无刷电动机驱动控制电路以及使用该电路的无刷电动机装置

摘要

本发明提供一种不仅能够确保所需的反电动势的S/N比，并且能够抑制高速旋转时无刷电动机效率的下降的无刷电动机驱动控制电路以及使用该电路的无刷电动机装置。具体而言，该无刷电动机驱动控制电路具备：反电动势滤波电路，输入各相定子线圈(L

说明书

技术领域

本发明涉及对具有三相定子线圈的无刷电动机以无传感器(ヤンサしス)方式进行驱动控制的无刷电动机驱动控制电路、以及使用该电路的无刷电动机装置。

背景技术

这种无刷电动机驱动控制电路，在不使用霍尔元件的情况下，由比较器检测出随转子旋转而产生的三相定子线圈的反电动势，并根据该反电动势检测出转子的旋转位置来控制驱动无刷电动机(例如，日本特开平8-149897号公报(专利文献1))。

这里，由于产生在定子线圈上的反电动势的振幅与转子的旋转速度成正比，所以在低速旋转时，与高速旋转时相比反电动势的振幅减小，从而存在反电动势对噪声之比率也就是S/N比减少的倾向。作为其对策，在由比较器检测出反电动势之前通过低通滤波器除去噪声，来确保所需的S/N比以防止反电动势的检测精度下降。另外，该噪声具体来说是在PWM(脉冲宽度调制)驱动无刷电动机的情况下产生的开关噪声(switching noise)等。此外，所谓低速旋转时，除恒定低速旋转外，还包括转子的旋转起动时和旋转停止过渡时。

专利文献1：日本特开平8-149879号公报

这样，在现有的无刷电动机驱动控制电路中，通过附加低通滤波器能够确保所需的S/N比。但是，另一方面，由于该低通滤波器所具有的时间常数，而使与转子的旋转位置对应的反电动势向比较器的输入滞后。其结果，无刷电动机驱动控制电路的输出定时按照延迟时间从用于使转子有效地旋转的定时偏离，从而效率下降。尤其，在高速旋转时，由于对应于该反电动势的延迟时间的电角度变大，由此无刷电动机的效率进一步降低，极端的情况下还存在转子停止之虞。

发明内容

本发明是鉴于上述事由而提出的，其目的在于提供一种不仅能够确保所需的反电动势的S/N比，并且能够抑制高速旋转时无刷电动机效率的下降的无刷电动机驱动控制电路以及使用该电路的无刷电动机装置。

为了达到上述目的，本发明涉及的无刷电动机驱动控制电路，是对通过在一端与共同中性点连接的三相定子线圈中流动驱动电流来使转子旋转的无刷电动机介由电动机驱动器进行驱动控制的无刷电动机驱动控制电路，所述无刷电动机驱动控制电路具备：至少一个反电动势滤波电路，其输入中性点电压和各相的定子线圈的另一端上所感应的反电动势，根据转子的旋转速度至少切换第一和第二时间常数，让对应于该时间常数的低频成分通过；至少一个反电动势检测比较器，其对通过反电动势滤波电路的反电动势和中性点电压进行比较，并输出作为其大小结果的反电动势极性信号；和电动机驱动器控制电路，其根据反电动势极性信号，进行反电动势滤波电路的所述时间常数的切换控制和所述电动机驱动器的控制。

作为优选，其特征在于，在无刷电动机驱动控制电路中，所述反电动势滤波电路是分别并行输入三相反电动势的三个反电动势滤波电路，所述反电动势检测比较器是将通过三个反电动势滤波电路的三相反电动势分别并行输入的三个反电动势检测比较器。

作为优选，其特征在于，在无刷电动机驱动控制电路中，还具备输入三相反电动势并且将其进行时间分割而输出的反电动势多路复用器，所述反电动势滤波电路是将所述反电动势多路复用器的输出电压作为三相的反电动势进行输入的一个反电动势滤波电路，所述反电动势检测比较器是输入通过该反电动势滤波电路的反电动势的一个反电动势检测比较器。

