JP3244799B2 - センサレス多相直流モータの起動方法 - Google Patents

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
モータの起動方法に関し、特に、その起動時の消費電力
を低減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
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
動させることがおこなわれる。例えば、３相コイルのス
ピンドルモータでは、ステータに駆動電流を順次供給す
る歩進工程が繰り返され、この歩進工程中には、通常、
正方向，休止，逆方向の励磁電流を各相に流すモードが
含まれていて、このようなモードの励磁電流を流すこと
によって発生する磁界と、ロータマグネットとの間の吸
引，反発力により駆動トルクが発生してモータの起動が
行われる。

【０００５】しかしながら、このようなセンサレス多相
直流モータでは、特に、その起動方法に以下に説明する
技術的課題があった。

【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においては、コイルに鎖交する磁束
による誘起電圧によりロータマグネットの位置を検知し
ているが、モータの停止時には誘起電圧がなく、また、
マグネットの極性が不明なので、始動時には、強制的に
起動をかけている。しかしながら、ロータの位置によっ
ては、低トルクのために起動不良が発生したり、あるい
は、通電による磁界が逆方向に発生して、起動立上がり
において機械角６０°以上逆回転することもある。

【０００７】そこで、このような不都合を回避し、起動
信頼性を高めるために、従来は、複数の歩進を繰り返え
しても起動不良が発生した場合には、最初の歩進に戻っ
て起動を繰り返すリトライ方式や、歩進の一部をダブル
駆動方式としたり、複数歩進の間に逆励磁期間を設けた
り、さらには各方式を併用する起動方法が採用されてい
る。ここで、ダブル駆動方式とは、本出願人が開発した
起動方法であって、モータの起動時に、休止時間を含ま
ずに通電方向を正から負、または、負から正に逆転させ
る部分を含む起動方法であって、この方法によれば、大
きな磁束密度変化幅が生じて、起動の死点が解消すると
ともに、高トルクが発生し、起動信頼性が向上する。

【０００８】ところが、このようなリトライを繰り返す
起動方法においては、最初の歩進で起動に成功した場合
にも次の歩進を繰り返すことになるので、余分な電力消
費が発生し、電池電源を使用したポータブルパソコンな
どでは問題視されていた。本発明は、以上のような従来
の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、起動時の余分な電力消費をカットできるセン
サレス多相直流モータの起動方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【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、励磁状態で電流磁界を発生するステータ
と、このステータ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、前記ス
テータの誘起起電圧を検知する逆起電圧検出回路とを備
え、所定回数の内部歩進を繰り返す第１歩進工程と、前
記第１歩進工程の最後の内部歩進での通電状態を所定時
間維持する第１加速工程と、前記第１加速工程の終了時
点において、正または負の通電状態が維持される少なく
とも１つの相に対して、１回目の内部歩進で通電状態を
正から負または負から正に切り換えるダブル歩進動作を
含み、このダブル歩進動作の後に、前記第１歩進工程と
同様に所定回数の内部歩進を繰り返す第２歩進工程と、
前記第２歩進工程の最後の内部歩進での通電状態を所定
時間維持する第２加速工程とを備えてなるセンサレス多
相直流モータの起動方法であって、前記第１加速工程の
期間中に、前記逆起電圧検出回路にて、前記ステータの
誘起起電圧の検出を行い、所定の電圧を検知した場合に
は、前記第２歩進工程を行なうことなく、通常の運転モ
ードに移行するとともに、前記所定の電圧が検出されな
かった場合には、前記ダブル歩進動作を含む第２歩進工
程を実行し、その後に実行される前記第２加速工程の期
間中に、再度前記逆起電圧検出回路にて、前記ステータ
の誘起起電圧の検出を行い、前記所定の電圧を検知した
場合には、通常の運転モードに移行する一方、前記所定
の電圧が検知されなかった場合には、前記第１歩進工程
に戻り、一連の起動工程を再度実行することを特徴とす
る。

【００１０】この結果、それ以後の歩進工程は、バック
アップもしくはフェイルセーフとして機能することにな
る。また、本発明では、最初に駆動電流が供給される前
記第１歩進工程中に、通電方向が休止期間を実質上含ま
ないで正から負または負から正に逆転するダブル駆動動
作を設けることができる。

