JP2010088187A - モータ制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】異常状態でモータを流れる電流を停止、ＩＣの破壊が防止し出来ても、異常状態となった原因を知ることが出来ないと言った問題がある。
【解決手段】本発明は、複数のモータドライバを内蔵しても、そのうち、どのモータに不具合が発生し、過電流か、過熱か、どちらが先に異常になったかを示すデータを不揮発性メモリに記憶することで、ＩＣの電源が遮断されても、データを残すことが出来るモータ制御回路に関する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータを駆動するに際し、モータの回転を制御するモータ制御回路に関するものである。特に、モータの駆動制御に関し、電源が遮断されも過電流や過熱と言った異常状態を保持する技術に関する。

通常、モータに長い期間、過電流が流れ続けると、コイルが焼き切れたり、回路から発煙や発火がしたり、することがある。

こう言った不具合を防ぐため、従来から、参考文献1（特開平４−１０８４９１号公報）に開示されている様に、インバータ回路の電流値が所定値以上ならば、運転を停止される様にしていた。参考文献２（特開２００１−３２７１７５号公報）では、特定の異常が所定回数以上発生した場合に、運転を中止して異常状態での運転を繰り返させないように記憶手段を備え、記憶手段に記憶した特定の異常内容が所定回数以上になると、運転を禁止し、これ以上、過熱や故障が進むのを防止する技術が開示・提案されている。
特開平４−１０８４９１号公報 特開２００１−３２７１７５号公報

しかしながら、上述した参考文献１は単純に運転を止めるだけの技術であり、参考文献２でも、所定回数以上発生した場合に運転を止めるだけの技術に過ぎなかった。どちらの技術も、止めることに主体を置いている。つまり、過電流による運転を止めるのみで、故障の原因を突き止めることが出来なかった。

また、従来のケースでは、内蔵されているモータドライバの数は１つであり、不具合が発生した場合は、原因となるモータドライバは特定することが出来たが、複数あるケースでは、どのモータドライバに原因があるが特定することは大変困難であり、不具合発生と同時に、電源が遮断される構成で、詳細な不具合情報を残せないと言った問題があった。

本発明は、複数のモータの駆動を制御するモータ制御回路において、前記複数のモータを駆動制御する複数のモータドライバと、前記複数のモータを流れるそれぞれの電流の過電流状態を検知し、前記複数のモータドライバのうち、どのモータドライバが過電流になったのかを検知する過電流検知回路と、前記過電流検知回路から結果を受け、前記複数のモータドライバのうち、どのモータドライバが過電流になったのかを記憶する不揮発性メモリと、を備えることを特徴とするモータ制御回路を提供する。

或いは、更に前記複数のモータを流れる電流を電圧に変換する複数の電流電圧変換回路と、を備え、前記過電流検知回路は、前記複数の電流電圧変換回路からの出力される複数の検知電圧値と、第１基準電圧とを比較することで、前記複数のモータを流れるそれぞれの電流の過電流状態を検知し、前記複数のモータドライバのうち、どのモータドライバが過電流になったのかを検知することを特徴とするモータ制御回路提供する。

過電流や過熱と言った不具合により、電源が遮断されても、不具合になった状況の詳細が分かり、正しい修理や、不具合の分析が可能となり、信頼性を向上させることが出来る。

図１は、本発明に係るモータ制御回路のモータ制御回路１を示すブロック図である。モータ制御回路１はマイコン２と接続されており、マイコン２によって制御される。マイコン２は、シリアルポートを持ち、このシリアルポートを使って、他のＩＣを制御することが出来る。パラレルポートでも良いが、パラレルポートは通信に多数の外部端子が必要になり、現実的は不向きである。

シリアルポートはクロック端子と当該クロック端子に同期するデータ端子との２端子で構成されるものが一般的であり、その中でも、Ｉ^２Ｃバスは、特に一般的で、数多くのＩＣで用いられており、汎用性が高い。今回は一例として、Ｉ^２Ｃバスを用いたケースで紹介する。Ｉ^２Ｃバスでは、複数のスレーブＩＣを接続する事が出来、マスタＩＣは個別に決められたスレーブＩＣのアドレスを指定し、スレーブＩＣと通信することで、そのスレーブＩＣを自由自在に制御することが出来る。

