JP2005312216A - Brushless dc motor drive - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータ回路によってブラシレスDCモータを駆動させる駆動装置に関するものである。 The present invention relates to a drive device that drives a brushless DC motor by an inverter circuit.
従来より、三相のブラシレスDCモータにおいて、回転子のマグネットの磁束を3個のホールICやホール素子などの位置検出素子によって検出し、3個の位置検出素子からの各相の位相信号に基づいて回転子の位置を推定して通電を切り替えてPWM制御を行い、インバータ回路の各スイッチング素子をON/OFFすることによりその回転を制御している(例えば、特許文献1参照)。
上記のような3個の位置検出素子を使用する場合に、これら3個の位置検出素子の実装位置のばらつき、特性のばらつき、回転子のマグネットのばらつきなどの相互の影響により、各位置検出素子からの位相信号の通電幅がばらつき、回転むらが発生して、騒音などが発生するという問題点がある。 When using the three position detection elements as described above, the position detection elements are affected by mutual influences such as mounting position variations, characteristic variations, and rotor magnet variations of the three position detection elements. Therefore, there is a problem that the energization width of the phase signal from each other fluctuates, uneven rotation occurs, and noise is generated.
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、位置検出素子を使用しつつ、そのばらつきの影響をなくし、ベクトル制御や複雑なシステムを使うことなく安価に回転を正確に制御することができるブラシレスDCモータの駆動装置を提供する。 In view of the above problems, the present invention is a brushless DC motor that can accurately control the rotation at low cost without using the influence of the variation and using vector control or a complicated system while using the position detection element. A driving apparatus is provided.
請求項1に係る発明は、三相のブラシレスDCモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバータ回路と、外部から入力する速度指令信号に基づいてPWM制御を行ってPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、前記PWM信号に基づいて前記インバータ回路を構成する各スイッチング素子をON/OFFするためのスイッチング信号を出力する駆動手段と、を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、回転子の回転位置を検出する少なくとも1個の位置検出素子が設けられ、前記位置検出素子から出力された位相信号の一周期の周期時間を計測するカウンター手段が設けられ、前記計測した周期時間を一周期とし、かつ前記速度指令信号に基づいて振幅が決定されたU相の変調信号を生成し、前記U相の変調信号を120°ずらせてV相の変調信号を生成し、前記U相の変調信号を240°ずらせてW相の変調信号を生成する変調信号生成手段が設けられ、前記PWM信号生成手段は、前記各相の変調信号と三角波とを比較してPWM信号を生成することを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置である。 According to the first aspect of the present invention, an inverter circuit that supplies a drive current to a stator winding of each phase of a three-phase brushless DC motor, and a PWM signal based on a speed command signal input from the outside are used to generate a PWM signal. A brushless DC motor drive device comprising: a PWM signal generating means for generating; and a drive means for outputting a switching signal for turning on / off each switching element constituting the inverter circuit based on the PWM signal. There is provided at least one position detecting element for detecting the rotational position of the child, and counter means for measuring the period time of one cycle of the phase signal output from the position detecting element is provided. A U-phase modulation signal having a period and an amplitude determined based on the speed command signal is generated, and the U-phase modulation signal is set to 1 Modulation signal generation means for generating a V-phase modulation signal by shifting by 0 ° and generating a W-phase modulation signal by shifting the U-phase modulation signal by 240 ° is provided. The brushless DC motor drive apparatus is characterized in that a PWM signal is generated by comparing the modulation signal of the above and a triangular wave.
