CN101908853B - 电动机的驱动电路以及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了实现软切换的电动机的驱动电路以及驱动方法。周期计数器(20)生成以数字值表示霍尔信号(H+、H-)的周期的频率信号(S2)，该霍尔信号表示驱动对象的电动机(50)的转子的位置。增减计数器(26)，以霍尔信号的相的切换为契机，交替地重复递增计数以及递减计数，并生成具有其斜率根据频率信号(S2)而设定的倾斜部分的数字的驱动波形信号(S3)。D/A变换器(28)接受驱动波形信号(S3)，并变换成模拟电压。驱动部(30)将对应了模拟电压(V3)的驱动电压(Vdrv)提供给电动机。

Description

电动机的驱动电路以及驱动方法

技术领域

本发明涉及电动机的驱动技术。

背景技术

作为冷却用的风扇电动机、使光/磁盘旋转的主轴电动机(spindle motor)、磁带记录装置用的绞盘电动机(capstan motor)，利用无刷直流(DC)电动机。无刷DC电动机通常包括具有永久磁铁的转子和具有线圈的定子。无刷DC电动机能够通过控制提供给线圈的电流而对线圈励磁，从而使其旋转。

为了检测无刷DC电动机的转子的旋转位置，有利用霍尔元件，或者利用换相时的反电动势的无传感器驱动的技术。霍尔元件根据电动机的转子的位置，生成互补地变化的霍尔信号对(简单地总称为霍尔信号)。

电动机的驱动电路基于检测出霍尔信号或者反电动势的定时(timing)，切换提供给线圈的驱动电压的极性。在作为霍尔信号而获得对应了转子的磁极的变化的正弦波状或者梯形波状的波形的情况下，电动机的驱动电路利用切换定时前后的霍尔信号的电压变化，能够使提供给线圈的驱动电压以及极性缓慢变化，实现电动机驱动声音的降低。这也称为软开关(soft switch)。

发明内容

发明要解决的课题

在使用霍尔元件进行转子的位置检测的电动机中，有将外挂的霍尔元件与电动机驱动IC集成在同一电路上，削减基板上的零件件数的技术，但是，在构成驱动电路的硅工艺(silicone process)上进行集成时，不能使用像外挂霍尔元件这样磁灵敏度高的物理性的元件，所以灵敏度会变弱。为了弥补该灵敏度，在集成电路上放大信号后利用，但是，连互补地输出的信号的偏移(offset)成分也被放大，并且在进行用于消除偏移的信号处理时，难以观察到原本由霍尔元件检测的切换定时前后的磁场变化，不能利用对该变化进行利用的软开关技术。即使是使用了反电动势的无传感器技术的情况下，也同样由于仅能检测输出反电动势的定时，所以不能利用如利用了霍尔元件的情况那样，对应了磁场变化的软开关(soft switching)技术。

本发明鉴于这样的状况而完成，其某一方式例示的目的之一在于，提供在检测电动机的转子位置的信息仅能够在换相定时利用的情况下，根据电动机的转速进行软开关的技术。

本发明的某一方式涉及电动机驱动电路。该电动机驱动电路具有：周期计数器，生成以数字值表示霍尔信号的周期的频率信号，该霍尔信号表示驱动对象的电动机的转子的位置；增减计数器，以霍尔信号的相的切换为契机，交替地进行递增计数以及递减计数，并生成具有其斜率根据频率信号而设定的倾斜部分的数字的驱动波形信号；D/A变换器，接受驱动波形信号，并变换成模拟电压；以及驱动部，将对应了模拟电压的驱动电压提供给电动机。

根据该方式，即使在霍尔信号不具有有效的倾斜部分的情况下，也能够根据电动机的转速，使电动机进行软切换。

本发明的其它方式为电子设备。该电子设备具有使盘旋转的主轴电动机、驱动主轴电动机的上述电动机驱动电路。或者，其它方式的电子设备具有风扇电动机以及驱动风扇电动机的上述驱动电路。进而，其它方式的电子设备具有绞盘电动机以及驱动绞盘电动机的上述驱动电路。

