JP2012110226A - モータ駆動回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】モータを低速で起動可能としつつもソフトスタート機能を担保する。
【解決手段】
一方の論理レベルのデューティー比が第1デューティー比の第1パルス信号を生成するパルス生成回路と、モータの回転に応じた回転信号に基づいて、モータが停止している状態から回転を開始する際は第1デューティー比で駆動電流をモータコイルに供給し、モータが回転を開始した後は、モータの目標回転速度に応じて一方の論理レベルの第2デューティー比が高くなる第2パルス信号の第2デューティー比で駆動電流をモータコイルに供給する駆動制御回路と、を備え、パルス生成回路は、第2デューティー比と異なる第1デューティー比の第1パルス信号を生成すること、を特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、モータ駆動回路に関する。
パーソナルコンピュータや家庭用電子機器などには、発熱部品を冷却するためにファン
モータが用いられる。ファンモータを用いて発熱部品を冷却する場合、モータの回転速度
を高くすることによって冷却性能を高めることができるが、消費電力の抑制や静音化のために、発熱量に応じてモータの回転速度を適宜調整する必要がある。
モータの回転制御方式の一種としてPAM制御方式がある。PAM制御方式では、モー
タコイルに印加される駆動電圧を発熱量に応じて上昇または下降させることにより、モー
タの回転速度を調整することができる。
また、消費電力の抑制や静音化をさらに進めるために、駆動電圧の制御に加えて、間欠
駆動が行われる場合もある。例えば、特許文献1には、モータの目標回転速度に応じて駆
動電圧が低くなるように制御するとともに、モータの目標回転速度が低くなるに連れて駆
動電圧がモータコイルに印加される割合が低下するように制御する方式が開示されている。この制御方式では、駆動電圧の調整のみによる制御の場合と比較してモータの回転速度
をより低回転まで制御することが可能となり、消費電力の抑制や静音化を実現することが
できる。
特開2006−174648号公報
モータの回転時には、磁極の位置とモータコイルの位置との関係に応じた引力や斥力に
よってコギング・トルクが生じる。そして、モータが停止している場合、コギング・トル
クが最低となる場所にモータコイルが位置していることが多い。そのため、モータが停止
している状態から回転を開始するためには、コギング・トルクの最大レベルを超えるトル
クが必要となる。
特許文献1に開示された方式では、モータの回転速度を低速にする場合には駆動電圧が
低い状態であるとともに駆動の割合も低下するため、モータを駆動するトルクも小さくな
る。したがって、モータが回転している場合は慣性の働きによって小さいトルクであって
も回転させ続けることができるが、モータが停止している状態から低速で回転させ始める
場合、モータを駆動するトルクがコギング・トルクの最大レベルを超えることができず、
低速での起動ができないことがある。特に単相モータの場合は三相の場合と比較してコギ
ング・トルクの最大レベルと最小レベルとの差が大きいことが多いため、低速での起動が
困難になる可能性が高くなる。
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、モータを低速で起動可能とすることを
目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のモータ駆動回路は、一方の論理レベルのデューティー比が第1デューティー比の第1パルス信号を生成するパルス生成回路と、モータの回転に応じた回転信号に基づいて、前記モータが停止している状態から回転を開始する際は前記第1デューティー比で駆動電流をモータコイルに供給し、前記モータが回転を開始した後は、前記モータの目標回転速度に応じて前記一方の論理レベルの第2デューティー比が高くなる第2パルス信号の前記第2デューティー比で前記駆動電流を前記モータコイルに供給する駆動制御回路と、を備え、前記パルス生成回路は、前記第2デューティー比と異なる前記第1デューティー比の前記第1パルス信号を生成すること、を特徴とする。
モータの低速起動(起動補償)とソフトスタートとを兼ね備えた機能を提供できる。
本発明の一実施形態であるモータ駆動回路の構成を示す図である。 回転検出回路の構成例を示す図である。 回転検出回路の動作の一例を示す図である。 駆動電圧とモータの回転速度との関係の一例を示す図である。 第2パルス生成回路の構成例を示す図である。
図1は、本発明の一実施形態であるモータ駆動回路の構成を示す図である。モータ駆動
回路10は、パーソナルコンピュータや家庭用電子機器などにおいて、発熱部品(被冷却
