JP2012080649A

JP2012080649A - モータ駆動回路

Info

Publication number: JP2012080649A
Application number: JP2010222544A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Sakaguchi; 隆裕坂口
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-19

Abstract

【課題】位置センサの検出信号が変動しても、単相ブラシレスＤＣモータを安定して駆動可能とする。
【解決手段】モータ駆動回路１１は、インバータ回路１２と、位置センサ６と、外部から供給される速度指令信号と位置検出信号とに基づいてインバータ回路１２を制御する制御部１３と、を備える。制御部１３は、マグネットロータが直前に１回転した時間間隔を単相ブラシレスＤＣモータの磁極数で割って得られる平均時間に基づいて位相が決定される位置信号を生成する位置推定部１４と、位置信号のゼロクロス点の間の時間間隔を所定周期でカウントして、マグネットロータの１回転分の時間に対応するカウント値を出力するカウンタ部１５と、速度指令信号およびカウント値に基づいて、位置信号に同期した変調信号を生成する出力波形生成部１６と、変調信号を、インバータ回路を制御するためのＰＷＭ信号に変換するＰＷＭ生成部１７と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単相ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動回路に関する。

単相ブラシレスＤＣモータの駆動方法として、マグネットロータの磁極位置を１個のホール素子で検出し、その検出結果に同期させて単相コイルに通電する電流の向きを切り替えてロータマグネットを回転させる技術が提案されている（特許文献１参照）。

また、三相ブラシレスＤＣモータの駆動方法として、ホールＩＣで検出した位置信号と外部からの速度指令信号とに基づいてインバータ制御用のＰＷＭ信号を生成する技術が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００４−１４０８９７号公報特開２００５−１２４３６７号公報

特許文献１のように、ホール素子で検出したホール信号をそのまま増幅して単相コイル通電用の駆動信号として用いる場合、ホール信号の周期と振幅の変動により、モータの回転が不安定になったり、騒音が発生するおそれがある。このようなホール信号の変動は、マグネットロータの磁束量の偏り、ホール素子とマグネットロータ面との距離の変動、ホール信号のゼロクロス近傍でのノイズ等を原因として起こりえる。

一方、特許文献２では、ホールＩＣで検出した所定時刻での位置信号を、時間的に一つ手前の位置信号と比較して、両者の時間（周波数）の差により、電気角６０°ごとにリセットするか、電気角３６０°ごとにリセットするかを決定している。この場合も、上述した要因により、位置信号自体が変動してしまう可能性があり、回転が不安定になったり、騒音が発生したりする。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、位置センサの検出信号が変動しても、単相ブラシレスＤＣモータを安定して駆動可能なモータ駆動回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、単相ブラシレスＤＣモータのコイルに駆動電流を供給するインバータ回路と、
前記単相ブラシレスＤＣモータのマグネットロータの磁極位置を検出して位置検出信号を出力する位置センサと、
前記単相ブラシレスＤＣモータの回転速度を指令するための外部から供給される速度指令信号と、前記位置検出信号と、に基づいて、前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記マグネットロータが直前に１回転した時間間隔を前記単相ブラシレスＤＣモータの磁極数で割って得られる平均時間に基づいて位相が決定される位置信号を生成する位置推定部と、
前記位置信号のゼロクロス点の間の時間間隔を所定周期でカウントして、前記マグネットロータの１回転分の時間に対応するカウント値を出力するカウンタ部と、
前記速度指令信号および前記カウント値に基づいて、前記位置信号に同期した変調信号を生成する出力波形生成部と、
前記変調信号を、前記インバータ回路を制御するためのＰＷＭ信号に変換するＰＷＭ生成部と、を有することを特徴とするモータ駆動回路が提供される。

本発明によれば、位置センサの検出信号が変動しても、単相ブラシレスＤＣモータを安定して駆動することができる。

本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動回路１１の概略構成を示すブロック図。単相ブラシレスＤＣモータ１の構造を示す図。（ａ）は位置センサ６で検出した位置検出信号の信号波形図、（ｂ）は第１の実施形態における出力波形生成部１６で生成した変調信号の信号波形図。変調信号生成テーブルから出力された振幅値を用いて変調信号を生成する様子を示す図。ＰＷＭ信号の一例を示す図。（ａ）は図３（ａ）と同様に位置センサ６で検出した位置検出信号の信号波形図、（ｂ）は第２の実施形態における出力波形生成部１６で生成した変調信号の信号波形図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動回路１１の概略構成を示すブロック図、図２は単相ブラシレスＤＣモータ１の構造を示す図である。図２に示すように、単相ブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータと呼ぶ）１は、ステータコア２の周囲に４つの磁極３を有するマグネットロータ４を配置した構造である。マグネットロータ４は、中心軸の回りに回動自在とされている。４つの磁極３はいずれも永久磁石であり、その磁化方向は、中心軸から径方向に向かう方向である。マグネットロータ４の外周側には磁気ヨーク５が配置されているが、この磁気ヨーク５は省略してもよい。

