CN104242756A

CN104242756A - 步进电动机驱动装置

Info

Publication number: CN104242756A
Application number: CN201410270323.2A
Authority: CN
Inventors: 岩水守生
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: CN104242756B; JP2015006024A; US20140375244A1; JP6149532B2; US9252693B2

Abstract

本发明提供一种步进电动机驱动装置，该步进电动机驱动装置可防止由多个功率MOS-FET的负电流引起的误操作，所述负电流来自步进电动机，所述多个功率MOS-FET向所述步进电动机的成对的线圈互补地施加驱动电压。本发明的步进电动机驱动装置设置有下降延迟电路，其根据该MOS-FET的导通时的上升时间Trise和截止时的下降时间Tfall，将分别向多个MOS-FET的各个栅极互补地施加的输入脉冲信号的下降定时延迟时间Td，所述时间Td满足Td>Trise-Tfall，使得一个MOS-FET导通之后，另一MOS-FET截止，其中，所述多个MOS-FET向步进电动机的形成为对的线圈互补地施加驱动电压。

Description

步进电动机驱动装置

技术领域

本发明涉及一种具备多个绝缘栅型半导体元件(例如，功率MOS-FET)的步进电动机，其中，所述多个绝缘栅型半导体元件通过向步进电动机的成对的线圈互补地施加驱动电压来驱动该步进电动机。

背景技术

步进电动机1如图5所示具备被设置为包围转子(旋转子)2的多对线圈(coil)3a、3b、4a、4b。此外，图5示出两相单极型的步进电动机1的主要部分概略构成。该步进电动机1通过在成对的线圈3a、3b、4a、4b互补地流过例如如图6所示的电流而被励磁，这样，所述转子2按每预定角度被旋转驱动。

图7是驱动所述步进电动机1的步进电动机驱动装置10的整体的概略构成图。该步进电动机驱动装置10具备并联的驱动电路11、12、13、14，驱动电路11、12、13、14向所述线圈3a、3b、4a、4b的各个端子Xa、Xb、Ya、Yb互补地施加驱动电压Vout1、Vout2、Vout3、Vout4。这些各个驱动电路11、12、13、14分别输入有由定时信号发生器15产生的如图6所示的具有预定相位差的输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4，并生成所述各个驱动电压Vout1、Vout2、Vout3、Vout4。

另外，所述驱动电路11(12、13、14)具备绝缘栅型半导体元件(例如功率MOS-FET22)，该绝缘栅型半导体元件如图8所示被驱动电路21导通、截止驱动，产生所述驱动电压Vout1(Vout2、Vout3、Vout4)并施加到所述线圈3a(3b、4a、4b)。这里，所述栅极驱动电路21接收借由逻辑电路23而被供给的所述输入脉冲信号，产生栅极信号，并对功率MOS-FET22进行导通、截止驱动(例如参照专利文献1)。

另外，图中的24是借由未图示的温度传感器检测所述功率MOS-FET22的过热异常的过热检测电路。此外，25是监视借由串联连接的电阻r1、r2而流至所述步进电动机(负载)的电流的过电流检测电路。在由所述过热检测电路24检测出过热异常时，或者在由所述过电流检测电路25检测出过电流时，所述逻辑电路23对连接在所述功率MOS-FET22的栅极的保护用的MOS-FET26进行导通驱动。通过该MOS-FET26的导通驱动，所述功率MOS-FET22的栅极电压被强制设置为接地电位，从而该功率MOS-FET22的驱动停止。这样，保护所述步进电动机(负载)1以及所述功率MOS-FET22不受上述异常的影响。

据此，在通过所述逻辑电路23对所述功率MOS-FET22的驱动进行停止控制时，该信息借由MOS-FET27作为状态信号ST被输出到外部。此外，当借由串联连接的阻抗r3、r4检测出步进电动机1的断路，即，所述线圈3a(3b、4a、4b)的断路时，该信息借由与所述MOS-FET27并联设置的MOS-FET28作为状态信号ST输出到外部。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-239242号公报

发明内容

技术问题

在所述步进电动机1的成对的线圈3a、3b、4a、4b，互补地施加基于所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4的所述驱动电压Vout1、Vout2、Vout3、Vout4。然而，实际上，由于所述功率MOS-FET22的导通特性(即，导通时的上升时间Trise)，导致该功率MOS-FET22输出的所述驱动电压Vout1、Vout2、Vout3、Vout4如图9中的一例所示的那样比所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4的输入定时延迟一段时间。

因此，使例如第三相的功率MOS-FET22截止时，会产生与该第三相的功率MOS-FET22成对的第一相(反相)的功率MOS-FET22没有达到导通的状态。这样的状态在提高所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4的频率来高速驱动所述步进电动机1时容易产生。

