JP4723883B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石モータをセンサレスで正弦波駆動するモータ制御装置に関する。

近年、ブラシレスモータは、その効率の優秀性から家電機器に使用され、また、小型で形状自由度の高さから情報機器などにも使用されている。下記特許文献には、ＤＶＤ、ＣＤ、ＨＤＤなどのディスク記録媒体を回転駆動するスピンドルモータにブラシレスモータを用いることが記載されている。ここに記載された駆動装置は、何れもブラシレスモータのロータ位置を検出するためにホール素子を備え、その位置信号に基づいて１２０度通電方式または正弦波ＰＷＭ方式による通電信号を生成するようになっている。
再表０１／０３９３５８号公報 特開２００３−３３９１４３号公報 特開２００４−２４２４１７号公報

上述した家電機器や情報機器などでは、モータの小型化・低コスト化のためのセンサレス駆動と、振動・騒音を防止するための正弦波駆動とを両立させることが求められている。しかし、ＤＳＰなどの高速プロセッサを用いてセンサレスベクトル制御等の演算を行うと構成が複雑化してコスト高となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、正弦波状のＰＷＭ通電方式であって、ロータの回転位置センサが不要なセンサレス駆動を低コストで実現できるモータ制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載のモータ制御装置は、
永久磁石を有するロータと３相巻線を設けたステータとからなる永久磁石モータを制御するモータ制御装置において、
前記３相巻線の電流を検出する電流検出手段と、
検出した３相巻線電流から相電圧方程式に基づいて各相の誘起電圧を演算し誘起電圧信号を出力する誘起電圧演算手段と、
前記誘起電圧演算手段から出力される各相の誘起電圧信号と基準電位とのクロス点、前記誘起電圧信号同士のクロス点、および前記誘起電圧信号と前記誘起電圧信号の０．３６６倍の信号とのクロス点により分割される２４分解能のロータ回転位置を検出する第１の位置検出手段と、
前記誘起電圧演算手段から出力される各相の誘起電圧信号と基準電位とのクロス点および前記誘起電圧信号同士のクロス点により分割される１２分解能のロータ回転位置を検出する第２の位置検出手段と、
前記誘起電圧演算手段から出力される各相の誘起電圧信号同士のクロス点により分割される６分解能のロータ回転位置を検出する第３の位置検出手段と、
前記永久磁石モータの回転速度が高いほど高分解能のロータ回転位置を選択する選択手段と、
前記ロータ回転位置および位相指令に基づいて通電位相を決定する通電位相制御手段と、
前記通電位相および電圧指令に基づいて、余弦波の１８０度分に対応した１２分解能の電位を形成し、前記通電位相に対応して最大２４分解能の３相通電信号を形成する通電信号形成手段と、
前記３相通電信号をＰＷＭ変調しその変調後の３相通電信号に応じた電圧を前記３相巻線に供給する通電手段とから構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、正弦波状のＰＷＭ通電方式によるセンサレス駆動が可能となる。そして、相電圧方程式に基づいて演算した各相の誘起電圧から６ｎ分解能（ｎ＝１、２、３、…）のロータ回転位置を検出するので構成の簡素化と低コスト化が図られる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図２３を参照しながら説明する。
図１は、ブラシレスモータの駆動制御用ＩＣ（半導体集積回路装置）の全体構成を示している。このＩＣ１（モータ制御装置に相当）は、プロセッサによるソフトウェア処理ではなくハードウェアの処理により各機能を実現したもので、３相のブラシレスモータ２を直接駆動することができる。このブラシレスモータ２は、ＤＶＤ、ＣＤ、ＨＤＤなどのディスク記録媒体を回転駆動するスピンドルモータであり、永久磁石を有するロータと３相巻線２ｕ、２ｖ、２ｗを設けたステータとからなる永久磁石モータである。

ＩＣ１には電源端子１ａ、１ｂを介して電源電圧Ｖcc（例えば１２Ｖ）が供給されるようになっており、端子１ｃ、１ｄ、１ｅにはそれぞれ後述する電圧指令信号Ｖref、スタート信号Ｓstart、ブレーキ信号Ｓbrakeが与えられるようになっている。また、端子１ｕ、１ｖ、１ｗはそれぞれモータ２の巻線２ｕ、２ｖ、２ｗの接続用端子であり、端子１ｆ、１ｇ、１ｈ、端子１ｉ、１ｊ、１ｋおよび端子１ｌ、１ｍ、１ｎは後述する外付け部品の接続用端子である。

ＩＣ１は以下の回路構成を備えている。
通電回路３（通電手段に相当）は、例えば５０ｋＨｚの三角波信号Ｓｃを発生する三角波発生回路４、通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwと三角波信号Ｓｃとを比較してＰＷＭ信号を生成する比較回路５、ＰＷＭ信号を増幅してＦＥＴ（後述）のゲートに供給するためのゲートドライブ回路６およびスイッチング回路７から構成されている。

スイッチング回路７は、電源端子１ａに繋がる電源線と電源端子１ｂに繋がる電源線（グランド線）との間に６つのＦＥＴ（図１にはＵ相の上下アームを構成するＦＥＴ７up、７unのみを示す）を三相ブリッジ接続してなるインバータ回路である。このスイッチング回路７の各相の出力端子とＩＣ１の端子１ｕ、１ｖ、１ｗとの間には、それぞれシャント抵抗８ｕ、８ｖ、８ｗが接続されている。基準電圧発生回路９は、例えば電源電圧Ｖccの１／２の基準電圧Ｖｒを生成し、それを各回路に対して出力するようになっている。

スイッチング回路７の出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと端子１ｕ、１ｖ、１ｗの電圧Ｖuo、Ｖvo、Ｖwoつまりシャント抵抗８ｕ、８ｖ、８ｗの両端子の電圧は、電流検出回路１０に入力されるようになっている。この電流検出回路１０（電流検出手段に相当）は、シャント抵抗８ｕ、８ｖ、８ｗの端子間電圧に基づいてスイッチング回路７の出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに応じた電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを出力するもので、図２に示す回路構成を備えている。