Ｉ^２Ｃバスの詳細仕様に関しては、一般的な事項であり、詳細はフィリプス社のホームページ等に開示されており、ここでは省略する。Ｉ^２Ｃバスで用いられる２本の信号線は、シリアルクロック（ＳＣＫ）とシリアルデータ（ＳＤＡ）であり、ＳＣＫは端子１０４、ＳＤＡは端子１０５から、それぞれ印加される。通信を始めるには、マスタＩＣが通信により選択されるスレーブＩＣのアドレスを指定する必要がある。マスタＩＣはマイコン２に相当し、スレーブＩＣはモータ制御回路１に相当する。

モータ制御回路１の内部には、第１モータ３と第２モータ４をドライブする第１ドライバ回路７と第２ドライバ回路８の２つのドライバ回路が内蔵されている。但し、１つのＩ^２Ｃバスで、２つのドライバ回路を個別に制御するために、それぞれのモータドライバ回路に固有のアドレスを２つ用意する必要は無く、１つの固有のアドレスを用意すれば良い。

ここで、固有のアドレスを設定するために、本実施例ではアドレス端子を設けている。端子１０６、端子１０７、端子１０８の３端子がそれに相当し、一般的なＩ^２Ｃバスで設定されるスレーブＩＣに割り振られた固有のアドレス値７ビットのうち、下位３ビットを端子の状態により、外部から設定できる様にしている。これは、下位の３ビットを変えることで、最大で８個のＩＣを同一のＩ^２Ｃバスに接続できる構成としている。また、１個しか接続しない場合や、外部端子を設けられない場合には、内部のＲＯＭを用いて、ＲＯＭのデータと照合しても良い。

図２に示す様に、マイコン２から、Ｉ^２Ｃバスで通信するためのスタートコンディションが送られた後に、クロックに同期して、スレーブＩＣに割り振られた固有のアドレス値（７ビット）が出力される。インターフェイス回路１１の内にあるＩ^２Ｃバスコントローラ回路１２は、スタートコンディション後に送られたデータ（アドレス）を、受信データバッファ回路１３に送る。受信データバッファ回路１３は、保持したデータ（アドレス）を、アドレス一致検出回路１４に送る。

アドレス一致検出回路１４では、予め、内部にアドレス値を保持している。もし、送られて来たデータ（アドレス値）が、第１モータ３、第２モータ４を示すアドレス値であることを確認出来ると、マイコン２からのデータが順次、送信が許可され、当モータ制御回路と通信可能状態となる。

アドレス一致検出回路１４は、第１モータ３のアドレス値と、第２モータ４のアドレス値、それぞれ、２つのアドレス値を持って、第１モータ３と第２モータ４、それぞれに個別に設定しても良いが、アドレスが１つでも、その１つのアドレスが示すメモリのうち、最初の半分の２４ビットが第１モータ３の設定で、後の半分の２４ビットが第２モータ４の設定と分けておけば、敢えて、２つのアドレスを必要としない。

これにより、それぞれのモータドライバ回路に固有のアドレスを設定する必要は無く、ＩＣとしての単一アドレスを設定することが出来る。これにより複数のドライバ回路を有する場合でも、Ｉ^２Ｃバスのアドレスを１つ用意すれば良く、ＩＣ識別としてアドレス数に制限を受けても有効に使うことが出来る。

従来は、モータドライバを２個搭載する場合には、ＩＣは別々となるので、当然、個別に設定する必要があり、２つのアドレスを必要としたが、内蔵するモータドライバの個数が増えても、レジスタの容量を増やすだけで対応することが出来、１つのＩ^２Ｃバスのアドレス端子のみを用いて、複数のモータとの通信が可能となる。例えば、モータドドライバ４個入りＩＣが８個あっても、３２個分のアドレスは必要なく、ＩＣの個数と同じ、８個あれば良い。

本実施例では、モータドライバの２個分の設定値の通信が終了すると、マイコン２はモータ制御回路１にデータ転送終了のストップコンディションを送信し、第１モータ３と第２モータ４への設定が終了する。データ転送の間、受信バッファ回路１３では、受け取ったデータを８ビット単位で、受信データ格納レジスタ１５に書き込んで行く。

