JP6331090B2 - モータ駆動装置並びにパワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータ等のモータを駆動するための駆動装置並びにパワーモジュールに関する。

ステッピングモータは、ファクシミリ・複写機・プリンタといったＯＡ機器から、工作機械・ロボット・半導体製造装置をはじめとするＦＡ機械等の原動力として利用されている。ステッピングモータは、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とを有し、ステータの複数の極にコイルが巻かれている。ステッピングモータの駆動装置は、コイルに流れる電流を制御することでロータを任意の位置に移動させることができる。

モータコイルに流れるリップル電流を抑制するために、第１の減衰率と該第１の減衰率より小さい第２の減衰率とを組み合わせて複数の混合減衰率を設定する減衰率制御回路と、混合減衰率で駆動電流を減衰させる励磁パターンを生成する制御論理回路と、励磁パターンに従って駆動電流をステッピングモータに出力する駆動電流出力回路と、を備えるモータ駆動装置が知られている（特許文献１）。

特開２００９−２１３３４４号公報

特許文献１によれば、モータ駆動装置のユーザが、ステッピングモータの仕様、用途等に応じて駆動電流の減衰率を詳細に設定できる機能を有するモータ駆動装置が提供される。しかしながら、ユーザが減衰率を設定するためにはモータ速度等の条件を変えて複数の予備実験を行わなければならない。また、減衰率を設定するための外部端子が駆動装置に設けられるため、駆動装置の構造が複雑になってしまう。

本発明は、上記問題点を鑑み、取り扱いが容易且つ簡易な構成でコイル電流を制御することが可能なモータ駆動装置並びにパワーモジュールを提供するものである。

本発明の一態様によれば、モータを構成するコイルに流れるコイル電流を増加させる電源供給モードと前記コイル電流を減衰させる減衰モードとを切り替えることで前記コイル電流を制御するモータ駆動装置であって、前記減衰モードは、前記コイル電流を第１の減衰率で減衰させる第１の減衰モードと、前記コイル電流を前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減衰させる第２の減衰モードと、が所定の比率で組み合わされてなり、前記コイルに供給される電源電圧値が所定値以上のときは、前記コイルに供給される電源電圧値が所定値未満のときよりも前記第１の減衰モードの組み合わせ比率を小さくすることを特徴とする。

なお、本発明における減衰率は、時間に対してコイル電流が減少する割合（ｄｉ／ｄｔ）を意味する。

本発明によれば、取り扱いが容易且つ簡易な構成でコイル電流を制御することが可能なモータ駆動装置並びにパワーモジュールを提供できる。

本発明の実施形態に係るモータ駆動装置並びにパワーモジュールの構成を示す回路図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の動作説明図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の動作を示す図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置並びにパワーモジュールの構成を示す回路図である。本実施形態に係るパワーモジュール１００は、第１のパワートランジスタＭ１と第２のパワートランジスタＭ２と第３のパワートランジスタＭ３と第４のパワートランジスタＭ４とからなるフルブリッジ回路と、フルブリッジ回路を駆動するためのモータ駆動装置１０と、第１乃至第３の抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と、を備える。

第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４のそれぞれは、ドレイン端子（高圧側端子）とソース端子（低圧側端子）とゲート端子（制御端子）を有し、それぞれのソース端子からドレイン端子に向かって電流を流すことができる寄生ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を有するパワーＭＯＳＦＥＴからなる。

フルブリッジ回路において、第２及び第３のパワートランジスタＭ２，Ｍ３のドレイン端子はモータ電源に接続される。第２のパワートランジスタＭ２のソース端子は第１のパワートランジスタＭ１のドレイン端子に接続され、第３のパワートランジスタＭ３のソース端子は第４のパワートランジスタＭ４のドレイン端子に接続される。第１及び第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ４のソース端子は第１の検出抵抗Ｒｓを介して接地される。第１及び第２のパワートランジスタＭ１，Ｍ２の接続点は、パワーモジュール１００の第１の出力端子であり、負荷であるコイルＬ１の一端に接続される。第３及び第４のパワートランジスタＭ３，Ｍ４の接続点は、パワーモジュール１００の第２の出力端子であり、コイルＬ１の他端に接続される。すなわち、第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は、Ｈ型に結線され、フルブリッジ回路を構成する。