本发明涉及的无刷电动机装置，具备：无刷电动机；驱动无刷电动机的电动机驱动器；和无刷电动机驱动控制电路，其对通过在一端与共同中性点连接的三相定子线圈中流动驱动电流来使转子旋转的无刷电动机介由电动机驱动器进行驱动控制。所述无刷电动机驱动控制电路，其特征在于，包括：至少一个反电动势滤波电路，其输入中性点电压和各相的定子线圈的另一端上所感应的反电动势，根据转子的旋转速度至少切换第一和第二时间常数，让对应于该时间常数的低频成分通过；至少一个反电动势检测比较器，其对通过反电动势滤波电路的反电动势和中性点电压进行比较，并输出作为其大小结果的反电动势极性信号；和电动机驱动器控制电路，其根据反电动势极性信号，进行反电动势滤波电路的时间常数的切换控制和电动机驱动器的控制。

(发明效果)

本发明的无刷电动机驱动控制电路以及使用该电路的无刷电动机装置，具备根据转子的旋转速度至少切换第一和第二时间常数以使对应于该时间常数的低频成分通过的反电动势滤波电路，因此，能够在低速旋转时通过使时间常数变大来提高噪声除去效果以确保所需的反电动势的S/N比，在高速旋转时减小由反电动势滤波电路产生的反电动势的滞后以抑制无刷电动机的效率的下降。

附图说明

图1是说明基于本发明的实施方式的无刷电动机驱动电路以及使用该电路的无刷电动机装置的图。

图2是说明基于本发明的实施方式的无刷电动机4的驱动定时的控制动作的波形图。

图3是基于本申请发明的另一实施方式的无刷电动机驱动控制电路以及使用该电路的无刷电动机装置的电路结构图。

图4是说明基于本发明的另一实施方式的无刷电动机4的驱动定时的控制动作的波形图。

符号说明：1、2-无刷电动机装置；4-无刷电动机；5-电动机驱动器；6、7-无刷电动机驱动控制电路；15a、15b-电动机驱动器控制电路；16_U、16_V、16_W、16-反电动势滤波电路、17_U、17_V、17_W、17-反电动势检测比较器。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。另外，在图中对同一或相当的部分赋予同一符号，并且不重复其说明。

以下，说明作为用于实施本申请发明的最佳方式的无刷电动机驱动控制电路以及使用该电路的无刷电动机装置。

图1是说明基于本发明的实施方式的无刷电动机驱动电路以及使用该电路的无刷电动机装置的图。

参照图1，如图1所示那样，基于本发明的实施方式的无刷电动机装置1具备：无刷电动机4、驱动无刷电动机4的电动机驱动器5、和控制电动机驱动器5的无刷电动机驱动控制电路6。

无刷电动机4由下述部分构成：转子R_O，由在圆周方向配设N极和S极的永磁铁构成；和三相也就是U相、V相、W相的定子线圈L_U、L_V、L_W，通过使电流(驱动电流)流动来控制转子R_O的旋转。定子线圈L_U、L_V、L_W以Y接法方式一端与共同的中性点连接。该中性点电压经由中性点端子N输出到无刷电动机驱动控制电路6。另外，对定子线圈L_U、L_V、L_W的另一端经由U、V、W端子分别输入电动机驱动器5的输出信号。并且，定子线圈L_U、L_V、L_W的另一端的反电动势输出到无刷电动机驱动控制电路6。

电动机驱动器5，由作为P型MOS晶体管的三个电源侧输出晶体管T_UU、T_VU、T_WU以及作为N型MOS晶体管的三个接地侧输出晶体管T_UL、T_VL、T_WL构成。

电源侧输出晶体管T_UU、T_VU、T_WU的各漏极与接地侧输出晶体管T_UL、T_VL、T_WL的各漏极，不仅分别相互连接，并且与无刷电动机4的端子U、V、W连接。

电源侧输出晶体管T_UU、T_VU、T_WU的各源极与无刷电动机驱动用电源V_M连接，接地侧晶体管T_UL、T_VL、T_WL的源极经由后述的电源检测电阻12与接地电位连接。

在无刷电动机驱动控制电路6中，作为定子线圈L_U、L_V、L_W的一端的中性点电压经由中性点端子N分别被并行输入，并且定子线圈L_U、L_V、L_W的另一端上所感应的三相反电动势经由端子U、V、W分别被并行输入。

