JP2011244617A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサレスモータ駆動において振動および騒音を低減する。
【解決手段】センサレスモータの駆動装置であって、非通電期間にモータ巻線に生じる逆起電圧のゼロクロスを検出することでモータのロータ位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出部（１０）と、トルク指令信号および位置検出信号に基づいて、モータに通電すべき電流波形であって非通電期間を含む電流波形を生成する電流波形生成部（２０）と、電流波形を変調して各モータ巻線の通電を制御するための制御信号を生成するとともに位置検出信号に基づいてモータの通電相を切り替える通電制御部（３０）と、通電制御部（３０）の制御に従って各モータ巻線に電流を供給する駆動部（４０）とを備え、電流波形生成部（２０）は、与えられた制御信号に応じて非通電期間の開始タイミングを変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特にロータ位置を検出するための位置検出素子がないセンサレスモータの駆動装置に関するものである。

磁気、光、光磁気などを利用したディスク装置のスピンドルモータとして、高信頼性、高速化に優れたブラシレスモータが広く使用されている。一般に、ブラシレスモータの駆動装置は、モータに組み込まれたホール素子などの位置検出素子から得られるロータ位置情報に基づいて通電相の切り替えタイミングを制御する。

一方、位置検出素子を持たないセンサレスモータの駆動装置は、各巻線の通電端子と中性点端子の電位差として現れるロータ回転に伴う逆起電圧のゼロクロスを検出することでロータ回転位置を検出し、当該回転位置情報に基づいて通電相の切り替えタイミングを制御する。センサレスモータ駆動では、逆起電圧を検出しようとするときに該当相のモータ巻線に電流が流れていると逆起電圧が正しく検出できずにモータを安定的に駆動できなくなるおそれがある。そこで、モータ巻線に通電されない非通電期間を設けて、逆起電圧の検出対象となる相のモータ巻線電流が完全にゼロになるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−２４４７９７号公報

一般に、モータの加速制御時または減速制御時には一定回転制御時よりも大きな電流がモータ巻線に流れる。したがって、センサレスモータ駆動では、加速制御時や減速制御時に逆起電圧の誤検出が生じないように、非通電期間を十分に大きく確保する必要がある。しかし、非通電期間を設けると、通電相の切り替わりタイミングで振動が発生し、それに伴う騒音が発生するという問題がある。特に、従来のセンサレスモータ駆動ではワーストケースを想定して非通電期間が設定されているため、一定回転制御時などの安定駆動時に、過剰な大きさの非通電期間の存在が原因で振動や騒音が発生する。

上記問題に鑑み、本発明は、センサレスモータ駆動において振動および騒音を低減することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明によって次のような手段を講じた。すなわち、センサレスモータの駆動装置であって、非通電期間にモータ巻線に生じる逆起電圧のゼロクロスを検出することでモータのロータ位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出部と、トルク指令信号および位置検出信号に基づいて、モータに通電すべき電流波形であって非通電期間を含む電流波形を生成する電流波形生成部と、電流波形を変調して各モータ巻線の通電を制御するための制御信号を生成するとともに位置検出信号に基づいてモータの通電相を切り替える通電制御部と、通電制御部の制御に従って各モータ巻線に電流を供給する駆動部とを備え、電流波形生成部は、与えられた制御信号に応じて非通電期間の開始タイミングを変化させるものとする。

具体的には、電流波形生成部は、位置検出信号の１周期を複数の区間に分割して各区間を示す区間信号を出力する区間分割部と、位置検出信号によってリセットされ、複数の区間のうち制御信号に応じた終わりの複数区間に所定の論理レベルとなる非通電期間信号を出力する非通電期間指定部と、トルク指令信号、区間信号、および非通電期間信号に基づいて、電流波形を生成する波形発生部とを有する。

上記モータ駆動装置は、トルク指令信号の変動量を検出し、当該検出結果に応じて制御信号を生成するトルク指令判定部、モータの回転速度の変動量を検出し、当該検出結果に応じて制御信号を生成する回転速度判定部、逆起電圧の検出タイミングを検出し、当該検出結果に応じて制御信号を生成する検出タイミング判定部の少なくとも一つと、これら判定部から出力される制御信号および外部信号を論理演算して、電流波形生成部に入力される制御信号を生成する論理演算部とを備えていてもよい。

