JP3082287B2 - ブラシレスモータの速度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブラシレスモータの速
度制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、音響機器，映像機器などの駆動用
モータはその長寿命化，高信頼性化あるいは形状の薄型
化などのため、刷子，整流子という機械的なスイッチ機
構を備えた従来の直流モータに代わってトランジスタを
使った電子的スイッチを備えたいわゆるブラシレスモー
タが用いられることが多くなってきた。以下、図面を参
照しながら上記した従来のモータの速度制御装置の一例
について説明する。図４は、従来のモータの速度制御装
置の回路図である。図４において、４０は電源の正側給
電線路、４１，４２および４３はモータ駆動コイルであ
る。この駆動コイル４１，４２および４３のそれぞれの
一端は給電線路４０に接続され、またそれぞれの他端は
駆動トランジスタ４４，４５および４６のコレクタに接
続されており、その接続点をそれぞれａ，ｂおよびｃと
する。そして接続点ａ，ｂおよびｃと接地間にはそれぞ
れのコンデンサ４７，４８および４９が接続され、また
給電線路４０と接地間にはコンデンサ５０が接続されて
いる。駆動トランジスタ４４，４５および４６のエミッ
タはそれぞれ接地され、また同ベースはそれぞれ抵抗５
１，５２および５３を介して接地されている。５４，５
５および５６は例えばホール素子などで構成され、可動
子たとえばロータ（図示せず）の位置を検出するための
位置検出器であり、その給電端子５７と接地間に並列に
接続され、その出力端子はそれぞれ電流切換回路５８に
接続され、その電流切換回路５８の出力端子は駆動トラ
ンジスタ４４，４５および４６のベースに接続されてい
る。接続点ａ，ｂおよびｃはそれぞれ抵抗５９，６０お
よび６１を介して反転増幅器６２，６３および６４の反
転入力端子に接続されている。反転増幅器６２，６３お
よび６４の非反転入力端子はそれぞれ抵抗６５，６６お
よび６７を介して給電線路４０に接続され、同出力端子
はそれぞれ抵抗６８，６９および７０を介して反転入力
端子に接続されるとともに共通接続されている。その共
通接続点をｄとする。給電線路４０とｄ点の間には抵抗
７１および７２からなる分圧回路が接続されている。そ
の分圧点をｅとする。給電線路４０と分圧点ｅとの間に
はコンデンサ７３が接続されている。分圧点ｅは抵抗７
５を介して誤差増幅器７４の反転入力端子に接続され、
誤差増幅器７４の出力端子は抵抗７６およびコンデンサ
７７の並列回路を介して反転入力端子に接続されてい
る。

【０００３】さて、７８は基準電圧発生回路であり、そ
の出力端子は増幅器７９の非反転入力端子に接続されて
いる。増幅器７９の出力端子はコレクタが接地されたト
ランジスタ８１のベースに接続され、トランジスタ８１
のエミッタは定電流源８０を介して給電線路４０に接続
されるとともにトランジスタ８３のベースに接続されて
いる。トランジスタ８３のエミッタは抵抗８４を介して
接地されるとともに増幅器７９の反転入力端子に接続さ
れており、同コレクタは抵抗８２を介して給電線路４０
に接続されるとともに増幅器８５の非反転入力端子に接
続されている。増幅器８５の出力端子は反転入力端子に
接続されボルテージホロワを構成している。ボルテージ
ホロワの出力点をｆとする。その出力点ｆは誤差増幅器
７４の非反転入力端子に接続されるとともに抵抗８９を
介して増幅器８８の非反転入力端子にも接続されてい
る。誤差増幅器７４の出力端子は抵抗８７および８６の
分圧回路を介して給電線路４０に接続されている。分圧
回路の分圧点は増幅器８８の反転入力端子に接続されて
いる。増幅器８８の出力は電流切換回路５８に接続され
ている。さらに接続点ａ，ｂおよびｃはそれぞれ抵抗９
０，９１および９２の一端に接続され、抵抗９０，９１
および９２の他端は共通接続されるとともに増幅器８８
の非反転入力端子に接続されている。

