JP2009011145A - 電動モータの駆動制御回路及びそれを備えた電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】供給電圧の変更に柔軟に対応可能なモータ制御技術を提供する。
【解決手段】駆動制御回路（２００）は、電磁コイルに供給電圧ＶＳＵＰを断続的に供給するためのドライバ回路（２５０）と、ドライバ回路（２５０）に供給するスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成回路（２４０）と、供給電圧指令値Ｙａをスイッチング信号生成回路（２４０）に供給する電圧設定部（２７０）とを備える。スイッチング信号生成回路（２４０）は、供給電圧指令値Ｙａに応じてスイッチング信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のパルス幅を調整することによって、電磁コイルに印加される実効電圧を調整する。
【選択図】図３

Description

この発明は、電動モータの制御に関し、特に、電磁コイルへの供給電圧を変更可能とする技術に関する。

永久磁石と電磁コイルとを利用したモータとしては、例えば下記の特許文献１に記載されたブラシレスモータが知られている。

特開２００１−２９８９８２号公報

ブラシレスモータの制御では、複数のスイッチングトランジスタで構成されたドライバ回路を用い、スイッチングトランジスタのオン／オフ制御によって電磁コイルに電圧が印加される。

ところで、モータに供給する供給電圧としては、モータの用途に応じて異なる電圧値が用いられる場合がある。従来は、供給電圧が異なる場合には、モータの駆動制御回路もそれに応じた専用の回路を用いなればならないという問題があった。そこで、従来から、供給電圧の変更に柔軟に対応可能なモータ制御技術が望まれていた。

本発明は、供給電圧の変更に柔軟に対応可能なモータ制御技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 電磁コイルを有する電動モータを制御する駆動制御回路であって、
外部から供給される供給電圧と前記電磁コイルとの間の接続をオン／オフするためのスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン／オフによって前記電磁コイルに前記供給電圧を断続的に供給するドライバ回路と、
前記複数のスイッチング素子をオン／オフ制御するためのスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成回路と、
前記供給電圧に応じた値を有する供給電圧指令値を前記スイッチング信号生成回路に供給する電圧設定部と、
を備え、
前記スイッチング信号生成回路は、前記供給電圧指令値に応じて前記スイッチング信号のパルス幅を調整することによって、前記電磁コイルに印加される実効電圧を調整する、駆動制御回路。

この駆動制御回路によれば、スイッチング信号生成回路が、供給電圧指令値に応じてスイッチング信号のパルス幅を調整することによって電磁コイルに印加される実効電圧を調整するので、モータの供給電圧が変更されても同じ駆動制御回路を用いてモータを適切に制御可能である。

［適用例２］ 適用例１記載の駆動制御回路であって、
前記スイッチング信号生成回路は、前記供給電圧の値に拘わらず、前記電磁コイルに印加される実効電圧が所定の一定値になるように前記スイッチング信号のパルス幅を調整する、駆動制御回路。

この構成によれば、モータの供給電圧の値に拘わらず、所定の一定の出力でモータを駆動することができる。

［適用例３］ 適用例１又は２記載の駆動制御回路であって、
前記スイッチング信号生成回路は、
周期的な波状の変化を示し、前記供給電圧の値に反比例した振幅を有する波形信号を生成する波形信号生成部と、
前記波形信号を利用したＰＷＭ制御を実行して、前記波形信号の変化と同じ実効値変化を示す前記スイッチング信号を生成するＰＷＭ制御回路と、
を含む、駆動制御回路。

この構成によれば、ＰＷＭ制御に従ってモータを効率良く駆動しつつ、モータの供給電圧に応じて適切に制御可能である。

［適用例４］ 適用例３記載の駆動制御回路であって、
前記波形信号生成部は、前記波形信号を、前記電動モータに設けられた磁気センサの出力のアナログ的変化と比例した変化を示すとともに、前記供給電圧の値に反比例した振幅を有する信号として生成する、駆動制御回路。

この構成によれば、磁気センサの出力と供給電圧値とに基づいて供給電圧に応じた適切な波形信号を生成することができ、この波形信号に応じて適切なスイッチング信号を生成することができる。

［適用例５］ 適用例４記載の駆動制御回路であって、
前記供給電圧指令値は、前記供給電圧の値に反比例した値を有し、
前記波形信号生成部は、
前記電動モータに設けられた磁気センサの出力を示すセンサ出力値と前記供給電圧指令値とを乗算することによって、前記波形信号を生成する乗算部を備える、駆動制御回路。

この構成によれば、センサ出力値と供給電圧指令値とを単に乗算するだけで、波形信号を生成することが可能である。

［適用例６］ 適用例５記載の駆動制御回路であって、
前記乗算部は、
前記センサ出力値と、前記供給電圧指令値と、他の少なくとも１つの電圧指令値を乗算することによって前記波形信号を生成するための複数段の乗算器を有する、駆動制御回路。

この構成によれば、他の少なくとも１つの電圧指令値を用いて、電磁コイルに印加される有効電圧を任意に制御することが可能である。

［適用例７］ 適用例１ないし６のいずれかに記載の駆動制御回路であって、
前記供給電圧設定部は、所定の複数の値の１つに前記供給電圧の値を指定可能に構成されている、駆動制御回路。

