JP2005176457A - ブラシレスモータの位置検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の電源を用いても誤動作の発生がなくて精度良い位置検出ができ、部品点数が少なく、駆動装置の小型化を可能するという単電源使用の利点を生かせるブラシレスモータの位置検出回路を提供することにある。
【解決手段】位置検出回路８は、単一電源型のコンパレータＣＰｕ〜ＣＰｗを用いるとともに、インバータ回路４に電源電圧を印加する電源接続端の近傍位置で電源接続端との間の電位差がほぼ０の位置から取り込んだ直流電圧Ｖｍを抵抗分圧回路で分圧してコンパレータＣＰｕ〜ＣＰｗの反転入力端に印加するオフセット電圧の基準電圧Ｖｒ１と、非反転入力端に印加する比較基準電圧Ｖｒ２とを得ている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子巻線の誘起電圧から回転子の位置を検出するようにしたブラシレスモータの位置検出回路に関する。

従来ブラシレスモータを使用した電動工具が提供されている（例えば特許文献１）。

この特許文献１に記載のブラシレスモータの駆動装置では、回転子の位置検出にマグネットを用いているが、このようなマグネットを用いず開放相の固定子巻線の誘起電圧で位置検出を行う位置検出回路を用いた駆動装置も提供されている。

図３はこの従来例の駆動装置の回路構成を示し、駆動回路１はトリガボリュームのような操作手段の操作量でブラシレスモータＭの回転速度を設定する速度設定回路２からの速度設定値を取り込み、この速度設定値に対応してブラシレスモータＭの固定子巻線３ｕ，３ｖ、３ｗヘの印加電圧の調整と各相の固定子巻線３ｕ，３ｖ、３ｗへの通電切り換えをインバータ回路４を通じて行うもので、インバータ回路４のドライブ回路５に前記通電切り換えのタイミングと印加電圧を指令するための指令電圧信号を出力する制御回路６と、ブラシレスモータＭの永久磁石を有する回転子７の位置検出を行う位置検出回路８とを備え、外部電源として２次電池からなる直流電源９が接続されている。

ここで、インバータ回路４は図示するように６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がブリッジ結線された回路から構成されており、前記指令電圧信号に基づいてドライブ回路５でオンオフ制御して転流することによりブラシレスモータＭの各相の固定子巻線３ｕ，３ｖ、３ｗに所定のタイミングで電流を流し、回転子７を回転させる。またドライブ回路５はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をＰＷＭ制御することで固定子巻線３ｕ，３ｖ，３ｗへの印加電圧を調整する。

位置検出回路８は、通電されていない開放相の固定子巻線３ｕ又は３ｖ又は３ｗの誘起電圧Ｖｕ又はＶｖ又はＶｗと比較基準電圧とをコンパレータ(図示せず)で比較することで回転子７の磁極位置を検出し、その位置検出信号を制御回路６へ出力するものである。制御回路６は、図４に示すように位置検出回路８からの位置検出信号により回転子７の回転速度、つまりブラシレスモータＭの回転速度を検出する速度検出回路６０と、速度設定回路２からの速度設定値を受けとって指令速度値を設定する指令速度設定回路６１と、指令速度設定値と、速度検出回路６０の検出速度値とに基づいて速度設定値に対する検出速度値の偏差がゼロとなるように指令電圧値を求める演算を行う速度制御回路６２と、演算された指令電圧値に基づいてインバータ回路４のドライブ回路５へ与える指令電圧信号を出力する電圧制御回路６３とで構成され、回転子７の磁極の位置検出から所定位相遅延させて転流するようにインバータ回路４を制御することで回転子７を回転させる機能と、回転子７の位置検出間隔から求めた実際の回転速度と設定速度とが一致するように速度制御演算を行って印加電圧を求める機能を備えている。尚同様な位置検出回路を備えたブラシレスモータの駆動装置も提供されている（例えば特許文献２）
特開２００３−１９９３１０号公報（第１頁左欄参照） 特開平７−３０８０９２号公報（図１参照）

そしてコンパレータの比較入力としては、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように通電されていない開放相の固定子巻線３ｕ又は３ｖ又は３ｗの誘起電圧Ｖｕ又はＶｖ又はＶｗは０Ｖを中心にプラスマイナス対称に発生するため、図３に示す駆動装置に用いられる従来の位置検出回路８のコンパレータにはプラス電源＋Ｖとマイナス電源−Ｖとを用いる２電源型のものが使用されているのが一般的であった。

