JP4102005B2 - ブラシレスモータおよびその回転制御方法 - Google Patents
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- H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
- H02P6/14—Electronic commutators
- H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
Description
【発明の属する技術分野】
本発明はブラシレスモータおよびその回転制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ブラシレスモータは、基本的には、ロータマグネットと、ステータコイルと、ロータマグネットの回転位置を検出するための位置センサ(多くの場合ホール素子が用いられている)と、位置センサで検出したロータ位置に応じてステータコイルへの通電を順次切り替える駆動回路とにより構成されており、ステータコイルにより生成される磁界とロータマグネットとの間に生じる磁気力によりロータマグネットが連続回転する。通常、位置センサはモータの相数に関連し配列や構成もそれに応じて変わってゆく。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところでブラシレスモータが小型になると、プリント基板上に位置センサを許容誤差の範囲内で精度よく配列することが製作上困難になるために、位置センサから得られるロータマグネットの位置信号に基づく駆動制御はモータの回転むらやコギング現象の原因になる。この問題はモータが小型になるほどまた極数が多くなるほど深刻になる。
【0004】
本発明は、ロータマグネットの回転位置検出用の位置センサのプリント基板への取り付け精度や素子のパッケージ内での位置精度の影響を受けることなく、精度のよい回転制御が可能なブラシレスモータおよびその回転制御方法を提供することを目的とする。
【0005】
本発明は上記の目的を達成するために、ロータマグネットと、ステータコイルと、前記ロータマグネットの回転位置を検出するための3個の位置センサと、前記位置センサにより検出したロータ位置に応じて前記ステータコイルへの通電を切り替える駆動回路とを有する3相ブラシレスモータにおいて、
前記ロータマグネットは前記位置センサとの対向部に磁極配列密度が異なる2列の磁気リングを有し、前記ステータコイルへの通電の切替えに用いられる前記3個の位置センサのうちの1つの位置センサが磁気配列密度の大きい方の磁気リングに対向して配置され、
前記駆動回路が始動後前記3個の位置センサのうちの1つの位置センサから出力されるロータ位置信号のみに基づいてステータコイルへの通電を切替えるように該駆動回路を制御する制御回路を設け、
前記制御回路は前記位置センサから出力するアナログのロータ位置信号を波形整形する波形整形回路と、波形整形された位置信号をコード化する論理回路を含み、このコード化された信号に基づいてモータの回転方向を判断するように構成した。
【0006】
本発明においては、前記制御回路が前記3個の位置センサのうちの1つの位置センサから出力されるロータ位置信号の周波数を逓倍する周波数逓倍器を有し、前記駆動回路が該周波数逓倍器により周波数が逓倍された信号に基づいてステータコイルへの通電を切替えるようにした。
【0007】
本発明においては、前記3個の位置センサのうちの1つから出力されるロータ位置信号のみに基づくステータコイルへの通電切替えに先立ち、前記3個の位置センサから出力するロータ位置信号に基づいてモータの回転方向を検出する。
【0008】
図1は本発明を適用するブラシレスモータの一例としてのアウタロータ形3相ブラシレスモータの断面図である。ロータマグネットの位置を検出するための位置センサとしてホール素子を用いた例である。
【0009】
ブラシレスモータ100は、プリント基板10上に非磁性材料の円筒11を取り付け、この円筒11の外側にはステータコイル12が取り付けられている。一方、ステータコイル12を外側で包むように椀状のロータケース13が設けられ、その中心には回転軸14が固定され、この回転軸14は円筒11の内部上下に設けられた軸受15a、15bで回転自在に軸受されている。
