JP2004519183A - ブラシレスdcモータのための駆動回路 - Google Patents
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Abstract
Description
発明の背景
1.発明の分野
本発明は包括的に、ブラシレスDCモータに関し、より具体的にはブラシレスDCモータのための駆動回路に関する。
【0002】
2.背景の説明
ブラシレスDCモータは、概ね2つの主なステージ、すなわちプレドライバステージおよび実際のドライバステージからなる。実際のドライバステージは双極あるいは単極の場合がある。双極ドライバステージは、フルブリッジ構造に配列された4つのスイッチング素子、たとえば電界効果トランジスタ(FET)あるいはバイポーラ接合トランジスタ(BJT)からなる。スイッチング素子は、互いに対して対角線上に配置されたスイッチング素子が同時にオンするようにプレドライバステージによって生成される相補的なパルスによって駆動される。単極ドライバステージは、ハーフブリッジ構造に配列され、一度にその一方のみがオンする2つのスイッチング素子からなる。
【0003】
プレドライバステージは、ホールセンサからの出力に応答して、ドライバステージのための相補的なパルスを生成する個別の集積回路(IC)からなる。ファンの場合、ホールセンサは、ファンのターニングインペラに収容される磁石によって切り替えられる。ファンのインペラあるいはモータが最大回転しているときには必ず、ホールセンサの出力が、ある論理状態(たとえば、論理ローあるいは論理ハイ)から相補的な論理状態に切り替わるように、インペラ磁石の磁界がホールセンサの位置に対して変化する。こうして、ドライバステージの出力からプレドライバステージに戻される閉ループが効果的に形成される。
【0004】
ドライバステージの出力からプレドライバステージへの閉ループによって、ファンは本質的に自給状態で回転できるようになる。しかしながら、正確に、かつ非常に重要なのは安全に動作させるために、ファンが補助を必要とする状態もある。たとえば、ファンのインペラが何らかの理由でディセーブルされる「ロータロック」状態では、ドライバステージのスイッチング素子を焼損しないようにするために、ファンは自力でオフしなければならない。所定の時間t秒が経過した後、ファンは、ファンインペラが再び自由に回転し始めることができるか否かを判定しなければならない。ファンは、プレドライバステージの1つの出力をオンし、インペラが回転するのを待つことにより、この目的を果たす。インペラが所定の時間内に回転し始めない場合には、プレドライバの出力は再びオフにされる。ファンはt秒毎にこのサイクルを繰り返す。再始動サイクルのためのタイミングは、プレドライバICの外部にある抵抗−コンデンサ回路網によって与えられる。
【0005】
ファンの適当な動作を確保するために他の機構が実装されている。たとえば、ファンが所定の時間よりも長い間、ロータロック状態にあるときには必ず、アラームを発生させることができる。別法では、ファンがある特定のRPM閾値レベルより低い速度で動作しているときには必ず、アラームを発生させることができる。これらの状態のいずれかにおいてアラームを発生させるために、再び外部回路が必要とされる。
【0006】
ファンの別の機構は、ファンがその動作の起動モード中に高い突入電流を引き込む傾向があることに関係する。この傾向を打ち消すために、外部回路がパルス幅変調された(PWM)信号を生成し、起動中の動作のいわゆる「チョッピングモード」において、プレドライバおよびドライバステージの動作をイネーブルあるいはディセーブルする。突入電流をチョッピングする効果は、ファンあるいはモータが最高速度に達するまで、ファンあるいはモータを始動させるだけの十分な電流をファンあるいはモータに供給するために、起動時間中に電流の流量を抑制することである。
【0007】
ファンモータを含むブラシレスDCモータを制御するために、外部回路とともに個別のICを設けることが当分野において知られている。Karwath他に付与された「Driver Circuit for Brushless DC Motor」というタイトルの米国特許第5,583,404号は、「ロータロック」状態を検査し、限られた時間モータへの電流の供給を遮断し、そのような状況においてアラーム機能を起動し、かつ所定の時間が経過した後に再始動を試みる一般的概念を教示する。さらにその特許は、電源投入時の電流サージを防ぐために、ブラシレスモータの起動モード中に段階的に上昇する電流を使用することも教示する。
【0008】
Young他に付与された「Single Phase Motor for Laundering Apparatus」というタイトルの米国特許第5,838,127号は、モータの固定アセンブリに対するモータの回転可能アセンブリの角度位置を検出し、検出された位置の関数として制御信号を生成し、回転の方向を反転させるためにポジションセンサを利用する一般的概念を開示する。
【0009】
Brownに付与された「Electronically Programmable Universal Brushless DC Fan with Integral Tracking and Locked Rotor Protection」というタイトルの米国特許第4,656,553号は、電圧レギュレータのような整流検出素子を用いて、ファン速度を判定し、かつ起動状態中あるいはロータロック状態時にファンへの電流を制限する概念を開示する。
【0010】
Leに付与された「IC Controller for Brushless DC Motor」というタイトルの米国特許第5,258,696号は、ブラシレスDCファンモータのためのシングルICチップドライバを用いる概念を開示し、ICドライバへの入力はステータの巻線に対するロータの位置を表す信号からなり、整流コマンドを生成し、モータのステータ巻線への電力を整流し、モータを駆動するためにICドライバによって用いられる。同様に、Leに付与された「Digital Motor Controller」というタイトルの米国特許第5,350,988号は同じ概念を開示し、ステータに対するロータのアナログ位置信号がデジタルデータに変換され、デジタルコントローラによって処理される。
