JP2015050876A - モータ駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】故障検出回路を別途設けずに、モータ駆動装置の一部を利用して電流フィードバック系の故障検出が可能なモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】電流をオンオフ制御してモータ110を駆動するモータ駆動回路100と、モータ110の駆動指示を行なう駆動指示信号Vsを発生する制御部としてのマイコン300と、モータ110に直列接続されたシャント抵抗410の電流検出信号Viに基づいて電流フィードバック系を構成する電流フィードバック回路400、ラッチ回路500と、駆動指示信号Vsとラッチ回路500から出力されるラッチ出力信号Vrとに基づいてモータ駆動回路100を駆動するゲート回路600と、を有してモータ駆動装置を構成し、マイコン300は、駆動指示信号Vsに基づいて計測された時間に基づいてラッチ出力信号Vrの状態を判断して、電流フィードバック系の故障検出を行なう。
【選択図】図4

Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特に、故障検出回路を別途設けずに電流フィードバック系の故障検出が可能なモータ駆動装置に関する。
従来、モータ等の負荷に流れる電流を電流フィードバック系により定電流制御し、このモータ駆動回路に過電流検出回路を備えたものがある(例えば、特許文献1参照)。
このモータ駆動装置は、モータに流れる電流を電圧値として検出するシャント抵抗と、この検出電圧と閾値電圧とを比較するコンパレータを有している。閾値電圧は、閾値生成回路で生成され、平均モータ電流、モータ電流の交流変化分、電源電圧値が大きいほど閾値電圧を増やし、モータの温度が低いほど閾値電圧を増やすように設定されている。これにより、所望のヒステリシス特性を保つことができ、故障検出動作と過電流検出状態からの復帰動作とを安定して行うことができるとされている。
特開2013−62721号公報
しかし、従来のモータ駆動装置は、モータ駆動装置の一部を利用して過電流等の故障検出を行なうものではなく、故障検出回路をモータ駆動装置の他に別途設ける必要があった。このため、回路スペースが増大し、部品点数が増加するという問題があった。
従って、本発明の目的は、故障検出回路を別途設けずに、モータ駆動装置の一部を利用して電流フィードバック系の故障検出が可能なモータ駆動装置を提供することにある。
[1]本発明は、上記目的を達成するために、電流をオンオフ制御してモータを駆動するモータ駆動回路と、前記モータの駆動指示を行なう駆動指示信号を発生する制御部と、前記モータに直列接続された電流検出用抵抗と比較器とにより構成され、モータ電流の電流検出信号と目標値信号との比較により比較出力信号を出力する電流フィードバック回路と、前記駆動指示信号と前記比較出力信号とに基づいて電流検出結果をラッチするラッチ回路と、前記駆動指示信号と前記ラッチ回路から出力されるラッチ出力信号とに基づいて前記モータ駆動回路を駆動するゲート回路と、を有し、前記制御部は、前記駆動指示信号に基づいて計測された時間に基づいて前記ラッチ出力信号の状態を判断して、前記電流フィードバック回路と前記ラッチ回路で構成される電流フィードバック系の故障検出を行なうことを特徴とするモータ駆動装置を提供する。
[2]前記制御部は、正常動作のときに目標電流に到達する時間と前記駆動指示信号に基づいて計測された時間とを比較判断することにより、故障検出を行なうことを特徴とする上記[1]に記載のモータ駆動装置であってもよい。
[3]また、前記制御部は、故障検出時に、前記駆動指示信号を変更して、前記モータに流れる電流をオフにする制御を行なうことを特徴とする上記[1]又は[2]に記載のモータ駆動装置であってもよい。
[4]また、前記制御部は、1チップマイコンであり、前記時間計測は、前記1チップマイコンに内蔵されたタイマーユニット部により行なわれることを特徴とする上記[1]から[3]のいずれか1に記載のモータ駆動装置であってもよい。
本発明によれば、故障検出回路を別途設けずに、モータ駆動装置の一部を利用して電流フィードバック系の故障検出が可能なモータ駆動装置を提供することができる。
図1は、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の概略構成図である。 図2は、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の回路構成図である。 図3は、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の正常動作時における各部の各信号波形を示す図である。 図4は、モータ駆動装置における電流フィードバック系の故障検出の動作を示すフローチャートである。 図5は、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の電流フィードバック系の故障発生時における各部の各信号波形を示す図である。
