JP2010226794A - ホール素子を用いたブラシレスモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ホール素子によるモータ回転位置の検出出力を入力電圧とするために必要なホールバイアス回路を、モータ電源電圧に起因する消費電力増大関わらず、集積回路に内蔵可能とする。
【解決手段】高電圧仕様の場合、駆動電圧Ｖｃｃをそのままホールバイアス回路３２の動作電圧として用いると、ホール素子３０が動作するときのバイアス電流に起因する電力損失が、低電圧仕様の場合に比べて、極めて大きくなり、集積回路１４としてホールバイアス回路３２をパッケージングすることが困難となる可能性がある。
そこで、本実施の形態では、ブラシレスモータの駆動電圧Ｖｃｃを抵抗３４によって降圧することで、ホール素子３０が動作するときのバイアス電流に起因する、電力損失を抑制するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホール素子による位置検出出力を入力電圧とするホール素子を用いたブラシレスモータの駆動回路に関するものである。

従来、この種のホール素子を用いたブラシレスモータ装置は、特許文献１に開示されるものがある。この特許文献１の回路例を図６に示す。

単相モータ駆動回路Ｓは、ホール素子１００と、モータコイル２００を除き、同一チップ上に集積化された集積回路１０４として提供される。なお、図示はしていないが、パワートランジスタが外付けとなる場合がある。

単相モータの場合は、ホール素子１００は１個であり、その信号を増幅するアンプも１個設ければよい。このホール素子１００からの信号（ホール信号）を位置信号として駆動信号を生成している。

ホール素子１００は、例えば、モータのステータの所定位置に固着され、ホールバイアス回路１０６のバイアス電圧ＶＢが印加されると動作（信号出力）する。

ホール素子１００の出力は、モータのロータが回転しているときは正弦波状であり、ホール素子１００の２つの出力端子Ａ、Ｂからは、互いに逆位相となるホール素子出力信号ＳＨＡ、ＳＨＢが出力される。

このホール素子出力信号ＳＨＡ、ＳＨＢが、モータのロータの回転位置を示すだけでなく、その周波数が、モータの回転速度に比例することになる。

従って、このホール素子出力信号（すなわち、位置信号）ＳＨＡ、ＳＨＢを増幅し、モータに印加される電圧を決定することで、モータを回転駆動させることができる。より具体的には、ホール素子出力信号ＳＨＡ、ＳＨＢのそれぞれを、増幅器１０８、１１０で増幅し、モータコイル２００の両端子に逆位相の駆動信号を与えることにより、モータコイル２００に電流を通電する。これにより、モータは回転トルクを得て回転する。この駆動信号は、モータの位置信号も含んでいる。ホール素子出力信号が、上記と逆位相のときは、モータに通電される電流が逆位相になる。

特開２００７−３７３８６公報

しかしながら、特許文献１（図６の回路）では、モータの電源１０２の電圧が大きいとき、ホール素子１００にはその電源電圧に基づいて電流供給されるため、ホール素子１００に流れる電流に起因して、集積回路１０４の電力損失が大きくなり、所謂一般的パッケージに封じ出来なくなるという問題がある。

例えば、相対的に低電圧（５Ｖや１２Ｖ駆動等があるが、ここでは５Ｖとする）での使用の場合にホールバイアス回路１０６からホール素子１００に流れる電流を１０ｍＡとする。またその他の制御系の合計電流を３ｍＡとすると、損失は、（１０ｍＡ＋３ｍＡ）×５Ｖ＝０．０６５Ｗ程度であり、特に問題はない（一般的パッケージ可能）。

一方、相対的に高電圧（ここでは、５０Ｖとする）での使用の場合にホールバイアス回路１０６からホール素子１００に流れる電流を１０ｍＡとする。またその他の制御系の合計電流を３ｍＡとすると、損失は、（１０ｍＡ＋３ｍＡ）×５０Ｖ＝０．６５Ｗ程度となり、このような高電圧仕様では、電力損失が増大により、ホールバイアス回路１０６を集積回路１０４に内蔵（パッケージング）できない。

