JP6169044B2 - ブラシレスモータ駆動回路、および、ブラシレスモータ駆動システム - Google Patents

ブラシレスモータ駆動回路、および、ブラシレスモータ駆動システム Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、ラシレスモータ駆動回路、および、ブラシレスモータ駆動システムに関する。
従来、ブラシレスモータ駆動回路は、速度指令に応じた通電タイミングで、ドライバ回路により、3相ブラシレスモータの回転を制御する。このブラシレスモータ駆動回路による制御において、3相ブラシレスモータの回転ムラが生じ得る。
特開2012−39784号公報
3相ブラシレスモータの回転のムラを低減することが可能なブラシレスモータ駆動回路を提供する。
実施形態に従ったブラシレスモータ駆動システムは、3相ブラシレスモータを備える。ブラシレスモータ駆動システムは、電源電圧を生成する電源と接地との間に接続され、前記3相ブラシレスモータに対して電源電圧を正弦波信号で供給するパワーデバイスを備える。ブラシレスモータ駆動システムは、前記パワーデバイスを制御するブラシレスモータ駆動回路を備える。ブラシレスモータ駆動システムは、前記3相ブラシレスモータに流れるモータ電流が、前記パワーデバイスを介して流れる検出抵抗を備える。
前記ブラシレスモータ駆動回路は、前記検出抵抗の電圧降下による検出電圧に基づいた第1の電圧のピークをホールドした第2の電圧を出力するピークホールド回路を備える。ブラシレスモータ駆動回路は、前記第2の電圧の直流成分である第3の電圧を出力するフィルタ回路を備える。ブラシレスモータ駆動回路は、前記第2の電圧と前記第3の電圧の差電圧を出力する差電圧検出回路を備える。ブラシレスモータ駆動回路は、前記3相ブラシレスモータの回転数に基づいたパルス波である速度指令パルス信号を、アナログ電圧に変換する積分アンプ回路を備える。ブラシレスモータ駆動回路は、前記アナログ電圧と、前記差電圧に基づいた第4の電圧と、の差を演算し、この演算結果に応じた速度制御信号を出力する演算回路を備える。ブラシレスモータ駆動回路は、前記3相ブラシレスモータの通電タイミングを設定する通電タイミング設定回路を備える。ブラシレスモータ駆動回路は、前記通電タイミング設定回路により設定された通電タイミングおよび前記速度制御信号に基づいて、前記3相ブラシレスモータを駆動するための駆動信号を生成する出力波形生成回路を備える。
図1は、第1の実施形態に係るブラシレスモータ駆動システム100の構成の一例を示す図である。 図2は、図1に示す検出抵抗8による検出電圧VRSの波形の一例を示す図である。 図3は、図1に示すフィルタ回路Fxによりフィルタリングされた検出電圧VRSFの波形の一例を示す図である。 図4は、図1に示すアンプ回路ACにより増幅された電圧VRSF×αの波形の一例を示す図である。 図5は、図1に示すピークホールド回路PCによりホールドされた第2の電圧Vpの波形の一例を示す図である。 図6は、図1に示す差電圧検出回路VCにより検出された差電圧ΔVpの波形の一例を示す図である。 図7は、モータ電流が小さい場合における、速度制御信号Vsp、アナログ電圧Vs、第2の電圧Vp、および差電圧ΔVpの波形の一例を示す図である。 図8は、モータ電流が大きい場合における、速度制御信号Vsp、アナログ電圧Vs、第2の電圧Vp、および差電圧ΔVpの波形の一例を示す図である。
以下、各実施形態について図面に基づいて説明する。
第1の実施形態
図1は、第1の実施形態に係るブラシレスモータ駆動システム100の構成の一例を示す図である。また、図2は、図1に示す検出抵抗8による検出電圧VRSの波形の一例を示す図である。また、図3は、図1に示すフィルタ回路Fxによりフィルタリングされた検出電圧VRSFの波形の一例を示す図である。また、図4は、図1に示すアンプ回路ACにより増幅された電圧VRSF×αの波形の一例を示す図である。また、図5は、図1に示すピークホールド回路PCによりホールドされた第2の電圧Vpの波形の一例を示す図である。また、図6は、図1に示す差電圧検出回路VCにより検出された差電圧ΔVpの波形の一例を示す図である。
