JP2001037278A - ブラシレスdcモータの駆動回路 - Google Patents

ブラシレスdcモータの駆動回路

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JP2001037278A
JP2001037278A JP11205604A JP20560499A JP2001037278A JP 2001037278 A JP2001037278 A JP 2001037278A JP 11205604 A JP11205604 A JP 11205604A JP 20560499 A JP20560499 A JP 20560499A JP 2001037278 A JP2001037278 A JP 2001037278A
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Shoji Oiwa
昭二 大岩
Hideki Tomiyama
英樹 冨山
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Nidec Advanced Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目 的】 本発明は 三相ブラシレスDCモータをP
WM駆動する場合のソフトスイッシングに関するもの
で、モータの騒音低減を目的とするものである。 【構 成】 モータ巻線をバイポーラ通電し、同期化し
た2ヶのPWM信号を配置し、セレクト回路でPWM信
号を選択し、通電初期60度をPWM1ヶで、次の60
度をベタONで、通電末期をPWM2で通電し、通電中
のPWMの幅に応じて、徐々にONデューティを狭め
て、滑らかに電流を低下させることで実現する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、PWM駆動する三相ブ
ラシレスDCモータの騒音、効率を改善するためのモー
タ駆動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】三相ブラシレスDCモータの低騒音化は
重要な課題となっている。モータ巻線への通電方法とし
ては、バイポーラの120度通電が安価で効率が良いた
め現在主流となっている。また、小型で比較的出力の小
さなモータでは、モータ巻線の電流を制御し、三相の相
切り替え毎にソフトスイッチングして低騒音化を実現し
ている。しかしながら、ある程度出力の大きなモータを
駆動する場合、特に速度やトルクの制御等があると、電
源電源とモータ巻線間の印加電圧が大きくなり、駆動回
路の出力段でモータ巻線を駆動するパワートランジスタ
の電力損失が非常に大きくなるため、PWM駆動するの
が一般的である。
【0003】第3図はこのようなPWM駆動回路の一例
である。図において1はモータ内蔵の多極着磁されたロ
ータマグネット、2はモータ内蔵のホール素子群、3は
2の信号を増幅する増幅器群、4は3の三相120度位
相差の信号でバイポーラ120度通電するための信号を
発生するロジック回路、5は回転速度の指令電圧、6は
DC電圧をある周波数のPWM波形に変換するPWM回
路、7は4の出力信号を6のPWM信号でスイッチング
する下トランジスタ群、8はモータ巻線を駆動するイン
バータ回路のパワートランジスタ群、9はモータのモー
タ巻線群で、11はインバータ回路の電源に接続された
電解コンデンサである。
【0004】第4図は第3図の各部の信号波形を示すタ
イムチャートである。第4図において4−a、4−bは
インバータ回路8のU相上下アームトランジスタのベー
スに印加される信号を示すもので、上アームは電気角1
20度通電区間でPWM100%ON状態であるベタO
Nとし、下アームトランジスタは速度指令電圧5に基づ
くPWM信号が印加されている。同様に4−c、4−d
はV相であり、4−e、4−fはW相を示し、いずれも
インバータ回路8の下アームトランジスタをPWM制御
している。このように上下アームトランジスタのいずれ
か一方でPWM制御するのが最も一般的である。4−
g、4−h、4−iはU、V、W相のモータ巻線9に流
れる電流波形である。電流波形センター部には他相の相
切り換えによる落ち込みがあり、通電末期部は急峻な立
ち下がりが生じている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上のような回路構成
では、相切り換え毎のスイッチングによりモータ巻線に
高調波を含む電流が通電され、モータ巻線、固定子、モ
ータケース等を振動させ、その結果として振動が空気を
伝わって騒音となる。
【0006】そこで、この点を改善する先行技術とし
て、特開平10−66375号公報で示すように、3相
モータ巻線の各相通電末期のオン・デューティを徐々に
下げて通電する方法が提案されている。しかしながら、
この先行技術では常時インバータ回路の上下アームトラ
ンジスタをPWM制御するため、PWMのON時にモー
タ巻線に蓄積されたエネルギーはPWMのOFF時に電
