TW201029314A - Motor driving circuit - Google Patents

Description

201029314 六、發明說明： _ 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關馬達驅動電路。 【先前技術】 在個人電腦與家用電子機器等中，為了冷卻發熱零件 而使用有風扇馬達。在使用風扇馬達來冷卻發熱零件的情 形中’雖然提高馬達的旋轉速度可提升冷卻性能，然而為 了消耗電力的抑制及靜音化，則必須依據發熱量而適當調 整馬達旋轉速度。 g

就馬達的旋轉控制方式的一種而言，有PAM(Pulse Amplitude Modulation ;脈波振幅調變）控制方式。在PAM 控制方式中，是使施加至馬達線圈的驅動電壓依據發熱量 而上升或下降，藉此而能夠調整馬達旋轉速度。 此外’為了進一步增進消耗電力的抑制及靜音化，除 了驅動電壓的控制之外，亦有進行間歇驅動的情形。例如， 在專利文獻1中揭示有一種如下的控制方式，亦即，以使 驅動電壓依據馬達的目標旋轉速度而降低的方式進行控 ❹ 制，並且以使驅動電壓施加至馬達線圈的比率隨著馬達的 目標旋轉速度降低而降低的方式進行控制。在該控制方式 中，與僅藉由驅動電壓的調整來進行控制的情形相比較， 能夠將馬達的旋轉速度控制得更低速旋轉，從而能夠實現 消耗電力的抑制及靜音化。 專利文獻1 :日本特開2006-174648號公報 【發明内容】 321682 4 201029314 (發明所欲解決之課題） 在馬達的旋轉時，是藉由依據磁極的位置與馬達線圈 的位置之關係的吸引力與排斥力而產生齒槽效應轉矩 (cogging torque)。並且，在馬達停止的情形中，馬達線 ' 圈大多是位於齒槽效應轉矩最小的處所。是故，要自馬達 停止的狀態開始旋轉是必須有超過齒槽效應轉矩的最大強 度的轉矩。 專利文獻1所揭示的方式中，在馬達的旋轉速度被設 ❹ 定為低速的情形中，由於驅動電壓為低電壓的狀態且驅動 比也降低，因此驅動馬達的轉矩也變小。是以，在旋轉的 情形中，由於慣性的作用因此即使為小轉矩仍能夠持續使 馬達旋轉，但在自馬達停止的狀態使馬達以低速開始旋轉 的情形中，會有驅動馬達的轉矩無法超過齒槽效應轉矩的 最大強度，而無法以低速啟動的情形。尤其是單相馬達的 情形，與三相的情形相比較，齒槽效應轉矩的最大強度與 _ 最小強度之差多半很大，因而提高了以低速啟動變得困難 的可能。 本發明乃鑒於上述課題而研創者，其S.的在餘能夠使 馬達以低速啟動。 (解決課題的手段） 為了達成前述目的，本發明的馬達驅動電路具備：第 1脈波產生電路，產生一方的邏輯位準的第1工作比（duty ratio)隨著依據馬達的目標旋轉速度的驅動電壓上升而變 高的第1脈波信號；第2脈波產生電路，產生一方的邏輯 5 321682 201029314 位準的第2工作比相異於前述第 號；及驅動控制電路，根據依據 比的第2脈波化 號，在自前述馬達停止的狀態開始的旋轉信 作比將驅動電流供給至馬達線I 、疋心述第2工 預定期間後是以第i工作比將”旋轉的 圈。 動電'"IL供給至前述馬達線 (發明的致果） 依據本發明，能夠提供 軟啟動兼備的功能。 【實施方式】 馬達的低速啟動（啟動補償）及 第1圖係顯示屬於本發明—實施形態的馬達驅動電路 的構成之圖。該圖中，馬達驅動電路1G係组人於個人電腦 與家用電子機器等中之用以冷卻發熱零件（被冷卻裝置）的 風扇馬達是組人有使冷卻用風扇旋制的馬達，用於驅動 使該冷卻用風扇旋轉之馬達。 本實施形態的馬達驅動電路1〇構成為包含有：NPN電 晶體11至14、驅動電壓產生電路2〇、第丨脈波產生電路 22、第2脈波產生電路23、旋轉檢測電路24、第1 AND電 路25、NOT電路27、第2AND電路29、0R電路26、及控制 電路28。