【0011】
Itoh他に付与された「Microcomputer with Motor Controller Circuit」というタイトルの米国特許第5,013,985号(‘985特許)は、モータコントローラ回路とともに、シングルチップの、CPUを有するマイクロコンピュータと、リードオンリーメモリ(ROM)と、ランダムアクセスメモリ(RAM)とを用いることを示唆する。しかしながら、‘985特許は、モータのためのドライバ回路としてマイクロコンピュータを用いることを示唆しない。代わりに、マイクロコンピュータは、3相インバータ波形を生成するために、モータコントローラ回路に信号を供給する。いずれも、ブラシレスDCファンの適当な動作を確保するために、上記の機構のうちの任意のものを用いることを示唆しない。
【0012】
Ishikuraに付与された「Motor Control Unit Provided with Anti−Burning Device」というタイトルの米国特許第5,317,244号は、モータの回転速度が所定のレベル未満に降下する場合、すなわち「ロータロック」状態が発生した場合に、電流がモータに供給される時間を制限することにより回路の焼損を防ぐための能力を有するモータコントローラを記載する。同様に、Sakurai他に付与された「Method and Apparatus for Controlling Brushless DC Motor」というタイトルの米国特許第5,327,052号は、ロータ位置を読み取り、算出して、ロータが回転するまで所定の率でDCモータへの駆動電流を増加することにより、ブラシレスDCモータの起動モード中に段階的に増加する電流を供給するための方法を記載する。同様に、ブラシレスおよびセンサレスDCモータの「チョッピングモード」動作が、Carobolante他に付与された「Method and Apparatus for Starting a Brushless DC Motor」というタイトルの米国特許第5,350,984号に記載される。
【0013】
外部回路とともに個別のICを用いてこれらの機構を実装することに関連して非常に大きな問題点がある。個別のICを用いる際に、設計者は特定の個別のICのパラメータによって拘束され、個別のICがロータロック状態の場合の再始動タイミングインターバルを変更するための能力を提供する場合には、この再始動タイミングインターバルを変更する際の自由度が制限される。顧客は、ファンが温度状態、速度および電流消費に関連するデータを生成することを望む場合がある。ファンによって生成される信号は、顧客のインターフェースと通信するために変更されることが必要な場合があるが、外部回路とともに用いられる個別のICは、ファンによって生成されるデータ信号に変化に対応できない。また顧客は、後に開発された機構および改良を取り込むために、自分のファンをアップグレードできることを望む場合がある。個別のICドライバを用いる場合、顧客は、その購入したファンの構成を備える機構に制限され、任意の後に開発された機構あるいは改良の利益を得るためには、新たなファンを購入しなければならない。
【0014】
外部回路とともに個別のICを用いてこれらの機構を実装することに関連する別の大きな問題点は、種々の顧客の異なる要件にしたがってファンおよびモータを製造することに伴う複雑さと効率の悪さである。ファンおよびモータの製造業者は、多数の異なるドライバ構成に対応することができることが必要な場合がある。たとえば、全ての個別のICドライバが同じ機構を提供するわけではなく、個別のICによって提供されない機構を提供するために外部回路が必要とされる。さらに、各顧客は、ある特定の個別のICによって提供される全ての機構が必要とは限らない場合があり、各顧客がある特定の個別のICによって提供される全ての機構を必要とする場合であっても、それらの機構のパラメータが顧客によって変更される場合がある。結果として、個別のICが用いられるとき、ドライバステージのための多数の物理的な構成は避けられない。
【0015】
したがって、当分野において、ブラシレスDCモータのための多数の異なる個別のドライバ構成を、ブラシレスDCモータのための機構のカスタマイズされた組み合わせを顧客に提供するように適合可能な単一のドライバ構成と置き換えることが必要とされる。
【0016】
概要
本発明は、ブラシレスDCモータのための機構のカスタマイズされた組み合わせを顧客に提供するように適合可能な単一のドライバ構成のための要件を満たすシステムおよび方法に向けられる。
【0017】
本発明の一実施形態によれば、上記モータの少なくとも1つの動作機構を制御し、少なくとも1つの機構が、その機構の所望の動作を定義する少なくとも1つのパラメータを利用する、ブラシレスDCモータのための駆動回路は、ステータコイルに電流を供給するためのドライバステージと、上記少なくとも1つのパラメータを変更するために上記ドライバステージに接続される手段とを備える。変更するための手段は、ブラシレスDCモータの物理的な構成を変更することなく、1つあるいは複数のパラメータを変更する場合がある。変更するための手段は、上記少なくとも1つの上記パラメータを入力するための入力手段を含む場合がある。パラメータを変更するための手段は、動作機構を制御するために、ソフトウェアプログラム命令を実行するマイクロコントローラを備える場合がある。
【0018】
1つの動作機構は、モータの起動時にブラシレスDCモータによって引き込まされる突入電流を制限することを含む場合があり、そのパラメータは、上記突入電流のための基準閾値か、あるいは上記突入電流を表す電圧が減算される比較値を含む場合がある。
【0019】
別の動作機構は、アナログ電圧を用いる上記ブラシレスDCモータの速度制御を含む場合があり、そのパラメータは、上記モータの速度のための基準閾値を含む場合がある。
【0020】
さらに別の動作機構は、アラーム信号を生成することを含む場合があり、そのパラメータは、上記DCモータの速度のための閾値レベルか、カウンタに格納される値か、あるいは上記アラームを生成するための時刻を指示する値を含む場合がある。
