JP2008271698A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路構成でロータの停止位置を安定させ確実でスムーズな始動を実現するモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】モータ駆動制御部は、モータ駆動停止時に、ロータが低速回転でロータとステータ間の磁気抵抗が最小となる位置でロータが停止する励磁相を選んで励磁して位置決め励磁を行い、モータ始動時に、ロータが停止した位置で最大始動トルクが得られる励磁相を選んで励磁する。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えばＤＣブラシレスモータをセンサレス駆動する場合にロータ停止位置を決定しかつ停止位置から確実に始動するモータ駆動装置に関する。

ＤＣブラシレスモータをセンサレス駆動する場合、停止時は逆起電力が発生していないためロータ位置を検出できない。始動時は特に大きなトルクが要求され、ロータ位置に応じて最大トルクを発生する励磁相に通電する必要がある。しかしセンサレス駆動においてはセンサがないためロータ位置がわからず最大トルクを発生する励磁相を選定できない。そこで、任意の相に通電し強制的にロータを回転させ逆起電力を発生させ、ロータ位置を検出する方法が用いられている。この方法は最大トルクを発生する相が選択されるとは限らず、ロータ位置に対し不適切な相が選択された場合はトルク不足で始動できない、あるいは逆転する、あるいはハンチングしていて始動時間が長くかかるという課題があった。
高周波電流を与えてロータ位置をセンシングしたりベクトル制御したりする方法は回路が煩雑化する課題がある。

以下では、初めに＋側端子に接続される相を表記し、ハイフンの後ろに−側端子に接続される相を表記することにする。例えば、Ｕ相からＶ相へ通電する場合は、Ｕ−Ｖと表記する。また、ロータ位置を示す角度は電気的位置を意味している。機械的に１回転する中で、電気角はポールペア数だけ繰り返される。例えば８極モータの場合、ポールペア＝４であり、電気角３６０°は機械角の９０°に相当し、１２極モータの場合は、電気角３６０°は機械角の６０°に相当する。また、本文ではモータはサイン波着磁されているものとして説明する。トルクカーブもサイン波とし、計算もそれに準ずる。

図８は３相ＤＣブラシレスモータのステータに相当する３個の巻き線を表す模式図である。図８において、Ｗ相を開放し、Ｕ相からＶ相に一定電流を流しながら、ロータを外力にて回転させると回転力あるいは制動力が発生する。図９に、そのときのトルクカーブを示す。次に、外力を加えずロータが自由に回転する状態でＵ相からＶ相に一定電流を流すと、ロータが０°から１８０°の位置にあった場合は励磁トルクによりロータはＣＷ（時計回り）に回転し、１８０°から３６０°の位置にあった場合は同様にＣＣＷ（反時計回り）に回転し、０°あるいは３６０°に位置していた場合は不安定で、ＣＷかＣＣＷのいずれかに回転し、ロータはどこに位置していても最終的には１８０°の位置で停止する。即ち、電気角中に必ず一箇所のトルク安定点ができ、そこにロータは位置することになる。これが停止時にロータを位置決めできる原理である。

図８と同様に任意の２相に一定電流を流した場合の、トルクが＋側の波形を図１０に示す。コイルが３個ある場合は６種類の励磁パターンがあり得る。区間６０°から１２０°ではＵ−Ｖ相励磁が最大トルクを発生しておりロータはＣＷに回転することになる。区間１２０°から１８０°ではＵ−Ｗ相励磁が最大トルクを発生させる。区間１８０°から２４０°ではＶ−Ｗ相励磁が最大トルクを発生させる。区間２４０°から３００°ではＶ−Ｕ相励磁が最大トルクを発生させる。区間３００°から３６０°ではＷ−Ｕ相励磁が最大トルクを発生させる。区間０°から６０°ではＷ−Ｖ相励磁が最大トルクを発生させる。ロータ位置に応じて６０°ごとに適切な励磁相を選択し切り替えてやればロータは最大トルクでＣＷに回転する。これがＤＣブラシレスモータの励磁切り替え方法である。なお、この例のように２個のコイルに通電することを本文では２相励磁と称する。