本発明によると、モータに通電すべき電流波形に含まれる非通電期間の開始タイミングを適宜変更することができる。これにより、一定回転制御時には非通電期間を短くして低振動・低騒音駆動が可能となり、加速制御時または減速制御時には非通電期間を長くして逆起電圧の誤検出がない安定駆動が可能となる。

図１は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。 図２は、通電期間指定部の一構成例を示す図である。 図３は、電流波形生成部に係る各種信号波形図である。 図４は、第２の実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。 図５は、第３の実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。 図６は、第４の実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。 図７は、検出タイミング判定部の一構成例を示す図である。 図８は、検出タイミング判定部に係る各種信号波形図である。 図９は、検出タイミング判定部の別構成例を示す図である。 図１０は、第５の実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置の駆動対象であるモータ１００は、例えば３相センサレスモータである。本実施形態に係るモータ駆動装置において、位置検出部１０は、非通電期間にモータ巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに生じる逆起電圧のゼロクロスを検出することでモータ１００のロータ位置を検出して位置検出信号ＢＥＭＦを出力する。電流波形生成部２０は、トルク指令信号ＴＱおよびＢＥＭＦに基づいて、モータ１００に通電すべき電流波形を生成する。当該電流波形には非通電期間が含まれている。通電制御部３０は、電流波形に対してＰＷＭなどの変調を施して各モータ巻線の通電を制御するための制御信号を生成するとともに、ＢＥＭＦに基づいてモータ１００の通電相を切り替える。駆動部４０は、通電制御部３０の制御に従って各モータ巻線に電流を供給する。

電流波形生成部２０は、図示しない外部コントローラなどから与えられる制御信号ＣＴＬに応じて非通電期間の開始タイミングを変化させる。具体的には、電流波形生成部２０は、区間分割部２１、非通電期間指定部２２、および波形発生部２３から構成される。区間分割部２１は、ＢＥＭＦの１周期を複数の区間に分割して各区間を示す区間信号θを出力する。非通電期間指定部２２は、ＢＥＭＦによってリセットされ、複数の区間のうちＣＴＬに応じた終わりの複数区間に所定の論理レベルとなる非通電期間信号ＴＰを出力する。波形発生部２３は、ＴＱ，θおよびＴＰに基づいて電流波形を生成する。

図２は、通電期間指定部２２の一構成例を示す。便宜上、ＢＥＭＦの１周期は１６分割されるものとする。セレクタ２２１には第１１番目の区間を示すθ１１および第１４番目の区間を示すθ１４が入力される。セレクタ２２１は、ＣＴＬがＬレベルのときはθ１１を、Ｈレベルのときはθ１４を、それぞれ出力する。ラッチ回路２２２は、セレクタ２２１の出力に同期してＨレベル信号をラッチし、ＢＥＭＦによってリセットされる。ラッチ回路２２２のＱ出力がＴＰとなる。

電流波形生成部２０の動作について図３の波形図を参照しながら説明する。区間分割部２１は１周期遅れでＢＥＭＦの１周期を１６区間に分割し、各区間を示すθ１〜θ１６を出力する。ここで、モータ１００は３相モータであるからＢＥＭＦの１周期は電気角６０°相当であり、θ１〜θ１６の各パルス幅は電気角３．７５°相当である。ＣＴＬがＬレベルのとき、非通電期間指定部２２は、θ１１の立ち上がりから次にＢＥＭＦのパルス入力があるまでの間、ＴＰをＨレベルに設定する。これにより、波形生成部２３は、θ１からθ１１まで段階的に減少し、θ１１からθ１６までの期間はゼロレベルとなる電流波形を生成する。この場合の非通電期間は電気角２２．５°相当である。これは、上述したワーストケースを想定して設定される最大幅の非通電期間である。なお、図示した電流波形はＴＱによる振幅変調前のものであり、通電制御部３０にはＴＱに応じて振幅変調された電流波形が入力される。

