JP3236198B2 - ブラシレスモータの制御装置 - 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制御
装置、特に固定子巻線の電流位相を制御するブラシレス
モータの制御装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＦＡ、ＯＡ、情報機器の急激な成
長と相俟って、その駆動源としてのモータおよびその制
御法も進歩が著しい。その中でブラシレスモータは、種
々の分野に広く用いられている。

【０００３】一方、ブラシレスモータの一種としてステ
ッピングモータのロータの回転角を回転エンコーダ等に
より検出し、回転子の変位に従って励磁を切り換えてゆ
く制御法がある。この制御方法は、ステッピングモータ
の脱調、ミスステップを確実に避けることが出来ること
から広く利用されつつある。 図４は３相ブラシレスモ
ータの概念的な構成を示し、４１は固定子でｕ−ｕ’、
ｖ−ｖ’、ｗ−ｗ’の３個の巻線が電気角でほぼ１２０
度の位置に配置され、固定子４１と空隙を介して２極に
着磁された永久磁石を備えた回転子４２が回転自在に支
承されており、θは回転子の回転角である。図４に示し
た３相ブラシレスモータの出力トルクを考察するには、
固定子４１と回転子４２との空隙のパーミアンスＰと固
定子４１の各相の巻線に流す電流を検討するのが一般的
である。３相ブラシレスモータの固定子４１と回転子４
２との間の空隙のパーミアンスＰ(θ)は（１）式のよう
に近似出来る。ここでＰ０、ｋ１は構造によって定まる
定数である。

【０００４】 Ｐ（θ）＝Ｐ0ｋ1ｓｉｎθ ・・・・・（１）

【０００５】また、固定子４１の巻線ｕ，ｖ，ｗに流す
電流をｉu，ｉv，ｉwとし、電流の振幅をＩとすると、 ｉu＝Ｉｓｉｎωｔ ・・・・・（２） ｉv＝Ｉｓｉｎ（ωｔ−２π/３）
・・・・・（３） ｉw＝Ｉｓｉｎ（ωｔ−４π/３）
・・・・・（４） と表すことができる。

【０００６】そこでモータの出力トルクＴは Ｔ＝Ｋ［Ｐ（θ）ｉu＋Ｐ（θ−２π/３）ｉv＋Ｐ（θ
−４π/３）ｉw］・・・・・（５） で表現されるから、（１）〜（４）式を（５）式に代入
して、

【０００７】

【数１】 ・・・・・（６） となる。Ｋは定数である。

【０００８】モータを高効率で運転するためには、ブラ
シレスモータの回転子４２の回転角度を検出し、上記
（２）〜（４）式に従って各電流値が制御されなくては
ならない。従って、ωｔ＝θとすれば、

【数２】 …………（７） となる。しかし、ブラシレスモータの固定子４１に流れ
る電流は巻線の持つ時定数や、マイコンによる計算の遅
れにより位相遅れを生じ、各巻線から検出される実電流
に位相の遅れΦがあると、ωｔ＝θ−Φとすれば、電流
ｉU、ｉV、ｉWは

【０００９】 ｉu＝Ｉｓｉｎ（θ−φ） ・・・・・（８） ｉv＝Ｉｓｉｎ（θ−２π/３−φ） ・・・・・（９） ｉw＝Ｉｓｉｎ（θ−４π/３−φ） ・・・・・（１０ ） となるから、出力トルクＴは

【００１０】

【数３】 ・・・・・（１１） となって、トルクが減少することになり、電流位相の遅
れを補正する必要がある。ブラシレスモータの上記欠点
を補うため、外部にエンコーダを取り付け、モータの回
転子の回転角度に応じて電流位相の遅れを補正する方法
もある。

【００１１】この方法を図９により説明する。図におい
て９１はエンコーダにより制御される電流指令値の波形
で、回転子の磁極の１ピッチ角度２πラジアン間のエン
コーダのパルス数をＮとすると、2π／Ｎラジアン毎に
階段状に変化して正弦波９２に近似させることができ
る。

【００１２】そこでエンコーダによる制御信号の位相を
変化させる装置により電流指令値の位相を偏移させると
電流指令値の波形は図１０に示すようになり、２π／Ｎ
毎に電流位相を偏移させることができるが、位相偏移の
精度を高くするにはエンコーダのパルス数Ｎを大きくす
る必要があり、高パルスのエンコーダは高価格であると
いう欠点があった。

【００１３】

【発明が解決しようとする問題点】上記のように、従来
技術のブラシレスモータの制御装置は、電流位相遅れの
影響により、出力トルクが減少し、高速回転できない、
効率が悪くなるという欠点をもち、またブラシレスモー
タに高パルスエンコーダを取り付けるには、該エンコー
ダが高価格であるという欠点をもっている。

【００１４】

【問題点を解決するための手段】上記問題点を解決する
ために本発明に成るブラシレスモータの制御装置におい
ては、ブラシレスモータに磁極検出器を取り付けて磁極
検出信号により巻線電流の指令値を計算し、磁極検出信
号毎に巻線電流の指令値の波高値を変えることで巻線電
流の位相を制御する方式により解決する。