本實施形態中’馬達驅動電路1〇為集積化電路’ 並且’在端子0UT1、0UT2間連接馬達線圈L，在端子H1、 H2間連接霍耳元件（Hall element)30，該霍耳元件30輸 出依據馬達的旋轉位置的電壓Vhl及電壓Vh2(旋轉# 號）’用以控制馬達的信號經由端子CNT而從微電腦 6 321682 201029314 (microcomputer)32輸入。另外，電M Vhl、Vh2為以彼此 成為反相的正弦波狀變化的電壓。 NPN電晶體11至14構成Η型橋式電路，用以藉由驅 動電壓Vm驅動馬達線圈。例如，在ΝΡΝ電晶體11、14導 _ 通（On)、NPN電晶體12、13關斷（Off)的狀態下，以電流 流通於從端子0UT1往端子0UT2的方向的方式以驅動電壓 Vm驅動馬達線圈L。此外，例如，在NPN電晶體12、13導 通（On)、NPN1卜14電晶體關斷（Off)的狀態下，以電流流 © 通於從端子0UT2往端子0UT1的方向的方式以驅動電壓Vm 驅動馬達線圈L。另外，在將馬達驅動電路10予以集積化 的情形中，亦可將NPN電晶體11至14設置在積體電路的 外部。 驅動電壓產生電路20是依據輸入自微電腦32的表示 目標旋轉速度的信號來產生依據目標旋轉速度的上升而升 高的驅動電壓Vm。驅動電壓產生電路20可由電源調整器 _ (regulator)電路來構成，該電源調整器電路是藉由依據來 自微電腦32的信號而降低例如5. 0V的電源電壓從而產生 驅動電壓Vm。輸出自驅動電壓產生電路20的驅動電壓Vm 被用於驅動馬達線圈L。於是，隨著驅動電壓Vm上升，馬 達的旋轉速度會變快，隨著驅動電壓Vm降低，馬達的旋轉 速度會變慢。 第1脈波產生電路22是產生Η位準的工作比（以下稱 之為第1工作比）隨著驅動電壓Vm上升而變高的第1脈波 信號PWM1。第1脈波信號P丽1用於間歇驅動馬達線圈L。 7 321682 201029314 在根據第1脈波信號PWM1來間歇驅動馬達線圈L的情形 中，馬達線圈L是在第1脈波信號PWM1為H位準期間受到 驅動。另外，第1脈波產生魏2例如可使用日本特開 2006-174648號公報所揭示的基準電壓產生電路、三角波 產生電路、及比較電路來實現。 第2脈波產生電路23是產u位準的工作比（以下稱 之為第2工作比）無關於驅動電壓Vm的變化且為固定的第 2脈波信號酬。第2脈波信號p觀也與^脈波信號_ 同樣為用於間歇驅動馬達線圈L。在根據第2脈波信號_ 來間歇驅動馬達線圈[的情形中，馬達線圈L是在第】脈 波信號P WM 2為Η位準期間受到驅動。在此，在重視啟 償功能的情形中，是構成為第2工作比較第i工作 。 =:以下是以第2工作比㈣1工作比還大的情形為例 來進行說明’但本發明並不限定於此，例 電源電壓Vm的值較大時箅啻满私斜知, 再取马在 使動（⑽tStart)功能且 使第2工作味第丨1作比還小。第 詳細内容於後說明。 μ W路23的 _ 電路24是根據輸出自霍耳7^牛3G的電壓 ㈣）。本錢形態巾是輯為在 ^ 信號DET變為fl位準，而當檢：恶下’檢測 號贿則變為L位準。另外，施$轉時’檢測信 並不限來自霍耳㈣㈣輪出，亦可設計為^用成為轉依 321682 8 201029314 據馬達旋轉速度的頻率的FG(FrequenCy Generat〇r ;頻率 產生器）信號等、依據馬達旋轉速度而變化的信號來檢測的 旋轉。 NOT電路27是將輪出自旋轉檢測電路24的檢測信號 DET予以反相並輸出。本實施形態中，在自馬達停止的狀 態至馬達的旋轉被檢測出為止的期間，由於檢測信號順 為Η位準，因此NOT電路27的輸出成為L位準。另一方面， 一旦檢測到馬達的旋轉從而檢測信號DET變為L位準，則 © NOT電路27的輸出變為η位準。 第1AND電路29是將輸出自第丨脈波產生電路22的第 1脈波尨號PWM1與來自NOT電路27的輸出之邏輯積輸出。 本貫施形態中’在自馬達停止的狀態至馬達的旋轉被檢測 出為止的期間’由於’電路的輪出為L位準，因此在該 期間，第1AND電路29的輸出是不管第i脈波信號歷且 維持為L位準。另-方面’一旦檢測到馬達的旋轉從而丽 ⑩電路的輸出變為Η位準，則在第丨脈波信號剛丨為H位準 的期間’第1AND電路29的輸出亦變為Η位準。

