CN100452635C

CN100452635C - 电动机驱动控制电路以及使用该电路的电动机装置

Info

Publication number: CN100452635C
Application number: CNB2005800033593A
Authority: CN
Inventors: 蛇见尚也
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: KR20070000444A; WO2005071827A1; CN1914789A; JPWO2005071827A1; TW200605489A; US7509032B2; US20080018295A1

Abstract

本发明提供构成电动机驱动器的元件能工作在更加安全的工作区域内的电动机驱动控制电路。该电动机驱动控制电路(6)，具备：旋转控制放大器(13)，其对参考电压电源(23)的电压限制参考电压与控制端子SIG的电动机的转数的转数控制电压的较低方、与来自检测电动机(2)的驱动电流的阻抗元件(12)的峰值电压进行比较；旋转限制比较器(24)，其对与该电压限制参考电压实质上相等的电压与峰值电压进行比较；合成电路(17)，其按照旋转控制放大器的输出电压而放大来自电动机的旋转位置检测信号；PWM输出比较器(18)，其对该输出与三角波电压进行比较而输出PWM信号；以及电动机驱动器控制电路(20)，其从该PWM信号的导通期间除去旋转限制比较器(24)的输出期间而对驱动电动机(2)的电动机驱动器(7)进行控制。

Description

电动机驱动控制电路以及使用该电路的电动机装置

技术领域

本发明涉及PWM(Pulse Width Modulation)控制方式的电动机驱动控制电路以及使用该电路的电动机装置。

背景技术

图4表示使用现有的PWM控制方式的电动机驱动控制电路的电动机装置。图4所示的电动机装置101，具备：电动机102；驱动电动机102的电动机驱动器107；以及控制电动机驱动器107的电动机驱动控制电路106。

电动机102，由以下部分构成：转子109；控制转子109的旋转的U相、V相、W相的线圈L_U、L_V、L_W；检测转子109的位置(相位)的霍尔元件H_U、H_V、H_W；以及检测转子109的转数的转数计数器104。电动机驱动器107，由三个电源侧输出晶体管T_UU、T_VU、T_WU以及三个接地侧输出晶体管T_UL、T_VL、T_WL来构成。电动机驱动控制电路106，由以下部分构成：将电动机102的驱动电流变换为电压的电流检测电阻112；峰值保持电路114，其接受该电压而保持后述的PWM信号的导通期间的峰值电压；输入该峰值电压、参考电压电源123的电压限制参考电压以及信号输入端子SIG的转数控制电压，对电压限制参考电压以及转数控制电压的较低方与峰值电压进行比较的旋转控制放大器113；与旋转控制放大器113的输出连接的，例如，0.01μF左右的振荡防止用电容器122；输入霍尔元件H_U、H_V、H_W的霍尔信号而进行放大输出的霍尔放大器116；输入该输出，分别进行一定相位(例如30°)超前，以与旋转控制放大器113的输出电压相应的放大倍数来进行放大而输出的合成电路117；发生输出三角波的三角波发生器119；如图6所示，对作为合成电路117的输出的极性判别信号U_HL、V_HL、W_HL与三角波进行比较，而输出PWM信号U_PWM、V_PWM、W_PWM的PWM输出比较器118；和将基于PWM信号的控制信号输出到电动机驱动器107的电动机驱动器控制电路120。

电动机102的转数计数器104，将该检测输出向由CPU构成的电动机控制指令部(未图示)输入。CPU，将与期望的电动机转数对应的指令信号(转数控制电压)输出到电动机驱动控制电路106的信号输入端子SIG。若转数计数器104的检测输出低于期望的电动机转数的情况下，CPU升高转数控制电压以成为期望的电动机转数。在这种情况下，旋转控制放大器113，由于转数控制电压高于峰值电压，因此该输出电压上升。从而，合成电路117，放大倍数增加而极性判别信号U_HL、V_HL、W_HL的振幅增加，PWM输出比较器118，生成导通期间的占空比较大的PWM信号U_PWM、V_PWM、W_PWM，由电动机驱动器控制电路120将基于该PWM信号的控制信号输出到电动机驱动器107。其结果，由于电动机驱动器107在电动机102的U相、V相、W相的线圈L_U、L_V、L_W中流过的驱动电流增加，因此电动机102的转数增加。并且，由电流检测电阻112将该驱动电流变换为电压，如上所述，比较该峰值电压与信号输入端子SIG的转数控制电压。重复该循环(loop)工作，其结果，若检测电压的峰值电压与转数控制电压一致则稳定。

