JP6189662B2 - モータの駆動装置、駆動方法、および冷却装置、電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動技術に関する。

図１は、三相ブラシレスＤＣモータ５００の模式図である。モータ５００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのステータコア５０２と、スタータコアに巻装されるステータコイル（以下、単にコイルという）Ｌ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗからなるステータと、永久磁石を有するマグネットロータ５０４と、を備える。

図示しない駆動回路により、コイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗを順にサイクリックに通電することにより（転流ともいう）、ステータが発生する巻線磁界５０６が回転する。この巻線磁界がマグネットロータ５０４に作用することによりマグネットロータ５０４が回転する。

モータのトルクは、巻線磁界５０６とマグネットロータ５０４が、概ね図１に示す位置関係にあるとき、より具体的には、巻線磁界５０６とマグネットロータ５０４が直交するときに、最大となることが知られている。

モータを、インダクタンスＬと抵抗Ｒの等価回路で考えると、コイル電流ｉ（ｔ）、端子間電圧（印加電圧、駆動電圧ともいう）Ｖおよび誘起電圧（逆起電力ともいう）ｅの間には、式（１）が成り立つ。
Ｖ−ｅ＝Ｒ・ｉ＋Ｌ・ｄｉ／ｄｔ＝（Ｒ＋ｊωＬ）・ｉ …（１）

式（１）を変形すると式（２）を得る。
ｉ＝（Ｖ−ｅ）／（Ｒ＋ｊωＬ）＝（Ｖ−ｅ）・（Ｒ−ｊωＬ）／（ω^２Ｌ^２＋Ｒ^２） …（２）

つまり、コイル電流ｉの位相は、駆動電圧Ｖと誘起電圧ｅの合成ベクトル（Ｖ−ｅ）と、モータのインピーダンス（ｊωＬ＋Ｒ）に応じて変化する。具体的には、駆動電圧Ｖと誘起電圧ｅの合成ベクトル（Ｖ−ｅ）に対して、コイル電流の位相は、θ＝ａｒｃｔａｎ（ωＬ／Ｒ）遅れる。

図２（ａ）は、ある相のコイルの駆動電圧、誘起電圧およびその相のコイルに流れる電流の関係を示す図である。図２（ａ）の左図は、誘起電圧ｅと同相で駆動電圧Ｖを発生した状態を示す。この状態で、コイル電流ｉの位相は誘起電圧ｅに対して遅れている。

図２（ａ）の右図は、駆動電圧Ｖを誘起電圧ｅに対して進相させた状態を示す。この状態で、コイル電流ｉは誘起電圧ｅと同相となり、高トルクが得られる。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の右図の位相関係が成り立つときのベクトル図である。誘起電圧ｅとコイル電流ｉの位相が一致するためには、誘起電圧ｅと駆動電圧Ｖの合成ベクトル（Ｖ−ｅ）が、コイル電流ｉに対してθ遅れていればよく、そうなるように、駆動電圧Ｖの振幅および位相を調節すればよい。

ここで誘起電圧ｅは、モータの回転数ωに比例し、またモータのインピーダンスが影響する位相進み角θも、モータの回転数ωに応じて時々刻々と変化する。したがって最大トルクを得るためには、駆動電圧Ｖの振幅、位相も、モータの回転数ωに応じて時々刻々と変化させる必要がある。駆動電圧Ｖの位相は、誘起電圧ｅより進んでいるため、進角制御とも称される。

駆動電圧Ｖを最適化するためには、以下の２つの方法が考えられる。

第１の方法では、誘起電圧ｅの位相と、コイル電流ｉの位相が検出される。誘起電圧ｅの位相はロータの位置と１対１で対応することから、誘起電圧ｅの位相は、ホール素子などのロータの位置検出器により検出することができる。そして、コイル電流ｉの位相をカレントトランスなどの電流検出器により検出し、それらの情報にもとづいて、駆動電圧Ｖの位相を調節する。第１の方法では、電流検出器が高価であるという問題がある。

第２の方法は、駆動電圧Ｖの周波数や大きさなどの情報と、位相角の関係を予め定めておき、現在の駆動電圧Ｖの周波数、大きさにもとづいてオープンループで、位相角を調節する。この方法では、モータの品種ごとあるいは固体ごとに、個別設定が必要となり煩雑であった。また精度の面でも課題があった。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、低コストで、および／または、簡易に進角制御が可能なモータ駆動装置の提供にある。

本発明のある態様は、少なくともひとつのコイルを有するブラシレスＤＣモータの駆動装置に関する。駆動装置は、ブラシレスＤＣモータの所定相のコイルに生ずる誘起電圧がゼロとなる電圧ゼロクロス点を検出する電圧ゼロクロス検出部と、電圧ゼロクロス点と同期して、少なくともひとつの検出区間を設定する検出区間設定部と、所定相のコイルの一端に生ずる端子電圧をしきい値電圧と比較し、比較結果を示すコイル電圧検出信号を生成するコイル電圧検出コンパレータと、検出区間におけるコイル電圧検出信号のレベルにもとづいて、所定相のコイルに流れるコイル電流と誘起電圧の位相の関係を示す位相検出信号を生成する電流位相検出部と、位相検出信号にもとづいて駆動制御信号を生成する駆動信号合成部と、駆動制御信号にもとづいてブラシレスＤＣモータを駆動するとともに、検出区間において所定相のコイルの一端をハイインピーダンス状態とするよう構成された駆動回路と、を備える。

