特許 5996188 ＤＣブラシレスモータ駆動回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5996188

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月21日

(54)【発明の名称】ＤＣブラシレスモータ駆動回路

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/16 20160101AFI20160908BHJP

【ＦＩ】

   H02P6/16

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-280812(P2011-280812)

(22)【出願日】2011年12月22日

(65)【公開番号】特開2013-132152(P2013-132152A)

(43)【公開日】2013年7月4日

【審査請求日】2014年10月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000191238

【氏名又は名称】新日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099818

【弁理士】

【氏名又は名称】安孫子 勉

(72)【発明者】

【氏名】竹内 和男

【審査官】 池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第０１／０３９３５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０７１０９６７２（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００３−０２１１１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−１１６５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０８４４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８５７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３０１６５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ６／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ホール素子の出力信号に基づいてＤＣブラシレスモータの回転駆動制御を可能に構成されてなるＤＣブラシレスモータ駆動回路であって、
外部から入力される信号に応じて前記ホール素子へ断続的に通電可能に構成されてなるバイアス用電源と、
前記ホール素子の出力信号を増幅し、前記ＤＣブラシレスモータのロータ位置に応じた相信号を出力するホールアンプと、
前記ホールアンプの出力信号に基づいてロータ回転に同期し、かつ、そのロータ回転の相信号を逓倍した周波数の信号を、前記バイアス用電源に前記通電電流を断続せしめる信号として出力可能に構成されてなる回転数信号発生器と、を具備し、
前記ホールアンプは、前記回転数信号発生器の出力信号の最大周波数に対して大凡十分の一のカットオフ周波数を有することを特徴とするＤＣブラシレスモータ駆動回路。

【請求項2】

所定の周波数の信号を出力する発振器と、
前記回転数信号発生器の出力信号を計数し、所定の計数が行われた際に信号出力可能に構成されてなるカウンタと、
前記発振器の出力信号と前記カウンタの出力信号との論理和信号を、前記バイアス用電源に前記通電電流を断続せしめる信号として出力する論理和回路と、
電源電圧が一定値に達した際にアクティブ信号を出力する電源電圧検出器と、を具備し、
前記カウンタは、前記電源電圧検出器から出力されたアクティブ信号によりリセット可能に構成されてなることを特徴とする請求項１記載のＤＣブラシレスモータ駆動回路。

【請求項3】

ホール素子の出力信号に基づいてＤＣブラシレスモータの回転駆動制御を可能に構成されてなるＤＣブラシレスモータ駆動回路であって、
外部から入力される信号に応じて前記ホール素子へ断続的に通電可能に構成されてなるバイアス用電源と、
前記バイアス用電源に前記通電電流を断続せしめる信号を出力する発振器と、
前記ホール素子の出力信号を増幅し、前記ＤＣブラシレスモータのロータ位置に応じた相信号を出力すると共に、前記発振器の出力信号の大凡十分の一のカットオフ周波数を有するホールアンプと、
前記ホールアンプの出力信号に基づいてロータ回転に同期し、かつ、そのロータ回転の相信号を逓倍した周波数の信号を出力可能に構成されてなる回転数信号発生器と、
前記回転数信号発生器の出力信号を計数し、所定の計数が行われた際に信号出力可能に構成されてなるカウンタと、
前記発振器の出力信号と前記カウンタの出力信号との論理和信号を、前記バイアス用電源に前記通電電流を断続せしめる信号として出力する論理和回路と、
電源電圧が一定値に達した際にアクティブ信号を出力する電源電圧検出器と、を具備し、
前記ホールアンプの出力に基づいて前記ＤＣブラシレスモータへ通電可能に構成されてなる一方、
前記カウンタは、前記電源電圧検出器から出力されたアクティブ信号によりリセット可能に構成されてなることを特徴とするＤＣブラシレスモータ駆動回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＤＣブラシレスモータ駆動回路に係り、特に、消費電力の低減等を図ったものに関する。

【背景技術】

【0002】

この種の従来装置としては、例えば、機器冷却用の軸流ファンモータに使用されるＤＣブラシレスモータ駆動回路などが良く知られており、図５には、その回路構成例の一例が示されており、以下、同図を参照しつつ、かかる従来のＤＣブラシレスモータ駆動回路について説明する。
図５に示された回路は、ホール素子Ｈがモータのロータ位置に応じて出力する正弦波電圧信号を増幅するホールアンプＡと、このホールアンプＡの出力信号に基づいてモータＭの巻線へ駆動電流を供給するドライバとを主たる構成要素として構成されたもので、一般にリニア駆動方式と称されているものである。