しかしながら、直流電源９として２次電池等の単一の電源を使用している場合、位置検出回路８のためにプラス用とマイナス用の２組の電源回路を追加しなければならず、そのため部品点数が多くなり、駆動装置の小型化には適していないという課題があった。

そこで単一の電源を使用するコンパレータを用いて位置検出回路を構成した場合、図６に示すようにコンパレータにはグランドに対して正側となる固定子巻線の誘起電圧（図６ではＵ相の誘起電圧Ｖｕを示す）を入力とすることとなり、そのため誘起電圧の０レベルに相当する電圧をコンパレータの比較基準電圧Ｖｒと設定する。

しかしこのような単一の電源を用いた位置検出回路８では、次のような問題があった。つまり図７（ａ）に示すように例えばインバータ回路４のスイッチングＱ２と、スイッチング素子Ｑ４をオンしてスイッチング素子Ｑ２、Ｖ相の固定子巻線３ｖ、Ｕ相の固定子巻線３ｕ、スイッチング素子Ｑ４の経路で電流Ｉａが流れている場合固定子巻線３ｖには誘起電圧Ｖｖが発生していないが、スイッチング素子Ｑ５のみがオンするように通電切り換えが行われると、図７（ａ）の時点で発生していたＷ相の固定子巻線３ｗに発生していた誘起電圧Ｖｗにより図７（ｂ）に示すようにスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５，Ｑ６に並列に接続されている還流用ダイオード（寄生ダイオード）を介して還流電流Ｉｂが図示するように流れ、そのためダイオードの順方向電圧分だけ開放相の電圧が下がり、グランド以下となる。例えば通電の切り換えによってＵ相の固定子巻線３ｕの誘起電圧Ｖｕは図６に示すように変化するが、上述のようにダイオードの順方向電圧分だけグランド以下（図６のイ部分）となる。つまりコンパレータには比較入力として負の電圧が入力することになり、コンパレータが誤動作し、正確な位置検出ができないという問題があった。

本発明の上述の点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、単一の電源を用いても誤動作の発生がなくて精度良い位置検出ができ、部品点数が少なく、駆動装置の小型化を可能とするという単電源使用の利点を生かせるブラシレスモータの位置検出回路を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１の発明では、永久磁石を有した回転子と複数相の固定子巻線を有した固定子とからなるブラシレスモータを、直流電源から供給される直流電圧をインバータ回路のスイッチング素子をオンオフして各相の固定子巻線への通電状態を切り換えることにより駆動する駆動装置に用いられ、回転子の回転に伴って開放相の固定子巻線に生じる誘起電圧を比較基準電圧と比較することで回転子の回転位置を検出してインバータ回路の通電状態の切り換えのための位置検出信号を出力するブラシレスモータの位置検出回路において、単一電源で動作し、前記誘起電圧と比較基準電圧を比較する各相の比較手段と、各相の前記誘起電圧が入力する各比較手段の一方の入力端に対して印加するオフセット電圧の基準電圧及び前記誘起電圧の中点に対応し、各比較手段の他方の入力端に印加する比較基準電圧を直流電圧を抵抗分圧回路で分圧して得る基準電圧発生回路とを備え、前記抵抗分圧回路で分圧する直流電圧を、前記直流電源の供給路に接続する前記インバータ回路の電源接続端近傍で該電源接続端との間の電位差がほぼ０の位置の前記供給路から得ることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、単一の電源を用いることができることによって、部品点数を減らせるとともに、駆動装置の小型化を可能とし、しかも比較手段に入力する誘起電圧をオフセット電圧によって嵩上げすることで、通電状態の切り換え時に還流用ダイオードに還流電流が流れることによって生じる電圧降下による比較手段への影響を無くすことができ、しかもインバータ回路の電源接続端子での直流電圧とほぼ同じ直流電圧を分圧して、比較基準電圧とオフセット電圧の基準電圧を得ることができ、その結果直流電源の供給路の引き回しによる電圧降下の影響を受けず、正確な回転子の磁極位置を検出することができる。
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記抵抗分圧回路と供給路との間には、動作中のみオンする電力遮断手段を備えていることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、待機中の抵抗分圧回路での消費電力をなくすることができ、直流電源が２次電池の場合では過放電を防ぐことができる。

