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公開番号2020025435
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200213
出願番号2019093078
出願日20190516
発明の名称集積回路及びモータ装置
出願人旭化成エレクトロニクス株式会社
代理人龍華国際特許業務法人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20200121BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】DC-DCコンバータとADコンバータを含む集積回路において、ADコンバータを精度よく動作させる。
【解決手段】モータ装置は、ADコンバータと、入力される第1電圧を第2電圧に変換してADコンバータの電源電圧として出力するDC-DCコンバータ162と、ADコンバータおよびDC-DCコンバータを制御する制御部とを備える。DC-DCコンバータは、第1のスイッチング素子216と、一端が基準電位に他端が第1のスイッチング素子の一端に接続される第2のスイッチング素子218と、2つのスイッチング素子の接続点に接続されるコイル222と、コイルに流れる電流を検出する電流検出部とを有する。制御部は、第1のスイッチング素子をオフ状態とし、第2のスイッチング素子をオン状態とし、電流検出部が検出した電流が基準電流値以下になった後、第2のスイッチング素子をオフ状態とし、ADコンバータを動作させる。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
アナログ信号をデジタル信号に変換するADコンバータと、
入力される第1電圧を第2電圧に変換して前記ADコンバータの電源電圧として出力するDC−DCコンバータと、
前記ADコンバータおよび前記DC−DCコンバータを制御する制御部と
を備え、
前記DC−DCコンバータは、
第1のスイッチング素子と、
一端が基準電位に接続され、他端が前記第1のスイッチング素子の一端に接続される第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子の接続点に接続されるコイルと、
前記コイルに流れる電流を検出する電流検出部と
を有し、
前記制御部は、前記第1のスイッチング素子をオフ状態とし、前記第2のスイッチング素子をオン状態とし、前記電流検出部が検出した電流が基準電流値以下になった後に、前記第2のスイッチング素子をオフ状態にして、前記ADコンバータを動作させる
集積回路。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記DC−DCコンバータは、スイッチング動作により前記第1電圧を前記第2電圧に変換し、
前記制御部は、前記DC−DCコンバータのスイッチング動作が停止した状態で、前記ADコンバータを動作させる
請求項1に記載の集積回路。
【請求項3】
前記DC−DCコンバータは、
前記コイルの一端に接続されたキャパシタを有する
請求項2に記載の集積回路。
【請求項4】
前記DC−DCコンバータは、前記スイッチング動作を停止させる場合に、前記接続点を基準電位に接続するシャントスイッチを更に有する
請求項3に記載の集積回路。
【請求項5】
前記DC−DCコンバータは、前記シャントスイッチと直列に接続されたシャント抵抗を更に有する
請求項4に記載の集積回路。
【請求項6】
前記DC−DCコンバータは、前記スイッチング動作を停止させる場合に、前記コイルの両端を接続するループスイッチを更に有する
請求項3に記載の集積回路。
【請求項7】
前記制御部は、入力される信号に基づいて前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の動作デューティーを演算して、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子を制御し、
前記DC−DCコンバータの前記スイッチング動作を停止させる場合に、前記制御部は、前記動作デューティーの演算を停止して、前記動作デューティーの値を保存する
請求項3から6のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項8】
前記DC−DCコンバータの前記スイッチング動作を停止させる一時停止信号を生成するタイミング信号生成回路を更に備え、
前記制御部は、
前記一時停止信号が第1極性の場合に、前記DC−DCコンバータに前記スイッチング動作を行わせ、
