JP2005057852A - ブラシレスモータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スムーズな制動をかけることにより、回転速度の安定化や回転速度の低減を容易に行うブラシレスモータの駆動装置を提供する。
【解決手段】 磁極位置検知手段１３の検知信号に応じて、固定子に配された励磁コイル１２ａ〜１２ｃの通電を切り換えつつ回転子を回転制御するブラシレスモータの駆動装置１であって、駆動信号を生成する制御回路部５と、駆動信号に基づいてスイッチング素子を開閉制御して励磁コイルへの通電制御を行うインバータ制御部６と、回転速度検知手段１５を備え、制御回路部５は、回転速度が所定速度を超えるときは、制動信号を生成してインバータ制御部６へ送出し、制動信号に基づいて、駆動信号で通電中の励磁コイルを除くいずれかの励磁コイルへ通電して制動制御を行う構成。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ブラシレスモータの駆動装置に係り、更に詳しくは、スムーズな制動によって回転速度の安定化を図ったブラシレスモータの駆動装置に関する。

近時、ブラシを有するＤＣモータに代えて、ブラシレスモータが用いられるようになって来た。ブラシレスモータは、ＤＣモータの有する機械的なブラシを取り除き、代わりに、電磁的に回転子の回転を検知して励磁コイルへの通電を切換制御するものであり、モータの回転に伴う雑音の発生が低減され、耐久性が向上する優れた面を有している。
ブラシレスモータは、例えば、コンベアラインなど多種多様の装置の駆動源として用いられる。

ところで、ブラシレスモータを用いたコンベアラインなどでは、平坦なコンベアラインに限らず、傾斜を有するコンベアラインも形成される。ところが、傾斜を有するコンベアライン、特に、下降傾斜を有するラインでは、搬送物が下降傾斜部分において重力を受けて加速され、搬送物の加速に伴ってブラシレスモータの回転速度も加速される不具合があった。このため、加速された搬送物を停止する際の衝撃が増大したり、搬送速度の増大に伴って慣性が増加し、停止位置が安定しないなどの問題を生じていた。

このようなブラシレスモータに加わる外力に起因する回転速度の増大を防ぐため、従来より、回転速度を低減する種々の制動制御が考案されている。例えば、特許文献１には、ブラシレスモータへ通電しつつ回転方向を逆転させることにより、制動を行う構成が開示されている。
特開平０６−２７６７８５号公報

ところが、前記特許文献１に開示されたブレーキ制御によれば、回転方向を逆転させるべく大きな励磁電流を印加する必要があり、通電電流が著しく増大する不具合があった。また、ブレーキ制御を開始すると、それまでの回転に対して急激な制動力が作用するため、振動や衝撃が生じて騒音の発生の要因となり、改善が望まれていた。

本発明は、前記事情に鑑みて提案されるもので、通電電流の増加を抑えつつスムーズな制動をかけることにより、回転速度の安定化や回転速度の低減を極めて容易に行うことのできるブラシレスモータの駆動装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために提案される請求項１に記載の発明は、回転子の磁極位置を検知する磁極位置検知手段を有し、当該磁極位置検知手段の検知信号に応じて、固定子に配された複数の励磁コイルへの通電を順次切り換えつつ回転子を回転制御するブラシレスモータの駆動装置であって、磁極位置検知手段の検知信号に応じて駆動信号を生成する制御回路部と、複数のスイッチング素子を有し、駆動信号に基づいて各スイッチング素子を開閉制御して各励磁コイルへの通電制御を行うインバータ制御部と、回転子の回転速度を検知する回転速度検知手段を備え、制御回路部は、回転速度検知手段で検知される回転速度が所定速度を超えるときは、駆動信号と共に制動信号を生成してインバータ制御部へ送出し、インバータ制御部は、駆動信号に基づいて各励磁コイルへの通電を順次切り換えて回転制御を継続しつつ、制動信号に基づいて、駆動信号で通電中の励磁コイルを除く少なくともいずれかの励磁コイルへ通電して制動制御を行う構成とされている。

本発明によれば、回転速度検知手段で検知される回転速度が所定速度以下のときは、インバータ制御部は、制御回路部から伝送される駆動信号に基づいて、各励磁コイルへの通電を順次切り換えて通常の回転制御を行う。

一方、回転速度検知手段で検知される回転速度が所定速度を超えると、制御回路部は、駆動信号と共に制動信号を生成してインバータ制御部へ送出する。そして、インバータ制御部は、伝送される駆動信号に基づいて、各励磁コイルへの通電を順次切り換えて通常の回転制御を継続しつつ、同時に、制動信号に基づいて、駆動信号で通電中の励磁コイルを除く少なくともいずれかの励磁コイルへ通電して制動制御を行う。

則ち、本発明によれば、回転子の回転速度が所定速度を超えると、回転制御を継続しつつ、回転制御によって順次切り換えて通電される励磁コイルとは別の励磁コイルに通電して、回転力に抗する制動力を回転子に印加する。そして、制動力によって回転子の回転速度が所定速度まで低下すると、制御回路部は、制動制御を停止して通常の回転制御に戻る。

従って、本発明によれば、回転方向を逆転させる大電流を励磁コイルへ通電して制動を行うような構成に比べて、回転子に急激なトルク変動が生じない。これにより、制動に伴う振動や衝撃の発生を抑えてスムーズな減速を行うことができ、しかも、消費電力の増加を抑えることができる。

