CN104113238A - 电动机驱动装置以及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机驱动装置以及其控制方法，其目的是为了削减在半导体集成电路外接的部件的个数。该电动机驱动装置具有：生成指示信号的信号生成部（43～48、Ct），该指示信号用于指示直流电动机产生反电动势的反电动势产生期间；去除部（41、42、Cr、M5），其在所述指示信号示出的反电动势产生期间通过由直流电动机产生的反电动势来检测在电源电压中产生的电压变动，并从电源电压中去除检测到的电压变动；限制部（51、M5），其比去除部高速动作地将电源电压限制到预定电压以下。

Description

电动机驱动装置以及其控制方法

技术领域

本发明涉及驱动直流电动机的电动机驱动装置以及其控制方法。

背景技术

图6表示现有的电动机驱动装置的一例的结构图。在图6中，将电动机驱动装置10安装在电气设备11上来使用。在电气设备11内设有直流电源12以及集成电路（IC）13。端子14、15与直流电源12的正极端子和负极端子连接。

电动机驱动装置10具有电动机驱动IC20，端子14、15与电动机驱动IC20的电源端子VDD和接地端子GND连接。电动机驱动IC20使用桥式结构的n沟道MOS晶体管M1～M4，两端连接在端子21、22之间的直流电动机23的线圈中流过电流，来驱动直流电动机23的旋转。

也就是说，交互地切换成第一状态和第二状态来驱动直流电动机23的旋转，其中，第一状态是接通MOS晶体管M1、M4，断开MOS晶体管M2、M3从而以端子21、22的方向在直流电动机23中流过电流的状态，第二状态是接通MOS晶体管M2、M3，断开MOS晶体管M1、M4从而以端子22、21的方向在直流电动机23中流过电流的状态。另外，为了得到上述的切换定时（timing），使用未图示的霍尔元件等旋转相位的检测元件。

作为电动机驱动装置，公开的有例如在专利文献1中记载的技术。

现有技术文献

专利文献

【专利文献1】日本特开2009-278734号公报

发明内容

在图6的现有电路中，在从接通MOS晶体管M1、M4断开MOS晶体管M2、M3从而以端子21、22的方向在直流电动机23中流过电流的第一状态切换成接通MOS晶体管M2、M3断开MOS晶体管M1、M4从而以端子22、21的方向在直流电动机23中流过电流的第二状态的定时，直流电动机23的线圈的电感产生反电动势。当通过防止反向连接用的二极管D1来阻止该反电动势引起的向电源端子VDD的电流时，有可能电动机驱动IC20的电源端子VDD的电压上升从而超过电动机驱动IC20的耐压。为了防止该电源端子VDD的电压超过耐压，追加齐纳二极管ZD1，此外，为了延迟电源端子VDD的电压上升，需要追加比通常的旁路电容器C1大容量的去耦电容器C2（decouplingcondenser），从而存在电动机驱动IC20外接的部件个数增多的问题。

本发明是鉴于上述的问题点而提出的发明，其目的在于提供一种削减半导体集成电路外接的部件个数的电动机驱动装置以及其控制方法。

本发明的一实施方式的电动机驱动装置，其是被提供电源来驱动直流电动机（23）的半导体集成电路，其中，该电动机驱动装置具有：

生成指示信号的信号生成部（43～48，Ct），该指示信号用于指示所述直流电动机产生反电动势的反电动势产生期间；

去除部（41、42、Cr、M5），其在所述指示信号示出的反电动势产生期间，通过由直流电动机产生的反电动势来检测在电源电压中产生的电压变动，并从所述电源电压中去除检测到的所述电压变动；以及

限制部（51、M5），其比所述去除部高速动作地将所述电源电压限制到预定电压以下。

优选地，所述去除部（41、42、Cr、M5）将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行差动放大，来检测在所述电源电压中产生的电压变动，

所述限制部（51、M5）根据将所述电源电压和所述预定电压进行比较而得的比较结果来限制所述电源电压。

优选地，所述限制部根据将所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压和所述预定电压进行比较而得的比较结果来限制所述电源电压。

优选地，所述去除部（41、42、Cr、M5）将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行差动放大，来检测在所述电源电压中产生的电压变动，

所述限制部（52，53，Cr2，M5）根据将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行比较而得的比较结果，来限制所述电源电压。

