半导体装置和电动设备的制造方法
【专利说明】半导体装置和电动设备
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]在此通过引用全部并入2014年9月29日提交的日本专利申请第2014-198217号的公布内容，包括说明书、附图和摘要。
技术领域
[0003]本发明涉及用于无刷直流电机驱动控制的半导体装置，还涉及具有应用所述半导体装置的电动设备，并且涉及应用于电动工具(例如，电钻)的电机控制的微控制器或微处理器有效的技术。
【背景技术】
[0004]无刷直流电机具有带有多个磁极的永磁体的转子和具有多个线圈相位(例如，U、V和W)的三相线圈的定子。线圈的相位对应于转子相对于定子的位置，当向线圈通电时，转子旋转。矩形波驱动技术是用于驱动控制的相对简单的技术。它是用于在转子每旋转120度依次切换待通电的线圈相位的技术。根据此技术，转子的永磁体接收由定子的线圈产生的交叉磁场并且控制产生旋转磁场以便以预定速度沿着预定方向旋转。根据此技术，为了逐个切换待通电的线圈相位，需要逐个检测转子相对于定子的旋转位置。
[0005]日本未审查专利申请公开第2003-319686号公开了用于基于电动机的反电动势绝对地检测旋转位置的技术。电动机电流与设定的电流值进行比较，使用电流比较单元检测下述两个阶段的反电动势，所述两个阶段即:第一开启区间设定计时器的设定时间的流逝时刻和第二开启区间设定计时器的设定时间流逝以后。也就是，基于第一开启区间设定计时器的设定时间的流逝时刻的比较结果，立即切换到关闭区间，并且缩短了最小的开启区间，并且不检测反电动势。另一方面，在所述比较之后保持开启区间，并且在反电动势检测准许计时器的设定时间的经过之后直到第二开启区间设定计时器的设定时间经过的区间，绝对地检测反电动势。因此，当电流值已达到在反电动势未检测期间的比较参考信号时，可以避免不能执行反电动势检测的情形，从而有助于避免不能检测旋转位置这样的不期望的可能性。
【发明内容】
[0006]本申请发明人研究了转子启动时旋转位置的检测。如上所述，在相关技术中，转子的旋转位置是通过旋转转子检测。检测是对于具有通电相位的线圈而言来自转子的永磁体的带有非通电相位的线圈的反电动势的作用作出的。也就是说，在转子是停止的起始时间，使用感应电动势无法估计转子的旋转位置。因此，在起始时间，旋转磁场是不管转子的位置强制而改变朝向线圈的导电模式产生的。
[0007]然而，根据本申请的发明人的研究，当不管转子的位置而强制改变线圈的通电模式时，转子可能反向旋转。在这样的情形下，线圈的通电模式可需要通过检测是否做出反向旋转来进行改变。此外，由于反向旋转，启动被延迟，并且可不期望地损害电钻的切割刀片。
[0008]根据本说明书的描述和附图，上述和其他目的以及新颖特征将会明显。
[0009]在本申请公开的实施方式中，代表性的实施方式将示意性地和简要描述如下。
[0010]具体而言，当向配设在无刷直流电机的定子中的具有多个线圈相位的线圈逐个依次供电时，检测由于停止的转子的磁通量的影响而分别流向与所述通电线圈相位耦合的不同线圈相位的线圈的电流所对应的信号的差异。基于所述检测结果和彼此相关的线圈相位之间的关系确定所述转子相对于定子的停止位置。
[0011]由本申请公开的代表性实施方式获得的效果简要描述如下。
[0012]S卩，转子的停止位置能够在转子的旋转停止时被检测到。
【附图说明】
[0013]图1是无刷直流电机和作为用于其驱动控制的半导体装置的实例的微控制器的框图。
[0014]图2是举例说明反相器和线圈的耦合配置的实例的电路图。
[0015]图3是举例说明定子和转子之间关系的实例的说明图。
[0016]图4是举例说明转子和定子(该定子在该转子停止时提供电到U相)之间关系的实例的说明图。
