JP4052675B2 - モータ制御装置とモータ駆動装置を含む情報記録及び／または再生する装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、磁気ロータ及び複数の巻線を持つ電気マルチ位相ブラシレスＤＣモータを制御するモータ制御装置に関する。このモータ制御装置は、巻線に設けられた逆起電力電圧に基づいて整流信号を発生するように構成された検出ユニットと、巻線に結合する出力と電力供給源に結合する少なくとも一つの端子と整流信号に依存して出力に当該端子を選択的に結合する複数の制御装置を持つ出力段とを有する。
本発明は更に、情報の記録及び／または再生のための装置に関する。この装置は、周期的な基準信号と同期する周期で情報を記録及び／または再生する手段と、当該手段と共に動作する素子を駆動するモータと、前記素子の位置を検出してセンサ信号を発生するセンサと、モータを制御するモータ制御装置とを有する。
背景技術
上述のようなモータ制御装置は、米国特許4752724号から既知である。この既知のモータ制御装置は、巻線に発生する逆起電力（back emf）電圧を検出する三相ブラシレスＤＣモータの巻線に結合された検出ユニットを有する。検出した逆起電力電圧に基づいて、整流（COMMUTATION）信号が発生する。既知のモータ制御回路は更に、電源に巻線を選択的に結合する複数の双極トランジスタを有する出力段を持つ。このトランジスタは、整流信号により制御された信号発生器により制御される。既知のモータ制御装置は、ロータが一定駆動されるように回転磁界を巻線が発生するような所定のパターンに応じて、ブラシレスモータの巻線を励磁することに適する。
発明の開示
本発明は、ブラシレスＤＣモータが制御ループに含まれることを可能とし、制御ループの大きな帯域が得られることを実現するモータ制御装置を提供することを目的とする。この目的のため、本発明のモータ制御装置は、ロータの瞬間の位置に対応する周期的センサ信号を受信する第１入力部と、周期的基準信号を受信する第２入力部とを持ち、前記センサ信号と前記基準信号との位相差を表す位相エラー信号を発生するように構成される位相検出器と、
制御された方法で前記ロータを駆動及び制動するために前記位相エラー信号に応じて前記出力段の前記出力部を介して双方向電流を供給するように構成される制御可能な電源段とを有することを特徴とする
本発明のこの構成により、センサ信号と基準信号の位相差の信号に応じてロータを加速若しくは能動的に制動出来る。本発明によるモータ制御装置の電源段は、巻線を流れる電流の大きさを制御し、整流信号と独立に反転させ、そしてロータ駆動からロータの能動的な制動への円滑な推移が得られることを実現する。能動的な制動の実現のため、モータ制御装置は、大きな帯域が得られる制御ループに組込むことに非常に適する。駆動と能動的な制動との間の円滑な推移のため、モータ制御装置は同様に、正確に機能する制御ループを実現する。センサ信号は、例えば検出された逆起電力電圧から導出可能もしくは、モータにより駆動される素子の位置を検出するフォトカプラ、容量センサのような別個のセンサにより発生可能である。基準信号は、例えば周波数がモータの或る所望の回転速度を示す及び／若しくは位相がモータにより駆動される素子の或る所望の位置を示す周期的信号である。出力段は常に、例えば回転磁界を発生するために与えられたパターンの整流状態に応じて三相モータの３つの巻線の２つを励磁する。既知のモータ制御装置において、巻線を流れる電流の方向は同様に、或る整流状態の間で異なることに注意されたい。しかしながらロータは、既知のモータ制御装置の全ての整流状態で駆動される。
本発明によるモータ制御装置の実施例は、出力段が電源段と直列配置されることを特徴とする。この特徴により、巻線を流れる電流は、整流信号から独立するだけでなく、出力段の整流状態からも独立する。この結果、前記出力段用に使用される制御素子は、直線性に関する種々の要求若しくは供給された制御信号に対する同様の応答に従う必要は無い。これは、例えばMOSFETの使用を可能にする。
