单相无刷电动机的驱动电路技术领域
本发明涉及一种单相无刷电动机的驱动电路。
背景技术
直流电动机中的无刷电动机由于不使用电刷、换向器,所
以具有寿命长等优点。另外,例如通过设为专利文献1所公开的
单相无刷电动机,只要一个霍尔元件等位置检测元件即可,驱
动电路也只要1相的电路就足够,所以能够实现低成本、小型化
等。
另一方面,在普通的单相无刷电动机中,存在即使开始向
驱动线圈供给驱动电流、转子(rotor)也不旋转的被称为死(锁)
点的停止位置。因此,在专利文献1的单相无刷电动机中,采取
措施使得在永磁铁的中心与驱动线圈的中心错开的位置处停止
以避免死点。并且,还公开了一种驱动控制电路,其施加用于
产生与在驱动线圈中产生的感应电压(反电动势)相反方向的电
流的电压,来实现效率的提高、振动和噪音的降低等。
由此,通过采取死点措施,或者使用降低振动和噪音的技
术,能够将单相无刷电动机用于风扇电动机等各种用途。
专利文献1:日本特开2008-312440号公报
发明内容
发明要解决的问题
单相无刷电动机由于能够成为低成本且小型的结构,所以
作为适合的用途,例如可以列举出在用于通知便携电话的来电
的震动功能中使用的振动电动机。特别是在用作振动电动机的
情况下,还能够使用容易产生振动的矩形波来作为驱动信号,
因此能够抑制电动机驱动电路的电路规模,能够实现电动机驱
动用IC的低成本化、小型化。
另外,在电动机驱动用IC中,还已知一种内置了用于检测
转子的旋转位置的霍尔元件的电动机驱动用IC。但是,这样的
内置有霍尔元件的IC必须安装在电动机的内部,因此导致抑制
了对于单相无刷电动机的小型化的效果。并且,由于制造IC时
的霍尔元件自身的特性等,转子的旋转位置的检测精度上会产
生误差,因此必须在出厂时施加磁场来进行试验。因此,还导
致抑制了低成本化的效果。
用于解决问题的方案
解决上述问题的主要的本发明是一种单相无刷电动机的驱
动电路,其特征在于,具有:驱动信号生成电路,其生成驱动
信号,该驱动信号用于隔着非通电期间交替地向单相无刷电动
机的驱动线圈供给第一驱动电流和与上述第一驱动电流相反的
方向的第二驱动电流,在该非通电期间内不向上述驱动线圈供
给上述第一驱动电流和上述第二驱动电流中的任一个;输出电
路,其根据上述驱动信号向上述驱动线圈供给上述第一驱动电
流或上述第二驱动电流;过零检测电路,其在上述非通电期间
内检测在上述驱动线圈中产生的感应电压的过零点,其中,上
述驱动信号生成电路根据驱动周期决定下一个通电期间的长
度,该驱动周期是从上述输出电路向上述驱动线圈供给上述第
一驱动电流或上述第二驱动电流的通电期间的开始起至上述过
零检测电路检测出上述过零点为止的时间。
通过附图和本说明书的记载,能够清楚本发明的其它特征。
发明的效果
根据本发明,不使用霍尔元件等位置检测元件就能够驱动
单相无刷电动机,能够实现电动机的小型化、低成本化。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式中的单相无刷电动机的
驱动电路整体的结构的电路框图。
图2是表示输出电路20和感应电压检测电路30的具体结构
的一个例子的电路框图。
图3是表示边沿检测电路50的具体结构的一个例子的电路
框图。
图4是说明在本发明的一个实施方式中在启动模式下的电
动机驱动电路1的动作的图。
图5是表示在启动模式下对每个循环计数值(通电次数)预
先设定的启动时计数(通电时间)的一个例子的图。
图6是说明在本发明的一个实施方式中在通常模式下的电
动机驱动电路1的动作的图。
附图标记说明
1:电动机驱动电路;9:驱动线圈;11:主计数器;12:
驱动周期存储寄存器;13:通电时间设定寄存器;14:循环计
数器;15:选择电路;16:定时控制电路;17:NOR电路(逻辑
或非电路);20:输出电路;30:感应电压检测电路;40:比较
器(comparator);50:边沿检测电路;51、53:延迟电路;52:
XOR电路(逻辑异或电路);54:AND电路(逻辑与电路);91、
92:输出端子;M1~M4:输出晶体管;R1~R4:电阻;OP:运
算放大器(operational amplifier)。
具体实施方式
通过本说明书和附图的记载,至少可以清楚以下的事项。
===单相无刷电动机的驱动电路整体的结构===
以下,参照图1,说明本发明的一个实施方式中的单相无刷
电动机的驱动电路整体的结构。
图1所示的电动机驱动电路1是用于对具备驱动线圈9的单
相无刷电动机进行驱动的电路,构成为至少具备用于连接驱动
线圈9的输出端子91和92的集成电路。另外,电动机驱动电路1
构成为包括主计数器11、驱动周期存储寄存器12、通电时间设
定寄存器13、循环计数器14、选择电路15、定时控制电路16、
NOR电路(逻辑或非电路)17、输出电路20、感应电压检测电路
30、比较器(comparator)40以及边沿检测电路50。
另外,在本实施方式中,主计数器11、驱动周期存储寄存
器12、通电时间设定寄存器13、循环计数器14、选择电路15以
及定时控制电路16相当于驱动信号生成电路。另外,感应电压
检测电路30、比较器40以及边沿检测电路50相当于过零检测电
路。
对主计数器11(第一计数器电路)的CK输入端(时钟输入端)
输入时钟信号CLK(规定的时钟),对CL输入端(清零输入端)输
入从边沿检测电路50输出的边沿检测信号EG。而且,从主计数
器11输出主计数值CNT。
向驱动周期存储寄存器12输入主计数值CNT和边沿检测信
号EG,从驱动周期存储寄存器12输出通常时计数值Ton。另外,
从通电时间设定寄存器13输出对从循环计数器14输出的每个循
环计数值LP预先设定的启动时计数值T1~T10。
对循环计数器14(第二计数器电路)的CK输入端输入边沿
检测信号EG,从循环计数器14输出循环计数值LP。另外,选择
电路15构成为11输入、1输出的多路复用器(multiplexer),对选
择控制输入端输入循环计数值LP。并且,对与循环计数值LP
为1~10的情况对应的数据输入端分别输入启动时计数值
T1~T10,对与循环计数值LP为11以上的情况对应的数据输入端
输入通常时计数值Ton。
向定时控制电路16输入主计数值CNT和选择电路15的输出
值以及表示循环计数值LP是奇数还是偶数的最低位(以下称为
奇偶位LP[0])。另外,从定时控制电路16输出驱动信号S1和S2。
并且,向NOR电路17输入驱动信号S1和S2,从NOR电路17输出
高阻抗信号HZ。
向输出电路20输入驱动信号S1和S2,输出电路20的输出节
点分别经由输出端子91及92与驱动线圈9相连接。另外,向感应
电压检测电路30输入输出端子91和92各自的电压V1和V2。并
且,向比较器40的非反转输入端施加感应电压检测电路30的输
出电压Vout,向反转输入端施加基准电压Vref,从比较器40输出
比较结果信号CP。而且,向边沿检测电路50输入比较结果信号
CP和高阻抗信号HZ,从边沿检测电路50输出边沿检测信号EG。
===输出电路和感应电压检测电路的结构===
接着,参照图2,说明输出电路20和感应电压检测电路30
的更具体的结构。
图2所示的输出电路20构成为包括输出晶体管M1~M4的H
桥电路。此外,以下,作为一个例子,说明输出晶体管M1和M2