在示意地示出所述驱动电路11(12、12、14)的元件构造的图10中，如箭头A所示，负电流Iout1会从所述线圈3a流入所述第一相的功率MOS-FET22的源极-漏极之间。该负电流Iout1是在所述步进电动机1中引起所述多个线圈3a、3b、4a、4b之间的互感的感应电流。所述负电流Iout1如箭头B所示在所述驱动电路11(12、13、14)的电路部被分流，成为所述MOS-FET27、28的寄生晶体管29(参照图10)的基极电流，并使该寄生晶体管29导通。

结果，随着所述寄生晶体管29的导通，例如如箭头C所示那样流入电流，借由所述MOS-FET27、28而输出的所述状态信号ST变为“L”。并且由于所述寄生晶体管29的导通，所述功率MOS-FET22的驱动电流被消除，导致所述功率MOS-FET22不能导通。这种状态持续到所述负电流Iout1消失为止，例如以数百μs程度持续。因此，所述功率MOS-FET22的导通延迟，成为所述步进电动机1高速驱动方面的障碍。而且，还成为将所述状态信号ST输出到外部的所述MOS-FET27、28等的误操作的主要原因。

本发明是考虑到以上情况而做出的，其目的在于提供一种构成简单的步进电动机驱动装置，即使在高速驱动步进电动机的情况下，也能够防止由多个绝缘栅型半导体元件(例如，功率MOS-FET)的负电流引起的误操作，所述负电流来自所述步进电动机，所述绝缘栅型半导体元件对所述步进电动机的成对的线圈互补地施加驱动电压。

技术方案

为了实现上述目的，本发明的步进电动机驱动装置的特征在于具备：多个绝缘栅型半导体元件(例如功率MOS-FET和/或IGBT)，其向被并联设置的、步进电动机的成对的线圈互补地施加驱动电压而驱动该步进电动机；下降延迟电路，其根据该绝缘栅型半导体元件导通时的上升时间Trise和截止时的下降时间Tfall，将分别向所述各个绝缘栅型半导体元件的栅极互补地施加的输入脉冲信号的下降定时延迟时间Td，所述时间Td满足Td>Trise-Tfall。

另外，所述时间Td能够被设置为根据所述绝缘栅型半导体元件的导通/截止特性而改变。

另外，所述步进电动机例如为两相单极型，所述多个绝缘栅型半导体元件的作用为：互补地导通、截止分别供给所述步进电动机的成对的线圈的电流。

另外，所述下降延迟电路通过延迟所述输入脉冲信号的下降定时，将所述各个绝缘栅型半导体元件的导通期间Ton设置为比截止期间Toff长。

有益效果

根据上述构成的步进电动机驱动装置，仅通过将延迟所述输入脉冲信号的下降定时的绝缘栅型半导体元件(功率MOS-FET和/或IGBT)导通、截止驱动，在将某个相的绝缘栅型半导体元件截止时，可以使与该相的绝缘栅型半导体元件成对的反相的绝缘栅型半导体元件必然处于导通状态。这样，即使从步进电动机流入负电流，也可以通过处于导通状态的绝缘型栅极半导体元件吸收该负电流。因此不会如现有技术那样带来由负电流引起的所述状态信号ST的改变等的缺陷。

因此，即使在提高所述绝缘栅型半导体元件的导通、截止驱动频率来高速驱动所述步进电动机的情况下，也可以实现其工作的稳定。此外，由于仅在所述条件下延迟所述输入脉冲信号的下降定时，因此其构成简单。因此本发明具有很大的实用性优点。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的步进电动机驱动装置的主要部分概略构成图。

图2是用于说明本发明的操作原理的图。

图3是示出图1所示的步进电动机驱动装置的动作的信号波形图。

图4是示意地示出驱动电路的元件构造和从步进电动机流入的负电流的流向的图。

图5是示出两相单极型的步进电动机的主要部分概略构成的图。

图6是示出步进电动机的驱动例的驱动电压波形图。

图7是示出现有的步进电动机驱动装置的整体概略构成图。

图8是示出与步进电动机驱动装置并联设置的驱动电路的构成例的图。

图9是示出现有的步进电动机驱动装置的操作的信号波形图。

图10是示意地示出驱动电路的元件构造和从步进电动机流入的负电流的流向的图。

符号说明

1 步进电动机

2 转子(旋转子)

3a、3b、4a、4b 线圈

10 步进电动机驱动装置

11、12、13、14 驱动电路

15 定时信号发生器

21 栅极驱动电路

22 功率MOS-FET(绝缘栅型半导体元件)

23 逻辑电路

24 过热检测电路

25 过电流检测电路

26 MOS-FET(保护用)

27、28 MOS-FET(状态信号ST输出用)

29 寄生晶体管

30 下降延迟电路

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的一实施方式的步进电动机驱动装置。

图1是本发明的一实施方式的步进电动机驱动装置10的整体概略构成图，其中，与图7中示出的现有装置相同的部分用同一符号示出。从而省略针对相同部分的重复的说明。

本实施方式的步进电动机驱动装置10的特征在于：具备下降延迟电路30，其延迟由所述定时信号发生器15产生的分别提供到所述驱动电路11、12、13、14的所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4的下降定时。此外，所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4以相隔预定相位差的方式被产生，是用于分别对所述步进电动机1的成对的所述线圈3a、3b、4a、4b互补地进行励磁的信号。

