JP2009171738A - Motor drive device - Google Patents
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Abstract
【課題】モータを空転状態にする際に発生する逆起電圧の検出に関する問題を解決したうえで、モータを故意に空転状態とすることを含む起動シーケンスを行うことができるモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】モータコイル11U、11V、11Wのうち、ある1相のコイルの端子電圧と、中性点電圧もしくはある1相のコイルを除く他の2相のコイルの端子電圧の平均値とを比較する比較部40を備える。停止中のモータを駆動する際には、強制的に起動した後にモータをいったん空転状態とするが、空転状態とした直後から一定期間、比較部40による比較結果をマスクするようにした。
【選択図】図1Provided is a motor drive device capable of performing a start-up sequence including deliberately setting a motor in an idling state after solving a problem related to detection of a counter electromotive voltage generated when the motor is in an idling state. .
Among motor coils 11U, 11V, and 11W, a terminal voltage of a certain one-phase coil and an average value of a neutral point voltage or a terminal voltage of another two-phase coil excluding a certain one-phase coil. A comparison unit 40 for comparison is provided. When the stopped motor is driven, the motor is temporarily set in the idling state after forcibly starting, but the comparison result by the comparison unit 40 is masked for a certain period immediately after the idling state.
[Selection] Figure 1
Description
本発明はモータ駆動装置に関し、3相モータコイルと永久磁石で構成されたブラシレスモータの中でも、特に、回転子位置を測定するためのホール素子などの位置センサを必要としない、センサレスモータを駆動するのに好適なものである。 The present invention relates to a motor drive device, and among other brushless motors composed of a three-phase motor coil and a permanent magnet, drives a sensorless motor that does not require a position sensor such as a Hall element for measuring a rotor position. It is suitable for this.
回転子と固定子との間に機械的な接点を持たないブラシレスモータにおいては、ホール素子などの位置センサによって回転子の位置(回転角度)を測定し、それに従った転流(モータコイルに通電する駆動電流の電流量や極性を変更すること)を行うことによってモータを駆動している。この位置センサを省くことによりコストダウンや小型化などを図ったのがセンサレスモータである。
センサレスモータでは、回転中のモータコイルに発生する逆起電圧を利用することで位置センサによらずに回転子の位置を推測し、転流を行う。
In a brushless motor that does not have a mechanical contact between the rotor and stator, the position (rotation angle) of the rotor is measured by a position sensor such as a Hall element, and commutation is performed accordingly (the motor coil is energized). The motor is driven by changing the amount and polarity of the driving current to be changed). The sensorless motor is designed to reduce cost and size by omitting this position sensor.
In a sensorless motor, the position of the rotor is estimated regardless of the position sensor by utilizing the counter electromotive voltage generated in the rotating motor coil, and commutation is performed.
例えば、特許文献1の方法では、各相コイルの端子電圧を基準電圧と比較することにより逆起電圧の変化を検出し、さらに時間遅延(位相調整)を施したものに従って転流を行っている。ところが、モータが停止している状態ではその逆起電圧が発生しない。そこで、停止中のモータを駆動する際には、まず回転子の位置とは無関係にモータコイルに電流を通電する強制転流(同期運転・他励運転などとも呼ばれる)を行い、逆起電圧が検出される回転数にまでモータを強制的に加速し、然る後に逆起電圧による位置検出を行った駆動に切り替えるという手順がとられる。
ここで、3相モータコイルに通電する方法として広く利用されているものに、図11のようにコイルに矩形波状の電流を流す120°矩形波駆動方式と、図12のように正弦波状の電流を流す180°正弦波駆動方式とがある。なお、図11及び図12における電流の正負とは、ドライバからモータコイルへ流出する向きを正、モータコイルからドライバへ流入する向きを負と決めている。例えば、図12で電気角が90°の位置においては、ドライバからU相コイルへ向けて通電し、その電流がV相・W相コイルの2手に分かれて流れ、ドライバに返ってくるといった具合である。
For example, in the method of
Here, as a method of energizing a three-phase motor coil, a 120 ° rectangular wave driving method in which a rectangular wave current flows through the coil as shown in FIG. 11 and a sine wave current as shown in FIG. 180 ° sine wave drive system. In FIGS. 11 and 12, the positive and negative currents are determined so that the direction of flowing out from the driver to the motor coil is positive and the direction of flowing from the motor coil into the driver is negative. For example, at the position where the electrical angle is 90 ° in FIG. 12, current is supplied from the driver toward the U-phase coil, the current flows in two ways, the V-phase and W-phase coils, and returns to the driver. It is.
180°正弦波駆動では電流の急激な変化がないため、120°矩形波駆動に比べて振動・騒音の点で優れている。また、120°矩形波駆動では通電状態が6パターンしか存在せず、電気角が60°変化するまでは同一の状態であるのに対して、180°正弦波駆動の通電状態は電気角ごとに一意に決定される。通電状態が多いほど、コイルがつくる磁界と永久磁石の磁界とのつりあいの状態の種類が多くなる(ステッピングモータのマイクロステップ駆動に相当)ので、前述の強制転流を行う際には、180°正弦波駆動で通電する方がより確実に起動できる。にもかかわらず、強制転流は120°矩形波駆動で行われることが多い。これは、回転子の位置とは無関係な強制転流中であるとしても、逆起電圧が検出されるようになるかどうかを常時確認しているためであり、なお且つ180°正弦波駆動では逆起電圧を検出することが出来ないからである。逆起電圧の検出は3相コイルのうち非通電状態(開放状態)となっている相で行われるものであり、180°正弦波駆動では3相全てが常時通電状態にあるためである。
センサレスモータで180°正弦波駆動を行うためには、逆起電圧以外の方法で回転子の位置を推測する必要があり、例えば、特許文献2にあるように、各相コイルの電流を検出し、それをA/D変換して制御部に取り込み、回転子位置を演算して求めるといったものがある。しかし、これでは処理が煩雑になるばかりか、A/D変換器や演算用のプロセッサが必要になり、センサレス化によるコストメリットが失われてしまう。
In order to perform 180 ° sine wave drive with a sensorless motor, it is necessary to estimate the position of the rotor by a method other than the back electromotive force. For example, as disclosed in
そこで、例えば、強制転流の際に180°矩形波駆動を行って確実に起動するが、この間は逆起電圧の検出は行わずに予め指定した時間だけ駆動し、その後、一旦駆動部を完全に停止させモータを空転状態とし、この時点から逆起電圧の検出を始める。空転中は3相コイル全てが非通電状態であるので、どの相からでも逆起電圧の検出を行うことが出来る。このようにして逆起電圧を得て以降は、逆起電圧により回転子位置を検出しながら120°矩形波駆動を行うことが考えられる。 Therefore, for example, 180 ° rectangular wave drive is performed during forced commutation, and during this time, the counter electromotive voltage is not detected and the motor is driven for a predetermined time, and then the drive unit is completely At this point, the detection of the back electromotive force is started. Since all the three-phase coils are in a non-energized state during idling, the back electromotive voltage can be detected from any phase. After obtaining the back electromotive voltage in this way, it is conceivable to perform 120 ° rectangular wave driving while detecting the rotor position by the back electromotive voltage.
しかしながら、このようにモータを故意に空転状態とすることを含む起動シーケンスを実施するにあたっては二つの問題点がある。
一つ目の問題は、空転中のコイル端子でみられる逆起電圧の波形が、120°矩形波駆動中の非通電状態のコイル端子でみられるそれとは異なっているため、特許文献1のようなコイル端子電圧と基準電圧とを比較するような方法では逆起電圧が正しく検出できないことである。これについて図13〜図17を用いて説明する。
図13は、一般的なブラシレスモータ駆動回路の駆動部の構成を示した図である。
この図13に示す駆動部20は、3つのハイサイドトランジスタ21U、21V、21Wと、3つのローサイドトランジスタ22U、22V、22Wで構成されている。各トランジスタと並列に接続されているダイオード23U、23V、23W、24U、24V、24Wは、還流ダイオード(フリーホイールダイオード)と呼ばれるもので、トランジスタがOFFとなった直後の回生電流を代わりに流すことで、トランジスタの破壊を防ぐ働きをする。プリドライブ回路30は、駆動部20の6つのトランジスタのON/OFFを行うことでブラシレスモータ(以下、単に「モータ」と称する)10のコイル11U、11V、11Wに通電する電流を決定する。
However, there are two problems in carrying out the start-up sequence including intentionally putting the motor in the idling state in this way.
The first problem is that the waveform of the back electromotive voltage seen at the coil terminal during idling is different from that seen at the non-energized coil terminal during 120 ° rectangular wave driving. The back electromotive force voltage cannot be detected correctly by a method that compares the coil terminal voltage with the reference voltage. This will be described with reference to FIGS.
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a driving unit of a general brushless motor driving circuit.
The
まずは駆動中、すなわち通電中のコイル端子電圧について説明する。
120°矩形波駆動では、図13のハイサイドトランジスタのうちいずれかひとつと、ローサイドトランジスタのうちいずれかひとつをON状態として通電する。但し、駆動部20に貫通電流が流れるような組み合わせ(ハイサイドトランジスタ21Uとローサイドトランジスタ22Uなど)は選ばれない。例えば、ハイサイドトランジスタ21Vとローサイドトランジスタ22WをONとし、他4つをOFFとしたときは、電源→ハイサイドトランジスタ21V→V相コイル11V→W相コイル11W→ローサイドトランジスタ22W→グラウンドという経路で電流が流れ、U相コイル11Uが非通電状態となる。図14は、このときのモータ10及び駆動部20の様子を等価的に表した図である。
First, the coil terminal voltage during driving, that is, energization will be described.
