JP3776101B2 - パルス幅変調のファン速度制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、パルス幅変調のファン速度制御回路に関し、特に位相制御の方式によって、磁気回路の変換によるモータの振動及び騒音を低減できるようにしたパルス幅変調のファン速度制御回路に関する。

従来のファンモータの回転速度の制御技術において、パルス幅変調（Pulse Width Modulation、以下PWMと略称する）は、直流モータの回転速度を制御するのに最もよく用いられる方法である。

図１は、PWM信号によってファンモータの回転速度を制御する従来の方法を示し、主に、外部パルス幅変調信号102によって、バイポーラトランジスタ104と駆動IC106を駆動してファンモータ(図示せず)を表す固定子コイル108の端子電圧を制御する。ホール素子110は、ファンモータの回転子の磁極(図示せず)を検出して固定子コイル108の電流方向を回転子の磁極の位置に合わせる。

図２に示すPWMパルスの高電位部分は、モータを「オン」にする期間、すなわち作動期間であり、又はデューティサイクルと呼ばれる。低電位部分は、モータを「オフ」にする期間、すなわち停止期間である。両期間を合わせて一周期となる。例えば、使用者がモータの回転速度を下げようとする場合には、作動期間を減らして停止期間を増やし、周期を一定にすればよい。

ブラシレス直流モータにおいて、例えば、永久磁石からなる磁気テープに取り付けられた回転子と固定子の磁極との間には、隣り合う磁極の間の磁気吸引のため、運転時にコッギング（Cogging Torque）が生じることになる。コッギングは、直流モータ運転時における磁気回路の変換による逆起電力によって一層激しくなり、その結果、著しい振動と騒音の問題を生じる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、その目的は、PWM信号によってモータの回転速度を制御する際に、モータ運転時における磁気回路の変換による振動及び騒音の問題を効果的に低減し得る、パルス幅変調のファン速度制御回路を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明によるパルス幅変調のファン速度制御回路は、PWM信号生成ユニットと、駆動回路と、位相補償ユニットとを有する。PWM信号生成ユニットは、交互に変化する「オン」期間と「オフ」期間とを備えたPWM制御信号を生成する。駆動回路は、前記PWM制御信号に基づき駆動信号をファンモータに出力する。位相補償ユニットは、前記ファンモータに接続され、前記PWM制御信号を所定の位相角に遅延又は前進させることにより、ファンモータが運転する際に、磁気回路の変換による逆起電力の作用期間を、PWM制御信号の「オフ」期間に同期させる。

具体的には、請求項１の発明では、交互に変化する「オン」期間と「オフ」期間とを備えたPWM制御信号を生成するPWM信号生成ユニットと、前記PWM制御信号に基づき駆動信号をファンモータに出力する駆動回路と、前記ファンモータに接続され、前記PWM制御信号を所定の位相角に遅延又は前進させることにより、前記ファンモータが運転する際に、磁気回路の変換による逆起電力の作用期間を、PWM制御信号の「オフ」期間に同期させる位相補償ユニットとを有することを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１に記載のパルス幅変調のファン速度制御回路において、前記位相補償ユニットは、前記ファンモータが入力する回転速度信号に基づき、前記PWM制御信号を所定の位相角に遅延又は前進させた後に前記ファンモータに帰還させることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１に記載のパルス幅変調のファン速度制御回路において、前記位相補償ユニットは、位相遅延回路又は位相前進回路である位相調整回路を有することを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項３に記載のパルス幅変調のファン速度制御回路において、前記位相補償ユニットは、さらにタイマを有することを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項１に記載のパルス幅変調のファン速度制御回路において、前記位相補償ユニットは、駆動ICに組み込まれていることを特徴とする。

請求項６の発明では、交互に変化する「オン」期間と「オフ」期間とを備えたPWM制御信号を生成するPWM信号生成ユニットと、前記PWM制御信号に基づき駆動信号をファンモータに出力する駆動回路と、前記PWM信号生成ユニットと前記駆動回路との間に電気的に接続される位相補償ユニットとを有するパルス幅変調のファン速度制御回路であって、前記位相補償ユニットは、ファンモータに接続され、前記ファンモータに入力される前記駆動信号を所定の位相角に遅延又は前進させることにより、前記ファンモータが運転する際に、磁気回路の変換による逆起電力の作用期間を、PWM制御信号の「オフ」期間に同期させることを特徴とする。

