JP2012223065A - Motor position detector and motor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータの可動子の位置を検出するモータの位置検出装置及びそれを用いたモータに関する。 The present invention relates to a motor position detection device that detects the position of a mover of a motor and a motor using the same.
ブラシレスモータは、円筒状のステータと、このステータの内周または外周に対向して設けられ、回転軸を中心にステータに対して回転自在に設けられた円筒状のロータとで構成される。ロータには界磁用マグネットがその周方向に沿って配置されている。ステータのステータコアには巻線が巻回され、巻線に駆動電流を流すことにより発生する電磁界と、界磁用マグネットの磁界の作用でロータは回転する。また、ブラシレスモータでは、ロータの正確な回転制御をするためにロータの回転位置を検出する位置検出センサを備えている。 The brushless motor includes a cylindrical stator and a cylindrical rotor that is provided to face the inner periphery or outer periphery of the stator and is rotatably provided with respect to the stator around a rotation axis. A field magnet is disposed along the circumferential direction of the rotor. A winding is wound around the stator core of the stator, and the rotor is rotated by the action of an electromagnetic field generated by passing a driving current through the winding and a magnetic field of the field magnet. In addition, the brushless motor includes a position detection sensor that detects the rotational position of the rotor in order to accurately control the rotation of the rotor.
ところで、ブラシレスモータにおいて、位置検出センサに位置検出誤差が発生すると、ブラシレスモータの正確な回転制御ができなくなり効率が低下する。この位置検出センサは、ホール素子を使用するのが一般的であり、このホール素子から出力される検出信号(以下、「ホール信号」という)のゼロクロスを検出することによってロータの回転位置を検出している。この場合、ゼロクロス検出回路のチャタリングを防止するために、ゼロクロス検出回路にヒステリシス特性をもたせている。しかしながら、このヒステリシスの影響により、ホール信号のゼロクロス検出位置が本来のゼロクロス位置からずれるという問題が発生する。 By the way, in a brushless motor, when a position detection error occurs in the position detection sensor, accurate rotation control of the brushless motor cannot be performed and efficiency is lowered. This position detection sensor generally uses a Hall element, and detects the rotational position of the rotor by detecting the zero cross of the detection signal (hereinafter referred to as “Hall signal”) output from this Hall element. ing. In this case, in order to prevent chattering of the zero cross detection circuit, the zero cross detection circuit has a hysteresis characteristic. However, due to the influence of this hysteresis, there arises a problem that the zero-cross detection position of the Hall signal deviates from the original zero-cross position.
この問題に対応するために、従来は、界磁用マグネットとは別にホール素子が磁極変化を検出するためのセンサマグネットを設ける。そして、ヒステリシスで発生するゼロクロス検出位置のずれに相当する機械角だけセンサマグネットを界磁用マグネットに対してずらして配置し、これによってゼロクロス検出位置のずれを防止していた(例えば、特許文献1を参照)。 In order to cope with this problem, conventionally, a sensor magnet is provided for the Hall element to detect a magnetic pole change, separately from the field magnet. Then, the sensor magnet is shifted from the field magnet by a mechanical angle corresponding to the shift of the zero-cross detection position caused by hysteresis, thereby preventing the shift of the zero-cross detection position (for example, Patent Document 1). See).
ところで、上述したような従来の方法では、温度や素子ばらつき、ホール素子に供給される電圧、電流のばらつきなどによってホール信号の振幅が変化し、ゼロクロス位置のずれ量が変化する場合には対応が困難となる。 By the way, the conventional method as described above can cope with the case where the amplitude of the Hall signal changes due to temperature, element variation, voltage supplied to the Hall element, current variation, etc., and the deviation of the zero cross position changes. It becomes difficult.
図9及び図10は、従来のモータの位置検出装置の動作を説明するための図である。図9は、ホール信号Uの振幅が大きい場合を示し、図10は、ホール信号Uの振幅が小さい場合を示している。図9に示すように、ゼロクロス検出回路にはヒシテリシス特性をもたせるために、中心電圧0(V)の正側及び負側にそれぞれ閾値Th1及び閾値Th2が設定されている。従来のゼロクロス検出回路では、ホール信号Uが閾値Th1及び閾値Th2とクロスするタイミングで、位置検出信号Spの極性を変化させていた。したがって、ゼロクロス検出位置は、本来のゼロクロス位置の時刻T0より位置検出誤差Teだけ遅れた時刻T01となる。この位置検出誤差Teが常に一定であれば、ゼロクロス検出位置から位置検出誤差Teを差し引くことにより、この位置検出誤差を補正して正しいゼロクロス位置を得ることができる。 9 and 10 are diagrams for explaining the operation of a conventional motor position detection apparatus. FIG. 9 shows a case where the amplitude of the Hall signal U is large, and FIG. 10 shows a case where the amplitude of the Hall signal U is small. As shown in FIG. 9, the threshold value Th1 and the threshold value Th2 are set on the positive side and the negative side of the center voltage 0 (V), respectively, so that the zero-cross detection circuit has hysteresis characteristics. In the conventional zero cross detection circuit, the polarity of the position detection signal Sp is changed at the timing when the Hall signal U crosses the threshold Th1 and the threshold Th2. Therefore, the zero-cross detection position is a time T01 that is delayed by a position detection error Te from the original time T0 of the zero-cross position. If the position detection error Te is always constant, the position detection error Te can be corrected by subtracting the position detection error Te from the zero-cross detection position to obtain a correct zero-cross position.
