JP2020048300A

JP2020048300A - 制御装置、制御システム、及び制御方法

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Publication number: JP2020048300A
Application number: JP2018174042A
Authority: JP
Inventors: 木村　秀樹; Hideki Kimura; 秀樹木村
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-03-26
Also published as: CN110932619A; US11012013B2; JP7434414B2; JP2022103447A; US20200091846A1; CN110932619B

Abstract

【課題】一つの実施形態は、直流モータに流す電流を適正に制御できる制御装置、制御システム、及び制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】一つの実施形態によれば、駆動回路と制御回路とを有する制御装置が提供される。駆動回路は、複数のトランジスタと、電流検出回路とを有する。複数のトランジスタは、第１のノード及び直流モータに接続される第２のノードの間に互いに並列に電気的に接続されている。電流検出回路は、第１のノード及び第２のノードの間に流れる電流を検出する。制御回路は、検出された電流に応じて、複数のトランジスタのうちオンさせるトランジスタの数を制御する制御信号を生成する。駆動回路は、制御信号に応じた電流により直流モータを駆動する。【選択図】図３

Description

本実施形態は、制御装置、制御システム、及び制御方法に関する。

直流モータの制御装置は、直流モータに流す電流を制御する。このとき、電流を適正に制御することが望まれる。

従来、直流モータの駆動制御を行うために、制御装置及び電源回路の間に付加した、外付けの抵抗素子の両端電圧により電流値を検出することがある。この場合、外付けの抵抗素子によって消費される電力が直流モータの駆動制御における電力効率の低下を招く可能性がある。また、装置のコンパクト化の要求により外付けの抵抗素子を配置するためのスペースを確保することが困難になり得る。

特開２００４−２９７９０４号公報特開２００８−２３６８１４号公報特開２０１５−２０２０１４号公報特許第４５８５３５８号公報

一つの実施形態は、直流モータに流す電流を適正に制御できる制御装置、制御システム、及び制御方法を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、駆動回路と制御回路とを有する制御装置が提供される。駆動回路は、複数のトランジスタと、電流検出回路とを有する。複数のトランジスタは、第１のノード及び直流モータに接続される第２のノードの間に互いに並列に電気的に接続されている。電流検出回路は、第１のノード及び第２のノードの間に流れる電流を検出する。制御回路は、検出された電流に応じて、複数のトランジスタのうちオンさせるトランジスタの数を制御する制御信号を生成する。駆動回路は、制御信号に応じた電流により直流モータを駆動する。

実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。実施形態に係る制御システムの動作を示す波形図である。実施形態における電流検出回路及び駆動スイッチの構成及び動作を示す図である。第１の変形例における電流検出回路及び駆動スイッチの実装構成を示す図である。第２の変形例に係る制御システムの動作を示す波形図である。第２の変形例における電流検出回路及び駆動スイッチの動作を示す図である。第３の変形例における駆動回路の動作を示す波形図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる制御システムを詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る制御システム１の構成を示す図である。制御システム１は、直流モータＭの駆動制御を行う。

制御システム１は、Ｌ負荷として機能する直流モータＭに対して、外付けの抵抗素子を使用しない抵抗レスの電流検出を行う。すなわち、制御システム１は、直流モータＭに流れる電流（駆動電流）を検出し、検出結果に応じて定電流制御を行う。定電流制御は、駆動スイッチの両端電圧を検出し、検出された電流が所定の目標電流に近づくように制御することで行われる。

例えば、制御システム１は、図２に示すような擬似正弦波状の制御波形パターンに応じて、直流モータＭに流れる電流を制御する。図２は、制御システム１の動作を示す波形図である。このような制御は、目標電流をステップ的に変更しながら疑似的に正弦波に近い電流波形パターンが得られるようにする駆動制御であり、マイクロステップ駆動と呼ばれ得る。マイクロステップ駆動を抵抗レスの電流検出で行うためには、直流モータの駆動電流を高精度に検出することが望まれる。

しかし、駆動回路内の駆動スイッチとしてのトランジスタが高性能化し動作電圧が低電圧化することに伴い、制御波形パターンにおける電流振幅の小さい領域で駆動電流の検出精度を確保することが困難になり得る。直流モータＭに対して低電流駆動が要求される場合、駆動電流の検出精度を確保することがますます困難になり得る。

