JP6434332B2 - モータ駆動回路および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの制御技術に関するものであり、特にモータの駆動効率を向上させる技術に関するものである。

家庭用機器や生産装置など様々な用途にステッピングモータが用いられている。ステッピングモータとしては、例えば、ユニポーラ型のステッピングモータが広く用いられている。ステッピングモータでは、静止と回転の安定した動作とともに、必要なモータトルクを高い電力効率で得られることが要求される。

ユニポーラ型のステッピングモータでは、Ａ相、Ｂ相、ＡＮ相、ＢＮ相のコイルを順次、励磁することにより、モータを回転させる。モータを回転させる際に、例えば、Ａ相のコイルに励磁すると、対向相であるＡＮ相のコイルに誘導起電力が生じる。ＡＮ相のコイルに誘導起電力が生じて電流が流れると、Ａ相の磁力が弱められモータトルクの低下が生じ得る。対向相のコイルに生じる誘導起電力によってモータトルクが低下するので、必要なモータトルクを得る上での電力効率の低下が起こり得る。そのため、ステッピングモータにおいて、効率を低下させずに必要なモータトルクを得るための技術開発が盛んに行われている。ステッピングモータにおけるモータの駆動効率の低下を抑制する技術としては、例えば、特許文献１のような技術が開示されている。

特許文献１には、ステッピングモータを制御するモータ駆動回路が示されている。特許文献１のモータ駆動回路は、各相のコイルごとにフリーホイルダイオードが備えられている。また、特許文献１のモータ駆動回路は、各コイルからフリーホールダイオードへ流れる電流を一括で制御するスイッチ手段を備えている。特許文献１のモータ駆動回路は、コイルからフリーホールダイオードへの電流を１つのスイッチ手段によって所定のタイミングで制御する。特許文献１では、コイルからフリーホールダイオードに流れる電流をスイッチ手段で制御することで、駆動トルクの低下等を抑制することができるとしている。

特開平８−２７５５８９号公報

しかしながら、特許文献１の技術は次のような点で十分ではない。特許文献１のモータ駆動回路では、各相のコイルに接続されたダイオードのアノード側の電圧は１つのスイッチ手段によって一括で制御される。そのため、特許文献１のモータ駆動回路では、各相のダイオードごとに電流が流れる状態か流れない状態であるかを制御することができない。例えば、特許文献１のモータ駆動回路では、ある相をダイオードを介して電流を流して定電圧に保ち、他の相は電流を流さない状態とするような制御を行えない。そのため、特許文献１のモータ駆動回路は、相ごとに最適な状態とすることができないため、モータトルクが低下し電力効率低下を十分に抑制できない恐れがある。よって、特許文献１の技術は、モータの駆動効率の低下を抑制する技術としては十分ではない。

本発明は、モータの駆動効率の低下を十分に抑制することができるモータ駆動回路を得ることを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明のモータ駆動回路は、第１の励磁回路と、第２の励磁回路と、制御回路を備えている。第１の励磁回路は、第１のコイルと、第１の制御素子と、第１の定電圧ダイオードと、第１のスイッチを有している。第１のコイルは、磁場を生成する。第１の制御素子は、第１のコイルと電源との間に直列に接続され第１のコイルと電源の接続を制御する。第１の定電圧ダイオードは、第１のコイルと第１の制御素子の間に一端が接続されている。第１のスイッチは、第１のコイルと第１の定電圧ダイオードとの接続の有無を切り替える。また、第２の励磁回路は、第２のコイルと、第２の制御素子と、第２の定電圧ダイオードと、第２のスイッチを有している。第２のコイルは、第１のコイルと並列に電源に接続され第１のコイルの対向相として磁場を生成する。第２の制御素子は、第２のコイルと電源との間に直列に接続され第２のコイルと電源の接続を制御する。第２の定電圧ダイオードは、第２のコイルと第２の制御素子の間に一端が接続されている。第２のスイッチは、第２のコイルと第２の定電圧ダイオードとの接続の有無を切り替える。制御回路は、第１のコイルを励磁するときに、第１の制御素子を接続状態、第１のスイッチを接続状態、第１の定電圧ダイオードを接続状態となるように制御する。また、制御回路は、第１のコイルを励磁するときに、第２の制御素子を非接続状態、第２のスイッチを非接続状態、第２の定電圧ダイオードを非接続状態となるように制御する。

本発明のモータ制御方法は、磁場を生成する第１のコイルと電源との間に直列に接続され第１のコイルと電源との接続を制御する第１の制御素子を接続状態とする。本発明のモータ制御方法は、第１のコイルと第１の制御素子の間に一端が接続された第１の定電圧ダイオードと第１のコイルとの接続の有無を切り替える第１のスイッチを接続状態とする。本発明のモータ制御方法は、第１のコイルと並列に電源に接続され第１のコイルの対向相として磁場を生成する第２のコイルと電源との間に直列に接続され、第２のコイルと電源との接続を制御する第２の制御素子を非接続状態とする。本発明のモータ制御方法は、第２のコイルと第２の制御素子の間に一端が接続された第２の定電圧ダイオードと、第２のコイルとの接続の有無を切り替える第２のスイッチを非接続状態として第１のコイルを励磁する。

