DE102016109786A1

DE102016109786A1 - Motorsteuerung und Verfahren zum Steuern eines Motors

Info

Publication number: DE102016109786A1
Application number: DE102016109786.1A
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi HIJIKATA
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2016-12-01
Also published as: JP6272797B2; US20160352272A1; US9614471B2; CN106208848B; CN106208848A; JP2016226070A

Abstract

Eine Steuerung einer Motorsteuerung wird dazu betrieben, einen Prozess durchzuführen, der aufweist: Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Lademodus; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Hoch-Dissipationsmodus, wenn der Nulldurchgangsdetektor erfasst, dass die Gegen-EMK der mit einer Phase der H-Brückenschaltung kurz vor der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspule einen Nulldurchgang erfährt; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Niedrig-Dissipationsmodus, nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist; und Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Stromlos-Modus, wenn der Spannungsdetektor erfasst, dass die Differenzspannung zwischen den mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspulen niedriger als eine vorbestimmte Spannung ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuerung und ein Verfahren zum Steuern eines Schrittmotors.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Verfahren zum Ansteuern einer induktiven Last ist in der JP-A-H10(1998)-080194 offenbart, das einen regenerativen elektrischen Strom und einen fließenden elektrischen Strom kombiniert, sodass ein in einer induktiven Last fließender Schaltstrom passend ist.
Im Absatz 0023 der JP-A-H10-080194 ist beschrieben, dass „eine H-Brückenschaltung dazu konfiguriert ist, es einem Strom zu erlauben, in einer induktiven Last in entgegengesetzten Richtungen zu fließen, d. h. in einer Vorwärts- und einer Rückrichtung, mit vier Halbleiter-Schaltelementen und Freilaufdioden, die mit den Halbleiter-Schaltelementen jeweils anti-parallel verbunden sind, sodass, wenn ein Stromzufuhrbetrieb durchgeführt wird, um von einer Stromquelle einen Strom an die induktive Last zu liefern, zwei der Halbleiter-Schaltelemente einen Leitungszustand annehmen, so dass Strom in einer gewünschten Richtung durch die induktive Last fließt, und wodurch der in die induktive Last fließende Strom durch einen derartigen Stromzufuhrbetrieb erhöht wird, was zum Ergebnis hat, dass wenn der Strom größer oder gleich einem vorbestimmten Referenzstromwert ist, die in der induktiven Last angesammelte Energie freigesetzt wird, um den in der induktiven Last fließenden Strom zu steuern.”
Im Absatz 0024 wird beschrieben, dass „dann eine Steuerung durch zwei Arten von Vorgängen durchgeführt werden kann: Einer wird so durchgeführt, dass eines der Halbleiter-Schaltelemente den leitenden Zustand annimmt, so dass das Halbleiter-Schaltungselement, das in dem leitenden Zustand ist, mit einer Freilaufdiode einen geschlossenen Strompfad für die in der induktiven Last gesammelte Energie bildet, wobei die in der induktiven Last einen Stromfluss durch den geschlossenen Strompfad Strom bewirkt; und der andere so durchgeführt wird, dass alle vier Halbleiter-Schaltungselemente unterbrochen werden, um zu bewirken, dass aufgrund der in der induktiven Last gesammelten Energie Strom in den beiden Freilaufdioden fließt und dadurch Strom zu verbrauchen.” Der erstere Vorgang, bei dem verursacht wird, dass Strom in dem geschlossenen Strompfad fließt, wird als eine Kommunikationssteuerung bezeichnet.
Ferner wird im Absatz 0026 der JP-A-H10(1998)-080194 beschrieben, dass „eine vorbestimmte Frequenz eines Ansteuerungszyklus eingestellt wird und ein Stromzufuhrbetrieb dadurch gestartet wird, dass der Ansteuerungszyklus eingeleitet wird, sodass, wenn ein in der induktiven Last fließender Strom größer oder gleich einem vorbestimmten Wert während eines Stromzufuhrbetriebs ist, der Stromzufuhrbetrieb beendet wird und die in der induktiven Last gesammelte Energie freigesetzt wird. Unter der Annahme, dass ein vorbestimmter Zeitraum nach dem Starten des Ansteuerungszyklus als ein Stromregenerierungszeitraum definiert ist, und ein Zeitraum von dem Ende des Stromregenerierungszeitraums zum Ende des Ansteuerungszyklus als ein Stromzeitraum definiert ist, ein Stromregenerierungsvorgang innerhalb des Stromregenerierungszeitraums durchgeführt wird, nachdem der Stromzufuhrbetrieb beendet ist, und die Kommunikationssteuerung innerhalb des Stromzeitraums durchgeführt wird.”
Ein Motor wird gedreht, indem eine Vielzahl von Antriebsspulen in entgegengesetzten Richtungen (bipolar) angesteuert wird und eine andere Phase bestromt wird. Wenn Schaltelemente, die auf gegenüberliegenden Seiten der Spulen liegen, nämlich auf einer Motorzufuhrspannungsseite (oberer Brückenzweig) und einer Masseseite (unterer Brückenzweig), gleichzeitig abgeschaltet werden, während der Motor gedreht wird, wird eine hohe Spannung eines Freilauf-Impulses (Kickback) durch die in den Spulen angesammelte Energie induziert.
Ein Spulenstrom wird zum Zeitpunkt des Phasenwechsels maximiert. Wenn der Freilauf-Impuls induziert wird, wird der Spulenstrom gegen Erde entladen, und zwar durch einen parasitären Transistoreffekt aufgrund eines komplementären MOS(CMOS)-Herstellungsverfahrens einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application Specific Integrated Circuit – ASIC), wodurch eine Verlustleistung verursacht wird. Deshalb erzeugt der ASIC Wärme, sodass ein Betrieb bei hoher Temperatur eingeschränkt ist.
In einem Zeitraum, in dem der Freilauf-Impuls induziert wird, werden die Schaltelemente auf der oberen Brückenseite vorübergehend eingeschaltet, anstatt dass alle Schaltelemente ausgeschaltet werden, um zu bewirken, dass der an die Erde entladene Strom durch die Schaltelemente der hohen Seite fließt und daher an eine Stromversorgungsquelle des Motors zurückfließt. Auf diese Weise ist es möglich, eine Verlustleistung zu verringern.
Da jedoch ein Zeitraum, in dem der Freilauf-Impuls induziert wird, je nach einer Ansteuerungsspannung des Motors, einer Antriebslast des Motors und einer Drehzahl variiert, ist es schwierig, eine Fließzeit in Abhängigkeit von einem Motorbetrieb entsprechend zu steuern. Deshalb kann es zu einer Situation kommen, in der eine Zeit für eine Kommunikationssteuerung nicht optimal ist, sodass eine Verlustleistung in unerwünschter Weise entsteht.
Wenn zum Beispiel die Zeit für die Kommunikationssteuerung kürzer als ein Zeitraum ist, in dem der Freilauf-Impuls induziert wird, fließt ein in den Schaltelementen fließender Strom durch eine parallel dazu geschaltete Freilaufdiode zurück, wodurch eine Verlustleistung verursacht wird. Wenn im Gegensatz dazu die Zeit für die Kommunikationssteuerung kürzer als der Zeitraum ist, in dem der Freilauf-Impuls induziert wird, wird eine induktive Last kurzgeschlossen, um als eine Bremse gegen die Rotation des Motors zu wirken, sodass es weiter schwierig ist, die Drehzahl des Motors zu steuern, und es unmöglich ist, eine Gegen-EMK zu messen, um einen Schrittverlust zu erfassen, nachdem die Drehzahl des Motors eingestellt wurde.
Ferner ist es möglich, den Effekt einer Wärmeerzeugung zu verringern, indem an einem ASIC ein Kühlkörper angebracht wird und die Größe eines Substrats und eine Kupfermenge vergrößert wird. Dieses Verfahren ist jedoch deshalb problematisch, weil die Größe des Substrats oder eines Gehäuses sowie die Herstellungskosten erhöht werden.
Eine äußerlich anzubringende Diode wird an jedem Ausgang des Motors hinzugefügt, und dadurch fließt der Spulenstrom zurück an die Motorstromquelle, ohne durch den parasitären Transistoreffekt beeinträchtigt zu werden, sodass es möglich ist, die Verlustleistung zu verringern. Dieses Verfahren ist jedoch ebenfalls problematisch, weil die Größe des Substrats sowie die Herstellungskosten steigen, weil der Befestigungsteilpunkt und die Befestigungsfläche vergrößert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist es, eine Motorsteuerung und ein Verfahren zum Steuern eines Schrittmotors vorzusehen, die dazu ausgebildet sind, eine Verlustleistung zu verringern, indem ein an einen Masseanschluss entladener Strom an eine Stromquelle zurückgeleitet wird.
Gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Motorsteuerung vorgesehen, die aufweist: eine H-Brückenschaltung, die Schaltelemente, Freilaufdioden und mit im Motor angeordneten Motorspulen verbundene Halbbrücken aufweist; einen Spannungsdetektor, der eine Differenzspannung zwischen den Motorspulen erfasst; einen Nulldurchgangsdetektor, der einen Nulldurchgang einer Gegen-EMK einer jeden der Motorspulen erfasst; und eine Steuerung, welche die H-Brückenschaltung derart steuert, dass Sie in einer von den folgenden Betriebsarten betrieben wird, umfassend einen Lademodus, einen Hoch-Dissipationsmodus, einen Niedrig-Dissipationsmodus und einen Stromlos-Modus, durch Aktivieren der Schaltelemente der H-Brücke auf der Grundlage der von dem Spannungsdetektor erfassten Differenzspannung. Die H-Brückenschaltung erhöht in dem Lademodus einen in den jeweiligen Motorspulen fließenden Motorstrom. In dem Hoch-Dissipationsmodus arbeitet die H-Brückenschaltung mit einer hohen Energiedissipation und wird ein Freilauf-Impuls einer jeden der Motorspulen induziert. In dem Niedrig-Dissipationsmodus arbeitet die H-Brückenschaltung mit einer niedrigen Energiedissipation, die niedriger als in dem Hoch-Dissipationsmodus ist. Die H-Brückenschaltung wird derart betrieben, dass es dem Nulldurchgangsdetektor ermöglicht wird, den Nulldurchgang der Gegen-EMK einer jeden der Motorspulen zu erfassen, nachdem sich der Freilauf-Impuls einer jeden der Motorspulen verringert hat. Die Steuerung wird ferner dazu betrieben, einen Prozess durchzuführen, der aufweist: Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Lademodus; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Hoch-Dissipationsmodus, wenn der Nulldurchgangsdetektor erfasst, dass die Gegen-EMK der Motorspule, die mit einer Phase der H-Brückenschaltung kurz vor der H-Brückenschaltung verbunden ist, einen Nulldurchgang durchläuft; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Niedrig-Dissipationsmodus, nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist; und Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Stromlos-Modus, wenn der Spannungsdetektor erfasst, dass die Differenzspannung zwischen den mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspulen niedriger als eine vorbestimmte Spannung ist.
