JP5447760B2

JP5447760B2 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP5447760B2
Application number: JP2008039151A
Authority: JP
Inventors: 英之小野; 新中島
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: JP2009201225A

Description

本発明は、ステッピングモータを駆動するのに用いて好適なモータ駆動装置に関する。

従来、ステッピングモータを定電流で駆動するモータ駆動装置は、図７に示すように、駆動信号を生成する駆動信号生成部１０１と、ＭＯＳ−ＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ)Ｍ１０１〜Ｍ１０４によりモータ巻線Ｌ１０１に電流を流し、モータを駆動するモータ駆動部１０２と、モータ巻線Ｌ１０１の電流を検出する電流検出部１０３と、タイミング信号を発振するオシレータ部１０４と、電流検出部１０３の検出出力によりセットされ、タイミング信号によりリセットされるＲＳフリップフロップ１０５とから構成されている。このようなモータ駆動装置では、電流検出部１０３によりモータ巻線Ｌ１０１の電流を検出し、この検出出力によりＲＳフリップフロップ１０５をトリガし、オシレータ部１０４からのタイミング信号によりＲＳフリップフロップ１０５をリセットし、このＲＳフリップフロップ１０５の出力を駆動信号生成部１０１に供給して、モータを定電流で駆動している。

また、例えば特許文献１に示されるように、無整流モータにおいて、モータの回転により、モータの回転に伴う電磁誘導が起き、発電電圧が誘起されると、この誘起電圧とタイミング信号とを同期させるようにすることで、モータからの電磁ノイズや転流騒音を抑えるようにしたものが開示されている。
特開平５−３２８７８３号公報

上述のステッピングモータの駆動装置では、ステッピングモータのスイッチング速度が低速の場合、巻線リップル電流が大きくなり、平均電流を低下させ、回転効率を低下させる。特に、巻線電流が小さい場合に、巻線リップルが占有的になる。したがって、巻線リップル電流の減少という側面からは、スイッチング速度を上げることが望まれる。

ところが、ステッピングモータのスイッチング速度を高速にすると、高速スイッチングのため、スイッチング損失が増大すると共に、発生するノイズの処理が必要になる。また、スイッチング速度が高速の場合、出力トランジスタ、フライホイールダイオードに、スイッチング特性の良い素子を使用しないと、効率悪化を招く。さらに、スイッチング速度が高速の場合、巻線電流が小さく、インダクタンスの値が小さいモータを駆動した場合に、電流の右上がり現象が発生する。

したがって、巻線リップル電流が大きいことが問題になる場合には、スイッチング速度を高速にして、巻線リップル電流を小さくし、また、スイッチング損失の増大が問題となる場合には、スイッチング速度を低速にして、スイッチング損失を減少させるようにすることが望まれる。

ところが、上述の従来のステッピングモータの駆動装置では、スイッチング速度を簡単に変更することは困難である。つまり、図７に示した従来のモータ駆動装置では、外部接続端子１０７が導出されており、この外部接続端子１０７に接続するコンデンサＣ１０１や抵抗Ｒ１０１の時定数により、オシレータ部１０４の発振周波数を設定する構成となっている。このような構成では、スイッチング速度を変更するためには、コンデンサＣ１０１や抵抗Ｒ１０１等の外部部品を装着する必要があり、部品点数が増加すると共に、スイッチング速度を簡単に変更できない。

また、特許文献１に示されるものでは、誘起電圧とタイミング信号とを同期させる必要があるため、タイミング信号の周波数を容易に変更することはできない。

そこで、本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、外部部品を装着することなく、スイッチング速度を簡単に変更できるようにしたモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
（１）本発明は、タイミング信号を発振するオシレータ部（例えば、図１のオシレータ部４に相当）と、オシレータ部からのタイミング信号を基に駆動信号を生成する駆動信号生成部（例えば、図１の駆動信号生成部１に相当）と、駆動信号生成部からの駆動信号によりモータを駆動するモータ駆動部（例えば、図１のモータ駆動部２に相当）と、を有するモータ駆動装置において、時定数回路を有しない、且つ、外部入力によりオシレータ部の発振周波数が設定可能な周波数切替部（例えば、図１の周波数切替部６に相当）を設けたことを特徴とするモータ駆動装置を提案している。

