JP2014502139A - ブラシレスｄｃモーターを整流するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

システム（２００）が概して集積回路（ＩＣ）（２０２）及びモーター（２０４）を有する。回路（２０２）は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）（２０６）、コントローラ（２０８）、プリドライバ（２１０）、位相（コンパレータ２１２）、ドライバ（２１４）、検知回路（２１６）、及びアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）（２１８）を含む。オペレーションにおいて、ＩＣ（２０２）は、モーター（２０４）（これは任意の数の位相を備えたセンサレスのブラシレスＤＣモーターであり得る）を駆動するためモーター（２０４）のための印加された電圧及び印加された（又はコイル）電流を生成する。印加された電圧の位相及び周波数は、印加された電圧の位相と逆起電力（バックＥＭＦ）電圧の位相との間の所定の位相差を実質的に維持するため、コイル電流の検知された位相に少なくとも部分的に基づいて調節される。

Description

本発明は、概してモーター制御に関し、更に特定して言えば、センサレスのブラシレス直流（ＤＣ）モーターを整流することに関連する。

多位相モーターシステムにおいて、モーターにより誘導されるトルクは各位相からの個別のトルクの和である。個別のトルクは、コイル電流及び逆起電力電圧又はバックＥＭＦ電圧の積であり、下記のように表すことができる。
（１） Ｎ∝Ｖ_ＥＭＦＩ
ここで、Ｎはトルクであり、Ｉは電流であり、Ｖ_ＥＭＦは逆起電力電圧である。高品質３位相ブラシレスＤＣモーター（例えば）は正弦逆起電力電圧を生成し、これは速度及びロータ位置の関数である。３つの位相の各端子が、下記に図示するように、１２０度で分離される正弦波を生成する。
（２） Ｖ_ＥＭＦＡ（ｔ）＝ｓｉｎ（ｗｔ）
（３） Ｉ_Ａ（ｔ）＝ｓｉｎ（ｗｔ）
（４） Ｖ_ＥＭＦＢ（ｔ）＝ｓｉｎ（ｗｔ＋１２０°）
（５） Ｉ_B（ｔ）＝ｓｉｎ（ｗｔ＋１２０°）
（６） Ｖ_ＥＭＦＣ（ｔ）＝ｓｉｎ（ｗｔ−１２０°）
（７） Ｉ_C（ｔ）＝ｓｉｎ（ｗｔ−１２０°）
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などの高度なモーター制御システムでは、コントローラも、概して一定のトルクをモーターに搬送するため位相の各々において正弦電流となるモーターにわたり正弦電圧を適用する。各位相により誘導されるトルクは次のとおりである。
これにより総トルクは下記となる。
そのため、示されるように、モーターにより誘導される総トルクは概して一定である。

センサレスのブラシレスＤＣモーターでは、従来のコントローラは大抵、モーターが概して一定の回転速度で動作しているときモーターを整流するためにモーターにより生成されるバックＥＭＦ電圧を用いる。例えば、３位相ＤＣモーターにおいて、位相の２つがエンゲージされ、第３の位相が高インピーダンス状態にある。コントローラ内の整流論理は、逆起電力電圧のゼロ交差時間を測定するために第３の位相を用いるが、このウィンドウ（ここで、逆起電力電圧が測定される）において、コントローラは、電流波形の不連続性を導入する（これは、同時にロータに印加されたトルクにおける外乱を導入する）。トルクにおけるこの外乱（これは上記で示すように、概して一定となるはずである）はその後、音響性能を劣化させ得、可聴ハムをつくる。

図１に移ると、従来のコントローラ（これは、ウィンドウ内で逆起電力を測定する）を用いるシステムの性能の一例を見ることができる。図示するように、逆起電力電圧のためのゼロ交差をパルスとして見ることができるが、逆起電力電圧は図示しない。逆起電力電圧測定のためのウィンドウは、各ゼロ交差近くで生じ、次のゼロ交差の判定を可能にする。従って、このウィンドウは電流波形に不連続性を（図示するように）つくり、これがＤＣモーター及び可聴ハムのロータにおける加速及び減速をつくる。

