JP2001268970A - ３相全波モータの駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大きなトルクの得られるモータであっても、
振動を小さく抑えて騒音を減少させることができるよう
にする。 【解決手段】 磁束検出回路１３はモータＭに配置され
たホール素子１１ａ〜１１ｃとともにロータマグネット
の着磁波形を検出する。演算回路１５はＵ相、Ｖ相およ
びＷ相の１２０°の区間持続する駆動電流波形を形成す
るとともに、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に該当する検出着磁
波形に基づき、モータＭにおける各相の回転トルクが、
６０°の区間で一定となるようなその駆動電流波形を演
算する。駆動回路１７はその駆動電流波形に基づきモー
タの駆動コイルを切換え通電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は３相全波モータの駆
動制御方法に係り、特に大きな回転トルクの得られるモ
ータにおいて騒音および振動を抑えることの可能な駆動
制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、インナーロータ型の３相ブラシレ
スモータを例にすれば、その構成は例えば図４に示すよ
うになっていた。

【０００３】すなわち、筒型のステータ磁芯１の内側か
ら、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の６個の棒状突極歯３ａ、３
ｂ、３ｃを回転中心に向けて交互に突設させ、各突極歯
３ａ、３ｂ、３ｃの歯先５ａ、５ｂ、５ｃの幅を周方向
へ広げ、それら突極歯３ａ、３ｂ、３ｃを巻芯としてＵ
相、Ｖ相およびＷ相に相当する駆動コイル７ａ、７ｂ、
７ｃを巻き、それら歯先５ａ、５ｂ、５ｃによって内側
に形成した円筒状空所に、筒型にして回転方向にＮ極と
Ｓ極を交互に着磁したロータマグネット９を回転自在に
配置してなる構成である。なお、図４は横断面図である
が、断面を示す斜線の図示は省略した。

【０００４】このような３相ブラシレスモータＭは、例
えば隣合う各突極歯３ａ、３ｂ、３ｃの歯先５ａ、５
ｂ、５ｃ間に配置した３個の位置検出用ホール素子１１
ａ、１１ｂ、１１ｃによってロータマグネット９の回転
位置を検出し、この位置検出タイミングに基づき図示し
ない駆動回路でＵ相、Ｖ相およびＷ相の駆動コイル７
ａ、７ｂ、７ｃを切換え通電することにより、ロータマ
グネット９が所定の回転トルクで回転する。

【０００５】しかも、このようなブラシレスモータＭで
は、各突極歯３ａ、３ｂ、３ｃの歯先５ａ、５ｂ、５ｃ
にアール（Ｒ）を形成し、ロータマグネット９の着磁波
形にスキューをもたせ、各突極歯３ａ、３ｂ、３ｃの歯
先５ａ、５ｂ、５ｃとロータマグネット９間の空隙間隔
を大きくする一方、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の駆動コイル
７ａ、７ｂ、７ｃへ切換え通電するドライブ電流を正弦
波化する等、これらの組合せによって回転時の振動の発
生を小さく抑えて、騒音を少なくすることが可能であ
る。

【０００６】他方、このようなブラシレスモータＭで
は、ロータマグネット９の着磁エネルギー積を大きくす
るとともに着磁波形を矩形化し、各突極歯３ａ、３ｂ、
３ｃの歯先５ａ、５ｂ、５ｃとロータマグネット９間に
形成する空隙の間隔を小さくする一方、駆動コイル７
ａ、７ｂ、７ｃへ切換え通電するドライブ電流波形を矩
形化する等、これらを組合せれば回転トルクを増大でき
ることが分っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなブラシレスモータＭにおいて、上述したように回転
トルクを増大するために、ロータマグネット９の着磁エ
ネルギー積を大きくしたり着磁波形を矩形化し、各突極
歯３ａ、３ｂ、３ｃの歯先５ａ、５ｂ、５ｃとロータマ
グネット９間の空隙を狭くする一方、駆動コイル７ａ、
７ｂ、７ｃへのドライブ電流波形を矩形化すると、ロー
タマグネット９の回転時に振動が大きくなって騒音が増
大する難点があり、構成上、回転トルクの増大と騒音の
抑制とは互いに相反するものとなっている。

