JP2017041951A - モータ駆動制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 モータ駆動電流を適切な値に設定することのできるモータ駆動制御装置を提供する。【解決手段】 コンパレータ1は、モータのコイルLが接続されたHブリッジ回路101がハイインピーダンスとなる期間にコイルLに発生する誘起電圧Viをオフセット電圧Vos1と比較する。コンパレータ2は、誘起電圧Viを、オフセット電圧Vos1とは異なるオフセット電圧Vos2と比較する。電流検知部3は、Hブリッジ回路101に流れる電流がゼロとなったことを検知する。DACデータ決定部4は、コンパレータ1の出力信号CMP1、コンパレータ2の出力信号CMP2および電流検知部3の出力信号である0A検知信号にもとづいて、モータ駆動電流制御のための基準電圧を生成するDAコンバータ103へ入力するデジタルデータの値を決定する。【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、モータ駆動制御装置に関する。
ステッピングモータの駆動制御では、モータ駆動波のゼロクロス位相とロータ回転のゼロクロス位相が一致しているときが最も効率が高い状態である。しかし、モータ回転には揺らぎがあるため、効率を高めすぎると低負荷での脱調が発生する。そのため、高効率駆動では、必要最小限の電流よりも多めの電流を流し、モータ回転の安定化を図る必要がある。
そこで、従来、モータコイルの両端がハイインピーダンスになる期間の誘起電圧の大きさとオフセット電圧とをコンパレータで比較し、その比較結果にもとづいてモータ駆動電流の大きさを制御することが行われている。
この場合、モータコイルの誘起電圧がオフセット電圧よりも大きい場合はモータ駆動電流を減らすように制御される。モータ駆動電流の初期値は最大電流とされるので、低負荷の場合、この制御によりモータ駆動電流は、次第に小さくなる。これに対して、負荷が変動して高負荷になると、モータコイルの誘起電圧がオフセット電圧よりも小さくなる。この場合、モータ駆動電流を急速に高めるブースト処理が行われる。
ところが、ロータ回転に揺らぎが発生すると、低負荷にも関わらず、モータコイルの誘起電圧がオフセット電圧よりも小さくなり、本来必要のないブースト処理が実行されてしまう、という問題が生じる。
特開特開2010−178477号公報
本発明が解決しようとする課題は、モータ駆動電流を適切な値に設定することのできるモータ駆動制御装置を提供することにある。
実施形態のモータ駆動制御装置は、第1のコンパレータと、第2のコンパレータと、電流検知部と、DACデータ決定部とを備える。第1のコンパレータは、モータのコイルが接続されたHブリッジ回路がハイインピーダンスとなる期間に前記コイルに発生する誘起電圧を第1の閾値と比較する。第2のコンパレータは、前記誘起電圧を前記第1の閾値とは異なる値の第2の閾値と比較する。電流検知部は、前記Hブリッジ回路に流れる電流がゼロとなったことを検知する。DACデータ決定部は、前記第1のコンパレータの出力、前記第2のコンパレータの出力および前記電流検知部の出力にもとづいて、モータ駆動電流制御のための基準電圧を生成するDAコンバータへ入力するデジタルデータの値を決定する。
第1の実施形態のモータ駆動制御装置の構成の例を示すブロック図。 第1の実施形態のDACデータ決定部の内部構成の例を示すブロック図。 第1の実施形態のDACデータ決定部の判定部の判定例を示す図。 第1の実施形態のモータ駆動制御装置の動作の例を示す波形図。 第1の実施形態のモータ駆動制御装置の動作の例を示す波形図。 第1の実施形態のモータ駆動制御装置の動作の例を示す波形図。 第1の実施形態のモータ駆動制御装置の動作の例を示す波形図。 第2の実施形態のDACデータ決定部の内部構成の例を示すブロック図。 第2の実施形態のDACデータ決定部のクロス判定用フリップフロップの動作の例を示す波形図。 第2の実施形態のDACデータ決定部の判定部の判定例を示す図。 第2の実施形態のDACデータ決定部の判定部の判定動作を説明するための図。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図中、同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態のモータ駆動制御装置の構成の例を示すブロック図である。