一方、ＣＴＬがＨレベルのとき、非通電期間指定部２２は、θ１４の立ち上がりから次にＢＥＭＦのパルス入力があるまでの間、ＴＰをＨレベルに設定する。これにより、波形生成部２３は、θ１からθ１４まで段階的に減少し、θ１４からθ１６までの期間はゼロレベルとなる電流波形を生成する。この場合の非通電期間は電気角１１．２５°相当である。これは、一定回転制御時などのモータ１００の駆動が安定しているときの必要最小限の非通電期間である。実際にモータ１００に流れる電流波形は電流波形生成部２０が生成した電流波形よりも若干遅れ気味であるため、モータ巻線電流が完全にゼロになるまでのマージンとして電気角３．７５°の期間Ｔｏｆｆを設け、続く電気角７．５°の期間Ｔｄｅｔで逆起電圧を検出する。

以上、本実施形態によると、センサレスモータ駆動における非通電期間を可変にすることができる。これにより、一定回転制御時には非通電期間を短くすることで低振動・低騒音駆動が可能となり、加速制御時および減速制御時には非通電期間を長くすることで逆起電圧の誤検出がない安定駆動が可能となる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置に、ＣＴＬを生成するトルク指令判定部５０を追加したものである。

トルク指令判定部５０は、ＴＱの変動量を検出し、当該検出結果に応じてＣＴＬを変化させる。例えば、ＴＱが一定またはほとんど変化しない場合にはモータ１００は一定回転制御されていると予測されるため、トルク指令判定部５０はＣＴＬをＨレベルに設定する。これにより、非通電期間が短くなり、低振動・低騒音駆動が可能となる。一方、ＴＱが増加または減少する場合にはモータ１００は加速制御または減速制御されていると予測されるため、トルク指令判定部５０はＣＴＬをＬレベルに設定する。これにより、非通電期間が長くなり、逆起電圧の誤検出がない安定駆動が可能となる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置に、ＣＴＬを生成する回転速度判定部６０を追加したものである。

回転速度判定部６０は、モータ１００の回転速度の変動量を検出し、当該検出結果に応じてＣＴＬを変化させる。回転速度は、ＢＥＭＦまたはθ１〜θ１６のいずれかの周期の変動量から検出することができる。便宜上、ＢＥＭＦから回転速度を検出するものとする。例えば、ＢＥＭＦの周期が一定またはほとんど変化しない場合にはモータ１００は一定回転制御されていると予測されるため、回転速度判定部６０はＣＴＬをＨレベルに設定する。これにより、非通電期間が短くなり、低振動・低騒音駆動が可能となる。一方、ＢＥＭＦの周期が減少または増加する場合にはモータ１００は加速制御または減速制御されていると予測されるため、回転速度判定部６０はＣＴＬをＬレベルに設定する。これにより、非通電期間が長くなり、逆起電圧の誤検出がない安定駆動が可能となる。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置に、ＣＴＬを生成する検出タイミング判定部７０を追加したものである。

モータ１００が一定速度で回転している場合は逆起電圧の検出も一定の周期で行われる。したがって、逆起電圧の検出タイミングは常に一定のタイミング（例えば、電気角６０°のタイミング）と同期する。しかし、検出タイミングが一定のタイミングからずれた場合は誤検出の可能性が考えられる。特に、検出タイミングが期間Ｔｄｅｔ（図３参照）の前半で発生している場合には誤検出の可能性が非常に高く、このような状態が継続すると脱調するおそれがある。そこで、検出タイミング判定部７０は、逆起電圧の検出タイミングを検出し、当該検出結果に応じてＣＴＬを変化させる。

図７は、検出タイミング判定部７０の一構成例を示す。遅延回路７１は、ＢＥＭＦからそのパルス幅分だけ遅延した信号を出力する。ラッチ回路７２は、区間分割部２１が分割した区間のうち最終区間を示すθ１６に同期してＨレベル信号をラッチし、遅延回路７１の出力信号でリセットされる。ラッチ回路７３は、ＢＥＭＦに同期してラッチ回路７２のＱ出力である検出信号ＤＥＴをラッチする。ラッチ回路７３のＱ出力がＣＴＬとなる。