図1に示すように、ブラシレスモータ駆動システム100は、3相ブラシレスモータMと、第1ないし第3のホール素子5a〜5cと、第1ないし第3のキャパシタ6a〜6cと、ブラシレスモータ駆動回路1と、パワーデバイス2と、検出抵抗8と、ノイズ用フィルタ回路Fxと、検出コイルLと、を備える。
第1ないし第3のホール素子5a〜5cは、3相ブラシレスモータMの各相(U相、V相、W相)のコイルにそれぞれ付加されている。この第1ないし第3のホール素子5a〜5cは、それぞれ、U相ホール信号HUP、HUM、V相ホール信号HVP、HVM、W相ホール信号HWP、HWMをブラシレスモータ駆動回路1に出力する。なお、信号HUM、HVM、HWMは、それぞれ、信号HUP、HVP、HWPを反転した信号である。
そして、この第1ないし第3のホール素子5a〜5cの出力には、第1ないし第3のキャパシタ6a〜6cがそれぞれ接続されている。
また、検出コイルLは、3相ブラシレスモータMに近接して配置され、3相ブラシレスモータMの回転数に応じた励磁電流が流れる。この検出コイルLに流れる励磁電流に基づいた信号がブラシレスモータ駆動回路1に供給される。
また、電源7は、電圧VDDを出力する。
パワーデバイス2は、電源電圧VDDを生成する電源7と接地との間に接続されている。特に、パワーデバイス2は、図1に示すように、一端が電源7に接続され、他端が抵抗8を介して接地に接続されている。
そして、このパワーデバイス2は、例えば、図1に示すように、駆動信号SU、SX、SV、SY、SW、SZに応じて、3相ブラシレスモータMに対して電源電圧VDDを3相の正弦波信号U、V、Wで供給する。
パワーデバイス2は、6個のnMOSトランジスタ2a〜2fと、6個のダイオード2g〜2lと、を有する。
そして、駆動信号SUがゲートに入力されるnMOSトランジスタ2aと駆動信号SXがゲートに入力されるnMOSトランジスタ2bとは、電源7と接地との間に直列に接続されている。このnMOSトランジスタ2aとnMOSトランジスタ2bとの間の端子が3相ブラシレスモータMのU相のコイルに接続されている。この端子から正弦波信号UがU相のコイルに供給される。
なお、ダイオード2gは、nMOSトランジスタ2aのドレイン/ソースに、カソード/アノードが接続されている。また、ダイオード2hは、nMOSトランジスタ2bのドレイン/ソースに、カソード/アノードが接続されている。
また、駆動信号SVがゲートに入力されるnMOSトランジスタ2cと駆動信号SYがゲートに入力されるnMOSトランジスタ2dとは、電源7と接地との間に直列に接続されている。このnMOSトランジスタ2cとnMOSトランジスタ2dとの間の端子が3相ブラシレスモータMのV相のコイルに接続されている。この端子から正弦波信号VがV相のコイルに供給される。
なお、ダイオード2iは、nMOSトランジスタ2cのドレイン/ソースに、カソード/アノードが接続されている。また、ダイオード2jは、nMOSトランジスタ2dのドレイン/ソースに、カソード/アノードが接続されている。
また、駆動信号SWがゲートに入力されるnMOSトランジスタ2eと駆動信号SZがゲートに入力されるnMOSトランジスタ2fとは、電源7と接地との間に直列に接続されている。このnMOSトランジスタ2eとnMOSトランジスタ2fとの間の端子が3相ブラシレスモータMのW相のコイルに接続されている。この端子から正弦波信号WがW相のコイルに供給される。
なお、ダイオード2kは、nMOSトランジスタ2eのドレイン/ソースに、カソード/アノードが接続されている。また、ダイオード2lは、nMOSトランジスタ2fのドレイン/ソースに、カソード/アノードが接続されている。
そして、3相ブラシレスモータMは、3相の正弦波信号U、V、Wにより、3相のコイルに電流が流れて、駆動する。
