JP2007500499A - ブラシレスdcモータ用の速度調整器 - Google Patents
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- H02P6/06—Arrangements for speed regulation of a single motor wherein the motor speed is measured and compared with a given physical value so as to adjust the motor speed
Abstract
【課題】ブラシレスDCモータ用の速度調整器を提供する。
【解決手段】DCモータは、ステータ、ローター、電磁石を備え、電磁石はステータの付近にあり、ローターは永久磁界を発生し、電磁石は交番する電界を発生するように付勢され、さらに電源および調整素子を備え、調整素子は電源に接続され、電磁石への電力供給を調整し、それによって使用中、DCモータにより発生されたトルクは調整されるブラシレスDCモータ用の速度調整器において、速度調整器はローターの回転速度、ローターの位置(φ)、ローターの負荷およびモータ付勢の関数として電圧(V(φ))を発生することができ、速度調整器は瞬間トルクT(φ)が少なくとも駆動磁界の磁極性の反転付近では導関数(φ)/∂φが基本的にゼロであり、2次導関数∂2T(φ)/∂φ2が基本的に単調関数である条件でコンパイルされるように、ローター位置φの関数としてモータの電圧V(φ)に変化を設定する。
【選択図】図4
【解決手段】DCモータは、ステータ、ローター、電磁石を備え、電磁石はステータの付近にあり、ローターは永久磁界を発生し、電磁石は交番する電界を発生するように付勢され、さらに電源および調整素子を備え、調整素子は電源に接続され、電磁石への電力供給を調整し、それによって使用中、DCモータにより発生されたトルクは調整されるブラシレスDCモータ用の速度調整器において、速度調整器はローターの回転速度、ローターの位置(φ)、ローターの負荷およびモータ付勢の関数として電圧(V(φ))を発生することができ、速度調整器は瞬間トルクT(φ)が少なくとも駆動磁界の磁極性の反転付近では導関数(φ)/∂φが基本的にゼロであり、2次導関数∂2T(φ)/∂φ2が基本的に単調関数である条件でコンパイルされるように、ローター位置φの関数としてモータの電圧V(φ)に変化を設定する。
【選択図】図4
Description
本発明は請求項1の前提部分に記載されているようなブラシレスDCモータ用の速度調整器に関する。
このような調整器はDCモータに与えられる電圧を調整するため現在の技術で知られている。DCモータでは、ステータ、ローター、電磁石が存在し、電磁石はローターコンポーネントの周辺またはその内部の巻線の形態である。ローターは円上で均一な距離だけ離れて位置されている複数の永久磁石磁極からなり、ステータ磁極は永久磁界を発生する。ステータはこの円の内側または円の外側にある。使用中、交番する磁界は与えられる電圧により電磁石で発生され、ローターは電磁石とステータの交番する電界の影響下で回転を実行する。
現在の技術では、方形パルスによる電磁石の付勢が使用され、電圧は方形パルスの形態で電磁石に与えられる。ローター磁極がステータ磁極により通過されるときのモータの駆動トルクで生じる過渡現象のために、可変速度のブラシレスDCモータはモータが回転している間に振動を示す。この振動はDCモータによる雑音の発生につながる。しかしながらこのような雑音の発生は200rpmよりも少ない回転速度が通常使用される多くの応用では望ましくない。
駆動トルクの過渡現象が(予め)定められた回転速度で最小にされるように、DCモータに電圧調整器を設けることが知られている。この目的で、速度調整器には1つのステータ磁極の隣にローターの通路に沿って幾らか離れて位置されているホールセンサが設けられている。調整器はこのように設定されているので、前記設定距離と、予め定められた回転速度に対して、ホールセンサが発生する信号はホールセンサを通るローターフィールドの結果として、ステータがローターを通過しながらモータのトルクの過渡現象が最小である方法によって、磁界の磁極性の反転が発生することが確実にされる。
現在の技術によるこの調整器の欠点は、振動が実質的に主として1つの回転速度でしか抑制されないことである。他の回転速度では、この調整器は良好に機能せず、トルクの過渡現象は最小にならない。
幾つかの回転速度で十分に使用可能な振動の抑制を実現する別の方法として、可変の高さの方形パルスを使用する電圧調整器が知られており、方形パルスの高さはモータの所望の回転速度にしたがっている。回転の設定速度での振動を減少するために、方形パルスのパルスの高さは低くされ、それによってフィールド強度は低くなり、過渡現象は小さくなる。振動は確かにこの手段により減少されるが、理論的に可能な値に到達しない。
本発明の1目的は、任意の回転速度におけるモータトルクの過渡現象を実質的に減少させることのできるブラシレスDCモータ用の速度調整器を提供することである。
本発明の目的は請求項1にしたがってブラシレスDCモータ用の速度調整器によって実現されており、それにおいて、
速度調整器はローターの回転速度、ローターの位置(φ)、ローターの負荷およびモータ付勢の関数として電圧(V(φ))を発生することができ、速度調整器は瞬間トルクT(φ)が少なくとも駆動磁界の磁極性の反転付近では導関数∂T(φ)/∂φが基本的にゼロであり、2次導関数∂2T(φ)/∂φ2が基本的に単調関数である条件でコンパイルされる方法により、ローター位置φの関数としてモータの電圧V(φ)に変化を設定することを特徴とする。
速度調整器はローターの回転速度、ローターの位置(φ)、ローターの負荷およびモータ付勢の関数として電圧(V(φ))を発生することができ、速度調整器は瞬間トルクT(φ)が少なくとも駆動磁界の磁極性の反転付近では導関数∂T(φ)/∂φが基本的にゼロであり、2次導関数∂2T(φ)/∂φ2が基本的に単調関数である条件でコンパイルされる方法により、ローター位置φの関数としてモータの電圧V(φ)に変化を設定することを特徴とする。
