JP5034467B2

JP5034467B2 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP5034467B2
Application number: JP2006328989A
Authority: JP
Inventors: 智彦納家
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2026-12-06
Also published as: JP2008148368A

Description

本発明は、ＯＡ機器を駆動するモータに関し、特にモータの制御に関するものである。

近年、ＯＡ機器の駆動用として、ブラシレスモータが一般的に採用されている。そして、レーザプリンタやコピー機等のＯＡ機器においては、印字の高速化およびモノクロ機からカラー機への移行が進む中、印字精度の向上、紙搬送速度の高速化等に対応するためモータに必要とされる回転制御性能の向上が求められている。

さらに、ＯＡ機器の小型化、低コスト化が要求される中、モータにも同様に小型でかつ低コストが求められている。

また、ＯＡ機器の駆動用として用いられるモータは、広範囲に変化する速度の制御を行う必要が有り、全ての速度範囲に対して最適なサーボゲインの設定が困難となるため、高速域または低速域において、速度制御が不安定となり結果として回転ムラが生じ、目標とする印字精度が得られないという課題がある。

この課題を解決するために、変化する速度に応じてサーボゲインを切替える構成が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
図４に上記特許文献１に開示された従来のモータ制御装置を示す。モータ４０１に接続されたエンコーダ４０２からの出力信号と基準信号ｆｃｐとを比較して速度制御信号ＡＦＣおよび位相制御信号ＡＰＣを生成し、該位相制御信号ＡＰＣの出力段にラダー抵抗を用いたＤ／Ａコンバータを有するＰＬＬ制御ＩＣ４０３と、前記速度制御信号ＡＦＣおよび前記位相制御信号ＡＰＣを基準電圧Ｖｒｅｆと比較して増幅するオペアンプ４０４と、このオペアンプ４０４の出力に応じた電流を前記モータ４０１に供給するドライブＩＣ４０５とを具えるモータ制御装置において、エンコーダ４０２からの出力信号または基準信号ｆｃｐの周波数を変化させてモータ４０１の回転数を変化させる回転数切換え指令を与えるＣＰＵ４０６と、このＣＰＵ４０６の出力に応じてオペアンプ４０４のゲインを変化させるゲイン調整回路Ｇ１と、これと連動して基準電圧Ｖｒｅｆを変化させるＡＰＣシフト回路Ｐ１とを備えた構成である。

ＣＰＵ４０６から出力された信号ＳＩＧ３、ＳＩＧ４に応じてオペアンプ４０４のゲインを変化させることにより、速度制御出力に対するゲインを制御してどの回転数においても周波数―ゲイン特性を同一にすることにより、複数の回転数について安定した制御を行うものである。

さらに、ＣＰＵ４０６から出力される信号ＳＩＧ５、ＳＩＧ６に応じてＡＰＣシフト回路Ｐ１により基準電圧をシフトさせて、モータの回転数を変化させた場合にラダー抵抗を用いたＤ／Ａコンバータが生じる量子化誤差の小さなポイントに位相制御信号の動作点を移動させることにより、量子化誤差に起因する回転ムラを低減するものである。

ところで、従来から、モータの速度制御を精度よく行う上では、周波数発電機（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＧｅｎｅｒａｔｏｒ：以下ＦＧと称す）によるモータの回転速度検出精度を向上することが重要である。例えば、ブラシレスモータなどには、通常、速度検出器としてモータの速度に比例する出力振幅と周波数を有する信号を発生するパターン積分型のＦＧが利用されている。

この種のモータを、例えば、複写機のドラム駆動用に用いた場合、複写機のドラムは、通常、モータの回転よりも低速動作させることから、モータとドラムとの間にギヤをかませている。しかし、このようにギヤをかませることは、ギヤの音の問題や複写機の構成が複雑化することから、効率的ではない。そこで、モータでドラムを直接駆動することが考えられるが、ＦＧをモータの速度検出器として利用していることから、モータの回転速度を低下させた場合、ＦＧの信号（ＦＧ出力）の出力振幅が小さくまた周波数が低くなるためモータの回転精度が低下し、いわゆる回転ムラが大きくなる。
特開平６−２６１５７６号公報