在此，在电动机102上发生过载时(以下，异常时)，例如电动机102作为复印机的送纸的传动装置(actuator)的情况下纸堵塞时，转数计数器104的检测转数减少，从而CPU为了提高电动机102的转数，根据检测转数来增加转数控制电压。但是，由于电动机102的转数不会增加，因此该转数控制电压过高上升。并且，若超过参考电压电源123的电压限制参考电压，则由于该电压限制参考电压的方减少而与峰值电压被比较。由此，防止在转数控制电压过高上升的情况下，电动机驱动器107在电动机102的U相、V相、W相的线圈L_U、L_V、L_W中流过的驱动电流过于增加而破坏元件(例如专利文献1)。

专利文献：特开2003-111481号公报

如上所述，若来自CPU的转数控制电压过高上升而超过参考电压电源123的电压限制参考电压，则在旋转控制放大器113中电压限制参考电压代替转数控制电压而与峰值电压比较。但是，旋转控制放大器113的输出与0.01μF左右的振荡防止用电容器122连接，从而该输出延迟而反应在合成电路117上需要时间，并且反应在PWM输出比较器118的输出、作为最终输出的电动机102的转数上需要时间。

图5表示由电流检测电阻112所检测出的异常时的电压波形。图5的电压E，是参考电压电源123的电压限制参考电压，该电压以下为不会破坏构成电动机驱动器107的元件的区域，即元件的安全工作区域。由上述的旋转控制放大器113的输出的延迟而输入到PWM输出比较器118的极性判别信号U_HL、V_HL、W_HL的振幅中包括了多余大小，从PWM输出比较器118输出在占空比中包括多余的导通期间的PWM信号U_PWM、V_PWM、W_PWM，电动机驱动器107流出多余的驱动电流。这样，在现有的电动机装置上，出现了电动机驱动器107超过元件的安全工作区域工作的期间(例如图5中的点A-B所示的期间)。另外在该期间内消耗的功率成为无用功率。

作为该对策，也可考虑预测预先因振荡防止用的电容器122产生的延迟时间的多余的电压，而较低地设定参考电压电源123的电压限制参考电压。但是，由于异常时的负荷不恒定，因此电流检测电阻112所检测出的电压的峰值例如如图5的电压C或者电压D那样变化。从而，该对策难以在实际中使用。

发明内容

本发明鉴于此，其目的在于提供一种，使构成电动机驱动器的元件能工作在更加安全的工作区域内的电动机驱动控制电路。

为了达到上述目的，本发明的优选实施方式相关的电动机驱动控制电路，具备：旋转控制放大器，其输入在检测电动机的驱动电流的阻抗元件上产生的电压的峰值电压、电压限制参考电压以及对电动机的转数进行控制的转数控制电压，对电压限制参考电压以及转数控制电压中的较低一方与峰值电压进行比较；旋转限制比较器，其被输入与所述电压限制参考电压相等的电压和上述峰值电压并进行比较；合成电路，其按照旋转控制放大器的输出电压而放大电动机的旋转位置检测信号；PWM输出比较器，其比较合成电路的输出与三角波发生器的三角波电压而输出PWM信号；以及电动机驱动器控制电路，其输入该PWM信号与旋转限制比较器的输出信号，从该PWM信号的导通期间除去旋转限制比较器的输出期间而对驱动电动机的电动机驱动器进行控制。