本発明において、制動信号に基づいて通電を行う励磁コイルは、非通電中であり、回転子に対して制動磁界を発生させ得るものであれば、いずれの励磁コイルであっても良い。
従って、磁極位置検知手段の検知信号に応じて、インバータ制御部により制動磁界を発生させ得る非通電中の励磁コイルに順次通電を行うことにより、回転制御を行いつつ制動制御を行うことが可能である。

また、本発明において、ブラシレスモータの回転子の磁極数、固定子の相数および励磁コイルのスロット数は適宜に設定することができる。いずれの構成においても、前記したように、制動磁界を発生させ得る非通電中の励磁コイルに順次通電を行うことにより、回転制御を行いつつ効果的に制動制御を行うことが可能である。

本発明において、磁極位置検知手段は、ホール素子などの磁極に応じて異なる信号を出力する素子を用いて構成することができる。また、本発明において、回転速度検知手段は、前記磁極検知手段の検知信号を用いて構成することも可能である。

請求項２に記載の発明は、請求項１のブラシレスモータの駆動装置において、複数の励磁コイルは互いに一方の端部同士を接続してＹ型結線され、インバータ制御部は、正電源側から各々スイッチング素子を介して各励磁コイルの他方の端部に接続される上アーム制御部と、当該各励磁コイルの他方の端部から各々スイッチング素子を介して負電源側に接続される下アーム制御部とを備え、インバータ制御部は、上アーム制御部によっていずれかの励磁コイルを正電源側に導通させると共に、当該励磁コイルとは異なる励磁コイルを下アーム制御部によって負電源側に導通させる励磁コイルへの通電制御を、駆動信号に基づいて励磁コイルを順次切り換えつつ継続して回転制御を行い、当該回転制御に並行して、制動信号に基づいて、駆動信号により通電中の励磁コイルを除くいずれかの励磁コイルを下アーム制御部によって負電源側に導通させ、駆動信号により通電される励磁コイルの電流を、負電源側に導通させた励磁コイルに分流させて制動制御を行う構成とされている。

本発明は、請求項１のブラシレスモータの駆動装置におけるインバータ制御部の構成を具体的に示したものである。
本発明の構成を、Ｕ，Ｖ，Ｗの３つの相を有する３相ブラシレスモータを例に挙げて説明する。本発明によれば、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の励磁コイルは、一方の端部同士が互いに接続されてＹ型結線とされ、各励磁コイルの他方の端部はインバータ制御部に接続される。

そして、駆動信号に基づきインバータ制御部によって、Ｕ相の励磁コイルが正電源側に導通し、Ｖ相の励磁コイルが負電源側に導通すると、正電源側からＵ相およびＶ相の励磁コイルを通って負電源に至る電流が通電される。これにより、Ｕ相およびＶ相の励磁コイルは通電方向で定まる向きに磁化されて回転子が回転力を得る。このような励磁コイルの通電を、相を順次切り換えつつ継続することにより、回転子が連続的に回転力を得て回転する。

また、回転速度検知手段の検知信号が所定回転速度を超えると、駆動信号による回転制御に並行して、駆動信号によって通電中のＵ相およびＶ相の励磁コイルを除くＷ相の励磁コイルに制動信号に基づいて通電が行われる。則ち、制動信号に基づきインバータ制御部によって、Ｗ相の励磁コイルが負電源側に導通される。これにより、駆動信号に基づいて、正電源側からＵ相およびＶ相の励磁コイルを通って負電源に至る電流が通電される状態から、駆動信号および制動信号の双方の信号に基づいて、正電源側からＵ相の励磁コイルを通り、Ｖ相およびＷ相の励磁コイルを並列に通って負電源に至る電流が通電された状態となる。このＷ相の励磁コイルの通電により、当該Ｗ相の励磁コイルが特定の方向に磁化されて回転子に制動力が印加される。このような励磁コイルの通電を、相を順次切り換えつつ継続することにより、回転子が連続的に回転力を受けつつ制動力を受けて減速させることが可能となる。

本発明において、正電源および負電源は、相対的な電圧を示すものである。従って、正電源および負電源に代えて、正電源と接地電位でも良く、また、接地電位と負電源であっても良い。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２のブラシレスモータの駆動装置において、制御回路部は、回転子の回転速度を規定する基準信号を生成する基準信号生成部と、基準信号生成部の生成する基準信号と回転速度検知手段の検知信号を比較して双方の差に応じた誤差信号を出力する誤差検出部と、回転子の回転速度が規定値を超えるときに誤差検出部が出力する誤差信号に基づいて制動信号を生成する制動信号生成部を備えた構成とされている。

本発明によれば、基準信号と回転速度検知手段の検知信号の差に応じた誤差信号に基づいて制動信号が生成される。従って、回転子の回転速度が基準信号と一致するまで制動信号によって回転子が制動される帰還制御により、回転子の回転速度を安定化することが可能である。

