JP2013162568A - モータ駆動制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】Ｈブリッジ回路に流れる電流の誤検出による誤動作を抑制することが可能なモータ駆動制御システムを提供する。
【解決手段】モータ駆動制御システムは、高速減衰モード時において、コイル負荷に第１の方向とは逆の第２の方向に電流が流れた場合に逆流検出信号を出力する逆流検出回路と、を備える。ＰＷＭ制御回路は、逆流検出信号に応じて、Ｈブリッジ回路の状態を高速減衰モードから低速減衰モードに移行させる。
【選択図】図１

Description

モータ駆動制御システムに関する。

従来、Ｈブリッジ回路によりモータコイルなどの誘導性負荷を電流駆動する際、理想的な駆動を行うためには、駆動の安定性（定電流制御）とともに所定の値まで駆動電流を変化させる可変能力（可変電流制御）が必要とされる。

このような定電流制御および可変電流制御を効率的に行うために、パルス幅変調（Pulse Width Modulation；ＰＷＭ）制御を用いることが多い。

ＰＷＭ制御は、リアクタンス負荷（誘導性負荷や容量性負荷）に対してスイッチングによる電力量の制御を行うために一般的に使われている方法であり、負荷に対する電流のチャージ（増加）とディスチャージ（減衰）を繰り返すことにより定電流制御を行う。

特開２００２−２０４１５０号公報

Ｈブリッジ回路に流れる電流の誤検出による誤動作を抑制することが可能なモータ駆動制御システムを提供する。

実施形態に従ったモータ駆動制御システムは、一端が電源に接続され且つ他端がモータのコイル負荷の一端に接続された第１のスイッチ素子と、一端が接地に接続され且つ他端が前記第１のスイッチ素子の他端に接続された第２のスイッチ素子と、一端が前記電源に接続され且つ他端が前記コイル負荷の他端に接続された第３のスイッチ素子と、前記接地に一端が接続され且つ前記第３のスイッチ素子の他端に他端が接続された第４のスイッチ素子とを有するＨブリッジ回路を備える。モータ駆動制御システムは、前記電源と前記接地との間で前記Ｈブリッジ回路に流れる電流に応じた検出値と、基準電圧とを比較し、この比較結果に応じた第１の検出信号を出力する第１の電流検出コンパレータを備える。モータ駆動制御システムは、前記第１から第４のスイッチ素子をパルス幅変調信号によりスイッチング制御して、前記Ｈブリッジ回路の状態を、前記コイル負荷に第１の方向に流れる電流が増加するように前記コイル負荷の一端と他端との間に電圧を印加する電流増加モード、前記コイル負荷に前記第１の方向に流れる電流が減衰するように前記コイル負荷の両端を短絡する低速減衰モード、又は、前記コイル負荷に前記第１の方向に流れる電流が減衰するように前記コイル負荷の一端と他端との間に電圧を印加する高速減衰モードの何れかに設定可能であり、前記電流増加モード時において前記検出値が前記基準電圧を越えたことを前記第１の検出信号が示す場合には、前記Ｈブリッジ回路の状態を、前記低速減衰モードまたは前記高速減衰モードに切り替えて、前記コイル負荷に流れる電流値を制御するＰＷＭ制御回路を備える。モータ駆動制御システムは、前記高速減衰モード時において、前記コイル負荷に前記第１の方向とは逆の第２の方向に電流が流れた場合に逆流検出信号を出力する逆流検出回路を備える。

ＰＷＭ制御回路は、前記逆流検出信号に応じて、前記Ｈブリッジ回路の状態を前記高速減衰モードから前記低速減衰モードに移行させる。

図１は、第１の実施形態に係るモータ駆動制御システム１００の構成の一例を示す回路図である。 図２は、図１に示すＨブリッジ回路１０１の回路構成の一例を示す回路図である。 図３は、図１に示すコイル負荷Ｌに供給する電流を設定するための電流設定値の一例を示す図である。 図４は、図１に示すＰＷＭ基準発生回路２３が出力する各タイミングパルスの波形の一例を示す波形図である。 図５は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が電流増加モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流を示す図である。 図６は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が低速減衰モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流を示す図である。 図７は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が高速減衰モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流を示す図である。 図８は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が電流増加モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流が図５の状態から逆流した状態を示す図である。 図９は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が高速減衰モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流が図７の状態から逆流した状態を示す図である。 図１０は、３つの動作モードを組み合わせてコイル負荷Ｌに流れる電流を制御する一例である。 図１１は、３つの動作モードを組み合わせてコイル負荷Ｌに流れる電流を制御する一例である。 図１２は、図１に示すＰＷＭ制御回路１０の具体的な構成の一例を示す回路図である。 図１３は、モータ駆動制御システム１００において、電流設定値が０近傍であり、コイル負荷Ｌに逆流が発生する条件で動作させた時のコイル負荷Ｌの電流および各信号の波形の一例を示す図である。 図１４は、第２の実施形態に係るモータ駆動制御システム２００の構成の一例を示す回路図である。 図１５は、モータ駆動制御システム２００において、電流設定値が０近傍であり、コイル負荷Ｌに逆流が発生する条件で動作させた時のコイル負荷Ｌの電流および各信号の波形の一例を示す図である。 図１６は、図１に示すコイル負荷Ｌに供給する電流を設定するための電流設定値の一例を示す図である。 図１７は、第３の実施形態に係るＰＷＭ制御回路１０の具体的な構成の一例を示す回路図である。 図１８は、モータ駆動制御システム１００において、図１６に示す電流制御が正転方向に行われた時のＡ点における制御とコイル負荷Ｌの電流および各信号の波形の一例を示す図である。 図１９は、第３の実施形態に係るＰＷＭ制御回路１０の具体的な構成の他の例を示す回路図である。 図２０は、モータ駆動制御システム１００において、図１６に示す電流制御が正転方向に行われた時のＢ点における制御とコイル負荷Ｌの電流および各信号の波形の一例を示す図である。