［適用例８］ 適用例１ないし６のいずれかに記載の駆動制御回路であって、
前記供給電圧設定部は、所定範囲の任意の値に前記供給電圧の値を指定可能に構成されている、駆動制御回路。

［適用例９］ 電動モータであって、
複数の電磁コイルを有するコイル列と、
複数の永久磁石を有する磁石列と、
適用例１ないし８のいずれかに記載の駆動制御回路と、
を備える電動モータ。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電動モータ、電動モータの制御方法又は制御回路、それらを用いたアクチュエータ等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．モータの構成と動作の概要：
B．駆動制御回路の構成と動作：
C．駆動制御回路の他の構成：
D．変形例：

A．モータの構成と動作の概要：
図１（Ａ），１（Ｂ）は、本発明の一実施例としての単相ブラシレスモータのモータ本体の構成を示す断面図である。このモータ本体１００は、外形がそれぞれ略円筒状のステータ部１０及びロータ部３０を有している。ステータ部１０は、略十字状に配列された４つのコイル１１〜１４と、２つのコイル１１，１２の間の中央の位置に配置された磁気センサ４０とを有している。磁気センサ４０は、ロータ部３０の位置（すなわちモータの位相）を検出するためのものである。各コイル１１〜１４には、磁性体材料で形成された磁気ヨーク２０が設けられている。この磁気ヨーク２０は、いわゆるデッドロックポイント（始動不能点）を回避するために設けられている。コイル１１〜１４と磁気センサ４０は、回路基板１２０（図１（Ｂ））の上に固定されている。回路基板１２０は、ケーシング１０２に固定されている。なお、ケーシング１０２の蓋は図示が省略されている。

ロータ部３０は、４つの永久磁石３１〜３４を有しており、ロータ部３０の中心軸が回転軸１１２を構成している。この回転軸１１２は、軸受け部１１４（図１（Ｂ））で支持されている。各磁石の磁化方向は、回転軸１１２から外側に放射状に向かう方向である。磁石３１〜３４の外周には、磁気ヨーク３６が設けられている。但し、この磁気ヨーク３６は省略してもよい。

図２は、磁石列とコイル列の位置関係、及び、磁気センサ出力とコイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。図２（Ａ）に示すように、４つの磁石３１〜３４は、一定の磁極ピッチＰｍで配置されており、隣接する磁石同士が逆方向に磁化されている。また、コイル１１〜１４は、一定のピッチＰｃで配置されており、隣接するコイル同士が逆向きに励磁される。この例では、磁極ピッチＰｍはコイルピッチＰｃに等しく、電気角でπに相当する。なお、電気角の２πは、駆動信号の位相が２πだけ変化したときに移動する機械的な角度又は距離に対応づけられる。本実施例では、駆動信号の位相が２πだけ変化すると、ロータ部３０が磁極ピッチＰｍの２倍だけ移動する。

４つのコイル１１〜１４のうち、第１と第３のコイル１１，１３は同一の位相の駆動信号で駆動され、第２と第４のコイル１２，１４は第１と第３のコイル１１，１３の駆動信号から１８０度（＝π）だけ位相がずれた駆動信号で駆動される。通常の二相駆動は２つの相（Ａ相とＢ相）の駆動信号の位相が９０度（＝π／２）ずれており、位相のずれが１８０度（＝π）の場合は無い。また、モータの駆動方法において、位相が１８０度（＝π）ずれた２つの駆動信号は、同じ位相であると見なされる場合が多い。従って、本実施例のモータにおける駆動方法は、単相駆動であると考えることができる。

図２（Ａ）は、モータ停止時における磁石３１〜３４とコイル１１〜１４の位置関係を示している。本実施例のモータでは、各コイル１１〜１４に設けられた磁気ヨーク２０が、各コイルの中心よりもロータ部３０の正転方向に若干ずれた位置に設けられている。従って、モータ停止時には、各コイルの磁気ヨーク２０が磁石３１〜３４によって引きつけられ、磁気ヨーク２０が各磁石３１〜３４の中心と向かい合う位置でロータ部３０が停止する。この結果、各コイル１１〜１４の中心が、各磁石３１〜３４の中心からずれた位置でモータが停止することになる。また、この時、磁気センサ４０も、隣接する磁石の境界から若干ずれた位置にある。この停止位置における位相はαである。位相αはゼロでは無い任意の値に設定可能である。例えば、位相αを、ゼロに近い小さな値（例えば約５度〜１０度）に設定してもよく、あるいは、π／２の奇数倍に近い値（逆起電力のピーク位置の近傍）に設定してもよい。

図２（Ｂ）は、コイルに発生する逆起電力の波形の例を示しており、図２（Ｃ）は、磁気センサ４０の出力波形の例を示している。磁気センサ４０は、モータ運転時のコイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力ＳＳＡを発生することができる。但し、磁気センサ４０の出力ＳＳＡは、モータの停止時にも０でない値を示す（位相がπの整数倍のときを除く）。なお、コイルの逆起電力は、モータの回転数とともに上昇する傾向にあるが、波形形状はほぼ相似形状に保たれる。磁気センサ４０としては、例えばホール効果を利用したホールＩＣを採用することができる。この例では、センサ出力ＳＳＡと逆起電力Ｅｃは、いずれも正弦波か、正弦波に近い波形である。後述するように、このモータの駆動制御回路は、センサ出力ＳＳＡを利用して、逆起電力Ｅｃとほぼ相似波形の電圧を各コイル１１〜１４に印加する。