本発明によると、モータの駆動効率の低下を十分に抑制することができる。

本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成を適用したステッピングモータを模式的に示した図である。 本発明の第２の実施形態における制御信号のシーケンスを示した図である。 本発明の第２の実施形態における制御信号のシーケンスを示した図である。 本発明の第２の実施形態のモータ駆動回路の状態の例を示した図である。 本発明の第２の実施形態のモータ駆動回路に流れる電流をグラフとして示した図である。 本発明と対比した構成のモータ駆動回路の例を示した図である。 本発明と対比した構成のモータ駆動回路に流れる電流をグラフとして示した図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態のモータ駆動回路の構成の概要を示したものである。本実施形態のモータ駆動回路は、第１の励磁回路１０１と、第２の励磁回路１０２と、制御回路１０３を備えている。

第１の励磁回路１０１は、第１のコイル１１１と、第１の制御素子１１２と、第１の定電圧ダイオード１１３と、第１のスイッチ１１４を有している。第１のコイル１１１は、磁場を生成する。第１の制御素子１１２は、第１のコイル１１１と電源１３０との間に直列に接続され第１のコイル１１１と電源１３０との接続を制御する。第１の定電圧ダイオード１１３は、第１のコイル１１１と第１の制御素子１１２の間に一端が接続されている。第１のスイッチ１１４は、第１のコイル１１１と第１の定電圧ダイオード１１３との接続の有無を切り替える。

また、第２の励磁回路１０２は、第２のコイル１２１と、第２の制御素子１２２と、第２の定電圧ダイオード１２３と、第２のスイッチ１２４を有している。第２のコイル１２１は、第１のコイル１１１と並列に電源１３０に接続され第１のコイル１１１の対向相として磁場を生成する。第２の制御素子１２２は、第２のコイル１２１と電源１３０との間に直列に接続され第２のコイル１２１と電源１３０との接続を制御する。第２の定電圧ダイオード１２３は、第２のコイル１２１と第２の制御素子１２２の間に一端が接続されている。第２のスイッチ１２４は、第２のコイル１２１と第２の定電圧ダイオード１２３との接続の有無を切り替える。

制御回路１０３は、第１のコイル１１１を励磁するときに、第１の制御素子１１２を接続状態、第１のスイッチ１１４を接続状態、第１の定電圧ダイオード１１３を接続状態となるように制御する。また、制御回路１０３は、第１のコイル１１１を励磁するときに、第２の制御素子１２２を非接続状態、第２のスイッチ１２４を非接続状態、第２の定電圧ダイオード１２３を非接続状態となるように制御する。

本実施形態のモータ駆動回路の制御回路１０３は、第１の励磁回路１０１の第１のコイル１１１を励磁するときに第１のスイッチ１１４を接続状態、第２のスイッチ１２４を非接続状態となるようにそれぞれ制御する。第１のスイッチ１１４を接続状態とすることで、第１のコイル１１１と第１の定電圧ダイオード１１３は、接続された状態となる。よって、第１のコイル１１１の電圧は所定の電圧以下に制御される。また、第２のスイッチ１２４を非接続状態とすることで、第２のコイル１２１と第２の定電圧ダイオード１２３は、非接続状態となる。よって、第２のコイル１２１から第２の定電圧ダイオード１２３へは電流が流れない。そのため、本実施形態のモータ駆動回路では、第１のコイル１１１が励磁されたときに、対向相である第２のコイル１２１には誘導電流は流れない。よって、本実施形態のモータ駆動回路では、対向相に生じる誘導電流起因のモータトルクの低下は生じない。

本実施形態のモータ駆動回路は、コイルと定電圧ダイオードの組み合わせごとにスイッチを備えているので、各コイルとダイオードの接続を個別に制御することができる。そのため、本実施形態のモータ駆動回路では、励磁したコイルの電圧を一定に保ちつつ、対向相で生じる誘導電流による磁力の低下を抑制することができる。よって、本実施形態のモータ駆動回路では、モータトルクの低下を防ぎ、電力効率の低下を抑制することができる。その結果、本実施形態のモータ駆動回路では、モータの駆動効率の低下を抑制することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態のモータ駆動回路の構成の概要を示したものである。本実施形態のモータ駆動回路は、ユニポーラ１相励磁ステッピングモータの駆動回路である。

本実施形態のモータ駆動回路は、各相のコイルごとにスイッチ素子および定電圧ダイオードであるツェナーダイオードを備え、各コイルを励磁するタイミングに応じて各スイッチをそれぞれ制御できることを特徴としている。すなわち、本実施形態のモータ駆動回路は、各コイルを励磁するタイミングに応じて定電圧ダイオードとコイルの接続の有無を制御することができる。

