直流馬達驅動裝置的製作方法
2023-04-22 23:10:46
專利名稱：直流馬達驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在按照與來自外部的速度指令對應的速度使直流馬達旋轉的直流馬達驅動裝置中，能夠可靠地進行啟動，並且抑制啟動電流的直流馬達驅動裝置。
背景技術：
在遊戲機控制器或者玩具等中，馬達被用於進行驅動或者振動。由於這種馬達使用電池作為電源、廉價且其驅動電路比較簡單等理由，所以多採用直流馬達。
圖5是表示現有技術一般所使用的根據開環控制方式的直流馬達驅動電路的示意圖。如圖5所示，通過進行開/關轉換的開關電晶體2，將直流馬達1連接在電源電壓Vcc和地之間。由於直流馬達1的速度與其上所流過的電流I成比例，所以通過來自驅動控制用IC4的規定佔空比的PWM(脈衝寬度調製)脈衝控制電晶體2來進行驅動，使直流馬達1以規定的速度旋轉。另外，電阻3是用於調整電晶體2的基極電流的電阻。
在圖5的直流馬達驅動電路中，如圖6所示，與馬達1連續以規定速度旋轉的狀態(以下稱為穩定狀態)時的穩定電流Ic相比，在啟動時刻t0，流過了非常大的啟動電流Ip(在圖6的例子中，為3倍以上)。因此，由於必須使電晶體2和電源經受住比穩定電流Ic大很多的啟動電流Ip，所以導致成本上升。
而且，在使馬達以低速旋轉的情況下，會減小PWM脈衝的佔空比。在這種情況下，由於根據該佔空比使得啟動電流變小，所以不能夠產生用於從靜止狀態使其旋轉所必需的啟動轉矩，從而引起啟動不良。因此，不能夠充分地降低直流馬達1的最低旋轉數，從而限制了速度控制範圍。
作為降低這種直流馬達的啟動電流的方法，在特開平11-230045號公報(專利文獻1)中提出了在直流馬達停止的情況下，流過使該直流馬達不發生旋轉的偏置電流，從而減小啟動直流馬達時的啟動電流。
但是，在專利文獻1的方法中，雖然能夠限制啟動電流的大小，但是由於在馬達不旋轉的情況下也流過電流，因此消耗了無功功率。而且，由於流過不旋轉程度的偏置電流，所以，通過調整PWM脈衝的佔空比而能夠調整直流馬達旋轉數的範圍，被限制成與圖5現有技術情況相同的範圍。
發明內容
因此，本發明的目的在於，提供一種採用開環控制方式的直流馬達驅動裝置，其通過限制啟動直流馬達時的啟動電流來減小開關電晶體等的耐電流，並且，能夠可靠地進行啟動來擴大馬達的速度控制範圍。
本發明的直流馬達驅動裝置，通過控制直流馬達上串聯連接的開關機構，來驅動該直流馬達，包括加速設定機構，在該直流馬達啟動時設定規定的加速期間，和與該加速期間對應的加速階段數據；PWM脈衝生成機構，生成佔空比與該加速階段數據對應的PWM脈衝或者佔空比與規定旋轉速度對應的PWM脈衝，在該規定的加速期間，根據佔空比與來自該PWM脈衝生成機構的該加速階段數據對應的PWM脈衝，來控制其開關機構，在該規定加速期間之後，根據佔空比與來自該PWM脈衝生成機構的規定旋轉速度對應的PWM脈衝，來控制該開關機構。
而且，還具有數據判定機構，判定從外部供給的速度指令數據是否符合該直流馬達的驅動指示，當判定該速度指令數據符合驅動指示時，在規定的加速期間，根據佔空比與該加速階段數據對應的PWM脈衝，來控制其開關機構，在該規定的加速期間之後，根據佔空比與速度指令數據表示的規定旋轉速度對應的PWM脈衝來控制其開關機構。
而且，該加速期間具有N(N≥1)區分的加速階段，各個加速階段被設定為規定時間和規定佔空比按每個加速階段順次變大的PWM脈衝。
而且，在計量該加速期間開始後的時間來確定加速階段的同時，根據對應表來決定與各個加速階段對應的各個規定佔空比和與速度指令數據對應的佔空比。
而且，僅在判定為該速度指令數據符合該直流馬達的驅動指示，並且該直流馬達沒有被驅動時，基於該加速期間來進行加速。
