KR100972686B1

KR100972686B1 - 모터 구동 장치 및 이것을 이용한 전기 기기

Info

Publication number: KR100972686B1
Application number: KR1020087004693A
Authority: KR
Inventors: 시게루 히라따
Original assignee: 로무 가부시키가이샤
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2010-07-27
Also published as: JP4948890B2; WO2007026559A1; TW200715699A; CN101931355A; CN101931355B; US20090261764A1; CN101331675B; KR20080040741A; JP2007097388A; EP1921743A1; US7755312B2; CN101331675A

Abstract

본 발명에 따른 모터 구동 장치(2)는, 모터 코일 L에 대하여 H 브릿지형으로 접속된 4개의 스위치 소자(QH1, QH2, DL1, DL2)를 갖고 이루어지는 H 브릿지 회로(21)와, 각 스위치 소자의 온/오프 제어를 행하는 제어 회로(22)와, 전원 전압 Vcc와 제어 전압 Vref의 비에 따른 듀티의 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성 회로(23)를 갖고 이루어지고, 제어 회로(22)는, 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN에 따라서 온할 스위치 소자를 선택함과 함께, 상기 PWM 신호에 따라서 그 온 듀티를 제어하는 구성으로 되어 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 외부 입력되는 제어 전압 Vref에 따라서 모터 코일 L의 일단에 인가하는 구동 전압을 용이하게 또한 광범위하게 가변 제어하는 것이 가능하게 된다.

모터 코일, H 브릿지 회로, PWM 신호 생성 회로, 제어 회로, 발진기

Description

모터 구동 장치 및 이것을 이용한 전기 기기{MOTOR DRIVE DEVICE AND ELECTRIC EQUIPMENT USING THIS}

본 발명은, 모터의 구동 제어를 행하는 모터 구동 장치, 및, 이것을 이용한 전기 기기에 관한 것이다.

모터의 구동 제어를 행하는 모터 구동 장치에서, 모터의 회전 속도를 원하는 값으로 설정하기 위해서는, 모터 코일의 일단에 인가하는 구동 전압(나아가서는 모터 코일에 흐르는 구동 전류)을 원하는 값으로 제어할 필요가 있다.

따라서, 종래의 모터 구동 장치에서는, 도 10에 도시한 바와 같이, H 브릿지 회로의 스위치 소자로서 바이폴라 트랜지스터 Tr1∼Tr4를 이용함과 함께, 구동 전압 설정 신호로서 외부 입력되는 제어 전압 Vref에 따라서, 상측 트랜지스터 Tr1∼Tr2의 베이스 전류를 제어하는 수단(트랜지스터 Tra∼Trb, 및, 정전류원 Ia∼Ib)을 구비함으로써, 모터 코일 L의 일단에 인가하는 구동 전압(나아가서는, 모터 코일 L에 흐르는 구동 전류)을 원하는 값으로 제어하는 구성(소위 드롭퍼 타입의 레귤레이터 구성)이 일반적으로 채용되고 있었다. 또한, 본 도면의 제어 회로 CNT는, 외부 입력되는 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN(2치 신호)의 논리에 따라서, 트랜지스터 Tr1∼Tr4의 온/오프 상태(즉, 모터의 동작 모드)를 제어하는 수단이다.

상기 구성으로 이루어지는 모터 구동 장치에서 상측 트랜지스터 Tr1(Tr2)이 온되어 있는 동안, 모터 코일 L의 일단에는, 제어 전압 Vref를 트랜지스터 Tra(Trb)의 1Vf분만큼 올리고, 또한 트랜지스터 Tr1(Tr2)의 1Vf분만큼 내려 얻어지는 구동 전압(제어 전압 Vref와 거의 동일한 값의 전압)이 인가되게 된다.

또한, 본원 발명에 관련되는 그 밖의 종래 기술로서는, H 브릿지 회로의 스위치 소자로서 전계 효과 트랜지스터를 이용함과 함께, 각 트랜지스터의 게이트 전압을 펄스 폭 변조 제어(이하, PWM[Pulse Width Modulation] 제어로 부름)하는 모터 구동 제어 시스템(특허 문헌 1을 참조)이나, 컨덴서의 충방전 전압을 삼각파로서 출력하는 삼각파 생성 회로에 대하여, 전원 전압의 저하에 따라서 상기 삼각파의 진폭을 저하시키도록 제어하고, 또한，이 진폭에 따라서 상기 컨덴서를 충방전 하기 위한 전류값도 저하시키도록 제어함으로써, 출력되는 삼각파를 소정의 주파수로 유지하는 기술(본원 출원인에 의한 특허 문헌 2를 참조)이 개시·제안되어 있다.

특허 문헌 1: 일본 특허 제3665565호 명세서

특허 문헌 2: 일본 특개 2002-223563호 공보

<발명의 개시>

<발명이 해결하고자 하는 과제>

확실히, 도 10에 도시한 종래 구성의 모터 구동 장치이면, 장치 외부의 저항 분할 회로 등을 이용하여 제어 전압 Vref를 적절히 생성함으로써, 전원 전압 Vcc에 상관없이, 제어 전압 Vref에 따라서, 모터 코일 L의 일단에 인가하는 구동 전압(나 아가서는 모터 코일 L에 흐르는 구동 전류)을 원하는 값으로 제어하는 것이 가능하다.

