CN110932619B - 控制装置、控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

实施方式涉及控制装置、控制系统及控制方法。根据实施方式，提供具有驱动电路与控制电路的控制装置。驱动电路具有多个晶体管、以及电流判定电路。多个晶体管在连接于电源电路的第一节点与连接于直流电动机的第二节点之间彼此并联地电连接。电流判定电路对在第一节点与第二节点之间流动的电流进行判定。控制电路根据判定出的电流，生成用于控制多个晶体管中导通的晶体管的数量的控制信号。驱动电路通过与控制信号对应的电流来驱动直流电动机。

Description

控制装置、控制系统及控制方法
相关申请：本申请享受2018年9月18日申请的日本专利申请第2018－174042号的优先权的权益，并在本申请中援引其日本专利申请的全部内容。
技术领域
实施方式涉及控制装置、控制系统及控制方法。
背景技术
直流电动机的控制装置对直流电动机中流动的电流进行控制。此时，希望适当地控制电流。
以往，为了进行直流电动机的驱动控制，有时通过附加在控制装置与电源电路之间的外置的电阻元件的两端电压来判定电流值。在该情况下，外置的电阻元件所消耗的电力可能会导致直流电动机的驱动控制中的电力效率的降低。另外，由于装置的小型化的要求，可能难以确保用于配置外置的电阻元件的空间。
发明内容
实施方式提供一种能够适当地控制直流电动机中流动的电流的控制装置、控制系统及控制方法。
根据本实施方式，提供具有驱动电路和控制电路的控制装置。驱动电路具有多个晶体管及电流判定电路。多个晶体管在第一节点与连接于直流电动机的第二节点之间彼此并联地电连接。电流判定电路对在第一节点与第二节点之间流动的电流进行判定。控制电路根据判定出的电流，生成用于控制多个晶体管中导通的晶体管的数量的控制信号。驱动电路通过与控制信号对应的电流来驱动直流电动机。
附图说明
图1是表示实施方式的控制系统的构成的图。
图2是表示实施方式的控制系统的动作的波形图。
图3A及图3B是表示实施方式中的电流判定电路及驱动开关的构成及动作的图。
图4A及图4B是表示第一变形例中的电流判定电路及驱动开关的安装构成的图。
图5是表示第二变形例的控制系统的动作的波形图。
图6A～图6C是表示第二变形例中的电流判定电路及驱动开关的动作的图。
图7A及图7B是表示第三变形例中的驱动电路的动作的波形图。
具体实施方式
以下参照附图，对实施方式的控制系统进行详细说明。另外，并非通过该实施方式来限定本发明。
(实施方式)
图1是表示本实施方式的控制系统1的构成的图。控制系统1进行直流电动机M的驱动控制。
控制系统1对作为L负载发挥作用的直流电动机M进行不使用外置的电阻元件的无电阻式电流判定。即，控制系统1对直流电动机M中流动的电流(驱动电流)进行判定，并根据判定结果进行恒流控制。恒流控制是通过判定驱动开关的两端电压、并进行控制以使判定出的电流接近规定的目标电流来进行的。
例如，控制系统1根据如图2所示的伪正弦波状的控制波形图案对直流电动机M中流动的电流进行控制。图2是表示控制系统1的动作的波形图。这种控制是一边阶跃性地改变目标电流一边得到拟似地接近正弦波的电流波形图案的驱动控制，可以被称为微步驱动。为了通过无电阻式电流判定来进行微步驱动，希望高精度地判定直流电动机的驱动电流。
但是，随着驱动电路内的作为驱动开关的晶体管高性能化、动作电压低电压化，在控制波形图案中的电流振幅小的区域中，可能难以确保驱动电流的判定精度。在对直流电动机M要求低电流驱动的情况下，确保驱动电流的判定精度可能变得越发困难。
例如，在电流判定电路使用比较器等具有偏移电压的电路而构成的情况下，在电流振幅小的区域中，电流判定电路的偏移电压相对于控制的目标电压(与目标电流对应的电压值)相对地变大。因此，在电流振幅小的区域中，电流判定电路诸如在驱动开关的两端电压的值为比目标电压大出相当于偏移电压的量的电压值时判定为达到目标电压等这样，电流判定的误差可能变大。由此，相对于控制波形图案，实际的电动机电流的波形图案在电流振幅小的区域中偏移，成为从伪正弦波背离了的波形图案，因此直流电动机会产生较大的噪声和/或振动。
