モータ制御装置
【課題】電力回生技術を光ディスク装置の応用しようとすると、スピンドルモータの回転数の制御性が悪くなる。
【解決手段】回生電力を蓄積する第１のコンデンサ９及び第２のコンデンサ１０を選択的に接続する第１のスイッチ４、第２のスイッチ５、第３のスイッチ６、第４のスイッチ７及び第５のスイッチ８を、全体制御部１３に指令により、モータ１１の回転数に応じて切り替えることにより、電源１から印加される電圧に加算または減算することで、モータ１１の目標回転数に制御する。この構成により、回生効率が高いモータ制御装置を実現することができる。
【解決手段】回生電力を蓄積する第１のコンデンサ９及び第２のコンデンサ１０を選択的に接続する第１のスイッチ４、第２のスイッチ５、第３のスイッチ６、第４のスイッチ７及び第５のスイッチ８を、全体制御部１３に指令により、モータ１１の回転数に応じて切り替えることにより、電源１から印加される電圧に加算または減算することで、モータ１１の目標回転数に制御する。この構成により、回生効率が高いモータ制御装置を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータの制御装置に関し、特に目標回転数にモータの回転数制御を高めることができるモータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、動画をＤＶＤディスク等の光ディスクにデジタル信号で記録する例えばＤＶＤレコーダが、従来のＶＴＲに替わり広く普及しつつある。このＤＶＤレコーダには、このような光ディスク装置の他にハードディスク装置も搭載される場合が多い。ハードディスク装置はその容量が光ディスク装置と比較しても格段に大きく、従って長時間の動画が記録でき、記録・消去・再生の動作が迅速に行える。しかしながらハードディスク装置は、記録媒体の取り出し、交換ができない。このため、好みの番組をとりあえずこのハードディスク装置に記録しておき、後で再生して視聴した後、不要なものは消去し、必要なものだけをＤＶＤ−ＲＡＭ等の光ディスクに移して残すという使われ方がよく行われる。このような使われ方では、番組をハードディスク装置から光ディスクに編集記録するのに要する時間が短い方が好ましいのは言うまでも無い。
【０００３】
従来このような光ディスク装置は、パーソナルコンピュータのデータ記録装置として使用される場合が大半であった。パーソナルコンピュータのデータは大半の場合それ程大きな容量ではなく、光ディスク装置の記録速度はそれ程は問題にならなかった。しかしながら、上述のような動画をデジタル記録したデータは非常に容量が大きく、光ディスク装置の記録速度が大きな問題となり、このため近年、高倍速での記録が行われるようになり、高回転数でディスクを回転させながら記録が行われる。再生の場合は、再生時のレーザーの出力はもともと５ｍＷ程度と小さく、また回転数が上がっても出力を増大させる必要もない。しかし、記録の場合はもともと数十ｍＷの大きな出力が必要で、更に、概ね回転数に比例してレーザーの出力を増大する必要がある。レーザーの消費電力や発熱量そのものはドライブ全体からすればそれ程大きなものではないが、レーザーはディスク内外周に移動する光ピックアップに搭載されるので一般に十分な放熱対策を施すことができず、また、素子自体が通常のシリコンをベースとする半導体と比較し熱に弱く、このため、ドライブの内部の許容温度がこのレーザーで制限される場合が多い。前述のように、このレーザーの消費電力が高倍速化により非常に増大すると、レーザー自身の発熱によりレーザーの温度が上昇するため、ドライブ内部の他の部品の発熱量をより制限しなければならない。８０００ｒ．ｐ．ｍ程度の最高回転数で記録を行う場合、ドライブ内部の温度上昇はレーザーにとってほとんど限界に達しているドライブが多い。
【０００４】
ディスクを回転させるスピンドルモータは、特にこのような高速回転や、Ｚ―ＣＬＶ制御で加減速を繰り返す場合、ドライブ内部の温度上昇の原因となる電力消費の大きな部分を消費する。このため、このスピンドルモータの消費電力の低減は大きな課題である。ところがこのモータ自体は既にかなり完成された技術であるため、有効な消費電力低減の方法が既に殆ど無いという問題点があった。
【０００５】
このような問題点に対し、例えば特許文献１に記されているように、モータ回転数を減速させる際に余剰となる回転エネルギーをコンデンサ等に蓄積し加速の際に利用する、いわゆる電力回生により消費電力を低減させる方法が提案されている。この方法は、モータの加速減速を繰り返すＤＶＤ−ＲＡＭ等のＺ−ＣＬＶ制御を行うディスク装置では特に有効な方法である。
【０００６】
以下、特許文献１に開示されている技術について図を用いて説明する。図７は従来のディスク装置１０１のブロック図で、図８は図７に示したディスク装置１０１の制御および各部の電流、電圧のタイミングチャートである。図９は従来のディスク装置１０１の他のブロック図で、図１０は図９に示したディスク装置１０１のタイミングチャートである。
【０００７】
図７に示した磁気ディスク装置１０１のスピンドルモータ駆動部は、単相直流スピンドルモータ１３１と、コンデンサ１１１と、外部電源１０２と、コンデンサ１１１とスピンドルモータ１３１の端子の一方とを接続するスイッチ手段１２１と、スピンドルモータ回転数制御回路１１４と、コンデンサ１１１とスピンドルモータ回転数制御回路１１４の電源入力端子とを接続するスイッチ手段１２２で構成される。スイッチ手段１２１及び１２２は、例えばリレースイッチやパワーＭＯＳトランジスタ等の半導体スイッチを用いることができるが、スイッチ駆動電力、スイッチオフ時の漏れ電流およびスイッチオン抵抗は小さいものが望ましい。
【０００８】
記録再生時およびアイドル運転時は、スピンドルモータ回転数制御回路１１４によってスピンドルモータ１３１の回転数が所要の値になるように、スピンドルモータ１３１への電流を調整している。スピンドルモータ１３１の停止命令により、スピンドルモータ回転数制御回路１１４からスピンドルモータ１３１への電流を遮断すると同時もしくはそれより後にスイッチ手段１２１を接続し、スピンドルモータ１３１の惰性回転による逆起電力によりコンデンサ１１１を充電する。
【０００９】
ここで図８に示すように、スピンドルモータ１３１の回転数の減少とともにスピンドルモータ１３１の逆起電圧は減少し、同時にコンデンサ１１１の端子間電圧は充電により増加して、これら２つの電圧が等しくなるまでコンデンサ１１１が充電される。従って、両者が一致した時点にスイッチ手段１２１を遮断することにより、コンデンサ１１１に蓄積されるエネルギが最大となる。予め測定やシミュレーションにより、スピンドルモータ１３１の逆起電力の経時変化およびコンデンサ１１１の端子電圧の経時変化を求めることにより、充電開始から上記の２つの電圧が一致するまでの時間を求めることが可能であり、この時間をスイッチ１２１の接続時間として制御を行う。
【００１０】
コンデンサ１１１の充電に必要な時間は、コンデンサの容量とコンデンサとスピンドルモータで構成される回路の抵抗の積で決まる時定数に依存するため、スピンドルモータ１３１の逆起電力を効率よく充電するためには、この時定数がスピンドルモータ１３１の電流供給停止後の惰性回転時間よりも短いことが望ましい。充電後のコンデンサ電圧Ｖ1が外部電源１０２の電圧Ｖ0よりも低い場合、スイッチ手段１２１の遮断後、モータ始動命令によりスピンドルモータ１３１が始動する以前にスイッチ手段１２２を接続すると、コンデンサ１１１の電圧が外部電源１０２の電圧と等しくなるまで追充電が行われる。追充電によって消費されるエネルギは、コンデンサの容量をＣとすると、
Ｃ（Ｖ0−Ｖ1）2／２ … （式１）
で表される。
【００１１】
スピンドルモータ１３１の始動命令により、モータ回転数制御回路１１４からスピンドルモータ１３１へ電流が供給されると同時に、スイッチ手段１２２を接続してコンデンサ１１１よりモータ回転数制御回路１１４へ電流を供給する。ここでスイッチ手段１２２をスピンドルモータ１３１の始動後、コンデンサ１１１の電荷が十分に放出された時点で遮断することにより、外部電源１０２から供給する電流を抑制することができ、外部電源１０２に電池を用いた場合の内部抵抗による損失を抑制し、電池寿命を延長できる。
【００１２】
スイッチ手段１２２の最適な接続−遮断時間は、予め測定やシミュレーションにより、スピンドルモータ１３１の始動時にスイッチ手段１２２を接続しない場合とスイッチ１２２を接続した場合とで、外部電源１０２からモータ回転数制御回路１１４に供給される電流の経時変化をそれぞれ求め、両者が一致するまでの時間として決定できる。また、スピンドルモータ１３１の始動時に、コンデンサ１１１から供給されるエネルギは、
ＣＶ02／２ … （式２）
で与えられ、Ｖ1がＶ0／２よりも大きく、さらに（式２）と（式１）との差が、スピンドルモータ１３１が停止している間におけるスイッチ手段１２１及び１２２の消費エネルギとコンデンサ１１１の漏れ電流等による損失分との和よりも大きい場合、モータ始動時の消費電力を低減することができる。
【００１３】
