JP2777714B2 - ブラシレスモータの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ブラシレスモータの制御装置に係り、特に
励磁コイルに正弦波電圧を印加する制御装置に関する。 〔従来の技術〕 各種のNC工作機械、ロボット、測定装置等にブラシレ
スモータが多用されている。そして、このブラシレスモ
ータの作動をフィードバック制御するための制御装置
は、目標とする回転速度が設定されると、その目標回転
速度を実現させるようにブラシレスモータの励磁コイル
に方形波、又は、台形波の電流を流してブラシレスモー
タを作動させるようになっている。実開昭60−14677号
公報には台形波の場合が開示されている。 すなわち、目標とする回転速度の指令が与えられると
ブラシレスモータが動作を始め、それに従い駆動部に取
付けられたタコジェネレータ等によりサーボモータの回
転速度をフィードバックしている。 このフィードバック信号とあらかじめ設定された回転
速度指令信号との差を演算し直流の速度偏差信号を出力
する。この直流の速度偏差信号をブラシレスモータの駆
動部に取付けられたホトダイオード等のコミテーション
センサーの磁極位置信号に同期した周波数に変換し、こ
の変換した方形波信号と励磁コイルの励磁電流信号との
差を演算し、方形波の電流偏差信号を出力する。この方
形波の電流偏差信号と基準三角波とを比較して方形波の
パルス信号をドライバに出力しパルス信号に基づき方形
波電圧を励磁コイルに印加して目標の回転速度に到達す
るように制御するのである。 〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術は、ブラシレスモータを駆動するために
励磁コイルに印加する電圧が方形波、又は、台形波であ
ったため励磁電流に多くの高調波成分が含まれることと
なりトルク変動や速度変動の原因となっていた。なお、
特開昭60−43089号公報に記載されているように、励磁
コイルに正弦波電流を流す方法を採用することも考えら
れるが、ブラシレスモータの多相励磁コイルに正弦波電
流を単に流しても、ブラシレスモータのトルクを高める
ことは困難である。 本発明の目的は、ブラシレスモータの多相励磁コイル
に適正な位相の正弦波電流を流してトルクを高めること
ができるブラシレスモータの制御装置を提供することに
ある。 〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明は、Ｎ極永久磁石
とＳ極永久磁石を表面上円周方向に交互に配設したロー
タと、該ロータの周囲に設けられた固定鉄心の櫛歯ごと
に１束のコイルを巻いた多相励磁コイルとを備えたブラ
シレスモータにおいて、ブラシレスモータの回転速度を
検出して回転速度信号を出力する回転速度検出手段と、
該回転速度信号と回転速度指令との差を算出し速度偏差
信号を出力する速度比較手段と、前記回転速度信号を入
力しこれに同期した基準正弦波信号として、多相励磁コ
イルのうち１相の各励磁コイルが巻き付けられた各櫛歯
がそれぞれロータの単一の磁極と対向し他の２相の各励
磁コイルが巻き付けられた各櫛歯がそれぞれロータの複
数の磁極に対向するタイミングで前記１相の各励磁コイ
ルの励磁電流を０にするための正弦波信号を形成する正
弦波形成手段と、該基準正弦波信号と前記速度偏差信号
とを掛け合せて正弦波速度偏差信号を出力する乗算手段
と、該正弦波速度偏差信号と前記ブラシレスモータの多
相励磁コイル電流信号のうち特定の相の励磁コイル電流
信号との差を算出し電流偏差信号を出力する電流比較手
段と、該電流偏差信号に基づく正弦波相当のパルス信号
として位相が２π/M（M:励磁コイルの極数）ずつ相異な
る多相PWM信号を発生させるPWMパルス発生手段と、該正
弦波相当の多相パルス信号に基づき前記ブラシレスモー
