JP3228813B2

JP3228813B2 - センサレス多相直流モータの回転制御方法

Info

Publication number: JP3228813B2
Application number: JP04513293A
Authority: JP
Inventors: 士明湯; 勲金田; 尚山本
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 1993-03-05
Filing date: 1993-03-05
Publication date: 2001-11-12
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: JPH06261592A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、センサレス多相直流
モータの回転制御に関し、特に、モータの起動の容易性
と定常運転の高速特性とを改良する技術に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】磁気ディスク装置の回転駆動用のモータ
として、従来から、ブラシレス多相直流モータが用いら
れている。この種のモータはスピンドルモータとも呼ば
れ、例えば、励磁状態において磁界を発生するステータ
コイルを備えたステータと、このステータコイルの磁界
との電磁相互作用により回転力を得るロータマグネット
を備えたロータと、ロータマグネットの回転位置を検出
するセンサとを有する構造のものがよく知られており、
このような構造のスピンドルモータでは、多くの場合、
半導体チップ化された電子回路により回転制御が行われ
ている。

【０００３】この場合のステータ側の磁界発生タイミン
グは、センサによりロータマグネットの回転位置を検知
して制御され、この種のセンサには、従来からホール素
子が用いられていた。ところが、近時、モータの小型化
やセンサの特性劣化を回避するために、センサを使用し
ないで、休止中のコイルに発生する誘起電圧を利用して
ロータマグネットの位置を検知するいわゆるセンサレス
多相直流モータが一般化されつつある。

【０００４】センサレスモータの起動に際し、モータ停
止時は、逆起電圧が得られないため、まず、ロータを揺
動させることが行われる。図５，６は、従来、この種の
モータで採用されていた回転制御回路の一例と、この回
路で起動時に３相のステータコイルＵ，Ｖ，Ｗに供給さ
れる励磁電流の波形を示している。同図に示す回転制御
回路は、ステータコイルに対して励磁電流を一方向にの
み通電可能な、いわゆる、ユニポーラ駆動と呼ばれる方
式のものであって、集積回路で構成された制御回路部１
と、制御回路１の出力側にそれぞれのゲートが接続さ
れ、かつ、Ｙ字状に結腺されたステータコイルＵ，Ｖ，
Ｗの一端にそれぞれのドレインが接続されたＦＥＴトラ
ンジスタＱU,ＱV,ＱWと、Ｙ字状に結腺されたステータ
コイルＵ，Ｖ，Ｗの中点とＦＥＴトランジスタＱU,ＱV,
ＱWのソースとの間に接続された電源電池Ｅとから構成
されている。

【０００５】このように構成された回転制御回路では、
ＦＥＴトランジスタＱ_U,Ｑ_V,Ｑ_Wを制御回路部１で、オ
ン，オフ制御することにより、図４に示すような矩形波
電流が各ステータコイルＵ，Ｖ，Ｗに供給されて、起動
および定常運転の制御が行われる。しかしながら、この
ような従来の回転制御方法には、以下に説明する技術的
課題が指摘されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、上記センサ
レス多相直流モータの回転制御方法においては、回転中
の電力消費が少なく、また、騒音レベルも低いが、発生
トルクが低いために起動しにくいという問題があった。
このような起動時の問題に対して、ステータコイルに対
して励磁電流を双方向に通電可能な、いわゆる、バイポ
ーラ駆動と呼ばれる方式を起動時に採用し、定常回転時
にはユニポーラ駆動を採用する回転制御方法も提案され
ているが、このようなユニポーラ駆動・バイポーラ駆動
を切換える制御方法でも、十分な起動トルクが得られな
いという問題があった。本発明は、以上のような問題点
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、起動時に十分なトルクを確保しつつ、しかも、定常
運転時に良好な高速特性が得られるセンサレス多相直流
モータの回転制御方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、励磁状態で電流磁界を発生する複数相のステータコ
イルを備えたステータと、このステータコイルの電流磁
界との電磁相互作用により回転力を得るロータマグネッ
トを備えたロータとを備え、前記ロータの回転検出用の
センサを有しないセンサレス多相直流モータの回転制御
方法において、少なくともモータの起動時において、前
記ステータコイルへの通電方向が実質上休止期間を含ま
ないで逆転する逆励磁駆動動作を、各相のステータコイ
ル毎に順次連続して行わせるとともに、モータが予め設
定された第１の設定回転数まで達した後に、前記複数相
のステータコイルにユニポーラ駆動電流を供給すること
を特徴とする。