電圧ゼロクロス点の付近、あるいはその前、その後ろにおいて、コイルの一端をハイインピーダンス状態にすると、駆動回路からコイルに流れ込む向き（ソース方向という）にコイル電流が流れるときには、端子電圧は接地電圧付近となり、コイルから駆動回路に流れ込む向き（シンク方向）にコイル電流が流れるときには、端子電圧は電源電圧付近となる。つまり、端子電圧にもとづいてコイル電流の向き、つまりその位相を判定することができ、駆動電圧の転流制御に反映させることができる。

検出区間設定部は、電圧ゼロクロス点と同期して、それより第１所定角前に第１検出区間を、それより第２所定角後ろに第２検出区間を設定し、電流位相検出部は、第１検出区間と第２検出区間それぞれにおけるコイル電圧検出信号のレベルの組み合わせにもとづいて、位相検出信号を生成してもよい。
この場合、第１検出区間、第２検出区間の両方において、コイル電流がソース方向に流れるときには、コイル電流の位相が誘起電圧に対して遅れているものと判定でき、第１検出区間、第２検出区間の両方において、コイル電流がシンク方向に流れるときには、コイル電流の位相が誘起電圧に対して進んでいるものと判定できる。

電流位相検出部は、（i）コイル電流がゼロクロスする電流ゼロクロス点が第１検出区間より前に位置する第１状態、（ii）電流ゼロクロス点が第２検出区間より後ろ位置する第２状態、（iii）電流ゼロクロス点が第１検出区間より後ろ、第２検出区間より前に位置する第３状態か、のいずれかを判定してもよい。駆動信号合成部は、（i）第１状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第１調節角遅らせ、（ii）第２状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第２調節角進め、（iii）第３状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに維持してもよい。

検出区間設定部は、第１検出区間、第２検出区間に加えて、第１検出区間より第３所定角前に第３検出区間を、第２検出区間より第４所定角後ろに第４検出区間を設定し、電流位相検出部は、第１検出区間から第４検出区間それぞれにおけるコイル電圧検出信号のレベルの組み合わせにもとづいて、（i）コイル電流がゼロクロスする電流ゼロクロス点が第３検出区間より前に位置する第１状態、（ii）電流ゼロクロス点が第３検出区間より後ろ、第１検出区間より前に位置する第２状態、（iii）電流ゼロクロス点が第４検出区間より後ろに位置する第３状態、（iv）電流ゼロクロス点が第２検出区間より後ろ、第４検出区間より前に位置する第４状態、（v）電流ゼロクロス点が第１検出区間と第２検出区間の間に位置する第５状態か、のいずれかを判定してもよい。駆動信号合成部は、（i）第１状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第１調節角遅らせ、（ii）第２状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第２調節角遅らせ、（iii）第３状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第３調節角進ませ、（iv）第４状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第４調節角進ませ、（iv）第５状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに維持してもよい。
この場合、コイル電流の位相情報をより正確に取得できる。

第１調節角は、第２調節角より大きく、第３調節角は、第４調節角より大きくてもよい。
この場合、コイル電流の位相ずれ量が大きいときには、大きな角度で駆動電圧の位相を変化させ、コイル電流の位相ずれ量が小さいときには、小さな角度で駆動電圧の位相を変化させることができるため、制御速度および／または制御精度を高めることができる。

駆動信号合成部は、（i）位相検出信号が、コイル電流の位相が誘起電圧の位相より遅れていることを示すとき、転流のタイミングを現在のタイミングに対して相対的に所定角早めてもよい。

駆動信号合成部は、（ii）位相検出信号が、コイル電流の位相が誘起電圧の位相より進んでいることを示すとき、転流のタイミングを現在のタイミングに対して相対的に所定角遅らせる。

しきい値電圧は、多相コイルの中点の電圧であってもよい。しきい値電圧は、電源電圧と接地電圧を分圧した電圧であってもよい。

電圧ゼロクロス検出部は、ホール素子からのブラシレスＤＣモータのロータの位置を示す一対のホール信号を比較し、ホール検出信号を生成するホールコンパレータを含んでもよい。

電圧ゼロクロス検出部は、ブラシレスＤＣモータの所定相のコイルの端子をハイインピーダンスとした状態で、端子電圧とコイルの中点電圧を比較する逆起電力検出コンパレータを含んでもよい。

ブラシレスＤＣモータは、ファンモータであってもよい。

本発明の別の態様は冷却装置に関する。冷却装置は、ファンモータと、ファンモータを駆動する上述のいずれかの駆動装置と、を備えてもよい。

本発明の別の態様は電子機器に関する。電子機器は、上述の冷却装置を備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、低コストで、および／または、簡易に進角制御が可能となる。