该电动机驱动控制电路，作为优选，将旋转控制放大器、旋转限制比较器、PWM输出比较器以及电动机驱动器控制电路集成在半导体基板上。

本发明的优选实施方式相关的电动机装置，具备：上述的电动机驱动控制电路；由该电动机驱动控制电路控制的电动机驱动器；以及由电动机驱动器驱动的电动机。

发明效果

本发明的优选实施方式相关的电动机驱动控制电路以及使用该电动机驱动控制电路的电动机装置，由于并联设置旋转控制放大器与旋转限制比较器，因此构成电动机驱动器的元件能够工作在更加安全的工作区域内，并且能够抑制无用的功率消耗。

附图说明

图1是本发明的实施方式相关的电动机装置的整体结构图。

图2是如上的电动机驱动器控制电路的工作波形图。

图3是由如上的电流检测电阻所检测出的电压的波形图。

图4是现有的电动机装置的整体结构图。

图5是由如上的电流检测电阻所检测出的电压的波形图。

图6是PWM输出比较器的输入及输出的波形图。

图中：1-电动机驱动控制装置；2-电动机；4-转数计数器；6-电动机驱动控制电路；7-电动机驱动器；12-电流检测电阻(阻抗元件)；13-旋转控制放大器；14-峰值保持电路；16-霍尔放大器；17-合成电路；18-PWM输出比较器；19-三角波发生器；20-电动机驱动器控制电路；22-振荡防止用电容器；23、25-参考电压电源；24-旋转限制比较器H_U、H_V、H_W霍尔元件。

具体实施方式

下面基于图1，说明用于实施本发明的最佳方式的PWM控制方式的电动机驱动控制电路以及使用该电动机驱动电路的电动机装置。图1所示的电动机装置1，具备电动机2、驱动电动机2的电动机驱动器7以及控制电动机驱动器7的电动机驱动控制电路6。

电动机2，由以下部分构成：由永磁体构成的转子9；控制转子9的旋转的星形连接的U相、V相、W相的线圈L_U、L_V、L_W；检测转子9的位置(相位)而输出旋转位置检测信号(霍尔信号)的霍尔元件H_U、H_V、H_W；；检测电动机2(转子9)的转数的转数计数器4。霍尔元件H_U、H_V、H_W的旋转位置检测信号(霍尔信号)，分别是U相、V相、W相的差动的正弦波H_U ⁺、H_U ^-、H_V ⁺、H_V ^-、H_W ⁺、H_W ^-，各相之间的相位差为120°。另外，转数计数器4的检测输出输入到由CPU构成的电动机控制指令部(未图示)，CPU，基于该检测输出，生成用于使电动机2的转数成为期望的转数的转数控制电压，输出到电动机驱动控制电路6的信号输入端子SIG。

电动机驱动器7，由作为N型MOS晶体管的三个电源侧输出晶体管T_UU、T_VU、T_WU以及三个接地侧输出晶体管T_UL、T_VL、T_WL来构成。电源侧输出晶体管T_UU的源极以及接地侧输出晶体管T_UL的漏极与电动机2的U相线圈L_U连接，电源侧晶体管T_VU的源极以及接地侧输出晶体管T_VL的漏极与电动机2的V相线圈L_V连接，电源侧晶体管T_WU的源极以及接地侧输出晶体管T_WL的漏极与电动机2的W相线圈L_W连接。另外，电源侧输出晶体管T_UU、T_VU、T_WU的漏极与电动机驱动用电源V_M连接，接地侧晶体管的T_UL、T_VL、T_WL源极，通过后述的作为阻抗元件的电流检测电阻12，与地连接。并且，后述的电动机驱动器控制电路20的PWM信号输出，输入到这些的输出晶体管的T_UU、T_VU、T_WU、T_UL、T_VL、T_WL的栅极。在电流从电动机2的U相的线圈L_U流入V相的线圈L_V时，电源侧输出晶体管T_UU与接地侧输出晶体管T_VL，接受来自电动机驱动器控制电路20的PWM输出而导通。另外，在电流从V相的线圈L_V流入W相的线圈L_W时，电源侧输出晶体管T_VU与接地侧输出晶体管T_WL导通。另外，在电流从W相的线圈L_W流入U相的线圈L_U时，电源侧输出晶体管T_WU与接地侧输出晶体管T_UL导通。这样，电源侧输出晶体管与接地侧输出晶体管，接受来自电动机驱动器控制电路20的PWM输出而被切换，由基于此的导通/截止的占空比的变化，使向电动机2供给的电流量变化而控制该转数。

