JP3355792B2 - ブラシレスモータの駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブラシレスモータの駆
動装置に関するものであり、特に台形波の駆動電流の安
定化を図るモータ駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりフロッピーディスクやハードデ
ィスク等のＯＡ機器、および、ビデオテープレコーダ、
ヘッドホンテープレコーダ等の民生機器にブラシレスモ
ータが広く使用されている。これらのブラシレスモータ
には、一般に回転子の位置を検出するホール素子等の位
置検出素子が用いられるが、近年この位置検出素子を必
要としないモータ駆動方式が実用化されている。

【０００３】一方、モータから発生する騒音、および、
振動を抑制することは近年の機器の小型、軽量化が進む
中で益々重要な課題になってきている。近年このような
要求に応えるべく位置検出素子を必要とせず、かつ、モ
ータから発生する騒音や振動を抑制するモータ駆動方式
が提案されている。これらのモータ駆動技術のポイント
は、モータの駆動コイルに発生する逆起電力を波形整形
して複数列のパルス信号を生成し、この複数列のパルス
信号で制御された充放電回路により、コンデンサを定電
流で充放電して台形波状を生成し、この信号を利用して
駆動コイルに台形波の電流を供給することである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の構
成では、コンデンサに一定値の電流を充放電することに
より、台形波の信号を合成するため、充放電するタイミ
ングはモータの回転に同期させる必要があり、充放電の
時間はモータの回転数に反比例する。このため、台形波
の信号の振幅もモータの回転数に反比例する。

【０００５】図６は台形波状の信号を発生するのに必要
な三角波を合成する原理を示す回路構成図である。ま
た、図７は三角波の波形を示した図である。図におい
て、６０は定電流源、６１〜６３は充電電流を発生する
トランジスタ、６５〜６７は放電電流を発生するトラン
ジスタ、６４は充電状態と放電状態を切り換えるための
スイッチ、６８はコンデンサである。

【０００６】そして、スイッチ６４がオンの期間は、コ
ンデンサ６８はトランジスタ６３のコレクタ電流（電流
Ｉ０）で充電される。また、スイッチ６４がオフの期間
は、並列接続したトランジスタ６６，６７のコレクタ電
流がトランジスタ６３の２倍の電流となるために、コン
デンサ６８は電流Ｉ０で放電される。従って、コンデン
サ６８の両端には図７のような三角波が発生する。ここ
では、放電時間は充電時間より長く設定しており、この
場合、放電している期間中で放電量が充電量と等しくな
る時点以降は、コンデンサ６８の両端の電圧がトランジ
スタ６６，６７の飽和電圧でクランプされる。そして、
充電時間の長さをＴ０、充電電流の大きさをＩ０、コン
デンサ６８の容量値をＣとすると、三角波の波高値Ｖ０
は、 Ｖ０＝Ｉ０×Ｔ０／Ｃ となる。ここで充放電のタイミングは通常モータの回転
に同期した信号で制御されるため、充電時間Ｔ０はモー
タの回転数に反比例した値になる。

【０００７】そのため、モータの回転数が高い場合に
は、三角波の波高値Ｖ０が小さな値になり、電子回路の
オフセット等の影響が大きくなって、回路特性の精度や
安定性を悪化させる。また、モータの回転数が低い場合
には、三角波の波高値Ｖ０は大きな値になり、電子回路
のダイナミックレンジが問題になる。従って、従来のモ
ータ駆動装置において広範囲のモータ回転数に対応させ
る場合には、コンデンサ６８の容量値Ｃや充電電流の大
きさをＩ０の値を、モータの回転数に応じて変更する必
要がある。

