JP2011019386A - モータの駆動回路および駆動方法 - Google Patents

モータの駆動回路および駆動方法 Download PDF

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    • H02P2209/07Trapezoidal waveform

Abstract

【課題】ソフトスイッチを実現する。
【解決手段】周期カウンタ20は、駆動対象のモータ50のロータの位置を示すホール信号H+、H−の周期を、デジタル値で示す周波数信号S2を生成する。アップダウンカウンタ26は、ホール信号の相の切り替わりを契機として、カウントアップおよびカウントダウンを交互に繰り返し、その傾きが周波数信号S2に応じて設定される傾斜部分を有するデジタルの駆動波形信号S3を生成する。D/Aコンバータ28は、駆動波形信号S3を受け、アナログ電圧に変換する。駆動部30は、アナログ電圧V3に応じた駆動電圧Vdrvをモータに供給する。
【選択図】図1

Description

本発明は、モータの駆動技術に関する。
冷却用のファンモータ、光・磁気ディスクを回転させるスピンドルモータ、テープ記録装置用のキャプスタンモータとして、ブラシレスDCモータが利用される。ブラシレスDCモータは一般に、永久磁石を有するロータと、コイルを有するステータとを備える。ブラシレスDCモータは、コイルに供給する電流を制御することによりコイルを励磁することで回転させることができる。
ブラシレスDCモータのロータの回転位置を検出するために、ホール素子が利用されたり、相切りかえ時の逆起電力を利用したセンサレス駆動の技術がある。ホール素子は、モータのロータの位置に応じて相補的に変化するホール信号のペア(単にホール信号と総称する)を生成する。
モータの駆動回路は、ホール信号もしくは逆起電力を検出したタイミングにもとづいて、コイルに与える駆動電圧の極性を切りかえる。ホール信号としてロータの磁極の変化に応じた正弦波状もしくは台形波状の波形が得られる場合、モータの駆動回路は、切りかえタイミング前後のホール信号の電圧変化を利用し、コイルに与える駆動電圧および極性を緩やかに変化させ、モータ駆動音の低減を図ることができる。これはソフトスイッチとも称される。
ホール素子を用いてロータの位置検出を行うモータでは、外付けのホール素子をモータ駆動ICと同一回路上に集積し、基板上の部品点数を削減する技術があるが、駆動回路を構成するシリコンプロセス上に集積すると、外付けホール素子のように磁気感度の高い物性のものが使えないため、感度が弱くなってしまう。それを補うため、集積回路上で信号を増幅して利用するが、相補的に出力される信号のオフセット成分までが増幅されてしまい、オフセットをキャンセルするための信号処理を行うと、本来ホール素子で検出される切りかえタイミング前後の磁界変化が見えなくなり、この変化を利用するソフトスイッチ技術が利用できない。逆起電力を用いたセンサレス技術の場合でも同様に、逆起電力が出力されるタイミングしか検出できないため、ホール素子を利用した場合のように、磁界変化に応じたソフトスイッチング技術を利用することができない。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、モータのロータ位置を検出する情報が相切りかえタイミングのみしか利用できない場合において、モータの回転数に応じてソフトスイッチするための技術の提供にある。
本発明のある態様はモータ駆動回路に関する。このモータ駆動回路は、駆動対象のモータのロータの位置を示すホール信号の周期をデジタル値で示す周波数信号を生成する周期カウンタと、ホール信号の相の切り替わりを契機として、カウントアップおよびカウントダウンを交互に繰り返し、その傾きが周波数信号に応じて設定される傾斜部分を有するデジタルの駆動波形信号を生成するアップダウンカウンタと、駆動波形信号を受け、アナログ電圧に変換するD/Aコンバータと、アナログ電圧に応じた駆動電圧をモータに供給する駆動部と、を備える。
この態様によると、ホール信号が有効な傾斜部分を有さないような状況においても、モータの回転数に応じてモータをソフトスイッチさせることができる。
本発明の別の態様は、電子機器である。この電子機器は、ディスクを回転させるスピンドルモータと、スピンドルモータを駆動する上述のモータ駆動回路と、を備える。あるいは別の態様の電子機器は、ファンモータと、ファンモータを駆動する上述の駆動回路とを備える。さらに別の態様の電子機器は、キャプスタンモータと、キャプスタンモータを駆動する上述の駆動回路と、を備える。