前記一時停止信号が前記第1極性とは異なる第2極性の場合に、前記DC−DCコンバータの前記スイッチング動作を停止させ、前記ADコンバータを動作させる
請求項2から7のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項9】
前記DC−DCコンバータから電源電圧が供給され、モータを駆動する駆動回路を更に備える
請求項1から8のいずれか一項に記載の集積回路。
【請求項10】
請求項9に記載の集積回路と、
前記駆動回路により駆動されるモータと
を備えるモータ装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、集積回路及びモータ装置に関する。
続きを表示(約 10,000 文字)【背景技術】
【0002】
エンコーダ等でロータの回転位置を検出し、回転位置に応じ、ICがトランジスタを用いてモータコイルに流す電流を制御し、ロータを回転駆動するモータが知られている(例えば、特許文献1及び非特許文献1〜3参照)。
特許文献1 特開2006−81283号公報
非特許文献1 江崎 雅康、「ブラシレスDCモータのベクトル制御技術」、第2版、2013年8月1日
非特許文献2 見城 尚志、「小型モータの基礎とマイコン制御」、第9版、1993年3月25日
非特許文献3 長竹 和夫、「家電用モータ・インバータ技術」、初版、2000年4月28日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
モータの回転を制御するために、モータコイルに流れる電流を計測するADコンバータが用いられる。モータを高精度に制御すべく、ADコンバータは高精度に動作できることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【0004】
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、アナログ信号をデジタル信号に変換するADコンバータと、入力される第1電圧を第2電圧に変換してADコンバータの電源電圧として出力するDC−DCコンバータと、ADコンバータおよびDC−DCコンバータを制御する制御部とを備え、DC−DCコンバータは、第1のスイッチング素子と、一端が基準電位に接続され、他端が第1のスイッチング素子の一端に接続される第2のスイッチング素子と、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子の接続点に接続されるコイルと、コイルに流れる電流を検出する電流検出部とを有し、制御部は、第1のスイッチング素子をオフ状態とし、第2のスイッチング素子をオン状態とし、電流検出部が検出した電流が基準電流値以下になった後に、第2のスイッチング素子をオフ状態として、ADコンバータを動作させる集積回路を提供する。
【0005】
本発明の第2の態様においては、第1の態様に係る集積回路と、駆動回路により駆動されるモータとを備えるモータ装置を提供する。
【0006】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本発明の一つの実施形態に係るモータ装置10の概略を示すブロック図である。
DC−DCコンバータ162の構成例を示す図である。
ADコンバータ158がアナログ信号をデジタル信号に変換する場合の、集積回路200の動作例を説明する図である。
DC−DCコンバータ162の他の構成例を示す図である。
図4に示したDC−DCコンバータ162を用いた場合の、集積回路200の動作例を説明する図である。
図1に示したDC−DCコンバータ162の接続例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0009】
図1は、本発明の一つの実施形態に係るモータ装置10の概略を示すブロック図である。モータ装置10は、モータ110を含むモータモジュール100を備える。本例のモータ装置10は、演算回路170、第1電源部180、第2電源部190を更に備えている。図1に示すモータ装置10は、一つのモータモジュール100を備えているが、モータ装置10は、複数のモータモジュール100を備えていてもよい。
【0010】
本例のモータモジュール100は、モータ110、スイッチング素子群120、検出部126、検出部136、検出部146、及び、集積回路150を有する。モータ110は、ブラシレスモータであってよい。図1の例では、モータ110は3相ブラシレスモータである。図1において、モータ110の各相はu、v、wで示される。モータ110の各相の回路は、スイッチング素子群120を介して、第1電源部180からの電力を受け取る。モータ110の各相の回路が発生する磁場により、モータ110のロータが回転する。