三相ブラシレスＤＣモータの模式図である。 図２（ａ）は、ある相のコイルの駆動電圧、誘起電圧およびその相のコイルに流れる電流の関係を示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の右図の位相関係が成り立つときのベクトル図である。 実施の形態に係る冷却装置を備える電子機器を示すブロック図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、検出区間における駆動回路の状態を示す回路図であり、図４（ｃ）は、コイル電流Ｉ_Ｕの位相と誘起電圧ｅ_Ｕの関係を示す波形図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、駆動装置による電流位相の検出を示す波形図である。 第１の変形例における検出区間を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図３は、実施の形態に係る冷却装置２００を備える電子機器１００を示すブロック図である。電子機器１００は、パーソナルコンピュータ、ワークステーションなどの計算機、あるいは冷蔵庫やテレビなどの家電製品であり、冷却対象、たとえばＣＰＵ１０２を備える。冷却装置２００は、送風によってＣＰＵ１０２を冷却する。

冷却装置２００は、ファンモータ２０２、ホール素子２０４および駆動装置３００を備える。ファンモータ２０２は、三相ブラシレスＤＣモータであり、冷却対象のＣＰＵ１０２に近接して配置される。駆動装置３００は、ファンモータ２０２のトルク（回転数、あるいは印加電圧）を指示するための制御入力信号（以下、単に制御信号という）Ｓ１にもとづいてファンモータ２０２を駆動する。冷却装置２００は、モジュール化されて市販、流通される。

ファンモータ２０２は、スター結線されたＵ相、Ｖ相、Ｌ相のコイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗと、図示しない永久磁石を備える。ホール素子２０４は、ファンモータ２０２の所定の箇所に取り付けられており、ファンモータ２０２のロータの位置を示す一対のホール信号ＶＨ＋、ＶＨ−を生成する。ホール素子２０４には、駆動装置３００からのホールバイアス電圧Ｖ_ＨＢが供給される。本実施の形態に係る冷却装置２００において、ホール素子２０４は三相すべてに用意されるのではなく、１相にのみ用意される。

駆動装置３００は、ひとつの半導体基板上に集積化された機能ＩＣ（Integrated Circuit）である。電源端子ＶＣＣには、電源電圧Ｖ_ＣＣが供給され、接地端子ＧＮＤには接地電圧が供給される。また駆動装置３００の出力端子ＯＵＴＵ〜ＯＵＴＷは、ファンモータ２０２のコイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗの一端と接続され、コモン（ＣＯＭ）端子は、ファンモータ２０２の中点電圧Ｖ_ＣＯＭが入力される。

駆動装置３００は、コイル電圧検出コンパレータ３０２、ホールコンパレータ３０４、駆動信号合成部３０８、ＰＷＭ信号生成部３１０、駆動回路３１２、検出区間設定部３１６、電流位相検出部３１８を備える。

ホールコンパレータ３０４は、上述のホール素子２０４とともに、電圧ゼロクロス検出部３１４を形成する。ホールコンパレータ３０４は、ホール素子２０４を含むホールＩＣに集積化されてもよい。電圧ゼロクロス検出部３１４は、ファンモータ２０２の所定相ＵのコイルＬ_Ｕに生ずる誘起電圧ｅがゼロとなる電圧ゼロクロス点を検出する。具体的には、ホールコンパレータ３０４は、ホール素子２０４からのロータの位置を示す一対のホール信号Ｈ＋、Ｈ−を比較し、ホール検出信号Ｓ４を生成する。ホール検出信号Ｓ４は、電圧ゼロクロス点ごとにレベルが遷移する。

検出区間設定部３１６は、ホール検出信号Ｓ４と同期して、電圧ゼロクロス点の前および／または後ろ、あるいは、電圧ゼロクロス点を含むように、少なくともひとつの検出区間を設定する。本実施の形態では、検出区間設定部３１６は、電圧ゼロクロス点の前に第１検出区間を、電圧ゼロクロス点の後ろに第２検出区間を設定するものとする。検出区間設定部３１６は、第１検出区間、第２検出区間それぞれにおいてアサート（たとえばハイレベル）されるタイミング信号Ｓ７を生成する。

コイル電圧検出コンパレータ３０２は、所定相ＵのコイルＬ_Ｕの一端に生ずる端子電圧Ｖ_Ｕをしきい値電圧と比較し、比較結果を示すコイル電圧検出信号Ｓ３を生成する。本実施の形態において、しきい値電圧はファンモータ２０２の中点電圧Ｖ_ＣＯＭである。

電流位相検出部３１８は、タイミング信号Ｓ７を受ける。電流位相検出部３１８は、タイミング信号Ｓ７がアサートされる区間、つまり検出区間設定部３１６において設定された検出区間におけるコイル電圧検出信号Ｓ３のレベルにもとづいて、所定相ＵのコイルＬ_Ｕに流れるコイル電流Ｉ_Ｕと誘起電圧ｅ_Ｕの位相の関係を判定し、判定結果を示す位相検出信号Ｓ８を生成する。