以下、実施形態について図面に基づいて説明する。

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制御システム１００の構成の一例を示す回路図である。

図１に示すように、モータ駆動制御システム１００は、ＰＷＭ制御回路１０と、検出抵抗１７と、電流設定回路２０と、第１の電流検出コンパレータ２２と、逆流検出回路２６と、Ｈブリッジ回路１０１と、を備える。

図１に示すように、Ｈブリッジ回路１０１は、例えば、第１のスイッチ素子１１と、第２のスイッチ素子１２と、第３のスイッチ素子１３と、第４のスイッチ素子１４と、を有する。

第１のスイッチ素子１１は、一端が電源Ｖに接続され且つ他端がモータのコイル負荷Ｌの一端（ノード１５）に接続されている。

第２のスイッチ素子１２は、一端が接地に接続され且つ他端が第１のスイッチ素子１１の他端（コイル負荷Ｌの一端）に接続されている。

第３のスイッチ素子１３は、一端が電源Ｖに接続され且つ他端がコイル負荷Ｌの他端（ノード１６）に接続されている。

第４のスイッチ素子１４は、接地に一端が接続され且つ第３のスイッチ素子１２の他端（コイル負荷Ｌの他端）に他端が接続されている。

なお、コイル負荷Ｌは、例えば、ステッピングモータのコイルまたはＤＣモータのコイルである。

ここで、図２は、図１に示すＨブリッジ回路１０１の回路構成の一例を示す回路図である。

図２に示すように、第１、第３のスイッチ素子１１、１３は、ハイサイド側のｐＭＯＳトランジスタである。このハイサイド側のｐＭＯＳトランジスタ１１、１３の各ソースは、共通に電源Ｖに接続されている。

また、第２、第４のスイッチ素子１２、１４は、ローサイド側のｎＭＯＳトランジスタである。また、ローサイド側のｎＭＯＳトランジスタ１２、１４の各ソースは、検出抵抗１７を介して接地に接続されている。

なお、それぞれのＭＯＳトランジスタには、並列に寄生して形成されるダイオードが存在し、このダイオードは直列に接続されたハイサイド側とローサイド側のＭＯＳトランジスタが同時にＯＦＦした際に発生する逆起電力を吸収する機能を果たしている。

また、図１に示すように、検出抵抗１７は、一端が第２および第４のスイッチ素子１２、１４の一端（ノード１８）に接続され、他端が接地に接続されている。

この検出抵抗１７は、コイル負荷Ｌの両端に電流が増加する方向に電圧が印加されている際のコイル負荷Ｌの電流を電圧に変換している。すなわち、検出値Ｖｍは、検出抵抗１７の電圧降下に基づいた値である。この検出抵抗１７の一端の電圧が検出値Ｖｍとして第１の電流検出コンパレータ２２に供給される。

なお、検出抵抗１７は、一端が第１および第３のスイッチ素子１３の一端（ノード１９）に接続され、他端が電源Ｖに接続されるようにしてもよい。

また、図１に示すように、電流設定回路２０は、基準電圧Ｖｒｅｆを生成するようになっている。

ここで、図３は、図１に示すコイル負荷Ｌに供給する電流を設定するための電流設定値の一例を示す図である。

コイル負荷Ｌが、例えば、ステッピングモータのコイルまたはブラシレスＤＣモータのコイルである場合、コイル負荷Ｌに流れる電流は、正弦波状に制御される必要がある。そこで、図３に示すように、コイル負荷Ｌに供給する電流を設定するための電流設定値は、擬似的な正弦波状に、段階的に変化するように設定される。この電流設定値を目標値としてコイル負荷Ｌに流れる電流が制御される。この場合、電流設定路２０は、基準電圧Ｖｒｅｆを、図３に示す電流設定値に対応して、擬似的な正弦波状に、段階的に変化させる。

また、第１の電流検出コンパレータ２２は、電源Ｖと接地との間でＨブリッジ回路１０１に流れる電流に応じた検出値Ｖｍと、基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、この比較結果に応じた第１の検出信号ＣＯＭＰ１を出力するようになっている。

例えば、検出値Ｖｍが基準電圧Ｖｒｅｆより高い場合は、第１の検出信号ＣＯＭＰ１は、“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、検出値Ｖｍが基準電圧Ｖｒｅｆより低い場合は、第１の検出信号ＣＯＭＰ１は、“Ｌｏｗ”レベルとなる。

また、ＰＷＭ基準発生回路２３は、ＰＷＭ制御回路１０にＰＷＭ制御の基準となる各タイミングパルス（スタートパルス信号ＳＴＡＲＴ、切替信号ＤＥＣＡＹ、検出パルス信号ＳＤ）を供給するようになっている。

