JP2012034466A - センサレスファンモータ駆動装置およびそれを用いた冷却装置、センサレスファンモータのロック保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロック状態を確実に検出可能なモータ駆動回路を提供する。
【解決手段】ＢＥＭＦ検出回路１０は、ファンモータ６の複数のコイルそれぞれの一端に生ずる電圧Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗを、複数のコイルの共通接続ノードに生ずる中点電圧Ｖ_ＣＯＭと比較し、ファンモータ６が所定の電気角、回転する度にアサートされる回転検出信号Ｓ３を生成する。ロック保護回路６０は、回転検出信号Ｓ３が所定の第１判定期間τ１、アサートされないとき、または回転検出信号Ｓ３の周期が所定の第２判定期間τ２より短いとき、所定の保護処理を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動技術に関する。

近年のパーソナルコンピュータやワークステーションの高速化にともない、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ(Digital Signal Processor)などの演算処理用ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）の動作速度は上昇の一途をたどっている。このようなＬＳＩは、その動作速度、すなわちクロック周波数が高くなるにつれて発熱量も大きくなる。ＬＳＩからの発熱は、そのＬＳＩ自体を熱暴走に導いたり、あるいは周囲の回路に対して影響を及ぼすという問題がある。したがって、ＬＳＩの適切な熱冷却はきわめて重要な技術となっている。

ＬＳＩを冷却するための技術の一例として、冷却ファンによる空冷式の冷却方法がある。この方法においては、たとえば、ＬＳＩの表面に対向して冷却ファンを設置し、冷たい空気を冷却ファンによりＬＳＩ表面に吹き付ける。

冷却ファンを駆動するモータにおいて、異物がファンに挟まるなどによりモータがロックした場合、コイルや半導体素子に過大な電流が流れるなどしてデバイスとしての信頼性を損ねるおそれがある。こうした問題に対処するために、モータの停止時にモータコイルへの通電を停止するロック保護回路が用いられる。

ロック保護を適切に行うためには、モータの回転状態を適切に判定する必要がある。ホール素子などのセンサ付きのモータの場合、センサからの出力信号にもとづき、モータが停止しているか、回転しているかを確実に判定することができる（特許文献１）。

特開２００５−６４０５号公報 特開平１０−２３４１３０号公報

一方、センサレスモータの場合、モータのコイルに生ずる電圧にもとづいて、モータのロック状態を判定する必要がある。具体的には、モータのコイルには、モータの回転に応じた逆起電力が発生する。したがってモータがロックしていれば、逆起電力は発生せず、モータが回転していれば、その回転数に応じて周期的な逆起電力が発生する。そこでセンサレスモータの駆動装置は、モータのコイルに生ずる電圧にもとづいて、ロック状態を検出することができる。

ここでコイルに生ずる電圧には、ロータの回転にともなう逆起電力に加えて、ノイズが重畳されうる。つまりモータが停止し逆起電力が発生しない状況においても外乱ノイズによって、逆起電力が誤検出されるおそれがある。もしモータがロックした状態において、ノイズの混入によりモータが回転状態にあるものと誤判定されると、適切なロック保護をかけることができない。

本発明者はこうした状況を認識して本発明をなしたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ロック状態を確実に検出可能なモータ駆動回路の提供にある。

本発明のある態様は、複数のコイルを有するセンサレスファンモータの駆動装置に関する。駆動装置は、ファンモータの複数のコイルそれぞれの一端に生ずる電圧を、複数のコイルの共通接続ノードに生ずる中点電圧と比較し、ファンモータが所定の電気角、回転する度にアサートされる回転検出信号を生成する逆起電力検出回路と、回転検出信号が所定の第１判定期間アサートされないとき、または回転検出信号の周期が所定の第２判定期間より短いとき、ロックモード判定信号をアサートするロック保護回路と、を備える。

この態様によると、第１判定期間により、モータがロックにより停止していることを検出できる。また第２判定期間により、検出される回転検出信号がノイズに起因するものであると推定し、モータがロックしていることを検出することができ、適切なロック保護をかけることができる。

