JP2019161907A

JP2019161907A - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2019161907A
Application number: JP2018047068A
Authority: JP
Inventors: 加藤　昌浩; Masahiro Kato; 昌浩加藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Also published as: CN110277947A; US20190288612A1

Abstract

【課題】モータの動作状態に応じて進角制御を適切に行うことが出来るモータ駆動装置を提供することを目的とする。【解決手段】一つの実施形態によれば、モータ駆動装置は、モータ電流を出力する出力トランジスタを有する。前記出力トランジスタに駆動信号を供給する駆動回路を有する。前記出力トランジスタの一方の主電極と制御電極に、その対応する主電極と制御電極が夫々共通に接続され、前記出力トランジスタを流れる電流に比例した電流を出力する検知トランジスタを有する。モータの誘起電圧の位相を示す位相信号を出力する検出手段を有する。前記検知トランジスタが出力する電流の位相と前記検出手段が出力する位相信号の位相に応じて、前記駆動回路が前記駆動信号を供給するタイミングを調整する制御回路を有する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、モータ駆動装置に関する。

モータ駆動装置においては、モータの効率を高める為、誘起電圧とモータ電流の位相を合わせることが重要となる。モータの回転速度の増加に伴い、モータの励磁コイルのインダクタンス成分の影響によりモータ電流の位相が誘起電圧に対して遅れる。この為、モータへの印加電圧の位相を進める制御、すなわち、進角制御の技術が開示されている。

従来、予め設定した範囲でモータへの印加電圧の位相を進める制御を行う試みがされているが、モータの回転速度によって誘起電圧とモータ電流の位相差は変化する。従って、モータの動作状態に応じて進角量が適切に制御できる構成が望まれる。

特開２０１１−１０３７５７号公報特許第４９８３３９３号公報特開２００５―２５３１６３号公報

一つの実施形態は、モータの動作状態に応じて進角制御を適切に行うことが出来るモータ駆動装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、モータ駆動装置は、モータ電流を出力する出力トランジスタを有する。前記出力トランジスタに駆動信号を供給する駆動回路を有する。前記出力トランジスタの一方の主電極と制御電極に、その対応する主電極と制御電極が夫々共通に接続され、前記出力トランジスタを流れる電流に比例した電流を出力する検知トランジスタを有する。モータの誘起電圧の位相を示す位相信号を出力する検出手段を有する。前記検知トランジスタが出力する電流の位相と前記検出手段が出力する位相信号の位相に応じて、前記駆動回路が前記駆動信号を供給するタイミングを調整する制御回路を有する。

図１は、第１の実施形態のモータ駆動装置の構成を示す図である。図２は、第１の実施形態のモータ駆動装置の制御を説明する為の図である。図３は、回転子位置検出器の配置構成の例を示す図である。図４は、第２の実施形態のモータ駆動装置の構成を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかるモータ駆動装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のモータ駆動装置の構成を示す図である。本実施形態はモータ７０の各相の励磁コイル（図示せず）に駆動電流を供給するＮＭＯＳの出力トランジスタ３１〜３６を有する。出力トランジスタ３１のソースは出力端９１に接続され、ドレインは電圧供給端３０に接続される。すなわち、出力トランジスタ３１の主電流路であるソース・ドレイン路が、電圧供給端３０と出力端９１との間に接続される。電圧供給端３０には電圧ＶＭを供給する電圧源６１が接続される。

出力トランジスタ３１のゲートには、ドライブ回路２０から駆動信号Ｕ１が供給される。出力トランジスタ３１は駆動信号Ｕ１に応答してオンとなり、出力端９１に接続されるＵ相の励磁コイル（図示せず）に駆動電流を供給する。

同様に、出力トランジスタ３２、３３のドレインは夫々電圧供給端３０に接続され、ソースは夫々出力端９２、９３に接続される。出力トランジスタ３２、３３のゲートには、ドライブ回路２０から駆動信号Ｖ１、Ｗ１が供給される。

出力トランジスタ３４のドレインは、出力端９１に接続され、ソースは共通接続端３８に接続される。同様に、出力トランジスタ３５、３６のドレインは出力端９２、９３に夫々接続され、ソースは共通接続端３８に接続される。