【０００８】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、モータから発生する騒音や振動を抑制するブラシレ
スモータの駆動装置を提供することを目的とし、コンデ
ンサの容量値や充電電流の大きさを切り換えなくても、
モータ回転数の広い範囲に対して安定動作を可能にする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のブラシレスモータの駆動装置は、複数相のモ
ータ駆動コイルに電流を供給する複数個の駆動トランジ
スタと、前記複数相のモータ駆動コイルで発生する逆起
電力を波形整形する逆起電力検出器と、前記逆起電力検
出器の出力信号に応じて複数の充放電制御信号を生成す
る論理回路と、前記複数の充放電制御信号に応じて充電
電流と放電電流とを交互に切り換えてコンデンサに供給
し、三角波の電圧信号を発生する複数個の充放電回路
と、前記複数個の充放電回路の出力電圧をそれぞれに対
応した電流に変換する電圧電流変換回路と、前記電圧電
流変換回路の各出力電流を加算した電流が供給される抵
抗と、前記抵抗の電圧降下と基準電圧とを誤差比較して
前記充放電回路の充電電流および放電電流の大きさを制
御する誤差増幅器と、前記電圧電流変換回路の各出力電
流を加算して複数の台形波電流に合成する加算器と、前
記複数の台形波電流を 切り換えて前記複数個の駆動トラ
ンジスタのベースに順次供給する電流分配回路とを備え
た構成になっている。

【００１０】

【作用】この構成によって、コンデンサの容量値を切り
換えることなく、モータ回転数の広い範囲でモータを低
騒音で駆動することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例におけるブラシレス
モータの駆動装置について、図面を参照しながら説明す
る。

【００１２】図１は同ブラシレスモータの駆動装置の回
路構成図であり、三相全波電流駆動のモータに適用した
例を示している。図４は充放電回路の充放電電流を制御
する充放電電流制御回路５０の具体的回路構成を示した
図である。

【００１３】図１において、１〜３は駆動コイル、４〜
６は吐き出し側出力トランジスタ、７〜９は吸い込み側
出力トランジスタ、１０は駆動コイルに発生する逆起電
力を検出する逆起電力検出器、１１は逆起電力検出器１
０の出力信号により台形波電流を発生する台形波電流合
成器、１４はモータのトルク指令信号を発生するトルク
指令信号発生回路、１３は電流分配回路、１５は電流検
出用の抵抗、２２は充放電制御回路、２３は充放電回
路、２４は電圧電流変換回路、２５は台形波電流切り換
え回路、５０は充放電回路２３の充放電電流を制御する
充放電電流制御回路である。そして、台形波電流合成器
１１は、充放電制御回路２２、充放電回路２３、電圧電
流変換回路２４および台形波電流切り換え回路２５によ
って構成される。また、電流分配回路１３は、台形波電
流合成器１１から出力される台形波電流の大きさに応じ
て、トルク指令信号発生回路１４の出力信号を分配し、
吐き出し側出力トランジスタ４〜６および吸い込み側出
力トランジスタ７〜９に順次ベース電流として供給す
る。なお、Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は逆起電力検出器１０から
出力される出力信号である。

【００１４】以上に構成されたブラシレスモータの駆動
装置の動作について、図１及び図２を参照しながら説明
する。

【００１５】図２は、同ブラシレスモータの駆動装置が
定常動作している時における各部の信号波形図である。
なお、図２において、Ｕ，Ｖ，Ｗは駆動コイル１，２，
３の逆起電力の電圧波形を中性点Ｎの電位を基準に図示
したものである。

【００１６】まず、各相の逆起電力の電圧波形Ｕ，Ｖ，
Ｗは逆起電力検出器１０に入力され、逆起電力検出器１
０内で波形整形された信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１が出力され
る。この逆起電力検出器１０の出力信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ
１は台形波電流合成器１１に入力される。そして、台形
波電流合成器１１は台形波の電流出力ＩＰＬ１〜ＩＰＬ
３，ＩＰＵ１〜ＩＰＵ３を出力する。この台形波電流出
力ＩＰＬ１〜ＩＰＬ３，ＩＰＵ１〜ＩＰＵ３は電流分配
回路１３に入力される。電流分配回路１３は、トルク指
令信号発生回路１４の出力信号をＩＰＬ１〜ＩＰＬ３，
ＩＰＵ１〜ＩＰＵ３の大きさに応じて分配し、吸い込み
側出力トランジスタ１３〜１５および吐き出し側出力ト
ランジスタ１０〜１２のベースに入力する。これによっ
て、立ち上がり波形と立ち下がり波形が滑らかなスロー
プとなった電流通電波形ＩＵ，ＩＶ，ＩＷが生成され、
これらの電流通電波形ＩＵ，ＩＶ，ＩＷによって駆動コ
イル１〜３を駆動する。

