JP2009240089A - モータ駆動回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】三角波状に変化する発振電圧の振幅に依存しない周波数でモータを間欠駆動する。
【解決手段】モータ駆動回路は、三角波状に変化する発振電圧の振幅を制御するための振幅制御電圧に応じた電流量の充放電電流でキャパシタを充放電し、キャパシタの充電電圧を発振電圧として出力する三角波生成回路と、モータの回転速度を制御するための速度制御電圧と、三角波生成回路から出力される発振電圧との比較結果に基づいて、速度制御電圧のレベルに応じたデューティー比のパルス信号を生成するパルス信号生成回路と、パルス信号に基づいてモータコイルを間欠駆動する駆動回路とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、モータ駆動回路に関する。
モータの回転を制御するモータ駆動回路では、パルス信号を用いてモータコイルを間欠駆動することによりモータの回転速度の調整が行われることがある。例えば、マイコン等から入力される直流の速度制御電圧を三角波状に変化する発振電圧と比較することによって、制御電圧のレベルに応じたデューティー比のパルス信号を生成し、生成されたパルス信号を用いてモータコイルを間欠駆動することがある(例えば、特許文献1)。
ここで、速度制御電圧の変動範囲はマイコン等の仕様によって異なることがあるため、速度制御電圧の変動範囲に合わせて発振電圧の変動範囲を設定可能とする場合がある。一般的に、発振電圧は、キャパシタを定電流で充電してキャパシタの充電電圧が上限レベルに達すると定電流で放電を開始し、キャパシタの充電電圧が下限レベルに達すると定電流で充電を開始することを繰り返すことによって生成される。例えば、図6に示すように、上限レベルをV1、下限レベルをV2とすれば、破線で示す発振電圧Vosc1が得られ、上限レベルをV1、下限レベルをV3とすれば、実線で示す発振電圧Vosc2が得られる。すなわち、速度制御電圧Vdの変動範囲をV1〜V2とする場合は発振電圧Vosc1を生成し、速度制御電圧Vdの変動範囲をV1〜V3とする場合は発振電圧Vosc2を生成することとなる。
特開2001−320890号公報
ところで、発振電圧の変動範囲、すなわち発振電圧の振幅を変更する場合、充放電時の発振電圧の変化速度が振幅にかかわらず同じであるとすると、発振電圧の周波数は振幅に応じて変化することになる。図6の例において、V2=(V1+V3)/2であるとすると、発振電圧Vosc1の周波数は発振電圧Vosc2の周波数の2倍となる。したがって、発振電圧Vosc1と速度制御電圧Vdとの比較によって生成されるパルス信号PWM1の周波数は、発振電圧Vosc2と速度制御電圧Vdとの比較によって生成されるパルス信号PWM2の周波数の2倍となる。このようにパルス信号のデューティー比が発振電圧の振幅に応じて変化する状況においては、パルス信号の周波数が可聴領域に入ることにより、モータを間欠駆動する際にノイズが発生したり、パルス信号がモータを駆動不能な周波数となってしまったりすることがある。
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、三角波状に変化する発振電圧の振幅に依存しない周波数でモータを間欠駆動することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のモータ駆動回路は、三角波状に変化する発振電圧の振幅を制御するための振幅制御電圧に応じた電流量の充放電電流でキャパシタを充放電し、前記キャパシタの充電電圧を前記発振電圧として出力する三角波生成回路と、モータの回転速度を制御するための速度制御電圧と、前記三角波生成回路から出力される前記発振電圧との比較結果に基づいて、前記速度制御電圧のレベルに応じたデューティー比のパルス信号を生成するパルス信号生成回路と、前記パルス信号に基づいてモータコイルを間欠駆動する駆動回路とを備える。
三角波状に変化する発振電圧の振幅に依存しない周波数でモータを間欠駆動することができる。
図1は、本発明の一実施形態であるモータ駆動回路の構成を示す図である。モータ駆動回路10は、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器において、プロセッサ等の発熱部品(被冷却装置)を冷却するためのファンモータに組み込まれており、冷却用のファンを回転させるためのモータを駆動するために用いられる。
本実施形態のモータ駆動回路10は単相のファンモータを駆動する回路であり、三角波生成回路20、コンパレータ22、駆動回路24、及びNチャネルMOSFET26〜29を含んで構成されており、マイコン等から入力される制御電圧Vdのレベルに応じてモータコイルLの駆動周波数を調整することにより、モータの回転速度を制御することができる。また、ホール素子35は、端子H1,H2を介してモータ駆動回路10と接続されており、モータの回転位置に応じて正弦波状に変化する、互いに逆相の信号Vh1,Vh2を出力する。
