JP2008236814A

JP2008236814A - モータのｐｗｍ制御回路

Info

Publication number: JP2008236814A
Application number: JP2007067963A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Baba; 雄介馬場
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】外付けのキャパシタや抵抗を必要とすることなく、遮断期間のバラツキが小さくＩＣに集積可能なモータ駆動用のＰＷＭ制御回路を提供する。
【解決手段】モータを駆動する駆動コイルに供給される電流が所定の値に達したときに電流検出パルスを出力する電流検出パルス発生回路２０と、その電流検出パルス発生回路２０から出力されるパルスを計数する電流検出パルス計数回路３０と、電流検出パルス発生回路２０によるパルスの出力により駆動コイル５０への電流を遮断する制御を行う駆動コイル電流遮断制御回路４０とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの駆動コイルへの電流をパルスで印加することにより、駆動電流の制御をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御により行うことができるモータのＰＷＭ制御回路に関するものである。さらに詳しくは、外付けのキャパシタなどを必要とすることなく、ＩＣだけでステッピングモータやＤＣモータなどの駆動電流を正確に制御することができるモータのＰＷＭ制御回路に関するものである。

ＩＣに形成されたＨブリッジ回路によりモータコイルなどの誘導性負荷を電流駆動する際、理想的な駆動を行うためには、駆動電流の安定性（定電流制御）および所定値まで駆動電流を変化させる可変性（可変電流制御）が必要とされる。この駆動電流の制御および可変電流制御を効率的に行うために、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を用いることが多い。ＰＷＭ制御はリアクタンス負荷に対して、スイッチングによる電力量の制御を行うための一般的な方法であり、負荷に対する電流の増幅と減衰を繰り返すことにより定電流制御を行う。

図６に、従来のＰＷＭ制御を用いた回路の具体例を示す。このＰＷＭ制御回路にあっては、抵抗１で検出された電流が定電流選択回路４および抵抗５〜８により設定される閾値に達した際に、コンパレータ９によりＳＷ１は導通状態となり、キャパシタ２は瞬時に充電され、キャパシタ２の電圧が、コンパレータ１３の第１の閾値電圧Ｖr1に達すると駆動コイル電流遮断回路１４は駆動コイルへの電流を遮断する。これにより、抵抗１で検出された電流は遮断され、コンパレータ９によりＳＷ１は非導通状態となる。ここで、キャパシタ２に充電された電荷は、抵抗３に放電され、キャパシタ２の電圧が、コンパレータ１３の第２の閾値電圧Ｖr2に達するまでの期間中、駆動コイル電流遮断回路１４は駆動コイル５０への電流を遮断し続け、キャパシタ２の電圧が、コンパレータ１３の第２の閾値電圧Ｖr2に達すると駆動コイル５０への電流の供給は再開される。

このように、駆動コイルへの電流を遮断することにより、キャパシタ２および抵抗３による放電時間を駆動コイル電流遮断期間としたＰＷＭ制御機能が果たされる。

この図６に示される従来回路において、駆動コイル電流遮断期間ｔは、近似的に
ｔ＝（２Ｖr1／（Ｖr1−Ｖr2））×Ｃ×Ｒ（１）
となる。ここで、Ｃはキャパシタ２の容量値、Ｒは抵抗３の抵抗値を、それぞれ表す。さらに、コンパレータ１３の閾値電圧Ｖr1およびＶr2は、それぞれ
Ｖr1＝Ｖ×（Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１０＋Ｒ１１＋Ｒ１２）
Ｖr2＝Ｖ×Ｒ１１／（Ｒ１０＋Ｒ１１）
となる。ここでＶは抵抗１０に印加される電圧、Ｒ１０は抵抗１０の抵抗値、Ｒ１１は抵抗１１の抵抗値、Ｒ１２は抵抗１２の抵抗値をそれぞれ示す。

