ステッピングモータ駆動装置
【課題】モータの誤動作を防止する。
【解決手段】コイルに流れる電流を制御する駆動回路３０は、コイルの電流を検出する電流検出手段１８２と、電流指令値と検出電流値との差を出力するエラーアンプ１４０と、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段とを備え、スイッチング信号に基づいて第一及び四と第二及び三のスイッチング素子とを反転させて切り替えを行う第一の制御と、スイッチング信号に基づいて第一及び二と反転し、第三をＯＦＦ、第四のスイッチング素子をＯＮに固定する第二の制御とを実行するステッピングモータの駆動装置において、二つの制御の切り替えの際に、第一及び第三をＯＦＦ、第二及び第四のスイッチング素子をＯＮに固定すると共に切り替えによりエラーアンプに生じる出力の増加又は減少に合わせて電流指令値を一時的に増加又は減少させてエラーアンプに入力する第三の制御を行う。
【解決手段】コイルに流れる電流を制御する駆動回路３０は、コイルの電流を検出する電流検出手段１８２と、電流指令値と検出電流値との差を出力するエラーアンプ１４０と、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段とを備え、スイッチング信号に基づいて第一及び四と第二及び三のスイッチング素子とを反転させて切り替えを行う第一の制御と、スイッチング信号に基づいて第一及び二と反転し、第三をＯＦＦ、第四のスイッチング素子をＯＮに固定する第二の制御とを実行するステッピングモータの駆動装置において、二つの制御の切り替えの際に、第一及び第三をＯＦＦ、第二及び第四のスイッチング素子をＯＮに固定すると共に切り替えによりエラーアンプに生じる出力の増加又は減少に合わせて電流指令値を一時的に増加又は減少させてエラーアンプに入力する第三の制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１−２相励磁を行うステッピングモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２相ステッピングモータにはＡ相とＢ相と呼ばれる２つの巻線がある。そして、１−２相励磁方式の場合、各相に流す電流の組み合わせは８個あって、当該８個のステップ（ステップ０〜７とする）を図７に示す順番でモータ電流を切り替える制御が従来から行われている。
位相を半分ずらしてＡ相とＢ相のコイルに対してステップ０から７までを順番に切り替えることでモータは回転するが、停止時は各々がステップ０から７のいずれかの状態で停止している。モータを回転させる場合には負荷に応じたトルクを発生させるための電流を流す必要があるが、停止中も同じ電流を流すとモータの発熱の原因となる。このため停止中は図７の点線に示すように、駆動中の電流(実線)より低い電流を流してモータの発熱を抑える様に切り替える制御が行われている。
【０００３】
上記制御を行うための励磁回路１００を図８に示す。なお、この励磁回路１００はステッピングモータのＡ相コイルに対するものであり、Ｂ相コイルについても駆動装置が別に用意されているが同一構成のため、一方についてのみ説明する。
モータ駆動の指令は、電流切り換えステップを進めるタイミングを決めるパルス信号と、回転方向を決める方向信号、動作、停止の電流を切り替えるＣＨ/ＣＤ信号があり、これらは図示しない制御回路（制御プログラムを実行するＣＰＵ等）から出力される。
上記パルス信号と方向信号とは3ビットのカウンタ１１０に入力され、方向信号はこのカウンタ１１０のアップ、ダウンを切り替える。カウンタ１１０は、推移させようとしているステップ０〜７に対応する電流値を示す3ビットの信号をデコーダ１２０のＡ〜Ｃのポートに入力する。また、駆動中の電流値とそれより低い停止中の電流値(実線)のいずれを通電するかを示す1ビットの信号をデコーダ１２０のＤポートに入力する。
【０００４】
デコーダ１２０は、入力された合計4ビットの信号を電流の指令値として8ビットの信号に変換する。図９はデコーダ１２０のＡ〜Ｄポートの各種の入力コードに対応する出力を示す対応表の図である。このデコーダ１２０の中身を変更することによりステッピングモータの駆動パターンを変更することができる。
デコーダ１２０の出力はＤ／Ａコンバータ１３０に入力され、Ｄ／Ａコンバータ１３０はアナログ値に変更し、次段のエラーアンプ１４０でＡ相コイル４に直列に接続された電流検出手段１８２から検出される実際に流れている電流（図８に示す符号ＦＢ）と比較される。そして、エラーアンプ１４０からこれら比較される二つの電流値の差に応じた信号がＰＷＭ発生装置１５０に入力される。
ＰＷＭ発生装置１５０には、三角波発生装置１６０から均一周期で上りと下りの傾きの絶対値が等しい変化を繰り返す電圧信号である三角波の入力も行われ、エラーアンプ１４０からの信号と比較を行い、エラーアンプ１４０からの信号が大きければON信号、小さければOFF信号が出力される。このON/OFF信号が最終段の駆動回路としてのコイル４のＨブリッジ回路１８０の各ＦＥＴａ〜ＦＥＴｄを駆動させる信号となる。
【０００５】
Ｈブリッジ回路１８０は、Ａ相コイル４の一端部と電源Ｖとの間で並列に設けられたFETa及びダイオード１８３と、Ａ相コイル４の一端部とアースとの間で並列に設けられたFETb及びダイオード１８４と、Ａ相コイル４の他端部と電源Ｖとの間で並列に設けられたFETc及びダイオード１８５と、Ａ相コイル４の他端部と電源Ｖとの間で並列に設けられたFETd及びダイオード１８６と、Ａ相コイル４の端部側に直列に設けられた電流検出手段１８２とを備えている。また、ダイオード１８３はＡ相コイルの一端部から電源側への通電を許容する向きで接続され、ダイオード１８４はアースからＡ相コイルの一端部側への通電を許容する向きで接続され、ダイオード１８５はＡ相コイルの他端部から電源側への通電を許容する向きで接続され、ダイオード１８６はアースからＡ相コイルの他端部側への通電を許容する向きで接続されている。
FETa及びFETdに対してはＰＷＭ発生装置１５０からのON/OFF信号は直接入力され、FETb及びFETcに対してはＰＷＭ発生装置１５０からのON/OFF信号はＮＯＴ回路１７１，１７２を介して入力されるようになっている。
【０００６】
そして、図７のステップ０，１，２ではコイル電流は図８のＦ方向に流れるが、このときFETa,FETdがON/OFFを繰り返して電流値をコントロールする。そして、FETa,FETdに対するON/OFFの繰り返しにおけるOFFのときはFETb、FETcのダイオード１８４，１８５を通って電流が電源に戻る方向で流れる。従って、このときにはダイオード発熱を抑えるためにFETb、FETcをONにする。
ステップ３，７では、図７に示すように、電流の指令値は80Hとなり、これは電流値0[A]を意味する。このとき電流はＦ方向とその逆方向を交互に流れるようにFETa〜FETdは制御され平均電流は0[A]となる。
ステップ４，５，６では電流方向がＦとは逆方向となる。即ち、FETb,FETcがON/OFFを繰り返し、FETb,FETcのOFFのときはFETa、FETdをONにして電流値をコントロールする。
【０００７】
電流方向とFETのON、OFFの関係を図１０に示す。図１０（Ａ）はステップ０，１，２、図１０（Ｂ）はステップ３，７、図１０（Ｃ）はステップ４，５，６における電流の変化を示しているが、各ステップにおいて、コイル４の電流の傾きが正方向に変化するときはFETa，FETdがONし、負方向に変化するときはFETc、FETbがONする。この傾きは、コイル４に加わっている電圧に左右されるが、この電圧は電源電圧となるためほぼ同じ傾きとなる。この傾きによる電流変化分は、前述した駆動電流と停止電流の切り替えにより指令電流が大きくても、小さくても同じとなり、鉄損の原因となる。すなわち、モータ発熱を抑えるために停止中の電流値を下げても、電流値による銅損は減少できるが、鉄損を抑えることができないので、発熱が発生するという問題を有していた。
【０００８】
そこで、鉄損の問題解決のために図１１に示す、新たに改良を加えた他の励磁回路２００が案出されている（例えば、特許文献１参照）。
この励磁回路２００は、励磁回路１００のデコーダ１２０に新たな出力P1、P2を加えたデコーダ２２０を備えると共に、ＰＷＭ発生装置１５０からの出力とデコーダ出力P1とが入力されてFETaに出力を行うＡＮＤ回路２７１と、当該ＡＮＤ回路２７１の出力を反転してFETbに入力するＮＯＴ回路２７２と、ＰＷＭ発生装置１５０からの出力を反転するＮＯＴ回路２７３と、ＮＯＴ回路２７３からの出力とデコーダ出力P2とが入力されてFETcに出力を行うＡＮＤ回路２７４と、当該ＡＮＤ回路２７４の出力を反転してFETdに入力するＮＯＴ回路２７５とを備える点が励磁回路１００と異なっている。
【０００９】
図１２はデコーダ２２０のＡ〜Ｄポートの各種の入力コードに対応する出力を示す対応表の図である。
モータ駆動中のripple信号(Ｄへの入力コード)は「0」になっており、この入力に対してデコーダ２２０は、P1,P2出力を「1」とする。これにより、上述の論理回路構成の場合、最終段のＡＮＤ回路２７１、２７４はＰＷＭ信号をそのまま通すため、全てのFETa〜FETdはON/OFFを繰り返すことになる。