ところで、電動モータは、機械的エネルギと電気的エネルギとを相互に変換するエネルギ変換装置として機能するものである。そして、コイルの逆起電力は、電動モータの機械的エネルギが電気的エネルギに変換されたものである。従って、コイルに印加する電気的エネルギを機械的エネルギに変換する場合（すなわちモータを駆動する場合）には、逆起電力と相似波形の電圧を印加することによって、最も効率良くモータを駆動することが可能である。なお、「逆起電力と相似波形の電圧」は、逆起電力と逆向きの電流を発生する電圧を意味している。

B．駆動制御回路の構成と動作：
図３（Ａ）は、本実施例のブラシレスモータの駆動制御回路の構成を示すブロック図である。駆動制御回路２００は、ＣＰＵ２２０と、駆動信号生成部２４０と、ドライバ回路２５０と、電源レギュレータ２６０と、供給電圧設定部２７０とを備えている。但し、ＣＰＵ２２０を省略してもよい。ＣＰＵ２２０を省略した場合には、本実施例で説明されているＣＰＵ２２０の機能は、他の回路（論理回路や不揮発性メモリ等）によって実現される。あるいは、ＣＰＵ２２０の代わりに通信回路又はインタフェイス回路を設け、その回路で外部装置から各種の動作指示を受けて駆動制御回路２００内部の回路要素に指示を転送するようにしてもよい。

駆動制御回路２００の電源端子２０２には、直流電圧である供給電圧ＶＳＵＰが外部から供給されている。この供給電圧ＶＳＵＰの値としては、種々の値を利用可能である。本実施例では、供給電圧ＶＳＵＰとして、８Ｖ，１０Ｖ，１２Ｖ，１４Ｖの４種類の値を利用可能であるものと仮定する。電源レギュレータ２６０は、この供給電圧ＶＳＵＰから、所定の電圧値（例えば５Ｖ）を有する電源電圧ＶＤＤを生成して、駆動信号生成部２４０及びＣＰＵ２２０に供給する。

駆動信号生成部２４０は、モータ本体１００内の磁気センサ４０の出力信号ＳＳＡに基づいて、単相駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を生成してドライバ回路２５０に供給する回路である。本明細書では、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を「スイッチング信号」とも呼び、駆動信号生成部２４０を「スイッチング信号生成回路」とも呼ぶ。ドライバ回路２５０は、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に従ってモータ本体１００内の電磁コイル１１〜１４を駆動する。なお、ドライバ回路２５０には、供給電圧ＶＳＵＰがそのまま電源電圧として供給されている。

供給電圧設定部２７０は、電源端子２０２に供給される供給電圧ＶＳＵＰの値をユーザが指定するための回路である。供給電圧設定部２７０は、指定された供給電圧ＶＳＵＰの値に応じた値を有する供給電圧指令値Ｙａを、駆動信号生成部２４０に通知する。供給電圧設定部２７０は、ユーザが操作を行って供給電圧ＶＳＵＰを指定可能な任意の操作部を備えるものとして構成することができる。例えば、供給電圧設定部２７０は、固定抵抗スイッチや、ディップスイッチ、可変抵抗、書き込み可能な不揮発性メモリなどの種々の電子部品を用いて実現可能である。あるいは、供給電圧設定部２７０として、電源端子２０２に供給される供給電圧ＶＳＵＰの値を検出し、この検出値に応じて供給電圧指令値Ｙａを自動的に決定する回路を採用することも可能である。また、供給電圧設定部２７０を、Ｉ²Ｃバス等を用いた通信回路やインターフェース回路として構成し、外部装置から供給電圧指令値Ｙａを設定できるようにしてもよい。

図３（Ｂ）は、磁気センサ４０の内部構成の一例を示している。この磁気センサ４０は、ホール素子４２と、バイアス調整部４４と、ゲイン調整部４６とを有している。ホール素子４２は、磁束密度Ｘを測定する。バイアス調整部４４はホール素子４２の出力Ｘにバイアス値ｂを加算し、ゲイン調整部４６はゲイン値ａを乗ずる。磁気センサ４０の出力ＳＳＡ（＝Ｙ）は、例えば以下の式（１）又は式（２）で与えられる。

Ｙ＝ａ・Ｘ＋ｂ …（１）
Ｙ＝ａ（Ｘ＋ｂ） …（２）

磁気センサ４０のゲイン値ａとバイアス値ｂは、ＣＰＵ２２０によって磁気センサ４０内に設定される。ゲイン値ａとバイアス値ｂを適切な値に設定することによって、センサ出力ＳＳＡを好ましい波形形状に較正することが可能である。

図４は、ドライバ回路２５０の内部構成を示している。このドライバ回路２５０は、Ｈ型ブリッジ回路を構成する４つのトランジスタ２５１〜２５４を有している。上アームのトランジスタ２５１，２５３のゲート電極の前には、レベルシフタ３１１，３１３が設けられている。但し、レベルシフタは省略してもよい。ドライバ回路２５０のトランジスタ２５１〜２５４は、スイッチング信号として機能する駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に応じてオン／オフし、この結果、電磁コイル１１〜１４に供給電圧ＶＳＵＰが断続的に供給される。符号ＩＡ１，ＩＡ２が付された矢印は、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２がＨレベルの場合に流れる電流方向をそれぞれ示している。なお、ドライバ回路としては、複数のスイッチング素子で構成される種々の構成の回路を利用可能である。

