JP4055372B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば空調機器、燃焼用ファンモータを搭載した給湯機、空気清浄機並びに複写機、プリンタ等の情報機器に使用されるブラシレスＤＣモータをはじめ、誘導モータやリラクタンスモータなどを駆動するのに好適なモータ駆動装置に関する。特に、モータ駆動時のトルクリップル、振動、騒音を簡素な構成で大幅に低減できるモータ駆動装置を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、空調機器、並びに複写機、プリンタ等の情報機器などに用いられる各種駆動用モータは、長寿命、高信頼性、速度制御の容易さなどの長所を活かして、ブラシレスＤＣモータ（Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ）が用いられることが多い。
【０００３】
図７は、上記従来のモータ駆動装置の回路構成図であり、図８は、図７に示す同装置におけるモータ回転角（電気角）に対する各部の信号波形図である。
【０００４】
図７に示すように、一般的に、ブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータと言う）の駆動装置においては、ロータ位置をホール素子などからなる複数個の位置検出素子９０１、９０３及び９０５にて検出する。３相分配器８９０は、位置信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗを入力し、３相分配信号ＵＨ０、ＵＬ０、ＶＨ０、ＶＬ０、及びＷＨ０、ＷＬ０を出力する。信号ＵＨ０、ＵＬ０、ＶＨ０、ＶＬ０、及びＷＨ０、ＷＬ０は、パルス幅変調器（ＰＷＭ変調器）８４０に入力され、速度設定器８６０の設定信号Ｓに応じたパルス幅を有する信号に変調される。変調器８４０の出力は、ゲートドライバ８３０を介して給電器８２０を構成する６個のスイッチを順次オン又はオフするように制御する。こうして、ステータに備えられた３相コイル８１１、８１３及び８１５への給電は、図８に示す信号Ｕ、Ｖ、Ｗのように、ロータ位置に応じて順次切り換えられてモータは回転する。
【０００５】
この場合、モータに生じるトルクは図９に示すようになる。以下にこれを説明する。
【０００６】
Ｕ相コイル８１１に着目すれば、同コイルは信号Ｕと中性点信号Ｎとの差信号Ｕ−Ｎにより給電される。この信号Ｕ−Ｎは、図９に示すとおり、矩形波状信号である。いま、Ｕ相コイル８１１の逆誘起電圧が信号Ｕｅのように正弦波状であるとすると、同コイル８１１によるトルクは、信号Ｕ−Ｎと信号Ｕｅとを掛け合わせたものに概略比例し、トルクＴｕに示すものとなる。
【０００７】
Ｖ相及びＷ相コイル８１３、８１５によるトルクも同様であり、トルクＴｖ、Ｔｗとなる。
【０００８】
従ってモータに生じるトルクは、各相コイルのトルクＴｕ、Ｔｖ、Ｔｗを全て加えたトルクＴａｌｌとなる。このトルクＴａｌｌは図９に示すようにある大きさのリップルを有する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このトルクリップルは、モータ駆動時の振動となり、またこの振動がモータを搭載する機器と共振して騒音を生じ、あるいはこの振動が微細な制御の妨げとなり、機器全体の性能向上の阻害原因となることが多い。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するもので、モータ駆動時のトルクリップル、振動、騒音を簡素な構成で実現できると共に、より高出力、高効率な駆動ができるモータ駆動装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータ駆動装置は、第１相と第２相と第３相とからなる３相の駆動コイルを有するモータと、前記３相コイルに対して電気角１５０度幅の通電を行う広角通電器と、前記広角通電器が前記３相コイルに対して行う通電の大きさを制御する通電量制御器とを備え、前記広角通電器は、前記３相コイルのうち合隣る相コイルが同じ通電状態になる重なり期間を検出し得るものであって、前記通電量制御器は、前記第１相および第２相の重なり期間のあいだの前記第３相コイルに対する第1相および第２相コイルへの通電の大きさと前記第２相および第３相の重なり期間のあいだの前記第1相コイルに対する第２相および第３相コイルへの通電の大きさと、前記第１相および第３相の重なり期間のあいだの前記第２相コイルに対する第1相および第３相コイルへの通電の大きさと、を第１