电动机驱动控制电路6，具备：将电动机2的驱动电流变换为电压的、上述的作为阻抗元件的电流检测电阻12；接受该电压而保持PWM信号的导通期间的峰值电压的峰值保持电路14；输入该峰值电压、参考电压电源23的电压限制参考电压以及信号输入端子SIG的转数控制电压，比较电压限制参考电压以及转数控制电压的较低方与峰值电压的旋转控制放大器13；输入与参考电压电源23实质上相等的参考电压电源25的电压与峰值电压，并进行比较的旋转限制比较器24；与旋转控制放大器13的输出连接的振荡防止用电容器22；输入霍尔元件H_U、H_V、H_W的旋转位置检测信号而进行放大输出的霍尔放大器16；输入该输出，分别进行一定相位超前，按照旋转控制放大器13的电压进行放大而输出极性判别信号U_HL、V_HL、W_HL的合成电路17；发生输出三角波的三角波发生器19；对该三角波与极性判别信号U_HL、V_HL、W_HL进行比较而输出PWM信号U_PWM、V_PWM、W_PWM的PWM输出比较器18；以及电动机驱动器控制电路20，其输出由旋转限制比较器24的输出信号与PWM输出比较器18的PWM信号U_PWM、V_PWM、W_PWM来控制电动机驱动器7的信号。

电流检测电阻12，在PWM信号的导通期间内流过驱动电流，在PWM信号的截止期间内由于电动机驱动器7的各晶体管截止而未流过驱动电流。另外，在电流检测电阻12上，U相、V相、W相的导通期间的驱动电流全部流过并且按照各自的相位而变化。峰值保持电路14，在PWM信号的导通期间内保持在PWM信号的截止期间电流检测电阻12所检测出的电压的峰值电压，但逐渐放电而以一定的时间常数来降低电压。

旋转控制放大器13，具有一个反相输入端子、以及两个同相输入端子，峰值保持电路14的峰值电压输入到反相输入端子，参考电压电源23的电压限制参考电压与信号输入端子SIG的转数控制电压输入到两个同相输入端子，如上所述，对电压限制参考电压以及转数控制电压的较低方与峰值电压进行比较。另外，与旋转控制放大器13的输出连接的振荡防止用电容器22，是为了在由旋转控制放大器13、合成电路17、PWM输出比较器18、电动机驱动器控制电路20、电动机驱动器7、电流检测电阻12、峰值保持电路14构成的回路中防止振荡而进行相位补偿的电容器，例如其电容值为0.01μF左右。

旋转限制比较器24，峰值保持电路14的峰值电压输入到同相输入端子，与参考电压电源23实质上相等的参考电压电源25的电压输入到反相输入端子。在此，重要的是，旋转限制比较器24的输出，未与如同与旋转控制放大器13的输出连接的电容器22那样的较大电容值的电容器连接，并且该输出直接输入到电动机驱动器控制电路20。即，旋转限制比较器24的输出，如后所述，异常时(在电动机2上发生过载时)在电动机驱动器控制电路20中，用于去除由振荡防止用电容器22导致的延迟产生的PWM信号的多余的导通期间。从而，参考电压电源25的电压，若能够实现该电动机驱动器控制电路20的所期望的工作，则不需要与参考电压电源23的电压完全相同。