以上説明の如く、本発明は、PWM制御信号の「オン」期間と「オフ」期間とをモータ運転時の磁気回路の変換に同期させる設計により、磁気回路の変換による逆起電力の作用期間を、PWM制御信号の「オフ」期間に同期させることができる。従って、回転子運転時に生じる振動及び騒音を大幅に低減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図３Ａは、四極ブラシレスモータの運転時における固定子10と回転子12との相対する位置関係を示す。図３Ｂは、無負荷操作時における四極ブラシレスモータの電流の波形を示し、横軸は回転子12の図３Ａ時計回り回転角度（機械角θ）である。図３Ａに示す固定子10と回転子12との相対する位置関係と、図３Ｂに示す電流の波形の比較によって判るように、本実施形態が四極モータであるため、回転子12がA点から時計回り方向に回転した後、回転子12がπ/2角度回転する度に、そのN極とS極とは交替し、この際、磁気回路の変換によって生じる逆起電力は、電流の波形を激しく変化させる。例えば、回転子12がθ1の角度（A′点）からπ/2角度（B点）の区域まで回転した際、磁気回路の変換によって生じる逆起電力のため、電流の波形を図３Ｂに示すように激しく変化させる。よって、回転子12がnπ/2（n=1,2,3…）に近い角度まで回転する度に、逆起電力によって、回転子のコッギングをより著しくし、運転が乱雑になり大きな振動と騒音を生じる。

よって、本発明の特徴は、PWM方式によってモータの回転速度を制御する際に、回転子が回転したときにおける磁気回路の変換による逆起電力の影響を考慮して、PWM信号の「オン」と「オフ」との切り替えタイミングの位相制御を行うことである。例えば、図３Ａの四極モータでは、A点のPWM信号が「オン」となったときに回転子が電磁力の作用を受けて回転を開始し、次に、θ1の角度を回転してA′点に達する際に、すなわち、電流の波形が逆起電力に影響されて激しく変化する期間に入る前に、PWM信号を「オフ」に切り替え、回転子の回転がB点（θ=π/2）を過ぎてからPWM信号を「オン」に切り替え、その後も磁気回路の変換に合わせてPWM信号を切り替える。その結果、図３Ｃに示すような平坦な波形を得ることができ、このPWM信号の「オン」期間と「オフ」期間とを磁気回路の変換に同期させる位相設計は、回転子運転時に生じる振動と騒音を大幅に低減することができる。

上述した効果を達成するために、本発明は位相補償ユニットを運用して、モータに入力されたPWM信号の「オン」と「オフ」の切り替えタイミングが、磁極の変化位置に対応できるようにした。

具体的に、図４は、本発明の実施形態１におけるパルス幅変調のファン速度制御回路20を示すブロック図である。図４に示すように、パルス幅変調のファン速度制御回路20は、PWM信号生成ユニット22と、位相補償回路24と、駆動回路26とを有する。位相補償回路24はPWM信号生成ユニット22と駆動回路26との間に接続され、かつ、ファンモータ28の一入力端は、独立に位相補償回路24に電気的に接続されている。駆動回路26は、PWM信号生成ユニット22が生成したPWM制御信号に基づき、駆動信号をファンモータ28に出力する。PWM信号生成ユニット22と駆動回路26との間に接続されている位相補償回路24は、ファンモータ28に入力される駆動信号を所定の位相角に遅延又は前進させるため、磁気回路の変換によって逆起電力が生じる期間内に信号を「オフ」に切り替えることができ、図３Ｃに示すような平坦な波形を得ることができ、回転子運転時に生じる振動と騒音を大幅に低減することができる。

図５及び図６は、それぞれ本発明の前記位相補償回路24の具体的な回路を示す。この本発明の位相補償回路24は、演算増幅器と、トランジスタと、抵抗と、容量とで構成されており、図５に示すような位相遅延回路、又は図６に示すような位相前進回路である。PWM信号は、位相補償回路24を介して所定の位相角に遅延又は前進する三角波信号に変換され、PWM信号の「オン」と「オフ」の切り替えタイミングが、磁極の変化位置に対応できるようになる。

（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２におけるパルス幅変調のファン速度制御回路を示すブロック図である。本発明の位相補償PWM制御信号の設計概念を完成させる方法は、前記実施形態１の如く、PWM信号生成ユニット22と駆動回路26との間に電気的に接続された位相補償回路24に制限されない。

例えば、図７に示すように、ファンモータ34の信号線F00から、モータの目下の回転速度に対応する信号を出力し、さらに前記信号を位相補償ユニット36に独立に入力する。位相補償ユニット36は、遅延回路又は前進回路によって構成された位相調整回路を有し、PWM制御信号を所定の位相角に遅延又は前進させることができる。さらに、タイマを加えることによって、遅延又は前進させる位相角の大きさを精確に計測することができる。こうして位相補償ユニット36によって処理されたPWM信号は再びファンモータ34に帰還し、同様に、PWM信号の「オン」期間と「オフ」期間とをモータ運転時の磁気回路の変換に同期させる効果を遂げる。

