转子位置检测系统的制作方法

本发明的实施方式涉及转子位置检测系统。

背景技术：

当高效率地驱动dc马达、步进马达等马达时，马达电流通过pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)控制而被控制。在马达驱动系统中，检测转子位置极为重要。

关于步进马达，当在马达控制电流不流动的区间检测感应电压，并根据电压、极性、斜率等信息来检测转子位置的情况下，在第1相的感应电压和第2相的感应电压的波峰值与相位延迟量上，电压、极性、斜率变化。因此，存在难以检测转子位置的问题。

技术实现要素：

发明要解决的课题在于提供一种能够检测转子位置的转子位置检测系统。

根据一个实施方式，转子位置检测系统包含h电桥电路、电流检测电路、时间测定电路、零交判定电路以及转子位置计算电路。h电桥电路控制在马达的线圈中流动的电流的朝向和导通，具有：设置在电源与马达之间的第1高电位侧晶体管以及第2高电位侧晶体管、和设置在马达与接地电位之间的第1低电位侧晶体管以及第2低电位侧晶体管。电流检测电路当第1高电位侧晶体管以及第2高电位侧晶体管断开、第1低电位侧晶体管以及第2低电位侧晶体管接通时，检测从马达朝第1低电位侧晶体管或者第2低电位侧晶体管流动的电流，并将检测到的电流转换成电压。时间测定电路计测直至由电流检测电路检测到的检测电压变得比第1基准电压低为止的第1时间、直至检测电压变得比小于第1基准电压的第2基准电压低为止的第2时间，并计算第1时间与第2时间的差分时间。零交判定电路基于差分时间计算马达的感应电压的零交位置。转子位置计算电路基于感应电压的零交位置计算马达的转子位置。

发明效果

本发明能够检测转子位置。

附图说明

图1是示出第1实施方式所涉及的转子位置检测系统的电路图。

图2是说明第1实施方式所涉及的步进马达的内部结构的示意图。

图3是第1实施方式所涉及的1个相的等价电路图。

图4a、图4b是示出第1实施方式所涉及的h电桥电路的动作状态的图，图4a是示出h电桥电路的动作状态i、ii、iii的图，图4b是示出h电桥电路的动作状态i→动作状态iii、动作状态ii→动作状态iii的图。

图5是示出第1实施方式所涉及的电桥电路的动作状态i→动作状态iii时的马达电流的流动的图。

图6是示出第1实施方式所涉及的电流检测电路的电路图。

图7是示出第1实施方式所涉及的时间测定电路的电路图。

图8是示出第1实施方式所涉及的检测电压的变化的图。

图9是示出第1实施方式所涉及的时间计算电路的动作的图。

图10是示出第1实施方式所涉及的转子位置检测的图。

图11是说明第1变形例中的转子位置检测的图。

图12是示出第2实施方式所涉及的转子位置检测系统的电路图。

图13是示出第3实施方式所涉及的转子位置检测系统的电路图。

图14是示出第4实施方式所涉及的转子位置检测系统的电路图。

图15是示出第1变形例中的转子位置检测系统的电路图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

参照附图对第1实施方式所涉及的转子位置检测系统进行说明。图1是示出转子位置检测系统的电路图。图2是说明步进马达的内部结构的示意图。在本实施方式中，当h电桥电路的第1以及第2高电位侧晶体管断开、第1以及第2低电位侧晶体管接通时，检测从马达侧朝第1低电位侧晶体管或者第2低电位侧晶体管流动的电流，并计测电流量变化的时间，从而计算转子位置。

如图1所示，转子位置检测系统100包含h电桥电路1、驱动控制电路2、电流检测电路4、时间测定电路5、零交判定电路6、转子位置计算电路7、感应电压检测电路8。转子位置检测系统100执行马达3的驱动控制和转子位置的计算。

如图2所示，马达3是包含转子31、第1相的线圈32、第2相的线圈33的步进马达。马达3被应用于游戏机、打印机、计算机、数字照相机、工业用机器人等。第1相的线圈32和第2相的线圈33设置在转子31的外周侧。第1相的线圈32与h电桥电路(i)连接，第2相的线圈33与h电桥电路(ii)连接。

另外，在图1中，为了简化说明，h电桥电路仅示出1个相的量。与h电桥电路(ii)对应，另行需要电流检测电路、时间测定电路、零交判定电路、转子位置计算电路、感应电压检测电路。此处，为了简化说明，并未图示。

