JP4402216B2

JP4402216B2 - ブラシレスモータの制御回路

Info

Publication number: JP4402216B2
Application number: JP24821599A
Authority: JP
Inventors: 俊章磯村
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: JP2001078484A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置センサ素子を用いないブラシレスモータの制御回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転子（ロータ）の回転によりステータコイルに発生する誘起電圧を利用して回転子位置を検出することにより位置センサ素子（ホール素子など）を用いることなくブラシレスモータを回転可能にしたブラシレスモータの制御回路が知られているが、そのような制御回路によるブラシレスモータの制御において、始動失敗・運転中の脱調により回転停止などの不具合が生じるという問題がある。上記不具合が生じた場合には、モータ回転の有無を検出しないと、モータは停止のまま放置されてしまうため、回転パルス出力により停止状態を検出し、ＰＷＭ指令の再入力、または電源の再投入により、始動回路を再トリガするなどしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
また、始動失敗や過負荷によるモータ停止時にドライバ回路が発振状態になる場合がある。そのような発振時でも、ドライバは通常回転と同じ回路動作を繰り返すので、停止状態であることが分からないことや、発振周波数が高いと巻線のＬ成分によりインピーダンスが高くなるので通電電流が小さくなり、電流検出手段による拘束状態の検出ができず、そのまま放置されて発振状態が続くと、通電制御用スイッチング素子が破壊されてしまう。そのため、例えば特公平６−５０９５７号公報には、上記発振状態を検出したら回転不良と判断して、モータ停止信号を発生させるようにしたことが開示されている。
【０００４】
しかしながら、上記公報のものでは、回転不良状態を回路の発振状態のみで捉えており、検出信号がＨｉまたはＬｏに固定された時の検出には触れられていない。また、回転不良状態検出後の処理はモータ回転を停止するだけである。さらに、それらの処理にＣＰＵを用いており、回路が高コスト化するというという問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決して、位置センサ素子を用いないブラシレスモータの制御回路においてモータの回転不良で発生する種々の回路状態を検出しかつ再始動を可能にすることを実現するために、本発明に於いては、ロータの位置を当該ロータの回転によりステータコイルに発生する誘起電圧により検出してロータ位置信号を発生するロータ位置信号発生回路と、前記ロータ位置信号に基づいて前記ロータを回転させる回転磁界をステータコイルに発生させる回転磁界発生回路と、前記ロータ位置信号の発生周期が正常回転領域にあるか否かを判定すると共に当該発生周期が当該正常回転領域外にあると判定された場合には前記回転磁界発生回路をリセットして所定のインターバル時間経過後に再始動状態にするための再始動回路とを有し、前記再始動回路は、前記発生周期が前記正常回転領域にあるか否かを前記発生周期が下限値と上限値との間にあるか否かにより判定する周期判定回路を有し、前記周期判定回路への電源回路からの電圧出力が、前記リセット時に消滅し、前記インターバル時間経過後に再開されるものとした。
【０００６】
これによれば、始動開始時のセンサ信号の周期より長めの下限値と、モータ最高回転数より高めの上限値とを設定し、センサ信号が下限値以下または上限値以上になった場合には再始動処理を行うようにしたことから、始動失敗・過負荷脱調などによる停止時の回路状態のいずれの場合においても上記下限値以下または上限値以上になるため、各場合を確実に検出できかつ再始動処理を行うことから、センサ素子を設けないブラシレスモータにおいて、始動失敗・過負荷脱調などによる停止などが起きた場合に自動復帰ができるようになった。
