JP3549078B2 - Drive device for brushless motor - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、多相ブラシレスDCモータの特に低速時における騒音と効率を改善するためのモータ駆動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図3は従来技術に成る3相ブラシレスDCモータの駆動装置の回路図で、該モータの回転数を速度指令電圧の変化により可変する回路構成図であり、図において1はモータ内蔵の多極着磁されたロータマグネット、2はモータ内蔵の磁極位置センサ群、3は2の信号を増幅する増幅器群、4は3の3相120度位相差の信号を3相120度通電するためのロジック回路、5は4の信号によりモータコイルに通電するためのトランジスタ群、6はモータコイル群、7は速度指令電圧、8は鋸波発生回路、9はコンパレータ、10はスイッチング用トランジスタ、11は10のプリドライバ、12、13、14はそれぞれチョークコイル、コンデンサ、ダイオードであり、この10、11、12、13、14によりDC−DCコンバータ15を構成して、16の電源電圧Vccを指令電圧に応じて17のモータコイル供給電圧Vmに降圧している。そして鋸波発生回路8の周波数はモータコイルに通電する切り替え周波数より十分高く設定され、チョークコイル12とコンデンサ13の定数は出力が平滑となるように選定されている。
【0003】
図4は図3の回路の各部の信号波形を示すタイムチャートである。次に図4により動作について説明する。図4において18は増幅器群3の出力であり電気角で120度毎に位相のずれた3相の正弦波状の信号となつている。19はロジック回路内部の信号、20、21はロジック回路4の出力で電気角120度通電となつている。22は速度指令の電圧で、23はコンパレータ出力でPWM出力となつている。17はDC−DCコンバータの出力で破線はVccレベル、実線が速度指令値による電圧レベルである。24はモータコイル群6のある1相の電流波形を示し、電気角120度ごとに相切り替えの際の立ち上がり、立ち下がりが鋭いスイツチング波形を生じている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の回路構成では、相切り替え毎のスイッチングノイズが大きく、騒音や振動の発生を伴なっている。特に低速時にはモータ内の機械的な原因による騒音が低下し、相切り替え毎のスイッチングノイズは目立つようになる。本発明は上記のような問題点を原理的に解消することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、DC−DCコンバータにより供給されるモータ電圧をモータの通電周期に同期させ正弦波状の波形を重畳させて、モータコイルの相切り替え時の波形を滑らかにしてスイッチングノイズを低減させる。そのためにモータ内蔵の磁極位置センサ群の正弦波状出力を全波合成しPWM変換するが、合成されたセンサ出力の周波数成分については位相ずれがないように、且つPWMキャリア周波数については十分にフィルタ効果がとれるようなDC−DCコンバータが必要であり、これをチョークコイル、コンデンサ、PWMキャリア周波数を適度に設定することで実現する。
【0006】
【実施例】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。図1は本発明に成る3相ブラシレスモータの駆動装置の一実施例を示す回路構成図である。図1において30は磁極位置センサ群の正弦波状出力の全波合成回路で、33は該全波合成回路の出力と速度指令電圧7との加算回路、34は三角波発生回路でその他は図2の従来の回路構成と同様であるが、三角波発生回路34の周波数と、DCーDCコンバータ15のチョークコイル12のインダクタンスとコンデンサ13の容量を下記の条件に合わせるように変更する。
磁極位置センサ群2の正弦波状出力の全波合成波形周波数fmは、
ロータマグネットの磁極数P、モータ回転数N(rpm)、モータコイルの相数nとすると、fm=(2npN)/120(Hz)となる。
相数が多く、回転数が高くなると、fmも高くなり、前記DC−DCコンバータ15のチョークコイル12、コンデンサ13による共振周波数fcに近ずくことになり前記全波合成波形の位相遅れ、波形歪みが大きくなる。ここで共振周波数frはチョークコイル12のインダクタンスをL,コンデンサ13の容量をCとすれば、
fr=1/2π√LC と計算される。
またPWMのキャリア周波数fcは三角波発生回路34の周波数により定められ、frに対して十分大きくとり、モータコイル電圧VmへのPWMによるリップル電圧の影響を極力下げる必要がある。
以上のことから、fmに対しては5倍マージンを見込み
5fm〈fr 即ち 5(2npN)/120〈 1/2π√LC であり、 fcに対しては5倍のマージンを見込み
5fr〈fc 即ち 5(1/2π√LC)〈fc
とすることで、波形歪みの無いモータ電圧を供給できる。
なお、これとは別にPWMのデューティによりチョークコイルのインダクタンスは制限を受けることは周知である。
また、上述の内容は通電制御回路がユニポーラ通電の場合には、磁極位置センサ群の正弦波状出力の半波合成波形となるため、fmは1/2となり
5(npN)/120〈 1/2π√LC
且つ 5(1/2π√LC)〈fc となる。
【0007】
図2は、上記図1の回路図での動作タイミングチャートである。31は全波合成回路30の出力、32は加算回路33の出力、35はモータコイル電圧で、3相の電気角120度通電に同期して、磁極位置センサ群の正弦波状出力の全波合成波形がDC電圧に重畳されている。その結果36はモータコイルのある1相の電流波形であり、相切り替え時、電流の立ち上がり、立ち下がりの波形が滑らかになりスイッチングノイズが生じなくなつている。
【0008】
図5は本実施例のチョークコイル12とコンデンサ13による、低域フィルターの周波数特性を示すもので、40はゲイン、41は位相であり、42はfmの最大値、43はfr、44はfcの周波数である。
【0009】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、DCーDCコンバータを構成する低域フィルタの周波数特性とPWM周波数をモータ特性にマッチングするように選定することで、多相ブラシレスDCモータの供給電圧を通電の相切り替え毎に変化させて、モータコイル電流の立ち上がり、立ち下がりが滑らかなスイッチング波形とすることにより、振動、騒音が大幅に低減される。
【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駆動装置の一実施例である回路構成図である。
【図2】図1によるブラシレスモータの駆動装置の動作タイミングチャートと各部の波形図である。
【図3】従来技術に成るブラシレスモータの駆動装置の回路構成図である。
【図4】図3によるブラシレスモータの駆動装置の動作タイミングチャートと各部の波形図である。
【図5】本発明の一実施例に使用されるチョークコイル、コンデンサによるフィルタの特性図である。
【符号の説明】
1 ロータマグネット
2 磁極位置サンサ群