【０００８】前記第１の設定回転数は、前記モータの定
常回転数よりも低く設定されており、モータが定常回転
数まで達した後に、前記第１の設定回転数以下に低下し
た時に、前記逆励磁駆動動作を行わせることができる。
また、上記回転制御方法では、前記モータが定常回転数
まで達した後に、第２の設定回転数以上に上昇した時
に、回転方向と逆方向のトルクが発生する前記逆励磁駆
動動作を行わせることができる。

【０００９】

【作用】上記構成のセンサレス多相直流モータの回転制
御方法によれば、少なくともモータの起動時において、
前記ステータコイルへの通電方向が実質上休止期間を含
まないで逆転する逆励磁駆動動作を、各相のステータコ
イル毎に順次連続して行わせるので、磁束密度の変化幅
が大きくなり、大きなトルクが得られる一方、モータが
第１の設定回転数に到達すると、各相のステータコイル
にユニポーラ駆動電流を供給するので、定常運転時に
は、電力消費が少なく、また、発生する騒音も低くな
る。

【００１０】また、請求項２の構成によれば、モータが
定常回転数まで達した後に、第１の設定回転数以下に低
下した時に、逆励磁駆動動作を行わせ、また、請求項３
の構成によれば、モータが定常回転数まで達した後に、
第２の設定回転数以上に上昇した時に、回転方向と逆方
向のトルクが発生する前記逆励磁駆動動作を行わせるの
で、これらの逆励磁駆動動作により、早期に定常回転数
に復帰させることができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の好適な実施例について添附図面
を参照して詳細に説明する。図１から図４は、本発明に
かかるセンサレス多相直流モータの起動方法の一実施例
を示している。同図に示す起動方法は、本発明を３相の
センサレス直流モータに適用したものであり、図１には
モータの制御装置を含む全体構成が示されており、直流
モータは、励磁状態で磁界を発生する図外のステータ
と、このステータの磁界との電磁相互作用により回転力
を得る図外のロータとを有している。

【００１２】ステータには、３相のステータコイルｕ，
ｖ，ｗが施されていて、各ステータコイルｕ，ｖ，ｗ
は、一端側が共通接続されている。制御装置１０は、各
ステータコイルｕ，ｖ，ｗの一端側が接続されたパワー
回路１０ａと、パワー回路１０ａに出力側が接続された
ドライバー回路１０ｂと、ドライバー回路１０ｂに出力
側が接続された制御部１０ｃと、制御部１０ｃの出力側
に接続されたシーケンサ１０ｄ，およびステータコイル
ｕ，ｖ，ｗの逆起電圧を検出する逆起電圧検出回路１０
ｅ，切換回路１０ｆとを有している。

【００１３】パワー回路１０ａは、制御部１０ｃからの
指令に基づいて作動するドライバー回路１０ｂの出力信
号を受けて、各ステータコイルｕ，ｖ，ｗにシーケンサ
１０ｄで設定されたパターンに従って励磁電流を供給す
る。制御部１０ｃは、例えば、マイクロコンピュータか
ら構成され、後述するような制御手順に従って、モータ
の起動および起動後の回転制御を行う。

【００１４】シーケンサ１０ｄは、制御部１０ｃからの
制御信号を受けて予め設定されているパターンの励磁電
流を送出するものであり、この実施例では、図２に示す
ように、ステータコイルｕ，ｖ，ｗに対して、ｕ→
ｗ，ｗ→ｖ，ｖ→ｕの３つの内部ステップが順次繰
り返される励磁電流を供給する第１パターン（逆励磁駆
動）と、図３に示すように、ステータコイルｕ，ｖ，ｗ
に対して、ｕ，ｖ，ｗの順に単数の相に励磁電流を供給
する第２パターン（ユニポーラ駆動）とが設定されてい
る。