この発明によれば、外部入力によりオシレータ部の発振周波数を変更することで、スイッチング速度を簡単に変更できる。

（２）本発明は、（１）のモータ駆動装置について、モータを定電流で駆動することを特徴とするモータ駆動装置を提案している。

この発明によれば、定電流駆動のモータで、外部入力によりオシレータ部の発振周波数を簡単に変更することができる。

（３）本発明は、（１）または（２）のモータ駆動装置について、モータは、ステッピングモータであることを特徴とするモータ駆動装置を提案している。

この発明によれば、ステッピングモータで、外部入力によりオシレータ部の発振周波数を簡単に変更することができる。

（４）本発明は、（１）から（３）のモータ駆動装置について、前記周波数切替部が、２以上の電流供給源からの供給電流量を切り替えて（例えば、図５の定電流源Ｉ１、Ｉ２およびＳＷ２に相当）、前記オシレータ部の発振周波数が設定することを特徴とするモータ駆動装置を提案している。

この発明によれば、供給する電流量により、オシレータ部の発振周波数を可変することから、電流量を的確に制御することにより、細やかに、オシレータ部の発振周波数を可変することができる。

本発明によれば、外部入力によりオシレータ部の発振周波数を変更することで、巻線リップル電流が大きい場合には、スイッチング速度を高速にして、巻線リップル電流を小さくすることができるという効果がある。また、スイッチング損失が増大した場合には、スイッチング速度を低速にして、スイッチング損失を減少させることができる。オシレータ部の発振周波数が外部入力により変更できるので、外部部品が不要となり、外部部品を削減できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は、本発明の実施形態のモータ駆動装置の構成を示すものである。
図１に示すように、本発明の実施形態のモータの駆動装置は、駆動信号生成部１と、モータ駆動部２と、電流検出部３と、オシレータ部４と、ＲＳフリップフロップ５と、周波数切替部６とから構成されている。これらモータ駆動装置を構成する各部の回路は、集積回路化されている。

駆動信号生成部１は、入力制御信号ＩＮ及びＲＳフリップフロップ５の出力信号を受けて、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１〜Ｍ４に対する駆動信号を生成する。モータ駆動部２は、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１〜Ｍ４により、モータ巻線Ｌ１に電流を流し、モータを駆動する。

電流検出部３は、モータ駆動部２に流れる電流を検出し、この検出出力により、ＲＳ−フリップフロップ５をトリガすることで、モータを定電流駆動する。オシレータ部４は、タイミング信号を発振し、このタイミング信号で、ＲＳ−フリップフロップ５をリセットする。周波数切替部６は、外部入力端子７からの設定により、オシレータ部４の発振周波数を切り替える。

モータ巻線Ｌ１は、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１〜Ｍ４の間に接続されている。すなわち、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１のソースと、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ２のドレインとが接続される。ＭＯＳ−ＦＥＴＭ３のソースと、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ４のドレインとが接続される。ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１のドレインと、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１のドレインとが電源Ｖｍｍに接続される。

ＭＯＳ−ＦＥＴＭ２のソースと、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ２のソースとが、検出抵抗Ｒｓ１を介して、接地される。ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１のソースとＭＯＳ−ＦＥＴＭ２のドレインとの接続点と、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ３のソースとＭＯＳ−ＦＥＴＭ４のドレインとの接続点との間に、モータ巻線Ｌ１が接続される。

図２は、本実施形態のモータ駆動装置の各部の波形を示すものである。

図２（Ａ）に示すように、時刻ｔ０で、入力制御信号ＩＮがハイレベルになると、ＦＥＴオン期間となり、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１及びＭ４がオンする。ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１及びＭ４がオンすると、図３（Ａ）に示すように、電源Ｖｍｍから、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１、モータ巻線Ｌ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ４を介して、励磁電流ｉａが流れる。これにより、図２（Ｂ）及び図２（Ｅ）に示すように、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１の電流ＩＭ１及びＭＯＳ−ＦＥＴＭ４の電流ＩＭ４が上昇していく。

モータ駆動部２に流れる電流は、電流検出部３の検出抵抗Ｒｓ１で検出される。電源Ｖｍｍから、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１、モータ巻線Ｌ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ４を介して流れる電流ｉａにより、図２（Ｆ）に示すように、検出抵抗Ｒｓ１の検出電圧Ｖｓが上昇していく。

検出抵抗Ｒｓ１の検出電圧Ｖｓは、コンパレータＣＭＰ１の一方の入力端に供給される。コンパレータＣＭＰ１の他方の入力には、リファレンス電圧Ｖｒｅｆが供給される。時刻ｔ１で、検出抵抗Ｒｓ１の検出電圧Ｖｓ（図２（Ｆ））がリファレンス電圧Ｖｒｅｆを越えると、コンパレータＣＭＰ１の出力がハイレベルになる。

