CN100578910C - 电动机驱动装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明的电动机驱动装置，驱动设有无传感器的无刷电动机的振动电动机，其目的在于提高振动电动机起动时的敏感性；本发明的电动机驱动装置，通过依次改变通电模式每隔60度就不同的六个阶段来进行电动机起动时向线圈的通电，在某阶段中，在预先设定的时问内检测出转子部位置时向下一阶段过渡，在上述时间内未检测出转子部位置时也向下一阶段过渡，且在上述阶段改变了规定次数时，变更预先设定的上述时间，使之变短。
Description
技术领域
本发明涉及的是，驱动振动电动机的电动机驱动装置、以及设有振动电动机和电动机驱动装置的电子设备。
背景技术
便携式电话机上，搭载有以振动告知来电的振动电动机。该振动电动机在电动机主体的旋转轴上设置偏心砝码，在电动机进行旋转动作时产生偏心砝码的微小离心旋转的振动力。
作为振动电动机，也使用设有电刷和换向器的DC电动机，但是存在着因电刷和换向器之间的滑动接点部分的机械磨损及电蚀而引起的寿命降低的问题，因此为了实现长寿命化，以使用无刷(brushless)电动机为佳。
作为无刷电动机，采用霍尔元件等的传感器进行驱动的电动机被广泛利用，但是由于搭载于便携式电话机上的振动电动机被搭载于空间有限的框体内，因此必须尽可能小型化，而为了实现小型化以将无刷电动机进行无传感器(sensorless)驱动为佳。
专利文献1：日本特开平7-39187号公报
发明内容
在便携式电话机中，存在根据来电旋律使振动电动机振动的情况。而且，在进行这样的电动机驱动的情况下，如果电动机起动时的敏感性不良的话，来电旋律和振动电动机的振动会不吻合，而且使用者也能够察觉到这种不吻合的发生。
然而，利用电动机线圈的逆电压(back voltage)检测出转子部的旋转位置的无传感器驱动的无刷电动机，存在着在起动时的敏感性方面不利的问题。
因此，本发明的目的在于，对无传感器驱动的无刷电动机提高起动时的敏感性。
本发明的电动机驱动装置，将作为各电动机线圈被星形联接的内转子(inner rotor)型三相无刷电动机的振动电动机进行无传感器驱动，其特征在于，设有：具有接通(ON)及断开(OFF)向上述各电动机线圈的通电的、多个开关元件的电动机驱动电路；检测出产生于上述各电动机线圈的逆电压，无传感器检测上述振动电动机的转子部位置的位置检测电路；以及起动单元；其中，起动单元在上述振动电动机的初始起动时，通过在多个阶段(stage)依次改变向上述各电动机线圈的规定通电模式(pattern)来进行通电，并且在处于各阶段时，在预先设定的一定时间内检测出上述转子部位置时向下一阶段过渡，在上述一定时间内未检测出上述转子部位置时也向下一阶段过渡；进而，起动单元在上述阶段改变了规定次数时，变更预先设定的上述一定时间，使之变短。
在本发明中，通过在多个阶段(例如，以每一旋转角60度为一个阶段的六个阶段)依次改变向各电动机线圈的规定的通电模式来进行通电，并且在处于各阶段时，在预先设定的一定时间内检测出上述转子部位置时向下一阶段过渡，在一定时间内未检测出转子部位置时也向下一阶段过渡，从而进行初始起动。
相对于此，现有技术下，进行直至经过一定时间为止一直不向下一阶段过渡的控制。因此，即使在转子部进行旋转，应向下一阶段的通电模式过渡从而使转子部的旋转加速的情况下，上一阶段的通电模式也被维持，而且作为使转子部的旋转加速时的制动器而发挥作用。
由于本发明在处于各阶段时，在预先设定的一定时间内检测出转子部位置时向下一阶段过渡，因此不会存在上一阶段的通电模式没必要地被维持，而且作为使转子部的旋转加速时的制动器而发挥作用的情况。
因此，如果采用本发明的话，能够使转子部的旋转迅速地进行加速，从而能够在初始起动时提高振动电动机的敏感性。
附图说明