例えば、電流検出回路がコンパレータ等のオフセット電圧を有する回路を用いて構成される場合、電流振幅の小さい領域において電流検出回路のオフセット電圧が制御の目標電圧（目標電流に対応した電圧値）に対して相対的に大きくなる。このため、電流振幅の小さい領域では、電流検出回路は、駆動スイッチの両端電圧の値が目標電圧よりオフセット電圧に相当する分大きな電圧値で目標電圧に達したと検出するなど、その電流検出の誤差が大きくなり得る。これにより、制御波形パターンに対して実際のモータ電流の波形パターンが電流振幅の小さい領域でオフセットし擬似正弦波から乖離した波形パターンになるため、直流モータで騒音及び／又は振動が大きく発生し得る。

本実施形態では、駆動回路５内の駆動スイッチを複数のトランジスタの並列接続で構成する。電流振幅の小さい領域でオンさせるトランジスタの数を制限し両端電圧が大きく表れるようにすることで、電流検出の精度向上を図る。

具体的には、制御システム１は、制御装置２及び電源回路３を含む。電源回路３は、電圧源３ａを含む。制御装置２は、電源回路３及び直流モータＭに接続され、直流モータＭの駆動を制御する。制御装置２は、駆動回路５及び制御回路６を有する。駆動回路５は、ＭＣＤ（モータコイルドライバ）として実装される。制御回路６は、ＭＣＵ（マイクロコントローラーユニット）として実装され得る。制御回路６は、制御ロジック回路６１及びＰＷＭ制御回路６２を有する。直流モータＭは、例えば、ステッピングモータであるが、ＤＣブラシモータ、ＤＣブラシレスモータであってもよい。

駆動回路５は、複数の電流検出回路５１〜５４及び複数の駆動スイッチ５５〜５８を有する。駆動スイッチ５５〜５８は、Ｈブリッジ回路として構成可能である。各駆動スイッチ５５〜５８は、制御端子がＰＷＭ制御回路６２に接続され、一端が直流モータＭに接続されている。駆動スイッチ５５，５６は、他端が電源回路３に接続されている。駆動スイッチ５７，５８は、他端がグランド電位に接続されている。

各電流検出回路５１〜５４は、対応する駆動スイッチ５５〜５８の両端に電気的に接続さる。各電流検出回路５１〜５４は、駆動スイッチ５５〜５８の両端電圧により、その駆動スイッチ５５〜５８に流れる電流の大きさを検出する。

図３（ａ）は、電流検出回路５１及び駆動スイッチ５５の構成及び動作を示す図である。駆動スイッチ５５は、ノードＮ１、ノードＮ２、複数のトランジスタＮＴ１〜ＮＴ３を有する。ノードＮ１は、電源回路３に接続されている。ノードＮ２は、直流モータＭに接続可能である。トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３は、ノードＮ１及びノードＮ２の間に互いに並列に電気的に接続されている。各トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３は、ＮＭＯＳトランジスタで構成され得る。各トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３は、ドレインがノードＮ１に接続され、ソースがノードＮ２に接続され、ゲートがＰＷＭ制御回路６２に接続されている。

電流検出回路５１は、ノードＮ１及びノードＮ２の間に流れる電流を検出する。電流検出回路５１は、トランジスタＮＴ１１、判定回路５１１、及び基準電流源５１２を有する。トランジスタＮＴ１１は、トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３に対応するディメンジョン（＝Ｗ／Ｌ：Ｗがゲート幅、Ｌがゲート長）を有し、トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３に対応するオン抵抗で動作し得る。トランジスタＮＴ１１は、ドレインが基準電流源５１２に接続され、ソースがノードＮ２に接続され、ゲートがバイアス電位Ｖｂに接続されている。バイアス電位Ｖｂは、トランジスタＮＴ１１が線形領域で動作するように調整されている。基準電流源５１２は、目標電流（図２参照）に相当する基準電流を発生させる制御信号がＰＷＭ制御回路６２から供給される。これにより、基準電流源５１２及びトランジスタＮＴ１１の間のノードＮ３には、目標電流に相当する目標電圧が現れるようになっている。