これにより、図２（Ｈ）に示すように、ＲＳフリップフロップ５のセット入力Ｓにハイレベルが供給される。ＲＳフリップフロップ５のセット入力Ｓにハイレベルが供給されると、図２（Ｊ）に示すように、ＲＳフリップフロップ５がトリガされ、ＲＳフリップフロップ５の出力Ｑがハイレベルになる。

ＲＳフリップフロップ５の出力は、駆動信号生成部１に供給される。ＲＳフリップフロップ５の出力Ｑがハイレベルになると、ＦＥＴオン期間からフライホイール期間に変わり、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１がオフとなり、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ２がオンとなる。

時刻ｔ１〜時刻ｔ２のフライホイール期間では、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ２と、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ４とがオンしており、図３（Ｂ）に示すように、フライホイール電流ｉｂは、モータ巻線Ｌ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ４、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ２の経路で流れて、モータ巻線Ｌ１に戻る。これにより、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ２の電流ＩＭ２及びＭＯＳ−ＦＥＴＭ４の電流ＩＭ４は、図２（Ｃ）及び図２（Ｅ）に示すように減少していく。

オシレータ部４は、所定周波数のタイミング信号を発生している。このタイミング信号は、図２（Ｉ）に示すように、ＲＳフリップフロップ５のリセット入力Ｒに供給される。時刻ｔ２で、オシレータ部４からのタイミング信号がハイレベルになると、図２（Ｊ）に示すように、ＲＳフリップフロップ５の出力Ｑがローレベルになり、フライホイール期間からＦＥＴオン期間に変わる。

時刻ｔ２〜ｔ３のＦＥＴオン期間では、前述と同様に、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１とＭＯＳ−ＦＥＴＭ４がオンとなっており、電源Ｖｍｍから、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１、モータ巻線Ｌ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ４を介して、励磁電流が流れ、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ１の電流ＩＭ１及びＭＯＳ−ＦＥＴＭ４の電流ＩＭ４が上昇していく。そして、時刻ｔ３で、検出抵抗Ｒｓ１の検出電圧Ｖｓがリファレンス電圧Ｖｒｅｆを越えると、コンパレータＣＭＰ１の出力がハイレベルになり、ＲＳフリップフロップ５がトリガされる。そして、時刻ｔ３〜時刻ｔ４で、再び、フライホイール期間となる。

以下、同様にして、ＦＥＴオン期間とフライホイール期間とが繰り返される。

時刻ｔｎ−１で、入力制御信号ＩＮ（図２（Ａ））がハイレベルからローレベルになると、フライバック期間となり、ＭＯＳＦＥＴＭ１とＭＯＳ−ＦＥＴＭ４がオフし、ＭＯＳＦＥＴＭ２とＭＯＳ−ＦＥＴＭ３がオンする。これにより、時刻ｔｎ−１〜時刻ｔｎで、図３（Ｃ）に示すように、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ２、モータ巻線Ｌ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＭ３の経路で回生電流ｉｃが流れ、電源Ｖｍｍに回生される。

以上説明したように、本実施形態のモータ駆動装置では、検出抵抗Ｒｓ１の検出出力から巻線電流を検出し、この検出出力でＲＳフリップフロップ５をセットし、オシレータ部４からのタイミング信号によりＲＳフリップフロップ５をリセットすることで、ＦＥＴオン期間と、フライホイール期間とを繰り返して、ステッピングモータを定電流で駆動している。

ステッピングモータでは、スイッチング時間が低速の場合、巻線リップル電流が大きくなり、平均電流を低下させ、回転効率を低下させる場合がある。特に、巻線電流が小さい場合に、巻線リップルが支配的になる。

これに対して、スイッチング時間が高速の場合、高速スイッチング動作のため、スイッチング損失が増大する。また、この場合、発生するノイズの処理が必要になる。さらに、出力トランジスタ、フライホイールダイオードにスイッチング特性の良い素子を使用しないと、効率悪化を招く。巻線電流が小さく、インダクタンスが小さなモータを駆動した場合には、電流の右上がり現象が発生する。

そこで、本発明の実施形態のモータ駆動装置では、図１に示すように、周波数切替部６を設け、外部入力端子７からの設定により、オシレータ部４からのタイミング信号の発振周波数を切り替えることができるようにしている。

