JP2014239591A - モータ駆動装置及びパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】取り扱いが容易且つ簡易な構成でコイル電流を制御することが可能なモータ駆動装置及びパワーモジュールを提供する。【解決手段】モータ駆動装置は、モータを構成するコイルに流れる電流を増加させる第１のモードと前記電流を第１の減衰率で減衰させる第２のモードと前記電流を前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減衰させる第３のモードとに従い前記モータを駆動し、所定の最小時間以上に渡って前記第１のモードに従い前記モータを駆動し、前記第１のモードに従う駆動後の前記電流が第２の基準値以上のとき、前記第２のモードに従い前記モータを駆動し、前記第１のモードに従う駆動終了時の前記電流が前記第２の基準値よりも低い第１の基準値以上であり且つ前記第２の基準値よりも小さいとき、前記第３のモードに従い前記モータを駆動する。【選択図】図１

Description

本発明は、ステッピングモータ等のモータを駆動するための駆動装置及びパワーモジュールに関する。

ステッピングモータは、ファクシミリ・複写機・プリンタといったＯＡ機器から、工作機械・ロボット・半導体製造装置をはじめとするＦＡ機械等の原動力として利用されている。ステッピングモータは、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とを有し、ステータの複数の極にコイルが巻かれている。ステッピングモータの駆動装置は、コイルに流れる電流を制御することでロータを任意の位置に移動させることができる。

モータコイルに流れるリップル電流を抑制するために、第１の減衰率と該第１の減衰率より小さい第２の減衰率とを混合して複数の混合減衰率を設定する減衰率制御回路と、混合減衰率で駆動電流を減衰させる励磁パターンを生成する制御論理回路と、励磁パターンに従って駆動電流をステッピングモータに出力する駆動電流出力回路と、を備えるモータ駆動装置が知られている（特許文献１）。

特開２００９−２１３３４４号公報

特許文献１によれば、ステッピングモータの仕様、用途等に応じて駆動電流の減衰率を詳細に設定できる機能を有するモータ駆動装置が提供されるが、減衰率を設定するためにはモータ速度等の条件を変えて複数の予備実験を行わなければならない。また、減衰率を設定するための外部端子が駆動装置に設けられるため、駆動装置の構造が複雑になってしまう。

本発明は、上記問題点を鑑み、取り扱いが容易且つ簡易な構成でコイル電流を制御することが可能なモータ駆動装置及びパワーモジュールを提供するものである。

本発明の一態様によれば、モータを構成するコイルに流れる電流を増加させる第１のモードと前記電流を第１の減衰率で減衰させる第２のモードと前記電流を前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減衰させる第３のモードとに従い前記モータを駆動し、所定の最小時間以上に渡って前記第１のモードに従い前記モータを駆動し、前記第１のモードに従う駆動終了時の前記電流が第２の基準値以上のとき、前記第２のモードに従い前記モータを駆動し、前記第１のモードに従う駆動終了時の前記電流が前記第２の基準値よりも低い第１の基準値以上であり且つ前記第２の基準値よりも小さいとき、前記第３のモードに従い前記モータを駆動することを特徴とする。

なお、本発明における減衰率は、時間に対してコイル電流が減少する割合（ｄｉ／ｄｔ）を意味する。

本発明によれば、取り扱いが容易且つ簡易な構成でコイル電流を制御することが可能なモータ駆動装置及びパワーモジュールを提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置及びパワーモジュールの構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置の動作説明図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置及びパワーモジュールの構成を示す回路図である。本実施形態に係るパワーモジュール１００は、第１のパワートランジスタＭ１と第２のパワートランジスタＭ２と第３のパワートランジスタＭ３と第４のパワートランジスタＭ４とからなるフルブリッジ回路と、フルブリッジ回路を駆動するためのモータ駆動装置１０と、を備える。

第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４のそれぞれは、ドレイン端子（高圧側端子）とソース端子（低圧側端子）とゲート端子（制御端子）を有し、それぞれのソース端子からドレイン端子に向かって電流を流すことができる寄生ダイオードを有するパワーＭＯＳＦＥＴからなる。

