電動機驅動裝置及采用電動機驅動裝置的電氣設備的制作方法

專利名稱：電動機驅動裝置及采用電動機驅動裝置的電氣設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及進行電動機的驅動控制的電動機驅動裝置及采用電動機 驅動裝置的電氣設備。
背景技術：
在進行電動機驅動控制的電動機驅動裝置中，為了將電動機的旋轉速 度設定在所期望值上，需要將加在電動機線圈一端上的驅動電壓(進而在 電動機線圈中流動的驅動電流)控制所期望值上。因此，在己有的電動機驅動裝置中，如圖13所示， 一般采用如下結 構，S卩通過采用雙極晶體管Trl Tr4作為H橋式電路的開關元件，并 且因備有根據作為驅動電壓設定信號而從外部輸入的控制電壓Vref，控制 上側晶體管Trl Tr2的基極電流的部件(晶體管Tra Trb和恒定電流源 Ia Ib)，從而將加在電動機線圈L的一端上的驅動電壓(進而在電動機線 圈L中流動的驅動電流)控制在所期望值(所謂的丟包器類型(dropper type)的調節器結構)。此外，圖13的控制電路CNT，是一種根據外部輸 入的工作模式控制信號FIN， RIN(2值信號)的邏輯，控制晶體管Td Tr4的接通/斷開狀態(即，電動機的工作模式)的部件。在由上述構成形成的電動機驅動裝置將上側晶體管Trl (Tr2)接通期 間，在電動機線圈L的一端上，施加使控制電壓Vrcf上升晶體管Tm(Trb) 的lVf，進而使控制電壓Vref下降晶體管Trl (Tr2)的1Vf所得到的驅動 電壓(與控制電壓Vref大致相同值的電壓)。此外，作為與上述關聯的其它已有技術，已經公開并提出了關于采用 場效應晶體管作為H橋式電路的開關元件，并且對各晶體管的柵極電壓進 行脈寬調制控制(以下，稱為PWM (Pulse Width Modulation)控制)的 電動機驅動控制系統(請參照特許第3665565號說明書(以下，稱為專利7文獻l))和使電容器的充放電電壓作為三角波輸出的三角波生成電路，通 過按照根據電源電壓的降低來使上述三角波的振幅降低的方式進行控制， 進而還根據該振幅降低用于對上述電容器進行充放電的電流值的方式進 行控制，從而將所輸出的三角波維持在規定的頻率上的技術(請參照由本專利申請人提出的日本特開2002-223563號專利公報(以下，稱為專利文 獻2)。又，至今，作為將帶有刷子的直流電動機的旋轉速度維持在所期望值 上的部件， 一般廣泛地采用了橋式伺服機構(請參照圖14A)和比例電流 伺服機構(請參照圖14B)等。此外，作為與上述關聯的已有技術，在日本特開平6-245573號專利公 報(以下，稱為專利文獻3)中，由本專利申請人公開并提出了一種直流 電動機控制電路，其特征在于，在將音頻信號的記錄介質的驅動用直流電 動機作為控制對象的電阻橋式電子調節(governor)型直流電動機控制電 路中，備有PWM方式的控制電路，其頻率是超過可聽見頻率的規定的恒 定頻率，并根據由上述電阻橋方式的電阻橋式電路檢測出的上述直流電動 機的旋轉狀態來調制脈沖寬度，由該控制電路對給上述直流電動機的電力 進行切換，從而控制上述直流電動機的旋轉速度。確實地，如果是圖13所示的已有結構的電動機驅動裝置，則通過用 裝置外部的分阻電路等適當地生成控制電壓Vref，不管電源電壓Vcc如何， 都可以根據控制電壓Vref，將加在電動機線圈L的一端上的驅動電壓(進 而在電動機線圈L中流動的驅動電流)控制在所期望值上。但是，在上述已有的電動機驅動裝置中，要維持晶體管Tm (Trb)的 工作，只能將控制電壓Vref設定至從電源電壓Vcc中減去晶體管Tra(Trb) 的1Vf后的電壓值(實際上是還考慮了恒定電流源Ia (Ib)中的電壓下降 的更低的電壓值)為止。因此，加在電動機線圈L的一端上的驅動電壓， 是比電源電壓Vcc至少下降了晶體管Tm (Trb)的1Vf后的電壓，不能夠 有效地活用該電源電壓范圍。又，在上述已有的電動機驅動裝置中，因為作為H橋式電路的開關元 件，使用雙極晶體管Trl Tr4，所以對該接通/斷開控制的響應性不一定高。此外，專利文獻1的已有技術完全是通過根據在電動機線圈中流動的驅動電流，對H橋式電路的開關元件進行PWM驅動，選擇地設定電動機 的工作模式的技術，關于根據外部輸入的控制電壓，將加在電動機線圈一 端上的驅動電壓設定在所期望值上的技術，沒有任何公開。又，專利文獻2的已有技術是關于用三角波生成電路生成的三角波的PWM驅動的開關調節器的技術，其主要目的完全是提供一種抑制當電源 電壓下降時的PWM驅動能力的降低，當電源電壓下降時也能夠確保規定 的占空比，可以對輸出電壓的變動充分地進行PWM驅動的開關調節器 (switching regulator),但是不能夠解決上述課題。又，關于將帶有刷子的直流電動機的旋轉速度維持在所期望值上的己 有技術，圖14A，圖14B所示的橋式伺服機構和比例電流伺服機構，監視 電動機M的端子電壓(進而與電動機M的旋轉速度成正比地發生的反向 電壓EBEMP)，以使它與規定的控制電壓Vref—致的方式，控制電源電壓 Vcc或電動機電流IM，但是在與能夠用簡單的結構將電動機M的旋轉速 度維持在所期望值相反的情況下，當用大電流驅動電動機M時，存在其 發熱和消耗電力增大等的問題。