CN102111098A - 电动机驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以低成本连续地检测感应电压并以此为基础高效率地驱动电动机的电动机驱动电路。线圈电流检测部(30)检测线圈中流动的电流分量。按比例缩放部(38)对驱动信号按比例缩放。感应电压分量抽出部(42)从由线圈电流检测部检测的线圈电流分量中除去通过所述按比例缩放部被按比例缩放后的驱动信号，抽出感应电压分量。相位差检测部(74)检测驱动信号的相位和感应电压分量的相位之间的相位差。信号调整部(14)调整驱动信号，使得通过相位差检测部(74)被检测的相位差接近于目标相位差。

Description

电动机驱动电路

技术领域

本发明涉及一种用于驱动同步电动机的电动机驱动电路。

背景技术

同步电动机具有多种，已知例如SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)、PM(Permanent Magnet)型步进电动机、VR(Variable Reluctance)型步进电动机、HB(Hybrid)型步进电动机、BLDCM(Brushless DC Motor)等。用于检测这些同步电动机的旋转位置的方法，有使用传感器进行检测的方法和以没有传感器进行检测的方法。

对于以没有传感器进行检测的方法，具有使用由定子和转子感应的感应电力(下面还合适地称为速度电动势)的方法。在使用该速度电动势的方法中，具有根据电动机定子电压·电流和电动机模式来进行矢量运算并进行位置推定的方法、以及将电动机的驱动线(line)作为规定期间高阻抗状态来直接地检测速度电动势的方法。根据前者的方法，在驱动期间的整个期间中，转子的位置推定是可能的。根据后者的方法，以检测的速度电动势分量的过零定时(zero cross timing)来进行转子的位置推定是可能的。

专利文献1：日本特开2007-274760号公报。

根据上述前者的方法，电路规模增大，成本变高。根据上述后者的方法，在检测速度电动势的期间，需要使向电动机的通电停止，电流的连续性被破坏。即使将转子的位置推定所用的取样点限于速度电动势的过零定时，并且特别地在2相电动机中将各相的非通电期间进行合计，对每个1/4电动角周期也只能检测转子的状态。

发明内容

本发明是鉴于上述问题提出的，其目的在于以低成本提供一种连续地检测感应电压，以其为基础来高效率地驱动电动机的技术。

本发明的一种方式的电动机驱动电路，包括：驱动部，根据驱动信号，将电流供给到同步电动机的线圈；线圈电流检测部，检测在线圈中流动的电流分量；按比例缩放部，其将驱动信号按比例缩放；感应电压分量抽出部，从通过线圈电流检测部被检测的线圈电流分量中，除去由所述按比例缩放部按比例缩放后的驱动信号，抽出感应电压分量；相位差检测部，检测驱动信号的相位和感应电压分量的相位之间的相位差；以及驱动信号调整部，调整所述驱动信号，使得通过相位差检测部被检测的相位差接近于目标相位差。

发明效果

根据本发明，能够以低成本连续地检测感应电压，并且以此为基础高效率地驱动电动机。

附图说明

图1是用于说明2相PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)的定子和转子的关系的示意图。

图2是表示本发明实施方式相关的电动机驱动电路的构成的示意图。

图3是表示本发明实施方式的变形例1相关的电动机驱动电路的构成的示意图。

图4是表示本发明实施方式的变形例2相关的电动机驱动电路的构成的示意图。

图5是表示本发明实施方式的变形例3相关的电动机驱动电路的构成的示意图。

图6是表示相位差检测部的动作例子的时序图。

图7是表示失步检测部的构成的示意图。

图8是表示连续判定部的动作例子的时序图。

图9是表示旋转速度检测部的构成的示意图。

图10是表示旋转速度检测部的动作例子的时序图。

图11是表示将反馈回路追加到图2所示的电动机驱动电路后的电动机驱动电路的构成的示意图。

图12是表示图11所示的电动机驱动电路的变形例的示意图。

图13是表示失步预测判定部的构成的示意图。

图14是表示相位判定部的动作例子的时序图。

附图符号说明

10励磁定时生成部、12励磁振幅生成部、14信号调整部、16PWM信号生成部、18H电桥驱动部、20步进电动机、22第1线圈、24第2线圈、26转子、Rs定子电阻、30线圈电流检测部、31差动放大器、32偏移调整部、33模拟数字变换器、34差动放大器、35低通滤波器、36符号判定部、38按比例缩放(scaling)部、40比较调整部、42感应电压分量抽出部、44放大器、46数字低通滤波器、48微分器、50失步(同期外れ)检测部、52可变阈值设定部、54连续判定部、60旋转速度检测部、62第1磁滞比较器、64第2磁滞比较器、66异或电路、70第1过零检测部、72第2过零检测部、74相位差检测部、76选择器、78平均化部、80失步(脱调)预测判定部、82微分器、84相位判定部、90减法部、92补偿滤波器、94选择器、96加法器、98选择器、100电动机驱动电路。

