ここでは、STマイクロの提供するステッピングモーター用モータードライバーの技術アドバンテージを紹介します。STのステッピングモータードライバー製品は、電圧制御と電流制御の製品があり、それぞれ異なった技術アドバンテージがあります。まずは、電圧制御と電流制御の製品に共通するデジタルモーションエンジンを紹介し、その後、電圧制御と電流制御、それぞれのメリットを紹介していきます。最後に、設計ツールの紹介をします。STのステッピングモータードライバー製品は、標準的な保護機能を持っていますが、ここでは詳細な説明は活在します。まずは、電圧制御と電流制御の製品に共通するデジタルモーションエンジンです。縦軸がスピード、横軸が時間のチャートです。まず、スピードにまで加速する場合を考えます。制御クロックは、間隔をジェルに狭くしていく加速を作り、目標速度に到達すると、そのクロック周期で入力を継続します。次に、スピード1まで少し原則します。制御クロックは、間隔を広くしていく原則を作り、目標速度に到達すると、そのクロック周期で入力を継続します。次に、スピード3まで加速します。制御クロックは、間隔を徐々に狭くしていく加速を作ります。ところで、ここでは加速途中で逆回転のスピード4で回転させる制御が入ります。そこで、徐々に原則し、停止させ、逆回転させます。制御クロックは間隔を広くしていく原則を作り、最終的には停止させて、今度は逆回転に加速するために、制御クロックは徐々に間隔を狭くしていく、目標速度に到達すると、そのクロック周期で入力を継続します。このように、一般的にはサブコントローラーやマイコンでクロックを管理して、速度制御を行います。STのステッピングモードドライバーは、コントローラーを搭載しているため、クロック入力が必要なく、SPIのコマンドで動作制御が可能です。停止の状態から、スピード2で回転させたいので、ラン、スピード2フォアドとコマンドを送ります。すると、モータードライバーはあらかじめ設定された最大加速スピードでスピード2までモーターを加速させ、そのスピードで回転させ続けます。次に、スピード1で回転させたいので、ラン、スピード1フォアドとコマンドを送ります。すると、モータードライバーはあらかじめ設定された最大加速スピードでスピード1までモーターを加速させ、そのスピードで回転させ続けます。次に、スピード3で回転させたいので、ラン、スピード3フォアドとコマンドを送ります。すると、同様に加速していきます。次に、スピード3への加速中に、逆回転でスピード4で回転させるため、ラン、スピード4フォアドとコマンドを送ります。すると、それまでと同様に原則、加速していき、スピード4に到達するとそのスピードで回転させ続けます。デジタルモーションエンジンでは、SPIコマンドを入力すると、あらかじめ設定していたパラメータを使って速度プロファイルを自動生成します。このように、STのステッピングモータードライバーでは、SPIコマンドでステッピングモーターを制御するため、コントローラーやサブコントローラーでクロックのタイミングを管理して、スピードを制御する必要がありません。ここで、紹介したコマンド以外にもいろいろなコマンドがあります。例えば、ムーブは特定のステップ数だけ回転させます。また、基準を設定するとそこから何ステップ動作したか絶対数を覚えていますので、Go2はある基準から特定のステップ数の特定の角度にまで回転させるということが可能です。それでは次に、電圧制御でのメリットを紹介していきます。まずは、マイクロステップです。電圧制御では、128分の1までのマイクロステップをサポートしています。マイクロステップによるメリットを少し見てみます。ここで、右向きに次回が発生し、色とは回転していきます。すると、回転方向の力、青色のベクトルは最初は大きなのですが、回転するにつれてない席が小さくなり、回転方向に働く力が小さくなってしまいます。ここで、N極が右向きになった時には、それ以上回転させる力は働きません。トルクの変動をグラフにしてみると、このような形になり、回転するにつれて回転力が大きく変動しています。これは、物理的に回転させる力がガダガタ変動していることになりますので、草温や振動の原因になってきます。