上記のように構成された上記特許文献１の従来のモータ制御装置においては、速度検出器としてパターン積分型のＦＧを採用した場合に、モータの回転速度を低下させた場合、ＦＧの信号（ＦＧ出力）の出力振幅が小さくまた周波数が低くなるためモータの回転精度が低下し、いわゆる回転ムラが大きくなるという課題の解決はできない。

さらに、図５に示すように、低速域でＦＧゲインを高く設定しＦＧ出力の周波数と振幅を確保すると、高速域においてＦＧ信号５２４の出力飽和が発生し、速度検出器の出力を増幅してＦＧ信号５２４を出力するオペアンプの仮想接地が崩れ、ＦＧ信号のＨｉｇｈまたはＬｏｗを切換えるスレッシュ点がずれるため、ＦＧ信号のＤｕｔｙが変化し回転ムラ等の特性が悪化するという課題を有している。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、モータを任意の速度で回転させたときにもモータの回転精度を良好にできるとともに、省スペース・小型化を図ることが可能であり、モータトータルとしての低コスト化に貢献できることを目的としている。

上記課題を解決するために本発明のモータ駆動装置は、速度アンプゲインを切換えて、速度の応じた周波数特性を確保するように構成したモータ駆動装置である。本モータ駆動装置は、モータの速度に比例する出力振幅と周波数を有する信号を発生する速度検出手段と、この速度検出手段の出力信号を増幅するＦＧアンプ手段と、このＦＧアンプ手段の出力信号を矩形波に変換するコンパレート手段と、このコンパレート手段の出力信号とモータの外部から入力されモータの速度を指令する速度指令信号とにより、目標速度からの偏差量に相当する速度誤差信号を発生するとともに、速度指令信号に応じたゲイン切換信号を出力するロジック制御手段と、速度誤差信号を増幅してトルク指令信号を発生する速度アンプ手段と、モータにトルク指令信号に応じた電流を供給する駆動手段と、速度アンプ手段のゲイン設定を行う速度アンプゲイン設定手段と、速度アンプゲイン設定手段の周波数−ゲイン特性の切換えを行う速度アンプゲイン切換手段と、ＦＧアンプ手段のゲイン設定を行うＦＧアンプゲイン設定手段と、ＦＧアンプゲイン設定手段のゲインの切換えを行うＦＧアンプゲイン切換手段とを備える。そして、速度アンプゲイン切換手段は、ゲイン切換信号により、速度の応じた周波数特性を確保するように、速度アンプゲイン設定手段による速度アンプ手段のゲイン設定を切換える。また、ＦＧアンプゲイン切換手段は、ゲイン切換信号により、速度アンプゲイン切換手段の切換えと連動して、ゲイン切換信号が低速側への切換え指示するとき、ＦＧアンプゲイン設定手段によるＦＧアンプ手段のゲインを高く設定するように切換え、ゲイン切換信号が高速側への切換え指示するとき、ＦＧアンプゲイン設定手段によるＦＧアンプ手段のゲインを低速側への切換え時のゲインよりも低く設定するように切換える構成を有するものである。

請求項１に記載の発明によれば、任意のモータの速度における最適な速度サーボゲインと最適なＦＧゲインを同時に設定することで、最適な周波数特性を確保しつつ、ＦＧ出力の周波数と振幅を確保することが可能であり、制御安定性が向上し、モータの回転精度を良好に得ることができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、通常別ＩＣのアナログスイッチと駆動ＩＣを１つの制御回路に搭載した場合と比較すると、回路規模が著しく縮小できるとともに、制御回路の簡素化、パッケージの小型化を図ることが可能であり、モータトータルとしての低価格なモータ駆動装置を実現することができる。

