JP2016208751A - 単相モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単相モータは構造が比較的簡単であるが静止時に所定の回転方向への始動方法に工夫が必要である。構造を複雑にする 追加部品としてのホールＩＣを使わず、上記の問題を解決した単相モータの制御システムが望まれる。
【解決手段】単相モータ駆動装置の駆動出力端子（Ｍ１，Ｍ２）の両端電位をコンパレータ（１１）で２値信号化し、前記２値信号から、回転中ロータが角度０°および角度１８０°を通過した事を示す信号を抽出し、それらの信号をフェーズ・ロックド・ループ（１３）に供給し、ロータの現在位置情報（θ）および角速度情報（ω）を実時間で生成し、前記θ情報から、ロータの角度０°および角度１８０°通過信号を抽出するタイミング情報と同前記θおよびω情報から、コイル駆動出力（Ｍ１，Ｍ２）の駆動タイミング、駆動強度、駆動期間を制御する事により、センサレス単相モータ駆動装置を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単相永久磁石モータを矩形波交流で駆動する駆動回路および始動方式に関するものである。

永久磁石型単相モータは原理的に死点を持つがステータの形状を変形する事で死点を無くす事が出来る。しかしながら、ステータコイルの極性とロータ磁極の極性は二者択一であり、静止時のロータの位置角度は電気角では０度と１８０度の２種類が存在する。

前記の静止状態に対し、任意方向の励磁を行った場合、ロータ位置角度（０度もしくは１８０度）に対応して、磁極同士の吸引もしくは反発が発生し、初期のロータ回転方向は励磁直前のロータ位置に対応し、それらは反対方向となる。

前記の様に単相モータは静止時ロータ位置が二通りあり、指定方向への回転を始動するには工夫が必要である。 静止時ロータ位置検出にもホールＩＣが使えるが、単相モータでは隣接するステータ磁極の中央に取り付ける回転制御用のホールＩＣが使われるがこのホールＩＣに対し、ロータ磁極もその隣接する磁極の境界が前記ホールＩＣに対向する為、静止時ロータ位置の二通りを識別する事は事実上出来ない。

単相モータ自身とその制御系を簡素化する為にホールＩＣを使わない単相モータの制御回路が望まれている。

特許第5469730号 特許第5046826号

特開2007-116858

特許文献１はホールＩＣを使用し、直接的にロータ位置角度を得る方式であるが、ホールＩＣ取り付け位置の電気的、機械的制約から、前記ロータ位置０°、１８０°問題の解決の手法を示している。本発明ではホールＩＣを使用せずにモータおよび制御回路の構造を簡単化する事を課題のひとつにしている。

特許文献２はホールＩＣを使用せずにロータの回転に拠って生じる誘起電圧および誘起電圧の影響によって変動する駆動電流および駆動電流ＯＦＦ時の誘起電圧を観測するなどして、単相モータを制御している。

周知の様にロータが回転するとコイルの両端には誘起電圧が発生する。ロータが回転する事でロータの着磁パターンに沿って磁束密度が変化するが、その誘起電圧は前記磁束密度変化を微分した値に比例する。 その磁束密度は各ステータ磁極（０°と１８０°に位置すると定義）の中心にロータ磁極の磁極中心が位置したとき、Ｎ極もしくはＳ極の最大値となり、単調増加から、単調減少（あるいは単調減少から、単調増加）へと切り替わる為、０°と１８０°の位置で誘起電圧の極性は反転する。反転後、磁束密度は単調に減少（あるいは単調に増加）し、ロータ磁極がステータ磁極と直交したときに磁束密度はゼロになり、さらに回転し、０°の位置で、今度はＳ極もしくはＮ極の最大値となり、０°通過時に誘起電圧は再度反転する。

前記の様に誘起電圧波形はロータ磁石の着磁パターンを回転角パラメータで微分した波形となる。また振幅に関しては回転数に比例する。 一方、この波形の正負を２値化した信号は０°と１８０°の位相情報のみを保有するので、これをフェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）に供給する事で、現在のロータ位置角度と回転速度（角速度）を得ることが出来る。

