JP6337837B2 - Stepping motor drive - Google Patents
- ️Wed Jun 06 2018
以下、本発明の第１実施形態に係るステッピングモーター駆動装置について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るステッピングモーター駆動装置の構成を示すブロック図である。 Hereinafter, a stepping motor driving apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a stepping motor driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
ステッピングモーター駆動装置１０は、複写機やプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置で使用するステッピングモーター１を駆動する装置である。ステッピングモーター駆動装置１０は、ドライブ回路２と、励磁制御部３と、制御クロック切替部４と、エッジ検出部５と、電流検出部６と、電流上昇率検出部７と、駆動電流値決定部９と、これら全体を制御するＣＰＵ８とを備えている。ステッピングモーター駆動装置１０は、オープンループ制御を行い、ＣＰＵ８及び制御クロック切替部４からの制御クロック(パルス入力)により、励磁制御部３及びドライブ回路２がステッピングモーター１の立ち上げ制御、定常回転制御、立ち下げ制御を行う。 The stepping motor driving device 10 is a device that drives a stepping motor 1 used in an image forming apparatus such as a copying machine, a printer, or a facsimile. The stepping motor driving device 10 includes a drive circuit 2, an excitation control unit 3, a control clock switching unit 4, an edge detection unit 5, a current detection unit 6, a current increase rate detection unit 7, and a drive current value determination unit. 9 and a CPU 8 for controlling the whole. The stepping motor drive device 10 performs open loop control, and the excitation control unit 3 and the drive circuit 2 perform start-up control and steady rotation control of the stepping motor 1 by a control clock (pulse input) from the CPU 8 and the control clock switching unit 4. Then, the fall control is performed.
ドライブ回路２は、ステッピングモーター１の各励磁相をオン／オフするスイッチング素子であるＦＥＴを備えたＨブリッジ回路であり、ステッピングモーター１を駆動する。 Drive circuit 2 is H bridge circuit with FET as a switching element for turning on / off the exciting phase of the stepping motor 1, driving the stepping motor 1.
励磁制御部（定電流制御部の一例）３は、制御クロック切替部４から入力される制御クロックと、ＣＰＵ８によって指示された励磁モード（ＭＯＤＥ）及び回転方向（ＣＷ／ＣＣＷ）とに基づいて、ドライブ回路２のＦＥＴを駆動することで、ステッピングモーター１の各励磁相のオン／オフを切り替える制御回路である。 The excitation control unit (an example of a constant current control unit) 3 is based on the control clock input from the control clock switching unit 4, the excitation mode (MODE) and the rotation direction (CW / CCW) instructed by the CPU 8. This is a control circuit that switches on / off each excitation phase of the stepping motor 1 by driving the FET of the drive circuit 2.
制御クロック切替部（定電流制御部の一例）４は、ＣＰＵ８によって指示される駆動電流値及び制御クロック（すなわち、回転速度（単位時間当たりの回転数））に対応する駆動周波数を励磁制御部３に出力する。制御クロック切替部４は、ＣＰＵ８によって指示される上記駆動電流値に応じて、駆動周波数のデューティー比を決定する。励磁制御部３は、制御クロック切替部４から出力されてくる制御クロックの示す駆動周波数、及びデューティー比でドライブ回路２のＦＥＴをオン／オフ制御（チョッピング動作）することで、モーター駆動電流を一定にする定電流制御を行う。なお、ＣＰＵ８は、例えば、低速として0〜1000kHzの駆動周波数から、高速として当該1000kHzを超える駆動周波数を設定し、制御クロック切替部４に出力する。 The control clock switching unit (an example of a constant current control unit) 4 sets the drive frequency corresponding to the drive current value and control clock (that is, the rotation speed (number of rotations per unit time)) instructed by the CPU 8 to the excitation control unit 3. Output to. The control clock switching unit 4 determines the duty ratio of the drive frequency according to the drive current value indicated by the CPU 8. The excitation control unit 3 controls the FET of the drive circuit 2 on / off with the drive frequency indicated by the control clock output from the control clock switching unit 4 and the duty ratio (chopping operation), thereby keeping the motor drive current constant. Constant current control is performed. The CPU 8 sets, for example, a driving frequency exceeding 1000 kHz as a high speed from a driving frequency of 0 to 1000 kHz as a low speed, and outputs it to the control clock switching unit 4.
ここで、ステッピングモーター１及びステッピングモーター１で発生する逆起電圧を説明する。図２は、ステッピングモーター１の内部回路を示す図である。ステッピングモーター１の内部回路は、バイポーラ駆動であるために図２に示す構成となる。なお、図２では、Ｈブリッジ回路の一方向のみを図示している。制御クロックによる電流切り替えでは、以下の成分の電流の合成となる。ここでは、相切り替えが、Ａ相→Ａ／相に切り替わった状態を説明する。 Here, the back electromotive force generated in the stepping motor 1 and the stepping motor 1 will be described. FIG. 2 is a diagram showing an internal circuit of the stepping motor 1. The internal circuit of the stepping motor 1 has the configuration shown in FIG. 2 because it is bipolar drive. In FIG. 2, only one direction of the H-bridge circuit is shown. In the current switching by the control clock, the following components are combined. Here, a state in which the phase switching is switched from A phase to A / phase will be described.