本実施形態のモータ駆動回路は第１のトランジスタＴｒ１と、第２のトランジスタＴｒ２と、第３のトランジスタＴｒ３と、第４のトランジスタＴｒ４を備えている。また、本実施形態のモータ駆動回路は第１のダイオードＤ１と、第２のダイオードＤ２と、第３のダイオードＤ３と、第４のダイオードＤ４を備えている。本実施形態のモータ駆動回路は第１のコイルＬ１と、第２のコイルＬ２と、第３のコイルＬ３と、第４のコイルＬ４とを備えている。本実施形態のモータ駆動回路は、第１のスイッチＳＷ１と、第２のスイッチＳＷ２と、第３のスイッチＳＷ３と、第４のスイッチＳＷ４を備えている。本実施形態のモータ駆動回路は電源１１と、制御部１２をさらに備えている。

図３は、本実施形態のモータ駆動回路で動作させるステッピングモータの回転部を模式的に示したものである。本実施形態のモータ駆動回路の第１のコイルＬ１はステッピングモータのＡ相、第２のコイルＬ２はＡＮ相、第３のコイルＬ３はＢ相、第４のコイルＬ４はＢＮ相にそれぞれ対応する。本実施形態のステッピングモータは、Ａ相、Ｂ相、ＡＮ相、ＢＮ相の順にコイルが励磁されることによって回転動作を行う。

図２を参照して、本実施形態のモータ駆動回路についてさらに詳細に説明する。Ａ相を励磁する回路は、第１のコイルＬ１の負の端子側に第１のスイッチＳＷ１と第１のトランジスタＴｒ１が直列に接続されている。第１のトランジスタＴｒ１の、第１のスイッチＳＷ１と反対の端子は接地されている。また、第１のトランジスタＴｒ１と並列になるように、第１のダイオードＤ１が接続されている。第１のダイオードＤ１は、第１のスイッチＳＷ１側がカソードになるように接続され、アノードは接地されている。以上のように構成されるＡ相を励磁する回路を、本実施形態ではＡ相励磁回路と呼ぶ。

本実施形態のＡ相励磁回路は、第１の実施形態の第１の励磁回路に相当するとみなすことができる。第１の励磁回路に相当するとした場合に、本実施形態の第１のコイルＤ１は、第１の実施形態の第１のコイル１１１に相当する。また、本実施形態の第１のトランジスタＴｒ１、第１のダイオードＤ１および第１のスイッチＳＷ１は、第１の実施形態の第１の制御素子１１２、第１の定電圧ダイオード１１３および第１のスイッチ１１４にそれぞれ相当する。また、本実施形態の電源１１は第１の実施形態の電源１３０に相当する。本実施形態の制御部１２は、第１の実施形態の制御回路１０３に相当する。

ＡＮ相を励磁する回路は、第２のコイルＬ２の負の端子側に第２のスイッチＳＷ２と第２のトランジスタＴｒ２が直列に接続されている。第２のトランジスタＴｒ２の、第２のスイッチＳＷ２と反対の端子は接地されている。また、第２のトランジスタＴｒ２と並列になるように、第２のダイオードＤ２が接続されている。第２のダイオードＤ２は、第２のスイッチＳＷ２側がカソードになるように接続され、アノードは接地されている。以上のように構成されるＡＮ相を励磁する回路を、本実施形態ではＡＮ相励磁回路と呼ぶ。

本実施形態のＡ相励磁回路を第１の実施形態の第１の励磁回路とした場合に、本実施形態のＡＮ相励磁回路は、第１の実施形態の第２の励磁回路に相当する。第２の励磁回路に相当するとした場合に、本実施形態の第２のコイルＤ２は、第２の実施形態の第２のコイル１２１に相当する。また、本実施形態の第２のトランジスタＴｒ２、第２のダイオードＤ２および第２のスイッチＳＷ２は、第１の実施形態の第２の制御素子１２２、第２の定電圧ダイオード１２３および第２のスイッチ１２４にそれぞれ相当する。本実施形態と第１の実施形態の各部位の対応は、対向相として組み合された励磁回路どうしであれば他の組み合わせでもよい。

Ｂ相を励磁する回路は、第３のコイルＬ３の負の端子側に第３のスイッチＳＷ３と第３のトランジスタＴｒ３が直列に接続されている。第３のトランジスタＴｒ３の、第３のスイッチＳＷ３と反対の端子は接地されている。また、第３のトランジスタＴｒ３と並列になるように、第３のダイオードＤ３が接続されている。第３のダイオードＤ３は、第３のスイッチＳＷ３側がカソードになるように接続され、アノードは接地されている。以上のように構成されるＢ相を励磁する回路を、本実施形態ではＢ相励磁回路と呼ぶ。

ＢＮ相を励磁する回路は、第４のコイルＬ４の負の端子側に第４のスイッチＳＷ４と第４のトランジスタＴｒ４が直列に接続されている。第４のトランジスタＴｒ４の、第４のスイッチＳＷ４と反対の端子は接地されている。また、第４のトランジスタＴｒ４と並列になるように、第４のダイオードＤ４が接続されている。第４のダイオードＤ４は、第４のスイッチＳＷ４側がカソードになるように接続され、アノードは接地されている。以上のように構成されるＢＮ相を励磁する回路を、本実施形態ではＢＮ相励磁回路と呼ぶ。

