JP2004153956A

JP2004153956A - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2004153956A
Application number: JP2002317606A
Authority: JP
Inventors: Kodai Murayama; 広大村山; Toru Mori; 徹森
Original assignee: Ando Electric Co Ltd; Kyushu Ando Electric Co Ltd
Current assignee: Ando Electric Co Ltd; Kyushu Ando Electric Co Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】電源の数を少なくして回路の小規模化を図ることで、低コスト化及び小型化することができるモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】スイッチング回路１１，１２はＨブリッジ回路が構成されるように駆動対象としてのステッピングモータＭ１０に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１３は、ステッピングモータＭ１０に定電流を流すためのものである。また、アイソレーション回路１６は、入力される駆動信号のレベル変換を行うものである。電源生成部１９は、ステッピングモータＭ１０に電流を供給するための電源からアイソレーション回路１６を動作させるための補助電源、及び、ＭＯＳＦＥＴ１３とスイッチング回路１１との接続点Ｄ１２における基準電位を生成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動装置に係り、特に高精度な回転特性が要求されるステッピングモータを駆動する際に用いて好適なモータ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータの駆動装置は、概して定電圧駆動方式を用いた駆動装置と定電流駆動方式を用いた駆動装置とに大別される。定電圧駆動方式とは、駆動対象としてのステッピングモータに一定電圧を印加し、オン状態にするコイルをスイッチにより順次切り替えて励磁する駆動方式である。一方、定電流駆動方式とは、駆動対象としてのステッピングモータに高電圧を印加し、スイッチによりオン状態にしたコイルに常時一定の電流が流れるように電流制御する駆動方式である。
【０００３】
定電圧駆動方式においては、コイルに多くの電流を流すため、一般的にステッピングモータの定格電圧の３〜５倍の電圧を印加する。しかしながら、ステッピングモータの回転速度が高速になるとコイルに流れる電流の立ち上がり時間が短くなってコイルに十分な電流が流れず、トルク不足になる。また、回転速度が低速停止の場合には、定格電圧の３〜５倍の電圧を印加しているため、コイルに多くの電流が流れてエネルギーのロスが大きい。
【０００４】
定電流駆動方式は、ステッピングモータに流れる電流を常時監視しており、ステッピングモータに規定以上の電流が流れたときには、ステッピングモータに印加する電圧を数ＫＨｚ〜数十ｋＨｚの周波数でスイッチングすることでステッピングモータに一定電流が流れるように制御している。定電流駆動方式ではステッピングモータに高電圧を印加しているため、定電圧駆動方式よりもステッピングモータの回転速度が高速になったときのトルク不足が解消されるとともに、ステッピングモータに印加する電圧をスイッチングしているため、回転速度が低速の場合のエネルギーのロスが少ない。
【０００５】
以上の理由から、ステッピングモータの駆動装置は定電流駆動方式を用いたものが多用されている。図３は、定電流駆動方式を用いた従来のモータ駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。尚、図３においては、５相ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置を図示している。図３において、Ｌ５１，Ｌ５２は不図示の駆動信号生成部において生成される５相の駆動信号が入力される信号線である。信号線Ｌ５１を介した駆動信号はアイソレーション回路５１に入力され、信号線Ｌ５２を介した駆動信号はバッファ回路５２に入力される。アイソレーション回路５１は、信号線Ｌ５１毎にフォトカプラを備え、入力される駆動信号のレベル変換を行う。
【０００６】
