JP2009183019A - モータ駆動装置 - Google Patents

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剛広 矢野
Tasuke Iwami
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Abstract

【課題】デジタル信号の組合せに基づいて決まる任意の割合と任意の電圧VREFの掛け算で発生する基準電圧によってモータ電流値が決定されるモータ駆動装置において、2相ステッピングモータを低騒音・低振動で駆動するために必要な正弦波状のモータ電流を実現し、更にデジタル信号の端子数を従来回路より削減して正弦波状のモータ電流を実現する。
【解決手段】デジタル信号の組み合わせに基づいて決まる2つの任意の割合と任意の電圧VREFの掛け算により2つの基準電圧を決定し、その2つの基準電圧により2相ステッピングモータの各相のモータ電流を制御する。
【選択図】図1

Description

本発明はステッピングモータのモータ駆動巻線への電流供給を制御するモータ駆動装置に関するものである。
近年制御の容易性よりステッピングモータが情報機器分野他、様々な分野のモータに使用されている。その中で2つの駆動巻線を制御してモータを駆動する2相ステッピングモータが主に使用されている。2相ステッピングモータを駆動する従来のモータ駆動装置について、図面を参照しながら以下に説明する。
図11は従来のモータ駆動装置の一構成例を示す回路ブロック図である。図11において電源VM及びGND間に直列にMOS構造の上側スイッチング素子1と下側スイッチング素子2及び上側スイッチング素子3と下側スイッチング素子4が接続され、上側スイッチング素子1と下側スイッチング素子2の接続点と上側スイッチング素子3と下側スイッチング素子4の接続点間に第1モータ駆動巻線であるAchモータ駆動巻線5が接続されている。また下側スイッチング素子2及び4とGND間にはAchモータ駆動巻線5に流れるモータ電流に応じた電圧を発生させる第1電圧発生回路である電流検出抵抗6が接続されている。ここでAchモータ駆動巻線5に流れる電流をAchモータ電流と呼ぶこととする。
また同様に、電源VM及びGND間に直列にMOS構造の上側スイッチング素子7と下側スイッチング素子8及び上側スイッチング素子9と下側スイッチング素子10が接続され、上側スイッチング素子7と下側スイッチング素子8の接続点と上側スイッチング素子9と下側スイッチング素子10の接続点間に第2モータ駆動巻線であるBchモータ駆動巻線11が接続されている。また下側スイッチング素子8及び10とGND間にはBchモータ駆動巻線11に流れるモータ電流に応じた電圧を発生させる第2電圧発生回路である電流検出抵抗12が接続されている。ここでBchモータ駆動巻線11に流れる電流をBchモータ電流と呼ぶこととする。
モータ13はこのAchモータ電流及びBchモータ電流をそれぞれAchモータ駆動巻線5とBchモータ駆動巻線11に供給することで駆動される。 上側スイッチング素子1と3と下側スイッチング素子2と4のゲートは第1通線制御回路であるAch通電制御回路14に、上側スイッチング素子7と9と下側スイッチング素子8と10のゲートは第2通線制御回路であるBch通電制御回路15に接続され、このAch通電制御回路14とBch通電制御回路15によりスイッチング素子のオンオフが制御される。
Ach通電制御回路14は第1モータ電流方向制御信号であるモータ電流方向制御信号AとPWM信号発生部16の出力で第1のPWM信号であるAch_PWM信号17が接続されている。またBch通電制御回路15は第2モータ電流方向制御信号であるモータ電流方向制御信号Bと第2のPWM信号であるBch_PWM信号18が接続されている。
Ach通電制御回路14はモータ電流方向制御信号AがHでAch_PWM信号17がHの場合、上側スイッチング素子1と下側スイッチング素子4のみをオンさせ、電源VMからGNDに向けてAchモータ駆動巻線5の「+」から「−」方向にモータ電流を流すよう制御する。次にモータ電流方向制御信号AがHでAch_PWM信号17がLの場合、上側スイッチング素子1をオンさせ上側スイッチング素子3をオンまたはオフのいずれかとし、下側スイッチング素子2と4をオフとし、モータ電流を上側スイッチング素子1→Achモータ駆動巻線5の「+」→「−」→上側スイッチング素子3→上側スイッチング素子1と電源VMとGNDに介さず流す回生(上側スイッチング素子3がオンの場合は同期整流と呼ぶ)状態となる。
次にモータ電流方向制御信号AがLでAch_PWM信号17がHの場合は、上側スイッチング素子3と下側スイッチング素子2をオンのみさせ、電源VMからGNDに向けてAchモータ駆動巻線5の「−」から「+」方向にモータ電流を流すよう制御する。またモータ電流方向制御信号AがLでAch_PWM信号17がLの場合、上側スイッチング素子3をオンさせ上側スイッチング素子1をオンまたはオフのいずれかとし、下側スイッチング素子2と4をオフとし、モータ電流を上側スイッチング素子3→Achモータ駆動巻線5の「−」→「+」→上側スイッチング素子1→上側スイッチング素子3と電源VMとGNDに介さず流す回生(上側スイッチング素子1がオンの場合は同期整流と呼ぶ)状態となる。尚、Bch通電制御回路15についてはAch通電制御回路14と同じ構成のため説明は省略する。
次にPWM信号発生部16について説明する。PWM信号発生部16はセット優先のセット・リセットのフリップ回路であるAchフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20と、基準信号発生部21とAch電流検出コンパレータ22とBch電流検出コンパレータ23により構成されている。
Achフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20のセット(S)信号は基準信号発生部21の出力が接続され、リセット(R)信号にはそれぞれAch電流検出コンパレータ22とBchモータ電流コンパレータ23の出力が接続されている。またAchフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20の出力QはそれぞれAch_PWM信号17とBch_PWM信号18としてAch通電制御回路14及びBch通電制御回路15に接続される。尚、Achフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20はセット優先のフリップフロップ回路であり、セット(S)信号にL信号が入力されれば出力QはHとなり、リセット(R)信号にL信号が入力されれば出力QはLとなる。
ここで基準信号発生部21は基準クロック24とその信号を分周する分周回路25と、分周回路25の出力信号の立上りまたは立下りもしくは立上りと立下り時にLのパルス生成するエッジ検出微分パルス回路26により構成され、分周回路25で決まる一定周波数毎にLのパルスをAchフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20のセット(S)信号に入力している。エッジ検出微分パルス回路26について、ここでは分周回路25の立上り時にLのパルスを生成し、その周波数をfpwmとする。
Ach電流検出コンパレータ22はそのプラス側入力に電流検出抵抗6と下側スイッチング素子2と4の接続点が接続されている。Ach電流検出コンパレータ22はマイナス側入力の電圧よりプラス側入力の方が高い場合、L信号をAchフリップフロップ回路19のリセット(R)信号に出力する。
一方でBch電流検出コンパレータ23のプラス側入力には電流検出抵抗12と下側スイッチング素子8と10の接続点が接続されている。尚、Bch電流検出コンパレータ23の動作はAch電流検出コンパレータ22と同じである。
またAch電流検出コンパレータ22とBch電流検出コンパレータ23のマイナス側入力にはデジタル・アナログ変換回路27の出力の基準電圧28が接続されている。
次にデジタル・アナログ変換回路27は論理信号D1及びD2と任意の電圧のVREFが接続され、論理信号D1とD2の組合せで決まる任意の割合とVREF電圧の掛け算で決まる電圧を基準電圧28として出力する。本従来例における論理信号D1とD2の組合せによる割合は表7の通りとする。これにより例えばD1がHでD2がLでVREF電圧が2Vの場合は基準電圧28には2V/5×66.7%の0.2668Vが出力されることになる。
Figure 2009183019
以上の回路構成において、モータ駆動電流をAchモータ駆動巻線5とBchモータ駆動巻線11に対してそれぞれ「+」から「−」方向に電流を流す場合、すなわちモータ電流方向制御信号AとBがHの場合について図12によって説明する。
まず論理信号D1がHでD2がLの場合については、基準信号発生部21よりLの微分パルスがAchフリップフロップ回路19のセット(S)信号に入力されるとAchフリップフロップ回路19の出力Q(Ach_PWM信号17)がHとなる。そのため上側スイッチング素子1と下側スイッチング素子4がオンとなりモータ電流が電源VMから上側スイッチング素子1からAchモータ駆動巻線5→「+」→「−」→下側スイッチング素子4→電流検出抵抗6を経由してGNDへ電流が流れ、モータ駆動巻線のインダクタンスと抵抗成分で決まる時定数で電流が増えていく(図12タイミングチャートの時間t1)。この時電流検出抵抗6には「Achモータ駆動巻線5に流れる電流×電流検出抵抗6」で発生する電圧が発生し、その電圧が基準電圧28(=VREF/5×66.7%の電圧)より高くなるとAch電流検出コンパレータ22の出力がHからLとなる。そしてAchフリップフロップ回路19の出力QがHからLとなり、下側スイッチング素子4がオフし、Achモータ電流が回生または同期整流状態となる(図12タイミングチャートの時間t2)。尚、この時のAchモータ電流のピーク値は「基準電圧28(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗6」によって決まることがわかる。
その後基準信号発生部21よりLの微分パルスがAchフリップフロップ回路19のセット(S)信号に再び入力されると、上側スイッチング素子1と下側スイッチング素子4がオンとなり(図12タイミングチャートの時間t3)、その後は上記説明と同じ動作を繰返す。以降「基準電圧28(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗6」をピークとする電流がAchモータ電流に流れ続ける。
また論理信号D1がLでD2がLの場合については、基準電圧28がVREF/5×100%に変わるため、Achモータ駆動巻線5に流れる電流は「基準電圧28(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗6」で決まる電流が流れる。
以上Achモータ電流を制御するための、PWM信号発生部16とAch通電制御回路14とデジタル・アナログ変換回路27と上側スイッチング素子1と3と下側スイッチング素子2と4の動作について説明してきたが、Bchモータ電流を制御するための、PWM信号発生部16とBch通電制御回路15とデジタル・アナログ変換回路27と上側スイッチング素子7と9と下側スイッチング素子8と10の動作についても同じため説明は省略する。
このようにAchモータ駆動巻線5及びBchモータ駆動巻線11に流れるモータ電流は、上記の通り基準電圧28により決まることがわかる。以上ここまで説明した従来のモータ駆動装置を従来例1とする。
次にモータを実際に駆動する際の動作について説明する。2相ステッピングモータの制御は2つのモータ駆動巻線への電流供給を90°位相が遅れた関係で電流を供給する。
図13は従来例1の回路において2相ステッピングモータを駆動する際のAchとBchモータ電流波形を示している。図13のタイミングチャート1において、モータ電流方向制御信号Aはモータ電流方向制御信号Bより90°位相を進めた信号が入力される。またAchモータ電流はモータ電流方向制御信号AがHの場合は、論理信号D1がHでD2がLのためプラス側に「基準電圧28(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗6」の電流が流れる。またモータ電流方向制御信号AがLの場合は、Achモータ電流に「基準電圧28(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗6」のマイナス電流が流れる。
