無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置的製作方法
2023-05-30 05:12:16
專利名稱：無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及對具有三相定子線圈的無刷電動機以無傳感器(ヤンサしス)方式進行驅動控制的無刷電動機驅動控制電路、以及使用該電路的無刷電動機裝置。
背景技術：
這種無刷電動機驅動控制電路，在不使用霍爾元件的情況下，由比較器檢測出隨轉子旋轉而產生的三相定子線圈的反電動勢，並根據該反電動勢檢測出轉子的旋轉位置來控制驅動無刷電動機(例如，日本特開平8-149897號公報(專利文獻1))。
這裡，由於產生在定子線圈上的反電動勢的振幅與轉子的旋轉速度成正比，所以在低速旋轉時，與高速旋轉時相比反電動勢的振幅減小，從而存在反電動勢對噪聲之比率也就是S/N比減少的傾向。作為其對策，在由比較器檢測出反電動勢之前通過低通濾波器除去噪聲，來確保所需的S/N比以防止反電動勢的檢測精度下降。另外，該噪聲具體來說是在PWM(脈衝寬度調製)驅動無刷電動機的情況下產生的開關噪聲(switching noise)等。此外，所謂低速旋轉時，除恆定低速旋轉外，還包括轉子的旋轉起動時和旋轉停止過渡時。
專利文獻1日本特開平8-149879號公報 這樣，在現有的無刷電動機驅動控制電路中，通過附加低通濾波器能夠確保所需的S/N比。但是，另一方面，由於該低通濾波器所具有的時間常數，而使與轉子的旋轉位置對應的反電動勢向比較器的輸入滯後。其結果，無刷電動機驅動控制電路的輸出定時按照延遲時間從用於使轉子有效地旋轉的定時偏離，從而效率下降。尤其，在高速旋轉時，由於對應於該反電動勢的延遲時間的電角度變大，由此無刷電動機的效率進一步降低，極端的情況下還存在轉子停止之虞。
發明內容
本發明是鑑於上述事由而提出的，其目的在於提供一種不僅能夠確保所需的反電動勢的S/N比，並且能夠抑制高速旋轉時無刷電動機效率的下降的無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置。
為了達到上述目的，本發明涉及的無刷電動機驅動控制電路，是對通過在一端與共同中性點連接的三相定子線圈中流動驅動電流來使轉子旋轉的無刷電動機介由電動機驅動器進行驅動控制的無刷電動機驅動控制電路，所述無刷電動機驅動控制電路具備至少一個反電動勢濾波電路，其輸入中性點電壓和各相的定子線圈的另一端上所感應的反電動勢，根據轉子的旋轉速度至少切換第一和第二時間常數，讓對應於該時間常數的低頻成分通過；至少一個反電動勢檢測比較器，其對通過反電動勢濾波電路的反電動勢和中性點電壓進行比較，並輸出作為其大小結果的反電動勢極性信號；和電動機驅動器控制電路，其根據反電動勢極性信號，進行反電動勢濾波電路的所述時間常數的切換控制和所述電動機驅動器的控制。
作為優選，其特徵在於，在無刷電動機驅動控制電路中，所述反電動勢濾波電路是分別並行輸入三相反電動勢的三個反電動勢濾波電路，所述反電動勢檢測比較器是將通過三個反電動勢濾波電路的三相反電動勢分別並行輸入的三個反電動勢檢測比較器。
作為優選，其特徵在於，在無刷電動機驅動控制電路中，還具備輸入三相反電動勢並且將其進行時間分割而輸出的反電動勢多路復用器，所述反電動勢濾波電路是將所述反電動勢多路復用器的輸出電壓作為三相的反電動勢進行輸入的一個反電動勢濾波電路，所述反電動勢檢測比較器是輸入通過該反電動勢濾波電路的反電動勢的一個反電動勢檢測比較器。