再有，无刷电动机驱动控制电路6包括：三个反电动势滤波电路16_U、16_V、16_W，根据转子R_O的旋转速度来切换第一和第二时间常数以使对应于该时间常数的低频成分通过；三个反电动势检测比较器17_U、17_V、17_W，将通过反电动势滤波电路16_U、16_V、16_W的反电动势并行输入，并且将各自与中性点电压进行比较而输出作为其大小结果的反电动势极性信号P_U、P_V、P_W；和电动机驱动器控制电路15a，其根据反电动势极性信号P_U、P_V、P_W对电动机驱动器5进行控制。

无刷电动机驱动控制电路6，还包括：反相放大器11，其对来自电压输入端子SPIN的速度指令用输入电压进行反相放大，并输出旋转速度控制电压；上述电流检测电阻12，其将从电动机驱动器5流入的无刷电动机4的驱动电流变换为电压；旋转速度控制比较器13，其对该电压与旋转速度控制电压进行比较而输出其大小结果；和双稳态多谐振荡(flip flop)电路(FF)14，其通过从PWM基准时钟输入端子PCLK输入到置位(set)输入端S的PWM基准时钟(例如频率167kHz)的上升沿(leading edge)被置位，在电流检测电阻12的电压与旋转速度控制电压一致时，通过输入到复位(reset)输入端R的旋转速度控制比较器13的输出信号被复位，将PWM信号从输出端Q向电动机驱动器控制电路15a输出。

具体而言，反电动势滤波电路16_U由下述元件构成：电阻21_U(例如电阻值10kΩ)，其一端与中性点端子N连接而另一端与比较器17_U的一个输入端连接；电阻22_U(例如电阻值10kΩ)，其一端与U相端子U进行连接而另一端与比较器17_U的另一个输入端连接；电容器23_U(例如电容值80pF)，其两端与比较器17_U的两个输入端连接；和电容器26_U(例如电容值1000pF)，其两端经由开关24_U和25_U与比较器17_U的两个输入端连接。

在规定旋转速度(例如3000rpm)以下的低速旋转时，开关24_U、25_U接通而在电容器23_U的电容上附加电容器26_U的电容。此时，由电阻21_U及22_U的电阻值和电容器23_U及26_U的电容值决定的较大的时间常数作为第一时间常数。在超过规定旋转速度的高速旋转时，开关24_U、25_U断开而仅为电容器23_U的电容。此时，由电阻21_U及22_U的电阻值和电容器23_U的电容值决定的较小的时间常数作为第二时间常数。

上述的开关24_U、25_U的开闭动作如后述那样由电动机驱动器控制电路15a控制。反电动势滤波电路16_V、16_W实质上也与反电动势滤波电路16_U相同。

此外，电动机驱动器控制电路15a，根据反电动势极性信号P_U、P_V、P_W所示的转子R_O的旋转位置信息推导出控制电动机驱动器5的定时。并且，通过对由系统时钟输入端子SyCLK输入的系统时钟(例如频率1MHz)进行计数来求得这些周期，并根据对应于该周期的旋转速度在规定旋转速度的哪一侧，来进行上述开关24_U、25_U等的开闭控制。

此外，电动机驱动器控制电路15a，输出针对电动机驱动器5的三个电源侧输出晶体管T_UU、T_VU、T_WU使由上述控制定时选择的晶体管导通的信号。此外，电动机驱动器控制电路15a，输出从双稳态多谐振荡电路14输入的PWM信号到针对三个接地侧输出晶体管T_UL、T_VL、T_WL由上述定时选择的晶体管中。

接下来，说明无刷电动机4的旋转速度的控制动作。

PWM信号与来自PWM基准时钟输入端子PCLK的PWM基准时钟的上升沿同步而成为导通期间，由此在电流检测电阻12中流动无刷电动机4的驱动电流。该电流增大直到电流检测电阻12上所产生的电压与作为反相放大器11的输出的旋转速度控制电压一致为止，并且在相互一致时PWM信号的导通期间结束。这样，通过使电压输入端子SPIN的电压改变来改变无刷电动机4的驱动电流，由此控制旋转速度。