图1是表示成为本发明一实施形态的电动机驱动装置的对象的振动电动机的一构成例的概略纵剖面图(a)、概略横剖面图(b)。
图2是本实施形态的电动机驱动装置的电路图。
图3是说明通过电动机驱动装置的振动电动机的控制内容的概要的流程图。
图4是关于模式1的120度通电的子程序的流程图。
图5是表示模式1的120度通电中的向各电动机线圈的外加电压波形的时间图。
图6是说明相对于时间t的经过的振动电动机转子部的转数N的推移的坐标图。
图7是关于模式2的120度通电的子程序的流程图。
图8是表示实施例的比较对象实验的结果的说明图。
图9是表示图8的结果中的各测定次数的数据的说明图。
符号说明
1 振动电动机
101 电动机驱动装置
102 电动机驱动电路
111、112、113 位置检测电路
SU1、SU2、SV1、SV2、SW1、SW2 开关元件
U、V、W 电动机线圈
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一具体实施方式进行说明。
图1是表示成为本实施形态的电动机驱动装置的对象的振动电动机的一构成例的概略纵剖面图(a)、概略横剖面图(b)。另外，图1(a)剖面图和图1(b)剖面图中的切断位置，分别以各图的A-A线及B-B线进行表示。
如图1(b)所示，在振动电动机1中，内转子部的磁铁2的形状为，将非有效磁通范围部分两端均等地进行切除后的剖面呈略长方形的板状磁铁，其中，非有效磁通范围部分位于，相对于在径向上N·S磁场被定向的各向异性磁铁材料的磁极方向垂直相交的方向上。材料的组成以Nd-Fe-B系、或Sm-Co系的稀土元素类磁铁为佳，稀土元素类磁铁的磁特性出色，也能够对应小直径化带来的尺寸缩小。另外，如由图1(b)所示，磁铁2自身整体具有相对于旋转中心轴6对称的剖面形状，动态上也保持转子部的平衡。
另外，相反地作为转子部的不平衡手段，另行在将上述磁铁2的略呈长方形形状材料的圆形部分进行切除并轻量化后的一方的部分(即，切除圆弧后的一方的领域)上，将作为由较磁铁材料比重高的高比重非磁性材料构成的重量惯性体的棒状偏心砝码3作为使转子部偏重心的重锤，与磁铁2安装成整体。也就是说，小型电动机中的磁铁2的磁特性保持不变，在对偏重心有效的磁铁2的一侧的一部分上，可以安装高比重材料的偏心砝码3，由此，能够扩大从转子部的旋转轴中心起的重心半径，作为内转子型的振动电动机可以构成空间性出色的偏心转子部。高比重的钨(w)合金比重越接近18，越能得到该效果。
在上述转子部的外周，高精度地配置有被固定配置于外壳5的内壁的励磁线圈4。此时，如图1(a)所示，转子部通过位于外壳5的被拉入的小直径部侧的轴承8、和位于外壳5的另一端部末端凸缘7的轴承8的两轴来轴支撑旋转轴6。另外，同时，转子部的推力方向的支持为，通过末端凸缘7侧的推力轴承9和另一方侧的衬垫10来控制并支持的形式。
另一方面，励磁线圈4通过作为挠性电路板的馈电端子12被馈电，且馈电端子12在端子11上被固定。该馈电端子12与设备主体侧的后述电动机驱动装置101(参照图2)连接。
在本实施形态中，振动电动机1是各电动机线圈U、V、W(后述)被星形联接的内转子型三相无刷电动机，由于如后述那样被无传感器驱动，因此未设有霍尔元件等的传感器。
通过无刷化，能够形成不设有由电刷及换向器构成的物理电整流机构的长寿命的电动机构造。无刷化，在电动机的特性上不需要担心因滑动接点部分的机械磨损及电蚀造成的寿命下降，实质上轴承滑动处的磨损——即以两端支持转子部的轴承部分的部件寿命，相比作为上述滑动接点部的电刷、换向器寿命长，其结果是能够使电动机的可靠性提高。
图2是表示驱动振动电动机1的电动机驱动装置101的大致构成的电路图。上述振动电动机1和电动机驱动装置101，被搭载于便携式电话机及其他电子设备上。
在振动电动机1中，符号U、V、W为被星形联接的三个电动机线圈。符号C表示该被星形联接的三个电动机线圈U、V、W的中点(共同点)(common)。