しかしながらホール素子周辺の温度変化等によって、ホール信号Uの振幅が変化すると、この位置検出誤差Teが変化する。例えば、図10に示すように、ホール信号Uの振幅が小さくなった場合、ホール信号Uのゼロクロス点での正弦波信号の傾斜が小さくなるので、位置検出誤差Teは図9の場合と比較して大きくなる。このように、温度変化等によって、位置検出誤差Teの値が変化すると、この誤差の補正は困難となり、ブラシレスモータの正常な回転制御ができなくなるという課題があった。 However, when the amplitude of the Hall signal U changes due to a temperature change around the Hall element, the position detection error Te changes. For example, as shown in FIG. 10, when the amplitude of the Hall signal U becomes small, the slope of the sine wave signal at the zero cross point of the Hall signal U becomes small, so the position detection error Te is compared with the case of FIG. Become bigger. As described above, when the value of the position detection error Te changes due to a temperature change or the like, it is difficult to correct the error, and there is a problem that normal rotation control of the brushless motor cannot be performed.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、温度変化や素子のばらつきなどにより、ホール素子の検出信号が変化してもモータの可動子の位置を正確に検出することができるモータの位置検出装置及びそれを用いたモータを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and can accurately detect the position of the motor mover even if the detection signal of the Hall element changes due to temperature change, element variation, or the like. An object of the present invention is to provide a motor position detection device capable of performing the above and a motor using the same.
上記の目的を達成するために、本発明のモータの位置検出装置は、固定子と、固定子に対向して配置され、移動方向に沿って少なくとも1対のN極とS極の永久磁石が交互に複数個配置された可動子と、を備えたモータの位置検出装置であって、永久磁石からの磁界を検出して正弦波状の磁気検出信号を出力する磁気センサと、第1の閾値と、第1の閾値よりも小さい第2の閾値と、第1の閾値よりも大きい第3の閾値を備え、磁気検出信号を閾値と比較して可動子の位置を示す位置検出信号を出力するゼロクロス検出回路と、を備え、ゼロクロス検出回路は、第1の閾値が設定された状態で、磁気検出信号が増加し第1の閾値とクロスするタイミングで閾値を第2の閾値に切り替えた後に、所定のタイミングで第1の閾値に復帰させ、磁気検出信号が減少し第1の閾値とクロスするタイミングで閾値を第3の閾値に切り替えた後に、所定のタイミングで第1の閾値に復帰させることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a motor position detection device according to the present invention includes a stator and a stator arranged opposite to the stator, and at least one pair of N-pole and S-pole permanent magnets along the moving direction. A motor position detection device including a plurality of movable elements arranged alternately, a magnetic sensor that detects a magnetic field from a permanent magnet and outputs a sine wave-shaped magnetic detection signal, and a first threshold value A zero cross that includes a second threshold value smaller than the first threshold value and a third threshold value greater than the first threshold value, and outputs a position detection signal indicating the position of the mover by comparing the magnetic detection signal with the threshold value. A zero-cross detection circuit, wherein the first threshold value is set, the magnetic detection signal increases, and the threshold value is switched to the second threshold value at the timing when the first threshold value is crossed. To return to the first threshold at the timing of The threshold at the timing when the output signal crosses the first threshold value decreases after switching to the third threshold value, characterized in that to return to the first threshold value at a predetermined timing.
これにより、可動子の位置の検出を磁気検出信号のゼロクロスタイミングで行うことができるとともに、ゼロクロス検出回路の閾値にヒステリシス特性を持たせてチャタリングの発生を防止できる。これにより、可動子の正確な位置を検出し、可動子の位置制御の精度を上げることができ、モータの高効率を維持することができる。 Accordingly, the position of the mover can be detected at the zero cross timing of the magnetic detection signal, and the threshold value of the zero cross detection circuit can be provided with a hysteresis characteristic to prevent chattering. Thereby, the exact position of the mover can be detected, the position control accuracy of the mover can be increased, and the high efficiency of the motor can be maintained.
また、本発明のモータの位置検出装置は、モータは回転型の3相モータであり、閾値を第1の閾値に復帰させる所定のタイミングは、他相の磁気検出信号が第1の閾値とクロスするタイミングとしてもよい。 In the motor position detection apparatus of the present invention, the motor is a rotary three-phase motor, and the predetermined timing for returning the threshold value to the first threshold value is that the other-phase magnetic detection signal crosses the first threshold value. It is good also as a timing to do.
これにより、第1の閾値への復帰を他相の磁気検出信号のゼロクロスタイミングで行うので、ロータの回転数や回転方向が変化しても確実に閾値を第1の閾値に復帰することが可能となり、ロータの回転位置を確実に検出することができる。また、閾値を第1の閾値に復帰させるための特別なタイミング信号を作成する必要がないので、回路構成を簡単にできる。 As a result, since the return to the first threshold is performed at the zero cross timing of the magnetic detection signal of the other phase, the threshold can be reliably returned to the first threshold even if the rotation speed or the rotation direction of the rotor changes. Thus, the rotational position of the rotor can be reliably detected. In addition, since it is not necessary to create a special timing signal for returning the threshold value to the first threshold value, the circuit configuration can be simplified.
