JP2005245058A - Ｄｃブラシレスモータの並列駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数台のＤＣブラシレスモータを、騒音を発することなく安定して並列駆動可能とする。
【解決手段】互いに並列接続された複数台のＤＣブラシレスモータを、複数の半導体スイッチング素子を有する駆動回路により同一速度で駆動するために、ロータ位置検出信号を用いてスイッチング信号を作成するＤＣブラシレスモータの並列駆動方法に関する。モータＭＡ，ＭＢの始動時に、モータの各相入力端子を短絡するようにスイッチング素子（例えばＴ４，Ｔ５,Ｔ６）をオンし、その後、モータの各相コイルに直流電流を順次流すようにスイッチング素子（例えばＴ１，Ｔ５、次にＴ２,Ｔ６、次にＴ３，Ｔ４）をオンしてロータ１２，１２を同位置で停止させ、しかる後に、所定の速度設定値に従いロータ位置検出信号を用いてスイッチング信号を作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数台のファンやポンプ等を同一速度で運転するために、並列接続された複数台のＤＣブラシレスモータを駆動するための並列駆動方法に関する。

周知のように、ＤＣブラシレスモータは、永久磁石形直流モータの長所を備え、機械的な騒音や電気的ノイズを発生せず、長寿命である等の利点があるため、小形の直流電動機として各種用途に利用されている。
図５は、この種のＤＣブラシレスモータの並列駆動回路の従来技術を示しており、後述の特許文献１に記載されているものである。

図５において、Ｅは直流電源、Ｔ１〜Ｔ６は三相ブリッジ接続されたトランジスタ等の半導体スイッチング素子、Ｕ，Ｖ，Ｗは三相ブリッジ回路の各相出力端子である。
これらの出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗには、同一構成のＤＣブラスレスモータＭＡ，ＭＢの各相コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷがそれぞれ並列に接続され、各モータＭＡ，ＭＢに設けられたホール素子ＨＵ，ＨＶ，ＨＷはロータ位置検出回路２１，２２に接続されている。なお、１１はステータ、１２はロータを示し、コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷはスター結線されている。

ロータ位置検出回路２１，２２から出力される各モータＭＡ，ＭＢのロータ位置検出信号（以下、単に位置検出信号ともいう）は信号選択回路４０に入力され、どちらのモータＭＡ，ＭＢの位置検出信号を使用するかを切り替えて選択可能となっている。そして、この信号選択回路４０からは、選択したモータの位置検出信号に応じてスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６をオン・オフさせるために、スイッチング信号発生回路３０に対する制御信号が出力される。

信号選択回路４０は、図６に示すようにモータＭＡの位置検出信号が入力されるＸＯＲ（排他的論理和）ゲートＩＣ１，ＩＣ２と、ＸＯＲゲートＩＣ２の出力側に接続されたＮＡＮＤゲートＩＣ３〜ＩＣ７と、モータＭＢの位置検出信号が入力されるＮＡＮＤゲートＩＣ８〜ＩＣ１０と、プルアップ抵抗等の抵抗Ｒ１〜Ｒ１０と、コンデンサＣ１と、ＮＡＮＤゲートＩＣ５〜ＩＣ１０の出力側のダイオードＤ１〜Ｄ７と、出力側のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３とから構成されている。
この信号選択回路４０は、図７に示すようなモータＭＡ，ＭＢの各相の位置検出信号が入力された際に、スイッチング信号発生回路３０に対してモータＭＡ，ＭＢの１相または２相のコイルに通流するための制御信号をトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３から出力するように動作する。

以下、この従来技術の動作を略述する。
いま、モータＭＡ，ＭＢが同期して同一速度で運転されているとすると、それぞれのロータ位置検出信号は図７のように同期して出力されている。なお、図７では、モータＭＡに関する信号をＡ、モータＭＢに関する信号をＢで示している。
両方のモータＭＡ，ＭＢを位置検出信号に同期させて運転するためには、図７のロータ回転角（空間角）が０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°のタイミングで位置検出信号が変化するのに合わせて、スイッチング信号発生回路３０から出力されるスイッチング信号を変化させる必要がある。