【0021】
さらに別の動作機構は、ロータロック状態を判定することを含み、そのパラメータは、上記カウンタに格納される値を含む場合がある。
【0022】
さらに別の動作機構は、ロータロック状態を検出するのに応答して、アラームを生成することを含む場合があり、そのパラメータは、カウンタに格納される値を含む場合がある。
【0023】
別の動作機構は、ロータロック状態を検出した後に上記モータを再始動することを含む場合があり、そのパラメータは、カウンタに格納される値を含む場合がある。
【0024】
本発明の別の実施形態によれば、上記モータの多数の実現可能な動作機構のうちの少なくとも1つを制御する、ブラシレスDCモータのための駆動回路は、ステータコイルに電流を供給するためのドライバステージと、上記モータの上記多数の実現可能な動作機構のいずれが制御されるかを変更するための手段とを備える。
【0025】
上記モータの実現可能な動作機構は、パルス幅変調された信号を用いる上記モータの速度制御、アナログ電圧を用いる上記モータの速度制御、上記モータの起動時に上記モータによって引き込まれる突入電流を制限すること、上記モータの速度が閾値レベル未満になる場合にアラーム信号を生成すること、およびロータロック状態を検出すること、ロータロック状態を検出するのに応答してアラームを生成すること、ロータロック状態を検出した後に上記モータを再始動することを含む。
【0026】
本発明の上記の、および他の機構、態様および利点は、添付の図面とともに以下の説明を読むことから明らかになるであろう。なお、図面においては、類似の参照番号は同じ素子を指示する。
【0027】
[好ましい実施形態の説明]
図1および図2は、本発明の一実施形態による、全体として100で示されるブラシレスDCモータのそれぞれ簡略化されたブロック図および概略図を示す。モータ100は、出力12を有するホールセンサ10と、相補的な出力30および40を有するマイクロコントローラ20と、ステータコイル50と、スイッチSW1およびSW2とを含む。図1に示されるブロック図では、スイッチSW1およびSW2は、フルブリッジドライバステージにおいて同時にオンになる2つのスイッチを含む。図2に示される概略図では、図1のスイッチSW1およびSW2はスイッチ60および70あるいはスイッチ80および90によって表される。本発明による好ましい実施形態では、ホールセンサ10は製造部品番号UA3175の素子を含み、マイクロコントローラ20は製造部品番号12C671の素子を含む。
【0028】
図1および図2に示されるブラシレスDCモータのための1つの応用形態は、電子回路を冷却するために用いられるタイプのファンにある。そのブラシレスDCファンは、いわゆるブラシレスDCモータによって駆動されるファンであり、インペラハウジング(図示せず)に取り付けられるインペラをさらに含む。ファンのインペラは、スイッチSW1、ステータコイル50およびスイッチSW2を通って電流が流れるときに回転できるようになる。インペラの回転方向、すなわち時計方向あるいは反時計方向は、スイッチSW1、ステータコイル50およびスイッチSW2を通って流れる電流の方向によって決定される。
【0029】
インペラハウジングは、ブラシレスDCファンのための磁界を生成する永久磁石を含む。ホールセンサ10は、ブラシレスDCファンのインペラが永久磁石に関連して回転する際に生成される磁界の状態の変化を検出する。インペラが時計方向あるいは反時計方向のいずれかの回転の極限に達するとき、ホールセンサ10は、ブラシレスDCファンの磁界の状態の変化を検出し、ホールセンサの出力12がその論理状態を変更する。
【0030】
ホールセンサ10の出力12はマイクロコントローラ20に与えられ、マイクロコントローラ20の出力30および40の状態はホールセンサ10の出力12の関数になる。したがって、本発明の一実施形態によれば、マイクロコントローラ20がホールセンサ10の出力12の変化を検出するときには必ず、マイクロコントローラ20はその出力30および40を相補的に変化させる。たとえば、ホールセンサ10の出力12が論理ハイである場合には、マイクロコントローラ20によって、出力30は論理ローから論理ハイに遷移できるようになり、同時に出力40は論理ハイから論理ローに遷移できるようになる。マイクロコントローラ20の出力30および40と、ホールセンサ10の出力12との間の特有の関係は、特定のブラシレスDCモータあるいはファンの要件に一致するように変更されることができることは当業者には理解されよう。
【0031】
本発明の一実施形態によれば、マイクロコントローラ20は、本明細書ではさらに記載されることはないが、当分野においてよく知られている技術にしたがって実行されるソフトウェアプログラム命令にしたがって、その出力30および40の状態を変化させる。本発明の一実施形態によれば、マイクロコントローラ20は、図3に示される流れ図にしたがってソフトウェアプログラム命令を実行することにより、ブラシレスDCモータの整流を達成する。「ロータロック」状態は、図3のステップと同時に検出されることができる。図3は、図1および図2に示されるブラシレスDCモータの整流を記述する流れ図を示す。図1および図3を参照すると、ステップ201〜212によれば、図1のホールセンサ10の出力信号12は、ブラシレスDCモータのスイッチSW1およびSW2を駆動する出力30および40を与えるために、マイクロコントローラ20によって用いられる。ステップ201では、マイクロコントローラ20が、ホールセンサ10の出力12の状態を検査する。ステップ202では、マイクロコントローラ20は、ホールセンサ10の出力12が論理ハイ状態であるか否かを判定する。論理ハイ状態である場合には、ステップ203において、マイクロコントローラ20によって、出力30の論理状態がハイに移行できるようになる。ステップ204および205では、マイクロコントローラ20は、ホールセンサ10の出力12の論理状態を引き続き検査する。マイクロコントローラ20がステップ204および205を実行する間に、出力30に対応する遅延カウンタがデクリメントされる。いったん、ホールセンサ10の出力12がその論理状態をハイからローに変更すると、ステップ206においてマイクロコントローラ20はその出力30をクリアし、出力30のための遅延カウンタをリロードする。遅延カウンタに格納される値の大きさ、それゆえステップ207における遅延の持続時間は、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令を単に編集することにより変更することができるパラメータである。何らかの理由により、遅延カウンタが0までデクリメントされる前に、ホールセンサ10の出力12の論理状態がハイからローに変化しない場合には、遅延カウンタは「ロールオーバ」し、マイクロコントローラ20は、本明細書においてさらに記載されるように、「ロータロック」状態の場合のソフトウェアプログラム命令を実行するであろう。当業者にはよく知られているように、カウンタの内容が00hからFFhにデクリメントされるときに、カウンタは「ロールオーバ」する。
