JP2004312890A - モータ制御回路及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無負荷時の発熱を防ぐことができるモータ制御回路を提案する。
【解決手段】初期パラメータが測定できていない場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、ブラシレスモータ４０を無負荷状態で正転させ（Ｓ１０４）、駆動電圧とホールセンサ信号との間の位相差をデータを読み込み（Ｓ１０６）、測定した位相差よりも大きなオフセット値を設定する（Ｓ１０８）。測定した位相差に基づきオフセット値を設定するため、通常制御において（Ｓ１０）、無負荷状態で、負荷状態の励磁電圧をコイルに印加することがなくなり、発熱を防ぐことができる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、センサで検出される回磁マグネットの磁極位置とコイルの励磁電圧波形との位相差を検出してトルク制御を行うモータ制御回路及び制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ブラシレスモータを高速駆動する制御回路には、一般に速度制御フィードバック方式が用いられている。この速度制御フィードバック方式は、速度の指令値と検出された実際値とを制御増幅器により比較し、その誤差がなくなるように制御対象である電動機（ブラシレスモータ）を制御するフィードバック方式の一種である。ここで、ブラシレスモータの速度は、ブラシレスモータに取り付けられたロータ側の界磁マグネットの極性を検出するためのホールセンサの出力に基づき検出することができる。
【０００３】
ブラシレスモータは、一般に、定速度駆動する場合に広く用いられ、高速のみならず、低速でも用いる場合には、変速度駆動が容易なブラシモータが用いられている。即ち、上記ブラシレスモータをホールセンサの出力に基づき速度制御フィードバック方式にて制御する場合、低速でブラシレスモータを駆動しようとすると、ホールセンサからの出力では情報量が少ないため、フィードバックの応答性が低くなり、回転が不安定になると共に負荷変動により回転が低下するという問題が発生する。
【０００４】
この問題を解決するためには、本出願人は、特許文献１にて、高速時には速度制御フィードバック方式で制御を行い、低速回転において、正弦波ＰＷＮ方式で駆動し、界磁マグネットの磁極位置と、コイル励磁電圧波形との位相差に応じてトルク制御する技術を提案した。この位相差について図６を参照して説明する。図６（Ａ）は、無負荷時のコイル駆動電圧とホールセンサ信号（界磁マグネットの磁極位置）とを示すグラフであり、図６（Ｂ）は、負荷時の駆動電圧とホールセンサ信号とを示すグラフである。図６（Ａ）中に示すように、無負荷状態では、正弦波（コイル駆動電圧）のゼロクロス点において、ホールセンサ信号の極性が変わっている。一方、図６（Ｂ）に示すように、負荷がかかった状態では、駆動電圧とホールセンサ信号との間に位相差が生じている。この位相差が負荷量に対応するため、位相差に応じて電流量を増大させるトルク制御を行うことで、負荷変動による回転低下を防止し、回転を安定させている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２８５９８０号公報
【特許文献２】
特開平１０−２８５９７９号公報
【特許文献３】
特開２０００−３５０４８５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に係る技術を用いたブラシレスモータにおいて、無負荷時にも温度が上昇する場合があることが明らかになった。無負荷時には、電流量を抑えることでコイルでの発熱を防いでいるが、例えば、歯科機械用のハンドピース内に収容されるブラシレスモータで、無負荷時にも大きな電流が流れ、ハンドピースの温度を上昇させる物が数％程度発生した。
【０００７】
