专利名称：步进电动机的驱动方法
技术领域：
本发明是有关步进电动机的驱动方法，尤其是应用于印刷字盘的驱动机构，或用于作为送纸机构驱动源的步进电动机的驱动方法。
将载有印字头的字盘沿着压纸卷筒边进行移动，边对上述印字头进行选择的驱动，并在记录用纸上印下一行的印字，印下这一行的印字之后，随将上述记录用纸的一行传送走，然后对下一行的记录反复地进行所规定的记录，采取这种记录方式的串行印刷机，多被用于计算机或代码处理程序的输出装置。
而且，在这种串行印刷机中，为了驱动控制字盘的驱动机构或送纸机构，通常都在应用这种步进电动机。使用这种步进电动机的原因如下1.电动机的回转角与输入脉冲数成比例，而且不产生累积误差。
2.电动机的旋转速度与输入脉冲成比例，且可用于精密的同步运转，控制范围宽。
3.起动和停止特性非常好，在自起动频率以下可进行一定频率下的运转。
4.响应特性高，输出也大。
5.只要对应目标位置产生输入脉冲，则即可对位置进行控制。
6.可进行数字控制。
步进电动机的结构原理如图9所示，例如它是由相间隔90°角配置的第1(A)、第2(B)、第3(C)和第4(D)的磁极(相)2、3、4、5的定子，与由N极和S极相间隔180°角的自由旋转的永久磁铁的转子而组成，这个转子7与图未示出的输出轴相连接。而在第1(A)和第3(C)的磁极2和4上绕制上第1线圈8，在第2(B)和第4(D)的磁极3和5上绕制上第2线圈9。
为了回转驱动步进电动机1，使激磁电流流过定子6的各相线圈8和9，由电流而产生磁场，从而在定子6和转子7之间产生相吸或相斥的电磁力。通过这个激磁电流的顺序转换，而在定子6和转子7之间的电磁力随之进行转换并形成转子的驱动力矩。
图10所示是驱动普通步进电动机的电动机驱动集成电路(IC)的方框图。从本图所示，电动机驱动集成电路(IC)10，是由控制回路11、驱动回路12和电源13而组成。上述控制回路11，除外接口设备外，还具有控制可变输入电压、回转速度、方向、距离和角度等整体功能，对步进电动机可进行脉冲定时的控制。而上述驱动回路12是通过上述控制回路11的脉冲信号向各相分配，经过放大后按一定顺序对步进电机1的各相进行激磁的回路。上述电源13，是步进电机驱动用和集成回路(IC)用两种所必需的。
在步进电机1的驱动方式中，包括单极驱动和双极驱动。
上述单极驱动如图11的1例所示，各线圈分别与1个晶体管21、22、23和24相连接，在每个晶体管分别处于ON状态，各线圈中只有一个方向的电流流过。而双极驱动如图12所示，各个线圈是与晶体管的25、26、27和28相连接，如仅以A相说明，当进行动作时，由于第1晶体管25和第4晶体管28处于0N状态，因此有A方向的电流流过，而当第2晶体管26和第3晶体管270N时，则有反向的B方向电流流过。单极驱动和双极驱动相比，单极的晶体管数比双极的晶体管数少1/2，组成回路简单，但双极驱动与单极驱动在输入功率相同的情况下，双极驱动的电机力矩为大，这是其优点。在后述的本发明中所采用的步进电机1的驱动方法就是双极驱动。
激磁电流的通电方式，包括有1相激磁，1-2相激磁和2-2相激磁等。
由上述1相激磁步进电机1的驱动方法，是通过按每1相的顺序对各相进行激磁，它是以基本步进角进行回转的最基本的驱动方法，角度精度高但驱动力矩小，且功率效率不理想，正因此缺点而应用的不太多。因此在1相激磁下，将其驱动时的1个步进角称为基本步进角。
由上述2-2相激磁步进电机1的驱动方法，通常是对相邻位的2相同时进行激磁，采取一次转换1个相的激磁方法，一般情况2相激磁比1相激磁其功率的利用率高，同一个电机电源电压可获得高的输出，而且对转子的过冲击振动也起抑止作用，因此多采用这种步进电机1的驱动方法。