本発明において、基準信号生成部の基準信号および回転速度検知手段の検知信号は、各々、電圧信号とすることができ、双方の電圧信号の差分を誤差検出部で誤差電圧として検出することができる。
また、本発明において、基準信号生成部の基準信号および回転速度検知手段の検知信号は、各々、パルス信号（クロック信号）とすることができ、双方のパルス信号の周期差（周波数差）を誤差検出部で誤差周期（誤差周波数）として検出することができる。
また、本発明においても、請求項１の記載と同様に、回転速度検知手段は、磁極位置検知手段の構成を用いて構成することが可能である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のブラシレスモータの駆動装置において、基準信号生成部は回転子の回転速度を規定する所定周波数の基準クロック信号を生成すると共に、回転速度検知手段は回転速度に応じた周波数の検知パルス信号を出力し、検知パルス信号が基準クロック信号の周波数に対して所定倍数となったときに回転子の回転速度が基準クロック信号で規定される回転速度と一致する構成とされ、誤差検出部は、検知パルス信号の１周期間にカウントされる基準クロック信号数、または、基準クロック信号の１周期間にカウントされる検知パルス信号数に応じた誤差信号を出力する構成とされている。

本発明によれば、例えば、基準クロック信号の周波数を１ＫＨｚとし、検知パルス信号が基準クロック信号の周波数に対して０．１倍となったときに、回転子の回転速度が基準クロック信号で規定される回転速度と一致する構成を採ることができる。則ち、１ＫＨｚの基準クロック信号に対して、検知パルス信号が１００Ｈｚとなったときに、回転子の回転速度が規定速度となる構成を採ることができる。
この構成によれば、検知パルス信号の１周期間に基準クロック信号が１０クロックカウントされれば誤差信号の出力を停止させる。また、ロータの回転速度が増加すると、検知パルス信号の１周期間における基準クロック信号のカウント数が９，８・・・と低下するので、カウント数の低下に応じた誤差信号を出力することが可能である。

また、例えば、基準クロック信号の周波数を１００Ｈｚとし、検知パルス信号が基準クロック信号の周波数に対して１０倍となったときに、回転子の回転速度が基準クロック信号で規定される回転速度と一致する構成を採ることができる。則ち、１００Ｈｚの基準クロック信号に対して、検知パルス信号が１ＫＨｚとなったときに、回転子の回転速度が規定速度となる構成を採ることができる。
この構成によれば、基準クロック信号の１周期間に検知パルス信号が１０パルスカウントされれば誤差信号の出力を停止させる。また、ロータの回転速度が増加すると、基準クロック信号の１周期間における検知パルス信号のカウント数が１１，１２・・・と増加するので、カウント数の増加に応じた誤差信号を出力することが可能である。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４のブラシレスモータの駆動装置において、制動信号生成部は、誤差検出部から出力される誤差信号に応じてパルス幅変調された制動信号を生成する構成とされている。

本発明によれば、例えば、誤差信号が大きいほど、パルス幅の広い（デューティ比の大きい）制動信号を出力し、誤差信号が小さいほど、パルス幅の狭い（デューティ比の小さい）制動信号を出力するパルス幅変調を施すことができる。
これにより、パルス幅変調された制動信号をインバータ制御部へ伝送してパルス幅に応じた期間だけオン・オフ制御を行うことができる。これにより、安定した制動制御を行いつつ回路構成を簡略化することが可能である。

本発明のブラシレスモータの駆動装置によれば、回転制御を行いつつ制動制御を行うことにより、通電電流の増加や、振動、衝撃の発生を抑制しつつスムーズで安定した制動を行うことができ、回転速度を安定させることが可能となる。また、制動を行うための回路構成が簡単であり、回路の安定化、省コスト化を図ることができる。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。尚、説明に際しては、まず、ブラシレスモータの回転制御に関する構成および制御の説明を先立って行い、その後に、本発明の制動制御に係る構成および制御の詳細な説明を行う。

図１は本実施形態に係るブラシレスモータの駆動装置１を示すブロック構成図、図２は図１に示すブラシレスモータ本体の内部構造を示す模式図、図３は図１に示す駆動装置１で生成される駆動信号を示すタイムチャート、図４は図１で採用するドライブ回路の具体的な回路例図、図５は図１で採用する三相インバータ回路の具体的な回路例図、図６はブラシレスモータの回転制御を示す模式図である。

本実施形態のブラシレスモータの駆動装置１は、図１の様に、ブラシレスモータ２とその駆動制御装置３で構成され、駆動制御装置３は、制御回路部５、インバータ制御部６および電源回路部７を備えている。そして、制御回路部５で生成された駆動信号や制動信号に基づいてインバータ制御部６によりブラシレスモータ２へ通電制御して回転制御や制動制御を行う構成とされている。

ブラシレスモータ２は、図１の様に、モータ本体１０と回転速度検出部（回転速度検知手段）１５を備えている。
モータ本体１０は、図２の様に、円筒形のロータ（回転子）１１の内部中心軸上に固定子１２を配した構造である。本実施形態に採用するブラシレスモータ２は３相型であり、ロータ１１の磁極数が２、固定子１２のスロット数が３の構成である。則ち、本実施形態に採用する３相ブラシレスモータ２は、２極３スロット型である。

ロータ１１の内周面には、図２の様に、異なる磁極を対向させて永久磁石１１ａ，１１ｂが固定されている。また、固定子１２の３つのスロット（相）Ｕ，Ｖ，Ｗには、各々励磁コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃが同一方向に巻装され、各励磁コイルの中央側端部は互いに接続されると共に、各励磁コイルの他端側１２ｄ〜１２ｆはモータ本体１０の外部に導出されている。則ち、３つの相の各励磁コイルはＹ型結線され、各励磁コイルの端部１２ｄ〜１２ｆは外部に導出されて各々インバータ制御部６に接続されている。