是PMOS(P-channel Metal-Oxide Semiconductor:P沟道金属氧化
物半导体)晶体管而输出晶体管M3和M4是NMO S(N-channel
MOS:N沟道金属氧化物半导体)晶体管的情况。
输出晶体管M1与输出晶体管M3串联连接,输出晶体管M2
与输出晶体管M4串联连接。另外,输出晶体管M1和M2的源极
都与电源VCC连接,输出晶体管M3和M4的源极都与地连接。
并且,向输出晶体管M1和M4的栅极都输入驱动信号S1,向输
出晶体管M2和M3的栅极都输入驱动信号S2。而且,输出晶体
管M1和M3的连接点与输出端子91相连接,输出晶体管M2和M4
的连接点与输出端子92相连接。
图2所示的感应电压检测电路30构成为包括电阻R1~R4、运
算放大器(operational amplifier)OP的差动放大电路。电阻R1的
一端与输出端子92连接,另一端与运算放大器OP的反转输入端
连接。另外,电阻R2的一端与输出端子91连接,另一端与运算
放大器OP的非反转输入端连接。并且,电阻R3的一端与运算放
大器OP的反转输入端连接,另一端与运算放大器OP的输出端连
接。另外,电阻R4的一端与运算放大器OP的非反转输入端连接,
另一端被施加基准电压Vref。
===边沿检测电路的结构===
接着,参照图3,说明边沿检测电路50的更具体的结构。
图3所示的边沿检测电路50构成为包括延迟电路51、53、
XOR电路(逻辑异或电路)52以及AND电路(逻辑与电路)54。
向延迟电路51输入比较结果信号CP。另外,向XOR电路52
输入比较结果信号CP和延迟电路51的输出信号,从XOR电路52
输出双边沿信号EGrf。并且,向延迟电路53输入高阻抗信号HZ,
从延迟电路53输出屏蔽信号MS。而且,向AND电路54输入双边
沿信号EGrf和屏蔽信号MS,从AND电路54输出边沿检测信号
EG。
===单相无刷电动机的驱动电路的动作===
以下,说明本实施方式中的单相无刷电动机的驱动电路的
动作。
主计数器11根据时钟信号CLK进行计数,输出逐一增加的
主计数值CNT。另外,主计数器11在每次被输入脉冲状的边沿
检测信号EG时被复位,主计数值CNT被清零。此外,实际上,
主计数器11的位数是有限的,因此主计数器11例如当计数到规
定的计数值(例如满计数值)时,直到被复位为止停止进行计数。
驱动周期存储寄存器12在每次被输入边沿检测信号EG时,
将清零之前的主计数值CNT存储为驱动周期。此外,如后所述,
驱动周期由向驱动线圈9供给驱动电流的通电期间和其后的不
向驱动线圈9供给驱动电流的非通电期间构成。而且,驱动周期
存储寄存器12将所存储的主计数值CNT(驱动周期)乘以规定的
系数a(0<a<1)所得的值作为通常时计数值Ton而输出,该通常时
计数值Ton表示下一个驱动周期中的通电期间的长度。
循环计数器14在每次被输入边沿检测信号EG时进行计数,
输出逐一增加的循环计数值LP。因此,循环计数器14对从电动
机驱动电路1的启动时起的驱动周期的次数即通电期间的次数
进行计数,循环计数值LP表示从电动机驱动电路1的启动时起
的向驱动线圈9的通电次数。另外,在通电时间设定寄存器13
中存储有对1~10的每个循环计数值LP预先设定的表示通电时
间的启动时计数值T1~T10。
选择电路15在循环计数值LP为1~10的情况下,分别输出启
动时计数值T1~T10,在循环计数值LP为11以上的情况下,输出
通常时计数值Ton。此外,实际上,循环计数器14的位数是有
限的,因此循环计数器14例如如果计数到选择电路15输出通常
时计数值Ton的值(例如11),则只改变循环计数值LP的最低位
