JP4680367B2 - ブラシレスモータ駆動回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路からなるモータ駆動回路に関し、特に、各相の励磁コイルの両端に発生する誘起電圧を検出し、各相の励磁コイルごとに、誘起電圧の極性が反転し次に極性が反転するまでの期間を半周期とする矩形波の回転子位置信号を生成し、この回転子位置信号に基づき、スイッチ素子を矩形波オン制御および/またはパルス幅化矩形波PWM(Pulse Width Modulation)制御することにより励磁コイルを励磁制御するブラシレスモータ駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のモータ駆動用半導体集積回路100は、図10示すように、スター結線3相ブラシレスモータ1と、モータ1の回転速度制御信号を供給するマイコン2と、直流電源VDDと、接地端子とが接続されて使用される。モータ1の励磁コイル3,4,5は、U相,V相,W相としてスター結線されており、一端側がU相端子U,V相端子V,W相端子Wに接続され、他端側が中点として共通接続されて中点端子Cに接続されている。マイコン2は入力端子Sに接続されている。
【0003】
半導体集積回路100は、PWM制御により電流量が制御された相励磁のための電流を所定のタイミングで励磁コイル3,4,5に供給するブリッジ出力回路6と、励磁コイル3,4,5の両端に発生する誘起電圧を検出し、誘起電圧の極性が反転し、次に極性が反転するまでのゼロクロス点間を半周期(πラディアン)とする矩形波の回転子位置信号PU,PV,PWを生成する検出回路7と、マイコン2からの回転速度制御信号の電圧に応じて変化するパルス幅変調用電圧としての内部電圧を生成する内部電圧発生回路8と、三角波電圧を生成する三角波発生回路9と、内部電圧発生回路8からの内部電圧を三角波発生回路9からの三角波電圧でパルス幅変調したPWM信号を生成する比較器10と、比較器10からのPWM信号および検出回路7からの回転子位置信号に基づいて、ブリッジ出力回路6に対して通電タイミング制御およびPWM制御を行う制御回路11とを具備している。
【0004】
ブリッジ出力回路6は、各励磁コイル3,4,5への通電タイミングを制御するPチャネル型のMOSトランジスタQ1,Q2,Q3と、各励磁コイル3,4,5への電流量を所定のタイミングでPWM制御するNチャネル型のMOSトランジスタQ4,Q5,Q6とを有している。MOSトランジスタQ1,Q2,Q3のゲートには通電タイミング制御信号が、および、MOSトランジスタQ4,Q5,Q6のゲートには電流量制御信号が制御回路11からそれぞれ供給される。トランジスタQ1とQ4,Q2とQ5,及びQ3とQ6はそれぞれ直列接続されており、トランジスタQ1,Q2,Q3のソース及びトランジスタQ4,Q5,Q6のソースはそれぞれ共通接続されており、電源VDDと接地間に接続される。トランジスタQ1とQ4,Q2とQ5,及びQ3とQ6の接続点はモータ1の端子U,V,Wにそれぞれ接続される。
【0005】
検出回路7は、励磁コイル3,4,5の両端に発生する誘起電圧を端子U,V,W,Cから検出し、図示しない内部の積分回路および比較器を介して、誘起電圧の極性が反転し、次に極性が反転するまでのゼロクロス点間を半周期(πラディアン)とする矩形波の回転子位置信号PU,PV,PWを生成する。
【0006】
制御回路11は、比較器10からPWM信号が、および、検出回路7から回転子位置信号PU,PV,PWが供給され、各励磁コイル3,4,5への通電タイミングを設定するとともに、MOSトランジスタQ1,Q2,Q3のゲートに出力する通電タイミング制御信号およびMOSトランジスタQ4,Q5,Q6のゲートに出力する電流量制御信号を生成する。尚、モータの起動時には、励磁コイル3,4,5の両端に誘起電圧が発生せず、検出回路7は回転子位置信号PU,PV,PWを生成しないため、図示しない起動回路からの起動パターンが制御回路11に供給される。
【0007】
以上の構成の半導体集積回路100をモータ1に接続した場合の動作を図11を併用して説明する。各励磁コイル3,4,5への通電タイミングおよび電流量の制御は後述するが、制御回路11で通電タイミングが図11(a)に示すように設定され、制御回路11からMOSトランジスタQ1,Q2,Q3のゲートに矩形波の通電タイミング制御信号が、および、MOSトランジスタQ4,Q5,Q6のゲートに各制御タイミングごとにオンデューティが一定のパルス幅化矩形波PWM波形の電流量制御信号が図11(d)に示すように供給され、図11(b)に示す順に、トランジスタQ1,Q2,Q3が矩形波オン制御されるとともに,トランジスタQ4,Q5,Q6がパルス幅化矩形波PWM制御され、モータ1は、3相のうちハイサイドに接続される相とロウサイドに接続される相との2相ずつ、図11(a)に示す相の順に、電流が流れ励磁されて回転子が回転し、その電流方向は端子UからV、UからW、VからW、VからU、WからU、WからVの順で切り替わる6状態を繰り返す。
【0008】
モータ1の各励磁コイル3,4,5への通電タイミングは以下のように制御される。励磁コイル3,4,5の両端に発生する誘起電圧を端子U,V,W,Cから検出回路7に供給し、図示しない内部の積分回路および比較器を介して、図11(c)に示す波形の回転子位置信号PU,PV,PWを生成し、制御回路11に供給する。回転子位置信号PU,PV,PWが制御回路11に供給されると、制御回路11にて回転子位置信号PU,PV,PWにより通電タイミングが設定され、図11(d)に示すゲート電圧がトランジスQ1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6に供給され、図11(b)に示すタイミングで、トランジスQ1,Q2,Q3が矩形波オン制御されるとともに、トランジスタQ4,Q5,Q6がパルス幅化矩形波PWM制御される。
【0009】