例えば前述のごとくＵーＶ相励磁により位置決めされたロータを始動する場合の最大トルクを発生する励磁相とそのトルクを図１１に示す。Ｕ−Ｖ相励磁した場合、ロータは１８０°の位置が安定点となり１８０°の位置に停止している。この位置からＣＷに回転させるには前述図１０より明らかなようにＶ−Ｗ相励磁が適合する励磁相である。そこで、位置決めのためのＵ−Ｖ相励磁から、Ｖ−Ｗ相励磁に切り替えるとロータは停止状態からＣＷ回転を始める。ここで重要なのは、例えばＵ−Ｖ相励磁でロータの位置決めを行った場合、始動は一義的にＶ−Ｗ相励磁と決定できることである。この特性により始動回路が非常に簡略となり広く利用される大きな要因である。さて、ロータが６０°回転し２４０°に達したらＶ−Ｕ相励磁に切り替えてやればＣＷ回転が継続し３００°まで回転する。以下同様に、ロータ位置に応じて最適な励磁相を選択していけばロータは連続回転することになる。
特開平１１−１８７６９０号公報

しかしながら、上記方法でロータ位置決めを行った場合、励磁を切るとロータがわずかに回転する現象が起こる。ロータは永久磁石で構成されているので非通電時も磁気回路が形成される。磁気抵抗はロータとステータの対向面積により変化し、対向面積が最大の位置で磁気抵抗は最小となる。停止状態のロータにはわずかではあるが磁気抵抗が最小となる位置へ動くトルクが発生する。ここではそのトルクをコギングトルクと呼ぶことにする。この磁気抵抗が最小となる位置は当然のことであるが励磁トルク最大の位置でもある。位置決めのために励磁して停止する安定点と、安定点付近の最大コギングトルクとなる位置は３０°ずれていることが判明している。これが原因で、位置決め励磁をやめたときロータは３０°回転する。図１２において、非通電時に１８０°付近で発生するコギングトルクとそれによるロータ移動後の停止位置を示す。Ｕ−Ｖ相励磁により１８０°に位置決めされたロータは励磁を停止すると、隣接するコギングトルク最大の位置、１５０°（図１２のＡ点）あるいは２１０°（図１２のＢ点）のいずれかに移動する。

ロータ位置決めの励磁からただちに始動の励磁に移ればコギングによるロータ移動は発生せず直ちに始動する。つまり始動の直前にロータの位置決め励磁を行えばロータ移動を防止できるが、位置決めには数秒間を要する。現実には始動指令が与えられてから数秒間も経過してから始動することが許されることはほとんどない。別の方法として停止期間中、ずっと励磁しつづけることが考えられる。しかし長時間停止する場合、継続的に位置決め励磁を行うことはモータや回路の発熱や消費電力の増加から得策ではない。実際には回転していたモータが停止したときに位置決め励磁を一定時間行い、以後は励磁を切ることが大半である。したがって、実際の使用状況においてはほとんどの場合、始動時には位置ずれが発生していると考えてよい。