Gemäß einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist ein Verfahren zum Steuern eines Motors mit einer Motorsteuerung vorgesehen, aufweisend: eine H-Brückenschaltung, die Schaltelemente, Freilaufdioden und Halbbrücken aufweist, wobei die Halbbrücken mit Motorspulen verbunden sind, die in dem Motor vorgesehen sind; einen Spannungsdetektor, der eine Differenzspannung zwischen den Motorspulen erfasst; einen Nulldurchgangsdetektor, der einen Nulldurchgang einer Gegen-EMK einer jeden der Motorspulen erfasst; und eine Steuerung, die dazu betrieben wird, die H-Brückenschaltung zu steuern, in einer von Betriebsarten betrieben zu werden, die einen Lademodus, einen Hoch-Dissipationsmodus, einen Niedrig-Dissipationsmodus und einen Stromlos-Modus umfassen, durch Aktivieren der Schaltelemente der H-Brückenschaltung auf der Grundlage der von dem Spannungsdetektor erfassten Differenzspannung. Die H-Brückenschaltung erhöht in dem Lademodus einen in den jeweiligen Motorspulen fließenden Motorstrom. In dem Hoch-Dissipationsmodus arbeitet die H-Brückenschaltung mit einer hohen Energiedissipation wobei ein Freilauf-Impuls in jeder der Motorspulen induziert wird. Die H-Brückenschaltung arbeitet in dem Niedrig-Dissipationsmodus mit einer niedrigen Energiedissipation, die niedriger als in dem Hoch-Dissipationsmodus ist. Die H-Brückenschaltung wird derart betrieben, dass der Nulldurchgangsdetektor den Nulldurchgang der Gegen-EMK einer jeden der Motorspulen erfassen kann, nachdem der Freilauf-Impuls einer jeden der Motorspulen abgeklungen ist. Das Verfahren weist auf: Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Lademodus; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Hoch-Dissipationsmodus, wenn der Nulldurchgangsdetektor erfasst, dass die Gegen-EMK der Motorspulen, die mit einer Phase der H-Brückenschaltung kurz vor der H-Brückenschaltung verbunden ist, einen Nulldurchgang erfährt; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Niedrig-Dissipationsmodus, nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist; und Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Stromlos-Modus, wenn der Spannungsdetektor erfasst, dass die Differenzspannung zwischen den mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspulen niedriger als eine vorbestimmte Spannung ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den beiliegenden Zeichnungen zeigt:
1 ein gesamtes Blockdiagramm, das ein Motorsteuerungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform und ein Vergleichsbeispiel veranschaulicht;
2 ein detailliertes Blockdiagramm, das eine Motorsteuerung gemäß der ersten Ausführungsform und das Vergleichsbeispiel veranschaulicht;
die 3A bis 3D erläuternde Ansichten, die Betriebsmodi einer H-Brückenschaltung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulichen;
4 eine erläuternde Ansicht, die einen Niedrig-Dissipationsmodus einer H-Brückenschaltung 20 gemäß einer Variante veranschaulicht;
5 eine Wellendarstellung, die Stromsequenzen einer X-Phase und einer Y-Phase der H-Brückenschaltung veranschaulicht;
6 eine Wellendarstellung, die eine Spannung und einen Strom eines jeden Teils der X-Phase der H-Brückenschaltung veranschaulicht;
7 ein Fließdiagramm, dass die Verarbeitung eines ersten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern der Ansteuerung des Motors gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
8 ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung eines zweiten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern der Ansteuerung des Motors gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
die 9A bis 9C erläuternde Ansichten, die Betriebsmodi einer H-Brückenschaltung gemäß einem Vergleichsbeispiel veranschaulichen;
10 eine Wellendarstellung, die Stromsequenzen einer X-Phase und einer Y-Phase der H-Brückenschaltung gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht;
11 ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung eines ersten Quadranten der X-Phase einer Motorsteuerung gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht;
12 ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung eines zweiten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern der Ansteuerung des Motors gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht; und
13 eine detaillierte Ansicht, die eine Spule, ein Schaltelement und ein peripheres Teil einer Motorsteuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen anhand der beiliegenden Zeichnungen.
1 zeigt ein gesamtes Blockdiagramm eines Motorsteuerungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein Motor 120 ein bipolarer Zwei-Phasen-Schrittmotor und weist einen Rotor 126, der einen Permanentmagneten hat und so eingebaut ist, dass er frei drehbar ist, und Statoren auf, wobei die Statoren an vier Positionen in einer Umfangsrichtung des Rotors 126 eingebaut sind. Diese Statoren bestehen aus den Statoren 122XP und 122XN, die jeweils eine X-Phase haben, und den Statoren 122YP und 122YN, die jeweils eine Y-Phase haben. Spulen sind um die entsprechenden Statoren gewickelt. Die um die Statoren 122YB und 122YN gewickelten Spulen sind in Reihe geschaltet, sodass die beiden Spulen zusammen als „Spule 124Y” bezeichnet werden. In gleicher Weise sind auch die um die Statoren 122XP und 122XN gewickelten Spulen in Reihe geschaltet, sodass die beiden Spulen zusammen als eine „Spule 124X” bezeichnet werden.
Ein Host-Gerät 130 gibt ein Drehzahl-Befehlssignal zum Anweisen einer Drehzahl des Motors 120 aus. Eine Motorsteuerung 100 steuert den Antrieb des Motors 120 in Reaktion auf das Drehzahl-Befehlssignal. H-Brückenschaltungen 20X und 20Y sind in der Motorsteuerung 100 verbaut, um eine Spannung VMX der X-Phase und eine Spannung VMY der Y-Phase an die Spulen 124X bzw. 124Y anzulegen.
Ein Ende der Spule 124X der X-Phase ist ein Anschluss Mout0, während das andere Ende ein Anschluss Mout1 ist. Die Spannung VMX der X-Phase ist eine Differenz zwischen einer Spannung des Anschlusses Mout1 und einer Spannung des Anschlusses Mout0. In einem Spulenstrom IMX der X-Phase ist eine Richtung vom Anschluss Mout0 zum Anschluss Mout1 als eine positive Richtung eingestellt.
Ferner ist ein Ende der Spule 124Y der Y-Phase ein Anschluss Mout2, während das andere Ende ein Anschluss Mout3 ist. Die Spannung VMY der Y-Phase ist eine Differenz zwischen einer Spannung des Anschlusses Mout3 und einer Spannung des Anschlusses Mout2. In einem Spulenstrom IMY der Y-Phase ist eine Richtung vom Anschluss Mout2 zum Anschluss Mout3 als eine positive Richtung eingestellt.
2 ist ein detailliertes Blockdiagramm, das die Motorsteuerung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
Die Motorsteuerung 100 wird im Einzelnen anhand von 2 beschrieben. 1 zeigt zwei Systeme von Spulen 124X und 124Y und zwei Systeme von H-Brückenschaltungen 20X und 20Y, während 2 ein System der Spule 124 und ein System der H-Brückenschaltung 20 zeigt.
Eine Zentraleinheit (CPU) 101, die in der Motorsteuerung 100 eingebaut ist, steuert jeden Teil durch einen Bus 106, auf der Grundlage eines Steuerungsprogramms, das in einem Festwertspeicher (read-only memory – ROM) 103 gespeichert ist. Ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 102 wird als ein Arbeitsspeicher der CPU 101 verwendet. Eine Zeituhr 104 misst eine Zeit, die seit einer Rücksetzzeit verstrichen ist, unter der Steuerung der CPU 101. Ein I/O-Anschluss 105 gibt Signale zwischen dem Host-Gerät 130, das an der oberen Position in 1 angeordnet ist, und anderen externen Vorrichtungen ein bzw. aus. Eine Brückensteuerung 107 steuert jeden Teil der Brückensteuerungsschaltung 110 auf der Grundlage eines Befehls von der CPU 101.
Die Brückensteuerungsschaltung 110 ist als eine integrale integrierte Schaltung konfiguriert. Ein PWM-Signalgenerator 113, der in der Brückensteuerungsschaltung vorgesehen ist, basiert auf einer Steuerung durch die Brückensteuerung 107, erzeugt ein PWM-Signal und liefert dieses Signal dann an die H-Brückenschaltung 20. Die H-Brückenschaltung 20 enthält Schaltelemente 2, 4, 6 und 8, die aus FET (Feldeffekttransistoren) bestehen. Das PWM-Signal ist ein Ein/Aus-Signal, das an die Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 als eine Gate-Spannung angelegt wird. In der Zeichnung wird aus einem unteren Anschluss eines jeden der Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 ein Source-Anschluss, während deren oberer Anschluss ein Drain-Anschluss wird.
Die Schaltelemente 2 und 4 sind in Reihe geschaltet, und eine Gleichstromquelle 140 und eine Masse 142 sind mit der Reihenschaltung verbunden, sodass eine vorbestimmte Versorgungsspannung MVdd daran angelegt wird. In gleicher Weise sind auch die Schaltelemente 6 und 8 in Reihe geschaltet, sodass die Versorgungsspannung MVdd an die Reihenschaltung angelegt wird. Dioden 12, 14, 16 und 18 sind Dioden (Freilaufdioden) für einen Rückstrom und sind mit den Schaltelementen 2, 4, 6 und 8 parallel geschaltet.
Eine Spannung VMout0 eines Verbindungspunkts zwischen den Schaltelementen 2 und 4 wird an ein Ende der Spule 124X des Motors 120 angelegt. Ferner wird eine Spannung VMout1 eines Verbindungspunkts zwischen den Schaltelementen 6 und 8 an das andere Ende der Spule 124 angelegt. Auf diese Weise wird eine Motorspannung VM(= Spannung VMout0 – VMout1), die gleich einer Differenz zwischen der Spannung VMout0 und der Spannung VMout1 ist, an die Spule 124 angelegt. Die Motorspannung VM ist tatsächlich die Spannung VMX der X-Phase und die Spannung VMY die Spannung der Y-Phase, die in 1 gezeigt sind. Ferner wird eine Spannung VMout2 an die Spule 124Y der Y-Phase angelegt und wird eine Spannung VMout3 an das andere Ende der Spule 124Y der Y-Phase angelegt.
Ferner werden die Spannungen VMout0 und VMout1 auch an einen A/D-Wandler 117 und an einen Gegen-EMK-Detektor 118 geliefert. In der ersten Ausführungsform wird der A/D-Wandler 117 als ein Spannungsdetektor verwendet, um eine Differenzspannung der Motorspulen zu erfassen. Der Gegen-EMK-Detektor 118 ist ein Nulldurchgangsdetektor. Wenn die Motorspannung VM die Gegen-EMK ist, nämlich in einem Zeitraum, wenn keine Spannung von der H-Brückenschaltung 20 aus angelegt wird, wird eine Spannungsrichtung gewechselt (Nulldurchgang), weshalb ein Flag ZC ausgegeben wird. Der A/D-Wandler 117 misst die Gegen-EMK Vbemf der Spule 124 auf der Grundlage der Spannungen VMout0 und VMout1. Die Gegen-EMK Vbemf wird für die Erfassung eines Schrittverlusts verwendet.
Die 9A bis 9C sind erläuternde Ansichten, die einen Betriebsmodus der H-Brückenschaltung 20 gemäß einem Vergleichsbeispiel veranschaulichen.
9A ist eine Ansicht, die den Betrieb der H-Brückenschaltung 20 während eines Zeitraums in dem ein Strom angelegt ist, zeigt.
Wenn ein Motorstrom an die Spule 124 angelegt wird, werden zwei diagonal gegenüberliegende Schaltelemente eingeschaltet. Im gezeigten Beispiel sind die Schaltelemente 4 und 6 an, während die Schaltelemente 2 und 8 aus sind. In diesem Zustand fließt der Motorstrom durch das Schaltelement 6, die Spule 124 und das Schaltelement 4 in einer durch eine dicke Linie gezeigten Richtung. Dieser Betriebszeitraum wird als eine „Bestromungszeit” bezeichnet, und diese Betriebsart wird als ein „Lademodus” bezeichnet.
Doch selbst wenn die Gate-Spannung eines der Schaltelemente abgeschaltet wird, bleibt ein zugehöriges Schaltelement durch eine parasitäre Kapazität des zugehörigen Schaltelements vorübergehend im Ein-Zustand. Daher sind, wenn die sich diagonal gegenüberliegenden Schaltelemente 4 und 6 von dem Ein-Zustand in den Aus-Zustand versetzt werden und gleichzeitig die anderen sich diagonal gegenüberliegenden Schaltelemente 2 und 8 von dem Aus-Zustand in den Ein-Zustand versetzt werden, die in Reihe geschalteten Schaltelemente 2 und 4 vorübergehend ein, wodurch ein Stromdurchbruch auftritt. Auf diese Weise entsteht ein Kurzschluss zwischen der Gleichstromquelle 140 und der Masse 142, sodass die Schaltelemente 2 und 4 zerstört werden. Das gleiche gilt für die Schaltelemente 6 und 8. Um dieses Problem zu umgehen, wird die H-Brückenschaltung 20 nach dem „Lademodus” in einen „Hoch-Dissipationsmodus” von 9B versetzt.
Daher wird, wenn die Schaltelemente 4 und 6 aus sind, während die Schaltelemente 2 und 8 aus sind, ein Betrieb von dem Lademodus von 9A in den Hoch-Dissipationsmodus von 9B übertragen. Ein Zeitraum, in dem die H-Brückenschaltung 20 in dem Hoch-Dissipationsmodus betrieben wird, wird als der „Hoch-Dissipationszeitraum” bezeichnet.
9B ist eine Ansicht, die den Betrieb der H-Brückenschaltung 20 in dem Hoch-Dissipationszeitraum zeigt.