【0010】
ロータケース13の内周面には永久磁石から成るN、Sが交互に配列された永久磁石16がステータコイル12とわずかな間隙を隔てて配置されている。またロータケース13の下端縁には扁平なリング17が固定され、そのリング17の下面(プリント基板10に対向する面)には異なる磁極N、Sが交互に配列された2列の磁気リング20、21が取り付けられている。磁気リング20と21の磁極の配列密度は図3を参照して後述するように異なっている。
【0011】
一方、プリント基板10上には外側の磁気リング20に対向して1個のホール素子H1が、また内側の磁気リング21に対向して2個のホール素子H2、H3が120度で離間配置されている。このことについては図2を参照して後述する。
【0012】
図2は図1に示したブラシレスモータのA−A線に沿ってプリント基板10上を見た図であり、図3は図1におけるB−B線に沿って上向きに見た図であり、ステータコイル12は省略してある。
【0013】
図2はプリント基板10上の3つのホール素子の位置を示しており、ロータケース13の回転軸14の中心から半径R1の円上に機械角で120度の間隔で2個のホール素子H2とH3が配列され、同じく回転軸14の中心から半径R2(R2>R1)の円上に1個のホール素子H1が配置されている。
【0014】
一方、図3からわかるように、リング17の下面に設けられた磁気リング20、21はいずれも磁極N、Sが交互に配列された磁極群から成るが、外側の磁気リング20は6組のN、S磁極群から成り、内側の磁気リング21は2組のN、S磁極群から成り、磁気リング20は磁気リング21より磁極群の配列が3倍の密度になっている。
【0015】
図4(a)、(b)、(c)は、ホール素子H1、H2、H3から出力するアナログの位置信号を波形整形して得られる2値のロータ位置信号(たとえばハイレベルのときN極、ローレベルのときS極である)を示すタイミングチャートで、ホール素子H1から得られるロータ位置信号はホール素子H2、H3から得られるロータ位置信号の3倍の周波数を有する。それは、ホール素子H1が磁気リング21の3倍の磁極密度を有する磁気リング20に対向して配置されているのに対して、ホール素子H2、H3は磁気リング21に対向して配置されているからである。
【0016】
図5はホール素子H1、H2、H3から得られるロータ位置信号に基づいて作られたコード表であり、3ビットでコード化されている。
【0017】
図6はブラシレスモータ100の駆動回路を示すブロック線図である。
【0018】
制御回路30は、ブラシレスモータ100のホール素子H1、H2、H3から出力するアナログのロータ位置信号を波形整形する波形整形回路と、波形整形された位置信号をコード化する論理回路を含み、このコード化された信号に基づいてモータの回転方向を判断する。通電切替回路31は6個のパワートランジスタ31a〜31fで構成され、そのオン、オフが制御回路30からの駆動制御信号(たとえばPWM駆動制御の場合はパルス幅が変調されたパルス信号)により切替えられてブラシレスモータ100のステータコイル12に供給する電流を切替えるようになっている。32はブラシレスモータ100の駆動用直流電源である。
【0019】
次に本発明によるブラシレスモータの動作について説明する。
【0020】
ブラシレスモータが始動する前の停止状態では、ホール素子H1は外側の磁気リング20のいずれかの磁極と対向し、ホール素子H2、H3は内側の磁気リング21のいずれかの磁極と対向している。モータ停止状態におけるロータ位置信号から生成したコードがたとえば図5のコード表におけるX1の状態とする。
【0021】
いま制御回路30から駆動制御信号が出力され、これにより通電切替回路31のパワートランジスタ31a〜31fが順次オンされ、ステータコイル12に順次通電されてロータケース13が一方向に回転し始めたとすると、ロータケース13が最大30度回転するうちにホール素子H1の出力信号は反転するので、ホール素子H1、H2、H3から出力するロータ位置信号に基づいて生成される3ビットのコードは変化し、たとえば図5のX2の状態になる。ロータケース13が回転するにつれて、ホール素子H1、H2、H3から出力するロータ位置信号の状態が順次変化していくので、生成されるコードも変化していく。制御回路30では、こうして生成されるコードのパターンを予め定めた基準コードパターンと比較し、両者が同じであればその回転方向が予期した方向(たとえばCCW)であると判断する。
