JP6014989B2 - モータ駆動制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転子の位相を検出する位相検出装置又は角度検出装置又は位置検出装置、及びそれを利用してモータを回転駆動するモータ駆動制御装置及び方法に関する。

モータを回転位置制御する場合、回転子の回転角度を検出する必要がある。一般に回転軸にロータリーエンコーダを接続して、回転角度に応じて変化する１／４周期の位相差をもつ２相パルス信号を出力し、そのエッジ検出と２相のハイ／ロー状態から相対的な回転角度を検出することができる。

光学式エンコーダは、外周部に光学窓となるスリットを等間隔に設けた円盤と、円盤のスリットピッチの１／４間隔で配置された２個のフォトインタラプタにより構成され、前記２つのフォトインタラプタの出力信号を２値化することにより、２相パルス信号を得ることができる。

また、特許文献１に記載のモータ駆動制御装置においては、光学式エンコーダを用いることなくモータの多くの位相（位置）情報を得て、モータを駆動している。すなわち、このインバータ装置はブラシレスモータの回転子が電気角６０°に相当する回転変化が起こるたびにホールセンサエッジを出力し、そのエッジ間隔の時間を計測しその時間の１／３２に相当する周期パルス信号を発生させている。つまり、６０°を３２等分した位相情報を得ていることになる。

また、特許文献２に記載のモータ駆動制御装置においてはアブソリュート方式のロータリーエンコーダを用いることなくモータの多くの位相（位置）情報を得て、モータを駆動している。すなわち、前述の電気角６０°間隔におけるホールセンサ信号とホールセンサ信号よりも小さい角度変動でパルスを発生するＦＧ信号又は光学式エンコーダを用い各々の計数処理により、より細かな位相情報を得てモータを駆動させている。

さらに、特許文献３に記載の回転角度検出装置においては、８つの磁気センサの信号を直線性の高い角度領域である電気角４５度ずつに配置しそれぞれの信号を順次取り出して角度検出に利用した回転角度（位相）検出を実現している。

しかしながら、特許文献１に記載のモータ駆動制御装置においては、ホールセンサエッジ間隔において回転子の回転速度が変化すると回転子の回転位置変化の推定値と実際の回転変化とに誤差が生じ、正確な位相情報を得ることができない。

また、特許文献２に記載のモータ駆動制御装置では、ホールセンサエッジ間隔よりも細かな間隔のＦＧ信号を用いるためホールセンサエッジ間隔における回転速度変化にはある程度対応できるが、その構成を実現するためにセンサ信号、ＦＧ信号それぞれの計数処理装置やシステムクロック生成手段、ＦＧ信号発電機又はインクリメント方式の光学式エンコーダ、ＦＧ信号増幅器など装置規模の増大を招き駆動装置のコスト増が懸念される。

さらに、特許文献３に記載の角度検出装置では、８つの磁気センサを必要としており、小型モータの場合にはセンサ配置スペース、コスト増が懸念事項として挙げられる。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、ロータリーエンコーダやＦＧ信号発生器を用いることなく、安価で装置規模が小さく小型化可能であり、センサ信号変化間隔よりも多くの位相情報を有するモータ駆動制御装置及び方法を提供することにある。

第１の発明に係るモータ駆動制御装置は、複数相のコイルを有するモータの回転子の回転位置に応じた信号レベルを有する複数のセンサ信号に基づいて位相情報信号を発生してモータを駆動制御するモータ駆動制御装置において、
前記複数のセンサ信号を所定の複数のしきい値レベルと比較して位相を検出し、当該検出した位相を示す第１の位相情報信号を出力する第１の位相検出手段と、
前記複数のセンサ信号又はそれに対応する信号どうしを比較して位相を検出し、当該検出した位相を示す第２の位相情報信号を出力する第２位相検出手段と、
前記第１の位相情報信号及び前記第２の位相情報信号に含まれる検出された位相、又は前記第２の位相情報信号に含まれる検出された位相を所定の複数の位相区間に分ける位相分割手段と、
前記所定の複数の位相区間において前記複数のセンサ信号又はそれに対応する複数の信号の中から一つを選択する信号選択手段と、
前記分割された複数の位相区間において前記センサ信号選択手段により選択された前記センサ信号又はそれに対応する信号の信号レベルが前記回転子の所定の位相に応じた所定のしきい値レベルに到達したことを検出することにより、当該検出した位相を示す位相情報信号を出力する第３の位相検出手段とを備えたことを特徴とする。