而且，其特徵在於，當判定為速度指令數據不符合該直流馬達的驅動指示時，停止該直流馬達的驅動。
根據本發明，由於在被開環控制的直流馬達的啟動時，設置了規定的加速期間，並在該加速期間以規定佔空比的PWM脈衝來控制開關機構，所以，可以限制啟動電流，並能夠使用耐電流小的開關機構(開關電晶體)。由此，能夠降低直流馬達驅動裝置的成本。
而且，由於設置了N(N≥1)區分的加速階段，並在各個加速階段中設置了規定時間和規定佔空比按各個加速階段順次變大的PWM脈衝，所以，能夠限制啟動電流和更快進行加速。
並且，由於設置了以規定佔空比驅動的加速期間，並在加速之後以基於指令數據的佔空比來進行驅動，所以，能夠改善直流馬達的啟動性能，並可以降低能夠控制的最低旋轉數。即，能夠可靠地進行啟動並拓寬了馬達的速度控制範圍。
另外，由於基於被供給的速度指令數據來判斷驅動指示、旋轉速度以及停止指示等，所以，上位側的控制機構能夠僅通過速度指令數據來將直流馬達的各種動作狀態指示給直流馬達驅動裝置。
圖1是表示本發明實施例的直流馬達驅動裝置構成的示意圖。
圖2是說明本發明實施例的動作的流程圖。
圖3是表示本發明實施例的動作狀態的1個例子的示意圖。
圖4是表示本發明實施例的動作狀態的另一個例子的示意圖。
圖5是表示現有技術的直流馬達驅動裝置的構成的示意圖。
圖6是表示現有技術的動作狀態的例子的示意圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖，說明本發明直流馬達驅動裝置的實施例。圖1是表示本發明實施例的直流馬達驅動電路的構成的方框圖。圖2是說明圖1的動作的流程圖。圖3是表示圖1、圖2的直流馬達驅動電路的動作狀態的1個例子的示意圖。
在圖1中，直流馬達驅動裝置通過開環控制方式被控制。直流馬達21和開關電晶體22被連接在電源電壓Vcc和地之間。通過從馬達驅動控制電路10向開關電晶體22的基極供給PWM脈衝Pwm，來按照PWM脈衝Pwm控制開關電晶體22接通或者斷開。調整電阻23是用於調整電晶體22基極電流的可變電阻，是根據需要而設置的。另外，續流二極體24被設置用於功率再生和噪聲降低等，但為了實現成本降低等，也可不設置。
直流馬達21上流過與開關電晶體22導通/截止所產生的佔空比相應的電流I。在穩定狀態下，通過以規定佔空比的PWM脈衝Pwm來控制電晶體22，使得驅動直流馬達21以規定速度旋轉。但是，由於如現有技術那樣，與穩定狀態時的穩定電流相比，在啟動時一般會流過非常大的啟動電流，因此，在本發明中，通過限制啟動電流來減小開關電晶體22的耐電流，並且，通過可靠地進行啟動來拓寬馬達的速度控制範圍。
用於指定直流馬達21的旋轉速度的速度指令數據Dsp，從上位側控制部被供給到馬達驅動控制電路10。上位側控制部是作為遊戲機控制器或者玩具等的主控制部的CPU等，其通過速度指令數據Dsp來指令遊戲機控制器等所使用的直流馬達21的驅動、旋轉數控制、停止等。
馬達驅動控制電路10包括控制機構11，具有數據寄存器機構11a、數據判定機構11b以及旋轉檢測機構11c等；加速設定機構(以下稱為加速時間計數機構)12，在被賦予了加速指示信號Sacc時通過計數加速時間，來輸出加速階段數據Das；PWM佔空比生成機構13，被提供速度指令數據Dsp、加速階段數據Das和停止指示信號Soff，並產生PWM用脈衝生成信號Ipwm；PWM脈衝生成機構14，被供給脈衝生成信號Ipwm，並產生PWM脈衝Pwm，且將該PWM脈衝Pwm輸出到開關電晶體22。
數據寄存器機構11a接收由上位側控制部供給的速度指令數據Dsp，置換成總是最新的速度指令數據Dsp，並以可讀出的方式進行存儲。