一方、モータ1の各励磁コイル3,4,5への電流量は以下のように制御される。マイコン2から内部電圧発生回路8に回転速度制御信号が供給されると、回転速度制御信号は内部電圧に変換されて内部電圧発生回路8から比較器10の非反転(+)入力端子に供給され、比較器10の反転(−)入力端子に供給されている三角波発生回路9からの三角波電圧と比較されて、マイコン2の内部で設定された所望回転数となるように電流制御するPWM信号として制御回路11に供給される。このPWM信号によりU相,V相,W相の各相を上記で設定された通電タイミングに基づき、図11(b)に示すタイミングでパルス幅化矩形波PWM制御する電流量制御信号が生成され、トランジスタQ4,Q5,Q6のゲートに図11(d)に示す電圧波形で供給され、トランジスQ1,Q2,Q3の矩形波オン制御のタイミングとの組合せで、モータ1は、上述の6状態の順に繰り返し電流の方向が切り替わり回転する。尚、マイコン2から供給される回転速度制御信号は、検出回路7からの回転子位置信号から図示しない内部回路で生成した回転速度信号をマイコン2に供給し、マイコン2内で設定した所望回転数の信号と比較し、その差電圧から生成される。
【0010】
以上のようにして、トランジスQ1,Q2,Q3の矩形波オン制御と、トランジスタQ4,Q5,Q6のパルス幅化矩形波PWM制御により、モータ1を回転制御する。
【0011】
ところで、上述の半導体集積回路100は、通電タイミング制御信号であるトランジスQ1,Q2,Q3のゲート電圧波形が矩形波でオン制御され、電流量制御信号であるトランジスタQ4,Q5,Q6のゲート電圧波形が各制御タイミングごとにオンデューティが一定のパルス幅化矩形波PWM波形でPWM制御され、これらの立ち上がりおよび立ち下がり部分がモータ駆動時の騒音の原因となっている。
【0012】
上述の問題を解決する提案が、例えば、特開平11−235079号公報に開示されている。この公報で示された騒音対策では、モータ駆動コイルに供給する電流の立上がりと立ち下がりをスロープ状になるようにソフトスイッチング制御している。このソフトスイッチング制御を行うために、通電位置信号の立上がりと立下がりに傾きをつけたパルス信号としての相切換台形波と複合台形波を生成しているが、この立上がりと立下がりの傾きは、通電位置信号のそれぞれの立上がりと立下がりのエッジをトリガとしたパルスTgを生成し、そのパルスTgをトリガとしたパルスVslopeから生成しており、モータの回転速度に対して一定であると思われる。また、通電位置信号の立上がりおよび立下がりのエッジをそのまま相切換台形波と複合台形波の立上がりおよび立下がりに利用している。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報で示された騒音対策では、モータ駆動コイルに供給する電流の立上がりと立ち下がりをスロープ状になるようにソフトスイッチング制御しており、回転子の磁束変化が正弦関数で変化するので、モータ駆動コイルの励磁束と回転子の磁束とのズレが生じ、静音効果が低くなり、騒音対策が不充分となる虞がある。
また、上記のソフトスイッチング制御を行うために、通電位置信号の立上がりと立下がりに傾きをつけたパルス信号としての相切換台形波と複合台形波を生成しているが、この立上がりと立下がりの傾きは、通電位置信号のそれぞれの立上がりと立下がりのエッジをトリガとしたパルスTgを生成し、そのパルスTgをトリガとしたパルスVslopeから生成しており、モータの回転速度に対して一定であり、低回転数では通電位置信号の周期に対するこの立上がりと立下がりの傾きの幅の比が小さくなり、静音効果が低くなり、騒音対策が不充分となる虞がある。
また、通電位置信号の立上がりおよび立下がりのエッジをそのまま相切換台形波と複合台形波の立上がりおよび立下がりに利用しているので、通電が回転子位置に対して最適にならず、回転効率があまりよくない。
本発明は上記問題点に鑑み、コイルに供給する電流の立上がりと立ち下がりを正弦関数で変化する回転子の磁束変化に近づくようにパルス幅化正弦波によるPWM制御でソフトスイッチング制御し、そのPWM制御の幅は、回転子位置信号の周期に対して一定比率となるように設定し、また、通電が回転子位置に対して最適となる制御をするようにした半導体集積回路からなるブラシレスモータ駆動回路を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシレスモータ駆動回路は、各相の励磁コイルの両端に発生する誘起電圧を検出し、各相の励磁コイルごとに、誘起電圧の極性が反転し次に極性が反転するまでの期間を半周期とする矩形波の回転子位置信号を生成し、この回転子位置信号に基づき、スイッチ素子を矩形波オン制御および/またはパルス幅化矩形波PWM制御することにより励磁コイルを励磁制御するブラシレスモータ駆動回路において、矩形波オン制御および/またはパルス幅化矩形波PWM制御の直前および直後にパルス幅化正弦波PWM制御を行う構成としている。
以下の手段は、励磁コイルが3相からなり、励磁制御が2相励磁であり、スイッチ素子が通電タイミング制御用スイッチ素子と電流量制御用スイッチ素子からなり、通電タイミング制御用スイッチ素子が矩形波オン制御され、電流量制御用スイッチ素子がパルス幅化矩形波PWM制御される場合の手段であるが、これに限定されることはなく、他の場合、例えば、4相であってもよく、この場合、以下の手段に準じた手段とすればよい。
矩形波オン制御タイミングおよびパルス幅化矩形波PWM制御タイミングは、各相の回転子位置信号の半周期(πラディアン)の長さを半周期ごとにT計数器でカウントし、このカウント値をTとして、このTからT/2を演算し、カウントされた回転子位置信号のカウント直後のエッジからT/2経過時点を、カウントされた回転子位置信号の相と異なる2相の切り替えタイミングとして設定され、その幅は、2T/3である。
パルス幅化正弦波PWM制御のタイミング幅は、2相励磁するハイサイド側スイッチング素子とロウサイド側スイッチング素子に貫通電流が流れるのを防止するために、T/6=30°未満の値とし、かつパルス幅化正弦波PWM制御の効果を大きくするためにT/6にできるだけ近い値とする。また、この幅は、Tに対して一定比率とするため、Tに比例するように設定する。この幅を設定する回路は、上記T計数器のカウント値を演算して行う回路構成とし、回路を簡単な構成とするために、この幅は、Tを2の倍数で割れる値とし、T/8=22.5°に設定する。