그러나, 상기 종래의 모터 구동 장치에서는, 트랜지스터 Tra(Trb)의 동작을 유지하기 위해서, 전원 전압 Vcc로부터 트랜지스터 Tra(Trb)의 1Vf분을 뺀 전압값(실제로는 정전류원 Ia(Ib)에서의 전압 강하분도 고려한 보다 낮은 전압값)까지밖에, 제어 전압 Vref를 설정할 수 없었다. 그 때문에, 모터 코일 L의 일단에 인가할 수 있는 구동 전압은, 전원 전압 Vcc로부터 적어도 트랜지스터 Tra(Trb)의 1Vf분만큼 드롭한 것으로 되게 되어, 그 전원 전압 범위를 유효하게 활용할 수 없었다.

또한, 상기 종래의 모터 구동 장치에서는，H 브릿지 회로의 스위치 소자로서, 바이폴라 트랜지스터 Tr1∼Tr4가 이용되고 있었기 때문에, 그 온/오프 제어에 대한 응답성은 반드시 높지는 않았다.

또한, 특허 문헌 1의 종래 기술은, 어디까지나, 모터 코일에 흐르는 구동 전류에 따라서, H 브릿지 회로의 스위치 소자를 PWM 구동함으로써, 모터의 동작 모드를 선택적으로 설정하는 기술로서, 외부 입력되는 제어 전압에 따라서 모터 코일의 일단에 인가하는 구동 전압을 원하는 값으로 설정하는 기술에 관해서는, 전혀 개시되어 있지 않았다.

또한, 특허 문헌 2의 종래 기술은, 삼각파 생성 회로에서 생성되는 삼각파를 이용한 PWM 구동의 스위칭 레귤레이터에 관한 것으로, 그 주된 목적은, 어디까지나, 전원 전압 저하 시에서의 PWM 구동 능력의 저하를 억제하여, 전원 전압 저하 시에도 소정의 듀티비를 확보하여, 출력 전압의 변동에 대하여 충분히 PWM 구동을 하는 것이 가능한 스위칭 레귤레이터를 제공하는 것에 있어, 상기 과제를 해결할 수 있는 것은 아니었다.

본 발명은, 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 외부 입력되는 제어 전압에 따라서 모터 코일의 일단에 인가하는 구동 전압을 용이하게 또한 광범위하게 가변 제어하는 것이 가능한 모터 구동 장치, 및 이것을 이용한 전기 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

<과제를 해결하기 위한 수단>

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 모터를 구성하는 모터 코일에 대하여 H 브릿지형으로 접속된 4개의 스위치 소자를 갖고 이루어지는 H 브릿지 회로와, 상기 스위치 소자의 온/오프 제어를 행하는 제어 회로와, 상기 H 브릿지 회로를 통해서 상기 모터 코일의 일단 혹은 타단에 인가되는 전원 전압과, 장치 외부로부터 입력되는 제어 전압과의 비에 따른 듀티의 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성 회로를 갖고 이루어지고, 상기 제어 회로는, 장치 외부로부터 입력되는 동작 모드 제어 신호에 따라서 온할 스위치 소자를 선택함과 함께, 상기 PWM 신호에 따라서 그 온 듀티를 제어하는 구성(제1 구성)으로 하고 있다.

또한, 상기 제1 구성으로 이루어지는 모터 구동 장치에서, 상기 PWM 신호 생성 회로는, 상기 전원 전압을 소정비로 분압하여 제1 분압 전압을 생성하는 제1 분압기와, 상기 제어 전압을 상기 소정비로 분압하여 제2 분압 전압을 생성하는 제2 분압기와, 그 발진 주파수가 일정하고, 또한, 그 진폭이 제1 분압 전압에 따라서 변화되는 톱니파 형상 혹은 삼각파 형상의 발진 전압을 생성하는 발진기와, 제2 분압 전압과 상기 발진 전압의 고저에 따라서 그 출력 논리가 변천하는 PWM 컴퍼레이터를 갖고 이루어지며, 상기 PWM 컴퍼레이터의 출력 신호를 상기 PWM 신호로서 상기 제어 회로에 송출하는 구성(제2 구성)으로 하면 된다.

또한, 상기 제2 구성으로 이루어지는 모터 구동 장치에서, 상기 발진기는, 그 단자 전압이 상기 발진 전압으로서 인출되는 컨덴서와, 상기 컨덴서에 대하여 제1 분압 전압에 비례한 충전 전류를 공급하는 충전 전류 공급부와, 제1 분압 전압과 상기 컨덴서의 단자 전압의 고저에 따라서 그 출력 논리가 변천하는 제1 컴퍼레이터와, 상기 컨덴서의 단자 전압과 소정의 기준 전압의 고저에 따라서 그 출력 논리가 변천하는 제2 컴퍼레이터와, 제1 컴퍼레이터의 출력 신호가 세트 입력되며, 제2 컴퍼레이터의 출력 신호가 리세트 입력되는 RS 플립플롭과, 상기 컨덴서의 일단과 접지단 사이에 접속되며, 상기 RS 플립플롭의 출력 신호에 따라서 온/오프 제어되는 방전 스위치를 갖고 이루어지는 구성(제3 구성)으로 하면 된다.

혹은, 상기 제2 구성으로 이루어지는 모터 구동 장치에서, 상기 발진기는, 클럭 신호를 카운트하는 카운터와, 상기 카운터의 카운트값을 아날로그 전압으로 변환하는 디지털/아날로그 변환기를 갖고 이루어지고, 상기 디지털/아날로그 변환기의 출력을 상기 발진 전압으로서 송출하는 구성이며, 또한, 상기 디지털/아날로그 변환기에는, 정전원 전압으로서 제1 분압 전압이 인가되어 있고, 또한, 부전원 전압으로서 소정의 기준 전압이 인가되어 있는 구성(제4 구성)으로 하면 된다.

