JP2006014392A - 直流モータの電流制御回路およびこの回路を具備する直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＷＭ駆動のＨブリッジ回路を採用してモータ駆動電流を精度良く検出し、直流モータを効率よく正転、逆転制御すると共にモータ駆動電圧を大きく設計することができる直流モータの電流制御回路およびこの回路を具備する直流モータを提供する。
【解決手段】 シャント抵抗ＲＳを用いてモータ電流を検出するパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動方式のＨブリッジ回路を用いた直流モータの電流制御回路において、シャント抵抗ＲＳの両端を分圧回路より成る２個のアッテネータ２１ａ、２１ｂのそれぞれの一端に接続し、アッテネータ２１ａ、２１ｂの他端とシャント抵抗ＲＳの何れか一方の側との間にアッテネータ駆動回路を接続し、アッテネータ駆動回路の予め設定した倍率で増幅してアッテネータ出力を生成し、２個のアッテネータの分圧回路それぞれの中点ａ、ｂの電圧を差動増幅器２３で増幅してモータ電流ＩＭを検出する直流モータの電流制御回路。
【選択図】 図１

Description

この発明は、直流モータの電流制御回路およびこの回路を具備する直流モータに関し、特に、ＰＷＭ駆動のＨブリッジ回路を採用してモータ駆動電流を精度良く検出し、直流モータを効率よく正転、逆転制御する直流モータの電流制御回路およびこの回路を具備する直流モータに関する。

直流モータの電流制御回路の従来例を図５を参照して説明する。
図５にＰＷＭ駆動のＨブリッジ回路を示す。Ｈブリッジ回路の第１アーム上側の素子をスイッチング素子Ａ、第１アーム下側の素子をスイッチング素子Ｂ、第２アーム上側の素子をスイッチング素子Ｃ、第２アーム下側の素子をスイッチング素子Ｄとする。第１アームから第２アームに向かって＋向きに通電するときはスイッチング素子Ａをオン、スイッチング素子ＤをＰＷＭ駆動することによりモータ印加電圧若しくはモータ駆動電流を制御し、第２アームから第１アームに向かって−向きに通電するときはスイッチング素子Ｂをオン、スイッチング素子ＣをＰＷＭ駆動することにより、直流モータＭに通電する電流の極性を切り替える構成としている。スイッチング素子Ａとスイッチング素子Ｂのなす第１アームと直流モータＭとの間にシャント抵抗ＲＳを挿入し、シャント抵抗ＲＳの両端に発生する電圧を増幅することにより、直流モータＭに流れるモータ駆動電流を検出している（特許文献１ 参照）。
特開２００２−２３８２９０号 公報

図５により図示説明される直流モータの電流制御回路は、シャント抵抗ＲＳの両端を差動増幅器ＯＰの両入力端に抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して接続してモータ駆動電流を検出している。シャント抵抗ＲＳの両端間に生ずる微小な電圧差に基づいて発生する電流を検出するには、差動増幅器ＯＰに数十倍のゲインを持たせる必要がある。シャント抵抗ＲＳの両端から差動増幅器ＯＰに入力する場合、差動増幅器ＯＰの入力電圧範囲をモータ駆動電圧ＶＢと同程度にする必要があるが、モータ駆動電圧ＶＢを余り大きく設計することができない。

ここで、モータ駆動電流ＩＭは、右向き矢印のとき＋電流と称し、左向き矢印のとき−電流と称す。＋電流を流通せしめる場合、スイッチング素子Ｂ、Ｃは何れもオフの状態とし、スイッチング素子Ａをオンの状態とする。そして、スイッチング素子ＤをＰＷＭ駆動とすることにより、モータ駆動電流を＋電流に制御することができる。一方、−電流を流通せしめる場合は、スイッチング素子Ａ、Ｄを何れもオフの状態とし、スイッチング素子Ｂをオンの状態とする。そして、スイッチング素子ＣをＰＷＭ駆動とすることにより、モータ駆動電流を−電流に制御することができる。