また、第２の発明に係るモータ駆動制御方法は、複数相のコイルを有するモータの回転子の回転位置に応じた信号レベルを有する複数のセンサ信号に基づいて位相情報信号を発生してモータを駆動制御するモータ駆動制御方法において、
前記複数のセンサ信号を所定の複数のしきい値レベルと比較して位相を検出し、当該検出した位相を示す第１の位相情報信号を出力するステップと、
前記複数のセンサ信号又はそれに対応する信号どうしを比較して位相を検出し、当該検出した位相を示す第２の位相情報信号を出力するステップと、
前記第１の位相情報信号及び前記第２の位相情報信号に含まれる検出された位相、又は前記第２の位相情報信号に含まれる検出された位相を所定の複数の位相区間に分けるステップと、
前記所定の複数の位相区間において前記複数のセンサ信号又はそれに対応する複数の信号の中から一つを選択するステップと、
前記分割された複数の位相区間において前記選択された前記センサ信号又はそれに対応する信号の信号レベルが前記回転子の所定の位相に応じた所定のしきい値レベルに到達したことを検出することにより、当該検出した位相を示す位相情報信号を出力するステップとを含むことを特徴とする。

従って、本発明によれば、モータの回転子付近に配置された複数の磁気センサから概略ある程度正確な回転位相を第１、第２及び第３位相検出手段により検出することができる。そして、例えば検出した位相情報はモータコントローラへ位相・位置情報として１相以上のデジタル信号として出力することでモータを駆動制御できる。さらに、モータ駆動制御装置を集積化することで高価なロータリー光学エンコーダを用いることなく、安価で装置規模が小さく小型化可能な磁気センサ変化間隔よりも細かな位相検出手段を有するモータ駆動制御装置が実現可能となる。

本発明の実施形態１に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 図１のモータ駆動制御装置の動作状態を示す各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施形態２に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態２の変形例に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 図３ａ及び図３ｂのモータ駆動制御装置の動作状態を示す各信号のタイミングチャートである。 図１、図３ａ及び図３ｂの第３の位相検出回路３０の実施例１に係る位相検出回路３０−１の構成を示す回路図である。 図１、図３ａ及び図３ｂの第３の位相検出回路３０の実施例２に係る位相検出回路３０−２の構成を示す回路図である。 図１、図３ａ及び図３ｂの第３の位相検出回路３０の動作を示す各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施形態３に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 図７のモータ駆動部７０の構成を示す回路図である。 図８のモータ駆動部７０の動作を示す各信号のタイミングチャートである。る。 本発明の実施形態４に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態５に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 図１１のモータ駆動制御装置において分割位相区間内における動作を示す各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施形態６に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 図１の第１の位相検出回路１０への入力信号に対する比較結果信号を示す表である。 図１の第２の位相検出回路１２０への入力信号に対する比較結果信号を示す表である。 図１の信号選択回路２１の第１の信号選択条件を示す表である。 図１の信号選択回路２１からの選択信号Ｘの電気角と振幅割合との関係を示す表である。 図３ａ及び図３ｂの第１の位相検出回路１０への入力信号に対する比較結果信号を示す表である。 図３ａ及び図３ｂの信号選択回路２１の第２の信号選択条件を示す表である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

実施形態１．
図１は本発明の実施形態１に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、本実施形態に係るモータ駆動制御装置は、モータＭ１の回転子の周囲にその回転角の検出のために設けられた磁気センサ（以下、センサという。）Ｓ１〜Ｓ３（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）からの各差動センサ信号（Ｕ１，Ｕ１−；Ｖ１，Ｖ１−；Ｗ１，Ｗ１−）がセンサＩＣ内の信号増幅回路５０により増幅されたセンサ信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に基づいて、モータＭ１の位相情報を検出して出力する装置であり、第１の位相検出回路１０と、第２の位相検出回路１２０と、位相分割回路２０と、信号選択回路２１と、第３の位相検出回路３０と、合成回路４０とを備えて構成される。

図１において、センサＳ１〜Ｓ３（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）からの各差動センサ信号（Ｕ１，Ｕ１−；Ｖ１，Ｖ１−；Ｗ１，Ｗ１−）はそれぞれ、３個の増幅器５１，５２，５３を備えて構成される信号増幅回路５０により増幅されかつシングルエンド信号に変換された後、第１の位相検出回路１０、第２の位相検出回路１２０及び信号選択回路２１に入力される。図１４は図１の第１の位相検出回路１０への入力信号に対する比較結果信号を示す表である。第１の位相検出回路１０は３個の比較器１１，１２，１３を備えて構成され、各比較器１１，１２，１３はそれぞれ図１４に示すように、入力される各差動センサ信号の振幅を所定の基準レベルＲｅｆと比較して、ハイ（Ｈｉ）レベル又はロー（Ｌｏｗ）レベルを有する比較結果信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を発生して合成回路４０に出力する。ここで、第１の位相検出回路１０からの比較結果信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は、所定の位相を有する第１の位相情報信号ｐｈＡとなる。

また、第２の位相検出回路１２０は３個の比較器１２１，１２２，１２３とを備えて構成され、各比較器１２１，１２２，１２３はそれぞれ図１５に従って、２値の比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３を発生して位相分割回路２０及び合成回路４０に出力する。ここで、第２位相検出回路１２０からの比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３はそれぞれ所定の位相を有する第２位相情報信号ｐｈＢとなる。