(奇偶位LP[0])。
定时控制电路16根据主计数值CNT输出驱动信号S1和S2,
输出电路20根据驱动信号S1和S2向驱动线圈9供给驱动电流。
此外,以下,将在驱动线圈9中从输出端子91流向输出端子92
的方向的驱动电流(第一驱动电流)称为正电流,将沿与正电流
相反的方向流动的驱动电流(第二驱动电流)称为负电流。
更具体地说,在主计数值CNT根据边沿检测信号EG而被清
零后起至达到选择电路15的输出值为止的期间,定时控制电路
16将驱动信号S1和S2中的某一个设为高水平。然后,输出电路
20向驱动线圈9供给正电流(驱动信号S1为高水平时)或负电流
(驱动信号S2为高水平时)。
另一方面,在主计数值CNT达到选择电路15的输出值后起
至根据边沿检测信号EG被清零为止的期间,定时控制电路16
将驱动信号S1和S2都设为低水平。然后,输出电路20向驱动线
圈9既不供给正电流也不供给负电流。
另外,定时控制电路16根据奇偶位LP[0]切换在通电期间设
为高水平的驱动信号。因此,定时控制电路16在每次奇偶位LP[0]
根据边沿检测信号EG变化时,切换输出电路20向驱动线圈9供
给的正电流和负电流。
这样,定时控制电路16对通电期间和非通电期间进行控制,
输出电路20按照定时控制电路16的控制,隔着非通电期间交替
地向驱动线圈9供给正电流和负电流。此外,NOR电路17在驱
动信号S1和S2都为低水平而输出电路20的输出为高阻抗状态
的非通电期间,输出高水平的高阻抗信号HZ。
感应电压检测电路30通过对电压V1与V2的差电压V1-V2
进行放大并输出,由此在非通电期间内检测在驱动线圈9中产生
的感应电压。在此,通过设为R1=R2、R3=R4,感应电压检测
电路30的输出电压Vout为Vout=Vref+(R3/R1)×(V1-V2)。而
且,比较器40将输出电压Vout与基准电压Vref进行比较,输出
如下比较结果信号CP:在Vout>Vref的情况下,即在差电压
V1-V2为正的情况下成为高水平,在差电压V1-V2为负的情况
下成为低水平。
边沿检测电路50的XOR电路52通过取得比较结果信号CP
与其延迟信号(延迟电路51的输出信号)的逻辑异或,检测出比
较结果信号CP的上升沿和下降沿,输出脉冲状的双边沿信号
EGrf。因此,双边沿信号EGrf表示差电压V1-V2从正切换为负、
或从负切换为正的过零点的定时。
另外,延迟电路53为了对在通电期间流过的驱动电流(正电
流或负电流)、从通电期间向非通电期间转移时流过的再生电流
所产生的过零点进行屏蔽(mask),输出将高阻抗信号HZ延迟所
得的屏蔽信号MS。然后,AND电路54用屏蔽信号MS对双边沿
信号EGrf进行屏蔽,来输出边沿检测信号EG。
这样,过零检测电路(感应电压检测电路30、比较器40以及
边沿检测电路50)对在非通电期间内在驱动线圈9中产生的感应
电压的过零点进行检测,输出脉冲状的边沿检测信号EG。
===单相无刷电动机的驱动电路的动作的具体例===
在此,适当地参照图4~图6来说明本实施方式中的单相无
刷电动机的驱动电路的动作的具体例。此外,以下,设将循环
计数值LP为1~10的期间的动作模式称为启动模式,将其后的动
作模式称为通常模式。另外,设在循环计数值LP为奇数(LP[0]=1)
时驱动线圈9中流过正电流,在循环计数值LP为偶数(LP[0]=0)
时驱动线圈9中流过负电流。
首先,参照图4,说明启动模式(LP≤10)下的电动机驱动电
路1的动作。此外,启动模式是从电动机驱动电路1的启动时起
第10次驱动周期为止的动作模式,图4表示从第一次到第四次的
驱动周期。
当电动机驱动电路1启动时,主计数器11根据时钟信号CLK