【0003】

特に、ファンモータなどに多用される単相ブラシレスモータのリニア駆動の場合、ホール素子Ｈの出力波形が基本的に正弦波であることを利用して、ホールアンプＡの利得を計算上電源電圧の数倍程度の十分高い電圧振幅が得られるように設定することで得られる台形波が巻線駆動信号として生成されるようになっている。
巻線駆動信号を台形波とするのは、モータＭの巻線に矩形波を印加した場合に発生する突入電流が、モータＭのトルク生成には寄与せず、結果的に振動、騒音や発熱などを引き起こす原因となるとされているためである。

【0004】

この回路は、比較的簡易に実現できるため、５Ｖから１２Ｖ程度の電源電圧で使用される単相ブラシレスモータに多く適用され、特に、冷却用ファンモータなどに多く用いられている。
かかる回路は、小型化のため半導体集積回路（ＩＣ）化されることがほとんどで、モータ巻線を駆動するためのパワーデバイスを含め、それらは数ミリから１０数ミリ角のプラスチックモールドパッケージに収められている。

【0005】

ところで、モータ巻線を駆動する電流や電圧は、半導体チップの発熱によって制限される。半導体チップの発熱は、巻線駆動用パワーデバイスのＯＮ抵抗による損失が主要要因となり、発生損失は（動作電流の２乗）と（ＯＮ抵抗）の積で決まるため、ＩＣチップの設計上、パワーデバイスは大きな面積を有し、その大きさがＩＣの電流能力をほぼ決定するものとなっている。５ミリ角程度のパッケージは、４００ｍｗ程度の許容損失を持つため、電源電圧が５Ｖの場合３００ｍＡ程度、電源電圧が１２Ｖの場合１５０ｍＡ程度が、巻線電流の定格条件であるＩＣが多い。

【0006】

近年、家電や産業用設備などに用いられるモータにおいて、５Ｖあるいは１２Ｖの従来の軸流ファンモータと同じ大きさで、動作電圧が２４Ｖあるいは４８Ｖと従来より高いものが必要とされることが増える傾向にある。
冷却能力、すなわち、モータの出力は、（巻線印加電圧）と（巻線電流）の積に依存するため、巻線電圧が高くできると駆動電流は減らすことができ、ＯＮ抵抗による発熱を減らすことができる。

【0007】

しかしながら、逆に、ブラシレスモータを駆動するのに不可欠なホール素子を駆動するための電源回路、いわゆるホールバイアスの損失が無視できなくなってくる。モータ駆動用としてインジウムアンチモン合金型のホール素子の場合、印加電圧が１．５Ｖ程度、動作電流は１〜３ｍＡであるが、ノイズマージンや温度特性を考慮して５ｍＡ以上の電流を流すことがある。
例えば、非特許文献１、２にも示されているように、ホールバイアスはＩＣに内蔵することも多い。従来、ホールバイアスはドロッパタイプの固定電圧を出力するものがほとんどであり、その損失は、（動作電圧−出力電圧）と（ホール電流）の積となるため、これを４８Ｖの動作回路に適用すると、３ｍＡの電流でも１４０ｍＷ程度の損失となるため、ＩＣの動作温度範囲の上限付近では、上述した大きさのパッケージの場合、許容損失の二分の一以上を占めてしまうこともある。

【0008】

したがって、ホールバイアスによる損失を低減することが、ＩＣのモータ駆動能力を向上させるために必要とされる。
そのための損失低減方法として、ホールバイアスを断続（チョッピング）する方法が従来から提案、実用化されており、例えば、特許文献１や非特許文献３等において開示されている。なお、非特許文献４で開示されている方法は、ホール素子のほか、ホール信号を受ける回路の電源も同時にチョッピングする方法であるが、この場合においても上述したような効果を期待することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００７−３１８３５２号公報（第３−４頁、図１−図２）

【非特許文献1】新日本無線株式会社 製品カタログ ＮＪＵ７３６０

【非特許文献2】三洋電機株式会社 製品カタログ ＬＡ６５８３Ｔ

【非特許文献3】旭化成エレクトロニクス株式会社 製品カタログ ＥＭ−１７１２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、上述の特許文献１、及び、非特許文献３で開示されている方法は、ホール素子の電力消費を抑えるために、そのバイアス回路にスイッチを設け、チョッピング駆動することを主眼としているが、ホール素子をモータのロータ位置検出に用いる場合、別の問題が生ずる。
すなわち、先に述べた単相ＤＣブラシレスモータのリニア駆動の場合、ホール素子のバイアスをチョッピングすると、当然、ホール信号やモータ駆動信号にもチョッピング信号が重畳される。このようなモータ駆動信号のチョッピング信号成分は、先に述べた突入電流同様、モータのトルク生成に寄与しない電流を巻線に流すこととなり、モータの振動、騒音、発熱などの発生、効率の低下を招く原因となる。