装置)を冷却するためのファンモータに組み込まれており、冷却用のファンを回転させる
ためのモータを駆動するために用いられる。
本実施形態のモータ駆動回路10は、NPNトランジスタ11〜14、駆動電圧生成回
路20、第1パルス生成回路22、第2パルス生成回路23、回転検出回路24、第1A
ND回路25、NOT回路27、第2AND回路29、OR回路26、及び制御回路28
を含んで構成されている。本実施形態においては、モータ駆動回路10は集積化されており、端子OUT1,OUT2間に、モータコイルLが接続され、端子H1,H2間に、モータの回転位置に応じた電圧Vh1及び電圧Vh2(回転信号)を出力するホール素子3
0が接続され、モータの回転速度を制御するための信号が端子CNTを介してマイコン3
2から入力されている。なお、電圧Vh1,Vh2は互いに逆相となる正弦波状に変化す
る電圧である。
NPNトランジスタ11〜14はモータコイルLを駆動電圧Vmによって駆動するため
のHブリッジ回路を構成している。例えば、NPNトランジスタ11,14がオン、NP
Nトランジスタ12,13がオフの状態では、端子OUT1から端子OUT2の方向に電
流が流れるようにモータコイルLが駆動電圧Vmによって駆動される。また、例えば、N
PNトランジスタ12,13がオン、NPNトランジスタ11,14がオフの状態では、
端子OUT2から端子OUT1の方向に電流が流れるようにモータコイルLが駆動電圧Vmによって駆動される。なお、モータ駆動回路10を集積化する場合において、NPNト
ランジスタ11〜14を集積回路の外部に設けることも可能である。
駆動電圧生成回路20は、マイコン32から入力される目標回転速度を示す信号に応じ
て、目標回転速度の上昇に応じて高くなる駆動電圧Vmを生成する。駆動電圧生成回路2
0は、例えば5.0Vの電源電圧をマイコン32からの信号に応じて降圧することによって駆動電圧Vmを生成するレギュレータ回路により構成することができる。駆動電圧生成
回路20から出力される駆動電圧VmはモータコイルLを駆動するために用いられる。し
たがって、駆動電圧Vmが高くなるに連れてモータの回転速度が速くなり、駆動電圧Vm
が低くなるに連れてモータの回転速度が遅くなる。
第1パルス生成回路22は、駆動電圧Vmが高くなるに連れてHレベルのデューティー
比(以下、第1デューティー比という)が高くなる第1パルス信号PWM1を生成する。
第1パルス信号PWM1はモータコイルLを間欠駆動するためのものである。モータコイ
ルLを第1パルス信号PWM1に基づいて間欠駆動する場合、第1パルス信号PWM1が
Hレベルの期間にモータコイルLが駆動される。なお、第1パルス生成回路22は、例え
ば、特開2006−174648号公報に開示された基準電圧発生回路、三角波発生回路、及び比較回路を用いて実現することができる。
第2パルス生成回路23は、Hレベルのデューティー比(以下、第2デューティー比と
いう)が駆動電圧Vmの変化によらず一定である第2パルス信号PWMを生成する。第2
パルス信号PWM2も第1パルス信号PWM1と同様にモータコイルLを間欠駆動するためのものである。モータコイルLを第2パルス信号PWM2に基づいて間欠駆動する場合、第2パルス信号PWM2がHレベルの期間にモータコイルLが駆動される。ここで、起
動補償機能を重視する場合には第2デューティー比は第1デューティー比よりも大きくなるように構成される。なお、以下は、第2デューティー比が第1デューティー比よりも大
きい場合を例にして説明するが、本発明はこれに限定されず、例えば、電源電圧Vmの値
が大きい場合等にはソフトスタート機能を重視され、第2デューティー比が第1デューテ
ィー比よりも小さくなるように構成されてもよい。第2パルス生成回路23の詳細は後述
する。
回転検出回路24は、ホール素子30から出力される電圧Vh1,Vh2に基づいて、
モータが回転しているかどうかを検出し、検出信号DET(回転検出信号)を出力する。
本実施形態では、モータが停止している状態では検出信号DETがHレベルとなり、モー
タの回転が検出されると検出信号DETがLレベルになることとする。なお、本実施形態
ではホール素子30から出力される電圧Vh1,Vh2に基づいてモータの回転を検出す
ることとするが、ホール素子30からの出力に限らず、モータの回転速度に応じた周波数
となるFG(Frequency Generator)信号等、モータの回転に応じて変化する信号を用い
てモータの回転を検出することとしてもよい。
NOT回路27は、回転検知回路24から出力される検出信号DETを反転して出力する。本実施形態では、モータが停止している状態からモータの回転が検出されるまでの期
間は検出信号DETがHレベルであるため、NOT回路27の出力はLレベルとなる。一
