JP2023047512A - モータ駆動回路、モータシステム、及び電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転精度を向上させることができるモータ駆動回路を提供する。
【解決手段】モータ駆動回路（１００）は、カウンタ（１１）のカウント値に基づきＰＷＭ信号を生成するように構成されるＰＷＭ信号生成部（１０）と、モータ（２００）のコイルに発生する逆起電圧のゼロクロスを検出するように構成される検出部（２０）と、前記逆起電圧のゼロクロスが到来する到来タイミングを予測するように構成される予測部（３０）と、前記予測部によって予測された前記到来タイミングからさかのぼった第１時点以後で前記カウンタのカウント動作を停止させるように構成される停止部（４０）と、前記検出部によって前記逆起電圧のゼロクロスが検出されたタイミングで前記カウント値をリセットするように構成されるリセット部（５０）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本明細書中に開示されている発明は、モータ駆動回路、モータシステム、及び電気機器に関する。

ホール素子などのセンサを利用せずに三相ブラシレスモータを駆動するセンサレスのモータ駆動回路が種々開発されている（例えば特許文献１参照）。センサレスのモータ駆動回路は、三相ブラシレスモータのコイルに発生する逆起電圧をモニタし、逆起電圧がモータの中点電圧を等しくなる逆起電圧のゼロクロスを検出することでロータの回転位置情報を得る。

特開２００７－２６７５５２号公報

モータ駆動回路の性能の一つに回転精度がある。モータの目標回転数に対してモータの実際の回転数がばらつくと、回転精度が悪化する。従来のモータ駆動回路では、三相ブラシレスモータに供給する駆動電圧の波形によって回転精度が悪化してしまう場合があった。

本明細書中に開示されているモータ駆動回路は、カウンタのカウント値に基づきＰＷＭ信号を生成するように構成されるＰＷＭ信号生成部と、モータのコイルに発生する逆起電圧のゼロクロスを検出するように構成される検出部と、前記逆起電圧のゼロクロスが到来する到来タイミングを予測するように構成される予測部と、前記予測部によって予測された前記到来タイミングからさかのぼった第１時点以後で前記カウンタのカウント動作を停止させるように構成される停止部と、前記検出部によって前記逆起電圧のゼロクロスが検出されたタイミングで前記カウント値をリセットするように構成されるリセット部と、を備える。

本明細書中に開示されているモータシステムは、モータと、前記モータを駆動するように構成される上記構成のモータ駆動回路と、を備える。

本明細書中に開示されている電気機器は、上記構成のモータシステムを備える。

本明細書中に開示されているモータ駆動回路、モータシステム、及び電気機器によれば、モータの回転精度を向上させることができる。

図１は、実施形態に係るモータシステムの概略構成を示す図である。 図２は、検出部の出力信号及びＵ相駆動電圧の波形を示す図である。 図３は、ＰＷＭ信号生成部の一構成例を示す図である。 図４は、ＰＷＭ信号の波形等を示す図である。 図５は、ハードディスク装置の概略構成を示す図である。

図１は、実施形態に係るモータシステムの概略構成を示す図である。実施形態に係るモータシステム３００は、モータ駆動回路１００と、三相ブラシレスモータ２００と、を備える。

モータ駆動回路１００は、三相ブラシレスモータ２００を駆動するように構成される。モータ駆動回路１００は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号生成部１０と、検出部２０と、予測部３０と、停止部４０と、リセット部５０と、ウィンドウ設定部６０と、駆動信号生成部７０と、Ｕ相スイッチング回路８０ｕと、Ｖ相スイッチング回路８０ｖと、Ｗ相スイッチング回路８０ｗと、を備える。

三相ブラシレスモータ２００は、Ｕ相コイルＬｕと、Ｖ相コイルＬｖと、Ｗ相コイルＬ８０ｗと、を備える。モータ駆動回路１００は、Ｕ相コイルＬｕの第１端にＵ相駆動電圧Ｖｕを供給する。モータ駆動回路１００は、Ｖ相コイルＬｖの第１端にＶ相駆動電圧Ｖｖを供給する。モータ駆動回路１００は、Ｗ相コイルＬｗの第１端にＷ相駆動電圧Ｖｗを供給する。Ｕ相コイルＬｕの第２端、Ｖ相コイルＬｖの第２端、及びＷ相コイルＬｗの第２端は共通接続される。Ｕ相コイルＬｕの第２端、Ｖ相コイルＬｖの第２端、及びＷ相コイルＬｗの第２端すなわち三相ブラシレスモータ２００の中点には、中点電圧Ｖｃｏｍが発生する。なお、三相ブラシレスモータ２００の中点に発生する中点電圧Ｖｃｏｍの代わりに、モータ駆動回路１００内部の仮想中点に発生する仮想中点電圧を利用してもよい。モータ駆動回路１００内部の仮想中点は、同一抵抗値の３つの抵抗をスター結線することによって形成される。