請求項2に係る発明は、前記位置検出手段は、二相変調方式により各相の変調信号を生成することを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
The invention according to
請求項3に係る発明は、起動用制御手段が設けられ、前記起動用制御手段は、前記ブラシレスDCモータの起動時において、予め決められた二相の固定子巻線に一定時間通電を行って前記回転子を固定し、予め設定された起動周期で強制転流を行う変調信号を生成し、前記一個の位置検出素子が前記起動周期に応じた周期の位相信号を出力した時に、前記1個の位置検出素子の位相信号に基づいて回転を制御することを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
The invention according to claim 3 is provided with a starting control means, and the starting control means energizes a predetermined two-phase stator winding for a certain period of time when the brushless DC motor is started. When the rotor is fixed, a modulation signal that performs forced commutation at a preset start cycle is generated, and the one position detection element outputs a phase signal having a cycle corresponding to the start cycle, the one 2. The brushless DC motor driving apparatus according to
請求項4に係る発明は、起動用制御手段と前記1個の位置検出素子以外に2個の位置検出素子とを有し、前記起動用制御手段は、前記ブラシレスDCモータの起動時において、前記3個の位置検出素子からの各相の位相信号に基づいて各相の変調信号を生成し、これら各相の変調信号に基づいて前記回転子をn回回転させ、前記回転子をn回回転させた後に前記1個の位置検出素子の位相信号に基づいて回転を制御することを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an activation control means and two position detection elements in addition to the one position detection element, and the activation control means is configured so that the brushless DC motor is activated when the brushless DC motor is activated. A modulation signal of each phase is generated based on the phase signal of each phase from the three position detection elements, the rotor is rotated n times based on the modulation signal of each phase, and the rotor is rotated
請求項1に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、1個の位置検出素子から出力された位相信号に基づいて、三相の変調信号を生成し、これら三相の変調信号と三角波とを比較してPWM信号を生成するため、従来のような3個の位置検出素子におけるばらつき等の影響がなくなり、回転むらが発生しない。 In the brushless DC motor driving apparatus according to the first aspect of the present invention, a three-phase modulation signal is generated based on the phase signal output from one position detection element, and the three-phase modulation signal and the triangular wave are generated. Since the PWM signal is generated by comparing the two, there is no influence of variations in the three position detection elements as in the prior art, and rotation unevenness does not occur.
請求項2に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、位置検出手段が、二相変調方式により各相の変調信号を生成するため、インバータ回路におけるスイッチング素子のスイッチング損失を低減することができる。 In the brushless DC motor driving apparatus according to the second aspect of the invention, since the position detecting means generates the modulation signal of each phase by the two-phase modulation method, the switching loss of the switching element in the inverter circuit can be reduced. .
請求項3に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置について説明する。 A brushless DC motor driving apparatus according to a third aspect of the present invention will be described.
請求項1または請求項2におけるブラシレスDCモータの駆動装置においては、1個の位置検出素子によって回転を制御するため、起動時に回転方向が定まらない。そのため、起動用制御手段は、起動時において、予め固定された二相の固定子巻線に一定時間通電を行って回転子を固定し、予め設定された起動周期で強制転流を行う変調信号を生成する。前記1個の位置検出素子が起動周期に応じた周期の位相信号を出力した時から請求項1または請求項2における1個の位置検出素子からの位相信号に基づいて回転を制御する。これによって、起動時においても容易にその回転を制御することができる。
In the brushless DC motor driving apparatus according to
請求項4に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置について説明する。 A brushless DC motor driving apparatus according to a fourth aspect of the present invention will be described.
請求項1または請求項2におけるブラシレスDCモータの駆動装置においては、1個の位置検出素子によって回転を制御するため、起動時に回転方向が定まらない。そのため、起動用制御手段は、起動時において3個の位置検出素子からの各相の位相信号に基づいて各相の変調信号を生成し、これら各相の変調信号に基づいて回転子をn回回転させ、回転子がn回回転させた後に、請求項1または請求項2に記載されている1個の検出素子の位相信号に基づいて回転を制御する。これによって、起動を確実に行うことができ、通常の回転時では、1個の位置検出素子に基づいて回転を制御するため3個の位置検出素子のばらつきによる影響などを受けることがない。
