JP2006166586A - モータ駆動装置、それを用いたファンモータそれを用いた送風ファンおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】ファンモータの組み込まれた冷却機器や情報機器などの電子機器から与えられる制御電圧入力のタイミングに遅れることなくモータの起動が開始され、起動遅れや起動方向が逆転するなどの起動不良がなく定格回転運転にスムースに移行することのできるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】3相モータコイルと、3相モータコイルにコイル電圧を供給する駆動回路2と、駆動回路2内でコイル電圧を生成するための起動回路発振用コンデンサC1とを備え、駆動回路の制御電圧入力のタイミングと3相モータコイルのいずれかの2相に通電するタイミングとを同期させる。
【選択図】図1
【解決手段】3相モータコイルと、3相モータコイルにコイル電圧を供給する駆動回路2と、駆動回路2内でコイル電圧を生成するための起動回路発振用コンデンサC1とを備え、駆動回路の制御電圧入力のタイミングと3相モータコイルのいずれかの2相に通電するタイミングとを同期させる。
【選択図】図1
Description
本発明は、モータ駆動装置に関し、特にロータ回転位置検出のためのホール素子を用いずにコイル電圧を自動形成するセンサレスモータの駆動装置の起動特性を改良する技術に関するものである。
近年、ハードディスクドライブ、フロッピー(登録商標)ディスクドライブの各種ドライブの記録媒体を高速で一定回転させるためのモータ駆動装置としては、一般的にセンサレスモータが用いられている。ロータの回転位置検出のためのホール素子の使用温度制限やマグネットロータの磁界検知のためにその周辺にホール素子、ホール素子保持部材、そしてそれを実装する回路基板の配置など寸法的制約などを受けることなく機構設計が可能で、安定して高速回転の得られるなどがその理由である。一方、冷蔵庫や冷蔵庫などの冷却機器の庫内空気循環用ファンやパーソナルコンピュータなどの情報機器の排気用ファンなどにおいても小型でかつ大きな回転トルクを発生できるアウターロータ型のファンモータにおいても、その寸法的制約のためホール素子を組み込むことは、困難となってきており、そのような用途にもセンサレスモータが活用されている。これらのモータの最終組み込み機器の軽量、小型化に伴って、モータに対しても軽量、小型化の対応が図られている。
このような背景により、センサレスモータの駆動回路におけるさまざまな改善や改良が提案されている。例えば、図7は、従来の実施例におけるモータ駆動装置のブロック図で、この発明によると、簡単な回路構成で安定的なモータの回転制御を実現したモータ駆動装置が考案されている。起動発振回路で形成されたパルス信号によりマトリックス回路を介して強制的コミュテーション信号を作り、ドライバーを介して各コイルを駆動して回転磁界を形成してモータを回転する3相センサレスモータの駆動回路において、コイル電流が切り替わるタイミングで、ゼロクロス検出動作にマスクをかけることで、逆起電力によって発生する大きなスイッチングノイズによってゼロクロス検出動作の誤動作を生ずるのを低減する効果がある。
特開2001−197768号公報
しかしながら上記の従来の駆動方式を、例えば冷蔵庫や冷凍庫のような冷却機器の庫内空気循環用ファンモータの用途として応用する場合、風量を確保するための送風抵抗によりファン負荷が大きく、起動や定格回転時に必要とする回転トルクを得るためには大きなコイル電流が必要である。そのため駆動回路の電源電圧より高いモータ電圧を用いてコイルに通電するのが一般的である。その駆動回路の電源電圧としては、駆動回路の電源電圧より高めのモータ電圧を駆動回路用として低電圧化した2次電圧を用いるかモータ電圧とは別の専用電源電圧を供給するなどの方法が採用されている。さらに、ファンの回転、停止、或いは速度を制御するための独立した入力端子も設けられ、組み込み機器側からのその端子への制御電圧入力に応じてファンの回転、停止、或いは速度制御を行っている。特に、温度調整機能を有する冷却機器においては、目的温度に到達させるためこの庫内空気循環のためファンの運転・停止が頻繁に行われ、ファンを円滑に制御することが必要とされている。また、情報機器においては、ファン騒音の低減のために、機器内の温度調整が必要な場合のみに排気用のファンの運転が行われるように制御されている。