図９に示したディスク装置１０１は、図７のディスク装置１０１にスイッチ手段１２３および電圧調整回路１１６を付加し、コンデンサ１１１を充電後、スイッチ手段１２３により電圧調整回路１１６の端子とコンデンサ１１１を接続する。電圧調整回路１１６は、予め設定した直流電圧、または任意の直流電圧を発生できる構造とする。電圧調整回路１１６の電圧をＶ2とおくと、Ｖ1とＶ2トの和がＶ0以上のときは追充電の必要はない。Ｖ1とＶ2との和がＶ0よりも低い場合、追充電によって消費されるエネルギは
Ｃ（Ｖ0−Ｖ1−Ｖ2）2／２ … （式３）
となり、スピンドルモータ１３１の始動時にコンデンサ１１１から供給されるエネルギは
ＣＶ12／２ … （式４）
となる。
【００１４】
従って、Ｖ0とＶ2との差がＶ1／２よりも小さく、さらに（式４）と（式３）との差がスピンドルモータ１３１が停止している間のスイッチ手段１２１、１２２、１２３及び電圧調整回路１１６の消費エネルギとコンデンサ１１１の損失エネルギとの和よりも大きいとき、モータ始動時の消費電力を低減することができる。
【特許文献１】特開２００３−１８９６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら特許文献１で開示されている方法では、上述した図７のディスク装置１０１の構成では、現実にはコンデンサ１１１に充電された逆起電力は放電させることができない。なんとなれば、コンデンサ１１１に充電された電力を放電する際、スイッチ１２２がＯＮになり、コンデンサ１１１と外部電源１０２とが並列に接続されるが、コンデンサ１１１に充電された電圧は図８に示される通り、常に外部電源の電圧よりも低いからである。上述の数式は、外部電源の電圧よりも充電電圧が低くても放電が可能であるというありえない前提で立てられている。充電された逆起電力は放電させることができないので、いわゆる回生動作は期待できない。
【００１６】
また、図９のディスク装置１０１では、回生動作は正常に行われるが、第一に、電圧調整回路は実際にはかなりの容量のものが必要で、通常では光ディスクドライブの基板の片隅に実装が可能な規模ではない。第二に、例えば光ディスクドライブでＺ−ＣＬＶ制御を行いながら記録を行う場合、回転数を迅速に変化させ、かつ、安定に精度よく目標回転数に到達しなければならない。ところが図９のディスク装置１０１では、モータの減速時の最初にはコンデンサの電圧は０Ｖなのでショートブレーキが作用し、そこそこの減速の加速度が得られるが時間の経過と共にコンデンサの電圧が上昇し、かつモータの回転数が減少し、これに比例して逆起電圧も減少するので、徐々に回生電流が減少し、これに比例するブレーキトルクも減少し、コンデンサの電圧と逆起電圧が同じになった時点で全くブレーキが効かない状態となってしまう。しかも通常、光ディスクドライブではショートブレーキよりも強いブレーキトルクが得られる逆転ブレーキも併用されるが、この構成では逆転ブレーキを使用することはできない。加速時は減速時と比較すると問題は少ないが、加速中に電圧が変動するのでサーボゲインが変動し、安定な制御をかけられないという問題を有する。これらに対する解決策についても何ら記述がない。
【００１７】
本発明は、モータの回転数の制御性、高いブレーキトルク、及び回生効率が高いモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明のモータ制御装置は、モータと、前記モータを回転駆動する駆動電流を供給する電源と、前記モータの回転数を減少させる時に当該モータの回転エネルギーを蓄積する蓄積手段と、前記蓄積手段で蓄積した回転エネルギを前記モータの回転駆動エネルギとして前記駆動電流に付加する制御手段とを備える。この構成により、電力回生技術をモータ制御装置の応用しながら、スピンドルモータの回転数の制御性が良好で、十分なブレーキトルクが実現でき、回生効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のモータ駆動装置における第１のコンデンサは通常電源電圧で充電されており、減速時、必要に応じて第２のコンデンサと直列にブレーキ電流を増大する方向に接続される。また、加速時にはやはり第２のコンデンサと直列に接続するため、第２のコンデンサに蓄積された回生電力を十分に充放電させることができ、回生効率を向上でき、かつ十分なブレーキトルクを得られるという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
スピンドルモータの回転数の制御性がよく、特に十分なブレーキトルクが得られ、また、回生効率も良い電力回生装置を得るという目的を最小の部品点数で実現した。図１は本発明のモータ制御装置を光ディスク装置に応用した好まし一実施形態における要部構成図である。これはＤＶＤレコーダ等に用いられるもので、ＤＶＤ−ＲＡＭ等、Ｚ−ＣＬＶ制御が必要な光ディスクへの高倍速での記録再生を行うため、スピンドルモータの消費電力を少しでも抑制する必要がある用途であり、本発明のモータ駆動装置の適用としては好ましい実施形態である。
【００２１】
図１において１は電源、２は回転数制御部、３は回生制御部、４は第１のスイッチ、５は第２のスイッチ、６は第３のスイッチ、７は第４のスイッチ、８は第５のスイッチ、９は第１のコンデンサ、１０は第２のコンデンサ、１１はモータ、１２は充電電圧検出部、１３は全体制御部である。
【００２２】
電源１は例えば１２Ｖの一定の電圧を発生し、全体を動作させる電源として供給する。回転数制御部２は全体制御部１３の指令により、モータ１１に供給する電圧を制御し、モータ１１の回転数を所定の回転数に制御する。回生制御部３は、第１のスイッチ４から第５のスイッチ８により構成され、これらをｏｎ−ｏｆｆすることにより第１のコンデンサ９と第２のコンデンサ１０との接続を変え、回生動作を制御する。すなわち、第１のスイッチ４から第５のスイッチ８は回生制御部３の構成要素である。なお、これらのスイッチ類は、例えばＤ−ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子により構成できる。第１のコンデンサ９は大容量の電解コンデンサ、または電気２重層コンデンサで、通常は第２のスイッチ５により電源１に接続された状態になっている。第２のコンデンサ１０も同様に大容量の電解コンデンサ、または電気２重層コンデンサで、第５のスイッチ８及び第４のスイッチ７で接続が変えられるよう構成されている。モータ１１はＤＣモータで、例えば３相ブラシレスＤＣモータ等が適用でき、ホール素子と半導体スイッチング素子による駆動回路を含んでいる。充電電圧検出部１２で第２のコンデンサ１０の電圧を測定し、全体制御部１３に測定電圧を出力する。全体制御部１３には充電電圧検出部１２の出力及びモータ１１の回転数等が入力され、このデータに基づき回転制御部２と回生制御部３とを制御し、回転数の制御が適正に行われるようにしつつ、回生動作を行う。
【００２３】
以上のように構成された本実施形態における光ディスク装置の動作を説明する。まず、回生を行わない状態では、第１のスイッチ４はｏｎ、第２のスイッチ５はｏｎ、第３のスイッチ６はｑ側、第４のスイッチ７はｓ側、第５のスイッチ８はｕ側に設定する。図２は 回生を行わない状態での実質的な結線図であり、図２における電源１、回転数制御部２、回生制御部３、第１のコンデンサ９、第２のコンデンサ１０、及びモータ１１は図１と同じである。
【００２４】
この状態では第１のコンデンサ９は電源１に直接接続された状態になっており、このため１２Ｖの電圧で充電された状態になっている。この状態では常に１２Ｖで充電電圧に変化はなく、第２のコンデンサ１０は回路から切り離された状態となっている。また、回転制御部２の出力はモータ１１に直接接続されている。このため回転制御部３はモータ１１を直接制御し、この状態では上述したように第１のコンデンサ９の端子電圧は常に１２Ｖで充電電圧に変化はなく、第２のコンデンサ１０は回路から切り離されているので、回生動作は行われず、回転制御部２による通常の回転数制御が行われる。
【００２５】
減速時には次の３種類の状態がある。第１の状態は前述の回生を行わない状態で、前述の場合と同様、第１のスイッチ４はｏｎ、第２のスイッチ５はｏｎ、第３のスイッチ６はｑ側、第４のスイッチ７はｓ側、第５のスイッチ８はｕ側に設定され、回生が行われず、回転制御部３はモータ１１を直接制御することにより回転数を減速する。この状態を通常減速状態と称する。
【００２６】
第２、第３の状態では回生動作により回転数を減速する。図３は回生動作による減速時の実質的な結線図で、同図Ａは第２の状態、同図Ｂは第３の状態である。
【００２７】
図３Ａに示す第２の状態では、第１のスイッチ４はｏｆｆ、第２のスイッチ５はｏｎ、第３のスイッチ６はｑ側、第４のスイッチ７はｒ側、第５のスイッチ８はｕ側に設定し、この状態をショートブレーキ状態と称する。図３Ａは、このショートブレーキ状態における等価回路図である。図３Ａより明らかなように、この状態では回転制御部２はモータ１１から切り離され、第２のコンデンサ１０がモータ１１に接続される。第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧Ｖc2aが、モータ１１の起電圧Ｖmrよりも低ければ、その電圧差により回生電流Ｉr1が流れ、第２のコンデンサ１０が充電される。同時に、この回生電流Ｉr1にモータ１１のトルク乗数Ｋtを乗じた値のトルクが、ブレーキトルクＴB1として作用し、モータ１１の回転数を減速する。ブレーキ開始時に第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧が０Ｖであれば、ブレーキ開始時は通常の制御、いわゆるショートブレーキと同じブレーキトルクが発生する（以下、ショートブレーキ状態と称する）。