結果として、本発明による速度調整器は回転速度、モータの負荷、付勢パワーの任意の所望の組合せによる調整がモータの振動を最小にすることができるという利点を有する。結果として、このような調整器が設けられているDCモータは、比較的低い周波数で可能な限り低い雑音レベルが所望である環境で使用されることができる。例えば、家庭および仕事場ではゆっくりと動作する(即ちエネルギの節約)DCモータが換気システムに使用される。これらの場合、5乃至30rpsの範囲の回転速度が使用される。
本発明は単相のDCモータで使用されるだけでなく多相のDCモータで使用されることができることが当業者に明白であろう。
本発明を例示の実施形態を示す幾つかの図面を参照して、以下さらに詳細に説明する。これらは単なる例示の目的だけであり、本発明の概念を限定することを意図していない。本発明は特許請求の範囲の記載によって限定される。
図1は現在の技術による第1の速度調整器の駆動電圧とトルクのグラフを示している。
ステータに関するローターの回転角度φが水平軸上に示されている。駆動電圧V(φ)および関連するトルクT(φ)は垂直軸上の随意選択的な単位(a.u.)で示されている。回転角度φの関数としての駆動電圧V(φ)は破線により示されている。回転角度の関数としてのトルクグラフT(φ)は連続線により示されている。
現在の技術による第1の速度調整器は回転角度φの関数として方形電圧パルスを発生する通常の制御装置を使用する。電圧パルスはローター磁極がステータ磁極を通過するのと同期して発生される。トルクは方形パルスの始動フランク中に増加する。トルクはパルスの終了フランクにおいて再度減少する。方形パルス間では、駆動電圧V(φ)は基本的にゼロであり、このゼロ電圧中、トルクT(φ)はゼロ値に近づく。電圧パルス開始期間中のトルクグラフで生じる突然の転移(過渡現象)は雑音を発生する。特に、低い回転速度では、電圧パルスは比較的短期間であり、雑音の発生を増加するので、雑音の発生は迷惑である。
図2は現在の技術による第2の速度調整器の駆動電圧およびトルクのグラフを示している。
ステータに関するローターの回転角度φは水平軸上に示されている。駆動電圧V(φ)および関連するトルクT(φ)は垂直軸上の随意選択的な単位で示されている。回転角度φの関数としての駆動電圧V(φ)は破線により示されている。回転角度の関数としてトルクT(φ)の波形は連続線により示されている。
低い回転速度における駆動トルクT(φ)の過渡特性は駆動電圧V(φ)の減少により改善される。方形パルスの高さは減少され、方形パルスの幅は増加される。これにより回転角度φの関数としての駆動トルクの特性はやや平坦になる。方形パルスの高さ及び幅を適合した結果が図2に示されている。トルクグラフはより平滑であるが、依然として過渡特性が存在する。振動の強度及び雑音の発生は確かにこの手段により減少されるが、DCモータにより出力されるパワーは結果として同様に実質的に減少し、欠点である。
図3は本発明による速度調整器の駆動電圧とトルクの特性を示している。
ステータに関するローターの回転角度φは水平軸上に示されている。駆動電圧V(φ)および関連するトルクT(φ)は垂直軸上の任意の単位で示されている。回転角度φの関数としての駆動電圧V(φ)は破線により示されている。回転角度の関数としてのトルクT(φ)の特性は連続線により示されている。
本発明はDCモータの状態の特性のフィードバックを介して回転角度φの関数として駆動電圧V(φ)を能動的に調節することによってトルクの過渡特性を抑制する速度調整器を提供する。この構造のために、ブラシレスDCモータでは、駆動トルクは180゜にわたる各回転期間にゼロを通過する。さらに360゜の回転期間中のトルクT(φ)は平均して常にゼロよりも大きい。過渡現象を減少させるために、磁極性の反転期間中、回転角度φの関数としてトルクの導関数は基本的にゼロでなければならない。さらに、磁極性の変化点付近でのトルクの突然の変化がないことが望ましい。回転角度φの関数としてのトルクの2次導関数はゼロの通過付近で単調に上昇する関数である。
周期的にゼロおよびトルクの正の定値を通過するトルク導関数の条件を満たす他のトルクグラフも可能であることは当業者には明白であろう。
本発明による速度調整器は瞬間トルクT(φ)が可能な限り良好に設定条件を満たすような瞬間駆動電圧V(φ)を提供する。
図4では、駆動電圧V(φ)はφの関数であり、したがってT(φ)は示されている式を満足させる。この場合、ローターの回転速度の瞬間値、ローターの負荷、ローターの位置および駆動電圧自体が考慮される。速度調整器はトルクグラフのさらに高い高調波のアクチブ抑制を行う。本発明による速度調整器を説明するために図4乃至9を参照する。
図4は本発明による速度調整器の概略的なモデルを示している。
ブラシレスDCモータ1には本発明による速度調整器が設けられている。この速度調整器は電源2、バック(Buck)調整器3、Hブリッジ4、駆動調整器5、ホールセンサ6、電流フィードバック装置7、電圧フィードバック装置8、調整素子9を具備している。
以下与えられている説明及び図面では、本発明は調整素子としてマイクロ制御装置9を参照して説明されている。この目的で取付けられているアナログ回路または例えばデジタル信号プロセッサ(DSP)のような別の調整素子もマイクロ制御装置の代わりに使用されることができ、調整素子は本発明で必要とされる制御機能を実行できることが当業者に明白であろう。
モータ1の駆動入力はHブリッジ4に結合されて駆動電圧V(φ)が供給される。モータ1はまたローター(図示せず)の位置及び運動を決定するためにホールセンサ6を設けられ、このホールセンサ6は瞬間信号SHS(t)を発生する。
Hブリッジ4はHブリッジ4中で駆動電圧V(φ)を発生するために駆動パルスを得るようにバック調整器3へ結合されている。
さらに、Hブリッジ4は電流フィードバック装置7に結合され、この電流フィードバック装置7はHブリッジ4によってモータ1に与えられる瞬間電流に対応する電流信号Iin(t)を発生する。
バック調整器3は電力を回路に供給するために電源2に結合されている。さらに、バック調整器3は駆動電圧V(φ)の駆動パルスを発生するために制御信号を受信するように駆動調整器5に結合されている。バック調整器3はまたそれを制御するために使用される電圧信号Vin(t)を発生する電圧フィードバック装置8に結合されている。
駆動調整器5はさらにデータを受信するためマイクロ制御装置9に結合され、それによって駆動調整器5はバック調整器3に対する正確な駆動パルスを発生できる。
