JP3755009B2 - ブラシレスモータ駆動回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を回転子とし、界磁に回転交流磁界を発生させて駆動する、いわゆるブラシレスモータの駆動回路に関するものであり、特に回転子の回転位置センサを必要とせずにブラシレスモータを駆動する駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍空調機器の圧縮機などを可変速で駆動して冷却能力を調整する方法として、圧縮機の駆動源である電動機を可変速駆動することが行われている。特に固定子側に電機子巻線を巻き、回転子側に永久磁石を取り付けたブラシレスモータは効率がよいことが知られている。その反面ブラシレスモータは、回転子の回転位置に応じて界磁の磁極を切り換える必要があるため電動機には回転位置検出用のセンサが取り付けられる。しかしながら、圧縮機などにブラシレスモータを用いる場合は、電動機そのものが密閉されており、しかも電動機内部が高温になるなどのため、回転位置センサの取付が困難となり、その結果としてブラシレスモータの駆動回路が少し複雑になる。
【０００３】
現在、ブラシレスモータの回転位置センサを用いない駆動回路としては、山村監修、大野編著による「パワーエレクトロニクス入門（改訂２版）１９９１年」の２４１〜２４３頁に記載されているものが用いられている。
【０００４】
図５は、上記文献に記載された従来のブラシレスモータ駆動回路を示し、図において、１８は１２０度通電方式で駆動されるブラシレスモータ、１９は該ブラシレスモータ１８の三相の端子に接続された三相ブリッジ回路、２０はブラシレスモータ１８の誘起電圧を検出する電圧位相検出回路、２１は設定回転数に対してブラシレスモータ１８を１２０通電方式で駆動するタイミングパルスの発生等を行なう制御回路、２２は交流電源２３と三相ブリッジ回路１９の間に接続された倍電圧整流回路２２を示す。
【０００５】
上記ブラシレスモータ駆動回路は、三相ブリッジ回路１９により１２０度の位相角だけモータ１８の電機子巻線に電流を流し６０度の位相角は電流を流さないようにして、この電流を流さない非通電期間は電機子巻線に誘起する電圧を電圧位相検出回路２０で検出するものである。
【０００６】
図６は、上記ブラシレスモータ駆動回路による磁極位置検出の原理を説明するための図であり、ブラシレスモータの誘起電圧、ｕ，ｖ，ｗ相の各相における相電流波形などを示す。
【０００７】
相電流は、図６に示すように、ほぼ１２０度位相角の方形波の交流であり、その基本波は各相誘起電圧と同相になるように流す。ブラシレスモータは、もともと同期電動機であるので、電圧の周波数は回転数に比例する。電圧位相検出回路２０は各相誘起電圧が零になる時点を検出するように作られており、その時点は三相分で１サイクルに６回あるが、その時間間隔を計測することで回転数が検出できる。これを使ってフィードバックループを構成し、回転数制御器の出力を電圧指令とすることで回転数制御を行なう。上記制御は一般にはマイクロコンピュータを用いて行われている。
【０００８】
すなわち、上記ブラシレスモータ駆動回路では、モータ１８の三相の端子に対して１２０度毎に各相に順番に通電し、一方、非通電期間である６０度期間を用いて、モータ１８の誘起電圧を検出し、この誘起電圧波形を９０度遅らせた波形のゼロクロスタイミングをもって、界磁磁極を切り換えるものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、誘起電圧は回転速度に比例した電圧であるので、起動時には誘起電圧が検出できないため、回転位相も検出できない。したがって、起動時では上述のような誘起電圧波形を用いてブラシレスモータを駆動することができない。このため、起動時には誘導電動機などと同様に電圧／周波数の関係を一定に保つ制御であるＶ／ｆ制御を行い、誘起電圧が検出できるようになったら、この誘起電圧波形を用い、上述の制御に切り換える手法がとられていた。ところが、このような始動制御と通常制御の切り換えに際しては、制御の遅れや、パラメータのずれなどにより、切り換え時に過大な電流が流れることがあるため、モータ駆動のパワートランジスタに大型のものを必要としたり、あるいは過大電流のために永久磁石が減磁する可能性があるなどの問題を有していた。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、始動制御と通常制御との切り換えを必要とせずに、同じ制御方法でブラシレスモータの駆動を行なうことのできるブラシレスモータ駆動回路を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項１）は、三相ブリッジ回路に接続されて１２０度通電方式により駆動されるブラシレスモータと、上記ブラシレスモータの設定回転数に比例した電圧をモータ駆動電圧基準値として出力する手段と、同一周波数で三相の１２０度通電パルスおよび誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段と、上記１２０度通電方式の非通電期間において各相の誘起電圧を検出する手段と、立ち上がり時の誘起電圧値と立ち下がり時の誘起電圧値とを比較する比較器とを有し、上記比較器の出力により上記駆動電圧基準値を可変とするようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項２）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１）において、上記の誘起電圧を検出する手段では、非通電期間の中間タイミング近傍で上記立ち上がり時の誘起電圧値および立ち下がり時の誘起電圧値を検出するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項３）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１または２）において、上記立ち上がり時の誘起電圧値から上記立ち下がり時の誘起電圧値を減算した値が一定のしきい値を下回った場合に下回った時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とすることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項４）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１または２）において、上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差により、上記駆動電圧基準値を可変した出力結果が最大電圧を超過した場合に超過した時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とすることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項５）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１ないし４のいずれか）において、モータ駆動により消費される電力が最小となるシフト値を、上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差に加算する手段を設けてなることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項６）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項５）において、上記モータ駆動により消費される電力の検出手段を、三相ブリッジ回路に供給される直流部分の電流を計測するよう該三相ブリッジ回路の一端に設けてなることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明によるブラシレスモータ駆動回路の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるブラシレスモータ駆動回路の構成を示す回路ブロック図である。
以下、実施の形態１のブラシレスモータ駆動回路の構成について、図１を参照しながら説明する。
【００１９】
回転数（周波数）指令ｆはＶ／ｆ変換回路１１に入力され、同時に比較回路１４を経由して１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４にも入力される。
