JP4193125B2 - 多相モータ制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホール素子を用いてロータの位置検出を行なう多相モータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転する磁界源から生じるとともに角度に応じて変化する磁界を磁電変換素子（この明細書では単にホール素子とも略称するものとする）により検出することにより回転角度（単に角度ともいう）に関する情報である角度情報）を検出し、この角度情報に基づいてモータ電流をスイッチング制御する多相モータ制御装置がたとえばブラシレスDCモータなどにおいて広く採用されている。この多相モータ制御装置は、モータの各相端子に印加される各相電圧をスイッチング制御するべく、ステータコイルを構成する相コイルの数に等しいホール素子を装備する。ホール素子が出力する角度電圧とそれに対応するステータコイルの相電圧との間の位相角はホール素子と相電圧とのペアが変わっても一定であることが好ましく、このため、従来では各ホール素子は、各ホール素子間の周方向角度ピッチが電気角２πを相数で割った角度に相当するように配置されていた。したがって、三相ブラシレスＤＣモータでは、三つのホール素子は、電気角４π／３の角度範囲に配置されることになる。以下、この従来の角度検出装置をホール素子２４０度配置方式と称することもあるものとする。 これらのホール素子の出力（角度電圧）は、磁界発生源である磁石の磁束以外に磁界が存在する場合（例えば、回転子からの漏れ磁束など）、ホール素子が出力する角度電圧は、直流オフセット電圧（単にオフセット電圧ともいう）を含むことになり、このオフセット電圧に応じた角度検出誤差が生じてしまう。このため、特許文献１は、これら三つのホール素子出力電圧（角度電圧）の差を抽出することにより、上記オフセット電圧がキャンセルされた角度信号を得ることを提案している。以下、このオフセット電圧キャンセル方式を相間角度電圧抽出方式とも呼ぶものとする。
【０００３】
また、上記した従来のホール素子２４０度配置方式は、角度検出装置の周方向幅が大きいために、角度検出装置が大型化して、コストアップを招き、モータ冷却のための空気流の流れも悪化させるという問題があった。このため、特許文献２は、三相ブラシレスＤＣモータにおいて、周方向に電気角２π／３離れて配置されたU相用ホール素子とV相用ホール素子との中間にーW相用ホール素子を配置することを提案している。以下、この角度検出装置をホール素子１２０度配置方式と称することもあるものとする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記説明した上記したホール素子１２０度配置方式と相間角度電圧抽出方式とを同時に採用すれば、高精度で小型のブラシレスＤＣモータ用角度検出装置を実現できると予想される。しかしながら、本発明者の検討によれば、上記したホール素子１２０度配置方式で配置された３つのホール素子の出力電圧に含まれるオフセット電圧をキャンセルするために、上記した相間角度電圧抽出方式を適用しても、オフセット電圧のキャンセルがホール素子２４０度配置方式の場合のようにうまくいかないことに気づいた。すなわち、上記したホール素子１２０度配置方式と相間角度電圧抽出方式によるオフセット電圧キャンセルとは両立しないことに気がついた。したがって、ホール素子１２０度配置方式により角度検出装置の小型化を図ると、オフセット誤差によるモータ電流通電異常が生じる可能性を排除する事ができなかった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、小型で高精度の回転角検出が可能な多相モータ制御装置を提供することをその目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第一発明の多相モータ制御装置は、三以上の相コイルをもつステータとこのステータに対面して回転するロータとを有する多相モータの回転軸に周方向所定角度ごとかつ極性交互に固定された回転磁極部と、前記回転磁極部に所定距離離れて対面しつつ互いに周方向へ所定角度離れて前記多相モータのハウジング側に配設されるとともに前記回転磁極部の磁界の大きさに正相関を有する角度電圧を出力する第一、第二および第三の磁電変換素子を含む角度検出部と、前記回転軸の角度に関する情報を含む角度信号を前記各角度電圧に基づいて前記各磁電変換素子の数だけ抽出する角度信号処理部と、前記各角度信号に基づいて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御するステータ電流制御部とを備え、前記第二の磁電変換素子は、その出力が前記第一、第三の磁電変換素子の出力とは逆方向となるように配置されている多相モータ制御装置において、
前記角度信号処理部が、前記第一、第二、第三の磁電変換素子が出力する前記各角度電圧を変数とする所定の数式に前記三つの角度電圧を代入して数値演算することにより、オフセット電圧がキャンセルされた前記三つの角度信号を抽出することを特徴としている。このようにすれば、小型の回転角センサにより高精度の角度信号検出を実現することができる。
【０００９】
上記第１発明では更に、前記角度信号処理部が、前記第一、第二、第三の磁電変換素子が出力する前記角度電圧を変数とする所定の数式に前記三つの角度電圧を代入して数値演算することにより、前記オフセット電圧を抽出し、前記角度電圧から前記オフセット電圧を差し引くことにより前記三つの第１の角度信号を抽出することを特徴としている。このようにすれば、各相の角度電圧に重畳するオフセット電圧を簡単な演算によりキャンセルすることができる。
【００１０】
上記第１発明では更に、前記角度信号処理部が、前記第二の磁電変換素子が出力する前記角度電圧を反転してW相の角度電圧を求め、前記U、V、W相の角度電圧の相間電圧を演算することにより前記オフセット電圧がキャンセルされた前記三つの第２の角度信号を抽出することを特徴としている。このようにすれば、相間角度電圧に重畳するオフセット電圧を簡単な演算によりキャンセルすることができる。
【００１１】
上記第１発明では更に、前記角度信号処理部が、前記第１の角度信号を用いて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御する第一の制御モードと、前記第２の角度信号を用いて前記前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御する第二の制御モードとを前記角度信号に基づいて検出した前記モータの回転数に応じて切り替えることを特徴としている。このようにすれば、簡素な処理により正確に進角切替を実現することができるとともに、小型の回転角センサによりオフセット電圧のキャンセルも実現することができる。
【００１３】
第二発明の多相モータ制御装置は、三以上の相コイルをもつステータとこのステータに対面して回転するロータとを有する多相モータの回転軸に周方向所定角度ごとかつ極性交互に固定された回転磁極部と、前記回転磁極部に所定距離離れて対面しつつ互いに周方向へ所定角度離れて前記多相モータのハウジング側に配設されるとともに前記回転磁極部の磁界の大きさに正相関を有する角度電圧を出力する第一、第二および第三の磁電変換素子を含む角度検出部と、前記回転軸の角度に関する情報を含む角度信号を前記各角度電圧に基づいて前記各磁電変換素子の数だけ抽出する角度信号処理部と、前記各角度信号に基づいて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御するステータ電流制御部とを備える多相モータ制御装置において、