三角波生成回路20は、端子Tpを介して印加される振幅制御電圧Vpに応じた振幅を有する、所定周波数で三角波状に変化する発振電圧Voscを生成する。
コンパレータ22(パルス信号生成回路)は、発振電圧Voscと、端子Tdを介して印加される、モータの回転速度を制御するための速度制御電圧Vdとを比較することにより、速度制御電圧Vdのレベルに応じたデューティー比のパルス信号PWMを出力する。本実施形態では、速度制御電圧Vdが発振電圧Voscより高い場合にパルス信号PWMがHレベルとなり、速度制御電圧Vdが発振電圧Voscより低い場合にパルス信号PWMがLレベルとなることとする。したがって、速度制御電圧Vdを発振電圧Voscの下限から上限に変化させるに従って、パルス信号PWMにおけるHレベルのデューティー比が0%から100%に変化していくことになる。
駆動回路24は、ホール素子35からの信号Vh1,Vh2に基づいて、モータが所望の方向に回転するよう、モータの回転位置に応じてNチャネルMOSFET26〜29を適宜オンオフする。例えば、駆動回路24がNチャネルMOSFET26,29をオン、NチャネルMOSFET27,28をオフとすることにより、モータコイルLには端子T1から端子T2の方向に電流が流れることとなる。一方、例えば、駆動回路24がNチャネルMOSFET27,28をオン、NチャネルMOSFET26,29をオフとすることにより、モータコイルLには端子T2から端子T1の方向に電流が流れることとなる。
また、駆動回路24は、パルス信号PWMに基づいてモータコイルLを間欠駆動することができる。例えば、駆動回路24は、NチャネルMOSFET26,29をオン、NチャネルMOSFET27,28をオフとする場合において、パルス信号PWMがHレベルの期間はNチャネルMOSFET26をオン、パルス信号PWMがLレベルの期間はNチャネルMOSFET26をオフとすることができる。すなわち、パルス信号PWMのデューティー比に応じてモータコイルLが間欠駆動されることとなり、モータの回転速度もパルス信号PWMのデューティー比に応じたものとなる。
図2は、三角波生成回路20の構成例を示す図である。三角波生成回路20は、オペアンプ40、PNPトランジスタ42〜45、NPNトランジスタ47〜49、NチャネルMOSFET51、NチャネルMOSFET52(スイッチ回路)、基準電源54、ダイオード56、コンパレータ58(比較回路)、インバータ60、抵抗R1、及び抵抗R2(電圧生成回路)を含んで構成されている。
オペアンプ40は、NPNトランジスタ47のエミッタの電圧が速度制御電圧Vpと等しくなるようにNPNトランジスタ47を制御する。これにより、抵抗R1の抵抗値をR1とすると、PNPトランジスタ42、NPNトランジスタ47、及び抵抗R1には、Vp/R1の電流が流れることとなる。また、PNPトランジスタ42〜45は同一サイズの電流ミラー回路を構成しており、PNPトランジスタ43〜45にもVp/R1の電流が流れることとなる。すなわち、オペアンプ40、NPNトランジスタ47、抵抗R1、及びPNPトランジスタ42〜45により構成される回路が本発明の電流生成回路に相当する。
NPNトランジスタ48,49は、サイズ比が1:2の電流ミラー回路を構成している。そして、NPNトランジスタ48のコレクタが、PNPトランジスタ43のコレクタと接続されるとともに、NチャネルMOSFET51のドレインと接続され、NPNトランジスタ49のコレクタが、PNPトランジスタ44のコレクタと接続されるとともに、端子TCを介してキャパシタCと接続されている。したがって、NチャネルMOSFET51がオンの場合は、PNPトランジスタ44から出力されるVp/R1の電流がキャパシタCに流れ込んでキャパシタCが充電され、NチャネルMOSFET51がオフの場合は、NPNトランジスタ49に2×Vp/R1の電流を流す必要があるため、Vp/R1の電流がキャパシタCからNPNトランジスタ49に流れ出してキャパシタCが放電されることとなる。そして、キャパシタCの充電電圧が発振電圧Voscとなる。なお、NPNトランジスタ48,49及びNチャネルMOSFET51により構成される回路が本発明の充放電回路に相当する。