In the 120 ° rectangular wave drive, one of the high-side transistors in FIG. 13 and one of the low-side transistors are turned on to energize. However, a combination (such as the high-side transistor 21U and the low-
抵抗Rは、コイルの持つ抵抗成分である。なお説明を簡単にするため、コイルのインダクタンス成分は無視する)。コイルには、逆起電圧Eu、Ev、Ewがそれぞれ発生している。3相コイルを互いに接続している中性点の電圧をVnとし、中性点と反対側のそれぞれのコイル端子電圧をVu、Vv、Vwとする。
V相コイルは電源と短絡されているので、Vv=Vccである。W相コイルはグラウンドと短絡されているので、Vw=0である。U相コイルは開放状態となっている。電源からV相コイル及びW相コイルを経由してグラウンドに流れている電流をIとする。
このとき中性点の電圧は、(Vcc−Ev)と(−Ew)を2本の抵抗Rで分圧した形になるので、次のように計算できる。
Vn=(Vcc−Ev−Ew)/2…(式1)
ここで、逆起電圧Eu、Ev、Ewは、それぞれ位相が120°ずれた正弦波であるので、回転数に比例した値k(k≧0)及び電気角θ(0°≦θ<360°)を用いて次のように表される。
Eu=k×sinθ
Ev=k×sin(θ−120°)…(式2)
Ew=k×sin(θ+120°)
このとき、三角関数の性質を利用して計算すると次の関係が求まる。
Ev+Ew=−Eu…(式3)
(式3)を(式1)に代入すると、次のようになる。
Vn=(Vcc+Eu)/2…(式4)
また、U相コイルには電流Iが流れないため、抵抗成分による電圧降下がないので、U相コイル端子電圧Vuは次のようになる。
Vu=Vn+Eu…(式5)
(式5)に(式4)で表されるVnを適用すると、次のように変形できる。
Vu=Vcc/2+3/2×Eu…(式6)
=(Vv+Vw)/2+3/2×Eu…(式7)
ここではU相が開放状態にある場合を示したが、V相またはW相が開放状態であるときも同様となる。
The resistance R is a resistance component of the coil. For the sake of simplicity, the inductance component of the coil is ignored). Back electromotive voltages Eu, Ev, and Ew are generated in the coils, respectively. The voltage at the neutral point where the three-phase coils are connected to each other is Vn, and the coil terminal voltages on the opposite side to the neutral point are Vu, Vv, and Vw.
Since the V-phase coil is short-circuited with the power source, Vv = Vcc. Since the W-phase coil is short-circuited to the ground, Vw = 0. The U-phase coil is open. Let I be the current flowing from the power source to the ground via the V-phase coil and W-phase coil.
At this time, the neutral point voltage is obtained by dividing (Vcc-Ev) and (-Ew) by two resistors R, and can be calculated as follows.
Vn = (Vcc−Ev−Ew) / 2 (Formula 1)
Here, since the counter electromotive voltages Eu, Ev, and Ew are sine waves whose phases are shifted by 120 °, the value k (k ≧ 0) and the electrical angle θ (0 ° ≦ θ <360 °) proportional to the rotation speed are used. ) And is expressed as follows.
Eu = k × sin θ
Ev = k × sin (θ−120 °) (Expression 2)
Ew = k × sin (θ + 120 °)
At this time, the following relationship can be obtained by calculating using the properties of the trigonometric function.
Ev + Ew = −Eu (Formula 3)
Substituting (Equation 3) into (Equation 1) results in the following.
Vn = (Vcc + Eu) / 2 (Formula 4)
Further, since the current I does not flow through the U-phase coil, there is no voltage drop due to the resistance component, so the U-phase coil terminal voltage Vu is as follows.
Vu = Vn + Eu (Formula 5)
When Vn represented by (Expression 4) is applied to (Expression 5), it can be modified as follows.
Vu = Vcc / 2 + 3/2 × Eu (Expression 6)
= (Vv + Vw) / 2 + 3/2 × Eu (Expression 7)
Although the case where the U phase is in the open state is shown here, the same applies when the V phase or the W phase is in the open state.
次に空転中のコイル端子電圧について説明する。
空転中とは即ち、図13に示した駆動部20の全てのトランジスタをOFFとした状態のことである。図15は、このときのモータ10及び駆動部20の様子を等価的に表した図である。
図14と異なる点は、中性点と反対側のコイル端子がいずれの相も還流ダイオード24U、24V、24Wを介してグラウンド(GND)と接続されていることである。
図15の回路では、電流が流れず抵抗での電圧降下がないので次の関係が成り立っている。
Vn=Vu−Eu=Vv−Ev=Vw−Ew…(式8)
しかし、還流ダイオード24U、24V、24Wがあるために、(式8)にVu≧0、Vv≧0、Vw≧0という条件が加わる。なぜなら、各相のコイル端子電圧が0よりも少しでも低くなろうとすると直ちにダイオードが導通し、コイル端子がグラウンドと短絡されるからである。正しくはダイオードの順方向降下電圧に相当する分だけ0よりも低くなるが、ここでは省略した。従って、コイル端子電圧は場合分けをして考える必要があり、(式8)と(式2)から次のようになる。
Vu=0(Vu=0のとき)
=Eu−Ev=√3×k×cos(θ−60°)(Vv=0のとき)…(式9U)
=Eu−Ew=−√3×k×cos(θ+60°)(Vw=0のとき)
Vv=Ew−Eu=−√3×k×cos(θ−60°)(Vu=0のとき)
=0(Vv=0のとき)…(式9V)
=Ev−Ew=−√3×k×cosθ(Vw=0のとき)
Vw=Ew−Eu=√3×k×cos(θ+60°)(Vu=0のとき)
=Ew−Ev=√3×k×cosθ(Vv=0のとき)…(式9W)
=0(Vw=0のとき)
Next, the coil terminal voltage during idling will be described.
That is, idling means that all the transistors of the
The difference from FIG. 14 is that the coil terminal on the side opposite to the neutral point is connected to the ground (GND) via the free-wheeling
In the circuit of FIG. 15, since no current flows and there is no voltage drop across the resistor, the following relationship is established.
Vn = Vu−Eu = Vv−Ev = Vw−Ew (Equation 8)
However, since there are the
Vu = 0 (when Vu = 0)
= Eu-Ev = √3 × k × cos (θ−60 °) (when Vv = 0) (Equation 9U)
= Eu-Ew = -√3 × k × cos (θ + 60 °) (when Vw = 0)
Vv = Ew−Eu = −√3 × k × cos (θ−60 °) (when Vu = 0)
= 0 (when Vv = 0) (Equation 9V)
= Ev-Ew = -√3 × k × cos θ (when Vw = 0)
Vw = Ew−Eu = √3 × k × cos (θ + 60 °) (when Vu = 0)
= Ew-Ev = √3 × k × cos θ (when Vv = 0) (Equation 9W)
= 0 (when Vw = 0)
(式9U)(式9V)(式9W)の場合分けの条件を、電気角θで表現することを考える。
例えば、(式9U)が意味するのは、2番目の式Vu=Eu−Ev及び3番目の式Vu=Eu−Ewが両方ともに0よりも小さくなってしまうときは、Vu=0とならざるを得ないということである。よって、Vu=0となる条件は、k≧0を考慮して、cos(θ−60°)≦0、且つ、−cos(θ+60°)≦0を満たすとき、即ち、電気角θが210°≦θ≦330°の範囲のときと求まる。同様にして、Vv=0、Vw=0となるθの範囲を求めて、(式9U)(式9V)(式9W)は次のように書き換えられる。
Vu=0(210°≦θ<330°)
=√3×k×cos(θ−60°)(0°≦θ<90°、330°≦θ<360°)…(式10U)
=−√3×k×cos(θ+60°)(90°≦θ<210°)
Vv=−√3×k×cos(θ−60°)(210°≦θ<330°)
=0(0°≦θ<90°、330°≦θ<360°)…(式10V)
=−√3×k×cosθ(90°≦θ<210°)
Vw=√3×k×cos(θ+60°)(210°≦θ<330°)
=√3×k×cosθ(0°≦θ<90°、330°≦θ<360°)…(式10W)
=0(90°≦θ<210°)
Let us consider expressing the conditions for the cases of (Equation 9U), (Equation 9V) and (Equation 9W) as an electrical angle θ.
For example, (Equation 9U) means that when both the second equation Vu = Eu-Ev and the third equation Vu = Eu-Ew are smaller than 0, Vu = 0 does not have to be satisfied. It is that you do not get. Therefore, the condition for Vu = 0 is when k ≧ 0 is considered and cos (θ−60 °) ≦ 0 and −cos (θ + 60 °) ≦ 0 are satisfied, that is, the electrical angle θ is 210 °. It is obtained when ≦ θ ≦ 330 °. Similarly, the range of θ where Vv = 0 and Vw = 0 is obtained, and (Expression 9U), (Expression 9V), and (Expression 9W) are rewritten as follows.
