JP2005185052A - Pwm driver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車載モータ等の負荷に供給する電力をパルス幅変調された台形波信号に基づいて制御するPWM駆動装置に関する。 The present invention relates to a PWM drive device that controls electric power supplied to a load such as an in-vehicle motor based on a trapezoidal wave signal subjected to pulse width modulation.
車載モータ等の負荷に供給する電力をPWM(パルス幅変調)によって制御する技術は知られている。この技術は、負荷電流の急激な変化に伴うノイズ発生が大きく、車載ラジオ等に悪影響を与える虞れがある。このようなノイズ発生を低減させるために、PWM信号を方形波から台形波へ変換し、負荷電流(または負荷電圧)の急激な変化をなくすようにしたものが提案されている(特許文献1〜3参照)。
台形波の傾斜時間(台形波の立ち上がり部分の傾き時間及び立下り部分の傾き時間)を長く設定して傾斜を緩やかにするほどノイズ発生をより低減できるが、MOSFET等の半導体スイッチング素子が能動領域で動作する時間が長くなるためスイッチング損失が増加し、半導体スイッチング素子の発熱が大きくなる。 The longer the trapezoidal wave slope time (the slope time of the trapezoidal wave rise time and the slope time of the fall part) and the slower the slope, the more noise generation can be reduced. However, semiconductor switching elements such as MOSFETs are active regions. Since the operating time becomes longer, switching loss increases, and heat generation of the semiconductor switching element increases.
また、台形波の傾斜時間を長く設定すると、デューティ比が小さい場合には台形の上辺を形成できなくなり、また、デューティ比が大きい場合には台形の下辺を形成できなくなる。言い換えれば、台形波を形成できるデューティの範囲が傾斜時間によって制限されることになる。 If the slope time of the trapezoidal wave is set to be long, the upper side of the trapezoid cannot be formed when the duty ratio is small, and the lower side of the trapezoid cannot be formed when the duty ratio is large. In other words, the duty range in which the trapezoidal wave can be formed is limited by the inclination time.
ファン等を駆動するモータをPWM制御によって運転した場合、デューティ比が特定の範囲のときに(例えばデューティ比が略50%のときに)、車載ラジオに混入するノイズ(ラジオノイズ)が大きくなることがある。そこで、ラジオノイズの低減を優先して台形波の傾斜時間を長く設定すると、ラジオノイズの発生が小さいデューティ比の範囲では半導体スイッチング素子に不必要な発熱が生ずる。 When a motor that drives a fan or the like is operated by PWM control, noise (radio noise) mixed into the in-vehicle radio increases when the duty ratio is in a specific range (for example, when the duty ratio is approximately 50%). There is. Therefore, if the slope time of the trapezoidal wave is set long with priority given to the reduction of radio noise, unnecessary heat generation occurs in the semiconductor switching element in the range of the duty ratio where generation of radio noise is small.
本発明はこのような課題を解決するためなされたもので、デューティ比に応じて台形波の傾きを可変することで、デューティ比の広い範囲に亘って台形波信号による電力制御を行なえるようにしたPWM駆動装置を提供することを目的とする。また、ラジオノイズの発生が大であるデューティ比の範囲では台形波の傾きをより緩やかにしてラジオノイズの発生をより低減し、それ以外のデューティ比の範囲では台形波の傾きを急にして半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減し発熱を抑えるようにしたPWM駆動装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and by varying the slope of the trapezoidal wave according to the duty ratio, it is possible to perform power control with a trapezoidal wave signal over a wide range of the duty ratio. An object of the present invention is to provide a PWM drive device. Also, in the duty ratio range where radio noise generation is large, the slope of the trapezoidal wave is made gentler and the generation of radio noise is further reduced. An object of the present invention is to provide a PWM drive device that reduces switching loss of a switching element and suppresses heat generation.
