JP3729451B2 - モータの駆動回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファン等に使用される単相ブラシレスＤＣモータ（以下モータと称する）の駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレスＤＣモータはファン等の動力源として使用されている。モータコイルへの通電方法としては、小形で比較的出力の小さなファンでは２相ユニポーラ通電方式が主流であるが、近年のファンの高風量化に伴い、モータの通電電流が増加し、単相バイポーラ通電が効率の点で良いため多く採用されている。
【０００３】
また、複写機に使用されるファンは、複写機の動作中は全速で回転し、待機中はファンの騒音低減やモータの温度上昇を低下させてファンの軸受けの長寿命化を計る目的で低速にする場合が多い。また、冷蔵庫に使用されるファンも急速冷却時には全速で回転し、保存状態ではファンを低速に運転して騒音を低減する。モータを低速運転するとファンの羽根による風切り音は小さくなるが、モータの振動や電磁音が強調され不快感が生じる。
【０００４】
モータコイルにバイポーラ通電される電流波形は、図６−１のようにモータの回転による逆起電力の影響で、半周期毎に通電前半部と通電末期の２ヶ所（ｅとｆ部）に大きな突部が生じて歪み、騒音や振動の原因となる。
改善策として、電流帰還ループによる定電流方式があるが、電流の立ち上がり、立ち下がり部分はシャープになり、電流波形は矩形波状になる。矩形状の電流がコイルに通電されると、その高調波分から電磁音や振動が生じる。
【０００５】
そこで、本発明者等は特開平１１−１７８３８４において、モータコイルの逆起電力に影響されず、一定な電流値となる回路構成を提案した。
図７は特開平１１−１７８３８４の電流帰還ループを設けた定電流方式の実施例を示すもので、この種のモータは電気角１８０度位相差の二相モータコイル１に交互に通電することで、図示省略の永久磁石を含むロータと羽根が回転するものである。
磁極センサ３の出力信号で分配回路を含むモータ駆動用ＩＣ４から正逆相の通電信号を出力し、トランジスタ１０を経由して、モータコイルに通電する２個のＮＰＮトランジスタを駆動している。また、二相のモータコイルに流れる電流を電流検出抵抗９で電圧に変換して、比較回路２で回転数指令電圧１１と比較して差分電圧を出力し、抵抗８で電流値に変換して２個のトランジスタ１０のエミッタに供給し、この電流がＮＰＮトランジスタ５のベース電流になる。回転中モータコイルに発生する誘起電圧の影響でモータコイルの電流が低下すると、電流検出抵抗９の電圧が低下し、比較回路２の差分電圧が増加してモータコイル電流を増加させることで電流帰還ループが構成され定電流制御となっている。１７は時定数用コンデンサでベース抵抗６とバイアス抵抗１３に接続されている。１８はＮＰＮトランジスタ５のベースとコレクタ間に接続されている。
【０００６】
モータ駆動用ＩＣ４から出力される正逆相の通電信号を、通電信号立ち上がり時にはベース抵抗６と時定数用コンデンサ１７の時定数で遅れさせ、通電信号の立ち下がり時にはバイアス抵抗１３と時定数用コンデンサ１７の時定数で遅れさせる。また、モータコイルに通電されている電流が急激に減少するとモータコイル１とＮＰＮトランジスタ５のコレクタ接続点電圧は急激に上昇する。
この電圧が上昇している間、コンデンサ１８を等してＮＰＮトランジスタをＯＮさせて、通電を継続させる。
【０００７】
図８の８−１、８−２は、一般的な２相モータコイル１の電流波形を示すもので、図９はファンモータ駆動用ＩＣ４の正逆相の通電信号を示すものである。図１０は特開平１１−１７８３８４の動作を説明するもので、１０−１，１０−２は時定数用コンデンサ１７により立ち上がり、立ち下がりの遅れた通電信号を示し、５１はトランジスタ１０の動作レベル電圧を示すもので、立ち上がりの時定数よりも立ち下がりの時定数を若干長くしておくことで、通電切換時に二相モータコイル共に通電して、その二相分の和電流は定電流制御により１０−５のように一定に保たれる。即ち、時定数用コンデンサ１７により通電電流の立ち上がり、立ち下がりが２ステップとなり、これにコンデンサ１８の影響で電流波形を鈍らせ１０−３，１０−４のようにソフトスイッチング化が可能になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の如き従来の構成では、下記のような問題が生じる。
