JP2005176434A

JP2005176434A - モータ駆動回路

Info

Publication number: JP2005176434A
Application number: JP2003409701A
Authority: JP
Inventors: Hideki Shirokoshi; 英樹城越
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】センサレスブラシレスモータを駆動する場合にその通電切替え時に発生するスパイクノイズをモータコイル電流に応じた検出禁止区間信号でマスキングすることができ、誤検出のないセンサレス通電制御を実現することができるモータ駆動回路を提供する。
【解決手段】通電切替え時に容量の充電により発生する電圧スロープを用いて、各相のモータ電流の立上りおよび立下りスロープを形成する電流スロープ生成器２と、通電切替えに伴って発生するスパイクノイズを容量の放電時間を用いて阻止する検出禁止区間信号発生器１と、各相のモータコイルの逆起電圧のゼロクロスを検出して各相の立上りゼロクロス及び立下りゼロクロスの各位置を示すゼロクロスパルスを生成するゼロクロス検出窓生成器３とを備え、検出禁止区間の後にゼロクロス検出を有効にする際の、検出禁止区間を決定する容量の放電電流の大きさをモータ電流指令の大きさに応じて可変する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置検出用センサの無いブラシレスモータを駆動するためのモータ駆動回路に関するものである。

従来から用いられている３相モータ用のモータ駆動回路として、位置検出用センサの無いブラシレスモータ（以下、センサレスブラシレスモータと記す）を駆動するためのモータ駆動回路を説明する。

このような従来のモータ駆動回路を用いてセンサレスブラシレスモータを駆動するセンサレスブラシレスモータ駆動システムを、図面を参照して説明する。
図７は従来のセンサレスブラシレスモータ駆動システムの構成を示すブロック図である。図７において、２は電流スロープ生成器、４はプリドライバ、５はパワー出力段、６はセンサレスブラシレスモータ、９はモータ電流検出アンプ、１０は電流スロープ生成器２で生成された電流スロープを３相上下に分配する三差動回路、１１は電流スロープ生成用容量、１２は電流検出抵抗、１３はゼロクロス検出コンパレータ、１７はモータ電流指令、４１はマイクロコントローラ、４２はモータ駆動用ＩＣからのゼロクロスコンパレータ出力、４３はマイクロコントローラ４１からモータ駆動用ＩＣに入力される通電切替え信号、４４は検出禁止区間制御器、４５は通電切替えロジックである。

以上のように構成された従来のセンサレスブラシレスモータ駆動システムについて、その動作を以下に説明する。
まず、モータ駆動用ＩＣが、各相モータコイルの逆起電圧とモータ中点電圧をゼロクロス検出コンパレータ１３によって比較し、その比較結果信号をゼロクロスコンパレータ出力４２として、マイクロコントローラ４１に出力する。このゼロクロスコンパレータ出力４２は、通電切替え時に発生するスパイクノイズ（後述）によるゼロクロス信号も含んでおり、この信号のままでは正しいゼロクロス検出はできない。マイクロコントローラ４１側でこのゼロクロスコンパレータ出力４２を用いて、検出禁止区間制御器４４で回転数に応じた検出禁止区間を生成し、通電切替えによりモータコイルに発生するスパイクノイズが正しいゼロクロス位置の検出を妨害しないようにゼロクロスコンパレータ出力４２に含まれるスパイクノイズによるゼロクロスをこの検出禁止区間でマスキングする。

その結果として得られる正しいゼロクロス検出信号を用いて通電切替えロジック４５で通電切替え信号４３をマイクロコントローラ４１側で作成し、この通電切替え信号４３をマイクロコントローラ４１からモータ駆動用ＩＣへ入力し、その通電切替え信号４３を基準に電流スロープ生成用容量１１を充電開始し、この容量充電時の電圧スロープを利用することにより、電流スロープ生成器２で、出力電流の立上りおよび立下りにスロープを形成し、各相のモータコイルに通電する。

この各相の通電切替え時のスロープにより各相の通電波形は台形波状になり、モータ回転時の騒音、振動を低減することができる。この低騒音、低振動駆動は、光ディスク、磁気ディスク等記録媒体を回転させるモータ駆動としては非常に重要な要素である。特に磁気ディスクにおいては、年率１００％の割合で記録密度はアップしており、今後もこの高密度化の傾向は継続すると予測されるため、この低騒音、低振動駆動は不可欠である。