附图说明

图1是表示实施方式中的电动机驱动电路的结构的电路图。

图2的(a)、图2的(b)是表示图1的电动机驱动电路的动作的时序图。

图3是表示实施方式中的电动机驱动IC的结构的方框图。

图4的(a)是表示PWM控制的情形的波形图，图4的(b)是表示起动占空辅助功能的波形图。

标号说明

100......电动机驱动电路、10......霍尔元件、12......偏移消除电路、14......比较器、20......周期计数器、22......寄存器、24......斜度设定部、26......增减计数器、28......D/A变换器、30......驱动部、32......第1放大器、34......第2放大器、40......控制逻辑部、42......振荡器、44......起动脉冲信号生成部、46......热关断(thermal shut down)电路、48......输出晶体管、50......电动机、S1......转速脉冲信号、S2......频率信号、S3......驱动波形信号、S4......起动脉冲信号、V3......模拟电压。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式，参照附图说明本发明。对各个附图所表示的同一或者同等的结构要素、构件、处理附加同一标号，并适当省略重复的说明。另外，实施方式不是用于限定发明而是例示，实施方式中所记述的所有的特征或其组合未必是本发明的本质性的内容。

在本说明书中，所谓“构件A与构件B相连接的状态”，除了构件A和构件B物理性地直接相连接的情况之外，也包含构件A和构件B经由对电连接状态不带来影响的其它构件而间接地连接的情况。

同样地，所谓“构件C设置在构件A和构件B之间的状态”，除了构件A和构件C、或者构件B和构件C直接相连接的情况之外，也包含经由对电连接状态不带来影响的其它构件而间接地连接的情况。

另外，在本说明书中，在电压信号、电流信号等电信号上附加的标号，根据需要表示各个电压值、电流值等。

图1是表示实施方式中的电动机驱动电路100的结构的电路图。电动机驱动电路100对单相的无刷DC电动机(以下简称为“电动机”)50的两端提供驱动电压Vdrv+、Vdrv-，并提供线圈电流。

电动机驱动电路100具有霍尔元件10、偏移消除电路12、比较器14、周期计数器20、寄存器22、斜度(slope)设定部24、增减计数器(up downcounter)26、D/A变换器28、驱动部30，并在一个半导体基板上一体集成。霍尔元件10、比较器14以及D/A转换器28由模拟电路构成，周期计数器20、寄存器22、斜度设定单元24以及增减计数器26由数字电路构成。

霍尔元件10、偏移消除电路12、比较器14可以利用公知技术，因此，这里只是进行简单说明。霍尔元件10包含4个端子和以各个端子为顶点而桥式连接的4个电阻元件(未图示)。各个电阻元件的电阻值，随着来自电动机50的磁场、即随着转子的位置而变化。根据4个电阻的电阻值的波动程度，在从霍尔元件10取出的霍尔信号中有时产生偏移。偏移消除电路12，通过假想地使霍尔元件10的4个端子旋转，按顺序转换而取出信号，从而消除霍尔信号的偏移。由于从偏移消除电路12得到的霍尔信号H+、H-微弱，所以通过霍尔放大器(比较器)14进行比较、放大。

由比较器14放大的霍尔信号随着电动机50的转子的位置而成为重复高电平和低电平的矩形波。以下，还将被比较器14放大的霍尔信号称为转速脉冲信号S1。

周期计数器20接受表示电动机50的转子的位置的转速脉冲信号(霍尔信号)S1，生成以数字值表示其周期t的频率信号S2。例如，对周期计数器20输入频率比转速脉冲信号S1足够高的基准时钟CK。周期计数器20利用基准时钟CK对转速脉冲信号S1的上升沿(positive edge)和下降沿(negativeedge)的间隔进行计数，生成频率信号S2。将基准时钟CK的周期记为Tp时，频率信号S2的值α，按