前述のような従来のＰＷＭ制御回路では、キャパシタ２および抵抗３により、ＰＷＭ制御機能を果たしている。しかしながら、前述の式（１）からも明らかなように、電流遮断期間を長くするには、Ｃ、Ｒを大きくする必要があり、このような従来回路では所定のパルス幅（電流遮断期間）を得るために、約数百ｐＦのキャパシタと、約数十ｋΩの抵抗を用いる必要がある。このような容量のキャパシタは容量が大きすぎて、ＩＣに内蔵することができず、必然的に個別素子としてＩＣに外付けしなければならない。そのため、ステ
ッピングモータを使用するデジタルスチルカメラや携帯電話の基板面積を増大させると共に、コストアップを避けられないという問題を有している。

さらに、このような外付けキャパシタの容量や、外付け抵抗の抵抗値は、そのバラツキが大きく、さらにＩＣの内部抵抗のバラツキなども重なるため、駆動コイルへの電流の遮断期間がばらついてしまい、精度のよい遮断期間を設定できないという問題も生じている。

本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、外付けのキャパシタや抵抗を必要とすることなく、遮断期間のバラツキが小さくＩＣに集積可能なモータ駆動用のＰＷＭ制御回路を提供することを目的とする。

本発明によるモータのＰＷＭ制御回路は、モータを駆動する駆動コイルに電流が供給され、該駆動コイルに流れる電流を検出することにより電流をオンオフさせてパルス制御するＰＷＭ制御回路であって、前記駆動コイルに流れる電流が所定の値に達したときに電流検出パルスを出力する電流検出パルス発生回路と、前記電流検出パルス発生回路から出力されるパルスを計数するパルス計数回路と、前記電流検出パルス発生回路によるパルスの出力により前記駆動コイルへの電流を遮断する制御を行う駆動コイル電流遮断制御手段と、前記駆動コイルへの電流の遮断を行った後に、前記パルス計数手段により計数されるパルスの数が所定の数値に達した場合に、前記駆動コイルへの電流の供給を再開する駆動電流再開手段とを具備することを特徴とする。

前記モータが駆動電流を切り替えることにより駆動されるステッピングモータからなり、前記パルス計数回路が、前記駆動電流の切り替え入力に応じて計数回路の段数を変更する段数変更手段をさらに具備することにより、駆動電流の切り替えに応じて、自動的にパルス幅を設定することができるため好ましい。

本発明によるＰＷＭ制御回路によれば、外付け部品を用いずにＩＣ内部に設けられた電流検出パルスを計測することにより制御しているため、外付け部品の削減が可能となり、小形化および低価格化を図れるという効果がある。さらに、外付け部品の充放電動作によらないで、電流検出パルスの数を計測し、その数が所定値に達したときに駆動コイルへの電流供給を再開することにより、駆動コイル電流遮断期間のパルス幅を設定しているため、ＲＣの時定数によるアナログ値たる放電時間を用いて駆動コイルへの電流供給再開までの駆動コイル電流遮断期間を決定する場合に比べ、非常に精度のよいオフ時間を確保できると共に、外付け部品による容量値や抵抗値などの変動に起因する遮断期間のバラツキも抑制することができる。

また、駆動コイルへの電流供給再開までの駆動コイル電流遮断期間を、電流検出パルスの計測値を設定することにより自由に定めることができるため、ＲＣの時定数を用いた場合に比べ、駆動コイルへの電流遮断期間の設定変更が簡便となる。

さらに、本発明を、ステッピングモータの電流を調節してモータの回転を滑らかにする、いわゆるマイクロステップ駆動回路に応用した場合、モータの駆動状況に合せて計数回路の段数を調節し、遮断時間を調整する機能をもたせることで、スピード重視のフルステップ駆動時は高速な電流の立ち上がりを、また、滑らかさを重視するマイクロステップ時の電流リップル抑制を、それぞれ簡単に実現することができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明のモータのＰＷＭ制御回路について説明をする。図１は、本発明の一実施形態であるＰＷＭ制御回路のブロック図である。

本発明によるモータのＰＷＭ制御回路は、モータを駆動する駆動コイルに供給される電流が所定の値に達したときに電流検出パルスを出力する電流検出パルス発生回路２０と、その電流検出パルス発生回路２０から出力されるパルスを計数するパルス計数回路３０と、電流検出パルス発生回路２０によるパルスの出力により駆動コイル５０への電流を遮断する制御を行う駆動コイル電流遮断制御手段４０とを具備している。

