JP2005073383A - モータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの変動する回転速度の広範囲にわたって高効率で聴感上の騒音を低減する。
【解決手段】発振器４は、トルク指令信号入力端子１とトルク指令参照信号入力端子２との差動値の大きさに依存して、出力パルスの発振周波数が変動する。この発振器４の発振周波数はおおむね、増幅器３の差動出力値が小さいときは低く、増幅器３の差動出力値が大きいときは高くなるように変化する。高速回転を目的として増幅器３の差動出力値が大きい場合ＰＷＭ周波数が高くなり、モータ相電流のリップル振幅値すなわちリップル成分エネルギーが抑制されて聴感上の雑音低減する。また、低速回転を目的として増幅器３の差動出力値が小さい場合にはＰＷＭ周波数が低くなり、スイッチング損失比率を低減して低速時効率が向上するとともに、最小ＰＷＭによりオン期間の下限値が存在しても低回転駆動できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ディスク装置などに使用されるモータをパルス変調（以下、ＰＷＭという）で駆動するモータ駆動回路に関するものである。

近年、装置の小型化や省電力化のために、ＩＣ内部での損失電力が少ないモータやアクチュエータの駆動制御において、ＰＷＭ駆動回路が多く用いられている。ＰＷＭ駆動回路の方式としては一般的に２つに大別される。その一方のものとして、各スイッチングパワートランジスタがモータに通電すべき相電流に相当するアナログレベルを一定周波数の三角波でスライスすることによって得られるＰＷＭのデューティによるＰＷＭ駆動であり、このときＰＷＭ周波数は一定になる。

また、他方のものとしては、例えば特許文献１に開示されているような方法であり、これを本発明と比較し易いようにブロック図を書き直したものが図７である。図７に示すように通電相切替回路６は、ローター位置信号処理回路８を介してローター位置検出器７の信号を受け、またプリドライブ回路９を介して三相パワーブリッジ１０の所定のパワートランジスタを選択し、これをＰＷＭによりオン制御させて三相モータ１１の所定のコイルに通電を行う。

また、通電相切替回路６は、ラッチ回路５を介して発振器１８の出力を受けて前記のＰＷＭによるオン制御を開始する。さらに、電流制限などに利用される電流検出抵抗１２の電位差として検出されるモータ通電電流が、トルク指令信号入力端子１及びトルク指令参照信号入力端子２に基づく増幅器３の差動出力値の大きさに達すると、比較器１３の出力が前記ラッチ回路５へのラッチオフ信号として働き、結果的に前記において選択してＰＷＭによりオン制御が開始されたスイッチングパワートランジスタのＰＷＭのオン制御をオフするものである。この場合もＰＷＭ周波数は一定である。
特開平１１−１８４７４号公報

しかしながら、このような構成の一定のＰＷＭ周波数でモータ駆動を行う場合に生じる以下のような問題点があった。

まず、モータの回転速度と比較してＰＷＭ周波数が低すぎると以下のような不具合が生じる。すなわち、モータ相電流のリップルの振幅値が大きくなり高速回転時ではモータから生じる騒音の増大を招いて聴感上の不快感を生じる。また、回転速度と比較してＰＷＭ周波数が高すぎると、モータ駆動電流に比べてスイッチング損失の比率が高くなり、モータ低速回転時の効率が低下することになる。ただし、低速回転時なのでモータ相電流のリップルが大きくてもその高調波エネルギーが小さいために聴感上の騒音が問題とならない。

また、前記従来例において説明したような、周期的にスイッチングパワートランジスタをオン状態にセットした後で電流検出抵抗１２の両端の電位差が目標電流相当値に達したことをもって、このスイッチングパワートランジスタをオフ状態にリセットする駆動方法では、ＰＷＭの最小オン時間幅がスイッチングパワートランジスタの応答性や電流検出帰還系での遅延などの原因により、事実上無限小にすることが不可能である。このことはＰＷＭ周波数で最小ＰＷＭによりオン期間の下限値が制限されることを意味するので、低回転性を高めるにはＰＷＭ周波数を低くする必要がある。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、モータの変動する回転速度の広範囲にわたって高効率で聴感上の騒音を低減するモータ駆動回路を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係るモータ駆動回路は、トルク指令信号に応じてモータの回転数が変化しＰＷＭ（パルス変調）で駆動されるモータ駆動回路において、トルク指令信号の入力値の増加に応じてＰＷＭ（パルス変調）周波数を増加させる制御を行うことを特徴とする。

また、前記ＰＷＭ周波数が、トルク指令信号の入力値の変化に応じて連続的に変化すること、または、モータの回転速度の変化に応じて変化すること、さらに、ＰＷＭ周波数の変化する可変範囲に、下限値、または上限値、または上下限値を設けたことを特徴とする。