以下、本発明に係るモータ駆動装置の好適な実施の形態について添付の図面を参照しな
がら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるモータ駆動装置を示す回路構成図である。
図１において、モータ駆動装置は、複数の速度で使用されるモータ１０１と、前記モータ１０１の速度に比例する出力振幅と周波数を有するＦＧ信号１０３を発生する速度検出手段１０２と、前記ＦＧ信号１０３を増幅するＦＧアンプ手段１０４と、前記ＦＧアンプ手段１０４のゲイン設定を行うＦＧアンプゲイン設定手段１０５と、前記ＦＧアンプ手段１０４にて増幅された前記ＦＧ信号１０３をデジタル信号（矩形波）１０６に変換するコンパレート手段１０７と、前記デジタル信号１０６と外部から入力され前記モータ１０１の設定速度を指令する速度指令信号１０８により目標速度からの偏差量に相当する速度誤差信号１０９を発生するロジック制御手段１１０と、前記速度誤差信号１０９を増幅してトルク指令信号１１１を発生する速度アンプ手段１１２と、前記速度アンプ手段１１２のゲイン設定を行う速度アンプゲイン設設定手段１１３と、前記トルク指令信号１１１に応じた駆動電流１１４を前記モータ１０１に供給する駆動手段１１５と、前記ロジック制御手段１１０に外部から入力される速度指令信号１０８に応じて前記ロジック制御手段１１０から出力されるゲイン切換信号１１６により、前記ＦＧアンプゲイン設定手段１０５の切換えを行うＦＧアンプゲイン切換手段１１７と、前記ゲイン切換信号１１６により、前記速度アンプゲイン設設定手段１１３の切換えを行う速度アンプゲイン切換手段１１８とで構成されている。前記ＦＧアンプゲイン設定手段１０５と前記速度アンプゲイン設設定手段１１３は前記ゲイン切換信号１１６により連動して切換えられる構成となっている。

以上の構成において、前記ＦＧアンプ手段１０４のゲインを切換え動作について図２を用いて図１を参照しながら説明する。

図２は本発明の実施の形態１において、ＦＧゲインを切換えた時のＦＧ出力信号を示す。

速度指令信号１０８により低速を指示されて低速回転する際、速度検出手段１０２から出力される低速回転時のＦＧ信号２２１は振幅の小さい信号となる。低速回転時の速度制御精度を維持するため、速度検出手段１０２のモータ１回転あたりのパルス数を多くしてＦＧ信号１０３の周波数を高くしているので、低速回転時のＦＧ信号２２１の振幅は一層小さくなっている。

そして、低速を指示する速度指令信号１０８に応じて同じタイミングでゲイン切換信号１１６がロジック制御手段１１０から低速側にゲインを切換える指示を行う信号として出力される。具体的には、ロジック制御手段１１０の速度指令信号１０８の入力部に閾値を設け、閾値以下の速度指令信号１０８が入力された時には低速側を指示するゲイン切換信号１１６を出力する様に構成されている。（逆に閾値以上の速度指令信号１０８が入力された時には高速側を指示するゲイン切換信号１１６を出力する様に構成されている。）このゲイン切換信号１１６がＦＧアンプゲイン切換手段１１７に入力され、ＦＧアンプゲイン設定手段１０５の低速側が選択される。この時、ＦＧアンプゲイン設定手段１０５を高いゲインとなる様に設定することで、ＦＧアンプ手段１０４にて増幅された振幅の大きなＦＧアンプ手段出力信号２２２を得ることができる。

逆に、速度指令信号１０８により高速を指示されて高速回転する際、速度検出手段１０２から出力される高速回転時のＦＧ信号２２３は周波数が高く振幅の大きい信号となる。また、高速を指示する速度指令信号１０８に応じて同じタイミングでゲイン切換信号１１６がロジック制御手段１１０から高速側にゲインを切換える指示を行う信号として出力される。このゲイン切換信号１１６がＦＧアンプゲイン切換手段１１７に入力され、ＦＧア
ンプゲイン設定手段１０５の高速側が選択される。この時、ＦＧアンプゲイン設定手段１０５を低いゲインとなる様に設定することで、ＦＧアンプ手段１０４を出力飽和させることなくＦＧアンプ手段出力信号２２４を得ることができる。

