WO2011135634A1 - モータ駆動装置 - Google Patents

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千木良篤志
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パナソニック株式会社
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    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/20—Controlling the acceleration or deceleration
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/10—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors for preventing overspeed or under speed
    • G—PHYSICS
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    • G05B2219/42—Servomotor, servo controller kind till VSS
    • G05B2219/42248—Command reference limited, clipped, only between upper and lower values

Definitions

  • the present invention relates to a motor driving device, and more particularly to a motor driving technique for performing light quantity control of a camera.
  • a motor drive device that performs camera light amount control or the like is configured as a servo that drives a motor by feeding back the rotational position and rotational speed of the motor in response to an input position command signal.
  • the target rotational position indicated by the position command signal is compared with the actual rotational position detected by the position sensor, and this comparison result and the rotational speed of the motor detected by the speed sensor are calculated and controlled.
  • a signal is generated, and the motor is driven according to the control signal.
  • the rotational position of the motor can be detected from a signal output from a hall element or the like.
  • the rotational speed of the motor can be detected by detecting the counter electromotive force generated in the braking coil. When the motor does not have a braking coil, the rotational speed can be detected by differentiating the detected rotational position (see, for example, Patent Document 1).
  • an object of the present invention is to prevent a drive current having a steep and large wave height at the rise or fall of the position command signal while improving the waveform reproducibility of the load drive current with respect to the stepped position command signal. To do.
  • the motor drive device includes a position detection unit that detects the rotation position of the motor, a speed detection unit that detects the rotation speed of the motor, and a motor based on the position command signal, the rotation position, and the rotation speed for the motor.
  • a control unit that generates a control signal for driving, a limiting unit that limits a possible value of the control signal to a limit value determined based on the value of the position command signal, and a control signal that is limited by the limiting unit
  • a drive unit for energizing the motor is included in the motor.
  • the present invention it is possible to prevent a drive current having a steep and large wave height at the rise or fall of the position command signal while improving the waveform reproducibility of the load drive current with respect to the step-like position command signal.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a motor drive device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a circuit configuration diagram according to an example of the limiting unit.
  • FIG. 3 is a waveform diagram of a drive current with and without a position command signal and limitation.
  • FIG. 4 is a circuit configuration diagram according to another example of the limiting unit.
  • FIG. 5 is a waveform diagram of the drive current with and without the position command signal.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a motor drive device according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a motor drive device according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a circuit configuration diagram according to an example of the limiting unit.
  • FIG. 9 is a circuit configuration diagram according to another example of the limiting unit.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a motor drive device according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a waveform diagram of the position command signal and the drive current.
  • FIG. 1 shows a configuration of a motor drive device according to the first embodiment.
  • the motor 100 to be driven includes a drive coil 101 and a rotor 102.
  • the position detector 1 detects the position of the rotor 102, that is, the rotational position of the motor 100.
  • the differentiator 2A functions as a speed detection unit that differentiates the detected rotational position and detects the rotational speed of the motor 100.
  • the control unit 3 generates a control signal for driving the motor 100 based on the position command signal for the motor 100, the rotational position and the rotational speed of the motor 100.
  • the position comparison unit 31 compares the position command signal with the detected rotational position, and outputs an error between the commanded rotational position and the actual rotational position.
  • the calculation unit 32 calculates the comparison result of the position comparison unit 31 and the detected rotation speed to generate a control signal.
  • the limiting unit 4 limits the value that the control signal can take to a limit value that is determined based on the value of the position command signal.
  • the drive unit 5 energizes the drive coil 101 of the motor 100 in accordance with a control signal that is restricted by the restriction unit 4.