最後に、マイクロ制御装置9はホールセンサ6、電流フィードバック装置7、電圧フィードバック装置8に接続され、これらにより発生されたそれぞれの信号から、ローターの回転速度の瞬間値、ローターの負荷、ローターの位置、および駆動電圧及び駆動電流に関する情報を獲得する。
バック調整器3はDCモータ1の実際の駆動電圧を制御し、Hブリッジ4は各180゜回転後にモータ1に与えられる駆動電圧の磁極性を切換える。マイクロ制御装置9はDCモータ1の必要な回転速度を制御し、駆動調整器5はマイクロ制御装置9により集められたローターの回転速度、ローターの負荷、ローターの位置φ、駆動電圧及び駆動電流についてデータに基づいて、正確な駆動電圧V(φ)に対する駆動パルスを発生する。
駆動調整器5はマイクロ制御装置9により集められたローターの回転速度、ローターの負荷、ローターの位置、駆動電圧及び駆動電流についてのデータに従って駆動パルスを設定する。
駆動調整器5は実時間で、データから必要な駆動パルスを計算することができる。また駆動調整器5はデータの瞬間値に関連する駆動パルスを決定するために、多次元テーブルを使用できる。
駆動電圧V(φ)は駆動調整器5により発生された駆動パルスのエンベロープとして形成される。駆動パルスの周波数(例えば22kHz)は約50−200Hzであるローターの回転周波数よりも高い。さらに、駆動調整器5は駆動パルスの高さを変化でき、例えば駆動電圧V(φ)の変化は図3に示されているように発生されることができる。
図5は本発明によるブラシレスDCモータの速度調整器を制御するマイクロ制御装置またはコンピュータシステムを示している。コンピュータシステム2は周辺装置を有する中央処理装置(CPU)21を備えている。中央処理装置21はメモリ手段18、19、22、23、24に接続され、これらのメモリ手段は命令、データ、(CD−ROMおよびDVD、メモリモジュール、チップカード等を読取るための)1以上の読取装置30、入力装置(例えばキーボード)26、出力装置(例えばモニタ)28に接続されている。
さらに、(例えばデジタル/アナログ変換器DACの形態の)制御可能な電圧発生器32は可変電圧Vout(t)を発生するための出力装置として設けられている。
電圧および/または電流測定装置ADC33もまたADC装置33に与えられる電圧信号Vin(t)、電流信号Iin(t)、ホールセンサ信号HHS(t)をデジタル測定値に変換するための入力装置として設けられている。電圧、電流、ホールセンサ信号のこれらのデジタル測定値はそれぞれさらに駆動調整器5のフィードバックとして処理装置21により処理されることができる。
当業者に知られているように、例えばネットワーク1とのデータ通信のためのネットワークアダプタ7のような他の入力装置および出力装置も与えられることができる。
図5に示されているメモリ手段はRAM22、(E)EPROM23、ROM24、テープユニット19、ハードディスク18を具備している。しかしながら、さらにおよび/または当業者に知られている他のメモリ装置が設けられることができる。さらに、必要ならば、これらの間で1以上の装置が中央処理装置21から遠隔的に配置されることができる。
中央処理装置21は単一の装置として示されているが、並列して動作するか1つの中央装置により制御される種々の処理装置から構成されることができ、技術でよく知られているようにこれは処理装置が相互に遠隔の位置に配置されることが可能である。
本発明による速度調整器の回路の好ましい実施形態を以下さらに詳細に説明する。この好ましい実施形態の基本コンポーネントを説明する。他のコンポーネントに関しては、その機能だけを簡単に説明するが、当業者は回路および説明から、調整器中の前記他のコンポーネントの動作モードを理解することができるであろう。さらに、示されているコンポーネントコードは単に回路のコンポーネントとしての例示であり、この文脈では回路の電気コンポーネントに対して示されている値は単なる例示的な値であることが指摘される。示されている回路はコンポーネントに対して他の値で構成されることもできる。
図6は本発明による速度調整器の回路の第1の好ましい実施形態の第1の部分を示している。
回路のこの第1の部分は電源2、バック調整器3、Hブリッジ4を具備している。
電源2は主電圧を整流された供給電圧へ変換する役目を行う。交流電圧(例えば230V)は接合部J3とJ4における入力であり、その後に電源2は整流後、ラインVB1において整流された電圧(例えば300V)を利用可能にする。
電源内には分岐装置2Bが存在し、これは端子PH1とPH2との間に電位差V2を発生する。
バック調整器3はトランジスタT8、コイルL1、ダイオードD4、キャパシタC10から構成されている。トランジスタT8はVB1に接続されたドレインと、L1の入力及びD4の入力に接続されたソースとを有するMOSFETである。ダイオードD4の出力はまた接地GNDに接続されている。コイルL1の出力はC10の入力に接続され、C10の出力は接地電位に接続されている。VB1は同様にキャパシタC11を介して接地電位に接続されている。
MOSFET T8のゲートはパルス変成器回路3Bにより制御される。パルス変成器回路3Bはパルス変成器L2、抵抗R29、MOSFETトランジスタT9、キャパシタC15、第2の抵抗R27を備えている。
その入力側では、パルス変成器L2の第1の入力L2−4は接地電位に接続されており、パルス変成器L2の第2の入力L2−2は駆動調整器5に接続されており、この駆動調整器5はパルス変成器回路3Bの駆動パルスを発生する。
駆動調整器5をこの明細書で図7を参照してさらに詳細に説明する。
パルス変成器L2は、その出力側L2−3では抵抗R29を介してMOSFETトランジスタT9のソースに接続されている。パルス変成器L2は、第2の出力L2−1を介してMOSFET T9のゲートに接続され、またキャパシタC15の入力と、抵抗R27の入力と、およびL1とD4との間の接続線に接続されている。
キャパシタC15の出力はT8のソースに接続されている。抵抗R27の出力は同様にT8のソースに接続されている。
バック調整器3はパルス幅変調(PWM)により、Hブリッジ4を介してモータ1の駆動電圧V(φ)を調整する。Hブリッジ4を以下さらに詳細に説明する。