以上により、低速回転時には速度制御精度を維持するために必要な周波数であって、充分な振幅のＦＧアンプ手段出力信号２２２が得られるので、低速回転時のモータの回転精度の低下による、回転ムラが増大するという課題の解決が図れる。

同時に、高速回転時には出力飽和の無いＦＧアンプ手段出力信号２２４が得られるので、
出力飽和によりＦＧアンプ手段１０４の仮想接地が崩れ、ＦＧ信号のＨｉｇｈまたはＬｏｗを切換えるスレッシュ点がずれるため、ＦＧ信号のＤｕｔｙが変化し回転ムラ等の特性が悪化するという課題の解決も図れる。

次に、速度アンプゲイン設定手段１１３を切換えた時の周波数−ゲイン特性について図３を用いて説明する。

本実施例の動作は図３に２種類の破線で示す様に速度で変化する周波数−ゲイン特性を、高速および低速における最適な速度アンプゲインを速度アンプゲイン設定手段１１３に個々に設定し、ゲイン切換信号１１６により速度アンプゲイン設定手段１１３を切換えることで、実線に示す様にモータ１０１の速度に応じた最適な周波数特性を確保することが可能であるので、制御安定性が向上し、モータ１０１の回転精度を良好にすることができる。

即ち、複数の速度においてＦＧアンプゲイン設定手段１０５と速度アンプゲイン設定手段１１３を個々の速度毎に最適な値に設定し、ゲイン切換信号１１６によりＦＧアンプゲインと速度アンプゲインを連動させて同時に切換えることで、モータ１０１の回転数に応じた最適な振幅のＦＧ信号１０３と最適な速度アンプゲインを確保することが可能であり、制御安定性が向上し、モータ１０１の回転精度を良好にすることができる。

なお、本実施の形態では、外部からロジック制御手段１１０に入力する速度指令信号１０８の値に応じて、低速または高速のゲイン切換信号１１６を出力する構成としたが、ゲイン切換を指示する信号を外部からロジック制御手段１１０に入力し、速度指令信号１０８とタイミングの同期を取ってゲイン切換信号１１６を生成しても良い。

また、速度の設定を低速と高速の２段階のみの例で説明したが、ＦＧアンプゲイン設定手段１０５、ＦＧアンプゲイン切換手段１１７、速度アンプゲイン制御手段１１３、速度アンプゲイン切換手段１１８をそれぞれ３段階以上の複数の速度設定が可能な構成とすることも可能であることは言うまでもない。

（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１に示した、ＦＧアンプ手段１０４と、コンパレート手段１０７と、ロジック制御手段１１０と、速度アンプ手段１１２と、ＦＧアンプゲイン切換手段１１７と、速度アンプゲイン切換手段１１８を１つの半導体集積回路に内蔵することを特徴としている。この構成により、図４に示す上記特許文献１の従来のモータ制御装置の様に、半導体集積回路であるＰＬＬ制御ＩＣ４０３、オペアンプ４０４、ドライブＩＣ４０５、ＣＰＵ４０６とは別にアナログスイッチを用いてゲイン調整回路Ｇ１を構成した場合と比較すると、回路規模が著しく縮小できるとともに、制御回路の簡素化、パッケージの小型化を図ることが可能であり、モータトータルとしての低価格なモータ駆動装置を実現することができる。

また、使用される用途によって駆動手段１１５を半導体集積回路に内蔵しても前述したモータ駆動装置の効果を発揮できることは言うまでもない。

本発明のモータの駆動装置は、速度の可変速範囲が広く低回転ムラなどの速度安定性能が要求されるプリンタ、ＰＰＣ、複写機、スキャナー、ファックス、またはこれらの複合機器、のみならず、ハードディスク、光メディア機器などの情報機器などに使用されるモータの駆動に好適である。

