JP2005333753A

JP2005333753A - ３相ブラシレスモータの制御装置

Info

Publication number: JP2005333753A
Application number: JP2004151133A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Masuda; 博雅増田
Original assignee: Canon Inc; Canon Precision Inc
Current assignee: Canon Inc; Canon Precision Inc
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】低コスト、小スペースで速度及び位置制御を行うことができる３相ブラシレスモータの制御装置を提供する。
【解決手段】予め決められた２相又は３相のコイル２に通電してローターマグネット３を原点位置に固定した状態から所望の回転方向が指示されると、該回転方向に応じて通電するコイルの相を切り換えてモータの回転を開始し、加速時は通電するコイルの相の切り換え時間を段階的に短くし、減速時は前記切り換え時間を段階的に長くすることで速度制御を行い、コイルの相の切り換えの回数をカウントすることでローターマグネットの停止位置制御を行う制御回路を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、機器の駆動源等に使用される３相ブラシレスモータの制御装置に関するものである。

機器の駆動源等に使用される３相ブラシレスモータは特許文献１等に開示されている。この種の３相ブラシレスモータにおいては、ローターマグネットの磁極に対し適正なコイルに通電を行うためにホール素子を用いる事が一般的であり、ホール素子を使わない場合には、コイルに通電した時の逆起電圧からローターマグネットの磁極の位置を判定して適正なコイルへの通電を行う技術が知られている。

また、３相ブラシレスモータを安定した回転数で制御する為には上記ホール素子の出力及び逆起電圧の変化をデジタル信号に置き換え、その周波数と基準信号の周波数とを比較する事でモータの回転速度を判定し、コイルへ印加する電圧または電流を変化させる速度制御手法が知られている。

機器の駆動源として使用する場合は、上記速度制御のみではなくローターマグネット停止の位置制御を行う必要もあり、位置制御を行うためにはエンコーダのパルス数をカウントすることによりローターマグネットの移動距離を検知し、３相のコイルへの通電をアナログ的に変化させ、ローターマグネットの位置をエンコーダのパルス数の分解能で制御するＡＣサーボによる位置制御が一般的である。
特開２００３−８８０８３号公報

しかしながら、上記速度や位置の各制御を高精度に行うためには回路構成が複雑で、制御回路スペースも大きくなり、コストも高くなるという問題を有する。簡易的に位置制御を行う方法としては、ステッピングモータを使用して外部からのパルス入力に応じてローターマグネットをステップ動作させる方法もあるが、動作時に振動が大きく、停止時はコイルの発熱によりモータの発熱という問題が発生する。

（発明の目的）
本発明の第１の目的は、低コスト、小スペースで速度及び位置制御を行うことのできる３相ブラシレスモータの制御装置を提供しようとするものである。

本発明の第２の目的は、停止時におけるモータの発熱を抑えることのできる３相ブラシレスモータの制御装置を提供しようとするものである。

上記第１の目的を達成するために、本発明は、複数の突極を周方向に有する積層コアの前記突極に巻き回されたコイルを有するコイルユニットと、回転自在に支持された軸に固定されたローターマグネットとを有する３相ブラシレスモータをオープンループ制御する３相ブラシレスモータの制御装置であって、予め決められた２相又は３相の前記コイルに通電して前記ローターマグネットを原点位置に固定した状態から所望の回転方向が指示されると、該回転方向に応じて通電する前記コイルの相を切り換えてモータの回転を開始し、加速時は通電する前記コイルの相の切り換え時間を段階的に短くし、減速時は前記切り換え時間を段階的に長くすることで速度制御を行い、前記コイルの相の切り換えの回数をカウントすることで前記ローターマグネットの停止位置制御を行う制御回路を有することを特徴とする３相ブラシレスモータの制御装置とするものである。

また、上記第２の目的を達成するために、本発明は、前記ローターマグネットの原点位置での保持又は停止時には、必要な保持トルクに応じた前記コイルへの電流または電圧のレベル制御、または、パルス幅変調制御を行う請求項１に記載の３相ブラシレスモータの制御装置とするものである。