Ａ相励磁回路、ＡＮ相励磁回路、Ｂ相励磁回路およびＢＮ相励磁回路は、電源１１に対して並列に接続されている。電源１１は、直流電源である。

第１のトランジスタＴｒ１、第２のトランジスタＴｒ２、第３のトランジスタＴｒ３および第４のトランジスタＴｒ４は、制御部１２から送られてくる制御信号に基づいて動作する。各トランジスタは、コイルの負の端子側と電源との間に接続されている。各トランジスタは、Ｈｉｇｈ状態の信号を受けたときに電流を流すように動作する。すなわち、各トランジスタはＨｉｇｈ状態の信号を受けたときにオン状態となる。トランジスタを用いて、電源１１から各コイルへの電源供給を制御することで、励磁の開始と終了のタイミングを精度良く制御できる。

本実施形態の第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２、第３のダイオードＤ３および第４のダイオードＤ４は、ツェナーダイオードである。各ツェナーダイオードは、電源電圧よりも高いツェナー電圧を有する。本実施形態の第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２、第３のダイオードＤ３および第４のダイオードＤ４は、回路の電圧がツェナー電圧よりも高くなったときに電流を流すので定電圧ダイオードとして機能する。各ダイオードは、備えられている回路のコイルへの励磁を切ったときに発生する誘導起電力の電圧を抑制する。

第１のコイルＬ１、第２のコイルＬ２と、第３のコイルＬ３および第４のコイルＬ４は、ステッピングモータを回転させた際に所定のトルクを得るために必要なインダクタンス特性を有するコイルが用いられている。

第１のスイッチＳＷ１、第２のスイッチＳＷ２、第３のスイッチＳＷ３および第４のスイッチＳＷ４は、制御部１２から送られてくるスイッチ制御信号に基づいて動作する。各スイッチは、コイルの負の端子側に接続されている。また、各スイッチの負の端子側にはトランジスタおよびダイオードが並列に接続されている。各スイッチの開閉状態によりコイルとダイオードとの接続の有無を制御することができる。各スイッチは、Ｈｉｇｈ状態の信号を受けたときに、スイッチを閉じて回路に電流がながれるように動作する。すなわち、各スイッチはＨｉｇｈ状態の信号を受けたときにオン状態となる。

電源１１は、直流電源である。電源電圧は、ステッピングモータを動作させるために必要な電圧値となるように設定されている。

制御部１２は、各回路のトランジスタおよびスイッチを制御して、各層のコイルへの励磁を制御する機能を有する。制御部１２は、各トランジスタに制御信号を送りトランジスタのオンとオフを制御する。また、制御部１２は各スイッチにスイッチ制御信号を送り、スイッチの開閉を制御する。

図４は、制御部１２が各トランジスタに送る制御信号のシーケンスを模式的に示したものである。図４の横軸は、時間を示し、縦方向は制御信号のＨｉｇｈ状態とＬｏｗ状態、すなわち、トランジスタのオン状態とオフ状態を示している。図４の最上段は、ＢＮ相励磁回路の第４のトランジスタＴｒ４に送られる制御信号Ｓ１４のシーケンスを示している。図４の上から２段目は、ＡＮ相励磁回路の第２のトランジスタＴｒ２に送られる制御信号Ｓ１２のシーケンスを示している。図４の上から３段目は、Ｂ相励磁回路の第３のトランジスタＴｒ３に送られる制御信号Ｓ１３のシーケンスを示している。図４の最下段は、Ａ相励磁回路の第１のトランジスタＴｒ１に送られる制御信号Ｓ１１のシーケンスを示している。図４に示すように、制御部１２は、Ａ相、Ｂ相、ＡＮ相、ＢＮ相の順にＨｉｇｈ状態の制御信号を送り、各トランジスタを順にオン状態としている。すなわち、制御部１２は、Ａ相、Ｂ相、ＡＮ相、ＢＮ相の順に各コイルを励磁するように制御している。

本実施形態の制御部１２は、励磁を開始する回路のトランジスタをオン状態にし、スイッチを閉じるように制御することで、コイルと電源を接続して各コイルの励磁を行う。また、本実施形態の制御部１２は、励磁を停止する回路のトランジスタをオフ状態にし、コイルと電源を切り離して各コイルの励磁を停止する。また、制御部１２は、励磁を行っていた回路のスイッチを、トランジスタをオフ状態としてから所定の時間後に開いた状態にする。すなわち、制御部１２は、励磁を停止してから所定の時間後にスイッチを開いた状態にする。励磁を制止してから所定の時間は、回生電流が生じているため、回生電流の電圧値の抑制のためコイルとダイオードを接続しておく必要があるからである。

所定の時間は、回生電流が生じる時間を想定してあらかじめ設定されている。所定の時間は、例えば、回生電流が流れる時間を実測することにより設定することができる。また、所定の時間は、回路の各特性を用いて行う回生電流値のシミュレーション結果に基づいて設定されてもよい。