Vu = 0 (210 ° ≦ θ <330 °)
= √3 × k × cos (θ−60 °) (0 ° ≦ θ <90 °, 330 ° ≦ θ <360 °) (Formula 10U)
= −√3 × k × cos (θ + 60 °) (90 ° ≦ θ <210 °)
Vv = −√3 × k × cos (θ−60 °) (210 ° ≦ θ <330 °)
= 0 (0 ° ≦ θ <90 °, 330 ° ≦ θ <360 °) (Formula 10V)
= −√3 × k × cos θ (90 ° ≦ θ <210 °)
Vw = √3 × k × cos (θ + 60 °) (210 ° ≦ θ <330 °)
= √3 × k × cos θ (0 ° ≦ θ <90 °, 330 ° ≦ θ <360 °) (Formula 10W)
= 0 (90 ° ≦ θ <210 °)
このように導出した駆動中及び空転中における電圧波形を図16、図17に示す。
図16は、駆動中のU相逆起電圧Eu(点線)とU相コイル端子電圧Vu(実線)の波形を示した図であり、図16(a)は、(式2)及び(式6)において、k=1、Vcc=4とした場合である。また、図16(b)は、モータ回転数が低下して逆起電圧が小さくなった状態を想定して、k=0.5とした場合である。但し、図16では全ての電気角θでVuが見えるように描いたが、実際に現れるのは非通電状態のときだけである。
図17は、空転中のU相逆起電圧Eu(点線)とU相コイル端子電圧Vu(実線)の波形を示した図であり、図17(a)は、(式2)及び(式10U)において、k=1、Vcc=4とした場合である。また、図17(b)は、モータ回転数が低下して逆起電圧が小さくなった状態を想定して、k=0.5とした場合である。
例えば、逆起電圧Euの極性が反転する点(以下、「逆起ゼロクロス点」と呼ぶ)である、θ=0°、180°の位置を検出したい場合を考える。
図16(a)(b)を見ると、基準電圧=Vcc/2=2と決めて、それとコイル端子電圧Vuとを比較すればよいことが分かる。これは(式6)の形からも明らかである。
一方、図17(a)においては基準電圧を約1Vに、図17(b)においては基準電圧を約0.5Vに設定する必要があることが分かる。このことはつまり、「コイル端子電圧と基準電圧とを比較する方法で逆起電圧を正しく検出するためには、駆動中と空転中とで基準電圧の値を変更せねばならず、さらに空転中においてはモータ回転数によっても基準電圧の値を変更せねばならない」ということを意味している。以上が、一つ目の問題点である。
FIG. 16 and FIG. 17 show voltage waveforms during driving and idling derived as described above.
FIG. 16 is a diagram showing waveforms of the U-phase back electromotive force Eu (dotted line) and the U-phase coil terminal voltage Vu (solid line) during driving. FIG. 16A shows (Formula 2) and (Formula 6). ), K = 1 and Vcc = 4. FIG. 16B shows a case where k = 0.5, assuming a state in which the motor rotation speed is reduced and the back electromotive force is reduced. However, in FIG. 16, Vu is drawn so that it can be seen at all electrical angles θ, but it actually appears only when it is in a non-energized state.
FIG. 17 is a diagram showing waveforms of the U-phase back electromotive force Eu (dotted line) and the U-phase coil terminal voltage Vu (solid line) during idling, and FIG. 17 (a) shows (Equation 2) and (Equation 10U). ), K = 1 and Vcc = 4. FIG. 17B shows a case where k = 0.5, assuming a state in which the motor rotation speed is reduced and the back electromotive force is reduced.
For example, let us consider a case where it is desired to detect a position of θ = 0 ° and 180 °, which is a point where the polarity of the back electromotive force Eu is reversed (hereinafter referred to as “back electromotive zero cross point”).
16 (a) and 16 (b), it can be seen that it is only necessary to determine the reference voltage = Vcc / 2 = 2 and compare it with the coil terminal voltage Vu. This is also apparent from the form of (Equation 6).
On the other hand, in FIG. 17A, it is necessary to set the reference voltage to about 1V, and in FIG. 17B, it is necessary to set the reference voltage to about 0.5V. This means that in order to correctly detect the back electromotive force by comparing the coil terminal voltage and the reference voltage, the value of the reference voltage must be changed between driving and idling. In this case, it is necessary to change the value of the reference voltage depending on the motor speed. The above is the first problem.
二つ目の問題は、空転を開始した直後にコイル端子電圧にノイズが発生するため、逆起電圧が正しく検出できないことである。これについて図18、図19を用いて説明する。
120°矩形波駆動を行っていると、通電状態にある相を非通電状態に切り替える際にコイル端子電圧にノイズが発生することが知られている。この様子を図18に示す(1相分のみ)。いま問題としている空転開始直後に発生するノイズもこの相切り替えノイズと発生原因は同じであり、即ち非通電状態とする直前までコイルに流れていた電流を維持しようとする作用によるものである。
The second problem is that the back electromotive voltage cannot be detected correctly because noise occurs in the coil terminal voltage immediately after starting the idling. This will be described with reference to FIGS.
It is known that when 120 ° rectangular wave driving is performed, noise is generated in the coil terminal voltage when a phase in an energized state is switched to a non-energized state. This is shown in FIG. 18 (only for one phase). The noise generated immediately after the start of idling, which is a problem now, has the same cause as the phase switching noise, that is, due to the action of maintaining the current flowing in the coil until just before the non-energized state.
次に、図19(a)(b)を用いて、図18でV=0の方向のノイズが発生するしくみを説明する。
図19(a)は、ハイサイドトランジスタ21Uとローサイドトランジスタ22WをONとして、電源→ハイサイドトランジスタ21U→U相コイル11U→W相コイル11W→ローサイドトランジスタ22W→グラウンドという経路で電流を流している状態を示した図である。なお、説明に不要なV相のコイルとトランジスタは省略してある。このときU相コイル11Uは電源と短絡されているのでVu=Vccであり、W相コイルはグラウンド(GND)と短絡されているのでVw=0である。
Next, a mechanism for generating noise in the direction of V = 0 in FIG. 18 will be described with reference to FIGS.
FIG. 19A shows a state in which the high-side transistor 21U and the low-
この状態からハイサイドトランジスタ21UをOFFとした直後の状態が図19(b)であり、直前までコイルに流れていた電流を維持するためにハイサイドトランジスタ21Uの代わりに還流ダイオード24Uが導通し、グラウンド(GND)→還流ダイオード24U→U相コイル11U→W相コイル11W→ローサイドトランジスタ22W→グラウンドという経路で電流が流れることになる。ハイサイドトランジスタ21U及びローサイドトランジスタ22UともにOFFなので、本来ならU相コイル端子は開放されて逆起電圧が現れるはずなのだが、ダイオードによりグラウンドと短絡されているためにVu=0となり(正しくはダイオードの順方向降下電圧に相当する分だけ0よりも低くなる)、結果としてこれがコイル端子電圧Vuに発生するノイズとなってしまう。この状態は、直前まで流れていた電流が流れきって、ダイオードが導通しなくなるまで続くことになる。
このノイズは振幅が大きく、コイル端子電圧と基準電圧を比較することで逆起電圧を検出する方法をとる場合に、必ず誤検出の原因となってしまう。
FIG. 19B shows a state immediately after the high-side transistor 21U is turned off from this state, and in order to maintain the current that was flowing in the coil until immediately before, the free-wheeling diode 24U is turned on instead of the high-side transistor 21U, Current flows through a path of ground (GND) → freewheeling diode 24U → U-phase coil 11U → W-
This noise has a large amplitude, and always causes false detection when a method of detecting a counter electromotive voltage by comparing a coil terminal voltage with a reference voltage.
しかし、ノイズの発生する期間は通電状態の相を非通電状態とした後であると分かっているので、該当する期間においては逆起電圧検出を行わないようにして誤検出を防ぐ方法が広く利用されている。
空転させるには駆動部のトランジスタ全てをOFFにするので、前述した内容と同じく、OFFする直前に流れていた電流を流すためにダイオードが導通し、コイル端子電圧にノイズが発生してしまう。逆起電圧の誤検出を防ぐためには、このノイズも取り除かなければならない。以上が二つ目の問題点である。
本発明の目的は、モータを空転状態にする際に発生する前述の二つの問題を解決したうえで、モータを故意に空転状態とすることを含む起動シーケンスを行うことができるモータ駆動装置を提供することである。
However, since it is known that the noise generation period is after the energized phase is set to the non-energized state, a method of preventing false detection by not detecting the back electromotive voltage during the corresponding period is widely used. Has been.
Since all of the transistors in the drive unit are turned off for idling, as in the case described above, the diode is turned on to pass the current that was flowing just before turning off, and noise is generated in the coil terminal voltage. In order to prevent erroneous detection of the back electromotive voltage, this noise must also be removed. This is the second problem.