【００１５】図２に示した第１パターンは、例えば、バ
イポーラドライブでは、ステータコイルｕ，ｖ，ｗに対
して、ｕ→ｗ，ｕ→ｖ，ｗ→ｖ，ｗ→ｕ，ｖ
→ｕ，ｖ→ｗの６つの内部ステップが繰り返される励
磁電流のパターンが設定されているので、このパターン
において、，，が順次選択されるようにすると簡
単に得られる。

【００１６】また、図２に示した第１パターンでは、実
質上休止期間を含まないで通電方向が、負から正に逆転
する逆励磁駆動動作（図２において太線矢印で示した部
分）が、ステータコイルｕ，ｖ，ｗにおいてｗ，ｖ，ｕ
の順に順次繰り返されるようになっている。逆起電圧検
出回路１０ｅは、一端側がステータコイルｕ，ｖ，ｗに
接続され、各コイルｕ，ｖ，ｗに励磁電流が供給されな
い期間において、ステータコイルｕ，ｖ，ｗに発生する
逆誘起電圧を検出して、モータの回転の有無および回転
数を検出するものであって、その出力信号は、制御部１
０ｃに入力される。切換回路１０ｆは、ステータコイル
ｕ，ｖ，ｗが合流接続された部分に一端が接続され、制
御部１０ｃからの制御信号を受けて、コイルｕ，ｖ，ｗ
を第２パターンに従ってユニポーラ駆動する際に、合流
接続された部分を接地する機能を有する。

【００１７】図４には、制御部１０ｃで実行される制御
手順の一例が示されている。同図に示す制御手順では、
制御部１０ｃがスタート信号を受けて作動すると、初期
化された後に、ステップｓ１で逆励磁起動が行われる。
この逆励磁起動は、図２に示した第１パターンの励磁電
流がステータコイルｕ，ｖ，ｗに供給されものであっ
て、実質上休止期間を含まないで通電方向が逆転する逆
励磁駆動動作が、複数の相のステータコイルｕ，ｖ，ｗ
で順次おこなわれる。

【００１８】このような逆励磁駆動動作が行われる第１
パターンの励磁電流をステータコイルｕ，ｖ，ｗに供給
すると、磁束密度の変化幅が大きくなり、非常に大きな
起動トルクが発生して、モータを非常に高い確率で早く
起動させることが可能になる。続くステップｓ２では、
逆起電圧検出回路１０ｆの出力信号から、モータの回転
数ｎが検出され、この回転数ｎが第１の設定回転数Ｎ₁
よりも大きいか否かが判断され、回転数ｎが設定回転数
Ｎ₁よりも低い場合には、ステップｓ１に戻り、逆励磁
起動が繰り返される。

【００１９】この場合、第１の設定回転数Ｎ₁は、例え
ば、モータの定常回転数Ｎ₀が３６００ｒｐｍであれ
ば、それよりも低い３５００ｒｐｍ程度に設定される。
そして、ステップｓ２で回転数ｎが第１の設定回転数Ｎ
₁よりも大きくなったと判断された場合には、ステップ
ｓ３に移行する。ステップｓ３では、位相のシフトが行
われる。位相のシフトは、逆励磁駆動からユニポーラ駆
動に切換られるので、電気角で１５度以上、３０度以下
の適当な角度、例えば、２０度遅れ方向にシフトされ
る。

【００２０】続くステップｓ４で、切換回路１０ｆを作
動させて、ステップｓ５で、各ステータコイルｕ，ｖ，
ｗに図３に示した第２パターン（ユニポーラ駆動）の励
磁電流を供給する通電パターンの切り換えが行われる。
なお、第１の設定回転数Ｎ₁を定常回転数よりも高く設
定し、この第１の設定回転数Ｎ₁に達した時にユニポー
ラ駆動に切り換えるようにしてもよい。