在本实施方式中，通过多个晶体管的并联连接来构成驱动电路5内的驱动开关。通过在电流振幅小的区域限制导通的晶体管的数量，使两端电压呈现得较大，来实现电流判定的精度提高。
具体而言，控制系统1包括控制装置2、以及电源电路3。电源电路3包括电压源3a。控制装置2与电源电路3以及直流电动机M连接，并对直流电动机M的驱动进行控制。控制装置2具有驱动电路5及控制电路6。驱动电路5被安装为MCD(电动机线圈驱动器)。控制电路6可以被安装为MCU(微控制器单元)。控制电路6具有控制逻辑电路61及PWM控制电路62。直流电动机M例如是步进电动机，但也可以是DC有刷电动机、DC无刷电动机。
驱动电路5具有多个电流判定电路51～54及多个驱动开关55～58。驱动开关55～58能够构成为H桥式电路。各驱动开关55～58的控制端子与PWM控制电路62连接，一端与直流电动机M连接。驱动开关55、56的另一端与电源电路3连接。驱动开关57、58的另一端与接地电位连接。
各电流判定电路51～54与对应的驱动开关55～58的两端电连接。各电流判定电路51～54通过驱动开关55～58的两端电压来判定该驱动开关55～58中流动的电流的大小。
图3A是表示电流判定电路51及驱动开关55的构成及动作的图。驱动开关55具有节点N1、节点N2、以及多个晶体管NT1～NT3。节点N1与电源电路3连接。节点N2能够与直流电动机M连接。晶体管NT1～NT3在节点N1与节点N2之间彼此并联地电连接。各晶体管NT1～NT3可以由NMOS晶体管构成。各晶体管NT1～NT3的漏极与节点N1连接，源极与节点N2连接，栅极与PWM控制电路62连接。
电流判定电路51对在节点N1与节点N2之间流动的电流进行判定，进行判定出的电流是否超过了目标电流的判定，并输出判定结果。电流判定电路51具有晶体管(复制晶体管)NT11、判定电路511及基准电流源512。晶体管NT11具有与晶体管NT1～NT3对应的尺寸(＝W/L：W为栅极宽度，L为栅极长)，能够以与晶体管NT1～NT3对应的导通电阻进行动作。晶体管NT11的漏极与基准电流源512连接，源极与节点N2连接，栅极与偏置电位Vb连接。偏置电位Vb被调整成使得晶体管NT11在线性区域动作。基准电流源512被从PWM控制电路62供给使其产生与目标电流(参照图2)相当的基准电流的控制信号。由此，在基准电流源512与晶体管NT11之间的节点N3呈现与目标电流相当的目标电压。
判定电路511具有输入节点511a、511b及输出节点511c。判定电路511例如可以由比较器构成。判定电路511的输入节点511a与节点N1连接，输入节点511b与节点N3连接，输出节点511c与控制逻辑电路61连接。判定电路511向控制逻辑电路61供给基于比较节点N1的电压与节点N3的电压而得的结果的信号。例如，判定电路511在节点N1的电压超过节点N3的电压的情况下，将H电平的信号供给至控制逻辑电路61，在节点N1的电压低于节点N3的电压的情况下，将L电平的信号供给至控制逻辑电路61。
另外，关于电流判定电路52及驱动开关56的构成也相同。关于电流判定电路53及驱动开关57的构成、电流判定电路54及驱动开关58的构成，节点N1与直流电动机M连接且节点N2与接地电位连接这一点不同，除此之外的点与上述相同。
控制逻辑电路61预先设定有如图2所示的控制波形图案、或者根据方形波的波形图案进行使用了规定参数的运算而生成如图2所示的控制波形图案。控制逻辑电路61根据各电流判定电路51～54的判定结果(即，判定电路511的比较结果)及图2所示的控制波形图案，对PWM控制电路62指示目标电流值及使晶体管NT1～NT3中导通的数量。
控制逻辑电路61指示PWM控制电路62以使驱动开关55～58的晶体管NT1～NT3导通。例如，若将控制电流中的最大振幅的绝对值设为IM(＞0)，则在图2所示的期间TL－1、TL－2、TL－3、TL－4、TL－5中，控制电流的振幅绝对值小于IM/2。此时，若将图1中的从左向右的方向设为电动机电流的正侧，则在控制电流的振幅为+侧，在驱动开关55、58中将导通的晶体管的数量限制为一个(参照图3A)，在驱动开关56、57中晶体管全部维持为截止状态。在控制电流的振幅为－侧，在驱动开关56、57中将导通的晶体管的数量限制为一个，在驱动开关55、58中晶体管全部维持为截止状态。