また、これらの3相センサレスモータにおいては、その起動時に、起動回路発振用コンデンサの容量に応じた周期で、U、V、W相の各コイルに通電させるための同期信号が起動発振ロジックにより与えられ、強制的に3相のうちいずれかの2相のコイルを順次通電させることで、起動に必要な十分なトルクを得ることができるように工夫されている。
前記の強制起動により同期運転が、開始された直後に、前記3相コイルのそれぞれの逆起電圧と3相コイルが共通に接続された中性点電圧とを比較して、ゼロクロスを検出して定格回転運転に移行するように論理回路が構成されている。
しかしながら、前記公報に記載された発明による駆動回路や一般的なファンモータ駆動回路においては、駆動回路の電源電圧が印可されるのと同時に起動発振ロジックに基づいて起動発振が開始される。その起動発振による各相に通電される周期とは関係なく、冷却機器や情報機器側よりファンを停止状態から回転状態、つまり起動させるための指令信号すなわち制御電圧入力が全く独立して駆動回路側に供給されるのでそのタイミングがU、V、W相のいずれかの2相の通電開始のタイミングと一致していない。そのため、大きな回転トルクが必要となるファンの回転させるためには、起動時においては、さらに大きな起動トルクを必要するのだが、強制的に順次通電されている2相のコイルに所定の周期の通電が行われない。つまり通電が所定の周期の時間継続していないため、コイル電流により必要な回転トルクがロータに与えることができず、ファン回転数が定格回転に到達する時間が長くなり、その間前記3相コイルの逆起電圧が小さく、検出すべきゼロクロスではなく、コイル電流のスイッチングノイズを誤検出してしまい、誤ったコミュテーションロジックに移行して、起動方向が逆回転になってしまうという起動不良が発生し、起動特性が悪くなるという課題がある。その結果、ファンモータの組み込まれた冷却機器や情報機器内の温度調整性能が著しく低下し、それらの機器の性能や信頼性にも影響してくる。
本発明は、ファンモータの組み込まれた冷却機器や情報機器などの電子機器から与えられる制御電圧入力のタイミングに遅れることなくモータの起動が開始され、起動遅れや起動方向が逆転するなどの起動不良がなく定格回転運転にスムースに移行することのできるモータ駆動装置を提供することを目的としており、さらにはこのモータ駆動装置を組み込むことにより電子機器の性能・品質向上を図ることを目的としている。
本発明は、3相モータコイルと、3相モータコイルにコイル電圧を供給する駆動回路と、駆動回路内でコイル電圧を生成するための起動回路発振用コンデンサとを備え、駆動回路の制御電圧入力と3相モータコイルのいずれかの2相に通電するタイミングとを同期させたモータ駆動装置である。これにより制御電圧入力が起動回路の発振と同期がとれ、強制的に3相のうちいずれかの2相のコイルを順次通電させるタイミングが一致し、起動に必要な十分な回転トルクが与えられることが可能となる。その結果、制御電圧入力が与えられたにも拘わらず起動回転が遅れる又は起動方向が逆転してしまうという起動不良を低減し、起動特性を改善できるセンサレスモータの提供が可能となる。
また、制御電圧入力と3相モータコイルのいずれかの2相に通電するタイミングとを同期させるための手段として、起動回路発振用コンデンサの非GND側の端子と前記駆動回路の前記起動回路発振用コンデンサ接続端子間の電気的接続の開閉を前記駆動回路の制御電圧入力と同期させることが好ましい。
さらに、制御電圧入力と3相モータコイルのいずれかの2相に通電するタイミングとを同期させるための別の手段として、前記駆動回路の電源電圧を印可するタイミングと前記駆動回路の制御電圧入力を同期させてもよい。