本發明涉及的無刷電動機裝置，具備無刷電動機；驅動無刷電動機的電動機驅動器；和無刷電動機驅動控制電路，其對通過在一端與共同中性點連接的三相定子線圈中流動驅動電流來使轉子旋轉的無刷電動機介由電動機驅動器進行驅動控制。所述無刷電動機驅動控制電路，其特徵在於，包括至少一個反電動勢濾波電路，其輸入中性點電壓和各相的定子線圈的另一端上所感應的反電動勢，根據轉子的旋轉速度至少切換第一和第二時間常數，讓對應於該時間常數的低頻成分通過；至少一個反電動勢檢測比較器，其對通過反電動勢濾波電路的反電動勢和中性點電壓進行比較，並輸出作為其大小結果的反電動勢極性信號；和電動機驅動器控制電路，其根據反電動勢極性信號，進行反電動勢濾波電路的時間常數的切換控制和電動機驅動器的控制。
(發明效果) 本發明的無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置，具備根據轉子的旋轉速度至少切換第一和第二時間常數以使對應於該時間常數的低頻成分通過的反電動勢濾波電路，因此，能夠在低速旋轉時通過使時間常數變大來提高噪聲除去效果以確保所需的反電動勢的S/N比，在高速旋轉時減小由反電動勢濾波電路產生的反電動勢的滯後以抑制無刷電動機的效率的下降。
圖1是說明基於本發明的實施方式的無刷電動機驅動電路以及使用該電路的無刷電動機裝置的圖。
圖2是說明基於本發明的實施方式的無刷電動機4的驅動定時的控制動作的波形圖。
圖3是基於本申請發明的另一實施方式的無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置的電路結構圖。
圖4是說明基於本發明的另一實施方式的無刷電動機4的驅動定時的控制動作的波形圖。
符號說明1、2-無刷電動機裝置；4-無刷電動機；5-電動機驅動器；6、7-無刷電動機驅動控制電路；15a、15b-電動機驅動器控制電路；16U、16V、16W、16-反電動勢濾波電路、17U、17V、17W、17-反電動勢檢測比較器。
具體實施例方式 參照附圖對本發明的實施方式進行詳細的說明。另外，在圖中對同一或相當的部分賦予同一符號，並且不重複其說明。
以下，說明作為用於實施本申請發明的最佳方式的無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置。
圖1是說明基於本發明的實施方式的無刷電動機驅動電路以及使用該電路的無刷電動機裝置的圖。
參照圖1，如圖1所示那樣，基於本發明的實施方式的無刷電動機裝置1具備無刷電動機4、驅動無刷電動機4的電動機驅動器5、和控制電動機驅動器5的無刷電動機驅動控制電路6。
無刷電動機4由下述部分構成轉子RO，由在圓周方向配設N極和S極的永磁鐵構成；和三相也就是U相、V相、W相的定子線圈LU、LV、LW，通過使電流(驅動電流)流動來控制轉子RO的旋轉。定子線圈LU、LV、LW以Y接法方式一端與共同的中性點連接。該中性點電壓經由中性點端子N輸出到無刷電動機驅動控制電路6。另外，對定子線圈LU、LV、LW的另一端經由U、V、W端子分別輸入電動機驅動器5的輸出信號。並且，定子線圈LU、LV、LW的另一端的反電動勢輸出到無刷電動機驅動控制電路6。
電動機驅動器5，由作為P型MOS電晶體的三個電源側輸出電晶體TUU、TVU、TWU以及作為N型MOS電晶體的三個接地側輸出電晶體TUL、TVL、TWL構成。
電源側輸出電晶體TUU、TVU、TWU的各漏極與接地側輸出電晶體TUL、TVL、TWL的各漏極，不僅分別相互連接，並且與無刷電動機4的端子U、V、W連接。
電源側輸出電晶體TUU、TVU、TWU的各源極與無刷電動機驅動用電源VM連接，接地側電晶體TUL、TVL、TWL的源極經由後述的電源檢測電阻12與接地電位連接。