(モータ駆動装置1の全体構成)
図1は、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の概略構成図である。また、図2は、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の回路構成図である。
本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置1は、電流をオンオフ制御してモータ110を駆動するモータ駆動回路100と、モータ110の駆動指示を行なう駆動指示信号Vsを発生する制御部としてのマイコン300と、モータ110に直列接続された電流検出用抵抗であるシャント抵抗410と比較器420とにより構成され、モータ電流Imの電流検出信号Viと目標値信号Vrefとの比較により比較出力信号Vcを出力する電流フィードバック回路400と、駆動指示信号Vsと比較出力信号Vcとに基づいて電流検出結果をラッチするラッチ回路500と、駆動指示信号Vsとラッチ回路500から出力されるラッチ出力信号Vrとに基づいてモータ駆動回路100を駆動するゲート回路600と、を有している。
この構成において、モータ駆動回路100は、モータ110に流れる電流Imをオンオフ制御するブリッジ回路150と、ブリッジ回路100を駆動するドライブ回路200とを有している。また、マイコン300は、駆動指示信号Vsに基づいて計測された時間に基づいてラッチ出力信号Vrの状態を判断して、電流フィードバック回路400とラッチ回路500で構成される電流フィードバック系の故障検出を行なうように構成されている。
ブリッジ回路150は、4つのMOSFETで構成され、FET1とFET3の間、及び、FET2とFET4の間にモータ110が接続されるブリッジ構成とされている。FET1とFET4がON、FET2とFET3がOFFとされることにより図2に示すIm方向にモータ電流が流れ、モータ110が正回転する。逆に、FET1とFET4がOFF、FET2とFET3がONとされることにより逆方向にモータ電流が流れ、モータ110が逆回転する。これらのMOSFETのON、OFFの組合せ、タイミングによりモータ110の回転制御が行なわれる。なお、上記のMOSFETのON、OFFの組合せ、タイミングは、ドライブ回路200、及び、ゲート回路600から所定のオンオフ信号が入力されて制御される。
ドライブ回路200は、入力側がゲート回路600に接続され、出力側がブリッジ回路150にそれぞれ接続されている。ゲート回路600から出力される駆動信号Vd1、Vd2に基づいて各FETがスイッチング制御されることで、電源電圧12Vからブリッジ回路150、モータ110に電流が供給される。
マイコン300は、モータ110の駆動指示を行なう駆動指示信号Vsを発生させる駆動指示信号発生部310、Pch方向指示部320、NchFET制御信号発生部330、ラッチ出力信号入力部340、電流指令値発生部350、タイマーユニット部360等を備えた制御部として機能する1チップマイコンである。
駆動指示信号発生部310は、PWM(Pulse Width Modulation)信号としてのモータ110の駆動指示を行なう駆動指示信号Vsを発生する。例えば、マイコン300のPWM機能等を使用して、HiレベルからLoレベルの出力を一定間隔で反転出力して、モータ駆動指示時間T1の駆動指示信号Vsを発生させる。この出力である駆動指示信号Vsは、ラッチ回路500及びゲート回路600に接続される。
Pch方向指示部320は、モータ110の回転方向の制御を行なうための信号であるモータ駆動方向制御信号Vm1、Vm2を出力する。このモータ駆動方向制御信号Vm1、Vm2は、ゲート回路600のAND回路610に入力される。
NchFET制御信号発生部330は、モータ110の回転方向の制御を行なうための信号であるNchFET制御信号VF1、VF2を出力する。このNchFET制御信号VF1、VF2は、所定のタイミングでHi、Lo信号がFET3、FET4に入力されて、MOSFETをON、OFF制御する。前述のモータ駆動方向制御信号Vm1、Vm2と併せてブリッジ回路150を制御することにより、モータ110の回転方向の制御を行なう。
フィードバック入力部340は、ラッチ回路500から出力されるラッチ出力信号Vrが入力される。この入力されたラッチ出力信号Vr(=電流フィードバック信号)は、マイコン内部で、タイマーユニット部360に入力される。
電流指令値発生部350は、電流フィードバック回路400への目標電流値Vrefを指示するDC電圧の信号であり、比較器420の基準電圧(閾値)となる目標値信号Vrefを比較器420へ入力する。この目標値信号Vrefを調整することにより、モータ電流Imを制御してモータの定常回転速度を調節することができる。
タイマーユニット部360は、マイコン300に内蔵されるタイマーユニット部である。タイマーユニット部360にはラッチ出力信号Vrが入力され、駆動指示信号Vsの立ち上り時からの経過時間の計測を行なう。
以下に説明する電流フィードバック回路400とラッチ回路500により、モータ110からマイコン300への電流フィードバック系を構成する。
