JP5702126B2 - モータ制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転速度を可変制御するモータ制御回路に関する。

近年、複写機やページプリンタ等のＯＡ機器は、カラー化、精細化、デジタル化が進んでおり、それに伴って、これらの機器に使用されるモータは、広い回転速度範囲で、かつ、高い回転速度精度で動作することが求められている。このようなモータを制御する制御回路には、広い回転速度範囲内の各回転数において、最適な制御性能を備えることが要求される。

また、このようなモータの駆動方式は、静音化等の観点から、従来の矩形波駆動からモータ巻線の印加電圧を正弦波とする正弦波駆動が一般的になりつつある。そして、このような正弦波駆動で高効率を維持するには、モータ誘起電圧の位相に対する巻線電流の位相の遅れを調整する進角制御が重要であることが知られている。

従来、進角制御を備えるモータ制御回路として、図３に示すようなコントローラ１０７が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図３に示すコントローラ１０７は、油圧式パワーステアリングシステムに用いられる三相ブラシレスモータ（以下、単にモータという）１０６を制御するモータ制御回路の例である。
このコントローラ１０７は、舵角センサ１１１及び車速センサ１１２からの入力に基づいて目標回転数を算出する目標回転数演算手段１７３と、回転位置検出センサ１７１からの入力に基づいてモータの回転数を算出する回転数演算手段１７４とを備えており、目標回転数と実際の回転数との偏差が回転数制御手段１７５に入力される。そして、回転数制御手段１７５及びＰＷＭ制御手段１７６は、比例制御と積分制御により制御電圧を設定し、これによって、駆動回路１７２を通じてモータ１０６の回転数を制御するように構成されている。

そして、コントローラ１０７では、位相制御手段１７７において、回転数制御手段１７５で求めた比例項、積分項等の制御パラメータに基づいて、駆動回路１７２の最適な通電位相角を求め、その結果をＰＷＭ制御手段１７６に反映させることによって、進角制御が実施されている。

さらに、従来、広範囲に変化する速度の制御を行うモータ制御回路において、予め設定された２つの進角値を有し、進角値設定端子に入力される電圧レベルのＨｉｇｈ／Ｌｏｗによって、進角値設定を切替えるように構成されたモータ制御回路も存在する。例えば、図４に示す進角値設定回路の例では、ＰＳ端子（進角値設定端子）に入力される電圧レベルのＨｉｇｈ／Ｌｏｗが、ＰＳＯ端子の状態のオープン／ショート（ＧＮＤ）によって設定され、この設定の切替わりに応じて進角値の設定が切替わるように構成されている。このようなＰＳＯ端子の状態を切替えるための信号は、通常、モータの回転速度等に応じて、モータ制御回路のインタフェースを介して外部から供給される。

特開２００５−１９２３３８号公報

しかしながら、図３に示すコントローラ１０７では、モータ回転中の制御指令が負荷変動等により常に変動しているため、負荷及び回転数に応じた進角制御により駆動効率は改善されるものの、それによって回転数の微妙な変動が発生するという問題がある。例えば、プリンターのドラム駆動において、このような回転数の微妙な変動（回転数ＷＯＷ）は、印刷ずれ等の要因となり、印字品質に影響を及ぼすものである。また、図４に示すような、進角値設定端子に入力される信号レベルによって進角値を切替える構成では、例えば、更に高精度な制御を実行することを目的として、対応する進角値の数を増加させる場合、多くの抵抗及びスイッチ素子等を要する、複雑な切替回路を必要とする。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、モータの速度を可変制御するモータ制御回路において、設定されるモータの速度に応じた適切な進角値を自動的に設定可能なモータ制御回路を提供することを目的とする。