また、検出抵抗8は、一端がパワーデバイス2の他端に接続され、他端が接地に接続されている。この検出抵抗8は、3相ブラシレスモータMに流れるモータ電流が、このパワーデバイス2を介して流れる。
この検出抵抗8において、モータ電流が流れることによる電圧降下により、検出電圧VRSが検出される。ここでは、この検出抵抗8の一端から検出電圧VRS(図2)が出力される。
また、ノイズ用フィルタ回路Fxは、検出電圧VRSの電圧ノイズをフィルタリングする。この電圧ノイズがフィルタリングされた検出電圧VRSF(図3)がブラシレスモータ駆動回路1に供給される。なお、このノイズ用フィルタ回路Fxは、必要に応じて、省略されていてもよく、また、ブラシレスモータ駆動回路1内に設けられていてもよい。
このノイズ用フィルタ回路Fxは、例えば、図1に示すように、フィルタ用抵抗Rxと、フィルタ用容量Cxと、を含む。
フィルタ用抵抗Rxは、一端が検出抵抗8の一端に接続され、他端がアンプ回路ACの入力に接続されている(この他端の電圧がフィルタリングされた検出電圧VRSFになる)。
フィルタ用容量Cxは、一端がフィルタ用抵抗Rxの他端に接続され、他端が接地に接続されている。
また、ブラシレスモータ駆動回路1は、パワーデバイス2を制御する(3相ブラシレスモータMに対する3相の正弦波信号U、V、Wによる駆動を制御する)。
このブラシレスモータ駆動回路1は、例えば、図1に示すように、第1ないし第3のアンプ回路1a〜1cと、位置推定回路1dと、通電タイミング設定回路1eと、出力波形生成回路1fと、アンプ回路ACと、ピークホールド回路PCと、平滑化用フィルタ回路Fyと、差電圧検出回路VCと、積分アンプ回路IAと、演算回路OCと、ゲイン調整回路GCと、FG信号生成回路FCと、偏差検出回路DCと、を有する。
第1ないし第3のアンプ回路1a〜1cは、U相ホール信号HUP、HUMの差、V相ホール信号HVP、HVMの差、W相ホール信号HWP、HWMの差を、それぞれ増幅した信号を出力する。
また、位置推定回路1dは、第1ないし第3のアンプ回路1a〜1cの出力信号に基づいて、3相ブラシレスモータMの位相(ロータの位置)を推定し、この推定結果に応じた信号を出力する。
通電タイミング設定回路1eは、位相推定回路1dにより推定された3相ブラシレスモータMの位相に基づいて、3相ブラシレスモータMの通電タイミングを設定する。
この通電タイミング設定回路1eは、第3の電圧Vpfに応じて、パワーデバイス2による3相ブラシレスモータMの通電タイミングの進角値又は遅角値を調整する。
また、アンプ回路ACは、検出電圧VRSF(ノイズ用フィルタ回路Fxが省略される場合は検出電圧VRS)を増幅率αで増幅した電圧を第1の電圧(電圧VRSF×増幅率α)(図4)として出力する。
ピークホールド回路PCは、検出抵抗8の電圧降下による検出電圧VRSに基づいた第1の電圧のピークをホールドした第2の電圧Vpを出力する。
ここで、図1の例では、ピークホールド回路PCは、アンプ回路ACが出力した第1の電圧(電圧VRSF×増幅率α)のピークをホールドする第2の電圧Vp(図4、図5)を出力する。なお、ピークホールド回路PCは、ノイズ用フィルタ回路Fxによりフィルタリングされた検出電圧VRSFに基づいた第1の電圧のピークをホールドした第2の電圧Vpを出力するようにしてもよい。
また、平滑化用フィルタ回路Fyは、第2の電圧Vpを平滑化した直流成分である第3の電圧Vpfを出力する。
この平滑化用フィルタ回路Fyは、例えば、図1に示すように、平滑化用抵抗Ryと、平滑化用容量Cyと、を含む。
平滑化用抵抗Ryは、一端に第2の電圧Vpが供給され、他端から第3の電圧Vpfを出力する。
平滑化用容量Cyは、一端が平滑化用抵抗Ryの他端に接続され、他端が接地に接続されている(この他端の電圧がフィルタリングされた検出電圧Vpfになる)。
また、差電圧検出回路VCは、第2の電圧Vpからこの第2の電圧Vpの直流成分である第3の電圧Vpfを引くことにより得られた差電圧ΔVp(図6)を出力する。
すなわち、差電圧ΔVpは、例えば、以下の式(1)で表される。

ΔVp=Vp−Vpf・・・(1)