An object of the present invention is to provide a motor drive device capable of performing a start-up sequence including intentionally putting a motor in an idle state after solving the above-mentioned two problems that occur when the motor is in an idle state. It is to be.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の本発明は、3相モータコイルと永久磁石とにより構成されるブラシレスモータを駆動するためのモータ駆動装置であって、前記3相モータコイルに駆動電流を通電して駆動する駆動部と、前記3相モータコイルのうち、ある1相のコイルの端子電圧と、中性点電圧もしくは前記ある1相のコイルを除く他の2相のコイルの端子電圧の平均値とを比較する比較部と、前記比較部による比較結果信号に含まれるノイズを取り除くためのマスク信号を生成するマスク生成部と、前記マスク信号によってマスクされた前記比較結果信号の位相を調整して位置信号を生成する位相調整部と、モータ回転数を検出する回転数検出部と、目標モータ回転数と前記回転数検出部で検出された当該時刻のモータ回転数とを基に、モータ回転数制御を行う制御信号を出力する制御部と、前記位置信号に基づいてモータコイルの通電相を決定し、且つ、前記制御信号に基づいて通電する電流量を決定したうえで、前記駆動部を介して前記モータコイルに矩形波状の電流を通電する矩形波発生部と、任意の周波数と任意の電流量で任意の時間だけ、前記駆動部を介して前記モータコイルに正弦波状の電流を通電する正弦波発生部と、前記矩形波発生部または前記正弦波発生部のいずれか一方を駆動部に接続する選択部と、を備え、停止中のモータを駆動する際には、前記正弦波発生部により前記駆動部を任意の時間だけ駆動させてモータを強制起動した後、前記駆動部を一時完全に停止させることでモータを空転状態にせしめ、その空転期間中において前記位相調整部から位置信号が出力された以後は、前記矩形波発生部により前記駆動部を駆動させ、さらに前記マスク生成部は、モータを空転状態にした直後及び前記矩形波発生部が通電相を切り替えた直後からマスク信号の生成を開始し、任意の時間だけ経過後にマスク信号の生成を停止することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention according to
請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載のモータ制御装置において、前記マスク生成部がマスク信号を生成している任意の時間とは、前記回転数検出部から出力される当該時刻のモータ回転数に応じて可変とする時間であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the motor control device according to the first aspect, the arbitrary time during which the mask generation unit generates the mask signal is the time output from the rotation speed detection unit. The time is variable according to the motor rotation speed.
請求項3に記載の本発明は、3相モータコイルと永久磁石とにより構成されるブラシレスモータを駆動するためのモータ駆動装置であって、前記3相モータコイルに駆動電流を通電して駆動する駆動部と、前記3相モータコイルのうち、ある1相のコイルの端子電圧と、中性点電圧もしくは前記ある1相のコイルを除く他の2相のコイルの端子電圧の平均値とを比較する比較部と、前記比較部による比較結果信号に含まれるノイズを取り除くためのマスク信号を生成するマスク生成部と、前記マスク信号によってマスクされた前記比較結果信号の位相を調整して位置信号を生成する位相調整部と、前記位置信号に基づいてモータ回転数を計算する回転数計算部と、目標モータ回転数と前記回転数計算部で計算された当該時刻のモータ回転数とを基に、モータ回転数制御を行う制御信号を出力する制御部と、前記位置信号に基づいてモータコイルの通電相を決定し、且つ、前記制御信号に基づいて通電する電流量を決定したうえで、前記駆動部を介して前記モータコイルに矩形波状の電流を通電する矩形波発生部と、任意の周波数と任意の電流量で任意の時間だけ、前記駆動部を介して前記モータコイルに正弦波状の電流を通電する正弦波発生部と、前記矩形波発生部または前記正弦波発生部のいずれか一方を駆動部に接続する選択部と、を備え、停止中のモータを駆動する際には、前記正弦波発生部により前記駆動部を任意の時間だけ駆動させてモータを強制起動し、然る後に前記駆動部を一時完全に停止させることでモータを空転状態にせしめ、その空転期間中において前記位相調整部から位置信号が出力された以後は、前記矩形波発生部により前記駆動部を駆動させ、さらに前記マスク生成部は、モータを空転状態にした直後からマスク信号の生成を開始し、任意の時間だけ経過後にマスク信号の生成を停止することと、前記矩形波発生部が通電相を切り替えた直後からもマスク信号の生成を開始し、前記回転数計算部で計算された当該時刻のモータ回転数に応じて可変とした前記とは別の任意の時間だけ経過後にマスク信号の生成を停止することを特徴とする。
The present invention according to
請求項4に記載の本発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載のモータ制御装置において、前記比較結果信号に発生するチャタリングを取り除くためのチャタリング除去部を備え、前記チャタリング除去部は、前記比較結果信号の幅が任意の基準信号幅に満たない場合には、前記比較結果信号を無視するものとし、さらに前記任意の基準信号幅に応じた分だけ、前記位相調整部で行う位相調整量を減らす方向に補正することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the motor control device according to any one of the first to third aspects of the present invention, the motor control device further includes a chattering removing unit for removing chattering generated in the comparison result signal. When the width of the comparison result signal is less than an arbitrary reference signal width, the comparison result signal is ignored, and the phase adjustment performed by the phase adjustment unit by an amount corresponding to the arbitrary reference signal width The correction is made in the direction of decreasing the amount.
本発明によれば、比較部の構成を、ある1相のモータコイルの端子電圧と、中性点電圧もしくはある1相のコイルを除く他の2相のコイルの端子電圧の平均値とを比較するようにすることと、モータを空転状態とした直後から一定期間、比較部による比較結果をマスクするようにすることで、空転中に逆起ゼロクロス点が正しく検出できなくなる問題を解決し、モータを故意に空転状態とすることを含む起動シーケンスを行うことが出来るようになる。
本発明によれば、位置信号に基づいてモータ回転数を計算する回転数計算部を備えることと、モータ回転数が不明な空転開始直後はマスク期間を回転数によらない任意の固定時間に設定することで、FGのような速度センサを持たないモータであっても駆動することが出来るようになるので、速度センサを省いたより一層のコストダウンが可能になる。
According to the present invention, the configuration of the comparison unit compares the terminal voltage of a certain one-phase motor coil with the neutral point voltage or the average value of the terminal voltages of other two-phase coils excluding a certain one-phase coil. By solving this problem, and by masking the comparison results from the comparison unit for a certain period immediately after the motor is idling, the problem of the backlash zero-cross point not being detected correctly during idling can be solved. It becomes possible to perform a start-up sequence including intentionally setting the idling state.
According to the present invention, the rotation speed calculation unit that calculates the motor rotation speed based on the position signal is provided, and the mask period is set to an arbitrary fixed time that does not depend on the rotation speed immediately after the idling when the motor rotation speed is unknown. As a result, even a motor that does not have a speed sensor, such as FG, can be driven, so that the cost can be further reduced without the speed sensor.
以下、本発明の実施の形態について説明していく。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るモータ制御装置の構成例を示した図である。
この図1において、モータ10は、モータコイル11U、11V、11Wと、FG(Frequency Generator:周波数発生器)16と、を備えている。FG16は、モータ10の回転数を検出する。
駆動部20は、3つのハイサイドトランジスタ21U、21V、21Wと、3つのローサイドトランジスタ22U、22V、22Wで構成されている。各トランジスタと並列に接続されているダイオード23U、23V、23W、24U、24V、24Wは、還流ダイオード(フリーホイールダイオード)であり、トランジスタがOFFとなった直後の回生電流を代わりに流すことで、トランジスタの破壊を防ぐ働きをする。
比較部40は、モータ10のモータコイル11U、11V、11Wの端子電圧を比較して比較結果信号を出力する。なお、比較部40の内部構成は後述する。
マスク生成部50は、任意のマスク時間設定により定められた時間だけのマスク信号を生成し、当該マスク期間においては比較結果信号の変化を通過させないようにすることで、比較結果信号に含まれるノイズを取り除く。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a motor control device according to a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, the
The
The
The
位相調整部60は、マスクされた比較結果信号に対して位相の調整を行い、回転子の位置を示す位置信号を出力する。
制御部70は、目標とするモータ回転数とFG16により検出された当該時刻のモータ回転数を基にして、モータを目標回転数で回転させる制御信号を出力する。
矩形波発生部80は、モータコイル11U、11V、11Wに矩形波状の電流を通電するように駆動部20内のトランジスタのON/OFF状態を切り替えるもので、その際、モータコイル電流の転流タイミングは位置信号に基づいて、電流量は制御信号に基づいて決定する。
正弦波発生部90は、モータコイル11U、11V、11Wに正弦波状の電流を通電するように駆動部20内のトランジスタのON/OFF状態を切り替えるもので、その際、モータコイルに通電する正弦波状電流の周波数、電流量、通電時間は任意に設定することが出来る。
選択部100は、矩形波発生部80または正弦波発生部90のどちらか一方の出力のみを選び、駆動部20内のトランジスタに接続するものである。
The
The
The
The sine
The
図2(a)(b)(c)は比較部40の内部構成を示した図である。
これら図2(a)(b)(c)のいずれの場合においても、比較部40は、3つのコンパレータ41U、41V、41Wと複数の抵抗器とにより構成されている。
全ての抵抗器の抵抗値は、モータ10のモータコイル11U、11V、11Wの持つ抵抗成分よりも十分に大きな値とし、駆動部が出力する電流のほぼ全てがモータコイルに流れるものとする。また、同じ添え字が振られた抵抗器は同じ抵抗値であるとする。
比較部40の入力信号はモータコイル端子電圧Vu、Vv、Vwであり、出力信号はコンパレータの出力Cu、Cv、Cwである。
2A, 2B, and 2C are diagrams showing the internal configuration of the
2A, 2B, and 2C, the
It is assumed that the resistance values of all the resistors are sufficiently larger than the resistance components of the motor coils 11U, 11V, and 11W of the
The input signals of the
図2(a)は、中性点の電圧Vnが出力されているモータを使用する場合に可能な構成で、比較部40の入力信号にそのVnも追加されている。抵抗器R1、R2は、コイル端子電圧及び中性点電圧を分圧し、使用するコンパレータの入力電圧範囲内に収まるようにするために設けてある。
各コンパレータ41U、41V、41Wでは、各相のコイル端子電圧と中性点電圧を比較している。この構成であれば駆動中でも空転中でも逆起電圧を正しく検出することが出来る。
まず120°矩形波駆動中において考える。前述した図14のように、V相コイルが電源に、W相コイルがグラウンドに短絡され、U相コイルが開放されているものとする。
駆動電流の流れないU相においては、前述の(式5)が成り立つ。
上記(式5)を変形すると、
Vu−Vn=Eu…(式5)’
となることから、開放状態のコイルの端子電圧と中性点電圧をコンパレータで比較すれば、逆起ゼロクロス点を検出できることが分かる。
FIG. 2A shows a configuration that is possible when a motor that outputs a neutral point voltage Vn is used, and that Vn is also added to the input signal of the
Each of the
First, consider a 120 ° rectangular wave drive. As shown in FIG. 14, it is assumed that the V-phase coil is short-circuited to the power source, the W-phase coil is short-circuited to the ground, and the U-phase coil is open.