【0022】
回転方向の判断ができた段階(これはモータの始動直後の極めて短い時点である)で、制御回路30はモータの回転制御を特定のホール素子であるホール素子H1から出力するロータ位置信号だけによる回転制御に切替える。
【0023】
すなわち制御回路30はホール素子H1の出力信号だけに基づいて駆動制御信号(たとえば所定の時間間隔で所定時間持続するパルス信号の繰り返し)を生成し、その駆動制御信号により通電切替回路31のパワートランジスタ31a〜31fを順次切替えてオンする。ホール素子H1の出力信号の周波数はホール素子H2、H3の出力信号の周波数の3倍となっているので、パワートランジスタ31a〜31fを順次オンするタイミング(たとえばPWM駆動制御の場合はパルス信号の周期)は3個のホール素子H1、H2、H3すべての出力信号を用いて駆動制御する際のタイミングと同じになる。
【0024】
このように本発明では特定の1つのホール素子H1の出力信号だけに基づいてモータの駆動制御信号を生成しているので、他のホール素子H2やH3の影響、特にプリント基板10上におけるホール素子の取付位置のずれや取付精度のばらつきあるいは素子のパッケージ内の位置精度の影響を全く受けることがなく、精度の高い回転制御が可能となる。
【0025】
ホール素子H1の出力信号だけに基づく回転制御は、モータ始動直後にモータの回転方向が確認できてから停止に至るまでの間を通して行うことができる。モータ始動前の状態においては、すべてのホール素子の出力信号を検出できる状態になっていることが必要である。なお、モータ始動後の加速制御や減速制御は従来知られている方法で行われる。
【0026】
上記実施の形態においては3相アウタロ−タ形ブラシレスモータを例示したが、相数が異なる場合は、配列や構成もそれに応じて変わる。またモータの極数は特に問題にすることなく本発明を適用することができる。インナロータ形ブラシレスモータにももちろん適用することができる。また、モータに設けられる複数個のホール素子のうちの特定の1つのホール素子から得られるロータ位置信号の周波数を他のホール素子から得られるロータ位置信号の周波数の整数倍とする手段として、上記実施の形態で用いた磁気配列密度の異なる磁気リングの他に、前もって定めた1つのホール素子の出力信号の周波数だけを逓倍する周波数逓倍器を用いるとか、デジタルスイッチを用いてもよい。
【0027】
磁極配列の異なる磁気リングは磁性材料への着磁により実現することもできる。磁気リングは1個または2個で形成してもよい。またモータ始動直後のモータ回転方向の確認は、回転につれて生成されるコードパターンを所定数個のコード分について順次基準パターンと比較して行ってもよいし、始動後の所定時間に亘り両者を比較して行ってもよい。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の3相ブラシレスモータは、ロータマグネットが位置センサとの対向部に磁極配列密度が異なる2列の磁気リングを有し、ステータコイルへの通電の切替えに用いられる3個の位置センサのうちの1つの位置センサが磁気配列密度の大きい方の磁気リングに対向して配置され、駆動回路が始動後、3個の位置センサのうちの1つの位置センサから出力されるロータ位置信号のみに基づいてステータコイルへの通電を切替えるように駆動回路を制御する制御回路を設け、制御回路は位置センサから出力するアナログのロータ位置信号を波形整形する波形整形回路と、波形整形された3個の位置信号をコード化する論理回路を含み、このコード化された信号に基づいてモータの回転方向を判断するようにしたので、すなわち、位置センサによって得た信号はコード化され、たとえば基準コードパターンと比較されることによって回転方向が判断されるようにしたので、モータの回転制御に当たり位置センサの取付位置のばらつきや取付け精度の影響を受けることがなくなり、精度の高い回転制御が可能になる。この点は小型モータ、特に極度に小型化されたモータや極数の多い小型モータにとって有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるブラシレスモータの一例の軸断面図である。
