JP2019140845A - モータ駆動回路、ファンモータ、駆動制御回路及びモータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】駆動制御回路の消費電力を低減するモータシステムを提供すること。【解決手段】モータと、前記モータのロータの位相を検出する位相検出デバイスと、前記モータを駆動する駆動電流を出力する出力段と、前記出力段の駆動を制御する駆動制御回路とを備え、前記駆動制御回路は、所定の回路ブロックと、前記回路ブロックに接続される電源ラインと、前記電源ラインの電圧が一定になるように前記電源ラインに電流を出力する定電圧レギュレータと、前記位相検出デバイスから流れ出る電流を前記電源ラインに流し込む電流経路とを備える、モータシステム。【選択図】図２

Description

本発明は、モータ駆動回路、ファンモータ、駆動制御回路及びモータシステムに関する。

家電等に使われるモータ（例えば、ファンを回転させるモータ）を駆動するモータ駆動回路に対しては、消費電力を低減することが強く求められる。モータ駆動回路の消費電力には、モータを駆動する駆動電流を出力する出力段が消費する電力と、出力段の駆動を制御する駆動制御回路が消費する電力とが含まれている。出力段については、ＰＷＭ（パルス幅変調）駆動をすること等によって、高効率化と省電力化が図られている。これに対し、駆動制御回路については、その消費電流が元々小さいこともあり、消費電力の大きさがあまり問題にされていない。

特開２００９−１０６０８３号公報

しかしながら、例えば冷蔵庫の庫内ファンを回転させるモータのように、低速で回転している時間が比較的長いモータにおいては、モータを駆動する駆動電流を出力する出力段が消費する電力が非常に小さい。そのため、相対的に駆動制御回路自体が消費する電力の割合が増え、駆動制御回路の消費電力を無視できないことがある。

そこで、本開示では、駆動制御回路の消費電力を低減することを課題とする。

本開示は、
モータを駆動する駆動電流を出力する出力段と、
前記出力段の駆動を制御する駆動制御回路とを備え、
前記駆動制御回路は、
所定の回路ブロックと、
前記回路ブロックに接続される電源ラインと、
前記電源ラインの電圧が一定になるように前記電源ラインに電流を出力する定電圧レギュレータと、
前記モータのロータの位相を検出する位相検出デバイスから流れ出る電流を前記電源ラインに流し込む電流経路とを備える、モータ駆動回路を提供する。

また、本開示は、
当該モータ駆動回路と、前記モータと、前記モータにより回転するファンとを備える、ファンモータを提供する。

また、本開示は、
モータを駆動する駆動電流を出力する出力段の駆動を制御する駆動制御回路であって、
所定の回路ブロックと、
前記回路ブロックに接続される電源ラインと、
前記電源ラインの電圧が一定になるように前記電源ラインに電流を出力する定電圧レギュレータと、
前記モータのロータの位相を検出する位相検出デバイスから流れ出る電流を前記電源ラインに流し込む電流経路とを備える、駆動制御回路を提供する。

また、本開示は、
モータと、
前記モータのロータの位相を検出する位相検出デバイスと、
前記モータを駆動する駆動電流を出力する出力段と、
前記出力段の駆動を制御する駆動制御回路とを備え、
前記駆動制御回路は、
所定の回路ブロックと、
前記回路ブロックに接続される電源ラインと、
前記電源ラインの電圧が一定になるように前記電源ラインに電流を出力する定電圧レギュレータと、
前記位相検出デバイスから流れ出る電流を前記電源ラインに流し込む電流経路とを備える、モータシステムを提供する。

本開示によれば、駆動制御回路の消費電力を削減することができる。

本開示の一実施形態に係るモータシステムと比較される一比較例を示す図である。 本開示の一実施形態に係るモータシステムを示す図である。 レベルシフト回路の一例を示す図である。

以下、本開示の一実施形態に係るモータシステムを図面を参照して説明する。最初に、本開示の一実施形態に係るモータシステムを説明する前に、本開示の一実施形態に係るモータシステムと比較される一比較例について説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係るモータシステムと比較される一比較例を示す図である。図１に示される一比較例であるモータシステム１００は、モータ１６０を駆動するモータ駆動回路１１０を備える。モータ駆動回路１１０は、モータ１６０を駆動する駆動電流Ｉｍを出力する出力段１３０と、出力段１３０の駆動を制御する駆動制御回路１２０とを備える。