T8のドレインは整流された電圧VB1に直接接続されているので、パルス変成器回路3BはT8のゲートを駆動するために使用される。この構成により、広い範囲内でT8のデューティサイクルを変化できることが必要である。パルス変成器が直接T8に結合されているならば、これは可能ではない。デューティサイクルの広い変化を実現するため、次の原理にしたがって制御MOSFET T9を使用する。その原理について説明すると、パルス変成器L2は比較的低い自己誘導のタイプであり、その結果パルス変成器L2は出力信号として狭いパルス(約2μ秒の幅)を発生できる。正のパルスはT8を伝導状態にさせ、それに続く負のパルスはT8をオフ状態にする。正のパルスはT9の固有のフライホイールダイオードを介してT8のゲートを負荷する。T8のゲートが充電されると、L2の出力電圧がゼロに落ちるときT9はオフに切換わるのでこれは放電されない。負のパルスT9が再度伝導を開始させT8のゲートが放電される場合、その結果としてT8はオフ状態に到達する。したがってT8はHブリッジ4へのVB1上の電圧のスイッチとして機能する。T8と並列接続されている抵抗R27はパルス変成器回路3Bの制御がアクチブではないならばT8が伝導を開始しないことを確実にしている。T8のゲートソース容量はT8のソースとL1の入力とを横切って並列するC15のリードによって増加される。一方で、ゲート電圧の増加によってC15はT8中のエネルギ放散を低下させる。他方で、C15の放電は切換えを遅延させるので、T8の切換え時間は長くなる。C15の値は妥協として選択されている。抵抗R29はT8の最大のゲート電流を制限し、パルス変成器回路3Bの共振を制動するように機能する。
Hブリッジ回路4はMOSFET T4、T5、T6、T7、ダイオードD5、D7、ツェナーダイオードD2、D6、D8、D10、D12、キャパシタC4、C13、抵抗R21、R22を備えている。
Hブリッジ4内では、ブラシレスDCモータ1が接合J1、J2、J5に接続されている。Hブリッジ4はラインVB2とラインVB3を介してバック調整器3に接続されている。Hブリッジ4は2つの分岐、即ち第1の分岐4−1と、第2の分岐4−2を有し、その両者は一方の側で接地電位に接続されている。第1の分岐4−1はMOSFET T4、T5、ダイオードD5、ツェナーダイオードD6、D10、キャパシタC4、C13、抵抗R21を備えている。
第2の分岐4−2はMOSFET T6、T7、ダイオードD5、D7、ツェナーダイオードD2、D8、D12、抵抗R22を備えている。
Hブリッジ4は図7を参照して後述するように、位相検出器回路により駆動される。この位相検出器回路はトランジスタT5とトランジスタT7のゲートをそれぞれの接続G2、G1を介して駆動する。
対称構造のため、分岐4−1だけについて説明する。G2の電圧が十分に高く、例えば12Vであるならば、T5は伝導状態になる。ダイオードD5は伝導を開始する。接合J2はその後接地電位に接続される。T4のゲートはD5のソース電圧(即ちD5のVF)よりもやや低い電圧(約0.6V)を有し、したがってT4はオフ状態である。
G2の電圧が基本的にゼロボルトであるならば、T5はオフ状態である。トランジスタT4のゲートの電圧は上昇し、T4は伝導を開始する、T4のソースの電圧はソースドレイン電圧VDSが事実上0ボルトであるまで上昇する。ダイオードD5はオフに切換えられ、ツェナーダイオードD10はT4のソース−ゲート電圧VGSが12ボルトに制限されることを確実にする。
バック調整器3からの供給電圧がJ2にあるとする。位相検出器回路は相互に反対の位相であるG1の電圧とG2の電圧を変化するので、交流電圧が接合J1とJ2を横切って発生され、その交流周波数はモータの回転周波数に対応する。
Hブリッジ4の第1の分岐4−1では、ツェナーダイオードD6は接地電位にあるその入力を有し、その出力はトランジスタT5のゲートに接続されている。接続点G2はまたT5のゲートにある。トランジスタT5のドレインもまた接地電位に接続される。
抵抗21の第1のリードはラインVB3に接続され、その第2のリードはトランジスタT4のゲートと、ダイオードD5の出力と、ツェナーダイオードD10に接続されている。D5とD10の出力は同様に抵抗T5のソース入力に接続されている。
ラインVB2はトランジスタT4のドレインに接続されている。トランジスタT4のゲートはダイオードD5の入力と、ツェナーダイオードD10の入力とに接続されている。トランジスタT4のソースはまたキャパシタC13とキャパシタC4に接続され、これらは相互に並列接続されている。トランジスタT4のソースもまた接合J2に接続され、並列接続されているキャパシタC13とC4を介して接合J5に接続されている。
Hブリッジ4の分岐4−2では、トランジスタT6のドレインはラインVB2に接続されている。抵抗R22の第1のリードはラインVB3に接続されている。R22の第2のリードはトランジスタT6のゲートとトランジスタT7のドレインとに接続されている。トランジスタT6のドレインはダイオードD7の入力と、それに並列接続されているツェナーダイオードD2とに接続されている。ダイオードD7とツェナーダイオードD2の出力はトランジスタT7のドレインに接続されている。トランジスタT7のゲートは接続点G1とツェナーダイオードD8とに接続され、その入力は接地電位に接続されている。トランジスタT7のソースは接地電位に接続されている。
図7は本発明による速度調整器の回路の第1の好ましい実施形態の第2の部分を示している。この第2の部分は駆動調整器5を含んでいる。駆動調整器5は比較器U1:A、U1:B、U1:C、U1:Dと、トランジスタT1、T2、T10と、キャパシタC1、C2、C3、C5と、ツェナーダイオードD1と、抵抗R1、R2、R3、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R17、R18、R23、R24、R28、R30、R31、R32、R33、R34とを備えている。
駆動調整器5は駆動パルスによってバック調整器3を制御するためのパルス(幅変調)発生器を含んでいる。