具体实施方式

在说明本发明实施方式之前，说明本发明实施方式中使用的知识。该知识是用于规定电动机中所包括的定子和转子的关系的知识。

图1是用于说明2相PMSM的定子和转子的关系的示意图。作为前提，对图1内的各个符号进行定义。

L＝各相的电感

Ia，Ib＝各相的电流

R＝各定子的直流电阻DCR

Va，Vb＝各相的电压

θ＝转子轴和A相轴之间的夹角

ω＝转子角速度(dθ/dt)

转子是永久磁铁，当将由其速度电动势引起的在各相产生的交链磁通的最大值设为Φ时，A相轴分量Φa定义为下式(1)。

Φa＝Φcos θ        式(1)

因此，A相的定子所感应的速度电动势Ea如下式(2)所示，由A相轴分量Φa的时间微分得到。

Ea＝-ωΦsinθ    式(2)

因此，A相的电压方程式按下式(3)定义。

Va＝(R+pL)Ia+(-ωΦsinθ)      式(3)

这里，p＝d/dt。

B相也能够同样地进行计算，当将图1所示的2相PMSM的A相和B相的电压方程式汇集记载时，按下式(4)定义。

【数1】

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right]=(R+\mathrm{pL})\left[\begin{array}{c}\mathrm{ia}\\ \mathrm{ib}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ω\φ}\sin \mathrm{\θ}\\ \mathrm{\ω\φ}\sin \mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right];$ $p=\frac{d}{\mathrm{dt}}$ 式(4)

如果变形上述式(4)，则导出下述式(5)。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ia}\\ \mathrm{ib}\end{array}\right]=\left(\frac{1}{R+\mathrm{pL}}\right)\left[\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right]+\left(\frac{1}{R+\mathrm{pL}}\right)\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ω\φ}\sin \mathrm{\θ}\\ \mathrm{\ω\φ}\sin \mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right]$ 式(5)

上述式(5)的右边第一项，在速度电动势为零时，表示在定子线圈中流动的电流。这里，在诸如小型步进电动机等电感比较小的电动机中，即使忽视考虑pL分量，在实用上也没有妨碍。在与对定子线圈进行励磁的电动角周期之间的关系中，即使在pL分量的影响相对地小的情况下，即使忽视考虑pL分量，在实用上也没有妨碍。根据上述，能够将上述式(5)近似为下述式(6)。

【数3】

$R\left[\begin{array}{c}\mathrm{ia}\\ \mathrm{ib}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ω\φ}\sin \mathrm{\θ}\\ \mathrm{\ω\φ}\sin \mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right]$ 式(6)

当处于电动机为停止状态并且定子线圈为直流励磁的稳态状态时，速度电动势变成零，则上述式(6)按下述式(7)表示。

【数4】

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ia}\\ \mathrm{ib}\end{array}\right]=\frac{1}{R}\left[\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right]$ 式(7)

上述式(7)表示在上述条件下，用于使定子上所施加的电压值和从该定子检测的电流值一致的比例因数(scaling factor)，由定子的直流电阻DCR被表达。

上述式(6)的右边第2项表示速度电动势。因此，速度电动势Ev如下述式(8)所示那样，通过从电动机旋转时从定子检测的电流值Is减去将比例因数As乘以电动机旋转时定子的驱动电压值S0所得到的按比例缩放(scaling)后的驱动信号Ss而检测出。这里，比例因数As是用于将在直流励磁状态下从定子检测的电流值Idc和在直流励磁状态下定子上所施加的电压值Vdc相同地进行比例缩放的因数。

Ev＝Is-As*S0＝Is-Ss    式(8)

这里，Vdc和S0的比例是相同的。即，Vdc∶S0＝1∶1。

图2是表示本发明实施方式的电动机驱动电路100的构成的示意图。该电动机驱动电路100是用于驱动同步电动机的电路。根据本实施方式，驱动2相步进电动机20(以后简单地记述为步进电动机20)。步进电动机20包括两个定子线圈(以后将各个称为第1线圈22和第2线圈24)和转子26。定子电阻Rs表示定子的直流电阻分量。在图2中，描述了第1线圈22的驱动系统，但省略描述第2线圈24的驱动系统。

第1线圈22和第2线圈24以相互电角90°位置错开而配置。

转子26包括磁性体(例如永久磁铁)，根据来自第1线圈22和第2线圈24的磁场来确定稳定的位置。电动机驱动电路100通过将相互90°相位差的交流电流供给第1线圈22和第2线圈24，能够在两者的电流相位上设置差，从而使转子26旋转。

电动机驱动电路100，通过在特定的定时(timing)使电流相位的变化停止，能够按照该定时的电流相位，使转子26停止在特定的位置。通过这些处理，能够控制步进电动机200的旋转。

电动机驱动电路100包括：励磁定时生成部10；励磁振幅生成部12；信号调整部14；PWM(Pulse Width Modulation)信号生成部16；H电桥驱动部18；线圈电流检测部30；符号判定部36；按比例缩放部38；比较调整部40；感应电压分量抽出部42；放大器44；数字低通滤波器46；微分器48；失步检测部50；旋转速度检测部60；第1过零检测部70；第2过零检测部72和相位差检测部74。

