JP4326842B2 - モータロック保護回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファンモータ等の直流モータがロック状態になったときに、モータ駆動信号の出力を停止し、一定時間経過後にそのモータ駆動信号の出力を再開して復帰を促すモータロック保護回路に係り、特に電源電圧に応じてモータ駆動信号の出力停止時間(オフ期間)を変化できるようにしたモータロック保護回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
直流モータの回転数と電流の関係は既に広く知られる所であり、原理上、ロック時あるいは起動時にはその巻線抵抗のみで制限される最大電流が流れ、その電流値は定常的な負荷電流に対し数倍になるのが普通である。このことは、モータを電気的に駆動する素子にとっては、ロック時は定常時の数倍の電力消費、すなわち損失が発生することを意味する。直流モータは集積化された半導体素子、すなわちICで駆動されることが一般的になっているが、ICの容器は個別素子に比べて発生する熱量に対する熱抵抗が高く、このようなモータロック時の損失を吸収することは難しい。
【0003】
そこで、集積回路の利点を生かし、モータのロックを電気的に検出し、ロック時はモータヘの電流を停止させる回路、すなわちモータロック保護回路を設けることが多い。このようなモータロック保護回路は直流モータの制御用、駆動用によく応用され、一例として、特許文献1に記載の回路がこれに相当する。特にファンモータなどの小型モータ制御用ICで多く応用されている。
【0004】
従来のモータロック保護回路の例として図5に示すような回路がある。10はキャパシタ11の両端に鋸歯状波電圧Vcを発生させる鋸歯状波生成部であり、キャパシタ11は電流源12の電流Iaにより充電され、電流源13Aの電流Ibに応じた電流で放電される。Q1,Q2はカレントミラーを構成するトランジスタであり、Q1の方がQ2よりも若干小さな面積となるようその面積比がm:n(m<n)に設定され、トランジスタQ3がオフのときに、トランジスタQ2で電流源13Aの電流Ibをn/m倍した電流を流す。Q4はモータの正常回転動作時にオン/オフを繰り返すトランジスタである。
【0005】
20は鋸歯状波制御部であり、モータの回転/ロックを検出してトランジスタQ4を制御したり、キャパシタ11の電圧Vcを検出しトランジスタQ3を制御してそのキャパシタ11の充放電を制御する。この鋸歯状波制御部20は、基準電圧としてVref1,Vref2が印加された比較器21,22と、ホール素子の出力信号が入力する比較器23と、SR型のフリップフロップ24と、モータ回転検出回路25とを有する。
【0006】
以上のように構成されるモータロック保護回路は次のように動作する。モータが正常に回転しているときは、ホール素子からの回転信号が比較器23によって「H」と「L」を繰り返す信号に変換されモータ回転検出回路25に入力することにより、トランジスタQ4がオン/オフを繰り返す。よって、キャパシタ11は電流源12の電流Iaにより充電されてもトランジスタQ4により瞬時に放電され、これが繰り返されるので、その電圧Vcはほとんど0V近となる。
【0007】
モータがロック状態になると、ホール素子からの回転信号はなくなり、モータ回転検出回路25によってトランジスタQ4がオフするので、以下に述べる動作によって、自動復帰回路として動作する。
【0008】
まず、キャパシタ11の電圧Vcが0V付近では、比較器22は「H」となるのでフリップフロップ24がリセットされてQX出力が「H」となり、トランジスタQ3がオンして、電流源13Aの電流Ibは接地にバイパスされるのため、トランジスタQ1,Q2はオフとなる。このため、キャパシタ11には電流源12の電流Iaが充電電流として流れ、その電圧Vcが徐々に上昇する。そして、Vref2≦Vcになっても、フリップフロップ24はリセット状態から変化しない。
【0009】
Vref1≦Vcになると、比較器21の出力が「H」になり、フリップフロップ24がセットされてQXが「L」になり、トランジスタQ3がオフする。これにより、電流源13Aの電流IbがトランジスタQ1のコレクタに流れる。よって、トランジスタQ2のコレクタには