図１３（Ａ）に示すようにFETa、FETdがON、FETb、FETcがOFFの時電流が矢印Ｆ１方向に流れているとすれば、図１３（Ｂ）のようにFETa、FETdがOFF、FETb、FETcがONとなったとき電流は矢印Ｂ１の様にアース（GND）から電源（Vcc）に向かって流れる（以下、図１３（Ａ）（Ｂ）の状態を交互に取ることを通常制御又は第一の制御と称する）。
【００１０】
また、モータ停止中はripple信号が「1」となり、これに対してデコーダ２２０は、電流が＋方向（OUT出力がC0H、E0H）のとき、P1=「1」、P2=「0」、また、電流が0（OUT出力が80H）のときP1=「0」、P2=「0」、電流方向が−方向（OUT出力が40H、20H）の時はP1=「0」、P2=「1」の出力を行う。
電流が＋方向のときすなわち図１４（Ａ）ではP1=「1」であり、FETaとFETbはON/OFFを繰り返しているが、P2=「0」のためFETcはOFF、FETdはONに固定される。
図１４（Ａ）のようにFETaがON,FETbがOFFの時には電流はＦ１の向きに流れるが、FETaがOFF、FETbがONとなったときには図１４（Ｂ）のように電流は電源には帰らず、FETb,FETdを通り、矢印Ｂ２のように還流する。このとき、図１３（Ｂ）のように電流の流れを妨げるような逆向きの電圧は加わらないため、電流の減少は図１５のように非常に穏やかになる。
電流の変化分（電流リップル）は図１０と比べ非常に小さいものとなる（以下、これを「リップルオフ制御」又は第二の制御と称する）。これによりモータの鉄損による発熱は小さなものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−０９５１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このリップルオフ制御について、リップルオフ制御と通常制御との相互の切り替え時に、ステッピングモータが動いてしまうという問題があった。
このステッピングモータが動いてしまう原因は、切り替え時にモータ電流が一時的に変動するためで、これは、リップルオン制御と通常制御との切り替え時に、Ｄ／Ａコンバータ１３０からエラーアンプ１４０に入力される電流指令値が一定のままの場合でも、エラーアンプ１４０の出力値が異なることに原因がある。
例えば、ステッピングモータが停止する場合、通常制御では、その停止位置のステップでの電流の指令値が維持され、モータ電流一定状態の時、エラーアンプ出力はほぼ０となる。つまり、ＰＷＭ信号のONとOFFの割合が同じになるようになっている。モータ電流はＰＷＭオン時の電流上昇度とオフ時の電流減少度の傾きが同じである事からこのようになっている(図１６参照)。
一方、リップルオフ制御の場合、ＰＷＭオフ時の電流減少度の傾きがオン時に比べて穏やかな為、各FETのON/OFFの時間割合が同じだと電流は増加してしまう。この為、電流を一定に保とうと働いて、ONの割合を減らすようにエラーアンプはマイナス（−）の値になる(図１７)。
通常制御からリップルオフ制御へ切り替えた際に、各FETのON−OFF状態は即座に切り替わり、エラーアンプ出力も０からマイナス（−）の値に切り替えを開始するが、応答時間による遅れが存在する為、すぐに切り替わらない。この０からマイナスになるまでの変化期間において、リップルオフ状態にもかかわらず、ＰＷＭ信号のON幅が大きすぎる為、電流が急増してしまう。その後、エラーアンプがマイナスに切り替わると電流も元に戻るが、この急増時の電流変化時にモータが動いてしまう(図１８のＳ)。
なお、通常制御からリップルオフ制御の切り替えは、モータが既に停止した状態で行われることが多い。つまり、いずれかのステップに維持した状態で制御の切り替えが行われるが、そのようにステップが推移していない場合でも、上記のように電流の急激な変化が発生すると、もう一方のＢ相コイルとの間で励磁状態のバランスが崩れ、モータに微小な動作が発生してしまう。
また、同様の事が、リップルオフ制御から通常制御への切り替えにおいても発生するといった問題があった(図１８のＤ)。
【００１３】
本発明は、制御切替時のステッピングモータの誤動作を抑止することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１記載の発明は、ステッピングモータのコイルの一端部を電源側とアース側とにそれぞれ接続する第一と第二のスイッチング素子と前記コイルの他端部を前記電源側とアース側とにそれぞれ接続する第三と第四のスイッチング素子とを備えるＨブリッジ回路と、
前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御することで当該コイルに流れる電流を一定の電流に制御する駆動回路と、を前記ステッピングモータのコイルごとに備え、前記各駆動回路は、前記コイルの電流を検出する電流検出手段と、前記コイルに流れる電流値を定めるための電流指令値と前記電流検出手段による検出電流値との差に応じた信号出力を行うエラーアンプと、前記エラーアンプの信号出力に基づいてＯＮとＯＦＦの比率を定めたスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段とを備え、 前記スイッチング信号に基づいて、前記第一及び第四のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共にこれらと反転したタイミングで前記第二及び第三のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行う第一の制御と、前記スイッチング信号に基づいて、前記第一と第二のスイッチング素子とを互いに反転したタイミングでＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共に前記第三のスイッチング素子をＯＦＦ、前記第四のスイッチング素子をＯＮに固定する第二の制御とを択一的に実行して前記各コイルの１−２相励磁を行うステッピングモータの駆動装置において、前記二つの制御の切り替えの際に、前記第一及び第三のスイッチング素子をＯＦＦ、前記第二及び第四のスイッチング素子をＯＮに固定すると共に切り替えにより前記エラーアンプに生じる出力の増加又は減少に合わせて電流指令値を一時的に増加又は減少させて前記エラーアンプに入力する第三の制御を介在させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の発明では、通常制御とリップル制御の切り替えの際に、第一及び第三のスイッチング素子をＯＦＦ、第二及び第四のスイッチング素子をＯＮに固定すると共に切り替えによりエラーアンプに生じる出力の増加又は減少に合わせて電流指令値を一時的に増加又は減少させてエラーアンプに入力する第三の制御を介在させているので、エラーアンプにおけるフィードバックでの応答遅れの影響を回避することができ、スイッチング素子が制御の切り替えに伴うデューティー比の切り替えの遅れを排除できるので、モータの誤動作を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態たるステッピングモータの駆動装置が接続されたステッピングモータの構成を示す説明図である。
【図２】ステッピングモータのコイルと電源装置とを接続する励磁回路の構成を示す構成図である。
【図３】デコーダへの入力コードと、デコーダから出力される電流指令値並びに信号Ｐ１、Ｐ２との対応関係を示すテーブルである。
【図４】駆動装置の行う制御を示すフローチャートである。
【図５】通常制御からリップルオフ制御への切り替えにおけるエラーアンプ出力、モータ電流、電流指令値の変化を示す線図である。
【図６】リップルオフ制御から通常制御への切り替えにおけるエラーアンプ出力、モータ電流、電流指令値の変化を示す線図である。
【図７】２相ステッピングモータの１−２相励磁方式での各ステップにおける電流値を示す説明図である。
【図８】従来の励磁回路の構成図である。
【図９】デコーダのＡ〜Ｄポートの各種の入力コードに対応する出力を示す対応表の図である。
【図１０】電流方向とFETのON、OFFとの関係を示す線図であり、図１０（Ａ）はステップ０，１，２、図１０（Ｂ）はステップ３，７、図１０（Ｃ）はステップ４，５，６に対応している。
【図１１】他の従来の励磁回路の構成図である。
【図１２】デコーダのＡ〜Ｄポートの各種の入力コードに対応する出力を示す対応表の図である。
【図１３】図１３（Ａ）はＨブリッジ回路の各ＦＥＴに対する通常制御において交互に行われる一方の接続状態を示し、図１３（Ｂ）は他方の接続状態を示す。
【図１４】図１４（Ａ）はＨブリッジ回路の各ＦＥＴに対するリップルオフ制御において交互に行われる一方の接続状態を示し、図１４（Ｂ）は他方の接続状態を示す。
【図１５】リップルオフ制御における電流変化を示す線図である。
【図１６】通常制御における三角波とＰＷＭ信号から形成されるモータ電流波形を示す線図である。
【図１７】リップルオフ制御における三角波とＰＷＭ信号から形成されるモータ電流波形を示す線図である。
【図１８】通常制御からリップルオフ制御の切り替え時におけるモータ電流の上昇を示す説明図である。
【図１９】リップルオフ制御から通常制御の切り替え時におけるモータ電流の上昇を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（本発明によるミシンのステッピングモータの駆動装置の全体構成）
