JP2006191751A - Ｄｃブラシレスモータの並列駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】運転指令の入力後に短時間で所定速度にまで加速可能なＤＣブラシレスモータの並列駆動回路を提供する。
【解決手段】並列接続された複数のＤＣブラシレスモータを単一の駆動回路にて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スイッチング信号を作成する並列駆動回路に関する。ロータ位置検出信号が変化しない期間内に、これらの信号を各モータ間で切替えると共に切替後の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ように制御信号を出力する信号選択回路４０と、運転指令に応じて各モータ１０Ａ，１０Ｂに対する速度設定値を生成する速度設定回路５０と、速度設定値に従って制御信号を出力し、各モータを所定速度まで加速する速度制御回路６０とを備え、停止中のモータ１０Ａ，１０Ｂのロータ１２の磁極を吸引してロータ１２を互いにほぼ同位置に位置決めする永久磁石１３を備える。
【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互い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回路に関し、特に、手洗い後に使用する温風乾燥機のように短時間運転及び休止を繰り返す用途や、低騒音が要求される用途に適用して好適な並列駆動回路に関するものである。

図５は、２台のＤＣブラシレスモータＭＡ，ＭＢを駆動する並列駆動回路であって、後述する特許文献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は三相ブリッジ回路を構成する半導体スイッチング素子、Ｕ，Ｖ，Ｗは出力端子、ＭＡ，ＭＢは例えばファンの駆動用に用いられる同一構成のＤＣブラスレスモータ、１１はステータ、１２はロータ、ＣＵ，ＣＶ，ＣＷはコイル（ステータコイル）、ＨＵ，ＨＶ，ＨＷはロータ１２の位置検出用のホール素子、２１，２２はロータ位置検出回路、４０は、ロータ位置検出回路２１，２２からの何れか一方のロータ位置検出信号（モータＭＡ，ＭＢの何れかのロータ位置検出信号）を選択する信号選択回路、５０は、運転指令に従ってモータＭＡ，ＭＢの回転速度を設定する速度設定回路、７０は、前記運転指令に従ってモータＭＡ，ＭＢのコイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに流す直流電流を設定する直流電流設定回路、６０は、速度設定値及び直流電流設定値に従ってモータＭＡ，ＭＢを駆動するようにスイッチング信号発生回路３０に制御信号を送る速度制御回路、３０は、前記信号選択回路４０及び速度制御回路６０の出力信号に基づいてスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン、オフを制御するためのスイッチング信号発生回路である。

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、モータＭＡ，ＭＢの各相のロータ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相のスイッチング素子を駆動させ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、信号選択回路４０及びスイッチング信号発生回路３０を中心として、図５の回路の動作を、図６、図７を参照しつつ説明する。
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。
ここで、図７に示した各モータＭＡ，ＭＢのロータ位置検出信号は、図５におけるホール素子ＨＵ，ＨＶ，ＨＷの出力信号と実質的に等しい。

両方のモータＭＡ，ＭＢをロータ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、上述したようにロータ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、ロータ位置検出信号の周期よりも短い周期で駆動を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、この従来技術では、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のロータ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、この選択したロータ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ている。

つまり、図７に示す如く、例えば３３０°〜３０°の間はモータＭＡのロータ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のロータ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のロータ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のロータ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、前述のように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、信号選択回路４０の動作を確認すると、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５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することが可能である。

さて、上記従来技術において、モータＭＡ，ＭＢが停止している状態では各モータＭＡ，ＭＢはほとんどトルクがないため、ファンに風などが当たると、各モータＭＡ，ＭＢのロータ１２がランダムに回転するため、それぞれのロータ１２が常に同じ位置で停止しているとは限られない。従って、２台のモータＭＡ，ＭＢをスムーズに加速するためには、ロータ１２の位置をほぼ同じ位置に合わせてから加速する必要がある。

このため、図５の従来技術では、図８に示すように時刻ｔ１（始動時）で運転指令が入力されると、直流電流設定回路７０が、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの一定時間、直流電流設定値を速度制御回路６０に出力し、スイッチング信号発生回路３０を介してモータＭＡ，ＭＢの所定のコイルに直流電流を流している（この間、速度設定回路５０の出力はゼロに保持されている）。これにより、各ロータ１２の永久磁石をステータ１１によって所定位置に引き寄せ、図８の時刻ｔ２でステータ１１とロータ１２との位置関係を等しくしてから所定速度Ｖ１まで加速している。その後、時刻ｔ３からｔ４まで速度Ｖ１による運転を行い、時刻ｔ４で運転指令を切り、時刻ｔ５でモータＭＡ，ＭＢを停止させる。
なお、図９は、運転指令の入力からモータの減速、停止に至る運転動作（Ｓ１〜Ｓ５）を示すフローチャートである。