本発明によるモータ制御装置の実施例は、前記電源段が、前記位相エラー信号に依存する双方向電流を前記出力段の出力部を介して前記巻線に供給するように構成されたパルス幅変調器を有することを特徴とする。この特徴は、モータ制御装置における損失のかなりの減少をもたらす。望ましくは、出力段が電源に結合する第１端子及び第２端子の間で対称となるように設計され、パルス幅変調器がプラスパルスを供給し、このパルスが位相エラー信号の信号に依存して出力段の第１もしくは第２端子に供給され、そしてパルス幅が位相エラー信号の大きさに依存する。
本発明によるモータ制御装置の実施例は、電源段が制御可能な電流源を有することを特徴とする。この特徴によると、モータ制御素子が含まれた制御ループの動作は、巻線の直列抵抗、巻線の自己インダクタンス及び巻線に発生した逆起電力とは独立であることが達成される。巻線の抵抗は、温度で変化する。特に、例えばカメラもしくは携帯型コンピュータの様な携帯型装置で使用する場合、この特徴がかなりの改善を提供する。発生した逆起電力は、ロータの回転速度で変化する。この特徴によると、モータ制御装置が含まれる制御ループの制御動作がロータの回転速度により依存しないという状態を実現する。これは、例えばモータが所定の速度で入射光からイメージセンサを遮断するシャッタを駆動するカメラにおいて重要である。このようなモータは、ビデオフォーマットに依存した種々の速度で駆動される。
本発明によるモータ駆動装置の実施例は、前記位相検出器が、前記基準信号の周期に比べて狭くかつ、前記センサ信号と前記基準信号の間の位相差に比例したエネルギー量を持つパルスの形態で位相エラー信号を生成することを特徴とする。このようなパルスは、それ自体既知で、さらに基準信号とセンサ信号の両者がパルス形状若しくは矩形である場合には簡素な回路によって生成される。基準信号の期間に比べて狭いパルスを発生することにより、この期間においてロータが既に加速されている若しくは制動されている事態を実現する。これはモータ制御装置を含む制御ループの帯域の更なる拡張をもたらす。
本発明によるモータ制御装置の実施例は、前記位相検出器と前記出力段との間に配置され、前記パルスを双極制御信号に変換する２次のローパスフィルタと微分器との直列構成を有し、前記電源段が前記双極制御信号に応じて電流を供給するように構成されることを特徴とする。この特徴により、検出した位相差が直ちに修正され、一方でモータを流れる平均的電流を略一定に維持することを実現する。これは、外乱が、モータによって克服されるべき摩擦の僅かな増加若しくは減少をもたらす分野で主に重要である。外乱の後、摩擦は、外乱の修正に応じたモータの平均速度の上昇もしくは減少を回避する目的で、モータ電流が外乱の前の値に回復される結果、外乱の前の摩擦と等しい。この特徴は、外乱の影響が外乱自身の持続時間よりも長い時間の期間に渡らないことを確実にする。
本発明によるモータ制御装置の実施例は、ローパスフィルタの時定数が基準信号の周期よりも小さいことを特徴とする。この特徴により、ロータの加速及び制動は、最近の参照信号の期間に計測した位相差に常に基づく。これは外乱の影響の持続時間の更なる低減を提供する。
本発明は同様に、周期的基準信号に同期した周期で情報の記録及び／若しくは再生を行う手段と、手段と協働する素子を駆動するモータと、素子の位置を検出し、センサ信号を発生するセンサと、前述のモータ制御装置とを有する情報の記録及び／若しくは再生する装置に関する。この特徴により、情報流を固定周期周波数で記録若しくは再生できる。これはリアルタイムシステム及び情報の量が大きいため記録及び／若しくは再生の間に一時的に情報を記録することが望ましくないシステムにおいて特に重要である。
本発明の装置の実施例は、前記手段が、フレーム転送イメージセンサを有し、前記素子は、当該イメージセンサを周期的に遮断するシャッタを有することを特徴とする。このような装置は、例えばビデオイメージを記録するカメラである。フレーム転送イメージセンサの場合、イメージは、ピックアップ部からリードアウト部へ周期的に転送される。この転送の間、イメージセンサは、スメア作用を排除する目的で、望ましくは入射光から遮断される。明らかに、閉塞と転送とを同時に発生することは非常に重要である。衝撃もしくはカメラの移動のような外部の作用による障害の結果、シャッタを駆動するモータが、より高く若しくは低い摩擦を一時的に克服するべきであり、これによりシャッタ及びイメージ転送によるイメージセンサの閉塞の間の位相差をもたらす。本発明のこの特徴により、位相差が視覚的なスメア作用を排除するように直ちに訂正される。
