JP3602183B2 - ステータ巻線内の高電流スパイクを回避する回路及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ブラシレスＤＣモータへのパワー即ち電力を制御する電子回路に関するものであって、更に詳細には、ステータコイルがスイッチ動作される場合にブラシレスＤＣモータのステータ巻線における電流スパイクを最小とさせる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は多相ＤＣモータに関するものであるが、本発明は、一般的には、三相ＤＣモータに関するものであって、特に、例えばハードディスクドライブ、ＣＤＲＯＭドライブ、フロッピィディスク等を包含するコンピュータ関連装置において見られるようなデータ媒体を回転するために使用されるブラシレスセンサレスタイプのモータに関するものである。コンピュータにおいては、信頼性、軽量性及び正確性のために、三相ブラシレスセンサレスＤＣモータがますますポピュラーなものとなっている。
【０００３】
このタイプのモータは、実際には、多数のステータコイルが複数個のモータポール（極）と共に使用されるものであるが、通常は、「Ｙ」形態に接続した３つのコイルを有するステータを有するものと考えることが可能である。通常、このような適用場面においては、８ポール（極）モータが使用され、それは１２個のステータ巻線とロータ上に４個のＮ−Ｓ磁極組を有しており、従ってロータの回転当たり４つの電気サイクルを有するものである。動作について説明すると、「Ｙ」形態に接続したコイルのうち２つのコイルを介しての電流経路が確立されると共に３番目のコイルはフローティング状態とされるようなシーケンスでコイルの付勢が行なわれる。これらのシーケンスは、電流経路が変更され即ちコミュテーションが行なわれると、電流経路を構成するコイルのうちの１つがフローティング状態へスイッチされ、且つ前にフローティング状態にあったコイルが電流経路内にスイッチ動作されて組込まれるようにこれらのシーケンスが配列されている。更に、このシーケンスは、フローティングコイルが電流経路内にスイッチ動作されて組込まれる場合に、前の電流経路に含まれていたコイルと同じ方向に電流が流れるように画定される。従って、三相モータにおける各電気サイクルに対して６個のコミュテーションシーケンスが画定される。多相ＤＣモータを動作させる方法及び装置は米国特許第５，２２１，８８１号により詳細に説明されている。
【０００４】
モータの位相コミュテーション期間中に、電流リップルが問題となっており、それはモータによって発生される不所望の音響的雑音を発生したり又モータに不必要な摩耗を発生させるものである。従って、ＤＣモータの性能の重要な目安は、一定でないトルクに起因する回転加速度であり且つ電流の関数であるリップルである。リップルとステータ巻線を介しての電流との間の関係については米国特許第５，１９１，２６９号により詳細に説明されている。
【０００５】
ＤＣモータの性能の別の重要な目安はホストシステム及びホスト電源に関する電流要求である。システムの設計者にとって、ＤＣモータが必要とする平均電流要求が低く且つ動的要求が低いことが望ましい。熟練のシステム設計者は、システムの全電力条件を低下させるか、又は効率的な（平均的電流要求が低い）ＤＣモータでシステム性能を向上させることが可能である。逆に、効率の悪いＤＣモータはシステム設計者に対して電源寸法を増大させることを必要とするか又はその他のシステム性能の特徴を諦めることを必要とさせる場合がある。
【０００６】
同様に、電源に関するＤＣモータの動的負荷がシステム設計者によって考慮にいれることが必要とされる場合がある。過剰な動的負荷は電源をして「クローバー」させる場合があり、尚クローバーとは電源がシステム内に短絡回路があるものと考える場合に電源が自分自身を保護する機能である。更に、動的負荷が大きい場合にはシステムへノイズが付加される。動的負荷が大きければ大きい程、システム設計者が動的負荷に関連する一時的な電圧スパイクからシステムを保護することはより一層困難となる。従って、システム設計者にとって動的電流条件の低いＤＣモータとすることが得策である。
【０００７】