ステッピングモーター１は、バイポーラ駆動であるため、Ｈブリッジ回路にて、２つのモーター巻線（Ａ相／Ｂ相）に双方向の駆動電圧が切り替えながら印加される。このとき、Ａ相→Ａ／相成分：電流ｉは、数１に示す式１により表される。
Since the stepping motor 1 is bipolar drive, a bi-directional drive voltage is applied to the two motor windings (A phase / B phase) while switching in the H bridge circuit. At this time, A phase → A / phase component: current i is expressed by Equation 1 shown in Equation 1.
また、Ａ／相→Ａ相成分：電流−ｉは、数２に示す式２により表される。
Further, A / phase → A phase component: current-i is expressed by Equation 2 shown in Equation 2.
このため、合成電流は、数３に示す式３により表される。
ｔ：２相励磁切り替わり後の経過時間
τ：２相励磁で２クロック分周期
For this reason, the combined current is expressed by Equation 3 shown in Equation 3.
t: Elapsed time after switching to 2-phase excitation τ: 2-phase excitation for 2 clock cycles
このように、ステッピングモーター１をバイポーラ駆動する場合、Ｈブリッジ回路にて、２つのモーター巻線（Ａ相／Ｂ相）に双方向の駆動電圧を印加するが、モーター巻線の両端には、モーター（ローター）が回転することにより、駆動電圧とは相反する逆起電圧（Ｖｂ）が発生する。 In this way, when the stepping motor 1 is bipolar driven, a bidirectional drive voltage is applied to the two motor windings (A phase / B phase) in the H bridge circuit. When the motor (rotor) rotates, a counter electromotive voltage (Vb) opposite to the drive voltage is generated.
ステッピングモーター１の概略内部構成を図３に示す。なお、図３はＰＭモーターとしての内部構造を示す。ステッピングモーター１は、バイポーラ駆動であるため、Ｈブリッジ回路にて、２つのモーター巻線（Ａ相／Ｂ相）に双方向の駆動電圧を印加し、Ａ相とＢ相を磁極化し、回転体であるローター（磁石）の逆極性側を引き寄せることにより、それを回転運動に変換している。図３に示すように、この回転運動の中で、それぞれの巻線をローター（磁石）が横切ることになる。すなわち、この磁界の変化に応じて、駆動電圧とは相反する逆起電圧（Ｖｂ）が巻線に発生し、ローター（磁石）からの磁界のピークと巻線が垂直方向に交差するポイントが、そのまま逆起電圧のピークとして現れる。 A schematic internal configuration of the stepping motor 1 is shown in FIG. FIG. 3 shows the internal structure of the PM motor. Since the stepping motor 1 is a bipolar drive, a bi-directional drive voltage is applied to two motor windings (A phase / B phase) in an H-bridge circuit to make the A phase and B phase magnetic poles, thereby rotating the rotating body. By pulling the opposite polarity side of the rotor (magnet), it is converted into rotational motion. As shown in FIG. 3, a rotor (magnet) crosses each winding in this rotational movement. That is, according to the change of the magnetic field, a counter electromotive voltage (Vb) opposite to the drive voltage is generated in the winding, and the point where the peak of the magnetic field from the rotor (magnet) intersects the winding in the vertical direction is It appears as a peak of the back electromotive force as it is.
この逆起電圧は、以下の関係にあり、数４に示す式４で表される。
Ｖｂ０：最大逆起電圧
ｔ：２相励磁切り替わり後の経過時間
Ｔ：２相励磁で２クロック分周期
This counter electromotive voltage has the following relationship and is expressed by Equation 4 shown in Equation 4.
Vb0: Maximum counter electromotive voltage t: Elapsed time after switching to two-phase excitation T: Two-phase excitation for two clock cycles
また、逆起電圧は、モーター回転速度ω（制御クロック）とは比例関係にあり、数５に示す式５で表される。
Ｋｅ：逆起電力定数
Further, the counter electromotive voltage is proportional to the motor rotation speed ω (control clock) and is expressed by Equation 5 shown in Equation 5.
Ke: Back electromotive force constant
上記各式により表されるＡ相→Ａ／相成分：電流ｉ、Ａ／相→Ａ相成分：電流−ｉ、合成電流、及び逆起電圧は、図４に示すようになる。 The A phase → A / phase component: current i, A / phase → A phase component: current-i, combined current, and counter electromotive voltage represented by the above equations are as shown in FIG.
図４に示すように、逆起電圧は滑らかな正弦波に近い波形が確認されるが、これは安定した回転駆動を外部から入力されているからである。実際のところ、ステッピングモーター１は、入力される制御クロックの１ステップ毎に励磁制御部３により励磁の切り替えが行われることで、回転運動を行っている。励磁制御部３により励磁の切り替えをミクロで観察すると、図５に例を示すように、各相の切り替え毎に、動作（オン）→停止(オフ、保持)→動作（オン）→停止(オフ、保持)→・・・を繰り返す。 As shown in FIG. 4, the back electromotive voltage has a waveform close to a smooth sine wave. This is because a stable rotational drive is input from the outside. Actually, the stepping motor 1 performs a rotational motion by switching the excitation by the excitation control unit 3 for each step of the input control clock. When the excitation switching is observed microscopically by the excitation control unit 3, as shown in the example in FIG. 5, every time the phase is switched, operation (on) → stop (off, hold) → operation (on) → stop (off) , Hold) → Repeat.