解コンデンサにチャージされ電解コンデンサのリップル
電流が増加する。また、片アームPWMに比較するとイ
ンバータ回路のスイッチング損失の増加やエネルギー循
環回路経路が長くなるため損失増加がある。
【0007】また、一般的にモータ巻線のインダクタン
スを利用したPWM制御の場合、インバータ回路の上ア
ームトランジスタ又は下アームトランジスタで制御をか
ける。第5図の5−aは上 アームトランジスタ8U−
3のベースにPWM信号を印加し、下アームトランジス
タ8W−6はベタON状態の場合で、PWMがOFF時
にはON時にモータ巻線9U、9Wに蓄積されたエネル
ギーが破線で示すように、トランジスタ8W−6、ダイ
オード8U−14を循環しモータ巻線に電流供給を継続
する。また、図5−bは下アームトランジスタ8W−6
のベースにPWM信号を印加し、上アームトランジスタ
8U−3がベタON状態の場合で、PWMがOFFの状
態では図5−aと同様にダイオード8W−11、トラン
ジスタ8U−3を通してモータ巻線に電流供給を継続す
る。図5−cでは、PWM制御用の上アーム用トランジ
スタ群7’と下アーム用トランジスタ群7が配置され、
バイポーラ通電のモータ巻線電流波形を制御するためイ
ンバータ回路の上下アームトランジスタのベースにPW
M信号を印可する必要がある。そのためにインバータ回
路の高速スッチング損失はパワートランジスタ2ヶまた
は3ヶ分に生じる。また、PWMのOFF時の電流循環
の経路を示し、モータ巻線9U、9Wからダイオード8
W−11、電解コンデンサ11、ダイオード8U−14
を経由してモータ巻線に戻る。本方式では循環の経路が
長くなり、ダイオード1ヶ分の損失と電解コンデンサの
損失が増加する。また、電解コンデンサに流れるリップ
ル電流が増加して電解コンデンサの寿命にも影響する。
本発明は上述のような問題点を解決し、回路効率を悪化
させることなく、モータの振動と騒音を低減する制御回
路を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】モータ巻線通電波形の歪
みを低減するために、全体の通電区間は120度よりや
や長くして、通電開始から60度までの第一区間はPW
M制御駆動で、次の60度間の第二区間を100%ON
のベタONパルスで、残り60度の前半の第三区間を徐
々にPWMのONデューティが低減するPWMパルスと
する。この動作はインバータ回路の上下アームのトラン
ジスタを交互にPWM制御駆動することで高速スイッチ
ング損失は1ヶ又は2ヶ分となり1ヶ分低減される。回
転数やトルクのモータ制御を目的とするPWMのONデ
ューティ変更はインバータ回路のトランジスタ6ヶ中の
1又は2ヶのトランジスタにのみ実行し、上下アームト
ランジスタに交互に移行する。
【0009】
【作用】モータ巻線への通電開始時には、巻線のインダ
クタンスと抵抗分により巻線電流はその時定数で上昇し
飽和状態に達する。モータ巻線に流れる相電流の通電中
央部を大きくし、正弦波的にするため、通電末期の電流
立下がりは通電開始時の立上り時間に近くなるように設
定する。通電末期にPWMのONデューティを徐々に下
げて、滑らかな通電電流波形にすることができ、通電中
央部での電流の落込みも低減される。また、上述のよう
にインバータ回路の上または下アームトランジスタがP
WM制御されるため、PWMのON時にモータ巻線に蓄
積されたエネルギーはOFF時には第5図5−aの上ア
ームPWM制御または5−bの下アームPWM制御の何
れかになるため最短ループを循環しエネルギー損失が少
ない。
【0010】
【実施例】以下、図面により本発明の実施例について説
明する。第1図は、本発明の一実施例を示す回路構成図
である。第1図において10はロジック回路4の各相か
ら通電切換信号を合成した通電タイミング信号回路、1
2は通電タイミング信号回路10の信号で鋸波状の信号
を速度指令電圧に加算した電圧波形を発生する波形発生
回路、6’は波形発生回路12の出力によりPWMのデ
ューティを変化させるPWM2回路、13はロジック回
路4の信号でPWM1回路6とPWM2回路6’の何れ
かの信号を選択する6回路分のセレクト回路群、7は、
パワートランジスタ群8の上アームトランジスタ用PW
M信号印加回路の上トランジスタ群、7はパワートラン
ジスタ群8の下アームトランジスタ用PWM信号印加回
路下トランジスタ群である。
【0011】第2図は上述の実施例によるPWM信号の
印加状態とモータ巻線電流を示す。第2図において2−
a、2−b、はインバータ回路8のU相上アームトラン
ジスタのベースに印可される信号を示し、2−c、2−
dはV相、2−e、2−fはW相を示すもので、初めの
通電区間θ1(60度)ではU相下アームPWM、V相
上アームベタON、W相下アームPWMであり、各相を
見ると下アームPWMとなる。次の通電区間θ2(60
度)ではU相下アームベタON、V相上アームPWM、
W相上アームPWMであり、上アームPWMとなる。最
後の通電区間θ3(60度)ではU相下アームPWM、
V相下アームPWM、W相上アームベタONであり、下