この電流スロープ生成器２の詳細動作については、後述の実施の形態の中で回路例を挙げて詳細説明を行う。
以上のように従来システムでは、モータ駆動用ＩＣから出力される誤信号を含んだゼロクロス信号をマイクロコントローラ４１でロジック処理し、通電信号を生成することによって、センサレス通電制御を実現していた。

しかしながら上記のような従来のセンサレスブラシレスモータ駆動システムにおいては、次の２つの問題点を有していた。
１つ目は、従来システムにおいては、モータの回転数に応じた検出禁止区間を制御するためにマイクロコントローラ４１を使用しており、モータ駆動用ＩＣ単体でセンサレス通電制御を実現できないという問題点がある。

このセンサレス通電制御の妨げとなる通電切替え時のスパイクノイズについて説明する。
センサレス制御を実行するには、通常、３相の内、通電をしていない相の逆起電圧とモータ中点が交差するポイント（ゼロクロス）を検出することが必要であり、これによってモータ位置検出し、通電切替えを行うことによって、センサレス制御を実現している。

しかし、図８に示すように、通電オン時から通電オフに切替わった直後、モータコイル（誘導性負荷）の特性により、上側トランジスタ５０がオフしても、モータコイル内には破線のように電流が流れ続ける。このときこのモータコイル内電流は接地側からフライホイールダイオード５１を通じて供給されるため、上側トランジスタ５０がオフした直後、出力端子５２の電圧は、モータコイル内の電流が無くなるまで、接地点からダイオード５１の分だけ低い電圧となる。また、逆に下側トランジスタがオンからオフに切替わった直後も同様の現象が起こり、モータコイル内の電流が無くなるまで、電源電圧から上側フライホイールダイオード分だけ高い電圧となる。これがスパイクノイズとして、通電していない相の逆起電圧に重畳されるため、ゼロクロス誤検出の原因となる。

この誤検出の原因となるスパイクノイズの影響を除去するために、このスパイクノイズの発生時間より長い区間のゼロクロス検出禁止区間が必要となる。
次に、このスパイクノイズ発生時間について説明する。

モータコイルに発生するスパイクノイズの時間幅は、通電時にモータコイルに流れている電流値に依存した関数であり、通電時のモータコイル電流値が大きくなればなるほど、通電オフ時にモータコイルに蓄えられたエネルギーを放出するまでの時間は長くなるので、モータコイルに発生するスパイクノイズの時間も長くなる。このモータコイルに流れる電流とスパイクノイズの時間幅の関係は次式で表される。

（１／２）＊Ｌ＊Ｉｃｏｉｌ２＝（ＶＤ＋２＊ＲＬ＋Ｒｏｎ）＊Ｉｃｏｉｌ＊ｔ

ここで、Ｌはモータ１相分のインダクタンス、ＶＤは出力段のフライホイールダイオードのダイオード電圧、ＲＬはモータ１相分の抵抗成分、Ｒｏｎは出力トランジスタのオン抵抗、ｔはスパイクノイズの時間幅である。

次に、２つ目の問題点について説明する。
従来方式では、回転数のみに依存して検出禁止区間を決定しており、回転数が低い時には検出禁止区間を長く、回転数が高い時には検出禁止区間が短くなるようにしていた。しかし、例えば、磁気ディスクのスピンドルモータの起動時を考えると、この過渡期間では定常回転に近い回転数、つまり、高い回転数で、かつモータコイルを流れる電流が大きいという状態が存在し、この状態になった時、従来方式では、検出禁止区間が上記の通り、短くなってしまうが、この回転状態においては、モータコイルを流れる電流量がまだ大きいため、スパイクノイズの時間幅は長く、

