特許 7414622 モータ駆動装置及びモータ駆動システム

(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】

(24)【登録日】2024-01-05

(45)【発行日】2024-01-16

(54)【発明の名称】モータ駆動装置及びモータ駆動システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/024 20160101AFI20240109BHJP

【ＦＩ】

H02P29/024

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020070004

(22)【出願日】2020-04-08

(65)【公開番号】P2021166462

(43)【公開日】2021-10-14

【審査請求日】2022-06-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002907

【氏名又は名称】弁理士法人イトーシン国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 昌浩

【審査官】佐藤 彰洋

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－２６１３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１３０７９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２９／０２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータの第１の相を駆動する第１の駆動回路と、
前記モータの第２の相を駆動する第２の駆動回路と、
前記第１の相の経路で発生した過電流異常を検出する第１の検出回路と、
前記第２の相の経路で発生した過電流異常を検出する第２の検出回路と、
前記第１の相の経路で発生した負荷オープン異常を検出する第３の検出回路と、
前記第２の相の経路で発生した負荷オープン異常を検出する第４の検出回路と、
前記第１の検出回路から前記第４の検出回路の検出結果に基づいて、異常が検出された前記第１の相又は前記第２の相の経路に関する情報と、発生した前記過電流異常又は前記負荷オープン異常に関する情報と、の両方をフラグ信号として出力する出力回路と、
を有することを特徴とするモータ駆動装置。

【請求項2】

前記出力回路は、前記第１の検出回路乃至前記第４の検出回路の検出結果のそれぞれに対応した複数のフラグ信号を出力する
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。

【請求項3】

前記第１の検出回路から前記第４の検出回路の検出結果に基づいて、前記モータを制御するための第１及び第２の制御信号を前記第１の駆動回路及び前記第２の駆動回路に出力する制御回路を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。

【請求項4】

前記第１の駆動回路は、前記第１の制御信号に基づいて、前記モータの前記第１の相を駆動し、
前記第２の駆動回路は、前記第２の制御信号に基づいて、前記モータの前記第２の相を駆動することを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動装置。

【請求項5】

前記第１の駆動回路は、電源とグランドとの間に、直列接続された第１のトランジスタと第２のトランジスタ、及び、直列接続された第３のトランジスタと第４のトランジスタが、並列接続され、
前記第２の駆動回路は、前記電源と前記グランドとの間に、直列接続された第５のトランジスタと第６のトランジスタ、及び、直列接続された第７のトランジスタと第８のトランジスタが、並列接続されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。

【請求項6】

前記第１、前記第２、前記第３、前記第４、前記第５、前記第６、前記第７、及び、前記第８のトランジスタには、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、及び、第８の過電流検出用の検出回路が並列に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動装置。

【請求項7】

前記第１の検出回路は、前記第１、前記第２、前記第３、及び、前記第４の過電流検出用の検出回路の検出結果に基づいて、前記過電流異常を検出し、
前記第２の検出回路は、前記第５、前記第６、前記第７、及び、前記第８の過電流検出用の検出回路の検出結果に基づいて、前記過電流異常を検出することを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置。

【請求項8】

前記第２、前記第４のトランジスタと前記グランドとの接続点には、第１のコンパレータが接続され、
前記第６、前記第８のトランジスタと前記グランドとの接続点には、第２のコンパレータが接続されていることを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動装置。

【請求項9】

前記第３の検出回路は、前記第１のコンパレータの検出結果に基づいて、前記負荷オープン異常を検出し、
前記第４の検出回路は、前記第２のコンパレータの検出結果に基づいて、前記負荷オープン異常を検出することを特徴とする請求項８に記載のモータ駆動装置。

【請求項10】

請求項１から請求項９のいずれか１つに記載のモータ駆動装置と、
前記フラグ信号に基づいて、前記モータ駆動装置を制御するマイクロコントロールユニットと、
を有することを特徴とするモータ駆動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、モータ駆動装置及びモータ駆動システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、車載用途に用いられる半導体装置、例えばモータ駆動装置は、高い信頼性が求められているため、異常検出機能が一般的に搭載されている。代表的な異常検出機能は、過電流（ショート不良）の検出、及び、負荷オープン（オープン不良）の検出等がある。モータ駆動装置は、異常を検出し、検出結果を外部のマイクロコントロールユニットに送信する。マイクロコントロールユニットがモータ駆動装置の動作を停止させる、あるいは、安全な動作をさせるように制御する。

【0003】

また、モータ駆動装置は、ステッピングモータ等の複数相のコイルで構成されたモータを駆動する場合、コイルのいずれの相で異常が発生したかを検出することが、安全性の向上に有効である。

