JP2006345668A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧電源によって駆動されるステッピングモータを、十分に高速回転させることができるようにする。
【解決手段】ステッピングモータ６が高速回転するときには、指令パルス入力信号７の周波数に応じた指令値の電圧指令を制御回路５が生成し、その指令値に基づいてステップアップコンバータ２が電源電圧１を昇圧する。ステップアップコンバータ２が昇圧した電圧をステップダウンコンバータ３とＰＷＭインバータ４とに印加することで、ステッピングモータ６が高速回転する。ステッピングモータ６の停止時や低速回転時には、制御回路５の指令に基づいてステップアップコンバータ２のスイッチング素子のスイッチングを停止し、電源電圧を昇圧せずにステップダウンコンバータ３とＰＷＭインバータ４とに印加することで、スイッチング素子のスイッチングロスが低減される。
【選択図】図３

Description

この発明は、直流電源によってステッピングモータを駆動するモータ駆動装置に関する。

直流電源によってステッピングモータを駆動する従来のモータ駆動装置として、図１及び図２に示す構成を備えたものがある。

図１に示す構成において、抵抗１０１は、ステッピングモータ１０８に流れる総電流を電圧に変換する。比較回路１０２は、抵抗１０１によって変換された電圧を定電流基準電圧１０３と比較する。パルス幅変調回路１０４は、比較回路１０２の比較結果に応じてステッピングモータ１０８に流れる電流が多いときにオフし、ステッピングモータ１０８に流れる電流が少ない時にオンするパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する。

励磁シーケンス発生回路１０５は、指定パルス入力信号１０６に基づいてステッピングモータ１０８を駆動するための各相の励磁信号とパルス幅変調回路１０４が生成したＰＷＭ信号とをゲート回路に通し、ステッピングモータ１０８の電流の相切換を制御するための各相駆動信号１１１を生成する。

ＰＷＭインバータ１０７は、各相のそれぞれに２個のスイッチング素子を直列に接続して１つのハーフブリッジ回路を構成したものである。図１に示す例では、ステッピングモータ１０８が５相ステッピングモータであるため、ＰＷＭインバータ１０７は計１０個のスイッチング素子１０９，１１０で構成されている。上側のスイッチング素子１０９は、ターンオンすることによってステッピングモータ１０８に電流を加え、ターンオフすることによって電流を停止する。下側のスイッチング素子１１０は、ターンオンすることによってステッピングモータ１０８の電流を吸引し、ターンオフすることによって電流を停止する。

上側のスイッチング素子１０９及び下側のスイッチング素子１１０は、励磁シーケンス発生回路１０５からの各相駆動信号１１１に基づいてターンオンとターンオフとを繰り返し、ステッピングモータ１０８の電流及び相切換を制御することでステッピングモータ１０８を回転させる。

励磁シーケンス発生回路１０５は、パルス幅変調回路１０４が生成したＰＷＭ信号に基づき、ゲート回路を用いて各相の励磁信号をオン／オフする。ＰＷＭ信号は定電流基準電圧１０３と抵抗１０１で変換したステッピングモータ１０８の総電流に比例した電圧とを比較した信号であるため、ステッピングモータ１０８に流れる総電流は定電流基準電圧１０３に応じた一定の電流値となる。ＰＷＭインバータ１０７には直流電源から電源電圧１１２が印加されるため、ステッピングモータ１０８に印加される電圧は電源電圧１１２より高くなることはない。

一方、図２に示す構成において、抵抗２０１は、ステッピングモータ２０８に流れる総電流を電圧に変換する。比較回路２０２は、抵抗２０１によって変換された電圧を定電流基準電圧２０３と比較する。パルス幅変調回路２０４は、比較回路２０２の比較結果に応じてステッピングモータ２０８に流れる電流が多いときにオフし、ステッピングモータ２０８に流れる電流が少ない時にオンするパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する。

