JP3244820B2 - 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、その起動の確実性を向
上させ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（または誘
起電流）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、ステータコイルに励磁電流を順次
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ス
テップが含まれていて、このようなステップが含まれた
所定パターン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。ところが、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、本出願人は、歩進の一部をダブ
ル駆動方式とする起動方法を開発した。この起動方法で
は、センサレスモータの起動時に、休止時間を含まずに
通電方向が正から負、または、負から正に逆転する逆励
磁駆動動作を含む起動方法であって、この方法によれ
ば、第２歩進の初期において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。ここで、ダブル駆動方式の
詳細について説明する。励磁電流の通電方向が実質上休
止時間を含まないで、正から負、または、負から正に逆
転するダブル駆動方式は、例えば、図５に示されている
ステータコイルｕへの励磁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、内部歩進ステップで正の方向に励磁電流が供給さ
れ、続く内部歩進ステップで励磁電流が零になる休止
期間を経て、内部歩進ステップ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、ダブ
ル駆動方式では、図５の第２歩進工程のステータコイル
ｕへの内部歩進ステップ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回目の内部歩進ステップでこれを正に切り換え
る逆励磁駆動動作が行われていて、これをダブル駆動方
式と呼んでいる。このようなダブル駆動方式によると、
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、このダブル駆動方式の理論的な
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』 という表題で既に発表している。

【０００８】ところが、このようなダブル駆動方式で
は、３相のうちの１相のみで磁束密度変化の幅の増大が
起こるだけなので、例えば、ロータとステータとの位置
関係が、通電に対してたまたま０トルクを発生する位置
にある場合に起動操作を行うと、特に、電流を減少させ
ていったときには、ロータがあまり動かない状態で歩進
シーケンスが繰り返される。このとき、ロータを所定方
向に確実に回転させるために複数の歩進工程を繰り返す
が、例えば、逆励磁駆動動作が単一の方向で１相のコイ
ルのみの場合には、トルクアップが不十分になるという
問題があった。

【０００９】また、起動時に比較的大きい負荷か作用す
るモータ、例えば、動圧軸受けを備えたものにおいても
トルクアップを図る必要があった。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、第２歩進工程の少なくとも初期において、
複数の相で順次逆励磁駆動動作が行われるようにするこ
とで、十分なトルクアップを図り、その結果、起動確率
が向上す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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、励磁状態で電流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、このロータを所定の方向に回転
させる励磁電流が所定の内部歩進パターンで前記ステー
タコイルに供給される第１および第２歩進工程を有する
センサレス多相直流モータの起動方法において、前記第
２歩進工程では、少なくとも初期の段階に、各相のステ
ータコイルに対して励磁電流が供給される順に、通電方
向が実質上休止期間を含まないで正から負または負から
正に逆転する逆励磁駆動動作が連続して行われることを
特徴とする。

【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、第２歩進工程の初期に複数の相で順次、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
動動作が行われるので、この逆励磁駆動動作によりステ
ータの磁束密度変化幅が大きく増大し、その結果大幅な
トルクアップが達成され、これにより起動確率が大幅に
向上する。

【００１２】

【実施例】以下本発明の好適な実施例について添附図面
を参照して詳細に説明する。図１から図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（逆誘起起電流
でもよい）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部２と、制御部２の出力側に接続
されたドライバー回路３およびパワー回路４と、シーケ
ンサ５および励磁カウンタ６，歩進タイマ７とを有して
いる。

【００１４】パワー回路４は、制御部２からの指令に基
づいて作動するドライバー回路３からの出力信号を受け
て、各ステータコイルｕ，ｖ，ｗに励磁カウンタ６で設
定されたパターンで励磁電流を供給する。制御部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。シーケンサ５
は、制御部２からの制御信号を受けて予め設定されてい
る歩進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→ｖ，ｗ→ｖ，ｗ→ｕ，ｖ
→ｕ，ｖ→ｗ，ｕ→ｗの６つのステップが繰り返さ
れる歩進パターンが設定されている。

【００１５】励磁カウンタ６は、制御部２の信号を受け
て、この信号に基づいて、シーケンサ５の内部歩進パタ
ーンを変更するものであって、例えば、これが１にセッ
トされた場合には、歩進パターンは図２に示された〜
のステップが繰り返される励磁電流をドライバー回路
３に送出するとともに、励磁カウンタ６が＋２にセット
された場合には、図２に示した歩進パターンでは、，
，のステップが繰り返され、また、＋４にセットさ
れると，，のステップが繰り返される励磁電流を
送出する。