図１３において、ロータ停止位置が１５０°側に位置ずれが発生したときの始動トルクを示す。この状態では始動トルクは最大トルクの５０％に低下してしまい、始動トルクが不足して始動できない可能性がある。さらに、軸受けによる粘性抵抗が影響すると位置ずれが増大しトルクはさらに低下し５０％以下となる場合もある。そのため始動時は最適な停止位置の数倍もの多大な始動電流を流す必要があった。また、位置決め励磁などで静止させたとき完全に静止するまでにはかなりの時間がかかるため、実際にはまだゆらゆらと低周波振動している最中に始動励磁に入る場合も想定される。３０°以上振動していた場合や粘性抵抗によりロータは１２０°より前方に位置する可能性があり、その場合はＶ−Ｗ相励磁により−側にトルクが発生し、ロータは逆転を始める。逆転すると始動できないか、あるいは次の励磁の際にロータが反転し大きなショックが発生するおそれがある。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、簡易な回路構成でブラシレスモータのロータの停止位置を安定させ、十分な始動トルクでスムーズな始動を実現するモータ駆動装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
ブラシレスモータの駆動制御を行うモータ駆動装置であって、モータコイルに通電する励磁相を切り替えてモータを駆動制御するモータ駆動制御部を備え、該モータ駆動制御部はモータ駆動停止時に、ロータが低速回転でロータとステータ間の磁気抵抗が最小となる位置でロータを静止させる励磁相を選んで通電する位置決め励磁を行い、モータ始動時に、ロータが停止位置から最大始動トルクで始動する励磁相を選んで励磁することを特徴とする。
また、モータ駆動制御部は、モータを駆動停止する際にロータ回転速度が低速回転となった状態で位置決め指令が入力されると、ロータを静止するのに必要な一定時間だけ選定された励磁相に通電する位置決め励磁が行なわれることを特徴とする。
また、モータ駆動制御部は、モータコイルにＰＷＭ制御により通電される励磁電流をロータの位置決め励磁の開始時ほど通電間隔が短く時間の経過とともに励磁電流の通電間隔が漸進増加するように通電制御することを特徴とする。
また、モータ駆動制御部は、ロータの回転速度が低速回転になったことを検出する低速検出手段と、コントローラから位置決め励磁指令が入力され低速検出手段がロータの低速回転を検出すると位置決め信号パルスを発生する発振手段と、発振手段から発生した位置決め信号が入力している間だけ位置決め励磁を行なう励磁制御手段を備えたことを特徴とする。
或いは、モータ駆動制御部は、ロータが１回転すると１パルスのインデックス信号を出力する回転センサと、ロータの回転速度が低速回転になったことを検出する低速検出手段と、回転センサから入力されるインデックス信号のエッジに同期して低速検出手段からの低速検出信号及びコントローラからの位置決め励磁指令の論理積をとって出力信号を出力する論理回路と、論理回路からの出力信号を受けて位置決め信号を発生する発振手段と、発振手段から発生した位置決め信号が入力している間だけ位置決め励磁を行なう励磁制御手段を備えたことを特徴とする。

上述したモータ駆動装置を用いれば、モータ駆動制御部はモータ駆動停止時に、ロータが低速回転でロータとステータ間の磁気抵抗が最小となる位置でロータが停止する励磁相を選んで励磁して位置決め励磁を行うので、ロータが静止した後通電を停止してもロータが移動することがない。また、位置決め励磁によりロータが安定点に収束するように停止するため、ハンチングが抑制され振幅が小さくなり時間も短縮される。
また、モータ始動時に、ロータが停止した位置で最大起動トルクが得られる励磁相を選んで励磁することでロータを起動させ、起動したロータを回転方向に付勢する励磁シーケンスで励磁相を切り替え制御する。よって、ロータ停止位置で最大トルクとなる励磁相を選んで励磁すれば必ず所定方向にモータを十分な始動トルクでスムーズに起動することができる。また、最大トルクで加速するので短時間でかつ瞬時に始動することができ、始動電流を低減することができる。
また、モータ駆動制御部は、モータコイルにＰＷＭ制御により通電されるモータ電流をロータの位置決め励磁の開始時ほど通電間隔が短く時間とともに励磁電流の通電間隔が漸進増加するように通電制御すると、ロータの回転停止時の振動を低減することができる。
特に、ＤＣブラシレスモータをセンサレス駆動する場合に、ロータの停止位置を安定させ、停止位置から確実に始動することができる。
また、センサ駆動ではあるが、回転センサから入力されるインデックス信号のエッジに同期して低速検出信号及びコントローラからの位置決め励磁指令の論理積をとって出力信号を出力し、位置決め信号を発生して位置決め励磁を行なうようにすると、4極以上の多極ブラシレスモータにおいて、回路コストがかからずロータの位置決め停止及び停止位置からの安定した始動を行なうことができる。

以下、本発明に係るモータ駆動装置の最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本願発明は永久磁石ロータと固定子を備えたブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置に広く適用することができる。