【0004】

しかしながら、いずれの相で異常が発生しているかを検出するためには、外付けの電流検出回路を設け、各相のコイルまたはその経路に流れる電流を監視する必要があった。あるいは、シーケンスを組み、各相のコイルを個別に励磁した状態で電流を監視する必要があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第３１４６８１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

実施形態は、複数相のいずれで異常が発生しているかを容易に検出することができるモータ駆動装置及びモータ駆動システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態のモータ駆動装置は、第１の駆動回路と、第２の駆動回路と、第１の検出回路と、第２の検出回路と、第３の検出回路と、第４の検出回路と、出力回路とを有する。第１の駆動回路は、モータの第１の相を駆動する。第２の駆動回路は、モータの第２の相を駆動する。第１の検出回路は、第１の相の経路で発生した過電流異常を検出する。第２の検出回路は、第２の相の経路で発生した過電流異常を検出する。第３の検出回路は、第１の相の経路で発生した負荷オープン異常を検出する。第４の検出回路は、第２の相の経路で発生した負荷オープン異常を検出する。出力回路は、第１の検出回路から第４の検出回路の検出結果に基づいて、異常が検出された第１の相又は第２の相の経路に関する情報と、発生した過電流異常又は負荷オープン異常に関する情報と、の両方をフラグ信号として出力する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態のモータ駆動システムの構成を示す図である。

【図2】駆動回路の構成を示す図である。

【図3】各異常状態と出力端子から出力される異常検出フラグ信号との関係の一例を示す図である。

【図4】各異常状態と出力端子から出力される異常検出フラグ信号との関係の他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
図１は、一実施形態のモータ駆動システムの構成を示す図である。モータ駆動システム１は、モータ駆動装置２と、マイクロコントロールユニット（以下、ＭＣＵと呼ぶ）３と、ステッピングモータ１０とを有して構成されている。

【0010】

ステッピングモータ１０は、Ａ相（第１の相）のコイル１１と、Ｂ相（第２の相）のコイル１２と、ロータ１３とにより構成されている。なお、ステッピングモータ１０は、２相に限定されることなく、３相以上であってもよい。また、モータ駆動システム１は、ステッピングモータ１０に代わり２相以上のブラシレスモータで構成されていてもよい。

【0011】

モータ駆動装置２は、ＭＣＵ３の制御のもとステッピングモータ１０を駆動する装置である。ＭＣＵ３は、モータ駆動装置２を制御するための信号を出力する。

【0012】

モータ駆動装置２は、電源回路２１と、モータ制御回路２２と、駆動回路２３、２４と、過電流検出回路２５、２６と、負荷オープン検出回路２７、２８と、過熱検出回路２９と、異常検出フラグ信号出力回路３０と、複数の入出力端子３１とを有して構成されている。ここで、複数の入出力端子のうち、異常検出フラグ信号出力回路３０が異常検出を示すフラグ信号を出力する３つの端子を出力端子ＤＩＡＧ３２、３３、３４と呼ぶ。

【0013】

電源回路２１には、図示しない商用電源やバッテリ等の電源が供給される。電源回路２１は、供給された電源を各回路の動作電圧に変換し、供給する。

【0014】

モータ制御回路２２は、ステッピングモータ１０を制御するための制御信号ＳＣ１及びＳＣ２を駆動回路２３及び２４に出力する。駆動回路２３及び２４は、制御信号ＳＣ１及びＳＣ２に基づいてステッピングモータ１０を駆動する。より具体的には、制御信号ＳＣ１に基づいて、駆動回路２３はＡ相のコイル１１を駆動し、制御信号ＳＣ２に基づいて、駆動回路２４はＢ相のコイル１２を駆動する。

【0015】

図２は、駆動回路の構成を示す図である。駆動回路２３は、電源とグランドとの間に、直列接続されたＦＥＴ５１とＦＥＴ５２、および、ＦＥＴ５３とＦＥＴ５４が、並列に接続されている。そして、駆動回路２３は、ＦＥＴ５１及びＦＥＴ５２の接続点と、ＦＥＴ５３及びＦＥＴ５４の接続点との間にコイル１１を接続してＡ相のＨブリッジ回路を構成する。

【0016】

ＦＥＴ５１～５４のそれぞれには、過電流検出用の検出回路５１ａ～５４ａが並列に設けられている。検出回路５１ａ～５４ａは、それぞれＦＥＴ５１～５４に流れる電流を測定するセンサと、測定された電流を基準電流と比較する比較回路とを有し、測定された電流と基準電流とを比較し、過電流の検出結果を過電流検出回路２５に出力する。検出回路５１ａ～５４ａは、例えば、測定された電流が基準電流よりも高い場合にはＨレベルの信号を、測定された電流が基準電流以下の場合にはＬレベルの信号を、過電流検出回路２５に出力する。