また、位相分割回路２０は、前記比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３に基づいて、所定の位相区間を持った区間に分割された信号選択信号を発生して信号選択回路２１に出力する。ここで、信号選択回路２１には、前述のセンサ信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１も入力されており、位相分割回路２０からの信号選択信号に基づき、以下に詳述するように適切な信号を選択して選択信号Ｘとして第３の位相検出回路３０に出力する。

さらに、第３の位相検出回路３０は、主として、複数Ｎ−１個の電圧源３２−１〜３２−（Ｎ−１）と、複数Ｎ個の位相検出器３１−１〜３１−Ｎを備えて構成され、選択信号Ｘを、複数Ｎ−１個の電圧源３２−１〜３２−（Ｎ−１）により生成された複数のしきい値レベルと比較することで、モータＭ１が所定の角度を回転したことを知り得る第３の位相情報信号ｐｈＣとして合成回路４０に出力する。次いで、合成回路４０は、当該位相情報信号ｐｈＣと、上述の第１の位相情報信号ｐｈＡとを合成して、合成後の第２の位相情報信号ｐｈＢを出力する。前述の所定のしきい値レベルとは、回転角度センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の信号振幅に応じたレベルを指し、予め設定されているものとする。

図２は図１のモータ駆動制御装置の動作状態を示す各信号のタイミングチャートである。図２において、センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３からの差動センサ信号の非反転信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を正弦波（これに代えて、正弦波に実質的に同一な、準じた波形であってもよい。）で表しており、センサＳ１〜Ｓ３を電気角１２０°間隔で配置されており、差動センサ信号の反転信号Ｕ１−，Ｖ１−，Ｗ１−はそれぞれの正弦波の逆相をなすように構成されている。

第１の位相検出回路１０を用いれば、差動センサ信号（Ｕ１，Ｕ１−；Ｖ１，Ｖ１−；Ｗ１，Ｗ１−）のそれぞれ振幅中心レベル（コモンレベル）と比較した結果として比較結果信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を得る。また、第２の位相検出回路１２０を用いれば、比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３は図１５に示すように、センサ信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１のそれぞれの比較結果として得る。

さらに、位相分割回路２０は、比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３信号のそれぞれの切り換わりエッジとエッジの区間において位相分割を行っており、その所定位相分割区間において、例えば図２では、図１６に従って選択信号Ｘを選択的に切り換えて得る。図２から明らかなように、各選択信号Ｘを図２の下段の太線で示す。各選択信号Ｘは正弦波位相−３０°〜３０°又は１５０°〜２１０°の直線性の高い６０°区間に分割される。すなわち分割された位相区間は電気角６０°に相当する。さらに、図２中の選択信号Ｘに水平線が示されているが、これは前述の所定のしきい値レベルであり、選択信号Ｘが所定のしきい値レベルに達した際にパルスエッジを出力するようにしている。例えば、選択信号Ｘの電気角−３０°から３０°の間を７．５°毎に８分割にする場合、振幅と電気角の関係は図１７の通りとなる。ただし、選択されたセンサ信号のコモンレベルを０とし、電気角９０°の振幅を１としている。図１７に従って、選択信号Ｘの正弦波振幅に対しての各割合で所定のしきい値レベルを決定する。なお、電気角−３０°、３０°は第２の位相情報信号ｐｈＢが使用可能であるし、電気角０°は第１の位相情報信号ｐｈＡが使用可能であるため必ずしも第３の位相比較回路３０の所定のしきい値レベルとして必要ではない。

図５ａは図１、図３ａ及び図３ｂの第３の位相検出回路３０の実施例１に係る位相検出回路３０−１の構成を示す回路図である。図５ａにおいて、位相検出回路３０−１は、３つの電圧源４３，４４，４５と、互いに直列に接続された複数２Ｎ個の抵抗４７−Ｎ〜４７−１，４８−１〜４８−Ｎと、複数２Ｎ個の比較器４１−Ｎ〜４１−１，４２−１〜４２−Ｎとを備えて構成され、選択信号Ｘの信号振幅を複数のしきい値レベルと比較して位相検出信号ｐｈＣ（ｐｈ（Ｎ）−〜ｐｈ（１）−，ｐｈ（１）＋〜ｐｈ（Ｎ）＋）を発生して出力する。図５ａにおいて、電圧源４４の電圧ＶＲ１レベルは正弦波の振幅中心（コモン）レベルであり、電圧源４５，４３の電圧ＶＲ２レベル、電圧ＶＲ０レベルはそれぞれ正弦波振幅上限及び下限レベルに対応したレベルとなっている。電圧ＶＲ１レベルを中心に電気角に応じた振幅割合間隔で分圧されたレベルと選択信号Ｘが比較される。選択信号Ｘが単調増加、又は単調減少することで、順番に位相検出信号ｐｈＣが切り換わって出力される。