ここで、図４は、図１に示すＰＷＭ基準発生回路２３が出力する各タイミングパルスの波形の一例を示す波形図である。

図４に示すように、ＰＷＭ基準発生回路２３は、スタートパルス信号ＳＴＡＲＴ、切替信号ＤＥＣＡＹ、検出パルス信号ＳＤを、或る一定の周期Ｔで周期的に出力する。

なお、スタートパルス信号ＳＴＡＲＴは、コイル負荷Ｌの電流が増加する方向にＨブリッジ回路１０１のスイッチ素子の制御を開始させるための信号である。

また、切替信号ＤＥＣＡＹは、電流を減衰させる際にコイル負荷Ｌの両端を同電位にして低速で電流を減衰させる低速減衰モード、または、電流が減る方向に電源Ｖの電圧を印加して高速で電流を減衰させる高速減衰モードの切替を指示する信号である。なお、実施形態では、“Ｌｏｗ”レベルが低速減衰モードを指示し、“Ｈｉｇｈ”レベルが高速減衰モードを指示するものとする。

また、検出パルス信号ＳＤは、コイル負荷Ｌに流れる電流が逆流しているか否かを検出することを、逆流検出回路２６に指示する信号である。なお、実施形態では、逆流検出回路２６は、検出パルス信号ＳＤの立ち上がりに応じて、検出動作を実行する。

また、図１に示すように、逆流検出回路２６は、検出パルス信号ＳＤ、Ｈブリッジ回路１０１が高速減衰モードであるか否かを示す信号ＳＣ、および、第１の検出信号ＣＯＭＰ１が入力され、これらの信号に応じて、逆流検出信号ＳＩＤを出力するようになっている。

この逆流検出回路２６は、高速減衰モード時において、検出パルス信号ＳＤの立ち上がりに応じて、検出動作を実行し、コイル負荷Ｌに流れる電流が逆流した場合に、逆流検出信号ＳＩＤ（ここでは、“Ｈｉｇｈ”レベル）を出力するようになっている。

ここでは、逆流検出回路２６は、信号ＳＣと第１の検出信号ＣＯＭＰとに基づいて、コイル負荷Ｌに逆方向（第２の方向）に電流が流れたか否かを検出する。

例えば、逆流検出回路２６は、検出パルス信号ＳＤの立ち上がりにおいて、信号ＳＣがＨブリッジ回路１０１の状態が高速減衰モードであることを指示しているにも拘わらず、第１の電流検出信号ＣＯＭＰ１が“Ｈｉｇｈ”レベルである（検出値Ｖｍが基準電圧Ｖｒｅｆより高い）場合には、電流が逆流していると判断する。そして、逆流検出回路２６は、ＰＷＭ制御回路１０に対して低速減衰モードで制御するように、逆流検出信号ＳＩＤ（ここでは、“Ｈｉｇｈ”レベル）を出力する。

ＰＷＭ制御回路１０は、スタートパルス信号ＳＴＡＲＴ、切替信号ＤＥＣＡＹ、第１の検出信号ＣＯＭＰ１、および逆流検出信号ＳＩＤがＰＷＭ基準発生回路２３から入力され、これらの信号に基づいて、第１から第４のスイッチ素子１１〜１４をパルス幅変調信号によりスイッチング制御するようになっている。すなわち、ＰＷＭ制御回路１０は、第１から第４のスイッチ素子１１〜１４のオン／オフを制御することにより、コイル負荷Ｌの両端に電源Ｖの電圧を印加し、その時間と向きを変化させる。これにより、コイル負荷Ｌに流れる電流量と向きが、図３に示す電流設定値に近づくように、ステップ的に変化する疑似的な正弦波電流に制御される。

なお、既述のように、電流設定回路２０は、擬似的な正弦波状に段階的に変化する基準電圧Ｖｒｅｆを第１の電流検出コンパレータ２２に出力する。この際に、コイル負荷Ｌに流れる電流極性を切り替えるための信号ＳＰがＰＷＭ制御回路１０に送られる。この信号ＳＰに応じて、ＰＷＭ制御回路１０は、コイル負荷Ｌに流す電流が、ノード１５側から流れるか、又は、ノード１６側から流れるかの切り替えを実行する。

このＰＷＭ制御回路１００は、第１から第４のスイッチ素子１１〜１４をパルス幅変調信号によりスイッチング制御することにより、Ｈブリッジ回路１０１の状態を、コイル負荷Ｌに順方向（第１の方向）に流れる電流が増加するようにコイル負荷Ｌの一端と他端との間に電圧を印加する電流増加モード、コイル負荷Ｌに順方向に流れる電流が減衰するようにコイル負荷Ｌの両端を短絡する低速減衰モード、又は、コイル負荷Ｌに順方向に流れる電流が減衰するようにコイル負荷Ｌの一端と他端との間に電圧を印加する高速減衰モードの何れかに設定可能になっている。

このＰＷＭ制御回路１０は、電流増加モード時において検出値Ｖｍが基準電圧Ｖｒｅｆを越えたことを第１の検出信号ＣＯＭＰが示す場合には、Ｈブリッジ回路１０１の状態を、低速減衰モードまたは高速減衰モードに切り替えて、コイル負荷Ｌに流れる電流値を制御するようになっている。

また、ＰＷＭ制御回路１０は、逆流検出信号ＳＩＤに応じて、Ｈブリッジ回路１０１の状態を高速減衰モードから低速減衰モードに移行させるようになっている。

上述のように、ＰＷＭ制御回路１０は、第１ないし第４のスイッチ素子１１〜１４のゲートをＰＷＭ制御し、各ステップにおける電流制御を行う際に、通常は次の３つの動作モードを組み合わせた制御（Mixed Decay Mode）を実行する。

ここで、上記３つの動作モードについて説明する。

図５は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が電流増加モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流を示す図である。また、図６は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が低速減衰モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流を示す図である。また、図７は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が高速減衰モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流を示す図である。