本発明によれば、制御電圧入力が起動回路の発振と同期がとれ、強制的に3相のうちいずれかの2相のコイルを順次通電させるタイミングが一致し、起動に必要な十分な回転トルクが与えられることが可能となる。その結果、制御電圧入力が与えられたにも拘わらず起動回転が遅れる又は起動方向が逆転してしまうという起動不良を改善できる。
本発明は、モータ駆動装置の起動動作において、起動回転が遅れる又は起動方向の逆転現象を防止することで起動特性を改善する目的を、3相モータコイルのいずれか2相に通電するタイミングと駆動回路に入力された制御電圧入力のタイミングとを同期させたことにより実現した。
請求項1に記載の発明によれば、制御電圧入力が起動回路の発振と同期がとれ、制御電圧入力のタイミングと強制的に3相のうちいずれかの2相のコイルを順次通電させるタイミングとが一致し、起動に必要な十分な回転トルクが与えられることが可能となる。その結果、制御電圧入力が与えられたにも拘わらず起動回転が遅れる又は起動方向が逆転してしまうという起動不良を改善できる。
請求項2に記載の発明によれば、起動回路発振用コンデンサの非GND側の端子と駆動回路の起動回路発振用コンデンサ接続端子間の電気的接続の開閉を駆動回路の制御電圧入力と同期させることができるので、制御電圧入力と同期して駆動回路の起動発振が開始され、制御電圧入力のタイミングと3相モータコイルのいずれかの2相に通電するタイミングとを同期できるため起動に必要な十分なトルクが与えられることが可能となり、起動回転が遅れる又は起動方向が逆転してしまうという起動不良を改善できる。
請求項3に記載の発明によれば、駆動回路の電源電圧を印可するタイミングと駆動回路の制御電圧入力を同期させることができ、制御電圧入力と同期して駆動回路の起動発振が開始され、制御電圧入力のタイミングと3相モータコイルのいずれかの2相に通電するタイミングとを同期できるため起動に必要な十分なトルクが与えられることが可能となり、起動回転が遅れる又は起動方向が逆転してしまうという起動不良を防止でき起動特性を改善できる。
請求項4に記載の発明によれば、ファンモータの起動回転が遅れる又は起動方向が逆転してしまうという起動不良を防止でき起動特性を改善できる。
請求項5に記載の発明によれば、送風ファンの起動回転が遅れる又は起動方向が逆転してしまうという起動不良を防止でき起動特性を改善できる。
請求項6に記載の発明によれば、電子機器内の送風ファンの起動回転が遅れる又は起動方向の逆転現象を防止するにより、その起動特性を改善でき、その結果電子機器本体の温度調整性能、排気性能、品質などを向上できる。
図1は、本発明の実施例1におけるモータ駆動装置のブロック図で、図2は、本発明の実施例2におけるモータ駆動装置の回路図で、図3は、本発明の実施例1におけるモータ駆動装置の制御電圧入力とモータコイル出力電圧のタイミングチャートである。
図1のブロック図において、3相モータコイル1を構成しているコイルLU、LV、LWはY結線されており、それぞれのコイルは駆動回路2のコイル電圧出力端子U,V,Wの出力端子が接続され、その3つのモータコイルの中性点が駆動回路のCOM端子に接続されている。駆動回路2には、起動発振のための起動発振ロジック、モータコイル中性点電位とモータコイル逆起電圧を比較するコンパレータ、コンパレータ出力と起動発振ロジックを切り換えるセレクター、3相モータコイル出力論理を形成するコミュテーションロジック、3相モータコイル電圧出力制御をするためのプリドライバーとスイッチング素子から成るドライバーが内蔵されている。また、これらの内部論理回路の駆動電圧は、駆動回路電源電圧Vccにより与えられている。また、駆動回路2には、駆動回路用電源端子VccとモータコイルLU、LV、LWに通電するためのモータ電源端子VMがあり、通常VMには、大きな起動トルクを必要とするため駆動回路用電源電圧Vccより高めの電圧が印可されている。起動回路発振用コンデンサ接続端子CSTには制御電圧入力同期部3を介して起動回路発振用コンデンサC1が接続され、その反対側の端子がGND電位となっている。また、制御電圧入力端子DCINには、冷却機器や情報機器等の電子機器側からファンを回転、停止、或いは速度制御のための指令信号すなわち制御電圧入力Vctlが全く独立して与えられる。