本発明による装置の実施例は、前記素子が情報担体を有し、前記手段が当該情報担体に情報を書き込むヘッドを有することを特徴とする。このような装置は、例えばディスクドライブであり、情報担体は磁気ディスク若しくは光学ディスクであり、そしてヘッドは磁気ヘッドもしくは光学ヘッドである。本発明による特徴により、ディスクの速度を正確に制御可能で、この結果、一様な情報流を書込み及び／若しくは読取りの間に得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるモータ制御装置の第１実施例を示す図である。
第２図は、時間関数として巻線を流れる電流を示す図である。
第３図は、位相エラー信号から導出された双極制御信号を示す図である。
第４図は、モータ制御装置を含む制御ループの訂正動作の間の、電源段から供給される電流、巻線の１つの両端電圧、及び該巻線に流れる電流を時間の関数として示す図である。
第５図は、本発明によるモータ制御装置の第２実施例における電源段及び出力段を示す図である。
第６図は、本発明による装置の第１実施例を示す図である。
第７図は、本発明による装置の第２実施例を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
第１図は、本発明によるモータ制御装置の第１実施例を示す図である。モータ制御装置は、磁気ロータ１５及び３つの巻線１１，１２，１３を有する電気三相ブラシレスＤＣモータ１０を制御するように構成される。モータ制御装置は、巻線に対するロータ１５の位置を示す整流信号２１を発生するように構成される。整流信号２１は、巻線１１，１２，１３において発生される逆起電力電圧に基づいて生成される。モータ制御装置は更に、電源に結合する第１端子３１及び第２端子３２と、巻線１１，１２，１３に結合する出力部３３，３４，３５と、整流信号２１に応じて端子３１，３２を出力部３３，３４，３５に選択的に結合する複数の制御可能な半導体素子３６とを持つ出力段３０を有する。
モータ制御装置は更に、周期的センサ信号を受信する第１入力部４１及び周期的基準信号を受信する第２入力部４２を持つ位相検出器４０を有する。位相検出器４０は、センサ信号と基準信号との間の位相差を示す位相エラー信号を発生するように構成される。出力段３０は、出力部３３，３４，３５を介して巻線１１，１２，１３を流れる双方向電流Ｉを供給するように構成される制御可能な電源段５０と直列に配置される。位相エラー信号４３に応じて、制御された方法でロータ１５を駆動する又はロータを能動的に制動するために電流Ｉが制御される。この位相検出器４０は、基準信号の周期Ｔに比べて狭いパルス形状で位相エラー信号４３を発生する（第３図参照）。このパルスは、センサ信号と基準信号との間の位相差に比例したエネルギー量を持つ。２次ローパスフィルタと微分器の直列構成６０は、位相検出器４０と電源段との間に配置される。ローパスフィルタの時定数は、基準信号の周期Ｔよりも小さい。直列構成６０が、位相エラー信号４３が双極制御信号に変換されることを確実とし（第３図参照）、この制御信号は、制御可能な電源段５０の制御に使用される。前記直列構成は、例えば、ブロック６０で示された周波数応答を有する。この場合、位相エラー信号の比例成分と積分成分と微分成分とに基づいたコンポジット制御信号６１を提供するＰＩＤコントローラが得られる。電源段５０は、制御可能な電流源を有する。この結果、制御信号６１に直接依存して電流が巻線１１，１２，１３を流れる。
第２図は、時間関数として巻線を流れる電流を示す図である。ロータ１５を駆動するため、電流Ｉ₁₁，Ｉ₁₂，Ｉ₁₃は、巻線１１，１２，１３を流れる。この電流は、整流周期と呼ばれる周期パターンに応じて回転磁界を発生する。６つの磁極対を持つ三相モータの場合、６つの整流信号がロータ１５の１回の機械的回転に対応する。一つの整流周期は結果として、６０度の回転角に対応する。この整流は、整流信号２１に基づいて制御される（第１図参照）。ロータ１５を駆動するため、出力段３０の半導体素子３６は（第１図参照）、正しい瞬間に切替えられるべきである。切替えの瞬間は、検出ユニット２０により規定される（第１図参照）。切り換えの度に、３つの巻線の内、２つが励磁される。