ステータ巻線内の電流の流れは、通常は、図１における回路によって制御される。それはブラシレスＤＣモータに対する電流ドライバの出力段を示している。この形態において遭遇する問題は、スイッチ３０を「０」位置へ移動させることによって出力段がターンオフされる場合に、フィードバックループ６０が開放状態となり、エラー増幅器１０の内在的なオフセット電圧に起因して、入力Ｖｉｎが０Ｖとされたとしても、補償コンデンサ２０はエラー増幅器１０の出力レベルへ充電される。従って、出力段はスイッチ３０によって「１」位置へ戻されると、出力段における電流は、本ループが線形動作モードに入るまで、ステータコイル４５及び検知抵抗５５によって制限されるに過ぎない。補償コンデンサ２０の値に依存して、該コンデンサを放電させるのに必要な時間はかなりのものとなる場合があり、従って出力電流スパイクの期間もかなりのものとなる場合がある。このことは、本システムの電源に関して過剰な電流要求を形成することとなる。システムの電源に関する不所望な負荷に加えて、電流スパイクはコンポーネントをして付加的なパワーを散逸させることによりコンポーネントに対する電気的ストレスを増加させる。これらの装置は多くの場合にラップトップ又はノートブック型のコンピュータにおいて使用され、その場合には冷却のための空気の通気が制限されているので、電力散逸が増加すると動作温度を増加させる場合がある。当該技術分野において周知の如く、半導体装置の信頼性は動作温度に逆比例しており、そのことは、ステータ巻線用の電流ドライバの電力段における電力散逸が増加することは信頼性を減少させる場合があることを意味している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した如き従来技術の欠点を解消し、ブラシレスＤＣモータのステータ巻線への電流の供給をイネーブル即ち動作可能状態とさせる場合に高電流スパイクを減少させる技術を提供することである。本発明の更に別の目的とするところは、ブラシレスＤＣモータにおけるステータ巻線への電流をイネーブル即ち動作可能状態とさせることによって発生するシステムの電源への動的負荷を減少させる技術を提供することである。本発明の更に別の目的とするところは、ステータ巻線における電流スパイクを減少させることによってブラシレスＤＣモータ用の電流ドライバの出力段に対する電気的ストレスを減少させる技術を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ブラシレスＤＣモータにおけるステータコイルにおいての電流スパイクを減少させる回路を提供している。本回路は、入力電圧とフィードバック電圧とを比較する手段と、該比較する手段の出力を積分する手段と、該積分する手段を選択的に放電させる手段と、前記比較する手段の積分した出力に応答してステータを駆動するステータ駆動回路と、ステータコイル回路を選択的にイネーブル及びディスエーブルさせる手段とを有している。
【００１０】
【実施例】
図２は本発明の一実施例に基づいて構成されたブラシレスＤＣモータ用の電流ドライバの出力段を示している。電圧比較器１１０が入力電圧Ｖｉｎを受取り、且つ入力電圧Ｖｉｎを、コイル１４５を介しての電流の流れに関連しており且つ比例するフィードバックループ１６０における検知電圧と比較する。比較器１１０の出力は、抵抗１１５とコンデンサ１２０とから構成される積分器を有する補償回路・放電スイッチ１７０へ供給される。抵抗１１５とコンデンサ１２０との直列接続の一端は接地されている。比較器１１０からの出力電圧は電流へ変換され、それはコンデンサ１２０の上側に電荷として格納される。この比較器の出力における変化が検知されると、コンデンサ１２０は充電されるか又は放電されて補償された電圧が増幅器１２５へ印加される。増幅器１２５の出力は、スイッチ１３０が「オン」位置即ち「１」位置にある場合に、増幅器１４０へ印加され、増幅器１４０は電界効果トランジスタ１５０を駆動し、従ってインダクタ１４５及び抵抗１５５を介して電流が接地へ流れることを許容する。コミュテーション即ち「パワーディスエーブル」が発生し、且つインダクタ１４５を介して電流の流れを取除くことが望まれる場合には、スイッチ１３０が「０」位置とされ且つスイッチ１３５が同時的に「０」の位置とされる。これによって、コンデンサ１２０はスイッチ１３５及び増幅器１４０を介して接地へ放電され、トランジスタ１５０へ０Ｖ出力を供給し、トランジスタ１５０はオフ状態となる。
【００１１】
図３は図２と類似しているが、スイッチ１３０が削除されている。この場合に、スイッチ１３５が再度「０」位置とされると、抵抗１１５とコンデンサ１２０の直列接続を有する補償回路が放電される。補償回路の放電と同時的に、増幅器１２５が０状態に保持され、且つ増幅器１４０の出力も０状態に保持されて、ＦＥＴ１５０をオフ状態に維持する。
【００１２】