前記課題を解決するため本発明に係るPWM駆動装置は、所定の変調周期でパルス幅変調されたPWM信号を生成するPWM信号生成部と、PWM信号のデューティ比に基づいて台形波信号の傾斜時間を設定する傾斜時間設定部と、PWM信号の立上がり部分及び立下り部分を前記傾斜時間で傾斜させた台形波信号を生成する台形波信号生成部と、台形波信号生成部で生成された台形波信号に基づいて負荷に供給する電力を制御する負荷駆動部とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a PWM driving apparatus according to the present invention includes a PWM signal generation unit that generates a PWM signal that is pulse-width modulated at a predetermined modulation period, and a slope time of a trapezoidal wave signal based on the duty ratio of the PWM signal. A trapezoidal wave generated by a trapezoidal wave signal generating unit, a trapezoidal wave signal generating unit that generates a trapezoidal wave signal in which the rising and falling parts of the PWM signal are tilted by the inclination time, And a load driving unit that controls electric power supplied to the load based on the signal.
なお、傾斜時間設定部は、PWM信号のデューティ比が予め設定した値または予め設定した範囲である場合には傾斜時間を長い値に設定し、PWM信号のデューティ比が予め設定した値または予め設定した範囲よりも大きい場合には、傾斜時間を短い値に設定しまたはデューティ比が大きくなるほど傾斜時間をより短い値に設定し、PWM信号のデューティ比が予め設定した値または予め設定した範囲よりも小さい場合には、傾斜時間を短い値に設定しまたはデューティ比が小さくなるほど傾斜時間をより短い値に設定することを特徴とする。 The ramp time setting unit sets the ramp time to a long value when the duty ratio of the PWM signal is a preset value or a preset range, and the duty ratio of the PWM signal is set to a preset value or preset. If it is larger than the range, the slope time is set to a shorter value or the slope time is set to a shorter value as the duty ratio becomes larger, and the duty ratio of the PWM signal is set to a preset value or a preset range. If it is small, the inclination time is set to a short value, or the inclination time is set to a shorter value as the duty ratio becomes smaller.
また、負荷は車載のモータであることを特徴とする。 The load is an in-vehicle motor.
本発明に係るPWM駆動装置は、PWM信号のデューティ比に応じて台形波信号の傾斜時間を可変することができる。したがって、デューティ比が小さい領域では、デューティ比が小さくなる程、傾斜時間を短く設定することで、台形波の上辺を確保することができる。デューティ比が大きい領域では、デューティ比が大きくなる程、傾斜時間を短く設定することで、台形波の下辺を確保することができる。これにより、デューティ比の広い範囲に亘って台形波信号による電力制御を行なうことができる。 The PWM drive device according to the present invention can vary the slope time of the trapezoidal wave signal according to the duty ratio of the PWM signal. Therefore, in the region where the duty ratio is small, the upper side of the trapezoidal wave can be secured by setting the inclination time shorter as the duty ratio becomes smaller. In the region where the duty ratio is large, the lower side of the trapezoidal wave can be secured by setting the inclination time shorter as the duty ratio becomes larger. Thereby, power control by a trapezoidal wave signal can be performed over a wide range of the duty ratio.
また、ラジオノイズ発生が大であるデューティ50%近傍では台形波の傾斜を緩やかにしてラジオノイズ発生を低減させ、ラジオノイズの発生が小さいデューティ比の領域では台形波の傾斜を急にして半導体スイッチング素子の発熱を抑えることができる。 In addition, in the vicinity of 50% duty, where radio noise is large, the slope of the trapezoidal wave is moderated to reduce the generation of radio noise. Heat generation of the element can be suppressed.
以下、発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the invention will be described based on examples.