受信データバッファ回路１３と受信データ格納レジスタ１５は、フリップフロップで構成されたレジスタ（記憶装置）が利用される。ＳＲＡＭやＤＲＡＭの様なメモリで構成しても良いが、アドレス管理が必要になり、返って、ＩＣのチップ面積が拡大し、システム設計も複雑になってしまう。レジスタだと 決まった順序で記憶するだけで、アドレス管理は必要なく、必要な情報を効率よく記憶出来る。

一般的に、モータは動作中にモータの動作環境が大きく変更されると、モータ自体の故障の原因になることがあるので、受信データ格納レジスタ１５に書き込まれた最新の設定値は、直ぐに第１モータ３の動作環境には反映されない。

モータの最新の設定値の反映は、Ｉ^２Ｃバスを通じて、ストップコンディションによりデータ転送が終了した後、Ｉ^２Ｃバスのクロック端子（ＳＣＫ）とは、別途、設けられたモータの駆動用パルス（ＣＬＫ１）端子１００を用いて、その駆動パルスの変化を検出し、その変化のタイミングによって、最新の設定がモータ動作環境に反映される。端子１００から印加されたモータの駆動パルス（ＣＬＫ１）は、第１整形ノイズ除去回路２０によって、ヒゲの様なノイズを除去し、第１立上り検出回路２４と第１遅延回路２８の双方に印加される。

第１立上り検出回路２４では、停止状態から、駆動パルス（ＣＬＫ１）の変化を検知する。第１立上り検出回路２４の構成は、内部にコンパレータとカウンタを持ち、一定の期間、変化が無いと停止状態と判断し、その後、入力信号である駆動パルスの状態の変化を検知すると、その変化を第１モータモード設定保持回路１６に知らせる。第１モータモード設定保持回路１６は、第１立上り検出回路２４からの信号に応じて、受信データ格納レジスタ回路１５に保持されているデータがそのまま転送されてくる。

第１遅延回路２８は、駆動パルス（ＣＬＫ１）を遅延させる。第１遅延回路２８は、１サイクル程の大きな遅れは必要ないので、バッファを数段組み合わせた基本的な遅延回路で構成する。十分に時間を取りたい場合には、シフトレジスタを用いて、遅延させても良い。この第１遅延回路２８で遅延されている間に、第１モータモード設定保持回路１６の設定値は、実際にモータを制御する第１ドライバ回路７内に設けられたモータ動作環境に反映されることになる。

図３は、上記のＩ^２Ｃバスを通じたストップコンディションの後のモータ駆動パルス（ＣＬＫ１）の立上り変化によって、最新の設定値が反映される詳細タイミング図を示す。先ず、受信データ格納レジスタ回路１５に最新のモータ設定値が保持される。次に、モータ駆動パルス（ＣＬＫ１）及びモータ駆動パルス（ＣＬＫ２）の立上り変化を検知し、そのタイミングで受信データ格納レジスタ回路１５に保持されている最新の設定値を、第１モータモード設定保持回路１６及び第２モータモード設定保持回路１７に書き込む。

この時、ストップコンディションの後、受信データ格納レジスタ回路１５に、最新のデータが格納されても、直ちに、最新の設定値を反映した動作を行わない。シリアルポートを使った通信では、シリアルでデータを送信して行くため、短い時間で、最新の設定値が完成する分けでは無い。時間がかかるので、いつも決まったタイミングで更新できないという問題がある。

そこで、最新の設定値を反映するタイミングを確定するため、駆動パルス（ＣＬＫ１）を利用する。駆動パルス（ＣＬＫ１）を一定の期間、Ｌレベル（停止状態）とし、次に、動作を開始するタイミング（再始動タイミング）で、最新のモータ設定値を反映する。

この処理により、第１モータ３に最新の設定値を反映させるタイミングを明確にすることが出来る。しかし、駆動パルス（ＣＬＫ１）は、モータの回転に直接、関係しているので、第１モータモード設定保持回路１６の内容が切り換わり、直ちに、回転を制御することは難しい。そこで、若干の時間差が必要になる。この若干の時間差を作成するために、第１遅延回路２８が必要になる。

