JP3247281B2 - モータ駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステータに設けた
複数のステータコイルに駆動電流を選択的に供給し、複
数極のロータマグネットを設けたロータを回転させるモ
ータ駆動回路、特にその起動の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、各種機器の駆動源としてブラ
シレスモータが利用されている。このブラシレスモータ
は、ステータに設けた複数のステータコイルに駆動電流
を選択的に供給し、回転磁界を発生させ、複数極のロー
タマグネットを設けたロータを回転させる。

【０００３】そして、ロータを回転させるためには、ス
テータコイルによる回転磁界はロータの位置に応じて決
定しなければならない。そこで、磁界検出素子であるホ
ール素子によって、ロータ位置（回転位相）を検出し、
モータ駆動電流を制御することが行われている。

【０００４】すなわち、３相のモータであれば、各相の
ロータの回転位相の検出を行うため、３つのホール素子
を設け、この３つのホール素子の出力を利用して、ステ
ータコイルへの駆動電流を切り換える。

【０００５】なお、フロッピーディスクドライブ（ＦＤ
Ｄ）に用いられるモータでは、フロッピーディスクの絶
対的位置の検出も必要である。通常の場合、ロータの所
定点にインデックス用の磁化を施し、これをインデック
ス用のホール素子で、検出している。従って、３相のモ
ータにおいて、４つのホール素子が必要である。このよ
うな、ｎ相のモータにｎ＋１個のホール素子（センサ）
を設ける形式をフルセンサ式と呼んでいる。

【０００６】フルセンサ式では、各ホール素子からの回
転位相信号を利用して、ステータコイルに供給するモー
タ駆動電流を制御する（出力トランジスタのスイッチン
グを制御する）ことによって、モータ駆動電流の制御を
確実に行うことができる。また、ロータの位置を常に検
出できるため、確実な起動も行える。

【０００７】しかし、モータ駆動回路も含めたモータの
軽量化、小型化、低価格のためには、ホール素子（セン
サ）の数を減少したいという要求がある。

【０００８】そこで、センサを設けない形式（０センサ
式）のモータ駆動装置も知られている。この０センサ式
では、ロータの回転に伴って発生する逆起電力を検出
し、これに応じてステータコイルへの通電切り換えを行
う。また、ロータの回転によって生じる磁界の変化を周
波数発生器（ＦＧ）で検出し、これによってステータコ
イルへの通電切り換えを行うタイプもある。

【０００９】しかし、これらの回転検出手段は、回転数
が大きいときには、問題がないが、回転数が小さいと
き、特に起動時には、回転の検出が行えない。そこで、
確実な起動制御が行えないという問題点があった。

【００１０】そこで、０センサ式の場合、次にような制
御によって起動を達成している。

【００１１】（ｉ）起動時にステータコイルに所定のパ
ルス電圧を印加し、ステータコイルのインピーダンスを
測定することで、ロータ位置を検出する。そして、検出
したロータ位置に基づいて、ステータコイルへの通電を
制御して、起動を行う。

【００１２】（ｉｉ）自動時のロータ位置は検出せず、
所定の通電シーケンスによって、ロータを徐々に回転さ
せ起動を行う。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の（ｉ）
の方式では、インピーダンス測定のために特別の回路が
必要であり、回路規模がかなり大きくなってしまうとい
う問題点があった。また、インピーダンスを確実に測定
するために、ステータコイルの製造上の制約が多くなっ
てしまうという問題点もあった。

【００１４】また、上述の（ｉｉ）の方式では、モータ
の負荷が変動すると、所望の起動が行えない場合があ
り、幅広い負荷範囲で確実な起動を行うのが難しいとい
う問題点があった。

【００１５】本発明は、上記問題点を解決することを課
題としてなされたものであり、少ないセンサ数で確実な
起動が行えるモータ駆動回路を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ステータに設
けた複数のステータコイルに駆動電流を選択的に供給
し、複数極のロータマグネットを設けたロータを回転さ
せるモータ駆動回路において、ロータの位置を検出する
ロータ位置検出器と、ロータの回転により、ロータの回
転に応じた周波数信号を発生する周波数発生器と、ステ
ータコイルへの通電を制御する通電手段と、を有するこ
とを特徴とする。