図５に示す電流増加モード（Charge Mode）では、第１、第４のスイッチ素子１１、１４をオンに制御し且つ第２、第３のスイッチ素子１２、１３をオフに制御して、コイル負荷Ｌに対して電源Ｖを印加する。これにより、ノード１５からノード１６に（コイル負荷Ｌに対して順方向に）電流が流れる。

また、図６に示す低速減衰モード（Slow Decay Mode）では、第２、第４のスイッチ素子１２、１４をオンに制御し且つ第１、第３のスイッチ素子１１、１３をオフに制御して、第２、第４のスイッチ素子１２、１４とコイル負荷Ｌとの間で電流を循環させる。この場合、コイル負荷Ｌの逆起電力により、ノード１５からノード１６に（コイル負荷Ｌに対して順方向に）電流が流れる。しかし、電流量はコイル負荷Ｌの寄生抵抗と第２、第４のスイッチ素子１２、１４のオン抵抗とが存在するため、コイル負荷Ｌに流れる電流は緩やかに減少する。

また、図７に示す高速減衰モード（Fast Decay Mode）では、電流増加モードと反対側の第２、第３のスイッチ素子１２、１３をオン状態に制御して、逆起電力が生じているコイル負荷Ｌから電源Ｖへ電流を戻すため、電流は急激に減少する。この場合も、ノード１５からノード１６に（コイル負荷Ｌに対して順方向に）電流が流れる。

以上の３つの動作モードにおいて、通常、コイル負荷Ｌには、同じ順方向に電流が流れるようになっている。

しかし、電流設定値がゼロ近傍に在る場合には、スイッチ素子のオン／オフの状態が同じでも、コイル負荷Ｌに流れる電流は、順方向から逆方向に流れることとなる。ここで、図８は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が電流増加モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流が図５の状態から逆流した状態を示す図である。また、図９は、図２に示すＨブリッジ回路１０１の状態が高速減衰モードである場合における、各スイッチ素子の状態とコイル負荷Ｌに流れる電流が図７の状態から逆流した状態を示す図である。

例えば、電流増加モードの場合、電流設定値がゼロ近傍に在ると、図５に示すコイル負荷Ｌに順方向に電流が流れる状態から、時間が経過すると、図８に示すように、コイル負荷Ｌに逆方向に電流が流れる状態になる。

例えば、高速減衰モードの場合、電流設定値がゼロ近傍に在ると、図７に示すコイル負荷Ｌに順方向に電流が流れる状態から、時間が経過すると、図９に示すように、コイル負荷Ｌに逆方向に電流が流れる状態になる。

なお、逆流検出回路２６は、検出パルス信号ＳＤの立ち上がりにおいて、信号ＳＣがＨブリッジ回路１０１の状態が高速減衰モードであることを指示しているにも拘わらず、第１の電流検出信号ＣＯＭＰ１が“Ｈｉｇｈ”レベルである（検出値Ｖｍが基準電圧Ｖｒｅｆより高い）場合には、電流が図７ではなく図９の逆方向に逆流していると判断する。そして、逆流検出回路２６は、ＰＷＭ制御回路１０に対して低速減衰モードで制御するように、逆流検出信号ＳＩＤ（ここでは、“Ｈｉｇｈ”レベル）を出力する。

ここで、図１０、図１１は、３つの動作モードを組み合わせてコイル負荷Ｌに流れる電流を制御する一例である。

この図１０、図１１例では、電流増加モード→低速減衰モード→高速減衰モードの順で切り替える制御を固定の周期で繰り返し実行させるものである。

この際、低速減衰モードと高速減衰モードの切り替えを固定のタイミングで行う（図１０の切替信号ＤＥＣＡＹが”Ｌｏｗ”レベルである期間が低速減衰モード、“Ｈｉｇｈ”レベルである期間が高速減衰モード）。一方、既述のように、電流増加モードからの切り替えは、電流増加モードにおいてコイル負荷Ｌに流れる電流が設定電流値に達したか否かを検出抵抗１７で電圧に変換して検出し、設定電流値と同じもしくは大きい場合に行う。

このため、図１１に示すように、電流設定値が上がり切り替えのタイミングが低速減衰モードから高速減衰モードの切り替えタイミングを越えてしまうと、低速減衰モードをスキップして高速減衰モードに切り替わる。さらに、切り替えのタイミングが遅れた場合にはＰＷＭの周期を越えて処理が行われる。

一方、電流設定値が下がり電流増加モード開始（図１０のスタートパルス信号ＳＴＡＲＴの立ち上り）のタイミングでコイル負荷Ｌの電流値が設定値を越えていると、電流増加モード期間がほとんど存在せずに低速減衰モードに切り替わる。

これらの処理により、コイル負荷Ｌに流れる平均電流は電流設定値に対して安定して制御され、設定値の変更に対しても高速に追従できる。

しかし、電流設定値が図３に示したように疑似的な正弦波となるように制御された場合には、電流の向きが反転する付近では電流設定値が低い。このため、ノード１５からノード１６に流れていたコイル負荷Ｌの電流は、図９に示すように高速減衰モード時にノード１６からノード１５へと逆流を始める。そして、次の電流増加モード時に電流の向きは、元の順方向に戻ると言う動作を繰り返す。

高速減衰モード時にコイル負荷Ｌに流れる電流が逆流し始めると検出抵抗１７を介して接地側に電流が流れる。このため、電流検出電圧（図１のノード１８）は正の値となる。この電流値Ｖｍが増加していき、基準電圧Ｖｒｅｆを越えると第１の検出信号ＣＯＭＰ１は“Ｈｉｇｈ”レベルなる。