パルス幅化正弦波PWM制御のタイミング幅としてのT/8=22.5°は、TからT/2、T/4およびT/8を演算し、さらにT/4+T/8およびT/2+T/8を演算して、カウントされた回転子位置信号のカウント直後のエッジからT/2経過時点から(T/2+T/8)経過時点までのT/8幅と、(T/4+T/8)経過時点からT/2経過時点までのT/8幅とが、カウントされた回転子位置信号の相と異なる2相の幅として設定される。
パルス幅化正弦波PWM制御を行うためのパルス幅化正弦波PWM信号は、TからT/64を演算し、パルス幅化正弦波PWM制御タイミング幅であるT/8をT/64のパルス幅で順次シフトさせて生成した8つのシフト信号を用いて、パルス幅変調用電圧を正弦関数に基づいて設定した分圧比で8ステップに分圧したステップ電圧を三角波電圧でパルス幅変調して生成する。
パルス幅化矩形波PWM制御を行うためのパルス幅化矩形波PWM信号の生成に用いられ、回転速度制御信号に応じて変化するパルス幅変調用電圧の最大値を、矩形波オン制御の前後のパルス幅化正弦波PWM制御を行うためのパルス幅化正弦波PWM信号の生成用のパルス幅変調用電圧として用い、パルス幅化矩形波PWM制御を行うためのパルス幅化矩形波PWM信号の生成に用いられ、回転速度制御信号に応じて変化するパルス幅変調用電圧を、パルス幅化矩形波PWM制御の前後のパルス幅化正弦波PWM制御を行うためのパルス幅化正弦波PWM信号の生成用のパルス幅変調用電圧として用いる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例について図1を参照して説明する。図において、200はモータ駆動用半導体集積回路で、スター結線3相ブラシレスモータ1と、モータ1の回転速度制御信号を供給するマイコン2と、直流電源VDDと、接地端子とが接続されて使用される。モータ1の励磁コイル3,4,5は、U相,V相,W相としてスター結線されており、一端側がU相端子U,V相端子V,W相端子Wに接続され、他端側が中点として共通接続されて中点端子Cに接続されている。マイコン2は入力端子Sに接続されている。
【0016】
半導体集積回路200は、PWM制御により電流量が制御された相励磁のための電流を所定のタイミングで励磁コイル3,4,5に供給するブリッジ出力回路26と、励磁コイル3,4,5の両端に発生する誘起電圧を検出し、矩形波の回転子位置信号PU,PV,PWを生成する検出回路27と、マイコン2からの回転速度制御信号の電圧に応じて変化するパルス幅変調用電圧としての内部電圧Vaを生成する内部電圧発生回路28と、三角波電圧を生成する三角波発生回路29と、内部電圧発生回路28からの内部電圧Vaを三角波発生回路29からの三角波電圧でパルス幅変調して各制御タイミングごとにオンデューティが一定のパルス幅化矩形波PWM信号を生成する比較器30と、検出回路27からの回転子位置信号PU,PV,PWを供給してタイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wおよびシフト信号SFを生成するタイミング信号・シフト信号生成回路31と、内部電圧発生回路28からの内部電圧Va、および、タイミング信号・シフト信号生成回路31からのシフト信号SFとを供給して、パルス幅化正弦波PWM信号を生成するパルス幅化正弦波PWM信号生成回路32と、 比較器30からのパルス幅化矩形波PWM信号、パルス幅化正弦波PWM信号生成回路32からのパルス幅化正弦波PWM信号、およびタイミング信号・シフト信号生成回路31からのタイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wを供給して、ブリッジ出力回路26への通電タイミング制御信号および電流量制御信号を生成する制御回路33とを具備している。
【0017】
ブリッジ出力回路26は、各励磁コイル3,4,5への通電タイミングを制御するスイッチ素子としてのPチャネル型のMOSトランジスタQ1,Q2,Q3と、各励磁コイル3,4,5への電流量を所定のタイミングでPWM制御するスイッチ素子としてのNチャネル型のMOSトランジスタQ4,Q5,Q6とを有している。MOSトランジスタQ1,Q2,Q3のゲートには通電タイミング制御信号が、および、MOSトランジスタQ4,Q5,Q6のゲートには電流量制御信号が制御回路33からそれぞれ供給される。トランジスタQ1とQ4,Q2とQ5,及びQ3とQ6はそれぞれ直列接続されており、トランジスタQ1,Q2,Q3のソース及びトランジスタQ4,Q5,Q6のソースはそれぞれ共通接続されており、電源端子VDDと接地間に接続される。トランジスタQ1とQ4,Q2とQ5,及びQ3とQ6の接続点はモータ1の端子U,V,Wにそれぞれ接続される。
【0018】
検出回路27は、励磁コイル3,4,5の両端に発生する誘起電圧を端子U,V,W,Cから検出し、図示しない内部の積分回路および比較器を介して、誘起電圧の極性が反転し、次に極性が反転するまでのゼロクロス点間を半周期(πラディアン)とする矩形波の回転子位置信号PU,PV,PWを生成する。
【0019】
タイミング信号・シフト信号生成回路31とパルス幅化正弦波PWM信号生成回路32とについては、後述する。
【0020】
制御回路33は、比較器30からパルス幅化矩形波PWM信号,パルス幅化正弦波PWM信号生成回路32からパルス幅化正弦波PWM信号、および、タイミング信号・シフト信号生成回路31からタイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wが供給され、ブリッジ出力回路26のMOSトランジスタQ1,Q2,Q3のゲートに供給する通電タイミング制御信号およびMOSトランジスタQ4,Q5,Q6のゲートに供給する電流量制御信号を生成する。
【0021】