図４は、オシレータ部４の発振周波数を高くして、高速動作させた場合の各部の波形を示している。
図４では、オシレータ部４からのタイミング信号の周波数が、図２に示した低速動作の場合のタイミング信号の周波数より高くなっているものとする。図４と、前述の図２に示した波形と比較すればわかるように、高速動作の場合の巻線電流Ｉｏｕｔのリップル成分（図４（Ｇ））は、低速動作の場合の巻線電流Ｉｏｕｔのリップル成分（図２（Ｇ））よりも、小さくなる。

本実施形態では、外部入力端子７からの設定により、オシレータ部４の発振周波数を切り替えることで、巻線リップル電流が大きい場合には、スイッチング速度を高速にして、巻線リップル電流を小さくすることができ、また、スイッチング損失が増大した場合には、スイッチング速度を低速にして、スイッチング損失を減少させることができる。

次に、外部入力端子７からの設定により発振周波数を切り替えることができるオシレータ部４の構成について説明する。

図５は、オシレータ部４及び周波数切替部６の構成を示すものである。図５に示すように、オシレータ部４は、コンパレータＣＭＰ２と、スイッチ回路ＳＷ１と、コンデンサＣ１と、トランスファゲートＧ１及びＧ２と、インバータＩＮＶ１及びＩＮＶ２とから構成される。

コンパレータＣＭＰ２の一方の入力と接地間には、コンデンサＣ１及びスイッチ回路ＳＷ１が接続される。また、コンパレータＣＭＰ２の一方の入力には、電流源Ｉ１が接続されると共に、スイッチ回路ＳＷ２を介して、電流源Ｉ２が接続される。

電流源Ｉ１、Ｉ２及びスイッチ回路ＳＷ２は、周波数切替部６を構成している。スイッチ回路ＳＷ２は、外部入力端子７からの制御信号により切り替えられる。

コンパレータＣＭＰ２の他方の入力は、トランスファゲートＧ１を介して、充電上限値電圧Ｖ１に接続されると共に、トランスファゲートＧ２を介して、充電下限値電圧Ｖ２に接続される。

コンパレータＣＭＰ２の出力は、インバータＩＮＶ１及びＩＮＶ２を介して出力され、ＲＳフリップフロップ５のリセット入力に供給される。また、インバータＩＮＶ１及びインバータＩＮＶ２の出力は、互いに逆相で、トランスファゲートＧ１及びＧ２の制御端子に供給される。トランスファゲートＧ１は、充電上限値電圧Ｖ１の供給をオン／オフし、トランスファゲートＧ２は、充電下限値電圧Ｖ２の供給をオン／オフしている。

このようなオシレータ部４の動作について、図６の波形図を参照しながら説明する。図６に示すように、コンパレータＣＭＰ２の出力（図６（Ｅ）がローレベルのときには、図６（Ｂ）に示すように、スイッチ回路ＳＷ１はオフされている。スイッチ回路ＳＷ１がオフのときには、コンパレータＣＭＰ２の一方の入力には、コンデンサＣ１の端子電圧が供給される。

また、コンパレータＣＭＰ２の出力（図６（Ｅ））がローレベルのときには、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）に示すように、トランスファゲートＧ１が開き、トランスファゲートＧ２が閉じられる。よって、コンパレータＣＭＰ２の他方の入力には、充電上限値電圧Ｖ１が供給される。

コンデンサＣ１には、電流源Ｉ１及びＩ２から充電電流が流される。これにより、コンデンサＣ１の端子電圧は、図６（Ａ）に示すように、徐々に上昇していく。

なお、コンデンサＣ１に対する充電電流は、スイッチ回路ＳＷ２により切り替えられる。スイッチング周波数を低く設定する場合には、スイッチ回路ＳＷ２はオフされる。この場合には、コンデンサＣ１に対する充電電流は、電流源Ｉ１となる。スイッチング周波数を高く設定する場合には、スイッチ回路ＳＷ２はオンされる。スイッチ回路ＳＷ２をオンすると、コンデンサＣ１に対する充電電流は、電流源Ｉ１と電流源Ｉ２との和電流となる。

コンパレータＣＭＰ２で、コンデンサＣ１の端子電圧と充電上限値電圧Ｖ１とが比較される。コンデンサＣ１の端子電圧が充電上限値電圧Ｖ１を越えると、図６（Ｅ）に示すように、コンパレータＣＭＰ２の出力がハイレベルになる。

コンパレータＣＭＰ２の出力（図６（Ｅ））がハイレベルになると、図６（Ｂ）に示すように、スイッチ回路ＳＷ１がオンされる。また、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）に示すように、トランスファゲートＧ２が開き、トランスファゲートＧ１が閉じられる。よって、コンパレータＣＭＰ２の他方の入力には、充電下限値電圧Ｖ２が供給される。