図４は補償回路１７０の別の実施例を示しており、この場合には、コンデンサ１２０を横断して接地への直接的な短絡回路を与えることによってコンデンサ１２０をより迅速に放電させるためにスイッチ１３５が設けられており、従ってコンデンサ１２０をより迅速に放電させることを可能とさせている。図６は図４と同じであるが、スイッチと直列して更にダイオードが設けられている。この実施例においては、ダイオードはコンデンサが完全に放電されることを防止する。この場合にコンデンサに付加される電圧は、ドライバ回路がイネーブル即ち動作可能状態とされる場合に、コンデンサをチャージアップするための必要な電流をより少ないものとさせる利点を与えている。注意すべきことであるが、このダイオードは本発明の実施例のいずれのものに対しても付加させることが可能である。更に注意すべきことであるが、当業者は与えられた適用場面において所望される残留電圧を選択するために、例えばツェナーダイオード及びプログラマブル電圧基準等のその他の装置又は電圧基準を使用することも可能である。
【００１３】
図５は図２の実施例において使用することを意図した補償回路の更に別の実施例を示しており、この場合には、スイッチ１３５がオン位置にあり、抵抗１１５の上端を増幅器１２５の入力及び増幅器１１０の出力へ接続させている。放電モードにある場合に、スイッチ１３５は抵抗１１５とコンデンサ１２０とを包含する補償回路を放電させる。スイッチ１３５は、例えばバイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、又はその他の電子装置の組合わせ等のトランジスタを使用することによって実現させることが可能である。
【００１４】
図７は本発明の実施例を使用することの可能なブラシレス多相ＤＣモータシステムのブロック図を示している。このブロック図において、電源３００はシステム電源であり、それはモータシステム２００を動作させるのに必要な電圧及び電流を供給する。該モータシステムは、ロータ２６０とホール効果検知器２７０と、コミュテータ２８０と、ステータ巻線ドライバ回路２９０と、ステータ巻線２３０，２４０，２５０を具備するステータ２２０とを有している。通常、電源３００によってパワー即ち電力が供給され且つロータ２６０の位置を表わすホール効果検知器２７０に応答するコミュテータ２８０に応答してステータ巻線ドライバ回路２９０によってパワーが制御される。米国特許第５，１９１，２６９号は、ブラシレス多相ＤＣモータシステムを詳細に説明している。
【００１５】
注意すべきことであるが、本発明回路は単一の集積回路として実現することが可能である。従って、本発明はコストの点で著しく有利であり且つ信頼性も従来技術と比較して著しく向上されている。
【００１６】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術におけるブラシレスＤＣモータ用の電流ドライバの出力段を示した概略図。
【図２】本発明の一実施例に基づいて構成したブラシレスＤＣモータ用の電流ドライバの出力段を示した概略図。
【図３】本発明の第二実施例に基づいて構成したブラシレスＤＣモータ用の電流ドライバの出力段を示した概略図。
【図４】本発明の第三実施例を示した概略図。
【図５】本発明の第四実施例を示した概略図。
【図６】本発明の第五実施例を示した概略図。
【図７】本発明の実施例を使用することの可能なブラシレス多相ＤＣモータシステムを示したブロック図。
【符号の説明】
１１０ 電圧比較器
１１５ 抵抗
１２０ コンデンサ
１２５，１４０ 増幅器
１３０ スイッチ
１４５ コイル（インダクタ）
１６０ フィードバックループ
１７０ 補償回路・放電スイッチ

Claims (2)

1. ブラシレスＤＣモータにおけるステータコイルを介しての電流を駆動する電流駆動回路において、
   出力端を具備しており且つ入力電圧をフィードバック電圧と比較する比較器手段、
   前記比較器手段の出力端に接続されており前記比較器手段の出力を積分する積分手段、
   前記比較器手段の積分した出力に応答して前記ステータコイルを駆動するステータコイル駆動回路、
   前記比較器手段の出力端と前記ステータコイル駆動回路との間に接続されており前記ステータコイル駆動回路を選択的にイネーブル及びディスエーブルさせるスイッチング手段、
   前記スイッチング手段が前記ステータコイル駆動回路をディスエーブルさせる場合に前記積分手段を放電させる放電手段、
   を有していることを特徴とする電流駆動回路。
2. ステータコイルがスイッチされる場合のブラシレスＤＣモータのステータコイル内の電流スパイクを最小とさせる方法において、
   入力電圧とフィードバック電圧とを比較し、
   前記比較による出力を積分回路で積分し、
   前記積分した出力に応答してステータコイルを駆動し、
   ステータコイル駆動回路をイネーブル及びディスエーブルさせ、
   前記ステータコイル駆動回路がディスエーブルされる場合に前記積分回路を放電させる、
   上記各ステップを有することを特徴とする方法。

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