ロック保護回路は、回転検出信号の周期を測定するカウンタと、測定された周期が第１判定期間より長いときにアサートされる第１ロックモード判定信号を生成する第１判定部と、測定された周期が第２判定期間より短いときにアサートされる第２ロックモード判定信号を生成する第２判定部と、を含んでもよい。

第２判定期間は、回転検出信号が、ファンモータに想定される最大回転数よりも高い回転数での回転を示すときに、保護処理が実行されるように定められてもよい。

最大回転数は５００００ｒｐｍであってもよい。

第２判定期間は、１００μｓ以下であってもよい。
３相４極モータが、５００００ｒｐｍで回転すると、回転検出信号の周期は、１００μｓとなる。そこで第２判定期間を１００μｓ以下に設定することにより、ノイズを好適に除去することができる。

ある態様の駆動装置は、回転検出信号を受け、ファンモータが機械角１８０度回転するごとにレベル遷移する回転数信号を生成する回転数信号生成回路をさらに備えてもよい。ロック保護回路は、回転検出信号に代えて回転数信号の周期に応じて保護処理を実行してもよい。

本発明の別の態様は、冷却装置である。この装置は、ファンモータと、ファンモータを駆動する上述のいずれかの態様のモータ駆動装置と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、複数のコイルを有するセンサレスファンモータのロック保護方法に関する。この方法は、ファンモータの複数のコイルそれぞれの一端に生ずる電圧を、複数のコイルの共通接続ノードに生ずる中点電圧と比較し、ファンモータが所定の電気角、回転する度にアサートされる回転検出信号を生成するステップと、回転検出信号が所定の第１判定期間アサートされないとき、所定の保護処理を実行するステップと、回転検出信号の周期が所定の第２判定期間より短いとき、所定の保護処理を実行するステップと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によればロック状態を確実に検出できる。

実施の形態に係る冷却装置を備える電子機器の構成を示すブロック図である。 図１の駆動装置の動作例を示すタイムチャートである。 図１の駆動装置の別の動作例を示すタイムチャートである。 図１の駆動装置のさらに別の動作例を示すタイムチャートである。

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。

本発明の実施の形態について、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの電子計算機に搭載され、ＣＰＵなどを冷却するためのファンモータを駆動させるためのファンモータ駆動装置を例に説明する。

はじめに、図１を参照して実施の形態に係る駆動装置１００全体の構成を説明する。駆動装置１００は、ファンモータを有する冷却装置に搭載され、ファンモータを駆動する。図１は、実施の形態に係る冷却装置４を備える電子機器１の構成を示すブロック図である。

電子機器１は、パーソナルコンピュータ、ワークステーションなどの計算機、サーバー、あるいは冷蔵庫やテレビなどの家電製品であり、冷却対象、たとえばＣＰＵ２を備える。冷却装置４は、送風によってＣＰＵ２を冷却する。

冷却装置４は、駆動装置１００およびファンモータ６を備える。ファンモータ６は、冷却対象のＣＰＵ２に近接して配置されている。駆動装置１００は、ファンモータ６のトルク（回転数）を指示するための制御入力信号（以下、単に制御信号という）Ｓ１にもとづいてファンモータ６を駆動する。冷却装置４は、モジュール化されて市販、流通される。

ファンモータ６は、３相交流モータであり、スター結線されたＵ相、Ｖ相、Ｌ相のコイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗと、図示しない永久磁石を備える。本実施の形態では、ファンモータ６の極数は４である。

駆動装置１００は、ひとつの半導体基板上に集積化された機能ＩＣ（Integrated Circuit）である。電源端子ＩＣＶＤＤには、電源電圧が供給され、接地端子ＩＣＧＮＤには接地電圧が供給される。

駆動装置１００は、逆起電力（ＢＥＭＦ：Back ElectroMotive Force）検出回路１０、ＰＷＭ信号生成回路１２、駆動信号合成回路１４、駆動回路１６、回転数信号生成回路２０、ロック保護回路６０を備える。