スイッチ回路ＳＷ１がオンされると、コンデンサＣ１の電荷は、スイッチ回路ＳＷ１を介して放電され、図６（Ａ）に示すように、コンデンサＣ１の端子電圧は下降する。コンパレータＣＭＰ２で、コンデンサＣ１の端子電圧と充電下限値電圧Ｖ２とが比較される。コンデンサＣ１の端子電圧が充電下限値電圧Ｖ２より下降すると、図６（Ｅ）に示すように、コンパレータＣＭＰ２の出力がローレベルになる。

コンパレータＣＭＰ２の出力（図６（Ｅ））がローレベルになると、図６（Ｂ）に示すように、スイッチ回路ＳＷ１はオフされ、コンデンサＣ１の端子電圧は、図６（Ａ）に示すように、徐々に上昇していく。また、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）に示すように、トランスファゲートＧ１が開き、トランスファゲートＧ２が閉じられ、コンパレータＣＭＰ２で、コンデンサＣ１の端子電圧と充電上限値電圧Ｖ１とが比較される。

以下、同様の動作が繰り返される。これにより、図６（Ｅ）に示すような発振出力を得ることができる。

このようなオシレータ部４では、コンデンサＣ１を充電電流により、図６（Ａ）に示すコンデンサＣ１の充電時間が変わる。これにより、発振周波数を変更することができる。

この例では、コンデンサＣ１に対する充電電流がスイッチ回路ＳＷ２により切り替えられる。スイッチング周波数を低く設定する場合には、スイッチ回路ＳＷ２はオフされる。この場合には、コンデンサＣ１に対する充電電流は、電流源Ｉ１からのみになるので、コンデンサＣ１の充電時間が長くなり、発振周波数が下がる。

スイッチング周波数を高く設定する場合には、スイッチ回路ＳＷ２はオンされる。スイッチ回路ＳＷ２をオンすると、コンデンサＣ１に対する充電電流は、電流源Ｉ１と電流源Ｉ２との和電流となる。このため、コンデンサＣ１の充電時間が短くなり、発振周波数が上がる。

以上説明したように、本実施形態では、外部入力端子７からの設定により、オシレータ部４の発振周波数を切り替えることで、外部部品を装着することなく、高速動作と低速動作とを簡単に切り替えることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

本実施形態のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。本実施形態のモータ駆動装置の低速動作の場合の各部の波形図である。本実施形態のモータ駆動装置の各期間での電流の流れの説明図である。本実施形態のモータ駆動装置の高速動作の場合の各部の波形図である。本実施形態のモータ駆動装置におけるオシレータ部及び周波数切替部の構成を示すブロック図である。本実施形態のモータ駆動装置におけるオシレータ部の動作説明に用いる波形図である。従来のモータ駆動装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１：駆動信号生成部、
２：モータ駆動部、
３：電流検出部、
４：オシレータ部、
５：ＲＳフリップフロップ
６：周波数切替部、
７：外部入力端子、
Ｍ１〜Ｍ４：ＭＯＳ−ＦＥＴ、
Ｌ１：モータ巻線

Claims

タイミング信号を発振するオシレータ部と、
前記オシレータ部からのタイミング信号を基に駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記駆動信号生成部からの駆動信号によりモータを駆動するモータ駆動部と、を有するモータ駆動装置において、
時定数回路を有しない、且つ、外部入力により前記オシレータ部の発振周波数が設定可能な周波数切替部を設け、
前記周波数切替部は、前記外部入力に応じた電流を前記オシレータ部に供給し、
前記オシレータ部は、
前記周波数切替部から供給される電流により充電されるキャパシタと、
前記キャパシタの両端電圧と、基準電圧と、を比較して、比較結果に応じた電圧を前記タイミング信号として出力する比較器と、
前記比較器の出力電圧に応じて、予め定められた上限電圧と、当該上限電圧よりも電位の低い下限電圧と、のいずれかに前記基準電圧を設定する基準電圧設定部と、
前記比較器の出力電圧が前記上限電圧を越えると、当該比較器の出力電圧が前記下限電圧より下降するまで、前記キャパシタを放電する放電手段と、を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
前記モータを定電流で駆動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。
前記モータは、ステッピングモータであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
前記周波数切替部が、２以上の電流供給源からの供給電流量を切り替えて、前記オシレータ部の発振周波数が設定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のモータ駆動装置。