α＝t/Tp

来提供。

另外，由于测定电动机的旋转周期即可，所以周期计数器20也可以对例如上升沿和上升沿的间隔或者下降沿和下降沿的间隔进行计数。

表示转速脉冲信号S1的周期t(频率)的频率信号S2保存在后级的寄存器22中。

增减计数器26以霍尔信号H+、H-的相的切换、即转速脉冲信号S1的边沿为契机，交替地重复递增计数(count up)以及递减计数(count down)，并生成具有倾斜部分的驱动波形信号对S3+、S3-(以下根据需要，将信号S3+、S3-简称为驱动波形信号)。驱动波形信号S3+、S3-是数字信号，具有相互反相(互补性)的梯形状的波形。以下，用(n+1)等级(n为自然数)表示驱动波形信号S3，并将梯形的底部(bottom)值设为0，将峰值(peak)设为n。为了获得n＝15，增减计数器26由4比特构成。另外，作为n的值，也可以是7(3比特)或者31(5比特)。

增减计数器26包含互补地进行递增计数动作和递减计数动作的2个增减计数器，可以将一个输出作为驱动波形信号S3+，将另一个输出作为驱动波形信号S3-。或者，增减计数器26可以通过单一的增减计数器生成一个驱动波形信号S3+，并通过从规定的常数n中减去递增计数器的输出数据，从而生成另一个驱动波形信号S3-。

斜度设定部(信号处理部)24根据在寄存器22中保存的频率信号S2的值α，设定驱动波形信号S3的倾斜部分的斜率。频率信号S2表示的转速脉冲信号S1的周期t越长(电动机的转速越低)，倾斜部分的斜率被设定得越小，其周期t越短，倾斜部分的斜率被设定得越高。

在将规定的第1常数设为a时，驱动波形信号S3的倾斜部分的长度可以被设定为t/a。a的值可以根据电动机50的特性而被最佳化，例如可以设定在20～30的范围。

例如，斜度设定部24对将表示周期t的数字值α除以了第1常数a的n倍的第2常数b(＝a×n)所得的商β进行运算。

β＝α/b

增减计数器26，每对基准时钟CK进行β次计数，就对该计数值进行递增计数或递减计数。此时，增减计数器26的1步(step)的时间被设定为t/b。

D/A变换器28接受驱动波形信号S3+、S3-，并将它们变换成模拟电压。驱动部30将对应于模拟电压V3+、V3-的驱动电压Vdrv+、Vdrv-提供给电动机50的两端。例如，驱动单元30包含对模拟电压V3+、V3-进行反相放大或者正相放大的第1放大器32、第2放大器34。

以上是电动机驱动电路100的结构。接着说明其动作。图2的(a)、(b)是表示图1的电动机驱动电路100的动作的时序图。

参照图2的(a)，通过偏移消除电路12生成与电动机50的旋转同步的霍尔信号H+、H-。根据霍尔信号H+、H-的比较结果，生成在H+＞H-时成为高电平、在H+＜H-时成为低电平的转速脉冲信号S1。

通过周期计数器20测定转速脉冲信号S1的脉冲宽度(半周期t)，并生成表示该周期t的数字的频率信号S2。斜度设定部24根据频率信号S2的值设定应提供给电动机50的驱动波形的倾斜部分的长度。如上述那样，倾斜部分的长度为t/a。

图2的(b)是驱动波形信号S3的倾斜部分的放大图。斜度设定部24将1步的长度(步长)设定为t/b。在图2的(b)中，表示驱动波形信号S3为n＝16的情况，1步的长度按

t/b＝t/(n×a)＝t/(15×a)

来提供。

增减计数器26根据由斜度设定部24设定的步长，交替地重复递增计数动作或递减计数动作，并生成梯形波形的驱动波形信号S3+、S3-。驱动波形信号S3+、S3-由D/A变换器28变换成模拟电压V3+、V3-，并通过驱动部30提供给电动机50的两端。

根据图1的电动机驱动电路100，能够随着电动机50的旋转而定时良好地切换驱动极性，并能够在切换时使施加到电动机50上的驱动电压的波形具有倾斜部分，能够实现合适的软开关。进而，倾斜部分的长度随着电动机50的转速变化，因此能够抑制噪声(noise)的发生，或者能够降低功耗。