スパイクノイズ時間≧検出禁止区間

となってしまい、検出禁止区間でスパイクノイズを十分にマスクすることができなくなる場合があるという問題点がある。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、モータ駆動用ＩＣ単体でセンサレス通電制御ができ、モータコイル電流量に依存した検出禁止区間により、ゼロクロス誤検出を確実に防ぐことができるモータ駆動回路を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明のモータ駆動回路は、三相交流駆動のセンサレスモータに対する通電切替え時の容量への充電により発生する電圧スロープを用いて、各相のモータ電流の立上りおよび立下りスロープを形成する電流スロープ生成手段と、前記センサレスモータに対する通電切替えに伴って発生するスパイクノイズを阻止する検出禁止区間を前記容量の放電時間を用いて生成する検出禁止手段と、各相のモータコイルの逆起電圧のゼロクロスを検出して各相の立上りゼロクロス及び立下りゼロクロスの各位置を示すゼロクロスパルスを生成するゼロクロス検出手段とを備え、前記検出禁止区間の後に前記ゼロクロス検出手段によるゼロクロス検出を有効にするモータ駆動回路であって、前記検出禁止区間を決定する前記容量の放電電流の大きさをモータ電流指令の大きさに応じて可変する構成としたことを特徴とする。

以上により、検出禁止区間をモータ駆動用ＩＣ側の電流スロープ生成用容量の放電時間で決定でき、また、モータ電流指令信号に応じてこのスロープ生成用の容量の放電電流を可変することによって、モータコイル電流に応じた検出禁止区間を設定することができるので、マイクロコントローラ４１の制御無しにモータ駆動用ＩＣ単体でゼロクロス誤検出のないセンサレス通電制御を実現することができる。

以上のように本発明によれば、検出禁止区間を決定する電流スロープ生成用容量の放電電流の大きさがモータ電流指令の大きさに応じて可変することによって、モータ駆動用ＩＣ単体で、誤検出のないセンサレス通電制御を行うことができる優れたモータ駆動回路を実現するものである。

以下、本発明の実施の形態を示すモータ駆動回路について、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は本実施の形態のモータ駆動回路の構成を示すブロック図である。図１において、１は検出禁止区間信号発生器、２は電流スロープ生成器、３はゼロクロス検出窓生成器、４はプリドライバ、５はパワー出力段、６はセンサレスブラシレスモータ、７はモータの各相のゼロクロス点を検出して電気角６０°毎にパルスを発生するゼロクロスパルス発生器、８はゼロクロスパルス発生器７で発生する電気角６０°毎の信号をメモリしておき、電気角６０°信号が入力された時点から１５°を測定し、次の通電開始信号を発生する通電開始信号発生器、９はモータ電流検出アンプ、１０は電流スロープ生成器２で生成された電流スロープを３相上下に分配する三差動回路、１１は電流スロープ生成用容量（コンデンサ）、１２は電流検出抵抗、１３はゼロクロス検出コンパレータ、１７はモータ電流指令である。

以上のように構成されたモータ駆動回路において、その動作を以下に説明する。
まず、検出禁止区間信号発生器１について説明する。前段の１５°発生器の出力である通電開始信号１５（ＰＨＡ１５）を受けると、図４の充電開始スイッチ２３がオンし、充電電流２２で充電され、コンパレータ２８の上側閾値電圧（ＶＴＨ）２６まで充電される。このとき電流スロープ生成用容量１１の電圧は充電電流２２と電流スロープ生成用容量１１の容量値で決定される傾斜をもって上昇して行き、この電圧スロープを用いて出力電流スロープを電流スロープ生成器２で生成する。この充電開始と同時に検出禁止区間を開始する。

上側閾値電圧（ＶＴＨ）２６に到達すると充放電切替えロジック２９により、スイッチ２３がオフし、スイッチ２４がオンし、モータ電流指令１７で決定される放電電流２５で容量１１の電荷は放電され、下側閾値電圧（ＶＴＬ）２７に到達すると同時に、検出禁止区間を終了する。