【００１７】以上のように本実施例のモータ駆動装置で
は、各相の逆起電力Ｕ，Ｖ，ＷをＵ１，Ｖ１，Ｗ１に波
形整形し、このＵ１，Ｖ１，Ｗ１の位相によって制御さ
れる出力電流ＩＰＵ１〜３，ＩＰＬ１〜３を発生する。
そして、電流分配回路１３はＩＰＵ１〜３，ＩＰＬ１〜
３に応じてトランジスタ４〜９のベースを駆動し、駆動
コイル１〜３へ駆動電流を順次供給する。したがって本
実施例によって、ホール素子等の位置検出素子を設けず
に、モータの回転位相に同期した電流を供給するモータ
駆動装置を構成することができる。

【００１８】次に台形波電流合成器１１について、図面
を参照しながら説明する。

【００１９】図３は台形波電流合成器の具体的な回路構
成図である。図３に示すように、台形波電流合成器１１
は充放電制御回路２２、充放電回路２３、電圧電流変換
回路２４および台形波電流切り換え回路２５より構成さ
れる。台形波電流合成器１１に入力した逆起電力検出器
１０の整形出力Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は充放電制御回路２２
に入力され、以下のように信号処理される。

【００２０】充放電制御回路２２はエクスクルーシブオ
ア回路（論理回路）によって構成され、充放電制御信号
ＣＨＧ１は逆起電力検出器１０の整形出力Ｕ１とＷ１と
のエクスクルーシブオアで生成され、充放電制御信号Ｃ
ＨＧ２は逆起電力検出器１０の整形出力Ｕ１とＶ１との
エクスクルーシブオアで生成され、充放電制御信号ＣＨ
Ｇ３は逆起電力検出器１０の整形出力Ｖ１とＷ１とのエ
クスクルーシブオアで生成される。これらの充放電制御
信号ＣＨＧ１，ＣＨＧ２，ＣＨＧ３は充放電回路２３に
入力される。 充放電回路２３は、個々の充放電回路２
６，２７，２８からなっており、個々の充放電回路は電
流源３３、充電電流用のカレントミラーを構成するトラ
ンジスタ３４〜３６と、放電電流用のカレントミラーを
構成するトランジスタ３７〜３９と、充放電をスイッチ
ング制御するトランジスタ３２、およびコンデンサＣで
構成される。なお、充放電回路２７，２８についても充
放電回路２６と同様の回路構成を有しており、図３では
省略した。

【００２１】充放電回路２６は以下のように動作する。
充放電制御信号ＣＨＧ１がローの時、トランジスタ３２
がオンして、トランジスタ３７〜３９がオフし、コンデ
ンサＣはトランジスタ３６のコレクタ電流により定電流
Ｉｏで充電される。充放電制御信号ＣＨＧ１がハイの
時、トランジスタ３２がオフして、トランジスタ３７〜
３９が導通し、コンデンサＣはトランジスタ３８，３９
のコレクタ電流により定電流Ｉｏで放電される。コンデ
ンサＣに発生する電圧は図２のＶＳＬ１のような波形に
なる。充放電回路２７，２８もそれぞれＣＨＧ２，ＣＨ
Ｇ３に対して同様に動作し、スロープ電圧ＶＳＬ２，Ｖ
ＳＬ３を発生する。

