JP2005224100A - 単相モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単相モータの振動、ノイズ、電力消費量を低減する。
【解決手段】 単相コイルに一方向の駆動電流を供給する第１駆動トランジスタと、前記単相コイルに逆方向の駆動電流を供給する第２駆動トランジスタと、を有する単相モータ駆動装置であって、単相モータの回転位置を検知するホール素子からの正弦波信号の大きさと基準値とを比較し、前記単相コイルの駆動電流の方向が切り替わるポイントの直前直後に亘る所定期間にタイミング信号を発生する比較手段と、前記単相コイルから駆動電流を流し出す側の前記第１および第２駆動トランジスタがオンする期間内に、前記単相コイルに駆動電流を流し込む側の前記第１および第２駆動トランジスタが当該期間より短い期間それぞれオンするように、前記タイミング信号が発生する所定期間において前記第１および第２駆動トランジスタのオンオフタイミングを制御することにより駆動電流を回生させる回生手段と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、単相モータ駆動装置に関する。

以下、図５および図６を参照しつつ、従来の単相モータ駆動装置について説明する。ここで、図５は、従来の単相モータ駆動装置を示す回路図、図６は、従来の単相モータ駆動装置の駆動波形を示す波形図である。

ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ２、４（第１駆動トランジスタ）は、駆動信号Ａ、Ｄが供給されることによって、単相コイル６の紙面右方向に駆動電流を供給するものである。そのため、バイポーラトランジスタ２のコレクタエミッタ路、単相コイル６、バイポーラトランジスタ４のコレクタエミッタ路は、電源ＶＣＣと接地ＶＳＳとの間に直列接続されている。同様に、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ８、１０（第２駆動トランジスタ）は、駆動信号Ｃ、Ｂが供給されることによって、単相コイル６の紙面左方向に駆動電流を供給するものである。そのため、バイポーラトランジスタ８のコレクタエミッタ路、単相コイル６、バイポーラトランジスタ１０のコレクタエミッタ路は、電源ＶＣＣと接地ＶＳＳとの間に直列接続されている。そして、バイポーラトランジスタ２、４およびバイポーラトランジスタ８、１０が相補的にオンオフして、単相コイル６の駆動電流の方向が適宜変化することによって、単相モータは回転することとなる。

また、駆動信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの変化タイミングは僅かにずれている。即ち、バイポーラトランジスタ２、４およびバイポーラトランジスタ８、１０が相補的にオンオフしたとき、バイポーラトランジスタ２、１０およびバイポーラトランジスタ８、４が僅かに同時オフするので、電源ＶＣＣと接地ＶＳＳとの間が貫通電流によって短絡されることはない。
特開平７−８７７７５号公報

しかしながら、バイポーラトランジスタ２、４およびバイポーラトランジスタ８、１０が相補的にオンオフしたとき、単相コイル６の紙面右方向の駆動電流は破線の回生経路を循環して短時間で消費され、一方、単相コイル６の紙面左方向の駆動電流は一点鎖線の回生経路を循環して短時間で消費される。即ち、バイポーラトランジスタ２、４およびバイポーラトランジスタ８、１０が相補的にオンオフする相切り替えのとき、単相コイル６の駆動電流はあまりトルクに寄与することのない斜線の無効電流を有し、単相コイル６の駆動電流の方向は急に変化することとなる。これにより、単相モータの振動、ノイズ、電力消費量が大きくなるという問題があった。

