JP6484544B2 - モータ駆動装置およびモータシステム - Google Patents
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Description
《モータシステムの概略》
図1は、本発明の実施の形態1によるモータシステムにおいて、その概略構成例を示す機能ブロック図である。図1には、モータシステムの一例として、ハードディスク(以降、HDDと略す)装置の構成例が示される。図1のHDD装置は、HDDコントローラHDDCT、キャッシュメモリCMEM、リードライト装置RWIC、モータ駆動装置MDIC、およびディスク機構DSKMを備える。HDDコントローラHDDCTは、例えば、プロセッサ等を含んだシステムオンチップ(SoC)等で構成される。キャッシュメモリCMEMおよびリードライト装置RWICは、例えば、それぞれ異なる半導体チップで構成される。
図2は、図1におけるモータ駆動装置の主要部の構成例を示す機能ブロック図である。図3(a)、図3(b)、図3(c)および図4は、図2における正弦波駆動電圧制御部SINCTの動作原理を示す説明図である。図2には、図1のモータ駆動装置MDICの内、SPM制御部SPMCT、SPM駆動部SPMDV、回転位置検出部RPSDET、シリアルIF&レジスタ部SIFREG、サンプルホールド回路SH、センスアンプ回路SA、およびアナログ・ディジタル変換器ADCが抽出して示されている。また、併せて、モータ駆動装置MDICの外部に設けられる電流検出用抵抗RNFと、ディスク機構DSKM内のモータSPMとが示されている。
と、PWM変調部PWMMDとを備える。PWMP用補正部PPCPは、SPM駆動部SPMDVの入出力間で生じるデューティの誤差を検出し、デューティ指示値PWMPに当該誤差を相殺する補正値を加えることで補正後デューティ指示値PWMRを生成する。具体的には、PWMP用補正部PPCPは、SPM駆動部SPMDVからの出力検出信号OUTDETから実際のデューティを検出し、これとデューティ指示値PWMPとの差分に基づいて補正値を定める。
図6は、図2において、駆動電圧位相生成部周りの主要部の概略構成例を示すブロック図である。図6には、図2における駆動電圧位相生成部DVPHG内の位相演算部PHCALおよび位相補正部PHCPと、回転位置検出部RPSDET内の逆起電圧位相検出部BPHDおよび駆動電流位相検出部IPHDとが抽出して示されている。
図8は、図6の駆動電圧位相生成部における位相演算部および位相補正部の詳細な構成例を示すブロック線図である。図9(a)および図9(b)は、図8における位相演算部の動作を説明する補足図である。まず、図9(a)には、モータSPMの各相の等価回路が示される。モータSPMの各相(代表としてu相)は、駆動入力端子INuと中性点CTとの間に直列接続される逆起電圧Vbemf、モータ抵抗RmおよびモータインダクタンスLmによって表される。モータ抵抗RmおよびモータインダクタンスLmは、図5のコイルLuが持つ実際のインピーダンス成分を表す。モータ駆動装置MDICは、このような直列回路に対して駆動電圧Vuを印加し、コイルLuに駆動電流Iuを流す。
ここで、位相θdrvは、通常、十分に小さい値となる。この場合、式(2)の近似を用いて“tan−1”を省くことができ、この省いた式を変形して式(3)が得られる。
θdrv=(Lm/Rm)・Iu/{(Ke/Rm)+(Iu/ω)} (3)
図8に示す位相演算部PHCALは、この式(3)に基づき位相θdrvを演算する。具体的には、式(3)において、“Ke/Rm”に対応する値を特性定数K1で定め、“Lm/Rm”に対応する値を特性定数K2で定め、“Iu”に対応する値をピーク格納部PKHDからの電流値ISPNOUTで定め、“1/ω”に対応する値を回転周期カウント値NCNTで定める。この場合、式(3)は、式(4)となり、位相θdrvは、式(5)の“Kdrv”に“ISPNOUT”を乗算することで得られる。
Kdrv=K2/(K1+ISPNOUT・NCNT) (5)
図8に示す位相演算部PHCALは、減算器SB10と、乗算器MUL10〜MUL13と、積分器ITG10と、加算器ADD10とを備える。乗算器MUL13は、“NCNT・ISPNOUT”を算出し、加算器ADD10は、乗算器MUL13の出力に“K1”を加算することで式(5)の分母を算出する。乗算器MUL12は、加算器ADD10の出力に“Kdrv”を乗算する。減算器SB10は、乗算器MUL12の乗算結果と“K2”との誤差を算出し、乗算器MUL10は、当該誤差を積分ゲインKで増幅し、積分器ITG10は、乗算器MUL10の乗算結果を積分することで式(5)の“Kdrv”を算出する。