또한, 본 발명에 따른 전기 기기는, 모터와, 상기 모터의 구동 제어를 행하 는 모터 구동 장치를 갖고 이루어지는 전기 기기로서, 상기 모터 구동 장치로서, 제1 내지 제4 중 어느 하나의 구성으로 이루어지는 모터 구동 장치를 갖고 이루어지는 구성(제5 구성)으로 하고 있다.

<발명의 효과>

본 발명에 따르면, 외부 입력되는 제어 전압에 따라서 모터 코일의 일단에 인가하는 구동 전압을 용이하게 또한 광범위하게 가변 제어하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 모터 구동 장치를 구비한 전기 기기의 일 실시 형태를 도시하는 블록도.

도 2는 발진기 OSC의 일 구성예를 도시하는 블록도.

도 3은 발진기 OSC의 일 동작예를 도시하는 파형도.

도 4는 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN에 따른 게이트 신호 생성 동작을 설명하기 위한 도면.

도 5는 각 동작 모드(정회전, 역회전, 브레이크, 공회전)에서의 구동 전류 경로를 설명하기 위한 도면.

도 6은 PWM 신호 생성 회로(23)의 일 변형예를 도시하는 회로도.

도 7은 H 브릿지 회로(21)의 일 변형예를 도시하는 회로도.

도 8은 발진기 OSC의 일 변형예를 도시하는 블록도.

도 9는 발진기 OSC의 일 동작예를 도시하는 파형도.

도 10은 모터 구동 장치의 일 종래예를 도시하는 회로도.

<부호의 설명>

1: 모터

2: 모터 구동 장치

21: H 브릿지 회로

22: 제어 회로

22a: 부트스트랩 출력단

23: PWM 신호 생성 회로

24: 차지 펌프 회로

QH1, QH2: P채널 전계 효과 트랜지스터(상측 스위치 소자)

QH1', QH2': N채널 전계 효과 트랜지스터(상측 스위치 소자)

QL1, QL2: N채널 전계 효과 트랜지스터(하측 스위치 소자)

DH1, DH2, DL1, DL2: 다이오드

D1', D2': 다이오드

C1', C2': 컨덴서

L: 모터 코일

R1∼R4: 저항

E1: 직류 전압원

PCMP: PWM 컴퍼레이터

ADJ: 임피던스 변환기

OSC: 발진기

C1: 컨덴서

CMP1, CMP2: 컴퍼레이터

VIC: 전압/전류 변환기

I1: 가변 전류원

FF: RS 플립플롭

DAC: 디지털/아날로그 변환기

CT: 카운터

<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>

도 1은 본 발명에 따른 모터 구동 장치를 구비한 전기 기기의 일 실시 형태를 도시하는 블록도(일부에 회로 소자를 포함함)이다.

본 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 전기 기기는, 모터(1)와, 모터(1)의 구동 제어를 행하는 모터 구동 장치(2)를 갖고 이루어진다.

모터(1)는, 모터 코일 L에 흘리는 전류에 따른 방향으로 회전하는 단상의 DC 모터로서, 모터 구동 장치(2)에 의해, 4개의 동작 모드(정회전, 역회전, 브레이크, 공회전)가 절환된다.

또한, 상기 가역 회전의 모터(1)를 구비한 전기 기기의 일 기구예로서는, 트레이식 CD 플레이어의 트레이 개폐 기구, 비디오 데크의 카세트 배출 기구, 프린터의 자동 페이퍼 컷트 기구, 카메라의 포커스 기구, 에어컨의 루바 개폐 기구 등을 예로 들 수 있고, 그 탑재 대상은 매우 다방면에 걸치는 것이다.

모터 구동 장치(2)는, H 브릿지 회로(21)와, 제어 회로(22)와, PWM 신호 생성 회로(23)를 갖고 이루어진다.

H 브릿지 회로(21)는, 모터(1)를 구성하는 모터 코일 L(리액턴스 부하)에 대하여 H 브릿지형으로 접속된 4개의 스위치 소자(P채널 전계 효과 트랜지스터 QH1, QH2와, N채널 전계 효과 트랜지스터 QL1, QL2)를 갖고 이루어진다.

H 브릿지 회로(21)의 내부 구성에 대해서 구체적으로 설명한다.

상측 스위치 소자인 트랜지스터 QH1, QH2의 소스는, 모두 전원 전압 Vcc가 인가되는 전원 입력 단자에 접속되어 있다. 하측 스위치 소자인 트랜지스터 QL1, QL2의 소스는, 모두 접지 단자에 접속되어 있다. 트랜지스터 QH1, QL1의 드레인은 서로 접속되어 있고, 그 접속 노드는, 모터 코일 L의 일단이 접속되는 제1 출력 단자에 접속되어 있다. 트랜지스터 QH2, QL2의 드레인은 서로 접속되어 있고, 그 접속 노드는, 모터 코일 L의 타단이 접속되는 제2 출력 단자에 접속되어 있다. 트랜지스터 QH1, QH2, QL1, QL2의 각 게이트는, 각각 제어 회로(22)의 게이트 신호 출력단에 접속되어 있다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 각 트랜지스터 QH1, QH2, QL1, QL2에는, 각각, 다이오드 DH1, DH2, DL1, DL2가 도시의 방향으로 병렬 접속되어 있고, 모터 코일 L의 역기전력 흡수 소자로서 기능한다. 또한, 각 트랜지스터 QH1, QH2, QL1, QL2에 기생 다이오드가 부수되어 있는 경우에는, 그 기생 다이오드를 역기전력 흡수 소자로서 이용해도 된다.