前記課題を解決するための主たる発明は、単相コイルに一方向の駆動電流を供給する第１駆動トランジスタと、前記単相コイルに逆方向の駆動電流を供給する第２駆動トランジスタと、を有する単相モータ駆動装置であって、単相モータの回転位置を検知するホール素子からの正弦波信号の大きさと基準値とを比較し、前記単相コイルの駆動電流の方向が切り替わるポイントの直前直後に亘る所定期間にタイミング信号を発生する比較手段と、前記単相コイルから駆動電流を流し出す側の前記第１および第２駆動トランジスタがオンする期間内に、前記単相コイルに駆動電流を流し込む側の前記第１および第２駆動トランジスタが当該期間より短い期間それぞれオンするように、前記タイミング信号が発生する所定期間において前記第１および第２駆動トランジスタのオンオフタイミングを制御することにより駆動電流を回生させる回生手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、単相モータの振動、ノイズ、電力消費量を低く抑えることが可能となる。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝単相モータ駆動装置の構成＝＝＝
以下、図１を参照しつつ、本発明の単相モータ駆動装置の構成について説明する。図１は、本発明の単相モータ駆動装置を示す回路ブロック図である。なお、本実施形態では、単相モータ駆動装置は集積回路であることとし、単相コイルは集積回路に外部接続されることとする。

ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ１０２、１０４（第１駆動トランジスタ）は、単相コイル１０６の紙面右方向に駆動電流を供給するものである。そのため、バイポーラトランジスタ１０２のコレクタエミッタ路、単相コイル１０６、バイポーラトランジスタ１０４のコレクタエミッタ路は、電源ＶＣＣと接地ＶＳＳとの間に直列接続されている。同様に、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ１０８、１１０（第２駆動トランジスタ）は、単相コイル１０６の紙面左方向に駆動電流を供給するものである。そのため、バイポーラトランジスタ１０８のコレクタエミッタ路、単相コイル１０６、バイポーラトランジスタ１１０のコレクタエミッタ路は、電源ＶＣＣと接地ＶＳＳとの間に直列接続されている。そして、バイポーラトランジスタ１０２、１０４およびバイポーラトランジスタ１０８、１１０は、図６の駆動信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと同一の駆動信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１または駆動信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２の何れか一方が供給されて相補的にオンオフし、これにより、単相モータは、単相コイル１０６の駆動電流の方向が適宜切り替わることによって回転することとなる。回生ダイオード１１２は、単相コイル１０６の駆動電流の方向が紙面右方向から紙面左方向へ変化するときの駆動電流を回生するものであり、バイポーラトランジスタ１１０のコレクタエミッタ路に並列接続されている。同様に、回生ダイオード１１４は、単相コイル１０６の駆動電流の方向が紙面左方向から紙面右方向へ変化するときの駆動電流を回生するものであり、バイポーラトランジスタ１０４のコレクタエミッタ路に並列接続されている。

ホール素子１１６は、単相モータのロータ側の磁石と対向する所定位置に固定されるとともに定電圧でバイアスされている。そして、ホール素子１１６は、単相モータの回転位置に応じて、即ち、対向するロータ側の磁極の変化に応じて、正弦波信号を出力する。比較回路１１８は、チャタリングを防止するためのヒステリシス特性を有し、ホール素子１１６からの正弦波信号を矩形波信号に波形整形するものである。なお、この矩形波信号は、単相コイル１０６の駆動電流が紙面右方向または紙面左方向へ切り替わるための基となる転流信号である。絶対値回路１２０（比較手段）は、正弦波信号の絶対値と基準値とを比較し、単相コイル１０６の駆動電流を回生するためのタイミング信号を出力するものである。

検知手段１２２は、コンデンサ１２４、定電流源１２６、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ１２８、比較回路１３０、基準電圧ＶＲＥＦからなり、単相モータの回転または停止を検知するものである。ここで、コンデンサ１２４および定電流源１２６は充電回路を構成し、且つ、コンデンサ１２６およびバイポーラトランジスタ１２８は放電回路を構成しており、コンデンサ１２６の非接地側には鋸歯形状を有する充放電電圧が現れることとなる。比較回路１３０の＋（非反転入力）端子は基準電圧ＶＲＥＦと接続され、−（反転入力）端子はコンデンサ１２４の非接地側と接続されている。即ち、比較回路１３０は、コンデンサ１２４の非接地側の充放電電圧と基準電圧ＶＲＥＦとの大小を比較することによって、単相モータの回転時は"Ｈ"、単相モータの停止時は"Ｌ"となる検知信号を出力することとなる。