また、前記ＰＷＭ周波数を変化させる制御量として、トルク指令信号の入力値に基づく制御量と、モータの回転速度に基づく制御量のいずれか一方でＰＷＭ周波数が高くなる制御量を選択すること、さらに、ＰＷＭ周波数の変化が、上限値または下限値に達するまではトルク指令信号の入力値の変化、及びモータの回転速度の変化に対して線形変化することを特徴とする。

前記の構成によって、本発明のモータ駆動回路は、トルク指令信号の大きさに応じてＰＷＭ周波数を変化させること、もしくはトルク指令信号の大きさ及びモータの回転速度に応じてＰＷＭ周波数を変化させることによって高効率で低雑音のモータをＰＷＭ駆動することができる。

以上説明したように、本発明によれば、トルク指令信号の入力に応じてＰＷＭ周波数を変化させること、もしくはトルク指令信号入力と実際のモータの回転速度と比較し大きい方の信号に応じてＰＷＭ周波数を変化させることによって、低回転時の効率を向上し低回転下限を広げるとともに高回転時でも聴感上の雑音を抑制して、広い回転速度範囲において好ましいモータ駆動を実現することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態１におけるモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図である。ここで、前記従来例を示す図７において説明した構成要件に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付してこれを示し、以下の各図においても同様とする。

図１において、１はトルク指令信号入力端子、２はトルク指令参照信号入力端子、３は差動絶対値を出力する増幅器、４は発振器、５はラッチ回路、６は通電相切替回路、７はローター位置検出器、８はローター位置信号処理回路、９はプリドライブ回路、１０はスイッチングパワートランジスタからなる三相パワーブリッジ、１１は三相モータ、１２は電流検出抵抗、１３は比較器である。

本実施の形態１において、前記従来例を示す図７と異なる構成は、増幅器３の出力を入力する発振器４を設けた点である。図７に示した従来例の発振器１８は一定周波数のパルスを発生するものであり、これに対して、本実施の形態１の図１に示す発振器４は、トルク差動入力端子対を構成しているトルク指令信号入力端子１とトルク指令参照信号入力端子２との差動値の大きさに依存して、出力パルスの発振周波数が変動する発振器である。

発振器４の発振周波数はおおむね、増幅器３の差動出力値が小さいときは低く、増幅器３の差動出力値が大きいときは高くなるように変化する。これによって、高速回転を目的として増幅器３の差動出力値が大きい場合にはＰＷＭ周波数が高くなり、モータ相電流のリップル振幅値すなわちリップル成分エネルギーが抑制されて聴感上の雑音低減を可能にする。

また、低速回転を目的として増幅器３の差動出力値が小さい場合にはＰＷＭ周波数が低くなり、スイッチング損失比率を低減して低速時効率が向上するとともに、最小ＰＷＭによりオン期間の下限値が存在しても低回転駆動を可能できる。

なお、逆転ブレーキ時においては通電相が逆転するが通電電流値に関しては逆転ブレーキの強弱に応じて高低のＰＷＭ周波数でモータ制動が行われる。

また、モータを駆動する電流平均値は少なからずＰＷＭ周波数依存性を有する。つまり、一般的に周波数が高い方がモータを駆動する電流平均値が大きくなる。このため発振器４の周波数が急変する、つまり不連続点をもつことはモータ駆動電流ひいてはモータ回転数の急変及び不連続変化を生じることになり好ましくない。従って発振器４の周波数は増幅器３の差動出力変化に対して連続的に変化することが望ましい。

また、増幅器３の差動出力値が僅少な場合においてもＰＷＭ周波数が無限小では非現実的であるためにＰＷＭ周波数下限値を設けてもよい。さらに、増幅器３の差動出力値が十分大きい場合においてもＰＷＭ周波数の効果的な最高周波数にも限界があるため発振器周波数に上限値を設けてもよく、また上限、下限値をそれぞれ設けてもよい。

なお、図１の三相パワーブリッジ１０の回路構成図を図２に示す。図２に示すようにダイオード１７ａ〜１７ｆの接続がＰＷＭ駆動において回生電流を流すために必要である。これらのダイオードは上側スイッチングパワートランジスタのボディダイオード及び下側スイッチングパワートランジスタのボディダイオードで代用することも可能である。また、図２では上側スイッチングパワートランジスタをＰチャネルＭＯＳ、下側スイッチングパワートランジスタをＮチャネルＭＯＳで示しているがＭＯＳの導電型としてはこれらの組合せに限らず自由に組合せることも可能である。

図３は本発明の実施の形態２おける単相ＤＣモータのモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態２において、単相ＤＣモータの駆動回路であることから、図３においては、図１に示す構成のローター位置を検出するブロックであるローター位置検出器７，ローター位置信号処理回路８が不要であるため除かれ、通電相切替回路６には増幅器３からの差動入力極性の情報が伝達されており、また、１４は単相パワーブリッジ、１５は単相ＤＣモータである。

