JP4677764B2 - パルス幅変調信号駆動機器の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス幅変調された信号で駆動され、その動作が制御される機器において発生する不要ノイズ成分の低減方法に係る。

パルス幅変調信号で駆動される機器（例えば、電流制御ステッピングモータ等）は、当該機器に流す電流波形のデューティ比を変える（すなわちパルス幅変調（以下、ＰＷＭと記す）波形、）ことで機器の動作を制御する構成としている。このようなＰＷＭ制御機器の場合、ＰＷＭのパルス列で負荷の駆動電流をスイッチングするため、制御基本周波数およびその高調波周波数のスイッチングノイズが発生する。このスイッチングノイズは、例えば車載用を考えた場合、同じ車両に搭載されている車載ラジオの聴取に対して影響を与え、聴取を困難にしたり、耳障りとなる雑音を発生したり、場合によっては車載用の他のディジタル機器の動作に悪影響を及ぼす場合も懸念される。

このノイズ成分低減の方法として、下記特許文献１にステッピングモータ制御装置が開示されている。これは、電流制御ステッピングモータを制御するため上記ＰＷＭされた駆動電流パルス列（以下、制御クロックと記す）に対して、さらにこの制御クロックの周波数より低い周波数を有する正弦波で周波数変調をかけることにより、所望の周波数帯域において上記のノイズのスペクトル成分を拡散させ、車載機器への影響を低減しようとするものである。

特開平７−９９７９５号公報

以上述べたノイズ低減法においてもラジオ聴取に対する影響を必ずしも十分に低減できるわけではない。以下、この理由を説明する。
通信装置として、例えば日本国内におけるＡＭ放送は、５４５ｋＨｚから１６０５ｋＨｚの帯域が使用されており、各局の放送波の搬送波は９ｋＨｚの倍数の周波数が割り当てられている。またその搬送波の±６ｋＨｚ程度の範囲が側帯波の帯域であり、すなわち１２ｋＨｚ程度が一つの放送波の帯域幅となっている。例えば、東京地方で受信可能なニッポン放送は１２４２ｋＨｚを搬送波としており、側帯波を含めた帯域は１２３６ｋＨｚから１２４８ｋＨｚである。

ここで、例えば制御クロックが２４８ｋＨｚのステッピングモータの制御装置について、制御クロック周波数及びその高調波のノイズが、ラジオ聴取に与える影響を考える。この場合、制御クロックの５次高調波の周波数は１２４０ｋＨｚである。これはニッポン放送の側帯波の帯域に入ることから、ラジオの音声出力にこの高調波成分が雑音として混入し、当該放送局の聴取に悪影響を及ぼすことになる。また、側帯波の帯域に入っていない制御クロックであっても、このクロックに起因するノイズスペクトルのピーク値を前記従来の方法で拡散させると、拡散されたノイズ成分が放送帯域に入ってきてしまい、ラジオ聴取への影響が増加してしまうことが考えられる。
以上のように、ＰＷＭ信号駆動機器の制御クロックのスイッチングノイズを周波数領域でスペクトルを拡散させてもラジオ受信その他車載機器の動作への影響を必ずしも十分に低減できるわけではなかった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、制御の基本周波数ならびにその高調波によるノイズ成分となる放射スペクトルを拡散させた場合、拡散させたスペクトルにノイズ成分を含まない空白部分を作ることで、上記不要な放射ノイズを抑制することの出来る制御装置を提供することにある。

本発明においては上記目的を達成するために、上記周波数変調手段によりＰＷＭ信号の周波数に揺らぎを与える周波数可変手段を、第１および第２の発振器と、これにより得られた電圧波形の振幅を変更する第３の発振器とを備えている。
また、第２の発振器と第３の発振器には、これら両発振器の出力電圧の変化に対して同期をとるための同期手段を備えている。

本発明の構成により、制御クロックでステッピングモータを駆動する際に発生するスイッチングノイズの周波数成分をシフトすることが可能となり、これにより、制御クロックの高調波成分のスペクトル分布に所望のノイズ成分を含まない空白部分を形成することが出来るようになり、ラジオ受信その他車載機器の動作に悪影響を及ぼすことのないステッピングモータ制御装置を実現できた。