この動作のポイントは、比較的に時間の掛かるシリアルポートを用いて、最新の設定値を受信データレジスタ回路１５に格納させておき、一定期間の駆動パルスの停止期間を利用し、最新の設定値に更新するタイミングを確定するために構成とする。

上記の手順により、マイコン２から、第１モータ３の最新の設定値に更新するタイミングを自由自在に操作することが可能となる。モータは必ずしも、停止状態からの回転状態になるとは限らない。モータの回転中に、設定値を変更することはよくあることで、動作中に、カウンタの設定値を変更すると、誤動作を引き越す可能性があり、連続したモータ動作が出来ない不都合が生じる。そこで、駆動パルスを一定期間、停止状態とし、次の動作開始のタイミングで設定値を更新することは、モータに取っては、最も安全なタイミングでもある。

受信データ格納レジスタ回路１５の容量は、モータを制御するのに必要なビット数分だけ、記憶容量が必要であり、４８ビット程度あると、第１モータ３、第２モータ４を制御するのに、必要なビット数となる。受信データバッファ回路１３は、８ビットとすると、６回、受信データ格納レジスタ回路１５に送信すると、データは一杯になる。つまり、Ｉ^２Ｃバスを通じて、６回分、データを送信した後に、ストップコンディションを送り、データを完成させる必要がある。

更に、受信データ格納レジスタ回路１５は、第１モータモード設定保持回路１６と第２モータモード設定保持回路１７を合わせたビット数と同じであると、都合が良い。同じビット数であると、アドレスデコーダなどの介在は必要とせず、そのまま、同じビットの位置に、転送するだけ済み、シンプルな構成が可能となる。

図４は、第１ドライバ回路７の内部のブロック図を示す。第１ドライバ回路７の内部には、モータを制御するクロックの立上り／立下り検出回路７１、モータの各励磁モードを設定する励磁モード設定回路７２、基準電圧を生成しモータの電流を決定する基準電圧生成回路７３、立上り／立下り検出回路７１からの検出結果と励磁モード設定回路７２からの設定信号に応じて、動作する進相カウンタ７４と、実際に第１モータ３を制御するトランジスタ５０、５１、５２、５３のスイッチング制御を行う相励磁信号生成回路７５、基準電圧生成回路７３と進相カウンタ７４からの信号を受け、擬似的な正弦波を生成する擬似正弦波生成回路７６、擬似正弦波生成回路７６からの正弦波を受け、その正弦波に応じたＰＷＭ波形を生成するＰＷＭ制御回路７７を備えている。

第１モータモード設定保持回路１６では、順番に、最初の４ビット（１ビット目〜４ビット目まで）が立上り／立下り検出回路７１の設定に利用され、次の４ビット（５ビット目〜８ビット目まで）が励磁モード設定回路７２の設定に利用され、次の４ビット（９ビット目〜１２ビット目まで）が進相カウンタ７４の設定に利用され、次の４ビット（１３ビット目〜１６ビット目まで）が相励磁信号生成回路７５の設定に利用され、次の４ビット（１７ビット目〜２０ビット目まで）が基準電圧生成回路７３の設定に利用される。各ビットの順序は、第１ドライバ回路の動作環境に合わせれば良い。
相励磁信号生成回路７５では、進相カウンタ７４からカウント値を用いて、その励磁モードに必要な信号を作成する。これら一連の設定により、モータ制御回路１は、第１モータ３に対し、２相の駆動端子φ１（Ａ）、φ２（ＡＢ）、φ３（Ｂ）、φ４（ＢＢ）を出力する。

具体的な出力例として、図５に２相励磁モードのタイミングチャートを示し、図６に１−２相励磁モードのタイミングチャートを示す。相励磁信号生成回路７５からの進相カウンタ値によって、多岐に渡るモータ励磁モードを自在に設定することが出来る。