一方でBchモータ電流についてはAchモータ電流と同様に、モータ電流方向制御信号BがHの場合は、Bchモータ電流はプラス側に「基準電圧28(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗12」の電流が流れる。モータ電流方向制御信号BがLの場合は、Bchモータ電流に「基準電圧28(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗12」のマイナス電流が流れる。
また更に図13のタイミングチャート2の論理信号D1がLでD2がLの場合は、論理信号D1がHでD2がLの場合からAchとBchのモータ電流が「基準電圧28(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗6(Bchの場合は電流検出抵抗12)」に変化した電流波形となる。
以上の通り各信号を制御することでAchとBchモータ電流に90°位相のずれた矩形波状のモータ電流を供給することができ、これによりモータを駆動することができる。
特開平3−112394号公報
しかしながらステッピングモータを低振動・低騒音で駆動するためにAchとBchモータ電流を図14のように正弦波状に制御したい場合、従来例1のモータ駆動装置では基準電圧28がAchとBchで共通となるため、AchとBchのモータ電流を独立して制御できず、そのために正弦波状のモータ電流を実現することができない課題がある。
仮に正弦波状のモータ電流を実現するために、基準電圧をAchとBchモータ電流用に独立して制御する場合、図15の通りデジタル・アナログ変換回路27と同様の回路をAchモータ電流制御用としてAchデジタル・アナログ変換回路29、Bchモータ電流制御用としてBchデジタル・アナログ変換回路30を設けなければならない。
Achデジタル・アナログ変換回路29及びBchデジタル・アナログ変換回路30はそれぞれAch電流検出コンパレータ22とBch電流検出コンパレータ23のマイナス側入力に接続される基準電圧としてAch基準電圧31とBch基準電圧32を出力する。またAchとBch共通してVREFが入力され、更に論理信号としてそれぞれAchデジタル・アナログ変換回路29には論理信号D1、D2が入力され、Bchデジタル・アナログ変換回路30には論理信号D1’とD2’が入力されている。尚、論理信号D1、D2とD1’、D2’のAch基準電圧31とBch基準電圧32各々に対する真理値表はそれぞれ表8と表9になる。このようにデジタル・アナログ変換回路をAch及びBchで独立して設けることによりモータ電流をAchとBchで独立して制御することができる。尚、以上説明した従来のモータ駆動装置を従来例2とする。
Figure 2009183019
Figure 2009183019
次に図15における回路について、モータを実際に駆動する際の動作について説明する。図14は図15における回路について、正弦波状にモータ電流を流した場合のタイミングチャートである。まずAchモータ電流について説明する。
図14のS1において論理信号D1はH、D2はHより、Ach基準電圧31が0となるためAchモータ電流はほぼ0となる。次にS2においてはモータ電流方向制御信号AがHのためAchモータ電流がプラス側に流れ、更に論理信号D1がHでD2がLのためAchモータ電流の大きさは「Ach基準電圧31(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗6」となる。よってAchモータ電流としては「Ach基準電圧31(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗6」のプラス電流が流れる。
次のタイミングS3についてはモータ電流方向制御信号AがHでD1がL、D2がLのためAchモータ電流には「Ach基準電圧31(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗6」のプラス電流が流れる。
更にS4についてはS2と同様となり、S5については論理信号D1がH、D2がHのためAch基準電圧31が0となり、Achモータ電流はほぼ0となる。
S6についてはモータ電流方向制御信号AがLで、論理信号D1がH、D2がLのためAchモータ電流は「Ach基準電圧31(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗6」のマイナス電流となる。更にS7についてはモータ電流方向制御信号AがLで、D1がL、D2がLのため、「Ach基準電圧31(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗6」のマイナス電流となる。S8についてはS6と同様である。
次にBchモータ電流についてはAchモータ電流波形を90°遅らせた波形となる。そのため、モータ電流方向制御信号Aと論理信号D1とD2をそれぞれ90°遅らせた信号となる。
以上の通り、AchとBchで独立してデジタル・アナログ変換回路を設けることにより、正弦波状のモータ電流を実現することがきる。
しかし一方で新たにBchモータ電流制御用に論理信号D1’とD2’が必要となるため端子数が増加する。そのため例えば駆動するステッピングモータの数が10ヶの場合、端子数は合計で40ヶも必要となり論理信号を制御するマイコンに対して大きな負荷となり、マイコンの能力を上げるなどコストアップするなどの課題が発生する。また端子増加によりパッド及びESD保護素子の増加によるチップ面積の増加、そしてコストUPなどの課題も発生する。