マグネットロータ４の内周面の近くに位置センサ６が設けられている。この位置センサ６は、例えば磁気センサ（ホール素子）であり、マグネットロータ４が回転したときに、磁極３の境界位置を検出して位置検出信号（ホール信号）を出力する。ステータコア２には、コイル７が巻回されている。このコイル７に流れる電流の向きを制御することで、マグネットロータ４の回転方向を切り替えることができる。

図１のモータ駆動回路１１は、モータ１のコイルに駆動電流を供給するインバータ回路１２と、インバータ回路１２を制御する制御部１３とを備えている。

インバータ回路１２は、電源端子Ｖccと接地端子間に直列に接続されたトランジスタＱ１，Ｑ２と、同じく電源端子Ｖccと接地端子間に直列に接続されたトランジスタＱ３，Ｑ４とを有する。すなわち、トランジスタＱ１，Ｑ２は、トランジスタＱ３，Ｑ４と並列に接続されている。

トランジスタＱ１，Ｑ２の中間ノードはモータ１のコイルの一端に接続され、トランジスタＱ３，Ｑ４の中間ノードはコイルの他端に接続されている。トランジスタＱ１とＱ４は同タイミングで同方向にオン・オフし、トランジスタＱ２とＱ３も同タイミングで同方向にオン・オフする。具体的には、トランジスタＱ１とＱ４がオンするときはトランジスタＱ２とＱ３はオフする。このとき、図１の実線矢印の向きに電流Ｉｄが流れる。また、トランジスタＱ１とＱ４がオフするときはトランジスタＱ２とＱ３はオンする。このとき、図１の破線矢印の向きに電流Ｉｄが流れる。

このように、インバータ回路１２は、ステータコア２に対向しているマグネットロータ４の磁極３がＮ極かＳ極かによって、コイルに流れる電流の向きを切り替えて、これにより、マグネットロータ４を同一方向に回転駆動する。

制御部１３は、位置推定部１４と、カウンタ部１５と、出力波形生成部１６と、ＰＷＭ生成部１７とを有する。

位置推定部１４は、マグネットロータ４が直前に１回転した時間間隔をモータ１の磁極数で割って得られる平均時間に基づいて位相が決定される位置信号を生成する。

位置推定部１４を設けた理由は、位置検出信号のゼロクロス近傍でのノイズやマグネットロータ４の磁束量の偏り等により位置センサ６が検出する位置検出信号の周期が変動するためであり、本実施形態では、位置推定部１４により平均化処理を行って、周期のばらつきを抑制した位置信号を生成する。

位置信号は、マグネットロータ４が１回転する時間間隔Ｔ１をモータ１の磁極数Ｎで割って得られる平均時間Ｔ１／Ｎを、モータ１の電気角で１８０°位相分とする信号である。

カウンタ部１５は、位置信号のゼロクロス点の間の時間間隔を所定周期でカウントして、マグネットロータ４の１回転分の時間に対応するカウント値を出力する。

出力波形生成部１６は、速度指令信号とカウント値に基づいて、位置信号に同期した変調信号を生成する。この変調信号を、ＰＷＭ生成部１７はインバータ回路１２を制御するためのＰＷＭ信号に変換する。

図３（ａ）は位置センサ６で検出した位置検出信号の信号波形図、図３（ｂ）は第１の実施形態における出力波形生成部１６で生成した変調信号の信号波形図である。位置検出信号は、上述したように、マグネットロータ４の磁束量の偏り、位置センサ６とマグネットロータ面との距離の変動、位置検出信号のゼロクロス近傍でのノイズ等の影響により、振幅および周波数が必ずしも一定にならず、その結果、ゼロクロス点のタイミングも、理想的な正弦波信号のゼロクロス点のタイミングからずれてしまう。

本実施形態のモータ１は、図３に示すように、マグネットロータ４が４つの磁極３を有するため、マグネットロータ４が１回転する間に、位置センサ６は４回ゼロクロス点を通過する。すなわち、位置検出信号の２周期分がマグネットロータ４の１回転分に相当する。図３（ａ）では、位置検出信号のゼロクロス点の間の時間間隔をｔ１１，ｔ１２，ｔ１３，ｔ１４で表し、マグネットロータ４の１周期をＴ１としている。図示のように、ｔ１１〜ｔ１４を合算した時間がＴ１に一致する。