図５を参照して説明すると、ステッピングモーター１では、例えば２相励磁の場合、Ａ相とＢ相が励磁（Ｎ極化）されると、両相の間に磁極（Ｓ極）が保持される。次にステップが進むと、Ｂ相と／Ａ相が励磁（Ｎ極化）される。この場合も両相の間に磁極（Ｓ極）が保持される、という切り替え制御が連続して行われ、回転運動となる。 Referring to FIG. 5, in the stepping motor 1, for example, in the case of two-phase excitation, when the A phase and the B phase are excited (N pole), a magnetic pole (S pole) is held between both phases. The Next, when the step proceeds, the B phase and the / A phase are excited (N pole). Also in this case, the switching control that the magnetic pole (S pole) is held between the two phases is continuously performed, resulting in a rotational motion.
逆起電圧は、ステッピングモーター１の回転速度ωとは比例関係にあるので、負荷変動が生じ、制御クロックの１ステップ毎の角速度に変化が現れれば、以下の(1)(2)に示す挙動が確認される。 Since the back electromotive force is proportional to the rotational speed ω of the stepping motor 1, if the load fluctuates and the angular speed of each step of the control clock changes, the behavior shown in (1) and (2) below. Is confirmed.
(1)負荷が重くなる → 引き込める力(電磁力のトルクマージン)が小さくなる → 角速度が遅くなる(回転数が低くなる) → 逆起電圧は低くなる (1) Heavy load → Retractable force (torque margin of electromagnetic force) decreases → Angular speed decreases (rotation speed decreases) → Back electromotive force decreases
(2)負荷が軽くなる → 引き込める力(電磁力のトルクマージン)が大きくなる → 角速度が速くなる(回転数が高くなる) → 逆起電圧は高くなる (2) Lighter load → Retractable force (electromagnetic force torque margin) increases → Angular speed increases (rotation speed increases) → Back electromotive force increases
当該(1)(2)及び従動回転時の逆起電圧の挙動を図６に示す。図６においては、1点鎖線：負荷が重い場合 角速度が遅くなる(回転数が低くなる) → 逆起電圧は低くなっている
破線：負荷が軽い場合 角速度が速くなる(回転数が高くなる) → 逆起電圧は高くなっている
実線：従動回転時(外部からの駆動を入力した場合)
FIG. 6 shows the behavior of the counter electromotive voltage during the (1), (2) and driven rotation. In FIG. 6, the one-dot chain line: When the load is heavy, the angular speed is slow (the rotational speed is low) → The back electromotive force is low Broken line: When the load is light, the angular speed is high (the rotational speed is high) → Back electromotive force is high Solid line: At the time of driven rotation (when external drive is input)
図１を用いたステッピングモーター駆動装置１０の各部の説明に戻る。電流検出部６は、ステッピングモーター１の各励磁相を流れるモーター駆動電流を検出する電流検出手段であり、例えば、電流検出用の抵抗で構成される。 Returning to the description of each part of the stepping motor driving apparatus 10 using FIG. The current detection unit 6 is a current detection unit that detects a motor drive current that flows through each excitation phase of the stepping motor 1, and includes, for example, a current detection resistor.
エッジ検出部５は、制御クロック切替部４が出力する上記制御クロックのエッジ（以下、クロックエッジという）を検出する。本実施形態では、エッジ検出部５は、上記制御クロックの立ち上がりクロックエッジを検出する。 The edge detection unit 5 detects an edge of the control clock output from the control clock switching unit 4 (hereinafter referred to as a clock edge). In the present embodiment, the edge detector 5 detects the rising clock edge of the control clock.
電流上昇率検出部７は、エッジ検出部５による立ち上がりクロックエッジの検出時点から予め定められた期間内において電流検出部６によって検出される電流値に基づいて電流上昇率を検出する。 The current increase rate detection unit 7 detects the current increase rate based on the current value detected by the current detection unit 6 within a predetermined period from the detection time of the rising clock edge by the edge detection unit 5.
駆動電流値決定部９は、電流上昇率検出部７によって検出された電流上昇率が、予め定められた値を超える場合には、当該検出された電流上昇率に応じた値だけ増加させた電流値を決定する。 When the current increase rate detected by the current increase rate detection unit 7 exceeds a predetermined value, the drive current value determination unit 9 increases the current by a value corresponding to the detected current increase rate. Determine the value.
なお、本実施形態では、ＣＰＵ８の一部が電流上昇率検出部７及び駆動電流値決定部９として機能する場合を例にして説明する。 In the present embodiment, a case where a part of the CPU 8 functions as the current increase rate detection unit 7 and the drive current value determination unit 9 will be described as an example.