電流検出パルス発生回路２０は、駆動コイル５０に供給される電流が所定の値に達したときにパルスを発生する回路で、たとえば図３に示されるように、ＯＲ回路２１とクロック信号を発振する発振回路２２とにより構成することができる。ＯＲ回路２１の一方の端子Ａに入力される定電流検出信号は、駆動コイル５０に供給される電流が、たとえば図１に示されるように、外付けの抵抗１をアースとの間に接続し、その両端の電圧として検出され、所定の定電流（図１に示される例では、抵抗５〜８の所望の抵抗を定電流選択回路４により選択することにより電圧に変換された所定電圧）とコンパレータ９により比較されて、所定の定電流（所定電圧）に達したときにコンパレータ９から出力される信号である。ＯＲ回路２１の他方の入力端子Ｂには、後述するパルスカウンタ３０の出力が入力されている。

パルス計数回路（パルスカウンタ）３０は、同様に図３に示されるように、カウンタ３１がｎ段縦続接続され、それぞれのカウンタ３１に発振回路２２のクロック信号が順次入力されると共に、それぞれのカウンタ３１のリセット端子Ｒには、ＯＲ回路２１の出力が接続されている。このカウンタ３１を接続する段数は、駆動コイル５０への電流を遮断する時間に応じてその個数が定められる。すなわち、たとえば定電流検出パルスを形成する発振回路２２のパルス幅Ｊ秒とカウンタ３１の接続個数Ｋ個を用いると、駆動コイル５０への電流遮断期間ｔは、ｔ＝Ｊ×２^Kとなる。そのため、所望の遮断時間ｔと発振回路２
２のパルス幅Ｊに応じて、接続個数Ｋを定めることができる。

図３に示される回路で、ＯＲ回路２１に入力される２つの信号Ａ、ＢおよびＯＲ回路２１の出力信号Ｃの論理値は、図４に示されるようになる。すなわち、駆動コイル５０が導通状態となり、駆動電流が所定値に達するまでは、ＡもＢもロー“Ｌ”となり、その出力（Ｃ端子）も“Ｌ”となり、駆動電流が所定の電流値に達すると、定電流検出信号が発生し、端子Ａがハイ“Ｈ”となり、その出力（Ｃ端子）も“Ｈ”となり、発振回路２２からパルスが発生する。この状態が図４の電流検出の状態である。この定電流検出信号が発生すると、パルスカウンタ３０の出力（Ｂ端子）が“Ｈ”となり、駆動コイル５０への電流遮断回路（制御手段）４０が作動するため、駆動コイル５０の電流がオフになり、定電流検出信号もなくなり、端子Ａは“Ｌ”となるが、カウンタ３１からの出力はパルスの計数が所定の数に達するか、所望の遮断時間ｔになるまで“Ｈ”を出力し続けるため、ＯＲ回路２１の出力端子Ｃも“Ｈ”を出力し、発振回路からのパルス出力が継続される。この状態が図４の遮断の状態である。そして、パルスの計数が所定の数に達すると、駆動コイル５０の電流遮断回路４０の作動が停止するため、駆動コイル５０への電流が流れ始め、全ての端子が“Ｌ”となる。これが図４の再導通の状態で、最初の導通と同じ状態になる。

この過程を時系列的に説明すると、図２に示されるフローチャートになる。すなわち、まず、従来回路と同様に、抵抗１で検出された電流が定電流選択回路４および抵抗５〜８により設定される閾値（所定の値）に達したか否かをコンパレータ９により判断する（Ｓ１）。閾値に達していれば（Ｙ）、その信号により発振回路２２が作動して電流検出パルスを生成して出力する（Ｓ２）。閾値に達していなければ（Ｎ）再度Ｓ１に戻る。電流検出パルスが出力されると、駆動コイル電流遮断手段４０を作動させ、駆動コイル５０への
電流を遮断する（Ｓ３）。それと同時に、電流検出パルス発生回路２０から発生するパルスの数をパルス計数回路（パルスカウンタ）３０により計数する（Ｓ４）。このパルスの計数が、所定の数、たとえば６４に達しているか否かを判断し（Ｓ５）、所定の数に達していれば（Ｙ）、電流遮断期間が終了したと判断して駆動コイル電流遮断手段４０の作動を停止し（Ｓ６）、駆動コイル５０への電流供給を再開する（Ｓ７）。その後は、Ｓ１に戻り同じプロセスを繰り返す。なお、Ｓ５で、所定の数に達していない（Ｎ）場合には、パルスカウンタ３１によるパルスのカウント（Ｓ４）を続行し、所定の数に達するまで繰り返す。なお、Ｓ５で６４を基準に判断したが、この値は、前述のように、パルスを遮断する必要な時間と発振回路２２で発生するパルス幅により定まるもので、一例である。