【0011】

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、ホールバイアス回路による電力消費を抑圧し、かつ、高調波信号が除去でき、リニア駆動に適した駆動信号を供給することのできるＤＣブラシレスモータ駆動回路を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るＤＣブラシレスモータ駆動回路は、
ホール素子の出力信号に基づいてＤＣブラシレスモータの回転駆動制御を可能に構成されてなるＤＣブラシレスモータ駆動回路であって、
外部から入力される信号に応じて前記ホール素子へ断続的に通電可能に構成されてなるバイアス用電源と、
前記ホール素子の出力信号を増幅し、前記ＤＣブラシレスモータのロータ位置に応じた相信号を出力するホールアンプと、
前記ホールアンプの出力信号に基づいてロータ回転に同期し、かつ、そのロータ回転の相信号を逓倍した周波数の信号を、前記バイアス用電源に前記通電電流を断続せしめる信号として出力可能に構成されてなる回転数信号発生器と、を具備し、
前記ホールアンプは、前記回転数信号発生器の出力信号の最大周波数に対して大凡十分の一のカットオフ周波数を有してなるものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、ホールアンプに位相補償機能を備えるよう構成することにより、ホールバイアス回路のチョッピングによって生ずる電力損失を減少させることができ、小型パッケージＩＣの出力電流能力を向上することができるという効果を奏するものである。
特に、回転数信号発生器の出力信号をチョッピングに用いる構成にあっては、簡易な構成とすることができ、ＩＣ内の発振器を省略した構成が実現でき、より安価なＤＣブラシレスモータ駆動回路を提供することができる。
また、ホールアンプの位相補償によって、チョッピングによる高周波ノイズを除去することができるので、チョッピングに起因してモータで生ずる騒音や振動を抑圧することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施の形態におけるＤＣブラシレスモータ駆動回路の第１の構成例を示す構成図である。

【図2】本発明の実施の形態におけるＤＣブラシレスモータ駆動回路の第２の構成例を示す構成図である。

【図3】本発明の実施の形態におけるＤＣブラシレスモータ駆動回路の第３の構成例を示す構成図である。

【図4】図１に示されたＤＣブラシレスモータ駆動回路の主要部の信号のタイミングを示すタイミング図であって、図４（Ａ）はホールバイアスをチョッピングするチョッピング信号のタイミングを示すタイミング図、図４（Ｂ）はＤＣ印加時におけるホール信号のタイミング図、図４（Ｃ）はホールバイアスとしてＤＣ印加とした場合のドライブ信号のタイミング図、図４（Ｄ）はチョッピングされたホールバイアスを印加した場合のホール信号のタイミング図、図４（Ｅ）はチョッピングされたホール信号を用いた場合のドライブ信号のタイミング図である。

【図5】従来のＤＣブラシレスモータ駆動回路の一構成例を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態におけるＤＣブラシレスモータ駆動回路の第１の構成例について図１を参照しつつ説明する。
この第１の構成例におけるＤＣブラシレスモータ駆動回路は、バイアス用電源（図１においては「ＰＯＷ」と表記）１と、発振器（図１においては「ＯＳＣ」と表記）２と、ホールアンプ３と、モータ駆動用ドライバ（図１においては「ＤＲＶ」と表記）４とを有して構成されたものとなっている。

【0016】

バイアス用電源１は、ホール素子（図１においては「Ｈ」と表記）５に電流を供給する電源であり、本発明の実施の形態においては、特に、外部から入力される信号に同期して出力電流を断続できるよう構成されたものとなっている。なお、図１においては、この電流の断続機能をスイッチ素子で表している。
発振器２は、上述のバイアス用電源１の電流を断続させる信号を発生するもので、その発振周波数は、一般的なモータの回転数である数千ｒｐｍよりも十分高く、かつ、可聴周波数域より上の領域の２０乃至６０ｋＨｚ程度に設定されたものとなっている。このようにモータ回転数よりも十分高い周波数とする理由は、モータ回転数とチョッピング周波数が近いと干渉（うなり）を起こしてモータ回転数が変動するため、これを避けるためである。