モータ本体１０の内部には、ロータ１１の磁極位置を検知するホール素子１３ａ〜１３ｃが設けられている。各ホール素子１３ａ〜１３ｃはロータ１１の中心軸に対して１２０度の間隔をあけて固定され、これらの３つのホール素子１３ａ〜１３ｃによって磁極位置検知手段１３を形成している。
また、ブラシレスモータ２の回転速度検出部１５は、ロータ１１の回転に応じてパルスを出力する機能を有し、例えば、ロータリエンコーダなどを用いて構成される。本実施形態では、ロータ１１が１回転する毎に回転速度検出部１５から１パルスが出力される構成としている。

本実施形態のブラシレスモータの駆動装置１では、ブラシレスモータ２の励磁コイルＵ〜Ｗに順次切換通電を行うために、制御回路部５によって図３に示す駆動信号が生成される。則ち、制御回路部５は、磁極位置検知手段１３で検知されるロータ１１の回転位置に応じて、１２０度だけＨレベルを維持し、残りの２４０度だけＬレベルとなる６つの駆動信号Ｕu，Ｖu，Ｗu，ＵL，ＶL，ＷLを順次生成してインバータ制御部６に出力する。

ここで、駆動信号Ｖuは駆動信号Ｕuに対して１２０度位相を遅らせ、駆動信号Ｗu は駆動信号Ｖuに対して１２０度位相を遅らせた信号である。また、駆動信号ＵLは駆動信号Ｕuに対して１８０度位相を遅らせた信号であり、駆動信号ＶLは駆動信号ＵL に対して１２０度位相を遅らせ、駆動信号ＷLは駆動信号ＶLに対して１２０度位相を遅らせた信号である。

従って駆動信号Ｕu，Ｖu，Ｗu は、いずれの二つの信号も同時にＨレベルになることはなく、駆動信号ＵL，ＶL，ＷL についても、いずれの二つの信号も同時にＨレベルになることはない。インバータ制御部６はこれらの駆動信号に基づいて、後述するようにＵ，Ｖ，Ｗの各相の励磁コイル１２ａ〜１２ｃへの通電を順次切換つつ回転制御を行う。
尚、図３に示す各駆動信号は、磁極位置検知手段１３の検知信号、則ち、ロータ１１の回転速度に応じて、上記位相関係を維持しつつ周波数を変動させて生成されるものであり、駆動信号の周期はロータ１１の回転速度に応じて変動する。

次に、インバータ制御部６のドライブ回路６０および三相インバータ回路６１について説明する。
ドライブ回路６０は、制御回路部５から伝送される駆動信号および後述する制動信号を処理して三相インバータ回路６１に適合した信号を生成する機能を有する。
ドライブ回路６０は、図４の様に、４個のNOT回路(NOT1〜4)および６個のNOR回路(NOR1〜6)を用いて形成される。

ドライブ回路６０に入力される駆動信号Ｕu，Ｖu，Ｗu は、各々NOT回路(NOT1〜3)で反転されて、駆動信号Ｕu'，Ｖu'，Ｗu'として三相インバータ回路６１に出力される。また、駆動信号ＵL，ＶL，ＷL は、各々NOR回路(NOR1〜3)の一方の入力端子に加えられ、各NOR回路(NOR1〜3)の出力は駆動信号ＵL'，ＶL'，ＷL'として三相インバータ回路６１に出力される。
ここで、駆動信号Ｕu，Ｖu，Ｗu は三相インバータ回路６１において後述する上アーム制御部を駆動する信号に用いるため、以降はこれらの信号を上アーム駆動信号Ｓu と称する。また、駆動信号ＵL，ＶL，ＷL は三相インバータ回路６１において後述する下アーム制御部を制御する信号に用いるため、以降はこれらの信号を下アーム駆動信号ＳL と称する。

NOR回路(NOR1〜3)の一方の入力端子には、前記したように下アーム駆動信号ＳL が印加され、他方の入力端子には、NOR回路(NOR4〜6) の出力が加えられる。また、NOR回路(NOR4〜6)の一方の入力端子には、後述する制動信号(Brake)をNOT回路(NOT4) で反転した信号が印加される。従って、制動信号(Brake) がＬレベルの期間、則ち、制動信号(Brake) が入力されない期間は、NOR回路(NOR4〜6)の出力は全てＬレベルとなり、制動信号の伝達は行われない。

則ち、ドライブ回路６０は、制動信号(Brake) が入力されない期間は、単に、上アーム駆動信号Ｓu および下アーム駆動信号ＳL を各々反転した上アーム駆動信号Ｓu'および下アーム駆動信号ＳL' を三相インバータ回路６１へ出力する動作を行う。
また、ドライブ回路６０は、制御回路部５から伝送される回転指令信号(RUN)を増幅器(AMP1)で増幅した回転指令信号(RUN)を三相インバータ回路６１へ出力する動作を行う。

三相インバータ回路６１は、図５の様に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と通電制御部６２を中心に構成され、ドライブ回路６０から伝送される駆動信号に応じてブラシレスモータ２の各Ｕ，Ｖ，Ｗ相の励磁コイル１２ａ〜１２ｃへ通電切換を行う回路である。
通電制御部６２は、ドライブ回路６０から伝送される回転指令信号(RUN) がＨレベルのときに導通して電源回路部から供給される正電圧の供給を許容し、回転指令信号(RUN) がＬレベルのときに非導通となって正電圧の供給を遮断する機能を有する。