由述1-2相激磁步进电机1的驱动方法，是采取1相激磁和2-2相激磁反复交替的方法，由1相激磁转子的停止位置和由2-2相激磁的停止位置，其基本步进角仅滑动1/2，由于这2个激磁状态是反复交替进行，因此可获得由1相激磁和2-2相激磁驱动的步进角的1/2步进角输出。这种方法与其它驱动方法相比，其分辨率倍增且可送出细小的步进，同时可在低噪音下进行驱动，当然为了在高速时进行稳定的驱动，且需要获得准确的回转量时，也采用这种方法。
但是，在这种步进电机1的驱动方式中，也存在有为确保高速运转时的力矩需增大输入功率，在低速运转领域因力矩过大而产生振动和噪音的问题。
为解决这些存在的问题，将步进电机1由结构上所决定的步进角，再通过电子回路进行细分割，对步进电机1的转子回转采取平滑驱动的定电流限波方式，即采用称这种方式为微步进的驱动方式。这里对由2-2相激磁的双极驱动而形成的微步进驱动进行说明。
图13所示是表示全步进驱动时和微步进驱动时激磁电流的变化状态。步进电机1的力矩角特性如是正弦波形状，由于流过像图13那样的正弦波激磁电流，因此可实现力矩变化很小的平滑回转。这个正弦波激磁电流，通过控制回路将1个周期分割成多数份。图13是将1个周期分割成40份之例。而对基本步进角来说一般是分割成10份，分辨率为10倍。当然其分割数是可任意设定。
过去微步进驱动中的定电流限波方式，将用以下说明的任何一种方法都可获得定电流。这里所使用的定电流限波驱动，是如图14所示那样的电流波形，供给电流值如已达到设定值，则使所规定时间的电流处于OFF状态，然后供给电流值再为设定值使其处于ON状态，从而构成了保持定电流的结构。
为获得这个定电流的第1方法，如在图12所示的驱动回路中，电源处于ON状态，第1晶体管25和第4晶体管28取作ON，当供给电流值为设定值时时，则使第4晶体管28保持在ON状态，使第1晶体管25处于OFF状态。这样，激磁电流渐渐减小，但经过所规定时间，第1晶体管25重新处于ON状态，使电流达到设定值，第1晶体管25再次进行OFF的反复动作。而在图12所示的驱动回路中，使第1晶体管25和第4晶体管28处于ON，当供给电流值达到设定值时，第1晶体管25处于OFF，同时第4晶体管28也处于OFF，使电流值急剧减小，待经过所规定的时间，第1晶体管25和第4晶体管28处于ON，电流值增大达到设定值，而第1晶体管25和第4晶体管28再次进行OFF的反复动作。
上述说明，虽然仅对A相激磁电流作了解释，但对其它各相的线圈，也可错开激磁时间进行同样的控制。
根据上述第1方法，如图15所示可减小电流的脉动，但也相应产生激磁电流失真，存在使步进电机温度过高的现象。
在第2方法中，如图16所示，脉动电流大，电机的损耗大，促使力矩减小。
尤其，在高速回转时的微步进驱动下，需供给高频下的驱动脉冲，为了达到对1个步进(脉冲)更进一步进细分割，使其驱动回路和控制就趋于复杂化。
为改善原有存在的一些问题，设想采用一种步进电机的驱动方法，即电机处于高速回转时，采取通常的激磁方式进行驱动，在低速回转时则采取微步进驱动，同时在微步进驱动时，通过高速衰减和低速衰减相配合的步进电机驱动方法，从而减小在微步进驱动下供给定电流限波动作处于OFF时的电流。
根据这种驱动方法，可避免控制回路复杂化，且可减小脉动电流，并可抑制电机发然和低速回转时的振动。
