JP2005184930A - 直流ブラシレスモータの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 星形結線の三相巻線を持つブラシレスモータの相切り換わり時の逆流電流を防止するには、逆流を考慮しない場合に比較して、通電ステートは６ステートから１２ステートと２倍になり、所定の電気角を計算するための演算回路も必要となるため、回路規模が大きくなる。
【解決手段】 相切り換え時において、２相通電の切り換え後の初めの所定期間、オンタイミングとなる２つのスイッチング素子のうち、断続オフするスイッチング素子をＰｅａｋ検出信号をマスクして連続オンすることにより、相切り換え前に流れていた電流を、減衰するまでスイッチング回路内でループさせ、ＧＮＤからモータ電源への逆流を防止する。単純なマスク時間を設定する回路を用いることで、電流検知式ＰＷＭ制御において、回路が簡素化され、片側チョッピングでも常に回転速度制御が行えるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流ブラシレスモータの駆動制御装置に関する。

直流ブラシレスモータは、相巻線が装着されるステータと永久磁石を有するロータより構成される。

このモータには２極式と４極式があり、２極式は、星形結線の三相巻線が互いに１２０°の機械的な位置ずれをもってステータに装着され、１つの永久磁石（磁極Ｎ、Ｓ）がロータに設けられる。

４極式は、同じく星形結線の三相巻線が２組、互いに１８０°の機械的な位置ずれをもってステータに装着され、２つの永久磁石が互いに９０°の機械的な位置ずれをもってロータに設けられる。

２極式と４極式の動作の違いは、２極式では三相巻線の電気角１サイクル分の通電にロータの機械角１サイクル分が対応し、４極式では三相巻線の電気角２サイクル分の通電にロータの機械角１サイクルが対応する点である。

以下、電気角と機械角が１対１に対応する２極式を例に説明する。

図６は、特許文献１に記載された従来の直流ブラシレスモータの駆動制御装置の構成例を示すもので、直流ブラシレスモータの駆動制御装置の電気的制動の制御動作について説明する。なお、本発明と関係ない部分については説明を省略している。

従来の直流ブラシレスモータの駆動制御装置は、直流ブラシレスのモータ１と、モータ１の駆動電圧ＶＣＣを出力するモータ電源２と、モータ１に電力を供給するスイッチング回路３と、モータ電流を検出するための電流検出抵抗４と、電流検出抵抗４に生じる電圧と直流電源５から出力されるトルク指令電圧とを比較してＰｅａｋ電流検出信号を出力するＰｅａｋ電流検知器６と、モータ１からホール素子等による信号から相切り換え情報を取得する相切り換え検出回路１１と、相切り換え検出回路１１から相切り換え信号を受けると、前回受け取った相切り換え信号からの時間をカウントしてロータの回転数を演算し、ある電気角の期間を演算する電気角演算回路１２と、相切り換え検出回路１１及び電気角演算回路１２が出力する信号によって通電ステートを決定する通電ステート制御部１０と、ＰＷＭのオン信号を生成するＰＷＭオン信号生成回路９と、Ｐｅａｋ電流検知器６の出力をリセット入力とし、PWMオン信号生成回路９から出力されるＰＷＭオン信号をセット入力とするＲＳフリップフロップ８と、通電ステート制御部１０の出力とＲＳフリップフロップ８の出力との合成信号を入力とする制御部７とを備えている。

ところで、モータ１は、星形結線の三相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有するステータと、永久磁石を有するロータ（図示しない）とで構成されている。

又、このモータ１に接続されているスイッチング回路３は、上流側のスイッチング素子と下流側のスイッチング素子との直列回路を三相分設けたもので、Ｕ相用の上流側及び下流側のスイッチング素子としてトランジスタＴｕ⁺及びＴｕ^-が、Ｖ相用の上流側及び下流側のスイッチング素子としてトランジスタＴｖ⁺及びＴｖ^-が、Ｗ相用の上流側及び下流側のスイッチング素子としてトランジスタＴｗ⁺及びＴｗ^-がそれぞれ設けられており、これら各相の直列回路にモータ１の駆動電源ＶＣＣが印加される。

なお、図６ではＭＯＳ型トランジスタをスイッチング素子としているため図示していないが、ＮＰＮ型トランジスタをスイッチング素子として使用する場合には、逆起電力防止用のダンパダイオードが各トランジスタに並列接続される。

又、スイッチング回路３において、トランジスタＴｕ⁺、Ｔｕ^-の相互接続点には相巻線Ｌｕの非結線端が、トランジスタＴｖ⁺、Ｔｖ^-の相互接続点には相巻線Ｌｖの非結線端が、トランジスタＴｗ⁺、Ｔｗ^-の相互接続点には相巻線Ｌｗの非結線端が、それぞれ接続される。