一方、図７における回転角が０°〜６０°の間、６０°〜１２０°の間、１２０°〜１８０°の間、１８０°〜２４０°の間、２４０°〜３００°の間、３００°〜０°の間は、各モータＭＡ，ＭＢともに位置検出信号に変化がなく、一定の状態を保っている（例えば、０°〜６０°の間はモータＭＡ，ＭＢの位置検出信号としてＵ相及びＷ相の信号が検出される状態が続き、６０°〜１２０°の間はモータＭＡ，ＭＢの位置検出信号としてＵ相のみの信号が検出される状態が続く）。

従って、上述したように位置検出信号に変化がなく一定の状態を保っている間に、モータＭＡの位置検出信号とモータＭＢの位置検出信号とを切り替えても何ら悪影響はない。
例えば、モータＭＡの位置検出信号を用いてモータＭＡを駆動するためのスイッチング信号（モータＭＡ，ＭＢは並列に接続されているので、モータＭＢを駆動するためのスイッチング信号でもあり得る）を出力している時に、他方のモータＭＢの位置検出信号に切り替えてモータＭＢを駆動するためのスイッチング信号（同じくモータＭＡを駆動するためのスイッチング信号でもあり得る）を出力するようにしても、この切替が位置検出信号に変化がない期間に行われるのであれば、切り替えた瞬間にモータの印加電圧が急変する心配はない。また、位置検出信号の周期よりも短い周期で切り替えるようにすれば、動作が不安定になるおそれも少ない。

このため、角度が０°〜６０°の間、６０°〜１２０°の間、１２０°〜１８０°の間、１８０°〜２４０°の間、２４０°〜３００°の間、３００°〜０°（３６０°）の間である３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°の時点で、信号選択回路４０によりモータＭＡ，ＭＢの位置検出信号をモータ間で交互に切り替えて選択するようにし、この選択した位置検出信号に基づいてモータＭＡ，ＭＢを駆動するためのスイッチング信号を出力させる。

つまり、図７に示す如く、例えば３３０°〜３０°の間はモータＭＡの位置検出信号を選択しており、この信号に基づいてスイッチング信号発生回路３０はＵ相コイルＣＵ、Ｗ相コイルＣＷに通電する（期間はそれぞれ異なる）ようにスイッチング信号を出力する。また、３０°〜９０°の間はモータＭＢの位置検出信号を選択しており、この信号に基づいてスイッチング信号発生回路３０はＵ相コイルＣＵ、Ｗ相コイルＣＷに通電する（期間はそれぞれ異なる）ようにスイッチング信号を作成する。
以後同様に、９０°〜１５０°の間はモータＭＡの位置検出信号を選択し、この信号に基づいてスイッチング信号発生回路３０はＵ相コイルＣＵ、Ｖ相コイルＣＶに通電するようにスイッチング信号を作成し、１５０°〜２１０°の間はモータＭＢの位置検出信号を選択し、この信号に基づいてスイッチング信号発生回路３０はＵ相コイルＣＵ、Ｖ相コイルＣＶに通電するようにスイッチング信号を作成する。

図７では、説明の便宜上、角度が３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°でモータＭＡ，ＭＢの位置検出信号を切り替えているが、切替角度はこれらの値に限られるものではなく、前述の如く０°〜６０°の間、６０°〜１２０°の間、１２０°〜１８０°の間、１８０°〜２４０°の間、２４０°〜３００°の間、３００°〜０°（３６０°）の間であって、モータＭＡ，ＭＢの位置検出信号に変化がない角度で切り替えれば同様の効果を得ることができる。