所述下降延迟电路30的作用为根据所述功率MOS-FET 22的例如如图2所示的导通时的上升时间Trise和截止时的下降时间Tfall，将所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4的各个下降定时延迟Td，其中，Td > Trise-Tfall。

具体地，当所述功率MOS-FET 22的导通时的上升时间Trise是12μs，截止时的下降时间Tfall是2.5μs时，所述下降延迟电路30例如将所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4的各个下降定时延迟10μs，以满足Td >Trise-Tfall＝12-2.5(μs)＝ 9.5(μs)的条件。

因此，与图6中示出的所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4相比，施加到所述驱动电路11、12、13、14中的所述功率MOS-FET22的栅极的输入脉冲信号Vin1’、Vin2’、Vin3’、Vin4’如图2所示，将该功率MOS-FET22的导通期间Ton扩大所述延迟时间Td，而将所述功率MOS-FET22的截止期间Toff缩小所述延迟时间Td。因此，所述各个功率MOS-FET22分别通过所述导通期间Ton被设置为比所述截止期间Toff长的所述输入脉冲信号Vin1’、Vin2’、Vin3’、Vin4’来驱动。

结果，例如使第三相的功率MOS-FET22截止时，如图3所示，与第三相的功率MOS-FET22成对的第一相(反相)的功率MOS-FET22必然为导通状态。因此，随着所述第三相的功率MOS-FET22截止，即使从所述步进电动机1流入负电流Iout1，该负电流Iout1如图4的箭头D所示流过导通的所述第一相(反相)的功率MOS-FET22。换言之，所述负电流Iout1不会像现有技术那样流入所述MOS-FET27、28的寄生晶体管29。

因此，不会发生由所述负电流Iout1引起的所述MOS-FET27、28等误操作而使所述状态信号ST变为“L”级的情况。此外，由于所述功率MOS-FET22已经导通，因此不会如现有技术那样带来如该功率MOS-FET22的导通延迟这样的缺陷。因此，即使在提高所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4的频率来高速驱动所述步进电动机1的情况下，也可有效避免如现有技术那样的缺陷，可以稳定地驱动步进电动机1。

另外，如上所述，由于仅通过所述下降延迟电路30来对所述输入脉冲信号Vin1、Vin2、Vin3、Vin4的各个下降定时在所述条件下进行延迟控制，因此其控制简单。此外，也可以容易地将所述延迟时间Td设置为根据所述功率MOS-FET22的上升/下降特性而改变。因此，所述步进电动机驱动装置10价格便宜且易于制造。

此外，本发明不限于上述实施方式。例如，所述下降延迟电路30当然也可以组合在所述各个驱动电路11、12、13、14的逻辑电路23等中。此外，在驱动三相型和/或五相型的步进电动机1的情况下，同样也可适用本发明。另外，也可以使用IGBT作为所述绝缘栅型半导体元件22，还可以相应地将所述延迟时间Td设置为根据所述绝缘栅型半导体元件22的温度特性而改变。

此外，在实施方式中虽然以使用一般的功率MOS-FET和/或IGBT作为所述绝缘栅型半导体元件为前提进行了说明，但是在采用以例如SiC和/或GaN，或金刚石(C)作为材料的宽带隙半导体的开关元件的情况下，同样也可适用本发明。另外，在不脱离本发明要旨的范围的情况下，可对本发明进行各种改变来实施。

Claims

1.一种步进电动机驱动装置，其特征在于，具备：

多个绝缘栅型半导体元件，其向被并联设置的、步进电动机的成对的线圈互补地施加驱动电压而驱动该步进电动机；和

下降延迟电路，其根据该绝缘栅型半导体元件导通时的上升时间Trise和截止时的下降时间Tfall，将分别向所述多个绝缘栅型半导体元件的各个的栅极互补地施加的输入脉冲信号的下降定时延迟时间Td，

其中，所述时间Td满足：

Td>Trise-Tfall。

2.如权利要求1所述的步进电动机驱动装置，其特征在于：

所述时间Td被设置为根据所述绝缘栅型半导体元件的导通/截止特性而改变。

3.如权利要求1所述的步进电动机驱动装置，其特征在于：

所述步进电动机为两相单极型，

所述多个绝缘栅型半导体元件互补地导通、截止分别供给所述步进电动机的成对的线圈的电流。

4.如权利要求1所述的步进电动机驱动装置，其特征在于：

所述下降延迟电路将所述各个绝缘栅型半导体元件的导通期间Ton设置为比截止期间Toff长。

5.如权利要求1所述的步进电动机驱动装置，其特征在于：

所述多个绝缘栅型半导体元件是功率MOS-FET或IGBT。