本実施の形態２において、トルク指令信号入力端子１及びトルク指令参照信号入力端子２の差の極性に応じた単相パワーブリッジ１４の極性、つまり単相ＤＣモータ１５の回転方向が決定される。その通電電流値は図１における説明と同様に電流検出抵抗１２の両端の電位差として比較器１３を通じて帰還制御される。以上の構成によって、高速回転を目的として増幅器３の差動出力値が大きい場合にはＰＷＭ周波数が高くなり、モータ相電流のリップル振幅値、すなわちリップル成分エネルギーが抑制されて聴感上の雑音低減を可能にし、また、低速回転を目的として増幅器３の差動出力値が小さい場合にはＰＷＭ周波数が低くなり、スイッチング損失比率を低減して低速回転時効率が向上するとともに、最小ＰＷＭによるオン期間の下限値が存在しても低回転駆動を可能にしている。

図４は本発明の実施の形態３におけるモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態３において、前記実施の形態１における図１の構成とは、図４に示すように、増幅器３とローター位置信号処理回路８と発振器４との間に発振周波数選択回路１６が追加されている点で異なる。この発振周波数選択回路１６は、増幅器３からの差動出力信号を入力し、ローター位置信号処理回路８からの回転速度信号を入力して、両者の大きい方の信号を発振器４に出力する。

これにより、発振器４において生成する信号周波数を決定する値を発振周波数選択回路１６から発振器４に対して出力することにより、発振器４では前記大きい方の信号に基づいてＰＷＭ発振周波数を決めて出力することになる。

本実施の形態３の構成によって、以下のことが可能になる。ほぼ定常的なトルク指令信号の入力に対して、ゆっくりと回転速度の追従が行われる場合には実施の形態１のモータ駆動方法でよいし、本実施の形態３のモータ駆動回路の制御の様子もこれと同様であるといえる。しかしながら、トルク指令信号の差動出力値が大きい値から小さい値に急変した際にはモータ自体の高速回転状態から低速回転状態への移行は比較的緩やかであるため、トルク指令信号の差動出力値が小さい値であるにも拘わらずトルク指令信号レベルより十分高速な回転状態が継続することになる。このとき回転周期としては短めの回転周期が、ＰＷＭ周期としては比較的長めのＰＷＭ周期でチョップされていることになり、相電流波形のリップル及び不連続性や歪みが大きくなって聴感上の雑音を生じ易くなる。

そこで、本実施の形態３では、発振周波数選択回路１６の働きによってトルク指令信号の入力に比べて実際の回転速度が高ければ、実際の回転速度に応じたＰＷＭ周波数を選択して発振器４から出力させることができる。従って、トルク指令信号の差動出力値が大きい状態から急減した場合にも聴感上の雑音を低減できる。また、加速時には実際の回転速度に比べて大きいトルク指令信号の入力となるが、この場合は低回転を維持する状態ではないのでＰＷＭ周波数が高くても回転速度制御上の弊害はなく、むしろ細かいＰＷＭ駆動が低速回転の状態から行われるので聴感上の雑音においても好都合となる。

図５に本発明の実施の形態４におけるモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図である。図５において、１９は回転速度を出力するローター位置信号処理回路、２０は通電相及び複数トルク信号を出力するローター位置信号処理回路、２２はラッチ回路、２３ａ，２３ｂ及び２３ｃは比較器である。

図５に示すように、ローター位置検出器７からの信号を受けてローター位置信号処理回路１９は回転速度を発振周波数選択回路１６に対して出力する。発振周波数選択回路１６はトルク信号の差動出力値と回転速度とを比較して、発振器４から出力されるＰＷＭ周波数が高くなる方を選択し、それを発振器４に対して出力する。

また、ローター位置信号処理回路２０は通電相切替回路６に通電相情報を出力するとともに比較器２３ａ，２３ｂ及び２３ｃに対して各通電相に与えるべき通電電流指令値を個別に出力する。発振器４が個々の通電相について周期的にスイッチングパワートランジスタをオン状態にセットした後で電流検出抵抗１２の両端の電位差が目標電流相当値に達したことを通電相毎の比較器２３ａ，２３ｂ及び２３ｃの出力をラッチ回路２２が受けて、通電相切替回路６が前記通電相情報とラッチ回路２２からのＰＷＭのオン時間情報を利用して個々の通電相に対するＰＷＭのオン時間を割り振る制御を行う。

本実施の形態４においても前記実施の形態３と同様に、低回転速度から高回転速度までの間でＰＷＭ周波数を変化させて、低回転時の効率を向上し低回転下限を広げるとともに、高回転時でも聴感上の雑音を抑制して、広い回転速度範囲において好ましいモータ駆動を実現する。