の電流IC2が流れる。このため、キャパシタ11からは
の放電電流Idisが流れる。ここで、Ia=Ibであるので、その放電電流Idisは、
となる。そして、Vc≦Vref2になると、比較器22の出力が「H」に変わり、フリップフロップ24がリセットされてトランジスタQ3がオンし、トランジスタQ1,Q2がオフするので、キャパシタ11は今度は電流Iaにより充電される。
【0010】
モータのロック状態が継続すると、このような充電と放電が繰り返されて、キャパシタ11の電圧Vcは図6に示すような鋸歯状の波形となる。フリップフロップ24のXQ出力Voutに応じてモータの駆動回路を制御する、つまり鋸歯状波電圧Vcの立ち上がり時のオン時間T1でモータ駆動、立ち下がり時のオフ時間T2でモータ駆動停止を制御することにより、モータロック保護及び自動復帰の回路として機能する。
【0011】
自動復帰時、出力のオン時間T1を決定する要素はモータの起動時間であり、小型軸流ファンモータの場合、0.1〜1秒程度に設定される。これは電源電圧Vccによる依存性はなく、モータの物理的な大きさなど、電気的なパラメータ以外の影響が大きい。また出力のオフ時間T2はIC(図5のモータロック保護回路以外にモータ駆動素子を含む)の保護のため、モータがロック状態を維持してもICの許容消費電力を超えないよう、オン時間T1の数倍から20数倍、あるいはそれ以上に設定される。上記の回路の場合、オン時間T1とオフ時間T2の比は、式(3)から、
で与えられる。これはIC内部の電流比のみで決定できるため、電源電圧や温度などの影響を受けにくく、安定した保護機能を実現することができる。
【0012】
【特許文献】
特開昭63−121491号公報
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなモータロック保護状態におけるICで消費される電力Pdは以下の式(5)
で決まる。ここで、IqはIC中の駆動素子を除く回路部分の消費電流、Roはモータに電流を供給する駆動素子のオン抵抗、Rmはモータの内部抵抗である。
【0013】
消費電流Iqが小さい場合、ICの消費電力は駆動素子に流れる電流と電源電圧で決まり、さらに電源電圧は二乗で効いていることが解る。小型軸流ファンモータの場合は使用電圧が12V、24V等と決まった電圧になるのが一般的であるが、ICを種々の異なった電圧で駆動するモータに使用することを考えると、低い電圧で駆動するものでは問題でなくても、高い電圧で駆動するモータではモータロックの保護期間、つまりオフ時間T2を長くする必要が生じる場合もあり、その時はICの外側にキャパシタ放電電流を減少させるなどの回路を付加する必要があった。
【0014】
しかしながらファンモータ周辺では、構造上の制約から大きな回路を付属させる物理的なスペースが少なく、少ない素子数で実現する必要があったため、定電圧ダイオードや定電流ダイオードなど、絶対値で電流を決定する回路要素を使用せざるを得ず、周囲温度や電源電圧の変動でばらつくことから、本来の安定性を生かせず、精度の良い自動復帰回路を得るのは難しかった。
【0015】
本発明の目的は上記問題点を解決し、安定なモータロック保護機能を生かしつつ、電源電圧による消費電力の増大を自動的にキャンセルできるようにしたモータロック保護回路を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1にかかる発明は、キャパシタ及び充放電手段を具備する鋸歯状波生成部と、前記キャパシタの電圧が第1の基準電圧を超えるとセットされ該第1の基準電圧より低い第2の基準電圧を下回るとリセットされるフリップフロップを有する鋸歯状波制御部とを具備し、前記フリップフロップはリセットされると前記充放電手段により前記キャパシタを充電しセットされると放電し、且つ前記リセットの状態のときモータが駆動され、前記セットの状態のとき駆動停止されるようにしたモータロック保護回路において、
