JP2000127495A - デジタルpwmによる電力制御方法 - Google Patents

デジタルpwmによる電力制御方法

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JP2000127495A
JP2000127495A JP30191898A JP30191898A JP2000127495A JP 2000127495 A JP2000127495 A JP 2000127495A JP 30191898 A JP30191898 A JP 30191898A JP 30191898 A JP30191898 A JP 30191898A JP 2000127495 A JP2000127495 A JP 2000127495A
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Yuji Uosaki
雄二 魚崎
Shiro Takashima
志朗 高島
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Koki Holdings Co Ltd
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Hitachi Koki Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】カウントクロックの周波数および出力のリップ
ルは同一レベルに保ちつつ、より高分解能のデジタルP
WMによる電力制御方法を提供する。 【解決手段】基準クロックの整数倍として定義されるP
WM繰返し周期を複数(整数倍n)まとめてなるPWM
制御周期を用いたデジタルPWMによる電力制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、基準クロックに基
づき全ての制御をデジタルで行うデジタルPWMによる
電力制御方法に関するものであり、例えばレーザプリン
タや複写機の光走査装置における回転多面鏡の駆動制御
に適用され得るデジタルPWMによる電力制御方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】図3(a)は誘導性負荷を定電流で駆動
する場合のデジタルPWMによる従来の電力制御方法の
一例を示すブロック図である。図3(a)を参照する
と、基準クロック1を分周器2で分周して規定するPW
M繰返し周期毎に出力されるラッチ信号でカウンタ4は
PWMカウントデータ3をラッチし、基準クロック1を
カウントクロックとしてPWMカウントデータ3で規定
されるカウント数の間、電気的スイッチ6のオン信号を
出力する。
【0003】電気的スイッチ6はカウンタ4から与えら
れるオン信号に従い電圧源5の出力をオンまたはオフ
し、パルス状電圧として出力する。誘導性負荷であるモ
ータ7の負荷電流は、電気的スイッチ6が出力するパル
ス状電圧がプラスの時に増加し、パルス状電圧が0また
はマイナスの時に減少するので、モータ7の平均負荷電
流はパルス状電圧のオンデューティに比例する。従って
モータ7の消費電力はPWMにより一定に制御される。
【0004】図3(b)は負荷を定電圧で駆動する場合
の従来のデジタルPWMによる電力制御方法の一例を示
すブロック図である。図3(b)を参照すると、電気的
スイッチ6までの動作は前記定電流駆動の場合と同じで
ある。電気的スイッチ6から出力されたパルス状電圧は
フィルタ12で平滑され、PWM制御された定電圧8を
得る。抵抗性負荷はもちろん、誘導性負荷の場合でも定
常状態の平均消費電力は一定になるので、この場合も負
荷の消費電力はPWMにより一定に制御される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のデジタルPWM
による電力制御方法では、PWM繰返し周期をカウント
クロックの1周期で割ったものが電力制御の分解能であ
る。例えば、PWM繰返し周期が33.3μsecで電
力制御の分解能を256段階とするとカウントクロック
は約7.69MHzとなる。従って、従来の制御方法で
電力制御の分解能を上げる場合、カウントクロックの周
波数を高くするかPWM繰返し周期を長くする必要があ
った。
【0006】しかし、カウントクロックの周波数を高く
した場合、PWM制御システム全体のクロックアップの
必要性や高周波の不要輻射の問題があって設計を困難に
するとともに、電気的スイッチに用いるスイッチング素