此外，如果根據專利文獻3的已有技術，則通過用開關調節器作為電 源電壓Vcc的控制部件，可以大幅度地減少消耗電力。但是，在專利文獻 3的已有技術中，除了作為它的電路要素需要高價的線圈外，旋轉速度的 設定也不一定就能夠說很容易。又，圖14A，圖14B所示的橋式伺服機構和比例電流伺服機構具有將 使電動機M —端與電源線連接起來作為前提的結構，因為為了任意地切 換電動機M的正轉/逆轉，上述伺服機構需要2個電路，所以成為導致電 路規模增大和成本上升的主要原因。發明內容本發明就是鑒于上述問題提出的，本發明的目的是提供容易并且在寬 范圍內可變地控制加在電動機線圈一端上的驅動電壓，進一步，能夠將該 驅動電壓維持在所期望值上的電動機驅動裝置和用它的電氣設備。為了達到上述目的，與本發明有關的電動機驅動裝置的結構為包括 輸出電路，其備有與電動機連接的開關元件；PWM信號生成電路，其生成占空比與加在上述電動機上的電源電壓和規定的控制電壓之比相應的 PWM信號；控制電路，其根據上述PWM信號進行上述開關元件的接通/ 斷開控制；和控制電壓生成電路，其監視在上述電動機中流動的電動機電流，按照將上述電動機的反向電壓維持在所期望值上的方式生成上述控制電壓。本發明其它特點、構件、步驟、優點和特性將從下列的參照附圖對本 發明的最佳實施方式的詳細描述變得更加清楚。


圖1是表示備有與本發明有關的電動機驅動裝置的電氣設備的第1實 施方式的框2是表示振蕩器OSC的一個結構例的框圖 圖3是表示振蕩器OSC的一個工作例的波形4是用于說明與工作模式控制信號FIN、 RIN相應的柵極信號生成 工作的5A，圖5B，圖5C，圖5D是分別用于說明各工作模式(正轉，逆 轉，剎車，空轉)中的驅動電流路徑的6是表示PWM信號生成電路23的一個變形例的電路圖 圖7A，圖7B是表示H橋式電路21的一個變形例的電路圖 圖8是表示振蕩器OSC的一個變形例的框圖 圖9是表示振蕩器OSC的一個工作例的波形10是表示備有與本發明有關的電動機驅動裝置的電氣設備的第2實施方式的框11是等效地表示帶有刷子的直流電動機的電路12是表示第2實施方式的一個變形例的框13是表示電動機驅動裝置的一個已有例的電路14A，圖14B是分別表示橋式伺服機構和比例電流伺服機構的一個已有例的電路圖具體實施方式
圖1是表示備有與本發明有關的電動機驅動裝置的電氣設備的第1實 施方式的框圖(包含一部分電路元件)。如本圖所示，本實施方式的電氣設備，由電動機1和進行電動機1的 驅動控制的電動機驅動裝置2構成。電動機1是在與電動機線圈L中流動的電流相應的方向旋轉的單相的帶有刷子的直流電動機，由電動機驅動裝置2，切換4個動作模式(正轉，逆轉，剎車，空轉)。此外，作為備有上述可逆轉的電動機l的電氣設備的一個機構例，能夠舉出托盤式CD唱機的托盤開閉機構、錄像機(video deck)的盒排出機 構、打印機的自動紙張切割機構、照相機的聚焦機構和空調機的百葉窗開 閉機構等，它們的搭載對象是極其不同的。電動機驅動裝置2，由H橋式電路21、控制電路22和PWM信號生 成電路23構成。H橋式電路21，由對構成電動機1的電動機線圈L (電抗占空比)連 接成H橋式的4個開關元件(P溝道場效應晶體管QH1， QH2和N溝道 場效應晶體管QL1， QL2)構成。現在具體說明H橋式電路21的內部結構。作為上側開關元件的晶體管QH1， QH2的源極，都與施加電源電壓 Vcc的電源輸入端子連接。作為下側開關元件的晶體管QL1， QL2的源極 都與接地端子連接。晶體管QH1， QL1的漏極相互連接，它們的連接節點 與連接電動機線圈L 一端的第1輸出端子連接。晶體管QH2， QL2的漏 極相互連接，它們的連接節點，與連接電動機線圈L的另一端的第2輸出 端子連接。晶體管QH1， QH2， QL1， QL2的各個柵極，分別與控制電路 22的柵極信號輸出端連接。此外，如圖1所示，二極管DH1， DH2， DL1， DL2分別以圖示的方 向與上述各晶體管QH1， QH2， QL1， QL2并聯連接，作為電動機線圈L 的反向電力吸收元件起作用。此外，當在各晶體管QH1， QH2， QL1， QL2 中附帶有寄生二極管時，也可以將該寄生二極管用作反向電力吸收元件。控制電路22，是上述各晶體管QHl, QH2， QL1， QL2的控制主體， 是為了根據從裝置外部輸入的工作模式控制信號FIN， RIN選擇應該接通的晶體管，并且根據從PWM信號生成電路23輸入的PWM信號控制它的 接通占空比，因而根據工作模式控制信號FIN， RIN和PWM信號，生成 上述各晶體管QH1， QH2， QL1， QL2的柵極信號的部件(包含作為驅動 器或預驅動器的功能部)。后面將詳細地說明控制電路22的具體工作。PWM信號生成電路23是生成占空比與經由H橋式電路21加在電動 機線圈L的一端或另一端上的電源電壓Vcc和從裝置外部輸入的控制電壓 Vref之比相應的PWM信號的部件。現在具體地說明PWM信號生成電路23的內部結構。如圖1所示，PWM信號生成電路23，由電阻R1 R4、阻抗變換器 ADJ、直流電壓源E1、振蕩器OSC和PWM比較器PCMP構成。電阻R1， R2串聯連接在電源輸入端子和接地端子之間，相互連接的 節點與振蕩器OSC的一個輸入端(上限值設定端)連接。