本実施形態のモータ駆動制御装置は、コンパレータ1と、コンパレータ2と、電流検知部3と、DACデータ決定部4と、を備える。
コンパレータ1は、モータのコイルLが接続されたHブリッジ回路101がハイインピーダンスとなる期間にコイルLに発生する誘起電圧Viを、第1の閾値であるオフセット電圧Vos1と比較する。ここでは、誘起電圧Viがオフセット電圧Vos1よりも小さいときに、コンパレータ1の出力信号CMP1が‘1’になるものとする。
ここで、Hブリッジ回路101は、MOSトランジスタM1、M2、M3およびM4により構成される回路であり、モータのコイルLへ流す電流の向きおよび導通を制御する。
モータのコイルLに発生する誘起電圧Viは、コイルLの両端に接続された誘起電圧検出部102から出力される。
コンパレータ2は、コイルLに発生する誘起電圧Viを、第2の閾値であるオフセット電圧Vos2と比較する。オフセット電圧Vos2は、オフセット電圧Vos1とは異なる値に設定される。ここでは、誘起電圧Viがオフセット電圧Vos2よりも小さいときに、コンパレータ2の出力信号CMP2が‘1’になるものとする。
コンパレータ1およびコンパレータ2は、ともに、コイルLに発生する誘起電圧Viを閾値と比較する。しかし、閾値が異なるので、その判定タイミングが異なる。
例えば、Vos1>Vos2と設定した場合、誘起電圧Viが立ち下り状態では、コンパレータ1の出力CMP1が先ず‘0’から‘1’へ変化し、その後、コンパレータ2の出力CMP2が‘0’から‘1’へ変化する。一方、誘起電圧Viの立ち上り状態では、コンパレータ2の出力CMP2の方が先に‘1’から‘0’へ変化し、その後、コンパレータ1の出力CMP1が‘1’から‘0’へ変化する。
そこで、本実施形態では、コンパレータ1、2の出力変化の順番が常に一定になるよう、誘起電圧検出部102により、誘起電圧Viの極性が半周期ごとに反転させられている。
ここでは、誘起電圧Viが立ち下り状態でコンパレータ1が先に出力変化するよう、Vos1>Vos2と設定されている。
電流検知部3は、Hブリッジ回路101に流れる電流がゼロとなったことを検知する回路である。電流検知部3は、Hブリッジ回路101と接地端子との間に接続された抵抗RSの端子電圧を接地電位と比較し、抵抗RSの端子電圧が接地電位と等しくなったときに、出力信号である0A検知信号を‘1’とする。
Hブリッジ回路101に流れる電流はハイインピーダンス状態になったときにゼロとなるので、電流検知部3から出力される0A検知信号は、Hブリッジ回路101がハイインピーダンス状態になったことを示す信号となる。
なお、本実施形態では、電流検知部3の検知感度を高めるため、Hブリッジ回路101は、MOS回生期間を設けてコイルLに流れる電流を電源へ還流させた後に、ハイインピーダンス状態とされる。
DACデータ決定部4は、コンパレータ1の出力信号CMP1、コンパレータ2の出力信号CMP2および電流検知部3の出力信号である0A検知信号にもとづいて、モータ駆動電流制御のための基準電圧を生成するDAコンバータ103へ入力するデジタルデータの値を決定する。
ここで、DAコンバータ103は、Hブリッジ回路101のMOSトランジスタM1〜M4のスイッチングを制御する駆動制御部104へ入力する基準電圧を生成する回路である。
駆動制御部104は、DAコンバータ103から入力される基準電圧が変化すると、それに応じてモータの駆動電流を変化させるべく、Hブリッジ回路101を制御する。このとき、駆動制御部104は、入力される基準電圧が下がるとモータの駆動電流を減少させ、基準電圧が上がると駆動電流を増加させ、基準電圧が変化しないときは駆動電流の大きさを保持するよう、Hブリッジ回路101を制御する。