【００１１】

【作用】上記構成のセンサレス多相直流モータの起動方
法によれば、歩進工程でモータが起動したことを検知し
た際に、それ以後の歩進工程を中止するので、起動時の
消費電力が少なくなる。また、本発明では、第２歩進工
程に、第１加速工程の終了時点において、正または負の
通電状態が維持される少なくとも１つの相に対して、１
回目の内部歩進で通電状態を正から負または負から正に
切り換えるダブル歩進動作が含まれているので、モータ
が起動する確率が高くなる。さらに、請求項２の構成に
よれば、第１歩進工程中に通電方向が休止時間を実質上
含まないで逆転するダブル歩進動作が行われるので、第
１歩進工程でモータが起動する確率が非常に高くなり、
起動の信頼性を確保しつつ、起動時の消費電力も低減す
ることが可能になる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の好適な実施例について添附図面
を参照に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第１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
にはモータの制御系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。

【００１３】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に
は、励磁電流が供給されない休止時間に各ステータコイ
ルｕ，ｖ，ｗに誘起される逆誘起起電圧を検知する逆起
電圧検出回路１が接続されている。本実施例の制御系
は、逆起電圧検出回路１の検出信号が入力される制御回
路２と、制御回路２に歩進信号を供給する歩進信号発生
回路３と、制御回路２の出力側に接続された通電切換回
路４および出力ドライブ回路５とを有している。

【００１４】出力ドライブ回路５は、制御回路２からの
指令に基づいて作動する通電切換回路４からの出力信号
を受けて、各ステータコイルｕ，ｖ，ｗに設定されたパ
ターンで励磁電流を供給する。制御回路２は、モータの
起動および起動後の定常運転の制御を逆起電圧検出回路
１からの信号に基づいて行う。図２には、制御回路２で
実施される起動時の制御フローが示され、また、図３に
は、起動時の歩進工程のタイムチャートが示されてい
る。

【００１５】図３に示した歩進工程では、第１および第
２歩進工程と、第１加速工程（逆励磁工程）および第２
加速工程とが設定されていて、歩進工程が２回繰り返さ
れるようになっている。また、第１および第２歩進工程
では、モータの慣性に同期した周期で第１から第９まで
の９回の内部歩進０〜９が行われる。図２に示す制御フ
ローでは、制御回路２がスタート信号を受けて作動する
と、まず、ステップｓ１で第１歩進工程が実行される。

【００１６】このステップ１で実行される第１歩進工程
では、歩進信号発生回路３の出力信号を、制御回路２の
制御信号に基づいて通電切換回路４を作動して、出力ド
ライブ回路５をオン，オフさせることにより、例えば、
第１内部歩進０では、ステータコイルｕから同ｖへと通
電され、第２内部歩進１では、ステータコイルｗから同
ｖへと通電され、これらの各ステータコイルｕ，ｖ，ｗ
が設定されたパターンに従って順次励磁される。

【００１７】そして、９回の内部歩進０〜９までの第１
歩進工程が実施されると、最終の内部歩進９の状態を保
持したままで第１加速工程が所定の時間実施される。こ
のとき、本実施例では、各ステータコイルｕ，ｖ，ｗに
接続されている逆起電圧検出回路１の検出信号により、
制御回路２でモータが充分に起動されたか否かが判断さ
れる（ステップｓ２）。

【００１８】ステップｓ２で行われる起動の判断には、
例えば、第１加速工程での逆起電圧のゼロクロスやロー
タ加速度の大きさや、第１加速工程の終了直後の回転数
などが、モータの形状などに応じて経験的に求められる
設定値よりも大きいか否かにより判断され、ステップｓ
２で充分と判断されると、その後の歩進工程を中止し
て、起動時の制御フローを終了し、通常の運転モードが
逆起電圧検出回路１の検出信号に基づいて行われる。