前記ＰＬＬの出力を使用し、ロータ角速度に応じた、モータ駆動信号や、０°および１８０°信号を的確に抽出する為のゲート信号も生成出来る。

また、静止状態からの始動時に５０％の確率で吸引（回転開始不可）と反発（回転開始可能）となる。駆動信号を供給した時点で吸引と反発では回転方向が異なる。

吸引の場合、駆動コイル磁極の中心にロータ磁極は短時間で到達する。到達のタイミングに合わせて、駆動信号をＯＦＦすると慣性モーメントの為にロータは回転を始めてしまう。 これに対し、コイル駆動を継続すれば、ロータはステータ磁極の中心に留まる。

一方、静止時始動駆動の結果、反発が発生した場合には、ロータは回転を始め、９０°回転した後は１８０°反対のステータ磁極中心に吸引される。 始動時負荷変動が安定している応用に限れば、ロータが必ず９０°以上回転し、かつ、１８０°未満である駆動区間を設定できる。 同時にこの始動時駆動区間は前記、吸引が発生した場合のロータ位置が収束する時間を満たす。

従って、適切な始動駆動区間の励磁を行い、ロータの１８０°信号の到着を待ち、想定時間内に１８０°信号が来た場合は、ＰＬＬ角度θは１８０°となっている。角速度ωは駆動開始から、１８０°回転までの時間から推定値を算出し、これをＰＬＬに設定した上で、ＰＬＬ動作モードに遷移する。 一方、想定時間内に１８０°信号が来なかった場合は駆動信号を反転して、始動駆動を再開する。

本発明を適用した、単相モータ制御回路である。 右側の単相２極永久磁石モータは参考 単相４極永久磁石モータ例

１０ 駆動対象の単相２極永久磁石モータ
１１ モータ駆動端子M1,M2の相対電位を比較するコンパレータ
１２ ＃１１の出力信号から、ロータが0°もしくは180°を横切るタイミングを抽出し該当信号を生成する機能ブロック。
1３ ＃１２ブロックからの0°、180°通過信号を受け、ロータ角度（θ）およびロータ角速度（ω）を生成するフェーズロックドループ
１４ タイミング信号生成機能ブロック

２０ 単相４極永久磁石モータのステータ
２１ 単相４極永久磁石モータのロータ

Claims (2)

1. 単相モータの駆動コイルを駆動する１対の駆動出力回路と、同駆動出力端子両端の電圧を比較し、２値信号を出力するコンパレータと、前記２値信号から、ロータ磁極中心がステータ磁極中心を通過した事を示す２種の信号（角度０°通過信号および角度１８０°通過信号）を抽出する機能と、前記２種の通過信号を受信し、ロータの現在角度（θ）および現在回転速度（角速度ω）を生成するフェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）機能と、前記ＰＬＬ出力のθおよびω情報から、前記角度０°通過信号および角度１８０°通過信号を抽出するタイミング、および駆動コイルの駆動出力タイミング、駆動強度、駆動区間を制御するタイミング生成機能とを備えた、単相モータ・センサレス駆動装置
2. 前記モータ駆動回路において、ロータ静止時、コイル駆動によって吸引が発生した場合にロータが安定状態になるに十分な時間かつ、コイル駆動によって反発が発生した場合にロータが９０°回転するに十分でかつ、ロータが１８０°回転するよりも短い時間、任意の極性で駆動コイルを上記の条件を満たす区間励磁し、励磁停止後、逆起電力が収まった後に、ロータが１８０°回転した事を示す角度１８０°通過信号を待機し、想定時間内に前記角度１８０°通過信号が検出された場合は暫定的なω値を設定しＰＬＬ制御系を運転状態に移行させ、想定時間内に前記角度１８０°通過信号が検出されなかった場合は吸引が発生したと看做し、駆動極性を反転した上で、上記ロータ静止時のコイル駆動処理を再度実行することで、単相モータを本来の方向へ回転始動する方法。