JP3568078B2

JP3568078B2 - ブラシレスモータ駆動制御回路

Info

Publication number: JP3568078B2
Application number: JP26138596A
Authority: JP
Inventors: 智伊藤; 広岩井
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JPH1084690A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＶＴＲやポリゴンミラーのスピンドルモータやディスク型記憶装置等のスピンドルモータに好適なブラシレスモータ駆動制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１はＶＴＲのキャプスタン軸を直接回転駆動するブラシレスモータの断面図であり、図２は図１に示したブラシレスモータのステータ部の平面図である。ロータ１０は中心にキャプスタン軸であるシャフト４０が固着され軸受け手段９０，１００によって回転自在に支持されており、ステータ２０と対向する表面に８極の正弦波状の駆動磁極を有する駆動マグネット５０が備えられている。また、その周囲には外周に３６０極のＦＧ磁極を有するＦＧマグネット６０が備えられている。
【０００３】
ステータ２０は軟磁性鋼板に絶縁層を介して銅箔を積層し、エッチング等の方法により回路パターンを形成したステータ基板７０（配線基板を兼ねている）をベースに、６個の空心のステータコイル８０を６０度間隔に回転中心と同軸に配し固着している。これらのステータコイル８０は前述した駆動磁極と平面で対向しており、回転中心を挟んで対向する１組の２個が直列に接続され、３組でスター結線の３相ステータコイルを構成している。
【０００４】
これらのコイルの中心には機械角１２０度の間隔で２個のホール素子１３０が、前述した駆動磁極のホール素子に磁束を供給する部分の磁束密度に応じ１２０度位相差のホール信号Ｕ及びＶを出力するように配設されている。
【０００５】
また、図示しないＭＲ型感磁素子はステータ２０上に配設され、ロータ１０に設けたＦＧマグネット６０の外周のＦＧ磁極に０．１ｍｍ程度の隙間を空けて対向し、ＦＧ磁極に応じて１回転当たり３６０サイクルのＦＧ信号を出力する。
ＦＧ信号は速度制御手段によりモータを目的の回転速度に制御する速度制御信号に変換され、駆動電流を制御するようにＩＣ１４０に内蔵された駆動回路に供給される。
【０００６】
前述したホール信号Ｕ及びＶは信号合成手段により和演算及び反転がなされ、合成信号Ｗとして出力される。このとき、駆動磁極を正弦波状に形成すればホール信号Ｕ及びＶも正弦波状の信号となり、合成信号Ｗも振幅が同じ正弦波状の信号として得られる。ホール信号Ｕ，Ｖ及び合成信号Ｗは各々１２０度位相差の３相位置信号を構成し駆動回路に供給され、駆動回路は３相のステータコイルに、前述した速度制御信号に応じた大きさの電流を、この位置信号に応じた比率に制御して流すように作用する。この駆動電流により、ステータコイル８０はロータ１０の回転に応じた回転磁界を生じさせ、駆動磁極の磁界との相互作用により回転駆動力を発生する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、機器の小型化及び効率向上が求められ、このようなブラシレスモータにおいて、駆動電流を低減しトルクを増大する事が求められており、このためには、総磁束量を増すことが有効と考えられており、駆動磁極を正弦波から台形波状にすることが試みられている。
駆動磁極を正弦波から台形波状にしていくと、マグネットの特性で定まる最大磁束密度は一定であるから、図８に示すように第３次高調波が含有率が増大することに伴って基本波も増大しトルク増大に寄与することが判明した。
即ち、図４によると、例えば駆動磁極に１０％の第３次高調波を含有するようにすると、基本波も１０％程度増大し、この結果トルクも１０％増大することが分かる。
【０００８】
しかし、ホール素子に磁束を供給する部分も同様で、ホール信号もこの第３次高調波成分が含まれ、これらを和演算及び反転をなし合成信号Ｗを生成すると、ホール信号の波形と異なった歪みを多く含む波形を生じ、各相のステータコイル相互の駆動電流の相違となり、これがトルクのムラとなってモータの回転ムラを悪化させる原因となった。これらは図５に示すように、駆動磁極の第３次高調波の含有率の増大にともなって回転ムラが増大し、特に含有率が８％以上では回転ムラは０．３％を超え使用に耐えない程となる問題を生じた。
