DE102016110428A1

DE102016110428A1 - Motorsteuerung und Verfahren zum Steuern eines Motors

Info

Publication number: DE102016110428A1
Application number: DE102016110428.0A
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi HIJIKATA
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2016-12-08
Also published as: CN106253772B; US9985560B2; JP2017005792A; CN106253772A; JP6272798B2; US20160359437A1

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 verbundenen Motorspule kurz vorher 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 Motorstromdetektor erfasst, dass der in dem mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspule fließende Motorstrom in einer Richtung fließt, die derjenigen des Lademodus entgegengesetzt 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, um zu verursachen, dass Strom in einer gewünschten Richtung in die induktive Last hineinfließt, und dadurch 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-Schaltelement, das in dem leitenden Zustand ist, mit einer Freilaufdiode einen geschlossenen Strompfad bildet, wobei die in der induktiven Last gespeicherte Energie einen Stromfluss in dem geschlossenen Strompfad bewirkt, und der andere so durchgeführt wird, dass alle vier Halbleiter-Schaltelemente unterbrochen werden, so dass aufgrund der in der induktiven Last gespeicherten Energie Strom durch die beiden Freilaufdioden fließt und dadurch Strom zu laden.”
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, und unter der Annahme, dass ein vorbestimmter Zeitraum, nachdem 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 drehend angetriebent, indem eine Vielzahl von Antriebsspulen in entgegengesetzten Richtungen (bipolar) angesteuert wird und eine andere Phase als zuvor 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 zur 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 verursachen, dass der an die Erde entladene Strom durch die Schaltelemente der oberen Brückenseite 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 geingestellt 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 Stromdetektor, der einen in der Motorspule fließenden Motorstrom 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 des von dem Stromdetektor erfassten Motorstroms. 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 der in der mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspule fließende Motorstrom in einer Richtung fließt, die derjenigen im Lademodus entgegengesetzt 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 Stromdetektor, der einen in der Motorspule fließenden Motorstrom 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 des von dem Stromdetektor erfassten Motorstroms. 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 sich verringert hat. 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 Motorstromdetektor erfasst, dass der in der mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspule fließende Motorstrom in einer Richtung fließt, die derjenigen im Lademodus entgegengesetzt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den beiliegenden Zeichnungen zeigt:
1 ein gesamtes Blockdiagramm, das ein Motorsteuerungssystem gemäß einer Ausführungsform und ein Vergleichsbeispiel veranschaulicht;
2 ein detailliertes Blockdiagramm, das eine Motorsteuerung gemäß der Ausführungsform und das Vergleichsbeispiel veranschaulicht;
die 3A bis 3D erläuternde Ansichten, die Betriebsmodi einer H-Brückenschaltung gemäß der Ausführungsform veranschaulichen;
4 eine Wellenformdarstellung, die Stromsequenzen einer X-Phase und einer Y-Phase der H-Brückenschaltung veranschaulicht;
5 eine Wellenformdarstellung, die eine Spannung und einen Strom eines jeden Teils der X-Phase der H-Brückenschaltung veranschaulicht;
6 ein Fließdiagramm, dass die Verarbeitung eines ersten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern der Ansteuerung des Motors gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
7 ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung eines zweiten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern der Ansteuerung des Motors gemäß der Ausführungsform veranschaulicht;
die 8A bis 8C erläuternde Ansichten, die Betriebsmodi einer H-Brückenschaltung gemäß einem Vergleichsbeispiel veranschaulichen;
9 eine Wellenformdarstellung, die Stromsequenzen einer X-Phase und einer Y-Phase der H-Brückenschaltung gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht;
10 ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung eines ersten Quadranten der X-Phase einer Motorsteuerung gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht; und
11 ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung eines zweiten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern der Ansteuerung des Motors gemäß dem Vergleichsbeispiel 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 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 umfassen die Statoren 122XP und 122XN, die jeweils eine X-Phase haben, und Statoren 122YP und 122YN, die jeweils eine Y-Phase haben. Spulen sind um die entsprechenden Statoren gewickelt. Die um die Statoren 122YP 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 Verbindungspunkt Mout0, während das andere Ende ein Verbindungspunkt 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 Verbindungspunkt Mout0 zum Verbindungspunkt Mout1 als eine positive Richtung eingestellt.
Ferner ist ein Ende der Spule 124Y der Y-Phase ein Verbindungspunkt Mout2, während das andere Ende ein Verbindungspunkt Mout3 ist. Die Spannung VMY der Y-Phase ist eine Differenz zwischen einer Spannung des Verbindungspunkts Mout3 und einer Spannung des Verbindungspunkts Mout2. In einem Spulenstrom IMY der Y-Phase ist eine Richtung vom Verbindungspunkt Mout2 zum Verbindungspunkt Mout3 als eine positive Richtung eingestellt.
Die Motorsteuerung 100 wird im Einzelnen anhand von 2 beschrieben.
2 ist ein detailliertes Blockdiagramm, das die Motorsteuerung gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
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. Die Schaltelemente 15 und 17 sind zum Zweck der Stromerfassung vorgesehen und dienen zusammen mit den Schaltelementen 4 bzw. 8 als ein Teil einer Stromspiegelschaltung. Auf diese Weise fließt ein Strom, der proportional zu dem in dem Schaltelement 4, 8 fließenden Strom ist, jeweils in dem Schaltelement 15 oder 17.
Eine Spannung VMout0 eines Verbindungspunkts Mout0 zwischen den Schaltelementen 2 und 4 wird an ein Ende der Spule 124X des Motors 120 angelegt. Ferner wird eine Spannung VMout1 eines Verbindungspunkts Mout1 zwischen den Schaltelementen 6 und 8 an das andere Ende der Spule 124 angelegt. Auf diese Weise wird eine Motorspannung VM (= Spannung VMoutß – 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.
Ein Stromdetektor 116 misst einen Stromwert, der in dem Schaltelement 15, 17 in einer Stromrichtung fließt, und gibt auf diese Weise einen Strommesswert Icoil eines in der Spule 124 fließenden Stroms aus. Ein D/A-Wandler 115 empfängt einen digitalen Wert eines Strom-Referenzwerts Iref von der Brückensteuerung 107 und wandelt ihn in einen analogen Wert um. Ein Komparator 114 vergleicht den Strommesswert Icoil des analogen Werts mit dem Strom-Referenzwert Iref und gibt dann ein „1”-Signal aus, wenn der Strommesswert größer oder gleich dem Strom-Referenzwert ist, und gibt in anderen Fällen ein „0”-Signal aus.
Die Spannungen VMout0 und VMout1 werden auch einem Gegen-EMK-Detektor 118 bereitgestellt. Der Gegen-EMK-Detektor 118 ist ein Nulldurchgangsdetektormittel. 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 Spannungspolarität gewechselt (Nulldurchgang), weshalb ein Flag ZC ausgegeben wird.
