JP6498414B2 - ファンモータ駆動装置ならびにそれを用いた冷却装置および電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、ファンモータ駆動技術に関する。
近年のパーソナルコンピュータやワークステーションの高速化にともない、CPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)などの演算処理用LSI(Large Scale Integrated circuit)の動作速度は上昇の一途をたどっている。このようなLSIは、その動作速度、すなわちクロック周波数が高くなるにつれて発熱量も大きくなる。LSIからの発熱は、そのLSI自体を熱暴走に導いたり、あるいは周囲の回路に対して影響を及ぼすという問題がある。したがってLSIをはじめとする発熱体(以下LSIという)の適切な熱冷却はきわめて重要な技術となっている。LSIを冷却するための技術の一例として、冷却ファンによる空冷式の冷却方法がある。この方法においては、たとえば、LSIの表面に対向して冷却ファンを配置し、冷たい空気をLSI表面に吹き付ける。
図1は、モータ駆動装置200rの回路図である。モータ駆動装置200は、単相DCモータ(単にモータあるいは単相モータともいう)102を駆動する。ホール素子104は、単相モータ102の近傍に設けられる。ホール素子104は、モータ102の回転子の位置を示す互いに逆相の一対のホール信号VH+、VH−を発生する。ホールコンパレータ202は、ホール信号VH+、VH−を比較し、ロータの位置を示すホール検出信号S1を生成する。ロジック回路204は、ホール検出信号S1と同期して、つまり単相モータ102のロータの回転と同期して、Hブリッジ回路206を複数の状態の間で遷移させる。
Hブリッジ回路206は、駆動対象のモータコイル103と接続される。このHブリッジ回路206に対して、逆極性で外部電源106が接続されると大電流が流れる。これを防止するために、Hブリッジ回路206と電源端子VDDの間には、逆接防止用の保護ダイオード212が挿入される。
特開2007−159296号公報
図2(a)、(b)は、図1のモータ駆動装置200rの動作波形図である。図2(a)には、コイル電流Iの位相が進んでいる場合が、図2(b)には、コイル電流Iの位相が遅れている場合が示される。
図1のモータ駆動装置200rは、コイル電流Iの位相とは無関係に、ホール検出信号S1に応じてその出力OUT1、OUT2を制御する。
この制御下では、コイル電流Iの位相が遅れると、ローサイドトランジスタML2がオン、その他のトランジスタMH1、MH2、ML1がオフである区間において、コイル電流Iがモータコイル103内をOUT2からOUT1に向かって流れることとなる。このときコイル電流Iは、ローサイドトランジスタMH2、モータコイル103、ハイサイドトランジスタMH1のボディダイオードを含む経路112を経由して外部電源106に流れ込む。その結果、図2(b)に示すように、出力OUT2の電圧あるいは電源電圧が大きく跳ね上がるおそれがある。この電圧の跳ね上がりがICの耐圧を超えると、信頼性に悪影響を及ぼす。
従来では電圧の跳ね上がりを抑えるために、Hブリッジ回路206と並列に、ツェナーダイオードや平滑化キャパシタを挿入するのが一般的であった。
また、モータの効率やトルク特性は、電流位相に依存し、過度の電流位相の遅れは効率やトルク特性を低下させる要因となる。
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の目的のひとつは、従来とは異なるアプローチにより、電源電圧や出力電圧の跳ね上がりを抑制し、および/または効率、トルク特性を改善可能なモータ駆動装置の提供にある。
本発明のある態様は、単相モータを駆動するモータ駆動装置に関する。モータ駆動装置は、電源電圧および接地電圧を受けるとともに、その第1出力と第2出力の間に単相モータのモータコイルが接続されるHブリッジ回路と、ホール素子が生成するホール信号のペアを比較し、単相モータのロータの位置を示すホール検出信号を生成するホールコンパレータと、ホール検出信号を受け、単相モータの回転数に応じた周期の速度検出信号を生成する速度検出回路と、速度検出信号の周期の整数分の1の周期を有し、単相モータが所定電気角、回転したことを示すパルス信号を生成する電気角発生器と、モータコイルに流れるコイル電流の向きの反転を検出すると、ゼロ電流検出信号をアサートする電流監視回路と、ホール検出信号のエッジごとにリセットされ、パルス信号をクロックとしてカウント動作する第1カウンタを含み、第1カウンタのカウント値が進角設定値と一致すると、遷移パルスをアサートする遷移トリガー回路と、少なくとも遷移パルスをトリガーとして、Hブリッジ回路を複数の状態の間で所定のシーケンスにしたがって遷移させるロジック回路と、ゼロ電流検出信号のアサートのタイミングに応じて進角設定値を調節する進角コントローラと、を備える。
この態様によると、電流監視回路によってコイル電流の反転のタイミング(ゼロ電流)を検出し、このタイミングを利用して、進角コントローラにおいてコイル電流の位相進み、あるいは位相遅れを検出して進角設定値を調節することで、電流位相を所望の位置に近づけることができる。これにより電流位相の遅れに伴う電圧の跳ね上がりを抑制し、および/または、トルク特性や効率を改善することができる。
進角コントローラは、遷移パルスのアサートに応答してリセットされ、パルス信号をクロックとしてカウント動作する第2カウンタと、ゼロ電流検出信号がアサートされたときの第2カウンタのカウント値に応じた補正量を出力する補正量設定回路と、補正量に応じた進角設定値を出力する演算回路と、を含んでもよい。