励磁定时生成部10，从没有图示的上一级的控制装置接受比例指令或者通常励磁指令，生成与该指令相应的励磁定时。比例指令是选择用于检测比例因数As的按比例缩放检测模式的指令，通常励磁指令是选择通常驱动模式的指令。

比例因数As规定了第1线圈22产生的感应电压为零的状态的驱动信号(更具体地，为在直流励磁状态下被施加到定子的电压值)和线圈电流分量(更具体地，为在直流励磁状态下从定子检测出的电流值)之间的关系。

比例指令在系统启动时被发行。比例指令在步进电动机20为停止中并且被直流励磁的状态时在任意的时刻被发行。

在通常驱动模式中，通过励磁定时生成部10和励磁振幅生成部12，生成具有规定的励磁角度的励磁信号。作为励磁方式，例如，能够采用正弦波励磁、微步(マイクロステツプ)励磁、1-2相励磁、2相励磁、和1相励磁等。

励磁振幅生成部12，根据从励磁定时生成部10供给的励磁定时生成具有励磁振幅的驱动信号或者按比例缩放检测信号。信号调整部14调整从励磁振幅生成部12供给的驱动信号或者按比例缩放检测信号。更严密地调整该信号的振幅。该振幅调整的细节后述。

PWM信号生成部16将从信号调整部14供给的驱动电压值S0变换成PWM信号。按比例缩放检测电压值Vdc按直流信号原样输出。H电桥驱动部18根据所供给的信号将电流供给到步进电动机20。H电桥驱动部18以第1线圈22为中心，包括四个晶体管。从PWM信号生成部16供给的PWM信号形式的驱动电压值S0或者直流信号形式的按比例缩放检测电压值Vdc被输入到这些晶体管的栅极端子。在PWM信号形式的驱动电压值S0被输入的情况下，H电桥驱动部18将与该PWM信号的占空比相应的电流供给到第1线圈22。此时，通过该PWM信号，决定在第1线圈22中应该流动的电流方向和电流量。

线圈电流检测部30检测在第1线圈22中流动的电流分量。线圈电流检测部30通过检测定子电阻Rs的两端电压来检测该电流分量。而且，在检测电流分量时，也可以与定子电阻Rs分开来设置电流检测用的电阻，从而成为检测该电阻的两端电压的构成。线圈电流检测部30包括差动放大器31、偏移调整部32和模拟数字变换器33。

差动放大器31以预定的放大率放大定子电阻Rs的两端电压，并输出到模拟数字变换器33。在差动放大器31的输出端子上连接了低通滤波器，在通过该低通滤波器除去了在差动放大器31的输出信号中包括的噪声之后，该输出信号被输入到模拟数字变换器33。

偏移调整部32调整差动放大器31中产生的偏移。例如，偏移调整部32检测驱动电流为零(即，在定子电阻Rs中流动的电流为零)时的差动放大器31的输出信号，并作为偏移值进行存储。该偏移值被相加到差动放大器31的输入端子，从而抵消在差动放大器31中产生的偏移。而且，由偏移调整部32进行的偏移值的检测处理，基于来自没有图示的上述控制装置的偏移调整指令而执行。

模拟数字变换器33将从差动放大器31输出的模拟信号变换成数字信号。该数字信号是表示由线圈电流检测部30检测的驱动时线圈电流分量Is或者按比例缩放检测时线圈电流分量Idc的信号。符号判定部36对从模拟数字变换器33输入的信号的正负进行判定，并供给到按比例缩放部38。通过该符号判定，检测在定子电阻Rs上流动的电流的方向。

按比例缩放部38存储了上述比例因数As。在通常驱动模式中，按比例缩放部38使用上述比例因数As，对从信号调整部14输出的驱动电压值S0(下面表述为驱动信号S0)进行按比例缩放(scaling)。更具体地，通过在该驱动信号S0上乘以比例因数As，生成按比例缩放后的驱动信号Ss，并供给到感应电压分量抽出部42。

在按比例缩放检测模式中，按比例缩放部38将从信号调整部14输出的按比例缩放检测电压值Vdc乘以比例因数As后的值(Vdc·As)供给到比较调整部40。比较调整部40根据按比例缩放检测模式将从按比例缩放部38供给的值(Vdc·As)和从线圈电流检测部30供给的按比例缩放检测时线圈电流分量Idc进行比较，算出用于使两者一致的比例因数As，并设定到按比例缩放部38中。该比例因数As根据在第1线圈22中流动的电流的方向而被分别地调整。即，设定正负两种比例因数As。这是用于消除电动机驱动电路100的直流特性的差。

感应电压分量抽出部42从由线圈电流检测部30检测的驱动时线圈电流分量Is中除去按比例缩放后的驱动信号Ss，从而抽出感应电压分量。这里，将该感应电压分量抽出作为速度电动势Ev。即，按比例缩放后的驱动信号Ss由于是表示在没有产生感应电流的状态下从第1线圈22检测的电流分量的信号，因此通过从实际检测的线圈电流分量中减去该按比例缩放后的驱动信号Ss，能够算出感应电流分量。