【0032】
いったん、ホールセンサ10の出力12がその論理状態をハイからローに変更すると、ステップ208において、マイクロコントローラ20によって、出力40の論理状態がハイに移行する。ステップ209および210では、マイクロコントローラ20は、ホールセンサ10の出力12の論理状態を引き続き検査する。マイクロコントローラ20がステップ209および210を実行する間に、出力40に対応する遅延カウンタがデクリメントされる。いったん、ホールセンサ10の出力12がその論理状態をローからハイに変更すると、ステップ211においてマイクロコントローラ20はその出力40をクリアし、出力40のための遅延カウンタをリロードする。遅延カウンタに格納される値の大きさ、それゆえステップ212における遅延の持続時間は、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令を単に編集することにより変更することができるパラメータである。何らかの理由により、遅延カウンタが0までデクリメントされる前に、ホールセンサ10の出力12の論理状態がローからハイに変化しない場合には、遅延カウンタは「ロールオーバ」し、マイクロコントローラ20は、本明細書においてさらに記載されるように、「ロータロック」状態の場合のソフトウェアプログラム命令を実行するであろう。
【0033】
本発明の別の実施形態によれば、可変抵抗、電流検出抵抗、サーミスタあるいは他の電圧源のようなアナログ信号源が、マイクロコントローラ20のアナログ/デジタル(A/D)入力14に接続され、突入電流制限あるいはアナログ速度制御を達成することができる。0Vより高いアナログ電圧がマイクロコントローラ20のA/D入力14上で得られたときは必ず、マイクロコントローラ20によって実行されているソフトウェアプログラム命令は、出力30および40がオフにされるプログラムサブルーチンを呼び出す。得られたアナログ電圧の大きさに応じて遅延値が生成され、遅延レジスタにロードされる。遅延レジスタがロールオーバした後に、マイクロコントローラ20は出力30および40をオンにし、ソフトウェアプログラム命令は、マイクロコントローラ20の制御を、メイン整流プログラムに戻す。これはアナログ速度制御を達成する。
【0034】
ブラシレスDCモータに突入電流制限を提供するために、電流検出抵抗R1を、マイクロコントローラ20の汎用入力/出力(GPIO)ポート5(ピン2)においてA/D入力14に接続することができる。突入電流のための所定の閾値が超えられるとき、マイクロコントローラ20は、アナログ速度制御に関連する上記の同じプログラムサブルーチンを実行する。突入電流に大きさに対応する二値が遅延レジスタにロードされ、出力30および40がオンするのを遅らせ、それにより電流制限機能を実現する。
【0035】
図4は、図1および図2に示されるブラシレスDCモータの突入電流制限およびアナログ速度制御の動作を記述する流れ図を示す。図4に示される流れ図によって記述されるソフトウェアプログラム命令によれば、ステップ301において、マイクロコントローラ20はある値を基準閾値レジスタに、別の値を「比較」レジスタにロードする。ステップ302では、マイクロコントローラ20は、マイクロコントローラ20のA/D入力14においてアナログ信号源によって与えられるアナログ電圧のA/D変換を実行する。ステップ303では、マイクロコントローラ20は、そのA/D入力14において得られるアナログ電圧が基準閾値レジスタ内の所定の閾値を超えるか否かを判定する。超えていない場合には、マイクロコントローラ20は、そのA/D入力において得られるアナログ電圧のA/D変換を実行し続ける。得られた電圧が閾値を超える場合には、ステップ304において、マイクロコントローラ20は出力30および40をオフにする。ステップ305において、マイクロコントローラ20は、比較レジスタに格納される値から、そのA/D入力において得られた値を差し引く。その差は補数をとられ、その結果が遅延レジスタにロードされる。ステップ306および307では、遅延レジスタがデクリメントされ、ステップ308では、遅延レジスタが0までデクリメントされるとき、出力30および40がオンにされる。いったん、ステップ308において、出力30および40がオンにされると、マイクロコントローラは、ステップ302において、そのA/D入力において得られたアナログ電圧のA/D変換を再開する。
【0036】
突入電流制限を達成するための典型的なサブルーチンのためのソースコードが表1に示される。ステップ301における突入電流のための基準閾値の大きさは、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令を単に編集することにより変更されることができるパラメータである。たとえば、突入電流のための基準閾値は、表1のソースコードの第1行において設定される。基準閾値レジスタが16進値1Fhをロードされる場合には、電流検出抵抗内に流れる最大限許容可能な電流は1Aである。閾値レジスタが16進値0Fhをロードされる場合には、電流検出抵抗内に流れる最大限許容可能な電流は0.5Aである。電流制限機能の変更を実施するために、それ以外のソースコードの行が変更される必要はない。本発明の一実施形態によれば、マイクロコントローラ20のためのソフトウェアプログラム命令は、マイクロコントローラ20のA/D入力において得られたアナログ電圧が大きい場合には、マイクロコントローラ20の出力30および40が、より長い時間オフにされるようになされる。逆に、マイクロコントローラ20のA/D入力において得られたアナログ電圧が小さい場合には、マイクロコントローラ20の出力30および40は、より短い時間オフにされるであろう。したがって、遅延レジスタに格納される遅延値は、マイクロコントローラ20の出力30および40に伝送されるデューティ比を構成し、マイクロコントローラ20の出力30および40は、電流検出抵抗内に流れる電流の大きさに応じてパルス幅変調される。