１．通電開始時や通電終了時に生じる急激なモータ電流変化には高調波成分が多くモータコイルが直接振動して騒音の原因になるため、特開平１１−１７８３８４ではモータコイル電流波形の通電開始部と通電末期部に傾斜を設けているが不十分であり、回路構成がやや複雑となり必要電子部品数も多い。
２．一般的にモータの可変速は電源電圧を変化させて実現する場合が多く、回転数指令電圧を供給されない場合が多い。
３．また、定電流制御のためトランジスタ５のコレクタ・エミッタ間の残り電圧が大きくトランジスタ５の発熱が大きい。また、回路構成がやや複雑となっている。
４．一般的にモータを通電したときの電流波形には、モータコイルに生じる逆起電力のために、通電前半部と通電末期部に突部が生じる。この突部電流は図６に示すように脈動トルク（以下トルクリップルと称する）の原因となり、ファンの羽根を含むロータが振動して騒音の原因になっている。図６はバイポーラ通電によるトルクリップルの発生を示すもので、６−１のコイル電流波形と６−２の逆起電力波形により６−３ｋの通電トルクが生じる。また、モータにはコギングトルクｊが存在し、ｉはモータ全体の合成トルクである。この合成トルクに生じるトルクリップル値ｂが生じる。
本発明は上述の従来問題に留意し、通電電流の高調波成分を低下させ、モータに生じるトルクリップルを低減し低振動化を図り、モ−タコイル通電トランジスタに負担のかからないモータ回路を安価に供給することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、モータコイルを巻装した固定子と、固定子と対向して回転自在に支持される多極着磁されたマグネットロータが配置し、マグネットロータの磁極位置を検出する磁極センサと、磁極センサの信号から作られる通電信号を発生させる手段を設け、通電信号によりモータコイルをバイポーラ通電する。また、設定電圧に応じて通電信号のオンデューティを変化させるＰＷＭ回路とを具備する。また、モータコイルに流れる電流波形を検出する手段と電源電圧に応じて変化する比較電圧とを付加し、比較電圧と電流波形を比較し、電流波形が比較電圧を超えた区間で、指令電圧値を自動的に可変して、ＰＷＭ回路のオンデューティを可変して、電流波形の突部電流値を制限し、モータに生じるトルクリップルを低減し、ファンモータとしての低振動・低騒音化を図る。
【００１０】
また、通電開始時はモータコイルインダクタンスのため、電流はモータコイルインダクタンス分と抵抗分で決まる時定数によりある傾きを持って上昇する。通電終了時にはモータコイルに蓄積されたエネルギーが電流として放出されるまで回路で循環し、ある傾きを持って減衰する。この電流の上昇・減衰傾きを利用して電流波形の高調波成分を低減させる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る単相ブラシレスＤＣモータの駆動回路の構成を示すブロック図である。図において、１はモータコイル、３は磁極センサでモータ内に配置されている。４はバイポーラ通電信号を出力するファン用モータ駆動用ＩＣ、２３はＰＷＭ回路、２４はＰＷＭ発生回路、２５はコンパレータ、２６と２７はバイポーラ通電するパワートランジスタ、２８と２９は環流用ダイオードである。
【００１２】
モータコイル１を巻装した固定子と、上記固定子と対向して回転自在に支持される多極着磁されたマグネットロータと、マグネットロータの磁極位置を検出する磁極センサ３を内蔵するモータがあり、磁極センサ３の信号からゼロクロスコンパレータで作られるバイポーラ通電信号を発生させる手段を有するファン用モータ駆動ＩＣ４を設け、ＩＣ４に同期してモータコイル１をバイポーラ通電するバイポーラ通電回路はＨブリッジ構成のパワートランジスタ２６、２７で構成されている。
【００１３】
また、比較電圧となる基準電圧１は電源電圧の分圧で構成され、電源電圧の変動に合わせて変化する。一方、設定電圧となる基準電圧２は定電圧電源の分圧で構成され、電源電圧の変動の影響を受けない。コンパレータ２５は、コイル電流波形の検出抵抗９と基準電圧１を比較し、コイル電流値が基準電圧１を越えた場合に分圧抵抗３１の分圧比を下げ基準電圧２を低下させる。ＰＷＭ発生回路２４は、図５に示すように、決められた周波数パルスのデューティ比を基準電圧２に応じて可変し出力する機能を有するものである。ＰＷＭ回路２３は、ＩＣ４の通電信号とＰＷＭ発生回路２４の信号により、ＰＷＭ通電信号を発生するものである。