【００２０】
１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４では、同一周波数による１２０度通電パルス（Ｕ上、Ｖ上、Ｗ上、Ｕ下、Ｖ下、Ｗ下信号）と、関連するタイミングパルス信号（ＳＥＬ、ＳＰ１、ＳＰ２信号）とを発生する。このうち、Ｕ上、Ｖ上、Ｗ上の信号はＰＷＭ変調回路３を経由して、Ｕ下、Ｖ下、Ｗ下の信号と同じく、三相ブリッジ回路２に入力される。三相ブリッジ回路２は直流電源（＋Ｖおよび０）から擬似三相交流を出力するものであり、直流電源からの電流を検出すべく、電流センサ１６を設置している。ＰＷＭ変調回路３はＵ上、Ｖ上、Ｗ上の信号に対して、比較回路１０の出力（Ｖｍ）で変調（乗算）される。三相ブリッジ回路２は３相のブリッジ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を有し、各相に対して上側（＋Ｖ側）のトランジスタをＯＮする方をＵ上、Ｖ上、Ｗ上とし、下側（０Ｖ側）のトランジスタをＯＮする方をＵ下、Ｖ下、Ｗ下とする。なお、図示していないが、実際の回路では各トランジスタを駆動するプリドライブ回路が必要である。三相ブリッジ回路２の出力は、ブラシレスモータ１と選択回路５に接続されている。
【００２１】
選択回路５の選択指令ＳＥＬは上述の１２０度通電・各種タイミング発生回路４より入力されている。選択回路５の出力は、２つのサンプル・ホールド回路６、７に送られ、それぞれに対応するサンプルパルスＳＰ１、ＳＰ２にて、サンプル・ホールドされる。サンプル・ホールド回路６、７の出力は比較回路８に送られ、出力の差を得て、制御補償回路９に送られる。また、比較回路８の出力は、飽和検出回路１２と積分回路１３を経由して比較回路１４に送られている。制御補償回路９は比較回路８の出力がゼロになり、かつ制御系が安定であるようにするためのものであり、あらかじめそのパラメータを決定しておく。制御補償回路９の出力は比較回路１０に送られる。比較回路１０では、Ｖ／ｆ変換回路１１の出力と、制御補償回路９の出力との差を求め、得られた値をモータ駆動電圧Ｖｍとする。モータ駆動電圧ＶｍはＰＷＭ変調回路３により三相ブリッジ回路２の上側のトランジスタをＯＮするデューティとなり、モータ１の駆動電圧に相当する。
【００２２】
次に、上記１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４による出力信号について説明する。
【００２３】
図２は、１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４による出力信号のタイミング図である。図においてθは電気角であり、図２では約７２０度分すなわち２周期分を示している。
【００２４】
上記１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４は、三相ブリッジ回路２に対してＵ上、Ｕ下、Ｖ上、Ｖ下、Ｗ上、Ｗ下の各信号を出力する。Ｕ上の信号は、電気角θが０度から１２０度，および３６０度から４８０度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｕ下の信号は、電気角θが１８０度から３００度，および５４０度から６８０度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｖ上の信号は、電気角θが１２０度から２４０度，および４８０度から６００度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｖ下の信号は、電気角θが３００度から４２０度，および−６０度から＋６０度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｗ上の信号は、電気角θが２４０度から３６０度，および−１２０度から０度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｗ下の信号は、電気角θが６０度から１８０度，および４２０度から５４０度の期間だけＯＮする指令を出力する。
【００２５】
また、１２０度通電パルス・各種タイミングパルス発生回路４は、選択回路５に対してＳＥＬ信号を出力する。選択回路５への信号である選択指令ＳＥＬは、電気角θが０度から６０度の間はＷ相、６０度から１２０度の間はＶ相、１２０度から１８０度の間はＵ相、以下６０度ごとに、Ｗ→Ｖ→Ｕの順で繰り返し出力される。
【００２６】
さらに、１２０度通電パルス・各種タイミングパルス発生回路４は、サンプル・ホールド回路６、７に対してＳＰ１、ＳＰ２の各信号を出力する。サンプル・ホールド回路６、７へのサンプリングパルスＳＰ１、ＳＰ２は、電気角θが１２０度ごとに出力される。すなわち、サンプル・ホールド回路６には、電気角θが９０度、２１０度、３３０度のように１２０度ごとにパルスＳＰ１が出力され、サンプル・ホールド回路７には、３０度、１５０度、２７０度のように１２０度ごとにパルスＳＰ２が出力されている。
【００２７】
次に、図１に示した実施の形態１によるブラシレスモータ駆動回路の動作について説明する。
【００２８】
このブラシレスモータ駆動回路においては、まず、回転数指令ｆをＶ／ｆ変換回路１１により変換して駆動電圧基準値Ｖm とし、この駆動電圧基準値Ｖm はＰＷＭ変調回路３を経て三相ブリッジ回路２に入力され、そして、三相ブリッジ回路２からモータ１の三相の端子に対して１２０度ごとに各相に順次通電することによりモータ１を駆動する。一方、モータ１のそれぞれの相について、電流を流さない非通電期間においては選択回路５によりそれぞれの相の誘起電圧を検出する。このとき、サンプル・ホールド回路６，７、比較器８、補償回路９、および比較器１０がフィードバックループを構成しているので、サンプル・ホールド回路６，７と比較器８により立ち上がり時の誘起電圧と立ち下がり時の誘起電圧の差をとり、そして、この差により上記Ｖ／ｆ変換回路１１から出力される駆動電圧基準値Ｖm を可変し、これにより、電気角θに対してモータ１の機械角が追従するようモータ１の回転数制御を行なう。
【００２９】
上記ブラシレスモータ駆動回路では、始動時は従来と同じく回転数指令ｆを超低速から徐々に増加する方法をとる。すなわち、始動時では、印加電圧は低く、誘起電圧も低いので、サンプル・ホールド回路６、７の出力は殆ど同じであるため、比較回路１０からの出力は、Ｖ／ｆ変換回路１１の出力にほぼ等しく、その結果として図５に示した従来の駆動回路と同じ始動方法になる。そして、モータ１の回転数が上昇して誘起電圧が観測され始めると駆動電圧はその都度のモータ回転数および負荷に対して適正な値に自動制御される状態に自動的に突入していくので、上記駆動回路は、図５に示した従来の駆動回路とは異なり始動制御と通常制御の切り換え動作は発生しない。
【００３０】
以下に、上記ブラシレスモータ駆動回路によるブラシレスモータ１の制御方法について説明する。
図３は、図１に示したブラシレスモータ駆動回路の動作波形を示したものであり、図３では電気角θが−６０度から＋３００度までを示している。
【００３１】
モータ１のＵ相端子電圧は、図３に示すように、電気角θが０度から１２０度まではＵ上のトランジシタがＯＮしているので端子電圧はＶｍとなる。また、電気角θが１８０度から３００度まではＵ下のトランジシタがＯＮしているので端子電圧は０である。電気角θが−６０度から０度までと１２０度から１８０度まではＵ相の上下のトランジスタはともにＯＦＦしている期間であり、この期間はモータ１の誘起電圧を見ることができる。すなわち、ブラシレスモータ１が効率よく駆動されているときは、印加電圧の位相と誘起電圧位相が同相であるので、電気角θが−６０度から０度までは誘起電圧は０からＶｍまで立ち上がる波形となり、一方、電気角θが１２０度から１８０度までは誘起電圧はＶｍから０まで立ち下がる波形となり、その結果、Ｕ相の端子電圧の観測波形は台形波形となる。Ｖ相はＵ相と同じ波形となるが、その位相が１２０度遅れた波形となり、また、Ｗ相も同様にＵ相に対して２４０度遅れた波形となる。
【００３２】
次に、負荷が重くなり、駆動電圧が不足している場合について説明する。
駆動電圧が不足すると、モータ１はトルク不足となり、駆動信号に対して位相遅れを生ずる。このため、誘起電圧波形も位相遅れを生じ、図３の点線に示すような波形となる。すなわち、誘起電圧の立ち上がり部分では電圧が下がり、一方、立ち下がり部分では電圧が高くなっている。
【００３３】