In the U phase where the drive current does not flow, the above-described (Formula 5) is established.
When the above (formula 5) is transformed,
Vu−Vn = Eu (Expression 5) ′
Therefore, it can be understood that the back electromotive zero-cross point can be detected by comparing the terminal voltage of the coil in the open state and the neutral point voltage with a comparator.
次に空転中について考える。
空転中の各相コイル端子電圧は、上記(式10U)(式10V)(式10W)に示したとおりである。
空転中の中性点電圧Vnは、上記(式2)(式8)と上記(式10U)(式10V)(式10W)から次のようになる。
Vn=Vu−Eu=−k×sinθ(210°≦θ<330°)
=Vv−Ev=−k×sin(θ−120°)(0°≦θ<90°、330°≦θ<360°)…(式11)
=Vw−Ew=−k×sin(θ+120°)(90°≦θ<210°)
このように導出した駆動中及び空転中における電圧波形を図3及び図4に示す。
Next, let's think about idling.
Each phase coil terminal voltage during idling is as shown in the above (Formula 10U) (Formula 10V) (Formula 10W).
The neutral point voltage Vn during idling is as follows from the above (Formula 2) (Formula 8) and the above (Formula 10U) (Formula 10V) (Formula 10W).
Vn = Vu−Eu = −k × sin θ (210 ° ≦ θ <330 °)
= Vv−Ev = −k × sin (θ−120 °) (0 ° ≦ θ <90 °, 330 ° ≦ θ <360 °) (Equation 11)
= Vw−Ew = −k × sin (θ + 120 °) (90 ° ≦ θ <210 °)
FIG. 3 and FIG. 4 show voltage waveforms during driving and idling derived as described above.
図3は、駆動中のU相逆起電圧Eu(点線)、U相コイル端子電圧Vu(実線)、及び中性点電圧Vn(×印)の波形を示した図である。
図3(a)は、(式2)(式4)(式5)において、k=1、Vcc=4とした場合である。図3(b)は、モータ回転数が低下して逆起電圧が小さくなった状態を想定して、k=0.5とした場合である。但し、図3では全ての電気角θでVuがみえるように描いたが、実際に現れるのは非通電状態のときだけである。
図4は、空転中のU相逆起電圧Eu(点線)、U相コイル端子電圧Vu(実線)、及び中性点電圧Vn(×印)の波形を示した図である。
図4(a)は、(式2)(式10U)(式11)において、k=1、Vcc=4とした場合である。図4(b)は、モータ回転数が低下して逆起電圧が小さくなった状態を想定して、k=0.5とした場合である。
図3(a)(b)、及び図4(a)(b)を見ると、駆動中であっても空転中であっても、また回転数が変わって逆起電圧の大きさが変わったとしても、U相コイル端子電圧Vuと中性点電圧Vnとの交点は、U相逆起電圧のゼロクロス点であることが分かる。これは即ち、比較部40の構成を図2(a)のようにすれば、必ず逆起ゼロクロス点を検出できるということである。
FIG. 3 is a diagram illustrating waveforms of the U-phase counter electromotive voltage Eu (dotted line), the U-phase coil terminal voltage Vu (solid line), and the neutral point voltage Vn (x mark) during driving.
FIG. 3A shows the case where k = 1 and Vcc = 4 in (Expression 2), (Expression 4), and (Expression 5). FIG. 3B shows a case where k = 0.5 assuming a state in which the motor rotation speed is reduced and the back electromotive force is reduced. However, in FIG. 3, the drawing is made so that Vu can be seen at all the electrical angles θ, but it actually appears only in the non-energized state.
FIG. 4 is a diagram showing waveforms of the U-phase counter electromotive voltage Eu (dotted line), the U-phase coil terminal voltage Vu (solid line), and the neutral point voltage Vn (x mark) during idling.
FIG. 4A shows a case where k = 1 and Vcc = 4 in (Expression 2) (Expression 10U) (Expression 11). FIG. 4B shows a case where k = 0.5 assuming a state in which the motor rotation speed is reduced and the back electromotive force is reduced.
3 (a) (b) and 4 (a) (b), the magnitude of the back electromotive force has changed due to the change in the number of revolutions during driving or idling. However, it can be seen that the intersection of the U-phase coil terminal voltage Vu and the neutral point voltage Vn is the zero-cross point of the U-phase counter electromotive voltage. That is, if the configuration of the
図2(b)は、中性点の電圧Vnが出力されていないモータを使用する場合でも同様の効果を得るための構成である。抵抗器R3は、仮想的な中性点Vn’を生成するためのものである。
各コンパレータ41U、41V、41Wでは、各相のコイル端子電圧と前述の仮想的な中性点Vn’を比較する。なお、コンパレータ41U、41V、41Wの両入力端子への入力抵抗のバランスを考慮して、3×R4=R3となるような値を選ぶのが望ましい。
仮想的な中性点Vn’の電圧は、各相コイル端子電圧を用いて次のように表される。
Vn’=(Vu+Vv+Vw)/3…(式12)
中性点Vnと、仮想的な中性点Vn’との関係を考える。
まず120°矩形波駆動中において考える。
前述の図14のように、V相コイルが電源に、W相コイルがグラウンドに短絡され、U相コイルが開放されているものとする。
U相が開放状態のとき(式4)(式5)が成り立つので、(式12)は次のようになる。
Vn’={(Vn+Eu)+Vcc+0}/3
=(Vcc+Eu)/6+Eu/3+Vcc/3
=(Vcc+Eu)/2
=Vn
FIG. 2B is a configuration for obtaining the same effect even when a motor that does not output the neutral point voltage Vn is used. The resistor R3 is for generating a virtual neutral point Vn ′.
Each
The voltage of the virtual neutral point Vn ′ is expressed as follows using each phase coil terminal voltage.
Vn ′ = (Vu + Vv + Vw) / 3 (Formula 12)
Consider the relationship between the neutral point Vn and the virtual neutral point Vn ′.
First, consider a 120 ° rectangular wave drive.
As shown in FIG. 14, the V-phase coil is short-circuited to the power source, the W-phase coil is short-circuited to the ground, and the U-phase coil is open.
Since (Equation 4) and (Equation 5) hold when the U phase is in an open state, (Equation 12) is as follows.
Vn ′ = {(Vn + Eu) + Vcc + 0} / 3
= (Vcc + Eu) / 6 + Eu / 3 + Vcc / 3
= (Vcc + Eu) / 2
= Vn
次に、空転中について考える。空転中は(式8)が成り立つので、(式12)は次のようになる。
Vn’={(Vn+Eu)+(Vn+Ev)+(Vn+Ew)}/3
=Vn+(Eu+Ev+Ew)/3
逆起電圧Eu、Ev、Ewは(式2)の関係にあるので、Eu+Ev+Ew=0となることから、次のようになる。
Vn’=Vn
結局、駆動中でも空転中でも、Vn’=Vnが成り立つ。
つまり、比較部40の構成を図2(b)のようにすれば、図2(a)の構成としたときと同等の効果が得られるということになる。
Next, consider the idling. Since (Equation 8) holds during idling, (Equation 12) becomes as follows.
Vn ′ = {(Vn + Eu) + (Vn + Ev) + (Vn + Ew)} / 3
= Vn + (Eu + Ev + Ew) / 3
Since the back electromotive voltages Eu, Ev, and Ew are in the relationship of (Equation 2), Eu + Ev + Ew = 0, so that
Vn ′ = Vn
Eventually, Vn ′ = Vn is established during driving and idling.