【０００４】さて、図５は図４の反転増幅器の具体的回
路図である。図４における反転増幅器６２，６３，６４
およびその周辺回路が図５のそれぞれ破線で囲ったブロ
ック１０１，１０２，１０３に対応している。図５にお
いて、図４と同様な構成要件は同じ符号で示してある。
またブロック１０１，１０２，１０３は同一構成なので
１０１について詳細に説明し、１０２，１０３について
説明は省く。トランジスタ１１１はベース，コレクタが
接続され定電流源１１０を介して給電線路４０に接続さ
れるとともにトランジスタ１１２のベースに接続されて
いる。トランジスタ１１１および１１２のエミッタは接
地されている。トランジスタ１１２のコレクタは抵抗１
１３およびダイオード接続されたトランジスタ１１４を
介して給電線路４０に接続されている。駆動コイル４１
と駆動トランジスタ４４のコレクタとの接続点ａは抵抗
５９を介してトランジスタ１２１のベースに接続されて
いる。トランジスタ１２１とトランジスタ１２２はエミ
ッタが共通接続され差動トランジスタ対を構成してい
る。エミッタ共通接続点はトランジスタ１２５のコレク
タに接続され、トランジスタ１２５のベースはトランジ
スタ１１１のベースに接続され、同エミッタは接地され
ている。トランジスタ１２１のコレクタは抵抗１２３を
介して給電線路４０に接続されるとともにトランジスタ
１１６のエミッタに接続されている。トランジスタ１２
２のコレクタは抵抗１２４を介して給電線路４０に接続
させるとともにトランジスタ１１５のエミッタに接続さ
れ、同ベースは抵抗６５を介して給電線路４０に接続さ
れている。トランジスタ１１５，１１６はベースが共通
接続されるとともに抵抗１１３とトランジスタ１１２の
コレクタと接続点に接続されている。トランジスタ１１
５のコレクタはエミッタが接地されたトランジスタ１１
７のベースに接続されるとともにトランジスタ１１９の
コレクタに接続されている。トランジスタ１１７のコレ
クタ、すなわちブロック１０１の出力端子は抵抗６８を
介してトランジスタ１２１のベースに接続されるととも
に他のブロック１０２，１０３の出力端子と共通接続さ
れ端子ｄに接続されている。トランジスタ１１７のコレ
クタ，ベース間には位相補償コンデンサ１１８が接続さ
れている。トランジスタ１１６のコレクタはトランジス
タ１２０のコレクタ，ベースおよびトランジスタ１１９
のベースの接続点に接続されている。また、トランジス
タ１１９および１２０のエミッタは互いに接地されてい
る。

【０００５】以上のように構成されたモータの速度制御
装置について、以下図４，図５および図６を用いてその
動作を説明する。ここで、図６は図４における各点の信
号波形図であり、Ｖａ，ＶｂおよびＶｃはそれぞれａ，
ｂおよびｃ点の発生電圧であり、ＶＢ４４，ＶＢ４５お
よびＶＢ４６はそれぞれ駆動トランジスタ４４，４５お
よび４６のベース電圧であり、またＶｄは反転増幅器６
２，６３および６４の出力共通接続点ｄの合成信号を示
している。まず、ロータの位置を位置検出器５４，５５
および５６で検出し、その位置検出信号を電流切換回路
５８において信号処理することにより、図６のＶＢ４
４，ＶＢ４５およびＶＢ４６に示したような電気角で１
２０度通電期間，２４０度休止期間で順次切り換わる通
電切換信号が駆動トランジスタ４４，４５および４６の
ベースに印加される。通電切換信号に応じて駆動コイル
に順次通電がなされることによりモータは回転する。回
転に伴い駆動コイル４１，４２および４３には給電線路
４０の電圧を中心とした正弦波状の逆起電圧が発生する
が、その様子を表したのが図６のＶａ，ＶｂおよびＶｃ
であり、斜部が通電期間で、その他の期間が通電停止期
間であり、逆起電圧そのものが発生している。逆起電圧
Ｖａ，ＶｂおよびＶｃは互いに１２０度の位相差を有し
ている。ここで、前記３つの信号処理のしかたは同一な
のでＶａの信号処理についてのみ説明する。