以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）モータに取り付けられた速度検出手段から前記モータの速度に比例する周波数の検出信号が入力されるとともに、外部から目標速度に相当する周波数を有する基準信号が入力され、前記検出信号の周期と前記基準信号の周期とを比較して前記モータの速度を可変制御するモータ制御回路であって、基準進角値に、補正量に比例係数を乗じて得られる進角補正値を加算して進角設定信号を出力する進角設定手段と、前記基準信号の周期に対する補正基準周期の比を前記補正量とし、前記補正量に前記比例係数を乗算することにより前記進角補正値を得る進角設定補正手段と、を備え、前記進角設定信号に基づいて、前記目標速度に応じた進角制御を行うことを特徴とするモータ制御回路（請求項１）。

本項に記載のモータ制御回路によれば、外部から入力される基準信号の周期の変動に応じて、進角値を自動的に補正することが可能となり、モータの速度を可変制御するモータ制御回路において、目標速度の変動に伴ってモータの速度が変動する際に、それぞれの速度における駆動効率を最適化することが可能となる。
また、本項に記載のモータ制御回路では、外部から入力される基準信号の周期に基づいて進角設定を補正するものであるため、その設定によりモータ回転変動に影響を及ぼすことなく、進角制御を実施することが可能となる。
さらに、本項に記載のモータ制御回路では、目標速度に応じた進角設定の補正がモータ制御回路の内部で自動的に行われるため、進角値の切替回路やその切替信号を外部から入力するためのインタフェース等を要することなく、簡素かつ安価な構成により、駆動効率の最適化を実施することができる。

（２）（１）項に記載のモータ制御回路において、前記基準信号が入力され、前記基準クロックに基づいて計数された前記基準信号の周期に相当する基準周期カウント値を出力する周期検出カウンタを備え、前記進角値補正手段は、前記補正基準周期を、該補正基準周期に対応する補正基準カウント値として有するとともに、前記補正基準カウント値を前記基準周期カウント値で除算することにより前記補正量を算出する除算手段を有することを特徴とするモータ制御回路（請求項２）。

本項に記載のモータ制御回路によれば、外部から入力される基準信号の周期の変動に応じて、進角値を自動的に補正することが可能なモータ制御回路を、アナログ回路（例えば、積分アンプ、抵抗、コンデンサ）を使用しない完全なデジタル処理回路として構成することが可能となる。特に、モータ制御回路を集積回路（ＩＣ）とする場合、より多くのデジタル回路を少ない面積で構成する微細加工プロセスを活用して、高性能のモータ制御回路を、チップ面積が小さくかつ低コストのＩＣにより実現することが可能となる。

（３）（１）または（２）項に記載のモータ制御回路において、前記進角設定補正手段は、複数の前記補正基準周期を有することを特徴とするモータ制御回路（請求項３）。

本項に記載のモータ制御回路によれば、速度可変範囲が広いモータについて、柔軟かつ容易に最適な進角設定の補正を実施することが可能となる。

本発明に係るモータ制御回路は、以上のように構成したため、モータの速度を可変制御するモータ制御回路において、設定されるモータ速度に応じた適切な進角値が自動的に設定され、その駆動効率を最適化することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるモータ制御回路を含むモータ駆動システムを模式的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態におけるモータ制御回路の要部を示す機能ブロック図である。 従来のモータ制御回路の一例を示す回路構成図である。 従来のモータ制御回路の別の例を示す回路構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態におけるモータ制御回路１０が好適に適用されるモータ駆動システムを模式的に示す図である。図１に示すモータ駆動システムは、モータ１２とモータ制御回路１０とを含み、モータ１２には、速度検出手段として周波数発電機（Frequency Generator。以下、ＦＧともいう）１４が取り付けられている。モータ制御回路１０には、ＦＧ１４からモータ１２の速度（回転速度）に比例する周波数の検出信号（以下、ＦＧ信号ともいう）が入力されるとともに、外部（例えば、モータ制御回路１０の上位システム）から基準信号ＥＸＣが入力される。

図１に示すモータ駆動システムにおいて、基準信号ＥＸＣは、モータの目標速度に相当する周波数を有する信号であり、例えばモータ１２の様々な動作状況に応じて、この周波数（すなわち、目標速度）を変動させることが想定されている。以下、図２を参照して、モータ制御回路１０の構成について詳述する。

