JP4015308B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用の送風機ファンの駆動などに好適なアウタロータ形のブラシレスＤＣモータにおいて、ロータの回転がロックされた場合の保護機能を有するブラシレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車などの車両に搭載されるモータ、例えば空調装置に用いられる送風機ファンの回転駆動用モータには、電機子コイルに流れる電流の方向を整流子とブラシを用いて切り替えるＤＣモータが用いられてきた。
【０００３】
この従来の車両搭載のＤＣモータでは、電源に車両のバッテリーを用い、定電圧電源で駆動する。このためブラシを用いたＤＣモータの回転制御では、電源電圧を分圧抵抗によって分圧して用いる。例えばバッテリー電圧が１２Ｖで、ＤＣモータを３Ｖで駆動する場合、残りの９Ｖは分圧抵抗に印加され、熱となって消費される。このため、分圧抵抗で消費される電力が無駄になってエネルギー効率が良くない。
【０００４】
このため、ＤＣモータをブラシレス構造とし、電源電圧のデューティを可変 （パルス幅制御）して回転制御することで、エネルギー効率を改善できる。この場合、ロータの回転がロックされると、電機子コイルに電流を供給するパワー素子に大電流が流れ、熱破壊を生じるので、パワー素子に供給される電流を検出することによる大電流からの保護を行う。すなわち大電流が流れた場合に温度ヒューズが切れることによって保護していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電流検出によって、ロック保護を行うと、高回転時にロックした場合、温度ヒューズが切れるまでの間に大電流が流れてパワー素子が熱によって破壊されてしまう。
【０００６】
そこで本発明は、車両用の送風機ファンの駆動などに好適なアウタロータ形のブラシレスＤＣモータにおいて、ロータの回転がロックされた場合に電機子コイルに電流を供給するパワー素子を熱破壊から守るブラシレスモータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明のブラシレスモータは、モータの内周側に電機子を配置したアウタロータ形のブラシレスＤＣモータにおいて、ステータ （３）に配置された電機子コイル（４）を流れる電流を切り替えるスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ６）と、ロータ（１）に取り付けられた界磁用永久磁石（２）に対し、ロータ（１）と一体に取り付けられ、ロータ（１）の回転位置を示すセンサマグネット（５）と、前記ステータ（３）に取り付けられ、前記センサマグネット（５）による磁界の方向を検出する磁気センサ（ＩＣ１〜ＩＣ３）と、この磁気センサ（ＩＣ１〜ＩＣ３）からの磁界方向変化検出を受けて、ロータ（１）の回転速度を算出し、ロータの回転速度が予め定められた回転数よりも少なく、かつ回転指示信号によって指示される回転数が一定数よりも大きい場合、ロックと判定してモータの停止指示するロック保護制御手段（１２ａ）と、前記モータの停止指示を受けて、前記スイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ６）をハイインピーダンス状態に制御する駆動電流制御手段（１２ｂ）とを具備することを特徴とする。
【０００８】
以上の構成によって、ロータの回転数検出によりロータがロックされたと判定された場合、スイッチング素子をハイインピーダンス状態に制御する。
【０００９】
また、上記ロック保護制御手段（１２ａ）は、回転指示信号が０を示すこと、または電源投入時のリセット信号を受けて、モータの停止指示を解除する。
【００１０】
さらに、モータの停止指示が出力されている間、モータ異状信号を出力する構成とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のブラシレスモータは、ロータの回転数検出によってロータがロックされたと判定された場合、スイッチング素子をハイインピーダンス状態に制御するので、ロータの回転がロックされた場合に電機子コイルに電流を供給するパワー素子が大電流によって熱破壊される前に保護することができる。このため従来の温度ヒューズによるロック保護に比べ確実にパワー素子を保護できる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載のブラシレスモータは、回転指示信号が０を示すことを受けて、モータの停止指示を解除するので、ノイズなどによる誤動作によってロック保護が行われたとしても、容易に再復帰できる。
【００１３】
本発明の請求項３に記載のブラシレスモータは、電源投入時のリセット信号を受けて、モータの停止指示を解除するので、電源投入時の動作を確実なものとすることができる。
【００１４】
本発明の請求項４に記載のブラシレスモータは、モータの停止指示が出力されている間、モータ異状信号を出力するので、このモータ異状信号をモータの制御装置が受けることによって、モータ停止によって生じる障害を回避するための処理を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明のブラシレスモータを下側から見た下面図である。本実施の形態のブラシレスモータは、車両用空調装置の送風機ファンの駆動に用いられ、三相２極巻線のアウタロータ形のブラシレスＤＣモータであり、内周側のステータに電機子コイル、外側のロータに界磁用永久磁石を備えたものである。
【００１７】