【００１６】歩進タイマ７は、励磁カウンタ６で設定さ
れた励磁電流の継続時間を制御部２からの信号に基づい
て設定するものである。図３には、制御部２で実施され
る起動時の制御フローが示され、また、図４，５には、
起動時の歩進工程のタイムチャートが示されており、こ
の実施例では、第１，２歩進工程と第１第２加速工程と
が設定されている。なお、以下の説明では、歩進タイマ
７の設定時間は、全て時間ｔに設定されているものとし
て説明する。

【００１７】図３に示す制御フローでは、制御部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
励磁カウンタ６が１にセットされ、ステップｓ２で第１
歩進工程が実行される。この第１歩進工程では、励磁カ
ウンタ６が１にセットされているので、図５に示すよう
に、図２に示したｕ→ｖ，ｗ→ｖ，ｗ→ｕ，…
…ｕ→ｗのステップが９回繰り返される励磁電流が供
給される。

【００１８】そして、９回の内部歩進ステップ〜ま
での第１歩進工程が実施されると、ステップｓ３で第１
加速工程が所定の時間実施される。このとき、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、ロータマグネットとステータコイ
ルｕ，ｖ，ｗとの相互位置が検出され、この検出位置に
応じて励磁パターンを変化させる運転制御が行われる。

【００１９】続くステップｓ４では、第１加速工程の最
終内部歩進ステップに対して、後方に１スキップさせ、
かつ、励磁カウンタ６が＋４にセットされ、その後ステ
ップｓ５で第２歩進工程が実行される。このようなステ
ップｓ４が実行されると、いま、例えば、ステップｓ２
で行われた第１歩進工程で、モータが全く起動しなかっ
たとすれば、その内部歩進の最終ステップは、図５に示
すように、第９内部歩進ステップであって、このステ
ップでは、ステータコイルｗ→ｕに励磁電流が供給され
た状態になっている。

【００２０】この最終内部歩進ステップに対して、ス
テップｓ４では、まず、後方に１スキップさせるので、
図２を参照するとよくわかるように、第２歩進工程の内
部歩進ステップでは、ステータコイルｕ→ｖに励磁電
流が供給されることになる。そして、ステップ４では、
励磁カウンタ６が＋４にセットされるので、以後の内部
歩進ステップは、コイルｖ→ｗ，コイルｗ→ｕに励磁電
流が供給されるステップが繰り返されることになる（図
２において、，，が繰り返されるパターンにな
る）。

【００２１】このような状態で励磁電流を供給すると、
第２歩進工程では、最初にコイルｕで実質上休止期間を
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５において太線矢印で示した部分が逆励磁駆動動
作である）が行われるとともに、その初期から複数の相
でコイルｕ，ｖ，ｗの順に順次、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行われる。なお、
このような逆励磁駆動動作が得られるのは、モータが全
く起動しなかった場合だけでなく、起動が不十分であっ
た場合にも本実施例では実行される。

【００２２】すなわち、モータが若干起動したが、その
トルクが不十分で、第１歩進工程では、揺動だけに終わ
ったとしても、第１加速工程では、ロータマグネットと
ステータコイルｕ，ｖ，ｗとの相対的な位置関係が逆起
電圧検出回路１で求められているので、検出回路１で求
められた位置関係に基づいて第２歩進工程の最初の内部
歩進ステップを上記と同様に設定することができる。

【００２３】また、このような逆励磁駆動動作を得るた
めには、第１歩進工程の最終内部歩進ステップから前方
に１スキップさせても、第２歩進工程の初期に上記と同
様な逆励磁駆動動作が実行される。そして、ステップｓ
５で第２歩進工程が実行されると、ステップｓ６で第２
加速工程になり、その後、ステップｓ７で定速制御が実
行される。

【００２４】定速制御に移行して、その状態に異常がな
ければその状態が維持されるとともに、定速制御に異常
が生じ、これがステップｓ８で検出されると、ステップ
ｓ１に戻り再び起動時の処理が実行される。さて、以上
のような多相直流モータの起動方法によれば、第１歩進
工程で起動に失敗した場合でも、第２歩進工程の初期に
複数相で順次逆励磁駆動動作が行われるので、大きな磁
束密度変化幅が生じて、第１歩進工程を含んで異なる磁
束密度変化幅が発生するときには起動の死点が解消する
とともに、高トルクが発生して、モータの起動が確実に
行われる。