この構成によれば、ゼロ電流のタイミングにもとづいて位相遅れ量、位相進み量を検出し、それにもとづいて適切な補正量を決定できる。
演算回路は、補正量の積算値に応じて進角設定値を生成してもよい。
これにより、電流位相を目標位置に追従させることができる。
演算回路は、補正量の積算値を格納するためのメモリと、メモリの値と補正量を加算し、メモリに格納する第1加算器と、を含んでもよい。
演算回路は、補正量の積算値に所定の進角基準値を加算して進角設定値を生成する第2加算器を含んでもよい。
この場合、進角基準値に応じて、電流位相の目標値を任意に定めることができる。
ある態様の駆動装置は、アナログの進角基準電圧を受ける設定端子と、進角基準電圧をデジタルの進角基準値に変換するA/Dコンバータをさらに備えてもよい。
この場合、モータ駆動装置が搭載されるプラットフォームや、駆動対象の単相モータに応じて、設定端子に与える電圧を代えることにより、最適な電流位相を設定できる。
たとえば設定端子に、電源電圧や基準電圧を分圧する抵抗分圧回路を外付けしてもよい。これにより、抵抗値に応じて電流位相を設定できる。
補正量には、第2カウンタのカウント値が示す位相遅れ量、位相進み量のゼロ近傍において不感帯が設定されてもよい。これにより、電流位相が目標値付近で変動するのを防止できる。
ロジック回路は、少なくとも、第1出力および第2出力の一方をオン出力、それらの他方をオフ出力とし、オン出力を固定的に電源電圧とし、または所定のデューティ比で電源電圧とハイインピーダンスの間でスイッチングしつつ、オフ出力を接地電圧とする通電ステート、オン出力とオフ出力を入れ替え、オン出力を接地電圧、オフ出力をハイインピーダンスとするプレ回生ステート、オン出力を接地電圧もしくはハイインピーダンスとし、オフ出力を接地電圧とするポスト回生ステート、を含むシーケンスを繰り返してもよい。
電流監視回路は、プレ回生ステートにおいて、オフ出力の電圧が接地電圧またはその近傍に設定される第1しきい値電圧を超えると、ゼロ電流検出信号をアサートしてもよい。
この態様によれば、逆起電力にもとづいて、ゼロ電流がプレ回生ステートにおいて発生したことを検出できる。
電流監視回路は、ポスト回生ステートにおいて、オン出力の電圧が、電源電圧と接地電圧の間に設定された第2しきい値電圧より低くなると、ゼロ電流検出信号をアサートしてもよい。
この態様によれば、逆起電力にもとづいて、ゼロ電流がポスト回生ステートにおいて発生したことを検出できる。
電流監視回路は、プレ回生ステートにおいて第1しきい値電圧、ポスト回生ステートにおいて第2しきい値電圧を選択するセレクタと、第1出力の電圧をセレクタの出力と比較する第1コンパレータと、第2出力の電圧をセレクタの出力と比較する第2コンパレータと、を含んでもよい。
シーケンスは、通電ステートとプレ回生ステートの間に挿入され、徐々に低下するデューティ比でオン出力を電源電圧とハイインピーダンスの間でスイッチングしつつ、オフ出力を接地電圧とするソフトスイッチングダウンステート、ポスト回生ステートと次の通電ステートの間に挿入され、徐々に増大するデューティ比でオン出力を電源電圧とハイインピーダンスの間でスイッチングしつつ、オフ出力を接地電圧とするソフトスイッチングアップステート、をさらに含んでもよい。
この態様によれば、転流時のノイズを低減できる。
モータ駆動装置は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。
回路を1つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
本発明の別の態様は、冷却装置に関する。冷却装置は、ファンモータと、ファンモータの回転子の位置を示す一対のホール信号を生成するホール素子と、一対のホール信号にもとづいてファンモータを駆動する上述のいずれかに記載のモータ駆動装置と、を備えてもよい。
本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、プロセッサと、プロセッサと対向して設けられたファンモータと、ファンモータの回転子の位置を示す一対のホール信号を生成するホール素子と、一対のホール信号にもとづいてファンモータを駆動する上述のいずれかのモータ駆動装置と、を備えてもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明のある態様によれば、電源電圧や出力電圧の跳ね上がりを抑制でき、および/または効率を改善できる。
モータ駆動装置の回路図である。 図2(a)、(b)は、図1のモータ駆動装置の動作波形図である。 実施の形態に係るモータ駆動装置の構成を示す回路図である。 進角コントローラの構成例を示す回路図である。 補正量設定回路において規定される電流位相値と補正量の関係を示す図である。 Hブリッジ回路の遷移シーケンスを示す図である。 電流監視回路の構成例を示す回路図である。 図8(a)、(b)は、電流監視回路の動作波形図である。 位相進みが生じたときのモータ駆動装置の動作波形図である。 位相遅れが生じたときのモータ駆動装置の動作波形図である。 冷却装置を備えるコンピュータの斜視図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
本発明の実施の形態について、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの電子計算機に搭載され、CPUなどを冷却するためのファンモータを駆動させるためのファンモータ駆動装置(単に駆動装置ともいう)を例に説明する。
