JP5711910B2

JP5711910B2 - モータ駆動回路

Info

Publication number: JP5711910B2
Application number: JP2010170778A
Authority: JP
Inventors: 龍生伊藤; 祐二内山
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-07-29
Also published as: JP2012034471A; US8598824B2; US20120194114A1

Description

本発明は、モータ駆動回路に関する。

一般的な直流モータにおけるモータコイルの逆起電圧は、モータの回転数の上昇に応じて高くなる。このため、モータコイルに流れるコイル電流は、例えば図４に示すようにモータの起動時に大きくなりその後低下する。しかしながら、モータの回転数が一定となった定常時であっても、例えばモータがロックするとモータの回転数は低下するため、大きなコイル電流が流れることがある。そこで、モータ駆動回路には、コイル電流の電流値と、所定の電流値とを比較して、コイル電流が所定の電流値以下となるようにする電流リミット回路が設けられることがある（例えば、特許文献１参照）。つまり、コイル電流の電流値が所定の電流値（以下、電流リミット値）となると、モータ駆動回路は、例えばコイル電流が電流リミット値以下となるようモータコイルを駆動する。

特開２００５−９４９２５号公報

ところで、定常時に流れる電流値を基準にして電流リミット値を定めると、起動時においては、一般にコイル電流の電流値は電流リミット値となる。このような場合、コイル電流が電流リミット値以下となるように制御されるため、モータが回転するために必要なトルクが確保できず、モータが回転しないことがある。
そこで、例えばマイコンに、電流リミット値をモータが起動している間は高く設定させ、定常時には低く設定させることがある。しかしながら、このような場合、マイコンはモータが起動される度に、電流リミット値を変更しなければならず、マイコンに負荷がかかるという問題があった。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、マイコンの負荷を軽減可能なモータ駆動回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一つの側面に係るモータ駆動回路は、モータコイルの逆起電圧の増加に応じてコイル電流が減少するモータを駆動する駆動回路と、前記コイル電流の電流値が所定値より大きいか否かを検出する検出回路と、前記コイル電流の電流値が所定値より大きいことが検出されると、前記コイル電流が前記所定値以下となるよう前記駆動回路を制御する第１制御回路と、前記コイル電流の供給が開始されてから所定の時間が経過するまでは、前記第１制御回路が前記検出回路の検出結果に基づいて前記駆動回路を制御しないよう、前記第１制御回路を制御する第２制御回路と、を備え、前記第２制御回路は、電流源と、前記コイル電流の供給が開始されると、前記電流源からの定電流でコンデンサを充電する充電回路と、前記コンデンサの充電電圧が前記所定の時間に応じた所定電圧となると、前記所定の時間が経過したことを判定する判定回路と、前記判定回路が前記所定の時間が経過したことを判定すると、前記検出回路の検出結果に基づいて前記第１制御回路を動作させる第３制御回路と、を含み、前記検出回路は、前記コイル電流を電圧に変換する抵抗と、前記抵抗に発生する電圧と前記所定値に応じた基準電圧との大小に基づいて、前記コイル電流の電流値と前記所定値との大小を比較する比較回路と、前記所定値を変更するためのデータに基づいて、前記基準電圧のレベルを変更して前記比較回路に出力する電圧出力回路と、を含み、前記コンデンサが接続される端子を有する集積回路である。

マイコンの負荷を軽減可能なモータ駆動回路を提供することができる。

本発明の一実施形態であるモータ駆動ＩＣ１０の構成を示す図である。マスク回路２３の一実施形態を示す図である。モータ１５の正転を開始させた際のコイル電流ＩＬ及びモータ駆動ＩＣ１０の主要な波形を示す図である。直流モータの起動時における一般的なコイル電流の波形を示す図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。
図１は、本発明の一実施形態であるモータ駆動ＩＣ１０の構成を示す図である。モータ駆動ＩＣ１０（モータ駆動回路）は、マイコン１６の指示に基づいてモータ１５を駆動する回路であり、駆動回路２０、制御回路２１、電流リミット回路２２、マスク回路２３、及び端子３０〜３６を含んで構成される。