【００１９】一方、ステップｓ２で充分に起動していな
いと判断された場合には、逆励磁電流が保持されたまま
（ステップｓ３）、ステップｓ４により第２歩進工程が
実施される。この実施例で採用している第２歩進工程
は、図３に示すように、第１歩進工程と同じ内部歩進０
〜９が繰り返されるパターンに設定されているが、第２
歩進工程が実行される前の各ステータコイルｕ，ｖ，ｗ
の励磁状態は、第１歩進工程の最終内部歩進９の状態に
保持されているので、ステータコイルｕにおいて、通電
方向が休止時間を含まないで負から正に逆転するダブル
歩進動作が設けられていて、いわゆるダブル駆動方式に
なっている。

【００２０】このため、第２歩進工程の初期に非常に大
きなトルクが発生する。仮に、ロータがステータに対し
て死点近傍にあった場合でも、第２歩進工程で異なる磁
束密度となることから、高確率で起動することができ
る。ここで、ダブル歩進動作の詳細について説明する。
励磁電流の通電方向が休止時間を含まないで、正から
負、または、負から正に逆転するダブル歩進動作は、例
えば、図１に示されているステータコイルｕへの歩進電
流の供給パターンで説明すると、同図の第１歩進工程で
は、ステータコイルｕには、内部歩進１で正の方向に励
磁電流が供給され、続く内部歩進２で励磁電流が零にな
る休止期間を経て、内部歩進３で負の方向の励磁電流が
供給されている。このような励磁電流の供給パターンが
通常のシングル歩進動作である。これに対して、本実施
例で採用しているダブル歩進動作は、図１の第２歩進工
程のステータコイルｕへの内部歩進１を見ると明らかな
ように、第１加速工程の終了時点における負の通電状態
が維持され、１回目の内部歩進でこれを正に切り換える
逆転操作が行われていて、これをダブル歩進動作と呼ん
でいる。このようなダブル歩進動作を行なわせると、以
下の作用効果が得られ起動確率が向上する。すなわち、
励磁電流が零となる休止期間を経て励磁電流の通電方向
を正から負、または、負から正に逆転させると、励磁状
態が一旦零になってから、いずれかの方向に励磁される
ので、この時の励磁状態の変化率は、あまり大きくなら
ないが、励磁電流が零となる休止期間を実質上経ること
なく、その通電方向を正から負、または、負から正に逆
転させると、励磁状態の変化率は、休止時間を設けた場
合の２倍になり、高トルクが得られ、モータの起動確率
が向上する。なお、このダブル歩進動作の理論的な根拠
は、本発明者らが平成３年電気学会産業応用部門全国大
会で、『ダブル駆動によるセンサレススピンドルモータ
の起動特性改良』の表題で既に発表している。そして、
第２歩進工程が実行されると、一応、第２加速工程にな
り、このときにも再び逆起電圧発生回路１の検出信号に
基づいて、モータが起動したか否かがステップｓ５で判
断される。

【００２１】ステップｓ５でモータが充分に起動したと
判断されると、それ以後の歩進工程は中止され、起動時
の制御フローは終了し、上記と同様に通常の運転モード
でモータは運転される。なお、ステップｓ５で充分に起
動していないと判断されると、ステップｓ１に戻って、
設定された時間内において、モータの起動が確認される
まで上記と同様な操作が繰り返される。しかし、多くの
場合、最後のステップｓ５は省略可能である。

【００２２】図４は、以上の制御フローでモータを起動
した場合に発生する３つのケースを図示したものであ
る。同図においてで示した第１ケースは、ステップｓ
２で第１歩進工程のみで充分に起動したと判断され、そ
の後の第２歩進工程を中止した場合であり、同図におい
て、点線で示した状態がこれを示している。また、第１
ケースにおいて実線で示したものは、第１歩進工程で充
分に起動されている場合に、さらに第２歩進工程を行っ
たものである。

【００２３】図４のは、第２ケースを示しており、こ
の第２ケースは、ステップｓ２で充分に起動されていな
いと判断されたが、ステップｓ４で第２歩進工程が実行
されることにより、ステップｓ５でモータが充分に起動
したと判断された場合である。また、図４のは、第３
ケースであって、この第３ケースは、ステップｓ２で
は、全く起動していないと判断されたが、ステップｓ４
で第２歩進工程が実行されることにより、ステップｓ５
でモータが充分に起動したと判断された場合である。