Die 8A bis 8C sind erläuternde Ansichten, die einen Betriebsmodus der H-Brückenschaltung 20 gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulichen.
8A ist eine Ansicht, die den Betrieb der H-Brückenschaltung 20 in einem Lademodus 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. Der Zeitraum, in dem die H-Brückenschaltung 20 in dem Lademodus betrieben wird, wird als ein „Bestromungszeitraum” bezeichnet.
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 können. 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 8B versetzt.
Das heißt, dass, wenn die Schaltelemente 4 und 6 aus sind, während die Schaltelemente 2 und 8 aus sind, der Betrieb von dem Lademodus von 8A in den Hoch-Dissipationsmodus von 8B übergeht. Ein Zeitraum, in dem die H-Brückenschaltung 20 in dem Hoch-Dissipationsmodus betrieben wird, wird als der „Hoch-Dissipationszeitraum” bezeichnet.
8B ist eine Ansicht, die den Betrieb der H-Brückenschaltung 20 in dem Hoch-Dissipationsmodus 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 Untere-Brückenseite-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 8B freigibt, fließt kein Strom.
8C ist eine Ansicht, die einen Betrieb der H-Brückenschaltung 20 in einem Stromlos-Modus 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 um, in dem der Nulldurchgang der Gegen-EMK des Motors 120 in dem Stromlos-Zeitraum erfasst wird. Ferner schaltet die H-Brückenschaltung 20 wieder in den Lademodus von 8A um.
9 ist eine Wellenformdarstellung, in der Stromsequenzen der X-Phase und der Y-Phase der H-Brückenschaltung 20 veranschaulicht werden.
Die Wellenformdarstellung von 9 zeigt die Spannung Mout0 der X-Phase als eine dicke Linie und die Einstellung des Schaltelements 6 als eine dicke gestrichelte Linie. Dies zeigt die Spannung VMout1 der X-Phase anhand der dicken Linie und die Einstellung des Schaltelements 2 anhand der dicken gestrichelten Linie. Diese dicke gestrichelte Linie hat einen hohen Wert (H-Pegel), wenn jedes Schaltelement eingeschaltet ist, und einen niedrigen Wert (L-Pegel), wenn jedes Schaltelement ausgeschaltet ist. Ferner sind auch der Spulenstrom IMX und der Betriebsmodus der X-Phase in 9 gezeigt.
Darüber hinaus zeigt die Wellenformdarstellung von 9 die Spannung VMout2 der Y-Phase in einer durchgehenden Linie und die Einstellung des Obere-Brückenseite-Schaltelements eines Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 in einer gestrichelten Linie. Dies zeigt die Spannung VMout3 der Y-Phase in einer durchgezogenen Linie und die Einstellung des Obere-Brückenseite-Schaltelements eines Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 in einer gestrichelten Linie. Ferner sind auch der Spulenstrom IMY und der Betriebsmodus der Y-Phase in 9 gezeigt.
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 8A) in einem beliebigen Quadranten ist, übernimmt die Y-Phase den freien Zeitraum (siehe 8C) nach dem Hoch-Dissipationszeitraum (siehe 8B).
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 Freilauf-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 9 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 leiten das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 eines Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 der H-Brückenschaltung 20X und der Verbindungspunkt Mout1 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Verbindungspunkt Mout1 Strom an die Masse 142 und wird so 0 [V]. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout0 zum Verbindungspunkt Mout1 und wird ein Absolutwert des Stroms allmählich erhöht.
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 9 ist der Hoch-Dissipationsmodus einfach als „K” bezeichnet.
Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t111 wird die Spannung VMout2 des Verbindungspunkts Mout2 der Y-Phase größer oder gleich (+MVdd + Vf) [V] durch den Rücklaufimpuls und wird von der Diode geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout3 des Verbindungspunkts Mout3 kleiner oder gleich (–Vf) [V] und wird von der Diode geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung VMout2 des Verbindungspunkts Mout2 und die Spannung VMout3 des Verbindungspunkts Mout3 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Zum Zeitpunkt t121 wird die Spannung VMout2 plötzlich auf 0 [V] verringert. Später als die Spannung VMout2 wird die Spannung VMout3 geringfügig erhöht und dann zum Zeitpunkt t121 sanft wieder auf 0 [V] verringert. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout3 zum Verbindungspunkt Mout2 unmittelbar nach dem Zeitpunkt t111, doch wird der Absolutwert 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.
Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t121 wird die Spannung VMout1 des Verbindungspunkts Mout1 der X-Phase größer oder gleich (+MVdd + Vf) [V] durch den Rücklaufimpuls und wird von der Diode 12 geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout0 des Verbindungspunkts Mout0 kleiner oder gleich (–Vf) [V] und wird von der Diode 18 geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung VMout1 des Verbindungspunkts Mout1 und die Spannung VMout0 des Verbindungspunkts Mout0 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Zum Zeitpunkt t122 wird die Spannung VMout1 plötzlich auf 0 [V] verringert. Später als die Spannung VMout1 wird die Spannung VMout0 geringfügig erhöht und dann zum Zeitpunkt t131 sanft wieder auf 0 [V] verringert. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t121 in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout0 zum Verbindungspunkt Mout1, doch wird der Absolutwert 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 Verbindungspunkt Mout2 der H-Brückenschaltung 20Y und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement eines Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Verbindungspunkt Mout2 Strom an die Gleichstromquelle 140, um die Versorgungsspannung MVdd anzulegen, und leitet der Verbindungspunkt Mout3 Strom an die Masse 142 und wird dadurch 0 [V]. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout2 zum Verbindungspunkt Mout3 und wird ein Absolutwert des Stroms allmählich erhöht.
Der dritte Quadrant ist ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t131 bis 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 Verbindungspunkt Mout1 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Verbindungspunkt Mout1 Strom an die Gleichstromquelle 140, um die Versorgungsspannung MVdd anzulegen, und leitet der Verbindungspunkt Mout0 Strom an die Masse 142, sodass die angelegte Spannung 0 [V] wird. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout1 zum Verbindungspunkt Mout0 und gleichzeitig wird ein Absolutwert des Stroms allmählich erhöht.
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.
Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t131 wird die Spannung VMout3 des Verbindungspunkts Mout3 der Y-Phase größer oder gleich (+MVdd + Vf) [V] durch den Rücklaufimpuls und wird von der Diode geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout2 des Verbindungspunkts Mout2 kleiner oder gleich (–Vf) [V] und wird von der Diode geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung VMout3 des Verbindungspunkts Mout3 und die Spannung VMout2 des Verbindungspunkts Mout2 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Zum Zeitpunkt t132 wird die Spannung VMout3 plötzlich auf 0 [V] verringert. Später als die Spannung VMout3 wird die Spannung VMout2 geringfügig erhöht und dann zum Zeitpunkt t141 sanft wieder auf 0 [V] verringert. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt unmittelbar nach dem Zeitpunkt t131 in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout2 zum Verbindungspunkt Mout3, doch wird der Absolutwert des Stroms kurz vor dem Zeit 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 erreichen des Zeitpunkt t142 im Stromlos-Modus betrieben.
Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t141 wird die Spannung VMout0 des Verbindungspunkts Mout0 der X-Phase größer oder gleich (+MVdd + Vf) [V] durch den Rücklaufimpuls und wird von der Diode 16 geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout1 des Verbindungspunkts Mout1 kleiner oder gleich (–Vf) [V] und wird von der Diode 14 geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung VMout0 des Verbindungspunkts Mout0 und die Spannung VMout1 des Verbindungspunkts Mout1 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Zum Zeitpunkt t142 wird die Spannung VMout0 plötzlich auf 0 [V] verringert. Später als die Spannung VMout0 wird die Spannung VMout1 geringfügig erhöht und dann zum Zeitpunkt t151 wieder sanft auf 0 [V] verringert. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt unmittelbar nach der Zeit t141 in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout1 zum Verbindungspunkt Mout0, doch wird der Absolutwert 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 Verbindungspunkt Mout3 der H-Brückenschaltung 20Y und das Untere-Brückenseite-Schaltelement eines Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Verbindungspunkt Mout3 Strom an die Gleichstromquelle 140, um die Versorgungsspannung MVdd anzulegen, und leitet der Verbindungspunkt Mout2 Strom an die Masse 142, um 0 [V] zu werden. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout3 zum Verbindungspunkt Mout2 und ein Absolutwert des Stroms wird allmählich erhöht.
Während der Motor 120 sich dreht wiederholen sich die Wellenformen vom ersten Quadranten zum vierten Quadranten.
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 Untere-Brückenseite-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.
10 ist ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung eines ersten Quadranten der X-Phase einer Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Motors gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht. Ferner veranschaulichen im Fließdiagramm angegebene Achtecke 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 Verbindungspunkt Mout0 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 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 Verbindungspunkt Mout0 zum Verbindungspunkt Mout1, sodass der Motor 120 gedreht wird und der Absolutwert des Spulenstroms IMX allmählich erhöht wird (Schritt S32).
Wenn hierbei die Gegen-EMK der Y-Phasenspannung VMY einen Nulldurchgang (Ja in Schritt S32) erfährt, werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 der X-Phase und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 ausgeschaltet (Schritt S34), wird die X-Phase in den Hoch-Dissipationszeitraum umgeschaltet. Dadurch wird die Spannung VMout0 gleich der Spannung VMout1 (Schritt S35), 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 124Y 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 von der Diode geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout3 kleiner oder gleich dem Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Diode und wird von der Diode geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung VMout2 oder der Spannung VMout3 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten.
Auf diese Weise wird ein Strompfad gebildet, über den Strom von der Masse 142 durch die Spule 124Y zurück zur Gleichstromquelle 140 fließt, sodass der Absolutwert 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 Verbindungspunkt Mout2 und dem Verbindungspunkt Mout3 durch die Rotation des Motors. Wenn die Gegen-EMK der Spannung VMY der Y-Phase einen Nulldurchgang erfährt, wird der Schritt S32 durchgeführt und ist der erste Quadrant abgeschlossen.
11 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 der Spulenstrom IMX verringert (Schritt S41), sodass zwischen dem Verbindungspunkt Mout1 und dem Verbindungspunkt 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 von der Diode 16 geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout1 kleiner oder gleich dem Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Diode 18 und wird von der Diode 14 geklemmt. Die Spannungswerte des Spannung VMout0 und der Spannung VMout1 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. 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 Absolutwert des Spulenstroms IMX bei hoher Drehzahl bis auf 0 [mA] verringert wird (Schritt S43) und eine Umschaltung zum Stromlos-Zeitraum wird durchgeführt.
Im Stromlos-Zeitraum erscheint die Gegen-EMK zwischen dem Verbindungspunkt Mout1 und dem Verbindungspunkt Mout0 durch die Rotation des Motors (Schritt S44). Die Gegen-EMK VMX der X-Phase durchläuft einen Nulldurchgang (Schritt S44 > Ja), 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 10 entspricht. D. h., dass die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 anschaltet (entspricht Schritt S30 von 10) und Strom anlegt. Eine Differenz zwischen der Spannung VMout2 und der Spannung VMout3 wird zur Spannung MVdd (entspricht Schritt S31 von 10). Zu dieser Zeit fließt Strom vom Verbindungspunkt Mout2 zum Verbindungspunkt Mout3, sodass der Motor 120 dreht und der Absolutwert des Spulenstroms IMY allmählich ansteigt (entspricht Schritt S32 von 10).
Wenn hierbei die Gegen-EMK VMX der X-Phase einen Nulldurchgang durchläuft (entspricht Schritt S33 von 10 > Ja), werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 der Y-Phase und das Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 abgeschaltet (entspricht Schritt S34 von 10) und wird die Y-Phase in den Hoch-Dissipationszeitraum umgeschaltet. Hierdurch wird die Spannung VMout2 gleich der Spannung VMout3 (entspricht Schritt S35 von 10), sodass der zweite Quadrant abgeschlossen wird.
Die 3A und 3D sind erläuternde Ansichten, die einen Betriebsmodus der H-Brückenschaltung 20 gemäß der Ausführungsform veranschaulichen.
3A veranschaulicht einen Betrieb der H-Brückenschaltung 20 im Lademodus, welcher der gleiche ist wie derjenige der H-Brückenschaltung 20 von 8A. Die H-Brückenschaltung 20 wird in der gleichen Weise wie das Vergleichsbeispiel nach dem Lademodus 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 8B. 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 Vergehen 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 im Niedrig-Dissipationsmodus.
Durch die in der Spule 124 angesammelte Energie fließt Strom durch das Schaltelement 8, die Spule 124 und das Schaltelement 2 in einer durch die dicke Linie gezeigten Richtung. D. h., dass das in einer durch die dicke Linie angegebenen Motorstrom-Fließrichtung angeordnete Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 einen leitenden Zustand annimmt, und in der Spule 124 angesammelte Energie einen Stromfluß in einem geschlossenen Kreislauf verursacht, der durch das leitend geschaltete Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 gebildet wird, wobei das Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 in auf einer Seite der Brückenschaltung angeordnet ist, die der als dicke Linie dargestellten Motorstrom-Fließrichtung entgegengesetzt angeordnet ist. In dem Niedrig-Dissipationsmodus von 3C ist die Verlustleistung nur durch den Einschaltwiderstand der Schaltelemente 8 und 2 bedingt und ist niedriger als während des Hoch-Dissipationsmodus. Selbst wenn die H-Brückenschaltung 20 der Ausführungsform mittels eines CMOS-Herstellungsprozess hergestellt wurde, gibt es keinen Fall, in dem durch den parasitären Transistoreffekt Strom an Masse 142 leckt und dadurch Wärme erzeugt, sodass es möglich ist, die Dissipation von Energie weiter zu verhindern. Der Zeitraum, in dem die H-Brückenschaltung 20 in dem Niedrig-Dissipationsmodus betrieben wird, wird als ein „Rücklauf-Zeitraum” bezeichnet.