上記の課題を解決するために第1の発明は、第1モータ駆動巻線と第2モータ駆動巻線を逐次通電するために電源間に直列に接続された上側スイッチング素子と下側スイッチング素子を複数個備え、前記第1モータ駆動巻線と第2モータ駆動巻線それぞれに流れる電流を検出しその大きさに応じた出力電圧を発生させる第1電圧発生回路と第2電圧発生回路と、前記第1電圧発生回路と第1基準電圧により第1のPWM信号を発生させ、前記第2電圧発生回路と第2基準電圧により第2のPWM信号を発生させるPWM信号発生部と、前記第1モータ駆動巻線と前記第2モータ駆動巻線それぞれに対し供給する電流の方向を決める第1モータ電流方向制御信号及び第2モータ電流方向制御信号と、前記第1モータ電流方向制御信号と前記第1のPWM信号により前記第1モータ駆動巻線を駆動するための前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子のオンオフを制御する第1通電制御回路と、前記第2モータ電流方向制御信号と前記第2のPWM信号により前記第2モータ駆動巻線を駆動するための前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子のオンオフを制御する第2通電制御回路と、複数の論理信号の組合せに基づいて決まる2つの任意の割合と任意の電圧の掛け算により決定される2つの電圧を出力するデジタル・アナログ変換回路とを備え、前記第1基準電圧と第2基準電圧が前記デジタル・アナログ変換回路の2つの出力電圧によりそれぞれ決定されることを特徴とする。
また第2の発明は、第1モータ駆動巻線と第2モータ駆動巻線を逐次通電するために電源間に直列に接続された上側スイッチング素子と下側スイッチング素子を複数個備え、前記第1モータ駆動巻線と第2モータ駆動巻線それぞれに流れる電流を検出しその大きさに応じた出力電圧を発生させる第1電圧発生回路と第2電圧発生回路と、前記第1電圧発生回路と第1基準電圧により第1のPWM信号を発生させ、前記第2電圧発生回路と第2基準電圧により第2のPWM信号を発生させるPWM信号発生部と、前記第1モータ駆動巻線と前記第2モータ駆動巻線それぞれに対し供給する電流の方向を決める第1モータ電流方向制御信号及び第2モータ電流方向制御信号と、前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子の全てまたはいずれかをオフさせ前記第1モータ駆動巻線と前記第2モータ駆動巻線の電流供給をそれぞれ遮断させる信号として第1遮断信号と第2遮断信号を出力する遮断回路と、前記第1モータ電流方向制御信号と前記第1のPWM信号と前記第1遮断信号により前記第1モータ駆動巻線を駆動するための前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子のオンオフを制御する第1通電制御回路と、前記第2モータ電流方向制御信号と前記第2のPWM信号と前記第2遮断信号により前記第2モータ駆動巻線を駆動するための前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子のオンオフを制御する第2通電制御回路と、複数の論理信号の組合せに基づいて決まる2つの任意の割合と任意の電圧の掛け算により決定される2つの電圧を出力するデジタル・アナログ変換回路とを備え、前記第1基準電圧と第2基準電圧が前記デジタル・アナログ変換回路の2つの出力電圧によりそれぞれ決定され、前記第1遮断信号と前記第2遮断信号が複数の論理信号の組合せに基づいて決まることを特徴とする。
また第3の発明は、第1及び第2の発明のいずれか一つにおいて、論理制御信号が2つであることを特徴とする。
また第4の発明は、第1及び第2の発明のいずれか一つにおいて、論理制御信号が3つであることを特徴とする。
以上のように、従来ステッピングモータを低騒音・低振動で駆動させるための正弦波状のモータ電流を実現することができなかった。また仮に正弦波状のモータ電流を実現するためには端子数が増加する課題が発生していたが、本発明のモータ駆動装置によると正弦波状のモータ電流実現し、更に従来回路に比べモータ電流を制御する端子数を削減することができる。
以下、本発明の実施の形態を示すモータ駆動装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1のモータ制御装置について説明する。
図1は本実施の形態1のモータ制御装置の一構成例を示す回路ブロック図である。図1においてデジタル・アナログ変換回路33及び第1通電制御回路であるAch通電制御回路34と第2通電制御回路であるBch通電制御回路35及び遮断回路36以外は従来例と同じ構成のため説明は省略する。
デジタル・アナログ変換回路33は任意の電圧のVREF及び論理信号D1とD2が入力されている。出力は第1基準電圧であるAch基準電圧37と第2基準電圧であるBch基準電圧38である。Ach基準電圧37とBch基準電圧38はそれぞれAch電流検出コンパレータ22とBch電流検出コンパレータ23のマイナス側入力に接続されている。
また遮断回路36は論理信号D1とD2が入力され、出力として第1遮断信号であるAch遮断信号39と第2遮断信号であるBch遮断信号40が出力される。尚、遮断回路36は本発明において、論理信号D1とD2により制御されているが、論理信号D1とD2に限定されるものではない。
Ach遮断信号39とBch遮断信号40はそれぞれAch通電制御回路34とBch通電制御回路35に接続される。Ach遮断信号39はLの場合、Ach通電制御回路34によりスイッチング素子1から4をオフさせる。またBch遮断信号40はLの場合、Bch通電制御回路35によりスイッチング素子7から10をオフさせる。これはAchまたはBchモータ電流を0とする制御を、スイッチング素子を全てオフさせ実現するためである。
一方でAch遮断信号39とBch遮断信号40はHの場合、Ach通電制御回路34と35は従来例に示すAch通電制御回路14と同じ動作となる。
デジタル・アナログ変換回路33は論理信号D1とD2に対してAch基準電圧37とBch基準電圧38を表1の真理値表の出力とする。表1と従来例の表7〜9を比較して分かるように従来は2つの論理信号D1とD2の組合せに対して「1つ」の基準電圧を制御していた。一方で本実施の形態1においては、2つの論理信号D1とD2の組合せに対してAch基準電圧37とBch基準電圧38の2つ基準電圧を出力し、これにより論理信号数を削減している。