【００２８】
しかし、ブレーキトルクＴB1は回生電流Ｉr1に比例し、これは第２のコンデンサ１０の電圧により大きく変動し、最初に第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧Ｖc2aがモータ１１の起電圧Ｖmrよりも高ければ、逆にモータを加速してしまうことになる。これについては後ほど詳しく説明するが、上述のショートブレーキ状態の条件によっては、この減速方法が常に使用できるわけではないことは以上の説明でも明らかである。
【００２９】
第３の状態では、第１のスイッチ４はｏｆｆ、第２のスイッチ５はｏｆｆ、第３のスイッチ６はｐ側、第４のスイッチ７はｒ側、第５のスイッチ８はｕ側に設定され、この状態を逆転ブレーキ状態と称する。図３Ｂは、この逆転ブレーキ状態における等価回路図である。図３Ｂより明らかなように、この状態では回転制御部２はモータ１１から切り離され、第２のコンデンサ１０と第１のコンデンサ９とがモータ１１に直列に接続される。第１のコンデンサ９は電源１により１２Ｖに充電されている。これがモータ１１と直列に接続され、極性も回生電流を大きくする方向なので、第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧Ｖc2aがモータ１１の起電圧Ｖmr＋１２Ｖよりも低ければその電圧差により回生電流Ｉr2が流れ、第２のコンデンサ１０が充電される。同時に、この回生電流Ｉr2にモータ１１のトルク乗数Ｋtを乗じた値のトルクが、ブレーキトルクＴB2として作用し、モータ１１の回転数を減速する。第１のコンデンサ９に充電されていた電圧１２Ｖにより、ショートブレーキ状態よりも大きな回生電流が流れ、その結果大きなブレーキトルクが発生する。実質的にモータ１１は第１のコンデンサ９に充電されていた電圧１２Ｖにより逆回転方向に駆動されている（以下、逆転ブレーキ状態と称する）。ブレーキトルクＴB2は回生電流Ｉr2に比例し、これは第２のコンデンサ１０の電圧により大きく変動するのはショートブレーキ状態と同様であり、最初に第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧Ｖc2aがモータ１１の起電圧Ｖmr＋１２Ｖよりも高ければ、逆にモータを加速してしまうことになるのも同様ではあるが、第１のコンデンサ９の充電電圧１２Ｖの分、より広い範囲で使用可能である。
【００３０】
減速時には以上３種類の状態を、状況により使い分けて使用することになるが、この使い分けの方法について説明する。図４Ａ及び同図Ｂは、ショートブレーキ状態及び逆転ブレーキ状態における時間と各電圧との関係を示すグラフである。モータ１１の起電圧はモータ１１の回転数に正比例するが、図４Ａ及び同図Ｂに示したグラフは傾向を説明するもので絶対値を示す必要は無いため、各グラフ中のモータ１１の起電圧の曲線や、値は回転数の変化曲線や値と考えても差し支えない。
【００３１】
図４Ａは、前述のショートブレーキ状態におけるモータ１１の起電圧と第２のコンデンサ１０の充電電圧との経時の関係を示している。モータ１１は回生電流によるブレーキトルクにより時間の経過とともに回転数が減少し、起電圧も減少する。一方、第２のコンデンサ１０は回生電流により充電され、端子電圧が上昇する。このため、この間回生電流は減少し、これに比例してブレーキトルクも減少する。そのままこの状態を続けると、第２のコンデンサ１０の端子電圧とモータ１１の起電圧とは等しくなる。この状態で回生電流は０となる。この状態を減速可能な限界回転数とする。この状態を更に続けると、回生電流によるブレーキトルクは働かないが、ディスクの風損やモータ１１の軸ロス等により、モータ１１の回転数は更に減少する。これによりモータ１１の起電圧は第２のコンデンサ１０の端子電圧より低くなり、第２のコンデンサ１０から放電され、モータ１１が正方向に駆動されるようになる。この状態では減速加速度は当然非常に小さく、また回生電力が無駄に消費されるので、このような状態は避けなければならない。また、一方で減速時間は直接シークタイムに影響するので、ある値以下でなければならない。この減速可能な限界回転数及び減速時間は、減速開始時の回転数、目標回転数、第２のコンデンサ１０の初期電圧、容量、モータ１１の逆起電圧定数、コイル抵抗及び回転部の慣性モーメントより計算することができる。
【００３２】
図４Ｂは、前述の逆転ブレーキ状態でのモータ１１の起電圧と、第２のコンデンサ１０の充電電圧、第１のコンデンサ９の充電電圧、及びモータ１１の起電圧と第１のコンデンサ９の充電電圧との合計電圧とのそれぞれの経時の関係を示している。ショートブレーキ状態の場合と同様、モータ１１は回生電流によるブレーキトルクにより、時間の経過とともに回転数が減少し、起電圧も減少する。また、第１のコンデンサ９も放電し、電圧が減少する。一方、第２のコンデンサ１０は回生電流により充電され、端子電圧が上昇する。このため、ショートブレーキの場合と同様に、この間回生電流は減少し、これに比例してブレーキトルクも減少する。そのままこの状態を続けると、第２のコンデンサ１０の端子電圧とモータ１１の起電圧は等しくなる。この状態で回生電流は０となる。この状態を同様に減速可能な限界回転数とする。この状態を更に続けると、同様に第２のコンデンサ１０から放電されるようになり、この状態は前述したショートブレーキ状態と同様に避けなければならない。また、減速時間は直接シークタイムに影響するので、ある値以下でなければならないのも同様である。
【００３３】
ショートブレーキの場合と異なるのは、第１のコンデンサ９の充電電圧のため回生電流が大きく、大きな減速加速度が得られ、減速時間が短時間になる点と、前述の減速可能な限界回転数が低く、低い回転数まで使用可能な点である。しかしながら、逆転ブレーキは振動や騒音が増大する傾向があり、ショートブレーキで目的が達せられる限り使用は避けた方が良い。この減速可能な限界回転数及び減速時間は、ショートブレーキの場合と同様に、減速開始時の回転数と目標回転数、第２のコンデンサ１０の初期電圧、容量、第１のコンデンサ９の初期電圧、容量、モータ１１の逆起電圧定数、コイル抵抗、回転部の慣性モーメントより計算することができる。よって、全体制御部１３より目標回転数が指示されると、減速開始時の回転数と第２のコンデンサ１０の初期電圧とを計測し、このデータとコンデンサの容量等固定のパラメータとにより、この減速可能な限界回転数及び減速時間を計算し、最適な減速方法を選択する。
【００３４】
図５は、減速方法選択の手順のフローチャートである。図１の全体制御部１３が減速を指示すると、まず目標回転数を入力し＜ステップ５０＞、現状の回転数を測定する＜ステップ５１＞。これはモータ１１より出力されているＦＧ等により測定する。回転数を制御する目的に使用されるモータは、一般にこのような回転数を測定するための信号が出力されている。次に、充電電圧検出部１２により第２のコンデンサ１０の充電電圧を測定する＜ステップ５２＞。次に、ショートブレーキ時の限界回転数を計算し、指示された目標回転数がこれ以下かどうかを判定する＜ステップ５３＞。目標回転数がショートブレーキ時の限界回転数以下であれば、ショートブレーキ時の減速時間を計算し、ある限界値以内に納まっているかどうかを判定する＜ステップ５４＞。これがある限界値以内であれば、ショートブレーキ状態に各ＳＷを設定することにより、ショートブレーキを選択する＜ステップ５５＞。
【００３５】
このように、指示された目標回転数がショートブレーキ時の限界回転数以下で、しかもショートブレーキ時の減速時間が、ある限界値以内であれば、ショートブレーキを使用する。＜ステップ５３＞または＜ステップ５４＞のいずれかがＮＯであれば、逆転ブレーキの条件で同様の判定を行う＜ステップ５６＞。即ち、＜ステップ５３＞または＜ステップ５４＞の判定のいずれかがＮＯであった場合、＜ステップ５６＞で逆転ブレーキ時の限界回転数を計算し、指示された目標回転数が限界回転数以下かどうかを判定する。目標回転数が逆転ブレーキ時の限界回転数以下であれば、逆転ブレーキ時の減速時間を計算し、ある限界値以内に納まっているかどうかを判定する＜ステップ５７＞。＜ステップ５７＞で計算した減速時間がある限界値以内であれば、逆転ブレーキ状態に各ＳＷを設定することにより逆転ブレーキを選択する＜ステップ５８＞。
【００３６】
このように、＜ステップ５３＞または＜ステップ５４＞の判定のいずれかがＮＯの場合（すなわち、ショートブレーキが使用できないと判定された場合）、逆転ブレーキの条件での判定を行い、逆転ブレーキ時の限界回転数以下で、しかも逆転ブレーキ時の減速時間がある限界値以内であれば、逆転ブレーキを使用する。いずれかがＮＯであれば、即ち＜ステップ５６＞または＜ステップ５７＞の判定のいずれかがＮＯであれば、通常減速状態に各ＳＷを設定することにより通常減速とする。