しかし、この制御の場合、微小なモータ駆動電流の制御は困難である。これを図６を参照して説明するに、スイッチング素子は一般にＦＥＴにより構成されるが、ＦＥＴの立ち上がり速度、立ち下がり速度は図６（ａ）に示される如く傾斜していて有限であることが微小なモータ駆動電流の制御を困難にしている。図６（ｂ）を参照するに、例えば＋方向に微小な電流を流通せしめようとする場合、ＰＷＭ駆動されるスイッチング素子Ｄは非常に小さなパルス幅で駆動されるところから、非常に小さな時間のパルス幅の間においてはパルスが正常な高さに迄立ち上がることができないので、結局、微小電流の制御は困難である。

そこで、この発明は、ＰＷＭ変調駆動のＨブリッジ回路を採用してモータ駆動電流を精度良く検出し、直流モータを効率よく正転、逆転制御する直流モータの電流制御回路およびこの回路を具備する直流モータを提供するものである。

請求項１：シャント抵抗ＲＳを用いてモータ電流を検出するパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動方式のＨブリッジ回路を用いた直流モータの電流制御回路において、シャント抵抗ＲＳの両端を分圧回路より成る２個のアッテネータ２１ａ、２１ｂのそれぞれの一端に接続し、アッテネータ２１ａ、２１ｂの他端とシャント抵抗ＲＳの何れか一方の側との間にアッテネータ駆動回路２２を接続し、アッテネータ駆動回路２２の予め設定した倍率で増幅してアッテネータ出力を生成し、２個のアッテネータ２１ａ、２１ｂの分圧回路それぞれの中点ａ、ｂの電圧を差動増幅器２３で増幅してモータ電流ＩＭを検出する直流モータの電流制御回路を構成した。

そして、請求項２：請求項１に記載される直流モータの電流制御回路において、アッテネータ駆動回路２２が接続されている側のアッテネータの分圧回路の中点の電圧が常にゼロ電圧となる様に、アッテネータ駆動回路２２の増幅率を設定した直流モータの電流制御回路を構成した。
また、請求項３：請求項１および請求項２の内の何れかに記載される直流モータの電流制御回路を具備する直流モータを構成した。

この発明によれば、差動増幅器に入力する電圧に含まれる矩形波成分が減少して、同相信号除去比が高い部分を使用することができるので、精度の良い電流検出をすることができる。そして、アッテネータがシャント抵抗と差動増幅器との間に接続されるところからシャント抵抗両端の電圧を小さくし、このことに基づいてモータ駆動電圧を大きく設計することができる。

発明を実施するための最良の形態を図１を参照して説明する。
図１において、１はモータ駆動部を示し、Ｈブリッジ回路１１，ＰＷＭ駆動回路１２、制御器１３より成る。
このＨブリッジ回路１１は、第１アーム上側の素子をスイッチング素子Ａとし、第１アーム下側の素子をスイッチング素子Ｂとし、第２アーム上側の素子をスイッチング素子Ｃとし、第２アーム下側の素子をスイッチング素子Ｄとしている。スイッチング素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは電界効果トランジスタＦＥＴにより構成している。そして、第１アームの上側のスイッチング素子Ａと下側スイッチング素子Ｂの相互接続点と、第２アームの上側のスイッチング素子Ｃと下側スイッチング素子Ｄの相互接続点との間に、シャント抵抗ＲＳと直流モータＭの直列接続経路を接続している。＋ＶＢは第１アームと第２アームの上側相互接続点に供給されるモータ駆動電圧を示す。第１アームと第２アームの下側相互接続点は接地している。