本発明のある態様によれば、モータをソフトスイッチさせることができる。
実施の形態に係るモータ駆動回路の構成を示す回路図である。 図2(a)、(b)は、図1のモータ駆動回路の動作を示すタイムチャートである。 実施の形態に係るモータ駆動ICの構成を示すブロック図である。 図4(a)は、PWM制御の様子を示す波形図であり、図4(b)は、起動デューティ補助機能を示す波形図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
また本明細書において、電圧信号、電流信号などの電気信号に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値などを表すものとする。
図1は、実施の形態に係るモータ駆動回路100の構成を示す回路図である。モータ駆動回路100は、単相のブラシレスDCモータ(以下、単に「モータ」という)50の両端に駆動電圧Vdrv+、Vdrv−を与え、コイル電流を供給する。
モータ駆動回路100は、ホール素子10、オフセットキャンセル回路12、コンパレータ14、周期カウンタ20、レジスタ22、スロープ設定部24、アップダウンカウンタ26、D/Aコンバータ28、駆動部30を備え、ひとつの半導体基板上に一体集積化されている。ホール素子10、コンパレータ14およびD/Aコンバータ28がアナログ回路で構成され、周期カウンタ20、レジスタ22、スロープ設定部24およびアップダウンカウンタ26がデジタル回路で構成される。
ホール素子10、オフセットキャンセル回路12、コンパレータ14は、公知技術が利用できるため、ここでは簡単に説明するにとどめる。ホール素子10は、4つの端子と、各端子を頂点としてブリッジ接続された4本の抵抗素子(不図示)を含む。各抵抗素子の抵抗値は、モータ50からの磁界に応じて、つまりロータの位置に応じて変化する。4本の抵抗の抵抗値のばらつきにより、ホール素子10から取り出されるホール信号にはオフセットが発生する場合がある。オフセットキャンセル回路12は、ホール素子10の4端子を仮想的に回転させ、順に入れ換えて信号を取り出すことにより、ホール信号のオフセットをキャンセルする。オフセットキャンセル回路12から得られるホール信号H+、H−は微弱であるため、ホールアンプ(コンパレータ)14によって比較・増幅される。
コンパレータ14により増幅されたホール信号は、モータ50のロータの位置に応じてハイレベルとローレベルを繰り返す矩形波となる。以下、コンパレータ14により増幅されたホール信号を、回転数パルス信号S1とも称する。
周期カウンタ20は、モータ50のロータの位置を示す回転数パルス信号(ホール信号)S1を受け、その周期tをデジタル値で示す周波数信号S2を生成する。たとえば周期カウンタ20には、回転数パルス信号S1よりも十分に周波数が高い基準クロックCKが入力されている。周期カウンタ20は、回転数パルス信号S1のポジティブエッジとネガティブエッジの間隔を、基準クロックCKを利用してカウントし、周波数信号S2を生成する。基準クロックCKの周期をTpと書くとき、周波数信号S2の値αは、
α=t/Tp
で与えられる。
なお周期カウンタ20は、モータの回転周期を測定すればよいため、たとえばポジティブエッジとポジティブエッジの間隔もしくはネガティブエッジとネガティブエッジの間隔をカウントしてもよい。
回転数パルス信号S1の周期t(周波数)を示す周波数信号S2は、後段のレジスタ22に格納される。
アップダウンカウンタ26は、ホール信号H+、H−の相の切り替わり、つまり回転数パルス信号S1のエッジを契機として、カウントアップおよびカウントダウンを交互に繰り返し、傾斜部分を有する駆動波形信号対S3+、S3−(以下、必要に応じて信号S3+、S3−を単に駆動波形信号と総称する)を生成する。駆動波形信号S3+、S3−はデジタル信号であり、互いに逆相(相補的)の台形状の波形を有する。以下では駆動波形信号S3は、(n+1)階調(nは自然数)で表されるものとし、台形のボトム値を0、ピーク値をnとする。n=15を得るためには、アップダウンカウンタ26は4ビットで構成される。なお、nの値としては、7(3ビット)もしくは31(5ビット)であってもよい。
アップダウンカウンタ26は、カウントアップ動作とカウントダウン動作を相補的に行う2つのアップダウンカウンタを含み、一方の出力を駆動波形信号S3+とし、他方の出力を駆動波形信号S3−としてもよい。あるいはアップダウンカウンタ26は、単一のアップダウンカウンタにより一方の駆動波形信号S3+を生成し、所定の定数nからアップダウンカウンタの出力データを減算することにより他方の駆動波形信号S3−を生成してもよい。