【００１７】そして、通電手段は、起動の際に、まずス
テータコイルに所定の方向の通電を行いロータを安定点
に停止させる。次に、予め定めた通電パターンで、複数
のステータコイルに順次通電し安定点にあるロータを所
定方向に回転させる。このようにして、所定方向にロー
タが回転し始めた場合には、周波数信号として、正しい
ものが得られるため、ロータ位置及び周波数信号に基づ
いて複数のステータコイルへの駆動電流を制御する。こ
のようにして、ロータ位置検出器と、周波数発生器を１
つずつ設けるだけで、確実な起動を達成できる。

【００１８】また、起動の際の最初の通電では、ロータ
位置検出器により検出したロータ位置に応じて、ステー
タコイルへの通電方向を所定の一方向に決定し、その通
電を所定時間保持する。これによって、ロータの初期位
置から、所定方向への回転を確実に行える。特に、ロー
タの回転をロータ位置検出器による位相の変化として容
易に検出でき、制御が容易になる。

【００１９】また、本発明は、少なくとも１つのステー
タコイルの両端電圧が所定範囲内にあるかを検出する電
圧検出手段をさらに有し、定常時通電手段による通電時
において検出したステータコイルの両端電圧が所定範囲
内にないことで逆転を検出し、逆転時に上記通電手段に
より、起動前通電、起動時通電を行った後、定常時通電
を行うように制御する制御手段を有することを特徴とす
る。これにより、逆転したときの再起動を自動的に行う
ことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に好適な実施の形態
について、図面に基づいて説明する。図１は、実施形態
の回路の全体構成を示すブロック図、図２は各部の波形
図である。

【００２１】モータ１０は、３相のステータコイル１０
Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗを有しており、これらステータコイ
ル１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗに出力回路１２から所定の電
流を選択的に流すことによって複数極のロータマグネッ
トを有するロータ１０Ｒが回転する。

【００２２】ロータ１０Ｒに対向する位置には、周波数
発生器１４が設けられており、ロータ１０Ｒの回転に同
期した交流信号ＦＧ０を発生する。そして、このＦＧ０
は、シュミットコンパレータ１６によって、矩形波に波
形整形される。

【００２３】また、Ｕ相のホール素子１８は駆動磁極の
磁束を検出できる位置に設けられ、ロータ１０Ｒの位置
に応じた交流信号ＨＵ０を出力する。そして、このＨＵ
０は、シュミットコンパレータ２０により、矩形波に波
形整形される。

【００２４】シュミットコンパレータ１６の出力である
ＦＧ１は、第１クロック切替回路２２及び第２クロック
切替回路２４に供給される。この第１、第２クロック切
替回路２２、２４は、定常回転時には、ＦＧ１を反転し
て出力する。第１クロック切替回路２２の出力は、Ｕ相
波形整形回路２６に供給される。このＵ相波形整形回路
２６は、ＦＧ１をクロックとして、シュミットコンパレ
ータ２０の出力であるＨＵ１を取り込み、信号ＨＵ２を
出力する。この例では、ＦＧ１は、第１クロック切替回
路２２で反転されているため、Ｕ相波形整形回路２６
は、ＦＧ１の立ち下がりで、ＨＵ１を取り込む。このた
め、ＨＵ２は、ＨＵ１に比べ、ＦＧ１の半周期分遅れた
ものになっている。

【００２５】一方、第２クロック切替回路２４の出力
は、０１２カウンタ２８に供給される。この０１２カウ
ンタは、「０」「１」「２」の３種類の出力を繰り返す
カウンタである。なお、第２クロック切替回路２４もＦ
Ｇ１を反転するため、ＦＧ１の立ち下がりで、０１２カ
ウンタ２８が順次カウントアップする。