なお、図６に示した信号選択回路４０の動作としては、例えば図７の３０°〜６０°の間のモータＭＡ，ＭＢのロータ位置検出信号（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）を何れも論理（１，０，１）で表し、これらが図６のモータＭＡ，ＭＢの位置検出信号として入力されているとすると、図６の論理回路によって出力側トランジスタＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の出力信号の論理は（１，０，１）であり、次の６０°〜９０°の間のモータＭＡ，ＭＢの位置検出信号（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）を何れも論理（１，０，０）とすると、出力側トランジスタＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の出力信号の論理は（１，０，０）となり、図７の３０°〜９０°の期間における信号選択回路の出力（制御信号）の変化と一致していることが判る。
以上のような動作により、従来技術では、２台のモータＭＡ，ＭＢをロータ位置検出信号に同期させて単一の駆動回路により安定的に並列駆動している。

特開平１０−１７４４４３号公報（請求項１、図１〜図３等）

上記従来技術によれば、モータＭＡ，ＭＢが回転している状態での並列駆動には効果的であるが、モータＭＡ，ＭＢが停止している状態から始動する場合、モータＭＡ，ＭＢのロータ１２，１２が必ずしも同じ位置で停止しているとは限らない。また、モータＭＡ，ＭＢに通電されていないにもかかわらず、ファン等が風を受けて回転していることもあり、この場合にも電源投入時のロータ１２，１２の位置は異なっている。

上記のようにモータＭＡ，ＭＢのロータ１２，１２の位置が異なる状態から始動する場合には、同期に引き込むまでモータＭＡ，ＭＢに大きな電流が不規則に流れ、モータＭＡ，ＭＢから大きな騒音が発生するという問題がある。
また、場合によってはモータＭＡ，ＭＢがいつまでたっても同期せず、大きな騒音を発生し続けることもあった。

そこで本発明の課題は、複数台のＤＣブラシレスモータを、騒音を発することなく安定して始動可能とした並列駆動方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、互いに並列接続された複数台のＤＣブラシレスモータを、複数の半導体スイッチング素子を有する駆動回路により同一速度で駆動するために、各モータのロータ位置検出信号を用いて前記スイッチング素子のスイッチング信号を作成するＤＣブラシレスモータの並列駆動方法において、
モータの始動時に、モータの各相入力端子を短絡するように前記スイッチング素子を制御し、その後、前記モータの各相コイルに直流電流を順次流すように前記スイッチング素子を制御して各モータのロータを同位置で停止させ、しかる後に、所定の速度設定値に従い前記ロータ位置検出信号を用いてスイッチング信号を作成するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載したＤＣブラシレスモータの並列駆動方法において、
前記モータの各相コイルに直流電流を流した際に各モータのロータ位置検出信号の誤差の有無を検出し、誤差がない場合に各モータのロータが同位置で停止していると判定するものである。

本発明によれば、特許文献１に記載された従来技術に比べて、複数台のＤＣブラシレスモータを低騒音で安定して駆動することが可能であり、騒音による不快感を払拭することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態が適用される並列駆動回路の構成図であり、図５と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
図１において、５０はＤＣブラシレスモータＭＡ，ＭＢの速度を設定する速度設定回路、６０は速度設定回路５０からの速度設定値に従ってスイッチング信号発生回路３０に制御信号を出力する速度制御回路である。

次に、この実施形態の動作を、図２を参照しつつ説明する。
図２において、時刻ｔ１以前は電源がオフしており、モータＭＡまたはＭＢは、負荷のファンが風等によって空転することにより、速度ｖxで回転しているものとする。なお、図２に示す「モータの速度」とは、例えば１台のモータＭＡの速度を示すものとする。

時刻ｔ１で電源をオンし、その後、時刻ｔ２までの間は、スイッチング信号発生回路３０により駆動回路の下アームの３個のスイッチング素子Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６をオンする。すると、駆動回路の各相出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ（モータＭＡ，ＭＢの各相入力端子）は短絡された形となる。
これにより、モータＭＡ，ＭＢは発電制動状態になるので、図２に示す如く、速度はほとんどゼロまで低下する。

