JP3796177B2

JP3796177B2 - モータのｐｗｍ駆動回路

Info

Publication number: JP3796177B2
Application number: JP2002002856A
Authority: JP
Inventors: 賢一飯嶋
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Nidec Seimitsu Corp
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2022-01-09
Also published as: JP2003204692A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモータのＰＷＭ駆動回路に係り、特に、ブラシレスモータをＰＷＭ駆動するＰＷＭ駆動回路の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器、例えばポリゴンスキャナーやレーザービームプリンタなどに使用するモータは、回転数の高速化や起動時間の短縮化が要求されており、この要求に対応するためＰＷＭ駆動方式で駆動されている。
【０００３】
従来、この種のモータのＰＷＭ駆動回路は、例えば図２に示す構成が知られている。
【０００４】
すなわち、モータ１のパルスジェネレータＰＧから得られた回転数信号と外部から設定された回転数設定信号とに基づき速度指令回路３にて加速又は減速指令信号を形成出力し、それら加速又は減速指令信号を積分回路５にてそのレベルに応じたレベル信号に変換し、ＰＷＭ元信号発生回路７からモータをＰＷＭ回転駆動する元となる三角波信号を発生し、三角波信号に対してレベル信号を越えるパルス信号をコンパレータ９でＰＷＭ速度指令信号として発生し、モータ駆動回路１１にて、モータ１に配置されたホール素子１３からのロータ位置検出信号とに基づきそのモータ１の駆動コイル（図示せず。）を切り換えるとともに、そのＰＷＭ速度指令信号に応じた駆動電流を通電してモータ１を回転制御するものである。
【０００５】
図３ＡはＰＷＭ元信号発生回路７で発生される三角波信号であり、同図Ａ中の積分電圧▲１▼、▲２▼は積分回路５でレベル変換された加速又は減速指令信号の直流レベル信号であり、同図Ｂ、Ｃはコンパレータ９から出力されるパルス信号（ＰＷＭ速度指令信号）であり、同図Ｄはホール素子１３に基づく駆動電流の通電波形であり、同図Ｅは例えばＵ相の駆動電圧波形である。
【０００６】
そして、モータ１では、そのような駆動電圧の切り換えにより、例えば図４に示すように、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のＰＷＭ駆動電圧波形がモータ１に切り換え通電され、駆動電圧の実効値によって必要なトルクが得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＰＷＭ駆動回路では、０．０２％程度の回転変動が発生し、ポリゴンスキャナー用のモータとして要求される回転性能を満足できなかった。
【０００８】
本発明者は、その原因について種々の検討や実験を行った結果、モータ１の回転数を一定にしてＰＷＭ速度指令信号の元となる三角波信号の周波数を徐々に変えながら回転変動の測定を行ったところ、図８に示すように回転変動の周期（周波数）が低→高→低→高と連続的に変化し、回転変動の周波数が高いほど、回転変動のレベルが小さくなることが分かった。なお、図８においてＣＮは回転数と三角波信号との周波数比、Ｆ０は回転変動の周期（周波数）、Ｊｉｔｔｅｒは回転変動のレベルを表す。
【０００９】
また、回転変動の周波数が変化する現象は、回転数と三角波信号との周波数比が３２．５となるポイントを境にして、対称に分布していることも明らかになった。
【００１０】
