JP2009505615A - モータ駆動電流の整形 - Google Patents

Abstract

モータ内のコイルに印加される駆動信号を制御するための方法と装置が開示される。駆動信号は、転流事象とこれに直ちに続く転流事象との間の、コイルが励磁される期間（転流周期）の間印加される。駆動信号は、転流周期の継続期間にわたって変動するパルスから構成される。

Description

関連する出願の相互参照
本願は、下記通常の自己の出願に関する。すなわち２０００年４月２１日に出願された米国特許出願第０９／５５６、７１７で、現時点で２００３年８月２６日付与された米国特許第６、６１１、１１７、および２０２２年６月２０日に出願された米国特許出願第１０／１７５、６５４で、現時点で２００４年１０月５日付与された米国特許第６、８０１、００４の両方をすべての目的のために参照として取り込み、その利益を主張する。

本発明は、広くは電動モータおよび電動モータの動作中に生成される雑音の処理に関する。より詳しくは、本発明は、ブラシレスＤＣ（直流）モータにおける雑音処理および特にはブラシレスＤＣモータにおけるコイルを励磁するための信号を整形することに関する。

ブラシレスＤＣモータの基本的構造は、いくつかのコイル巻線（固定子コイル）に囲まれた、回転する永久磁石（永久磁石回転子）を含む。電流は、逐次的に各コイルに流れ、それゆえ逐次的にコイルを励磁する。コイルに流れる電流のこの流れによって生成される磁界は、回転子の磁石と相互作用する。永久磁石回転子の磁極が角位置を変えるのにつれて、コイル内の電流を変えることによって回転運動が生じる。電流を変える過程は、「転流」と呼ばれる。コイルが励磁される間の期間は、一般的に「転流周期」と呼ばれる。

モータの速度は、どれくらい電流がコイル巻線に流される（コイルを励磁させる）かによって制御される。コイルを励磁するある方法は、転流周期の間コイルの両端に定電圧を印加することによる。コイルを励磁する別の方法は、転流周期の間コイルの両端に連続のパルスを印加することによる。

いろいろな回転速度を得るために、コイルに印加される電圧レベルが変えられる。ある場合において、コイルの両端に印加される定電圧供給の電圧レベルは、変えられ得る。このように、最大回転速度は、電圧供給の最大値Ｖmaxでコイルを励磁することによって得ることができる。低めの回転速度（例えば、５０％）は、０．５Ｖmaxの電圧レベルでコイルを励磁することによって実現され得る。

より一般的に使用され電力効率の良い手法は、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号によってコイルを励磁することによる。このように、電圧供給の電圧Ｖmaxは、転流周期の間一連のパルスを印加される。デューティ比（オフに対するオンの比率）がモータ速度を決定する。例えば、最大速度は、１００％デューティ比、すなわち常時オンを要求する。パルスがパルス周期の７５％の間Ｖmaxで、かつ、パルス周期の残り２５％の間接地（０ボルト）である約７５％のデューティ比を、７５％の速度は要求するであろう。

図６および７は、期間Ｐの転流周期の間コイルを通って流れる電流を示す。図６は、コイルが定電圧源によって励磁されるときの電流波形を示す。転流周期の終了時点にかけて、電流スパイクがあることがみられる。この電流スパイクは、転流周期の終了時点に電圧が除去されるときのコイル内の磁界の急落（逆起電力とも呼ばれる）によるものである。

同様の現象は、ＰＷＭがコイルを励磁するように使用された場合の図７にみられる。転流周期の終了時点にかけて励磁パルスが除去されるとき、転流周期の終了時点に同様のスパイク現象が生ずる。

これらのスパイクは可聴雑音を生成し得る。より重大なことに、スパイクは電磁干渉（ＥＭＩ）の源であり得る。従来の解決策は、ファンモータの動作中に生ずるスパイクを除去するための、さもなければ、スパイクの影響を取り除くための回路技術の使用を必然的に伴う。