ここで、モータ駆動回路１００の各部について説明する。

ＰＷＭ信号生成部１０は、カウンタ１１（図３参照）のカウント値に基づきＰＷＭ信号を生成するように構成される。ＰＷＭ信号のデューティは、Ｕ相駆動電圧Ｖｕ、Ｖ相駆動電圧Ｖｖ、及びＷ相駆動電圧Ｖｗそれぞれが電気角３６０°で１周期の正弦波状電圧になるように三相ブラシレスモータ２００の目標回転数及び目標トルクに応じて設定される。

検出部２０は、三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスを検出するように構成される。より詳細には、検出部２０は、三相ブラシレスモータ２００の機械角３６０°毎に三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスを検出するように構成される。

なお、本実施形態とは異なり、検出部２０が例えば三相ブラシレスモータ２００の電気角３６０°毎に三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスを検出することも可能である。しかしながら、三相ブラシレスモータ２００の機械角３６０°毎に上記逆起電圧のゼロクロスを検出することで、検出部２０の検出結果が三相ブラシレスモータ２００のロータの着磁位置ばらつきの影響を受けることを防止することができる。

検出部２０の出力信号Ｓｂｅｍｆは、三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスを検出したタイミングでＨＩＧＨレベルからＬＯＷレベルに遷移する（図２参照）。また、検出部２０の出力信号Ｓｂｅｍｆは、三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスを検出したタイミングから三相ブラシレスモータ２００のロータが機械角で１８０°回転したと推定されるタイミングで、ＬＯＷレベルからＨＩＧＨレベルに遷移する（図２参照）。

予測部３０は、三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスが到来する到来タイミングを予測するように構成される。

具体的には、予測部３０は、検出部２０の過去の検出結果から上記の到来タイミングを予測するように構成される。例えば、予測部３０は、検出部２０による（ｎ－１）回目の検出タイミングと検出部２０によるｎ回目の検出タイミングとの間隔を計測し、ｎ回目の検出タイミングから上記間隔が経過するタイミングを上記の到来タイミングとすることができる。また、例えば、予測部３０は、検出部２０による（ｎ－３）回目の検出タイミングと検出部２０による（ｎ－２）回目の検出タイミングとの第１間隔、検出部２０による（ｎ－２）回目の検出タイミングと検出部２０による（ｎ－１）回目の検出タイミングとの第２間隔、検出部２０による（ｎ－１）回目の検出タイミングと検出部２０によるｎ回目の検出タイミングとの第３間隔を計測し、ｎ回目の検出タイミングから上記第１～第３間隔の平均値が経過するタイミングを上記の到来タイミングとすることができる。

停止部４０は、予測部３０によって予測された上記の到来タイミングからさかのぼった第１時点以後でカウンタ１１（図３参照）のカウント動作を停止させるように構成される。

停止部４０は三相ブラシレスモータ２００の回転精度を向上させるために用いられるため、モータ駆動回路１００が三相ブラシレスモータ２００を一定の目標回転数で駆動させるときに、停止部４０は動作する。これにより、モータ駆動回路１００が三相ブラシレスモータ２００を一定の目標回転数で駆動させるときにモータの回転精度を向上させることができる。逆に、モータ駆動回路１００が三相ブラシレスモータ２００の回転を加速又は減速させるときには、停止部４０が動作しないようにすればよい。

リセット部５０は、検出部２０によって三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスが検出されたタイミングでカウンタ１１（図３参照）のカウント値をリセットするように構成される。

リセット部５０は三相ブラシレスモータ２００の回転精度を向上させるために用いられるため、モータ駆動回路１００が三相ブラシレスモータ２００を一定の目標回転数で駆動させるときに、リセット部５０は動作する。これにより、モータ駆動回路１００が三相ブラシレスモータ２００を一定の目標回転数で駆動させるときにモータの回転精度を向上させることができる。

ウィンドウ設定部６０は、三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧をモニタするのにＵ相駆動電圧Ｖｕが邪魔にならないように、Ｕ相駆動電圧Ｖｕを出力するＵ相スイッチング回路８０ｕのスイッチングを停止するウィンドウ（図２参照）を設定する。つまり、ウィンドウの期間においてＵ相は駆動しない。