在無刷電動機驅動控制電路6中，作為定子線圈LU、LV、LW的一端的中性點電壓經由中性點端子N分別被並行輸入，並且定子線圈LU、LV、LW的另一端上所感應的三相反電動勢經由端子U、V、W分別被並行輸入。
再有，無刷電動機驅動控制電路6包括三個反電動勢濾波電路16U、16V、16W，根據轉子RO的旋轉速度來切換第一和第二時間常數以使對應於該時間常數的低頻成分通過；三個反電動勢檢測比較器17U、17V、17W，將通過反電動勢濾波電路16U、16V、16W的反電動勢並行輸入，並且將各自與中性點電壓進行比較而輸出作為其大小結果的反電動勢極性信號PU、PV、PW；和電動機驅動器控制電路15a，其根據反電動勢極性信號PU、PV、PW對電動機驅動器5進行控制。
無刷電動機驅動控制電路6，還包括反相放大器11，其對來自電壓輸入端子SPIN的速度指令用輸入電壓進行反相放大，並輸出旋轉速度控制電壓；上述電流檢測電阻12，其將從電動機驅動器5流入的無刷電動機4的驅動電流變換為電壓；旋轉速度控制比較器13，其對該電壓與旋轉速度控制電壓進行比較而輸出其大小結果；和雙穩態多諧振蕩(flip flop)電路(FF)14，其通過從PWM基準時鐘輸入端子PCLK輸入到置位(set)輸入端S的PWM基準時鐘(例如頻率167kHz)的上升沿(leading edge)被置位，在電流檢測電阻12的電壓與旋轉速度控制電壓一致時，通過輸入到復位(reset)輸入端R的旋轉速度控制比較器13的輸出信號被復位，將PWM信號從輸出端Q向電動機驅動器控制電路15a輸出。
具體而言，反電動勢濾波電路16U由下述元件構成電阻21U(例如電阻值10kΩ)，其一端與中性點端子N連接而另一端與比較器17U的一個輸入端連接；電阻22U(例如電阻值10kΩ)，其一端與U相端子U進行連接而另一端與比較器17U的另一個輸入端連接；電容器23U(例如電容值80pF)，其兩端與比較器17U的兩個輸入端連接；和電容器26U(例如電容值1000pF)，其兩端經由開關24U和25U與比較器17U的兩個輸入端連接。
在規定旋轉速度(例如3000rpm)以下的低速旋轉時，開關24U、25U接通而在電容器23U的電容上附加電容器26U的電容。此時，由電阻21U及22U的電阻值和電容器23U及26U的電容值決定的較大的時間常數作為第一時間常數。在超過規定旋轉速度的高速旋轉時，開關24U、25U斷開而僅為電容器23U的電容。此時，由電阻21U及22U的電阻值和電容器23U的電容值決定的較小的時間常數作為第二時間常數。
上述的開關24U、25U的開閉動作如後述那樣由電動機驅動器控制電路15a控制。反電動勢濾波電路16V、16W實質上也與反電動勢濾波電路16U相同。
此外，電動機驅動器控制電路15a，根據反電動勢極性信號PU、PV、PW所示的轉子RO的旋轉位置信息推導出控制電動機驅動器5的定時。並且，通過對由系統時鐘輸入端子SyCLK輸入的系統時鐘(例如頻率1MHz)進行計數來求得這些周期，並根據對應於該周期的旋轉速度在規定旋轉速度的哪一側，來進行上述開關24U、25U等的開閉控制。
此外，電動機驅動器控制電路15a，輸出針對電動機驅動器5的三個電源側輸出電晶體TUU、TVU、TWU使由上述控制定時選擇的電晶體導通的信號。此外，電動機驅動器控制電路15a，輸出從雙穩態多諧振蕩電路14輸入的PWM信號到針對三個接地側輸出電晶體TUL、TVL、TWL由上述定時選擇的電晶體中。
接下來，說明無刷電動機4的旋轉速度的控制動作。
PWM信號與來自PWM基準時鐘輸入端子PCLK的PWM基準時鐘的上升沿同步而成為導通期間，由此在電流檢測電阻12中流動無刷電動機4的驅動電流。該電流增大直到電流檢測電阻12上所產生的電壓與作為反相放大器11的輸出的旋轉速度控制電壓一致為止，並且在相互一致時PWM信號的導通期間結束。這樣，通過使電壓輸入端子SPIN的電壓改變來改變無刷電動機4的驅動電流，由此控制旋轉速度。