励磁シーケンス発生回路２０５は、指定パルス入力信号２０６に基づいてステッピングモータ２１０を駆動するための各相駆動信号２１１を生成する。

ＰＷＭインバータ２０７は、各相のそれぞれに２個のスイッチング素子を直列に接続して１つのハーフブリッジ回路を構成したものである。図２に示す例では、ステッピングモータ２０８が５相ステッピングモータであるため、ＰＷＭインバータ２０７は計１０個のスイッチング素子２０９，２１０で構成されている。上側のスイッチング素子２０９は、ターンオンすることによってステッピングモータ２０８に電流を加え、ターンオフすることによって電流を停止する。下側のスイッチング素子２１０は、ターンオンすることによってステッピングモータ２０８の電流を吸引し、ターンオフすることによって電流を停止する。

上側のスイッチング素子２０９及び下側のスイッチング素子２１０は、励磁シーケンス発生回路２０５からの各相駆動信号２１１に基づいてターンオンとターンオフとを繰り返し、ステッピングモータ２０８の電流及び相切換を制御することでステッピングモータ２０８を回転させる。

抵抗２０１、比較回路２０２、パルス幅変調回路２０４及びスイッチング素子２１４を含むステップダウンコンバータ２１２は、直流電源から印加される電源電圧２１３を、パルス幅変調回路２０４が生成したＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子２１４によってチョッピング制御し、さらに内部のコイル、ダイオード及びコンデンサで平滑及び降圧し、モータ制御電圧としてＰＷＭインバータ２０７に供給する。モータ制御電圧は定電流基準電圧２０３とステッピングモータ２０８の総電流に比例した電圧とを比較した信号であるため、ステッピングモータ２０８に流れる総電流は定電流基準電圧２０３に応じた一定の電流値となる。ステップダウンコンバータ２１２の出力は電源電圧２１３より高くすることができないため、モータ制御電圧は電源電圧２１３より高くなることはない。

図１及び図２に示す構成において、電源電圧１１２，２１３は、ステッピングモータ１０８，２０８を高速回転させるために、ステッピングモータ１０８，２０８の起電圧よりも高くされている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開２００２−２９１２９３号公報 特開２００３−０３３０７１号公報

しかしながら、半導体搬送機器のステッピングモータを従来のモータ駆動装置を用いて高速回転させようとすると、半導体搬送機器では電気的な安全性を確保するために低電圧の直流電源が多用されていることから、以下の問題を生じる。

即ち、ロータに永久磁石を用いたステッピングモータは、回転によって回転速度に応じた起電圧が各相に発生する。この起電圧Ｅは、起電圧定数をＫｅ、回転速度をＮとして、
Ｅ＝Ｋｅ・Ｎ ・・・式１
で表される。起電圧Ｅは駆動回路に印加される電源電圧を超えることはないから、起電圧Ｅが電源電圧と等しくなる回転速度がステッピングモータの限界速度となる。したがって、電源電圧をＶｄｃとすると、
Ｅ＝Ｖｄｃ
Ｎ＝Ｖｄｃ／Ｋｅ ・・・式２
となる。

起電圧定数Ｋｅは、ステッピングモータに固有の値であるため、同一のステッピングモータをより高速に回転させるためには、式２から駆動回路に印加する電源電圧Ｖｄｃを高くする必要があることがわかる。ステッピングモータのモータトルクＴは、トルク定数をＫｔ、ステッピングモータに流れるモータ電流をＩとして、
Ｔ＝Ｋｔ・Ｉ ・・・式３
で表される。モータトルクＴは、式３よりモータ電流Ｉに比例する。ステッピングモータのモータ電流Ｉは、ステッピングモータの巻き線抵抗をＲとして、
Ｉ＝（Ｖｄｃ−Ｅ）／Ｒ ・・・式４
によって近似される。式４より、電源電圧Ｖｄｃを高くすることでステッピングモータを高速回転させるためのモータトルクＴを発生できることが明らかである。

しかし、図１及び図２に示した従来のモータ駆動装置では、モータ駆動電圧を電源電圧よりも高くすることはできないため、電源電圧で制限される限界回転速度よりも高速でステッピングモータを回転させることができない。