方、モータの回転が検出されて検出信号DETがLレベルになると、NOT回路27の出
力はHレベルとなる。
第1AND回路29は、第1パルス生成回路22から出力される第1パルス信号PWM
1と、NOT回路27からの出力との論理積を出力する。本実施形態では、モータが停止
している状態からモータの回転が検出されるまでの期間はNOT回路の出力はLレベルで
あるため、その期間は第1パルス信号PWM1にかかわらず、第1AND回路29の出力
はLレベルに維持される。一方、モータの回転が検出されてNOT回路の出力がHレベル
になると、第1パルス信号PWM1がHレベルの期間に第1AND回路29の出力もHレ
ベルとなる。
第2AND回路25は、第2パルス生成回路23から出力される第2パルス信号PWM
2と、回転検知回路24から出力される検出信号DETとの論理積を出力する。本実施形
態では、モータが停止している状態からモータの回転が検出されるまでの期間は検出信号
DETがHレベルであるため、第2パルス信号PWM2がHレベルの期間に第2AND回
路25の出力もHレベルとなる。一方、モータの回転が検出されて検出信号DETがLレ
ベルになると、その期間は第2パルス信号PWM2にかかわらず、第2AND回路25の
出力はLレベルに維持される。
つまり、モータが停止している状態からモータの回転が検出されるまでの期間は、第1
AND回路29の出力はLレベルに維持されるとともに、第2AND回路25の出力は第
2パルス生成回路23から出力される第2パルス信号PWM2に応じて変化することとなる。一方、モータの回転が検出されると、第2AND回路29の出力はLレベルに維持されるとともに、第1AND回路25の出力は第1パルス生成回路22から出力される第1
パルス信号PWM1に応じて変化することとなる。
OR回路26は、第1AND回路29の出力と、第2AND回路25の出力との論理和
を駆動信号DRVとして出力する。本実施形態では、モータが停止している状態からモー
タの回転が検出されるまでの期間は、駆動信号DRVは第2パルス生成回路23から出力
される第2パルス信号PWM2に応じることとなる。一方、モータの回転が検出されると、駆動信号DRVは第1パルス生成回路22から出力される第1パルス信号PWM1に応じて変化することとなる。
制御回路28は、モータの回転位置に応じてNPNトランジスタ11,14及びNPN
トランジスタ12,13を相補的にオンオフさせる。また、制御回路28は、駆動信号D
RVがHレベルの期間にモータコイルLが駆動電圧Vmによって駆動されるよう、NPN
トランジスタ11〜14を適宜オンオフさせる。したがって、モータが停止している状態
からモータの回転が検出されるまでの期間は、モータコイルLは第2パルス信号PWM2
の第2デューティー比に応じた間欠駆動がなされる。一方、モータの回転が検出されると、モータコイルLは第1パルス信号PWM1の第1デューティ比に応じた間欠駆動がなさ
れる。
図2は、回転検出回路24の構成例を示す図である。回転検出回路24は、コンパレー
タ40、エッジ検出回路42、カウンタ44、及び検出信号出力回路46を含んで構成さ
れている。コンパレータ40は電圧Vh1,Vh2の比較結果を出力する。本実施形態で
は、電圧Vh1が電圧Vh2より高い場合にコンパレータ40の出力がHレベルになり、
電圧Vh1が電圧Vh2より低い場合にコンパレータ40の出力がLレベルになることと
する。エッジ検出回路42は、コンパレータ40から出力される信号のエッジ、すなわち、LレベルからHレベルへの変化及びHレベルからLレベルへの変化を検出し、エッジの
検出に応じてパルスを出力する。カウンタ44は、エッジ検出回路42から出力されるパ
ルスの数をカウントする。検出信号出力回路46は、カウンタのカウント値が既定の値(
例えば“4”)になると検出信号DETをLレベルに変化させる。なお、モータが停止し
ている状態では、カウンタ44のカウント値がゼロにリセットされるとともに、検出信号
DETがHレベルにリセットされることとする。
モータ駆動回路10において、モータが停止している状態から回転を開始する際の動作
の一例について説明する。図3は、回転検出回路24の動作の一例を示す図である。モー
タが停止している場合、ホール素子30から出力される電圧Vh1,Vh2は変化せず、
コンパレータ40から出力される信号CMPも変化しない。本実施形態では、モータが停
止している状態においてコンパレータ40から出力される信号CMPはHレベルになって
いることとする。
マイコン32からモータの目標回転速度を示す信号が入力されると、駆動電圧生成回路
20が目標回転速度に応じた駆動電圧Vmを生成する。そして、第1パルス生成回路22
は駆動電圧Vmの変化に応じて第1デューティー比が変化する第1パルス信号PWM1を