モータ駆動装置１０は、モータを構成するコイルＬ１に流れるコイル電流を増加させる電源供給モードとコイル電流を減衰させる減衰モードとを切り替えることでコイル電流を制御する。減衰モードは、コイル電流を第１の減衰率で減衰させる高速減衰モードと、コイル電流を第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減衰させる低速減衰モードと、が所定の比率で組み合わされてなる。モータ駆動装置１０は、モータ電源の電圧値が所定値以上のときは、モータ電源の電圧値が所定値未満のときよりも高速減衰モードの組み合わせ比率を小さくする。

モータ駆動装置１０は、少なくとも、モータ電源と、第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の各ゲート端子と、コイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬ１を検出する検出抵抗Ｒｓと、に接続される。また、モータ駆動装置１０は、各パワートランジスタをオンオフ制御するための制御回路１１と、モータ電源の電圧値に基づく電圧信号を第１及び第２の基準値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２と比較する第１及び第２のコンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２と、を備える。なお、第２の基準値Ｖｒｅｆ２は、第１の基準値Ｖｒｅｆ１に正の電圧オフセットＶｏｆｆｓｅｔを加えた基準電圧である。また、モータ駆動装置１０は、検出抵抗Ｒｓに接続される第３のコンパレータＣＭＰ３を備え、第３の基準値Ｖｒｅｆ３で規定される目標電流値をピークとした定電流制御が行えるように各パワートランジスタをオンオフさせる。

制御回路１１は、第１乃至第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の各ゲート端子と第１乃至第３のコンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２，ＣＭＰ３の出力端子とに接続される。第１のコンパレータＣＭＰ１の第１の入力端子（正の入力端子）は第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２との接続点に接続され、第２の入力端子（負の入力端子）は第１の基準値Ｖｒｅｆ１に接続される。第２のコンパレータＣＭＰ２の第１の入力端子（正の入力端子）は第２の抵抗Ｒ２と第３の抵抗Ｒ３との接続点に接続され、第２の入力端子（負の入力端子）は第２の基準値Ｖｒｅｆ２に接続される。第３のコンパレータＣＭＰ３の第１の入力端子（正の入力端子）は検出抵抗Ｒｓに接続され、第２の入力端子（負の入力端子）は第３の基準値Ｖｒｅｆ３に接続される。第１乃至第３の抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、モータ電源と接地点との間において直列接続され、モータ電源の電圧値Ｖ１を分圧して第１及び第２のコンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２に出力する。なお、第２の抵抗Ｒ２は省略可能であり、第２のコンパレータＣＭＰ２の第１の入力端子は第１の抵抗Ｒ１と第３の抵抗Ｒ３との接続点に接続されても良い。

モータ電源電圧の使用範囲は一般的に１２Ｖ系、２４Ｖ系、４８Ｖ系が主流であるため、第１及び第２の基準値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２はこれらの電圧値を避けて設定されることが好ましい。また、第１及び第２のコンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２は、電源電圧変動による誤動作を防止するため、ヒステリシスを設けられることが好ましい。

図２は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の動作を示す波形図である。図中の実線はコイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬ１を示し、破線はコイル電流ＩＬ１の目標電流値Ｉ１及び期間Ｔ３終了時の電流値Ｉ２を示す。また、図３は本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の動作説明図であり、図中の矢印は電流の流れる経路及び方向を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置１０は、コイル電流ＩＬ１を増加させる電流供給モードと、コイル電流ＩＬ１を第１の減衰率で減衰させる第１の減衰モードと、コイル電流ＩＬ１を第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減衰させる第２の減衰モードとに従いモータを駆動する。また、モータ駆動装置１０は、モータ電源の電圧値Ｖ１が所定値以上のときは、モータ電源の電圧値Ｖ１が所定値未満のときよりも、減衰モードの駆動期間における第１の減衰モードの駆動期間の割合を小さくする。