出力段１３０は、駆動電流Ｉｍをモータ１６０に供給するトランジスタ１３１〜１３４を有する。一方、駆動制御回路１２０は、定電圧レギュレータ１２１と、駆動波形生成回路１２２と、ゲートドライバー１２３とを有する。定電圧レギュレータ１２１は、定電圧Ｖｒｅｇを生成する回路である。駆動波形生成回路１２２は、モータ１６０のロータの位相に応じて位相検出デバイス１４０から出力される複数の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−に基づいて、複数の駆動波形信号を生成する。ゲートドライバー１２３は、駆動波形生成回路１２２により生成される複数の駆動波形信号に従って、トランジスタ１３１〜１３４のゲートを駆動する回路である。

図１に示すモータシステム１００では、定電圧レギュレータ１２１により生成される定電圧Ｖｒｅｇは、駆動波形生成回路１２２の電源電圧として使用されるとともに、位相検出デバイス１４０の電源電圧として使用される。つまり、定電圧レギュレータ１２１から出力される電流Ｉｒｅｇの電流値は、駆動波形生成回路１２２に供給される電流Ｉａの電流値と、位相検出デバイス１４０に供給される電流Ｉｓの電流値との和に略等しくなる。また、位相検出デバイス１４０に供給される電流Ｉｓは、位相検出デバイス１４０の内部回路を経由して、位相検出デバイス１４０のグランド端子からグランド（ＧＮＤ）にそのまま流れ出る。

これに対し、図２に示すモータシステム１は、電源ライン２４の電圧が一定になるように電源ライン２４に電流Ｉｒｅｇを出力する定電圧レギュレータ２１と、位相検出デバイス４０から流れ出る電流Ｉｓを電源ライン２４に流し込む電流経路２５とを備える。これにより、定電圧レギュレータ２１から出力される電流Ｉｒｅｇの電流値は、駆動波形生成回路２２に供給される電流Ｉａの電流値から、位相検出デバイス４０から流れ出る電流Ｉｓの電流値を引いた差に略等しくなる。つまり、駆動波形生成回路２２が必要とする電流Ｉａの少なくとも一部は、位相検出デバイス４０から流れ出る電流Ｉｓで賄われるので、定電圧レギュレータ２１から出力される電流Ｉｒｅｇは、定電圧レギュレータ２１での電圧フィードバックにより小さくなる。

したがって、図１に示す構成に比べて、定電圧レギュレータ２１から出力される電流Ｉｒｅｇの電流値を小さくできるので、定電圧レギュレータ２１を備える駆動制御回路２０に流入する回路電流Ｉｃｃの電流値も小さくできる。よって、駆動制御回路２０の消費電流を低減することが可能となる。また、定電圧レギュレータ２１の入出力間の電位差をΔＶとすると、入力される電源電圧ＶＢを定電圧Ｖｒｅｇに降圧して出力する際の定電圧レギュレータ２１の内部損失（ΔＶ×Ｉｒｅｇ）も、電流Ｉｒｅｇの電流値の減少により小さくなる。したがって、駆動制御回路２０の消費電力を低減することが可能となる。

次に、図２に示すモータシステム１の構成について、より詳細に説明する。本開示の一実施形態に係るモータシステム１は、モータ６０の回転動作を制御するシステムの一例である。モータシステム１は、モータ６０と、位相検出デバイス４０と、モータ駆動回路１０とを備える。

モータ６０は、少なくとも一つのコイルを有する。モータ６０は、例えば、一つのコイルを有する単相のブラシレスモータである。当該コイルの両端は、モータ駆動回路１０の出力段３０に接続される。モータ６０の具体例として、送風用のファン７０を回転させるモータなどが挙げられる。図２において、モータ６０が送風用のファン７０を回転させるモータである場合、モータシステム１は、ファン７０を構成要素として含むファンモータである。ファン７０がモータ６０により回転することにより発生する風力によって、例えば、機器の内部で発生する熱を機器の外部に排出し、機器の内部を冷却することができる。また、駆動制御回路２０の消費電力が低減するので、ファンモータを備える機器の消費電力の低減に貢献することができる。当該機器の具体例として、冷蔵庫等の家電製品、コピー機等のＯＡ機器、パーソナルコンピュータなどが挙げられるが、当該機器はこれらに限られない。

位相検出デバイス４０は、モータ６０のロータの位相を検出し、検出した位相に応じた複数の位相信号を出力する。図２に示す構成では、位相検出デバイス４０から出力される互いに逆相の一対の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−は、レベルシフト回路５０に入力され、電圧レベルがレベルシフト回路５０により低くシフトされて、駆動波形生成回路２２に入力される。レベルシフト回路５０の詳細については後述する。