【００２６】そして、Ｕ相波形整形回路２６及び０１２
カウンタ２８の出力が、出力回路１２に供給される。す
なわち、出力回路１２には、ＦＧ０，ＨＵ０に基づい
て、Ｈ０，Ｈ１，Ｈ２，Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２の６種類の信
号が順に供給される。そして、出力回路１２は、内蔵す
るスイッチングトランジスタのオンオフが切り換えて、
ステータコイル１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗに流す電流を順
次切替、１２０゜位相の異なる駆動電流を流し、所定の
回転磁界を生起する。

【００２７】この例における電流は、図３に示すよう
に、Ｈ０（Ｖ→Ｕ），Ｈ１（Ｗ→Ｕ），Ｈ２（Ｗ→
Ｖ），Ｌ０（Ｕ→Ｖ），Ｌ１（Ｕ→Ｗ），Ｌ２（Ｖ→
Ｗ）のようにステータコイルに通電する。

【００２８】ここで、出力回路１２は、電源・グランド
間に設けたソース側トランジスタとシンク側トランジス
タの直列接続が３本で構成され、この中点が各ステータ
コイル１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗにそれぞれ接続されてい
る。このため、これらトランジスタを順次オンすること
によって、上述の通電を行うことができる。

【００２９】また、シュミットコンパレータ２０の出力
であるＨＵ１は、極性判定ラッチ３０に供給される。こ
の極性判定ラッチ３０は、システムリセット回路３２か
ら供給されるパルスのタイミングでシュミットコンパレ
ータ２０から送られてくる「Ｈ」「Ｌ」の信号ＨＵ１を
ラッチする。ここで、システムリセット回路３２は、起
動時の電源立ち上がりなどでリセットパルスを発生し、
極性判定ラッチ３０は、その時点の信号ＨＵ１をラッチ
する。

【００３０】この極性判定ラッチ３０の出力及び信号Ｈ
Ｕ１は、エクスクルーシブオア３４に入力され、両者が
異なった時点で、ここから「Ｈ」が出力される。すなわ
ち、極性判定ラッチ３０におけるラッチの後、ロータ１
０Ｒが回転して、信号ＨＵ１の「Ｈ」「Ｌ」が切り替わ
ったときに、エクスクルーシブオア３４から「Ｈ」が出
力される。図２から分かるように、ＨＵ１が「Ｈ」であ
った場合にはＨ２の通電、「Ｌ」であった場合にはＬ２
の通電によって、ロータ１０Ｒが回転し、エクスクルー
シブオア３４から「Ｈ」が出力される。

【００３１】エクスクルーシブオア３４の出力はエッジ
抜き回路３６に入力され、ここで立ち上がり及び立ち下
がりが検出され所定長さのワンショットパルスに変換さ
れる。エッジ抜き回路３６の出力は、オアゲート３７を
介し、起動タイマ３８のリセット端に入力される。オア
ゲート３７には、システムリセット回路３２からのリセ
ット信号も供給されており、起動タイマ３８は、エッジ
抜き回路３６の出力パルス及びリセット信号によって、
リセットされる。そして、起動タイマ３８は、クロック
発生器４０からのクロックをカウントし、所定時間の計
測を行う。

【００３２】また、極性判定ラッチ３０の出力は、Ｕ相
波形整形回路２６にも供給されており、ＨＵ１の「Ｈ」
「Ｌ」がそのままＵ相波形整形回路２６に取り込まれ
る。

【００３３】起動タイマ３８は停止判定時間Ｔ０と、通
電切替時間Ｔ１の２種類の時間計測を行い、第２通電切
替クロックと、第３，４通電切替クロックを出力する。

【００３４】そして、第２通電切替クロックは、マスク
判定回路４２に供給される。このマスク判定回路４２に
は、エクスクルーシブオア３４の出力及びシュミットコ
ンパレータ１６の出力であるＦＧ１も供給されている。
そして、マスク判定回路４２は、入力されてくる信号か
ら、起動時における通電パターンのタイミングを制御す
る３つ信号Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を形成する。