図５は、駆動信号生成部２４０（図３（Ａ））の内部構成と動作を示す説明図である。駆動信号生成部２４０は、基本クロック生成回路５１０と、１／Ｎ分周器５２０と、ＰＷＭ部５３０と、正逆方向指示値レジスタ５４０と、乗算器５５０と、符号化部５６０と、ＡＤ変換部５７０と、供給電圧指令値レジスタ５８０と、励磁区間設定部５９０とを備えている。

基本クロック生成回路５１０は、所定の周波数を有するクロック信号ＰＣＬを発生する回路であり、例えばＰＬＬ回路で構成される。分周器５２０は、このクロック信号ＰＣＬの１／Ｎの周波数を有するクロック信号ＳＤＣを発生する。Ｎの値は所定の一定値に設定される。このＮの値は、ＣＰＵ２２０によって分周器５２０に設定される。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、乗算器５５０から供給される乗算値Ｍａと、正逆方向指示値レジスタ５４０から供給される正逆方向指示値ＲＩと、符号化部５６０から供給される正負符号信号Ｐａと、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａとに応じて、単相駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を生成する。この動作については後述する。

正逆方向指示値レジスタ５４０内には、モータの回転方向を示す値ＲＩがＣＰＵ２２０によって設定される。本実施例では、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルのときにモータが正転し、Ｈレベルのときに逆転する。ＰＷＭ部５３０に供給される他の信号Ｍａ，Ｐａ，Ｅａは以下のように決定される。

磁気センサ４０の出力ＳＳＡは、ＡＤ変換部５７０に供給される。このセンサ出力ＳＳＡのレンジは、例えばＧＮＤ（接地電位）からＶＤＤ（電源電圧）までであり、その中位点（＝ＶＤＤ／２）が出力波形の中位点（正弦波の原点を通る点）である。ＡＤ変換部５７０は、このセンサ出力ＳＳＡをＡＤ変換して、センサ出力のデジタル値を生成する。ＡＤ変換部５７０の出力のレンジは、例えばＦＦｈ〜０ｈ（語尾の”ｈ”は１６進数であることを示す）であり、中央値８０ｈがセンサ波形の中位点に相当する。

符号化部５６０は、ＡＤ変換後のセンサ出力値のレンジを変換するとともに、センサ出力値の中位点の値を０に設定する。この結果、符号化部５６０で生成されるセンサ出力値Ｘａは、正側の所定の範囲（例えば＋１２７〜０）と負側の所定の範囲（例えば０〜−１２７）の値を取る。但し、符号化部５６０から乗算器５６０に供給されるのは、センサ出力値Ｘａの絶対値であり、その正負符号は正負符号信号ＰａとしてＰＷＭ部５３０に供給される。

供給電圧指令値レジスタ５８０は、供給電圧設定部２７０から供給された供給電圧指令値Ｙａを格納する。この供給電圧指令値Ｙａは、モータの印加電圧を調整する値として機能するものであり、例えば０〜１．０の値に設定可能である。Ｙａ＝０は印加電圧をゼロとすることを意味し、Ｙａ＝１．０は印加電圧を最大値とすることを意味する。但し、本実施例では、供給電圧指令値Ｙａは、所定の基準電圧値Ｖref（Ｖrefは０で無い値）を供給電圧値ＶＳＵＰで除した値（Ｙａ＝Ｖref／ＶＳＵＰ）に設定されるので、指令値Ｙａは０でない値を採る。乗算器５５０は、符号化部５６０から出力されたセンサ出力値Ｘａと、供給電圧指令値Ｙａとを乗算して整数化し、その乗算値ＭａをＰＷＭ部５３０に供給する。

図５（Ｂ）〜（Ｅ）は、乗算値Ｍａが種々の値を取る場合におけるＰＷＭ部５３０の動作を示している。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＳＤＣの１周期の間に、デューティがＭａ／Ｎであるパルスを１つ発生させる回路である。すなわち、図５（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように、乗算値Ｍａが増加するに従って、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のパルスのデューティ（すなわちパルス幅）が増加する。なお、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１は、センサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であり、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２はセンサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であるが、図５（Ｂ）〜（Ｅ）ではこれらを合わせて記載している。また、便宜上、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２を負側のパルスとして描いている。

前述したように、乗算値Ｍａは、センサ出力ＳＳＡの絶対値Ｘａと供給電圧指令値Ｙａとの乗算結果であり、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２は、この乗算値Ｍａに比例したパルス幅を有するスイッチング信号である。従って、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のパルス幅は、供給電圧指令値Ｙａに比例したパルス幅を有するものとなる。また、電磁コイル１１〜１４に印加される実効電圧は、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のパルス幅に比例する。従って、電磁コイル１１〜１４に印加される実効電圧は、供給電圧指令値Ｙａに比例した値となる。