开始进行计数,第一次的驱动周期(LP=1)开始。然后,定时控
制电路16将驱动信号S1设为高水平,将驱动信号S2设为低水平,
开始从输出电路20向驱动线圈9供给正电流。此外,在该正电流
的通电期间,差电压V1-V2为正,比较结果信号CP为高水平。
在正电流的通电期间,当主计数值CNT达到启动时计数值
T1(CNT=T1)时,定时控制电路16将驱动信号S1和S2都设为低水
平,使从输出电路20向驱动线圈9进行的正电流和负电流的供给
都停止。此外,在从该通电期间向非通电期间转移时,有可能
因再生电流产生过零点,但是该过零点通过屏蔽信号MS被屏
蔽,该屏蔽信号MS是将高阻抗信号HZ延迟了延迟电路53的延
迟时间D1所得的信号。
在非通电期间,过零检测电路对在驱动线圈9中产生的感应
电压的过零点进行检测,当输出具有延迟电路51的延迟时间D2
的脉冲宽度的边沿检测信号EG时,主计数器11被复位,主计数
值CNT被清零(CNT=0)。另外,循环计数值LP加一,第二次的
驱动周期(LP=2)开始。然后,定时控制电路16将驱动信号S1设
为低水平,将驱动信号S2设为高水平,开始从输出电路20向驱
动线圈9供给负电流。此外,在该负电流的通电期间,差电压
V1-V2为负,比较结果信号CP为低水平。
在负电流的通电期间,当主计数值CNT达到启动时计数值
T2(CNT=T2)时,定时控制电路16将驱动信号S1和S2都设为低水
平,使从输出电路20向驱动线圈9进行的正电流和负电流的供给
都停止。
在非通电期间,过零检测电路检测感应电压的过零点,当
输出边沿检测信号EG时,主计数器11被复位,主计数值CNT被
清零(CNT=0)。另外,循环计数值LP加一,第三次的驱动周期
(LP=3)开始。然后,定时控制电路16将驱动信号S1设为高水平,
将驱动信号S2设为低水平,再次开始从输出电路20向驱动线圈
9供给正电流。
这样,在启动模式下,电动机驱动电路1在对每个循环计数
值LP预先设定的启动时计数值T1~T10所表示的通电时间内,从
输出电路20向驱动线圈9供给正电流或负电流,并转移到非通电
期间。另外,当在非通电期间内检测出在驱动线圈9中产生的感
应电压的过零点时,切换正电流和负电流并转移到通电期间。
然后,直到第10次驱动周期(LP=10)为止反复进行这些动作。
在此,通过将启动时计数值T1~T10(所表示的通电时间)设
定为随着循环计数值LP(所表示的通电次数)的增加相应地减
少,电动机驱动电路1能够使单相无刷电动机平滑地从停止状态
启动到高速旋转状态。另外,作为一个例子,如图5所示,将启
动时计数值T1~T10预先设定为与循环计数值LP大致成反比。通
过这样设定启动时计数值T1~T10,电动机驱动电路1能够更快
地启动单相无刷电动机。
接着,参照图6,说明通常模式(LP≥11)下的电动机驱动电
路1的动作。另外,通常模式是第11次的驱动周期以后的动作模
式,图6表示从第(n-1)次至第(n+2)次(n是12以上的偶数)的驱动
周期。
在第(n-1)次的驱动周期(LP=n-1)中的非通电期间内,过零
检测电路检测感应电压的过零点,当输出边沿检测信号EG时,
主计数器11被复位,主计数值CNT被清零(CNT=0)。另外,驱
动周期存储寄存器12存储被清零前的主计数值CNT,并且输出
将该存储的主计数值CNT乘以系数a所得的通常时计数值
Ton(Ton=CNT×a)。在此,通常时计数值Ton表示第n次的驱动周
期(LP=n)中的通电期间的长度,优选的是设定为第(n-1)次的驱
动周期整体的70%左右(a=0.7)。
并且,循环计数值LP加一,第n次的驱动周期开始。然后,
