JP2002058279A - ブラシレスモータの駆動制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電源電圧が変動しても安定した回転トルクが
得られるようにする。 【解決手段】 ブラシレスモータ１１を形成するＵ相、
Ｖ相およびＷ相の駆動コイルに誘起する逆起電力レベル
の等しい位置をセンサ１５と位置検出回路１７で検出す
る。逆比例回路２３は、電源２１から各相の駆動コイル
へ供給する電源電圧が基準電圧に対して変化したときそ
の変化に逆比例した移相信号を出力する。可変移相回路
１９は、その移相信号に基づきその逆起電力レベルの等
しい位置に対して進相又は遅相させて各相の駆動コイル
への駆動電流を切換える切換え制御信号を出力する。ド
ライブ回路２５はその切換え制御信号によって駆動コイ
ルへの駆動電流を切換え通電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はブラシレスモータの
駆動制御回路に係り、特に電源電圧が変動してもモータ
特性を安定させることの容易な駆動制御回路の改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ブラシレスモータは、図示はしないが、
例えば軸受を支持した軸受ハウジングをステータ板に固
定し、軸受ハウジングの外周に設けたステータコアに３
相の駆動コイルを分割巻してステータ部を形成し、軸受
に軸支させた回転軸にカップ状のロータ板を固定し、こ
のロータ板の側壁内側にリング状の多極ロータマグネッ
トを固定し、ステータコアの先端と僅かな間隔で対面さ
せてロータ部を形成するのが一般的である。

【０００３】このようなブラシレスモータの駆動回路と
しては、概略的には図８に示すように、モータ１のロー
タ部近傍に配置したセンサ３を位置検出回路５に接続し
てロータマグネットの位置を検出し、この位置検出信号
に基づきドライブ回路７では電源（図示せず。）からモ
ータ１へ印加する駆動電流を切換え通電する構成となっ
ていた。

【０００４】すなわち、モータ１において、位置検出回
路５からの位置検出信号に基づきドライブ回路７で、図
９に示すように、各々１２０°ずつ位相をずらせたタイ
ミングで、図１０のようにＹ結線したＵ相、Ｖ相および
Ｗ相の３相駆動コイル９ａ、９ｂ、９ｃに対して駆動電
流を切換え通電（整流）し、ロータ部を回転制御してい
た。

【０００５】そして、このようなブラシレスモータで
は、定格の電源電圧をモータ１に印加した場合、回転数
とトルクの関係が図１１Ａのようになっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
なブラシレスモータでは、モータ１に印加する電源電圧
が低下して減電圧状態になると、それに比例して図１１
Ｂのようにトルクおよび回転速度が低下する特性となる
ので、実際の製品化に当り、使用環境下の印加電源電圧
が定格電圧よりも多少低下しても、所定のモータ特性を
満足するよう例えば無負荷回転速度を多少高めに設定す
る設計が行われている。すなわち、トクル定数を低下さ
せて設計が行われていた。

【０００７】そのため、何等かの原因によって実際に使
用する印加電源電圧が高くなって過電圧状態になった場
合、モータ１自体には図１１Ｃのように高めの電源電圧
が印加された状態となって最適化されずにオーバースペ
ックとなり、トルク定数の低下による電流増加と合わせ
て、発熱が増加する等の動作障害の原因となる心配があ
る。

【０００８】実際のモータを使用する場合、安定化電源
装置を使用していても誤差が生じたり、電源電池を使用
していても消耗によって電源電圧が低下する事態も予想
され、電源電圧の変動に対する対策が望まれていた。

【０００９】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、モータを駆動する電源電圧が低
下しても安定したモータ特性が得られるとともに、電源
電圧が上昇しても発熱等の発生を抑えて同様に安定した
モータ特性が得られる駆動制御回路の提供を目的とす
る。

