JP2004242432A

JP2004242432A - Ｄｃモータ駆動装置

Info

Publication number: JP2004242432A
Application number: JP2003029581A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fuse; 洋布施
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26
Also published as: US6922029B2; US20040183488A1

Abstract

【課題】ロータの位置を検出するためのホール素子を進角実装し、正弦波駆動を行うＤＣモータにおいて、モータ起動時における相切り換え時のブレーキ動作を回避し、起動トルクの低減を抑制する。
【解決手段】正弦波通電駆動した場合に、ステータ巻き線のインダクタンス値やモータの誘起電圧の影響により前記巻き線に流れる電流が遅れ、ブレーキ動作が発生する。このブレーキ動作を回避するため、ロータの位置を検知するホール素子を進角実装する。すると、モータ起動時に誘起電圧が低いため逆にブレーキ動作が発生する。そこで、モータ起動後一定回転数になるまで１２０°矩形波通電駆動しブレーキ動作を低減する（Ｓ９１、Ｓ９２，Ｓ９３）。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像形成装置の駆動源などに用いられるＤＣモータの駆動装置に関し、特にその相切り換え時のブレーキ動作の回避に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４、図５は従来の技術を説明する図である。
【０００３】
図４は、従来の３相ＤＣモータ駆動装置の回路ブロック図である。１は３相ＤＣモータであり、２は前記３相ＤＣモータ１の巻き線Ｕ相３，巻き線Ｖ相４，巻き線Ｗ相５に電流を供給するためのモータドライバ（駆動装置）である。６は前記３相ＤＣモータ１の回転数に比例した周波数の信号を出力するＦＧパターンである。前記ＦＧパターン６から出力された信号は、パルス状の信号に変換するためのＦＧアンプ７で波形整形されＦＧ信号８に変換される。前記ＦＧ信号８は回転数制御を行う速度ディスクリ回路９へ入力され予め設けられた基準ＦＧ周期と比較し、回転数が設定された回転数になるように加速信号１２と減速信号１３を出力する。１０は前記速度ディスクリ回路９の基準クロックを発生させる水晶振動子である。前記基準となるＦＧ周期は基準ＦＧ周期信号７０により前記速度ディスクリ回路９へ送られる。また、１９は前記ＤＣモータの起動／停止を行うためのＯＮ／ＯＦＦ信号である。
【０００４】
１４は前記加速信号１２と前記減速信号１３に従いチャージポンプ用コンデンサ１５、チャージポンプ用コンデンサ１６に電流を充放電し回転数に対してのエラー量をＤＣ電圧に変換するチャージポンプ回路である。また、抵抗１７は前記ＤＣモータ系の帰還量の位相を調節するものである。トルクアンプ２０は、前記ＤＣ電圧と基準電圧２１との差を増幅し、信号を電流制限コンパレータ１８へ出力する。前記電流制限コンパレータ１８は過負荷時の過電流を検出する。電流制限抵抗５１はＤＣモータ１の電流値を電圧へ変換し、前記電流制限コンパレータ１８の反転端子で前記電圧は検出され、基準電圧５２よりも大きい場合、電流を遮断する。つまり過大な電流が前記ＤＣモータ１に印加された時、設定された電流値以下になるように電流を遮断する。過負荷時以外は前記トルクアンプ２０の出力をそのまま、ホールアンプ２２とＰＷＭ発振器２３へ出力する。
【０００５】
前記ホールアンプ２２は、前記トルクアンプ２０の出力のＤＣ電圧レベルに従って、ホール素子Ｕ相２４，ホール素子Ｖ相２５，ホール素子Ｗ相２６からの出力を増幅し、ＰＷＭコンパレータＵ相２７，ＰＷＭコンパレータＶ相２８，ＰＷＭコンパレータＷ相２９へ出力する。前記ホール素子２４，２５，２６は２４Ｖ電源３０とホール素子バイアス用抵抗３１，３２により電流が供給されロータの位置情報を電圧波形として出力する。
【０００６】