In the brushless DC motor driving apparatus according to
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態の三相のブラシレスDCモータ(以下、単にモータという)10の駆動装置12について説明する。このモータ10は、ファン装置の駆動源である。
(First embodiment)
Hereinafter, a
(1)駆動装置12の構成
図1のブロック図に基づいて、駆動装置12の構成について説明する。
(1) Configuration of
駆動装置12は、インバータ回路14、駆動回路16、位置推定回路18、カウンター回路20、システムクロック生成回路22、三角波発生回路24、マイコンよりなりファン装置の主制御部でもある制御部26とより構成されている。また、駆動回路16は、各相の正弦波パターン回路32、コンパレータ34、NOT回路36から構成される。
The
インバータ回路14は、6個のMOSFETより構成され、2個のMOSFETが直列に接続され、これら直列に接続された2個のFETが3組並列に接続されている。2個の直列に接続されたMOSFETの間に各相の固定子巻線28が接続されている。また、各MOSFETと並列に電流還流用のダイオードが接続されている。さらに、3個のMOSFETのドレイン端子には、直流電源+Vmが接続されている。
The
モータ10の回転子のマグネットの位置を検出するための1個のホールIC30が設けられている。このホールIC30からの位相信号HUは位置検出回路18に入力する。位置検出回路18は、システムクロック生成回路22からのクロック信号と入力した位相信号HUをカウンター回路20に出力する。カウンター回路20では、図2に示すように、位相信号HUの立ち下がり位置から次の立ち下がり位置までの時間をカウントして、これを一周期とする。なお、この一周期は、回転数により異なり、図2の場合には最初の周期はT1であり、次の周期はT2である。
One Hall IC 30 for detecting the position of the magnet of the rotor of the
カウンター回路20によってカウントされた一周期の時間及び位相信号の立ち下がりのタイミングが駆動回路16の各相の正弦波パターン回路32に入力する。
The time of one cycle counted by the
U相の正弦波パターン回路32においては、二相変調方式による正弦波のU相の変調信号SUが生成される。U相の変調信号SUの出力するタイミングは位相信号の立ち下がり時によって決定され、変調信号の周期は入力した一周期(例えば、T1)と同じに設定され、振幅は速度指令信号の電圧に基づいて決定される。
The U-phase sine
V相の正弦波パターン回路32においても同様にV相の変調信号SVが生成されるが、V相の変調信号SVの生成されるタイミングは、U相の変調信号SUに対し120°ずれた状態で生成される。
Similarly, the V-phase modulation signal SV is generated in the V-phase sine
W相の正弦波パターン回路32においても同様にW相の変調信号SWが生成されるが、このW相の変調信号SWはU相の変調信号SUに対し240°ずれた状態で生成される。
Similarly, the W-phase modulation signal SW is generated in the W-phase sine
なお、各相の変調信号の一周期は、入力する位相信号の一周期によって異なり、T1で入力している時にはT1の一周期を設定し、回転数が変化して一周期がT2になった場合には、一周期がT2となる。 Note that one cycle of the modulation signal of each phase differs depending on one cycle of the input phase signal, and when T1 is input, one cycle of T1 is set, and the number of rotations changes and one cycle becomes T2. In this case, one cycle is T2.
このように各相の変調信号が生成されると、各相のコンパレータ34に入力する。各相のコンパレータ34には、三角波発生回路24から入力した三角波が入力し、この三角波が入力した変調信号と比較されてコンパレータ34からはそれぞれPWM信号が出力される。この三角波発生回路24はシステムクロック生成回路22からのクロック信号によって三角波が生成される。
When the modulation signal for each phase is generated in this way, it is input to the
U相のコンパレータ34から出力されたPWM信号はインバータ回路14のU相の上段のMOSFETのゲート端子に入力される。また、U相のコンパレータ34から出たPWM信号はNOT回路36によって反転され、この反転されたPWM信号はU相の下段のMOSFETのゲート端子に入力される。
The PWM signal output from the
U相のコンパレータ34から出力されたPWM信号、W相のコンパレータ34から出力されたPWM信号も同様にU相の上下のMOSFETとW相の上下のMOSFETにそれぞれ入力される。
Similarly, the PWM signal output from the
(2)通常回転時の制御状態
起動時以外の通常回転時における駆動装置10の制御状態について説明する。
(2) Control state during normal rotation The control state of the
モータ10の回転子が所定の速度で回転していると回転子のマグネットの磁束の変化により位相信号HUを出力する。
When the rotor of the
位相信号HUは、位置推定回路18とカウンタ回路20によって、その立ち下がり時及び一周期の時間がカウントされ、各相の正弦波パターン回路32に入力される。U相では立ち下がり時の時点を基準として変調信号が生成される。この場合に速度指令信号の電圧により振幅が変化し、また一周期が位相信号の一周期と同じように設定される。V相の変調信号はこのU相の変調信号に対し120°ずれた状態で生成され、W相の変調信号はU相の変調信号に対し240°ずれた状態で生成される。
The phase signal HU is counted by the
そのため、従来のように3個の変調信号からの信号に基づくようなばらつきがなく正確に120°ずつずれた変調信号が出力されるため、これに基づくPWM信号による回転子の回転にばらつきが発生しない。また、ベクトル制御や複雑なシステムを使うことがないため、コストを削減することができる。 For this reason, there is no variation based on the signals from the three modulation signals as in the conventional case, and the modulation signal shifted by 120 ° is output accurately. Therefore, variation in the rotation of the rotor by the PWM signal based on this is generated. do not do. Moreover, since vector control and a complicated system are not used, cost can be reduced.