なお、ここでは駆動回路の下アームの３個のスイッチング素子Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６をオンしているが、上アームの３個のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３をオンしても良い。また、下アームの何れか２個のスイッチング素子Ｔ４，Ｔ５あるいは上アームの何れか２個のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２等をオンしてもほぼ同様の作用を得ることができる。

次に、時刻ｔ２〜ｔ３の間は、スイッチング信号発生回路３０により２個のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ５をオンする。これにより、各モータＭＡ，ＭＢのコイルＣＵ，ＣＶに直流電流が流れるので、ロータ１２の位置によってはこの時点でコイルＣＵ，ＣＶによる磁束に引き寄せられ、停止する。
その後、時刻ｔ３〜ｔ４の間は、スイッチング信号発生回路３０により２個のスイッチング素子Ｔ２，Ｔ６をオンする。これにより、各モータＭＡ，ＭＢのコイルＣＶ，ＣＷに直流電流が流れるので、ロータ１２の位置によってはこの時点でコイルＣＶ，ＣＷによる磁束に引き寄せられ、停止する。
また、時刻ｔ４〜ｔ５の間は、スイッチング信号発生回路３０により２個のスイッチング素子Ｔ３，Ｔ４をオンする。これにより、各モータＭＡ，ＭＢのコイルＣＷ，ＣＵに直流電流が流れるので、ロータ１２の位置によってはこの時点でコイルＣＷ，ＣＵによる磁束に引き寄せられ、停止する。

すなわち、時刻ｔ２〜ｔ５において、両モータＭＡ，ＭＢの各相コイルに直流電流を順次流すために２個のスイッチング素子をオンすることにより、両モータＭＡ，ＭＢのロータ１２，１２は必ず同じ位置で停止することになり、いわゆる同期した状態にすることができる。
なお、時刻ｔ２〜ｔ５でオンさせる２個のスイッチング素子は前記以外の組み合わせでも良く、場合によっては上アーム１個、下アーム２個のスイッチング素子をオンさせても良い。
上述した電源投入後のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオンオフ制御は、例えばスイッチング信号発生回路３０に予め内蔵されたプログラムにより行っても、あるいは、図示されていない制御回路によりスイッチング信号発生回路３０を制御して行っても良い。

各モータＭＡ，ＭＢのロータ１２，１２が同じ位置で停止してから、時刻ｔ５以降では、前述した従来技術と同様に各モータＭＡ，ＭＢのロータ位置検出信号に同期させて信号選択回路４０及びスイッチング信号発生回路３０を介してスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６をスイッチングする。なお、ロータ１２，１２が同じ位置で停止したことは信号選択回路４０により検出可能であるから、時刻ｔ５から信号選択回路４０を起動することは容易である。

そして、時刻ｔ６以後は、速度設定回路５０による速度設定値を速度制御回路６０に入力し、前記速度設定値に従ってモータＭＡ，ＭＢの回転速度を制御する。図２の例では、時刻ｔ６〜ｔ７の間は一定速度ｖ１とし、その後、時刻ｔ７〜ｔ８の間に速度をｖ２まで増加させて時刻ｔ８以後は一定とするパターンとしている。

上記のように、本実施形態によれば、２台のモータＭＡ，ＭＢのロータ１２，１２を同じ位置で停止させた状態で始動（加速）することができるため、始動時に大きな騒音を発生することもなく、確実に加速することができる。

次に、図３は本発明の第２実施形態を示す回路図である。この実施形態が図１と異なるのは、各モータＭＡ，ＭＢのロータ位置検出信号の誤差を検出する誤差検出回路７０を設け、その出力を速度設定回路５０に入力している点である。ここで、誤差検出回路７０は、両モータＭＡ，ＭＢが同期しているか否かをロータ位置検出信号の誤差に基づいて検出する機能を有している。

以下、本実施形態の動作を、図４を参照しつつ説明する。
図２と同様に、時刻ｔ１以前は電源がオフしており、モータＭＡまたはＭＢは、負荷のファンが空転して速度ｖxで回転しているものとする。
時刻ｔ１で電源をオンし、その後、時刻ｔ２までの間は、下アームの３個のスイッチング素子Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６をオンする。すると、モータＭＡ，ＭＢの各相入力端子が短絡された状態となり、モータＭＡ，ＭＢは発電制動状態になるので、速度はほとんどゼロまで低下する。