令電阻R1， R2 的電阻比為m:n。即，電阻R1， R2作為以規定比a (=n/ (m+n))對電源 電壓Vcc進行分壓生成第1分壓電壓VH (WV(X)的第1分壓器起作用。直流電壓源El是生成規定的基準電壓VL的部件。此外，直流電壓 源E1的正極端與振蕩器OSC的另一個輸入端(下限值設定端)連接，負 極端與接地端子連接。振蕩器OSC是生成振蕩頻率一定，并且振幅根據第1分壓電壓VH 而變化的鋸齒波狀或三角波狀的振蕩電壓Vosc的部件，它的輸出端與 PWM比較器PCMP的翻轉輸入端(一)連接。此外，后面將詳細說明振 蕩器OSC的具體結構和工作。電阻R3， R4，經由阻抗變換器ADJ，串聯連接在控制電壓輸入端子 和接地端子之間，相互連接的節點與PWM比較器PCMP的非翻轉輸入端 (+ )連接。令電阻R3， R4的電阻比為m:n。艮P，電阻R3， R4作為以規 定比a (=n/ (m+n))對控制電壓Vref迸行分壓生成第2分壓電壓VR (-o;xVref)的第2分壓器起作用。阻抗變換器ADJ是在其輸入輸出之間使阻抗匹配的部件(緩沖部件)。PWM比較器PCMP是根據第2分壓電壓VR和振蕩電壓Vosc之間的 高低改變其輸出邏輯的比較部件，將它的輸出信號作為PWM信號送出到 控制電路22。此外，PWM信號是當第2分壓電壓VR比振蕩電壓Vosc高時成為高電平，當低時成為低電平的2值信號。接著，參照圖2和圖3詳細說明上述的振蕩器OSC的具體結構和工作。圖2是表示振蕩器OSC的一個結構例的框圖(一部分包含電路元件)， 圖3是表示振蕩器OSC的一個工作例的波形圖。此外，圖3上段的實線表示將當輸入電壓Va作為第1分壓電壓VH 時的振蕩電壓Vosc標記為"Vosc"的情形，圖3上段的虛線表示將輸入電壓 Vb(〉Va)作為第1分壓電壓VH時的振蕩電壓Vosc標記為"Vosc"'的情形。 又，在圖3下段中表示了將在上述各情形中生成的PWM信號分別標記為 『PWM』，『PWM，』的情形。如圖2所示，本實施方式的振蕩器OSC由電容器C1、電壓/電流變換 器VIC、可變電流源Il、第l，第2比較器CMP1， CMP2、 RS觸發器FF 和N溝道場效應晶體管Nl構成。電容器C1的一端與可變電流源Il的輸出端連接，另一方面作為振蕩 器OSC的輸出端，也與PWM比較器PCMP的翻轉輸入端(-)連接。艮P， 在本實施方式的振蕩器OSC中，引出電容器C1的端子電壓作為振蕩電壓 Vosc。此外，電容器C1的另一端接地。電壓/電流變換器VIC和可變電流源II是向電容器Cl供給與第1分 壓電壓VH成比例的充電電流i的部件。第1比較器CMP1是根據第1分壓電壓VH和電容器Cl的端子電壓 (振蕩電壓Vosc)之間的高低改變其輸出邏輯的比較部件。此外，第1 比較器CMP1的輸出信號是當第1分壓電壓VH比電容器Cl的端子電壓 高時成為高電平，當低時成為低電平的2值信號。第2比較器CMP2是與電容器C1的端子電壓(振蕩電壓Vosc)和規 定的基準電壓VL的高低來改變其輸出邏輯的比較部件。此外，第2比較 器CMP2的輸出信號是當電容器Cl的端子電壓比基準電壓VL高時成為 高電平，當低時成為低電平的2值信號。RS觸發器FF是根據向其翻轉置位端(SB)輸入的第1比較器CMP1 的輸出信號和向其翻轉復位端(RB)輸入的第2比較器CMP2的輸出信 號，從其輸出端(Q)送出晶體管Nl的柵極信號的部件。更具體地說，RS觸發器FF的輸出邏輯，按照在振蕩電壓Vosc達到第1分壓電壓VH 時成為高電平，此后，當達到基準電壓VL時恢復到低電平的方式，重復這種狀態遷移。晶體管N1，連接在電容器C1的一端和接地端子之間，作為根據RS 觸發器FF的輸出信號被控制接通/斷開的放電開關起作用。S卩，晶體管 Nl的接通/斷開狀態，按照當振蕩電壓Vosc達到第1分壓電壓VH時成為 接通狀態，此后，當達到基準電壓VL時恢復到斷開狀態的方式，重復這 種狀態遷移。通過上述充放電控制，如圖3上段所示，根據第1分壓電壓VH可變 地設定振蕩電壓Vosc的上限值，根據規定的基準電壓VL固定地設定振 蕩電壓Vosc的上限值。又，如上述的那樣，與第1分壓電壓VH成比例地增減電容器C1的 充電電流i的電流值(電容器C1的充電速度)。即，在本實施方式的振 蕩器OSC中，第1分壓電壓VH (進而電源電壓Vcc)越高，電容器Cl 的充電速度越快，第1分壓電壓VH越低，電容器C1的充電速度越慢。通過上述充放電控制，振蕩器OSC的振蕩周期(振蕩頻率)，不管 第1分壓電壓VH (進而電源電壓Vcc)如何，都保持一定。又，如上所述，在本實施方式的PWM信號生成電路23中，將第l， 第2分壓器的分壓比都設定在相同的值(c^n/m+n)上。從而，通過用PWM比較器PCMP，比較第2分壓電壓VR和振蕩電 壓Vosc，可以得到占空比與第1分壓電壓VH (電源電壓Vcc)和第2分 壓電壓VR (控制電壓Vref)之比相應的PWM信號，進而，根據用戶任 意設定的控制電壓Vref，可以容易并且在寬范圍內可變地控制加在電動機 線圈L一端上的驅動電壓(根據PWM控制施加的驅動電壓的有效值)(請 參照圖3下段)。