电动机驱动装置101，由电动机驱动电路102、控制电路103、微型电子计算机104构成。
电动机驱动电路102通过端子TU、TV、TW、TC与振动电动机1连接，并设有接通及断开振动电动机1的电动机线圈U、V、W的通电的六个开关元件SU1、SU2、SV1、SV2、SW1、SW2。开关元件SU1、SU2、SV1、SV2、SW1、SW2，可以由MOSFET、晶体三极管等的半导体开关构成。
开关元件SU1、SU2，开关元件SV1、SV2，及开关元件SW1、SW2分别驱动电动机线圈U、电动机线圈V及电动机线圈W。
也就是说，通过使开关元件SU1、SV1、SW1中的任意一个和开关元件SU2、SV2、SW2中的任意一个接通，电流从电源流向电动机线圈U、V、W(其中的任意两个)，从而能够实现后述图5的阶段0～5中的任意通电模式。该通电模式，存在阶段0～5的六个模式。
例如，在图5所示的阶段0中，U相为H电平(level)的电压(V伏特(＝例如，3.7伏特))，V相为L电平的电压(0伏特)，W相为Z电平的电压(1/2V伏特)，该电压能够通过接通开关元件SU1及SV2来实现。另外，图5所示的H电平、L电平、Z电平的各电压，表示端子TU、TV、TW的电位。
符号111～113是成为用于无传感器驱动振动电动机1的位置检测电路的比较电路，各个非倒相输入端子分别与电动机线圈U、V、W连接，各个倒相输入端子与共同点C连接。振动电动机1的转子部旋转位置，可以通过利用比较电路111～113检测出产生于电动机线圈U、V、W的逆电压来进行判断。
在利用各比较电路111～113检测磁铁2的磁极(两极)的情况下，转子部每旋转60度，来自任意的比较电路111～113的检测信号发生变化。
控制电路103，分别向各开关元件SU1、SU2、SV1、SV2、SW1、SW2输出门信号UH、UL、VH、VL、WH、WL，从而控制电动机驱动电路102。另外，控制电路103可以从比较电路111～113接收检测信号，并根据该检测信号来控制电动机驱动电路102。
进一步具体说明的话，控制电路103设有：输出门信号UH、UL、VH、VL、WH、WL，从而转换各开关元件SU1、SU2、SV1、SV2、SW1、SW2的接通及断开的转换电路；计时规定时间(后述的规定时间t1、t2)的计时电路(为了分别计时规定时间t1、t2，设有两个计时器)；以及，根据来自微型电子计算机104的PWM信号PWM控制振动电动机1的PWM控制电路等。转换电路通过在计时电路中经过规定时间的时点、或来自比较电路111～113的检测信号发生了变化的时点，依次转换各开关元件SU1、SU2、SV1、SV2、SW1、SW2的接通及断开的模式，能够相继向后述的阶段0～5过渡。另外，也可以将该模式依次转换的次数进行计数，并通过在计数值达到规定次数时改变所使用的计时器，从而从后述的模式1向模式2进行过渡。
微型电子计算机104输出各种控制信号，使控制电路103控制振动电动机1。
接下来，对于使用具有以上电路构成的电动机驱动装置101而进行的、振动电动机1的旋转控制进行说明。
图3是说明振动电动机1的控制内容的概要的流程图。如图3所示，振动电动机1的旋转控制是，首先为了起动而进行模式1的120度通电(步骤S1)，接着进行模式2的120度通电(步骤S2)。由此，在起动振动电动机1后，进行正常运行(步骤S3)，并停止振动电动机1的运行。以下，作为一个例子，对磁铁2的磁极为两极的情况下的该各处理步骤进行详细的说明。
首先，对模式1的120度通电(步骤S1)进行详细的说明。
图4是模式1的120度通电的子程序的流程图。该处理中实现起动单元。
如图4所示，在模式1的120度通电中，使向各电动机线圈U、V、W的通电模式不同的六个阶段(阶段0～5)，在每经过规定时间t1(例如，10ms)依次过渡，从而控制电动机驱动电路102。