【００３５】Ｍ１はロジック固定回路４４に供給され、
このロジック固定回路４４は、Ｍ１が「Ｌ」の時に出力
回路１２におけるロジックを所定のものに固定する。

【００３６】Ｍ１＝Ｈの定常モード時には、ＨＧのエッ
ジ抜き信号は回転数に応じた周期で発生し、起動タイマ
３８は、エッジ抜き信号によりリセットされるために、
Ｔ０までカウントアップできない。しかし、何らかの異
常でモータ回転数が低下した場合は、第２通電切り替え
クロックが出力され、システムがリセットされ、再スタ
ートとなる。

【００３７】さらに、起動タイマ３８は、そのカウント
値に応じて、第３，４通電クロックを発生し、これを第
２クロック切替回路２４に供給する。第２クロック切替
回路２４には、マスク判定回路４２からのＭ２，Ｍ３も
供給されており、第２切替回路２４は供給されてくるＦ
Ｇ１をそのまま出力するか、第３，第４切替クロックを
出力するかまたは独自にパルスを発生するかをＭ２、Ｍ
３によって制御する。第１クロック切替回路２２は、マ
スク判定回路４２からのＭ２を受け、ＦＧ１を出力する
か否かを切り換える。

【００３８】次に、この回路の起動時の動作について、
図４に基づいて説明する。まず、起動指令によって、信
号Ｓ／Ｓが立ち下がる。このＳ／Ｓは、システムリセッ
ト回路３２に入力されており、システムリセット回路３
２は、信号Ｓ／Ｓの立ち下がりにより、リセットパルス
を発生する。

【００３９】これによって第１通電期間が開始される。
この第１通電期間では、まずリセットパルスによって、
極性判定ラッチ３０がその時にＨＵ１を取り込む。図の
例では、このときのＨＵ１が「Ｌ」であった場合を示し
ている。極性判定ラッチ３０の値は、Ｕ相波形整形回路
２６に取り込まれ、ここから「Ｌ」が出力される。一
方、マスク判定回路４２は、システムリセットに応じ
て、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３をすべて「Ｌ」にセットする。ロ
ジック固定回路４４は、Ｍ１の「Ｌ」又、極性判定ラッ
チ３０の値に基づき、出力回路１２の出力をＨ２に固定
する。なお、Ｕ相波形整形回路２６が取り込んだ値が
「Ｈ」であった場合には、Ｌ２に固定する。

【００４０】出力回路１２の出力がＨ２のロジック、す
なわちステータコイルの電流がＷ→Ｕの電流に固定され
る。このようなロジックＨ２におけるモータの出力トル
クは、ＨＵの出力で決定されるロータ位置に対し、図２
に示すような値になる。図において、正の領域が正転方
向、負の領域が逆転方向であり、図におけるＰ点、すな
わちＨＵが最低になる点にロータ１０Ｒが移動する。

【００４１】このように、ロータ１０Ｒの位置に応じて
一定のロジックの通電によって、ロータ位置が所定の点
に向けて移動する。なお、ロータ１０Ｒが振動すること
によって、エクスクルーシブオア３４からの出力が変化
し、エッジ抜き回路３６から複数のパルスが出力される
場合もあるが、その度に起動タイマ３８がリセットされ
るだけである。

【００４２】そして、起動タイマ３８は、エクスクルー
シブオア３４の出力により、リセットされた後カウント
を行い、Ｔ０を計測したときに第２通電切替クロックと
してパルスを出力する。これにより、第２通電切り替え
時のロータ位置はほぼＰ地点近傍にいる。第２通電時の
逆転を防止できる第２通電切替クロックにより、マスク
判定回路４２がＭ１を立ち上げる。これによって、ロジ
ック固定回路４４によるロジックの固定が解除される。

【００４３】また、０１２カウンタ２８は、信号Ｍ１が
「Ｈ」でリセットされ０になっており、ロジック固定回
路４４によるロジックの固定が解除された段階でも
「０」の出力を継続する。従って、この第２通電期間で
は、通電ロジックは、Ｌ０に設定される。

