JP4939975B2 - センサレス駆動用半導体集積回路およびセンサレス駆動システム - Google Patents

センサレス駆動用半導体集積回路およびセンサレス駆動システム Download PDF

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Description

本発明は、ブラシレスモータをセンサレス駆動するためのセンサレス駆動用半導体集積回路およびセンサレス駆動システムに関するものである。
従来、ブラシレスモータのセンサレス駆動は、ロータが回転することによって励磁コイルから得られる誘起電圧を検出し、この検出した誘起電圧が該ロータの中点の電圧と交差するゼロクロス点から、例えば位相を３０度シフトした点で転流動作を行うものである。
そして、このセンサレス駆動方法において、励磁コイルを接地に接続するショートブレーキ時にロータ位置を検出する場合、例えば、センシングパルスを出して、ロータの回転位置を検出する方法がある。
このセンシングパルスにより、ロータ位置を検出するためには、煩雑な回路を必要とし、さらに、ブラシレスモータの端子間抵抗と端子間インダクタンスを考慮する必要がある。
ここで、従来技術として、例えば、３相ブラシレスモータから出力される各相の誘起電圧が入力されこの極性を判別する極性判別手段と、この判別結果から転流モードを推定する実転流モード生成手段と、誘起電圧の基準電圧を参照して予め定めた順番で定まる転流モードを生成する実転流モード生成手段と、該転流モード推定手段で推定された転流モードと該実転流モード生成手段で生成された転流モードの双方が一致しているか否かを判定する転流モード比較手段と、を備える転流異常検出装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、上記従来技術は、転流動作時に該転流が正常に行われているかを検出するものであり、ショートブレーキ時にロータの回転位置を検出するものではない。
特開２０００−５０６７９号公報
本発明は、ショートブレーキ時にブラシレスモータのロータの回転位置をより正確に検出することが可能なセンサレス駆動用半導体集積回路およびセンサレス駆動システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る実施例に従ったセンサレス駆動用半導体集積回路は、
ブラシレスモータをセンサレス駆動するためのセンサレス駆動用半導体集積回路であって、
前記ブラシレスモータのロータの回転により励磁コイルに誘起される誘起電圧と前記ブラシレスモータのロータの中点電圧とを比較しこの比較結果に応じた検出信号を出力するコンパレータを有し、前記誘起電圧が前記中点電圧と交差するゼロクロス点を検出するための誘起電圧検出回路と、
前記ブラシレスモータの動作を規定する命令信号、および前記コンパレータの出力信号に応じて、前記ブラシレスモータを制御するための制御信号を出力するロジック回路と、
電源に一端が接続されるとともに他端が前記励磁コイルに接続され前記制御信号に応じて制御される第１のトランジスタ、および前記第１のトランジスタの他端と接地との間に接続され前記制御信号に応じて制御される第２のトランジスタを有し、前記励磁コイルに駆動電流を供給するためのパワートランジスタ回路と、を備え、
前記コンパレータは、接地電圧以下の電圧を検出可能な同相入力電圧範囲を有し、
前記第１のトランジスタをオフするとともに前記第２のトランジスタをオンして前記ブラシレスモータの励磁コイルを前記接地とショートさせることにより、前記ブラシレスモータを制動するショートブレーキ時において、
前記コンパレータは、前記誘起電圧に応じて生じる電圧と前記ブラシレスモータの中点電圧とを比較して、検出信号を出力し、前記ロジック回路は、この検出信号に基づいて前記ロータの回転位置を判定することを特徴とする。
本発明の一態様に係る実施例に従ったセンサレス駆動システムは、
ブラシレスモータをセンサレス駆動するためのセンサレス駆動システムであって、