但是，在这种步进电机的驱动方法中，当微步进驱动时，在电机驱动IC10的A相和C相绕制上第1线圈8，在B相和D相绕制上第2线圈9，其对应的参考电压，如图17A和17B所示，其所示波形为正弦波，在这个参考电压的基础上所供给各线圈8和9的激磁电流也是正弦波，如图18A和18B所示。从这时的第1线圈8和第2线圈9激磁电流的总和来看，如图18C所示，产生了电流和的脉动。如将其扩大如图19所示，在第1线圈8的激磁电流和第2线圈9的激磁电流的每个重叠处，可见都有一个电流和的峰值。这样的电流和脉动将形成步进电机的力矩脉动。同时也是在微步进驱动时产生振动的原因之一。
本发明的目的，是提供一个控制回路简单，在微步进驱动时可控制其振动的步进电机的驱动方法。
本发明的另一个目的，是在低速回转或在高速回转时的低频加速、减速领域下，提供一个能以抑止其振动的步进电机驱动方法。
其次本发明的另一个目的，是提供一个在由双极驱动进行相转换的1个步进中，对电机的低速回转时和在高速回转时的低频加速、减速的领域，能以实现控制的微步进驱动的步进电机驱动方法，通过这种方法，在低速回转时和在高速回转时的低频加速、减速的领域中，使步进电机的转子磁心的回转能够平滑地转动，将振动抑止到最小限度。
再其次本发明的另一个目的，是提供一个通过微步进驱动所供给各相激磁电流使其成为三角波电流，以此来防止产生电流和的脉动，避免控制回路复杂化，并在微步进驱动时能够抑止其振动的步进电机的驱动方法。
最后本发明的另一个目的，是提供一个在步进电机的各相线圈上流过附加偏置的三角波电流所形成的激磁电流，使其电机的振动水平更小的步进电机的驱动方法。
图1A所示是表示本发明在低速回转时，步进电机的速度变化。
图1B所示是表示在低速回转时，对电机的各相所加电压的变化(所示锯齿状部份是微步进驱动的驱动位置)。
图2A所示是表示本发明在高速回转时，步进电机的速度变化。
图2B所示是表示在高速回转时，对电机各相所加电压的变化(所示锯齿波部分是步进电机的驱动位置)。
图3所示是表示本发明的步进电机驱动方法实施例中的线卷电流波形；图4A所示是表示根据本发明步进电机驱动方法的实施形态，所对应的电机驱动IC的第1线卷的参考电压波形图；图4B所示是表示对应电机驱动IC第2线卷的参考电压波形图；图5A所示是表示根据本发明步进电机驱动方法实施形态，第1线卷激磁电流的波形图；图5B所示是表示第2线卷激磁电流的波形图；图5C所示是表示第1线卷和第2线卷激磁电流的电流和说明图；图6所示是图5C的扩大图；图7A所示是表示根据本发明步进电机驱动方法的另一实施形态，所对应电机驱动IC的第1线卷所加偏置参考电压的波形图；图7B所示是表示对应相同电机驱动IC的第2线卷所加偏置参考电压的波形图；图8A所示是表示根据本发明步进电机驱动方法的另一实施形态，对第1线卷所加偏置的激磁电流波形图；图8B所示是表示对第2线卷所加偏置的激磁电流波形图；图8C所示是第1线卷和第2线卷所加偏置的激磁电流的电流和说明图；图9所示是步进电机结构原理图；图10所示是表示步进电机驱动的方框图；图11所示是表示单极方式步进电机驱动回路的说明图；图12所示是表示双极方式步进电机驱动回路的说明图；图13所示是表示在全步进驱动时和微步进驱动时，激磁电流变化的说明图；图14所示是表示通过定电流限波方式而形成的激磁电流波形图15所示是表示过去的驱动方法，低速衰减时激磁电流的波形图；图16所示是表示过去的驱动方法，高速衰减时激磁电流的波形图；图17A所示是表示由过去的步进电机驱动方法，而对应电机驱动IC的第1线卷参考电压的波形图；图17B所示是表示对应相同电机驱动IC的第2线卷参考电压的波形图；图18A所示是表示由过去的步进电机驱动方法，而形成第1线卷激磁电流的波形图；图18B所示是表示第2线卷激磁电流的波形图；图18C所示是表示第1线卷和第2线卷激磁电流的电流和说明图；图19所示是图18C的扩大图。