【００３７】
減速方法が決定されるとそれぞれの接続により減速が開始され、回転数が目標回転数に近づく。通常減速状態の場合はそのまま目標回転数まで減速するが、ショートブレーキ状態と逆転ブレーキ状態の場合は、目標回転数の１．２倍程度の回転数に達した時点で通常減速状態に切り替える。これは、そのまま減速を続けると、回転数が０になってしまう点と、仮にこのような回生状態で回転数を制御する構成を設けたとしても、精密な回転数制御を行うには減速加速度を正確に制御する等の複雑な構成が必要で、現実的ではない点とからである。
【００３８】
このように減速方法を切り替えて選択して使用し、また目標回転数近くでは通常の制御とすることにより、回生動作を行いながらも常に適正な時間内に精度よく減速することができる。また、特に逆転ブレーキ状態では大きな減速加速度が得られ、また通常より低い回転数まで電力回生を行うことができるので回生効率がよい。
【００３９】
次に、加速時の動作について説明する。加速時には第１のスイッチ４はｏｆｆ、第２のスイッチ５はｏｎ、第３のスイッチ６はｑ側、第４のスイッチ７はｒ側、第５のスイッチ８はｔ側に設定される。図６は 加速状態の、実質的な結線図である。図６より明らかなように、この状態では回転制御部２はモータ１１から切り離され、第２のコンデンサ１０が電源１に直列に接続され、これがモータ１１に接続される。第１のコンデンサ９は電源１と並列に接続されるため実質的な動作はしない。第２のコンデンサ１０は、回生電力が充電され、ある電圧になっている。これが電源１に直列に接続され、これがモータ１１に接続され、極性も駆動電流を増大する方向であるため、加速時には通常よりも大きな駆動電流を流すことができ、加速時間を短縮することができる。加速時も或る時点で通常動作による加速に切り替えるが、それは下記の条件１または条件２のいずれかの条件が成立した場合である。
【００４０】
条件１は、第２のコンデンサ１０の電圧が０Ｖになった時点である。駆動電流を流すことにより第２のコンデンサ１０の電圧は下がり、やがて０Ｖになる。この時点で減速時の回生電力を使い切ったと判定でき、また、これ以降は通常の動作での加速よりも加速度が劣るのでこの時点で通常動作に切り替えなければならない。
【００４１】
条件２は、モータ１１の回転数が目標回転数の９０％に達した時点である。これはそのまま加速を続けると、回転数がどこまで上昇するのか不明であるのはもちろんであるが、仮にこのような回生状態で回転数を制御する構成を設けたとしても、精密な回転数制御を行うためには加速度を正確に制御するには複雑な構成が必要で、現実的ではないからである。
【００４２】
このように本実施形態では、回生電力の蓄積用のコンデンサが実質的に複数個備えられて、この複数個のコンデンサの、互いの接続、また、前記モータ、及び前記電源に対する接続を切り替える切替手段を備え、１個のコンデンサ（上述の実施形態では第１のコンデンサ）は通常電源電圧で充電されており、減速時、必要に応じて別のコンデンサ（同実施形態では第２のコンデンサ）と直列に、ブレーキ電流を増大する方向に接続することもできるように配置し、また、加速時にはやはり別のコンデンサと直列に接続するようにしたことにより、別のコンデンサに蓄積された回生電力を十分に充放電させることができるので、回生効率を向上でき、十分なブレーキトルクを得るられ、かつ１個のコンデンサを使用しない構成、または回生を使用しない構成も選択できるようにし、目標回転数近くでは通常の制御とするようにしたので、必要に応じて最適な、大きな減速加速度を得ることができ、また目標回転数近くでは通常の制御とすることができる。その結果、これらにより回生動作を行いながらも、常に適正な時間内に精度よく減速することができる。また、特に逆転ブレーキ状態では、通常より低い回転数まで電力回生を行うことができるので、回生効率がよい。またこれらはコンデンサの切替によって実現しているので、安価に実現することができる。よって、電力回生技術を光ディスク装置の応用しようとすると、スピンドルモータの回転数の制御性が悪く、特に十分なブレーキトルクが得られず、また、回生効率も悪い、という課題を解決する光ディスク装置を得ることができる。
【００４３】
尚、上述の実施形態ではコンデンサは２個使用したが、３個以上を使用し、接続を切り替えるようにしてもよい。
【００４４】
また、上述の実施の形態では、充電電圧を検出する充電電圧検出部を設けたが、これを設けず、例えば第２のコンデンサ１０の初期電圧を使用履歴により予想するようにしたり、あるいは一定の値と仮定するようにしてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態では、加速時は回生動作は１つの接続方法のみであったが、複数の方法を切り替えて使用するようにしてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、減速時の回生動作の接続は、減速の開始時に決定したのちは変更しなかったが、状況に応じて減速の途中で変更できるようにしてもよい。
【００４７】
なお、上述の実施形態では本発明のモータ制御装置を光ディスク装置に適用した例を挙げたが、モータの回転数を目標回転数に加・減速することが要請される電動機器であればいずれにお適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明にかかるモータ制御装置は、目標回転数に加速または減速することが要請される電動機器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態におけるブロック構成図
【図２】同実施形態における第１の状態での等価回路構成図
【図３Ａ】同実施形態における第２の状態での等価回路構成図
【図３Ｂ】同実施形態における第３の状態での等価回路構成図
【図４Ａ】同実施形態における電圧の経時特性を説明する図
【図４Ｂ】同実施形態における電圧の経時特性を説明する図
【図５】同実施形態のおける減速方法選択のフローチャート
【図６】同実施形態における加速状態での等価回路構成図
【図７】第１の従来例におけるブロック構成図
【図８】同従来例におけるタイミングチャート
【図９】第２の従来例におけるブロック構成図
【図１０】同従来例におけるタイミングチャート
【符号の説明】
【００５０】
１ 電源
２ 回転数制御部
３ 回生制御部
４ 第１のスイッチ
５ 第２のスイッチ
６ 第３のスイッチ
７ 第４のスイッチ
８ 第５のスイッチ
９ 第１のコンデンサ
１０ 第２のコンデンサ
１１ モータ
１２ 充電電圧検出部
１３ 全体制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータの制御装置に関し、特に目標回転数にモータの回転数制御を高めることができるモータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、動画をＤＶＤディスク等の光ディスクにデジタル信号で記録する例えばＤＶＤレコーダが、従来のＶＴＲに替わり広く普及しつつある。このＤＶＤレコーダには、このような光ディスク装置の他にハードディスク装置も搭載される場合が多い。ハードディスク装置はその容量が光ディスク装置と比較しても格段に大きく、従って長時間の動画が記録でき、記録・消去・再生の動作が迅速に行える。しかしながらハードディスク装置は、記録媒体の取り出し、交換ができない。このため、好みの番組をとりあえずこのハードディスク装置に記録しておき、後で再生して視聴した後、不要なものは消去し、必要なものだけをＤＶＤ−ＲＡＭ等の光ディスクに移して残すという使われ方がよく行われる。このような使われ方では、番組をハードディスク装置から光ディスクに編集記録するのに要する時間が短い方が好ましいのは言うまでも無い。
【０００３】
従来このような光ディスク装置は、パーソナルコンピュータのデータ記録装置として使用される場合が大半であった。パーソナルコンピュータのデータは大半の場合それ程大きな容量ではなく、光ディスク装置の記録速度はそれ程は問題にならなかった。しかしながら、上述のような動画をデジタル記録したデータは非常に容量が大きく、光ディスク装置の記録速度が大きな問題となり、このため近年、高倍速での記録が行われるようになり、高回転数でディスクを回転させながら記録が行われる。再生の場合は、再生時のレーザーの出力はもともと５ｍＷ程度と小さく、また回転数が上がっても出力を増大させる必要もない。しかし、記録の場合はもともと数十ｍＷの大きな出力が必要で、更に、概ね回転数に比例してレーザーの出力を増大する必要がある。レーザーの消費電力や発熱量そのものはドライブ全体からすればそれ程大きなものではないが、レーザーはディスク内外周に移動する光ピックアップに搭載されるので一般に十分な放熱対策を施すことができず、また、素子自体が通常のシリコンをベースとする半導体と比較し熱に弱く、このため、ドライブの内部の許容温度がこのレーザーで制限される場合が多い。前述のように、このレーザーの消費電力が高倍速化により非常に増大すると、レーザー自身の発熱によりレーザーの温度が上昇するため、ドライブ内部の他の部品の発熱量をより制限しなければならない。８０００ｒ．ｐ．ｍ程度の最高回転数で記録を行う場合、ドライブ内部の温度上昇はレーザーにとってほとんど限界に達しているドライブが多い。