3 増幅器群
4 ロジック回路
5 トランジスタ群
6 モータコイル群
7 速度指令電圧
8 鋸波発生回路
9 コンパレータ
10 トランジスタ
11 プリドライバ
12 チョークコイル
13 コンデンサ
14 ダイオード
15 DC−DCコンバータ
16 電源電圧
17 従来方式のモータコイル電圧波形
18 増幅器群3の出力波形
19 ロジック回路4の内部信号
20 ロジック回路4の出力波形
21 ロジック回路4の出力波形
22 速度指令電圧7の電圧波形
23 コンパレータ9の出力波形
24 モータコイル6の1相の電流波形
30 全波合成回路
31 全波合成回路30の出力波形
33 加算回路
32 加算回路33の出力波形
34 三角波発生回路
35 本発明のモータコイル電圧波形
36 本発明によるモータコイルのある1相の電流波形[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a motor drive device for improving the noise and efficiency of a polyphase brushless DC motor, particularly at low speed.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 is a circuit diagram of a driving device for a three-phase brushless DC motor according to the prior art, and is a circuit configuration diagram in which the number of revolutions of the motor is varied by changing a speed command voltage. In FIG. Magnetized rotor magnet, 2 is a group of magnetic pole position sensors built in the motor, 3 is a group of amplifiers for amplifying the signal of 2, 4 is a logic circuit for energizing 3 phase signals of 120 degrees with a phase difference of 120 degrees. 5 is a transistor group for energizing the motor coil by the signal of 4, 6 is a motor coil group, 7 is a speed command voltage, 8 is a sawtooth generation circuit, 9 is a comparator, 10 is a switching transistor, and 11 is a 10 The pre-drivers 12, 13, and 14 are choke coils, capacitors, and diodes, respectively, and the DC-
[0003]
FIG. 4 is a time chart showing signal waveforms at various parts of the circuit of FIG. Next, the operation will be described with reference to FIG. In FIG. 4,
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional circuit configuration, switching noise is large at each phase switching, and noise and vibration are generated. In particular, at low speed, noise due to mechanical causes in the motor is reduced, and switching noise at each phase switching becomes noticeable. An object of the present invention is to solve the above problems in principle.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention synchronizes a motor voltage supplied by a DC-DC converter with a motor energizing cycle and superimposes a sine-wave-like waveform to smooth a waveform at the time of phase switching of a motor coil to reduce switching noise. For this purpose, full-wave synthesis and PWM conversion of the sine-wave output of the magnetic pole position sensor group built in the motor are performed. However, the frequency component of the synthesized sensor output does not have a phase shift, and the PWM carrier frequency has a sufficient filtering effect. A DC-DC converter is needed which can be obtained by setting a choke coil, a capacitor, and a PWM carrier frequency appropriately.
[0006]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a driving device for a three-phase brushless motor according to the present invention. In FIG. 1,
The full-wave composite waveform frequency fm of the sine wave output of the magnetic pole position sensor group 2 is
Assuming that the number of magnetic poles P of the rotor magnet, the number of motor rotations N (rpm), and the number of phases of the motor coil are n, fm = (2 npN) / 120 (Hz).
