JP2009159715A - モータ駆動装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の構成では、マイコンにあらかじめプログラミングしておくため、回転速度によっては最適に減衰制御できない。また、従来の構成では、マイコンからの指令を受けてからでないと、減衰制御できないため、発振部における基準クロック周期ごとの一回一回のスイッチングによる減衰制御の選択が不可能であった。
【解決手段】この課題を解決するために本発明のステッピングモータ駆動装置は、モータに電流が流れ出すと電流検出部において検出信号を出力し、その検出信号を起点に動作するタイマを備え、設定タイマ時間後のコンパレータ出力の値をラッチ回路において読み込み、その値から減衰制御を行う。これにより、外部マイコンからの操作を必要とせず、基準クロック周期ごとに自動的に減衰制御動作が可能なステッピングモータ駆動装置を提供でき、より目標値に近づけたモータ駆動電流波形を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動装置および方法に関し、さらに詳しくはステッピングモータ駆動装置において、より低騒音およびより低振動に駆動する技術に関する。

従来、例えばＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｔｉｌｌ Ｃａｍｅｒａ：デジタル静止画カメラ）およびＤＶＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｃａｍｅｒａ：デジタルビデオカメラ）などの動画撮影用電子機器において、絞り、焦点、およびズームなどの駆動制御用に、位置制御が容易なステッピングモータが用いられている。動画撮影用電子機器に用いられるステッピングモータには、特に低騒音性および低振動性が求められる。ステッピングモータが発する騒音は、機器の内蔵マイクに雑音として録音され、振動およびその結果として手振れを生じさせ、画質を劣化させる恐れがあるからである。

そのため、ステッピングモータの動作を低騒音化および低振動化させる駆動技術が、開発されている。まず、ステッピングモータの駆動方式に関する従来例を、以下に説明する。図４は、特開２００４−２１５３８５号公報、および特開２００４−２７４８８０号公報に説明されているステッピングモータ駆動装置の構成図である。

図４において、２０ｐは、駆動制御の対象であるステッピングモータ、１９ａｐ、１９ｂｐは、ステッピングモータ２０ｐのそれぞれＡ相、Ｂ相モータコイル、１８ａｐ、１８ｂｐは、それぞれＡ相、Ｂ相モータコイル１９ａｐ、１９ｂｐに駆動電力を供給するＡ相駆動処理部、Ｂ相駆動処理部である。Ｂ相駆動処理部１８ｂｐはＡ相駆動処理部１８ａｐと同一の構成になっており、Ａ相駆動処理部１８ａｐ内の各要素は添字ａｐ、Ｂ相駆動処理部１８ｂｐ内の各要素は添字ｂｐでそれぞれ表される。以降、本従来例では、Ａ相駆動処理部１８ａｐについて構成および動作を説明するが、Ｂ相駆動処理部１８ｂｐについても同様に説明できるので、省略する。

Ａ相駆動処理部１８ａｐにおいて、１ａｐは、回転位相信号Ｓ１５ａｐをトリガーとしてステップ状に増加し減少するステップ信号Ｓ１ａｐを生成するステップ信号生成部、２ａｐは、ステップ信号生成部１ａｐから出力されるステップ信号Ｓ１ａｐを平滑化する積分部、３ａｐは、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）のスイッチング周期ごとの基準パルスを表すＰＷＭ基準信号Ｓ３ａｐを生成する発振部、４ａｐは、モータに電流を流す駆動部、４１ａｐ、４２ａｐ、４３ａｐ、４４ａｐは、駆動部４ａｐを構成するトランジスタ、５ａｐは、モータに流れる電流を検出する電流検出部、６ａｐは、積分部２ａｐの出力Ｓ２ａｐと電流検出出力Ｓ５ａｐとを比較する比較部、７ａは、発振部３ａｐからの出力と比較部６ａｐからの出力を取り込むフリップフロップ、８ａｐはフリップフロップ７ａの出力Ｓ７ａをもとに、駆動部４ａｐのオン／オフのタイミングを制御する通電制御部、９ａｐはマイコン１０ｐからの指令を受け、通電制御部８ａｐを制御し、モータ電流の減衰量を制御する減衰制御部である。１０ｐはマイコンである。

次に本従来例の動作について説明する。図５に、従来のステッピングモータ駆動装置の各部の出力信号波形を示す。まず、ステップ信号生成部１ａｐにおいてレベルが階段波状に変化し、かつ階段波の各ステップのレベルによって、目標電流値を表すステップ信号Ｓ１ａｐを生成する。ステップ信号Ｓ１ａｐを、積分部２ａｐにより平滑する。この平滑された積分部出力Ｓ２ａｐが、モータ電流の実際の目標電流値となる。また、発振部３ａｐは、所定周期のＰＷＭ基準信号Ｓ３ａｐを生成し、モータコイルへの給電期間の開始を指示する。これは図５の時点Ｔ１ｐに相当する。ＰＷＭ基準信号Ｓ３ａｐは、フリップフロップ７ａｐのセット端子に入力される。フリップフロップ７ａｐの出力は、通電制御部８ａｐに入力され、通電制御部８ａｐによって駆動部４ａｐのそれぞれのトランジスタを制御し、モータに電流を流す。これは図５の給電期間Ｔ２ｐに相当する。以降モータに電流を流すことを給電と呼ぶ。

給電中のモータ電流の流れを図６Ａに示す。図６Ａに示すように、給電中、駆動部４ａｐの各トランジスタ４１ａｐ、４４ａｐはオンし、各トランジスタ４２ａｐ、４３ａｐはオフした状態でモータコイルに電流を流す。または、モータ動作方向によっては、上述した説明の逆で、各トランジスタ４２ａｐ、４３ａｐはオンし、各トランジスタ４１ａｐ、４４ａｐはオフする状態の場合もある。この給電状態は、フリップフロップ７ａｐがセット優先であるため、ＰＷＭ基準信号Ｓ３ａｐのパルスエッジを起点に、周期ごとに決められた時間において確実に起こる。これは、モータ電流の誤検出を防ぐためである。上述したフリップフロップ７ａｐのセット動作は、図５の期間Ｔ３ｐに相当する。