本実施形態において第１のトランジスタＴｒ１、第２のトランジスタＴｒ２、第３のトランジスタＴｒ３および第４のトランジスタＴｒ４の各制御信号は、それぞれ、制御信号Ｓ１１、制御信号Ｓ１２、制御信号Ｓ１３および制御信号Ｓ１４とする。

本実施形態において第１のスイッチＳＷ１の制御信号は、第１のスイッチ制御Ｓ２１であるとする。また、第２のスイッチＳＷ２、第３のスイッチＳＷ３および第４のスイッチＳＷ４の各制御信号は、それぞれ、スイッチ制御信号Ｓ２２、スイッチ制御信号Ｓ２３およびスイッチ制御信号Ｓ２４とする。

本実施形態のモータ駆動回路の動作について説明する。Ａ相の第１のコイルＬ１が励磁されモータが回転を開始するタイミングを起点としてモータ駆動回路の動作を説明する。

図５は、制御部１２が各回路に送る制御信号およびスイッチ制御信号のシーケンスを模式的に示したものである。図５の横軸は時間を示し、縦方向は信号のＨｉｇｈ状態とＬｏｗ状態を示している。図５の下方の「ＢＮ相 Ｔｒ４ ＣＭＤ」から「Ａ相 Ｔｒ１ ＣＭＤ」までの４つの段は、図４と同様の制御信号のシーケンスを示している。図５の下方の「ＢＮ相 ＳＷ４ ＣＭＤ」から「Ａ相 ＳＷ１ ＣＭＤ」の４つの段は、各回路に送れるスイッチ制御信号のシーケンスを示している。図５の中段の「ＢＮ相電流」から「Ａ相電流」までの４つの段は、各コイルに流れる電流を示している。図５では、本実施形態では流れない誘導電流についてもタイミングをわかりやすくするために示している。また、図５は、モータの回転動作が継続的に行われている際の制御信号およびスイッチ制御信号のシーケンスを示している。

制御部１２は、第１のトランジスタＴｒ１をオン状態にする制御信号Ｓ１１を送る。また、同時に制御部１２は、第１のスイッチＳＷ１にスイッチを閉じた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２１を送る。

このとき、第２のスイッチＳＷ２、第３のスイッチＳＷ３および第４のスイッチＳＷ４は、開いた状態、すなわち、電流を流さない状態である。動作開始時に、励磁する相以外のスイッチに、スイッチを開いた状態にするスイッチ制御信号を送る構成としてもよい。また、動作開始時にスイッチを全て開いた状態にする初期化が行われるようにしてもよい。

第１のトランジスタＴｒ１および第１のスイッチＳＷ１がオン状態となると、第１のコイルＬ１は、電源１１からの電流が流れ、第１のコイルＬ１は励磁された状態となる。

図６は、第１のスイッチＳＷ１が閉じられている際のモータ駆動回路を模式的に示したものである。第１のスイッチＳＷ１が閉じられた状態で、第１のトランジスタＴｒ１がオン状態となると、第１のコイルＬ１が励磁される。第１のコイルＬ１が励磁されるとき、第１のダイオードＤ１のツェナー電圧以上の電圧がかかると、第１のダイオードＤ１に電流が流れる。そのため、第１のコイルＬ１にかかる電圧はツェナー電圧に応じた所定の電圧値以下となる。また、第１のコイルＬ１が励磁された際に、ＡＮ相の第２のコイルＬ２で誘導電流が生じうるが、第２のスイッチＳＷ２が開いた状態で第２のダイオードＤ２と切り離されているのでＡＮ相励磁回路には誘導電流が流れない。そのため、ＡＮ相に生じる電流でＡ相の電流が弱められることはない。

次に制御部１２は、Ｂ相の第３のコイルＬ３を励磁する動作を行う。制御部１２は、第１のトランジスタＴｒ１をオフ状態にする制御信号Ｓ１１を送る。第１のトランジスタＴｒ１がオフ状態となると第１のコイルＬ１は電源からの電流が供給されなくなるが、Ａ相の回路には自己誘導起電力による回生電流が流れる。このとき、第１のスイッチＳＷ１は、閉じた状態なので第１のコイルＬ１と第１のダイオードＤ１は接続状態のままである。そのため、第１のダイオードＤ１によって、第１のコイルＬ１の自己誘電起電力により発生する電圧は抑制される。

第１のトランジスタＴｒ１をオフ状態とする際に、制御部１２は、第３のトランジスタＴｒ３をオン状態にする制御信号Ｓ１３を、第３のトランジスタＴｒ３に送る。また、同時に制御部１２は、第３のスイッチＳＷ３にスイッチを閉じた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２３を送る。第３のトランジスタＴｒ３がオン状態、第３のスイッチＳＷ３が閉じた状態となると、第３のコイルＬ３に電源からの電流が流れる。

このとき、第１のスイッチＳＷ１および第３のスイッチＳＷ３は閉じた状態。第２のスイッチＳＷ２および第４のスイッチＳＷ４は開いた状態である。また、第３のトランジスタＴｒ３以外のトランジスタはオフ状態である。