ＣＰＵ８は、制御クロック切替部４に対して回転速度を指示すると共に、励磁制御部３に対して励磁モード（ＭＯＤＥ）と回転方向（ＣＷ／ＣＣＷ）とを指示する。ＣＰＵ８は、電流検出部６から検出された電流値を得て、当該電流値が一定になるように、上記駆動周波数のデューティー比を設定する。ＣＰＵ８は、駆動電流値決定部９により上記電流上昇率が上記予め定められた値を超えるとされ、当該検出された電流上昇率に応じた値だけ増加させた電流値が決定された場合には、上記駆動電流を、駆動電流値決定部９によって決定された電流値に変更する。本実施形態では、ＣＰＵ８が駆動電流を当該決定された電流値に変更し、制御クロック切替部４が、当該ＣＰＵ８により変更された電流値に応じて、駆動周波数のデューティー比を変更する。 The CPU 8 instructs the rotation speed to the control clock switching unit 4 and instructs the excitation control unit 3 about the excitation mode (MODE) and the rotation direction (CW / CCW). The CPU 8 obtains the current value detected from the current detection unit 6 and sets the duty ratio of the drive frequency so that the current value becomes constant. When the drive current value determining unit 9 determines that the current increase rate exceeds the predetermined value, the CPU 8 determines that the current value increased by a value corresponding to the detected current increase rate is determined. The drive current is changed to the current value determined by the drive current value determination unit 9. In the present embodiment, the CPU 8 changes the drive current to the determined current value, and the control clock switching unit 4 changes the duty ratio of the drive frequency according to the current value changed by the CPU 8.
本実施形態では、励磁制御部３、制御クロック切替部４、及び、上記定電流制御を行うＣＰＵ８の一部からなる集合が、特許請求の範囲における定電流制御部の一例となる。 In the present embodiment, the set including the excitation control unit 3, the control clock switching unit 4, and a part of the CPU 8 that performs the constant current control is an example of the constant current control unit in the claims.
ここで、駆動電流値決定部９が用いる上記予め定められた値とは、理想の負荷変動の範囲内となっている状況下において、当該ステッピングモーター１の性能に応じて予め定められたデフォルトの駆動電流値を用いて、ＣＰＵ８が、当該ステッピングモーター１の回転駆動を開始させたとした場合に、エッジ検出部５による立ち上がりクロックエッジの検出時点から、電流検出部６により検出される電流値が目的の電流値に到達するまでの電流値上昇率である。当該目的の電流値に到達するまでの電流値上昇率は、実験等により予め求められ、製造者等により駆動電流値決定部９に設定される。 Here, the predetermined value used by the drive current value determination unit 9 is a default value determined in advance according to the performance of the stepping motor 1 in a situation where it is within an ideal load fluctuation range. When the CPU 8 starts to rotate the stepping motor 1 using the drive current value, the current value detected by the current detection unit 6 from the time point when the edge detection unit 5 detects the rising clock edge is the target value. Current value increase rate until reaching the current value of. The current value increase rate until the target current value is reached is obtained in advance by experiments or the like, and is set in the drive current value determining unit 9 by the manufacturer or the like.
図７に示す波形Ａは、上記デフォルトの駆動電流値でＣＰＵ８がステッピングモーター１を回転駆動させた場合に、上記予め定められた値で電流検出部６により検出される電流値が上昇する状態を示すものである。 A waveform A shown in FIG. 7 shows a state in which the current value detected by the current detection unit 6 increases at the predetermined value when the CPU 8 rotates the stepping motor 1 with the default drive current value. It is shown.
これに対して、当該駆動電流値でステッピングモーター１が回転駆動されているときに、例えば、上記理想の負荷変動の範囲を超える大きな負荷変動ＬＦ１が生じた場合の電流波形を図７に波形Ｂとして示す。この場合、負荷変動が大きいことに起因して電流波形は、制御クロックの立ち上がりエッジの到来後、上記理想の負荷変動の範囲内でのステッピングモーター１の回転駆動時の波形Ａよりも傾きが急峻になる。そして、このように電流値が急激に上昇すると共に、当該負荷変動により、ステッピングモーター１で生じる逆起電圧Ｖｂは、波形Ａを示している場合よりも大きくなる。図７に示すように、波形Ｂは、制御クロックの立ち上がりエッジの到来タイミングから急峻な立ち上がりを示すが、このように逆起電圧Ｖｂに変化が現れると、ある程度立ち上がった時点で、当該逆起電圧Ｖｂにより電流上昇率が低下し、上記目的の電流値として示す電流値＋Ｉ0 に到達するタイミングは、波形Ａの場合よりも遅くなる。 On the other hand, when the stepping motor 1 is rotationally driven with the driving current value, for example, a current waveform when a large load fluctuation LF1 exceeding the ideal load fluctuation range occurs is shown in FIG. As shown. In this case, the current waveform has a steeper slope than the waveform A when the stepping motor 1 is driven to rotate within the range of the ideal load fluctuation after the rising edge of the control clock arrives due to the large load fluctuation. become. As the current value suddenly increases as described above, the back electromotive voltage Vb generated in the stepping motor 1 becomes larger than that in the case where the waveform A is shown due to the load fluctuation. As shown in FIG. 7, the waveform B shows a steep rise from the arrival timing of the rising edge of the control clock. When the change occurs in the back electromotive voltage Vb in this way, the back electromotive voltage is increased at a certain time. The timing of increasing the current increase rate by Vb and reaching the current value + I 0 shown as the target current value is later than in the case of the waveform A.