子の追従性の限界から、高い周波数のカウントクロック
では全領域で十分な電力制御特性を得ることが困難にな
るという問題があった。
【0007】また、PWM周期を長くした場合、パルス
状電圧の間隔が長くなるため出力のリップルが大きくな
り、PWM繰返し周期中の駆動力の変動等が発生して安
定した電力制御特性が得られないという問題があった。
【0008】さらに、高分解能を必要としない場合で
も、出力のリップルを押さえて安定した制御特性を得る
ためにカウントクロックはあまり低くすることができな
いという問題があった。
【0009】本発明は、上記問題点を鑑みてなされたも
ので、その目的するところは、カウントクロックの周波
数および出力のリップルは同一レベルに保ちつつ、より
高分解能のデジタルPWMによる電力制御方法を提供す
るとともに、同一の分解能であれば、より低いカウント
クロックで安定したデジタルPWMによる電力制御方法
を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的は、基準クロッ
クの整数倍として定義されるPWM繰返し周期中に、前
記基準クロック1周期分の時間をオンまたはオフの単位
として規定数だけカウントし、単位時間当たりのオン時
間とオフ時間の比率を制御するデジタルPWMによる電
力制御方法において、前記PWM繰返し周期の整数倍
(n)をPWM制御周期と定義し、該PWM制御周期中の
オンまたはオフのカウント数の合計をPWMカウントデ
ータで規定し、前記PWMカウントデータを前記nで割
った商以下の数を基本カウント数とし、前記PWMカウ
ントデータで規定する数から前記基本カウント数のn倍
を引いた数を付加カウント数として、前記PWM制御周
期中の全てのPWM繰返し周期で少なくとも前記基本カ
ウント数をオンまたはオフし、前記付加カウント数を任
意にPWM繰返し周期に振り分けてPWM制御周期1周
期に含まれるオンまたはオフのカウント数の合計がPW
Mカウントデータで規定する数となるように制御するこ
とで達成される。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。図1は本発明に関わるデジタルPWMに
よる電力制御方法を実現する回路の一実施例を示すブロ
ック図である。
【0012】図1(a)において、本実施例は誘導負荷
であるモータ7に印可する電力を制御する場合を示し、
制御の基準となる基準クロック1、基準クロックを分周
してPWM繰返し周期を規定する分周器2、PWM繰返
し周期中のオンまたはオフのカウント数をカウントする
カウンタ4、PWM繰返し周期の数をカウントするPW
M繰返し周期カウンタ9、PWM制御周期中のオンまた
はオフのカウント数の合計を規定するPWMカウントデ
ータ3、PWMカウントデータを基本カウントデータと
付加カウントデータに分離するデータセパレータ10、
PWM繰返し周期カウンタ9からの情報と付加カウント
データから付加カウントの有無を判断する付加カウント
検出器11、パルス状電圧を発生するための電圧源5と
電気的スイッチ6からなる。
【0013】次に、本実施例の動作を説明する。本実施
例では、基準クロック1の256カウントをPWM繰返
し周期とし、PWM繰返し周期の16周期をPWM制御
周期の1周期として、12ビットのPWMカウントデー
タ3で規定される条件で電気的スイッチ6のオン時間を
制御し、誘導負荷であるモータ7に供給する電力のデジ
タルPWM制御を行っている。まず、12ビットのPW
Mカウントデータ3はデータセパレータ10で上位8ビ
ットの基本カウントデータと下位4ビットの付加カウン
トデータに分けられる。基本カウントデータはカウンタ
4で電気的スイッチ6のオン信号を作る際の基本カウン
ト数として用い、付加カウントデータは付加カウント検
出器11で付加カウントの有無を判断する際に用いる。
基準クロック1を分周器2で256分周したPWM繰返
しクロックはカウンタ4のラッチ信号として用いるとと
もに、PWM繰返し周期カウンタ9に与えて現在のPW
M繰返し周期がPWM制御周期中何番目であるかを判断
する。付加カウント検出器11は、PWM繰返し周期カ
ウンタ9の情報とデータセパレータ10からの付加カウ
ントデータから、次のPWM繰返し周期における付加カ
ウントの有無を判断し、カウンタ4に情報を与える。カ
ウンタ4はラッチ信号の立ち下がりでデータセパレータ
10からの基本カウントデータと付加カウント検出器1
1からの付加カウント情報をロードし、基準クロック1