このとき、放電電流２５の値は、図５に示すように、

放電時間３１＞スパイクノイズ時間３２・・・（１）

を満足するように設定されなければならない。もしも、この関係を満足できない場合は、スパイクノイズにより発生するゼロクロスを検出することになり、誤検出になる。

この場合のスパイクノイズの時間幅は、

（１／２）＊Ｌ＊Ｉｃｏｉｌ２＝（ＶＤ＋２＊ＲＬ＋Ｒｏｎ）＊Ｉｃｏｉｌ＊ｔ

により、

ｔ＝（１／２）＊Ｌ＊Ｉｃｏｉｌ／（ＶＤ＋２＊ＲＬ＋Ｒｏｎ）

で決定され、かつＩｃｏｉｌとモータ電流指令１７は比例関係にあるので、図９に示すように、スパイクノイズ時間３２もモータ電流指令１７に比例する。ここで、Ｌはモータ１相分のインダクタンス、ＶＤは出力段のフライホイールダイオードのダイオード電圧、ＲＬはモータ１相分の抵抗成分、Ｒｏｎは出力トランジスタのオン抵抗であり、いずれも、モータ、出力トランジスタで決定される定数である。

式（１）を十分に満たすため、例えば、

放電時間（Ｔｄｉｓ）＝１．５＊スパイクノイズ時間（Ｔｓｐｉｋｅ）

と設定すると、電流スロープ生成用容量１１の放電電流２５は、

ｉｔ＝ＣＶ

により、

放電電流（Ｉｄｉｓ）＝Ｃ＊Ｖ／Ｔｄｉｓ
＝Ｃ＊（ＶＴＨ−ＶＴＬ）／Ｔｄｉｓ
＝Ｃ＊（ＶＴＨ−ＶＴＬ）／１．５＊Ｔｓｐｉｋｅ
・・・（２）

ここで、

Ｔｓｐｉｋｅ＝（１／２）＊Ｌ＊Ｉｃｏｉｌ／（ＶＤ＋２＊ＲＬ＋Ｒｏｎ）
・・・（３）

Ｉｃｏｉｌ＝ＧＭ＊（モータ電流指令）・・・（４）

ここでＧＭは、図１の電流検出抵抗１２、モータ電流検出アンプ９、モータ電流指令１７、三差動回路１０、プリドライバ４、パワー出力段５で構成される電流帰還ループのトランスコンダクタンスである。

（３）、（４）を（２）に代入すると、

放電電流（Ｉｄｉｓ）
＝｛Ｃ＊（ＶＴＨ−ＶＴＬ）＊（ＶＤ＋２＊ＲＬ＋Ｒｏｎ）｝
／｛１．５＊（１／２）＊Ｌ＊ＧＭ＊（モータ電流指令）｝・・・（５）

となり、モータ電流指令１７に反比例する形で放電電流２５を設定することができる。

尚、本実施の形態では、放電電流は一例としてモータ電流指令に反比例させているが、式（１）を満足するような関係であれば、この限りではない。
このようにして検出禁止区間信号発生器１では、電流スロープ生成用容量１１の１回の充放電の間ＬＯＷになる検出禁止区間信号ＰＤ１６を出力する。この検出禁止区間信号ＰＤ１６を受けて通電切替えロジックで通電切替え信号を発生させ、また検出禁止区間信号ＰＤ１６を、図６に示すように、各相立上りおよび立下りの６つに分配し、ゼロクロス検出窓信号１８（ＰＤＷＩＮ１〜６）を生成する。通電切替え信号は電流スロープ生成器２、プリドライバ４を経て、パワー出力段５の通電を切替えることにより、立上りおよび立下りに電流スロープ生成器２で決定されるスロープを持ってモータ電流を切替える。

ここで２の電流スロープ生成器の動作を回路例およびタイミングチャートを用いて説明する。
図２は電流スロープ生成器２、三差動回路１０、プリドライバ４の３相の内、１相分を取り出した回路例、図６はそのタイミングチャートである。図２、図６でＳＬＯＰＥＣは電流スロープ生成用容量１１の接続された点の電圧を示している。

上記説明の通り、通電開始信号１５（ＰＨＡ１５）を受け、電流スロープ生成用容量１１は充電開始されるので、ＳＬＯＰＥＣの電圧は上昇していき、上側閾値電圧（ＶＴＨ）２６に到達すると放電に切替わり、下側閾値電圧（ＶＴＬ）２７まで放電し、その値を保持し、次の通電開始信号１５（ＰＨＡ１５）を待つ。このＳＬＯＰＥＣの電圧波形は、図６のＳＬＯＰＥＣに示されている。