更に別の例として、当該デフォルトの駆動電流値でステッピングモーター１を駆動しているときに、上記負荷変動ＬＦ１よりも更に大きな負荷変動ＬＦ２を生じた場合の電流波形を波形Ｃとして示す。この場合、当該負荷変動ＬＦ２に起因して、電流波形は、制御クロックの立ち上がりエッジの到来後、上記波形Ｂよりも更に傾きが急峻になる。そして、このような急激な電流値の上昇と共に、ステッピングモーター１で生じる逆起電圧Ｖｂは、波形Ｂを示している場合よりも更に大きくなる。このため、図７に示すように、制御クロックの立ち上がりエッジの到来から、波形Ｃは波形Ｂよりも急峻な立ち上がりを示すが、ある程度立ち上がった時点で、上記逆起電圧により電流上昇率が大きく低下し、上記目的の電流値＋Ｉ0まで到達するタイミングは、波形Ｂの場合よりも更に遅くなる。 As yet another example, a waveform C represents a current waveform when a load fluctuation LF2 larger than the load fluctuation LF1 occurs when the stepping motor 1 is driven with the default drive current value. In this case, due to the load fluctuation LF2, the current waveform has a steeper slope than the waveform B after the rising edge of the control clock arrives. Then, with such a sudden increase in current value, the back electromotive voltage Vb generated in the stepping motor 1 becomes even larger than when the waveform B is shown. For this reason, as shown in FIG. 7, the waveform C shows a sharper rise than the waveform B from the rising edge of the control clock, but at the time of rising to some extent, the current rise rate is greatly reduced by the counter electromotive voltage. However, the timing of reaching the target current value + I 0 is further delayed than in the case of the waveform B.
上記各波形Ａ〜Ｃは、正弦波であるため、上記目的の電流値＋Ｉ0に到達した後は、反転して最小値を示す電流値まで下降するが、電流波形が波形Ｂ及び波形Ｃを示す場合、上記目的の電流値＋Ｉ0に到達している時間が波形Ａの場合よりも短くなるため、ステッピングモーター１の駆動に用いられる駆動電流が少なくなる。 Since each of the waveforms A to C is a sine wave, after reaching the target current value + I 0, it is inverted and falls to a current value indicating the minimum value. In this case, the time for reaching the target current value + I 0 is shorter than that in the case of the waveform A, so that the drive current used for driving the stepping motor 1 is reduced.
このため、ステッピングモーター駆動装置１０では、電流検出部６により検出される電流値に基づいて電流上昇率検出部７によって検出される電流上昇率が上記予め定められた値を超え、上記電流波形が波形Ｂ又は波形Ｃのように、理想的な電流値上昇を示す波形Ａよりも急峻な傾きを示す場合には、ＣＰＵ８が、駆動電流の値を、上記のようにして駆動電流値決定部９によって決定された電流値に変更して増加させるという電流値変更制御を行う。 For this reason, in the stepping motor driving apparatus 10, the current increase rate detected by the current increase rate detection unit 7 based on the current value detected by the current detection unit 6 exceeds the predetermined value, and the current waveform is In the case where the slope is steeper than the waveform A indicating an ideal current value rise as in the waveform B or the waveform C, the CPU 8 sets the drive current value as described above to the drive current value determination unit 9. The current value change control is performed such that the current value is changed to the current value determined by the above and increased.
このように、ステッピングモーター駆動装置１０では、負荷トルクの変動の影響が現れる、制御クロックの立ち上がりエッジ検出後の電流上昇率に応じてステッピングモーター１の駆動電流値を増加させることにより、負荷トルクの変動の影響により上記理想の電流値＋Ｉ 0 に到達するタイミングが遅れることでステッピングモーター１の駆動に用いられる駆動電流が少なくなる事態を防止可能である。これにより、本実施形態に係るステッピングモーター駆動装置１０は、ステッピングモーター１の脱調や振動を従来よりも的確に防止可能である。 As described above, in the stepping motor driving apparatus 10, the load torque is increased by increasing the driving current value of the stepping motor 1 according to the current increase rate after the rising edge detection of the control clock, which is affected by the fluctuation of the load torque. It is possible to prevent a situation in which the drive current used for driving the stepping motor 1 decreases due to a delay in the timing of reaching the ideal current value + I 0 due to the influence of fluctuation. Thereby, the stepping motor drive device 10 according to the present embodiment can prevent the stepping motor 1 from stepping out or vibrating more accurately than in the past.
定電流駆動方式を採用する一般的なステッピングモーター駆動装置では、オープンループ制御の場合、負荷変動に起因する脱調(制御クロックとの同期外れ)を防止するために、負荷側最大トルクを見越してデフォルトの駆動電流の値が設定される。そして、このデフォルトの駆動電流の値は変更されず、固定で用いられる。しかし、これでは、ステッピングモーター１が、負荷変動分を見越した余剰トルクを発生することになるので、ステッピングモーター以外の機構にも駆動デバイスの発熱懸念があり、また省電力化を図ることが困難である。 In a general stepping motor drive device that uses a constant current drive system, in open loop control, in order to prevent step-out (out of synchronization with the control clock) due to load fluctuations, allow for the load side maximum torque. A default drive current value is set. The default drive current value is not changed and is used in a fixed manner. However, in this case, since the stepping motor 1 generates surplus torque in anticipation of the load fluctuation, the mechanism other than the stepping motor may cause heat generation of the drive device, and it is difficult to save power. It is.