數據判定機構11b從數據寄存器機構11a中讀出速度指令數據Dsp，並基於該速度指令數據Dsp來判斷速度指令數據Dsp是否符合該直流馬達21的驅動指示。例如，當速度指令數據Dsp在規定值以上時，判定為符合驅動指示，當不滿足規定值時，判定為不符合驅動指示。
當判定為符合驅動指示時，將該速度指令數據Dsp供給PWM佔空比生成機構13，並在啟動時將加速指示信號Sacc供給加速時間計數機構12。而且，當判定為不符合驅動指示時，將停止指示信號Soff供給例如PWM佔空比生成機構13，來停止直流馬達21的驅動。另外，還能夠通過控制向PWM佔空比生成機構13發出的速度指令數據Dsp和加速時間計數機構12的加速指示信號Sacc，來代替停止指示信號Soff的功能。
旋轉檢測機構11c從PWM脈衝生成機構14接收PWM脈衝Pwm作為旋轉檢出信號Rdet，來判定直流馬達21是否旋轉。
當判定為沒有旋轉時(即為啟動時)，將速度指令數據Dsp符合驅動指示作為條件，由控制機構11將加速指示信號Sacc供給加速時間計數機構12。當判定為旋轉時(即為穩定動作時)，將速度指令數據Dsp符合驅動指示作為條件，由控制機構11將速度指令數據Dsp供給PWM佔空比生成機構13。
另外，作為旋轉檢出信號Rdet，除了PWM脈衝Pwm之外，還可以是能夠推斷直流馬達21在旋轉的信號，例如，可以使用脈衝生成信號Ipwm。
加速時間計數機構12將加速期間N(N≥1)區分，例如具有3個加速階段S1～S3，並輸出與該加速階段S1～S3相對應的加速階段數據Das。當加速指示信號Sacc被賦予給加速時間計數機構12時，計數從那時起的時間，並按各加速階段S1～S3所預先規定的規定時間T1～T3，來順次輸出各加速階段數據Das(例如為1～3)。替代表示各加速階段S1～S3的數值(例如1～3)，各加速階段數據Das還可以與速度指令數據Dsp相同，即作為表示速度的數據。如果在規定的加速階段N(例如加速階段S3)結束，則加速時間計數機構12會結束加速階段數據Das的輸出。
如果PWM佔空比生成機構13被供給加速階段數據Das，則按照其加速階段S1～S3，生成被設定為按加速階段S1～S3，PWM脈衝Pwm的佔空比D1～D3順次變大的脈衝生成信號Ipwm。而且，如果速度指令數據Dsp被供給PWM佔空比生成機構13，則PWM佔空比生成機構13會產生與該速度指令數據Dsp對應的脈衝生成信號Ipwm。脈衝生成信號Ipwm例如可以是賦予了PWM脈衝Pwm的上升時刻和下降時刻的形式的信號。
速度指令數據Dsp可以在加速階段數據Das沒有被供給PWM佔空比生成機構13時，供給PWM佔空比生成機構13，速度指令數據Dsp和加速階段數據Das也可以被同時供給PWM佔空比生成機構13。這樣，在同時供給速度指令數據Dsp和加速階段數據Das時，PWM佔空比生成機構13被控制為優先使用加速階段數據Das。當停止指示信號Soff從控制機構11被供給到PWM佔空比生成機構13時，與加速階段數據Das和速度指令數據Dsp無關，脈衝生成信號Ipwm停止從PWM佔空比生成機構13輸出。
而且，為了根據速度指令數據Dsp和加速階段數據Das來產生脈衝生成信號Ipwm，優選PWM佔空比生成機構13使用對應表。作為該對應表的例子如下所述，即當以8位數字數據賦予速度指令數據Dsp時，在速度指令數據Dsp為規定的下限值時，將PWM脈衝Pwm的佔空比設定為零，在速度指令數據Dsp超過該下限值時，按照速度指令數據Dsp來確定PWM脈衝Pwm的佔空比。