また、通電制御部６２（正電源側）から各々スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を介して各励磁コイルの端部１２ｄ，１２ｅ，１２ｆへ接続されて上アーム制御部６３が形成され、更に、各励磁コイルの端部１２ｄ，１２ｅ，１２ｆから各々スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を介して接地電位（負電源側）へ接続されて下アーム制御部６４が形成されている。

本実施形態では、上アーム制御部６３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３としてＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用い、下アーム制御部６４のスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６としてＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用いている。
上アーム制御部６３の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３には、各々のゲート電位を制御するトランジスタＱ７〜Ｑ９が接続され、各トランジスタＱ７〜Ｑ９には、各々のベース電位を制御するフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ３が接続されている。また、下アーム制御部６４の各スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６には、各々のゲート電位を制御するフォトカプラＰＣ４〜ＰＣ６が接続されている。

そして、上アーム駆動信号Ｓu のうちの駆動信号Ｕu'が能動（Ｌレベル）になると、フォトカプラＰＣ１の二次側（フォトトランジスタ）の通電がオフし、トランジスタＱ７がオンする。これにより、スイッチング素子Ｑ１のゲート・ソース間に電位差を生じさせてスイッチング素子Ｑ１を導通させる動作を行う。
また、下アーム駆動信号ＳL のうちの駆動信号ＵL'が能動（Ｌレベル）になると、フォトカプラＰＣ４の二次側（フォトトランジスタ）の通電がオフし、これによって、スイッチング素子Ｑ４のゲート・ソース間に電位差を生じさせてスイッチング素子Ｑ４を導通させる動作を行う構成とされている。
尚、上アーム駆動信号Ｓuおよび下アーム駆動信号ＳLの入力部分に設けたフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ６は、ドライブ回路６０と三相インバータ回路６１との電源電圧差に伴うインターフェースを行いつつ、伝送される駆動信号を反転させる機能を有する。

則ち、三相インバータ回路６１は、上アーム駆動信号Ｓu'のいずれかがＬレベルになると、対応したスイッチング素子Ｑ１（Ｑ２，Ｑ３）が導通して対応する相の励磁コイルの端部１２ｄ（１２ｅ，１２ｆ）が正電源へ接続される。また、下アーム駆動信号ＳL'のいずれかがＬレベルになると、対応したスイッチング素子Ｑ４（Ｑ５，Ｑ６）が導通して対応する相の励磁コイルの端部１２ｄ（１２ｅ，１２ｆ）が接地電位へ接続される動作を行う。

従って、図３に示す駆動信号Ｕu は、Ｕ相（スロットＵ）の励磁コイル１２ａの端部１２ｄを正電源側へ接続する信号として作用し、駆動信号ＵL は、Ｕ相の励磁コイル１２ａの端部１２ｄを接地電位側へ接続する信号として作用する。同様に、駆動信号Ｖu は、Ｖ相の励磁コイル１２ｂの端部１２ｅを正電源側へ接続する信号として作用し、駆動信号ＶL は、Ｖ相の励磁コイル１２ｂの端部１２ｅを接地電位側へ接続する信号として作用する。更に、駆動信号Ｗu は、Ｗ相の励磁コイル１２ｃの端部１２ｆを正電源側へ接続する信号として作用し、駆動信号ＷL は、Ｗ相の励磁コイル１２ｃの端部１２ｆを接地電位側へ接続する信号として作用する。

このような構成の本実施形態の駆動装置１では、次の動作によってブラシレスモータの基本的な回転制御が行われる。尚、以下の説明においては、回転指令信号(RUN) が出力されているものとして説明する。
まず、図３において、制御回路部５から出力される駆動信号Ｕuと駆動信号ＷLとがＨレベルの期間（図３波線ａ参照）は、ドライブ回路６０から反転された信号、則ち、Ｌレベルの駆動信号Ｕu'と駆動信号ＷL'とが三相インバータ回路６１へ伝送される。これにより、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ６が導通して、正電源から励磁コイル１２ａおよび励磁コイル１２ｃを通じて接地電位に至る経路で通電が行われる。
この通電により、図６（ａ），（ｂ）の様に、Ｕ相がＳ極に励磁されると共に、Ｗ相がＮ極に励磁され、ロータ１１に設けた永久磁石１１ａとの間の反発・吸引力によってロータ１１は反時計方向へ向かう回転トルクを得て回転する。

続いて、制御回路部５から出力される駆動信号Ｖuと駆動信号ＷLとがＨレベルの期間（図３波線ｂ参照）に移ると、ドライブ回路６０からＬレベルの駆動信号Ｖu'，ＷL'が三相インバータ回路６１へ伝送される。これにより、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ６が導通して、正電源から励磁コイル１２ｂおよび励磁コイル１２ｃを通じて接地電位に至る経路で通電が行われる。
この通電により、図６（ｃ），（ｄ）の様に、Ｖ相がＳ極に励磁されると共に、Ｗ相がＮ極に励磁され、ロータ１１は反時計方向へ向かう回転トルクを継続して受けて回転する。