【0017】

また、ＦＥＴ５２、５４とグランドとの接続点は、オープン不良の異常を検出するためのコンパレータ５５が接続されている。コンパレータ５５は、一方の入力端子にコイル１１に供給されている電圧が入力され、他方の入力端子に基準電圧が入力される。コンパレータ５５は、コイル１１に供給されている電圧と基準電圧とを比較し、負荷オープンの検出結果を出力する。コンパレータ５５は、例えば、供給されている電圧が基準電圧よりも高い場合にはＨレベルの信号を、供給されている電圧が基準電圧以下の場合にはＬレベルの信号を、負荷オープン検出回路２７に出力する。

【0018】

同様に、駆動回路２４は、電源とグランドとの間に、直列接続されたＦＥＴ６１とＦＥＴ６２、及び、ＦＥＴ６３とＦＥＴ６４が、並列に接続されている。そして、駆動回路２４は、ＦＥＴ６１及びＦＥＴ６２の接続点と、ＦＥＴ６３及びＦＥＴ６４の接続点との間にコイル１２を接続してＢ相のＨブリッジ回路を構成する。

【0019】

ＦＥＴ６１～６４のそれぞれには、過電流検出用の検出回路６１ａ～６４ａが並列に設けられている。検出回路６１ａ～６４ａは、それぞれＦＥＴ６１～６４に流れる電流を測定するセンサと、測定された電流を基準電流と比較する比較回路とを有し、測定された電流と基準電流とを比較し、過電流の検出結果を過電流検出回路２６に出力する。検出回路６１ａ～６４ａは、例えば、測定された電流が基準電流よりも高い場合にはＨレベルの信号を、測定された電流が基準電流以下の場合にはＬレベルの信号を、過電流検出回路２６に出力する。

【0020】

また、ＦＥＴ６２、６４とグランドとの接続点は、オープン不良の異常を検出するためのコンパレータ６５が接続されている。コンパレータ６５は、一方の入力端子にコイル１２に供給されている電圧が入力され、他方の入力端子に基準電圧が入力される。コンパレータ６５は、コイル１２に供給されている電圧と基準電圧とを比較し、負荷オープンの検出結果を出力する。コンパレータ６５は、例えば、供給されている電圧が基準電圧よりも高い場合にはＨレベルの信号を、供給されている電圧が基準電圧よりも低い場合にはＬレベルの信号を負荷オープン検出回路２８に出力する。

【0021】

ＦＥＴ５２及び５４には、モータ制御回路２２から制御信号ＳＣ１が入力され、ＦＥＴ５１及び５３には、インバータＩＮＶ１及びＩＮＶ２により反転された制御信号ＳＣ１が入力される。制御信号ＳＣ１により、ＦＥＴ５１及びＦＥＴ５４がＯＮされると、コイル１１は、矢印Ａの方向に電流が流れる。一方、制御信号ＳＣ１により、ＦＥＴ５２及びＦＥＴ５３がＯＮされると、コイル１１は、矢印Ｂの方向に電流が流れる。

【0022】

同様に、ＦＥＴ６２及び６４には、モータ制御回路２２から制御信号ＳＣ２が入力され、ＦＥＴ６１及び６３には、インバータＩＮＶ３及びＩＮＶ４により反転された制御信号ＳＣ２が入力される。制御信号ＳＣ２により、ＦＥＴ６１及びＦＥＴ６４がＯＮされると、コイル１２は、矢印Ｂの方向に電流が流れる。一方、制御信号ＳＣ２により、ＦＥＴ６２及びＦＥＴ６３がＯＮされると、コイル１２は、矢印Ａの方向に電流が流れる。

【0023】

駆動回路２３及び２４は、制御信号ＳＣ１及びＳＣ２に応じて、コイル１１、１２に流れる電流の方向を切り替えることで発生する磁界の方向を変化させてロータ１３を回転させる。

【0024】

第１の検出回路を構成する過電流検出回路２５は、検出素子５１ａ～５４ａからの検出結果に基づいて、コイル１１及びコイル１１にかかる経路の過電流異常（ショート不良）を検出する。コイル１１の両端子のいずれかが電源線に短絡（天絡）または接地線に短絡（地絡）、あるいは、コイル１１に接続されている配線同士が短絡することで、電位差のある２点が接続されて大きな電流が流れる。検出回路５１ａ～５４ａで基準電流より大きな電流が検出された場合、過電流検出回路２５は、ショート不良と検出する。
第２の検出回路を構成する過電流検出回路２６は、検出素子６１ａ～６４ａからの検出結果に基づいて、コイル１２及びコイル１２にかかる経路の過電流異常（ショート不良）を検出する。検出回路６１ａ～６４ａで基準電流より大きな電流が検出された場合、過電流検出回路２６は、ショート不良と検出する。