タの多相励磁コイルに正弦波電流を流すドライバ手段と
を有し、前記ブラシレスモータは、ｍを励磁コイルのセ
ット数で偶数とし、Ｍを励磁コイルの極数で３以上の整
数とし、前記励磁コイルの配設個数をｍ×Ｍとし、前記
永久磁石の配設個数をｍ×（Ｍ＋１）としてなるブラシ
レスモータの制御装置を構成したものである。 〔作用〕 前記した手段によれば、永久磁石は多相励磁コイルよ
りも多く配設され、多相励磁コイルのうち１相の各励磁
コイルが巻き付けられた各櫛歯がそれぞれロータの単一
の磁極と対向し他の２相の各励磁コイルが巻き付けられ
た各櫛歯がそれぞれロータの複数の磁極に対向するタイ
ミングで、１相の各励磁コイルの励磁電流が０になると
ともに、多相励磁コイルには、位相が２π/Mずつ相異な
る多相PWM信号に基づいた正弦波電流が流れる。この正
弦波電流は、多相励磁コイルから発生する磁束と永久磁
石から発生する磁束との間に生じる吸引力と反発力が共
にロータの回転方向に作用するように多相励磁コイルに
流れる。このため、各相の励磁コイルに位相の相異なる
正弦波電流が流れ、各相の励磁コイルから磁束が発生す
ると、この磁束と永久磁石の磁束との間には励磁コイル
の磁束の位相と大きさに応じて吸引力または反発力が順
次生じ、しかも、吸引力と反発力は共にロータの回転方
向に作用するので、ロータのトルクを高めることができ
る。 〔実施例〕 以下本発明の実施例を第１図〜第６図により説明す
る。 第１図は、本発明の一実施例でブラシレスモータの制
御ブロック図である。制御ブロックの構成要素として
は、１は、固定鉄心の櫛歯ごとに１束のコイルを巻き永
久磁石の配設数を励磁コイルより多くしたアキシャルギ
ャップ型のブラシレスモータである。２は、ブラシレス
モータ１の駆動部に取付け回転速度を検出するエンコー
ダ（回転速度検出手段）である。11は、エンコーダ２か
らの回転速度のパルス信号を直流に変換し、ゲイン補正
を行う直流変換器である。12は、この直流変換された回
転速度信号とあらかじめ設定された回転速度指令信号と
の差を算出し速度偏差信号を出力する速度比較部（速度
比較手段）である。９は、エンコーダ２からの回転速度
信号に同期して波高値１の基準正弦波信号を形成するRO
M（正弦波形成手段）である。このROM9には、多相励磁
コイルのうち１相の各励磁コイルが巻き付けられた各櫛
歯がそれぞれロータの単一の磁極と対向し他の２相の各
励磁コイルが巻き付けられた各櫛歯がそれぞれロータの
複数の磁極に対向するタイミングで前記１相の各励磁コ
イルの励磁電流を０にするための正弦波信号生成用デー
タが格納されている。８は、ROM9からの基準正弦波信号
と速度比較部12からの速度偏差信号とを掛け合せて回転
速度に同期した正弦波の速度偏差信号を出力する乗算部
（乗算手段）である。13は、ブラシレスモータ１の励磁
コイルに流れる励磁電流を検出する電流センサである。
７は、この電流センサからの励磁電流信号と前記乗算部
８からの正弦波速度偏差信号との差を算出して正弦波の
電流偏差信号を出力する電流比較部（電流比較手段）で
ある。４は、この電流偏差信号に基づく正弦波のパルス
信号を発生させるPWMパルス発生部（PWMパルス発生手
段）である。３は、この正弦波のパルス信号に基づきブ
ラシレスモータ１の励磁コイルに正弦波の電圧を印加す
るドライバ（ドライバ手段）である。 次に本制御ブロックの作動説明を行う。あらかじめ設
定された直流の回転速度信号とエンコーダ２からの回転
速度パルス信号を直流変換しゲイン補正したブラシレス
モータの回転速度のフィードバック信号との差を速度比
較部12により演算し、第２図（ａ）の直流の速度偏差信
号を出力する。又、エンコーダ２からの回転速度信号に
同期した第２図（ｂ）の波高値１の基準正弦波信号をRO
M9にて形成し、この基準正弦波信号と速度比較部12から
出力される直流の速度偏差信号とを乗算部８で掛け合わ