ＰＷＭ信号生成回路１２は、ファンモータ６の目標トルクに応じてパルス幅変調されたＰＷＭ制御信号Ｓ２を出力する。ＰＷＭ信号生成回路１２には、駆動装置１００の外部から、モータの目標トルクに応じてパルス幅変調された制御信号Ｓ１が入力され、それをＰＷＭ制御信号Ｓ２として出力してもよい。あるいはＰＷＭ信号生成回路１２は、サーミスタなどを利用して得られる周囲温度Ｔａに応じたアナログ電圧を受け、アナログ電圧に応じたデューティ比を有するＰＷＭ制御信号Ｓ２を生成してもよい。あるいはＰＷＭ信号生成回路１２は、ＣＰＵなどのホストプロセッサから、デューティ比を示すデジタル信号を受け、デジタル信号に応じたＰＷＭ制御信号Ｓ２を生成してもよい。

ＢＥＭＦ検出回路１０は、スター結線されるＵ、Ｖ、Ｗ相のコイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗそれぞれの一端に生ずる逆起電力Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗを、３つのコイルの共通接続ノードＮ１に生ずる中点電圧Ｖ_ＣＯＭと比較し、電気角６０度ごとにアサートされる回転検出信号Ｓ３を生成する。

ＢＥＭＦ検出回路１０は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相ごとに設けられたコンパレータＣＭＰ_Ｕ〜ＣＭＰ_Ｗを備える。各コンパレータＣＭＰ_Ｕ〜ＣＭＰ_Ｗは、対応する相のコイルＬ_Ｕ〜Ｌ_Ｗの一端に生ずるコイル電圧（逆起電力）Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗを、中点電圧Ｖ_ＣＯＭと比較し、比較結果を示す信号を生成する。ＢＥＭＦ合成回路１１は、各相のコンパレータＣＭＰ_Ｕ〜ＣＭＰ_Ｗから出力される信号を論理合成することにより、回転検出信号Ｓ３を生成する。回転検出信号Ｓ３は、ファンモータ６が所定の電気角回転する度にアサートされる。ファンモータ６が３相４極モータの場合、回転検出信号Ｓ３はファンモータ６が電気角３０°回転するたびにアサートされる。

駆動信号合成回路１４は、回転検出信号Ｓ３および制御信号Ｓ２を受け、それらを合成して、駆動制御信号Ｓ４を生成する。駆動回路１６は、駆動制御信号Ｓ４に応じて、コイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗそれぞれの一端に、駆動電圧を印加する。駆動回路１６は、ファンモータ６をＢＴＬ駆動してもよいし、制御信号Ｓ１に応じてＰＷＭ駆動してもよい。

回転数信号生成回路２０は、回転検出信号Ｓ３にもとづき、ファンモータ６の機械角（モータ角）１８０度ごとに、すなわちファンモータ６の１／２回転ごとに遷移する回転数信号ＦＧを生成し、ＦＧ端子から出力する。

ロック保護回路６０は、ファンモータ６に異物が挟まるなどして、ロックしている状態を検出し、ロック状態を検出すると所定の保護処理を実行する。たとえばロック保護回路６０は、ロック状態を検出すると、駆動信号合成回路１４もしくは駆動回路１６、あるいは入力信号Ｓ１を生成する外部のＤＳＰに通知する。ロック状態検出の通知を受けたユニットは、ファンモータ６に対する通電を所定時間停止するように動作する。

ロック保護回路６０は、ファンモータ６を駆動（通電）しているにもかかわらず、回転検出信号Ｓ３が所定の第１判定期間τ１、アサートされないときに、ロック状態と判定する。これに加えてロック保護回路６０は、回転検出信号Ｓ３のアサートされる周期が所定の第２判定期間τ２より短いとき、所定の保護処理を実行する。

ロック保護回路６０は、カウンタ６２、第１判定部６４、第２判定部６６を含む。カウンタ６２は、回転検出信号Ｓ３の周期（エッジの間隔）を測定し、その周期を示すカウント値を出力する。第１判定部６４は、回転検出信号Ｓ３の周期を示すカウント値を受け、カウント値が、第１判定期間τ１に対応する第１しきい値より大きいとき、つまり周期が第１判定期間τ１より長いときに、第１ロックモード判定信号Ｓ６をアサートする。第１判定期間τ１は、ファンモータに通常使用されるコイルのインダクタンス値等を考慮して、０．３ｓｅｃ〜０．５ｓｅｃ程度に定められる。