[0017]图5是举例说明当向图4中的U相供电时V相和W相的受反电动势影响的信号波形的实例的说明图。
[0018]图6是举例说明转子和定子(该定子在该转子停止时提供电到V相)之间关系的实例的说明图。
[0019]图7是举例说明当向图6中的V相供电时U相和W相的受反电动势影响的信号波形的实例的说明图。
[0020]图8是举例说明转子和定子(该定子在该转子停止时提供电到W相)之间关系的实例的说明图。
[0021]图9是举例说明当向图8中的W相供电时U相和V相的受反电动势影响的信号波形的实例的说明图。
[0022]图10是用于使用通过依次切换供电线圈相位获得的未供电线圈相位的信号估计转子的停止位置的方法的说明图。
[0023]图11是举例说明线圈的供电时序和选择器执行输入的选择时序的例子的时序图。
[0024]图12是举例说明用于检测转子的停止位置的操作的控制时序的实例的时序图。
[0025]图13是举例说明与图14关联的用于检测转子的停止位置的操作的控制流程的一部分的实例的流程图。
[0026]图14是举例说明与图13关联的用于检测转子的停止位置的操作的控制流程的一部分的实例的流程图。
[0027]图15是举例说明在高速旋转模式中“零交叉”思想的实例的说明图。
[0028]图16是举例说明在高速旋转模式中用于形成旋转磁场的操作时序的实例的时序图。
[0029]图17是举例说明用于零交叉之间控制操作的具体时序的实例的时序图。
[0030]图18是举例说明与图19关联的转子的高速旋转模式的控制流程的实例的流程图。
[0031]图19是举例说明与图18关联的转子的高速旋转模式的控制流程的实例的流程图。
[0032]图20是举例说明在低速旋转模式中用于形成旋转磁场的示意性操作时序的实例的时序图。
[0033]图21是举例说明与图22关联的转子的低速旋转模式的控制流程的实例的流程图。
[0034]图22是举例说明与图21关联的转子的低速旋转模式的控制流程的实例的流程图。
[0035]图23是作为使用微控制器的电动设备的实例的电钻的示意图。
【具体实施方式】
[0036]1.首先概要描述本申请公开的优选实施方式、代表性的实施方式。在代表性实施方式的概要描述中，括号中引用的那些附图标记仅仅作为具有所述附图标记的组成元件的概念所包括的那些的例子。
[0037][I] <确定转子相对于定子的停止位置>
[0038]半导体装置⑴选择性地向无刷直流电机的具有多个线圈相位的线圈(2U，2V, 2W)提供电流，并且控制转子的旋转驱动，其中所述无刷直流电机包括具有多个磁极的永磁体的转子(21)和具有带有线圈相位的线圈的定子(20)。当将电依次提供至一个线圈相位的线圈时，所述半导体装置检测，由于停止的转子的磁通量的影响，分别流向与所述已供电线圈相位耦合的其他多个线圈相位的线圈的电流对应的信号的差异，从而基于所述检测结果和彼此关联的线圈相位之间的关系确定转子相对于定子的停止位置。基于所述检测结果确定线圈的通电相位，从而以预定的方向开始转动转子。
[0039]据此，由于转子的永磁体的影响，从带有已供电的一个线圈相位的线圈分别流向与所述已供电的一个线圈相位耦合的其他多个线圈相位的线圈的电流变化。然而，所述变化取决于永磁体的磁极与相应线圈的相对位置。所述半导体装置获取所述差异，从而能够在转子的旋转停止时检测停止位置。因此，能够在启动时防止转子的反向旋转，并且避免启动的延迟。
[0040][2] <高速旋转控制>
[0041]在[I]中，当电从所耦合的线圈相位中的一个线圈相位的线圈传导至另外的线圈相位的线圈时，基于下述时序执行通电线圈相位的切换:在所述时序，由于转子的磁通量的影响而流向非通电相位的线圈的电流所对应的信号(U-1n，V-1n，W-1n)达到参考信号(117，118，或者6的输出)。控制转子的高速旋转驱动。