この原因を調査したところ、組み立ての際に、コイルに対してホールセンサの位置がずれ、無負荷状態において、上述した駆動電圧とホールセンサ信号との間に位相差が生じ、この位相差に応じて待機中（無負荷状態）においても負荷状態の電流を流し発熱するためであることが判明した。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、無負荷時の発熱を防ぐことができるモータ制御回路及び制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため請求項１の発明では、界磁マグネットを有するロータと、該ロータを回転するための複数相のコイルを有するステータと、前記コイルに相当する磁極位置を検出するセンサとから成るモータを、前記センサで検出される回磁マグネットの磁極位置と前記コイルの励磁電圧波形との位相差を検出してトルク制御を行うモータ制御回路であって：
定常制御を開始する以前に、無負荷状態で回転して、前記センサで検出される回磁マグネットの磁極位置と前記コイルの励磁電圧波形との位相差を測定する測定手段と；
測定した位相差を補正して定常制御を行う補正手段と；を備えることを技術的特徴とする。
【００１０】
請求項１のモータ制御回路では、センサの取り付け位置が回磁マグネットからずれ、無負荷状態で、センサで検出される回磁マグネットの磁極位置とコイルの励磁電圧波形との間で位相差が生じても、定常制御を開始する以前に、無負荷状態で回転して、センサで検出される回磁マグネットの磁極位置とコイルの励磁電圧波形との位相差を測定し、測定した位相差を補正して定常制御を行う。このため、定常運転において、無負荷状態で、負荷状態の励磁電圧をコイルに印加することがなくなり、発熱を防ぐことができる。
【００１１】
また、請求項２の発明では、測定した位相差よりも大きなオフセット値を設定して、位相差がオフセット値以内である際には、無負荷状態での励磁電圧をコイルに印加する。このため、無負荷時の発熱を防ぐことができる。
【００１２】
請求項３の発明では、モータが歯科機械用のブラシレスモータであるため、ハンドピースの温度が上昇することを防ぐことができる。
【００１３】
請求項４の発明は、界磁マグネットを有するロータと、該ロータを回転するための複数相のコイルを有するステータと、前記コイルに相当する磁極位置を検出するセンサとから成るモータを、前記センサで検出される回磁マグネットの磁極位置と前記コイルの励磁電圧波形との位相差を検出してトルク制御を行うモータ制御方法であって：
定常制御を開始する以前に、無負荷状態で回転して、前記センサで検出される回磁マグネットの磁極位置と前記コイルの励磁電圧波形との位相差を測定測定し；
測定した位相差を補正して定常制御を行うことを技術的特徴とする。
【００１４】
請求項４のモータ制御方法では、センサの取り付け位置が回磁マグネットからずれ、無負荷状態で、センサで検出される回磁マグネットの磁極位置とコイルの励磁電圧波形との間で位相差が生じても、定常制御を開始する以前に、無負荷状態で回転して、センサで検出される回磁マグネットの磁極位置とコイルの励磁電圧波形との位相差を測定し、測定した位相差を補正して定常制御を行う。このため、定常運転において、無負荷状態で、負荷状態の励磁電圧をコイルに印加することがなくなり、発熱を防ぐことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のモータ制御回路及び制御方法の実施形態について図を参照して説明する。図１は、第１実施態様に係る歯科機械のハンドピース内に収容されるブラシレスモータの機械的構成を示している。該ブラシレスモータ４０は、歯の研削時に４万回転／分で駆動されると共に、歯根治療時には、１００回転／分の超低速にて駆動される。
【００１６】
セラミックスリーブから成るロータ５０の外周にセラミックスリーブから成るステータ６０が配設されており、該ステータ６０にはエアーが供給されて、通孔６６から排出されることでラジアル静圧軸受けを形成している。該ロータ５０の外周には、４極の界磁マグネット５２が配設されている。また、ステータ６０の外周には、３組のコイル６２が取り付けられている。更に、コイル６２の外側には、ヨーク６９が配設されている。このロータ５０の図中右端部及び左端部には、マグネット５４Ａ、５４Ｂが配設され、ステータ６０側に取り付けられたマグネット６４Ａ、６４Ｂとの反発力によりロータ５０のスラスト方向への移動が規制される。なお、該ブラシレスモータには、界磁マグネット５２の極性を検出するためのホールセンサ１０が取り付けられている。
【００１７】