本発明は上記事実を考慮し、ホール素子によるモータ回転位置の検出出力を入力電圧とするために必要なホールバイアス回路を、モータ電源電圧に起因する消費電力増大関わらず、集積回路に内蔵することができるホール素子を用いたブラシレスモータ駆動回路を得ることが目的である。

本発明は、ブラシレスモータ駆動用の電源電圧を用いて動作するブラシレスモータ駆動回路であって、前記ブラシレスモータ駆動用電圧を生成する駆動用電圧生成回路と、前記ブラシレスモータの回転体に対峙するように配置され、当該回転体の回転周期に応じて相互に逆位相となる一対の周期的信号を出力するホール素子と、前記ブラシレスモータ駆動用の電源電圧を入力源として、前記ホール素子へ動作用電圧を印加するホールバイアス回路と、少なくとも前記ホール素子の動作用電圧を降圧する負荷部材と、前記ホール素子から出力される周期的信号に基づいて、前記駆動用電圧生成回路を制御する制御回路とを有し、少なくとも前記駆動用電圧生成回路、前記ホール素子、前記ホールバイアス回路、前記制御回路を集積回路として構成したことを特徴としている。

本発明によれば、負荷部材によりホールそしの動作用電圧が降圧されるため、消費電力を抑制することができ、この結果、少なくとも前記駆動用電圧生成回路、前記ホール素子、前記ホールバイアス回路、前記制御回路を集積回路として構成することが可能となる。

本発明において、前記ホールバイアス回路の動作用電圧及び前記ホール素子の動作用電圧の双方が、前記負荷部材を介して、降圧されることを特徴とする。

前記ホール素子の動作用電圧のみならず、前記ホールバイアス回路の動作用電圧も負荷部材を介して降圧することで、さらに消費電力を抑制することができる。

また、本発明において、前記ホールバイアス回路が、前記ホールバイアス回路自体を駆動するための動作用電圧が印加される第１の入力端と、前記制御回路からのブラシレスモータ動作信号が入力される第２の入力端と、前記第２の入力端から入力される前記ブラシレスモータ動作信号に応じてホール素子の動作用電圧の出力を指示する指示信号を出力する出力端とを備えており、前記出力端から出力される指示信号に応じて、前記降圧された動作用電圧を前記ホール素子へ印加するスイッチング素子をさらに有することを特徴とする。

ホールバイアス回路の出力端（ホール素子との間）にスイッチング素子を設けることで、既存のホールバイアス回路が適用可能となる。

以上説明した如く本発明では、ホール素子によるモータ回転位置の検出出力を入力電圧とするために必要なホールバイアス回路を、モータ電源電圧に起因する消費電力増大関わらず、集積回路に内蔵することができるという優れた効果を有する。

本実施の形態に係るブラシレスモータ駆動回路の概略図である。 コイルへの電圧印加、並びに電流方向を決定するためのスイッチング素子の基本回路となるＨブリッジ回路の概略図である。 ブラシレスモータ駆動回路の動作時のタイミングチャートである。 変形例１に係るブラシレスモータ駆動回路の概略図である。 変形例２に係るブラシレスモータ駆動回路の概略図である。 従来例に係るブラシレスモータ駆動回路の概略図である。

図１は、本実施の形態に係るブラシレスモータ駆動回路（以下、単に「駆動回路」という）１０が示されている。

この駆動回路１０は、電圧Ｖｃｃの起電力を持つ電源部１２が備えられている。

電源部１２のマイナス端はアース接地され、プラス端は集積回路１４のブラシレスモータ駆動用電圧入力端子１４Ａに接続されている。

また、集積回路１４には、アース接地端子１４Ｂが設けられ、前記ブラシレスモータ駆動用電圧入力端子１４Ａと対になっている。

すなわち、集積回路１４の内部において、ブラシレスモータ駆動用電圧入力端子１４Ａとアース接地端子１４Ｂとの間には、駆動用電圧生成回路の一部を構成するＨブリッジ回路１６が生成されている。

Ｈブリッジ回路１６は、４個のＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄが、所謂トーテムポール構成で配線されている。

トーテムポール構成とすることで、必要に応じて４個のＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄを１セットして複数段重ねることで、パワー段を設定することができる。