図６は本発明の実施の形態５におけるモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図である。前述した各実施の形態では、ＰＷＭ周波数を変化させるモータ駆動回路を、電流検出抵抗が所定のトルク指令信号レベルに達した時点でＰＷＭのオン期間の状態を打ち切りＰＷＭのオン期間をオフ状態とするＰＷＭによりオン期間を決める方式に適用した例ばかりであった。しかしＰＷＭ周波数を変化させるモータ駆動は、トルク指令信号を三角波でスライスしてデューティ制御するモータ駆動回路にも適用できる。

そこで、本実施の形態５は、この場合の例を説明する。図６において、２１は低域通過フィルタ回路、２４は低域通過フィルタ２１を介した電流検出抵抗１２の電流値とトルク指令信号の差動出力値との誤差を増幅出力する増幅器、２５はローター位置検出器７からの信号を受けて三相モータ１１の各コイルの相毎に１２０度ずつ位相がずれるとともに増幅器２４の出力による変調を受けた相毎のトルク指令を比較器２６ａ，２６ｂ及び２６ｃに対して出力するローター位置信号処理回路である。

また、２７ａ，２７ｂ及び２７ｃは相毎の通電相切替回路であり、２８ａ，２８ｂ及び２８ｃは相毎のプリドライブ回路である。２９は発振周波数選択回路１６からの出力に基づく周波数で三角波を出力する三角波発振器である。

本実施の形態５では、トルク指令信号入力端子１及びトルク指令参照信号入力端子２と電流検出抵抗１２からの帰還値とに基づいた概略三相正弦波形のトルク指令信号を相毎に三角波でスライスして得られる相毎のＰＷＭ信号で三相各相のハーフブリッジがＰＷＭ駆動される。

そして本実施の形態５においても、低回転速度から高回転速度までの間でＰＷＭ周波数を変化させて、低回転時の効率を向上し低回転下限を広げるとともに高回転時でも聴感上の雑音を抑制して、広い回転速度範囲において好ましいモータ駆動を実現する。なお、本実施の形態５においては、ＰＷＭ周波数の低減化は低回転速度制御下限を広げる目的というよりはスイッチングロス低減のみが目的となる。

本発明に係るモータ駆動回路は、トルク指令信号の入力に応じてＰＷＭ周波数を変化させること、もしくはトルク指令信号の入力と実際のモータ回転速度の大きい方の信号に応じてＰＷＭ周波数を変化させることによって、低回転時の効率を向上し低回転下限を広げるとともに高回転時でも聴感上の雑音を抑制して、広い回転速度範囲において好ましいモータ駆動を実現することができ、光ディスク装置などに使用するモータの駆動として有用である。

本発明の実施の形態１におけるモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図 三相パワーブリッジの回路構成を示す図 本発明の実施の形態２おける単相ＤＣモータを駆動するモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３におけるモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態４におけるモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態５におけるモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図 従来のモータ駆動回路の概略構成を示すブロック図

符号の説明

１ トルク指令信号入力端子
２ トルク指令参照信号入力端子
３，２４ 増幅器
４，１８ 発振器
５，２２ ラッチ回路
６，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ 通電相切替回路
７ ローター位置検出器
８，１９，２０，２５ ローター位置信号処理回路
９，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ プリドライブ回路
１０ 三相パワーブリッジ
１１ 三相モータ
１２ 電流検出抵抗
１３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 比較器
１４ 単相パワーブリッジ
１５ 単相ＤＣモータ
１６ 発振周波数選択回路
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆ ダイオード
２１ 低域通過フィルタ回路
２９ 三角波発振器

Claims (6)

1. トルク指令信号に応じてモータの回転数が変化しパルス変調で駆動されるモータ駆動回路において、前記トルク指令信号の入力値の増加に応じてパルス変調周波数を増加させる制御を行うことを特徴とするモータ駆動回路。
2. 前記パルス変調周波数が、トルク指令信号の入力値の変化に応じて連続的に変化することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動回路。
3. 前記パルス変調周波数が、モータの回転速度の変化に応じて変化することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動回路。
4. 前記パルス変調周波数の変化する可変範囲に、下限値、または上限値、または上下限値を設けたことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動回路。
5. 前記パルス変調周波数を変化させる制御量として、トルク指令信号の入力値に基づく制御量と、モータの回転速度に基づく制御量のいずれか一方で前記パルス変調周波数が高くなる制御量を選択することを特徴とする請求項３記載のモータ駆動回路。
6. 前記パルス変調周波数の変化が、上限値または下限値に達するまではトルク指令信号の入力値の変化、及びモータの回転速度の変化に対して線形変化することを特徴とする請求項３または４記載のモータ駆動回路。
   

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