接下来，根据图2所示的波形图来说明基于本发明的实施方式的无刷电动机4的驱动定时的控制动作。

图2(a)、(b)、(c)是无刷电动机中的端子U、V、W的电压波形图(电动机驱动器5的输出电压和反电动势的合成电压波形)。此外，图2(d)、(c)、(f)是端子U、V、W的反电动势波形图。图2(g)、(h)、(i)分别表示反电动势极性信号P_U、P_V、P_W的波形。

图2(a)、(b)、(c)中为了参照同时表示中性点电压的波形。图2(d)、(c)、(f)的反电动势波形，如图2(a)、(b)、(c)那样在各个端子U、V、W变为高阻抗状态时，出现在该端子上。换而言之，在由电动机驱动器5施加有电压时，反电动势隐藏在该施加电压中而在端子U、V、W上不出现反电动势波形。

此外，出现在端子U、V、W上的反电动势与中性点端子N的中性点电压相交叉的时刻，就是转子R_O中的S极和N极的边界(极性的切换)到达各定子线圈L_U、L_V、L_W的位置的时刻。反电动势检测比较器17_U、17_V、17_W检测出该极性的切换，如图2(g)、(h)、(i)所示，作为这些输出的反电动势极性信号P_U、P_V、P_W从高电平变换为低电平、或者从低电平变换为高电平。

以下，进一步详细说明图2(a)、(b)、(c)。

将转子R_O的周期划分为分别相当于电角度60°的t_A、t_B、t_C、t_D、t_E、t_F的期间进行说明。

在期间t_A中，选择U相的电源侧输出晶体管T_UU和V相的接地侧输出晶体管T_VL，电流从U相的定子线圈L_U向V相的定子线圈L_V流动。此时，中性点的端子N上出现缓慢下降的中性点电压。此外，高阻抗状态的W相端子W上出现由定子线圈L_W感应的以较大的斜率下降的反电动势。

在期间t_B中，选择U相的电源侧输出晶体管T_UU和W相的接地侧输出晶体管T_WL，电流从U相的定子线圈L_U向W相的定子线圈L_W流动。此时，中性点的端子N上出现缓慢上升的中性点电压。此外，高阻抗状态的V相端子V上出现由定子线圈L_V感应的以较大的斜率上升的反电动势。

在期间t_C中，选择V相的电源侧输出晶体管T_VU和W相的接地侧输出晶体管T_WL，电流从V相的定子线圈L_V向W相的定子线圈L_W流动。此时，中性点的端子N上出现缓慢下降的中性点电压。此外，高阻抗状态的U相端子U上出现由定子线圈L_U感应的以较大的斜率下降的反电动势。

在期间t_D中，选择V相的电源侧输出晶体管T_VU和U相的接地侧输出晶体管T_UL，电流从V相的定子线圈L_V向U相的定子线圈L_U流动。此时，中性点的端子N上出现缓慢上升的中性点电压。此外，高阻抗状态的W相端子W上出现由定子线圈L_W感应的以较大的斜率上升的反电动势。

在期间t_E中，选择W相的电源侧输出晶体管T_WU和U相的接地侧输出晶体管T_UL，电流从W相的定子线圈L_W向U相的定子线圈L_U流动。此时，中性点的端子N上出现缓慢下降的中性点电压。此外，高阻抗状态的V相端子V上出现由定子线圈L_V感应的以较大的斜率下降的反电动势。

在期间t_F中，选择W相的电源侧输出晶体管T_WU和V相的接地侧输出晶体管T_VL，电流从W相的定子线圈L_W向V相的定子线圈L_V流动。此时，中性点的端子N上出现缓慢上升的中性点电压。此外，高阻抗状态的U相端子U上出现由定子线圈L_U感应的以较大的斜率上升的反电动势。

这样，反电动势在每个电角度60°的期间中顺次出现在端子U、V、W上，通过检测该反电动势与中性点电压的交叉来检测出转子R_O的旋转位置。这里，端子U、V、W的电压，在输入到反电动势检测比较器17_U、17_V、17_W之前，输入到反电动势滤波电路16_U、16_V、16_W中来除去噪声以防止反电动势的检测精度降低。