図2に、DACデータ決定部4の内部構成の例を示す。図2に示す例では、DACデータ決定部4は、F/F(フリップフロップ回路)41、F/F42、F/F43、判定部44およびレジスタ45を備える。
F/F41は、データ入力端子Dが電源端子に接続され、クロック端子CKへ0A検知信号が入力され、リセット端子Rへクロック信号CKが入力される。F/F41の出力信号TPは、0A検知信号が‘1’となったときに‘1’となり、その後、クロック信号CKが‘1’となると、‘0’へリセットされる。
0A検知信号はHブリッジ回路101がハイインピーダンス状態になったときに‘1’となる信号である。したがって、F/F41の出力信号TPは、Hブリッジ回路101がハイインピーダンス期間であることを示す信号となる。
F/F42は、データ入力端子Dへコンパレータ1の出力信号CMP1が入力され、クロック端子CKへF/F41の出力信号TPが入力される。ここで、F/F42は、クロック信号の立ち下り同期型のフリップフリップ回路とする。
したがって、F/F42は、F/F41の出力信号TPの立ち下り、すなわち、Hブリッジ回路101のハイインピーダンス期間の終了に同期して、コンパレータ1の出力信号CMP1の値を取り込む。
F/F43は、データ入力端子Dへコンパレータ2の出力信号CMP2が入力され、クロック端子CKへF/F41の出力信号TPが入力される。このF/F43も、クロック信号の立ち下り同期型のフリップフリップとする。
したがって、F/F43は、Hブリッジ回路101のハイインピーダンス期間の終了に同期して、コンパレータ2の出力信号CMP2の値を取り込む。
判定部44は、F/F42の出力信号C1とF/F43の出力信号C2の値の組み合わせに応じて、DAコンバータ103へ入力するデジタルデータの値をどうするかを決定する。
レジスタ45には、DACデータ決定部4により決定された値が格納される。また、初期状態では、このレジスタ45に初期値が格納される。このレジスタ45に格納された値が、DACデータとしてDAコンバータ103へ出力される。
図3に、F/F42の出力信号C1とF/F43の出力信号C2の組み合わせに対する判定部44の判定結果の例を示す。この判定部44の判定動作について、図4〜図7に示す波形図を参照しながら説明する。
(1)C1=1、C2=1のとき
この組み合わせは、図4に示すように、誘起電圧Viの位相がモータ駆動電流の位相よりも進んでいるときに生じる。
すなわち、誘起電圧Viの位相がモータ駆動電流の位相よりも進んでいるときは、0A検知信号が‘1’になるより前に、コンパレータ1の出力信号CMP1およびコンパレータ2の出力信号CMP2は、ともに‘1’となっている。したがって、F/F41の出力信号TPの立ち下り時にF/F42、F/F43からそれぞれ出力される出力信号C1、C2は、ともに‘1’となる。
この場合は、モータの負荷が軽負荷と考えられるので、判定部44は、モータの駆動電流を減少させるため、DACデータを現在の値からある一定値を減算した値とするように決定する。ここで、減算する一定値は、予め定められているものとする。
これにより、図4に示すように、DACデータは、F/F41の出力信号TPの立ち下り時、すなわち、Hブリッジ回路101のハイインピーダンス(HZ)期間の終了時に、それまでの値から一定値が減算された値となる。
(2)C1=0、C2=0のとき
この組み合わせは、図5に示すように、誘起電圧Viの位相がモータ駆動電流の位相よりも遅れているときに生じる。
すなわち、誘起電圧Viの位相がモータ駆動電流の位相よりも遅れているときは、Hブリッジ回路101のHZ期間終了後に、コンパレータ1の出力信号CMP1およびコンパレータ2の出力信号CMP2は、1’となる。したがって、F/F41の出力信号TPの立ち下り時にF/F42、F/F43からそれぞれ出力される出力信号C1、C2は、ともに‘0’である。