出力トランジスタ３４のゲートには、ドライブ回路２０から駆動信号Ｕ２が供給される。出力トランジスタ３４は、駆動信号Ｕ２に応答してオンとなり、Ｕ相の励磁コイルからのモータ電流を出力する。

同様に、出力トランジスタ３５のゲートにはドライブ回路２０から駆動信号Ｖ２が供給され、出力トランジスタ３６のゲートには駆動信号Ｗ２が供給される。

駆動信号Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２に応答して各出力トランジスタ３１〜３６は電気角１８０度の期間オンとなり、正弦波の駆動電流をモータ７０に供給する正弦波駆動を行う。

共通接続端３８には、抵抗値Ｒの抵抗３７の一端が接続され、抵抗３７の他端は接地される。

出力トランジスタ３４には、ＮＭＯＳの検知トランジスタ３４１が接続される。検知トランジスタ３４１のドレインは出力トランジスタ３４のドレインに接続され、ソースは検知端４１に接続される。検知端４１には、抵抗値ＲＳの検知抵抗４０の一端が接続される。検知抵抗４０の他端は接地端４２に接続される。検知トランジスタ３４１のゲートには駆動信号Ｕ２が供給される。

出力トランジスタ３４と検知トランジスタ３４１は、同一の半導体基板（図示せず）に集積されて形成される。同一の半導体基板に形成することで、出力トランジスタ３４と検知トランジスタ３４１の特性を合わせることが出来る。例えば、検知トランジスタ３４１の寸法を出力トランジスタ３４に対して寸法比１／Ｎ（Ｎは任意の整数）で縮減する。これにより、出力トランジスタ３４のドレイン電流に比例した電流、すなわち、出力トランジスタ３４のドレイン電流の１／Ｎ倍の電流が検知トランジスタ３４１に流れる構成とすることが出来る。

検知トランジスタ３４１の寸法を出力トランジスタ３４の１／Ｎ倍にし、出力トランジスタ３４と検知トランジスタ３４１の、主電極の一方であるドレインと制御電極であるゲートを夫々共通に接続する。これにより、検知トランジスタ３４１で、出力トランジスタ３４に流れる電流の１／Ｎ倍の電流を検出することが出来る。

出力トランジスタ３４と検知トランジスタ３４１を個別の半導体チップ（図示せず）として構成することも出来る。個別の半導体チップに形成することにより、モータ電流の１／Ｎ倍の電流を検出する専用の半導体チップとして用いることが出来る。

検知トランジスタ３４１のドレイン電流によって検知抵抗４０に生じた電圧降下を比較回路５０で検知する。比較回路５０の非反転入力端（＋）は検知端４１に接続され、反転入力端（−）は、接地端４２に接続される。検知端４１の電位が接地端４２より高い時に、比較回路５０は正の出力信号を出力する。

本実施形態は、モータの回転子位置を検出する回転子位置検出器８０を有する。回転子位置検出器８０は、例えば、ホール素子によって構成される。

モータ７０の回転により、各相の励磁コイルには、回転子のＳ極の磁石とＮ極の磁石（いずれも図示せず）とが交互に接近し、これに伴って励磁コイル中の磁束が変化して各励磁コイルに誘起電圧が発生する。

従って、ホール素子の出力により、モータ７０の回転子のＮ極とＳ極の磁石の位置（回転子位置）の検出と同時に、誘起電圧の位相を検出することが出来る。モータ７０の回転方向に沿って配置されたホール素子の出力を検出することによりモータ７０の回転子位置と誘起電圧の位相の検出を行うことが出来る。

比較回路５０と回転子位置検出器８０の出力信号（位相信号）が位相比較回路５１に供給される。位相比較回路５１は、比較回路５０と回転子位置検出器８０の出力信号の位相を比較し、その比較結果に応じた信号を出力する。

比較回路５０の出力信号は、検知抵抗４０を流れる電流によって変化する。検知抵抗４０を流れる電流は、出力トランジスタ３４のドレイン電流、すなわち、モータ電流に比例する検知トランジスタ３４１のドレイン電流によって変化する。従って、比較回路５０の出力信号の変化により、モータ電流の位相を検知することが出来る。