以下、本発明についてＰＷＭ信号駆動機器の例として電流制御ステッピングモータについて図により説明する。
図１２は一般に用いられている電流制御ステッピングモータ（以下、ステッピングモータと略記する）制御系を示す構成図である。図１２において、指示入力部１から入力されたステッピングモータ２０の制御命令はＣＰＵ２に入力され、ＰＷＭ波形のステッピングモータの制御クロックが生成される。この制御クロックは、相切替信号によりステッピングモータ各相のコイルに当該制御クロックを順次供給するシーケンス情報と共に、バッファ２２を介してブリッジ回路状に接続されたスイッチング素子（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４）に印加され、ステッピングモータの動作が制御される。

これらスイッチング素子に入力されたステッピングモータ駆動用の制御クロックの周波数およびシーケンスによりステッピングモータ２０が制御される構成となっている。ここで、スイッチング素子はステッピングモータ２０のコイル２１に流れる電流をＰＷＭされた制御クロックでＯＮ，ＯＦＦすることによりステッピングモータ２０のコイル２１に流れる電流制御を行うものであり、電力スイッチングを行うため、ＰＷＭ波形の制御クロックの基本周波数およびその高調波成分を有するスイッチングノイズが放射され車載ラジオの聴取に悪影響を与えることになる。なお、図１２においてステッピングモータ２０のコイル２１は１相分のみを示している。

このため、図１３に示すように、ステッピングモータ２０の制御クロックの基本周波数よりも低い周波数で、かつ振幅が周波数変調後の周波数でｆａ〜ｆｂに対応する電圧の正弦波Ｊで周波数変調をかけ、ＰＷＭ波形の制御クロックの周波数に揺らぎを付与すると、図１４に示すように、この正弦波の振幅で決定される周波数帯域幅（ｆａ〜ｆｂ）に上記のスイッチングノイズのスペクトルの揺らぎが拡散された形となり、これによりラジオ聴取時のノイズレベルを低下させることが出来、ラジオ聴取時のノイズの影響を軽減し得ることが知られている。

（実施の形態１）
図１に本発明による実施の形態１である電流制御ステッピングモータ制御装置の構成図を示す。この制御装置は、指示入力部１からの指示入力がＣＰＵ２の制御部３に入力されると、制御部３に入力された指示に従って、スイッチ部４により、ステッピングモータ２０の駆動コイル２１に流れる電流のＯＮ、ＯＦＦを制御するパルス列およびシーケンスを形成する。ここで、制御部３に入力される指示はステッピングモータ２０の目標位置、運転パターン等であり、一方、この制御部３の内部ではステッピングモータ２０の現在位置も記憶されており、これらのデータからモータ巻線２１への通電シーケンス、すなわちＰＷＭ波形を有する制御クロックのパターンを設定する。

この制御クロックにさらに周波数変調手段５により制御クロックより低い周波数で周波数変調をかけることによりスイッチングノイズのスペクトル拡散処理を行っている。周波数変調手段はＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）を内蔵しており、周波数可変手段６からの信号により上記のＰＷＭで周波数変調された制御クロックをスイッチ部４へ供給している。

図２は、図１におけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ各位置における、それぞれの電圧波形を示している。電圧波形Ａは、発振器ＦＧ１（７）の出力電圧波形を表しており、ステッピングモータ駆動時のスイッチングノイズのスペクトルを拡散させる周波数帯域を設定するもので、この波形は正弦波に限らず図示のように三角波の使用も可能である。

特に、正弦波の場合は正または負の頂点付近で周波数変調波の高周波パルス成分が密集する部分が生じ、ノイズ成分が多くなる。これに対し、三角波においては周波数変化の一様性を保つことが出来るようになり信号対雑音比の点で有利となる。なお、同様の理由により三角波の代わりにのこぎり波を用いても差し支えない。

Ｂは発振器ＦＧ２（８）の出力電圧波形を表しており、周波数変調手段５における発振周波数帯を遷移させるためのオフセット電圧波形を発生するものである。このオフセット電圧波形は、オフセットする過渡状態での残留ノイズを除去するためにもステップ状に急激に変化する波形が望ましい。これら電圧波形ＡおよびＢは加算器９において加算され、周波数変調手段５の入力電圧波形Ｃを形成する。周波数変調手段５は、周波数可変手段６からの電圧波形Ｃを周波数変調手段５内のＶＣＯにより周波数変化に変換するもので、電圧波形Ｃの電圧オフセットＶは、周波数帯域遷移の大きさに対応している。電圧波形Ｄは、スイッチ部４へ供給される周波数変調がかけられたステッピングモータ２０を駆動する制御クロックの波形を示している。