図６は、供給電圧の調整を行わない場合と行った場合のモータ特性を比較して示している。ここで、「供給電圧の調整を行わない場合」とは、供給電圧指令値Ｙａを、供給電圧ＶＳＵＰの値に拘わらずに１．０に維持する場合を意味する。一方、「供給電圧の調整を行った場合」とは、供給電圧指令値Ｙａを、供給電圧ＶＳＵＰの値に応じて変更した場合を意味する。なお、モータ特性としては、コイルの抵抗Ｒと、実効電圧Ｖeffと、実効電流Ｉeff（＝Ｖeff／Ｒ）と、供給電圧指令値Ｙａとが示されている。

図６の例では、供給電圧ＶＳＵＰは、８Ｖ，１０Ｖ，１２Ｖ，１４Ｖの４種類の値のうちの１つが使用されるものと仮定している。また、モータの電磁コイルの抵抗Ｒは６．４Ωである。電圧調整を行わない場合には、電磁コイルに印加される実効電圧Ｖeffは、供給電圧ＶＳＵＰを√２で除した値に等しい。一方、電圧調整を行う場合には、電磁コイルに印加される実効電圧Ｖeffは、供給電圧ＶＳＵＰに供給電圧指令値Ｙａを乗じた値を√２で除した値に等しい。逆に言えば、供給電圧指令値Ｙａは、供給電圧ＶＳＵＰを所定の基準電圧値Ｖref（ここでは８Ｖ）で除した値に設定される。例えば、供給電圧ＶＳＵＰが８Ｖの場合には供給電圧指令値Ｙａは１．０となり、供給電圧ＶＳＵＰが１０Ｖの場合には供給電圧指令値Ｙａは０．８となる。このような電圧調整を行った場合には、電磁コイルに印加される実効電圧Ｖeffの値は、供給電圧ＶＳＵＰの値に拘わらず、常に５．７Ｖの一定値となる。従って、供給電圧ＶＳＵＰとして任意の値を採用した場合にも、常に同じモータ特性でモータを動作させることが可能となる。

なお、上述した基準電圧値Ｖrefとしては、同一のモータ及び同一の駆動制御回路に適用可能な供給電圧ＶＳＵＰの範囲の中の任意の値を用いることができる。但し、基準電圧値Ｖrefとして、供給電圧ＶＳＵＰの範囲の中の最小値を用いるようにすれば、実効電流Ｉeffを、その最小の電圧値に対応した値に維持できるので、コイルに過度の電流が流れることを防止できる。

図７（Ａ）〜（Ｃ）は、センサ出力の波形とＰＷＭ部５３０で生成される駆動信号の波形の対応関係を示す説明図である。図中、「Ｈｉｚ」は電磁コイルを未励磁状態としたハイインピーダンス状態を意味している。図５で説明したように、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２はセンサ出力ＳＳＡのアナログ波形を利用したＰＷＭ制御によって生成される。従って、これらの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を用いて、各コイルに、センサ出力ＳＳＡの変化と対応するレベル変化を示す実効電圧を供給することが可能である。

ＰＷＭ部５３０は、さらに、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａで示される励磁区間のみに駆動信号を出力し、励磁区間以外の区間（非励磁区間）では駆動信号を出力しないように構成されている。図７（Ｃ）は、励磁区間信号Ｅａによって励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定した場合の駆動信号波形を示している。励磁区間ＥＰでは図７（Ｂ）の駆動信号パルスがそのまま発生し、非励磁区間ＮＥＰでは駆動信号パルスが発生しない。このように、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定するようにすれば、逆起電力波形の中位点近傍（すなわち、センサ出力の中位点近傍）においてコイルを電圧を印加しないので、モータの効率をさらに向上させることが可能である。なお、励磁区間ＥＰは、逆起電力波形のピークを中心としする対称な区間に設定されることが好ましく、非励磁区間ＮＥＰは、逆起電力波形の中位点（中心点）を中心とする対称な区間に設定されることが好ましい。なお、励磁区間設定部５９０は省略してもよい。

図８は、ＰＷＭ部５３０（図５）の内部構成の一例を示すブロック図である。ＰＷＭ部５３０は、カウンタ５３１と、ＥＸＯＲ回路５３３と、駆動波形形成部５３５とを備えている。これらは以下のように動作する。

図９は、モータ正転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。この図には、２つのクロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、正逆方向指示値ＲＩと、励磁区間信号Ｅａと、乗算値Ｍａと、正負符号信号Ｐａと、カウンタ５３１内のカウント値ＣＭ１と、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２と、駆動波形形成部５３５の出力信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２とが示されている。カウンタ５３１は、クロック信号ＳＤＣの１期間毎に、クロック信号ＰＣＬに同期してカウント値ＣＭ１を０までダウンカウントする動作を繰り返す。カウント値ＣＭ１の初期値は乗算値Ｍａに設定される。なお、図９では、図示の便宜上、乗算値Ｍａとして負の値も描かれているが、カウンタ５３１で使用されるのはその絶対値｜Ｍａ｜である。カウンタ５３１の出力Ｓ１は、カウント値ＣＭ１が０で無い場合にはＨレベルに設定され、カウント値ＣＭ１が０になるとＬレベルに立ち下がる。