抵抗R1の第1のリードは供給電圧に接続され、R1の第2のリードは抵抗R2の第1のリードと比較器U1:Cの正の入力とに接続されている。抵抗R2の第2のリードは接地電位に接続されている。R1はまた抵抗R24の第1のリードにも接続されている。抵抗R24の第2のリードは比較器U1:Cの出力と、抵抗R11の第1のリードと、抵抗R10の第2のリードとに接続されている。抵抗R11の第2のリードは供給電圧に接続されている。抵抗R10の第1のリードは比較器U1:Cの負の入力と、キャパシタC1の第1のリードと、接地電位に接続されているその他のリードとに接続されている。
抵抗R10の第1のリードは比較器U1:Bの負の入力にも接続されている。U1:Bの正の入力はキャパシタC2の第1のリードと、抵抗R23の第1のリードと、抵抗R3の第1のリードと、抵抗R28の第1のリードとに接続されている。抵抗R3の第2のリードは供給電圧に接続されている。抵抗R28の第2のリードは抵抗R5の第1のリードと、キャパシタC5の第1のリードとに接続されている。C2、R23、R5、C5の第2のリードはそれぞれ接地電位に接続されている。R28の第2のリードはデジタル/アナログ変換器DAC32の出力に接続されている。
DAC32の出力はまた比較器U1:Aの正の入力とR30の第1のリードにも接続されている。U1:Aの負の入力はR6の第1のリードと、R9の第1のリードとに接続されている。R9の第2のリードは電源に接続されている。R6の第2のリードは接地電位に接続されている。
抵抗R34の第1のリードは供給電圧に接続されている。R34の第2のリードは比較器U1:Dの負の入力と、ツェナーダイオードD1の出力にも接続されている。ツェナーダイオードD1の入力は接地電位に接続されている。抵抗R18の第1のリードは電源にも接続されている。抵抗R18の第2のリードは抵抗R17の第1のリードと、抵抗R33の第1のリードとに接続されている。抵抗R17の第2のリードは接地電位に接続されている。R33の第2の接続はU1:Dの出力に接続されている。U1:Dの出力は抵抗R31の第1のリードに接続されている。R30の第2のリードはR31の第1のリードにも接続されている。U1:Aの出力はR31の第1のリードにも接続されている。最後に、R32の第1の接続は抵抗R31の第1のリードに接続されている。R32の第2のリードは供給電圧に接続されている。
比較器U1:Bの出力はR31の第2のリードに接続されている。U1:Bの出力はまたトランジスタT10のベースに接続されている。トランジスタT10のエミッタは接地電位に接続されている。
T10のコレクタはR8の第1のリードとトランジスタT2のベースと、トランジスタT1のベースに接続されている。抵抗R8の第2のリードは供給電圧に接続されている。
トランジスタT1とT2は相互に並列して接続されている。T1のコレクタは供給電圧に接続されている。T1のエミッタはT2のコレクタと、抵抗R7の第1のリードに接続されている。トランジスタT2のエミッタは接地電位に接続されている。抵抗R7の第2のリードはキャパシタC3の第1のリードに接続されている。C3の第2のリードは端子T+に接続されている。
端子T+はパルス変成器L2の第2の入力L2−2に接続されており、それによって図7の回路により発生された駆動パルスを送信する。
パルス幅変調信号(PWM信号)を発生するために、デルタ発生器は比較器U1:C周辺の回路により構成されている。デルタ発生器からの出力信号は純粋な三角形ではないが、(R1、R2、C1からなる)関連するRCネットワークの指数関数的な充電および放電曲線により形成される。DAC32により発生される電圧はモータの回転速度を決定する。電圧は(R3、R5、R23、R28からなる)抵抗ネットワークによって比較器U1:Bの正の入力に供給される。PWM信号はこの信号を、U1:C周辺に構成されたデルタ発生器から発生される信号と比較することによってU1:Bの出力側で生じる。
モニタへのパワーを切断する設備が回路に設けられている。この設備はU1:A周辺に構成されている。DAC32により発生される信号がある電位よりも低いならば、U1:Aの出力は電圧を低くし、それによってPWM信号はもはやDAC32の出力の位置の増幅器段にはない。
図8は本発明による速度調整器の回路の第1の好ましい実施形態の第3の部分を示している。図6で前述した位相検出器回路はこの第3の部分にある。
図8による位相検出器回路は、抵抗R12、R13、R14、R15、R16、R19、R20、R25と、比較器U2:AおよびU2:Bと、キャパシタC6とを具備している。
R12の第1のリードは第1の端子PH1に接続されている。R12の第2のリードはU2:Aの負の入力と、R14の第1のリードと、C6の第1のリードとに接続されている。
第2の端子PH2はR13の第2のリードに接続されている。R13の第2のリードはC6の第2のリードと、U2:Aの正の入力と、U2:Bの正の入力とに接続されている。さらに、R13の第2のリードはR25の第1のリードに接続されている。R14の第2のリードはR25の第2のリードと同様に接地電位に接続されている。
U2:Aの負の入力は同様にU2:Bの負の入力に接続されている。U2:Aの出力はR15の第1のリードに接続されている。R15の第2のリードはR16の第1のリードと、Hブリッジ4の接続点G1とに接続されている。R16の第2のリードは供給電圧に接続されている。
U2:Bの出力はR19の第1のリードに接続されている。R19の第2のリードはR20の第1のリードと、Hブリッジ4の接続点G2とに接続されている。R20の第2のリードは供給電圧に接続されている。
図8による位相検出器回路は図6を参照して既に説明したように、端子PH1とPH2を横切る信号V2の位相によってそれぞれトランジスタT7とT5を制御する。
図9は本発明による速度調整器の回路の第1の好ましい実施形態の第4の部分を示している。
第4の部分には以下のものが含まれている。すなわち、比較器U1:EおよびU2:Cと、キャパシタC7およびC14が含まれている。比較器U1:Eの第1の接続は供給電圧への第1の接続とキャパシタC7の第1のリードに接続されている。U1:Eの第2の接続は接地電位に接続されている。C7の第2のリードも同様に接地電位に接続されている。
U2:Cの第1の接続は供給電圧とキャパシタC14の第1のリードとに接続されている。U2:Cの第2の接続は接地電位に接続されている。C14の第2のリードも同様に接地電位に接続されている。