この状態で電流増加モードに移行すると検出抵抗１７に流れる電流が反転し、検出値Ｖｍは負の値となり第１の検出信号ＣＯＭＰ１は、“Ｌｏｗ”レベルになる。しかし、電流検出コンパレータ２２は、比較電圧が低いために出力を“Ｌｏｗ”レベルにする能力が小さくなり、遅れを生じるようになってくる。

ここで、図１２は、図１に示すＰＷＭ制御回路１０の具体的な構成の一例を示す回路図である。

図１２に示すように、ＰＷＭ制御回路１０は、インバータ４１、４５、５６と、ＡＮＤ回路４２、５０と、ＮＡＮＤ回路５３、５４と、マルチプレクサ４３、４４と、Ｄ−フリップフロップ４０、５２と、を有する。

Ｄ−フリップフロップ４０は、コイル負荷Ｌの電流を増加させる方向にスイッチ素子１１〜１４を制御するためのＰＷＭ信号を発生しており、スタートパルス信号ＳＴＡＲＴの立ち上りでＱ出力が“１”となり、第１の検出信号ＣＯＭＰ１が“１”（“Ｈｉｇｈ”レベル）になるとＱ出力が“０”となる。

ＮＡＮＤ回路４２は、高速にコイル負荷Ｌの電流を減衰させるためのＰＷＭ信号を発生しており、切替信号ＤＥＣＡＹをＤ−フリップフロップ４０の反転出力ＱＮにより、コイル負荷Ｌの電流を増加させるＰＷＭ信号が“１”である期間をマスクしている。

マルチプレクサ４３、４４は、コイル負荷Ｌの電流をノード１５側から流すか、ノード１６側から流すかを切り替えるかを選択している。

Ｄ−フリップフロップ５２は、逆流検出結果を記憶する素子で、コイル負荷Ｌの電流を高速に減衰させている（ＡＮＤ回路４２の出力が“１”）時に第１の検出信号ＣＯＭＰ１が“１”（“Ｈｉｇｈ”レベル）の場合には、ＡＮＤ回路５０の出力が“１”となり、検出パルス信号ＳＤの立ち上りで反転出力ＱＮが“０”となり、ＮＡＮＤ回路５３、５４によりＨブリッジ回路１０１の第２、第４のスイッチ素子１２、１４をオン状態、第１、第３のスイッチ素子１１、１３をオフ状態にして、コイル負荷Ｌの両端を同電位に固定して低速に電流が減少するように制御している。

このＤ−フリップフロップ５２は、スタートパルス信号ＳＴＡＲＴが入力されるとリセットされＱＮ出力が“１”となり、通常動作に戻る。

次に、モータ駆動制御システム１００において、電流設定値が０近傍であり、コイル負荷Ｌに逆流が発生する条件で動作させた場合について説明する。

図１３は、モータ駆動制御システム１００において、電流設定値が０近傍であり、コイル負荷Ｌに逆流が発生する条件で動作させた時のコイル負荷Ｌの電流および各信号の波形の一例を示す図である。

なお、マスクパルスが“Ｈｉｇｈ”レベルの期間、第１の検出信号ＣＯＭＰ１は、ＰＷＭ制御回路１０の動作に反映されないようになっている。

図１３のＡ点では、コイル負荷Ｌに流れる電流が逆流を始めている。しかし、このコイル負荷Ｌに流れる電流は、電流設定値には到達していない。このため、第１の検出信号ＣＯＭＰ１は“０”（“Ｌｏｗ”レベル）である。このため、逆流検出信号ＳＩＤは、出力されず（“Ｌｏｗ”レベル）、高速減衰モードから低速減衰モードへの移行は発生しない。

その後、コイル負荷Ｌの電流が電流値設定を越えるために、第１の検出信号ＣＯＭＰ１“１”（“Ｈｉｇｈ”レベル）となり、電流増加モードに移行した際に第１の電流検出コンパレータ２２の動作の遅れにより誤動作が発生し、逆流電流が増加を始める。

これにより、Ｂ点では、コイル負荷の電流が設定電流値を越えてしまうため、第１の検出信号ＣＯＭＰ１は“１”（“Ｈｉｇｈ”レベル）となっており、逆流検出信号ＳＩＤは、出力され（“Ｈｉｇｈ”レベル）、高速減衰モードから低速減衰モードへの移行が発生する。

これにより、電流増加モードに移行する前に第１の検出信号ＣＯＭＰ１は“０”（“Ｌｏｗ”レベル）になることができ、コイル負荷Ｌの電流が設定電流値まで増加する正常動作に復帰する。

以上のように、本実施形態に係るモータ駆動制御システムによれば、Ｈブリッジ回路に流れる電流の誤検出による誤動作を抑制することができる。

第２の実施形態

図１４は、第２の実施形態に係るモータ駆動制御システム２００の構成の一例を示す回路図である。なお、この図１４において、図１と同じ符号は、第１の実施形態と同様の構成を示す。

図１４に示すように、モータ駆動制御システム２００は、図１に示すモータ駆動制御システム１００と比較して、第２の電流検出コンパレータ２９をさらに備える。

この第２の電流検出コンパレータ２９は、電源Ｖと接地との間でＨブリッジ回路１０１に流れる電流に応じた検出値Ｖｍと、接地電圧と比較し、この比較結果に応じた第２の検出信号ＣＯＭＰ２を出力するようになっている。

そして、逆流検出回路２６は、第２の検出信号ＣＯＭＰ２に基づいて、コイル負荷Ｌに逆方向（第２の方向）に電流が流れたか否かを検出するようになっている。

すなわち、モータ駆動制御システム２００は、第１の電流検出コンパレータ２２とは別の第２の電流検出コンパレータ２９で逆流検出を行うタイプである。第２の電流検出コンパレータ２９は、ノード１８の電圧が正の値であれば逆流と判断する。