次に、このＳＬＯＰＥＣの電圧波形を利用して電流スロープが生成されることを説明する。
図３の回路例に示すように、Ｉ１はＳＬＯＰＥＣの立上りとともに立上る電流で、Ｉ２はＳＬＯＰＥＣの立上りとともに立下がる電流である。この電流Ｉ１、Ｉ２をスイッチ信号Ｄ、Ｅで次のように切替える。スイッチ信号ＤがＬｏｗのときＩ２をオンにし、スイッチ信号ＥがＬｏｗのときＩ１をオンする。スイッチ信号Ｄ、Ｅを通電切替えロジックで、図６に示すように作成することによって、スイッチ信号Ｄ、Ｅによって制御されたＩ１、Ｉ２から図６のような台形波状の電流Ｉｏを合成することができる。

この台形波状の電流が、三差動回路１０に対して、ＣＳ２がＨｉｇｈの場合は上側三差動へ、ＣＳ２がＬｏｗの場合は下側三差動へ入力され、図１の電流検出抵抗１２、モータ電流検出アンプ９、モータ電流指令１７、三差動回路１０、プリドライバ４、パワー出力段５で構成される電流帰還ループで決定される電流ＩＨ、ＩＬを各相に分配する。

三差動回路１０の出力である３相上下６本の電流ラインは、プリドライバ４のミラー回路を介して、パワー出力段５へ入力されモータ駆動電流として出力される。以上のようにして出力の電流スロープは形成される。

なお、本実施の形態では、充電電流値が、定常回転時、例えば磁気ディスクでは５４００ｒｐｍ時にスロープ区間が電気角３０°分になるように一定電流としているが、用途に合わせて、充電電流もモータ電流指令に応じて可変させることも可能である。

次に、ゼロクロスパルス発生器７について説明する。
ゼロクロス検出窓信号１８をゼロクロスパルス発生器７でマスク信号として使用し、モータ出力の各相電圧とモータ中点電圧をコンパレータ１３で比較した結果のうち、図５の正しいゼロクロス３７、３８のみ検出し、３３〜３６のスパイクノイズによって発生するゼロクロスは検出禁止区間信号４０から分配して生成されるゼロクロス検出窓信号１８によってマスクされる。

このようにしてゼロクロスパルス発生器７では、ゼロクロス検出窓信号１８を用いて正しいゼロクロス検出を行い、電気角６０°毎の信号ゼロクロスパルスＤＦＧ１４を発生する。

ここで最終的に得ようとするモータ電流波形を、図６を用いて説明する。
上述のようにして電気角６０°毎の正しいゼロクロス検出を得ることができ、この信号を通電の基準信号として用いる。これまでに述べたように、センサレス駆動では３相の内どれか１相を通電禁止状態にして逆起電圧をモニタする必要があるため、半波電気角１８０°の内、例えば両端の電気角１５°を通電禁止状態にする。つまり、吐き出し側の電流は、ゼロクロス検出後、電気角１５°の後に通電開始し、電気角３０°分の立上りスロープ区間をもち、電気角１２０°のところから電気角３０°分の立下りスロープをもち、最後の１５°は通電禁止区間となる。３相の電流波形は、図６に示されるＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗとなる。

次に、電気角６０°毎のゼロクロスパルスから通電開始信号を生成する部分について説明する。
電気角６０°毎のゼロクロスパルス１４は通電開始信号発生器８に入力され、電気角６０°毎に入力されるゼロクロスパルス１４を図２の第１タイマ１９で時間測定し、次のゼロクロスパルス１４が入力される毎に、電気角６０°の時間測定値を１／４にし、その１／４の時間を第２タイマ２０で測定し、通電開始信号１５（ＰＨＡ１５）を作る。

このようにして、通電開始信号発生器８では電気角６０°毎のゼロクロスパルス信号ＤＦＧ１４から１５°の通電開始信号１５（ＰＨＡ１５）を生成している。この通電開始信号１５（ＰＨＡ１５）が検出禁止区間信号発生器１に入力され、電流スロープ生成用容量１１の充電が新たに開始し、センサレスループが一巡する。

以上のようにして図６のタイミングチャートで示されるセンサレス通電制御が実現される。

本発明のモータ駆動回路は、モータ駆動用ＩＣ単体でセンサレス通電制御ができ、モータコイル電流量に依存した検出禁止区間により、ゼロクロス誤検出を確実に防ぐことができるものであり、ブラシレスモータを駆動するためのモータ駆動回路等に適用できる。