前記角度信号処理部が、所定回転数未満にて前記第一、第二および第三の磁電変換素子から出力される角度電圧に対応する角度信号を抽出し、前記所定回転数以上にて前記第一、第二および第三の磁電変換素子の角度電圧のうちの二つの角度電圧間の差である相間角度電圧に対応する角度信号を抽出することを特徴としている。このようにすれば、簡素な処理により正確に進角切替を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の多相モータ制御装置を以下の実施例により具体的に説明する。
【００１５】
（実施例１）
以下、本発明の一実施例を軸方向模式断面図である図1を参照して説明する。１は界磁コイル型同期機である三相ブラシレスＤＣモータであり、ランデル型ロータ２、ロータ２を囲包するステータ３、回転角センサ４、ステータ３が固定されるハウジング５を有している。６はスリップリング７を通じてロータ２の界磁コイルに給電するブラシ装置、８はロータ２が固定されてハウジング５に回転自在に支持される回転軸である。この種の三相ブラシレスＤＣモータ自体は周知であるので、これ以上の説明は省略する。
【００１６】
次に、この実施例の特徴をなす回転角センサ４を説明する。
【００１７】
この回転角センサ４は、既述したホール素子１２０度配置方式を採用しており、回転軸８に固定されるディスク状の回転磁極部４０と、ホール素子４１を内蔵してハウジング５に固定される検出部４２とからなる。検出部４２は、回転磁極部４０に軸方向に対面している。α／２は隣接するホール素子４１、４１間の角度であり、三相ブラシレスＤＣモータでは電気角度６０度すなわちπ／３に設定されている。Rは軸心からホール素子４１の位置までの半径である。回転磁極部４０にはロータ磁極数に等しい永久磁石部が周方向極性交互に配置されている。
【００１８】
ホール素子４１は、ホール効果特性をもつホール効果半導体部と、このホール効果半導体部の電圧を増幅して角度電圧として出力する回路部とを有している。この回路部はホール効果半導体部と一体に形成された半導体チップとされているが、ホール効果半導体部と回路部とを別々に配置することは当然可能である。
【００１９】
図２に示すホール素子１２０度配置方式の重要な特徴は、中央のホール素子４１は両側の二つのホール素子４１と反対向きに配置されている点にある。このようにすると、中央のホール素子４１の出力電圧は両側の二つのホール素子４１のそれと逆方向となる。つまり、磁界０における出力電圧をV0とし、各ホール素子４１に等しいある磁界に対して中央のホール素子４１の出力電圧（角度電圧）がV0よりも大きい値となる場合、両側の二つのホール素子４１の出力電圧（角度電圧）はV0よりも小さい値となる。
【００２０】
図２における左端のホール素子４１はU相電圧をスイッチング制御するための角度信号を出力する位置に配置されている。図２における右端のホール素子４１はV相電圧をスイッチング制御するための角度信号を出力する位置に配置されている。図２における中央のホール素子４１はーW相電圧が生じる位置に配置されている。このため、この中央のホール素子４１は他のホール素子に対して裏返しに配置されて、W相電圧を出力できるようになっている。このため、この中央のホール素子４１に作用するオフセット磁界は他の二つのホール素子に作用するオフセット磁界に対して符号が反対となる。なお、ここでいうーW相電圧とは、W相電圧を電気角πだけ位相シフトした電圧であり、反転することによりW相電圧に等しくなる。なお、回転角センサ４の検出部４２の具体的な回路構成自体は既によく知られているので、これ以上の説明は省略する。
【００２１】
図２に示すホール素子１２０度配置方式の回転角センサ４に対する比較対照するために、ホール素子２４０度配置方式の回転角センサ４を図３に示す。図３において、４０は回転軸に固定されるディスク状の回転磁極部、４１０は三つのホール素子、４２はこれらのホール素子４１０を内蔵する検出部である。αは隣接するホール素子４１、４１間の角度であり、三相ブラシレスＤＣモータでは電気角度１２０度すなわち２π／３に設定されている。Rは軸心からホール素子４１の位置までの半径である。回転磁極部４０にはロータ磁極数に等しい永久磁石部が周方向極性交互に配置されている。
【００２２】
図３に示すホール素子２４０度配置方式の回転角センサの各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）の波形例を図４に示し、これらの出力電圧を磁界が０となるしきい値にて二値化して得たパルス電圧（角度信号）の波形を図５〜図７に示す。ただし、図４においては外部漏れ磁界などが各ホール素子４１に作用して各ホール素子４１の出力電圧にオフセット電圧が重畳することはないものとする。
【００２３】
図３に示すホール素子２４０度配置方式の回転角センサの各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）の波形例を図８に示し、これらの出力電圧を磁界が０となるしきい値にて二値化して得たパルス電圧（角度信号）の波形を図９〜図１１に示す。ただし、図８においては外部漏れ磁界などが各ホール素子４１に作用して各ホール素子４１の出力電圧にオフセット電圧が重畳しているものとする。図９〜図１１から明らかなように直流オフセット電圧がこれらのホール素子４１に作用すると、パルス電圧（角度信号）は本来のｄｕｔｙ比５０％からずれ、本来のロータ角度からずれた角度位置にてレベル変化するという重大な角度検出誤差が生じてしまう。各ホール素子４１に重畳するオフセット電圧が等しい場合、二つのホール素子４１の出力電圧差を検出することにより、出力電圧差（相間角度電圧）からオフセット電圧をキャンセルできることは明白である。この出力電圧差（相間角度電圧）は、本来のホール素子４１の出力電圧から所定位相角だけずれているだけであるので、この所定位相角を加味して回転磁極部４１をセットすれば、スイッチング制御のための角度信号が問題なく得られることは、既に説明したとおりである。図４および図８において、Suはたとえば左端のホール素子４１の出力電圧、Sｖはたとえば中央のホール素子４１の出力電圧、Sｗはたとえば右端のホール素子４１の出力電圧である。
【００２４】
図２に示すホール素子１２０度配置方式の回転角センサの各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）の波形例を図１２に示し、これらの出力電圧を磁界が０となるしきい値にて二値化して得たパルス電圧（角度信号）の波形を図１３〜図１５に示す。ただし、図１２においては外部漏れ磁界などが各ホール素子４１に作用して各ホール素子４１の出力電圧にオフセット電圧が重畳することはないものとする。図１２において、Suは左端のホール素子４１の出力電圧、Sｖは右端のホール素子４１の出力電圧、Sｗは中央のホール素子４１の出力電圧を反転した電圧である。
【００２５】
図２に示すホール素子１２０度配置方式の回転角センサの各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）の波形例を図１６に示し、これらの出力電圧を磁界が０となるしきい値にて二値化して得たパルス電圧（角度信号）の波形を図１７〜図１９に示す。ただし、図１６においては外部漏れ磁界などが各ホール素子４１に作用して各ホール素子４１の出力電圧にオフセット電圧が重畳しているものとする。図１７〜図１９から明らかなように直流オフセット電圧がこれらのホール素子４１に作用すると、パルス電圧（角度信号）は本来のｄｕｔｙ比５０％からずれ、本来のロータ角度からずれた角度位置にてレベル変化するという重大な角度検出誤差が生じてしまう。