この図２において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流検出回路１０ａ、１０ｂ、１０ｃは全て同じ構成である。例えば電流検出回路１０ａは、オペアンプ３０ａと抵抗３２ａ〜３５ａとからなる差動増幅回路と、オペアンプ３１ａと抵抗３６ａ〜３８ａとからなる反転増幅回路を備えている。上記基準電圧Ｖｒは、抵抗３２ａ、３６ａを介してオペアンプ３０ａ、３１ａの非反転入力端子に与えられている。電流検出回路１０の出力信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、図１に示す総電流検出回路２１および外部出力のための端子１ｉ、１ｊ、１ｋに与えられている。

スイッチング回路７の出力端子にはフィルタ回路１１が接続されており、そのフィルタ回路１１の出力信号が誘起電圧演算回路１５に入力されている。フィルタ回路１１は、スイッチング回路７の各相の出力端子とＩＣ１の端子１ｆ、１ｇ、１ｈとの間に接続された抵抗１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、ＩＣ１の端子１ｆ、１ｇ、１ｈとグランドとの間に外付けされるコンデンサ１１ｘ、１１ｙ、１１ｚとから構成されている。なお、コンデンサ１１ｘ、１１ｙ、１１ｚの容量が小さい場合には、外付けではなくＩＣ１の内部に形成することが好ましい。

ＩＣ１の端子１ｉ、１ｊ、１ｋと端子１ｌ、１ｍ、１ｎとの間は、それぞれ抵抗１２ａ、１２ｂ、１２ｃとコンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃとの直列回路が外付けされ、これらの直列回路と並列に抵抗１４ａ、１４ｂ、１４ｃが接続されている。抵抗１２ａ、１２ｂ、１２ｃは発振防止用の抵抗である。

誘起電圧演算回路１５（誘起電圧演算手段に相当）は、電流検出回路１０から上記外付け回路を介して入力される電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗとフィルタ回路１１を通過した電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗとを入力し、誘起電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗに応じた誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗを出力するようになっている。

図３は、この誘起電圧演算回路１５の回路構成を示している。各相は同じ構成を有しており、例えばＵ相の場合には、オペアンプ４０ａと抵抗４２ａ、４３ａとからなる反転増幅回路と、オペアンプ４１ａと抵抗４４ａ、４５ａ、４６ａとからなる加算回路により構成されている。また、仮想中性点電圧Ｖｎ’に相当する中性点電圧信号Ｖｎ’を生成するために、ボルテージホロアのオペアンプ４７と同じ抵抗値を持つ抵抗４８ａ、４８ｂ、４８ｃとからなる加算回路４９（中性点電圧形成手段に相当）が設けられている。

図１において、誘起電圧演算回路１５から出力される誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗは、誘起電圧比較回路１６に入力されている。誘起電圧比較回路１６は、誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗを互いにおよび基準電圧Ｖｒと比較するもので、図４に示す回路構成を備えている。この図４において、コンパレータｃ０、ｃ１、ｃ２は、それぞれ誘起電圧信号ｅｕとｅｗ、ｅｖとｅｕ、ｅｗとｅｖを比較して信号ｓ０、ｓ１、ｓ２を出力し、コンパレータｃ３、ｃ４、ｃ５は、それぞれ誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗと基準電圧Ｖｒとを比較して信号ｓ３、ｓ４、ｓ５を出力するようになっている。

分圧回路５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、基準電圧Ｖｒに対して誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗを０．３６６倍に分圧するもので、それぞれ抵抗５１ａと５２ａ、５１ｂと５２ｂ、５１ｃと５２ｃから構成されている。コンパレータｃ６、ｃ９は、それぞれ誘起電圧信号ｅｕと分圧された誘起電圧信号ｅｗ、ｅｖとを比較して信号ｓ６、ｓ９を出力し、コンパレータｃ７、ｃ１０は、それぞれ誘起電圧信号ｅｖと分圧された誘起電圧信号ｅｕ、ｅｗとを比較して信号ｓ７、ｓ１０を出力し、コンパレータｃ８、ｃ１１は、それぞれ誘起電圧信号ｅｗと分圧された誘起電圧信号ｅｖ、ｅｕとを比較して信号ｓ８、ｓ１１を出力するようになっている。

誘起電圧比較回路１６から出力される信号ｓ０〜ｓ１１は、図１に示す位置ロジック回路１７に入力されている。位置ロジック回路１７は、信号ｓＱ（後述）に応じて所定の分解能（２４分解能、１２分解能、６分解能の何れか）を持つ５ビットの位置データＤ１（ロータ回転位置に相当）を出力するものである。

図５は、この位置ロジック回路１７の構成を示している。信号ｓ０〜ｓ１１は、２４分解能ロジック回路６０、１２分解能ロジック回路６１、６分解能ロジック回路６２および回転信号回路６３に入力されている。ロジック回路６０、６１、６２は、分解能に応じた５ビットのデジタル信号を出力し、選択回路６４は、回転速度に応じた２ビットの選択信号ｓＱに基づいて何れかのデジタル信号を選択して位置データＤ１として出力するようになっている。また、回転信号回路６３は、信号ｓ０〜ｓ２からなる回転信号ＦＧを出力するようになっている。これら誘起電圧比較回路１６と位置ロジック回路１７とにより位置検出回路１８（位置検出手段に相当）が構成されている。

図１において、位置ロジック回路１７からの回転信号ＦＧは、端子１ｐを通じてＩＣ１の外部に出力されるとともに回転周期検出回路１９に入力されている。回転周期検出回路１９は、回転周期（回転速度）に応じた信号ｓＰ、ｓＱ、ｓＲを出力するようになっている。