更に、スイッチング回路３の下流側のトランジスタＴｕ^-，Ｔｖ^-及びＴｗ^-のソース側(エミッタ側)は電流検出抵抗４の一端に接続され、電流検出抵抗４の他端はＧＮＤに接地される。

このような構成の直流ブラシレスモータの駆動制御装置において、スイッチング回路３の各直列回路のうち、１つの直列回路の上流側のトランジスタと別な１つの直列回路の下流側のトランジスタがオンされることで、２つの相巻線に対する２相通電がなされる。

この２相通電によって２つの相巻線で磁界が生じると、永久磁石が作る磁界との相互作用によってロータに回転トルクが生じて、ロータが回転を始める。

このとき、永久磁石の回転に伴う磁気作用によってホール素子等による信号からロータの回転位置が検出され、その回転位置に基づき、常にステータの磁束とロータの磁束とが直交状態に近くなるように２相通電が順次切り換えられ、この２相通電の切り換えを繰り返し行なえば、ロータの回転が継続する。

回転速度制御については、２相通電用にオンタイミングとなる２つのスイッチング素子のうち、一方を連続オンし、他方を断続オフする（チョッピング）。

断続オフは、電流検出抵抗４の電圧とトルク指令電圧とを比較して、電流検出抵抗４に印加される電圧がトルク指令電圧以上になったときにオフするように、ＲＳフリップフロップ８にリセット信号を出力し、オフした一定時間後又はある一定の周波数でオンするように、ＲＳフリップフロップ８にセット信号を入力することで、断続オフするトランジスタのオン，オフデューティを調節するＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行うことにより、回転速度が目標値に設定される。

図９に示すように、断続オフするトランジスタＴｗ^-がオフしているタイミングで、トランジスタＴｕ⁺がオフタイミングとなり、トランジスタＴｖ⁺がオンタイミングとなる２相通電の切り換えが起こると、それまで相巻線Ｌｕを流れていた電流が行き場を無くして、トランジスタＴｕ^-，Ｔｗ⁺のダイオードを通ってＧＮＤからモータ電源２に逆流し、モータ１のトルク変動の増大、運転効率の低下、騒音及び振動の増大となる。

このような逆流を防ぐためには、２相通電の切り換え後、始めの所定時間をオンタイミングとなる２つのスイッチング素子のうち、２相通電の切り換え前からオンタイミングにあったスイッチング素子を連続オンし、回転速度制御に支障を生じさせないために、新たにオンタイミングとなるスイッチング素子を断続オフするように制御することで、スイッチング回路内で電流がループし、ＧＮＤからモータ電源２への逆流を防止できる。

図１０はスイッチング回路内で電流がループする一例を示すもので、トランジスタＴｕ⁺がオンタイミングからオフタイミングとなり、トランジスタＴｖ⁺がオフタイミングからオンタイミングとなるとき、相巻線Ｌｕを流れていた電流は、相切り換え前からオンタイミングであったトランジスタＴｗ^-が連続してオンすることにより、トランジスタＴｗ^-とトランジスタＴｕ^-のダイオードを通るループを形成する。

ところで、２相通電の切り換え後の所定時間は、電気角演算回路１２により、相切り換え検出回路１１から受け取る前回の相切り換え検出信号とその次の相切り換え検出信号の時間をカウントして、モータの回転速度を演算し、演算した結果からある一定の電気角となるように所定時間を設定する。

このため、各相に対する１２０°の通電範囲は、最初の所定電気角を断続通電し、その後連続通電し、後半に再度断続通電を行う。

図８は、２相通電のタイミングの一例について、各トランジスタの動作パターンとの対応関係を示すもので、Ｐはパルス幅制御ＰＷＭ、つまりオン，オフデューティの制御を表し、空欄はオフを表している。

又、図８に示した２相通電のタイミングによる３相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの電流・電圧波形を図７に示す。
特開平７−６７３８１号公報

星形結線の三相巻線を持つ直流ブラシレスモータの相切り換わり時の逆流電流を防止するには、逆流を考慮しない場合に比較して、通電ステートは６ステートから１２ステートと２倍になり、所定の電気角を計算するための演算回路も必要となるため、回路規模が大きくなる。

又、スイッチング回路の制御部の回路規模を縮小するため、ＰＷＭ制御するためのスイッチング素子を片側のみ（上流側のみ又は下流側のみ）とした場合、２相通電のオンタイミングとなる２つのスイッチング素子は、ある所定の電気角の間、２つとも連続オンとなるため、この期間では回転速度制御が行えない。