根据本发明的一实施方式的一种电动机驱动装置的控制方法，该电动机驱动装置是被提供电源来驱动直流电动机的半导体集成电路，其中，

生成指示信号，该指示信号指示所述直流电动机产生反电动势的反电动势产生期间，

在所述指示信号示出的反电动势产生期间，通过由直流电动机产生的反电动势来检测在电源电压中产生的电压变动，并从所述电源电压中去除检测到的所述电压变动，

比所述电压变动的去除高速动作地将所述电源电压限制到预定电压以下。

优选地，将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行差动放大，来进行所述电压变动的检测，

根据将所述电源电压和所述预定电压进行比较而得的比较结果，来进行所述电源电压的限制。

优选地，根据将所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压和所述预定电压进行比较而得的比较结果，来进行所述电源电压的限制。

优选地，将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行差动放大，来进行所述电压变动的检测，

根据将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行比较而得的比较结果，来进行所述电源电压的限制。

另外，上述括号内的参照符号是为了容易理解而附加的标记，仅仅是一个例子，并非限定于图示的形态。

根据本发明，能够削减在半导体集成电路外接的部件个数。

附图说明

图1是本发明的电动机驱动装置的第一实施方式的结构图。

图2是电动机驱动装置各部的信号波形图。

图3是电动机驱动装置各部的信号波形图。

图4是电动机驱动装置各部的信号波形图。

图5是本发明的电动机驱动装置的第二实施方式的结构图。

图6是现有的电动机驱动装置的一例的结构图。

符号说明：

12 直流电源

21、22 端子

23 直流电动机

30 电动机驱动装置

40 第一控制部

42、53 模拟开关

44～47 反相器

48 电流源

50 第二控制部

51、52 比较器

Cr、Ct 电容器

Di1、Di2、Di3、Di4 二极管

M1～M5 MOS晶体管

R1～R5 电阻器

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

（电动机驱动装置的第一实施方式）

图1表示本发明的电动机驱动装置的第一实施方式的结构图。在图1中，对与图6相同部分赋予相同的符号。电动机驱动装置30除了直流电动机23外整体被半导体集成电路化，电动机驱动装置30自身是电动机驱动IC。将电动机驱动装置30安装在未图示的电气设备上来使用。该电气设备内的直流电源12的正极端子经由反向连接时的保护用二极管D1与端子14连接，直流电源12的负极端子与端子15连接。此外，端子14经由用于吸收电压变动的旁路电容器C1接地。

端子14、15与电动机驱动装置30的电源端子VDD和接地端子GND连接。电动机驱动装置30使用桥式结构的n沟道MOS晶体管M1～M4，两端连接在端子21、22之间的直流电动机23的线圈中流过电流，来驱动直流电动机23的旋转。

也就是说，交互地切换成第一状态和第二状态来驱动直流电动机23的旋转，其中，第一状态是接通MOS晶体管M1、M4，断开MOS晶体管M2、M3从而以端子21、22的方向在直流电动机23中流过电流的状态，第二状态是接通MOS晶体管M2、M3，断开MOS晶体管M1、M4从而以端子22、21的方向在直流电动机23中流过电流的状态。

另外，为了得到上述的切换定时，使用未图示的霍尔元件等旋转相位的检测元件。从该检测元件的检测信号生成提供给MOS晶体管M1、M4的栅极的驱动信号VGH1、VGL2和提供给MOS晶体管M2、M3的栅极的驱动信号VGL1、VGH2。另外，MOS晶体管M1、M2、M3、M4的后栅极（back-gate）分别与源极连接，从而在源极、漏极之间形成体二极管（寄生二极管）Di1、Di2、Di3、Di4，经过该体二极管向电源端子VDD提供反电动势引起的电流。MOS晶体管M1、M3的漏极与电源端子VDD即端子14连接，MOS晶体管M2、M4的源极直接接地或经由电阻器R5接地。

（第一控制部）

电动机驱动装置30除了桥式结构的MOS晶体管M1～M4外，还具有第一控制部40和第二控制部50。第一控制部40具有：在电源端子VDD和接地之间串联连接的电阻器R1、R2；在电阻器R1、R2的连接点连接了非反相输入端子的差动放大器41；连接在电阻器R1、R2的连接点与差动放大器41的反相输入端子之间的模拟开关42；设置在差动放大器41的反相输入端子与接地之间的电容器Cr；由延迟从端子43提供的信号TDEAD的四级反相器44～47和电流源48以及电容器Ct构成的波形整形部；以及n沟道MOS晶体管M5。

在此，例如当电动机相切换信号是如图2（A）所示的矩形信号时，信号TDEAD如图2（B）所示是在包含电动机相切换信号的上升沿以及下降沿的期间为高电平的信号。信号TDEAD是根据霍尔元件等检测元件的检测信号而生成的，例如是为了避免驱动信号VGH1、VGL2和驱动信号VGL1、VGH2同时为高电平而使用的一般的信号。另外，避免VGL1、VGH2同时成为高电平是为了防止在MOS晶体管M1、M2的路径或M3、M4的路径中流过贯通电流。