判定回路５１１は、入力ノード５１１ａ、５１１ｂ、及び出力ノード５１１ｃを有する。判定回路５１１は、例えばコンパレータで構成され得る。判定回路５１１は、入力ノード５１１ａがノードＮ１に接続され、入力ノード５１１ｂがノードＮ３に接続され、出力ノード５１１ｃが制御ロジック回路６１に接続されている。判定回路５１１は、ノードＮ１の電圧とノードＮ３の電圧とを比較した結果に基づく信号を制御ロジック回路６１へ供給する。例えば、判定回路５１１は制御ロジック回路６１に、ノードＮ１の電圧がノードＮ３の電圧を超えた場合、Ｈレベルの信号を、ノードＮ１の電圧がノードＮ３の電圧を下回った場合、Ｌレベルの信号を供給する。

なお、電流検出回路５２及び駆動スイッチ５６の構成についても同様である。電流検出回路５３及び駆動スイッチ５７の構成、電流検出回路５４及び駆動スイッチ５８の構成については、ノードＮ１が直流モータＭに接続されノードＮ２がグランド電位に接続されている点が異なり、それ以外の点は上記と同様である。

制御ロジック回路６１は、図２に示すような制御波形パターンが予め設定されているか、方形波の波形パターンから所定のパラメータを用いた演算を行って図２に示すような制御波形パターンを生成する。制御ロジック回路６１は、各電流検出回路５１〜５４の検出結果（すなわち、判定回路５１１の比較結果）と図２に示す制御波形パターンとに応じて、目標電流値とトランジスタＮＴ１〜ＮＴ３のうちオンさせる数とをＰＷＭ制御回路６２に指示する。

制御ロジック回路６１は、駆動スイッチ５５〜５８のトランジスタＮＴ１〜ＮＴ３をオンさせるようにＰＷＭ制御回路６２に指示する。例えば、制御電流における最大振幅の絶対値をＩ_Ｍ（＞０）とすると、図２に示す期間Ｔ_Ｌ−１，Ｔ_Ｌ−２，Ｔ_Ｌ−３，Ｔ_Ｌ−４，Ｔ_Ｌ−５において、制御電流の振幅絶対値がＩ_Ｍ／２より小さい。このとき、図１における左から右への方向をモータ電流の正側とすると、制御電流の振幅が＋側では、駆動スイッチ５５，５８においてオンさせるトランジスタの数を１個に制限し（図３（ａ））、駆動スイッチ５６，５７においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。制御電流の振幅が−側では、駆動スイッチ５６，５７においてオンさせるトランジスタの数を１個に制限し、駆動スイッチ５５，５８においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。

これにより、制御電流の振幅絶対値が小さい領域において駆動スイッチの両端の抵抗が大きくなり、駆動スイッチの両端に現れる電圧を大きくすることができるので、電流検出回路５４による駆動電流の検出精度を容易に向上できる。

一方、期間Ｔ_Ｈ−１，Ｔ_Ｈ−２，Ｔ_Ｈ−３，Ｔ_Ｈ−４において、制御電流の振幅絶対値がＩ_Ｍ／２より大きい。このとき、制御電流の振幅が＋側では、駆動スイッチ５５，５８にいてトランジスタを全てオンさせ、駆動スイッチ５６，５７においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。制御電流の振幅が−側では、駆動スイッチ５６，５７においてトランジスタを全てオンさせ、駆動スイッチ５５，５８においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。

ＰＷＭ制御回路６２は、制御ロジック回路６１からの指示に応じて、目標電流値の制御信号と各駆動スイッチ５５〜５８におけるトランジスタＮＴ１〜ＮＴ３をオン・オフさせるＰＷＭ制御信号とを生成し、駆動回路５へ供給する。すなわち、ＰＷＭ制御回路６２は、目標電流値の制御信号を各基準電流源５１２へ供給するとともに、ＰＷＭ制御信号を各トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３へ供給する。

以上のように、本実施形態では、制御装置２において、駆動回路５内の駆動スイッチを複数のトランジスタの並列接続で構成し、電流振幅の小さい領域でオンさせるトランジスタの数を制限し両端電圧が大きく表れるようにする。これにより、電流検出の精度を向上でき、直流モータＭに流す電流を適正に制御できる。したがって、直流モータＭに対する低電流駆動の要求を満たすことができ、直流モータＭに対する制御可能な電流範囲であるダイナミックレンジを容易に（例えば、低電流側に）拡大できる。

なお、各駆動スイッチ５５〜５８において、互いに並列接続されるトランジスタの数は、３つに限定されず、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