図１は本発明の実施形態たる駆動装置７が接続されたステッピングモータ１の構成を示す説明図である。以下、図１から図６に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態たるステッピングモータ１の駆動装置７は、ステッピングモータ１のＡ相及びＢ相の各コイル４，５ごとに設けられた励磁回路１０と、各励磁回路１０を通じてステッピングモータ１の１−２相励磁による駆動制御を行う制御回路４０とを備えている。
【００１８】
（ステッピングモータ）
ステッピングモータ１は、当該ステッピングモータ１の回転軸と連結されて回転可能に設けられた円柱状の回転子２と、回転子２の周囲に設けられた円筒状の固定子３と、固定子３の内周部において回転子２に近接する方向に突出して設けられた芯部３ａ、３ｂに巻きつけられて、後述する励磁回路１０による電流制御によって励磁されて回転子２の回転角度を変更／維持するコイル４，５とを備えている。なお、各コイル４，５は簡略化して図示しているが、実際には、それぞれ複数のコイルからなり、それらは回転子２の周囲に直列且つ均一間隔で交互に配置されている。
【００１９】
回転子２は、永久磁石等の磁性体であり、図示しないステッピングモータ１の回転軸に連結されて回転可能に支持されている。固定子３は、回転子２の周囲に設けられた円筒状の磁性材料（例えば鉄）であり、その内周部に回転子２に近接する方向に突出して設けられた芯部３ａ〜３ｄが設けられている。
コイル４，５は、芯部３ａ、３ｂに巻きつけられた巻線であり、後述する励磁回路１０によって電流が流されることによって励磁されて電磁石として機能する。このときコイル４，５は各励磁回路１０を通じて制御回路４０により電流制御が行われ、当該制御によりそれぞれが半位相ずらして８つのステップ（ステップ０〜７とする：図７参照）で推移させることにより、ステッピングモータ１の回転駆動が行われるようになっている。
【００２０】
（ステッピングモータの駆動装置）
次に、ステッピングモータの駆動装置７について詳細に説明する。
ステッピングモータの駆動装置７は、ステッピングモータ１の駆動／停止及び回転角度を制御する。ステッピングモータの駆動装置７は、図１に示すように、ステッピングモータ１のコイル４，５のそれぞれに設けられてコイル４，５に流れる電流の制御を行う二つの励磁回路１０，１０と、ステッピングモータ１の駆動／停止制御及び回転角度制御を行う制御回路４０と、を備えている。なお、各コイル４，５の励磁回路１０はいずれも同一の構成からなるのでコイル４の励磁回路１０のみについて説明を行うこととする。
【００２１】
図２はステッピングモータのコイル４と電源装置６とを接続する励磁回路１０の構成を示す回路図である。
かかる励磁回路１０において、前述した励磁回路２００と同一の構成については同符号を付して重複する説明は省略するものとする。
励磁回路１０は、コイル４の一端部を電源側とアース側とにそれぞれ接続する第一と第二のスイッチング素子としてのFETa及びFETbと、コイル４の他端部を電源側とアース側とにそれぞれ接続する第三と第四のスイッチング素子としてのFETc及びFETdとを備えるＨブリッジ回路１８０と、各FETa〜FETdのＯＮとＯＦＦとを制御することで当該コイル４に流れる電流を一定の電流に制御する駆動回路３０とを備えている。
【００２２】
FETa〜FETdは所謂３端子の電界効果トランジスタであり、FETa、FETbの一方の電極がコイル４の一端と、FETc、FETdの一方の電極がコイル４の他端と接続されている。また、FETa、FETcの他方の電極が電源側と、FETb、FETdの他方の電極がアースと接続されている。つまり、コイル４とFETa〜FETdとによってＨブリッジ回路が構成されている。
また、FETa〜FETdが各種の論理回路２７１〜２７５を介して駆動回路３０のＰＷＭ発生装置１５０と接続されていること、FETa〜FETdにはそれぞれダイオード１８３〜１８６が並列接続されていることは前述した通りである。なお、FETa〜FETdは双方向の通電が可能である。
【００２３】
（駆動回路）
駆動回路３０は、制御回路４０によって出力されたパルス信号と方向信号とを受信して３ビットのコードを出力するカウンタ１１０と、カウンタ１１０からの出力コードと制御回路４０によって出力されたripple信号とから８ビットの電流指令値とFETa〜FETdのＯＮとＯＦＦの制御を行うための信号Ｐ１、Ｐ２とを出力するデコーダ２０と、デコーダ２０による電流指令値をアナログ値に変換するＤ／Ａコンバータ１３０と、コイル４に直接で接続された電流検出手段１８２と、電流指令値に対する電流検出手段１８２による検出電流値の偏差を所定のゲインで出力するエラーアンプ１４０と、所定の周波数で三角波を出力する三角波発生回路１６０と、エラーアンプ１４０の出力が三角波を上回る比率をONの比率としてスイッチング信号としてのＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ出力回路１５０とを備えている。上記ＰＷＭ出力回路１５０と三角波発生回路１６０とは、エラーアンプ１４０の信号出力に基づいてＯＮとＯＦＦの比率を定めたスイッチング信号であるＰＷＭ信号を生成するスイッチング信号生成手段として機能するものである。
また、ＰＷＭ出力回路１５０から各FETa〜FETdまで間に設けられた各論理回路２７１〜２７５の接続配置は前述した励磁回路２００と同じである。
【００２４】
まず、制御回路４０について詳細に説明する。
制御回路４０は、ステッピングモータ１の駆動／停止制御及び回転角度の制御するための各種の処理を行う。制御回路４０は、カウンタ１１０に対してパルス信号と方向信号を出力すると共に、デコーダ２０に対してripple信号とPOFF信号とを出力する。
パルス信号は、パルスモータ１のステップの遷移タイミングを示す信号であり、方向信号はステッピングモータ１の回転方向を示す信号である。
ripple信号は、第一の制御としての通常制御と第二の制御としてのリップルオフ制御のいずれを実行するかを指令する信号である。
なお、通常制御は、ＰＷＭ信号に基づいて、FETa及びFETdのＯＮ／ＯＦＦ切り替えを同時に行うと共に、これらと反転したタイミングでFETb及びFETcのＯＮ／ＯＦＦ切り替えを同時に行う制御であり、具体的には前述した図１３に示す制御である。
また、リップル制御は、ＰＷＭ信号に基づいて、FETa及びFETbとを互いに反転したタイミングでＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共にFETcをＯＦＦ、FETdをＯＮに固定する制御であり、具体的には前述した図１４に示す制御である。
【００２５】
POFF信号は、通常制御からリップルオフ制御への切り替え時又はリップルオフ制御から通常制御への切り替え時に介在する制御であって、FETa及びFETcをＯＦＦ、FETb及びFETdをＯＮに固定すると共に切り替え直前の電流指令値に応じて＋方向又は−方向最大の電流指令値をエラーアンプ１４０に入力する中間制御（第三の制御）を実行させる信号である。
かかる中間制御は、例えば、通常制御からリップルオフ制御に切り替える際に、FETa及びFETcをＯＦＦ、FETb及びFETdをＯＮに固定することにより、それまで通電されていたコイル４を流れる電流がアース側で還流した状態となり、損失がないので徐々に電流が0に向かって減衰する状態となる（以下、フリー状態という）。そして、フリー状態への切り替えと同時に、通常制御からリップルオフ制御への切り替え又はリップルオフ制御から通常制御への切り替えの際にエラーアンプ１４０に生じる出力の増加又は減少の変化に合わせて、電流指令値を一時的に増加又は減少させるように制御される。
即ち、通常制御からリップルオフ制御への切り替えを行う場合であって、切り替え時におけるコイル４への電流が正極の場合には、エラーアンプ１４０はその出力値を低減してＰＷＭ信号のデューティー比を低減させる必要があるので、中間制御での電流指令値は減少される。なお、この実施例では、指令範囲内における最小の値（−方向最大指令値）が出力される。また、切り替え時におけるコイル４への電流が負極の場合には、指令範囲内における最大の値（＋方向最大指令値）が出力される。
さらに、リップルオフ制御から通常制御への切り替えを行う場合であって、切り替え時におけるコイル４への電流が正極の場合には、エラーアンプ１４０はその出力値を増加してＰＷＭ信号のデューティー比を増加させる必要があるので、中間制御での電流指令値は増加される。なお、この実施例では、指令範囲内における最大の値（＋方向最大指令値）が出力される。また、切り替え時におけるコイル４への電流が負極の場合には、指令範囲内における最小の値（−方向最大指令値）が出力される。
なお、一般には、通常制御からリップルオフ制御への切り替え（その逆の切り替えも同様）は、ステッピングモータ１が停止した状態で行われる。このため、停止位置が、ステッピングモータ１を駆動させるステップ０〜７のいずれであるかに応じて、切り替え時におけるコイル４への電流の極性が決定される。
【００２６】