下面对本发明步进电机驱动方法的实施形态，通过
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本发明步进电机的驱动方法，是以上述双极驱动回路和限波驱动为前提。在本发明的第1实施形态中，当驱动电机在高速回转时，通常是通过1-2相激磁或2-2相激磁进行驱动，而当步进电机1在低速回转时或在高速回转时的低频加速、减速的领域，则进行微步进驱动。
本发明的第2实施形态，当高速回转时，通常是通过1-2相激磁或2-2相激磁进行驱动，而当低速回转时进行微步进驱动，同时将供给各相的激磁电流使其形成三角波电流。
本发明的第3实施形态，是在第2实施形态上，通过供给附加偏置的激磁电流，对步进电机进行驱动。
这里所说的低速回转时，是指每1个步进的驱动脉冲宽度。大约为从650微秒至10毫秒的驱动时。
图1和图2是本发明第1实施形态下，步进电机的驱动方法中，其电机速度及其当时加在各相电压的说明。
图1A是表示在低速回转时步进电机1的速度，图1B是表示当时加在各相的电压。图2A是表示在高速回转时步进电机1的速度，图2B是表示当时加在各相的电压。而图1B和图2B中，所示锯齿状线的部分，是通过微步进驱动进行驱动的领域。
图1所示，当步进电机1处于低速回转时，从加速领域(t0～t1时间)到定速领域(t1～t2时间)和减速领域(t2～t3时间)的全领域，都是通过微步进电机驱动而进行驱动和控制)。
但是，如图2所示，当步进电机1处于高速回转时，待到所期望的定速度的加速领域和从所期望的定速度到停止的减速领域的过程中，其每一个步进的驱动脉冲宽度，大约是步进电机1自起动频率的3倍(约650微秒)至10毫秒的领域，也就是说，只有在t0～t1时间和t4～t5时间，才是通过微步进驱动方式进行驱动的，而其它的高频加速、减速领域和低速领域，仍是采用通常的激磁方法进行驱动和控制。
这时，所供给的电流是来自定电流限波方式，在进行各自分割下，如图12所示，当在驱动回路的电流值达到设定值时，第1晶体管25是处于OFF，在这种状态下，对第4晶体管28是处于ON状态和是处于OFF状态可进行选择。首先，当供给电流值达到设定值时，伴同第1晶体管25第4晶体管28也处于OFF状态。这样，激磁电流进行急剧减小(高速衰减)。而且一旦减小到所定值(所定时间)，则第4晶体管28处于ON。这样，激磁电流进行缓慢地(低速衰减)减小。而且达到第2设定值电流值再进行减小(经过所定时间)，则第1晶体管25再次处于ON，使电流值增加。到设定值电流值再进行增加，则对第1晶体管25和第4晶体管28进行上述的控制。这种控制要反复地多次进行，实际这个控制就作为对每1个分割时的限波动作进行控制。
这样通过控制后所获得的电流波形如图3所示。通过在各自分割时反复地对其进行控制，激磁电流已形成了其失真和脉动已得到控制的平滑的波形，因此可抑止步进电机1的发热，同时可减小步进电机1的功率损耗。从而可避免力矩的减小，而且也可使步进电机1的转子7在回转中不产生振动。这个晶体管的ON和OFF是由控制回路14的中央处理机(CPU)来控制。
下面，对本发明第2实施形态进行说明。第2实施形态和上述第1实施形态的不同处，是在低速回转时的微步进驱动下，供给各相的激磁电流为三角波电流。