在反电动势的振幅变小的低速旋转的情况下，开关24_U、25_U等接通以变为较大时间常数，由此截止频率降低以提高噪声除去效果。这样，虽然在低速旋转时反电动势的振幅变小，但是确保了所需的S/N比。此外，在反电动势的振幅较大的高速旋转时，开关24_U、25_U等断开以变为较小时间常数，由此截止频率增高以降低噪声除去效果。

但是，由于反电动势的振幅较大而与低速旋转的情况相比S/N比就没有下降，并且由于时间常数较小而由此产生的反电动势的滞后变少，由此能够抑制无刷电动机装置1的效率的下降。

接下来，对于作为用于实施本申请发明的另一方式的无刷电动机驱动控制电路以及使用该电路的无刷电动机装置进行说明。

图3是基于本申请发明的另一实施方式的无刷电动机驱动控制电路以及使用该电路的无刷电动机装置的电路结构图。

参照图3，基于本发明的另一实施方式的无刷电动机装置2，如图3所示，具备无刷电动机驱动控制电路7来代替无刷电动机1中的无刷电动机驱动控制电路6。该无刷电动机驱动控制电路7包括：无刷电动机驱动控制电路6中的三个反电动势滤波电路16_U、16_V、16_W；三个反电动势检测比较器17_U、17_V、17_W；和代替电动机驱动器控制电路15a的反电动势多路复用器(MPX)18；一个反电动势滤波电路16；1个反电动势检测比较器17；和电动机驱动器控制电路15b。反电动势滤波电路16采用与反电动势滤波电路16_U等同样的结构。

接下来，根据图4所示的波形图，对于基于本发明的另一实施方式的无刷电动机4的驱动定时的控制动作进行说明。

如图4(d)所示，反电动势多路复用器18，输入图4的(a)、(b)、(c)所示的端子U、V、W的电压，对在这些端子上顺次出现的反电动势的部分进行时间分割而输出电压M_U。另外，在图4(d)中为了参照也将中性点电压进行表示。

反电动势滤波电路16，输入在反电动势多路复用器18的输出电压M_U中所包括的三相反电动势，并且如上所述那样按照低速旋转时和高速旋转时来除去噪声。

如图4(c)所示，反电动势检测比较器17，对通过反电动势滤波电路16的反电动势与中性点电压进行比较，并输出作为其大小结果的反电动势极性信号P_MU。

电动机驱动控制电路15b，从反电动势极性信号P_MU所示的转子R_O的旋转位置信息中推导出控制电动机驱动器5的定时并对其进行控制，并且推导出控制反电动势多路复用器18的定时并对其进行控制。此外，根据对应于反电动势极性信号P_MU周期的旋转速度，进行反电动势滤波电路16的开关24、25的开闭控制。

这样，无刷电动机驱动控制电路7可具有与无刷电动机驱动控制电路6同样的优点。进一步，由于能够减少反电动势滤波电路和反电动势检测比较器的数目，所以能够降低成本。

另外，反电动势滤波电路16_U、16_V、16_W(或者16)，根据转子R_O的旋转速度来切换第一和第二时间常数，但是可以还根据旋转速度来切换第一、第二、第三或者更多的时间常数。

此外，本发明，对如上述的无刷电动机驱动控制电路6和7那样的PWM驱动无刷电动机4即由此噪声变大的电路尤其有效，但也可以用于噪声比PWM驱动小的线性驱动的无刷电动机驱动控制电路等。

以上，对作为本发明的实施方式的无刷电动机驱动控制电路以及使用该电路的无刷电动机装置进行了说明，但是本发明并不限定于此，在权利要求的范围所记载的事项的范围内可以进行各种设计变更。例如，电动机驱动器控制电路15a(或者15b)，虽然对电动机驱动器5的接地侧输出晶体管T_UL、T_VL、T_WL输出P_WM信号来控制驱动电流，但相反地也可对电源侧输出晶体管T_UU、T_VU、T_WU输出P_WM信号来控制驱动电流。此外，反电动势滤波电路为了具有第一和第二时间常数也当然可以采用各种元件结构。

应当认为，这次所公开的实施方式在所有方面上作为例示而并不限定本发明。本发明的范围并非上述的说明而由权利要求的范围表示，意味着包括与权利要求的范围均等的意思和范围内的所有变更。