また、上記の実施例では、２相のステッピングモータを用いた場合を説明したが、３相モータ、５相モータでも、制御トランジスタが増加するだけ、基本的な回路構成には大きな変更は無い。
＜＜＜詳細説明＞＞
図１に示す様に、Ｉ−Ｖ変換回路８１は、第１モータ３に流れる電流を電圧に変換して出力する回路である。同様に、Ｉ−Ｖ変換回路８２は、第２モータ４を流れる電流を電圧に変換して出力する回路である。Ｉ−Ｖ変換回路８１から出力された電圧は過電流検知回路３９に印加され、Ｉ−Ｖ変換回路８２から出力された電圧は過電流検知回路４０に印加される。過電流検知回路３９及び過電流検知回路４０は、一般的に用いられる過電流検知回路であり、内部に比較器を持ち、基準となる電圧と比較することで、電流量の異常を判断する。過電流検知回路の内部の詳細な構成については省略する。また、過電流検知回路３９及び過電流検知回路４０は、検知結果を制御回路４５に出力する。次に、制御回路４５は、不揮発性メモリ４６に、検知結果を記憶させる。

また、制御回路４５は、不揮発性メモリ４６に記憶する際に、第１モータ３、第２モータ４のうち、どちらの電流が過電流になったかを示すデータをつけると、修理や再発防止の対策がし易い。上記の手順により、どちらのモータが過電流になったかを示すデータを、ＩＣの電源を遮断しても、不揮発性メモリに残すことが出来る。

また、比較器を用いた大小判定だけでは無く、Ａ／Ｄ変換器４４を用いて、第１モータ３、第２モータ４に流れる電流を電圧に変換したアナログ値をデジタル値に変換した値も、出力しても良い。この時、異常状態になる前から、定期的に、上記のデジタル値を不揮発性メモリ４６に記憶しておくと、時間的な変化も把握することが出来、急激に電流が増加したか、徐々に電流が増加したか、知ることが出来る。

更に、過電流だけでなく、過熱でも、ＩＣが破壊されることがある。そこで、温度に応じて抵抗値が変化する抵抗体を用いて、ＩＣの温度変化を検知することができる。上記の抵抗体として、サーミスタ４２を設け、サーミスタ４２に電流を流すことで、ＩＣの温度変化を知ることが出来る。サーミスタが一般的だが、サーミスタだけで無く、バンドギャップ素子を用いても良い。サーミスタ４２からの出力された電位は、過熱検知回路４１に出力される。

過熱検知回路４１は、一般的に用いられる過熱検知回路であり、過熱検知回路４１の内部の詳細な構成については省略する。過熱検知回路４１は内部に比較器を持ち、基準となる電圧と比較することで、ＩＣの温度の異常を判断し、過電流の時と同様に、電流を遮断する。

過熱検知回路４１の検知結果は、制御回路４５に出力される。制御回路４５は過熱の検知結果を、過電流の時と同様に、不揮発性メモリ４６に出力する。過電流の場合と同様に、Ａ／Ｄ変換器４４を用いて、デジタル値として、定期的に不揮発性メモリ４６に記憶しておくと、異常状態になる前から、時間的な変化を把握することが出来る。これにより、急激に熱が増加したか、徐々に熱が増加したか、知ることが出来る。

過電流検知回路３９、過電流検知回路４０と過熱検知回路４１を搭載し、それぞれ、どの検知回路から受けた検出信号が一番早かったかを検知する順序検出回路４３を備える。順序検出回路４３は、過電流と過熱のどちらが先に、異常状態となったか、判定することが出来る。順序検出回路４３で得た情報は、制御回路４５に出力され、制御回路４５は、
不揮発性メモリ４６に記憶する。過電流と過熱は、相関関係にあり、どちらか一方だけの変化に留まらない。過電流になると、少し遅れて過熱になり、過熱になると、少し遅れて過電流になる。短い時間しか差が無いと、どちらが先に検知したか、分かり難い。そこで、順序検出回路４３を用いて、システムクロックで、どちらの信号が先に、アクティブになったかを監視し、その監視結果を保持し、不揮発性メモリ４６に記憶する。また、図４の進相カウンタ７４のカウンタ値も、不揮発性メモリ４６に記憶すると、更にモータの詳細が分かる。