検出タイミング判定部７０の動作について図８の波形図を参照しながら説明する。θ１６が入力されることでラッチ回路７２はＨレベル信号をラッチしてＤＥＴはＨレベルとなる。そして、時刻ｔ１にＢＥＭＦのパルスが入力されることで、ラッチ回路７３はＨレベルのＤＥＴをラッチして、ＣＴＬはＨレベルとなる。これにより、非通電期間が短くなり、低振動・低騒音駆動が可能となる。その後、遅延ＢＥＭＦのパルス入力によりラッチ回路７２がリセットされてＤＥＴはＬレベルとなるが、ＣＴＬはＨレベルのまま保持される。

時刻ｔ２，ｔ３でＢＥＭＦのパルスが入力されるが、その直前にθ１６が入力されていないため、ＤＥＴはＬレベルのままである。換言すると、ＢＥＭＦのパルスがθ１６よりも早く発生した場合、すなわち、逆起電圧の検出タイミングが一定のタイミングからずれた場合、ＤＥＴはＬレベルのまま保持される。したがって、ラッチ回路７３は、ＢＥＭＦのパルス入力のタイミングでＤＥＴをラッチしてＣＴＬはＬレベルとなる。これにより、非通電期間が長くなり、逆起電圧の誤検出がない安定駆動が可能となる。

図９は、検出タイミング判定部７０の別構成例を示す。カウンタ回路７４は、ＢＥＭＦのパルス入力を所定回数カウントしてパルス信号Ｓ１を出力する。遅延回路７５は、Ｓ１からそのパルス幅分だけ遅延した信号を出力する。カウンタ回路７６は、遅延回路７５の出力でリセットされ、区間分割部２１が分割した区間のうち最終区間を示すθ１６のパルス入力をカウントする。比較回路７７は、カウンタ回路７６のカウント値Ｓ２と所定値Ｓ３とを比較する。例えば、Ｓ２≧Ｓ３のとき、比較回路７７はＨレベル信号を出力する。ラッチ回路７８は、Ｓ１に同期して比較回路７７の出力信号をラッチする。ラッチ回路７８のＱ出力がＣＴＬとなる。

例えば、カウンタ回路７４のカウント回数を６とし、Ｓ３＝５とすると、直近６回の逆起電圧検出のうち検出タイミングが正しいものが５回以上あれば、ＣＴＬはＨレベルとなる。これにより、非通電期間が短くなり、低振動・低騒音駆動が可能となる。一方、検出タイミングが正しいものが４回以下、換言すると、直近６回の逆起電圧検出のうち誤検出が２回以上発生していれば、ＣＴＬはＬレベルとなる。これにより、非通電期間が長くなり、逆起電圧の誤検出がない安定駆動が可能となる。

（第５の実施形態）
図１０は、第５の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す。本実施形態に係るモータ駆動装置は、上記のトルク指令判定部５０、回転速度判定部６０、および検出タイミング判定部７０をすべて搭載したものである。

論理演算部８０は、上記各判定部の出力信号および外部信号ＣＴＬを論理演算して電流波形生成部２０に入力される制御信号ＣＴＬを生成する。論理演算部８０は、例えば、４つの入力信号の論理和を演算する論理回路で実現可能である。

本実施形態によると、非通電期間を、トルク指令、モータ回転速度、および逆起電圧の検出タイミングの各検出結果に応じて適応的に変更できるとともに、外部からの指令に応じて任意に変更することもできる。なお、各判定部および外部信号ＣＴＬは適宜省略可能である。

上記各実施形態において、ＢＥＭＦの１周期の分割数は１６以外でもよい。ＢＥＭＦの１周期をさらに細かく分割することで、より滑らかな電流波形を生成することができる。また、非通電期間の開始タイミングはθ１１，θ１４以外でもよい。さらに、ＣＴＬを多ビットにして非通電期間の開始タイミングとして３つ以上の中からいずれか一つを選択するようにしてもよい。