【００１０】

【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、ブラシレスモータを構成する複数相
の各駆動コイルに誘起する逆起電力の位相を直接的又は
間接的に検出する位置検出回路と、それら駆動コイルへ
供給する電源電圧が基準電圧に対して変化したときその
変化に逆比例した移相信号を出力する逆比例回路と、そ
の移相信号に基づき上記検出位置に対して各駆動コイル
への切換えを進相又は遅相位相で切換え制御信号を出力
する可変移相回路と、その切換え制御信号によってそれ
ら駆動コイルへの駆動電流を切換えてドライブするドラ
イブ回路とを具備している。

【００１１】そして、本発明では、電源電圧が基準電圧
状態にあるとき、予め進相に設定したその移相信号を出
力するよう上記逆比例回路を形成することが可能であ
る。

【００１２】

【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。図１は本発明に係るブラシレスモー
タの駆動制御回路の実施の形態を示すブロック図であ
る。

【００１３】図１において、ブラシレスモータ１１（図
では単にモータと略す。）は、図示はしないが従来例と
同様な構成を有しており、例えば、軸受を支持した軸受
ハウジングがステータ板に固定され、軸受ハウジングの
外周に設けたステータコアに例えば３相の駆動コイルが
分割して巻かれてステータ部を形成し、その軸受に軸支
させた回転軸にカップ状のロータ板が固定され、このロ
ータ板の側壁内側にリング板状の多極ロータマグネット
が固定されてロータ部を形成するとともに、そのステー
タコアの先端と僅かな間隔でロータマグネットを対面さ
せた構成を有しているが、これに限定されない。

【００１４】ブラシレスモータ１１を形成する駆動コイ
ルは、図２に示すように、例えばＵ相、Ｖ相およびＷ相
の駆動コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｃをＹ結線して形成
されている。

【００１５】ブラシレスモータ１１に配置されたセンサ
１５は、この回転駆動時にロータマグネットのＮ極とＳ
極の着磁状態レベルを検出するものであり、位置検出回
路１７に接続されている。

【００１６】位置検出回路１７は、センサ１５から得ら
れたＮ極とＳ極の着磁状態レベルから、各相の駆動コイ
ル１３ａ、１３ｂ、１３ｃに誘起される逆起電力レベル
を間接的に検出するものであり、可変移相回路１９に接
続されている。

【００１７】もちろん、位置検出回路１７は逆起電力レ
ベルを直接的に検出するよう形成可能である。

【００１８】図３は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の駆動コイ
ル１３ａ、１３ｂ、１３ｃに誘起される逆起電力波形を
示すものである。

【００１９】図１中の電源２１は、商用電源から適当な
電圧に低圧変換して直流化した直流電源やバッテリその
他公知のものであり、モータ１１を回転駆動する他、本
発明の回路その他を動作させるものである。

【００２０】逆比例回路２３は、電源２１から出力され
る電源電圧、特にモータ１１の駆動コイル１３ａ、１３
ｂ、１３ｃへ印加される電源電圧レベルを検出するとと
もに、所定の基準電圧例えば予め設定した定格電圧とそ
の電源電圧レベルとを比較してその差に逆比例した移相
信号を出力するものであり、可変移相回路１９に接続さ
れている。なお、基準電圧は若干の幅をもたせて設定す
ることが好ましい。

【００２１】逆比例回路２３は、例えば、電源２１から
駆動コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｃへ印加される電源電
圧レベルが所定の定格電圧より低下したとき、その低下
レベルに逆比例して基準移相電圧より大きなレベル信号
を移相信号として出力し、電源電圧レベルがその定格電
圧より上昇したとき、その上昇レベルに逆比例して基準
移相電圧より小さなレベル信号を移相信号として出力す
る機能を有している。

【００２２】可変移相回路１９は、図４に示すように、
上述した駆動コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｃへ印加され
るＵ相、Ｖ相およびＷ相の駆動電流を位相１２０°ずら
せたタイミングで転流させる切換え制御信号を出力する
ものであり、ドライブ回路２５に接続されている。

【００２３】さらに、可変移相回路１９は、定格動作時
の切換え制御信号の出力タイミング（整流角）に対し、
逆比例回路２３からの移相信号レベルが高ければ、その
レベルに応じて切換え制御信号の位相を進め（進角さ
せ）、移相信号レベルが低ければ、そのレベルに応じて
切換え制御信号の位相を遅らせてドライブ回路２５へ出
力する電圧可変移相機能を有している。