位置ロジック回路１７からの位置データＤ１は、位相制御回路２０に入力されている。位相制御回路２０（通電位相制御手段に相当）は、回転速度および駆動状態（駆動／制動）に応じて位相指令を定め、位置データＤ１と位相指令とに基づいて通電位相を決定するものである。

図６は、この位相制御回路２０の構成を示している。位相選択回路７０は、回転速度に応じた信号ｓＰとブレーキ状態を示す信号ｓＢに基づいて位相データを選択し、それを位相データＤ２として加算器７１に出力する。加算器７１は、位置データＤ１と位相データＤ２とを加算して通電位相データＤ５を生成する。切換回路７２は、信号ｓＴ（後述）に応じて上記通電位相データＤ５と始動時の通電位相データＤ４（後述）とを切り換えることにより、何れか一方を通電位相データＤ３として出力するようになっている。

図１において、総電流検出回路２１は、検出した電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを入力として総電流Ｉｍに対応した総電流信号ｉｍを出力するもので、図７に示す回路構成を備えている。この図７において、電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、それぞれ基準電圧Ｖｒに対する絶対値回路８０ａ、８０ｂ、８０ｃを通して加算器８１に入力されている。図１に示す電圧制限回路２２は、外部からの電圧指令信号Ｖrefと総電流信号ｉｍを入力し、電圧形成回路２３に対し電圧信号ｓＶを出力するようになっている。

電圧形成回路２３（通電信号形成手段に相当）は、通電位相データＤ３および電圧信号ｓＶに基づいて３相通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwを形成するもので、図８に示す回路構成を備えている。すなわち、電圧形成回路２３は、電圧信号ｓＶを入力としボルテージホロワとして動作するオペアンプ９０、オペアンプ９１と抵抗９２、９３からなる反転増幅回路、余弦波状の信号を形成するための分圧回路９４（電位形成手段に相当）と分圧電圧を通電位相データＤ３に応じて選択するスイッチ回路９５ａ、９５ｂ、９５ｃ（電位選択手段に相当）、およびボルテージホロワとして動作するオペアンプ９６ａ、９６ｂ、９６ｃから構成されている。３相通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwは、上述した比較回路５に入力されている。

図１に示す始動制御回路２４（始動制御手段に相当）は、外部からのスタート信号Ｓstartに応じて所定周波数の通電位相データＤ４を形成して位相制御回路２０に出力しモータ２を強制回転させる強制回転手段と、強制回転の開始後所定回転速度に達した後に、通電位相データＤ５に基づく運転に切り換えるための信号ｓＴを出力する切換手段とから構成されている。

ブレーキ制御回路２５（ブレーキ制御手段、正負判定手段に相当）は、外部から電圧指令信号Ｖrefとブレーキ信号Ｓbrakeを入力し、回転周期検出回路１９から信号ｓＲを入力し、位相制御回路２０に対しブレーキ状態を示す信号ｓＢを出力するとともに、比較回路５に信号ｓＫを出力するようになっている。

次に、本実施形態の作用について図９ないし図２３も参照しながら説明する。
まず、図２を参照してシャント抵抗８ｕ、８ｖ、８ｗの両端の電圧を入力とする電流検出回路１０の動作について説明する。例えばＵ相の電流検出回路１０ａにおいて、抵抗３２ａ〜３５ａは同じ抵抗値を有している。オペアンプ３０ａを用いた初段の差動増幅回路は、基準電圧Ｖｒを基準として、図中に記号ｘ、ｙで示す入力電圧の差を出力する。オペアンプ３１ａを用いた次段の反転増幅回路は、抵抗３７ａ、３８ａの抵抗値をそれぞれＲａ、Ｒｂとすれば、−Ｒｂ／Ｒａの増幅率を持つ。従って、電流検出回路１０ａから出力される電圧ｚは、次の（１）式のようになる。
ｚ＝（Ｒｂ／Ｒａ）（ｙ−ｘ）＋Ｖｒ …（１）

ここで、電圧（ｙ−ｘ）は、モータ２の巻線２ｕに流れる電流Ｉｕよるシャント抵抗８ｕの電圧降下なので、出力電圧ｚは巻線電流Ｉｕに比例した電流信号ｉｕとなる。他のＶ相、Ｗ相も同様に動作し、巻線２ｕ、２ｖ、２ｗに流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに比例した電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが出力される。

続いて、図３を参照して誘起電圧演算回路１５の動作について説明する。
スイッチング回路７の出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗはＰＷＭ波形を有しているので、フィルタ回路１１を通してから誘起電圧演算回路１５に与えられる。図３に示すように、このフィルタ通過後の電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗは、基準電圧Ｖｒを基準として反転増幅されて加算回路に入力される。また、抵抗４８ａ、４８ｂ、４８ｃにより合成されてオペアンプ４７を介して各相の加算回路に入力される電圧は、電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗの平均値であり、巻線２ｕ、２ｖ、２ｗの中性点電圧Ｖｎと等価（仮想中性点電圧Ｖｎ’）になる。

誘起電圧演算回路１５のうちＵ相を例に説明すると、図中ｘ１〜ｘ４により各部の電圧を表し、抵抗１２ａ、１４ａ、４４ａ、４５ａ、４６ａの抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、コンデンサ１３ａの静電容量をＣ１とすれば、出力電圧ｚは（２）式のようになる。
ｚ＝−Ｒ５・Ｃ１・ｄｘ１／ｄｔ−（Ｒ５／Ｒ２）ｘ２
−（Ｒ５／Ｒ３）ｘ３−（Ｒ５／Ｒ４）ｘ４ …（２）