図２は、本実施形態におけるモータ制御回路１０の要部を示す機能ブロック図である。モータ制御回路１０は、基準信号ＥＸＣが入力される周期検出カウンタ１６を備えており、この周期検出カウンタ１６には、一定周期の基準クロックＣＬＫが供給される。ここで、モータ制御回路１０は、好ましくは、その内部に基準クロックＣＬＫの発生手段（図示は省略する）を備えるものであるが、本発明に係るモータ制御回路１０は、その外部から基準クロックＣＬＫが入力されるものであってもよい。
モータ制御回路１０は、さらに、加算手段１９を含む進角設定手段と、所定の比例係数Ｋｓを備える乗算手段１８及び除算手段２０を含む進角設定補正手段を備えている。

尚、本実施形態におけるモータ制御回路１０は、ＦＧ信号の周期と基準信号ＥＸＣの周期とを比較して、モータ１０の速度を可変制御（例えば、速度制御及び位相制御）するものであり、そのために必要な速度制御手段及び位相制御手段等の構成要素をさらに備えるものであるが、それらの構成要素については、周知の適切な構成とすることができるため、その図示及び説明は省略する。

本実施形態において、周期検出カウンタ１６は、入力信号の周期を基準クロックＣＬＫに基づいて計数し、計数された値（カウント値）を出力するものである限り、その具体的構成は、任意の適切な構成とすることができる。例えば、周期検出カウンタ１６は、基準クロックＣＬＫを構成する各パルス信号の入力毎にカウントアップされるフリーランカウンタと、入力信号の立ち上がりを検出して、その時点におけるフリーランカウンタのカウント値を保持するインプットキャプチャレジスタを備えており、引き続く２つの時点に保持されたカウント値の差を算出することによって、入力信号の１周期間に入力された基準クロックＣＬＫのパルス数を、入力信号の周期に相当するカウント値として出力するものであってもよい。

モータ制御回路１０において、進角設定手段は、予め設定された基準進角値を有しており、この基準進角値が加算手段１９に入力され、加算手段１９において、後述する補正量に比例係数を乗じて得られる進角補正値と加算され、得られた進角設定信号が出力される。

一方、周期検出カウンタ１６からは、基準信号ＥＸＣの周期に相当する基準周期カウント値ＥＸＣ＿ｃｏｕｎｔが出力される。そして、モータ制御回路１０の進角設定補正手段は、基準進角値に応じて予め設定された補正基準周期を、対応する補正基準カウント値Ｒｅｆ＿ｃｏｕｎｔとして保持しており、基準周期カウント値ＥＸＣ＿ｃｏｕｎｔと補正基準カウント値Ｒｅｆ＿ｃｏｕｎｔが除算手段２０に入力され、除算手段２０では、「Ｒｅｆ＿ｃｏｕｎｔ／ＥＸＣ＿ｃｏｕｎｔ」により、基準信号の周期に対する補正基準周期の比として、補正量が算出される。この補正量は、乗算手段１８に入力され、所定の比例係数Ｋｓが乗算されて進角補正値が算出される。そして、乗算手段１８から、進角補正値が進角設定手段の加算手段１９に出力される。これによって、基準進角値が補正される。

このように、モータ制御回路１０では、進角設定のための基準進角値が、進角補正値により基準信号ＥＸＣの周期（基準周期カウント値ＥＸＣ＿ｃｏｕｎｔ）に応じて自動的に補正されるため、基準信号ＥＸＣの周期（すなわち、外部から入力される目標速度）が変動する場合でも、それぞれの速度に対して適切な進角設定が可能となり、ひいては、モータの駆動効率を最適化することができる。

さらに、モータ制御回路１０の進角設定補正手段では、上述したように、補正量として、「補正基準周期／基準信号ＥＸＣの周期」（Ｒｅｆ＿ｃｏｕｎｔ／ＥＸＣ＿ｃｏｕｎｔ）が用いられている（これは、「１／補正基準周期」に比例する補正基準速度を設定し、「１／基準信号ＥＸＣの周期」に比例する目標速度を補正基準速度により正規化した値を、補正における目標速度として用いることに相当する）。この構成は、以下に説明するように、特に、速度可変範囲の広いモータの制御において有利なものである。