図3は、実施の形態に係るモータ駆動装置200の構成を示す回路図である。駆動装置200は、単相DCモータ(単にモータあるいは単相モータともいう)102を駆動する。ホール素子104は、単相モータ102の近傍に設けられる。ホール素子104は、モータ102の回転子の位置を示す互いに逆相の一対のホール信号VH+、VH−を発生する。ホール素子104のバイアス端子にはホールバイアス電圧VHBが供給される。ホールバイアス電圧VHBは、モータ駆動装置200に内蔵される基準電圧源(ホールバイアス回路)により生成されてもよいし、外部電源106が生成する電圧VDDを分圧して生成してもよい。ホール素子104はモータ駆動装置200に内蔵されてもよい。
モータ駆動装置200は、ホールコンパレータ202、ロジック回路204、Hブリッジ回路206、電流監視回路208、速度検出回路210、保護ダイオード212、電気角発生器214、遷移トリガー回路220、進角コントローラ230、A/Dコンバータ218を備え、ひとつの半導体基板に一体集積化される。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。
モータ駆動装置200の電源(VDD)端子には、外部電源106からの電源電圧VDDが供給される。モータ駆動装置200の出力端子(OUT1、OUT2)の間には、単相モータ102のコイル(モータコイル)103が接続される。接地(GND)端子は接地される。ホール端子H+、H−には、ホール素子104が生成したホール信号VH+、VH−が入力される。また進角設定(LA)端子には、電流位相の目標位置を示すアナログ電圧である進角基準電圧VLAが入力される。A/Dコンバータ218は、進角基準電圧VLAをデジタルデータである進角基準値S3に変換する。なおモータ駆動装置200には、デジタルの進角基準値S3が外部から直接与えられてもよく、あるいは進角基準値S3は、モータ駆動装置200の内蔵メモリに予め格納されてもよい。これらの場合、A/Dコンバータ218は省略できる。
ホールコンパレータ202は、ホール信号VH+、VH−を比較し、単相モータ102のロータの位置を示すホール検出信号S1を生成する。ホール検出信号S1は、ホール信号VH+、VH−が交差(ゼロクロス)するたびに遷移する。
Hブリッジ回路206は電源電圧VDDおよび接地電圧VSSを受ける。Hブリッジ回路206の第1出力OUT1と第2出力OUT2の間には、単相モータ102のモータコイル103が接続される。Hブリッジ回路206は、第1ハイサイドトランジスタMH1、第2ハイサイドトランジスタMH2、第1ローサイドトランジスタML1、第2ローサイドトランジスタML2を含む。Hブリッジ回路206と外部電源106の間には、逆接防止用の保護ダイオード212が設けられる。
Hブリッジ回路206は、4個のトランジスタのオン、オフ状態の組み合わせが異なる複数の状態を取り得る。ロジック回路204に含まれる機能ブロック(状態コントローラ)は、Hブリッジ回路206を複数の状態を含む所定のシーケンスにしたがって遷移させる。
速度検出回路210は、ホール検出信号S1を受け、単相モータ102の回転数に応じた周期TFGの速度検出信号S2を生成する。速度検出信号S2は、FG(Frequency Generation)信号とも称され、FG端子から外部へと出力される。
電気角発生器214は、速度検出信号S2の周期TFGの整数分の1(1/N倍)の周期Tを有するパルス信号S4を生成する。パルス信号S4の1周期Tは、単相モータ102が所定電気角、回転したことを示す。たとえば電気角発生器214は、速度検出信号S2の周期TFGをクロック信号を用いて測定するカウンタを含んでもよい。電気角発生器214は、過去のサイクルにおいて測定されたカウント値を1/N倍することによりパルス信号S4の周期Tに対応する値Kを生成し、カウンタがクロック信号をKだけカウントアップ(カウントダウン)するごとに、パルス信号S4を出力してもよい。たとえば4極モータ、N=256の場合、パルス信号S4の周期は、720/4×1/256=0.7°(電気角)となる。
電流監視回路208は、モータコイル103に流れるコイル電流Iの向きの反転(言い換えればゼロ電流)を検出すると、ゼロ電流検出信号S5をアサート(たとえばハイレベル)する。たとえば電流監視回路208は、出力OUT1、OUT2それぞれの電圧、より具体的には出力OUT1、OUT2がハイインピーダンスであるときに発生する逆起電力にもとづいて、ゼロ電流を検出してもよい。
遷移トリガー回路220は、ホール検出信号S1のエッジごとにリセットされ、パルス信号S4をクロックとしてカウント動作する第1カウンタ222を含む。遷移トリガー回路220は、第1カウンタ222のカウント値CNT1が進角設定値S6と一致すると、遷移パルスS7をアサートする。遷移トリガー回路220は、カウント値CNT1を進角設定値S6を比較するデジタル比較器224を含んでもよいし、第1カウンタ222に比較機能が備わってもよい。
ロジック回路204は、少なくとも遷移パルスS7をトリガーとして、Hブリッジ回路206を複数の状態の間で所定のシーケンスにしたがって遷移させる。「遷移パルスS7をトリガーとして」とは、遷移パルスS7のアサートが、状態遷移の条件となっていればよい。たとえば(i)遷移パルスS7のアサートに応答して、Hブリッジ回路206の状態が変化してもよいし、(ii)遷移パルスS7のアサートに応答して時間測定を開始し、ある時間経過後に状態が変化してもよいし、(iii)あるいは、遷移パルスS7のアサートと、他の条件の論理積により、状態が変化してもよい。