一方、回転子位置検出器８０は、誘起電圧の位相を示す信号を出力する。従って、比較回路５０と回転子位置検出器８０の出力信号によりモータ電流の位相と誘起電圧の位相を検知することが出来る。

比較回路５０と回転子位置検出器８０の出力信号の変化のタイミングを比較し、両者の変化のタイミングが一致する様に制御することで、モータ電流の位相と誘起電圧の位相を一致させる制御を行うことが出来る。

位相比較回路５１は、比較回路５０と回転子位置検出器８０との出力信号の位相を比較し、その比較結果に応じた信号を進角制御回路１１に供給する。制御回路１０は、端子１３に供給される電源電圧ＶＣＣによって動作する。

進角制御回路１１は、位相比較回路５１の出力信号に応じた制御信号をＰＷＭ制御回路１２に供給する。回転子位置検出器８０の出力信号が示す誘起電圧の位相に対して比較回路５０の出力が示すモータ電流の位相の遅れが検出された場合には、ＰＷＭ制御回路１２がドライブ回路２０に供給するＰＷＭ信号ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＷ１、ＰＷ２を出力するタイミングを早める制御を行う。進角制御回路１１と、ＰＷＭ制御回路１２０で、制御回路１０を構成する。

ドライブ回路２０は、ＰＷＭ信号ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＷ１、ＰＷ２を増幅して駆動信号Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２を出力する。ＰＷＭ信号ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＷ１、ＰＷ２のタイミングを早めることにより、各出力トランジスタ３１〜３６に供給される駆動信号Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２のタイミングが早まる。

駆動信号Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２のタイミングを早めることにより、出力トランジスタ３１〜３６のオン／オフのタイミングが早まる。これにより、モータ７０に印加される印加電圧の位相を早めることが出来る。この一連の制御により、励磁コイルに駆動電流が供給されるタイミングを早めることが出来る為、モータ電流の位相を早めることが出来る。

すなわち、モータ電流の位相が遅れた場合に印加電圧の位相を早め、モータ電流の位相を早める制御を行うことにより誘起電圧とモータ電流の位相を合わせる制御を行うことが出来る。これにより、モータ７０の効率を高めることが出来る。

本実施形態においては、モータ電流を出力する出力トランジスタ３４の電流を検知トランジスタ３４１により常に監視し、モータ電流の状態に応じて進角制御を適切に行うことが出来る。すなわち、モータ７０の回転速度の変化に応じて変化するモータ電流の位相遅れを進角制御に適切に反映させることが出来る。

出力トランジスタ３４を流れるモータ電流の状態は、出力トランジスタ３４に対して所定の寸法比１／Ｎで縮減された小サイズの検知トランジスタ３４１によって検出される。従って、検知トランジスタ３４１を設けることによる消費電力の増加は抑制される。すなわち、消費電力の増加を抑制して出力トランジスタ３４の電流、すなわち、モータ電流の状態を検知する構成とすることが出来る。

また、出力トランジスタ３４と検知トランジスタ３４１を、同一の半導体チップ上に形成する構成とすることで、出力トランジスタ３４と検知トランジスタ３４１の特性を一致させることが出来る為、検知トランジスタ３４１のドレイン電流によってモータ電流を精度良く検出することが出来る。

すなわち、検知トランジスタ３４１の寸法を出力トランジスタ３４に対して所定の寸法比１／Ｎで縮減することで、出力トランジスタ３４のドレイン電流に対して１／Ｎの電流を、検知トランジスタ３４１のドレイン電流により精度良く検出することが出来る。

制御回路１０に印加される電源電圧ＶＣＣは、例えば、１５Ｖ程度であるのに対し、電圧供給端３０の電圧ＶＭは、例えば、２４０Ｖ程度の高電圧である。この為、出力トランジスタ３１〜３６としては高耐圧の素子が望まれる。高耐圧の出力トランジスタ３４と、検知トランジスタ３４１が一体化された構成３４０を個別の半導体チップとすることで、モータ電流を精度良く検出するモータ駆動装置への適用が容易となる。