【０００８】本発明はそのような従来の課題を解決する
ためになされたもので、大きな回転トルクが得られると
ともに、振動および騒音も小さく抑えることが可能な３
相全波モータの駆動制御方法の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そのような課題を解決す
るために本発明は、３相全波モータを駆動制御する３相
全波モータの駆動制御方法において、回転時の各相のマ
グネット着磁波形を検出し、電気角６０°毎の区間内に
あって、各相の検出着磁波形と合成して一定トルクの得
られる各相の駆動電流波形を演算し、これら演算駆動電
流波形に基づき個々の相の駆動コイルへ駆動電流を流し
て上記モータを駆動制御する方法を提供するものであ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。なお、従来例と共通する部分には
同一の符号を付す。

【００１１】図１は本発明に係る３相全波モータの駆動
制御方法を実施する駆動制御回路を示すブロック図であ
る。

【００１２】図１において、３相の全波モータＭは従来
公知の構成を有し、例えば上述した図４に示すように、
磁性体からなる筒型のステータ磁芯１の内側から、Ｕ
相、Ｖ相およびＷ相に該当する計６個の棒状突極歯３
ａ、３ｂ、３ｃが回転中心に向けて突設され、各突極歯
３ａ、３ｂ、３ｃの歯先５ａ、５ｂ、５ｃが周方向に幅
が広げられ、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に相当する駆動コイ
ル７ａ、７ｂ、７ｃが突極歯３ａ、３ｂ、３ｃを巻芯と
して巻かれ、それら歯先５ａ、５ｂ、５ｃによって内側
に形成された円筒状の空所に、筒型にして回転方向にＮ
極とＳ極を交互に４極着磁されたロータマグネット９が
回転自在に配置され、４極６溝のブラシレス構成となっ
ている。

【００１３】半周ほどの隣合う各突極歯３ａ、３ｂ、３
ｃの歯先５ａ、５ｂ、５ｃ間には、ロータマグネット９
の着磁状態からその回転位置を検出する位置検出素子、
例えばホール素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃがロータマグ
ネット９に向けて１個ずつ６０゜の間隔で３個配置され
ている。

【００１４】図１に戻って、モータＭに配置されたホー
ル素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、磁束検出回路１３に
接続されている。

【００１５】この磁束検出回路１３はホール素子１１
ａ、１１ｂ、１１ｃとともに機能動作し、ロータマグネ
ット９の回転に伴ってホール素子１１ａ、１１ｂ、１１
ｃの先端近傍に形成される磁束状態（Ｎ極／Ｓ極）の変
化を検出し、例えば図３Ａに示すようにＵ相の着磁波形
を検出出力する一方、検出着磁波形のプラス／マイナス
の変化点等からロータマグネット９の回転位置を検出し
て切換えタイミング信号（図示せず。）を出力するもの
であり、演算回路１５に接続されている。

【００１６】ここで、Ｖ相はＵ相に対し２４０゜進み又
は１２０゜遅れるだけで波形自体は互いに同様である。

【００１７】図３Ｂに示す（反転）Ｖ相の波形は、実際
のＶ相の波形を１８０°反転した状態で図示されてい
る。この波形は演算回路１５で形成される。なお、（反
転）Ｖ相の（反転）は位相反転を意味するもので、正確
には図３に示す通りである。以下同じ。

【００１８】また、図３にはＷ相の検出着磁波形が図示
されていないが、公知のようにＵ相に対して位相が１２
０゜進み又は２４０゜遅れるだけで、波形自体は互いに
同様である。