次いで、合成回路４０は、第１の位相情報信号ｐｈＡと、第２の位相情報信号ｐｈＢと、第３の位相情報信号ｐｈＣとを合成して、少なくとも１つのデジタル信号を生成してモータ制御信号として出力する。

以上説明したように、本実施形態によれば、選択信号Ｘを電気角に応じた振幅レベルに達するたびに出力される信号を用いることにより、第１の位相情報信号ｐｈＡで得られる位相情報信号数以上の位相データを得ることが可能となる。図１７では電気角７．５°毎の位相情報を得る手段を示しており、一例である。その他の例としては、電気角６°毎の振幅割合に区切れば位相情報は６°毎の倍の位相情報を得ることになるし、３°毎に区切れば７．５°毎の２．５倍の位相情報を得ることが可能である。

図２において、選択信号Ｘは各センサ信号の正弦波の−３０度から３０度の区間又は１５０度から２１０度区間となっており位相区間が切り換わり選択されたセンサ信号が変化しても連続した信号となっており、図５ａで示される第３の位相検出回路３０からの比較結果信号である第３の位相情報信号ｐｈＣは隣り合う信号が順番に切り換わるため、最終的な合成信号はグレイコードとなすことが可能となっている。

実施形態２．
図３ａは本発明の実施形態２に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。実施形態２に係るモータ駆動制御装置は、実施形態１に係るモータ駆動制御装置に比較して、信号増幅回路５０を設けないことを特徴としている。すなわち、センサ信号がシングルエンド信号ではなく差動信号のままであり、センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）からの差動センサ信号（Ｕ１，Ｕ１−；Ｖ１，Ｖ１−；Ｗ１，Ｗ１−）がそのまま出力されて第１の位相検出回路１０、第２の位相検出回路１２０及び信号選択回路２１に入力されている。ここで、第１の位相検出回路１０において、比較器１１にはセンサ信号Ｕ１，Ｕ１−が入力され、比較器１２にはセンサ信号Ｖ１，Ｖ１−が入力され、比較器１３にはセンサ信号Ｗ１，Ｗ１−が入力されてそれぞれ位相検出される。また、第２の位相検出回路１２０においては、各センサ信号どうしの比較結果であるため、必ずしも差動信号を入力する必要はなく、各差動センサ信号の片側信号のみを入力してもよい。

図３ｂは本発明の実施形態２の変形例に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。実施形態２の変形例に係るモータ駆動制御装置は、実施形態２に係るモータ駆動制御装置に比較して、センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力端において、入出力信号がともに差動信号である増幅器５１ａ，５２ａ，５３ａを備えた信号増幅回路５０ａを備えたことを特徴としている。すなわち、センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）からの各差動センサ信号（Ｕ１，Ｕ１−；Ｖ１，Ｖ１−；Ｗ１，Ｗ１−）一旦信号増幅回路５０ａにより増幅した差動センサ信号（Ｕ１，Ｕ１−，Ｖ１，Ｖ１−，Ｗ１，Ｗ１−）を第１の位相検出回路１０、第２の位相検出回路１２０及び信号選択回路２１に入力している。実施形態２とその変形例でどちらも作用効果は変わらないが、信号増幅回路５０ａはセンサ信号を均一化する点で使い勝手がよい。

ここで、信号増幅回路５０ａの役割について以下説明する。センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）からの差動センサ信号はコモンレベルや振幅レベルが均一ではないことが多い。また、その振幅レベルは電気的に非常に小さいレベルであることも多い。それらのレベルが均一で振幅が大きければ大きいほど第３の位相検出回路３０から所定の回転角を狙った出力信号が実際の回転子の回転角に近い値を示すことになる。つまり、センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３からの差動センサ信号が均一でなかった場合において、信号増幅回路５０ａにおいてコモンレベルの調整、振幅レベルの調整及び増幅することが目的である。

従って、使い勝手のよい図３ｂの実施形態２の変形例の動作について主として以下に説明する。前述したように、増幅した差動センサ信号（Ｕ１，Ｕ１−，Ｖ１，Ｖ１−，Ｗ１，Ｗ１−）が第１の位相検出回路１０、第２の位相検出回路１２０及び信号選択回路２１に入力されており、第１の位相検出回路１０は例えば図１８に示すように、入力条件によって、ハイレベル又はローレベルを有する比較結果信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を出力する。ここで、第１の位相検出回路１０からの比較結果信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２はそれぞれ所定の位相を有する第１の位相情報信号ｐｈＡとなり、合成回路４０に出力される。また、第２位相検出回路１２０は、入力されたセンサ信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に基づいて、例えば前述の図１５に従って、２値の比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３として出力する。第２位相検出器からの比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３はそれぞれ所定の位相を有する第２の位相情報信号ｐｈＢとなる。