前記ＰＷＭ駆動回路２３は、前記ＤＣモータ１のスイッチング駆動を行うための基準となるＰＷＭ信号３３を生成する。前記ＰＷＭ信号３３の周波数は、ＰＷＭ周波数設定抵抗３４とＰＷＭ周波数設定コンデンサ３５により設定される。
【０００７】
前記ホールアンプ２２の出力と前記ＰＷＭ駆動回路２３の出力は、各相の前記ＰＷＭコンパレータ２７，２８，２９に出力される。前記ＰＷＭコンパレータ２７，２８，２９は、前記ホールアンプ２２の出力と前記ＰＷＭ駆動回路３３の出力を比較し、前記ホールアンプ２２の出力が前記ＰＷＭ駆動回路２３の出力よりも大きい時に、Ｈレベルを出力し、モータに通電を行う。逆の場合Ｌレベルを出力し、通電を遮断する。すなわち、前記ＤＣモータ１のスイッチング駆動するＯＮ＿Ｄｕｔｙ比を決定する。
【０００８】
８５は、前記ＰＷＭコンパレータ２７，２８，２９の出力に従い、上側ＦＥＴ＿Ｕ相３６，上側ＦＥＴ＿Ｖ相３７，上側ＦＥＴ＿Ｗ相３８，下側ＦＥＴ＿Ｕ相３９，下側ＦＥＴ＿Ｖ相４０，下側ＦＥＴ＿Ｗ相４１を駆動するためのプリドライバである。ツェナーダイオードＵ相４２，ツェナーダイオードＶ相４３，ツェナーダイオードＷ相４４は、各相がハイ・インピーダンス状態になった時にゲート−ソース間の耐圧保護を行う。
【０００９】
４５は前記各相の上側トランジスタ（３６，３７，３８）をスイッチングするための昇圧回路であり、昇圧用オシレータ４６により出力された電圧波形はバイパスコンデンサコンデンサ４７により次段へバイパスされ整流ダイオード４８により整流され、直流バイアスダイオード４９により電源電圧までバイアスされ昇圧コンデンサ５０により平滑される。
【００１０】
図５は、モータ巻き線（３，４，５）に正弦波状の電流を供給し、負荷の大小に従ってモータへの供給電力を制御する原理を説明するタイムチャートである。５５、５６、５７は、前記ホール素子Ｕ相２４，Ｖ相２５，Ｗ相２６の出力電圧をそれぞれの相において前記チャージポンプ１４の出力電圧に比例した増幅率で振幅を増幅された擬似正弦波である。また、５８は、前記ＰＷＭ駆動回路２３により生成される三角波である。各相において、前記擬似正弦波５５，５６，５７と前記ＰＷＭ三角波５８は、前記ＰＷＭコンパレータ２７，２８，２９により比較され、各相のコイル印加電圧波形５９，６０，６１を生成し、各相の巻き線に電圧を印加する。６２，６３，６４は、前記コイル印加電圧により前記ＤＣモータ１の前記巻き線３，４，５に通電される巻き線電流である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例では以下に示す問題があった。
【００１２】
一般的なＤＣモータの特性は、巻き線に電圧が印加されたとしても、前記巻き線のインダクタンス値やモータの誘起電圧の影響により前記巻き線に流れる電流は、徐々に増加していく。つまり、巻き線印加電圧に対して、巻き線通電電流は、遅れを持って立ち上がることになる。このように巻き線電流が巻き線電圧に対して遅れて立ち上がる場合、図６に示すように、巻き線電圧７１に対して巻き線電流７２は、７４だけ位相が遅れることになる。前記位相遅れ７４が発生すると、ロータマグネットの磁極切り換えタイミングで巻き線の通電方向が切り換わらないため、ロータの回転方向と逆方向に力が加わるように通電が行われるタイミングが存在することになる。これを、ブレーキ動作７３と呼ぶことにする。
【００１３】
前述した問題を解決するために、図７に示すように、ロータの位置を検出するためのホール素子の実装位置をステータに対して進めて実装する（以下進角実装という、７５は進角である）ことで、相の切り換えタイミングをロータによる本来の磁極の切り換えタイミングよりも早め、巻き線に流れる電流の流入出切り換えポイント７６を本来のロータによる磁極の切り換えポイントに一致させる。前記ホール素子を進角実装することにより、前記ブレーキ動作が無くなりモータ効率を最大に引き出すことができる。しかし、モータ起動時は、モータが回転していない状況のため、誘起電圧が発生していない。つまり、図８に示すように、巻き線印加電圧と巻き線電流に発生する位相差が定常回転時と比較して発生しない。位相差が生じない状態で、ホール素子を進角実装すると、７７の様にブレーキ動作が生じ起動トルクが低下してしまう問題が発生する。
