JP6426420B2 - 半導体装置及び電動機器 - Google Patents
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Description
先ず、本願において開示される代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
半導体装置(1)は、複数極の永久磁石を持つロータ(21)及び複数のコイル相のコイル(2U,2V,2W)を持つステータ(20)を備えたブラシレスDCモータの前記複数のコイル相に選択的に電流を供給して前記ロータを回転駆動するための制御を行なう。この半導体装置は、順次一つのコイル相のコイルに給電したとき、停止しているロータの磁束の影響を受けて当該給電コイル相に接続する別の複数のコイル相のコイルに夫々流れる電流に応ずる信号の違いを検出することにより、上記検出結果とそれを得るコイル相との関係に基づいて、ステータに対するロータの停止位置を判別する。その判別結果に従ってロータを所定方向に回転開始するためのコイルの通電相を決める。
項1において、接続する複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電したとき非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号(U−in,V−in,W−in)が参照信号(117、118又は6の出力)に達するタイミングに基づいて、前記通電するコイル相の切り替えを行って、ロータの高速回転駆動を制御する。
項2において、接続する複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電したとき当該通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号と非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号との和の平均値と、前記非通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号との大小関係が反転するタイミングに同期して、前記通電するコイル相の切り替えを行って、ロータの低速回転駆動を制御する。
項3において、選択回路(115,116)と、前記選択回路で選択された2個の信号を比較する比較回路(114)と、前記比較回路による一致検出タイミングに応ずる計数値を取得するタイマカウンタ(111)とを有する。ステータに対するロータの停止位置を判別する制御において、前記選択回路は前記接続する複数のコイル相のコイルに夫々流れる電流に応ずる信号を選択し、前記比較回路は前記選択回路で選択された信号の一致するタイミングを形成し、タイマカウンタは前記一つのコイル相のコイルに給電するタイミングに同期して計数動作を開始してから前記一致するタイミングまでの計数値を取得し、取得した計数値とこれを取得するときの複数のコイル相との関係に基づいてステータに対するロータの停止位置を判別する。
項4において、前記タイマカウンタは前記一致するタイミングまでの計数値を前記一致に応答して保持するバッファレジスタ(130)を有する。
項4において、前記ロータを高速回転駆動する制御として、前記選択回路は前記非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号と参照信号を選択し、前記比較回路は前記選択回路で選択された信号の一致するタイミングを形成し、前記比較回路で取得された一致するタイミングに同期して通電するコイル相の切り替えを制御する。
項4において、AD変換回路(119)を有し、ロータを低速回転駆動する制御として、接続する複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電したとき当該通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号と非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号との夫々を前記AD変換回路で変換し、変換したデジタル信号を用いて前記大小関係が反転するタイミングを得る。
電動機器は、複数極の永久磁石を持つロータ及び複数のコイル相のコイルを持つステータを備えたブラシレスDCモータ(2)と、前記ブラシレスDCモータの前記複数のコイル相に選択的に電流を供給して前記ロータを回転駆動するための制御を行なう半導体装置(1)と、前記ブラシレスDCモータを動力源として作動する作動機構(210,211)とを有する。前記半導体装置は、順次一つのコイル相のコイルに給電したとき、停止しているロータの磁束の影響を受けて当該給電コイル相に接続する別の複数のコイル相のコイルに夫々流れる電流に応ずる信号の違いを検出することにより、上記検出動作の結果とそれを得るコイル相との関係に基づいて、ステータに対するロータの停止位置を判別し、その判別結果に従ってロータを所定方向に回転開始するためのコイルの通電相を決める。