ＰＷＭ信号生成部３１０は、外部からファンモータ２０２のトルク、回転数または印加電圧を指示する制御信号Ｓ１を受け、制御信号Ｓ１に応じてパルス変調されたパルス幅変調（ＰＷＭ）信号Ｓ２を生成する。ＰＷＭ信号Ｓ２のデューティ比は、制御信号Ｓ１に応じて変化する。ＰＷＭ信号生成部３１０には、駆動装置３００の外部から、モータの目標トルクに応じてパルス幅変調された制御信号Ｓ１が入力され、それをそのままＰＷＭ信号Ｓ２として出力してもよい。あるいはＰＷＭ信号生成部３１０は、サーミスタなどを利用して得られる周囲温度Ｔａに応じたアナログ電圧を受け、アナログ電圧に応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号Ｓ２を生成してもよい。あるいはＰＷＭ信号生成部３１０は、ＣＰＵなどのホストプロセッサから、デューティ比を示すデジタル信号を受け、デジタル信号に応じたＰＷＭ信号Ｓ２を生成してもよい。

駆動信号合成部３０８は、ＰＷＭ信号Ｓ２およびホール検出信号Ｓ４に加えて、タイミング信号Ｓ７、位相検出信号Ｓ８にもとづいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｖ相それぞれに対する駆動制御信号Ｓ５_Ｕ、Ｓ５_Ｖ、Ｓ５_Ｗを生成する。

また駆動信号合成部３０８は、ホール検出信号Ｓ４および位相検出信号Ｓ８にもとづいて、転流制御を行う。すなわち、駆動信号合成部３０８は、位相検出信号Ｓ８にもとづいて進相角（あるいは遅相角）を決定し、ホール検出信号Ｓ４が示す電圧ゼロクロス点に対して、進相角（遅相角）シフトさせたタイミングで、転流を行う。つまり駆動信号合成部３０８は、転流のタイミングに位相検出信号Ｓ８を反映することにより、コイル電流Ｉ_Ｕと誘起電圧ｅの位相関係を所定の関係（たとえば同相）に近づける。また、駆動信号合成部３０８は、タイミング信号Ｓ７がアサートされる検出区間において、所定相のコイルＬ_Ｕの一端がハイインピーダンス状態となるように、駆動制御信号Ｓ５を生成する。

駆動回路３１２は、駆動制御信号Ｓ５_Ｕ、Ｓ５_Ｖ、Ｓ５_Ｗに応じて、コイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗそれぞれの一端に、駆動電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗを印加する。図３には、Ｕ相の駆動回路３１２Ｕのみが示されており、Ｖ相、Ｗ相は省略している。

駆動回路３１２は、ファンモータ２０２をＰＷＭ（スイッチング）駆動してもよいし、ＢＴＬ（Bridged Transless）駆動してもよい。

ＰＷＭ駆動では、駆動電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗは、電源電圧Ｖ_ＣＣと接地電圧Ｖ_ＧＮＤの２値でスイッチングし、パルス幅変調される。各駆動電圧のデューティ比には、目標トルク（目標回転数）が反映される。また、相の切りかえ時のノイズを抑制するために、相遷移の区間において、各駆動電圧のデューティ比が緩やかに切りかえられる。ＰＷＭ駆動の駆動回路３１２は、三相ブリッジ回路で構成される。ＰＷＭ駆動用の駆動回路３１２は、ブリッジ回路３１２ａと、その前段のプリドライバ３１２ｂを含んでもよい。

ＢＴＬ駆動では、駆動電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗの包絡線は、電源電圧Ｖ_ＣＣと接地電圧Ｖ_ＧＮＤの間を緩やかに遷移する。各相の駆動電圧の包絡線を、正弦波状あるいは疑似正弦波、台形波などにもとづいて遷移させることで、ＰＷＭ駆動よりも低ノイズ化が図られる。包絡線の波形は、テーブル参照により生成してもよいし、ホール信号Ｖ_Ｈ＋、Ｖ_Ｈ−にもとづいて生成してもよい。各相の駆動電圧は、目標トルク（目標回転数）に応じたデューティ比を有するようにパルス幅変調されてもよい。ＢＴＬ駆動の駆動回路３１２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに設けられたアンプ３１２ｂで構成される。各アンプ３１２ｂの出力段は、プッシュプル形式のブリッジ回路３１２ａで構成される。

なお、駆動信号合成部３０８および駆動回路３１２については公知技術を利用すればよく、その構成、駆動方式は特に限定されない。

また駆動回路３１２は、検出区間において所定相のコイルＬ_Ｕの一端をハイインピーダンス状態とする。具体的には、ブリッジ回路３１２ａのハイサイドトランジスタＭ１、ローサイドトランジスタＭ２を両方オフとする。

以上が冷却装置２００の全体構成である。続いて、その動作を説明する。

図４（ａ）、（ｂ）は、検出区間における駆動回路３１２の状態を示す回路図である。
検出区間において、ハイサイドトランジスタＭ１およびローサイドトランジスタＭ２は両方オフとなり、出力端子ＯＵＴＵがハイインピーダンス状態となる。図４（ａ）には、検出区間において、駆動回路３１２からコイルＬ_Ｕに流れ込む向き（ソース方向という）にコイル電流Ｉ_Ｕが流れる状態が示される。このとき、コイル電流Ｉ_Ｕは、ローサイドトランジスタＭ２のボディーダイオードを経由して流れ、したがって端子電圧Ｖ_Ｕは、接地電圧Ｖ_ＧＮＤ付近となる。