このように、三相インバータ回路６１は、制御回路部５から伝送される駆動信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１とＱ６を同時に導通させる状態から、導通させるスイッチング素子を順次Ｑ２，Ｑ６→Ｑ２，Ｑ４→Ｑ３，Ｑ４→Ｑ３，Ｑ５→Ｑ１，Ｑ５のように切り換えることにより、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の磁極を電気的に順次回転させてロータ１１を回転制御する動作を行う。

以上の説明は、本実施形態におけるブラシレスモータの駆動装置１の構成および基本的な回転制御について述べたものであるが、次に、本発明のブラシレスモータの駆動装置１における制動制御の構成および動作を詳細に説明する。
図７は制御回路部５において制動信号を生成する構成を示すブロック図、図８は図７に示す構成によって制動信号が生成される状態を示すタイムチャート、図９は制御回路部５で生成される駆動信号および制動信号とドライブ回路６０から出力される制動信号を含む駆動信号とを対応させたタイムチャートである。

制御回路部５は、前記図３に示した駆動信号を生成する機能に加えて、図７の様に、制動信号(Brake) を生成する機能を備えている。則ち、制御回路部５は、回転速度を規定する基準信号を生成する基準信号生成部５０と、基準信号生成部５０で生成された基準信号とブラシレスモータ２の回転速度検出部１５が出力する検知信号とを比較して、双方の信号に応じた誤差信号を出力する誤差検出部５１と、誤差検出部から出力される誤差信号に基づいて制動信号を出力する制動信号生成部５２を備えている。

本実施形態では、基準信号生成部５０において１ＫＨｚの基準クロック信号を生成し、回転速度検出部１５は、ロータ１１の回転速度に応じたパルス信号を出力する構成としている。そして、回転速度検出部１５から出力されるパルス信号が基準クロック信号の０．１倍の周波数、則ち、１００Ｈｚとなったときに、ロータ１１の回転速度が基準クロック信号で規定される回転速度と一致する構成を採用している。

この構成によれば、例えば、ロータ１１の回転速度が規定値で、回転速度検出部１５から出力される検知パルス信号の周波数が１００Ｈｚのときは、図８（ａ）の様に、検知パルス信号の１周期間にカウントされる基準クロック信号のクロック数は１０となり、誤差検出部５１から出力される誤差信号をゼロとする。これにより、制動信号生成部５２から出力される制動信号はＬレベルを継続する。

一方、ブラシレスモータ２の回転制御中に、外力などの要因によって回転速度が増加すると、回転速度検出部１５から出力される検知パルス信号の周波数が１００Ｈｚを越え、検知パルス信号の１周期時間が短くなる。このため、図８（ｂ）の様に、検知パルス信号の１周期間にカウントされる基準クロック信号数が減少する（図８ｂでは９クロック）。また、ロータ１１の回転速度が更に増加すると、図８（ｃ）の様に、検知パルス信号の１周期間にカウントされる基準クロック信号数が更に減少する（図８ｃでは５クロック）。

従って、誤差検出部５１は、検知パルス信号の１周期間にカウントされる基準クロック数に応じて、図８（ｂ）の様に、基準クロック数が９のときは、誤差信号の出力レベルを低減し、制動信号生成部５２からオン時間の短いパルス幅変調された制動信号を出力する。また、図８（ｃ）の様に、基準クロック数が５のときは、カウント数の低下割合に応じて誤差信号の出力レベルを増加し、制動信号生成部５２からオン時間の長いパルス幅変調された制動信号を出力する。
本実施形態では、検知パルス信号の１周期間にカウントする基準クロック数に応じて、基準クロック数が９の状態から基準クロック数が０の状態までの１０段階の誤差信号を出力する構成としている。

このようにして制御回路部５で生成された制動信号は、インバータ制御部６のドライブ回路６０に伝送される。
ここで、図４の様に、ドライブ回路６０に伝送された制動信号(Brake)は、NOT回路(NOT4)で反転されてNOR回路(NOR4〜6)の一方の入力端子に加えられる。また、NOR回路(NOR4〜6)の他方の入力端子には、上アーム駆動信号Ｓuが各々入力される。
従って、例えば、制動信号(Brake)が入力される期間において、駆動信号Ｕu，ＷL がＨレベルの状態では（図９波線ａ参照）、NOR回路(NOR4) の出力はＬレベルとなって制動信号の伝達が阻止され、NOR回路(NOR4,5)に入力された制動信号はNOR回路(NOR2,3)に伝達される。しかし、NOR回路(NOR3)には駆動信号ＷLが既に入力されているので、結果的に制動信号はNOR回路(NOR2)だけに伝達されて、制動信号ＶL' として三相インバータ回路６１へ出力される。

則ち、駆動信号Ｕu，ＷL がＨレベルの状態で制動信号(Brake)が印加されると、Ｕu'，ＷL'が能動（Ｌレベル）になると共に、ＶL'から能動（Ｌレベル）の制動信号が出力される（図９波線ａ参照）。同様に、図９波線ｂで示すように、駆動信号Ｖu，ＷLがＨレベルの状態で制動信号(Brake)が印加されると、Ｖu'，ＷL'が能動（Ｌレベル）になると共に、ＵL'から能動（Ｌレベル）の制動信号が出力される。また、図９波線ｃで示すように、駆動信号Ｖu，ＵL がＨレベルの状態で制動信号(Brake)が印加されると、Ｖu'，ＵL'が能動（Ｌレベル）になると共に、ＷL'から能動（Ｌレベル）の制動信号が出力される。