また、比較結果信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２と比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３は位相分割回路２０にも入力され、位相分割回路２０は、前記各入力信号に基づいて所定の位相区間を有する区間に分割して得られた結果の信号を信号選択回路２１に出力する。信号選択回路２１には、前述した差動センサ信号Ｕ１，Ｕ１−，Ｖ１，Ｖ１−，Ｗ１，Ｗ１−も入力されており、位相分割回路２０からの出力信号に基づき、詳細後述するように所定の適切な信号が選択される。次いで、信号選択回路２１からの選択信号Ｘは、第３の位相検出回路３０に入力され、第３の位相検出回路３０は、選択信号Ｘが所定のしきい値レベルに到達することでモータが所定の角度を回転したことを知り得る位相情報として出力される複数の位相検出信号を第３の位相情報信号ｐｈＣとして合成回路４０に出力する。そして、合成回路４０は、第１の位相情報信号ｐｈＡと、第２の位相情報信号ｐｈＢと、第３の位相情報信号ｐｈＣとを合成して、第１の位相情報信号ｐｈＡよりも多くの位相情報を有する合成位相情報信号Ｐｈｓｙｎを得て、モータ駆動制御信号として用いる。ここで、前述の所定のしきい値レベルとは、回転角度センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の信号振幅に応じたレベルを指し、予め設定されているものとする。

図４は図３ａ及び図３ｂのモータ駆動制御装置の動作状態を示す各信号のタイミングチャートである。ここで、差動センサ信号（Ｕ１，Ｕ１−；Ｖ１，Ｖ１−；Ｗ１，Ｗ１−）は、モータＭ１の回転子の回りを電気角１２０°間隔で配置されたセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３からの信号であり、当該回転子の磁束密度に応じた正弦波をそれぞれの位相は１２０°のずれを有して出力されているとしている。ここで、第１の位相検出回路１０において、
（１）センサ信号Ｕ１とセンサ信号Ｕ１−との比較結果として比較結果信号Ｕ２を得て、
（２）センサ信号Ｖ１とセンサ信号Ｖ１−との比較結果として比較結果信号Ｖ２を得て、
（３）センサ信号Ｗ１とセンサ信号Ｗ１−との比較結果として比較結果信号Ｗ２を得ている。さらに、第２の位相検出回路１２０において、センサ信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に基づいて図１５のように比較することにより、比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３を得ている。なお、第２の位相検出回路１２０において、センサ信号Ｕ１−，Ｖ１−，Ｗ１−に基づいて同様に比較しても同様の比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３を得ることができる。ここで、第２の位相検出回路１２０は、比較結果信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２及び比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３のそれぞれの切り換わりエッジとエッジの区間において位相分割を行っており、その所定位相分割区間において、例えば図４では、図１９の入力条件に従って選択信号Ｘを選択的に切り換えて発生している。従って、分割位相は電気角において３０度で分割区間境界において連続した選択信号Ｘを得ることができる。正弦波において、１５０度から１８０度、０度から３０度の区間は非常に直線性が高く第３位相検出回路３０において、位相レベルを検出するのに非常に有利となる。

図５ｂは図１、図３ａ及び図３ｂの第３の位相検出回路３０の実施例２に係る位相検出回路３０−２の構成を示す回路図である。実施例２に係る位相検出回路３０−２は、実施例１に係る図３ａの位相検出回路３０−１に比較して、電圧源４４及び比較器４２−１よりも下側の回路を削除したことを特徴とする。当該実施例２によれば、図３ｂに図示したように、第２の位相検出回路３０−２における所定のしきい値レベル数が半分となっても、実施例１に係る位相検出回路３０−１と同様の作用効果が得られ、モータ駆動制御装置の装置規模が縮小できる。

次いで、第３の位相検出回路３０からの位相情報信号ｐｈＣと、第１の位相検出回路１０及び第２の位相検出回路１２０からの各位相情報信号ＰｈＡ，ｐｈＢとを合成して２相のデジタル信号を出力する合成回路４０の一例について以下に説明する。

図６は図１、図３ａ及び図３ｂの第３の位相検出回路３０の動作を示す各信号のタイミングチャートである。図６では、図４の選択信号Ｘと、電気角３０°区間を５等分するようにＬＶ（１）〜ＬＶ（４）の所定のしきい値レベルを有する第３の位相検出回路３０からの第３の位相情報信号ｐｈＣを位相情報信号ｐｈ（１）〜ｐｈ（４）とした場合を示している。合成回路４０は、２種類の出力デジタル信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を出力する。ここで、合成回路４０は、位相情報信号ｐｈ（１），ｐｈ（３），比較結果信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３を合成してその合成信号を出力デジタル信号ＯＵＴ１として出力し、位相情報信号ｐｈ（２），ｐｈ（４），比較結果信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を合成してその合成信号を出力デジタル信号ＯＵＴ２として出力する。これにより、光学エンコーダを備えなくとも周期１／４位相差を有するエンコーダ信号を簡単に得ることが可能となる。