第２判定部６６は、回転検出信号Ｓ３の周期を示すカウント値を受け、カウント値が第２判定期間τ２に対応する第２しきい値より小さいとき、つまり周期が第２判定期間τ２より短いときに、第２ロックモード判定信号Ｓ７をアサートする。

第２判定期間τ２は、回転検出信号Ｓ３が、ファンモータ６に想定される最大回転数より高い回転数での回転を示すときに、保護処理が実行されるように定めることが望ましい。たとえばサーバー用のファンでは最大で３００００ｒｐｍ程度の回転数が想定される。そこで、５００００ｒｐｍを基準に第２判定期間τ２を定めてもよい。３相４極モータでは、第２判定期間τ２は１００μｓ、もしくはそれ以下に設定される。

想定される最大回転数を基準として、第２判定期間τ２を定めることにより、それよりも周期が短い回転検出信号Ｓ３は、ファンモータ６の回転ではなく、ノイズに起因した信号であることが強く推定できる。そこでこのような回転検出信号Ｓ３をロック状態の判定から除外することにより、ノイズによりロック状態を正常状態と誤検出するのを防止できる。

第１ロックモード判定信号Ｓ６または第２ロックモード判定信号Ｓ７の少なくとも一方がアサートされるとき、ロック保護がかかる。ロック保護回路６０は、第１ロックモード判定信号Ｓ６と第２ロックモード判定信号Ｓ７の論理和を、判定信号として出力してもよい。

以上が冷却装置４の全体の構成である。続いて駆動装置１００の動作を説明する。
図２は、図１の駆動装置１００の動作例を示すタイムチャートである。時刻ｔ０以前、ファンモータ６は所定の回転数で回転しており、回転検出信号Ｓ３は、電気角６０度ごとにアサートされる。時刻ｔ０にファンモータ６に異物が挟まるなどの要因によってロックすると、回転検出信号Ｓ３がアサートされなくなる。その後、第１判定期間τ１経過後の時刻ｔ１に、第１判定部６４によりロック状態と判定され、第１ロックモード判定信号Ｓ６がアサートされると、ファンモータ６に対する駆動電流の供給が停止される。

図３は、図１の駆動装置１００の別の動作例を示すタイムチャートである。図３のタイムチャートは、ファンモータ６の回転数が時間とともに加速している状態を示す。ファンモータ６の回転数が高くなるにしたがい、回転検出信号Ｓ３の周期は短くなっていく。やがて時刻ｔ２に、回転検出信号Ｓ３の周期が、第２判定期間τ２より短くなると、第２ロックモード判定信号Ｓ７がアサートされ、ファンモータ６に対する駆動電流の供給が停止される。

図４は、図１の駆動装置１００のさらに別の動作例を示すタイムチャートである。時刻ｔ０以前、ファンモータ６は所定の回転数で回転しており、回転検出信号Ｓ３は、電気角６０度ごとにアサートされる。時刻ｔ０にファンモータ６がロックすると回転検出信号Ｓ３がアサートされなくなる。もし、ノイズが混入しなければ、回転検出信号Ｓ３がアサートされないため、図２のタイムチャートと同様に、時刻ｔ０から第１判定期間τ１経過後に、ファンモータ６がアサートされるであろう。ところが、第１判定期間τ１経過前に、回転検出信号Ｓ３にノイズＳ８が混入すると、第１判定部６４がリセットされるため、ファンモータ６がロック状態にあるにもかかわらず、第１ロックモード判定信号Ｓ６はアサートされない。
一方、第２判定部６６は、回転検出信号Ｓ３の周期を監視する。そして時刻ｔ１に周期が第２判定期間τ２より短いことを検出すると、回転検出信号Ｓ３がノイズＳ８であると推定し、第２ロックモード判定信号Ｓ７をアサートする。これにより、ファンモータ６がロック状態であることを検出し、ファンモータ６を保護することができる。以上が駆動装置１００の全体の動作である。

