JP3798861B2 - 同期モータの動作用のディジタルコントローラを有する回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は同期モータの動作用のディジタルコントローラを有する回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ビデオレコーダのビデオヘッドドラムを駆動する精密モータは、通常、外部整流形の同期モータとして設計される。上記のモータは、容易に回路設計が行われるディジタルコントローラにより方形波電圧を用いて駆動される。
モータは、例えば、２組の極の対を備えたディスク磁石として設計された回転子と共に設計される。回転子は、１２０°の角度をなす３本のコイルに分割された固定子コイル上に短い間隔で回転し得るように取付けられる。同一の軸に取付けられた磁気戻りパスは、直角で固定子コイルを通る磁力線を案内する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のモータ駆動の場合、大きい電流が、特に、方形波信号の切替わりのエッジに生じ、電気的干渉と共に厳しいノイズを発生させるという欠点がある。更に、トルクプロファイルは十分に均一ではない。これは、特に、毎分９０００回転の高回転速度で問題を生じる。
【０００４】
本発明の目的は、上記欠点を回避する同期モータの制御用の上記タイプの回路を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、請求項１に記載された発明により達成される。本発明の展開は従属する請求項に記載される。
同期モータの動作用回路はディジタルコントローラを含み、同期モータのコイルを駆動するため使用されるディジタルコントローラの出力信号は正弦波信号に変換される。上記駆動信号の振幅は、回路においてコントローラの分離した制御信号による影響を受ける。
【０００６】
上記の回路は、同期モータ上に設けられ、同期モータを調整し、回転子の運動シーケンスの識別を可能にさせる調整信号を生成するセンサを更に有する。
同期モータのコイルを駆動するため使用される方形波信号は、最初に、積分器において三角波形信号に変換される。この三角波形信号は、次に、ローパスフィルタにおいて正弦波信号に変換される。
【０００７】
正弦波信号は、モータのコイルを静かに駆動し、これにより、回転子の均一なトルクが生成される。同期モータは、３本の全コイルが常に動作的であり、急激な加速及び制動が得られるツゥ・クォードラント(two-quadrant)モードで動作させられる。
駆動信号の振幅は、例えば、制御信号が供給された乗算器を用いて調整される。制御信号は、乗算器により駆動信号がチョップされるパルス幅変調信号である方が有利である。上記の過程で生成された高調波は、乗算器の下流に設けられたローパスフィルタにより打ち消される。このような方法で、複雑な制御信号のディジタル・アナログ変換が回避される。
【０００８】
モータ上に配置されたセンサは、正確な角度位置及び回転子の回転速度を示し、ディジタルコントローラにより直接に処理可能なディジタルパルスを生成する。コントローラ内の発生器は、動作中に上記パルスにより同期させられる。３個の駆動信号がコントローラ内で簡単な方法により、３ビットカウンタ及び下流の復号化器を用いて発生器の信号から生成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面及び表を参照して本発明の実施例の説明を行う。
図１には、３本のコイルＳ１、Ｓ２及びＳ３を有するディジタルコントローラＣＯＮからなる回路が示される。同期モータに設けられたセンサＧＥは、動作中に、コントローラＣＯＮに供給される調整信号ＦＧを生成する。３個のディジタル駆動信号Ｕ１、Ｖ１及びＷ１が、コントローラＣＯＮにおいてモータの動作用に生成される。方形波信号Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は、下流の適当に設計された積分器Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を用いて三角波形信号Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２に変換される。
【００１０】
３個の駆動信号Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は、互いに対し１２０°ずつ位相偏移させられる。この位相偏移は、回路の個々の各段階で保持される。上記回路における駆動信号Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の処理は、何れの場合においても同一であり、そのため、以下では、一つの位相に対する信号Ｕ２の更なる処理だけを説明する。
積分器Ｉ１の出力信号Ｕ２の振幅は、下流の乗算器Ｍ１による影響を受ける。同様に三角波形を有する乗算器Ｍ１の出力信号Ｕ３は、次に、ローパスフィルタＴＰ１において、正弦波信号Ｕ４に変換され、同期モータのコイルＳ１に供給される前に増幅器Ａ１により増幅される。
【００１１】
