(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と負荷とを通断電するスイッチング素子と、
前記負荷へ流れる通電電流量を検出して検出信号を出力する電流検出回路と、
外部より与えられる通電電流量の指令値と前記電流検出回路が出力する検出信号との差に基づいて前記スイッチング素子に対して制御信号を出力する電流制御回路と、
前記指令値が零である間は、前記電流制御回路が前記スイッチング素子をオフ状態に維持する制御信号を出力するように設定を行うオフ状態設定回路とを具備し、
前記電流制御回路が出力する制御信号は、ＰＷＭ信号であり、
前記電流制御回路は、前記指令値と前記検出信号との差に応じた信号を出力するオペアンプと、このオペアンプの出力信号と搬送波信号とを比較してＰＷＭ信号を出力するコンパレータとで構成され、
前記電流検出回路は、演算増幅器で構成され、
前記オフ状態設定回路は、前記指令値が零である間は、前記演算増幅器の入力状態とは無関係に前記検出信号のレベルを強制的に設定することで前記オペアンプの出力信号をロウレベルに設定することを特徴とする負荷駆動装置。
【請求項２】
前記スイッチング素子は、前記負荷とアースとの間に接続されており、
前記電源と負荷との間には、電流遮断用の遮断用スイッチング素子が接続されていることを特徴とする請求項１記載の負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源と負荷とを通断電することにより、負荷に供給される電流量を制御してその駆動を制御する負荷駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の負荷駆動装置の一例として、コピー，ＦＡＸ，プリンタや、産業用ロボットの駆動制御等に使用されているステッピングモータ（以下、モータと称す）に供給する電流量を、回転磁界のダンピングやモータの応答性を高めるためなどの目的で制御する制御装置がある。
【０００３】
従来、この様な制御装置においては、例えば、電流ヒステリシス制御方式等が用いられていた。電流ヒステリシス制御方式は、電流値が比較的大なる領域での制御には十分であるが、電流値が０Ａ付近の小なる領域での制御に対して使用するには、制御精度を確保するのが困難であった。
【０００４】
電流値が比較的小なる領域における制御をより精密に行うために、例えばＰＷＭ制御によってモータの通電電流量を０Ａから滑らかに精度良く増減させることを考えた場合、例えば、図３に示すような回路構成が想定される。
【０００５】
この図３において、直流電源＋Ｂとアースとの間には、電流検出用の抵抗１，ｐチャネルのＭＯＳＦＥＴ（以下、ＦＥＴと称す）２のソース−ドレイン，モータ３，ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴ（以下、ＦＥＴと称す）４のドレイン−ソースの直列回路が接続されている。
【０００６】
抵抗１の電源＋Ｂ側及びモータ３側の端子は、夫々抵抗５及び６を介してオペアンプ７の非反転入力端子及び反転入力端子に接続されており、オペアンプ７の出力端子は、ｎｐｎ形のトランジスタ８のベースに接続されている。トランジスタ８のコレクタは、オペアンプ７の非反転入力端子に接続されており、エミッタは、抵抗９を介してアースに接続されていると共に、抵抗１０を介してオペアンプ１１の反転入力端子に接続されている。
【０００７】
積分回路を構成するオペアンプ１１の非反転入力端子には、外部より電流指令値が与えられるようになっており、オペアンプ１１の反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ１２が接続されている。また、オペアンプ１１の出力端子は、コンパレータ１３の反転入力端子に接続されている。尚、以上のオペアンプ１１を中心とする積分回路は、抵抗１に流れる電流の検出に基づいてトランジスタ８から出力される信号を平滑化して、次段のコンパレータ１３に与えるために設けられている。