アイソレーション回路５１及びバッファ回路５２を介した駆動信号は、スイッチング回路５３，５４にそれぞれ入力される。スイッチング回路５３は複数のＰチャネルＭＯＳＦＥＴを備え、スイッチング回路５４は複数のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを備える。スイッチング回路５３に設けられるＭＯＳＦＥＴ及びスイッチング回路５４に設けられるＭＯＳＦＥＴは、ステッピングモータＭ５０に設けられた各相のコイル毎にＨブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ結線されている。
【０００７】
スイッチング回路５３のソース側にはＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５５のドレイン電極が接続されており、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５５のソース電極にはモータ用電源Ｖが接続されている。また、スイッチング回路５４のソース側には電流検出用抵抗５６の一端が接続されており、電流検出用抵抗５６の他端は接地されている。スイッチング回路５４と電流検出用抵抗５６との接続点Ｄ５１には電流制御部５７が接続されている。
【０００８】
電流制御部５７は、ステッピングモータＭ５０に流れた電流がスイッチング回路５４を介して電流検出抵抗５６に流れ込むことにより得られる接続点Ｄ５１の電圧値に基づいて制御信号を出力してＭＯＳＦＥＴ５５をスイッチングして、ステッピングモータＭ５０に流れる電流が一定となるように制御する。フローティング電源部５８は、アイソレーション回路５１を動作させるための電源＋Ｖ_Ｆ，−Ｖ_Ｆを出力する。
【０００９】
また、フローティング電源部５８の一方の出力端は、スイッチング回路５３とＭＯＳＦＥＴ５５との接続点Ｄ５２に接続されており、接続点Ｄ５２に電源＋Ｖ_Ｆが供給されている。ここで、スイッチング回路５３に設けられるＭＯＳＦＥＴは、ソース側の電位（接続点Ｄ５２の電位）よりもゲート電極の電位がある電位差の分だけ低くなったものがオン状態となる。しかしながら、ステッピングモータＭ５０に一定の電流を流すために、ＭＯＳＦＥＴ５５がスイッチング動作を行っているため接続点Ｄ５２の電位が不安定になり、信号線Ｌ５１を介して入力される駆動信号に従って、スイッチング５３に設けられたＭＯＳＦＥＴが動作しなくなることがある。このため、接続点Ｄ５２に電源＋Ｖ_Ｆを供給することで、スイッチング５３に設けられたＭＯＳＦＥＴの動作の安定化を図っている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３に示した従来のモータ駆動回路においては、不図示の駆動信号生成部を動作させるための駆動回路電源、モータＭ５０に電流を供給するための電源Ｖ、及びアイソレーション回路５１を動作させるとともに接続点Ｄ５２の電位を定めるためのフローティング電源部５８の３つの電源が必要となる。このため、回路規模が大きくなってコストが上昇するとともに装置の形状も大きくなるという問題があった、
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電源の数を少なくして回路の小規模化を図ることで、低コスト化及び小型化することができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、駆動対象としてのモータ（Ｍ１０）を駆動するモータ駆動装置において、少なくとも、前記モータに定電流を流すためのスイッチング素子（１３）と、前記モータに結線され、入力される駆動信号に基づいてスイッチング動作を行って前記スイッチング素子を介した電流を前記モータに供給する第１、第２スイッチング回路（１１、１２）とが順に前記モータに電流を供給する電源と接地点との間に設けられた駆動部と、前記駆動信号をレベル変換して前記第１スイッチング回路に出力するアイソレーション部（１６）と、前記電源から前記アイソレーション部を動作させるための補助電源、及び、前記スイッチング素子と前記第１スイッチング回路との接続点における基準電位を生成する電源生成部（１９）とを備えることを特徴している。
この発明によれば、モータに電流を供給する電源からアイソレーション部を動作させるための補助電源、及び、スイッチング素子と第１スイッチング回路との接続点における基準電位を生成する電源生成部を備えているため、電源の数を少なくして回路の小規模化を図ることができ、その結果としてモータ駆動装置の低コスト化及び小型化を図ることができる。
また、本発明のモータ駆動装置は、前記電源生成部が、前記電源と接地点との間に、少なくとも２つのツェナーダイオード（２１、２２）を直列接続した回路を備え、当該ツェナーダイオードの接続点（Ｐ３）は、前記スイッチング素子と前記第１スイッチング回路との接続点（Ｄ１２）に接続されていることを特徴としている。