ＰＷＭ駆動回路１２は、スイッチング素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄそれぞれの制御電極に接続する出力端子＊_A 、＊_B 、＊_C 、＊_D を有している。
制御器１３は、後で説明されるモータ駆動電流検出部２の出力する検出電流と指令値とにより決まる制御信号に基づいて、ＰＷＭ駆動回路１２の出力を制御し、スイッチング素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの制御電極に対する出力を決定している。
モータ駆動電流検出部２は、分圧回路より成る２個のアッテネータ２１ａ、２１ｂと、演算増幅器より成るアッテネータ駆動回路２２と、差動増幅器２３とより成る。アッテネータ２１ａは、２個の抵抗Ｒ１、Ｒ２を直列接続した第１分圧回路より成り、アッテネータ２１ｂは２個の抵抗Ｒ３、Ｒ４を直列接続した第２分圧回路より成る。第１分圧回路の一方の端子はシャント抵抗ＲＳの端子の第１アーム側に接続すると共に、第２分圧回路の一方の端子はシャント抵抗ＲＳの端子の直流モータ側に接続している。第１分圧回路と第２分圧回路の他方の端子は相互接続してアッテネータ駆動回路２２の出力の点ｃに接続している。ここで、アッテネータ駆動回路２２の入力はシャント抵抗ＲＳの端子の第１アーム側に接続している。第１分圧回路の２個の抵抗Ｒ１、Ｒ２の中点ａと第２分圧回路の２個の抵抗Ｒ３、Ｒ４の中点ｂは、差動増幅器２３の各別の入力に接続している。差動増幅器２３の出力は加算器３の−端子に供給される。加算器３の＋端子には指令値が供給される。加算器３の計算結果はモータ駆動部１の制御器１３に入力される。

実施例においては、スイッチング素子Ａとスイッチング素子Ｄとを一方の素子対とし、スイッチング素子Ｂとスイッチング素子Ｃとを他方の素子対とする。これにより、対をなすスイッチング素子は同時にオン、オフすることになる。即ち、スイッチング素子Ａがオンである場合、スイッチング素子Ｄもオンとなる。スイッチング素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのオン、オフ、デューティの関係を示すと図２の如くになる。ここで、図示されないスイッチング素子Ａ、Ｄのオン時間と、スイッチング素子Ｂ、Ｃのオン時間とが等しいとき、即ち、デューティ５０％のときは、モータ駆動電流ＩＭ＝０となる。そして、スイッチング素子Ａ、Ｄのオン時間が、スイッチング素子Ｂ、Ｃのオン時間と比較して長いとき、即ち、デューティが５０％より大きい図２（ａ）、（ｂ）のときはモータ駆動電流ＩＭの向きは＋となる。逆に、スイッチング素子Ａ、Ｄのオン時間が、スイッチング素子Ｂ、Ｃのオン時間と比較して短いとき、即ち、デューティが５０％より小さい図２（ｃ）ときはモータ駆動電流ＩＭの向きは−となる。

スイッチング素子ＡとＢ、或いはスイッチング素子ＣとＤが同時にオンとなると、モータ電源が短絡されるところから、スイッチング素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを構成する電界効果トランジスタＦＥＴには、スイッチング素子ＡとＢとの間、或いはスイッチング素子ＣとＤとの間には必ず同時にオフの時間、即ち、デッドタイムが設定される。この様な駆動パターンでＨブリッジを駆動するアッテネータ駆動回路を説明する。
直流モータＭに大きな駆動力を発生させようとする場合、直流モータＭの発生する駆動力は流通する電流に比例するので、直流モータＭに大きな電流を流通する必要がある。直流モータＭに流れる電流ＩＭは、当該モータに印加されるモータ駆動電圧ＶＢで決まるところから、結局、大きなモータ駆動電圧ＶＢを必要とすることになる。この様な事情から、差動増幅器２３の入力電圧範囲より大きな電圧で直流モータＭを駆動したいという必要に迫られる場合もある。しかし、この様な過大な電圧で直流モータＭを駆動した場合、シャント抵抗ＲＳの両端に直接に差動増幅器２３を接続すると当然に差動増幅器２３は損傷する。そこで、図１の実施例においては、シャント抵抗ＲＳの両端と差動増幅器２３の入力との間に２個のアッテネータ２１ａ、２１ｂを挿入接続することで、差動増幅器２３の入力電圧範囲より大きな電圧で直流モータＭを駆動する構成を採用している。