此外，當生成控制電壓Vref時，不需要特別考慮與電源電壓Vcc的 相對關系(換句話說PWM信號的占空比)，只要能夠用裝置外部的電阻 分壓電路等，適當地生成與應該加在電動機線圈L一端上的驅動電壓等值 的電壓就行。例如，當應該施加給電動機線圈一端上的驅動電壓為3[V]時，電源電壓Vcc既可以為5[V]也可以為12[V]，作為控制電壓Vref，只要加上上述 所期望值3[V]就行。又，當將電源電壓Vcc自身加在電動機線圈L的一端上時，只要使控 制電壓輸入端子與電源輸入端子短路就行。下面，參照圖4和圖5A 圖5D詳細說明由控制電路22進行的H橋 式電路21的控制工作。圖4是用于說明與工作模式控制信號FIN、 RIN相應的柵極信號生成 工作的圖，圖5A 圖5D，是分別用于說明各工作模式(正轉，逆轉，剎 車，空轉)中的驅動電流路徑的圖。此外，在圖4中，記載在左端的符號"FIN"， "RIN"分別表示從裝置外 部輸入的工作模式控制信號FIN、 RIN的邏輯狀態，符號"QH1"， "QH2"， "QL1"， "QL2"分別表示構成H橋式電路21的晶體管QH1， QH2， QL1， QL2的柵極信號的邏輯狀態。又，符號"模式"表示電動機1的工作模式。當工作模式控制信號FIN、 RIN分別為高電平，低電平時，控制電路 22，為了使電動機l為"正轉模式"，按照使晶體管QH1， QL2接通，晶體 管QH2， QL1斷開的方式，生成各個柵極信號。通過生成這樣的柵極信號， 從而在構成電動機l的電動機線圈L中，經由H橋式電路21，在圖5A所 示的路徑中流過驅動電流，并正轉驅動電動機l。另一方面，當工作模式控制信號FIN、 RIN分別為低電平，高電平時， 控制電路22，為了使電動機1為"逆轉模式"，按照使晶體管QH2， QL1 接通，晶體管QH1， QL2斷開的方式，生成各個柵極信號。通過生成這種 柵極信號，在構成電動機l的電動機線圈L上，經由H橋式電路21，在 圖5B所示的路徑中流過驅動電流，逆轉驅動電動機1。當選擇上述兩個工作模式時，關于上述晶體管QH1， QH2，根據從 PWM信號生成電路23輸入的PWM信號控制它們的接通占空比。通過這 種PWM驅動，重復對電動機線圈L的驅動電流的充電和放電，進行驅動 電壓控制。從而，如果是本實施方式的電動機驅動裝置，則與電源電壓Vcc無關， 根據用戶設定的控制電壓Vref，將加在電動機線圈L一端上的驅動電壓(進 而在電動機線圈L中流動的驅動電流)控制在所期望值上。此外，當工作模式控制信號FIN、 RIN都為高電平時，控制電路22， 為了使電動機1為"剎車模式"，按照使晶體管QL1， QL2接通，晶體管 QH1， QH2斷開的方式，生成各個柵極信號。通過生成這種柵極信號，從 構成電動機l的電動機線圈L，經過H橋式電路21，按照圖5C所示的路 徑向接地端子釋放驅動電流，使電動機l剎車。又，當工作模式控制信號FIN、 RIN都為低電平時，控制電路22，為 了使電動機1為"空轉模式"，按照使晶體管QHl, QH2， QL1， QL2全部 斷開的方式，生成各個柵極信號。通過生成這種柵極信號，在H橋式電路 21中，根據構成電動機l的電動機線圈L的反向電力，在圖5D所示的路 徑中流過電流，使電動機l空轉。如上述那樣，如果是本實施方式的電動機驅動裝置，則由于能夠容易 并且在寬范圍內根據從外部輸入的控制電壓Vref可變地控制在電動機線 圈L一端施加的驅動電壓(進而在電動機線圈L中流動的驅動電流)，所 以可以有效地活用裝置的電源電壓范圍。又，如果是通過PWM驅動H橋式電路21的開關元件，將在電動機 線圈L的一端施加的驅動電壓控制在所期望值的結構，則由于在PWM控 制時的斷開期間，能夠利用來自電動機l的回生電流，所以可以在該斷開 期間切斷電源供給達到節省裝置電力的目的。進一步，如果是本實施方式的電動機驅動裝置，則由于采用場效應晶 體管作為H橋式電路21的開關元件，所以與采用雙極晶體管的已有結構 比較，可以提高對其接通/斷開控制的響應性。但是，即便采用雙極晶體管 作為開關元件，也可以實現上述本發明的上述效果，使用場效應晶體管不 一定是必須的構成要件。此外，在上述第l實施方式中，舉出了將單相的直流電動機作為驅動 對象的結構為例進行了說明，但是，第1實施方式的適用范圍不限定于此， 也可以廣泛地適用于將其它的電動機(音圈電動機和步進電動機等)作為 驅動對象的電動機驅動裝置。又，本發明的結構，除了上述實施方式外，在不脫離本發明主旨的范 圍內可以加上種種變更。例如，在上述實施方式中，以構成H橋式電路21的開關元件中PWM驅動上側晶體管QH1， QH2的結構為例進行了說明，但是本發明的結構 不限定于此，也可以形成PWM驅動下側晶體管QL1， QL2的結構。又，在上述實施方式中，舉出在PWM信號生成電路23中，分別對電 源電壓Vcc和控制電壓Vref進行分壓生成第1分壓電壓VH和第2分壓電 壓VR，用這些分壓電壓生成PWM信號的結構為例進行了說明，但是本 發明的結構不限定于此，如果在電源'GND之間采用可以最大振蕩(foil swing)驅動的PWM比較器PCMP，則如圖6所示，也可以是代替第1分 壓電壓VH和第2分壓電壓VR，直接用電源電壓Vcc和控制電壓Vref的 結構。又，圖1所示的阻抗變換器ADJ，不是必須的構成要素，如圖6所 示，也可以是將它除去的結構。