図３は、周波数可変手段６の出力信号で、縦軸を周波数軸、横軸を時間軸として示した波形図である。発振器ＦＧ１（７）の電圧振幅はｆ１〜ｆ３，ｆ４〜ｆ２と周波数が遷移する幅に対応しており、発振器ＦＧ２（８）の電圧振幅はｆ３〜ｆ４の周波数遷移の幅に対応している。ここで、図３における時間幅Ｔはオフセット電圧が印加された状態の通電時間を示し、この時間幅に関しては後述する。

また、図４は、図１における制御周波数を図３の波形で周波数変調した場合のスイッチ部４へ供給される信号のスペクトルである。図４において縦軸Ａ_ｍはスペクトル成分の強さを、横軸は周波数ｆとしている。図３の波形を用いて、制御部３からの制御クロックを周波数変調することで、拡散したノイズスペクトルのｆ３〜ｆ４の周波数帯域にノイズスペクトル成分を持たないスペクトルの空白部を設けることができ、図４に示すように放送周波数帯域におけるノイズ成分を除去した放射ノイズスペクトルの形にすることが出来る。

（実施の形態２）
図５に、実施の形態１の場合と同様、電流制御ステッピングモータ制御装置を例としてその構成図を示す。
図５において周波数可変手段６は、電圧振幅と発振周波数の異なる複数の発振器、発振器ＦＧ３（１０）および発振器ＦＧ４（１１）を備えており、発振器ＦＧ５（１２）の出力でこれら両発振器（ＦＧ３およびＦＧ４）を切り換え部１３により切り換える構成としている。すなわち、発振器ＦＧ３（１０）で周波数幅（ｆ１〜ｆ３）を、発振器ＦＧ４（１１）で周波数幅（ｆ４〜ｆ２）異なるオフセットで発振させておき、これらを発振器５（１２）の出力により予め定められた周期で切り換え部１３の切り替えを行う構成としている。これにより、図４に示した放送周波数帯（ｆ３〜ｆ４）内にステッピングモータ駆動パルス列の高調波成分が落ち込まないように周波数変調手段５のＶＣＯを制御する構成としている。

図６は、図５におけるＥ，Ｆ，Ｇ，Ｃ，Ｄ各位置における、それぞれの電圧波形を表している。Ｅは発振器ＦＧ３（１０）の電圧波形を示しており、ＦはＥと異なる振幅とオフセットを持つ発振器ＦＧ４（１１）の電圧波形を示しており、電圧波形Ｇは発振器５（１２）の出力で、切り換え部１３の切り換え動作を行うタイミングの電圧波形を示している。電圧波形Ｇの電位が低いとき（電圧Ｖ１）に発振器ＦＧ３（１０）を選択し、電位が高いとき（電圧Ｖ２）に発振器ＦＧ４（１１）を選択した場合を示している。Ｃは周波数変調手段５に供給される周波数可変手段１３からの電圧波形を示している。この電圧波形は周波数変調手段５のＶＣＯにより、ステッピングモータ制御パルスの周波数に付加された揺らぎに対応しており、Ｄはスイッチ部４に供給される駆動パルス周波数の制御クロックの波形を示している。

本実施の形態２により、複数の放射ノイズスペクトルで、かつこのスペクトル幅が異なる場合、各スペクトルの強度、すなわちｆ１〜ｆ３およびｆ４〜ｆ２の角スペクトル幅の強度を揃えることが出来るようになる。この場合のスペクトラムは、図４に示したものと同様になる。

（実施の形態３）
図７に、本発明による実施の形態３である電流制御ステッピングモータ制御装置の構成図を示す。
周波数可変手段６は、発振器ＦＧ１（７）と、発振器ＦＧ１（７）出力のオフセットを変更する発振器ＦＧ２（８）と、これにより得られた電圧波形の振幅を変更する発振器ＦＧ６（１４）とを備えている。また、発振器ＦＧ２（８）と発振器ＦＧ６（１４）には、これら両発振器ＦＧ２およびＦＧ６の出力電圧の変化に対して同期をとるための同期手段１５を備えている。

このような構成にすることで、発振器ＦＧ２（８）と発振器ＦＧ６（１４）を用いて一定の周期で、かつ振幅とオフセットの異なる電圧波形を作ることが出来る。すなわち、発振器ＦＧ２（８）のオフセットに対応する周波数帯域で、拡散された放射ノイズスペクトラムに空白部分を設けることが出来、発振器ＦＧ６（１４）により設定される振幅に対応する周波数帯域で放射ノイズスペクトラムを拡散することが出来る。