スロープ設定部(信号処理部)24は、駆動波形信号S3の傾斜部分の傾きを、レジスタ22に格納された周波数信号S2の値αに応じて設定する。傾斜部分の傾きは、周波数信号S2が示す回転数パルス信号S1の周期tが長いほど(モータの回転数が低いほど)小さく、その周期tが短いほど高く設定される。
所定の第1定数をaとするとき、駆動波形信号S3の傾斜部分の長さは、t/aとなるように設定されてもよい。aの値は、モータ50の特性に応じて最適化すればよく、たとえば20〜30の範囲に設定するとよい。
たとえばスロープ設定部24は、周期tを示すデジタル値αを、第1定数aのn倍の第2定数b(=a×n)で除した商βを演算する。
β=α/b
アップダウンカウンタ26は、基準クロックCKをβ回をカウントするごとに、そのカウント値をカウントアップまたはカウントダウンする。この場合、アップダウンカウンタ26の1ステップの時間は、t/bに設定される。
D/Aコンバータ28は、駆動波形信号S3+、S3−を受け、それぞれをアナログ電圧に変換する。駆動部30は、アナログ電圧V3+、V3−に応じた駆動電圧Vdrv+、Vdrv−を、モータ50の両端に供給する。たとえば駆動部30は、アナログ電圧V3+、V3−を反転増幅、あるいは非反転増幅する第1アンプ32、第2アンプ34を含む。
以上がモータ駆動回路100の構成である。続いてその動作を説明する。図2(a)、(b)は、図1のモータ駆動回路100の動作を示すタイムチャートである。
図2(a)を参照すると、オフセットキャンセル回路12によって、モータ50の回転と同期したホール信号H+、H−が生成される。ホール信号H+、H−の比較結果に応じ、H+>H−のときハイレベル、H+<H−のときローレベルとなる回転数パルス信号S1が生成される。
周期カウンタ20によって、回転数パルス信号S1のパルス幅(半周期t)が測定され、その周期tを示すデジタルの周波数信号S2が生成される。スロープ設定部24は、周波数信号S2の値に応じてモータ50に与えるべき駆動波形の傾斜部分の長さを設定する。上述したように傾斜部分の長さは、t/aである。
図2(b)は、駆動波形信号S3の傾斜部分の拡大図である。スロープ設定部24は、1ステップの長さ(ステップ長)をt/bに設定する。図2(b)では、駆動波形信号S3がn=16の場合を示しており、1ステップの長さは、
t/b=t/(n×a)=t/(15×a)
で与えられる。
アップダウンカウンタ26は、スロープ設定部24により設定されたステップ長に従い、カウントアップ動作もしくはカウントダウン動作を交互に繰り返し、台形波形の駆動波形信号S3+、S3−を生成する。D/Aコンバータ28より駆動波形信号S3+、S3−がアナログ電圧V3+、V3−に変換され、駆動部30よってモータ50の両端に与えられる。
図1のモータ駆動回路100によれば、モータ50の回転に応じて駆動極性をタイミング良く切りかえることができ、切りかえの際にモータ50に印加される駆動電圧の波形に傾斜部分を持たせることができ、好適なソフトスイッチが実現できる。さらに傾斜部分の長さは、モータ50の回転数に応じているため、ノイズ(騒音)の発生を抑制でき、あるいは消費電力を低減することができる。
また定数aおよび周波数信号S2の階調数nを最適化することで、ノイズ低減や消費電力低減を従来よりも低減することが可能となる。
続いて、上述のモータ駆動回路100に相当するモータ駆動IC110について説明する。図3は、実施の形態に係るモータ駆動IC110の構成を示すブロック図である。1番ピンのGND端子は接地される。モータ50は、出力端子OUT1(6番ピン)とOUT2(2番ピン)に接続される。
コントロールロジック部40は、図1の周期カウンタ20、レジスタ22、スロープ設定部24、アップダウンカウンタ26に相当する。オシレータ42は、クロック信号CKを生成してコントロールロジック部40に供給する。コントロールロジック部40は、回転数パルス信号S1に応じたレベルを有するFG(Frequency Generator)信号を発生する。FG信号は、出力トランジスタ48を介してオープンドレイン形式で出力される。FG端子(4番ピン)は外付けの抵抗R1を介してプルアップされている。
PWM端子(3番ピン)には、外部からパルス幅変調されたパルス幅変調(PWM)信号が入力される。モータ駆動IC110は、PWM信号のデューティ比に応じてモータ50の回転数を制御する機能を備える。図4(a)は、PWM制御の様子を示すタイムチャートである。