また、電源電圧を高くするとモータ駆動装置に高い電圧が印加され、起電圧を高くしてステッピングモータを高速回転させることができる。ところが、起電圧が発生しないステッピングモータの停止時や起電圧が低い低回転速度時においても、常にＰＷＭインバータ回路やステップダウンコンバータ回路に高い電圧が印加され、回路内のスイッチング素子が高い電圧でターンオン及びターンオフを繰り返すことになり、スイッチング素子は立ち上がり時及び立ち下がり時におけるスイッチングロスによって発熱を生じる。このスイッチングロスの電力Ｐは、損失定数をＫｐ、スイッチング素子の印加電圧をＶ、スイッチング素子に流れる電流をＩ、立ち上がり又は立ち下がりに要する時間をｔとして、
Ｐ＝Ｋｐ・Ｖ・Ｉ・ｔ ・・・式５
で近似される。

式５において、及び立ち上がり又は立ち下がりの時間ｔは、スイッチング素子の能力とモータ駆動装置の構成とによって一義的に定まる。スイッチング素子に流れる電流Ｉは、定電流基準電圧に応じた一定値となるように制御されるために変化しない。損失定数Ｋｐは、モータ駆動装置の構成によって一義的に定まる。したがって、スイッチング素子に印加される電源電圧を高くするにつれてスイッチングロスが増加し、モータ駆動装置の発熱量も多くなる。

この発明の目的は、電気的な安全性の見地から低電圧電源が用いられる半導体搬送機器等の装置に備えられるステッピングモータを、半導体搬送機器における搬送時間の短縮化等に対応して十分に高速回転させることができるモータ駆動装置を提供することにある。

上記の課題を解決するための手段として、この発明は、以下の構成を備えている。即ち、図３に示すように、ステッピングモータ６が高速回転するときには、指令パルス入力信号７の周波数に応じた指令値の電圧指令を制御回路５が生成し、その指令値に基づいてステップアップコンバータ２が電源電圧１を昇圧する。ステップアップコンバータ２が昇圧した電圧をステップダウンコンバータ３とＰＷＭインバータ４とに印加することで、ステッピングモータ６が高速回転する。ステッピングモータ６の停止時や低速回転時には、制御回路５の指令に基づいてステップアップコンバータ２のスイッチング素子のスイッチングを停止し、電源電圧を昇圧せずにステップダウンコンバータ３とＰＷＭインバータ４とに印加することで、スイッチング素子のスイッチングロスが低減される。

また、図３のステップダウンコンバータ３を省略して電流比較信号を制御回路５に戻し、励磁シーケンス信号とゲート回路を通して励磁シーケンス信号でステッピングモータ６の電流と回転を制御するようにしてもよい。

この発明によれば、電源電圧をステップアップコンバータによって昇圧してステップアップコンバータ及びＰＷＭインバータに印加することで、ステッピングモータを高速回転させることができる。一方、ステッピングモータの停止時や低速回転時には、ステップアップコンバータのスイッチング素子のスイッチングを停止させ、電源電圧を昇圧せずにステップダウンコンバータ及びＰＷＭインバータに印加することでスイッチング素子のスイッチングロスを低減することができる。これによって、低電圧電源を用いてステッピングモータを十分に高速回転させることができる。

図４は、この発明の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す図である。図４に示す構成において、抵抗３０１は、ステッピングモータ３０８に流れる総電流を電圧に変換する。比較回路３０２は、抵抗３０１によって変換された電圧と外部からにゅうりょくされたモータ電流制御信号である定電流基準電圧３０３とを比較する。パルス幅変調回路３０４は、比較回路３０２の比較結果に応じてステッピングモータ３０８に流れる電流が多いときにオフし、ステッピングモータ３０８に流れる電流が少ない時にオンするパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する。励磁シーケンス発生回路３０５は、指令パルス入力信号３０６に基づいてステッピングモータ３０８を駆動するための各相の励磁信号３１９を生成する。