通电模式，在阶段0中进行通电，使端子TW成为Z电平、端子TV成为L电平、端子TU成为H电平(步骤S11)。在阶段1中进行通电，使端子TW成为L电平、端子TV成为Z电平、端子TU成为H电平(步骤S14)。在阶段2中进行通电，使端子TW成为L电平，端子TV成为H电平，端子TU成为Z电平(步骤S17)。在阶段3中进行通电，使端子TW成为Z电平，端子TV成为H电平，端子TU成为L电平(步骤S20)。在阶段4中进行通电，使端子TW成为H电平，端子TV成为Z电平，端子TU成为L电平(步骤S23)。在阶段5中进行通电，使端子TW成为H电平，端子TV成为L电平，端子TU成为Z电平(步骤S26)。
在模式1的120度通电中，在各阶段中，监视比较电路111～113的检测模式——即检测信号UP、VP、WP的检测模式(检测信号UP、VP、WP的各信号分别是否为H电平或L电平的模式)是否发生变化，在发生变化时(步骤S12的Y、S15的Y、S18的Y、S21的Y、S24的Y、S27的Y)被判断为转子部从上一次检测时起旋转了60度，因此分别向下一阶段过渡。
另外，即使检测信号UP、VP、WP的模式没有发生变化(步骤S12的N、S15的N、S18的N、S21的N、S24的N、S27的N)，在将现在的阶段持续t1(ms)时(步骤S13的Y、S16的Y、S19的Y、S22的Y、S25的Y、S28的Y)，也向下一阶段过渡。
图5是表示进行模式1的120度通电时的U相、V相、W相的电压波形的时间图。另外，在图5中，H电平、L电平、Z电平的各电压表示端子TU、TV、TW的电位。该波形自身与现有的120度通电相同。该模式1的120度通电，例如，持续进行直至将阶段0～5进行一轮为止——即转子部几乎进行一回转为止。
本实施形态的120度通电与现有技术不同的点在于，在检测信号UP、VP、WP的模式发生变化时(步骤S12的Y、S15的Y、S18的Y、S21的Y、S24的Y、S27的Y)，立即向下一阶段过渡。
现有技术下，在处于各阶段时，在未经过一定时间的期间内，进行不向下一阶段过渡的控制。因此，在转子部进行60度旋转，应向下一阶段的通电模式过渡并使转子部的旋转加速的情况下，上一阶段的通电模式被维持，并且作为使转子部的旋转加速时的制动器而发挥作用。
也就是说，如图6所示，对于振动电动机1，如果观察相对于时间t的经过的转子部转数N的推移的话，现有技术下，在从起动运行向正常运行过渡时a时点的前后，转子部转数N进行先降低后再次转变为上升的动作(符号b)。
相对于此，在本实施形态中，在检测信号UP、VP、WP的模式发生变化，被判断为转子部旋转了60度时，即使未经过一定时间t1(ms)也向下一阶段过渡，因此转子部的旋转被迅速加速(图6的符号c)，能够提高振动电动机1的敏感性。
也就是说，在图6中，符号b的转数N直至a时点为止因上述制动器的影响而小于符号c的情况。而且，由于不能够从起动运行顺利地向正常运行过渡，因此，在a时点前后符号b的转数N进行先是大幅度降低、然后转向增加的动作。
接下来，对模式2的120度通电(步骤S2)进行说明。
图7是模式2的120度通电的子程序的流程图。该处理也是继模式1的120度通电后实现起动单元。
模式2的120度通电与模式1的120度通电基本相同，外加电压波形也与图5相同，但是两者的不同点在于，在模式1中持续现在阶段的最大时间t1(例如，10ms)(步骤S13、S16、S19、S22、S25、S28)、和在模式2中持续现在阶段的最大时间t2(例如，2ms)(步骤S34)不同，且后者短。
也就是说，如图7所示，将规定的计数器重设为0(步骤S31)，输出现在阶段的通电模式。在检测信号UP、VP、WP的模式发生了变化时(步骤S33的Y)，向下一阶段过渡(步骤S35)，即使在检测信号UP、VP、WP的模式未发生变化并保持该状态不变的情况下(步骤S33的N)，经过规定时间t2(ms)时(步骤S34的Y)，也向下一阶段过渡(只是，从阶段5返回阶段0)(步骤S35)。然后，使上述计数器仅增量+1(步骤S36)，反复进行步骤S33以下的处理(步骤S37的N)直至该计数值(例如)达到18为止，在达到18时(步骤S37的Y)结束处理。