位相検出デバイス４０は、例えば、モータ６０のロータの近傍に配置され、モータ６０のロータの位相を検出するホール素子を有する。この場合、位相検出デバイス４０は、ロータの駆動用主磁界をホール素子により検出することで、コイルに対するロータの回転位置（回転位相）に対応する一対の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−を出力する。

位相検出デバイス４０は、例えば、電源電圧ＶＢの電源配線に抵抗４１を介して接続される電源端子４４と、電流経路２５を介して電源ライン２４に接続されるグランド端子４３とを有する。電源電圧ＶＢの電源配線から抵抗４１を介して電源端子４４に入力される電流Ｉｓは、位相検出デバイス４０の内部回路を経由して、グランド端子４３からそのまま流れ出る。グランド端子４３から流れ出る電流Ｉｓは、電流経路２５を介して電源ライン２４にそのまま流入する。また、電源電圧ＶＢと電源ライン２４の電圧との間の電位差から、電流Ｉｓによる抵抗４１の電圧降下分を差し引いた電圧が、電源端子４４とグランド端子４３との間に印加される。

モータ駆動回路１０は、モータ６０を駆動する。モータ駆動回路１０は、例えば、モータ６０を駆動する駆動電流Ｉｍを出力する出力段３０と、出力段３０の駆動を制御する駆動制御回路２０とを備えるＩＣ（集積回路）である。出力段３０と駆動制御回路２０とは、共通の電源電圧ＶＢを使用する。出力段３０に流れる駆動電流Ｉｍ及び駆動制御回路２０に流れる回路電流Ｉｃｃは、電源電圧ＶＢの電源配線から、モータ駆動回路１０の電源端子を介して、供給される。

出力段３０は、駆動制御回路２０のゲートドライバー２３によって生成される複数の駆動信号に従って、モータ６０のコイルに駆動電流Ｉｍを流すことによって、モータ６０のロータを回転させる。

出力段３０は、トランジスタ３１〜３４を有する単相インバータである。トランジスタ３１，３３は、電源電圧ＶＢの電源配線に接続されるハイサイドトランジスタである。トランジスタ３２，３４は、グランドに接続されるローサイドトランジスタである。トランジスタ３１とトランジスタ３２との接続点は、モータ６０のコイルの一端に接続され、トランジスタ３３とトランジスタ３４との接続点は、当該コイルの他端に接続される。

トランジスタ３１〜３４は、ゲートドライバー２３からのそれぞれに対応する駆動信号に従って、オン又はオフとなる。トランジスタ３１〜３４の具体例として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が挙げられるが、これに限られない。

駆動制御回路２０は、出力段３０の駆動を制御する。駆動制御回路２０は、駆動波形生成回路２２と、ゲートドライバー２３と、定電圧レギュレータ２１と、電源ライン２４と、電流経路２５とを備える。

駆動波形生成回路２２は、モータ６０のロータの位相に応じて位相検出デバイス４０から出力される複数の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−に基づいて、出力段３０の駆動の制御に使用される複数の駆動波形信号を生成する。本実施形態では、複数の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−は、後述のレベルシフト回路５０により、複数の位相信号ＶＶｈ＋，ＶＶｈ−に変換される。駆動波形生成回路２２により生成される複数の駆動波形信号は、例えば、モータ６０のロータの回転を所望の状態に制御するためのＰＷＭ（パルス幅変調）信号である。駆動波形生成回路２２は、電源ライン２４に接続され、電源ライン２４の電圧を電源電圧として動作する。駆動波形生成回路２２の各機能は、例えば、メモリに記憶されたプログラムに従ってＣＰＵ（Central Processing Unit）が動作することにより実現される。

ゲートドライバー２３は、駆動波形生成回路２２により生成される複数の駆動波形信号に従って、モータ６０のロータの回転が所望の状態になるように、トランジスタ３１〜３４のゲートを駆動する回路である。ゲートドライバー２３は、電源ライン２４に接続されずに、定電圧レギュレータ２１の入力側に接続されている。ゲートドライバー２３は、出力段３０を駆動するため、出力段３０と同じ電源電圧ＶＢを電源電圧として動作する。

定電圧レギュレータ２１は、電源電圧ＶＢに基づいて、定電圧Ｖｒｅｇを生成する回路である。定電圧レギュレータ２１は、本実施形態では、位相検出デバイス４０と共通の電源電圧ＶＢに基づいて、電源ライン２４の電圧が所定の定電圧Ｖｒｅｇになるように、電源ライン２４に出力する電流Ｉｒｅｇを生成する。定電圧レギュレータ２１として、例えば、シリーズレギュレータを用いると、低コスト化が可能である。また、定電圧レギュレータ２１として、スイッチングレギュレータを用いてもよく、この場合、効率良く電源電圧ＶＢを定電圧Ｖｒｅｇに降圧することが可能である。