接下來，根據圖2所示的波形圖來說明基於本發明的實施方式的無刷電動機4的驅動定時的控制動作。
圖2(a)、(b)、(c)是無刷電動機中的端子U、V、W的電壓波形圖(電動機驅動器5的輸出電壓和反電動勢的合成電壓波形)。此外，圖2(d)、(c)、(f)是端子U、V、W的反電動勢波形圖。圖2(g)、(h)、(i)分別表示反電動勢極性信號PU、PV、PW的波形。
圖2(a)、(b)、(c)中為了參照同時表示中性點電壓的波形。圖2(d)、(c)、(f)的反電動勢波形，如圖2(a)、(b)、(c)那樣在各個端子U、V、W變為高阻抗狀態時，出現在該端子上。換而言之，在由電動機驅動器5施加有電壓時，反電動勢隱藏在該施加電壓中而在端子U、V、W上不出現反電動勢波形。
此外，出現在端子U、V、W上的反電動勢與中性點端子N的中性點電壓相交叉的時刻，就是轉子RO中的S極和N極的邊界(極性的切換)到達各定子線圈LU、LV、LW的位置的時刻。反電動勢檢測比較器17U、17V、17W檢測出該極性的切換，如圖2(g)、(h)、(i)所示，作為這些輸出的反電動勢極性信號PU、PV、PW從高電平變換為低電平、或者從低電平變換為高電平。
以下，進一步詳細說明圖2(a)、(b)、(c)。
將轉子RO的周期劃分為分別相當於電角度60°的tA、tB、tC、tD、tE、tF的期間進行說明。
在期間tA中，選擇U相的電源側輸出電晶體TUU和V相的接地側輸出電晶體TVL，電流從U相的定子線圈LU向V相的定子線圈LV流動。此時，中性點的端子N上出現緩慢下降的中性點電壓。此外，高阻抗狀態的W相端子W上出現由定子線圈LW感應的以較大的斜率下降的反電動勢。
在期間tB中，選擇U相的電源側輸出電晶體TUU和W相的接地側輸出電晶體TWL，電流從U相的定子線圈LU向W相的定子線圈LW流動。此時，中性點的端子N上出現緩慢上升的中性點電壓。此外，高阻抗狀態的V相端子V上出現由定子線圈LV感應的以較大的斜率上升的反電動勢。
在期間tC中，選擇V相的電源側輸出電晶體TVU和W相的接地側輸出電晶體TWL，電流從V相的定子線圈LV向W相的定子線圈LW流動。此時，中性點的端子N上出現緩慢下降的中性點電壓。此外，高阻抗狀態的U相端子U上出現由定子線圈LU感應的以較大的斜率下降的反電動勢。
在期間tD中，選擇V相的電源側輸出電晶體TVU和U相的接地側輸出電晶體TUL，電流從V相的定子線圈LV向U相的定子線圈LU流動。此時，中性點的端子N上出現緩慢上升的中性點電壓。此外，高阻抗狀態的W相端子W上出現由定子線圈LW感應的以較大的斜率上升的反電動勢。
在期間tE中，選擇W相的電源側輸出電晶體TWU和U相的接地側輸出電晶體TUL，電流從W相的定子線圈LW向U相的定子線圈LU流動。此時，中性點的端子N上出現緩慢下降的中性點電壓。此外，高阻抗狀態的V相端子V上出現由定子線圈LV感應的以較大的斜率下降的反電動勢。
在期間tF中，選擇W相的電源側輸出電晶體TWU和V相的接地側輸出電晶體TVL，電流從W相的定子線圈LW向V相的定子線圈LV流動。此時，中性點的端子N上出現緩慢上升的中性點電壓。此外，高阻抗狀態的U相端子U上出現由定子線圈LU感應的以較大的斜率上升的反電動勢。
這樣，反電動勢在每個電角度60°的期間中順次出現在端子U、V、W上，通過檢測該反電動勢與中性點電壓的交叉來檢測出轉子RO的旋轉位置。這裡，端子U、V、W的電壓，在輸入到反電動勢檢測比較器17U、17V、17W之前，輸入到反電動勢濾波電路16U、16V、16W中來除去噪聲以防止反電動勢的檢測精度降低。