Ｈブリッジ回路１６は、ブラシレスモータ駆動用電圧入力端子１４Ａが前記ＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｃのドレインに接続され、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ｂ、１８Ｄのソースがアース接地端子１４Ｂに接続されている。

また、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ａのソースと、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ｂのドレインが接続され、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ｃのソースと、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ｄのドレインが接続されている。

さらに、ＮＭＯＳトランジスタ１８ＡのソースとＮＭＯＳトランジスタ１８Ｂのドレインとの間と、ＮＭＯＳトランジスタ１８ＣのソースとＮＭＯＳトランジスタ１８Ｄのドレインとの間に、ブラシレスモータのコイル２０が接続されている。

なお、前記ブラシレスモータ駆動用電圧入力端子１４Ａとコイル２０の一端、並びに、アース接地端子１４Ｂとコイル２０の他端には、それぞれコンデンサ２２、２３が接続されている。

図２は、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄをスイッチング素子ＯＵＴ１Ｐ、ＯＵＴ１Ｎ、ＯＵＴ２Ｐ、ＯＵＴ２Ｎとして簡略化し、Ｈ型に組んだ場合の回路図である。

この図２において、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｄ、すなわちＯＵＴ１Ｐ、ＯＵＴ２Ｎがオンすると、コイル２０には、図２の左から右に電流ｉ１が流れる。一方、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ｃ、１８Ｂ、すなわちＯＵＴ２Ｐ、ＯＵＴ１Ｎがオンすると、コイル２０には、図２の右から左に電流ｉ２が流れる。

図１に示される如く、このように構成されたＨブリッジ回路１６は、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄのそれぞれのゲートが、プリドライブ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄの出力端２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄに接続され、このプリドライブ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄからの信号により、それぞれドレイン−ソース間が導通するようになっている。

プリドライブ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄは、制御回路２８からの信号に応じて、前記ＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄのオン・オフを制御するようになっている。

制御回路２８は、図示は省略したが、集積回路１４の外部からのブラシレスモータ動作指示に基づいて起動するようになっており、前記プリドライブ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄに加え、ブラシレスモータのロータ等の回転体に対峙するように取り付けられたホール素子３０からの信号（回転位置信号）を受けて、ブラシレスモータの駆動をフィードバック制御する役目を有している。

制御回路２８には、ホールバイアス回路３２が接続されている。このホールバイアス回路３２の電源入力端３２Ａには、前記電源部１２から負荷部材である抵抗（ここでは、３ＫΩ）３４、並びに集積回路１４のＶｉｎ端子１４Ｃを介して動作用電圧が印加されるようになっている。

ホールバイアス回路３２は、前記ホール素子３０を動作させるために動作電圧を印加する役目を有しており、その出力端は、エミッタフォロワ型のスイッチングトランジスタ３６のベースに接続されている。

スイッチングトランジスタ３６のコレクタは、前記Ｖｉｎ端子１４Ｃとホールバイアス回路３２の電源入力端３２Ａとの間に接続され、エミッタが前記ホール素子３０の一方の電源端子３０Ａに接続されている。なお、ホール素子３０の他方の電源端子３０Ｂはアース接地されている。

ホール素子３０には、一対の信号出力端３０Ｃ、３０Ｄが設けられており、互いに逆位相となるブラシレスモータの駆動に基づく周期的信号（通常は、正弦波信号）が出力されるようになっている。この周期的信号は、ブラシレスモータの回転位置を示す信号であるため、以下、「位置信号」という。

この一対の位置信号は、それぞれホールアンプ３８のプラス側入力端３８Ａと、マイナス側入力端３８Ｂとに接続されている。なお、ホールアンプ３８は、ホールバイアス回路３２から動作電圧が印加されることで動作する。

ホールアンプ３８は、前記位置信号を増幅して、制御回路２８へ送出するようになっている。

制御回路２８では、この位置信号からＦＧ信号を生成すると共に、前記プリドライブ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄに送出する、オン・オフ信号を生成する。