这样，在通常驱动模式中，通过算出将驱动信号S0和比例因数As相乘所生成的驱动信号Ss与驱动时线圈电流分量Is之间的差，能够连续地检测速度电动势分量Ev。

放大器44以预定的放大率放大从感应电压分量抽出部42输出的速度电动势分量Ev。数字低通滤波器46从由放大器44放大的速度电动势分量Ev中除去高频噪声。取样时钟Smpclk从励磁定时生成部10被供给到该数字低通滤波器46。数字低通滤波器46基于该取样时钟Smpclk，能够调整截止频率。励磁定时生成部10基于通常励磁指令所包括的旋转速度信息，决定励磁速度，从而生成与该励磁速度相应的取样时钟Smpclk。因此，数字低通滤波器46通过接收取样时钟Smpclk，能够将截止频率设定成与励磁速度相应的最优值。

从数字低通滤波器46输出的速度电动势分量Vb(以后，将经过了放大器44的速度电动势分量Ev记述为速度电动势分量Vb)被输入到微分器48、第2过零检测部72和旋转速度检测部60。

微分器48对输入的速度电动势分量Vb进行微分，输出速度电动势分量微分值Vb’。通过该微分，速度电动势分量Vb的相位变成超前90°。由微分器48生成的速度电动势分量微分值Vb’被输入到失步(同期外れ)检测部50和第1过零检测部70。

失步检测部50以从励磁定时生成部10所供给的励磁速度信息和从微分器48所供给的速度电动势分量微分值Vb’为基础，检测步进电动机20的失步，输出失步检测信号Se。后述该检测处理的细节。

旋转速度检测部60以从数字低通滤波器46所供给的速度电动势分量Vb和从微分器48所供给的速度电动势分量微分值Vb’为基础，检测步进电动机20的旋转速度，输出旋转速度信号FG。后述该检测处理的细节。

第1过零检测部70检测从微分器48所供给的速度电动势分量微分值Vb’的过零点，将第1过零信号Tp输出到相位差检测部74。第2过零检测部72检测从数字低通滤波器46所供给的速度电动势分量Vb的过零点，将第2过零信号Tz输出到相位差检测部74。

相位差检测部74输出上述驱动信号的相位和速度电动势分量的相位之间的相位差，输出第1相位差信号Pp和第2相位差信号Pz。在相位差检测部74上，除了上述的第1过零信号Tp和第2过零信号Tz之外，还被供给了第1标志信号Tp0、第2标志信号Tz0和计数时钟Cntclk。第1标志(flag)信号Tp0和第2标志信号Tz0是表示相位相互相差90°的两种励磁定时的信号，由励磁定时生成部10供给。

例如，第1标志信号Tp0是表示励磁角度为90°、270°时点之定时的信号，第2标志信号Tz0是表示励磁角度为0°、180°、360°时点之定时的信号。在这种情况下，相位差检测部74在各自的时点上计测由第1标志信号Tp0所表示的90°、270°时点的定时和由第1过零信号Tp所表示的过零定时之间的时间差，检测在各自的励磁角度上的相位差。该检测结果被输出作为第1相位差信号Pp。同样地，相位差检测部74在各自的时点上计测由第2标志信号Tz0所表示的0°、180°、360°时点的定时和由第2过零信号Tz所表示的过零定时之间的时间差，检测在各自的励磁角度上的相位差。该检测结果被输出作为第2相位差信号Pz。

如果步进电动机20为理想的旋转中，则速度电动势分量Ev作为正弦波而检测出。步进电动机在该特性上，在电角频率中，能够将驱动电压的相位和驱动电流的相位看作几乎相同。利用该特性，将按比例缩放后的驱动信号Ss设为基准，通过观测速度电动势分量Ev，能够检测转子26的状态。由于按比例缩放前的驱动信号S0和按比例缩放后的驱动信号Ss是在电动机驱动电路100内生成的信号，因此生成表示其励磁角度为0°、90°、180°、270°、360°时点之定时的标志信号是容易的。掌握励磁周期也是容易的。

图3是表示本发明实施方式的变形例1的电动机驱动电路100的构成的示意图。变形例1是将上述驱动信号S0作为模拟值进行检测并在模拟区域进行驱动时线圈电流分量Is和按比例缩放后的驱动信号Ss之间的减法处理的构成。而且，通过比较调整部40进行的比例因数As的设定处理也在模拟区域中进行。与此相对，对于图2所示的电动机驱动电路100，其在数字区域中进行这些处理。

在变形例1中，追加了差动放大器34。差动放大器34以规定的放大率放大从H电桥驱动部18施加到第1线圈22的两端的电压，并输出到按比例缩放部38。在差动放大器34的输出端子上，连接了低通滤波器，在通过该低通滤波器除去了差动放大器34的输出信号中包括的噪声之后，该输出信号被供给到按比例缩放部38。

