JP2013240214A - Ｄｃモータドライバ - Google Patents

Abstract

【課題】
ＤＣモータの回転方法、速度切り替えが即座に行えるようにすること。また、オーバーシュートを小さくすること。
【解決手段】
ＣＷ回転用の駆動回路を構成する電源とＤＣモータの間に配置された第１スイッチおよび前記ＤＣモータとＧＮＤの間に配置された第２スイッチと、ＣＣＷ回転用の駆動回路を構成する前記電源と前記ＤＣモータの間に配置された第３スイッチおよび前記ＤＣモータと前記ＧＮＤの間に配置された第４スイッチと、前記ＤＣモータの回転方向および回転速度の調節を、前記各スイッチの間欠的な開閉によって行う制御手段によって、前記駆動電流とは反対の方向に向かって生じる前記ＤＣモータの逆起電力を逃がすように構成したこと。
【選択図】図１

Description

本発明はＤＣモータドライバに関する。

一般的なＤＣモータの回転方向、速度制御については非特許文献１に記載されている。例えば、図４に示す回路では、ＤＣモータ１００の両端子１０１、１０２に入力する電流方向を、４つのスイッチＳ１００、Ｓ２００、Ｓ３００、Ｓ４００の選択的な開閉によって制御しており、これよりＤＣモータ１００をＣＷ（時計回り）方向およびＣＣＷ（反時計回り）方向に回転させている。スイッチＳ１００、Ｓ２００、Ｓ３００、Ｓ４００の開閉は、別途設けられている制御装置によって行われるものであり、スイッチＳ１００とＳ４００を閉じて（オン）Ｓ３００とＳ２００を開けば（オフ）ＤＣモータ１００はＣＷ方向に回転し、スイッチＳ１００とＳ４００を開いて（オフ）Ｓ３００とＳ２００を閉じれば（オン）ＤＣモータ１００はＣＣＷ方向に回転するようになっている。
また、上記４つのスイッチＳ１００、Ｓ２００、Ｓ３００、Ｓ４００の開閉時間をＩＣで制御されたパルス幅によってコントロール（ＰＷＭ制御）することで、ＤＣモータ１００の回転速度を制御することが行われている。ＤＣモータ１００をＣＷ方向に回転させる場合を例に説明すると、例えば図５（ａ）に示すようにスイッチＳ１００は閉じたまま、スイッチＳ４００の開閉時間をパルス幅によってコントロールする。この場合、図５（ｂ）に示すように周期的にスイッチＳ４００を閉じる（オンする）間隔を短くするとＤＣモータ１００は低速で回転し（低速動作）、スイッチＳ４００を閉じる間隔を長くするとＤＣモータ１００は高速で回転（高速動作）する。

ＤＣモータは上記のように回転方向や回転速度を制御することが可能であるが、減速、停止若しくは回転方向を逆転させる際には逆起電力が発生するので、回転方向や減速時には、逆起電力の十分な放電時間を経過させてから指定した方向や速度で回転させていた。したがって、俊敏な回転方向の切り替えや速度変化は難しいものであった。
また、このような逆起電力の発生に対処したものとして特許文献１記載の技術がある。当該技術は、モータの加減速時に生じる逆起電力によりインバータ入力側で上昇する電圧を検出する逆起電力検出部と、当該逆起電力検出部の出力をスイッチング手段により逆起電力除去部に入力するＭＯＳ−ＦＥＴゲートドライバを有し、ＭＯＳ−ＦＥＴのオンまたはオフ制御により電源入力端間に電流が流れてエネルギーとして消費されるようにした逆起電力除去部を有したものである。そして、モータの逆起電力を効果的に除去してインバータを構成するスイッチングエレメントの破壊を防止し、モータの制御器を保護するＭＯＳ−ＦＥＴを利用したモータの逆起電力除去装置を提供するというものである。