电流源48以及电容器Ct延迟反相器44的输出上升，相对于图2（B）所示的信号TDEAD，反相器44的输出波形成为图2（C）所示的波形。由此，反相器47的输出波形如图2（D）所示是用高电平来表示直流电动机23产生反电动势的反电动势产生期间的信号，并将其提供给差动放大器41和模拟开关42的控制端子。

当反相器47的输出信号为低电平时，接通模拟开关42，将通过电阻器R1、R2分压后的电源端子VDD的分压电压保持在电容器Cr中。当反相器47的输出信号为高电平时，断开模拟开关42，并将在电容器Cr中保持的分压电压提供给差动放大器41的反相输入端子。

当反相器47的输出信号为高电平时，差动放大器41进行差动放大动作。当图2（A）所示的电动机相切换信号为上升沿时和下降沿时，直流电动机23的线圈的电感产生反电动势，所以电源端子VDD的电压如图2（E）所示产生反电动势引起的变动P1、P2、P3。

另外，当图2（D）所示的在反相器47的输出波形为低电平的期间，即在期间～t1、期间t2～t3、期间t4～t5、期间t6～中，将图2（E）所示的电源端子VDD的分压电压保持在电容器Cr中。当差动放大器41的动作期间是反相器47的输出波形为高电平期间，即期间t1～t2、期间t3～t4、期间t5～t6，差动放大器41输出与图2（E）的变动P1、P2、P3相同的电压波形。将差动放大器41的输出提供给n沟道MOS晶体管M5的栅极。MOS晶体管M5源极接地、漏极连接到电源端子VDD上。由此，MOS晶体管M5通过流过与图2（E）的变动P1、P2、P3对应的源极电流Io来吸收上述的变动P1、P2、P3，以使电源端子VDD的电压平坦的方式进行工作。

（第二控制部）

第二控制部50具有：在电源端子VDD与接地之间串联连接的电阻器R3、R4；以及在电阻器R3、R4的连接点连接了非反相输入端子的比较器51。对比较器51的反相输入端子提供基准电压Vref。基准电压Vref是比将直流电压12的电压通过电阻器R3、R4分压后的电压高，并且，比将电动机驱动装置30的半导体集成电路的耐压通过电阻器R3、R4分压后的电压稍微低一点的电压。

比较器51在电源端子VDD的分压电压超过了基准电压Vref的期间生成高电平的检测信号，并将其提供给MOS晶体管M5的栅极。在从比较器51提供检测信号的期间接通MOS晶体管M5，从而将电源端子VDD的电压限制成不到半导体集成电路的耐压的预定电压。

由于比较器51与差动放大器41相比增益非常大，所以进行比差动放大器41高速动作。因此，即使在变动P1等的峰值变高、在差动放大器41中产生无法跟踪变动P1等的峰值而无法吸收变动P1等的情况下，当电源端子VDD的分压电压超过了基准电压Vref时，也能高速地跟踪来接通MOS晶体管M5，从而能将电源端子VDD的电压限制成不到半导体集成电路的耐压的电压。

（变动的峰值较低的情况）

图3表示变动的峰值较低时的电动机驱动装置各部的信号波形图。相对于图3（A）所示的电动机相切换信号和图3（B）中用实线表示的驱动信号VGH1、VGL2以及用虚线表示的VGL1、VGH2，反相器47输出的电压VB成为图3（C）所示的波形。此外，直流电动机23的线圈的电感产生的反电动势引起的电流成为图3（D）所示的波形。在此，反电动势引起的电流P10的峰值较低，在电源端子VDD的电压中的图3（E）所示的变动P11的峰值是不到半导体集成电路的耐压Vth的电压。

根据图3（E）的变动P11，差动放大器41的输出电压成图3（F）所示，MOS晶体管M5流过图3（G）所示的波形的源极电流Io，并以使电源端子VDD的电压平坦的方式进行工作。