本発明は、電流検知式ＰＷＭ制御において、回路が簡素化され、片側チョッピングでも常に回転速度制御が行える直流ブラシレスモータの駆動制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、星形三相巻線を有するステータ及び永久磁石を有するロータより構成された直流ブラシレスモータと、電流方向に従って上流側及び下流側となる一対のスイッチング素子の直列回路を三相分設けたスイッチング回路と、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出機能と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出機能とを備え、各直列回路のスイッチング素子の相互接続点に前記各相巻線の非結線端を接続し、スイッチング回路の１つの直列回路の上流側スイッチング素子と別の１つの直列回路の下流側スイッチング素子をオンして２つの相巻線への２相通電を行い、前記回転位置検出機能により前記ロータの回転位置を検出して、前記２相通電を順次切り換え、かつ２相通電用にオンタイミングとなる２つのスイッチング素子のうち一方を連続オンし、他方を前記電流検出機能からの信号により断続オフして速度調節を行う直流ブラシレスモータの駆動制御装置において、２相通電の切り換え後の初めの所定期間、オンタイミングとなる２つのスイッチング素子のうち、断続オフするスイッチング素子を連続オンする手段を更に備えたものである。

請求項１記載の本発明の直流ブラシレスモータの駆動制御装置によれば、相切り換え時において、２相通電の切り換え後の初めの所定期間、オンタイミングとなる２つのスイッチング素子のうち、断続オフするスイッチング素子をＰｅａｋ検出信号をマスクして連続オンすることにより、相切り換え前に流れていた電流を、減衰するまでスイッチング回路内でループさせ、ＧＮＤからモータ電源への逆流を防止する。単純なマスク時間を設定する回路を用いることで、電流検知式ＰＷＭ制御において、回路が簡素化され、片側チョッピングでも常に回転速度制御が行えるようになる。

以下、本発明のモータ駆動装置について、図面を用いながら詳細に説明する。

図１は本発明の直流ブラシレスモータの駆動制御装置の一実施形態を示す構成図で、本発明の直流ブラシレスモータの駆動制御装置は、直流ブラシレスのモータ１と、モータ１の駆動電圧ＶＣＣを出力するモータ電源２と、モータ１に電力を供給するスイッチング回路３と、モータ電流を検出するための電流検出抵抗４と、電流検出抵抗４に生じる電圧と直流電源５から出力されるトルク指令電圧とを比較してＰｅａｋ電流検出信号を出力するＰｅａｋ電流検知器６と、モータ1からホール素子等による信号から相切り換え情報を取得する相切り換え検出回路１１と、相切り換え検出回路１１から相切り換え信号を受けると、相切り換え前からオンタイミングにあったスイッチング素子を連続してオンさせる信号を出力する相切り換え同期パルス生成回路１２と、相切り換え検出回路１１が出力する信号によって通電ステートを決定する通電ステート制御部１０と、ＰＷＭのオン信号を生成するPWMオン信号生成回路９と、Ｐｅａｋ電流検知器６の出力をリセット入力とし、ＰＷＭオン信号生成回路９から出力されるＰＷＭオン信号をセット入力とするＲＳフリップフロップ８と、通電ステート制御部１０の出力とＲＳフリップフロップ８の出力との合成信号を入力とする制御部７を備えている。
以下、本発明の直流ブラシレスモータの駆動制御装置の一実施例の動作について説明する。

先ず、通電モードは、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの６ステート存在し、トランジスタＴｕ⁺，Ｔｕ^-，Ｔｖ⁺，Ｔｖ^-，Ｔｗ⁺，Ｔｗ^-の動作パターンとの対応関係を図３に示す。

図３において、Ｐはパルス幅制御ＰＷＭ、つまりオン，オフデューティの制御を表し、空欄はオフを表わしている。

又、図３に示した２相通電のタイミングによる３相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの電流・電圧波形を図２に示す。

相切り換え同期パルス生成回路１３は、相切り換え検出回路１１からの信号をトリガーとして、設定された時間だけＲＳフリップフロップ８にセット信号を出力する。

このとき、ＲＳフリップフロップ８はセット信号を優先するため、Ｐｅａｋ電流検出信号はマスクされる。

又、スイッチングする相は、相切り換え前からオンタイミングにあったスイッチング素子であるため、スイッチング回路内で電流がループ出来る。

ところで、相切り換え同期パルス生成回路１２から出力されるセット信号の期間は、長く設定しすぎた場合、モータ電流が増え過ぎてしまうし、又、短くしすぎた場合、図４に示すように、相切り換え時にオンタイミングからオフタイミングとなるスイッチング素子は、相切り換え信号が検出されてから完全にオフするまでに遅延が生じる。