電圧ｘ１、ｘ２は電流信号ｉｕ、電圧ｘ３は電圧信号−ｖｕ、電圧ｘ４は中性点電圧信号Ｖｎに対応している。ここで、Ｒ５・Ｃ１をモータ２の１相のインダクタンスＬにシャント抵抗８ｕの抵抗値の逆数を乗算した値に設定し、（Ｒ５／Ｒ２）をモータ２の１相の巻線抵抗Ｒにシャント抵抗８ｕの抵抗値の逆数を乗算した値に設定し、さらに（Ｒ５／Ｒ３）と（Ｒ５／Ｒ４）を１に設定することにより次の（３）式となる。
ｚ＝−Ｌ・ｄＩｕ／ｄｔ−Ｒ・Ｉｕ＋ｖｕ−Ｖｎ …（３）

図９に示したモータ２の等価回路と照らし合わせると、出力電圧ｚは誘起電圧Ｅｕとなる。他の相も同様であり、誘起電圧演算回路１５は、誘起電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗに応じた誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗを出力する。ここで、モータ定数ＬとＲに関連するコンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃと抵抗１４ａ、１４ｂ、１４ｃはＩＣ１の外部に接続されるため、使用するブラシレスモータに応じて調整することができる。

続いて、位置検出回路１８の動作について説明する。
図１０は、誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ、分圧により得られた０．３６６倍の誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗおよびコンパレータｃ０〜ｃ１１の出力信号ｓ０〜ｓ１１の各波形を示している。誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗが正弦波状の信号とすると、信号ｓ０〜ｓ１１により１周期が２４の領域に区分される。すなわち、コンパレータｃ０〜ｃ１１の信号ｓ０〜ｓ１１により、その「０」と「１」に対応して電気周期が２分割される。そして、１２個のコンパレータｃ０〜ｃ１１の出力信号ｓ０〜ｓ１１は互いにタイミングが異なるので、１電気周期がほぼ１５度ずつに２４分割されることになる。

ここで用いる０．３６６倍は、この１５度のずれを作るための分圧比ｍであって、以下の（４）式に基づいて定まる。
ｓｉｎ１５°＝分圧比ｍ・ｓｉｎ（６０°−１５°） …（４）

図１１、図１２、図１３は、それぞれ２４分解能ロジック回路６０、１２分解能ロジック回路６１、６分解能ロジック回路６２の入出力信号の対応関係を示している。図１１に示すように、２４分解能ロジック回路６０は、信号ｓ０〜ｓ１１に基づいて、誘起電圧比較回路１６により２４分割された領域を０〜２３の５ビットの位置データに対応させる。例えば信号ｓ０〜ｓ１１が「ＬＬＨＨＬＨＬＬＨＨＬＨ」の場合「００」となる。モータ２の回転に伴い、位置データは００から２３の値に順に変化する。これにより、モータ２の誘起電圧の１周期つまり１電気周期に対して２４分割（２４区分）された２４分解能の位置信号を得ることができる。同様にして、１２分解能ロジック回路６１は、図１２に示すように信号ｓ０〜ｓ５に基づいて１２分解能の位置データを生成し、６分解能ロジック回路６２は、図１３に示すように信号ｓ０〜ｓ２を用いて６分解能の位置データを生成する。

これらのロジック回路６０、６１、６２は、入力する信号ｓ０ないしｓ１１の違いに起因して特性上の違いが生じる。すなわち、６分解能ロジック回路６２が用いる信号ｓ０〜ｓ２は、振幅差が大きい誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ同士を比較して作られる信号であるため感度が最も高い。これに対し、１２分解能ロジック回路６１が用いる信号ｓ３〜ｓ５は、誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗと基準電圧Ｖｒとを比較して作られる信号であり感度が落ちる。さらに、２４分解能ロジック回路６０が用いる信号ｓ６〜ｓ１１は、誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗとその０．３６６倍の信号とを比較して作られる信号であるため感度が最も低い。

すなわち、６分解能ロジック回路６２は、モータ回転速度が低く誘起電圧が比較的小さい状態でも誤りなく位置データを出力できるのに対し、２４分解能ロジック回路６０は、モータ回転速度がより高く誘起電圧が比較的大きい状態で位置データを出力可能となる。選択回路６４は、信号ｓＱに基づいてこれら３種類の位置データのうちの１つを選択し、それを位置データＤ１として出力する。後述するように、信号ｓＱは、モータ回転速度が低いときには６分解能ロジック回路６２を選択し、回転速度が高くなるにつれて１２分解能ロジック回路６１、２４分解能ロジック回路６０を順次選択する。回転信号回路６３は、信号ｓ０〜ｓ２に基づいて図１４に示すように電気角６０度ごとに変化する回転信号ＦＧを出力する。

回転周期検出回路１９は、クロックＣＫを基準として回転信号ＦＧの変化周期をカウントする。すなわち、回転周期検出回路１９は、回転信号ＦＧの変化のたびにラッチおよびリセットを繰り返すカウンタ（図示せず）を備えており、回転信号ＦＧの変化周期（つまり回転速度）に対応するデータを生成する。そして、このデータと複数の所定のデータとを比較することにより、信号ｓＰ、ｓＱ、ｓＲを出力する。これにより、信号ｓＰ、ｓＱ、ｓＲはモータ２の回転速度に応じた信号となる。

続いて、位相制御回路２０の動作について説明する。
図６に示す位相選択回路７０は、回転周期検出回路１９からの信号ｓＰおよびブレーキ制御回路２５からの信号ｓＢに応じて位相データＤ２を出力する。図１５は、その信号ｓＰ、ｓＢと位相データＤ２との関係を示している。信号ｓＰは回転速度に対応しており、例えば回転周波数が０〜１００ＨｚのときにはｓＰ＝００、回転周波数が１００〜４００ＨｚのときにはｓＰ＝０１、回転周波数が４００Ｈｚ以上のときにはｓＰ＝１０である。また、非ブレーキ状態では信号ｓＢ＝０、ブレーキ状態ではｓＢ＝１である。