【００２２】充放電回路２３の出力信号ＶＳＬ１，ＶＳ
Ｌ２，ＶＳＬ３は電圧電流変換回路２４に入力され、電
圧電流変換回路２４は電圧電流変換を行ってスロープ電
流ＩＳＬ１，ＩＳＬ２，ＩＳＬ３を発生する。スロープ
電流ＩＳＬ１，ＩＳＬ２，ＩＳＬ３は台形波電流切り換
え回路（加算器）２５に入力され、次のように処理され
る。スロープ電流ＩＳＬ１とＩＳＬ３との和の電流は、
逆起電力検出器１０の整形出力Ｕ１がハイの時にはＩＰ
Ｕ１として出力し、また整形出力Ｕ１がローの時にはＩ
ＰＬ１として出力する。同様にスロープ電流ＩＳＬ１と
ＩＳＬ２の和の電流は、逆起電力検出器１０の整形出力
Ｖ１がハイの時にはＩＰＵ２として出力し、また整形出
力Ｖ１がローの時にはＩＰＬ２ととして出力する。ま
た、スロープ電流ＩＳＬ２とＩＳＬ３の和の電流は、逆
起電力検出器１０の整形出力Ｗ１がハイの時にはＩＰＵ
３として出力し、整形出力Ｗ１がローの時にはＩＰＬ３
として出力する。

【００２３】以上のようにして逆起電力検出器１０の出
力信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１より出力電流ＩＰＵ１〜３，Ｉ
ＰＬ１〜３を得ることができる。さらに本実施例によれ
ば、出力電流ＩＰＵ１〜３，ＩＰＬ１〜３の立ち上がり
はＶＳＬ１〜ＶＳＬ３により決定されるので、それらが
急峻に立ち上がることはない。また、出力電流ＩＰＵ１
〜３，ＩＰＬ１〜３が立ち下がるタイミングは、充放電
回路２３の充電電流または放電電流のばらつきにより、
逆起電力検出器１０の出力Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１との位相差
を生じる。しかし、これらの回路は通常同一集積回路
（以下ＩＣと略す）内に精度よく作製されるので、充電
電流や放電電流のばらつきは問題とはならない。さら
に、出力電流ＩＰＵ１〜３，ＩＰＬ１〜３の立ち上が
り、立ち下がりの位相は充放電回路２６〜２８のコンデ
ンサＣに影響されないので、通常ＩＣの外付けとなる充
放電回路２６〜２８のコンデンサＣのばらつきは無視で
きる。

【００２４】以上のように本実施例においては、駆動コ
イル１〜３に供給される電流の切り換えはきわめて滑ら
かに行われるので、切り換えに伴うスパイク電圧が低減
され、振動や騒音の少ないブラシレスモータの駆動装置
が得られる。