제어 회로(22)는, 상기 각 트랜지스터 QH1, QH2, QL1, QL2의 제어 주체로서, 장치 외부로부터 입력되는 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN에 따라서 온할 트랜지스터를 선택함과 함께，PWM 신호 생성 회로(23)로부터 입력되는 PWM 신호에 따라서 그 온 듀티를 제어하기 위해서, 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN 및 PWM 신호에 기초하여, 상기 각 트랜지스터 QH1, QH2, QL1, QL2의 게이트 신호를 생성하는 수단이다. 제어 회로(22)의 구체적인 동작에 대해서는, 후에 상세한 설명을 행한다.

PWM 신호 생성 회로(23)는, H 브릿지 회로(21)를 통해서 모터 코일 L의 일단 혹은 타단에 인가되는 전원 전압 Vcc와, 장치 외부로부터 입력되는 제어 전압 Vref의 비에 따른 듀티의 PWM 신호를 생성하는 수단이다.

PWM 신호 생성 회로(23)의 내부 구성에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, PWM 신호 생성 회로(23)는, 저항 R1∼R4와, 임피던스 변환기 ADJ와, 직류 전압원 E1과, 발진기 OSC와, PWM 컴퍼레이터 PCMP를 갖고 이루어진다.

저항 R1, R2는, 전원 입력 단자와 접지 단자 사이에 직렬 접속되어 있고, 서로의 접속 노드는, 발진기 OSC의 1입력단(상한값 설정단)에 접속되어 있다. 저항 R1, R2의 저항비는 m : n으로 되어 있다. 즉, 저항 R1, R2는, 전원 전압 Vcc를 소정비 α(=n/(m+n))로 분압하여 제1 분압 전압 VH(=α×Vcc)를 생성하는 제1 분압기로서 기능한다.

직류 전압원 E1은, 소정의 기준 전압 VL을 생성하는 수단이다. 또한, 직류전압원 E1의 정극단은, 발진기 OSC의 타입력단(하한값 설정단)에 접속되어 있고, 부극단은, 접지 단자에 접속되어 있다.

발진기 OSC는, 그 발진 주파수가 일정하고, 또한, 그 진폭이 제1 분압 전압 VH에 따라서 변화하는 톱날파 형상 혹은 삼각파 형상의 발진 전압 Vosc를 생성하는 수단이며, 그 출력단은 PWM 컴퍼레이터 PCMP의 반전 입력단(-)에 접속되어 있다. 또한, 발진기 0SC의 구체적인 구성 및 동작에 대해서는, 후에 상세한 설명을 행한다.

저항 R3, R4는, 임피던스 변환기 ADJ를 통하여, 제어 전압 입력 단자와 접지 단자 사이에 직렬 접속되어 있고, 서로의 접속 노드는, PWM 컴퍼레이터 PCMP의 비반전 입력단(+)에 접속되어 있다. 저항 R3, R4의 저항비는 m : n으로 되어 있다. 즉, 저항 R3, R4는, 제어 전압 Vref를 소정비 α(=n/(m+n))로 분압하여 제2 분압 전압 VR(=α×Vref)을 생성하는 제2 분압기로서 기능한다.

임피던스 변환기 ADJ는, 그 입출력간에서 임피던스를 정합시키는 수단(버퍼 수단)이다.

PWM 컴퍼레이터 PCMP는, 제2 분압 전압 VR과 발진 전압 Vosc의 고저에 따라서 그 출력 논리가 변천하는 비교 수단이며, 그 출력 신호가 PWM 신호로서 제어 회로(22)에 송출된다. 또한，PWM 신호는, 제2 분압 전압 VR이 발진 전압 Vosc보다도 높을 때에 하이 레벨로 되고, 낮을 때에 로우 레벨로 되는 2치 신호이다.

계속해서, 상기한 발진기 OSC의 구체적인 구성 및 동작에 대해서, 도 2 및 도 3을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 2는 발진기 OSC의 일 구성예를 도시하는 블록도(일부에 회로 소자를 포함함)이고, 도 3은 발진기 OSC의 일 동작예를 도시하는 파형도이다.

또한, 도 3 상단의 실선은, 제1 분압 전압 VH로서 전압 Va가 입력된 경우의 발진 전압 Vosc를 「Vosc」로 부호하여 나타내는 것이며, 도 3 상단의 파선은, 제1 분압 전압 VH로서 전압 Vb(>Va)가 입력된 경우의 발진 전압 Vosc를 「Vosc'」로 부호하여 나타내는 것이다. 또한, 도 3 하단에는, 상기 각 경우에 생성되는 PWM 신호를 각각 「PWM」, 「PWM'」로 부호하여 나타내고 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 발진기 OSC는, 컨덴서 C1과, 전압/전류 변환기 VIC와, 가변 전류원 I1과, 제1, 제2 컴퍼레이터 CMP1, CMP2와, RS 플립플롭 FF와, N채널 전계 효과 트랜지스터 N1을 갖고 이루어진다.

컨덴서 C1의 일단은, 가변 전류원 I1의 출력단에 접속되는 한편, 발진기 OSC의 출력단으로서, PWM 컴퍼레이터 PCMP의 반전 입력단(-)에도 접속되어 있다. 즉, 본 실시 형태의 발진기 OSC에서는, 컨덴서 C1의 단자 전압이 발진 전압 Vosc로서 인출되어 있다. 또한, 컨덴서 C1의 타단은 접지되어 있다.

전압/전류 변환기 VIC 및 가변 전류원 I1은, 컨덴서 C1에 대하여 제1 분압 전압 VH에 비례한 충전 전류 i를 공급하는 수단이다.