该模式2的120度通电，例如，持续进行18个阶段的部分(步骤S37)，因此此时转子部几乎进行三回转。
如上所述，在本实施形态的120度通电中，将一阶段的最大持续时间设定为两个阶段。这样，通过将一阶段的最大持续时间分为两个阶段，且后阶段相对于前阶段缩短一阶段的最大持续时间，本发明人验证了能够顺利地起动振动电动机1，且相对于一阶段的最大持续时间不变的情况能够提高振动电动机1的起动时的敏感性(对于验证的详细情况，后面进行论述)。
另外，也可以考虑将一阶段的最大持续时间设定为，最初为长时间、越到后面时间越短的三个阶段或三个阶段以上。
另外，在上述例子中，将模式1的120度通电进行一回转，将模式2的120度通电进行三回转，但是，将各阶段进行几回转可以适当地进行选择，并不限定于上述例子。
进而，也可以仅通过模式1的运行来进行振动电动机1的初始起动，而不进行模式1和模式2的两阶段的运行(参照后述的状态2、4)。
最后，正常运行(步骤S3)实现PWM控制电路，将通过步骤S1、S2起动的振动电动机1进行PWM控制并旋转驱动。
以上所说明的电动机驱动装置101、振动电动机1，可以搭载于各种电子设备上。例如，在电子设备为便携式电话机的情况下，电动机驱动装置101通过反复进行图3的步骤S1～S3的处理，能够产生与来电旋律吻合的振动(此时，在图3的处理开始的时点、步骤S3中的PWM信号是微型电子计算机104向控制电路103发送)。如果采用本实施形态的电动机驱动装置101的话，即使采用这种使用方法，由于作为无传感器驱动的无刷电动机的振动电动机1起动时的敏感性高，因此所产生的振动不会迟于来电旋律，能够实现振动的产生对于来电旋律的高跟踪性。
实施例
本发明人将电动机驱动装置101利用于上述振动电动机1，进行了比较对照实验。以下，对该比较对照实验的内容进行说明。
图8表示实验结果。本实验在八个不同的条件下(状态1～8的八个模式)，分别利用电动机驱动装置101来驱动振动电动机1，从而比较电动机起动时的上升性。状态1～4表示本发明的实施例，状态5～8为现有技术例。另外，磁铁2的磁极为两极。
在图8中，“定时运行”表示上述步骤S1、S2的120度通电，并分为模式1(步骤S1)、模式2(步骤S2)而进行表示。在“定时运行”中，将利用电动机驱动装置101进行通电控制时的PWM控制的工率(duty)设定为100％。
“不定时运行”表示虽进行120度通电，但是与上述步骤S1、S2不同，是只要不经过一定时间t1(或t2)就不会向下一阶段过渡的现有方法的运行。
在“定时运行”中，例如，“2ms×6(一回转)120度通电”表示，上述一定时间t1(或t2)为“2ms”、利用上述“120度通电”进行了“6”个阶段的部分——即电动机“一回转”的部分的运行。对于“不定时运行”也是相同，此时即使在一定时间t1(或t2)内检测信号UP、VP、WP的检测模式发生变化、也不向下一阶段过渡的情况与上述相同。模式2为空栏的状态2、4表示，仅进行了模式1的运行而未进行模式2的运行的情况。
“正常运行”为步骤S3的正常运行，参照图5将PWM控制的工率设定为80％后进行了上述120度通电。该正常运行，在状态1～8的所有过程中以同一条件进行。
“转数的变化”表示从通电开始时点分别经过40ms、60ms、90ms的时点上的振动电动机1的转数。另外，“未起动”表示在该时点振动电动机1尚未开始进行旋转。
“上升时间”表示振动电动机1从通电开始时点开始至达到额定转数的50％为止所需要的时间。