まず、期間Ｔ１において、図３（ａ）に示すように、少なくとも所定の最小時間に渡って、モータ駆動装置１０は電流供給モードに従ってフルブリッジ回路を駆動する。第２及び第４のパワートランジスタＭ２，Ｍ４がオンされ、第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３がオフされ、電流がＭ２，Ｍ４，Ｌ１からなる経路に流れ、コイル電流ＩＬ１は時間の経過とともに増加する。コイル電流ＩＬ１は、検出抵抗Ｒｓを流れることでコイル電流の大きさを表す電圧信号ＶＲｓに変換され、第３のコンパレータＣＭＰ３の第１の出力端子に出力される。電流供給モードに従うモータ駆動は、所定の最小時間が経過し、且つ、コイル電流ＩＬ１が目標電流値Ｉ１以上になるまで継続される。

電流供給モードに従うモータ駆動の終了後、期間Ｔ２において、図３（ｂ）に示すように、モータ駆動装置１０は第１の減衰モード（高速減衰モード）に従ってフルブリッジ回路を駆動する。少なくとも第２及び第４のパワートランジスタＭ２，Ｍ４がオフされ、電流がＭ１，Ｍ３，Ｌ１からなる経路に流れ、コイル電流ＩＬ１は急峻な減少傾向になる。第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３がオフされると、コイル電流ＩＬ１は第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３の寄生ダイオードを流れ、第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３がオンされると、コイル電流ＩＬ１は第１及び第３のパワートランジスタＭ１，Ｍ３のチャネルを流れる。第１の減衰モードにおいて、コイルＬ１の両端電圧はモータ電源の電圧でクランプされるため、コイル電流ＩＬ１は時間の経過とともに比較的大きい第１の減衰率で減少する。

第１の減衰モードに従うモータ駆動の終了後、期間Ｔ３において、図３（ｃ）に示すように、モータ駆動装置１０は第２の減衰モード（低速減衰モード）に従ってフルブリッジ回路を駆動する。第４のパワートランジスタＭ４がオンされ、少なくとも第２及び第３のパワートランジスタＭ２，Ｍ３がオフされ、電流がＭ１，Ｍ４，Ｌ１からなる経路に流れ、コイル電流ＩＬ１は緩やかな減少傾向になる。第１のパワートランジスタＭ１がオフされると、コイル電流ＩＬ１は第１のパワートランジスタＭ１の寄生ダイオードを流れ、第１のパワートランジスタＭ１がオンされると、コイル電流ＩＬ１は第１のパワートランジスタＭ１のチャネルを流れる。第２の減衰モードにおいて、コイルＬ１の両端電圧は第１のパワートランジスタＭ１の寄生ダイオードの順方向電圧でクランプされるため、コイル電流ＩＬ１は時間の経過とともに第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減少する。

図４は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の動作を示す図である。図中の期間Ｔ２の割合は、期間Ｔ１とＴ２とを足した期間における期間Ｔ２の時間的な割合であり、本発明における組み合わせ比率に相当する。モータ電源の電圧値Ｖ１が低く第１及び第２のコンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２の出力がいずれもＬであるとき、期間Ｔ２と期間Ｔ３を合わせた減衰モードの駆動期間における期間Ｔ２の割合は３０％である。モータ電源の電圧値Ｖ１が高く第１のコンパレータＣＭＰ１の出力がＨであり第２のコンパレータＣＭＰ２の出力がＬであるとき、期間Ｔ２の割合は２０％に低下する。モータ電源の電圧値Ｖ１がより高く第１及び第２のコンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２の出力がいずれもＨであるとき、期間Ｔ２の割合は１０％に低下する。従って、本実施形態に係るモータ駆動装置１０は、モータ電源の電圧値が高くなると第１の減衰モードに従う駆動時間を短くする。