また、本発明のモータの位置検出装置は、閾値を第1の閾値に復帰させる所定のタイミングは、磁気検出信号が第1の閾値とクロスするタイミングより、予め設定された所定時間遅れたタイミングとしてもよい。 In the motor position detection apparatus of the present invention, the predetermined timing for returning the threshold value to the first threshold is a timing that is delayed by a predetermined time from the timing at which the magnetic detection signal crosses the first threshold. Also good.
これにより、閾値の第1の閾値への復帰をゼロクロス検出時点から予め設定した所定時間後に行うので、回転型の3相モータの場合でも、他相の磁気検出信号は不要であり、磁気センサが1個の場合にも適用可能である。また、ロータの回転方向が変化するような場合でも特別な制御が不要である。 As a result, the threshold value is returned to the first threshold value after a predetermined time set in advance from the time of zero cross detection, so that even in the case of a rotary three-phase motor, the magnetic detection signal of the other phase is unnecessary, and the magnetic sensor The present invention can also be applied to a single case. Even when the rotation direction of the rotor changes, no special control is required.
また、本発明のモータの位置検出装置は、閾値を第1の閾値に復帰させる所定のタイミングは、磁気検出信号が増加している場合には、第3の閾値とクロスするタイミングであり、磁気検出信号が減少している場合には、第2の閾値とクロスするタイミングとしてもよい。 In the motor position detection apparatus according to the present invention, the predetermined timing for returning the threshold value to the first threshold value is a timing that crosses the third threshold value when the magnetic detection signal is increased. When the detection signal is decreasing, it may be the timing when it crosses the second threshold.
これにより、閾値の第1の閾値への復帰を磁気検出信号が第2の閾値または第3の閾値とクロスするタイミングで行うので、回転型の3相モータの場合でも、他相の磁気検出信号は不要であり、磁気センサが1個の場合にも適用可能である。また、ロータの回転方向が変化するような場合でも特別な制御が不要である。さらに、閾値を第1の閾値へ復帰させるための特別な回路が一切不要であり、回路を簡単化できコストを下げることができる。 Thus, the return of the threshold value to the first threshold value is performed at the timing when the magnetic detection signal crosses the second threshold value or the third threshold value, so that the magnetic detection signal of the other phase can be obtained even in the case of a rotary three-phase motor. Is unnecessary, and can be applied to the case where there is one magnetic sensor. Even when the rotation direction of the rotor changes, no special control is required. Further, no special circuit for returning the threshold value to the first threshold value is required, and the circuit can be simplified and the cost can be reduced.
本発明のモータは、上記モータの位置検出装置のいずれかを備えたことを特徴とする。 A motor according to the present invention includes any one of the above-described motor position detection devices.
本発明によれば、温度変化や素子のばらつきなどにより、ホール素子の検出信号が変化してもモータの可動子の位置を正確に検出することができるモータの位置検出装置及びそれを用いたモータを提供することができる。 According to the present invention, a motor position detecting device capable of accurately detecting the position of a motor mover even if a detection signal of a Hall element changes due to temperature change, element variation, or the like, and a motor using the same Can be provided.