Wenn die Spule 124 genügend Energie aus dem Zustand von 3C entlässt, wird die Richtung des Stroms umgekehrt und dadurch die Umschaltung in den Zustand von 3D durchgeführt.
3D ist eine Ansicht, die einen Betrieb der H-Brückenschaltung 20 im Niedrig-Dissipationsmodus veranschaulicht.
Hierbei fließt der Strom durch das Schaltelement 2, die Spule 124 und das Schaltelement 8 in der von der dicken Linie gezeigten Richtung. Wenn ein Spiegelstrom für den oben erwähnten Strom in dem Schaltelement 17 fließt und ein Minimal-Strom-Schwellenwert-Übergang, der von dem D/A-Wandler 115 voreingestellt ist, von dem Komparator 114 erfasst wird, erfolgt eine Umschaltung in den Zustand von 3E. Ferner wird der Komparator 114 dazu verwendet, den positiven Strom der Spule 124 zu Zwecken der Steuerung und Erfassung des Stroms zu messen.
3E ist eine Ansicht, die einen Betrieb der H-Brückenschaltung 20 in dem Stromlos-Modus veranschaulicht, der der gleiche ist wie derjenige der H-Brückenschaltung 20 von 8C. Die Brückensteuerungsschaltung 110 wird in einen nächsten Quadranten umgeschaltet durch Erfassung des Nulldurchgangs der Gegen-EMK des Motors 120 in dem Stromlos-Zeitraum. Ferner wird die H-Brückenschaltung 20 wieder in den Lademodus von 3A umgeschaltet.
4 zeigt eine Wellenformdarstellung, die Stromsequenzen einer X-Phase und einer Y-Phase der H-Brückenschaltung 20 veranschaulicht.
In ähnlicher Weise wie 9, zeigt die Wellenformdarstellung von 4 die Spannung VMout0 der X-Phase als durchgehende Linie und die Einstellung des Schaltelements 6 als gestrichelte Linie. Die Spannung VMout1 der X-Phase ist als dicke Linie dargestellt und die Einstellung des Schaltelements 2 ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt. Diese dicke gestrichelte Linie ist in einem H-Pegel beschrieben, wenn jedes Schaltelement eingeschaltet ist, und in einem L-Pegel, wenn jedes Schaltelement ausgeschaltet ist. Ferner sind auch der Spulenstrom IMX und der Betriebsmodus der X-Phase ebenfalls in 9 gezeigt.
Die Wellenformdarstellung von 4 zeigt die Spannung Mout2 der Y-Phase als dicke Linie und die Einstellung des Obere-Brückenseite-Schaltelements eines Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 als dicke gestrichelte Linie. Die Spannung VMout3 der Y-Phase ist als dicke Linie gezeigt und die Einstellung des Obere-Brückenseite-Schaltelements an einem Zweig am Verbindungspunkt Mout3 ist als dicke gestrichelte Linie gezeigt. Ferner sind auch der Spulenstrom IMY und der Betriebsmodus der Y-Phase ebenfalls in 4 gezeigt.
Die Motorsteuerung 100 der 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 die Herstellung eines elektrischen Winkels mit vier Phasen (Quadranten). Wenn die X-Phase der Bestromungszeitraum (siehe 3A) in einem beliebigen Quadranten ist, gelangt die Y-Phase durch den Hoch-Dissipationszeitraum (siehe 3B), der dann zu Rücklauf-Zeitraum wird (siehe 3C und 3D) und nimmt dann den Stromlos-Zeitraum an (siehe 3E).
Wenn die Motoransteuerungsspannung hoch ist oder die Last klein ist, erhöht sich die Drehzahl des Motors 120, wird der maximale Strom durch die 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 zur Zeit eines Stillstands 0 [V], sodass sie dazu verwendet werden kann, einen Schrittverlust zu erfassen.
In 4 ist der erste Quadrant ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t11 bis 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 Verbindungspunkt Mout0 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Verbindungspunkt Mout0 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Verbindungspunkt Mout1 Strom an Masse 142, um 0 [V] zu werden. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout0 zum Verbindungspunkt Mout1 wobei ein Absolutwert des Stroms allmählich erhöht wird.
Im Anfangsstadium des ersten 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 (vorbestimmten Zeitraum) nach der Zeit t11 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben. Zu dieser Zeit wird die Spannung VMout2 der Y-Phase aufgrund des den Freilauf-Impulses größer oder gleich (+MVdd + Vf) [V] und wird von der Diode geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout3 kleiner oder gleich (–Vf) [V] und wird von der Diode geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung VMout2 und der Spannung VMout3 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung dem Verbindungspunkt Mout3 zum Verbindungspunkt Mout2. Ferner wird die Beschreibung des Hoch-Dissipationsmodus in 4 weggelassen.
Nachdem ein vorbestimmter Zeitraum ab dem Zeitpunkt t11 vergangen ist, werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 der H-Brückenschaltung 20Y und das Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 in den Ein-Zustand versetzt, und es wird bis zum Zeitpunkt t13 ein Betrieb im Niedrig-Dissipationsmodus durchgeführt. Ferner ist der Niedrig-Dissipationsmodus in 4 einfach mit „T” bezeichnet.
Zu dieser Zeit wird die Spannung VMout2 der Y-Phase gleich (+MVdd) [V] und wird die Spannung VMout3 gleich 0 [V]. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung von dem Verbindungspunkt Mout3 zum Verbindungspunkt Mout2 und der Absolutwert wird allmählich verringert, sodass der Nulldurchgang und der Umkehrvorgang zum Zeitpunkt t12 erfolgen. Zum Zeitpunkt t13 überquert der Spulenstrom IMY den Minimal-Strom-Schwellenwert.
Im Niedrig-Dissipationsmodus setzt die Brückensteuerungsschaltung 110 den Minimal-Strom-Schwellenwert mit dem D/A-Wandler 115 im Voraus ein und erfasst periodisch mit dem Komparator 114, dass der Spulenstrom IMY den Minimal-Strom-Schwellenwert überschreitet. Wenn der Spulenstrom IMY den Minimal-Strom-Schwellenwert überschreitet, schaltet die Brückensteuerungsschaltung 110 das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 aus. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t13. Ein solches Steuerungsverfahren ermöglicht es, dass die Verlustleistung je nach den Betriebsbedingungen, wie der Versorgungsspannung MVdd oder der an den Motor 120 gelieferten Last, optimal vermieden wird.