従って、改善された音響性能を備えた、センサレスのブラシレスＤＣモーターを制御するための方法及び／又は装置が求められている。

従来の方法及び／又はシステムの幾つかの例は下記文献に記載されている。
米国特許番号第６１２４６８９号 米国特許番号第７４１２３３９号 米国特許番号第７８３４５６５号 米国特許公開番号２００７／００１８５９８ 米国特許公開番号２０１０／０２７０９５６ Liu et al., "Commutation-Torque-Ripple Minimization inDirect-Torque-Controlled PM Brushless DC Drives," IEEE Trans, on IndustryApplications, Vol. 43, No. 4, July/August 2007, pp. 1012-1021 Soh et al, "Sensorless Optimal Sinusoidal Brushless DirectCurrent for Hard Disk Drives," J. of Applied Physics, Vol. 105, No. 7, Apr2009 Ahfock et al., "Sensorless Commutation of Printed circuitBrushless Direct Current Motors," IET Electric Power Applications, Vol. 4,No. 6, pp. 397-406

記載される例示の実施例は或る方法を提供し、この方法は、ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのコイル電流の位相を検知する工程、及び印加された電圧の位相と逆起電力（バックＥＭＦ）電圧の位相との間の所定の位相差を実質的に維持するためコイル電流の位相に少なくとも部分的に基づいてブラシレスＤＣモーターに対する印加された電圧の位相及び周波数を調節する工程を含む。

説明される例示の方法は、整流クロック信号を生成する工程を更に含み得る。説明される方法は、整流クロック信号でブラシレスＤＣモーターを駆動するように印加された電圧を生成する工程を更に含み得る。検知する工程は、コイル電流を検知する工程、コイル電流をデジタル化する工程、及びデジタル化されたコイル電流からコイル電流の位相を判定する工程を含み得る。調節する工程は位相ロックループ（ＰＬＬ）により実行され得る。調節する工程は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いて、デジタル化されたコイル電流に少なくとも部分的に基づいて印加された電圧の位相及び周波数に対する調節を計算する工程、及びこの調節を整流クロック信号に適用する工程を更に含み得る。

記載される例示の実施例が更に或る装置を提供し、この装置が、ブラシレスＤＣモーターを駆動する駆動回路、ブラシレスＤＣモーターに対するコイル電流を測定するように駆動回路に結合される検知回路、及び検知回路及び駆動回路に結合される制御回路を含む。制御回路はコイル電流の位相を判定し、制御回路は、印加された電圧の位相と逆起電力電圧の位相との間の所定の位相差を実質的に維持するため、ブラシレスＤＣモーターに対する印加された電圧の位相及び周波数を調節する。

記載される例示の装置において、検知回路は更に検知電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含み得る。記載される装置において制御回路は、デジタル化されたコイル電流を生成するように検知回路に結合されるアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）、そこに組み込まれるコンピュータプログラムを備えたメモリを有するＤＳＰであって、前記ＤＳＰが前記ＡＤＣに結合され、前記デジタル化されたコイル電流に少なくとも部分的に基づいて前記印加された電圧の前記位相及び周波数に対する調節を計算する、前記ＤＳＰ、及び前記ＤＳＰと駆動回路との間に結合されるコントローラを含み得る。コントローラは、整流クロック信号を生成し、前記調節を前記整流クロック信号に適用する。駆動回路は、整流クロック信号に少なくとも部分的に基づいて前記印加された電圧を生成する。駆動回路は、前記整流クロック信号を受け取るように前記コントローラに結合されるプリドライバ、及び前記プリドライバ及び前記検知回路に結合されるドライバを更に含み得る。このコントローラは位相ロックループ（ＰＬＬ）を含み得る。この装置は、ＤＣブラシレスモーターを含み得、これは、ドライバに結合される。

別の例示実施例の装置が、ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのコイル電流の位相を検知するための手段、及び印加された電圧の位相と逆起電力電圧の位相との間の所定の位相差を実質的に維持するため、前記コイル電流の前記位相に少なくとも部分的に基づいて前記ブラシレスＤＣモーターに対する前記印加された電圧の前記位相及び周波数を調節するための手段を含む。この装置は、クロック信号を整流するための手段を更に含み得る。この装置は、前記ブラシレスＤＣモーターを整流クロック信号で駆動するように前記印加された電圧を生成するための手段を更に含み得る。検知するための手段は、コイル電流を検知するための手段、コイル電流をデジタル化するための手段、及びデジタル化されたコイル電流からコイル電流の位相を判定するための手段を含み得る。調節するための手段はＰＬＬを含み得る。幾つかの実施例において、調節するための手段は、デジタル化されたコイル電流に少なくとも部分的に基づいて印加された電圧の位相及び周波数に対する調節を計算するための手段、及びこの調節を整流クロック信号に適用するための手段を更に含み得る。計算するための手段は更に、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を含み得る。