デコーダ２０は、カウンタ１１０によるコードと制御回路４０によって出力されたripple信号及びPOFF信号とにより、８ビットの電流指令値と各ＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦパターンを制御する信号Ｐ１、Ｐ２とを出力する。ripple信号はリップルオフ制御の実行の有無を示す信号であり、POFF信号は中間制御の実行の有無を示す信号である。いずれも1ビットの信号で「0」が実行せず、「1」が実行を示す。
【００２７】
図３はデコーダ２０への入力コードと、デコーダ２０から出力される電流指令値並びに信号Ｐ１、Ｐ２との対応関係を示すテーブルである。図３の[i]は通常制御の入力内容を示し、[ii]はリップルオフ制御の入力内容を示す。
図３に示す入力コードのうち、Ａ，Ｂ，Ｃはカウンタ１１０から出力される３ビットのコードであり、Ｄはripple信号を示す値である。
デコーダ２０における出力は、POFF＝0の場合とPOFF＝1の場合とで大別されており、POFF＝0の場合には、前述した駆動装置２００のデコーダ２２０と同じ出力を行うので、説明は省略する。
一方、POFF＝1の場合には、中間処理を実行させる出力が行われる。具体的には、デコーダ２０のＤ／Ａコンバータ１３０を通じたエラーアンプ１４０への出力であるOUTでは、通常制御でステップ０〜３においてリップルオフ制御に切り替える場合には一律に00H（−方向最大指令値）を出力し、通常制御でステップ４〜７においてリップルオフ制御に切り替える場合には一律にFFH（＋方向最大指令値）を出力し、リップルオフ制御でステップ０〜３において通常制御に切り替える場合には一律にFFH（＋方向最大指令値）を出力し、リップルオフ制御でステップ４〜７において通常制御に切り替える場合には一律に00H（−方向最大指令値）を出力するようになっている。
【００２８】
POFF＝1の場合には、一律に信号Ｐ１＝0、Ｐ２＝0に出力が固定されている。これによりＰＷＭ出力回路１５０の出力にかかわらず、FETa＝OFF、FETb＝ON、FETc＝ON、FETd＝OFFに固定されるようになっている。
【００２９】
（駆動装置の制御）
以上の構成において、図４に示す制御フローチャートに基づいて説明する。
まず、（１）通常制御→リップルオフ制御への切り替えの場合で電流方向が＋方向（図３の[i]のステップの場合）について説明する。
まず、制御回路４０からデコーダ２０の入力POFFに１が入力されると（ステップＳ１）、図３の真理値表に示すようにデコーダ２０への入力コードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとは無関係に出力Ｐ１、Ｐ２から「0」が出力される（ステップＳ２）。これによりFETa、FETcがOFFとなり、電源から遮断される。この電源から遮断されている期間を「フリー状態」と称す（図５参照）。このフリー状態では、電源から電流は供給されず、ステッピングモータ１のコイル４に流れる電流はＨブリッジ回路１８０内を還流し、そのままの値を維持し続けようとする。
【００３０】
次に、デコーダ２０は、現在の制御が「通常制御」か「リップルオフ制御」か判定する。即ち、入力コードＤは「0」であれば通常制御、「1」であればリップル制御を示すので、入力コードＤの入力が行われると（ステップＳ３）、デコーダ２０は入力コードＤの値から現在の制御を判定する（ステップＳ４）。
その結果、「通常制御」と判定されると、デコーダ２０は、電流方向が＋方向か−方向か判定する。即ち、入力コードＡが「0」であれば＋方向、「1」であれば−方向を示すので、入力コードＡの入力が行われると（ステップＳ５）、デコーダ２０は入力コードＡの値から電流方向を判定する（ステップＳ６）。
【００３１】
電流方向が＋方向と判定されると、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「00H」（−方向最大指令値）を出力する（ステップＳ７：図５参照）。この時、指令出力に対して、電流は増えないのでエラーアンプ１４０の出力は−方向に増大し、リップルオフ制御時のエラーアンプ１４０の出力値と同じになるまで、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「00H」の出力を継続する。なお、この継続時間は、−方向最大指令値の出力により、エラーアンプ１４０がリップルオフ制御時の出力値と同じ値になるまでに必要な時間を試験的に求めるなどして適宜設定することが望ましい。
【００３２】
その後、制御回路４０は入力コードＤへのripple信号を「1」に切り替えると共に（ステップＳ８）、POFF信号を「0」に切り替え、フリー状態からリップルオフ制御への切り替えが行われる（ステップＳ９）。
このとき、エラーアンプ１４０の出力値は変化しないので、ＰＷＭ信号も変化しない。このためリップルオフに切り替えた時のモータ電流は変化しない為、モータの誤動作を防止することが可能となる。
【００３３】
なお、電流方向が−方向の状態で、通常制御→リップルオフ制御への切り替えが行われる場合には、ステップＳ６の電流方向の判定において、電流方向が−方向と判定され、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「FFH」（＋方向最大指令値）を出力する（ステップＳ１０）。
【００３４】
次に、（２）リップルオフ制御→通常制御への切り替えの場合で電流方向が＋方向（図３の[ii]のステップの場合）について説明する。
ステップＳ１〜Ｓ４までは（１）通常制御→リップルオフ制御の場合と同様である。
デコーダ２０により入力コードＤの値から現在の制御の判定が行われると（ステップＳ４）、Ｄ＝1なので、「リップルオフ制御」と判定される、デコーダ２０は、電流方向が＋方向か−方向か判定する。入力コードＡの入力が行われると（ステップＳ１０）、さらに、入力コードＡの値から電流方向が判定される（ステップＳ１２）。
この場合、電流方向が＋方向と判定され、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「FFH」（＋方向最大指令値）を出力する（ステップＳ１３：図６参照）。この時、指令出力に対して、電流は減らないのでエラーアンプ１４０の出力は＋方向に増大し、リップルオフ制御時のエラーアンプ１４０の出力値と同じになるまで、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「FFH」の出力を継続する。なお、この継続時間も、試験などにより適宜設定することが望ましい。
【００３５】
その後、制御回路４０は入力コードＤへのripple信号を「0」に切り替えると共に（ステップＳ１４）、POFF信号を「0」に切り替え、フリー状態から通常制御への切り替えが行われる（ステップＳ９）。
このとき、エラーアンプ１４０の出力値は変化しないので、ＰＷＭ信号も変化しない。このため通常制御に切り替えた時のモータ電流は変化しない為、モータの誤動作を防止することが可能となる。
【００３６】
なお、電流方向が−方向の状態で、リップルオフ制御→通常制御への切り替えが行われる場合には、ステップＳ１２の電流方向の判定において、電流方向が−方向と判定され、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「00H」（−方向最大指令値）を出力する（ステップＳ１５）。
【符号の説明】
【００３７】
１ ステッピングモータ
４ Ａ相コイル
５ Ｂ相コイル
３０ 駆動回路
１４０ エラーアンプ
１５０ ＰＷＭ発生装置（スイッチング信号生成手段）
１６０ 三角波発生回路（スイッチング信号生成手段）
１８０ Ｈブリッジ回路
１８２ 電流検出手段
FETa〜FETd（第一〜第四のスイッチング素子）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１−２相励磁を行うステッピングモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２相ステッピングモータにはＡ相とＢ相と呼ばれる２つの巻線がある。そして、１−２相励磁方式の場合、各相に流す電流の組み合わせは８個あって、当該８個のステップ（ステップ０〜７とする）を図７に示す順番でモータ電流を切り替える制御が従来から行われている。
位相を半分ずらしてＡ相とＢ相のコイルに対してステップ０から７までを順番に切り替えることでモータは回転するが、停止時は各々がステップ０から７のいずれかの状態で停止している。モータを回転させる場合には負荷に応じたトルクを発生させるための電流を流す必要があるが、停止中も同じ電流を流すとモータの発熱の原因となる。このため停止中は図７の点線に示すように、駆動中の電流(実線)より低い電流を流してモータの発熱を抑える様に切り替える制御が行われている。
【０００３】
上記制御を行うための励磁回路１００を図８に示す。なお、この励磁回路１００はステッピングモータのＡ相コイルに対するものであり、Ｂ相コイルについても駆動装置が別に用意されているが同一構成のため、一方についてのみ説明する。
モータ駆動の指令は、電流切り換えステップを進めるタイミングを決めるパルス信号と、回転方向を決める方向信号、動作、停止の電流を切り替えるＣＨ/ＣＤ信号があり、これらは図示しない制御回路（制御プログラムを実行するＣＰＵ等）から出力される。