特開平６−３４３２９１号公報

使いこなすＤＣモータ技術 見城尚志著 日刊工業新聞社

ＤＣモータの回転方向や回転速度の切り替え時には、ＤＣモータから逆起電力が発生するので、当該逆起電力の放電時間を十分にとらないと次の制御に対応できなかった。これにより、回転方向や速度を頻繁に切り替える用途にはＤＣモータは採用されづらかった。また、特許文献１記載の例では、前記逆起電力検出部等を設けなければならず回路および制御も複雑なものとなっている。

本発明は上記課題に鑑み発明されたものであって、ＤＣモータの回転方向、速度の切り替えを俊敏に、かつオーバーシュートを少なく行えるＤＣモータドライバの提供を課題とするものである。
また、構造や制御が複雑でないＤＣモータドライバの提供を課題とするものである。

上記課題を解決するために本願請求項１記載の発明は以下の構成を有する。すなわち、
ＣＷ回転用の駆動回路を構成する電源とＤＣモータの間に配置された第１スイッチおよび前記ＤＣモータとＧＮＤの間に配置された第２スイッチと、
ＣＣＷ回転用の駆動回路を構成する前記電源と前記ＤＣモータの間に配置された第３スイッチおよび前記ＤＣモータと前記ＧＮＤの間に配置された第４スイッチと、
前記ＤＣモータの回転方向および回転速度の調節を、前記各スイッチの間欠的な開閉によって行う制御手段を有し、
前記ＤＣモータの回転方向を変更する際または回転速度を減速する際に、一方のスイッチが閉じて駆動電流を流している際に開いている前記電源と前記ＤＣモータの間に配置された他方のスイッチを閉じることによって、前記駆動電流とは反対の方向に向かって生じる前記ＤＣモータの逆起電力を逃がすように構成したことを特徴とするＤＣモータドライバ。

また、請求項２記載の発明は上記ＤＣモータドライバであって、
前記ＣＷ回転時に行う駆動電流の印加を前記ＤＣモータとＧＮＤの間に配置された第２スイッチの開閉によって制御するとともに、当該第２スイッチの開閉に伴って生じる逆起電力を前記第３スイッチの開閉によって逃がし、
前記ＣＣＷ回転時に行う駆動電流の印加を前記ＤＣモータとＧＮＤの間に配置された第４スイッチの開閉によって制御するとともに、当該第４スイッチの開閉に伴って生じる逆起電力を前記第１スイッチの開閉によって逃がすように構成したことを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は上記ＤＣモータドライバであって、
逆起電力に伴う電流を逃がす際に駆動される前記第３スイッチまたは前記第１スイッチの開閉は、駆動電流の制御を行う前記第２スイッチまたは前記第４スイッチの開閉時から微少時間を経過した後に行われるようになっていることを特徴とする。

本発明に係るＤＣモータドライバは、ＤＣモータの逆起電力を適時放出することができるので、素早い速度変化や回転方向の変化を行うことができるものとなっている。また、速度変化や回転方向の変化を行う際に生じるオーバーシュートを極力小さくすることができるという効果を有している。
また、前記したオーバーシュートが少なく、素早い速度変化や回転方向の変化を行うことができる制御を、スイッチの開閉制御だけで行うことができるので、構造や制御が複雑でないＤＣモータドライバを提供することができるという効果を有している。

本発明に係わるＤＣモータドライバの構成を模式的に示した図である。 本発明に係わるＤＣモータドライバＣＷ方向動作を模式的に示した図である。 本発明に係わるＤＣモータドライバＣＣＷ方向動作を模式的に示した図である。 従来一般的なＤＣモータドライバの回転方向切り替えを模式的に示した図である。 従来一般的なＤＣモータドライバのＰＷＭによる速度制御を模式的に示した図である。

以下、本発明の一実施の形態を図を用いて説明する。図１は、ＤＣモータ２を含む本発明に係わるＤＣモータドライバ１の構成を模式的に示したブロック図である。
ＤＣモータドライバ１は、ＤＣモータ２が有する端子３，４に制御された電力を供給することにより、回転方向や回転速度の制御を行うものである。当該ＤＣモータドライバ１は、ワンチップマイコンで構成された制御手段５、当該制御手段５によって開閉される４つのスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４、直流を生成する電源６その他の手段から構成されている。