以上の構成の半導体集積回路200をモータ1に接続した場合の動作を図2を併用して説明する。励磁コイル3,4,5の両端に発生する誘起電圧が端子U,V,W,Cから検出回路27に供給され、図示しない内部の積分回路および比較器を介して、図2(c)に示す波形の回転子位置信号PU,PV,PWが生成され、タイミング信号・シフト信号生成回路31に供給される。回転子位置信号PU,PV,PWがタイミング信号・シフト信号生成回路31に供給されると、タイミング信号・シフト信号生成回路31にて回転子位置信号PU,PV,PWによりタイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wとシフト信号SFが生成され、タイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wは制御回路33に供給され、シフト信号SFはパルス幅化正弦波PWM信号生成回路32に供給される。
【0022】
一方、マイコン2から内部電圧発生回路28に回転速度制御信号が供給されると、回転速度制御信号の電圧に応じて変化するパルス幅変調用電圧としての内部電圧Vaが生成されて内部電圧発生回路28から比較器30の非反転(+)入力端子に供給され、比較器30の反転(−)入力端子に供給されている三角波発生回路29からの三角波電圧と比較されて、マイコン2の内部で設定された所望回転数となるように電流制御するパルス幅化矩形波PWM信号が生成され制御回路33に供給される。また、内部電圧発生回路28からの内部電圧Vaは、三角波発生回路29からの三角波電圧、およびタイミング信号・シフト信号生成回路31からのシフト信号SFとともに、パルス幅化正弦波PWM信号生成回路32に供給されて、パルス幅化正弦波PWM信号が生成され制御回路33に供給される。尚、マイコン2から供給される回転速度制御信号は、検出回路27からの回転子位置信号から図示しない内部回路で生成した回転速度信号をマイコン2に供給し、マイコン2内で設定した所望回転数の信号と比較し、その差電圧から生成される。
【0023】
制御回路33にタイミング信号・シフト信号生成回路31からタイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3W、比較器30からパルス幅化矩形波PWM信号,およびパルス幅化正弦波PWM信号生成回路32からパルス幅化正弦波PWM信号が供給されると、後述するように、ブリッジ出力回路26の制御タイミングが設定され、この制御タイミングでブリッジ出力回路26を制御する通電タイミング制御信号および電流量制御信号が生成され、ブリッジ出力回路26のMOSトランジスタQ1,Q2,Q3のゲートに通電タイミング制御信号が、および、MOSトランジスタQ4,Q5,Q6のゲートに電流量制御信号が供給され、図2(b)に示す順に、各トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6がタイミング制御され、モータ1は、3相のうちハイサイドに接続される相とロウサイドに接続される相との2相ずつ、図2(a)に示す相の順に、電流が流れ励磁されて回転子が回転し、その電流方向は端子UからV、UからW、VからW、VからU、WからU、WからVの順で切り替わる6状態を繰り返す。
【0024】
ブリッジ出力回路26の制御タイミングは、タイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wにより、図2(b)に示すように設定され、ハイサイド側トランジスタQ1,Q2,Q3の制御タイミングは、矩形波オン制御タイミングとこのタイミングの前後のパルス幅化正弦波PWM制御タイミングとを有し、ロウサイド側トランジスタQ4,Q5,Q6の制御タイミングは、パルス幅化矩形波PWM制御タイミングとこのタイミングの前後のパルス幅化正弦波PWM制御タイミングとを有している。
【0025】
通電タイミング制御信号および電流量制御信号は、上記のパルス幅化正弦波PWM制御タイミングおよびパルス幅化矩形波PWM制御タイミングにパルス幅化正弦波PWM信号およびパルス幅化矩形波PWM信号を同期させて生成され,図2(d)に示すように、通電タイミング制御信号の電圧波形は矩形波とこの波形の前後のパルス幅化正弦波PWM波形とを有し、電流量制御信号の電圧波形はパルス幅化矩形波PWM波形とこの波形の前後のパルス幅化正弦波PWM波形とを有している。
【0026】
以下に、タイミング信号・シフト信号生成回路31とパルス幅化正弦波PWM信号生成回路32の構成を説明し、矩形波オン制御タイミング、パルス幅化矩形波PWM制御タイミングおよびパルス幅化正弦波PWM制御タイミングとパルス幅化正弦波PWM信号が生成される動作についてさらに詳しく説明する。
【0027】
先ず、タイミング信号・シフト信号生成回路31について説明する。タイミング信号・シフト信号生成回路31は、図3に示すように、検出回路27からの回転子位置信号PU,PV,PWの半周期の長さをカウントし、このカウント値をTとして出力するT計数器41と、T計数器41からのTを保持する保持回路42と、保持回路42に保持されたT、T計数器41からのTおよび回転子位置信号PU,PV,PWを演算して、タイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wおよびシフト信号SFを生成する演算回路43とを有している。尚、モータの起動時には、励磁コイル3,4,5の両端に誘起電圧が発生せず、検出回路27は回転子位置信号PU,PV,PWを生成しないため、図示しない起動回路からの起動パターンがタイミング信号・シフト信号生成回路31に供給される。
【0028】
演算回路43は、図4に示すように、保持回路42に保持されたTからT/2信号、T/4信号、T/8信号、およびT/64信号をそれぞれ生成するT/2演算回路44、T/4演算回路45、T/8演算回路46、およびT/64演算回路47と、T/2信号、T/4信号およびT/8信号と、T計数器41のTと、回転子位置信号PU,PV,PWとを論理処理してタイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wを生成するタイミング信号生成回路48と、 T/64信号と、タイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wとを論理処理してシフト信号SFを生成するシフト信号生成回路49とを有している。