제1 컴퍼레이터 CMP1은, 제1 분압 전압 VH와 컨덴서 C1의 단자 전압(발진 전압 Vosc)의 고저에 따라서 그 출력 논리가 변천하는 비교 수단이다. 또한, 제1 컴퍼레이터 CMP1의 출력 신호는, 제1 분압 전압 VH가 컨덴서 C1의 단자 전압보다도 높을 때에 하이 레벨로 되고, 낮을 때에 로우 레벨로 되는 2치 신호이다.

제2 컴퍼레이터 CMP2는, 컨덴서 C1의 단자 전압(발진 전압 Vosc)과 소정의 기준 전압 VL의 고저에 따라서 그 출력 논리가 변천하는 비교 수단이다. 또한, 제 2 컴퍼레이터 CMP2의 출력 신호는, 컨덴서 C1의 단자 전압이 기준 전압 VL보다 높을 때에 하이 레벨이 되고, 낮을 때에 로우 레벨로 되는 2치 신호이다.

RS 플립플롭 FF는, 그 반전 세트단(SB)에 입력되는 제1 컴퍼레이터 CMP1의 출력 신호와, 그 반전 리세트단(RB)에 입력되는 제2 컴퍼레이터 CMP2의 출력 신호에 기초하여, 그 출력단(Q)으로부터 트랜지스터 N1의 게이트 신호를 송출하는 수단이다. 보다 구체적으로 설명하면，RS 플립플롭 FF의 출력 논리는, 발진 전압 Vosc가 제1 분압 전압 VH에 도달하였을 때에 하이 레벨로 되고, 그 후, 기준 전압 VL에 도달하였을 때에 로우 레벨로 복귀하도록, 그 상태 천이를 반복하는 것으로 된다.

트랜지스터 N1은, 컨덴서 C1의 일단과 접지 단자 사이에 접속되며, RS 플립플롭 FF의 출력 신호에 따라서 온/오프 제어되는 방전 스위치로서 기능하는 것이다. 즉, 트랜지스터 N1의 온/오프 상태는, 발진 전압 Vosc가 제1 분압 전압 VH에 도달하였을 때에 온 상태로 되고, 그 후, 기준 전압 VL에 도달하였을 때에 오프 상태로 복귀하도록, 그 상태 천이를 반복하는 것으로 된다.

상기의 충방전 제어에 의해, 발진 전압 Vosc는, 도 3 상단에 도시한 바와 같이, 그 상한값이 제1 분압 전압 VH에 따라서 가변적으로 설정되고, 하한값이 소정의 기준 전압 VL에 따라서 고정적으로 설정되는 형태로 된다.

또한, 전술한 바와 같이, 컨덴서 C1의 충전 전류 i는, 제1 분압 전압 VH에 비례하여 그 전류값(컨덴서 C1의 충전 스피드)이 증감된다. 즉, 본 실시 형태의 발진기 OSC에서는, 제1 분압 전압 VH(나아가서는 전원 전압 Vcc)가 높을수록, 컨덴서 C1의 충전 스피드는 빨라지고, 낮을수록 컨덴서 C1의 충전 스피드는 느려진다.

상기의 충전 전류 제어에 의해, 발진기 OSC의 발진 주기(발진 주파수)는, 제1 분압 전압 VH(나아가서는 전원 전압 Vcc)에 상관없이, 일정하게 유지되는 형태로 된다.

또한, 전술한 바와 같이, 본 실시 형태의 PWM 신호 생성 회로(23)에서, 제1, 제2 분압기의 분압비는, 모두 동일한 값(α=n/m+n)으로 설정되어 있다.

따라서, PWM 컴퍼레이터 PCMP에서, 제2 분압 전압 VR과 발진 전압 Vosc를 비교함으로써, 제1 분압 전압 VH(전원 전압 Vcc)와 제2 분압 전압 VR(제어 전압 Vref)의 비에 따른 듀티의 PWM 신호가 얻어지게 되고, 나아가서는, 유저가 임의로 설정하는 제어 전압 Vref에 따라서, 모터 코일 L의 일단에 인가하는 구동 전압을 용이하게 또한 광범위하게 가변 제어하는 것이 가능하게 된다(도 3 하단을 참조).

또한, 제어 전압 Vref의 생성 시에는, 전원 전압 Vcc와의 상대 관계(바꿔 말하면 PWM 신호의 듀티)를 특별히 고려할 필요는 없어, 장치 외부의 저항 분할 회로 등을 이용하여, 모터 코일 L의 일단에 인가할 구동 전압과 동일한 값의 전압을 적절히 생성하면 된다.

예를 들면, 모터 코일의 일단에 인가할 구동 전압이 3[V]인 경우, 전원 전압Vcc가 5[V]이어도 12[V]이어도, 제어 전압 Vref로서는, 상기 원하는 값인 3[V]를 인가하면 된다.

또한, 모터 코일 L의 일단에 전원 전압 Vcc 자체를 인가할 경우에는, 제어 전압 입력 단자를 전원 입력 단자에 단락시키면 된다.

다음으로, 제어 회로(22)에 의한 H 브릿지 회로(21)의 제어 동작에 대해서, 도 4 및 도 5를 참조하면서, 상세한 설명을 행한다.

도 4는 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN에 따른 게이트 신호 생성 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 각 동작 모드(정회전, 역회전, 브레이크, 공회전)에서의 구동 전류 경로를 설명하기 위한 도면이다.