以下に、本発明の実施の形態のモータの位置検出装置について、図面を参照しながら説明する。 A motor position detection apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるブラシレスモータ10の断面を示す図である。本実施の形態では、モータとして、可動子としてのロータが固定子としてのステータの内周側に回転自在に配置されたインナロータ型のブラシレスモータの例を挙げて説明する。図1に示すように、ブラシレスモータ10は、ステータ11、ロータ12、回路基板13及びモータケース14を備えている。モータケース14は密封された円筒形状の金属で形成されており、ブラシレスモータ10は、このようなモータケース14内にステータ11、ロータ12及び回路基板13を収納した構成である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a
図1において、ステータ11は、ステータ鉄心15に相ごとの巻線16を巻回して構成される。本実施の形態では、互いに120度位相が異なるU相、V相、W相とする3つの相に区分した巻線16をステータ鉄心15に巻回した一例を挙げて説明する。ステータ鉄心15は、内周側に突出した複数の突極を有している。また、ステータ鉄心15の外周側は概略円筒形状である。
In FIG. 1, the
ステータ11の内側には、空隙を介してロータ12が挿入されている。ロータ12は、ロータフレーム17の外周に円筒形状の永久磁石18を保持し、軸受19で支持された回転軸20を中心に回転自在に配置される。すなわち、ステータ鉄心15の突極の先端面と永久磁石18の外周面とが対向するように配置されている。
A
さらに、このブラシレスモータ10には、各種の回路部品31を実装した回路基板13がモータケース14の内部に内蔵されている。これら回路部品31によって、モータを制御や駆動するための駆動制御回路が構成される。また、回路基板13には、ロータ12の回転位置を検出するために、磁気センサとしてのホール素子38も実装されている。ステータ鉄心15には支持部材21が装着されており、回路基板13は、この支持部材21を介してモータケース14内に固定される。そして、U相、V相、W相それぞれの巻線16の端部が引出線16aとしてステータ11から引き出されており、回路基板13にそれぞれの引出線16aが接続されている。
Further, in the
図2及び図3は、本実施の形態におけるブラシレスモータ10のモータケース14の内部を上面から示した図である。なお、図2及び図3では、巻線16を巻回していない状態でのステータ鉄心15を示している。また、図2は、ステータ鉄心15と永久磁石18との配置関係を示し、図3は、ステータ鉄心15とホール素子38との配置関係を示している。
2 and 3 are views showing the inside of the
まず、図2に示すように、ステータ鉄心15は、環状のヨーク15aと、突極としてのそれぞれのティース15bとで構成されている。本実施の形態では、突極数を12極とした12個のティース15bを有する一例を挙げている。このようなステータ鉄心15の外周が、モータケース14の内面に固着される。また、ティース15bのそれぞれは、内周側へと延伸して突出するとともに、ティース15b間の空間であるスロットを形成しながら周方向に等間隔で配置されている。また、ティース15bは、それぞれU相、V相、W相のいずれかに順番に対応づけられている。そして、U相のティース15bにはU相の巻線16が巻回され、V相のティース15bにはV相の巻線16が巻回され、W相のティース15bにはW相の巻線16が巻回される。
First, as shown in FIG. 2, the
また、このような12個のティース15bの先端部と対面して、内周側にロータ12が配置される。ロータ12が保持する永久磁石18は、少なくとも一対のS極とN極とが交互に配置されるように、可動子の移動方向(回転方向)である周方向に等間隔で着磁されている。本実施の形態の永久磁石18は、図2に示すように、S極とN極とを一対として4対、すなわち、周方向に磁極数が8極となるように着磁されている。以上のように、ブラシレスモータ10は、8極12スロットの構成である。
Further, the
次に、図3に示すように、回路基板13上には、各種の回路部品31とともに、ホール素子38U、38V、38Wとする3つのホール素子38が実装されている。ホール素子38U、38V、38Wは、円筒形状の永久磁石18の一端面に対向するように、回路基板13上に配置されている。また、回路基板13上において、ホール素子38U、38V、38Wはそれぞれに、U相、V相、W相に対応するティース15bの延伸方向側に配置される。これにより、ホール素子38U、38V、38Wは、それぞれU相、V相、W相に対応して永久磁石18の磁極を検出する。
Next, as shown in FIG. 3, three
なお、本実施の形態のように8極12スロットの構成とした場合、詳細な説明は省略するが、ホール素子38U、38V、38Wを、それぞれ機械角での120度間隔で配置することにより、ホール素子38U、38V、38Wからは、それぞれ電気角で120度の位相が異なるU相、V相、W相の位置検出信号を得ることができる。すなわち、図3に示すように、u軸上に沿ってホール素子38UをU相のティース15bに対向させ、v軸上に沿ってホール素子38VをV相のティース15bに対向させ、w軸上に沿ってホール素子38WをW相のティース15bに対向させて配置する。これによって、図2を参照すれば分かるように、ホール素子38U、38V、38Wは、永久磁石18の磁極に対して、電気角で120度ごとにずれるように配置されるため、ホール素子38U、38V、38WからU相、V相、W相の回転位置が検出できる。
In addition, when it is set as the structure of 8
以上のように構成されたブラシレスモータ10に対して、外部から電源電圧や制御信号を供給することにより、回路基板13の制御回路や駆動回路によって巻線16に駆動電流が流れ、ステータ鉄心15から磁界が発生する。そして、ステータ鉄心15からの磁界と永久磁石18からの磁界とにより、それら磁界の極性に応じて吸引力及び反発力が生じ、これらの力によって回転軸20を中心にロータ12が回転する。
By supplying a power supply voltage and a control signal from the outside to the
次に、回路基板13上に実装されたホール素子38や回路部品31により構成された駆動制御回路について説明する。
Next, a drive control circuit constituted by the
図4は、本実施の形態におけるブラシレスモータ10の駆動制御回路40の構成を示すブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the