由此，在控制电流的振幅绝对值小的区域中驱动开关的两端的电阻变大，能够增大在驱动开关的两端呈现的电压，因此能够容易地提高电流判定电路54对驱动电流的判定精度。
另一方面，在期间TH－1、TH－2、TH－3、TH－4中，控制电流的振幅绝对值大于IM/2。此时，在控制电流的振幅为+侧，在驱动开关55、58中使晶体管全部导通(参照图3B)，在驱动开关56、57中晶体管全部维持为截止状态。在控制电流的振幅为－侧，在驱动开关56、57中使晶体管全部导通，在驱动开关55、58中晶体管全部维持为截止状态。
PWM控制电路62根据来自控制逻辑电路61的指示，生成目标电流值的控制信号、以及使各驱动开关55～58中的晶体管NT1～NT3导通·截止的PWM控制信号，并向驱动电路5供给。即，PWM控制电路62向各基准电流源512供给目标电流值的控制信号，并且向各晶体管NT1～NT3供给PWM控制信号。
如以上那样，在本实施方式中，在控制装置2中，通过多个晶体管的并联连接来构成驱动电路5内的驱动开关，在电流振幅小的区域限制导通的晶体管的数量，使两端电压呈现得较大。由此，能够提高电流判定的精度，能够适当地控制直流电动机中流动M的电流。因此，能够满足对直流电动机M的低电流驱动的要求，能够容易地(例如，向低电流侧)扩大对于直流电动机M的可控制的电流范围即动态范围。
另外，在各驱动开关55～58中，彼此并联连接的晶体管的数量并不限定为三个，也可以是两个，也可以是四个以上。
或者，在驱动电路5中，只要在电动机电流的电流路径中配置至少一个电流判定电路即可。例如，驱动电路5也可以是省略了电流判定电路51、52的构成，也可以是省略了电流判定电路53、54的构成。
在实施方式中示例了控制系统1无电阻式地进行电流判定的情况，但在使用外置电阻进行电流判定的情况下也能够应用本实施方式的思路。
接下来，对实施方式的第一变形例进行说明。图4A及图4B是表示驱动电路5中的电流判定电路及驱动开关的安装构成的图。例如，根据装置的小型化的要求，有时预先决定应配置电路的安装区域100。在该情况下，如图4A所示，电流判定电路51及驱动开关55，在将安装区域100内3分割而得的区域101～103中分别配置晶体管NT1～NT3，在区域101～103间的区域104、105分割配置相当于电流判定电路51的构成。各区域101～103例如能够由栅极阵列构成，可以等效地作为一个晶体管进行动作。
或者，也可以是，如图4B所示那样将区域100内分割为10份，对晶体管NT1～NT3的各构成任意地分配该区域201～210中的一个以上的区域。例如，将区域201分配给晶体管NT1，将区域202～204分配给晶体管NT2，将区域205～210分配给晶体管NT3。由此，能够适当调整驱动开关中的晶体管NT1～NT3的尺寸。在该情况下，也能够在分配给晶体管的区域间分割配置相当于电流判定电路的构成。
接下来，对实施方式的第二变形例进行说明。控制电路6也可以多阶段地控制驱动开关55～58中导通的晶体管的数量。图5是表示第二变形例的控制系统的动作的波形图。图6A～图6C是表示第二变形例中的电流判定电路及驱动开关的动作的图。
例如，在图5所示的期间TL－1、TL－2、TL－3、TL－4、TL－5中，控制电流的振幅绝对值小于1/3×IM。此时，若将从左朝向右的方向设为电动机电流的正侧，则在控制电流的振幅为+侧，在驱动开关55、58中将导通的晶体管的数量限制为一个(图6A)，在驱动开关56、57中晶体管全部维持为截止状态。在控制电流的振幅为－侧，在驱动开关56、57中将导通的晶体管的数量限制为一个(图6A)，在驱动开关55、58中晶体管全部维持为截止状态。
由此，在控制电流的振幅绝对值小的区域中驱动开关的两端的电阻变大，能够增大在驱动开关的两端呈现的电压。由此，能够容易地提高电流判定电路54对驱动电流的判定精度。
在图5所示的期间TM－1、TM－2、TM－3、TM－4、TM－5、TM－6、TM－7、TM－8中，控制电流的振幅绝对值大于1/3×IM且小于2/3×IM。此时，在控制电流的振幅为+侧，在驱动开关55、58中将导通的晶体管的数量限制为两个(图6B)，在驱动开关56、57中晶体管全部维持为截止状态。在控制电流的振幅为－侧，在驱动开关56、57中将晶体管的数量限制为两个，在驱动开关55、58中晶体管全部维持为截止状态。