【0025】

過電流検出回路２５、２６は、検出結果をモータ制御回路２２及び異常検出フラグ信号出力回路３０に出力する。例えば、過電流検出回路２５、２６は、ショート不良の異常を検出していない場合、Ｌレベルの信号を出力し、ショート不良の異常を検出した場合、Ｈレベルの信号を出力する。

【0026】

第３の検出回路を構成する負荷オープン検出回路２７は、コンパレータ５５の検出結果に基づいて、コイル１１及びコイル１１にかかる経路の負荷オープン異常（オープン不良）を検出する。コイル１１及びコイル１１に接続されている配線（電源線）が断線することで、電源及びグランド間に電流が流れなくなる。これにより、コンパレータ５５の一方の入力端子に０Ｖが入力される。コンパレータ５５で基準電圧以下の電圧が検出された場合、負荷オープン検出回路２７は、オープン不良と検出する。
第４の検出回路を構成する負荷オープン検出回路２８は、コンパレータ６５の検出結果に基づいて、コイル１２及びコイル１２にかかる経路の負荷オープン異常（オープン不良）を検出する。コンパレータ６５で基準電圧以下の電圧が検出された場合、負荷オープン検出回路２８は、オープン不良と検出する。

【0027】

負荷オープン検出回路２７、２８は、検出結果をモータ制御回路２２及び異常検出フラグ信号出力回路３０に出力する。例えば、負荷オープン検出回路２７、２８は、異常を検出していない場合、Ｌレベルの信号を出力し、異常を検出した場合、Ｈレベルの信号を出力する。

【0028】

過熱検出回路２９は、モータ駆動装置２の温度を検出し、過熱されているかを否かの検出結果をモータ制御回路２２及び異常検出フラグ信号出力回路３０に出力する。例えば、過熱検出回路２９は、過熱の異常を検出していない場合、Ｌレベルの信号を出力し、過熱の異常を検出した場合、Ｈレベルの信号を出力する。

【0029】

モータ制御回路２２は、過電流検出回路２５、２６、負荷オープン検出回路２７、２８及び過熱検出回路２９の検出結果に応じて、モータ駆動装置２の動作を停止させる、あるいは、安全な動作をさせるように制御する。例えば、過電流検出回路２５、２６、過熱検出回路２９の検出結果に異常があった場合、モータ駆動装置２の温度が上がり、発火する虞があるため、モータ制御回路２２はモータ駆動装置２を停止するように制御する。一方、負荷オープン検出回路２７、２８の検出結果に異常があった場合、モータ駆動装置２が発火する虞がないため、モータ制御回路２２はモータ駆動装置２を必ずしも停止する必要がなく、安全な動作をさせるように制御する。

【0030】

出力回路を構成する異常検出フラグ信号出力回路３０は、過電流検出回路２５、２６、負荷オープン検出回路２７、２８及び過熱検出回路２９の検出結果に応じたフラグ信号を、出力端子ＤＩＡＧ３２、３３、３４を経由してＭＣＵ３に出力する。ＭＣＵ３は、フラグ信号からＡ相とＢ相のいずれでショート不良が発生したか、オープン不良が発生したかを認識することができる。

【0031】

図３は、各異常状態と出力端子から出力される異常検出フラグ信号との関係の一例を示す図である。出力端子ＤＩＡＧ３２、３３、３４は、通常動作時にはＨｉ－Ｚとなっており、異常検出時にはＬを出力する、あるいは、Ｈｉ－Ｚのままとなる。異常検出フラグ信号出力回路３０は、図３の真理値表の出力信号を生成する回路構成を有している。過電流検出回路２５、２６、負荷オープン検出回路２７、２８及び過熱検出回路２９の検出結果が全て正常の場合、出力端子ＤＩＡＧ３２、３３、３４はＨｉ－Ｚのままである。

【0032】

過電流検出回路２５の検出結果が異常の場合、異常検出フラグ信号出力回路３０は、出力端子ＤＩＡＧ３２からＬを出力し、出力端子ＤＩＡＧ３３、３４はＨｉ－Ｚのままである。
過電流検出回路２６の検出結果が異常の場合、出力端子ＤＩＡＧ３２、３４はＨｉ－Ｚのままで、異常検出フラグ信号出力回路３０は、出力端子ＤＩＡＧ３３からＬを出力する。