以下では、３相ＤＣブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置について説明する。３相のモータコイルのすべてを＋か−に接続し通電する方法を１−２相励磁と呼ぶことにする。図１において、例えば３相ＤＣブラシレスモータを２相励磁で回転させる場合は、１−２相励磁すれば最大トルク発生位置に停止する。１−２相励磁する相は任意にきめることができ、それが決まっていれば、最適な始動励磁相も一義的に決定できる。始動励磁にてロータが３０°回転した時点で次の励磁相に切り替え、以後６０°ごとに通常の励磁シーケンスで励磁してゆけば連続回転する。

図１ではモータコイル１１の１相を＋に、残りの２相を−に接続した例を図示する。例えばＵ相を＋、Ｖ相およびＷ相を−に接続し通電しながら外力でロータを回転させると、図２のグラフ図のようなトルクカーブとなる。２相励磁であるＵ−Ｖ相励磁の波形と比較すると、１−２相励磁の波形は３０°位相が遅れている。ここで外力をなしとし自由回転の状態で励磁すると、ロータは最終的に２１０°の位置で停止する。この状態で励磁を停止した場合、停止位置は最大コギングトルクの位置と一致している。このため、ロータの移動は発生せず２１０°の位置に安定している。このようにして位置決めされた状態から、Ｖ−Ｗ相励磁すれば必ず最大トルクで始動する。ロータの逆転やハンチングがないのでスムーズに始動され、最大トルクで加速するので最短時間で始動することが可能となる。始動励磁にてロータが３０°回転した時点で次の励磁相に切り替え、以後６０°ごとに通常の励磁シーケンスで励磁してゆけば連続回転する。

ロータが低速回転時に位置決め励磁を行うと、０°〜１８０°の区間は加速し、１８０°〜３６０°の区間は減速し、加速減速を繰り返しながら停止する。停止する力は軸受けの摩擦や負荷や風損などである。減衰振動の様子を図３のグラフ図に示す。

ここで位置決め励磁電流を最初は小さくしてスタートさせ、時間とともに励磁電流を増加させてゆくと振動が抑制され、振幅は小さくなり短時間で静止する。時間とともに励磁電流を増加させる励磁通電回路１の一例を図４に示し、そのタイミングチャートを図５に示す。モータ駆動制御部から位置決め指令がランプ波発生回路２に入力されると、ランプ波発生回路２はランプ波をオペアンプ３の＋側入力端子へ出力する。また、オぺアンプ３の−側入力端子にはのこぎり波発生回路４からのこぎり波が入力される。オペアンプ３はランプ波とのこぎり波を合成した出力信号を励磁信号として出力段へ出力する。このため、モータコイル１１へＰＷＭ出力制御により位置決め励磁するモータ電流の平均値は、ランプ状に増加する。これにより、ロータ停止時の振動が低減されることが分かる。

ここで、モータ駆動制御部の回路構成例について図６を参照して説明する。
低速検出部（低速検出手段）５はモータ基板に設けられるＦＧコイル（ＦＧセンサ）などからロータの回転速度が低速回転になったことを検出する。ワンショットマルチバイブレータ（発振手段）６は、低速検出部５からの低速検出信号によりコントローラ１０から出力される位置決め励磁指令に応じて位置決め信号パルスを発生する。
また、励磁制御手段（ドライブ回路）７はワンショットマルチバイブレータ６から発生した位置決め信号に応じて、スイッチング素子（例えばトランジスタＱ１、Ｑ４、Ｑ６）をＯＮにしてＵ相を＋端子、Ｖ相およびＷ相を−端子に接続して１−２相励磁（位置決め励磁）を行なう。

モータ駆動停止時の位置決め動作の一例を説明する。図６において、低速検出部５はモータ基板に設けられるＦＧコイル（ＦＧセンサ）などの速度情報から、ロータの回転速度を監視する。コントローラ１０はロータの位置決めを行なうため位置決め励磁指令をワンショットマルチバイブレータ６に出力しロータの位置決め動作を許可する。ロータの回転速度が低速回転（例えば1〜１０ｒｐｍ程度）になると、低速検出信号がワンショットマルチバイブレータ６に入力される（トリガーパルスが入力される）。このときワンショットマルチバイブレータ６は、ロータが静止するに必要な所定時間だけ位置決め信号パルスを発生する。励磁制御手段７は位置決め信号が入力されている間は位置決め励磁パターンを出力する。