電流フィードバック回路400は、モータ110に直列接続されたシャント抵抗410と比較器(コンパレータ)420により構成されている。シャント抵抗410は、ローパスフィルタ(LPF)430を介して比較器420に接続されている。これにより、ノイズや電圧リップル等による不安定な動作を抑制することができる。モータ電流Imの電流検出信号Viと目標値信号Vrefとの比較により比較出力信号Vcを出力する。この電流フィードバック回路400の出力は、比較出力信号Vcとしてラッチ回路500の入力側に接続される。例えば、ドライブ回路200のONによりブリッジ回路150が駆動されて、モータ110に電流が流れると、モータ110に接続されたシャント抵抗410にもモータ110に流れる電流と同じ電流(Im)が流れる。シャント抵抗410の抵抗Raに流れるモータ電流Imにより、シャント抵抗410の両端には、電流検出信号Vi=Ra×Imが発生する。電流検出信号Viと電流指令値発生部350により生成する目標値信号Vrefとを比較器420にて比較し、目標値信号Vref<電流検出信号Viになった時に比較出力信号Vcが反転出力され、この比較出力信号Vcがラッチ回路500へ入力される。
ラッチ回路500は、マイコン300からの駆動指示信号Vsと電流フィードバック回路400からの比較出力信号Vcとが入力され、この駆動指示信号Vsと比較出力信号Vcとに基づいて、電流検出結果をラッチ(保持)する。ラッチ出力信号Vrは、ラッチ出力信号入力部340に入力されると共に、駆動停止用Tr620を介してゲート回路600に入力される。
ゲート回路600は、駆動指示信号Vsとラッチ回路500から出力されるラッチ出力信号Vrとに基づいて駆動信号Vd1、Vd2を出力する。本実施の形態では、モータ回転の方向も制御するので、駆動指示信号Vsと、ラッチ出力信号Vr又はモータ駆動方向制御信号Vm1、Vm2との論理積として、AND回路610から駆動信号Vd1、Vd2が出力される。この駆動信号Vd1、Vd2によりドライブ回路200を駆動することで、モータ110に通電する。なお、モータ駆動方向制御信号Vm1、Vm2を用いたゲート制御と共に、前述のNchFET制御信号発生部330により、モータの回転方向の制御が行なわれる。
(モータ駆動装置1の正常動作)
図3は、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の正常動作時における各部の信号波形を示す図である。この図3に示す正常動作時の主要ポイントの波形図に沿って、以下の番号(1)〜(9)順にモータ駆動装置1の正常動作(定電流制御動作)を説明する。
(1)駆動指示信号Vsが、モータ駆動指示時間T1において、Hiレベル出力(オン信号Von)となる。
(2)ゲート回路600から駆動信号Vd1、Vd2がオン出力され、FET1、4がON、FET2、3がOFFとなる。
(3)モータ110に電流Imが流れてシャント抵抗410により電流検出信号Viが発生する。
(4)電流検出信号Viが目標値信号Vrefを上回った時に、ラッチ出力信号VrがHiレベルとなる。
(5)これにより、FET1、4がOFFとなり、モータ110が停止して電流検出信号Viが0になる。
(6)所定期間経過後、駆動指示信号VsはLoレベルに切り替る。(オン信号Vonからラッチクリア信号Vclrとなる。)
(7)駆動指示信号VsのHiレベルからLoレベルの切替りエッジ(ラッチクリア信号Vclr)でラッチ回路500の保持状態が解除される。
(8)駆動指示信号VsのLoレベル期間中(ラッチクリア信号Vclr期間)は、駆動信号VdのLoレベルが継続される。
(9)所定期間経過後、駆動指示信号VsがHiレベルに切り替る(オン信号Vonとなる)。
以降(1)〜(9)の動作がモータ駆動指示時間T1の期間において繰り返される。上記の(3)と(5)のそれぞれの期間で図3で示すように、実際のモータ電流は増加、減少しながら、電流フィードバック回路400で指定した目標値信号Vrefに対応した電流値にてモータ110が定電流駆動される。
(モータ駆動装置1の故障発生時の動作)
上記示した図3において、モータ駆動時のモータ電流波形は、時定数に従って指数関数的に増加する。すなわち、モータ駆動時は、モータ110に電流が流れるため、抵抗及びコイル成分により電流は徐々に増加する。τeをインダクタンスと電機子抵抗の比とすると、モータ電流Imは、次のような式で表される。
モータ電流Im=(電源電圧12V/電機子抵抗)×(1−e-t/τe
上式より、モータ駆動時に目標値信号Vrefで設定される目標電流に達するまでの時間T2が求まる。
本実施の形態では、モータ110に電流が流れ、コイル成分により電流が徐々に増加し、目標電流に到達(電流フィードバック)するまでの時間として、上記求まったT2が、モータ駆動指示時間T1>T2の関係が満たしている場合、T2を電流フィードバック検出時間に設定する。
