JP4217384B2 - Ｐｗｍ制御方式によるモータ駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレス直流モータはブラシ付の直流モータに比べると、機械的接点を持たないため長寿命であると同時に電気的雑音も少ない。この利点のため、近年では高信頼性が要求される産業用機器や映像・音響機器に広くブラシレス直流モータが使用されている。
【０００３】
一般に、ブラシレスＤＣモータは、ロータ部に磁性体を使用し、ステータコイルに流れる電流をスイッチング素子で切り換えることによってロータを回転させている。従って、通電切り換えタイミングを正確に検出し、通電切り換え動作を正確に行うことは、モータの回転精度の確保や、高精度のジッタ特性を得る上で、非常に重要なことであり、様々な工夫がなされている。
【０００４】
一方、モータに代表されるインダクタンス負荷を電流駆動する場合、駆動用回路の効率向上の手法としてＰＷＭ方式（パルス幅変調方式）による制御方法がある。しかし、ＰＷＭ方式を採用した場合、モータ駆動のスイッチング制御の通電切り換えタイミングを正確に検出したとしても、モータ回転タイミングとスイッチング回路とで必要な同期が取れているとは限らない。従って、モータのある回転位置とその時の回転トルクの強弱がまばらであるか、または一定周期で変動する為に、モータの回転精度の確保が困難となる場合がある。
【０００５】
図８にＰＷＭ制御による従来の３相モータ７０２のモータ駆動装置のブロックダイアグラムを示す。ただし図ではＰＷＭ制御のシステムを簡易に説明するために最小限必要と思われる部分以外は省略している。
【０００６】
モータ駆動用相信号生成装置７０４はモータ７０２から帰還された位置信号（ホール素子出力信号や機械的に検出した信号）や別途生成された位置信号、電流値帰還信号等を受けてトルク指令信号（ＰＷＭ被変調波）を生成するものである。また三角波チョッピング信号発生回路７０６はモータ駆動用相信号生成装置７０４が出力する信号周期に対して十分周期の短い三角波信号やノコギリ波信号（以降三角波信号と総称する）を生成する回路で、発振器や信号生成装置から構成される。
【０００７】
ＰＷＭ信号生成用コンパレータ装置７０８においてモータ駆動用相信号生成装置７０４，三角波チョッピング信号発生回路７０６が出力する信号を比較し、パルス幅が変調されたスイッチング信号をモータ駆動用スイッチ回路７０９（一般にブリッジ回路等で構成される）へ入力し、モータ駆動用スイッチ回路７０９においてモータ駆動可能レベルまで増幅された負荷駆動信号がモータ７０２へ印加され回転トルクが発生する。この時トルクの強弱はパルス幅のオン・オフ比にて制御される。
【０００８】
ここで、被変調波と三角波の同期が考慮されない従来の制御方式の場合被変調波の回転毎のＰＷＭ波形が変動することとなり、これが回転トルクの微妙な強弱となって現れる。図９（Ｂ）および図９（Ａ）は、従来のＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置における回転毎のＰＷＭ波形の変動を示す為の比較図である。ここで、図９（Ｂ）と図９（Ａ）とでは、ＰＷＭ被変調波に対する三角波信号の位相が異なる為に、そこから生成されるＰＷＭ波形にずれが生じている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来のＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置によれば、モータ駆動のスイッチング制御の通電切り換えタイミングを正確に検出したとしても、スムーズなモータの回転を保証することが困難となり、必要な回転精度を確保できなくなる場合があった。
【００１０】
従って、本発明の目的は、モータの回転位置に対する三角波チョッピング信号の位相を同期させることでトルクの強弱のムラをなくし高精度のジッタ特性を得ることができるＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１）は, 制御対象の多相モータのロータの位置信号を入力し、被変調信号を生成する被変調信号生成装置と、三角波信号を発生する三角波チョッピング信号発生装置と、前記被変調信号生成装置および前記三角波チョッピング信号発生装置に接続し、前記三角波信号を用いて前記被変調信号を変調することによりＰＷＭ信号を出力する比較器と、前記ＰＷＭ信号によって駆動され、前記多相モータへ前記ＰＷＭ信号に対応する駆動信号を供給する駆動信号生成回路とからなり、前記三角波チョッピング信号発生装置は、一定周波数のクロック信号によってカウントアップするカウンタと、前記カウンタの値から前記三角波信号を発生させるＤ／Ａ変換器とから構成されると共に、前記多相モータに接続され、前記多相モータの位置信号を入力し、前記位置信号に同期して、前記カウンタの値をラッチするレジスタを備え、前記カウンタの値がラッチされた後、前記三角波信号が予め定められた位相値となった時に、前記レジスタの値に応じて前記カウンタの値を修正することを特徴とするＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置を提供する。