この場合は、モータの負荷が重負荷と考えられるので、モータのトルクを急速に高めるため、モータ駆動電流に対するブースト処理を行う必要がある。そこで、判定部44は、DACデータをこのブースト処理に対応した値とするように決定する。
これにより、図5に示すように、DACデータは、Hブリッジ回路101のHZ期間の終了時に、それまでの値からブースト処理値へと一気に上昇する。
(3)C1=1、C2=0のとき
この組み合わせは、図6に示すように、誘起電圧Viの位相とモータ駆動電流の位相がほぼ一致しているときに生じる。
すなわち、誘起電圧Viの位相とモータ駆動電流の位相がほぼ一致しているときは、コンパレータ1の出力信号CMP1は、Hブリッジ回路101のHZ期間の終了前に‘1’となるが、コンパレータ2の出力信号CMP2は、Hブリッジ回路101のHZ期間の終了後に‘1’となる。したがって、F/F41の出力信号TPの立ち下り時に、F/F42の出力信号C1は‘1’となるが、F/F43の出力信号C2は、‘0’となる。
この場合は、モータ駆動電流は最適と考えられるので、判定部44は、DACデータの値を保持するように決定する。
(ロータ回転の揺らぎ発生時の動作)
このとき、ロータ回転に揺らぎが発生すると、図7に示すように、誘起電圧Viも揺らいで、その位相に遅れが生じる場合がある。その場合、コンパレータ1の出力信号CMP1およびコンパレータ2の出力信号CMP2の立ち上りにも遅れが生じる。
しかし、コンパレータ1の出力信号CMP1の立ち上りが、Hブリッジ回路101のHZ期間の終了前であれば、F/F42の出力信号C1は‘1’のままである。したがって、この場合、判定部44は、DACデータの値を保持するように決定する。
すなわち、ロータ回転に揺らぎが発生しても、F/F42の出力信号C1が‘1’である限りは、ブースト処理が行われることはない。
(0A検知信号が出力されないときの処理)
クロック信号CKの周波数が高い場合、Hブリッジ回路101のHZ期間が短く、電流検知部3での処理が間に合わず、0A検知信号が出力されない場合がある。この場合、DACデータ決定部4は、DACデータの現在の値を保持するようにする。あるいは、DACデータの値を初期値とするようにする。
このような本実施形態によれば、2つのコンパレータを設け、Hブリッジ回路のハイインピーダンス期間終了時の2つのコンパレータの出力値の組み合わせにもとづいてDACデータ値を決定するので、高効率駆動時にロータ回転の揺らぎが生じてモータのコイルの誘起電圧に位相遅れが生じたときに、ブースト処理が行われないようにすることができる。これにより、ロータ回転に揺らぎにより不必要なブースト処理が実行されることを防止することができる。
(第2の実施形態)
上述の第1の実施形態では、2つのコンパレータの出力値の組み合わせにもとづいてブースト処理に対する判定を行うことのできるDACデータ決定部の例を示したが、モータ駆動制御では脱調を防止することも重要である。そこで、本実施形態では、ブースト処理に対する判定のみならず、脱調防止に対する判定も行うことのできるDACデータ決定部の例を示す。
図8は、本実施形態のDACデータ決定部4Aの内部構成の例を示すブロック図である。DACデータ決定部4Aでは、図2に示した第1の実施形態のDACデータ決定部4に対して、フリップフロップ回路F/F46、F/F47が追加され、その出力が判定部44Aへ入力されている。
F/F46およびF/F47は、誘起電圧Viが、Hブリッジ回路101のHZ期間中に、オフセット電圧Vos1、Vos2を横切った(クロス)か、どうかを検出するために設けられた回路である。
F/F46は、データ入力端子DへF/F41の出力信号TPが入力され、クロック端子CKへコンパレータ1の出力信号CMP1が入力され、出力端子Qからクロス検出信号X1が出力される。
F/F47は、データ入力端子DへF/F41の出力信号TPが入力され、クロック端子CKへコンパレータ2の出力信号CMP2が入力され、出力端子Qからクロス検出信号X2が出力される。
次に、図9に示す波形図を用いて、F/F46におけるクロス検出動作について説明する。