生成する。一方、第2パルス生成回路23は駆動電圧Vmの変化によらず第2デューティー比が一定の第2パルス信号PWM2を生成する。モータが停止している場合、カウンタ
44のカウント値がゼロにリセットされるとともに、検出信号出力回路46から出力される検出信号DETがHレベルにリセットされている。そのため、OR回路26から出力される駆動信号DRVは第2デューティー比に応じ、制御回路28は第2デューティー比に
応じたモータコイルLの間欠駆動を開始する。第2デューティー比に応じた間欠駆動によってモータが回転し始めると、ホール素子30から出力される電圧Vh1,Vh2がモー
タの回転に応じて変化し、コンパレータ40から出力される信号CMPも変化する。そし
て、信号CMPの変化によってエッジ検出回路42から信号EDGEが出力され、カウン
タ44のカウント値が増加していく。カウンタ44のカウント値が既定の値(例えば“4
”)に到達すると、モータが回転し始めたと判定され、検出信号出力回路46から出力される検出信号DETがLレベルに変化する。検出信号DETがLレベルになると、OR回
路26から出力される駆動信号DRVは駆動電圧Vmの変化に応じる第1デューティー比
に応じて変化することとなり、モータコイルLは第1デューティー比に応じて間欠駆動されることとなる。すなわち、モータ駆動回路10では、モータが回転し始めるまでは駆動
電圧Vmの変化によらず一定の第2デューティー比に応じた間欠駆動となり、モータが回
転し始めた後は駆動電圧Vmの変化に応じる第1デューティー比に応じた間欠駆動となる。
図4は、駆動電圧Vmとモータの回転速度との関係の一例を示す図である。図4に示す
ように、駆動電圧Vmが高くなるに連れて回転速度が速くなり、駆動電圧Vmが低くなる
に連れて回転速度が遅くなる。また、パルス信号PWMは駆動電圧Vmが高くなるに連れ
てHレベルのデューティー比が高くなるため、駆動電圧Vmの変動範囲が同じ場合、フル
駆動よりも間欠駆動の方が回転速度をより低速に制御することができる。なお、駆動電圧
Vmが最大レベル(Vmax)の場合におけるパルス信号PWMのHレベルのデューティー比を100%とすれば、間欠駆動の場合における最高回転速度はフル駆動の場合と同じ
となり、冷却性能を維持することができる。
モータが回転している状態では、駆動電圧Vm及び第1パルス信号PWM1の第1デューティー比を低下させていくことにより、モータの回転速度を遅くしていくことができる。そして、駆動電圧Vmが最低レベル(Vmin)に到達すると、モータの回転速度が最
低速度Sminとなる。一方、モータが停止している状態から回転速度Sminで回転さ
せ始めたい場合、駆動電圧VmをVminとして第1パルス信号PWM1の第1デューテ
ィー比に応じた間欠駆動を開始しても、コギング・トルクを超える起動トルクが得られな
い場合がある。このような場合であっても、本実施形態のモータ駆動回路10では、モー
タが停止している状態から回転速度Sminで回転させ始めたい場合、モータが回転し始めるまでは駆動電圧Vmの変化によらず一定の第2デューティー比に応じた間欠駆動となるため、コギング・トルクを超える起動トルクを得ることが可能となり、モータの回転を
開始させることができる。そして、モータが回転し始めた後は慣性の働きによって起動時ほどトルクが必要ではないため、モータ駆動回路10では第2デューティー比に応じた間
欠駆動から第1デューティー比に応じた間欠駆動に切り替わり、回転速度をSminに制
御することができる。
このように、本実施形態に係るモータ駆動回路10は、従来のPAM制御方式と比べて
速度変域を広くした制御方式であるにもかかわらず起動補償機能をも備えている。しかし、起動補償機能の観点のみで考えると、第2パルス制御回路23をあえて設けずに、モー
タが停止している状態からモータが回転し始めるまではフルトルクで駆動するように構成
されていても良いようにも思える。しかし、停止したモータの駆動を開始する際にいきな
りフルトルク駆動すると、モータコイルLに急激に電流が流れることになり、モータ駆動
回路の定格を超えることになりうる。この点、本実施形態に係るモータ駆動回路10は、
第2パルス制御回路23を備えることにより第2デューティー比を制御することができる
ため、起動補償機能を保つ範囲内においてソフトスタート制御を行うことができる。
図5は、第2パルス生成回路23の一例を示す。第2パルス制御回路23は、定電圧生
成回路51、三角波生成回路52、抵抗R1、R2、及びコンパレータ53により構成さ
れる。定電圧生成回路51は、駆動電圧生成回路による駆動電圧Vmに応じて一定の基準
電圧VREGを発生する。なお、電源電圧Vm以外の電源から基準電圧VREGを発生し
てもよい。三角波生成回路52は、コンデンサCにおける充電と放電とを交互に行うこと