  • FIG. 2 shows a circuit configuration according to an example of the limiting unit 4.
  • the restriction unit 4 includes a shift voltage generation unit 41 and a voltage clip unit 42.
  • the shift voltage generation unit 41 includes a current source 411 that supplies a current I1 and a resistance element 412 having a resistance value R1 connected to the output of the current source 411.
  • the shift voltage generated by the shift voltage generator 41 is represented by I1 ⁇ R1.
  • the voltage clip unit 42 includes a transistor Q1 having a position command signal connected to the base, and transistors Q2 and Q3.
  • the transistor Q1 is connected to the input load side, and the shift voltage generation unit 41 is connected to the output load side.
  • the current mirror circuit 421, the bias current source 422 of the current mirror circuit 321, the base is connected to the connection point of the current source 411 and the resistance element 412, the collector is connected to the power supply node of the current mirror circuit 421, and the emitter is controlled.
  • the transistor Q4 is connected to a signal.
  • the position command signal is level-shifted by the transistors Q1, Q2 and Q3.
  • the voltage of the position command signal is Vp1
  • the base voltage Vb4 of the transistor Q4 is expressed by the following equation.
  • Vbe is the base-emitter voltage of each transistor.
  • FIG. 3 shows each waveform of the drive current with and without a position command signal and restriction.
  • the clip voltage is set by shifting the voltage of the position command signal by the shift voltage (see FIG. 3A).
  • a driving current having a steep and large wave height flows at the rise of the position command signal (see FIG. 3B).
  • the control signal is clipped with the clipping voltage as in the present embodiment, a steep and large driving current does not flow at the rise of the position command signal, and the waveform reproducibility of the position command signal is also good. (See FIG. 3C).
  • FIG. 4 shows a circuit configuration according to another example of the limiting unit 4.
  • FIG. 5 shows each waveform of the drive current with and without the position command signal and limitation.
  • the clip voltage is set by shifting the voltage of the position command signal by the shift voltage (see FIG. 5A). When the clip voltage is not set, a drive current having a steep and high wave height flows at the fall of the position command signal (see FIG. 5B).
  • a speed detector 2 that detects the rotational speed of the motor 100 from the counter electromotive force generated in the braking coil 103 is provided instead of the differentiator 2A as shown in FIG. Also good.
  • FIG. 7 shows a configuration of a motor drive device according to the second embodiment.
  • the motor drive device according to the present embodiment is obtained by adding a current detection unit 6 and a comparison unit 7 to the motor drive device according to the first embodiment.
  • the current detection unit 6 converts the current flowing through the drive coil 101 into a voltage.
  • the comparison unit 7 compares the voltage output from the current detection unit 6 with the position command signal.
  • the limiting unit 4 changes the shift voltage according to the comparison result of the comparison unit 7, that is, the error between the drive current and the position command signal.
  • the current source 411 of the shift voltage generation unit 41 changes the amount of current according to the output of the comparison unit 7. Specifically, the current amount is increased when the error between the drive current and the position command signal is large, and the current amount is decreased when the error is small. Thus, the shift voltage can be increased when the error between the drive current and the position command signal is large, and the shift voltage can be decreased when the error is small.
  • the current amount of the current source 411 may be changed according to the voltage change of the position command signal. That is, when the voltage change of the position command signal is large, the shift voltage is increased, and when it is small, the shift voltage is decreased. As a result, it is possible to set a certain ratio of clip voltage with respect to the voltage change of the position command signal.
  • FIG. 10 shows a configuration of a motor drive device according to the third embodiment.
  • the motor drive device according to the present embodiment is obtained by adding an AD converter 8 to the subsequent stage of the position detection unit 1 of the motor drive device according to the first embodiment.
  • the position command signal, the rotation position, and the rotation speed are all expressed as digital values, and the limiter 4 limits the values that can be taken by the control signal by digital calculation to the limit values that are determined based on the value of the position command signal.
  • the limiter 4 limits the values that can be taken by the control signal by digital calculation to the limit values that are determined based on the value of the position command signal.
  • the motor drive device can prevent a drive current having a steep and large wave height at the rise or fall of the position command signal while improving the waveform reproducibility of the load drive current with respect to the step-like position command signal. It is useful as a motor drive device for controlling the light quantity of a camera.