第３のコイルＬ３の励磁の動作を開始してから所定の時間が経過すると、制御部１２は、第１のスイッチＳＷ１を開いた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２１を、第１のスイッチＳＷ１に送る。所定の時間は、第１のコイルＬ１の自己誘電起電力によって生じる回生電流が流れる時間としてあらかじめ設定されている。

第１のスイッチＳＷ１が開いた状態になると、第３のスイッチＳＷ３のみが閉じた状態で他のスイッチは開いた状態である。第３のコイルＬ３が励磁されると、モータが回転する。

次に制御部１２は、ＡＮ相の第２のコイルＬ２を励磁する動作を行う。制御部１２は、第３のトランジスタＴｒ３をオフ状態にする制御信号Ｓ１３を送る。また、第３のトランジスタＴｒ３をオフ状態とする際に、制御部１２は、第２のトランジスタＴｒ２をオン状態にする制御信号Ｓ１２を、第２のトランジスタＴｒ２に送る。また、同時に制御部１２は、第２のスイッチＳＷ２にスイッチを閉じた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２２を送る。第２のトランジスタＴｒ２がオン状態、第２のスイッチＳＷ２が閉じた状態となると、第２のコイルＬ２に電源からの電流が流れる。

このとき、第２のスイッチＳＷ２および第３のスイッチＳＷ３は閉じた状態。第１のスイッチＳＷ１および第４のスイッチＳＷ４は開いた状態である。また、第２のトランジスタＴｒ２以外のトランジスタはオフ状態である。

第２のコイルＬ２の励磁の動作を開始してから所定の時間が経過すると、制御部１２は、第３のスイッチＳＷ３を開いた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２３を、第３のスイッチＳＷ３に送る。第２のコイルＬ２が励磁されると、モータはさらに回転する。

次に制御部１２は、第４のコイルＬ４を励磁する動作を行う。制御部１２は、第２のトランジスタＴｒ２をオフ状態にする制御信号Ｓ１２を送る。また、第２のトランジスタＴｒ２をオフ状態とする際に、制御部１２は、第４のトランジスタＴｒ４をオン状態にする制御信号Ｓ１４を、第４のトランジスタＴｒ４に送る。また、同時に制御部１２は、第４のスイッチＳＷ４にスイッチを閉じた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２４を送る。第４のトランジスタＴｒ４がオン状態、第４のスイッチＳＷ４が閉じた状態となると、第４のコイルＬ４に電源からの電流が流れる。

このとき、第２のスイッチＳＷ２および第４のスイッチＳＷ４は閉じた状態。第１のスイッチＳＷ１および第３のスイッチＳＷ３は開いた状態である。また、第４のトランジスタＴｒ４以外のトランジスタはオフ状態である。

第４のコイルＬ４の励磁の動作を開始してから所定の時間が経過すると、制御部１２は、第２のスイッチＳＷ２を開いた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２２を、第２のスイッチＳＷ２に送る。第４のコイルＬ４が励磁されると、モータはさらに回転する。

次に制御部１２は、第１のコイルＬ１を励磁する動作を行う。制御部１２は、第４のトランジスタＴｒ４をオフ状態にする制御信号Ｓ１４を送る。第４のトランジスタＴｒ４をオフ状態とする際に、制御部１２は、第１のトランジスタＴｒ１をオン状態にする制御信号Ｓ１１を、第１のトランジスタＴｒ１に送る。また、同時に制御部１２は、第１のスイッチＳＷ１にスイッチを閉じた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２１を送る。第１のトランジスタＴｒ１がオン状態、第１のスイッチＳＷ１が閉じた状態となると、第１のコイルＬ１に電源からの電流が流れる。

このとき、第４のスイッチＳＷ４および第１のスイッチＳＷ１は閉じた状態、第２のスイッチＳＷ２および第３のスイッチＳＷ３は開いた状態である。また、第１のトランジスタＴｒ１以外のトランジスタはオフ状態である。

第１のコイルＬ１の励磁の動作を開始してから所定の時間が経過すると、制御部１２は、第４のスイッチＳＷ４を開いた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２４を、第４のスイッチＳＷ４に送る。第１のコイルＬ１が励磁されると、モータはさらに回転する。

次に第３のコイルＬ３を励磁させる動作が行われる。制御部１２は、第１のトランジスタＴｒ１をオフ状態にする制御信号Ｓ１１を送る。第１のトランジスタＴｒ１をオフ状態とする際に、制御部１２は、第３のトランジスタＴｒ３をオン状態にする制御信号Ｓ１３を、第３のトランジスタＴｒ３に送る。また、同時に制御部１２は、第３のスイッチＳＷ３にスイッチを閉じた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２３を送る。第３のトランジスタＴｒ３がオン状態、第３のスイッチＳＷ３が閉じた状態となると、第３のコイルＬ３に電源からの電流が流れる。

このとき、第１のスイッチＳＷ１および第３のスイッチＳＷ３は閉じた状態。第２のスイッチＳＷ２および第４のスイッチＳＷ４は開いた状態である。また、第３のトランジスタＴｒ３以外のトランジスタはオフ状態である。