図10は、図6における回転位置検出部の検出期間の一例を示す波形図である。図10には、モータSPMに印加される各相の駆動電圧Vu,Vv,Vwと、所定の相(ここではu相)の駆動電流Iuとが示される。駆動電圧Vu,Vv,Vwは、図10に示されるように、各時点ではPWM信号であり、その時間平均によって図4に示したような電圧波形となる。
図11は、図6における逆起電圧位相検出部の詳細な構成例を示す回路図である。図11の逆起電圧位相検出部BPHDは、アンプ回路AMP11,AMP12と、サンプルホールド回路SH11と、コンパレータ回路CMP_Zと、アップダウンカウンタ回路UDCUNT1と、フリップフロップ回路FF11〜FF13と、アンド演算回路AD11と、排他的論理和演算回路XOR11とを備える。
図13は、図6における駆動電流位相検出部の詳細な構成例を示す回路図である。図13の駆動電流位相検出部IPHDは、コンパレータ回路CMP_G,CMP_TRと、アップダウンカウンタ回路UDCUNT2と、フリップフロップ回路FF21〜FF23と、アンド演算回路AD21と、アンプ回路AMP22と、排他的論理和演算回路XOR21とを備える。コンパレータ回路CMP_Gは、モータSPMのいずれかの相(ここではu相)に対応するロウサイドトランジスタ(図5のM2u)のゲート・ソース間電圧Vgs_ULと所定のしきい値電圧VthGとの大小関係を比較する。すなわち、コンパレータ回路CMP_Gは、当該ロウサイドトランジスタがオンかオフかを判別する。
《モータ駆動装置の主要部の構成および動作(変形例)》
図16は、本発明の実施の形態2によるモータ駆動装置において、その主要部の構成例を示す機能ブロック図である。図16に示すモータ駆動装置は、図2に示したモータ駆動装置と比較して、パラメータ設定レジスタPREGが、さらに、位相差設定値θoffと、ホールド信号HLDとを保持する点が異なっている。位相差設定値θoffおよびホールド信号HLDは、位相補正部PHCPに入力される。
図17は、図16の駆動電圧位相生成部における位相演算部および位相補正部の詳細な構成例を示すブロック線図である。図17に示す構成例は、図8に示した構成例と比較して、位相補正部PHCPの構成が若干異なっている。具体的には、図17に示す位相補正部PHCPは、図8に示した構成例と比較して、誤差検出部EDET2の構成が異なる点と、セレクタ回路SELHDが追加された点とが異なっている。
《逆起電圧位相検出部の詳細(変形例)》
図19は、本発明の実施の形態3によるモータ駆動装置において、その逆起電圧位相検出部の構成例を示す回路図である。図19に示す逆起電圧位相検出部BPHDは、図11に示した構成例と比較して、セレクタ回路SELC1、アンド演算回路AD1u,AD1v,AD1wおよび平均化回路AVE1が追加された点が異なっている。さらに、逆起電圧位相検出部BPHDは、図11と比較して、図11のフリップフロップ回路FF13が3個のフリップフロップ回路FF13u,FF13v,FF13wに置き換わった点が異なっている。なお、図19では、記載の簡略化のため、図11のおける排他的論理和演算回路XOR11は省略されている。
図20は、本発明の実施の形態3によるモータ駆動装置において、その駆動電流位相検出部の構成例を示す回路図である。図20に示す駆動電流位相検出部IPHDは、図13に示した構成例と比較して、セレクタ回路SELC2a,SELC2b、アンド演算回路AD2u,AD2v,AD2wおよび平均化回路AVE2が追加された点が異なっている。さらに、当該駆動電流位相検出部IPHDは、図13と比較して、図13のフリップフロップ回路FF23が3個のフリップフロップ回路FF23u,FF23v,FF23wに置き換わった点とが異なっている。なお、図20では、記載の簡略化のため、図13のおける排他的論理和演算回路XOR21は省略されている。
DVPHG 駆動電圧位相生成部
INVBK インバータ部
IPHD 駆動電流位相検出部
MDIC モータ駆動装置
PHCAL 位相演算部
PHCP 位相補正部
PWMCT PWM制御部
θbemf 基準電圧位相
θdrv,θdrvR 位相
θi 基準電流位相
Claims (19)
- 外部に設けられたモータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記モータの各相の駆動端子にそれぞれ結合される複数のハイサイドトランジスタおよびロウサイドトランジスタを含み、PWM信号に基づき前記モータに駆動電圧を印加するインバータ部と、