第３図は双極制御信号がどの様に位相エラー信号から導出されるかを示す図である。第３ａ図に示された位相エラー信号５３は、位相検出器４０（第１図参照）により発生されかつ、パルス形状である。このパルスのエネルギー量は、センサ信号と基準信号の間の位相差に比例する。第３ｂ図に示された信号は、第１ローパスフィルタの後で得られる。第３ｃ図に示された信号は、第２ローパスフィルタの後で得られる。そして第３ｄ図に示された双極制御信号６１は、微分器の後で得られる。
第４図は、モータ制御装置を含む制御ループの修正動作中の時間関数として、電源段により供給される電流、巻線の１つの両端電圧及び該巻線を流れる電流を示す図である。電源段５０により供給された電流Ｉは、双極制御信号６１に依存して変化する（第３図参照）。初めに、電源段は瞬間ｔ＝ｔ ₁ まで電流Ｉ＝Ｉ ₀ を供給し、電流Ｉが減少し、マイナスになり、次いで再び電流Ｉ＝Ｉ₀ まで増加する（図示されていない）。巻線１１を流れる電流Ｉ ₁₁ は最初に値Ｉ＝Ｉ ₀ を持ち、整流信号２１（第１図参照）に基づいて図２に示されるように切り換えられる。巻線１１の両端電圧は、逆起電力に電圧Ｉ₁₁Ｒを加えたものに等しい。ここでＲは、巻線１１の電気抵抗である。瞬間ｔ＝ｔ₁以降は、電流Ｉ₁₁ は大きさが減少するが、依然としてＶ₁₁と同期状態である。ｔ＝ｔ₂以降、電源段により供給される電流Ｉがマイナスになり、結果として、巻線１１を流れる電流Ｉ₁₁が電圧Ｖ₁₁とは逆の位相になる。この結果、巻線１１を流れる電流Ｉ₁₁が整流信号２１とは独立に、方向及び大きさに関して制御可能となる。整流信号２１は、逆起電力電圧のゼロ交差に基づく。このゼロ交差が逆起電力において検出されると、新たな整流が３０度に等しいΔｔ後実行される。ゼロ交差の間、巻線１１を流れる電流Ｉ₁₁がゼロである。この結果、電圧Ｖ₁₁が逆起電力電圧に対応する。電源段５０による電流Ｉの変化は、ゼロ交差の間電圧Ｖ₁₁には影響を与えず、この結果、整流信号２１の発生が影響を受けない。この結果、ロータ１５の駆動及び能動的な制動の間の整流及び制御が、相互に完全に独立して実施される。
第５図は、本発明によるモータ制御装置の第２実施例における電源段及び出力段を示す図である。電源段７０は、出力段３０の出力部３３，３４，３５を介して双方向電流Ｉを供給するように構成される。該電流は、双方向制御信号６１に依存しかつ、整流信号に依存しない。電源段７０は、制御信号６１の大きさに依存した与えられた幅のプラスパルスを供給するパルス幅変調器７２を有する。電源段７０は更に、制御信号６１の符号に応じて、出力段３０に供給された電流Ｉの方向を反転するようにスイッチ７３を駆動する符号検出器７１を有する。
第６図は、本発明による装置の第１実施例を示す図である。この装置は、ビデオイメージを記録するカメラ８０であり、そしてフレーム転送イメージセンサ８１及びこのイメージセンサ８１を周期的に閉塞させるシャッタ８２を有する。シャッタ８２は、上述のようにモータ制御装置８６で制御されるモータ８４で駆動される。ビデオコントローラ８７により、毎時、イメージセンサ８１の読取り周期を開始する周期的基準信号８８が発生される。シャッタ８２の位置は、周期的センサ信号８９を発生する光学センサ８５により検出される。センサ信号８９及び基準信号８８は、いずれもモータ制御装置８６に供給される。形成される制御ループは、イメージセンサ８１が読取り周期の間にレンズ８３を介して入射する光から遮断されることを確実にする。言換えれば、当該制御ループは、読取りとシャッタ８２の移動とが一定の位相関係にあることを確実にする。
第７図は、本発明による装置の第２実施例を示す図である。この装置は、情報の記録及び／もしくは再生を行うハードディスクユニット９０である。このハードディスクユニット９０は、磁化可能ディスク９２と制御ユニット９７に結合された磁気ヘッド９１を有する。このディスク９２は、上述のようなモータ制御装置９６により制御されるモータ９４により駆動される。制御ユニット９７は、例えば、ディスク９２に格納されるべき情報流から導出される周期的基準信号９８を発生する。制御ユニット９７は同様に、例えば、ヘッド９１によりディスク９２から読取ったサーボ信号から導出される周期的センサ信号９９を生成する。このセンサ信号９９及び基準信号９８の両者は、モータ制御装置９６に供給される。形成される制御ループは、ディスク９２の回転の速度が、ディスク９２に格納される情報流に対応することを確実にする。