【００２６】
このホール素子１２０度配置方式においては、中央のホール素子４１の出力電圧を反転してW相電圧Swを得るために、このＷ相電圧Ｓｗに重畳するオフセット電圧は他のホール素子４１の出力電圧Su、Svとは反対向きに重畳することになる。従って、従来知られている相差を検出する方式では、オフセット電圧をキャンセルすることはできなかった。
【００２７】
次に、この実施例のオフセット電圧キャンセル方法を以下に説明する。
【００２８】
以下、各ホール素子４１の出力電圧Su、Sv、Swの振幅は０V〜Vcc、磁界０における出力電圧はオフセット電圧０において０．５Vccであると仮定する。
【００２９】
いま、オフセット電圧が０である場合の出力電圧Su中の交流信号電圧成分をSuａｃ、出力電圧Sv中の交流信号電圧成分をSvａｃ、出力電圧Sw中の交流信号電圧成分をSwａｃとすれば、オフセット電圧が０である場合の出力電圧SuはSuａｃ＋０．５Vcc、出力電圧SvはSvａｃ＋０．５Vcc、出力電圧SwはSwａｃ＋０．５Vccとなり、Suａｃ＋Svａｃ＋Swａｃは０となる。
【００３０】
外部磁界などによる直流出力電圧すなわちこの明細書で言うオフセット電圧をVoffsetとし、各センサで大きさが等しいとすれば、出力電圧SuはSuａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、出力電圧SvはSvａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、出力電圧SwはSwａｃ＋０．５Vcc−Voffsetとなる。
【００３１】
そこで、出力電圧総和ΣV＝Su＋Sv＋Swを算出すると、
ΣV＝Swａｃ＋０．５Vcc＋Voffset＋Svａｃ＋０．５Vcc＋Voffset＋Swａｃ＋０．５Vcc−Voffset＝１．５Vcc＋Voffset
となる。したがって、オフセット電圧Voffsetは、
Ｖｏｆｆｓｅｔ＝ΣV−１．５Vcc＝Su＋Sv＋Sw−１．５Vcc
となる。Vccは既知であるのでこの演算により、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを算出することができる。次に、このオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔと既知のVccと各ホール素子４１の出力電圧Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗとを下記の式に代入することにより、交流信号成分Suａｃ、Svａｃ、Swａｃを算出することができる。
【００３２】
Su＝Suａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、
Sv＝Svａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、
Sw＝Swａｃ＋０．５Vcc−Voffset
を整理すれば、各センサの交流角度電圧Suａｃ、Svａｃ、Swａｃは、
Suａｃ＝Su−０．５Vcc−Voffset、
Svａｃ＝Sv−０．５Vcc−Voffset、
Swａｃ＝Sw−０．５Vcc＋Voffset
に、Su、Sv、Sw、Vcc、Voffsetの値を代入して演算すればよい。
【００３３】
これらの交流信号成分Suａｃ、Svａｃ、Swａｃは従来同様二値化又は多レベル化して角度信号とされる。なお、この演算は、アナログハードウエア回路又はデジタルハードウエア又はマイコンソフトウエアにより行うことができる。これにより、簡素な演算によりホール素子１２０度配置方式の回転角センサ４を採用しつつオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔをキャンセルすることができるので、小型で高精度の回転角センサ４を実現することができる。
【００３４】
（実施例２）
上記実施例１では、各センサの角度電圧中の交流信号成分Ｓｕａｃ、Ｓｖａｃ、Ｓｗａｃを抽出したが、その代わりに、相間角度電圧を算出し、この相間角度電圧を従来同様二値化又は多レベル化して角度信号としてもよい。
【００３５】
更に説明すると上記したように、以下の式が成立する。
【００３６】
Su＝Suａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、
Sv＝Svａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、
Sw＝Swａｃ＋０．５Vcc−Voffset
従って、相間角度電圧S1ｘ＝Su−Sv、S２ｘ＝Sｖ−Sｗ、S３ｘ＝Sｗ−Sｕを算出すると、
S1ｘ＝Su−Sv＝Suａｃ−Svａｃ
S２ｘ＝Sｖ−Sｗ＝Sｖａｃ−Sｗａｃ＋２Ｖｏｆｆｓｅｔ
S３ｘ＝Sｗ−Sｕ＝Sｗａｃ−Sｕａｃ−２Ｖｏｆｆｓｅｔ
となる。
【００３７】
したがって、相間角度電圧S1＝S1ｘ、S２＝S２ｘ−２Ｖｏｆｆｓｅｔ、S３＝S３ｘ＋２Ｖｏｆｆｓｅｔを算出すると、
S1＝Suａｃ−Svａｃ
S２＝Sｖａｃ−Sｗａｃ
S３＝Sｗａｃ−Sｕａｃ
となる。すなわち、このようにして算出された相間角度電圧S1、S２、S３は、本来の各ホール素子４１の出力電圧（交流角度電圧）Ｓｕａｃ、Ｓｖａｃ、Ｓｗａｃに対して電気角π／６だけ位相がずれた（進角した）角度電圧となることがわかる。
【００３８】
つまり、この相間角度電圧S1、S２、S３を用いてモータをスイッチング制御すれば、各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを用いて同一回路にてモータをスイッチング制御するのに比較してオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔをキャンセルしつつ、小型の回転角センサ４を採用しつつ、モータを進相状態にて運転することができる。なお、この実施例の上記演算は、実施例１と同様、アナログハードウエア回路又はデジタルハードウエア又はマイコンソフトウエアにより行うことができることは明白である。
【００３９】
（実施例３）
上記した実施例１により得た交流角度電圧Suａｃ、Svａｃ、Swａｃを用いたモータスイッチング制御と、実施例２により得た相間角度電圧S1、S２、S３を用いたモータスイッチング制御とを適宜切り替えることができる。この実施例においては、モータ回転数により切り替える。これによりそれぞれの回転数域に適したモータ特性を実現することができる。
【００４０】
たとえば所定のしきい値速度未満では実施例１のモータスイッチング制御を行い、回転数が上記しきい値を超えると実施例２のモータスイッチング制御に切替える。図２０にこの進角切替によるモータ特性の変化を示す。
【００４１】
回転角センサ４から出力される各相の角度電圧又は各相間角度電圧を二値化して得た角度信号の周波数により回転数が得られるので、それがしきい値回転数Nｃ未満なら図２０においてA-Cで示す実施例１の進角０度でスイッチング制御を行い、これにより大きな低速トルクを得ることができる。また、回転数がしきい値回転数Nｃ以上なら図２０においてC-B'で示す実施例２の進角３０度でスイッチング制御を行い、これにより大きな高速トルクを得ることができる。