第３のコイルＬ３の励磁の動作を開始してから所定の時間が経過すると、制御部１２は、第１のスイッチＳＷ１を開いた状態にするスイッチ制御信号Ｓ２１を、第１のスイッチＳＷ１に送る。以降は同様の動作の繰り返しにより、各コイルの励磁を順番に行うことでモータの回転制御が行われる。

図７は、本実施形態のモータ駆動回路において各コイルに流れる電流を示したものである。図７の横軸は時間、縦軸は各相のコイルにおける電流を示している。本実施形態のモータ駆動回路では、図７に示すように、Ａ相のコイルに電流が流れるときに、ＡＮ相には誘導電流が発生しない。ＡＮ相励回路の第２のスイッチＳＷ２が開いた状態だからである。ＡＮ相のコイルに電流が流れないので、Ａ相のコイルに流れる電流はコイルのインダクタンス特性に則った波形を示す。そのため、本実施形態のモータ駆動回路を用いたモータは、十分なモータトルクを得ることが可能となる。

次に、Ｂ相のコイルの励磁が始まると、Ｂ相に電流が流れ始める。このとき、Ａ相には自己誘電起電力による回生電流が流れる。回生電流が流れるとき、Ａ相励磁回路の第１のスイッチＳＷ１は閉じたままであり、第１のコイルＬ１と第１のダイオードＤ１が接続された状態となっている。そのため、第１のダイオードＤ１を介して回生電流が流れるので、第１のコイルＬ１で生じる自己誘電起電力による電圧値は抑制される。図７では、ＡＮ相、ＢＮ相と順次、同様の励磁が行われる。本実施形態では、図７に示すようにいずれのタイミングでも誘導電流は発生していない。

図８は、本実施形態のモータ駆動回路と対比した構造であるスイッチを備えていないモータ駆動回路の例を示したものである。図８に示すような、コイルとダイオードの間にスイッチ素子を備えていない構造の場合は、誘導電流が他の相の回路に流れる。図８は、Ａ相の回路が励磁されたときに、ＡＮ相に誘導電流が流れる例を示している。Ａ相のコイルが励磁されたときに、ＡＮ相のコイルに誘導電流が生じるが、図８の構造の場合は生じた誘導電流が第２のダイオードＤ２を介してＡＮ相回路を流れる。よって、ＡＮ相の影響でＡ相の磁力が低下し、得られるモータトルクが低下する。

図９は、図８の構造において各層のコイルに流れる電流を模式的にしめしたものである。図９の横軸は時間、縦軸は各相のコイルにおける電流を示している。図９の例では、Ａ相の励磁が行われたときに、ＡＮ相に誘導電流が流れている。ＡＮ相に流れた誘導電流により、Ａ相の磁力が弱められている。その結果、Ａ相の電流はインダクタ特性に基づかずに急峻な立ち上がりを見せる。このとき、モータ駆動回路によって生成されるモータトルクは低下する。

本実施形態のモータ駆動回路は、Ａ相の第１のコイルＬ１を励磁する際に、Ａ相励磁回路の第１のスイッチＳＷ１のみ閉じた状態とし、他相の回路を開いたままとしている。すなわち、ＡＮ相、Ｂ相およびＢＮ相のスイッチは開いた状態となっている。そのため、他の相のコイルとダイオードは接続していないため、Ａ相の第１のコイルＬ１を励磁した際に、他の相には誘導電流が流れない。その結果、本実施形態のモータトルクの低下を生じない。

本実施形態のモータ駆動回路は、Ａ相の第１のコイルＬ１の励磁からＢ相の第３のコイルＬ３の励磁に移行する際に、第１のコイルＬ１への励磁と停止してから所定の時間が経過してから、第１のスイッチＳＷ１を開いた状態にしている。第１のスイッチＳＷ１をすぐに開かないことにより、第１のコイルＬ１に流れる回生電流を第１のダイオードＤ１に流すことができる。そのため、回生電流を適正に処理できるので回生電流がモータの駆動に与える影響を抑制することができる。本実施形態のモータ駆動回路では、スイッチを各相の励磁回路ごとに備え、励磁するタイミングと回生電流が流れるタイミングに合わせて各スイッチをそれぞれ制御している。そのため、本実施形態のモータ駆動回路は、各相の状態に合わせて最適に制御することができ、誘導電流等によって生じるモータトルクの低下を抑制することができる。よって、本実施形態のモータ駆動回路は、モータトルクの低下を防ぎ、電力効率の低下を抑制することができる。その結果、本実施形態のモータ駆動回路は、モータの駆動効率の低下を十分に抑制することができる。