【００１４】
本発明は、このような状況のもとでなされたもので、ロータの位置を検出するためのホール素子を進角実装し、正弦波駆動を行うＤＣモータにおいて、モータ起動時における相切り換え時のブレーキ動作を回避し、起動トルクの低減を抑制することを課題とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明では、ＤＣモータ駆動装置を次の（１）ないし（４）のとおりに構成する。
【００１６】
（１）ロータの位置を検出するためのホール素子の実装位置をステータに対して進めて実装したｎ相（ｎは３以上の自然数）ＤＣモータを駆動するＤＣモータ駆動装置であって、
前記ＤＣモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記回転速度検出手段の出力が、しきい値未満の場合に矩形波通電駆動を行い、しきい値以上の場合に正弦波通電駆動を行う駆動手段と、
を備えたことを特徴とするＤＣモータ駆動装置。
【００１７】
（２）前記（１）に記載のＤＣモータ駆動装置において、
前記しきい値を、前記ＤＣモータの定格回転数の１／２に相当する値としたことを特徴とするＤＣモータ駆動装置。
【００１８】
（３）ロータの位置を検出するためのホール素子の実装位置をステータに対して進めて実装したＤＣモータを駆動するＤＣモータ駆動装置であって、
ＤＣモータの回転数に比例した周期のパルス波を出力するＦＧパターンと、前記ＦＧパターンの出力より回転数に比例したＦＧ信号を生成するＦＧアンプと、前記ＦＧ信号の周期と予め設定された周期との比較を行い前記ＤＣモータの回転数の誤差分を出力する速度ディスクリ回路と、前記速度ディスクリ回路の出力をＤＣ電圧へ変換するチャージポンプ回路と、前記ホール素子の出力電圧の振幅を前記チャージポンプのＤＣ電圧に比例させて増幅する第１のホールアンプと、前記ホール素子の出力電圧にもとづいて矩形波を生成する第２のホールアンプと、前記ＦＧ信号の周波数をＤＣ電圧に変換するＦ／Ｖコンバータと、前記Ｆ／Ｖコンバータの出力電圧が予め設定されたしきい値電圧以上のとき前記第１のホールアンプを選択し、しきい値未満のとき前記第２のホールアンプを選択する選択手段と、前記選択手段で選択した前記第１のホールアンプもしくは第２のホールアンプの出力電圧とＰＷＭ変調を行うための基準三角波とを比較することで前記モータへのスイッチングの通電パターンを生成するＰＷＭコンパレータと、前記ＰＷＭコンパレータの出力に従い前記ＤＣモータの巻線に通電を行う電流増幅トランジスタと、を備えたＤＣモータ駆動装置。
【００１９】
（４）前記（３）に記載のＤＣモータ駆動装置において、
前記しきい値電圧を、前記ＤＣモータの定格回転数時に得られる電圧の１／２の電圧に設定したことを特徴とするＤＣモータ駆動装置。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、ＤＣモータ駆動装置の実施例により詳しく説明する。
【００２１】
【実施例】
図１は、実施例である“ＤＣモータ駆動装置”の構成を示すブロック図であり、正弦波駆動を行うＤＣモータを用いた場合において、起動トルクの低下を抑制することを説明する図である。
【００２２】
図１において、１は３相ＤＣモータであり、２は前記３相ＤＣモータ１の振動を軽減するように、巻き線Ｕ相３，巻き線Ｖ相４，巻き線Ｗ相５に正弦波状の電流を供給するためのモータドライバである。６は前記３相ＤＣモータ１の回転数に比例した周波数の信号を出力するＦＧパターンである。前記ＦＧパターン６から出力された信号は、パルス状の信号に変換するためのＦＧアンプ７で波形整形されＦＧ信号８に変換される。前記ＦＧ信号８は回転数制御を行う速度ディスクリ回路９と、前記ＤＣモータ１の回転速度をＤＣ電圧へ変換するＦ／Ｖコンバータ８０へ入力される。前記速度ディスクリ回路９は予め設けられた基準ＦＧ周期と比較し、回転数が前記設定された回転数になるように加速信号１２と減速信号１３を出力する。