Wenn das Ausschalten des Schaltelements verzögert wird, wenn der Rücklauf-Zeitraum beendet wird, 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 Spulenstrom IMY wird im Vergleich zu einer Spitze des Freilauf-Impulses weitgehend verringert, doch wird die an den Motor 120 gelieferte Versorgungsspannung MVdd in einer Richtung angelegt, die der Motorantriebsrichtung entgegengesetzt ist, um als eine Bremse gegen die Drehung des Motors zu wirken. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Minimal-Strom-Schwellenwert des D/A-Wandlers 115, der von dem Komparator 114 erfasst werden kann, eingestellt wird und der Abtastzyklus des Komparators 114 verkürzt wird.
Zum Zeitpunkt t13 sind alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 in den Aus-Zustand versetzt und der Betrieb wird dann im Stromlos-Modus durchgeführt. Zu dieser Zeit wird die Spannung VMout2 plötzlich auf 0 [V] verringert und die Spannung VMout3 plötzlich erhöht und daraufhin zum Zeitpunkt t21 über eine Rampe wieder auf 0 [V] verringert. Der Spulenstrom IMY wird zu 0 [mA].
Der zweite Quadrant ist ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t21 bis zum Zeitpunkt t31. Im Anfangsstadium dieses zweiten Quadranten sind alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Aus-Zustand versetzt und die H-Brückenschaltung wird in einem kurzen Zeitraum (vorbestimmten Zeitraum) nach dem Zeitpunkt t21 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben. Zu dieser Zeit wird die Spannung VMout1 der X-Phase durch den Freilauf-Impuls größer oder gleich (+MVdd + 2Vf) [V] und wird durch die Diode 12 geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout0 kleiner oder gleich (–Vf) [V] und wird von der Diode 18 geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung MVout1 und der Spannung MVout0 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout0 zum Verbindungspunkt Mout1, doch wird der Absolutwert des Stroms allmählich verringert, sodass zum Zeitpunkt t22 der Nulldurchgang und der Umkehrvorgang erfolgen. Zum Zeitpunkt t23 überschreitet der Absolutwert des Spulenstroms IMX den Minimal-Strom-Schwellenwert.
Im Niedrig-Dissipationsmodus stellt die Brückensteuerungsschaltung 110 den Minimal-Strom-Schwellenwert mit dem D/A-Wandler 115 im Voraus ein und erfasst periodisch mit dem Komparator 114, dass der Spulenstrom IMX den Minimal-Strom-Schwellenwert überschreitet. Wenn der Spulenstrom IMX den Minimal-Strom-Schwellenwert überschreitet, schaltet die Brückensteuerungsschaltung 110 das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 aus. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t23.
Zum Zeitpunkt t23 sind alle Schaltelemente 2, 4, 6 und 8 in den Aus-Zustand versetzt und dann wird der Betrieb im Stromlos-Modus durchgeführt. Zu dieser Zeit wird die Spannung VMout1 plötzlich auf 0 [V] verringert und wird die Spannung VMout0 plötzlich erhöht und dann zum Zeitpunkt t31 über eine Rampe wieder auf 0 [V] verringert. Der Spulenstrom IMX wird zu 0 [mA].
Im zweiten Quadranten wird die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase in dem Lademodus betrieben. Zu dieser Zeit wird das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 der H-Brückenschaltung 20Y und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Verbindungspunkt Mout2 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Verbindungspunkt Mout3 Strom an die Masse 142 und wird zu 0 [V]. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung von dem Verbindungspunkt Mout2 zum Verbindungspunkt Mout3 und ein Absolutwert des Stroms wird allmählich erhöht.
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 Verbindungspunkt Mout1 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Verbindungspunkt Mout1 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Verbindungspunkt Mout0 Strom an Masse 142, sodass die angelegte Spannung 0 [V] wird. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout1 zum Verbindungspunkt Mout0 und ein Absolutwert des Stroms wird allmählich erhöht.
Im Anfangsstadium des 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 (vorbestimmten Zeitraum) nach dem Zeitpunkt t31 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben. Zu dieser Zeit wird die Spannung MVout3 der Y-Phase durch den Freilauf-Impulsgrößer oder gleich (+MVdd + Vf) [V] und wird von der Diode geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout2 kleiner oder gleich (–Vf) [V] und wird von der Diode geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung VMout3 und der Spannung VMout2 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout2 zum Verbindungspunkt Mout3.
Nach Vergehen eines vorbestimmten Zeitraums ab dem Zeitpunkt t31 werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 der H-Brückenschaltung 20Y und das Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 in den Ein-Zustand versetzt und bis zum Zeitpunkt t33 ein Betrieb im Niedrig-Dissipationsmodus durchgeführt.
Zu dieser Zeit wird die Spannung VMout3 der Y-Phase gleich (+MVdd) [V] und wird die Spannung VMout2 gleich (0) [V]. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout2 zum Verbindungspunkt Mout3 und wird der Absolutwert allmählich verringert, sodass der Nulldurchgang und der Umkehrvorgang zum Zeitpunkt t32 durchgeführt werden. Zum Zeitpunkt t33 überschreitet der Spulenstrom IMY den Minimal-Strom-Schwellenwert.
Im Niedrig-Dissipationsmodus stellt die Brückensteuerungsschaltung 110 den Minimal-Strom-Schwellenwert mit dem D/A-Wandler 115 im Voraus ein und erfasst periodisch mit dem Komparator 114, dass der Spulenstrom IMY den Minimal-Strom-Schwellenwert überquert. Wenn der Spulenstrom IMY den Minimal-Strom-Schwellenwert überquert, schaltet die Brückensteuerungsschaltung 110 das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 aus. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t33.
Zum Zeitpunkt t33 sind alle Schaltelemente in den Aus-Zustand versetzt und dann wird der Betrieb im Stromlos-Modus durchgeführt. Zu dieser Zeit wird die Spannung VMout3 plötzlich auf 0 [V] verringert und wird die Spannung VMout2 plötzlich erhöht und dann zum Zeitpunkt t41 über eine Rampe wieder auf 0 [V] verringert. Der Spulenstrom IMY wird zu 0 [mA].
Der vierte Quadrant ist ein Zeitraum von dem Zeitpunkt t41 bis zum Zeitpunkt t51. Im Anfangsstadium dieses 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 (vorbestimmten Zeitraum) nach dem Zeitpunkt t41 im Hoch-Dissipationsmodus betrieben. Zu dieser Zeit wird die Spannung VMout0 der X-Phase durch den durch den Freilauf-Impulsgrößer oder gleich (+MVdd + 2Vf) [V] und wird durch die Diode 16 geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout1 kleiner oder gleich (–Vf) [V] und wird von der Diode 14 geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung MVout0 und der Spannung MVout1 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Der Spulenstrom IMX der X-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout1 zum Verbindungspunkt Mout0 und wird der Absolutwert des Stroms allmählich verringert, sodass zum Zeitpunkt t42 der Nulldurchgang und der Umkehrvorgang erfolgen. Zum Zeitpunkt 143 überschreitet der Absolutwert des Spulenstroms IMX den Minimal-Strom-Schwellenwert.