在变形例1中，差动放大器31的输出信号不经过模拟数字变换器33而被供给到符号判定部36、比较调整部40和感应电压分量抽出部42。而且，对于差动放大器31和差动放大器34的输出信号，是也能够直接输出到模拟数字变换器33的构成，对于模拟数字变换器33，是能够将其输出信号输出到偏移调整部32的构成，偏移调整部32通过该通路，能够检测差动放大器31和差动放大器34的各自的偏移值。

感应电压分量抽出部42输出模拟信号形式的速度电动势分量Ev，该速度电动势分量Ev由放大器44放大，并由模拟数字变换器33变换成数字信号形式的速度电动势分量Vb。

图4是表示本发明实施方式的变形例2的电动机驱动电路100的构成的示意图。变形例2是在差动放大器31的输出端子上连接了开关电容型的低通滤波器35、并且数字低通滤波器46被除掉的构成。

开关电容型的低通滤波器35能够根据其工作时钟改变截止频率。因此，根据步进电动机20的驱动频率，能够将该截止频率始终控制到最优值。在变形例2中，用开关电容型的低通滤波器35实施图2的数字低通滤波器46进行的高频噪声的去除。开关电容型的低通滤波器35，根据从励磁定时生成部10供给的操作时钟Opclk，调整其工作时钟，从而将截止频率调整到最优值。

图5是表示本发明实施方式的变形例3的电动机驱动电路100的构成的示意图。变形例3是将变形例1和变形例2组合后的变形例。即是追加了差动放大器34、在差动放大器31的输出端子上连接了开关电容型的低通滤波器35a、在差动放大器34的输出端子上连接了开关电容型的低通滤波器35b、并且数字低通滤波器46被除掉的构成。

差动放大器34以规定的放大率放大从H电桥驱动部18施加到第1线圈22的两端的电压，并经过开关电容型的低通滤波器35b输出到按比例缩放部38。开关电容型的低通滤波器35b除去差动放大器34的输出信号中包括的高频噪声。开关电容型的低通滤波器35a和开关电容型的低通滤波器35b，根据从励磁定时生成部10供给的操作时钟Opclk，调整其工作时钟，从而将截止频率调整到最优值。

变形例3与变形例1同样，也是将上述驱动信号S0作为模拟值进行检测并在模拟区域进行驱动时线圈电流分量Is和按比例缩放后的驱动信号Ss之间的减法处理的构成。而且，通过比较调整部40进行的比例因数As的设定处理也在模拟区域中进行。

图6是表示相位差检测部74的动作例子的时序图。对于步进电动机20所包括的第1线圈22和第2线圈24，为了供给相互90°相位差的驱动信号，励磁定时生成部10生成两种励磁定时。基于这两种励磁定时，生成第1标志信号Tp0和第2标志信号Tz0。第1标志信号Tp0和第2标志信号Tz0是上述驱动信号的2倍频率的信号，是与旋转速度信号FG相同频率的信号。

相位差检测部74具有没有图示的两个计数器和减法器。第1计数器在从第1标志信号Tp0的下降沿开始到第1过零信号Tp的下降沿为止的期间，与时钟CLK同步来进行计数。然后，第1过零信号Tp的下降时点的第1计数器内的第1计数值C1被输出作为第1输出计数值Cout1。同样，第2计数器在从第2标志信号Tz0的下降沿开始到第2过零信号Tz的下降沿为止的期间，与时钟CLK同步来进行计数。然后，第2过零信号Tz的下降时点的第2计数器内的第2计数值C0被输出作为第2输出计数值Cout0。

为了补偿由相位差检测部74引起的偏移分量，上述减法器从由第1计数器供给的第1输出计数值Cout1中减去规定的常数Pc，生成第1相位差信号Pp。同样，从由第2计数器供给的第2输出计数值Cout0中减去预定的常数Pc，生成第2相位差信号Pz。

图7是表示失步检测部50的构成的示意图。失步检测部50在步进电动机20的旋转同步被失去时，步进电动机200变成不能够旋转，通过利用失去速度电动势的原理，检测失步。失步检测部50包括可变阈值设定部52和连续判定部54。励磁速度信息从励磁定时生成部10被供给到可变阈值设定部52。可变阈值设定部52基于该励磁速度信息，决定判定连续时间和判定阈值，并设定到连续判定部54。连续判定部54通过判定从微分器48供给的速度电动势分量微分值Vb’在规定的范围内是否停留一定时间以上，来检测失步。

图8是表示连续判定部54的动作例子的时序图。如图8所示，在速度电动势分量微分值Vb’进入了以零为基准对称定位的由正侧阈值+和负侧阈值-所规定的范围内时，连续判定部54将阈值判定信号设定成高电平。然后，在速度电动势分量微分值Vb’即使经过了设定的连续时间但仍然停留在该范围内时(即在该阈值判定信号为高电平原样的情况下)，连续判定部54判定发生了失步，并将失步检测信号Se设定成高电平。