上記パルス信号と方向信号とは3ビットのカウンタ１１０に入力され、方向信号はこのカウンタ１１０のアップ、ダウンを切り替える。カウンタ１１０は、推移させようとしているステップ０〜７に対応する電流値を示す3ビットの信号をデコーダ１２０のＡ〜Ｃのポートに入力する。また、駆動中の電流値とそれより低い停止中の電流値(実線)のいずれを通電するかを示す1ビットの信号をデコーダ１２０のＤポートに入力する。
【０００４】
デコーダ１２０は、入力された合計4ビットの信号を電流の指令値として8ビットの信号に変換する。図９はデコーダ１２０のＡ〜Ｄポートの各種の入力コードに対応する出力を示す対応表の図である。このデコーダ１２０の中身を変更することによりステッピングモータの駆動パターンを変更することができる。
デコーダ１２０の出力はＤ／Ａコンバータ１３０に入力され、Ｄ／Ａコンバータ１３０はアナログ値に変更し、次段のエラーアンプ１４０でＡ相コイル４に直列に接続された電流検出手段１８２から検出される実際に流れている電流（図８に示す符号ＦＢ）と比較される。そして、エラーアンプ１４０からこれら比較される二つの電流値の差に応じた信号がＰＷＭ発生装置１５０に入力される。
ＰＷＭ発生装置１５０には、三角波発生装置１６０から均一周期で上りと下りの傾きの絶対値が等しい変化を繰り返す電圧信号である三角波の入力も行われ、エラーアンプ１４０からの信号と比較を行い、エラーアンプ１４０からの信号が大きければON信号、小さければOFF信号が出力される。このON/OFF信号が最終段の駆動回路としてのコイル４のＨブリッジ回路１８０の各ＦＥＴａ〜ＦＥＴｄを駆動させる信号となる。
【０００５】
Ｈブリッジ回路１８０は、Ａ相コイル４の一端部と電源Ｖとの間で並列に設けられたFETa及びダイオード１８３と、Ａ相コイル４の一端部とアースとの間で並列に設けられたFETb及びダイオード１８４と、Ａ相コイル４の他端部と電源Ｖとの間で並列に設けられたFETc及びダイオード１８５と、Ａ相コイル４の他端部と電源Ｖとの間で並列に設けられたFETd及びダイオード１８６と、Ａ相コイル４の端部側に直列に設けられた電流検出手段１８２とを備えている。また、ダイオード１８３はＡ相コイルの一端部から電源側への通電を許容する向きで接続され、ダイオード１８４はアースからＡ相コイルの一端部側への通電を許容する向きで接続され、ダイオード１８５はＡ相コイルの他端部から電源側への通電を許容する向きで接続され、ダイオード１８６はアースからＡ相コイルの他端部側への通電を許容する向きで接続されている。
FETa及びFETdに対してはＰＷＭ発生装置１５０からのON/OFF信号は直接入力され、FETb及びFETcに対してはＰＷＭ発生装置１５０からのON/OFF信号はＮＯＴ回路１７１，１７２を介して入力されるようになっている。
【０００６】
そして、図７のステップ０，１，２ではコイル電流は図８のＦ方向に流れるが、このときFETa,FETdがON/OFFを繰り返して電流値をコントロールする。そして、FETa,FETdに対するON/OFFの繰り返しにおけるOFFのときはFETb、FETcのダイオード１８４，１８５を通って電流が電源に戻る方向で流れる。従って、このときにはダイオード発熱を抑えるためにFETb、FETcをONにする。
ステップ３，７では、図７に示すように、電流の指令値は80Hとなり、これは電流値0[A]を意味する。このとき電流はＦ方向とその逆方向を交互に流れるようにFETa〜FETdは制御され平均電流は0[A]となる。
ステップ４，５，６では電流方向がＦとは逆方向となる。即ち、FETb,FETcがON/OFFを繰り返し、FETb,FETcのOFFのときはFETa、FETdをONにして電流値をコントロールする。
【０００７】
電流方向とFETのON、OFFの関係を図１０に示す。図１０（Ａ）はステップ０，１，２、図１０（Ｂ）はステップ３，７、図１０（Ｃ）はステップ４，５，６における電流の変化を示しているが、各ステップにおいて、コイル４の電流の傾きが正方向に変化するときはFETa，FETdがONし、負方向に変化するときはFETc、FETbがONする。この傾きは、コイル４に加わっている電圧に左右されるが、この電圧は電源電圧となるためほぼ同じ傾きとなる。この傾きによる電流変化分は、前述した駆動電流と停止電流の切り替えにより指令電流が大きくても、小さくても同じとなり、鉄損の原因となる。すなわち、モータ発熱を抑えるために停止中の電流値を下げても、電流値による銅損は減少できるが、鉄損を抑えることができないので、発熱が発生するという問題を有していた。
【０００８】
そこで、鉄損の問題解決のために図１１に示す、新たに改良を加えた他の励磁回路２００が案出されている（例えば、特許文献１参照）。
この励磁回路２００は、励磁回路１００のデコーダ１２０に新たな出力P1、P2を加えたデコーダ２２０を備えると共に、ＰＷＭ発生装置１５０からの出力とデコーダ出力P1とが入力されてFETaに出力を行うＡＮＤ回路２７１と、当該ＡＮＤ回路２７１の出力を反転してFETbに入力するＮＯＴ回路２７２と、ＰＷＭ発生装置１５０からの出力を反転するＮＯＴ回路２７３と、ＮＯＴ回路２７３からの出力とデコーダ出力P2とが入力されてFETcに出力を行うＡＮＤ回路２７４と、当該ＡＮＤ回路２７４の出力を反転してFETdに入力するＮＯＴ回路２７５とを備える点が励磁回路１００と異なっている。
【０００９】
図１２はデコーダ２２０のＡ〜Ｄポートの各種の入力コードに対応する出力を示す対応表の図である。
モータ駆動中のripple信号(Ｄへの入力コード)は「0」になっており、この入力に対してデコーダ２２０は、P1,P2出力を「1」とする。これにより、上述の論理回路構成の場合、最終段のＡＮＤ回路２７１、２７４はＰＷＭ信号をそのまま通すため、全てのFETa〜FETdはON/OFFを繰り返すことになる。
図１３（Ａ）に示すようにFETa、FETdがON、FETb、FETcがOFFの時電流が矢印Ｆ１方向に流れているとすれば、図１３（Ｂ）のようにFETa、FETdがOFF、FETb、FETcがONとなったとき電流は矢印Ｂ１の様にアース（GND）から電源（Vcc）に向かって流れる（以下、図１３（Ａ）（Ｂ）の状態を交互に取ることを通常制御又は第一の制御と称する）。
【００１０】
また、モータ停止中はripple信号が「1」となり、これに対してデコーダ２２０は、電流が＋方向（OUT出力がC0H、E0H）のとき、P1=「1」、P2=「0」、また、電流が0（OUT出力が80H）のときP1=「0」、P2=「0」、電流方向が−方向（OUT出力が40H、20H）の時はP1=「0」、P2=「1」の出力を行う。
電流が＋方向のときすなわち図１４（Ａ）ではP1=「1」であり、FETaとFETbはON/OFFを繰り返しているが、P2=「0」のためFETcはOFF、FETdはONに固定される。
図１４（Ａ）のようにFETaがON,FETbがOFFの時には電流はＦ１の向きに流れるが、FETaがOFF、FETbがONとなったときには図１４（Ｂ）のように電流は電源には帰らず、FETb,FETdを通り、矢印Ｂ２のように還流する。このとき、図１３（Ｂ）のように電流の流れを妨げるような逆向きの電圧は加わらないため、電流の減少は図１５のように非常に穏やかになる。
電流の変化分（電流リップル）は図１０と比べ非常に小さいものとなる（以下、これを「リップルオフ制御」又は第二の制御と称する）。これによりモータの鉄損による発熱は小さなものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−０９５１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このリップルオフ制御について、リップルオフ制御と通常制御との相互の切り替え時に、ステッピングモータが動いてしまうという問題があった。
このステッピングモータが動いてしまう原因は、切り替え時にモータ電流が一時的に変動するためで、これは、リップルオン制御と通常制御との切り替え時に、Ｄ／Ａコンバータ１３０からエラーアンプ１４０に入力される電流指令値が一定のままの場合でも、エラーアンプ１４０の出力値が異なることに原因がある。
例えば、ステッピングモータが停止する場合、通常制御では、その停止位置のステップでの電流の指令値が維持され、モータ電流一定状態の時、エラーアンプ出力はほぼ０となる。つまり、ＰＷＭ信号のONとOFFの割合が同じになるようになっている。モータ電流はＰＷＭオン時の電流上昇度とオフ時の電流減少度の傾きが同じである事からこのようになっている(図１６参照)。
一方、リップルオフ制御の場合、ＰＷＭオフ時の電流減少度の傾きがオン時に比べて穏やかな為、各FETのON/OFFの時間割合が同じだと電流は増加してしまう。この為、電流を一定に保とうと働いて、ONの割合を減らすようにエラーアンプはマイナス（−）の値になる(図１７)。
通常制御からリップルオフ制御へ切り替えた際に、各FETのON−OFF状態は即座に切り替わり、エラーアンプ出力も０からマイナス（−）の値に切り替えを開始するが、応答時間による遅れが存在する為、すぐに切り替わらない。この０からマイナスになるまでの変化期間において、リップルオフ状態にもかかわらず、ＰＷＭ信号のON幅が大きすぎる為、電流が急増してしまう。その後、エラーアンプがマイナスに切り替わると電流も元に戻るが、この急増時の電流変化時にモータが動いてしまう(図１８のＳ)。