一例として、ＰＷＭ速度指令信号の元となる三角波信号の周波数とモータ１の回転数、換言すればホール素子１３による相切り換え周波数との比を４０９６対１２６に設定すると、特定周波数の回転変動が発生し、上記周波数比が＝３２．５０８になった。
【００１１】
すなわち、ホール素子１３からのホール信号と三角波信号との位相差がゼロのポイントを基準とすると、図５に示すように、ホール信号の１周期にはＰＷＭ速度指令信号が３２．５０８サイクル存在するため、次のホール信号のエッジではＰＷＭ速度指令信号との位相差が０．５０８サイクル分発生する。
【００１２】
以降、ホール信号のエッジが来るたびに、ＰＷＭ速度指令信号との位相差は０．０１６、０．５２４、０．０３２〜と、交互に前後しながら変化していく。
【００１３】
そして、ある時間（ホールサイクル数）経過すると、再び位相差ゼロのポイントが現れ、この位相差変化は周期性を持って現れる。この位相差θが変化していく関係は以下の式で表されるとともに、図６のように示された。
【００１４】
位相差θ＝ＭＯＤ（ＣＮ×ＨＣ，１）
符号ＭＯＤは、数値を除算した剰余を返す関数
符号θは、ホール信号とＰＷＭ速度指令信号との位相差
符号ＣＮは、ＰＷＭ速度指令信号とホール信号との周波数比
符号ＨＣは、ホール信号サイクル数
ここで、周波数比が３２．５０８のとき、位相差ゼロのポイントが現れる周期は、図６からホール信号で６１．５サイクルと読み取れる。
【００１５】
ホール信号の６１．５サイクルに相当する時間は、実際に生じている回転変動の周期と一致する。
【００１６】
そして、位相差ゼロの周期ＨＣ０と周波数比ＣＮとの関係は、次の式で表される。（周波数比が３２．５付近の場合）
ＨＣ０＝〔１−ＭＯＤ（ＣＮ、１）〕／〔ＭＯＤ（ＣＮ、１）−０．５〕
ここで、符号ＨＣ０は、位相差ゼロのポイントが現れる周期
一例として計算式を示すと次のようになる。
（１−０．５０８）／（０．５０８−０．５）＝６１．５
【００１７】
また、位相差のゼロ周期と回転変動の周波数Ｆ０との関係は、次の式で表されるとともに、周波数比とゼロ位相サイクルや周波数比と回転変動周波数の関係は図７Ａ、Ｂで示されるようになる。
Ｆ０＝〔（Ｎ／６０）×Ｐ〕／ＨＣ０
ここで、符号Ｆ０は、回転変動周波数〔Ｈｚ〕
符号Ｎは、回転数〔ｒｐｍ〕
符号Ｐは、１回転あたりのホールサイクル数
一例として計算式を示すと次のようになる。
（３００００／６０）＊４／６１．５＝３２．５２
【００１８】
そして、これらのデータや図７を解析していくと、回転変動の周波数は、ホール信号（モータ１の回転数）とＰＷＭ信号との位相関係が一巡する周期（周波数）に一致しており、ＰＷＭ速度指令信号の周波数とモータ１の回転数との関係を特定な範囲に設定することで、回転変動を抑えてポリゴンスキャナモータに要求される安定した回転性能が得られることが分かった。
【００１９】
具体的には、ＰＷＭ速度指令信号の周波数に対するモータ１の回転数比の値について、小数部分を０．５３〜０．５９の範囲に選定することにより、回転変動周波数を比較的高い周波数（およそ５０Ｈｚ以上）に追いやることが出来る。結果として、ロータのフライホイール効果を大きく得られ、回転変動を小さく出来る。
【００２０】
また上述したように、周波数比は３２．５を境に対称な特性となることが明らかになっていることから、小数部分を０．４１〜０．４７の範囲に選定しても良い。
【００２１】
本発明はそのような状況の下になされたもので、ＰＷＭ駆動回路においてモータの回転変動を小さく抑え、駆動効率と回転の安定性を確保できるモータのＰＷＭ駆動回路の提供を目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