本発明によれば、低コスト、小スペースで速度及び位置制御を行うことができる３相ブラシレスモータの制御装置を提供できるものである。

また、本発明によれば、それに加えて、停止時におけるモータの発熱を抑えることができる３相ブラシレスモータの制御装置を提供できるものである。

以下の実施例１及び実施例２に示す通りである。

図１ないし図４は本発明の実施例１に係わる図であり、そのうち、図１は３相ブラシレスモータ及びその駆動を制御する制御装置の概略構成を示す図である。同図において、１０１は３相ブラシレスモータ、１０２は３相ブラシレスモータ１０１を駆動源として作動する被駆動機器である。１０３はオープンループにて３相ブラシレスモータ１０１の位置及び速度制御を簡易的に行うマイコン、１０４はマイコン１０３からの信号を３相ブラシレスモータ１０１に出力するインバーター回路である。前記マイコン１０３とインバーター回路１０４により制御装置が構成される。

３相ブラシレスモータ１０１は、図２に示すように、３つの突極１ａ〜１ｃが周方向に１２０度おきに配置された積層コア１の前記突極１ａ〜１ｃにコイル２が巻き回されて成るコイルユニットと、該コイルユニットの内側に、回転自在に支持された不図示の軸に固定されたローターマグネット３とで構成されるローターユニットにより構成される。

コイル２が巻き回される突極１ａがＵ相を構成し、コイル２が巻き回される突極１ｂがＶ相を構成し、コイル２が巻き回される突極１ｃがＷ相を構成しており、マイコン１０３はインバーター回路１０４を介して、３相ブラシレスモータ１０１の前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル２への通電の切り換え制御をすることで、ローターマグネット３の速度制御を行う。詳細は後述するが、まず、ローターマグネット３の位置とは無関係に所定の２相のコイル２に通電する事で該ローターマグネット３の位置を強制的に所定の位置に固定し、次に、各相のコイル２への通電を切り換えることでモータを起動する。加速時には前記通電の切り換え時間を段階的に短くしていく事で滑らかに加速し、減速時には逆に段階的に通電の切り換え時間を短くすることで滑らかに減速する。原点位置もしくは停止時にはその位置での保持トルクに必要なコイル電流もしくは電圧のレベル制御またはＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）を行い、コイル２の発熱を最小限に抑える。また、位置制御については、通電の切り換え回数にて制御している。

図２（ａ）〜（ｆ）は、各相のコイル２に通電した場合のローターマグネット３の位置を示したもので、矢印の向きが電流の流れる方向である。

図２（ａ）はＵ相のコイル２からＶ相のコイル２に電流を流したときのローターマグネット３の位置を示し、図２（ｂ）はＵ相のコイル２からＷ相のコイル２に、図２（ｃ）はＶ相のコイル２からＷ相のコイル２に、図２（ｄ）はＶ相のコイル２からＵ相のコイル２に、図２（ｅ）はＷ相のコイル２からＵ相のコイル２に、図２（ｆ）はＷ相のコイル２からＶ相のコイル２に、それぞれ電流を流した時のローターマグネット３の停止位置を示す。

まず、Ｕ相からＶ相に電流が流れるようにコイル２へ通電する事で、図２（ａ）の位置でローターマグネット３が保持され、この位置が原点位置となる。この原点位置においては、前述したようにこの位置にローターマグネット３を保持するのに必要な保持トルクに応じた通電制御（コイル電流もしくは電圧のレベル制御またはＰＷＭ制御）がなされ、コイル２の発熱を最小限に抑えている。

モータを駆動する場合は図２（ａ）の状態からコイル２への通電を、図２（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｆ）→（ａ）と電気角で３６０°切り換えることにより、ローターマグネット３が１回転する。この際前述したように、回転速度は各ステップで保持する時間で決まり、停止位置は各ステップの繰り返し回数によって決まる。