在反電動勢的振幅變小的低速旋轉的情況下，開關24U、25U等接通以變為較大時間常數，由此截止頻率降低以提高噪聲除去效果。這樣，雖然在低速旋轉時反電動勢的振幅變小，但是確保了所需的S/N比。此外，在反電動勢的振幅較大的高速旋轉時，開關24U、25U等斷開以變為較小時間常數，由此截止頻率增高以降低噪聲除去效果。
但是，由於反電動勢的振幅較大而與低速旋轉的情況相比S/N比就沒有下降，並且由於時間常數較小而由此產生的反電動勢的滯後變少，由此能夠抑制無刷電動機裝置1的效率的下降。
接下來，對於作為用於實施本申請發明的另一方式的無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置進行說明。
圖3是基於本申請發明的另一實施方式的無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置的電路結構圖。
參照圖3，基於本發明的另一實施方式的無刷電動機裝置2，如圖3所示，具備無刷電動機驅動控制電路7來代替無刷電動機1中的無刷電動機驅動控制電路6。該無刷電動機驅動控制電路7包括無刷電動機驅動控制電路6中的三個反電動勢濾波電路16U、16V、16W；三個反電動勢檢測比較器17U、17V、17W；和代替電動機驅動器控制電路15a的反電動勢多路復用器(MPX)18；一個反電動勢濾波電路16；1個反電動勢檢測比較器17；和電動機驅動器控制電路15b。反電動勢濾波電路16採用與反電動勢濾波電路16U等同樣的結構。
接下來，根據圖4所示的波形圖，對於基於本發明的另一實施方式的無刷電動機4的驅動定時的控制動作進行說明。
如圖4(d)所示，反電動勢多路復用器18，輸入圖4的(a)、(b)、(c)所示的端子U、V、W的電壓，對在這些端子上順次出現的反電動勢的部分進行時間分割而輸出電壓MU。另外，在圖4(d)中為了參照也將中性點電壓進行表示。
反電動勢濾波電路16，輸入在反電動勢多路復用器18的輸出電壓MU中所包括的三相反電動勢，並且如上所述那樣按照低速旋轉時和高速旋轉時來除去噪聲。
如圖4(c)所示，反電動勢檢測比較器17，對通過反電動勢濾波電路16的反電動勢與中性點電壓進行比較，並輸出作為其大小結果的反電動勢極性信號PMU。
電動機驅動控制電路15b，從反電動勢極性信號PMU所示的轉子RO的旋轉位置信息中推導出控制電動機驅動器5的定時並對其進行控制，並且推導出控制反電動勢多路復用器18的定時並對其進行控制。此外，根據對應於反電動勢極性信號PMU周期的旋轉速度，進行反電動勢濾波電路16的開關24、25的開閉控制。
這樣，無刷電動機驅動控制電路7可具有與無刷電動機驅動控制電路6同樣的優點。進一步，由於能夠減少反電動勢濾波電路和反電動勢檢測比較器的數目，所以能夠降低成本。
另外，反電動勢濾波電路16U、16V、16W(或者16)，根據轉子RO的旋轉速度來切換第一和第二時間常數，但是可以還根據旋轉速度來切換第一、第二、第三或者更多的時間常數。
此外，本發明，對如上述的無刷電動機驅動控制電路6和7那樣的PWM驅動無刷電動機4即由此噪聲變大的電路尤其有效，但也可以用於噪聲比PWM驅動小的線性驅動的無刷電動機驅動控制電路等。
以上，對作為本發明的實施方式的無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置進行了說明，但是本發明並不限定於此，在權利要求的範圍所記載的事項的範圍內可以進行各種設計變更。例如，電動機驅動器控制電路15a(或者15b)，雖然對電動機驅動器5的接地側輸出電晶體TUL、TVL、TWL輸出PWM信號來控制驅動電流，但相反地也可對電源側輸出電晶體TUU、TVU、TWU輸出PWM信號來控制驅動電流。此外，反電動勢濾波電路為了具有第一和第二時間常數也當然可以採用各種元件結構。