また、図３に示した、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の波形の下の三角波は選択回路５を経由した後の波形である。すなわち、各相の誘起電圧部分のみをつなぎ合わせた波形となり、その周波数は各端子信号の周波数の３倍である。駆動電圧が不足している場合は点線で示すような歪んだ波形になる。この誘起電圧部分のみの信号は、その下に示しているサンプリングパルスＳＰ１、ＳＰ２によりサンプリングする。サンプル結果は、サンプル・ホールド回路６，７の出力結果であるＳ＆Ｈ１、Ｓ＆Ｈ２に示している。すなわち、駆動電圧が正常であれば、サンプル・ホールド回路６，７の出力電圧Ｓ＆Ｈ１、Ｓ＆Ｈ２はそれぞれＶｍ／２となるが、電圧が不足していれば、点線で示しているように出力電圧Ｓ＆Ｈ１は減少し、出力電圧Ｓ＆Ｈ２は逆に増加する。サンプル・ホールド回路６，７の出力Ｓ＆Ｈ１、Ｓ＆Ｈ２は比較回路８に入力されており、Ｓ＆Ｈ１からＳ＆Ｈ２の差を得て、制御補償回路９を経由してモータ印加電圧Ｖｍを減算する。すなわち、駆動電圧が不足するとサンプル・ホールド回路６の出力電圧Ｓ＆Ｈ１が減少し、比較回路８の出力も減少する。その結果、制御補償回路９の出力は減少し、比較回路１０の出力Ｖｍは増加するので、駆動電圧を上げるようになる。したがって、負荷に応じて駆動電圧が適正になるように調節される制御が行われることとなる。
【００３４】
次に、図１に示したブラシレスモータ駆動回路における、飽和検出回路１２、積分回路１３、および比較回路１４について説明する。
これらの回路１２，１３，１４による目的は、負荷が非常に重くなった場合の脱調防止である。負荷が非常に重くなるとモータの回転位相が非常に遅れる。誘起電圧は回転位相に同期しているので、誘起電圧も遅れることになり、サンプル・ホールド回路６の出力は０、サンプル・ホールド回路７の出力はＶｍになり、その結果、比較回路８の出力は飽和状態になってしまう。このような場合には制御補償回路９の出力も飽和し、駆動電圧Ｖｍも最大値にはりついた状態になっている。しかしながら、電圧不足のため、位相遅れ状態は改善することができない状態にあり、このような状況になるとブラシレスモータ１は回転指令に追従することができず、脱調状態となり、モータが停止して、しかも大電流が流れる状態になる。このような状況は脱調状態になる前に回転数を下げることにより回避でき、飽和検出回路１２で比較回路８の出力の飽和を検出し、積分回路１３で積分して、比較回路１４に入力することにより、設定回転数を下げることを実現することができる。
【００３５】
次に、図１に示したブラシレスモータ駆動回路における、電流センサ１６、最小化探索制御器１７、および加算回路１５について説明する。
【００３６】
電流センサ１６は、直流電源からの電流を計測する。直流電源の電圧は一定であるので、この電流は消費電力と等価になる。この得られた電力情報は最小化探索制御器１７に送られて、消費電力が最小になる探索制御が行われる。探索するパラメータは、立ち上がり時の誘起電圧と立ち下がり時の誘起電圧の差のシフト値である。このシフト値は、図３のＳＥＬ後の波形である誘起電圧波形を図３において点線で示すように対称形からずらす値に相当する。すなわち、誘起電圧波形が非対称になれば、電気角θに対する機械角の位相が進み，あるいは遅れ状態になる。このように電気角θと機械角とをずらす理由は、ブラシレスモータ１によっては、電気角θと機械角の位相が同じになるように駆動すれば、モータ駆動の効率がもっとも良くなるとは限らないからである。なお、最小化探索制御器１７はマイクロコンピュータにより容易に実現できる。
【００３７】
このように上記実施の形態１によるブラシレスモータ駆動回路においては、立ち上がり時の誘起電圧と立ち下がり時の誘起電圧の差により駆動電圧基準値を可変するようにしたので、ブラシレスモータ１の位置センサなしでの駆動において従来必要であった始動制御と通常制御との切り換えを必要とせず、通常制御と同じ制御方法でモータ駆動を実現できるため、駆動回路の構成を簡単にでき、しかも切り換え時に過大な電流が流れることもないから駆動トランジスタの容量増加や永久磁石の減磁等を回避することができる。また、負荷が一定範囲内であれば、モータ１は通電タイミングに同期しているので、速度制御を行わなくても速度を一定に保つことができ、さらには、誘起電圧の立ち上がり部分と立ち下がり部分の電圧の差により駆動電圧基準値を可変するようにしたので、モータ１のパラメータが変動してもその影響を受けることはない。また、上記の誘起電圧を検出する選択回路５では、非通電期間の中間タイミング近傍で立ち上がり時の誘起電圧値および立ち下がり時の誘起電圧値を検出するようにしたので、負荷がある程度重くなっても上記誘起電圧値を確実に検出することができる。また、上記立ち上がり時の誘起電圧値から上記立ち下がり時の誘起電圧値を減算した値が一定のしきい値を下回った場合に下回った時間に比例する量を設定回転数から減算する手段１２，１３，１４を設け、該減算値を上記パルス発生手段４への設定回転数指令とするので、駆動電圧の誤差電圧の飽和を検出し、飽和している時間に比例した値を、三相の１２０度通電パルスと誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段４への周波数入力値から減算するようにしたので、負荷が非常に重くなって回転位相が非常に遅れるような場合にはモータ回転数が下がって、脱調状態となることを未然に防止することができる。さらに、上記モータ駆動により消費される電力を検出する手段１６を、三相ブリッジ回路２に供給される直流成分の電流を計測するために該三相ブリッジ回路２に設けているので、上記直流電源の電圧，電流は一定であるから、この電流が消費電力と等価になるため、消費電力が最小となるように上記シフト値を調整することにより、駆動効率の良い駆動回路を得ることができるという効果がある。
【００３８】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２によるブラシレスモータ駆動回路を示す回路ブロック図である。
この実施の形態２によるブラシレスモータ駆動回路は、図４に示すように、飽和検出回路１２および積分回路１３による脱調防止部分を、別の実施の形態として実現するものである。すなわち、図１に示した実施の形態１の駆動回路では、比較回路８の飽和を検出する方法で実現したが、図４に示す実施の形態２の駆動回路では、飽和検出回路１２を比較回路１０の出力側に接続して駆動電圧Ｖm の飽和を検出することにより実現するものである。この飽和検出回路１２で検出された駆動電圧Ｖm は、積分回路１３により積分され、これを比較回路１４に入力することにより、上記実施の形態１による駆動回路の場合と同様に脱調状態となる前にモータの回転数を下げることができる。
【００３９】
このように上記実施の形態２によるブラシレスモータ駆動回路においては、上記実施の形態１におけると同様に、立ち上がり時の誘起電圧と立ち下がり時の誘起電圧の差により駆動電圧基準値を可変するようにしたので、ブラシレスモータ１の位置センサなしでの駆動において従来必要であった始動制御と通常制御との切り替えを必要とせず、通常制御と同じ制御方法でモータ駆動を実現することができる。しかも飽和検出回路１２で駆動電圧の飽和を検出することにより、飽和している時間に比例した値を、三相の１２０度通電パルスと誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段４への周波数入力値から減算するようにしたので、負荷が非常に重くなって回転位相が非常に遅れるような場合にはモータ回転数が下がって、脱調状態となることを未然に防止することができる効果が得られる。
【００４０】
なお、本発明の実施の形態１，２においては、モータ駆動電圧の調整の実現手段として、三相ブリッジ回路２の上側のトランジスタをパルス幅変調して、所望の駆動電圧を得る方法を説明したが、下側のトランジスタをパルス幅変調しても同様のことが実現できることはいうまでもない。また、三相ブリッジ回路２のトランジスタをパルス幅変調するかわりに、三相ブリッジ回路２への直流電源の＋Ｖ側の電源を可変することにより実現することも可能である。
【００４１】
また、本発明の実施の形態１，２においては、ブラシレスモータ１への三相すべての誘起電圧を用いる方法を説明したが、より簡便な方法として、一つの相の誘起電圧だけを用いる方法も可能である。例えばＵ相のみの誘起電圧を用いるとすると、図３において、電気角θが−３０度と１５０度においてそれぞれ誘起電圧をサンプリングして比較回路８へ入力すればよい。すなわち、この場合、選択回路５を不要とし、ＳＰ１の９０度，２１０度、ＳＰ２の３０度，２７０度を間引くことにより実現できる。