実施形態３．
図７は本発明の実施形態３に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。実施形態３に係るモータ駆動制御装置は、図７に示すように、図３ｂの実施形態２の変形例に係るモータ駆動制御装置に比較して、（１）モータＭ１の回転子を回転駆動させるために駆動電流を複数のモータコイルに選択的に流すためのモータ駆動部７０と、（２）第２の位相情報信号ｐｈＢに基づいてＰＷＭ信号を発生してモータ駆動部７０に出力するモータコントローラ６０を備えたことを特徴としている。それ以外の構成は実施形態２の変形例と同様であり、その説明を省略する。

図８は図７のモータ駆動部７０の構成を示す回路図である。図８において、モータ駆動部７０は、プリドライバ８０と、ドライバ９０とを備えて構成される。例えばブラシレスＤＣモータであるモータＭ１を駆動するための３相コイルを、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相とし、それぞれのコイルはモータＭ１内でＹ結線されている。ここで、メインドライバ９０は、それぞれのコイルの他端には電源側に接続されたハイサイドスイッチ素子９１，９３，９５と、接地側に接続されたローサイドスイッチ９２，９４，９６とを備えて構成される。さらに、各相のスイッチ素子９１〜９６を駆動するためのスイッチ制御信号ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬが前段のプリドライバ８０より出力される。プリドライバ８０は、駆動相コントローラ８１と３個の駆動増幅器８２，８３，８４とを備えて構成される。前記スイッチ制御信号ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬは対をなしており、駆動相コントローラ８１は、ＰＷＭデューティサイクルで同期整流動作する相、ローサイドのみオンする相、ハイ／ロー共にオフする相のいずれかの状態に振り分けるために設けられ、モータコントローラ６０によって決定されたデューティサイクルのＰＷＭ信号に従って、同期整流相を駆動する。ここで、前述の各相を各状態、すなわちＰＷＭ同期整流駆動、ローサイドオン、両サイドオフの状態に振り分けるためにモータＭ１の回転子付近に配置された位置情報取得のための磁気センサＳ１〜Ｓ３からのセンサ信号に基づいて生成された位相情報信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２の信号論理によって定めることによってモータＭ１を回転駆動している。

図９は図８のモータ駆動部７０の動作を示す各信号のタイミングチャートである。図９では、各相のセンサ信号の信号論理における各状態切り換え例を示しており、ブラシレスＤＣモータを駆動する方法として一般的な駆動方法である。

モータコントローラ６０は回転しているモータＭ１のできるだけ正確な位相・位置情報に基づいて、前述のＰＷＭ信号の然るべきデューティサイクルを制御し、ＰＷＭ信号をモータ駆動部７０に出力する。なお、モータコントローラ６０を設けず、ＰＷＭ信号の代わりに駆動制御電圧をモータ駆動部７０に入力し、モータ駆動部７０内においては入力された駆動制御電圧を一定のフレーム周期を有する三角波によって比較してＰＷＭ信号を生成するようにしてもよい。

図７におけるモータ駆動制御装置において、特徴的なことは、ブラシレスモータ駆動に必要な相切り換え用のセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３を、実施形態１、２で説明した複数の位相情報を持つセンサと共通で使用していることにある。さらに、第１の位相検出回路１０をも共通化していることにある。つまり、従来あるセンサ信号を利用しているため多数の位相情報を得るために追加センサなしに実現することができる。

実施形態４．
図１０は本発明の実施形態４に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。実施形態４に係るモータ駆動制御装置は、図１０に示すように、図３ｂの実施形態２の変形例に係るモータ駆動制御装置と比較して、振幅検出回路１００を備えたことを特徴とする。それ以外の構成は実施形態２の変形例と同様であり、その説明を省略する。振幅検出回路１００は、例えば各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３毎に設けたサンプルホールド回路１０１，１０２，１０３と、増幅率演算回路１０４とを備えて構成され、検出された振幅により所定の振幅となるようにセンサ信号の増幅率を演算し信号増幅回路５０にフォードバックする。

前述したように、各々のセンサ信号はコモンレベルや振幅レベルが均一でないことが多く、本実施形態は、そのコモンレベルと振幅レベルを調整する手段を具備したモータ駆動制御装置であり、その調整例を以下に記載する。

振幅検出回路１００は、例えばピークホールド回路１０１〜１０３を用いて各センサ信号の振幅のピーク値を検出し、もしくは所定の電気角（例えばセンサクロス点など）における振幅をサンプルホールドしその値からピーク値を換算するピークレベル換算手段を用いてピークレベルを推定する。次いで、増幅率演算回路１０４は、検出された信号振幅のピークレベル又はピークレベル推定値が所定の振幅レベルとなるように演算し、あるいはアップダウンカウンタを用いて増幅手段にフィードバックし振幅レベル調整することで各々のセンサＳ１〜Ｓ３が所定の振幅レベルを出力することが可能となり、より回転子の実際の回転角に近い位相情報を得ることが可能となる。