非ブレーキ状態の場合、回転周波数が０〜１００Ｈｚのときには位相データＤ２＝００が選択され、回転周波数が１００〜４００Ｈｚのときには位相データＤ２＝０１が選択され、さらに回転周波数が４００Ｈｚ以上のときには位相データＤ２＝１０が選択される。位相データＤ２の０１は電気角で進み１５度に対応し、位相データＤ２の１０は電気角で進み３０度に対応する。つまり、電圧指令が基準電圧Ｖｒよりも大きい状態（電圧指令が正の状態に相当）では、回転速度が高くなるほど位相指令を進ませる。

これに対し、ブレーキ状態の場合、回転周波数が０〜１００Ｈｚのときには位相データＤ２＝００が選択され、回転周波数が１００〜４００Ｈｚのときには位相データＤ２＝２３が選択され、さらに回転周波数が４００Ｈｚ以上のときには位相データＤ２＝２２が選択される。位相データＤ２の２３は電気角で遅れ１５度に対応し、位相データＤ２の２２は電気角で遅れ３０度に対応する。つまり、電圧指令が基準電圧Ｖｒよりも小さい状態（電圧指令が負の状態に相当）では、回転速度が高くなるほど位相指令を遅らせる。

加算器７１は、位置データＤ１と位相データＤ２とを加算し、加算結果が２３を超えた場合には２４を減算する。その結果、加算結果である通電位相データＤ５は、常に００〜２３の範囲内の値となる。切換回路７２は、信号ｓＴに応じて通電位相データＤ４とＤ５の何れか一方を選択し、通電位相データＤ３として出力する。

図１６は、総電流検出回路２１の動作説明図であり、電流信号ｉｕ〜ｉｗ、電流信号ｉｕ〜ｉｗの絶対値および総電流信号ｉｍの各波形を示している。この総電流信号ｉｍは、ＩＣ１の出力電流に応じた直流信号となる。

図１７は、電圧制限回路２２に入力される電圧指令信号Ｖref（横軸）と出力される電圧信号ｓＶ（縦軸）との関係を示している。両信号は基準電圧Ｖｒを基準とした比例関係にあり、電圧制限回路２２はこの傾きを総電流Ｉｍに従って変化させる。すなわち、総電流信号ｉｍが所定のしきい値未満である場合には、実線で示すように電圧指令信号Ｖrefをそのまま電圧信号ｓＶとして出力し、総電流信号ｉｍが所定のしきい値以上である場合には、その差に応じて破線で示すように傾きを調整して電圧信号ｓＶを低減する。通電回路３の出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは電圧信号ｓＶに比例するので、総電流Ｉｍにより通電回路３の出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗが調整され、通電回路３の出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはほぼ所定値内に制限される。これにより、スイッチング回路７およびモータ２が過大な電流から保護される。

電圧形成回路２３を示す図８において、直列接続された１４個の抵抗からなる分圧回路９４の一端には、電圧信号ｓＶがバッファ回路を介して与えられ、分圧回路９４の他端には、電圧信号ｓＶが基準電圧Ｖｒを基準とする反転増幅回路を介して与えられている。また、分圧回路９４の中央の接続点には基準電圧Ｖｒが与えられている。分圧回路９４は、電圧信号ｓＶ、基準電圧Ｖｒおよび電圧（２・Ｖｒ−ｓＶ）を基に、抵抗比に従って１２の分圧電圧を生成する。

図１８は、分圧回路９４によって生成される電圧を示している。電圧信号ｓＶが入力されたときの１２の分圧電圧は、図中左端の縦軸に沿って不等間隔で示されている。その右側に示された曲線Ａは、一定時間間隔でこれら１２の分圧電圧を順次切り換えて選択したときの電圧信号波形を示しており、曲線上の黒丸は分圧電圧を示している。この電圧信号は、振幅について１２分解能の余弦波形の信号となっている。ここで、入力される電圧信号ｓＶが変化すると、曲線Ｂ、Ｃ、Ｄのように変化する。ここで、曲線Ｃは、電圧信号ｓＶの電圧が基準電圧Ｖｒと等しい場合であり、曲線Ｄは、電圧信号ｓＶの電圧が基準電圧Ｖｒよりも低い場合である。

電圧形成回路２３において、スイッチ回路９５ａ、９５ｂ、９５ｃは、通電位相データＤ３に応じてこれらの分圧電圧を選択する。スイッチ回路９５ａ、９５ｂ、９５ｃはそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチ回路であり、図１９のｖru、ｖrv、ｖrwで示される通電信号を出力する。通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwは、それぞれ基準電圧Ｖｒを基準とした１２分解能の電位および２４分解能の位相を持つ概略正弦波状の３相波形であり、その振幅は（ｓＶ−Ｖｒ）である。図１９は電圧信号ｓＶ＞基準電圧Ｖｒの場合を示しているが、電圧信号ｓＶ＜基準電圧Ｖｒの場合には図２０で示すように通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwが反転する。

これら図１９および２０は、位置ロジック回路１７内で信号ｓＱにより２４分解能ロジック回路６０の出力が選択されている場合であり、電圧信号ｓＶ＞基準電圧Ｖｒの条件の下で１２分解能ロジック回路６１の出力が選択されている場合には図２１、６分解能ロジック回路６２が選択されている場合には図２２に示す波形となる。これら図２１および図２２は、位相制御回路２０により位相が０１だけ加算された場合を示している。これらは、ボルテージホロワとして動作するオペアンプ９６ａ、９６ｂ、９６ｃを介して通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwとして出力される。上述した通電回路３の作用により、これらの通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwがＰＷＭ変調され、モータ２に対し電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして印加される。