【0029】
タイミング信号生成回路48は、T/4信号とT/8信号およびT/2信号とT/8信号とを加算し、さらに、T/2信号、(T/4+T/8)信号、(T/2+T/8)信号をT計数器41のカウント値および回転子位置信号PU,PV,PWとでそれぞれ論理処理して、タイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wを生成し、制御回路33とシフト信号生成回路49とに供給する。
【0030】
タイミング信号・シフト信号生成回路31でタイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wが生成される動作について、回転子位置信号PUに基づいて生成されるタイミング信号A1U〜A3Uを例に、図5を参照して説明する。先ず、U相がフローティング相→ハイサイド通電相→フローティング相と切替わったときに検出回路27から出力される回転子位置信号PU、すなわち、回転子位置信号PUの半周期のうち、“H(ハイ)”レベルの期間がT計数器41でカウントされる。このカウント値であるTが演算回路43に供給され、演算回路43のT/2演算回路44、T/4演算回路45、およびT/8演算回路46でT/2信号、T/4信号およびT/8信号がそれぞれ生成される。T/2信号、T/4信号およびT/8信号がタイミング信号生成回路48に供給され、T/4信号とT/8信号およびT/2信号とT/8信号とが加算され、図5に示すように、回転子位置信号PUのカウントされた“H”レベルの立ち下がり時点からT/2経過時点で回転子位置信号PUを反転させ立ち上がるタイミング信号A1Uと、(T/4+T/8)経過時点で回転子位置信号PUを反転させ立ち上がるタイミング信号A2Uと、(T/2+T/8)経過時点で回転子位置信号PUを反転させ立ち上がるタイミング信号A3Uとが生成される。
【0031】
次に、U相がフローティング相→ロウサイド通電相→フローティング相と切替わったときに検出回路27から出力される回転子位置信号PU、すなわち、回転子位置信号PUの半周期のうち、“L(ロウ)”レベルの期間がT計数器41でカウントされる。このカウント値であるTが演算回路43に供給され、同様に、T/2信号、T/4信号およびT/8信号がそれぞれ生成され、タイミング信号生成回路48に供給され、回転子位置信号PUの カウントされた“L”レベルの立ち上がり時点からT/2経過時点で回転子位置信号PUを反転させ立ち下がるタイミング信号A1Uと、(T/4+T/8)経過時点で回転子位置信号PUを反転させ立ち下がるタイミング信号A2Uと、(T/2+T/8)経過時点で回転子位置信号PUを反転させ立ち下がるタイミング信号A3Uとが生成される。
同様に、回転子位置信号PVに基づいてタイミング信号A1V〜A3V、 および、 回転子位置信号PWに基づいてタイミング信号A1W〜A3Wが生成される。
【0032】
制御回路33にタイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wが供給されて、矩形波オン制御タイミング、パルス幅化矩形波PWM制御タイミングおよびパルス幅化正弦波PWM制御タイミングが生成される動作について、タイミング信号A1U〜A3Uを例に、図5を参照して説明する。
タイミング信号A1Uの立ち上がり時点で、V相を制御するトランジスタQ2の矩形波オン制御タイミングの終了タイミングと、W相を制御するトランジスタQ3の矩形波オン制御タイミングの開始タイミングとが生成され、タイミング信号A1Uの立ち下がり時点で、V相を制御するトランジスタQ5のパルス幅化矩形波PWM制御タイミングの終了タイミングと、トランジスタQ6のパルス幅化矩形波PWM制御タイミングの開始タイミングとが生成される。
同様に、タイミング信号A1V,A1Wの立ち上がり時点および立ち下がり時点で、矩形波オン制御タイミングおよびパルス幅化矩形波PWM制御タイミングが生成される。
【0033】
タイミング信号A1UとA3Uとの排他的論理和により、タイミング信号A1Uの立ち上がり時点からタイミング信号A3Uの立ち上がり時点までのT/8の幅で、V相を制御するトランジスタQ2の矩形波オン制御タイミングの終了切り替え時点直後のパルス幅化正弦波PWM制御タイミングと、タイミング信号A1Uの立ち下がり時点からタイミング信号A3Uの立ち下がり時点までのT/8の幅で、V相を制御するトランジスタQ5のパルス幅化矩形波PWM制御タイミングの終了切り替え時点直後のパルス幅化正弦波PWM制御タイミングとが生成され、タイミング信号A1UとA2Uとの排他的論理和により、タイミング信号A2Uの立ち上がり時点からタイミング信号A1Uの立ち上がり時点までのT/8の幅で、W相を制御するトランジスタQ3の矩形波オン制御タイミングの開始切り替え時点直前のパルス幅化正弦波PWM制御タイミングと、タイミング信号A2Uの立ち下がり時点からタイミング信号A1Uの立ち下がり時点までのT/8の幅で、W相を制御するトランジスタQ6のパルス幅化矩形波PWM制御タイミングの開始切り替え時点直前のパルス幅化正弦波PWM制御タイミングとが生成される。
同様に、タイミング信号A1V〜A3V,A1W〜A3Wにより、パルス幅化正弦波PWM制御タイミングが生成される。
【0034】
シフト信号生成回路49は、T/64信号と、タイミング信号A1U〜A3U,A1V〜A3V,A1W〜A3Wとを論理処理して、上述したハイサイド側トランジスタの矩形波オン制御タイミングおよびロウサイド側トランジスタのパルス幅化矩形波PWM制御タイミングの開始切り替え時点直前および終了切り替え時点直後のパルス幅化正弦波PWM制御タイミングの幅である各T/8幅をU相、V相、W相の全相に亙って、図6に示すように、T/64幅のパルスでシフトさせて生成されたシフト信号SF1〜SF8をパルス幅化正弦波PWM信号生成回路32に供給する。
【0035】