【0037】
【表1】
動作用レジスタをロードする
基準閾値レジスタにコピーする
出力30をオフにする
出力40をオフにする
wに定数をコピーする
比較レジスタから定数を差し引く
再び「比較」レジスタに戻す
「比較」レジスタ内の定数の補数をとる
wに戻る
そこから遅延レジスタに移動する
遅延値をデクリメントする
ホールセンサ状態を読み取る
ホール出力ロー
wに定数をコピーする
A/D基準値を必要とする
出力30をオンにする
wに定数をコピーする
A/D基準値を必要とする
出力40をオンにする
メインルーチンに戻る
【0038】
本発明のさらに別の実施形態によれば、マイクロコントローラ20は、ソフトウェアプログラム命令を実行し、パルス幅変調された(PWM)信号を用いてブラシレスDCモータの速度制御を達成する。PWM信号の周波数およびデューティ比が、ブラシレスDCモータ、それゆえファンの速度を決定する。図5は、図1および図2に示されるブラシレスDCモータのパルス幅変調された速度制御の動作を記述する流れ図を示す。図5を参照すると、標準的な整流中およびロータロック動作中に、ステップ401において、マイクロコントローラ20はその汎用入力/出力(GPIO)ポートの所定のポートにおいて論理状態を読み取り、その論理状態がローであるか否かを判定する。図2に示される実施形態では、マイクロコントローラ20は、PWM速度制御のために用いられるGPIOポート3(GPIO3)(ピン4)を有する製造部品番号12C71マイクロコントローラからなる。再び図5を参照すると、GPIO3においてローが発生するときには必ず、ステップ402において、ソフトウェアプログラム命令は、マイクロコントローラ20に両方の出力30および40をオフにするように指示する。マイクロコントローラ20は、GPIO3の論理レベルを検査し続け、その論理状態がローのままである限り、その出力30および40をオフにしておく。GPIO3の論理レベルがハイに移行するとき、ステップ404において、マイクロコントローラ20は、ホールセンサ10の出力12の論理状態を判定し、出力30および40のいずれがオンにされることになるかを判定する。ホールセンサ10の出力12の論理状態がハイである場合には、マイクロコントローラ20は、第1の出力、たとえば出力30をオンにし、ブラシレスDCファンの整流を再開する。逆に、ホールセンサ10の出力12の論理状態がローである場合には、マイクロコントローラ20は、第2の出力、たとえば出力40をオンにし、ブラシレスDCファンの整流を再開する。このようにして、PWM信号を利用することは、GPIO3における専用の速度制御入力のために適しており、理想的である。PWM速度制御を達成するための典型的なサブルーチンのためのソースコードが表2に示される。
【0039】
【表2】
FET1をオフにする
速度制御入力が依然としてローか?
そのプロセスを繰り返す
ホールセンサがハイか?
FET1をオンにするために移行する
FET0をオンにする
標準的なルーチンのサブルーチンにおいてホールセンサを検査し続ける
FET2をオフにする
速度制御入力が依然としてローか?
そのプロセスを繰り返す
ホールセンサがローか?
出力0をオフにするために移行し、FET0をオンにする
FET1をオンにする
標準的なルーチンのサブルーチンにおいてホールセンサを検査し続ける
【0040】
本発明のさらに別の実施形態によれば、ブラシレスDCファンの標準的な整流中に、所定の時間が経過した後に、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令によって、マイクロコントローラ20はアラームサブルーチンプログラムを定期的に呼び出すことができる。この所定の時間は、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令を単に編集することにより変更することができるパラメータである。好ましい実施形態では、ホールセンサ10の出力12のハイレベルからローレベルへの論理状態の変化は、ブラシレスDCファンが標準的な速度で回転しているときに、4ミリ秒毎に割込みを生成し、それにより、マイクロコントローラ20のためのソフトウェアプログラム命令はアラームサブルーチンプログラムを呼び出せるようになる。アラームサブルーチンプログラムは、予めロードされているカウンタをデクリメントする。カウンタがロールオーバする場合には、マイクロコントローラ20によって、アラームをリセットするための命令が実行される。
【0041】
割込みを生成するのと同時に、ソフトウェアプログラム命令によって、マイクロコントローラ20は16進値を有する独立のタイマをロードできるようになる。図6は、図1および図2に示されるブラシレスDCモータの低速アラームの動作を記述する流れ図を示す。図6を参照すると、ステップ501では割込みが生成され、ステップ502では、マイクロコントローラ20が、16進値を有し、「タイマ0」と分類されるタイマをロードする。タイマ0に格納される値の大きさ、それゆえステップ502のタイマの持続時間は、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令を単に編集することにより変更することができるパラメータである。16進値を有するタイマをロードするための典型的なサブルーチンのためのソースコードが表3に示される。
【0042】
【表3】
GPIO割込みフラグビットをクリアする(この割込みはホールセンサによって生成される)
wレジスタの内容をセーブする
wに状態レジスタをコピーする