本発明は、転流周期の間モータのコイルに印加される駆動信号を制御するための方法および装置を備える。駆動信号は、複数のパルスから構成される。転流周期の間パルスは変えられ、モータの動作中に雑音の低減が実現される。また、本発明は、コイルが駆動信号によって励磁される転流周期の間駆動信号の適切な制御による雑音処理を備える。

本発明の観点、利点および新規性は、添付の図面とともに本発明の記載から明らかになる。

本発明は、いかなるブラシレスＤＣモータの仕組みにも容易に適合されるが、本出願人のブラシレスＤＣモータファン装置は、本発明の実施の形態を示すための便利な手段として機能するであろう。特に、本出願人の米国特許第６、６１１、１１７号に公開されたモータ装置がこの中に記載される。

図１および２は、それぞれ本発明の実施の形態に係る、総じて符号１００で指定されたブラシレスＤＣモータの簡略化された構成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、相補的な出力３０、４０を有するマイクロコントローラ２０、固定子コイル５０、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を含む。図１に示される構成図において、スイッチＳＷ１およびＳＷ２は、フルブリッジドライバの段階において同時にオンになる２つのスイッチから構成される。図２に示される概略図において、図１のスイッチＳＷ１およびＳＷ２は、スイッチ６０、７０またはスイッチ８０、９０で表される。本発明に係る最良の実施形態において、ホールセンサ１０は工業部品番号ＵＡ３１７５装置を備え、マイクロコントローラ２０は工業部品番号１２Ｃ６７１装置を備える。

図１および２に示されるブラシレスＤＣモータに対するある用途は、冷却電子回路に使用される種類のファンに関する。いわばブラシレスＤＣモータにより駆動されるファンである、このようなブラシレスＤＣファンは、さらに、羽根車ハウジングに取り付けられる１枚の羽根車（図示せず）を含む。図１および２に示されるとおり、電流がＳＷ１ ７０の上部スイッチを通り、固定子コイル５０に流れ、ＳＷ１ ６０の下部スイッチに流れ、あるいは代わって電流がＳＷ２ ９０の上部スイッチを通り、固定子コイル５０に流れ、ＳＷ２ ６０の下部スイッチに流れると、ファンの羽根車は回転を生じさせられる。

羽根車ハウジングは、ブラシレスＤＣファンの永久磁石回転子を構成する永久磁石を含む。ホールセンサ１０は、ブラシレスＤＣファンの羽根車（それゆえ、永久磁石回転子）の回転につれて生成される磁界状態の変化を検出する。羽根車が回転の極値に達すると、ホールセンサ１０はブラシレスＤＣファンの磁界状態における変化を検出し、ホールセンサの出力１２はその論理状態を変更する。以下、説明の都合上、この事象はホール割込と呼ばれる。

ホールセンサ１０の出力１２は、マイクロコントローラ２０に供給され、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の論理状態によるものである。このように、本発明の実施の形態によると、マイクロコントローラ２０がホールセンサ１０の出力１２における変化を検出するときはいつでも、本発明に従ってマイクロコントローラ２０はその出力３０および４０を変える。マイクロコントローラ２０の動作の付加的詳細は図３のフローチャートにおいて記述される。マイクロコントローラ２０の出力３０および４０の状態とホールセンサ１０の出力１２との特定の関係が、任意のブラシレスＤＣモータまたはファンの要求に合うようにうまく適合させることができることは、当業者によって理解されるであろう。

図３は、図２に示される本発明の実施形態に係るモータ１００の動作を説明する。より詳しくは、本発明の実施の形態によると、マイクロコントローラ２０は、周知の技法でありここではこれ以上の記述がされない技法により実行されるソフトウェアプログラムの命令に従ってその出力３０および４０の状態を変更する。本発明の実施の形態によると、マイクロコントローラ２０は、図３に示されるフローチャート３００に強調表示されたステップに従ってソフトウェアプログラムの命令を実行することによりブラシレスＤＣモータの転流を生じさせる。