【００４２】
この実施例の進角切替方式は、単に各ホール素子４１の出力電圧Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗから得た各相の角度電圧と各相間角度電圧を切り替えるだけであるので、簡単な回路構成により正確に進角３０度を得ることができるという優れた利点をもつとともに、進角０度制御においても進角３０度制御においてもオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔをキャンセルでき、かつ回転角センサ４を小型化することができる。ただし、この進角切替方式は、ホール素子２４０度配置方式において採用してもよく、また、実施例１、２のオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔキャンセル演算を行わないホール素子１２０度配置方式において採用してもよい。
【００４３】
図１に示す三相ブラシレスＤＣモータ１を制御するモータ制御回路を図２１に示す。１０は直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ回路、１１はこのインバータ回路１０をスイッチング制御する制御回路、１２、１２はU、V相電流を検出する電流センサである。制御回路１１は、回転角センサ４の検出部４２から三相の角度信号と二つの電流センサ１２の検出電流とに基づいて必要なトルク又は回転数での運転を可能とするべく、インバータ１０の各スイッチング素子を断続制御する。回転角センサ４の検出部４２は、上記した角度電圧又は相間角度電圧を制御回路１１に出力する。特にこの実施例では、検出部４２は、しきい値回転数Nc未満にて実施例１の角度電圧を二値化して得た角度信号を出力し、しきい値回転数Nc以上にて実施例２の相間角度電圧を二値化して得た角度信号を出力する。
【００４４】
検出部４２の回路構成の一例を図２２に示す。
【００４５】
１００〜１０２はオペアンプ掛算回路であり、表示した値の掛け算を行う。１０３〜１０９は減算回路又は加減算回路であり、減算又は加減算を行う。１１０はアナログ切替回路であり、三つ設けられている。１１２はシュミットトリガ回路であり、三つ設けられている。Ssはモータ回転数に比例するアナログ電圧を所定しきい値にて二値化した切替信号であり、アナログ切替回路１１０の切替を行う。So1、So２、So３は、各相のスイッチング制御のために制御回路１１に出力される角度信号である。
【００４６】
図２２に示すアナログハードウエア演算をソフトウエア演算に変更した場合のフローチャートを図２３に示す。
【００４７】
（実施例４）
実施例１〜３に好適な回転角センサ４の検出部４２の構成を図２４を参照して説明する。この実施例は、検出部４２を１つのモノリシック集積回路にて形成したものであり、２００はシリコンチップ、２０１はU相のホール効果抵抗膜、２０２はV相のホール効果抵抗膜、２０３はW相のホール効果抵抗膜である。ホール効果抵抗膜２０１〜２０３は、シリコンチップ２００上にホトリソグラフィ技術により同時にパターニング形成されている。ただし、ホール効果抵抗膜２０１〜２０３はシリコンチップ２００をその上面から見た場合に、半径Rの円周上に角度α／２（＝電気角π／３）だけ離れて位置するように構成されている。ホール効果抵抗膜２０１は実質的に既述したU相のホール素子４１の磁電変換部に相当し、ホール効果抵抗膜２０２は実質的に既述したーW相のホール素子４１の磁電変換部に相当し、ホール効果抵抗膜２０３は実質的に既述したV相のホール素子４１の磁電変換部に相当している。ホール効果抵抗膜２０２の磁電変換特性を反転するために、ホール効果抵抗膜２０２に流れる電流の方向は、他のホール効果抵抗膜２０１、２０３に流れる電流の方向に対して逆転される。各ホール効果抵抗膜２０１〜２０３の出力電圧はシリコンチップ２００にて増幅などの処理がなされ、同じくシリコンチップ２００に集積された図２２に示すノイズキャンセル兼二値化回路により角度信号に変換される。
【００４８】
このようにすれば、一つのモノリシックICにより検出部４２を構成することができるので、各ホール効果抵抗膜２０１〜２０３を同時に形成することができるので、それらの間の距離ばらつきをほとんど０にすることができる。なお、この実施例の検出部４２はホール素子１２０度配置方式を採用するので上述したように、各ホール効果抵抗膜２０１〜２０３の間の間隔として電気角π／３が必要であるが、この間隔は、ホール素子２４０度配置方式を採用した場合に比較して半分でよく、シリコンチップを大型化する必要がないため、製造コストを大幅に低減することも可能となる。
【００４９】
（実施例５）
実施例１〜３に好適な回転角センサ４の検出部４２の他の構成を図２５を参照して説明する。この実施例は、検出部４２を１つのハイブリッド集積回路にて形成したものであり、３００はセラミック基板、３０１はU相のホール効果抵抗膜、３０２はーW相のホール効果抵抗膜、３０３はV相のホール効果抵抗膜、３０４は図２４に示すシリコンチップ２００に等しいICチップである。各ホール効果抵抗膜３０１〜３０３は同一の工程にてセラミック基板３００上にパターニング形成され、図示しない導体パターンやワイヤボンディング配線によりICチップ３０４上の所定の導体パターンに接続されている。ホール効果抵抗膜３０１は実質的に既述したU相のホール素子４１の磁電変換部に相当し、ホール効果抵抗膜３０２は実質的に既述した−W相のホール素子４１の磁電変換部に相当し、ホール効果抵抗膜３０３は実質的に既述したV相のホール素子４１の磁電変換部に相当している。ホール効果抵抗膜３０２の磁電変換特性を反転するために、ホール効果抵抗膜３０２に流れる電流の方向は、他のホール効果抵抗膜３０１、３０３に流れる電流の方向に対して逆転される。各ホール効果抵抗膜３０１〜３０３の出力電圧はICチップ３０４にて増幅などの処理がなされた後、同じくICチップ３０４に集積された図２２に示すノイズキャンセル兼二値化回路により角度信号に変換される。
【００５０】
このようにすれば、一つのハイブリッドICにより検出部４２を構成することができるので、各ホール効果抵抗膜３０１〜３０３を同時に形成することができるので、それらの間の距離ばらつきをほとんど０にすることができる。なお、この実施例の検出部４２はホール素子１２０度配置方式を採用するので上述したように、各ホール効果抵抗膜３０１〜３０３の間の間隔として電気角π／３が必要であるが、この間隔は、ホール素子２４０度配置方式を採用した場合に比較して半分でよく、シリコンチップを大型化する必要がないため、製造コストを大幅に低減することも可能となる。
【００５１】
（変形態様）
上記実施例では磁電変換素子としてホール素子を採用したが、ホール効果以外の磁気−電気効果を用いた素子を利用することも可能である。
【００５２】
（変形態様）
上記実施例では、回転角センサ４の検出部４２にてノイズキャンセルや進角切替を行ったが、制御回路１１中にてそれを行ってもよいことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の多相モータを示す軸方向模式断面図である。
【図２】 実施例１のホール素子１２０度配置方式を示す回転角センサの模式斜視図である。
【図３】 参考例のホール素子２４０度配置方式を示す回転角センサの模式斜視図である。
【図４】 ホール素子２４０度配置方式の回転角センサの出力電圧（角度電圧）の波形図である。