駆動信号生成部７０は、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍ及びウィンドウに基づきＵ相駆動信号を生成し、Ｕ相駆動信号をＵ相スイッチング回路８０ｕに出力する。Ｕ相スイッチング回路８０ｕは、Ｕ相駆動信号に応じて、ＰＷＭ信号ＳｐｗｍがＨＩＧＨレベルのときにハイサイドスイッチをオンにしローサイドスイッチをオフにする。また、Ｕ相スイッチング回路８０ｕは、Ｕ相駆動信号に応じて、ＰＷＭ信号ＳｐｗｍがＬＯＷレベルのときにＵ相スイッチング回路８０ｕのハイサイドスイッチをオフにしローサイドスイッチをオンにする。ただし、ウィンドウの期間では、駆動信号生成部７０は、Ｕ相駆動信号に応じて、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍのレベルにかかわらず、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチをともにオフにする。

駆動信号生成部７０は、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍに基づきＶ相駆動信号を生成し、Ｖ相駆動信号をＶ相スイッチング回路８０ｖに出力する。Ｖ相スイッチング回路８０ｖから出力されるＶ相駆動電圧Ｖｖは、Ｕ相駆動電圧Ｖｕから電気角で１２０°ずれており、且つ、Ｕ相駆動電圧Ｖｕに存在するウィンドウがない電圧である。

駆動信号生成部７０は、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍに基づきＷ相駆動信号を生成し、Ｗ相駆動信号をＷ相スイッチング回路８０ｖに出力する。Ｗ相スイッチング回路８０ｗから出力されるＷ相駆動電圧Ｖｗは、Ｕ相駆動電圧Ｖｕから電気角で２４０°ずれており、且つ、Ｕ相駆動電圧Ｖｕに存在するウィンドウがない電圧である。

図３は、ＰＷＭ信号生成部１０の一構成例を示す図である。図３に示す構成例では、ＰＷＭ信号生成部１０は、カウンタ１１と、基準値生成部１２と、比較部１３と、を備える。

カウンタ１１は、カウントダウン動作において、クロック周期毎にカウント値ＣＮＴを１つずつ減少させる。カウンタ１１は、カウント値ＣＮＴが０に達すると、又は、リセット部５０によってリセットされると、次のクロック周期において、カウント値ＣＮＴを初期値に戻す。

基準値生成部１２は、基準値ＲＥＦを生成する。基準値ＲＥＦは、Ｕ相駆動電圧Ｖｕ、Ｖ相駆動電圧Ｖｖ、及びＷ相駆動電圧Ｖｗそれぞれが電気角３６０°で１周期の正弦波状電圧になるように三相ブラシレスモータ２００の目標回転数及び目標トルクに応じて設定される。

比較部１３は、カウント値ＣＮＴと基準値ＲＥＦとを比較する。カウント値ＣＮＴが基準値ＲＥＦを超えているとき、比較部１３は、ＰＷＭ信号ＳｐｗｍをＬＯＷレベルにする。一方、カウント値ＣＮＴが基準値ＲＥＦを超えていないとき、比較部１３は、ＰＷＭ信号ＳｐｗｍをＨＩＧＨレベルにする。

図４は、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍの波形等を示す図である。より詳細には、図４は、モータ駆動回路１００が三相ブラシレスモータ２００を一定の目標回転数で駆動させているときのＰＷＭ信号Ｓｐｗｍの波形等を示す図であって、且つ、予測部３０によって予測される三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスが到来する到来タイミングの前後でのＰＷＭ信号Ｓｐｗｍの波形等を示す図である。

なお、図４において、カウント値ＣＮＴは、便宜上アナログ値のように図示しているが、実際にはデジタル値である。

予測部３０は、三相ブラシレスモータ２００のロータ１回転毎に、三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスが到来する到来タイミングＴＭ１を予測する。

停止部４０は、到来タイミングＴＭ１から所定時間Ａ１[μsec]さかのぼった第１時点ｔ１において、タイミングパルス信号Detect RangeをＨＩＧＨレベルにする。タイミングパルス信号Detect Rangeは停止部４０において用いられる信号である。タイミングパルス信号Detect RangeがＨＩＧＨレベルであるときは、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍも強制的にＨＩＧＨレベルとなる。

停止部４０は、タイミングパルス信号Detect RangeがＨＩＧＨレベルであって、カウント値ＣＮＴが所定値（０＜所定値＜初期値）に達する時点ｔ２で、カウンタ１１のカウント動作を停止させる。

そして、リセット部５０は、検出部２０によって三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスが検出されたタイミングＴＭ２でカウンタ１１のカウント値をリセットする。