第2AND電路25是將輸出自第2脈波產生電路23的第 2脈波信號PWM2與輸出自旋轉檢測電路24的檢測信號DET 之邏輯積輸出。本實施形態中，在自馬達停止的狀態至馬 達的旋轉被檢測出為止的期間’由於檢測信號DET為η位 準’因此在第2脈波信號PWM2為η位準的期間，第2AND 電路25的輸出亦變為Η位準。另一方面，一旦檢測到馬達 的旋轉從而檢測信號DET變為L位準，則在該期間，第2AND 321682 9 201029314 電路25的輸出是不管第2脈波信號聰且維持為L位準。 ，在自馬達停止的狀態至馬達的旋轉被檢測出為 ^期間，第漏電路29的輸出是維持為L位準，並且 電路25的輸出是依據輸出自第2脈波產生電路^ =脈波信號爾2而變化。另一方面，一旦檢測到馬達 的旋轉，第2備電路29的輸出則維持為L位準，並 Z電路25的輸出是依據輸出自第1脈波產生電路22的 第1脈波信號PWM1而變化。 0R電路26疋將第1 AND電路29的輸出與第2AND電路 *的輸出之邏輯和作為驅動信號贿予以輸出。本實施形 4中，在自馬達停止的狀態至馬達的旋轉被檢測出為止的 期間，驅動信號順是成為依據輸出 23的第2脈波信號魔。另-方面，一旦檢測到,= 轉’驅動信號DRV則成為依據輸出自第1脈波產生電路22 的第1脈波信號PWM1而變化。 控制電路28是依據馬達的旋轉位置使NpN電晶體“、 Η及_電晶體12、13互補性地導通關斷。此外，控制 電路28是以使馬達線圈1在驅動信號位準的期間 受驅動電壓Vm驅動的方式適當地導通關斷_電晶體u 2 14。於是，在自馬達停止的狀態至馬達的旋轉被檢測出 :止的期間’對馬達線圈L進行依據第2脈波信號pWM2的 第2工作比的間歇驅動。另一方面，一旦檢測到馬達的旋 轉，則對馬達線圈L·進行依據第}脈波信號pwM1的第 作比的間歇驅動。 321682 10 201029314 第2圖是顯示旋轉檢測電路24的構成例之圖。旋轉檢 測電路24構成為包含有：比較器（comparator)40、邊緣 (edge)檢測電路42、計數器44、及檢測信號輸出電路46。 比較器40是輸出電壓Vhl、Vh2的比較結果。本實施形態 * 中是設計為在電壓Vhl較電壓Vh2高時，比較器40的輸出 變為Η位準，而在電壓Vhl較電壓Vh2低時，比較器40的 輸出則變為L位準。邊緣檢測電路42是檢測輸出自比較器 40的信號的邊緣，亦即從L位準往Η位準的變化及從Η位 © 準往L位準的變化，並依據邊緣的檢測來輸出脈波。計數 器44是計數輸出自邊緣檢測電路42的脈波的數目。檢測 信號輸出電路46是當計數器的計數值達到既定值（例如 “4”）時使檢測信號DET變化為L位準。另外，在馬達停 止的狀態下，計數器44的計數值被重設（reset)為0，並 且檢測信號DET被重設為Η位準。 茲針對馬達驅動電路10中自馬達停止的狀態開始旋 _轉時的動作的一例進行說明。第3圖是顯示旋轉檢測電路 24的動作的一例之圖。在馬達停止的情形中，輸出自霍耳 元件30的電壓Vhl、Vh2沒有變化，輸出自比較器40的信 號CMP也沒有變化。本實施形態中是設計為在馬達停止的 狀態中，輸出自比較器40的信號CMP是變為Η位準。 當表示馬達的目旋轉速度的信號從微電腦32輸入 時，驅動電壓產生電路20產生依據目標旋轉速度的驅動電 壓Vm。接著，第1脈波產生電路22產生第1工作比依據 驅動電壓Vm的變化而變化的第1脈波信號P丽1。另一方 11 321682 201029314 面，第2脈波產生電路23產生無關於驅動電壓Vffl的變化 且第2工作比為固定的第2脈波信號PWM2。在馬達停止的 情形中，計數器44的計數值被重設為0，並且輸出自檢測 k號輸出電路46的檢測信號DET被重設為η位準。是故， 輸出自0R電路26的驅動信號DRV依據第2工作比，從而 控制電路28將依據第2工作比的馬達線圈L的間歇驅動予 以開始。