【００１９】さらに、磁束検出回路１３は、着磁がＮ極
の時は＋（プラス）出力が、Ｓ極の時は−（マイナス）
出力が得られるようになっている。

【００２０】演算回路１５は、切換えタイミング信号で
立上がって１２０°区間持続するＵ相、Ｖ相およびＷ
相、並びに（反転）Ｕ相、（反転）Ｖ相および（反転）
Ｗ相の駆動電流波形を形成するものであり、ＣＰＵ、Ｒ
ＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータを主体に形
成されており、駆動回路１７に接続されている。駆動回
路１７についての詳細な機能は後述する。

【００２１】なお、（反転）Ｕ相および（反転）Ｗ相に
ついても、（反転）Ｖ相と同様に実際のＵ相およびＷ相
の波形を１８０°反転した波形である。

【００２２】駆動回路１７は従来公知の構成を有し、例
えば図２に示すように、ＮＰＮパワートランジスタＱ１
のエミッタとＮＰＮパワートランジスタＱ４のコレクタ
を、ＮＰＮパワートランジスタＱ２のエミッタとＮＰＮ
パワートランジスタＱ５のコレクタを、ＮＰＮパワート
ランジスタＱ３のエミッタとＮＰＮパワートランジスタ
Ｑ６のコレクタを各々直列接続するとともに、トランジ
スタＱ１、Ｑ２、Ｑ３のコレクタを電源Ｅのプラス側
に、トランジスタＱ４、Ｑ５、Ｑ６のエミッタを電源Ｅ
のマイナス側に接続し、それら直列回路を電源Ｅに対し
て並列接続してなる回路を有して構成されている。

【００２３】駆動回路１７のトランジスタＱ１とＱ４の
接続点はモータＭのＵ相の駆動コイル７ａの一端に接続
され、トランジスタＱ２とＱ５の接続点はＶ相の駆動コ
イル７ｂの一端に接続され、トランジスタＱ３とトラン
ジスタＱ６の接続点はＷ相の駆動コイル７ｃの一端に接
続されており、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の駆動コイル７
ａ、７ｂ、７ｃの他端どうしが共通接続され、各駆動コ
イル７ａ、７ｂ、７ｃがいわゆるスター結線されてい
る。

【００２４】なお、図２中のＵ相、Ｖ相およびＷ相の駆
動コイル７ａ、７ｂ、７ｃにおけるドットは、これらの
巻き始めを示している。

【００２５】上述した図１では、便宜上からホール素子
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、磁束検出回路１３、演算回路
１５、駆動回路１７およびモータＭが１本のラインで接
続されている。

【００２６】実際は、図４に示したように、３個のホー
ル素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃがモータＭに配置される
とともに、ホール素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、磁束検
出回路１３、演算回路１５、駆動回路１７およびモータ
Ｍの間はＵ相、Ｖ相およびＷ相に該当するラインで接続
されている。

【００２７】次に、図１に示した駆動制御回路の動作を
説明する過程で、本発明に係る３相全波モータの駆動制
御方法を説明する。

【００２８】以下の動作説明においてＷ相の波形の図示
は省略するが、上述したようにＵ相に対して１２０゜進
み又は２４０゜遅れるだけで同様であるし、Ｖ相はＵ相
に対し２４０゜進み又は１２０゜遅れるだけで波形自体
は同様である。

【００２９】図１において、Ｕ相およびＶ相に相当する
ホール素子１１ａ、１１ｂからの検出信号に基づき磁束
検出回路１３が、図３ＡのようにＵ相の検出磁束波形を
出力するとともに切換えタイミング信号を出力すると、
演算回路１５は、実際のＶ相信号を１８０゜反転した
（反転）Ｖ相信号を作成し、互いに６０°ずれて立ち上
がって１２０°区間持続する駆動電流波形を形成し、駆
動回路１７へ出力する。