【０００８】
そのコンパレータ１３の非反転入力端子には、三角波発生器１４からＰＷＭ信号の搬送波である三角波が与えられるようになっており、コンパレータ１３の出力端子は、負論理のドライバ１５を介してＦＥＴ４のゲートに接続されている。
【０００９】
ＦＥＴ２のゲートには、図示しない制御回路からゲート信号が与えられるようになっている。ＦＥＴ２は、電流指令値が零である場合は常時オフ状態であり、電流指令値が零以外である場合はオン状態となるように制御される。尚、実際にはモータ３の巻線は複数相分あり、上記の回路は、各相毎に対応して設けられている。
【００１０】
以上のような制御装置の構成を想定し、外部よりある値の電流指令値が与えられＦＥＴ２及び４がオン状態であり、モータ３に電流量Ｉｍの電流が供給されて既に駆動されている状態の動作について以下に考察する。
【００１１】
オペアンプ７の非反転入力端子，反転入力端子における入力電圧を、夫々Ｖ１（＋），Ｖ１（−）とすると、（１）式，（２）式となる。
Ｖ１（＋）＝ＶＢ−ｒ×ｉ                        …（１）
Ｖ１（−）＝ＶＢ−Ｒ×Ｉｍ                      …（２）
但し、ＶＢは電源＋Ｂの電圧，ｒは抵抗５の抵抗値，ｉは非反転入力端子に流れる電流値（即ち、トランジスタ８に流れるコレクタ電流），Ｒは抵抗１の抵抗値である。
【００１２】
Ｖ１（＋）＝Ｖ１（−）であるから、
0003728857.tif 000002
となる。トランジスタ８に流れるベース電流は、コレクタ電流に比較して小さく無視できるから、トランジスタ８のエミッタに接続された抵抗９（抵抗値Ｒ１）の端子電圧ＶＯ１は、
0003728857.tif 000003
となる。
【００１３】
また、オペアンプ１１の非反転入力端子，反転入力端子における入力電圧を夫々Ｖ２（＋）（電流指令値），Ｖ２（−）とし、コンデンサ１２に流れる電流をＩｃとすると、
Ｉｃ＝（ＶＯ１−Ｖ２（−））／Ｒ２              …（５）
である。但し、Ｒ２は抵抗１０の抵抗値である。従って、コンデンサ１２の容量をＣ，電流Ｉｃがｔ秒間流れてコンデンサ１２に充電された電荷をＱとすると、オペアンプ１１の出力電圧ＶＯ２は、
0003728857.tif 000004
となる。
【００１４】
即ち、オペアンプ１１の出力電圧ＶＯ２は、電流量Ｉｍに比例した電圧ＶＯ１とＶ２（−）（電流指令値Ｖ２（＋）に等しい）との差に基づくレベルの電圧として出力される。出力電圧ＶＯ２のレベルは、コンパレータ１３において搬送波たる三角波のレベルと比較されてＰＷＭ信号が出力される。そして、ＦＥＴ４のゲート信号は、電圧ＶＯ１とＶ２（−）との差が大である程オン時間が長くなるＰＷＭ信号として与えられる。
【００１５】
以上のような回路構成を想定すれば、電流指令値に応じた値の電流量Ｉｍをモータ３に供給することができ、電流値が比較的小なる領域においても精密な制御を行うことが可能となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（４）式及び（６）式から、オペアンプ１１の出力電圧ＶＯ２は、モータ３に流れる電流量Ｉｍに比例したものとなっている。このため、初期状態で電流指令値が０Ａ、即ちＶ２（＋）＝０であり、電流量Ｉｍが確定しない状態においては、オペアンプ１１の出力は不定となってしまう。
【００１７】
この様な初期状態において、オペアンプ１１の出力が不定でハイレベル（即ち、略電源電圧に等しいレベル）を示す場合の回路動作について、本発明の発明者が行った実験結果の一例を示す図４を参照して説明する。尚、電源＋Ｂの電圧ＶＢは、約１４Ｖ程度である。
【００１８】
電流指令値が０Ａの時点▲１▼（図４（ｃ）参照）でオペアンプ１１の出力信号がハイレベルであるからＦＥＴ４のゲートに出力されるゲート信号がハイレベルとなり（図４（ａ），（ｂ）参照）、ＦＥＴ４は既にオン状態にある。