複数極の永久磁石を持つロータ(21)及び複数のコイル相のコイルを持つステータ(20)を備えたブラシレスDCモータ(2)を駆動制御する半導体装置(1)は、前記ブラシレスDCモータの複数のコイル相のコイルに選択的に電流を供給するためのパルス制御信号を生成するパルス生成回路(110)と、前記夫々のコイルに流れる電流に応ずる検出信号と参照信号の中から任意の2個の信号を選択する選択回路(115,116)と、前記選択回路で選択された2個の信号を比較する比較回路(114)と、タイマカウンタ(111)と、制御回路(100)と、を有する。前記制御回路は、前記ロータを停止させた状態で前記複数のコイル相の一つに給電するためのパルス制御信号を前記パルス生成回路に出力させ、前記検出信号の中から、前記給電されたコイルからこれに接続する別のコイル相の2個のコイルに夫々流れる電流に応ずる検出信号を前記選択回路に選択させ、選択された2個の検出信号が一致する状態を前記比較回路の出力に基づいて判別するまでの時間を前記タイマカウンタに計測させる動作を、前記給電するコイル相を順次切り替えて繰り返し制御することにより、前記タイマカウンタによる計測動作の結果とこれを取得するときの複数のコイル相との関係に基づいて、ステータに対するロータの停止位置を判別する。
項9において、前記タイマカウンタは制御回路による前記給電するコイル相の切り替えに基づいて計数動作を開始し、前記比較回路の一致出力に応じてその計数値をバッファレジスタに格納する。
項10において、前記制御回路は前記比較回路の一致出力に応答する割り込み処理によって、前記パルス制御信号の出力、前記セレクタの選択制御、前記タイマカウンタの初期化を制御し、前記タイマカウンタの初期化は前記バッファレジスタに計数値を格納する動作の後のタイミングとする。
項9において、前記制御回路は、高速回転モードにおいて、前記パルス生成回路に、前記複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他方のコイル相のコイルに通電するためのパルス制御信号を出力させ、前記選択回路に、非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号と参照信号を選択させ、選択された前記非通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号が前記参照信号を超えるタイミングを前記比較回路の出力に基づいて判別し、判別したタイミングに同期して、パルス生成回路により通電するコイルの切り替えを制御する。
項12において、前記ステータの夫々のコイルに流れる電流に応ずる信号をデジタル信号に変換するAD変換回路(119)を更に有する。前記制御回路は、低速回転モードにおいて、前記パルス生成回路に、前記複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電するためのパルス制御信号を出力させ、前記AD変換回路に、前記通電されたコイルに夫々流れる電流に応ずる信号と非通電コイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号の夫々をデジタル信号に変換させ、変換された夫々の信号の和の平均値と前記非通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号のデジタル信号との大小関係が反転するタイミングに同期して、パルス生成回路により通電するコイル相の切り替えを制御する。
電動機器は、複数極の永久磁石を持つロータ(21)及び複数相のコイルを持つステータ(20)を備えたブラシレスDCモータ(2)と、前記ブラシレスDCモータの前記複数のコイル相に選択的に電流を供給して前記ロータを回転駆動するための制御を行なう半導体装置(1)と、前記ブラシレスDCモータを動力源として作動する作動機構(210,211)とを有する。前記半導体装置は、前記ブラシレスDCモータの複数相のコイルに選択的に電流を供給するためのパルス制御信号を生成するパルス生成回路(110)と、前記夫々のコイルに流れる電流に応ずる検出信号と参照信号の中から任意の2個の信号を選択する選択回路(115,116)と、前記選択回路で選択された2個の信号を比較する比較回路(114)と、タイマカウンタ(111)と、制御回路(100)と、を有する。前記制御回路は、前記ロータを停止させた状態で前記複数のコイル相の一つに給電するためのパルス制御信号を前記パルス生成回路に出力させ、前記検出信号の中から、前記給電されたコイルからこれに接続する別の複数のコイル相の2個のコイルに夫々流れる電流に応ずる検出信号を前記選択回路に選択させ、選択された2個の検出信号が一致する状態を前記比較回路の出力に基づいて判別するまでの時間を前記タイマカウンタに計測させる動作を、前記給電するコイル相を順次切り替えて繰り返し制御することにより、前記タイマカウンタによる計測動作の結果とこれを取得するときのコイル相との関係に基づいて、ステータに対するロータの停止位置を判別する。