望ましいバンクが確実に選択されるようにする
状態レジスタの内容をセーブする
wレジスタをロードする(この定数は低速アラームトリップポイントを決定する)
1200RPMのトリップポイントのためにタイマ0にwをコピーする
status_tempレジスタをwにスワップする(バンクを元の状態に戻すために)
その状態の内容をそのサブルーチンに向かう前の状態に復元する
状態レジスタに影響を及ぼすことなく「w」レジスタをスワップし、ロードする
【0043】
ブラシレスDCファンの速度が標準的である場合には、タイマ0はロールオーバしないが、代わりに、ホールセンサ10の出力12の遷移による次の割込みの生成によってリセットされる。たとえば、低速あるいはロータロック状態に起因して、ホールセンサ10の出力12が禁止される場合には、ホールセンサ10の出力12の立ち下がり遷移によって、タイマをリセットするための割込みは生成されず、タイマはリセットされない。結果として、タイマはロールオーバし、自らの割込みを生成し、それによりマイクロコントローラ20は低速アラームサブルーチンのための命令を実行できるようになる。再び図6を参照すると、ステップ503および504では、マイクロコントローラ20はカウンタ4と分類される遅延カウンタをデクリメントし、カウンタ4内の値が0になったか否かを判定する。0でない場合には、そのプログラムはメイン整流ルーチンに戻る。いったん、カウンタ4内の値が0に達したなら、ステップ505において、マイクロコントローラ20のアラーム出力の論理状態がローに移行し、アラーム状態を指示する。ソフトウェアプログラム命令は、ステップ505において、マイクロコントローラ20のアラーム出力の論理状態がハイに移行し、アラーム状態を指示するようにもできることは当業者には理解されよう。したがって、低速アラームは直ちに設定されず、カウンタ4が、アラームが起動される前に所定の遅延を与える。カウンタ4に格納される値の大きさ、それゆえステップ503および504における遅延の持続時間は、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令を単に編集することにより変更することができるパラメータである。典型的な低速アラームサブルーチンのためのソースコードが表4に示される。
【0044】
【表4】
タイマ割込みフラグビットをクリアする
wレジスタの内容をセーブする
wに状態レジスタをコピーする
所望のバンクが確実に選択されるようにする
状態レジスタの内容をセーブする
遅延カウンタ4をデクリメントする
アラームハイパス、ローフェイルから切り替えるためのこの行を変更する、逆も同様
status_tempレジスタをwにスワップする(元の状態に戻すために)
状態の内容をサブルーチンに向かう前の状態に復元する
状態レジスタに影響を及ぼすことなく「w」レジスタをスワップし、ロードする整流ルーチンに戻る
wをロードする
アラームリセットを防ぐために遅延カウンタ6をロードする
status_tempレジスタをwにスワップする(バンクを元の状態に戻すために)
状態の内容をサブルーチンに向かう前の状態に復元する
状態レジスタに影響を及ぼすことなく「w」レジスタをスワップし、ロードする
【0045】
この低速アラームサブルーチンでは、低速あるいはロータロック状態中に、アラームをリセットするためにカウンタがタイムアウトできないように、マイクロコントローラ20は、図6のステップ503〜505によって表されるアラームサブルーチンにおいて用いられるカウンタ(表4のソースコードではdlycnt6と分類される)をリロードする。したがって、いったん設定されたなら、アラームがリセットできないので、ブラシレスDCファンはラッチされたアラームを有するであろう。アラームはラッチされる必要はなく、いったん、低速あるいはロータロック状態が解消されたなら解除することができることは当業者には理解されよう。
【0046】
ブラシレスDCファンの標準的な動作では、マイクロコントローラ20の出力30および40のうちの1つがオンにされ、一方、出力のもう一方は、ファンのインペラが回転を終了するまでオフにされる。いったん、インペラが回転を終了したなら、マイクロコントローラ20は出力30および40の補数をとる。しかしながら、出力30および40の補数をとる前に、マイクロコントローラ20は、インペラが実際に整流サイクルを完了したことを確かにしなければならない。本発明のさらに別の実施形態によれば、ソフトウェアプログラム命令によって、マイクロコントローラ20は、その出力30および40をオフにし、所定の時間だけアラーム出力のオンを遅延できるようになる。さらに、ソフトウェアプログラム命令によって、マイクロコントローラ20は、ロータロック状態が解消されたか否かを引き続き検査できるようになる。
【0047】
図7は、ロータロック状態に応答する図1および図2に示されるブラシレスDCモータの動作を記述する流れ図である。図7を参照すると、ステップ601では、マイクロコントローラ20が、ホールセンサ10の出力12の論理状態を検査し、出力30および40のいずれをオンされるべきかを判定する。適当な出力をオンにした後、ステップ602において、マイクロコントローラ20は「カウンタ1」と分類される第1の遅延カウンタをデクリメントする。ステップ603では、マイクロコントローラ20は、カウンタ1がロールオーバしたか否かを判定する。ロールオーバしてない場合には、ステップ604において、マイクロコントローラ20は再びホールセンサ10の出力12の論理状態を検査する。出力12の論理状態が変化していない場合には、マイクロコントローラ20はステップ602〜604を繰り返す。出力12の論理状態が変化していた場合には、マイクロコントローラ20はステップ601〜604を繰り返す。
【0048】
いったん、カウンタ1がロールオーバしたなら、ステップ605において、マイクロコントローラ20は、カウンタ2と分類される第2の遅延カウンタをデクリメントする。ステップ606では、マイクロコントローラは、カウンタ2がロールオーバしたか否かを判定する。ロールオーバしていない場合には、ステップ604において、マイクロコントローラ20は再びホールセンサ10の出力12の論理状態を検査する。出力12の論理状態が変化していない場合には、マイクロコントローラ20は、ステップ602、603、605および606を繰り返す。出力12の論理状態が変化していた場合には、マイクロコントローラ20はステップ601〜606を繰り返す。