これに対して、本実施形態に係るステッピングモーター駆動装置１０では、デフォルトの駆動電流は、ステッピングモーター１の定常トルクと、ステッピングモーター１の加速時に必要なトルクの合計からなる負荷トルクでの回転駆動が可能となる最低限度の値とされる。上記のように、ステッピングモーター駆動装置１０は、上述したように、負荷トルクの変動の影響が現れる、制御クロックの立ち上がりエッジ検出後の電流上昇率に応じてステッピングモーター１の駆動電流値を増加させることで、負荷が大きくなった場合には、そのときに、デフォルトの駆動電流の値を増加させて脱調を防止させるため、デフォルトの駆動電流の値を、負荷側最大トルクを見越した値に常時設定しておく必要がない。 On the other hand, in the stepping motor driving apparatus 10 according to the present embodiment, the default driving current is rotationally driven with a load torque that is the sum of the steady torque of the stepping motor 1 and the torque required when the stepping motor 1 is accelerated. This is the minimum value that can be used. As described above, the stepping motor drive device 10 increases the drive current value of the stepping motor 1 according to the current increase rate after detection of the rising edge of the control clock, which is affected by the variation of the load torque, as described above. Therefore, when the load increases, the default drive current value is increased to a value that allows for the maximum torque on the load side in order to prevent step-out by increasing the default drive current value at that time. There is no need to set it all the time.
このため、ステッピングモーター駆動装置１０は、負荷変動分を見越した余剰トルクを発生させることなく、ステッピングモーター１以外の機構に駆動デバイスの発熱懸念を生じさせず、また消費電力を増加させず省電力化を図ることも可能である。 For this reason, the stepping motor driving device 10 does not generate surplus torque in anticipation of the load fluctuation, causes no concern about heat generation of the driving device in mechanisms other than the stepping motor 1, and saves power without increasing power consumption. It is also possible to make it easier.
次に、ステッピングモーター駆動装置１０による電流値変更制御を説明する。図８は、ステッピングモーター駆動装置１０による電流値変更制御を示すフローチャートである。 Next, the current value change control by the stepping motor driving device 10 will be described. FIG. 8 is a flowchart showing current value change control by the stepping motor driving apparatus 10.
ステッピングモーター１の駆動開始時、ＣＰＵ８は、ステッピングモーター１について、予め定められた値からなるデフォルトの駆動電流及び当該駆動電流に対応するデューティー比を設定する（Ｓ１）。このとき、ＣＰＵ８は、必要とされるステッピングモーター１の回転速度に対応する制御クロックを設定する（Ｓ２）。 At the start of driving of the stepping motor 1, the CPU 8 sets a default driving current having a predetermined value and a duty ratio corresponding to the driving current for the stepping motor 1 (S1). At this time, the CPU 8 sets a control clock corresponding to the required rotation speed of the stepping motor 1 (S2).
制御クロック切替部４は、ＣＰＵ８から指示される駆動電流値及び制御クロックに対応する駆動周波数を生成する。このとき、制御クロック切替部４は、ＣＰＵ８によって指示される当該駆動電流値に応じて、駆動周波数のデューティー比を決定し、当該制御クロックを励磁制御部３に出力する（Ｓ３）。ドライブ回路２は、励磁制御部３からの出力に応じて、ステッピングモーター１を回転駆動する（Ｓ４）。 The control clock switching unit 4 generates a drive frequency corresponding to the drive current value and the control clock instructed from the CPU 8. At this time, the control clock switching unit 4 determines the duty ratio of the drive frequency according to the drive current value instructed by the CPU 8, and outputs the control clock to the excitation control unit 3 (S3). The drive circuit 2 rotationally drives the stepping motor 1 according to the output from the excitation control unit 3 (S4).
このとき、電流検出部６は、電流値を検出する（Ｓ５）。電流検出部６は、検出した電流値を電流上昇率検出部７に出力する。また、エッジ検出部５は、制御クロックの立ち上がりエッジを検出し（Ｓ６）、当該立ち上がりエッジを検出した時に、検出信号を電流上昇率検出部７に出力する。なお、ＣＰＵ８は、電流検出部６により検出された電流値に応じて定電流制御を行っている。 At this time, the current detection unit 6 detects a current value (S5). The current detection unit 6 outputs the detected current value to the current increase rate detection unit 7. The edge detector 5 detects the rising edge of the control clock (S6), and outputs a detection signal to the current rise rate detector 7 when the rising edge is detected. The CPU 8 performs constant current control according to the current value detected by the current detection unit 6.
ここで、電流上昇率検出部７は、この時点でステッピングモーター１の駆動に用いられている制御クロックの駆動周波数が、予め定められた低速域の周波数よりも大きいか否かを判断する（Ｓ７）。 Here, the current increase rate detection unit 7 determines whether or not the drive frequency of the control clock used for driving the stepping motor 1 at this time is higher than a predetermined low-frequency range frequency (S7). ).
