CN1815872A - 不用霍尔式传感器而驱动三相无刷马达的马达驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明的马达驱动装置(1)中设有：比较三相无刷马达(21)的三相线圈端子(TU、TV、TW)的电压和中点端子(TN)的电压之高低的比较电路(3)；基于比较电路(3)的比较结果检出位置检出相的线圈电流成为0A的电流零安培检出电路(7)；以及在线圈电流成为0A后基于比较电路(3)的比较结果检出位置检出相的电压的零交越点的位置检出电路(8)。因而无需设置掩蔽其间而能准确检出零交越点。

Description

不用霍尔式传感器而驱动三相无刷马达的马达驱动装置

技术领域

本发明涉及马达驱动装置，尤其涉及不用霍尔式传感器而驱动三相无刷马达的马达驱动装置。

背景技术

一直以来，已知有不用霍尔式传感器而驱动三相无刷马达的马达驱动装置。该马达驱动装置中，利用因转子的旋转而在定子的线圈中发生的感应电压检出转子的旋转位置，以取代用霍尔式传感器检出转子的旋转位置，基于该检出结果向三相线圈施加每错开120度相位的三相PWM电压(例如参照日本特开2003-047280号公报)。

若更详细说明，则这种马达驱动装置中，按预定定时截断供给位置检出相的线圈的电流，在经过一定的掩蔽期间后检出位置检出相的线圈端子电压的零交越点，基于该检出结果向三相线圈施加三相PWM电压。设置一定的掩蔽期间是基于以下原因：为了检出线圈端子电压的零交越点需要将线圈电流设为0A，但截断供给线圈的电流其线圈电流也不会立即成为0A。

另一方面，在不降低旋转效率的情况下静悄地驱动三相无刷马达时，需要使一相的通电电角度由120度靠近180度。若一相的通电电角度由120度靠近180度，则可设定的掩蔽期间变短。而且马达的线圈常数变大时，线圈电流的衰减变迟，在检出零交越点之前不能使线圈电流成为0A。在这种情况下，不能准确检出零交越点，且难以进行马达控制。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供可准确检出零交越点的马达驱动装置。

本发明的马达驱动装置是不用霍尔式传感器而驱动三相无刷马达的马达驱动装置，其中设有：根据PWM信号，将相位错开的三相PWM电压供给各三相无刷马达的三相线圈端子的输出电路；比较三相线圈端子的各电压与三相线圈中点电压之高低的比较电路；基于比较电路的比较结果检出位置检出相的线圈电流成为0A的电流检出电路；响应由电流检出电路检出的位置检出相的线圈电流成为0A的情况，基于比较电路的比较结果检出位置检出相的电压的零交越点的位置检出电路；由位置检出电路检出零交越点后再经过预定时间之后截断流过下个位置检出相的线圈的电流的电流截断电路；以及基于位置检出电路的检出结果生成PWM信号的信号发生电路。

本发明的马达驱动装置中，在检出位置检出相的线圈电流实际成为0A后，检出位置检出相的电压的零交越点，因此无需设置掩蔽期间，也能准确检出零交越点。

本发明的上述以及其它目的、特征、局面及优点，通过以下参照附图说明的本发明相关的详细说明，当会更加清晰。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施例的马达驱动装置的结构的电路框图。

图2是表示图1所示的马达驱动装置的动作的时序图。

图3是表示图1所示的电流零安培检出电路的动作的电路图。

图4是表示图1所示的马达驱动装置的动作的一部分的流程图。

图5是表示图1所示的马达驱动装置的动作的另一部分的流程图。

图6是表示图4和图5所示的马达驱动装置的动作的时序图。

图7是表示本实施例的变更例的电路框图。

具体实施方式

图1是表示本发明的一个实施例的马达驱动装置1的结构的框图。图1中该马达驱动装置1包括：输出电路2、比较电路3、电流零安培(0A)检出电路7、位置检出电路8、无感驱动运算电路9、噪声降低用电流波形生成电路11、信号合成电路12及输出晶体管控制电路13，该马达驱动装置1不用霍尔式传感器而驱动三相无刷马达21。马达驱动装置1由一个IC形成。