【０００４】
ディスクを回転させるスピンドルモータは、特にこのような高速回転や、Ｚ―ＣＬＶ制御で加減速を繰り返す場合、ドライブ内部の温度上昇の原因となる電力消費の大きな部分を消費する。このため、このスピンドルモータの消費電力の低減は大きな課題である。ところがこのモータ自体は既にかなり完成された技術であるため、有効な消費電力低減の方法が既に殆ど無いという問題点があった。
【０００５】
このような問題点に対し、例えば特許文献１に記されているように、モータ回転数を減速させる際に余剰となる回転エネルギーをコンデンサ等に蓄積し加速の際に利用する、いわゆる電力回生により消費電力を低減させる方法が提案されている。この方法は、モータの加速減速を繰り返すＤＶＤ−ＲＡＭ等のＺ−ＣＬＶ制御を行うディスク装置では特に有効な方法である。
【０００６】
以下、特許文献１に開示されている技術について図を用いて説明する。図７は従来のディスク装置１０１のブロック図で、図８は図７に示したディスク装置１０１の制御および各部の電流、電圧のタイミングチャートである。図９は従来のディスク装置１０１の他のブロック図で、図１０は図９に示したディスク装置１０１のタイミングチャートである。
【０００７】
図７に示した磁気ディスク装置１０１のスピンドルモータ駆動部は、単相直流スピンドルモータ１３１と、コンデンサ１１１と、外部電源１０２と、コンデンサ１１１とスピンドルモータ１３１の端子の一方とを接続するスイッチ手段１２１と、スピンドルモータ回転数制御回路１１４と、コンデンサ１１１とスピンドルモータ回転数制御回路１１４の電源入力端子とを接続するスイッチ手段１２２で構成される。スイッチ手段１２１及び１２２は、例えばリレースイッチやパワーＭＯＳトランジスタ等の半導体スイッチを用いることができるが、スイッチ駆動電力、スイッチオフ時の漏れ電流およびスイッチオン抵抗は小さいものが望ましい。
【０００８】
記録再生時およびアイドル運転時は、スピンドルモータ回転数制御回路１１４によってスピンドルモータ１３１の回転数が所要の値になるように、スピンドルモータ１３１への電流を調整している。スピンドルモータ１３１の停止命令により、スピンドルモータ回転数制御回路１１４からスピンドルモータ１３１への電流を遮断すると同時もしくはそれより後にスイッチ手段１２１を接続し、スピンドルモータ１３１の惰性回転による逆起電力によりコンデンサ１１１を充電する。
【０００９】
ここで図８に示すように、スピンドルモータ１３１の回転数の減少とともにスピンドルモータ１３１の逆起電圧は減少し、同時にコンデンサ１１１の端子間電圧は充電により増加して、これら２つの電圧が等しくなるまでコンデンサ１１１が充電される。従って、両者が一致した時点にスイッチ手段１２１を遮断することにより、コンデンサ１１１に蓄積されるエネルギが最大となる。予め測定やシミュレーションにより、スピンドルモータ１３１の逆起電力の経時変化およびコンデンサ１１１の端子電圧の経時変化を求めることにより、充電開始から上記の２つの電圧が一致するまでの時間を求めることが可能であり、この時間をスイッチ１２１の接続時間として制御を行う。
【００１０】
コンデンサ１１１の充電に必要な時間は、コンデンサの容量とコンデンサとスピンドルモータで構成される回路の抵抗の積で決まる時定数に依存するため、スピンドルモータ１３１の逆起電力を効率よく充電するためには、この時定数がスピンドルモータ１３１の電流供給停止後の惰性回転時間よりも短いことが望ましい。充電後のコンデンサ電圧Ｖ1が外部電源１０２の電圧Ｖ0よりも低い場合、スイッチ手段１２１の遮断後、モータ始動命令によりスピンドルモータ１３１が始動する以前にスイッチ手段１２２を接続すると、コンデンサ１１１の電圧が外部電源１０２の電圧と等しくなるまで追充電が行われる。追充電によって消費されるエネルギは、コンデンサの容量をＣとすると、
Ｃ（Ｖ0−Ｖ1）2／２ … （式１）
で表される。
【００１１】
スピンドルモータ１３１の始動命令により、モータ回転数制御回路１１４からスピンドルモータ１３１へ電流が供給されると同時に、スイッチ手段１２２を接続してコンデンサ１１１よりモータ回転数制御回路１１４へ電流を供給する。ここでスイッチ手段１２２をスピンドルモータ１３１の始動後、コンデンサ１１１の電荷が十分に放出された時点で遮断することにより、外部電源１０２から供給する電流を抑制することができ、外部電源１０２に電池を用いた場合の内部抵抗による損失を抑制し、電池寿命を延長できる。
【００１２】
スイッチ手段１２２の最適な接続−遮断時間は、予め測定やシミュレーションにより、スピンドルモータ１３１の始動時にスイッチ手段１２２を接続しない場合とスイッチ１２２を接続した場合とで、外部電源１０２からモータ回転数制御回路１１４に供給される電流の経時変化をそれぞれ求め、両者が一致するまでの時間として決定できる。また、スピンドルモータ１３１の始動時に、コンデンサ１１１から供給されるエネルギは、
ＣＶ02／２ … （式２）
で与えられ、Ｖ1がＶ0／２よりも大きく、さらに（式２）と（式１）との差が、スピンドルモータ１３１が停止している間におけるスイッチ手段１２１及び１２２の消費エネルギとコンデンサ１１１の漏れ電流等による損失分との和よりも大きい場合、モータ始動時の消費電力を低減することができる。
【００１３】
図９に示したディスク装置１０１は、図７のディスク装置１０１にスイッチ手段１２３および電圧調整回路１１６を付加し、コンデンサ１１１を充電後、スイッチ手段１２３により電圧調整回路１１６の端子とコンデンサ１１１を接続する。電圧調整回路１１６は、予め設定した直流電圧、または任意の直流電圧を発生できる構造とする。電圧調整回路１１６の電圧をＶ2とおくと、Ｖ1とＶ2トの和がＶ0以上のときは追充電の必要はない。Ｖ1とＶ2との和がＶ0よりも低い場合、追充電によって消費されるエネルギは
Ｃ（Ｖ0−Ｖ1−Ｖ2）2／２ … （式３）
となり、スピンドルモータ１３１の始動時にコンデンサ１１１から供給されるエネルギは
ＣＶ12／２ … （式４）
となる。
【００１４】
従って、Ｖ0とＶ2との差がＶ1／２よりも小さく、さらに（式４）と（式３）との差がスピンドルモータ１３１が停止している間のスイッチ手段１２１、１２２、１２３及び電圧調整回路１１６の消費エネルギとコンデンサ１１１の損失エネルギとの和よりも大きいとき、モータ始動時の消費電力を低減することができる。
【特許文献１】特開２００３−１８９６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら特許文献１で開示されている方法では、上述した図７のディスク装置１０１の構成では、現実にはコンデンサ１１１に充電された逆起電力は放電させることができない。なんとなれば、コンデンサ１１１に充電された電力を放電する際、スイッチ１２２がＯＮになり、コンデンサ１１１と外部電源１０２とが並列に接続されるが、コンデンサ１１１に充電された電圧は図８に示される通り、常に外部電源の電圧よりも低いからである。上述の数式は、外部電源の電圧よりも充電電圧が低くても放電が可能であるというありえない前提で立てられている。充電された逆起電力は放電させることができないので、いわゆる回生動作は期待できない。
【００１６】
また、図９のディスク装置１０１では、回生動作は正常に行われるが、第一に、電圧調整回路は実際にはかなりの容量のものが必要で、通常では光ディスクドライブの基板の片隅に実装が可能な規模ではない。第二に、例えば光ディスクドライブでＺ−ＣＬＶ制御を行いながら記録を行う場合、回転数を迅速に変化させ、かつ、安定に精度よく目標回転数に到達しなければならない。ところが図９のディスク装置１０１では、モータの減速時の最初にはコンデンサの電圧は０Ｖなのでショートブレーキが作用し、そこそこの減速の加速度が得られるが時間の経過と共にコンデンサの電圧が上昇し、かつモータの回転数が減少し、これに比例して逆起電圧も減少するので、徐々に回生電流が減少し、これに比例するブレーキトルクも減少し、コンデンサの電圧と逆起電圧が同じになった時点で全くブレーキが効かない状態となってしまう。しかも通常、光ディスクドライブではショートブレーキよりも強いブレーキトルクが得られる逆転ブレーキも併用されるが、この構成では逆転ブレーキを使用することはできない。加速時は減速時と比較すると問題は少ないが、加速中に電圧が変動するのでサーボゲインが変動し、安定な制御をかけられないという問題を有する。これらに対する解決策についても何ら記述がない。
【００１７】