図２は第１実施形態に係るブラシレスモータ制御回路を示している。ブラシレスモータ制御回路は、上記界磁マグネットの極性を検出するためのホールセンサ（ホールＩＣ）１０からの信号をフィルタするフィルタ１２と、三角波を発生する三角波発生回路１８と、ホールセンサ１０からの信号をてい倍するてい倍回路１３と、分周比を切り替える分周切替回路１５、該ホールセンサからの信号を平滑化してブラシレスモータの回転速度を電圧値に変換したＤＡ信号を生成するＤ／Ａ変換回路１９と、ブラシレスモータを高速時に方形波ＰＷＭ方式で制御するため方形波ＰＷＭ出力を送出するコンパレータ１６とを備える。更に、ＣＰＵ１４には、モータの回転数を調整するための操作ペダル１１、及び、モータの回転数を高速（５０００〜４００００ｒｐｍ）と低速（１００〜５０００ｒｐｍ）とに切り替える切替スイッチ１７とが接続されている。
【００１８】
ＣＰＵ１４は、フィルタ１２からのホールセンサ１０の信号と、該コンパレータ１６からのＰＷＭ出力とに基づき、或いはＣＴで検出した負荷電流に基づきパワー回路２０の駆動信号を生成する。
【００１９】
先ず、図２を参照して制御回路のブラシレスモータ高速回転時（５０００〜４００００ｒｐｍ）の制御動作につい説明する。
ブラシレスモータ制御回路は、上記切替スイッチ１７が高速側に切り替られた５０００ｒｐｍを越える高速回転時において、回転数をホールセンサ１０からの信号により検出して速度フィードバック制御を実施する。この際に、三相１２０°導通型に基づいた方形波ＰＷＭ方式を用いてコイルへ電流を印加する。
【００２０】
即ち、ホールセンサ１０がブラシレスモータのロータ５０に取り付けられた界磁マグネット５２の極性を検出した信号を出力する。Ｄ／Ａ変換回路１９が、この信号を平滑化してブラシレスモータの回転速度を電圧値に変換したＤＡ信号を生成する。そして、コンパレータ１６は、該ＤＡ信号と、三角波発生回路１８からの三角波とを比較して、図３（イ）、（ロ）に示すような方形波ＰＷＭ信号を生成する。該方形波ＰＷＭ信号は、一定の周期Ｔ（２０ＫＨｚ）で、目標速度に対して実測速度が等しいときには、図３（イ）に示すように波幅ｔ１の短い矩形波が出力され、目標速度に対して実測速度が低いときには、図３（ロ）に示すように波幅ｔ１’の長い矩形波が出力される。
【００２１】
ＣＰＵ１４は、フィルタ１２からのホールセンサ（ホールＩＣ）１０の信号に基づきコイル６２に導通するタイミングを１２０°導通型に基づき生成すると共に、該コンパレータ１６からのＰＷＭ出力に基づき、パワー回路２０の駆動信号を生成する。高回転時には、回転数を直接検出してフィードバックを行うため高い回転精度を実現できる。
【００２２】
ここで、高速回転域では、ホールセンサの信号により回転数を検出して速度制御するとともに、回転数に応じて前記ホールセンサの信号を図２に示すてい倍回路１３でてい倍比を切り替え、または、分周切替回路１５にて、分周比を切り替え、回転数の検出精度を高め速度制御を行う。
【００２３】
次に、該制御回路のブラシレスモータ低速回転（１００〜５０００ｒｐｍ）時の動作につい説明する。
ブラシレスモータ制御回路は、上記切替スイッチ１７が低速側に切り替られた１００〜５０００ｒｐｍ未満の低速回転時に、上述した高速回転時の速度フィードバック制御の方形波ＰＷＭ方式から、トルクフィードバック制御の正弦波ＰＷＭ方式に切り換えてブラシレスモータを制御する。ここでは、図６（Ｂ）を参照して上述したように、負荷がかかった状態では、駆動電圧とホールセンサ信号との間に位相差が生じている。この位相差が負荷量に対応するため、位相差に応じて電流量を増大させるトルク制御を行うことで、負荷変動による回転低下を防止し、回転を安定させている。具体的には、磁極位置とコイル励磁電圧波形（三相中の少なくとも１相分）との位相差により負荷を検出し、位相差が６０°を越えないよう位相差（負荷）に応じてＰＷＭのデューティ比を変えることで電流量を調整する。
【００２４】
即ち、ＣＰＵ１４は、低速回転において、磁極位置とコイル励磁電圧波形との位相差により負荷を検出し、位相差が６０°を越えないようにブラシレスモータのコイルを励磁する。この際に、該ＣＰＵ１４は、図３の（ハ）に示すように２つの正弦波と三角波とを組み合わせることにより、（へ）に示す正弦波ＰＷＭ信号を生成する。この正弦波ＰＷＭ信号は三相で１２０°ずつ位相の異なる。第１実施態様では、負荷を検出し、負荷に応じた電流を流してトルク制御するようにフィードバックを行うため、低回転で発生し易い脱調を未然に防ぐことができる。本実施態様では正弦波ＰＷＭ信号を印加しているため、円滑に回転させることができ、脱調を発生させることがない。