在进行这样的控制下，供给电机驱动IC10的参考电压和各线卷8和9的激磁电流波形，如图4和图5所示。图4A是表示供给电机驱动IC10的绕制在A相和C相的第1线卷8的对应参考电压。图4B是表示绕制在B相和D相的第2线卷9的对应参考电压。图5A是表示在图4A参考电压的基础上，流过上述第1线卷8的激磁电流，图5B是表示在图4B参考电压的基础上，流过上述第2线卷9的激磁电流。如这些图所示，供给电机驱动IC10的参考电压波形，由于是成直线增加或减小的三角波形状，因此供给第1线卷8和第2线卷9的激磁电流，其波形也可成直线增加或减小的三角波形状。而且这时的第1线卷8和第1线卷的各激磁电流之总和，如图5C所示，其扩大图如图6所示。从诸图可见，在第1线卷8和第2线卷9中所流过的激磁电流的电流和为一定。因此不会产生电流和的脉动。从而不会产生力矩减小现象，并可进一步有效地抑止步进电机1的振动。
下面图7和图8所示是本发明第3实施形态。
本实施形态是在上述第2实施形态微步进驱动下，当将被控制的上述激磁电流供给上述第1线卷8和第2线卷9时，需附加偏置环节。这个所谓偏置，是指为了获得所规定的动作点，在变流电压上附加直流电压，并将电压的零点偏于正侧和偏于负侧；或者是指在变流电流上附加直流电流，并将电流零点偏于正侧和偏于负侧。
这样为了将偏置电流附加在上述激磁电流上，在图7示出其波形，实际是作为偏置附加在电机驱动IC10的参考电压上。
图7A和图7B所示，是分别表示对应第1线卷8和第2线卷9的电机驱动IC10的参考电压波形，表示在上述图2的参考电压上附加以偏压。因此如图8A和图8B所示，供给第1线卷8和第2线卷9的激磁电流也附加以偏置，将这些激磁电流总和起来，就如图8C所示，实际其电流和是成为一定，不会产生电流和的脉动。
因此，当在供给的激磁电流上附加以偏置时，使上述步进电机1的振动电平更好，并可获得稳定的回转驱动。
当然，本发明不仅限于上述实施形态，可根据需要作各种变更。
例如微步进驱动在低速回转时当可进行控制，而当高速回转时在其加速领域，如通过上述定电流限波方式采取微步进驱动，实际其防止振动等效果更佳。
另外还不限于2-2相激磁驱动，1-2相激磁等情况下，也可获得相同的效果。
通过以上说明可知，本发明的控制回路不复杂，在微步进驱动时可获得抑止振动的良好效果。
权利要求
1.本步进电机控制方法的特征，是在转子的周围装上具有绕制多线卷的相的定子，通过上述线卷中所流过的激磁电流，使上述定子和转子之间产生相吸和相斥的电磁力，与此同时，供给上述各相的激磁电流，由于是进行顺序转换，而使上述的电磁力也相应地进行顺序转换，因此形成对转子进行回转的步进电机驱动方法；电机在低速回转时和在高速回转时低频加速、减速领域，以微步进驱动对上述激磁电流进行控制。
2.根据权利要求1所述，在高速回转时的高频加速、减速领域和定速领域，是采用通常的激磁方式进行驱动。
3.本步进电机控制方法的特征，是在转子的周围装上具有绕制多线卷的相的定子，通过上述线卷中所流出的激磁电流，使上述定子和转子之间产生相吸和相斥的电磁力，与此同时，供给上述各相的激磁电流，由于是进行顺序的转换，而使上述的电磁力也相应地进行顺序的转换，因此形成对转子进行回转的步进电机驱动方法；在电机低速回转时，通过微步进驱动对上述激磁电流进行控制，与此同时，将上述激磁电流形成三角波电流。
4.根据权利要求3所述，所供给的上述激磁电流是附加偏置电流。
全文摘要
本步进电机的驱动方法,其控制回路不复杂,可减小电流脉动,可抑止步进电机的发热,同时为抑止在低速回转时和在高速回转时的低频加速、减速领域,采用步进电机的驱动方法,在利用双极对各相进行转换的1个步进中,对步进电机1的手加速和高速回转时的低频加速、减速领域,可进行微步进驱动的同时,还具有通过这个微步进对强激磁电流使其形成三角波电流的特征。
文档编号H02P8/04GK1172377SQ9711240
公开日1998年2月4日 申请日期1997年5月22日 优先权日1996年5月22日
发明者小笠原政司, 片野圭二 申请人:阿尔卑斯电气株式会社