霍尔放大器16，由以下部分构成：U相用差动放大器，其在同相输入端子、反相输入端子上，分别接受霍尔元件H_U的旋转位置检测信号(霍尔信号)H_U ⁺、H_U ^-；V相用差动放大器，其在同相输入端子、反相输入端子上，分别接受霍尔元件H_V的旋转位置检测信号H_V ⁺、H_V ^-；W相用差动放大器，其在同相输入端子、反相输入端子上，分别接受霍尔元件H_W的旋转位置检测信号H_W ⁺、H_W ^-。这些的差动放大器，以一定放大倍数放大输出各自的旋转位置检测信号的差动电压。

合成电路17，输入霍尔放大器16的U相用、V相用、W相用的差动放大器的旋转位置检测信号输出，按照旋转控制放大器13的输出电压进行放大而输出极性判别信号U_HL、V_HL、W_HL。由旋转控制放大器的输出电压来调整合成电路17内的差动放大器(未予图示)的电流源，以使进行该放大倍数的调整。另外，对于各个输入信号进行一定相位(例如30°)超前，这是为了以用于使电动机2的转子9最有效地旋转的时刻(timing)施加磁场。

PWM输出比较器18，由以下部分构成：U相用比较器，其将三角波发生器19的三角波输入到反相输入端子，将合成电路17的U相的极性判别信号U_HL输入到同相输入端子，并进行比较；V相用比较器，其将三角波输入到反相输入端子，将V相的极性判别信号V_HL输入到同相输入端子，并进行比较；W相用比较器，其将三角波输入到反相输入端子，将W相的极性判别信号W_HL输入到同相输入端子，并进行比较。从而，对于各个相位差为120°的U相、V相、W相的极性判别信号U_HL、V_HL、W_HL的每一个，与三角波相比电压更高的期间成为高电平导通期间的PWM信号U_PWM、V_PWM、W_PWM被输出。

电动机驱动器控制电路20，输入PWM输出比较器18的PWM信号(输入PWM)(U_PWM、V_PWM、W_PWM)，如上所述，输出对电动机驱动器7的电源侧输出晶体管以及接地侧的输出晶体管的切换进行控制的PWM信号。另外，电动机驱动器控制电路20输入旋转限制比较器24的输出信号(RL)，在异常时的情况下，如图2的波形图所示，为了除去由振荡防止用电容器22导致的延迟产生的PWM信号的多余的导通期间，从PWM信号的导通期间减去旋转限制比较器24的脉冲输出期间而输出(输出PWM)。还有，不为异常时的情况下，由于旋转限制比较器24没有脉冲输出，因此PWM信号以原来的导通期间输出到电动机驱动器7。

接着，说明使电动机2的转数变化时的工作。当增加电动机2的转数时，从CPU输入到信号输入端子SIG的转数控制电压升高。这样的话，在旋转控制放大器13中，转数控制电压高于峰值保持电路14的峰值电压，因此该输出电压上升。并且，从合成电路17输出的极性判别信号U_HL、V_HL、W_HL的振幅增加，而在PWM输出比较器18中生成导通期间较大的占空比的PWM信号，而通过电动机驱动器控制电路20输出到电动机驱动器7。其结果，由于电动机驱动器7在电动机2的U相、V相、W相的线圈L_U、L_V、L_W上流过的驱动电流增加，因此电动机2的转数增加。并且，该驱动电流由电流检测电阻12来变换为电压，该峰值电压还与转数控制电压比较。重复该工作的循环，其结果，若峰值电压与转数控制电压一致则稳定。

相反，在减少电动机2的转数的情况下，从CPU输入到信号输入端子SIG的转数控制电压降低。这样的话，旋转控制放大器13、合成电路17、PWM输出比较器18进行的工作，与在增加电动机2的转数的情况下进行的工作相反，其结果，由于电动机驱动器7流过电动机2的U相、V相、W相的线圈L_U、L_V、L_W的驱动电流减小，因此电动机2的转数减小。并且，重复与上述相同的循环，其结果峰值电压与转数控制电压一致则稳定。