前記モータの逆起電圧の位相となる基準電圧位相を検出する逆起電圧位相検出部と、
前記モータの駆動電流の位相となる基準電流位相を検出する駆動電流位相検出部と、
前記基準電圧位相に同期する通電制御用タイミングを受け、前記駆動電圧を正弦波状に制御するための前記PWM信号を生成するPWM制御部と、
前記基準電圧位相と前記基準電流位相との位相差を所定の値に定めるために必要な前記駆動電圧の位相となる第1の位相を定め、前記PWM制御部に向けて、前記通電制御用タイミングを前記第1の位相に基づきシフトするように指示する駆動電圧位相生成部と、
を有し、
前記駆動電圧位相生成部は、
前記駆動電流の電流値と、前記モータの角周波数と、予め定めた前記モータの特性定数とを用いた演算式に基づき、前記基準電圧位相と前記基準電流位相との位相差をゼロにするための前記駆動電圧の位相となる第2の位相を算出する位相演算部と、
前記第2の位相に補正値を加えることで前記第1の位相を定め、前記基準電圧位相および前記基準電流位相を入力として、前記基準電圧位相と前記基準電流位相との位相差が前記所定の値に収束するように前記補正値の大きさをフィードバック制御によって更新する位相補正部と、
を備える、
モータ駆動装置。 - 請求項1記載のモータ駆動装置において、
前記所定の値は、ゼロである、
モータ駆動装置。 - 請求項1記載のモータ駆動装置において、
前記位相補正部は、ホールド信号に応じて前記補正値の更新を停止し、最新の前記補正値を保持する、
モータ駆動装置。 - 請求項1記載のモータ駆動装置において、
前記位相補正部は、
前記基準電圧位相および前記基準電流位相の一方に所定の換算係数を乗算する乗算器と、
前記基準電圧位相および前記基準電流位相の他方と前記乗算器の乗算結果との位相差を算出し、前記算出した位相差と前記所定の値との誤差を検出する誤差検出器と、
前記誤差検出器の検出結果を積分することで前記補正値を算出する積分器と、
前記第2の位相に前記積分器で算出された前記補正値を加える加算器と、
を有する、
モータ駆動装置。 - 請求項1記載のモータ駆動装置において、
前記逆起電圧位相検出部は、前記基準電圧位相の検出対象となる前記モータの相を選択する第1のセレクタを有し、
前記駆動電流位相検出部は、前記基準電流位相の検出対象となる前記モータの相を選択する第2のセレクタを有する、
モータ駆動装置。 - 請求項5記載のモータ駆動装置において、
前記逆起電圧位相検出部は、さらに、第1の平均化回路を有し、前記第1のセレクタを介して前記検出対象となる前記モータの相を順次切り換えながら各相毎の前記基準電圧位相を検出し、前記検出した各相毎の基準電圧位相を前記第1の平均化回路で平均化し、
前記駆動電流位相検出部は、さらに、第2の平均化回路を有し、前記第2のセレクタを介して前記検出対象となる前記モータの相を順次切り換えながら各相毎の前記基準電流位相を検出し、前記検出した各相毎の基準電流位相を前記第2の平均化回路で平均化する、
モータ駆動装置。 - 請求項1記載のモータ駆動装置において、
前記インバータ部は、180deg通電方式によって前記モータに駆動電圧を印加し、
前記逆起電圧位相検出部は、360degの通電期間内に予め設けられた60degよりも小さい期間であり、通電を停止するように予め設定された無通電期間の中で前記逆起電圧のゼロクロス点を検出し、
前記駆動電流位相検出部は、前記無通電期間とは位相が180deg異なる通電期間の中で前記駆動電流のゼロクロス点を検出する、
モータ駆動装置。 - 請求項7記載のモータ駆動装置において、
前記駆動電流位相検出部は、前記モータのいずれかの相の前記駆動端子の電圧が前記PWM信号に応じて高電位側電源電圧と低電位側電源電圧との間で遷移する期間を検出し、前記検出した遷移期間で、前記いずれかの相に対応する前記ロウサイドトランジスタがオンかオフかを判別することで前記駆動電流のゼロクロス点を検出する、
モータ駆動装置。 - 請求項1記載のモータ駆動装置において、
前記位相演算部は、
前記駆動電流の電流値に比例する変数を“ISPNOUT”とし、前記モータの角周波数に反比例する変数を“NCNT”とし、前記モータの特性定数を“K1”および“K2”として、“Kdrv=K2/(K1+NCNT・ISPNOUT)”を算出する第1の演算回路と、
“Kdrv”に“ISPNOUT”を乗算することで前記第2の位相を算出する第2の演算回路と、
を有する、
モータ駆動装置。 - 請求項9記載のモータ駆動装置において、
前記第1の演算回路は、“Kdrv”に“(K1+NCNT・ISPNOUT)”を乗算した結果と“K2”との誤差がゼロに収束するように“Kdrv”をフィードバック制御することで、“Kdrv”を算出する、
