JP5709933B2 - 逆起電力検出回路およびそれを用いたモーター駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動制御信号のデューティーが互いに相違した場合にも同一の遅延を有するように遅延補償を行うことにより、逆起電力の遅延を補償してモーターの駆動を正確に制御することができる逆起電力検出回路およびそれを用いたモーター駆動制御装置に関する。

モーター技術の発展に伴い、幅広い技術分野において様々な大きさのモーターが用いられている。

一般的に、モーターは、永久磁石と、印加電流によって極性を変えるコイルを用いて回転子（Ｒｏｔｏｒ）を回転させて駆動する。最初のモーターは回転子にコイルを備えたブラシタイプのモーターであったが、モーターの駆動によってブラシが磨耗したりスパークが発生するなどの問題点がある。

このため、最近は、様々な形態のブラシレスモーターが汎用的に使用されている。ブラシレスモーターは、ブラシ、整流子などの機械的な接触部を無くし、その代わりに電子的な整流器具を用いて駆動する直流モーターであって、永久磁石からなるローター（ｒｏｔｏｒ）と、３相または４相コイルを備えて各コイルの相電圧に応じて回転する回転子とを含んでなる。

このようなブラシレスモーターが効率的に駆動するためには、回転子の各相（コイル）の転流（ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ）が適切な時点に行われなければならず、適切な転流のためには、回転子の位置を認識しなければならない。

回転子の位置検出のために、従来はホールセンサーやレゾルバなどのような素子を用いたが、この場合、駆動回路が複雑になるという限界性がある。

これを補完するために、センサーの代わりに、逆起電力（ＢＥＭＦ、Ｂａｃｋ−Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｏｔｉｖｅ Ｆｏｒｃｅ）を用いて、相の位置を把握しブラシレスモーターを駆動する技術が広く用いられている。

しかし、このような逆起電力を用いる方式の場合、モーターの駆動を制御する駆動制御信号のデューティーによって遅延が互いに異なるという問題点により、正確に逆起電力が検出できないという限界性がある。

下記の先行技術文献は、このようなブラシレスモーターに関するものであり、駆動制御信号のデューティーによって遅延が互いに相違した逆起電力の限界性を克服する技術は開示していない。

日本公開特許公報第２０１２−０３４４６５号 韓国公開特許公報第２００６−００６８８４４号

本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決するためのものであり、駆動制御信号のデューティーが互いに相違した場合にも同一の遅延を有するように遅延補償を行うことにより、逆起電力の遅延を補償してモーターの駆動を正確に制御することができる逆起電力検出回路およびそれを用いたモーター駆動制御装置を提供することにある。

本発明の第１技術的な側面は、逆起電力検出回路を提案する。上記逆起電力検出回路は、デューティー決定部及び遅延補償部を含む。上記デューティー決定部は、モーターの駆動制御信号のデューティーに応じて離散的なレベルを出力する。上記遅延補償部は、上記離散的なレベルごとに相違するように遅延補償を行って、上記駆動制御信号のデューティー変化に関係なく上記モーターの逆起電力の遅延を一定に補償する。

一実施形態において、上記デューティー決定部は、上記駆動制御信号の入力を受け、既に設定された帯域を超過する周波数をフィルタリングする低域通過フィルターと、上記低域通過フィルターの出力をデジタルレベルに変更する変換器と、を含んでもよい。

一実施形態において、上記変換器は、ｎ（ｎは自然数）個のビットで上記デジタルレベルを表示するアナログ−デジタル変換器であってもよい。

一実施形態において、上記遅延補償部は、上記デジタルレベルごとに相違した遮断周波数（Ｃｕｔ−Ｏｆｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を設定してもよい。

一実施形態において、上記遅延補償部は、上記ｎ個の並列に連結されたスイッチを含み、上記スイッチは、各々相違したキャパシタンスを有するキャパシタを含んでもよい。

一実施形態において、上記遅延補償部は、上記デジタルレベルの大きさと反比例するキャパシタンスを有するように上記ｎ個の上記スイッチのうち少なくとも一部をスイッチングしてもよい。