モータに電流が流れ出すと、電流検出部５ａｐにおいてモータ電流を検出し、その値Ｓ５ａｐを出力する。目標電流値である積分部出力Ｓ２ａｐの値と電流検出部５ａｐの出力値Ｓ５ａｐを比較部６ａｐで比較する。電流検出部５ａｐの出力値Ｓ５ａｐが積分部２ａｐの出力値Ｓ２ａｐを越えると、モータ電流が、目標電流値を越えたことになるので、比較部６ａｐはローを出力し、フリップフロップ７ａｐのリセット端子に入力される。上述した動作は図５の時点Ｔ４ｐに相当する。フリップフロップ７ａｐの出力Ｓ７ａｐは、通電制御部８ａｐに入力され、通電制御部によって駆動部４ａｐのそれぞれのトランジスタを制御し、モータコイル１９ａｐへの電流供給を停止させる。このとき、モータコイル１９ａｐにより回生電流が流れる。これは図５の回生期間Ｔ５ｐに相当する。以降、電流回生時を回生と呼ぶ。ＰＷＭ周期ごとに、この繰り返しでステッピングモータ２０ｐの駆動制御を行っている。

また、マイコン１０ｐから減衰制御部９ａｐ、９ｂｐに信号を送ることで、回生時のモータ電流の傾きを調整することができる。マイコン１０ｐから減衰制御用の信号が減衰制御部９ａｐに送られると、減衰制御部９ａｐはその信号から減衰状態を決定できる信号を通電制御部８ａｐに送る。これにより、回生時、通電制御部８ａｐが駆動部４ａｐの各トランジスタのゲート部を制御することで、減衰制御が可能となる。

図６Ｂに回生時におけるモータコイル電流の流れの１例を示す。図６Ｂでは回生時、駆動部４ａｐのトランジスタ４１ａｐをオンし、トランジスタ４２ａｐをオンまたはオフし、トランジスタ４３ａｐ、４４ａｐをオフする。この時、モータコイルのインダクタンスによる両端の電圧ＶＬは、トランジスタ４２ａｐがオンしている場合、モータコイルに流れる電流がモータコイルの抵抗で発生する電圧降下分に等しくなる。他方、トランジスタ４２ａｐがオフしている場合、電圧ＶＬは、（モータコイルに流れる電流がモータコイルの抵抗で発生する電圧降下分）＋（トランジスタ４２ａｐの寄生ダイオードの導通電圧）に等しくなる。そのためトランジスタ４２ａｐがオンまたはオフ状態のいずれであっても、モータコイル両端の電圧ＶＬは小さい電圧となる。モータコイル電流の減衰の速さを表す傾きは、（モータコイル両端電圧ＶＬ）／（モータコイル抵抗値）で決まるため、モータコイル電流の傾きは小さいものになる。つまり、コイル電流の減衰が遅くなる状態である。以後、この状態を低速減衰状態と呼び、低速減衰状態に制御することを低速減衰制御と呼ぶ。

図６Ｃに別の回生時におけるモータコイル電流の流れの１例を示す。図６Ｃでは回生時、駆動部４ａｐの各トランジスタ４１ａｐ、４４ａｐをオフし、トランジスタ４２ａｐ、４３ａｐをオンまたはオフする。この時、モータコイル両端の電圧ＶＬは、各トランジスタ４２ａｐ、４３ａｐがオンしている場合、ほとんど給電中とは逆向きのモータ電源電圧値がかかり、（モータコイルに流れる電流がモータコイルの抵抗で発生する電圧降下分）＋（モータ電源電圧値）に等しくなる。他方、トランジスタ４２ａｐまたはトランジスタ４３ａｐがオフしている場合には、電圧ＶＬは、（モータコイルに流れる電流がモータコイルの抵抗で発生する電圧降下分）＋（モータ電源電圧値）＋（トランジスタ４２ａｐまたはトランジスタ４３ａｐの寄生ダイオードの導通電圧）に等しくなる。このモータコイル両端にかかる電圧ＶＬは、各トランジスタ４２ａｐ、４３ａｐがオンまたはオフ状態のいずれであっても、上述した低速減衰状態時のモータコイル端電圧よりもはるかに大きい。つまり、モータコイル電流の傾きは大きく、コイル電流の減衰が速い状態である。以後、この状態を高速減衰状態と呼び、高速減衰状態に制御することを高速減衰制御と呼ぶ。

図６Ｄに、給電状態、低速減衰状態、および高速減衰状態のそれぞれの状態において、通電制御部８ａｐによって制御される駆動部４ａｐの各トランジスタ４１ａｐ、４２ａｐ、４３ａｐ、４４ａｐの状態を示す。

図７Ａは、高速減衰制御が低速減衰制御より好ましい場合の波形図である。この場合、積分部２ａｐの目標電流波形出力Ｓ２ａｐより、モータコイル１９ａｐの実電流波形Ｓ１９ａｐが高い値にあり、高速減衰制御により実電流波形Ｓ１９ａｐを高速に下げて、目標電流波形Ｓ２ａｐに近づけるように制御する。図７Ｂは図７Ａとは逆で、低速減衰制御が高速減衰制御より好ましい場合の波形図である。この場合、積分部２ａｐの目標電流波形出力Ｓ２ａｐよりモータコイル１９ａｐの実電流波形Ｓ１９ａｐが低い値にあり、低速減衰制御により実電流波形Ｓ１９ａｐの減衰を抑えて、目標電流波形Ｓ２ａｐに近づけるように制御する。