上記構成のブラシレスモータ駆動回路１０において、抵抗３４は、ホールバイアス回路３２が駆動することによる消費電力を抑制する役目を有している。

すなわち、ホールバイアス回路３２の動作電圧は、ブラシレスモータ駆動電圧（Ｖｃｃ）と共用であり、ブラシレスモータの仕様によって、この駆動電圧Ｖｃｃは、低電圧（３Ｖ〜５Ｖ程度）の場合もあるし、高電圧（５０Ｖ前後）の場合もある。

高電圧仕様の場合、駆動電圧Ｖｃｃをそのままホールバイアス回路３２の動作電圧として用いると、ホール素子３０が動作するときのバイアス電流に起因する電力損失が、低電圧仕様の場合に比べて、極めて大きくなり、集積回路１４としてホールバイアス回路３２をパッケージングすることが困難となる可能性がある。

そこで、本実施の形態では、ブラシレスモータの駆動電圧Ｖｃｃを抵抗３４によって降圧することで、ホール素子３０が動作するときのバイアス電流に起因する、電力損失を抑制するようにした。

以下に本実施の形態の作用を説明する。

まず、本実施の形態に係るブラシレスモータ駆動回路の動作について説明する。

図３に示される如く、最上段のグラフＡは、ブラシレスモータ駆動時（ランニング時）のホール素子３０の出力信号である。なお、互いに逆位相の一対の信号の内、一方のみを示している。

図３の上から２段目のグラフＢは、グラフＡに基づいて生成したＦＧ信号に相当し、おおよそホール素子３０の出力信号（グラフＡ）のゼロクロス信号で反転する信号となっている。

図３の上から３段目から６段目のグラフＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、Ｈブリッジ回路１６のＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄのそれぞれのゲートへ入力する信号であり（ドレイン−ソース間の導通）、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの動作信号ということができる。

記号Ｐは、図２に示すハイサイド側のドライブ状態を示し、記号Ｎは、図２に示すローサイド側のドライブ状態を示す。

数字の「１」は、図２に示すＨブリッジ回路１６のハーフブリッジの左側を示し、数字の「２」はハーフブリッジの右側を示す。従って、ＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄをこの記号で示すと、以下のようになる（図１と図２との対応）。
（１）ＮＭＯＳトランジスタ１８Ａ→ＯＵＴ１Ｐ
（２）ＮＭＯＳトランジスタ１８Ｂ→ＯＵＴ１Ｎ
（３）ＮＭＯＳトランジスタ１８Ｃ→ＯＵＴ２Ｐ
（４）ＮＭＯＳトランジスタ１８Ｄ→ＯＵＴ２Ｎ
図３に示される如く、最初の期間は、ＯＵＴ１ＰとＯＵＴ２Ｎがオンで通電され、次に、ＯＵＴ２ＰとＯＵＴ１Ｎがオンで通電され、図３の最下段のグラフＤに示される如く、コイル２０に交互に逆の電流（ｉ１→ｉ２→ｉ１→ｉ２→・・・）が流れ、この結果、ブラシレスモータは回転駆動する。

ここで、本実施の形態では、ホールバイアス電流は、エミッタフォロワのスイッチングトランジスタ３６を介して出力され、そのエミッタ電圧がホールバイアス電圧となる。

スイッチングトランジスタ３６のコレクタは集積回路１４のＶｉｎ端子１４Ｃから抵抗３４を介して、電源部１２に接続されており、このスイッチングトランジスタ３６の電源は、当該電源部１２から抵抗３４で降圧された電圧が印加される。

例えば、電源部１２の電圧Ｖｃｃを５０Ｖ（高電圧）とする。また、ホールバイアス電圧を３Ｖ、ホールバイアス電流を１０ｍＡ、その他の制御系の合計電流を３ｍＡとする。さらに、スイッチングトランジスタ３６のコレクタに接続される抵抗３４を３ＫΩとすると、抵抗３４間に係る電圧が３９Ｖとなる。従って、コレクタ電圧が１１Ｖとなる。

このときの、ホールバイアス系の電力損失は、約０．１４Ｗ（≒１３ｍＡ×１１Ｖ）となる。この値は、図６（従来技術）で示した高電圧電源５０Ｖの下での電力損失（０．６５Ｗ）に比べて、約１／５程度に抑えることができ、集積回路１４にパッケージング可能な範囲とすることができる。