另外，通过使常数a以及频率信号S2的等级数n最佳，能够比以往更加降低噪声或功耗。

接着，说明相当于上述的电动机驱动电路100的电动机驱动IC110。图3是表示实施方式中的电动机驱动IC110的结构的方框图。第1管脚的GND端子接地。电动机50连接到输出端子OUT1(第6管脚)和OUT2(第2管脚)。

控制逻辑部40相当于图1的周期计数器20、寄存器22、斜度设定部24、增减计数器26。振荡器42生成时钟信号CK，并提供给控制逻辑部40。控制逻辑部40产生具有对应于转速脉冲信号S1的电平的FG(FrequencyGenerator：频率发生器)信号。FG信号经由输出晶体管48，以开漏(open drain)方式输出。FG端子(第4管脚)经由外挂的电阻R1而被上拉(pull up)。

对PWM端子(第3管脚)从外部输入进行了脉宽调制的脉宽调制(PWM)信号。电动机驱动IC110具有根据PWM信号的占空比来控制电动机50的转速的功能。图4的(a)是表示PWM控制的情况的时序图。

驱动部30接受PWM信号，在PWM信号为第1电平(例如高电平)的区间，对电动机50的线圈的两端施加对应了来自D/A变换器28的模拟电压V3+、V3-的驱动电压Vdrv+、Vdrv-。另外，在PWM端子为开路(高阻抗)的情况下，与高电平同样地进行处理。

另外，在PWM信号为第2电平(例如为低电平)的区间，驱动部30将电动机50的线圈的两端间的驱动电压(Vdrv+)-(Vdrv-)设为零。具体而言，使驱动电压(Vdrv+)和(Vdrv-)中高的一方与低的一方的电压电平一致。

由此，能够根据PWM信号的占空比来调节电动机50中流过的电流的时间上的平均值，并能够控制电动机50的转速(转矩)。

在电动机50停止的状态中进行PWM控制的情况下，输入占空比低的PWM信号时，电动机50产生的转矩不能克服静止摩擦，存在电动机50不旋转的情况。或者，存在电动机50达到期望的转速为止需要非常长的时间的情况。为了解决该问题，电动机驱动IC110具有起动占空辅助功能。图4的(b)是表示起动占空辅助功能的波形图。

具体而言，起动(start)脉冲信号生成部44生成具有固定占空比的起动脉冲信号S4。例如，固定占空比为50％，其频率为33kHz。

在电源接通时以及从备用(stand by)状态恢复时，在某一期间τSTART的期间，不管PWM信号的占空比如何，驱动部30都根据起动脉冲信号S4的占空比对电动机50进行PWM驱动。某一期间τSTART是从驱动开始至检测电动机50的起动为止，对期间τSTART设定上限。例如，上限为250ms。如果超过该上限，则产生错误信号，并可以尝试再起动。

电动机50起动的检测可以通过监视转速脉冲信号S1或者FG信号来实现。即，在电动机50停止的状态下，转速脉冲信号S1或者FG信号为固定电平，但是旋转开始时产生脉冲。例如，以对该脉冲计数了规定数为契机，从起动脉冲信号S4的PWM驱动切换至PWM信号的PWM驱动。

通过该起动占空辅助功能，能够可靠地使处于停止状态的电动机50旋转，或者能够缩短到期望的转速为止的时间。

热关断(thermal shut down)电路46检测电动机驱动IC110的温度，如果超过规定的阈值，则关断电动机驱动IC110，并保护电路不受热影响。

以上，关于本发明基于实施方式进行了说明。本领域技术人员应该理解，该实施方式是例示，可对它们的各个构成要素或者各个处理过程的组合进行各种变形例，并且这样的变形例也处于本发明的范围。以下对这样的变形例进行说明。

(变形例1)

斜度设定部24也可以通过对规定次数的频率信号S2的值α进行统计处理，设定倾斜部分的斜率。例如，所谓“统计处理”，包含加法平均、加权平均等。通过基于在过去几次进行了平均的周期t设定斜率，能够实现稳定的旋转。

(变形例2)