【0011】
スイッチング素子群120は、複数のスイッチング素子を含み、モータ110の各相に流れる電流を制御する。本例のスイッチング素子群120は、モータ110のv相に流れる電流を制御するスイッチング素子122及びスイッチング素子124、モータ110のw相に流れる電流を制御するスイッチング素子132及びスイッチング素子134、並びに、モータ110のu相に流れる電流を制御するスイッチング素子142及びスイッチング素子144を含む。
【0012】
スイッチング素子群120に含まれるスイッチング素子122〜144は、電界効果トランジスタ(FET)であってよい。例えば、スイッチング素子122〜144は、PMOS又はNMOSであってよい。また、各相の電流を制御する複数のスイッチング素子は相補的に配置されてよい。
【0013】
一例として、スイッチング素子122はPMOSであってよく、スイッチング素子124はNMOSであってよい。スイッチング素子132及び134、並びに、スイッチング素子142及び144も同様の構成であってよい。
【0014】
スイッチング素子群120のスイッチング素子の少なくとも一部は、FETに代えて他の構成を採用してもよい。例えば、スイッチング素子122〜144は、バイポーラトランジスタ、FET、IGBT、又は、サイリスタであってよい。
【0015】
検出部126、検出部136及び検出部146(併せて「検出部136等」ということがある)は、スイッチング素子群120とグラウンドの間に配置され、モータ110の各相に流れる電流を検出する。例えば、検出部136は、スイッチング素子132よりも低電位側に配置されたスイッチング素子134と、グラウンドとの間に配置され、w相に流れる電流を検出する。
【0016】
検出部136等は、シャント抵抗と、当該シャント抵抗の両端で集積回路150に配線接続する端子とを含んでよい。これにより、検出部136等は、シャント抵抗の両端の電位差を、モータ110の各相に流れる電流量情報として集積回路150に伝達する。シャント抵抗は、一例として数十ミリΩ程度の抵抗であってよい。
【0017】
本実施形態において、検出部136はモータ110のw相に流れる電流Iwを検出し、検出部146はモータ110のu相に流れる電流Iuを検出する。モータ110のv相、w相、u相に流れる電流の合計は0であるので、モータ110のv相に流れる電流Ivは−(Iw+Iu)から演算可能である。従って、モータモジュール100にv相に対応する検出部を省略することができ、システムコストを低減することができる。これに代えて、モータモジュール100にv相に対応する検出部126を設けて、より精密なモータ制御を実現してもよい。
【0018】
集積回路150は、モータ110の電流量をモニタし、スイッチング素子群120を介してモータ110の駆動を制御する。例えば、集積回路150は、検出部136等から取得したモータ110の各相に流れる電流の電流量情報を演算回路170に通知する。演算回路170は、電流量情報に基づいて、スイッチング素子群120を制御するための電圧または信号等を生成する。集積回路150は、演算回路170が生成した電圧または信号等に基づいてスイッチング素子群120のスイッチング動作を制御して、モータ110の駆動を制御する。
【0019】
集積回路150は、異なる処理を行う複数機能を実現する回路を集積したICである。集積回路150は、ADコンバータ158、DC−DCコンバータ162および制御部164を備える。ADコンバータ158は、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。本例のADコンバータ158は、モータ110の各相に流れる電流の電流量情報を、デジタル信号に変換する。本例のADコンバータ158は、デジタル信号に変換した電流量情報を、演算回路170に送信する。ADコンバータ158は、任意の公知の回路により実現されてよい。
【0020】
DC−DCコンバータ162は、入力される第1電圧を第2電圧に変換して、ADコンバータ158の電源電圧として出力する。本例のDC−DCコンバータ162は、第1電源部180から入力される第1電圧を、第1電圧よりも低い第2電圧に変換する。DC−DCコンバータ162は、集積回路150において、ADコンバータ158以外の回路に対しても電源電圧を供給してよい。DC−DCコンバータ162は、演算回路170の電源電圧を更に生成してもよい。DC−DCコンバータ162は、第1電圧に基づいて、複数の電圧を生成してよい。DC−DCコンバータ162は、集積回路150の各回路に、他の回路とは異なる電圧を供給してよく、他の回路と同一の電圧を供給してもよい。