Figure 2009183019
また論理信号D1とD2の組合せに対する遮断回路36出力のAch遮断信号39とBch遮断信号40は表2の真理値表の出力とする。
Figure 2009183019
次に図1におけるデジタル・アナログ変換回路33の詳細について説明する。図2はデジタル・アナログ変換回路33の一構成例を示す回路である。
VREFとGND間に抵抗R1とR2とR3が直列に接続され、抵抗R1とR2の接続点にはアナログスイッチ回路ALSW1とALSW2が接続されている。また抵抗R2とR3との接続点にはアナログスイッチ回路ALSW3とALSW4が接続され、GNDにALSW5とALSW6が接続されている。
また抵抗R1とR2とR3は、(R2+R3)/(R1+R2+R3)が1/5、R3/(R2+R3)が0.667の関係となるように設定している。
ALSW1からALSW6は全て同じ構成の回路であり、それぞれAS1からAS6の信号が入力される。またALSW1とALSW3とALSW5の出力は共通でAch基準電圧37となる。更にALSW2とALSW4とALSW6の出力も共通でBch基準電圧38となる。
アナログスイッチ回路のALSW1は、抵抗R1とR2接続点とAch基準電圧37を繋ぐスイッチである。そのためAS1がHの場合にはALSW1が接続されている抵抗R1とR2の接続点とAch基準電圧37をショートし、Lの場合はオープンとする。尚、ALSW2から6についてもALSW1と同じ動作となる。
次にAS1からAS6信号については図2の通り、論理信号D1とD2を入力とする論理回路により決まり、その真理値表は表3の通りとなる。以上の回路構成にて表1に示すデジタル・アナログ変換回路33を構成している。
Figure 2009183019
次に遮断回路36の詳細について説明する。図3は遮断回路36の一構成例を示す回路である。この回路構成により表2の遮断回路36の真理値表を実現している。
次に図1における回路について、図4のタイミングチャートによりモータを実際に駆動する際の動作について説明する。
図4のタイミングチャートのS1において、論理信号D1とD2はそれぞれHとLのためAch基準電圧37とBch基準電圧38はそれぞれ0及びVREF/5×100%となる。またAch遮断信号39とBch遮断信号40はそれぞれLとHとなる。まずAchモータ電流はAch遮断信号39がLのためスイッチング素子1から4がオフとなる。そのため、Achモータ駆動巻線5には定常的に電流は流れず0となる。またBchモータ電流についてはモータ電流方向制御信号BがLでBch遮断信号40がHより「Bch基準電圧38(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗12」のマイナス電流が流れる。
尚、本実施の形態1においてモータ電流を0とする場合、スイッチング素子を全てオフさせている。これは、例えばAchフリップフロップ回路19がセット信号優先であるため、基準信号発生部21から一定周期で出力されるLパルスのパルス幅分(パルス幅をT1とする)は少なくともAchフリップフロップ回路19の出力Q(Ach_PWM信号)がHとなる。そのため電源VMから上側スイッチング素子とAchモータ駆動巻線5と下側スイッチング素子と電流検出抵抗6を経由してGNDに電流が流れる期間が少なくともパルス幅T1だけ発生するので、Achモータ電流を実質0に制御することができない。よってモータ電流を0に制御する場合、本実施の形態1においてはスイッチング素子を全てオフさせて実現させている。
またS2は、論理信号D1とD2が共にHのため、Ach基準電圧37とBch基準電圧38は共にVREF/5×66.7%となる。モータ方向制御信号AとBはそれぞれHとLのため、Achモータ電流は「Ach基準電圧37(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗6」のプラス電流、Bchモータ電流は「Bch基準電圧38(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗12」のマイナス電流が流れる。
次にS3は、論理信号D1がLでD2がHのため、Ach基準電圧37とBch基準電圧38はそれぞれVREF/5×100%と0となる。またAch遮断信号39とBch遮断信号40はそれぞれHとLとなる。モータ方向制御信号AとBは共にHのため、Achモータ電流は「Ach基準電圧37(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗6」のプラス電流が流れ、Bchモータ電流はスイッチング素子7から10がオフとなるため0となる。
更にS4は、論理信号D1とD2が共にHのため、Ach基準電圧37とBch基準電圧38は共にVREF/5×66.7%となる。モータ方向制御信号AとBは共にHのため、AchとBchモータ電流はそれぞれ「VREF/5×66.7%/電流検出抵抗6」と「VREF/5×66.7%/電流検出抵抗12」のプラス電流が流れる。
S5からS8においてAchモータ電流は、それぞれS1からS4のモータ方向制御信号Aが反転した形のため、S1からS4におけるAch電流のプラスとマイナスを反転した波形となる。
またS5からS8においてBchモータ電流についても、それぞれS1からS4のモータ方向制御信号Bを反転した形のため、S1からS4におけるBch電流のプラスとマイナスを反転した波形となる。
以上図4のタイミングチャートより、従来課題の正弦波状のモータ電流波形が実現できないことに対して、本実施の形態1のモータ駆動装置においてはAchとBchモータ電流は正弦波状の電流波形を実現することができる。
また従来は図15の通り、正弦波状のAchとBchモータ電流を実現するのに論理信号4端子を必要としていたが、本実施の形態1のモータ駆動装置においては、従来例と同じ正弦波状のモータ電流波形を論理信号2端子のみで実現することができる。そのため従来課題であった端子数が増加するという課題を対策することができている。