ＤＣモータドライバ１は、ＣＷ回転用の駆動回路を構成するために、電源６とＤＣモータ２の間に配置されたスイッチＳ１（第１スイッチ）およびＤＣモータ２とＧＮＤの間に配置されたスイッチＳ４（第２スイッチ）を有している。また、ＣＣＷ回転用の駆動回路を構成するために、電源６とＤＣモータ２の間に配置されたスイッチＳ３（第３スイッチ）およびＤＣモータ２とＧＮＤの間に配置されたスイッチＳ２（第４スイッチ）を有している。本実施の形態では、前記４つのスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４には、トランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどが使用される。
また、スイッチＳ４と平行にダイオードＤ２が設けられ、スイッチＳ２と平行にダイオードＤ１が設けられている。

前記４つのスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４、ダイオードＤ１、Ｄ２および制御手段５は、一例として同一基板上に設けられている。ダイオードＤ１、Ｄ２は、例えばスイッチがＭＯＳＦＥＴの場合には内蔵のものが使用でき、あえて外部に追加する必要が無い場合もある。

図２は、本実施の制御を特徴的に書いた図である。図２（ａ）はＤＣモータドライバ１の動作説明図、図２（ｂ）は制御手段５によって制御されるスイッチＳ４，Ｓ３の開閉タイミングを表した波形を示している。
ＣＷ回転を行わせる駆動電流は電源６、スイッチＳ１，ＤＣモータ２、スイッチＳ４，ＧＮＤの順に流れ、この際スイッチＳ３，スイッチＳ２は開いている（オフとなっている）。当該駆動電流は、スイッチＳ１を閉じた（オン）状態で、ＰＷＭ制御によるスイッチＳ４の開閉（オン／オフ）よって図２（ｂ）に示す波形で流れるようになっている。
スイッチＳ４をオンからオフに切り替える際、ＤＣモータ２には逆起電力が発生する。この逆起電力が、ＤＣモータ２の速度調節や、回転方向の制御を行う際の抵抗となり、制御のレスポンスを低下させるとともにオーバーシュートが生じる要因となっている。
本実施の形態では、Ｓ４を開いた逆起電力が生じるタイミングに合わせてＳ３を閉じ、ＤＣモータ２の逆起電力を放出させている（破線の方向に電流が流れる）。すなわち、ＧＮＤ、ダイオードＤ１、ＤＣモータ２、スイッチＳ３、電源６に向かう回路が開かれ、逆起電力に伴う電流Ｚ１が流れるようになっている。

なお、交互に切り替えられるスイッチＳ３、Ｓ４の開閉は同時に行われるのではなく、図２（ｂ）に示すように切り替えごとに遅延時間ｔ１、ｔ２を設けている。当該ｔ１、ｔ２はスイッチＳ３、Ｓ４のスイッチが同時に閉じて電源からＧＮＤへ貫通電流が流れないように、適当な時間差をもって制御することを目的としたものである。このように、本発明における制御では、毎回、Ｓ４のＰＷＭ信号がオフの時にその上側スイッチＳ３をオンさせ（閉じ）、ＤＣモータに蓄積されている逆起電力を放出させている。

以上のように、ＰＷＭ信号オフ時に毎回逆起電力を放出させているので、回転方向の切り替えや速度の変更時に生じるＤＣモータに蓄積している逆起電力のエネルギーが、そうでないものに比べ格段に小さくなるので、瞬時に回転方向の切り替えや速度の変更が行えるようになっている。また、オーバーシュートが低減されるようになっている。