図３は、本発明のある実施の形態に係るマイクロコントローラ２０の機能を示す。ステップ３０２において、速度の選択が実行される。典型的なコンピュータファンの構成において、コンピュータファンが作動されるシステムは、ファンモータを作動するためにシステム独自のＰＷＭ駆動信号（ファンに対して、外部またはシステムから供給されるＰＷＭ駆動信号とも呼ばれる）を供給する。システムから供給される駆動信号のデューティ比は、ファン速度を制御する。本発明において、マイクロコントローラ２０はシステムから供給される駆動信号を検出し、入力駆動信号のデューティ比に基づいて所望のファン速度の動作を確認することができる。もちろん、多くの代替的な技法のいずれもモータの速度を選択することに使用され得ることは理解されるであろう。例えば、データインターフェースが備えられ得て、モータがそのシステム内で作動される外部システムは、モータ速度を指示するディジタル情報をそのデータインタフェースで送信することができる。

ステップ３０４において、少なくとも速度の選択に基づいて、転流周期は決定される。モータの物理的な寸法は、マイクロコントローラ２０に利用可能なようにすることができる。転流周期は、速度の選択（例えば、毎分の回転数）、物理的な寸法（例えば、回転子の直径）およびモータの設計パラメータ（例えば、磁極の数）に基づいて容易に算出されることができる。転流周期は、転流が実行されるべき前に１つまたはそれ以上の固定子コイルが励磁される総時間を示す。

ステップ３０６において、マイクロコントローラ２０はデューティ比およびタイマ値を初期化する。ここで、ステップ３０４において決定された転流周期は、２つまたはそれ以上の副周期に分割されることができる。例えば、本発明のある実施の形態において、転流周期は図５Ａに示される３つの副周期に分割される。本図は、３つの副周期の継続期間Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を示す。しかしながら、転流周期はより多く（あるいはそれ以下）の副周期に分割されることができる。副周期は、異なる継続期間であってもよい（例えば、図５Ｂ参照）。タイマ値は、最初の副周期に対応して選択される。また、初期デューティ比は選択されるか、さもなければ決定される。

ステップ３０８において、マイクロコントローラ２０は、ステップ３０６において決定された初期タイマ値によりタイマを設定する。次に、ステップ３１０において、マイクロコントローラ２０は、ステップ３０６からの初期デューティ比に等しいパルス、あるいは少なくともこれに基づくデューティ比を有するパルスを生成する。

条件分岐ステップ３１２において、もしステップ３０８で設定されたタイマが時間切れになると、処理は別の条件分岐ステップ３１６に進む。時間切れのタイマは、転流副周期の終了を意味する。最後の副周期が終了したかどうかの条件分岐がステップ３１４でなされる。適切なカウンタまたは他の同様の仕組みは、転流副周期の数に関する情報を追跡し、いずれの副周期が有効であるかどうか、および必要かもしれない他の情報を常時把握することに使用され得る。転流周期の最後の副周期が終了したと判定されるならば、転流はステップ３１８において実行される。最後の副周期の終了は、転流周期が終了したことおよび転流が実行されるべきことを意味する。

もし副周期が最後の転流副周期でないならば（すなわち、条件分岐ステップ３１４の分岐ＮＯ）、処理はステップ３１６に進む。ここで、新たなまたは調整されたデューティ比は、次の転流副周期の間に生成されるパルスに対して選択される。本発明のある実施の形態に従うと、新たなデューティ比は、前値からいくらかの量減じられる。例えば、ある特定の実施の形態において、新たなデューティ比は前のデューティ比から初期デューティ比の４分の１を減じた値となる。すなわち、
Ｄ(新) ＝ Ｄ(前) − ０．２５×Ｄ(初期)
となる。

次の転流副周期に対するデューティ比を調整するのに加えて、次の副周期に対するタイマ値が調整される必要があってよい。転流副周期のそれぞれが継続期間において同一である場合は、タイマ値はリセットされなくてよい。しかしながら、上述したとおり、本発明の実施の形態はさまざまな継続期間の副周期を用いてよい。この場合、タイマ値は次の転流副周期の継続期間のためリセットしなければならないであろう。