マイコン１０に事前に、回転数に応じてどちらの減衰を選択するか、決められたプログラムを作成しておき、回転数に応じて、高速減衰制御、あるいは低速減衰制御を適切に選択する。例えば、１２００ＰＰＳ（Ｐｕｌｓｅ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ：パルス／秒）程度の速い回転数ならば、高速減衰制御を選択し、１２０ＰＰＳ程度の遅い回転数時ならば、低速減衰制御を選択することで、より目標に近いモータ電流波形を得ることが可能となる。
特開２００４−２１５３８５号公報 特開２００４−２７４８８０号公報

しかしながら、上述した従来のステッピングモータ駆動装置の構成では、マイコンにあらかじめプログラミングしておくため、回転速度によっては最適に減衰制御できない。

例えば、図８Ａに示すように、回転数の速い領域では１ステップの周期が短いため、目標電流波形に近づけるためには、速い減衰が好ましい。そのため、あらかじめ回転速度の速い領域では、高速減衰制御を選択していた。また、図８Ｂに示すように、回転速度の遅い領域では、１ステップの周期が長いため、目標電流波形に近づけるには、遅い減衰が好ましい。そのため、回転速度の遅い領域では、低速減衰制御を選択していた。しかし、図８Ｃに示すように、回転速度が速くもなく、遅くもない領域ではどちらの減衰制御も一長一短であり、減衰制御の最適化が難しいという課題を有していた。

また、ステップ信号生成部１ａｐから出力されるステップ信号値Ｓ１ａｐによっても、高速減衰制御あるいは低速減衰制御それぞれに一長一短が存在する。例えば、低速減衰状態において、図９Ａ、図９Ｂに示すように、ステップ信号生成部１ａｐのステップ信号値Ｓ１ａｐが高い場合Ｓ１ｐＨには、モータコイルに流れる電流は大きく、モータコイル抵抗によって発生する電圧降下分ＶＬの電圧も大きくなる。ＶＬ値が大きいため、回生電流の傾きも大きくなり、減衰量も大きくなる。あるいは、図９Ａ、図９Ｃに示すように、ステップ信号生成部１ａｐのステップ信号値Ｓ１ａｐが低い場合Ｓ１ｐＬには、モータコイルに流れる電流は小さく、モータコイル抵抗によって発生する電圧降下分ＶＬの電圧は小さくなる。ＶＬ値が小さいため、回生電流の傾きも小さくなり、減衰量も小さくなる。このように、ステップ信号の電圧値Ｓ１ａｐによっても、減衰制御の最適化が難しくなる領域も存在した。

また、上述した従来のステッピングモータ駆動装置の構成では、マイコン１０ｐからの指令を受けてからでないと、減衰制御できないため、ＰＷＭ周期ごとの一回一回のスイッチングによる減衰制御の選択が不可能という課題も有していた。

本発明は上述した従来の問題点を解決するもので、マイコンから逐次指令するのではなく、ＰＷＭ周期ごとの一回一回のスイッチングにおいて、高速減衰制御と低速減衰制御を自動的に選択し、減衰状態を最適に調整することが可能なモータ駆動装置および方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために本発明のモータ駆動装置は、モータに駆動電力を電源から供給する給電状態と、前記モータから回生電力を受ける回生状態とを繰り返し行い、前記モータを駆動するモータ駆動装置であって、駆動信号を生成する駆動信号生成部と、前記駆動信号に基づいて、前記駆動電力を生成する駆動部と、前記モータのモータ電流の大きさを検出し、電流検出信号を生成する電流検出部と、前記モータ電流の目標値を表す目標信号を生成する目標信号生成部と、前記電流検出信号と前記目標信号とを比較し、比較結果信号を生成する比較部とを有し、前記駆動部は、前記回生状態において前記モータ電流が、前記電源へ還流し、かつ高速に減衰する高速減衰導通路と、前記回生状態において前記モータ電流が、前記駆動部内を還流し、かつ緩やかに減衰する低速減衰導通路と、を含み、前記駆動信号生成部は、前記比較結果信号に基づいて、前記駆動信号を制御し、前記回生状態において前記駆動部を、前記高速減衰導通路または前記低速減衰導通路のいずれか一方の導通路に設定することを特徴としている。

さらに、本発明のモータ駆動方法は、モータに駆動電力を電源から供給する給電状態と、前記モータから回生電力を受ける回生状態とを繰り返し行い、前記モータを駆動するモータ駆動方法であって、駆動信号を生成し、前記駆動信号に基づいて、前記駆動電力を生成し、前記モータのモータ電流の大きさを検出し、電流検出信号を生成し、前記モータ電流の目標値を表す目標信号を生成し、前記電流検出信号と前記目標信号とを比較し、比較結果信号を生成する、ステップを有し、前記駆動信号を生成するステップは、前記比較結果信号に基づいて、前記駆動信号を制御し、前記回生状態において、前記モータ電流が、前記電源へ還流しかつ高速に減衰するステップ、または前記モータ電流が、前記駆動部内を還流しかつ緩やかに減衰するステップ、のいずれか一方のステップに設定することを特徴とている。

本発明のモータ駆動装置および方法によれば、ＰＷＭ周期ごとにモータ電流の減衰量の切り替えを自動制御することが可能になり、どのような回転数に対しても、目標電流波形に沿った実電流波形が得られる。これにより、低騒音性および低振動性を備えたモータ駆動装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態に関するいくつかの例について、図面を参照しながら説明する。なお、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。また、以下において記述される数字は、すべて本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。さらに、ハイ／ローにより表される論理レベルまたはオン／オフにより表されるスイッチング状態は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベルまたはスイッチング状態が異なる組み合わせで、同等な結果を得ることも可能である。また、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。さらに、以下の実施の形態は、ハードウェアおよび／またはソフトウェアを用いて構成されるが、ハードウェアを用いる構成は、ソフトウェアを用いても構成可能であり、ソフトウェアを用いる構成は、ハードウェアを用いても構成可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態におけるモータ駆動装置のブロック図である。図１において、２０は、駆動制御の対象であるステッピングモータ、１９ａ、１９ｂは、ステッピングモータ２０のそれぞれＡ相、Ｂ相モータコイル、１８ａ、１８ｂは、それぞれＡ相、Ｂ相モータコイル１９ａ、１９ｂに駆動電力を供給するＡ相駆動処理部、Ｂ相駆動処理部である。Ｂ相駆動処理部１８ｂはＡ相駆動処理部１８ａと同等の構成になっており、Ａ相駆動処理部１８ａ内の各要素は添字ａ、Ｂ相駆動処理部１８ｂ内の各要素は添字ｂでそれぞれ表される。以降、第１の実施形態では、Ａ相駆動処理部１８ａについて構成および動作を説明するが、Ｂ相駆動処理部１８ｂについても同様に説明できるので、省略する。