図10は本発明による速度調整器の第2および第3の好ましい実施形態の電源を示している。電源2−IIは主電圧を整流された供給電圧に変換するように動作し、この供給電圧Vinを速度調整器の第2及び第3の好ましい実施形態のバック装置へ提供するために設けられている。
電源2−II内にはブランチ装置2−IIbが存在し、これはそれぞれ図11及び図12に示されているようにさらに電源の電位差+15Vを回路の低電圧部分に対して発生する。
図11は本発明による速度調整器の第2の好ましい実施形態を示している。
コンポーネント回路はバック調整器3とHブリッジ404とを備えている。
供給電圧Vinは電源2−IIからバック調整器3へ供給される。(例えば230Vの)交流電圧は接合点J3とJ4で入力され、その後電源2は整流後、(例えば300Vの)整流された電圧をラインVB1上で利用可能にする。
バック調整器3はトランジスタT8、コイルL1、ダイオードD4、キャパシタC10を含んでいる。トランジスタT8はVB1に接続されたドレインと、L1の入力およびD4の入力に接続されたソースとを有するMOSFETである。ダイオードD4の出力はまた接地電位GNDに接続されている。コイルL1の出力はC10の入力に接続され、C10の出力は接地電位に接続されている。VB1は同様にキャパシタC11を介して接地電位に接続されている。
MOSFET T8のゲートはパルス変成器回路3bにより制御される。
パルス変成器回路3bはパルス変成器L2、抵抗R29、MOSFETトランジスタT9、キャパシタC15、第2の抵抗R27とを備えている。
その入力側では、パルス変成器L2の第1の入力L2−4は接地電位に接続され、パルス変成器L2の第2の入力L2−2は駆動調整器5に接続され、その駆動調整器5はパルス変成器回路3bに対するパルスを駆動する。
その出力側L2−3では、パルス変成器L2は抵抗R29を介してMOSFETトランジスタT9のソースに接続されている。第2の出力L2−1を介して、パルス変成器L2はMOSFET T9のゲートに接続され、またキャパシタC15の入力および抵抗R27の入力、およびL1とD4との間のラインにも接続されている。
C15の出力はT8のソースに接続されている。抵抗R27の出力は同様にT8のソースに接続されている。
バック調整器3はHブリッジ4を介して、パルス幅変調(PWM)によりモータ1の駆動電圧V(φ)を調整する。Hブリッジ4を以下さらに詳細に説明する。
T8のドレインは整流された電圧VB1を直接受取るので、パルス変成器回路3bはT8のゲートを駆動するために使用される。この構造では、T8のデューティサイクルを広い範囲内で変化できることが必要である。パルス変成器が直接T8に結合されているならば、これは可能ではない。デューティサイクルにおける広範囲の変化を実現するために、次の原理にしたがってMOSFET T9の制御が使用され、その原理はパルス変成器L2が比較的低い自己誘導タイプであり、その結果パルス変成器L2は出力信号として(約2μs幅の)狭いパルスを発生できることである。正のパルスはT8を伝導状態にし、それに続く負のパルスはT8をオフ状態にする。正のパルスはT9の固有のフライホイールダイオードを介してT8のゲートを負荷する。T8のゲートが充電されると、T9はL2の出力電圧がゼロに落ちるときオフに切換えられるので、これはもはや放電されない。負のパルスの場合には、T9が再度伝導を開始し、T8のゲートが放電され、その結果としてT8はオフ状態に到達する。したがってT8はVB1の電圧に対してHブリッジ4のスイッチとして機能する。T8と並列接続されている抵抗R27は、パルス変成器回路3bの制御がアクチブではないならばT8が伝導を開始しないことを確実にする。T8のゲート−ソース容量はT8のソースとL1の入力を横切って並列するC15の接続により増加される。一方で、C15はゲート電圧の増加によりT8のエネルギ放散を低下させる。他方で、C15の放電は切換えを遅延させるので、T8の切換え時間は長くなる。C15の値は妥協として選択される。抵抗R29はT8の最大のゲート電流を制限し、パルス変成器回路3bの共振を制動する役目を行う。
Hブリッジ回路404はMOSFET T4、T5、T6、T7と、ダイオードD5、D7、D105、D106、D109と、ツェナ−ダイオードD2、D6と、抵抗R21、R22とを具備している。
Hブリッジ404内で、ブラシレスDCモータ1は接合部J1とJ2に接続される。Hブリッジ404はラインVB2およびラインVB3とを介してバック調整器3に接続される。Hブリッジ404は2つの分岐、即ち第1の分岐404-1と第2の分岐404-2とを有し、この両者は一方の側Aで接地電位に接続されている。第1の分岐404-1はMOSFET T4、T5、ダイオードD5、ツェナーダイオードD6、D10、測定抵抗122、抵抗R21を具備している。
第2の分岐404-2はMOSFET T6、T7、ダイオードD7、ツェナーダイオードD2、抵抗R22を具備している。
対称構造であるから、一方の分岐404-1についてのみ説明する。G2の電圧が十分に高く、例えば12Vであるならば、T5は伝導状態になる。ダイオードD5は伝導を開始する。接合部J2はその後接地電位に接続される。T4のゲートはD5のソース(即ちD5のVF)よりも多少低い電圧(約0.6V)を有し、それによってT4はオフ状態にある。
G2の電圧が基本的にゼロボルトであるならば、T5はオフ状態である。トランジスタT4のゲートの電圧は上昇し、T4は伝導を開始する。T4のソースの電圧はT4のソース−ドレイン電圧VDSが事実上0ボルトになるまで上昇する。ダイオードD5はオフに切換えられ、ツェナーダイオードD10はT4のソース−ゲート電圧VGSが12ボルトに制限されることを確実にする。
バック調整器3からの供給電圧はJ2にある。位相検出器回路がG1の電圧とG2の電圧を相互に反対の位相で変化させるので、交流電圧が接合部J1とJ2を横切って発生され、その交流周波数はモータの回転周波数に対応している。
Hブリッジ404の第1の分岐404-1では、ツェナ−ダイオードD6は接地電位に対するその入力を有し、その出力はトランジスタT5のゲートに接続されている。接続点G2はまたT5のゲートにも接続されている。トランジスタT5のドレインも接地電位に接続されている。