【０００６】逆起電圧Ｖａは反転増幅器６２の反転入力
端子に印加されるが、反転増幅器６２の具体的回路結線
の一例は図５のようになっており、抵抗５９を介して差
動トランジスタ対を構成している一方のトランジスタ１
２１のベースに入力される。差動トランジスタ対の他方
のトランジスタ１２２のベースには給電線路４０の電圧
が入力される。ここで、給電線路４０の電圧をＶｃｃと
する。いま、ＶａがＶｃｃよりも高くなると、トランジ
スタ１２１のコレクタ電流が増加しトランジスタ１２２
のコレクタ電流が減少するので抵抗１２３の電圧降下が
抵抗１２４の電圧降下よりも大きくなる。トランジスタ
１１５および１１６のベース共通接続点の電圧はダイオ
ード接続されたトランジスタ１１４の順方向電圧と定電
流が流れる抵抗１１３の電圧降下の和電圧に一定に保た
れているので、トランジスタ１１５のエミッタ・ベース
間電圧がトランジスタ１１６のそれより大きくなり、ト
ランジスタ１１５のコレクタ電流が増加しトランジスタ
１１６のコレクタ電流が減少する。また、カレントミラ
ー回路を構成するトランジスタ１１９および１２０のコ
レクタ電流は等しい。従って、出力トランジスタ１１７
のベース電流が増加することになり、コレクタ・エミッ
タ間電圧が減少するので出力電圧は下がる。また、逆に
ＶａがＶｃｃよりも低くなると上記とは逆の回路動作で
出力電圧は上がる。ところで、出力トランジスタ１１７
のコレクタは帰還抵抗６８を介してトランジスタ１２１
のベースに接続されており、抵抗５９と抵抗６８の抵抗
比によって増幅器としての利得が決まる。前記２つの抵
抗値が等しいとすると出力トランジスタ１１７のコレク
タすなわち回路ブロック１０１からの出力信号は、入力
信号である逆起電圧Ｖａを給電線路４０の電圧レベルＶ
ｃｃを基準に反転した信号となる。同様に逆起電圧Ｖｂ
は回路ブロック１０２にて、逆起電圧Ｖｃは回路ブロッ
ク１０３にてＶｃｃを基準に反転した信号に変化され
る。ところで、回路ブロック１０１，１０２および１０
３のそれぞれの出力トランジスタのコレクタは共通接続
され端子ｄに接続されているので、その端子ｄの信号は
３つの出力トランジスタのコレクタ電圧のうち最も低い
電圧が優先され、合成信号波形は図６のＶｄのように電
気角で１２０度を一周期として逆起電圧の大きさに応じ
たリップル波形となる。すなわち、この信号はモータの
速度が上昇し各駆動コイルに発生する逆起電圧が大きく
なると、Ｖｃｃを基準としてより低い電圧レベルの信号
となる。