１６は、Ａ相回転位相信号Ｓ１５ａを生成するＡ相回転位相信号生成部、２４は、Ａ相回転位相信号Ｓ１５ａの位相を９０度シフトしＢ相回転位相信号Ｓ１５ｂを生成する位相シフト部である。Ａ相回転位相信号生成部１６および位相シフト部２４は、回転位相信号生成部１５を構成する。

Ａ相駆動処理部１８ａにおいて、１ａは、Ａ相回転位相信号Ｓ１５ａをトリガーとしてステップ状に増加し減少する階段波状のステップ信号Ｓ１ａを生成するステップ信号生成部、２ａは、ステップ信号Ｓ１ａを平滑化し目標信号Ｓ２ａを生成する積分部である。ステップ信号生成部１ａおよび積分部２ａは、目標信号生成部２１ａを構成する。４ａはモータ２０に駆動電力を供給する駆動部、４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａは、駆動部４ａを構成するスイッチング素子、５ａは、モータコイル１９ａに流れるモータ電流Ｓ１９ａを間接的に検出し電流検出信号Ｓ５ａを生成する電流検出部である。

駆動部４ａは、モータ電源５０ａと接地端子５１ａとの間に挿入され、モータ電源５０ａからモータ電源電圧Ｖ５０ａが供給される。電流検出部５ａは、駆動部４ａと接地端子５１ａとの間に挿入され、駆動部４ａと接地端子５１ａとの間に流れる電流を検出する。各スイッチング素子４１ａ、４２ａの一端はモータ電源５０ａに共通に接続され、他端はモータコイル１９ａの両端に接続される。スイッチング素子４３ａ、４４ａの一端は電流検出部５ａに共通に接続され、他端はモータコイル１９ａの両端に接続される。スイッチング素子４１ａおよびスイッチング素子４３ａは互いに接続され、ハーフブリッジを構成する。スイッチング素子４２ａおよびスイッチング素子４４ａは互いに接続され、ハーフブリッジを構成する。各スイッチング素子４１ａ、４２ａは高電位側スイッチング素子とも呼ばれ、各スイッチング素子４３ａ、４４ａは低電位側スイッチング素子とも呼ばれる。

各スイッチング素子４１ａ、４２ａはＰＭＯＳ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：Ｐチャネル金属酸化膜半導体）トランジスタで構成される。各スイッチング素子４３ａ、４４ａはＮＭＯＳ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：Ｎチャネル金属酸化膜半導体）トランジスタで構成される。各スイッチング素子４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａは、導通方向がモータ電源５０ａから接地端子５１ａへの方向になるように接続され、導通方向とは逆方向に導通する寄生ダイオードを含む。なお、各スイッチング素子４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａは、バイポーラトランジスタまたはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等、他のスイッチング可能な素子であってもよい。また寄生ダイオードは、各スイッチング素子４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａとは別に、新たに設けてもよい。

６ａは、電流検出信号Ｓ５ａと目標信号Ｓ２ａとを比較し比較結果信号Ｓ６ａを生成する比較部である。３ａは、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）スイッチング周期の基準パルスを表すＰＷＭセット信号Ｓ３ａを生成するセット信号発生部、７ａは、ＰＷＭセット信号Ｓ３ａと比較結果信号Ｓ６ａに基づいて駆動部４ａを制御する信号（後述の駆動信号Ｓ８ａ）の基準タイミングを表す駆動基準信号Ｓ７ａを生成するフリップフロップ部である。フリップフロップ部７ａは、ＰＷＭセット信号Ｓ３ａによりセットされ、比較結果信号Ｓ６ａによりリセットされる。駆動基準信号Ｓ７ａは、セットされるとハイレベルになり、リセットされるとローレベルになる。８ａは、駆動基準信号Ｓ７ａに基づいて駆動部４ａのオン／オフのタイミングを制御する４系統の駆動信号Ｓ８ａを生成する通電制御部である。

１３ａは、駆動基準信号Ｓ７ａに基づいて所定期間を計時し、所定期間終了時点のタイミングを表す駆動基準タイマ信号Ｓ１３ａを生成するタイマ部である。セット信号発生部３ａは、駆動基準タイマ信号Ｓ１３ａに基づいてＰＷＭセット信号Ｓ３ａを生成する。セット信号発生部３ａ、フリップフロップ部７ａ、タイマ部１３ａ、および通電制御部８ａは、駆動信号生成部１７ａを構成する。

１１ａは、ＰＷＭセット信号Ｓ３ａに基づいて所定期間を計時し、所定期間後のタイミングを表すＰＷＭセットタイマ信号Ｓ１１ａを生成するタイマ部、１２ａは、ＰＷＭセットタイマ信号Ｓ１１ａに基づいて比較結果信号Ｓ６ａを取り込み、減衰選択信号Ｓ１２ａとして出力するラッチ部である。タイマ部１１ａおよびラッチ部１２ａは、減衰選択部２２ａを構成する。９ａは、減衰選択信号Ｓ１２ａに基づいてモータ電流Ｓ１９ａの減衰量を制御する減衰制御信号Ｓ９ａを生成し、通電制御部８ａに出力するＡ相減衰制御部である。