【００３０】駆動回路１７は、トランジスタＱ１〜Ｑ６
でＵ相、Ｖ相およびＷ相の駆動コイル７ａ、７ｂ、７ｃ
を各々１２０°ずつ１２０°遅れで切換え通電し、駆動
電流が電源Ｅのプラス（＋）側からトランジスタＱ１〜
Ｑ６、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の駆動コイル７ａ、７ｂ、
７ｃを通り、次の６通り経路で電源Ｅのマイナス（−）
側へ流れ、ロータマグネット９が回転する。

【００３１】６通りの経路でロータマグネット９が回転
するということは、６０°の範囲でモータトルクが一定
ならば、他の範囲でも一定となり、３６０°全域でトル
クを一定にすることができる訳である。

【００３２】すなわち、駆動コイル７ａ、７ｂ、７ｃの
結線に従い、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の駆動電流は駆動コ
イル７ａ、７ｂ、７ｃの巻き始めから流れ、（反転）Ｕ
相、（反転）Ｖ相および（反転）Ｗ相の駆動電流は駆動
コイル７ａ、７ｂ、７ｃの巻き始めに向かって電流が流
れる。

【００３３】 電源Ｅ＋側 → Ｑ１ → Ｕ相 → （反転）Ｖ相 → Ｑ５ →電源Ｅ−側 0〜60° 電源Ｅ＋側 → Ｑ１ → Ｕ相 → （反転）Ｗ相 → Ｑ６ →電源Ｅ−側 60〜120° 電源Ｅ＋側 → Ｑ２ → Ｖ相 → （反転）Ｗ相 → Ｑ６ →電源Ｅ−側 120〜180° 電源Ｅ＋側 → Ｑ２ → Ｖ相 → （反転）Ｕ相 → Ｑ４ →電源Ｅ−側 180〜240° 電源Ｅ＋側 → Ｑ３ → Ｗ相 → （反転）Ｕ相 → Ｑ４ →電源Ｅ−側 240〜300° 電源Ｅ＋側 → Ｑ３ → Ｗ相 → （反転）Ｖ相 → Ｑ５ →電源Ｅ−側 300〜360°

【００３４】一般にモータは、回転トルクをＴ［Ｎ・
ｍ］、極数をＰ、磁束をΦ［Ｗｂ］、導体数をＺ、駆動
電流をＩ［Ａ］とすると、回転トルクＴは次のように表
すことができる。 Ｔ＝Ｐ・Φ・Ｚ・Ｉ

【００３５】ここで極数Ｐおよび導体数Ｚは一定である
から、回転トルクＴは磁束Φと駆動電流Ｉの積（Ｔ＝Φ
・Ｉ）に比例することになるし、磁束Φ又は駆動電流Ｉ
の一方が増減した場合、他方を減増させれば回転トルク
Ｔは一定となる。

【００３６】そこで、図１の演算回路１５において、ホ
ール素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃにて検出されたＵ相の
検出着磁波形およびＶ相着磁波形を演算回路１５によっ
て１８０゜反転演算した（反転）Ｖ相波形が、図３Ａお
よびＢのようである場合、この波形はホール素子により
マグネットからある距離を持った空間点で測定されてお
り、磁束波形と近似と見なせる。

【００３７】そこで、図１の演算回路１５において、同
図Ｅ、ＦのようにＵ相および（反転）Ｖ相の回転トルク
が一定となるよう、同図Ｃ、ＤのようなＵ相および（反
転）Ｖ相（（反転）Ｖ相電流はＶ相と反対向きの電流）
の駆動電流波形を演算形成し、駆動回路１７へ出力すれ
ば、同図ＧのようにＵ相および（反転）Ｖ相の合成回転
トルクは６０゜の区間で一定となる。