That is, if the configuration of the
図2(c)は、図2(a)(b)よりも効果的な構成である。
抵抗器R5は、ある2相のコイル端子電圧の平均値を生成するためのものである。
例えば、コンパレータ41Uでは、U相のコイル端子電圧を、V相とW相のコイル端子電圧の平均値と比較する形になる。なお、各コンパレータ41U、41V、41Wの両入力端子への入力抵抗のバランスを考慮して、2×R6=R5となるような値を選ぶのが望ましい。
まず120°矩形波駆動中において考える。前述の図14のように、V相コイルが電源に、W相コイルがグラウンドに短絡され、U相コイルが開放されているものとする。
駆動電流の流れないU相においては、前述の(式7)が成り立つ。(式7)を変形すると、
Vu−(Vv+Vw)/2=3/2×Eu…(式7)’
となることから、開放状態のコイルの端子電圧と、他2相の端子電圧の平均値をコンパレータで比較すれば、逆起ゼロクロス点を検出できることが分かる。
FIG.2 (c) is a more effective structure than FIG.2 (a) (b).
The resistor R5 is for generating an average value of a certain two-phase coil terminal voltage.
For example, the
First, consider a 120 ° rectangular wave drive. As shown in FIG. 14, the V-phase coil is short-circuited to the power source, the W-phase coil is short-circuited to the ground, and the U-phase coil is open.
In the U phase where the drive current does not flow, the above-described (Expression 7) is established. When (Equation 7) is transformed,
Vu− (Vv + Vw) / 2 = 3/2 × Eu (Expression 7) ′
Therefore, it can be seen that the back electromotive zero-cross point can be detected by comparing the average value of the terminal voltage of the open coil and the terminal voltages of the other two phases with a comparator.
次に空転中について考える。
空転中のU相コイル端子電圧は、(式10U)に示したとおりである。
空転中のV相とW相のコイル端子電圧の平均値は、(式10V)(式10W)から次のようになる。
(Vv+Vw)/2=−3/2×k×sinθ(210°≦θ<330°)
=(√3)/2×k×cosθ(0°≦θ<90°、330°≦θ<360°)…(式12)
=−(√3)/2×k×cosθ(90°≦θ<210°)
このように導出した駆動中及び空転中における電圧波形を図5及び図6に示す。
Next, let's think about idling.
The U-phase coil terminal voltage during idling is as shown in (Equation 10U).
The average values of the V-phase and W-phase coil terminal voltages during idling are as follows from (Equation 10V) (Equation 10W).
(Vv + Vw) / 2 = −3 / 2 × k × sin θ (210 ° ≦ θ <330 °)
= (√3) / 2 × k × cos θ (0 ° ≦ θ <90 °, 330 ° ≦ θ <360 °) (Equation 12)
=-(√3) / 2 × k × cos θ (90 ° ≦ θ <210 °)
FIG. 5 and FIG. 6 show voltage waveforms during driving and idling derived as described above.
図5は、駆動中のU相逆起電圧Eu(点線)、U相コイル端子電圧Vu(実線)、及びV相とW相のコイル端子電圧の平均値(Vv+Vw)/2(○印)の波形を示した図である。
図5(a)は、(式2)(式7)において、k=1、Vcc=4とした場合である。上記図5(b)は、モータ回転数が低下して逆起電圧が小さくなった状態を想定して、k=0.5とした場合である。但し、図5では全ての電気角θでVuが見えるように図示したが、実際に現れるのは非通電状態のときだけである。
図6は、空転中のU相逆起電圧Eu(点線)、U相コイル端子電圧Vu(実線)、及びV相とW相のコイル端子電圧の平均値(Vv+Vw)/2(○印)の波形を示した図である。
図6(a)は、(式2)(式10U)(式12)において、k=1、Vcc=4とした場合である。図6(b)は、モータ回転数が低下して逆起電圧が小さくなった状態を想定して、k=0.5とした場合である。
図5(a)(b)、図6(a)(b)を見ると、駆動中であっても空転中であっても、また回転数が変わって逆起電圧の大きさが変わったとしても、U相コイル端子電圧Vuと中性点電圧Vnとの交点は、U相逆起電圧のゼロクロス点であることが分かる。これは即ち、比較部の構成を、図2(c)のようにすれば、必ず逆起ゼロクロス点を検出できるということである。
さらに図3〜図6を比較すると、図2(c)の構成を採る方が交点における交わり方が鋭いことが分かるが、これはコンパレータで比較するにあたって有利である。よって、図2(c)の構成の方が、図2(a)(b)よりも効果的であるといえる。
ここまでが第1の実施形態のモータ駆動装置の構成の説明である。
FIG. 5 shows the U-phase back electromotive force Eu (dotted line), the U-phase coil terminal voltage Vu (solid line), and the average value of the V-phase and W-phase coil terminal voltages (Vv + Vw) / 2 (circles). It is the figure which showed the waveform.
FIG. 5A shows the case where k = 1 and Vcc = 4 in (Expression 2) and (Expression 7). FIG. 5B shows a case where k = 0.5 assuming a state in which the motor rotation speed is reduced and the back electromotive force is reduced. However, in FIG. 5, Vu is shown so that it can be seen at all electrical angles θ, but it actually appears only in a non-energized state.
FIG. 6 shows the U-phase back electromotive force Eu (dotted line), the U-phase coil terminal voltage Vu (solid line), and the average value (Vv + Vw) / 2 (circle) of the V-phase and W-phase coil terminal voltages during idling. It is the figure which showed the waveform.
FIG. 6A shows the case where k = 1 and Vcc = 4 in (Expression 2) (Expression 10U) (Expression 12). FIG. 6B shows a case where k = 0.5 assuming a state in which the motor rotation speed is reduced and the back electromotive force is reduced.
5 (a) (b) and 6 (a) (b), it is assumed that the back electromotive force has changed due to the change in the number of revolutions during driving or idling. It can also be seen that the intersection of the U-phase coil terminal voltage Vu and the neutral point voltage Vn is the zero-cross point of the U-phase back electromotive voltage. That is, if the configuration of the comparison unit is as shown in FIG. 2C, it is possible to detect the back electromotive zero-cross point without fail.
Further, comparing FIGS. 3 to 6, it can be seen that the way of adopting the configuration of FIG. 2C is sharper in the way of intersection at the intersection, but this is advantageous in making comparison with a comparator. Therefore, it can be said that the configuration of FIG. 2C is more effective than FIGS. 2A and 2B.
This is the description of the configuration of the motor drive device according to the first embodiment.
続いて図7を用いて、第1の実施形態のモータ駆動装置の動作について説明する。
図7では、図1の構成のモータ制御装置の各部の信号を示す。横軸は時間としており、モータを起動してから120°矩形波駆動に移行するまでの流れを説明するものである。なお、図7で時刻t1以前のコイル端子電圧などを図示していないが、これらは説明に不要であるため省略した。
モータを起動する前までに、選択部100は正弦波発生部90を選んで駆動部20内のトランジスタに接続しておく。
時刻t0においてモータの起動を開始すると、正弦波発生部90はモータコイルに正弦波状の電流を通電し、強制転流を行う。予め定めた時間が経過した時刻t1において駆動部20内のトランジスタを全てOFFとし、モータを空転状態にする。この時刻t1から逆起ゼロクロス点の検出動作を開始するのだが、トランジスタをOFFとした瞬間のコイル端子電圧にはノイズが発生しており(図7の例では、Iuがモータへ流出する向きであり、IvとIwが駆動部へ流入する向きであるときにトランジスタをOFFとしているので、Vu=0、Vv=Vw=Vccとなるノイズが同時に発生している)、このノイズの影響は比較部40による比較結果信号Cu、Cv、Cwにも現れてしまっている。
Next, the operation of the motor drive device according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 7 shows signals of respective parts of the motor control device having the configuration shown in FIG. The horizontal axis represents time, and the flow from the start of the motor to the transition to 120 ° rectangular wave drive will be described. In addition, although the coil terminal voltage etc. before the time t1 are not illustrated in FIG. 7, these are omitted because they are not necessary for the description.
Before starting the motor, the
When starting the motor at time t0, the
そこで、マスク生成部50では、空転を開始した直後から一定の時間だけマスク信号を生成し、比較結果信号の変化を通さないようにすることで、ノイズを取り除いたMu、Mv、Mwを得ている。
位相調整部60はMu、Mv、Mwの位相を調整し、位置信号Pu、Pv、Pwを出力する。
この位置信号のいずれかが得られた時刻t2で、逆起電圧の検出に成功したとみなし、選択部100は矩形波発生部80を選んで駆動部20と接続し、120°矩形波駆動を開始する。120°矩形波駆動中においては、位置信号のいずれかが変化するたびに通電相の切り替えを行い、それと同時にマスクの生成を開始するようにしている。
なお、図7では、位相調整部60は電気角約30°にあたる時間だけ位相調整するように図示しているが、これは逆起ゼロクロス点から電気角で約30°遅れた位置で通電相の切り替えを行うとモータ効率が良くなるのでこのようにしただけであり、特に30°に限るということではない。
このような構成、動作のモータ制御装置とすることで、空転中に逆起ゼロクロス点が正しく検出できなくなる問題を解決し、モータを故意に空転状態とすることを含む起動シーケンスを行うことが出来るようになる。
Therefore, the
The
At time t2 when any one of the position signals is obtained, it is considered that the back electromotive voltage has been successfully detected, and the
In FIG. 7, the
By using the motor control device having such a configuration and operation, it is possible to solve the problem that the back-electromotive zero cross point cannot be detected correctly during idling, and to perform a start-up sequence including intentionally causing the motor to idle. It becomes like this.