図８は図７におけるＡ，Ｂ，Ｈ，Ｃ，Ｄ各位置での、それぞれの電圧波形を表している。Ａは発振器ＦＧ１（７）の出力電圧波形を示しており、ＢはＡの出力波形のオフセット電圧を変更する発振器ＦＧ２（８）の電圧波形を示しており、Ｈは加算器９の出力（Ａ＋Ｂ）の振幅を乗算器１６で変更した電圧波形を示している。ここで、電圧波形ＢとＨの時刻Ｔ_０における振幅変化のタイミングは同期手段１５により同期がとられている。Ｃは周波数変調手段５へ供給する周波数可変手段６からの電圧波形を示しており、Ｄはスイッチ部４へ供給される駆動周波数のクロックの電圧波形を示している。

電圧波形Ａと電圧波形Ｂとは加算器９により加算され、オフセットが付加される。このオフセット付加後の電圧波形に発振器ＦＧ６（１４）からの電圧波形Ｈが乗算器１６において乗算され、電圧波形Ｃが得られる。この電圧波形Ｃと制御部３からの指示に対応した制御クロックとで周波数変調手段５において、スイッチ部４を駆動するパルス列Ｄが得られ、この周波数のスペクトラムは図４に示すようになる。

(実施の形態４)
図９に、本発明による実施の形態４である電流制御ステッピングモータ制御装置の構成図を示す。
本実施の形態４においては、図７に示した実施の形態３の構成において、ラジオ受信機の受信周波数を検知する受信周波数検知手段１７を有し、この受信周波数に対応して、発振器ＦＧ２（８）および発振器ＦＧ６（１４）の発振条件を制御し、周波数可変手段６の出力のオフセットとその振幅を変更する構成としている。ラジオ受信機の受信周波数の検知は、一度放送周波数領域をスイープすることにより取得する方法、若しくは、予め地域毎の通信使用周波数マップを用意しておき、これにより発振器ＦＧ２（８）およびＦＧ６（１４）を制御すれば良い。

以下、具体例としてＡＭラジオの場合について考えてみる。例えば、ステッピングモータ駆動の基準周波数が２４８ｋＨｚで、受信周波数検出手段１７により、受信周波数が文化放送（１１３４ｋＨｚ）と、ニッポン放送（１２４２ｋＨｚ）と、ラジオ日本（ｆ３＝１４２２ｋＨｚ）である場合を考える。この場合では、基準周波数の５次高調波（１２４０ｋＨｚ）が、ニッポン放送の放送周波数帯に影響してくる。図１０は、上記３放送局の放送波の周波数帯域分布を表している。

まず、文化放送とニッポン放送、ニッポン放送とラジオ日本において、図４におけるｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４に対応する周波数を求める。側帯波の帯域を６ｋＨｚとすると、
ｆ１＝１１３４＋６＝１１４０ｋＨｚ
ｆ３＝１２４２−６＝１２３６ｋＨｚ
ｆ４＝１２４２＋６＝１２４８ｋＨｚ
ｆ２＝１４２２−６＝１４１６ｋＨｚ
となる。ステッピングモータ駆動クロックの基準周波数が２４８ｋＨｚの場合、この５次高調波（１２４０ｋＨｚ）はｆ３〜ｆ４のニッポン放送の周波数帯域内に入って来るため、この５次高調波がこの近くの空き周波数帯域(例えば、ｆ１〜ｆ３またはｆ４〜ｆ２)に入るようにオフセット電圧として発振器ＦＧ２（８）の出力電圧を設定する。

次に、オフセット電圧を切り換える周波数帯域の比を求める。この周波数帯域の比は、ノイズスペクトルを拡散する周波数帯域幅に比例して求める。ｆ１〜ｆ３の周波数帯域をΔ１とし、ｆ２〜ｆ４の周波数帯域をΔ２とすると、
Δ１＝ｆ３−ｆ１＝９６ｋＨｚ
Δ２＝ｆ２−ｆ４＝１６８ｋＨｚ
となる。ここで、拡散する帯域幅が異なる場合、ノイズスペクトル強度が帯域幅毎に異なってくるので、ノイズ低減効果が低下する。これを避けるため、図１１における各帯域毎にそのオフセットした状態の通電時間（Ｔ１およびＴ２）を以下の関係にしておく必要がある。ここで、ステッピングモータ駆動周波数の揺らぎの幅を図１１に示すようにΔ１’およびΔ２’とすれば、
Ｔ１＝Δ１’／（Δ１’＋Δ２’）
Ｔ２＝Δ２’／（Δ１’＋Δ２’）
すなわち、スイッチングの周期をＴとして
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２
の条件を満足する周期でスイッチングを繰り返すことにより、異なる帯域幅に対してもノイズスペクトル強度を揃えることが可能となり、各通電時間幅の最適化を行うことが出来る。