【００２５】
この第１実施態様では、ブラシレスモータの制御方式を低速（正弦波ＰＷＭ方式）と高速（方形波ＰＷＭ方式）とで切り換える動作を、切替スイッチ１７の操作に応じてＣＰＵ１４が行っている。なお、切替スイッチを設けず、回転数に応じて自動的に制御方式を切り替えることも可能である。
【００２６】
以上記述したように第１実施態様の制御回路は、高速でブラシレスモータを制御する際には、界磁マグネットの極性検出用のホールセンサの出力に基づき回転数を検出するため、回転数検出用の素子を用いることなく速度フィードバック制御を行い得る。一方、低速でブラシレスモータを制御する際に、回転数を検出してフィードバックを行うにはホールセンサの出力では情報量が不足する。このため、低速時には、負荷電流に基づきトルクフィードバック制御を行い、ブラシレスモータの回転を安定させる。
【００２７】
また、ブラシレスモータを低速（１００〜５０００ｒｐｍ）で回転する際には、正弦波ＰＷＭ方式にて駆動し、ブラシレスモータを高速（５０００ｒｐｍ以上）で回転する際には、方形波ＰＷＭ方式にて駆動するため、低速及び高速にて安定してブラシレスモータを駆動することができる。
【００２８】
ここで、図１に示す構成のブラシレスモータでは、組み立ての際に、コイル６２に対してホールセンサ１０の取り付け位置がずれ、無負荷状態において、図６（Ｂ）を参照して上述したように駆動電圧とホールセンサ信号との間に位相差が生じる場合がある。係る場合に対応するため、第１実施形態のモータ制御回路では、定常制御を開始する以前に無負荷時の位相差を測定して、定常制御においてこれを補正する処理を行う。この処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。
【００２９】
ＣＰＵ１４は、先ず、初期パラメータ測定モードかを判断する（Ｓ１０２）。初期パラメータが測定できていない場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、ブラシレスモータ４０を無負荷状態で正転させ（Ｓ１０４）、図６（Ｂ）を参照して上述した駆動電圧とホールセンサ信号との間の位相差をデータを読み込み（Ｓ１０６）、測定した位相差よりも大きなオフセット値を設定して内蔵のメモリに格納する（Ｓ１０８）。逆転方向での測定が完了するまでは（Ｓ１１０：Ｎｏ）、Ｓ１０４へ戻り、ブラシレスモータ４０を逆転させ（Ｓ１０４）、位相差を測定して（Ｓ１０６）、オフセット値を格納する（Ｓ１０８）。そして、読み込みデータ（無負荷時の位相差）が許容範囲にあるかを判断し（Ｓ１１２）、許容範囲を超えている場合には（Ｓ１１２：Ｎｏ）、Ｓ１０４に戻り測定をやり直す。一方、許容範囲内であるときには（Ｓ１１２：Ｙｅｓ）、パラメータ測定を完了する（Ｓ１１４）。
【００３０】
上述した処理により初期パラメータ測定が完了すると（Ｓ１０２：Ｎｏ）、ＣＰＵ１４はブラシレスモータ４０を通常制御する。この通常制御（トルクフィードバック制御）について、当該処理のサブルーチンを示す図５のフローチャートを参照して説明する。
ＣＰＵ１４は、駆動電圧とホールセンサ信号との間の位相差をデータを読み込む（Ｓ１２）。そして、位相差が、メモリに格納したオフセット値以下かを判断する（Ｓ１４）。ここで、位相差がオフセット値以下の場合には（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、無負荷時の電流値（例えば、０．５Ａ）になるように、コイル６２へ印加する電圧を調整する（Ｓ１６）。他方、位相差がオフセット値を越える場合には（Ｓ１４：Ｎｏ）、位相差に応じた電流値になるように、コイル６２へ印加する電圧波形（ＰＷＭのデューティ比）を調整し（Ｓ１８）、上述したように位相差が６０°を越えないように電流量を調整する。
【００３１】