Im Hoch-Dissipationsmodus schaltet die H-Brückenschaltung 20 alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 aus. Zu dieser Zeit fließt Strom durch die Diode 18, die Spule 124 und die Diode 12 in einer durch eine dicke Linie gezeigten Richtung durch in der Spule 124 gespeicherte Energie. D. h. in der Spule 124 angesammelte Energie führt dazu, dass Strom in einem geschlossenen Stromkreislauf fließt, der durch die Hoch-Seiten-Diode 12, die in einer Motorstrom-Strömungsrichtung, die durch eine dicke Linie gezeigt ist, angeordnet ist, und die Niedrig-Seiten-Diode 18, die in einer Richtung angeordnet ist, die der Motor Strom-Strömungsrichtung entgegengesetzt ist, die durch eine dicke Linie gezeigt ist, gebildet wird. Dieser Hoch-Dissipationsmodus führt zu einer Verlustleistung in Reaktion auf einen Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Dioden 12 und 18. Wenn die H-Brückenschaltung 20 von einem CMOS-Prozess gebildet wird, leckt der Strom aufgrund des parasitären Transistoreffekts im Hoch-Dissipationsmodus zur Masse 142, wodurch Wärme erzeugt wird und folglich eine Energiedissipation erhöht wird.
Wenn die Spule 124 genügend Energie aus dem Hoch-Dissipationsmodus von 9B entlässt, fließt kein Strom, weshalb der Modus in einen „Stromlos-Modus” von 9C umgeschaltet wird.
9C ist eine Ansicht, die einen Betrieb der H-Brückenschaltung 20 in einem Stromlos-Zeitraum veranschaulicht.
Im Stromlos-Modus schaltet die H-Brückenschaltung 20 alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 aus. Zu dieser Zeit wird die in der Spule 124 angesammelte Energie freigesetzt. In diesem Stromlos-Modus erscheint die Gegen-EMK in der Spule 124. Die Brückensteuerungsschaltung 110 schaltet in einen nächsten Quadranten, indem der Nulldurchgang der Gegen-EMK des Motors 120 in dem Stromlos-Zeitraum erfasst wird.
10 ist eine Wellendarstellung, in der Stromsequenzen der X-Phase und der Y-Phase der H-Brückenschaltung 20 veranschaulicht werden.
Die Wellendarstellung von 10 zeigt die Spannungen VMout0 und VMout1 der X-Phase, den Betriebsmodus der X-Phase, die Spannungen VMout2 und VMout3 der Y-Phase, den Betriebsmodus der Y-Phase, die Spannung VMX und den Spulenstrom IMX der X-Phase und die Spannung VMY und den Spulenstrom IMY der Y-Phase.
Die Motorsteuerung 100 des Vergleichsbeispiels treibt den Motor 120 in einer Phasenanregung in Reaktion auf die Motoransteuerungsspannung und die Last. Der Motor 120 dreht sich dadurch, dass ein elektrischer Winkel mit vier Phasen (Quadranten) geschaffen wird. Wenn die X-Phase der Bestromungszeitraum (siehe 9A) in einem beliebigen Quadranten ist, übernimmt die Y-Phase den freien Zeitraum (siehe 9C) nach dem Hoch-Dissipationszeitraum (siehe 9B).
Wenn die Motoransteuerungsspannung hoch oder die Last klein ist, erhöht sich die Drehzahl des Motors 120, verringert sich der maximale Strom der Spule 124. Wenn die Motorantriebslast klein ist, wird eine Zeit des Rücklauf-Impulses verkürzt. Die Gegen-EMK wird im Stromlos-Zeitraum einer jeden Phase erzeugt. Diese Gegen-EMK ist hoch, wenn die Motordrehzahl hoch ist und wird zu einer Zeit des Stillstands 0 [V], sodass sie dazu verwendet werden kann, einen Schrittverlust zu erfassen.
In 10 ist der erste Quadrant ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t111 bis zum Zeitpunkt t121. In diesem ersten Quadranten wird die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase im Lademodus betrieben. Zu dieser Zeit wird das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 eines Zweigs am Anschluss Mout0 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 eines Zweigs am Anschluss Mout1 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Anschluss Mout0 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Anschluss Mout1 Strom an die Masse 142 und wird so 0 [V]. Die Spannung VMX der X-Phase wird (–MVdd), sodass der Spulenstrom IMX der X-Phase in einer Richtung vom Anschluss Mout0 zum Anschluss Mout1 fließt und gleichzeitig ein Absolutwert des Stroms allmählich erhöht wird.
Im ersten Quadranten sind alle Schaltelemente der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase in den Aus-Zustand versetzt, und wird die H-Brückenschaltung von dem Zeitpunkt t111 bis um Zeitpunkt t112 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben und wird nach dem Zeitpunkt t112 im Stromlos-Modus betrieben. In 10 ist der Hoch-Dissipationsmodus einfach als [K] bezeichnet.
Die Spannung VMY der Y-Phase wird kleiner oder gleich (–MVdd – 2Vf) durch den Freilauf-Impuls unmittelbar nach dem Zeitpunkt t111 und wird gleichzeitig durch die Diode geklemmt, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten bleibt. Die Spannung VMY wird kurz vor dem Zeitpunkt t112 plötzlich angehoben, um einen Nulldurchgang zu erfahren, und wird nach Erreichen einer vorbestimmten Spannung allmählich verringert, um zum Zeitpunkt t121 erneut einen Nulldurchgang zu erfahren. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung vom Anschluss Mout3 zum Anschluss Mout2 unmittelbar nach dem Zeitpunkt t111, doch wird der absolute Wert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t112 allmählich auf 0 [mA] verringert und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t121 auf 0 [mA] gehalten.
Der zweite Quadrant ist ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t121 bis zum Zeitpunkt t131. In diesem zweiten Quadranten sind alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Aus-Zustand versetzt und wird die H-Brückenschaltung von dem Zeitpunkt t121 bis zum Zeitpunkt t122 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben und wird nach dem Zeitpunkt t122 im Stromlos-Modus betrieben.
Die Spannung VMX der X-Phase wird größer oder gleich (+MVdd + 2Vf) durch den Freilauf-Impuls unmittelbar nach dem Zeitpunkt t121 und wird gleichzeitig durch die Diode geklemmt, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten bleibt. Die Spannung VMX wird kurz vor dem Zeitpunkt t122 plötzlich verringert, um einen Nulldurchgang zu durchlaufen, und wird nach der Reduktion auf eine vorbestimmte Spannung allmählich erhöht, um zum Zeitpunkt t131 wieder einen Nulldurchgang zu durchlaufen. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t121 in einer Richtung vom Anschluss Mout0 zum Anschluss Mout1, doch wird der absolute Wert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t122 allmählich auf 0 [mA] verringert und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t131 auf 0 [mA] gehalten.
Im zweiten Quadranten wird die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase im Lademodus betrieben. Zu dieser Zeit sind das Obere-Brückenseite-Schaltelement eines Zweigs am Anschluss Mout2 der H-Brückenschaltung 20Y und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement eines Zweigs am Anschluss Mout3 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Anschluss Mout2 Strom an die Gleichstromquelle 140, um die Versorgungsspannung MVdd anzulegen, und leitet der Anschluss Mout3 Strom an die Masse 142 und wird dadurch 0 [V].
Die Spannung VMY der Y-Phase legt eine Spannung (–MVdd) an, sodass der Spulenstrom IMY der Y-Phase in einer Richtung vom Anschluss Mout2 zum Anschluss Mout3 fließt und gleichzeitig ein Absolutwert des Stroms allmählich erhöht wird.
Der dritte Quadrant ist ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t131 zum Zeitpunkt t141. In diesem dritten Quadranten wird die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase im Lademodus betrieben. Zu dieser Zeit sind das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Anschluss Mout1 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Anschluss Mout0 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Anschluss Mout1 Strom an die Gleichstromquelle 140, um die Versorgungsspannung MVdd anzulegen, und leitet der Anschluss Mout0 Strom an die Masse 142, sodass die angelegte Spannung 0 [V] wird. Die Spannung VMX der X-Phase wird (+MVdd), sodass der Spulenstrom IMX der X-Phase in einer Richtung vom Anschluss Mout1 zum Anschluss Mout0 fließt und gleichzeitig ein Absolutwert des Stroms allmählich erhöht wird.
In diesem dritten Quadranten sind alle Schaltelemente der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase in den Aus-Zustand versetzt und wird die H-Brückenschaltung von dem Zeitpunkt t131 bis zum Zeitpunkt t132 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben und nach dem Zeitpunkt t132 im Stromlos-Modus betrieben.
Die Spannung VMY der Y-Phase wird größer oder gleich (+MVdd + 2Vf) durch den Freilauf-Impuls unmittelbar nach dem Zeitpunkt t131 und wird gleichzeitig durch die Diode geklemmt, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten bleibt. Die Spannung VMY wird kurz vor dem Zeitpunkt t132 plötzlich verringert, um einen Nulldurchgang zu erfahren, und wird nach der Verringerung auf eine vorbestimmte Spannung allmählich erhöht, um zum Zeitpunkt t141 erneut einen Nulldurchgang zu erfahren. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t131 in einer Richtung vom Anschluss Mout2 zum Anschluss Mout3, doch wird der Absolutwert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t132 allmählich auf 0 [mA] verringert und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t141 auf 0 [mA] gehalten.
Der vierte Quadrant ist ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t141 bis zum Zeitpunkt t151. In diesem vierten Quadranten sind alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Aus-Zustand versetzt und wird die H-Brückenschaltung von dem Zeitpunkt t141 bis zum Zeitpunkt t142 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben und nach dem Zeitpunkt t142 im Stromlos-Modus betrieben.
Die Spannung VMX der X-Phase wird kleiner oder gleich (–MVdd – 2Vf) durch den Freilauf-Impuls unmittelbar nach dem Zeitpunkt t141 und wird gleichzeitig durch die Diode geklemmt, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten bleibt. Die Spannung VMX wird kurz vor dem Zeitpunkt t142 plötzlich erhöht, um einen Nulldurchgang zu durchlaufen, und wird nach dem Erhöhen auf eine vorbestimmte Spannung allmählich verringert, um zum Zeitpunkt t151 erneut einen Nulldurchgang zu durchlaufen. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t141 in einer Richtung vom Anschluss Mout1 zum Anschluss Mout0, doch wird der absolute Wert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t142 allmählich auf 0 [mA] verringert und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t151 auf 0 [mA] gehalten.
Im vierten Quadranten wird die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase im Lademodus betrieben. Zu dieser Zeit sind das Obere-Brückenseite-Schaltelement eines Zweigs am Anschluss Mout3 der H-Brückenschaltung 20Y und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement eines Zweigs am Anschluss Mout2 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Anschluss Mout3 Strom an die Gleichstromquelle 140, um die Versorgungsspannung MVdd anzulegen, und leitet der Anschluss Mout2 Strom an die Masse 142, um 0 [V] zu werden.
Die Spannung VMY der Y-Phase legt eine Spannung (+MVdd) an, sodass der Spulenstrom IMY der Y-Phase in einer Richtung vom Anschluss Mout3 zum Anschluss Mout2 fließt und gleichzeitig ein Absolutwert des Stroms allmählich erhöht wird.
Der Motor 120 dreht sich, während sich Wellenformen vom ersten Quadranten zum vierten Quadranten wiederholen. Ferner ist der X-Phasen-Betriebsmodus des ersten Quadranten nach dem Zeitpunkt t151 der Lademodus und wird in 10 einfach mit „C” bezeichnet.
Eine Verlustleistung P_on des Bestromungszeitraums kann aus der folgenden Gleichung (1) berechnet werden. P_on = I_rms ² × (R_dsH + R_dsL) (1) wobei:

P_on: eine Verlustleistung während des Bestromungszeitraums ist;
I_rms: ein effektiver Wert eines Spulenstroms ist;
R_dsH: ein Widerstand zwischen Drain und Source des Obere-Brückenseite-Schaltelements ist, wenn das Obere-Brückenseite-Schaltelement eingeschaltet ist; und
R_dsL: ein Widerstand zwischen Drain und Source des Niedrig-Seiten-Schaltelements ist, wenn das Untere-Brückenseite-Schaltelement eingeschaltet ist.

Eine Verlustleistung P_off1 des Hoch-Dissipationszeitraums kann aus der folgenden Gleichung (2) berechnet werden, wenn kein Strom zur Gleichstromquelle 140 zurückkehrt und der gesamte Strom aufgrund des parasitären Transistoreffekts zur Masse 142 leckt.
wobei:

P_off1: eine Verlustleistung während des Hoch-Dissipationszeitraums ist;
I_peak: der maximale Spulenstrom ist;
V_f: ein Spannungsabfall in der Durchlassrichtung der Diode ist; und
D_fly: ein Verhältnis des Hoch-Dissipationszeitraum für jeden Quadranten ist.

Im Stromlos-Zeitraum erfolgt keine Verlustleistung, da der Strom selten in der Spule 124 fließt. In einem elektrischen Winkel des Zwei-Phasen-Schrittmotors kann die Verlustleistung P aus der folgenden Gleichung (3) berechnet werden. P = (P_on + P_off1) × 4 (3) wobei:

P: eine Verlustleistung für jeden elektrischen Winkel des Schrittmotors ist.