アームPWMとなる。
【0012】また実際には通電開始初期にはモータ巻線
のインダクタンスのためモータ巻線電流は2−g、2−
h,2−iのように立上がる。また、通電末期ではPW
MのONデューティが徐々に減少するためモータ巻線電
流波形は立上りと同じような傾斜を持ち、大きな歪みや
急峻な変化は見られなくなる。
【0013】第6図は第2図のPWM1、PWM2、ベ
タONの通電信号を補足説明する図であり、通電区間θ
1のPWM1ではモータが定格運転されている時のデュ
ーティでハイ部が通電ONを示し、通電区間θ2はベタ
ONでPWM100%ONと同じ状態を示す。また、通
電区間θ3ではPWM2の信号で徐々にONデューティ
が減少することが分かる。
【0014】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、原理的
にPWM駆動するブラシレスDCモータ巻線の通電相切
換時の通電末期部をPWM駆動しながら滑らかに低下さ
せることが可能であり、その結果モータ巻線の通電電流
波形に高周波を含む歪みや急峻な変化が無くなり、モー
タの騒音を著しく低減できる。インバータ回路ではPW
M制御されるトランジスタは1ヶ又は2ヶであり、トラ
ンジスタの高速スッチング損失が低減される。また、P
WMのOFF時のモータ巻線エネルギーも最短循環回路
となりトータル効率アップとインバータ回路電源に挿入
される電解コンデンサの負担も低減可能となり温度上昇
の低減、長寿命化が実現可能となる。
【0015】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である回路構成図
【図2】第1図による動作タイミングチャートと各部の
波形
【図3】従来方法による回路構成図
【図4】第3図による動作タイミングチャートと各部の
波形
【図5】PWMのOFF時循環電流経路図
【図6】PWM信号の補足説明図
【符号の説明】
1 ロータマグネット 2 磁極位置検出素子群 3 増幅器群 4 120度通電のロジック回路 5 速度指令電圧 6 PWM1回路 6’PWM2回路 7 下トランジスタ群 7’上トランジスタ群 8 インバータ回路 8W−1 上アームトランジスタ 8V−2 上アームトランジスタ 8U−3 上アームトランジスタ 8U−4 下アームトランジスタ 8V−5 下アームトランジスタ 8W−6 下アームトランジスタ 8W−1 循環ダイオード 8V−2 循環ダイオード 8U−3 循環ダイオード 8U−4 循環ダイオード 8V−5 循環ダイオード 8W−6 循環ダイオード 9 モータ巻線群 9U U相モータ巻線 9V V相モータ巻線 9W W相モータ巻線 10 タイミング回路 11 電解コンデンサ 12 波形発生回路 13 セレクト回路 2−a U相上アームトランジスタのベース信号 2−b U相下アームトランジスタのベース信号 2−c V相上アームトランジスタのベース信号 2−d V相下アームトランジスタのベース信号 2−e W相上アームトランジスタのベース信号 2−f W相下アームトランジスタのベース信号 2−g U相相電流波形 2−h V相電流波形 2−i W相電流波形 θ1 通電初期の60度(電気角) θ2 θ1通電後の60度(電気角) θ3 θ2の通電後 PWM1 モータ定格運転時のPWMデューティ PWM2 通電末期のPWMデューティ ベタON PWM100%ON状態 4−a U相上アームトランジスタのベース信号 4−b U相下アームトランジスタのベース信号 4−c V相上アームトランジスタのベース信号 4−d V相下アームトランジスタのベース信号 4−e W相上アームトランジスタのベース信号 4−f W相下アームトランジスタのベース信号 4−g U相電流波形 4−h V相電流波形 4−i W相電流波形

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 三相モータ巻線を巻装した固定子と、該
    固定子と対向して回転自在に支持されるマグネットロー
    タの磁極位置を検出する位置検出素子と、該位置検出素
    子が互いに120度(電気角)の位置差となる三相の信
    号により、インバータ回路の上下アームトランジスタの
    それぞれに3相6モードの通電ロジック信号を発生させ
    て、該三相モータ巻線を有するブラシレスDCモータを
    バイポーラ駆動し、モータ巻線のインダクタンスを利用
    したPWM制御回路を含むブラシレスDCモータの駆動
    回路において、 該3相6モード通電ロジック信号の通電開始から60度
    までの第一区間をPWMパルスで、次の60度までの第
    二区間はPWMを100%ONとし、残り60度の前半
    までの第三区間を徐々にPWMのONデューティが低減
    するPWMパルスとした信号を三相モータ巻線ドライブ
    のインバータ回路トランジスタ群に加えて通電すること
    を特徴とするブラシレスDCモータの駆動回路
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