（变动的峰值较高的情况）

图4表示变动的峰值较高时的电动机驱动装置各部的信号波形图。相对于图4（A）所示的电动机相切换信号和图4（B）中用实线表示的驱动信号VGH1、VGL2以及用虚线表示的VGL1、VGH2，反相器47输出的电压VB成为图4（C）所示的波形。此外，直流电动机23的线圈的电感产生的反电动势引起的电流P20成为图4（D）所示的波形。在此，反电动势的电流P20的峰值较高，在电源端子VDD的电压中的图4（E）所示的变动的峰值会超过半导体集成电路的耐压Vth。然而，在变动的峰值超过半导体集成电路的耐压Vth前，从比较器51输出图4（G）所示的高电平的检测信号，接通MOS晶体管M5，电源端子VDD的电压被限制成不到半导体集成电路的耐压Vth。

由此，将电源端子VDD的电压被限制成不到图4（E）所示的耐压Vth，此外，差动放大器41的输出电压成图4（F）所示，MOS晶体管M5的栅极电压VG成为将图4（F）和图4（G）合成而得的图4（H）所示的波形。因此，MOS晶体管M5流过图4（I）所示的波形的源极电流Io，并以使电源端子VDD的电压平坦的方式进行工作。

如上所述，通过在被半导体集成电路化了的电动机驱动装置30内设置第一控制部40和第二控制部50，能够削减现有技术所需的齐纳二极管ZD1、ZD2和大容量的去耦电容器C2等外接部件。

另外，在上述的实施方式中，也可以构成为将反相器47输出的直流电动机23产生反电动势的期间以高电平表示的信号提供给比较器51的控制端子，使比较器51仅在反相器47输出为高电平的反电动势产生期间进行工作。

（电动机驱动装置的第二实施方式）

图5表示本发明的电动机控制装置的第二实施方式的结构图。在图5中，对与图1相同的部分赋予相同的符号。在该第二实施方式中，相对于图1第二控制部50的结构有所不同。

电动机驱动装置30整体被半导体集成电路化，电动机驱动装置30自身就是电动机驱动IC。将电动机驱动装置30安装在未图示的电气设备上来使用。该电气设备内的直流电源12的正极端子经由反向连接时的保护用二极管D1与端子14连接，直流电源12的负极端子与端子15连接。此外，端子14经由用于吸收电压变动的旁路电容器C1接地。

端子14、15与电动机驱动装置30的电源端子VDD和接地端子GND连接。电动机驱动装置30使用桥式结构的n沟道MOS晶体管M1～M4，两端连接在端子21、22之间的直流电动机23的线圈中流过电流，来驱动直流电动机23的旋转。

也就是说，交互地切换成第一状态和第二状态来驱动直流电动机23的旋转，其中，第一状态是接通MOS晶体管M1、M4，断开MOS晶体管M2、M3从而以端子21、22的方向在直流电动机23中流过电流的状态，第二状态是接通MOS晶体管M2、M3，断开MOS晶体管M1、M4从而以端子22、21的方向在直流电动机23中流过电流的状态。

另外，为了得到上述的切换定时，使用未图示的霍尔元件等旋转相位的检测元件。从该检测元件的检测信号生成提供给MOS晶体管M1、M4的栅极的驱动信号VGH1、VGL2和提供给MOS晶体管M2、M3的栅极的驱动信号VGL1、VGH2。另外，MOS晶体管M1、M2、M3、M4的后栅极分别与源极连接，从而在源极、漏极之间形成体二极管（寄生二极管）Di1、Di2、Di3、Di4，经过该体二极管向电源端子VDD提供反电动势引起的电流。MOS晶体管M1、M3的漏极与电源端子VDD即端子14连接，MOS晶体管M2、M4的源极直接接地或经由电阻器R5接地。

（第一控制部）

电动机驱动装置30除了桥式结构的MOS晶体管M1～M4外，还具有第一控制部40和第二控制部50。第一控制部40具有：在电源端子VDD和接地之间串联连接的电阻器R1、R2；在电阻器R1、R2的连接点连接了非反相输入端子的差动放大器41；连接了电阻器R1、R2的连接点和差动放大器41的反相输入端子之间的模拟开关42；设置在差动放大器41的反相输入端子和接地之间的电容器Cr；由延迟从端子43提供的信号TDEAD的四级反相器44～47和电流源48以及电容器Ct构成的波形整形部；以及n沟道MOS晶体管M5。

电流源48以及电容器Ct延迟反相器44的输出上升，反相器47的输出波形成为延迟信号TDEAD的下降沿的波形。由此，反相器47的输出波形是以高电平表示直流电动机23产生反电动势的反电动势产生期间的信号，并将其提供给差动放大器41和模拟开关42的控制端子，并且提供给比较器52和模拟开关53的控制端子。

当反相器47的输出信号为低电平时，接通模拟开关42，将通过电阻器R1、R2分压后的电源端子VDD的分压电压保持在电容器Cr中。当反相器47的输出信号为高电平时，断开模拟开关42，并将在电容器Cr中保持的分压电压提供给差动放大器41的反相输入端子。

