲート３２へ送られる。この「新しい」信号の計算は、検出された遷移電圧領域の測定された持続時間をＣＰＵ２４のメモリに記憶されている確立された最適の持続時間値と比較することによって行われる。これにより、ステッピングモータ１０に加わるトルク負荷が表示され、この表示から適切な駆動電流の要求量を決定できる。現在の電流の設定値を示している信号がスイッチコンポーネント１２から出力されてライン３８において受信されると、比較器３６が動作され、「元の」ＰＷＭ信号が、同時に、比較器３６からライン３４を通ってＯＲゲート３２に送られる。かくして、比較器３６は、相電流を制限するように動作する。モータ駆動電流の大きさを制御する合成ＰＷＭ信号は、ライン４０を通ってＰＡＭユニット１６に送られる。
【００２０】
図２および図３は、下記の表１のシーケンス表に記載された「４相オン」の励起パターンに従って、２つの各連続した状態でモータ１０を付勢するコンポーネント１２のＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ（ＳＷ１〜ＳＷ１０）の状態を示している。なお、この表１では、「ｏｎ」（オン）表示のない部分は、スイッチが「０ｆｆ」（オフ）であることを示している。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
これらの回路は、フライバックダイオードクランプＤ１〜Ｄ１０も備えている。各々のノードＮ１〜Ｎ５で電圧値の同様なプロフィールが観測されるので、以後においては説明を簡単にかつ明白にするために、ノードＮ１〜Ｎ５のうちの１つのみ（すなわち、ノードＮ２）における電位を特に説明する。このことは、図４から理解できる。この図４では、電圧が上記表１において列挙されたステッピングモータの励起状態の設定と相互に関係付けられている。
【００２３】
図２に示したＭＯＳ−ＦＥＴスイッチの設定では（状態＃１）、レール１８を通って送られ、グラウンド（ＧＮＤ）に流れる電流のフローが、実績表示で示されている。印加された電位の値をＶout で示す。状態＃２のスイッチ構成を、レール１８から接続された巻線を通ってＧＮＤへ向かう電流の流れとして、図３に示す。状態＃１から状態＃２への遷移中に発生した誘導フライバック電流を、図３における点線の流路で示す。
【００２４】
図５により一層特定して示すように、ノードＮ２における電圧の値は、モータが状態＃１の付勢にある場合は、Ｖout である。状態＃２の付勢に遷移する瞬間に、ダイオードＤ７を通過する順方向バイアス電流（ＧＮＤ以下の値）に達するまで、ノードＮ２の電位は減少する。このダイオードＤ７は、導通してノードＮ２の電圧を維持する。巻線Ｌ３が全電位（Ｖout −ＧＮＤ）で充電を開始して、巻線Ｌ２を通る新しい電流経路を確立すると、Ｌ２およびＬ３を通る電流が同じレベルに達するまで、ノードＮ２の電圧は上昇を開始する。この後、印加された全電位差の半分の値（Ｖout −ＧＮＤ）／２を有する定常状態が、ノードＮ２で検出される。ノードＮ２を直接ＧＮＤに接続するようにスイッチＳＷ７が閉じられて、状態＃４への遷移が行われるまで、その状態が維持される。
【００２５】
直列接続された一対の巻線の間の開放ノードにおいて検出された電圧は、これらの巻線対が矩形波電圧によって付勢される状態の変化の直後に始まり、これらの巻線対への付勢電流が終わる状態の変化で終了するような遷移プロフィールに従うことが分かる。このプロフィールは２つの領域を持つように観測される、すなわち、図５で「Ａ」で示した、初期のインダクタンス支配の領域、およびその直後の、「Ｂ」で示した、リアクタンス支配の領域である。領域ＡおよびＢのそれぞれの持続時間（幅）は、アクセスされたノードにおける電圧に影響するフライバック電流によって決められる。すなわち、遷移時間（例えば、状態＃１から状態＃４へ）は、所定の速度に対しては固定されたままであるため、これらの領域は逆比例する、すなわち互いに補足的な関係を持つ。すなわち、領域Ａの持続時間が短ければそれだけ、領域Ｂの持続時間は長くなり、その逆の場合もある。
【００２６】
本発明によれば、領域ＡおよびＢの幅は、ステッピングモータへのトルク負荷を示していることは理解されよう。いずれの領域も負荷を推定するベースと考えることができるが、領域Ｂは任意に選択され、このため、後述する「検出された遷移電圧領域」を構成する。勿論、同様の原則は、たとえいくつかの値や関係が逆になっても、自明であるが、領域Ａを使用する場合にも当てはまる。