抵抗R2の一端には基準電源54から出力される基準電圧Vrefが印加され、抵抗R2の他端はダイオード56のカソードと接続されている。また、ダイオード56のアノードはPNPトランジスタ45のコレクタと接続されるとともに、NチャネルMOSFET52のドレインと接続されている。したがって、NチャネルMOSFET52がオンの場合は抵抗R2に電流が流れず、NチャネルMOSFET52がオフの場合は抵抗R2にVp/R1の電流が流れることとなる。つまり、ダイオード56及び抵抗R2の接続点に発生する比較電圧Vcmpは、抵抗R2の抵抗値をR2とすると、NチャネルMOSFET52がオンの場合はVref(第1レベル)となり、NチャネルMOSFET52がオフの場合はVref+(R2/R1)Vp(第2レベル)となる。なお、NチャネルMOSFET52、基準電源54、ダイオード56、及び抵抗R2により構成される回路が本発明の比較電圧制御回路に相当する。また、NチャネルMOSFET52及びダイオード56により構成される回路が本発明の比較電圧出力回路に相当する。
図3は、三角波生成回路20の動作の一例を示す波形図である。初期状態では、コンパレータ58の出力信号がLレベルであることとする。このとき、NチャネルMOSFET52がオフであるため、比較電圧VcmpはVref+(R2/R1)Vpとなっている。そして、コンパレータ58の出力信号がインバータ60で反転されてHレベルとなるため、NチャネルMOSFET51がオンとなっており、キャパシタCはVp/R1の電流で充電されていく。
キャパシタCが充電されて発振電圧VoscがVref+(R2/R1)Vpに達すると、コンパレータ58の出力信号がHレベルとなる。これにより、NチャネルMOSFET52がオンとなって比較電圧VcmpがVrefに変化するとともに、NチャネルMOSFET51がオフとなってキャパシタCがVp/R1の電流で放電されていく。
キャパシタCが放電されて発振電圧VoscがVrefに達すると、コンパレータ58の出力信号がLレベルとなり、再び、キャパシタCの充電が開始される。このようにキャパシタCがVp/R1の電流で充放電されることにより、発振電圧Voscは下限をVref、上限をVref+(R2/R1)Vpとして発振することになる。つまり、発振電圧Voscの振幅は(R2/R1)Vpとなり、振幅制御電圧Vpに応じて変化することとなる。
ここで、発振電圧Voscの周期をT、キャパシタCの容量をC1とすると、T=CV/I={C1×2(R2/R1)Vp}/(Vp/R1)=2C1×R2となる。したがって、発振電圧Voscの周期は一定となる。つまり、発振電圧Voscは振幅によらず一定の周波数を有することとなる。
図4は、発振電圧Voscの振幅を変化させた場合のパルス信号PWMの一例を示す図である。Vosc1は、振幅制御電圧VpをVp1とした場合の発振電圧Voscの波形であり、Vosc2は、振幅制御電圧VpをVp2(=Vp1/2)とした場合の発振電圧Voscの波形である。ここで、発振電圧Voscの振幅は(R2/R1)Vpであるため、Vosc1の振幅はVosc2の振幅の2倍となっている。ただし、発振電圧Voscの周波数は振幅によらず一定であるため、発振電圧Vosc1,Vosc2の周波数は同じである。したがって、発振電圧Vosc1,Vosc2と速度制御電圧Vdとの比較によって生成されるパルス信号PWM1,PWM2の周波数も、発振電圧Vosc1,Vosc2の振幅によらず同じとなる。
以上、本実施形態のモータ駆動回路10について説明した。モータ駆動回路10によれば、振幅制御電圧Vpに応じた電流量(Vp/R1)の充放電電流でキャパシタCが充放電される。つまり、発振電圧Voscの振幅変化に比例して充放電電流も変化するため、発振電圧Voscは振幅によらず一定の周期となる。したがって、パルス信号PWMの周波数も一定となり、発振電圧Voscの振幅に依存しない周波数でモータを間欠駆動することができる。そのため、モータを間欠駆動する際にノイズが発生したり、パルス信号PWMがモータを駆動不能な周波数となってしまったりすることを防ぐことができる。
このような発振電圧Voscを生成する三角波発生回路20は、図2に例示するように、振幅制御電圧Vpに応じた充放電電流を生成する電流生成回路と、キャパシタの充電電圧と比較電圧Vcmpとを比較するコンパレータ58と、コンパレータ58の出力信号に応じてキャパシタCを充放電する充放電回路と、コンパレータ58の出力信号に応じて比較電圧Vcmpを制御する比較電圧制御回路を含んで構成することができる。
また、図2に例示するように、比較電圧Vcmpを制御する比較電圧制御回路は、基準電源54、充放電電流に応じた電圧を出力する電圧生成回路、コンパレータ58の出力信号に応じた比較電圧Vcmpを出力する比較電圧出力回路を含んで構成することができる。
また、図2に例示するように、充放電電流に応じた電圧を出力する電圧生成回路は抵抗R2により構成することができる。また、図2に例示するように、コンパレータ58の出力信号に応じた比較電圧Vcmpを出力する比較電圧出力回路は、アノードに充放電電流が流れ込み、カソードが抵抗R2と接続されるダイオード56と、抵抗R2への充放電電流の流れ込みを制御するNチャネルMOSFET52により構成することができる。