すなわち、マイコン300から出力された駆動指示信号Vs(モータ駆動指示時間T1)によりモータ110の駆動指示後、電流フィードバック検出時間T2経過してもラッチ出力信号Vrが反転出力されない場合は、回路異常(電流フィードバック系の故障)と判断して、駆動指示信号VsをLoにして、モータ110駆動を停止させる。
図4は、モータ駆動装置における電流フィードバック系の故障検出の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに基づいて、マイコン300による故障検出の方法を説明する。
まず、マイコン300は、駆動指示信号Vsの立ち上がりを検出したかどうかを判断する(Step1)。駆動指示信号Vsの立ち上がりを検出した場合はStep2へ進み、検出しない場合は、Step1を繰り返して実行する。
Step2では、タイマーユニット部360によるカウントを開始する。内部カウンタ値TCNTをリセットした状態からカウントを開始する。
タイマーユニット部360は、カウンタ値TCNTに対応する時間T、すなわち、T(TCNT)が電流フィードバック検出時間T2に達したかどうかを判断する。T2に達してない場合はカウンタ値TCNTに1を加えてStep3を繰り返して実行し、T2に達した場合はStep4へ進む(Step3)。
Step4では、タイマーユニット部360によるカウントを停止する。
マイコン300は、T2<モータ駆動指示時間T1を満たすかどうかを判断する。満たさない(No)場合は、故障判断フローを終了し、満たす場合(Yes)は、Step6へ進む(Step5)。
マイコン300は、ラッチ出力信号Vrが反転してHiになったかどうかを判断する。Noの場合は、故障判断フローを終了し、Yesの場合は、Step7へ進む(Step6)。
マイコン300は、駆動指示信号VsをLowに制御してモータ110を停止させる。すなわち、マイコン300は電流フィードバック系の故障と判断し、所定周期のPWM信号である駆動指示信号Vsを停止させ、Lowレベルに変更する(Step7)。これにより、モータ110が停止して、故障発生時の安全性が確保される。
図5は、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の電流フィードバック系の故障発生時における各部の各信号波形を示す図である。この図5に示す故障発生時の主要ポイントの波形図に沿って、以下の番号(1)〜(5)順にモータ駆動装置1の動作を説明する。
(1)駆動指示信号Vsが、モータ駆動指示時間T1において、Hiレベル出力(オン信号Von)となる。
(2)ゲート回路600から駆動信号Vd1、Vd2がオン出力され、FET1、4がON、FET2、3がOFFとなる。
(3)モータ110に電流Imが流れてシャント抵抗410により電流検出信号Viが発生する。
(4)電流フィードバック系の故障が発生する。すなわち、電流フィードバック回路400又はラッチ回路500で故障が発生する。これにより、電流フィードバック検出時間T2を経過しても、ラッチ出力信号Vrが反転しない。
(5)マイコン300は、駆動指示信号VsをLowに制御してする。これにより、駆動信号Vd1、Vd2がLowになり、FET1、4がOFFとなってモータ110が停止する。
上記(1)〜(5)の動作により、電流フィードバック系の故障発生時にモータ110の駆動が停止される。
(本発明の実施の形態の効果)
上記のように構成されたモータ駆動装置1によると、以下のような効果を有する。
(1)本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置1は、マイコン300のタイマーユニット部により駆動指示信号Vsの立ち上がりからの経過時間をカウントし、電流フィードバック検出時間T2の経過時におけるラッチ出力信号Vrの反転出力を検出することで、電流フィードバック系の故障を検出する。これにより、故障検出回路を別途設けずに、モータ駆動装置の一部を利用して電流フィードバック系の故障検出が可能なモータ駆動装置を提供することができる。
(2)電流フィードバック系(電流フィードバック回路400、ラッチ回路500)が故障している場合でも、モータ110には電流が流れる。したがって、故障発生時には、モータ110に過電流が流れるおそれがあるが、本実施の形態により、モータへの過電流が防止できる。
(3)電流フィードバック検出時間T2は、温度等の動作環境に応じて変更することが可能であり、最適なT2を設定することにより、適切な故障検出が可能である。また、目標電流に到達(電流フィードバック)するまでの計算上の時間よりも電流フィードバック検出時間T2を長く設定することにより、正常な電流制御動作を阻害することなく故障検出機能を付加することもできる。
(4)別途、故障検出回路を設ける必要がないので、回路スペースを縮小することができ、基板の小型化及び基板スペースの有効利用が可能となる。
(5)上記した回路スペース縮小、基板の小型化及び基板スペースの有効利用により、製品コストの改善にも効果を有する。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。本実施の形態は、電流をオンオフ制御してモータを駆動するモータ駆動装置について説明したが、モータには限られず、電流をオンオフ制御して駆動を制御できる負荷であれば、負荷駆動装置として適用可能である。モータ以外の負荷としては、電磁コイル、ヒータ等、電流駆動が可能なものであれば適用可能である。