【０００７】逆に速度が下降するとその信号レベルは上
がる。上記した説明から明らかなように反転増幅器６
２，６３および６４の出力信号を合成することにより、
モータ駆動コイル４１，４２および４３の各通電休止期
間の逆起電圧を３相分合わせて検出でき、しかもその検
出電圧の精度は前記反転増幅器６２，６３および６４の
出力トランジスタが飽和状態にならないかぎりきわめて
良好である。さて、図６に示した３相の逆起電圧の合成
信号Ｖｄは図４に示したように抵抗７１，７２およびコ
ンデンサ７３で分圧されるとともに平滑され速度に応じ
た直流電圧すなわち速度電圧に変換される。一方、基準
電圧発生回路７８の出力電圧ＶＲＥＦは基準レベル変換
回路９３を介してＶｃｃ基準の電圧に変換される。ここ
で基準レベル変換回路９３について説明する。増幅器７
９の非反転入力端子に基準電圧発生回路７８から出力電
圧が入力され、また反転入力端子には抵抗８４の端子電
圧が入力されている。増幅器７９，トランジスタ８１お
よび８３の増幅率がきわめて大きいとすると増幅器７９
の２つの入力端子はイマジナルショートとなるので抵抗
８４の端子電圧はＶＲＥＦとなる。ここで、抵抗８４の
値と抵抗８２の値が等しいとすると、抵抗８２の端子電
圧もＶＲＥＦとなる。その電圧をボルテージホロワ８５
を介して接続点ｆにはＶｃｃ基準とした基準電圧ＶＲＥ
Ｆを発生させることができる。そして、Ｖｃｃを基準と
した速度電圧と基準電圧とを誤差増幅器７４にて比較し
その誤差を増幅し、バッファを構成する増幅器８８を介
して電流切換回路５８に入力する。電流切換回路５８は
位置検出回路５４，５５および５６からの信号をもとに
駆動トランジスタ４４，４５および４６の通電，休止タ
イミングを制御するとともに増幅器８８からの信号の大
きさに応じた信号を駆動トランジスタ４４，４５および
４６のベースに供給し、それらの給電量を制御すること
によりモータの速度を制御することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、モータの駆動コイルに発生する誘起電圧
によりモータの回転速度を検出しているので、ロータマ
グネットの磁束の温度特性や経時変化の影響を受け、そ
の結果、回転速度が変化してしまうという課題を有して
いた。

【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、ロータマグネットの磁束変化の影響を受けずに安定
にモータの速度制御を行う速度制御装置を提供すること
を目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のブラシレスモータの速度制御装置は、ロー
タの位置検出信号を電力増幅して駆動トランジスタのベ
ースへ入力し、駆動トランジスタの切替えおよびモータ
電流の制御を行う通電切換信号増幅回路と、位置検出信
号の立ち上がりまたは立ち下がりに同期してモータの回
転速度に逆比例した時間間隔ｔＦＧの速度パルスを出力
する速度パルス発生回路と、速度パルスと同時にトリガ
ーされる上記ｔＦＧより短い所定の時間幅ｔ０のタイマ
ーパルスを出力するタイマー回路と、同じく速度パルス
と同時にトリガーされる上記ｔＦＧより短い所定の時間
幅ｔＢＲの減速パルスを出力する減速パルス発生回路
と、上記タイマーパルスの終端から次の速度パルスまで
の時間幅ｔＡＣの加速パルスを出力する加速パルス発生
回路と、加速パルスと減速パルスの時間幅の差（ｔＡＣ
−ｔＢＲ）を積分し、積分値をその値が正の時は正の、
負の時は負の、前記積分値に対応したトルク指令信号に
変換して前記通電切換信号増幅回路に入力する速度制御
回路とを備え、前記トルク指令信号のレベルに応じて前
記通電切換信号増幅回路の出力レベルを変化させてモー
タの電流を制御し、それによりモータの速度を制御して
いる。