【００１５】

【作用】本発明に成るブラシレスモータの制御装置は、
上記の手段によって、巻線電流の位相を偏移させ、巻線
電流の移相遅れを補正し、最大出力トルクを得ることに
より高速運転でき、また効率を高くすることができる。

【００１６】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。図１は本発明に成るブラシレスモータの
制御装置の実施例の構成を示す回路図である。図１にお
いて、１１は３相ブラシレスモータ、１２は３相ブラシ
レスモータ１１の回転子に取り付けられた磁極検出器、
１３は磁極検出器の信号処理器、１４は電流指令演算
器、１５は電流制御装置、１６は駆動回路である。磁極
信号検出器１２により検出された磁極検出信号ＣU、Ｃ
V、Ｃwは磁極信号処理器１３に送られπ／３ラジアン毎
の信号Ｃp を生成し、磁極検出信号ＣU、ＣV、Ｃwと共
に電流指令演算器１４に送られ、前記磁極検出信号と電
流指令値の振幅Ｉ＊及び 電流指令の進み角βから電流
指令演算器１４で３相交流電流指令値ｉ＊U、ｉ＊V、ｉ
＊W を生成する。電流指令演算器１４には上位制御装
置より電流指令値の振幅Ｉ＊ と電流指令の進み角βが
入力されている。

【００１７】図３は、磁極信号処理器１３の中の磁極検
出信号ＣU、ＣV、Ｃw の波形を示すもので、３１が磁極
検出信号でこれらの信号は２π／３ラジアン位相差の３
相矩形波信号である。全相の立ち上がり、立ち下がりエ
ッジを検出し、生成したπ／３ラジアン毎の信号Ｃpの
波形が３２である。

【００１８】電流指令演算器１４は、３相電流指令値の
基本と成る２π／３ラジアンの位相差を有する矩形波の
磁極検出信号Ｃu,Ｃv,Ｃwのそれぞれについて、２πラ
ジアンの区間において前記磁極信号処理器１３により生
成されたＣpによりπ／３ラジアン毎に電流の振幅Ｉ*を
所定の値に変化させて３相の電流指令ｉu,ｉv,ｉwを生
成させるようになっており、更に進み角βの値により電
流の振幅が変化させられるようになっている。

【００１９】図２は電流指令演算器１４より出力する信
号で、磁極検出信号ＣU、ＣV、Ｃwとπ／３ラジアン毎
の信号Ｃpに基づいて生成した３相の電流指令（進み角
β＝０）の一つ（例えばＵ相）２１を示すもので、０か
らπ／３ラジアンの間は電流の振幅はｈ1Ｉ＊であり、
π／３ラジアンより２π／３ラジアンの間はｈ2Ｉ＊で
あり、２π／３ラジアンよりπラジアンの間はｈ3Ｉ＊
であり、πラジアンより２πラジアンの間は前記０より
πラジアンまでの振幅が符号を反対にして繰り返され
る。電流指令値の高調波を無視すれば、電流指令値は２
２のようにほぼ正弦波ｓｉｎθに近似となる。

【００２０】図２に示した波形２１においてπ／３ラジ
アン毎の電流指令値の波高値の係数の一例は、

【００２１】ｈ1＝０.５ ｈ2＝１.０ ｈ3＝０.５ ｈ4＝−ｈ1 ｈ5＝−ｈ2 ｈ6＝−ｈ3 とする。

【００２２】図２に示した電流指令のθ＝０〜π間の波
形の重心ｇは次式のように計算することができる。

【００２３】

【数４】 ・・・・・（１２） ここに、ｈ(θ)は波形の高さを表す関数である。ｈ(θ)
はπ／３毎に一定となるので、上記のｈ1Ｉ*,ｈ2Ｉ*,ｈ
3Ｉ*を式（１２）に代入すると、波形の重心ｇは

【００２４】

【数５】 ・・・・・（１３） で表すことができる。ここで進み角指令β＝０の場合の
電流指令値の波高値を式（１３）に代入すると、この時
の波形の重心ｇはπ／２の位置となる。

【００２５】式（１３）によって、π／３ラジアン毎の
電流指令値の波高値を変えることで電流指令値の波形重
心ｇを移動できる。この電流指令値の重心ｇを移動する
ことにより、電流指令値の波形は進み角βだけ偏移した
場合と等価になる。例えば、電流指令値の波形をπ／１
２（β＝π／１２）ラジアン進めたい場合には、ｈ1＝
０．７５、ｈ2＝１、ｈ3＝０．２５を式（１２）に代入
すると、図５に示すように電流指令値の波形重心ｇは５
π／１２の位置となる。つまり、電流指令値の波形重心
ｇはπ／２からπ／１２ラジアン左に移動したことにな
る。この場合の電流指令値の波形は図５の５１であり、
高調波を無視した電流指令値は５２のような略正弦波Ｉ
＊ｓｉｎ（θ＋β）となる。