ＰＷＭインバータ３０７は、この発明のモータ駆動回路であり、各相のそれぞれに２個のスイッチング素子を直列に接続して１つのハーフブリッジ回路を構成したものである。図４に示す例では、ステッピングモータ３０８が５相ステッピングモータであるため、ＰＷＭインバータ３０７は計１０個のスイッチング素子３０９，３１０で構成されている。上側のスイッチング素子３０９は、ターンオンすることによってステッピングモータ３０８に電流を加え、ターンオフすることによって電流を停止する。下側のスイッチング素子３１０は、ターンオンすることによってステッピングモータ３０８の電流を吸引し、ターンオフすることによって電流を停止する。

上側のスイッチング素子３０９及び下側のスイッチング素子３１０は、励磁シーケンス発生回路３０５からの各相駆動信号３１１に基づいてターンオンとターンオフとを繰り返し、ステッピングモータ３０８の電流及び相切換を制御することでステッピングモータ３０８を回転させる。

抵抗３０１、比較回路３０２、パルス幅変調回路３０４、スイッチング素子３２０及びコイル３２２を含むステップダウンコンバータ３１１は、この発明の降圧回路であり、パルス幅変調回路３０４が生成したＰＷＭ信号に基づき、直流電源３１７から印加される電源電圧をスイッチング素子３２０によってチョッピング制御し、さらに内部のコイル、ダイオード及びコンデンサで平滑したモータ制御電圧をＰＷＭインバータ３０７に供給する。モータ制御電圧は定電流基準電圧３０３と抵抗３０１で変換したステッピングモータ３０８の総電流に比例した電圧とを比較した信号であるため、ステッピングモータ３０８に流れる総電流は定電流基準電圧３０３に応じた一定の電流値となる。

抵抗３０１、比較回路３０２及びパルス幅変調回路３０４がこの発明の第２のスイッチング素子駆動回路を構成しており、スイッチング素子３２０及びコイル３２２が同じく第２のチョッピング回路を構成している。

励磁シーケンス発生回路３０５は、ステッピングモータ３０８の回転速度を規定する入力信号に基づき、ゲート回路を用いて各相の励磁信号をオン／オフする。ＰＷＭ信号は定電流基準電圧３０３と抵抗３０１で変換したステッピングモータ３０８の総電流に比例した電圧とを比較した信号であるため、ステッピングモータ３０８に流れる総電流は定電流基準電圧３０３に応じた一定の電流値となる。

抵抗３１２は、ステップダウンコンバータ３１１に供給する電圧を分圧して検出する。比較回路３１３は、抵抗３１２によって検出された電圧と電圧制御回路３１８から出力される制御基準電圧（電圧制御信号）３１４とを比較する。パルス幅変調回路３１５は、比較回路３１３の比較結果に応じてステップダウンコンバータ３１１に印加される電圧が高いときにオフし、ステッピングモータ３１１に印加される電圧が低い時にオンするパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する。

抵抗３１２、比較回路３１３、パルス幅変調回路３１５及びスイッチング素子３２１を含むステップアップコンバータ３１６は、この発明の昇圧回路であり、パルス幅変調回路３１５が生成したＰＷＭ信号に基づき、直流電源から印加される電源電圧３１７をスイッチング素子３２１によってチョッピング制御し、さらに内部のコイル、ダイオード及びコンデンサで昇圧し、直流電源の電源電圧３１７より高い電圧をステップダウンコンバータ３１１に印加する。

抵抗３１２、比較回路３１３及びパルス幅変調回路３１５がこの発明の第１のスイッチング素子駆動回路を構成しており、スイッチング素子３２１及びコイル３２３が同じく第１のチョッピング回路を構成している。

ステップダウンコンバータ３１１には、制御基準電圧３１４と抵抗３１２が検出したステップダウンコンバータ３１１の電圧に比例した電圧とを比較した結果に基づく電圧が印加されるため、ステップダウンコンバータ３１１の電圧が高ければステップダウンコンバータ３１１に印加される電圧が低くされ、ステップダウンコンバータ３１１の電圧が低ければステップダウンコンバータ３１１に印加される電圧が高くされる。このため、ステップダウンコンバータ３１１の電圧は、制御基準電圧３１４に基づいた電圧に制御される。