図４（ｂ）には、検出区間において、コイルＬ_Ｕから駆動回路３１２に流れ込む向き（シンク方向という）にコイル電流Ｉ_Ｕが流れる状態が示される。このとき、コイル電流Ｉ_Ｕは、ハイサイドトランジスタＭ１のボディーダイオードを経由して流れ、したがって端子電圧Ｖ_Ｕは、電源電圧Ｖ_ＣＣ付近となる。

この性質を利用して、コイル電圧検出コンパレータ３０２は、検出区間における端子電圧Ｖ_Ｕにもとづいて、コイル電流Ｉ_Ｕの向き、すなわちその位相を判定する。具体的には、端子電圧Ｖ_Ｕをしきい値電圧Ｖ_ＣＯＭを比較することにより、Ｖ_Ｕ＜Ｖ_ＣＯＭのとき、コイル電流Ｉ_Ｕは正であり、コイル電流の位相が遅れているものと判定し、Ｖ_Ｕ＞Ｖ_ＣＯＭのときコイル電流Ｉ_Ｕは負であり、コイル電流の位相が進んでいるものと判定する。図４（ｃ）は、コイル電流Ｉ_Ｕの位相と誘起電圧ｅ_Ｕの関係を示す波形図である。

理解の容易のために、検出区間が電圧ゼロクロス点と一致する場合を考えると、電圧ゼロクロス点においてコイル電流が正、つまりソース方向に流れるとき、Ｖ_Ｕ＜Ｖ_ＣＯＭとなり、電流の位相が遅れていることが推定される。反対に電圧ゼロクロス点においてコイル電流が負、つまりシンク方向に流れるとき、Ｖ_Ｕ＞Ｖ_ＣＯＭとなり、電流の位相が進んでいることが推定される。

図５（ａ）〜（ｄ）は、駆動装置３００による電流位相の検出を示す波形図である。図５（ａ）には誘起電圧ｅ_ＵおよびハイサイドトランジスタＭ１、ローサイドトランジスタＭ２の状態が示されている。ハイサイドトランジスタＭ１およびローサイドトランジスタＭ２は、ＰＷＭ信号Ｓ２に応じて相補的にスイッチングしている。電圧ゼロクロス点が発生する時刻をｔ_０とする。

本実施の形態において、検出区間設定部３１６は、電圧ゼロクロス点ｔ_０と同期して、電圧ゼロクロス点ｔ_０より第１所定角α_１前に第１検出区間Ｔｄ１を、電圧ゼロクロス点より第２所定角α_２後ろに第２検出区間Ｔｄ１を設定する。そして電流位相検出部３１８は、第１検出区間Ｔｄ１と第２検出区間Ｔｄ２それぞれにおけるコイル電圧検出信号Ｓ３のレベルの組み合わせにもとづいて、位相検出信号Ｓ８を生成する。

図５（ｂ）〜（ｃ）には、コイル電流Ｉ_Ｕと端子電圧Ｖ_Ｕが示される。図５（ｂ）には、コイル電流Ｉ_Ｕの位相が遅れているときの、図５（ｃ）にはコイル電流Ｉ_Ｕと誘起電圧ｅが同相であるときの、図５（ｄ）にはコイル電流Ｉ_Ｕの位相が進んでいるときの波形が示される。

電流位相検出部３１８は、図５（ｂ）に示すように、第１検出区間Ｔｄ１、第２検出区間Ｔｄ２の両方において、Ｖ_Ｕ＜Ｖ_ＣＯＭとなるとき、コイル電流Ｉ_Ｕのゼロクロス点（以下、電流ゼロクロス点という）は第２検出区間Ｔｄ２よりも後ろに位置するため、コイル電流の位相が遅れているものと判定する。

また電流位相検出部３１８は、図５（ｃ）に示すように、第１検出区間Ｔｄ１において、Ｖ_Ｕ＞Ｖ_ＣＯＭ、第２検出区間Ｔｄ２においてＶ_Ｕ＜Ｖ_ＣＯＭとなるとき、電流ゼロクロス点が第１検出区間Ｔｄ１と第２検出区間Ｔｄ２の間、つまり電圧ゼロクロス点付近に位置するため、コイル電流Ｉ_Ｕと誘起電圧ｅが同相であると判定する。

また電流位相検出部３１８は、図５（ｄ）に示すように、第１検出区間Ｔｄ１、第２検出区間Ｔｄ２の両方において、Ｖ_Ｕ＞Ｖ_ＣＯＭとなるとき、電流ゼロクロス点が第１検出区間Ｔｄ１より前に位置するため、コイル電流Ｉ_Ｕの位相が進んでいるものと判定する。

つまり電流位相検出部３１８は、（i）図５（ｄ）に示すように電流ゼロクロス点が第１検出区間より前に位置する第１状態φ１、（ii）図５（ｂ）に示すように電流ゼロクロス点が第２検出区間Ｔｄ２より後ろ位置する第２状態φ２、（iii）電流ゼロクロス点が第１検出区間Ｔｄ１より後ろ、第２検出区間Ｔｄ２より前に位置する第３状態φ３か、のいずれかを判定している。