駆動制御回路40は、3つのホール素子38とともに、回転制御部41、駆動波形生成部42、PWM回路43、インバータ44、位置データ生成部45、位相制御部46、ゼロクロス検出回路50を備える。ここで、3つのホール素子38とゼロクロス検出回路50でモータの位置検出装置としてのモータロータ位置検出装置60を構成している。駆動制御回路40には、例えば外部の上位器などから、回転速度や回転位置などを指令する回転指令データDrが通知される。
The
回転指令データDrは、回転制御部41に通知される。また、回転制御部41には、位置データ生成部45で生成された検出位置データDpが通知される。検出位置データDpは、基本的にはロータ12の回転位置を検出することにより求めたデータである。
The rotation command data Dr is notified to the
ホール素子38は回転する永久磁石18の磁極変化を検出し、検出信号はゼロクロス検出回路50に入力され、ゼロクロス検出回路50で生成された回転位置検出信号Spu、Spv、Spwは位置データ生成部45及び位相制御部46に供給される。位置データ生成部45は回転位置検出信号Spから回転位置データDpを生成する。ゼロクロス検出回路50の詳細な動作については後ほど説明する。
The
回転制御部41は、回転指令データDrと検出位置データDpとに基づき、巻線16への駆動量を示す回転制御データDdを生成する。
The
具体的には、ブラシレスモータ10を速度制御する場合、回転制御部41は、速度指令を示す回転指令データDrと、検出位置データDpから微分演算などにより算出した検出速度データとの速度偏差を求める。そして、回転制御部41は、速度指令に従った実速度となるように、速度偏差に応じたトルク量を示す回転制御データDdを生成する。また、ブラシレスモータ10を位置制御する場合には、回転制御部41は、位置指令を示す回転指令データDrと検出位置データDpとの位置偏差を求め、位置指令に従った位置となるように、位置偏差に応じたトルク量を示す回転制御データDdを生成する。回転制御部41は、このような回転制御データDdを駆動波形生成部42に供給する。
Specifically, when speed control of the
駆動波形生成部42は、巻線16を駆動するための波形信号Wdを相ごとに生成し、生成した波形信号WdをPWM回路43に供給する。巻線16を正弦波駆動する場合には波形信号Wdは正弦波信号であり、巻線16を矩形波駆動する場合には波形信号Wdは矩形波信号である。また、波形信号Wdの振幅は、回転制御データDdに応じて決定される。そして、波形信号WdをPWM回路43に供給するタイミングは、波形信号Wdに基づいて巻線16を駆動する基準タイミングとなり、この基準タイミングは、位相制御部46からの位相制御データDtpに応じて決定される。
The
PWM(Pulse Width Modulation)回路43は、駆動波形生成部42から相ごとに供給された波形信号Wdを変調信号として、それぞれにパルス幅変調を行う。PWM回路43は、このように波形信号Wdでパルス幅変調したパルス列の信号である駆動パルス信号Pdを、インバータ44に供給する。
A PWM (Pulse Width Modulation)
インバータ44は、駆動パルス信号Pdに基づいて、相ごとに巻線16への通電を行い、巻線16を駆動する。インバータ44は、電源の正極側に接続されたスイッチ素子と負極側に接続されたスイッチ素子とを、U相、V相、W相それぞれに備えている。また、正極側と負極側との両スイッチ素子の反電源側は互いに接続されており、この接続部がインバータ44から巻線16を駆動する駆動出力端部4dとなる。U相の駆動出力端部4duは巻線16Uに、V相の駆動出力端部4dvは巻線16Vに、そして、W相の駆動出力端部4dwは巻線16Wに、それぞれ引出線16aを介して接続される。そして、それぞれの相において、駆動パルス信号Pdによりスイッチ素子がオンオフされると、電源からオンのスイッチ素子を介し、駆動出力端部4dから巻線16に駆動電流が流れる。ここで、駆動パルス信号Pdは波形信号Wdをパルス幅変調した信号であるため、各スイッチ素子がこのようにオンオフされることにより、波形信号Wdに応じた駆動電流でそれぞれの巻線16が通電される。
The
以上のような構成により、回転指令データDrに従ってロータ12の回転速度や回転位置を制御するフィードバック制御ループが形成され、ブラシレスモータ10は、ホール素子38及びゼロクロス検出回路50により構成されたモータロータ位置検出装置60からの位置検出信号Spにより回転駆動される。
With the above-described configuration, a feedback control loop for controlling the rotation speed and rotation position of the
次に、本実施の形態のモータロータ位置検出装置60の動作を詳細に説明する。図5は、本実施の形態のモータロータ位置検出装置60の構成を示す図である。図5では、説明の簡略化のために、ロータ12の外周に沿って配置された永久磁石18は4極とし、永久磁石18に対向して磁気センサとしての3つのホール素子38U、38V、38Wがそれぞれ電気角120度の位置に配置されているとして説明する。ホール素子38U、38V、38Wからは、電気角120度の位相差を有する正弦波形の磁気検出信号としてのホール信号が出力される。ホール信号は正相及び逆相の2相の信号から構成されている。そして、ホール素子38U、38V、38Wからのホール信号はそれぞれゼロクロス検出回路50U、50V、50Wに入力されて、位置検出信号Spu、Spv、Spwが出力される。ゼロクロス検出回路50U、50V、50Wには、チャタリングを防止するためにヒステリシス特性を持たせている。ホール素子38U、38V、38Wは同じ位置検出動作をするので、ホール素子38Uを例にモータロータ位置検出装置60の動作を説明する。
Next, the operation of the motor rotor