の値とし、前記重なり期間以外のあいだ、前記３相コイルのうちのいずれか１相のコイルは通電が休止されており、他の２相コイルのうち一方のコイルに対する他方のコイルへの通電の大きさを第２の値とするようにした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、３相の駆動コイルを有するモータと、前記各相コイルに対して電気角１５０度幅の通電を行う広角通電器と、前記広角通電器が前記各相コイルに対して行う通電の大きさを制御する通電量制御器とを備え、前記広角通電器は、前記各相コイルのうち合隣る相コイルが同じ通電状態になる重なり期間を検出し得るものであって、前記通電量制御器は、前記重なり期間のあいだ、前記相コイルへの通電の大きさを第１の値とし、前記重なり期間以外のあいだ、前記通電の大きさを第２の値とするようにしたものである。
【００１３】
また、第１の値と第２の値との比率をｓｉｎ（π／３）：１（概略０．８６６：１）としても良い。
【００１４】
これら構成により、本駆動装置は、モータ駆動時のトルクリップル、振動、騒音を大幅に低減することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１において、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の駆動コイル１１、１３及び１５は、次のようにして給電器２０に接続されている。給電器２０は、３つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２１、２３及び２５により上アームを構成し、トランジスタ２２、２４及び２６により下アームを構成している。Ｕ相コイル１１の第１の端子は、トランジスタ２１及び２２の接続点に接続され、Ｖ相コイル１３の第１の端子は、トランジスタ２３及び２４の接続点に接続され、Ｗ相コイル１５の第１の端子は、トランジスタ２５及び２６の接続点に接続されている。Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１３及びＷ相コイル１５のそれぞれの第２の端子は、互いに接続され中性点Ｎを成している。
【００１７】
図示しない直流電源は、その電圧出力Ｖｄｃを給電器２０に接続し、その給電器２０を介して上記３相コイルに電力を供給する。
【００１８】
位置検出器１０１、１０３及び１０５は、ホール素子又はホールＩＣなどで構成され、モータの可動子（図示せず。回転運動型のモータではロータ、リニア運動型のモータでは可動子、以降はロータとして説明する。）の各相コイル１１、１３及び１５に対する位置を検出する。検出器１０１、１０３及び１０５から出力されるそれぞれの位置検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗは、広角通電信号発生器９０に入力される。広角通電信号発生器９０は、図２に示すように、電気角１５０度の間“Ｈ”レベルとなる信号ＵＨ０、ＵＬ０、ＶＨ０、ＶＬ０、ＷＨ０、ＷＬ０を出力する。なお、信号ＵＨ０、ＵＬ０、ＶＨ０、ＶＬ０、ＷＨ０、ＷＬ０は、“Ｈ”レベルのとき、前記した給電器２０を構成するトランジスタ２１、２２、２３、２４、２５、２６がオンし、逆に“Ｌ”レベルのときオフするように構成している。また信号ＵＨ０と信号ＵＬ０とは、互いに電気角３０度の“Ｌ”レベル区間を共有し、相補的に電気角１５０度の間“Ｈ”レベルとなる関係がある。信号ＶＨ０と信号ＶＬ０との関係、また信号ＷＨ０と信号ＷＬ０との関係についても同様である。さらに信号ＵＨ０、ＶＨ０、ＷＨ０は互いに電気角１２０度の角度差をもち、信号ＵＬ０、ＶＬ０、ＷＬ０についても互いに電気角１２０度の角度差をもっている。
【００１９】
パルス幅変調器（ＰＷＭ変調器）４０は、ＡＮＤゲート４１、４３及び４５を備えている。ゲート４１、４３、４５の一方の入力は、信号ＵＨ０、ＶＨ０、ＷＨ０が入力され、他方入力は共通で、比較器５０の出力に接続される。比較器５０は、速度設定器６０が出力する速度指令信号Ｓに基づいて出力される信号Ｌ０と三角波発振器４７の出力である三角波信号ＣＹとを電圧比較する。なお、三角波発振器４７から出力される三角波信号ＣＹは、パルス幅変調におけるいわゆるキャリア信号であり、その周波数は（数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ程度）であり、信号Ｓあるいは信号Ｌ０周波数に比べかなり高く設定されるものである。
【００２０】