制御回路１３２（回生手段）は、検知手段１２２の出力値に応じて、比較回路１１８および絶対値回路１２０の出力を適宜演算処理し、駆動信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１または駆動信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２を選択出力するものである。即ち、制御回路１３２は、比較回路１３０の検知信号が"Ｌ"のとき、駆動信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１を出力し、比較回路１３０の検知信号が"Ｈ"のとき、駆動信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２を出力することとなる。

＝＝＝検知手段の動作＝＝＝
次に、図１および図２を参照しつつ、検知手段１２２の動作を説明する。図２は、本発明の単相モータ駆動装置を構成する検知手段の各部波形図である。

ホール素子１１６は、単相モータの回転位置に応じて、実線および破線の１８０度の位相差を有する正弦波信号を出力する。この正弦波信号は、比較回路１１８で矩形波信号に波形整形されて制御回路１３２に供給される。制御回路１３２は、矩形波信号の変化ポイント（＝正弦波信号のゼロクロスポイント）、即ち、単相コイル１０６の駆動電流の転流ポイントで、放電パルスを出力する。この放電パルスは、検知手段１２２のバイポーラトランジスタ１２８のベースに供給される。従って、単相モータが回転しているとき、コンデンサ１２４の非接地側の充放電電圧は基準電圧ＶＲＥＦより小となるので、比較回路１３０は"Ｈ"の検知信号を出力する。一方、単相モータが停止しているとき、コンデンサ１２４の非接地側の充放電電圧は基準電圧ＶＲＥＦより大となるので、比較回路１３０は"Ｌ"の検知信号を出力する。

＝＝＝単相モータ駆動装置の動作＝＝＝
次に、図１、図３、および図４を参照しつつ、本発明の単相モータ駆動装置の動作について説明する。図３は、図１の各部波形を示す波形図である。図４は、図３の要部拡大波形を示す波形図である。なお、図４における駆動電流の斜線部分は、従来の駆動電流（破線）から削減される電流の量である。

≪回転モード≫
単相モータが回転しているときの、単相モータ駆動装置の動作について説明する。
ホール素子１１６は、単相モータの回転位置に応じて、実線および波線の１８０度の位相差を有する正弦波信号を出力する。比較回路１１８は、この正弦波信号が入力されることによって、正弦波信号と基準値（ゼロクロス）とを比較して、絶対的には正弦波信号と同相であるとともに相対的には１８０度の位相差を有する矩形波信号Ｘ、Ｙを出力する。同時に、絶対値回路１２０は、正弦波信号が入力されることによって、正弦波信号の絶対値をとるとともに絶対値と基準値とを比較して、絶対値が基準値より小のときに"Ｈ"となるタイミング信号を出力する。つまり、タイミング信号の"Ｈ"期間は、単相コイル１０６の駆動電流の転流ポイント（正弦波信号のゼロクロスポイント）を確実に有し、この転流ポイントを中心として前後方向に広がることとなる。換言すれば、単相コイルの駆動電流の方向が切り替わるポイント直前直後に亘る所定期間のタイミングを確実に捉えることが可能となる。

比較回路１３０の検知信号は、単相モータが回転していることから"Ｈ"である。つまり、制御回路１３２は、絶対値回路１２０のタイミング信号を用いた信号処理を行うことによって、駆動信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２を出力することとなる。詳細には、制御回路１３２は、先ず、図６の駆動信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと同一の駆動信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１を作成し、次に、タイミング信号の"Ｈ"期間に対応する駆動信号Ａ１、Ｃ１のレベルのみが"Ｌ"となる駆動信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２を出力する。即ち、駆動信号Ａ２は、単相コイル１０６の駆動電流の方向が紙面右方向となる期間Ｒにおいて、タイミング信号の"Ｌ"期間のみ"Ｈ"の信号となる。同様に、駆動信号Ｃ２は、単相コイル１０６の駆動電流の方向が紙面左方向となる期間Ｌにおいて、タイミング信号の"Ｌ"期間のみ"Ｈ"の信号となる。