図6は、本発明の実施の形態1におけるモータロータ位置検出装置60の位置検出動作を説明する図である。図6において、(a)はホール信号Uの信号波形、(b)はゼロクロス検出回路50Uの閾値の時間変化、(c)はゼロクロス検出回路50Uから出力される位置検出信号Spuを示している。図5において、ロータ12が1回転すると、ホール素子38Uは永久磁石18からN極→S極→N極→S極の順で磁界を検出し、図6に示すように2周期分の正弦波形のホール信号U(U=(U+)−(U−))が発生する。ゼロクロス検出回路50Uには、第1の閾値Th0、第1の閾値より小さい第2の閾値Th1、及び第1の閾値よりも大きい第3の閾値Th2が設定されている。第1の閾値Th0は任意の電圧に設定することが可能であるが、ここでは説明を簡単にするために閾値Th0は0(V)として以下説明する。閾値Th1及び閾値Th2は、ホール信号Uに重畳するノイズの最大振幅よりも大きくなるように設定するのが望ましい。これは、ゼロクロス検出回路のチャタリングを確実に防止するためである。まず、ゼロクロス検出回路50Uの閾値Thを0(V)に設定する。ロータ12が回転してホール素子38Uの検出点をN極18dからS極18aが通過し、ホール信号Uの振幅が正弦波の負のピークから増加してゼロクロスするタイミング(時刻T0)において、位置検出信号SpuはL(ローレベル)からH(ハイレベル)へ変化する。それと同時に、閾値Thを負側の閾値Th1に切り替える。このとき、ホール信号Uの振幅は増加する方向に変化しているために、ノイズが重畳していても閾値Th1を下回ることがなく、チャタリングは発生しない。その後、U相よりも120度進んだW相のホール信号Wが、時刻T0後の最初にゼロクロスする時刻T0wで閾値Thを0(V)に復帰させる。時刻T0wは、時刻T0よりも電気角で60度に相当する時間だけ遅れた時刻である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a position detection operation of the motor rotor
次に、ホール素子38Uの検出点がS極18aからN極18bが通過し、ホール信号Uの振幅が正弦波の正のピークから減少してゼロクロスするタイミング(時刻T1)において、位置検出信号SpuはHからLへ変化する。それと同時にゼロクロス検出回路50Uの閾値Thを今度は正側の閾値Th2に切り替える。このとき、ホール信号Uの振幅は減少する方向に変化しているために、ノイズが重畳していても閾値Th2を上回ることがなく、チャタリングは発生しない。その後、W相のホール信号Wがゼロクロスするタイミング(時刻T1w)で閾値Thを0(V)に復帰させる。時刻T1wは、時刻T1よりも電気角で60度に相当する時間だけ遅れた時刻である。以後、この動作を繰り返す。閾値Thを0(V)に復帰させるタイミングはU相よりも120度遅れたV相のホール信号Vがゼロクロスする時刻T0v、T1vでもよいが、ロータ12の回転数や回転方向が切り替わった場合にできるだけ早く変化に追従させるためにはW相を使うのが好ましい。
Next, at the timing (time T1) at which the detection point of the
このように、本実施の形態のモータロータ位置検出装置60によれば、ロータ12の回転位置の検出をホール信号Uのゼロクロスタイミングで行うことができるとともに、ゼロクロス検出回路50の閾値にヒステリシス特性を持たせてチャタリングの発生を防止できる。これにより、ロータ12の正確な回転位置を検出し、ロータ12の回転制御の精度を上げることができ、ブラシレスモータ10の高効率を維持することができる。また、閾値Thの0(V)への復帰を他相のホール信号のゼロクロスタイミングで行うので、ロータ12の回転数や回転方向が変化しても確実に閾値Thを0(V)に復帰することが可能となり、ロータ12の回転位置を確実に検出することができる。また、閾値Thを0(V)に復帰させるための特別なタイミング信号を作成する必要がないので、回路構成を簡単にできる。
As described above, according to the motor rotor
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2のモータロータ位置検出装置60について図7を用いて説明する。本実施の形態が実施の形態1と異なる点は、閾値Thを0(V)へ復帰させるためのタイミング生成方法のみであり、その他は実施の形態1と同様のため重複する部分の説明は省略する。
(Embodiment 2)
Next, the motor rotor
図7は、本発明の実施の形態2におけるモータロータ位置検出装置60の位置検出動作を説明する図である。図7に示すように、本実施の形態においては、まずゼロクロス検出回路50Uの閾値Thは0(V)に設定する。ホール信号Uの振幅が正弦波の負のピークから増加してゼロクロスするタイミング(時刻T0)において、閾値Thを負側の閾値Th1に切り替える。このとき、ホール信号Uの振幅は増加する方向に変化しているために、ノイズが重畳していても閾値Th1を下回ることがなく、チャタリングは発生しない。その後、時刻T02で閾値Thを0(V)に復帰させる。時刻T02は、時刻T0から予め設定した所定時間tqだけ遅れた時刻である。そして、この所定時間tqは、時刻T0からホール信号Uが正側の閾値Th2とクロスする時刻T01までの時間tpよりも長く、ホール信号Uの周期の1/2以下に設定するのが望ましい。このように設定することにより、閾値Thの0(V)への復帰後、確実にチャタリングを防止することができる。また、時間tpはロータ12の回転数により変化するので、ロータ12の回転数に連動してtq>tpの関係を満たすようにtqを変化させるのが望ましい。これは、回転数(回転周期)と所定時間tqの対応テーブルを予め用意しておき、回転数が変化したときには、このテーブルを参照して所定時間tqを決定してもよい。また、ホール信号Uの振幅の変化によっても、時間tpが変化するので、この振幅に応じて所定時間tpを補正するようにしてもよい。
FIG. 7 is a diagram for explaining the position detection operation of the motor rotor
次にホール信号Uの振幅が正弦波の正のピークから減少してゼロクロスするタイミング(時刻T1)において、ゼロクロス検出回路50Uの閾値Thを今度は正側の閾値Th2に切り替える。このとき、ホール信号Uの振幅は減少する方向に変化しているために、ノイズが重畳していても閾値Th2を上回ることがなく、チャタリングは発生しない。その後、時刻T12で閾値Thを0(V)に復帰させる。時刻T12は、時刻T1から予め設定した所定時間tqだけ遅れた時刻である。
Next, at the timing (time T1) when the amplitude of the Hall signal U decreases from the positive peak of the sine wave and zero-crosses (time T1), the threshold value Th of the zero-