本実施形態に係る駆動装置１０は、上記のように各モードを繰り返し切り替えてフルブリッジ回路を駆動することで、コイルＬ１に流れる電流を所定の値に制御する、すなわちモータを定電流駆動することができる。このとき、第３の基準値Ｖｒｅｆ３で規定される目標電流値Ｉ１をピークとし、期間Ｔ３終了時の電流値をボトムとするリップル電流（Ｉ１−Ｉ２）が生じる。期間Ｔ２の割合を固定すると、モータ電源電圧が高いときにリップル電流が大きくなってしまう。本実施形態に係る駆動装置１０は、モータ電源電圧が高いときに第１の減衰モードの駆動期間の割合を小さくすることで、モータ電源電圧に影響されにくい安定したモータパフォーマンスを得られる。また、減衰率を設定するための予備実験を行う必要性が減り、減衰率を設定するための外部端子をモータ駆動装置に設ける必要もなくなる。従って、本実施形態によれば、取り扱いが容易且つ簡易な構成でコイル電流を制御することが可能なモータ駆動装置並びにパワーモジュールを提供できる。

なお、モータ駆動装置１０は、図３（ｄ）に示すような第２の減衰モードに従ってフルブリッジ回路を駆動しても良い。このとき、２のパワートランジスタＭ２がオンされ、少なくとも第１及び第４のパワートランジスタＭ１，Ｍ４がオフされ、電流がＭ２，Ｍ３，Ｌ１からなる経路に流れる。第３のパワートランジスタＭ３がオフされると、上記電流は第３のパワートランジスタＭ３の寄生ダイオードを流れ、第３のパワートランジスタＭ３がオンされると、上記電流は第３のパワートランジスタＭ３のチャネルを流れる。コイルＬ１の両端電圧は第３のパワートランジスタＭ３の寄生ダイオードの順方向電圧でクランプされるため、コイル電流は、時間の経過とともに第２の減衰率と略等しい減衰率で減少する。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、モータ駆動装置及びパワーモジュールは、ステッピングモータに限らず三相ブラシレスモータを駆動できる構成であっても良い。また、パワートランジスタは、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はバイポーラトランジスタからなるディスクリート素子でも良く、駆動装置と同一チップ上に形成されるトランジスタ素子でも良い。また、第１乃至第４のモードはコイルＬ１に同一方向の電流を流すモードであるが、駆動装置は、これと反対方向の電流を流す他のモードに従ってフルブリッジ回路を駆動しても良い。

１０ モータ駆動装置
１１ 制御回路
ＣＭＰ１ 第１のコンパレータ
ＣＭＰ２ 第２のコンパレータ
ＣＭＰ３ 第３のコンパレータ
Ｌ１ コイル
Ｍ１ 第１のパワートランジスタ
Ｍ２ 第２のパワートランジスタ
Ｍ３ 第３のパワートランジスタ
Ｍ４ 第４のパワートランジスタ
Ｒｓ 検出抵抗
Ｔ１ 電流供給モードの駆動期間
Ｔ２ 第１の減衰モードの駆動期間
Ｔ３ 第２の減衰モードの駆動期間
Ｖｒｅｆ１ 第１の基準値
Ｖｒｅｆ２ 第２の基準値
Ｖｒｅｆ３ 第３の基準値

Claims (5)

1. モータを構成するコイルに流れるコイル電流を増加させる電源供給モードと前記コイル電流を減衰させる減衰モードとを切り替えることで前記コイル電流を制御するモータ駆動装置であって、
   前記減衰モードは、前記コイル電流を第１の減衰率で減衰させる第１の減衰モードと、前記コイル電流を前記第１の減衰率よりも小さい第２の減衰率で減衰させる第２の減衰モードと、が所定の比率で組み合わされてなり、
   前記コイルに供給される電源電圧値が所定値以上のときは、前記コイルに供給される電源電圧値が所定値未満のときよりも前記第１の減衰モードの組み合わせ比率を小さくすることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記モータ駆動装置は、前記コイル電流を増加させる電流供給モードに従い前記モータを駆動した後、前記第１の減衰モード及び前記第２の減衰モードに従い前記モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載されるモータ駆動装置。
3. 前記モータ駆動装置は、前記電源電圧値を検出する電圧検出部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載されるモータ駆動装置。
4. 前記モータ駆動装置は、前記電圧検出部の出力に応じて前記組み合わせ比率を変える制御部を備えることを特徴とする請求項３に記載されるモータ駆動装置。
5. 前記コイルに接続される複数のパワートランジスタと、請求項１乃至４のいずれか１項に記載されるモータ駆動装置と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。
   

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