由于速度电动势分量微分值Vb’是速度电动势分量Vb的微分值，因此其振幅分量与步进电动机20的旋转速度成比例。速度电动势分量微分值Vb’的频率与步进电动机20的旋转数一致。因此，可变阈值设定部52通过从励磁定时生成部10实时地取得励磁速度信息，能够将上述判定连续时间和上述判定阈值设定成最优值。由此，从低速旋转到高速旋转，能够更高精度地检测各种状态下的失步。

图9是表示旋转速度检测部60的构成的示意图。旋转速度检测部60包括第1磁滞比较器62、第2磁滞比较器64和异或电路66。速度电动势分量Vb被输入到第1磁滞比较器62。速度电动势分量微分值Vb’被输入到第2磁滞比较器64。

图10是表示旋转速度检测部60的动作例子的时序图。如图10所示那样的以零为基准对称定位的正侧阈值+和负侧阈值-被分别输入到第1磁滞比较器62和第2磁滞比较器64。第1磁滞比较器62，在速度电动势分量Vb超过了正侧阈值+时，将判定信号A设定为高电平，当低于负侧阈值-时设定为低电平。在正侧阈值+和负侧阈值-之间的范围内，将判定信号A的电平维持为其原样。同样地，第2磁滞比较器64，在速度电动势分量微分值Vb’超过了正侧阈值+时，将判定信号B设定为高电平，当低于负侧阈值-时设定为低电平。在正侧阈值+和负侧阈值-之间的范围内，将判定信号B的电平维持为其原样。

从第1磁滞比较器62和第2磁滞比较器64输出相互90°相位差的判定信号A和判定信号B，并输入到异或电路66。异或电路66取判定信号A和判定信号B的异或逻辑，将其运算结果作为旋转速度信号FG而输出。这样，得到具有速度电动势分量Vb和速度电动势分量微分值Vb’之2倍频率的旋转速度信号FG。通过计测该旋转速度信号FG的周期，能够掌握速度电动势分量Vb的每半个周期的速度变化。通过判定由步进电动机20的各相生成的旋转速度信号FG的相位关系，能够检测步进电动机20的旋转方向。而且，对于上述正侧阈值+和上述负侧阈值-，也可以对在失步检测部50中所使用的内容进行挪用。

图11是表示将反馈回路追加到图2所示的电动机驱动电路100后的电动机驱动电路100的构成的示意图。为了简化图面，省略放大器44、数字低通滤波器46、微分器48、失步检测部50、旋转速度检测部60、第1过零检测部70和第2过零检测部72来进行描述。

图11所示的电动机驱动电路100，是在图2所示的电动机驱动电路100中追加了选择器76、减法器90、补偿滤波器92、选择器94、加法器96、选择器98和失步预测判定部80的构成。

选择器76对从相位差检测部74输出的第1相位差信号Pp和第2相位差信号Pz进行交互选择而输出。由此，相位差信号被汇集在一个系统中。减法器90通过从预定的目标相位差Tp中减去从选择器76输入的相位差信号，来生成偏差信号。

补偿滤波器92将从减法器90输入的偏差信号进行滤波，生成控制信号。例如，在补偿滤波器92由PI补偿器构成的情况下，该PI补偿器在该偏差信号上分别乘以比例增益Kp和积分增益Ki/s，将两个运算结果进行相加，从而生成控制信号。而且，该PI补偿器在步进电动机20的停止当中，基本上继续保持前值，并且在特定的时期清除前值而进行动作。所谓特定的时期，是刚刚系统复位之后或者失步之后的重新启动之时等。步进电动机20的动作当中继续动作。

信号调整部14，以由补偿滤波器92生成的控制信号F0或者由加法器96相加偏移值后的控制信号F0为基础，调整驱动信号S0，使得将由相位差检测部74检测的相位差接近于上述目标相位差Tp。更具体地，调整驱动信号S0的振幅。在使速度电动势分量Ev的相位延迟的情况下，使驱动信号S0的振幅衰减，在使速度电动势分量Ev的相位超前的情况下，使驱动信号S0的振幅增大。

这里，控制对象是相位差，但是，由于该相位差因驱动电流而变化，因此作为反馈回路就成为电流回路。该相位差是按比例缩放后的驱动信号Ss和速度电动势分量Ev之间的相位差，但是在为步进电动机20的情况下，根据该运转条件如上述那样，能够忽视驱动电压和驱动电流之间的相位差。这是因为，在步进电动机20中，对每一步(step)，运转使得定子电流到达稳态状态是基本的。

上述目标相位差Tp，被设定在速度电压分量Ev的相位相对于被按比例缩放后的驱动信号Ss的相位为超前90°～0°的范围内。上述目标相位差Tp，在该范围内，根据适用的系统而决定。实际上，设定成在0°上保持规定的余量的角度的情况很多。

上述相位差越小，驱动电流就越减小，耗电就能够降低，但是，步进电动机20的每步的停止位置精度也降低。即，耗电和停止位置精度具有折中选择(trade off)的关系。步进电动机20的效率最大点位于相对转子26电流的相位为超前90°的位置，但是在本实施方式中，即使使效率降低，为了在总的耗电为最小点上运转，也将上述目标相位差设定在+90°～0°之间。