図２には、変換された信号Ｕ２及びＵ４と共に駆動信号Ｕ１と、センサＧＥの調整信号ＦＧが時間に関しプロットされている。同図には、上記の信号の位相同期と信号波形が示される。同期モータはコントローラＣＯＮにより同期位相で動作させられ、その回転速度は、以下の説明の如く、調整信号ＦＧにより制御される。
【００１２】
コイルＳ１、Ｓ２及びＳ３に供給された上記信号（及び電流）の振幅、即ち、回転子の回転速度は、各々の場合に乗算器Ｍ１、Ｍ２及びＭ３に供給される別の制御信号ＳＴにより調整される。上記の実施例において、制御信号ＳＴは、アナログ乗算器Ｍ１、Ｍ２及びＭ３により処理される前に、ディジタル・アナログ変換器ＤＡにおいてディジタル形式からアナログに変換される。
【００１３】
モータがスタートしたとき、コントローラＣＯＮは、１２０°ずつ偏移した低周波数の３個の方形波信号Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１を生成する。制御変数ＳＴが十分に大きい場合には、回転子は印加された回転界磁に追従を開始し、定格回転速度まで加速される。
以下、図３を参照して、方形波駆動信号Ｕ１を正弦波信号Ｕ４に変換する回路の有利な一実施例を説明する。
【００１４】
この例において、積分器Ｉ１は適切に配線された演算増幅器であり、この演算増幅器は、駆動信号Ｕ１を僅かに台形状の三角波形信号Ｕ２に変換する。下流の乗算器Ｍ１は、パルス幅変調信号ＰＷＭと同期して積分器Ｉ１のアナログ出力信号をチョップする電界効果トランジスタＴよりなる。この例の場合、トランジスタＴのハイレベルにより、発振が妨げられ、一方、ローレベルにより、発振は元の振幅で継続する。適当に設計されたローパスフィルタＴＰ１は、信号Ｕ３から、ＰＷＭ信号の高周波の高調波と、三角波形信号の高調波の双方を除く。信号Ｕ２、Ｕ３及びＵ４の波形は、図３の上部に示される。
【００１５】
ローパスフィルタカバーＴＰ１の出力信号は、かくして、アナログ正弦波信号であり、その振幅はパルス幅変調信号ＰＷＭのデューティ比に反比例する。このような態様で、高価なディジタル・アナログ変換器ＤＡ（図１）と、複雑なアナログ乗算器を避けることが可能になる。更に、ディジタルパルス幅変調は、回路の許容度がないということを意味する。方形波信号Ｕ１を三角波形信号Ｕ２を介して正弦波信号Ｕ４に変換することにより、トランジスタＴによる調整が全発振周期に亘って動作的であるという利点が得られる。方形波信号の場合、信号は時間の５０％の間でゼロであるので、上記の利点は得られない。三角波形信号Ｕ２は、図３に示されるように、特に、台形状に平らにしてもよい。
【００１６】
ブリッジ回路内の電力増幅器は、駆動信号Ｕ４をコイルＳ１に直接的に伝達する。このブリッジの出力段は、モータをツゥ・クォードラントモードで動作させ、即ち、回路は、動作的に加速させ、かつ、動作的に制動させることが可能である。従って、回転速度の非常に高速かつ精確な変化が実現可能である。
【００１７】
【実施例】
図４を参照して、ディジタルコントローラＣＯＮ（図１）の設計をより詳細に説明する。ディジタルコントローラＣＯＮは、スタート時に約１８Ｈｚの基本周波数で発振し、その出力信号が３ビットカウンタＺの入力に供給される発生器Ｐを含む。上記のカウンタＺの３個の出力は、以下の表１を参照して駆動信号Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１を生成する復号化器Ｄに供給される。
【００１８】
【表１】

【００１９】
カウンタＺの出力信号の符号は、１２０°ずつ位相偏移した３個の方形波信号が生成されるように、復号化器において変換される。カウンタＺは、１から６まで、対応する２値形式では０から１０１までカウントし、次に、リセットパルスＲＥＳにより０にリセットされる。表１に示されるように、対称性のある方形波発振Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の発振周期は、厳密に６をカウントするパルス長である。カウントの向きは、表の矢印により示される。
【００２０】
センサＧＥ（図１）により生成された調整信号ＦＧは、コントローラ内の分離器ＳＥＰに供給され、分離器ＳＥＰは、発生器ＰのトリガパルスＴＲと、カウンタＺのリセットパルスＲＥＳを生成する。図２から分かるように、調整信号ＦＧのパルスは、１１個の幅の狭い方形波パルスと、１個の幅の広い方形波パルスとにより構成される。上記の各パルスは、分離器ＳＥＰのトリガパルスＴＲをスタートさせる。幅の広いパルスは、カウンタＺ用のリセット信号ＲＥＳであると考えられる。このリセット信号は、２値のカウンタ値０００を生成し、各回転子の回転のスタート信号に対応する。
【００２１】
モータ上に配置されたセンサＧＥ（図１）は、例えば、発光ダイオードと、光接続線が回転子によって周期的に遮られるホトトランジスタとを用いて光学的に実現される。この例の場合、スタートパルスの機械的な配置は、定格回転速度で最高の効率が得られるように選択される。正弦波信号でモータを駆動することにより、方形波信号で駆動するよりも優れた効率が得られる。
【００２２】