このため、モータ駆動制御システム２００は、回路が増加するが、早い段階で逆流を検出できるため確実性が上がる。

このモータ駆動制御システム２００のその他の構成は、図１に示すモータ駆動制御システム１００と同様である。

ここで、上記モータ駆動制御システム２００において、電流設定値が０近傍であり、コイル負荷Ｌに逆流が発生する条件で動作させた場合について説明する。

図１５は、モータ駆動制御システム２００において、電流設定値が０近傍であり、コイル負荷Ｌに逆流が発生する条件で動作させた時のコイル負荷Ｌの電流および各信号の波形の一例を示す図である。

図１５のＡ点では、コイル負荷Ｌに流れる電流が逆流を始めている。このため、第２の検出信号ＣＯＭＰ２は“１”（“Ｈｉｇｈ”レベル）となっており、図１３の場合とは異なり、高速減衰モードから低速減衰モードへの移行が発生する。

これにより、電流増加モードに移行する前に第１の検出信号ＣＯＭＰ１は“０”（“Ｌｏｗ”レベル）になることができる。すなわち、逆流電流が増加することなく電流増加モードにてコイル負荷Ｌの電流が設定電流値まで増加する正常動作を続けることができる。

以上のように、本実施形態に係るモータ駆動制御システムによれば、Ｈブリッジ回路に流れる電流の誤検出による誤動作を抑制することができる。

第３の実施形態

この第３の実施形態では、図１に示すモータ駆動制御システム１００の構成に対して、さらなる制御を適用した場合について説明するが、第１の実施形態の制御とは別に、以下に示す制御が実行されてもよい。

図１６は、図１に示すコイル負荷Ｌに供給する電流を設定するための電流設定値の一例を示す図である。図１６に示すように、コイル負荷Ｌに供給する電流を設定するための電流設定値は、擬似的な正弦波状に、段階的に変化するように設定される。すなわち、第１の実施形態と同様に、基準電圧Ｖｒｅｆは、擬似的な正弦波状に、段階的に変化する。

そして、既述の第１の実施形態に係るモータ駆動システム１００では、コイル負荷Ｌに流れる平均電流は電流設定値に対して安定して制御され、設定値の変更に対しても高速に追従できる。平均電流の値は電流設定値に対して固定値のオフセットを持った低い値に制御されるため、電流設定値が図１６に示したように疑似的な正弦波となるように制御された場合には、電流の向きが反転するポイントで歪みを生じてしまう。

特に、実際の制御においては電流設定値がゼロの場合にも制御極性が存在するため、コイル負荷Ｌに流れる平均電流は０とはならず図１６のポイントＡでは段差が小さく、ポイントＢでは段差が大きいという位相歪みを発生してしまう。

そこで、ＰＷＭ制御回路１０は、基準電圧Ｖｒｅｆがコイル負荷Ｌに流れる電流がゼロに対応する値（すなわち、電流設定値がゼロ）である場合には、Ｈブリッジ回路１０１の状態を低速減衰モードにする。

例えば、逆流検出回路２６は、電流値設定回路２０より電流設定がゼロであることを示す信号（電流設定０信号）を受け取ると、図４に示す検出パルス信号ＳＤの立ち上がりにおいて、信号ＳＣがＨブリッジ回路１０１の状態が高速減衰モードであることを指示しているにも拘わらず、第１の電流検出信号ＣＯＭＰ１が“Ｈｉｇｈ”レベルである（検出値Ｖｍが基準電圧Ｖｒｅｆより高い）場合には、電流が逆流していると判断する。そして、逆流検出回路２６は、ＰＷＭ制御回路１０に対して低速減衰モードで制御するように、逆流検出信号ＳＩＤ（ここでは、“Ｈｉｇｈ”レベル）を出力する。

そして、ＰＷＭ制御回路１０は、この逆流検出信号ＳＩＤに応じて、基準電圧Ｖｒｅｆがコイル負荷Ｌに流れる電流がゼロに対応する値（すなわち、電流設定値がゼロ）である場合に、Ｈブリッジ回路１０１の状態を低速減衰モードにする。

ここで、図１７は、第３の実施形態に係るＰＷＭ制御回路１０の具体的な構成の一例を示す回路図である。

図１７に示すように、ＰＷＭ制御回路１０は、インバータ４１、４５と、ＡＮＤ回路４２、５０と、ＮＡＮＤ回路５３、５４と、ＯＲ回路５１と、マルチプレクサ４３、４４と、Ｄ−フリップフロップ４０、５２と、を有する。

図１７に示すＰＷＭ制御回路１０では、基準電圧ＶｒｅｆがＰＷＭ制御のスタートパルス信号ＳＴＡＲＴに同期して変わるように制御されている。

すなわち、Ｄ−フリップフロップ４０は、コイル負荷Ｌの電流を増加させる方向にスイッチ素子を制御するためのＰＷＭ信号を発生しており、スタートパルス信号ＳＴＡＲＴの立ち上りでＱ出力が“１”となり、第１の検出信号ＣＯＭＰ１の出力が“１”になるとＱ出力が“０”となる。

ＮＡＮＤ回路４２は、高速にコイル負荷Ｌの電流を減衰させるためのＰＷＭ信号を発生しており、切替信号ＤＥＣＡＹをＤ−フリップフロップ４０の反転出力ＱＮにより、上記コイル負荷Ｌの電流を増加させるＰＷＭ信号が“１”である期間をマスクしている。