そのような課題を解決するために本発明は、速度制御系、ＰＷＭ系共通の基準周波数を発生する発振回路と、その基準周波数を分周し、それぞれ三角波発生タイミングパルスと回転数設定信号を出力する１／Ｎ₁分周回路及び１／Ｎ₂分周回路と、その三角波発生タイミングパルスに同期してモータをＰＷＭ回転駆動する元となるＰＷＭ元信号を発生するＰＷＭ元信号発生回路と、そのモータの回転数を示す回転数信号と所望の回転数に設定する回転数設定信号とから、そのモータの回転数を前記設定回転数に近づけるよう可変制御する速度指令信号を出力する速度指令回路と、そのＰＷＭ元信号と前記速度指令信号からＰＷＭ速度指令信号を発生するＰＷＭ速度指令回路と、そのモータに配置された位置検出素子からのロータ位置検出信号とそのＰＷＭ速度指令信号に基づき、そのモータの駆動コイルに駆動信号を切り換え通電して回転制御するモータ駆動回路とを具備するとともに、上記ＰＷＭ速度指令信号の周波数に対する上記モータの回転数比の値について、小数部分を０．４１〜０．４７又は０．５３〜０．５９の範囲に選定したものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。なお、従来例と共通する部分には同一の符号を付す。
【００２４】
図１は、本発明に係るモータのＰＷＭ駆動回路の実施の形態を示すブロック図である。
【００２５】
図１において、発振回路２は、例えば水晶発振回路であり、速度制御系、ＰＷＭ系共通の基準周波数を発生する。
【００２６】
１／Ｎ₁分周回路６は、入力された基準周波数を分周し、ＰＷＭ元信号発生回路７に三角波タイミングパルスを出力する。
【００２７】
同じく、１／Ｎ₂分周回路４は、分周した信号を回転数設定信号として速度指令回路３に供給している。
【００２８】
ここで、１／Ｎ₁、１／Ｎ₂は、それぞれの回路に適切な周波数を分周する為の分周比である。
【００２９】
速度指令回路３は、モータ１に配置されたパルスジェネレータＰＧから得られその回転数に応じた周波数のデジタル回転数信号と、１／Ｎ₁分周回路４から供給されたデジタル回転数設定信号を比較し、その偏差が小さくなるような加速又は減速用のＰＷＭ速度指令信号を別々に出力するもので、積分回路５に接続されている。図１では速度指令信号が加速用と減速用に分けられていない。
【００３０】
積分回路５は、それら加速又は減速用の速度指令信号から加速又は減速に応じたレベルの直流レベル信号に変換するもので（上述した図３参照）、ＯＰアンプからなるコンパレータ９に接続されている。
【００３１】
ＰＷＭ元信号発生回路７は、ＰＷＭ速度指令信号の元になる三角波信号を発生するもので、１／Ｎ₁分周回路６から供給された三角波発生タイミングパルスに同期した三角波を生成し、ＰＷＭ速度指令回路としてのコンパレータ９に接続されている。
【００３２】
ここで、ＰＷＭ速度指令信号の周波数とモータ１の回転数との比が、上述したように３２．５３〜３２．５９の範囲になるように、１／Ｎ₁分周回路６及び１／Ｎ₂分周回路４のそれぞれの分周比１／Ｎ₁、１／Ｎ₂の値を設定している。
【００３３】
例えば、回転数３００００ｒｐｍの回転数設定信号に対して周波数３２．５ＫＨｚの三角波信号が発生出力されている。
【００３４】
コンパレータ９は、ＰＷＭ元信号発生回路７からの三角波信号と、積分回路５からの加速又は減速レベル信号を比較するもので、モータ駆動回路１１に接続されている。
【００３５】
コンパレータ９は、上述した図３に示すように、三角波信号に対して加速又は減速レベル信号を越える期間オンするパルス信号をＰＷＭ速度指令信号としてモータ駆動回路１１へ出力するものであり、レベル信号のレベルに応じたパルス幅の信号が出力される。
【００３６】
モータ駆動回路１１は、モータ１に配置されたホール素子１３からのロータ位置検出信号に基づき駆動コイル（図示せず。）を切り換えるとともに、そのＰＷＭ速度指令信号に応じた駆動電流を通電してモータ１を回転制御する公知のものである（図４参照。）
上述した構成では、ＰＷＭ速度指令信号の周波数とモータ１の回転数との比が３２．５３〜３２．５９の範囲になるよう分周比１／Ｎ₁、１／Ｎ₂を設定したが、本発明ではこれに限定されない。
【００３７】