又，在上述實施方式中，作為H橋式電路21的上側開關元件，舉出 用P溝道場效應晶體管QH1， QH2的結構為例進行了說明，但是本發明 的結構不限定于此，如圖7A，圖7B所示，作為上述的上側開關元件，也 可以用N溝道場效應晶體管QH1'， QH2'。這時，作為生成晶體管QH1'， QH2'的柵極電壓的部件，如圖7A所示，也可以使用使電源電壓Vcc升壓 的充電泵(chargepump)電路24，如圖7B所示，也可以使用通過采用二 極管D1' D2和電容器C1' C2'，從而對各個源極電壓自舉(bootstrap) 晶體管QH1'， QH2'的柵極電壓的自舉輸出段22a。又，在上述實施方式中，例示了振蕩電路OSC中模擬地生成所要的振 蕩電壓Vosc的結構并作了說明，但是本發明的結構不限定于此，也可以 是數字地生成所要的振蕩電壓Vosc的結構。圖8是表示振蕩器OSC的一個變形例的框圖，圖9是表示振蕩器OSC 的一個工作例的波形圖。此外，圖9上段的實線表示將在輸入電壓Va作為第1分壓電壓VH 時的振蕩電壓Vosc標記為"Vosc"的情形，圖9上段的虛線表示將在輸入電 壓Vb (>Va)作為第1分壓電壓VH時的振蕩電壓Vosc標記為"Vosc"的 情形。又，在圖9下段中表示了將在上述各種情形中生成的PWM信號分別標記為"PWM"， "pwivr的情形。如圖8所示，本實施例的振蕩器OSC的結構為，由對時鐘信號CLK 進行計數的自由運轉(free run)的計數器CT、和將計數器CT的計數值變換成模擬電壓的n位的數字/模擬變換器DAC (例如，6位的R-2R電路) 構成，并將數字/模擬變換器DAC的輸出作為振蕩電壓Vosc送出到后段的 PWM比較器PCMP。此外，在數字/模擬變換器DAC上，施加第1分壓電壓VH作為正電 源電壓(與振蕩電壓Vosc的上限設定電壓相當)，并且，加上基準電壓 VL作為負電源電壓(與振蕩電壓Vosc的下限設定電壓相當)。由上述結構形成的振蕩器OSC所生成的振蕩電壓Vosc，如圖9上段 所示，當計數器CT每次進行計數時，從基準電壓VL到第1分壓電壓VH， n階段地上升電壓電平后，在下一次計數中使電壓電平再次回到基準電壓 VL，成為以后也重復上述狀態遷移的鋸齒波狀。艮口，根據第1分壓電壓VH可變地設定振蕩電壓Vosc的上限值，根 據規定的基準電壓VL固定地設定振蕩電壓Vosc的下限值。又，因為振 蕩電壓Vosc的振蕩周期(振蕩頻率)，是根據時鐘信號CLK的振蕩頻率 和數字/模擬變換器DAC的比特分辨率而決定的，所以如圖9下段所示， 不管第1分壓電壓VH (進而電源電壓Vcc)如何，都保持一定。這樣，如果是本變形例的振蕩器OSC，則與圖2的結構比較，可以更 容易并且高精度地控制振蕩電壓Vosc的振蕩周期。特別是，如果形成從 外部輸入時鐘信號CLK的結構，則當進行多個電動機的驅動控制時，容 易取得各個驅動控制的同步。又，也可以考慮通過單純地比較具有與電源電壓Vcc無關的規定振幅 的振蕩電壓Vosc和從外部輸入的控制電壓Vref從而生成PWM信號，用 該PWM信號進行開關元件的PWM驅動的結構，但是當采用該結構時， 用戶自身必須考慮電源電壓Vcc和所要的驅動電壓之間的相關關系預先 算出PWM信號的占空比，根據該計算結果輸入控制電壓Vref。另一方面， 如果是上述實施方式的結構，則用戶只要輸入與所要的驅動電壓值相同值 的控制電壓Vref就足夠了。因此，為了減輕用戶的負擔，優選采用上述實 施方式的結構。又，也可以考慮讀對工作模式控制信號FIN、 RIN自身進行PWM控 制，用它進行開關元件的PWM驅動的結構，但是當采用該結構時，必須 更新微計算機的固件等，變更工作模式控制信號FIN， RIN的生成部件，18結果迫使用戶大幅度改變系統。另一方面，如果是上述實施方式的結構， 則用戶僅將電動機驅動裝置置換成本實施方式的裝置，關于工作模式控制信號FIN， RIN，只要輸入與從前同樣的信號就足夠了。因此，為了避免系統的大幅度改變，優選采用上述實施方式的結構。下面，我們詳細說明備有與本發明有關的電動機驅動裝置的電氣設備的第2實施方式。圖10是表示備有與本發明有關的電動機驅動裝置的電氣設備的第2 實施方式的框圖(包含一部分電路元件)。如本圖所示，本實施方式的電氣設備，作為進行帶有刷子的直流電動 機1'的驅動控制的電動機驅動裝置2，由電動機驅動IC20、與它外部連接 的電阻Rexl， Rex2， Rex3和平滑電容器Cexl構成。在電動機驅動IC20中，除了上述的H橋式電路21、控制電路22和 PWM信號生成電路23外，還集成了峰值保持電路25、差動放大器AMPa， AMPb、 npn型雙極晶體管Qa， Qb和pnp型雙極晶體管Qc， Qd。電阻Rex3 (電阻值:R^)是檢測電動機電流IM作為監視電壓VM (=IMxRNF)的部件(電動機電流檢測電阻)，它的一端與晶體管QL1， QL2 的源極連接，同時也與峰值保持電路25的監視電壓輸入端連接。另一方 面，電阻Rex3的另一端與接地端連接。峰值保持電路25是保持表示矩形波形的監視電壓VM的峰值電平，輸 出該監視電壓作為保持電壓Vhold的部件。