電流経路２５は、位相検出デバイス４０のグランド端子４３から流れ出る電流Ｉｓを電源ライン２４に流し込む。電流経路２５の一端は、電源ライン２４に接続される。

このように、本実施形態では、電源電圧ＶＢから位相検出デバイス４０に供給される電流は、位相検出デバイス４０で使用され、位相検出デバイス４０で使用された電流Ｉｓは、定電圧レギュレータ２１の出力経路（電源ライン２４）に流し込まれる。つまり、位相検出デバイス４０で使用された電流Ｉｓは、定電圧レギュレータ２１から出力される定電圧Ｖｒｅｇを使って動作する回路ブロック（本実施形態では、駆動波形生成回路２２）で、再使用されている。これにより、位相検出デバイス４０で使用された分の電流を、駆動制御回路２０内の回路ブロックで再び使うことになり、駆動制御回路２０の消費電力の低減が可能となる。

また、本実施形態では、位相検出デバイス４０と駆動制御回路２０との間にレベルシフト回路５０が設けられている。レベルシフト回路５０は、位相検出デバイス４０から出力される複数の位相信号を駆動制御回路２０に入力する際に、位相検出デバイス４０と駆動制御回路２０との間でＤＣ（Direct Current）電圧レベルが相違することを防止する。

レベルシフト回路５０は、位相検出デバイス４０と駆動制御回路２０との間でＤＣ電圧レベルを合せる。駆動波形生成回路２２は、レベルシフト回路５０により電圧レベルが低くシフトされた複数の位相信号ＶＶｈ＋，ＶＶｈ−に基づいて、複数の駆動波形信号を生成する。つまり、レベルシフト回路５０は、位相検出デバイス４０から出力される複数の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−の電圧レベルを所定の電圧分だけ低くシフトし、その低くシフトした後の複数の位相信号ＶＶｈ＋，ＶＶｈ−を駆動波形生成回路２２に出力する。

図３は、レベルシフト回路５０の具体的な一例を示す。レベルシフト回路５０は、電源電圧ＶＢの電源配線に一端が接続される抵抗５１と、抵抗５１の他端に一端が接続されるペアトランジスタ５２，５３と、ペアトランジスタ５２，５３の他端に接続される抵抗５４，５５とを備える。ペアトランジスタ５２，５３は、それぞれ、例えば、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタである。

位相検出デバイス４０から出力される一対の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−は、それぞれ、ペアトランジスタ５２，５３のベースに入力され、一対の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−の電圧に応じてペアトランジスタ５２，５３のコレクタから出力される電流に変換される。それらの電流は、ペアトランジスタ５２，５３のコレクタ側に接続される抵抗５４，５５により電圧変換されることで、一対の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−と等価な一対の位相信号ＶＶｈ＋，ＶＶｈ−が生成される。一対の位相信号ＶＶｈ＋，ＶＶｈ−は、駆動波形生成回路２２に入力される。

また、図３に示されるように、電源ライン２４の電圧上昇を防ぐため、電源ライン２４の電圧上昇をクランプするクランプ回路４２が備えられることが好ましい。なぜなら、駆動波形生成回路２２で消費する電流Ｉａよりも位相検出デバイス４０で消費される電流Ｉｓの方が大きくなってしまうと、電源ライン２４の電圧が、定電圧レギュレータ２１が目標とする定電圧Ｖｒｅｇよりも上昇するおそれがあるからである。したがって、クランプ回路４２は、定電圧レギュレータ２１が目標とする定電圧Ｖｒｅｇよりも若干高い電圧で、電源ライン２４の電圧をクランプすることが好ましい。

図３には、クランプ回路４２の一例として、電流経路２５（電源ライン２４でもよい）に接続されるツェナーダイオードが示されている。図３に示すツェナーダイオードは、アノードがグランドに接続され、カソードが位相検出デバイス４０のグランド端子４３に接続されており、定電圧レギュレータ２１が目標とする定電圧Ｖｒｅｇよりも若干高いツェナー電圧を有する。

以上、モータ駆動回路、駆動制御回路及びモータシステムを実施形態により説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、モータの用途は、上述のファンモータに限られない。また、モータの種類や相数は、上述の実施形態に限られない。

