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JP2010088185A - モータ制御回路 - Google Patents

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JP2010088185A JP2008253402A JP2008253402A JP2010088185A JP 2010088185 A JP2010088185 A JP 2010088185A JP 2008253402 A JP2008253402 A JP 2008253402A JP 2008253402 A JP2008253402 A JP 2008253402A JP 2010088185 A JP2010088185 A JP 2010088185A
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Ryoichi Takahashi
良一 高橋
Hiroshi Inoue
広志 井上
Masatoshi Komada
雅俊 駒田
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Abstract

【課題】従来、異常状態を検知して、モータを流れる電流を停止させ、モータやドライバを破壊から守ることが出来ても、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、1つのシリアルポートを共有して使用することで、外部端子数を削減すると共に、この1つのシリアルポートを使って、複数のモータドライバの異常状態をリアルタイムでマスタICが知る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おける異常状態を、通信手段を用いて、外部に知らせるモータ制御回路に関する。
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、発煙や発火したり、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る。また、参考文献2は、所定回数以上、異常が発生した場合に運転を止める技術である。どちらの技術も、モータを止めることに主体を置いている。つまり、過電流により、異常状態を検知し、モータの回転を止めることのみを目的としており、異常状態の原因を突き止めることが出来ないという問題があった。
異常状態の原因を突き止める事は、修理する場合や再発防止を図る観点からも重要な情報となる。異常状態の原因によっては、修理の手法や対策が異なることがある。もし、修理の手法や対策を誤った場合には、過電流による発煙や発火などの災害となる可能性もあり、危険を出来るだけ回避するためにも、正確な修理や対策が求められていた。
本発明は、モータの駆動を制御するモータ制御回路において、前記モータを流れる電流の過電流を検知する過電流検知回路と、前記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の、どちらが先に検知したのかを検出する順序検出回路と、前記順序検出回路からのデータを外部に送信する通信手段と、を備えることを特徴とするモータ制御回路を提供する。
更に前記モータを流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、温度が上昇することで、抵抗値が変化する抵抗体と、を備え、前記過電流検知回路は前記電流電圧変換回路からの出力される第1電圧値と第1基準電圧とを比較することで前記モータを流れる電流の過電流を検知し、前記過熱検知回路は前記抵抗体に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モータの過熱を検知することを特徴とするモータ制御回路を提供する。
複数のICの中で、どのICが異常状態になったか分かるので、そのICを交換することで、正確な修理が可能となる。また、改良など、対策を取ることで、製品の信頼性を向上させることが出来る。
また、異常状態に供給している電源も遮断することが可能になるので、発煙や発火等の防止が可能となる。
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、IC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、ICバスを用いたケースで紹介する。IC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。
C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。IC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IC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IC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IC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、IC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IC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、IC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IC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、IC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、IC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IC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、IC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、送信データ格納レジスタ48を通じ、送信データバッファ49からICバスコントローラ回路12を通じて、マイコン2に出力することが出来る。ただし本システムはスレーブとしての動作を前提としているため、マイコン2からのデータ送信要求を頻繁に本ICに対して行う必要がある。マイコン2では、受信したデータを基に過電流や過熱を検知したことを知り、電源38の前段にあるブレーカ回路37に、電源の遮断する信号を送信し、第1モータ3、第2モータ4への電源供給が停止する。この際、瞬時に電流を遮断する高速動作が要求されるため、マイコン側はシステムとしての最適なシーケンス設計が必要となる。電流の遮断により、ICを破壊から防止することが出来る。
また、制御回路45は、マイコン2に出力する際に、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、外部のマイコン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マイコン2に出力しておくと、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、マイコン2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ICバスコントローラ回路12を通じて、マイコン2に、異常状態になる前から、定期的に、出力する構成としておくと、時間的な温度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、マイコン2に、過電流、過熱と同様に出力する。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、マイコン2に知らせる。また、図4の進相カウンタ74のカウンタ値も、マイコン2に送信すると、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の破壊が防止できる。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。
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。更に、モータドライバ回路をICに内蔵しても、対応することが出来、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 IC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. モータの駆動を制御するモータ制御回路において、
    前記モータを流れる電流の過電流を検知する過電流検知回路と、
    前記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の、どちらが先に検知したのかを検出する順序検出回路と、
    前記順序検出回路からのデータを外部に送信する通信手段と、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、
    前記モータを流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、
    温度が上昇することで、抵抗値が変化する抵抗体と、を備え、
    前記過電流検知回路は前記電流電圧変換回路からの出力される第1電圧値と第1基準電圧とを比較することで前記モータを流れる電流の過電流を検知し、前記過熱検知回路は前記抵抗体に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モータの過熱を検知することを特徴とするモータ制御回路。
  3. 請求項2記載のモータ制御回路において、
    前記順序検出回路からのデータを保持する記憶装置と、
    前記記憶装置からのデータをシリアルデータに変換するシリアル変換回路と、を備え、
    前記通信出段は、外部とシリアルデータにより、通信回路を行うことを特徴とするモータ制御回路。
  4. 請求項3記載のモータ制御回路において、
    電源供給を遮断するブレーカ回路と、を備え、
    前記ブレーカ回路は、前記過電流検知回路と前記過熱検知回路からの検知結果を基に、電源供給を遮断することを特徴とするモータ制御回路。
  5. 前記第1電圧値及び前記第2電圧値をデジタルデータに変換するA/D変換器と、を備え、
    前記通信手段は、前記デジタルデータを外部に送信することを特徴とする請求項4記載のモータ制御回路。
  6. 前記抵抗体は、サーミスタとすることを特徴とする請求項5記載のモータ制御回路。
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