抵抗21の第1のリードはラインVB3に接続され、その第2のリードはトランジスタT4のゲートと、ダイオードD5およびツェナーダイオードD10の出力とに接続されている。D5とD10の出力は同様にトランジスタT5のソース入力に接続されている。
ラインVB2はトランジスタT4のドレインに接続されている。トランジスタT4のゲートはダイオードD5の入力とツェナーダイオードD10の入力とに接続されている。トランジスタT4のソースは接合部J2に接続されている。
Hブリッジ404の分岐404-2では、トランジスタT6のソースはラインVB2に接続されている。抵抗R22の第1のリードはラインVB3に接続されている。R22の第2のリードはトランジスタT6のゲートと、トランジスタT7のドレインとに接続されている。トランジスタT6のソースはダイオードD7の入力と、それに並列接続されたツェナーダイオードD2とに接続されている。ダイオードD7とツェナーダイオードD2の出力はトランジスタT7のドレインに接続されている。トランジスタT7のゲートは接続点G1に接続されている。トランジスタT7のソースは接地電位に接続されている。
前述した図6、7、8、9と、図10及び図11の回路は、20kHz(またはその前後)で動作するただ1つのみのトランジスタ(例えばMOSFET)が高周波数で駆動されなければならない従来技術の完全なHブリッジに代わって、従来技術の回路にまさる利点を有する。
さらに、マイクロコンピュータ、マイクロ制御装置または他の調整素子により発生されるパルス幅変調信号の結合は、パルス変成器を介して高周波数MOSFETに結合される。
パルス変成器のために、5乃至12ボルトの低電圧を有するパルス幅変調信号を300ボルトで動作する高周波数MOSFETに結合することが可能である。したがって、高価な光学的および容量的絶縁はこの目的では必要とされない利点がある。
さらに、全体的に高周波数で動作するHブリッジの場合には、当業者に知られているように、MOSFETの対称的負荷を有する1デューティサイクルだけが実現されることが指摘される。非対称的なデューティサイクルは可能ではない。しかしながら、本発明による回路はパルス幅変調の支援により、任意のデューティサイクルを送信することができる。図6を参照して既に説明したように、第1のパルスはトランジスタT8を伝導状態にし、後続する負のパルスはT8をオフ状態にする。結果として、出力電圧(φ)に任意のデューティサイクルを提供することが可能である。
図12は本発明による速度調整器のコンポーネント回路の第3の好ましい実施形態を示している。
回路の一部は半Hブリッジ3−IIに一体化されているバック調整器を含んでいる。
回路3−IIの供給電圧Vinは電源2−IIから取られる。この電源は図10を参照して説明した電源と同一である。
半Hブリッジと一体化されたバック調整器の動作モードを以下説明する。
モータは接合部J3とJ4とに接続されている。Hブリッジには例えば300Vの供給電圧VB1が与えられている。回路の正常の動作中、モータの接合部J4に直流電圧が存在し、この電圧は供給電圧VB1の半分である。Hブリッジの正確な駆動によって、接合部J4上の電圧は0VからVB1(300V)の間で変化できる。結局のところ、モータの接合部(J3−J4)を横切る電圧はしたがって−1/2VB1と+1/2VB1との間で変化できる。
J3の電圧は2つのMOSFETであるT114とT116の切換えトルクにより決定される。コイルL105とキャパシタC506およびC507は共にローパスフィルタを形成する。このフィルタはHブリッジの切換えパルスがモータの接続部に到達しないことを確実にする。
MOSFET T114の制御は抵抗R529、R526、R134と、トランジスタT113とT117と、比較器U201:Cによって実行される。U210:Cのピン9の電圧(VREF−)がU210:Cのピン8の電圧(VCONTROL)よりも高いならば、T114のゲートには約15ボルトの電圧が存在する。この結果、T114は伝導状態になる。U210:Cのピン9の電圧(VREF−)がU210:Cのピン8の電圧(VCONTROL)よりも低いならば、T114のゲートには約0ボルトの電圧が存在する。この結果、T114は伝導しない。
MOSFET T116の制御は抵抗R528、R525、R130、R103、R104と、トランジスタT112およびT118と、キャパシタC120およびC107と、コイルL106と、比較器U201:Bによって実行される。U210:Bのピン7の電圧(VREF+)がU210:Bのピン6の電圧(VCONTROL)よりも低いならば、T116のゲートには約15ボルトの電圧が存在する。この結果、T116は伝導する。
U210:Bのピン7の電圧(VREF+)がU210:Bのピン6の電圧(VCONTROL)よりも高いならば、T116のゲートには約0ボルトの電圧が存在する。この結果、T116は伝導しない。
T116とT114が同時に伝導するならば、供給電圧VB1とGNDとの間に短絡回路が生じる状態が発生する。回路はこの状態が生じない方法で設定される。比較器U201:BおよびU201:Cの正確な駆動は抵抗R519、R521、R522、R523、R524、R527と、キャパシタC505とのネットワークの助けにより実現される。
VCONTROL>VREF+ならば、T116は伝導し、T114は非伝導になる。
VREF+>VCONTROL>VREF−ならば、T116とT114は両者とも伝導しない。
VCONTROL<VREF−ならば、T116は伝導せず、T114は伝導する。
伝導しているT114と伝導しているT116との間には、常にT116とT114が両者ともに伝導しない状態が存在する。当業者はこれを“死時間”として認知している。
伝導しているT114と伝導しているT116との間には、常にT116とT114が両者ともに伝導しない状態が存在する。当業者はこれを“死時間”として認知している。
“死時間”の期間はVCONTROLの上昇時間により影響を受ける。回路では、この上昇時間はR24とC5により決定される。示されている回路では、Hブリッジは“BRIDGE”入力に与えられる制御信号によって制御される。
説明した回路は、BRIDGE入力が高オームの終端を有するように構成されており、その条件は、
VREF+>VCONTROL>VREF−であり、
T116とT114が両者とも伝導しないことが満たされることである。