進角コントローラ230は、電流監視回路208からのゼロ電流検出信号S5を受け、ゼロ電流検出信号S5がアサートされるタイミングに応じて進角設定値S6を調節する。進角設定値S6は、進角基準値S3をベースとして補正した値であってもよい。
以上がモータ駆動装置200の基本構成である。本発明は、図3の回路図、ブロック図として把握されるさまざまな具体的な回路を含むが、以下ではその具体例を説明する。
図4は、進角コントローラ230の構成例を示す回路図である。
進角コントローラ230は、第2カウンタ232、補正量設定回路234、演算回路236を含む。図4の進角コントローラ230は、遷移パルスS7のアサートを基準として、ゼロ電流検出信号S5のタイミングを計測する。
第2カウンタ232は、パルス信号S4をクロックとしてカウント動作する。第2カウンタ232は、遷移パルスS7のアサートに応答してリセットされる。本実施の形態では第2カウンタ232はダウンカウンタであり、カウント値がゼロになると、初期値から再カウントする。
メモリ238は、ゼロ電流検出信号S5がアサートされたときの第2カウンタ232のカウント値CNT2を格納する。メモリ238に格納される値(電流位相値と称する)S8は、遷移パルスS7のアサートを基準としてゼロ電流が発生するタイミング(位相遅れ、位相進み)を示している。メモリ238は、フリップフロップ、ラッチ、レジスタであってもよい。補正量設定回路234は、メモリ238に格納される電流位相値S8に応じた補正量S9を出力する。
図5は、補正量設定回路234において規定される電流位相値S8と補正量S9の関係を示す図である。
第1カウンタ222をダウンカウンタで構成する場合、進角設定値S6が小さいほど、遷移パルスS7がアサートされるタイミングが遅くなり、反対に、進角設定値S6が大きいほど、遷移パルスS7がアサートされるタイミングは早くなる。そこで進角コントローラ230は、電流位相値S8が示す電流位相が進むほど、負の補正量S9を加算することにより進角設定値S6を小さくし、反対に電流位相値S8が示す遅れるほど、正の補正量S9を加算することにより進角設定値S6を大きくする。第1カウンタ222がアップカウンタである場合には大小関係は逆となり、正負が反転しうる。
たとえば第1カウンタ222は、8ビットのダウンカウンタであり、この場合カウント値CNT1は、255から0まで低下し、途中でリセットされなければ、また255に戻って0に向かって低下する。したがって255と0は連続しており、それらを跨ぐ演算(加減算)が許容されることに留意されたい。
また、第2カウンタ232をダウンカウンタで構成する場合、コイル電流Iの位相が進んでいるほど、カウント値CNT2のラッチのタイミングが早くなるため、電流位相値S8が大きくなり、反対にコイル電流Iの位相が遅れるほど、電流位相値S8が小さくなる。第2カウンタ232がアップカウンタである場合、大小関係は逆となる。
したがって、電流位相値S8が位相進みを示す場合には、補正量S9を負として、位相進み量が大きいほど補正量S9の絶対値を大きくし、Hブリッジ回路206の遷移シーケンスを時間的に後ろにシフトし、反対に電流位相値S8が位相遅れを示す場合には、補正量S9を正として、位相遅れ量が大きいほど補正量S9の絶対値を大きくして、Hブリッジ回路206の遷移シーケンスを時間的に前にシフトする。
補正量S9には上限(たとえば22.5°)および下限(たとえば−22.5°)が定められる。また電流位相値S8が示す位相進み(遅れ)のゼロ近傍では、補正量S9がゼロとなる不感帯が設定される。これにより、ゼロ近傍で電流位相が振動するのを防止でき、系を安定化できる。
不感帯は、電流位相値S8が位相進みを示す所定の範囲(0〜5.6°)に設定することが望ましい。これにより制御ループが安定した状態では、電流位相を進んだ状態で維持することができる。
補正量設定回路234は、電流位相値S8と補正量S9の対応関係を保持するテーブルを含んでもよいし、それらの対応関係を規定する演算式を保持し、演算式にもとづいて補正量S9を演算してもよい。
図4に戻る。演算回路236は、補正量設定回路234が生成した補正量S9に応じた進角設定値S6を出力する。たとえば演算回路236は、補正量S9の積算値(累積加算値)に応じて進角設定値S6を生成する。このために演算回路236は、第1加算器242およびメモリ240を含む。メモリ240は、補正量S9の積算値S10を格納する。第1加算器242は、メモリ240の値と補正量S9を加算し、メモリ240の積算値S10を更新する。
演算回路236はさらに第2加算器244を含む。第2加算器244は、補正量S9の積算値S10に所定の進角基準値S3を加算して進角設定値S6を生成する。進角設定値S6は、第1カウンタ222のカウント範囲を超えることはできず、したがって本実施の形態では、進角設定値S6はゼロ以上に制約される。
続いてHブリッジ回路206の遷移シーケンスについて説明する。本実施の形態において、ロジック回路204は、少なくとも遷移パルスS7にもとづいて、Hブリッジ回路206を以下のシーケンスで遷移させる。図6は、Hブリッジ回路206の遷移シーケンスを示す図である。
ロジック回路204は、単相モータ102のロータの位置に応じて、出力OUT1とOUT2の間で、オン出力とオフ出力を交互に入れ替える転流制御を行なう。図6(a)、(b)ではOUT1がオン出力、OUT2がオフ出力である。図6(c)〜(f)ではOUT2がオン出力、OUT1がオフ出力である。
φ1: 通電ステート
図6(a)を参照する。第1出力OUT1および第2出力OUT2の一方であるオン出力OUT1を固定的に電源電圧VDDとし、他方であるオフ出力OUT2を接地電圧VSSとする。
MH1=ON,ML1=OFF,MH2=OFF,ML2=ON
OUT1=VDD、OUT2=VSS