本発明は単一の電源を用いることができることによって、部品点数を減らせるとともに、駆動装置の小型化を可能とし、しかも比較手段に入力する誘起電圧をオフセット電圧によって嵩上げすることで、通電状態の切り換え時に還流用ダイオードに還流電流が流れることによって生じる電圧降下による比較手段への影響を無くすことができ、しかもインバータ回路の電源接続端子での直流電圧とほぼ同じ直流電圧を分圧して、比較基準電圧とオフセット電圧の基準電圧を得ることができ、その結果直流電源の供給路の引き回しによる電圧降下の影響を受けず、正確な回転子の磁極位置を検出することができるという効果がある。

以下本発明を図１に示す一実施形態により説明する。

図１は本実施形態の位置検出回路８を用いた電動工具等に用いるブラシレスモータＭの駆動装置の回路構成を示しており、ブラシレスモータＭを駆動する駆動回路１には図３に示す従来例と同様な構成のインバータ回路４と、速度設定回路２からの速度設定値を取り込むとともに位置検出回路８の位置検出信号に基づいた回転子の回転速度とから指令電圧信号をインバータ回路４へ出力し、インバータ回路４のスイッチング素子による通電状態の切り換えとＰＷＭ制御とを行う制御回路６とを備えるとともに、機械的スイッチからなる電源起動スイッチＳＷがオンされたときに２次電池からなる直流電源９から電源供給を受け、制御回路６の電源用電圧及び位置検出回路８の電源用電圧Ｖ１を発生させる単一電源型の電源回路１０と、この電源回路１０からの電源供給を受けて動作を開始した制御回路６から出力される電源保持信号によりオンして電源起動スイッチＳＷをバイパスする半導体スイッチからなる電源保持回路１１とを備えている。

電源起動スイッチＳＷは電動工具のトリガボリュームに備わったスイッチであって、指で押し込み操作されているときにオンし、押し込み操作が解除されたときにオフするようになっている。また押し込み量によって抵抗値が変化するボリュームが速度設定回路２として設けられ、その抵抗値を速度設定値として制御回路６へ出力するようになっている。

制御回路６は電源回路１０から電源が供給されて動作を開始したときに上述の電源保持信号を出力し、ブラシレスモータＭの運転操作が一定時間行われなくなったときに電源保持信号をオフして電源回路１０の動作を停止させる機能以外の構成及びその動作は図３、図４に示すものと同じであるので、ここではその具体的な動作説明及び構成の図示は省略する。

さて本実施形態の位置検出回路８は、開放相となった固定子巻線３ｕ又は３ｖ又は３ｗの両端に発生する誘起電圧Ｖｕ又はＶｖ又はＶｗの中点を検出したときに位置検出信号を出力する点で従来例回路と同じものであって、直流電源９の供給路を構成する配線のインダクタンス成分Ｌ１，Ｌ２を介して直流電源９に接続されるインバータ回路４の電源接続端の近傍で、これら電源接続端との電位差がほぼ０の位置の供給路に接続してその接続点から後述するオフセット電圧用の基準電圧及び比較基準電圧のための抵抗分圧回路に印加する直流電圧を得ている。ここで直流電源９の両端電圧をＶｂとすると、インダクタンス成分Ｌ１，Ｌ２及び電源保持回路１１の内部回路によって生じる電圧降下によりインバータ回路４の電源接続端の直流電圧はＶｍとなっており、この直流電圧Ｖｍとほぼ同じ電圧が前記抵抗分圧回路に印加されることになる。

基準電圧発生回路は、スイッチング素子Ｑ７を介して取り込んだインバータ回路４に印加する電圧Ｖｍとほぼ同じ直流電圧Ｖｍを抵抗Ｒ１，、Ｒ２からなる抵抗分圧回路で分圧した後、アンプＡＰで増幅することでオフセット電圧用の基準電圧Ｖｒ１を得るとともに、前記直流電圧Ｖｍを抵抗Ｒ３，Ｒ４からなる抵抗分圧回路で分圧して、固定子巻線３ｕ，３ｖ，３ｗの誘起電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと比較する比較基準電圧Ｖｒ２を得るようになっており、両抵抗分圧回路の一端とグランドＧｍとの間には電源回路１０から出力される電源用電圧Ｖ１によりゲート電圧が供給されてオンスするスイッチング素子Ｑ７を挿入している。このスイッチング素子Ｑ７は動作中のみオンするもので、待機時に抵抗分圧回路に直流電源９から電流が流れて電力消費が発生するのを防ぐためであり、そのオン抵抗は極めて小さいため無視できるものとする。