モータ１５は、例えば、端子３５，３６の間に接続されたブラシ付き直流モータであり、モータ１５の両端の電圧に応じて回転する。具体的には、端子３５の電圧がほぼ電源電圧Ｖｃｃとなり、端子３６の電圧がほぼグランドＧＮＤの電圧となると正転する。一方、端子３６の電圧がほぼ電源電圧Ｖｃｃとなり、端子３５の電圧がほぼグランドＧＮＤの電圧となると逆転する。また、端子３５，３６の電圧がともにほぼグランドＧＮＤの電圧となると、モータ１５はブレーキ状態となり、モータ１５の回転数は低下する。さらに、端子３５，３６がハイインピーダンス状態となると、モータ１５はいわゆる待機状態となる。

なお、本実施形態では、モータ１５のモータコイル（不図示）に流れるコイル電流をＩＬとする。また、図１では、モータ１５が正転している際のコイル電流ＩＬの流れる向きが図示されている。

マイコン１６は、モータ１５を正転させるか、逆転させるか等を指示するための信号Ｉｎ１，Ｉｎ２や、コイル電流ＩＬの電流値が所定値（以下、電流リミット値）であるか否かを判定するための基準となる電流値を設定するための信号Ｓ１，Ｓ２を出力する。なお、信号Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｓ１，Ｓ２は、論理レベルの信号である。

駆動回路２０は、制御回路２１からの出力に基づいてモータ１５を直接駆動するＨブリッジ回路であり、ＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ，４０Ｂ、ＰＭＯＳトランジスタ４１Ａ，４１Ｂを含んで構成される。

制御回路２１は、端子３０，３１を介して入力される信号Ｉｎ１，Ｉｎ２と、電流リミット回路２２から出力され、コイル電流ＩＬの電流値が電流リミット値より大きいか否かを示す電圧Ｖａと、に基づいて、Ｈブリッジ回路におけるＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ等のオンオフを制御する。制御回路２１は、電圧Ｖａがローレベル（以下、“Ｌ”レベル）の場合、信号Ｉｎ１，Ｉｎ２に基づいて、ＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ等をオン、オフする。なお、詳細は後述するが、電圧Ｖａが“Ｌ”レベルの場合は、コイル電流ＩＬの電流値が電流リミット値より低く、電流リミットが検出されていない場合である。なお、ここで、電流リミットの検出とは、コイル電流ＩＬの電流値が電流リミット値になることを検出することをいう。

制御回路２１は、信号Ｉｎ１，Ｉｎ２がともに“Ｌ”レベルの場合、Ｈブリッジ回路に含まれるＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ等を全てオフする。この結果、モータ１５は待機状態となる。なお、以下、信号Ｉｎ１が“Ｌ”レベル、信号Ｉｎ２が“Ｌ”レベルであることを、（Ｉｎ１，Ｉｎ２）＝（Ｌ，Ｌ）と記載する。

制御回路２１は、（Ｉｎ１，Ｉｎ２）＝（Ｈ，Ｌ）の場合、ＰＭＯＳトランジスタ４１Ａ、およびＮＭＯＳトランジスタ４０Ｂをオンし、ＰＭＯＳトランジスタ４１Ｂ、およびＮＭＯＳトランジスタ４０Ａをオフする。この結果、端子３５の電圧はほぼ電源電圧Ｖｃｃとなり、端子３６はＮＭＯＳトランジスタ４０Ｂのオン抵抗及び抵抗５０を介してグランドに接地されるため、モータ１５は正転する。