によって三角波を発生する。なお、この三角波は、基準電圧VREGを用いて三角波を発
生するので、電源電圧Vmの大きさに依存せず一定の電圧振幅となる。コンパレータ53
は、非反転入力端子に基準電圧VREGが抵抗R1、R2により抵抗分割された分割電圧
VRが入力され、反転入力端子に三角波が入力される。そして、コンパレータ53は、分
割電圧VRと三角波とを比較し、三角波の値が大きい期間にHレベルとなり、分割電圧V
Rが大きい期間にLレベルとなる第2パルス信号PWM2を出力する。このような構成に
おいて、例えば、分割電圧VRが大きくなるように抵抗R1、R2における抵抗分割比を
調整すればソフトスタート機能の効果が大きくなり、分割電圧VRが小さくなるように抵
抗R1、R2における抵抗分割比を調整すれば起動補償機能の効果が大きくなる。このように、抵抗分割比を適宜調整することによって、起動補償機能及びソフトスタート機能を
兼ね備えたモータ駆動回路10が実現される。また、基準電圧VREG及び三角波は電源
電圧Vmの変化によらず一定であるので、第2パルス信号PWM2の第2デューティー比
は電源電圧Vmの変化によらず一定となる。
以上、本実施形態のモータ駆動回路10について説明した。モータが停止している状態
から回転を開始する際はモータが第2デューティー比に基づいて間欠駆動され、モータが
回転を開始した後はモータが電源電圧Vmによらず一定の第2デューティー比に基づいて
間欠駆動される。そのため、PWM信号が第1パルス制御信号PWM1のHレベルの期間
のみ駆動する場合と比較して、起動補償機能及びソフトスタート機能を実現しつつモータ
をより低速で起動することができる。
そして、このようなモータ駆動回路10を用いることにより、電子機器において発熱部
品の発熱量が小さい場合においては、ファンの回転速度を十分低回転にすることが可能と
なり、電力消費量を抑制することができる。
なお、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して
解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され
得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。例えば、本実施形態では、モータ駆動回
路10を単相のファンモータの駆動用としたが、駆動対象のモータはファンモータに限ら
れず、相数についても単相に限られない。
10 モータ駆動回路
11〜14 NPNトランジスタ
20 駆動電圧生成回路
22 第1パルス生成回路
23 第2パルス生成回路
24 回転検出回路
26 OR回路
28 制御回路
30 ホール素子
32 マイコン
40 コンパレータ
42 エッジ検出回路
44 カウンタ
46 検出信号出力回路
51 定電圧生成回路
52 三角波生成回路
53 コンパレータ

Claims (4)

  1. 一方の論理レベルのデューティー比が第1デューティー比の第1パルス信号を生成するパルス生成回路と、
    モータの回転に応じた回転信号に基づいて、前記モータが停止している状態から回転を開始する際は前記第1デューティー比で駆動電流をモータコイルに供給し、前記モータが回転を開始した後は、前記モータの目標回転速度に応じて前記一方の論理レベルの第2デューティー比が高くなる第2パルス信号の前記第2デューティー比で前記駆動電流を前記モータコイルに供給する駆動制御回路と、
    を備え、
    前記パルス生成回路は、
    前記第2デューティー比と異なる前記第1デューティー比の前記第1パルス信号を生成すること、
    ることを特徴とするモータ駆動回路。
  2. 請求項1に記載のモータ駆動回路であって、
    前記第1デューティー比は、一定であることを特徴とするモータ駆動回路。
  3. 請求項2に記載のモータ駆動回路であって、
    前記パルス生成回路は、
    一定の基準電圧を発生する駆動電圧生成回路と、
    前記基準電圧を用いて三角波を発生する三角波発生回路と、
    前記基準電圧を抵抗分割した分割電圧を発生する抵抗分割回路と、
    一方の入力端子に前記分割電圧が入力され、他方の入力端子に三角波が入力され、前記
    三角波の値が大きい期間に前記一方の論理レベルの前記第1パルス信号を出力するコンパレータと、
    を含んで構成されることを特徴とするモータ駆動回路。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のモータ駆動回路であって、
    前記第1デューティー比は、前記第2デューティー比よりも大きいことを特徴とするモータ駆動回路。
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