-旦馬達藉由依據第2工作比的間歇驅動而開始 旋轉時，輸出自霍耳元件30的電壓Vhl、Vh2便依據馬達 的旋轉而變化，輸出自比較器40的信號CMP亦變化。接著， 由於信號CMP的變化，從邊緣檢測電路42輪出信號哪， 使計數器44的計數值持續增加。#計數器44的計數器達 到既疋值（例如“4”）時，便判定為馬達已開始旋轉，從而 輸出自檢測信號輸出電路46的檢測信號嫩變化為[位 準。一旦檢測信號DET變為L位準，輸出自⑽電路託的 ^動信號DRV便依據第上工作比而變化（其中，第}工作比 疋依據驅動電M Vm)，從而馬達線圈L依據第1工作比被 間歇驅動、。亦即’在馬達驅動電路1()中，至馬達開始旋轉 為止是成為無關於驅動電麼Vm的變化且依據固定的第2工 作比的間歇驅動，在馬達開始旋轉後則成為依據第^工作 比的間歇驅動’其中第1工作比是依據驅動電壓Vm的變化。 第4圖是顯示_電壓Vm與馬達旋轉速度之關係的一 例之圖。如第第4圖所示，隨著驅動電壓^上升，旋轉速 度變快二隨著驅動電壓Vjn降低，旋轉速度變慢。此外，由 於脈波#號_的η位準的工作比隨著驅動電愿Vm上升而 321682 12 201029314 變高，因此在驅動電壓Vm的變動範圍同樣時，與全力驅動 相較，間歇驅動能夠將旋轉速度控制得更加低速。另外， 若將驅動電壓Vm為最大位準（Vmax)時的脈波信號的Η位準 的工作比設定為100%，則間歇驅動的最高旋轉速度成為與 ' 全力驅動的相同，能夠維持冷卻性能。 在馬達旋轉的狀態下，藉由使驅動電壓Vm及第1脈波 信號PWM1的第1工作比持續降低，便能夠使馬達的旋轉速 度持續變慢。並且，當驅動電壓Vm降至最低位準（Vmin) © 時，馬達的旋轉速度成為最低速度Smin。另一方面，在欲 使馬達自馬達停止的狀態以旋轉速度Smin旋轉時，即使以 驅動電壓Vm作為Vmin而將依據第1脈波信號PWM1的第1 工作比的間歇驅動予以開始，仍會有無法獲得超過齒槽效 應轉矩的轉矩的情形。即使是此種情形，本實施形態的馬 達驅動電路10在欲自馬達停止的狀態使馬達以旋轉速度 Smin旋轉時，由於至馬達開始旋轉為止是無關於驅動電壓 _ Vm的變化而成為依據一定的第2工作比的間歇驅動，因此 能夠獲得超過齒槽效應轉矩的轉矩，而能夠使馬達的旋轉 開始。並且，在馬達開始旋轉後由於慣性的作用不需要如 同啟動時程度的轉矩，因此在馬達驅動電路10中從依據第 2工作比的間歇驅動切換至依據第1工作比的間歇驅動， 而能夠將旋轉速度控制在Smiη。 如此，儘管本實施形態的馬達驅動電路10方式是種將 速度變化範圍相比於以往的ΡΑΜ控制更擴大的控制方式， 卻仍是具備啟動補償功能。不過若僅從啟動補償功能的觀 13 321682 201029314 點來看，是可以故意不設置第2脈波控制電路23而構成為 自馬達停止的狀態至馬達開始旋轉為止是以全轉矩進行驅 動。然而，若在開始已停止的馬達之際馬上就以全轉矩進 行驅動，則會於馬達線圈L急遽流通電流，有可能會超過 馬達驅動電路的額定值。關於此點，本實施形態的馬達驅 動電路10藉由具備第2脈波控制電路23而能夠控制第2 工作比，因此能夠在保持啟動補償功能的範圍内進行軟啟 動控制。 第5圖示第2脈波產生電路23的一例。第2脈波產生 電路23是由定電壓產生電路51、三角波產生電路52、電 阻器Rl、R2、及比較器53所構成。定電壓產生電路51是 依據產生驅動電壓產生電路所產生的rvVm而產生固定的 基準電壓VREG。另外，亦可從電源電壓Vm以外的電源來 產生基準電壓VREG。三角波產生電路52是藉由交替進行 電容器C的充電與放電而產生三角波。另外，由於是使用 基準電壓VREG來產生三角波，因此該三角波不依存於電源 電壓Vm的大小且是成為固定的電壓振幅。比較器53是在 非反相輸入端子輸入基準電壓VREG經電阻器R1、R2電阻 分壓後的分壓電壓VR，而在反相輸入端子則輸入有三角 波。比較器53是將分壓電壓VR與三角波進行比較，輸出 在三角波的值較大的期間成為H位準而在分壓電壓VR較大 的期間成為L位準的第2脈波信號PWM2。