以下、単相コイル１０６の駆動電流の方向が切り替わる際の回生動作について説明する。
先ず、駆動信号Ａ２、Ｄ２が立ち上がると、バイポーラトランジスタ１０２、１０４がオンし、単相コイル１０６には紙面右方向の駆動電流が流れることとなる。次に、駆動信号Ａ２が立ち下がると、バイポーラトランジスタ１０４のみがオンする。従って、単相コイル１０６の紙面右方向の駆動電流は、単相コイル１０６、バイポーラトランジスタ１０４、回生ダイオード１１２からなる破線の回生経路を時計方向に循環することによって、徐々に消費されて経時的に減少していきゼロとなる。次に、駆動信号Ｄ２が立ち下がると、バイポーラトランジスタ１０４が単相コイル１０６の駆動電流の転流ポイントでオフする。

その後、駆動信号Ｂ２、Ｃ２が立ち上がると、バイポーラトランジスタ１０８、１１０がオンし、単相コイル１０６には紙面左方向の駆動電流が流れることとなる。即ち、単相コイル１０６の駆動電流の方向は切り替わることとなる。次に、駆動信号Ｃ２が立ち下がると、バイポーラトランジスタ１１０のみがオンする。従って、単相コイル１０６の紙面左方向の駆動電流は、単相コイル１０６、バイポーラトランジスタ１１０、回生ダイオード１１４からなる一点鎖線の回生経路を反時計方向に循環することによって、徐々に消費されて経時的に減少していきゼロとなる。次に、駆動信号Ｂ２が立ち下がると、バイポーラトランジスタ１１０が単相コイル１０６の駆動電流の転流ポイントでオフする。以降、上記の動作を繰り返すこととなる。これにより、単相コイルの駆動電流を確実に回生させることが可能となる。

以上より、単相コイル１０６の一方向の駆動電流は、タイミング信号の"Ｈ"期間において、緩やかに減少しながらゼロとなり他方向の駆動電流へ切り替わることとなる。即ち、単相モータの駆動電流の方向は、ソフトスイッチングで切り替わることとなる。これにより、単相モータの振動、ノイズを低減することが可能となる。また、単相コイル１０６の駆動電流は、タイミング信号の"Ｈ"期間において、従来の駆動電流から斜線の電流の量だけ削減されることとなる。これにより、単相モータの電力消費量を低減することが可能となる。

≪起動モード≫
単相モータが起動しないときの、単相モータ駆動装置の動作について説明する。
例えば、ホール素子１１６がタイミング信号の"Ｈ"期間と対応する正弦波信号を出力し続ける状態においては、単相モータは、駆動信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２では破線または一点鎖線の回生経路ができるだけで、起動がかからず停止したままとなる。この問題を解決するため、制御回路１３２は、単相モータが起動から回転へ移行できないとき、駆動信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１を出力することとなる。

詳細には、比較回路１３０の検知信号は、単相モータが起動せずに停止していることから"Ｌ"である。つまり、制御回路１３２は、絶対値回路１２０のタイミング信号を用いない信号処理を行うことによって、駆動信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１を出力することとなる。従って、単相モータのロータとホール素子１１６とが上記の状態で対向して停止している場合であっても、バイポーラトランジスタ１０２、１０４、１０８、１１０が駆動信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１に応じて相補的にオンオフし、単相コイル１０６の駆動電流の方向が適宜切り替わり、単相モータは起動がかかって回転することとなる。即ち、単相モータが回転するまで回生手段が回生動作を停止するので、単相モータが起動できない停止位置であっても、単相モータを確実に起動することが可能となる。

その後、比較回路１３０の検知信号は、単相モータが回転したことから"Ｈ"となる。つまり、制御回路１３２は、比較回路１３０の検知信号が"Ｌ"から"Ｈ"へ変化するタイミングに同期して、絶対値回路１２０のタイミング信号を用いる信号処理に切り替えることによって、駆動信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２を出力することとなる。従って、単相モータは、低振動、低ノイズ、低消費電力で継続して回転することとなる。