せて第２図（ｃ）の正弦波速度偏差信号を出力する。こ
の正弦波速度偏差信号と電流センサ13からのフィードバ
ック信号である励磁電流信号との差を電流比較部７にて
演算し、第２図（ｄ）の正弦波の電流偏差信号を出力す
る。この正弦波の電流偏差信号をゲイン補正した第２図
（ｅ）の正弦波電流偏差信号と基準三角波とを比較して
第２図（ｆ）PWMパルス発生部４で正弦波パルス第２図
（ｇ）を形成する。この正弦波パルス信号をドライバ３
に収納されているパワートランジスタのゲートトリガ信
号として入力してブラシレスモータ１の励磁コイルに正
弦波の電圧を印加する。 次に本制御装置によって駆動されるブラシレスモータ
について述べる。第３図にブラシレスモータの断面図を
示し第４図は第３図のＡ−Ａ断面の模式図を示す。 励磁コイル１はステータ鉄心３の１つの櫛歯ごとに巻
かれている。この様子をＡ−Ａ断面を模式的に示した第
４図で説明する。各櫛歯ごとにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁
コイルが巻かれている。本実施例は36の櫛歯があり、Ｕ
相、Ｖ相、Ｗ相はそれぞれ12個の励磁コイルからなり、
これら12個の励磁コイルは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相ごとに直
列に接続されている。マグネット２は、Ｎ極とＳ極又は
Ｓ極とＮ極がロータ６の軸方向に沿って配置されている
とともに、ロータシャフト５と一体となったロータ６の
表面上円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されロータ
シャフト５はベアリング４で回転自在に支持されてい
る。マグネット２は励磁コイル１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の
３個に対しＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極の４個が対応してお
り４×12＝48個のマグネット２よりなる。本実施例の場
合、特許請求の範囲に記載された励磁コイルの極数Ｍは
３であり励磁コイルのセット数ｍは12で励磁コイルの配
設個数ｍ×Ｍ＝12×３＝36、永久磁石の配設個数ｍ×
（Ｍ＋１）＝12×（３＋１）＝48となる。ロータシャフ
ト５の出力側と反対側にはカップリング７を介してエン
コーダ８が設けられており、エンコーダ８の回転数は、
本実施例のブラシレスモータの制御部（図示せず）へ出
力される。 第５図は本実施例の作動説明図である。なお、第５図
においては、マグネット２の磁極のうち励磁コイルから
の磁束の影響を受ける磁極（上下に配置された磁極のう
ち一方の磁極）のみを示している。中央部上側は励磁コ
イルＵ相、Ｖ相、Ｗ相がそれぞれ１つの櫛歯に巻かれて
おり、この励磁コイルに対面してロータ６の表面上円周
方向にＮ極、Ｓ極が交互に、励磁コイルＵ相、Ｖ相、Ｗ
相に対してＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極の４極が対応してお
り励磁コイルに対し１極多く配置されている。すなわ
ち、励磁コイルＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対してＮ極、Ｓ極、
Ｎ極の３極、又は、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極の３極を対応させ
ると、各磁極の位置によっては、各励磁コイルによって
形成される磁極とマグネット２による磁極が均等に相対
向して配置され（各櫛歯の中心とロータの各磁極の中心
とが一致するように配置されたとき）、各励磁コイルか
ら発生する磁束による吸引力または反発力が各磁極に均
等に作用する。この結果、吸引力と反発力が相殺され、