【００２６】式（１３）によって、電流指令の波高値ｈ
1Ｉ*，ｈ2Ｉ*，ｈ3Ｉ*より、波形の重心ｇを変える場合
の実施例として以下いくつかの例を示す。

【００２７】進み角βを０〜π／６の間となるようにす
るには、 ｈ1＝０.５＋△ｈ ｈ2＝１.０ ｈ3＝０.５−△ｈ ｈ4＝−ｈ1 ｈ5＝−ｈ2 ｈ6＝−ｈ3 となる。ただし、△ｈ＝３β／πである。

【００２８】進み角βをπ／６〜π／３の間となるよう
にするには、 ｈ1＝１.０ ｈ2＝１.０−△ｈ ｈ3＝−△ｈ ｈ4＝−ｈ1 ｈ5＝−ｈ2 ｈ6＝−ｈ3 となる。ただし、△ｈ＝３（β−π／6）／πである。

【００２９】進み角β＝π／６、π／４、π／３の時の
電流指令値の波形及び近似正弦波は、それぞれ図６の６
１、６２、図７の７１、７２、図８の８１、８２に示す
ようになる。

【００３０】なお、上記の実施例は３相ブラシレスモー
タとした場合について述べたが、本発明はこれに限定さ
れず他の相数のものに適用することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明に成るブラシレスモータの制御装
置は、上記のような構成でブラシレスモータに磁極検出
器を取り付けて、回転子の磁極検出信号により巻線電流
の指令値を計算し、磁極検出信号毎に巻線電流の指令値
の波高値を変えることで任意の巻線電流の位相を制御す
ることができ、巻線電流の位相遅れを補正し、高速運転
を行うことができ、また高効率の運転ができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に成るブラシレスモータの制御装置の一
実施例を示す回路図である。

【図２】本発明に成るブラシレスモータの制御装置の一
実施例の電流指令波形図（進み角β＝０）である。

【図３】本発明に成るブラシレスモータの制御装置の一
実施例の磁極検出信号の波形図である。

【図４】本発明を実施するブラシレスモータの構造を示
す模式図である。

【図５】本発明に成るブラシレスモータの制御装置の一
実施例の電流指令波形図（進み角β＝π／１２）であ
る。

【図６】本発明に成るブラシレスモータの制御装置の一
実施例の電流指令波形図（進み角β＝π／６）である。

【図７】本発明に成るブラシレスモータの制御装置の一
実施例の電流指令波形図（進み角β＝π／４）である。

【図８】本発明に成るブラシレスモータの制御装置の一
実施例の電流指令波形図（進み角β＝π／３）である。

【図９】従来より実施されている高パルスエンコーダに
よる電流指令波形図（進み角β＝０）である。

【図１０】従来より実施されている高パルスエンコーダ
による電流指令波形図（進み角β＝２π／Ｎ）である。

【符号の説明】 １１ ： ３相ブラシレスモータ １２ ： 磁極検出器 １３ ： 磁極信号処理器 １４ ： 電流指令演算器 １５ ： 電流制御装置 １６ ： 駆動回路 ２１ ： 電流指令値波形（進み角β＝０） ２２ ： 電流指令値の近似正弦波（進み角β＝０） ３１ ： 電磁検出信号 ３２ ： π／３毎の信号 ４１ ： ブラシレスモータの固定子 ４２ ： ブラシレスモータの回転子 ５１ ： 電流指令値波形（進み角β＝π／１２） ５２ ： 電流指令値の近似正弦波（進み角β＝π／１
２） ６１ ： 電流指令値波形（進み角β＝π／６） ６２ ： 電流指令値の近似正弦波（進み角β＝π／
６） ７１ ： 電流指令値波形（進み角β＝π／４） ７２ ： 電流指令値の近似正弦波（進み角β＝π／
４） ８１ ： 電流指令値波形（進み角β＝π／３） ８２ ： 電流指令値の近似正弦波（進み角β＝π／
３） ９１ ： 高パルスエンコーダによる電流指令値波形
（進み角β＝０） ９２ ： 高パルスエンコーダによる電流指令値の近似
正弦波（進み角β＝０） １０１： 高パルスエンコーダによる電流指令値波形
（進み角β＝２π／Ｎ） １０２： 高パルスエンコーダによる電流指令値の近似
正弦波（進み角β＝２π／Ｎ）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３相の固定子巻線が巻装された固定子
   と、複数の磁極を有する永久磁石を備え、前記固定子と
   空隙を介して対向し、軸受部材で回転自在に軸支されて
   いる回転子と、該回転子の磁極位置を検出する磁極検出
   器と、該磁極検出器の出力を処理する磁極信号処理器
   と、該磁極信号処理器の出力により前記３相の固定子巻
   線に順次通電せしめる電流指令値を演算する電流指令演
   算器と、該電流指令値により通電制御する電流制御装置
   と、を有するブラシレスモータの制御装置において、前記磁極位置検出信号の立ち上がり、立ち下がりエッジ
   を検出し、前記エッジ信号毎に前記電流指令値の大きさ
   を変えて流指令値の波形重心を移動することで、電流指
   令値の移相を偏移させるように構成されている こと、を
   特徴とするブラシレスモータの制御装置。