フルブリッジ回路において、第２及び第３のパワートランジスタＭ２，Ｍ３のドレイン端子はモータ電源に接続される。第２のパワートランジスタＭ２のソース端子は第１のパワートランジスタＭ１のドレイン端子に接続され、第３のパワートランジスタＭ３のソース端子は第４のパワートランジスタＭ４のドレイン端子に接続される。第１及び第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ４のソース端子は第１の検出抵抗Ｒｓを介して接地される。第１及び第２のパワートランジスタＭ１，Ｍ２の接続点は、パワーモジュール１００の第１の出力端子であり、負荷であるコイルＬ１の一端に接続される。第３及び第４のパワートランジスタＭ３，Ｍ４の接続点は、パワーモジュール１００の第２の出力端子であり、コイルＬ１の他端に接続される。すなわち、第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は、Ｈ型に結線され、フルブリッジ回路を構成する。

モータ駆動装置１０は、少なくとも、第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の各ゲート端子と、コイルＬ１に流れるコイル電流を検出する検出抵抗Ｒｓと、に接続される。また、モータ駆動装置１０は、各パワートランジスタをオンオフ制御するための制御回路１１と、コイル電流に基づく電圧信号を第１及び第２の基準値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２と比較する第１及び第２のコンパレータ１２，１３と、後述する第１モードに従うモータ駆動の最小時間を定義するブランク回路１４と、を備える。なお、第１の基準値Ｖｒｅｆ１は、モータステップ角に応じて変化する基準電圧であり、第２の基準値Ｖｒｅｆ２は、第１の基準値Ｖｒｅｆ１に正の電圧オフセットＶｏｆｆｓｅｔを加えた基準電圧である。モータ駆動装置１０は、コイル電流に基づく電圧信号を第１の基準値Ｖｒｅｆ１に近づけるように各パワートランジスタをオンオフさせる。

制御回路１１は、第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の各ゲート端子と第１及び第２のコンパレータ１２，１３の出力端子とに接続される。第１のコンパレータ１２の第１の入力端子（正の入力端子）はブランク回路１４に接続され、第２の入力端子（負の入力端子）は第１の基準値Ｖｒｅｆ１に接続される。第２のコンパレータ１３の第１の入力端子（正の入力端子）はブランク回路１４に接続され、第２の入力端子（負の入力端子）は第２の基準値Ｖｒｅｆ２に接続される。ブランク回路１４は第１及び第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ４のソース端子と検出抵抗Ｒｓとの接続点に接続される。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置の動作を示すフローチャートである。また、図３は本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置の動作説明図であり、図中の矢印は電流の流れる経路を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置１０は、コイルＬ１に流れる電流を増加させる第１のモードと、コイル電流を第１の減衰率で減衰させる第２のモードと、コイル電流を第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減衰させる第３のモードとに従いモータを駆動する。また、モータ駆動装置１０は、所定の最小時間以上に渡って第１のモードに従いモータを駆動し、第１のモードに従う駆動終了時のコイル電流が第２の基準値以上のとき第２のモードに従いモータを駆動し、前記第１のモードに従う駆動終了時の前記電流が前記第２の基準値よりも低い第１の基準値以上であり且つ前記第２の基準値よりも小さいとき第３のモードに従いモータを駆動する。

まず、図３（ａ）に示すように、少なくとも所定の最小時間に渡って、モータ駆動装置１０は第１のモードに従ってフルブリッジ回路を駆動する。第２及び第４のパワートランジスタＭ２，Ｍ４がオンされ、第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３がオフされ、電流がＭ２，Ｍ４，Ｌ１からなる経路に流れる。第１のモードにおいて、コイルＬ１に流れるコイル電流は時間の経過とともに増加する。コイル電流は、検出抵抗Ｒｓを流れることでコイル電流の大きさを表す電圧信号ＶＲｓに変換され、ブランク回路１４に出力される。ブランク回路１４は、第１のモードに従うモータ駆動の開始直後、電圧信号ＶＲｓを第１のコンパレータ１２及び第２のコンパレータ１３に出力せず、ブランク回路１４により定められる所定の最小時間が経過すると、電圧信号ＶＲｓを第１及び第２のコンパレータの第１の出力端子に出力する。第１のモードに従うモータ駆動は、所定の最小時間が経過し、且つ、電圧信号ＶＲｓが第１の基準値Ｖｒｅｆ１以上になるまで継続される。