以上より、単相モータのロータとホール素子１１６とが上記の状態で対向して停止している場合であっても、単相モータを確実に起動させることが可能となる。また、単相モータの回転が検知されるまでの僅かな期間、従来と同一の駆動信号を用いるだけなので、単相モータの振動、ノイズ、電力消費量を低減することが可能となる。

＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
以上、本発明に係る単相モータ駆動装置について説明したが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易とするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

≪第１および第２駆動トランジスタ≫
本実施形態では、第１駆動トランジスタおよび第２駆動トランジスタは、バイポーラトランジスタであるが、これに限定されるものではない。例えば、第１駆動トランジスタおよび第２駆動トランジスタとして、Ｎチャンネル型またはＰチャンネル型のＭＯＳＦＥＴを用いることも可能である。

≪回生ダイオード≫
本実施形態では、回生ダイオードは、第１駆動トランジスタおよび第２駆動トランジスタとは別に設けられる素子であるが、これに限定されるものではない。例えば、回生ダイオードとして、第１駆動トランジスタおよび第２駆動トランジスタが有する寄生ダイオードを利用することも可能である。これにより、単相モータ駆動装置を集積化したときのチップ面積を小とすることが可能となる。

≪絶対値回路≫
本実施形態では、絶対値回路に設定される基準値は一定であるが、これに限定されるものではない。例えば、この基準値を可変として、各種単相モータの特性に対応するタイミング信号を得ることも可能である。即ち、高い汎用性を有する単相モータ駆動装置を提供することが可能となる。また、タイミング信号の"Ｈ"期間を調整可能とすることで、電力消費量を更に低減することも可能となる。

本発明の単相モータ駆動装置を示す回路ブロック図である。 本発明の単相モータ駆動装置を構成する検知手段の各部波形を示す波形図である。 図１の各部波形を示す波形図である。 図３の要部拡大波形を示す波形図である。 従来の単相モータ駆動装置を示す回路図である。 従来の単相モータ駆動装置の駆動波形を示す波形図である。

符号の説明

１０２、１０４、１０８、１１０ バイポーラトランジスタ
１０６ 単相コイル
１１２、１１４ 回生ダイオード
１１６ ホール素子
１１８ 比較回路
１２０ 絶対値回路
１２２ 検知手段
１３２ 制御回路

Claims (3)

1. 単相コイルに一方向の駆動電流を供給する第１駆動トランジスタと、前記単相コイルに逆方向の駆動電流を供給する第２駆動トランジスタと、を有する単相モータ駆動装置であって、
   単相モータの回転位置を検知するホール素子からの正弦波信号の大きさと基準値とを比較し、前記単相コイルの駆動電流の方向が切り替わるポイントの直前直後に亘る所定期間にタイミング信号を発生する比較手段と、
   前記単相コイルから駆動電流を流し出す側の前記第１および第２駆動トランジスタがオンする期間内に、前記単相コイルに駆動電流を流し込む側の前記第１および第２駆動トランジスタが当該期間より短い期間それぞれオンするように、前記タイミング信号が発生する所定期間において前記第１および第２駆動トランジスタのオンオフタイミングを制御することにより駆動電流を回生させる回生手段と、
   を備えたことを特徴とする単相モータ駆動装置。
2. 前記単相コイルの駆動電流を回生するための回生ダイオードを、備えたことを特徴とする請求項１に記載の単相モータ駆動装置。
3. 前記単相モータの回転または停止を検知し、回転信号または停止信号を出力する検知手段、を備え、
   前記回生手段は、前記単相モータが起動できないとき、前記検知手段の出力が停止信号から回転信号へ変化するまで、前記単相コイルの駆動電流を回生させる動作を停止することを特徴とする請求項１または２に記載の単相モータ駆動装置。
   
   

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