あるいは単相モータ102のトルク(回転数)をPWM(Pulse Width Modulation)駆動により制御する場合、通電ステートφ1において、オン出力OUT1を、トルクの指令値となる所定のデューティ比で電源電圧VDDとハイインピーダンスHiZの間でスイッチングしてもよい。ハイインピーダンスHiZは、ハイサイドトランジスタMHとローサイドトランジスタMLが両方オフの状態である。
φ2: ソフトスイッチングダウンステート
図6(b)を参照する。ステートφ2では、徐々に低下するデューティ比で、オン出力OUT1を電源電圧VDDとハイインピーダンスHiZの間でスイッチングしつつ、オフ出力OUT2を接地電圧VSSとする。
MH1=ON/OFFのスイッチング,ML1=OFF,MH2=OFF,ML2=ON
徐々に低下するデューティ比の初期値は、通電ステートにおけるデューティ比であり、最終値はゼロであってもよい。ソフトスイッチングダウンステートφ2は、モータの静音化のために通電ステートφ1とプレ回生ステートφ3の間に挿入することが望ましいが、電源電圧VDDを緩やかに変化させるBTL(Bridged TransfomerLess)では省略してもよい。
ソフトスイッチングダウンステートが完了すると、オン出力とオフ出力が入れ替えられ、以下のシーケンスが続く。
φ3: プレ回生ステート
図6(c)を参照する。オン出力OUT2を接地電圧VSS、オフ出力OUT1をハイインピーダンスとする。
MH1=OFF,ML1=OFF,MH2=OFF,ML2=ON
OUT1=HiZ(ハイインピーダンス状態),OUT2=VSS
φ4: ポスト回生ステート
図6(d)を参照する。オン出力OUT2をハイインピーダンス(もしくは接地電圧VSS)とし、オフ出力OUT1を接地電圧VSSとする。
MH1=OFF,ML1=ON,MH2=OFF,ML2=OFF
OUT1=VSS,OUT2=HiZ
φ5: ソフトスイッチングアップステート
図6(e)を参照する。このステートφ5では、徐々に増大するデューティ比でオン出力OUT2を、電源電圧VDDとハイインピーダンスHiZの間でスイッチングしつつ、オフ出力OUT1を接地電圧VSSとする。
MH1=OFF,ML1=ON,MH2=ON/OFFのスイッチング,ML2=OFF
φ6: 通電ステート
図6(f)を参照する。図6(a)とオン出力とオフ出力が入れ替わっているのみで、Hブリッジ回路206のトランジスタの状態は同じである。
MH1=OFF,ML1=ON,MH2=ON,ML2=OFF
OUT1=VSS、OUT2=VDD
続いて電流監視回路208について説明する。電流位相が進んでいる場合、プレ回生ステートφ3においてゼロ電流が発生する。電流監視回路208は、プレ回生ステートφ3において、オフ出力(図6(c)のOUT1)の電圧が第1しきい値電圧VTH1を超えると、ゼロ電流検出信号S5をアサートする。第1しきい値電圧VTH1は、接地電圧VSSまたはその近傍に設定される。
電流位相が遅れている場合、ポスト回生ステートφ4においてゼロ電流が発生する。そこで電流監視回路208は、ポスト回生ステートφ4において、オン出力(図6(d)のOUT2)の電圧が、第2しきい値電圧VTH2より低くなると、ゼロ電流検出信号S5をアサートする。第2しきい値電圧VTH2は、電源電圧VDDと接地電圧VSSの間に設定される。生成の容易さを考慮すると、VTH1=VSS、VTH2=VDD/2が好適であるが、高機能な電圧源を用いて任意の電圧レベルとしてもよい。
図7は、電流監視回路208の構成例を示す回路図である。
電流監視回路208は、第1コンパレータ250、第2コンパレータ252、セレクタ254、エッジセレクタ256を含む。セレクタ254は、プレ回生ステートφ3において第1しきい値電圧VTH1を、ポスト回生ステートφ4において第2しきい値電圧VTH2を選択する。現在のステートは、ロジック回路204が知っているから、セレクタ254(つまりしきい値電圧)はロジック回路204によって切りかえることができる。
第1コンパレータ250は、第1出力OUT1の電圧(逆起電力)を、セレクタ254の出力と比較する。つまり第1コンパレータ250およびセレクタ254の組み合わせにより、第1出力OUT1の逆起電力を、プレ回生ステートφ3において第1しきい値電圧VTH1と比較し、ポスト回生ステートφ4において第2しきい値電圧VTH2と比較することができる。
同様に第2コンパレータ252は、第2出力OUT2の電圧(逆起電力)を、セレクタ254の出力と比較する。つまり第2コンパレータ252およびセレクタ254の組み合わせにより、第2出力OUT2の逆起電力を、プレ回生ステートφ3において第1しきい値電圧VTH1と比較し、ポスト回生ステートφ4において第2しきい値電圧VTH2と比較することができる。
エッジセレクタ256は、第1コンパレータ250および第2コンパレータ252の出力S11、S12を受け、現在のステートに応じたエッジを選択し、選択されたエッジのタイミングでゼロ電流検出信号S5をアサートする。
図8(a)、(b)は、電流監視回路208の動作波形図である。図8(a)は電流位相が進んでいる場合を、図8(b)は電流位相が遅れている場合を示す。図8(a)、(b)は、OUT1がオフ出力、OUT2がオン出力の状態である。図8(a)に示すように、電流位相が進んでいる場合、プレ回生ステートφ3においてゼロ電流が発生し、オフ出力(OUT1)を監視するコンパレータ(250)の出力(S11)のポジティブエッジが、ゼロ電流のタイミングを示す。
図8(b)に示すように、電流位相が遅れている場合、ポスト回生ステートφ4においてゼロ電流が発生し、オン出力(OUT2)を監視するコンパレータ(252)の出力(S12)のネガティブエッジが、ゼロ電流のタイミングを示す。