【図５】図４のU相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図６】図４のV相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図７】図４のW相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図８】 ホール素子２４０度配置方式の回転角センサの出力電圧（角度電圧）の波形図である。
【図９】図８のU相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１０】図８のV相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１１】図８のW相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１２】 ホール素子１２０度配置方式の回転角センサの出力電圧（角度電圧）の波形図である。
【図１３】図１２のU相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１４】図１２のV相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１５】図１２のW相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１６】 ホール素子１２０度配置方式の回転角センサの出力電圧（角度電圧）の波形図である。
【図１７】図１６のU相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１８】図１６のV相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１９】図１６のW相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図２０】モータ回転数とトルクとの関係を示す特性図である。
【図２１】図１のモータの制御回路図である。
【図２２】オフセット電圧キャンセルと進角切替を行う回路図である。
【図２３】オフセット電圧キャンセルと進角切替を行うフローチャートである。
【図２４】回転角センサの検出部の構成を示す模式側面図である。
【図２５】回転角センサの検出部の構成を示す模式平面図である。
【符号の説明】
１ 三相ブラシレスＤＣモータ（多相モータ）
２ ランデル型ロータ
３ ステータ
４ 回転角センサ
５ ハウジング
６ ブラシ装置
７ スリップリング
８ 回転軸
４０ 回転角センサの回転磁極部
４１ ホール素子（磁電変換素子、角度検出部）
４２ 検出部（角度検出部、角度信号処理部）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホール素子を用いてロータの位置検出を行なう多相モータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転する磁界源から生じるとともに角度に応じて変化する磁界を磁電変換素子（この明細書では単にホール素子とも略称するものとする）により検出することにより回転角度（単に角度ともいう）に関する情報である角度情報）を検出し、この角度情報に基づいてモータ電流をスイッチング制御する多相モータ制御装置がたとえばブラシレスDCモータなどにおいて広く採用されている。この多相モータ制御装置は、モータの各相端子に印加される各相電圧をスイッチング制御するべく、ステータコイルを構成する相コイルの数に等しいホール素子を装備する。ホール素子が出力する角度電圧とそれに対応するステータコイルの相電圧との間の位相角はホール素子と相電圧とのペアが変わっても一定であることが好ましく、このため、従来では各ホール素子は、各ホール素子間の周方向角度ピッチが電気角２πを相数で割った角度に相当するように配置されていた。したがって、三相ブラシレスＤＣモータでは、三つのホール素子は、電気角４π／３の角度範囲に配置されることになる。以下、この従来の角度検出装置をホール素子２４０度配置方式と称することもあるものとする。 これらのホール素子の出力（角度電圧）は、磁界発生源である磁石の磁束以外に磁界が存在する場合（例えば、回転子からの漏れ磁束など）、ホール素子が出力する角度電圧は、直流オフセット電圧（単にオフセット電圧ともいう）を含むことになり、このオフセット電圧に応じた角度検出誤差が生じてしまう。このため、特許文献１は、これら三つのホール素子出力電圧（角度電圧）の差を抽出することにより、上記オフセット電圧がキャンセルされた角度信号を得ることを提案している。以下、このオフセット電圧キャンセル方式を相間角度電圧抽出方式とも呼ぶものとする。
【０００３】
また、上記した従来のホール素子２４０度配置方式は、角度検出装置の周方向幅が大きいために、角度検出装置が大型化して、コストアップを招き、モータ冷却のための空気流の流れも悪化させるという問題があった。このため、特許文献２は、三相ブラシレスＤＣモータにおいて、周方向に電気角２π／３離れて配置されたU相用ホール素子とV相用ホール素子との中間にーW相用ホール素子を配置することを提案している。以下、この角度検出装置をホール素子１２０度配置方式と称することもあるものとする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記説明した上記したホール素子１２０度配置方式と相間角度電圧抽出方式とを同時に採用すれば、高精度で小型のブラシレスＤＣモータ用角度検出装置を実現できると予想される。しかしながら、本発明者の検討によれば、上記したホール素子１２０度配置方式で配置された３つのホール素子の出力電圧に含まれるオフセット電圧をキャンセルするために、上記した相間角度電圧抽出方式を適用しても、オフセット電圧のキャンセルがホール素子２４０度配置方式の場合のようにうまくいかないことに気づいた。すなわち、上記したホール素子１２０度配置方式と相間角度電圧抽出方式によるオフセット電圧キャンセルとは両立しないことに気がついた。したがって、ホール素子１２０度配置方式により角度検出装置の小型化を図ると、オフセット誤差によるモータ電流通電異常が生じる可能性を排除する事ができなかった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、小型で高精度の回転角検出が可能な多相モータ制御装置を提供することをその目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第一発明の多相モータ制御装置は、三以上の相コイルをもつステータとこのステータに対面して回転するロータとを有する多相モータの回転軸に周方向所定角度ごとかつ極性交互に固定された回転磁極部と、前記回転磁極部に所定距離離れて対面しつつ互いに周方向へ所定角度離れて前記多相モータのハウジング側に配設されるとともに前記回転磁極部の磁界の大きさに正相関を有する角度電圧を出力する第一、第二および第三の磁電変換素子を含む角度検出部と、前記回転軸の角度に関する情報を含む角度信号を前記各角度電圧に基づいて前記各磁電変換素子の数だけ抽出する角度信号処理部と、前記各角度信号に基づいて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御するステータ電流制御部とを備え、前記第二の磁電変換素子は、その出力が前記第一、第三の磁電変換素子の出力とは逆方向となるように配置されている多相モータ制御装置において、