電源電圧検出部を設け、該電源電圧検出部で電源電圧が第3の基準電圧より高くなったことが検出されると、前記充放電手段による放電電流の値が大きい値から小さい値に切り替えられることを特徴とするモータロック保護回路とした。
【0017】
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載のモータロック保護回路において、前記電源電圧検出部により電源電圧が前記第3の基準電圧より低いと検出されたときは、前記充放電手段による充電電流が第1の値に設定されるとともに、放電電流が前記第1の値より小さな第2の値に設定され、前記電源電圧検出部により電源電圧が前記第3の基準電圧より高いと検出されたときは、前記充放電手段による充電電流が前記第1の値に設定されるとともに、放電電流が前記第2の値より小さな第3の値に設定される、ことを特徴とするモータロック保護回路とした。
【0018】
請求項3にかかる発明は、請求項2に記載のモータロック保護回路において、前記放電電流の前記第3の値は、電源電圧が高くなるほど小さくなるようにしたことを特徴とするモータロック保護回路とした。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明では、電源電圧が第3の基準電圧を超えるとキャパシタの放電電流を減少させるようにして、出力のオフ時間T2を延長させる。これにより、電源電圧が高く消費電力が大きくなるような場合は自動的にロック時のオフ時間T2が延長され、ICの消費電力が低く抑えられ、使用電源電圧が変更されたり、温度変化があった場合でも、精度を維持したモータロック保護及び自動復帰動作が実現可能になる。また、全ての動作時における充放電電流はIC内部素子の比精度だけで決定し、温度や電源電圧などの変化にも安定した特性を得る。以下詳しく説明する。
【0020】
[第1の実施形態]
図1は本発明の1つの実施形態のモータロック保護回路のブロック図である。10はキャパシタ11の両端に鋸歯状波電圧Vcを発生させる鋸歯状波生成部であり、キャパシタ11は電流源12の電流Iaにより充電され、電流源13の電流Ibに応じた電流で放電される。電流源13の電流Ibはその値が切り替え可能となっている。Q1,Q2はカレントミラーを構成するトランジスタであり、Q1の方がQ2よりも若干小さなな面積となるようその面積比がm:n(m<n)に設定されている。Q3はキャパシタ11の電圧Vcに応じて制御されるトランジスタ、Q4はモータの正常動作時にオン/オフを繰り返すトランジスタである。電流源12,13およびトランジスタQ1〜Q4はキャパシタ11の充放電手段を構成する。
【0021】
20は鋸歯状波制御部であり、モータの回転/ロックを検出してトランジスタQ4を制御したり、キャパシタ11の電圧Vcを検出してトランジスタQ3を制御して充放電を制御する。この鋸歯状波制御部20は、基準電圧としてVref1(第1の基準電圧),Vref2(第2の基準電圧)が印加された比較器21,22と、ホール素子の出力電圧が入力する比較器23と、SR型のフリップフロップ24と、モータ回転検出回路25とを有する。
【0022】
30は電源電圧検出部であり、電源電圧Vccと基準電圧Vref3(第3の基準電圧)を比較する比較器31からなる。
【0023】
さて、電源電圧Vccが基準電圧Vref3より低い場合、比較器31の出力は「L」であるので電流源13の電流IbはIb=Iaとなる。このとき、正常にモータが回転している場合は、図5について説明したのと同様に、トランジスタQ4がオン/オフを繰り返し、キャパシタ11は電流源12の電流Iaにより充電されてもトランジスタQ4により瞬時に放電されるので、その電圧Vcはほとんど0V近となる。
【0024】
モータがロック状態になったときは、図5について説明したのと同様に、トランジスタQ4がオフとなり、Vc≦Vref2ではトランジスタQ3がオンして、キャパシタ11は電流Iaによって充電され、そのキャパシタ11の電圧Vcが徐々に上昇する。そして、Vref2≦Vcになっても、その充電状態は変化しない。Vref1≦Vcになると、フリップフロップ24がセットされトランジスタQ3がオフして、キャパシタ11は前記式(3)