をカウントクロックとして電気的スイッチ6をオンさせ
るクロック数をカウントする。電気的スイッチ6がPW
M繰返し周期中にオンしている時間は、付加カウントな
しの場合(基本クロック1周期)×(基本カウント数)
[sec]であり、付加カウント有りの場合(基本クロ
ック1周期)×(基本カウント数+1)[sec]であ
る。電気的スイッチ6はカウンタ4から与えられるオン
信号に従い電圧源5の出力をオンまたはオフし、パルス
状電圧として出力する。モータ7の負荷電流は、電気的
スイッチ6が出力するパルス状電圧がプラスの時に増加
し、パルス状電圧が0またはマイナスの時に減少するの
で、モータ7の平均負荷電流はパルス状電圧のオンデュ
ーティに比例する。従って、モータ7の平均消費電力即
ちモータ7への平均印可電力はPWMにより一定に制御
される。ここで、本実施例におけるPWMによる電力制
御の分解能を考えると、(基本カウント数の最大値+付
加カウント)×16=(255+1)×16=4096
[段階]となる。
【0014】なお、本実施例では、ハードウエアにより
PWM制御を行っているが、一部の制御をソフトウエア
で行ってもよいし、全ての制御をソフトウエアで行って
もよい。また、本実施例では電気的スイッチ6のオン時
間を制御しているが、オフ時間で制御を行ってもよい。
また、カウンタ4のデータロードはラッチ信号の立ち下
がりとしているが、立上がりであってもよい。
【0015】次に、図1(b)は負荷を定電圧で駆動す
る場合のデジタルPWMによる電力制御方法の一実施例
を示すブロック図である。図1(a)の実施例のモータ
7をフィルタ12で置き換えた構成である。従って、電
気的スイッチ6までの動作およびPWMによる電力制御
の分解能は、前記モータの定電流駆動の場合と同じであ
る。電気的スイッチ6から出力されたパルス状電圧はフ
ィルタ12で平滑され、PWM制御された定電圧8を得
る。抵抗性負荷はもちろん、誘導性負荷の場合でも定常
状態の平均消費電力は一定になるので、この場合も消費
電力はPWMにより一定に制御される。
【0016】次に、図2を参照して本実施例における電
気的スイッチ6の出力するパルス状電圧とPWM制御さ
れたモータ7の負荷電流について説明する。図2(a)
は図1(a)で示される本実施例の場合であり、図2
(b)および図2(c)は図3(a)で示される従来技
術による場合である。いずれも同じ周波数の基本クロッ
クを用いて、図2(a)および図2(b)はPWMによ
る電力制御の分解能が4096段階の場合、図2(c)
は256段階の場合のオンデューティ50%について示
す。
【0017】図2(a)を参照すると、PWMカウント
データは800Hなので、基本カウント数は128、P
WM繰返し周期に付加する付加カウント数は0である。
従って、負荷電流波形は図2(a)に示すようになり、
図2(c)の場合と同等のリップルで16倍の分解能を
得られる。図2(b)を参照すると、パルス状電圧のオ
ン時間とオフ時間が図2(c)の16倍となるため、リ
ップルが非常に大きくなる。
【0018】次に、表1を参照して付加カウントの配置
方法の一実施例について説明する。
【0019】
【表1】 PWM制御周期中に含まれるPWM繰返し周期の数を
n、付加カウント数をiとして、n/2≧iの時、(n
−i)/iの商をm、余りをpとする。p=0の時は表
1中の1に続く0の数をmとし、p≠0の時は表1中の
1に続く0の数がm個の場合がi(m+2)−n回、m
+1個の場合がn−i(m+1)回として配置密度がで
きるだけ均一になるように付加カウントを配置してい
る。また、n/2<iの時は、付加カウントの付かない
PWM繰返し周期の数をiとして前述の方法と同様に考
えればよい。
【0020】本実施例では、PWM繰返し周期の16周
期をPWM制御周期の1周期として、付加カウント数の
最大値を15としているが、前述の方法に即して考える
ことにより、本実施例以外の関係でも容易に配置密度が
できるだけ均一になるように付加カウントを配置するこ
とができる。配置密度が均一になるように付加カウント
を配置することによってPWM制御周期中のリップルの
変動が小さくなり、PWMによる電力制御の精度が向上
する。
【0021】また、付加カウントの配置方法は本実施例
で示す方法に限定するものではなく、付加カウントの配
置密度が均一になる方法であればどのような方法を用い
てもよい。一般に付加カウントの配置は設計段階で決め
ればよく、複雑な配置であっても付加カウント数と何番
目のPWM繰返し周期なのかということがわかればデコ