図1は本発明に係るPWM駆動装置のブロック構成図である。図1に示すPWM駆動装置1は、車載のバッテリ2から電力の供給を受けて車載のモータ3をPWM制御で運転するものである。モータ3は、ラジエータファンやコンデンサファンや空調用ブロワファン等を駆動するものである。
FIG. 1 is a block diagram of a PWM drive device according to the present invention. A
PWM駆動装置1は、指令信号に基づいてデューティ比を設定するデューティ比設定部4と、このデューティ比設定部4で設定されたデューティ比のPWM信号を生成するPWM信号生成部5と、PWM信号の立上がり部分及び立下り部分を傾斜させた台形波信号を生成する台形波信号生成部6と、この台形波信号生成部6で生成する台形波信号の立上がり部分及び立下り部分の傾斜時間をデューティ比に基づいて設定する傾斜時間設定部7と、台形波信号生成部6で生成された台形波信号に基づいて負荷であるモータ3に供給する電圧が台形波形となるよう制御する負荷駆動部8とからなる。
The
負荷駆動部8は、モータ3に直列に接続された半導体スイッチング素子としてのMOSFET9と、モータ3に供給されるモータ電圧(負荷電圧)を検出する負荷電圧検出回路10と、負荷電圧検出回路10で検出したモータ電圧(負荷電圧)と台形波信号生成部6で生成した台形波信号とを比較し、モータ電圧(負荷電圧)が台形波となるようにMOSFET9のゲート電圧をフィードバック制御する台形波駆動回路11とを備える。
The
PWM信号生成部5は、PWM信号の周期よりも短い周期で歩進するカウンタ(図示しない)を備え、そのカウンタのカウント値を参照して指定されたデューティ比のPWM信号を所定の変調周期で出力する。なお、PWM信号生成部5は、三角波または鋸歯状波のキャリア信号と指令信号とを電圧比較器で比較してPWM信号を生成するアナログ回路構成のものであってもよい。
The PWM
図2は台形波信号生成部の一具体例を示す回路構成図である。台形波信号生成部6は、定電流値を可変することができる電流吐出型の定電流回路61と、定電流値を可変することができる電流吸込型の定電流回路62と、充放電切替スイッチ回路63と、コンデンサ64と、コンデンサ64の両端に発生する電圧の上限を所定値で制限する上限電圧制限回路65とからなる。
FIG. 2 is a circuit configuration diagram showing a specific example of the trapezoidal wave signal generator. The trapezoidal
充放電切替スイッチ回路63は、PWM信号の論理がHレベルの期間は、図示の点線で示す切替状態となり、電流吐出型の定電流回路61を介してコンデンサ64を充電させる。これにより、コンデンサ64の両端電圧は定電流値とコンデンサ容量とで定まる時定数で直線的に増加する。充放電切替スイッチ回路63は、PWM信号の論理がLレベルの期間は、図示の実線で示す切替状態となり、コンデンサ64の電荷を電流吸込型の定電流回路62を介して放電させる。これにより、コンデンサ64の両端電圧は定電流値とコンデンサ容量とで定まる時定数で直線的に減少する。
The charge / discharge
ここで、各定電流回路61,62の定電流値を大きくすれば充電ならびに放電の時定数が大きくなり、台形波形の立上り部および立下り部の傾斜時間が短くなる。各定電流回路61,62の定電流値を小さくすれば充電ならびに放電の時定数が小さくなり、台形波形の立上り部および立下り部の傾斜時間が長くなる。
Here, if the constant current values of the constant
図1に示した傾斜時間設定部7は、デューティ比に基づいて設定される傾斜時間に対応する定電流値指定信号を傾斜時間設定信号として台形波信号生成部6内の各定電流回路61,62に供給する。
The ramp
なお、台形波信号生成部6は、充放電に用いる定電流値を固定とし、コンデンサの容量を可変することで台形波形の立上り部および立下り部の傾斜時間を変更する構成としてもよい。この場合、傾斜時間設定部7は、傾斜時間に対応する容量値指定信号を傾斜時間設定信号として台形波信号生成部6に供給する。
The trapezoidal
図3はデューティ比と傾斜時間との関係を示す図である。デューティ比と傾斜時間との関係は、図3(a)または図3(b)に示すように、デューティ比が50%で傾斜時間が長くなり、デューティ比が50%からずれるにしたがって傾斜時間が短くなるようにしている。図3(c)に示すように、デューティ比が40〜60%の範囲で傾斜時間が長くなり、デューティ比が40〜60%からずれるにしたがって傾斜時間が短くなるようにしてもよい。図3(d)に示すように、デューティ比の所定範囲毎に傾斜時間が段階的に変化するようにしてもよい。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the duty ratio and the inclination time. As shown in FIG. 3 (a) or FIG. 3 (b), the relationship between the duty ratio and the inclination time is such that the inclination time increases when the duty ratio is 50%, and the inclination time increases as the duty ratio deviates from 50%. I try to shorten it. As shown in FIG. 3C, the inclination time may be increased when the duty ratio is in the range of 40 to 60%, and the inclination time may be decreased as the duty ratio deviates from 40 to 60%. As shown in FIG. 3D, the inclination time may be changed stepwise for each predetermined range of the duty ratio.