【０００７】
また、インターバル時間経過後に前記再始動を行うことによれば、回転磁界発生回路を構成する本制御回路のパワー素子の発熱が蓄積されないようにすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【０００９】
図１は、本発明が適用されたブラシレスモータの制御回路を示す回路ブロック図である。本実施の形態の制御対象となるブラシレスモータ１は、三相のステータコイルを有するものであるが、以下、特に示さない限りその内の１相についてのみ説明し、他の相については１２０度位相がずれているだけの違いであることから、その詳しい説明を省略する。また、本ブラシレスモータ１は、位置センサ素子を設けずに、コイルに誘起される電圧を利用して回転子の位置を検出し、そのセンサ信号（ロータ位置信号）に基づいて回転磁界を発生させて回転子を回転させるものである。
【００１０】
図１に示されるように、回転磁界発生回路としてのドライバ回路２の入出力Ｉ／Ｆ回路３には、モータ１の出力を制御するためのＰＷＭ信号が入力している。このＰＷＭ信号は、図示されない操作回路から設定されたデューティ比に応じてパルス幅を変化させる矩形状のパルス波形であって良い。
【００１１】
入出力Ｉ／Ｆ回路３の出力信号が、ＰＷＭ回路４に入力し、センサ信号に基づくモータ転流制御回路１２の信号に重畳され、プリドライバ５を介してパワードライバ６に入力しており、そのパワードライバ６から、ＰＷＭ信号に応じてモータ１の各コイルＵ・Ｖ・Ｗに駆動信号が出力されるようになっている。また、それら各コイルＵ・Ｖ・Ｗへの接続ラインは駆動信号がロータ位置信号発生回路としてのセンサ信号発生回路７に接続されている。
【００１２】
センサ信号発生回路７では、モータ１の回転子が回転することにより各コイルＵ・Ｖ・Ｗに発生する誘起電圧を検出し、その検出信号を、ホール素子などの位置センサ信号の代わりとなるセンサ信号として発生させ、センサ信号切替ロジック回路８に出力している。
【００１３】
センサ信号切替ロジック回路８には、始動転流センサ信号発生回路９からの始動転流センサ信号が入力すると共に、始動転流継続時間設定回路１０からの継続時間信号が入力するようになっている。なお、始動転流センサ信号発生回路９には、クロック信号発生回路１１から始動周波数に相当するクロック信号が入力し、クロック信号発生回路１１には、始動転流継続時間設定回路１０からの信号が入力している。
【００１４】
上記センサ信号切替ロジック回路８からはモータ転流制御回路１２にセンサ信号が出力される。そのセンサ信号は、始動時には上記始動転流センサ信号発生回路９からの始動転流センサ信号であり、始動転流継続時間経過後にはセンサ信号発生回路７からのセンサ信号である。
【００１５】
また、上記パワードライバ６の過電流検出状態を検出する保護回路１３の信号がインヒビット回路１４を介してモータ転流制御回路１２に入力している。
【００１６】
外部電源１５に接続された電源回路１６により回路主電圧Ｖccが供給されるようになっているが、その回路主電圧Ｖccを供給される省スタンバイ電源回路１７には、入出力Ｉ／Ｆ回路３からＰＷＭ回路４に出力されて分岐した信号がＰＷＭ指令信号として入力している。そのＰＷＭ指令信号入力に応じて、回路主電圧Ｖccをオン／オフした回路省電圧Ｖcsが、モータ転流制御回路１２、再始動回路１８及びその他の回路に供給されるようになっている。
【００１７】
また、入出力Ｉ／Ｆ回路３からは回転パルス信号が図示されない外部回路に出力されると共に、その回転パルス信号は再始動回路１８に入力するようになっている。その再始動回路１８から出力される再始動信号の１つが省スタンバイ電源回路１７に入力し、他の再始動信号が始動転流継続時間設定回路１０にも出力される。
【００１８】
このようにして構成された本制御回路におけるブラシレスモータ１の制御要領を図２のタイムチャートを参照して以下に示す。
【００１９】
図２の１段目に示されるように、外部回路からのＰＷＭ入力が入出力Ｉ／Ｆ回路３を介してＰＷＭ指令信号となって省スタンバイ電源回路１７に入力する。そのＰＷＭ指令信号は、デューティに応じてパルス幅を変化させる所定周波数のパルス波である。