すなわち、ｔ１１〜ｔ１４のそれぞれは、位置検出信号の１／４周期であるが、これらは、上述した理由により、必ずしも一定ではない。そこで、位置推定部１４は、これらｔ１１〜ｔ１４を足し合わせた時間を磁極数で割ることで、位置検出信号のばらつきを平均化した１／４周期を求める。この平均化した１／４周期が位置信号の１／４周期となる。

位置検出信号の１／４周期は、電気角１８０°であることから、マグネットロータ４の１回転の電気角は、１８０°×４＝７２０°になる。

以下では、図３（ａ）の時間間隔ｔ１での位置信号の生成方法について説明する。ここで、位置信号の周波数は、位置検出信号の周波数と同じとする。

時間間隔ｔ１は、時間間隔ｔ１よりも前に位置する時間間隔ｔ１１〜ｔ１４のそれぞれを合算した時間を磁極数Ｎ（本実施形態ではＮ＝４）で割った値とする。すなわち、ｔ１＝（ｔ１１＋ｔ１２＋ｔ１３＋ｔ１４）／４である。

時間間隔ｔ１は、位置推定部１４で生成される位置信号の時刻ｔａから始まる１／４周期の長さになる。時刻ｔａは、時間間隔ｔ４の１／４周期後の時刻である。

このように、本実施形態では、ある時刻ｔａから始まる位置信号の１／４周期の長さｔ１を、時刻ｔａより前の時間間隔ｔ１１〜ｔ１４の位置検出信号の平均値を用いて決定する。この平均値はすなわち、時間間隔ｔ１１〜ｔ１４の間のマグネットロータ４の１回転分の周期長を磁極数で割った値に等しい。尚、本実施形態では、時刻ｔａより１／４周期前までのマグネットロータ４の１回転分の周期長に相当する時間間隔ｔ１１〜ｔ１４の平均値を利用している。

同様に、位置信号の次の１／４周期（時刻ｔｂから始まる１／４周期）の長さｔ２は、時間間隔ｔ１２〜ｔ１５を合算した時間を磁極数Ｎ＝４で割った値とする。すなわち、ｔ２＝（ｔ１２＋ｔ１３＋ｔ１４＋ｔ１５）／４である。このように、本実施形態では、時刻ｔｂから始まる位置信号の１／４周期の長さを、時刻ｔｂより前の時間間隔ｔ１２〜ｔ１５の位置検出信号の平均値を用いて決定する。

以降、位置信号は、その１／４周期ごとに、位置検出信号を１／４周期ずつずらした１周期分の時間間隔を平均化した値により、１／４周期の長さを決定する。

本実施形態に係る位置推定部１４は、位置検出信号がゼロクロス点を通過するたびに、上述した手法により位置信号を生成する。これにより、位置信号は、１／４周期ごとに、周期長が更新される。

次に、変調信号の波形形状の調整手法について説明する。図３（ｂ）は変調信号の信号波形を示しているが、変調信号は位置信号と同一の位相を持っており、波形形状も似通っている。そこで、本実施形態では、位置信号の１／４周期を４つの等しい時間領域に分割する。例えば、時刻ｔａから始まる１／４周期内の４つの時間領域の長さは、いずれもｔ１／４である。

出力波形生成部１６は、４つの時間領域のそれぞれに対応づけて、４つの変調信号生成テーブル（不図示）を有する。このテーブルは、いわゆるルックアップテーブルであり、入力パラメータとして、外部からの速度指令信号とカウンタ部１５のカウント値とが与えられる。速度指令信号により、変調信号の振幅値が決定され、カウント値により変調信号の位相および周期が決定される。

図４は変調信号生成テーブルから出力された振幅値を用いて変調信号を生成する様子を示す図である。外部からの速度指令信号とカウント値をルックアップテーブルに入力すると、変調信号生成テーブルは、１／４周期を３２等分した各時刻ごとに、対応する振幅値を出力する。また、変調信号は、位置検出信号がゼロクロス点を通過するたびにゼロクロス（リセット）するように設定される。

図４の変調信号の波形からわかるように、４つの時間領域ごとに変調信号の波形形状は異なるため、それぞれの波形形状に応じたデータ（速度指令信号とカウント値を入力とする変調信号の振幅値）を、対応する４つの変調信号生成テーブルに予め登録しておくことにより、速度指令信号とカウント値に対応する変調信号の振幅値を取得できる。