で表される放電電流Idisで放電される。
【0025】
そして、Vc≦Vref2になると、フリップフロップ24がリセットされてトランジスタQ3がオンし、キャパシタ11は今度は電流Iaにより充電される。したがって、オン時間T1とオフ時間T2の比は従来と同じ前記式(4)
で示される値となる。
【0026】
次に電源電圧Vccが基準電圧Vref3より高くなった場合、比較器31の出力は「H」となり、電流源13の電流Ibが小さな電流(Ib<Ia)に切り替わるので、キャパシタ11の放電時に、前記式(2)
の放電電流Idisが少なくなる。このため、オフ時間T2が長くなる。
【0027】
以上の電源電圧Vccが基準電圧Vref3より低い場合の動作の波形図を図2(a)に、高い場合の動作の波形図を図2(b)に示した。このように、電源電圧Vccが高い場合はオフ時間T2が長くなるので出力電圧Voutのデューティが小さくなって、ICの消費電流を抑制することができる。
【0028】
[第2の実施形態]
図3は第2の実施形態のモータロック保護回路の回路図であり、図1の回路をより具体化したものである。鋸歯状波生成部10の電流源12はトランジスタQ18により、電流源13はトランジスタQ17により構成され、そのトランジスタQ17はトランジスタQ15とカレントミラー接続されている。Q16はトランジスタQ15のコレクタにコレクタが接続されたトランジスタである。
【0029】
電源電圧検出部30は、基準電圧Vref3を決める定電圧ダイオードDZ、抵抗R1、電流Irefの電源源32がコレクタに接続されトランジスタQ18とカレントミラー接続されたトランジスタQ11、そのトランジスタQ11にさらにカレントミラー接続されたトランジスタQ12,Q13、トランジスタQ12のコレクタにコレクタが接続されトランジスタQ10、トランジスタQ13のコレクタにコレクタが接続されトランジスタQ16とカレントミラー接続されたトランジスタQ14、およびトランジスタQ10,Q12のコレクタ共通接続点とトランジスタQ13,Q14のコレクタ共通接続点との間に接続されたダイオードD1を具備する。
【0030】
トランジスタQ11,Q12,Q13,Q18の面積比は1:X:Y:1に設定され、トランジスタQ14,Q16の面積比は1:1に設定され、トランジスタQ15,Q17の面積比も1:1に設定されている。また、X+Y=1の関係にある。
【0031】
次に動作を説明する。電源電圧Vccが基準電圧Vref3に対してVcc<Vref3のときは、トランジスタQ10がオフしているので、トランジスタQ14にはトランジスタQ12のコレクタ電流とQ13のコレクタ電流を加算した電流、つまり電流源32の電流Irefと同じ電流が流れ、これがトランジスタQ16に転移され、さらにトランジスタQ17に転移されて、電流Ibとして流れる。また、トランジスタQ18にも電流源32の電流Irefと同じ電流が電流Iaとして流れる。すなわち、
となる。よって、前記式(3)は、
となり、オン時間T1とオフ時間T2の比を表す前記式(4)は、
となる。
【0032】
次に、電源電圧Vccが基準電圧Vref3に対してVcc>Vref3と高くなったときは、定電圧ダイオードDZがオンしてトランジスタQ10がオンするので、そのトランジスタQ10には、
のコレクタ電流IC10が流れる。よって、トランジスタQ14には、
のコレクタ電流IC14が流れる。
【0033】
このコレクタ電流IC14はトランジスタQ16→Q15→Q17に転移され、電流Ibとして流れるので、キャパシタ11の放電電流は、
となる。よって、オン時間T1とオフ時間T2の比は、
となる。X<1、Y<1であるので、式(4B)は式(4A)よりも大きな値を示す。つまり、オフ時間T2が長くなり、デューティが小さくなる。トランジスタQ12,Q13はIC上ではマルチコレクタ構造のPNPトランジスタにより容易にその比(X:Y)を設定できるので、IC化に適している。
【0034】
[第3の実施形態]