そして、ゲイン調整回路GCは、差電圧検出回路VCが出力した差電圧ΔVpのゲインGを調整して得られた電圧を第4の電圧(差電圧ΔVp×ゲインG)として出力する。なお、このゲイン調整回路GCは、必要に応じて、省略されていてもよい。
また、FG信号生成回路FCは、検出コイルLに流れる励磁電流の周波数に基づいたパルス波を有するFG(Frequency Generation)信号FSを生成する。
ここで、既述のように、励磁電流は、3相ブラシレスモータMの回転数に応じて検出コイルLに流れる。すなわち、FG信号FSは、3相ブラシレスモータMの回転数に応じた周波数に基づいたパルス波である。
また、偏差検出回路DCは、FG信号FSと、外部から入力された基準クロック信号CLKとの間の偏差を検出し、この偏差に応じたパルス波を有する速度指令パルス信号DSを出力する。より詳しくは、偏差検出回路DCは、周波数偏差又は位相偏差を検出し、この周波数偏差又は位相偏差に応じたパルス波を有する速度指令パルス信号DSを出力する。
すなわち、この速度指令パルス信号DSは、3相ブラシレスモータMの回転数(周波数、位相)に基づいたパルス波である。
ここで、例えば、速度指令パルス信号DSは、基準クロック信号CLKの周期よりも、FG信号FSの周期が長い場合には、3相ブラシレスモータMを加速させることを指示す。一方、速度指令パルス信号DSは、基準クロック信号CLKの周期よりも、FG信号FSの周期が短い場合には、3相ブラシレスモータMを減速させることを指示する。
また、例えば、速度指令パルス信号DSは、基準クロック信号CLKの位相よりも、FG信号FSの位相が遅れている場合には、3相ブラシレスモータMを加速させることを指示する。一方、速度指令パルス信号DSは、基準クロック信号CLKの位相よりも、FG信号FSの位相が進んでいる場合には、3相ブラシレスモータMを減速させることを指示する。
そして、積分アンプ回路IAは、3相ブラシレスモータMの回転数に基づいたパルス波である速度指令パルス信号DSを、アナログ電圧Vsに変換する。すなわち、このアナログ電圧Vsは、3相ブラシレスモータMの速度の指示(加速、減速等)に関する情報を含む。なお、このアナログ電圧Vsは、回路設計上、上限値があり、設定可能な速度(最大トルク)に上限がある。
また、演算回路OCは、アナログ電圧Vsと、差電圧ΔVpに基づいた第4の電圧(差電圧ΔVp×ゲインG)と、の差を演算し、この演算結果に応じた速度制御信号Vspを出力する。
すなわち、速度制御信号Vspは、本実施形態では、例えば、以下の式(2)で表される。

Vsp=Vs−ΔVp×G・・・(2)
このように、この速度制御信号Vspは、3相ブラシレスモータMの速度を指示する速度指令パルス信号DSに対応するアナログ電圧Vsを、モータ電流に基づいた差電圧ΔVp(×増幅率α)で補正された信号である。
そして、出力波形生成回路1fは、既述の通電タイミング設定回路1eにより設定された該通電タイミングおよび上記速度制御信号Vspに基づいて、3相ブラシレスモータMを駆動するための駆動信号SU、SX、SV、SY、SW、SZを出力する。
例えば、速度制御信号Vspに基づいて、駆動信号SU、SX、SV、SY、SW、SZのデューティ比、進角値、遅角値等が制御されることにより、3相ブラシレスモータMの速度が制御される。
次に、以上のような構成を有するブラシレスモータ駆動システム100の特性について、説明する。
ここで、図7は、モータ電流が小さい場合における、速度制御信号Vsp、アナログ電圧Vs、第2の電圧Vp、および差電圧ΔVpの波形の一例を示す図である。また、図8は、モータ電流が大きい場合における、速度制御信号Vsp、アナログ電圧Vs、第2の電圧Vp、および差電圧ΔVpの波形の一例を示す図である。なお、図7、図8において、比較例として、アナログ電圧Vsと第2の電圧Vpとの差を記載している。また、図7、図8の例においては、簡単のため、ゲインGは、“1”に設定さている。さらに、図7、図8の例においては、3相ブラシレスモータMの負荷は同じである。