【００３８】これは、上述した 電源Ｅ＋側 → Ｑ１ → Ｕ相 → （反転）Ｖ相 → Ｑ５ →電源Ｅ−側 0〜60° に相当する。

【００３９】同様に、演算回路１５にて、Ｗ相でも回転
トルクが一定となるよう駆動電流波形を演算して駆動回
路１７へ出力すれば、Ｕ相とＷ相間およびＶ相とＷ相間
の合成回転トルクが一定となり、モータの回転駆動時に
３６０゜の連続区間でトルクが一定となる。

【００４０】演算回路１５は、それらＵ相、Ｖ相および
Ｗ相に該当する検出着磁波形に基づき、モータＭにおけ
る各相の回転トルクが６０°の区間で一定となるような
駆動電流波形を演算形成し、駆動回路１７へ出力する機
能を有していればよい。

【００４１】上述した実施の形態は一例であり、着磁検
出素子もホール素子１１ａ〜１１ｃに限定されず、図示
はしないが検出コイルであっても良く、駆動コイル７ａ
〜７ｃの結成構成もデルタ結線であっても良いし、駆動
回路１７も上述した構成に限定されない。

【００４２】そして、本発明では上述した図４のような
モータＭの構成以外に、３個以上の突極歯を有するステ
ータ磁芯を有する構成や、ステータ磁芯を持たずに３個
以上の空芯駆動コイルを有する構成で実施可能であり、
ロータマグネットも２極以上のものを用いれば本発明の
目的達成が可能である。

【００４３】もっとも、３ｎ（ｎは１以上の整数）個の
ステータ磁芯の各突極歯に、３相のうちの１相の駆動コ
イルを巻き、４ｎ（ｎは１以上の整数）極のロータマグ
ネットを組合せた構成にすると、突極歯の突極幅とマグ
ネット極幅を１８０゜とすることが可能となることから
トルクを最大活用でき、使用磁束を最大限活用可能とな
って好ましい。

【００４４】さらに、モータＭの構成もアウターロータ
型や平面対向型に広く応用可能である。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る３相全
波モータの駆動制御方法は、回転時の各相のマグネット
着磁波形を検出し、電気角６０°毎の区間内にあって、
各相の検出着磁波形と合成して一定トルクの得られる各
相の駆動電流波形を演算し、これら演算駆動電流波形に
基づき個々の相の駆動コイルへ駆動電流を流すから、モ
ータを形成するマグネットの着磁エネルギー積を大きく
したり着磁波形を矩形化し、ステータとロータ間の空隙
を狭くし、駆動コイルへ切換え通電するドライブ電流波
形を矩形化する等して回転トルクの増大を図っても、振
動を小さく抑えて騒音を減少させることが可能となり、
回転トルクの増大と騒音の抑圧双方を同時に達成できる
利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３相全波モータの駆動制御方法を
実施するブロック回路図である。

【図２】図１中の駆動回路およびモータ中の駆動コイル
を示す回路図である。

【図３】本発明に係る３相全波モータの駆動制御方法の
動作を説明する波形図である。

【図４】モータの一般的な構成例を示す概略横断面図で
ある。

【符号の説明】

１ ステータ磁芯 ３ａ、３ｂ、３ｃ 突極歯 ５ａ、５ｂ、５ｃ 歯先 ７ａ、７ｂ、７ｃ 駆動コイル ９ ロータマグネット １１ａ、１１ｂ、１１ｃ 位置検出素子（ホール素子） １３ 磁束検出回路 １５ 演算回路 １７ 駆動回路 Ｅ 電源 Ｍ モータ（ブラシレスモータ） Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６ トランジスタ
（ＮＰＮパワートランジスタ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３相全波モータを駆動制御する３相全波
   モータの駆動制御方法において、 回転時の各相のマグネット着磁波形を検出し、電気角６
   ０°毎の区間内にあって、各相の前記検出着磁波形と合
   成して一定トルクの得られる各相の駆動電流波形を演算
   し、これら演算駆動電流波形に基づき個々の相の駆動コ
   イルへ駆動電流を流して前記モータを駆動制御すること
   を特徴とする３相全波モータの駆動制御方法。