駆動部30はPWM信号を受け、PWM信号が第1レベル(たとえはハイレベル)の区間、モータ50のコイルの両端に、D/Aコンバータ28からのアナログ電圧V3+、V3−に応じた駆動電圧Vdrv+、Vdrv−を印加する。なお、PWM端子がオープン(ハイインピーダンス)の場合は、ハイレベルと同様に扱われる。
また駆動部30はPWM信号が第2レベル(たとえばローレベル)の区間、モータ50のコイルの両端間の駆動電圧(Vdrv+)−(Vdrv−)をゼロとする。具体的には、駆動電圧(Vdrv+)と(Vdrv−)のうち、高い方を低い方の電圧レベルと一致させる。
これによりPWM信号のデューティ比応じてモータ50に流れる電流の時間的な平均値が調節され、モータ50の回転数(トルク)を制御することができる。
モータ50が停止した状態においてPWM制御を行う場合、デューティ比が低いPWM信号が入力されると、モータ50が発生するトルクが静止摩擦に打ちかつことができず、モータ50が回転しない場合がある。あるいはモータ50が所望の回転数に達するまでに、非常に長い時間を要する場合もある。この問題を解決するためにモータ駆動IC110は、起動デューティ補助機能を有する。図4(b)は、起動デューティ補助機能を示す波形図である。
具体的にはスタートパルス信号生成部44は、固定デューティ比を有するスタートパルス信号S4を生成する。たとえば固定デューティ比は50%であり、その周波数は33kHzである。
駆動部30は、電源投入時およびスタンバイ状態から復帰するとき、ある期間τSTARTの間、PWM信号のデューティ比によらず、スタートパルス信号S4のデューティ比に応じてモータ50をPWM駆動する。ある期間τSTARTは、駆動開始から、モータ50の起動が検知されるまでであり、期間τSTARTには上限が設定される。たとえば上限は250msである。それを超えると、エラー信号を発生し、再起動をトライしてもよい。
モータ50の起動の検知は、回転数パルス信号S1もしくはFG信号を監視することにより実現できる。すなわちモータ50が停止した状態では、回転数パルス信号S1やFG信号は一定レベルであるが、回転が開始すると、パルスが発生する。たとえばこのパルスを所定数カウントしたことを契機として、スタートパルス信号S4によるPWM駆動から、PWM信号によるPWM駆動に切りかえられる。
この起動デューティ補助機能によって、停止状態にあるモータ50を確実に回転させることができ、あるいは、所望の回転数に達するまでの時間を短縮することができる。
サーマルシャットダウン回路46は、モータ駆動IC110の温度を検出し、所定のしきい値を超えるとモータ駆動IC110をシャットダウンし、回路を熱から保護する。
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
(変形例1)
スロープ設定部24は、所定回数の周波数信号S2の値αを統計処理することにより、傾斜部分の傾きを設定してもよい。たとえば統計処理とは、加算平均、加重平均などを含む。過去数回にわたり平均化された周期tにもとづいて傾きを設定することにより、安定的な回転が実現できる。
(変形例2)
実施の形態では、駆動波形の傾斜部分の長さをモータの回転周期に比例させる場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえばスロープ設定部24に、周期と傾斜部分の長さの対応関係を保持するテーブルを設けておき、都度参照することでも、同様の処理を実現できる。テーブルを設ける場合、より細かく傾斜部分の長さを調節できるため、ノイズや消費電力の観点で有利である。
(変形例3)
実施の形態では、ホール素子10、オフセットキャンセル回路12、コンパレータ14が、その他の回路ブロックと一体集積化される場合を説明したが、ホール素子10、オフセットキャンセル回路12、コンパレータ14の一部が、ホールICとして、外部に設けられてもよい。
実施の形態で説明した信号のハイレベル、ローレベルのロジックの設定は一例であって、論理回路ブロックの構成には様々な変形例が考えられ、こうした変形例も本発明の範囲に含まれる。
実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
100…モータ駆動回路、10…ホール素子、12…オフセットキャンセル回路、14…コンパレータ、20…周期カウンタ、22…レジスタ、24…スロープ設定部、26…アップダウンカウンタ、28…D/Aコンバータ、30…駆動部、32…第1アンプ、34…第2アンプ、40…コントロールロジック部、42…オシレータ、44…スタートパルス信号生成部、46…サーマルシャットダウン回路、48…出力トランジスタ、50…モータ、S1…回転数パルス信号、S2…周波数信号、S3…駆動波形信号、S4…スタートパルス信号、V3…アナログ電圧。