なお、通常制御からリップルオフ制御の切り替えは、モータが既に停止した状態で行われることが多い。つまり、いずれかのステップに維持した状態で制御の切り替えが行われるが、そのようにステップが推移していない場合でも、上記のように電流の急激な変化が発生すると、もう一方のＢ相コイルとの間で励磁状態のバランスが崩れ、モータに微小な動作が発生してしまう。
また、同様の事が、リップルオフ制御から通常制御への切り替えにおいても発生するといった問題があった(図１８のＤ)。
【００１３】
本発明は、制御切替時のステッピングモータの誤動作を抑止することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１記載の発明は、ステッピングモータのコイルの一端部を電源側とアース側とにそれぞれ接続する第一と第二のスイッチング素子と前記コイルの他端部を前記電源側とアース側とにそれぞれ接続する第三と第四のスイッチング素子とを備えるＨブリッジ回路と、
前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御することで当該コイルに流れる電流を一定の電流に制御する駆動回路と、を前記ステッピングモータのコイルごとに備え、前記各駆動回路は、前記コイルの電流を検出する電流検出手段と、前記コイルに流れる電流値を定めるための電流指令値と前記電流検出手段による検出電流値との差に応じた信号出力を行うエラーアンプと、前記エラーアンプの信号出力に基づいてＯＮとＯＦＦの比率を定めたスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段とを備え、 前記スイッチング信号に基づいて、前記第一及び第四のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共にこれらと反転したタイミングで前記第二及び第三のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行う第一の制御と、前記スイッチング信号に基づいて、前記第一と第二のスイッチング素子とを互いに反転したタイミングでＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共に前記第三のスイッチング素子をＯＦＦ、前記第四のスイッチング素子をＯＮに固定する第二の制御とを択一的に実行して前記各コイルの１−２相励磁を行うステッピングモータの駆動装置において、前記二つの制御の切り替えの際に、前記第一及び第三のスイッチング素子をＯＦＦ、前記第二及び第四のスイッチング素子をＯＮに固定すると共に切り替えにより前記エラーアンプに生じる出力の増加又は減少に合わせて電流指令値を一時的に増加又は減少させて前記エラーアンプに入力する第三の制御を介在させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の発明では、通常制御とリップル制御の切り替えの際に、第一及び第三のスイッチング素子をＯＦＦ、第二及び第四のスイッチング素子をＯＮに固定すると共に切り替えによりエラーアンプに生じる出力の増加又は減少に合わせて電流指令値を一時的に増加又は減少させてエラーアンプに入力する第三の制御を介在させているので、エラーアンプにおけるフィードバックでの応答遅れの影響を回避することができ、スイッチング素子が制御の切り替えに伴うデューティー比の切り替えの遅れを排除できるので、モータの誤動作を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態たるステッピングモータの駆動装置が接続されたステッピングモータの構成を示す説明図である。
【図２】ステッピングモータのコイルと電源装置とを接続する励磁回路の構成を示す構成図である。
【図３】デコーダへの入力コードと、デコーダから出力される電流指令値並びに信号Ｐ１、Ｐ２との対応関係を示すテーブルである。
【図４】駆動装置の行う制御を示すフローチャートである。
【図５】通常制御からリップルオフ制御への切り替えにおけるエラーアンプ出力、モータ電流、電流指令値の変化を示す線図である。
【図６】リップルオフ制御から通常制御への切り替えにおけるエラーアンプ出力、モータ電流、電流指令値の変化を示す線図である。
【図７】２相ステッピングモータの１−２相励磁方式での各ステップにおける電流値を示す説明図である。
【図８】従来の励磁回路の構成図である。
【図９】デコーダのＡ〜Ｄポートの各種の入力コードに対応する出力を示す対応表の図である。
【図１０】電流方向とFETのON、OFFとの関係を示す線図であり、図１０（Ａ）はステップ０，１，２、図１０（Ｂ）はステップ３，７、図１０（Ｃ）はステップ４，５，６に対応している。
【図１１】他の従来の励磁回路の構成図である。
【図１２】デコーダのＡ〜Ｄポートの各種の入力コードに対応する出力を示す対応表の図である。
【図１３】図１３（Ａ）はＨブリッジ回路の各ＦＥＴに対する通常制御において交互に行われる一方の接続状態を示し、図１３（Ｂ）は他方の接続状態を示す。
【図１４】図１４（Ａ）はＨブリッジ回路の各ＦＥＴに対するリップルオフ制御において交互に行われる一方の接続状態を示し、図１４（Ｂ）は他方の接続状態を示す。
【図１５】リップルオフ制御における電流変化を示す線図である。
【図１６】通常制御における三角波とＰＷＭ信号から形成されるモータ電流波形を示す線図である。
【図１７】リップルオフ制御における三角波とＰＷＭ信号から形成されるモータ電流波形を示す線図である。
【図１８】通常制御からリップルオフ制御の切り替え時におけるモータ電流の上昇を示す説明図である。
【図１９】リップルオフ制御から通常制御の切り替え時におけるモータ電流の上昇を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（本発明によるミシンのステッピングモータの駆動装置の全体構成）
図１は本発明の実施形態たる駆動装置７が接続されたステッピングモータ１の構成を示す説明図である。以下、図１から図６に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態たるステッピングモータ１の駆動装置７は、ステッピングモータ１のＡ相及びＢ相の各コイル４，５ごとに設けられた励磁回路１０と、各励磁回路１０を通じてステッピングモータ１の１−２相励磁による駆動制御を行う制御回路４０とを備えている。
【００１８】
（ステッピングモータ）
ステッピングモータ１は、当該ステッピングモータ１の回転軸と連結されて回転可能に設けられた円柱状の回転子２と、回転子２の周囲に設けられた円筒状の固定子３と、固定子３の内周部において回転子２に近接する方向に突出して設けられた芯部３ａ、３ｂに巻きつけられて、後述する励磁回路１０による電流制御によって励磁されて回転子２の回転角度を変更／維持するコイル４，５とを備えている。なお、各コイル４，５は簡略化して図示しているが、実際には、それぞれ複数のコイルからなり、それらは回転子２の周囲に直列且つ均一間隔で交互に配置されている。
【００１９】
回転子２は、永久磁石等の磁性体であり、図示しないステッピングモータ１の回転軸に連結されて回転可能に支持されている。固定子３は、回転子２の周囲に設けられた円筒状の磁性材料（例えば鉄）であり、その内周部に回転子２に近接する方向に突出して設けられた芯部３ａ〜３ｄが設けられている。
コイル４，５は、芯部３ａ、３ｂに巻きつけられた巻線であり、後述する励磁回路１０によって電流が流されることによって励磁されて電磁石として機能する。このときコイル４，５は各励磁回路１０を通じて制御回路４０により電流制御が行われ、当該制御によりそれぞれが半位相ずらして８つのステップ（ステップ０〜７とする：図７参照）で推移させることにより、ステッピングモータ１の回転駆動が行われるようになっている。
【００２０】
（ステッピングモータの駆動装置）
次に、ステッピングモータの駆動装置７について詳細に説明する。
ステッピングモータの駆動装置７は、ステッピングモータ１の駆動／停止及び回転角度を制御する。ステッピングモータの駆動装置７は、図１に示すように、ステッピングモータ１のコイル４，５のそれぞれに設けられてコイル４，５に流れる電流の制御を行う二つの励磁回路１０，１０と、ステッピングモータ１の駆動／停止制御及び回転角度制御を行う制御回路４０と、を備えている。なお、各コイル４，５の励磁回路１０はいずれも同一の構成からなるのでコイル４の励磁回路１０のみについて説明を行うこととする。
【００２１】
図２はステッピングモータのコイル４と電源装置６とを接続する励磁回路１０の構成を示す回路図である。
かかる励磁回路１０において、前述した励磁回路２００と同一の構成については同符号を付して重複する説明は省略するものとする。
励磁回路１０は、コイル４の一端部を電源側とアース側とにそれぞれ接続する第一と第二のスイッチング素子としてのFETa及びFETbと、コイル４の他端部を電源側とアース側とにそれぞれ接続する第三と第四のスイッチング素子としてのFETc及びFETdとを備えるＨブリッジ回路１８０と、各FETa〜FETdのＯＮとＯＦＦとを制御することで当該コイル４に流れる電流を一定の電流に制御する駆動回路３０とを備えている。
【００２２】