三相无刷马达21包括定子22和在其周围自由旋转地设置的转子23。定子22包括Y接线的U相、V相及W相的线圈。U相、V相及W相的线圈的一个端分别与U相、V相及W相的线圈端子TU、TV、TW连接，它们的另一端与中点端子TN连接。转子23上沿着旋转方向，N极和P极交替配置多极(图中为4极)。若将按120度错开相位的三相PWM电压分别施加到U相、V相及W相的线圈，则生成旋转磁场，转子23根据该旋转磁场而旋转。马达21例如用作使个人计算机的硬盘高速旋转的主轴马达。

输出电路2包含N沟道MOS晶体管Q1～Q6及二极管D1～D6。N沟道MOS晶体管Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6分别在电源电压VCC的导线与接地电压GND的导线之间串联连接。N沟道MOS晶体管Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6之间的节点N1、N3、N5分别与三相无刷马达21的U相、V相及W相的线圈端子TU、TV、TW连接。二极管D1、D3、D5分别连接在节点N1、N3、N5与电源电压VCC的导线之间，二极管D2、D4、D6分别连接在接地电压GND的导线与节点N1、N3、N5之间。通过使N沟道MOS晶体管Q1～Q6按预定定时导通/截止，能够将直流电压VCC变换为三相PWM电压。还有，可取代N沟道MOS晶体管而使用P沟道MOS晶体管，将与供给N沟道MOS晶体管栅极的信号反相的信号或反转信号供给P沟道MOS晶体管栅极。

比较电路3包括三个比较器4～6。比较器4～6的+端子分别与三相无刷马达21的线圈端子TU、TV、TW连接，比较器4～6的-端子均与三相无刷马达21的中点端子TN连接。比较器4的输出信号φU在线圈端子TU的电压高于中点端子TN的电压时成为“H”电平，而线圈端子TU的电压低于中点端子TN的电压时成为“L”电平。

比较器5的输出信号φV在线圈端子TV的电压高于中点端子TN的电压时成为“H”电平，而线圈端子TV的电压低于中点端子TN的电压时成为“L”电平。比较器6的输出信号φW在线圈端子TW的电压高于中点端子TN的电压时成为“H”电平，而线圈端子TW的电压低于中点端子TN的电压时成为“L”电平。

电流零安培检出电路7基于比较器4～6的输出信号φU、φV、φW，检出位置检出相的线圈电流实际成为0A。这里位置检出相指的是U相、V相及W相中的位置检出对象的相，按U相、V相及W相的顺序依次变化。

位置检出电路8响应电流零安培检出电路7检出的位置检出相的线圈电流成为0A的情况，基于比较器4～6的输出信号φU、φV、φW，检出位置检出相的端子TU、TV或TW的电压的零交越点，输出表示检出结果的位置检出信号。

无感驱动运算电路9进行内装的计数器10的增加、初始值设定、置位、复位，并基于来自位置检出电路8的位置检出信号生成PWM信号。无感驱动运算电路9控制PWM信号，在最合适的定时截断位置检出相的电流。计数器10被电流零安培检出电路7、噪声降低用电流波形生成电路11、信号合成电路12所共用。

噪声降低用电流波形生成电路11与无感驱动运算电路9上生成的PWM信号同步，生成用以降低三相无刷马达21的噪声的电流波形。信号合成电路12将无感驱动运算电路9上生成的PWM信号与噪声降低用电流波形生成电路11上生成的电流波形合成。输出晶体管控制电路13根据信号合成电路12的输出信号，控制输出电路2的各晶体管Q1～Q6的导通/截止。从而，由输出电路2向三相无刷马达21供给三相PWM电压，转子23旋转。