本発明は、モータの回転数の制御性、高いブレーキトルク、及び回生効率が高いモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明のモータ制御装置は、モータと、前記モータを回転駆動する駆動電流を供給する電源と、前記モータの回転数を減少させる時に当該モータの回転エネルギーを蓄積する蓄積手段と、前記蓄積手段で蓄積した回転エネルギを前記モータの回転駆動エネルギとして前記駆動電流に付加する制御手段とを備える。この構成により、電力回生技術をモータ制御装置の応用しながら、スピンドルモータの回転数の制御性が良好で、十分なブレーキトルクが実現でき、回生効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のモータ駆動装置における第１のコンデンサは通常電源電圧で充電されており、減速時、必要に応じて第２のコンデンサと直列にブレーキ電流を増大する方向に接続される。また、加速時にはやはり第２のコンデンサと直列に接続するため、第２のコンデンサに蓄積された回生電力を十分に充放電させることができ、回生効率を向上でき、かつ十分なブレーキトルクを得られるという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
スピンドルモータの回転数の制御性がよく、特に十分なブレーキトルクが得られ、また、回生効率も良い電力回生装置を得るという目的を最小の部品点数で実現した。図１は本発明のモータ制御装置を光ディスク装置に応用した好まし一実施形態における要部構成図である。これはＤＶＤレコーダ等に用いられるもので、ＤＶＤ−ＲＡＭ等、Ｚ−ＣＬＶ制御が必要な光ディスクへの高倍速での記録再生を行うため、スピンドルモータの消費電力を少しでも抑制する必要がある用途であり、本発明のモータ駆動装置の適用としては好ましい実施形態である。
【００２１】
図１において１は電源、２は回転数制御部、３は回生制御部、４は第１のスイッチ、５は第２のスイッチ、６は第３のスイッチ、７は第４のスイッチ、８は第５のスイッチ、９は第１のコンデンサ、１０は第２のコンデンサ、１１はモータ、１２は充電電圧検出部、１３は全体制御部である。
【００２２】
電源１は例えば１２Ｖの一定の電圧を発生し、全体を動作させる電源として供給する。回転数制御部２は全体制御部１３の指令により、モータ１１に供給する電圧を制御し、モータ１１の回転数を所定の回転数に制御する。回生制御部３は、第１のスイッチ４から第５のスイッチ８により構成され、これらをｏｎ−ｏｆｆすることにより第１のコンデンサ９と第２のコンデンサ１０との接続を変え、回生動作を制御する。すなわち、第１のスイッチ４から第５のスイッチ８は回生制御部３の構成要素である。なお、これらのスイッチ類は、例えばＤ−ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子により構成できる。第１のコンデンサ９は大容量の電解コンデンサ、または電気２重層コンデンサで、通常は第２のスイッチ５により電源１に接続された状態になっている。第２のコンデンサ１０も同様に大容量の電解コンデンサ、または電気２重層コンデンサで、第５のスイッチ８及び第４のスイッチ７で接続が変えられるよう構成されている。モータ１１はＤＣモータで、例えば３相ブラシレスＤＣモータ等が適用でき、ホール素子と半導体スイッチング素子による駆動回路を含んでいる。充電電圧検出部１２で第２のコンデンサ１０の電圧を測定し、全体制御部１３に測定電圧を出力する。全体制御部１３には充電電圧検出部１２の出力及びモータ１１の回転数等が入力され、このデータに基づき回転制御部２と回生制御部３とを制御し、回転数の制御が適正に行われるようにしつつ、回生動作を行う。
【００２３】
以上のように構成された本実施形態における光ディスク装置の動作を説明する。まず、回生を行わない状態では、第１のスイッチ４はｏｎ、第２のスイッチ５はｏｎ、第３のスイッチ６はｑ側、第４のスイッチ７はｓ側、第５のスイッチ８はｕ側に設定する。図２は 回生を行わない状態での実質的な結線図であり、図２における電源１、回転数制御部２、回生制御部３、第１のコンデンサ９、第２のコンデンサ１０、及びモータ１１は図１と同じである。
【００２４】
この状態では第１のコンデンサ９は電源１に直接接続された状態になっており、このため１２Ｖの電圧で充電された状態になっている。この状態では常に１２Ｖで充電電圧に変化はなく、第２のコンデンサ１０は回路から切り離された状態となっている。また、回転制御部２の出力はモータ１１に直接接続されている。このため回転制御部３はモータ１１を直接制御し、この状態では上述したように第１のコンデンサ９の端子電圧は常に１２Ｖで充電電圧に変化はなく、第２のコンデンサ１０は回路から切り離されているので、回生動作は行われず、回転制御部２による通常の回転数制御が行われる。
【００２５】
減速時には次の３種類の状態がある。第１の状態は前述の回生を行わない状態で、前述の場合と同様、第１のスイッチ４はｏｎ、第２のスイッチ５はｏｎ、第３のスイッチ６はｑ側、第４のスイッチ７はｓ側、第５のスイッチ８はｕ側に設定され、回生が行われず、回転制御部３はモータ１１を直接制御することにより回転数を減速する。この状態を通常減速状態と称する。
【００２６】
第２、第３の状態では回生動作により回転数を減速する。図３は回生動作による減速時の実質的な結線図で、同図Ａは第２の状態、同図Ｂは第３の状態である。
【００２７】
図３Ａに示す第２の状態では、第１のスイッチ４はｏｆｆ、第２のスイッチ５はｏｎ、第３のスイッチ６はｑ側、第４のスイッチ７はｒ側、第５のスイッチ８はｕ側に設定し、この状態をショートブレーキ状態と称する。図３Ａは、このショートブレーキ状態における等価回路図である。図３Ａより明らかなように、この状態では回転制御部２はモータ１１から切り離され、第２のコンデンサ１０がモータ１１に接続される。第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧Ｖc2aが、モータ１１の起電圧Ｖmrよりも低ければ、その電圧差により回生電流Ｉr1が流れ、第２のコンデンサ１０が充電される。同時に、この回生電流Ｉr1にモータ１１のトルク乗数Ｋtを乗じた値のトルクが、ブレーキトルクＴB1として作用し、モータ１１の回転数を減速する。ブレーキ開始時に第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧が０Ｖであれば、ブレーキ開始時は通常の制御、いわゆるショートブレーキと同じブレーキトルクが発生する（以下、ショートブレーキ状態と称する）。
【００２８】
しかし、ブレーキトルクＴB1は回生電流Ｉr1に比例し、これは第２のコンデンサ１０の電圧により大きく変動し、最初に第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧Ｖc2aがモータ１１の起電圧Ｖmrよりも高ければ、逆にモータを加速してしまうことになる。これについては後ほど詳しく説明するが、上述のショートブレーキ状態の条件によっては、この減速方法が常に使用できるわけではないことは以上の説明でも明らかである。
【００２９】
第３の状態では、第１のスイッチ４はｏｆｆ、第２のスイッチ５はｏｆｆ、第３のスイッチ６はｐ側、第４のスイッチ７はｒ側、第５のスイッチ８はｕ側に設定され、この状態を逆転ブレーキ状態と称する。図３Ｂは、この逆転ブレーキ状態における等価回路図である。図３Ｂより明らかなように、この状態では回転制御部２はモータ１１から切り離され、第２のコンデンサ１０と第１のコンデンサ９とがモータ１１に直列に接続される。第１のコンデンサ９は電源１により１２Ｖに充電されている。これがモータ１１と直列に接続され、極性も回生電流を大きくする方向なので、第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧Ｖc2aがモータ１１の起電圧Ｖmr＋１２Ｖよりも低ければその電圧差により回生電流Ｉr2が流れ、第２のコンデンサ１０が充電される。同時に、この回生電流Ｉr2にモータ１１のトルク乗数Ｋtを乗じた値のトルクが、ブレーキトルクＴB2として作用し、モータ１１の回転数を減速する。第１のコンデンサ９に充電されていた電圧１２Ｖにより、ショートブレーキ状態よりも大きな回生電流が流れ、その結果大きなブレーキトルクが発生する。実質的にモータ１１は第１のコンデンサ９に充電されていた電圧１２Ｖにより逆回転方向に駆動されている（以下、逆転ブレーキ状態と称する）。ブレーキトルクＴB2は回生電流Ｉr2に比例し、これは第２のコンデンサ１０の電圧により大きく変動するのはショートブレーキ状態と同様であり、最初に第２のコンデンサ１０に充電されていた電圧Ｖc2aがモータ１１の起電圧Ｖmr＋１２Ｖよりも高ければ、逆にモータを加速してしまうことになるのも同様ではあるが、第１のコンデンサ９の充電電圧１２Ｖの分、より広い範囲で使用可能である。
【００３０】
減速時には以上３種類の状態を、状況により使い分けて使用することになるが、この使い分けの方法について説明する。図４Ａ及び同図Ｂは、ショートブレーキ状態及び逆転ブレーキ状態における時間と各電圧との関係を示すグラフである。モータ１１の起電圧はモータ１１の回転数に正比例するが、図４Ａ及び同図Ｂに示したグラフは傾向を説明するもので絶対値を示す必要は無いため、各グラフ中のモータ１１の起電圧の曲線や、値は回転数の変化曲線や値と考えても差し支えない。
【００３１】