また位置検出回路８は、ブラシレスモータＭの固定子巻線３ｕ，３ｖ，３ｗの両端に開放相となったときに発生する誘起電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、前記オフセット電圧用基準電圧Ｖｒ１とが抵抗Ｒ５ｕ〜Ｒ５ｗと，Ｒ６ｕ〜Ｒｗとを介してそれぞれ反転入力端に入力し、非反転入力端に前記比較基準電圧Ｖｒ２を入力して両電圧を比較する各相に対応した比較手段たるコンパレータＣＰｕ，ＣＰｖ，ＣＰｗと、各コンパレータ８ｕ，８ｖ，８ｗに対応して設けられ、対応するコンパレータＣＰｕ，ＣＰｖ，ＣＰｗの出力を入力して対応相の位置検出信号として出力するシュミットトリガ回路Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗとを備えている。そして前記アンプＡＰ、コンパレータＣＰｕ，ＣＰｖ，ＣＰｗ、シュミットトリガ回路Ｔｕ，Ｔｖ．Ｔｗの動作電源は電源回路１０から出力される電源用電圧Ｖ１より得るようになっている。

ここで各相については同じであるのでＵ相についての位置検出回路８における各部の電圧について説明する。

まずコンパレータＣＰｕの反転入力端に入力する電圧Ｖｕｉは、
Ｖｕｉ＝（Ｒ６ｕ／（Ｒ５ｕ＋Ｒ６ｕ））×（Ｖｕ−Ｖｒ１）＋Ｖｒ１ …（１）
と表される。

つまり電圧ＶｕｉにはアンプＡＰから出力される基準電圧Ｖｒ１を基にしたオフセット電圧Ｖｏが加えられ電圧となる。

そして上述したように誘起電圧Ｖｕがインバータ回路４のスイッチング素子に逆並列接続されている還流用ダイオード（寄生ダイオードを用いる場合も）の順方向電圧の影響を受けて負になっても、コンパレータＣＰｕの反転入力端の印加電圧は０Ｖよりも大きくなるように抵抗Ｒ５ｕ，Ｒ６ｕを設定する。

一方コンパレータＣＰｕの非反転入力端に印加する基準電圧Ｖｒ２は誘起電圧ＶｕがＶｍ／２になったことを検出する電圧でよい。つまりこれは誘起電圧Ｖｕの中点はインバータ回路４に電源として印加される直流電圧Ｖｍ／２になることを意味している。

従って、これらの条件から比較基準電圧Ｖｒ２、オフセット電圧用基準電圧Ｖｒ１は、次のように表される。

Ｖｒ２＝Ｒ６ｕ／（Ｒ５ｕ＋Ｒ６ｕ））×（Ｖｍ／２−Ｖｒ１）＋Ｖｒ１ …（２）
Ｖｒ１＝（Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））×Ｖｍ ‥‥（３）
Ｖｒ２＝（Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４））×Ｖｍ‥‥（４）
また比較基準電圧Ｖｒ２とオフセット電圧用の基準電圧Ｖｒ１とを得る基準電圧発生回路の分圧回路用の電源接続端とグランド接続端は上述したようにインバータ回路４の電源接続端の近傍に接続しているのは、直流電源９の近傍で接続した場合、直流電源９の電圧Ｖｂが配線のインダクタンス成分や電源保持回路１１の抵抗成分による電圧降下によって、直流電源９付近の直流電圧Ｖｂと、インバータ回路４の電源接続端付近での直流電圧Ｖｍとの間に電位差が生じ、これにより誘起電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを比較するための比較基準電圧Ｖｒ２やオフセット電圧用の基準電圧Ｖｒ１が電位差分の影響を受けることになり、正確な位置検出ができなくなるためである。