一実施形態において、上記ｎは、上記モーターの相の個数に相応してもよい。

本発明の第２技術的な側面は、モーター駆動制御装置を提案する。上記モーター駆動制御装置は、駆動信号生成部、逆起電力検出部及び制御部を含む。上記駆動信号生成部は、モーターに駆動制御信号を提供する。上記逆起電力検出部は、上記モーターの逆起電力を検出し、上記逆起電力の遅延を補償する。上記制御部は、上記逆起電力を用いて上記モーターの相転換時点を決定し、決定された相転換時点を用いて上記駆動制御信号を生成するように上記駆動信号生成部を制御する。

一実施形態において、上記逆起電力検出部は、上記駆動制御信号のデューティーに応じて離散的なレベルを出力するデューティー決定部と、上記離散的なレベルごとに相違するように遅延補償を行って、上記駆動制御信号のデューティー変化に関係なく上記モーターの逆起電力の遅延を一定に補償する遅延補償部と、を含んでもよい。

一実施形態において、上記デューティー決定部は、上記駆動制御信号の入力を受け、既に設定された帯域を超過する周波数をフィルタリングする低域通過フィルターと、上記低域通過フィルターの出力をデジタルレベルに変更する変換器と、を含んでもよい。

一実施形態において、上記変換器は、ｎ（ｎは自然数）個のビットで上記デジタルレベルを表示するアナログ−デジタル変換器であってもよい。

一実施形態において、上記遅延補償部は、上記デジタルレベルごとに相違した遮断周波数（Ｃｕｔ−Ｏｆｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を設定してもよい。

一実施形態において、上記遅延補償部は、上記ｎ個の並列に連結されたスイッチを含み、上記スイッチは、各々相違したキャパシタンスを有するキャパシタを含んでもよい。

一実施形態において、上記遅延補償部は、上記デジタルレベルの大きさと反比例するキャパシタンスを有するように上記ｎ個の上記スイッチのうち少なくとも一部をスイッチングしてもよい。

一実施形態において、上記制御部は、上記遅延補償部によって一定に補償された遅延を考慮して、上記モーターの相転換時点を決定してもよい。

本発明の一実施形態によると、駆動制御信号のデューティーが互いに相違した場合にも同一の遅延を有するように遅延補償を行うことにより、逆起電力の遅延を補償してモーターの駆動を正確に制御できるという効果がある。

モーター駆動制御装置の一例を説明するための構成図である。 逆起電力検出部の一例を説明するための回路図である。 図２の逆起電力検出回路から検出される逆起電力を示すグラフである。 本発明によるモーター駆動制御装置の一実施形態を説明するための構成図である。 本発明による逆起電力検出回路の一実施形態を説明するための回路図である。 図５の低域通過フィルターの一出力例を示すグラフである。

以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

図１は、モーター駆動制御装置の一例を説明するための構成図である。

図１を参照すると、モーター駆動制御装置１０は、電源供給部１１と、駆動信号生成部１２と、インバーター部１３と、逆起電力検出部１４と、制御部１５とを含むことができる。

電源供給部１１は、モーター駆動制御装置１０の各構成要素に電源を供給することができる。例えば、電源供給部１１は、常用電源の交流電圧を直流電圧に変換して各構成要素に供給することができる。

駆動信号生成部１２は、インバーター部１３に駆動信号を提供することができる。一実施形態として、駆動信号は、パルス幅変調信号（ＰＷＭ、Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）であってもよい。

インバーター部１３は、モーター２０の動作を制御することができる。例えば、インバーター部１３は、駆動信号に応じて直流電圧を複数の相（例えば、３相〜４相）電圧に変換して、モーター２０のコイル（不図示）に各々印加することができる。

逆起電力検出部１４は、モーター２０の逆起電力を検出することができる。モーター２０が回転する場合、モーター２０の回転子に備えられたコイルに逆起電力が発生する。より詳細に説明すると、複数のコイルのうち相電圧が印加されないコイルに逆起電力が発生するようになり、逆起電力検出部１４は、このようにモーター２０の各コイルから発生する逆起電力を検出して制御部１５に提供することができる。