本発明に係るモータ駆動装置は、低振動・低騒音でセンサレスモータを駆動することができるため、各種ディスク装置のスピンドルモータなどの駆動装置として有用である。

１０ 位置検出部
２０ 電流波形生成部
２１ 区間分割部
２２ 非通電期間指定部
２３ 波形生成部
３０ 通電制御部
４０ 駆動部
５０ トルク指令判定部
６０ 回転速度判定部
７０ 検出タイミング判定部
７１ 遅延回路
７２ ラッチ回路（第１のラッチ回路）
７３ ラッチ回路（第２のラッチ回路）
７４ カウンタ回路（第１のカウンタ回路）
７５ 遅延回路
７６ カウンタ回路（第２のカウンタ回路）
７７ 比較回路
７８ ラッチ回路
８０ 論理演算部
１００ モータ

Claims (8)

1. センサレスモータの駆動装置であって、
   非通電期間にモータ巻線に生じる逆起電圧のゼロクロスを検出することでモータのロータ位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出部と、
   トルク指令信号および前記位置検出信号に基づいて、モータに通電すべき電流波形であって前記非通電期間を含む電流波形を生成する電流波形生成部と、
   前記電流波形を変調して各モータ巻線の通電を制御するための制御信号を生成するとともに前記位置検出信号に基づいてモータの通電相を切り替える通電制御部と、
   前記通電制御部の制御に従って各モータ巻線に電流を供給する駆動部とを備え、
   前記電流波形生成部は、与えられた制御信号に応じて前記非通電期間の開始タイミングを変化させる
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 請求項１のモータ駆動装置において、
   前記電流波形生成部は、
   前記位置検出信号の１周期を複数の区間に分割して各区間を示す区間信号を出力する区間分割部と、
   前記位置検出信号によってリセットされ、前記複数の区間のうち前記制御信号に応じた終わりの複数区間に所定の論理レベルとなる非通電期間信号を出力する非通電期間指定部と、
   前記トルク指令信号、前記区間信号、および前記非通電期間信号に基づいて、前記電流波形を生成する波形発生部とを有する
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
3. 請求項１のモータ駆動装置において、
   前記制御信号を生成するトルク指令判定部を備え、
   前記トルク指令判定部は、前記トルク指令信号の変動量を検出し、当該検出結果に応じて前記制御信号を変化させる
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
4. 請求項１のモータ駆動装置において、
   前記制御信号を生成する回転速度判定部を備え、
   前記回転速度判定部は、モータの回転速度の変動量を検出し、当該検出結果に応じて前記制御信号を変化させる
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
5. 請求項１のモータ駆動装置において、
   前記制御信号を生成する検出タイミング判定部を備え、
   前記検出タイミング判定部は、前記逆起電圧の検出タイミングを検出し、当該検出結果に応じて前記制御信号を変化させる
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
6. 請求項１のモータ駆動装置において、
   前記トルク指令信号の変動量を検出し、当該検出結果に応じて第１の制御信号を生成するトルク指令判定部と、
   モータの回転速度の変動量を検出し、当該検出結果に応じて第２の制御信号を生成する回転速度判定部と、
   前記逆起電圧の検出タイミングを検出し、当該検出結果に応じて第３の制御信号を生成する検出タイミング判定部と、
   前記第１から第３の制御信号および外部信号を論理演算して前記制御信号を生成する論理演算部とを備えている
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
7. 請求項５および６のいずれか一つのモータ駆動装置において、
   前記検出タイミング判定部は、
   前記位置検出信号から当該パルス幅分だけ遅延した信号を出力する遅延回路と、
   前記遅延回路の出力信号でリセットされ、最終区間を示す信号に区間同期して所定の論理レベルの信号をラッチする第１のラッチ回路と、
   前記位置検出信号に同期して前記第１のラッチ回路の出力信号をラッチする第２のラッチ回路とを有する
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
8. 請求項５および６のいずれか一つのモータ駆動装置において、
   前記検出タイミング判定部は、
   前記位置検出信号のパルス入力を所定回数カウントしてパルス信号を出力する第１のカウンタ回路と、
   前記パルス信号から当該パルス幅分だけ遅延した信号を出力する遅延回路と、
   前記遅延回路の出力信号でリセットされ、最終区間を示す区間信号のパルス入力をカウントする第２のカウンタ回路と、
   前記第２のカウンタ回路のカウント値と所定値とを比較する比較回路と、
   前記パルス信号に同期して前記比較回路の出力信号をラッチするラッチ回路とを有する
   ことを特徴とするモータ駆動装置。

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