JP2016052141A - Motor drive device and power module - Google Patents
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Abstract
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並びにパワーモジュールに関する。 The present invention relates to a drive device and a power module for driving a motor such as a stepping motor.
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。 Stepping motors are used as a driving force for office automation equipment such as facsimile machines, copiers, and printers, as well as FA machines including machine tools, robots, and semiconductor manufacturing apparatuses. The stepping motor has a stator (stator) and a rotor (rotor), and coils are wound around a plurality of poles of the stator. The stepping motor drive device can move the rotor to an arbitrary position by controlling the current flowing in the coil.
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の減衰率とを組み合わせ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)。 An attenuation rate control circuit for setting a plurality of mixed attenuation factors by combining a first attenuation factor and a second attenuation factor smaller than the first attenuation factor in order to suppress a ripple current flowing in the motor coil; A motor drive device is known that includes a control logic circuit that generates an excitation pattern that attenuates a drive current with an attenuation rate, and a drive current output circuit that outputs a drive current to a stepping motor according to the excitation pattern (Patent Document 1). .
特許文献1によれば、モータ駆動装置のユーザが、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。しかしながら、ユーザ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。 According to Patent Document 1, a motor drive device having a function that allows a user of the motor drive device to set the attenuation rate of the drive current in detail according to the specification, application, etc. of the stepping motor is provided. However, in order for the user to set the attenuation rate, a plurality of preliminary experiments must be performed while changing conditions such as the motor speed. In addition, since an external terminal for setting the attenuation factor is provided in the drive device, the structure of the drive device becomes complicated.
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並びにパワーモジュールを提供するものである。 In view of the above problems, the present invention provides a motor driving device and a power module capable of controlling the coil current with an easy and simple configuration.
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コイル電流を増加させる電源供給モードと前記コイル電流を減衰させる減衰モードとを切り替えることで前記コイル電流を制御するモータ駆動装置であって、前記減衰モードは、前記コイル電流を第1の減衰率で減衰させる第1の減衰モードと、前記コイル電流を前記第1の減衰率よりも小さい第2の減衰率で減衰させる第2の減衰モードと、が所定の比率で組み合わされてなり、前記コイルに供給される電源電圧値が所定値以上のときは、前記コイルに供給される電源電圧値が所定値未満のときよりも前記第1の減衰モードの組み合わせ比率を小さくすることを特徴とする。 According to one aspect of the present invention, there is provided a motor drive device that controls the coil current by switching between a power supply mode for increasing a coil current flowing in a coil constituting the motor and an attenuation mode for attenuating the coil current. The attenuation mode includes a first attenuation mode for attenuating the coil current with a first attenuation factor and a second attenuation for attenuating the coil current with a second attenuation factor smaller than the first attenuation factor. Mode is combined at a predetermined ratio, and when the power supply voltage value supplied to the coil is greater than or equal to a predetermined value, the first power supply voltage value supplied to the coil is less than the first value. The combination ratio of the attenuation modes is reduced.
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。 The attenuation rate in the present invention means a rate (di / dt) at which the coil current decreases with respect to time.
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並びにパワーモジュールを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the motor drive device and power module which can control a coil electric current with an easy and simple structure can be provided.
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。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic. Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention have the following structure and arrangement of components. It is not something specific. The embodiment of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
図1は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置並びに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、第1乃至第3の抵抗R1,R2,R3と、を備える。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a motor drive device and a power module according to an embodiment of the present invention. The
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D1,D2,D3,D4を有するパワーMOSFETからなる。 Each of the first to fourth power transistors M1, M2, M3, and M4 has a drain terminal (high-voltage side terminal), a source terminal (low-voltage side terminal), and a gate terminal (control terminal). It consists of a power MOSFET having parasitic diodes D1, D2, D3, and D4 that can flow current toward the drain terminal.