例示の実施例を添付の図面を参照して説明する。

図１は、センサレスのブラシレスＤＣモーターのための従来のコントローラのための電流及び電圧波形を示すグラフである。

図２は、本発明の好ましい一実施例に従ったシステムの一例である。

図３は、３位相ＤＣモーターのための図２のシステムのオペレーションの例を図示する。 図４は、３位相ＤＣモーターのための図２のシステムのオペレーションの例を図示する。

図２は、例示の一実施例に従ったシステム２００を図示する。システム２００は概して、集積回路（ＩＣ）２０２及びモーター２０４を含む。回路２０２は概して、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）２０６（これは典型的にそこに組み込まれるコンピュータプログラムを備えたメモリを含む）、コントローラ２０８、プリドライバ２１０、位相コンパレータ２１２、ドライバ２１４、検知回路２１６、及びアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２１８を含む。オペレーションにおいて、ＩＣ２０２は、モーター２０４（これは任意の数の位相を備えたセンサレスのブラシレスＤＣモーターであり得る）を駆動するためモーター２０４に対する印加された電圧及び印加された（又はコイル）電流を生成する。概して、モーター２０４に対する印加された電流又はコイル電流は下記のように表すことができる。

ここで、Ｚ_{ＭＯＴＯＲ}はモーター２０４のインピーダンスであり、Ｖ_{ＡＰＰＬＩＥＤ}は印加された電圧であり、Ｖ_ＥＭＦは逆起電力電圧であり、φ_１、φ_２、及びφ_３は位相情報である。数式（１２）が調節される場合、逆起電力電圧は、印加された電圧及び電流として次のように表現することができる。
（１３） Ｖ_ＥＭＦ（ωｔ＋φ_２）＝Ｖ_{ＡＰＰＬＩＥＤ}（ωｔ＋φ_１）−Ｉ（ωｔ＋φ_３）・Ｚ_{ＭＯＴＯＲ}
これにより、測定されたコイル電流及び印加された電圧から逆起電力電圧の計算が可能となる。

モーター２０４が概して一定速度で動作しているとき逆起電力測定ウィンドウを用いることなくモーター２０４を制御するため、ＩＣ２０２は、回転速度及び位相情報を計算しそれに応じて調節が成されるようにする。モーター２０４の回転速度は概して一定である（ＨＤＤ用途では「実行速度」としても知られている）ため、ＤＳＰ２０４及びコントローラ２０８（これは、状態機械及び位相ロックループ又はＰＬＬを含み得る）は回転速度を容易に判定し得る。システム２００が動作しているため、検知回路２１６（これは、検知ＦＥＴを含み得る）は、印加された又はコイル電流を測定することができ、これは、ＡＤＣ２１８によりデジタル化され得る。位相コンパレータ２１２は印加された電圧の位相も判定する。ＤＳＰ２０４はその後、コイル電流の位相を計算し得、位相コンパレータ２１２及び検知回路２１６からの測定値に少なくとも部分的に基づいて印加された電圧に対する調節を計算し得る。好ましくは、ＤＳＰ２０４は、印加された電圧の位相と逆起電力電圧の位相との間の所定の差（これはＤＳＰ２０６に予めプログラムされ得る）を実質的に維持するように、印加された電圧の位相及び周波数の調節を決定する。この調節はコントローラ２０８により発せられる整流クロック信号を介して印加される。整流クロック信号はその後、プリドライバ２１０及びドライバ２１４によりモーター２０４に対する印加された電圧（及び印加された又はコイル電流）に変換され得る。

図３及び図４は、システム２００のオペレーションの一例を図示する。図３において、３つの位相（実線、破線、及び点線）に対する印加された電圧を、６つの整流状態（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆと記す）に対して見ることができる。印加された電圧の各々は概して正弦であり、整流状態の各々に対して位相の一つがゼロ交差する。同様に、任意の所与の整流状態インタバルにおいて３つの位相のコイル電流の一つがゼロ交差する。モーター２０４は概して一定の回転速度（即ち、実行速度）で動作しており、回転速度が容易に計算され得るため、ＩＣ２０２は概して、（図４に図示するような）印加された電圧及びコイル電流間の位相差が概して維持されること確実にすることができる。言い換えると、（図４に図示するような）整流クロック信号は、整流クロック信号が印加された電圧及びコイル電流のゼロ交差辺りに集中するように調節される。

本発明に関連する技術に習熟した者であれば、説明した例示の実施例に変形が成され得ること、及び本発明の特許請求の範囲内で他の実施例を実装し得ることが分かるであろう。

Claims (19)