驱动控制电路2朝h电桥电路1输出控制信号ssg1～4，对h电桥电路1进行驱动控制。控制信号ssg1～4是占空比可变的pwm(pulsewidthmodulation)信号。

h电桥电路1包含高电位侧晶体管hst1、高电位侧晶体管hst2、低电位侧晶体管lst1、低电位侧晶体管lst2。h电桥电路1被施加pwm控制，产生用于驱动马达3的电流。

高电位侧晶体管hst1(第1高电位侧晶体管)是nch功率mos晶体管。高电位侧晶体管hst1的一端(漏极)与电源(高电位侧电源)vm连接，另一端(源极)与节点n1以及马达m3的一端连接，控制端子(栅极)被输入控制信号ssg1。

高电位侧晶体管hst2(第2高电位侧晶体管)是nch功率mos晶体管。高电位侧晶体管hst2的一端(漏极)与电源(高电位侧电源)vm连接，另一端(源极)与节点n2以及马达m3的另一端连接，控制端子(栅极)被输入控制信号ssg3。

低电位侧晶体管lst1(第1低电位侧晶体管)是nch功率mos晶体管。低电位侧晶体管lst1的一端(漏极)与节点n1以及马达m3的一端连接，另一端与接地电位(低电位侧电源)vss连接，控制端子(栅极)被输入控制信号ssg2。

低电位侧晶体管lst2(第2低电位侧晶体管)是nch功率mos晶体管。低电位侧晶体管lst2的一端(漏极)与节点n2以及马达m3的另一端连接，另一端与接地电位(低电位侧电源)vss连接，控制端子(栅极)被输入控制信号ssg4。

感应电压检测电路8检测在马达3的两端间产生的感应电压。感应电压检测电路8例如一端侧连接在高电位侧晶体管hst2与马达m3的另一端之间、另一端侧连接在马达m3的一端与低电位侧晶体管lst1之间。

其次，参照附图对步进马达3的等价电路进行说明。图3是示出步进马达3的等价电路的1个相的图。

步进马达3的等价式能够用

vinv－ve＝(rm×imc)+{lm×(di/dt)}···式(1)

表示。此处，vinv是电源电压(电源m的电压)、ve是感应电压、rm是马达3的内部电阻(马达常数)、lm是马达3的线圈的电感(马达常数)、di是每单位时间的控制电流变化量、dt是单位时间。

此处，参照图4a、图4b以及图5对h电桥电路1的动作状态进行说明。

图4a、图4b是示出h电桥电路的动作状态的图，图4a是示出h电桥电路的动作状态i、ii、iii的图，图4b是示出h电桥电路的动作状态i→动作状态iii、动作状态ii→动作状态iii的图。图5是示出电桥电路的动作状态i→动作状态iii的情况下的马达电流的流动的图。

如图4a所示，在动作状态i，高电位侧晶体管hst1与低电位侧晶体管lst2接通，高电位侧晶体管hst2与低电位侧晶体管lst1断开。在动作状态i，从电源vm经由高电位侧晶体管hst1朝马达3供给电流。

在动作状态ii，高电位侧晶体管hst2与低电位侧晶体管lst1接通，高电位侧晶体管hst1与低电位侧晶体管lst2断开。在动作状态ii，从电源vm经由高电位侧晶体管hst2朝马达3供给电流。

在动作状态iii，高电位侧晶体管hst1与高电位侧晶体管hst2断开，低电位侧晶体管lst1与低电位侧晶体管lst2接通。在动作状态iii，蓄积于马达3的线圈的电荷被放电而电流朝接地电位vss方向流动。动作状态iii也被称为慢衰减(slowdecay)。

另外，若高电位侧晶体管hst1与低电位侧晶体管lst1同时接通，或者高电位侧晶体管hst2与低电位侧晶体管lst2同时接通，则从电源vm朝接地电位vss侧流动有大电流，在转子位置检测系统100的内部电路产生重大的损伤。因此，并未设定高电位侧晶体管hst1与低电位侧晶体管lst1同时接通、或者高电位侧晶体管hst2与低电位侧晶体管lst2同时接通的动作模式。

若如图4b所示从动作状态i变化为动作状态iii，则如图5所示从马达3朝低电位侧晶体管lst2方向流动有马达电流imc。若从动作状态ii变化为动作状态iii，则从马达3朝低电位侧晶体管lst1方向流动有马达电流imc。

此处，在从动作状态i变化为动作状态iii的状态下，vinv＝0(零)v，因此，式(1)能够用

－ve＝(rm×imc)+{lm×(di/dt)}···式(2)

表示。另外，在从动作状态ii变化为动作状态iii的状态式中也同样。若对式(2)进行变形，则能够用

dt＝(lm×di)/[－(ve+(rm×imc))]···式(3)