【００４２】
さらに、本発明の実施の形態１，２においては、回転数に比例した電圧を駆動電圧の基準値とする場合を説明したが、ポンプなどのように回転数に応じて軸トルクが増加するものに対しては、回転数の２乗に比例した電圧を駆動電圧の基準値とすることで、容易にこれに対応できる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項１）によれば、三相ブリッジ回路に接続されて１２０度通電方式により駆動されるブラシレスモータと、上記ブラシレスモータの設定回転数に比例した電圧をモータ駆動電圧基準値として出力する手段と、同一周波数で三相の１２０度通電パルスおよび誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段と、上記１２０度通電方式の非通電期間において各相の誘起電圧を検出する手段と、立ち上がり時の誘起電圧値と立ち下がり時の誘起電圧値とを比較する比較器とを有し、上記比較器の出力により上記駆動電圧基準値を可変とするようにしたので、ブラシレスモータの位置センサなしでの駆動において従来必要であった始動制御と通常制御との切り換えを必要とせず、通常制御と同じ制御方法でモータ駆動を実現できるため、駆動回路の構成を簡単にでき、しかも切り換え時に過大な電流が流れることもないから駆動トランジスタの容量増加や永久磁石の減磁等を回避できるものが得られるという効果がある。また、負荷が一定範囲内であれば、モータは通電タイミングに同期しているので、速度制御を行わなくても速度を一定に保つことができ、さらには、誘起電圧の立ち上がり部分と立ち下がり部分の電圧の差をとり駆動電圧基準値を可変するようにしているので、モータのパラメータが変動してもその影響を受けることがないという効果もある。
【００４４】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項２）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１）において、上記の誘起電圧を検出する手段では、非通電期間の中間タイミング近傍で上記立ち上がり時の誘起電圧値および立ち下がり時の誘起電圧値を検出するようにしたので、負荷がある程度重くなっても上記誘起電圧値を確実に検出することのできるものが得られるという効果がある。
【００４５】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項３）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１または２）において、上記立ち上がり時の誘起電圧値から上記立ち下がり時の誘起電圧値を減算した値が一定のしきい値を下回った場合に下回った時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とするので、駆動電圧の誤差電圧の飽和を検出し、飽和している時間に比例した値を、三相の１２０度通電パルスと誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段への周波数入力値から減算するようにして負荷が非常に重くなって回転位相が非常に遅れるような場合にはモータの回転数が下がって、脱調状態となることを未然に防止することのできるものが得られるという効果がある。
【００４６】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項４）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１または２）において、上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差により、上記駆動電圧基準値を可変した出力結果が最大電圧を超過した場合に超過した時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とするので、上記の駆動電圧の誤差電圧の飽和を検出する場合と同様に、駆動電圧の飽和を検出することにより、飽和している時間に比例した値を、三相の１２０度通電パルスと誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段への周波数入力値から減算するようにして負荷が非常に重くなって回転位相が非常に遅れるような場合にはモータ回転数が下がって、脱調状態となることを未然に防止することのできるものが得られるという効果がある。
【００４７】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項５）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１ないし４のいずれか）において、モータ駆動により消費される電力が最小となるシフト値を、上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差に加算する手段を設けてなるので、該シフト値により誘起電圧波形を対称形からずらして電気角に対する機械角の位相を進み，あるいは遅れ状態とするため、ブラシレスモータによっては電気角と機械角の位相を少しずらすことにより駆動効率の良いものが得られるという効果がある。
【００４８】
さらに、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項６）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項５）において、上記モータ駆動により消費される電力の検出手段を、三相ブリッジ回路に供給される直流部分の電流を計測するよう該三相ブリッジ回路の一端に設けてなるので、上記直流電源の電圧，電流は一定であるから、この電流が消費電力と等価になるため、消費電力が最小となるように上記シフト値を調整することにより、モータの駆動効率の良い駆動回路を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるブラシレスモータ駆動回路の回路ブロック図である。
【図２】実施の形態１のブラシレスモータ駆動回路における各種タイミングの波形図である。
【図３】実施の形態１のブラシレスモータ駆動回路における動作波形図である。
【図４】本発明の実施の形態２によるブラシレスモータ駆動回路の回路ブロック図である。
【図５】従来のブラシレスモータ駆動回路の回路ブロック図である。
【図６】従来のブラシレスモータ駆動回路による磁極位置検出の原理を説明する動作波形図である。
【符号の説明】
１、１８ ブラシレスモータ
２、１９ 三相ブリッジ回路
３ ＰＷＭ変調回路
４ １２０度通電パルス・各種タイミング発生回路
５ 選択回路
６、７ サンプル・ホールド回路
８、１０、１４、１５ 比較回路
９ 補償回路
１１ Ｖ／ｆ変換回路
１２ 飽和検出回路
１３ 積分回路
１６ 電流センサ
１７ 最小化探索制御器
２０ 電圧位相検出回路
２１ 制御回路
２２ 倍電圧整流回路
２３ 交流電源
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を回転子とし、界磁に回転交流磁界を発生させて駆動する、いわゆるブラシレスモータの駆動回路に関するものであり、特に回転子の回転位置センサを必要とせずにブラシレスモータを駆動する駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍空調機器の圧縮機などを可変速で駆動して冷却能力を調整する方法として、圧縮機の駆動源である電動機を可変速駆動することが行われている。特に固定子側に電機子巻線を巻き、回転子側に永久磁石を取り付けたブラシレスモータは効率がよいことが知られている。その反面ブラシレスモータは、回転子の回転位置に応じて界磁の磁極を切り換える必要があるため電動機には回転位置検出用のセンサが取り付けられる。しかしながら、圧縮機などにブラシレスモータを用いる場合は、電動機そのものが密閉されており、しかも電動機内部が高温になるなどのため、回転位置センサの取付が困難となり、その結果としてブラシレスモータの駆動回路が少し複雑になる。
【０００３】
現在、ブラシレスモータの回転位置センサを用いない駆動回路としては、山村監修、大野編著による「パワーエレクトロニクス入門（改訂２版）１９９１年」の２４１〜２４３頁に記載されているものが用いられている。
【０００４】