次に、第2の実施形態に係るモータ制御装置について説明する。
第2の実施形態のモータ制御装置の構成は、図1に示した第1の実施形態のものと同じであり、マスク生成部50に任意のマスク時間を設定する際には、FG16から得られる当該時刻のモータ回転数に応じた時間とすることを特徴としている。
前述したように、空転開始直後や通電相の切り替え後のコイル端子電圧にノイズが発生している期間は、その直前に流れていた電流が流れ切るまでの期間である。電流が減少する速さはモータ固有の電気時定数(=τe=L/R、L:コイルのインダクタンス成分、R:コイルの抵抗成分)に依存するので、同じモータを使用するのであれば、より電流量が多い状況の方がノイズが発生している期間が長くなることになる。
多くの電流量を必要とする状況とは、起動直後や加速中、つまり目標モータ回転数と比べて実際のモータ回転数が低い状況である。
そこで、第2の実施形態のモータ制御装置では、FG16から得られるモータ回転数が目標回転数に比べて低いほどマスク期間を長くしてやるようにすれば、ノイズを確実に取り除くことが出来る。
このようにすることで、第1の実施形態のモータ制御装置に比べてより安定にモータを駆動することが可能になる。
Next, a motor control device according to a second embodiment will be described.
The configuration of the motor control device of the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and is obtained from the FG 16 when setting an arbitrary mask time in the
As described above, the period in which noise is generated in the coil terminal voltage immediately after the start of idling or after the switching of the energized phase is a period until the current that has flowed immediately before the coil terminal voltage completely flows. The speed at which the current decreases depends on the electrical time constant (= τe = L / R, L: coil inductance component, R: coil resistance component) inherent to the motor. In a situation where the amount of current is large, the period during which noise is generated becomes longer.
A situation requiring a large amount of current is a situation immediately after startup or during acceleration, that is, a situation where the actual motor speed is lower than the target motor speed.
Therefore, in the motor control device of the second embodiment, if the mask period is made longer as the motor rotation speed obtained from the FG 16 is lower than the target rotation speed, noise can be reliably removed.
By doing in this way, it becomes possible to drive a motor more stably compared with the motor control device of the first embodiment.
次に、第3の実施形態のモータ制御装置について説明する。
図8には、第3の実施形態のモータ制御装置の構成例を示した図である。
第3の実施形態のモータ制御装置は、図1のFG16のようなモータ回転数を検出するための速度センサを持たないモータ10であっても駆動できるようにするものである。
第1の実施形態のモータ制御装置の構成と異なる点は二つある。
一つは、位置信号に基づいてモータ回転数を計算する回転数計算部110が追加され、計算結果である計算モータ回転数が制御部70に入力されている点である。
位置信号は比較部40による比較結果、換言すれば検出した逆起ゼロクロス点を基に生成されており、モータ1回転あたりにその逆起ゼロクロス点が何回検出されるかはモータの磁極数により決まっているので、位置信号からモータ回転数を容易に計算することが出来るのである。
Next, a motor control device according to a third embodiment will be described.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the motor control device according to the third embodiment.
The motor control apparatus according to the third embodiment enables driving even a
There are two differences from the configuration of the motor control device of the first embodiment.
One is that a rotation
The position signal is generated based on the comparison result by the
二つ目の異なる点は、マスク生成部50に設定する任意のマスク時間を、空転開始直後のマスク用のものと、通電相の切り替え後のマスク用のものの2種類を用意する点である。
これは第3の実施形態においては、起動後の強制転流期間では逆起電圧の検出を行わないので、空転開始直後はモータ回転数を計算することが出来ないことに対応したものである。即ち、モータ回転数が不明な空転開始直後は、マスクを発生させる時間は回転数によらない任意の固定時間を設定しておくこととし、通電相の切り替え後にマスクを発生させる時間は、(この時点では逆起電圧を検出しておりモータ回転数も計算しているので、)第2の実施形態と同様に実際のモータ回転数が目標回転数に比べて低いほどに長い時間を設定することとする。このようにすることで、FGのようなモータ回転数を検出する速度センサを持たないモータであっても駆動することが出来るようになり、位置センサだけでなく速度センサも省いて、より一層のコストダウンが可能になる。
The second difference is that two types of mask times set for the
This corresponds to the fact that, in the third embodiment, since the counter electromotive voltage is not detected in the forced commutation period after startup, the motor speed cannot be calculated immediately after the idling is started. That is, immediately after the start of idling when the motor rotation speed is unknown, the mask generation time is set to an arbitrary fixed time regardless of the rotation speed, and the mask generation time after switching the energized phase is (this Since the counter electromotive voltage is detected at the time and the motor speed is also calculated)) As in the second embodiment, a longer time is set so that the actual motor speed is lower than the target speed. And By doing so, it becomes possible to drive even a motor that does not have a speed sensor for detecting the number of rotations of the motor such as FG, and not only the position sensor but also the speed sensor can be omitted. Cost reduction is possible.
次に、第4の実施形態のモータ制御装置について説明する。
図9は、第4の実施形態のモータ制御装置の構成例を示した図である。
第4の実施形態のモータ制御装置は、第1の実施形態のモータ制御装置の比較部40とマスク生成部50との間に、チャタリング除去部130を設けた構成になっている。
このチャタリング除去部130は、比較部40の比較結果信号に発生するおそれのあるチャタリングノイズを取り除くものである。
なお、チャタリング除去部130はマスク生成部50と位相調整部60との間においても良い。また、第2及び第3のモータ制御装置において同様の構成としても良い。
Next, a motor control device according to a fourth embodiment will be described.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of the motor control device according to the fourth embodiment.
The motor control device of the fourth embodiment has a configuration in which a
The
The
図10は、第4の実施形態のモータ制御装置の動作説明図である。
ここでは、図9の比較部40の構成が、図2(c)に示した構成であり、コンパレータ41UによりVuを(Vv+Vw)/2と比較する場合を想定して説明するが他の場合でも説明に違いはない。
比較部内のコンパレータで2つの信号Vu及び(Vv+Vw)/2を比較すると、両者の大きさが近いときに比較結果信号Cuが頻繁に切り替わる、いわゆるチャタリングが発生するおそれがある。このチャタリングは逆起ゼロクロス点の誤検出の要因となってしまうので、取り除く必要がある。
チャタリング除去をするには、信号のレベルが“H”または“L”で一定となっている時間が短いもの、言い換えれば細いパルス状の信号は、ノイズであると判断して無視する方法がある。請求項4のチャタリング除去部130でも、この方法を採る。
即ち、比較結果信号Cuが変化するたびに、変化後の信号レベルが任意の基準信号幅Tsだけ継続するかどうかを調べ、継続しなかった場合はノイズであると判断して出力せず、継続した場合は正しい信号であると判断して、チャタリング除去結果Cu’として出力することとする。しかしこの方法をとると、Cuが変化してからCu’が変化するまでに、Tsだけの遅延が発生するという副作用がある。さらに、このCu’の位相を調整して位置信号Puを生成するので、Puにも遅延が伝播してしまう。通電相の切り替えは位置信号が変化したタイミングで行われるので、結局、通電相の切り替えが遅れてしまうということになり、モータ効率の低下を招いてしまう。
FIG. 10 is an explanatory diagram of the operation of the motor control device of the fourth embodiment.
Here, the configuration of the
When the two signals Vu and (Vv + Vw) / 2 are compared by the comparator in the comparison unit, there is a possibility that so-called chattering occurs in which the comparison result signal Cu is frequently switched when the two are close in magnitude. This chattering causes erroneous detection of the back electromotive zero-cross point, so it is necessary to remove it.
In order to eliminate chattering, there is a method of ignoring a signal whose level is constant at “H” or “L” for a short time, in other words, a thin pulse signal is judged to be noise. . The
That is, every time the comparison result signal Cu changes, it is checked whether or not the signal level after the change continues for an arbitrary reference signal width Ts. In this case, it is determined that the signal is correct and is output as a chattering removal result Cu ′. However, this method has a side effect that a delay of Ts occurs between the change of Cu and the change of Cu ′. Further, since the position signal Pu is generated by adjusting the phase of Cu ′, a delay is propagated to Pu. Since the switching of the energized phase is performed at the timing when the position signal is changed, the switching of the energized phase is delayed, resulting in a decrease in motor efficiency.
そこで、第4の実施形態のモータ制御装置では、チャタリング除去部130に設定した任意の基準信号幅Tsに応じて、位相調整部60で行う位相調整量を第1の実施形態請で行うそれと比べて減らす方向に補正するようにした。
なお、図10では、位相調整量をTsと同じだけ減らすように描いたが、特にこれに限ったものではない。通電相の切り替えタイミングは、チャタリング発生期間が長いほどに遅くなるので、位相調整量をTsよりも多く減らすことが考えられる。
このように第4の実施形態のモータ制御装置によれば、比較結果に発生するチャタリングを取り除くチャタリング除去部を備えることと、チャタリング除去処理の副作用を考慮して位相調整部における位相調整量を減らすようにすることで、チャタリングを取り除いて逆起ゼロクロス点の誤検出を防ぎ、さらにモータ効率が低下する副作用も起こらないようにすることが出来るようになる。
Therefore, in the motor control device of the fourth embodiment, the phase adjustment amount performed by the
In FIG. 10, the phase adjustment amount is drawn so as to be reduced by the same amount as Ts, but the present invention is not limited to this. Since the switching timing of the energized phase becomes slower as the chattering generation period is longer, it is conceivable that the phase adjustment amount is reduced more than Ts.