表示。

此处，在δve＞＞(rm×δimc)的步进马达的步进区间中，通过将di(每单位时间的电流变化量)控制为一定量，感应电压ve的变化能够作为dt(单位时间)的变化取出。

若对式(3)进行变形，则能够用

di＝[－(ve+(rm×imc))]/lm···式(4)

表示。此处，若将dt(单位时间)固定，则感应电压ve的变化能够作为di(每单位时间的电流变化量)的变化量取出。

电流检测电路4检测朝节点n1流动的电流、朝节点n2流动的电流，并作为检测电压输出。如图6所示，电流检测电路4包含逆变器inv1、逆变器inv2、mos晶体管nmt1～4。

mos晶体管nmt1是nchmos晶体管。mos晶体管nmt1的一端(漏极)连接于节点n1、另一端(源极)连接于节点n3、控制端子(栅极)被输入控制信号ssg2。

mos晶体管nmt2是nchmos晶体管。mos晶体管nmt2的一端(漏极)连接于节点n3、另一端(源极)连接于电源(高电位侧电源)vm、控制端子(栅极)经由逆变器inv1被输入控制信号ssg2。朝mos晶体管nmt2的控制端子(栅极)输入有控制信号ssg2的反转信号。

mos晶体管nmt3是nchmos晶体管。mos晶体管nmt3的一端(漏极)连接于节点n2、另一端(源极)连接于节点n4、控制端子(栅极)被输入控制信号ssg4。

mos晶体管nmt4是nchmos晶体管。mos晶体管nmt4的一端(漏极)连接于节点n4、另一端(源极)连接于电源(高电位侧电源)vm、控制端子(栅极)经由逆变器inv2被输入控制信号ssg4。朝mos晶体管nmt4的控制端子(栅极)输入有控制信号ssg4的反转信号。

从节点n3朝时间测定电路5输出检测信号skd2，从节点n4朝时间测定电路5输出检测信号skd1。

时间测定电路5如图7所示包含基准电压产生电路51、基准电压产生电路52、时间计算电路53、比较器cmp1、比较器cmp2、开关sw1、开关sw2。

关于时间测定电路5，当h电桥电路1的高电位侧晶体管hst1以及高电位侧晶体管hst2断开、低电位侧晶体管lst1以及低电位侧晶体管lst2接通时，例如在从动作状态i变化为动作状态iii的状态下，计测直至检测电压变得比第1基准电压低为止的第1时间、直至检测电压变得比小于第1基准时间的第2基准时间低为止的第2时间，并计算第1时间与第2时间的差分时间(作为单位时间dt)。

开关sw1是spst(singlepolesinglethrow，单刀单掷)开关。开关sw1基于未图示的控制信号而使检测信号skd1朝节点n5流动或者切断其流动。开关sw2是spst开关。开关sw2基于未图示的控制信号而使检测信号skd2朝节点n5流动或者切断其流动。在从动作状态i变化为动作状态iii的状态下，开关sw1接通、开关sw2断开。

基准电压产生电路51设置在比较器cmp1的输入侧的负(－)端口与接地电位(低电位侧电源)vss之间，生成基准电压v1(第1基准电压)。基准电压v1是将微步电流转换成电压而得的基准值。具体地说，是(微步电流值)×(低电位侧晶体管lst1、lst2的导通电阻(ron))而得的值。

基准电压产生电路52设置在比较器cmp2的输入侧的负(－)端口与接地电位(低电位侧电源)vss之间，生成基准电压v2(第2基准电压)。基准电压v2是将微步电流的脉动(ripple)量转换成电压而得的基准值。具体地说，是(微步电流的脉动量)×(低电位侧晶体管lst1、lst2的导通电阻(ron))而得的值。基准电压v1是比基准电压v2大的值。

比较器cmp1的输入侧的正(+)端口连接于节点n5，输入侧的负(－)端口被施加基准电压v1，输出进行比较运算处理后的比较信号scm1。

比较器cmp2的输入侧的正(+)端口连接于节点n5，输入侧的负(－)端口被施加基准电压v2，输出进行比较运算处理后的比较信号scm2。

参照图8对由电流检测电路4检测到的检测电压的变化进行说明。如图8所示，在朝马达3供给马达电流imc的期间(“充电(charge)”期间)，检测电压从比基准电压v2低的状态升压至比基准电压v1高的电压。在将蓄积于马达3的电荷朝接地电位vss侧放电的期间(“减慢(slow)”期间)，检测电压从比基准电压v1高的状态降压至比基准电压v2低的电压。