オン出力とオフ出力が反対のステートでは、参照されるコンパレータが入れかわる。図7のエッジセレクタ256は、現在のステートと、オン出力、オフ出力の割り当てに応じて、適切なエッジを選択する。
以上がモータ駆動装置200の構成である。続いてその動作を説明する。
図9は、位相進みが生じたときのモータ駆動装置200の動作波形図である。
時刻t0より前では、位相進み、位相遅れは発生していない。進角設定値S6の初期値はゼロである。このときゼロ電流検出信号S5と遷移パルスS7のタイミングは揃っている。時刻t0に電流の位相が大きく進み、ゼロ電流検出信号S5が、遷移パルスS7よりも進んでアサートされる。続くサイクルでは、電流位相値S8が示す位相遅れ量に応じて補正量S9が与えられ、その結果、進角設定値S6が増加する。
これにより、遷移パルスS7のアサートのタイミングが早くなり、駆動シーケンスが時間軸上で前にシフトする。これにより次のサイクルではゼロ電流(S5)のタイミングは時間軸上で後ろにシフトする。これを繰り返すことにより、ゼロ電流(S5)のタイミングは、進角基準値S3が指示する目標位置に近づいていく。やがて電流位相のずれ量がゼロとなると、補正量S9がゼロとなり、進角設定値S6は一定に保たれる。
図10は、位相遅れが生じたときのモータ駆動装置200の動作波形図である。時刻t0より前では、位相進み、位相遅れは発生していない。このときゼロ電流検出信号S5と遷移パルスS7のタイミングは揃っている。時刻t0に電流の位相が大きく遅れ、ゼロ電流検出信号S5が、遷移パルスS7よりも遅れてアサートされる。続くサイクルでは、電流位相値S8が示す位相進み量に応じて負の補正量S9が与えられ、その結果、進角設定値S6が減少する。これにより、遷移パルスS7のアサートのタイミングが遅くなり、駆動シーケンスが時間軸上で後ろにシフトする。これにより次のサイクルではゼロ電流(S5)のタイミングは時間軸上で前にシフトする。これを繰り返すことにより、ゼロ電流(S5)のタイミングは、進角基準値S3が指示する目標位置に近づいていく。やがて電流位相のずれ量がゼロとなると、補正量S9がゼロとなり、進角設定値S6は一定に保たれる。
このように実施の形態に係るモータ駆動装置200によれば、コイル電流Iのゼロ電流タイミングを監視し、そのタイミングに応じてHブリッジ回路206のシーケンスを時間軸上でシフトさせることにより、電流位相を所望の位置に近づけることができる。これにより、電流遅れに起因して発生する電圧の跳ね上がりを抑制することができる。
また電流の位相はモータの効率やトルクに影響を及ぼすことが知られている。実施の形態に係るモータ駆動装置200によれば、電流位相を所望の位置に設定できるため、効率やトルクを改善することができる。
最後に、モータ駆動装置200の用途を説明する。図11は、冷却装置510を備えるコンピュータの斜視図である。冷却装置510は、単相モータ102であるファンモータと、図2のモータ駆動装置200とを備える。コンピュータ500は、筐体502、CPU504、マザーボード506、ヒートシンク508、および複数の冷却装置510を備える。
CPU504は、マザーボード506上にマウントされる。ヒートシンク508は、CPU504の上面に密着されている。冷却装置510_1は、ヒートシンク508と対向して設けられ、ヒートシンク508に空気を吹き付ける。冷却装置510_2は、筐体502の背面に設置され、筐体502の内部に外部の空気を送り込む。
冷却装置2は、図11のコンピュータ500の他、ワークステーション、ノート型コンピュータ,テレビ、冷蔵庫、などの様々な電子機器に搭載可能である。
また本実施の形態に係る駆動装置200の用途は、ファンモータの駆動に限定されるものではなく、その他の各種モータの駆動に用いることができる。
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
500…電子機器、502…筐体、504…CPU、506…マザーボード、508…ヒートシンク、510…冷却装置、102…単相モータ、103…モータコイル、104…ホール素子、106…電源、112…経路、200…モータ駆動装置、202…ホールコンパレータ、204…ロジック回路、206…Hブリッジ回路、208…電流監視回路、210…速度検出回路、212…保護ダイオード、214…電気角発生器、218…A/Dコンバータ、220…遷移トリガー回路、222…第1カウンタ、224…デジタル比較器、230…進角コントローラ、232…第2カウンタ、234…補正量設定回路、236…演算回路、238,240…メモリ、242…第1加算器、244…第2加算器、250…第1コンパレータ、252…第2コンパレータ、254…セレクタ、256…エッジセレクタ、S1…ホール検出信号、S2…速度検出信号、S3…進角基準値、S4…パルス信号、S5…ゼロ電流検出信号、S6…進角設定値、S7…遷移パルス、S8…電流位相値、S9…補正量、OUT1…第1出力、OUT2…第2出力。

Claims (16)

  1. 単相モータを駆動するモータ駆動装置であって、
    電源電圧および接地電圧を受けるとともに、その第1出力と第2出力の間に前記単相モータのモータコイルが接続されるHブリッジ回路と、
    ホール素子が生成するホール信号のペアを比較し、前記単相モータのロータの位置を示すホール検出信号を生成するホールコンパレータと、
    前記ホール検出信号を受け、前記単相モータの回転数に応じた周期の速度検出信号を生成する速度検出回路と、