【００１９】
そして、電流指令値が０Ａからある所定の値（例えば２．５Ａ）に変化すると（図４（ｃ），▲２▼参照）、ＦＥＴ２に対してハイレベルのゲート信号が与えられオン状態となり、電流がモータ３に供給される。すると、オペアンプ７により上記電流が検出された後、オペアンプ１１及びコンパレータ１３を経てＰＷＭ信号が作成されて制御が開始される。
【００２０】
この時、オペアンプ７，１０及びコンパレータ１３はＦＥＴ２に比較して動作速度が遅いため、ＦＥＴ２がオン状態となった時点からＰＷＭ制御が開始されるまでには若干の時間を要することになる。従って、その時間が経過するまでは、ＦＥＴ２及び４は共にオンであり、モータ３はフル通電状態となる。このため、誘導性の負荷であるモータ３には、過渡的に電流指令値の数倍である大電流（本発明の発明者が行った一実験例として約７．３Ａ）が流れる（図４（ｃ），時点▲３▼参照）。
【００２１】
ＰＷＭ制御は、モータ３に流れる電流がピークとなる付近から開始されるが（図４（ｂ），時点▲３▼参照）、その開始直後に、検出される電流量が著しく高いことからＦＥＴ４は全くのオフ状態（ＰＷＭデューティ０％）となる（図４（ｂ），時点▲４▼参照）。尚、図４（ｂ）においては、ＰＷＭ信号のレベルについてハイ，ロウを示す必要がある部分以外は、パルス幅が変化することによる粗密のみを概略的に図示している。
【００２２】
そして、電流量がある程度低下した時点から、正常なＰＷＭ制御が開始される（図４（ｂ），時点▲５▼参照）。この時点▲４▼〜▲５▼の間は、一時的にＰＷＭ制御が不能となって過剰に電流が消費される期間であり、この期間内では当初の目的である高精度の制御を行うことができず、図３に示す回路のままでは実用上問題がある。
【００２３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷に供給する電流量の制御を、その制御の開始時から確実に行うことが可能な負荷駆動装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の負荷駆動装置によれば、オフ状態設定回路は、外部より与えられる通電電流量の指令値が零である間は、その指令値と電流検出回路が検出する負荷へ流れる通電電流量との差に基づいてスイッチング素子に制御信号を出力する電流制御回路が、前記スイッチング素子をオフ状態に維持する制御信号を出力するように設定を行う。
【００２５】
従って、指令値が零であっても電流制御回路の出力状態が確定して、電源と負荷とを通断電するスイッチング素子は確実にオフ状態となるので、電流制御回路の出力状態が不確定となってスイッチング素子のオンオフが定まらずに、制御の開始時において負荷に無用の通電が行われることを防止でき、最初から確実な制御動作を行わせることができる。
【００２６】
また、オフ状態設定回路は、指令値が零である間は、電流検出回路が出力する検出信号のレベルを所定値に強制的に設定するので、電流制御回路の出力状態は、零である指令値と強制的に設定された所定値との差に基づいて確定される。具体的には、オフ状態設定回路は、電流検出回路を構成する演算増幅器の入力状態とは無関係に前記検出信号のレベルを強制的に設定して、電流制御回路を構成するオペアンプの出力信号をロウレベルに設定し、スイッチング素子をオフ状態に維持する制御信号を与える。
【００２７】
そして、オペアンプ及びコンパレータで構成される電流制御回路が出力する制御信号をＰＷＭ信号としたので、通電電流量の指令値が零からある間になる場合には、スイッチング素子が必ずオフの状態からＰＷＭ制御が開始される。従って、その開始時からＰＷＭ制御を安定した状態で行うことができ、通電電流量を電流指令値と同じレベルに短時間内に収束させることができる。また、通電電流量が０Ａ付近の比較的小なる領域においても、その電流量の制御を精度良く行うことが可能となる。