【００２７】
図６（ａ），（ｂ）において、検出された遷移電圧領域Ｂの幅に対するトルク負荷の大きさの影響が示されている。図６（ａ）は、説明した実施形態のようなモータが発生した、検出されたノード電圧のプロフィールの部分を示す。このモータは、相当たり１．４アンペアの定格電流で、分当たり１０００回転の速度で動作しており、トルク負荷は印加されていない。図６（ｂ）のプロフィールは、モータは同じ速度で回転しているが、最大許容トルク負荷（すなわち、同期が失われる直ぐ下の負荷）が加えられている場合の、ノード電圧のプロフィールの同じ部分を示している。無負荷状態の領域Ｂの幅の持続時間は、約２６０マイクロセカンドを示すが、最大負荷の状態では、この領域の幅の持続時間は約３４０マイクロセカンドを示す。領域Ｂの幅の差（また逆に、先行する領域Ａにおける差）は、モータに比較的小さい負荷が加わる場合（結果として、比較的狭いリアクタンス支配の領域Ｂを発生する）、比較的高いピーク値を有する誘導フライバック電流が発生するため、また、ステッピングモータに比較的大きなトルク負荷が加わる場合、比較的低いピークのフライバック電流値（またこのため、比較的広い領域Ｂが生じる）が発生するためである。これらの関係を図７に示す。
【００２８】
発生したフライバック電流のピークの大きさは付勢されたトルク巻線のインダクタンスに依存すること、このインダクタンスはロータの角度位置によって影響されること、およびステッピングモータのシャフトに加わるトルク負荷は、ロータが実際に指示された角度だけずらされる程度に決定されるであろうことは、説明によって理解されよう。従って、モータに加わる負荷トルクが大きければ大きいほど、フライバック電流のピークの大きさは小さくなり、このため遷移電圧領域のインダクタンス支配領域は狭くなる（そして、リアクタンス支配領域は広くなる）。
【００２９】
図８は、モータに印加されるトルク負荷が、検出されたノード電圧の持続時間（時間幅）に対してプロットされているグラフである。図８から分かるように、この関係はほぼ直線である。
【００３０】
図９に示す無負荷（長方形のポイント）ラインおよび最大負荷（三角形のポイント）ラインは、ノードで検出された遷移電圧領域上の（この場合、印加された電圧のデューティサイクルによって制御された）供給電流の大きさの効果を示している。図９から分かるように、この領域の持続時間（電圧の時間幅）は、デューティサイクルに対して、またこのため供給電流の大きさに対して、逆比例で減少する。
【００３１】
図９には目標ラインも含まれている。その位置はいくらか不定であるが、この目標ラインはあらゆる場合において、無負荷曲線と最大負荷曲線との間に位置する必要があり、またそれらのほぼ中間にあることが好ましい。目標ラインが無負荷曲線に近づき過ぎている場合には、電流の大きさの調整が頻繁に行われ過ぎて、ステッピングモータの動作は不安定になりがちである。他方、目標ラインが最大負荷曲線に接近し過ぎている場合には、エラーに対して同じ程度の小さいマージンしか与えられないことになり、結果として同期が失われることによるオーバシューティングの不適当な危険が生ずる可能性がある。
【００３２】
図１０は、本発明が提供する効率を達成するために、供給電流の大きさにおいて実行すべき変化を発生させる基本原理を示す。モータへのトルク負荷が比較的大きい場合、（前述した実施形態における）供給電圧のデューティサイクルが増加されて、これにより電流の大きさを増加させ、また測定された遷移電圧領域の幅を減少させて、目標ラインで示した値に向かってトルク負荷をシフトさせ、また理想的には一致させる。逆に言うと、決定されたトルク負荷が比較的小さい場合には、デューティサイクルが減少されて、電圧の持続時間を再度目標ラインに接近させる。例えば、電流の大きさと遷移領域の持続時間との間の関係は、電圧プロフィールの領域Ａが領域Ｂの代わりにトルク負荷を推定する場合に使用される場合、逆比例することは理解されよう。
【００３３】