[0042]据此，在高速旋转控制中，在与流向非通电相位的线圈的电流对应的信号和参考信号之间进行比较。因此，在[I]中的转子的启动控制中检测成对信号的差异的电路也可以用于在转子的高速旋转控制中成对信号的比较。
[0043][3] <低速旋转控制>
[0044]在[2]中，当电从所耦合的线圈相位中的一个线圈相位的线圈传导至另外的线圈相位的线圈时，与下述时序同步地执行通电线圈相位的切换:在所述时序，与流向非通电相位的线圈的电流对应的信号和下述平均值之间的大小关系反转，所述平均值为:与流向通电相位的线圈的电流对应的信号和与由于转子的磁通量的影响而流向非通电相位的线圈的电流所对应的信号的总和平均值；控制转子的低速旋转驱动。
[0045]据此，在转子的低速电路中，流向非通电相位的线圈的电流几乎不受转子或磁通量的影响，考虑到即使像高速旋转控制那样与参考信号进行比较，难以检测所述差异。流向非通电相位线圈的电流的变化速度大于所述总和的平均值的变化速度。因此，基于所述变化彼此交叉的时间，可以检测由于转子的磁通量的影响而流向非通电相位的线圈的电流的变化。
[0046][4] <确定转子相对于定子的停止位置>
[0047]在[3]中，包括选择电路(115，116)，用于比较由选择电路选择的两个信号的比较电路(114)，获取与通过比较电路得到的重合检测时序对应的计数值的定时计数器(111)。为了控制确定转子相对于定子的停止位置，选择电路选择与分别流向所耦合的线圈相位的线圈的电流对应的信号，比较电路形成由选择电路选择的信号的重合时序，定时计数器获取从与向一个线圈相位的线圈供电的时序同步开始计数操作直到重合时序为止的计数值，并且基于所获取的计数值和彼此关联的多个线圈相位之间的关系确定转子相对于定子的停止位置。
[0048]据此，使用与分别流向与所述已供电线圈耦合的其他多个线圈相位的线圈的电流对应的信号进行如下选择:通过选择电路选择比较电路的输入。因此，比较电路能够用于检测启动时的转子的停止位置。
[0049][5] <捕获定时计数器的计数值>
[0050]在[4]中，定时计数器具有保持计数值直到响应重合的重合时序的缓冲寄存器
(130)ο
[0051]据此，可以无需经过软件处理(例如，中断处理)执行保持计数值的操作。即使所述已供电线圈相位变化，可以估计出在对应分别流向与所述已供电线圈耦合的不同线圈相位的线圈的电流对应的信号的重合时序之间仅存在细微差别。因此，如果花费长时间执行确定待保持的计数值的处理，从计数值获取的差值变小。
[0052][6] <高速旋转控制>
[0053]在[4]中，为了控制转子的高速旋转驱动，选择电路选择参考信号和由于转子的磁通量影响而流向非通电相位的线圈的电流所对应的信号，比较电路形成由选择电路所选择的信号的重合时序，并且所述通电线圈相位被控制成与所述比较电路获取的重合时序同步地切换。
[0054]据此，选择比较电路的输入的选择电路选择与流向非通电相位线圈的电流对应的信号和参考信号。因此，比较电路还可用于转子的高速旋转控制。
[0055][7] <低速旋转控制>
[0056]在[4]中，包括A/D转换电路(119)。为了控制转子的低速旋转驱动，当电从所耦合的线圈相位之一的线圈传导至另一线圈相位的线圈时，A/D转换器将与流向通电相位线圈的电流对应的信号和与由于转子的磁通量影响而流向非通电相位的线圈的电流对应的信号进行转换，并且使用转换获得的数字信号获取大小关系反转的时序。
[0057]据此，A/D转换电路将与流向通电相位的线圈的电流对应的信号和与流向非通电相位的线圈的电流对应的信号转换为数字信号。因此，可以使用CPU的软件的运算进程容易地执行获取总和的平均值的运算处理和用于确定所述总和的平均值和与流向非通电相位线圈的电流对应的信号之间大小关