由此，基於從上位側控制部供給的速度指令數據Dsp，能夠進行驅動指示和停止指示，或進行旋轉速度的指令。而且，即使在直流馬達21的旋轉速度和PWM脈衝Pwm的佔空比為非線性特性關係時，基於對應表也能夠對照該非線性特性，來設定速度指令數據Dsp和PWM脈衝Pwm的佔空比之間的對應關係。由此，能夠將速度指令數據Dsp和直流馬達21的旋轉速度之間的關係設定成線性特性等的希望特性。
PWM脈衝生成機構14產生佔空比的PWM脈衝Pwm，該佔空比的PWM脈衝Pwm與從PWM佔空比生成機構13供給的脈衝生成信號Ipwm對應，並作為驅動信號輸出到開關電晶體22。而且，在該例子中，將PWM脈衝Pwm作為旋轉檢出信號Rdet供給到控制機構11。
具有上述構成的馬達驅動控制電路10的功能能夠由硬體實現，也能夠通過軟體處理來實現。
下面，參照圖1的直流馬達驅動電路的構成圖、圖3的動作狀態圖和圖2的流程圖來說明本發明的直流馬達驅動裝置的動作。
在開始動作時，首先，在步驟S101中，用於指定直流馬達21的旋轉速度的速度指令數據Dsp從上位側控制部被設置到數據寄存器機構11a。
在步驟S102和步驟S103中，數據判定機構11b從數據寄存器機構11a中讀出速度指令數據Dsp，並將設置的速度指令數據Dsp和規定值N1進行雙重比較。在步驟S102中，當速度指令數據Dsp比規定值N1小時，不認為該速度指令數據Dsp是驅動指示，則不進行直流馬達21的啟動。如果在這種情況下，已經啟動了直流馬達21並且正穩定地旋轉，則直接操作使直流馬達21停止。進而，在步驟S103中，當速度指令數據Dsp比規定值N1小時，則返回步驟S101，重複該動作。
當速度指令數據Dsp為規定值N1以上時，由於認為該速度指令數據Dsp是驅動指示，所以，經過步驟S102和步驟S103進入到步驟S104。
在步驟S104中，通過旋轉檢出機構11c來判斷直流馬達21是否正在旋轉。通過供給到直流馬達21的PWM脈衝Pwm和作為其基準的脈衝生成信號Ipwm等是否被輸出，來進行該旋轉的判定。即，來推測旋轉正在進行。這樣，由於通過PWM脈衝Pwm等來檢測直流馬達21的旋轉，所以能夠省略轉速計等旋轉檢出裝置。
在步驟S104中，當判定直流馬達21沒有旋轉時，則進入加速階段(步驟S111～步驟S114)；當判定直流馬達21正旋轉時，則前進到穩定旋轉階段(步驟S121，步驟S122)。
加速階段(步驟S111～步驟S114)在該例中作為加速期間，具有N＝3即第一加速階段S1到第三加速階段S3，並輸出與該加速階段S1～S3對應的加速階段數據Das。
在步驟S111中，當加速次數為0～2時，則按照對應加速階段S 1～S3進行加速處理，在加速次數變為3時，前進到穩定旋轉階段(步驟S121，步驟S122)。
由於啟動時加速次數是0，所以前進到步驟S 112來設定第一加速階段的加速條件「時間T1ms，PWM脈衝的佔空比D1％」，然後在步驟S103中以該加速條件接通直流馬達21的輸出(即接通/斷開開關電晶體22)，來進行加速。
其加速情況如圖3(a)、(b)所示。第一加速階段S1在時刻t0開始以佔空比為D1％的加速，僅持續時間T1。在該第一加速階段S1中的電流I，保持為稍微超過直流馬達21的穩定電流Ic(該情況佔空比為100％)的值。該電流I從時刻t0向時刻t1連續減少。當到達時刻t1時，第一加速階段S1結束。出於該時刻t1時，在步驟S114中，將加速次數進行+1計數，從0變成1。
當加速次數為1時，設定第二加速階段的加速條件為「時間T2ms，PWM脈衝的佔空比為D2％」，並在步驟S103中以該加速條件接通直流馬達21的輸出，來進行加速。觀察圖3(a)、(b)，第二加速階段S2在時刻t1開始以佔空比為D2％的加速，僅持續時間T2。在該第二加速階段S2中的電流I仍然保持為稍微超過直流馬達21的穩定電流Ic的值，並從時刻t1向時刻t2連續減少。當到達時刻t2時，第二加速階段S2結束。當處於該時刻t2時，在步驟S114中，將加速次數進行+1計數，從1變成2。