As described above, according to the motor control device of the fourth embodiment, the chattering removal unit that removes chattering that occurs in the comparison result is provided, and the phase adjustment amount in the phase adjustment unit is reduced in consideration of the side effects of the chattering removal process. By doing so, it is possible to eliminate chattering to prevent erroneous detection of the back electromotive zero-cross point, and to prevent side effects that reduce motor efficiency.
11U、11V、11W…モータコイル、20…駆動部、21U、21V、21W…ハイサイドトランジスタ、22U、22V、22W…ローサイドトランジスタ、23U、23V、23W、24U、24V、24W…ダイオード、30…プリドライブ回路、40…比較部、41U、41V、41W…コンパレータ、50…マスク生成部、60…位相調整部、70…制御部、80…矩形波発生部、90…正弦波発生部、100…選択部、110…回転数計算部、130…チャタリング除去部
11U, 11V, 11W ... motor coil, 20 ... drive unit, 21U, 21V, 21W ... high side transistor, 22U, 22V, 22W ... low side transistor, 23U, 23V, 23W, 24U, 24V, 24W ... diode, 30 ... pre
Claims (4)
前記3相モータコイルに駆動電流を通電して駆動する駆動部と、
前記3相モータコイルのうち、ある1相のコイルの端子電圧と、中性点電圧もしくは前記ある1相のコイルを除く他の2相のコイルの端子電圧の平均値とを比較する比較部と、
前記比較部による比較結果信号に含まれるノイズを取り除くためのマスク信号を生成するマスク生成部と、
前記マスク信号によってマスクされた前記比較結果信号の位相を調整して位置信号を生成する位相調整部と、
モータ回転数を検出する回転数検出部と、
目標モータ回転数と前記回転数検出部で検出された当該時刻のモータ回転数とを基に、モータ回転数制御を行う制御信号を出力する制御部と、
前記位置信号に基づいてモータコイルの通電相を決定し、且つ、前記制御信号に基づいて通電する電流量を決定したうえで、前記駆動部を介して前記モータコイルに矩形波状の電流を通電する矩形波発生部と、
任意の周波数と任意の電流量で任意の時間だけ、前記駆動部を介して前記モータコイルに正弦波状の電流を通電する正弦波発生部と、
前記矩形波発生部または前記正弦波発生部のいずれか一方を駆動部に接続する選択部と、を備え、
停止中のモータを駆動する際には、前記正弦波発生部により前記駆動部を任意の時間だけ駆動させてモータを強制起動した後、前記駆動部を一時完全に停止させることでモータを空転状態にせしめ、その空転期間中において前記位相調整部から位置信号が出力された以後は、前記矩形波発生部により前記駆動部を駆動させ、
さらに前記マスク生成部は、モータを空転状態にした直後及び前記矩形波発生部が通電相を切り替えた直後からマスク信号の生成を開始し、任意の時間だけ経過後にマスク信号の生成を停止することを特徴とするモータ駆動装置。 A motor driving device for driving a brushless motor composed of a three-phase motor coil and a permanent magnet,
A drive unit that drives the three-phase motor coil by energizing a drive current;
A comparison unit that compares a terminal voltage of a certain one-phase coil of the three-phase motor coils with a neutral point voltage or an average value of terminal voltages of other two-phase coils excluding the certain one-phase coil; ,
A mask generation unit that generates a mask signal for removing noise included in the comparison result signal by the comparison unit;
A phase adjustment unit that adjusts the phase of the comparison result signal masked by the mask signal to generate a position signal;
A rotation speed detection unit for detecting the motor rotation speed;
A control unit that outputs a control signal for performing motor rotation number control based on the target motor rotation number and the motor rotation number at the time detected by the rotation number detection unit;
The energization phase of the motor coil is determined based on the position signal, and the amount of current to be energized is determined based on the control signal, and then a rectangular wave current is energized to the motor coil via the drive unit. A rectangular wave generator,
A sine wave generator for energizing the motor coil with a sinusoidal current through the drive unit for an arbitrary time at an arbitrary frequency and an arbitrary amount of current;
A selection unit that connects either the rectangular wave generation unit or the sine wave generation unit to a drive unit, and
When driving a stopped motor, the sine wave generator drives the drive unit for an arbitrary period of time to forcibly start the motor, and then temporarily stops the drive unit to make the motor idle. After the position signal is output from the phase adjustment unit during the idling period, the driving unit is driven by the rectangular wave generation unit,
Further, the mask generation unit starts generating the mask signal immediately after the motor is idled and immediately after the rectangular wave generation unit switches the energized phase, and stops generating the mask signal after an arbitrary time has elapsed. The motor drive device characterized by this.
前記3相モータコイルに駆動電流を通電して駆動する駆動部と、
前記3相モータコイルのうち、ある1相のコイルの端子電圧と、中性点電圧もしくは前記ある1相のコイルを除く他の2相のコイルの端子電圧の平均値とを比較する比較部と、
前記比較部による比較結果信号に含まれるノイズを取り除くためのマスク信号を生成するマスク生成部と、
前記マスク信号によってマスクされた前記比較結果信号の位相を調整して位置信号を生成する位相調整部と、
前記位置信号に基づいてモータ回転数を計算する回転数計算部と、
目標モータ回転数と前記回転数計算部で計算された当該時刻のモータ回転数とを基に、モータ回転数制御を行う制御信号を出力する制御部と、
前記位置信号に基づいてモータコイルの通電相を決定し、且つ、前記制御信号に基づいて通電する電流量を決定したうえで、前記駆動部を介して前記モータコイルに矩形波状の電流を通電する矩形波発生部と、
任意の周波数と任意の電流量で任意の時間だけ、前記駆動部を介して前記モータコイルに正弦波状の電流を通電する正弦波発生部と、
前記矩形波発生部または前記正弦波発生部のいずれか一方を駆動部に接続する選択部と、を備え、
停止中のモータを駆動する際には、前記正弦波発生部により前記駆動部を任意の時間だけ駆動させてモータを強制起動し、然る後に前記駆動部を一時完全に停止させることでモータを空転状態にせしめ、その空転期間中において前記位相調整部から位置信号が出力された以後は、前記矩形波発生部により前記駆動部を駆動させ、
さらに前記マスク生成部は、モータを空転状態にした直後からマスク信号の生成を開始し、任意の時間だけ経過後にマスク信号の生成を停止することと、前記矩形波発生部が通電相を切り替えた直後からもマスク信号の生成を開始し、前記回転数計算部で計算された当該時刻のモータ回転数に応じて可変とした前記とは別の任意の時間だけ経過後にマスク信号の生成を停止することを特徴とするモータ駆動装置。 A motor driving device for driving a brushless motor composed of a three-phase motor coil and a permanent magnet,
A drive unit that drives the three-phase motor coil by energizing a drive current;
A comparison unit that compares a terminal voltage of a certain one-phase coil of the three-phase motor coils with a neutral point voltage or an average value of terminal voltages of other two-phase coils excluding the certain one-phase coil; ,
A mask generation unit that generates a mask signal for removing noise included in the comparison result signal by the comparison unit;
A phase adjustment unit that adjusts the phase of the comparison result signal masked by the mask signal to generate a position signal;
A rotation speed calculation unit for calculating a motor rotation speed based on the position signal;
A control unit that outputs a control signal for performing motor rotation number control based on the target motor rotation number and the motor rotation number at the time calculated by the rotation number calculation unit;
The energization phase of the motor coil is determined based on the position signal, and the amount of current to be energized is determined based on the control signal, and then a rectangular wave current is energized to the motor coil via the drive unit. A rectangular wave generator,
A sine wave generator for energizing the motor coil with a sinusoidal current through the drive unit for an arbitrary time at an arbitrary frequency and an arbitrary amount of current;
A selection unit that connects either the rectangular wave generation unit or the sine wave generation unit to a drive unit, and
When driving a stopped motor, the sine wave generator drives the drive unit for an arbitrary time to forcibly start the motor, and then the drive unit is temporarily stopped to stop the motor. Let the idle state, after the position signal is output from the phase adjustment unit during the idle period, drive the drive unit by the rectangular wave generation unit,
Further, the mask generator starts generating a mask signal immediately after the motor is idled, stops generating the mask signal after an arbitrary time has elapsed, and the rectangular wave generator switches the energized phase. The generation of the mask signal is started immediately after, and the generation of the mask signal is stopped after the elapse of an arbitrary time different from the above, which is variable according to the motor rotation number at the time calculated by the rotation number calculation unit. The motor drive device characterized by the above-mentioned.
前記比較結果信号に発生するチャタリングを取り除くためのチャタリング除去部を備え、
前記チャタリング除去部は、前記比較結果信号の幅が任意の基準信号幅に満たない場合には、前記比較結果信号を無視するものとし、さらに前記任意の基準信号幅に応じた分だけ、前記位相調整部で行う位相調整量を減らす方向に補正することを特徴とするモータ駆動装置。 In the motor control device according to any one of claims 1 to 3,
A chattering removing unit for removing chattering generated in the comparison result signal;
The chattering removal unit ignores the comparison result signal when the width of the comparison result signal is less than an arbitrary reference signal width, and further, the phase is increased by an amount corresponding to the arbitrary reference signal width. A motor driving device that corrects in a direction to reduce the amount of phase adjustment performed by the adjustment unit.
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