１０は前記速度ディスクリ回路９の基準クロックを発生させる水晶振動子である。前記Ｆ／Ｖコンバータ８０は、回転速度をＤＣ電圧に変換したＦ／Ｖコンバータ出力信号８１を生成する。前記基準となるＦＧ周期は基準ＦＧ周期信号７０により前記速度ディスクリ回路９へ送られる。また、１９は前記ＤＣモータ１の起動／停止を行うためのＯＮ／ＯＦＦ信号である。１４は前記加速信号１２と前記減速信号１３に従いチャージポンプ用コンデンサ１５、チャージポンプ用コンデンサ１６に電流を充放電し回転数に対してのエラー量をＤＣ電圧に変換するチャージポンプ回路である。また、抵抗１７は前記ＤＣモータ系の帰還量の位相を調節するものである。トルクアンプ２０は、前記ＤＣ電圧と基準電圧２１との差を増幅し、信号を電流制限コンパレータ１８へ出力する。前記電流制限コンパレータ１８は過負荷時の過電流を検出する。電流制限抵抗５１はＤＣモータ１の電流値を電圧へ変換し、前記電流制限コンパレータ１８の反転端子で前記電圧は検出され、基準電圧５２よりも大きい場合、電流を遮断する。つまり過大な電流が前記ＤＣモータ１に印加された時、設定された電流値以下になるように電流を遮断する。過負荷時以外は前記トルクアンプ２０の出力をそのまま、ホールアンプ２２０とＰＷＭ発振器２３へ出力する。
【００２３】
前記ホールアンプ２２０は、前記Ｆ／Ｖコンバータ８０で設定された出力電圧しきい値に従い１２０°矩形波通電駆動と正弦波通電駆動の切り換えを行う。すなわち、前記しきい値未満の場合、後述する１２０°矩形波通電を行い、前記しきい値以上の場合、後述する正弦波通電を行う。
【００２４】
前記１２０°矩形波通電の説明を以下にのべる。前記ホールアンプ２２０が、正弦波駆動通電を選択した場合、ホール素子Ｕ相２４，ホール素子Ｖ相２５，ホール素子Ｗ相２６から得られた電圧を矩形波に成形し、前記ＤＣモータ１のマグネット磁極の中心１２０°の領域の前記ＤＣモータ１の巻き線に通電を行うものである。すなわち、前記ホール素子の出力電圧にもとづいて矩形波を生成し通電する。
【００２５】
前記正弦波通電の説明を以下にのべる。
【００２６】
前記ホールアンプ２２０が、正弦波駆動通電を選択した場合、前記トルクアンプ２０の出力のＤＣ電圧レベルに従って、ホール素子Ｕ相２４，ホール素子Ｖ相２５，ホール素子Ｗ相２６からの出力を増幅し、ＰＷＭコンパレータＵ相２７，ＰＷＭコンパレータＶ相２８，ＰＷＭコンパレータＷ相２９へ出力する。すなわち、前記ホール素子の出力電圧の振幅を前記チャージポンプのＤＣ電圧に比例させて増幅し出力する。前記ホール素子２４，２５，２６は２４Ｖ電源３０とホール素子バイアス用抵抗３１，３２により電流が供給されロータの位置情報を電圧波形として出力する。
【００２７】
前記ＰＷＭ駆動回路２３は、前記ＤＣモータ１のスイッチング駆動を行うための基準となるＰＷＭ信号３３を生成する。前記ＰＷＭ信号３３の周波数は、ＰＷＭ周波数設定抵抗３４とＰＷＭ周辺数設定コンデンサ３５により設定される。
【００２８】
前記ホールアンプ２２０の出力と前記ＰＷＭ駆動回路２３の出力は、各相の前記ＰＷＭコンパレータ２７，２８，２９に出力される。前記ＰＷＭコンパレータ２７，２８，２９は、前記ホールアンプ２２０の出力と前記ＰＷＭ駆動回路３３の出力を比較し、前記ホールアンプ２２０の出力が前記ＰＷＭ駆動回路２３の出力よりも大きい時に、Ｈレベルを出力し、モータ１に通電を行う。逆の場合Ｌレベルを出力し、通電を遮断する。すなわち、前記ＤＣモータ１のスイッチング駆動するＯＮ＿Ｄｕｔｙ比を決定する。
【００２９】
８５は、前記ＰＷＭコンパレータ２７，２８，２９の出力に従い、上側ＦＥＴ＿Ｕ相３６，上側ＦＥＴ＿Ｖ相３７，上側ＦＥＴ＿Ｗ相３８，下側ＦＥＴ＿Ｕ相３９，下側ＦＥＴ＿Ｖ相４０，下側ＦＥＴ＿Ｗ相４１を駆動するためのプリドライバである。ツェナーダイオードＵ相４２，ツェナーダイオードＶ相４３，ツェナーダイオードＷ相４４は、各相がハイ・インピーダンス状態になった時にゲート−ソース間の耐圧保護を行う。
【００３０】