前記ブラシレスモータのロータの回転により励磁コイルに誘起される誘起電圧と前記ブラシレスモータのロータの中点電圧とを比較しこの比較結果に応じた検出信号を出力するコンパレータを有し、前記誘起電圧が前記中点電圧と交差するゼロクロス点を検出するための誘起電圧検出回路と、
前記ブラシレスモータの動作を規定する命令信号を出力する命令回路と、
前記命令信号、および前記コンパレータの出力信号に応じて、前記ブラシレスモータを制御するための制御信号を出力するロジック回路と、
電源に一端が接続されるとともに他端が前記励磁コイルに接続され前記制御信号に応じて制御される第１のトランジスタ、および前記第１のトランジスタの他端と接地との間に接続され前記制御信号に応じて制御される第２のトランジスタを有し、前記励磁コイルに駆動電流を供給するためのパワートランジスタ回路と、を備え、
前記コンパレータは、接地電圧以下の電圧を検出可能な同相入力電圧範囲を有し、
前記第１のトランジスタをオフするとともに前記第２のトランジスタをオンして前記ブラシレスモータの励磁コイルを前記接地とショートさせることにより、前記ブラシレスモータを制動するショートブレーキ時において、
前記コンパレータは、前記誘起電圧に応じて生じる電圧と前記ブラシレスモータの中点電圧とを比較して、検出信号を出力し、前記ロジック回路は、この検出信号に基づいて前記ロータの回転位置を判定することを特徴とする。
本発明に係るセンサレス駆動用半導体集積回路およびセンサレス駆動システムによれば、ショートブレーキ時でもブラシレスモータのロータの回転位置をより正確に検出することができる。
以下、本発明に係る実施例について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一態様である実施例１に係るセンサレス駆動システム１００の要部の構成を示す図である。
図１に示すように、センサレス駆動システム１００は、ブラシレスモータ１の動作を規定する命令信号を出力する命令回路２と、この命令回路２が出力する命令信号に応じてブラシレスモータ１を制御する半導体集積回路３とを備える。
ブラシレスモータ１は、本実施例では、例えば、中点に一端が共通に接続された第１ないし第３の励磁コイル１ａ〜１ｃを有する３相ブラシレスモータである。なお、ブラシレスモータ１は、３相以外のブラシレスモータであってもよい。
命令回路２は、センサレス駆動用半導体集積回路３に命令信号を出力して、ブラシレスモータ１に電力を供給して回転させるようになっている。また、命令回路２は、センサレス駆動用半導体集積回路３に命令信号を出力して、ブラシレスモータ１への該電力の供給を解除させるようになっている。また、命令回路２は、センサレス駆動用半導体集積回路３に命令信号を出力して、ブラシレスモータ１に逆トルクを印加して制動させるようになっている。また、命令回路２は、センサレス駆動用半導体集積回路３に命令信号を出力して、ブラシレスモータ１をショートブレーキにより制動させるようになっている。
また、センサレス駆動用半導体集積回路３は、誘起電圧が中点電圧と交差するゼロクロス点を検出するための誘起電圧検出回路４と、ブラシレスモータ１を制御するためのロジック回路５と、励磁コイルに駆動電流を供給するためのパワートランジスタ回路６と、を備える。
ここで、図２は、図１のセンサレス駆動システム１００の誘起電圧検出回路４の要部の構成を示す図である。
図２に示すように、誘起電圧検出回路４は、ブラシレスモータ１のロータの回転によりＵ相の第１の励磁コイル１ａに誘起される誘起電圧Ｖｉuとブラシレスモータ１のロータの中点電圧Ｖｎとを比較しこの比較結果に応じた検出信号Ｓｄｕを出力する第１のコンパレータ４ａと、Ｖ相の第２の励磁コイル１ｂに誘起される誘起電圧Ｖｉｖとブラシレスモータ１のロータの中点電圧Ｖｎとを比較しこの比較結果に応じた検出信号Ｓｄｖを出力する第２のコンパレータ４ｂと、Ｖ相の第３の励磁コイル１ｃに誘起される誘起電圧Ｖｉｗとブラシレスモータ１のロータの中点電圧Ｖｎとを比較しこの比較結果に応じた検出信号Ｓｄｗを出力する第３のコンパレータ４ｃと、を有する。