モータ駆動装置。 - データを記憶するディスクと、
前記ディスクを回転させるモータと、
前記モータを3相の正弦波で駆動するモータ駆動装置と、
を備えるモータシステムであって、
前記モータ駆動装置は、
前記モータの3相の駆動端子にそれぞれ結合される複数のハイサイドトランジスタおよびロウサイドトランジスタを含み、PWM信号に基づき前記モータに駆動電圧を印加するインバータ部と、
前記モータの逆起電圧の位相となる基準電圧位相を検出する逆起電圧位相検出部と、
前記モータの駆動電流の位相となる基準電流位相を検出する駆動電流位相検出部と、
前記基準電圧位相に同期する通電制御用タイミングを受け、前記駆動電圧を正弦波状に制御するための前記PWM信号を生成するPWM制御部と、
前記基準電圧位相と前記基準電流位相との位相差を所定の値に定めるために必要な前記駆動電圧の位相となる第1の位相を定め、前記PWM制御部に向けて、前記通電制御用タイミングを前記第1の位相に基づきシフトするように指示する駆動電圧位相生成部と、
を有し、
前記駆動電圧位相生成部は、
前記駆動電流の電流値と、前記モータの角周波数と、予め定めた前記モータの特性定数とを用いた演算式に基づき、前記基準電圧位相と前記基準電流位相との位相差をゼロにするための前記駆動電圧の位相となる第2の位相を算出する位相演算部と、
前記第2の位相に補正値を加えることで前記第1の位相を定め、前記基準電圧位相および前記基準電流位相を入力として、前記基準電圧位相と前記基準電流位相との位相差が前記所定の値に収束するように前記補正値の大きさをフィードバック制御によって更新する位相補正部と、
を備える、
モータシステム。 - 請求項11記載のモータシステムにおいて、
前記所定の値は、ゼロである、
モータシステム。 - 請求項11記載のモータシステムにおいて、
前記位相補正部は、ホールド信号に応じて前記補正値の更新を停止し、最新の前記補正値を保持する、
モータシステム。 - 請求項11記載のモータシステムにおいて、
前記位相補正部は、
前記基準電圧位相および前記基準電流位相の一方に所定の換算係数を乗算する乗算器と、
前記基準電圧位相および前記基準電流位相の他方と前記乗算器の乗算結果との位相差を算出し、前記算出した位相差と前記所定の値との誤差を検出する誤差検出器と、
前記誤差検出器の検出結果を積分することで前記補正値を算出する積分器と、
前記第2の位相に前記積分器で算出された前記補正値を加える加算器と、
を有する、
モータシステム。 - 請求項11記載のモータシステムにおいて、
前記逆起電圧位相検出部は、前記基準電圧位相の検出対象となる前記モータの相を選択する第1のセレクタを有し、
前記駆動電流位相検出部は、前記基準電流位相の検出対象となる前記モータの相を選択する第2のセレクタを有する、
モータシステム。 - 請求項15記載のモータシステムにおいて、
前記逆起電圧位相検出部は、さらに、第1の平均化回路を有し、前記第1のセレクタを介して前記検出対象となる前記モータの相を順次切り換えながら各相毎の前記基準電圧位相を検出し、前記検出した各相毎の基準電圧位相を前記第1の平均化回路で平均化し、
前記駆動電流位相検出部は、さらに、第2の平均化回路を有し、前記第2のセレクタを介して前記検出対象となる前記モータの相を順次切り換えながら各相毎の前記基準電流位相を検出し、前記検出した各相毎の基準電流位相を前記第2の平均化回路で平均化する、
モータシステム。 - 請求項11記載のモータシステムにおいて、
前記インバータ部は、180deg通電方式によって前記モータに駆動電圧を印加し、
前記逆起電圧位相検出部は、360degの通電期間内に予め設けられた60degよりも小さい期間であり、通電を停止するように予め設定された無通電期間の中で前記逆起電圧のゼロクロス点を検出し、
前記駆動電流位相検出部は、前記無通電期間とは位相が180deg異なる通電期間の中で前記駆動電流のゼロクロス点を検出する、
モータシステム。 - 請求項17記載のモータシステムにおいて、
前記駆動電流位相検出部は、前記モータのいずれかの相の前記駆動端子の電圧が前記PWM信号に応じて高電位側電源電圧と低電位側電源電圧との間で遷移する期間を検出し、前記検出した遷移期間で、前記いずれかの相に対応する前記ロウサイドトランジスタがオンかオフかを判別することで前記駆動電流のゼロクロス点を検出する、
モータシステム。 - 請求項11記載のモータシステムにおいて、
前記ディスクは、ハードディスクである、
モータシステム。
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