当反相器47的输出信号为高电平时，差动放大器41进行比较动作。当电动机相切换信号为上升沿时或下降沿时，直流电动机23的线圈的电感产生反电动势，所以电源端子VDD的电压产生反电动势引起的变动。另外，在反相器47的输出波形为低电平的期间，在电容器Cr中保持电源端子VDD的分压电压，因此差动放大器41输出与反电动势引起的变动相同的电压波形。将差动放大器41的输出提供给n沟道MOS晶体管M5的栅极。MOS晶体管M5源极接地、漏极连接到电源端子VDD上。由此，MOS晶体管M5在电压VDD变动时通过流过源极电流Io来吸收上述电源端子VDD的电压变动，以使电源端子VDD的电压平坦的方式进行动作。

（第二控制部）

第二控制部50具有：在电源端子VDD和接地之间串联连接的电阻器R3、R4；在电阻器R3、R4的连接点连接了非反相输入端子的比较器52；连接在电阻器R3、R4的连接点和比较器52的反相输入端子之间的模拟开关53；以及设置在比较器52的反相输入端子与接地之间的电容器Cr2。

当反相器47的输出信号为低电平时，接通模拟开关53，将通过电阻器R3、R4分压后的电源端子VDD的分压电压保持在电容器Cr2中。当反相器47的输出信号为高电平时，断开模拟开关53，并将在电容器Cr2中保持的分压电压提供给比较器52的反相输入端子。

当反相器47的输出信号为高电平时，比较器52进行电源端子VDD的分压电压和电容器Cr2的保持电压的比较动作，当电源端子VDD的分压电压较高时，生成高电平的检测信号并将其提供给MOS晶体管M5的栅极。在从比较器52提供检测信号的期间接通MOS晶体管M5，来降低电源端子VDD电压。

由于比较器52与差动放大器41相比增益非常大，所以进行高速动作。因此，即使在电源端子VDD的电压变动的峰值变高、在差动放大器41中产生无法跟踪变动的峰值而无法吸收电压变动的情况下，也能高速地跟踪来接通MOS晶体管M5，从而能降低电源端子VDD的电压。

Claims (8)

1.一种电动机驱动装置，其是被提供电源来驱动直流电动机的半导体集成电路，其特征在于，该电动机驱动装置具有：

生成指示信号的信号生成部，该指示信号用于指示所述直流电动机产生反电动势的反电动势产生期间；

去除部，其在所述指示信号示出的反电动势产生期间，通过由直流电动机产生的反电动势来检测在电源电压中产生的电压变动，并从所述电源电压中去除检测到的所述电压变动；以及

限制部，其比所述去除部高速动作地将所述电源电压限制到预定电压以下。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述去除部将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行差动放大，来检测在所述电源电压中产生的电压变动，

所述限制部根据将所述电源电压和所述预定电压进行比较而得的比较结果来限制所述电源电压。

3.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述限制部根据将所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压和所述预定电压进行比较而得的比较结果来限制所述电源电压。

4.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述去除部将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行差动放大，来检测在所述电源电压中产生的电压变动，

所述限制部根据将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行比较而得的比较结果，来限制所述电源电压。

5.一种电动机驱动装置的控制方法，该电动机驱动装置是被提供电源来驱动直流电动机的半导体集成电路，其特征在于，

生成指示信号，该指示信号指示所述直流电动机产生反电动势的反电动势产生期间，

在所述指示信号示出的反电动势产生期间，通过由直流电动机产生的反电动势来检测在电源电压中产生的电压变动，并从所述电源电压中去除检测到的所述电压变动，

比所述电压变动的去除高速动作地将所述电源电压限制到预定电压以下。

6.根据权利要求5所述的电动机驱动装置的控制方法，其特征在于，

将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行差动放大，来进行所述电压变动的检测，

根据将所述电源电压和所述预定电压进行比较而得的比较结果，来进行所述电源电压的限制。

7.根据权利要求6所述的电动机驱动装置的控制方法，其特征在于，

根据将所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压和所述预定电压进行比较而得的比较结果，来进行所述电源电压的限制。

8.根据权利要求5所述的电动机驱动装置的控制方法，其特征在于，

将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行差动放大，来进行所述电压变动的检测，

根据将在所述指示信号示出的反电动势产生期间以外所保持的所述电源电压和所述指示信号示出的反电动势产生期间的所述电源电压进行比较而得的比较结果，来进行所述电源电压的限制。