ここで、信号Ｌ０は、速度設定器６０からの信号Ｓを基にして得られる第１の値Ｌ１と第２の値Ｌ２のうち一方を、選択器８０によって選択して得られる信号である。またその選択は、広角通電信号発生器９０が出力する重なり期間検出信号ＯＬにより決定される。
【００２１】
また第１の値Ｌ１は、信号Ｓを抵抗７１、７２により成るレベル設定器７０で分圧することで得、第２の値Ｌ２は、信号Ｓの値そのものにより得る構成としている。ここで、抵抗７１と７２の値は、第１の値Ｌ１と第２の値Ｌ２との比率がｓｉｎ（π／３）：１（およそ０．８６６：１）となるようにしている。
【００２２】
ゲートドライバ３０は、バッファ３１、３２、３３、３４、３５及び３６を備えている。バッファ３１、３３、３５にはそれぞれゲート４１、４３、４５の各出力信号Ｇ１Ｈ、Ｇ２Ｈ、Ｇ３Ｈが入力され、バッファ３２、３４、３６にはそれぞれ広角通電信号発生器９０からの信号ＵＬ０、ＶＬ０、ＷＬ０が入力される。バッファ３１、３２、３３、３４、３５及び３６のそれぞれの出力は、トランジスタ２１、２２、２３、２４、２５及び２６のそれぞれゲートに入力される。
【００２３】
なお、上記各構成要素２０、３０、４０、９０、１０１、１０２、１０３は、広角通電器１を成し、各構成要素４７、５０、６０、７０、８０は、通電量制御器２を成している。
【００２４】
上記のように構成された第１の実施例の駆動装置における動作について、図２から図６を参照し説明を加える。
【００２５】
図２は広角通電信号発生器の動作説明図である。
【００２６】
広角通電信号発生器９０の出力信号ＵＨ０、ＵＬ０、ＶＨ０、ＶＬ０、ＷＨ０、ＷＬ０は、上記したとおり電気角１５０度の間“Ｈ”レベルをとる信号で、図２にも示すとおりである。これらの信号は、位置検出器１０１、１０３及び１０５から出力される位置検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗにより、生成可能である。
【００２７】
一般に信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗは、互いに１２０度の角度差を有する信号であり、これらの信号を直接論理合成しても１５０度の間“Ｈ”レベルとなる信号を生成することはできない。しかし、例えば信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗのうち少なくとも一つの信号（例えば信号Ｈｕ）の一周期を計測し、その一周期を電気角１５度刻みで分割するなどの電気的内挿処理を施した信号Ｈｃｌを得ることは可能で、これを利用して１５０度の間“Ｈ”レベルとなる信号ＵＨ０、ＵＬ０、ＶＨ０、ＶＬ０、ＷＨ０、ＷＬ０を生成することはできる。図２にその動作タイムチャートを示す。もちろん信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗを全て活用し、各信号を合成して得られる周波数のより高い信号一周期を計測しても良いが、検出器１０１、１０３、１０５の絶対的あるいは相対的な取り付け機械精度を配慮すると、信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗのうち一つの信号を使用したほうが現実的である。また一周期の分割数は必ずしも１５度刻みである必要はなく、さらに細分化しても良いが、ここでは信号Ｈｕに対して１５度刻みの分割による電気的内挿処理を施した信号Ｈｃｌを利用する例を示した。
【００２８】
図２に示すタイムチャートによって生成される信号ＵＨ０、ＵＬ０、ＶＨ０、ＶＬ０、ＷＨ０、ＷＬ０によりモータを駆動すると、モータの各相コイル端子Ｕ、Ｖ、Ｗには同図に示すように、電気角１５０度通電、３０度休止となる通電サイクルの給電が行われる。
【００２９】
このような給電が行われると、合隣る相コイル端子が同じ給電状態（共に正方向通電あるいは共に負方向通電）となる重なり期間が電気角３０度の間、３０度の間隔で発生するようになる。重なり期間検出信号ＯＬは、この重なり期間のとき“Ｈ”レベルなる信号であり、その動作は図３に示すとおりである。
【００３０】
本実施例においては、信号ＯＬが“Ｈ”レベルのとき、設定器７０と選択器８０の作用により、速度設定器６０の信号Ｓをｓｉｎ（π／３）（およそ０．８６６）倍にした第１の値Ｌ１を信号Ｌ０とし、値Ｌ１に基づくＰＷＭ変調を行う。また上記重なり期間以外は信号ＯＬは“Ｈ”レベルとなり、このとき、信号Ｓそのものである第２の値Ｌ２を信号Ｌ０とし、値Ｌ２に基づくＰＷＭ変調を行う。
【００３１】