次に第１の実施形態の動作について説明する。ここで第１の実施形態のモータ駆動装置は、ステッピングモータ２０に駆動電力を供給することによりステッピングモータ２０を駆動し、ステッピングモータ２０から回生電力を受ける。駆動電力を供給する期間を給電期間、その時の状態を給電状態、給電状態に制御することを給電制御とそれぞれ呼ぶ。また回生電力を受ける期間を回生期間、その時の状態を回生状態、回生状態に制御することを回生制御とそれぞれと呼ぶ。

図２は、第１の実施形態のモータ駆動装置における各部の信号波形図である。まず、ステップ信号生成部１ａは、レベルが階段波状に変化し、かつ階段波の各ステップのレベルによって、目標電流値を表すステップ信号Ｓ１ａを生成する。積分部２ａは、ステップ信号Ｓ１ａを平滑し、モータ電流Ｓ１９ａの実際の目標電流値を表す目標信号Ｓ２ａを生成する。セット信号発生部３ａは、ハイレベルからローレベルに変化することにより給電期間の開始時点Ｔ１を表すＰＷＭセット信号Ｓ３ａを生成する。フリップフロップ部７ａは、ＰＷＭセット信号Ｓ３ａがハイレベルからローレベルへ変化する時点Ｔ１において、ローレベルからハイレベルへ変化する駆動基準信号Ｓ７ａを生成する。通電制御部８ａは、駆動基準信号Ｓ７ａがハイレベルになると、４系統の駆動信号Ｓ８ａにおける論理レベルの組み合わせを変更する。駆動部４ａは、論理レベルが変更した駆動信号Ｓ８ａに基づいて、モータコイル１９ａ両端へ駆動電力を供給する。これは図２の給電期間Ｔ２に相当する。

給電期間中のモータ電流の流れを図３Ａに示す。図３Ａに示すように、給電状態において、駆動部４ａの各スイッチング素子４１ａ、４４ａはオンし、各スイッチング素子４２ａ、４３ａはオフした状態でＡ相モータコイル１９ａにモータ電流Ｓ１９ａを流す。または、モータ動作方向によっては、上述した説明の逆で、各スイッチング素子４２ａ、４３ａはオンし、各スイッチング素子４１ａ、４４ａはオフした状態の場合もある。フリップフロップ部７ａがセット優先であるため、図２に示すようにＰＷＭセット信号Ｓ３ａの下降パルスエッジを起点に、期間Ｔ３において給電状態は確実に起こる。これにより、モータ電流Ｓ１９ａは確実に流れ、電流検出部５ａにおいてモータ電流Ｓ１９ａの誤検出を防止することができる。

モータ電流Ｓ１９ａが流れ出すと、電流検出部５ａはモータ電流Ｓ１９ａを検出し、その値を表す電流検出信号Ｓ５ａを出力する。比較部６ａは、電流検出信号Ｓ５ａが目標信号Ｓ２ａを越えると、モータ電流Ｓ１９ａが、目標電流値を越えたことになるので、比較結果信号Ｓ６ａをローレベルにする。もし期間Ｔ３が終了しＰＷＭセット信号Ｓ３ａがハイレベルになっていれば、フリップフロップ部７ａはリセットされ、駆動基準信号Ｓ７ａをローレベルにする。もし期間Ｔ３が終了していなければ、終了した時点でフリップフロップ部７ａはリセットされる。上述した動作は図２の時点Ｔ４に相当する。通電制御部８ａは、駆動基準信号Ｓ７ａがローレベルになると、４系統の駆動信号Ｓ８ａにおける論理レベルの組み合わせをさらに変更する。駆動部４ａは、論理レベルが変更した駆動信号Ｓ８ａに基づいて、モータコイル１９ａ両端への駆動電力の供給を停止する。このとき、モータコイル１９ａに回生電流が流れる。これは図２の回生期間Ｔ５に相当する。

タイマ部１３ａは、フリップフロップ部７ａがリセットされた図２の時点Ｔ４を起点に、所定期間を計時し、所定期間の終了時点で駆動基準タイマ信号Ｓ１３ａを出力する。セット信号発生部３ａは、駆動基準タイマ信号Ｓ１３ａに基づいて、フリップフロップ７ａをセットさせるＰＷＭセット信号Ｓ３ａを出力する。したがって、図２の回生期間Ｔ５はタイマ部１３ａで計時される所定期間に一致する。タイマ部１３ａは、回生期間を一定の所定期間Ｔ５に設定する。タイマ部１３ａの回路構成としては、Ａ相駆動処理部１８ａの基準クロックを計数するカウンタであっても良いし、ＣＲの時定数を利用したものであっても良い。このように第１の実施形態のモータ駆動装置は、給電期間Ｔ２と回生期間Ｔ５の和として表されるＰＷＭスイッチング周期ごとに、給電期間Ｔ２と回生期間Ｔ５の繰り返しによりステッピングモータ２０の駆動制御を行う。この場合、給電期間Ｔ２が変化するため、ＰＷＭスイッチング周期も変化する。これにより、急激に回転数を変動させるためにモータ電流Ｓ１９ａの目標値を急激に変動しても、給電期間Ｔ２が短くなる結果ＰＷＭスイッチング周期が短くなり、実際のモータ電流Ｓ１９ａは目標値に追従しやすくなる。