【００１２】
本発明（請求項２）は,上記請求項１において, 予め定められた位相値とは、前記三角波信号の谷の頂点であることを特徴とするＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置を提供する。
【００１３】
本発明（請求項３）は,上記請求項１において, 前記レジスタに接続され、前記レジスタの値をビット反転させるビット反転回路をさらに備え、前記カウンタの値がラッチされた後、前記三角波信号が予め定められた位相値となった時に、前記レジスタの値は、ビット反転されてから前記カウンタにロードされることを特徴とするＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置を提供する。
【００１４】
本発明（請求項４）は,上記請求項１において, 前記ロータの位置信号は、ホール素子やスリットを使用した光の遮断・通過によって検知されることを特徴とするＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置を提供する。
【００１５】
本発明（請求項５）は,上記請求項１において, 前記三角波信号は、ノコギリ波であることを特徴とするＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
（１）実施形態１
本発明の実施形態１によるＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置１００のブロックダイアグラムを図１に示す。図で、ブラシレス直流モータは、三相モータ１０１によって構成されている。そして、そのロータ部に磁性体を使用し、ステータコイルに流れる電流をスイッチング素子で切り換えることによってロータを回転させている。
【００１９】
このモータ駆動装置１００は、三相モータ１０１からの回転位置信号ＲＰを受けて、駆動信号（被変調信号）を出力するモータ駆動用相信号生成装置１０３と、三角波信号を発生する三角波チョッピング信号発生回路１０５と、モータ駆動用相信号生成装置１０３からの駆動信号と三角波チョッピング信号発生回路１０５からの三角波信号を受けて、ＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号生成用コンパレータ装置１０７と、ＰＷＭ信号生成用コンパレータ装置１０７からのＰＷＭ信号によってパワートランジスタをスイッチングすることにより、三相モータ１０１の３つのステータコイルへのそれぞれに駆動電流を与えるモータ駆動用スイッチ回路１０９とからなっている。
【００２０】
ここで、回転位置信号ＲＰは、ホール素子出力信号や光の遮断・通過の検出信号、機械的に検出するもの、その他の回転位置検出方法等によって生成される。また、モータ駆動用スイッチ回路１０９は、ステータコイルを流れる駆動電流値も、モータ駆動用相信号生成装置１０３へ帰還する。これは、過電流保護等の目的に利用される。
【００２１】
本発明の実施形態１によるモータ駆動装置１００では、三角波チョッピング信号発生回路１０５へモータの回転位置を示す位置信号ＲＰが入力される。ここでは、位置信号ＲＰは、１つのロータが、ある特定の初期回転位置にあるときに立ち上がる信号である。また、後述の通り、三角波チョッピング信号発生回路１０５は、デジタル回路で構成される。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態１によるモータ駆動装置１００の三角波チョッピング信号発生回路１０５を示すブロックダイアグラムである。図に示したように、三角波チョッピング信号発生回路１０５は、８ビットのカウンタ２０１と、このカウンタ２０１の値をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２０３と、モータの回転位置を示す位置信号ＲＰの立ち上がりに同期して、カウンタ２０１の値を取り込むレジスタ２０５と、このレジスタ２０５の値をビット反転するビット反転回路２０７からなっている。
【００２３】
このカウンタ２０１は、２ＭＨｚ〜８ＭＨｚのクロック信号ＣＫで常時カウントアップし、ラップアラウンドし０に戻り、またカウントアップを繰り返す。また、このカウンタ２０１は、取り込み信号発生回路２０９からの取り込み信号によって、レジスタ２０５の値を取り込む。取り込み信号発生回路２０９は、カウンタ２０１からのラップアラウンド信号ＷＡ、つまりカウンタ２０１の値が０となったことを示す信号と、ロータが初期回転位置にあることを示す位置信号ＲＰを受け、チョッピング用三角波信号の位相スキップ点で、カウンタ２０１の値を変更する。
【００２４】
Ｄ／Ａ変換器２０３からの出力は、カウンタ２０１の値を符号付き整数値の補数表現とした場合の絶対値となっている。従って、ビット反転によって、三角波の増減の方向が逆転する。
【００２５】