尚、位置信号の１／４周期の分割数（本実施例では４分割）や分割した時間領域での振幅値の等分数（本実施例では３２等分）は上記の具体例に限定されるものではない。

出力波形生成部１６は、例えば、ＩＣやＬＳＩ等の半導体回路で構成可能である。この半導体回路内に、予め４つの変調信号生成テーブルを設けることで、高速に変調信号を生成できる。

出力波形生成部１６で生成された変調信号はＰＷＭ生成部１７に入力される。ＰＷＭ生成部１７は、図５に示すように、変調信号の振幅値が大きいほどパルス幅が広いＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号は、インバータ回路１２内のトランジスタＱ１〜Ｑ４に供給される。

このように、第１の実施形態では、位置センサ６が検出した位置検出信号の複数周期分を平均化した長さを用いて、位置信号を推定する。そして、位置信号のゼロクロス点間をカウントして、マグネットロータ４の１回転分の時間に対応するカウント値を検出し、そのカウント値により変調信号の位相および周期を決定する。また、位置信号の１／４周期をさらに４つの時間領域に分割して、各時間領域ごとに異なる変調信号生成テーブルを用いて、変調信号の波形形状を設定する。これにより、位置センサ６が検出した位置検出信号の周期あるいは振幅が変動しても、その影響を受けずに、精度よく変調信号を生成でき、モータ１を安定して回転させることができる。

（第２の実施形態）
上述したように、第１の実施形態では、位置信号の１／４周期毎に、位置センサ６が検出した位置検出信号の繰り返し周期を平均化して位置信号の１／４周期の長さを更新している。このため、位置検出信号の周波数が高くなると、場合によっては位置信号、変調信号およびＰＷＭ信号の生成が追いつかなくなるおそれがある。そこで、以下に説明する第２の実施形態では、マグネットロータ４の１回転分に対応する変調信号を生成する間は、位置信号の更新を行わないようにして、位置信号推定処理を簡略化するものである。

第２の実施形態に係るモータ駆動回路１１の概略構成は図1と同様である。ただし、第２の実施形態に係る位置推定部１４の処理動作は、第１の実施形態に係る位置推定部１４の処理動作とは異なっている。

図６（ａ）は図３（ａ）と同様に位置センサ６で検出した位置検出信号の信号波形図、図６（ｂ）は第２の実施形態における出力波形生成部１６で生成した変調信号の信号波形図である。以下、これらの図を用いて、第２の実施形態に係る出力波形生成部１６の処理動作を説明する。

第２の実施形態に係る位置推定部１４は、マグネットロータ４が１回転する間に位置センサ６で検出した位置検出信号に基づいて、マグネットロータ４が１回転する時間間隔をモータ１の磁極数で割って得られる平均時間を、モータ１の電気角で１８０°位相分として位置信号を生成する。ここまでは、第１の実施形態と同じである。第２の実施形態に係る出力波形生成部１６は、生成した位置信号を、マグネットロータ４の１回転分の期間に利用する。すなわち、第１の実施形態では、マグネットロータ４の１／４周期ごとに、位置信号を生成しなおしていたが、第２の実施形態では、マグネットロータ４が１回転する間は同じ位置信号を用いる。

また、第１の実施形態では、位置センサ６がゼロクロス点を通過するたびに、変調信号を強制的にリセットして、いったん変調信号の振幅をゼロに戻していたが、第２の実施形態では、マグネットロータ４が１回転する間は変調信号の強制的なリセット処理を行わない。

このように、第２の実施形態では、位置信号を推定する処理を頻繁に行わなくて済み、位置推定部１４の処理量が軽減する。また、位置信号の更新周期が延びることにより、出力波形生成部１６で変調信号を更新する周期とＰＷＭ生成部１７がＰＷＭ信号を更新する周期も延びることになり、出力波形生成部１６とＰＷＭ生成部１７の処理負担も軽減する。

以下、図６を参照して、第２の実施形態の変調信号の生成方法を説明する。図６（ｂ）の時刻ｔａから始まる位置信号および変調信号の１／４周期の長さである時間間隔ｔ３は、時刻ｔａよりも１／４周期前までの時間間隔ｔ１１〜ｔ１４の位置検出信号の長さを足し合わせた値を磁極数で割った値で決定され、ｔ３＝（ｔ１１＋ｔ１２＋ｔ１３＋ｔ１４）／４となる。ここまでは、第１の実施形態と同様である。時刻ｔｂから始まる位置信号および変調信号の次の１／４周期の長さと、時刻ｔｃから始まる位置信号および変調信号の次の１／４周期の長さと、時刻ｔｄから始まる位置信号および変調信号の次の１／４周期の長さはいずれも、時刻ｔａから始まる位置信号および変調信号の１／４周期の長さである時間間隔ｔ３と同じにする。これが第２の実施形態の特徴である。