本発明はかかる従来の問題点に鑑みなされたもので、請求の範囲記載の構成とすることにより、トルクを増大し、回転ムラも良好なブラシレスモータを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明によるブラシレスモータ駆動制御回路は、駆動磁極を備えると共に回転自在に保持されるロータと、前記駆動磁極と対向する３相のステータコイルと、前記ロータの回転角度に応じた磁束を供給され、電気角で１２０度の位相差のホール信号Ｕ及びＶを出力する２個のホール素子と、前記ホール信号Ｕ及びＶを合成して前記ホール信号Ｕ及びＶに対して電気角で１２０度の位相差の合成信号Ｗを出力する信号合成手段と、前記ホール信号Ｕ，Ｖ及び合成信号Ｗとに応じて前記ステータコイルに駆動電流を制御して流す駆動回路とを備えたブラシレスモータにおいて、前記信号合成手段は加算回路と非線形変換手段と三角波台形波変換手段とを含んで構成され、前記ロータの回転角度に応じて前記ホール素子に磁束を供給する部分の磁極波形が基本波と同相の第３次高調波成分及び第５次高調波成分を含んでなり、前記第３次高調波成分の含有率と前記第５次高調波成分の含有率との差が１６％以下であることを特徴とするものであり、また、前記駆動回路は前記ホール信号Ｕに応じた信号と前記ホール信号Ｖに応じた信号との差分Ｘと、前記ホール信号Ｖに応じた信号と前記合成信号Ｗに応じた信号との差分Ｙと、前記合成信号Ｗに応じた信号と前記ホール信号Ｕに応じた信号との差分Ｚとを生成し、前記差分Ｘ、Ｙ及びＺに応じて前記ステータコイルに流す駆動電流を制御するようにしたことを特徴とするもの、更に、前記２個のホール素子は機械角で６０度以下の間隔で配置したことを特徴とするもの、あるいは前記ホール素子はＧａＡｓ型ホール素子であるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例に係るブラシレスモータの外観構成は先に図１及び図２を用いて説明した従来例と略同様な構成であるので図１及び図２を再び用いて説明する。
【００１１】
本発明に係るブラシレスモータでは、ロータ１０の表面に８極の所定の第３次高調波成分と第５次高調波成分を含ませた台形波状の駆動磁極を有する駆動マグネット５０が備えられており、ステータ２０は従来例と同様に回路パターンを形成した基板をベースに、６個の空心コイルを６０度間隔に回転中心と同軸に配し固着されている。
【００１２】
これらのコイルは前述した駆動磁極と平面で対向しており、回転中心を挟んで対向する１組の２個が直列に接続され、３組でスター結線の３相ステータコイル８０を構成している。また、これらのコイルの中心には２個のホール素子１３０が、前述した駆動磁極のホール素子に磁極を供給する部分の磁束密度に応じ１２０度位相差のホール信号Ｕ及びＶを出力するように配設されている。
【００１３】
更に、従来例同様にＭＲ型感磁素子が配設されＦＧ信号を出力し、このＦＧ信号は速度制御手段によりモータを目的の回転速度に制御する速度制御信号に変換され、駆動電流を制御するように駆動回路手段に供給される。
【００１４】
（第１実施例）
図３は第１実施例の構成を示すブロック図であり、図６は各波形を示す図である。以下図面を参照して説明する。前述したホール信号Ｕ及びＶは加算回路１及び非線形変換手段２より成る信号合成手段で和演算及び反転をなし合成信号Ｗを出力する。このとき駆動磁極のホール素子に磁束を供給する部分の磁極波形は第３次高調波成分と第５次高調波成分を含ませた台形波状であるから、ホール信号Ｕ及びＶも図６の（ａ）、（ｂ）に示すように台形波状の信号となり、合成信号Ｗは同図の（ｃ）に示すような歪んだ三角波状の信号として得られる。
【００１５】
三角波−台形波変換手段３は入力された三角波状の合成信号Ｗを図６の（ｄ）に示すような台形波状の変換信号Ｗ’に変換し、入力信号のゼロクロス付近ではゲインが高く、入力信号の振幅が大きくなるにつれてゲインが低下し最終的には入力振幅が上昇しても出力振幅は殆ど上昇しないような特性を有し、入力振幅と出力振幅との関係は三角波−台形波変換特性を有する。
【００１６】