そして、電流上昇率検出部７が、当該制御クロックが上記低速域の周波数よりも大きいと判断した場合に（Ｓ７でＹＥＳ）、続くＳ８以降の処理が行われる。電流上昇率検出部７が、当該制御クロックが上記低速域の周波数（例えば、0〜1000kHz）であると判断した場合には（Ｓ７でＮＯ）、処理はＳ１２に移る。制御クロックが上記低速域の周波数である場合は、ステッピングモーター１の回転速度が比較的遅く、逆起電圧の発生タイミングが遅くなり、制御クロックの立ち上がりエッジのタイミングから、電流検出部６により検出される電流値が目的の電流値に到達するまでの時間を遅らせる逆起電圧による影響が少ないためである。 When the current increase rate detection unit 7 determines that the control clock is larger than the frequency in the low speed range (YES in S7), the subsequent processing from S8 is performed. When the current increase rate detection unit 7 determines that the control clock has the low frequency range (for example, 0 to 1000 kHz) (NO in S7), the process proceeds to S12. When the control clock has the frequency in the low speed range, the rotational speed of the stepping motor 1 is relatively slow, the back electromotive voltage generation timing is delayed, and is detected by the current detection unit 6 from the rising edge timing of the control clock. This is because the influence of the counter electromotive voltage that delays the time until the current value reaches the target current value is small.
上記のように電流上昇率検出部７が、当該制御クロックが上記低速域の周波数よりも大きく上記低速域ではないと判断した場合（Ｓ７でＹＥＳ）、電流上昇率検出部７は、エッジ検出部５による上記立ち上がりエッジの検出タイミングから予め定められた一定期間が経過するまで（例えば、エッジの検出タイミングから、制御クロックとしての矩形波の1周波を出力した時点）における電流値の上昇率を、電流検出部６によって検出された電流値に基づいて算出する（Ｓ８）。 As described above, when the current increase rate detection unit 7 determines that the control clock is larger than the low frequency range and is not in the low speed range (YES in S7), the current increase rate detection unit 7 is the edge detection unit. 5 according to a certain predetermined time period from the detection Timing in g of the rising edge has passed (e.g., from the detected Timing in g of the edge, when outputting the single-frequency rectangular wave as a control clock) of the current value in An increase rate is calculated based on the current value detected by the current detector 6 (S8).
ここで、駆動電流値決定部９は、上記算出された電流値の上昇率が、予め定められた上昇率よりも高いか否かを判断する（Ｓ９）。ここで、予め定められた上昇率とは、上述したように、当該ステッピングモーター１の性能に応じて予め定められた駆動電流値により、当該ステッピングモーター１の回転駆動を、理想の負荷変動の範囲内で開始させた場合に、制御クロックの立ち上がりエッジのタイミングから、電流検出部６により検出される電流値が目的の電流値に到達するまでの電流値上昇率をいう。 Here, the drive current value determination unit 9 determines whether or not the calculated increase rate of the current value is higher than a predetermined increase rate (S9). Here, the predetermined rate of increase is, as described above, the rotational drive of the stepping motor 1 according to the drive current value determined in advance according to the performance of the stepping motor 1, and the ideal load fluctuation range. Is the rate of increase in current value from the timing of the rising edge of the control clock until the current value detected by the current detector 6 reaches the target current value.
駆動電流値決定部９が、上記算出された電流値の上昇率が上記予め定められた上昇率よりも高いと判断した場合（Ｓ９でＹＥＳ）、ステッピングモーター１の駆動電流の値を、上記算出した上昇率に応じた電流値に変更する（Ｓ１０）。すなわち、駆動電流値決定部９は、上記算出された電流値の上昇率が上記予め定められた上昇率よりも高い場合に、当該電流上昇率に応じてステッピングモーター１の駆動電流の値を増加させる。 When the drive current value determining unit 9 determines that the calculated increase rate of the current value is higher than the predetermined increase rate (YES in S9), the drive current value of the stepping motor 1 is calculated as described above. The current value is changed according to the increased rate (S10). That is, when the calculated increase rate of the current value is higher than the predetermined increase rate, the drive current value determination unit 9 increases the value of the drive current of the stepping motor 1 according to the current increase rate. Let
一方、駆動電流値決定部９が、算出した電流値の上昇率が上記予め定められた上昇率以下であると判断した場合は（Ｓ９でＮＯ）、ステッピングモーター１の駆動電流値を、Ｓ２で設定したデフォルトの駆動電流値のまま維持する。処理はＳ１２に移る。 On the other hand, when the drive current value determination unit 9 determines that the calculated increase rate of the current value is equal to or less than the predetermined increase rate (NO in S9), the drive current value of the stepping motor 1 is set to S2. The set default drive current value is maintained. The process proceeds to S12.
Ｓ１０における電流値の変更後、駆動電流値決定部９は、ステッピングモーター１の駆動電流値を、上記のように上昇率に応じた駆動電流値に変更した場合は、予め定められた期間（例えば、1ms）の経過時に、当該変更した駆動電流を、上記Ｓ１で設定された初期値からなるデフォルトの駆動電流に戻す処理を行うためのタイマーをセットする（Ｓ１１）。すなわち、駆動電流値決定部９は、内蔵するタイマーにより時間計測を開始し、上記予め定められた期間が経過した時点で、上記変更した駆動電流を、上記Ｓ１で設定された初期値からなるデフォルトの駆動電流に戻す。 After changing the current value in S10, the drive current value determination unit 9 changes the drive current value of the stepping motor 1 to a drive current value corresponding to the rate of increase as described above, for example, a predetermined period (for example, , 1 ms), a timer for performing a process for returning the changed drive current to the default drive current composed of the initial value set in S1 is set (S11). That is, the drive current value determination unit 9 starts time measurement with a built-in timer, and when the predetermined period has elapsed, the drive current value determination unit 9 sets the changed drive current to a default value including the initial value set in S1. Return to the drive current.