制御部１５は、逆起電力検出部１４から提供される逆起電力を用いて駆動信号を生成するように駆動信号生成部１２を制御することができる。例えば、制御部１５は、逆起電力のゼロ交差（Ｚｅｒｏ−Ｃｒｏｓｓｉｎｇ）時点で相転換を行うように駆動信号生成部１２を制御することができる。

モーター２０は、駆動信号に応じて回転動作を行うことができる。例えば、モーター２０は、インバーター部１３から提供される各相に流れる電流により、モーター２０の各コイル（固定子）に磁場を発生させることができる。このような各コイルから発生する磁場により、モーター装置２０に備えられた回転子（不図示）が回転することができる。

図２は逆起電力検出部の一例を説明するための回路図であり、図３は図２の逆起電力検出回路から検出される逆起電力を示すグラフである。

図２に示されたモーター２０は、３相コイルを備えており、３相コイルの中性点から電圧を直接取得することができる例に関するものである。しかし、実施形態によっては、中性点電圧を直接取得せず、３相コイルから仮想の中性点電圧を取得することもできる。

逆起電力検出部１４は、各相の極電圧と中性点を比較器によって比較して、図３のような逆起電力を検出することができる。図示された例において、逆起電力検出部１４は、並列に連結された抵抗とキャパシターを含む低域通過フィルター（ＬＰＦ、Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を含み、極電圧と中性点電圧の各々を上述した低域通過フィルターに通過させて、逆起電力を検出することができる。

ここで、低域通過フィルターは、極電圧と中性点電圧に含まれた駆動制御信号をフィルタリングするために用いられるものであるが、そのようなフィルター特性により、図３に示すように所定の遅延が発生するようになる。

また、このような遅延は、駆動制御信号のデューティーに応じて互いに相違した値を有することができる。下記の表１には、駆動制御信号のデューティーに応じた遅延時間を示した。

表１に示すように、駆動制御信号のデューティーが大きくなるほど、遅延時間が長くなることが分かる。このような遅延の差は、モーターの駆動制御において誤差を招く原因となる。

すなわち、モーター２０の駆動制御のために駆動制御信号のデューティーを変更する場合、逆起電力の遅延も相違するようになって、正確な相転換時点を算出することができないという問題が発生する。

以下では、図４から図６を参照して、駆動制御信号のデューティー変化に関係なく逆起電力の遅延を一定に補償することができる実施形態についてより詳細に説明する。

後述する本発明の様々な実施形態に関する説明のうち、図１から図３を参照して上述した内容と同一またはそれに相応する内容については重複して説明しない。しかし、当業者は、上述した説明から本発明の具体的な内容を明らかに理解することができるであろう。

図４は、本発明によるモーター駆動制御装置の一実施形態を説明するための構成図である。

図４を参照すると、モーター駆動制御装置１００は、電源供給部１１０と、駆動信号生成部１２０と、インバーター部１３０と、制御部１５０と、デューティー決定部１６０と、遅延補償部１７０とを含むことができる。

電源供給部１１０は、モーター駆動制御装置１００の各構成要素に電源を供給することができる。

駆動信号生成部１２０は、モーター２００に駆動制御信号を提供することができる。例えば、駆動信号生成部１２０は、可変的なデューティーを有するパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）信号を駆動制御信号として生成してモーター２００に提供することができる。

インバーター部１３０は、駆動制御信号に応じてモーター２００に相電圧を印加することができる。

制御部１４０は、遅延補償部１７０から遅延が補償された逆起電力の入力を受け、これを用いて駆動制御信号を生成するように駆動信号生成部１２０を制御することができる。例えば、制御部１４０は、遅延補償部１７０から提供された逆起電力を用いてモーター２００の相転換時点を決定し、決定された相転換時点を用いて駆動制御信号を生成するように駆動信号生成部１２０を制御することができる。

デューティー決定部１６０および遅延補償部１７０は、モーター２００の逆起電力に対する遅延補償を行うことができる。すなわち、デューティー決定部１６０および遅延補償部１７０は、駆動制御信号のデューティーが互いに相違した場合にも同一の遅延を有するように遅延補償を行うことができる。