ステータ３には、各突出部３ａ〜３ｆをコアとして、回転磁界を生成する電機子コイル４ａ〜４ｆが三相に配置され、その外側には、９０度間隔でメインマグネット（界磁用永久磁石）２を備えたロータ１が配置されている。このロータ１の回転位置を示すセンサマグネット５は、Ｎ極とＳ極とが２対、ロータ１の回転中心に対し均等角度に配置され、ロータ１と一体に回転するシャフト６に取り付けられている。このセンサマグネット５による磁界の方向を検出するホールＩＣ１〜３（磁気センサ）が、ステータ３の内周に１２０度間隔で均等配置されている。
【００１８】
ブラシレスＤＣモータでは、メインマグネット２の検出位置から電機子コイル４ａ〜４ｆを流れる電流を切り替えるタイミングによって、発生するトルクが変化する。ロータ１の回転位置を示すセンサマグネット５は、本実施の形態では、メインマグネット２に対し遅れ角４２度でシャフト６に取り付けられ、さらに電気的な進角制御を行っている。なお、▲１▼は電流経路が短く、他の電機子コイルに比べ２倍の電流が流れているコイルを示す。▲２▼は電機子コイル３ｃ（３ｆ）とメインマグネット２との反発力による正回転トルク発生位置、▲３▼は電機子コイル３ａ（３ｄ）とメインマグネット２との反発力による逆トルク発生位置を示す。
【００１９】
図２は、本実施の形態のブラシレスモータの制御回路部のブロック図である。センサ信号検出回路１１は、ホールＩＣ１〜３からセンサマグネット５の磁界方向変化検出を受けて、それぞれの反転信号を生成し、非反転信号と合わせて六信号からなるセンサ信号としてマイクロコンピュータ１２に入力する。これは、本実施の形態で用いるマイクロコンピュータ１２が、入力信号の立ち下がりエッジのみを検出するため、立ち上がりエッジを立ち下がりエッジに変換して検出するためである。このマイクロコンピュータ１２内の処理では、ロック保護制御手段１２ａにて、センサ信号を受けて、その磁界方向変化検出の周期からモータの回転速度を算出し、ロータの回転速度が予め定められた回転数よりも少なく、かつ空調制御装置（図示せず）からモータを回転指示する回転指示信号（ＰＷＭ信号）によって指示される回転数が一定数よりも大きい場合、ロックと判定してモータの停止指示する。次に駆動電流制御手段１２ｂにて、センサ信号、空調制御装置からの回転指示信号を受けて回転制御を行うと共に、さらにモータの停止指示を受けた場合、モータ駆動回路１３を介してＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｑ１〜Ｑ６をハイインピーダンス状態に制御する。
【００２０】
センサマグネット５は、Ｎ極とＳ極とが９０度ごとに配置されるため、ホールＩＣからの磁界方向変化検出信号は、ロータ１が１回転する間に２周期変化する。これによって、ロータの回転を２倍細かくタイミング制御することができる。また、ホールＩＣを均等間隔で３個配置したことによって、ロータの回転を３倍細かくタイミング制御することができる。この均等間隔で配置されたホールＩＣ１〜３からの磁界方向変化検出に基づき、ロータ１が１回転する間にＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１〜Ｑ６）のオン／オフを計１２回スイッチングし、オンとなるＭＯＳＦＥＴの組み合わせによって、電機子コイル４ａ〜４ｆを流れる電流の方向を切り替える。
【００２１】
本実施の形態では、上記センサ入力の６信号の立ち下がりによって、ＭＯＳＦＥＴのゲート信号をタイミング制御するので、各センサ信号の立ち下がりに対応して、次の立ち下がりに相当するタイミング（ロータ１の３０度回転相当）を予測して、ＭＯＳＦＥＴのゲート信号をオン／オフ制御する。その際、センサ信号の立ち下がりエッジ間の時間からロータの回転速度を算出する。そして、ＭＯＳＦＥＴのゲート信号をオン／オフして回転制御する。なお、センサ信号の立ち上がりエッジを用いても同様の制御を行うことができる。
【００２２】
モータ起動時などのモータが回転していないときは、センサー割込（外部割込）による回転制御を行うことができないため、タイマー割込（内部割込）によるファン駆動制御を行う。
【００２３】
またリセット回路１４は、電源投入後、リセット信号を出力し、ロック保護制御手段１２ａはこのリセット信号を受けて、モータの停止指示を解除する。異状報知回路１５は、モータの停止指示が出力されている間、ＦＡＵＬＴ信号（モータ異状信号）を出力する。
【００２４】
異状報知回路１５からＦＡＵＬＴ信号が出力されると、空調制御装置はモータ停止によって生じる障害を回避するための処理を行う。例えば、送風機ファンが停止することによってエバポレータが凍結してコンプレッサが破壊することを防ぐため、コンプレッサを停止するなどの処理を行う。
【００２５】
図３は、本発明のブラシレスモータのロック保護制御のフローチャートである。まず、回転指示信号によるファン指示値を判定して（ＳＴ１）、ファンオフ （＝０）、Ｌｏ未満（＜Ｌｏ）、Ｌｏ以上（≧Ｌｏ）のいずれかの判定を行い、オフならばロック保護を解除し、Ｌｏ未満ならば現在の状態を維持し、Ｌｏ以上ならばファン出力を判定する。ファン出力の判定は、Ｌｏ以上、Ｌｏ未満のいずれかの判定を行い（ＳＴ２）、Ｌｏ未満ならば現在の状態を維持し、Ｌｏ以上ならば、回転数判定を行う。回転数判定は、現在のロータ回転数が規定回転数（Ａ＝５０ｒｐｍ）以下か超える値かを判定し（ＳＴ３）、規定回転数を超える値ならば現在の制御状態を維持し、規定回転数以下ならば、ロック検出時の制御を行う。ロック検出時の制御は、ＦＡＵＬＴ信号をオンにし（ＳＴ４）、ロック判定フラグにファン停止をセットする（ＳＴ５）。ＳＴ１にて回転指示信号がファンオフを示す場合のロック保護解除制御は、ロック判定フラグのファン停止をリセットしてＦＡＵＬＴ信号をオフとし（ＳＴ６）、ロック判定フラグにファン駆動をセットする（ＳＴ７）。