図５には、駆動信号Ｕ１、Ｖ１及びＷ１が調整信号ＦＧから得られる様子が示される。駆動信号Ｕ１、Ｖ１及びＷ１のエッジは、かくして、回転子の回転により厳密に画成される。光センサＧＥの正確な機械的位置決めにより、回転子に対し最適な進み角を定める回転界磁が生じ、その結果として、最も好ましい効率が得られる。定格回転速度において、磁気回転界磁と回転子の間に一定の位相関係がある。かくして、位相の分離が３０°の等距離にある１２個のパルスが１回の回転子の回転中に生成される。図５には、更に、積分器Ｉ１、Ｉ２及びＩ３（図１）により生成された三角波形信号Ｕ２、Ｖ２及びＷ２が示される。
【００２３】
全部で３個の駆動信号に対し１個のセンサＧＥだけで十分である。スタートパルスの最適な時間は、プログラム可能な遅延を用いてコントローラＣＯＮにより選択的に設定される。例えば、ビデオレコーダにおいて既に何らかの形で利用されているように、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）をコントローラとして使用してもよい。上記の回路は、集積化してもよく、或いは、物理的に分散した別個の部品から構成してもよい。コントローラ自体を個別の部品から構成しても構わない。
【００２４】
同期モータは、３個ではなく、多数のコイルＳ１、Ｓ２及びＳ３を有する場合があるので、回路は対応した数の駆動信号を有する必要がある。各コイルＳ１、Ｓ２又はＳ３は、多数の巻線に分割してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
上記の電子回路は、高い費用効率で設計することが可能であり、アナログ部分とディジタル部分がアナログ・ディジタル変換器又はディジタル・アナログ変換器を用いることなく互いに接続される。更に、高い効率が得られる。結果として、特に、ディジタルビデオレコーダ及びビデオカメラに適用されるが、その他にも、例えば、コンピュータ内のディスクドライブ装置又はコンパクトディスクドライブ装置に適用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】三相同期モータを駆動する回路の構成図である。
【図２】一つの相に対する回路で生成された電子信号を示す図である。
【図３】一つの相に対する回路の構成図である。
【図４】ディジタルコントローラの構成図である。
【図５】調整信号及び同期モータの三相に対する３個の駆動信号を示す図である。
【符号の説明】
Ａ１ 増幅器
ＣＯＮ ディジタルコントローラ
Ｄ 復号化器
ＤＡ ディジタル・アナログ変換器
ＦＧ 調整信号
ＧＥ センサ
Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３ 積分器
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 乗算器
Ｐ 発生器
ＰＵ パルス
ＰＷＭ パルス幅変調信号
ＲＥＳ リセットパルス
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ コイル
ＳＥＰ 分離器
Ｔ トランジスタ
ＴＰ１ ローパスフィルタ
ＴＲ トリガパルス
Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１ ディジタル駆動信号
Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２ 三角波形信号
Ｕ３ 乗算器の出力信号
Ｕ４ 正弦波信号
Ｚ ３ビットカウンタ

Claims (5)

1. 同期モータの動作用のディジタルコントローラを有する回路であって、同期モータの駆動コイル用のコントローラの複数のディジタル駆動信号各々を正弦波信号に変換する手段より成り、
   前記コントローラからの制御信号が前記ディジタル駆動信号に影響を与え、
   前記コントローラの前記ディジタル駆動信号の各々は方形波信号であり、
   前記手段は、前記ディジタル駆動信号各々を三角波形信号にそれぞれ変換する積分器と、各積分器の出力に結合された、三角波形信号の振幅が調整されるように前記制御信号を受ける乗算器と、各乗算器の出力に結合された、前記三角波形信号を正弦波信号に変換するローパスフィルタとを含むことを特徴とする回路。
2. 前記同期モータに設けられ、前記同期モータを調整する調整信号を生成するセンサを更に有し、
   前記調整信号は、回転子の運動シーケンスの識別を可能にすることを特徴とする請求項１記載の回路。
3. 前記乗算器は前記ローパスフィルタより上流に設けられ、
   前記制御信号はパルス幅変調信号であり、そのパルス幅変調信号により前記乗算器は前記駆動信号をチョップし、その結果として生成された高調波が前記ローパスフィルタで除波されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回路。
4. 前記センサは回転子の回転毎に１２個の方形波パルスを生成し、
   回転用のスタートパルスとして使用される前記パルスの中の１つは、他のパルスとは異なるパルス幅を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の回路。
5. 前記コントローラは、前記モータの起動用のスタート周波数を生成し且つ動作中に前記センサの前記パルスにより同期をとる発生器を有することを特徴とする請求項４記載の回路。

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