各磁極に十分なトルクを発生させることができないこと
がある。これに対して、励磁コイルに対し磁極を１極多
く配置すると、マグネット２の位置によらず、励磁コイ
ルによる磁極とマグネット２の磁極が全て均等に相対向
して配置されることはない。すなわち、多相励磁コイル
のうち１相の励磁コイルが巻き付けされた櫛歯の中心と
この櫛歯に対向するロータの磁極の中心とが一致したと
きでも、他の２相の励磁コイルはマグネット２の複数の
磁極に対向することになる。このため、マグネット２の
磁極のうち１相の励磁コイルに対向した磁極に吸引力ま
たは反発力が均等に作用したとしても、他の２相の励磁
コイルにはそれぞれ２個の磁極（他の２相の励磁コイル
全体では３個の磁極）が対向し、３個の磁極のうち両側
の磁極には吸引力または反発力が作用し、中間の磁極に
は、相隣接する一方の磁極に反発力が作用したときには
吸引力が作用し、相隣接する他方の磁極に吸引力が作用
したときには反発力が作用し、全体としては、マグネッ
ト２には、吸引力または反発力に伴って回転方向に沿っ
たトルクが作用することになる。横方向の９本の線上に
は、左側に示した各励磁コイルに加わる励磁電流Ｉによ
って発生する磁束の時間的変化と、ロータ６上のマグネ
ット２が励磁コイル１の１つ分つまり１ピッチ分移動す
る状態を示している。磁束分布は、各励磁コイルにプラ
スの電流が流れたときに、各励磁コイルにＮ極が形成さ
れ、各励磁コイルにマイナスの電流が流れたときには、
各励磁コイルにＳ極が形成されることを考慮して表示さ
れており、横線の上方をＮ極とし下方をＳ極としてい
る。この磁束分布は各励磁コイルごとに独立しており他
の励磁コイルの磁束の影響を受けないので他の励磁コイ
ルからの磁束による打消しがなく、発生した磁束はマグ
ネット２との反揆・吸引に全て作用磁束となる。９本の
横線の中央部に描かれたマグネット２のＳ極、Ｎ極が励
磁電流Ｉの変化によって時間的に変ってゆく磁束と吸引
・反揆しながら磁束の変化に同期して移動してゆく。 具体的には、最上位の横線で示されている第１のタイ
ミングt1のときには、Ｕ相の励磁コイルの電流は０なの
で、Ｕ相の励磁コイルによっては磁極は形成されてな
い。一方、Ｖ相の励磁コイルにはプラスの電流が流れる
ので、Ｖ相の励磁コイルによってＮ極が形成され、Ｗ相
の励磁コイルにはマイナスの電流が流れるので、Ｗ相の
励磁コイルによってＳ極が形成される。Ｗ相の励磁コイ
ルによるＳ極は、Ｗ相の励磁コイルに近接して配置され
たマグネット２のＳ極とＮ極のうちＳ極（S3）には反発
力として作用し、Ｎ極（N2）には吸引力として作用す
る。これにより、Ｗ相の励磁コイルに近接して配置され
たマグネット２のＳ極（S3）とＮ極（N2）には回転方向
に沿ったトルクが作用することになる。また、Ｖ相の励
磁コイルによるＮ極は、Ｖ相の励磁コイルに近接して配
置されたマグネット２のＳ極とＮ極のうちＳ極（S2、S
4）には吸引力として作用し、Ｎ極（N2、N4）には反発
力として作用する。これにより、Ｖ相の励磁コイルに近
接して配置されたマグネット２のＳ極（S2、S4）とＮ極
（N2、N4）には回転方向に沿ったトルクが作用すること
になる。 第２のタイミングt2においては、Ｕ相の励磁コイルに
プラスの電流が流れるので、Ｕ相の励磁コイルによって
Ｎ極が形成される。このとき、Ｖ相の励磁コイルには、
第１のタイミングt1と同様に、プラスの電流が流れるの
で、Ｖ相の励磁コイルによってＮ極が形成され、Ｗ相の
励磁コイルには、第１のタイミング同様に、マイナスの
電流が流れるので、Ｗ相の励磁コイルによってＳ極が形
成される。そして、Ｕ相の励磁コイルによるＮ極は、Ｕ
相の励磁コイルに近接して配置されたマグネット２のＮ
極（N1、N3）には反発力として作用する。このとき、第
１のタイミングt1のときと同様に、Ｗ相の励磁コイルに