Im Niedrig-Dissipationsmodus stellt die Brückensteuerungsschaltung 110 den Minimal-Strom-Schwellenwert mit dem D/A-Wandler 115 im Voraus ein und erfasst periodisch mit dem Komparator 114, dass der Spulenstrom IMX den Minimal-Strom-Schwellenwert überschreitet. Wenn der Spulenstrom IMX den Minimal-Strom-Schwellenwert überschreitet, schaltet die Brückensteuerungsschaltung 110 das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 aus. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t43.
Zum Zeitpunkt t43 sind alle Schaltelemente in den Aus-Zustand versetzt und dann wird der Betrieb im Stromlos-Modus durchgeführt. Zu dieser Zeit wird die Spannung VMout0 plötzlich auf 0 [V] verringert und wird die Spannung VMout1 plötzlich erhöht und dann zum Zeitpunkt t51 über eine Rampe wieder auf 0 [V] verringert. Der Spulenstrom IMX wird zu 0 [mA].
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 Verbindungspunkt Mout3 der H-Brückenschaltung 20Y und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 in den Ein-Zustand versetzt. Auf diese Weise leitet der Verbindungspunkt Mout3 Strom an die Gleichstromquelle 140 zum Anlegen der Versorgungsspannung MVdd und leitet der Verbindungspunkt Mout2 Strom an die Masse 142, um 0 [V] zu werden. Der Spulenstrom IMY der Y-Phase fließt in einer Richtung vom Verbindungspunkt Mout3 zum Verbindungspunkt Mout2 und ein Absolutwert des Stroms wird allmählich erhöht.
Der Motor 120 rotiert, während Wellenformen vom ersten Quadranten zum vierten Quadranten wiederholt werden.
In der 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 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-Dissipatimonszeitraums 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 sie durch das Schaltelement gelangt, wird die Verlustleistung P_off3 des Rücklauf-Zeitraums durch die folgende Gleichung (5) repräsentiert. P_off3 = (I_peak ² × R_dsL + I_peak ² × R_dsH) × D_fly (5) 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_dsL: ein Widerstand zwischen Drain und Source des Untere-Brückenseite-Schaltelements ist, wenn das Untere-Brückenseite-Schaltelement eingeschaltet ist
R_dsH: ein Widerstand zwischen Drain und Source des Obere-Brückenseite-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, da sie durch das Schaltelement im „Rücklauf-Zeitraum” gelangt, wird die Verlustleistung von der Versorgungsspannung MVdd und dem parasitären Transistoreffekt nicht beeinträchtigt. Daher ist es möglich, die Verlustleistung zu verringern.
5 ist eine Wellenformdarstellung, die eine Spannung und einen Strom eines jeden Teils der X-Phase der H-Brückenschaltung 20 veranschaulicht.
Die Wellenformdarstellung von 5 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 Verbindungspunkt Mout0 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 in den Ein-Zustand versetzt.
Die Spannung VMX der X-Phase wird (–MVdd) [V] und der X-Phasen-Spulenstrom IMX fließt in der Richtung vom Verbindungspunkt Mout0 zum Verbindungspunkt Mout1 und der Absolutwert des Stroms wird allmählich erhöht.
Da der Verbindungspunkt Mout0 den Strom zur Gleichstromquelle 140 leitet, wird die Spannung VMout0 zu (+MVdd) [V]. Da der Verbindungspunkt 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-Impulsgrößer oder gleich (+MVdd + 2Vf) [V], wird von den Dioden 12 und 18 geklemmt und wird dann in den Niedrig-Dissipationsmodus versetzt, um größer oder gleich (+MVdd + Vf) [V] zu werden, und wird gleichzeitig durch die Diode geklemmt, sodass dieser Spannungswert über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten bleibt. Die Spannung VMX wird kurz vor dem Zeitpunkt t23 plötzlich verringert, um einen Nulldurchgang zu erfahren, 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 Verbindungspunkt Mout0 zum Verbindungspunkt Mout1, doch wird der Absolutwert des Stroms allmählich verringert, sodass der Strom (–IMX) zum Zeitpunkt t23 größer als der Minimal-Strom-Schwellenwert wird und wieder zu 0 [mA] wird. Hiernach wird der Strom dann bis zum Erreichen des Zeitpunkts t31 bei 0 [mA] gehalten.
Die Spannung VMout0 des Verbindungspunkts Mout0 wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t21 durch den Freilauf-Impuls (–Vf) [V], wird von der Diode 18 geklemmt und dann in den Niedrig-Dissipationsmodus geändert, um bis zur Zeit t23 zu 0 [V] zu werden. Diese Spannung wird allmählich auf einen vorbestimmten Wert erhöht und dann durch die Gegen-EMK des Motors 120 nach dem Zeitpunkt t23 verringert, sodass die Spannung zum Zeitpunkt t31 wieder 0 [V] wird.
Die Spannung VMout1 des Verbindungspunkts Mout1 wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t21 durch den Freilauf-Impulsgrößer oder gleich (+MVdd + Vf) [V], wird von der Diode 12 geklemmt und wird dann in den Niedrig-Dissipationsmodus geändert, um (+MVdd [V] zu werden. Diese Spannung wird über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Die Spannung VMout1 wird zum Zeitpunkt t23 plötzlich auf 0 [V] verringert und wird dann bis zum Zeitpunkt t31 bei 0 [V] gehalten.
Im dritten Quadranten sind das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 der H-Brückenschaltung 20X und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 in den Ein-Zustand versetzt.
Die Spannung VMX der X-Phase wird (+MVdd) [V], sodass der X-Phasen-Spulenstrom IMX in der Richtung vom Verbindungspunkt Mout1 zum Verbindungspunkt Mout0 fließt und der Absolutwert des Stroms allmählich erhöht wird.
Da der Verbindungspunkt Mout0 Strom an Masse 142 leitet, wird die Spannung VMout0 dann 0 [V]. Da der Verbindungspunkt Mout1 Strom an die Gleichstromquelle 140 leitet, wird die Spannung VMout1 (+MVdd) [V].
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) [V], wird von den Dioden 14 und 16 geklemmt und wird dann in den Niedrig-Dissipationsmodus geändert, um kleiner oder gleich (–MVdd) [V] zu werden. Dieser Spannungswert wird über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten. Die Spannung VMX wird kurz vor dem Zeitpunkt t43 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 Verbindungspunkt Mout1 zum Verbindungspunkt Mout0, doch wird der Absolutwert des Stroms k allmählich verringert, sodass der Strom zum Zeitpunkt t43 größer als der Minimal-Strom-Schwellenwert wird und dann wieder zu 0 [mA] wird. Hiernach wird der Strom bis zum Erreichen des Zeitpunkts t51 bei 0 [mA] gehalten.