ＥＸＯＲ回路５３３は、正負符号信号Ｐａと正逆方向指示値ＲＩとの排他的論理和を示す信号Ｓ２を出力する。モータが正転する場合には、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルである。従って、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２は、正負符号信号Ｐａと同じ信号となる。駆動波形形成部５３５は、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２から、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を生成する。すなわち、カウンタ５３１の出力Ｓ１のうち、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２がＬレベルの期間の信号を第１の駆動信号ＤＲＶＡ１として出力し、出力Ｓ２がＨレベルの期間の信号を第２の駆動信号ＤＲＶＡ２として出力する。なお、図９の右端部付近では、励磁区間信号ＥａがＬレベルに立ち下がり、これによって非励磁区間ＮＥＰが設定されている。従って、この非励磁区間ＮＥＰでは、いずれの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２も出力されず、ハイインピーダンス状態に維持される。

図１０は、モータ逆転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。モータ逆転時には、正逆方向指示値ＲＩがＨレベルに設定される。この結果、２つの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２が図９から入れ替わっており、この結果、モータが逆転することが理解できる。

図１１は、励磁区間設定部５９０の内部構成と動作を示す説明図である。励磁区間設定部５９０は、電子可変抵抗器５９２と、電圧比較器５９４，５９６と、ＯＲ回路５９８とを有している。電子可変抵抗器５９２の抵抗値Ｒｖは、ＣＰＵ２２０によって設定される。電子可変抵抗器５９２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧比較器５９４，５９６の一方の入力端子に与えられている。電圧比較器５９４，５９６の他方の入力端子には、センサ出力ＳＳＡが供給されている。電圧比較器５９４，５９６の出力信号Ｓｐ，Ｓｎは、ＯＲ回路５９８に入力されている。ＯＲ回路５９８の出力は、励磁区間と非励磁区間とを区別するための励磁区間信号Ｅａである。

図１１（Ｂ）は、励磁区間設定部５９０の動作を示している。電子可変抵抗器５９２の両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、抵抗値Ｒｖを調整することによって変更される。具体的には、両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧レンジの中央値（＝ＶＤＤ／２）からの差分が等しい値に設定される。センサ出力ＳＳＡが第１の電圧Ｖ１よりも高い場合には第１の電圧比較器５９４の出力ＳｐがＨレベルとなり、一方、センサ出力ＳＳＡが第２の電圧Ｖ２よりも低い場合には第２の電圧比較器５９６の出力ＳｎがＨレベルとなる。励磁区間信号Ｅａは、これらの出力信号Ｓｐ，Ｓｎの論理和を取った信号である。従って、図１１（Ｂ）の下部に示すように、励磁区間信号Ｅａは、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰとを示す信号として使用することができる。励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰの設定は、ＣＰＵ２２０が可変抵抗値Ｒｖを調整することによって行なわれる。

以上のように、本実施例のモータでは、ユーザが供給電圧設定部２７０に供給電圧ＶＳＵＰの値を指定することができるので、任意の供給電圧ＶＳＵＰを用いてモータを同一の特性で動作させることが可能である。そのため、ファンモータ等のモータの製造メーカ側としては、同電力容量のモータでは、部品類の共通化により部品管理／部品調達が一元管理でき、製造工程の共通化により生産性が向上し、結果的に低価格化を容易に実現できる効果が得られる。また、モータを利用して設計する側では、使用電圧の異なった設置場所において使用される複数のモータを共通化し、駆動電圧に応じた設定をすることで調達の一元化及び生産性を向上させることができ、結果的に低価格化を容易に実現できる効果が得られる。モータを利用して設計する側では、更にモータの仕様電圧内で仕様回転数外の回転数（停止〜仕様最大回転数）までの任意回転数制御をシステム上で容易に実現できる。

C．駆動制御回路の他の構成：
図１２は、駆動信号生成部の他の構成を示す説明図である。この駆動信号生成部２４０ａは、図５に示した回路２４０に、乗算器５５１と、印加電圧指令値レジスタ５８１と、印加電圧設定部２７１とを追加した構成を有している。印加電圧設定部２７１は、印加電圧指令値Ｚａを設定する回路である。印加電圧指令値Ｚａは、例えば、モータの動作中に、電磁コイルに印加すべき有効電圧を変更するために使用することができる。また、印加電圧設定部２７１の具体的な回路構成としては、供給電圧設定部２７０と同様なものを採用することが可能である。印加電圧指令値Ｚａは、印加電圧設定部２７１から印加電圧指令値レジスタ５８１に供給されて保持される。乗算器５５１は、設定電圧指令値Ｙａと印加電圧指令値Ｚａとを乗算して、その乗算値（Ｙａ×Ｚａ）を乗算器５５０に供給する。乗算器５５０は、この値（Ｙａ×Ｚａ）とセンサ出力値Ｘａとを乗算して、乗算器Ｍａ（＝Ｘａ×Ｙａ×Ｚａ）をＰＷＭ部５３０に供給する。

このように、乗算器を２段に設けるようにすれば、２つの指令値Ｙａ，Ｚａを用いて電磁コイルに印加される有効電圧を制御することが可能である。例えば、第１の指令値Ｙａを、製造メーカ用の仕様電圧設定用の指令値として使用し、一方、第２の指令値Ｚａを、モータを用いたシステムの組み立てメーカが電圧を可変制御するための指令値として使用することが可能である。なお、乗算器を３段以上用い、３つ以上の指令値を用いることができように回路を構成することも可能である。すなわち、ＰＷＭ制御の対象となる乗算値Ｍａを算出するための乗算部は、１つの乗算器で構成されたものでもよく、あるいは、複数個の乗算器を多段に構成したものでもよい。