（他の実施形態）
尚、前記実施形態による説明は、本発明の内容を簡単に説明するための内容に過ぎず、本発明のPWM信号に対して位相補償を行う方法は、これらの実施形態に制限するものではない。例えば、位相補償機能を駆動回路を有する駆動ICに組み込んでもよく、PWM信号の「オン」期間と「オフ」期間とをモータ運転時の磁気回路の変換に同期させる効果を遂げるものであればよい。

さらに、本発明のパルス幅変調のファン速度制御回路の電圧制御方法はこれらの実施形態に制限されるものでなく、例えば、図４に示すように同一の駆動電圧源Vccによって制御されてもよく、又は図７に示すように独立のモータ電圧源Vmotorによって、駆動電源Vccとは別々に制御してもよい。

また、前述の四極モータは本発明を簡単に説明するための内容に過ぎないもので、本発明のモータ極数は全く制限されない。例えば、六極モータを採用する場合には、回転子がnπ/3（n=1,2,3…）に近い区域まで回転する度に、逆起電力が起こるため、補償すべき位相角の大きさを変化させるだけで、モータの「オン」期間と「オフ」期間とを磁気回路の変換に同期させる効果を遂げることができる。

従来のファンモータのPWM回転速度制御回路を示す図である。 PWM信号周期を示す図である。 四極ブラシレスモータの運転時における固定子と回転子の相対する位置関係を示す図である。 無負荷操作時の四極ブラシレスモータの電流の波形を示す図である。 本発明によるPWM信号の「オン」期間と「オフ」期間とをモータ磁気回路の変換に同期させた平坦な電流の波形である。 本発明の実施形態１におけるパルス幅変調のファン速度制御回路を示すブロック図である。 本発明の位相補償回路とする位相遅延回路の回路図である。 本発明の位相補償回路とする位相前進回路の回路図である。 本発明の実施形態２におけるパルス幅変調のファン速度制御回路を示すブロック図である。

符号の説明

10 固定子
12 回転子
20,30 パルス幅変調のファン速度制御回路
22 PWM信号生成ユニット
24 位相補償回路
26,32 駆動回路
28,34 ファンモータ
36 位相補償ユニット

Claims (6)

1. 交互に変化する「オン」期間と「オフ」期間とを備えたPWM制御信号を生成するPWM信号生成ユニットと、
   前記PWM制御信号に基づき駆動信号をファンモータに出力する駆動回路と、
   前記ファンモータに接続され、前記PWM制御信号を所定の位相角に遅延又は前進させることにより、前記ファンモータが運転する際に、磁気回路の変換による逆起電力の作用期間を、PWM制御信号の「オフ」期間に同期させる位相補償ユニットと、
   を有することを特徴とするパルス幅変調のファン速度制御回路。
2. 請求項１に記載のパルス幅変調のファン速度制御回路において、
   前記位相補償ユニットは、前記ファンモータが入力する回転速度信号に基づき、前記PWM制御信号を所定の位相角に遅延又は前進させた後に前記ファンモータに帰還させることを特徴とするパルス幅変調のファン速度制御回路。
3. 請求項１に記載のパルス幅変調のファン速度制御回路において、
   前記位相補償ユニットは、位相遅延回路又は位相前進回路である位相調整回路を有することを特徴とするパルス幅変調のファン速度制御回路。
4. 請求項３に記載のパルス幅変調のファン速度制御回路において、
   前記位相補償ユニットは、さらにタイマを有することを特徴とするパルス幅変調のファン速度制御回路。
5. 請求項１に記載のパルス幅変調のファン速度制御回路において、
   前記位相補償ユニットは、駆動ICに組み込まれていることを特徴とするパルス幅変調のファン速度制御回路。
6. 交互に変化する「オン」期間と「オフ」期間とを備えたPWM制御信号を生成するPWM信号生成ユニットと、
   前記PWM制御信号に基づき駆動信号をファンモータに出力する駆動回路と、
   前記PWM信号生成ユニットと前記駆動回路との間に電気的に接続される位相補償ユニットと、
   を有するパルス幅変調のファン速度制御回路であって、
   前記位相補償ユニットは、ファンモータに接続され、前記ファンモータに入力される前記駆動信号を所定の位相角に遅延又は前進させることにより、前記ファンモータが運転する際に、磁気回路の変換による逆起電力の作用期間を、PWM制御信号の「オフ」期間に同期させることを特徴とするパルス幅変調のファン速度制御回路。

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