1. 方法であって、
   ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのコイル電流の位相を検知する工程、及び
   印加された電圧の位相と逆起電力（バックＥＭＦ）電圧の位相との間の所定の位相差を実質的に維持するように、前記コイル電流の前記位相に少なくとも部分的に基づいて前記ブラシレスＤＣモーターに対する前記印加された電圧の前記位相及び周波数を調節する工程、
   を含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記方法が整流クロック信号を生成する工程を更に含む、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記方法が、整流クロック信号で前記ブラシレスＤＣモーターを駆動するように前記印加された電圧を生成する工程を更に含む、方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、前記検知する工程が、
   前記コイル電流を検知する工程、
   前記コイル電流をデジタル化する工程、及び
   前記デジタル化されたコイル電流から前記コイル電流の前記位相を判定する工程、
   を更に含む、方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、前記調節する工程が位相ロックループ（ＰＬＬ）によって実行される、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記調節する工程が、
   デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いて、前記デジタル化されたコイル電流に少なくとも部分的に基づいて前記印加された電圧の前記位相及び周波数に対する調節を計算する工程、及び
   前記調節を前記整流クロック信号に適用する工程、
   を更に含む、方法。
7. 装置であって、
   ブラシレスＤＣモーターを駆動する駆動回路、
   前記ブラシレスＤＣモーターに対するコイル電流を測定するように前記駆動回路に結合される検知回路、及び
   前記検知回路及び前記駆動回路に結合される制御回路、
   を含み、
   前記制御回路が前記コイル電流の位相を判定し、前記制御回路が、印加された電圧の位相と逆起電力電圧の位相との間の所定の位相差を実質的に維持するため、前記ブラシレスＤＣモーターに対する前記印加された電圧の前記位相及び周波数を調節する、装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、前記検知回路が検知ＦＥＴを更に含む、装置。
9. 請求項８に記載の装置であって、前記制御回路が、
   デジタル化されたコイル電流を生成するように前記検知回路に結合されるアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）、
   そこに組み込まれるコンピュータプログラムを備えたメモリを有するＤＳＰであって、前記ＤＳＰが前記ＡＤＣに結合され、前記デジタル化されたコイル電流に少なくとも部分的に基づいて前記印加された電圧の前記位相及び周波数に対する調節を計算する、前記ＤＳＰ、及び
   前記ＤＳＰと駆動回路との間に結合されるコントローラであって、前記コントローラが前記駆動回路に対する整流クロック信号を生成し、前記コントローラが前記調節を前記整流クロック信号に適用し、前記駆動回路が、前記整流クロック信号に少なくとも部分的に基づいて前記印加された電圧を生成する、前記コントローラ、
   を更に含む、装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、前記駆動回路が、
    前記整流クロック信号を受け取るように前記コントローラに結合される
    プリドライバ、及び
    前記プリドライバ及び前記検知回路に結合されるドライバ、
    を更に含む、装置。
11. 請求項１０に記載の装置であって、前記コントローラが位相ロックループ（ＰＬＬ）を更に含む、装置。
12. 請求項１１に記載の装置であって、前記ドライバに結合される前記ＤＣブラシレスモーターを更に含む、装置。
13. 装置であって、
    ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのコイル電流の位相を検知するための手段、及び
    印加された電圧の位相と逆起電力電圧の位相との間の所定の位相差を実質的に維持するため、前記コイル電流の前記位相に少なくとも部分的に基づいて前記ブラシレスＤＣモーターに対する前記印加された電圧の前記位相及び周波数を調節するための手段、
    を含む、装置。
14. 請求項１３に記載の装置であって、整流クロック信号を生成するための手段を更に含む、装置。
15. 請求項１４に記載の装置であって、前記ブラシレスＤＣモーターを整流クロック信号で駆動するように前記印加された電圧を生成するための手段を更に含む、装置。
16. 請求項１５に記載の装置であって、前記を検知するための手段が、
    前記コイル電流を検知するための手段、
    前記コイル電流をデジタル化するための手段、及び
    前記デジタル化されたコイル電流から前記コイル電流の前記位相を判定するための手段、
    を更に含む、装置。
17. 請求項１６に記載の装置であって、前記調節するための手段がＰＬＬを更に含む、装置。
18. 請求項１７に記載の装置であって、前記調節するための手段が、
    前記デジタル化されたコイル電流に少なくとも部分的に基づいて前記印加された電圧の前記位相及び周波数に対する調節を計算するための手段、及び
    前記調節を前記整流クロック信号に適用するための手段、
    を更に含む、装置。
19. 請求項１８に記載の装置であって、前記計算するための手段がデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を更に含む、装置。