由此，在控制电流的振幅绝对值为中等程度的区域中驱动开关的两端的电阻以中等程度变大，能够将在驱动开关的两端呈现的电压以中等程度增大。由此，能够容易地提高电流判定电路54对驱动电流的判定精度。
另一方面，在图5所示的期间TH－1、TH－2、TH－3、TH－4中，控制电流的振幅绝对值大于2/3×IM。此时，在控制电流的振幅为+侧，在驱动开关55、58中使晶体管全部导通(图6C)，在驱动开关56、57中晶体管全部维持为截止状态。在控制电流的振幅为－侧，在驱动开关56、57中使晶体管全部导通，在驱动开关55、58中晶体管全部维持为截止状态。
这样，在第二变形例中，在控制装置2中，基于控制电流的振幅而多阶段地限制导通的晶体管的数量。在电流振幅小的区域中，使两端电压呈现得较大，在电流振幅为中等程度的区域中，使两端电压以中等程度呈现得较大。由此，在恒流控制中，能够进一步提高电流判定的精度，能够进一步适当地控制直流电动机中流动M的电流。
或者，作为第三变形例，控制装置2也可以在电流振幅大的区域中对多个晶体管进行时序控制。图7A及图7B是表示第三变形例中的驱动电路的动作的波形图。
例如，如图7A所示，在应使晶体管导通的定时t1，各晶体管NT1～NT3能够被一并导通。在该情况下，存在驱动电流的波形达到目标值It之后超过目标值It而过冲(overshoot)的趋势。在考虑该过冲而降低直流电动机M的控制电流的情况下，可以限制对于直流电动机M的可控制的电流范围即动态范围。
与此相对，在第三变形例中，如图7B所示，使多个晶体管NT1～NT3时序地导通。在图7B的情况下，在定时t11使晶体管NT1导通，在定时t12使晶体管NT2导通，在定时t13使晶体管NT3导通。由此，驱动电流的上升成为缓慢但逐渐陡峭地上升的波形，在达到目标值It之后能够在目标值It附近稳定。由此，能够抑制波形的过冲，因此能够将直流电动机M的控制电流设定为较大的值。因此，能够满足对直流电动机M的高电流驱动的要求，能够容易地(例如，向电流侧)扩大对于直流电动机M的可控制的电流范围即动态范围。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨，并且包含于权利要求书所记载的发明及与其等同的范围。

Claims (18)

1.一种控制装置，其中，具备：
驱动电路，具有在连接于电源电路的第一节点与连接于直流电动机的第二节点之间彼此并联地电连接的多个晶体管、和对在所述第一节点与所述第二节点之间流动的电流进行判定的电流判定电路；以及
控制电路，根据所述判定出的电流，生成用于控制所述多个晶体管中导通的晶体管的数量的控制信号，
所述驱动电路通过与所述控制信号对应的电流来驱动所述直流电动机，
所述控制电路在所述第一节点与所述第二节点之间的目标电流被控制为第一电流值的第一期间使所述多个晶体管中的第一个数的晶体管导通，并在所述第一节点与所述第二节点之间的目标电流被控制为相比于所述第一电流值而绝对值较小的第二电流值的第二期间使所述多个晶体管中的比所述第一个数少的第二个数的晶体管导通，从而在相比于所述第一期间而所述目标电流较小的所述第二期间中限制导通的晶体管的个数，
在相比于所述第二期间而所述目标电流较大的所述第一期间中，错开定时地使所述晶体管导通。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，
所述控制电路在第三期间使所述多个晶体管中的比所述第二个数少的第三个数的晶体管导通。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其中，
所述多个晶体管包括第一晶体管及第二晶体管，
所述控制电路在所述第一期间，在第一定时使所述第一晶体管导通，在比所述第一定时靠后的第二定时使所述第二晶体管导通。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其中，
所述多个晶体管还包括第三晶体管，
所述控制电路在所述第一期间，在比所述第二定时靠后的第三定时使所述第三晶体管导通。
5.根据权利要求1所述的控制装置，其中，