最後に、図１１のタイミング図は、ステッピングモータに最適な電流を供給するために合成ＰＷＭ信号を確定できる論理を説明している。前述したように、この合成ＰＷＭ信号は、「元の」（古い）ＰＷＭ信号と「新しい」ＰＷＭ信号とを使用して、ＯＲゲートの出力部から発生する。これらの信号は同じ周波数であり、同期したダウンエッジのタイミングを有する。「元の」ＰＷＭ信号はドライバ回路に対する最大電流を示し、一方、「新しい」ＰＷＭ信号は、本発明の負荷トルク感知技術を用いるコントローラによって決定される。ＯＲゲートは、常にハイ論理レベル信号を取るので（一方が存在すれば、すなわち、ハイのオフ信号がローのオン信号に対して制御されていれば）、この場合のシステムの負荷トルク感知機能は、合成ＰＷＭ信号におけるデューティサイクルを減少させる。このデューティサイクルは、ＰＡＭ回路１６の動作を制御して、モータに最適な電流を供給する。
【００３４】
当業者は理解するように、本発明の方法、装置、およびシステムの中で、本願で説明し、定義された新規な考えからもとることなく、各種の変更を行うことができる。例えば、三角形、方形、また他のリング形状の巻線構成を有するステッピングモータを使用できる。実際に、本発明の電流制御およびトルク推定技術は、本願で説明した特徴付けられた遷移電圧領域を得ることができるいかなるモータシステムにも適用できると考えられる。さらに、パルス幅変調したデューティサイクルの調整を電流の大きさを最適に制御する手段として説明してきたが、例えば比較器を使用するアナログ電流のフィードバックによるなどの、そうするための他の技術も勿論採用できる。
【００３５】
従って、本発明は、新規なステッピングモータシステム、および、その動作を制御するための、エネルギー使用効率を改良するようにステッピングモータに供給された駆動電流を最適にできる新規な方法と装置を提供することが分かる。本発明によれば、トルク負荷を推定しかつ使用して、駆動モータに印加された電流を最適にすることができ、また本発明は、ステピングモータの動作が比較的軽快で、構造の複雑性およびコストが比較的低いシステム、装置、および方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を使用する５相のステッピングモータシステムの概略図である。
【図２】図１のようなシステムで好適なＭＯＳ−ＦＥＴスイッチとモータの巻線との配置を示す配線図である。
【図３】図２の駆動状態から連続する駆動状態を示す図２と同様の配線図である。
【図４】各々１０の駆動状態遷移の２サイクル分の、図３の方式による、動作している図示したステッピングモータの各５つのノードで検出された電圧のプロフィールを示す図である。
【図５】４つの連続した遷移状態の間の、前述したモータシステムのノードの１つに現れる、電圧プロフィール「Ｘ」の部分と、影響された巻線で発生した誘導「フライバック」電流において同時に発生する変動の対応するプロフィール「Ｙ」と、を示す図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、一定の速度で動作しており、２つの異なるトルク負荷が加えられているステッピングモータで発生する遷移電圧プロフィールを拡大して示す時間スケールのグラフである。
【図７】フライバック電流およびノード電圧プロフィール上で３つの異なるトルク負荷の効果を示す、図５と同様の図である。
【図８】測定された遷移電圧領域の持続時間とモータのトルク負荷との間に存在するほぼ直線関係を示すプロット図である。
【図９】無負荷状態および最大負荷状態のもとで、遷移電圧領域の持続時間上の供給電流のデューティサイクルの効果、および、間に挟まれた最適な持続時間の目標ラインを示すグラフである。
【図１０】検出された遷移電圧領域の持続時間を目標値に一致させるために適用される一般的な基準を示す図である。
【図１１】本発明の技術に基づく、ステッピングモータへの電流を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号の波形を示すタイミング図である。
【符号の説明】
１０  ステッピングモータ
１２  スイッチコンポーネント
１６  パルス振幅変調（ＰＡＭ）ユニット
２２  プログラマブル論理素子（ＰＬＤ）
２４  ＣＰＵ
２８  アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
３２  ＯＲゲート
３６  比較器
【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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