【0049】
本発明の好ましい実施形態では、遅延カウンタ1および遅延カウンタ2に格納される16進値の大きさが、いったん、遅延カウンタ1および遅延カウンタ2の両方がロールオーバしたなら、約250ミリ秒の時間が経過するように選択される。インペラがその時間に回転をしていない場合には、カウンタ2がいったんロールオーバした場合に、ステップ607において、ロータロックサブルーチンプログラムが開始される。この時間は、ブラシレスDCファンのインペラが1回転するために割り当てられている。カウンタ1およびカウンタ2に格納される値の大きさ、それゆえステップ602および603ならびにステップ605および606における遅延の持続時間はそれぞれ、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令を単に編集することにより変更することができるパラメータである。遅延カウンタ1および遅延カウンタ2に格納される16進値は、マイクロコントローラ20が1つの命令を実行するために必要とされる時間に留意して選択されることは当業者には理解されよう。たとえば、本明細書に記載される実施形態において用いられる製造部品番号12C671マイクロコントローラは、1マイクロ秒に1つの命令を実行する。マイクロコントローラ20が1つの命令を実行するために必要とされる時間は、ステップ602および603ならびにステップ605および606において必要とされる遅延を形成するための、かつマイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令の全体にわたる時間基準として用いられる。
【0050】
ロータロックサブルーチンプログラムの第1の部分は、マイクロコントローラ20の出力30および40をオフにし、所定の秒数だけアラーム出力のオンを遅延させる。図8は、ロータロック状態に応答する図1および図2に示されるブラシレスDCモータの動作を記述する別の流れ図である。図8を参照すると、ステップ701では、マイクロコントローラ20がその出力30および40の両方をオフにする。ステップ702および703では、カウンタ1の値が0になるまで、マイクロコントローラ20がカウンタ1をデクリメントする。その後、ステップ704および705では、カウンタ2の値が0になるまで、マイクロコントローラ20がカウンタ2をデクリメントする。そのルーチンの第2の部分では、「カウンタ3」と分類される第3の遅延カウンタが0までデクリメントされ、マイクロコントローラ20が、ロータロック状態が解消され、ブラシレスDCファンのインペラが支障なく動作するか否かを検査する前に遅延を与える。カウンタ1、カウンタ2およびカウンタ3に格納される値の大きさ、それゆえステップ702〜707における遅延の持続時間は、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令を単に編集することにより変更することができるパラメータである。典型的なロータロックルーチンのためのソースコードが表5に示される。
【0051】
【表5】
出力1をオフにする
出力2をオフにする
wをロードする(所望の遅延時間を得るためにこの値を変更する)
遅延カウンタ1をロードする
wをロードする
遅延カウンタ3をロードする
wをロードする
遅延カウンタ2をロードする
何もしない
遅延カウンタ2をデクリメントする
繰り返す
遅延カウンタ3をデクリメントする
遅延カウンタ2のロードを繰り返す
遅延カウンタ1をデクリメントする
遅延カウンタ3のロードを繰り返す
アラームハイパスから切り替えるためにこの行を変更する
wをロードする(この値を所望の再始動時間に変更する)
カウンタ1をロードする
10秒遅延
第2のカウンタをロードする
wをロードする
カウンタ2をロードする
何もしない
二次カウンタをデクリメントする
二次ループを継続する
一次カウンタをデクリメントする
カウンタ1をリロードする
カウンタ1をデクリメントする
カウンタ3をリロードする
【0052】
本明細書において記載されてきた本発明の実施形態は、ブラシレスDCファンの設計および製造を非常に簡単にするという利点を有する。個別のICを用いてドライバステージのスイッチ50および70を駆動するとき、種々の顧客の仕様を満たすために、プリント回路基板(PCB)上の部品の構成を変更しなければならないか、あるいはPCBのレイアウトを変更しなければならない。いずれの場合でも、時間のかかる手作業と、仕様書の管理と、ベンダとの接触を伴う。
【0053】
ドライバステージスイッチ50および70を駆動するためにマイクロコントローラ20を用いることにより、顧客の仕様に対するブラシレスDCファンの設計および製造のプロセスが非常に簡略化される。本発明の実施形態によれば、マイクロコントローラ20によって実行されるソフトウェアプログラム命令は、整流、突入電流制限制御、PWM速度制御、アナログ速度制御、ロータロック時の再始動、ロータロック時のアラームおよび低速アラームを含む、顧客が必要するとする可能性がある全ての機構を提供する。ソフトウェアプログラム命令に付加的なサブルーチンを単に追加することにより、さらに別の機能をブラシレスDCファンに追加することができる。さらに、ブラシレスDCファンの機構のパラメータは、マイクロコントローラ20にダウンロードされ、マイクロコントローラによって実行されるソフトウェアプログラム命令を編集することにより、顧客の仕様に一致するように容易に変更することができる。
【0054】