【００１１】

【作用】上記構成によって、ロータマグネットの磁束を
利用せずに制御を行うのでロータマグネットの磁束の温
度特性や経時変化の影響を受けない。さらに、加速パル
スと減速パルスの時間幅の差を積分しトルク指令信号に
変換してモータの電流制御を行っているので、負荷変動
に対する変動が小さい。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図１〜図３
を参照しながら説明する。図１において、１ａ，１ｂ，
１ｃは駆動コイルであり、駆動トランジスタ２ａ，２
ｂ，２ｃのコレクタに接続されている。駆動トランジス
タ２ａ，２ｂ，２ｃのエミッタは共通接続され接地され
ている。３は位置検出回路でロータの位置検出信号を速
度検出回路４に送っている。速度検出回路４は位置検出
信号をロジック処理してモータの速度信号ＦＧを出力し
ている。速度パルス発生回路５は図３に示すように速度
信号ＦＧの立ち上がりエッジに同期してモータの回転速
度に逆比例した時間間隔ｔＦＧの速度パルス信号ＰＦＧ
を出力している。通電切換回路６は位置検出信号をロジ
ック処理して駆動トランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃの通電
切換信号を出力している。通電切換信号増幅回路７は通
電切換信号を増幅している。通電切換信号増幅回路７よ
り出力される通電切換信号増幅信号は駆動トランジスタ
２ａ，２ｂ，２ｃのベースに送られる。減速パルス発生
回路８は前記速度パルスＰＦＧと同時にトリガーされ、
時間幅ｔＢＲの減速パルスＰＢＲを出力する。タイマー
回路１０は同じく速度パルスＰＦＧと同時にトリガーさ
れ、時間幅ｔ０のタイマーパルスＰｔ０を出力する。上
記ｔＢＲおよびｔ０はともに前記ｔＦＧより短い時間で
ある。加速パルス発生回路９は上記タイマーパルスＰｔ
０の終端から次の速度パルスまでの時間幅ｔＡＣの加速
パルスＰＡＣを出力する。速度制御回路１１は速度パル
スＰＦＧが発生する周期ｔＦＧがタイマーパルスＰｔ０
の時間幅ｔ０と加速パルスＰＡＣの時間幅ｔＡＣの和と
なるように加速パルスと減速パルスをトルク指令信号に
変換して通電切換信号増幅回路７に伝達している。

【００１３】以上のように構成された本発明のブラシレ
スモータの速度制御装置について以下その動作の説明を
する。図２は図１における駆動回路部の動作信号波形図
であり、図３は図１における制御回路部の動作信号波形
図である。図２において、Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗは駆動コイ
ル１ａ，１ｂ，１ｃに発生する誘起電圧であり、ＶＡ，
ＶＢ，ＶＣは前記誘起電圧から得られるロータの位置検
出回路３の出力信号である。速度検出回路４は位置検出
信号ＶＡ，ＶＢ，ＶＣをロジック処理してモータの速度
信号ＦＧを出力している。また、ＯＵＴＵ，ＯＵＴＶ，
ＯＵＴＷは前記位置検出信号ＶＡ，ＶＢ，ＶＣをロジッ
ク処理して得られた駆動トランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ
の通電切換信号である。

【００１４】図３において、ＦＧはモータの速度信号で
あり、ＰＦＧは速度信号ＦＧの立ち上がりエッジを検出
した速度パルス信号である。Ｖｔｉｍｅはタイマー回路
１０の動作波形であり、速度パルスＰＦＧが発生してか
ら一定の時間ｔ０をはかることを目的としている。タイ
マー回路１０は例えば、つぎのような充放電回路により
容易に実現することができる。

【００１５】すなわち、容量Ｃｔを定電流Ｉ０で充電し
ていきその動作電圧が基準電圧Ｖ１に達するまでの時間
をｔ０とすると、 Ｉ０ｔ０＝ＣｔＶ１ の関係が得られる。Ｐｔ０はこのときの動作信号であ
る。

【００１６】ＰＢＲは減速パルス発生回路８の出力信号
であり、そのパルス幅ｔＢＲは次のように設定できる。
すなわち、容量Ｃｔを定電流Ｉ０で充電していく時にそ
の動作電圧が基準電圧Ｖ２に達するまでの時間をｔＢＲ
とすると、 Ｉ０ｔＢＲ＝ＣｔＶ２ の関係が得られる。ＰＡＣは加速パルス発生回路９の出
力信号であり、そのパルス幅ｔＡＣは速度パルスＰＦＧ
が発生してからｔ０の時間が経過した後から次にＰＦＧ
が発生するまでの時間である。モータの速度信号ＦＧの
周期をｔＦＧとすれば、 ｔＦＧ＝ｔ０＋ｔＡＣ の関係を得る。ＰＡＣとＰＢＲは速度制御回路１１に入
力される。モータの速度が遅くなり速度パルスＰＦＧの
周期が長くなるとＰＢＲのパルス幅ｔＢＲに対してＰＡ
Ｃのパルス幅ｔＡＣが長くなり、速度制御回路１１はそ
の出力Ｖｔの電位を大きくしてモータの電流をふやし、
モータを加速するよう動作する。逆に、モータの速度が
速くなり速度パルスの周期ＰＦＧが短くなるとｔＢＲに
対してｔＡＣが短くなり、速度制御回路１１はその出力
Ｖｔの電位を小さくしてモータの電流をへらし、モータ
を減速するように動作する。その結果、速度制御状態に
おいては ｔＡＣ＝ｔＢＲ となる。以上のことから、ｔＦＧは次のようにあらわさ
れる。