また、本発明のモータ駆動装置は、前記電源生成部が、前記電源と前記駆動信号を生成するための負の電源との間に、少なくとも２つのツェナーダイオード（２１、２２）を直列接続した回路を備え、当該ツェナーダイオードの接続点（Ｐ３）は、前記スイッチング素子と前記第１スイッチング回路との接続点（Ｄ１２）に接続されていることを特徴としている。
更に、本発明のモータ駆動装置は、前記補助電源が、前記ツェナーダイオードにおけるツェナー電圧の和であることを特徴としている。
また、本発明のモータ駆動装置は、前記アイソレーション部が、前記第１スイッチング回路に設けられるスイッチ素子に対する充放電回路として機能するトーテムポール回路を一部として有するフォトカプラ（１８）を備えることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態によるモータ駆動装置について詳細に説明する。
【００１４】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。尚、図１においては５相ステッピングモータを駆動するモータ駆動装置を図示している。図１において、Ｍ１０はインピーダンスが５Ωであるコイルを有する５相のステッピングモータである。このステッピングモータＭ１０には、スイッチング回路１１及びスイッチング回路１２が接続されている。
【００１５】
スイッチング回路１１は複数のＰチャネルＭＯＳＦＥＴを備え、スイッチング回路１２は複数のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを備える。スイッチング回路１１に設けられるＭＯＳＦＥＴ及びスイッチング回路１２に設けられるＭＯＳＦＥＴは、ステッピングモータＭ１０に設けられた各相のコイル毎にＨブリッジ回路が構成されるようにそれぞれ結線されている。
【００１６】
スイッチング回路１１のソース側にはＰチャネルＭＯＳＦＥＴ１３のドレイン電極が接続されており、このＭＯＳＦＥＴ１３のソース電極には、例えば２４Ｖのモータ用電源Ｖが接続されている。また、スイッチング回路１２のソース側には電流検出用抵抗１４の一端が接続されており、電流検出用抵抗１４の他端は接地されている。スイッチング回路１２と電流検出用抵抗１４との接続点Ｄ１１には電流制御部１５が接続されている。
【００１７】
電流制御部１５は、ステッピングモータＭ１０に流れた電流がスイッチング回路１２を介して電流検出抵抗１４に流れ込むことにより得られる接続点Ｄ１１の電圧値に基づいて制御信号を出力してＭＯＳＦＥＴ１３をスイッチングする。具体的には、電流制御部１５の内部には所定の三角波を生成する三角波生成部（図示省略）が設けられており、生成された三角波と接続点Ｄ１１の電圧値とを比較し、これらの差に基づいてＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成し、このＰＷＭ信号をＭＯＳＦＥＴ１３のゲート電極に生成したＰＷＭ信号を印加して、ＭＯＳＦＥＴ１３をスイッチングする。かかる制御を行うことで、ステッピングモータＭ１０に流れる電流が一定となるようにしている。
【００１８】
Ｌ１１，Ｌ１２は不図示の駆動信号生成部において生成される５相の駆動信号が入力される信号線である。尚、駆動信号生成部においては、例えば＋５Ｖ，−５Ｖの電源が用いられているとする。信号線Ｌ１１を介した駆動信号はアイソレーション回路１６に入力され、信号線Ｌ１２を介した駆動信号はバッファ回路１７に入力される。アイソレーション回路１６は、信号線Ｌ１１毎にフォトカプラ１８を備え、入力される駆動信号のレベル変換を行う。
【００１９】
ここで、フォトカプラ１８は内部にトーテムポール回路を内蔵している。このトーテムポール回路は、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタとを直列に接続した回路である。トーテムポール回路を使用するのは、以下の理由による。つまり、アイソレーション回路１６の後段に接続されるスイッチング回路１１に設けられるＭＯＳＦＥＴは、電気的にはゲート・ソース間、ゲート・ドレイン間、及びソース・ドレイン間にコンデンサが設けられた回路と等価である。この、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング時間を短縮するためには、各コンデンサに対する充放電回路が必要となる。本実施形態では、トーテムポール回路を充放電回路として用いることにより、スイッチング回路１１に設けられたＭＯＳＦＥＴのスイッチング時間を短縮している。
【００２０】
図３に示した従来のモータ駆動装置では、アイソレーション回路５１を動作させるため、及び、接続点Ｄ５２の電位を一定とするためにフローティング電源５８を設けていたが、本実施形態においてはフローティング電源５８に代えて、電源Ｖからアイソレーション回路１６を動作させるための電源、及び、スイッチング回路１１とＭＯＳＦＥＴ１３との接続点Ｄ１２における基準電位を生成する電源生成部１９を備えている。