モータコイル１１に接続するトランジスタＱ１〜Ｑ６は励磁用の３相ブリッジ回路で任意の相を＋端子側あるいは−端子側に接続できる。図６は一例としてＵ−ＶＷ相励磁が行われる場合の通電が行なわれる有効な結線のみを図示し、電流制限や保護用の抵抗やダイオードなどの回路素子は省略してある。図６において励磁制御手段７から１−２相励磁パターンが出力されており、トランジスタＱ１がオンするとＵ相は＋端子側に接続される。トランジスタＱ４がオンするとＶ相は−端子側に接続される。トランジスタＱ６がオンするとＷ相は−端子側に接続される。コントローラ１０は、ロータの位置決めを行なうため位置決め励磁指令をＨ（ハイ）にして位置決め動作を許可する。モータが停止する直前になると低速検出部５から低速検出信号が出力され、励磁制御手段７から一定パルス幅の位置決め信号が発生する。これによりロータはＵ−ＶＷ相が一定時間位置決め励磁されて停止する。励磁時間はロータ静止に必要な所定時間（数秒間）だけであるのでモータコイル１１やドライブ回路が必要以上に過熱することはない。この後、任意のタイミングでＶ−Ｗ相励磁を行えばモータは停止位置から確実に始動する（図２参照）。

次に、モータ駆動装置の他例について図７を参照して説明する。尚、図６と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。
４極以上の多極モータでは、前述したロータの位置決め制御方法によると１回転中に複数の停止位置が発生する。停止位置はポールペア数だけ存在し、そのどこに停止するかは不定である。計測器などでは１回転中の特定の１箇所に位置決めしたい、つまり機械角で位置決めしたい場合がある。しかし現状のモータ駆動回路ではセンサ・センサレスを問わず停止するごとに機械角での位置が変化してしまうという課題がある。そこで、１回転１パルスのインデックス信号を出力する回転センサ（ホール素子、フォトセンサなど）８を設ける。この回転センサ８から出力されるインデックス信号を論理回路９に入力する。ロータが低速回転時に、インデックス信号のエッジに同期して位置決め励磁を行う。

図７において、論理回路９には、回転センサ８からのインデックス信号、低速検出部５からの低速検出信号、コントローラ１０からの位置決め指令信号が入力される。論理回路９はこれら入力信号の論理積をとって出力信号をワンショットマルチバイブレータ６へ出力する。ワンショットマルチバイブレータ６は、アンドゲートの立ち上がりで1パルス位置決め信号を出力する。励磁制御手段７は、位置決め信号が入力されている間はモータコイル１１へ位置決め励磁パターンを出力する。

ロータ位置決め動作の一例について説明する。図７において、回転センサ８からのインデックス信号はインデックス位置のときＨ（ハイ）となり低速検出部５の低速検出信号は低速時にＨとなる。コントローラ１０の位置決め励磁指令は位置決めを許可するときはＨとする。アンドゲート９は３入力すべてがＨのときＨを出力する。ワンショットマルチバイブレータ６はアンドゲート９の立ち上がりで１パルス出力する。

コントローラ１０はロータの位置決めを行なうため位置決め励磁指令をＨにして位置決め動作を許可する。モータが停止する直前になると低速検出部５から低速検出信号が出力され始める。低速回転時はブレーキを解除し惰性で少なくとも１回転以上回転させる。低速で空走中にインデックス位置にさしかかるとインデックス信号がＨとなる。この瞬間にワンショットマルチバイブレータ６が出力し、励磁制御手段７から一定時間だけ位置決め励磁が行われる。これにより特定の電気角で位置決めが行われ、１回転中の特定の一箇所にロータは停止する。