このように実施の形態に係る駆動装置１００によれば、回転検出信号Ｓ３を監視し、その周期があるしきい値より短い場合に、回転検出信号Ｓ３をノイズ信号と推定し、ファンモータ６がロック状態であると判定する。これにより、ファンモータ６がロックしているにもかかわらず、ファンモータ６に通電し続けるという問題を解決することができ、ファンモータ６をより確実に保護することができる。

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。

ロック保護回路６０は、回転検出信号Ｓ３に代えてＦＧ信号の周期に応じて保護処理を実行してもよい。回転検出信号Ｓ３とＦＧ信号の周期には、比例関係が成り立つため、判定期間を適切に設定すれば、同様のロック保護を実現できる。

実施の形態において、冷却装置４を電子機器に搭載してＣＰＵを冷却する場合について説明したが、本発明の用途はこれには限定されず、発熱体を冷却するさまざまなアプリケーションに用いることができる。

実施の形態にもとづき、具体的な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認められる。

１００…駆動装置、１…電子機器、２…ＣＰＵ、４…冷却装置、６…ファンモータ、１０…ＢＥＭＦ検出回路、１１…ＢＥＭＦ合成回路、１２…ＰＷＭ信号生成回路、１４…駆動信号合成回路、１６…駆動回路、２０…回転数信号生成回路、６０…ロック保護回路、６２…カウンタ、６４…第１判定部、６６…第２判定部、ＦＧ…回転数信号、Ｓ１…入力信号、Ｓ２…制御信号、Ｓ３…回転検出信号、Ｓ６…第１ロックモード判定信号、Ｓ７…第２ロックモード判定信号。

Claims (9)

1. 複数のコイルを有するセンサレスファンモータの駆動装置であって、
   前記ファンモータの前記複数のコイルそれぞれの一端に生ずる電圧を、前記複数のコイルの共通接続ノードに生ずる中点電圧と比較し、前記ファンモータが所定の電気角、回転する度にアサートされる回転検出信号を生成する逆起電力検出回路と、
   前記回転検出信号が所定の第１判定期間、アサートされないとき、または前記回転検出信号の周期が所定の第２判定期間より短いとき、ロックモード判定信号をアサートするロック保護回路と、
   を備えることを特徴とする駆動装置。
2. 前記ロック保護回路は、前記回転検出信号の周期を測定するカウンタと、
   前記周期が前記第１判定期間より長いときにアサートされる第１ロックモード判定信号を生成する第１判定部と、
   前記周期が前記第２判定期間より短いときにアサートされる第２ロックモード判定信号を生成する第２判定部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記第２判定期間は、前記回転検出信号が、前記ファンモータに想定される最大回転数よりも高い回転数での回転を示すときに、保護処理が実行されるように定められることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記最大回転数は５００００ｒｐｍであることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
5. 前記第２判定期間は、１００μｓ以下であ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駆動装置。
6. 前記回転検出信号を受け、前記ファンモータが機械角１８０度回転するごとにレベル遷移する回転数信号を生成する回転数信号生成回路をさらに備え、
   前記ロック保護回路は、前記回転検出信号に代えて前記回転数信号の周期に応じて保護処理を実行することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の駆動装置。
7. ファンモータと、
   前記ファンモータを駆動する請求項１から６のいずれかに記載のモータ駆動装置と、
   を備えることを特徴とする冷却装置。
8. 複数のコイルを有するセンサレスファンモータのロック保護方法であって、
   前記ファンモータの前記複数のコイルそれぞれの一端に生ずる電圧を、前記複数のコイルの共通接続ノードに生ずる中点電圧と比較し、前記ファンモータが所定の電気角、回転する度にアサートされる回転検出信号を生成するステップと、
   前記回転検出信号が所定の第１判定期間アサートされないとき、または前記回転検出信号の周期が所定の第２判定期間より短いとき、所定の保護処理を実行するステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
9. 前記回転検出信号にもとづき、前記ファンモータが機械角１８０度回転するごとにレベル遷移する回転数信号を生成するステップをさらに備え、
   前記回転検出信号に代えて前記回転数信号の周期に応じて保護処理を実行することを特徴とする請求項８に記載の方法。

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