【００２０】
そのＰＷＭ指令信号により、省スタンバイ電源回路１７では回路省電圧Ｖcsが上昇し、図２の２段目に示されるようにしきい値Ｖ１以上になったら、その時点からリセットホールド時間（所定時間Ｔpr経過）後に始動制御を開始する。
【００２１】
上記始動制御開始信号は、図２の５段目に示されるようにワンショットのトリガ信号として再始動回路１８内で生成され、始動転流継続時間設定回路１０に出力される。始動転流継続時間設定回路１０では、上記トリガ信号受けて、始動信号をセンサ信号切替ロジック回路８及びクロック信号発生回路１１に出力する。センサ信号切替ロジック回路８では、上記始動信号が入力された場合には、始動転流センサ信号発生回路９からの始動転流センサ信号がモータ転流制御回路１２へのセンサ信号として出力される。
【００２２】
本発明が適用されるブラシレスモータ（位置センサ素子無し）にあっては、始動開始時にはステータコイルからの回転子位置信号が入力されないことから、上記したように始動転流センサ信号発生回路９から所定の発生周期で出力される始動転流センサ信号をセンサ信号として用い、そのセンサ信号に基づいてモータ転流制御回路１２によるモータ回転制御を行う。これにより、回転子の位置に関係なく回転磁界が発生し、モータ１の回転子が回転し得る。
【００２３】
回転子が回転し始めるとステータコイルからの回転子位置信号がセンサ信号発生回路７に入力し、回転上昇に応じて回転子位置信号のレベルが十分に上がると、それに応じてセンサ信号発生回路７からセンサ信号切替ロジック回路８にセンサ信号が回転に応じた発生周期で出力される。ステータコイルからのセンサ信号が検出されるようになった後には、始動転流センサ信号を用いる必要がないため、センサ信号切替ロジック回路８により、センサ信号発生回路７からセンサ信号をモータ転流制御回路１２に出力するように切り替えて、以後、ステータコイルからのセンサ信号を用いたブラシレスモータの制御を行う。
【００２４】
図３に示されるように、本再始動回路１８は、回転パルスの周期判定を行うための周期判定回路１８ａと、省電圧Ｖcsレベル検出回路１８ｂと、始動トリガ回路１８ｃと、再トリガインターバル回路１８ｄとにより構成されている。周期判定回路１８ａには入出力Ｉ／Ｆ回路３からの回転パルス信号ＦＧ（図２の３段目）が入力しており、省電圧Ｖcsレベル検出回路１８ｂには省スタンバイ電源回路１７からの回路省電圧Ｖcsが入力しており、始動トリガ回路１８ｃには周期判定回路１８ａからの周期判定信号（図２の４段目）が入力している。その始動トリガ回路１８ｃからは、始動転流継続時間設定回路１０へのトリガ信号（図２の５段目）が出力されている。また、再トリガインターバル回路１８ｄにも周期判定回路１８ａからの周期判定信号が入力している。その再トリガインターバル回路１８ｄからはリセット信号としてのインターバル信号（図２の６段目）が省スタンバイ電源回路１７に出力されるようになっている。
【００２５】
次に、再始動回路１８の具体的回路について図４を参照して以下に示す。回転パルスの周期判定回路１８ａの入力段は、オープンコレクタ出力形式の回転パルス信号ＦＧのオン／オフに応じてトランジスタＱ１がオン／オフする。なお、ベースプルアップ抵抗Ｒ１と、コレクタに接続した抵抗Ｒ２の電源電圧としては回路省電圧Ｖcsが供給されている。一方、トランジスタＱ１のコレクタには、コンデンサＣ２が接地（ＧＮＤ）間に接続されているので、トランジスタＱ１のコレクタ電圧は、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ２の立ち上がり時定数を持つ積分波形となる。これが、ウォッチドッグタイマ２１のクロック端子ＣＫに入力している。
【００２６】
周期判定回路１８ａは、ウォッチドッグタイマ２１を用いたバンドパス回路からなる。ウォッチドッグタイマ２１のコンデンサタイマ端子ＣtにコンデンサＣ１が接続され、リセット出力端子ＲＥＳがダイオードＤ１を介して、コンデンサＣ１に接続されている。これによって、コンデンサＣ１で設定された低周波数以下のＦＧ入力と、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２で設定された高周波数以上のＦＧ入力とに対してはリセット信号（−ＲＥＳ）が出力される。このウォッチドッグタイマ２１の電源電圧も回路省電圧Ｖcsである。