次に、パルス幅化正弦波PWM信号生成回路32について、図7を参照して説明する。パルス幅化正弦波PWM信号生成回路32は、内部電圧発生回路28からの内部電圧Vaの最大値VaMAX、およびシフト信号生成回路49からのシフト信号SF1〜SF8を供給して、第1ステップ電圧VSHを生成する第1ステップ電圧発生回路51と、内部電圧発生回路28からの内部電圧Va、およびシフト信号生成回路49からのシフト信号SF1〜SF8を供給して、第2ステップ電圧VSLを生成する第2ステップ電圧発生回路52と、第1ステップ電圧VSHを三角波発生回路29からの三角波電圧でパルス幅変調してブリッジ出力回路26のハイサイドトランジスタQ1,Q2,Q3に供給するパルス幅化正弦波PWM信号を生成する比較器53と、ステップ電圧VSLを三角波発生回路29からの三角波電圧でパルス幅変調してブリッジ出力回路26のロウサイドトランジスタQ4,Q5,Q6に供給するパルス幅化正弦波PWM信号を生成する比較器54とを有している。
【0036】
第1および第2ステップ電圧発生回路51,52は、バッファ55,56と、分圧抵抗57,58と、アナログスイッチ59,60とを有している。分圧抵抗57,58は、表1に示す正弦関数に基づいて設定した分圧比で8分圧されている。
【0037】
【表1】
【0038】
パルス幅化正弦波PWM信号生成回路32でパルス幅化正弦波PWM信号が生成される動作について、図8および図9を併用して説明する。
第1ステップ電圧発生回路51は、内部電圧発生回路28からの内部電圧Vaの最大値VaMAXを、バッファ55を介して、分圧抵抗57でVSH1〜VSH8に8分圧し、アナログスイッチ59へのシフト信号SF1〜SF8によりT/8をT/64のステップ幅に等分割した8ステップのステップ電圧VSHを、図8(a)に示すオン時(P1)に対応して図8(b)に示すステップダウン波形に生成するとともに、図8(a)に示すオフ時(P2)に対応して図8(c)に示すステップアップ波形に生成し、比較器53の非反転入力端子に供給する。ステップ電圧VSHが比較器53の非反転入力端子に供給されると、比較器53の反転入力端子に供給されている三角波発生回路29からの三角波電圧と比較されて、図8(a)に示すオン時(P1)およびオフ時(P2)に対応して図8(b)および図8(c)に示すパルス幅化正弦波PWM信号が生成され制御回路33に供給される。三角波電圧の周期は、ステップ電圧のステップ幅より小さく設定されている。
【0039】
第2ステップ電圧発生回路52は、内部電圧発生回路28からの内部電圧Vaを、バッファ56を介して、分圧抵抗58でVSL1〜VSL88分圧し、アナログスイッチ60へのシフト信号SF1〜SF8によりT/8をT/64のステップ幅に等分割した8ステップのステップ電圧VSLを、図9(a)に示すオン時(P3)に対応して図9(b)に示すステップアップ波形に生成するとともに、図9(a)に示すオフ時(P4)に対応して図9(c)に示すステップダウン波形に生成し、比較器54の非反転入力端子に供給する。ステップ電圧VSLが比較器54の非反転入力端子に供給されると、比較器54の反転入力端子に供給されている三角波発生回路29からの三角波電圧と比較されて、図9(a)に示すオン時(P3)およびオフ時(P4)に対応して図9(b)および図9(c)に示すパルス幅化正弦波PWM信号が生成され制御回路33に供給される。
【0040】
以上のように、ハイサイド側トランジスタQ1,Q2,Q3の矩形波オン制御およびロウサイド側トランジスタQ4,Q5,Q6のパルス幅化矩形波PWM制御の直前および直後にパルス幅化正弦波PWM制御を行う構成としている。そして、パルス幅化正弦波PWM制御を行うためのパルス幅化正弦波PWM信号は、TからT/64を演算し、パルス幅化正弦波PWM制御のタイミング幅であるT/8をT/64のパルス幅で順次シフトさせて8つのシフト信号を生成し、このシフト信号を用いて、パルス幅変調用電圧を正弦関数に基づいて設定した分圧比で8ステップに分圧してステップ電圧を生成し、このステップ電圧を三角波でパルス幅変調して生成している。さらに、パルス幅化矩形波PWM制御の前後のパルス幅化正弦波PWM制御を行うためのパルス幅化正弦波PWM信号の生成に用いられるパルス幅変調用電圧は、パルス幅化矩形波PWM制御を行うためのパルス幅化矩形波PWM信号の生成に用いられ、回転速度制御信号に応じて変化するパルス幅変調用電圧であり、矩形波オン制御の前後のパルス幅化正弦波PWM制御を行うためのパルス幅化正弦波PWM信号の生成に用いられるパルス幅変調用電圧は、回転速度制御信号に応じて変化するパルス幅変調用電圧の最大値である。従って、コイルに供給する電流の立上がりと立ち下がりが正弦関数で変化する回転子の磁束変化に近づき、モータの騒音を低減することができる。
【0041】
また、パルス幅化正弦波PWM制御タイミングの幅は、回転子位置信号の16分の1周期(T/8=22.5°)に設定している。従って、回転子位置信号の12分の1周期(T/6=30°)未満の値としているので、ハイサイド側トランジスタQ1,Q2,Q3とロウサイド側トランジスタQ4,Q5,Q6間に貫通電流が流れるのを防止でき、かつ12分の1周期にできるだけ近い値としているので、パルス幅化正弦波PWM制御の効果を大きくすることができる。また、回転子位置信号の周期に対して一定比率としているので、低速回転においてもモータの騒音を低減することができる。また、Tを2の倍数で割れる値としているので、この幅を設定する回路を、T計数器41によるTを論理処理する回路構成とすることができ、簡単な回路構成とすることができる。
【0042】
また、T計数器41により各相の回転子位置信号の半周期をカウントし、このTから演算回路43によりT/2、T/4、およびT/8を演算してタイミング信号を生成し、このタイミング信号から制御回路33により、半周期がカウントされた相の回転子位置信号のカウント直後のエッジからT/2経過時点を、半周期がカウントされた相と異なる2相のハイサイド側の矩形波オン制御タイミングおよびロウサイド側のパルス幅化矩形波PWM制御タイミングの切り替え時点とし、矩形波オン制御タイミングおよびロウサイド側のパルス幅化矩形波PWM制御タイミングの幅を2T/3(=120°)としている。従って、各励磁コイルの位置を回転子のN極・S極の中点が通過するときを中心に前後T/3(=60°)の期間、回転子のN極・S極の中点が通過する励磁コイルを通電し、通電が回転子位置に対して最適となる制御ができ、回転効率をよくすることができる。
