JP2006006067A

JP2006006067A - ブラシレスｄｃモータの駆動装置

Info

Publication number: JP2006006067A
Application number: JP2004181846A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Hatayama; 敬之畑山
Original assignee: Nidec Shibaura Corp
Current assignee: Nidec Shibaura Corp
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】スイッチング損失を正弦波よりも低く、かつ、誘起電圧の利用率を高め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。
【解決手段】固定子の近傍に配された３個のホールＩＣからの回転パルスの周期とタイミングに基づいて１２０度通電が行える台形波を生成し、この台形波に基づいてＰＷＭ制御を行うものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータをインバータ回路で制御する駆動装置に関するものである。

ブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータという）の駆動方法は、回転子の位置を検出するホールＩＣからの位置信号や、固定子巻線の誘起電圧を用いて回転子の回転位置を検出し、この検出した回転位置と外部からの速度指令信号に基づいてＰＷＭ制御を行い、固定子巻線に駆動電流をインバータ回路の各スイッチング素子から供給して回転を制御している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２３８２３公報

モータの高効率化を行おうとして場合には、駆動回路側の誘起電圧の利用率を高める方法がある。この方法を行うときに誘起電圧の利用率の観点から、回転子のロータマグネットの着磁が正弦波の場合には、駆動方式は正弦波通電方式が好ましい。しかしながら、ＰＷＭ制御方法で正弦波駆動を行おうとした場合には、フルブリッジのインバータ回路の上下のスイッチング素子を常にＯＮ／ＯＦＦしてＰＷＭ制御を行うため、スイッチング損失が高くなり、前記した高効率化に対して相反する結果となる。

また、１２０度通電では誘起電圧の利用率が低いため、これもモータの高効率化において問題点となる。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、スイッチング損失を正弦波よりも低く、かつ、誘起電圧の利用率を高め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。

請求項１に係る発明は、前記三相のブラシレスＤＣモータの三相の固定子巻線へ駆動電流をそれぞれ供給するインバーター回路と、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段からの回転パルスの周期と、外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路へ制御信号を出力する制御手段と、を有するブラシレスＤＣモータの駆動装置において、前記制御手段は、前記回転パルスの周期、タイミングに基づいて矩形波である通電波形を生成する通電回路と、前記回転パルスの周期、タイミングに基づいて立ち上がりの傾斜波と立ち下がりの傾斜波とを生成する台形波生成手段と、前記立ち上がりの傾斜波と前記通電波と前記立ち下がりの傾斜波を合成し、前記速度指令信号によって振幅を決定して台形波を生成する台形波変調波生成手段と、所定の周期で三角波を発振する三角波発振回路と、前記台形波と前記三角波とからＰＷＭ変調波を生成するＰＷＭ変調回路と、前記ＰＷＭ変調波に基づいて前記制御信号を生成する駆動回路と、を有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。

請求項２に係る発明は、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の誘起電圧が台形波になるように、前記回転子のロータマグネットが着磁されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

請求項３に係る発明は、前記通電回路は、１２０度通電、１５０度通電、または、１８０度通電を行うことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

請求項４に係る発明は、前記立ち上がりの傾斜波と前記立ち下がりの傾斜波の幅が、電気角１０度から６０度の間の幅をそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

請求項５に係る発明は、前記回転数検出回路は、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の近傍に位置検出素子を有し、前記位置検出素子からの位置信号に基づいて前記回転数を検出することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

請求項６に係る発明は、前記回転数検出回路は、前記各固定子巻線の誘起電圧を検出し、この検出した各相の誘起電圧に基づいて前記回転数を検出することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

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、回転数検出手段によって検出した回転パルスの周期、タイミングに基づいて、台形波を生成し、回転子のロータマグネットの誘起電圧に最適な通電幅を選択することにより、モータ効率の高い駆動装置を実現することができる。

特に、回転子の誘起電圧が台形波のときは、この台形波に合わせて通電を行うこととなり、誘起電圧の利用率を高め、かつ、スイッチング損失を正弦波より低く、モータの効率化を高めることができる。

以下、本発明の一実施形態のモータ１０の駆動装置１２について、図１〜図３に基づいて説明する。

（１）モータ１０の構成
本実施形態のモータ１０は、三相のブラシレスＤＣモータであり、例えば、空調機のファンモータとして使用される。また、モータ１０の回転子は、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極が交互に着磁された４極である。そして、この回転子が回転することにより三相の固定子巻線に発生する誘起電圧が台形波になるように、前記４極のロータマグネットが着磁されている。