例えば、図7に示すように、モータ電流が小さい場合、すなわち、3相ブラシレスモータMの回転トルクが小さい場合、モータ電流(検出電圧VRS)に応じた第2の電圧Vpは、低い値になる。この場合、3相ブラシレスモータMの速度を指示するアナログ電圧Vsは低い値に設定される。
ここで、既述のように、差電圧ΔVpは、第2の電圧Vpからこの第2の電圧Vpの直流成分である第3の電圧Vpfを引くことにより得られた値であるため、第2の電圧Vpの交流成分である。したがって、速度制御信号Vspは、アナログ電圧Vsの近傍の値になる。
そして、アナログ電圧Vs−第2の電圧Vpの値(比較例)は、アナログ電圧Vsよりも少し低い値になる。
このように、モータ電流が小さい場合、速度制御信号Vspは、アナログ電圧Vsを基準とした範囲で推移するため、出力波形生成回路1fは、この速度制御信号Vspに応じて、駆動信号SU、SX、SV、SY、SW、SZのデューティ比を所定の値に制御することができる。
一方、図8に示すように、モータ電流が大きい場合、すなわち、3相ブラシレスモータMの回転トルクが大きい場合、モータ電流(検出電圧VRS)に応じた第2の電圧Vpは、高い値になる。この場合、3相ブラシレスモータMの速度を指示するアナログ電圧Vsは高い値に設定される。
このモータ電流が大きい場合においても、差電圧ΔVpは、第2の電圧Vpからこの第2の電圧Vpの直流成分である第3の電圧Vpfを引くことにより得られた値であるため、第2の電圧Vpの交流成分である。したがって、モータ電流が大きい場合においても、速度制御信号Vspは、アナログ電圧Vsの近傍の値になる。
しかし、比較例(アナログ電圧Vs−第2の電圧Vp)は、アナログ電圧Vsから大きく離れた値になる。例えば、出力波形生成回路1fが、この比較例の値に基づいて駆動信号を制御した場合、駆動信号の制御に対するモータ電流の大きさの影響が大きくなり、3相ブラシレスモータの回転のムラの原因になり得る。
しかし、実施例では、このモータ電流が大きい場合、速度制御信号Vspは、アナログ電圧Vsを基準とした範囲で推移するため、出力波形生成回路1fは、この速度制御信号Vspに応じて、駆動信号SU、SX、SV、SY、SW、SZのデューティ比を所定の値に制御することができる。
すなわち、ブラシレスモータ駆動回路1において、モータ電流の電流量の変動分のみを帰還することで、3相ブラシレスモータMの最大トルクを下げることなく、回転ムラを改善することができる。
また、ブラシレスモータ駆動回路1においては、従来の回路内ある進角データである第3の電圧Vpfを電流変動の直流成分として使用することで、新たな回路追加が不良となる。
以上のように、実施形態に係るブラシレスモータ駆動回路によれば、3相ブラシレスモータの回転のムラを低減することができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1 ブラシレスモータ駆動回路
2 パワーデバイス
M 3相ブラシレスモータ
4 抵抗
5a〜5c 第1ないし第3のホール素子
6a〜6c 第1ないし第3のキャパシタ
7 電源
8 抵抗
100 ブラシレスモータ駆動システム

Claims (7)

  1. 3相ブラシレスモータと、
    電源電圧を生成する電源と接地との間に接続され、前記3相ブラシレスモータに対して電源電圧を正弦波信号で供給するパワーデバイスと、
    前記パワーデバイスを制御するブラシレスモータ駆動回路と、
    前記3相ブラシレスモータに流れるモータ電流が、前記パワーデバイスを介して流れる検出抵抗と、を備え、
    前記ブラシレスモータ駆動回路は、
    前記検出抵抗の電圧降下による検出電圧に基づいた第1の電圧のピークをホールドした第2の電圧を出力するピークホールド回路と、
    前記第2の電圧の直流成分である第3の電圧を出力するフィルタ回路と、
    前記第2の電圧と前記第3の電圧の差電圧を出力する差電圧検出回路と、
    前記3相ブラシレスモータの回転数に基づいたパルス波である速度指令パルス信号を、アナログ電圧に変換する積分アンプ回路と、