时间计算电路53被输入比较信号scm1与比较信号scm2，并输出计算信号stc。如图9所示，时间计算电路53计测直至比较信号scm1从“高(high)”电平变化为“低(low)”电平为止的时间t1(第1时间)和直至比较信号scm2从“高”电平变化为“低”电平为止的时间t2(第2时间)，计算时间t1(第1时间)和时间t2(第2时间)的差分时间来作为dt时间tdt，并作为计算信号stc输出。

零交判定电路6接收从时间测定电路5输出的计算信号stc(差分时间信息)和从感应电压检测电路8输出的检测信号syd(感应电压信息)，计算马达3的零交位置。

此处，零交判定电路6被输入计算信号stc和检测信号syd，将检测信号syd(感应电压信息)以辅助的方式使用，但也可以不使用检测信号syd而仅输入计算信号stc。

具体地说，在式(3)中的感应电压的零交位置，感应电压ve＝0(零)，因此能够用

dt＝(lm×di)/[－(rm×imc)]···式(5)

表示。

此处，di(每单位时间的电流变化量)用马达电流imc的比(比例值a)控制。例如，若利用

di：imc＝a：1···式(6)

控制，则能够用

dt＝(lm×a)/[－(rm)]···式(7)

表示。

此处，rm是马达3的内部电阻，lm是马达3的线圈的电感，rm与lm是马达固有的常数。因此，当差分时间即dt时间tdt(慢衰减(slowdecay)时间)成为式(7)时，如图10所示能够判明是感应电压的零交位置。

转子位置计算电路7被输入从零交判定电路6输出的判定信号sht(零交位置信息)，计算转子位置。转子位置计算电路7将转子位置信息信号sij朝驱动控制电路2输出。驱动控制电路2基于转子位置信息信号sij来控制马达控制电流量。

另外，在式(3)中，在－ve＝(rm×imc)的区域分母为零。因而，如图11所示当ve为(－rm×imc)时单位时间dt(差分时间)极大。因而，|ve|＞＞(rm×imc)的区域中的感应电压ve的变化能够作为单位时间dt(差分时间)的变化取出。因此，能够将零交位置作为第1变形例计算。

如上所述，在本实施方式的转子位置检测系统100中设置有h电桥电路1、驱动控制电路2、电流检测电路4、时间测定电路5、零交判定电路6、转子位置计算电路7、感应电压检测电路8。h电桥电路1包含高电位侧晶体管hst1、高电位侧晶体管hst2、低电位侧晶体管lst1、低电位侧晶体管lst2。马达3的一端连接在高电位侧晶体管hst1和低电位侧晶体管lst1之间(节点n1)、另一端连接在高电位侧晶体管hst2与低电位侧晶体管lst2之间(节点n2)。电流检测电路当高电位侧晶体管hst1以及hst2断开、低电位侧晶体管lst1以及lst2接通时，检测从马达3侧朝基准电位vss流动的电流来作为检测电压。时间测定电路5基于检测电压、基准电压v1、比基准电压v1小的基准电压v2来计算单位时间dt(差分时间)。零交判定电路6基于单位时间dt(差分时间)计算马达3的感应电压的零交位置。转子位置计算电路7基于零交位置计算转子位置。

因此，即便在感应电压的波峰值和相位延迟量上，电压、极性、斜率变化的情况下也能够检测转子位置。

参照附图对第2实施方式所涉及的转子位置检测系统进行说明。图12是示出转子位置检测系统的电路图。在本实施方式中，基于利用时间测定电路计算出的单位时间dt(差分时间)和感应电压来检测失调状态。

以下，对于与第1实施方式相同的构成部分，标注相同的标记并省略该部分的说明，仅对不同的部分进行说明。

如图12所示，转子位置检测系统101包含h电桥电路1、驱动控制电路2a、电流检测电路4、时间测定电路5、感应电压检测电路8、失调状态检测电路9。转子位置检测系统101进行马达3的驱动控制，检测马达的失调状态。

失调状态检测电路9被输入从时间测定电路5输出的计算信号stc(单位时间dt(差分时间))和从感应电压检测电路8输出的检测信号syd(感应电压)，在马达3中并未流动马达控制电流的区间，观测感应电压的电压、极性、斜率等信息而检测失调状态。失调状态检测电路9将失调信息信号sdc朝驱动控制电路2a输出。

驱动控制电路2a对h电桥电路1进行驱动控制，基于失调信息信号sdc控制马达控制电流而使马达从失调状态恢复至正常状态。

如上所述，在本实施方式的转子位置检测系统101中设置有h电桥电路1、驱动控制电路2a、电流检测电路4、时间测定电路5、感应电压检测电路8、失调状态检测电路9。失调状态检测电路9根据计算信号stc(单位时间dt(差分时间))和检测信号syd(感应电压)，在马达3中未流过马达控制电流的区间检测失调状态。