図５は、モータとして、ステッピングモータを用いる場合の電流駆動回路の実施形態を示すブロック図である。ステッピングモータは、高速回転が必要な場合はモータ巻線に矩形電流を流す、いわゆるフルステップ駆動制御を行い、かつ、ＰＷＭの通電期間を長くすることで、電流の立ち上がりを早め、トルクを稼ぐ必要がある。しかし、静止を含む低速回転時は、駆動音の抑制を図るため、三角波あるいは擬似正弦電流を流すように電流値を小刻みに変化させる、いわゆるマイクロステップ駆動制御を行い、かつ、ＰＷＭの通電時間を短くし、電流リップルを抑えることが必要である。従来のアナログ回路を使用した場合は、抵抗などのアナログ要素を変更する必要があるため、回路素子の数の増加や、温度や電源電圧などの外乱に対する特性変動要素の増加など、モータ特性の再現性を悪化させる懸念がある。図５に示される例は、カウンタ回路の段数を、デコーダ回路６１を経由することにより、ステッピングモータの電流切り替え機能に連動させてスイッチ手段６２を変化させ、すなわち、矩形波電流時はカウンタの段数を増やすことで遮断時間を長くし、三角波あるいは擬似正弦波電流時はカウンタの段数を減らすことで遮断時間を短くするような構成とすることで、特性変動要素を増やすことなく、駆動方式に応じた適切な遮断時間の設定を簡易に行うことができる。なお、図５において、図３と同じ部分には、同じ符号を付してその説明を省略する。

以上、本発明を実施の形態に沿って具体例で説明したが、本発明は、これらの例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更し得るものである。

本発明によるモータのＰＷＭ制御回路の一実施形態を示すブロック図である。図１に示されるＰＷＭ制御回路の動作を示すフローチャートである。図１に示される電流検出パルス発生回路および電流検出パルス計数回路（パルスカウンタ）の一例を示すブロック図である。図３のＯＲ回路の入出力端における論理値を示す図である。本発明によるモータのＰＷＭ制御回路の他の実施形態を示すブロック図である。従来のＰＷＭ制御回路の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１外付け抵抗
４定電流選択回路
９コンパレータ
20 電流検出パルス発生回路
21 ＯＲ回路
22 発振回路
30 電流検出パルス計数回路（パルスカウンタ）
31 カウンタ
40 駆動コイル電流遮断回路
50 駆動コイル

Claims

モータを駆動する駆動コイルに電流が供給され、該駆動コイルに流れる電流を検出することにより電流をオンオフさせてパルス制御するＰＷＭ制御回路であって、前記駆動コイルに流れる電流が所定の値に達したときに電流検出パルスを出力する電流検出パルス発生回路と、前記電流検出パルス発生回路から出力されるパルスを計数するパルス計数回路と、前記電流検出パルス発生回路によるパルスの出力により前記駆動コイルへの電流を遮断する制御を行う駆動コイル電流遮断制御手段と、前記駆動コイルへの電流の遮断を行った後に、前記パルス計数回路により計数されるパルスの数が所定の数値に達した場合に、前記駆動コイルへの電流の供給を再開する駆動電流再開手段とを具備することを特徴とするモータのＰＷＭ制御回路。
前記モータが駆動電流を切り替えることにより駆動されるステッピングモータからなり、前記パルス計数回路が、前記駆動電流の切り替え入力に応じて計数回路の段数を変更する段数変更手段をさらに具備する請求項１記載のモータのＰＷＭ制御回路。