言い換えれば、ドライブ回路６０に駆動信号と制動信号とが印加されると、図９の様に、上アーム駆動信号Ｓuと下アーム駆動信号ＳLが能動（Ｈレベル）である相を除く残りの相の下アーム駆動信号ＳL'が能動（Ｌレベル）となる制動信号が付加されて三相インバータ回路６１へ送出される。

このような駆動信号および制動信号が印加された状態で制動が行われる過程を図１０を参照して説明する。
図９の波線ａで示す状態、則ち、駆動信号Ｕu，ＷL がＨレベルのときに制動信号(Brake)が印加されると、Ｕu'，ＷL'が能動になり、ＶL'から制動信号が出力される。これにより、図１０（ａ），（ｂ）の様に、駆動信号によって正電源から励磁コイル１２ａ，１２ｃを通じて接地電位に至る電流が流れてＵ相がＳ極、Ｗ相がＮ極に励磁される。同時に、励磁コイル１２ａを流れる電流は、制動信号に応じて励磁コイル１２ｂに分流し、Ｖ相が制動信号に応じてＮ極に励磁される。これにより、Ｕ相，Ｗ相の励磁によってロータ１１の回転駆動が行われると同時に、Ｖ相の励磁による永久磁石１１ｂの吸引力によって制動力が加わる。

駆動信号の位相が進んで、図９の波線ｂで示す状態、則ち、駆動信号Ｖu，ＷLがＨレベルのときに制動信号(Brake) が印加される状態に移行すると、Ｖu'，ＷL'が能動になり、ＵL'から制動信号が出力される。これにより、図１０（ｃ），（ｄ）の様に、駆動信号によって正電源から励磁コイル１２ｂ，１２ｃを通じて接地電位に至る電流が流れてＶ相がＳ極、Ｗ相がＮ極に励磁される。同時に、励磁コイル１２ｂを流れる電流は、制動信号に応じて励磁コイル１２ａに分流し、Ｕ相が制動信号に応じてＮ極に励磁される。これにより、Ｖ相，Ｗ相の励磁によってロータ１１の回転駆動が行われると同時に、Ｕ相の励磁による永久磁石１１ａへの反発力によって制動力が加わる。

駆動信号の位相が更に進んで、図９の波線ｃで示す状態、則ち、駆動信号Ｖu，ＵLがＨレベルのときに制動信号(Brake) が印加される状態に移行すると、Ｖu'，ＵL'が能動になり、ＷL'から制動信号が出力される。これにより、図１０（ｅ），（ｆ）の様に、駆動信号によって正電源から励磁コイル１２ｂ，１２ａを通じて接地電位に至る電流が流れてＶ相がＳ極、Ｕ相がＮ極に励磁される。同時に、励磁コイル１２ｂを流れる電流は、制動信号に応じて励磁コイル１２ｃに分流し、Ｗ相が制動信号に応じてＮ極に励磁される。これにより、Ｖ相，Ｕ相の励磁によってロータ１１の回転駆動が行われると同時に、Ｗ相の励磁による永久磁石１１ｂの吸引力によって制動力が加わる。

駆動信号が順次入力されると、前記した制御によって通電相および制動相を順次切り換えつつ回転制御および制動制御が行われる。そして、ロータ１１が所定回転速度まで低下すると制動信号が停止し、通常の回転制御に移行する。

このように、本実施形態のブラシレスモータの駆動装置１によれば、回転制御によって通電される相（励磁コイル）を除く相の励磁コイルを接地電位（負電源側）に接続して通電することにより、回転制御を継続しつつ制動制御を行うことが可能となる。
これにより、ロータ１１に加わる外力や重力によって回転速度が設定値に比べて増加した場合でも、制動信号によって制動することにより、設定速度を安定して維持することが可能となる。また、本発明によれば、回転方向を逆転させる励磁を行う制動制御や通電を停止して発電制動を行うものに比べて、制動力の印加に伴う振動や衝撃を著しく低減することができ、しかも、通電電流の増加を抑えることが可能となる。

また、回転制御による通電中の励磁コイルを除いて、非通電中の励磁コイルに通電を行うだけであり、制動を行う構成を極めて簡略化することが可能である。

尚、前記実施形態では、ブラシレスモータ２として三相２極３スロット型のものを例に挙げて説明したが、ロータの磁極数およびステータのスロット数の異なるブラシレスモータについても同様の制動構成を採用することが可能である。

また、前記実施形態では、三相インバータ回路の上アーム制御部６３を正電源側に接続し、下アーム制御部６４を接地電位に接続した構成で示した。しかし、本発明はこのような構成に限られるものではなく、ドライブ回路６０とのインターフェースを適宜に行うことにより、例えば、上アーム制御部６３を正電源側に接続すると共に、下アーム制御部６４を負電源側に接続する構成や、上アーム制御部６３を接地電位側に接続すると共に、下アーム制御部６４を負電源側に接続する構成を採ることも可能である。

また、前記実施形態では、図７に示した基準信号生成部５０で生成する基準クロック信号の周波数を固定した状態で説明した。しかし、例えば、制御回路部５に入力される速度指令信号に応じて基準信号生成部５０で生成する基準クロック信号の周波数を低減させることにより、対応した制動信号を生成させてロータ１１の回転速度を順次低下させることも可能である。