（変形例１）
なお、本実施の形態では、抵抗３４には、ホールバイアス電流と、各バイアス系の電流が加算された電流が消費される構成であったが、図４に示される如く、ホールバイス電流のみ外付けの抵抗３４で消費される構成としてもよい。抵抗３４の抵抗値は、ホールバイアス電流による損失のみを考えればよいので、本実施の形態の３ＫΩに対して、３．９ＫΩ程度が好ましい。これにより、同様に計算すると、ホールバイアス系の電力損失は、０．１１Ｗとなる。

この場合、集積回路１４のバイアス回路自身による電力損失は発生することになる。

（変形例２）
また、図５に示される如く、ホールバイアス用のエミッタフォロワのスイッチングトランジスタ３６を、抵抗３４と共に集積回路１４の外（すなわち、外付け）にした構成であってもよい。この場合、ホールバイアス系は外付け部品で消費されるので、集積回路１４の損失を抑えることができる。

なお、本実施の形態、並びに変形例１及び変形例２では、ホール素子３０を集積回路１４外での構成したが、ホール素子３０が内蔵できるプロセスであれば、このホール素子３０を集積回路１４に内蔵するようにしてもよい。この場合、ホール素子３０は、内蔵された集積回路１４において、電力損失を担う抵抗３６を外付けとする構成となる。

なお、本実施の形態では、負荷部材として抵抗３４を適用したが、電源部１２の電圧を降下させるための他の負荷部材（インダクタンス等）であってもよい。また、エネルギー変換の際の負荷（例えば、発熱、点灯等による負荷）を適用してもよい。

１０ ブラシレスモータ駆動回路
１２ 電源部（駆動用電圧生成回路）
１４ 集積回路
１４Ａ ブラシレスモータ駆動用電圧入力端子
１４Ｂ アース接地端子
１６ Ｈブリッジ回路（駆動用電圧生成回路）
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ ＮＭＯＳトランジスタ
２０ コイル
２２、２３ コンデンサ
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ プリドライブ
２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ 出力端
２８ 制御回路
３０ ホール素子
３２ ホールバイアス回路
３４ 抵抗（負荷部材）
１４Ｃ Ｖｉｎ端子
３６ スイッチングトランジスタ
３２Ａ 電源入力端
３０Ａ 電源端子
３０Ｂ 電源端子
３８ ホールアンプ
３８Ａ プラス側入力端
３８Ｂ マイナス側入力端

Claims (3)

1. ブラシレスモータ駆動用の電源電圧を用いて動作するブラシレスモータ駆動回路であって、
   前記ブラシレスモータ駆動用電圧を生成する駆動用電圧生成回路と、
   前記ブラシレスモータの回転体に対峙するように配置され、当該回転体の回転周期に応じて相互に逆位相となる一対の周期的信号を出力するホール素子と、
   前記ブラシレスモータ駆動用の電源電圧を入力源として、前記ホール素子へ動作用電圧を印加するホールバイアス回路と、
   少なくとも前記ホール素子の動作用電圧を降圧する負荷部材と、
   前記ホール素子から出力される周期的信号に基づいて、前記駆動用電圧生成回路を制御する制御回路とを有し、
   少なくとも前記駆動用電圧生成回路、前記ホール素子、前記ホールバイアス回路、前記制御回路を集積回路として構成したことを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。
2. 前記ホールバイアス回路の動作用電圧及び前記ホール素子の動作用電圧の双方が、前記負荷部材を介して、降圧されることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ駆動回路。
3. 前記ホールバイアス回路が、
   前記ホールバイアス回路自体を駆動するための動作用電圧が印加される第１の入力端と、
   前記制御回路からのブラシレスモータ動作信号が入力される第２の入力端と、
   前記第２の入力端から入力される前記ブラシレスモータ動作信号に応じてホール素子の動作用電圧の出力を指示する指示信号を出力する出力端とを備えており、
   前記出力端から出力される指示信号に応じて、前記降圧された動作用電圧を前記ホール素子へ印加するスイッチング素子をさらに有する請求項１又は請求項２記載のブラシレスモータ駆動回路。

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