具体的には本実施例の場合、入力振幅を３／４乗した後、更に差動増幅器の対数変換特性を用いて三角波状の信号を台形波状の信号に変換するよう構成しており、実験では１／２乗〜１／１乗の間で必要な変換特性が得られ、特に１／２乗〜５／６乗で好ましい三角波−台形波変換特性を得た。
【００１７】
ホール信号Ｕ、Ｖ及び変換信号Ｗ’は各々１２０度位相差の３相位置信号を構成し、ホールアンプ４，差動分配出力回路５，ステータコイル６により構成される駆動回路手段７に供給される。駆動回路手段７は３相のステータコイル６に、前述した速度制御信号に応じた大きさの電流を、この位置信号に応じた比率に制御して流すように作用する。
【００１８】
この駆動電流により、ステータコイル６はロータの回転に応じた回転磁界を生じさせ、駆動磁極の磁界との相互作用により回転駆動力を発生する。
しかし、駆動磁極の第５次高調波を無くし、第３次高調波成分のみを増していくと図６の（ｅ）に示すように三角波状の合成信号Ｗのゼロクロス付近の傾斜が小さくなり、非線形変換手段を通しても図２のｆに示すような歪んだ台形波出力となり、回転ムラが悪化する問題がある。
【００１９】
特に第３次高調波の含有率が１６％を超えると図６の（ｇ）に示すように合成信号Ｗのゼロクロス付近の傾斜が逆になり、図６の（ｈ）に示すように極端に歪んだ変換出力となり、逆方向の駆動トルクが発生するなど使用に耐えなくなる。
【００２０】
この問題の解決のため駆動磁極に第５次高調波を含有させると上述の合成信号Ｗは図６の（ｉ）に示すようにゼロクロス付近の傾斜が良好となり変換波形Ｗ’の歪みも図６の（ｊ）に示すように低下し、良好な回転ムラ特性を呈する。このため、第３次高調波の含有率が１６％を超えても、第３次高調波の含有率から第５次高調波の含有率を差し引いた差が１６％以下であれば合成信号Ｗのゼロクロス付近の傾斜が逆にならず、逆方向の駆動トルクも発生することはなく、第３次高調波と第５次高調波の含有率の差が１２％以下であれば更に良好な回転ムラ特性をも示す。
【００２１】
なお、駆動磁極のホール素子に磁束を供給する部分の磁極波形が上述したように第３次高調波成分及び第５次高調波成分を含んでいれば、上述の課題は解決されるので、駆動磁極の他の部分の含有率が異なっても同様の効果を得る。
【００２２】
（第２実施例）
第１実施例で説明したように、駆動回路手段７は３相のステータコイル６に、前記した速度制御信号に応じた大きさの電流を、これらの信号の大きさに応じた比率に制御して流すように作用するかので、ホール信号Ｕ，Ｖ及び変換信号Ｗ’が台形波である場合、３相のステータコイルの電流の比率の変化が急峻となり、振動や騒音、電磁ノイズの発生量が増大する問題がある。
【００２３】
差動分配＆出力合成手段５によって、ホール信号Ｕに応じた信号とホール信号Ｖに応じた信号との差分Ｘ、ホール信号Ｖに応じた信号と変換信号Ｗ’に応じた信号との差分Ｙ、及び変換信号Ｗ’に応じた信号とホール信号Ｕに応じた信号との差分Ｚを生成すると、差分信号は第３次高調波信号が打ち消し合い、図６の（ｋ），（ｌ），（ｍ）に示すように略正弦波状となる。この略正弦波状の差分信号Ｘ，Ｙ及びＺに応じて前記ステータコイル６に駆動電流を制御して流すように駆動回路手段７を構成することにより、駆動磁極は台形波でトルク増大の効果を得ながら、かつ、この３相のステータイル６の電流の比率の変化が緩慢となり、振動や騒音、電磁ノイズの発生量が減少し、上述した問題も解決される。
【００２４】
（第３実施例）
ロータの駆動マグネットは注意して製作してもホール素子と対向する面に面振れが残り、ホール素子に供給される磁束の磁束密度がロータの回転により変化する。この影響は、ホール素子出力の振幅が回転内で大きくなる部分と小さくなる部分とが交互に繰り返されるいわゆる１回転１サイクルのＡＭ変調となる。
【００２５】
信号合成手段を備えた回路の固有の問題として、２個のホール素子の配置が離れていると、一方のホール素子出力の振幅が大であるときに、他方のホール素子の出力の振幅が小となり、合成信号Ｗ及び変換信号Ｗ’の波形が変化し、回転ムラ増大の原因となる。
【００２６】
そこで図７に示すようにホール素子の機械角における配置を３０°とすると、その回転ムラの比率は０．１５％程度となる。図９は駆動マグネットのホール素子と対向する面の面振れが大きい場合において、機械角で表したホール素子の間隔と回転ムラとの関係を実験で求めたもので、同図によればホール素子の間隔が６０度以下で回転ムラ増大の影響が使用可能な０．２５％程度に低減され、４５度以下では回転ムラ増大の影響は無視し得る０．１８％程度に小さくなる。