【００２５】図４は充放電電流制御回路の具体的な回路
構成図である。図において、５１〜５３はそれぞれＶＳ
Ｌ１，ＶＳＬ２，ＶＳＬ３を電圧電流変換した結果の電
流ＩＳＬ１，ＩＳＬ２，ＩＳＬ３を表す電流源、５４は
抵抗、５５は誤差増幅器、５６は基準電圧源、５７はト
ランジスタ、５８は抵抗である。図５はＩＳＬ１，ＩＳ
Ｌ２，ＩＳＬ３及び、これらの和の電流波形を示した図
である。ＶＳＬ１，ＶＳＬ２，ＶＳＬ３のローレベルは
図３におけるトランジスタ３８，３９の並列状態での飽
和電圧であり、十分小さな値であると考えられる。従っ
て、ＶＳＬ１，ＶＳＬ２，ＶＳＬ３の和は実質ローでな
い２つの電圧の和になり、また、ローでない２つの電圧
の波形がコンデンサを定電流で充放電することにより形
成されるものであり、傾きの絶対値が等しく符号が異な
る直線の波形になるため、ＶＳＬ１，ＶＳＬ２，ＶＳＬ
３の和の波形は一定値となる。したがって、スロープ電
流ＩＳＬ１，ＩＳＬ２，ＩＳＬ３の和の電流波形も図５
に示したような一定値になる。また、その値はＶＳＬ
１，ＶＳＬ２，ＶＳＬ３の振幅に等しくなり、その値を
Ｖsumとすると、充電期間の長さをＴ0、充電電流の値を
Ｉ0、コンデンサの容量値をＣとすると、 Ｖsum＝Ｉ0×Ｔ0／Ｃ となる。電圧・電流変換の変換係数をｇmとすると、図
４の抵抗５４に流れ込む電流の値は Ｖsum×ｇm＝（Ｉ0×Ｔ0／Ｃ）×ｇm となり、抵抗５４の両端に発生する電圧は抵抗５４の抵
抗値をＲ１とすると、 （Ｉ0×Ｔ0／Ｃ）×ｇm×Ｒ１ となる。誤差増幅器５５は、抵抗５４の電圧降下と基準
電圧源５６の電圧値が等しくなるように、トランジスタ
５７の導通状態を制御し、トランジスタ５７のコレクタ
電流（充電電流）の値Ｉ0を制御する。すなわち、基準
電圧源５１の電圧値をＶ１とすると、 （Ｉ0×Ｔ0／Ｃ）×ｇm×Ｒ１＝Ｖ１ となるように充電電流の値Ｉ0を制御することになる。
したがって、ＶＳＬ１，ＶＳＬ２，ＶＳＬ３の振幅は、
モータ回転数の変化により充電期間Ｔ0が変化しても、
常に一定の値に保たれ、その結果、モータへの駆動電流
波形はモータの回転数に依らず安定になり、モータを低
騒音で駆動できる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明のブラシレスモータ
の駆動装置は、コンデンサの容量値を切り換えることな
く、モータ回転数の広い範囲でモータを低騒音で駆動す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるブラシレスモータの
駆動装置の回路構成図

【図２】同ブラシレスモータの駆動装置の各部の信号波
形図

【図３】本発明の一実施例におけるブラシレスモータの
駆動装置を構成する台形波電流合成器の回路構成図

【図４】本発明の一実施例におけるブラシレスモータの
駆動装置を構成する充放電電流制御回路の回路構成図

【図５】三角波の和の波形図

【図６】三角波合成回路の基本的な回路構成図

【図７】三角波合成の原理図

【符号の説明】

１〜３ 駆動コイル ４〜９ 駆動トランジスタ １０ 逆起電力検出器 １１ 台形波電流合成器 １３ 電流分配回路 １４ トルク指令信号発生回路２２ 充放電制御回路（論理回路） ２３ 充放電回路 ２４ 電圧電流変換回路 ５０ 充放電電流制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 5/00 H02P 5/28 - 5/412 H02P 6/00 - 6/24 H02P 7/00 - 7/01 H02P 7/36 - 7/632

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数相のモータ駆動コイルに電流を供給
   する複数個の駆動トランジスタと、前記複数相のモータ
   駆動コイルで発生する逆起電力を波形整形する逆起電力
   検出器と、前記逆起電力検出器の出力信号に応じて複数
   の充放電制御信号を生成する論理回路と、前記複数の充
   放電制御信号に応じて充電電流と放電電流とを交互に切
   り換えてコンデンサに供給し、三角波の電圧信号を発生
   する複数個の充放電回路と、前記複数個の充放電回路の
   出力電圧をそれぞれに対応した電流に変換する電圧電流
   変換回路と、前記電圧電流変換回路の各出力電流を加算
   した電流が供給される抵抗と、前記抵抗の電圧降下と基
   準電圧とを誤差比較して前記充放電回路の充電電流およ
   び放電電流の大きさを制御する誤差増幅器と、前記電圧
   電流変換回路の各出力電流を加算して複数の台形波電流
   に合成する加算器と、前記複数の台形波電流を切り換え
   て前記複数個の駆動トランジスタのベースに順次供給す
   る電流分配回路とを備えたブラシレスモータの駆動装
   置。