すなわち、上述した回転数比と回転変動周波数（変動レベル）との関係から分かるように、ＰＷＭ速度指令信号の周波数に対するモータ１の回転数との比の値について、小数部分が０．４１〜０．４７又は０．５３〜０．５９の範囲に選定されていれば本発明の目的達成が可能である。
【００３８】
さらに、本発明では、速度指令回路３に積分回路５の機能を持たせる構成も可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るモータのＰＷＭ駆動回路は、発振回路から基準周波数を発生させ、その基準周波数を１／Ｎ₁分周回路、１／Ｎ₂分周回路にてそれぞれ分周して三角波発生タイミングパルスと回転数設定信号を出力し、速度指令回路でモータの回転数信号とその回転数設定信号とからそのモータの回転数を可変制御する速度指令信号を出力し、三角波タイミングパルスに同期してＰＷＭ元信号発生回路でモータをＰＷＭ回転駆動する元となるＰＷＭ元信号を発生し、ＰＷＭ速度指令回路でそのＰＷＭ元信号と速度指令信号からＰＷＭ速度指令信号を発生し、モータ駆動回路でそのモータの位置検出素子からのロータ位置検出信号とＰＷＭ速度指令信号に基づきモータの駆動コイルに駆動電流を切り換え通電するとともに、上記ＰＷＭ速度指令信号の周波数に対する上記モータの回転数比の値について、小数部分を０．４１〜０．４７又は０．５３〜０．５９の範囲に選定した。
【００４０】
そのため、モータの回転変動を高い周波数に移行・固定させることにより、高効率のＰＷＭ駆動回路を用いても回転変動を小さくできるから、ＰＷＭ駆動による駆動効率と、これに伴う回転の変動の双方を良好に保てる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るモータのＰＷＭ駆動回路の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】従来のＰＷＭ駆動回路の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】本発明及び従来のＰＷＭ駆動回路の動作を説明する波形図である。
【図４】本発明及び従来のＰＷＭ駆動回路の動作を説明する波形図である。
【図５】本発明及び従来のＰＷＭ駆動回路の動作を説明する波形図である。
【図６】本発明及び従来のＰＷＭ駆動回路の動作を説明する波形図である。
【図７】本発明及び従来のＰＷＭ駆動回路の動作を説明する波形図である。
【図８】本発明及び従来のＰＷＭ駆動回路の動作を説明する波形図である。
【符号の説明】
１モータ
２発振回路
３速度指令回路
４１／Ｎ₂分周回路
５積分回路
６１／Ｎ₁分周回路
７ＰＷＭ元信号発生回路
９コンパレータ（ＰＷＭ速度指令回路）
１１モータ駆動回路
１３ホール素子（位置検出素子）
ＰＧパルスジェネレータ

Claims

速度制御系、ＰＷＭ系共通の基準周波数を発生する発振回路と、
前記基準周波数を分周し、三角波発生タイミングパルスを出力する１／Ｎ₁分周回路と、
同じく前記基準周波数を分周し、回転数設定信号として出力する１／Ｎ₂分周回路と、
前記三角波発生タイミングパルスに同期して、モータをＰＷＭ回転駆動する元となるＰＷＭ元信号を発生するＰＷＭ元信号発生回路と、
前記モータの回転数を示す回転数信号と所望の回転数に設定する前記回転数設定信号とから、前記モータの回転数を前記設定回転数に近づけるよう可変制御する速度指令信号を出力する速度指令回路と、
前記ＰＷＭ元信号と前記速度指令信号からＰＷＭ速度指令信号を発生するＰＷＭ速度指令回路と、
前記モータに配置された位置検出素子からのロータ位置検出信号と前記ＰＷＭ速度指令信号に基づき、前記モータの駆動コイルに駆動信号を切り換え通電して回転制御するモータ駆動回路と、
を具備し、
前記ＰＷＭ速度指令信号の周波数に対する前記モータの回転数比の値について、小数部分を０．４１〜０．４７又は０．５３〜０．５９の範囲に選定したことを特徴とするモータのＰＷＭ駆動回路。