電圧制御回路３１８は、外部から供給される指令パルス入力信号３０６がステッピングモータ３０８の回転速度となるため、指令パルス入力信号３０６のパルス周波数が高くなると制御基準電圧３１４を高くし、パルス周波数が低くなると制御基準電圧３１４を低くする。したがって、指令パルス入力信号３０６に応じて、パルス周波数が高くなるとステップダウンコンバータ３１１の電圧が電源電圧３１７よりも高くなり、パルス周波数が低い時又は停止中にはステップダウンコンバータ３１１の電圧が電源電圧３１７に等しくされる。

以上のようにして、指令パルス信号３０６のパルス周波数に応じてモータ駆動電圧をモータの高速回転時には電源電圧３１７よりも高く、モータの低速回転時又は停止時には電源電圧３１７と同じにすることで、モータの回転速度の高速化と発熱量の低減との両方を実現することができる。これによって、この発明のモータ駆動装置によれば、電源電圧が同一の従来のモータ駆動装置に比較して、ステッピングモータを高速で回転させることができる。また、同一の回転速度では、この発明のモータ駆動装置は従来のモータ駆動装置よりも入力電圧を低くすることができ、発熱量を少なくし、発熱対策部品を小型にするこ
とができる。

図５は、この発明の別の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す図である。図５に示す構成では、図４に示した構成におけるステップダウンコンバータ３１１に代えて、抵抗３５１、比較器３５２、パルス幅変調回路３５３及びゲート回路３５４を備えている。その他の構成は図４に示した構成と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。

この構成におては、抵抗３５１においてステッピングモータ３０８に流れる電流を電圧に変換し、比較器３５２において抵抗３５１によって変換された電圧と定電流基準電圧３０３とを比較する。比較器３５２における比較結果をパルス幅変調回路３５３に入力し、ステッピングモータ３０８に流れる電流が高い場合にはＯＦＦ、ステッピングモータ３０８に流れる電流が低い場合にはＯＮのＰＷＭ信号をパルス幅変調回路３５３からゲート回路３５４に出力し、ＰＷＭインバータ３０７の上側のスイッチング素子に対する制御信号をゲート回路３５４においてＯＮ／ＯＦＦする。

この構成により、ステッピングモータ３０８に流れる電流が高い場合にはステッピングモータ３０８に対する電流の供給を停止し、ステッピングモータ３０８に流れる電流が低い場合にはステッピングモータ３０８に電流を供給することで、ステッピングモータ３０８に定電流基準値の電流が流れるように制御することができる。

図６は、この発明のさらに別の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す図である。図６に示す構成では、図４に示した構成における電圧制御回路３１８に代えて電圧電流制御回路４１８を備えている。その他の構成は図４に示した構成と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。

電圧電流制御回路４１８は、外部から供給される指令パルス入力信号３０６に基づいて、比較回路３１３に供給する制御基準電圧３１４だけでなく、比較回路３０２に供給する定電流基準電圧（モータ電流制御信号）３０３をも変更する。電圧電流制御回路４１８は、図７に示すように、ステッピングモータ３０８の停止時には定電流基準電圧３０３よりも低い基準電圧５０１を発生し、ステッピングモータ３０８の定速回転時及び減速時には定電流基準電圧３０３と等しい基準電圧５０３を発生し、ステッピングモータ３０８が回転を開始する加速中は定電流基準電圧３０３よりも高い基準電圧５０２を発生する。

この構成により、指令パルス入力信号３０６によって電圧電流制御回路４１８がステッピングモータ３０８が加速中であることを検出すると、定電流基準電圧３０３よりも高い電圧を比較回路３０２に供給する。これによってステッピングモータ３０８の負荷とともに加速トルクが作用するステッピングモータ３０８の加速中には、ステッピングモータ３０８がこれに見合ったモータトルクを発生するようにし、加速時間を短縮することができる。

従来のモータ駆動装置の第１の例を示す回路図である。 従来のモータ駆動装置の第２の例を示す回路図である。 この発明のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路図である。 この発明の別の実施形態に係るモータ駆動装置の回路図である。 この発明のさらに別の実施形態に係るモータ駆動装置の回路図である。 同さらに別の実施形態に係るモータ駆動装置における基準電圧の変化状態を示すタイミングチャートである。