【００２７】
なお、ウォッチドッグタイマ２１の電源監視ＩＣ（リセットＩＣ）の機能を採用し、電源レベル監視とパワーオンリセット動作信号により、始動回路のトリガ信号を作る省電圧Ｖcsレベル検出回路１８ｂが構成されている。
【００２８】
始動トリガ回路１８ｃは、単安定マルチバイブレータ２２を用いて構成されており、図２の４段目及び５段目に示されるように、上記ウォッチドッグタイマ２１からのリセット信号の立ち上がりに応じてトリガ信号を始動回路の始動転流継続時間設定回路１０へ出力する。なお、このトリガ信号の入力により、始動制御が開始される。
【００２９】
再トリガインターバル回路１８ｄも、単安定マルチバイブレータ２３を用いて構成されており、図２の４段目及び６段目に示されるように、上記ウォッチドッグタイマ２１からのリセット信号の立ち下がりに応じてインターバル信号をトランジスタＱ２を介して、省スタンバイ電源回路１７に出力する。このインターバル信号は、単安定マルチバイブレータ２３に設定された時定数により定められた時間出力されるようになっている。
【００３０】
そして、省スタンバイ電源回路１７は、ＰＷＭ指令信号の入力に応じて電源回路１６から供給される回路主電圧ＶccをトランジスタＱ３によりスイッチして回路省電圧Ｖcsを供給する。なお、トランジスタＱ３は、ＰＷＭ指令が維持されている間オンするトランジスタＱ４を介してオン／オフするようになっている。そのため、インターバル信号によって、オンしたトランジスタＱ２のコレクタがトランジスタＱ４のベースに接続されているので、ＰＷＭ指令中であっても、トランジスタＱ４・Ｑ３をオフすることができ、省電圧Ｖcsをオフし、回路リセットができる。
【００３１】
このようにして構成されたブラシレスモータの制御回路における制御要領について以下に示す。
【００３２】
通常の始動制御にあっては、図２のタイムチャートにおける時刻Ｔ１までに示されるように、ＰＷＭ指令信号入力により上昇する回路省電圧Ｖcsの上昇がしきい値Ｖ１以上になったら、周期判定回路１８ａから、設定したリセットホールド時間Ｔprの経過後に図２の４段目に示されるように周期判定信号が出力される。同時に、始動トリガ回路１８ｃからトリガ信号が出力され、それに応じて始動制御が行われる。始動制御は、上記したように疑似センサ信号を生成し、それに応じて転流制御して、モータ１を強制的に回転させる。
【００３３】
その後何らかの原因によりモータ１が停止して、図２の３段目に示されるように回転に応じて出力されている回転パルス信号ＦＧが長時間発生しないと、ウォッチドッグタイマ２１の監視時間Ｔwdの間に次の回転パルス信号ＦＧが発生しないことから、周期判定回路１８ａの上記バンドパス機能による下限値（低周波数以下）の検出が行われる。その下限値しては監視時間Ｔwdであって良く、モータ１の始動周波数の周期よりある程度長めに設定しておく。
【００３４】
上記したように監視時間Ｔwdの間に次の回転パルス信号ＦＧが発生しないモータ停止状態になったら、監視時間Ｔwd経過後（時刻Ｔ１）に周期判定信号がリセット（信号の立ち下がり）され、同時にインターバル信号が出力されるため、それにより省スタンバイ電源回路１７からの回路省電圧Ｖcsの出力が消滅する。したがって、回路省電圧Ｖcsで動作しているウォッチドッグタイマ２１にあっては、そのリセットパルス幅Ｔwrの設定にかかわらず、リセット信号である周期判定信号が消滅したままになる。
【００３５】
次に、再トリガインターバル回路１８ｄで設定されたインターバル時間Ｔiの経過後（時刻Ｔ２）にインターバル信号の消失（信号の立ち下がり）により、省スタンバイ電源回路１７が動作を再開して、回路省電圧Ｖcsが上昇し、上記と同様にモータ１の始動制御を再開する再始動制御が行われる。これにより、始動失敗や過負荷脱調、あるいは何らかの原因による停止時において、手動による再始動操作を行うことなく、自動的に再始動制御を行うことができる。
【００３６】