第１実施形態のモータ制御回路及び制御方法では、ブラシレスモータ４０のホールセンサ１０の取り付け位置が回磁マグネット５２からずれ、無負荷状態で、センサ１０で検出される回磁マグネット５２の磁極位置とコイル６２の励磁電圧波形との間で位相差が生じても、定常制御を開始する以前に、無負荷状態で回転して、センサ１０で検出される回磁マグネット５２の磁極位置とコイル６２の励磁電圧波形との位相差を測定し、測定した位相差よりも大きなオフセット値を設定して定常制御を行う。定常運転において、位相差がオフセット値以内である際には、無負荷状態での励磁電圧をコイルに印加するため、無負荷時の発熱を防ぐことができる。
【００３２】
第１実施形態のモータ制御回路及び制御方法では、歯科機械用のブラシレスモータの無負荷時の電流値を適正に制御することで、ハンドピースの温度が上昇することを防ぐことができる。
【００３３】
ここで、特許文献１のモータ制御回路と第１実施形態のモータ制御回路とを比較した試験結果について説明する。
１００個のブラシレスモータを用意し、特許文献１のモータ制御回路で制御した際には、３個のブラシレスモータにおいて発熱が観察された。これに対して、同じブラシレスモータを第１実施形態のモータ制御回路にて制御した際には、発熱が生じなかった。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、定常制御を開始する以前に、無負荷状態で回転して、センサで検出される回磁マグネットの磁極位置とコイルの励磁電圧波形との位相差を測定し、測定した位相差を補正して定常制御を行う。このため、定常運転において、無負荷状態で、負荷状態の励磁電圧をコイルに印加することがなくなり、発熱を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施態様に係るブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施態様に係るモータ制御回路のブロック図である。
【図３】図２に示すパワー回路の正弦波ＰＷＭ制御用の信号及び方形波ＰＷＭ制御用の信号を示す波形図である。
【図４】初期パラメータ設定の制御を示すフローチャートである。
【図５】通常時の制御を示すフローチャートである。
【図６】図６（Ａ）は、無負荷時の駆動電圧とセンサ信号とを示すグラフであり、図６（Ｂ）は、負荷時の駆動電圧とセンサ信号とを示すグラフである。
【符号の説明】
１０ ホールセンサ
１１ 操作ペダル
１２ フィルタ
１４ ＣＰＵ
１６ コンパレータ
１７ 切替スイッチ
１８ 三角波発生回路
２０ パワー回路
４０ ブラシレスモータ
５０ ロータ
５２ 界磁マグネット
６０ ステータ
６２ コイル

Claims (4)

1. 界磁マグネットを有するロータと、該ロータを回転するための複数相のコイルを有するステータと、前記コイルに相当する磁極位置を検出するセンサとから成るモータを、前記センサで検出される回磁マグネットの磁極位置と前記コイルの励磁電圧波形との位相差を検出してトルク制御を行うモータ制御回路であって：
   定常制御を開始する以前に、無負荷状態で回転して、前記センサで検出される回磁マグネットの磁極位置と前記コイルの励磁電圧波形との位相差を測定する測定手段と；
   測定した位相差を補正して定常制御を行う補正手段と；を備えることを特徴とするモータ制御回路。
2. 前記補正手段は、測定した位相差よりも大きなオフセット値を設定して、位相差がオフセット値以内である際には、無負荷状態での励磁電圧を前記コイルに印加することを特徴とする請求項１のモータ制御回路。
3. 前記モータは、歯科機械用のブラシレスモータであることを特徴とする請求項１又は請求項２のモータ制御回路。
4. 界磁マグネットを有するロータと、該ロータを回転するための複数相のコイルを有するステータと、前記コイルに相当する磁極位置を検出するセンサとから成るモータを、前記センサで検出される回磁マグネットの磁極位置と前記コイルの励磁電圧波形との位相差を検出してトルク制御を行うモータ制御方法であって：
   定常制御を開始する以前に、無負荷状態で回転して、前記センサで検出される回磁マグネットの磁極位置と前記コイルの励磁電圧波形との位相差を測定し；
   測定した位相差を補正して定常制御を行うことを特徴とするモータ制御方法。

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