また、これら新規な実施の形態およびその変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、上記実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、上記実施の形態およびその変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…モータ駆動装置
100…モータ駆動回路
110…モータ
150…ブリッジ回路
200…ドライブ回路
300…マイコン
310…駆動指示信号発生部
320…Pch方向指示部
330…NchFET制御信号発生部
340…ラッチ出力信号入力部
350…電流指令値発生部
360…タイマーユニット部
400…電流フィードバック回路
410…シャント抵抗
420…比較器
430…LPF
500…ラッチ回路
600…ゲート回路
610…AND回路
620…駆動停止用Tr
Im…モータ電流
Vs…駆動指示信号
Vref…目標値信号
Vc…比較出力信号
Vd1、Vd2…駆動信号
Vr…ラッチ出力信号
Vi…電流検出信号
Vm1、Vm2…モータ駆動方向制御信号
F1、VF2…NchFET制御信号
Von…オン信号
Vclr…ラッチクリア信号
T1…モータ駆動指示時間
T2…電流フィードバック検出時間
[1]本発明は、上記目的を達成するために、電流をオンオフ制御してモータを駆動するモータ駆動回路と、前記モータの駆動指示を行なう駆動指示信号を発生する制御部と、前記モータに直列接続された電流検出用抵抗と比較器とにより構成され、モータ電流の電流検出信号と目標値信号との比較により比較出力信号を出力する電流フィードバック回路と、前記駆動指示信号と前記比較出力信号とに基づいて電流検出結果をラッチするラッチ回路と、前記駆動指示信号と前記ラッチ回路から出力されるラッチ出力信号とに基づいて前記モータ駆動回路を駆動するゲート回路と、を有し、前記制御部は、正常動作のときに目標電流に到達する時間と前記駆動指示信号に基づいて計測された時間とを比較判断することにより前記ラッチ出力信号の状態を判断して、前記電流フィードバック回路と前記ラッチ回路で構成される電流フィードバック系の故障検出を行なうことを特徴とするモータ駆動装置を提供する。
[3]また、前記制御部は、故障検出時に、前記駆動指示信号を変更して、前記モータに流れる電流をオフにする制御を行なうことを特徴とする上記[1]に記載のモータ駆動装置であってもよい。
[4]また、前記制御部は、1チップマイコンであり、前記時間計測は、前記1チップマイコンに内蔵されたタイマーユニット部により行なわれることを特徴とする上記[1]又は[2]に記載のモータ駆動装置であってもよい。
マイコン300は、ラッチ出力信号Vrが反転してHiになったかどうかを判断する。Yesの場合は、故障判断フローを終了し、Noの場合は、Step7へ進む(Step6)。

Claims (4)

  1. 電流をオンオフ制御してモータを駆動するモータ駆動回路と、
    前記モータの駆動指示を行なう駆動指示信号を発生する制御部と、
    前記モータに直列接続された電流検出用抵抗と比較器とにより構成され、モータ電流の電流検出信号と目標値信号との比較により比較出力信号を出力する電流フィードバック回路と、
    前記駆動指示信号と前記比較出力信号とに基づいて電流検出結果をラッチするラッチ回路と、
    前記駆動指示信号と前記ラッチ回路から出力されるラッチ出力信号とに基づいて前記モータ駆動回路を駆動するゲート回路と、を有し、
    前記制御部は、前記駆動指示信号に基づいて計測された時間に基づいて前記ラッチ出力信号の状態を判断して、前記電流フィードバック回路と前記ラッチ回路で構成される電流フィードバック系の故障検出を行なうことを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 前記制御部は、正常動作のときに目標電流に到達する時間と前記駆動指示信号に基づいて計測された時間とを比較判断することにより、故障検出を行なうことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記制御部は、故障検出時に、前記駆動指示信号を変更して、前記モータに流れる電流をオフにする制御を行なうことを特徴とする請求項1又は2に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記制御部は、1チップマイコンであり、前記時間計測は、前記1チップマイコンに内蔵されたタイマーユニット部により行なわれることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のモータ駆動装置。
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