傾斜時間設定部7は、デューティ比と傾斜時間との対応テーブルを備える構成としてもよいし、予め登録した演算式に基づいて傾斜時間を求める構成としてもよい。例えば、式1に示す演算式に基づいて傾斜時間tを求めるようにすることで、デューティ比50%で傾斜時間が長くなり、デューティ比が50%からずれるにしたがって傾斜時間を短くすることができる。
図4は台形波信号の波形図であり、図4(a)はデューティ比が50%の台形波信号を一例を示し、図4(b)はデューティ比が80%の台形波信号を一例を示し、図4(c)はデューティ比が20%の台形波信号を一例を示している。図4(a)に示すように、デューティ比が50%の場合は、立上り部及び立下り部の傾斜時間tを長く設定することで傾斜を緩やかする。台形波信号の傾斜を緩やかにすることで、モータ3に供給される電圧の変化が緩やかになり、高調波の発生が低減されて、ラジオノイズのレベルが低減される。 FIG. 4 is a waveform diagram of a trapezoidal wave signal. FIG. 4A shows an example of a trapezoidal wave signal with a duty ratio of 50%, and FIG. 4B shows an example of a trapezoidal wave signal with a duty ratio of 80%. FIG. 4 (c) shows an example of a trapezoidal wave signal with a duty ratio of 20%. As shown in FIG. 4A, when the duty ratio is 50%, the slope is moderated by setting the slope time t of the rising and falling portions longer. By making the slope of the trapezoidal wave signal gentle, the change in the voltage supplied to the motor 3 becomes gentle, the generation of harmonics is reduced, and the level of radio noise is reduced.
図4(b)に示すように、デューティ比が大きい場合は、立上り部及び立下り部の傾斜時間tを短く設定することで傾斜を急にする。これにより、台形波信号のLレベルの区間を確保することができる。図4(c)に示すように、デューティ比が小さい場合は、立上り部及び立下り部の傾斜時間tを短く設定することで傾斜を急にする。これにより、台形波信号のHレベルの区間を確保することができる。そして、傾斜時間tを短くすることで、MOSFET9が能動領域で動作する時間が短くなり、MOSFET9の発熱を抑えることができる。
As shown in FIG. 4B, when the duty ratio is large, the slope is made steep by setting the slope time t of the rising portion and the falling portion short. Thereby, the L level section of the trapezoidal wave signal can be secured. As shown in FIG. 4C, when the duty ratio is small, the slope is made steep by setting the slope time t of the rising part and the falling part short. Thereby, the H level section of the trapezoidal wave signal can be secured. By shortening the tilt time t, the time during which the
以上説明したように本実施の形態に係るPWM駆動装置1は、負荷であるモータ3に供給する電力をパルス幅変調された台形波信号に基づいて制御するものにおいて、台形波信号の立上がり部分及び立下り部分の傾斜時間をPWM信号のデューティ比に基づいて設定する傾斜時間設定部を備える構成としたので、ラジオノイズのレベルが高くなるデューティ比が50%近傍では傾斜時間を長く設定して(台形波信号の傾きを緩やかにして)ラジオノイズの発生を低減させ、それ以外のデューティ比の範囲では傾斜時間を短く設定して(台形波信号の傾きを急にして)スイッチング効率を向上させてMOSFET9の発熱を抑えることができる。
As described above, the
1 PWM駆動装置
2 バッテリ
3 モータ(負荷)
4 デューティ比設定部
5 PWM信号生成部
6 台形波信号生成部
7 傾斜時間設定部
8 負荷駆動部
9 MOSFET(半導体スイッチング素子)
10 負荷電圧検出回路
11 台形波駆動回路
1
4 Duty
10 Load
Claims (3)
The PWM drive apparatus according to claim 1, wherein the load is a vehicle-mounted motor.
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JP2011055632A (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-17 | Yazaki Corp | Controller for electric fans |
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