【0021】
制御部164は、ADコンバータ158およびDC−DCコンバータ162を制御する。制御部164は、集積回路150におけるADコンバータ158およびDC−DCコンバータ162以外の各回路を更に制御してもよい。図1においては、制御部164をADコンバータ158およびDC−DCコンバータ162等の回路とは異なる構成要素として示しているが、制御部164の一部または全体は、ADコンバータ158に含まれていてよく、DC−DCコンバータ162に含まれていてよく、複数の回路に分散して含まれていてもよい。制御部164は、演算回路170が出力する電圧等に基づいて、集積回路150の少なくとも一部の回路を制御してよい。
【0022】
制御部164は、DC−DCコンバータ162の電圧変換動作が停止した状態で、ADコンバータ158を動作させる。DC−DCコンバータ162の電圧変換動作とは、第1電圧を第2電圧に変換するための動作である。一例としてDC−DCコンバータ162は、スイッチング動作により第1電圧を第2電圧に変換するスイッチングレギュレータを含む。この場合、スイッチング動作が電圧変換動作に相当する。以下、本例において電圧変換動作はスイッチング動作と記載する。
【0023】
DC−DCコンバータ162のスイッチング動作が停止した状態で、ADコンバータ158が動作することで、DC−DCコンバータ162のスイッチング動作により生じるノイズの影響を抑制して、ADコンバータ158のアナログ/デジタル変換精度を向上させることができる。また、ADコンバータ158の精度が向上することで、モータ110の駆動精度を向上できる。
【0024】
集積回路150は、DC−DCコンバータ162のスイッチング動作が停止した状態でも、ADコンバータ158が動作できるように構成されている。例えばDC−DCコンバータ162は、スイッチング動作が停止した場合でも、所定の期間はADコンバータ158に電源電圧を印加できる構成を有してよい。DC−DCコンバータ162は、スイッチング動作時に電荷が蓄積され、ADコンバータ158に電圧を出力するキャパシタを有してよい。
【0025】
他の例では、ADコンバータ158は、DC−DCコンバータ162からの電圧印加が停止した場合であっても、所定の期間は動作できる構成を有してもよい。例えばADコンバータ158は、DC−DCコンバータ162から電力が供給されている期間に電荷を蓄積し、DC−DCコンバータ162から電力が供給されない期間に電源として機能するキャパシタを有してよい。
【0026】
他の例では、集積回路150は、蓄電部を有してもよい。蓄電部は、DC−DCコンバータ162がスイッチング動作している期間にDC−DCコンバータ162により電荷が蓄積され、DC−DCコンバータ162がスイッチング動作していない期間にADコンバータ158に電源を供給してよい。
【0027】
集積回路150は、増幅回路156を有してよい。増幅回路156は、検出部136等が検出した電流の検出値(本例では、検出部136等のシャント抵抗の両端間電圧)を増幅する。増幅回路156は、増幅した電圧をADコンバータ158に入力する。増幅回路156は、任意の公知のアナログ増幅回路により実現されてよい。
【0028】
集積回路150は、駆動回路152を有してよい。駆動回路152は、スイッチング素子群120を制御することで、モータ110を駆動する。駆動回路152には、DC−DCコンバータ162から電源電圧が供給されてよい。
【0029】
駆動回路152は、スイッチング素子122〜144のスイッチ動作を制御するプリドライバであってよい。例えば、駆動回路152は、タイミング信号生成回路154から駆動信号を受け取り、駆動信号に応じて各スイッチング素子のON−OFFの切り替えを実行する。この場合、スイッチング素子122〜144のゲートは駆動回路152に接続されている。
【0030】
駆動回路152は、複数のスイッチング素子122〜144に対応した複数の駆動信号を受け取り、これによりスイッチング素子ごとにスイッチング制御を行ってよい。例えば、図示するように駆動回路152は、スイッチング素子群120の6個のスイッチング素子122〜144のゲートに接続し、タイミング信号生成回路154から受信した複数の駆動信号に応じて、6個のスイッチング素子122〜144の駆動を行ってよい。
【0031】
駆動回路152は、6個のスイッチング素子122〜144に対応して、タイミング信号生成回路154から3相の駆動信号を受信してよい。例えば、スイッチング素子122及び124に対応してv相の駆動信号を受信し、スイッチング素子132及び134に対応してw相の駆動信号を受信し、スイッチング素子142及び144に対応してu相の駆動信号を受信してよい。