これらの第１ないし第３のコンパレータ４ａ〜４ｃは、接地電圧ＧＮＤ以下の電圧を検出可能な同相入力電圧範囲を有する。
この誘起電圧検出回路４は、これらの第１ないし第３のコンパレータ４ａ〜４ｃの比較動作により、それぞれの誘起電圧Ｖｉｕ、Ｖｉｖ、Ｖｉｗが中点電圧Ｖｎと交差するゼロクロス点を検出するようになっている。
また、図１に示すように、ロジック回路５は、命令回路２が出力した命令信号、および第１ないし第３のコンパレータ４ａ〜４ｃの検出信号Ｓｄｕ、Ｓｄｖ、Ｓｄｗに応じて、ブラシレスモータ１を制御するための制御信号Ｓｃｕ、Ｓｃｖ、Ｓｃｗを出力するようになっている。
ここで、図３は、図１のセンサレス駆動システム１００のパワートランジスタ回路６の要部の構成を示す図である。
図３に示すように、パワートランジスタ回路６は、電源ＶＭに一端が接続されるとともに他端が第１の励磁コイル１ａの他端に接続され、制御信号Ｓｃｕに応じて制御される第１のＭＯＳトランジスタ６ａ、および第１のＭＯＳトランジスタ６ａの他端と接地ＧＭＤとの間に接続され制御信号Ｓｃｕに応じて制御される第２のＭＯＳトランジスタ６ｂを有する。
同様に、パワートランジスタ回路６は、電源ＶＭに一端が接続されるとともに他端が第２の励磁コイル１ｂの他端に接続され、制御信号Ｓｃｖに応じて制御される第３のＭＯＳトランジスタ６ｃ、および第３のＭＯＳトランジスタ６ｃの他端と接地ＧＭＤとの間に接続され制御信号Ｓｃｕに応じて制御される第４のＭＯＳトランジスタ６ｄを有する。
同様に、パワートランジスタ回路６は、電源ＶＭに一端が接続されるとともに他端が第３の励磁コイル１ｃの他端に接続され、制御信号Ｓｃｗに応じて制御される第５のＭＯＳトランジスタ６ｅ、および第５のＭＯＳトランジスタ６ｅの他端と接地ＧＭＤとの間に接続され制御信号Ｓｃｗに応じて制御される第６のＭＯＳトランジスタ６ｆを有する。
次に、上記構成を有するセンサレス駆動用半導体集積回路３の動作について説明する。
ブラシレスモータ１にトルクを印加する場合には、第１のＭＯＳトランジスタ６ａと第２のＭＯＳトランジスタ６ｂとは制御信号Ｓｃｕに基づいて相補的にオン/オフするように制御される。例えば、第１のＭＯＳトランジスタ６ａと第２のＭＯＳトランジスタ６ｂとが異なる導電型の場合は同じ論理の信号が入力され、同じ導電型の場合は異なる論理の信号が入力される。これにより、第１の励磁コイル１ａに駆動電流を流そうとする。
同様に、電気角が１２０度ずれた位置で、第３のＭＯＳトランジスタ６ｃと第４のＭＯＳトランジスタ６ｄとは制御信号Ｓｃｖに基づいて相補的にオン/オフするように制御される。これにより、第２の励磁コイル１ｂに駆動電流を流そうとする。
同様に、電気角がさらに１２０度ずれた位置で、第５のＭＯＳトランジスタ６ｅと第６のＭＯＳトランジスタ６ｆとは制御信号Ｓｃｗに基づいて相補的にオン/オフするように制御される。これにより、第３の励磁コイル１ｃに駆動電流を流そうとする。これらにより、ブラシレスモータ１の励磁コイル１ａ、励磁コイル１ｂ、励磁コイル１ｃに電流が流れ、転流動作となり、ブラシレスモータ１に駆動トルクが発生する。
上記転流動作により、ブラシレスモータ１のロータが回転する。
ここで、特に、ショートブレーキによる制動動作について以下説明する。
ショートブレーキ時は、第１、第３、第５のＭＯＳトランジスタ６ａ、６ｃ、６ｅをオフするとともに第２、第４、第６のＭＯＳトランジスタ６ｂ、６ｄ、６ｆをオンしてブラシレスモータ１の第１ないし第３の励磁コイル１ａ〜１ｃを接地とショートさせる。これにより、ブラシレスモータ１を制動する。
このショートブレーキ時においては、上述のように第１ないし第３の励磁コイル１ａ〜１ｃが接地されるため、ブラシレスモータ１の中間電位Ｖｎは接地電圧ＧＮＤに接近する。また、ロータが回転している間は、誘起電圧が発生する。この誘起電圧により、第２、第４、第６のＭＯＳトランジスタ６ｂ、６ｄ、６ｆと、これらのトランジスタに付随するダイオードＤ６ｂ、Ｄ６ｄ、Ｄ６ｆに電流が流れて発生する電圧波形は、接地電圧ＧＮＤに接近した中点電圧Ｖｎを中心に振幅する。したがって、ショートブレーキ時の誘起電圧に応じて生じる電圧波形は、接地電圧ＧＭＤ以下の値まで振幅する。