このように、本実施の形態のモータロータ位置検出装置60によれば、ロータ12の回転位置の検出をホール信号Uのゼロクロスタイミングで行うことができるとともに、ゼロクロス検出回路50の閾値にヒステリシス特性を持たせてチャタリングの発生を防止できる。これにより、ロータ12の正確な回転位置を検出し、ロータ12の回転制御の精度を上げることができ、ブラシレスモータ10の高効率を維持することができる。また、閾値Thの0(V)への復帰をゼロクロス検出時点から予め設定した所定時間後に行うので、他相のホール信号は不要であり、ホール素子が1個の場合にも適用可能である。また、ロータ12の回転方向が変化するような場合でも特別な制御が不要である。
As described above, according to the motor rotor
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3のモータロータ位置検出装置60について図8を用いて説明する。本実施の形態が実施の形態1と異なる点は、閾値Thを0(V)へ復帰するためのタイミングの作成方法のみであり、その他は実施の形態1と同じであるので重複する部分の説明は省略する。
(Embodiment 3)
Next, a motor rotor
図8は、本発明の実施の形態3におけるモータロータ位置検出装置60の位置検出動作を説明する図である。図8に示すように、本実施の形態においては、まずゼロクロス検出回路50Uの閾値Thは0(V)に設定する。ホール信号Uの振幅が正弦波の負のピークから増加してゼロクロスするタイミング(時刻T0)において、閾値Thを負側の閾値Th1に切り替える。このとき、ホール信号Uの振幅は増加する方向に変化しているために、ノイズが重畳していても閾値Th1を下回ることがなく、チャタリングは発生しない。その後、時刻T01で閾値Thを0(V)に復帰させる。時刻T01は、ホール信号Uが正側の閾値Th2とクロスする時刻であり、その後ホール信号Uは閾値Th2よりも大きくなるので、閾値Thの0(V)への復帰後、確実にチャタリングを防止することができる。
FIG. 8 is a diagram for explaining the position detection operation of the motor rotor
次にホール信号Uの振幅が正弦波の正のピークから減少してゼロクロスするタイミング(時刻T1)において、ゼロクロス検出回路50Uの閾値Thを今度は正側の閾値Th2に切り替える。このとき、ホール信号Uの振幅は減少する方向に変化しているために、ノイズが重畳していても閾値Th2を上回ることがなく、チャタリングは発生しない。その後、時刻T11で閾値Thを0(V)に復帰させる。時刻T11は、ホール信号Uが負側の閾値Th1とクロスする時刻であり、その後ホール信号Uは閾値Th1よりも小さくなるので、閾値Thの0Vへの復帰後、確実にチャタリングを防止することができる。
Next, at the timing (time T1) when the amplitude of the Hall signal U decreases from the positive peak of the sine wave and zero-crosses (time T1), the threshold value Th of the zero-
このように、本実施の形態のモータロータ位置検出装置60によれば、ロータ12の回転位置の検出をホール信号Uのゼロクロスタイミングで行うことができるとともに、ゼロクロス検出回路50の閾値にヒステリシス特性を持たせてチャタリングの発生を防止できる。これにより、ロータ12の正確な回転位置を検出し、ロータ12の回転制御の精度を上げることができ、ブラシレスモータ10の高効率を維持することができる。また、閾値Thの0(V)への復帰を正側の閾値Th2または負側の閾値Th1で行うので、他相のホール信号は不要であり、ホール素子が1個の場合にも適用可能である。また、ロータ12の回転方向が変化するような場合でも特別な制御が不要である。さらに、閾値を0(V)へ復帰させるための特別な回路が一切不要であり、回路を簡単化できコストを下げることができる。
As described above, according to the motor rotor
以上説明したように、本発明のモータの位置検出装置によれば、位置検出をホール信号のゼロクロスタイミングを使うことができ、合わせて閾値にヒステリシス特性を持たせてチャタリングの発生を防止できる。これにより、ロータの正確な回転位置を検出し、ロータの回転制御の精度を上げることができるので、モータの高効率を維持できる。また、特に高温時の効率変化を抑制でき、モータ特性の向上が見込める。さらに、ホール信号の出力振幅への配慮を緩和できるので、ホール素子電流低減、周辺回路の電流能力低減、界磁用の永久磁石との距離の条件の緩和も可能である。 As described above, according to the motor position detection apparatus of the present invention, the zero detection timing of the Hall signal can be used for position detection, and the occurrence of chattering can be prevented by providing the threshold with hysteresis characteristics. As a result, the accurate rotational position of the rotor can be detected and the accuracy of the rotor rotation control can be increased, so that high efficiency of the motor can be maintained. In addition, it is possible to suppress changes in efficiency especially at high temperatures, and to improve motor characteristics. Furthermore, since consideration for the output amplitude of the Hall signal can be relaxed, the Hall element current can be reduced, the current capability of the peripheral circuit can be reduced, and the distance conditions with the field permanent magnet can be relaxed.