タイマ部１１ａは、ＰＷＭセット信号Ｓ３ａがローになる時点Ｔ１を起点に所定期間Ｔ８を計時し、所定期間Ｔ８の終了時点でＰＷＭセットタイマ信号Ｓ１１ａを出力する。所定期間Ｔ８は、ＰＷＭスイッチング周期より短く設定することが可能である。回路構成としては、Ａ相駆動処理部１８ａの基準クロックを計数するカウンタであっても良いし、ＣＲの時定数を利用したものであっても良い。ラッチ部１２ａは、ＰＷＭセットタイマ信号Ｓ１１ａおよび比較結果信号Ｓ６ａに基づいて、所定期間Ｔ８終了時点Ｔ６で比較結果信号Ｓ６ａを取り込み、減衰選択信号Ｓ１２ａを比較結果信号Ｓ６ａと同一の論理レベルにする。タイマ部１１ａおよびラッチ部１２ａは回生期間Ｔ５終了時点、すなわち給電期間Ｔ２開始時点から所定期間Ｔ８経過時点で、減衰選択信号Ｓ１２ａを比較結果信号Ｓ６ａと同一の論理レベルに設定する。Ａ相減衰制御部９ａは、減衰選択信号Ｓ１２ａに基づいて回生状態におけるモータ電流Ｓ１９ａの傾きを調整することができる。

図３Ｂに、回生状態におけるモータコイル電流Ｓ１９ａの流れの１例を示す。図３Ｂでは回生状態において、駆動部４ａのスイッチング素子４１ａをオンし、スイッチング素子４２ａをオンまたはオフし、各スイッチング素子４３ａ、４４ａをオフする。この場合、モータコイル電流Ｓ１９ａは、モータコイル１９ａ、スイッチング素子４２ａ、およびスイッチング素子４１ａの経路を流れる。すなわちモータコイル電流Ｓ１９ａは、駆動部４ａ内を還流する。

この時、モータコイル１９ａの両端電圧ＶＬは、スイッチング素子４２ａがオンしている場合、ほとんどモータコイル電流Ｓ１９ａ（すなわち回生電流）がモータコイル１９ａの抵抗で発生する電圧降下分に等しくなる。他方、スイッチング素子４２ａがオフしている場合、電圧ＶＬは、（モータコイル電流Ｓ１９ａがモータコイル１９ａの抵抗で発生する電圧降下分）＋（スイッチング素子４２ａの寄生ダイオードの導通電圧）に等しくなる。そのためスイッチング素子４２ａがオンまたはオフ状態のいずれであっても、モータコイル１９ａ両端の電圧ＶＬは小さい電圧となる。モータコイル電流Ｓ１９ａの減衰の速さを表す傾きは、（モータコイル１９ａの両端電圧ＶＬ）／（モータコイル１９ａの抵抗値）で決まるため、モータコイル電流Ｓ１９ａの傾きは小さい。つまり、コイル電流Ｓ１９ａの減衰が遅くなる。以後、このような状態を低速減衰状態ＳＴＬと呼び、低速減衰状態ＳＴＬに制御することを低速減衰制御と呼ぶ。また図３Ｂにおいてモータコイル電流Ｓ１９ａが流れる経路を、低速減衰導通路と呼ぶ。

図３Ｃに、別の回生状態におけるモータコイル電流Ｓ１９ａの流れの１例を示す。図３Ｃでは回生状態において、駆動部４ａの各スイッチング素子４１ａ、４４ａをオフし、各スイッチング素子４２ａ、４３ａをオンまたはオフする。この場合、モータコイル電流Ｓ１９ａは、モータコイル１９ａ、スイッチング素子４２ａ、モータ電源５０ａ、接地端子５１ａ、およびスイッチング素子４３ａの経路を流れる。すなわちモータコイル電流Ｓ１９ａは、駆動部４ａおよびモータ電源５０ａを還流する。

この時、モータコイル１９ａの両端電圧ＶＬは、各スイッチング素子４２ａ、４３ａがオンしている場合、ほとんど給電状態中とは逆方向にモータ電源電圧Ｖ５０ａがかかり、（モータコイル電流Ｓ１９ａがモータコイル１９ａの抵抗で発生する電圧降下分）＋（モータ電源電圧Ｖ５０ａ）に等しくなる。他方、スイッチング素子４２ａまたはスイッチング素子４３ａがオフしている場合には、電圧ＶＬは、（モータコイル電流Ｓ１９ａがモータコイル１９ａの抵抗で発生する電圧降下分）＋（モータ電源電圧Ｖ５０ａ）＋（スイッチング素子４２ａまたはスイッチング素子４３ａの寄生ダイオードの導通電圧）に等しくなる。このモータコイル１９ａの両端にかかる電圧ＶＬは、各スイッチング素子４２ａ、４３ａがオンまたはオフ状態のいずれであっても、上述した低速減衰状態ＳＴＬ時のモータコイル１９ａの両端電圧ＶＬよりもはるかに大きい。つまり、モータコイル電流Ｓ１９ａの傾きは大きく、コイル電流Ｓ１９ａの減衰は速くなる。以後、このような状態を高速減衰状態ＳＴＨと呼び、高速減衰状態ＳＴＨに制御することを高速減衰制御と呼ぶ。また図３Ｃにおいてモータコイル電流Ｓ１９ａが流れる経路を、高速減衰導通路と呼ぶ。

図３Ｄに、給電状態、低速減衰状態ＳＴＬ、および高速減衰状態ＳＴＨの各状態において、通電制御部８ａによって制御される駆動部４ａの各スイッチング素子４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａの状態を示す。駆動部４ａの各スイッチング素子のオン／オフ状態が図３Ｄとなるように駆動信号Ｓ８ａの論理レベルの組み合わせを設定すれば、モータコイル電流Ｓ１９ａは、低速減衰導通路を流れる場合、低速減衰状態ＳＴＬとなり、高速減衰導通路を流れる場合、高速減衰状態ＳＴＨとなる。