尚、本実施の形態1のPWM信号発生部16について、Achフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20のセット(S)信号には基準信号発生部21より一定周期でパルスが入力される。そのためAch_PWM信号17とBch_PWM信号18がLからHとなるタイミングが一定周期で決まる。よって下側スイッチング素子がオンしAch及びBchモータ電流が電源VMからそれぞれAchモータ駆動巻線5とBchモータ駆動巻線11を経由してGNDに流れ出すタイミングが一定周期で決まる方式(以下、PWM周波数一定方式)となる。本実施の形態1のPWM信号発生部16をこのPWM周波数一定方式にて説明したが、本発明はこの方式に限られるものではない。
図5にPWM信号発生部について、PWM信号発生部16以外の例としてPWM信号発生部41の一構成例を示す回路ブロック図を示す。
図5においてPWM信号発生部41はAchフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20とAchタイマー回路42とBchタイマー回路43により構成される。
Achフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20はそれぞれセット(S)信号にAchタイマー回路42とBchタイマー回路43の出力が接続される。Achタイマー回路42とBchタイマー回路43はそれぞれAch電流検出コンパレータ22とBch電流検出コンパレータ23の出力が入力される。またAchフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20のリセット(R)信号にもそれぞれAch電流検出コンパレータ22とBch電流検出コンパレータ23の出力が入力される。
次にAchタイマー回路42及びBchタイマー回路43はAch電流検出コンパレータ22とBch電流検出コンパレータ23の出力よりL信号が入力されると、任意の一定周期T2後にそれぞれAchフリップフロップ回路19とBchフリップフロップ回路20に対しLのパルスを出力する
この構成によりPWM信号発生部41は、例えばAchモータ電流がAch基準電圧37により決まる設定値に達しAch電流検出コンパレータ22がHからLとなると、Achタイマー回路42がその一定周期T2後にAchフリップフロップ回路19に対してセット(S)信号を出力する。その一定周期T2の間、Ach_PWM信号17はLのため回生(または同期整流)状態となる。一定周期T2が終わるとAchタイマー回路42はAchフリップフロップ回路19に対してセット(S)信号を出力し、Ach_PWM信号17がHとなることでまたAchモータ電流が電源VMからAchモータ駆動巻線5を経由してGNDに流れ出す。また更にAchモータ電流がAch基準電圧37により決まる設定値に達しAch電流検出コンパレータ22がHからLとなり、上記動作を繰返すこととなる。
このようにPWM信号発生部41は回生(または同期整流)状態の時間が一定周期T2により決まる方式で、PWM信号発生部としてこの方式を使用することもできる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2のモータ制御装置について説明する。
図6は本実施の形態2のモータ制御装置の一構成例を示す回路ブロック図である。図6においてデジタル・アナログ変換回路44と遮断回路45及びデジタル・アナログ変換回路44に入力される論理信号としてD3が追加された以外は実施の形態1と同じ構成のため説明は省略する。
図7はデジタル・アナログ変換回路44の一構成例を示す回路である。
図7においてVREFとGND間に抵抗R1とR2とR3とR4が直列に接続され、抵抗R1とR2の接続点にはアナログスイッチ回路ALSW1とALSW2が接続されている。また抵抗R2とR3との接続点にはアナログスイッチ回路ALSW3とALSW4が接続され、抵抗R3とR4との接続点にはアナログスイッチ回路ALSW5とALSW6が接続され、GNDにALSW7とALSW8が接続されている。
また抵抗R1とR2とR3とR4は、(R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)が1/5、(R3+R4)/(R2+R3+R4)が0.667、R4/(R2+R3+R4)が0.333となるように設定している。
アナログスイッチ回路のALSW1からALSW8は全て同じ構成の回路であり、それぞれAS1からAS8の信号が入力される。またALSW1とALSW3とALSW5とALSW7の出力は共通でAch基準電圧37となる。更にALSW2とALSW4とALSW6とALSW8の出力も共通でBch基準電圧38となる。尚、アナログスイッチ回路のALSW1からALSW8については、本実施の形態1で説明したALSW1と同じ動作となる。
AS1からAS8信号については図7の通り、論理信号D1とD2とD3を入力とする論理回路により決まり、その真理値表は表4の通りである。これらの回路構成にて表5に示すデジタル・アナログ変換回路44を構成している。
Figure 2009183019
Figure 2009183019
次に遮断回路45の詳細について説明する。図8は遮断回路45の一構成例を示す回路である。この回路構成により表6の遮断回路45の真理値表を実現している。
Figure 2009183019
次に図6における回路について、図9のタイミングチャートによりモータを実際に駆動する際の動作について説明する。まず図9のタイミングチャートのS1において、論理信号D1はH、D2はL、D3はLとなるため、Ach基準電圧37は0でBch基準電圧38はVREF/5×100%となる。またAch遮断信号39とBch遮断信号40はそれぞれLとHとなる。Ach遮断信号39がLとなるためスイッチング素子1から4は全てオフとなり、Achモータ電流が0となる。またBchモータ電流方向制御信号BがLのため「Bch基準電圧38(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗12」のマイナス電流が流れる。