應當認為，這次所公開的實施方式在所有方面上作為例示而並不限定本發明。本發明的範圍並非上述的說明而由權利要求的範圍表示，意味著包括與權利要求的範圍均等的意思和範圍內的所有變更。
權利要求
1、一種無刷電動機驅動控制電路(15a、15b)，對通過在一端與共同中性點連接的三相定子線圈中流動驅動電流來使轉子旋轉的無刷電動機，介由電動機驅動器進行驅動控制，具備
至少一個反電動勢濾波電路(16U、16V、16W、16)，其輸入中性點電壓和各相的定子線圈的另一端上所感應的反電動勢，根據轉子的旋轉速度至少切換第一和第二時間常數，讓對應於該時間常數的低頻成分通過；
至少一個反電動勢檢測比較器(17U、17V、17W、17)，其對通過所述反電動勢濾波電路的反電動勢和所述中性點電壓進行比較，並輸出作為其大小結果的反電動勢極性信號；和
無刷電動機驅動器控制電路(15a，15b)，其根據所述反電動勢極性信號，進行所述反電動勢濾波電路的所述時間常數的切換控制和所述電動機驅動器的控制。
2、根據權利要求1所述的無刷電動機驅動控制電路，其特徵在於，
所述反電動勢濾波電路，是分別並行輸入三相反電動勢的三個反電動勢濾波電路(16U、16V、16W)，
所述反電動勢檢測比較器，是將通過三個反電動勢濾波電路的三相反電動勢分別並行輸入的三個反電動勢檢測比較器(17U、17V、17W)。
3、根據權利要求1所述的無刷電動機驅動控制電路，其特徵在於，還具備
反電動勢多路復用器(18)，輸入三相反電動勢並且將其進行時間分割而輸出，
所述反電動勢濾波電路，是將所述反電動勢多路復用器的輸出電壓作為三相的反電動勢進行輸入的一個反電動勢濾波電路(16)，
所述反電動勢檢測比較器，是輸入通過該反電動勢濾波電路的反電動勢的一個反電動勢檢測比較器(17)。
4、一種無刷電動機裝置，具備
無刷電動機(4)；
驅動無刷電動機的電動機驅動器(5)；和
無刷電動機驅動控制電路(6、7)，其對通過在一端與共同中性點連接的三相定子線圈中流動驅動電流來使轉子旋轉的所述無刷電動機介由所述電動機驅動器進行驅動控制，
所述無刷電動機驅動控制電路，包括
至少一個反電動勢濾波電路(16U、16V、16W、16)，其輸入中性點電壓和各相的定子線圈的另一端上所感應的反電動勢，根據轉子的旋轉速度至少切換第一和第二時間常數，讓對應於該時間常數的低頻成分通過；
至少一個反電動勢檢測比較器(17U、17V、17W、17)，其對通過所述反電動勢濾波電路的反電動勢和所述中性點電壓進行比較，並輸出作為其大小結果的反電動勢極性信號；和
電動機驅動器控制電路(15a、15b)，其根據所述反電動勢極性信號，進行所述反電動勢濾波電路的所述時間常數的切換控制和所述電動機驅動器的控制。
全文摘要
本發明提供一種不僅能夠確保所需的反電動勢的S/N比，並且能夠抑制高速旋轉時無刷電動機效率的下降的無刷電動機驅動控制電路以及使用該電路的無刷電動機裝置。具體而言，該無刷電動機驅動控制電路具備反電動勢濾波電路，輸入各相定子線圈(LU、LV、LW)端所感應的三相反電動勢，根據轉子RO的旋轉速度來切換第一和第二時間常數以使對應於該時間常數的低頻成分通過；反電動勢檢測比較器，輸入通過反電動勢濾波電路的反電動勢，與中性點電壓進行比較而輸出作為其大小結果的反電動勢極性信號；和電動機驅動器控制電路，其根據反電動勢極性信號進行反電動勢濾波電路的時間常數的切換控制和電動機驅動器的控制。
文檔編號H02P6/14GK1957524SQ20058001697
公開日2007年5月2日 申請日期2005年5月26日 優先權日2004年5月28日
發明者前田記寬 申請人:羅姆股份有限公司