リセット部５０でのカウント値のリセットにより、検出部２０によって三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスが検出されたタイミングＴＭ２から開始される三相ブラシレスモータ２００のロータの各回転駆動は、同じ各相駆動電圧の波形を用いて開始することができる。

さらに、カウント値ＣＮＴが所定値に達する時点ｔ２から検出部２０によって三相ブラシレスモータ２００のＵ相コイルＬｕに発生する逆起電圧のゼロクロスが検出されるタイミングＴＭ２までの間、ＰＷＭ信号ＳｐｗｍをＨＩＧＨレベルに固定することができる。上述したリセット部５０でのカウント値のリセット及び上述したＰＷＭ信号ＳｐｗｍのＨＩＧＨレベル固定により、三相ブラシレスモータ２００のロータの各回転駆動間での各相駆動電圧の波形の再現性を高めることができる。

これにより、三相ブラシレスモータ２００の回転精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、カウント値ＣＮＴが所定値（０＜所定値＜初期値）に達する時点ｔ２でカウンタ１１のカウント動作を停止させているので、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍの意図しないレベル遷移を防止することができる。これにより、三相ブラシレスモータ２００の回転精度を確実に向上させることができる。

なお、所定時間Ａ１[μsec]は、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍの周期より長くすることが望ましい。これにより、検出部２０によって逆起電圧のゼロクロスが検出されるタイミングの直前において、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍを比較的長い期間ＨＩＧＨレベルに固定することができる。これにより、三相ブラシレスモータ２００の回転精度をより一層向上させることができる。

実施形態に係るモータシステム３００（以下、「モータシステム３００」と略す）は、例えば図５に示すハードディスク装置４００に搭載される。 図５に示すハードディスク装置４００は、モータシステム３００と、ボイスコイルモータ３１０と、磁気ディスク３２０と、スイングアーム３３０と、磁気ヘッド３４０と、筐体３５０と、を備える。モータシステム３００、ボイスコイルモータ３１０、磁気ディスク３２０、スイングアーム３３０、及び磁気ヘッド３４０は、筐体３５０の内部に収容される。モータシステム３００は、スピンドルモータとして利用される。

磁気ディスク３２０は、表面に磁性体を有した硬質のディスクである。磁気ディスク３２０は、複数枚数でも、単数枚数でもよい。モータシステム３００は、磁気ディスク３２０を高速に回転させる。磁気ヘッド３４０は、磁界を発生させることで磁気ディスク３２０に対してデータの読み書きを行う。磁気ヘッド３４０は、スイングアーム３３０の先端に取り付けられる。

スイングアーム３３０は、回転する磁気ディスク３２０に対して軸周りに揺動する。ボイスコイルモータ３１０は、スイングアーム３３０を駆動するアクチュエータである。ボイルコイルモータ３１０は、電流が流されるコイルとマグネットとの磁界作用により駆動される。なお、当然の事ながら、モータシステム３００は、ハードディスク装置４００以外の電気機器、例えばファン、プリンタ等に搭載されてもよい。

本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

例えば、上述した実施形態では、Ｕ相のみで逆起電圧のゼロクロスが検出されたが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれにおいて逆起電圧のゼロクロスが検出されてもよい。

また例えば、上述した実施形態では、カウンタがカウントダウン動作を行ったが、カウンタがカウントアップ動作を行うようにしてもよく、カウンタがカウントダウン動作及びカウントアップ動作の双方を順に行うようにしてもよい。

また例えば、上述した実施形態では、いわゆる１８０°通電であったためウィンドウが設定されたが、例えばいわゆる１２０°通電である場合にはウィンドウが設定されなくてもよい。

以上説明したモータ駆動回路（１００）は、カウンタ（１１）のカウント値に基づきＰＷＭ信号を生成するように構成されるＰＷＭ信号生成部（１０）と、モータ（２００）のコイルに発生する逆起電圧のゼロクロスを検出するように構成される検出部（２０）と、前記逆起電圧のゼロクロスが到来する到来タイミングを予測するように構成される予測部（３０）と、前記予測部によって予測された前記到来タイミングからさかのぼった第１時点以後で前記カウンタのカウント動作を停止させるように構成される停止部（４０）と、前記検出部によって前記逆起電圧のゼロクロスが検出されたタイミングで前記カウント値をリセットするように構成されるリセット部（５０）と、を備える構成（第１の構成）である。

上記第１の構成であるモータ駆動回路は、モータの回転精度を向上させることができる。

上記第１の構成であるモータ駆動回路において、前記停止部は、前記カウント値が所定値に達した第２時点で前記カウント動作を停止させるように構成される構成（第２の構成）であってもよい。