また、制御回路２１は、（Ｉｎ１，Ｉｎ２）＝（Ｌ，Ｈ）の場合、ＰＭＯＳトランジスタ４１Ｂ、およびＮＭＯＳトランジスタ４０Ａをオンし、ＰＭＯＳトランジスタ４１Ａ、およびＮＭＯＳトランジスタ４０Ｂをオフする。この結果、端子３６の電圧はほぼ電源電圧Ｖｃｃとなり、端子３５はＮＭＯＳトランジスタ４０Ａのオン抵抗及び抵抗５０を介してグランドに接地されるため、モータ１５は逆転する。制御回路２１は、（Ｉｎ１，Ｉｎ２）＝（Ｈ，Ｈ）の場合、ＰＭＯＳトランジスタ４１Ａ，４１Ｂをオフし、ＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ，４０Ｂをオンする。この結果、端子３５，３６の電圧はほぼグランドＧＮＤの電圧となるため、モータ１５はブレーキ状態となる。

また、制御回路２１は、電圧Ｖａが “Ｈ”レベルの場合、すなわち電流リミットが検出される場合、信号Ｉｎ１，Ｉｎ２に関わらず、コイル電流ＩＬの電流値が電流リミット値以下となるようＨブリッジ回路に含まれるＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ等をスイッチングする。なお、制御回路２１、および後述するＡＮＤ回路５３が、第１制御回路に相当する。

電流リミット回路２２（検出回路）は、コイル電流ＩＬの電流値が、電流リミット値より大きいか否かを検出する回路であり、抵抗５０、レベル変換回路５１、コンパレータ５２、及びＡＮＤ回路５３を含んで構成される。

抵抗５０は、いわゆる電流検出抵抗であり、コイル電流ＩＬを電圧Ｖｒに変換する。このため、電圧Ｖｒは、コイル電流ＩＬと同様に変化する。

レベル変換回路５１（電圧出力回路）は、端子３３，３４を介して入力される信号Ｓ１，Ｓ２に基づいて、所定レベルの基準電圧Ｖｒｅｆのレベルを変換して出力する。なお、基準電圧Ｖｒｅｆは、例えば、定常時においてコイル電流ＩＬの電流値が電流リミット値となるか否かを判定するための基準となる電圧である。

レベル変換回路５１は、（Ｓ１，Ｓ２）＝（Ｌ，Ｌ）の場合、例えば基準電圧Ｖｒｅｆを出力し、（Ｓ１，Ｓ２）＝（Ｈ，Ｌ）の場合、例えばＶｒｅｆ×３／４を出力する。なお、ここでは、基準電圧Ｖｒｅｆの電圧レベルをＶｒｅｆとしている。また、レベル変換回路５１は、（Ｓ１，Ｓ２）＝（Ｌ，Ｈ）の場合、例えばＶｒｅｆ×２／４を出力し、（Ｓ１，Ｓ２）＝（Ｈ，Ｈ）の場合、例えばＶｒｅｆ×１／４を出力する。

なお、信号Ｓ１，Ｓ２に応じて、異なるレベルの電圧を出力するレベル変換回路５１は、例えば、信号Ｓ１，Ｓ２に応じた分圧比で基準電圧Ｖｒｅｆを分圧する分圧回路や、ＡＤコンバータで実現できる。このため、本実施形態では、上述した“３／４”等の基準電圧Ｖｒｅｆに乗算される係数を予め自由に設定することができる。

コンパレータ５２は、電圧Ｖｒとレベル変換回路５１から出力される電圧Ｖｏのレベルとを比較する。コンパレータ５２は、電圧Ｖｒのレベルが電圧Ｖｏのレベルより高くなると、コイル電流ＩＬの電流値が電流リミット値より高いことを検出し、“Ｈ”レベルの電圧Ｖｃ１を出力する。一方、コンパレータ５２は、電圧Ｖｒのレベルが電圧Ｖｏのレベルより低い場合、コイル電流ＩＬの電流値が電流リミット値より低いことを検出し、“Ｌ”レベルの電圧Ｖｃ１を出力する。