このために、デューティー決定部１６０は現在駆動制御信号のデューティーを一定の値（レベル）に変換し、遅延補償部１７０は駆動制御信号のデューティーのレベルごとに相違した遮断周波数（Ｃｕｔ−Ｏｆｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を設定することにより、逆起電力の遅延を一定に設定することができる。

このようなデューティー決定部１６０および遅延補償部１７０は、一つの回路単位として構成されることができる。すなわち、図５に示された例のような一つの逆起電力検出回路３００として動作することができる。

以下では、図４から図６を参照して、このようなデューティー決定部１６０および遅延補償部１７０についてより詳細に説明する。

デューティー決定部１６０は、モーター２００の駆動制御信号のデューティーに応じて離散的なレベルを出力することができる。

一実施形態において、デューティー決定部１６０は、低域通過フィルター１６１と変換器１６２とを含むことができる。図５に示された例を参照してより詳細に説明すると、低域通過フィルター１６１は、駆動制御信号の入力を受け、既に設定された帯域を超過する周波数をフィルタリングすることができる。

図６は、このような低域通過フィルター１６１を通過した駆動制御信号の様々な例を示している。図示されたように、駆動制御信号６１０〜６５０は、そのデューティーに応じて互いに相違したレベルを有することが分かる。すなわち、低域通過フィルター１６１は、駆動制御信号のデューティーに応じて相違したレベルを有するようにフィルタリングを行うことができる。

変換器１６２は、低域通過フィルター１６１の出力をデジタルレベルに変更することができる。このようにデジタルレベルに変更されたフィルタリングされた値は、並列に連結されたスイッチを含む遅延補償部１７０に入力されることができる。

一実施形態において、変換器１６２は、ｎ（ｎは自然数）個のビットでデジタルレベルを表示することができる。図５に示された例において、遅延補償部１７０は、３個の並列に連結されたスイッチを含むため、変換器１６２は、３ビットのデジタル値を出力することができる。

ここで、ｎはモーター２００の相の個数に相応することができる。すなわち、モーター２００の相の個数と、変換器１６２のデジタルビットとを一致させることができる。このような場合、回路の構成がより簡単に実現されることができる。

遅延補償部１７０は、デューティー決定部１６０から出力された離散的なレベルごとに相違するように遅延補償を行って、駆動制御信号のデューティー変化に関係なくモーター２００の逆起電力の遅延を一定に補償することができる。

一実施形態において、遅延補償部１７０は、駆動制御信号のデューティー、すなわち、デューティー決定部１６０から出力された離散的なレベルごとに相違した遮断周波数（Ｃｕｔ−Ｏｆｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を設定して遅延を補償することができる。

これは、低域通過フィルターにおいて遮断周波数が低いほど遅延の時間も長くなるという点と、低域通過フィルターのキャパシタンスを変更することによって遮断周波数が変更できるという点を利用したものである。

これを整理すると、下記の表２の通りである。

表２に示すように、キャパシタンスが大きくなるにつれて遮断周波数の値が低くなることが分かる。したがって、キャパシタンスが大きくなるほど、遅延時間は長くなることが分かる。

また、上述した表１で説明したように、駆動制御信号のデューティーが大きくなるほど、遅延時間が長くなることが分かる。

したがって、遅延補償部１７０は、駆動制御信号のデューティーが大きいと、キャパシタンスを下げ、デューティーが小さいと、キャパシタンスを上げることにより、遅延を一定になるように補償することができる。

一実施形態において、遅延補償部１７０はｎ個の並列に連結されたスイッチを含み、このようなスイッチは各々相違したキャパシタンスを有するキャパシタと連結されることができる。

このような実施形態において、遅延補償部１７０は、デューティー決定部１６０の出力、すなわち、上述した例では変換器１６２のデジタルレベルの大きさと反比例するキャパシタンスを有するように、ｎ個のスイッチのうち少なくとも一部をスイッチングすることができる。

図５に示された例を参照してより詳細に説明すると、遅延補償部１７０は並列に連結されたスイッチ１７１とそれに各々連結されたキャパシタ１７２とを含むことができ、スイッチ１７１の動作によって、キャパシタ１７２は抵抗と連結されて低域通過フィルターを構成することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で様々な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には明らかである。