そして、駆動信号合成部３０８は、図５（ｂ）の第２状態φ２のように電流位相検出部３１８においてコイル電流Ｉ_Ｕの位相が遅れていると判定された場合、転流のタイミング、つまり駆動電圧の位相を現在のタイミングに対して相対的に所定の第１調節角θ_ＡＤＪ１早める。

また駆動信号合成部３０８は、図５（ｄ）の第１状態φ１のように、電流位相検出部３１８においてコイル電流Ｉ_Ｕの位相が進んでいると判定された場合、転流のタイミング、つまり駆動電圧の位相を現在のタイミングに対して相対的に所定の第２調節角θ_ＡＤＪ２遅らせる。

また駆動信号合成部３０８は、図５（ｃ）の第３状態φ３のように、電流位相検出部３１８においてコイル電流Ｉ_Ｕと誘起電圧ｅ_Ｕが同相と判定された場合、転流のタイミングつまり駆動電圧の位相を、現在のそれに維持する。

なお第１所定角α_１と第２所定角α_２は等しくてもよいし異なっていてもよく、同様に、第１調節角θ_ＡＤＪ１と第２調節角θ_ＡＤＪ２は等しくてもよいし異なっていてもよい。

以上の動作を繰り返すことにより、コイル電流Ｉ_Ｕの位相と誘起電圧ｅ_Ｕの位相が一致するようにフィードバックがかかり、ファンモータ２０２を高効率で、および／または高トルクで駆動することができる。

以上が駆動装置３００を備える冷却装置２００の動作である。

この駆動装置３００によれば、電圧ゼロクロス点の前後に検出区間を設け、検出区間における端子電圧Ｖ_Ｕを参照することにより、コイル電流Ｉ_Ｕの向き、つまりその位相を検出することができ、それを転流制御に反映させることができる。

この駆動装置３００では、上述した第１の方法と比べて、コイル電流Ｉ_Ｕの位相を検出するためのカレントトランスなどが不要であるため、従来の駆動装置より低コスト化、小面積化を図ることができる。

また、オープンループ制御を利用する第２の方法と比べて、モータの品種ごとあるいは固体ごとの個別設定が不要となり、簡易かつ高精度な進相制御が可能となる。

特に、電圧ゼロクロス点の前後に、２個の検出区間を設けることで、それぞれにおけるコイル電圧検出信号Ｓ３の値の組み合わせによって、コイル電流の位相進み、位相遅れを正確に判定することができる。

また、コイル電流Ｉ_Ｕの位相の安定点は、第１所定角α_１と第２所定角α_２の間に位置することになるから、その位置を、第１所定角α_１と第２所定角α_２によって調節することができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１の変形例）
実施の形態では、２個の検出区間を設定する場合を説明したが検出区間の数は任意である。第１の変形例では、４個の検出区間が設けられる。

図６は、第１の変形例における検出区間を示す図である。検出区間設定部３１６は、第１検出区間Ｔｄ１、第２検出区間Ｔｄ２に加えて、第１検出区間Ｔｄ１より第３所定角α_３前に第３検出区間Ｔｄ３を、第２検出区間Ｔｄ２より第４所定角α_４後ろに第４検出区間Ｔｄ４を設定する。
電流位相検出部３１８は、第１検出区間Ｔｄ１から第４検出区間Ｔｄ４それぞれにおけるコイル電圧検出信号Ｓ３のレベルの組み合わせにもとづいて、（i）電流ゼロクロス点が第３検出区間Ｔｄ３より前に位置する第１状態φ１、（ii）電流ゼロクロス点が第３検出区間Ｔｄ３より後ろ、第１検出区間Ｔｄ１より前に位置する第２状態φ２、（iii）電流ゼロクロス点が第４検出区間Ｔｄ４より後ろに位置する第３状態φ３、（iv）電流ゼロクロス点が第２検出区間Ｔｄ２より後ろ、第４検出区間Ｔｄ４より前に位置する第４状態φ４、（v）電流ゼロクロス点が第１検出区間Ｔｄ１と第２検出区間Ｔｄ２の間に位置する第５状態φ５か、のいずれかを判定する。

そして駆動信号合成部３０８は、（i）第１状態φ１において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第１調節角θ_ＡＤＪ１遅らせ、（ii）第２状態φ２において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第２調節角θ_ＡＤＪ２遅らせ、（iii）第３状態φ３において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第３調節角θ_ＡＤＪ３進ませ、（iv）第４状態φ４において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第４調節角θ_ＡＤＪ４進ませ、（iv）第５状態φ５において、転流のタイミングを現在のタイミングに維持する。

この変形例によれば、検出区間の個数を増やしたことにより、コイル電流Ｉ_Ｕの位相情報をより正確に取得できる。

好ましくは、以下の関係が成り立つことが望ましい。
θ_ＡＤＪ１＞θ_ＡＤＪ２
θ_ＡＤＪ３＞θ_ＡＤＪ４
この場合、コイル電流Ｉ_Ｕの位相ずれ量が大きいときには、大きな角度で駆動電圧Ｖ_Ｕの位相を変化させ、コイル電流Ｉ_Ｕの位相ずれ量が小さいときには、小さな角度で駆動電圧の位相を変化させることができる。これにより、制御速度および制御精度を高めることができる。