ＡＮＤ回路５３は、マスク回路２３から出力されるマスク電圧Ｖｍと、電圧Ｖｃ１との論理積を演算し、演算結果を示す電圧Ｖａ出力する。したがって、マスク電圧Ｖｍが“Ｌ”レベルの場合、電圧Ｖｃ１のレベルに関わらず電圧Ｖａは “Ｌ”レベルとなる。一方、マスク電圧Ｖｍが“Ｈ”レベルの場合、電圧Ｖａは、電圧Ｖｃ１と同様に変化する。つまり、マスク電圧Ｖｍが“Ｌ”レベルの場合、電圧Ｖｃ１のレベルによらず、電圧Ｖａは“Ｌ”となる。

マスク回路２３（第２制御回路）は、モータ１５を正転、または逆転させるための信号Ｉｎ１，Ｉｎ２が入力されると、“Ｌ”レベルの電圧Ｖｍを所定の時間ＴＡだけ出力し、電圧Ｖｃ１の変化をマスクする。マスク回路２３は、図２に示すように、ＥＯＲ回路６０、パルス発生回路６１、充放電回路６２、コンパレータ６３、及びＳＲフリッププロップ６４を含んで構成される。なお、所定の時間ＴＡは、例えば、モータ１５が起動されてから、回転数が一定となるまでの時間よりも長い時間であることとする。

ＥＯＲ回路６０は、信号Ｉｎ１，Ｉｎ２の排他的論理和を演算して出力する。このため、信号Ｉｎ１，Ｉｎ２の何れか一方が“Ｈ”レベルとなる場合、すなわち、正転、または逆転の指示がマイコン１６から出力される場合に、ＥＯＲ回路６０の出力は“Ｈ”レベルとなる。

パルス発生回路６１は、ＥＯＲ回路６０の出力が“Ｈ”レベルとなると、“Ｈ”レベルとなるパルス信号Ｖｐを出力する。

充放電回路６２（充電回路）は、端子３２を介して接続されたコンデンサ１７を充放電する回路であり、制御回路７０、ＮＭＯＳトランジスタ７１、及び電流源７２を含んで構成される。具体的には、充放電回路６２は、“Ｈ”レベルのパルス信号Ｖｐが出力されると、コンデンサ１７を充電し、コンパレータ６３から出力される電圧Ｖｃ２が“Ｈ”レベルになると、コンデンサ１７を放電する。

制御回路７０は、“Ｈ”レベルのパルス信号Ｖｐが出力されると、ＮＭＯＳトランジスタ７１をオフし、コンパレータ６３から出力される電圧Ｖｃ２が“Ｈ”レベルとなると、ＮＭＯＳトランジスタ７１をオンする。

ＮＭＯＳトランジスタ７１のドレインは、端子３２に接続され、電流源７２からの定電流は、端子３２を介してコンデンサ１７に供給される。このため、ＮＭＯＳトランジスタ７１がオンの場合、コンデンサ１７の充電電圧Ｖｃａｐは、ほぼグランドＧＮＤの電圧となる。一方、ＮＭＯＳトランジスタ７１がオフの場合、コンデンサ１７は定電流で充電されるため、充電電圧Ｖｃａｐは徐々に上昇する。

コンパレータ６３（判定回路）は、充電電圧Ｖｃａｐと、所定の電圧Ｖｂとを比較し、モータ１５が起動されてから所定の時間ＴＡが経過したか否かを検出する。具体的には、充電電圧Ｖｃａｐが電圧Ｖｂより高くなると、コンパレータ６３は、モータ１５が起動されてから所定の時間ＴＡが経過したことを検出し、電圧Ｖｃ２を“Ｈ”レベルとする。なお、電圧Ｖｃ２が“Ｈ”レベルになると、前述のようにＮＭＯＳトランジスタ７１はオンされるため、コンデンサ１７は放電される。