上記構成によれば、4極以上の多極ブラシレスモータにおいて、従来のアブソリュートエンコーダーと位置決めサーボのできる駆動回路を用いる高価な専用システムと比べて回路コストがかからずロータの位置決め停止及び停止位置から安定した始動を行なうことができる。また、回転センサ８はエンコーダなどを追加することなく非接触センサで足りるため、機械加工が簡略化され製造コストを低減できる。また、慣性質量が同じなので、モータ挙動が変化せず測定に影響しないし、回路時定数を変更する必要もない。回転センサ８の位置を最適に設定すれば振動がなくスムーズに停止可能なブレーキとなり短時間で静止できる。

モータコイルの励磁電流の通電方向を示す説明図である。 Ｕ−Ｖ−Ｗ相を各々励磁した場合のトルクカーブを示すグラフ図である。 ロータの減衰振動を示すグラフ図である。 励磁通電回路の説明図である。 励磁電流の通電波形を示すグラフ図である。 モータ駆動制御部のブロック構成図である。 他例に係るモータ駆動制御部のブロック構成図である。 従来のモータコイルへの励磁電流の通電方向を示す説明図である。 Ｕ−Ｖ相励磁した場合のトルクカーブを示すグラフ図である。 Ｕ−Ｖ−Ｗ相を各々励磁した場合のトルクカーブを示すグラフ図である。 Ｕ−Ｖ相励磁のトルクカーブとＶ−Ｗ励磁のトルクカーブの位相差を示すグラフ図である。 ロータ停止時に作用するコギングトルクの説明図である。 ロータ停止位置が位置ずれが発生したときの始動トルクを示す説明図である。

符号の説明

１ 励磁通電回路
２ ランプ波発生回路
３ オペアンプ
４ のこぎり波発生回路
５ 低速検出部
６ ワンショットマルチバイブレータ
７ 励磁制御手段
８ 回転センサ
９ 論理回路
１０ コントローラ
１１ モータコイル

Claims (5)

1. ブラシレスモータの駆動制御を行うモータ駆動装置であって、
   モータコイルに通電する励磁相を切り替えてモータを駆動制御するモータ駆動制御部を備え、該モータ駆動制御部はモータ駆動停止時に、ロータが低速回転でロータとステータ間の磁気抵抗が最小となる位置でロータを静止させる励磁相を選んで通電する位置決め励磁を行い、モータ始動時に、ロータが停止位置から最大始動トルクで始動する励磁相を選んで励磁するモータ駆動装置。
2. モータ駆動制御部は、モータを駆動停止する際にロータ回転速度が低速回転となった状態で位置決め指令が入力されると、ロータを静止するのに必要な一定時間だけ選定された励磁相に通電する位置決め励磁が行なわれる請求項１記載のモータ駆動装置。
3. モータ駆動制御部は、モータコイルにＰＷＭ制御により通電される励磁電流をロータの位置決め励磁の開始時ほど通電間隔が短く時間の経過とともに励磁電流の通電間隔が漸進増加するように通電制御する請求項１記載のモータ駆動装置。
4. モータ駆動制御部は、ロータの回転速度が低速回転になったことを検出する低速検出手段と、コントローラから位置決め励磁指令が入力され低速検出手段がロータの低速回転を検出すると位置決め信号パルスを発生する発振手段と、発振手段から発生した位置決め信号が入力している間だけ位置決め励磁を行なう励磁制御手段を備えた請求項１記載のモータ駆動装置。
5. モータ駆動制御部は、ロータが１回転すると１パルスのインデックス信号を出力する回転センサと、ロータの回転速度が低速回転になったことを検出する低速検出手段と、回転センサから入力されるインデックス信号のエッジに同期して低速検出手段からの低速検出信号及びコントローラからの位置決め励磁指令の論理積をとって出力信号を出力する論理回路と、論理回路からの出力信号を受けて位置決め信号を発生する発振手段と、発振手段から発生した位置決め信号が入力している間だけ位置決め励磁を行なう励磁制御手段を備えた請求項１記載のモータ駆動装置。

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