図５は、上記文献に記載された従来のブラシレスモータ駆動回路を示し、図において、１８は１２０度通電方式で駆動されるブラシレスモータ、１９は該ブラシレスモータ１８の三相の端子に接続された三相ブリッジ回路、２０はブラシレスモータ１８の誘起電圧を検出する電圧位相検出回路、２１は設定回転数に対してブラシレスモータ１８を１２０通電方式で駆動するタイミングパルスの発生等を行なう制御回路、２２は交流電源２３と三相ブリッジ回路１９の間に接続された倍電圧整流回路２２を示す。
【０００５】
上記ブラシレスモータ駆動回路は、三相ブリッジ回路１９により１２０度の位相角だけモータ１８の電機子巻線に電流を流し６０度の位相角は電流を流さないようにして、この電流を流さない非通電期間は電機子巻線に誘起する電圧を電圧位相検出回路２０で検出するものである。
【０００６】
図６は、上記ブラシレスモータ駆動回路による磁極位置検出の原理を説明するための図であり、ブラシレスモータの誘起電圧、ｕ，ｖ，ｗ相の各相における相電流波形などを示す。
【０００７】
相電流は、図６に示すように、ほぼ１２０度位相角の方形波の交流であり、その基本波は各相誘起電圧と同相になるように流す。ブラシレスモータは、もともと同期電動機であるので、電圧の周波数は回転数に比例する。電圧位相検出回路２０は各相誘起電圧が零になる時点を検出するように作られており、その時点は三相分で１サイクルに６回あるが、その時間間隔を計測することで回転数が検出できる。これを使ってフィードバックループを構成し、回転数制御器の出力を電圧指令とすることで回転数制御を行なう。上記制御は一般にはマイクロコンピュータを用いて行われている。
【０００８】
すなわち、上記ブラシレスモータ駆動回路では、モータ１８の三相の端子に対して１２０度毎に各相に順番に通電し、一方、非通電期間である６０度期間を用いて、モータ１８の誘起電圧を検出し、この誘起電圧波形を９０度遅らせた波形のゼロクロスタイミングをもって、界磁磁極を切り換えるものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、誘起電圧は回転速度に比例した電圧であるので、起動時には誘起電圧が検出できないため、回転位相も検出できない。したがって、起動時では上述のような誘起電圧波形を用いてブラシレスモータを駆動することができない。このため、起動時には誘導電動機などと同様に電圧／周波数の関係を一定に保つ制御であるＶ／ｆ制御を行い、誘起電圧が検出できるようになったら、この誘起電圧波形を用い、上述の制御に切り換える手法がとられていた。ところが、このような始動制御と通常制御の切り換えに際しては、制御の遅れや、パラメータのずれなどにより、切り換え時に過大な電流が流れることがあるため、モータ駆動のパワートランジスタに大型のものを必要としたり、あるいは過大電流のために永久磁石が減磁する可能性があるなどの問題を有していた。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、始動制御と通常制御との切り換えを必要とせずに、同じ制御方法でブラシレスモータの駆動を行なうことのできるブラシレスモータ駆動回路を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項１）は、三相ブリッジ回路に接続されて１２０度通電方式により駆動されるブラシレスモータと、上記ブラシレスモータの設定回転数に比例した電圧をモータ駆動電圧基準値として出力する手段と、同一周波数で三相の１２０度通電パルスおよび誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段と、上記１２０度通電方式の非通電期間において各相の誘起電圧を検出する手段と、立ち上がり時の誘起電圧値と立ち下がり時の誘起電圧値とを比較する比較器とを有し、上記比較器の出力により上記駆動電圧基準値を可変とするようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項２）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１）において、上記の誘起電圧を検出する手段では、非通電期間の中間タイミング近傍で上記立ち上がり時の誘起電圧値および立ち下がり時の誘起電圧値を検出するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項３）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１または２）において、上記立ち上がり時の誘起電圧値から上記立ち下がり時の誘起電圧値を減算した値が一定のしきい値を下回った場合に下回った時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とすることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項４）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１または２）において、上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差により、上記駆動電圧基準値を可変した出力結果が最大電圧を超過した場合に超過した時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とすることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項５）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１ないし４のいずれか）において、モータ駆動により消費される電力が最小となるシフト値を、上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差に加算する手段を設けてなることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項６）は、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項５）において、上記モータ駆動により消費される電力の検出手段を、三相ブリッジ回路に供給される直流部分の電流を計測するよう該三相ブリッジ回路の一端に設けてなることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明によるブラシレスモータ駆動回路の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるブラシレスモータ駆動回路の構成を示す回路ブロック図である。
以下、実施の形態１のブラシレスモータ駆動回路の構成について、図１を参照しながら説明する。
【００１９】
回転数（周波数）指令ｆはＶ／ｆ変換回路１１に入力され、同時に比較回路１４を経由して１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４にも入力される。
【００２０】
１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４では、同一周波数による１２０度通電パルス（Ｕ上、Ｖ上、Ｗ上、Ｕ下、Ｖ下、Ｗ下信号）と、関連するタイミングパルス信号（ＳＥＬ、ＳＰ１、ＳＰ２信号）とを発生する。このうち、Ｕ上、Ｖ上、Ｗ上の信号はＰＷＭ変調回路３を経由して、Ｕ下、Ｖ下、Ｗ下の信号と同じく、三相ブリッジ回路２に入力される。三相ブリッジ回路２は直流電源（＋Ｖおよび０）から擬似三相交流を出力するものであり、直流電源からの電流を検出すべく、電流センサ１６を設置している。ＰＷＭ変調回路３はＵ上、Ｖ上、Ｗ上の信号に対して、比較回路１０の出力（Ｖｍ）で変調（乗算）される。三相ブリッジ回路２は３相のブリッジ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を有し、各相に対して上側（＋Ｖ側）のトランジスタをＯＮする方をＵ上、Ｖ上、Ｗ上とし、下側（０Ｖ側）のトランジスタをＯＮする方をＵ下、Ｖ下、Ｗ下とする。なお、図示していないが、実際の回路では各トランジスタを駆動するプリドライブ回路が必要である。三相ブリッジ回路２の出力は、ブラシレスモータ１と選択回路５に接続されている。
【００２１】