例えば、モータ６０は、Ｕ相コイルとＶ相コイルとＷ相コイルとを有する三相のブラシレスモータでもよい。この場合、位相検出デバイス４０は、例えば、モータ６０のロータの周りに等間隔で配置され、モータ６０のロータの位相を検出する３つのホール素子を有する。位相検出デバイス４０は、ロータの駆動用主磁界を３つのホール素子により検出することで、各相のコイルに対するロータの回転位置（回転位相）に対応する三対の位相信号を出力する。駆動波形生成回路２２は、三対の位相信号Ｖｈ＋，Ｖｈ−に基づいて、出力段３０の駆動の制御に使用される三対の駆動波形信号を生成する。ゲートドライバー２３は、三対の駆動波形信号に従って、モータ６０のロータの回転が所望の状態になるように、三相インバータ構成の出力段３０に含まれる６つのトランジスタのゲートを制御する。

また、例えば、位相検出デバイス４０とレベルシフト回路５０とクランプ回路４２とのうち、少なくとも一つは、モータ駆動回路１０に外付けされるのではなく、モータ駆動回路１０に内蔵されてもよい。また、モータ駆動回路１０は、ＩＣ（集積回路）として構成される場合に限られず、ディスクリート回路として構成されてもよい。

また、駆動制御回路２０と出力段３０が、一つのモータ駆動回路１０に備えられる場合に限られず、駆動制御回路２０は、単独のＩＣ（集積回路）として構成されてもよい。

また、電源ライン２４に接続される所定の回路ブロックに含まれる回路は、駆動波形生成回路２２に限られず、他の機能を備えた回路でもよい。

１，１００ モータシステム
１０，１１０ モータ駆動回路
２０，１２０ 駆動制御回路
２１，１２１ 定電圧レギュレータ
２２，１２２ 駆動波形生成回路
２３，１２３ ゲートドライバー
２４ 電源ライン
２５ 電流経路
３０，１３０ 出力段
４０，１４０ 位相検出デバイス
５０ レベルシフト回路
６０，１６０ モータ
７０ ファン

Claims (9)

1. モータを駆動する駆動電流を出力する出力段と、
   前記出力段の駆動を制御する駆動制御回路とを備え、
   前記駆動制御回路は、
   所定の回路ブロックと、
   前記回路ブロックに接続される電源ラインと、
   前記電源ラインの電圧が一定になるように前記電源ラインに電流を出力する定電圧レギュレータと、
   前記モータのロータの位相を検出する位相検出デバイスから流れ出る電流を前記電源ラインに流し込む電流経路とを備える、モータ駆動回路。
2. 前記定電圧レギュレータは、前記位相検出デバイスと共通の電源電圧に基づいて、前記電源ラインに出力する電流を生成する、請求項１に記載のモータ駆動回路。
3. 前記回路ブロックは、前記位相検出デバイスから前記モータのロータの位相に応じて出力される複数の位相信号に基づいて、前記出力段の駆動の制御に使用される駆動波形信号を生成する駆動波形生成回路を含む、請求項１又は２に記載のモータ駆動回路。
4. 前記駆動波形生成回路は、レベルシフト回路により電圧レベルが低くシフトされた前記位相信号に基づいて、前記駆動波形信号を生成する、請求項３に記載のモータ駆動回路。
5. 前記電源ラインの電圧上昇は、クランプ回路によりクランプされる、請求項１から４のいずれか一項に記載のモータ駆動回路。
6. 前記クランプ回路は、前記電流経路又は前記電源ラインに接続されるツェナーダイオードである、請求項５に記載のモータ駆動回路。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のモータ駆動回路と、前記モータと、前記モータにより回転するファンとを備える、ファンモータ。
8. モータを駆動する駆動電流を出力する出力段の駆動を制御する駆動制御回路であって、
   所定の回路ブロックと、
   前記回路ブロックに接続される電源ラインと、
   前記電源ラインの電圧が一定になるように前記電源ラインに電流を出力する定電圧レギュレータと、
   前記モータのロータの位相を検出する位相検出デバイスから流れ出る電流を前記電源ラインに流し込む電流経路とを備える、駆動制御回路。
9. モータと、
   前記モータのロータの位相を検出する位相検出デバイスと、
   前記モータを駆動する駆動電流を出力する出力段と、
   前記出力段の駆動を制御する駆動制御回路とを備え、
   前記駆動制御回路は、
   所定の回路ブロックと、
   前記回路ブロックに接続される電源ラインと、
   前記電源ラインの電圧が一定になるように前記電源ラインに電流を出力する定電圧レギュレータと、
   前記位相検出デバイスから流れ出る電流を前記電源ラインに流し込む電流経路とを備える、モータシステム。

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