【0032】
駆動回路152は、駆動信号に応じて、各スイッチング素子のスイッチングのタイミングを制御してよい。例えば、駆動回路152は、v相について+レベルの駆動信号を受信したことに応じて、スイッチング素子122をONにし、スイッチング素子124をOFFにしてよい。v相について0レベルの駆動信号を受信したことに応じて、スイッチング素子122及びスイッチング素子124をOFFにしてよい。v相について−レベルの駆動信号を受信したことに応じて、スイッチング素子122をOFFにし、スイッチング素子124をONにしてよい。駆動回路152は、u相、w相についても同様の動作を行ってよい。
【0033】
タイミング信号生成回路154は、演算回路170から駆動電圧値を受け取り、駆動電圧値に応じた駆動信号を生成して駆動回路152に与える。例えば、タイミング信号生成回路154は、駆動電圧値の大きさに応じたパルス幅のパルス幅変調(PWM)信号を駆動信号として生成し、PWM信号により駆動回路152の動作タイミングを制御する。一例として、タイミング信号生成回路154は、演算回路170から3相の駆動電圧値を受け取り、3相の駆動電圧値に対応する3相分のPWM信号を生成し、これを駆動回路152に与える。
【0034】
タイミング信号生成回路154は、デジタル信号により指定された数値に対応するPWM信号を生成する回路であってよい。例えば、タイミング信号生成回路154は、複数のカウンタ群が設置されたマルチタイミングユニット(MTU)であってよい。タイミング信号生成回路154は、公知の他の回路により実現されてもよい。
【0035】
通信回路160は、集積回路150と演算回路170との通信を行うインタフェースである。例えば、モータ装置10には演算回路170と集積回路150を接続するシリアルバスが設けられてよい。この場合、通信回路160は、演算回路170と通信するためのシリアル・インタフェース回路であってよい。これにより、通信回路160は、ADコンバータ158の出力(すなわち、モータ110の各相の電流値)を演算回路170に送信し、演算回路170から受け取った各相の駆動電圧値をタイミング信号生成回路154に供給する。
【0036】
集積回路150は、ADコンバータ158、DC−DCコンバータ162および制御部164が、一つの半導体基板に集積された半導体チップである。なお、ADコンバータ158、DC−DCコンバータ162および制御部164のうち少なくとも一つの構成要素について、回路要素の一部分が集積回路150の外に設けられていてもよい。本例の集積回路150には、少なくとも、DC−DCコンバータ162においてスイッチング動作するドライバ回路と、ADコンバータ158においてアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路とが設けられている。
【0037】
集積回路150は、駆動回路152、タイミング信号生成回路154、増幅回路156、ADコンバータ158、通信回路160、DC−DCコンバータ162および制御部164の一部のみを集積していてよく、全てを集積していてもよい。集積回路150は、任意で他の回路が更に集積されていてもよい。
【0038】
演算回路170は、検出部136等が検出した電流の検出値に基づいて、駆動電圧値を決定する。例えば、演算回路170は、集積回路150のADコンバータ158からモータ110の同時刻における各相の電流値を受け取り、当該電流値に基づき駆動電圧値を演算する。演算回路170は、このような演算を実行可能な計算回路を含むマイクロコントローラユニット(MCU)であってよい。
【0039】
演算回路170は、各相の電流値に基づきモータ110のロータの現在の回転位置を推定し、現在の回転位置及び現在の各相の電流値の少なくとも一方に基づき、タイミング信号生成回路154に与える駆動電圧値を決定してよい。演算回路170は、PWM Dutyを駆動電圧値として生成し、PWMを実行するタイミング信号生成回路154に与えてよい。演算回路170は、矩形波駆動又はベクトル制御に基づいて駆動電圧値を決定してよい。
【0040】
第1電源部180は、モータモジュール100に第1電圧を供給する。例えば、第1電源部180は、集積回路150を動作させるために第1電圧を供給する。また、第1電源部180は、スイッチング素子群120を介して、モータ110に第1電圧を供給する。
【0041】
第2電源部190は、演算回路170に電源電圧を供給する。第2電源部190は、第1電源部180とは独立した電源であってよい。これに代えて、第2電源部190は、第1電源部180から第1電圧を受け取り、これを電圧変換して電源電圧として演算回路170に供給してもよい。