【0017】

このような影響を確実に避けるためには、発振器２の発振周波数はモータ回転数の１０倍以上とすることが望ましい。かかる発振器２の出力信号は、図４（Ａ）に示されたように方形波信号となっている。
そのため、バイアス用電源１が発振器２の出力信号によりＯＮとされた際には、ホール素子５にはバイアス用電源１の規定電圧が印加される一方、バイアス用電源１が発振器２の出力信号によりＯＦＦとされた際には、ホール素子５には０Ｖが印加されるようになっている。

【0018】

バイアス用電源１の出力段とグランドとの間には、バイアス用電源１側から順に、ホール素子５、及び、バイアス調整用抵抗器５ａが直列接続されて設けられており、その出力は、ホールアンプ３に印加されるようになっている。
ホールアンプ３は、演算増幅器１１と、帰還抵抗器１２と、入力抵抗器１３と、コンデンサ１４とを有して構成されたものとなっている。
すなわち演算増幅器１１の出力端子と、２つの入力端子の一方との間には、帰還抵抗器１２が接続されると共に、この一方の入力端子には、入力抵抗器１３を介してホール素子５の一方の出力端子が接続されたものとなっている。

【0019】

また、演算増幅器１１の他方の入力端子には、ホール素子５の他方の出力端子が接続されている。さらに、ホール素子５と入力抵抗器１３の相互の接続点と、演算増幅器１１の他方の入力端子との間には、コンデンサ１４が接続されている。
このホールアンプ３において、コンデンサ１４、入力抵抗器１３、及び、帰還抵抗器１２は、ＲＣ１次フィルタによる位相補償回路を構成するものとなっている。
本発明の実施の形態においては、ホール素子５の出力抵抗との整合性との関係から、入力抵抗器１３は１００〜数ｋΩが選択されるため、コンデンサ１４は０．１〜１μＦ程度の値を設定することで、数１００Ｈｚ〜数ｋＨｚのところに極を構成できるものとなっている。

【0020】

モータ駆動用ドライバ４は、ホールアンプ３の出力信号に基づいて、モータ５０の巻線に通電する通電電流を生成、出力するよう構成されてなるもので、その回路構成は、基本的に従来同様のものである。
なお、回路各部は、動作に必要な電源電圧を電源５１により供給されるものとなっている。
ここで、ホールアンプ３において位相補償回路が必要とされる理由について説明することとする。
まず、従来、ホール素子には、一定のバイアスを印加して使用することが一般的であった。定電圧バイアスを印加した場合、ホール素子に印加された磁界に応じて内部抵抗値が変化するため、モータの位置検出に用いる場合には、ホール素子の出力信号（ホール信号）として、例えば、図４（Ｂ）に示されたよう正弦波電圧が出力されるようホール素子が配置されるのは周知の通りである。なお、この場合、モータには、図４（Ｃ）に示されたような、いわゆる台形波信号がドライブ信号として印加されるのが通常である。

【0021】

一方、ホール素子５のバイアスを断続させた場合、図４（Ｄ）に示されたようにホール素子５の出力にも同様な電圧変化が重畳され、結果として、モータ駆動用ドライバ４の出力は、図４（Ｅ）に示されたように、チョッピング周波数を、ホール素子５の出力信号で変調した信号となる。
しかし、その重畳されたチョッピング信号成分の振幅が大きくなると、モータ５０の巻線へ印加される電力が減少し、モータ５０の回転数を下げる要因となると共に、このようなモータ回転数より高い高周波成分は、モータ５０のトルク発生に寄与することはなく、ほとんどが銅損となり、モータ５０の動作効率悪化や発熱を招くこととなる。
そのため、定常回転で発生するモータ回転数信号、いわゆるＦＧ(Frequency Generator)信号の概ね１０倍以上のカットオフ周波数を有するよう位相補償機能をホールアンプ３に備えることで、チョッピングによるホール信号の高周波成分を除去し、上述のような不都合の解消を図っている。

【0022】

例えば、冷却用の小型軸流ファンの回転数は、１５００〜６０００ｒｐｍの範囲のものが多く、単相ファンで一般に機械的回転数の２倍周期で発生されるＦＧ信号周波数に換算して５０〜２００Ｈｚ程度が多いことから、カットオフ周波数は概ね２ｋＨｚより高い値が妥当となる。このことから、先に述べたチョッピング周波数で発生する２０乃至６０ｋＨｚの成分を除去するため、その概ね十分の一となる２乃至６ｋＨｚ程度のカットオフ周波数を持たせることが妥当となる。