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Abstract

　モータ駆動装置は、モータ(１００)の回転位置を検出する位置検出部(１)と、モータ(１００)の回転速度を検出する速度検出部(２)と、モータ(１００)に対する位置指令信号、回転位置および回転速度に基づいて、モータ(１００)を駆動するための制御信号を生成する制御部(３)と、制御信号の取り得る値を、位置指令信号の値を基準として決定される限界値に制限する制限部(４)と、制限部(４)による制限が掛かった制御信号に従ってモータ(１００)に通電する駆動部(５)とを備えている。

Description

モータ駆動装置
　本発明は、モータ駆動装置に関し、特にカメラの光量制御などを行うモータの駆動技術に関する。
　一般に、カメラの光量制御などを行うモータの駆動装置は、入力された位置指令信号に対してモータの回転位置および回転速度をフィードバックしてモータを駆動するサーボとして構成される。具体的には、位置指令信号によって示される目標回転位置と位置センサによって検出される実際の回転位置とを比較し、この比較結果と速度センサによって検出されるモータの回転速度とを演算して制御信号を生成し、この制御信号に従ってモータを駆動する。モータの回転位置はホール素子などから出力される信号から検出することができる。モータの回転速度は制動コイルに生じる逆起電力を検出することで検出することができる。モータに制動コイルが備わっていない場合には、検出される回転位置を微分することで回転速度を検出することができる（例えば、特許文献１参照）。
特開平８－９６６８号公報（第７図および第８図）
　図１１（ａ）に示したようにステップ状に変化する位置指令信号の波形再現性を向上するには、サーボを構成しているブロックのオープンループゲインと周波数特性を高く設定する必要がある。サーボのオープンループゲインと周波数特性を高く設定した場合にコイル負荷の電流に着目すると、インダクタにステップ状の電流を流すことになるので位置指令信号の立ち上りまたは立ち下りにおいて急峻で波高の大きな駆動電流が流れてしまう（図１１（ｂ）参照）。このような急峻で波高の大きな電流は、ロータに位置指令とは関係しない不要な振動を引き起こし、騒音を発生してしまうおそれがある。一方、この問題を解消するためにサーボのオープンループゲインと周波数特性を低く設定すると、インダクタへの電流は緩やかに流れるので急峻で波高の大きな駆動電流を防いでロータの不要な振動や騒音を防ぐことができる。しかしながら今度は位置指令信号の波形再現性が低下してしまう（図１１（ｃ）参照）。
　かかる問題に鑑み、本発明は、ステップ状の位置指令信号に対する負荷駆動電流の波形再現性を向上させつつ、位置指令信号の立ち上りまたは立ち下りにおいて急峻で波高の大きな駆動電流を防ぐことを課題とする。
　上記課題を解決するために本発明によって次のような手段を講じた。すなわち、モータ駆動装置であって、モータの回転位置を検出する位置検出部と、モータの回転速度を検出する速度検出部と、モータに対する位置指令信号、回転位置および回転速度に基づいて、モータを駆動するための制御信号を生成する制御部と、制御信号の取り得る値を、位置指令信号の値を基準として決定される限界値に制限する制限部と、制限部による制限が掛かった制御信号に従ってモータに通電する駆動部とを備えているものとする。
　これによると、モータ駆動装置のオープンループゲインと周波数特性をそのままにして、位置指令信号がステップ状に変化したときの制御信号の過渡的変化に制限を掛けるのみであるため、位置指令信号の波形再現性を良好に保ちつつ、急峻で波高の大きな駆動電流を防ぐことができる。
　本発明によると、ステップ状の位置指令信号に対する負荷駆動電流の波形再現性を向上させつつ、位置指令信号の立ち上りまたは立ち下りにおいて急峻で波高の大きな駆動電流を防ぐことができる。
図１は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。 図２は、制限部の一例に係る回路構成図である。 図３は、位置指令信号と制限がある場合およびない場合の駆動電流の波形図である。 図４は、制限部の別例に係る回路構成図である。 図５は、位置指令信号と制限がある場合およびない場合の駆動電流の波形図である。 図６は、第１の実施形態の変形例に係るモータ駆動装置の構成図である。 図７は、第２の実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。 図８は、制限部の一例に係る回路構成図である。 図９は、制限部の別例に係る回路構成図である。 図１０は、第３の実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。 図１１は、位置指令信号と駆動電流の波形図である。
　（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す。駆動対象のモータ１００は、駆動コイル１０１とロータ１０２とを備えている。本実施形態に係るモータ駆動装置において、位置検出部１は、ロータ１０２の位置、すなわち、モータ１００の回転位置を検出する。微分器２Ａは、検出された回転位置を微分してモータ１００の回転速度を検出する速度検出部として機能する。制御部３は、モータ１００に対する位置指令信号、モータ１００の回転位置および回転速度に基づいて、モータ１００を駆動するために制御信号を生成する。具体的には、制御部３において、位置比較部３１は、位置指令信号と検出された回転位置とを比較し、指令された回転位置と実際の回転位置との誤差を出力する。演算部３２は、位置比較部３１の比較結果と検出された回転速度とを演算して制御信号を生成する。制限部４は、制御信号の取り得る値を、位置指令信号の値を基準として決定される限界値に制限する。駆動部５は、制限部４による制限が掛かった制御信号に従ってモータ１００の駆動コイル１０１に通電する。