４５は前記各相の上側トランジスタ（３６，３７，３８）をスイッチングするための昇圧回路であり、昇圧用オシレータ４６により出力された電圧波形はバイパスコンデンサコンデンサ４７により次段へバイパスされ整流ダイオード４８により整流され、直流バイアスダイオード４９により電源電圧までバイアスされ昇圧コンデンサ５０により平滑される。
【００３１】
図２は、前記ＤＣモータの起動時通電切換え方法を示したフローチャートである。
【００３２】
前記ＤＣモータ１へモータ起動信号が入力されると（ステップ９０参照、図ではステップをＳと略記する、以下同様）、１２０°通電駆動でモータを駆動する（ステップ９１）。前記ＤＣモータ１の回転数が上昇してくると、前記Ｆ／Ｖコンバータ８０の出力電圧が上昇してくる。前記ホールアンプ２２０で設定されているしきい値電圧Ｖｔｈ以上に前記Ｆ／Ｖコンバータ８０の出力電圧８１が上昇すると（ステップ９２）、正弦波通電駆動に切り換わる（ステップ９３）。そして、モータ停止信号を受信すると（ステップ９４）、前記ＤＣモータ１は停止する（ステップ９５）。このシーケンスは、正弦波通電駆動でモータ起動した場合のブレーキ動作を回避するために設けられたものであるため、前記Ｖｔｈの値は、正弦波駆動通電で起動した場合にブレーキ動作してしまう回転数で発生する電圧を設定するものである。実際には、実験的に求められる数値である。一般的には、定格回転数の１／２程度の回転数であれば、十分正弦波通電駆動であっても、ブレーキになることは無い。
【００３３】
図３は、起動時における１２０°矩形波通電駆動の巻き線電圧、巻き線電流の様子を示したタイムチャートである。正弦波通電駆動の場合と比較し、ブレーキ動作が無いため、モータ効率の低下が抑制でき、正弦波通電駆動よりも大きい起動トルクを出力することができる。
【００３４】
以上、説明したように、本実施例によれば、起動時のみ１２０°矩形波通電を行うことで、起動トルクを低下させること無くモータの起動を行うことができる。
【００３５】
なお、モータ回転速度検出手段は、Ｆ／Ｖコンバータ行う必要は無く、他の手段でも構わない。例えば、ＦＧ周期やホール素子出力のカウンタによる計数でも、モータが起動したかどうか、所定の回転速度に達したかどうかの判断は可能である。また、矩形波通電駆動は、１２０°に限らず、ブレーキ動作が生じない適宜の通電範囲で実施することができる。
【００３６】
また、実施例は３相ＤＣモータを駆動する例であるが、ｎ相（ｎは３以上の自然数）ＤＣモータの駆動においても同様に実施することができる。その際、矩形波通電駆動は１２０°の代わりに３６０°／ｎとすればよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モータ起動時のみ矩形波通電駆動を行うことで、相切り換え時のブレーキ動作を回避し、起動トルクの低減を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の回路構成を示すブロック図
【図２】起動時の通電切換え方法を示すフローチャート
【図３】モータ起動時における１２０°矩形波通電駆動の巻き線電圧と巻き線電流の関係を示すタイムチャート
【図４】従来例の回路構成を示すブロック図
【図５】モータへの供給電力を制御する原理を示すタイムチャート
【図６】ブレーキ動作が発生するメカニズムを説明するタイムチャート
【図７】ホール素子の進角実装によるブレーキ動作の回避を説明するタイムチャート
【図８】モータ起動時に、ホール素子の進角実装によりブレーキ動作が発生すること示すタイムチャート
【符号の説明】
１３相ＤＣモータ
２モータドライバ
２４，２５，２６ホール素子
８０Ｆ／Ｖコンバータ
２２０ホールアンプ

Claims

ロータの位置を検出するためのホール素子の実装位置をステータに対して進めて実装したｎ相（ｎは３以上の自然数）ＤＣモータを駆動するＤＣモータ駆動装置であって、
前記ＤＣモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記回転速度検出手段の出力が、しきい値未満の場合に矩形波通電駆動を行い、しきい値以上の場合に正弦波通電駆動を行う駆動手段と、
を備えたことを特徴とするＤＣモータ駆動装置。