Claims (10)

  1. 駆動対象のモータのロータの位置を示すホール信号の周期をデジタル値で示す周波数信号を生成する周期カウンタと、
    前記ホール信号の相の切り替わりを契機として、カウントアップおよびカウントダウンを交互に繰り返し、その傾きが前記周波数信号に応じて設定される傾斜部分を有するデジタルの駆動波形信号を生成するアップダウンカウンタと、
    前記駆動波形信号を受け、アナログ電圧に変換するD/Aコンバータと、
    前記アナログ電圧に応じた駆動電圧を前記モータに供給する駆動部と、
    を備えることを特徴とするモータ駆動回路。
  2. 前記周波数信号が示す周期をt、所定の第1定数をaとするとき、前記傾斜部分の長さは、t/aとなるように設定されることを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動回路。
  3. 前記第1定数aのn倍(nは2以上の整数)の所定の第2定数をbとするとき、前記アップダウンカウンタの1ステップの時間は、t/bに設定されることを特徴とする請求項2に記載のモータ駆動回路。
  4. 所定回数の周波数信号を統計処理する信号処理部をさらに備え、
    前記アップダウンカウンタは、統計処理の結果得られた値に応じて、前記傾斜部分の傾きを設定することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のモータ駆動回路。
  5. 前記モータのロータの位置を示すホール信号を生成するホール素子と、
    前記ホール信号を増幅し、パルス信号を生成するアンプと、
    をさらに備え、
    前記周期カウンタは、前記パルス信号の周期を測定し、
    単一の半導体基板に集積化されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のモータ駆動回路。
  6. 駆動対象のモータのロータの位置を示すホール信号の周期をデジタル値で示す周波数信号を生成するステップと、
    前記周波数信号に応じて、前記モータを駆動する際に参照される駆動波形の傾斜部分の傾きを設定するステップと、
    前記ホール信号の相の切り替わりを契機として、カウントアップおよびカウントダウンを交互に繰り返し、デジタルの駆動波形信号を生成するステップと、
    前記駆動波形信号をアナログ電圧に変換するステップと、
    前記アナログ電圧に応じた駆動電圧を前記モータに供給するステップと、
    を備えることを特徴とするモータの駆動方法。
  7. 前記周波数信号のデジタル値をt、所定の第1定数をaとするとき、前記傾斜部分の長さをt/aとなるように設定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項6に記載の駆動方法。
  8. 所定回数の周波数信号を統計処理するステップをさらに備え、
    統計処理の結果得られた値に応じて、前記傾斜部分の傾きを設定することを特徴とする請求項6に記載の駆動方法。
  9. ホール信号を生成するホール素子と、
    前記ホール信号のオフセットをキャンセルし、前記周期カウンタへと出力するオフセットキャンセル回路と、
    外部からのパルス変調信号が入力されるパルス変調端子と、
    をさらに備え、
    前記駆動部は、前記パルス変調信号が第1レベルのとき、前記モータのコイルの両端間に前記アナログ電圧に応じた駆動電圧を印加し、前記パルス変調信号が第2レベルのとき前記コイルの両端間の駆動電圧をゼロとすることにより、前記パルス変調信号のデューティ比に応じて前記モータの回転数を制御可能に構成されることを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動回路。
  10. 固定デューティ比を有するスタートパルス信号を発生するスタートパルス信号生成部をさらに備え、
    前記駆動部は、電源投入時およびスタンバイ状態から復帰するとき、前記パルス変調信号のデューティ比によらず、前記スタートパルス信号のデューティ比に応じて前記モータを駆動することを特徴とする請求項9に記載のモータ駆動回路。
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