(3)起動時の制御方法
上記のような通常回転時においては、回転子が既に回転しているため回転方向が判明しているが、起動時においては回転方向が定まらないため1個のホールIC30ではその制御が行いにくい。この起動制御方法における起動時は一定時間予め定めた二相の固定子巻線に通電し、モータ10の回転子の位置を固定し、その後強制的に転流してモータ10を始動通電することにより回転方向を決定し、起動後は上記した通常の回転制御方法に切り替えるものである。
(3) Control method at start-up At the time of normal rotation as described above, the rotation direction is known because the rotor has already been rotated, but at start-up, the rotation direction is not fixed, so one hole The
図3のフローチャートに基づいて起動制御方法を説明する。 The activation control method will be described based on the flowchart of FIG.
ステップ1において、予め決められた二相の固定子巻線に一定時間通電を行うことにより、即ち、直流励磁を行うことにより、回転子の位置を固定する。
In
ステップ2において、予め設定した周期で強制転流を行うための起動用位相信号を制御部26から位置推定回路18に出力する。
In
ステップ3において、起動用位相信号に基づいて回転子が回転し始めるため、ホールIC30がそれを検知し、位相信号を位置検出回路18に出力する。位置検出回路18では、入力した位相信号が起動位相信号と一致した時には、ステップ4に進み、上記した通常の回転制御に移行する。また、入力した位相信号が起動位相信号と一致しない場合には、ステップ1に戻り直流励磁を続ける。
In step 3, since the rotor starts to rotate based on the start-up phase signal, the
以上により、起動時においては予め設定した起動用位相信号によって起動させ、その後上記で説明した通常回転制御に移行するため、起動時においても1個のホールIC30によって起動することができる。
As described above, at the time of activation, activation is performed by a preset activation phase signal, and then the normal rotation control described above is performed, so that even one of the
(第2の実施形態)
第2の実施形態の起動制御方法について図4に基づいて説明する。
(Second Embodiment)
The activation control method according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
第1の実施形態の起動制御方法においては予め設定された起動用位相信号に基づいて起動を行ったが、本実施形態では従来と同様に3個のホールICを設け、起動時においてはこの3個のホールICを用いて起動するものである。 In the startup control method of the first embodiment, startup is performed based on a preset startup phase signal. In the present embodiment, three Hall ICs are provided as in the prior art, and at startup, this 3 It is activated using a single Hall IC.
図4のフローチャートに基づいて起動制御方法を説明する。 The activation control method will be described based on the flowchart of FIG.
ステップ11においてモータが停止し、ステップ12において外部から起動信号が入力すると、ステップ13において制御部26は通電を開始する。
When the motor stops in
ステップ14において、通電により回転子が回転し始めると、3個のホールICが従来と同様に各相の位相信号を出力し、これら各相の位相信号に基づいてPWM信号を生成し回転を制御する。
In
ステップ15において、回転子がn回連続して回転した場合には、上記で説明した通常回転制御に移り、n回まで達しない場合には3個のホールIC30を用いて回転制御を行う。
In
第2の実施形態の起動制御方法であると、起動時のみ3個のホールIC30を用い通常回転時では1個のホールIC30で制御を行うため、通常回転時では回転むらなどが発生しない。
In the activation control method of the second embodiment, since three
本発明は上記各実施形態に限らず、その主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist thereof.