次に、始動制御回路２４の動作について説明する。
始動制御回路２４は、停止状態から上述した位置検出に基づく閉ループ動作が可能な回転速度までモータ２を加速させるための処理である。スタート信号ＳstartがＬレベル（停止指令）である場合、始動制御回路２４は図示しない停止信号を通電回路３に出力し、通電回路３は出力がオフ状態となっている。スタート信号ＳstartがＨレベル（スタート指令）になると、始動制御回路２４は図２３に示すシーケンス動作を実行する。

すなわち、始動制御回路２４は、位相制御回路２０に対して信号ｓＴをＨレベルにする。信号ｓＴがＨレベルの期間、位相制御回路２０は、切換回路７２により通電位相データＤ４を選択しそれを通電位相データＤ３として出力する。始動制御回路２４は、スタート指令から所定時間の間、通電位相データＤ４を一定値例えば００にする。この直流励磁によりモータ２が位置決めされる。

スタート指令から所定時間後、始動制御回路２４は、内蔵する２４進リングカウンタ（図示せず）によって００〜２３の値を通電位相データＤ４として周期的に出力する強制転流動作に移行する。この２４進リングカウンタの周波数は、クロックＣＫに基づいて例えば図２３に示すように４Ｈｚから連続的または段階的に上昇する。２４進リングカウンタを使用しているため、この強制転流動作までの期間、電圧形成回路２３は位相について２４分解能の電圧波形を形成している。

周波数が例えば１０Ｈｚに到達すると、始動制御回路２４は信号ｓＴをＬレベルにし、位相制御回路２０は、切換回路７２により通電位相データＤ５を選択してそれを通電位相データＤ３として出力する。１０Ｈｚの周波数は、位置ロジック回路１７内で６分解能の位置検出が可能となる回転速度として実験的に定めた周波数である。このとき信号ｓＱは６分解能を選択しており、以降、６分解能の位置検出および電圧形成の閉ループ動作を実行するのでモータ２は急激に加速する。

位置ロジック回路１７内で１２分解能の位置検出が可能となる回転速度として実験的に定めた周波数例えば２０Ｈｚに到達すると、信号ｓＱは１２分解能を選択し、１２分解能の位置検出および電圧形成の閉ループ動作に切り替わる。さらに、位置ロジック回路１７内で２４分解能の位置検出が可能となる回転速度として実験的に定めた周波数例えば４０Ｈｚに到達すると、信号ｓＱは２４分解能を選択し、２４分解能の位置検出および電圧形成の閉ループ動作に移行する。

以上の始動シーケンスにより、安定した短時間での始動が可能となる。図２３では周波数に基づいた切り換えを行っているが、経過時間や回転角に基づいた切り換えでもよい。また、位置ロジック回路１７に、各分解能での位置検出が可能となったか否かを判定する検出判定手段を設け、その判定結果に基づいて各分解能の切り換えを行う構成としてもよい。この場合、例えば１電気周期分について所定の順序で位置を検出できるか否かという判定方法が望ましい。

上述した始動シーケンスでは直流励磁による位置決めの段階を設けているが、モータや負荷の慣性が小さい場合などでは必ずしも必要ない。また、短時間での始動を実現するため、より低い回転速度から閉ループ動作に移行できるように分解能を切り換えているが、低い分解能での駆動によって振動・騒音が発生する場合などでは、図２３において例えば４０Ｈｚまで強制転流を継続して、その後直接２４分解能動作に切り換えてもよい。

ブレーキ制御回路２５は、正負判定手段の有する機能により電圧指令信号Ｖrefと基準電圧Ｖｒとを比較して、電圧指令信号Ｖref＜基準電圧Ｖｒとなったとき（電圧指令が負と判定されたとき）に動作を開始する。ブレーキ動作は短絡ブレーキと逆トルクブレーキの２種類あり、ブレーキ信号Ｓbrakeにより選択される。

ブレーキ信号SbrakeがＬレベルの場合、ブレーキ制御回路２５は信号ｓＫを出力し、これを受けた通電回路３は例えば３相とも下側のＦＥＴをオン状態にする。これにより巻線２ｕ、２ｖ、２ｗが短絡状態となり、モータ２にブレーキ力が発生する。一方、ブレーキ信号SbrakeがＨレベルの場合、ブレーキ制御回路２５は信号ｓＢを出力し、位相制御回路２０は図１５に示した関係に従って通電位相を制御する。このとき、電圧形成回路２３は負の電圧（逆位相の通電信号）を形成しており、モータ２に逆トルクブレーキ力が発生する。モータ２の回転速度が低くなり例えば１０Ｈｚになると、回転周期検出回路１９から信号ｓＲが出力され、これを受けたブレーキ制御回路２５は信号ｓＫを発生して短絡ブレーキに切り換える。

この短絡ブレーキおよび逆トルクブレーキの状態においても電流検出回路１０、誘起電圧演算回路１５および位置検出回路１８は動作を継続しているので、電圧指令信号Ｖref＞基準電圧Ｖｒとなってブレーキが解除された場合に、モータ２を元の駆動状態つまり正トルク発生の状態に移行できる。

以上説明したように、本実施形態のモータ駆動制御用ＩＣ１は、電流検出回路１０、誘起電圧演算回路１５および位置検出回路１８を備え、検出した電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗから相電圧方程式に基づいて誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗを求め、その誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗから６ｎ分解能（ｎ＝１、２、３：６、１２、２４分解能）のロータ回転位置を検出するので、ホール素子などの位置センサを設ける必要がない。

そして、電圧形成回路２３は、分圧回路９４とスイッチ回路９５ａ、９５ｂ、９５ｃを備え、電圧信号ｓＶと通電位相データＤ３とから概略正弦波状の通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwを生成するので、通電回路３においてＰＷＭ変調が可能となり、モータ２を正弦波駆動することができる。これにより、モータ２は概略正弦波状の電流により駆動されるので、トルクリプル変動を小さくでき、振動や騒音を抑制することができる。