あるいは、駆動回路５において、電流検出回路がモータ電流の電流経路に少なくとも１つ配されていればよい。例えば、駆動回路５は、電流検出回路５１，５２が省略された構成であってもよいし、電流検出回路５３，５４が省略された構成であってもよい。

実施形態では、制御システム１が抵抗レスで電流検出を行う場合について例示しているが、外付け抵抗を用いて電流検出を行う場合においても、本実施形態の考え方は適用可能である。

次に、実施形態の第１の変形例について説明する。図４は、駆動回路５における電流検出回路及び駆動スイッチの実装構成を示す図である。例えば、装置のコンパクト化の要求により回路を配置すべき領域１００が予め決められていることがある。この場合、電流検出回路５１及び駆動スイッチ５５は、図４（ａ）に示すように、領域１００内を３分割して得られる領域１０１〜１０３のそれぞれに、トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３を配置し、領域１０１〜１０３の間の領域１０４，１０５に電流検出回路５１に相当する構成を分割して配置する。各領域１０１〜１０３は、例えばゲートアレイで構成でき、等価的に１つのトランジスタとして動作し得る。

あるいは、トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３の各構成に対し、図４（ｂ）に示すように、領域１００内を１０分割し、この領域２０１〜２１０のうち１以上の領域を任意に割り当ててもよい。例えば、トランジスタＮＴ１に領域２０１を割り当て、トランジスタＮＴ２に領域２０２〜２０４を割り当て、トランジスタＮＴ３に領域２０５〜２１０を割り当てる。これにより、駆動スイッチにおけるトランジスタＮＴ１〜ＮＴ３のディメンジョンを適宜調整できる。この場合も、トランジスタに割り当てた領域間に、電流検出回路に相当する構成を分割して配置することができる。

次に、実施形態の第２の変形例について説明する。制御回路６は、駆動スイッチ５５〜５８においてオンさせるトランジスタの数を多段階的に制御してもよい。図５は、第２の変形例に係る制御システムの動作を示す波形図である。図６は、第２の変形例における電流検出回路及び駆動スイッチの動作を示す図である。

例えば、図５に示す期間Ｔ_Ｌ−１，Ｔ_Ｌ−２，Ｔ_Ｌ−３，Ｔ_Ｌ−４，Ｔ_Ｌ−５において、制御電流の振幅絶対値が１／３×Ｉ_Ｍより小さい。このとき、左から右へ向かう方向がモータ電流の正側とすると、制御電流の振幅が＋側では、駆動スイッチ５５，５８においてオンさせるトランジスタの数を１個に制限し（図６（ａ））、駆動スイッチ５６，５７においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。制御電流の振幅が−側では、駆動スイッチ５６，５７においてオンさせるトランジスタの数を１個に制限し（図６（ａ））、駆動スイッチ５５，５８においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。

これにより、制御電流の振幅絶対値が小さい領域において駆動スイッチの両端の抵抗が大きくなり、駆動スイッチの両端に現れる電圧を大きくすることができる。よって、電流検出回路５４による駆動電流の検出精度を容易に向上できる。

図５に示す期間Ｔ_Ｍ−１，Ｔ_Ｍ−２，Ｔ_Ｍ−３，Ｔ_Ｍ−４，Ｔ_Ｍ−５，Ｔ_Ｍ−６，Ｔ_Ｍ−７，Ｔ_Ｍ−８において、制御電流の振幅絶対値が１／３×Ｉ_Ｍより大きく２／３×Ｉ_Ｍより小さい。このとき、制御電流の振幅が＋側では、駆動スイッチ５５，５８においてオンさせるトランジスタの数を２個に制限し（図６（ｂ））、駆動スイッチ５６，５７においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。制御電流の振幅が−側では、駆動スイッチ５６，５７においてトランジスタの数を２個に制限し、駆動スイッチ５５，５８においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。

これにより、制御電流の振幅絶対値が中程度の領域において駆動スイッチの両端の抵抗が中程度に大きくなり、駆動スイッチの両端に現れる電圧を中程度に大きくすることができる。よって、電流検出回路５４による駆動電流の検出精度を容易に向上できる。