【００２４】すなわち、可変移相回路１９は、図３に示
すように、各相の逆起電力が重なる（等しい）レベルと
なる位置Ｐに対して、移相信号の電圧レベルに基づき整
流角を進相又は遅相させる切換え制御信号をドライブ回
路２５へ出力するものである。

【００２５】なお、この切換え制御信号の進相又は遅相
とトルクや回転速度との関係は後述する。

【００２６】ドライブ回路２５は、例えば図２に示すよ
うに、コレクタを電源２１のプラス側に接続したトラン
ジスタＱ１、Ｑ３、Ｑ５について、これらのエミッタを
各々トランジスタＱ２、Ｑ４、Ｑ６のコレクタに接続
し、トランジスタＱ２、Ｑ４、Ｑ６のエミッタを電源２
１のマイナス側に接続し、トランジスタＱ１とＱ２の接
続点をＵ相の駆動コイル１３ａの巻き始めに、トランジ
スタＱ３とＱ４の接続点をＶ相の駆動コイル１３ｂの巻
き始めに、トランジスタＱ５とＱ６の接続点をＷ相の駆
動コイル１３ｃの巻き始めに接続して形成されている。

【００２７】そして、ドライブ回路２５は、可変移相回
路１９からのＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応した切換え制
御信号によってトランジスタＱ１〜Ｑ６を選択的にオン
オフ制御し、電源２１からの駆動電流を駆動コイル１３
ａ〜１３ｃへ切換え通電する機能を有している。

【００２８】次に、本発明に係るブラシレスモータの駆
動制御回路の動作を簡単に説明する。

【００２９】モータ１１が回転している場合、Ｕ相、Ｖ
相およびＷ相の駆動コイル１３ａ〜１３ｃに誘起される
逆起電力を、センサ１５および位置検出回路１７によっ
て検出する。

【００３０】位置検出回路１７は、図３のようにそれら
Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の逆起電力を検出し、その位置タ
イミングを可変移相回路１９へ出力する。

【００３１】逆比例回路２３は、電源２１からモータ１
１の駆動コイル１３ａ〜１３ｃへ印加される電源電圧レ
ベルが例えば定格電圧で安定しているとき、所定の基準
移相信号を出力する。

【００３２】可変移相回路１９は、図３および図４に示
すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の逆起電力が重なるレベル
となる位置Ｐに合わせ、かつ位相を１２０°ずらせたタ
イミングの切換え制御信号をドライブ回路２５へ出力す
る。

【００３３】そのため、ドライブ回路２５は、トランジ
スタＱ１〜Ｑ６を選択的にオンオフ制御し、図５に示す
ような駆動電流を駆動コイル１３ａ〜１３ｃへ１２０°
ずつの位相期間で切換え通電する。

【００３４】次に、何等かの原因で電源２１からの電源
電圧が定格電圧よりも低下した場合を説明する。

【００３５】電源２１からの電源電圧が低下すると、逆
比例回路２３はそれに逆比例したレベルの移相信号を可
変移相回路１９へ出力する。

【００３６】可変移相回路１９は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の
逆起電力の重なる位置Ｐから移相信号レベルに応じて位
相を進めたタイミングＰ１の切換え制御信号をドライブ
回路２５へ出力する。

【００３７】そのため、ドライブ回路２５は、位相を進
めた切換え制御信号でトランジスタＱ１〜Ｑ６を選択的
にオンオフ制御し、電源２１からの駆動電流を駆動コイ
ル１３ａ〜１３ｃへ定格時の転流点Ｐより進めたタイミ
ングＰ１から１２０°ずつの位相期間で切換え通電する
ことになる。

【００３８】逆に、電源２１からの電源電圧が定格電圧
よりも上昇すると、逆比例回路２３からはそれに逆比例
したレベルの移相信号が可変移相回路１９へ出力され、
可変移相回路１９からはその移相信号レベルに応じて位
相を遅らせたタイミングＰ２の切換え制御信号がドライ
ブ回路２５へ出力され、電源２１から駆動コイル１３ａ
〜１３ｃへ供給される駆動電流が定格時の転流点Ｐより
遅れたタイミングＰ２から１２０°ずつの位相で切換え
通電される。