また、位相制御回路２０は、回転速度およびブレーキ状態に応じて適正な通電位相に制御するので、モータ２を高効率で運転することができる。また、位相分解能を３種類選択でき、回転速度が高いほど高分解能の位置データＤ１を出力する。すなわち、回転速度が低い場合には検出感度が最も高い６分解能の位置データＤ１を出力し、回転速度が増加するに従って検出感度が中程度の１２分解能の位置データＤ１、検出感度が最も低い２４分解能の位置データＤ１を出力するので、より低い回転速度までロータ回転位置を検出でき、モータ２をセンサレス駆動する閉ループ処理の動作範囲が広くなる。

電圧制限回路２２は、総電流信号ｉｍが所定のしきい値以上となった場合に、電圧指令信号Ｖrefを低減して電圧信号ｓＶとするので、通電回路３の出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが過大となることを防止でき、スイッチング回路７およびモータ２を過電流から保護できる。

始動制御回路２４は、直流励磁によるロータの位置決めを行った後、２４分解能の通電位相データＤ４を出力して強制転流を行い、その後６分解能の位置データＤ１が確立する周波数において閉ループ駆動（位置検出運転）に切り換えるので、安定して始動することができる。

ブレーキ制御回路２５は、短絡ブレーキと逆トルクブレーキを利用でき、モータ２の回転速度が低くなってロータ回転位置を検出できなくなった場合には短絡ブレーキに切り換えるので、回転速度によらずブレーキ動作が可能となる。

こうした各機能はハードウェア構成により実現されているため、Ａ／Ｄ変換器、マイコン、乗算器、ＲＯＭなどを使用する必要がなく、規模の小さい回路で構成できる。本実施形態のように例えば１２Ｖ以上の耐圧で２Ａ以上の電流出力を得るためのパワー回路と同一チップ内に構成する場合には、耐圧を確保する上で０．４μｍ〜０．６μｍ程度の集積率の低いプロセスを使用する必要がある。この点において、回路規模の小さいＩＣ１は従来のマイコン等を用いた大規模な駆動制御用ＩＣに対しコスト的に有利となる。

（第２の実施形態）
図２４は、本発明の第２の実施形態であるモータ駆動制御用ＩＣの全体構成を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。
この図２４において、ＩＣ２６の端子２６ｑは、モータ２の中性点の接続用端子である。フィルタ回路２７は、図１と同様に設けられた抵抗２７ａ、２７ｂ、２７ｃとコンデンサ２７ｘ、２７ｙ、２７ｚの他に、ＩＣ２６の端子２６ｑと２６ｒとの間に接続された抵抗２７ｍおよび端子２６ｒとグランドとの間に外付けされるコンデンサ２７ｎから構成されている。追加された抵抗２７ｍとコンデンサ２７ｎは、中性点電圧ＶｎのＰＷＭ成分を除去するように機能し、そのＰＷＭ成分が除去された信号ｖｎは誘起電圧演算回路１５に入力されている。

誘起電圧演算回路１５を示す図３において、ボルテージホロアのオペアンプ４７と抵抗４８ａ、４８ｂ、４８ｃとからなる加算回路４９で生成されていた中性点電圧信号Ｖｎ’の替わりにこの中性点電圧信号ｖｎが使用される。この構成により、さらに精度の高い誘起電圧演算が可能となる。

（第３の実施形態）
図２５は、本発明の第３の実施形態であるモータ駆動制御用ＩＣの全体構成を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。
本実施形態のＩＣ２８では、電圧信号ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに替えて電圧形成回路２３から出力される通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwを誘起電圧演算回路１５に入力している。この場合には、誘起電圧演算回路１５を示す図３において、（Ｒ５／Ｒ３）および（Ｒ５／Ｒ４）を通電回路３の出力電圧Ｖｕと同入力の電圧ｖruとの比（１／α）を（Ｖｕ／ｖru）に合わせることにより、第１の実施形態と同等な動作を行うことができる。これに伴い、図１に示すフィルタ回路１１とその端子が不要となる。

なお、図１および図２４に示す構成では、モータ２が惰性回転している場合にも誘起電圧の検出が可能であったが、本実施形態の構成では、惰性回転中つまり通電回路３の出力オフ状態では位置検出が機能しなくなるため、惰性回転中においても位置検出が必要な用途には使用できない。

（第４の実施形態）
図２６は、本発明の第４の実施形態であるモータ駆動制御用ＩＣの全体構成を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。
本実施形態のＩＣ２９では、図１に示すシャント抵抗８ｕ、８ｖ、８ｗに替えて、スイッチング回路７の下アーム側ＦＥＴ（Ｕ相の場合にはＦＥＴ７un）のオン電圧（ドレイン・ソース間電圧ＶDS）を用いて電流を検出している。電流検出回路１１０には、スイッチング回路７の出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗおよびグランド電位Gndが入力されている。

図２７は、電流検出回路１１０の構成を示している。ラッチ回路３９ａ、３９ｂ、３９ｃは、それぞれスイッチング回路７の下アーム側ＦＥＴのオン信号ｓfu、ｓfv、ｓfwにより、電流検出回路１０ａ、１０ｂ、１０ｃの出力信号をラッチ（サンプルホールド）する。これにより、下アーム側ＦＥＴのオン期間中の電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出することができる。本実施形態によればシャント抵抗８ｕ、８ｖ、８ｗが不要になる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
各実施形態では、電流検出回路１０において電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを直接検出したが、図２８に示す電流検出回路１２０のように、例えばＷ相の電流検出回路１０ｃに替えて減算回路１０ｄを設け、当該Ｗ相の電流信号ｉｗを他の２相の電流信号ｉｕとｉｖとから−（ｉｕ＋ｉｖ）の演算により求めてもよい。