次にS2について、論理信号D1はH、D2はL、D3はHとなるため、Ach基準電圧37はVREF/5×33.3%でBch基準電圧38はVREF/5×100%となる。またAch遮断信号39とBch遮断信号40はそれぞれHとなる。よってAchモータ電流はモータ電流方向制御信号AがHのため「Ach基準電圧37(=VREF/5×33.3%)/電流検出抵抗6」のプラス電流が流れ、Bchモータ電流はモータ電流方向制御信号BがLのため「Bch基準電圧38(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗12」のマイナス電流が流れる。
更にS3について、論理信号D1はH、D2はH、D3はLとなるため、Ach基準電圧37はVREF/5×66.7%でBch基準電圧38はVREF/5×66.7%となる。またAch遮断信号39とBch遮断信号40はそれぞれHとなる。よってAchモータ電流はモータ電流方向制御信号AがHのため「Ach基準電圧37(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗6」のプラス電流が流れ、Bchモータ電流はモータ電流方向制御信号BがLのため「Bch基準電圧38(=VREF/5×66.7%)/電流検出抵抗12」のマイナス電流が流れる。
続いてS4について、論理信号D1はL、D2はH、D3はHとなるため、Ach基準電圧37はVREF/5×100%でBch基準電圧38はVREF/5×33.3%となる。またAch遮断信号39とBch遮断信号40はそれぞれHとなる。よってAchモータ電流はモータ電流方向制御信号AがHのため「Ach基準電圧37(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗6」のプラス電流が流れ、Bchモータ電流はモータ電流方向制御信号BがLのため「Bch基準電圧38(=VREF/5×33.3%)/電流検出抵抗12」のマイナス電流が流れる。
S5について、論理信号D1はL、D2はH、D3はLとなるため、Ach基準電圧37はVREF/5×100%でBch基準電圧38は0となる。またAch遮断信号39とBch遮断信号40はそれぞれHとLとなる。Bch遮断信号40がLとなるためスイッチング素子7から10は全てオフとなり、Bchモータ電流が0となる。またモータ電流方向制御信号AがHのため「Ach基準電圧37(=VREF/5×100%)/電流検出抵抗6」のプラス電流が流れる。
S6とS7とS8においてBchモータ電流はそれぞれS4とS3とS2におけるモータ電流方向制御信号BがLからHに変わっただけのため、S4とS3とS2のBchモータ電流をそれぞれマイナスからプラスにしたものがそれぞれS6とS7とS8のBchモータ電流となる。またS6とS7とS8におけるAchモータ電流はそれぞれS4とS3とS2と入力信号が同じため、それぞれS4とS3とS2同じモータ電流となる。
次にS9からS16においてAchモータ電流は、S1からS8に対してモータ電流制御信号AがHからLに変わっただけのため、S1からS8におけるAchモータ電流のプラスマイナスを反転させた電流となる。また更にS9からS16においてBchモータ電流は、それぞれS1からS8におけるBchモータ電流のプラスマイナスを反転させた電流と同じとなる。
以上図6の本実施の形態2のモータ駆動装置において、本実施の形態1に比べより正弦波に近い電流を論理信号D1とD2とD3の3端子により実現できたが、図15の従来例の回路ではこのモータ電流を実現するのに4端子(D1とD2とD1’とD2’)必要となる(図10のタイミングチャート参照)。そのため本実施の形態2のモータ駆動装置については、同じ正弦波状のモータ電流波形を実現するのに従来回路に比べ端子数を削減することができる。
ステッピングモータを低騒音・低振動で駆動するためには正弦波状のモータ電流による駆動が必要となるが、従来回路はモータ電流を矩形波状にしか制御できなかった。仮に正弦波状のモータ電流を実現するためには端子数が増加する課題が発生していた。しかし本発明のモータ駆動装置によると、正弦波状のモータ電流を従来回路に比べ端子数を削減して実現することができる。そのため論理信号によりモータ電流を制御するモータ駆動装置において有用である。
本発明の実施の形態1のモータ駆動装置の一構成例を示す回路ブロック図 同実施の形態1のモータ駆動装置のデジタル・アナログ回路33の回路構成例 同実施の形態1のモータ駆動装置の遮断回路36の回路構成例 同実施の形態1のモータ駆動装置の論理信号D1とD2及びモータ電流方向制御信号AとBに対するAchとBchモータ電流のタイミングチャート 本発明の実施の形態1のモータ駆動装置の一構成例を示す回路ブロック図 本発明の実施の形態2のモータ駆動装置の一構成例を示す回路ブロック図 同実施の形態2のモータ駆動装置のデジタル・アナログ回路44の回路構成例 同実施の形態2のモータ駆動装置の遮断回路45の回路構成例 同実施の形態2のモータ駆動装置の論理信号D1とD2とD3及びモータ電流方向制御信号AとBに対するAchとBchモータ電流のタイミングチャート 従来例2のモータ駆動装置の論理信号D1とD2とD1’とD2’及びモータ電流方向制御信号AとBに対するAchとBchモータ電流のタイミングチャート 従来例1のモータ駆動装置の一構成例を示す回路ブロック図 従来例1のモータ駆動装置の論理信号D1とD2及び分周回路25及びAchフリップフロップ回路19及び電流検出抵抗6の出力電圧及びAchモータ駆動巻線5の出力電流のタイミングチャート 従来例1のモータ駆動装置の論理信号D1とD2及びモータ電流方向制御信号AとBに対するAchとBchモータ電流のタイミングチャート 従来例2のモータ駆動装置の論理信号D1とD2とD1’とD2’及びモータ電流方向制御信号AとBに対するAchとBchモータ電流のタイミングチャート 従来例2のモータ駆動装置の一構成例を示す回路ブロック図
符号の説明
1 上側スイッチング素子
2 下側スイッチング素子
3 上側スイッチング素子
4 下側スイッチング素子
5 Achモータ駆動巻線
6 電流検出抵抗
7 上側スイッチング素子
8 下側スイッチング素子
9 上側スイッチング素子