このように、駆動電流値決定部９が、一定期間経過後に駆動電流を初期値に戻すことによって、一時的な負荷変動に対応して駆動電流を増加させつつ、当該負荷変動が収まった後は、元の駆動電流に戻るので、一時的な負荷変動に対応して的確に駆動電流を変更することができる。なお、Ｓ１１の処理と並行して、Ｓ１２以降の処理が続けられる。 As described above, the drive current value determination unit 9 increases the drive current in response to the temporary load fluctuation by returning the drive current to the initial value after a certain period of time, and after the load fluctuation is settled. Since the original drive current is restored, the drive current can be accurately changed in response to a temporary load fluctuation. In parallel with the processing of S11, the processing after S12 is continued.
以降、ステッピングモーター１の停止指示が入力されるまで（Ｓ１２でＮＯ）、Ｓ５以降の処理が続けられ、ステッピングモーター１の停止指示が入力された時点で（Ｓ１２でＹＥＳ）、上記ＣＰＵ８、制御クロック切替部４及び励磁制御部３がステッピングモーター１の回転駆動を停止させる（Ｓ１３）。 Thereafter, until the stop instruction for the stepping motor 1 is input (NO in S12), the processing after S5 is continued, and when the stop instruction for the stepping motor 1 is input (YES in S12), the CPU 8 and the control clock The switching unit 4 and the excitation control unit 3 stop the rotation driving of the stepping motor 1 (S13).
これにより、本実施形態に係るステッピングモーター駆動装置１０によれば、ステッピングモーター１の駆動時における負荷が大きくなり電流波形の立ち上がりが急峻になり、これに伴って生じる逆起電力により、目的の電流値までの到達時間が、予定している時間よりも遅れる場合には、電流値の上昇率に応じて駆動電流値を増加させるため、図４に示すように、電流値の最高値が高くなる。このため、ステッピングモーター１の駆動に必要な駆動電流が少なくなる事態が回避される。 Thereby, according to the stepping motor driving device 10 according to the present embodiment, the load during driving of the stepping motor 1 becomes large and the rising of the current waveform becomes steep, and the target current is generated by the back electromotive force generated in association with this. When the arrival time to the value is delayed from the scheduled time, the drive current value is increased in accordance with the rate of increase in the current value, so that the maximum value of the current value increases as shown in FIG. . For this reason, the situation where the drive current required for driving the stepping motor 1 is reduced is avoided.
これにより、ステッピングモーター１に対して、回転駆動に必要な十分な電流を供給することが可能になるため、駆動制御パルス信号とモーター回転との同期を正確に保つことが可能となり、ステッピングモーター１の脱調や振動を従来よりも的確に防止することができる。 As a result, a sufficient current necessary for rotational driving can be supplied to the stepping motor 1, so that the synchronization between the drive control pulse signal and the motor rotation can be accurately maintained. Can be prevented more accurately than in the past.
なお、本発明は上記実施の形態の構成に限られず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、図８に示す電流値変更制御において、ステッピングモーター１の駆動に用いられている制御クロックが上記低速域の周波数よりも大きい場合のみＳ８以降の処理を行うものとしているが（Ｓ７）、電流値変更制御において当該Ｓ７を行わず、制御クロックに拘わらず、Ｓ８以降の処理を行うものとしてもよい。 The present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, in the current value change control shown in FIG. 8, the processing after S8 is performed only when the control clock used for driving the stepping motor 1 is larger than the frequency in the low speed range. (S7) S7 is not performed in the current value change control, and the processes after S8 may be performed regardless of the control clock.
また、上記実施形態では、図８に示す電流値変更制御において、電流上昇率に応じて駆動電流の値を変更した場合は、予め定められた期間の経過時に、当該変更した駆動電流を、Ｓ１で設定された初期値からなるデフォルトの駆動電流に戻すとしているが（Ｓ１１）、電流値変更制御において当該Ｓ１１を行わないものとしてもよい。 Further, in the above embodiment, when the value of the drive current is changed according to the current increase rate in the current value change control shown in FIG. 8, the changed drive current is changed to S1 when a predetermined period has elapsed. The default drive current is reset to the initial value set in step S11 (S11), but the step S11 may not be performed in the current value change control.
また、上記実施形態では、ステッピングモーター駆動装置１０は、画像形成装置に適用されるものとして説明しているが、他の電子機器に適用されるものであってもよい。 In the above embodiment, the stepping motor driving device 10 is described as being applied to an image forming apparatus, but may be applied to other electronic devices.
また、図１乃至図８を用いて上記実施形態により示した構成及び処理は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明を当該構成及び処理に限定する趣旨ではない。 The configuration and processing shown in the above embodiment using FIGS. 1 to 8 are only one embodiment of the present invention, and are not intended to limit the present invention to the configuration and processing.