또한, 도 4에서, 좌단에 기재된 부호 「FIN」, 「RIN」은, 각각, 장치 외부로부터 입력되는 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN의 논리 상태를 나타내고 있고, 부호 「QH1」, 「QH2」, 「QL1」, 「QL2」는, 각각, H 브릿지 회로(21)를 구성하는 트랜지스터 QH1, QH2, QL1, QL2의 게이트 신호의 논리 상태를 나타내고 있다. 또한, 부호 「모드」는, 모터(1)의 동작 모드를 나타내고 있다.

동작 모드 제어 신호 FIN, RIN이 각각 하이 레벨, 로우 레벨인 경우, 제어 회로(22)는, 모터(1)를 「정회전 모드」로 하기 위해서, 트랜지스터 QH1, QL2를 온으로 하고, 트랜지스터 QH2, QL1을 오프로 하도록, 각각의 게이트 신호를 생성한다. 이와 같은 게이트 신호의 생성에 의해, 모터(1)를 구성하는 모터 코일 L에는, H 브릿지 회로(21)를 통하여, 도 5의 (a)에 도시하는 경로로 구동 전류가 흘러, 모터(1)가 정회전 구동되는 형태로 된다.

한편, 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN이 각각 로우 레벨, 하이 레벨인 경우, 제어 회로(22)는, 모터(1)를 「역회전 모드」로 하기 위해서, 트랜지스터 QH2, QL1을 온으로 하고, 트랜지스터 QH1, QL2를 오프로 하도록, 각각의 게이트 신호를 생성한다. 이와 같은 게이트 신호의 생성에 의해, 모터(1)를 구성하는 모터 코일 L에는, H 브릿지 회로(21)를 통하여, 도 5의 (b)에 도시하는 경로로 구동 전류가 흘 러, 모터(1)가 역회전 구동되는 형태로 된다.

상기의 양 동작 모드가 선택되는 경우, 상측 트랜지스터 QH1, QH2에 대해서는, PWM 신호 생성 회로(23)로부터 입력되는 PWM 신호에 따라서, 그 온 듀티가 제어된다. 이와 같은 PWM 구동에 의해, 모터 코일 L에 대한 구동 전류의 차지와 디스차지가 반복되어, 그 구동 전압 제어가 행해진다.

따라서, 본 실시 형태의 모터 구동 장치이면, 전원 전압 Vcc에 상관없이, 유저가 설정하는 제어 전압 Vref에 따라서, 모터 코일 L의 일단에 인가하는 구동 전압(나아가서는 모터 코일 L에 흐르는 구동 전류)을 원하는 값으로 제어하는 것이 가능하게 된다.

또한, 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN이 모두 하이 레벨인 경우, 제어 회로(22)는, 모터(1)를 「브레이크 모드」로 하기 위해서, 트랜지스터 QL1, QL2를 온으로 하고, 트랜지스터 QH1, QH2를 오프로 하도록, 각각의 게이트 신호를 생성한다. 이와 같은 게이트 신호의 생성에 의해, 모터(1)를 구성하는 모터 코일 L로부터는, H 브릿지 회로(21)를 통하여, 도 5의 (c)에 도시하는 경로로 접지 단자에 구동 전류가 흘러, 모터(1)가 브레이크되는 형태로 된다.

또한, 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN이 모두 로우 레벨인 경우, 제어 회로(22)는, 모터(1)를 「공회전 모드」로 하기 위해서, 트랜지스터 QH1, QH2, QL1, QL2를 모두 오프로 하도록, 각각의 게이트 신호를 생성한다. 이와 같은 게이트 신호의 생성에 의해, H 브릿지 회로(21)에는, 모터(1)를 구성하는 모터 코일 L의 역기전력에 따라서, 도 5의 (d)에 도시하는 경로로 전류가 흘러, 모터(1)가 공회전되는 형태로 된다.

상기한 바와 같이, 본 실시 형태의 모터 구동 장치이면, 외부 입력되는 제어 전압 Vref에 따라서 모터 코일 L의 일단에 인가하는 구동 전압(나아가서는 모터 코일 L에 흐르는 구동 전류)을 용이하게 또한 광범위하게 가변 제어할 수 있으므로, 장치의 전원 전압 범위를 유효 활용하는 것이 가능하게 된다.

또한，H 브릿지 회로(21)의 스위치 소자를 PWM 구동함으로써, 모터 코일 L의 일단에 인가하는 구동 전압을 원하는 값으로 제어하는 구성이면, PWM 제어 시의 오프 기간에서, 모터(1)로부터의 회생 전류를 이용할 수 있으므로, 그 오프 기간에 전원 공급을 차단하여 장치의 전력 절약화를 도모하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시 형태의 모터 구동 장치이면, H 브릿지 회로(21)의 스위치 소자로서, 전계 효과 트랜지스터를 이용하고 있으므로, 바이폴라 트랜지스터를 이용한 종래 구성에 비해, 그 온/오프 제어에 대한 응답성을 높이는 것이 가능하게 된다. 단, 스위치 소자로서 바이폴라 트랜지스터를 이용해도, 상기 본 발명의 효과를 발휘하는 것은 가능하여, 전계 효과 트랜지스터의 사용이 필수적인 구성 요건이라고 하는 것은 아니다.

또한, 상기의 실시 형태에서는, 단상의 DC 모터를 구동 대상으로 한 구성을 예로 들어 설명을 행하였지만, 본 발명의 구성은 이에 한정되는 것이 아니라, 그 밖의 모터(보이스 코일 모터나 스텝핑 모터 등)를 구동 대상으로 하는 모터 구동 장치에도 널리 적용하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 구성은, 상기 실시 형태 외에, 발명의 주지를 일탈하지 않 는 범위에서 다양한 변경을 가하는 것이 가능하다.