ところで、図１においてアッテネータ駆動回路２２の出力ｃ点をＧＮＤとしたときの、差動増幅器２３の入力ａ点およびｂ点の波形を示すと、図３（ｂ）、（ｃ）に示される如くになる。なお、図３（ａ）は直流モータＭの両端の電圧を示す。即ち、差動増幅器２３の入力ａ点およびｂ点の電圧は、アッテネータ２１により、下記の通りになる。
Ｖａ＝Ｖ_S１・ＲＢ／（ＲＡ＋ＲＢ）
Ｖｂ＝Ｖ_S２・ＲＢ／（ＲＡ＋ＲＢ）
但し、ＲＡ＝Ｒ１＝Ｒ３、ＲＢ＝Ｒ２＝Ｒ４
この両電圧Ｖａ、Ｖｂを差動増幅器２３に入力すると、電圧Ｖａ、Ｖｂは矩形波であるところから、高い周波数成分を含んでおり、同相信号除去比が悪化して正常な差動増幅結果は得られない。

そこで、アッテネータ駆動回路２２の出力ｃ点にアッテネータ２１ｂを接続する。そして、アッテネータ駆動回路２２を反転増幅器とし、ゲイン＝−ＲＢ／ＲＡに設定する。図４を参照するに、この通りに設定することにより、ａ点の電圧Ｖａは図４（ｂ）に示される如く常に０とし、ｂ点の電圧Ｖｂを図４（ｃ）に示される如くＩＭ・ＲＳとすることができる。これにより、差動増幅器２３に入力される電圧に含まれる矩形波成分が減少するところから、高い周波数成分は減少する。従って、同相信号除去比が高い部分を使用することができるので、精度の良い電流検出をすることができ、リニアリティが保たれる。そして、直流モータの電流制御回路の以上の実施例は、アッテネータ２１ａ、２１ｂがシャント抵抗ＲＳと差動増幅器２３との間に接続されるところからシャント抵抗の両端の電圧は小さくなり、これに基づいてモータ駆動電圧ＶＢを大きく設計することができる。これにより、電気的時定数の大きな直流モータＭでも応答速度を上げることができる。

実施例を説明する図。 スイッチング素子のオン、オフ、デューティの関係を示す図。 ｃ点をＧＮＤとしたときのａ点およびｂ点の波形を示す図。 ｃ点をアッテネータ２１ｂを接続した場合のａ点、ｂ点の波形を示す図。 従来例を説明する図。 従来例の問題点を説明する図。

符号の説明

１ モータ駆動部 １１ Ｈブリッジ回路
１２ ＰＷＭ駆動回路 １３ 制御器
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ スイッチング素子 ＲＳ シャント抵抗
Ｍ 直流モータ ＶＢ モータ駆動電圧
＊_A 、＊_B 、＊_C 、＊_D 出力端子 ２ モータ駆動電流検出部
２１ アッテネータ ２２ アッテネータ駆動回路
２３ 差動増幅器 ３ 加算器
ａ 第１分圧回路の２個の抵抗Ｒ１、Ｒ２の中点
ｂ 第２分圧回路の２個の抵抗Ｒ３、Ｒ４の中点
ＩＭ モータ駆動電流

Claims (3)

1. シャント抵抗を用いてモータ電流を検出するパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動方式のＨブリッジ回路を用いた直流モータの電流制御回路において、
   シャント抵抗の両端を分圧回路より成る２個のアッテネータのそれぞれの一端に接続し、
   ２個のアッテネータのそれぞれの他端とシャント抵抗の何れか一方の側の間にアッテネータ駆動回路を接続し、アッテネータ駆動回路の予め設定した倍率で増幅してアッテネータ出力を生成し、
   ２個のアッテネータの分圧回路それぞれの中点の電圧を差動増幅器で増幅してモータ電流を検出する、
   ことを特徴とする直流モータの電流制御回路。
2. 請求項１に記載される直流モータの電流制御回路において、
   アッテネータ駆動回路が接続されている側のアッテネータの分圧回路の中点の電圧が常にゼロ電圧となる様に、アッテネータ駆動回路の増幅率を設定したことを特徴とする直流モータの電流制御回路。
3. 請求項１および請求項２の内の何れかに記載される直流モータの電流制御回路を具備することを特徴とする直流モータ。
   
   
   
   
   

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