　図２は、制限部４の一例に係る回路構成を示す。制限部４は、シフト電圧生成部４１と電圧クリップ部４２とから構成される。シフト電圧生成部４１は、電流Ｉ１を供給する電流源４１１と、電流源４１１の出力に接続された抵抗値Ｒ１の抵抗素子４１２とから構成される。シフト電圧生成部４１が生成するシフト電圧はＩ１×Ｒ１で表される。電圧クリップ部４２は、ベースに位置指令信号が接続されたトランジスタＱ１と、トランジスタＱ２およびＱ３で構成され、入力負荷側にトランジスタＱ１が接続され、出力負荷側にシフト電圧生成部４１が接続されたカレントミラー回路４２１と、カレントミラー回路３２１のバイアス電流源４２２と、ベースが電流源４１１と抵抗素子４１２との接続点に接続され、コレクタがカレントミラー回路４２１の電源ノードに接続され、エミッタに制御信号が接続されたトランジスタＱ４とから構成される。
　上記構成の制限部４において位置指令信号はトランジスタＱ１、Ｑ２およびＱ３によってレベルシフトされる。位置指令信号の電圧をＶｐ１とすると、トランジスタＱ４のベース電圧Ｖｂ４は、次式で表される。ただし、Ｖｂｅは各トランジスタのベース－エミッタ間電圧である。
Ｖｂ４＝Ｖｐ１－２Ｖｂｅ＋Ｖｂｅ＋Ｉ１×Ｒ１＝Ｖｐ１－Ｖｂｅ＋Ｉ１×Ｒ１
トランジスタＱ４のエミッタ電圧はＶｂ４＋Ｖｂｅで表されるところ、上式を変形するとＶｂ４＋Ｖｂｅ＝Ｖｐ１＋Ｉ１×Ｒ１が導出される。すなわち、制御信号が位置指令信号の電圧をシフト電圧であるＩ１×Ｒ１だけシフトしたクリップ電圧でクリップされる。
　図３は、位置指令信号と制限がある場合およびない場合の駆動電流の各波形を示す。位置指令信号の電圧をシフト電圧だけシフトしてクリップ電圧が設定される（図３（ａ）参照）。クリップ電圧が設定されない場合には、位置指令信号の立ち上がりにおいて急峻で波高の大きな駆動電流が流れてしまう（図３（ｂ）参照）。一方、本実施形態のように制御信号をクリップ電圧でクリップした場合には、位置指令信号の立ち上がりにおいて急峻で波高の大きな駆動電流が流れず、さらに、位置指令信号の波形再現性も良好である（図３（ｃ）参照）。
　図４は、制限部４の別例に係る回路構成を示す。本例に係る制限部４は図２の構成における各トランジスタの極性を逆にしたものであり、Ｖｂ４＋Ｖｂｅ＝Ｖｐ１－Ｉ１×Ｒ１が導出される。図５は、位置指令信号と制限がある場合およびない場合の駆動電流の各波形を示す。位置指令信号の電圧をシフト電圧だけシフトしてクリップ電圧が設定される（図５（ａ）参照）。クリップ電圧が設定されない場合には、位置指令信号の立ち下がりにおいて急峻で波高の大きな駆動電流が流れてしまう（図５（ｂ）参照）。一方、本実施形態のように制御信号をクリップ電圧でクリップした場合には、位置指令信号の立ち下がりにおいて急峻で波高の大きな駆動電流が流れず、さらに、位置指令信号の波形再現性も良好である（図５（ｃ）参照）。
　モータ１００が制動コイルを有する場合には、図６に示したように、微分器２Ａに代えて、制動コイル１０３に生じる逆起電力からモータ１００の回転速度を検出する速度検出部２を設けてもよい。
　（第２の実施形態）
　図７は、第２の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置に電流検出部６と比較部７とを追加したものである。電流検出部６は、駆動コイル１０１に流れる電流を電圧に変換する。比較部７は、電流検出部６から出力される電圧と位置指令信号とを比較する。制限部４は、比較部７の比較結果、すなわち、駆動電流と位置指令信号との誤差に応じてシフト電圧を変更する。
　図８および図９は、制限部４の構成例を示す。シフト電圧生成部４１の電流源４１１は比較部７の出力に応じて電流量を変化させる。具体的には、駆動電流と位置指令信号との誤差が大きい場合には電流量を多くし、小さい場合には電流量を少なくする。これにより、駆動電流と位置指令信号との誤差が大きい場合にはシフト電圧を大きくし、小さい場合にはシフト電圧を小さくすることができる。
　比較部７の出力に代えて位置指令信号の電圧変化分に応じて電流源４１１の電流量を変化させるようにしてもよい。すなわち、位置指令信号の電圧変化が大きい場合にはシフト電圧を大きくし、小さい場合にはシフト電圧を小さくする。これにより、位置指令信号の電圧変化に対して一定割合のクリップ電圧を設定することができる。
　（第３の実施形態）
　図１０は、第３の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置の位置検出部１の後段にＡＤ変換器８を追加したものである。位置指令信号、回転位置および回転速度はすべてデジタル値で表され、制限部４はデジタル演算により制御信号の取り得る値を、位置指令信号の値を基準として決定される限界値に制限する。このように制限部４をデジタル信号処理回路で実現しても上記と同様の効果を得ることができる。
　本発明に係るモータ駆動装置は、ステップ状の位置指令信号に対する負荷駆動電流の波形再現性を向上させつつ、位置指令信号の立ち上りまたは立ち下りにおいて急峻で波高の大きな駆動電流を防ぐことができるため、カメラの光量制御などを行うモータの駆動装置として有用である。
　１　　　位置検出部
　２　　　速度検出部
　２Ａ　　微分器（速度検出部）
　３　　　制御部
　４　　　制限部
　４１　　シフト電圧生成部
　４１１　電流源
　４１２　抵抗素子
　４２　　電圧クリップ部
　４２１　カレントミラー回路
　４２２　バイアス電流源
　Ｑ１　　トランジスタ（第１のトランジスタ）
　Ｑ４　　トランジスタ（第２のトランジスタ）
　５　　　駆動部
　６　　　電流検出部
　７　　　比較部
　１００　モータ