（２）駆動装置１２の構成
駆動装置１２は、インバータ回路１４、上アーム駆動回路１６、下アーム駆動回路１８、位置推定回路２０、１２０度通電マトリクス回路（以下、通電回路という）２２、台形波変調波形生成回路（以下、変調波形生成回路という）２４、カウンタ回路２６、台形波生成回路２８、三角波発振回路３０、コンパレータ３２、三相分配回路３４から構成されている。

インバータ回路１４は、スイッチング素子（例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ）とダイオードを並列に接続したものを上下に直列に接続し、これらを３組並列に接続したフルブリッジ回路の構成である。このインバータ回路１４には、直流のモータ電源３６からモータ電流が供給される。このインバータ回路１４の６個のスイッチング素子の内、上段のスイッチング素子のゲート端子に、上アーム駆動回路１６から制御信号が出力され、各スイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦされる。また、下段の３個のスイッチング素子のゲート端子には、下アーム駆動回路１８からの制御信号が出力され、ＯＮ／ＯＦＦされる。

モータ１０の回転子のロータマグネットの位置を検出するために、３個の位置検出素子（例えば、ホール素子）３８，３８，３８が設けられ、３個の位置検出素子３８，３８，３８からのパルス状の位置信号は位置推定回路２０に出力される。

三個のホールＩＣからの位置信号に基づいて、位置推定回路は、三相の回転パルスを通電回路２２とカウンタ回路２６に出力する。

通電回路２２は、モータ１０を１２０度通電行うために、電気角で１２０度の間だけ誘起電圧が掛かるように、入力した回転パルスに基づいて矩形波の通電波を変調波形生成回路２４に出力する。

カウンタ回路２６では、回転パルスに基づいて、各相の位置をカウンタし、台形波生成回路２８に出力する。

台形波生成回路２８では、立ち上がりの傾斜波と立ち下がりの傾斜波を出力する。この詳細については後から詳しく説明する。

変調波形生成回路２４では、外部から入力した速度指令電圧に基づいて振幅が決定され、通電回路２２から入力した通電波と台形波生成回路２８から入力した立ち上がりと立ち下がりの傾斜波に基づいて三相の台形波をそれぞれ生成する。

三角波発振回路３０から所定の周期で三角波がコンパレータ３２のマイナス端子に入力し、コンパレータのプラス端子には変調波形生成回路２８から各相の台形波がそれぞれ入力し、このコンパレータ３２で比較されＰＷＭ変調波が生成され三相分配回路３４に出力される。

三相分配回路３４では、三相のＰＷＭ変調波に基づいて、上段用のスイッチング素子用のＰＷＭ変調信号を上アーム駆動回路１６に出力し、下段のスイッチング素子用のＰＷＭ変調信号を下アーム駆動回路１８に出力する。

上アーム駆動回路１６では、入力したＰＷＭ変調信号に基づいて、上段のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦする制御信号を出力する。

下アーム駆動回路１８も同様に入力したＰＷＭ変調信号に基づいて下段のスイッチング素子に制御信号を出力する。

（３）台形波の生成方法
次に、台形波の生成方法について、図２及び図３に基づいて説明する。

図２は、一相（例えば、Ｕ相）の台形波の波形を示している。

図２において、縦軸が速度指令電圧の電圧値を示し、横軸が電気角を示している。

図２において、αの部分の立ち上がり傾斜波と立ち下がり傾斜波は台形波生成回路２８で生成する。この場合に、位置推定回路２０から出力された回転パルスの周期とタイミングをカウンタ回路２６でカウントし、図２において電気角で０度〜４０度の間で電圧が上昇するように傾斜波を生成し、１６０度〜２００度の間で電圧が下降するように傾斜波を生成する。

図２において、台形波のβの部分は、通電回路２２で生成するものであり、位置推定回路２０から出力された回転パルスの周期とタイミングに基づいて、電気角で４０度の位置で立ち上がり、１６０度の位置で立ち下がるような矩形の通電波を生成する。すなわち、１２０度通電の波形を生成する。

変調波形生成回路２４では、台形波生成回路２８から入力した立ち上がりの傾斜波と立ち下がりの傾斜波及び通電回路２２から入力した通電波を合成し、図２に示す台形波を生成する。この場合に、台形波の振幅は、外部から入力した速度指令電圧に基づいて決定する。すなわち、速度指令電圧が高ければ、台形波の振幅も高くなる。

なお、台形波生成回路２８で生成される立ち下がりと立ち上がりの電気角の幅は、１０度〜６０度の幅で決定すればよい。この傾斜角は、モータ１０の回転子の特性等によって実験的に求めるのがよい。