前記角度信号処理部が、前記第一、第二、第三の磁電変換素子が出力する前記各角度電圧を変数とする所定の数式に前記三つの角度電圧を代入して数値演算することにより、オフセット電圧がキャンセルされた前記三つの角度信号を抽出することを特徴としている。このようにすれば、小型の回転角センサにより高精度の角度信号検出を実現することができる。
【０００９】
上記第１発明では更に、前記角度信号処理部が、前記第一、第二、第三の磁電変換素子が出力する前記角度電圧を変数とする所定の数式に前記三つの角度電圧を代入して数値演算することにより、前記オフセット電圧を抽出し、前記角度電圧から前記オフセット電圧を差し引くことにより前記三つの第１の角度信号を抽出することを特徴としている。このようにすれば、各相の角度電圧に重畳するオフセット電圧を簡単な演算によりキャンセルすることができる。
【００１０】
上記第１発明では更に、前記角度信号処理部が、前記第二の磁電変換素子が出力する前記角度電圧を反転してW相の角度電圧を求め、前記U、V、W相の角度電圧の相間電圧を演算することにより前記オフセット電圧がキャンセルされた前記三つの第２の角度信号を抽出することを特徴としている。このようにすれば、相間角度電圧に重畳するオフセット電圧を簡単な演算によりキャンセルすることができる。
【００１１】
上記第１発明では更に、前記角度信号処理部が、前記第１の角度信号を用いて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御する第一の制御モードと、前記第２の角度信号を用いて前記前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御する第二の制御モードとを前記角度信号に基づいて検出した前記モータの回転数に応じて切り替えることを特徴としている。このようにすれば、簡素な処理により正確に進角切替を実現することができるとともに、小型の回転角センサによりオフセット電圧のキャンセルも実現することができる。
【００１３】
第二発明の多相モータ制御装置は、三以上の相コイルをもつステータとこのステータに対面して回転するロータとを有する多相モータの回転軸に周方向所定角度ごとかつ極性交互に固定された回転磁極部と、前記回転磁極部に所定距離離れて対面しつつ互いに周方向へ所定角度離れて前記多相モータのハウジング側に配設されるとともに前記回転磁極部の磁界の大きさに正相関を有する角度電圧を出力する第一、第二および第三の磁電変換素子を含む角度検出部と、前記回転軸の角度に関する情報を含む角度信号を前記各角度電圧に基づいて前記各磁電変換素子の数だけ抽出する角度信号処理部と、前記各角度信号に基づいて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御するステータ電流制御部とを備える多相モータ制御装置において、
前記角度信号処理部が、所定回転数未満にて前記第一、第二および第三の磁電変換素子から出力される角度電圧に対応する角度信号を抽出し、前記所定回転数以上にて前記第一、第二および第三の磁電変換素子の角度電圧のうちの二つの角度電圧間の差である相間角度電圧に対応する角度信号を抽出することを特徴としている。このようにすれば、簡素な処理により正確に進角切替を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の多相モータ制御装置を以下の実施例により具体的に説明する。
【００１５】
（実施例１）
以下、本発明の一実施例を軸方向模式断面図である図1を参照して説明する。１は界磁コイル型同期機である三相ブラシレスＤＣモータであり、ランデル型ロータ２、ロータ２を囲包するステータ３、回転角センサ４、ステータ３が固定されるハウジング５を有している。６はスリップリング７を通じてロータ２の界磁コイルに給電するブラシ装置、８はロータ２が固定されてハウジング５に回転自在に支持される回転軸である。この種の三相ブラシレスＤＣモータ自体は周知であるので、これ以上の説明は省略する。
【００１６】
次に、この実施例の特徴をなす回転角センサ４を説明する。
【００１７】
この回転角センサ４は、既述したホール素子１２０度配置方式を採用しており、回転軸８に固定されるディスク状の回転磁極部４０と、ホール素子４１を内蔵してハウジング５に固定される検出部４２とからなる。検出部４２は、回転磁極部４０に軸方向に対面している。α／２は隣接するホール素子４１、４１間の角度であり、三相ブラシレスＤＣモータでは電気角度６０度すなわちπ／３に設定されている。Rは軸心からホール素子４１の位置までの半径である。回転磁極部４０にはロータ磁極数に等しい永久磁石部が周方向極性交互に配置されている。
【００１８】
ホール素子４１は、ホール効果特性をもつホール効果半導体部と、このホール効果半導体部の電圧を増幅して角度電圧として出力する回路部とを有している。この回路部はホール効果半導体部と一体に形成された半導体チップとされているが、ホール効果半導体部と回路部とを別々に配置することは当然可能である。
【００１９】
図２に示すホール素子１２０度配置方式の重要な特徴は、中央のホール素子４１は両側の二つのホール素子４１と反対向きに配置されている点にある。このようにすると、中央のホール素子４１の出力電圧は両側の二つのホール素子４１のそれと逆方向となる。つまり、磁界０における出力電圧をV0とし、各ホール素子４１に等しいある磁界に対して中央のホール素子４１の出力電圧（角度電圧）がV0よりも大きい値となる場合、両側の二つのホール素子４１の出力電圧（角度電圧）はV0よりも小さい値となる。
【００２０】
図２における左端のホール素子４１はU相電圧をスイッチング制御するための角度信号を出力する位置に配置されている。図２における右端のホール素子４１はV相電圧をスイッチング制御するための角度信号を出力する位置に配置されている。図２における中央のホール素子４１はーW相電圧が生じる位置に配置されている。このため、この中央のホール素子４１は他のホール素子に対して裏返しに配置されて、W相電圧を出力できるようになっている。このため、この中央のホール素子４１に作用するオフセット磁界は他の二つのホール素子に作用するオフセット磁界に対して符号が反対となる。なお、ここでいうーW相電圧とは、W相電圧を電気角πだけ位相シフトした電圧であり、反転することによりW相電圧に等しくなる。なお、回転角センサ４の検出部４２の具体的な回路構成自体は既によく知られているので、これ以上の説明は省略する。
【００２１】
図２に示すホール素子１２０度配置方式の回転角センサ４に対する比較対照するために、ホール素子２４０度配置方式の回転角センサ４を図３に示す。図３において、４０は回転軸に固定されるディスク状の回転磁極部、４１０は三つのホール素子、４２はこれらのホール素子４１０を内蔵する検出部である。αは隣接するホール素子４１、４１間の角度であり、三相ブラシレスＤＣモータでは電気角度１２０度すなわち２π／３に設定されている。Rは軸心からホール素子４１の位置までの半径である。回転磁極部４０にはロータ磁極数に等しい永久磁石部が周方向極性交互に配置されている。
【００２２】
図３に示すホール素子２４０度配置方式の回転角センサの各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）の波形例を図４に示し、これらの出力電圧を磁界が０となるしきい値にて二値化して得たパルス電圧（角度信号）の波形を図５〜図７に示す。ただし、図４においては外部漏れ磁界などが各ホール素子４１に作用して各ホール素子４１の出力電圧にオフセット電圧が重畳することはないものとする。