【００４４】起動タイマ３８は、時間Ｔ１をカウント
し、第３通電切替クロックを出力する。

【００４５】なお、この第３，４通電切替クロックは、
第２クロック切替回路２４に供給され、ここから０１２
カウンタ２８に入力される。そこで、０１２カウンタ２
８のカウント値が第３通電期間は「１」、第４通電期間
は「２」に設定される。従って、第１通電期間Ｈ２に固
定された通電ロジックが、第２通電切替クロックによっ
て第２通電期間はＬ０に設定され、次に第３通電切替ク
ロックによって第３通電期間はＬ１に設定される。そし
て、第４通電切替クロックによって第４通電期間はＬ２
になる。なお、時間Ｔ１は、ロータ１０Ｒを電気角６０
゜回転させるのに十分な時間を設定してある。

【００４６】第４通電期間において、マスク判定回路４
２は、エクスクルーシブオア３４の出力を見る。この段
階で、極性判定ラッチ３０の出力は「Ｌ」であるが、ロ
ータ１０Ｒの回転によって、ＨＵ１がＨになり、この段
階でエクスクルーシブオア３４の出力がＨになる。マス
ク判定回路４２は、このＨＵ１の「Ｈ」に応じてＭ２を
立ち上げる。

【００４７】一方、このようなロータの回転駆動によっ
て、ロータは、ＦＧ０が十分発生される回転速度になっ
ている。そこで、Ｍ２の立ち上がりによって、第１クロ
ック切替回路２２は、ＦＧ１をそのまま出力するように
切り換えられる。そこで、次のＦＧ１の立ち下がりで、
Ｕ相波形整形回路２６が、ＦＧ１の立ち下がり毎に、Ｈ
Ｕ１を取り込む定常回転に移る。この例では、Ｍ２の立
ち上がり後のＦＧ１の立ち上がりでＵ相波形整形回路２
６は「Ｈ」を読み込む。

【００４８】一方、マスク判定回路４２は、ＦＧ１の立
ち下がりで、Ｍ３を立ち上げる。そして、第２クロック
切替回路２４は、このＭ３により、０１２カウンタ２８
を０にセットするとともに、ＦＧ１を０１２カウンタ２
８に供給し始め、定常回転モードになる。こうしてＭ２
の立ち上がり後のＦＧ１の立ち下がりで通電は「Ｌ２」
から「Ｈ０」に切り替わり以降は、定常通電パターン
「Ｈ１」から「Ｈ２」と続いていく。

【００４９】ここで、負荷が軽い場合、第２通電期間
や、第３通電期間中にロータが、十分回転し、図２にお
けるＱ点にまで達する場合もある。この場合、マスク判
定回路４２がＭ２を立ち上げるため、第２クロック切替
回路は、このＭ２の立ち上がりを優先し、最初のＦＧ１
の立ち下がりでＭ３を立ち上げ、０１２カウンタ２８の
値を０にセットする。なお、Ｕ相波形整形回路２６は、
Ｍ２の立ち上げ後のＦＧ１の立ち下がりでＨを取り込ん
でいるため、通電ロジックはＨ０になる。

【００５０】ここで、このような制御により、ロータが
正転するが、何らかの条件によって逆転する場合も考え
られる。そこで、本実施形態では、逆転検出部４８を有
している。そして、この逆転検出部４８は、Ｍ３のタイ
ミング以降において駆動時におけるステータコイル１０
Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗの電圧、すなわち出力回路１２の出
力端における電圧を検出し、この電圧値が所定範囲にな
いことで、逆転を検出する。すなわち、逆転時は、トル
ク発生が正転時より少なく、逆起電圧も正転時と異なっ
ている。そこで、ステータコイルの電圧値が正転時と異
なり、逆転検出部４８は、この検出によって逆転を検出
する。また、検出する区間は、ＦＧのエッジ等のタイミ
ングで短い時間で行うことで、逆転検知の誤動作もなく
検出できるようにしてある。