複数極の永久磁石を持つロータ(21)及び複数のコイル相のコイル(2U,2V,2W)を持つステータ(20)を備えたブラシレスDCモータ(2)の前記複数のコイル相に選択的に電流を供給して前記ロータを回転駆動するための制御を行なう半導体装置は、前記ロータの停止状態において、順次一つのコイル相のコイルに給電したとき、停止しているロータの磁束の影響を受けて当該給電コイル相に接続する別の複数のコイル相のコイルに夫々流れる電流に応ずる信号の違いを、比較回路(114)とその比較結果を入力するタイマ(111)とを用いて検出することにより、上記検出動作の結果とそれを得るコイル相との関係に基づいて、前記ステータに対する前記ロータの停止位置を判別する、そして、前記ロータの回転状態において、接続する複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電したとき非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号が参照信号に達するタイミングを前記比較回路と前記タイマとを用いて検出することにより、前記ステータに対する前記ロータの回転位置を判別する。
実施の形態について更に詳述する。
図1にはブラシレスDCモータとその駆動制御に用いる半導体装置の一例であるマイクロコントローラ1が例示される。同図に示されるマイクロコントローラ1は、特に制限されないが、単結晶シリコンなどの1個の半導体基板に公知のCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)集積回路製造技術などによって形成されている。
始動時のステータ20に対するロータ21の位置はロータ21を停止させた状態で検出する。先ず検出原理について説明する。コイルに大きな電流を流せばコイルで形成される磁界によってロータを回転させる事ができるが、コイルに少しの電流を流した場合には、ロータの磁力による逆起電力の影響によってコイルに流れる電流が妨げられる。図3の例では、コイルに通電される電流の向きが矢印で示された方向に沿うほどロータ21による逆起電力の影響が小さくされ、この方向がコイルに電流が流れ易い方向となる。
ステータ20のコイル2U,2V,2Wに回転磁界を形成してロータ21を高速回転する場合、コイル2U,2V,2Wに対して所謂120度通電制御を行なうことを基本とする。即ち、ロータ21を1回転する際に、コイル2U,2V,2Wに対する通電方向の切り替えを60度毎に6回行なう。例えば通電方向を60度毎に順次、U相からV相への通電、U相からW相への通電、V相からW相への通電、V相からU相への通電、W相からU相への通電、W相からV相への通電に順次切り替える。このとき、非通電コイルが一つあるので、その非通電コイルがロータ21の永久磁石から受ける逆方向起電力による誘導電流の波形に基づいてロータ21の回転位置を検出する。図15に例示するように、ロータ21のN極とS極の境にW相の非通電コイル(オープン)がある場合には誘導電流が発生しないので、W相の信号W−inは基準のゼロレベルに対してゼロクロスの状態になる。通電相のコイルの切り替えはゼロクロス位置から30度回転したタイミングで行われる。その際のゼロクロスのタイミング判定には比較回路114を用いる。特に制限されないが、この動作モードにおいて比較回路11は非反転入力端子(+)の入力電圧が反転入力端子(−)の入力電圧を横切ったときハイレベルパルスを出力するように機能設定される。この場合、ゼロレベルの参照電圧をセレクタ116で選択して比較回路114の反転入力端子(−)に供給し、非通電コイルの信号としてセレクタ115で順次選択した信号U−in,V−in,W−inを比較回路114の非反転入力端子(+)に供給する。
上記高速回転モードにおける高速回転とは、ロータ21の永久磁石からの磁界による逆起電力の影響でステータ20の非通電コイルの信号に漸次変化を生じさせることができる回転速度を意味する。したがってそのような逆起電力の影響を比較回路114で検出できないような場合、即ち、ロータ21が高速回転するまでの過渡段階、或いは積極的にロータ21を低速回転させる場合には、120度通電制御によるロータの位置検出には比較回路114の代わりにADC119を用いた処理(低速回路モード)を採用する。原理的には、低速回転モードでは、複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電したとき当該通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号と非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号との和の平均値に対して、前記非通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号の値が横切るタイミングをゼロクロス地点と判定押し、このタイミングに同期して、前記通電するコイル相の切り替えを行って、ロータの低速回転駆動を制御するものである。
図21及び図22にはロータ21の低速回転モードの制御フローが例示される。