本発明は上述の実施例に限定されないことに注意されたい。本発明は、例えば、前記手段が放射ビームを生成し、前記素子が、与えられた周期でスクリーン上で放射ビームを動かすミラーを有する画像表示装置においても利用可能である。ここで放射ビームは、スクリーンに画像を表示する目的で情報流に基づいて変調される。一方、出力段３０及び電源５０は一体化されても良く、制御素子３６は双方向制御信号６１に応じて連続的に制御され、モータを流れる電流は双方向制御信号６１の符号に応じて適切な制御素子をオンにすることにより反転されても良い。

Claims (10)

1. 磁気ロータと複数の巻線を有する電気マルチ位相ブラシレスＤＣモータを制御するモータ制御装置であって、
   前記巻線に発生する逆起電力電圧に基づいて整流信号を生成するように構成される検出ユニットと、
   前記巻線に結合する出力部と、電源に結合する少なくとも一つの端子と、前記整流信号に応じて前記端子を選択的に前記出力部に結合する複数の制御素子とを持つ出力段とを有するものにおいて、
   前記ロータの瞬間の位置に対応する周期的センサ信号を受信する第１入力部と、周期的基準信号を受信する第２入力部とを持ち、前記センサ信号と前記基準信号との位相差を表す位相エラー信号を発生するように構成される位相検出器と、
   制御された方法で前記ロータを駆動及び制動するために前記位相エラー信号に応じて前記出力段の前記出力部を介して双方向電流を供給するように構成される制御可能な電源段とを有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記出力段が前記電源段と直列配置されることを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１もしくは２に記載のモータ制御装置において、
   前記電源段が、前記位相エラー信号に依存する双方向電流を前記出力段の出力部を介して前記巻線に供給するように構成されたパルス幅変調器を有することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のモータ制御装置において、
   前記電源段が制御可能な電流源を有することを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のモータ制御装置において、
   前記位相検出器が、前記基準信号の周期に比べて狭くかつ、前記センサ信号と前記基準信号の間の位相差に比例したエネルギー量を持つパルスの形態で位相エラー信号を生成することを特徴とするモータ制御装置。
6. 請求項５に記載のモータ制御装置において、
   前記位相検出器と前記出力段との間に配置され、前記パルスを双極制御信号に変換する２次のローパスフィルタと微分器との直列構成を有し、
   前記電源段が前記双極制御信号に応じて電流を供給するように構成されることを特徴とするモータ制御装置。
7. 請求項６に記載のモータ制御装置において、
   前記ローパスフィルタの時定数が前記基準信号の周期よりも小さいことを特徴とするモータ制御装置。
8. 周期的基準信号に同期した周期で情報の記録及び／若しくは再生を行う手段と、
   前記手段と協働する素子を駆動するモータと、
   前記素子の位置を検出し、センサ信号を発生するセンサと、
   前記モータを駆動するため、請求項１乃至７の何れか一項に記載のモータ制御装置とを有することを特徴とする、情報を記録及び／又は再生する装置。
9. 請求項８に記載の装置において、
   前記手段は、フレーム転送イメージセンサを有し、前記素子は、当該イメージセンサを周期的に遮断するシャッタを有することを特徴とする装置。
10. 請求項８に記載の装置において、
    前記素子が情報担体を有し、前記手段が当該情報担体に情報を書き込むヘッドを有することを特徴とする装置。

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