以上の構成において、周波数可変手段６の出力波形は三角波とオフセットを切り換える矩形波とを合成した波形となる。また、振幅変更用スイッチングを行う発振器ＦＧ６（１４）の出力波形も勿論矩形波であることが望ましい。なお、以上のようにして、任意の周波数帯域に対してノイズ軽減の効果を最適状態で実行することが出来るようになる。
なお、以上の実施の形態においては電流制御ステッピングモータを一例として説明したが、本発明に係る構成は、これに限らず、ＤＣ−ＤＣコンバータ等ＰＷＭ信号を用いて制御する装置に対しては全て適用し得るもので、本実施の形態に限るものではない。

本発明による実施の形態１を示す電流制御ステッピングモータ制御装置の構成図。 図１の構成における各部波形図。 本発明における周波数変調前の制御信号電圧波形図。 周波数変調後のステッピングモータ駆動波形のスペクトラム。 本発明による実施の形態２を示す電流制御ステッピングモータ制御装置の構成図。 図５の構成における各部波形図。 本発明による実施の形態３を示す電流制御ステッピングモータ制御装置の構成図。 図７の構成における各部波形図。 本発明による実施の形態４を示す電流制御ステッピングモータ制御装置の構成図。 ３放送局を例とした周波数帯域割り当て図。 図１０の周波数帯域割り当てに対する制御電圧波形図。 一般的な電流制御ステッピングモータ制御系の構成図。 ステッピングモータ駆動パルス列のノイズ成分拡散法を説明する波形図。 拡散されたノイズのスペクトル図。

符号の説明

１：指示入力部 ２：ＣＰＵ
３：制御部 ４：スイッチ部
５：周波数変調手段 ６：周波数可変手段
７：発振器ＦＧ１ ８：発振器ＦＧ２
９：加算器 １０：発振器ＦＧ３
１１：発振器ＦＧ４ １２：発振器ＦＧ５
１３：切り換え部 １４：発振器ＦＧ６
１５：同期手段 １６：乗算器
１７：受信周波数検知手段
１８：ステッピングモータ駆動電源
１９：スイッチング素子ブリッジ接続部 ２０：ステッピングモータ
２１：ステッピングモータ駆動コイル ２２：バッファ

Claims (3)

1. パルス幅変調信号駆動機器の動作を指示する指示入力部と、
   該入力された指示により前記パルス幅変調信号駆動機器を動作させる制御クロックを生成する制御部と、
   該制御部出力の制御クロックを周波数変調することにより、前記制御部出力である制御クロックに予め定められた周波数範囲で周波数の揺らぎを与える周波数変調手段と、
   該周波数変調手段における変調信号を生成するための周波数可変手段と、
   該周波数変調された前記制御クロックに基づいて前記パルス幅変調信号駆動機器に所定の駆動電流を流すためのスイッチング素子を駆動するスイッチ部とを有するパルス幅変調信号駆動機器の制御装置において、
   前記周波数可変手段は、
   前記スイッチング素子で発生するスイッチングノイズを周波数領域で拡散する範囲を設定する第１の発振器と、
   該第１の発振器出力にオフセット電圧を付与して前記スイッチングノイズの周波数帯域をシフトするための信号を発生させる第２の発振器と、
   該第１および第２の発振器出力を合成するための加算器と、
   前記第１の発振器の振幅を変更するための第３の発振器と、
   前記第２の発振器と前記第３の発振器との同期をとる同期手段と、
   を有することを特徴とするパルス幅変調信号駆動機器の制御装置。
2. 請求項１に記載のパルス幅変調信号駆動機器の制御装置において、
   前記第２の発振器は、前記スイッチ部の近傍にある受信装置の受信周波数を検知し、
   前記受信周波数に対応して、前記オフセット電圧を変更し、
   前記第３の発振器は、前記スイッチ部の近傍にある受信装置の受信周波数を検知し、
   該受信周波数に対応して、前記第２の発振器出力の振幅を変更することを特徴とするパルス幅変調信号駆動機器の制御装置。
3. 請求項２に記載のパルス幅変調信号駆動機器の制御装置において前記第１の発振器の出力は予め定められた振幅を持つ三角波で、
   前記第２の発振器および前記第３の発振器の出力は、予め定められた振幅を持つ矩形波であることを特徴とするパルス幅変調信号駆動機器の制御装置。
   
   
   

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