【図2】図1のA−A線に沿って見た基板上のホール素子を示す平面図である。
【図3】図1のB−B線に沿って上方を見た図である。
【図4】(a)、(b)、(c)はそれぞれホール素子H1、H2、H3から出力するロータ位置信号を波形整形して示すタイミングチャートである。
【図5】波形整形されたロータ位置信号から生成されたコード表を示す。
【図6】図1に示したブラシレスモータの駆動回路のブロック線図を示す。
【符号の説明】
10 プリント基板
12 ステータコイル
13 ロータケース
14 回転軸
15a、15b 軸受
16 永久磁石
17 リング
20、21 磁気リング
30 制御回路
31 通電切替回路
32 直流電源
H1、H2、H3 ホール素子
Claims (7)
- ロータマグネットと、ステータコイルと、前記ロータマグネットの回転位置を検出するための3個の位置センサと、前記位置センサにより検出したロータ位置に応じて前記ステータコイルへの通電を切り替える駆動回路とを有する3相ブラシレスモータにおいて、
前記ロータマグネットは前記位置センサとの対向部に磁極配列密度が異なる2列の磁気リングを有し、前記ステータコイルへの通電の切替えに用いられる前記3個の位置センサのうちの1つの位置センサが磁気配列密度の大きい方の磁気リングに対向して配置され、
前記駆動回路が始動後前記3個の位置センサのうちの1つの位置センサから出力されるロータ位置信号のみに基づいてステータコイルへの通電を切替えるように該駆動回路を制御する制御回路を設け、
前記制御回路は前記位置センサから出力するアナログのロータ位置信号を波形整形する波形整形回路と、波形整形された位置信号をコード化する論理回路を含み、このコード化された信号に基づいてモータの回転方向を判断する
ことを特徴とするブラシレスモータ。 - 前記3個の位置センサのうちの1つの位置センサから出力されるロータ位置信号の周波数が他の位置センサから出力されるロータ位置信号の周波数のN(正の整数)倍大きい請求項1に記載のブラシレスモータ。
- 前記Nがモータの相数に等しい請求項2に記載のブラシレスモータ。
- 前記制御回路が前記3個の位置センサのうちの1つの位置センサから出力されるロータ位置信号の周波数を逓倍する周波数逓倍器を有し、前記駆動回路が該周波数逓倍器により周波数が逓倍された信号に基づいてステータコイルへの通電を切替えるようにした請求項1に記載のブラシレスモータ。
- 前記3個の位置センサのうちの1つから出力されるロータ位置信号のみに基づくステータコイルへの通電切替えに先立ち、前記3個の位置センサから出力するロータ位置信号に基づいてモータの回転方向を検出する請求項1ないし4のいずれか1項に記載のブラシレスモータ。
- ロータマグネットと、ステータコイルと、前記ロータマグネットの回転位置を検出するための複数個の位置センサと、前記位置センサで検出したロータ位置に応じて前記ステータコイルへの通電を切り替える駆動回路とを有するブラシレスモータの回転制御方法において、
前記ブラシレスモータは、前記ロータマグネットは前記位置センサとの対向部に磁極配列密度が異なる2列の磁気リングを有し、前記ステータコイルへの通電の切替えに用いられる前記特定の1つの位置センサが磁気配列密度の大きい方の磁気リングに対向して配置された構造であって、
前記複数個の位置センサの前記ロータマグネット位置信号からコードを生成するステップと、
前記ステータコイルに順次通電されて前記ロータマグネットが回転し始めるステップと、
制御回路が生成されたコードのパターンを予め定めた基準パターンと比較し回転方向を判断するステップと、
前記駆動回路が、始動後前記位置センサの特定の1つから出力されるロータマグネット位置信号のみに基づいて、他の位置センサから出力するロータ位置信号の整数倍高い周波数でステータコイルへの通電を切替えるステップとを特徴とするブラシレスモータの回転制御方法。 - 前記複数の位置センサから出力するロータマグネット位置信号に基づいてモータの回転方向を判断検出した後、前記位置センサの特定の1つから出力されるロータ位置信号のみに基づいてステータコイルへの通電を切替えるステップを特徴とする請求項6に記載のブラシレスモータの回転制御方法。
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