當加速次數為2時，同樣地設定第三加速階段的加速條件為「時間T3ms，PWM脈衝的佔空比為D3％」，並在步驟S103中以該加速條件接通直流馬達21的輸出，來進行加速。觀察圖3(a)、(b)，則第三加速階段S3在時刻t2開始以佔空比為D3％的加速，僅持續時間T3。在該第三加速階段S3中的電流I仍然保持為稍微超過直流馬達21的穩定電流Ic的值，並從時刻t2向時刻t3連續減少。當到達時刻t3時，第三加速階段S3結束。當處於該時刻t3時，在步驟S114中將加速次數進行+1計數，從2變成3。
當加速次數為3時，在步驟S111中判定為加速期間結束，然後前進到穩定旋轉階段。在移動到該穩定旋轉階段的時刻t3，電流I也仍然保持為稍微超過直流馬達21的穩定電流Ic的值(該情況下為峰值Ip)，之後隨著時間的經過朝向穩定電流Ic減少。
該加速時間和佔空比例如設為「T125ms；D165％」、「T225ms；D275％」、「T325ms；D385％」。也可以使各個加速階段S1～S3中的加速時間T1～T3相等或者不同。但是，對於各個加速階段S1～S3中的佔空比D1～D3，為了將電流I的大小限制在某個值以下，需要將其在每個加速階段S1～S3中順次變大。
而且，優選第一加速階段S1中的佔空比D1不依賴於加速期間結束後的速度指令數據Dsp，而設定為使直流馬達21能夠克服靜止狀態的靜止摩擦轉矩而啟動的大小以上。由此，無論是在圖3的例子中速度指令數據Dsp表示100％佔空比的情況下，還是在速度指令數據Dsp表示相當小佔空比的情況下(圖3(a)中以虛線例示)，都可以在加速期間中的加速之後，以和規定速度指令數據Dsp對應的低速度使直流馬達21旋轉。因此，能夠改善直流馬達21的啟動性能，並降低能夠控制的最低旋轉數。
當轉移到穩定旋轉階段時，在步驟S121、步驟S122中，會在PWM佔空比生成機構13和PWM脈衝生成機構14中形成與速度指令數據Dsp對應的佔空比的PWM脈衝，並通過該PWM脈衝來控制開關電晶體22導通截止。由此，直流馬達21以與速度指令數據Dsp對應的速度旋轉。
然後，從步驟S101開始，經由步驟S102～步驟S104，來反覆進行返回到穩定旋轉階段的流程，使得直流馬達21繼續運轉。
在該直流馬達21的運轉中，如果變更了速度指令數據Dsp，則直流馬達21的運轉狀況也隨之變更。當變更後的速度指令數據Dsp為規定值N1以上的值時，則根據該變更後的速度指令數據Dsp來變更PWM脈衝Pwm的佔空比。直流馬達21繼續以與該變更的速度指令數據Dsp對應的速度旋轉。
但是，當變更後的速度指令數據Dsp為比規定值N小的值時，在步驟S102中，該速度指令數據Dsp不被看作驅動指示。然後，從步驟S102轉移到停止階段(步驟S131，步驟S132)，在步驟S131中斷開對直流馬達21的輸出，在步驟S103中將加速次數設置為0。接著，從步驟S101開始，經由步驟S102，反覆進行返回到停止階段的流程，繼續待機狀態。
這樣，由於根據速度指令數據Dsp的大小來判斷驅動指示、旋轉速度以及停止指示等，所以，上位側的控制機構能夠僅通過速度指令數據Dsp，來將直流馬達21的各種動作狀態指示到馬達驅動控制電路10。
圖4(a)、(b)是表示作為加速期間具有N＝2即2個加速階段S1、S2時，直流馬達驅動電路的動作狀態的例子的示意圖。在圖4中，除了加速階段S1、S2變為2個這一點之外，其餘的和參照圖1～圖3所說明情況的動作相同。例如，在該情況下，加速時間和佔空比例如設為「T150ms；D160％」、「T250ms；D275％」。也可以使各個加速階段S1、S2中的加速時間T1、T2相等或者不同。但是，為了將電流I的大小限制在某個值以下，各個加速階段S1、S2中的佔空比D1、D2，需要按各個加速階段S1、S2順次變大。