この遅延時間の間、電流検出抵抗４には、オフするスイッチング素子を通る系と新たにオンしたスイッチング素子を通る系の２通りの系からモータ電流が供給され、電流検出抵抗４の電圧がＰｅａｋ検出値に到達する場合があるため、オフするスイッチング素子が完全にオフする前に期間が経過すると、Ｐｅａｋ電流検出信号により断続オフするスイッチング素子がオフしてしまい、スイッチング回路内の電流ループが出来なくなる場合がある。

よって、図５で示すように、相切り換え同期パルス生成回路１２から出力されるセット信号の期間は、オンタイミングからオフタイミングとなるスイッチング素子がオフするまでの遅延時間以後、かつ相切り換え前からオンタイミングだったスイッチング素子を通ってループしている電流が０になる以前となるように設定する。

このように、相切り換え同期パルス生成回路１２から出力されるセット信号の期間を設定すると、図５に示すように、相切り換え前からオンタイミングだった断続オフするスイッチング素子は、ループ電流が０になるまで連続オンするため、ＧＮＤからモータ電源２への逆流電流は発生しない。

又、ループしている電流の減衰量と新たにオンタイミングとなったスイッチング素子から供給される電流の増加量がほぼ吊り合うため、モータ電流は、ループしている電流が減衰している間、ほぼ一定となる。

本発明の電流検知式ＰＷＭ制御を行う直流ブラシレスモータの駆動制御装置は、相切り換え時において、２相通電の切り換え後の初めの所定期間、オンタイミングとなる２つのスイッチング素子のうち、断続オフするスイッチング素子をＰｅａｋ検出信号をマスクして連続オンすることにより、相切り換え前に流れていた電流を、減衰するまでスイッチング回路内でループさせ、ＧＮＤからモータ電源への逆流を防止する。単純なマスク時間を設定する回路を用いることで、電流検知式ＰＷＭ制御において、回路が簡素化され、かつ片側チョッピングでも常に回転速度制御が行えるようになるので、直流ブラシレスモータの駆動制御装置の制御に適している。

本発明の直流ブラシレスモータの駆動制御装置の一実施形態の回路図 本発明の直流ブラシレスモータの駆動制御装置の一実施形態におけるモータ出力各相の電流・電圧波形図 本発明の一実施形態における通電モード表 本発明の直流ブラシレスモータの駆動制御装置の一実施形態におけるセット信号時間の一設定例 本発明の直流ブラシレスモータの駆動制御装置の一実施形態におけるセット信号時間の他の設定例 従来の直流ブラシレスモータの駆動制御装置の回路図 従来の直流ブラシレスモータの駆動制御装置におけるモータ出力各相の電流・電圧波形図 従来の直流ブラシレスモータの駆動制御装置における通電モード表 ２相通電における逆流電流の発生例 従来の直流ブラシレスモータの駆動制御装置での２相通電における逆流電流の防止例

符号の説明

１ 直流ブラシレスのモータ
２ モータ電源
３ スイッチング回路
４ 電流検出抵抗
５ 直流電源
６ Ｐｅａｋ電流検知器
７ 制御部
８ ＲＳフリップフロップ
９ ＰＷＭオン信号生成回路
１０ 通電ステート制御部
１１ 相切り換え検出回路
１２ 電流角演算回路
１３ 相切り換え同期パルス生成回路

Claims (1)

1. 星形三相巻線を有するステータ及び永久磁石を有するロータより構成された直流ブラシレスモータと、電流方向に従って上流側及び下流側となる一対のスイッチング素子の直列回路を三相分設けたスイッチング回路と、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出機能と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出機能とを備え、各直列回路のスイッチング素子の相互接続点に前記各相巻線の非結線端を接続し、スイッチング回路の１つの直列回路の上流側スイッチング素子と別の1つの直列回路の下流側スイッチング素子をオンして２つの相巻線への２相通電を行い、前記回転位置検出機能により前記ロータの回転位置を検出して、前記２相通電を順次切り換え、かつ２相通電用にオンタイミングとなる２つのスイッチング素子のうち一方を連続オンし、他方を前記電流検出機能からの信号により断続オフして速度調節を行う直流ブラシレスモータの駆動制御装置において、
   ２相通電の切り換え後の初めの所定期間、オンタイミングとなる２つのスイッチング素子のうち、断続オフするスイッチング素子を連続オンする手段を更に備えたことを特徴とする直流ブラシレスモータの駆動制御装置。

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