【００２１】ステップｓ３で位相のシフトを行うのは、
このステップ以前では、モータにバイポーラの逆励磁駆
動の励磁電流が供給されていて、ステップｓ４以降にユ
ニポーラ駆動の励磁電流を供給するので、励磁電流のパ
ターンを切り換えた際に、励磁電流のパターン変更を円
滑にするために、位相の整合を取る必要があるのでこの
ステップを設けている。

【００２２】次いで、ステップｓ６で逆起電圧検出回路
１０ｆの出力信号から、モータの回転数ｎが検出され、
この回転数ｎがモータの定常回転数Ｎ₀よりも大きいか
否かが判断され、回転数ｎが定常回転数Ｎ₀よりも低い
場合には、ステップｓ５に戻り、ユニポーラ駆動が継続
して繰り返される。一方、ステップｓ６で回転数ｎが定
常回転数Ｎ₀よりも大きいと判断された場合には、次の
ステップｓ７で回転数ｎが第１の設定回転数Ｎ₁と第２
の設定回転数Ｎ₂の範囲内にあるか否かが判断される。

【００２３】この場合、第２の設定回転数Ｎ₂は、モー
タの定常回転数Ｎ₀よりも大きい回転数、すなわち、モ
ータの定常回転数Ｎ₀が３６００ｒｐｍであれば、例え
ば、３７００ｒｐｍに設定される。そして、ステップｓ
７で回転数ｎが設定回転数Ｎ_1,Ｎ₂の範囲内にあると判
断された場合には、ステップｓ５に戻り、ユニポーラ駆
動が継続して繰り返される。

【００２４】一方、ステップｓ７で回転数ｎが設定回転
数Ｎ_1,Ｎ₂の範囲内にないと判断された場合には、ステ
ップｓ８で回転数ｎが第１の設定回転数Ｎ₁よりも小さ
いか否かが判断され、回転数ｎが設定回転数Ｎ₁よりも
小さい場合には、ステップｓ９の位相シフトを経て、切
換回路１０ｆの作動を停止して、ステップｓ１０で逆励
磁通電が行われる。この場合の逆励磁通電は、図２に示
した第１パターンで各ステータコイルｕ，ｖ，ｗに励磁
電流を供給する。このときの位相のシフトは、ユニポー
ラ駆動から逆励磁駆動に切換られるので、電気角で１５
度以上、３０度以下の適当な角度、例えば、２０度早め
る方向にシフトされる。

【００２５】続くステップｓ１１では、回転数ｎが第１
の設定回転数Ｎ₁よりも大きいか否かが判断され、設定
回転数Ｎ₁よりも大きい場合には、ステップｓ３に戻り
位相シフト，ユニポーラ駆動が繰り返されるとともに、
設定回転数Ｎ₁よりも小さい場合には、ステップｓ１０
に戻り逆励磁通電が継続される。一方、ステップｓ８で
回転数ｎが第１の設定回転数Ｎ₁よりも大きいと判断さ
れた場合には、回転数ｎは第２の設定回転数Ｎ₂よりも
大きいことになるので、ステップｓ１２の位相シフトを
経て、ステップｓ１３で逆励磁減速が行われる。この場
合の逆励磁減速における励磁電流の供給パターンは、図
２に示したものと同様に各ステータコイルｕ，ｖ，ｗに
おいて順に行われる逆励磁駆動動作が含まれるものであ
って、かつ、現在モータが回転している方向と逆方向の
トルクが発生するように供給される。

【００２６】そして、ステップｓ１４で回転数ｎが第２
の設定回転数Ｎ₂よりも小さいか否かが判断され、回転
数ｎが設定回転数Ｎ₂よりも大きい場合には、ステップ
ｓ１３に戻って減速が継続されるとともに、回転数ｎが
設定回転数Ｎ₂よりも小さくなるとステップｓ５に戻
る。さて、以上のようにして行われるセンサレス多相直
流モータの回転制御方法においては、起動時に、ステッ
プＳ１において、実質上休止期間を含まないで通電方向
が逆転する逆励磁駆動動作を各ステータコイルｕ，ｖ，
ｗで順次連続して行わせるので、磁束密度の変化幅が大
きくなり、大きなトルクが得られる一方、モータの回転
数ｎが第１の設定回転数Ｎ₁に到達すると、ステップｓ
５でステータコイルｕ，ｖ，ｗの単数相に励磁電流を供
給するので、定常運転時にはユニポーラ駆動が行われ、
電力消費が少なくなる。