而且，作為加速期間，可以是N＝4以上，即具有4個以上的加速階段，或者相反N＝1，即加速階段還可以只為一個。具有怎樣的加速階段，要考慮開關電晶體22、直流馬達21和電源容量等條件來決定。
另外，直流馬達21可以應用於帶有電刷和無刷的馬達中。而且，開關電晶體22不局限於雙極電晶體，也可以是根據控制信號能夠進行開關的電晶體。
工業實用性根據本發明的直流馬達驅動裝置，能夠使在遊戲機控制器或者玩具等中被用於進行驅動或者振動的直流馬達，以和來自外部的速度指令對應的速度進行旋轉，並能夠抑制啟動電流。
權利要求
1.一種直流馬達驅動裝置，通過控制與直流馬達串聯連接的開關機構來驅動所述直流馬達，包括加速設定機構，在所述直流馬達啟動時設定規定的加速期間，和與該加速期間對應的加速階段數據；脈衝寬度調製脈衝生成機構，生成佔空比與所述加速階段數據對應的脈衝寬度調製脈衝，或者佔空比與規定旋轉速度對應的脈衝寬度調製脈衝，在所述規定加速期間，根據佔空比與來自所述脈衝寬度調製脈衝生成機構的所述加速階段數據對應的脈衝寬度調製脈衝，來控制所述開關機構，在所述規定加速期間之後，根據佔空比與來自所述脈衝寬度調製脈衝生成機構的所述規定旋轉速度對應的脈衝寬度調製脈衝，來控制所述開關機構。
2.根據權利要求1所述的直流馬達驅動裝置，其特徵在於，所述加速期間具有分為N段的加速階段，各個加速階段設定為規定時間和具有規定佔空比的脈衝寬度調製脈衝，所述規定佔空比按每個加速階段順次變大，其中N≥1。
3.根據權利要求1所述的直流馬達驅動裝置，其特徵在於，還具有數據判定機構，判定從外部供給的速度指令數據是否符合所述直流馬達的驅動指示，當判定為所述速度指令數據符合驅動指示時，在規定的加速期間，根據佔空比與所述加速階段數據對應的脈衝寬度調製脈衝，來控制所述開關機構，在所述規定的加速期間之後，根據佔空比與速度指令數據所表示的所述規定旋轉速度對應的脈衝寬度調製脈衝，來控制所述開關機構。
4.根據權利要求3所述的直流馬達驅動裝置，其特徵在於，所述加速期間具有分為N段的加速階段，各個加速階段被設定成規定時間和具有規定佔空比的脈衝寬度調製脈衝，所述規定佔空比按每個加速階段順次變大，其中N≥1。
5.根據權利要求4所述的直流馬達驅動裝置，其特徵在於，計量所述加速期間開始後的時間來確定所述加速階段，並且根據對應表來決定與各個加速階段對應的各個規定佔空比和與速度指令數具相對應的佔空比。
6.根據權利要求4或5所述的直流馬達驅動裝置，其特徵在於，僅在判定為所述速度指令數據符合該直流馬達的驅動指示，並且該直流馬達沒有被驅動時，按照所述加速期間來進行加速。
7.根據權利要求3～5任何一項所述的直流馬達驅動裝置，其特徵在於，當判定為所述速度指令數據不符合該直流馬達的驅動指示時，停止該直流馬達的驅動。
全文摘要
在開環控制方式的直流馬達驅動裝置中，基於其速度指令數據來判定所供給的速度指令數據是否符合該直流馬達的驅動指示。當判定為符合驅動指示時，在規定的加速期間以規定佔空比的PWM脈衝，來控制開關機構，使該直流馬達加速。在該加速期間結束時，以佔空比與速度指令數據對應的PWM脈衝來控制開關機構，從而驅動該直流馬達。由此，通過限制啟動時的啟動電流來減小開關電晶體等的耐電流，同時，能夠可靠地進行啟動，從而拓寬了馬達的速度控制範圍。
文檔編號H02P7/18GK1875539SQ200480031729
公開日2006年12月6日 申請日期2004年11月29日 優先權日2003年12月1日
發明者齋藤孝一, 佐藤友威 申請人:羅姆股份有限公司