図4はモータロック保護回路の第3の実施形態の回路図である。このモータロック保護回路は図3のモータロック保護回路とは電源電圧検出部30の構成が異なっている。この電源電圧検出回路30は、定電圧ダイオードDZと抵抗R2に直列にトランジスタQ20を接続し、このトランジスタQ20とカレントミラーを構成するようにトランジスタQ21を接続し、このトランジスタQ21のコレクタをダイオードD2を介してトランジスタQ14のコレクタに接続し、そのトランジスタQ14のコレクタを、トランジスタQ11とカレントミラー接続されるトランジスタQ22のコレクタに接続したものである。なお、トランジスタQ20,Q21の面積比は、1:p(pの値は任意)に設定され、トランジスタQ11、Q22の面積比は1:1に設定されている。
【0035】
この電源電圧検出部30では、電源電圧Vccが基準電圧Vref3=Vzよりも高くなり定電圧ダイオードDZが導通すると、トランジスタQ21のコレクタ電流IC21は、
で与えられる。Vzは定電圧ダイオードDZの電圧、VBE20はトランジスタQ20のベース・エミッタ間電圧である。
【0036】
トランジスタQ22のコレクタの電流はIrefであるので、トランジスタQ14のコレクタ電流IC14、つまりトランジスタQ16のコレクタ電流IC16は、
となる。つまり、Ibは電源電圧Vccに依存した電流となり、これによりキャパシタ11の放電電流も電源電圧Vccが高くなるほど小さくなり、オフ時間T2が長くなる。この場合は、定電圧ダイオードDZの電圧Vz、抵抗R2の値、pの値等によって、電流Ibが小さい値に切り替わる電源電圧Vccの値、および電源電圧Vccの増大に対するオフ時間T2の依存度を適宜設定することができる。
【0037】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電源電圧が高くなればモータロック保護回路のオフ時間が長くなるので、消費電力を低減させ安定な動作を期待できる。またこの回路を採用することによって、動作可能な電源電圧範囲の非常に広いモータ駆動回路を製作することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施形態のモータロック保護回路の回路図である。
【図2】 図1のモータロック保護回路の動作の波形図である。
【図3】 第2の実施形態のモータロック保護回路の回路図である。
【図4】 第3の実施形態のモータロック保護回路の回路図である。
【図5】 従来のモータロック保護回路の回路図である。
【図6】 図5のモータロック保護回路の動作の波形図である。
【符号の説明】
10:鋸歯状波生成部
20:鋸歯状波制御部
30:電源電圧検出部
Claims (3)
- キャパシタ及び充放電手段を具備する鋸歯状波生成部と、前記キャパシタの電圧が第1の基準電圧を超えるとセットされ該第1の基準電圧より低い第2の基準電圧を下回るとリセットされるフリップフロップを有する鋸歯状波制御部とを具備し、前記フリップフロップはリセットされると前記充放電手段により前記キャパシタを充電しセットされると放電し、且つ前記リセットの状態のときモータが駆動され、前記セットの状態のとき駆動停止されるようにしたモータロック保護回路において、
電源電圧検出部を設け、該電源電圧検出部で電源電圧が第3の基準電圧より高くなったことが検出されると、前記充放電手段による放電電流の値が大きい値から小さい値に切り替えられることを特徴とするモータロック保護回路。 - 請求項1に記載のモータロック保護回路において、
前記電源電圧検出部により電源電圧が前記第3の基準電圧より低いと検出されたときは、前記充放電手段による充電電流が第1の値に設定されるとともに、放電電流が前記第1の値より小さな第2の値に設定され、
前記電源電圧検出部により電源電圧が前記第3の基準電圧より高いと検出されたときは、前記充放電手段による充電電流が前記第1の値に設定されるとともに、放電電流が前記第2の値より小さな第3の値に設定される、
ことを特徴とするモータロック保護回路。 - 請求項2に記載のモータロック保護回路において、
前記放電電流の前記第3の値は、電源電圧が高くなるほど小さくなるようにしたことを特徴とするモータロック保護回路。
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