ＣＣＷ回転を行わせる場合には、図３に示すように駆動電流は電源６、スイッチＳ３，ＤＣモータ２、スイッチＳ２，ＧＮＤの順に流れる。この際スイッチＳ１，スイッチＳ４は開いた状態（オフ）となっている。ＣＣＷ回転を行う駆動電流は、スイッチＳ３を閉じた（オン）状態で、ＰＷＭ制御によるスイッチＳ２の開閉（オン／オフ）よって図３（ｂ）に示す波形で流れるようになっている。
スイッチＳ２をオンからオフに切り替える際、ＤＣモータ２には逆起電力が発生する。本実施の形態では、スイッチＳ２を開いた（オフ）逆起電力が生じるタイミングに合わせてスイッチＳ１を閉じ（オン）、ＤＣモータ２の逆起電力を放出させている。すなわち、ＧＮＤ、ダイオードＤ２、ＤＣモータ２、スイッチＳ１、電源６に向かう回路が開かれ、逆起電力に伴う電流Ｚ２が流れるようになっている。

また、前述したＣＷ回転の場合と同様に、スイッチＳ１、Ｓ２の切り替えは同時に行われるのではなく、図３（ｂ）に示すように切り替えごとに遅延時間ｔ１、ｔ２を設けている。当該ｔ１、ｔ２はスイッチＳ１、Ｓ２が同時にＯＮになって電源６からＧＮＤへ貫通電流が流れないように、適当な時間差をもって制御するためのものである。

以上に説明した実施の形態に係るモータドライバは、次のような効果を得ることが出来る。
従来、ＤＣモータドライバは回転方向、速度切り替え時にＤＣモータの逆起電力の十分な放電時間経過を待ってから指定した方向や速度に対応して回転する必要があったが、本発明のように適時、逆起電力を放出させることで俊敏な回転方向、速度切り替えが可能となった。また、切り替え時に逆起電力のエネルギーが小さいので、オーバーシュートが小さくなった。
さらに、逆起電力の放出を、プログラム若しくは簡単なシーケンス制御による各スイッチの開閉制御のみで行うことができるので別途ハードウエア手段を設けることなく、従来型のモータドライバと比較して大型化することもなく極めてコンパクトに形成することができるものとなっている。

Claims (3)

1. ＣＷ回転用の駆動回路を構成する電源とＤＣモータの間に配置された第１スイッチおよび前記ＤＣモータとＧＮＤの間に配置された第２スイッチと、
   ＣＣＷ回転用の駆動回路を構成する前記電源と前記ＤＣモータの間に配置された第３スイッチおよび前記ＤＣモータと前記ＧＮＤの間に配置された第４スイッチと、
   前記ＤＣモータの回転方向および回転速度の調節を、前記各スイッチの間欠的な開閉によって行う制御手段を有し、
   前記ＤＣモータの回転方向を変更する際または回転速度を減速する際に、一方のスイッチが閉じて駆動電流を流している際に開いている前記電源と前記ＤＣモータの間に配置された他方のスイッチを閉じることによって、前記駆動電流とは反対の方向に向かって生じる前記ＤＣモータの逆起電力を逃がすように構成したことを特徴とするＤＣモータドライバ。
2. 前記ＣＷ回転時に行う駆動電流の印加を前記ＤＣモータとＧＮＤの間に配置された第２スイッチの開閉によって制御するとともに、当該第２スイッチの開閉に伴って生じる逆起電力を前記第３スイッチの開閉によって逃がし、
   前記ＣＣＷ回転時に行う駆動電流の印加を前記ＤＣモータとＧＮＤの間に配置された第４スイッチの開閉によって制御するとともに、当該第４スイッチの開閉に伴って生じる逆起電力を前記第１スイッチの開閉によって逃がすように構成したことを特徴とする請求項１記載のＤＣモータドライバ。
3. 逆起電力に伴う電流を逃がす際に駆動される前記第３スイッチまたは前記第１スイッチの開閉は、駆動電流の制御を行う前記第２スイッチまたは前記第４スイッチの開閉時から微少時間を経過した後に行われるようになっていることを特徴とする請求項１または２の何れか一項記載のＤＣモータドライバ。
   

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