    前記速度検出信号の周期の整数分の1の周期を有し、前記単相モータが所定電気角、回転したことを示すパルス信号を生成する電気角発生器と、
    前記モータコイルに流れるコイル電流の向きの反転を検出すると、ゼロ電流検出信号をアサートする電流監視回路と、
    前記ホール検出信号のエッジごとにリセットされ、前記パルス信号をクロックとしてカウント動作する第1カウンタを含み、前記第1カウンタのカウント値が進角設定値と一致すると、遷移パルスをアサートする遷移トリガー回路と、
    少なくとも前記遷移パルスをトリガーとして、前記Hブリッジ回路を複数の状態の間で所定のシーケンスにしたがって遷移させるロジック回路と、
    前記ゼロ電流検出信号のアサートのタイミングに応じて前記進角設定値を調節する進角コントローラと、
    を備え、
    前記ロジック回路は、少なくとも、
    前記第1出力および前記第2出力の一方をオン出力、それらの他方をオフ出力とし、前記オン出力を固定的に前記電源電圧とし、または所定のデューティ比で前記電源電圧とハイインピーダンスの間でスイッチングしつつ、前記オフ出力を前記接地電圧とする通電ステート、
    前記オン出力と前記オフ出力を入れ替え、前記オン出力を前記接地電圧、前記オフ出力をハイインピーダンスとするプレ回生ステート、
    前記オン出力を前記接地電圧もしくはハイインピーダンスとし、前記オフ出力を前記接地電圧とするポスト回生ステート、
    を含むシーケンスを繰り返し、
    前記電流監視回路は、前記プレ回生ステートにおいて、前記オフ出力の電圧が接地電圧またはその近傍に設定される第1しきい値電圧を超えると、前記ゼロ電流検出信号をアサートし、
    前記電流監視回路は、前記ポスト回生ステートにおいて、前記オン出力の電圧が、前記電源電圧と前記接地電圧の間に設定された第2しきい値電圧より低くなると、前記ゼロ電流検出信号をアサートすることを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 前記電流監視回路は、
    前記プレ回生ステートにおいて前記第1しきい値電圧、前記ポスト回生ステートにおいて前記第2しきい値電圧を選択するセレクタと、
    前記第1出力の電圧を前記セレクタの出力と比較する第1コンパレータと、
    前記第2出力の電圧を前記セレクタの出力と比較する第2コンパレータと、
    を含むことを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  3. 単相モータを駆動するモータ駆動装置であって、
    電源電圧および接地電圧を受けるとともに、その第1出力と第2出力の間に前記単相モータのモータコイルが接続されるHブリッジ回路と、
    ホール素子が生成するホール信号のペアを比較し、前記単相モータのロータの位置を示すホール検出信号を生成するホールコンパレータと、
    前記ホール検出信号を受け、前記単相モータの回転数に応じた周期の速度検出信号を生成する速度検出回路と、
    前記速度検出信号の周期の整数分の1の周期を有し、前記単相モータが所定電気角、回転したことを示すパルス信号を生成する電気角発生器と、
    前記モータコイルに流れるコイル電流の向きの反転を検出すると、ゼロ電流検出信号をアサートする電流監視回路と、
    前記ホール検出信号のエッジごとにリセットされ、前記パルス信号をクロックとしてカウント動作する第1カウンタを含み、前記第1カウンタのカウント値が進角設定値と一致すると、遷移パルスをアサートする遷移トリガー回路と、
    少なくとも前記遷移パルスをトリガーとして、前記Hブリッジ回路を複数の状態の間で所定のシーケンスにしたがって遷移させるロジック回路と、
    前記ゼロ電流検出信号のアサートのタイミングに応じて前記進角設定値を調節する進角コントローラと、
    を備え、
    前記ロジック回路は、少なくとも、
    前記第1出力および前記第2出力の一方をオン出力、それらの他方をオフ出力とし、前記オン出力を固定的に前記電源電圧とし、または所定のデューティ比で前記電源電圧とハイインピーダンスの間でスイッチングしつつ、前記オフ出力を前記接地電圧とする通電ステート、
    前記オン出力と前記オフ出力を入れ替え、前記オン出力を前記接地電圧、前記オフ出力をハイインピーダンスとするプレ回生ステート、
    前記オン出力を前記接地電圧もしくはハイインピーダンスとし、前記オフ出力を前記接地電圧とするポスト回生ステート、
    を含むシーケンスを繰り返し、
    前記電流監視回路は、前記プレ回生ステートにおいて、前記オフ出力の電圧が接地電圧またはその近傍に設定される第1しきい値電圧を超えると、前記ゼロ電流検出信号をアサートすることを特徴とするモータ駆動装置。
  4. 前記電流監視回路は、
    前記第1出力の電圧を前記第1しきい値電圧と比較する第1コンパレータと、
    前記第2出力の電圧を前記第1しきい値電圧と比較する第2コンパレータと、
    を含むことを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  5. 単相モータを駆動するモータ駆動装置であって、
    電源電圧および接地電圧を受けるとともに、その第1出力と第2出力の間に前記単相モータのモータコイルが接続されるHブリッジ回路と、
    ホール素子が生成するホール信号のペアを比較し、前記単相モータのロータの位置を示すホール検出信号を生成するホールコンパレータと、
    前記ホール検出信号を受け、前記単相モータの回転数に応じた周期の速度検出信号を生成する速度検出回路と、