在如此的構成中， 例如，若以使分壓電壓VR變大的方式調整電阻器Rl、R2 的電阻分壓比，則軟啟動功能的效果提高，若以使分壓電 14 321682 201029314 壓VR變小的方式調整電阻器R1、R2的電阻分壓比，則啟 動補償功能的效果提高。如此，藉由適當調整電阻分割比 即實現啟動補償功能及軟啟動功能兼備的馬達驅動電路 ' 10。此外，由於基準電壓VREG及三角波無關於電源電壓 ' Vm且為固定，因此第2脈波信號P丽2的第2工作比無關 於電源電壓Vm且成為固定。 以上針對本實施形的馬達驅動電路進行了說明。在自 馬達停止的狀態開始旋轉時是根據第2工作比來間歇驅動 〇 馬達，在馬達開始旋轉後則是根據無關於電源電壓Vm且為 固定的第2工作比來間歇驅動馬達。是故，與PWM信號僅 在第1脈波控制信號PWM1的Η位準的期間進行驅動的情形 相比較，實現啟動補償功能及軟啟動功能並能以更低速啟 動馬達。 並且，藉由使用如上述的馬達驅動電路10,在電子機 器中發熱零件的發熱量小時，能夠將風扇的旋轉速度設定 _成充分低的旋轉速，從而能夠抑制電力消耗量。 另外，上述實施形態是用來使本發明容易理解，並非 用來限定解釋本發明。本發明可在不脫離其主旨的情形下 進行變更及改良，並且本發明亦包含其等效物。例如，在 本實施形態中雖然是將馬達驅動電路10設計為單相的風 扇馬達的驅動用，但作為驅動對象的馬達並不限於風扇馬 達，相數也不限於單相。 【圖式簡單說明】 第1圖是顯示屬於本發明一實施形態的馬達驅動電路 15 321682 201029314 的構成之圖。 第2圖是顯示旋轉檢測電路的構成例之圖。 第3圖是顯示旋轉檢測電路的動作的一例之圖。 第4圖是顯示驅動電壓與馬達的旋轉速度之關係的一 例之圖。 第5圖是顯示第2脈波產生電路的構成例之圖。 【主要元件符號說明】 10 馬達驅動電路 11 至14 NPN電晶體 20 驅動電壓產生電路 22 第1脈波產生電路 23 第2脈波產生電路 24 旋轉檢測電路 25 第2AND電路 26 OR電路 27 NOT電路 28 控制電路 29 第1AND電路 30 霍耳元件 32 微電腦 40 比較器 42 邊緣檢測電路 44 計數器 46 檢測信號輸出電路 51 定電壓產生電路 52 三角波產生電路 53 比較器 C 電容器 R1 、R2電阻器 CNT、 HI、H2、0UT1、0UT2 端子 16 321682

Claims (1)

1. 201029314 七、申請專利範圍： 1. 一種馬達驅動電路，係具備： 第1脈波產生電路，產生一方的邏輯位準的第1 工作比隨著依據馬達的目標旋轉速度的驅動電壓上升 而變高的第1脈波信號； 第2脈波產生電路，產生一方的邏輯位準的第2 工作比相異於前述第1工作比的第2脈波信號；及 驅動控制電路，根據依據前述馬達的旋轉的旋轉信 〇 號，在自前述馬達停止的狀態開始旋轉時是以前述第2 工作比將驅動電流供給至馬達線圈，在前述馬達開始旋 轉的預定期間後是以第1工作比將驅動電流供給至前 述馬達線圈。 2. 如申請專利範圍第1項之馬達驅動電路，其中，前述第 2工作比無關於前驅動電壓的變化且為固定。 3. 如申請專利範圍第2項之馬達驅動電路，其中，前述第 ^ 2脈波產生電路構成為包含有： 驅動電壓產生電路，依據前述驅動電壓產生固定的 基準電壓； 三角波產生電路，使用前述基準電壓產生三角波； 電阻分壓電路，產生將前述基準電壓電阻分壓後的 分壓電壓；及 比較器，在一方的輸入端子輸入前述分壓電壓，在 另一方的輸入端子輸入三角波，當前述三角波的值較大 的期間輸出一方的邏輯位準的前述第2脈波信號PWM2。 17 321682 201029314 4.如申請專利範圍第1至3項中任一項之馬達驅動電路， 其中，前述第2工作比為較前述第1工作比還大。 ❹

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