【００２７】また、モータｋ回転数ｎが定常回転数Ｎ₀
まで達した後に、第１の設定回転数Ｎ₁以下に低下した
時に、ステップＳ１０で逆励磁駆動動作を行わせるの
で、逆励磁駆動動作の大きなトルクにより、早期にモー
タを定常回転数Ｎ₀に復帰させることができる。さら
に、モータの回転数ｎが定常回転数Ｎ₀まで達した後
に、第２の設定回転数Ｎ₂以上に上昇した時に、ステッ
プｓ１３で回転方向と逆方向のトルクが発生する逆励磁
駆動動作を行わせるので、これらの逆励磁駆動動作によ
り、早期にモータを定常回転数Ｎ₀に復帰させることが
できる。

【００２８】なお、上記実施例では、モータの減速をす
る際に逆励磁駆動動作を含んだパターンで励磁電流を供
給する場合を例示したが、本発明の実施はこれに限定さ
れることはなく、単なる電流供給によって減速を行って
もよい。また、本発明は３相のセンサレスモータだけで
なくこれ以外の多相モータにおいても適用できる。

【００２９】

【発明の効果】以上、実施例で詳細に説明したように、
本発明にかかるセンサレス多相直流モータの回転制御方
法によれば、起動時に十分なトルクを確保しつつ、しか
も、定常運転時に電力消費を抑えて良好な回転特性が得
られる。また、請求項２ないしは３の構成によれば、モ
ータの回転数が定常回転から逸脱した際に、早期に定常
回転に戻すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる回転制御方法が適用されるセン
サレス多相直流モータの制御系を含む全体構成図であ
る。

【図２】本発明にかかる回転制御方法で少なくとも起動
時に採用される励磁電流のパターンの一例を示す説明図
である。

【図３】本発明にかかる回転制御方法で定常回転近傍で
採用される励磁電流のパターンの一例を示す説明図であ
る。

【図４】本発明の回転制御方法における制御手順の一例
を示すフローチャートである。

【図５】従来のユニポーラドライブの制御系を示すブロ
ック図である。

【図６】図５の制御系で供給される励磁電流の波形図で
ある。

【符号の説明】

１０制御装置１０ａパワー回路１０ｂドライバー回路１０ｃ制御部１０ｄシーケンサ１０ｅ逆起電圧検出回路１０ｆ切換回路ｕ，ｖ，ｗステータコイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−283090（ＪＰ，Ａ) 特開平２−131391（ＪＰ，Ａ) 特開平４−304192（ＪＰ，Ａ) 特開平４−308500（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 6/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】励磁状態で電流磁界を発生する複数相の
ステータコイルを備えたステータと、このステータコイ
ルの電流磁界との電磁相互作用により回転力を得るロー
タマグネットを備えたロータとを備え、前記ロータの回
転検出用のセンサを有しないセンサレス多相直流モータ
の回転制御方法において、少なくともモータの起動時において、前記ステータコイ
ルへの通電方向が実質上休止期間を含まないで逆転する
逆励磁駆動動作を、各相のステータコイル毎に順次連続
して行わせるとともに、モータが予め設定された第１の
設定回転数まで達した後に、前記複数相のステータコイ
ルにユニポーラ駆動電流を供給することを特徴とするセ
ンサレス多相直流モータの回転制御方法。
【請求項２】前記第１の設定回転数は、前記モータの
定常回転数よりも低く設定されており、前記モータが定
常回転数まで達した後に、前記第１の設定回転数以下に
低下した時に、前記逆励磁駆動動作を行わせることを特
徴とする請求項１記載のセンサレス多相直流モータの回
転制御方法。
【請求項３】前記モータが定常回転数まで達した後
に、第２の設定回転数以上に上昇した時に、回転方向と
逆方向のトルクが発生する前記逆励磁駆動動作を行わせ
ることを特徴とする請求項１記載のセンサレス多相直流
モータの回転制御方法。