図23には上記マイクロコントローラ1を用いた電動機器の一例として電動ドリルが示される。電動ドリル201は、特に制限されないが、バッテリ205を動作電源とし、筐体202には、モータ2、インバータ3、マイクロコントローラ1、及び電源回路207が収容されている。電源回路207はバッテリ205からの動作電源を受けてマイクロコントローラ1の電源電圧vdd及びグランド電圧Gndを与える。インバータ3はバッテリ205の動作電源を用いてコイル2U,2V,2Wを駆動する。モータ2のロータ21の回転はドリルスピンドル210に伝達され、ドリルスピンドル210にはドリルチャック211を介して切刃としてのドリル204が着脱自在に装着される。電源の供給/遮断は電源スイッチ206で行なわれる。電源スイッチ206で電源が投入されると、マイクロコントローラ1が初期化され、CPU100の制御に基づいて、始動時のロータ停止位置検出モードによるステータに対するロータの停止位置が判別され、その結果に従ってロータを所定方向に低速回転モードで回転開始させ、所定の回転速度になったところで、高速回転モードでロータ21を高速回転する。特に図示はしないが、速度調整スイッチを設けてもよいことは言うまで見ない。
2 ブラシレスDCモータ(モータ)
2U,2V,2W U相,V相,W相のコイル
3 インバータ
20 ステータ
21 ロータ
30U,30V,30W 電流供給MOSトランジスタ
31U,31V,31W 電流引き抜きMOSトランジスタ
TRDIOB0,TRDIOA1,TRDIOB1 駆動制御信号
TRDIOD0,TRDIOC1,TRDIOD1 駆動制御信号
U−in,V−in,W−in コイル2U,2V,2Wに流れる電流の検出信号
100 中央処理装置(CPU)
101 ワークRAM
110 モータ制御用タイマ(TRD)
111 高分解能タイマ(TRX)
112 第1タイマ(TMRF)
113 第2タイマ(TMRS)
114 比較回路(CMP)
115 非反転入力端子(+)の入力セレクタ(SEL0)
116 反転入力端子(−)の入力セレクタ(SEL1)
117 デジタルアナログ変換回路(DAC)
118 基準電圧発生回路
119 アナログデジタル変換回路
120,121 内部バス
201 電動ドリル
202 筐体
204 ドリル
205 バッテリ
206 電源スイッチ
207 電源回路
210 ドリルスピンドル
211 ドリルチャック
Claims (10)
- 複数極の永久磁石を持つロータ及び複数のコイル相のコイルを持つステータを備えたブラシレスDCモータの前記複数のコイル相に選択的に電流を供給して前記ロータを回転駆動するための制御を行なう半導体装置であって、
順次一つのコイル相のコイルに給電したとき、停止しているロータの磁束の影響を受けて当該給電コイル相に接続する別の複数のコイル相のコイルに夫々流れる電流に応ずる信号の違いを検出することにより、上記検出動作の結果とそれを得るコイル相との関係に基づいて、ステータに対するロータの停止位置を判別し、その判別結果に従ってロータを所定方向に回転開始するためのコイルの通電相を決め、
接続する複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電したとき非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号が参照信号に達するタイミングに基づいて、前記通電するコイル相の切り替えを行って、ロータの高速回転駆動を制御し、
接続する複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電したとき当該通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号と非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号との和の平均値と、前記非通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号との大小関係が反転するタイミングに同期して、前記通電するコイル相の切り替えを行って、ロータの低速回転駆動を制御し、
選択回路と、前記選択回路で選択された2個の信号を比較する比較回路と、前記比較回路による一致検出タイミングに応ずる計数値を取得するタイマカウンタとを有し、
ステータに対するロータの停止位置を判別する制御において、前記選択回路は前記接続する複数のコイル相のコイルに夫々流れる電流に応ずる信号を選択し、前記比較回路は前記選択回路で選択された信号の一致するタイミングを形成し、タイマカウンタは前記一つのコイル相のコイルに給電するタイミングに同期して計数動作を開始してから前記一致するタイミングまでの計数値を取得し、取得した計数値とこれを取得するときの複数のコイル相との関係に基づいてステータに対するロータの停止位置を判別する、半導体装置。 - 請求項1において、前記タイマカウンタは前記一致するタイミングまでの計数値を前記一致に応答して保持するバッファレジスタを有する、半導体装置。
- 請求項1において、前記ロータを高速回転駆動する制御として、前記選択回路は前記非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号と参照信号を選択し、前記比較回路は前記選択回路で選択された信号の一致するタイミングを形成し、前記比較回路で取得された一致するタイミングに同期して通電するコイル相の切り替えを制御する、半導体装置。
- 請求項1において、AD変換回路を有し、