実施形態５．
図１１は本発明の実施形態５に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。実施形態５に係るモータ駆動制御装置は、図１１に示すように、図３ｂの実施形態２の変形例に係るモータ駆動制御装置に比較して、振幅検出回路１１０を備え、それにより検出された信号レベルを第２の位相検出回路３０の電圧源３２−１〜３２−（Ｎ−１）の基準しきい値レベルを変更することを特徴としている。それ以外の構成は実施形態２の変形例と同様であり、その説明を省略する。振幅検出回路１１０は、サンプルホールド回路１１１，１１２，１１３と、基準電圧調整回路１１４とを備えて構成される。ここで、各々のセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の振幅レベルが異なることを第２の位相検出回路３０への選択信号Ｘ毎に当該基準しきい値レベルを変更することは該当センサ振幅レベルを調整することと等価であり、本実施形態においてもより回転子の実際の回転角に近い位相情報を得ることが可能となる。なお、以上の実施形態５において、振幅検出回路１１０と第２の位相検出回路３０とを１つの回路で構成してもよい。

図１２は図１１のモータ駆動制御装置において分割位相区間内における動作を示す各信号のタイミングチャートである。図１２を参照して、前記実施形態４，５で示されている振幅レベル検出タイミングの一例について、図２の一部を用いて以下説明する。

図１２で示されている分割位相区間では、センサ信号Ｗ１が選択信号Ｘとして第３の位相検出回路３０において位相検出されている状態である。センサ信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１はそれぞれ１２０度の位相差を持っていることから、センサ信号Ｖ１とＷ１のクロス点において理想的にセンサ信号Ｕ１は正弦波振幅ピークに達しているため、センサ信号Ｕ１の信号レベルを前述のクロス点においてサンプリングすることで、センサ信号Ｕ１の振幅が検出される。以下、センサ信号Ｖ１，Ｗ１においても同様に振幅検出が可能である。ここで、分割位相切り換わり点で選択信号Ｘは、センサ信号Ｗ１からセンサ信号Ｕ１に切り換わっているため、センサ信号Ｕ１の信号振幅を検出し演算して、センサ信号Ｕ１に係る増幅器５１ａの増幅率調整を即座に実施しても、第１、２及び３の位相検出回路１０，１２０，３０において、誤差や誤動作が起きる心配はない。そのため、各分割位相区間において第３の位相検出を実行しながら、位相検出を実施していない信号の振幅検出から信号増幅調整を同時に実施し、リアルタイムに常時信号の補正を実施することが可能となる。

実施形態６．
図１３は本発明の実施形態６に係るモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。実施形態６に係るモータ駆動制御装置は、図７の実施形態３に係るモータ駆動制御装置において、モータＭ１、センサＳ１〜Ｓ３、モータコントローラ６０を除いた回路を半導体集積回路（以下、半導体ＬＳＩという。）１３０として集積したことを特徴としている。モータ駆動部７０は一般に元々半導体集積回路にて集積されており、そこに複数の位相検出回路１０，１２０，３０及び信号増幅回路５０ａをオンチップすることで、従来装置からの規模増大はほぼなく、且つ、光学エンコーダがなくなる分装置の小型化が可能となる。

なお、半導体ＬＳＩ（半導体装置）として集積する例としては、図１３の装置に限られず、例えば複数位相検出回路１０，１２０，３０のみを集積してもよいし、図１３の構成に加えてモータコントローラ６０も集積してもよい。駆動相コイルを駆動する図８で示されるモータ駆動部７０は発熱源となるため場合によってはモータ駆動部７０のみ集積回路から切り離してもよい。さらに、実施形態４〜５で示されている振幅検出回路１００，１１２や第３の位相検出回路３０を同時に集積化してもよい。

上述してセンサＳ１〜Ｓ３は、モータＭ１の回転子（ロータ）を検出する磁気センサであり、一般的にホール素子が使用される。また、回転子が回転することで発生する磁束密度は正弦波である場合が多く、すなわち、磁気センサからの信号も正弦波である場合が多い。ただし、回転子が回転する際に発生し固定されている磁気センサにて受ける磁束密度が必ずしも綺麗な正弦波ではなく歪んだ正弦波である場合がある。また、センシングする磁束密度が磁気センサの許容値を超えるために起こる磁気飽和により、磁気センサ出力が飽和し台形波に近い出力となる場合もある。しかしながら、電気角−６０°〜６０°区間において正弦波又はそれに近い波形の信号であれば、本発明においては正確な複数の位相検出が可能である。