10 下側スイッチング素子
11 Bchモータ駆動巻線
12 電流検出抵抗
13 モータ
14 従来例のAch通電制御回路
15 従来例のBch通電制御回路
16 PWM信号発生部
17 Ach_PWM信号
18 Bch_PWM信号
19 Achフリップフロップ回路
20 Bchフリップフロップ回路
21 基準信号発生部
22 Ach電流検出コンパレータ
23 Bch電流検出コンパレータ
24 基準クロック
25 分周回路
26 エッジ検出微分パルス発生回路
27 従来例1のデジタル・アナログ変換回路
28 従来例1の基準電圧
29 従来例2のAchデジタル・アナログ変換回路
30 従来例2のBchデジタル・アナログ変換回路
31 従来例2のAch基準電圧
32 従来例2のBch基準電圧
33 実施の形態1のデジタル・アナログ変換回路
34 実施の形態1のAch通電制御回路
35 実施の形態1のBch通電制御回路
36 実施の形態1の遮断回路
37 実施の形態1のAch基準電圧
38 実施の形態1のBch基準電圧
39 実施の形態1のAch遮断信号
40 実施の形態1のBch遮断信号
41 実施の形態1のPWM信号発生部16の他の例
42 PWM信号発生部41のAchタイマー回路
43 PWM信号発生部41のBchタイマー回路
44 実施の形態2のデジタル・アナログ変換回路
45 実施の形態2の遮断回路
VM スイッチング素子の電源
VREF デジタル・アナログ変換回路27とAchデジタル・アナログ変換回路29とBchデジタル・アナログ変換回路30とデジタル・アナログ変換回路33とデジタル・アナログ変換回路44に入力される任意の電圧
D1、D2 デジタル・アナログ変換回路27とAchデジタル・アナログ変換回路29とデジタル・アナログ変換回路33とデジタル・アナログ変換回路44に入力される論理信号
D1’、D2’ Bchデジタル・アナログ変換回路30に入力される論理信号
D3 デジタル・アナログ変換回路44に入力される論理信号
R1〜R4 VREFとGND間に直列に接続される抵抗
AS1〜AS8 アナログスイッチ回路ALSW1〜8の制御信号

Claims (4)

  1. 第1モータ駆動巻線と第2モータ駆動巻線を逐次通電するために電源間に直列に接続された上側スイッチング素子と下側スイッチング素子を複数個備え、
    前記第1モータ駆動巻線と第2モータ駆動巻線それぞれに流れる電流を検出しその大きさに応じた出力電圧を発生させる第1電圧発生回路と第2電圧発生回路と、
    前記第1電圧発生回路と第1基準電圧により第1のPWM信号を発生させ、前記第2電圧発生回路と第2基準電圧により第2のPWM信号を発生させるPWM信号発生部と、
    前記第1モータ駆動巻線と前記第2モータ駆動巻線それぞれに対し供給する電流の方向を決める第1モータ電流方向制御信号及び第2モータ電流方向制御信号と、
    前記第1モータ電流方向制御信号と前記第1のPWM信号により前記第1モータ駆動巻線を駆動するための前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子のオンオフを制御する第1通電制御回路と、
    前記第2モータ電流方向制御信号と前記第2のPWM信号により前記第2モータ駆動巻線を駆動するための前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子のオンオフを制御する第2通電制御回路と、
    複数の論理信号の組合せに基づいて決まる2つの任意の割合と任意の電圧の掛け算により決定される2つの電圧を出力するデジタル・アナログ変換回路とを備え、
    前記第1基準電圧と第2基準電圧が前記デジタル・アナログ変換回路の2つの出力電圧によりそれぞれ決定されるモータ駆動装置。
  2. 第1モータ駆動巻線と第2モータ駆動巻線を逐次通電するために電源間に直列に接続された上側スイッチング素子と下側スイッチング素子を複数個備え、
    前記第1モータ駆動巻線と第2モータ駆動巻線それぞれに流れる電流を検出しその大きさに応じた出力電圧を発生させる第1電圧発生回路と第2電圧発生回路と、
    前記第1電圧発生回路と第1基準電圧により第1のPWM信号を発生させ、前記第2電圧発生回路と第2基準電圧により第2のPWM信号を発生させるPWM信号発生部と、
    前記第1モータ駆動巻線と前記第2モータ駆動巻線それぞれに対し供給する電流の方向を決める第1モータ電流方向制御信号及び第2モータ電流方向制御信号と、
    前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子の全てまたはいずれかをオフさせ前記第1モータ駆動巻線と前記第2モータ駆動巻線の電流供給をそれぞれ遮断させる信号として第1遮断信号と第2遮断信号を出力する遮断回路と、
    前記第1モータ電流方向制御信号と前記第1のPWM信号と前記第1遮断信号により前記第1モータ駆動巻線を駆動するための前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子のオンオフを制御する第1通電制御回路と、
    前記第2モータ電流方向制御信号と前記第2のPWM信号と前記第2遮断信号により前記第2モータ駆動巻線を駆動するための前記上側スイッチング素子と前記下側スイッチング素子のオンオフを制御する第2通電制御回路と、
    複数の論理信号の組合せに基づいて決まる2つの任意の割合と任意の電圧の掛け算により決定される2つの電圧を出力するデジタル・アナログ変換回路とを備え、
    前記第1基準電圧と第2基準電圧が前記デジタル・アナログ変換回路の2つの出力電圧によりそれぞれ決定され、前記第1遮断信号と前記第2遮断信号が複数の論理信号の組合せに基づいて決まるモータ駆動装置。
  3. 請求項1及び2のいずれか一つに記載のモータ駆動装置において、論理制御信号が2つであるモータ駆動装置。
  4. 請求項1及び2のいずれか一つに記載のモータ駆動装置において、論理制御信号が3つであるモータ駆動装置。
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