【００２５】図６は、この発明にかかる起動方法の他の
実施例を示しており、以下にその特徴点についてのみ説
明する。同図に示す起動方法では、図３に示した制御フ
ロー中のステップｓ４で設定される励磁カウンタ６の条
件が上記実施例と異なっている。すなわち、この実施例
では、まず、ステップｓ４において、第１加速工程の最
終内部歩進ステップに対して、後方に２スキップさせ、
かつ、励磁カウンタ６が＋２にセットされ、その後ステ
ップｓ５で第２歩進工程が実行される。

【００２６】このようなステップｓ４が実行されると、
いま、例えば、ステップｓ２で行われた第１歩進工程
で、モータが全く起動しなかったとすれば、その内部歩
進の最終ステップは、ステータコイルｗ→ｕに励磁電流
が供給された状態になっている。この最終内部歩進ステ
ップに対して、ステップｓ４では、まず、後方に１ス
キップさせるので、図２を参照するとよくわかるよう
に、第２歩進工程の内部歩進ステップでは、ステータ
コイルｕ→ｗに励磁電流が供給されることになる。そし
て、ステップ４では、励磁カウンタ６が＋２にセットさ
れるので、以後の内部歩進ステップは、コイルｖ→ｗ，
コイルｗ→ｕに励磁電流が供給されるステップが繰り返
されることになる（図２において、，，が繰り返
されるパターンになる）。

【００２７】このような状態で励磁電流を供給すると、
第２歩進工程では、最初にコイルｕとｗとで休止期間を
含まないで通電方向が逆転する逆励磁駆動動作（図６に
おいて太線矢印で示した部分が逆励磁駆動動作である）
が行われるとともに、その後、歩進の初期から複数の相
でコイルｗ，ｖ，ｕの順に順次、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行われる。

【００２８】このような起動方法によっても上記実施例
と同様な作用効果が得られるとともに、特に、この実施
例では、第２歩進工程の最初に２相で正から負および負
から正に通電方向が逆転する逆励磁駆動動作が行われる
ので、より一層モータの起動確率が高くなる。なお、図
６に示した実施例においても第２歩進工程を実行する際
に、第１歩進工程の最終内部歩進ステップを前方に２ス
キップさせても同じ効果が得れる。

【００２９】また、上記実施例では、第２歩進工程で第
１歩進工程の最終内部歩進ステップを前後方向に１スキ
ップさせ，かつ、励磁カウンタ６を＋４にする組合せ
と、第１歩進工程の最終内部歩進ステップを前後方向に
２スキップさせ，かつ、励磁カウンタ６を＋２にする組
合せとを例示したが、これらの組合せを逆にしてもよ
い。

【００３０】また、上記実施例では、第１歩進工程と第
２歩進工程の間に第１加速工程を設けているが、この第
１加速工程を省略することができる。さらに、この第１
加速工程に代えて、電流を切り換えることなくその供給
を保持する電流保持工程を設けるようにしてもよい。さ
らにまた、上記実施例では、第２歩進工程の全期間にお
いて複数相に順次逆励磁駆動動作を行っているが、第２
歩進工程の初期のみ（少なくとも複数相の各相にて１
回）順次逆励磁駆動動作を行うことによっても所望の効
果が達成される。また、上記実施例で示した第２歩進工
程のパターンは、第２加速工程及び定速制御の場合にも
適用できる。

【００３１】

【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、第２歩進工程の初期に複数の相で順次逆励磁駆
動動作が実行されるので、モータの起動確率が非常に高
くなり、起動失敗の確率が殆ど零になる。

【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】本発明にかかる起動方法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３】本発明にかかる起動方法の第１実施例を示すフ
ローチャートである。

【図４】図３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５】図４に示した歩進工程の詳細説明図である。

【図６】本発明にかかる起動方法の他の実施例を示す歩
進工程の詳細説明図である。

【符号の説明】

１ 逆起電圧検出回路 ２ 制御部 ３ ドライバー回路 ４ パワー回路 ５ シーケンサ ｕ，ｖ，ｗ ステータコイル

Claims (1)

(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
   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、このロータを所定の方向に回転
   させる励磁電流が所定の内部歩進パターンで前記ステー
   タコイルに供給される第１および第２歩進工程を有する
   センサレス多相直流モータの起動方法において、 前記第２歩進工程では、少なくとも初期の段階に、各相
   のステータコイルに対して励磁電流が供給される順に、
   通電方向が実質上休止期間を含まないで正から負または
   負から正に逆転する逆励磁駆動動作が連続して行われる
   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。