【００１７】ｔＦＧ＝Ｃｔ（Ｖ１＋Ｖ２）／Ｉ０ また、速度制御回路１１は、加速パルスＰＡＣと減速パ
ルスＰＢＲの時間幅の差（ｔＡＣ−ｔＢＲ）を積分し、
積分値をその値が正の時は正の、負の時は負の、前記積
分値に対応したトルク指令信号に変換して前記通電切換
信号増幅回路７に入力し、トルク指令信号のレベルに応
じて通電切換信号増幅回路７の出力レベルを変化させて
モータの電流を制御し、モータの速度を制御している。
この方式によりモータの負荷が変動しても上記の関係が
保たれ、モータの速度変動を小さくすることができる。
このように、本発明はモータのマグネットの磁束のばら
つきや変動の影響を受けることなく、モータを速度制御
することができるとともに、負荷変動に対するモータの
速度変動を小さくすることができる。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明は、
モータの速度信号ＦＧの周期をタイマー回路で定める時
間に比例した時間となるように速度制御することがで
き、構成が安易で、ばらつきや変動が少なく、モータの
マグネットの磁束の影響を受けることもなく、また負荷
変動に対するモータの速度変動も小さくすることができ
る優れたブラシレスモータの速度制御装置を提供するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるブラシレスモータの
速度制御装置の回路図

【図２】図１の駆動回路部の動作信号波形図

【図３】図１の制御回路部の動作信号のタイミングチャ
ート

【図４】従来のブラシレスモータの速度制御装置の回路
図

【図５】図４の反転増幅器の具体的回路図

【図６】図４の各点の信号波形図

【符号の説明】

２ａ，２ｂ，２ｃ 駆動トランジスタ ３ 位置検出回路 ４ 速度検出回路 ５ 速度パルス発生回路 ６ 通電切換回路 ７ 通電切換信号増幅回路 ８ 減速パルス発生回路 ９ 加速パルス発生回路 １０ タイマー回路 １１ 速度制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中野 博充 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−197288（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−217893（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−174288（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−98888（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 6/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータの位置検出信号を電力増幅して駆動
   トランジスタのベースへ入力し、駆動トランジスタの切
   替えおよびモータ電流の制御を行う通電切換信号増幅回
   路と、位置検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりに同
   期してモータの回転速度に逆比例した時間間隔ｔＦＧの
   速度パルスを出力する速度パルス発生回路と、速度パル
   スと同時にトリガーされる上記ｔＦＧより短い所定の時
   間幅ｔ０のタイマーパルスを出力するタイマー回路と、
   同じく速度パルスと同時にトリガーされる上記ｔＦＧよ
   り短い所定の時間幅ｔＢＲの減速パルスを出力する減速
   パルス発生回路と、上記タイマーパルスの終端から次の
   速度パルスまでの時間幅ｔＡＣの加速パルスを出力する
   加速パルス発生回路と、加速パルスと減速パルスの時間
   幅の差（ｔＡＣ−ｔＢＲ）を積分し、積分値をその値が
   正の時は正の、負の時は負の、前記積分値に対応したト
   ルク指令信号に変換して前記通電切換信号増幅回路に入
   力する速度制御回路とを備え、前記トルク指令信号のレ
   ベルに応じて前記通電切換信号増幅回路の出力レベルを
   変化させてモータの電流を制御するブラシレスモータの
   速度制御装置。