【００２３】
図３に示すホール素子２４０度配置方式の回転角センサの各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）の波形例を図８に示し、これらの出力電圧を磁界が０となるしきい値にて二値化して得たパルス電圧（角度信号）の波形を図９〜図１１に示す。ただし、図８においては外部漏れ磁界などが各ホール素子４１に作用して各ホール素子４１の出力電圧にオフセット電圧が重畳しているものとする。図９〜図１１から明らかなように直流オフセット電圧がこれらのホール素子４１に作用すると、パルス電圧（角度信号）は本来のｄｕｔｙ比５０％からずれ、本来のロータ角度からずれた角度位置にてレベル変化するという重大な角度検出誤差が生じてしまう。各ホール素子４１に重畳するオフセット電圧が等しい場合、二つのホール素子４１の出力電圧差を検出することにより、出力電圧差（相間角度電圧）からオフセット電圧をキャンセルできることは明白である。この出力電圧差（相間角度電圧）は、本来のホール素子４１の出力電圧から所定位相角だけずれているだけであるので、この所定位相角を加味して回転磁極部４１をセットすれば、スイッチング制御のための角度信号が問題なく得られることは、既に説明したとおりである。図４および図８において、Suはたとえば左端のホール素子４１の出力電圧、Sｖはたとえば中央のホール素子４１の出力電圧、Sｗはたとえば右端のホール素子４１の出力電圧である。
【００２４】
図２に示すホール素子１２０度配置方式の回転角センサの各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）の波形例を図１２に示し、これらの出力電圧を磁界が０となるしきい値にて二値化して得たパルス電圧（角度信号）の波形を図１３〜図１５に示す。ただし、図１２においては外部漏れ磁界などが各ホール素子４１に作用して各ホール素子４１の出力電圧にオフセット電圧が重畳することはないものとする。図１２において、Suは左端のホール素子４１の出力電圧、Sｖは右端のホール素子４１の出力電圧、Sｗは中央のホール素子４１の出力電圧を反転した電圧である。
【００２５】
図２に示すホール素子１２０度配置方式の回転角センサの各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）の波形例を図１６に示し、これらの出力電圧を磁界が０となるしきい値にて二値化して得たパルス電圧（角度信号）の波形を図１７〜図１９に示す。ただし、図１６においては外部漏れ磁界などが各ホール素子４１に作用して各ホール素子４１の出力電圧にオフセット電圧が重畳しているものとする。図１７〜図１９から明らかなように直流オフセット電圧がこれらのホール素子４１に作用すると、パルス電圧（角度信号）は本来のｄｕｔｙ比５０％からずれ、本来のロータ角度からずれた角度位置にてレベル変化するという重大な角度検出誤差が生じてしまう。
【００２６】
このホール素子１２０度配置方式においては、中央のホール素子４１の出力電圧を反転してW相電圧Swを得るために、このＷ相電圧Ｓｗに重畳するオフセット電圧は他のホール素子４１の出力電圧Su、Svとは反対向きに重畳することになる。従って、従来知られている相差を検出する方式では、オフセット電圧をキャンセルすることはできなかった。
【００２７】
次に、この実施例のオフセット電圧キャンセル方法を以下に説明する。
【００２８】
以下、各ホール素子４１の出力電圧Su、Sv、Swの振幅は０V〜Vcc、磁界０における出力電圧はオフセット電圧０において０．５Vccであると仮定する。
【００２９】
いま、オフセット電圧が０である場合の出力電圧Su中の交流信号電圧成分をSuａｃ、出力電圧Sv中の交流信号電圧成分をSvａｃ、出力電圧Sw中の交流信号電圧成分をSwａｃとすれば、オフセット電圧が０である場合の出力電圧SuはSuａｃ＋０．５Vcc、出力電圧SvはSvａｃ＋０．５Vcc、出力電圧SwはSwａｃ＋０．５Vccとなり、Suａｃ＋Svａｃ＋Swａｃは０となる。
【００３０】
外部磁界などによる直流出力電圧すなわちこの明細書で言うオフセット電圧をVoffsetとし、各センサで大きさが等しいとすれば、出力電圧SuはSuａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、出力電圧SvはSvａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、出力電圧SwはSwａｃ＋０．５Vcc−Voffsetとなる。
【００３１】
そこで、出力電圧総和ΣV＝Su＋Sv＋Swを算出すると、
ΣV＝Swａｃ＋０．５Vcc＋Voffset＋Svａｃ＋０．５Vcc＋Voffset＋Swａｃ＋０．５Vcc−Voffset＝１．５Vcc＋Voffset
となる。したがって、オフセット電圧Voffsetは、
Ｖｏｆｆｓｅｔ＝ΣV−１．５Vcc＝Su＋Sv＋Sw−１．５Vcc
となる。Vccは既知であるのでこの演算により、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを算出することができる。次に、このオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔと既知のVccと各ホール素子４１の出力電圧Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗとを下記の式に代入することにより、交流信号成分Suａｃ、Svａｃ、Swａｃを算出することができる。
【００３２】
Su＝Suａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、
Sv＝Svａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、
Sw＝Swａｃ＋０．５Vcc−Voffset
を整理すれば、各センサの交流角度電圧Suａｃ、Svａｃ、Swａｃは、
Suａｃ＝Su−０．５Vcc−Voffset、
Svａｃ＝Sv−０．５Vcc−Voffset、
Swａｃ＝Sw−０．５Vcc＋Voffset
に、Su、Sv、Sw、Vcc、Voffsetの値を代入して演算すればよい。
【００３３】
これらの交流信号成分Suａｃ、Svａｃ、Swａｃは従来同様二値化又は多レベル化して角度信号とされる。なお、この演算は、アナログハードウエア回路又はデジタルハードウエア又はマイコンソフトウエアにより行うことができる。これにより、簡素な演算によりホール素子１２０度配置方式の回転角センサ４を採用しつつオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔをキャンセルすることができるので、小型で高精度の回転角センサ４を実現することができる。
【００３４】
（実施例２）
上記実施例１では、各センサの角度電圧中の交流信号成分Ｓｕａｃ、Ｓｖａｃ、Ｓｗａｃを抽出したが、その代わりに、相間角度電圧を算出し、この相間角度電圧を従来同様二値化又は多レベル化して角度信号としてもよい。
【００３５】
更に説明すると上記したように、以下の式が成立する。
【００３６】
Su＝Suａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、
Sv＝Svａｃ＋０．５Vcc＋Voffset、
Sw＝Swａｃ＋０．５Vcc−Voffset