以上により、回転パルスに基づいて台形波が生成されることとなる。

（４）本実施形態と従来技術との比較
次に、図３に基づいて、本実施形態と従来例との比較を行ないつつ、本実施形態の効果を説明する。

図３の上段は三相の回転パルスを示し、中段は従来例における１２０度通電の三相の通電波を示し、下段は本実施形態の三相の台形波を示している。

三相の回転パルスは、例えば、Ｕ相の回転パルスＨＵは、０度でローレベルとなり、１８０度でハイレベルとなる、すなわち、１８０度毎に切り替わる。

従来例においては、三相の回転パルスに基づいて、上段のスイッチング素子の通電波Ｕ，Ｖ，Ｗが生成され、下段のスイッチング素子の通電波のＸ，Ｙ，Ｚが生成される。

本実施形態においては、上段のスイッチング素子の台形波Ｕ，Ｖ，Ｗが生成され、下段のスイッチング素子の台形波Ｘ，Ｙ，Ｚが生成される。

この従来例の矩形状の通電波と、本実施形態の台形波を比較した場合に、立ち上がりと立ち下がりの傾斜部分だけ誘起電圧が有効利用され、その利用率を高めることができる。また、矩形波のように立ち下がりと立ち上がりが急俊でないため、トルクリップルが発生しない。さらに、モータ１０の回転子の誘起電圧が台形波であるため、この台形波に合わせて通電が行われているため、誘起電圧の利用率を高め、かつ、スイッチング損失を正弦波より低く、モータの効率化を高めることができる。

（変更例）
本発明は、上記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。

（１）変更例１
上記実施例では、１２０度通電を行ったが、これに代えて、１５０度通電、１８０度通電でも実施することができる。

ただし、１５０度通電を行う場合には、立ち上がりの傾斜波と通電波と立ち下がりの傾斜波を合計した電気角が１８０度以内になるようにする。

また、１８０度通電では、通電幅が１８０度であるため、この１８０度通電幅の立ち上がり部分と立ち下がり部分に傾斜波を設け、全体として１８０度通電になるようにする。

（２）変更例２
上記実施形態では、回転子の位置を位置検出素子によって検出したが、これに変えて、各固定子巻線の誘起電圧を検出し、この検出した各相の誘起電圧に基づいて回転数を検出するセンサーレス回路であってもよい。

（３）変更例３
上記実施形態では、三相の固定子巻線に対する誘起電圧が台形波になるように回転子のロータマグネットが着磁されていたが、これに限らず正弦波であっても従来よりもモータ効率を上昇させることができる。

本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、家電機器、例えば空調機の駆動源等に好適である。

本発明の一実施形態を示すブラシレスＤＣモータの駆動装置のブロック図である。台形波変調波形の波形図である。三相の回転パルス、従来例の１２０度通電の三相の通電波、本実施形態の三相の台形波を示す波形図である。

符号の説明

１０モータ
１２駆動装置
１４インバータ回路
１６上アーム駆動回路
１８下アーム駆動回路
２０位置推定回路
２２通電回路
２４変調波形生成回路
２６カウンタ回路
２８台形波生成回路
３０三角波発振回路
３２コンパレータ
３４三相分配回路
３６モータ電源
３８ホールＩＣ

Claims

前記三相のブラシレスＤＣモータの三相の固定子巻線へ駆動電流をそれぞれ供給するインバーター回路と、
前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記回転数検出手段からの回転パルスの周期と、外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路へ制御信号を出力する制御手段と、
を有するブラシレスＤＣモータの駆動装置において、
前記制御手段は、
前記回転パルスの周期、タイミングに基づいて矩形波である通電波形を生成する通電回路と、
前記回転パルスの周期、タイミングに基づいて立ち上がりの傾斜波と立ち下がりの傾斜波とを生成する台形波生成手段と、
前記立ち上がりの傾斜波と前記通電波と前記立ち下がりの傾斜波を合成し、前記速度指令信号によって振幅を決定して台形波を生成する台形波変調波生成手段と、
所定の周期で三角波を発振する三角波発振回路と、
前記台形波と前記三角波とからＰＷＭ変調波を生成するＰＷＭ変調回路と、
前記ＰＷＭ変調波に基づいて前記制御信号を生成する駆動回路と、
を有する
ことを特徴とするブラシレスＤＣモータの駆動装置。
前記ブラシレスＤＣモータの回転子の誘起電圧が台形波になるように、前記回転子のロータマグネットが着磁されている
ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
前記通電回路は、
１２０度通電、１５０度通電、または、１８０度通電を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
前記立ち上がりの傾斜波と前記立ち下がりの傾斜波の幅が、電気角１０度から６０度の間の幅をそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
前記回転数検出回路は、
前記ブラシレスＤＣモータの回転子の近傍に位置検出素子を有し、
前記位置検出素子からの位置信号に基づいて前記回転数を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
前記回転数検出回路は、
前記各固定子巻線の誘起電圧を検出し、この検出した各相の誘起電圧に基づいて前記回転数を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。