以下、図３の動作タイミング図を参照して、モータ駆動装置１００の動作を説明する。まず、モータ回転している。そして、モータの回転位置信号ＲＰを受けたらその時点（Ｔ２）の三角波の振幅レベルと変化の方向を記録し、三角波チョッピング信号の位相スキップ点である三角波の谷の頂点（Ｔ１）に達したら三角波の振幅レベルを先に記録したレベルへ復帰させ、かつ振幅のレベルの変化の方向を記録した方向に対して逆転させる。またこの動作はモータの回転位置信号ＲＰが発生する度に、最初の三角波信号スキップ点に到達した時の１回のみ行われる。
【００２６】
なお、三角波信号をノコギリ波信号とした場合には、振幅のレベルの変化の方向を記録する必要はない。その場合、Ｄ／Ａ変換器２０３からの出力は、カウンタ２０１の値を符号無し整数値としてそのまま変換すればよい。
【００２７】
以上の動作を行うことにより、位相スキップ点以降のモータの回転位置に対するチョッピング用三角波の波形の関係が一律に定まり、ＰＷＭ波形も同様にモータの回転位置に対して一律に定まる。
【００２８】
従って、図４に示したように、モータの回転タイミングとモータ駆動用スイッチ回路とで必要な同期が取れていなくとも、モータの回転位置信号ＲＰが発生してからチョッピング信号の位相回転スキップが行われる僅かな期間を除きモータの回転位置とＰＷＭ信号のオン・オフのタイミングが一定に保たれることになる。これにより、トルクの強弱が安定し高精度のジッタ特性を得ることが出来る。
【００２９】
なお、ここで重要な点は、三角波チョッピング信号発生回路１０５をデジタル回路で構成した点である。このデジタル回路は、クロック信号に同期して、位相のスキップを行う。従って、位相スキップ点のレベルに無関係に、正確な同期を行うことが可能となっている。アナログ回路で構成した場合、位相のスキップは、最終的にキャパシタの放電または充電によって行われる為、位相スキップ点のレベルが大きい場合には大きな遅延が伴い、位相スキップ点のレベルが小さい場合には小さな遅延が伴う。これにより、位相スキップ点の位置がずれ、ジッタ特性を十分に改善できない場合が考えられる。
【００３０】
（２）実施形態２
本発明の実施形態２によるＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置は、図１に示したモータ駆動装置と同様の構成を持っている。しかし、ここでは、モータ駆動装置の三角波チョッピング信号発生回路は、より簡単なものとなっている。
【００３１】
本発明の実施形態２によるモータ駆動装置では、三角波チョッピング信号発生回路へモータの回転位置を示す位置信号ＲＰが入力される。ここでは、位置信号は、１つのロータが、ある特定の初期回転位置にあるときに立ち上がる信号である。また、本発明の実施形態と同様に、三角波チョッピング信号発生回路も、デジタル回路で構成される。
【００３２】
図５は、本発明の実施形態２によるモータ駆動装置の三角波チョッピング信号発生回路５０１を示すブロックダイアグラムである。図に示したように、三角波チョッピング信号発生回路５０１は、８ビットのカウンタ５０３と、このカウンタ５０３の値をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器５０５とからなっている。
【００３３】
このカウンタ５０３は、２ＭＨｚ〜８ＭＨｚのクロック信号ＣＫで常時カウントアップし、ラップアラウンドし０に戻り、またカウントアップを繰り返す。また、このカウンタ５０３は、ロータが初期回転位置にあることを示す位置信号ＲＰを受け、カウンタ５０３の値を０にリセットする。Ｄ／Ａ変換器５０５からの出力は、やはりカウンタ５０３の値を符号付き整数値の補数表現とした場合の絶対値となっており、三角波を出力することができる。
【００３４】
以下、図６の、動作タイミング図を参照して、本発明の実施形態２によるモータ駆動装置の動作を説明する。まず、モータの回転している。そして、モータの回転位置信号ＲＰを受けたら、直ちにカウンタ５０３の値が０にリセットされる。従って、回転タイミングとモータ駆動用スイッチ回路とは、初期回転位置において常に正確な同期が確立される。
【００３５】
以上の動作を行うことにより、位相スキップ点以降のモータの回転位置に対するチョッピング用三角波の波形の関係が一律に定まり、ＰＷＭ波形も同様にモータの回転位置に対して一律に定まる。
【００３６】
従って、図７に示したように、モータの回転タイミングとスイッチング回路とで同期が取れていなくとも、初期回転位置で、モータの回転位置とＰＷＭ信号のオン・オフのタイミングが一定に保たれることになる。すなわち、図７（Ａ）では、モータの回転位置と、三角波チョッピングとの位相にずれがあるが、初期回転位置で揃えられる。図７（Ｂ）では、モータの回転位置と、三角波チョッピングとの位相にずれがなく、初期回転位置でそのまま揃っている。その後の、波形は同一となっている。これにより、トルクの強弱が安定し高精度のジッタ特性を得ることが出来る。
【００３７】