예를 들면, 상기의 실시 형태에서는，H 브릿지 회로(21)를 구성하는 스위치 소자 중, 상측 트랜지스터 QH1, QH2를 PWM 구동하는 구성을 예로 들어 설명을 행하였지만, 본 발명의 구성은 이에 한정되는 것이 아니라, 하측 트랜지스터 QL1, QL2를 PWM 구동하는 구성으로 해도 된다.

또한, 상기의 실시 형태에서는，PWM 신호 생성 회로(23)에서, 전원 전압 Vcc 및 제어 전압 Vref를 각각 분압하여 제1 분압 전압 VH 및 제2 분압 전압 VR을 생성하고, 이들 분압 전압을 이용하여 PWM 신호를 생성하는 구성을 예로 들어 설명을 행하였지만, 본 발명의 구성은 이에 한정되는 것이 아니라, 전원·GND 사이에서 풀스윙 구동이 가능한 PWM 컴퍼레이터 PCMP를 이용하는 것이면, 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 분압 전압 VH 및 제2 분압 전압 VR 대신에, 전원 전압 Vcc 및 제어 전압 Vref를 직접 이용하는 구성으로 해도 된다. 또한, 도 1에서 도시한 임피던스 변환기 ADJ는, 필수적인 구성 요소가 아니며, 도 6에 도시한 바와 같이, 이것을 제거한 구성으로 해도 된다.

또한, 상기의 실시 형태에서는，H 브릿지 회로(21)의 상측 스위치 소자로서, P채널 전계 효과 트랜지스터 QH1, QH2를 이용한 구성을 예로 들어 설명을 행하였지만, 본 발명의 구성은 이에 한정되는 것이 아니라, 도 7의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 상기의 상측 스위치 소자로서, N채널 전계 효과 트랜지스터 QH1', QH2'를 이용해도 된다. 그 때, 트랜지스터 QH1', QH2'의 게이트 전압을 생성하는 수단으로서는, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 전원 전압 Vcc를 승압하는 차지 펌프 회 로(24)를 이용해도 되고, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 다이오드 D1'∼D2' 및 컨덴서 C1'∼C2'를 이용함으로써, 트랜지스터 QH1', QH2'의 게이트 전압을 각각의 소스 전압에 대하여 부트스트랩하는 부트스트랩 출력단(22a)을 이용해도 된다.

또한, 상기의 실시 형태에서는, 발진기 OSC에서, 아날로그적으로 원하는 발진 전압 Vosc를 생성하는 구성을 예시하여 설명을 행하였지만, 본 발명의 구성은 이에 한정되는 것이 아니라, 디지털적으로 원하는 발진 전압 Vosc를 생성하는 구성으로 해도 된다.

도 8은 발진기 OSC의 일 변형예를 도시하는 블록도이고, 도 9는 발진기 OSC의 일 동작예를 도시하는 파형도이다.

또한, 도 9 상단의 실선은, 제1 분압 전압 VH로서 전압 Va가 입력된 경우의 발진 전압 Vosc를 「Vosc」로 부호하여 나타내는 것이고, 도 9 상단의 파선은, 제1 분압 전압 VH로서 전압 Vb(>Va)가 입력된 경우의 발진 전압 Vosc를 「Vosc'」로 부호하여 나타내는 것이다. 또한, 도 9 하단에는, 상기 각 경우에 생성되는 PWM 신호를 각각 「PWM」, 「PWM'」로 부호하여 나타내고 있다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 변형예의 발진기 OSC는, 클럭 신호 CLK를 카운트하는 프리런의 카운터 CT와, 카운터 CT의 카운트값을 아날로그 전압으로 변환하는 n비트의 디지털/아날로그 변환기 DAC(예를 들면, 6비트의 R-2R 회로)를 갖고 이루어지고, 디지털/아날로그 변환기 DAC의 출력을 발진 전압 Vosc로서 후단의 PWM 컴퍼레이터 PCMP에 송출하는 구성으로 되어 있다.

또한, 디지털/아날로그 변환기 DAC에는, 정전원 전압(발진 전압 Vosc의 상한 설정 전압에 상당)으로서, 제1 분압 전압 VH가 인가되어 있고, 또한, 부전원 전압(발진 전압 Vosc의 하한 설정 전압에 상당)으로서, 기준 전압 VL이 인가되어 있다.

상기 구성으로 이루어지는 발진기 OSC에서 생성되는 발진 전압 Vosc는, 도 9 상단에 도시한 바와 같이, 카운터 CT의 카운트마다, 기준 전압 VL로부터 제1 분압 전압 VH에 이르기까지 n단계로 전압 레벨이 상승된 후, 다음 카운트에서 다시 전압 레벨이 기준 전압 VL로 되돌아가고, 이후에도, 상기의 상태 천이를 반복하는 톱날파 형상으로 된다.

즉, 발진 전압 Vosc의 상한값은 제1 분압 전압 VH에 따라서 가변적으로 설정되며, 하한값은 소정의 기준 전압 VL에 따라서 고정적으로 설정되는 형태로 된다. 또한, 발진 전압 Vosc의 발진 주기(발진 주파수)는, 클럭 신호 CLK의 발진 주파수와 디지털/아날로그 변환기 DAC의 비트 분해능에 따라서 결정되기 때문에, 도 9 하단에 도시한 바와 같이, 제1 분압 전압 VH(나아가서는 전원 전압 Vcc)에 상관없이, 일정하게 유지되는 형태로 된다.