図４Ａは、前述のショートブレーキ状態におけるモータ１１の起電圧と第２のコンデンサ１０の充電電圧との経時の関係を示している。モータ１１は回生電流によるブレーキトルクにより時間の経過とともに回転数が減少し、起電圧も減少する。一方、第２のコンデンサ１０は回生電流により充電され、端子電圧が上昇する。このため、この間回生電流は減少し、これに比例してブレーキトルクも減少する。そのままこの状態を続けると、第２のコンデンサ１０の端子電圧とモータ１１の起電圧とは等しくなる。この状態で回生電流は０となる。この状態を減速可能な限界回転数とする。この状態を更に続けると、回生電流によるブレーキトルクは働かないが、ディスクの風損やモータ１１の軸ロス等により、モータ１１の回転数は更に減少する。これによりモータ１１の起電圧は第２のコンデンサ１０の端子電圧より低くなり、第２のコンデンサ１０から放電され、モータ１１が正方向に駆動されるようになる。この状態では減速加速度は当然非常に小さく、また回生電力が無駄に消費されるので、このような状態は避けなければならない。また、一方で減速時間は直接シークタイムに影響するので、ある値以下でなければならない。この減速可能な限界回転数及び減速時間は、減速開始時の回転数、目標回転数、第２のコンデンサ１０の初期電圧、容量、モータ１１の逆起電圧定数、コイル抵抗及び回転部の慣性モーメントより計算することができる。
【００３２】
図４Ｂは、前述の逆転ブレーキ状態でのモータ１１の起電圧と、第２のコンデンサ１０の充電電圧、第１のコンデンサ９の充電電圧、及びモータ１１の起電圧と第１のコンデンサ９の充電電圧との合計電圧とのそれぞれの経時の関係を示している。ショートブレーキ状態の場合と同様、モータ１１は回生電流によるブレーキトルクにより、時間の経過とともに回転数が減少し、起電圧も減少する。また、第１のコンデンサ９も放電し、電圧が減少する。一方、第２のコンデンサ１０は回生電流により充電され、端子電圧が上昇する。このため、ショートブレーキの場合と同様に、この間回生電流は減少し、これに比例してブレーキトルクも減少する。そのままこの状態を続けると、第２のコンデンサ１０の端子電圧とモータ１１の起電圧は等しくなる。この状態で回生電流は０となる。この状態を同様に減速可能な限界回転数とする。この状態を更に続けると、同様に第２のコンデンサ１０から放電されるようになり、この状態は前述したショートブレーキ状態と同様に避けなければならない。また、減速時間は直接シークタイムに影響するので、ある値以下でなければならないのも同様である。
【００３３】
ショートブレーキの場合と異なるのは、第１のコンデンサ９の充電電圧のため回生電流が大きく、大きな減速加速度が得られ、減速時間が短時間になる点と、前述の減速可能な限界回転数が低く、低い回転数まで使用可能な点である。しかしながら、逆転ブレーキは振動や騒音が増大する傾向があり、ショートブレーキで目的が達せられる限り使用は避けた方が良い。この減速可能な限界回転数及び減速時間は、ショートブレーキの場合と同様に、減速開始時の回転数と目標回転数、第２のコンデンサ１０の初期電圧、容量、第１のコンデンサ９の初期電圧、容量、モータ１１の逆起電圧定数、コイル抵抗、回転部の慣性モーメントより計算することができる。よって、全体制御部１３より目標回転数が指示されると、減速開始時の回転数と第２のコンデンサ１０の初期電圧とを計測し、このデータとコンデンサの容量等固定のパラメータとにより、この減速可能な限界回転数及び減速時間を計算し、最適な減速方法を選択する。
【００３４】
図５は、減速方法選択の手順のフローチャートである。図１の全体制御部１３が減速を指示すると、まず目標回転数を入力し＜ステップ５０＞、現状の回転数を測定する＜ステップ５１＞。これはモータ１１より出力されているＦＧ等により測定する。回転数を制御する目的に使用されるモータは、一般にこのような回転数を測定するための信号が出力されている。次に、充電電圧検出部１２により第２のコンデンサ１０の充電電圧を測定する＜ステップ５２＞。次に、ショートブレーキ時の限界回転数を計算し、指示された目標回転数がこれ以下かどうかを判定する＜ステップ５３＞。目標回転数がショートブレーキ時の限界回転数以下であれば、ショートブレーキ時の減速時間を計算し、ある限界値以内に納まっているかどうかを判定する＜ステップ５４＞。これがある限界値以内であれば、ショートブレーキ状態に各ＳＷを設定することにより、ショートブレーキを選択する＜ステップ５５＞。
【００３５】
このように、指示された目標回転数がショートブレーキ時の限界回転数以下で、しかもショートブレーキ時の減速時間が、ある限界値以内であれば、ショートブレーキを使用する。＜ステップ５３＞または＜ステップ５４＞のいずれかがＮＯであれば、逆転ブレーキの条件で同様の判定を行う＜ステップ５６＞。即ち、＜ステップ５３＞または＜ステップ５４＞の判定のいずれかがＮＯであった場合、＜ステップ５６＞で逆転ブレーキ時の限界回転数を計算し、指示された目標回転数が限界回転数以下かどうかを判定する。目標回転数が逆転ブレーキ時の限界回転数以下であれば、逆転ブレーキ時の減速時間を計算し、ある限界値以内に納まっているかどうかを判定する＜ステップ５７＞。＜ステップ５７＞で計算した減速時間がある限界値以内であれば、逆転ブレーキ状態に各ＳＷを設定することにより逆転ブレーキを選択する＜ステップ５８＞。
【００３６】
このように、＜ステップ５３＞または＜ステップ５４＞の判定のいずれかがＮＯの場合（すなわち、ショートブレーキが使用できないと判定された場合）、逆転ブレーキの条件での判定を行い、逆転ブレーキ時の限界回転数以下で、しかも逆転ブレーキ時の減速時間がある限界値以内であれば、逆転ブレーキを使用する。いずれかがＮＯであれば、即ち＜ステップ５６＞または＜ステップ５７＞の判定のいずれかがＮＯであれば、通常減速状態に各ＳＷを設定することにより通常減速とする。
【００３７】
減速方法が決定されるとそれぞれの接続により減速が開始され、回転数が目標回転数に近づく。通常減速状態の場合はそのまま目標回転数まで減速するが、ショートブレーキ状態と逆転ブレーキ状態の場合は、目標回転数の１．２倍程度の回転数に達した時点で通常減速状態に切り替える。これは、そのまま減速を続けると、回転数が０になってしまう点と、仮にこのような回生状態で回転数を制御する構成を設けたとしても、精密な回転数制御を行うには減速加速度を正確に制御する等の複雑な構成が必要で、現実的ではない点とからである。
【００３８】
このように減速方法を切り替えて選択して使用し、また目標回転数近くでは通常の制御とすることにより、回生動作を行いながらも常に適正な時間内に精度よく減速することができる。また、特に逆転ブレーキ状態では大きな減速加速度が得られ、また通常より低い回転数まで電力回生を行うことができるので回生効率がよい。
【００３９】
次に、加速時の動作について説明する。加速時には第１のスイッチ４はｏｆｆ、第２のスイッチ５はｏｎ、第３のスイッチ６はｑ側、第４のスイッチ７はｒ側、第５のスイッチ８はｔ側に設定される。図６は 加速状態の、実質的な結線図である。図６より明らかなように、この状態では回転制御部２はモータ１１から切り離され、第２のコンデンサ１０が電源１に直列に接続され、これがモータ１１に接続される。第１のコンデンサ９は電源１と並列に接続されるため実質的な動作はしない。第２のコンデンサ１０は、回生電力が充電され、ある電圧になっている。これが電源１に直列に接続され、これがモータ１１に接続され、極性も駆動電流を増大する方向であるため、加速時には通常よりも大きな駆動電流を流すことができ、加速時間を短縮することができる。加速時も或る時点で通常動作による加速に切り替えるが、それは下記の条件１または条件２のいずれかの条件が成立した場合である。
【００４０】
条件１は、第２のコンデンサ１０の電圧が０Ｖになった時点である。駆動電流を流すことにより第２のコンデンサ１０の電圧は下がり、やがて０Ｖになる。この時点で減速時の回生電力を使い切ったと判定でき、また、これ以降は通常の動作での加速よりも加速度が劣るのでこの時点で通常動作に切り替えなければならない。
【００４１】
条件２は、モータ１１の回転数が目標回転数の９０％に達した時点である。これはそのまま加速を続けると、回転数がどこまで上昇するのか不明であるのはもちろんであるが、仮にこのような回生状態で回転数を制御する構成を設けたとしても、精密な回転数制御を行うためには加速度を正確に制御するには複雑な構成が必要で、現実的ではないからである。
【００４２】