各実施形態では、誘起電圧演算回路１５において誘起電圧信号ｅｕ、ｅｖ、ｅｗを直接求めたが、図２９に示す誘起電圧演算回路１３０のように、例えばＷ相の回路に替えて減算回路１３１を設け、当該Ｗ相の誘起電圧信号ｅｗを他の２相の誘起電圧信号ｅｕとｅｖとから−（ｅｕ＋ｅｖ）の演算により求めてもよい。

各実施形態では、電圧形成回路２３において通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwを直接生成したが、図３０に示す電圧形成回路１４０のように、例えばＷ相のスイッチ回路９５ｃとオペアンプ９６ｃに替えて減算回路１４１を設け、当該Ｗ相の通電信号ｖrwを他の２相の通電信号ｖruとｖrvとから−（ｖru＋ｖrv）の演算により求めてもよい。
これらの構成により、回路規模や端子などをさらに低減できる。
各実施形態では、６、１２、２４分解能の位置データ（ロータ回転位置）を生成したが、１８分解能あるいはさらに高分解能の位置データを生成してもよい。

総電流検出回路２１、電圧制限回路２２およびブレーキ制御回路２５は、必要に応じて設ければよい。
各実施形態では３相ブラシレスモータの駆動制御用ＩＣについて説明したが、３相のみならず一般に複数相ブラシレスモータの駆動制御用ＩＣについても同様となる。
ブラシレスモータ２は、スピンドルモータに限られず、一般に家電機器や情報機器などに用いられるものであってもよい。

本発明の第１の実施形態についてブラシレスモータの駆動制御用ＩＣの全体構成を示す図 電流検出回路の構成図 誘起電圧演算回路の構成図 誘起電圧比較回路の構成図 位置ロジック回路の構成図 位相制御回路の構成図 総電流検出回路の構成図 電圧形成回路の構成図 ブラシレスモータの等価回路を示す図 誘起電圧信号、０．３６６倍の誘起電圧信号およびコンパレータｃ０〜ｃ１１の出力信号の各波形を示す図 誘起電圧信号波形とともに２４分解能ロジック回路の入出力信号を示す図 １２分解能ロジック回路についての図１１相当図 ６分解能ロジック回路についての図１１相当図 誘起電圧信号波形とともに回転信号回路の入出力信号を示す図 位相選択回路における信号ｓＰ、ｓＢと位相データＤ２との関係を示す図 総電流検出回路の動作説明図 電圧制限回路に入力される電圧指令信号Ｖrefと出力される電圧信号ｓＶとの関係を示す図 電圧形成回路の分圧回路により生成される分圧電圧および該分圧電圧を用いて生成される余弦波形を示す図 電圧信号ｓＶ＞基準電圧Ｖｒの下で２４分解能ロジック回路の出力が選択されている場合の通電信号ｖru、ｖrv、ｖrwの波形を示す図 電圧信号ｓＶ＜基準電圧Ｖｒの下での図１９相当図 １２分解能ロジック回路の出力が選択されている場合の図１９相当図 ６分解能ロジック回路の出力が選択されている場合の図１９相当図 始動制御回路による始動シーケンスを示す図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 本発明の第３の実施形態を示す図１相当図 本発明の第４の実施形態を示す図１相当図 図２相当図 本発明のその他の実施形態を示す図２相当図 本発明のその他の実施形態を示す図３相当図 本発明のその他の実施形態を示す図８相当図

符号の説明

１、２６、２８、２９はＩＣ（半導体集積回路装置、モータ制御装置）、２はブラシレスモータ（永久磁石モータ）、３は通電回路（通電手段）、７up、７unはＦＥＴ（スイッチング素子）、８ｕ、８ｖ、８ｗはシャント抵抗、１０、１１０、１２０は電流検出回路（電流検出手段）、１５、１３０は誘起電圧演算回路（誘起電圧演算手段）、１８は位置検出回路（位置検出手段）、２０は位相制御回路（通電位相制御手段）、２３、１４０は電圧形成回路（通電信号形成手段）、２４は始動制御回路（始動制御手段、強制回転手段、切換手段）、２５はブレーキ制御回路（ブレーキ制御手段、正負判定手段）、４９は加算回路（中性点電圧形成手段）、９４は分圧回路（電位形成手段）、９５ａ、９５ｂ、９５ｃはスイッチ回路（電位選択手段）である。

Claims (1)

1. 永久磁石を有するロータと３相巻線を設けたステータとからなる永久磁石モータを制御するモータ制御装置において、
   前記３相巻線の電流を検出する電流検出手段と、
   検出した３相巻線電流から相電圧方程式に基づいて各相の誘起電圧を演算し誘起電圧信号を出力する誘起電圧演算手段と、
   前記誘起電圧演算手段から出力される各相の誘起電圧信号と基準電位とのクロス点、前記誘起電圧信号同士のクロス点、および前記誘起電圧信号と前記誘起電圧信号の０．３６６倍の信号とのクロス点により分割される２４分解能のロータ回転位置を検出する第１の位置検出手段と、
   前記誘起電圧演算手段から出力される各相の誘起電圧信号と基準電位とのクロス点および前記誘起電圧信号同士のクロス点により分割される１２分解能のロータ回転位置を検出する第２の位置検出手段と、
   前記誘起電圧演算手段から出力される各相の誘起電圧信号同士のクロス点により分割される６分解能のロータ回転位置を検出する第３の位置検出手段と、
   前記永久磁石モータの回転速度が高いほど高分解能のロータ回転位置を選択する選択手段と、
   前記ロータ回転位置および位相指令に基づいて通電位相を決定する通電位相制御手段と、
   前記通電位相および電圧指令に基づいて、余弦波の１８０度分に対応した１２分解能の電位を形成し、前記通電位相に対応して最大２４分解能の３相通電信号を形成する通電信号形成手段と、
   前記３相通電信号をＰＷＭ変調しその変調後の３相通電信号に応じた電圧を前記３相巻線に供給する通電手段とから構成されていることを特徴とするモータ制御装置。

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