図２は、第１の実施形態のモータ駆動装置の制御を説明する為の図である。上段は、ホール素子からの出力信号Ｈ０を示す。出力信号Ｈ０の出力レベルは、回転子の永久磁石の極性によって変化し、励磁コイルの誘起電圧も永久磁石の極性によって変化する。従って、出力信号Ｈ０のレベルが変化するタイミングｔ０、ｔ３は、誘起電圧の位相を示す情報として用いることが出来る。

上から２段目に示す検出電流は、検知トランジスタ３４１によって検出される電流を示す。すなわち、出力トランジスタ３４に流れるモータ電流に対して１／Ｎの電流を示す。例えば、モータ電流に位相遅れが生じると、検出電流はその位相遅れに応じてタイミングｔ０で正相となる電流波形Ｉ０から、タイミングｔ１で正相となる電流波形Ｉ１となる。すなわち、モータ電流の位相遅れに対応して位相遅れΔｔを伴う電流波形Ｉ１となる。

上から３段目は、比較回路５０の出力信号を示す。検出電流に応じて比較回路５０の出力信号のレベルが変化する。比較回路５０は、検出電流が正の時にＨレベルの信号を出力し、検出電流が負になるとＬレベルの信号を出力する。従って、生じた位相遅れΔｔに応じて比較回路５０の出力信号がＨレベルになるタイミングがｔ０からｔ１に移動する。位相比較回路５１は、この位相遅れΔｔに応じた信号を進角制御回路１１に出力する。

上から４番目は、ＰＷＭ信号の例を示す。位相遅れΔｔが生じた場合、進角制御回路１１は制御信号をＰＷＭ制御回路１２に供給して、ＰＷＭ信号ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＷ１、ＰＷ２が出力されるタイミングを早める。すなわち、位相遅れΔｔに応じて、ＰＷＭ信号の出力を、タイミングｔ０からｔ２に早め、実線Ｐ０で示す信号から破線Ｐ１で示す信号に早める制御を行う。

ＰＷＭ信号ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＷ１、ＰＷ２のタイミングを早めることにより、ドライブ回路２０がＰＷＭ信号ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＷ１、ＰＷ２を増幅して駆動信号Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２を出力するタイミングが早まる為、出力トランジスタ３１〜３６のオン／オフのタイミングが早まり、印加電圧の位相を進めることが出来る。

下段は、モータ７０に印加される印加電圧を示す。ＰＷＭ信号ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＷ１、ＰＷ２の出力タイミングを早め、駆動信号Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２を供給するタイミングを早めることにより、印加電圧を実線ＳＶ０で示す波形から破線ＳＶ１で示す波形にシフトさせる。すなわち、印加電圧を印加するタイミングをｔ０からｔ２に早めることにより、モータ電流の位相を進め、誘起電圧とモータ電流の位相を合わせる進角制御を行うことが出来る。

図３は、回転子位置検出器８０として用いるホール素子８１〜８３の配置構成の例を示す図である。出力端９１〜９３に接続される各相の励磁コイル１０１〜１０３に対応して、ホール素子８１〜８３を配置した例を示す。ホール素子８１〜８３をモータ７０の回転方向に沿って配置し、その出力を検出することにより、モータ７０の回転子位置と誘起電圧の位相を検知することが出来る。

実施形態１においては、ホール素子８１〜８３の内、例えば、Ｕ相用のホール素子８１の出力信号を位相比較回路５１に供給する構成とすることが出来る。尚、ホール素子８１〜８３の出力信号を増幅して位相比較回路５１に供給する増幅器（図示せず）を設ける構成とすることが出来る。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態のモータ駆動装置の構成を示す図である。既述の実施形態に対応する構成には同一符号を付し、重複した記載は必要な場合にのみ行う。

本実施形態は、検知端４１に非反転入力端（＋）が接続され、反転入力端（−）がしきい値電圧ＶＴを供給する電源６２に接続される比較回路６０を有する。

比較回路６０は、検知抵抗４０における電圧降下がしきい値電圧ＶＴより高くなった時にＨレベルの出力信号を出力する。例えば、出力トランジスタ３４に流れる過電流に比例した電流が検知トランジスタ３４１に流れた場合にＨレベルの出力信号が出力される。