이와 같이, 본 변형예의 발진기 OSC이면, 도 2의 구성에 비해, 발진 전압 Vosc의 발진 주기를 보다 용이하게 또한 고정밀도로 제어하는 것이 가능하게 된다. 특히, 클럭 신호 CLK를 외부 입력하는 구성으로 하면, 복수의 모터의 구동 제어를 행할 때에, 각각의 동기를 취하기 쉬워진다.

또한, 전원 전압 Vcc에 상관없는 소정의 진폭을 갖는 발진 전압 Vosc와 외부 입력되는 제어 전압 Vref를 단순히 비교함으로써 PWM 신호를 생성하고, 이것을 이용하여 스위치 소자의 PWM 구동을 행하는 구성도 생각되지만, 그 구성을 채용한 경 우에는, 유저 자신이 전원 전압 Vcc와 원하는 구동 전압의 상관 관계를 고려하여 PWM 신호의 듀티를 미리 산출해 놓고, 그 산출 결과에 따른 제어 전압 Vref를 입력해야만 한다. 한편, 상기 실시 형태의 구성이면, 유저는 원하는 구동 전압값과 동일한 값의 제어 전압 Vref를 입력하는 것만으로 족하다. 그 때문에，유저의 부담 경감을 감안하면, 상기 실시 형태의 구성을 채용하는 것이 바람직하다.

또한, 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN 자체를 PWM 제어하고, 이를 이용하여 스위치 소자의 PWM 구동을 행하는 구성도 생각되지만, 그 구성을 채용한 경우에는, 마이크로컴퓨터의 펌웨어 갱신 등, 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN의 생성 수단을 변경해야만 하여, 유저에게 시스템의 대폭적인 개변을 강요하는 결과로 된다. 한편, 상기 실시 형태의 구성이면, 유저는, 모터 구동 장치만을 본 실시 형태의 것으로 치환하고, 동작 모드 제어 신호 FIN, RIN에 대해서는, 종전과 마찬가지의 신호를 입력하는 것만으로 족하다. 그 때문에, 시스템의 대폭적인 개변 회피를 감안하면, 상기 실시 형태의 구성을 채용하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 모터의 구동 제어를 행하는 모터 구동 장치, 및, 이것을 이용한 전기 기기에서, 모터의 회전 속도를 용이하게 또한 광범위하게 설정하는 데에 유용한 기술이다.

Claims

모터를 구성하는 모터 코일에 대하여 H 브릿지형으로 접속된 4개의 스위치 소자를 갖고 이루어지는 H 브릿지 회로와,

상기 스위치 소자의 온/오프 제어를 행하는 제어 회로와,

상기 H 브릿지 회로를 통해서 상기 모터 코일의 일단 혹은 타단에 인가되는 전원 전압으로부터 생성되는 발진 전압과, 장치 외부로부터 입력되는 제어 전압과의 비에 따른 듀티의 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성 회로

를 갖고 이루어지고,

상기 제어 회로는, 장치 외부로부터 입력되는 동작 모드 제어 신호에 따라서 온할 스위치 소자를 선택함과 함께, 상기 PWM 신호에 따라서 그 온 듀티를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
제1항에 있어서,

상기 PWM 신호 생성 회로는,

상기 전원 전압을 소정비로 분압하여 제1 분압 전압을 생성하는 제1 분압기와,

상기 제어 전압을 상기 소정비로 분압하여 제2 분압 전압을 생성하는 제2 분압기와,

그 발진 주파수가 일정하고, 또한, 그 진폭이 제1 분압 전압에 따라서 변화되는 톱니파 형상 혹은 삼각파 형상의 발진 전압을 생성하는 발진기와,

제2 분압 전압과 상기 발진 전압과의 고저에 따라서 그 출력 논리가 변천하는 PWM 컴퍼레이터를 갖고 이루어지며,

상기 PWM 컴퍼레이터의 출력 신호를 상기 PWM 신호로서 상기 제어 회로에 송출하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
제2항에 있어서,

상기 발진기는,

그 단자 전압이 상기 발진 전압으로서 인출되는 컨덴서와,

상기 컨덴서에 대하여 제1 분압 전압에 비례한 충전 전류를 공급하는 충전 전류 공급부와,

제1 분압 전압과 상기 컨덴서의 단자 전압과의 고저에 따라서 그 출력 논리가 변천하는 제1 컴퍼레이터와,

상기 컨덴서의 단자 전압과 소정의 기준 전압과의 고저에 따라서 그 출력 논리가 변천하는 제2 컴퍼레이터와,

제1 컴퍼레이터의 출력 신호가 세트 입력되며, 제2 컴퍼레이터의 출력 신호가 리세트 입력되는 RS 플립플롭과,

상기 컨덴서의 일단과 접지단 사이에 접속되며, 상기 RS 플립플롭의 출력 신호에 따라서 온/오프 제어되는 방전 스위치를 갖고 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
제2항에 있어서,

상기 발진기는,

클럭 신호를 카운트하는 카운터와,

상기 카운터의 카운트값을 아날로그 전압으로 변환하는 디지털/아날로그 변환기를 갖고 이루어지고,

상기 디지털/아날로그 변환기의 출력을 상기 발진 전압으로서 송출하는 구성이며, 또한, 상기 디지털/아날로그 변환기에는, 정전원 전압으로서 제1 분압 전압이 인가되어 있고, 또한, 부전원 전압으로서 소정의 기준 전압이 인가되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
모터와, 상기 모터의 구동 제어를 행하는 모터 구동 장치를 갖고 이루어지는 전기 기기로서,

상기 모터 구동 장치로서, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 모터 구동 장치를 갖고 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 기기.