すなわち、速度可変範囲の広いモータの制御では、モータの駆動効率を最適化するために、目標速度が属する複数の速度域（例えば、低速域、中速域、高速域等）のそれぞれに応じて、異なる進角設定が要求される場合がある。このような要求に対して、モータ制御回路１０は、複数の速度域のそれぞれに応じて適切な複数の補正基準周期（例えば、低速域用、中速域用、高速域用のそれぞれの補正基準周期）を備え、目標速度が属する速度域に応じて、補正量の算出に使用する補正基準周期（具体的には、対応する補正基準カウント値Ｒｅｆ＿ｃｏｕｎｔ）を切替えるように構成されるものであってもよい。
その際、モータ制御回路１０は、補正基準周期の切替えを、基準信号ＥＸＣの周期（基準周期カウント値ＥＸＣ＿ｃｏｕｎｔ）と連動して、自動的に行うように構成されることが望ましい。

これによって、目標速度が広範囲に変動する場合でも、モータの駆動効率が最適化されるように、進角値の補正量を柔軟かつ容易に切替えることが可能となる。しかも、速度域数が増加した場合でも、モータ制御回路１０の部品点数を増加させる必要はなく、進角設定補正手段にデータとして保持される補正基準周期を増加させることにより、容易に対応可能である。

尚、モータ制御回路１０は、加算手段１９から出力される進角設定信号（及び、図示しない他の制御手段（例えば、速度制御手段及び位相制御手段）から出力される制御信号）に基づいて、モータ１２を駆動する周知の駆動回路（図示は省略する）を備えるものであってもよい。

以上のように構成されたモータ制御回路１０は、ＦＧ信号の周期をカウント値（すなわち、数値データ）として取り込み、以後の処理は、全て数値データの演算処理として実行可能なものであるため、アナログ回路を使用しない、完全なデジタル処理回路として実現することができる。その際、モータ制御回路１０の各構成要素は、図２を参照して説明した各機能ブロックの機能を果たす限り、任意の適切なハードウェアまたはソフトウェア、あるいはその組合せによって実現することが可能である。モータ制御回路１０のこのような特徴は、特にモータ制御回路１０を集積回路（ＩＣ）とする場合、高性能のモータ制御回路を、チップ面積が小さくかつ低コストのＩＣにより実現する上で、有利なものである。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明は、モータ制御回路の任意の構成要素を、同等の機能を有するアナログ回路により構成する場合を含むものである。

１０：モータ制御回路、１２：モータ、１４：周波数発電機（速度検出手段）、１６：周期検出カウンタ、１８：乗算手段、１９：加算手段、２０：除算手段、

Claims (3)

1. モータに取り付けられた速度検出手段から前記モータの速度に比例する周波数の検出信号が入力されるとともに、外部から目標速度に相当する周波数を有する基準信号が入力され、前記検出信号の周期と前記基準信号の周期とを比較して前記モータの速度を可変制御するモータ制御回路であって、
   基準進角値に、補正量に比例係数を乗じて得られる進角補正値を加算して進角設定信号を出力する進角設定手段と、前記基準信号の周期に対する補正基準周期の比を前記補正量とし、前記補正量に前記比例係数を乗算して前記進角補正値を得る進角設定補正手段と、を備え、前記進角設定信号に基づいて、前記目標速度に応じた進角制御を行うことを特徴とするモータ制御回路。
2. 前記基準信号が入力され、前記基準クロックに基づいて計数された前記基準信号の周期に相当する基準周期カウント値を出力する周期検出カウンタを備え、前記進角値補正手段は、前記補正基準周期を、該補正基準周期に対応する補正基準カウント値として有するとともに、前記補正基準カウント値を前記基準周期カウント値で除算することにより前記補正量を算出する除算手段を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御回路。
3. 前記進角設定補正手段は、複数の前記補正基準周期を有することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御回路。

Images