【００１４】
図２の２−１は従来のコイル電流波形であり、２−２は検出抵抗９に生じる電源ラインの電圧波形であり、破線は基準電圧１である。２−３はコンパレータ２５の出力波形あり、電源ライン電流が基準電圧１を越えた場合に出力がＬレベルとなる。コンパレータ２５の出力がＨレベルではＰＷＭのオンデューティは１００％であり、Ｌレベルになると、図１の基準電圧値２が低下して設定されたＰＷＭのオンデューティとなる。２−４と２−５はＩＣ４の通電信号出力で上アームのパワートランジスタ２６の通電指令の基本となるもので、Ｌレベルが通電するタイミングとなっている。２−６、２−７は２−３と２−４，２−５から合成されるＰＷＭ回路２３の出力波形で、２−３のＬレベル区間に同期してＰＷＭで通電を制限する区間が生じている。その結果、２−８のようにモータコイル電流の２ヶ所の突部電流ｅとｆはほぼ一定となる。
【００１５】
また、図３は電流３−１によって通電された場合のトルクリップルを示すもので、リップル値ａは従来のもの６−３のｂと比較して大幅に低減されていることが分かる。
【００１６】
また、図４は、電源電圧の変化により、基準電圧１が変化した場合の電流波形を示すもので、４−１は電源電圧が低い場合であり、４−２は電源電圧が高い場合である。電流抑制値がｃからｄに上昇し、モータの回転数も上昇する。このように、トルクリップルを低減しながら、電源電圧に比例して電流も増加させることが可能である。
【００１７】
また、本発明の実施例を単相バイポーラ通電として説明したが、２相ユニポーラ通電に応用が可能であることは言うまでもない。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の効果は下記のように列挙される。
１．騒音の原因となるモータコイル電流の高調波成分については、モータコイル自身のインダクタンス分と抵抗分で決まる時定数と、モータコイル自身に蓄積されるエネルギー放出により生じる電流の上昇・減衰傾きを利用して低減させることが可能である。
２．トルクリップルによる振動が起因する騒音については、モータコイル電流波形の通電前半部と通電末期部に生じる２ヶ所の突部電流値を制限し、モータに生じるトルクリップルを低減させることで対策が可能である。
３．トルクリップルを低減させながら、電源電圧に応じて回転数を可変することも可能である。
４．上記モータコイル電流波形の突部の電流制限も、ＰＷＭ駆動のためモータコイル駆動パワートランジスタの損出が低減される。
５．本発明の回路構成は容易にＩＣ化が可能であり安価に構成できる。
以上説明したように、本発明に係る単相ブラシレスＤＣモータの駆動回路においては、従来品に比較し大幅な低振動・低騒音化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回路構成図
【図２】本発明の動作説明図
【図３】本発明の動作説明図
【図４】本発明の動作説明図
【図５】本発明の動作説明図
【図６】従来方式の動作説明図
【図７】従来方式の回路構成図
【図８】従来方式の動作説明図
【図９】従来方式の動作説明図
【図１０】従来方式の動作説明図
【符号の説明】

Claims (2)

1. 単相モータコイルを巻装した固定子と、該固定子と対向して回転自在に支持される多極着磁されたマグネットロータと、該マグネットロータの磁極位置を検出する磁極センサと、該磁極センサの信号から作られる通電信号を発生させる手段と、該通電信号により単相モータコイルを全波通電するパワートランジスタ群からなる通電回路と、設定電圧値により、前記通電信号のオンデューティを変化させるＰＷＭ回路とを具備する駆動回路において、設定電圧値を自動的に可変して、定格運転状態で電源電圧に関係せず、単相モータコイル電流波形に生じる２ヶ所の突部電流値のみを制限した、ことを特徴とする単相ブラシレスＤＣモータの駆動回路。
2. 単相モータコイルに流れる電流波形を電圧として検出する検出手段と、電源電圧に応じて変化する比較電圧とを付加し、該比較電圧と該検出手段出力を比較し、該検出手段出力が該比較電圧を超えた区間で、前記設定電圧値を自動的に可変する請求項１に記載の単相ブラシレスＤＣモータの駆動回路。

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