よるＳ極は、Ｗ相の励磁コイルに近接して配置されたマ
グネット２のＳ極とＮ極のうちＳ極には反発力として作
用し、Ｎ極には吸引力として作用する。これにより、Ｗ
相の励磁コイルに近接して配置されたマグネット２のＳ
極（S3）とＮ極（N2、N4）には回転方向に沿ったトルク
が作用することになる。また、Ｖ相の励磁コイルによる
Ｎ極は、Ｖ相の励磁コイルに近接して配置されたマグネ
ット２のＳ極とＮ極のうちＳ極（S2、S4）には吸引力と
して作用し、Ｎ極（N2、N4）には反発力として作用す
る。これにより、Ｖ相の励磁コイルに近接して配置され
たマグネット２のＳ極（S2、S4）とＮ極（N2、N4）には
回転方向に沿ったトルクが作用することになる。 第３のタイミングt3においては、Ｖ相の励磁コイルの
電流が０になるので、Ｖ相の励磁コイルによって磁極は
形成されず、Ｖ相の励磁コイルに近接して配置されたマ
グネット２のＳ極とＮ極には吸引力も反発力も作用しな
い。一方、Ｕ相の励磁コイルには、第２のタイミングt2
と同様に、プラスの電流が流れるので、Ｕ相の励磁コイ
ルによってＮ極が形成される。さらに、Ｗ相の励磁コイ
ルには、第２のタイミングt2と同様に、マイナスの電流
が流れるので、Ｗ相の励磁コイルによってＳ極が形成さ
れる。そして、Ｕ相の励磁コイルによるＮ極は、移動に
伴ってＵ相の励磁コイルに近接して配置されたマグネッ
ト２のＳ極とＮ極のうちＳ極（S3）には吸引力として作
用し、Ｎ極（N3）には反発力として作用する。これによ
り、移動に伴ってＵ相の励磁コイルに近接して配置され
たマグネット２のＳ極（S3）とＮ極（N3）には回転方向
に沿ったトルクが作用することになる。さらに、Ｗ相の
励磁コイルによるＳ極は、移動に伴ってＷ相の励磁コイ
ルに近接して配置されたマグネット２のＳ極とＮ極のう
ちＳ極（S3）には反発力として作用し、Ｎ極（N2）には
吸引力として作用する。これにより、移動に伴ってＷ相
の励磁コイルに近接して配置されたマグネット２のＳ極
（S3）とＮ極（N2）には回転方向に沿ったトルクが作用
することになる。 このように、永久磁石を多相励磁コイルよりも多く配
設し、多相励磁コイルのうち１相の各励磁コイルが巻き
付けられた各櫛歯がそれぞれロータの単一の磁極と対向
し、他の２相の各励磁コイルが巻き付けられた各櫛歯が
それぞれロータの複数の磁極に対向するタイミングで１
相の各励磁コイルの励磁電流を０にするとともに、各相
の励磁コイルに正弦波の励磁電流を常時流すと、各相の
励磁電流の大きさ及び極性が順次変化する過程では、各
相の励磁電流の極性に応じて各相の励磁コイルにＮ極又
はＳ極が形成され、この磁極がマグネット２の磁極に対
して吸引力または反発力として順次作用し、この吸引力
と反発力がマグネット２には回転方向のトルクとして作
用するので、モータの出力トルクを円滑に高めることが
できる。 また、第５図において、左外側は励磁コイル１に加え
るSin波形の励磁電圧Ｖを示す。励磁電流Ｉは励磁電圧
Ｖに対し90度遅れたSin波形となる。右内側は励磁コイ
ル内に誘起される誘起電圧Ｅを示す。この誘起電圧Ｅは
励磁電流Ｉと同相となっておりこのため励磁電圧Ｖより
90度遅れている。誘起電圧Ｅは非常にSin波に近くなっ
ている。右外側には励磁コイル１における励磁電圧Ｖと
誘起電圧Ｅとの合成電圧Ｖ＋Ｅを示す。合成電圧Ｖ＋Ｅ
の一例を第６図に示す。誘起電圧Ｅは励磁電流Ｉと同位
相であり励磁電圧Ｖより90度遅れている。合成電圧Ｖ＋
Ｅの励磁電圧Ｖに対する位相角θは誘起電圧Ｅの大きさ
により変る。この誘起電圧Ｅの大きさはロータ６の回転
数に比例する。この誘起電圧Ｅは、各相の励磁コイルか
ら発生する磁束に対して、マグネット２の磁極から発生
する磁束が横切ったときに発生する。この誘起電圧Ｅは
励磁電流が０のときには０となり、この誘起電圧Ｅが最
大となるのは、磁束の変化が最も大きいＮ極とＳ極の境