本発明の実施の形態１によるモータ駆動装置を示す回路構成図本発明の実施の形態１によるＦＧゲインを切換えた時のＦＧ出力信号を示すグラフ本発明の実施の形態１による速度アンプゲインを切換えた時の周波数−ゲイン特性図特許文献１に記載された従来の技術を示す回路図特許文献１に記載された従来の技術のＦＧ信号を示すグラフ

符号の説明

１０１、４０１モータ
１０２速度検出手段
１０３ＦＧ信号
１０４ＦＧアンプ手段
１０５ＦＧアンプゲイン設定手段
１０６デジタル信号
１０７コンパレート手段
１０８速度指令信号
１０９速度誤差信号
１１０ロジック制御手段
１１１トルク指令信号
１１２速度アンプ手段
１１３速度アンプゲイン設定手段
１１４駆動電流
１１５駆動手段
１１６ゲイン切換信号
１１７ＦＧアンプゲイン切換手段
１１８速度アンプゲイン切換手段
２２１、５２１低速回転時のＦＧ信号
２２２、５２２低速回転時のＦＧアンプ手段出力信号
２２３、５２３高速回転時のＦＧ信号
２２４、５２４高速回転時のＦＧアンプ手段出力信号
４０２エンコーダ
４０３ＰＬＬ制御ＩＣ
４０４オペアンプ
４０５ドライブＩＣ
４０６ＣＰＵ
Ｇ１ゲイン調整回路
Ｐ１ＡＰＣシフト回路

Claims

速度アンプゲインを切換えて、速度に応じた周波数特性を確保するように構成したモータ駆動装置であって、
モータの速度に比例する出力振幅と周波数を有する信号を発生する速度検出手段と、
この速度検出手段の出力信号を増幅するＦＧアンプ手段と、
このＦＧアンプ手段の出力信号を矩形波に変換するコンパレート手段と、
このコンパレート手段の出力信号とモータの外部から入力されモータの速度を指令する速度指令信号とにより、目標速度からの偏差量に相当する速度誤差信号を発生するとともに、前記速度指令信号に応じたゲイン切換信号を出力するロジック制御手段と、
前記速度誤差信号を増幅してトルク指令信号を発生する速度アンプ手段と、
前記モータに前記トルク指令信号に応じた電流を供給する駆動手段と、
前記速度アンプ手段のゲイン設定を行う速度アンプゲイン設定手段と、
前記速度アンプゲイン設定手段の周波数−ゲイン特性の切換えを行う速度アンプゲイン切換手段と、
前記ＦＧアンプ手段のゲイン設定を行うＦＧアンプゲイン設定手段と、
前記ＦＧアンプゲイン設定手段のゲインの切換えを行うＦＧアンプゲイン切換手段とを備え、
前記速度アンプゲイン切換手段は、
前記ゲイン切換信号により、速度に応じた周波数特性を確保するように、前記速度アンプゲイン設定手段による前記速度アンプ手段のゲイン設定を切換え、
前記ＦＧアンプゲイン切換手段は、
前記ゲイン切換信号により、前記速度アンプゲイン切換手段の切換えと連動して、前記ゲイン切換信号が低速側への切換えを指示するとき、前記ＦＧアンプゲイン設定手段による前記ＦＧアンプ手段のゲインを高く設定するように切換え、
前記ゲイン切換信号が高速側への切換えを指示するとき、前記ＦＧアンプゲイン設定手段による前記ＦＧアンプ手段のゲインを前記低速側への切換え時のゲインよりも低く設定するように切換えることを特徴とするモータ駆動装置。
前記ＦＧアンプ手段と、前記コンパレート手段と、前記ロジック制御手段と、前記速度アンプ手段と、前記駆動手段と、前記速度アンプゲイン切換手段および前記ＦＧアンプゲイン切換手段の少なくとも一部とを半導体集積回路に一体に形成し、モータに内蔵または一体化することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。