Ａ相減衰制御部９ａは、給電期間Ｔ２開始時点から所定期間Ｔ８経過時点における比較結果信号Ｓ６ａを表す減衰選択信号Ｓ１２ａに基づいて、低速減衰状態ＳＴＬまたは高速減衰状態ＳＴＨのいずれか一方の状態を選択する。Ａ相減衰制御部９ａは、さらにこの選択結果に基づいて、駆動信号Ｓ８ａの論理レベルの組み合わせが低速減衰状態ＳＴＬまたは高速減衰状態ＳＴＨのいずれか一方の状態になるように、減衰制御信号Ｓ９ａを設定する。駆動部４ａは、減衰制御信号Ｓ９ａに基づいて駆動信号Ｓ８ａの論理レベルの組み合わせを変更する。減衰制御信号Ｓ９ａは４系統の駆動信号Ｓ８ａの論理レベルの組み合わせそのものであってもよいし、１系統の信号であってもよい。１系統の信号の場合は、駆動部４ａは、減衰制御信号Ｓ９ａに基づいて４系統の駆動信号Ｓ８ａを生成する。

ここで目標信号Ｓ２ａが、電流検出信号Ｓ５ａより高い値であれば、比較結果信号Ｓ６ａはハイである。図２に示すように、比較結果信号Ｓ６ａがハイの時は、目標電流値に対して、実電流値が低い状態と判断される。この場合、できるだけ目標電流値に近づけるためには、電流ができるだけ緩やかに減衰する必要がある。そのため、電流の減衰量が少ない低速減衰状態ＳＴＬを選択する。給電期間Ｔ２開始時点から所定期間Ｔ８経過時点Ｔ６において比較結果信号Ｓ６ａがハイの時には減衰選択信号Ｓ１２ａはハイになり、Ａ相減衰制御部９ａは低速減衰状態ＳＴＬを選択する。これにより、通電制御部８ａは、図３Ｄの低速減衰状態ＳＴＬで示すように、駆動部４ａの各スイッチング素子４１ａから４４ａを制御し、回生状態において駆動部４ａを低速減衰状態ＳＴＬに設定する。このように、目標電流値に対して実電流値が低いと判断されると、できるだけ目標電流値に近づけるために、減衰制御を自動的に行い、低速減衰制御を選択することができる。

また、目標信号Ｓ２ａが、電流検出信号Ｓ５ａより低い値であれば、比較部６ａの比較結果信号Ｓ６ａはローである。図２に示すように、比較結果信号Ｓ６ａがローの時は、目標電流値に対して、実電流値が高い状態と判断される。この場合、できるだけ目標電流値に近づけるためには、電流ができるだけ急速に減衰する必要がある。そのため、電流の減衰量が大きい高速減衰状態ＳＴＨを選択する。給電期間Ｔ２開始時点から所定期間Ｔ８経過時点Ｔ７において比較結果信号Ｓ６ａがローの時には、減衰選択信号Ｓ１２ａはローになり、Ａ相減衰制御部９ａは高速減衰状態ＳＴＨを選択する。これにより、通電制御部８ａは、図３Ｄの高速減衰状態ＳＴＨで示すように、駆動部４ａの各スイッチング素子４１ａから４４ａを制御し、回生状態において駆動部４ａを高速減衰状態ＳＴＨに設定する。このように、目標電流値に対して実電流値が高いと判断されると、できるだけ目標電流値に近づけるために、減衰制御を自動的に行い、高速減衰制御を選択することができる。なお、高速減衰制御において、図２の回生期間Ｔ５の期間内に図１のタイマ部１３ａの出力信号Ｓ１４ａにより高速減衰状態ＳＴＨから低速減衰状態ＳＴＬに切り替える制御も可能である。

以上、第１の実施形態において、Ａ相回転位相信号Ｓ１５ａに基づいて、Ａ相駆動処理部１８ａおよびＡ相減衰制御部９ａは、Ａ相モータコイル１９ａにＡ相駆動電力を供給する。同様にして、Ａ相回転位相信号Ｓ１５ａの位相を９０度シフトしたＢ相回転位相信号Ｓ１５ｂに基づいて、Ｂ相駆動処理部１８ｂおよびＢ相減衰制御部９ｂは、Ｂ相モータコイル１９ｂにＡ相駆動電力とは９０度位相のシフトしたＢ相駆動電力を供給する。ステッピングモータ２０は、Ａ相駆動電力とＢ相駆動電力を受けて、所定の回転速度で回転する。

第１の実施形態における構成を半導体集積回路で実現する実施例としては、各駆動信号生成部１７ａ、１７ｂと、各駆動部４ａ、４ｂと、各目標信号生成部２１ａ、２１ｂと、各比較部６ａ、６ｂとを含む構成が可能である。各電流検出部５ａ、５ｂについては、高集積化のためには含めるべきであるが、チップコスト、汎用性等を考慮し、この半導体集積回路に外付けにする場合もある。

このように第１の実施形態のモータ駆動装置によれば、駆動信号生成部は、駆動部において、モータ電流が、モータ電源へ還流しかつ高速に減衰する高速減衰導通路と、モータ電流が、駆動部内を還流しかつ緩やかに減衰する低速減衰導通路とを設定する。これにより、駆動部は回生状態において両導通路を最適に切り替え、モータ電流値を目標値に大略一致させることができる。

さらに、減衰選択部および減衰制御部は、給電状態の開始時点から所定期間経過後の比較結果信号に基づいて、高速減衰状態または低速減衰状態のいずれか一方を選択する。これにより、ＰＷＭスイッチング周期ごとに最適な導通路を選択することができ、回転数を大きく変動させるためモータ電流の目標値が大きく変動しても、実モータ電流値を目標値に追従させることができる。

このように、ＰＷＭスイッチング周期ごとに、タイマ時間後の比較部６ａの出力により、高速あるいは低速どちらの減衰制御を行うかについて自動的に設定することができ、どのような回転数に対しても、目標電流波形に沿った実電流波形が得られる。これにより、低騒音性および低振動性を備えたモータ駆動装置を提供することができる。