【００２６】
図４は、ロック保護制御のタイミングチャートである。本発明では、回転数検出によってロック保護を行うため、モータが回りだしてから、ロータが１周期 （センサー２周期）回転する間に回転数を算出して、ロック判定を行う。なお、判定後にロック保護制御を行うため、処理の遅れ時間がある。
【００２７】
図５は、ロック判定フラグによる駆動電流制御のフローチャートである。まず無負荷による回転数リミット制御のための回転数上限判定を行う（ＳＴ１１）。上限値をオーバーしたら、全てのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１〜Ｑ６）をハイインピーダンス状態に制御して出力を停止する（ＳＴ１６）。上限値をオーバーしていなければ、ファン指示値判定を行う（ＳＴ１２）。ファン指示値判定は、回転指示信号のファン指示値が停止であったならば、全てのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１〜Ｑ６）をハイインピーダンス状態に制御する（ＳＴ１６）。ファン指示値が停止でないならば、ロック判定を行う（ＳＴ１３）。ロック判定は、ロック保護制御でセットされたフラグのロック判定状態によって行い、ロック状態ならば、全てのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１〜Ｑ６）をハイインピーダンス状態に制御する（ＳＴ１６）。ロック状態でなければ、回転数停止判定を行う（ＳＴ１４）。ロータの回転数が停止状態を示せば、センサー割込が発生しないため、タイマー割込処理によるファン駆動出力処理を行う（ＳＴ１５）。回転状態を示せば、センサー割り込み処理を許可してその設定を行う（ＳＴ１７）。
【００２８】
以上述べたように本発明のブラシレスモータを車両用空調装置の送風機ファンの駆動用に用いることによって、ロータの回転数を検出してロック保護制御を行うので、ロータの回転がロックされた場合に電機子コイルに電流を供給するパワー素子が大電流によって熱破壊される前に保護することができ、過酷な条件にさらされる車両においても信頼性の高い空調装置を提供できる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、車両用空調装置の送風機ファンの駆動用ブラシレスモータとして説明したが、例えば、車両用エンジンのラジエータ冷却ファンにも同様に適用でき、さらに室内用空調装置の送風機ファンなどにも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のブラシレスモータの下面図である。
【図２】本発明のブラシレスモータの制御回路部のブロック図である。
【図３】本発明のロック保護制御のフローチャートである。
【図４】本発明のロック保護制御のタイミングチャートである。
【図５】ロック判定フラグによる駆動電流制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１…ロータ，２…メインマグネット（界磁用永久磁石），３…ステータ，４ａ〜ｆ…電機子コイル，５…センサマグネット，６…シャフト，１１…センサ信号検出回路，１２…マイクロコンピュータ，１２ａ…ロック保護制御手段，１２ｂ…駆動電流制御手段，１３…モータ駆動回路，１４…リセット回路，１５…異状報知回路，ＩＣ１〜３…ホールＩＣ（磁気センサ）。

Claims (4)

1. モータの内周側に電機子を配置したアウタロータ形のブラシレスＤＣモータにおいて、
   ステータ（３）に配置された電機子コイル（４）を流れる電流を切り替えるスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ６）と、
   ロータ（１）に取り付けられた界磁用永久磁石（２）に対し、ロータ（１）と一体に取り付けられ、ロータ（１）の回転位置を示すセンサマグネット（５）と、
   前記ステータ（３）に取り付けられ、前記センサマグネット（５）による磁界の方向を検出する磁気センサ（ＩＣ１〜ＩＣ３）と、
   この磁気センサ（ＩＣ１〜ＩＣ３）からの磁界方向変化検出を受けて、ロータ（１）の回転速度を算出し、ロータの回転速度が予め定められた回転数よりも少なく、かつ回転指示信号によって指示される回転数が一定数よりも大きい場合、ロックと判定してモータの停止指示するロック保護制御手段（１２ａ）と、
   前記モータの停止指示を受けて、前記スイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ６）をハイインピーダンス状態に制御する駆動電流制御手段（１２ｂ）とを具備することを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記ロック保護制御手段（１２ａ）が、前記回転指示信号が０を示すことを受けて、前記モータの停止指示を解除することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記ロック保護制御手段（１２ａ）が、電源投入時のリセット信号を受けて、前記モータの停止指示を解除することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
4. 前記モータの停止指示が出力されている間、モータ異状信号を出力する異状報知手段（１５）を具備することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。

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