ＳＲフリップフロップ６４（第３制御回路）は、パルス信号Ｖｐが“Ｈ”となると、つまり、モータ１５を正転、または逆転させるための指示が出力されると、Ｑ出力から出力される電圧Ｖｍを“Ｌ”レベルとする。一方、ＳＲフリップフロップ６４は、電圧Ｖｃ２が“Ｈ”レベルとなると、つまり、モータ１５の起動が開始されてから所定の時間ＴＡが経過すると、電圧Ｖｍを“Ｈ”レベルとする。このように、マスク回路２３は、モータ１５を正転、または逆転させるため指示が入力されると、“Ｌ”レベルの電圧Ｖｍを所定の時間ＴＡだけ出力し、電圧Ｖｃ１の変化をマスクする。

＝＝モータ駆動ＩＣ１０の動作＝＝
ここで、図３を参照しつつモータ駆動ＩＣ１０の動作を説明する。なお、ここでは、時刻ｔ０にマイコン１６が、モータ１５を正転させるべく（Ｉｎ１，Ｉｎ２）＝（Ｈ，Ｌ）を出力する。また、レベル変換回路５１は、基準電圧Ｖｒｅｆを電圧Ｖｏとして出力していることとする。また、本実施形態では、例えば、定格電流が起動時のコイル電流ＩＬより十分大きくなるようなモータ駆動ＩＣ１０が用いられることとする。また、本実施形態では、コイル電流ＩＬが定格電流となると、Ｈブリッジ回路のＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ等を、制御回路２１に全てオフさせるための過電流検出回路（不図示）が含まれていることとする。

まず、時刻ｔ０に、（Ｉｎ１，Ｉｎ２）＝（Ｈ，Ｌ）となると、ＰＭＯＳトランジスタ４１Ａ、およびＮＭＯＳトランジスタ４０Ｂはオンされるため、コイル電流ＩＬの供給が開始される。また、パルス信号Ｖｐが“Ｈ”レベルとなるため、コンデンサ１７の充電が開始され充電電圧Ｖｃａｐは上昇する。さらに、ＳＲフリップフロップ６４はリセットされるため、電圧Ｖｍの“Ｌ”レベルは維持される。

コイル電流ＩＬの供給が開始されると、コイル電流ＩＬは増加するため電圧Ｖｒも増加する。そして、例えば、時刻ｔ１となると、電圧Ｖｒは電圧Ｖｒｅｆよりも高くなるため、電流リミットが検出され、“Ｈ”の電圧Ｖｃ１が出力される。しかしながら、時刻ｔ０から所定の時間ＴＡが経過するまで電圧Ｖｃ１はマスクされるため、コイル電流ＩＬは上昇し続ける。

ところで、モータ１５が回転し始めるとモータコイルの逆起電圧は徐々に高くなるため、図３に示すように、コイル電流ＩＬは上昇した後に低下する。そして、例えば、時刻ｔ２となると、電圧Ｖｒは電圧Ｖｒｅｆよりも低くなるため、電圧Ｖｃ１は“Ｌ”レベルとなる。

また、時刻ｔ０から所定の時間ＴＡだけ経過した時刻ｔ３となると、充電電圧Ｖｃａｐは電圧Ｖｂとなるため、電圧Ｖｍは“Ｈ”レベルとなる。つまり、時刻ｔ３となると、電圧Ｖｃ１のマスクは解除される。このため、時刻ｔ３以降に電流リミットが検出されると、制御回路２０は、コイル電流ＩＬの電流値が電流リミット値以下となるようＨブリッジ回路に含まれるＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ等をスイッチングする。

以上、本実施形態のモータ駆動ＩＣ１０について説明した。マスク回路２３は、コイル電流ＩＬの供給が開始されてから所定の時間ＴＡが経過するまでは、電流リミット回路の検出結果に基づいて、制御回路２１がＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ等をスイッチングしないよう制御回路２１を制御する。このため、本実施形態では、定常時における電流リミットを検出するために、例えば図４に示したように基準電圧Ｖｒｅｆを上昇させる必要はない。つまり、マイコン１６は、モータ１５が起動される毎に基準電圧Ｖｒｅｆを高くする必要は無いため、マイコン１６の負荷は軽減される。