なお、以上の本発明の実施の形態では、モータ駆動装置としてステッピングモータ駆動装置を例に説明したが、本発明は一般のモータ駆動装置にも展開できる。また、Ａ相モータコイル１９ａおよびＢ相モータコイル１９ｂを備えた２相構成のモータ駆動装置について説明したが、３相以上のモータコイルを備えたＮ（Ｎは３以上の整数）相構成のモータ駆動装置に対しても、本発明は適用可能である。さらに、実施の形態におけるこれまでの説明は、すべて本発明を具体化した一例であって、本発明はこれらの例に限定されず、本発明の技術を用いて当業者が容易に構成可能な種々の例に展開可能である。

本発明は、モータ駆動装置および方法に利用できる。

本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置のブロック図 本発明の第１の実施形態における各部の信号波形図 本発明の給電状態における電流の流れを表す説明図 本発明の低速減衰状態における回生電流の流れを表す説明図 本発明の高速減衰状態における回生電流の流れを表す説明図 本発明の通電制御部によって制御されるスイッチング素子の状態を表す説明図 従来例のステッピングモータ駆動装置のブロック図 従来例のステッピングモータ駆動装置における各部の信号波形図 従来例の給電状態における電流の流れを表す説明図 従来例の低速減衰状態における回生電流の流れを表す説明図 従来例の高速減衰状態における回生電流の流れを表す説明図 従来例の通電制御部によって制御されるトランジスタの状態を表す説明図 従来例の高速減衰状態を表す説明図 従来例の低速減衰状態を表す説明図 従来例の回転数が速い場合におけるステップ信号とモータ電流の波形図 従来例の回転数が遅い場合におけるステップ信号とモータ電流の波形図 従来例の低速減衰、高速減衰ともに適さない場合におけるモータ電流の波形図 従来例の駆動部の出力ステップ信号を表す説明図 従来例のステップ信号が高い場合の回生電流の減衰割合を表す説明図 従来例のステップ信号が低い場合の回生電流の減衰割合を表す説明図

符号の説明

１ａ、１ｂ ステップ信号生成部
２ａ、２ｂ 積分部
３ａ、３ｂ セット信号発生部
４ａ、４ｂ 駆動部
４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ 駆動部４ａ内のスイッチング素子
４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ 駆動部４ｂ内のスイッチング素子
５ａ、５ｂ 電流検出部
６ａ、６ｂ 比較部
７ａ、７ｂ フリップフロップ部
８ａ、８ｂ 通電制御部
９ａ Ａ相減衰制御部
９ｂ Ｂ相減衰制御部
１１ａ、１１ｂ、１３ａ、１３ｂ タイマ部
１２ａ、１２ｂ ラッチ部
１５ 回転位相信号生成部
１６ Ａ相回転位相信号生成部
１７ａ、１７ｂ 駆動信号生成部
１８ａ Ａ相駆動処理部
１８ｂ Ｂ相駆動処理部
１９ａ Ａ相モータコイル
１９ｂ Ｂ相モータコイル
２０ ステッピングモータ
２１ａ、２１ｂ 目標信号生成部
２２ａ、２２ｂ 減衰選択部
２４ 位相シフト部
５０ａ、５０ｂ モータ電源
５１ａ、５１ｂ 接地端子

Claims (5)

1. モータに駆動電力を電源から供給する給電状態と、前記モータから回生電力を受ける回生状態とを繰り返し行い、前記モータを駆動するモータ駆動装置であって、
   駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   前記駆動信号に基づいて、前記駆動電力を生成する駆動部と、
   前記モータのモータ電流の大きさを検出し、電流検出信号を生成する電流検出部と、
   前記モータ電流の目標値を表す目標信号を生成する目標信号生成部と、
   前記電流検出信号と前記目標信号とを比較し、比較結果信号を生成する比較部とを有し、
   前記駆動部は、
   前記回生状態において前記モータ電流が、前記電源へ還流し、かつ高速に減衰する高速減衰導通路と、
   前記回生状態において前記モータ電流が、前記駆動部内を還流し、かつ緩やかに減衰する低速減衰導通路と、を含み、
   前記駆動信号生成部は、前記比較結果信号に基づいて、前記駆動信号を制御し、前記回生状態において前記駆動部を、前記高速減衰導通路または前記低速減衰導通路のいずれか一方の導通路に設定することを特徴とする、モータ駆動装置。
2. 前記比較部は、前記電流検出信号と前記目標信号との差分値を表す比較結果信号を生成し、
   前記駆動信号生成部は、前記比較結果信号を所定値と比較し、前記電流検出信号が前記目標信号よりも前記所定値以上の場合、前記駆動部を前記高速減衰導通路または、前記高速減衰導通路と前記低速減衰導通路に設定することを特徴とする、請求項１記載のモータ駆動装置。
3. さらに、前記給電状態の開始時点から第１所定期間を計時する第１タイマ部を含み、
   前記駆動生成部は、前記所定期間後の前記比較結果信号に基づいて、前記駆動信号を制御することを特徴とする、請求項１記載のモータ駆動装置。
4. 前記駆動信号生成部は、
   前記回生状態の開始時点から第２所定期間を計時する第２タイマ部を含み、
   前記第２所定期間後に前記給電状態を開始することを特徴とする、請求項１記載のモータ駆動装置。
5. モータに駆動電力を電源から供給する給電状態と、前記モータから回生電力を受ける回生状態とを繰り返し行い、前記モータを駆動するモータ駆動方法であって、
   駆動信号を生成し、
   前記駆動信号に基づいて、前記駆動電力を生成し、
   前記モータのモータ電流の大きさを検出し、電流検出信号を生成し、
   前記モータ電流の目標値を表す目標信号を生成し、
   前記電流検出信号と前記目標信号とを比較し、比較結果信号を生成する、ステップを有し、
   前記駆動信号を生成するステップは、前記比較結果信号に基づいて、前記駆動信号を制御し、前記回生状態において、前記モータ電流が、前記電源へ還流しかつ高速に減衰するステップ、または前記モータ電流が、前記駆動部内を還流しかつ緩やかに減衰するステップ、のいずれか一方のステップに設定することを特徴とする、モータ駆動方法。

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