而して本実施形態の位置検出回路８では式（１）〜（４）を満たすように抵抗Ｒ１〜Ｒ４，Ｒ５ｕ〜Ｒ５ｗ、Ｒ６ｕ〜Ｒ６ｗの抵抗値を設定することで、単一電源型のコンパレータＣＰｕ，ＣＰｖ，ＣＰｗの反転入力端に入力する電圧Ｖｕｉ，Ｖｖｉ，Ｖｗｉはオフセット電圧Ｖｏだけ０Ｖよりも嵩上げされた電圧となり、そのためインバータ回路４のスイッチング素子によって通電状態を切り換えるときに流れる還流電流によって還流用ダイオードの電圧降下の影響を受けても、マイナスとはならないため、コンパレータＣＰｕ、ＣＰｖ、ＣＰｗは誤動作を起こすことはない。また配線のインダクタンス成分や電源保持回路１１の抵抗成分によって生じる電位差の影響を排除した形で得られた比較基準電圧Ｖｒ２によってコンパレータＣＰｕ、ＣＰｖ、ＣＰｗが誘起電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの中点を正確に検出することができ、結果正確な回転子の磁極位置を検出することができることになる。

図２は誘起電圧Ｖｕに対応したコンパレータＣＰｕの反転入力端に入力する電圧Ｖｕｉを示しており、電圧Ｖｕｉは、誘起電圧Ｖｕに対してオフセット電圧Ｖｏ分だけ嵩上げした電圧となっている。また比較基準電圧Ｖｒ２は誘起電圧Ｖｕの中点に対応するように設定されており、オフセット電圧Ｖｏの基準電圧Ｖｒ１と比較基準電圧Ｖｒ２は同じ電源で電圧Ｖｍを分圧して得るため両者には相対的な誤差は生じないため、比較基準電圧Ｖｒ２をオフセット電圧Ｖｏだけ嵩上げされた誘起電圧Ｖｕの中点に対応させて精度良く設定できる。

本発明の一実施形態を用いたブラシレスモータの駆動装置の回路構成図である。 同上に用いるコンパレータに入力する電圧と比較基準電圧との関係を示す波形図である。 従来の２電源型の位置検出回路を用いたブラシレスモータの駆動装置の回路構成図である。 同上の駆動装置に用いる制御回路の構成図である。 同上の位置検出回路に入力するブラシレスモータの各相の固定子巻線の誘起電圧の波形図である。 単一電源型のコンパレータを用いた位置検出回路の比較用の入力電圧の波形図である。 （ａ）（ｂ）は単一電源型のコンパレータを用いた位置検出回路の課題説明用の回路図である。

符号の説明

１ 駆動回路
２ 速度設定回路
３ｕ〜３ｗ 固定子巻線
６ 制御回路
７ インバータ回路
８ 位置検出回路
９ 直流電源
１０ 電源回路
１１ 電源保持回路
ＣＰｕ〜ＣＰｗ コンパレータ
Ｔｕ〜Ｔｗ シュミットトリガ回路
ＡＰ アンプ
Ｑ７ スイッチング素子
Ｒ１〜Ｒ４，Ｒ５ｕ〜Ｒ５ｗ，Ｒ６ｕ〜Ｒ６ｗ 抵抗
ＳＷ 電源起動スイッチ
Ｌ１，Ｌ２ インダクタンス成分
Ｖｂ 直流電圧
Ｖｍ 直流電圧
Ｖ１ 電源用電圧
Ｇ１、Ｇｍ グランド
Ｍ ブラシレスモータ

Claims (2)

1. 永久磁石を有した回転子と複数相の固定子巻線を有した固定子とからなるブラシレスモータを、直流電源から供給される直流電圧をインバータ回路のスイッチング素子をオンオフして各相の固定子巻線への通電状態を切り換えることにより駆動する駆動装置に用いられ、回転子の回転に伴って開放相の固定子巻線に生じる誘起電圧を比較基準電圧と比較することで回転子の回転位置を検出してインバータ回路の通電状態の切り換えのための位置検出信号を出力するブラシレスモータの位置検出回路において、単一電源で動作し、前記誘起電圧と比較基準電圧を比較する各相の比較手段と、各相の前記誘起電圧が入力する各比較手段の一方の入力端に対して印加するオフセット電圧の基準電圧及び前記誘起電圧の中点に対応し、各比較手段の他方の入力端に印加する比較基準電圧を直流電圧を抵抗分圧回路で分圧して得る基準電圧発生回路とを備え、前記抵抗分圧回路で分圧する直流電圧を、前記直流電源の供給路に接続する前記インバータ回路の電源接続端近傍で該電源接続端との間の電位差がほぼ０の位置の前記供給路から得ることを特徴とするブラシレスモータの位置検出回路。
2. 前記抵抗分圧回路と前記供給路との間には、動作中のみオンする電力遮断手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの位置検出回路。

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