F/F41の出力信号TPは、Hブリッジ回路101のHZ期間中‘1’となる信号である。また、コンパレータ1の出力信号CMP1は、誘起電圧Viがオフセット電圧Vos1をクロスすると、‘0’から‘1’へ変化する信号である。
したがって、図9(a)に示すように、Hブリッジ回路101のHZ期間中に誘起電圧Viがオフセット電圧Vos1をクロスすると、コンパレータ1の出力信号CMP1は、このHZ期間中に‘0’から‘1’へ立ち上がる。
そのため、F/F46は、この出力信号CMP1の立ち上りで、F/F41の出力信号TPの‘1’を読み取り、クロス検出信号X1に‘1’を出力する。
その後、出力信号TPの立ち下りで、F/F42の出力信号C1が‘0’から‘1’へ変化する。
一方、図9(b)に示すように、Hブリッジ回路101のHZ期間よりも前に誘起電圧Viがオフセット電圧Vos1をクロスした場合、このときのF/F41の出力信号TPは‘0’であるため、F/F46は、この‘0’を読み取り、クロス検出信号X1に‘0’を出力する。
この場合も、F/F42の出力信号C1は、出力信号TPの立ち下りで‘0’から‘1’へ変化する。
このように、F/F46から出力されるクロス検出信号X1は、誘起電圧ViがHブリッジ回路101のHZ期間中にオフセット電圧Vos1をクロスしたことを示す信号となる。同様に、F/F47から出力されるクロス検出信号X2は、誘起電圧ViがHブリッジ回路101のHZ期間中にオフセット電圧Vos2をクロスしたことを示す信号となる。
図9(a)と図9(b)に示す例では、いずれも、F/F41の出力信号TPの立ち下り、すなわち、Hブリッジ回路101のHZ期間の終了時点でF/F42の出力信号C1が‘1’であるので、誘起電圧Viの位相がモータ駆動電流の位相よりも進んだ状態である。しかし、位相の進み具合を比較すると、図9(a)に示す例の方が、図9(b)示す例よりも位相の進みが小さい状態といえる。
すなわち、図9(a)示す例は、モータのトルクが適正に制御され、誘起電圧Viの位相がモータ駆動電流の位相に接近した状態、いわば理想に近い状態を示している。しかし、このような理想に近い状態のときは、DACデータを減算してモータ駆動電流を減らすと、逆に脱調の危険性が増大する。
そこで、本実施形態では、判定部44Aが、クロス検出信号X1、X2を用いて、誘起電圧Viの位相の進みの程度を判断し、脱調のおそれがある場合にはDACデータを加算し、モータ駆動電流の脱調に対するマージンを増大させるような処理を行う。
図10に、F/F42、43の出力信号C1、C2と、クロス検出信号X1、X2の組み合わせに対する判定部44Aの判定結果の例を示す。この判定部44Aの判定動作について、図11に示す誘起電圧Viの位相の違いを示す図を参照しながら説明する。ここでは、C1、C2、X1、X2の組み合わせを(a)〜(f)の6通りに分け、図11も、それに合わせて(a)〜(f)の6通りの例を示す。
(a)C1=1、C2=1、X1=0、X2=0のとき
この組み合わせは、図11(a)に示すように、誘起電圧Viの位相が大きく進んでいるときに生じる。そこで、判定部44Aは、モータの駆動電流を減少させるため、DACデータの減算を決定する。
(b)C1=1、C2=1、X1=0、X2=1のとき
この組み合わせは、図11(b)に示すように、誘起電圧Viの位相の進みが小さくなったときに生じる。そこで、判定部44Aは、DACデータの保持を決定する。
(c)C1=1、C2=1、X1=1、X2=1のとき
この組み合わせは、図11(c)に示すように、誘起電圧Viの位相が急速に遅れ出しているときに生じる。そこで、判定部44Aは、脱調に対するマージンを増大させるため、DACデータの加算を決定する。
(d)C1=1、C2=0、X1=0、X2=0のとき
この組み合わせは、図11(d)に示すように、誘起電圧Viの位相が緩やかに遅れ出したときに生じる。そこで、判定部44Aは、DACデータの保持を決定する。
(e)C1=1、C2=0、X1=1、X2=0のとき