D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

D１．変形例１：
スイッチング信号を生成する回路としては、図５に示した駆動信号生成部２４０の構成以外の種々の回路構成を採用することが可能である。例えば、センサ出力と基準三角波とを比較することによってＰＷＭ制御を行う回路を利用してもよい。また、ＰＷＭ制御以外の方法でスイッチング信号を生成するようにしてもよい。一般に、スイッチング信号生成回路としては、供給電圧に応じてスイッチング信号のパルス幅を調整することによって、電磁コイルに印加される実効電圧を調整する種々の回路を採用することが可能である。

上記実施例における駆動制御回路では、図６で説明したように、供給電圧ＶＳＵＰの値に拘わらず、電磁コイルに印加される実効電圧が所定の一定値になるようにスイッチング信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のパルス幅が調整されていた。但し、供給電圧ＶＳＵＰの値が異なる場合に、電磁コイルに印加される実効電圧も異なる値になるように（換言すれば、モータ出力が異なる値となるように）してもよい。このような構成は、例えば、異なる供給電圧ＶＳＵＰに応じて予め設定された異なる実効電圧が得られるように、供給電圧設定部２７０が供給電圧指令値Ｙａの値を決定することによって実現可能である。

D２．変形例２：
上記実施例では、供給電圧ＶＳＵＰとして複数の所定の値（８Ｖ，１０Ｖ，１２Ｖ，１４Ｖ）のいずれかを選択できるものとしていたが、この代わりに、所定範囲の任意の値に供給電圧ＶＳＵＰを設定できるようにしても良い。

D３．変形例３：
上記実施例ではアナログ磁気センサを利用していたが、アナログ磁気センサの代わりに、多値のアナログ的出力を有するデジタル磁気センサを使用してもよい。アナログ磁気センサも多値出力を有するデジタル磁気センサも、アナログ的変化を示す出力信号を有する点で共通している。なお、本明細書において、「アナログ的変化を示す出力信号」とは、オン／オフの２値出力ではなく、３値以上の多数レベルを有するデジタル出力信号と、アナログ出力信号との両方を包含する広い意味で使用されている。また、磁気センサの代わりに、他の位置センサを用いてアナログ的変化を示す出力信号を生成することも可能である。

D４．変形例４：
本発明は、上記実施例で説明した単相ブラシレスモータに限らず、任意の相数及び極数のモータに適用することが可能である。

D５．変形例５：
本発明は、ファンモータ、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モータなどの種々の装置のモータに適用可能である。本発明をファンモータに適用した場合には、種々の効果（低消費電力、低振動、低騒音、低回転ムラ、低発熱、高寿命）が特に顕著である。このようなファンモータは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式パソコン、燃料電池式デジタルカメラ、燃料電池式ビデオカメラ、燃料電池式携帯電話などの燃料電池使用機器、プロジェクタ等の各種装置のファンモータとして使用することができる。本発明のモータは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモータとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本発明によるモータをスピンドルモータとして使用することが可能である。また、本発明によるモータは、移動体やロボット用のモータとしても利用可能である。

図１３は、本発明の実施例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。このプロジェクタ６００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源６１０Ｒ、６１０Ｇ、６１０Ｂと、これらの３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブ６４０Ｒ、６４０Ｇ、６４０Ｂと、変調された３色の色光を合成するクロスダイクロイックプリズム６５０と、合成された３色の色光をスクリーンＳＣに投写する投写レンズ系６６０と、プロジェクタ内部を冷却するための冷却ファン６７０と、プロジェクタ６００の全体を制御する制御部６８０と、を備えている。冷却ファン６７０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。図１４（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、図１４（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話７００は、携帯電話７００の動作を制御するＭＰＵ７１０と、ファン７２０と、燃料電池７３０とを備えている。燃料電池７３０は、ＭＰＵ７１０やファン７２０に電源を供給する。ファン７２０は、燃料電池７３０への空気供給のために携帯電話７００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池７３０で生成される水分を携帯電話７００の内部から外に排出するためのものである。なお、ファン７２０を図１４（Ｃ）のようにＭＰＵ７１０の上に配置して、ＭＰＵ７１０を冷却するようにしてもよい。ファン７２０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図１５は、本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車８００は、前輪にモータ８１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路８２０と充電池８３０とが設けられている。モータ８１０は、充電池８３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモータ８１０で回生された電力が充電池８３０に充電される。制御回路８２０は、モータの駆動と回生とを制御する回路である。このモータ８１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

図１６は、本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット９００は、第１と第２のアーム９１０，９２０と、モータ９３０とを有している。このモータ９３０は、被駆動部材としての第２のアーム９２０を水平回転させる際に使用される。このモータ９３０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

実施例における電動モータのモータ本体の構成を示す断面図である。 磁石列とコイル列の位置関係、及び、磁気センサ出力とコイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。 実施例のモータの駆動制御回路の構成を示すブロック図である。 ドライバ回路の内部構成を示す図である。 駆動信号生成部の内部構成と動作を示す説明図である。 供給電圧の調整を行わない場合と行った場合のモータ特性を比較して示す説明図である。 センサ出力波形と駆動信号波形の対応関係を示す説明図である。 ＰＷＭ部の内部構成を示すブロック図である。 モータ正転時のＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。 モータ逆転時のＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。 励磁区間設定部の内部構成と動作を示す説明図である。 駆動信号生成部の他の構成を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。