因此，能够基于失调状态的检测结果使马达从失调状态恢复至正常状态。

参照附图对第3实施方式所涉及的转子位置检测系统进行说明。图13是示出转子位置检测系统的电路图。在本实施方式中，当h电桥电路的第1以及第2高电位侧晶体管断开、第1以及第2低电位侧晶体管接通时，测定从马达侧朝第1低电位侧晶体管或者第2低电位侧晶体管流动的电流，并基于测定电流和感应电压来计算转子位置。

以下，针对与第1实施方式相同的构成部分，标注相同的标记并省略该部分的说明，仅对不同的部分进行说明。

如图13所示，转子位置检测系统102包含h电桥电路1、驱动控制电路2、转子位置计算电路7a、感应电压检测电路8、电流测定电路10。转子位置检测系统102进行马达3的驱动控制，并计算转子位置。

关于电流测定电路10，当高电位侧晶体管hst1以及hst2断开、低电位侧晶体管lst1以及lst2接通时，计测图4b所示的动作状态ii→动作状态iii的情况下从马达3侧朝低电位侧晶体管lst1流动的第1电流、或者动作状态i→动作状态iii的情况下朝低电位侧晶体管lst2流动的第2电流。

转子位置计算电路7a被输入从电流测定电路10输出的电流信息信号sic(第1电流或者第2电流的电流值信息)和从感应电压检测电路8输出的检测信号syd(感应电压)，计算转子位置并将转子位置信息信号sij朝驱动控制电路2输出。驱动控制电路2基于转子位置信息信号sij控制马达控制电流量。

如上所述，在本实施方式的转子位置检测系统102中，设置有h电桥电路1、驱动控制电路2、转子位置计算电路7a、感应电压检测电路8、电流测定电路10。

因此，即便当在感应电压的波峰值和相位延迟量上，电压、极性、斜率变化的情况下也能够检测转子位置。

参照附图对第4实施方式所涉及的转子位置检测系统进行说明。图14是示出转子位置检测系统的电路图。在本实施方式中，当h电桥电路的第1以及第2高电位侧晶体管断开、第1以及第2低电位侧晶体管接通时，测定从马达侧朝第1低电位侧晶体管或者第2低电位侧晶体管流动的电流，基于测定电流和感应电压来检测失调状态。

以下，针对与第1实施方式相同的构成部分，标注相同的标记并省略对该部分的说明，仅对不同的部分进行说明。

如图14所示，转子位置检测系统103包含h电桥电路1、驱动控制电路2a、感应电压检测电路8、失调状态检测电路9a、电流测定电路10。转子位置检测系统102进行马达3的驱动控制，计算转子位置。

失调状态检测电路9a被输入从电流测定电路10输出的电流信息信号sic(第1电流或者第2电流的电流值信息)和从感应电压检测电路8输出的检测信号syd(感应电压)，在马达3中未流动马达控制电流的区间，观测感应电压的电压、极性、斜率等信息而检测失调状态。失调状态检测电路9a将失调信息信号sdc朝驱动控制电路2a输出。

驱动控制电路2a对h电桥电路1进行驱动控制，基于失调信息信号sdc控制马达控制电流而使马达3从失调状态恢复至正常状态。

如上所述，在本实施方式的转子位置检测系统103中设置有h电桥电路1、驱动控制电路2a、感应电压检测电路8、失调状态检测电路9a、电流测定电路10。失调状态检测电路9a被输入电流信息信号sic(第1电流或者第2电流的电流值信息)和检测信号syd(感应电压)，检测马达3的失调状态。

因此，能够基于失调状态的检测结果而使马达从失调状态恢复至正常状态。

在第1至第3实施方式、第1以及第2变形例中，作为硬件结构使用驱动控制电路、电流测定电路、时间测定电路、零交判定电路、转子位置计算电路、感应电压检测电路、失调状态检测电路、电流测定电路等，对转子位置检测系统进行了说明，但并不是一定限定于此。例如，也可以将硬件功能的一部分或者全部包含于cpu(centralprocessingunit，中央处理单元)、微型计算机、处理器等而通过软件处理等进行应对。

虽然对本发明的几个实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过是作为例子加以提示，并非意图限定发明的范围。上述新的实施方式能够以其他各种方式实施，能够在不脱离发明的主旨的范围中进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形也包含于发明的范围、主旨中，并且包含于技术方案中记载的发明及其等同的范围中。