結果として、本発明の実施形態によれば、その特定の機構にかかわらず、各ブラシレスDCファンのために1つのPCB構成を利用できるようになる点で有利である。外部回路とともに個別のICを用いる場合と比較すると、構成要素の数が削減されるため、ブラシレスDCファンの信頼性は非常に高くなる。さらに、ハードウエア構成の変更、それに対応する仕様書の変更およびベンダとの接触がもはや必要ではなくなる。代わりに、いったん、ある特定の顧客のファンの仕様が受け取られたなら、技術者がマイクロコントローラ20のためのソフトウェアプログラム命令のソースコードを編集することができ、そのソフトウェアプログラム命令が、ブラシレスDCファンを顧客に出荷する直前に製造ライン付近に配置されるプログラミング装置を用いてマイクロコントローラ20にダウンロードすることができる。本発明の1つの実施形態によれば、ブラシレスDCファンは、顧客の要件に一致するように簡単に、かつ容易に構成変更することができ、結果として、仕様変更するまでの製品サイクルが著しく長くなる。
【0055】
添付の図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態を記載してきたが、本発明はそれらの厳密な実施形態に制限されることはなく、併記の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲あるいは精神から逸脱することなく、種々の変更および改変が当業者によってなされる場合があることは理解されたい。たとえば、本発明の実施形態はブラシレスDCファンのコンテキストで記載されてきたが、当業者であれば、ブラシレスDCモータを利用する任意の装置に本発明を適用できることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態によるブラシレスDCモータの簡略化されたブロック図である。
【図2】図1に示されるブラシレスDCモータの概略図である。
【図3】図1および図2に示されるブラシレスDCモータの整流を示す流れ図である。
【図4】図1および図2に示されるブラシレスDCモータの突入電流制限およびアナログ速度制御の動作を示す流れ図である。
【図5】図1および図2に示されるブラシレスDCモータのパルス幅変調された速度制御の動作を示す流れ図である。
【図6】図1および図2に示されるブラシレスDCモータの低速アラームの動作を示す流れ図である。
【図7】ロータロック状態に応答する図1および図2に示されるブラシレスDCモータの動作を示す流れ図である。
【図8】ロータロック状態に応答する図1および図2に示されるブラシレスDCモータの動作を示す別の流れ図である。
Claims (25)
- ブラシレスDCモータの少なくとも1つの動作機構を制御する、ブラシレスDCモータのための駆動回路であって、前記少なくとも1つの機構は前記機構の所望の動作を定義する少なくとも1つのパラメータを使用し、前記駆動回路は、
ステータコイルに電流を供給するためのドライバステージと、
前記少なくとも1つのパラメータを変更するために前記ドライバステージに接続される手段とを備える駆動回路。 - 前記変更するための手段は、前記少なくとも1つのパラメータを入力するための入力手段を含む請求項1に記載の駆動回路。
- 前記パラメータを変更するための前記手段は、前記機構を制御するためにソフトウェアプログラム命令を実行するマイクロコントローラを含む請求項1に記載の駆動回路。
- 前記機構は、前記モータの起動時に前記ブラシレスDCモータによって引き込まれる突入電流を制限することを含む請求項1に記載の駆動回路。
- 前記パラメータは、前記突入電流のための基準閾値を含む請求項4に記載の駆動回路。
- 前記パラメータは、前記突入電流を表す電圧が差し引かれる比較値を含む請求項4に記載の駆動回路。
- 前記機構は、アナログ電圧を用いる前記ブラシレスDCモータ速度制御を含む請求項1に記載の駆動回路。
- 前記パラメータは、前記モータの速度のための基準閾値を含む請求項7に記載の駆動回路。
- 前記機構は、アラーム信号を生成することを含む請求項1に記載の駆動回路。
- 前記パラメータは、前記DCモータの速度のための閾値レベルを含む請求項9に記載の駆動回路。
- 前記パラメータは、カウンタに格納される値をさらに含む請求項9に記載の駆動回路。
- 前記パラメータは、前記アラームを生成するための時刻を指示する値をさらに含む請求項9に記載の駆動回路。
- 前記機構は、ロータロック状態を判定することを含む請求項1に記載の駆動回路。
- 前記パラメータは、カウンタに格納される値をさらに含む請求項13に記載の駆動回路。
- 前記機構は、ロータロック状態を検出するのに応答してアラームを生成すること含む請求項1に記載の駆動回路。
- 前記パラメータは、カウンタに格納される値を含む請求項15に記載の駆動回路。
- 前記機構は、ロータロック状態を検出した後に前記モータを再始動することを含む請求項1に記載の駆動回路。
- 前記パラメータは、カウンタに格納される値を含む請求項17に記載の駆動回路。
- ブラシレスDCモータの多数の実現可能な動作機構のうちの少なくとも1つの制御する、ブラシレスDCモータのための駆動回路であって、前記駆動回路は、
ステータコイルのための電流を供給するためのドライバステージと、
前記モータの前記多数の実現可能な動作機構のいずれが制御されるかを変更するための手段とを含む駆動回路。 - 前記モータの前記多数の実現可能な動作機構のうちの前記少なくとも1つは、パルス幅変調された信号を用いる前記モータの速度制御を含む請求項19に記載の駆動回路。
- 前記モータの前記多数の実現可能な動作機構のうちの前記少なくとも1つは、アナログ電圧を用いる前記モータの速度制御を含む請求項19に記載の駆動回路。
- 前記モータの前記多数の実現可能な動作機構のうちの前記少なくとも1つは、前記モータの起動時に前記モータによって引き込まれる突入電流を制限することを含む請求項19に記載の駆動回路。
- 前記モータの前記多数の実現可能な動作機構のうちの前記少なくとも1つは、前記モータの速度が閾値レベル未満になる場合に、アラーム信号を生成することを含む請求項19に記載の駆動回路。
- 前記モータの前記多数の実現可能な動作機構のうちの前記少なくとも1つは、ロータロック状態を検出するのに応答してアラームを生成することを含む請求項19に記載の駆動回路。
- 前記モータの前記多数の実現可能な動作機構のうちの前記少なくとも1つは、ロータロック状態を検出した後に前記モータを再始動することを含む請求項19に記載の駆動回路。
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