この結果、モータの各相コイル端子Ｕ、Ｖ、Ｗの給電波形は、図４に示すように、重なり期間の間はこれ以外の間に比べてわずかに小さな値（ｓｉｎ（π／３）でおよそ０．８６６倍）の給電が行われることになる。
【００３２】
コイル端子Ｕ、Ｖ、Ｗをこのような給電波形により駆動すると、各相コイルの中性点Ｎには図５に示す波形が現われる。このとき各相コイル１１、１３、１５には、各コイル端子Ｕ、Ｖ、Ｗと中性点Ｎとの差に応じた給電が行われ、例えばＵ相コイル１１の場合、図５の信号Ｕ−Ｎに示される波形によって給電される。
【００３３】
この信号Ｕ−Ｎは、“−（２／３）×ｓｉｎ（π／３）”、“−（１／２）”、“−（１／３）×ｓｉｎ（π／３）”、“０（無通電）”、“（１／３）×ｓｉｎ（π／３）”、“（１／２）”、“（２／３）×ｓｉｎ（π／３）”の各値を階段状にとる波形であるが、これらの値は正弦波の波形信号（“（１／√３）・ｓｉｎθ”、ここでθ＝ｎπ／６、ｎは整数）に乗った値であることがわかる。
【００３４】
信号Ｕ−Ｎがこのような正弦波の波形信号に乗った階段状の波形になるのは、“ｓｉｎ（π／３）：１”の比率に設定された第１の値Ｌ１と第２の値Ｌ２との選択を、上述した重なり期間検出信号ＯＬによって切り換えて各相コイルへの給電を行うからに他ならない。
【００３５】
Ｖ相コイル１３、Ｗ相コイル１５についてもＵ相コイル１１と同様であり、特に図示していないが、信号Ｖ−Ｎ、信号Ｗ−Ｎも正弦波の波形信号に乗った階段状の波形になる。
【００３６】
このような給電波形により各相コイルを駆動すると、ほぼ正弦波駆動に匹敵するような低トルクリップル駆動が可能になる。
【００３７】
図６は相コイルの逆誘起電圧波形が正弦波状である（図６においてはＵ相コイル逆誘起電圧波形Ｕｅのみを示している）とした場合のトルク発生の様子を示した図である。図６においてトルクＴｕ、Ｔｖ、ＴｗはそれぞれＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１３、Ｗ相コイル１５によって生み出されるトルクである。例えばトルクＴｕは、電圧波形Ｕｅと信号Ｕ−Ｎとの瞬時値を掛け合わせたものに相当する。これらのトルクＴｕ、Ｔｖ、Ｔｗを全て合成したものがモータ全体の出力トルクとなるが、これは図６のトルクＴａｌｌ（実践）に示すようになる。
【００３８】
同図のトルクＴａｌｌに重ねて破線にて記しているのは、図９に示した従来技術によるモータ駆動装置におけるトルクである。
【００３９】
両者を比較すると、本実施例のモータ駆動装置においては、モータ駆動時に発生するトルクリップルが非常に小さく、従来技術に比べて半分以下になっているのがわかる。また同時にトルクの平均値も向上しているのがわかる。
【００４０】
以上のように本実施例においては、広角通電器１により各相コイルの通電幅を１５０度とし、通電量制御器２により合隣る相コイルの通電状態が同じとなる重なり期間中の通電量を第１の値Ｌ１によって定め、重なり期間以外の通電量を第２の値Ｌ２によって定め、第１の値Ｌ１と第２の値Ｌ２との比率をｓｉｎ（π／３）：１とするようにしている。
【００４１】
これによって、トルクリップルが大幅に減少し、同時に発生トルクの平均値も向上することが可能になる。
【００４２】
なお、本実施例における各種信号処理は、アナログあるいはディジタル回路によるハードウェア処理により実現することも可能であり、またマイコン、ＤＳＰなどソフトウエア処理を用いて行っても良いことは言うまでもないし、またＩＣ化あるいはＬＳＩ化しても良いことも言うまでもない。
【００４３】
また、本実施例においては給電器２０を構成するトランジスタを所望のデューティーによりオン、オフするＰＷＭ変調を用いて給電量を制御する方式を例に説明したが、給電量を制御する方式として、給電器２０を構成するトランジスタをバイポーラトランジスタなどとし、その活性度合いを制御する方式としても構わない。
【００４４】
またモータは特にブラシレスＤＣモータである必要はなく、３相のコイルを有するモータであれば、誘導モータやリラクタンスモータ、ステッピングモータとしても構わない。
【００４５】
以上のように本発明によれば、第１相と第２相と第３相とからなる３相の駆動コイルを有するモータと、前記３相コイルに対して電気角１５０度幅の通電を行う広角通電器と、前記広角通電器が前記３相コイルに対して行う通電の大きさを制御する通電量制御器とを備え、前記広角通電器は、前記３相コイルのうち合隣る相コイルが同じ通電状態になる重なり期間を検出し得るものであって、前記通電量制御器は、前記第１相および第２相の重なり期間のあいだの前記第３相コイルに対する第1相および第２相コイルへの通電の大きさと前記第２相および第３相の重なり期間のあいだの前記第1相コイルに対する第２相および第３相コイルへの通電の大きさと、前記第１相および第３相の重なり期間のあいだの前記第２相コイルに対する第1相および第３相コイルへの通電の大きさと、を第１の値とし、前記重なり期間以外のあいだ、前記３相コイルのうちのいずれか１相のコイルは通電が休止されており、他の２相コイルのうち一方のコイルに対する他方のコイルへの通電の大きさを第２の値とするようにしている。