以上の実施形態において、前記センサ信号は、モータ電流駆動装置の複数相のコイルの転流電流切り換え用センサからのセンサ信号と兼用してもよい。

以上詳述したように、本発明によれば、モータの回転子付近に配置された複数の磁気センサから概略ある程度正確な回転位相を第１、第２及び第３位相検出手段により検出することができる。そして、例えば検出した位相情報はモータコントローラへ位相・位置情報として１相以上のデジタル信号として出力することでモータを駆動制御できる。さらに、モータ駆動制御装置を集積化することで高価なロータリー光学エンコーダを用いることなく、安価で装置規模が小さく小型化可能な磁気センサ変化間隔よりも細かな位相検出手段を有するモータ駆動制御装置が実現可能となる。

１０…第１の位相検出回路、
１１，１２，１３…位相検出器、
２０…位相分割回路、
２１…信号選択回路、
３０…第３の位相検出回路、
３１−１〜３１−Ｎ…位相検出器、
３２−１〜３２−（Ｎ−１）…電圧源、
４０…信号合成回路、
４１−１〜４１−Ｎ，４２〜４２−Ｎ…比較器、
４３，４４，４５…電圧源、
４７−１〜４７−Ｎ，４８−１〜４８−Ｎ…抵抗、
５０，５０ａ…信号増幅回路、
５１，５２，５３，５１ａ，５２ａ，５３ａ…増幅器、
６０…モータコントローラ、
７０…モータ駆動部、
８０…プリドライバ、
８１…駆動相コントローラ、
８２，８３，８４…駆動増幅器、
９０…メインドライバ、
９１〜９６…スイッチ素子、
１００…振幅検出回路、
１０１〜１０３…サンプルホールド回路、
１０４…増幅率演算回路、
１１０…振幅検出回路、
１１１〜１１３…サンプルホールド回路、
１１４…基準電圧調整回路、
１２０…第２の位相検出回路、
１２１，１２２，１２３…位相検出器、
１３０…半導体ＬＳＩ、
Ｍ１…モータ、
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…磁気センサ。

特許第３５０００３２８号公報 特開２０１１−４１４１７号公報 特開２００７−１３２７４２号公報

Claims (11)

1. 複数相のコイルを有するモータの回転子の回転位置に応じた信号レベルを有する複数のセンサ信号に基づいてモータを駆動制御するモータ駆動制御装置において、
   前記複数のセンサ信号又はそれに対応する信号同士の大小関係に基づいて決められる位相区間毎に、前記複数のセンサ信号の中から一つを選択した選択信号を出力するセンサ信号選択手段と、
   前記選択信号を複数のしきい値レベルと比較することで、前記位相区間における前記モータの回転角よりも小さな回転角を表す第１の位相情報信号を出力する第１の位相検出手段とを備えたことを特徴とするモータ駆動制御装置。
2. 前記第１の位相検出手段は複数の位相検出器をさらに備え、
   前記第１の位相検出手段は、前記複数の位相検出器がそれぞれのしきい値レベルと前記選択信号の大小関係に基づいて比較して出力した複数の信号を合成した信号を前記第１の位相情報信号として出力することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動制御装置。
3. 前記複数のセンサ信号又はそれに対応する信号同士の大小関係を示す第２の位相情報信号を出力する第２の位相検出手段を備え、
   前記位相区間は、前記第２の位相情報信号に基づいて決められることを特徴とする請求項１又は２記載のモータ駆動制御装置。
4. 前記センサ信号は、モータ電流駆動装置の複数相のコイルの転流電流切り換え用センサからのセンサ信号と兼用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ駆動制御装置。
5. 前記位相区間において前記センサ信号選択手段により選択された前記センサ信号又はそれに対応する信号は前記位相区間の境界において連続した信号であり、
   前記位相区間はモータの電気角で３０度間隔又は６０度間隔であることを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ駆動制御装置。
6. 前記センサ信号のピークレベルを検出又は推定してその結果信号を出力する振幅検出手段と、
   前記振幅検出手段からの結果信号に応じて前記センサ信号の信号レベルを調節する第１の調節手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモータ駆動制御装置。
7. 前記センサ信号のピークレベルを検出し又は推定してその結果信号を出力する振幅検出手段と、
   前記振幅検出手段からの結果信号に応じて前記第１の位相検出手段のしきい値レベルを調節する第２の調節手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモータ駆動制御装置。
8. 前記振幅検出手段は、前記第１の位相検出手段において位相検出していないセンサ信号の振幅検出をすることを特徴とする請求項７記載のモータ駆動制御装置。
9. 前記センサ信号は、正弦波又はそれに準じた波形であることを特徴とする１乃至８のいずれか１項に記載のモータ駆動制御装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のモータ駆動制御装置を備える半導体集積回路。
11. ＤＣモータと、
    前記ＤＣモータを駆動させるモータ駆動部と、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載のモータ駆動制御装置を備えるモータ駆動システム。

Images