所述电流判定电路进行在所述第一节点与所述第二节点之间流动的电流是否超过了目标电流的判定，并将判定结果向所述控制电路输出。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其中，
所述控制电路根据控制波形图案对所述目标电流进行控制。
7.根据权利要求2所述的控制装置，其中，
所述第一期间为所述第一节点与所述第二节点之间的目标电流被控制为第一电流值的期间，
所述第二期间为所述第一节点与所述第二节点之间的目标电流被控制为第二电流值的期间，该第二电流值的绝对值小于所述第一电流值的绝对值，
所述第三期间为所述第一节点与所述第二节点之间的目标电流被控制为第三电流值的期间，该第三电流值的绝对值小于所述第二电流值的绝对值。
8.根据权利要求1所述的控制装置，其中，
所述第二期间为比所述第一期间靠前的期间，
所述多个晶体管包括第一晶体管及第二晶体管，
所述控制电路在所述第二期间使所述第一晶体管导通，在所述第一期间使所述第一晶体管及所述第二晶体管导通。
9.根据权利要求2所述的控制装置，其中，
所述第二期间为比所述第一期间靠前的期间，
所述第三期间为比所述第二期间靠前的期间，
所述多个晶体管包括第一晶体管、第二晶体管及第三晶体管，
所述控制电路在所述第三期间使所述第一晶体管导通，在所述第二期间使所述第一晶体管及所述第二晶体管导通，在所述第三期间使所述第一晶体管、所述第二晶体管及所述第三晶体管导通。
10.根据权利要求1所述的控制装置，其中，
所述第二期间为比所述第一期间靠后的期间，
所述多个晶体管包括第一晶体管及第二晶体管，
所述控制电路在所述第一期间使所述第一晶体管及所述第二晶体管导通，在所述第二期间使所述第一晶体管导通。
11.根据权利要求2所述的控制装置，其中，
所述第二期间为比所述第一期间靠后的期间，
所述第三期间为比所述第二期间靠后的期间，
所述多个晶体管包括第一晶体管、第二晶体管及第三晶体管，
所述控制电路在所述第一期间使所述第一晶体管、所述第二晶体管及所述第三晶体管导通，在所述第二期间使所述第一晶体管及所述第二晶体管导通，在所述第三期间使所述第一晶体管导通。
12.根据权利要求3所述的控制装置，其中，
所述控制电路在所述第二期间，在相同的定时使所述第一晶体管及所述第二晶体管导通。
13.根据权利要求4所述的控制装置，其中，
所述控制电路在所述第二期间，在相同的定时使所述第一晶体管、所述第二晶体管及所述第三晶体管导通。
14.根据权利要求1所述的控制装置，其中，
所述多个晶体管分割配置于安装区域中的多个区域，
与所述电流判定电路相当的构成分割配置于所述多个区域之间。
15.根据权利要求1所述的控制装置，其中，
所述电流判定电路具有：
复制晶体管，具有与所述多个晶体管的各个对应的尺寸；
基准电流源，经由第三节点而与所述复制晶体管电连接；以及
判定电路，将所述第一节点的电压与所述第三节点的电压进行比较，并将比较结果作为所述判定结果向所述控制电路输出。
16.根据权利要求15所述的控制装置，其中，
所述控制电路使所述基准电流源产生与目标电流对应的电流。
17.一种控制系统，其中，具备：
电源电路；以及
配置于所述电源电路与直流电动机之间的权利要求1所述的控制装置。
18.一种控制方法，其中，具备如下步骤：
对在连接于电源电路的第一节点与连接于直流电动机的第二节点之间流动的电流进行判定，多个晶体管被并联地电连接在该第一节点与该第二节点之间；
根据所述判定出的电流，生成用于控制所述多个晶体管中导通的晶体管的数量的控制信号；以及
通过与所述控制信号对应的电流来驱动所述直流电动机，
所述控制方法构成为，
在所述第一节点与所述第二节点之间的目标电流被控制为第一电流值的第一期间使所述多个晶体管中的第一个数的晶体管导通，并在所述第一节点与所述第二节点之间的目标电流被控制为相比于所述第一电流值而绝对值较小的第二电流值的第二期间使所述多个晶体管中的比所述第一个数少的第二个数的晶体管导通，从而在相比于所述第一期间而所述目标电流较小的所述第二期间中限制导通的晶体管的个数，
在相比于所述第二期间而所述目标电流较大的所述第一期间中，错开定时地使所述晶体管导通。
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