次に、時刻ｔ２〜ｔ３の間、ｔ３〜ｔ１０の間というように、２個のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ５、更にはＴ２，Ｔ６を順次オンして各相コイルに直流電流を流す動作を繰り返す。図４の例では、時刻ｔ１０で両モータＭＡ，ＭＢのロータ１２，１２が同じ位置で停止し、いわゆる同期状態になった場合を想定しているが、時刻ｔ１０でもロータ１２，１２が同じ位置で停止しない場合には、図２に示したように更に２個のスイッチング素子Ｔ３，Ｔ４をオンすればよい。何れにしても、ロータ１２，１２はやがて同じ位置で停止することになる。
なお、誤差検出回路７０がロータ位置検出信号の誤差の有無を検出することにより、各相コイルに直流電流を流すたびに、ロータ１２，１２が同位置で停止したか否かを判定することが可能である。

時刻ｔ１０においてロータ１２，１２が同じ位置で停止すると、それ以降は、誤差検出回路７０からロータ位置検出信号の誤差なしを示す信号が出力されるので、速度設定回路５０は両モータＭＡ，ＭＢが同期したことを認識可能となる。従って、時刻ｔ１０以後は、図２における時刻ｔ５以降と同様に、各モータＭＡ，ＭＢのロータ位置検出信号に同期させて、信号選択回路４０及びスイッチング信号発生回路３０を介しスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６をスイッチングする。
そして、時刻ｔ１１以後は、図２と同様に速度設定回路５０による速度設定値ｖ１，ｖ２に従ってモータＭＡ，ＭＢの回転速度を制御すればよい。

なお、上記実施形態では２台のＤＣブラシレスモータを並列運転する場合について説明したが、本発明は３台以上のモータを並列運転する場合にも適用可能である。

本発明の第１実施形態が適用される並列駆動回路の構成図である。 第１実施形態の動作説明図である。 本発明の第２実施形態が適用される並列駆動回路の構成図である。 第２実施形態の動作説明図である。 従来技術を示す回路図である。 図５における信号選択回路の構成を示す回路図である。 図５の動作を示すタイミングチャート図である。

符号の説明

Ｅ 直流電源
Ｔ１〜Ｔ６ スイッチング素子
Ｕ，Ｖ，Ｗ 出力端子
ＭＡ，ＭＢ ＤＣブラシレスモータ
ＣＵ，ＣＶ，ＣＷ コイル
ＨＵ，ＨＶ，ＨＷ ホール素子
１１ ステータ
１２ ロータ
２１，２２ ロータ位置検出回路
３０ スイッチング信号発生回路
４０ 信号選択回路
５０ 速度設定回路
６０ 速度制御回路
７０ 誤差検出回路

Claims (2)

1. 互いに並列接続された複数台のＤＣブラシレスモータを、複数の半導体スイッチング素子を有する駆動回路により同一速度で駆動するために、各モータのロータ位置検出信号を用いて前記スイッチング素子のスイッチング信号を作成するＤＣブラシレスモータの並列駆動方法において、
   モータの始動時に、モータの各相入力端子を短絡するように前記スイッチング素子を制御し、その後、前記モータの各相コイルに直流電流を順次流すように前記スイッチング素子を制御して各モータのロータを同位置で停止させ、しかる後に、所定の速度設定値に従い前記ロータ位置検出信号を用いてスイッチング信号を作成することを特徴とするＤＣブラシレスモータの並列駆動方法。
2. 請求項１に記載したＤＣブラシレスモータの並列駆動方法において、
   前記モータの各相コイルに直流電流を流した際に各モータのロータ位置検出信号の誤差の有無を検出し、誤差がない場合に各モータのロータが同位置で停止していると判定することを特徴とするＤＣブラシレスモータの並列駆動方法。

Images