在上述目标相位差不足+90°时，变成不严格地满足定子电流对每步到达稳态状态之类的步进电动机20的基本工作条件。因此，信号调整部14，在步进电动机20所包括的转子26从某个停止位置(A点)开始到下一个停止位置(B点)为止移动时，执行用于使上述相位差接近上述目标相位差的驱动信号的调整，当转子26在停止位置停止时，停止该驱动信号的调整。即，以低耗电进行驱动的情况，在从A点到B点的移动中限定在从移动开始到将要到达B点之前的期间。

选择器98，在转子26从某个停止位置(A点)开始到下一个停止位置(B点)为止移动时，选择并输出被反馈来的控制信号F0。在转子26停止时，选择并输出停止时设定值Cs。该停止时设定值Cs为了确保足够的停止位置精度，是预先设定的值。可以是固定值，也可以是与励磁速度相应的变动值。而且，该选择器98的切换控制由没有图示的上一级的控制装置进行。

选择器94选择第1偏移值Kf和第2偏移值Cf，并输出到加法器96。第1偏移值Kf是根据励磁速度信息而变动的值，其使得步进电动机20在旋转速度切换时也能够稳定地动作。第1偏移值Kf被控制使得在励磁速度高时变大，在低时变小。这使得如果是相同负荷，在速度高时需要大的转矩，在低时小的转矩就足够了。

第2偏移值Cf是能够设定任意的值，在步进电动机20的运转开始时从任意的驱动量中在希望开始运转时选择。由此，在开始运转之后，能够通过上述目标相位差使上述相位差尽早收敛。而且，该选择器94的切换控制也通过没有图示的上一级的控制装置进行。

加法器96在从补偿滤波器92输入的控制信号上加上从选择器94输入的偏移值，并输出到选择器98。

失步预测判定部80将由相位差检测部74检测的相位差的微分值和失步预测用的检测阈值进行比较，预测失步的发生。后述失步预测判定部80的详细构成。

该电动机驱动电路100检测第1线圈22的上述相位差，调整第1线圈22的驱动信号S0使得该相位差接近上述目标相位差Tp，并且调整其他相的线圈(在本实施方式中为第2线圈24)的驱动信号。即，上述控制信号F0介由选择器98也被供给到其他相的信号调整部(ATT)。由此，能够保持第1线圈22和第2线圈24的电流比。而且，也可以是用信号调整部14调整第1线圈22的驱动信号和第2线圈24的驱动信号两者的构成。

图12是表示图11所示的电动机驱动电路100的变形例的示意图。图12所示的电动机驱动电路100，是在图11所示的电动机驱动电路100上追加了平均化部78的构成。平均化部78插入在选择器76和减法器90之间。在本变形例中，还检测其他相的线圈(本实施方式中为第2线圈24)的上述相位差。尽管在图12中省略描述，但另外设置与用于检测第1线圈22的上述相位差的电路元件相同的电路元件，用于第2线圈24。

图12所示的电动机驱动电路100检测第1线圈22的上述相位差和其他相的线圈(本实施方式中为第2线圈24)的上述相位差，调整第1线圈22的驱动信号S0和其他相的线圈(本实施方式中为第2线圈24)的驱动信号，使得这些相位差的平均值接近上述目标相位差Tp。第1线圈22的上述相位差和第2线圈24的上述相位差由平均化部78平均化。

在检测第1线圈22的上述相位差和第2线圈24的上述相位差，各自独立地调整驱动信号的情况下，第1线圈22和第2线圈24的电流比崩溃。在如本实施方式那样的2相电动机中，相位差检测定时在各相中变成几乎相同。因此，在平均化部78设置用于获取其他相的上述相位差的窗口，在将第1线圈22的上述相位差和第2线圈24的上述相位差进行平均化之后，作为共同的反馈系统，将共同的控制信号F0供给第1线圈22和第2线圈24的信号调整部。由此，第1线圈22和第2线圈24的电流比不会崩溃，添加了相互相之响应后的反馈控制变成可能。

图13是表示失步预测判定部80的构成的示意图。失步预测判定部80包括微分器82和相位判定部84。在微分器82和相位判定部84上介由选择器76从相位差检测部74分别输入相位差。微分器82对输入的相位差进行微分，生成相位差微分值Pd，输出到相位判定部84。

图14是表示相位判定部84的动作例子的时序图。相位判定部84对从微分器82供给的相位差微分值Pd和失步预测用的检测阈值进行比较，当相位差微分值Pd在相位延迟方向上超过了该检测阈值时，将失步预测信号SOP设定到高电平。此后，相位判定部84对从相位差检测部74介由选择器76输入的相位差和恢复阈值进行比较，当该相位差在相位超前方向上超过了该恢复阈值时，将失步预测信号SOP设定成低电平。