本発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、ファン装置などの回転数をあまり変化させない駆動源として好適である。 The brushless DC motor drive device of the present invention is suitable as a drive source that does not change the rotational speed of a fan device or the like.
10 モータ
12 駆動装置
14 インバータ回路
16 駆動回路
18 位置推定回路
20 カウンター回路
22 システムクロック生成回路
24 三角波発生回路
26 制御部
28 固定子巻線
30 ホールIC
32 正弦波パターン回路
34 コンパレータ
36 NOT回路
DESCRIPTION OF
32 Sine
Claims (4)
外部から入力する速度指令信号に基づいてPWM制御を行ってPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、
前記PWM信号に基づいて前記インバータ回路を構成する各スイッチング素子をON/OFFするためのスイッチング信号を出力する駆動手段と、
を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、
回転子の回転位置を検出する少なくとも1個の位置検出素子が設けられ、
前記位置検出素子から出力された位相信号の一周期の周期時間を計測するカウンター手段が設けられ、
前記計測した周期時間を一周期とし、かつ、前記速度指令信号に基づいて振幅が決定されたU相の変調信号を生成し、前記U相の変調信号を120°ずらせてV相の変調信号を生成し、前記U相の変調信号を240°ずらせてW相の変調信号を生成する変調信号生成手段が設けられ、
前記PWM信号生成手段は、
前記各相の変調信号と三角波とを比較してPWM信号を生成する
ことを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置。 An inverter circuit for supplying drive current to the stator windings of each phase of the three-phase brushless DC motor;
PWM signal generating means for generating a PWM signal by performing PWM control based on a speed command signal input from the outside;
Drive means for outputting a switching signal for turning on / off each switching element constituting the inverter circuit based on the PWM signal;
In the drive device of the brushless DC motor having
At least one position detecting element for detecting the rotational position of the rotor is provided;
Counter means for measuring a cycle time of one cycle of the phase signal output from the position detection element is provided;
A U-phase modulation signal whose amplitude is determined based on the speed command signal is generated with the measured cycle time as one cycle, and the U-phase modulation signal is shifted by 120 ° to obtain a V-phase modulation signal. Modulation signal generation means for generating and generating a W-phase modulation signal by shifting the U-phase modulation signal by 240 °;
The PWM signal generating means includes
The PWM signal is generated by comparing the modulation signal of each phase and the triangular wave.
ことを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置。 The brushless DC motor driving apparatus according to claim 1, wherein the position detecting means generates a modulated signal of each phase by a two-phase modulation method.
前記起動用制御手段は、
前記ブラシレスDCモータの起動時において、予め決められた二相の固定子巻線に一定時間通電を行って前記回転子を固定し、
予め設定された起動周期で強制転流を行う変調信号を生成し、
前記一個の位置検出素子が前記起動周期に応じた周期の位相信号を出力した時に、前記1個の位置検出素子の位相信号に基づいて回転を制御する
ことを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置。 A starting control means is provided,
The activation control means includes:
When starting up the brushless DC motor, a predetermined two-phase stator winding is energized for a certain period of time to fix the rotor,
Generate a modulation signal that performs forced commutation at a preset start cycle,
2. The brushless according to claim 1, wherein when one position detection element outputs a phase signal having a period corresponding to the activation period, rotation is controlled based on the phase signal of the one position detection element. 3. DC motor drive device.
前記起動用制御手段は、
前記ブラシレスDCモータの起動時において、前記3個の位置検出素子からの各相の位相信号に基づいて各相の変調信号を生成し、これら各相の変調信号に基づいて前記回転子をn回回転させ、
前記回転子をn回回転させた後に前記1個の位置検出素子の位相信号に基づいて回転を制御する
ことを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置。 In addition to the starting control means and the one position detecting element, there are two position detecting elements,
The activation control means includes:
When the brushless DC motor is started, a modulation signal of each phase is generated based on the phase signal of each phase from the three position detection elements, and the rotor is rotated n times based on the modulation signal of each phase. Rotate,
The brushless DC motor drive device according to claim 1, wherein the rotation is controlled based on a phase signal of the one position detecting element after the rotor is rotated n times.
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