VREF+>VCONTROL>VREF−であり、
T116とT114が両者とも伝導しないことが満たされることである。
使用において、BRIDGE入力には制御信号としてパルス幅変調信号が与えられる。このパルス幅変調信号は、例えば図7に示されているようにコンポーネント回路の補助により発生され、ここで説明したDAC信号はパルス幅変調信号に変換される。パルス幅変調システムはまた別の方法で発生されることができることは当業者に明白であろう。
本発明のその他の代替および等化物は当業者に明白であるように、本発明の概念内で考慮されることができる。
Claims (10)
- ステータと、ローターと、電磁石とを具備するブラシレスDCモータ用の速度調整器であって、前記電磁石は前記ステータの付近にあり、前記ローターは永久磁界を発生し、前記電磁石は交番電界を発生するように付勢され、さらに電源および調整素子を具備し、前記調整素子は前記電源に接続されて、前記電磁石への電力の供給を調整し、それによって使用中に、前記DCモータにより発生されたトルクが調整されるブラシレスDCモータ用の速度調整器において、
前記速度調整器はローターの回転速度、ローターの位置(φ)、ローターの負荷およびモータ付勢の関数として電圧(V(φ))を発生することができ、前記速度調整器は瞬間トルクT(φ)が少なくとも駆動磁界の磁極性の反転の付近において導関数∂T(φ)/∂φが本質的にゼロであり、2次導関数∂2T(φ)/∂φ2が本質的に単調関数である条件でコンパイルされるように、前記ローター位置φの関数として前記モータの電圧V(φ)に変化を設定することを特徴とするブラシレスDCモータ用の速度調整器。 - 調整素子(9)はローター位置(φ)の関数として、モータの電圧V(φ)に変化を設定することを特徴とする請求項1、2または3のいずれか1項記載のブラシレスDCモータ用の速度調整器。
- 調整器はまたバック調整器(3;3II)と、Hブリッジ(4;404;3−II)と、駆動調整器(5)とを具備し、
前記バック調整器(3;3II)は駆動電圧|V(φ)|を発生する作用を行い、前記バック調整器(3;3II)は付勢信号を受信するためにその入力を介して前記駆動調整器(5)の出力に接続され、駆動電圧V(φ)を送信するためにその出力を介して前記Hブリッジ(4;404;3−II)の入力に接続され、
前記駆動調整器(5)は付勢信号として高周波数低電圧パルス幅変調信号(T+)を発生することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のブラシレスDCモータ用の速度調整器。 - 前記バック調整器(3)は電圧V(φ)を調整するための調整トランジスタ(T8)と前記調整トランジスタ(T8)を駆動するための駆動トランジスタ(T9)とパルス変成器(L2)とを具備しており、
前記パルス変成器(L2)は高周波数低電圧パルス幅変調信号(T+)を前記駆動トランジスタ(T9)のための高周波数付勢信号電圧へ変換し、
前記付勢信号は前記駆動トランジスタ(T9)から前記調整トランジスタ(T8)のゲートへ供給され、前記調整トランジスタ(T8)を切換えることを特徴とする請求項5記載のブラシレスDCモータ用の速度調整器。 - 前記Hブリッジ(4;404)は第1の接合(J1)を介してDCモータ(1)を駆動するための第1の駆動分岐(4−1;404−1)と、第2の接合(J2)を介してDCモータ(1)を駆動するための第2の駆動分岐(4−2;404−2)とを具備しており、
前記第1の駆動分岐(4−1;404−1)は第1及び第2の駆動トランジスタ(T4、T5)を具備し、前記第2の駆動分岐(4−2;404−2)は第3及び第4の駆動トランジスタ(T6、T7)を具備し、
前記第1の駆動分岐(4−1;404−1)には第1の入力(G2)が設けられ、前記第2の駆動分岐(4−2;404−2)にはローターの回転速度、ローターの位置、ローターの負荷から得られている位相検出信号を受信するための第2の入力(G1)が設けられていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載のブラシレスDCモータ用の速度調整器。 - 調整器はまたホールセンサ(6)および調整素子(9)を含んでおり、
前記ホールセンサ(6)はローター位置(φ)からの信号を採取するように構成されており、ホールセンサ(6)の出力は調整素子(9)の入力に接続され、
前記調整素子(9)には調整されることのできる電圧源(32)が設けられ、その1出力は前記駆動調整器(5)の入力に接続され、前記ホールセンサ(6)により採取された信号からの情報を前記駆動調整器(5)にフィードバックすることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載のブラシレスDCモータ用の速度調整器。 - 前記調整器はまた電流フィードバック装置(7)を含んでおり、
前記電流フィードバック装置(7)はHブリッジ(4;404;3−II)によりDCもーた(1;モータ)に与えられた電流から電流信号を採取するように構成されており、前記電流フィードバック装置(7)の出力は前記調整素子(9)の入力に接続されており、
前記調整素子(9)は前記電流フィードバック装置(7)からの電流信号からの情報を調整される前記電圧源(32)を介して前記駆動調整器(5)へフィードバックすることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載のブラシレスDCモータ用の速度調整器。 - 前記調整器はまた電圧フィードバック装置(8)を含んでおり、
前記電圧フィードバック装置(8)は前記バック装置(3;3−II)により発生された駆動電圧|V(φ)|から電圧信号を採取するように構成され、前記電圧フィードバック装置(8)の出力は前記調整素子の入力に接続されており、
前記調整素子(9)は前記電圧フィードバック装置(8)からの前記電圧信号からの情報を調節されることのできる前記電圧源(32)を介して前記駆動調整器(5)へフィードバックすることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項記載のブラシレスDCモータ用の速度調整器。
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