在实施方式中，说明了使驱动波形的倾斜部分的长度与电动机的旋转周期成比例的情况，但是本发明并不限于此。例如，在斜度设定部24预先设置保持周期和倾斜部分的长度之间的对应关系的表，通过每次进行参照也能够实现同样的处理。在设置表的情况下，由于能够更微细地调节倾斜部分的长度，在噪声或功耗的观点上是有利的。

(变形例3)

在实施方式中，说明了霍尔元件10、偏移消除电路12、比较器14与其它电路块一体集成的情况，但是霍尔元件10、偏移消除电路12、比较器14的一部分可以作为霍尔IC设置在外部。

在实施方式中说明的信号的高电平、低电平的逻辑的设定是一例，考虑在逻辑电路块的构成中的各种变形例，这样的变形例也包含在本发明的范围中。

基于实施方式并使用特定的语句说明了本发明，但是，实施方式只不过是本发明的原理、应用，在不脱离权利要求的范围规定的本发明的思想的范围内，对实施方式进行更多的变形例或配置的变更是可能的。

Claims (6)

1.一种电动机驱动电路，其特征在于，具有：

周期计数器，生成以数字值表示霍尔信号的周期的频率信号，该霍尔信号表示驱动对象的电动机的转子的位置；

增减计数器，以所述霍尔信号的相的切换为契机，交替地进行递增计数以及递减计数，并生成具有其斜率根据所述频率信号而设定的倾斜部分的数字的驱动波形信号；

D/A变换器，接受所述驱动波形信号，并变换成模拟电压；以及

驱动部，将对应了所述模拟电压的驱动电压提供给所述电动机，

在将所述频率信号表示的周期设为t，将规定的第1常数设为a时，所述倾斜部分的长度被设定成t/a，

在将所述第1常数a的n倍的规定的第2常数设为b时，所述增减计数器的1步的时间被设定为t/b，其中n为2以上的整数。

2.如权利要求1所述的电动机驱动电路，其特征在于，

还具有对规定次数的频率信号进行统计处理的信号处理部，

所述增减计数器根据统计处理的结果所得的值，设定所述倾斜部分的斜率。

3.一种电动机驱动电路，其特征在于，具有：

周期计数器，生成以数字值表示霍尔信号的周期的频率信号，该霍尔信号表示驱动对象的电动机的转子的位置；

增减计数器，以所述霍尔信号的相的切换为契机，交替地进行递增计数以及递减计数，并生成具有其斜率根据所述频率信号而设定的倾斜部分的数字的驱动波形信号；

D/A变换器，接受所述驱动波形信号，并变换成模拟电压；

驱动部，将对应了所述模拟电压的驱动电压提供给所述电动机；以及

对规定次数的频率信号进行统计处理的信号处理部，

所述增减计数器根据统计处理的结果所得的值，设定所述倾斜部分的斜率。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的电动机驱动电路，其特征在于，还具有：

霍尔元件，生成表示所述电动机的转子的位置的霍尔信号；以及

放大器，放大所述霍尔信号，并生成脉冲信号，

所述周期计数器测定所述脉冲信号的周期，

所述电动机驱动电路被集成在单一的半导体基板上。

5.一种电动机的驱动方法，其特征在于，包括：

生成以数字值表示霍尔信号的周期的频率信号的步骤，该霍尔信号表示驱动对象的电动机的转子的位置；

根据所述频率信号，设定在驱动所述电动机时所参照的驱动波形的倾斜部分的斜率的步骤；

以所述霍尔信号的相的切换为契机，交替地重复递增计数以及递减计数，并生成数字的驱动波形信号的步骤；

将所述驱动波形信号变换成模拟电压的步骤；将对应了所述模拟电压的驱动电压提供给所述电动机的步骤；

在将所述频率信号表示的周期设为t，将规定的第1常数设为a时，所述倾斜部分的长度被设定成t/a的步骤；以及

在将所述第1常数a的n倍的规定的第2常数设为b时，增减计数器的1步的时间被设定为t/b，其中n为2以上的整数的步骤。

6.如权利要求5所述的电动机的驱动方法，其特征在于，

还具有对规定次数的频率信号进行统计处理的步骤，

根据统计处理的结果所得的值，设定所述倾斜部分的斜率。