図４は、ブラシレスモータ１のロータを慣性で回転させているＯＦＦ時における各誘起電圧の波形とショートブレーキ時の各誘起電圧に応じて生じる電圧波形を示す図である。また、図５は、図４のショートブレーキ時の各誘起電圧に応じて生じる電圧波形を拡大した図である。なお、図４のＯＦＦ時とは、第１ないし第６のＭＯＳトランジスタ６ａ〜６ｅをオフした状態である。
図４に示すように、ＯＦＦ時のブラシレスモータ１の中点電圧Ｖｎは、例えば、電源電圧ＶＭ（１２Ｖ）と接地電圧ＧＮＤ（０Ｖ）との中間程度の電圧（６Ｖ）になる。したがって、誘起電圧は、０Ｖ〜１２Ｖの範囲内で振幅することになる。また、ショートブレーキ時は、既述のように、中点電圧Ｖｎが接地電圧ＧＮＤに接近する。
しかし、図５に示すように、ショートブレーキ時にロータが回転している間は、誘起電圧に応じて電圧波形（例えば、±０．０１Ｖ程度）が発生する。したがって、第１ないし第３のコンパレータ４ａ〜４ｃは、少なくともこのショートブレーキ時の誘起電圧に応じて生じる電圧波形の変化を検出できる感度を有する必要がある。
ここで、ショートブレーキ時のロータの回転位置を判定するための動作は、先ず、第１ないし第３のコンパレータ４ａ〜４ｃが、誘起電圧Ｖｉｕ、Ｖｉｖ、Ｖｉｗに応じて生じた電圧とブラシレスモータ１の中点電圧Ｖｎとを比較して、検出信号Ｓｄｕ、Ｓｄｖ、Ｓｄｗを出力する。そして、ロジック回路５が、これらの検出信号Ｓｄｕ、Ｓｄｖ、Ｓｄｗに基づいてブラシレスモータ１のロータの回転位置を判定する。
既述のように、第１ないし第３のコンパレータ４ａ〜４ｃは、接地電圧以下の電圧を検出可能な同相入力電圧範囲を有する。したがって、ショートブレーキ時に中点電圧Ｖｎが接地電圧ＧＮＤ付近に低下し誘起電圧に応じて生じる電圧波形が接地電圧ＧＮＤ以下になった場合でも、第１ないし第３のコンパレータ４ａ〜４ｃは、誘起電圧Ｖｉｕ、Ｖｉｖ、Ｖｉｗに応じて生じた電圧波形と中点電圧Ｖｎとを誤動作することなく比較することができる。
すなわち、誘起電圧検出回路４は、ショートブレーキ時に、誘起電圧に応じて生じた電圧波形が中点電圧と交差するゼロクロス点を正確に検出することができる。
また、ショートブレーキ時にロータの回転位置をより正確に検出できることから、ショートブレーキ時からでもスムーズにセンサレス駆動に移行できる。
以上のように、本実施例に係るセンサレス駆動用半導体集積回路およびセンサレス駆動システムによれば、ショートブレーキ時にブラシレスモータのロータの回転位置をより正確に検出することができる。
なお、上記各実施例においては、パワートランジスタ回路６をＭＯＳトランジスタで構成した場合について説明した。しかし、該ＭＯＳトランジスタをバイポーラトランジスタにダイオードを接続した構成に置き換えても、上記各実施例と同様の作用効果を奏することができる。
本発明の一態様である実施例１に係るセンサレス駆動システム１００の要部の構成を示す図である。 図１のセンサレス駆動システム１００の誘起電圧検出回路４の要部の構成を示す図である。 図１のセンサレス駆動システム１００のパワートランジスタ回路６の要部の構成を示す図である。 ブラシレスモータ１のロータを慣性で回転させているＯＦＦ時における各誘起電圧の波形とショートブレーキ時の各誘起電圧に応じて生じる電圧波形を示す図である。 図４のショートブレーキ時の各誘起電圧に応じて生じる電圧波形を拡大した図である。
符号の説明
１ ブラシレスモータ
１ａ 第１の励磁コイル
１ｂ 第２の励磁コイル
１ｃ 第３の励磁コイル
２ 命令回路
３ 半導体集積回路
４ 誘起電圧検出回路
４ａ 第１のコンパレータ
４ｂ 第２のコンパレータ
４ｃ 第３のコンパレータ
５ ロジック回路
６ パワートランジスタ回路
６ａ 第１のＭＯＳトランジスタ
６ｂ 第２のＭＯＳトランジスタ
６ｃ 第３のＭＯＳトランジスタ
６ｄ 第４のＭＯＳトランジスタ
６ｅ 第５のＭＯＳトランジスタ
６ｆ 第６のＭＯＳトランジスタ
Ｄ６ｂ 第２のＭＯＳトランジスタに付随するダイオード
Ｄ６ｄ 第４のＭＯＳトランジスタに付随するダイオード