１０、１００ モーター駆動制御装置
１１、１１０ 電源供給部
１２、１２０ 駆動信号生成部
１３、１３０ インバーター部
１４ 逆起電力検出部
１５、１５０ 制御部
１６０ デューティー決定部
１６１ 低域通過フィルター
１６２ 変換器
１７０ 遅延補償部
３００ 逆起電力検出回路
２０、２００ モーター

Claims (10)

1. モーターの駆動制御信号のデューティーに応じて離散的なレベルを出力するデューティー決定部と、
   前記離散的なレベルごとに相違するように遅延補償を行って、前記駆動制御信号のデューティー変化に関係なく前記モーターの逆起電力の遅延を一定に補償する遅延補償部と、
   を含み、
   前記デューティー決定部は、
   前記駆動制御信号の入力を受け、既に設定された帯域を超過する周波数をフィルタリングする低域通過フィルターと、
   前記低域通過フィルターの出力をデジタルレベルに変更する変換器と、を含み、
   前記遅延補償部は、
   前記デジタルレベルごとに相違した遮断周波数（Ｃｕｔ−Ｏｆｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を設定する、逆起電力検出回路。
2. 前記変換器は、
   ｎ（ｎは自然数）個のビットで前記デジタルレベルを表示するアナログ−デジタル変換器であることを特徴とする、請求項１に記載の逆起電力検出回路。
3. 前記遅延補償部は、
   前記ｎ個の並列に連結されたスイッチを含み、
   前記スイッチは、各々相違したキャパシタンスを有するキャパシタと連結されることを特徴とする、請求項２に記載の逆起電力検出回路。
4. 前記遅延補償部は、
   前記デジタルレベルの大きさと反比例するキャパシタンスを有するように前記ｎ個の前記スイッチのうち少なくとも一部をスイッチングすることを特徴とする、請求項３に記載の逆起電力検出回路。
5. 前記ｎは、
   前記モーターの相の個数に相応することを特徴とする、請求項３または４に記載の逆起電力検出回路。
6. モーターに駆動制御信号を提供する駆動信号生成部と、
   前記モーターの逆起電力を検出し、前記逆起電力の遅延を補償する逆起電力検出部と、
   遅延が補償された前記逆起電力を用いて前記モーターの相転換時点を決定し、決定された相転換時点を用いて前記駆動制御信号を生成するように前記駆動信号生成部を制御する制御部と、
   を含み、
   前記逆起電力検出部は、
   前記駆動制御信号のデューティーに応じて離散的なレベルを出力するデューティー決定部と、
   前記離散的なレベルごとに相違するように遅延補償を行って、前記駆動制御信号のデューティー変化に関係なく前記モーターの逆起電力の遅延を一定に補償する遅延補償部と、を含み、
   前記デューティー決定部は、
   前記駆動制御信号の入力を受け、既に設定された帯域を超過する周波数をフィルタリングする低域通過フィルターと、
   前記低域通過フィルターの出力をデジタルレベルに変更する変換器と、を含み、
   前記遅延補償部は、
   前記デジタルレベルごとに相違した遮断周波数（Ｃｕｔ−Ｏｆｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を設定する、モーター駆動制御装置。
7. 前記変換器は、
   ｎ（ｎは自然数）個のビットで前記デジタルレベルを表示するアナログ−デジタル変換器であることを特徴とする、請求項６に記載のモーター駆動制御装置。
8. 前記遅延補償部は、
   前記ｎ個の並列に連結されたスイッチを含み、
   前記スイッチは、各々相違したキャパシタンスを有するキャパシタと連結されることを特徴とする、請求項７に記載のモーター駆動制御装置。
9. 前記遅延補償部は、
   前記デジタルレベルの大きさと反比例するキャパシタンスを有するように前記ｎ個の前記スイッチのうち少なくとも一部をスイッチングすることを特徴とする、請求項８に記載のモーター駆動制御装置。
10. 前記制御部は、
    前記遅延補償部によって一定に補償された遅延を考慮して、前記モーターの相転換時点を決定することを特徴とする、請求項６から９の何れか１項に記載のモーター駆動制御装置。

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