なお、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。例えば、本実施形態では、モータ駆動回路10を単相のファンモータの駆動用としたが、駆動対象のモータはファンモータに限られず、相数についても単相に限られない。
また、図1においては、モータコイルLの駆動電圧Vddが固定レベルであることとしたが、図5に示すように、駆動電圧Vddがマイコン等からの制御によってモータの目標回転速度に応じて変動することとしてもよい。そして、例えば抵抗R3,R4(制御電圧生成回路)を用いて、駆動電圧Vddに応じた速度制御電圧Vdを生成することとしてもよい。これにより、パルス信号PWMのデューティー比が駆動電圧Vddに応じて変化するため、駆動電圧Vddのみを制御する場合や、駆動電圧Vddを固定としてパルス信号PWMのデューティー比のみを制御する場合と比較して、モータの回転速度の制御範囲を広くすることができる。
本発明の一実施形態であるモータ駆動回路の構成を示す図である。 三角波生成回路の構成例を示す図である。 三角波生成回路の動作の一例を示す波形図である。 発振電圧の振幅を変化させた場合のパルス信号の一例を示す波形図である。 駆動電圧及び速度制御電圧を連動させる場合の一例を示す図である。 発振電圧の振幅変動に応じたパルス信号の変化の一例を示す図である。
符号の説明
10 モータ駆動回路
20 三角波生成回路
22 コンパレータ
24 駆動回路
26〜29 NチャネルMOSFET
35 ホール素子
40 オペアンプ
42〜45 PNPトランジスタ
47〜49 NPNトランジスタ
51,52 NチャネルMOSFET
54 基準電源
56 ダイオード
58 コンパレータ
60 インバータ
L モータコイル
C キャパシタ
R1〜R4 抵抗

Claims (5)

  1. 三角波状に変化する発振電圧の振幅を制御するための振幅制御電圧に応じた電流量の充放電電流でキャパシタを充放電し、前記キャパシタの充電電圧を前記発振電圧として出力する三角波生成回路と、
    モータの回転速度を制御するための速度制御電圧と、前記三角波生成回路から出力される前記発振電圧との比較結果に基づいて、前記速度制御電圧のレベルに応じたデューティー比のパルス信号を生成するパルス信号生成回路と、
    前記パルス信号に基づいてモータコイルを間欠駆動する駆動回路と、
    を備えることを特徴とするモータ駆動回路。
  2. 請求項1に記載のモータ駆動回路であって、
    前記三角波生成回路は、
    前記振幅制御電圧に応じた電流量の前記充放電電流を生成する電流生成回路と、
    前記充電電圧と比較電圧との比較結果を出力する比較回路と、
    前記比較結果に基づいて、前記充電電圧が前記比較電圧より高くなると前記充放電電流によって前記キャパシタを放電し、前記充電電圧が前記比較電圧より低くなると前記充放電電流によって前記キャパシタを充電する充放電回路と、
    前記比較結果に基づいて、前記充電電圧が前記比較電圧より高くなると前記比較電圧を第1レベルに変更し、前記充電電圧が前記比較電圧より低くなると前記第1レベルに対して前記振幅制御電圧に応じた差を有し、前記第1レベルより高い第2レベルに前記比較電圧を変更する比較電圧制御回路と、
    を含んで構成されることを特徴とするモータ駆動回路。
  3. 請求項2に記載のモータ駆動回路であって、
    前記比較電圧制御回路は、
    所定レベルの基準電圧を出力する基準電源と、
    前記充放電電流に応じた電圧を出力する電圧生成回路と、
    前記比較結果に基づいて、前記充電電圧が前記比較電圧より高くなると前記基準電圧を前記第1レベルの前記比較電圧として出力し、前記充電電圧が前記比較電圧より低くなると前記基準電圧に前記電圧生成回路から出力される前記電圧を加えた電圧を前記第2レベルの前記比較電圧として出力する比較電圧出力回路と、
    を含んで構成されることを特徴とするモータ駆動回路。
  4. 請求項3に記載のモータ駆動回路であって、
    前記電圧生成回路は、
    一端が前記基準電源と接続される抵抗であり、
    前記比較電圧出力回路は、
    アノードに前記充放電電流が流れ込み、カソードが前記抵抗の他端と接続されるダイオードと、
    一端が前記ダイオードのアノードと接続され、他端に前記基準電圧より低い電圧が印加され、前記比較結果に基づいて、前記充電電圧が前記比較電圧より高くなるとオンとなり、前記充電電圧が前記比較電圧より低くなるとオフとなるスイッチ回路と、
    を含んで構成されることを特徴とするモータ駆動回路。
  5. 請求項1〜4の何れか一項に記載のモータ駆動回路であって、
    前記モータコイルに印加されるモータの目標回転速度に応じた駆動電圧に応じて、前記制御電圧を変化させる制御電圧生成回路を、
    更に備えることを特徴とするモータ駆動回路。
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