ステップ３１６から、ステップ３０８に戻ることにより処理は続く。そこで、タイマは、おそらく新たなタイマ値に初期設定され、調整されたデューティ比によって上述したとおり処理は進む。こうして、ステップ３０８ないし３１６は、各転流副周期に対して繰り返される。次に転流周期の間デューティ比が変動することがみられ得る。デューティ比の適切な選択によって、転流周期の終了時点で固定子コイル内の逆起電力によって生成される雑音は実質的に減じられ得る。

図４、５Ａおよび５Ｂを参照する。これらの図は、モータ内の固定子コイル両端の電圧波形を示す。図４は、コイルに印加される従来のＰＷＭ駆動信号を示す。最初の転流周期Ｐ_ｃ１の間、駆動信号は、コイルに印加される所定のデューティ比のいくつかのパルスからなる（図は３つのパルスを示す）。次に、時間をおいて、別の転流周期Ｐ_ｃ２の間、第２の駆動パルスからなる別の駆動信号がコイルに印加される。先行技術で理解されるように、転流周期の間駆動信号からなるパルスのデューティ比は基本的に一定である。

しかしながら、本発明に従うと、パルスのデューティ比は、転流周期の継続期間中変動する。図５Ａは、本発明のこの観点の説明に役立つ例を示す。図は、拡張された時間尺度において、継続期間Ｐｃの単一の転流周期の間コイルを励磁するための駆動信号および駆動信号からなるパルスを示す。転流周期は、各継続期間Ｓ_１、Ｓ_２およびＳ_３の３つの副周期に分割して示されている。転流周期の開始時点に近い最初の副周期（Ｓ_１）の間コイルに印加されるパルスは、Ｄ_１のデューティ比を有する。第２の副周期（Ｓ_２）の間コイルに印加されるパルスは、Ｄ_２＜Ｄ_１のデューティ比を有する。最後に、転流周期の終了時点にかけての第３の副周期（Ｓ_３）の間コイルに印加されるパルスは、Ｄ_３＜Ｄ_２のデューティ比を有する。これは、デューティ比が転流周期の間変動するということである。

図５Ａは、副周期が同一の継続期間のものであることを示す。したがって、Ｓ_１＝Ｓ_２＝Ｓ_３である。図５Ｂは、転流周期が、例えば、Ｓ_１≠Ｓ_２≠Ｓ_３のような同一でない継続期間の副周期に分割されてよいことを示す。また、図５Ｂ（および５Ａ）は、パルスのパルス周期（Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３）が同一であることを示す。

本発明の初期実施においては、転流周期は４つの副周期に分割されていた。その後に続く副周期におけるパルスのデューティ比は、元のデューティ比の４分の１が減じられていた。最後の副周期における最後のパルスはなくなっていた。前記より、転流周期の間固定子コイルに印加される駆動信号の構成パルスは、さまざまな方法で変えられてよいことを本発明が教示していることは理解され得る。

例えば、転流周期は、任意の数の副周期に分割され得る。各副周期は、同一の継続期間のものであってもよいし、あるいは異なる継続期間のものであってもよい。マイクロコントローラ２０は、本発明のこの観点を実施するための既知のプログラミング技法を使ってプログラムされることができる。

マイクロコントローラ２０は、転流周期の継続期間にわたって駆動信号の構成パルスのデューティ比を徐々に減じるようにプログラムされることができる。こうして、転流周期の開始時点に近いパルスは、転流周期の終了時点に近いパルスのデューティ比よりも大きいデューティ比を有することができる。一般的に、転流周期の間固定子コイルに印加される駆動信号の構成パルスのデューティ比は変えられることができる。

デューティ比を変える代わりに、構成パルスの周期（パルス周期）は、転流周期の間変えられてよい。周期変動するパルスのデューティ比は、一定のデューティ比で維持されてよい。図５Ｃは、本発明のこの観点を示すが、パルス周期Ｐ_１ないしＰ_ｎは異なってよい。また、パルス周期およびデューティ比の両方は、転流周期の進行が終わるまで変えられることができる。