ここで、ローターマグネット３の停止位置及び速度制御を簡易的に行うマイコン１０３の動作の詳細について、図３のフローチャートを用いて図２を参照しながら説明する。

マイコン１０３は被駆動機器１０２より原点位置確認信号を受けるとステップ＃１からの動作を開始する。まずステップ＃１では、ローターマグネット３を原点位置に保持するのに必要な大きさの例えばコイル電流をＵ相からＶ相へ流す（図２（ａ）の原点位置の状態）。そして、次のステップ＃２において、所定時間が経過したかを判定し、所定時間が経過していなければステップ＃１へ戻り、Ｕ相からＶ相に電流が流れるようにコイル２への通電を継続する。ここで所定時間とは、例えば図２（ａ）の状態を保持する時間を意味し、この所定時間を変化させることでローターマグネット３の回転速度を変えることができる。初めてステップ＃１の動作を行う場合は直ちにステップ３へ進み、ローターマグネット３が所望の位置に達したかを判定する。勿論この時点では所望の位置ではないのでステップ＃４へと進む。なお、所望の位置であるかは、通電するコイル２の相の切り換え回数によりマイコン１０３が判定する。また、マイコン１０３は相の切り換えの時間を変えることにより、起動直後はモータを加速し、所望の位置近傍に近づいたら減速制御を行う。

ステップ＃４へ進むと、ここではＵ相からＷ相に電流が流れるようにコイル２への通電を開始し、この通電は次のステップ＃５にて所定時間が経過するまで行う。この所定時間の通電により、ローターマグネット３は図２（ａ）から図２（ｂ）の状態まで時計回りに回転する。次のステップ＃６では、ローターマグネット３が所望の位置であるかを相の切り換え回数より判定し、所望の位置でなければステップ＃７へ進み、今度はＶ相からＷ相に電流が流れるようにコイル２への通電を開始し、ステップ＃８にて所定時間が経過するまでこの通電を行う。この所定時間の通電により、ローターマグネット３は図２（ｂ）から図２（ｃ）の状態まで時計回りに回転する。そして、次のステップ＃９にて、ローターマグネット３が所望の位置であるかを相の切り換え回数により判定し、所望の位置でなければステップ＃１０へ進む。

ステップ＃１０へ進むと、ここではＶ相からＵ相に電流が流れるようにコイル２への通電を開始し、次のステップ＃１１にて所定時間が経過するまでこの通電を行う。この所定時間の通電により、ローターマグネット３は図２（ｃ）から図２（ｄ）の状態まで時計回りに回転する。そして、次のステップ＃１２にて、ローターマグネット３が所望の位置であるかを相の切り換え回数により判定し、所望の位置でなければステップ＃１３へ進み、今度はＷ相からＵ相に電流が流れるようにコイル２への通電を開始し、ステップ＃１４にて所定時間が経過するまでこの通電を行う。この所定時間の通電により、ローターマグネット３は図２（ｄ）から図２（ｅ）の状態まで時計回りに回転する。そして、次のステップ＃１５にて、ローターマグネット３が所望の位置であるかを相の切り換え回数により判定し、所望の位置でなければステップ＃１６へ進む。

ステップ＃１６へ進むと、ここではＷ相からＶ相に電流が流れるようにコイル２への通電を開始し、次のステップ＃１７にて所定時間が経過するまでこの通電を行う。この所定時間の通電により、ローターマグネット３は図２（ｅ）から図２（ｆ）の状態まで時計回りに回転する。そして、次のステップ＃１８にて、ローターマグネット３が所望の位置であるかを相の切り換え回数により判定し、所望の位置でなければステップ＃１へ戻り、以下同様の動作を繰り返す。

上記の動作において、マイコン１０３は、前述したようにモータの起動直後の加速時には、前記相の切り換え時間（所定時間）を段階的に短くしていく事でローターマグネット３の回転を滑らかに加速し、被駆動機器１０２の被駆動部材が所望の位置に近づいて来ると減速するために、逆に段階的に相の切り換え時間を短くして、ローターマグネット３の回転を滑らかに減速する制御を行っている。そして、ローターマグネット３が所望の位置に達したことをステップ＃３，＃６，＃９，＃１２，＃１５もしくはステップ＃１８にて相の切り換え回数により判定すると直ちにステップ＃１９へ進み、ここではモータを停止するための通電停止制御を行う。具体的には、原点位置時と同様、この位置でローターマグネット３を停止させるために必要な保持トルクに応じた保持電流をコイル２へ流す。つまり、保持電流を低く抑えた状態でローターマグネット３を保持し、コイル２の発熱を最小限に抑えつつ、ローターマグネットの停止制御を行う。よって、従来は必要な保持トルクとは無関係にコイルに電圧Ｖｍを印加しているために「Ｖｍ／コイル抵抗」分の電流が流れつづけ、モータが発熱するという問題があったが、本実施例では、必要な保持トルクに見合った電流をコイル２に流すために該コイル２へ印加する電圧ＶｍをＰＷＭ制御にて可変するようにしているので、無駄な電流を抑え、モータの発熱を抑えることが可能となる。