また、本実施形態では、電流源７２の電流値やコンデンサ１７の容量値等を自由に定めることができるため、所定の時間ＴＡを変更することが可能である。

一般に、モータ１５が一定の回転数となるまでの時間は、例えばモータ１５の種類等によって変化する。本実施形態ではコンデンサ１７は、端子３２に接続されるいわゆる外付けのコンデンサである。したがって、利用者は、実際に用いるモータ１５に最適な所定の時間ＴＡを設定できる。

また、コンパレータ５２は、電圧Ｖｒと、例えば基準電圧Ｖｒｅｆとの大小に基づいて、コイル電流ＩＬが電流リミット値であるか否かを検出する。電圧Ｖｒは、コイル電流ＩＬと同様に変化する電圧であるため、本実施形態では、精度良く電流リミットの検出を行うことができる。

また、レベル変換回路５１は、信号Ｓ１，Ｓ２に基づいて、基準電圧Ｖｒｅｆのレベルを変換してコンパレータ５２に出力する。このため、本実施形態では、電流リミットの検出レベルを変化させることができる。

なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

モータ１５は、例えばブラシ付き直流モータであるとしたが、ブラシレス直流モータであってもよい。

また、駆動回路２０は、ＮＭＯＳトランジスタ４０Ａ，４０Ｂ、及びＰＭＯＳトランジスタ４１Ａ，４１Ｂを含んで構成されることとしたが、これに限られるものでは無い。例えば、ＰＭＯＳトランジスタ４１Ａ，４１Ｂを、ともにＮＭＯＳトランジスタとしても良い。ただし、そのような場合、電源Ｖｃｃ側に設けられたＮＭＯＳトランジスタをオン、オフする電圧を生成するチャージポンプ回路等の昇圧回路が必要となる。

また、駆動回路２０に含まれるトランジスタは、バイポーラトランジスタ等であっても良い。

１０モータ駆動ＩＣ
１５モータ
１６マイコン
１７コンデンサ
２０駆動回路
２１制御回路
２２電流リミット回路
２３マスク回路
３０〜３６端子
４０Ａ，４０Ｂ，７１ＮＭＯＳトランジスタ
４１Ａ，４１ＢＰＭＯＳトランジスタ
５０抵抗
５１レベル変換回路
５２，６３コンパレータ
５３ＡＮＤ回路
６０ＥＯＲ回路
６１パルス発生回路
６２充放電回路
６４ＳＲフリップフロップ
７０制御回路
７２電流源

Claims

モータコイルの逆起電圧の増加に応じてコイル電流が減少するモータを駆動する駆動回路と、
前記コイル電流の電流値が所定値より大きいか否かを検出する検出回路と、
前記コイル電流の電流値が所定値より大きいことが検出されると、前記コイル電流が前記所定値以下となるよう前記駆動回路を制御する第１制御回路と、
前記コイル電流の供給が開始されてから所定の時間が経過するまでは、前記第１制御回路が前記検出回路の検出結果に基づいて前記駆動回路を制御しないよう、前記第１制御回路を制御する第２制御回路と、
を備え、
前記第２制御回路は、
電流源と、
前記コイル電流の供給が開始されると、前記電流源からの定電流でコンデンサを充電する充電回路と、
前記コンデンサの充電電圧が前記所定の時間に応じた所定電圧となると、前記所定の時間が経過したことを判定する判定回路と、
前記判定回路が前記所定の時間が経過したことを判定すると、前記検出回路の検出結果に基づいて前記第１制御回路を動作させる第３制御回路と、
を含み、
前記検出回路は、
前記コイル電流を電圧に変換する抵抗と、
前記抵抗に発生する電圧と前記所定値に応じた基準電圧との大小に基づいて、前記コイル電流の電流値と前記所定値との大小を比較する比較回路と、
前記所定値を変更するためのデータに基づいて、前記基準電圧のレベルを変更して前記比較回路に出力する電圧出力回路と、
を含み、
前記コンデンサが接続される端子を有する集積回路である
ことを特徴とするモータ駆動回路。