従来システムにおいて、所定のモータ速度が所望されるとき、駆動信号のデューティ比が適切に選択され、コイルに対する転流周期の間そのコイルに印加される。換言すれば、コイルが励磁される時間の間、そのコイルに印加される駆動信号の構成パルスは、少なくとも所望の速度設定に基づいて決定されるデューティ比を有する。転流周期の継続期間にコイルの両端に印加される平均電圧が所望のモータ速度に対応する値と同一であるように、デューティ比は選択される。

同一の制約条件が、本発明に従って生成される駆動信号にあてはまることは留意される。本発明によると、構成パルスは、転流周期の継続期間中に、デューティ比、副周期の数もしくはパルス周期、またはこれらのパラメータのいくつかの組合せに基づいて変えられる。しかしながら、いろいろなデューティ比および／またはパルス周期を選択するためのパラメータは、転流周期の間総平均電圧がモータの所望の回転速度に対して適切であるような制約条件によって選択されるべきである。

雑音管理形態は、本発明に従ってモータを動作させることによってもたらされ得る。動作中のモータによって生じる雑音は、本発明に従って固定子コイルを駆動することによって減じられ得る。すなわち、各固定子コイルに対して、その固定子コイルがその転流周期の間駆動されるとき、駆動信号は本発明に従って生成され、そのコイルに印加されるということである。逆起電力が低減すれば、それに応じて雑音および電磁干渉の低減をもたらす。

本発明に係るブラシレスＤＣモータおよび動作可能な制御機構の簡略化した構成図を示す。 図１に示されたブラシレスＤＣモータの概略図を示す。 本発明に係る図１および２に示されたブラシレスＤＣモータの転流を示すフローチャートを示す。 固定子コイルを励磁する従来の駆動信号を示す。 図５Ａないし５Ｃは、本発明に係る固定子コイルを励磁するための駆動信号波形の例を示す。 従来技法に従って励磁されたコイルの両端の電流波形を示す。 別の従来技法に従って励磁されたコイルの両端の電流波形を示す。

符号の説明

１０ ホールセンサ
１２、３０、４０ 出力
２０ マイクロコントローラ
５０ 固定子コイル
１００ モータ

Claims (26)