【００３９】一般に、ブラシレスモータ１１において、
例えば電源２１からＵ相の駆動コイル１３ａに駆動電流
Ｉａが流れる場合、駆動コイル１３ａにおける逆起電力
Ｅおよび抵抗分Ｒａを等価回路で示せば、図６のように
なるとともに次の式が成立する。 逆起電力 Ｅ＝Ｋφｎ

【００４０】ここで、符号Ｋはモータ定数、符号φは磁
束数、符号ｎは回転速度であり、駆動電流Ｉａの位相が
変化する場合は、次式で表せる。 逆起電力 Ｅ＝Ｋφｃｏｓθｎ 符号θは、整流角であり、Ｐ点では「０」である。

【００４１】他方、電源２１の電圧Ｖは次の式で表せ
る。

【００４２】これを展開して回転速度を求めると、次の
ようになる。 回転数度 ｎ＝（Ｖ−ＲａＩａ）／Ｋφｃｏｓθ

【００４３】これによれば、電源電圧Ｖが低下した場
合、回転速度ｎを低下させずに保つには「ｃｏｓθ」を
小さくすればよく、整流角（駆動電流Ｉａの転流点）を
進めれば良いことが分かる。

【００４４】そして、「ｃｏｓθ」を変化させて駆動電
流Ｉａの転流点を進めたり遅らせたりした場合のトルク
と回転速度の関係は、図７に示すようになり、駆動電流
Ｉａの転流点を進めた場合、定格時の逆起電力の等しい
位置で転流する場合に比べ、その特性の傾きが大きくな
ってトルクが上昇する一方、駆動電流Ｉａの転流点を遅
らせた場合、その特性の傾きが小さくなってトルクが低
下する。

【００４５】このように本発明のブラシレスモータの駆
動制御回路は、ブラシレスモータ１１を形成するＵ相、
Ｖ相およびＷ相の駆動コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｃに
誘起する逆起電力をセンサ１５と位置検出回路１７で検
出し、それら駆動コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｃへ供給
する電源２１からの電源電圧が基準電圧に対して低下し
たときその変化方向に逆比例した移相信号を逆比例回路
２３から出力し、その移相信号に基づき定格電圧時の位
相に対して進相させて駆動コイル１３ａ、１３ｂ、１３
ｃへの電流印加を切換える切換え制御信号を可変移相回
路１９から出力し、ドライブ回路２５ではその切換え制
御信号によって駆動コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｃへの
電流切換えタイミングを進めて切換える構成とした。

【００４６】そのため、電源２１からの電源電圧が定格
電圧より低下しても、駆動コイル１３ａ、１３ｂ、１３
ｃへの電流切換えタイミングを進めた状態でモータ１１
が駆動されるから、高回転時のトルクが低下せずに、定
格電圧状態と同様な回転制御が得られる。

【００４７】また、電源２１からの電源電圧が定格電圧
よりも高くなった場合には、転流点の位相を定格電圧時
より遅らせることにより、無負荷回転速度を低下させて
同様に電源の定格電圧の状態と同様な回転制御ができ
る。このときトルク定数は増加しているので、負荷電流
は減少する。

【００４８】従って、本発明のブラシレスモータの駆動
制御回路を用いれば、ブラシレスモータ１１について、
予め高めの回転トルクで動作するよう設計する必要はな
くなり、万一、印加電源電圧が高くなってもオーバース
ペックとなり難く、発熱も増加し難い利点がある。

【００４９】上述した実施の形態では説明の都合上、Ｕ
相、Ｖ相およびＷ相の逆起電力レベルが重なる点、すな
わち転流点Ｐを用いて説明したが、一般のモータには駆
動コイルの巻線インダクタンスや電機子反作用などの影
響があるので（説明省略）、電源電圧が基準電圧状態に
あるとき、定格時の整流角を転流点Ｐよりも若干進める
（図３のＰ１側）設定をすれば、駆動コイルの巻線イン
ダクタンスや電機子反作用の影響を低減できる。