１１ 電源
１２ 制御部
１０１ 第１の励磁回路
１０２ 第２の励磁回路
１０３ 制御回路
１１１ 第１のコイル
１１２ 第１の制御素子
１１３ 第１の定電圧ダイオード
１１４ 第１のスイッチ
１２１ 第２のコイル
１２２ 第２の制御素子
１２３ 第２の定電圧ダイオード
１２４ 第２のスイッチ
１３０ 電源
Ｔｒ１ 第１のトランジスタ
Ｔｒ２ 第２のトランジスタ
Ｔｒ３ 第３のトランジスタ
Ｔｒ４ 第４のトランジスタ
Ｌ１ 第１のコイル
Ｌ２ 第２のコイル
Ｌ３ 第３のコイル
Ｌ４ 第４のコイル
Ｄ１ 第１のダイオード
Ｄ２ 第２のダイオード
Ｄ３ 第３のダイオード
Ｄ４ 第４のダイオード
ＳＷ１ 第１のスイッチ
ＳＷ２ 第２のスイッチ
ＳＷ３ 第３のスイッチ
ＳＷ４ 第４のスイッチ

Claims (9)

1. 磁場を生成する第１のコイルと、前記第１のコイルと電源との間に直列に接続され前記第１のコイルと前記電源との接続を制御する第１の制御素子と、前記第１のコイルと前記第１の制御素子の間に一端が接続された第１の定電圧ダイオードと、前記第１のコイルと前記第１の定電圧ダイオードとの接続の有無を切り替える第１のスイッチとを有する第１の励磁回路と、
   前記第１のコイルと並列に前記電源に接続され前記第１のコイルの対向相として磁場を生成する第２のコイルと、前記第２のコイルと前記電源との間に直列に接続され前記第２のコイルと前記電源との接続を制御する第２の制御素子と、前記第２のコイルと前記第２の制御素子の間に一端が接続された第２の定電圧ダイオードと、前記第２のコイルと前記第２の定電圧ダイオードとの接続の有無を切り替える第２のスイッチとを有する第２の励磁回路と、
   前記第１のコイルを励磁するときに、前記第１の制御素子を接続状態、前記第１のスイッチを接続状態、前記第１の定電圧ダイオードを接続状態、前記第２の制御素子を非接続状態、前記第２のスイッチを非接続状態、前記第２の定電圧ダイオードを非接続状態となるように制御する制御回路と
   を備えることを特徴とするモータ駆動回路。
2. 前記第１のコイルと並列に前記電源に接続され磁場を生成する第３のコイルと、前記第３のコイルと前記電源との間に直列に接続され前記第３のコイルと前記電源との接続を制御する第３の制御素子と、前記第３のコイルと前記第３の制御素子の間に一端が接続された第３の定電圧ダイオードと、前記第３のコイルと前記第３の定電圧ダイオードとの接続の有無を切り替える第３のスイッチとを有する第３の励磁回路をさらに備え、
   前記制御回路は、前記第１のコイルから前記第３のコイルに励磁するコイルを切り替えるときに、前記第１の制御素子を非接続状態、前記第３の制御素子を接続状態、前記第３のスイッチを接続状態となるように制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
3. 前記制御回路は、前記第１のコイルから前記第３のコイルに励磁するコイルを切り替えてから、所定の時間の経過後に前記第１のスイッチを非接続状態となるように制御することを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動回路。
4. 前記所定の時間は前記第１のコイルに回生電流が流れている間の時間として設定されていことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動回路。
5. 前記第１の制御素子および前記第２の制御素子は、前記制御回路からの制御信号に基づいて動作するトランジスタとして形成されていることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載のモータ駆動回路。
6. 磁場を生成する第１のコイルと電源との間に直列に接続され、前記第１のコイルと前記電源との接続を制御する第１の制御素子を接続状態とし、
   前記第１のコイルと前記第１の制御素子の間に一端が接続された第１の定電圧ダイオードと、前記第１のコイルとの接続の有無を切り替える第１のスイッチを接続状態とし、
   前記第１のコイルと並列に前記電源に接続され前記第１のコイルの対向相として磁場を生成する第２のコイルと前記電源との間に直列に接続され前記第２のコイルと前記電源との接続を制御する第２の制御素子を非接続状態とし、
   前記第２のコイルと前記第２の制御素子の間に一端が接続された第２の定電圧ダイオードと、前記第２のコイルとの接続の有無を切り替える第２のスイッチを非接続状態として前記第１のコイルを励磁することを特徴とするモータ制御方法。
7. 前記第１の制御素子を非接続状態とし、
   前記第１のコイルと並列に前記電源に接続され磁場を生成する第３のコイルと前記電源との間に直列に接続され前記第３のコイルと前記電源との接続を制御する第３の制御素子を接続状態とし、
   前記第３のコイルと前記第３の制御素子の間に一端が接続された第３の定電圧ダイオードと、前記第３のコイルとの接続の有無を切り替える第３のスイッチを接続状態として、前記第１のコイルから前記第３のコイルに励磁するコイルを切り替えることを特徴とする請求項６に記載のモータ制御方法。
8. 前記第１のコイルから前記第３のコイルに励磁するコイルを切り替えてから、所定の時間の経過後に前記第１のスイッチを非接続状態とすることを特徴とする請求項７に記載のモータ制御方法。
9. 前記所定の時間は前記第１のコイルに回生電流が流れている間の時間として設定されていことを特徴とする請求項８に記載のモータ制御方法。

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