定时控制电路16将驱动信号S1设为低水平,将驱动信号S2设为
高水平,开始从输出电路20向驱动线圈9供给负电流。
在第n次的驱动周期中的通电期间内,当主计数值CNT达到
通常时计数值Ton(CNT=Ton)时,定时控制电路16将驱动信号S1
和S2都设为低水平,使从输出电路20向驱动线圈9进行的正电
流和负电流的供给都停止。
在非通电期间内,过零检测电路检测感应电压的过零点,
当输出边沿检测信号EG时,主计数器11被复位,主计数值CNT
被清零(CNT=0)。另外,驱动周期存储寄存器12存储被清零前
的主计数值CNT,并且输出通常时计数值Ton(Ton=CNT×a)。并
且,循环计数值LP加一,第(n+1)次的驱动周期(LP=n+1)开始。
然后,定时控制电路16将驱动信号S1设为高水平,将驱动信号
S2设为低水平,开始从输出电路20向驱动线圈9供给正电流。
这样,在通常模式下,电动机驱动电路1在将存储在驱动周
期存储寄存器12中的主计数值CNT乘以规定的系数a(0<a<1)所
得的通常计数值Ton所表示的通电时间内,从输出电路20向驱
动线圈9供给正电流或负电流,并转移到非通电期间。在启动模
式下启动了单相无刷电动机后的通常模式下,驱动周期的变动
变小,因此每次决定下一个通电周期的长度使其相对于前一个
驱动周期整体的比例为规定的比例。另外,与启动模式时同样
地,当在非通电期间内检测出在驱动线圈9中产生的感应电压的
过零点时,切换正电流和负电流并转移到通电期间。然后,按
每个驱动周期反复进行这些动作。
如上所述,在电动机驱动电路1中,隔着非通电期间交替地
向驱动线圈9供给正电流和负电流,并且,在启动了单相无刷电
动机后的通常模式下,根据由向驱动线圈9通电的通电期间和其
后的非通电期间构成的驱动周期,每次决定下一个通电期间的
长度,由此,不使用霍尔元件等位置检测元件就能够驱动单相
无刷电动机。因此,通过进一步使电动机驱动用IC的芯片厚度
变薄而降低高度,或者通过将IC安装到电动机的外部,能够实
现电动机的小型化。并且,即使在将IC安装在电动机的内部的
情况下,由于IC的安装位置的偏差不会对转子的旋转位置的检
测精度产生影响,所以能够简化电动机的制造工序而实现低电
动机的低成本化,并且能够削减IC出厂时的试验工数,能够实
现IC的低成本化。
另外,在从电动机驱动电路1的启动时开始起至向驱动线圈
9的通电次数达到规定次数之前的启动模式下,将通电时间预先
设定为随着通电次数的增加相应地减少,由此能够使单相无刷
电动机平滑地从停止状态启动到高速旋转状态。
并且,通过将通电时间预先设定为与通电次数大致成反比,
能够更快地启动单相无刷电动机。
另外,在通常模式下,将根据边沿检出信号EG清零前的主
计数值CNT乘以规定的系数a(0<a<1)所得的值作为表示下一个
驱动周期中的通电期间的长度的通常时计数值Ton,从而能够
根据主计数值CNT控制通常模式下的通电期间和非通电期间。
另外,在循环计数值LP达到规定值之前的启动模式下,以
通电宽度随着循环计数值LP的增加相应地减少的方式预先设
定启动时计数值T1~T10,由此,能够根据主计数值CNT和循环
计数值LP控制启动模式下的通电期间和非通电期间。
此外,上述实施方式是用于容易理解本发明的,并不是为
了限定性地解释本发明。本发明能够不脱离其宗旨地进行变更、
改进,并且本发明还包括其等价物。
在上述实施方式中,将循环计数值LP为1~10的期间的动作
模式设为启动模式,但能够适当地变更成为启动模式的循环计
数值LP的个数m。在该情况下,预先对1~m的每个循环计数值
LP设定m个启动时计数值T1~Tm,并存储在通电时间设定寄存
器13中。