（第２の変形例）
検出区間は、電圧ゼロクロス点の前もしくは後ろの一方のみに、あるいは、電圧ゼロクロス点を含むように、ひとつまたは複数、配置してもよい。

（第３の変形例）
実施の形態では、コイル電圧検出コンパレータ３０２において、端子電圧Ｖ_Ｕと比較されるしきい値電圧を、多相コイルの中点電圧Ｖ_ＣＯＭとしたが本発明はそれには限定されない。たとえば、コイル電圧検出コンパレータ３０２は、しきい値電圧として、電源電圧Ｖ_ＣＣと接地電圧Ｖ_ＧＮＤを分圧した電圧、つまりそれらの中点電圧Ｖ_ＣＣ／２を利用してもよい。つまりしきい値電圧は、コイル電流の向きを判定できるように定めればよい。

（第４の変形例）
実施の形態では、電圧ゼロクロス点を検出するためにホール素子２０４を利用する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば電圧ゼロクロス検出部３１４は、ブラシレスＤＣモータの所定相（たとえばＵ相）のコイルＬ_Ｕの端子をハイインピーダンスとした状態で、端子電圧Ｖ_Ｕとコイルの中点電圧Ｖ_ＣＯＭを比較する逆起電力検出コンパレータを含んでもよい。

なお、検出区間と電圧ゼロクロス点の検出は、位相が１８０度反転したポイントで行うか、もしくは異なる相のコイルを利用して行うことができる。同相で行う場合、逆起電力検出コンパレータとコイル電圧検出コンパレータ３０２とで、単一のコンパレータを時分割で共有することができる。

あるいはコイル、エンコーダやレゾルバなどを利用して、ロータの位置、すなわち電圧ゼロクロス点を検出してもよい。

（第５の変形例）
実施の形態では、コイル電流Ｉ_Ｕの位相を、誘起電圧ｅの位相と一致させる場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。モータの種類や用途によっては、それらの位相が完全に一致しているときよりも、わずかにずれているときの方が効率あるいはトルクの観点から好ましい場合も想定される。この場合、電圧ゼロクロス点に対して検出区間を前後にシフトさせることで、コイル電流の位相の目標位置を任意に設定できる。

（第６の変形例）
ブラシレスＤＣモータの相数は特に限定されず、たとえば単相であってもよい。

（第７の変形例）
実施の形態において、冷却装置２００を電子機器に搭載してＣＰＵを冷却する場合について説明したが、本発明の用途はこれには限定されず、発熱体を冷却するさまざまなアプリケーションに用いることができる。さらにいえば、本実施の形態に係る駆動装置３００の用途は、ファンモータの駆動に限定されるものではなく、その他の各種モータの駆動に用いることができる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

５００…モータ、５０２…ステータコア、５０４…マグネットロータ、５０６…巻線磁界、１００…電子機器、１０２…ＣＰＵ、２００…冷却装置、２０２…ファンモータ、２０４…ホール素子、３００…駆動装置、３０２…コイル電圧検出コンパレータ、３０４…ホールコンパレータ、３０８…駆動信号合成部、３１０…ＰＷＭ信号生成部、３１２…駆動回路、３１４…電圧ゼロクロス検出部、３１６…検出区間設定部、３１８…電流位相検出部、Ｓ１…制御信号、Ｓ２…ＰＷＭ信号、Ｓ３…コイル電圧検出信号、Ｓ４…ホール検出信号、Ｓ５…駆動制御信号、Ｓ６…位相検出信号、Ｓ７…タイミング信号、Ｓ８…位相検出信号、Ｍ１…ハイサイドトランジスタ、Ｍ２…ローサイドトランジスタ。

Claims (16)