1. モータを駆動するための方法であって、
   前記モータを構成するコイルを励磁するために駆動信号を生成し、最初の転流周期の間前記駆動信号により前記コイルを励磁することを備え、
   前記駆動信号は、複数の構成パルスからなり、
   いくつかの前記構成パルスは、他の前記構成パルスとは異なる、
   モータを駆動するための方法。
2. 前記構成パルスのデューティ比は、前記最初の転流パルスの継続期間にわたって変動する請求項１に記載の方法。
3. 前記構成パルスのデューティ比は、前記最初の転流パルスの継続期間にわたって減少する請求項１に記載の方法。
4. 前記転流周期の開始時点に近い前記構成パルスのデューティ比は、前記転流周期の終了時点に近い前記構成パルスのデューティ比よりも大きい請求項１に記載の方法。
5. 前記転流周期は、２つまたはそれ以上の副周期に分割され、各副周期におけるパルスは他の副周期におけるパルスとは互いに異なる請求項１に記載の方法。
6. 他の前記構成パルスよりも時間的に後の前記構成パルスは、より短いパルス幅を有する請求項１に記載の方法。
7. 前記転流周期の開始時点に近い前記構成パルスのパルス幅は、前記転流周期の終了時点に近い前記構成パルスのパルス幅よりも継続期間が長い請求項１に記載の方法。
8. 前記構成パルスのパルス幅は、前記転流周期の開始時点から前記転流周期の終了時点に向かって、継続期間が次第に短くなる請求項１に記載の方法。
9. 前記モータは、ブラシレスＤＣモータである請求項１に記載の方法。
10. 請求項１に記載の方法に係るファンモータを動作させる方法。
11. モータと、前記モータを動作させるための駆動信号を生成するためのコントローラとを備え、前記コントローラは請求項１の方法に係る駆動信号を生成するように動作可能であるファン。
12. ファンの動作中に生成される雑音を管理するための方法であって、前記ファンはブラシレスＤＣモータを備え、前記方法は、前記ブラシレスＤＣモータを構成する固定子コイルを励磁するために駆動信号を生成することを含み、ここで前記駆動信号は、前記固定子コイル内の電流スパイクの生成を回避するように整形される、雑音を管理するための方法。
13. 前記駆動信号は複数のパルスからなり、前記コイルが励磁される間の期間にわたってコイルに印加される最初の駆動信号に対して、前記最初の駆動信号を構成するパルスのデューティ比が変動する請求項１２に記載の方法。
14. 前記デューティ比は、前記期間にわたって値が減少する請求項１３に記載の方法。
15. 前記駆動信号は複数のパルスからなり、前記コイルが励磁される間の期間にわたってコイルに印加される最初の駆動信号に対して、前記最初の駆動信号を構成するパルスのパルス周期が変動する請求項１２に記載の方法。
16. 前記最初の駆動信号を構成する前記パルスのデューティ比は、前記パルス周期と同様に変動する請求項１５に記載の方法。
17. ファンモータを動作させるための方法であって、最初の転流周期の間前記ファンモータのコイルを励磁することを含み、複数の構成パルスを生成することを含み、前記最初の転流周期の間生成される前記構成パルスのいくつかは、前記最初の転流周期の間に生成される他の前記構成パルスのデューティ比とは異なるデューティ比を有する、ファンモータを動作させるための方法。
18. 後の時間に生成される前記構成パルスは、それ以前に生成された構成パルスよりも小さいデューティ比を有する請求項１７に記載の方法。
19. 前記最初の転流周期の開始時点近くで生成される前記構成パルスのデューティ比は、前記最初の転流周期の終了時点近くで生成される前記構成パルスのデューティ比よりも大きい請求項１７に記載の方法。
20. 前記構成パルスのデューティ比は、前記最初の転流周期の開始時点から前記最初の転流周期の終了時点に向かって、継続期間が次第に短くなる請求項１７に記載の方法。
21. 前記パルスのパルス周期は、前記最初の転流周期の開始時点から前記最初の転流周期の終了時点に向かって、継続期間が次第に短くなる請求項１７に記載の方法。
22. 前記モータは、ブラシレスＤＣモータである請求項１７に記載の方法。
23. ファンモータと、前記ファンモータを動作させるための駆動信号を生成するためのコントローラとを備え、前記コントローラは請求項１７の方法に従い駆動信号を生成するように動作可能であるファン。
24. ブラシレスＤＣモータを動作させる方法であって、
    最初の転流周期の間前記ブラシレスモータを構成する複数のコイルのうちの最初のコイルを励磁するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成し、前記ＰＷＭ信号の継続期間は前記最初の転流周期と実質的に同一であることと、
    前記ＰＷＭ信号を印加することによって前記最初の転流周期の間前記最初のコイルを励磁することと、
    前記ＰＷＭ信号は、前記最初の転流周期の間に一定でないデューティ比を有することと、
    を備えるブラシレスＤＣモータを動作させる方法。
25. 前記ＰＷＭ信号は複数の構成パルスを含み、前記構成パルスのデューティ比は全部同一ではなく、前記最初の転流周期の間前記最初のコイルがさまざまなデューティ比のパルスによって励磁される請求項２４に記載の方法。
26. 少なくとも最初のコイルを備えるブラシレスＤＣモータを動作させる方法であって、前記方法は、転流周期の間前記少なくとも最初のコイルを励磁することを含み、励磁は前記少なくとも最初のコイルにＰＷＭ信号を印加することを含み、前記ＰＷＭ信号のデューティ比は前記転流周期の間変動する、ブラシレスＤＣモータを動作させる方法。