符号の説明

１０…ステータ部
１１〜１４…電磁コイル
２０…磁気ヨーク
３０…ロータ部
３１〜３４…永久磁石
３６…磁気ヨーク
４０…磁気センサ
４２…ホール素子
４４…バイアス調整部
４６…ゲイン調整部
１００…モータ本体
１０２…ケーシング
１１２…回転軸
１１４…部
１２０…回路基板
２００…駆動制御回路
２０２…電源端子
２２０…ＣＰＵ
２４０…駆動信号生成部
２５０…ドライバ回路
２５１〜２５４…スイッチングトランジスタ
２６０…電源レギュレータ
２７０…供給電圧設定部
３１１，３１３…レベルシフタ
５１０…基本クロック生成回路
５２０…分周器
５３０…ＰＷＭ部
５３１…カウンタ
５３３…ＥＸＯＲ回路
５３５…駆動波形形成部
５４０…正逆方向指示値レジスタ
５５０…乗算器
５５１…乗算器
５６０…乗算器
５６０…符号化部
５７０…ＡＤ変換部
５８０…供給電圧指令値レジスタ
５８１…印加電圧指令値レジスタ
５９０…励磁区間設定部
５９２…電子可変抵抗器
５９４，５９６…電圧比較器
５９８…ＯＲ回路
６００…プロジェクタ
６１０Ｒ，６１０Ｇ，６１０Ｂ…光源
６４０Ｒ，６４０Ｇ，６４０Ｂ…液晶ライトバルブ
６５０…クロスダイクロイックプリズム
６６０…投写レンズ系
６７０…冷却ファン
６８０…制御部
７００…携帯電話
７１０…ＭＰＵ
７２０…ファン
７３０…燃料電池
８００…電動自転車（電動アシスト自転車）
８１０…モータ
８２０…制御回路
８３０…充電池
９００…ロボット
９１０…アーム
９２０…アーム
９３０…モータ

Claims (11)

1. 電磁コイルを有する電動モータを制御する駆動制御回路であって、
   外部から供給される供給電圧と前記電磁コイルとの間の接続をオン／オフするためのスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン／オフによって前記電磁コイルに前記供給電圧を断続的に供給するドライバ回路と、
   前記複数のスイッチング素子をオン／オフ制御するためのスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成回路と、
   前記供給電圧に応じた値を有する供給電圧指令値を前記スイッチング信号生成回路に供給する電圧設定部と、
   を備え、
   前記スイッチング信号生成回路は、前記供給電圧指令値に応じて前記スイッチング信号のパルス幅を調整することによって、前記電磁コイルに印加される実効電圧を調整する、駆動制御回路。
2. 請求項１記載の駆動制御回路であって、
   前記スイッチング信号生成回路は、前記供給電圧の値に拘わらず、前記電磁コイルに印加される実効電圧が所定の一定値になるように前記スイッチング信号のパルス幅を調整する、駆動制御回路。
3. 請求項１又は２記載の駆動制御回路であって、
   前記スイッチング信号生成回路は、
   周期的な波状の変化を示し、前記供給電圧の値に反比例した振幅を有する波形信号を生成する波形信号生成部と、
   前記波形信号を利用したＰＷＭ制御を実行して、前記波形信号の変化と同じ実効値変化を示す前記スイッチング信号を生成するＰＷＭ制御回路と、
   を含む、駆動制御回路。
4. 請求項３記載の駆動制御回路であって、
   前記波形信号生成部は、前記波形信号を、前記電動モータに設けられた磁気センサの出力のアナログ的変化と比例した変化を示すとともに、前記供給電圧の値に反比例した振幅を有する信号として生成する、駆動制御回路。
5. 請求項４記載の駆動制御回路であって、
   前記供給電圧指令値は、前記供給電圧の値に反比例した値を有し、
   前記波形信号生成部は、
   前記電動モータに設けられた磁気センサの出力を示すセンサ出力値と前記供給電圧指令値とを乗算することによって、前記波形信号を生成する乗算部を備える、駆動制御回路。
6. 請求項５記載の駆動制御回路であって、
   前記乗算部は、
   前記センサ出力値と、前記供給電圧指令値と、他の少なくとも１つの電圧指令値を乗算することによって前記波形信号を生成するための複数段の乗算器を有する、駆動制御回路。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の駆動制御回路であって、
   前記供給電圧設定部は、所定の複数の値の１つに前記供給電圧の値を指定可能に構成されている、駆動制御回路。
8. 請求項１ないし６のいずれかに記載の駆動制御回路であって、
   前記供給電圧設定部は、所定範囲の任意の値に前記供給電圧の値を指定可能に構成されている、駆動制御回路。
9. 電動モータであって、
   複数の電磁コイルを有するコイル列と、
   複数の永久磁石を有する磁石列と、
   請求項１ないし８のいずれかに記載の駆動制御回路と、
   を備える電動モータ。
10. 請求項９記載の電動モータと、
    前記電動モータによって駆動される被駆動部材と、
    を備える装置。
11. 請求項９記載の電動モータを備える移動体。

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