Wie in Gleichung (1) bis (3) ausgedrückt, haben die Versorgungsspannung MVdd, der Spulenstrom und das Verhältnis des Hoch-Dissipationszeitraums starke Auswirkungen auf die Verlustleistung P. Deshalb tritt unter dem parasitären Transistoreffekt eine große Verlustleistung auf.
11 ist ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung eines ersten Quadranten der X-Phase einer Motorsteuerung gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht. Die Symbole in Achtecken, die im Fließdiagramm angegeben sind, veranschaulichen den Zustand der H-Brückenschaltungen 20X und 20Y.
Die X-Phase startet den ersten Quadranten ab dem Bestromungszeitraum. Eine Brückensteuerungsschaltung 110 schaltet das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Anschluss Mout0 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase ein (Schritt S30). Auf diese Weise führt die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase im ersten Quadranten das Anlegen eines Stroms aus. Zu dieser Zeit wird eine Differenz zwischen der Spannung VMout0 und der Spannung VMout1 zur Versorgungsspannung MVdd (Schritt S31). Strom fließt vom Anschluss Mout0 zum Anschluss Mout1, sodass der Motor 120 gedreht wird und der Absolutwert des Spulenstroms IMX allmählich erhöht wird.
Hierbei erfährt die Gegen-EMK der Y-Phasenspannung VMY einen Nulldurchgang (Ja in Schritt S32), werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Anschluss Mout0 der X-Phase und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Anschluss Mout1 ausgeschaltet (Schritt S33), wird die X-Phase in den Hoch-Dissipationszeitraum umgeschaltet. Dadurch wird die Spannung VMout0 gleich der Spannung VMout1 (Schritt S34), sodass der erste Quadrant abgeschlossen ist.
Im ersten Quadranten nimmt die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase eine Spannungswellenform an, bei der sich die Rücklauf-Spannung und die Gegen-EMK gegeneinander aufheben. In einem Anfangsstadium des ersten Quadranten wird die Gegen-EMK durch die Rotation des Motors erzeugt. Weil jedoch gleichzeitig alle Schaltelemente in einem letzten Stadium eines vorhergehenden vierten Quadranten abgeschaltet sind, wird die Rücklauf-Spannung von der Spule 104 und 20Y in einer Richtung induziert, die entgegen der vorhergehenden Bestromung ist, und dann wird eine Umschaltung zum Hoch-Dissipationszeitraum durchgeführt. Durch diese Rücklauf-Spannung wird die Spannung VMout2 größer oder gleich der Summe der Versorgungsspannung MVdd und eines Spannungsabfalls Vf in der Durchlassrichtung der Diode und wird die Spannung VMout3 kleiner oder gleich dem Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Diode.
Auf diese Weise wird ein Strompfad gebildet, um zu verursachen, dass Strom von der Masse 142 durch die Spule 124Y zurück zur Gleichstromquelle 140 fließt, sodass der absolute Wert des Spulenstroms IMY bei hoher Drehzahl verringert wird, bis er 0 [mA] wird und die Rücklauf-Spannung aufgehoben wird. Die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase wird durch Aufhebung der Rücklauf-Spannung in den Stromlos-Zeitraum umgeschaltet. Deshalb erscheint die Gegen-EMK zwischen dem Anschluss Mout2 und dem Anschluss Mout3 durch die Rotation des Motors. Wenn die Gegen-EMK der Spannung VMY der Y-Phase einen Nulldurchgang hat, wird der Schritt S32 durchgeführt und ist der erste Quadrant abgeschlossen.
12 ist ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung eines zweiten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern der Ansteuerung des Motors gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht.
Im zweiten Quadranten nimmt die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase eine Spannungswellenform an, bei der sich die Rücklauf-Spannung und die Gegen-EMK gegenseitig aufheben. In einem Anfangsstadium des zweiten Quadranten wird die Gegen-EMK durch die Rotation des Motors erzeugt. Weil jedoch gleichzeitig alle Schaltelemente in dem Endstadium des vorhergehenden vierten Quadranten ausgeschaltet sind, wird die Rücklauf-Spannung von der Spule 124Y in einer Richtung induziert, die derjenigen der vorhergehenden Bestromung entgegengesetzt ist, und dann eine Umschaltung in den Hoch-Dissipationszeitraum durchgeführt.
Im Anfangsstadium des zweiten Quadranten hat die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase die Spannung VMout0 und die Spannung VMout1, die einander gleich sind (Schritt S40). Nachfolgend wird die in der Spule 124X angesammelte Energie freigesetzt und im Anschluss Mout0 die Rücklauf-Spannung induziert (Schritt S41).
Durch die Rücklauf-Spannung der X-Phase wird die Spannung VMout0 größer oder gleich der Summe der Versorgungsspannung MVdd und des Spannungsabfalls Vf in der Durchlassrichtung der Diode 12 und wird die Spannung VMout1 kleiner oder gleich dem Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Diode 18. Auf diese Weise wird ein Strompfad gebildet, um zu verursachen, dass Strom von der Masse 142 durch die Diode 18, die Spule 124X und die Diode 12 zurück zur Gleichstromquelle 140 fließt, sodass der absolute Wert des Spulenstroms IMX bei hoher Drehzahl bis auf 0 [mA] verringert wird. Die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase wird in den Stromlos-Zeitraum umgeschaltet, weil die Spannung VMX durch Aufheben der Rücklauf-Spannung wieder einen Nulldurchgang durchläuft (Ja in Schritt S42).
Im Stromlos-Zeitraum erscheint die Gegen-EMK zwischen dem Anschluss Mout1 und dem Anschluss Mout0 durch die Rotation des Motors. Die Gegen-EMK VMX der X-Phase durchläuft einen Nulldurchgang (Ja in Schritt S44), sodass der zweite Quadrant abgeschlossen ist.
Im zweiten Quadranten führt die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase einen Vorgang durch, der dem Betriebsmodus der X-Phase von 11 entspricht. D. h., dass die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout2 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout3 anschaltet (entspricht Schritt S30 von 11) und Strom anlegt. Eine Differenz zwischen der Spannung VMout2 und der Spannung VMout3 wird zur Spannung MVdd (entspricht Schritt S31 von 11). Zu dieser Zeit fließt Strom vom Anschluss Mout2 zum Anschluss Mout3, sodass der Motor 120 dreht und der absolute Wert des Spulenstroms IMY allmählich ansteigt.
Wenn hierbei die Gegen-EMK VMX der X-Phase einen Nulldurchgang erfährt (entspricht Ja in Schritt S30 von 11), werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout2 der Y-Phase und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout3 abgeschaltet (entspricht Schritt S33 von 11) und die Y-Phase in den Hoch-Dissipationszeitraum umgeschaltet. Hierdurch wird die Spannung VMout2 gleich der Spannung VMout3 (entspricht Schritt S34 von 11), sodass der zweite Quadrant abgeschlossen wird.
Die 3A und 3D sind erläuternde Ansichten, die einen Betriebsmodus der H-Brückenschaltung 20 gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulichen.
3A veranschaulicht einen Betrieb der H-Brückenschaltung 20 im Bestromungszeitraum, welcher der gleiche ist wie derjenige der H-Brückenschaltung 20 von 9A. Die H-Brückenschaltung 20 wird in der gleichen Weise wie das Vergleichsbeispiel im Lademodus betrieben und nach dem Bestromungszeitraum in den Hoch-Dissipationszeitraum von 3B umgeschaltet.
3B veranschaulicht einen Betrieb der H-Brückenschaltung 20 im Hoch-Dissipationszeitraum, der der gleiche ist wie der Hoch-Dissipationsmodus der H-Brückenschaltung 20 von 9B. Die H-Brückenschaltung 20 des Vergleichsbeispiels behält den Hoch-Dissipationsmodus während der Erzeugung der Rücklauf-Spannung bei. Die H-Brückenschaltung 20 der ersten Ausführungsform ist jedoch so konfiguriert, dass bei Verstreichen einer vorbestimmten Zeit das Schaltelement 2 von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand versetzt wird und folglich die H-Brückenschaltung in einen Niedrig-Dissipationsmodus von 3C umgeschaltet wird.
3C veranschaulicht einen Betrieb der H-Brückenschaltung 20 in einem Rücklauf-Zeitraum.
Durch die in der Spule 124 angesammelte Energie fließt Strom durch die Diode 18, die Spule 124 und das Schaltelement 2 in einer durch die dicke Linie gezeigten Richtung. D. h., dass die in der Spule 124 angesammelte Energie verursacht, dass Strom in einem geschlossenen Kreislauf fließt, der durch die Obere-Brückenseite-Diode 2, die in einer Motorstrom-Strömungsrichtung, die durch eine dicke Linie gezeigt ist, angeordnet ist und in dem leitenden Zustand ist, und die Untere-Brückenseite-Diode 18, die in einer Richtung angeordnet ist, die der Motorstrom-Strömungsrichtung zur Obere-Brückenseite-Diode 2 in dem durch die dicke Linie gezeigten leitenden Zustand entgegengesetzt ist, gebildet wird, fließt. In dem Rücklauf-Zeitraum von 3C geschieht die Verlustleistung nur durch den Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Diode 18. Demgemäß wird dieser Zeitraum auch als ein „Niedrig-Dissipationsmodus” bezeichnet, weil die Verlustleistung während dieses Zeitraums niedriger als während des Hoch-Dissipationsmodus ist. Selbst wenn die H-Brückenschaltung 20 der ersten Ausführungsform durch den CMOS-Herstellungsprozess konfiguriert ist, gibt es keinen Fall, in dem Strom an Masse 142 leckt, um Wärme durch den parasitären Transistoreffekt zu erzeugen, sodass es möglich ist, die Dissipation von Energie weiter zu verhindern.
Wenn die Spule 124 genügend Energie aus dem Zustand von 3C entlässt, fließt kein Strom, wodurch die Umschaltung in den Zustand von 3D durchgeführt wird. Dieser Betriebszeitraum wird als ein „Stromlos-Zeitraum” bezeichnet, und dieser Betriebsmodus wird als ein „Stromlos-Modus” bezeichnet.
3D ist eine Ansicht, die einen Betrieb der H-Brückenschaltung 20 im Stromlos-Zeitraum zeigt, was das gleiche ist wie derjenige der H-Brückenschaltung 20 von 9C. In diesem Stromlos-Zeitraum schaltet die H-Brückenschaltung 20 in Bestromungszeitraum von 3A, wenn der Nulldurchgang der Gegen-EMK des Motors 120 erfasst wird.
4 ist eine beispielhafte Ansicht, die einen Niedrig-Dissipationsmodus einer H-Brückenschaltung 20 gemäß einer Variante veranschaulicht.
Gemäß der ersten Variante wird im Niedrig-Dissipationsmodus von 4 eine Umschaltung für einen vorbestimmten Zeitraum vom Hoch-Dissipationsmodus von 3B zum Niedrig-Dissipationsmodus von 3C durchgeführt. Im Niedrig-Dissipationsmodus der Variante, die in 4 gezeigt ist, werden das Schaltelement 8 wie auch das Schaltelement 2 von dem Aus-Zustand in den Ein-Zustand versetzt. Zu dieser Zeit verursacht in der Spule 124 angesammelte Energie, dass Strom durch das Schaltelement 8, die Spule 124 und das Schaltelement 2 in einer durch die dicke Linie gezeigten Richtung fließt. Im Rücklauf-Zeitraum der Variante wird die Verlustleistung im Vergleich zum Niedrig-Dissipationsmodus von 3C noch weiter verringert. Selbst wenn die H-Brückenschaltung 20 der Variante durch den CMOS-Herstellungsprozess konfiguriert ist, gibt es keinen Fall, in dem der Strom durch den parasitären Transistoreffekt an die Masse 142 leckt, um Wärme zu erzeugen, sodass es möglich ist, die Dissipation von Energie noch besser zu verhindern. Ferner wird in der zweiten Variante der Niedrig-Dissipationsmodus von 4 in den Niedrig-Dissipationsmodus von 3C geändert und umgeschaltet. D. h., dass in der zweiten Variante die Umschaltung von dem Hoch-Dissipationsmodus von 3B in den Niedrig-Dissipationsmodus von 4 durchgeführt wird.
5 zeigt eine Wellendarstellung, die Stromsequenzen einer X-Phase und einer Y-Phase der H-Brückenschaltung 20 veranschaulicht.
Die Wellenformdarstellung von 5 veranschaulicht die X-Phasenspannungen VMout0 und VMout1, den X-Phasen-Betriebsmodus, die Y-Phasenspannungen VMout2 und VMout3, den Y-Phasen-Betriebsmodus, die X-Phasenspannung VMX und den Spulenstrom IMX, und die Y-Phasenspannung VMY und den Spulenstrom IMY, wie in 10. Ferner zeigen die X-Phasenspannungen VMout0 und VMout1 und die Y-Phasenspannungen VMout2 und VMout3 schematische Wellenformen und sind die X-Phasenspannung VMX und der Spulenstrom IMX und die Y-Phasenspannung VMY und der Spulenstrom IMY in der Wellenform eines Oszilloskops gezeigt.