图2(a)(b)(c)分别是表示U相、V相及W相的线圈的驱动电压VDU、VDV、VDW的波形的时序图，图2(d)(e)(f)分别是表示U相、V相及W相的线圈的感应电压VIU、VIV、VIW的波形的时序图，图2(g)(h)(i)分别是表示U相、V相及W相的线圈的驱动电流IU、IV、IW的波形的时序图。

图2(a)～(i)中com1～com6表示在电角度360度中流过三相线圈的驱动电流的状态，com1中驱动电流由U相的线圈经由中点流入V相的线圈，com2中驱动电流由U相的线圈经由中点流入W相的线圈，com3中驱动电流由V相的线圈经由中点流入W相的线圈，com4中驱动电流由V相的线圈经由中点流入U相的线圈，com5中驱动电流由W相的线圈经由中点流入U相的线圈，com6中驱动电流由W相的线圈经由中点流入V相的线圈。这样，通过改变驱动电流的路径来生成旋转磁场。

驱动电压VDU、VDV、VDW通过使输出电路2的各N沟道MOS晶体管Q1～Q6导通/截止来分别供给三相无刷马达23的三相线圈端子TU、TV、TW。一旦转子23旋转，就在三相线圈发生感应电压VIU、VIV、VIW。通过检出感应电压VIU、VIV、VIW的零交越点，能够检出转子23的位置。由于输出电路2的电源侧晶体管Q1、Q3、Q5和接地侧晶体管Q2、Q4、Q6均截止时出现的感应电压VIU、VIV、VIW的相位与驱动电压VDU、VDV、VDW的相位相同，通过检出驱动电压VDU、VDV、VDW的零交越点，能够检出转子23的位置。按照转子23的位置向三相线圈供给驱动电压VDU、VDV、VDW，能够使转子23旋转。

为检出驱动电压VDU、VDV、VDW的零交越点，有必要在之前截断驱动电流IU、IV、IW而设成0A。例如为了检出com5中驱动电压VDV的零交越点C，停止之前(B部)施加的驱动电压VDV截断驱动电流IV，需要将驱动电流IV设为0A。即使截断线圈的电流，电流也不会立即成为0A，因此本发明中用电流零安培检出电路7检出位置检出相的线圈电流成为0A，其后用位置检出电路8检出位置检出相的电压的零交越点。

接着，就检出位置检出相的线圈电流成为0A的方法进行说明。将位置检出相设为V相。如图3(a)所示，在图2的A部中，输出电路2的N沟道MOS晶体管Q2、Q3导通，驱动电流IV由电源电压VCC的导线经由N沟道MOS晶体管Q3、V相线圈端子TV、V相线圈、中点、U相线圈、U相线圈端子TU及N沟道MOS晶体管Q2流入接地电压GND的导线。这时由于电流IV流入V相线圈，在马达驱动电压内动作的比较器5不能检出零交越点。

于是，如图2的B部所示，使N沟道MOS晶体管Q2、Q3截止来截断驱动电流IV。即便截断驱动电流IV的供给，驱动电流IV也不会立即成为0A，如图3(b)所示，与在那之前流过的电流相同值的电流，由接地电压GND的导线经由二极管D4、V相线圈端子TV、V相线圈、中点、U相线圈、U相线圈端子TU及二极管D1流入电源电压VDD的导线。

这时，由中点看的V相线圈端子TV的电压成为负，比较器5的输出信号φV成为“L”电平。流入V相线圈的电流I0在静态时根据下式(1)，I＝0A。

I＝[exp(-t·R/L)-1]·E/R+I0·exp(-t·R/L)    ...(1)

其中，R为V相线圈的电阻值、L为V相线圈的阻抗、E为电压VCC/2。

若该电流I成为0A，则因V相线圈的感应电压VIV而比较器5的输出信号成为“H”电平。因而，驱动电流IV由V相线圈端子TV流入中点时，通过检出比较器5的输出信号φV由“L”电平上升为“H”电平的瞬间，能够检出电流I成为0A的瞬间。如果V相线圈的电流IV成为0A，就检出V相电压的零交越点C。如果检出V相电压的零交越点C，如图3(c)所示，使N沟道MOS晶体管Q1、Q4导通而再开始向V相线圈供电。