制御電圧入力の電圧値に応じて、制御電圧入力同期部3により起動回路発振用コンデンサC1の非GND側端子と駆動回路2の起動回路発振用コンデンサ接続端子CSTとの電気的開閉を制御している。
次に、本発明の駆動装置の回路動作を図2を用いて説明する。
3相モータコイル1と駆動回路2の構成については、図1と同様で、3相モータコイル1を構成しているコイルLU、LV、LWはY結線されており、それぞれのコイルは駆動回路2のコイル電圧出力端子U,V,Wの出力端子が接続され、その3つのモータコイルの中性点が駆動回路のCOM端子に接続されている。ファンモータにおいては、大きな起動トルクを必要とするため通常電子機器側よりモータコイル電圧VMとして、駆動回路用電源電圧Vccより高めの5〜18V程度の電圧が供給されている。また、駆動回路2の内部論理回路の駆動電圧は、モータ電圧VMをNPNバイポーラトランジスタQ1とツェナーダイオードZD1を用いて、NPNバイポーラトランジスタQ1のベースに接続されたツェナーダイオードZD1のツェナー電圧に応じた低電圧をエミッタ端子に出力する低電圧化回路により4.5〜5.5V程度の駆動回路用電源電圧Vccを得ている。制御電圧入力同期部3は、コンパレータIC1と反転入力用の分圧抵抗R1とR2とにより構成されており、コンパレータIC1の非反転入力端子が制御電圧入力Vctlと接続されており、反転入力より大きな非反転入力が入力される前の状態、つまり制御電圧入力が電子機器側から出力されていない場合は、コンパレータ出力端子は、GNDレベルとなり、起動回路発振用コンデンサ接続端子がGNDレベルとなり非発振状態となる。次に、反転入力より大きな非反転入力が入力された状態、つまり制御電圧入力が電子機器側から出力された場合は、コンパレータ出力端子は、オープン状態となり、起動回路発振用コンデンサ接続端子CSTが起動発振用コンデンサC1と接続した状態となり、起動回路発振用コンデンサC1の容量に応じた周期で、U、V、W相のコイルに順次通電させるための同期信号が起動発振ロジックにより与えられ、強制的に3相のうちいずれかの2相のコイルを所定の周期だけ順次通電させる起動発振が開始されることで、起動に必要な十分なトルクを得ることができる。
以上の動作を図3のタイミングチャートを用いて説明する。
図3のタイミングチャートにおいて、(a)は駆動回路2のモータ電圧VMの端子電圧、(b)は、駆動回路2の電源電圧Vccの端子電圧、(c)は制御電圧入力Vctl、(d)は3相モータ起動ロジックをコイル電圧出力のU,V、Mの各相のモータコイル端子からの出力電圧波形で示したものである。電子機器側よりモータ電圧VMが供給されるT1から制御電圧入力の与えられるT2までの期間t1については、起動発振用コンデンサC1がCST端子に非接続であり、起動発振ロジックに応じてモータコイル電圧が3相モータコイルLU、LV、LWのいずれにも出力されることはない。従って、ファンは停止したままである。そして、電子機器側より制御電圧入力が与えられると、それに同期して、起動発振ロジックに応じて3相モータコイルのいずれか2相のモータコイルに所定の周期だけモータ電圧が順次印可される。そのため、起動に必要な十分なトルクを与えることが可能となり、起動回転が遅れることもなく十分な起動が開始されるため、3相モータコイルの逆起電圧も十分に大きく、ゼロクロスの検出も正常に行われ、コイル電流のスイッチングノイズの誤検出もなく、正常なコミュテーションロジックに移行して、起動方向が逆回転になってしまうということも起こらない。すなわち、制御電圧入力が与えられるT2以降の期間t2については、起動回転が遅れる又は起動方向が逆転してしまうという起動不良を防止でき起動特性を改善できる。