【0033】

負荷オープン検出回路２７の検出結果が異常の場合、異常検出フラグ信号出力回路３０は、出力端子ＤＩＡＧ３２、３４からＬを出力し、出力端子ＤＩＡＧ３３はＨｉ－Ｚのままである。
負荷オープン検出回路２８の検出結果が異常の場合、出力端子ＤＩＡＧ３２はＨｉ－Ｚのままで、異常検出フラグ信号出力回路３０は、出力端子ＤＩＡＧ３３、３４からＬを出力する。

【0034】

異常検出フラグ信号出力回路３０は、過熱検出回路２９の検出結果が異常の場合、出力端子ＤＩＡＧ３２、３３、３４からＬを出力する。

【0035】

このように、本実施形態のモータ駆動装置２は、Ａ相専用の過電流検出回路２５及び負荷オープン検出回路２７と、Ｂ相専用の過電流検出回路２６及び負荷オープン検出回路２８と設け、過電流検出回路２５、２６、負荷オープン検出回路２７、２８の検出結果に応じたフラグ信号を外部のＭＣＵ３に通知する。この結果、ＭＣＵ３はＡ相とＢ相のいずれでショート不良が発生したか、オープン不良が発生したかを認識することができる。

【0036】

本実施形態の構成によれば、モータ駆動装置２とは別に外付けの電流検出回路を設ける必要がなく、かつ、各相のコイルを個別に励磁した状態で電流を監視する等の複雑なシーケンスを組む必要もない。よって、本実施形態のモータ駆動装置によれば、複数相のいずれで異常が発生しているかを容易に検出することができる。

【0037】

なお、本実施形態では出力端子ＤＩＡＧ３２、３３、３４を備えているため、異常検出フラグ信号出力回路３０は、最大で８つの状態をＭＣＵ３に通知することができる。図３の例では異常検出フラグ信号出力回路３０は、６つの状態をＭＣＵ３に通知しているが、図４に示すように８つの状態をＭＣＵ３に通知してもよい。

【0038】

図４は、各異常状態と出力端子から出力される異常検出フラグ信号との関係の他の例を示す図である。図４は、図３の６つの状態に加え、２つの異常検出の組み合せについても示している。

【0039】

負荷オープン検出回路２８の検出結果が異常となった後、過電流検出回路２５の検出結果が異常となった場合、出力端子ＤＩＡＧ３２、３３はＨｉ－Ｚのままで、異常検出フラグ信号出力回路３０は、出力端子ＤＩＡＧ３４からＬを出力する。
また、負荷オープン検出回路２７の検出結果が異常となった後、過電流検出回路２６の検出結果が異常となった場合、異常検出フラグ信号出力回路３０は、出力端子ＤＩＡＧ３２、３３からＬを出力し、出力端子ＤＩＡＧ３４はＨｉ－Ｚのままである。

【0040】

オープン不良の異常では、モータ駆動装置２の動作を必ずしも停止する必要がない。そのため、異常検出フラグ信号出力回路３０は、オープン不良の異常からショート不良の異常が発生した場合、ＭＣＵ３に異常検出を示すフラグ信号を出力するようにしている。これにより、異常検出フラグ信号出力回路３０は、異常の発生した順番をＭＣＵ３に通知することができる。

【0041】

なお、本実施形態では、２相のステッピングモータ１０のいずれの相で異常が発生したかを検出しているが、３相以上のステッピングモータのいずれの相で異常が発生したかを検出することができる。

【0042】

相のそれぞれに対して過電流検出回路と負荷オープン検出回路とを設けるとともに、異常検出フラグ信号出力回路３０に接続される出力端子を４つ以上設けるようにする。異常検出フラグ信号出力回路３０は、出力端子を４つ以上設けることで、最大で１６の状態をＭＣＵ３に通知することができる。これにより、ＭＣＵ３は、いずれの相で異常が発生したかを認識することができる。

【0043】

発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0044】

１…モータ駆動システム、２…モータ駆動装置、３…ＭＣＵ、１０…ステッピングモータ、１１，１２…コイル、１３…ロータ、２１…電源回路、２２…モータ制御回路、２３，２４…駆動回路、２５，２６…過電流検出回路、２７，２８…負荷オープン検出回路、２９…過熱検出回路、３０…異常検出フラグ信号出力回路、３１…入出力端子、３２～３４…出力端子、５１～５４，６１～６４…ＦＥＴ、５１ａ～５４ａ，６１ａ～６４ａ…検出素子、５５，６５…コンパレータ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】