FETa〜FETdは所謂３端子の電界効果トランジスタであり、FETa、FETbの一方の電極がコイル４の一端と、FETc、FETdの一方の電極がコイル４の他端と接続されている。また、FETa、FETcの他方の電極が電源側と、FETb、FETdの他方の電極がアースと接続されている。つまり、コイル４とFETa〜FETdとによってＨブリッジ回路が構成されている。
また、FETa〜FETdが各種の論理回路２７１〜２７５を介して駆動回路３０のＰＷＭ発生装置１５０と接続されていること、FETa〜FETdにはそれぞれダイオード１８３〜１８６が並列接続されていることは前述した通りである。なお、FETa〜FETdは双方向の通電が可能である。
【００２３】
（駆動回路）
駆動回路３０は、制御回路４０によって出力されたパルス信号と方向信号とを受信して３ビットのコードを出力するカウンタ１１０と、カウンタ１１０からの出力コードと制御回路４０によって出力されたripple信号とから８ビットの電流指令値とFETa〜FETdのＯＮとＯＦＦの制御を行うための信号Ｐ１、Ｐ２とを出力するデコーダ２０と、デコーダ２０による電流指令値をアナログ値に変換するＤ／Ａコンバータ１３０と、コイル４に直接で接続された電流検出手段１８２と、電流指令値に対する電流検出手段１８２による検出電流値の偏差を所定のゲインで出力するエラーアンプ１４０と、所定の周波数で三角波を出力する三角波発生回路１６０と、エラーアンプ１４０の出力が三角波を上回る比率をONの比率としてスイッチング信号としてのＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ出力回路１５０とを備えている。上記ＰＷＭ出力回路１５０と三角波発生回路１６０とは、エラーアンプ１４０の信号出力に基づいてＯＮとＯＦＦの比率を定めたスイッチング信号であるＰＷＭ信号を生成するスイッチング信号生成手段として機能するものである。
また、ＰＷＭ出力回路１５０から各FETa〜FETdまで間に設けられた各論理回路２７１〜２７５の接続配置は前述した励磁回路２００と同じである。
【００２４】
まず、制御回路４０について詳細に説明する。
制御回路４０は、ステッピングモータ１の駆動／停止制御及び回転角度の制御するための各種の処理を行う。制御回路４０は、カウンタ１１０に対してパルス信号と方向信号を出力すると共に、デコーダ２０に対してripple信号とPOFF信号とを出力する。
パルス信号は、パルスモータ１のステップの遷移タイミングを示す信号であり、方向信号はステッピングモータ１の回転方向を示す信号である。
ripple信号は、第一の制御としての通常制御と第二の制御としてのリップルオフ制御のいずれを実行するかを指令する信号である。
なお、通常制御は、ＰＷＭ信号に基づいて、FETa及びFETdのＯＮ／ＯＦＦ切り替えを同時に行うと共に、これらと反転したタイミングでFETb及びFETcのＯＮ／ＯＦＦ切り替えを同時に行う制御であり、具体的には前述した図１３に示す制御である。
また、リップル制御は、ＰＷＭ信号に基づいて、FETa及びFETbとを互いに反転したタイミングでＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共にFETcをＯＦＦ、FETdをＯＮに固定する制御であり、具体的には前述した図１４に示す制御である。
【００２５】
POFF信号は、通常制御からリップルオフ制御への切り替え時又はリップルオフ制御から通常制御への切り替え時に介在する制御であって、FETa及びFETcをＯＦＦ、FETb及びFETdをＯＮに固定すると共に切り替え直前の電流指令値に応じて＋方向又は−方向最大の電流指令値をエラーアンプ１４０に入力する中間制御（第三の制御）を実行させる信号である。
かかる中間制御は、例えば、通常制御からリップルオフ制御に切り替える際に、FETa及びFETcをＯＦＦ、FETb及びFETdをＯＮに固定することにより、それまで通電されていたコイル４を流れる電流がアース側で還流した状態となり、損失がないので徐々に電流が0に向かって減衰する状態となる（以下、フリー状態という）。そして、フリー状態への切り替えと同時に、通常制御からリップルオフ制御への切り替え又はリップルオフ制御から通常制御への切り替えの際にエラーアンプ１４０に生じる出力の増加又は減少の変化に合わせて、電流指令値を一時的に増加又は減少させるように制御される。
即ち、通常制御からリップルオフ制御への切り替えを行う場合であって、切り替え時におけるコイル４への電流が正極の場合には、エラーアンプ１４０はその出力値を低減してＰＷＭ信号のデューティー比を低減させる必要があるので、中間制御での電流指令値は減少される。なお、この実施例では、指令範囲内における最小の値（−方向最大指令値）が出力される。また、切り替え時におけるコイル４への電流が負極の場合には、指令範囲内における最大の値（＋方向最大指令値）が出力される。
さらに、リップルオフ制御から通常制御への切り替えを行う場合であって、切り替え時におけるコイル４への電流が正極の場合には、エラーアンプ１４０はその出力値を増加してＰＷＭ信号のデューティー比を増加させる必要があるので、中間制御での電流指令値は増加される。なお、この実施例では、指令範囲内における最大の値（＋方向最大指令値）が出力される。また、切り替え時におけるコイル４への電流が負極の場合には、指令範囲内における最小の値（−方向最大指令値）が出力される。
なお、一般には、通常制御からリップルオフ制御への切り替え（その逆の切り替えも同様）は、ステッピングモータ１が停止した状態で行われる。このため、停止位置が、ステッピングモータ１を駆動させるステップ０〜７のいずれであるかに応じて、切り替え時におけるコイル４への電流の極性が決定される。
【００２６】
デコーダ２０は、カウンタ１１０によるコードと制御回路４０によって出力されたripple信号及びPOFF信号とにより、８ビットの電流指令値と各ＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦパターンを制御する信号Ｐ１、Ｐ２とを出力する。ripple信号はリップルオフ制御の実行の有無を示す信号であり、POFF信号は中間制御の実行の有無を示す信号である。いずれも1ビットの信号で「0」が実行せず、「1」が実行を示す。
【００２７】
図３はデコーダ２０への入力コードと、デコーダ２０から出力される電流指令値並びに信号Ｐ１、Ｐ２との対応関係を示すテーブルである。図３の[i]は通常制御の入力内容を示し、[ii]はリップルオフ制御の入力内容を示す。
図３に示す入力コードのうち、Ａ，Ｂ，Ｃはカウンタ１１０から出力される３ビットのコードであり、Ｄはripple信号を示す値である。
デコーダ２０における出力は、POFF＝0の場合とPOFF＝1の場合とで大別されており、POFF＝0の場合には、前述した駆動装置２００のデコーダ２２０と同じ出力を行うので、説明は省略する。
一方、POFF＝1の場合には、中間処理を実行させる出力が行われる。具体的には、デコーダ２０のＤ／Ａコンバータ１３０を通じたエラーアンプ１４０への出力であるOUTでは、通常制御でステップ０〜３においてリップルオフ制御に切り替える場合には一律に00H（−方向最大指令値）を出力し、通常制御でステップ４〜７においてリップルオフ制御に切り替える場合には一律にFFH（＋方向最大指令値）を出力し、リップルオフ制御でステップ０〜３において通常制御に切り替える場合には一律にFFH（＋方向最大指令値）を出力し、リップルオフ制御でステップ４〜７において通常制御に切り替える場合には一律に00H（−方向最大指令値）を出力するようになっている。
【００２８】
POFF＝1の場合には、一律に信号Ｐ１＝0、Ｐ２＝0に出力が固定されている。これによりＰＷＭ出力回路１５０の出力にかかわらず、FETa＝OFF、FETb＝ON、FETc＝ON、FETd＝OFFに固定されるようになっている。
【００２９】
（駆動装置の制御）
以上の構成において、図４に示す制御フローチャートに基づいて説明する。
まず、（１）通常制御→リップルオフ制御への切り替えの場合で電流方向が＋方向（図３の[i]のステップの場合）について説明する。
まず、制御回路４０からデコーダ２０の入力POFFに１が入力されると（ステップＳ１）、図３の真理値表に示すようにデコーダ２０への入力コードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとは無関係に出力Ｐ１、Ｐ２から「0」が出力される（ステップＳ２）。これによりFETa、FETcがOFFとなり、電源から遮断される。この電源から遮断されている期間を「フリー状態」と称す（図５参照）。このフリー状態では、電源から電流は供給されず、ステッピングモータ１のコイル４に流れる電流はＨブリッジ回路１８０内を還流し、そのままの値を維持し続けようとする。
【００３０】
次に、デコーダ２０は、現在の制御が「通常制御」か「リップルオフ制御」か判定する。即ち、入力コードＤは「0」であれば通常制御、「1」であればリップル制御を示すので、入力コードＤの入力が行われると（ステップＳ３）、デコーダ２０は入力コードＤの値から現在の制御を判定する（ステップＳ４）。
その結果、「通常制御」と判定されると、デコーダ２０は、電流方向が＋方向か−方向か判定する。即ち、入力コードＡが「0」であれば＋方向、「1」であれば−方向を示すので、入力コードＡの入力が行われると（ステップＳ５）、デコーダ２０は入力コードＡの値から電流方向を判定する（ステップＳ６）。