Claims (6)

  1. 　モータの回転位置を検出する位置検出部と、
    　前記モータの回転速度を検出する速度検出部と、
    　前記モータに対する位置指令信号、前記回転位置および前記回転速度に基づいて、前記モータを駆動するための制御信号を生成する制御部と、
    　前記制御信号の取り得る値を、前記位置指令信号の値を基準として決定される限界値に制限する制限部と、
    　前記制限部による制限が掛かった前記制御信号に従って前記モータに通電する駆動部とを備えている
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 請求項１のモータ駆動装置において、
    　前記制限部は、
    　　シフト電圧を生成するシフト電圧生成部と、
    　　前記制御信号を、前記位置指令信号の電圧を前記シフト電圧だけシフトしたクリップ電圧でクリップする電圧クリップ部とを有する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  3. 請求項２のモータ駆動装置において、
    　シフト電圧生成部は、
    　　電流源と、
    　　前記電流源の出力に接続され、前記シフト電圧を生成する抵抗素子とを有するものであり、
    　前記電圧クリップ部は、
    　　ベースに前記位置指令信号が接続された第１のトランジスタと、
    　　入力負荷側に前記第１のトランジスタが接続され、出力負荷側に前記シフト電圧生成部が接続されたカレントミラー回路と、
    　　前記カレントミラー回路のバイアス電流源と、
    　　ベースが前記電流源と前記抵抗素子との接続点に接続され、コレクタが前記カレントミラー回路の電源ノードに接続され、エミッタに前記制御信号が接続された第２のトランジスタとを有するものである
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  4. 請求項２のモータ駆動装置において、
    　前記シフト電圧生成部は、前記位置指令信号の電圧変化分に応じて前記シフト電圧を可変に構成されている
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  5. 請求項２のモータ駆動装置において、
    　前記モータに流れる電流を電圧に変換する電流検出部と、
    　前記位置指令信号と前記電流検出部の出力とを比較する比較部とを備え、
    　前記シフト電圧生成部は、前記比較部の出力に応じて前記シフト電圧を可変に構成されている
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  6. 請求項１のモータ駆動装置において、
    　前記位置指令信号、前記回転位置および前記回転速度はいずれもデジタル値であり、
    　前記制限部は、デジタル演算により前記制御信号の取り得る値を制限する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
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JP2001125648A (ja) * 1999-10-29 2001-05-11 Yokogawa Electric Corp ２次元位置決め装置

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