【００４６】
これによって、相コイルの給電を正弦波に近づけ、モータの低トルクリップル駆動を可能にしている。
【００４７】
また、第１の値と第２の値との比率をｓｉｎ（π／３）：１（概略０．８６６：１）とするようにしたことにより、各相コイルの給電波形を正弦波の波形信号に乗せることができる。
【００４８】
これによって、従来技術に対しトルクリップルを半分以下にし、同時に発生トルクの平均値も向上させるが可能になる。つまり、低振動、低騒音で高出力、高効率なモータ駆動装置が比較的簡素な構成で実現できるという優れた効果を奏する。
【００４９】
そして、これによってモータを搭載する機器との共振音が低減される。また、低振動であることは回転むらも本質的に少なく、より高精度な制御の実現が可能となり、機器全体の性能向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るモータ駆動装置の回路構成図
【図２】同装置において、広角通電信号発生器の動作説明図
【図３】同装置において、重なり期間検出信号ＯＬが出力される様子を示す図
【図４】同装置において、各相コイル端子への給電波形を示す図
【図５】同装置において、相コイルの給電波形を示す図
【図６】同装置において、トルク発生の様子を示す図
【図７】従来技術に係るモータ駆動装置の回路構成図
【図８】従来技術に係るモータ駆動装置における動作説明図
【図９】従来技術に係るモータ駆動装置におけるトルク発生の様子を示す図
【符号の説明】
１ 広角通電器
２ 通電量制御器
１１、１３、１５ 駆動コイル

Claims (13)

1. 第１相と第２相と第３相とからなる３相の駆動コイルを有するモータと、前記３相コイルに対して電気角１５０度幅の通電を行う広角通電器と、前記広角通電器が前記３相コイルに対して行う通電の大きさを制御する通電量制御器とを備え、前記広角通電器は、前記３相コイルのうち合隣る相コイルが同じ通電状態になる重なり期間を検出し得るものであって、
   前記通電量制御器は、
   前記第１相および第２相の重なり期間のあいだの前記第３相コイルに対する第1相および第２相コイルへの通電の大きさと、
   前記第２相および第３相の重なり期間のあいだの前記第1相コイルに対する第２相および第３相コイルへの通電の大きさと、
   前記第１相および第３相の重なり期間のあいだの前記第２相コイルに対する第1相および第３相コイルへの通電の大きさと、
   を第１の値とし、
   前記重なり期間以外のあいだ、前記３相コイルのうちのいずれか１相のコイルは通電が休止されており、他の２相コイルのうち一方のコイルに対する他方のコイルへの通電の大きさを第２の値とするようにしたモータ駆動装置。
2. 第１の値と第２の値との比率をｓｉｎ（π／３）：１（概略０．８６６：１）とするようにした請求項１記載のモータ駆動装置。
3. モータをブラシレスＤＣモータとした請求項１記載のモータ駆動装置。
4. モータを誘導モータとした請求項１記載のモータ駆動装置。
5. モータをリラクタンスモータとした請求項１記載のモータ駆動装置。
6. モータをステッピングモータとした請求項１記載のモータ駆動装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載のモータ駆動装置を送風用ファンモータに採用した空調機器。
8. 請求項１〜６のいずれか１項記載のモータ駆動装置を送風用ファンモータに採用した空気清浄機。
9. 請求項１〜６のいずれか１項記載のモータ駆動装置を燃焼ファンモータに採用した給湯機。
10. 請求項１〜６のいずれか１項記載のモータ駆動装置を駆動系に搭載した複写機。
11. 請求項１〜６のいずれか１項記載のモータ駆動装置を駆動系に搭載したプリンタ。
12. 請求項１〜６のいずれか１項記載のモータ駆動装置を駆動系に搭載した光メディア機器。
13. 請求項１〜６のいずれか１項記載のモータ駆動装置を駆動系に搭載したハードディスク機器。

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