【００５１】逆転検出回路４８の出力は、システムリセ
ット回路３２に供給され、起動時と同様の動作が繰り返
され、モータの正転が確保される。

【００５２】図５は、本実施形態の動作を示すフローチ
ャートである。モータを起動するために、リセットを行
う（Ｓ１１）。そして、このときのロータ１０Ｒの位置
をホール素子１８の出力状態によって、判定する（Ｓ１
２）。ホール素子１８の出力がＨであれば、通電ロジッ
クをＴ０時間Ｈ２に固定する（Ｓ１３）。これによっ
て、ロータ１０Ｒは、所定の位置に停止するため、この
状態からロータ１０Ｒを正転させるために、ロジックを
Ｔ１時間Ｌ０にする（Ｓ１４）。これによって、ロータ
１０Ｒは６０゜回転する。次に、ロータ１０Ｒをさらに
６０゜回転させるために、Ｌ１にＴ１時間保持する（Ｓ
１５）。

【００５３】次に、ロジックをＬ２とし（Ｓ１６）、ホ
ール素子１８の出力の極性が反転するまで、このロジッ
クを維持する（Ｓ１７）。極性が反転すれば、さらにロ
ータが６０゜回転したため、次にロジックをＨ０にする
（Ｓ１８）。これによって、ロータ１０Ｒは周波数発生
器１４からＦＧ信号が正常に出力できるような回転にな
っているはずであり、ＦＧの反転を見て（Ｓ１９）、通
常ロジックに移る（Ｓ２１）。

【００５４】Ｓ１２において、極性がＬであれば、Ｌ
２，Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｈ０の順で通電制御し（Ｓ２１
〜Ｓ２６）、Ｓ１９に移る。なお、通常ロジックに入っ
た後逆転であるかを判定し、逆転であれば、Ｓ１１に戻
り起動をやり直すとよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態の全体構成を示すブロック図であ
る。

【図２】 各部の波形を示す波形図である。

【図３】 通電ロジックと通電方向を示す図である。

【図４】 起動時のタイミングを示すタイミングチャー
トである。

【図５】 動作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１０ モータ、１２ 出力回路、１４ 周波数発生器、
１８ ホール素子、２２ 第１クロック切替回路、２４
第２クロック切替回路、２６ Ｕ相波形整形回路、２
８ ０１２カウンタ、３０ 極性判定ラッチ、３２ シ
ステムリセット回路、３８ 起動タイマ、４２ マスク
判定回路、４４ ロジック固定回路。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−31184（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−87785（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−143790（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 6/20 H02P 6/14

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータに設けた複数のステータコイル
   に駆動電流を選択的に供給し、複数極のロータマグネッ
   トを設けたロータを回転させるモータ駆動回路におい
   て、 ロータの位置を検出するロータ位置検出器と、 ロータの回転により、ロータの回転に応じた周波数信号
   を発生する周波数発生器と、 ステータコイルに所定の方向の通電を行いロータを安定
   点に停止させる起動前通電と、予め定めた通電パターン
   で、複数のステータコイルに順次通電し安定点にあるロ
   ータを所定方向に回転させる起動時通電と、ロータ位置
   及び周波数信号に基づいて複数のステータコイルへの駆
   動電流を制御する定常時通電と、を行う通電手段と、 を有し、 起動前通電は、ロータ位置検出器により検出したロータ
   位置に応じて、ステータコイルへの通電方向を所定の一
   方向に決定し、その通電を所定時間保持する ことを特徴
   とするモータ駆動回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のモータ駆動回路におい
   て、 少なくとも１つのステータコイルの両端電圧が所定範囲
   内にあるかを検出する電圧検出手段をさらに有し、 定常時通電手段による通電時において検出したステータ
   コイルの両端電圧が所定範囲内にないことで逆転を検出
   し、 逆転時に上記通電手段により、起動前通電、起動時通電
   を行った後、定常時通電を行うように制御する制御手段
   を有することを特徴とするモータ駆動回路。