また、前記実施形態では、インバータ制御部６のドライブ回路６０を論理回路を用いて構成したが、このような構成の他にも、ＣＰＵを用いたプログラム処理によって同様の信号を生成することも可能である。
また、前記実施形態では、インバータ制御部６の三相インバータ回路６１にＭＯＳＦＥＴを用いた構成を採用したが、このような構成に限らず、接合型トランジスタやサイリスタなどを用いて構成することも可能である。

本発明の実施形態に係るブラシレスモータの駆動装置のブロック構成図である。 図１に示すブラシレスモータの内部構造を示す模式図である。 図１に示す駆動装置において生成される駆動信号を示すタイムチャートである。 図１に示す駆動装置に設けられるインバータ制御部のドライブ回路の具体的な回路例図である。 図１に示す駆動装置に設けられる三相インバータ回路の具体的な回路例図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１に示す駆動装置において実施されるブラシレスモータの回転制御を示す模式図である。 図１に示す駆動装置における制御回路部の制動信号を生成する部分を示すブロック構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ロータの回転速度に応じて図７に示す構成によって制動信号が生成される状態を示すタイムチャートである。 図１に示す駆動装置において、駆動信号と制動信号が印加されたときの各部の信号を示すタイムチャートである。 （ａ）〜（ｆ）は、図１に示す駆動装置において、図９に示す駆動信号および制動信号が印加されたときの回転制御および制動制御を示す模式図である。

符号の説明

１ ブラシレスモータの駆動装置
２ ブラシレスモータ
３ 駆動制御装置
５ 制御回路部
６ インバータ制御部
１１ 回転子（ロータ）
１２ 固定子（ステータ）
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 励磁コイル
１３ 磁極位置検知手段
１５ 回転速度検知手段（回転速度検出部）
５０ 基準信号生成部
５１ 誤差検出部
５２ 制動信号生成部
６３ 上アーム制御部
６４ 下アーム制御部
Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子
Ｓu，ＳL 駆動信号

Claims (5)

1. 回転子の磁極位置を検知する磁極位置検知手段を有し、当該磁極位置検知手段の検知信号に応じて、固定子に配された複数の励磁コイルへの通電を順次切り換えつつ回転子を回転制御するブラシレスモータの駆動装置であって、前記磁極位置検知手段の検知信号に応じて駆動信号を生成する制御回路部と、複数のスイッチング素子を有し、前記駆動信号に基づいて各スイッチング素子を開閉制御して各励磁コイルへの通電制御を行うインバータ制御部と、前記回転子の回転速度を検知する回転速度検知手段を備え、前記制御回路部は、回転速度検知手段で検知される回転速度が所定速度を超えるときは、前記駆動信号と共に制動信号を生成してインバータ制御部へ送出し、インバータ制御部は、前記駆動信号に基づいて各励磁コイルへの通電を順次切り換えて回転制御を継続しつつ、制動信号に基づいて、駆動信号で通電中の励磁コイルを除く少なくともいずれかの励磁コイルへ通電して制動制御を行うことを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
2. 前記複数の励磁コイルは互いに一方の端部同士を接続してＹ型結線され、前記インバータ制御部は、正電源側から各々スイッチング素子を介して各励磁コイルの他方の端部に接続される上アーム制御部と、当該各励磁コイルの他方の端部から各々スイッチング素子を介して負電源側に接続される下アーム制御部とを備え、前記インバータ制御部は、上アーム制御部によっていずれかの励磁コイルを正電源側に導通させると共に、当該励磁コイルとは異なる励磁コイルを下アーム制御部によって負電源側に導通させる励磁コイルへの通電制御を、前記駆動信号に基づいて励磁コイルを順次切り換えつつ継続して回転制御を行い、当該回転制御に並行して、前記制動信号に基づいて、前記駆動信号により通電中の励磁コイルを除くいずれかの励磁コイルを下アーム制御部によって負電源側に導通させ、前記駆動信号により通電される励磁コイルの電流を、負電源側に導通させた励磁コイルに分流させて制動制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータの駆動装置。
3. 前記制御回路部は、回転子の回転速度を規定する基準信号を生成する基準信号生成部と、前記基準信号生成部の生成する基準信号と前記回転速度検知手段の検知信号を比較して双方の差に応じた誤差信号を出力する誤差検出部と、回転子の回転速度が規定値を超えるときに前記誤差検出部が出力する誤差信号に基づいて制動信号を生成する制動信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスモータの駆動装置。
4. 前記基準信号生成部は回転子の回転速度を規定する所定周波数の基準クロック信号を生成すると共に、前記回転速度検知手段は回転速度に応じた周波数の検知パルス信号を出力し、前記検知パルス信号が前記基準クロック信号の周波数に対して所定倍数となったときに前記回転子の回転速度が基準クロック信号で規定される回転速度と一致する構成とされ、誤差検出部は、検知パルス信号の１周期間にカウントされる基準クロック信号数、または、基準クロック信号の１周期間にカウントされる検知パルス信号数に応じた誤差信号を出力することを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータの駆動装置。
5. 前記制動信号生成部は、誤差検出部から出力される誤差信号に応じてパルス幅変調された制動信号を生成することを特徴とする請求項３または４に記載のブラシレスモータの駆動装置。

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