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。
In the full bridge circuit, the drain terminals of the second and third power transistors M2 and M3 are connected to the motor power supply. The source terminal of the second power transistor M2 is connected to the drain terminal of the first power transistor M1, and the source terminal of the third power transistor M3 is connected to the drain terminal of the fourth power transistor M4. The source terminals of the first and fourth power transistors M1 and M4 are grounded via the first detection resistor Rs. A connection point between the first and second power transistors M1 and M2 is a first output terminal of the
モータ駆動装置10は、モータを構成するコイルL1に流れるコイル電流を増加させる電源供給モードとコイル電流を減衰させる減衰モードとを切り替えることでコイル電流を制御する。減衰モードは、コイル電流を第1の減衰率で減衰させる高速減衰モードと、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低速減衰モードと、が所定の比率で組み合わされてなる。モータ駆動装置10は、モータ電源の電圧値が所定値以上のときは、モータ電源の電圧値が所定値未満のときよりも高速減衰モードの組み合わせ比率を小さくする。
The
モータ駆動装置10は、少なくとも、モータ電源と、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IL1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、モータ電源の電圧値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CMP1,CMP2と、を備える。なお、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。また、モータ駆動装置10は、検出抵抗Rsに接続される第3のコンパレータCMP3を備え、第3の基準値Vref3で規定される目標電流値をピークとした定電流制御が行えるように各パワートランジスタをオンオフさせる。
The
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乃至第3のコンパレータCMP1,CMP2,CMP3の出力端子とに接続される。第1のコンパレータCMP1の第1の入力端子(正の入力端子)は第1の抵抗R1と第2の抵抗R2との接続点に接続され、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CMP2の第1の入力端子(正の入力端子)は第2の抵抗R2と第3の抵抗R3との接続点に接続され、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。第3のコンパレータCMP3の第1の入力端子(正の入力端子)は検出抵抗Rsに接続され、第2の入力端子(負の入力端子)は第3の基準値Vref3に接続される。第1乃至第3の抵抗R1,R2,R3は、モータ電源と接地点との間において直列接続され、モータ電源の電圧値V1を分圧して第1及び第2のコンパレータCMP1,CMP2に出力する。なお、第2の抵抗R2は省略可能であり、第2のコンパレータCMP2の第1の入力端子は第1の抵抗R1と第3の抵抗R3との接続点に接続されても良い。
The
モータ電源電圧の使用範囲は一般的に12V系、24V系、48V系が主流であるため、第1及び第2の基準値Vref1,Vref2はこれらの電圧値を避けて設定されることが好ましい。また、第1及び第2のコンパレータCMP1、CMP2は、電源電圧変動による誤動作を防止するため、ヒステリシスを設けられることが好ましい。 Since the motor power supply voltage is generally used in the 12V system, 24V system, and 48V system, the first and second reference values Vref1 and Vref2 are preferably set avoiding these voltage values. The first and second comparators CMP1 and CMP2 are preferably provided with hysteresis in order to prevent malfunction due to power supply voltage fluctuations.
図2は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の動作を示す波形図である。図中の実線はコイルL1に流れるコイル電流IL1を示し、破線はコイル電流IL1の目標電流値I1及び期間T3終了時の電流値I2を示す。また、図3は本発明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及び方向を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置10は、コイル電流IL1を増加させる電流供給モードと、コイル電流IL1を第1の減衰率で減衰させる第1の減衰モードと、コイル電流IL1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2の減衰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、モータ電源の電圧値V1が所定値以上のときは、モータ電源の電圧値V1が所定値未満のときよりも、減衰モードの駆動期間における第1の減衰モードの駆動期間の割合を小さくする。
FIG. 2 is a waveform diagram showing the operation of the motor drive device according to the embodiment of the present invention. The solid line in the figure indicates the coil current IL1 flowing through the coil L1, and the broken line indicates the target current value I1 of the coil current IL1 and the current value I2 at the end of the period T3. FIG. 3 is an operation explanatory diagram of the motor drive device according to the embodiment of the present invention, and arrows in the figure indicate a path and direction of current flow. The
まず、期間T1において、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は電流供給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、コイル電流IL1は時間の経過とともに増加する。コイル電流IL1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、第3のコンパレータCMP3の第1の出力端子に出力される。電流供給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、コイル電流IL1が目標電流値I1以上になるまで継続される。
First, in the period T1, as shown in FIG. 3A, the
電流供給モードに従うモータ駆動の終了後、期間T2において、図3(b)に示すように、モータ駆動装置10は第1の減衰モード(高速減衰モード)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、コイル電流IL1は急峻な減少傾向になる。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、コイル電流IL1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、コイル電流IL1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1の減衰モードにおいて、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IL1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。
After the end of the motor driving according to the current supply mode, in period T2, as shown in FIG. 3B, the
第1の減衰モードに従うモータ駆動の終了後、期間T3において、図3(c)に示すように、モータ駆動装置10は第2の減衰モード(低速減衰モード)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、コイル電流IL1は緩やかな減少傾向になる。第1のパワートランジスタM1がオフされると、コイル電流IL1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、コイル電流IL1は第1のパワートランジスタM1のチャネルを流れる。第2の減衰モードにおいて、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IL1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。