ロータを低速回転駆動する制御として、接続する複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電したとき当該通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号と非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号との夫々を前記AD変換回路で変換し、変換したデジタル信号を用いて前記大小関係が反転するタイミングを得る、半導体装置。 - 複数極の永久磁石を持つロータ及び複数のコイル相のコイルを持つステータを備えたブラシレスDCモータを駆動制御する半導体装置であって、
前記ブラシレスDCモータの複数のコイル相のコイルに選択的に電流を供給するためのパルス制御信号を生成するパルス生成回路と、
前記夫々のコイルに流れる電流に応ずる検出信号と参照信号の中から任意の2個の信号を選択する選択回路と、
前記選択回路で選択された2個の信号を比較する比較回路と、
タイマカウンタと、
制御回路と、を有し、
前記制御回路は、前記ロータを停止させた状態で前記複数のコイル相の一つに給電するためのパルス制御信号を前記パルス生成回路に出力させ、前記検出信号の中から、前記給電されたコイルからこれに接続する別のコイル相の2個のコイルに夫々流れる電流に応ずる検出信号を前記選択回路に選択させ、選択された2個の検出信号が一致する状態を前記比較回路の出力に基づいて判別するまでの時間を前記タイマカウンタに計測させる動作を、前記給電するコイル相を順次切り替えて繰り返し制御することにより、前記タイマカウンタによる計測動作の結果とこれを取得するときのコイル相との関係に基づいて、ステータに対するロータの停止位置を判別する、半導体装置。 - 請求項5において、前記タイマカウンタは制御回路による前記給電するコイル相の切り替えに基づいて計数動作を開始し、前記比較回路の一致出力に応じてその計数値をバッファレジスタに格納する、半導体装置。
- 請求項6において、前記制御回路は前記比較回路の一致出力に応答する割り込み処理によって、前記パルス制御信号の出力、セレクタの選択制御、前記タイマカウンタの初期化を制御し、前記タイマカウンタの初期化は前記バッファレジスタに計数値を格納する動作の後のタイミングとする、半導体装置。
- 請求項5において、前記制御回路は、高速回転モードにおいて、前記パルス生成回路に、前記複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電するためのパルス制御信号を出力させ、前記選択回路に、非通電相のコイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号と参照信号を選択させ、選択された前記非通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号が前記参照信号を超えるタイミングを前記比較回路の出力に基づいて判別し、判別したタイミングに同期して、パルス生成回路により通電するコイルの切り替えを制御する、半導体装置。
- 請求項8において、前記ステータの夫々のコイルに流れる電流に応ずる信号をデジタル信号に変換するAD変換回路を更に有し、
前記制御回路は、低速回転モードにおいて、前記パルス生成回路に、前記複数のコイル相の内の一のコイル相のコイルから他のコイル相のコイルに通電するためのパルス制御信号を出力させ、前記AD変換回路に、前記通電されたコイルに夫々流れる電流に応ずる信号と非通電コイルに前記ロータの磁束の影響を受けて流れる電流に応ずる信号の夫々をデジタル信号に変換させ、変換された夫々の信号の和の平均値と前記非通電相のコイルに流れる電流に応ずる信号のデジタル信号との大小関係が反転するタイミングに同期して、パルス生成回路により通電するコイル相の切り替えを制御する、半導体装置。 - 複数極の永久磁石を持つロータ及び複数相のコイルを持つステータを備えたブラシレスDCモータと、前記ブラシレスDCモータの前記複数のコイル相に選択的に電流を供給して前記ロータを回転駆動するための制御を行なう半導体装置と、前記ブラシレスDCモータを動力源として作動する作動機構とを有する、電動機器であって、
前記半導体装置は、前記ブラシレスDCモータの複数相のコイルに選択的に電流を供給するためのパルス制御信号を生成するパルス生成回路と、
前記夫々のコイルに流れる電流に応ずる検出信号と参照信号の中から任意の2個の信号を選択する選択回路と、
前記選択回路で選択された2個の信号を比較する比較回路と、
タイマカウンタと、
制御回路と、を有し、
前記制御回路は、前記ロータを停止させた状態で前記複数のコイル相の一つに給電するためのパルス制御信号を前記パルス生成回路に出力させ、前記検出信号の中から、前記給電されたコイルからこれに接続する別の複数のコイル相の2個のコイルに夫々流れる電流に応ずる検出信号を前記選択回路に選択させ、選択された2個の検出信号が一致する状態を前記比較回路の出力に基づいて判別するまでの時間を前記タイマカウンタに計測させる動作を、前記給電するコイル相を順次切り替えて繰り返し制御することにより、前記タイマカウンタによる計測動作の結果とこれを取得するときのコイル相との関係に基づいて、ステータに対するロータの停止位置を判別する、電動機器。
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