【００２７】
（第４実施例）
前述した非線形変換回路を備えた場合の回路の固有の問題として、ホール素子の感度が温度によって変化し、ホール素子出力の振幅が変化すると、非線形変換手段の出力波形が変化する特性があり、回転ムラの増大につながる場合があり、使用できる温度範囲が限定される。この問題解決のため、非線形変換手段の変換特性を温度に応じて変化させ、出力波形を補償する方法があるがその回路構成が複雑となる別の問題を生じる。
【００２８】
このため、ホール素子に温度特性の良好なＧａＡｓ型ホール素子を用いることにより、温度変化によりホール素子出力の振幅が変化することが少なくなり、回路構成を複雑にすることなく、非線形変換手段の出力波形が変化することがなく、温度に対して安定した回転ムラが得られ、使用できる温度範囲が拡大される効果がある。
【００２９】
また、本実施例においてはいわゆるアキシャルギャップ型のブラシレスモータで説明したが、ラジアルギャプ型のモータであっても本発明は実施可能で同様な効果を得ることが出来る。更に、駆動磁極が同一面に一体的に存在するモータについて説明したが、ステータコイルに磁束を供給する面と、ホール素子に磁束を供給する面とに区分されて存在するようなブラシレスモータも本発明を逸脱するものではないなど、説明した実施例に限らず種々の変形が可能である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、２つのホール素子から出力されるホール信号Ｕ，Ｖを合成して合成信号Ｗを生成するブラシレスモータの駆動回路制御装置において、信号合成手段に加算回路と非線形変換手段と三角波台形波変換手段とを含み、駆動磁極に第３次高調波成分と第５次高調波成分を含有し、その含有率の差を１６％以下にすることによりトルクを増大し、効率が良く消費電流が少なく回転ムラも良好とでき、またステータコイルの電流の比率の変化が緩慢となり、振動や騒音、電磁ノイズの発生量が減少し、駆動マグネットの面振れの影響が小さく歩留まりが向上し、使用できる温度範囲の広いブラシレスモータを安価に提供することが出来るなどの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＶＴＲのキャプスタン軸を直接駆動するブラシレスモータの断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係るブラシレスモータ駆動制御回路に使用するブラシレスモータのステータの平面図
【図３】本発明の一実施例に係るブラシレスモータ駆動回路を示すブロック図である。
【図４】第３次高調波の含有率によるトルク増大率を示す図である。
【図５】第３次高調波の含有率による回転ムラの比率を示す図である。
【図６】ホール信号，合成信号及び変換信号の波形を示す図である。
【図７】本発明の一実施例に係るブラシレスモータ駆動制御回路に使用するブラシレスモータの他のステータの平面図である。
【図８】駆動磁極波形の比較図である。
【図９】ホール素子の間隔による回転ムラの比率を示す図である。
【符号の説明】
１加算回路
２非線形変換手段
３三角波−台形波変換手段
４ホールアンプ
５差動分配＆出力合成手段
６ステータコイル
７駆動回路手段

Claims

駆動磁極を備えると共に回転自在に保持されるロータと、前記駆動磁極と対向する３相のステータコイルと、前記ロータの回転角度に応じた磁束を供給され、電気角で１２０度の位相差のホール信号Ｕ及びＶを出力する２個のホール素子と、前記ホール信号Ｕ及びＶを合成して前記ホール信号Ｕ及びＶに対して電気角で１２０度の位相差の合成信号Ｗを出力する信号合成手段と、前記ホール信号Ｕ，Ｖ及び合成信号Ｗとに応じて前記ステータコイルに駆動電流を制御して流す駆動回路とを備えたブラシレスモータにおいて、
前記信号合成手段は加算回路と非線形変換手段と三角波台形波変換手段とを含んで構成され、
前記ロータの回転角度に応じて前記ホール素子に磁束を供給する部分の磁極波形が基本波と同相の第３次高調波成分及び第５次高調波成分を含んでなり、前記第３次高調波成分の含有率と前記第５次高調波成分の含有率との差が１６％以下であることを特徴とするブラシレスモータ駆動制御回路。