選択回路５の選択指令ＳＥＬは上述の１２０度通電・各種タイミング発生回路４より入力されている。選択回路５の出力は、２つのサンプル・ホールド回路６、７に送られ、それぞれに対応するサンプルパルスＳＰ１、ＳＰ２にて、サンプル・ホールドされる。サンプル・ホールド回路６、７の出力は比較回路８に送られ、出力の差を得て、制御補償回路９に送られる。また、比較回路８の出力は、飽和検出回路１２と積分回路１３を経由して比較回路１４に送られている。制御補償回路９は比較回路８の出力がゼロになり、かつ制御系が安定であるようにするためのものであり、あらかじめそのパラメータを決定しておく。制御補償回路９の出力は比較回路１０に送られる。比較回路１０では、Ｖ／ｆ変換回路１１の出力と、制御補償回路９の出力との差を求め、得られた値をモータ駆動電圧Ｖｍとする。モータ駆動電圧ＶｍはＰＷＭ変調回路３により三相ブリッジ回路２の上側のトランジスタをＯＮするデューティとなり、モータ１の駆動電圧に相当する。
【００２２】
次に、上記１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４による出力信号について説明する。
【００２３】
図２は、１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４による出力信号のタイミング図である。図においてθは電気角であり、図２では約７２０度分すなわち２周期分を示している。
【００２４】
上記１２０度通電パルス・各種タイミング発生回路４は、三相ブリッジ回路２に対してＵ上、Ｕ下、Ｖ上、Ｖ下、Ｗ上、Ｗ下の各信号を出力する。Ｕ上の信号は、電気角θが０度から１２０度，および３６０度から４８０度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｕ下の信号は、電気角θが１８０度から３００度，および５４０度から６８０度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｖ上の信号は、電気角θが１２０度から２４０度，および４８０度から６００度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｖ下の信号は、電気角θが３００度から４２０度，および−６０度から＋６０度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｗ上の信号は、電気角θが２４０度から３６０度，および−１２０度から０度の期間だけＯＮする指令を出力する。Ｗ下の信号は、電気角θが６０度から１８０度，および４２０度から５４０度の期間だけＯＮする指令を出力する。
【００２５】
また、１２０度通電パルス・各種タイミングパルス発生回路４は、選択回路５に対してＳＥＬ信号を出力する。選択回路５への信号である選択指令ＳＥＬは、電気角θが０度から６０度の間はＷ相、６０度から１２０度の間はＶ相、１２０度から１８０度の間はＵ相、以下６０度ごとに、Ｗ→Ｖ→Ｕの順で繰り返し出力される。
【００２６】
さらに、１２０度通電パルス・各種タイミングパルス発生回路４は、サンプル・ホールド回路６、７に対してＳＰ１、ＳＰ２の各信号を出力する。サンプル・ホールド回路６、７へのサンプリングパルスＳＰ１、ＳＰ２は、電気角θが１２０度ごとに出力される。すなわち、サンプル・ホールド回路６には、電気角θが９０度、２１０度、３３０度のように１２０度ごとにパルスＳＰ１が出力され、サンプル・ホールド回路７には、３０度、１５０度、２７０度のように１２０度ごとにパルスＳＰ２が出力されている。
【００２７】
次に、図１に示した実施の形態１によるブラシレスモータ駆動回路の動作について説明する。
【００２８】
このブラシレスモータ駆動回路においては、まず、回転数指令ｆをＶ／ｆ変換回路１１により変換して駆動電圧基準値Ｖm とし、この駆動電圧基準値Ｖm はＰＷＭ変調回路３を経て三相ブリッジ回路２に入力され、そして、三相ブリッジ回路２からモータ１の三相の端子に対して１２０度ごとに各相に順次通電することによりモータ１を駆動する。一方、モータ１のそれぞれの相について、電流を流さない非通電期間においては選択回路５によりそれぞれの相の誘起電圧を検出する。このとき、サンプル・ホールド回路６，７、比較器８、補償回路９、および比較器１０がフィードバックループを構成しているので、サンプル・ホールド回路６，７と比較器８により立ち上がり時の誘起電圧と立ち下がり時の誘起電圧の差をとり、そして、この差により上記Ｖ／ｆ変換回路１１から出力される駆動電圧基準値Ｖm を可変し、これにより、電気角θに対してモータ１の機械角が追従するようモータ１の回転数制御を行なう。
【００２９】
上記ブラシレスモータ駆動回路では、始動時は従来と同じく回転数指令ｆを超低速から徐々に増加する方法をとる。すなわち、始動時では、印加電圧は低く、誘起電圧も低いので、サンプル・ホールド回路６、７の出力は殆ど同じであるため、比較回路１０からの出力は、Ｖ／ｆ変換回路１１の出力にほぼ等しく、その結果として図５に示した従来の駆動回路と同じ始動方法になる。そして、モータ１の回転数が上昇して誘起電圧が観測され始めると駆動電圧はその都度のモータ回転数および負荷に対して適正な値に自動制御される状態に自動的に突入していくので、上記駆動回路は、図５に示した従来の駆動回路とは異なり始動制御と通常制御の切り換え動作は発生しない。
【００３０】
以下に、上記ブラシレスモータ駆動回路によるブラシレスモータ１の制御方法について説明する。
図３は、図１に示したブラシレスモータ駆動回路の動作波形を示したものであり、図３では電気角θが−６０度から＋３００度までを示している。
【００３１】
モータ１のＵ相端子電圧は、図３に示すように、電気角θが０度から１２０度まではＵ上のトランジシタがＯＮしているので端子電圧はＶｍとなる。また、電気角θが１８０度から３００度まではＵ下のトランジシタがＯＮしているので端子電圧は０である。電気角θが−６０度から０度までと１２０度から１８０度まではＵ相の上下のトランジスタはともにＯＦＦしている期間であり、この期間はモータ１の誘起電圧を見ることができる。すなわち、ブラシレスモータ１が効率よく駆動されているときは、印加電圧の位相と誘起電圧位相が同相であるので、電気角θが−６０度から０度までは誘起電圧は０からＶｍまで立ち上がる波形となり、一方、電気角θが１２０度から１８０度までは誘起電圧はＶｍから０まで立ち下がる波形となり、その結果、Ｕ相の端子電圧の観測波形は台形波形となる。Ｖ相はＵ相と同じ波形となるが、その位相が１２０度遅れた波形となり、また、Ｗ相も同様にＵ相に対して２４０度遅れた波形となる。
【００３２】
次に、負荷が重くなり、駆動電圧が不足している場合について説明する。
駆動電圧が不足すると、モータ１はトルク不足となり、駆動信号に対して位相遅れを生ずる。このため、誘起電圧波形も位相遅れを生じ、図３の点線に示すような波形となる。すなわち、誘起電圧の立ち上がり部分では電圧が下がり、一方、立ち下がり部分では電圧が高くなっている。
【００３３】
また、図３に示した、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の波形の下の三角波は選択回路５を経由した後の波形である。すなわち、各相の誘起電圧部分のみをつなぎ合わせた波形となり、その周波数は各端子信号の周波数の３倍である。駆動電圧が不足している場合は点線で示すような歪んだ波形になる。この誘起電圧部分のみの信号は、その下に示しているサンプリングパルスＳＰ１、ＳＰ２によりサンプリングする。サンプル結果は、サンプル・ホールド回路６，７の出力結果であるＳ＆Ｈ１、Ｓ＆Ｈ２に示している。すなわち、駆動電圧が正常であれば、サンプル・ホールド回路６，７の出力電圧Ｓ＆Ｈ１、Ｓ＆Ｈ２はそれぞれＶｍ／２となるが、電圧が不足していれば、点線で示しているように出力電圧Ｓ＆Ｈ１は減少し、出力電圧Ｓ＆Ｈ２は逆に増加する。サンプル・ホールド回路６，７の出力Ｓ＆Ｈ１、Ｓ＆Ｈ２は比較回路８に入力されており、Ｓ＆Ｈ１からＳ＆Ｈ２の差を得て、制御補償回路９を経由してモータ印加電圧Ｖｍを減算する。すなわち、駆動電圧が不足するとサンプル・ホールド回路６の出力電圧Ｓ＆Ｈ１が減少し、比較回路８の出力も減少する。その結果、制御補償回路９の出力は減少し、比較回路１０の出力Ｖｍは増加するので、駆動電圧を上げるようになる。したがって、負荷に応じて駆動電圧が適正になるように調節される制御が行われることとなる。
【００３４】
次に、図１に示したブラシレスモータ駆動回路における、飽和検出回路１２、積分回路１３、および比較回路１４について説明する。