すなわち、時刻ｔａ〜ｔｅまでの間は、位置信号および変調信号の１／４周期の長さがいずれも同一であり、変調信号生成テーブルに入力する速度指令信号とカウント値も各１／４周期の各時間領域では同一である。したがって、第２の実施形態の位置推定部１４と出力波形生成部１６は、第１の実施形態の位置推定部１４と出力波形生成部１６の処理よりも、処理負担が大幅に軽減される。

このように、第２の実施形態では、いったん位置信号の１／４周期の長さを決定したら、その長さをマグネットロータ４が１回転するまでの間継続して用いることにして、その間は位置信号の１／４周期の長さの更新を行わないため、位置推定部１４の処理量を削減でき、これにより、出力波形生成部１６とＰＷＭ生成部１７の処理量も削減できる。したがって、仮にモータ１が高速で回転しても、モータ１の回転に対する追従性がよくなり、より安定にモータ１を駆動できる。

上述した第１および第２の実施形態では、マグネットロータ４の磁極数Ｎが４である例を説明したが、磁極数Ｎは必ずしも４には限定されない。また、第１の実施形態では、変調信号の１／４周期ごとにその長さを設定し、第２の実施形態では、変調信号の１周期ごとにその長さを設定したが、１／４周期や１周期以外の周期長ごとにその長さを設定してもよい。

また、第１および第２の実施形態では、ある時刻から始まる位置信号の１／４周期の長さを求めるにあたり、ある時刻の１／４周期前までのマグネットロータ４の１回転の時間間隔を利用するようにしているが、利用できるマグネットロータ４の１回転の時間間隔は、必ずしも１／４周期前に限定されるものではなく、１／４周期の整数倍分前の任意のマグネットロータ４の１回転の時間間隔を利用することができる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１単相ブラシレスＤＣモータ
２ステータコア
３磁極
４マグネットロータ
５磁気ヨーク
１１モータ駆動回路
１２インバータ回路
１３制御部
１４位置推定部
１５カウンタ部
１６出力波形生成部
１７ＰＷＭ生成部

Claims

単相ブラシレスＤＣモータのコイルに駆動電流を供給するインバータ回路と、
前記単相ブラシレスＤＣモータのマグネットロータの磁極位置を検出して位置検出信号を出力する位置センサと、
前記単相ブラシレスＤＣモータの回転速度を指令するための外部から供給される速度指令信号と、前記位置検出信号と、に基づいて、前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記マグネットロータが直前に１回転した時間間隔を前記単相ブラシレスＤＣモータの磁極数で割って得られる平均時間に基づいて位相が決定される位置信号を生成する位置推定部と、
前記位置信号のゼロクロス点の間の時間間隔を所定周期でカウントして、前記マグネットロータの１回転分の時間に対応するカウント値を出力するカウンタ部と、
前記速度指令信号および前記カウント値に基づいて、前記位置信号に同期した変調信号を生成する出力波形生成部と、
前記変調信号を、前記インバータ回路を制御するためのＰＷＭ信号に変換するＰＷＭ生成部と、を有することを特徴とするモータ駆動回路。
前記位置推定部は、前記マグネットロータの１回転の時間に対応する前記位置検出信号の繰り返し周期の長さの合算値を前記単相ブラシレスＤＣモータの磁極数で割ることにより、前記平均時間を求めることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
前記位置推定部は、前記位置センサが前記マグネットロータの磁極位置を検出するたびに、その直前の前記マグネットロータの１回転の時間間隔を前記単相ブラシレスＤＣモータの磁極数で割ることにより、前記平均時間を求めて、該平均時間に基づいて前記位置信号の位相を決定し、前記位置センサが新たな磁極位置を検出すると、前記位置信号の位相を更新することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動回路。
前記位置推定部は、前記マグネットロータが１回転するたびに、その直前の前記マグネットロータの１回転の時間間隔を前記単相ブラシレスＤＣモータの磁極数で割ることにより、前記平均時間を求めて、該平均時間に基づいて前記位置信号の位相を決定し、前記マグネットロータが１回転する間は前記位置信号の位相を維持することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動回路。