【0023】

なお、位相補償回路の構成としては、図１に示された構成に限定されるものではなく、他に、例えば、ホールアンプを構成する差動アンプにミラー補償をかける方法も採り得る。この場合、ＩＣチップ上に構成可能な数１０ｐＦのコンデンサで、上述した本発明の実施の形態における位相補償と同様な効果があるため、ＩＣ内蔵が可能となり、構成部品を削減することができる。
なお、図１に示された構成例の場合、ホール素子５へ駆動デューティ４０％以下でも安定したモータ動作の確保が可能であった。
４８Ｖの電源のモータ駆動回路へ適用した場合、許容消費電力に生じた余裕から、パワートランジスタの面積の１５％程度の削減、あるいは、同サイズのパワートランジスタを使用した場合、許容電流の１５％程度の拡大が可能となる。

【0024】

次に、第２の構成例について、図２を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された第１の構成例における構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第２の構成例は、先の図１に示された第１の構成例における発振器２に代えて回転数信号発生器６を設けた構成を有するものである。
回転数信号発生器６は、信号変換器６ａと逓倍器６ｂとを有して構成されたものとなっている。

【0025】

信号変換器６ａは、ホールアンプ３のアナログ出力信号（相信号）を、同一繰り返し周期を有する論理信号に変換、出力するよう構成されてなるもので、その出力は逓倍器６ｂへ入力されるものとなっている。
逓倍器６ｂは、信号変換器６ａを介して入力された繰り返し論理信号を逓倍して所望周波数のチョッピング信号を生成、出力するためのもので、その出力信号は、図１における発振器２同様、バイアス用電源１の出力電流の断続に用いられるものとなっている。

【0026】

小型軸流ファンの駆動回路は、ＩＣ化されることがほとんどであり、かつ、多くのＩＣには、回転数信号発生回路が設けられているため、この第２の構成例のような構成を採るには好都合である。
なお、モータ回転とチョッピング周波数の干渉を回避する観点から、先の逓倍器６ｂでは、入力された回転数信号の少なくとも８倍の逓倍が必要であり、バイアス用電源１のスイッチング損失を考慮すると、２０ｋＨ〜２００ｋＨｚ程度となるよう逓倍器を設定する。

【0027】

また、図１に示された第１の構成例の発振器２は、例えば、２０ｋＨｚ程度の信号を生成する場合、１０数個のフリップフロップ回路と時定数基準となるキャパシタが必要となるが、発振器２に代えて、回転数信号発生器６を用いることで、上述のような構成の発振器２を省くことができ、チップサイズのさらなる縮小化が実現できるものとなっている。

【0028】

次に、第３の構成例について、図３を参照しつつ説明する。
なお、図１、又は、図２に示された各構成例における構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第３の構成例は、特に、モータ起動時における不安定さを回避するための回路を、図１に示された第１の構成例に付加したものである。
すなわち、この第３の構成例は、図１に示された第１の構成例を基本として、さらに、電源電圧／起動検出回路（図３においては「Ｐ−ＤＥＴ」と表記）７と、回転数信号発生器６と、カウンタ（図３においては「ＣＯＵＮＴ」と表記）８と、論理和回路９とが設けられたものとなっている。

【0029】

カウンタ８は、回転数信号発生器６の出力信号を一定数カウントした時点で、論理値Ｈｉｇｈに対応する信号を出力するよう構成されたものとなっており、この出力信号によって、論理和回路９から発振器２の信号が出力されるようになっている。
例えば、起動後、１０回転程度回転した後に、発振器２の出力によりバイアス用電源１がチョッピングされるように機能することとなる。

【0030】

電源電圧／起動検出回路７は、電源５１により正常に電源電圧が印加された際に、起動検出信号をモータ駆動用ドライバ４へ出力し、モータ駆動用ドライバ４を動作可能とする一方、電源電圧が設定値以下に低下した場合に、カウンタ８に対してリセット信号を出力するよう構成されてなるものである。
この電源電圧／起動検出回路７を設けることにより、電源電圧が設定値より低下した場合には、カウンタ８をリセットすることで、瞬間的な電源電圧低下による再起動時にも安定した動作が確保されることとなる。

【産業上の利用可能性】

【0031】

ホールバイアス回路の低消費電力化が所望されるブラシレスモータに適用できる。

【符号の説明】

【0032】

１…バイアス用電源
２…発振器
３…ホールアンプ
４…モータ駆動用ドライバ
５…ホール素子
６…回転数信号発生器
７…電源電圧／起動検出回路
９…論理和回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】