【0042】
図2は、DC−DCコンバータ162の構成例を示す図である。本例のDC−DCコンバータ162は、集積回路200、コイル222、キャパシタ224およびキャパシタ226を備える。集積回路200は、図1に示した集積回路150の一部である。
【0043】
本例の集積回路200は、ドライバ回路215、プリドライバ206および制御部165を有する。本例のドライバ回路215は、相補的にスイッチング動作するスイッチング素子216およびスイッチング素子218を有する。216は第1のスイッチング素子の一例であり、218は第2のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子216および218は、PMOSあるいはNMOSであってよい。本例のスイッチング素子216および218は集積回路200に設けられているが、他の例では、スイッチング素子216および218は、集積回路200の外に設けられていてもよい。
【0044】
スイッチング素子216およびスイッチング素子218は、第1電源部180からの第1電圧が印加される端子230と、グラウンド等の基準電位と接続される端子234との間に直列に設けられている。図2における各端子230〜236は、集積回路200の端子である。スイッチング素子216及びスイッチング素子218の接続点217は、ドライバ回路215の出力端として機能する。スイッチング素子216およびスイッチング素子218が相補的に動作することで、ドライバ回路215の電流出力を調整する。
【0045】
接続点217には、コイル222およびキャパシタ224が接続されている。本例では、コイル222は端子232を介して接続点217に接続されている。また、キャパシタ224は、コイル222と、グラウンド等の基準電位との間に設けられている。図2の例では、コイル222およびキャパシタ224は集積回路200の外に設けられているが、他の例では、コイル222およびキャパシタ224は集積回路200に設けられていてもよい。コイル222およびキャパシタ224は、ドライバ回路215の出力電圧を平滑化する。キャパシタ224の電圧が、DC−DCコンバータ162の出力電圧Vo1となる。
【0046】
プリドライバ206は、ドライバ回路215のスイッチング素子216およびスイッチング素子218を制御する。スイッチング素子216がオンしている期間と、スイッチング素子218がオンしている期間との比を調整することで、ドライバ回路215が出力する電圧を調整できる。プリドライバ206は、制御部165からのDuty信号を入力として、スイッチング素子216および218のオン、オフを制御する信号を発生する。Duty信号は、ハイ状態(H状態)およびロー状態(L状態)の2つの極性を有しており、各極性に対応するスイッチング素子216または218がオン状態に遷移する。
【0047】
制御部165は、プリドライバ206に入力するDuty信号のDuty比を調整することで、ドライバ回路215の出力電圧Vo1を調整する。制御部165には、出力電圧Vo1がフィードバックされてよい。制御部165は、出力電圧Vo1が所定の電圧となるように、Duty信号のDuty比を調整してよい。本例の制御部165は、タイミング信号生成回路154から入力されるタイミング信号に応じて動作する。一例としてタイミング信号は、所定の周期でパルスを有する信号である。制御部165は、タイミング信号に同期したDuty信号を生成してよい。
【0048】
制御部165は、コイル222に流れる電流に更に基づいてDuty信号を生成してもよい。例えば制御部165は、コイル222に流れる電流値と、所定の基準電流値との比較結果に応じてDuty信号の極性を制御してよい。
【0049】
本例の集積回路200は、電流検出部208を有する。電流検出部208は、コイル222に流れる電流値を検出して、制御部165に伝達する。制御部165は、電流検出部208が検出した電流値に基づいてDuty信号を生成する。
【0050】
電流検出部208は、ドライバ回路215の接続点217から、集積回路200の端子232に流れる電流を検出してよい。本例の端子232には、コイル222が接続されている。他の例においては、電流検出部208は、スイッチング素子216に流れる電流を検出してよく、スイッチング素子218に流れる電流を検出してよく、スイッチング素子216に流れる電流とスイッチング素子218に流れる電流との合算電流を検出してもよい。
(【0051】以降は省略されています)

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