この動作は、その後制御電圧入力が電子機器側からの制御信号により不定期にONとOFFを繰り返すとしても、その制御電圧入力に同期して、起動発振ロジックが開始し3相モータコイルのいずれか2相のコイルに所定の周期のモータコイル電圧が順次印可される。つまり、図3(d)のタイミングチャートのようにモータコイルに通電が開始された場合は、(LU、LV)→(LU、LW)→(LV、LW)→(LV、LU)→(LW、LU)→(LW、LV)の順序で、電気角60度毎に通電するコイルの組み合わせが変化していき、起動に必要な十分なトルクを与えることが可能となり、起動回転が遅れることもなく十分な起動が開始される。
図4は、本発明の実施例2におけるモータ駆動装置のブロック図で、図5は、本発明の実施例2におけるモータ駆動装置の回路図で、図6は、本発明の実施例2におけるモータ駆動装置の制御電圧入力とモータコイル出力電圧のタイミングチャートである。
駆動回路2の電源電圧Vcc及びモータ電圧VMの入力端子に、制御電圧入力同期部3が接続されており、制御電圧入力に同期して、電源電圧Vccとモータ電圧VMが入力端子に印可されるようにしている。そのため起動発振ロジックは、電源電圧入力と同期して開始されるため3相モータコイルのいずれか2相のコイルに所定の周期のモータ電圧が順次印可される。そのため、起動に必要な十分なトルクが与えることが可能となり、起動回転が遅れることもなく十分な起動が開始される。
次に、本発明の他の駆動装置の回路動作を図5を用いて説明する。
3相モータコイル1と駆動回路2の構成については、図1と同様で、3相モータコイル1を構成しているコイルLU、LV、LWはY結線されており、それぞれのコイルは駆動回路2のコイル電圧出力端子U,V,Wの出力端子が接続され、その3つのモータコイルの中性点が駆動回路2のCOM端子に接続されている。制御電圧入力Vctlは、駆動回路のDCIN端子に接続されると共に5〜18V程度のモータ電圧入力VMと駆動回路間に位置するバイポーラPNPトランジスタQ2のベースに接続されたコンパレータIC1の反転入力端子に接続されている。コンパレータIC1の非反転入力端子には抵抗R1と抵抗R2で分圧された比較電圧が供給されており、その電圧を超えない場合、すなわち制御電圧入力Vctlが電子機器側から供給されていない場合は、そのコンパレータIC1の出力はオープンとなりPNPバイポーラトランジスタQ2のエミッタ・ベース間に電流は流れることはなく非導通状態である。その結果モータ電圧VMは、駆動回路のVM入力端子に供給されることはなく、NPNバイポーラトランジスタのコレクタ端子にも供給されないので、NPNバイポーラトランジスタQ1とツェナーダイオードZD1を用いて、NPNバイポーラトランジスタQ1のベースに接続されたツェナーダイオードZD1のツェナー電圧に応じた低電圧をエミッタ端子に出力する低電圧化回路により駆動回路用電源Vccが供給されることもない。従って、起動回路発振用コンデンサC1が駆動回路2の起動回路発振用コンデンサ接続端子CSTに接続された状態でも、起動発振ロジックが開始されることはない。次に制御電圧入力Vctlが、コンパレータIC1の非反転入力端子の比較電圧を超えた場合、すなわち制御電圧入力Vctlが電子機器側から供給された場合は、コンパレータIC1の出力は、GNDレベルとなり分圧抵抗R3とR4により決まる電圧で、エミッタ−ベース間がバイアスされコレクタ電流が流れ、導通状態となり次段のNPNバイポーラトランジスタQ1のコレクタにモータ電圧VMが供給され、NPNバイポーラトランジスタQ1とツェナーダイオードZD1を用いて、NPNバイポーラトランジスタQ1のベースに接続されたツェナーダイオードZD1のツェナー電圧に応じた低電圧をエミッタ端子に出力する低電圧化回路により4.5〜5.5V程度の駆動回路電源電圧Vccが駆動回路に供給される。従って、起動回路発振用コンデンサC1の容量に応じた周期で、U、V、W相のコイルに通電させるための同期信号が起動発振ロジックにより与えられ、強制的に3相のうちいずれかの2相のコイルを所定の周期だけ順次通電させる起動発振が開始されることで、起動に必要な十分なトルクを得ることができる。