    前記速度検出信号の周期の整数分の1の周期を有し、前記単相モータが所定電気角、回転したことを示すパルス信号を生成する電気角発生器と、
    前記モータコイルに流れるコイル電流の向きの反転を検出すると、ゼロ電流検出信号をアサートする電流監視回路と、
    前記ホール検出信号のエッジごとにリセットされ、前記パルス信号をクロックとしてカウント動作する第1カウンタを含み、前記第1カウンタのカウント値が進角設定値と一致すると、遷移パルスをアサートする遷移トリガー回路と、
    少なくとも前記遷移パルスをトリガーとして、前記Hブリッジ回路を複数の状態の間で所定のシーケンスにしたがって遷移させるロジック回路と、
    前記ゼロ電流検出信号のアサートのタイミングに応じて前記進角設定値を調節する進角コントローラと、
    を備え、
    前記ロジック回路は、少なくとも、
    前記第1出力および前記第2出力の一方をオン出力、それらの他方をオフ出力とし、前記オン出力を固定的に前記電源電圧とし、または所定のデューティ比で前記電源電圧とハイインピーダンスの間でスイッチングしつつ、前記オフ出力を前記接地電圧とする通電ステート、
    前記オン出力と前記オフ出力を入れ替え、前記オン出力を前記接地電圧、前記オフ出力をハイインピーダンスとするプレ回生ステート、
    前記オン出力を前記接地電圧もしくはハイインピーダンスとし、前記オフ出力を前記接地電圧とするポスト回生ステート、
    を含むシーケンスを繰り返し、
    前記電流監視回路は、前記ポスト回生ステートにおいて、前記オン出力の電圧が、前記電源電圧と前記接地電圧の間に設定された第2しきい値電圧より低くなると、前記ゼロ電流検出信号をアサートすることを特徴とするモータ駆動装置。
  6. 前記電流監視回路は、
    前記第1出力の電圧を前記第2しきい値電圧と比較する第1コンパレータと、
    前記第2出力の電圧を前記第2しきい値電圧と比較する第2コンパレータと、
    を含むことを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  7. 前記シーケンスは、
    前記通電ステートと前記プレ回生ステートの間に挿入され、徐々に低下するデューティ比で前記オン出力を前記電源電圧とハイインピーダンスの間でスイッチングしつつ、前記オフ出力を前記接地電圧とするソフトスイッチングダウンステート、
    前記ポスト回生ステートと次の前記通電ステートの間に挿入され、徐々に増大するデューティ比で前記オン出力を前記電源電圧とハイインピーダンスの間でスイッチングしつつ、前記オフ出力を前記接地電圧とするソフトスイッチングアップステート、
    をさらに含むことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のモータ駆動装置。
  8. 前記進角コントローラは、
    前記遷移パルスのアサートに応答してリセットされ、前記パルス信号をクロックとしてカウント動作する第2カウンタと、
    前記ゼロ電流検出信号がアサートされたときの前記第2カウンタのカウント値に応じた補正量を出力する補正量設定回路と、
    前記補正量に応じた前記進角設定値を出力する演算回路と、
    を含むことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のモータ駆動装置。
  9. 前記演算回路は、前記補正量の積算値に応じて前記進角設定値を生成することを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  10. 前記演算回路は、
    前記補正量の積算値を格納するためのメモリと、
    前記メモリの値と前記補正量を加算し、前記メモリに格納する第1加算器と、
    を含むことを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  11. 前記演算回路は、前記補正量の積算値に所定の進角基準値を加算して前記進角設定値を生成する第2加算器を含むことを特徴とする請求項9または10に記載のモータ駆動装置。
  12. アナログの進角基準電圧を受ける設定端子と、
    前記進角基準電圧をデジタルの前記進角基準値に変換するA/Dコンバータと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項11に記載のモータ駆動装置。
  13. 前記補正量には、前記第2カウンタのカウント値が示す位相遅れ量、位相進み量のゼロ近傍において不感帯が設定されることを特徴とする請求項に記載のモータ駆動装置。
  14. ひとつの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載のモータ駆動装置。
  15. ファンモータと、
    前記ファンモータの回転子の位置を示す一対のホール信号を生成するホール素子と、
    前記一対のホール信号にもとづいて前記ファンモータを駆動する請求項1から14のいずれかに記載のファンモータ駆動装置と、
    を備えることを特徴とする冷却装置。
  16. プロセッサと、
    前記プロセッサと対向して設けられたファンモータと、
    前記ファンモータの回転子の位置を示す一対のホール信号を生成するホール素子と、
    前記一対のホール信号にもとづいて前記ファンモータを駆動する請求項1から14のいずれかに記載のファンモータ駆動装置と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
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