なお、ここでも三角波チョッピング信号発生回路５０１をデジタル回路で構成した点が、重要となっている。アナログ回路で構成した場合、初期回転位置で三角波の波形を０とする回路には遅延が伴うが、初期回転位置でのレベルが大きい場合には大きな遅延が伴い、初期回転位置でのレベルが小さい場合には小さな遅延が伴う。これにより、位相スキップ点の位置がずれ、ジッタ特性を十分に改善できない場合が考えられる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるモータ駆動装置によれば、モータの回転位置に対する三角波チョッピング信号の位相を同期させることでトルクの強弱のムラをなくし高精度のジッタ特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１によるＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置のブロックダイアグラム。
【図２】本発明の実施形態１によるモータ駆動装置の三角波チョッピング信号発生回路を示すブロックダイアグラム。
【図３】本発明の実施形態１によるモータ駆動装置の三角波チョッピング信号発生回路の動作タイミング図。
【図４】本発明の実施形態１によるＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置において、回転毎のＰＷＭ波形が調整される様子を示す為の比較図。
【図５】本発明の実施形態２によるモータ駆動装置の三角波チョッピング信号発生回路を示すブロックダイアグラム。
【図６】発明の実施形態２によるモータ駆動装置の三角波チョッピング信号発生回路の動作タイミング図。
【図７】本発明の実施形態２によるＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置において、回転毎のＰＷＭ波形が調整される様子を示す為の比較図。
【図８】従来のＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置のブロックダイアグラム。
【図９】従来のＰＷＭ制御方式のモータ駆動装置における回転毎のＰＷＭ波形が変動する様子を示す為の比較図。
【符号の説明】
１００ モータ駆動装置
１０１ 三相モータ
１０３ モータ駆動用相信号生成装置
１０５ 三角波チョッピング信号発生回路
１０７ 信号生成用コンパレータ装置
１０９ モータ駆動用スイッチ回路
２０１ カウンタ
２０３ 変換器
２０５ レジスタ
２０７ ビット反転回路
２０９ 信号発生回路
５０１ 三角波チョッピング信号発生回路
５０３ カウンタ
５０５ 変換器
７０２ ブラシレス直流モータ
７０２ モータ
７０２ 相モータ
７０２ 直流モータ
７０４ モータ駆動用相信号生成装置
７０６ 三角波チョッピング信号発生回路
７０８ 信号生成用コンパレータ装置
７０９ モータ駆動用スイッチ回路
ＣＫ クロック信号
ＲＰ 回転位置信号
ＷＡ ラップアラウンド信号

Claims (5)

1. 制御対象の多相モータのロータの位置信号を入力し、被変調信号を生成する被変調信号生成装置と、三角波信号を発生する三角波チョッピング信号発生装置と、前記被変調信号生成装置および前記三角波チョッピング信号発生装置に接続し、前記三角波信号を用いて前記被変調信号を変調することによりＰＷＭ信号を出力する比較器と、前記ＰＷＭ信号によって駆動され、前記多相モータへ前記ＰＷＭ信号に対応する駆動信号を供給する駆動信号生成回路とからなり、
   前記三角波チョッピング信号発生装置は、一定周波数のクロック信号によってカウントアップするカウンタと、前記カウンタの値から前記三角波信号を発生させるＤ／Ａ変換器とから構成されると共に、前記多相モータに接続され、前記多相モータの位置信号を入力し、前記位置信号に同期して、前記カウンタの値をラッチするレジスタを備え、前記カウンタの値がラッチされた後、前記三角波信号が予め定められた位相値となった時に、前記レジスタの値に応じて前記カウンタの値を修正することを特徴とするＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置。
2. 予め定められた位相値とは、前記三角波信号の谷の頂点であることを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置。
3. 前記レジスタに接続され、前記レジスタの値をビット反転させるビット反転回路をさらに備え、前記カウンタの値がラッチされた後、前記三角波信号が予め定められた位相値となった時に、前記レジスタの値は、ビット反転されてから前記カウンタにロードされることを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置。
4. 前記ロータの位置信号は、ホール素子やスリットを使用した光の遮断・通過によって検知されることを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置。
5. 前記三角波信号は、ノコギリ波であることを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭ制御方式によるモータ駆動装置。

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