Ｄ６ｆ 第６のＭＯＳトランジスタに付随するダイオード
１００ センサレス駆動システム

Claims (5)

  1. ブラシレスモータをセンサレス駆動するためのセンサレス駆動用半導体集積回路であって、
    前記ブラシレスモータのロータの回転により励磁コイルに誘起される誘起電圧と前記ブラシレスモータのロータの中点電圧とを比較しこの比較結果に応じた検出信号を出力するコンパレータを有し、前記誘起電圧が前記中点電圧と交差するゼロクロス点を検出するための誘起電圧検出回路と、
    前記ブラシレスモータの動作を規定する命令信号、および前記コンパレータの出力信号に応じて、前記ブラシレスモータを制御するための制御信号を出力するロジック回路と、
    電源に一端が接続されるとともに他端が前記励磁コイルに接続され前記制御信号に応じて制御される第１のトランジスタ、および前記第１のトランジスタの他端と接地との間に接続され前記制御信号に応じて制御される第２のトランジスタを有し、前記励磁コイルに駆動電流を供給するためのパワートランジスタ回路と、を備え、
    前記コンパレータは、接地電圧以下の電圧を検出可能な同相入力電圧範囲を有し、
    前記第１のトランジスタをオフするとともに前記第２のトランジスタをオンして前記ブラシレスモータの励磁コイルを前記接地とショートさせることにより、前記ブラシレスモータを制動するショートブレーキ時において、
    前記コンパレータは、前記誘起電圧に応じて生じる電圧と前記ブラシレスモータの中点電圧とを比較して、検出信号を出力し、前記ロジック回路は、この検出信号に基づいて前記ロータの回転位置を判定する
    ことを特徴とするセンサレス駆動用半導体集積回路。
  2. 前記ブラシレスモータは、３相ブラシレスモータであることを特徴とする請求項１に記載のセンサレス駆動用半導体集積回路。
  3. 前記コンパレータは、少なくとも前記ショートブレーキ時の誘起電圧に応じて生じる電圧波形の変化を検出できる感度を有する
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサレス駆動用半導体集積回路。
  4. ブラシレスモータをセンサレス駆動するためのセンサレス駆動システムであって、
    前記ブラシレスモータのロータの回転により励磁コイルに誘起される誘起電圧と前記ブラシレスモータのロータの中点電圧とを比較しこの比較結果に応じた検出信号を出力するコンパレータを有し、前記誘起電圧が前記中点電圧と交差するゼロクロス点を検出するための誘起電圧検出回路と、
    前記ブラシレスモータの動作を規定する命令信号を出力する命令回路と、
    前記命令信号、および前記コンパレータの出力信号に応じて、前記ブラシレスモータを制御するための制御信号を出力するロジック回路と、
    電源に一端が接続されるとともに他端が前記励磁コイルに接続され前記制御信号に応じて制御される第１のトランジスタ、および前記第１のトランジスタの他端と接地との間に接続され前記制御信号に応じて制御される第２のトランジスタを有し、前記励磁コイルに駆動電流を供給するためのパワートランジスタ回路と、を備え、
    前記コンパレータは、接地電圧以下の電圧を検出可能な同相入力電圧範囲を有し、
    前記第１のトランジスタをオフするとともに前記第２のトランジスタをオンして前記ブラシレスモータの励磁コイルを前記接地とショートさせることにより、前記ブラシレスモータを制動するショートブレーキ時において、
    前記コンパレータは、前記誘起電圧に応じて生じる電圧と前記ブラシレスモータの中点電圧とを比較して、検出信号を出力し、前記ロジック回路は、この検出信号に基づいて前記ロータの回転位置を判定する
    ことを特徴とするセンサレス駆動システム。
  5. 前記コンパレータは、少なくとも前記ショートブレーキ時の誘起電圧に応じて生じる電圧波形の変化を検出できる感度を有する
    ことを特徴とする請求項４に記載のセンサレス駆動システム。
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