マルチプレクサ４３、４４は、コイル負荷Ｌの電流をノード１５側から流すか、ノード１６側から流すかを切り替えるかを選択している。

Ｄ−フリップフロップ５２は、逆流検出結果を記憶する素子である。このＤ−フリップフロップ５２は、コイル負荷Ｌの電流を高速に減衰させている（ＡＮＤ回路４２の出力が“１”）時に第１の検出信号ＣＯＭＰ１が“１”の場合には、ＡＮＤ回路５０の出力が“１”となり、検出パルス信号ＳＤの立ち上りで反転出力ＱＮが“０”となる。そして、ＮＡＮＤ回路５３、５４により第２、第４のスイッチ素子１２、１４をオン状態、第１、第３のスイッチ素子１１、１３をＯＦＦ状態にして、低速減衰モードに制御している。

なお、ＯＲ回路５１は、Ｄ−フリップフロップ５２のＱ出力が“１”になると検出パルス信号ＳＤでは“０”に反転しないための素子である。このＯＲ回路５１は、電流設定０信号が“１”のときにはその状態を保持し、電流設定０信号が“０”になると状態をクリアしてＱＮ出力が“１”となり通常のＰＷＭ制御に戻る。

図１８は、モータ駆動制御システム１００において、図１６に示す電流制御が正転方向に行われた時のＡ点における制御とコイル負荷Ｌの電流および各信号の波形の一例を示す図である。

図１８に示すように、電流設定値が０になる際に電流極性がノード１５→ノード１６から反転しノード１６→ノード１５となる。このため、コイルには負電流が流れているものとして制御される。

このため、Ｈブリッジ回路１０１は電流が０となるまで電流増加モード（Charge Mode）で動作し、その後は高速減衰モードで負方向に電流を増加させ、電流増加モードで電流を０に戻す動作が繰り返される。

低速減衰モード時は、負荷の両端が同電位であるため電流は０のまま変化しない。高速減衰モードと電流増加モードの期間は電流が流れるためコイルの平均電流は０とはならず、電流設定が０となる前とは反対方向にオフセットが付き電流値の段差は図１６のＡ点に示したように小さくなる。

また、図１９は、第３の実施形態に係るＰＷＭ制御回路１０の具体的な構成の他の例を示す回路図である。

この図１９に示すＰＷＭ制御回路１０は、基準電圧ＶｒｅｆがＰＷＭ制御のスタートパルスに同期して変わるように制御されていない。

図１７との違いは、電流設定０信号の変化をＤ−フリップフロップ５５によりスタートパルス信号ＳＴＡＲＴの立ち上りに同期を掛けている点である。

図２０は、モータ駆動制御システム１００において、図１６に示す電流制御が正転方向に行われた時のＢ点における制御とコイル負荷Ｌの電流および各信号の波形の一例を示す図である。

図２０に示す例では、電流極性は反転しないためコイルには正電流が流れているものとして制御される。このため、電流増加モードは開始直後に終了し、低速減衰モードと高速減衰モードによりコイル負荷Ｌの電流が減少していき、高速減衰モードにより負電流が流れるようになる。そして、高速減衰モードで負方向に電流を増加させ、電流増加モードで電流を０に戻す動作が繰り返される。

低速減衰モード時には電流がほとんど変化しないため、オフセット値はわずかに小さくなるが電流設定が０となる前と同じ方向にオフセットが発生するのでＢ点における段差は、Ａ点とは異なり電流設定の段差とほぼ同じとなり、両者の差が歪みとなってしまう。

これを解決するためには、電流が０になると電流が変化しなくなる低速減衰モードに固定すれば良いが、電流設定が０になった際に低速減衰モードに固定したのでは、図１８および図１９の一点破線で示したように電流が緩やかに減少するために応答性が悪くなってしまう。

逆流検出回路２６は、検出抵抗１７で電圧に変換されたノード１８の電圧が高速減衰モード時には電流が本来は負電圧となるが、コイル負荷Ｌの電流が逆流し始めると正電圧になるため、基準電圧Ｖｒｅｆが０の時には逆流し始めた時点で第１の検出信号が“１”であることを利用し、逆流防止信号を“１”（“Ｈｉｇｈ”レベル）にしてＰＷＭ制御回路１０の出力を低速減衰モードに固定させる。

これにより、図１８および図２０の二点破線で示したようにコイル負荷Ｌの電流が０に急速に減衰した後に低速減衰モードに固定され、オフセット電流を０に収束させる。これにより、図１６の点線で示したコイルの平均電流は電流設定０のときのみ電流設定値である実線と等しくなり、Ａ点とＢ点での段差も等しくなって位相歪みが小さくなる。

電流設定の切り替えがＰＷＭ制御に同期していない場合には、電流設定が０に切り替わった直後に逆流が検出される可能性があるため、電流増加モードの開始までの期間は逆流防止機能が働かないようにする。

以上のように、本実施形態に係るモータ駆動制御システムによれば、Ｈブリッジ回路に流れる電流の誤検出による誤動作を抑制することができる。

なお、実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。

１００、２００ モータ駆動制御システム
１０１ Ｈブリッジ回路

Claims (11)