此外，如圖10所示，本實施 方式的電動機驅動IC20具有在IC外部引回從電阻Rex3 —端引出的監視 電壓VM，經過傳感器端子外部輸入到峰值保持電路25的結構。因為通過 采用這種結構，比在IC內部引回監視電壓VM，更能夠抑制配線電阻的偏 差，所以可以高精度地將電動機l'的旋轉速度維持在所期望值上。差動放大器AMPa的第1非翻轉輸入端(+ )與峰值保持電路25的保 持電壓輸出端連接。差動放大器AMPa的第2非翻轉輸入端(+)與限制 電壓VcL的施加端連接。差動放大器AMPa的翻轉輸入端(-)與晶體管 Qa的發射極連接，另一方面經過電阻Ra (電阻值:R^)也與接地端連接。 差動放大器AMPa的輸出端與晶體管Qa的基極連接。此外，差動放大器 AMPa，按照保持電壓Vhold和限制電壓Va中較低的一方與電阻Ra的端子電壓一致的方式進行晶體管Qa的開閉控制。即，上述差動放大器AMPa、 晶體管Qa和電阻Ra作為第1電壓/電流變換電路起作用，該第1電壓/電 流變換電路，在保持電壓Vhold比限制電壓VcL低時，從晶體管Qa的集 電極引入與保持電壓Vhold (迸而監視電壓Vm的峰信屯平)相應的反饋 電流IFB (=IMxRNF/RFB)。另一方面，當保持電壓Vh0ld比限制電壓VcL高時，因為生成與限制電壓VcL相應的反饋電流Ira (= Vcl/Rfb)，所以對電動機電流IM加以限 制。這種結構在不使電動機l完全接通時是有效的。此外，在PWM信號 生成電路23中也可以對PWM信號接通占空比設置上限值，但是如果是 設置限制電壓Vcl的結構，則因為能夠對電動機電流IM的峰值電平直接加 上限制，所以設定變得容易了。差動放大器AMPb的非翻轉輸入端(+),與設定電動機l'的旋轉速度 (反向電壓)的基準電壓Vs的施加端連接。差動放大器AMPb的翻轉輸 入端(-)與晶體管Qb的發射極連接，另一方面經過電阻Rex 1 (電阻值:Rs) 也與接地端連接。差動放大器AMPb的輸出端與晶體管Qb的基極連接。 此外，差動放大器AMPb，按照使基準電壓Vs和電阻Rexl的端子電壓一 致的方式，進行晶體管Qb的開閉控制。即，上述差動放大器AMPb、晶 體管Qb和電阻Rexl，作為從晶體管Qb的集電極引入與基準電壓Vs相 應的基準電流Is (=Vs/Rs)的第2電壓/電流變換電路起作用。晶體管Qc， Qd的發射極都與電源電壓Vcc的施加端連接。晶體管Qc， Qd的基極都與晶體管Qc的集電極連接。晶體管Qc的集電極與晶體管Qa， Qb的各集電極連接。即，晶體管Qc， Qd作為電流反射鏡電路起作用， 該電流反射鏡電路以規定的比率(l:n)對上述的反饋電流Ira和基準電流 Is的合計電流(IFB+Is)進行反射，生成控制電流Iref (=nx (IFB+Is))。電阻Rex2 (電阻值:Rref)是對控制電流Iref進行電壓變換生成控制電 壓Vref (-IrefxRref)的部件，它的一端與晶體管Qd的集電極連接，并且 也與FWM信號生成電路23的控制電壓輸入端連接。另一方面，電阻Rex2 的另一端與接地端連接。平滑電容Cexl是與電阻Rex2并聯連接，使控制電壓Vref穩定化的 部件。由于通過設置這種平滑電容Cexl，能夠抑制控制電壓Vref的變動，所以可以高精度地將電動機l'的旋轉速度維持在所期望值上。此外，當設置平滑電容Cexl時，也可以除去上述的峰值保持電路25。在由上述結構形成的電動機驅動裝置2中，電阻Rex3 (電動機電流檢 測電阻)、峰值保持電路25、第1電壓/電流變換電路(差動放大器AMPa， 晶體管Qa和電阻Ra)、第2電壓/電流變換電路(差動放大器AMPb,晶 體管Qb和電阻Rexl)、電流反射鏡電路(晶體管Qc， Qd)、電阻Rex2 和電容Cexl作為控制電壓生成電路起作用，該控制電壓生成電路監視在 電動機1'中流動的電動機電流IM，按照將電動機l'的反向電壓(進而電動 機l'的旋轉速度)維持在所期望值上的方式生成控制電壓Vref。這里，當假定用圖ii的等效電路表現帶有刷子的電動機r時，關于 電動機r的兩端電壓，下列公式(i)成立。此外，關于在上述公式(i)中包含的符號，分別為RM表示電動機r的電樞電阻，lM表示電動機電流，EBEMF表示電動機l'的反向電壓，Vref表示控制電壓(進而根據PWM控制加在電動機r一端上的驅動電壓的有效值)，RoN表示構成H橋式電路21的開關元件的接通電阻的合計值，RNF 表示電阻Rex3的電阻值。又，控制電壓Vref由下列公式(2)表示。此外，關于在上述公式(2)中包含的符號，分別為IFB表示由第1電壓/電流變換電路生成的反饋電流，Is表示由第2電壓/電流變換電路生成 的基準電流，n表示電流反射鏡電路的反射比，Rref表示電阻Rex2的電 阻值，Rra表示電阻Ra的電阻值。從而，通過將上述公式(2)代入上述公式(1)中經過整理后，電動機1'的反向電壓EBEMF由下列公式(3)表示。<formula>formula see original document page 22</formula>這里，按照滿足下列公式(4)的方式，設定電阻Rex2的電阻值Rref。旨^ '〖R咖4.RW +EM)(4)因為通過進行這樣的電阻值的設定，上述公式(3)的第1項成為0，所以電動機1'的反向電壓EBEMF由下列公式(5)表示。