次に、制御回路１１は、第１のモードに従うモータ駆動が終了した直後の第１及び第２のコンパレータの出力に応じて第２のモード又は第３のモードを選択する。第１のモードに従うモータ駆動の終了時、コイル電流が大きく電圧信号ＶＲｓが第２の基準値Ｖｒｅｆ２以上の場合、制御回路１１は第２のモードを選択する。従って、図３（ｂ）に示すように、モータ駆動装置１０は第２のモードに従ってフルブリッジ回路を駆動する。少なくとも第２及び第４のパワートランジスタＭ２，Ｍ４がオフされ、電流がＭ１，Ｍ３，Ｌ１からなる経路に流れる。第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３がオフされると、上記電流は第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３の寄生ダイオードを流れ、第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３がオンされると、上記電流は第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３のチャネルを流れる。第２のモードにおいて、コイルＬ１の両端電圧はモータ電源の電圧でクランプされるため、コイル電流は時間の経過とともに比較的大きい第１の減衰率で減少する。

第１のモードに従うモータ駆動の終了時、コイル電流が小さく電圧信号ＶＲｓが第１の基準値Ｖｒｅｆ１以上であり且つ第２の基準値Ｖｒｅｆ２よりも低い場合、制御回路１１は第３のモードを選択する。従って、図３（ｃ）に示すように、モータ駆動装置１０は第３のモードに従ってフルブリッジ回路を駆動する。第４のパワートランジスタＭ４がオンされ、少なくとも第２及び第３のパワートランジスタＭ２，Ｍ３がオフされ、電流がＭ１，Ｍ４，Ｌ１からなる経路に流れる。第１のパワートランジスタＭ１がオフされると、上記電流は第１のパワートランジスタＭ１の寄生ダイオードを流れ、第１のパワートランジスタＭ１がオンされると、上記電流は第１のパワートランジスタＭ１のチャネルを流れる。第３のモードにおいて、コイルＬ１の両端電圧は第１のパワートランジスタＭ１の寄生ダイオードの順方向電圧でクランプされるため、コイル電流は時間の経過とともに第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減少する。

本実施形態に係る駆動装置１０は、上記のように第１乃至第３のモードを繰り返し切り替えてフルブリッジ回路を駆動することで、コイルＬ１に流れる電流を所定の値に制御する、すなわちモータを定電流駆動することができる。

なお、図３（ｄ）に示すように、モータ駆動装置１０は第３のモードの代わりに第４のモードに従ってフルブリッジ回路を駆動しても良い。このとき、２のパワートランジスタＭ２がオンされ、少なくとも第１及び第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ４がオフされ、電流がＭ２，Ｍ３，Ｌ１からなる経路に流れる。第３のパワートランジスタＭ３がオフされると、上記電流は第３のパワートランジスタＭ３の寄生ダイオードを流れ、第３のパワートランジスタＭ３がオンされると、上記電流は第３のパワートランジスタＭ３のチャネルを流れる。第４のモードにおいて、コイルＬ１の両端電圧は第３のパワートランジスタＭ３の寄生ダイオードの順方向電圧でクランプされるため、コイル電流は、時間の経過とともに第２の減衰率と略等しい減衰率で減少する。

また、モータ駆動装置１０は、一旦フルブリッジ回路が第２のモードに従い駆動された後、モータステップ角の変更に伴い第１の基準値Ｖｒｅｆ１が変更されるまでの間、図２に破線で示すように、電圧信号ＶＲｓと第２の基準値Ｖｒｅｆ２との比較結果を無視して第２のモードに従ってフルブリッジ回路を駆動することが好ましい。この場合、同一のモータステップ角におけるコイル電流がより安定し、モータを良好に定電流駆動することができる。