なお、上記実施の形態では、ゼロクロス検出回路50の中心閾値を0(V)として説明したが、中心閾値は任意の電圧でよい。閾値Th1及び閾値Th2は中心閾値の上下に略同じ電圧差で設定すればよい。
In the above embodiment, the center threshold value of the zero-
また、上記実施の形態1〜3で説明した3つの方法を組み合わせて、閾値Thを0(V)に復帰するタイミングで最も早いタイミングを使って、閾値を0(V)に復帰させてもよい。 In addition, the three methods described in the first to third embodiments may be combined, and the threshold may be returned to 0 (V) using the earliest timing at which the threshold Th is returned to 0 (V). .
また、上記実施の形態では、ホール素子38はロータ12に配置された界磁用の永久磁石の磁界を検出するとしたが、回転位置の検出用に別な磁石(サブマグネット)を配置してもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施の形態では、8極12スロットのロータを備えたブラシレスモータを例に説明したが、本発明はこの構造に限定されるものではない。また、本発明は、可動子が回転する回転型モータのロータの回転位置検出のみならず、可動子が直線運動をするリニアモータの可動子の位置検出にも適用可能である。 In the above-described embodiment, the brushless motor including the 8-pole 12-slot rotor has been described as an example. However, the present invention is not limited to this structure. The present invention can be applied not only to detecting the rotational position of the rotor of a rotary motor in which the mover rotates, but also to detecting the position of the mover of a linear motor in which the mover moves linearly.
また、上記実施の形態3では、閾値を第1の閾値Th0へ復帰させるタイミングをホール信号Uが第2の閾値Th1及び第3の閾値Th2とクロスするタイミングとしたが、第2及び第3の閾値に代えて新たな第4及び第5の閾値を設定してもよい。 In the third embodiment, the timing at which the threshold is returned to the first threshold Th0 is the timing at which the Hall signal U crosses the second threshold Th1 and the third threshold Th2, but the second and third Instead of the threshold value, new fourth and fifth threshold values may be set.
本発明のモータの位置検出装置及びそれを用いたモータは、温度や素子ばらつきによりホール素子の検出信号の振幅が変化した場合でも、ロータの回転位置を正確に検出することができるので、家電製品や電装品など、高出力で高効率が要求されるモータに広く適用可能である。 The motor position detection device of the present invention and the motor using the motor can accurately detect the rotational position of the rotor even when the amplitude of the detection signal of the Hall element changes due to temperature and element variations. It can be widely applied to motors that require high output and high efficiency, such as electronic components.
4d 駆動出力端部
10 ブラシレスモータ
11 ステータ
12 ロータ
13 回路基板
14 モータケース
15 ステータ鉄心
15a ヨーク
15b ティース
16,16U,16V,16W 巻線
16a 引出線
17 ロータフレーム
18 永久磁石
19 軸受
20 回転軸
21 支持部材
31 回路部品
38,38U,38V,38W ホール素子
40 駆動制御回路
41 回転制御部
42 駆動波形生成部
43 PWM回路
44 インバータ
45 位置データ生成部
46 位相制御部
50,50U,50V,50W ゼロクロス検出回路
60 モータロータ位置検出装置
4d
Claims (5)
前記固定子に対向して配置され、移動方向に沿ってすくなくとも一対のN極とS極の永久磁石が交互に配置された可動子と、を備えたモータの位置検出装置であって、
前記永久磁石からの磁界を検出して正弦波状の磁気検出信号を出力する磁気センサと、
第1の閾値と、前記第1の閾値よりも小さい第2の閾値と、前記第1の閾値よりも大きい第3の閾値を備え、前記磁気検出信号を前記閾値と比較して前記可動子の位置を示す位置検出信号を出力するゼロクロス検出回路と、を備え、
前記ゼロクロス検出回路は、前記第1の閾値が設定された状態で、前記磁気検出信号が増加し前記第1の閾値とクロスするタイミングで前記閾値を前記第2の閾値に切り替えた後に、所定のタイミングで前記第1の閾値に復帰させ、
前記磁気検出信号が減少し前記第1の閾値とクロスするタイミングで前記閾値を前記第3の閾値に切り替えた後に、所定のタイミングで前記第1の閾値に復帰させることを特徴とするモータの位置検出装置。 A stator,
A motor position detection device comprising: a mover arranged opposite to the stator and having at least a pair of N-pole and S-pole permanent magnets arranged alternately along the moving direction;
A magnetic sensor for detecting a magnetic field from the permanent magnet and outputting a sinusoidal magnetic detection signal;
A first threshold value; a second threshold value that is smaller than the first threshold value; and a third threshold value that is greater than the first threshold value, the magnetic detection signal being compared with the threshold value, A zero-cross detection circuit that outputs a position detection signal indicating the position,
The zero cross detection circuit switches the threshold to the second threshold at a timing when the magnetic detection signal increases and crosses the first threshold in a state where the first threshold is set. Return to the first threshold at the timing,
A motor position, wherein the threshold value is returned to the first threshold value at a predetermined timing after the threshold value is switched to the third threshold value at a timing when the magnetic detection signal decreases and crosses the first threshold value. Detection device.
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2011
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