【００２８】
請求項２記載の負荷駆動装置によれば、スイッチング素子を、負荷とアースとの間に接続し、電源と負荷との間には電流遮断用の遮断用スイッチング素子を接続したので、指令値が零である間はスイッチング素子及び遮断用スイッチング素子はいずれもオフ状態であり、負荷に流れる電流をより確実に遮断することができる。また、指令値が零からある値になった場合は、電流検出回路が検出信号を出力する以前に遮断用スイッチング素子が先にオン状態となったとしてもスイッチング素子はオフ状態を維持しているので、負荷に過剰な電流が流れてしまうことを防止できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図１及び図２を参照して説明する。尚、図３と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。コンパレータ２１の反転入力端子には、参照電圧Ｖref が与えられていると共に、非反転入力端子には、オペアンプ１１と同様に電流指令値が与えられるようになっている。コンパレータ２１の出力端子は、スイッチ２２の開閉を制御する信号を出力するようになっている。尚、参照電圧Ｖref は、零に近い正の電圧値に設定されている。
【００３０】
スイッチ２２の一方の端子は、定電流源（電流値ｉ１）２３を介して電源＋Ｂに接続されており、他方の端子は、抵抗９及び１０の共通接続点に接続されている。このスイッチ２２は、例えばトランジスタなどで構成されており、コンパレータ２１からの制御信号がハイレベルであればオフ，ロウレベルであればオンするようになっている。
【００３１】
尚、抵抗１，５，６，オペアンプ（演算増幅器）７，トランジスタ８及び抵抗９は、電流検出回路２４を構成し、抵抗１０，オペアンプ１１，コンデンサ１２，コンパレータ１３，三角波発生器１４及びドライバ１５は、電流制御回路２５を構成している。また、コンパレータ２１，スイッチ２２及び定電流源２３は、オフ状態設定回路２６を構成している。
【００３２】
次に、本実施例の作用について図２をも参照して説明する。電流指令値が０Ａである場合は、コンパレータ２１が出力する制御信号のレベルはロウであり、スイッチ２２はオンとなる。すると、この時点では負荷たるモータ３に電流は供給されていないが、定電流源２３から電流値ｉ１の電流が抵抗９に流れることによって、電圧ＶＯ１はあるレベルに確定される。この場合の電圧ＶＯ１のレベルは、例えば１Ｖ程度となるように電流値ｉ１及び抵抗９の抵抗値Ｒ１を設定する。従って、図２（ａ）の時点▲１▼に示すように、オペアンプ１１の出力はロウレベルとなり、ＦＥＴ（スイッチング素子）４のゲート信号のレベルもロウとなってＦＥＴ４はオフ状態に維持される（図２（ｂ）参照）。
【００３３】
そして、電流指令値が所定の値になると（例えば２．５Ａ）、先ず、ＦＥＴ（遮断用スイッチング素子）２が先にオン状態となる。それと同時に、オペアンプ１１の出力が確定することによりＰＷＭ信号がコンパレータ１３から出力されて、ＦＥＴ４はオンオフ制御される（図２（ｂ），時点▲２▼参照）。
【００３４】
すると、モータ３は通断電されて電源＋Ｂから電流が流れ、オペアンプ７はその通電電流量を検出して検出信号を出力する。また、電流指令値は、コンパレータ２１の非反転入力端子にも与えられてスイッチ２２はオフするので、定電流源２３から抵抗９に供給されていた電流は断たれる。
【００３５】
この場合、モータ３に流れる電流は、ＰＷＭ制御の開始から増加してピークに達する（図２（ｃ），時点▲３▼参照）。その後、オペアンプ７により検出される通電電流量に応じて、ＦＥＴ２のオン時間を短くするようにＰＷＭ信号がコンパレータ１３から出力され（図２（ｂ），時点▲４▼参照）、通電電流量は抑制される方向に向かう（図２（ｃ），時点▲４▼参照）。そして、若干の上下変動があった後、最終的には、電流指令値と同じ値の２．５Ａとなるように制御される（図２（ｃ），時点▲５▼参照）。