以上の動作を図6のタイミングチャートを用いて説明する。
図6のタイミングチャートにおいて、(a)は駆動回路2のモータ電圧VMの端子電圧、(b)は、駆動回路2の電源電圧Vccの端子電圧、(c)は制御電圧入力Vctl、(d)は3相モータ起動ロジックをコイル電圧出力のU,V、Mの各相のモータコイル端子からの出力電圧波形で示したものである。電子機器側より制御電圧入力Vctlの与えられるT2までの期間t1については、モータ電圧VMやそれが低電圧化されたVccが駆動回路2のVM端子やVcc端子に非接続であり、起動発振ロジックに応じてモータコイル電圧が3相モータコイルLU、LV、LWのいずれにも出力されることはない。従って、ファンは停止したままである。そして、電子機器側より制御電圧入力が与えられると、それに同期して、起動発振ロジックに応じて3相モータコイルのいずれか2相のコイルに所定の周期のモータ電圧が順次印可される。そのため、起動に必要な十分なトルクが与えることが可能となり、起動回転が遅れることもなく十分な起動が開始されるため、3相モータコイルの逆起電圧も十分に大きく、ゼロクロスの検出も正常に行われ、コイル電流のスイッチングノイズの誤検出もなく、正常なコミュテーションロジックに移行して、起動方向が逆回転になってしまうということも起こらない。すなわち、制御電圧入力が与えられるT2以降の期間t2については、起動回転が遅れる又は起動方向が逆転してしまうという起動不良を防止でき起動特性を改善できる。この動作は、その後制御電圧入力が電子機器側からの制御信号により不定期にONとOFFを繰り返すとしても、その制御電圧入力に同期して、起動発振ロジックが開始し3相モータコイルのいずれか2相のコイルに所定の周期のモータ電圧が順次印可される。つまり、図6(d)のタイミングチャートのようにモータコイルに通電が開始された場合は、(LU、LV)→(LU、LW)→(LV、LW)→(LV、LU)→(LW、LU)→(LW、LV)の順序で、電気角60度毎に順次通電するコイルの組み合わせが変化していき、起動に必要な十分なトルクが与えることが可能となり、起動回転が遅れることもなく十分な起動が開始される。
本発明は、大きな起動トルクを要するファンモータを安定して駆動させるための駆動回路で、冷蔵庫や冷凍庫などの冷却機器やパーソナルコンピュータなどの情報機器の排気用の送風ファンを駆動させるファンモータを駆動させる用途だけでなく、ハードディスクドライブやフロッピー(登録商標)ディスクドライブなどの各種のドライブにも利用可能である。
1 3相モータコイル
2 駆動回路
3 制御電圧入力同期部
C1 起動回路発振用コンデンサ
2 駆動回路
3 制御電圧入力同期部
C1 起動回路発振用コンデンサ
Claims (6)
- 3相モータコイルと、前記3相モータコイルにコイル電圧を供給する駆動回路と、前記駆動回路内で前記コイル電圧を生成するための起動回路発振用コンデンサとを備え、前記駆動回路の制御電圧入力のタイミングと前記3相モータコイルのいずれかの2相に通電するタイミングとを同期させたことを特徴とするモータ駆動装置。
- 請求項1記載のモータ駆動装置において、前記起動回路発振用コンデンサの非GND側と前記駆動回路の前記起動回路発振用コンデンサ接続端子間の電気的接続の開閉を前記駆動回路の制御電圧入力と同期させたことを特徴とするモータ駆動装置。
- 請求項1記載のモータ駆動装置において、前記駆動回路の電源電圧を印可するタイミングと前記駆動回路の制御電圧入力を同期させたことを特徴とするモータ駆動装置。
- 請求項1〜3のいづれかに記載のモータ駆動装置を備えたことを特徴とするファンモータ。
- 請求項4に記載のファンモータを備えたことを特徴とする送風ファン。
- 請求項5に記載の送風ファンを備えたことを特徴とする電子機器。
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