另外，测定结果的各数据是，在图2的电路构成中，通过利用电流探测器(probe)将电动机驱动电路102的电源的电源电流读入示波器而得到的。也就是说，由于该电源电流与振动电动机1的转数的上升成反比例地降低，因此以起动电流为标准，将电流值成为起动电流和额定电流的中间值(50％)的时点判断为达到额定转数的50％的时点，且从通电开始时点至达到上述额定转数的50％的时点为止的时间成为“上升时间”。另外，通过计测从通电开始时点经过40ms、60ms、90ms的时点的端子TU(或端子TV或TW)的电压输出波形的周期，能够测定“转数的变化”。
图8的状态1～8的各结果均表示三次测定值的平均值，图9表示各状态1～8的测定次数1～3中的原始数据。
观察图8的结果的话，状态5～8均将各阶段的持续时间一律设定为2ms，并在改变阶段数(转数)后进行“不定时运行”，但是即使在“上升时间”最为短时间的状态5的情况下，“上升时间”也需要73ms。
相对于此，可知本实施例的状态1～4与状态5～8相比的话，其“上升时间”均大幅度缩短，即使所需要的“上升时间”最为长时间的状态2、4的情况下，也缩短至状态5的情况下的几乎一半的时间。
由此，在一定时间t1(或t2)内检测信号UP、VP、WP的检测模式发生了变化时，即使在该一定时间t1(或t2)内，也立即向下一阶段过渡的“定时运行”的有效性是显而易见的。
接下来，相互比较本实施例的各状态1～4的话，对缩短“上升时间”最为有效的为状态3的情况——即，首先在模式1中将一定时间t1设定为10ms使振动电动机进行三回转，其后在模式2中将一定时间t2设定为2ms(短于模式1的一定时间t1)使振动电动机1进行一回转。
可知，在仅利用模式1进行起动、而不进行利用模式1(一定时间t1)、模式2(一定时间t2)的两阶段进行起动的状态2、4的情况下，“上升时间”所需要的时间长于状态3的情况。
另外，可知，即使在利用模式1、模式2的两阶段进行起动，使模式1的一定时间t1和模式2的一定时间t2与状态3的情况相反——即、使模式2的一定时间t2长于模式1的一定时间t1的状态1的情况下，也不能够如状态3的情况那样缩短“上升时间”。
这样，验证了通过使模式2的一定时间t2短于模式1的一定时间t1，能够实现“上升时间”的进一步缩短。
能够得到这样的结果的理由在于，本发明人认为以下所述内容至少能够成为其主要原因中的一个——即、相对于模式1为振动电动机1的起动初期、且转数少，在模式2中转数在某种程度上得以提高，因此相对于持续维持现有模式，使模式2的一定时间t2短于模式1的情况下的一定时间t1，从而尽早向下一状态过渡的话，不会成为使转子部的旋转加速时的制动器，能够顺利地向正常运行过渡。
Claims (3)
1.一种电动机驱动装置，是振动电动机进行无传感器驱动的电动机驱动装置，该振动电动机为各电动机线圈被星形联接的内转子型三相无刷电动机，其特征在于，
设有：具有接通、断开向上述各电动机线圈的通电的、多个开关元件的电动机驱动电路；检测出产生于上述各电动机线圈的逆电压后，无传感器检测上述振动电动机的转子部位置的位置检测电路；以及，起动单元；
其中，该起动单元在上述振动电动机的初始起动时，通过在多个阶段依次改变向上述各电动机线圈的规定的通电模式来进行通电，在处于各阶段时，在预先设定的一定时间内检测出上述转子部位置时向下一阶段过渡，在上述一定时间内未检测出上述转子部位置时也向下一阶段过渡；
上述起动单元，在上述阶段改变了规定次数时，变更预先设定的上述一定时间，使之变短。
2.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于进而设有，在上述初始起动后控制上述电动机驱动电路，从而PWM控制上述振动电动机的PWM控制电路。
3.一种电子设备，其特征在于，设有：
作为各电动机线圈被星形联接的内转子型三相无刷电动机的振动电动机、和
驱动上述振动电动机的权利要求1或2所述的电动机驱动装置。
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