上記第２の構成であるモータ駆動回路は、ＰＷＭ信号の意図しないレベル遷移を防止することができる。これにより、モータの回転精度を確実に向上させることができる。

上記第１又は第２の構成であるモータ駆動回路において、前記予測部は、前記検出部の過去の検出結果から前記到来タイミングを予測するように構成される構成（第３の構成）であってもよい。

上記第３の構成であるモータ駆動回路では、予測部が到来タイミングを簡単に予測することができる。

上記第１～第３いずれかの構成であるモータ駆動回路において、前記検出部は、前記モータの機械角３６０°毎に前記逆起電圧のゼロクロスを検出するように構成される構成（第４の構成）であってもよい。

上記第４の構成であるモータ駆動回路では、検出部の検出結果がモータのロータの着磁位置ばらつきの影響を受けることを防止することができる。これにより、モータの回転精度をより一層向上させることができる。

上記第１～第４いずれかの構成であるモータ駆動回路において、前記モータを一定の目標回転数で駆動させるときに前記停止部及び前記リセット部が動作する構成（第５の構成）であってもよい。

上記第５の構成であるモータ駆動回路では、モータを一定の目標回転数で駆動させるときにモータの回転精度を向上させることができる。

上記第１～第５いずれかの構成であるモータ駆動回路において、前記到来タイミングから前記第１時点までさかのぼる時間の長さは前記ＰＷＭ信号の周期より長い構成（第６の構成）であってもよい。

上記第６の構成であるモータ駆動回路では、検出部によって逆起電圧のゼロクロスが検出されるタイミングの直前において、ＰＷＭ信号のレベルを比較的長い期間固定することができる。これにより、モータの回転精度をより一層向上させることができる。

以上説明したモータシステム（３００）は、前記モータ（２００）と、前記モータを駆動するように構成される上記第１～第６いずれかの構成であるモータ駆動回路と、を備える構成（第７の構成）である。

上記第７の構成であるモータシステムは、モータの回転精度を向上させることができる。

以上説明した電気機器（４００）は、上記第７の構成であるモータシステムを備える構成（第８の構成）である。

上記第８の構成である電気機器は、モータの回転精度を向上させることができる。

１０ ＰＷＭ信号生成部
２０ 検出部
３０ 予測部
４０ 停止部
５０ リセット部
６０ ウィンドウ設定部
７０ 駆動信号生成部
８０ｕ Ｕ相スイッチング回路
８０ｖ Ｖ相スイッチング回路
８０ｗ Ｗ相スイッチング回路
１００ モータ駆動回路
２００ 三相ブラシレスモータ
３００ 実施形態に係るモータシステム
３１０ ボイスコイルモータ
３２０ 磁気ディスク
３３０ スイングアーム
３４０ 磁気ヘッド
３５０ 筐体
４００ ハードディスク装置
Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗ Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル

Claims (8)

1. カウンタのカウント値に基づきＰＷＭ信号を生成するように構成されるＰＷＭ信号生成部と、
   モータのコイルに発生する逆起電圧のゼロクロスを検出するように構成される検出部と、
   前記逆起電圧のゼロクロスが到来する到来タイミングを予測するように構成される予測部と、
   前記予測部によって予測された前記到来タイミングからさかのぼった第１時点以後で前記カウンタのカウント動作を停止させるように構成される停止部と、
   前記検出部によって前記逆起電圧のゼロクロスが検出されたタイミングで前記カウント値をリセットするように構成されるリセット部と、
   を備える、モータ駆動回路。
2. 前記停止部は、前記カウント値が所定値に達した第２時点で前記カウント動作を停止させるように構成される、請求項１に記載のモータ駆動回路。
3. 前記予測部は、前記検出部の過去の検出結果から前記到来タイミングを予測するように構成される、請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動回路。
4. 前記検出部は、前記モータの機械角３６０°毎に前記逆起電圧のゼロクロスを検出するように構成される、請求項１～３のいずれか一項に記載のモータ駆動回路。
5. 前記モータを一定の目標回転数で駆動させるときに前記停止部及び前記リセット部が動作する、請求項１～４のいずれか一項に記載のモータ駆動回路。
6. 前記到来タイミングから前記第１時点までさかのぼる時間の長さは前記ＰＷＭ信号の周期より長い、請求項１～５のいずれか一項に記載のモータ駆動回路。
7. 前記モータと、
   前記モータを駆動するように構成される請求項１～６のいずれか一項に記載のモータ駆動回路と、を備える、モータシステム。
8. 請求項７に記載のモータシステムを備える、電気機器。

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