上記の構成により、「何時に」、「どのような状態で」、「どういう順序で」発生したかという情報を得ることが出来る。異常状態と判断すると、電流を遮断することで、ＩＣ破壊が防止できる。電流の遮断は、電源が切られることであり、異常状態の継続を停止することができるので、上記の課題を解決することが出来る様になった。

以上発明を実施するための最良の形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

例えば、図１に示したモータドライバ回路は、２個を内蔵したケースとしたが、モータドライバを３個、４個を内蔵した場合でも、同様に利用することが出来る。図７に、モータドライバ回路を４個、内蔵した場合を示す。モータドライバ回路を４個、内蔵した場合でも、アドレス一致検出回路内には、固有のアドレス値を１つ、予め用意しておけば良い。
以上の様に、モータドライバ回路が増えてもレジスタの容量を増やせばよく、新たに外部端子を設ける必要がなく、効率的にモータの制御を実現できる。

本実施形態に係るモータ制御回路の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るシリアル通信処理の概要を示すタイミング図である。 本実施形態に係るモータの設定値更新におけるタイミング図である。 本実施形態に係る第１ドライバ回路７の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る２相励磁モードの場合を示すタイミング図である。 本実施形態に係る１−２相励磁モードの場合を示すタイミング図である。 本実施形態に係るモータ制御回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ モータ制御回路
２ マイコン
３ 第１モータ
４ 第２モータ
５ 第３モータ
６ 第４モータ
７ 第１ドライバ回路
８ 第２ドライバ回路
１１ インターフェイス回路
１２ Ｉ^２Ｃバスコントローラ回路
１３ 受信バッファ回路
１４ アドレス一致検出回路
１５ 受信データ格納レジスタ回路
１６ 第１モータモード設定保持回路
１７ 第２モータモード設定保持回路
２０ 第１整形ノイズ除去回路
２１ 第２整形ノイズ除去回路
２４ 第１立上り検出回路
２５ 第２立上り検出回路
２８ 第１遅延回路
２９ 第２遅延回路

Claims (6)

1. 複数のモータの駆動を制御するモータ制御回路において、
   前記複数のモータを駆動制御する複数のモータドライバと、
   前記複数のモータを流れるそれぞれの電流の過電流状態を検知し、前記複数のモータドライバのうち、どのモータドライバが過電流になったのかを検知する過電流検知回路と、
   前記過電流検知回路から結果を受け、前記複数のモータドライバのうち、どのモータドライバが過電流になったのかを記憶する不揮発性メモリと、を備えることを特徴とするモータ制御回路。
2. 請求項１記載のモータ制御回路において、
   前記複数のモータを流れる電流を電圧に変換する複数の電流電圧変換回路と、を備え、
   前記過電流検知回路は、前記複数の電流電圧変換回路からの出力される複数の検知電圧値と、第１基準電圧とを比較することで、前記複数のモータを流れるそれぞれの電流の過電流状態を検知し、前記複数のモータドライバのうち、どのモータドライバが過電流になったのかを検知することを特徴とするモータ制御回路。
3. 温度が上昇することで、抵抗値が減少する抵抗体と、
   前記抵抗体に一定の電流を流すことで得られる第２電圧値と、第２基準電圧とを比較することで、前記複数のモータの過熱を検知する過熱検知回路と、
   前記過電流検知回路と前記過熱検知回路との双方から結果を受け、どちらの結果が先に変化したのかを検知する順序検知回路と、を備え、
   前記不揮発性メモリに、どのモータドライバが過電流になったのか、過熱になったか、を記憶することを特徴とする請求項２記載のモータ制御回路。
4. 前記検知電圧値をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、を備え、
   過電流を検知した時、前記複数のモータドライバの検知電圧値をデジタル値に変換した値を前記不揮発性メモリに記憶することを特徴とする請求項３記載のモータ制御回路。
5. 請求項４記載のモータ制御回路において、
   前記モータドライバは進相カウンタを有し、前記進相カウンタのカウンタ値を前記不揮発性メモリに記憶することを特徴とするモータ制御回路。
6. 請求項５記載のモータ制御回路において、
   外部とシリアル通信を行うシリアル通信回路と、を備え、
   前記シリアル通信回路は、前記不揮発メモリに記憶された値を、外部に出力することを特徴とするモータ制御回路。

Images