これらの回路１２，１３，１４による目的は、負荷が非常に重くなった場合の脱調防止である。負荷が非常に重くなるとモータの回転位相が非常に遅れる。誘起電圧は回転位相に同期しているので、誘起電圧も遅れることになり、サンプル・ホールド回路６の出力は０、サンプル・ホールド回路７の出力はＶｍになり、その結果、比較回路８の出力は飽和状態になってしまう。このような場合には制御補償回路９の出力も飽和し、駆動電圧Ｖｍも最大値にはりついた状態になっている。しかしながら、電圧不足のため、位相遅れ状態は改善することができない状態にあり、このような状況になるとブラシレスモータ１は回転指令に追従することができず、脱調状態となり、モータが停止して、しかも大電流が流れる状態になる。このような状況は脱調状態になる前に回転数を下げることにより回避でき、飽和検出回路１２で比較回路８の出力の飽和を検出し、積分回路１３で積分して、比較回路１４に入力することにより、設定回転数を下げることを実現することができる。
【００３５】
次に、図１に示したブラシレスモータ駆動回路における、電流センサ１６、最小化探索制御器１７、および加算回路１５について説明する。
【００３６】
電流センサ１６は、直流電源からの電流を計測する。直流電源の電圧は一定であるので、この電流は消費電力と等価になる。この得られた電力情報は最小化探索制御器１７に送られて、消費電力が最小になる探索制御が行われる。探索するパラメータは、立ち上がり時の誘起電圧と立ち下がり時の誘起電圧の差のシフト値である。このシフト値は、図３のＳＥＬ後の波形である誘起電圧波形を図３において点線で示すように対称形からずらす値に相当する。すなわち、誘起電圧波形が非対称になれば、電気角θに対する機械角の位相が進み，あるいは遅れ状態になる。このように電気角θと機械角とをずらす理由は、ブラシレスモータ１によっては、電気角θと機械角の位相が同じになるように駆動すれば、モータ駆動の効率がもっとも良くなるとは限らないからである。なお、最小化探索制御器１７はマイクロコンピュータにより容易に実現できる。
【００３７】
このように上記実施の形態１によるブラシレスモータ駆動回路においては、立ち上がり時の誘起電圧と立ち下がり時の誘起電圧の差により駆動電圧基準値を可変するようにしたので、ブラシレスモータ１の位置センサなしでの駆動において従来必要であった始動制御と通常制御との切り換えを必要とせず、通常制御と同じ制御方法でモータ駆動を実現できるため、駆動回路の構成を簡単にでき、しかも切り換え時に過大な電流が流れることもないから駆動トランジスタの容量増加や永久磁石の減磁等を回避することができる。また、負荷が一定範囲内であれば、モータ１は通電タイミングに同期しているので、速度制御を行わなくても速度を一定に保つことができ、さらには、誘起電圧の立ち上がり部分と立ち下がり部分の電圧の差により駆動電圧基準値を可変するようにしたので、モータ１のパラメータが変動してもその影響を受けることはない。また、上記の誘起電圧を検出する選択回路５では、非通電期間の中間タイミング近傍で立ち上がり時の誘起電圧値および立ち下がり時の誘起電圧値を検出するようにしたので、負荷がある程度重くなっても上記誘起電圧値を確実に検出することができる。また、上記立ち上がり時の誘起電圧値から上記立ち下がり時の誘起電圧値を減算した値が一定のしきい値を下回った場合に下回った時間に比例する量を設定回転数から減算する手段１２，１３，１４を設け、該減算値を上記パルス発生手段４への設定回転数指令とするので、駆動電圧の誤差電圧の飽和を検出し、飽和している時間に比例した値を、三相の１２０度通電パルスと誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段４への周波数入力値から減算するようにしたので、負荷が非常に重くなって回転位相が非常に遅れるような場合にはモータ回転数が下がって、脱調状態となることを未然に防止することができる。さらに、上記モータ駆動により消費される電力を検出する手段１６を、三相ブリッジ回路２に供給される直流成分の電流を計測するために該三相ブリッジ回路２に設けているので、上記直流電源の電圧，電流は一定であるから、この電流が消費電力と等価になるため、消費電力が最小となるように上記シフト値を調整することにより、駆動効率の良い駆動回路を得ることができるという効果がある。
【００３８】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２によるブラシレスモータ駆動回路を示す回路ブロック図である。
この実施の形態２によるブラシレスモータ駆動回路は、図４に示すように、飽和検出回路１２および積分回路１３による脱調防止部分を、別の実施の形態として実現するものである。すなわち、図１に示した実施の形態１の駆動回路では、比較回路８の飽和を検出する方法で実現したが、図４に示す実施の形態２の駆動回路では、飽和検出回路１２を比較回路１０の出力側に接続して駆動電圧Ｖm の飽和を検出することにより実現するものである。この飽和検出回路１２で検出された駆動電圧Ｖm は、積分回路１３により積分され、これを比較回路１４に入力することにより、上記実施の形態１による駆動回路の場合と同様に脱調状態となる前にモータの回転数を下げることができる。
【００３９】
このように上記実施の形態２によるブラシレスモータ駆動回路においては、上記実施の形態１におけると同様に、立ち上がり時の誘起電圧と立ち下がり時の誘起電圧の差により駆動電圧基準値を可変するようにしたので、ブラシレスモータ１の位置センサなしでの駆動において従来必要であった始動制御と通常制御との切り替えを必要とせず、通常制御と同じ制御方法でモータ駆動を実現することができる。しかも飽和検出回路１２で駆動電圧の飽和を検出することにより、飽和している時間に比例した値を、三相の１２０度通電パルスと誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段４への周波数入力値から減算するようにしたので、負荷が非常に重くなって回転位相が非常に遅れるような場合にはモータ回転数が下がって、脱調状態となることを未然に防止することができる効果が得られる。
【００４０】
なお、本発明の実施の形態１，２においては、モータ駆動電圧の調整の実現手段として、三相ブリッジ回路２の上側のトランジスタをパルス幅変調して、所望の駆動電圧を得る方法を説明したが、下側のトランジスタをパルス幅変調しても同様のことが実現できることはいうまでもない。また、三相ブリッジ回路２のトランジスタをパルス幅変調するかわりに、三相ブリッジ回路２への直流電源の＋Ｖ側の電源を可変することにより実現することも可能である。
【００４１】
また、本発明の実施の形態１，２においては、ブラシレスモータ１への三相すべての誘起電圧を用いる方法を説明したが、より簡便な方法として、一つの相の誘起電圧だけを用いる方法も可能である。例えばＵ相のみの誘起電圧を用いるとすると、図３において、電気角θが−３０度と１５０度においてそれぞれ誘起電圧をサンプリングして比較回路８へ入力すればよい。すなわち、この場合、選択回路５を不要とし、ＳＰ１の９０度，２１０度、ＳＰ２の３０度，２７０度を間引くことにより実現できる。
【００４２】
さらに、本発明の実施の形態１，２においては、回転数に比例した電圧を駆動電圧の基準値とする場合を説明したが、ポンプなどのように回転数に応じて軸トルクが増加するものに対しては、回転数の２乗に比例した電圧を駆動電圧の基準値とすることで、容易にこれに対応できる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項１）によれば、三相ブリッジ回路に接続されて１２０度通電方式により駆動されるブラシレスモータと、上記ブラシレスモータの設定回転数に比例した電圧をモータ駆動電圧基準値として出力する手段と、同一周波数で三相の１２０度通電パルスおよび誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段と、上記１２０度通電方式の非通電期間において各相の誘起電圧を検出する手段と、立ち上がり時の誘起電圧値と立ち下がり時の誘起電圧値とを比較する比較器とを有し、上記比較器の出力により上記駆動電圧基準値を可変とするようにしたので、ブラシレスモータの位置センサなしでの駆動において従来必要であった始動制御と通常制御との切り換えを必要とせず、通常制御と同じ制御方法でモータ駆動を実現できるため、駆動回路の構成を簡単にでき、しかも切り換え時に過大な電流が流れることもないから駆動トランジスタの容量増加や永久磁石の減磁等を回避できるものが得られるという効果がある。また、負荷が一定範囲内であれば、モータは通電タイミングに同期しているので、速度制御を行わなくても速度を一定に保つことができ、さらには、誘起電圧の立ち上がり部分と立ち下がり部分の電圧の差をとり駆動電圧基準値を可変するようにしているので、モータのパラメータが変動してもその影響を受けることがないという効果もある。