【００５０】この場合、例えば定格電圧時＋１５度、減
電圧時＋３０度、過電圧時０度となり、定格電圧時に対
して減電圧時および過電圧時に位相を進角させたり遅ら
せる構成に変りはない。

【００５１】また、本発明は、上述したように駆動電流
の切換え（整流）を急峻又はデジタル的に行う構成以外
に、駆動電流の切換え（整流）を例えば正弦波や台形状
すなわちアナログ的に切換える構成も可能である。

【００５２】なお、本発明の実施に当っては、電源２１
からの電源電圧の定格電圧は任意に設定できることはい
うまでもない。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るブラシ
レスモータの駆動制御回路は、ブラシレスモータを構成
する複数相の各駆動コイルに誘起する逆起電力レベルが
重なる位置を位置検出回路で検出し、それら駆動コイル
へ供給する電源電圧が基準電圧に対して変化したときそ
の変化方向に逆比例した移相信号を逆比例回路から出力
し、その移相信号に基づき上記検出位置に対して進相又
は遅相位相で駆動コイルへの電流を切換える切換え制御
信号を可変移相回路から出力し、その切換え制御信号に
よってそれら駆動コイルへの電流切換えタイミングをド
ライブ回路で切換えドライブするから、ブラシレスモー
タを駆動する電源電圧が低下しても、安定した回転トル
クを維持して安定したモータ特性が得られるととに、高
い電源電圧が印加されても発熱等の発生を抑え、同様に
安定したモータ特性が得られる利点がある。そして、電
源電圧が基準電圧状態にあるとき、予め進相に設定した
その移相信号を出力するよう上記逆比例回路を形成する
構成では、上述した効果に加えて、モータを構成する駆
動コイルの巻線インダクタンスや電機子反作用などの影
響を受け難くすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るブラシレスモータの駆動制御回路
の実施の形態を示すブロック図である。

【図２】図１中のドライブ回路および駆動コイルを示す
回路図である。

【図３】駆動コイルに誘起する逆起電力の波形を示す波
形図である。

【図４】駆動コイルを切換える切換え制御信号を示す波
形図である。

【図５】駆動コイルに流れる駆動電流の波形を示す波形
図である。

【図６】本発明の駆動制御回路の動作を説明するための
回路図である。

【図７】本発明の駆動制御回路によって制御されるブラ
シレスモータが示す回転速度とトルクの特性図である。

【図８】従来の駆動制御回路を示すブロック図である。

【図９】図１０の駆動コイルに流れる駆動電流の波形を
示す波形図である。

【図１０】ブラシレスモータの一般的な駆動コイルを示
す回路図である。

【図１１】従来の駆動制御回路によって制御されるブラ
シレスモータが示す回転速度とトルクの特性図である。

【符号の説明】

１、１１ ブラシレスモータ ３、１５ センサ ５、１７ 位置検出回路 ７、２５ ドライブ回路 ９ａ、９ｂ、９ｃ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 駆動コイ
ル １９ 可変移相回路 ２１ 電源 ２３ 逆比例回路 Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６ トランジスタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ブラシレスモータを構成する複数相の各
   駆動コイルに誘起する逆起電力の位相を直接又は間接的
   に検出する位置検出回路と、 前記駆動コイルへ供給する電源電圧が基準電圧に対して
   変化したとき、その変化に逆比例した移相信号を出力す
   る逆比例回路と、 前記移相信号に基づき前記検出位相に対して進相又は遅
   相位相で前記駆動コイルへの駆動電流を切換える切換え
   制御信号を出力する可変移相回路と、 前記切換え制御信号によって前記駆動コイルへの駆動電
   流を切換えてドライブするドライブ回路と、 を具備することを特徴とするブラシレスモータの駆動制
   御回路。
2. 【請求項２】 前記逆比例回路は、前記電源電圧が基準
   電圧状態にあるとき、予め進相に設定した前記移相信号
   を出力するよう形成された請求項１記載のブラシレスモ
   ータの駆動制御回路。