异常时(在电动机2上发生过载时)，因由转数计数器4所检测出的转数减少，而为了增加电动机2的转数，CPU使输出到电动机驱动控制电路6的信号输入端子SIG的转数控制电压升高。但是，由于电动机2的转数增加，因此该转数控制电压过高地上升。并且，在旋转控制放大器13中，若超过参考电压电源23的电压限制参考电压，则该电压限制参考电压代替转数控制电压而与峰值电压比较。并且，电压限制参考电压与峰值保持电路14的峰值电压的比较结果，由旋转控制放大器13输出，反应在合成电路17的输出、还有PWM输出比较器18的输出、并且作为最终输出的电动机2的转数上。这样，防止在转数控制电压过高上升的情况下，电动机驱动器7在电动机2的U相、V相、W相的线圈L_U、L_V、L_W上流过的驱动电流过于增加而被破坏。

该旋转控制放大器13工作的同时，在旋转限制比较器24中，转数控制电压过高上升，若与此相伴而峰值保持电路14的峰值电压超过参考电压电源25的电压，则该输出变成高电平，而输入到电动机驱动器控制电路20。另一方面，由于与振荡防止用电容器22连接的旋转控制放大器13的输出信号延迟，而输入到PWM输出比较器18的极性判别信号U_HL、V_HL、W_HL的振幅包括多余的大小，从PWM输出比较器18向电动机驱动器电路20输出在占空比中包括多余的导通期间的PWM信号。在电动机驱动器控制电路20中，如图2的波形图所示，从PWM信号的导通期间上减去旋转限制比较器24的输出期间(高电平期间)，以使除去PWM信号的多余的导通期间。并且，若PWM信号成为截止，则通过电动机驱动器7以及电流检测电阻12，峰值保持电路14的峰值电压下降，因此旋转限制比较器24的输出返回到低电平。

图3表示由电流检测电阻所检测出的电动机装置1的异常时的电压波形。图3的电压E是参考电压电源23的电压限制参考电压，该电压以下为不会破坏构成电动机驱动器7的元件的区域，即，是元件的安全工作区域。电流检测电阻12的检测电压大致在电压E以下，如上述的图5的电压波形的点A-B所示的期间，不存在检测电压超过电压E很多的期间。

以上说明明确表示，电动机装置1，由于在电动机驱动控制电路6中并联设置旋转控制放大器13与旋转限制比较器24，因此能够抑制由旋转控制放大器13的输出的延迟产生的多余的驱动控制电流，能够使构成电动机驱动器的元件工作在更安全的工作区域内。另外，该电动机驱动控制电路6中，至少将旋转控制放大器13、旋转限制比较器24、合成电路17、PWM输出比较器18、电动机驱动器控制电路20，集成在半导体基板上而作为一个半导体装置，以使能够实现电动机装置1的小型化。

还有，本发明，并不限定于上述的实施方式，在发明内所记载的事项的区域内可进行所有的设计修改。

Claims

1、一种电动机驱动控制电路，其特征在于，具备：

旋转控制放大器，其被输入在检测电动机的驱动电流的阻抗元件上产生的电压的峰值电压、电压限制参考电压以及对电动机的转数进行控制的转数控制电压，对电压限制参考电压以及转数控制电压中的较低一方与峰值电压进行比较；

旋转限制比较器，其被输入与所述电压限制参考电压相等的电压和所述峰值电压并进行比较；

合成电路，其按照旋转控制放大器的输出电压而放大电动机的旋转位置检测信号；

PWM输出比较器，其对合成电路的输出与三角波发生器的三角波电压进行比较而输出PWM信号；以及

电动机驱动器控制电路，其被输入该PWM信号与旋转限制比较器的输出信号，从PWM信号的导通期间除去旋转限制比较器的输出期间而对驱动电动机的电动机驱动器进行控制。

2、根据权利要求1所述的电动机驱动控制电路，其特征在于，

将旋转控制放大器、旋转限制比较器、PWM输出比较器以及电动机驱动器控制电路集成在半导体基板上。

3、一种电动机装置，其特征在于，具备：

权利要求1或2中所述的电动机驱动控制电路；

由该电动机驱动控制电路控制的电动机驱动器；以及

由电动机驱动器驱动的电动机。