特開２００４−１５９８０号公報（［００２０］〜［００２６］、図１，図２等）

上述した従来技術では、モータＭＡ，ＭＢが停止している状態でコイルに直流電流を流し、各モータＭＡ，ＭＢのロータの位置が合うと思われる一定時間経過後に加速を始めている。
しかし、この方法では時刻ｔ１〜ｔ２までの間はモータＭＡ，ＭＢが停止しているので、運転指令が入力されてからモータＭＡ，ＭＢが所定速度に達するまで、すなわち時刻ｔ１から時刻ｔ３に至るまで長時間を要するという問題がある。
そこで本発明の解決課題は、運転指令の入力後に短時間で所定速度にまで加速できるようにしたＤＣブラシレスモータの並列駆動回路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記載の発明は、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、スイッチング信号発生手段が、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回路であって、
各モータのロータ位置検出信号が変化しない期間内に、スイッチング信号の作成に用いるロータ位置検出信号を各モータ間で切り替えると共に、切り替え後のモータの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ように前記スイッチング信号発生手段に対して制御信号を出力する信号選択手段と、運転指令に応じて各モータに対する速度設定値を生成する速度設定手段と、前記速度設定値に従って前記スイッチング信号発生手段に対する制御信号を出力し、各モータを所定速度まで加速する速度制御手段と、を備えた並列駆動回路において、
停止状態にある各モータのロータの磁極を磁気的吸引力により吸引して前記ロータを互いにほぼ同じ位置に位置決めするための永久磁石を、各モータの内部に固定したものである。

請求項２記載の発明は、請求項１において、前記永久磁石を、各モータのフレーム内面に固定したものである。

本発明によれば、温風乾燥機のように短時間運転及び休止を繰り返す用途や、低騒音が要求される用途に適用されるＤＣブラシレスモータの並列駆動回路において、停止状態にある各モータのロータを、永久磁石の磁気的吸引力によってほぼ同じ位置に位置決めすることができる。このため、その後に運転指令が入力されてから短時間で設定速度まで加速することが可能になり、即応性の高いシステムを提供することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明の各実施形態に係る並列駆動回路の構成は図２に示すとおりである。図２の並列駆動回路は前述した図５の構成から直流電流設定回路７０を除去したものに相当しており、その他については２台のＤＣブラシレスモータ１０Ａ，１０Ｂの内部構造を除いて、図５と同様である。

すなわち、図２において、Ｅは直流電源、Ｔ１〜Ｔ６は三相ブリッジ回路を構成する半導体スイッチング素子、Ｕ，Ｖ，Ｗは出力端子、１０Ａ，１０Ｂは例えばファンの駆動用に用いられる同一構成のＤＣブラスレスモータ（便宜的に内部構造を一部省略してある）、２１，２２は各モータ１０Ａ，１０Ｂのロータ位置検出回路、４０は、ロータ位置検出回路２１，２２からの何れか一方のロータ位置検出信号（モータ１０Ａ，１０Ｂの何れかのロータ位置検出信号）を選択する信号選択回路、５０は運転指令に従ってモータ１０Ａ，１０Ｂの回転速度を設定する速度設定回路、６０は速度設定値に従ってモータ１０Ａ，１０Ｂを同一速度で駆動するようにスイッチング信号発生回路３０に制御信号を送る速度制御回路、３０は前記信号選択回路４０及び速度制御回路６０の出力信号に基づいてスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン、オフを制御するためのスイッチング信号発生回路である。

本発明の各実施形態では、モータ１０Ａ，１０Ｂの停止時において各ロータの位置を合わせるために、従来技術の如く所定のコイルに直流電流を流す方法を採らず、モータ１０Ａ，１０Ｂの内部構造を改良することでロータの位置合わせを行うようにした。
従って、通常運転時において、２台のＤＣブラシレスモータ１０Ａ，１０Ｂ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並列駆動する動作は、図５の従来技術について説明したものと変わりがないため、ここでは詳述を省略する。

前後するが、図１は第１実施形態におけるＤＣブラシレスモータ１０Ａの主要部の正面図であり、１１はほぼ円筒状のステータ、ＣＵ，ＣＶ,ＣＷはステータ１１に設けられた三相各相のコイル（ステータコイル）、１２は４極構成の磁極１２ａを有するほぼ円筒状のロータである。ここで、図１ではロータ位置検出用のホール素子は図示を省略してある。
また、このモータ１０Ａのロータ１２以外の非回転部位であってロータ１２の回転に干渉しない位置には、ロータ１２の磁極１２ａに対向するように磁極を向けた永久磁石１３が固定されている。この永久磁石１３は、例えばモータ１０Ａのフレームの内周面やステータ１１の端面等に取り付けることができる。