1. 一端が電源に接続され且つ他端がモータのコイル負荷の一端に接続された第１のスイッチ素子と、一端が接地に接続され且つ他端が前記第１のスイッチ素子の他端に接続された第２のスイッチ素子と、一端が前記電源に接続され且つ他端が前記コイル負荷の他端に接続された第３のスイッチ素子と、前記接地に一端が接続され且つ前記第３のスイッチ素子の他端に他端が接続された第４のスイッチ素子と、を有するＨブリッジ回路と、
   前記電源と前記接地との間で前記Ｈブリッジ回路に流れる電流に応じた検出値と、基準電圧と比較し、この比較結果に応じた第１の検出信号を出力する第１の電流検出コンパレータと、
   前記第１から第４のスイッチ素子をパルス幅変調信号によりスイッチング制御して、前記Ｈブリッジ回路の状態を、前記コイル負荷に第１の方向に流れる電流が増加するように前記コイル負荷の一端と他端との間に電圧を印加する電流増加モード、前記コイル負荷に前記第１の方向に流れる電流が減衰するように前記コイル負荷の両端を短絡する低速減衰モード、又は、前記コイル負荷に前記第１の方向に流れる電流が減衰するように前記コイル負荷の一端と他端との間に電圧を印加する高速減衰モードの何れかに設定可能であり、前記電流増加モード時において前記検出値が前記基準電圧を越えたことを前記第１の検出信号が示す場合には、前記Ｈブリッジ回路の状態を、前記低速減衰モードまたは前記高速減衰モードに切り替えて、前記コイル負荷に流れる電流値を制御するＰＷＭ制御回路と、
   前記高速減衰モード時において、前記コイル負荷に前記第１の方向とは逆の第２の方向に電流が流れた場合に逆流検出信号を出力する逆流検出回路と、を備え、
   前記ＰＷＭ制御回路は、前記逆流検出信号に応じて、前記Ｈブリッジ回路の状態を前記高速減衰モードから前記低速減衰モードに移行させる
   ことを特徴とするモータ駆動制御システム。
2. 前記逆流検出回路は、前記第１の検出信号に基づいて、前記コイル負荷に第２の方向に電流が流れたか否かを検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御システム。
3. 前記電源と前記接地との間で前記Ｈブリッジ回路に流れる電流に応じた検出値と、接地電圧と比較し、この比較結果に応じた第２の検出信号を出力する第２の電流検出コンパレータをさらに備え、
   前記逆流検出回路は、前記第２の検出信号に基づいて、前記コイル負荷に第２の方向に電流が流れたか否かを検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御システム。
4. 前記基準電圧は、擬似的な正弦波状に、段階的に変化することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のモータ駆動制御システム。
5. 前記ＰＷＭ制御回路は、前記基準電圧が前記コイル負荷に流れる電流がゼロに対応する値である場合には、前記Ｈブリッジ回路の状態を前記低速減衰モードにする
   ことを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動制御システム。
6. 一端が電源に接続され且つ他端がモータのコイル負荷の一端に接続された第１のスイッチ素子と、一端が接地に接続され且つ他端が前記第１のスイッチ素子の他端に接続された第２のスイッチ素子と、一端が前記電源に接続され且つ他端が前記コイル負荷の他端に接続された第３のスイッチ素子と、前記接地に一端が接続され且つ前記第３のスイッチ素子の他端に他端が接続された第４のスイッチ素子とを有するＨブリッジ回路と、
   前記電源と前記接地との間で前記Ｈブリッジ回路に流れる電流に応じた検出値と、基準電圧とを比較し、この比較結果に応じた第１の検出信号を出力する第１の電流検出コンパレータと、
   前記第１から第４のスイッチ素子をパルス幅変調信号によりスイッチング制御して、前記Ｈブリッジ回路の状態を、前記コイル負荷に第１の方向に流れる電流が増加するように前記コイル負荷の一端と他端との間に電圧を印加する電流増加モード、前記コイル負荷に前記第１の方向に流れる電流が減衰するように前記コイル負荷の両端を短絡する低速減衰モード、又は、前記コイル負荷に前記第１の方向に流れる電流が減衰するように前記コイル負荷の一端と他端との間に電圧を印加する高速減衰モードの何れかに設定可能であり、前記電流増加モード時において前記検出値が前記基準電圧を越えたことを前記第１の検出信号が示す場合には、前記Ｈブリッジ回路の状態を、前記低速減衰モードまたは前記高速減衰モードに切り替えて、前記コイル負荷に流れる電流値を制御するＰＷＭ制御回路と、
   前記高速減衰モード時において、前記コイル負荷に前記第１の方向とは逆の第２の方向に電流が流れた場合に逆流検出信号を出力する逆流検出回路と、を備え、
   前記基準電圧は、擬似的な正弦波状に、段階的に変化し、
   前記ＰＷＭ制御回路は、前記基準電圧が前記コイル負荷に流れる電流がゼロに対応する値である場合には、前記Ｈブリッジ回路の状態を前記低速減衰モードにする
   ことを特徴とするモータ駆動制御システム。
7. 一端が前記第２および第４のスイッチ素子の一端に接続され、他端が前記接地に接続された検出抵抗をさらに備え、
   前記検出値は、前記検出抵抗の電圧降下に基づいた値であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のモータ駆動制御システム。
8. 一端が前記第１および第３のスイッチ素子の一端に接続され、他端が前記電源に接続された検出抵抗をさらに備え、
   前記検出値は、前記検出抵抗の電圧降下に基づいた値であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のモータ駆動制御システム。
9. 前記検出値は、前記検出抵抗の一端の電圧であることを特徴とする請求項７または８に記載のモータ駆動制御システム。
10. 前記基準電圧を生成する電流設定回路をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載のモータ駆動制御システム。
11. 前記コイル負荷は、ステッピングモータのコイルまたはＤＣモータのコイルであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のモータ駆動制御システム。

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