マイクロステッピングを使うと、トルクの変動を小さくできるため、草温や振動が改善します。繰り返しになりますが、STのステッピングモータドライバーでは、電圧制御で128分の1までのマイクロステッピングをサポートしています。電圧制御では、PWM制御により電流を流します。電流制御では、電流リミットのターゲットが変わるたび、一気に新しいリミットまで電流を流しますので、どうしても発生する電流リミットのばらつきは大きくなります。電圧制御では、このようなばらつきは発生しません。これは実際の波形を比較したものです。実際のモーターでの草温を比較すると、電圧制御と電流制御ではかなり大きな違いがあり、周囲の草温環境次第では、電圧制御は無音に感じることがあります。電圧制御では、PWM制御によりモーターにかかる電圧を制御して、電流を流しますが、モーターの回転スピードが早くなっていくと、電流が流れにくくなっていきます。モーターは発電機でもありますので、外部から回転させると、スピードに応じて起電力を発生します。駆動する際にも回転スピードに伴って、逆向きに電流を流そうとする逆切れ力が発生してきます。同じ電圧をかけているつもりでも、電流を流すために使える電圧が下がってしまい、高速回転時にトルクが落ちてしまいます。STのステッピングモータードライバーは、電圧制御時に速度に応じた電圧減少を補線する機能があります。実際、モーターに流れる電流は、右の式のように電圧Vを制御しても、速度Fが速くなるにつれて減少していきます。逆切れ力が増えて、モーターのインダクタンスによるインピーダンスも増えるためです。この時、青い点線のように電流を流すつもりでも、実際にかかる電圧が下がって、電流が落ちてしまいます。そこで回転速度に応じて、PWMのデューティーフを補正して、実際に流れる電流を補正します。実際の電流減少は、深角や逆切電力とインカ電圧の異想差等を考慮すると、複雑な計算になってしまいますが、STのステッピングモータードライバーでは、右の式の分母の領域を2つに分けて、PWMデューティーフを直線的に補正します。回転数が低く、インダクタンスによる影響が支配的な低速時の領域と、回転速度が早く、インダクタンスの影響が支配的になる高速時の領域に分けて、PWMの直線的な補正比を変えることで、速度による流減少を補正します。シンプルなアルゴリズムですが、電流を一定に保つのに非常に有効です。これは、実際のモーターで電圧制御をして、逆切電力補正比で、電圧制御をして、逆切電力補正機能を使って補正する前と後の波形を比較したものです。シンプルな機能ですが、非常にうまく電流を一定に保てていることが確認できます。全ページにあった逆切電力補正運動にモーターのパラメーターと必要な情報を入れると、逆切電力補正運動が初期の暫定補正カーブを計算します。このページの波形は、暫定値からスタートしてさらに微調整したものです。微調整についての詳細は、アプリケーションノートがありますので、そちらを参考にすることができます。電圧制御では、逆切電力やインダクタンスの周波数特性以外に、電源電圧の変動も電流値に影響します。電源電圧が下がった場合には、PWM duty比が同じ場合、電流が下がってしまいます。STの電圧制御ステッピングモータードライバーには、この電源電圧変動を保証する機能があります。左の図のように、Vバスを分圧して、COVIDの内蔵ADコンバーターに入力しておくと、電源電圧の変動を検出可能です。右の式にあるように、Vバスの電圧がIPシロンの割合で変化した場合、その逆数分PWM比を補正します。ここではKIPシロンが補正値です。こうして、電源電圧の変動によって生じる電流値変動を補正します。この他にもPWM比を温度保証するためのユーザーに解消されたゲインケースレジスターを持っています。次は低速回転時の歪み補正です。ステッピングモーターは、特に低速時に大きなトルクを発生させられるという特徴がありますが、低速時には波形歪みが発生してしまいます。この波形歪みは高調波成分になり、相温や振動の原因になります。こちらは実際の歪んだ波形です。赤丸部分に歪みが確認できます。低速歪み改善をオンにすると、このように綺麗に歪みがなくなります。ここまでが、主な電圧制御のメリットの簡単な説明です。