前述したように他方のモータ１０Ｂの内部構造も図１と同一であり、各モータ１０Ａ，１０Ｂにおける永久磁石１３の各相コイルＣＵ，ＣＶ,ＣＷに対する取付位置及び磁極の向きは２台とも同一である。

上記のように構成すると、コイルＣＵ，ＣＶ,ＣＷに電流が流れておらず、モータ１０Ａ，１０Ｂが停止している状態において、それぞれのロータ１２の位置が合っていない場合でも、永久磁石１３の磁気的吸引力によってロータ１２の磁極１２ａが吸引されて若干回動し、両モータ１０Ａ，１０Ｂのロータ１２は常に同じ位置で停止することになる。
このため、その後に図２の速度設定回路５０に運転指令が入力されて速度制御回路６０による速度制御が開始されれば、２台のモータ１０Ａ，１０Ｂはロータ１２が同期した状態から回転し始め、短時間で設定速度まで加速することが可能になる。

次に、図３は本発明の第２実施形態におけるＤＣブラシレスモータ１０Ａ’(１０Ｂ’についても同様）の主要部の正面図である。
この実施形態では、モータ１０Ａ’のロータ１２以外の非回転部位の２箇所に、ロータ１２の磁極１２ａに対向するように磁極を向けた永久磁石１３ａ，１３ｂがそれぞれ固定されている。なお、この場合、一方の永久磁石１３ａによりロータ１２の磁極１２ａが吸引されて位置決めされた状態において、他方の永久磁石１３ｂによりロータ１２の別の磁極１２ａが吸引されて位置決めされるように、当該他方の永久磁石１３ｂの磁極の向きを考慮する必要がある。例えば、図３に示すように、一方の永久磁石１３ａのＳ極がロータ１２の磁極１２ａのＮ極を吸引して位置決めしている状態では、他方の永久磁石１３ｂのＮ極がロータ１２の磁極１２ａのＳ極を吸引して位置決めすることが必要である。

図４は、本実施形態におけるモータ１０Ａ’の概略的な側面図であり、１４はロータ１２に固定されたシャフト、１５はフレームである。この例では、フレーム１５の内面に永久磁石１３ａ，１３ｂが固着されている。

上記第２実施形態によれば、２個の永久磁石１３ａ，１３ｂによる磁気的吸引力を利用するため、第１実施形態よりも一層強くロータ１２を位置決めすることができる。
なお、永久磁石の数を更に増加させても良く、例えば、図３のコイルＣＵ,ＣＷ間の適当な位置に３個目の永久磁石を配置しても良い。

また、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、３台以上のＤＣブラシレスモータを並列駆動する場合にも適用することができる。

本発明の第１実施形態におけるＤＣブラシレスモータの主要部の正面図である。 本発明の各実施形態に係る並列駆動回路の構成図である。 本発明の第２実施形態におけるＤＣブラシレスモータの主要部の正面図である。 本発明の第２実施形態におけるＤＣブラシレスモータの主要部の側面図である。 従来技術を示す構成図である。 図５における信号選択回路の構成図である。 図５の動作説明図である。 図５の動作を示すタイムチャートである。 図５の動作を示すフローチャートである。

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
１０Ａ，１０Ａ’，１０Ｂ，１０Ｂ’：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
１２ａ：磁極
１３，１３ａ，１３ｂ：永久磁石
１４：シャフト
１５：フレーム
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

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、スイッチング信号発生手段が、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回路であって、
   各モータのロータ位置検出信号が変化しない期間内に、スイッチング信号の作成に用いるロータ位置検出信号を各モータ間で切り替えると共に、切り替え後のモータの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ように前記スイッチング信号発生手段に対して制御信号を出力する信号選択手段と、運転指令に応じて各モータに対する速度設定値を生成する速度設定手段と、前記速度設定値に従って前記スイッチング信号発生手段に対する制御信号を出力し、各モータを所定速度まで加速する速度制御手段と、を備えた並列駆動回路において、
   停止状態にある各モータのロータの磁極を磁気的吸引力により吸引して前記ロータを互いにほぼ同じ位置に位置決めするための永久磁石を、各モータの内部に固定したことを特徴とするＤＣブラシレスモータの並列駆動回路。
2. 請求項１に記載したＤＣブラシレスモータの並列駆動回路において、
   前記永久磁石を、各モータのフレーム内面に固定したことを特徴とするＤＣブラシレスモータの並列駆動回路。

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