【００２１】
電源生成部１９は、抵抗２０、ツェナーダイオード２１、ツェナーダイオード２２、及び抵抗２３を順に直列接続した回路を備えている。抵抗２０の一端は電源Ｖに接続されており、抵抗２３の一端は接地されている。また、抵抗２０とツェナーダイオード２１との接続点Ｐ１は各フォトカプラ１８の＋側の電源端子に接続され、ツェナーダイオード２２と抵抗２３との接続点Ｐ２は各フォトカプラ１８の−側の電源端子に接続されている。ツェナーダイオード２１とツェナーダイオード２２との接続点Ｐ３は、スイッチング回路１１とＭＯＳＦＥＴ１３との接続点Ｄ１２に接続されている。
【００２２】
尚、抵抗２０，２３の抵抗値は、接続点Ｄ１２の電位が変動する範囲内で、アイソレーション回路１６の動作を可能とする電流がアイソレーション回路１６に流れ、且つツェナーダイオード２１，２２においてツェナー電圧を得ることができるツェナー電流がツェナーダイオード２１，２２各々に流れる値に個別に設定される。
【００２３】
次に、上記構成における本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置の動作について説明する。尚、以下の説明では、スイッチング回路１１に設けられるＭＯＳＦＥＴをオン状態又はオフ状態とする駆動信号が信号線Ｌ１１を介して入力されたときの動作を主として説明する。
【００２４】
まず、信号線Ｌ１１の何れか１つに入力された駆動信号が、スイッチング回路１１に設けられたＭＯＳＦＥＴの１つをオフ状態とするものである場合には、その駆動信号が入力された信号線Ｌ１１に対応して設けられたフォトカプラ１８がオン状態となる。フォトカプラ１８がオン状態であるときには、オン状態あるフォトカプラ１８に接続されているスイッチング回路１１内のＭＯＳＦＥＴのゲート電極が、そのフォトカプラ１８を介して接続点Ｐ１に接続された状態になる。このため、そのＭＯＳＦＥＴのゲート電極の電位は、ほぼ電源Ｖの電位と等しくなる。
【００２５】
これに対し、スイッチング回路１１のソース側における接続点Ｄ１２の電位は、接続点Ｐ１の電位から、ツェナーダイオード２１における電圧降下分を差し引いた分の電位となる。従って、入力される駆動信号がＭＯＳＦＥＴをオフ状態とするものである場合には、そのＭＯＳＦＥＴのソース電極の電位はゲート電極の電位よりもツェナー電圧の分だけ常に低くなるため、このＭＯＳＦＥＴを確実にオフ状態にすることができる。
【００２６】
次に、信号線Ｌ１１の何れか１つに入力された駆動信号が、スイッチング回路１１に設けられたＭＯＳＦＥＴの１つをオン状態とするものである場合には、その駆動信号が入力された信号線Ｌ１１に対応して設けられたフォトカプラ１８がオフ状態となる。フォトカプラ１８がオフ状態であるときには、オフ状態にあるフォトカプラ１８に接続されているスイッチング回路１１内のＭＯＳＦＥＴのゲート電極が、そのフォトカプラ１８を介して接続点Ｐ２に接続された状態になる。このため、そのＭＯＳＦＥＴのゲート電極の電位は、ほぼ接地電位と等しくなる。
【００２７】
これに対し、スイッチング回路１１のソース側における接続点Ｄ１２の電位は、接続点Ｐ３の電位から、ツェナーダイオード２２における電圧降下分を加えた分の電位となる。従って、入力される駆動信号がＭＯＳＦＥＴをオン状態とするものである場合には、そのＭＯＳＦＥＴのソース電極の電位はゲート電極の電位よりもツェナー電圧の分だけ常に高くなるため、このＭＯＳＦＥＴを確実にオン状態にすることができる。
【００２８】
このように、本発明の第１実施形態によれば、モータＭ１０に電流を供給するための電源Ｖからアイソレーション回路１６を動作させるための電源、及び、スイッチング回路１１とＭＯＳＦＥＴ１３との接続点Ｄ１２における基準電位を生成する電源生成部１９を備えているため、電源の数を少なくして回路の小規模化を図ることができる。その結果として、装置のモータ駆動装置の低コスト化及び小型化を図ることができる。
【００２９】
〔第２実施形態〕
図２は、本発明の第２実施形態によるモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。図２に示した本発明の第２実施形態によるモータ駆動装置と、図１に示した本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置が異なる点は、図１中のステッピングモータＭ１０に代えて、インピーダンスが低い（例えば、１．５Ω）コイルを有する５相のステッピングモータＭ２０を設けるとともに、電源生成部１９を構成する抵抗２３の一端を接地電位ではなく−５Ｖの電源に接続し、これに伴って、抵抗２０及び抵抗２３の抵抗値を変えた点である。