このように本実施形態では、回生電力の蓄積用のコンデンサが実質的に複数個備えられて、この複数個のコンデンサの、互いの接続、また、前記モータ、及び前記電源に対する接続を切り替える切替手段を備え、１個のコンデンサ（上述の実施形態では第１のコンデンサ）は通常電源電圧で充電されており、減速時、必要に応じて別のコンデンサ（同実施形態では第２のコンデンサ）と直列に、ブレーキ電流を増大する方向に接続することもできるように配置し、また、加速時にはやはり別のコンデンサと直列に接続するようにしたことにより、別のコンデンサに蓄積された回生電力を十分に充放電させることができるので、回生効率を向上でき、十分なブレーキトルクを得るられ、かつ１個のコンデンサを使用しない構成、または回生を使用しない構成も選択できるようにし、目標回転数近くでは通常の制御とするようにしたので、必要に応じて最適な、大きな減速加速度を得ることができ、また目標回転数近くでは通常の制御とすることができる。その結果、これらにより回生動作を行いながらも、常に適正な時間内に精度よく減速することができる。また、特に逆転ブレーキ状態では、通常より低い回転数まで電力回生を行うことができるので、回生効率がよい。またこれらはコンデンサの切替によって実現しているので、安価に実現することができる。よって、電力回生技術を光ディスク装置の応用しようとすると、スピンドルモータの回転数の制御性が悪く、特に十分なブレーキトルクが得られず、また、回生効率も悪い、という課題を解決する光ディスク装置を得ることができる。
【００４３】
尚、上述の実施形態ではコンデンサは２個使用したが、３個以上を使用し、接続を切り替えるようにしてもよい。
【００４４】
また、上述の実施の形態では、充電電圧を検出する充電電圧検出部を設けたが、これを設けず、例えば第２のコンデンサ１０の初期電圧を使用履歴により予想するようにしたり、あるいは一定の値と仮定するようにしてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態では、加速時は回生動作は１つの接続方法のみであったが、複数の方法を切り替えて使用するようにしてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、減速時の回生動作の接続は、減速の開始時に決定したのちは変更しなかったが、状況に応じて減速の途中で変更できるようにしてもよい。
【００４７】
なお、上述の実施形態では本発明のモータ制御装置を光ディスク装置に適用した例を挙げたが、モータの回転数を目標回転数に加・減速することが要請される電動機器であればいずれにお適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明にかかるモータ制御装置は、目標回転数に加速または減速することが要請される電動機器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態におけるブロック構成図
【図２】同実施形態における第１の状態での等価回路構成図
【図３Ａ】同実施形態における第２の状態での等価回路構成図
【図３Ｂ】同実施形態における第３の状態での等価回路構成図
【図４Ａ】同実施形態における電圧の経時特性を説明する図
【図４Ｂ】同実施形態における電圧の経時特性を説明する図
【図５】同実施形態のおける減速方法選択のフローチャート
【図６】同実施形態における加速状態での等価回路構成図
【図７】第１の従来例におけるブロック構成図
【図８】同従来例におけるタイミングチャート
【図９】第２の従来例におけるブロック構成図
【図１０】同従来例におけるタイミングチャート
【符号の説明】
【００５０】
１ 電源
２ 回転数制御部
３ 回生制御部
４ 第１のスイッチ
５ 第２のスイッチ
６ 第３のスイッチ
７ 第４のスイッチ
８ 第５のスイッチ
９ 第１のコンデンサ
１０ 第２のコンデンサ
１１ モータ
１２ 充電電圧検出部
１３ 全体制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、前記モータを回転駆動する駆動電流を供給する電源と、前記モータの回転数を減少させる時に当該モータの回転エネルギーを蓄積する蓄積手段と、前記蓄積手段で蓄積した回転エネルギを前記モータの回転駆動エネルギとして前記駆動電流に付加する制御手段とを備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記蓄積手段はコンデンサであることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記コンデンサを複数備えることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置
【請求項４】
前記複数のコンデンサ相互の接続を切り替えるコンデンサ切替手段と、前記コンデンサ切替手段で切り替えたコンデンサ及び前記電源の何れかを選択して前記モータと接続する切替手段とを備えることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記コンデンサが電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１〜４何れかに記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記モータの回転数を所定の回転数に制御する回転数制御手段を更に備え、前記切替手段は、前記所定の回転数、および、前記所定の回転数と前記モータの実際の回転数との差に応じて、前記接続を切り替えることを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記モータの回転数を所定の回転数に制御する回転数制御手段を更に備え、前記切替手段は、前記所定の回転数と前記モータの実際の回転数との差が所定の値以内になったとき、前期複数のコンデンサに対する充放電を中止し、前記制御手段と前記電源のみで前記モータを駆動することを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
【請求項８】
半導体によるスイッチング回路で構成された駆動回路を前記モータに備え、前記モータは直流発電機として前記複数のコンデンサに蓄電することを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記コンデンサの充電電圧を検出する検出手段を備えたことを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
【請求項１】
モータと、前記モータを回転駆動する駆動電流を供給する電源と、前記モータの回転数を減少させる時に当該モータの回転エネルギーを蓄積する蓄積手段と、前記蓄積手段で蓄積した回転エネルギを前記モータの回転駆動エネルギとして前記駆動電流に付加する制御手段とを備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記蓄積手段はコンデンサであることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記コンデンサを複数備えることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置
【請求項４】
前記複数のコンデンサ相互の接続を切り替えるコンデンサ切替手段と、前記コンデンサ切替手段で切り替えたコンデンサ及び前記電源の何れかを選択して前記モータと接続する切替手段とを備えることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記コンデンサが電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１〜４何れかに記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記モータの回転数を所定の回転数に制御する回転数制御手段を更に備え、前記切替手段は、前記所定の回転数、および、前記所定の回転数と前記モータの実際の回転数との差に応じて、前記接続を切り替えることを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記モータの回転数を所定の回転数に制御する回転数制御手段を更に備え、前記切替手段は、前記所定の回転数と前記モータの実際の回転数との差が所定の値以内になったとき、前期複数のコンデンサに対する充放電を中止し、前記制御手段と前記電源のみで前記モータを駆動することを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
【請求項８】
半導体によるスイッチング回路で構成された駆動回路を前記モータに備え、前記モータは直流発電機として前記複数のコンデンサに蓄電することを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記コンデンサの充電電圧を検出する検出手段を備えたことを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２３００６８（Ｐ２００６−２３００６８Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３８８０７（Ｐ２００５−３８８０７）
【出願日】平成１７年２月１６日（２００５．２．１６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１６日（２００５．２．１６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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