また、モータ駆動装置１０は、第２のモードに従うモータ駆動の後であって、第１のモードに従うモータ駆動の前に、第２のモードに続けて第３のモード又は第４のモードに従ってモータ駆動しても良い。この場合、コイル電流の過剰な減少が抑制されるので、コイル電流のリップルが低減される。

制御回路１１は、第１のモードに従うモータ駆動によって増加したコイル電流の大きさに基づき、コイル電流を第１の減衰率で減衰させる第２のモードと、コイル電流を第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減衰させる第３のモードと、を選択してフルブリッジ回路を制御する。従って、本実施形態に係るモータ駆動装置１０は、動作モードを設定するための予備実験の実施或いは外部端子の設置を省略することができる。

また、本実施形態に係るモータ駆動装置１０は、コイル電流が第１の基準値Ｖｒｅｆ１と電圧信号ＶＲｓとで決まる設定電流に追従しているときは、低速減衰モードによる電流回生を行うことでコイル電流のリップル及びモータ損失を低減する。一方、コイル電流が上記設定電流を逸脱するときは、高速減衰モードによる電流回生を行う。従って、本実施形態に係るモータ駆動装置１０は、モータステップ角の精度を向上させるとともにモータの振動及び脱調を抑制することができ、用途等に応じた最適な条件でモータを駆動することができる。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、パワートランジスタは、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はバイポーラトランジスタからなるディスクリート素子でも良く、駆動装置と同一チップ上に形成されるトランジスタ素子でも良い。また、第１乃至第４のモードはコイルＬ１に同一方向の電流を流すモードであるが、駆動装置は、これと反対方向の電流を流す他のモードに従ってフルブリッジ回路を駆動しても良い。

１０ モータ駆動装置
１１ 制御回路
１２ 第１のコンパレータ
１３ 第２のコンパレータ
１４ ブランク回路
Ｍ１ 第１のパワートランジスタ
Ｍ２ 第２のパワートランジスタ
Ｍ３ 第３のパワートランジスタ
Ｍ４ 第４のパワートランジスタ
Ｌ１ コイル
Ｖｒｅｆ１ 第１の基準値
Ｖｒｅｆ２ 第２の基準値
ＶＲｓ 検出抵抗

Claims (5)

1. モータを構成するコイルに流れる電流を増加させる第１のモードと前記電流を第１の減衰率で減衰させる第２のモードと前記電流を前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減衰させる第３のモードとに従い前記モータを駆動し、
   所定の最小時間以上に渡って前記第１のモードに従い前記モータを駆動し、
   前記第１のモードに従う駆動終了時の前記電流が第２の基準値以上のとき、前記第２のモードに従い前記モータを駆動し、
   前記第１のモードに従う駆動終了時の前記電流が前記第２の基準値よりも低い第１の基準値以上であり且つ前記第２の基準値よりも小さいとき、前記第３のモードに従い前記モータを駆動することを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記第１の基準値は、前記モータのモータステップ角に応じて変化する基準値であり、前記第２の基準値は、前記第１の基準値に正の電圧を加えた基準値であることを特徴とする請求項１に記載されるモータ駆動装置。
3. 前記第２のモードに従い駆動された後、前記第１の基準値が変更されるまでの間、前記電流と前記第１の基準値との比較結果を無視することを特徴とする請求項２に記載されるモータ駆動装置。
4. 前記第２のモードに従い前記モータを駆動した後、前記第３のモードに従い前記モータを駆動することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載されるモータ駆動装置。
5. 第１のパワートランジスタと第２のパワートランジスタと第３のパワートランジスタと第４のパワートランジスタとからなり、前記コイルに接続されるフルブリッジ回路と、請求項１乃至４のいずれか１項に記載されるモータ駆動装置と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。
   

Images