【0043】
【発明の効果】
以上のように、この発明のブラシレスモータ駆動回路は、矩形波オン制御およびパルス幅化矩形波PWM制御の少なくと1つの制御の前後をパルス幅化正弦波PWM制御するようにしたので、モータの騒音を低減できる。また、パルス幅化正弦波PWM制御タイミングの幅を回転子位置信号の周期に対して一定比率となるようにしたので、低速回転でもモータの騒音を低減できる。また、3相ブラシレスモータ駆動回路の場合、半周期がカウントされた相の回転子位置信号のカウント直後のエッジからT/2経過時点を、半周期がカウントされた相と異なる2相の矩形波オン制御タイミングおよびパルス幅化矩形波PWM制御タイミングの切り替え時点としているので、通電が回転子位置に対して最適となる制御をでき、回転効率をよくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例のモータ駆動用半導体集積回路のブロック図。
【図2】 図1に示す半導体集積回路の動作を説明するためのタイムチャート。
【図3】 図1に示す半導体集積回路に使用されるタイミング信号・シフト信号生成回路のブロック図。
【図4】 図3に示すタイミング信号・シフト信号生成回路に使用される演算回路のブロック図。
【図5】 タイミング信号およびパルス幅化正弦波PWM制御タイミングの生成を説明するタイムチャート。
【図6】 シフト信号の生成を説明するタイムチャート。
【図7】 図1に示す半導体集積回路に使用されるパルス幅化正弦波PWM信号生成回路のブロック図。
【図8】 ハイサイドトランジスタに供給されるパルス幅化正弦波PWM信号の生成を説明するタイムチャート。
【図9】 ロウサイドトランジスタに供給されるパルス幅化正弦波PWM信号の生成を説明するタイムチャート。
【図10】 従来のモータ駆動用半導体集積回路のブロック図。
【図11】 図10の半導体集積回路の動作を説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
1 3相ブラシレスモータ
2 マイコン
3,4,5 励磁コイル
26 ブリッジ出力回路
27 検出回路
28 内部電圧発生回路
29 三角波発生回路
30 比較器
31 タイミング信号・シフト信号生成回路
32 パルス幅化正弦波PWM信号生成回路
33 制御回路
41 T計数器
42 保持回路
43 演算回路
44 T/2演算回路
45 T/4演算回路
46 T/8演算回路
47 T/64演算回路
48 タイミング信号生成回路
49 シフト信号生成回路
51 第1ステップ電圧発生回路
52 第2ステップ電圧発生回路
53,54 比較器
55,56 バッファ
57,58 分圧抵抗
59,60 アナログスイッチ
Q1,Q2,Q3 Pチャネル型MOSトランジスタ
Q4,Q5,Q6 Nチャネル型MOSトランジスタ
Claims (17)
- 各相の励磁コイルの両端に発生する誘起電圧を検出し、各相の励磁コイルごとに、誘起電圧の極性が反転し次に極性が反転するまでの期間を半周期Tとする矩形波の回転子位置信号を生成し、この回転子位置信号に基づき、スイッチ素子を矩形波オン制御および/またはパルス幅化矩形波PWM制御することにより励磁コイルを励磁制御するブラシレスモータ駆動回路において、矩形波オン制御および/またはパルス幅化矩形波PWM制御の直前および直後に、タイミング幅がT/6未満の値であるパルス幅化正弦波PWM制御を行うことを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。
- 前記励磁コイルが3相からなり、前記励磁制御が2相励磁であり、前記スイッチ素子が通電タイミング制御用スイッチ素子と電流量制御用スイッチ素子からなり、通電タイミング制御用スイッチ素子が前記矩形波オン制御され、電流量制御用スイッチ素子が前記パルス幅化矩形波PWM制御されることを特徴とする請求項1記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 3相の各励磁コイルの両端に発生する誘起電圧を検出し、各相の励磁コイルごとに、誘起電圧の極性が反転し次に極性が反転するまでの期間を半周期Tとする矩形波の回転子位置信号を生成し、この回転子位置信号に基づき、2相ずつ励磁コイルを励磁制御する通電タイミング制御用スイッチ素子および電流量制御用スイッチ素子のうち通電タイミング制御用スイッチ素子を矩形波オン制御し、電流量制御用スイッチ素子をパルス幅化矩形波PWM制御するブラシレスモータ駆動回路において、矩形波オン制御および/またはパルス幅化矩形波PWM制御の直前および直後に、タイミング幅がT/6未満の値であるパルス幅化正弦波PWM制御を行うことを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。
- 前記矩形波オン制御およびパルス幅化矩形波PWM制御のタイミングが、各相の回転子位置信号の半周期の長さを半周期ごとにカウントし、このカウント値をTとして、このTからT/2を演算し、前記カウントされた相の回転子位置信号のカウント直後のエッジからT/2経過時点を、前記カウントされた相と異なる2相の前記タイミングの切り替え時点として設定されたことを特徴とする請求項2または請求項3記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記矩形波オン制御およびパルス幅化矩形波PWM制御のタイミング幅が、2T/3であることを特徴とする請求項4記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記パルス幅化正弦波PWM制御のタイミング幅が、Tに基づいて設定されたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記パルス幅化正弦波PWM制御のタイミング幅が、Tを2の倍数で割る値に設定されたことを特徴とする請求項6記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記パルス幅化正弦波PWM制御のタイミング幅が、T/8に設定されたことを特徴とする