Die Spannung VMout0 des Verbindungspunkts Mout0 wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t41 durch den Freilauf-Impulsgrößer oder gleich der (+MVdd + Vf) [V], wird von der Diode 16 geklemmt und dann in den Niedrig-Dissipationsmodus geändert, um (+MVdd) [V] zu werden. Dieser Spannungswert wird über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten. Die Spannung VMout0 wird zum Zeitpunkt t43 plötzlich auf 0 [V] verringert und wird bis zum Erreichen des Zeitpunkts t51 auf 0 [V] gehalten.
Die Spannung VMout1 des Anschlusses Mout1 wird unmittelbar nach dem Zeitpunkt t41 durch den Rücklauf-Impulse (–Vf) [V], wird von der Diode 14 geklemmt und wird dann in den Niedrig-Dissipationsmodus versetzt, um bis zum Zeitpunkt t43 0 [V] zu werden. Diese Spannung wird allmählich auf einen vorbestimmten Wert erhöht und dann nach dem Zeitpunkt t43 durch die Gegen-EMK des Motors 120 verringert, sodass die Spannung zum Zeitpunkt t51 wieder 0 [V] wird.
6 ist ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung des ersten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern des Antriebs des Motors gemäß der Ausführungsform veranschaulicht. Es ist gleich wie das Fließdiagramm des Vergleichsbeispiels in 10, unterscheidet sich jedoch im Y-Phasen-Betriebsmodus.
Die X-Phase startet den ersten Quadranten vom Bestromungszeitraum an. Die Brückensteuerungsschaltung 110 schaltet das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Verbindungspunkt 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 Verbindungspunkt Mout0 zum Verbindungspunkt Mout1, sodass der Motor 120 gedreht wird und der Absolutwert des Spulenstrom IMX allmählich erhöht wird (Schritt S12).
Hierbei werden, wenn die Gegen-EMK VMY der Y-Phase einen Nulldurchgang durchläuft („Ja” in Schritt S13), das Obere-Brückenseite-Schaltelement 6 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 der X-Phase und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement 4 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 ausgeschaltet (Schritt S14), wird die X-Phase in den Hoch-Dissipationszeitraum umgeschaltet. Hierdurch wird die Spannung VMout0 gleich der Spannung VMout1 (Schritt S15), 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 Summe der Versorgungsspannung MVdd und des Spannungsabfalls Vf in der Durchlassrichtung der Diode und wird von der Diode geklemmt. Ferner wird die Spannung VMout3 kleiner oder gleich dem Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Diode und wird von der Diode geklemmt. Die Spannungswerte der Spannung VMout2 und der Spannung MVout3 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Auf diese Weise wird ein Strompfad gebildet, um zu verursachen, dass Strom von der Masse 142 durch die Spule 124Y an die Gleichstromquelle 140 fließt.
Hiernach schaltet, wenn ein vorbestimmter Zeitraum verstrichen ist, die H-Brückenschaltung 20Y das Obere-Brückenseite-Schaltelement, das in der Richtung des Spulenstrom IMY angeordnet ist, und das Untere-Brückenseite-Schaltelement, das auf einer Seite in einer entgegengesetzten Richtung angeordnet ist, leitend und damit in den Niedrig-Dissipationsmodus. Der Strompfad wird gebildet, um zu verursachen, dass Strom von der Masse 142 durch die Spule 124Y zurück zur Gleichstromquelle 140 fließt, sodass der Absolutwert des Spulenstroms IMY verringert wird, bis er 0 [mA] wird, und die Rücklauf-Spannung aufgehoben wird. Hiernach wird die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase in den Stromlos-Zeitraum umgeschaltet, wenn die Richtung des Spulenstroms IMY umgekehrt wird und (–IMY) den Minimal-Strom-Schwellenwert überschreitet. Daher erscheint die Gegen-EMK zwischen dem Verbindungspunkt Mout2 und dem Verbindungspunkt Mout3 durch die Rotation des Motors. Wenn die Gegen-EMK VMY der Y-Phase einen Nulldurchgang erfährt, wird der oben erwähnte Schritt S14 durchgeführt und ist der erste Quadrant abgeschlossen.
7 ist ein Fließdiagramm, das die Verarbeitung des zweiten Quadranten der X-Phase der Vorrichtung zum Steuern des Antriebs des Motors gemäß der 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 und wird dann eine Umschaltung in den Hoch-Dissipationszeitraum durchgeführt.
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 der Spulenstrom IMY verringert (Schritt S21) und dann die Rücklauf-Spannung zwischen dem Verbindungspunkt Mout1 und dem Verbindungspunkt Mout0 induziert (Schritt S22).
Wenn eine vorbestimmte Zeit vergangen ist, verursacht die X-Phasen-Rücklauf-Spannung, dass die Spannung VMout0 größer oder gleich der Summe der Versorgungsspannung MVdd und des Spannungsabfalls Vf in der Durchlassrichtung der Diode ist, und von der Diode 16 geklemmt wird, und verursacht, dass die Spannung VMout1 kleiner oder gleich dem Spannungsabfall Vf in der Durchlassrichtung der Diode 18 ist und von der Diode geklemmt wird. Die Spannungswerte der Spannung MVout0 und der Spannung VMout1 werden über einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten. Auf diese Weise wird der 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.
Die Brückensteuerungsschaltung 110 schaltet das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 ein (Schritt S23) und wird in den Rücklauf-Zeitraum umgeschaltet. Im Rücklauf-Zeitraum wird der Strompfad gebildet, um zu verursachen, dass Strom von der Masse 142 durch das Schaltelement 8, 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, der eine niedrigere Dissipation als der Hoch-Dissipationsmodus hat.
Im Rücklauf-Zeitraum führt die Brückensteuerungsschaltung 110 einen Nulldurchgang des Spulenstroms IMX durch (Schritt S24) und bestimmt dann, ob der Strom (–IMX) größer oder gleich dem Minimal-Strom-Schwellenwert ist (Schritt S25). Wenn der Strom (–IMX) größer oder gleich dem Minimal-Strom-Schwellenwert ist („Ja” in Schritt S25), schaltet die Brückensteuerungsschaltung 110 das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 aus (Schritt S26) und wird in den Stromlos-Zeitraum umgeschaltet. Wenn die Brückensteuerungsschaltung 110 in Schritt S25 erfasst, dass der in der Spule 124 fließende Spulenstrom IMX in einer entgegengesetzten Richtung zum Lademodus fließt, wird die Umschaltung in den Stromlos-Zeitraum durchgeführt.