【００３１】
電流方向が＋方向と判定されると、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「00H」（−方向最大指令値）を出力する（ステップＳ７：図５参照）。この時、指令出力に対して、電流は増えないのでエラーアンプ１４０の出力は−方向に増大し、リップルオフ制御時のエラーアンプ１４０の出力値と同じになるまで、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「00H」の出力を継続する。なお、この継続時間は、−方向最大指令値の出力により、エラーアンプ１４０がリップルオフ制御時の出力値と同じ値になるまでに必要な時間を試験的に求めるなどして適宜設定することが望ましい。
【００３２】
その後、制御回路４０は入力コードＤへのripple信号を「1」に切り替えると共に（ステップＳ８）、POFF信号を「0」に切り替え、フリー状態からリップルオフ制御への切り替えが行われる（ステップＳ９）。
このとき、エラーアンプ１４０の出力値は変化しないので、ＰＷＭ信号も変化しない。このためリップルオフに切り替えた時のモータ電流は変化しない為、モータの誤動作を防止することが可能となる。
【００３３】
なお、電流方向が−方向の状態で、通常制御→リップルオフ制御への切り替えが行われる場合には、ステップＳ６の電流方向の判定において、電流方向が−方向と判定され、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「FFH」（＋方向最大指令値）を出力する（ステップＳ１０）。
【００３４】
次に、（２）リップルオフ制御→通常制御への切り替えの場合で電流方向が＋方向（図３の[ii]のステップの場合）について説明する。
ステップＳ１〜Ｓ４までは（１）通常制御→リップルオフ制御の場合と同様である。
デコーダ２０により入力コードＤの値から現在の制御の判定が行われると（ステップＳ４）、Ｄ＝1なので、「リップルオフ制御」と判定される、デコーダ２０は、電流方向が＋方向か−方向か判定する。入力コードＡの入力が行われると（ステップＳ１０）、さらに、入力コードＡの値から電流方向が判定される（ステップＳ１２）。
この場合、電流方向が＋方向と判定され、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「FFH」（＋方向最大指令値）を出力する（ステップＳ１３：図６参照）。この時、指令出力に対して、電流は減らないのでエラーアンプ１４０の出力は＋方向に増大し、リップルオフ制御時のエラーアンプ１４０の出力値と同じになるまで、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「FFH」の出力を継続する。なお、この継続時間も、試験などにより適宜設定することが望ましい。
【００３５】
その後、制御回路４０は入力コードＤへのripple信号を「0」に切り替えると共に（ステップＳ１４）、POFF信号を「0」に切り替え、フリー状態から通常制御への切り替えが行われる（ステップＳ９）。
このとき、エラーアンプ１４０の出力値は変化しないので、ＰＷＭ信号も変化しない。このため通常制御に切り替えた時のモータ電流は変化しない為、モータの誤動作を防止することが可能となる。
【００３６】
なお、電流方向が−方向の状態で、リップルオフ制御→通常制御への切り替えが行われる場合には、ステップＳ１２の電流方向の判定において、電流方向が−方向と判定され、デコーダ２０は指令出力ＯＵＴから「00H」（−方向最大指令値）を出力する（ステップＳ１５）。
【符号の説明】
【００３７】
１ ステッピングモータ
４ Ａ相コイル
５ Ｂ相コイル
３０ 駆動回路
１４０ エラーアンプ
１５０ ＰＷＭ発生装置（スイッチング信号生成手段）
１６０ 三角波発生回路（スイッチング信号生成手段）
１８０ Ｈブリッジ回路
１８２ 電流検出手段
FETa〜FETd（第一〜第四のスイッチング素子）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステッピングモータのコイルの一端部を電源側とアース側とにそれぞれ接続する第一と第二のスイッチング素子と前記コイルの他端部を前記電源側とアース側とにそれぞれ接続する第三と第四のスイッチング素子とを備えるＨブリッジ回路と、
前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御することで当該コイルに流れる電流を一定の電流に制御する駆動回路と、を前記ステッピングモータのコイルごとに備え、
前記各駆動回路は、
前記コイルの電流を検出する電流検出手段と、
前記コイルに流れる電流値を定めるための電流指令値と前記電流検出手段による検出電流値との差に応じた信号出力を行うエラーアンプと、
前記エラーアンプの信号出力に基づいてＯＮとＯＦＦの比率を定めたスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段とを備え、
前記スイッチング信号に基づいて、前記第一及び第四のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共にこれらと反転したタイミングで前記第二及び第三のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行う第一の制御と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記第一と第二のスイッチング素子とを互いに反転したタイミングでＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共に前記第三のスイッチング素子をＯＦＦ、前記第四のスイッチング素子をＯＮに固定する第二の制御とを択一的に実行して前記各コイルの１−２相励磁を行うステッピングモータの駆動装置において、
前記二つの制御の切り替えの際に、前記第一及び第三のスイッチング素子をＯＦＦ、前記第二及び第四のスイッチング素子をＯＮに固定すると共に切り替えにより前記エラーアンプに生じる出力の増加又は減少に合わせて電流指令値を一時的に増加又は減少させて前記エラーアンプに入力する第三の制御を介在させることを特徴とするステッピングモータの駆動装置。
【請求項１】
ステッピングモータのコイルの一端部を電源側とアース側とにそれぞれ接続する第一と第二のスイッチング素子と前記コイルの他端部を前記電源側とアース側とにそれぞれ接続する第三と第四のスイッチング素子とを備えるＨブリッジ回路と、
前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御することで当該コイルに流れる電流を一定の電流に制御する駆動回路と、を前記ステッピングモータのコイルごとに備え、
前記各駆動回路は、
前記コイルの電流を検出する電流検出手段と、
前記コイルに流れる電流値を定めるための電流指令値と前記電流検出手段による検出電流値との差に応じた信号出力を行うエラーアンプと、
前記エラーアンプの信号出力に基づいてＯＮとＯＦＦの比率を定めたスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段とを備え、
前記スイッチング信号に基づいて、前記第一及び第四のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共にこれらと反転したタイミングで前記第二及び第三のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行う第一の制御と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記第一と第二のスイッチング素子とを互いに反転したタイミングでＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行うと共に前記第三のスイッチング素子をＯＦＦ、前記第四のスイッチング素子をＯＮに固定する第二の制御とを択一的に実行して前記各コイルの１−２相励磁を行うステッピングモータの駆動装置において、
前記二つの制御の切り替えの際に、前記第一及び第三のスイッチング素子をＯＦＦ、前記第二及び第四のスイッチング素子をＯＮに固定すると共に切り替えにより前記エラーアンプに生じる出力の増加又は減少に合わせて電流指令値を一時的に増加又は減少させて前記エラーアンプに入力する第三の制御を介在させることを特徴とするステッピングモータの駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１１−１２０３７２（Ｐ２０１１−１２０３７２Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７５３０９（Ｐ２００９−２７５３０９）
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（０００００３３９９）ＪＵＫＩ株式会社 (1,557)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（０００００３３９９）ＪＵＫＩ株式会社 (1,557)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]