【００２４】図４の３つのケースを観察すると明らかな
ように、特に、第１歩進工程でモータが充分に起動さ
れ、その後の歩進工程を中止すると、モータの回転速度
の低下を招くことなく、スムーズな起動が行われること
がわかる。さて、以上のようなセンサレス多相直流モー
タの起動方法によれば、第１歩進工程でモータが起動し
たことを逆起電圧検出回路１により検知した際に、それ
以後の第２歩進工程を中止するので、起動時の消費電力
が少なくなる。

【００２５】図５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第２実施例を示している。同図は
図３に示した起動時の歩進工程において、第１歩進工程
に採用される内部歩進の他の例を示している。同図に示
す内部歩進では、図３のものと同様に０〜９のパターン
が設定されており、特に、各ステータコイルｕ，ｖ，ｗ
のそれぞれにおいて、通電方向が休止時間を含まないで
負から正に逆転するダブル歩進動作が設けられている。

【００２６】すなわち、ステータコイルｕでは、内部歩
進６が、同ｖでは、内部歩進２，７が、同ｗでは、内部
歩進４がそれぞれダブル駆動方式になっている。このよ
うな構成の歩進工程を第１歩進工程に採用すると、第１
歩進工程でモータが起動する確率が非常に高くなり、起
動の信頼性を確保しつつ、起動時の消費電力も低減する
ことが可能になる。

【００２７】

【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起動方法に
よれば、起動時の消費電力が低減されるので、モータ駆
動用の電源電池の小電流小型化に貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる起動方法が適用される多相直流
モータの制御系を含む全体構成図である。

【図２】本発明にかかる起動方法の一例を示すフローチ
ャートである。

【図３】図２に示したフロチャートで実施される歩進工
程の説明図である。

【図４】図２に示した起動方法で行われるモータの起動
状態の説明図である。

【図５】本発明の起動方法で採用される歩進工程の他の
例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 逆起電圧検出回路 ２ 制御回路 ３ 歩進信号発生回路 ４ 通電切換回路 ５ 出力ドライブ回路 ｕ，ｖ，ｗ ステータコイル

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励磁状態で電流磁界を発生するステータ
   と、このステータ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、前記ス
   テータの誘起起電圧を検知する逆起電圧検出回路とを備
   え、所定回数の内部歩進を繰り返す第１歩進工程と、 前記第１歩進工程の最後の内部歩進での通電状態を所定
   時間維持する第１加速工程と、 前記第１加速工程の終了時点において、正または負の通
   電状態が維持される少なくとも１つの相に対して、１回
   目の内部歩進で通電状態を正から負または負から正に切
   り換えるダブル歩進動作を含み、このダブル歩進動作の
   後に、前記第１歩進工程と同様に所定回数の内部歩進を
   繰り返す第２歩進工程と、 前記第２歩進工程の最後の内部歩進での通電状態を所定
   時間維持する第２加速工程とを備えてなるセンサレス多
   相直流モータの起動方法であって、 前記第１加速工程の期間中に、前記逆起電圧検出回路に
   て、前記ステータの誘起起電圧の検出を行い、所定の電
   圧を検知した場合には、前記第２歩進工程を行なうこと
   なく、通常の運転モードに移行するとともに、 前記所定の電圧が検出されなかった場合には、前記ダブ
   ル歩進動作を含む第２歩進工程を実行し、その後に実行
   される前記第２加速工程の期間中に、再度前記逆起電圧
   検出回路にて、前記ステータの誘起起電圧の検出を行
   い、前記所定の電圧を検知した場合には、通常の運転モ
   ードに移行する一方、 前記所定の電圧が検知されなかった場合には、前記第１
   歩進工程に戻り、一連の起動工程を再度実行する ことを
   特徴とするセンサレス多相直流モータの起動方法。
2. 【請求項２】 最初に駆動電流が供給される前記第１歩
   進工程中に、通電方向が休止期間を実質上含まないで正
   から負または負から正に逆転するダブル駆動動作が設け
   られていることを特徴とする請求項１記載のセンサレス
   多相直流モータの起動方法。