Im Stromlos-Zeitraum erscheint die Gegen-EMK zwischen dem Verbindungspunkt Mout0 und dem Verbindungspunkt Mout1 (Schritt S27). Die Brückensteuerungsschaltung 110 versucht mit dem Gegen-EMK-Detektor 118, den in der Spannung VMX erzeugten Nulldurchgang der Gegen-EMK zu erfassen (Schritt S28). Wenn die Gegen-EMK einen Nulldurchgang erfährt („Ja” in Schritt S28), wird der zweite Quadrant abgeschlossen.
Die Brückensteuerungsschaltung 110 schaltet das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 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 der Strom (–IMX) größer oder gleich der Minimal-Strom-Schwellenwert wird, schaltet die Brückensteuerungsschaltung 110 das Obere-Brückenseite-Schaltelement 2 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout1 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement 8 des Zweigs am Verbindungspunkt Mout0 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, sodass der Motor 120 nicht abgebremst wird.
Im zweiten Quadranten führt die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase einen Vorgang des X-Phasen-Betriebsmodus von 6 aus. D. h., dass die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 und das Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 einschaltet (entspricht Schritt S10 von 6) und Strom anlegt. Eine Differenz zwischen der Spannung VMout2 und der Spannung VMout3 wird zur Spannung MVdd (entspricht Schritt S11 von 6). Zu dieser Zeit fließt der Strom vom Verbindungspunkt Mout2 zum Verbindungspunkt Mout3, sodass der Motor 120 dreht und der Absolutwert des Spulenstroms IMY allmählich höher wird (entspricht Schritt S12 von 6).
Wenn hierbei die Gegen-EMK VMX der X-Phase einen Nulldurchgang erfährt (entspricht Ja in Schritt S13 von 6), werden das Obere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout2 der Y-Phase und dessen Untere-Brückenseite-Schaltelement des Zweigs am Verbindungspunkt Mout3 abgeschaltet (entspricht Schritt S14 von 6), und wird die Y-Phase in den Hoch-Dissipationszeitraum umgeschaltet. Die Spannung VMout2 der Y-Phase wird vorübergehend gleich der Spannung VMout3 (entspricht Schritt 515 von 6), sodass der zweite Quadrant abgeschlossen ist.
In der Ausführungsform kann, da der für eine Mikro-Schritt-Steuerung ausgelegte Komparator 114, der D/A-Wandler 115 und der Stromdetektor 116 dazu verwendet werden, das Ende des Rücklaufs zu erfassen, dies ohne Erhöhung der Kosten durchgeführt werden. Selbst wenn die Versorgungsspannung MVdd, das Lastmoment oder die Drehzahl geändert werden, tritt keine Verlustleistung oder Bremsung auf.
Gemäß der Ausführungsform ist es möglich, eine Zeit der Beendigung des Freilauf-Impulses zu erfassen und das Schaltelement in dieser Zeit abzuschalten. Deshalb beeinträchtigt dies nicht die Messung der Gegen-EMK und die Erfassung eines Schrittverlusts, nachdem der Freilauf-Impuls beendet ist. Da ferner der Motor 120 nicht abgebremst wird, beeinträchtigt dies nicht die Leistung des Motors bei der maximalen Drehzahl.
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 i) möglich.

a) Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen Zwei-Phasen-Schritt Motor eingeschränkt, sondern kann bei einem Motor mit einer beliebigen Anzahl an Phasen, zum Beispiel bei einem Drei-Phasen-Schrittmotor, verwendet werden. Ferner kann auch ein bürstenloser Motor, dessen Motorspule eine Sternverbindung oder eine Deltaverbindung aufweist, 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 Antriebssteuerungsvorrichtung kann eine integrierte Schaltung (IC) sein.
e) Die Schaltungsblockkonfiguration der in den 1 und 2 gezeigten Motorsteuerung ist ein spezifische Beispiel und die Erfindung ist hierauf nicht eingeschränkt.
f) Der in den 6 und 7 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 durch den Nulldurchgang der Rücklauf-Spannung herbeigeführt werden.
h) Die H-Brückenschaltung der vorliegenden Erfindung kann nicht einschränkend durch Kombinieren von Halbbrücken miteinander ausgebildet werden.

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 zurückgeführt wird, 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, 0006]

Claims

Motorsteuerung, umfassend: eine H-Brückenschaltung, die Schaltelemente, Freilaufdioden und Halbbrücken aufweist, die mit Motorspulen verbunden sind, die in dem Motor vorgesehen sind; einen Stromdetektor, der einen in der Motorspule fließenden Strom 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 des von dem Stromdetektor erfassten Motorstroms 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 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 ferner 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 mit einer Phase der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspule kurz vorher 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 Motorstromdetektor erfasst, dass der in dem mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspule fließende Motorstrom in einer Richtung fließt, die derjenigen des Lademodus entgegengesetzt ist.
Motorsteuerung gemäß Anspruch 1, wobei in dem Niedrig-Dissipationsmodus die Steuerung eines der Obere-Brückenseite-Schaltelemente und eines der Untere-Brückenseite-Schaltelemente leitend schaltet, wobei das Obere-Brückenseite-Schaltelement auf einer Seite der H-Brückenschaltung angeordnet ist, in deren Richtung der Motorstrom fließt und wobei wobei das Untere-Brückenseite-Schaltelement auf einer Seite der H-Brückenschaltung angeordnet ist, die der Fließrichtung des Motorstroms entgegengesetzt angeordnet ist, so dass aufgrund der in der Motorspule angesammelten Energie ein Stromfluss in einem geschlossenen Stromkreis verursacht wird, wobei der geschlossene Kreis durch das Obere-Brückenseite-Schaltelement und das Untere-Brückenseite-Schaltelement, die jeweils im leitenden Zustand sind, gebildet wird.
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 angesammelten 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 Freilaufdiode der oberen Brückenseite auf einer Seite der H-Brückensschaltung angeordnet ist, in deren Richtung der Strom fließt und wobei die Freilaufdiode der unteren Brückenseite auf einer der Fließrichtung des Motorstrom entgegengesetzten Seite der H-Brückenschaltung 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 Stromdetektor eine Strom-Spiegelschaltung und einen Komparator 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 Stromdetektor, der einen in der Motorspule fließenden Strom 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 des von dem Stromdetektor erfassten Motorstroms 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 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 dazu betrieben wird, es dem Nulldurchgangsdetektor zu ermöglichen, den Nulldurchgang der Gegen-EMK einer jeden der Motorspulen zu erfassen, nachdem der Freilauf-Impuls einer jeden der Motorspulen verringert wird, 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 mit einer Phase der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspule kurz vorher 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 Motorstromdetektor erfasst, dass der in dem mit der H-Brückenschaltung verbundenen Motorspule fließende Motorstrom in einer Richtung fließt, die derjenigen des Lademodus entgegengesetzt ist.