符号の説明

３０１，３１２ 抵抗
３０２，３１３ 比較回路
３０４，３１５ パルス幅変調回路
３０５ 励磁シーケンス発生回路
３０７ ＰＷＭインバータ
３０８ ステッピングモータ
３０９，３１０，３２０，３２１ スイッチング素子
３１１ ステップダウンコンバータ
３１６ ステップアップコンバータ
３１７ 電源電圧
３１８ 電圧制御回路

Claims (5)

1. ステッピングモータの回転速度を規定する入力信号に応じた電圧制御信号を出力する制御回路と、
   前記入力信号に応じて前記ステッピングモータの各相の励磁信号を生成する励磁シーケンス発生回路と、
   直流電源が印加されコイルとスイッチング素子とを直列接続してなるチョッパ回路、及び、前記制御回路から出力された電圧制御信号に基づいて前記スイッチング素子をオン／オフ駆動するスイッチング素子駆動回路を含む昇圧回路と、
   前記チョッパ回路の出力電圧が印加され、前記励磁シーケンス発生回路から出力された励磁信号に基づいて前記ステッピングモータに回転磁界を発生させるモータ駆動回路と、
   を内蔵したことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記昇圧回路は、前記電圧制御信号と前記モータ駆動回路に印加される電圧とを比較した結果に基づいて、前記直流電源の電圧を昇圧して前記モータ駆動回路に印加することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. ステッピングモータの回転速度を規定する入力信号に応じた電圧制御信号を出力する制御回路と、
   前記入力信号に応じて前記ステッピングモータの各相の励磁信号を生成する励磁シーケンス発生回路と、
   直流電源が印加されコイルとスイッチング素子とを直列接続してなる第１のチョッパ回路、及び、前記制御回路から出力された電圧制御信号に基づいて前記スイッチング素子をオン／オフ駆動する第１のスイッチング素子駆動回路を含む昇圧回路と、
   前記第１のチョッパ回路の出力電圧が印加されコイルとスイッチング素子とを直列接続してなる第２のチョッパ回路、及び、外部から入力されるモータ電流制御信号に基づいて前記スイッチング素子をオン／オフ駆動する第２のスイッチング素子駆動回路を含む降圧回路と、
   前記第２のチョッパ回路の出力電圧が印加され、前記励磁シーケンス発生回路から出力された励磁信号に基づいて前記ステッピングモータに回転磁界を発生させるモータ駆動回路と、
   を内蔵したことを特徴とするモータ駆動装置。
4. 前記降圧回路は、外部から入力されるモータ電流制御信号と前記モータ駆動回路に流れる電流に応じた電圧とを比較した結果に基づいて、前記昇圧回路の出力電圧を降圧して前記モータ駆動回路に印加することを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動装置。
5. ステッピングモータの回転速度を規定する入力信号に応じた電圧制御信号及びモータ電流制御信号を出力する制御回路と、
   前記入力信号に応じて前記ステッピングモータの各相の励磁信号を生成する励磁シーケンス発生回路と、
   直流電源が印加されコイルとスイッチング素子とを直列接続してなる第１のチョッパ回路、及び、前記制御回路から出力された電圧制御信号に基づいて前記スイッチング素子をオン／オフ駆動する第１のスイッチング素子駆動回路を含む昇圧回路と、
   前記第１のチョッパ回路の出力電圧が印加されコイルとスイッチング素子とを直列接続してなる第２のチョッパ回路、及び、前記制御回路から出力されたモータ電流制御信号に基づいて前記スイッチング素子をオン／オフ駆動する第２のスイッチング素子駆動回路を含む降圧回路と、
   前記第２のチョッパ回路の出力電圧が印加され、前記励磁シーケンス発生回路から出力された励磁信号に基づいて前記ステッピングモータに回転磁界を発生させるモータ駆動回路と、
   を内蔵したことを特徴とするモータ駆動装置。

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