    前記アナログ電圧と、前記差電圧に基づいた第4の電圧と、の差を演算し、この演算結果に応じた速度制御信号を出力する演算回路と、
    前記3相ブラシレスモータの通電タイミングを設定する通電タイミング設定回路と、
    前記通電タイミング設定回路により設定された通電タイミングおよび前記速度制御信号に基づいて、前記3相ブラシレスモータを駆動するための駆動信号を生成する出力波形生成回路と、を備える
    ことを特徴とするブラシレスモータ駆動システム。
  2. 前記ブラシレスモータ駆動回路は、
    前記差電圧のゲインを調整して得られた電圧を前記第4の電圧として出力するゲイン調整回路をさらに備える
    ことを特徴とする請求項1に記載のブラシレスモータ駆動システム。
  3. 前記ブラシレスモータ駆動回路は、
    前記検出電圧の電圧ノイズをフィルタリングするノイズ用フィルタ回路をさらに備え、
    前記ピークホールド回路は、前記ノイズ用フィルタ回路によりフィルタリングされた前記検出電圧に基づいた前記第1の電圧のピークをホールドした前記第2の電圧を出力する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のブラシレスモータ駆動システム。
  4. 前記ブラシレスモータ駆動回路は、
    前記検出電圧を増幅した電圧を前記第1の電圧として出力するアンプ回路をさらに備え、
    前記ピークホールド回路は、前記アンプ回路が出力した前記第1の電圧のピークをホールドすることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載のブラシレスモータ駆動システム。
  5. 前記通電タイミング設定回路は、前記第3の電圧に応じて、前記パワーデバイスによる前記3相ブラシレスモータの通電タイミングの進角値又は遅角値を調整する
    ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載のブラシレスモータ駆動システム。
  6. 前記パワーデバイスは、一端が前記電源に接続され、
    前記検出抵抗は、一端が前記パワーデバイスの他端に接続され、他端が接地に接続されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載のブラシレスモータ駆動システム。
  7. 3相ブラシレスモータと、電源電圧を生成する電源と接地との間に接続され、前記3相ブラシレスモータに対して電源電圧を正弦波信号で供給するパワーデバイスと、前記3相ブラシレスモータに流れるモータ電流が、前記パワーデバイスを介して流れる検出抵抗と、を備えたブラシレスモータ駆動システムに適用され、前記パワーデバイスを制御するブラシレスモータ駆動回路であって、
    前記検出抵抗の電圧降下による検出電圧に基づいた第1の電圧のピークをホールドした第2の電圧を出力するピークホールド回路と、
    前記第2の電圧の直流成分である第3の電圧を出力するフィルタ回路と、
    前記第2の電圧と前記第3の電圧の差電圧を出力する差電圧検出回路と、
    前記3相ブラシレスモータの回転数に基づいたパルス波である速度指令パルス信号を、アナログ電圧に変換する積分アンプ回路と、
    前記アナログ電圧と、前記差電圧に基づいた第4の電圧と、の差を演算し、この演算結果に応じた速度制御信号を出力する演算回路と、
    前記3相ブラシレスモータの通電タイミングを設定する通電タイミング設定回路と、
    前記通電タイミング設定回路により設定された通電タイミングおよび前記速度制御信号に基づいて、前記3相ブラシレスモータを駆動するための駆動信号を生成する出力波形生成回路と、を備える
    ことを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。
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