この組み合わせは、図11(e)に示すように、誘起電圧Viの位相の遅れが大きくなり出したときに生じる。そこで、判定部44Aは、DACデータをモータ駆動電流のブースト処理に対応した値とするように決定する。
(f)C1=0、C2=0、X1=0、X2=0のとき
この組み合わせは、図11(f)に示すように、誘起電圧Viの位相が遅れているときに生じる。そこで、判定部44Aは、DACデータをモータ駆動電流のブースト処理に対応した値とするように決定する。
このような本実施形態によれば、クロス検出信号X1、X2も加えて、誘起電圧Viの位相に対する判定条件を細分化しているので、モータ駆動電流をよりきめ細かく制御でき、モータの脱調を防止することができる。
以上説明した少なくとも1つの実施形態のモータ駆動制御装置によれば、モータ駆動電流を適切な値に設定することができる。
また、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や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、2 コンパレータ
3 電流検知部
4、4A DACデータ決定部
41、42、43、46,47 フリップフリップ回路
44、44A 判定部
45 レジスタ

Claims (5)

  1. モータのコイルが接続されたHブリッジ回路がハイインピーダンスとなる期間に前記コイルに発生する誘起電圧を第1の閾値と比較する第1のコンパレータと、
    前記誘起電圧を前記第1の閾値とは異なる値の第2の閾値と比較する第2のコンパレータと、
    前記Hブリッジ回路に流れる電流がゼロとなったことを検知する電流検知部と、
    前記第1のコンパレータの出力、前記第2のコンパレータの出力および前記電流検知部の出力にもとづいて、モータ駆動電流制御のための基準電圧を生成するDAコンバータへ入力するデジタルデータの値を決定するDACデータ決定部と
    を備えることを特徴とするモータ駆動制御装置。
  2. 前記DACデータ決定部は、
    前記電流検知部が電流ゼロを検出した後のクロックの立ち上り時点での前記第1のコンパレータの出力を第1比較出力とし、前記第2のコンパレータの出力を第2比較出力として、
    前記第1比較出力が、前記誘起電圧が前記第1の閾値を超えていることを示し、前記第2比較出力が、前記誘起電圧が前記第2の閾値を超えていることを示すときは、現在のデータ値から予め定められた値を減算し、
    前記第1比較出力が、前記誘起電圧が前記第1の閾値を超えていないことを示し、前記第2比較出力が前記誘起電圧が前記第2の閾値を超えていないことを示すときは、前記デジタルデータの値をブースト処理設定値とし、
    前記第1比較出力が、前記誘起電圧が前記第1の閾値を超えていることを示し、前記第2比較出力が、前記誘起電圧が前記第2の閾値を超えていないことを示すときは、現在のデータ値を保持する
    ことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動制御装置。
  3. 前記誘起電圧は、前記Hブリッジ回路がMOS回生モードとされた後に前記電流検知部が電流ゼロを検出したときに前記コイルに発生した電圧である
    ことを特徴とする請求項2に記載のモータ駆動制御装置。
  4. 前記DACデータ決定部は、前記電流検知部が電流ゼロを検出しないときは、現在のデータ値を保持する
    ことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動制御装置。
  5. 前記DACデータ決定部は、前記電流検知部が電流ゼロを検出しないときは、前記デジタルデータの値を初期化する
    ことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動制御装置。
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