本発明の実施の形態のモータ駆動回路の構成を示すブロック図同実施の形態のモータ駆動回路における通電開始信号発生器の構成を示すブロック図同実施の形態のモータ駆動回路における電流スロープ生成器の構成を示すブロック図同実施の形態のモータ駆動回路における検出禁止区間信号発生器の構成を示すブロック図同実施の形態のモータ駆動回路における検出禁止区間に関するタイミングチャート同実施の形態のモータ駆動回路の動作を示すタイミングチャート従来のモータ駆動回路の構成を示すブロック図同従来例のモータ駆動回路におけるスパイクノイズ発生の説明図同従来例のモータ駆動回路におけるスパイクノイズ時間とモータ電流指令の関係説明図

符号の説明

１検出禁止区間信号発生器
２電流スロープ生成器
３ゼロクロス検出窓信号生成器
４プリドライバ
５パワー出力段
６センサレスブラシレスモータ
７ゼロクロスパルス発生器
８通電開始信号発生器
９モータ電流検出アンプ
１０三差動回路
１１電流スロープ生成用容量
１２電流検出抵抗
１３ゼロクロス検出コンパレータ
１４ゼロクロスパルスＤＦＧ
１５通電開始信号ＰＨＡ１５
１６検出禁止区間信号ＰＤ
１７モータ電流指令
１８ゼロクロス検出窓信号
１９６０°区間を測定する第１タイマ
２０１５°区間を測定する第２タイマ
２２電流スロープ生成用容量充電電流
２３電流スロープ生成用容量充電スイッチ
２４電流スロープ生成用容量放電スイッチ
２５電流スロープ生成用容量放電電流
２６ＳＬＯＰＥＣ電圧コンパレータ上側閾値電圧
２７ＳＬＯＰＥＣ電圧コンパレータ下側閾値電圧
２８ＳＬＯＰＥＣ電圧コンパレータ
２９電流スロープ生成用容量充放電切替えロジック
３０電流スロープ生成用容量充電時間
３１電流スロープ生成用容量放電時間
３２通電切替えによって発生するスパイクノイズ時間
３３〜３６スパイクノイズによって発生するゼロクロス
３７、３８正しいゼロクロス
３９Ｕ相ゼロクロスコンパレータ出力
４０検出禁止区間信号
４１マイクロコントローラ
４２ゼロクロスコンパレータ出力
４３マイクロコントローラからの通電切替え信号
４４検出禁止区間制御器
４５通電切替えロジック
５０上側出力トランジスタ
５１下側フライホイールダイオード
５２モータ出力電圧
５３モータ中点

Claims

三相交流駆動のセンサレスモータに対する通電切替えに伴って発生するスパイクノイズを阻止する検出禁止区間を生成する検出禁止手段と、各相のモータコイルの逆起電圧のゼロクロスを検出して各相の立上りゼロクロス及び立下りゼロクロスの各位置を示すゼロクロスパルスを生成するゼロクロス検出手段とを備え、前記検出禁止区間の後に前記ゼロクロス検出手段によるゼロクロス検出を有効にするモータ駆動回路であって、前記検出禁止区間がモータ電流指令の大きさに応じて可変することを特徴とするモータ駆動回路。
三相交流駆動のセンサレスモータに対する通電切替え時の容量への充電により発生する電圧スロープを用いて、各相のモータ電流の立上りおよび立下りスロープを形成する電流スロープ生成手段と、前記センサレスモータに対する通電切替えに伴って発生するスパイクノイズを阻止する検出禁止区間を前記容量の放電時間を用いて生成する検出禁止手段と、各相のモータコイルの逆起電圧のゼロクロスを検出して各相の立上りゼロクロス及び立下りゼロクロスの各位置を示すゼロクロスパルスを生成するゼロクロス検出手段とを備え、前記検出禁止区間の後に前記ゼロクロス検出手段によるゼロクロス検出を有効にするモータ駆動回路であって、前記検出禁止区間を決定する前記容量の放電電流の大きさをモータ電流指令の大きさに応じて可変することを特徴とするモータ駆動回路。