=n''Rrcf'^ … C5》此外，關于在上述公式(5)中包含的符號，分別為Vs表示設定電動 機l'的旋轉速度(進而反向電壓)的基準電壓，Rs表示電阻Rexl的電阻這樣,在第2實施方式的電動機驅動裝置2中，與電動機電流lM無關, 按照維持由上述公式(5)決定的反向電壓EBE,(即旋轉速度)的方式， 進行控制電壓Vref的反饋控制。艮P，第2實施方式的電動機驅動裝置2具有利用生成占空比與電源電 壓Vcc和控制電壓Vref之比相應的PWM信號的PWM信號生成電路23， 實現一種比例電流控制(電子調節)的結構。通過形成這種結構，可以容易并且在寬范圍內可變地控制加在電動機 線圈的一端上的驅動電壓，進一步，可以將該驅動電壓維持在所期望值上。又，如果是第2實施方式的電動機驅動裝置2，則與已有的橋式伺服 機構和比例電流伺服機構(參照圖14A，圖14B)不同，當用大電流驅動 電動機1'時，除了能夠抑制由PWM驅動引起的發熱和消耗電力外，關于電動機l怖旋轉方向切換控制，也如第1實施方式中所述的那樣，可以根 據工作模式控制信號FIN， RIN，任意地切換它的正轉/逆轉。此外，在上述第2實施方式中，為了提高用戶設定的自由度，舉出外 帶電阻Rexl， Rex2， Rex3的結構為例進行了說明，但是本發明的結構不 限定于此，也可以是將各個電阻內藏在IC中。又，外帶電阻Ra,或者設 置用于任意地調整基準電壓Vs和控制電壓Vcl的外部端子等，進一步采 用提高用戶設定的自由度的結構也是自由的。又，在上述第2實施方式中，舉出生成與電動機電流IM相應的監視電 壓VM，將它的峰值電平再變換成電流以生成反饋電流IFB的結構為例進行 了說明，但是本發明的結構不限定于此，也可以形成用電流反射鏡電路從 電動機電流lM直接生成反饋電流Ira的結構。但是，當采用該結構時，由于根據電流反射鏡電路的反射比調整反饋電流lFB的電流值，所以擔心當反射比增大時，難以取得高精度。因此，為了提高反饋電流Ifb的精度和 調整的容易性，則優選采用上述第2實施方式。又，在上述第2實施方式中，舉出采用H橋式電路21 (全橋式電路) 作為電動機驅動IC20的輸出段的結構為例進行了說明，但是本發明的適 用對象不限定于此，如圖12所示，也可以形成由對電動機1'(構成它的 電動機線圈)連接成"圖騰柱"式的2個開關元件(在圖12中二極管DH1 和晶體管QL1)構成的半橋式電路21'的結構。接著描述本發明的效果，根據本發明，可以容易并且在寬范圍內可變 地控制加在電動機線圈一端上的驅動電壓，進一步，可以將該驅動電壓維 持在所期望值上。接著描述在產業上的可利用性時，本發明，對于在進行電動機的驅動 控制的電動機驅動裝置和用它的電氣設備，可以容易并且在寬范圍內設定 電動機的旋轉速度，進一步，在將該驅動電壓維持在所期望值方面是有用 的技術。以上雖然已經用最佳實施方式描述了本發明，但是對于本領域技術人 員來說，顯然可以用許多方法修改所公開的本發明，并且可以采用許多與 上面己經具體設置和描述了的那些實施方式不同的實施方式。因此，本發 明意圖用附加的權利要求書覆蓋落在本發明的真實精神和范圍內的對本發明的所有修改。
權利要求
1.一種電動機驅動裝置，包括輸出電路，其備有與電動機連接的開關元件；PWM信號生成電路，其生成占空比與加在上述電動機上的電源電壓和規定的控制電壓之比相應的PWM信號；控制電路，其根據上述PWM信號進行上述開關元件的接通/斷開控制；和控制電壓生成電路，其監視在上述電動機中流動的電動機電流，按照將上述電動機的反向電壓維持在所期望值的方式生成上述控制電壓。
2. 根據權利要求l所述的電動機驅動裝置，其特征在于， 上述控制電壓生成電路包含第1電阻，其檢測上述電動機電流作為監視電壓； 峰值保持電路，其保持上述監視電壓的峰值電平；第1電壓/電流變換電路，其生成與上述監視電壓的峰值電平相應的反 饋電流；第2電壓/電流變換電路，其生成與規定的基準電壓相應的基準電流； 電流反射鏡電路，其以規定的比率對上述反饋電流和上述基準電流的 合計電流進行鏡面反射以生成控制電流；和第2電阻，其對上述控制電流進行電壓變換以生成上述控制電壓。
3. 根據權利要求2的電動機驅動裝置，其特征在于， 上述控制電壓生成電路，具有與第2電阻并聯連接的平滑電容器。
4. 根據權利要求l所述的電動機驅動裝置，其特征在于， 上述輸出電路，是由對于構成上述電動機的電動機線圈被連接成H橋式的4個開關元件構成的H橋式電路；上述控制電路，根據規定的工作模式控制信號，選擇應該接通的開關 元件，并且根據上述PWM信號控制其導通占空比。
5. 根據權利要求l所述的電動機驅動裝置，其特征在于， 上述輸出電路是由對于構成上述電動機的電動機線圈被連接成圖騰柱式的2個開關元件構成的半橋式電路。
6. 根據權利要求l所述的電動機驅動裝置，其特征在于， 上述PWM信號生成電路包含第1分壓器，其以規定比對上述電源電壓進行分壓以生成第1分壓電壓；第2分壓器，其以上述規定比對上述控制電壓進行分壓以生成第2分 壓電壓；振蕩器，其生成振蕩頻率恒定、并且振幅根據第1分壓電壓而變化的 鋸齒波狀或三角波狀的振蕩電壓；和PWM比較器，其根據第2分壓電壓與上述振蕩電壓之間的高低來改 變其輸出邏輯，其中，上述PWM信號生成電路，將上述PWM比較器的輸出信號作 為上述PWM信號送出到上述控制電路。