ここで、図２は２相に通電した場合の例であるが、図４（ａ）に示すように３相に通電した場合は、図２（ａ）と図２（ｂ）の中間の位置でローターマグネット３を保持でき、またＶ相とＷ相の各コイル２に流れる電流の比率を変えることで、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す位置でローターマグネット３を保持することが可能なため、図２で示す２相への通電のみでは１回転の分解能が６分割に対して、図４に示す３相への通電を行うステップを図３に示した制御にさらに追加することで、各ステップ間を細かく分割することができ、細かいステップ角度での位置制御が可能である。

以上の実施例１によれば、予め所定の負荷（被駆動機器１０２）と保持トルク及び動作パターンに応じた、図３に示すような制御プログラムをマイコン１０３に格納しておくことで、マイコン１０３とインバーター回路１０４だけで、簡易的な速度及び位置制御をオープンループで行うことができ、エンコーダ、ホールＩＣ等によるローターマグネット位置のフィードバックを行う従来技術に比べ、低コスト、小スペースかつコイルの発熱を抑えることのできる制御装置とすることができる。

ローターマグネットのＮ極とＳ極がそれぞれ２つ以上ある構成の３相ブラシレスモータにおいては、１つの通電パターンでも停止位置が２つ以上となるため、所定の原点位置でローターマグネットを保持されない場合がある。

図５（ａ）、図５（ｂ）に示すようなＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相が２つ（Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相）あり、ローターマグネット３のＮ極とＳ極が各２つある構成のブラシレスモータを例として説明すると、実施例１での説明にあるように電気角で３６０°の通電切り換えを行った場合、ローターマグネット３は１８０°回転する。つまり、Ｕ相からＶ相に電流を流した時を原点位置とした場合、ローターマグネット３の位置は図５（ａ）と図５（ｂ）の２箇所となるため、図５（ｂ）の位置を原点とした場合、通電前のローターマグネット３の停止位置によってはＵ相からＶ相に電流が流れるように通電しても原点位置から機械角で１８０°ずれた位置でローターマグネット３が保持される場合がある。

この対策として、原点位置がずれている場合は被駆動機器１０２から信号をもらい、その信号に応じて電気角で３６０°通電を切り換える制御を図３のフローチャートに追加し、これをマイコン１０３に格納しておくことにより、実施例１と同じ制御を実現することができる。

本発明の実施例１に係わる３相ブラシレスモータと制御回路の構成を示すブロック図である。図１の３相ブラシレスモータにおいて２相のコイルに通電した場合のローターマグネットの位置を示す図である。図１のマイコンの動作を示すフローチャートである。本発明の実施例１に係わる３相ブラシレスモータにおいて３相のコイルに通電した場合のローターマグネットの位置を示す図である。本発明の実施例２に係わる３相ブラシレスモータおけるローターマグネットの位置を示す図である。

符号の説明

１積層コア
１ａ〜１ｃ突極
２コイル
３ローターマグネット
１０１３相ブラシレスモータ
１０２被駆動機器
１０３マイコン（制御回路）
１０４インバーター回路

Claims

複数の突極を周方向に有する積層コアの前記突極に巻き回された３相のコイルを有するコイルユニットと、回転自在に支持された軸に固定されたローターマグネットとを有する３相ブラシレスモータをオープンループ制御する３相ブラシレスモータの制御装置であって、
予め決められた２相又は３相の前記コイルに通電して前記ローターマグネットを原点位置に固定した状態から所望の回転方向が指示されると、該回転方向に応じて通電する前記コイルの相を切り換えてモータの回転を開始し、加速時は通電する前記コイルの相の切り換え時間を段階的に短くし、減速時は前記切り換え時間を段階的に長くすることで速度制御を行い、前記コイルの相の切り換えの回数をカウントすることで前記ローターマグネットの停止位置制御を行う制御回路を有することを特徴とする３相ブラシレスモータの制御装置。
前記ローターマグネットの原点位置での保持又は停止時には、必要な保持トルクに応じた前記コイルへの電流または電圧のレベル制御、または、パルス幅変調制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の３相ブラシレスモータの制御装置。