請求項7記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記パルス幅化正弦波PWM制御のタイミング幅が、TからT/2、T/4およびT/8を演算し、さらにT/4+T/8およびT/2+T/8を演算して、カウントされた回転子位置信号のカウント直後のエッジからT/2経過時点から(T/2+T/8)経過時点までのT/8幅と、(T/4+T/8)経過時点からT/2経過時点までのT/8幅とで、前記カウントされた相と異なる2相に対して設定されたことを特徴とする請求項8記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記パルス幅化正弦波PWM制御を行うためのパルス幅化正弦波PWM信号が、TからT/64を演算し、パルス幅化正弦波PWM制御のタイミング幅であるT/8をT/64のパルス幅で順次シフトさせて8つのシフト信号を生成し、このシフト信号を用いて、パルス幅変調用電圧を正弦関数に基づいて設定した分圧比で8ステップに分圧してステップ電圧を生成し、このステップ電圧を三角波電圧でパルス幅変調して生成されることを特徴とする請求項9記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記パルス幅化矩形波PWM制御の前後のパルス幅化正弦波PWM制御を行うためのパルス幅化正弦波PWM信号の生成に用いられる前記パルス幅変調用電圧は、パルス幅化矩形波PWM制御を行うためのパルス幅化矩形波PWM信号の生成に用いられ、回転速度制御信号に応じて変化するパルス幅変調用電圧であり、前記矩形波オン制御の前後のパルス幅化正弦波PWM制御を行うためのパルス幅化正弦波PWM信号の生成に用いられる前記パルス幅変調用電圧は、前記回転速度制御信号に応じて変化するパルス幅変調用電圧の最大値であることを特徴とする請求項10記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 3相からなる励磁コイルの2相励磁を制御する通電タイミング制御用スイッチ素子と電流量制御用スイッチ素子とを含むブリッジ出力回路と、前記各励磁コイルの両端に発生する誘起電圧を検出し、各相の励磁コイルごとに、誘起電圧の極性が反転し次に極性が反転するまでの期間を半周期Tとする矩形波の回転子位置信号を生成する検出回路と、前記回転子位置信号に基づき、前記通電タイミング制御用スイッチ素子を矩形波オン制御し、前記電流量制御用スイッチ素子をパルス幅化矩形波PWM制御する制御回路とを具備したブラシレスモータ駆動回路において、タイミング信号およびシフト信号を生成するタイミング信号・シフト信号生成回路と、パルス幅化正弦波PWM信号を生成するパルス幅化正弦波PWM信号生成回路とを有して、矩形波オン制御および/またはパルス幅化矩形波PWM制御の直前および直後に、タイミング幅がT/6未満の値であるパルス幅化正弦波PWM制御を行うことを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。
- 前記タイミング信号・シフト信号生成回路が、前記回転子位置信号の半周期の長さをカウントし、このカウント値をTとして、出力するT計数器と、前記Tを保持する保持回路と、前記保持回路に保持されたT、前記T計数器からのTおよび前記回転子位置信号を演算して、タイミング信号およびシフト信号を生成する演算回路とを有することを特徴とする請求項12記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記演算回路が、前記保持回路に保持されたTに基づいてT/2、T/4、T/8、およびT/64信号をそれぞれ生成するT/2演算回路、T/4演算回路、T/8演算回路、およびT/64演算回路と、前記T/2信号、T/4信号およびT/8信号と、前記T計数器のTと、前記回転子位置信号とを論理処理して前記タイミング信号を生成するタイミング信号生成回路と、前記T/64信号と前記タイミング信号とを論理処理して前記シフト信号を生成するシフト信号生成回路49とを有することを特徴とする請求項13記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記タイミング信号生成回路が、前記カウントされた相の回転子位置信号のカウント直後のエッジからT/2経過時点にエッジを有する第1のタイミング信号と、(T/4+T/8)経過時点にエッジを有する第2のタイミング信号と、(T/2+T/8)経過時点にエッジを有する第3のタイミング信号とを生成することを特徴とする請求項14記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記制御回路が、前記第1のタイミング信号と第3のタイミング信号との排他的論理和による、第1のタイミング信号のエッジから第3のタイミング信号のエッジまでのT/8の幅と、前記第1のタイミング信号と第2のタイミング信号との排他的論理和による、第2のタイミング信号のエッジから第1のタイミング信号のエッジまでのT/8の幅との前記パルス幅化正弦波PWM制御のタイミングを生成することを特徴とする請求項15記載のブラシレスモータ駆動回路。
- 前記パルス幅化正弦波PWM信号生成回路が、前記パルス幅化矩形波PWM制御を行うためのパルス幅化矩形波PWM信号の生成に用いられ、回転速度制御信号に応じて変化するパルス幅変調用電圧の最大値と、前記シフト信号とを供給して、第1ステップ電圧を生成する第1ステップ電圧発生回路と、前記回転速度制御信号に応じて変化するパルス幅変調用電圧と、前記シフト信号とを供給して、第2ステップ電圧を生成する第2ステップ電圧発生回路と、前記第1ステップ電圧を三角波電圧でパルス幅変調して前記通電タイミング制御用スイッチ素子に供給するパルス幅化正弦波PWM信号を生成する比較器と、前記第2ステップ電圧を三角波電圧でパルス幅変調して前記電流量制御用スイッチ素子に供給するパルス幅化正弦波PWM信号を生成する比較器とを有することを特徴とする請求項12記載のブラシレスモータ駆動回路。
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