As the number of phases increases and the number of rotations increases, fm also increases, and approaches the resonance frequency fc of the
fr = 1 / 2π√LC is calculated.
Further, the PWM carrier frequency fc is determined by the frequency of the triangular
From the above, a five-fold margin is expected for fm, and 5fm <fr, that is, 5 (2npN) / 120 <1 / 2π√LC, and a five-fold margin is expected for fc, 5fr <fc or 5 (1 / 2π√LC) <fc
By doing so, a motor voltage without waveform distortion can be supplied.
It is well known that the inductance of the choke coil is limited by the duty of the PWM.
In the above description, when the energization control circuit is unipolar energization, the half-wave composite waveform of the sine wave output of the magnetic pole position sensor group is obtained, so that fm becomes 1/2 and 5 (npN) / 120 <1 / 2π. √LC
And 5 (1 / 2π√LC) <fc.
[0007]
FIG. 2 is an operation timing chart in the circuit diagram of FIG. 31 is an output of the full-wave synthesizing
[0008]
FIG. 5 shows the frequency characteristics of the low-pass filter using the
[0009]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the supply voltage of the polyphase brushless DC motor is selected by selecting the frequency characteristics and the PWM frequency of the low-pass filter constituting the DC-DC converter so as to match the motor characteristics. The vibration and noise are greatly reduced by changing the phase of the energization each time and by making the switching waveform of the motor coil current rise and fall smoothly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a brushless motor driving device according to the present invention.
FIG. 2 is an operation timing chart of the brushless motor driving device shown in FIG. 1 and waveform diagrams of respective parts.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of a brushless motor driving device according to the related art.
FIG. 4 is an operation timing chart of the brushless motor driving device shown in FIG. 3 and waveform diagrams of respective parts.
FIG. 5 is a characteristic diagram of a filter using a choke coil and a capacitor used in one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotor magnet 2 Magnetic pole position sensor group 3 Amplifier group 4
Claims (2)
5(2nPN/120)<(1/2π√LC)で、且つ
5(1/2π√LC)<fcという関係を満たしていること、を特徴とするブラシレスモータの駆動装置。A stator having a multi-phase winding wound thereon, a magnet rotor rotatably supported opposite to the stator, a position detecting element for detecting a position of the magnet rotor, and an output signal for the position detection. speed wherein consists energization control circuit for energization angle of 120 degrees sequentially energizing the polyphase winding, it was added to the DC-DC converter interposed between the power reception unit and the power supply of the vent electric control circuit in the Ru good bipolar energization In a brushless motor driving device configured to vary a motor supply voltage by a command voltage to change a motor speed, a circuit for full-wave rectifying and synthesizing the position detection signal of the magnet rotor, and an output of the synthesizing circuit and the speed. A circuit for adding a command voltage, and an output smoothing circuit having a low-pass filter comprising a series choke coil and a parallel capacitor, which constitutes the DC-DC converter. The numbers are n for the number of motor phases, P for the number of magnetic poles of the magnet rotor, N (rpm) for the maximum rotation speed of the motor, L (H) for the inductance of the series choke coil, and C (F for the capacitance of the parallel capacitor. ), When the switching frequency is fc (Hz),
A drive device for a brushless motor, wherein 5 (2nPN / 120) <(1 / 2π√LC) and 5 (1 / 2π√LC) <fc are satisfied.
5(nPN/120)<(1/2π√LC)で、且つ
5(1/2π√LC)<fcという関係を満たしていること、を特徴とするブラシレスモータの駆動装置。 A stator having a multi-phase winding wound thereon, a magnet rotor rotatably supported opposite to the stator, a position detecting element for detecting a position of the magnet rotor, and an output signal of the position detection. A speed command voltage applied to a DC-DC converter inserted between a power receiving unit and a power supply of a power supply receiving unit of the power supply control circuit. A brushless motor driving device configured to vary a motor supply voltage to change a motor speed by a full-wave rectifying and synthesizing a position detection signal of the magnet rotor; and an output of the synthesizing circuit and the speed command voltage. and a circuit for adding the bets, and constituting the DC-DC converter, the output smoothing circuit having a low pass filter comprising more series choke coils and the parallel capacitor The numbers are n for the number of motor phases, P for the number of magnetic poles of the magnet rotor, N (rpm) for the maximum rotation speed of the motor, L (H) for the inductance of the series choke coil, and C (F for the capacitance of the parallel capacitor. ), When the switching frequency is fc (Hz),
A drive device for a brushless motor, characterized by satisfying a relationship of 5 (nPN / 120) <(1 / 2π√LC) and 5 (1 / 2π√LC) <fc.
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