另外，若在图3(c)所示的状态下N沟道MOS晶体管Q1、Q4截止，电流由接地电压GND的导线经由二极管D2、U相线圈端子TU、U相线圈、中点、V相线圈、V相线圈端子TV及二极管D3流入电源电压VCC的导线。这时，从中点看的V相线圈端子TV的电压成为正，比较器5的输出信号φV成为“H”电平。流入V相线圈和U相线圈的电流I按照上式(1)衰减。若该电流I成为0A，则因V相线圈的感应电压VIV而比较器5的输出信号φV成为“L”电平。因而，在驱动电流IV由中点流入V相线圈端子TV时，通过检出比较器5的输出信号φV由“H”电平下降为“L”电平瞬间，能够检出电流I成为0A的瞬间。由于位置检出相为U相、W相的场合与V相的场合相同，不重复其说明。

图4和图5是表示图1所示的电流零安培检出电路7、位置检出电路8及无感驱动运算电路9的主要动作的流程图。设位置检出相为V相，在图6示出V相线圈的驱动电流IV、V相线圈的驱动电压VDV及比较器5的输出信号φV的波形。

图4～图6中，步骤S1中，将上次的零交越计数值(图6中为电角度60～120度之间的计数值)设为Tlast，将当前(图6中为电角度120度)的计数值T设为0，将电流截断角度的计数值设为Icut。步骤S2中判断计数器10的计数值T是否在Tlast-Icut以上，当不是T≥Tlast-Icut时在步骤S3中将计数值T增加(+1)后返回步骤S2，而当T≥Tlast-Icut时在步骤S4中截断相位检出相即V相的驱动电流IV。

在步骤S5中判断位置检出相即V相的线圈电流IV的方向是否为SINK侧(线圈电流IV是否为由中点流入线圈端子TV)，线圈电流IV的方向为SINK侧时进入步骤S6，而线圈电流IV的方向不是SINK侧时进入步骤S9。

在步骤S6中，判断比较器5的输出信号φV是否由“H”电平下降为“L”(线圈电流IV是否成为0A)，当信号φV由“H”电平下降为“L”时(线圈电流IV成为0A时)进入步骤S14，当信号φV不从“H”电平下降到“L”电平时(线圈电流IV不为0A时)进入步骤S7。在步骤S7中增加计数值T，在步骤S8中判断计数值T是否大于Tlast，当不是T＞Tlast时返回步骤S6，而T＞Tlast时进入步骤S12。

在步骤S9中，判断比较器5的输出信号φV是否由“L”电平上升为“H”电平(线圈电流IV是否为0A)，当信号φV由“L”电平上升为“H”时(线圈电流IV成为0A时)进入步骤S14，信号φV不从“L”电平上升为“H”电平时(线圈电流IV不为0A时)进入步骤S10。步骤S10中增加计数值T，在步骤S11中判断计数值T是否大于Tlast，当不是T＞Tlast时返回步骤S9，而T＞Tlast时进入步骤S12。

在步骤S12中，因某些原因实际未检出零交越点，但因马达21的继续运转而看成检出了零交越点。在步骤S13中，将Icut的值维持在θ后进入图4的步骤S20。

在步骤S14中，判断计数值T是否小于Tlast-α，当不是T＜Tlast-α时线圈电流IV过迟成为0A，因此在步骤S15中Icut的值仅增大γ，当T＜Tlast-α时进入步骤S16。在步骤S16中，判断计数值T是否大于Tlast-β(其中，Tlast＞＞β＞θ＞α，β＞＞γ)，当不是T＞Tlast-β时，线圈电流IV过早变为0A，因此在步骤S17中使Icut的值仅减小γ，当T＞Tlast-β时进入步骤S18。通过步骤S14～S17，使截断线圈电流IV的定时最优化，在线圈电流IV自然成为0A的定时，线圈电流IV被截断。从而，U相和W相的线圈电流IU、IW的变形消失，马达21的噪声得到改善。还有，图6中在线圈电流IV自然成为0A之前截断线圈电流IV(B)，在线圈电流IV的A部产生变形，发生噪声。