比較回路６０の出力信号は、ＰＷＭ制御回路１２に供給される。例えば、比較回路６０からのＨレベルの出力信号に応答してＰＷＭ制御回路１２の動作を停止させることが出来る。ＰＷＭ信号ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＷ１、ＰＷ２の供給を停止させることで、駆動信号Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２を停止させ、出力トランジスタ３１〜３６をオフにしてモータ７０への電力の供給を停止させることが出来る。これにより、過電流状態から出力トランジスタ３１〜３６、及びモータ７０を保護することが出来る。

検知トランジスタ３４１の電流を検出することで、モータ電流の異常状態を検知することが出来る。すなわち、検知トランジスタ３４１の電流を監視することにより、モータ電流の状態を常に監視することが出来る為、進角制御に加え、過電流状態からの保護動作も行う事が出来る。

尚、比較回路６０の出力信号をドライブ回路２０に供給して、ドライブ回路２０の動作を停止させる制御を行っても良い。

検知トランジスタ３４１と検知抵抗４０を設ける構成は、出力トランジスタ３４に限らず、出力トランジスタ３５、３６にも設ける構成としても良い。夫々の検知抵抗に生じた電圧降下を比較回路６０の非反転端子（＋）に供給する構成とすることが出来る。各励磁コイル１０１〜１０３に流れるモータ電流の異常を検知し、過電流保護の機能を高めることが出来る。

本実施形態によれば、出力トランジスタ３４のモータ電流に比例する電流を検知トランジスタ３４１により検出することでモータ電流を常時監視することが出来る為、誘起電圧の位相とモータ電流の位相を一致させる進角制御を適切に行うことが出来る。

また、検知トランジスタ３４１の電流を検出することで、モータ電流の過電流状態を検知することが出来る。過電流状態となった場合に、駆動信号Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２の供給を停止することにより、出力トランジスタ３１〜３６、及びモータ７０に対する過電流保護を行うことが出来る。検知トランジスタ３４１の出力電流を過電流検知にも用いることが出来る為、過電流保護の為の消費電力の増加が抑制出来る。

また、出力トランジスタ３４と検知トランジスタ３４１を同一の半導体チップに形成した構成とすることで、モータ電流の状態を精度良く検知することが出来る。モータ電流の状態を精度良く検知することが出来る為、進角制御と過電流保護機能を適切に行うことが出来るモータ駆動装置を提供することが出来る。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０制御回路、１１進角制御回路、１２ＰＷＭ制御回路、２０ドライブ回路、３１〜３６出力トランジスタ、５０比較回路、５１位相比較回路、６０比較回路、３４１検知トランジスタ。

Claims

モータ電流を出力する出力トランジスタと、
前記出力トランジスタに駆動信号を供給する駆動回路と、
前記出力トランジスタの一方の主電極と制御電極に対応する主電極と制御電極が夫々共通に接続され、前記出力トランジスタを流れる電流に比例した電流を出力する検知トランジスタと、
モータの誘起電圧の位相を示す位相信号を出力する検出手段と、
前記検知トランジスタが出力する電流の位相と前記位相信号の位相に応じて、前記駆動回路が前記駆動信号を供給するタイミングを調整する制御回路と、
を具備することを特徴とするモータ駆動装置。
前記出力トランジスタと前記検知トランジスタは同一導電型のＭＯＳトランジスタで構成され、前記検知トランジスタは前記出力トランジスタに対して所定の比率で縮減された寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記検知トランジスタの主電流路に直列に接続された抵抗と、前記検知トランジスタを流れる電流によって前記抵抗に生じた電圧降下に応じた信号を出力する検知回路とを具備し、前記検知回路の出力により前記検知トランジスタが出力する電流の位相を検知することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
前記抵抗に生じた電圧降下を所定の参照電圧と比較し、前記電圧降下が前記所定の参照電圧を超えた場合に前記駆動信号の供給を停止させる信号を出力する比較回路を具備することを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動装置。
前記出力トランジスタと前記検知トランジスタは個別の半導体チップに形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。