After the motor driving according to the first attenuation mode is completed, in the period T3, as shown in FIG. 3C, the
図4は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の動作を示す図である。図中の期間T2の割合は、期間T1とT2とを足した期間における期間T2の時間的な割合であり、本発明における組み合わせ比率に相当する。モータ電源の電圧値V1が低く第1及び第2のコンパレータCMP1,CMP2の出力がいずれもLであるとき、期間T2と期間T3を合わせた減衰モードの駆動期間における期間T2の割合は30%である。モータ電源の電圧値V1が高く第1のコンパレータCMP1の出力がHであり第2のコンパレータCMP2の出力がLであるとき、期間T2の割合は20%に低下する。モータ電源の電圧値V1がより高く第1及び第2のコンパレータCMP1,CMP2の出力がいずれもHであるとき、期間T2の割合は10%に低下する。従って、本実施形態に係るモータ駆動装置10は、モータ電源の電圧値が高くなると第1の減衰モードに従う駆動時間を短くする。
FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of the motor drive device according to the embodiment of the present invention. The ratio of the period T2 in the figure is the time ratio of the period T2 in the period obtained by adding the periods T1 and T2, and corresponds to the combination ratio in the present invention. When the voltage V1 of the motor power supply is low and the outputs of the first and second comparators CMP1 and CMP2 are both L, the ratio of the period T2 in the driving period of the attenuation mode including the period T2 and the period T3 is 30%. is there. When the voltage value V1 of the motor power supply is high and the output of the first comparator CMP1 is H and the output of the second comparator CMP2 is L, the ratio of the period T2 decreases to 20%. When the voltage value V1 of the motor power supply is higher and the outputs of the first and second comparators CMP1 and CMP2 are both H, the ratio of the period T2 is reduced to 10%. Therefore, the
本実施形態に係る駆動装置10は、上記のように各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。このとき、第3の基準値Vref3で規定される目標電流値I1をピークとし、期間T3終了時の電流値をボトムとするリップル電流(I1−I2)が生じる。期間T2の割合を固定すると、モータ電源電圧が高いときにリップル電流が大きくなってしまう。本実施形態に係る駆動装置10は、モータ電源電圧が高いときに第1の減衰モードの駆動期間の割合を小さくすることで、モータ電源電圧に影響されにくい安定したモータパフォーマンスを得られる。また、減衰率を設定するための予備実験を行う必要性が減り、減衰率を設定するための外部端子をモータ駆動装置に設ける必要もなくなる。従って、本実施形態によれば、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並びにパワーモジュールを提供できる。
The driving
なお、モータ駆動装置10は、図3(d)に示すような第2の減衰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。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。
The
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、モータ駆動装置及びパワーモジュールは、ステッピングモータに限らず三相ブラシレスモータを駆動できる構成であっても良い。また、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。 As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. That is, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description. For example, the motor drive device and the power module may be configured to drive not only a stepping motor but also a three-phase brushless motor. The power transistor may be a discrete element made of a P-channel MOSFET, IGBT, or bipolar transistor, or may be a transistor element formed on the same chip as the driving device. The first to fourth modes are modes in which a current in the same direction flows through the coil L1, but the driving device may drive the full bridge circuit according to another mode in which a current in the opposite direction flows.
10 モータ駆動装置
11 制御回路
CMP1 第1のコンパレータ
CMP2 第2のコンパレータ
CMP3 第3のコンパレータ
L1 コイル
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
Rs 検出抵抗
T1 電流供給モードの駆動期間
T2 第1の減衰モードの駆動期間
T3 第2の減衰モードの駆動期間
Vref1 第1の基準値
Vref2 第2の基準値
Vref3 第3の基準値
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記減衰モードは、前記コイル電流を第1の減衰率で減衰させる第1の減衰モードと、前記コイル電流を前記第1の減衰率よりも小さい第2の減衰率で減衰させる第2の減衰モードと、が所定の比率で組み合わされてなり、
前記コイルに供給される電源電圧値が所定値以上のときは、前記コイルに供給される電源電圧値が所定値未満のときよりも前記第1の減衰モードの組み合わせ比率を小さくすることを特徴とするモータ駆動装置。 A motor driving device for controlling the coil current by switching between a power supply mode for increasing a coil current flowing in a coil constituting the motor and an attenuation mode for attenuating the coil current;
The attenuation mode includes a first attenuation mode for attenuating the coil current with a first attenuation factor, and a second attenuation mode for attenuating the coil current with a second attenuation factor smaller than the first attenuation factor. And are combined at a predetermined ratio,
When the power supply voltage value supplied to the coil is greater than or equal to a predetermined value, the combination ratio of the first attenuation mode is made smaller than when the power supply voltage value supplied to the coil is less than a predetermined value. A motor drive device.
A power module comprising: a plurality of power transistors connected to the coil; and the motor driving device according to any one of claims 1 to 4.
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