【００３０】
図２に示す第２実施形態においては、抵抗２３の一端を−５Ｖの電源に接続しているが、これは不図示の駆動信号生成部において用いられているー５Ｖの電源を用いればよいため、ステッピングモータＭ１０に電流を供給するための電源以外に更に電源を追加する必要はない。
【００３１】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、スイッチング回路１１のＭＯＳＦＥＴをオフ状態にする制御信号が入力された場合には、そのＭＯＳＦＥＴのゲート電極の電位が接続点Ｄ１２の電位よりもツェナーダイオード２１のツェナー電圧の分だけ高くなる。また、スイッチング回路１１のＭＯＳＦＥＴをオン状態にする制御信号が入力された場合には、そのＭＯＳＦＥＴのゲート電極の電位が接続点Ｄ１２の電位よりもツェナーダイオード２２におけるツェナー電圧の分だけ低くなる。よって、ＭＯＳＦＥＴを確実にオン状態又はオフ状態にすることができる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、５相のステッピングモータを駆動する駆動装置について説明したが、本発明においては、相数は制限されない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モータに電流を供給する電源からアイソレーション部を動作させるための補助電源、及び、スイッチング素子と第１スイッチング回路との接続点における基準電位を生成する電源生成部を備えているため、電源の数を少なくして回路の小規模化を図ることができ、その結果としてモータ駆動装置の低コスト化及び小型化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態によるモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図３】定電流駆動方式を用いた従来のモータ駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１スイッチング回路（第１スイッチング回路）
１２スイッチング回路（第２スイッチング回路）
１３ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）
１６アイソレーション回路（アイソレーション部）
１８フォトカプラ
１９電源生成部
２１ツェナーダイオード
２２ツェナーダイオード
Ｄ１２接続点
Ｍ１０ステッピングモータ（モータ）
Ｐ３接続点

Claims

駆動対象としてのモータを駆動するモータ駆動装置において、
少なくとも、前記モータに定電流を流すためのスイッチング素子と、前記モータに結線され、入力される駆動信号に基づいてスイッチング動作を行って前記スイッチング素子を介した電流を前記モータに供給する第１、第２スイッチング回路とが順に前記モータに電流を供給する電源と接地点との間に設けられた駆動部と、
前記駆動信号をレベル変換して前記第１スイッチング回路に出力するアイソレーション部と、
前記電源から前記アイソレーション部を動作させるための補助電源、及び、前記スイッチング素子と前記第１スイッチング回路との接続点における基準電位を生成する電源生成部と
を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
前記電源生成部は、前記電源と接地点との間に、少なくとも２つのツェナーダイオードを直列接続した回路を備え、当該ツェナーダイオードの接続点は、前記スイッチング素子と前記第１スイッチング回路との接続点に接続されていることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
前記電源生成部は、前記電源と前記駆動信号を生成するための負の電源との間に、少なくとも２つのツェナーダイオードを直列接続した回路を備え、当該ツェナーダイオードの接続点は、前記スイッチング素子と前記第１スイッチング回路との接続点に接続されていることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
前記補助電源は、前記ツェナーダイオードにおけるツェナー電圧の和であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のモータ駆動装置。
前記アイソレーション部は、前記第１スイッチング回路に設けられるスイッチ素子に対する充放電回路として機能するトーテムポール回路を一部として有するフォトカプラを備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載のモータ駆動装置。