【００３６】
この時、時点▲３▼においてピークに達する通電電流量は、本発明の発明者が行った実験の一例では約４．７Ａであり、図４の場合と比較して最大電流値は約６４％低減されている。即ち、モータ３には、当初からＰＷＭ制御が行われた状態で電流が供給されるので、図３に示した回路のように、ＦＥＴ２がオンした時点でＦＥＴ４が無制御状態にあり、過剰な電流（オーバーシュート電流）が流れてしまうことがない。
【００３７】
以上のように本実施例によれば、ＦＥＴ４をモータ３とアースとの間に接続し、電源＋Ｂとモータ３との間には電流遮断用のＦＥＴ２を接続して、オフ状態設定回路２６は、通電電流量の指令値が零である間は、オペアンプ７の入力状態にかかわらず、電流検出回路２４の出力を強制的にハイレベルに設定して、ＦＥＴ４をオフ状態に維持する制御信号を電流制御回路２５に出力させるようにした。従って、電流指令値が零であっても、電流制御回路２５の出力状態が確定してＦＥＴ２及び４はいずれもオフ状態であり、モータ３に流れる電流をより確実に遮断することができる。
【００３８】
また、電源＋Ｂとモータ３とを通断電するＦＥＴ４が確実にオフ状態となるので、電流指令値が零からある値になった場合に、電流検出回路２４が検出信号を出力する以前にＦＥＴ２が先にオン状態となったとしても、ＦＥＴ４はオフ状態を維持する。よって、図３に示した回路のように、電流制御回路２５の出力状態が不確定となって、ＦＥＴ４のオンオフが定まらずにモータ３に無用の通電が行われ過剰な電流が流れてしまうことを防止でき、最初から確実な制御動作を行わせることができる。
【００３９】
加えて、本実施例によれば、電流指令値が零からある値になる場合に、電流制御回路２５によるＰＷＭ制御はＦＥＴ４がオフの状態から開始されるので、モータ３に対する通電開始直後に比較的大きな電流が流れた場合であっても安定したＰＷＭ制御が行われるので、通電電流量を電流指令値と同じレベルに短時間内に収束させることができる。また、通電電流量が０Ａ付近の比較的小なる領域においても、その電流量の制御を精度良く行うことができる。
【００４０】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
コンパレータ１３の反転，非反転入力端子に与えられる信号を入替えて、ドライバ１５を正論理出力のドライバに置換えても良い。
【００４１】
オフ状態設定回路は、電流指令値が零である場合には、例えばオペアンプ７の出力を強制的にロウレベルに設定したり、また、オペアンプ１１の出力を強制的にハイレベルに設定するように構成しても良い。
ＦＥＴ２は、ＦＥＴ４がオフ状態にある場合の遮断電流が問題にならない場合は省略しても良い。
【００４２】
スイッチング素子及び遮断用スイッチング素子はＦＥＴ４及び２に限らず、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタでも良い。
負荷はステッピングモータ３に限らず、同様の電流制御を要するものであれば適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す電気的構成図
【図２】動作波形図
【図３】従来技術を示す図１相当図
【図４】図２相当図
【符号の説明】
２はＦＥＴ（遮断用スイッチング素子）、３はステッピングモータ（負荷）、４はＦＥＴ（スイッチング素子）、７はオペアンプ（演算増幅器）、２４は電流検出回路、２５は電流制御回路、２６はオフ状態設定回路を示す。
【図１】
0003728857.tif 000005
【図２】
0003728857.tif 000006
【図３】
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【図４】
0003728857.tif 000008