1. 少なくともひとつのコイルを有するブラシレスＤＣモータの駆動装置であって、
   前記ブラシレスＤＣモータの所定相のコイルに生ずる誘起電圧がゼロとなる電圧ゼロクロス点を検出する電圧ゼロクロス検出部と、
   前記電圧ゼロクロス点と同期して、複数の検出区間を設定する検出区間設定部と、
   前記所定相のコイルの一端に生ずる端子電圧をしきい値電圧と比較し、比較結果を示すコイル電圧検出信号を生成するコイル電圧検出コンパレータと、
   前記複数の検出区間における前記コイル電圧検出信号のレベルの組み合わせにもとづいて、前記所定相のコイルに流れるコイル電流と前記誘起電圧の位相の関係を示す位相検出信号を生成する電流位相検出部と、
   前記位相検出信号にもとづいて駆動制御信号を生成する駆動信号合成部と、
   前記駆動制御信号にもとづいて前記ブラシレスＤＣモータを駆動するとともに、前記検出区間において前記所定相のコイルの一端をハイインピーダンス状態とするよう構成された駆動回路と、
   を備えることを特徴とする駆動装置。
2. 前記検出区間設定部は、前記電圧ゼロクロス点と同期して、それより第１所定角前に第１検出区間を、それより第２所定角後ろに第２検出区間を設定し、
   前記電流位相検出部は、前記第１検出区間と前記第２検出区間それぞれにおける前記コイル電圧検出信号のレベルの組み合わせにもとづいて、前記位相検出信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記電流位相検出部は、（i）前記コイル電流がゼロクロスする電流ゼロクロス点が前記第１検出区間より前に位置する第１状態、（ii）前記電流ゼロクロス点が前記第２検出区間より後ろ位置する第２状態、（iii）前記電流ゼロクロス点が前記第１検出区間より後ろ、前記第２検出区間より前に位置する第３状態か、のいずれかを判定し、
   前記駆動信号合成部は、（i）前記第１状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第１調節角遅らせ、（ii）前記第２状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第２調節角進め、（iii）前記第３状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに維持することを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記検出区間設定部は、前記第１検出区間、前記第２検出区間に加えて、前記第１検出区間より第３所定角前に第３検出区間を、前記第２検出区間より第４所定角後ろに第４検出区間を設定し、
   前記電流位相検出部は、前記第１検出区間から前記第４検出区間それぞれにおける前記コイル電圧検出信号のレベルの組み合わせにもとづいて、（i）前記コイル電流がゼロクロスする電流ゼロクロス点が前記第３検出区間より前に位置する第１状態、（ii）前記電流ゼロクロス点が前記第３検出区間より後ろ、前記第１検出区間より前に位置する第２状態、（iii）前記電流ゼロクロス点が前記第４検出区間より後ろに位置する第３状態、（iv）前記電流ゼロクロス点が前記第２検出区間より後ろ、前記第４検出区間より前に位置する第４状態、（v）前記電流ゼロクロス点が前記第１検出区間と前記第２検出区間の間に位置する第５状態か、のいずれかを判定し、
   前記駆動信号合成部は、（i）前記第１状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第１調節角遅らせ、（ii）前記第２状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第２調節角遅らせ、（iii）前記第３状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第３調節角進ませ、（iv）前記第４状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに対して所定の第４調節角進ませ、（iv）前記第５状態において、転流のタイミングを現在のタイミングに維持することを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
5. 前記第１調節角は、前記第２調節角より大きく、
   前記第３調節角は、前記第４調節角より大きいことを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
6. 前記駆動信号合成部は、（i）前記位相検出信号が、前記コイル電流の位相が前記誘起電圧の位相より遅れていることを示すとき、転流のタイミングを現在のタイミングに対して相対的に所定角早めることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
7. 前記駆動信号合成部は、（ii）前記位相検出信号が、前記コイル電流の位相が前記誘起電圧の位相より進んでいることを示すとき、転流のタイミングを現在のタイミングに対して相対的に所定角遅らせることを特徴とする請求項１または６に記載の駆動装置。
8. 前記しきい値電圧は、多相コイルの中点の電圧であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の駆動装置。
9. 前記しきい値電圧は、電源電圧と接地電圧を分圧した電圧であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の駆動装置。
10. 前記電圧ゼロクロス検出部は、ホール素子からの前記ブラシレスＤＣモータのロータの位置を示す一対のホール信号を比較し、ホール検出信号を生成するホールコンパレータを含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の駆動装置。
11. 前記電圧ゼロクロス検出部は、前記ブラシレスＤＣモータの前記所定相のコイルの端子をハイインピーダンスとした状態で、前記端子電圧と前記コイルの中点電圧を比較する逆起電力検出コンパレータを含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の駆動装置。
12. 前記ブラシレスＤＣモータは、ファンモータであることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の駆動装置。
13. ファンモータと、
    前記ファンモータを駆動する請求項１から１１のいずれかに記載の駆動装置と、
    を備えることを特徴とする冷却装置。
14. 請求項１３に記載の冷却装置を備えることを特徴とする電子機器。
15. 少なくともひとつのコイルを有するブラシレスＤＣモータの駆動方法であって、
    前記ブラシレスＤＣモータの所定相のコイルに生ずる誘起電圧がゼロとなる電圧ゼロクロス点を検出するステップと、
    前記電圧ゼロクロス点と同期して、複数の検出区間を設定するステップと、
    前記所定相のコイルの一端に生ずる端子電圧をしきい値電圧と比較し、比較結果を示すコイル電圧検出信号を生成するステップと、
    前記複数の検出区間における前記コイル電圧検出信号のレベルの組み合わせにもとづいて、前記所定相のコイルに流れるコイル電流と前記誘起電圧の位相の関係を判定し、判定結果を示す位相検出信号を生成するステップと、
    前記位相検出信号にもとづいて駆動制御信号を生成するステップと、
    前記駆動制御信号にもとづいて前記ブラシレスＤＣモータを駆動するとともに、前記検出区間において前記所定相のコイルの一端をハイインピーダンス状態とするステップと、
    を備えることを特徴とする駆動方法。
16. 前記複数の検出区間を設定するステップは、前記ゼロクロス点と同期して、それより第１所定角前に第１検出区間を、それより第２所定角後ろに第２検出区間を設定し、
    前記位相検出信号を生成するステップは、前記第１検出区間と前記第２検出区間それぞれにおける前記コイル電圧検出信号のレベルの組み合わせにもとづいて、前記位相検出信号を生成することを特徴とする請求項１５に記載の駆動方法。

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