失步预测信号SOP为高电平的期间，表示是失步发生的危险性高的状态。对于上述检测阈值和上述恢复阈值，根据希望的失步预测灵敏度，设计者或者使用者能够设定。

回到图11、图12，选择器98在失步预测信号SOP为高电平的期间，选择失步预测时设定值Ca，供给到信号调整部14。失步预测时设定值Ca，被设定成在步进电动机20产生了大的转矩时所十分需要的值。因此，失步预测时设定值Ca成为停止时设定值Cs以上的值。

信号调整部14，在接收失步预测时设定值Ca的供给的期间(即失步预测信号SOP为高电平的期间)，调整驱动信号S0使得在第1线圈22中流动的电流增大。更具体地，使驱动信号S0的振幅增大。

信号调整部14，在失步预测时设定值Ca的供给结束时(即，失步预测信号SOP恢复到低电平时)，结束上述驱动信号S0的调整。信号调整部14对接收控制信号F0或者停止时设定值Cs的供给的期间的处理，如以上那样。这样，通过由失步预测判定部80进行的预测判定处理，相对于发生的转矩，能够预测并避免负荷的变化大时的失步。

如以上说明的，根据本实施方式，通过对按比例缩放后的驱动信号Ss和速度电动势分量Ev之间的相位差进行反馈控制，使得接近上述目标相位差Tp，从而能够以低成本实现电动机的高效率驱动。与使用矢量运算来推定转子的位置的方法相比较，能够大幅度简化电路。而且，通过将反馈控制对象设为驱动信号S0的振幅，能够使反馈控制系统的电路元件简单化。与仅仅高阻抗状态时检测速度电动势的方法相比较，由于不损害电流的连续性就能够检测速度电压分量，因此能够降低驱动噪声。

通过将上述目标相位差设定在+90°～0°之间，能够降低耗电。通过在转子26停止时使反馈控制停止、并且由另外的设定值来控制驱动信号S0，能够确保转子26的停止位置精度。因此，能够两方地满足耗电降低的要求和确保停止位置精度的要求。

通过观测上述相位差的微分值，能够预测失步。特别地，能够预测由负荷的急变引起的失步。在预测到失步的危险性高时，通过调整驱动信号S0使得使转矩增大，能够回避失步。此时，通过调整驱动信号S0的振幅使转矩增大，能够将失步回避系统的电路元件简单化。能够将该电路构件的多个部件与上述反馈控制系统的电路元件共同化。

上面，以几个实施方式为基础说明了本发明。本领域技术人员应当理解，这些实施方式是例示性的，在这些各个构成要素和各个处理过程的组合上能够具有各种变形例，并且这些变形例也处于本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种电动机驱动电路，其特征在于，包括：

驱动部，根据驱动信号，将电流供给到同步电动机的线圈；

线圈电流检测部，检测在所述线圈中流动的电流分量；

按比例缩放部，将所述驱动信号按比例缩放；

感应电压分量抽出部，从通过所述线圈电流检测部检测的线圈电流分量中，除去通过所述按比例缩放部被按比例缩放后的驱动信号，抽出感应电压分量；

相位差检测部，检测所述驱动信号的相位和所述感应电压分量的相位之间的相位差；以及

驱动信号调整部，调整所述驱动信号，使得通过所述相位差检测部检测的相位差接近于目标相位差。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动电路，其特征在于，

所述按比例缩放部，使用对在所述线圈中产生的感应电压为零的状态下的所述驱动信号和由所述线圈电流检测部检测的线圈电流分量之间的关系进行规定的比例因数，来对所述驱动信号按比例缩放。

3.根据权利要求2所述的电动机驱动电路，其特征在于，

所述驱动信号调整部调整所述驱动信号的振幅。

4.根据权利要求2所述的电动机驱动电路，其特征在于，

所述同步电动机是步进电动机，

所述目标相位差，被设定在所述感应电压分量的相位相对于所述被按比例缩放后的驱动信号的相位为+90°～0°的范围内。

5.根据权利要求2所述的电动机驱动电路，其特征在于，

所述同步电动机是步进电动机，

所述驱动信号调整部，在所述步进电动机所包括的转子从某个停止位置开始移动到下一个停止位置为止时，执行用于使所述相位差接近所述目标相位差的所述驱动信号的调整，在所述转子在停止位置停止时，停止所述驱动信号的调整。

6.根据权利要求2所述的电动机驱动电路，其特征在于，

所述同步电动机是步进电动机，该步进电动机包括第1线圈和第2线圈，

该电动机驱动电路检测所述第1线圈的所述相位差，调整所述第1线圈的驱动信号和所述第2线圈的驱动信号，使得该相位差接近所述目标相位差。

7.根据权利要求2所述的电动机驱动电路，其特征在于，

所述同步电动机是步进电动机，该步进电动机包括第1线圈和第2线圈，

该电动机驱动电路检测所述第1线圈的所述相位差和所述第2线圈的所述相位差，调整所述第1线圈的驱动信号和所述第2线圈的驱动信号，使得这些相位差的平均值接近所述目标相位差。

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