Die Motorsteuerung 100 der ersten Ausführungsform treibt dem Motor 120 in einer Phasenanregung in Reaktion auf die Motortreiberspannung und Last an, wie im Vergleichsbeispiel. Der Motor 120 dreht sich durch das Einstellen eines elektrischen Winkels mit vier Phasen (Quadranten). Wenn die X-Phase im Bestromungszeitraum (siehe 3A) in einem beliebigen Quadranten ist, gelangt die Y-Phase durch den Hoch-Dissipationszeitraum (siehe 3B), der dann zum Rücklauf-Zeitraum wird (siehe 3C) und in den Stromlos-Zeitraum übergeht (siehe 3D).
Wenn die Motoransteuerungsspannung hoch ist oder die Last klein ist, erhöht sich die Drehzahl des Motors 120, wird der maximale Strom der Spule 124 verringert. Wenn die Motorantriebslast klein ist, wird eine Rücklauf-Impulszeit verkürzt. Die Gegend-EMK wird im Stromlos-Zeitraum einer jeden Phase erzeugt. Die Gegen-EMK ist hoch, wenn die Motordrehzahl schnell ist und wird während eines Stillstands 0 [V], sodass sie dazu verwendet werden kann, einen Schrittervlust zu erfassen.
In 5 ist der erste Quadrant ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t11 zum Zeitpunkt t21. In diesem ersten Quadranten wird die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase im Lademodus betrieben. Zu dieser Zeit werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Anschluss Mout0 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Anschluss Mout1 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Anschluss Mout0 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Anschluss Mout1 Strom an Masse 142, um 0 [V] zu werden. Die Spannung VMX der X-Phase wird (–MVdd), sodass der Spulenstrom IMX der X-Phase in einer Richtung vom Anschluss Mout0 zum Anschluss Mout1 fließt und gleichzeitig ein Absolutwert des Stroms allmählich erhöht wird.
Im ersten Quadranten sind alle Schaltelemente der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase in den Aus-Zustand versetzt in einem kurzen Zeitraum nach dem Zeitpunkt t11 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben und dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t12 im Niedrig-Dissipationsmodus betrieben. Nachfolgend wird nach dem Zeitpunkt t12 die H-Brückenschaltung im Stromlos-Modus betrieben. In 5 ist der Hoch-Dissipationsmodus weggelassen und ist der Niedrig-Dissipationsmodus einfach mit „T” bezeichnet.
Im Rücklauf-Zeitraum stimmt die H-Brückenschaltung 20Y die Erzeugung des Rücklauf-Impulses mit der Brückensteuerungsschaltung 110 ab, schaltet das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout2 ein, wo der Freilauf-Impuls induziert wird, und verursacht, dass der durch diesen Impuls erzeugte Strom in der Gleichstromquelle 140 fließt. Ferner erfasst die Brückensteuerungsschaltung 110 periodisch eine Rücklauf-Spannung zwischen dem Anschluss Mout2 und dem Anschluss Mout3 mit dem A/D-Wandler 117. Wenn hierbei die Rücklauf-Spannung kleiner als die Summe der Versorgungsspannung MVdd und des Spannungsabfalls Vf in der Durchlassrichtung der Diode wird, wird das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout2 ausgeschaltet. Dieser A/D-Wandler 117 dient zum Erfassen eines Schrittverlusts und wird zum Messen der Differenzspannung der Spule 124 wendet. Ein solches Steuerungsverfahren kann abhängig von der Betriebsbedingung, wie zum Beispiel der Versorgungsspannung MVdd oder der an den Motor 120 anliegenden Last, optimal mit der Verlustleistung umgehen.
Die Spannung VMY der Y-Phase wird kleiner oder gleich (–MVdd – 2Vf) durch den Freilauf-Impuls unmittelbar nach dem Zeitpunkt t11, wird gleichzeitig von der Diode geklemmt und wird dann in den Niedrig-Dissipationsmodus versetzt, um kleiner oder gleich (–MVdd – Vf) zu werden und wird gleichzeitig von der Diode geklemmt, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten bleibt. Die Spannung VMY wird kurz vor dem Zeitpunkt t12 plötzlich angehoben, um einen Nulldurchgang zu erfahren, und wird dann nach Erreichen einer vorbestimmten Spannung allmählich verringert, um zum Zeitpunkt t21 erneut einen Nulldurchgang zu erfahren. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung vom Anschluss Mout3 zum Anschluss Mout2 unmittelbar nach dem Zeitpunkt t11, doch wird der Absolutwert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t12 allmählich auf 0 [mA] verringert und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t21 auf 0 [mA] gehalten.
Wenn das Abschalten des Schaltelements verzögert wird nachdem der Rücklauf-Zeitraum abgeschlossen ist, werden Spannungen auf gegenüberliegenden Seiten der Spule durch die Versorgungsspannung MVdd, die an den Motor 120 geliefert wird, ausgeglichen, sodass die Spannungswellenform dispergiert werden kann. Der Strom I wird im Vergleich mit einer Spitze des Rücklauf-Impulses zu einem großen Grad verringert, doch wird die Versorgungsspannung MVdd, die an den Motor 120 geliefert wird, in einer Richtung angelegt, die der Motorantriebsrichtung entgegengesetzt ist, um als eine Bremse gegen die Rotation des Motors zu wirken. Dies kann durch Kürzen des Abtastzyklus des A/D-Wandlers 117 erreicht werden.
Der zweite Quadrant ist ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t21 bis zum Zeitpunkt t31. In diesem zweiten Quadranten sind alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Aus-Zustand versetzt und wird die H-Brückenschaltung in einem kurzen Zeitraum nach dem Zeitpunkt t21 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t22 im Niedrig-Dissipationsmodus betrieben. Nachfolgend wird die H-Brückenschaltung nach dem Zeitpunkt t22 im Stromlos-Modus betrieben.
Die Spannung VMX der X-Phase wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt 121 durch den Freilauf-Impuls größer oder gleich (+MVdd + 2Vf), wobei sie gleichzeitig durch die Diode geklemmt wird und dann in den Niedrig-Dissipationsmodus übergeht, um größer oder gleich (+MVdd + Vf) zu werden, wobei sie gleichzeitig durch die Diode geklemmt wird, sodass der Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten wird. Die Spannung VMX wird kurz vor dem Zeitpunkt t22 plötzlich verringert, um einen Nulldurchgang zu erfahren, und wird dann nach der Verringerung auf eine vorbestimmte Spannung allmählich wieder angehoben, um zum Zeitpunkt t31 erneut einen Nulldurchgang zu erfahren. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t21 in einer Richtung vom Anschluss Mout0 zum Anschluss Mout1, doch wird der absolute Wert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t22 allmählich auf 0 [mA] verringert und dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t31 bei 0 [mA] gehalten.
Im zweiten Quadranten wird die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase im Lademodus betrieben. Zu dieser Zeit werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout2 der H-Brückenschaltung 20Y und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout3 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Anschluss Mout2 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Anschluss Mout3 Strom an die Masse 142, um 0 [V] zu werden.
Die Spannung VMY der Y Phase wird dann zur Spannung (–MVdd), sodass der Spulenstrom IMY der Y-Phase in einer Richtung vom Anschluss Mout2 zum Anschluss Mout3 fließt und gleichzeitig ein absoluter Wert des Stroms allmählich erhöht wird.
Der dritte Quadrant ist ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t31 bis zum Zeitpunkt t41. In diesem dritten Quadranten wird die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase im Lademodus betrieben. Zu dieser Zeit sind das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Anschluss Mout1 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Anschluss Mout0 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Anschluss Mout1 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Anschluss Mout0 Strom an Masse 142, sodass die angelegte Spannung 0 [V] wird. Die Spannung VMX der X-Phase wird (+MVdd), sodass der Spulenstrom IMX der X-Phase in einer Richtung vom Anschluss Mout1 zum Anschluss Mout0 fließt und gleichzeitig ein absoluter Wert des Stroms allmählich erhöht wird.
In diesem dritten Quadranten sind alle Schaltelemente der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase in den Aus-Zustand versetzt und wird die H-Brückenschaltung in einem kurzen Zeitraum nach dem Zeitpunkt t31 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t32 im Niedrig-Dissipationsmodus betrieben. Nachfolgend wird die H-Brückenschaltung nach dem Zeitpunkt t32 im Stromlos-Modus betrieben.
Die Spannung VMY der Y-Phase wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t131 durch den Freilauf-Impuls größer oder gleich (+MVdd + 2Vf), wird gleichzeitig von der Diode geklemmt und dann in den Niedrig-Dissipationsmodus geändert, um größer oder gleich (+MVdd + Vf) zu werden, und wird gleichzeitig von der Diode geklemmt, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten wird. Die Spannung VMY wird kurz vor dem Zeitpunkt t32 plötzlich verringert, um einen Nulldurchgang zu durchlaufen, und wird nach Erreichen einer vorbestimmten Spannung allmählich angehoben, um zum Zeitpunkt t41 erneut einen Nulldurchgang zu durchlaufen. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t31 in eine Richtung vom Anschluss Mout2 zum Anschluss Mout3, doch wird der absolute Wert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t32 allmählich auf 0 [mA] verringert und dann bis zum Erreichen dem Zeitpunkt t41 auf 0 [mA] gehalten.
Der vierte Quadrant ist ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t41 bis zum Zeitpunkt t51. In diesem vierten Quadranten sind alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Aus-Zustand versetzt und wird die H-Brückenschaltung in einem kurzen Zeitraum nach dem Zeitpunkt t41 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben und wird dann bis zum Erreichen dem Zeitpunkt t42 im Niedrig-Dissipationsmodus betrieben, sodass die H-Brückenschaltung nach dem Zeitpunkt t42 im Stromlos-Modus betrieben wird.
Die Spannung VMX der X-Phase wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t41 durch den Freilauf-Impuls kleiner oder gleich (–MVdd – 2Vf), wird gleichzeitig durch die Diode geklemmt und wird dann in den Niedrig-Dissipationsmodus geändert, um größer oder gleich (+MVdd + Vf) zu werden, wobei siepunkt gleichzeitig von der Diode geklemmt wird, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten wird. Die Spannung VMX wird kurz vor dem Zeitpunkt t42 plötzlich erhöht, um einen Nulldurchgang zu erfahren, und wird nach Erreichen einer vorbestimmten Spannung allmählich verringert, um zum Zeitpunkt t51 erneut einen Nulldurchgang zu durchlaufen. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t41 in einer Richtung vom Anschluss Mout1 zum Anschluss Mout0, doch wird der Absolutwert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t42 allmählich auf 0 [mA] verringert und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t51 auf 0 [mA] gehalten.
Im vierten Quadranten wird die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase im Lademodus betrieben. Zu dieser Zeit sind das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout3 der H-Brückenschaltung 20Y und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout2 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Anschluss Mout3 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Anschluss Mout2 Strom an die Masse 142, um 0 [V] zu werden.
Die Spannung VMY der Y-Phase wird die Spannung (+MVdd), sodass der Spulenstrom IMY der Y-Phase in einer Richtung vom Anschluss Mout3 zum Anschluss Mout2 fließt und gleichzeitig ein absoluter Wert des Stroms allmählich erhöht wird.
Während der Motor 120 rotiert wiederholen sich die Wellenformen vom ersten Quadranten zum vierten Quadranten.
In der ersten Ausführungsform, zum Beispiel wenn die X-Phase im Bestromungszeitraum ist, wird die Y-Phase in den Hoch-Dissipationszeitraum, den Rücklauf-Zeitraum und den Stromlos-Zeitraum umgeschaltet. Die Verlustleistung wird durch die Umschaltung in den Rücklauf-Zeitraum verringert.
Es wird davon ausgegangen, dass im Hoch-Dissipationsmodus der ersten Ausführungsform Strom nicht zur Gleichstromquelle 140 zurückkehrt, sondern dass aller Strom durch den parasitären Transistoreffekt an Masse 142 leckt. In diesem Fall wird die Verlustleistung P_off2 durch die folgende Gleichung (4) repräsentiert.
wobei:

P_off2: eine Verlustleistung während des Hoch-Dissipationszeitraums ist;
I_peak: der maximale Spulenstrom ist;
V_f: ein Spannungsabfall in der Durchlassrichtung der Diode ist; und
D_dead: ein Zeitverhältnis des Hoch-Dissipationszeitraums für jeden Quadranten ist.

Da die Verlustleistung P_off3 des Rücklauf-Zeitraums durch das Schaltelement gelangt, wird die Verlustleistung durch die folgende Gleichung (5) repräsentiert.
wobei:

P_off3: eine Verlustleistung während des Rücklauf-Zeitraums ist;
I_peak: der maximale Spulenstrom ist;
V_f: eine Spannungsabfall in der Durchlassrichtung der Diode ist;
R_dsH: ein Widerstand zwischen Drain und Source des Hoch-Seiten-Schaltelements ist, wenn das Obere-Brückenseite-Schaltelement eingeschaltet ist; und
D_fly: ein Verhältnis des Hoch-Dissipationszeitraums für jeden Quadranten ist.

Die Verlustleistung P eines elektrischen Winkels des Zwei-Phasen-Schrittmotors wird durch die folgende Gleichung (6) repräsentiert. P = (P_on + P_off2 + P_off3) × 4 (6) wobei:

Wie in Gleichung (5) ausgedrückt, wird die Verlustleistung von der Versorgungsspannung MVdd und dem parasitären Transistoreffekt nicht beeinträchtigt, da der Strom durch die obere Brückenseite während des „Rücklauf-Zeitraums” durch das Schaltelement gelangt. Daher ist es möglich, die Verlustleistung zu verringern.
6 ist eine Wellenformdarstellung, die eine Spannung und einen Strom eines jeden Teils der X-Phase der H-Brückenschaltung 20 veranschaulicht.
Die Wellenformdarstellung von 6 zeigt die X-Phasenspannung VMX und den Spulenstrom IMX und die X-Phasenspannung VMout0 und VMout1 in der Wellenform eines Oszilloskops.
Im ersten Quadranten sind das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Anschluss Mout0 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Anschluss Mout1 in den Ein-Zustand versetzt.
Die Spannung VMX der X-Phase wird (–MVdd), sodass der X-Phasen-Spulenstrom IMX in der Richtung vom Anschluss Mout0 zum Anschluss Mout1 fließt und gleichzeitig der absolute Wert des Stroms allmählich erhöht wird.
Da der Anschluss Mout0 den Strom zur Gleichstromquelle 140 leitet, wird die Spannung VMout0 zu (+MVdd). Da der Anschluss Mout1 Strom an Masse 142 leitet, wird die Spannung VMout1 zu 0 [V].
Im zweiten Quadranten sind alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 der H-Brückenschaltung 20X in den Aus-Zustand versetzt.
Die Spannung VMX der X-Phase wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t21 durch den Freilauf-Impuls größer oder gleich (+MVdd + 2Vf), wobei sie gleichzeitig durch die Diode geklemmt wird und dann in den Niedrig-Dissipationsmodus versetzt, um größer oder gleich (+MVdd + Vf) zu werden, wobei sie gleichzeitig durch die Diode geklemmt wird, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten bleibt. Die Spannung VMX wird kurz vor dem Zeitpunkt t22 plötzlich verringert, um einen Nulldurchgang zu durchlaufen, und wird nach der Verringerung auf eine vorbestimmte Spannung allmählich erhöht, um zum Zeitpunkt t31 erneut einen Nulldurchgang zu durchlaufen. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t21 in einer (positiven) Richtung vom Anschluss Mout0 zum Anschluss Mout1, doch wird der absolute Wert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t22 allmählich auf 0 [mA] verringert und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t31 bei 0 [mA] gehalten.
Die Spannung VMout0 des Anschlusses Mout0 wird (–Vf) von dem Zeitpunkt t21 bis zum Zeitpunkt t22 und wird allmählich auf einen vorbestimmten Wert erhöht und dann durch die Gegen-EMK des Motors 120 nach dem Zeitpunkt t22 verringert, sodass die Spannung zum Zeitpunkt t31 wieder 0 [V] wird.
Die Spannung VMout1 des Anschlusses Mout1 wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t21 durch den Freilauf-Impuls größer oder gleich der Versorgungsspannung MVdd. Dadurch wird, wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, die Spannung zur Versorgungsspannung MVdd. Die Spannung VMout1 wird zum Zeitpunkt t22 plötzlich auf 0 [V] verringert und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t31 bei 0 [V] gehalten.
Im dritten Quadranten sind das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Anschluss Mout1 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Anschluss Mout0 in den Ein-Zustand versetzt.
Die Spannung VMX der X-Phase wird (+MVdd), sodass der X-Phasen-Spulenstrom IMX in der Richtung vom Anschluss Mout1 zum Anschluss Mout0 fließt und gleichzeitig der absolute Wert des Stroms allmählich erhöht wird.
Da der Anschluss Mout0 Strom an Masse 142 leitet, wird die Spannung VMout0 dann 0 [V]. Da der Anschluss Mout1 Strom an die Gleichstromquelle 140 leitet, wird die Spannung VMout1 (+MVdd).
Im vierten Quadranten sind alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 der H-Brückenschaltung 20X in den Aus-Zustand versetzt.
Die Spannung VMX der X-Phase wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t41 durch den Freilauf-Impuls kleiner oder gleich (–MVdd – 2Vf), wobei sie gleichzeitig von der Diode geklemmt wird und dann in den Niedrig-Dissipationsmodus übergeht, um kleiner oder gleich (–MVdd – Vf) zu werden, wobei sie gleichzeitig von der Diode geklemmt wird, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten wird. Die Spannung VMX wird kurz vor dem Zeitpunkt t42 plötzlich erhöht, um einen Nulldurchgang zu erfahren, und wird nach dem Erhöhen auf eine vorbestimmte Spannung allmählich verringert, um zum Zeitpunkt t51 erneut einen Nulldurchgang zu erfahren. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t41 in einer (negativen) Richtung vom Anschluss Mout1 zum Anschluss Mout0, doch wird der absolute Wert des Stroms kurz vor dem Zeitpunkt t42 allmählich auf 0 [mA] verringert und wird dann bis zum Erreichen des Zeitpunktes t51 bei 0 [mA] gehalten.
Die Spannung VMout0 des Anschlusses Mout0 wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t41 durch den Freilauf-Impuls größer oder gleich der Versorgungsspannung MVdd. Dadurch wird, wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, die Spannung zur Versorgungsspannung MVdd. Die Spannung VMout0 wird zum Zeitpunkt t42 plötzlich auf 0 [V] verringert und wird bis zum Erreichen des Zeitpunkts t51 auf 0 [V] gehalten.
Die Spannung VMout1 des Anschlusses Mout1 wird (–Vf) von dem Zeitpunkt t41 bis zum Zeitpunkt t42 und wird allmählich auf einen vorbestimmten Wert erhöht und dann nach dem Zeitpunkt t42 durch die Gegen-EMK des Motors 120 verringert, sodass die Spannung zum Zeitpunkt t51 wieder 0 [V] wird.
7 ist ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung des ersten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern des Antriebs des Motors gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Es ist gleich wie das Fließdiagramm des Vergleichsbeispiels in 11, unterscheidet sich jedoch im Y-Phasen-Betriebsmodus.
Die X-Phase startet den ersten Quadranten vom Bestromungszeitraum. Die Brückensteuerungsschaltung 110 schaltet das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Anschluss Mout0 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Anschluss Mout1 in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase ein (Schritt S10). Auf diese Weise führt die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase ein Anlegen von Strom im ersten Quadranten durch. Zu dieser Zeit wird eine Differenz zwischen der Spannung VMout0 und der Spannung VMout1 zur Versorgungsspannung MVdd (Schritt S11). Strom fließt vom Anschluss Mout0 zum Anschluss Mout1, sodass der Motor 120 gedreht wird und der absolute Wert des Spulenstrom IMX allmählich erhöht wird.
Hierbei werden, wenn die Gegen-EMK VMY der Y-Phase einen Nulldurchgang erfährt (Ja in Schritt S12), das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Anschluss Mout0 der X-Phase und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Anschluss Mout1 ausgeschaltet (Schritt S13), wird die X-Phase in den Hoch-Dissipationszeitraum umgeschaltet. Hierdurch wird die Spannung VMout0 gleich der Spannung VMout1 (Schritt S14), sodass der erste Quadrant abgeschlossen ist.
Im ersten Quadranten übernimmt die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase eine Spannungswellenform an, bei der sich die Rücklauf-Spannung und die Gegen-EMK gegenseitig aufheben. In einem Anfangsstadium des ersten Quadranten wird die Gegen-EMK durch die Rotation des Motors erzeugt. Weil jedoch gleichzeitig alle Schaltelemente im letzten Stadium eines vorhergehenden vierten Quadranten ausgeschaltet sind, wird die Rücklauf-Spannung durch die Spule 124Y in einer Richtung induziert, die derjenigen der vorhergehenden Bestromung entgegengesetzt ist, und dann wird eine Umschaltung in den Hoch-Dissipationszeitraum durchgeführt. Durch diese Rücklauf-Spannung wird die Spannung VMout2 größer oder gleich der Versorgungsspannung MVdd und wird die Spannung VMout3 kleiner oder gleich dem Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Diode. Auf diese Weise wird ein Gleichstrompfad gebildet, um zu verursachen, dass Strom von der Masse 142 durch die Spule 124Y an die Gleichstromquelle 140 fließt.
Hiernach versetzt, wenn ein vorbestimmter Zeitraum verstrichen ist, die H-Brückenschaltung 20Y das Obere-Brückenseite-Schaltelement in der Richtung des Spulenstrom IMY in den Niedrig-Dissipationsmodus als den Leitungszustand. Der Strompfad wird gebildet, um zu verursachen, dass Strom von der Masse 142 durch die Spule 124Y zur Gleichstromquelle 140 fließt, sodass der absolute Wert des Spulenstroms IMY verringert wird, bis er 0 [mA] wird, und wird die Rücklauf-Spannung aufgehoben. Die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase wird durch Aufhebung der Rücklauf-Spannung in den Stromlos-Zeitraum umgeschaltet. Hierdurch erscheint die Gegen-EMK zwischen dem Anschluss Mout2 und dem Anschluss Mout3 durch die Rotation des Motors. Wenn die Gegen-EMK VMY der Y-Phase einen Nulldurchgang erfährt, wird Schritt S12 durchgeführt und ist der erste Quadrant abgeschlossen.
8 ist ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung des zweiten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern des Antriebs des Motors gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
Im zweiten Quadranten nimmt die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase eine Spannungswellenform an, bei der sich die Rücklauf-Spannung und die Gegen-EMK gegenseitig aufheben. In einem Anfangsstadium des zweiten Quadranten wird die Gegen-EMK durch die Rotation des Motors erzeugt. Weil jedoch gleichzeitig alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 in einem letzten Stadium des vorhergehenden ersten Quadranten ausgeschaltet sind, wird die Rücklauf-Spannung in einer Richtung induziert, die derjenigen der vorhergehenden Bestromung entgegengesetzt ist woraufhin eine Umschaltung in den Hoch-Dissipationszeitraum durchgeführt wird.
In dem Anfangsstadium des zweiten Quadranten hat die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase die Spannung VMout0 und die Spannung VMout1, die einander gleich sind (Schritt S20). Nachfolgend wird in der Spule 124X angesammelte Energie freigesetzt und die Rücklauf-Spannung im Anschluss Mout0 induziert (Schritt S21).
Wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, verursacht die X-Phasen-Rücklauf-Spannung, dass die Spannung VMout0 größer oder gleich der Versorgungsspannung MVdd ist, und verursacht, dass die Spannung VMout1 kleiner oder gleich dem Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Diode 18 ist (Schritt S22). Auf diese Weise wird der Strompfad gebildet, über den Strom von der Masse 142 durch die Diode 18, die Spule 124X und die Diode 12 zurück zur Gleichstromquelle 140 fließt.
Die Brückensteuerungsschaltung 110 schaltet das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Anschluss Mout1 ein (Schritt S23) und schaltet in den Rücklauf-Zeitraum um. Im Rücklauf-Zeitraum wird der Strompfad gebildet, um zu verursachen, dass Strom von der Masse 142 durch die Diode 18, die Spule 124X und das Schaltelement 2 zurück zur Gleichstromquelle 140 fließt, und wird der Spulenstrom IMX bei hoher Drehzahl verringert, bis er 0 [mA] wird. Dies wird als der Niedrig-Dissipationsmodus bezeichnet und hat eine niedrigere Dissipation als der Hoch-Dissipationsmodus.
Im Rücklauf-Zeitraum erhält die Brückensteuerungsschaltung 110 periodisch die X-Phasen-Spannung VMX von dem A/D-Wandler 117. Wenn die Spannung VMX kleiner als die Summe der Versorgungsspannung MVdd und des Spannungsabfalls Vf in der Durchlassrichtung der Diode 18 ist („Ja” in Schritt S24), schaltet die Brückensteuerungsschaltung 110 das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Anschlusses Mout1 aus (Schritt S25) und wird die Umschaltung in den Stromlos-Zeitraum durchgeführt.
Im Stromlos-Zeitraum versucht die Brückensteuerungsschaltung 110 anfänglich, den Nulldurchgang der Rücklauf-Spannung zu erfassen, die in der Spannung VMX im BEMF-Detektor 118 induziert wird (Schritt S26). Wenn die Rücklauf-Spannung einen Nulldurchgang erfuhr („Ja” in Schritt S26), wird der Rücklauf aufgehoben und wird die Gegen-EMK zwischen dem Anschluss Mout0 und dem Anschluss Mout1 erzeugt (Schritt S27). Die Brückensteuerungsschaltung 110 versucht ferner, den Nulldurchgang der Gegen-EMK, der in der Spannung VMX erscheint, durch den BEMF-Detektor 118 zu erfassen (Schritt S28). Wenn die Gegen-EMK einen Nulldurchgang erfuhr (Ja in Schritt S28), ist der zweite Quadrant abgeschlossen.
Die Brückensteuerungsschaltung 110 schaltet das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Anschlusses Mout1 ein (Schritt S23), sodass sie im Niedrig-Dissipationsmodus betrieben wird, dessen Dissipation niedriger als im Hoch-Dissipationsmodus ist. Deshalb ist es möglich, die Verlustleistung zu verringern. Wenn ferner die Spannung VMX kleiner als die Summe der Versorgungsspannung MVdd und des Spannungsabfalls Vf in der Durchlassrichtung der Diode 18 ist, schaltet die Brückensteuerungsschaltung 110 das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Anschlusses Mout1 aus und beendet den Niedrig-Dissipationsmodus. Daher beeinträchtigt nichts die Messung der Gegen-EMK und die Erfassung eines Schrittverlusts, nachdem der Freilauf-Impuls beendet ist und der Motor 120 wird nicht gebremst.
Im zweiten Quadranten führt die Y-Phase der H-Brückenschaltung 20Y einen Vorgang des X-Phasen-Betriebsmodus von 7 aus. D. h., dass die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout2 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout3 einschaltet (entspricht Schritt S10 von 7) und Strom anlegt. Eine Differenz zwischen der Spannung VMout2 und der Spannung VMout3 wird zur Spannung MVdd (entspricht Schritt S11 von 7). Zu dieser Zeit fließt der Strom vom Anschluss Mout2 zum Anschluss Mout3, sodass der Motor 120 dreht und der Absolutwert des Spulenstroms IMY allmählich größer wird.
Wenn hierbei die Gegen-EMK VMX der X-Phase einen Nulldurchgang erfährt (entspricht „Ja” in Schritt S12 von 7), werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout2 der Y-Phase und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Anschluss Mout3 abgeschaltet (entspricht Schritt S13 von 7), und die Y-Phase wird in den Hoch-Dissipationszeitraum umgeschaltet. Die Spannung VMout2 der Y-Phase wird vorübergehend gleich der Spannung VMout3 (entspricht Schritt S14 von 7), sodass der zweite Quadrant abgeschlossen ist.
In der ersten Ausführungsform kann dies ohne Erhöhung der Kosten durchgeführt werden, da der A/D-Wandler 117 zum Erfassen eines Schrittverlusts zum Erfassen des Endes des Rücklaufs nützlich ist, Selbst wenn die Versorgungsspannung MVdd, das Lastmoment oder die Drehzahl geändert werden, tritt keine Verlustleistung oder Bremsung auf.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist es möglich, eine Zeit der Beendigung des Rücklauf-Impulses zu erfassen und das Schaltelement während dieser Zeit abzuschalten. Deshalb beeinträchtigt nichts die Messung der Gegen-EMK und die Erfassung eines Schrittverlusts, nachdem der Freilauf-Impuls beendet ist. Da ferner der Motor 120 nicht gebremst wird, beeinträchtigt nichts die Leistung des Motors bei der maximalen Drehzahl.
Als Nächstes wird zum Beispiel die Verwendung der vorliegenden Erfindung für den Fall beschrieben, in dem eine Motorwicklung in einer Sternschaltung in einem bürstenlosen Motor verschaltet ist. 13 ist eine detaillierte Ansicht, die eine Spule, ein Schaltelement und ein peripheres Teil einer Motorsteuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
Schaltelemente 202 und 204 bilden eine Reihenschaltung SA1. In gleicher Weise bilden Schaltelemente 206 und 208 eine Reihenschaltung SA2 und bilden Schaltelemente 210 und 212 eine Reihenschaltung SA3.
Eine Gleichstromquelle 140 und ein Masseanschluss 142 sind an die Reihenschaltungen SA1 bis SA3 angeschlossen, um eine vorbestimmte Versorgungsspannung MVdd daran anzulegen. Dioden 252, 254, 256, 258, 260 und 262 sind Dioden (Freilaufdioden) für Rückstrom und sind mit den Schaltelementen 202, 204, 206, 208, 210 bzw. 212 parallel geschaltet. Ein PWM-Signalgenerator 313 entspricht dem PWM-Signalgenerator 113 der ersten Ausführungsform, um mit einer (nicht gezeigten) Brückensteuerung verbunden zu werden. Der PWM-Signalgenerator 313 basiert auf der Steuerung der (nicht gezeigten) Brückensteuerung und erzeugt ein Schaltsignal, das an die Schaltelemente der Reihenschaltungen SA1 bis SA3 zu liefern ist. Hierbei ist das Schaltsignal ein Ein/Aus-Signal, das als Gate-Spannung an jedes Schaltelement angelegt wird. In den Zeichnungen wird ein unterer Anschluss eines jeden der Schaltelemente 202, 204, 206, 208, 210 und 212 ein Source-Anschluss, während deren oberer Anschluss ein Drain-Anschluss wird. Spannungen VMoutU, VMoutV und VMoutW werden an einen A/D-Wandler 317 und einen (nicht gezeigten) Gegen-EMK-Detektor (Detektor für gegen-elektromotorische Kraft) geliefert. Der A/D-Wandler 317 der zweiten Ausführungsform wird als ein Spannungsdetektor zum Erfassen einer Differenzspannung der Motorspule wie in der ersten Ausführungsform verwendet.
Die Spannung VMoutU an einem Verbindungspunkt der Schaltelemente 202 und 204, die Spannung VMoutV an einem Verbindungspunkt der Schaltelemente 206 und 208 und die Spannung VMoutW an einem Verbindungspunkt der Schaltelemente 210 und 212 werden an eine Enden der Spulen UB, VB bzw. WB des Motors 320 angelegt. Die anderen Enden der Spulen UB, VB und WB sind in Sternkonfiguration miteinander verbunden.
In dem Fall, in dem die Spannungen VMoutU und VMoutV durch die Reihenschaltungen SA1 und SA2 angelegt werden, wird eine Motorspannung VMuv (= Spannung VMoutU – VMoutV), bei der es sich um eine Differenz zwischen den Spannungen VMoutU und VMoutV handelt, an die in Reihe geschalteten Spulen UB und VB angelegt. Hierbei bilden die entsprechenden Reihenschaltungen SA1 und SA2 und mit diesen in Reihe geschalteten Spulen UB und VB Halbbrückenschaltungen, wobei diese Halbbrückenschaltungen eine H-Brückenschaltung bilden.
In dem Fall, in dem die Spannungen VMoutV und VMoutW durch die Reihenschaltungen SA2 und SA3 angelegt werden, wird eine Motorspannung VMvw (= Spannung VMoutV – VMoutW), bei der es sich um eine Differenz zwischen den Spannungen VMoutV und VMoutW handelt, an die Spulen VB und WB angelegt, die in Reihe geschaltet sind. In gleicher Weise bilden die entsprechenden Reihenschaltungen SA2 und SA3 und die Spulen VB und WB, die mit diesen in Reihe geschaltet sind, Halb-Brückenschaltungen. Die Halb-Brückenschaltungen bilden eine H-Brückenschaltung.
In gleicher Weise wird in dem Fall, in dem die Spannungen VMoutW und VMoutU durch die Reihenschaltungen SA3 und SA1 angelegt werden, eine Motorspannung VMwu (= Spannung VMoutW – VMoutU), bei der es sich um eine Differenz zwischen den Spannungen VMoutW und VMoutU handelt, an die Spulen WB und UB, die in Reihe geschaltet sind, angelegt. Ferner bilden die entsprechenden Reihenschaltungen SA3 und SA1 und die Spulen WB und UB, die mit diesen in Reihe geschaltet sind, Halb-Brückenschaltungen. Die Halb-Brückenschaltungen bilden eine H-Brückenschaltung.
Als solches wird in dem Fall der Sternkonfiguration das Anlegen der Spannungen an die Spulen selektiv in der Abfolge geändert, wobei die H-Brückenschaltung durch zwei Halb-Brückenschaltungen gebildet wird, die beliebige der Reihenschaltungen SA1 bis SA3 umfassen, je nach Kombination der Spulen, an die die Spannung anzulegen ist. Wie bei der ersten Ausführungsform kann eine Antriebssteuerung an einer beliebigen H-Brückenschaltung durchgeführt werden, wobei die H-Brückenschaltung durch Kombinieren der Halb-Brückenschaltungen miteinander ausgebildet wird. Deshalb ist es möglich, denselben Effekt wie bei der ersten Ausführungsform zu erzielen.
In der vorhergehenden ersten Ausführungsform ist die Ausbildung von zwei Gruppen von Schaltkreisen und Spulen jeweils die gleiche. Die H-Brückenschaltung, die als solches gebildet wird, kann jedoch auch als eine Art von H-Brückenschaltung verstanden werden, die durch eine Kombination der Halb-Brückenschaltungen miteinander hergestellt wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben erwähnten Ausführungsformen eingeschränkt, sondern kann modifiziert werden, ohne dass dadurch von deren Geist abgewichen wird. Zum Beispiel sind die folgenden Modifikationen a) bis h) möglich.

a) Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen Zwei-Phasen-Schritt Motor eingeschränkt, sondern kann einen Motor mit beliebiger Anzahl an Phasen, zum Beispiel einen Drei-Phasen-Schrittmotor, verwenden. Ferner kann auch ein bürstenloser Motor, dessen Motorwicklung in einer Deltakonfiguration verschaltet ist, verwendet werden.
b) Das Schaltelement ist nicht auf einen MOSFET eingeschränkt, sondern kann eine beliebige Art Halbleiter-Schaltelement sein.
c) Mindestens einige der entsprechenden Komponenten der Motorsteuerung können nicht als Hardware sondern auch als Software umgesetzt sein.
d) Mindestens ein Teil der Motorsteuerung kann eine integrierte Schaltung (IC) sein.
e) Die Schaltungsblockkonfiguration der in den 1 und 2 gezeigten Motorsteuerung ist ein spezifisches Beispiel und ist hierauf nicht eingeschränkt.
f) Der in den 7 und 8 gezeigte Steuerungsfluss ist lediglich ein Beispiel und ist nicht auf diese Schritte eingeschränkt, zum Beispiel können auch andere Schritte zwischen den Schritten eingefügt werden.
g) Der Übergang von dem Hoch-Dissipationsmodus zum Niedrig-Dissipationsmodus ist nicht auf das Verstreichen einer vorbestimmten Zeit eingeschränkt, sondern kann mittels des Nulldurchgangs der Rücklauf-Spannung durchgeführt werden.
h) Während die Umschaltung von dem Hoch-Dissipationszeitraum, in dem alle Schaltelemente ausgeschaltet sind, zum Rücklauf-Zeitraum durchgeführt wird, in dem die Hoch-Seiten-Schaltelemente eingeschaltet sind, wie in der Variante von 4, kann ein Zeitraum vorgesehen werden, um die Hoch-Seiten-Schaltelemente eines Zweigs und die Niedrig-Seiten-Schaltelemente des anderen Zweigs einzuschalten.

Wie anhand der Ausführungsformen beschrieben, sind gemäß der vorliegenden Erfindung eine Motorsteuerung und ein Verfahren zum Steuern eines Motors vorgesehen, die die Fähigkeit haben, zu ermöglichen, dass der an die Masse entladene Strom zur Stromquelle zurückkehrt, wodurch es möglich wird, die Verlustleistung zu verringern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 10-080194 A [0002, 0003, 0005]

Claims

Motorsteuerung, umfassend: eine H-Brückenschaltung, die Schaltelemente, Freilaufdioden und Halbbrücken aufweist, die mit Motorspulen verbunden sind, die in dem Motor vorgesehen sind; einen Spannungsdetektor, der eine Differenzspannung zwischen den Motorspulen erfasst; eine Nulldurchgangsdetektor, der einen Nulldurchgang einer Gegen-EMK einer jeden der Motorspulen erfasst; und eine Steuerung, welche die H-Brückenschaltung derart betreibt, dass diese in einem von verschiedenen Betriebsmoden betrieben wird, wobei die Betriebsmoden einen Lademodus, einen Hoch-Dissipationsmodus, einen Niedrig-Dissipationsmodus und einen Stromlos-Modus umfassen und wobei der Betriebsmodus auf der Grundlage der von dem Spannungsdetektor erfassten Differenzspannung durch Aktivieren der Schaltelemente der H-Brückenschaltung eingestellt wird, wobei die H-Brückenschaltung in dem Lademodus einen in den jeweiligen Motorspulen fließenden Motorstrom erhöht, wobei in dem Hoch-Dissipationsmodus die H-Brückenschaltung mit einer hohen Energiedissipation arbeitet und ein Freilauf-Impuls in einer jeden der Motorspulen induziert wird, wobei in dem Niedrig-Dissipationsmodus die H-Brückenschaltung mit einer niedrigen Energiedissipation arbeitet, die niedriger als in dem Hoch-Dissipationsmodus ist, wobei die H-Brückenschaltung derart betrieben wird, dass es dem Nulldurchgangsdetektor ermöglicht wird, den Nulldurchgang der Gegen-EMK einer jeden der Motorspulen zu erfassen, nachdem sich der Freilauf-Impuls einer jeden der Motorspulen verringert hat, wobei die Steuerung derart betrieben wird, dass sie einen Prozess durchführt, der umfasst: Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Lademodus; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Hoch-Dissipationsmodus, wenn der Nulldurchgangsdetektor erfasst, dass die Gegen-EMK der Motorspule, die mit einer Phase der H-Brückenschaltung kurz vor der H-Brückenschaltung verbunden ist, einen Nulldurchgang erfährt; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Niedrig-Dissipationsmodus, nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist; und Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Stromlos-Modus, wenn der Spannungsdetektor erfasst, dass die Differenzspannung zwischen den mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspulen niedriger als eine vorbestimmte Spannung ist.
Motorsteuerung gemäß Anspruch 1, wobei in dem Niedrig-Dissipationsmodus die Steuerung eines der Schaltelemente der H-Brückenschaltung, die auf einer oberen Brückenseite und somit auf der Brückenseite in deren Richtung der Strom fließt, angeordnet sind, in einen leitenden Zustand versetzt, so dass aufgrund der in der Motorspule angesammelten Energie ein Stromfluss in einem geschlossenen Stromkreis verursacht wird, wobei der geschlossene Stromkreis durch ein zugeordnetes Schaltelement und eine Freilaufdiode gebildet wird, wobei das Schaltelement auf der oberen Brückenseite angeordnet und in einem leitenden Zustand ist und wobei die Freilaufdiode auf einer unteren Brückenseite angeordnet ist, wobei die untere Brückenseite auf der Seite der Brückenschaltung angeordnet ist, die der Fließrichtung des Motorstroms entgegengesetzt angeordnet ist.
Motorsteuerung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Hoch-Dissipationsmodus die Steuerung alle Schaltelemente der H-Brückenschaltung in einen nicht leitenden Zustand versetzt und verursacht, dass aufgrund der in der Motorspule angesammelte Energie Strom in einem geschlossenen Stromkreis fließt, wobei der geschlossene Stromkreis durch eine Freilaufdiode der oberen Brückenseite und eine Freilaufdiode der unteren Brückenseite gebildet wird, wobei die obere Brückenseite auf der Seite der Brückensschaltung angeordnet ist, in deren Richtung der Strom fließt und wobei die untere Brückenseite auf der Seite der Brückenschaltung angeordnet ist, die der Fließrichtung des Motorstrom entgegengesetzt angeordnet ist.
Motorsteuerung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaltelemente und die Freilaufdioden, die in der H-Brückenschaltung enthalten sind, CMOS-Elemente sind.
Motorsteuerung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Spannungsdetektor einen A/D-Wandler aufweist.
Verfahren zum Steuern eines Motors mit einer Motorsteuerung, aufweisend: eine H-Brückenschaltung, die Schaltelemente, Freilaufdioden und Halbbrücken aufweist, die mit Motorspulen verbunden sind, die in dem Motor vorgesehen sind; einen Spannungsdetektor, der eine Differenzspannung zwischen den Motorspulen erfasst; eine Nulldurchgangsdetektor, der einen Nulldurchgang einer Gegen-EMK einer jeden der Motorspulen erfasst; und eine Steuerung, welche the H-Brückenschaltung derart betreibt, dass diese in einem von verschiedenen Betriebsmoden betrieben wird, wobei die Betriebsmoden einen Lademodus, einen Hoch-Dissipationsmodus, einen Niedrig-Dissipationsmodus und einen Stromlos-Modus umfassen und wobei der Betriebsmodus auf der Grundlage der von dem Spannungsdetektor erfassten Differenzspannung durch Aktivieren der Schaltelemente der H-Brückenschaltung eingestellt wird, wobei die H-Brückenschaltung in dem Lademodus einen in den jeweiligen Motorspulen fließenden Motorstrom erhöht, wobei in dem Hoch-Dissipationsmodus die H-Brückenschaltung mit einer hohen Energiedissipation arbeitet und ein Freilauf-Impuls in einer jeden der Motorspulen induziert wird, wobei in dem Niedrig-Dissipationsmodus die H-Brückenschaltung mit einer niedrigen Energieableitung arbeitet, die niedriger als in dem Hoch-Dissipationsmodus ist, wobei die H-Brückenschaltung dazu betrieben wird, es dem Nulldurchgangsdetektor zu ermöglichen, den Nulldurchgang der Gegen-EMK einer jeden der Motorspulen zu erfassen, nachdem der sich der Freilauf-Impuls einer jeden der Motorspulen verringert hat, wobei das Verfahren aufweist: Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Lademodus; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Hoch-Dissipationsmodus, wenn der Nulldurchgangsdetektor erfasst, dass die Gegen-EMK der Motorspule, die mit einer Phase der H-Brückenschaltung kurz vor der H-Brückenschaltung verbunden ist, einen Nulldurchgang durchläuft; Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Niedrig-Dissipationsmodus, nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist; und Steuern der H-Brückenschaltung zum Schalten in den Stromlos-Modus, wenn der Spannungsdetektor erfasst, dass die Differenzspannung zwischen den mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspulen niedriger als eine vorbestimmte Spannung ist.