7. 根據權利要求6所述的電動機驅動裝置，其特征在于， 上述振蕩器包含電容器，其端子電壓作為上述振蕩電壓被引出；充電電流供給電路，其向上述電容器供給與第1分壓電壓成比例的充 電電流；第1比較器，其根據上述第1分壓電壓與上述電容器的端子電壓之間 的高低來改變其輸出邏輯；第2比較器，其根據上述電容器的端子電壓與規定的基準電壓之間的 高低來改變其輸出邏輯；RS觸發器，其置位輸入第1比較器的輸出信號，復位輸入第2比較 器的輸出信號；和放電開關，其被連接在上述電容器的一端與接地端之間，根據上述 RS觸發器的輸出信號被控制接通/斷開。
8. 根據權利要求6所述的電動機驅動裝置，其特征在于， 上述振蕩器包含對時鐘信號進行計數的計數器；和將上述計數器的計數值變換成模擬電壓的數字/模擬變換器，其中，上述振蕩器送出上述數字/模擬變換器的輸出作為上述振蕩電壓。
9. 根據權利要求8所述的電動機驅動裝置，其特征在于， 在上述數字/模擬變換器上，加上第1分壓電壓作為正電源電壓，并且加上規定的基準電壓作為負電源電壓。
10. —種電氣設備，包括電動機；和電動機驅動裝置，其進行上述電動機的驅動控制；其中，上述電動機驅動裝置包含輸出電路，其備有與上述電動機連接的開關元件；PWM信號生成電路，其生成占空比與加在上述電動機上的電源電壓 和規定的控制電壓之比相應的PWM信號；控制電路；其根據上述PWM信號來進行上述開關元件的接通/斷開控 制；和控制電壓生成電路，其監視在上述電動機中流動的電動機電流，并按 照將上述電動機的反向電壓維持在所期望值的方式生成上述控制電壓。
11. 根據權利要求10所述的電氣設備，其特征在于， 上述控制電壓生成電路包含第1電阻，其檢測上述電動機電流作為監視電壓； 峰值保持電路，其保持上述監視電壓的峰值電平；第1電壓/電流變換電路，其生成與上述監視電壓的峰值電平相應的反 饋電流；第2電壓/電流變換電路，其生成與規定的基準電壓相應的基準電流； 電流反射鏡電路，其以規定比率對上述反饋電流和上述基準電流的合 計電流進行鏡面反射以生成控制電流；和第2電阻，其對上述控制電流進行電壓變換以生成上述控制電壓。
12. 根據權利要求11的電氣設備，其特征在于， 上述控制電壓生成電路具有與第2電阻并聯連接的平滑電容器。
13. 根據權利要求10所述的電氣設備，其特征在于， 上述輸出電路是由對于構成上述電動機的電動機線圈被連接成H橋式的4個開關元件構成的H橋式電路；上述控制電路，根據規定的工作模式控制信號選擇應該接通的開關元件，并且根據上述PWM信號控制其接通占空比。
14. 根據權利要求10所述的電氣設備，其特征在于，上述輸出電路是由對于構成上述電動機的電動機線圈被連接成圖騰柱式的2個開關元件構成的半橋式電路。
15. 根據權利要求10所述的電氣設備，其特征在于， 上述PWM信號生成電路包含第i分壓器，其以規定比對上述電源電壓進行分壓以生成第1分壓電壓；第2分壓器，其以上述規定比對上述控制電壓進行分壓以生成第2分 壓電壓；振蕩器，其生成振蕩頻率恒定、并且振幅根據第1分壓電壓而變化的 鋸齒波狀或三角波狀的振蕩電壓；和PWM比較器，其根據第2分壓電壓和上述振蕩電壓之間的高低來改 變其輸出邏輯，其中，上述PWM信號生成電路將上述PWM比較器的輸出信號作為 上述PWM信號送出到上述控制電路。
16. 根據權利要求15所述的電氣設備，其特征在于， 上述振蕩器包含電容器，其端子電壓作為上述振蕩電壓被引出；充電電流供給電路，其向上述電容器供給與第1分壓電壓成比例的充 電電流；第1比較器，其根據上述第1分壓電壓和上述電容器的端子電壓之間 的高低來改變其輸出邏輯；第2比較器，其根據上述電容器的端子電壓和規定的基準電壓之間的 高低來改變其輸出邏輯；RS觸發器，其置位輸入第1比較器的輸出信號，復位輸入第2比較 器的輸出信號；禾口放電開關，其被連接在上述電容器的一端和接地端之間，根據上述RS觸發器的輸出信號被控制接通/斷開。
17. 根據權利要求15所述的電氣設備，其特征在于，上述振蕩器包含計數器，其對時鐘信號進行計數；和將上述計數器的計數值變換成模擬電壓的數字/模擬變換器，其中，上述振蕩器送出上述數字/模擬變換器的輸出作為上述振蕩電壓。
18. 根據權利要求17所述的電氣設備，其特征在于， 在上述數字/模擬變換器上，加上第1分壓電壓作為正電源電壓，或者加上規定的基準電壓作為負電源電壓。
19. 根據權利要求10所述的電氣設備，其特征在于， 上述電動機是帶有刷子的直流電動機。
全文摘要
與本發明有關的電動機驅動裝置的結構包括輸出電路，其備有與電動機連接的開關元件；PWM信號生成電路，其生成占空比與加在上述電動機上的電源電壓和規定的控制電壓之比相應的PWM信號；控制電路，其與上述PWM信號相應地進行上述開關元件的接通/斷開控制；和控制電壓生成電路，其監視在上述電動機中流動的電動機電流，按照將上述電動機的反向電壓維持在所期望值上的方式生成上述控制電壓。
文檔編號H02P7/28GK101262197SQ20081008343
公開日2008年9月10日 申請日期2008年3月5日 優先權日2007年3月6日
發明者平田茂 申請人:羅姆股份有限公司