ードすることは容易である。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数のPWM繰返し周期をまとめてPWMの制御周期と
することにより、同一のカウントクロックでリップルを
増加させることなくより高分解能なデジタルPWMによ
る電力制御が可能となった。また本発明によれば、リッ
プルを増加させることなく、同一の分解能でより低いカ
ウントクロックを用いたPWMによる電力制御が可能と
なった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すブロック図。
【図2】パルス状電圧とモータの負荷電流の関係を示す
説明図。
【図3】従来のデジタルPWMによる電力制御方法の一
例を示すブロック図。
【符号の説明】
1…基準クロック、2…分周器、3…PWMカウントデ
ータ、4…カウンタ、5…電圧源、6…電気的スイッ
チ、7…モータ、8…PWM制御された電圧、9…PW
M繰返し周期カウンタ、10…データセパレータ、11
…付加カウント検出器、12…フィルタ。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基準クロックの整数倍として定義されるP
    WM繰返し周期中に、前記基準クロック1周期分の時間
    をオンまたはオフの単位として規定数だけカウントし、
    単位時間当たりのオン時間とオフ時間の比率を制御する
    デジタルPWMによる電力制御方法において、前記PW
    M繰返し周期を整数倍(n)したものをPWM制御周期と
    して用いることを特徴とするデジタルPWMによる電力
    制御方法。
  2. 【請求項2】前記PWM制御周期中のオンまたはオフの
    カウント数の合計をPWMカウントデータで規定し、前
    記PWMカウントデータを前記nの値で割った商以下の
    数を基本カウント数とし、前記PWMカウントデータで
    規定する数から前記基本カウント数のn倍を引いた数を
    付加カウント数として、前記PWM制御周期中の全ての
    PWM繰返し周期で少なくとも前記基本カウント数をオ
    ンまたはオフし、前記付加カウント数を任意にPWM繰
    返し周期に振り分けてPWM制御周期1周期に含まれる
    オンまたはオフのカウント数の合計がPWMカウントデ
    ータで規定する数となるように制御することを特徴とす
    る請求項1記載のデジタルPWMによる電力制御方法。
  3. 【請求項3】前記PWM繰返し周期中のオンまたはオフ
    のカウント数はj+kビットのPWMカウントデータの
    上位jビットで表される数を最小値とし、PWM制御周
    期1周期についてPWMカウントデータの下位kビット
    で表される数のPWM繰返し周期でカウントするオンま
    たはオフのカウント数を1カウントずつ増加させること
    を特徴とする請求項2記載のデジタルPWMによる電力
    制御方法。
  4. 【請求項4】前記基本カウント数に付加カウントを加え
    る場合は、PWM制御周期中において前記付加カウント
    の配置密度が平均になるような順番で増加させることを
    特徴とする請求項2記載のデジタルPWMによる電力制
    御方法。
  5. 【請求項5】前記PWMカウントデータをj+kビット
    で表すとき、基準クロックを2のj乗で分周したPWM
    繰返し周期が2のk乗個で1つのPWM制御周期とする
    ことを特徴とする請求項2記載のデジタルPWMによる
    電力制御方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004055964A1 (en) * 2002-12-13 2004-07-01 Orr Raymond K Digital programmable pulse modulator with digital frequency control

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WO2004055964A1 (en) * 2002-12-13 2004-07-01 Orr Raymond K Digital programmable pulse modulator with digital frequency control

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