【００４４】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項２）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１）において、上記の誘起電圧を検出する手段では、非通電期間の中間タイミング近傍で上記立ち上がり時の誘起電圧値および立ち下がり時の誘起電圧値を検出するようにしたので、負荷がある程度重くなっても上記誘起電圧値を確実に検出することのできるものが得られるという効果がある。
【００４５】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項３）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１または２）において、上記立ち上がり時の誘起電圧値から上記立ち下がり時の誘起電圧値を減算した値が一定のしきい値を下回った場合に下回った時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とするので、駆動電圧の誤差電圧の飽和を検出し、飽和している時間に比例した値を、三相の１２０度通電パルスと誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段への周波数入力値から減算するようにして負荷が非常に重くなって回転位相が非常に遅れるような場合にはモータの回転数が下がって、脱調状態となることを未然に防止することのできるものが得られるという効果がある。
【００４６】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項４）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１または２）において、上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差により、上記駆動電圧基準値を可変した出力結果が最大電圧を超過した場合に超過した時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とするので、上記の駆動電圧の誤差電圧の飽和を検出する場合と同様に、駆動電圧の飽和を検出することにより、飽和している時間に比例した値を、三相の１２０度通電パルスと誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段への周波数入力値から減算するようにして負荷が非常に重くなって回転位相が非常に遅れるような場合にはモータ回転数が下がって、脱調状態となることを未然に防止することのできるものが得られるという効果がある。
【００４７】
また、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項５）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項１ないし４のいずれか）において、モータ駆動により消費される電力が最小となるシフト値を、上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差に加算する手段を設けてなるので、該シフト値により誘起電圧波形を対称形からずらして電気角に対する機械角の位相を進み，あるいは遅れ状態とするため、ブラシレスモータによっては電気角と機械角の位相を少しずらすことにより駆動効率の良いものが得られるという効果がある。
【００４８】
さらに、本発明によるブラシレスモータ駆動回路（請求項６）によれば、上記のブラシレスモータ駆動回路（請求項５）において、上記モータ駆動により消費される電力の検出手段を、三相ブリッジ回路に供給される直流部分の電流を計測するよう該三相ブリッジ回路の一端に設けてなるので、上記直流電源の電圧，電流は一定であるから、この電流が消費電力と等価になるため、消費電力が最小となるように上記シフト値を調整することにより、モータの駆動効率の良い駆動回路を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるブラシレスモータ駆動回路の回路ブロック図である。
【図２】実施の形態１のブラシレスモータ駆動回路における各種タイミングの波形図である。
【図３】実施の形態１のブラシレスモータ駆動回路における動作波形図である。
【図４】本発明の実施の形態２によるブラシレスモータ駆動回路の回路ブロック図である。
【図５】従来のブラシレスモータ駆動回路の回路ブロック図である。
【図６】従来のブラシレスモータ駆動回路による磁極位置検出の原理を説明する動作波形図である。
【符号の説明】
１、１８ ブラシレスモータ
２、１９ 三相ブリッジ回路
３ ＰＷＭ変調回路
４ １２０度通電パルス・各種タイミング発生回路
５ 選択回路
６、７ サンプル・ホールド回路
８、１０、１４、１５ 比較回路
９ 補償回路
１１ Ｖ／ｆ変換回路
１２ 飽和検出回路
１３ 積分回路
１６ 電流センサ
１７ 最小化探索制御器
２０ 電圧位相検出回路
２１ 制御回路
２２ 倍電圧整流回路
２３ 交流電源
Claims (6)
- 三相ブリッジ回路に接続されて１２０度通電方式により駆動されるブラシレスモータと、
上記ブラシレスモータの設定回転数に比例した電圧をモータ駆動電圧基準値として出力する手段と、
同一周波数で三相の１２０度通電パルスおよび誘起電圧をサンプリングするパルスを発生する手段と、
上記１２０度通電方式の非通電期間において各相の誘起電圧を検出する手段と、
上記の誘起電圧を検出する手段が検出した立ち上がり時の誘起電圧値と立ち下がり時の誘起電圧値とを比較する比較器とを有し、
上記比較器の出力により上記駆動電圧基準値を可変とするようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。 - 請求項１に記載のブラシレスモータ駆動回路において、
上記の誘起電圧を検出する手段では、非通電期間の中間タイミング近傍で上記立ち上がり時の誘起電圧値および立ち下がり時の誘起電圧値を検出するようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。 - 請求項１，または２に記載のブラシレスモータ駆動回路において、
上記立ち上がり時の誘起電圧値から上記立ち下がり時の誘起電圧値を減算した値が一定のしきい値を下回った場合に下回った時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とすることを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。 - 請求項１，または２に記載のブラシレスモータ駆動回路において、
上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差により、上記駆動電圧基準値を可変した出力結果が最大電圧を超過した場合に超過した時間に比例する量を設定回転数から減算する手段を設け、該減算値を上記パルス発生手段への設定回転数指令とすることを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載のブラシレスモータ駆動回路において、
モータ駆動により消費される電力が最小となるシフト値を、上記立ち上がり時の誘起電圧値と上記立ち下がり時の誘起電圧値との差に加算する手段を設けてなることを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。 - 請求項５に記載のブラシレスモータ駆動回路において、
上記モータ駆動により消費される電力の検出手段を、三相ブリッジ回路に供給される直流部分の電流を計測するよう該三相ブリッジ回路の一端に設けてなることを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。
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| JP23824796A JP3755009B2 (ja) | 1996-09-09 | 1996-09-09 | ブラシレスモータ駆動回路 |
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