また、過負荷停止時に発生するドライバの発振（回路発振状態）が起きると、回転パルス信号ＦＧが、図２の３段目の時刻Ｔ３から示されるように発振状態になる。この時の発振周波数はモータ１の最高回転数以上になり、上記周期判定回路１８ａのバンドパス機能における高周波数設定値（上限値）をモータ最高回転数よりある程度上げて設定しておくことにより、上記発振現象を好適に検出可能である。
【００３７】
その発振現象を検出したら、上記監視時間Ｔwd経過後（時刻Ｔ４）に周期判定信号のリセットが行われる。その後の処理は、上記停止時と同様であり、インターバル時間Ｔi経過後に再始動制御が行われる。
【００３８】
上記下限値と上限値との間の範囲が正常回転領域であり、その領域内にセンサ信号の周期がある場合には通常のモータ回転制御が行われる。
【００３９】
また、インターバル時間Ｔiを設けて、その経過後に再始動処理を行うようにしていることから、例えば回転不良の原因が過電流であった場合には再始動後も再び過電流検知が繰り返されることが考えられるが、そのような場合であっても、回転磁界発生回路を構成する本制御回路のパワー素子の発熱が蓄積されない程度にインターバル時間Ｔiを長めに設定しておくことにより、パワー素子に対する発熱による悪影響を防止できる。
【００４０】
また、上記上下限値により検出された回転不良時に、その異常検出信号を外部回路へ出力すれば、その出力に応じてＰＷＭ信号をオフ状態にすることにより自動復帰の禁止を行うように制御することもできる。
【００４１】
【発明の効果】
このように本発明によれば、始動開始時のセンサ信号の周期より長めの下限値と、モータ最高回転数より高めの上限値とを設定し、センサ信号が下限値以下または上限値以上になった場合には再始動処理を行うようにしたことから、始動失敗・過負荷脱調などによる停止時の回路状態のいずれの場合においても上記下限値以下または上限値以上になるため、各場合を確実に検出できかつ再始動処理を行うことから、センサ素子を設けないブラシレスモータにおいて、始動失敗・過負荷脱調などによる停止などが起きた場合に自動復帰ができるようになった。回転磁界発生回路を構成する本制御回路のパワー素子の発熱が蓄積されない程度にインターバル時間を長めに設定しておくことにより、パワー素子に対する発熱による悪影響を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたブラシレスモータの制御回路を示す回路ブロック図。
【図２】本制御回路におけるブラシレスモータの制御要領を示すタイムチャート。
【図３】再始動回路１８のブロック図。
【図４】再始動回路１８の具体的回路を示す図。
【符号の説明】
１ブラシレスモータ
２ドライバ回路
３入出力Ｉ／Ｆ回路
４ＰＷＭ回路
５プリドライバ
６パワードライバ
７センサ信号発生回路
８センサ信号切替ロジック回路
９始動転流センサ信号発生回路
１０始動転流継続時間設定回路
１１クロック信号発生回路
１２モータ転流制御回路
１３保護回路
１４インヒビット回路
１５外部電源
１６電源回路
１７省スタンバイ電源回路
１８再始動回路
１８ａ周期判定回路
１８ｂ省電圧Ｖcsレベル検出回路
１８ｃ始動トリガ回路
１８ｄ再トリガインターバル回路
２１ウォッチドッグタイマ
２２・２３単安定マルチバイブレータ

Claims

ロータの位置を当該ロータの回転によりステータコイルに発生する誘起電圧により検出してロータ位置信号を発生するロータ位置信号発生回路と、前記ロータ位置信号に基づいて前記ロータを回転させる回転磁界をステータコイルに発生させる回転磁界発生回路と、前記ロータ位置信号の発生周期が正常回転領域にあるか否かを判定すると共に当該発生周期が当該正常回転領域外にあると判定された場合には前記回転磁界発生回路をリセットして所定のインターバル時間経過後に再始動状態にするための再始動回路とを有し、
前記再始動回路は、前記発生周期が前記正常回転領域にあるか否かを前記発生周期が下限値と上限値との間にあるか否かにより判定する周期判定回路を有し、
前記周期判定回路への電源回路からの電圧出力が、前記リセット時に消滅し、前記インターバル時間経過後に再開されることを特徴とするブラシレスモータの制御回路。