目が励磁コイルまたは櫛歯の中心にきたときである。さ
らに、誘起電圧Ｅは、励磁コイルによる磁極がＳからＮ
と磁束が増加するときにはプラスとなり、励磁コイルに
よる磁極がＮからＳと磁束が減少するときにはマイナス
となる。そして、Sin波形の励磁電圧Ｖと非常にSin波形
に近い誘起電圧Ｅとの合成電圧Ｖ＋ＥもSin波形に近い
ためこの合成電圧Ｖ＋Ｅによって生じる磁束の時間的変
化もSin波形に近くなり、非常に滑らかなトルクが得ら
れる。この励磁電圧Ｖが本実施例のブラシレスモータ制
御装置によって励磁コイルに印加される正弦波の電圧で
ある。 〔発明の効果〕 本発明によれば、永久磁石を多相励磁コイルよりも多
く配設し、多相励磁コイルのうち１相の各励磁コイルが
巻き付けられた各櫛歯がそれぞれロータの単一の磁極と
対向し他の２相の各励磁コイルが巻き付けられた各櫛歯
がそれぞれロータの複数の磁極に対向するタイミングで
１相の各励磁コイルの励磁電流を０にし、多相励磁コイ
ルに、位相が２π/Mずつ相異なる多相正弦波電流を流
し、各相の励磁コイルから発生する磁束と永久磁石の磁
束との間に生じる吸引力と反発力を共にロータの回転方
向に順次作用させるようにしたため、ブラシレスモータ
の回転トルクを円滑に高めることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例のブラシレスモータの制御ブ
ロック図、第２図は第１図の各ブロックにおける発生信
号の波形図、第３図は、本発明を適用するブラシレスモ
ータの断面図、第４図は第３図のＡ−Ａの断面の模式
図、第５図はブラシレスモータの作動説明図、第６図は
励磁電圧と誘起電圧の合成説明図である。 １……ブラシレスモータ、２……エンコーダ、 ３……ドライバー、４……PWMパルス発生部、 ７……電流比較部、８……乗算部、 ９……ROM、11……直流変換器、 12……速度比較部、13……電流センサ。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．Ｎ極永久磁石とＳ極永久磁石を表面上円周方向に交
   互に配設したロータと、該ロータの周囲に設けられた固
   定鉄心の櫛歯ごとに１束のコイルを巻いた多相励磁コイ
   ルとを備えたブラシレスモータにおいて、ブラシレスモ
   ータの回転速度を検出して回転速度信号を出力する回転
   速度検出手段と、該回転速度信号と回転速度指令との差
   を算出し速度偏差信号を出力する速度比較手段と、前記
   回転速度信号を入力しこれに同期した基準正弦波信号と
   して、多相励磁コイルのうち１相の各励磁コイルが巻き
   付けられた各櫛歯がそれぞれロータの単一の磁極と対向
   し他の２相の各励磁コイルが巻き付けられた各櫛歯がそ
   れぞれロータの複数の磁極に対向するタイミングで前記
   １相の各励磁コイルの励磁電流を０にするための正弦波
   信号を形成する正弦波形成手段と、該基準正弦波信号と
   前記速度偏差信号とを掛け合せて正弦波速度偏差信号を
   出力する乗算手段と、該正弦波速度偏差信号と前記ブラ
   シレスモータの多相励磁コイル電流信号のうち特定の相
   の励磁コイル電流信号との差を算出し電流偏差信号を出
   力する電流比較手段と、該電流偏差信号に基づく正弦波
   相当のパルス信号として位相が２π/M（M:励磁コイルの
   極数）ずつ相異なる多相PWM信号を発生させるPWMパルス
   発生手段と、該正弦波相当の多相パルス信号に基づき前
   記ブラシレスモータの多相励磁コイルに正弦波電流を流
   すドライバ手段とを有し、前記ブラシレスモータは、ｍ
   を励磁コイルのセット数で偶数とし、Ｍを励磁コイルの
   極性で３以上の整数とし、前記励磁コイルの配設個数を
   ｍ×Ｍとし、前記永久磁石の配設個数をｍ×（Ｍ＋１）
   としてなるブラシレスモータの制御装置。