一方、図５に示す期間Ｔ_Ｈ−１，Ｔ_Ｈ−２，Ｔ_Ｈ−３，Ｔ_Ｈ−４において、制御電流の振幅絶対値が２／３×Ｉ_Ｍより大きい。このとき、制御電流の振幅が＋側では、駆動スイッチ５５，５８においてトランジスタを全てオンさせ（図６（ｃ））、駆動スイッチ５６，５７においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。制御電流の振幅が−側では、駆動スイッチ５６，５７においてトランジスタを全てオンさせ、駆動スイッチ５５，５８においてトランジスタは全てオフ状態に維持する。

このように、第２の変形例では、制御装置２において、制御電流の振幅に基づいて多段階的にオンさせるトランジスタの数を制限している。電流振幅の小さい領域では両端電圧が大きく表れるようにし、電流振幅の中程度の領域では両端電圧が中程度に大きく表れるようにする。これにより、定電流制御において、電流検出の精度をさらに向上でき、直流モータＭに流す電流をさらに適正に制御できる。

あるいは、第３の変形例として、制御装置２は、電流振幅が大きい領域で複数のトランジスタをシーケンシャル駆動してもよい。図７は、第３の変形例における駆動回路の動作を示す波形図である。

例えば、図７（ａ）に示すように、トランジスタをオンさせるべきタイミングｔ１において、各トランジスタＮＴ１〜ＮＴ３が一括してオンされ得る。この場合、駆動電流の波形が目標値Ｉｔに達した後に目標値Ｉｔを超えてオーバーシュートする傾向にある。このオーバーシュートを考慮して直流モータＭの制御電流を下げる場合、直流モータＭに対する制御可能な電流範囲であるダイナミックレンジが制限され得る。

それに対して、第３の変形例では、図７（ｂ）に示すように、複数のトランジスタＮＴ１〜ＮＴ３をシーケンシャルにオンさせる。図７（ｂ）の場合、タイミングｔ１１にトランジスタＮＴ１をオンさせ、タイミングｔ１２にトランジスタＮＴ２をオンさせ、タイミングｔ１３にトランジスタＮＴ３をオンさせる。これにより、駆動電流の立ち上がりはゆっくりであるが徐々に急峻に立ち上がる波形になり、目標値Ｉｔに達した後に目標値Ｉｔ近傍で安定し得る。これにより、波形のオーバーシュートを抑制できるので、直流モータＭの制御電流を大きな値に設定可能である。したがって、直流モータＭに対する高電流駆動の要求を満たすことができ、直流モータＭに対する制御可能な電流範囲であるダイナミックレンジを容易に（例えば、高電流側に）拡大できる。

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制御システム、２制御装置、５駆動回路、６制御回路。

Claims

第１のノード及び直流モータに接続される第２のノードの間に互いに並列に電気的に接続された複数のトランジスタと、前記第１のノード及び前記第２のノードの間に流れる電流を検出する電流検出回路とを有する駆動回路と、
前記検出された電流に応じて、前記複数のトランジスタのうちオンさせるトランジスタの数を制御する制御信号を生成する制御回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記制御信号に応じた電流により前記直流モータを駆動する
制御装置。
前記制御回路は、第１の期間に、前記複数のトランジスタのうち第１の個数のトランジスタをオンさせ、第２の期間に、前記複数のトランジスタのうち前記第１の個数より少ない第２の個数のトランジスタをオンさせる
請求項１に記載の制御装置。
前記制御回路は、第３の期間に、前記複数のトランジスタのうち前記第２の個数より少ない第３の個数のトランジスタをオンさせる
請求項２に記載の制御装置。
前記複数のトランジスタは、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを含み、
前記制御回路は、前記第１の期間において、第１のタイミングで前記第１のトランジスタをオンさせ、前記第１のタイミングより後の第２のタイミングで前記第２のトランジスタをオンさせる
請求項２又は３に記載の制御装置。
前記複数のトランジスタは、第３のトランジスタをさらに含み、
前記制御回路は、前記第２のタイミングより後の第３のタイミングで前記第３のトランジスタをオンさせる
請求項４に記載の制御装置。
電源回路と、
前記電源回路と直流モータとの間に配された請求項１から５のいずれか１項に記載の制御装置と、
を備えた制御システム。
複数のトランジスタが並列に電気的に接続された、第１のノードと直流モータに接続される第２のノードとの間に流れる電流を検出することと、
前記検出された電流に応じて、前記複数のトランジスタのうちオンさせるトランジスタの数を制御する制御信号を生成することと、
前記制御信号に応じた電流により前記直流モータを駆動することと、
を備えた制御方法。