在步骤S18中，判断是否存在线圈驱动电压VDV的零交越点(判断比较器5的输出信号φV是否由“H”电平下降为“L”电平)，当没有零交越点时在步骤S19中增加计数值T后返回步骤S18，在存在零交越点时进入步骤S20。在步骤S20中，当存在零交越点时的计数值T设为新的Tlast，将计数值T复位到0后返回步骤S2。

本实施例中，按预定定时(T＝Tlast-Icut)截断对位置检出相的线圈的供电，检出线圈电流实际成为0A之后，检出位置检出相的电压的零交越点。因而，无需设置掩蔽期间而能准确地检出零交越点。

另外，调整截断对线圈供电的定时，在线圈电流自然成为0A的定时截断供电，因此强制截断供电而在其它相的线圈电流上产生变形，能够防止发生噪声。

图7是表示本实施例的变更例的电路框图。图7中该马达驱动装置30与图1的马达驱动装置1的不同点在于增加了中点电压发生电路31。中点电压发生电路31包含相同电阻值的三个电阻元件32～34。电阻元件32～34的一个端子与三相无刷马达21的3个线圈端子TU、TV、TW分别连接，电阻元件32～34的另一端子共同连接到节点N31上。节点N31上发生与三相线圈的中点相同的电压。节点N31与比较器4～6的-端子连接。该变更例中，得到与图1的马达驱动装置1相同的效果，此外马达21与马达驱动装置之间的布线数减少一条也可。

这里公开的实施例所有方面仅为例示并不限制本发明。本发明的范围并不是上述的说明，而由权利要所表示，其包括与权利要求相等范围内的所有变更。

Claims (5)

1.一种不用霍尔式传感器而驱动三相无刷马达的马达驱动装置，其中设有：

根据PWM信号，将相位错开的三相PWM电压供给各所述三相无刷马达的三相线圈端子的输出电路；

比较所述三相线圈端子的各电压与三相线圈中点电压之高低的比较电路；

基于所述比较电路的比较结果检出位置检出相的线圈电流成为0A的电流检出电路；

响应由所述电流检出电路检出的所述位置检出相的线圈电流成为0A的情况，基于所述比较电路的比较结果检出所述位置检出相的电压的零交越点的位置检出电路；

由所述位置检出电路检出零交越点后再经过预定时间之后截断流过下个位置检出相的线圈的电流的电流截断电路；以及

基于所述位置检出电路的检出结果生成所述PWM信号的信号发生电路。

2.如权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于：

所述电流检出电路，在所述位置检出相的线圈电流由所述位置检出相的线圈端子流向所述中点的方向时，用所述电流截断电路截断所述位置检出相的电流后，根据所述位置检出相的线圈端子的电压由低于所述中点电压的电压变化到高于所述中点电压的电压的情况，判断所述位置检出相的线圈电流成为0A，

而所述位置检出相的线圈电流由所述中点流向所述位置检出相的线圈端子的方向时，用所述电流截断电路截断所述位置检出相的电流后，根据所述位置检出相的线圈端子的电压由高于所述中点电压的电压变化到低于所述中点电压的电压的情况，判断所述位置检出相的线圈电流成为0A。

3.如权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于：

还设有调整所述预定时间的调整电路，使由所述电流截断电路截断所述位置检出相的线圈电流的时刻与由所述电流检出电路检出所述位置检出相的线圈电流成为0A的时刻一致。

4.如权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于：

所述电流截断电路在由上次的零交越点经过的时间超过上上次的零交越点和上次的交越点之间的时间时，开始所述预定时间的计时。

5.如权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于：

还设有基于所述三相线圈端子的电压，生成所述中点电压后供给所述比较电路的中点电压发生电路。

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