従って、相間角度電圧S1ｘ＝Su−Sv、S２ｘ＝Sｖ−Sｗ、S３ｘ＝Sｗ−Sｕを算出すると、
S1ｘ＝Su−Sv＝Suａｃ−Svａｃ
S２ｘ＝Sｖ−Sｗ＝Sｖａｃ−Sｗａｃ＋２Ｖｏｆｆｓｅｔ
S３ｘ＝Sｗ−Sｕ＝Sｗａｃ−Sｕａｃ−２Ｖｏｆｆｓｅｔ
となる。
【００３７】
したがって、相間角度電圧S1＝S1ｘ、S２＝S２ｘ−２Ｖｏｆｆｓｅｔ、S３＝S３ｘ＋２Ｖｏｆｆｓｅｔを算出すると、
S1＝Suａｃ−Svａｃ
S２＝Sｖａｃ−Sｗａｃ
S３＝Sｗａｃ−Sｕａｃ
となる。すなわち、このようにして算出された相間角度電圧S1、S２、S３は、本来の各ホール素子４１の出力電圧（交流角度電圧）Ｓｕａｃ、Ｓｖａｃ、Ｓｗａｃに対して電気角π／６だけ位相がずれた（進角した）角度電圧となることがわかる。
【００３８】
つまり、この相間角度電圧S1、S２、S３を用いてモータをスイッチング制御すれば、各ホール素子４１の出力電圧（角度電圧）Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを用いて同一回路にてモータをスイッチング制御するのに比較してオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔをキャンセルしつつ、小型の回転角センサ４を採用しつつ、モータを進相状態にて運転することができる。なお、この実施例の上記演算は、実施例１と同様、アナログハードウエア回路又はデジタルハードウエア又はマイコンソフトウエアにより行うことができることは明白である。
【００３９】
（実施例３）
上記した実施例１により得た交流角度電圧Suａｃ、Svａｃ、Swａｃを用いたモータスイッチング制御と、実施例２により得た相間角度電圧S1、S２、S３を用いたモータスイッチング制御とを適宜切り替えることができる。この実施例においては、モータ回転数により切り替える。これによりそれぞれの回転数域に適したモータ特性を実現することができる。
【００４０】
たとえば所定のしきい値速度未満では実施例１のモータスイッチング制御を行い、回転数が上記しきい値を超えると実施例２のモータスイッチング制御に切替える。図２０にこの進角切替によるモータ特性の変化を示す。
【００４１】
回転角センサ４から出力される各相の角度電圧又は各相間角度電圧を二値化して得た角度信号の周波数により回転数が得られるので、それがしきい値回転数Nｃ未満なら図２０においてA-Cで示す実施例１の進角０度でスイッチング制御を行い、これにより大きな低速トルクを得ることができる。また、回転数がしきい値回転数Nｃ以上なら図２０においてC-B'で示す実施例２の進角３０度でスイッチング制御を行い、これにより大きな高速トルクを得ることができる。
【００４２】
この実施例の進角切替方式は、単に各ホール素子４１の出力電圧Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗから得た各相の角度電圧と各相間角度電圧を切り替えるだけであるので、簡単な回路構成により正確に進角３０度を得ることができるという優れた利点をもつとともに、進角０度制御においても進角３０度制御においてもオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔをキャンセルでき、かつ回転角センサ４を小型化することができる。ただし、この進角切替方式は、ホール素子２４０度配置方式において採用してもよく、また、実施例１、２のオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔキャンセル演算を行わないホール素子１２０度配置方式において採用してもよい。
【００４３】
図１に示す三相ブラシレスＤＣモータ１を制御するモータ制御回路を図２１に示す。１０は直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ回路、１１はこのインバータ回路１０をスイッチング制御する制御回路、１２、１２はU、V相電流を検出する電流センサである。制御回路１１は、回転角センサ４の検出部４２から三相の角度信号と二つの電流センサ１２の検出電流とに基づいて必要なトルク又は回転数での運転を可能とするべく、インバータ１０の各スイッチング素子を断続制御する。回転角センサ４の検出部４２は、上記した角度電圧又は相間角度電圧を制御回路１１に出力する。特にこの実施例では、検出部４２は、しきい値回転数Nc未満にて実施例１の角度電圧を二値化して得た角度信号を出力し、しきい値回転数Nc以上にて実施例２の相間角度電圧を二値化して得た角度信号を出力する。
【００４４】
検出部４２の回路構成の一例を図２２に示す。
【００４５】
１００〜１０２はオペアンプ掛算回路であり、表示した値の掛け算を行う。１０３〜１０９は減算回路又は加減算回路であり、減算又は加減算を行う。１１０はアナログ切替回路であり、三つ設けられている。１１２はシュミットトリガ回路であり、三つ設けられている。Ssはモータ回転数に比例するアナログ電圧を所定しきい値にて二値化した切替信号であり、アナログ切替回路１１０の切替を行う。So1、So２、So３は、各相のスイッチング制御のために制御回路１１に出力される角度信号である。
【００４６】
図２２に示すアナログハードウエア演算をソフトウエア演算に変更した場合のフローチャートを図２３に示す。
【００４７】
（実施例４）
実施例１〜３に好適な回転角センサ４の検出部４２の構成を図２４を参照して説明する。この実施例は、検出部４２を１つのモノリシック集積回路にて形成したものであり、２００はシリコンチップ、２０１はU相のホール効果抵抗膜、２０２はV相のホール効果抵抗膜、２０３はW相のホール効果抵抗膜である。ホール効果抵抗膜２０１〜２０３は、シリコンチップ２００上にホトリソグラフィ技術により同時にパターニング形成されている。ただし、ホール効果抵抗膜２０１〜２０３はシリコンチップ２００をその上面から見た場合に、半径Rの円周上に角度α／２（＝電気角π／３）だけ離れて位置するように構成されている。ホール効果抵抗膜２０１は実質的に既述したU相のホール素子４１の磁電変換部に相当し、ホール効果抵抗膜２０２は実質的に既述したーW相のホール素子４１の磁電変換部に相当し、ホール効果抵抗膜２０３は実質的に既述したV相のホール素子４１の磁電変換部に相当している。ホール効果抵抗膜２０２の磁電変換特性を反転するために、ホール効果抵抗膜２０２に流れる電流の方向は、他のホール効果抵抗膜２０１、２０３に流れる電流の方向に対して逆転される。各ホール効果抵抗膜２０１〜２０３の出力電圧はシリコンチップ２００にて増幅などの処理がなされ、同じくシリコンチップ２００に集積された図２２に示すノイズキャンセル兼二値化回路により角度信号に変換される。
【００４８】
このようにすれば、一つのモノリシックICにより検出部４２を構成することができるので、各ホール効果抵抗膜２０１〜２０３を同時に形成することができるので、それらの間の距離ばらつきをほとんど０にすることができる。なお、この実施例の検出部４２はホール素子１２０度配置方式を採用するので上述したように、各ホール効果抵抗膜２０１〜２０３の間の間隔として電気角π／３が必要であるが、この間隔は、ホール素子２４０度配置方式を採用した場合に比較して半分でよく、シリコンチップを大型化する必要がないため、製造コストを大幅に低減することも可能となる。
【００４９】
（実施例５）
実施例１〜３に好適な回転角センサ４の検出部４２の他の構成を図２５を参照して説明する。この実施例は、検出部４２を１つのハイブリッド集積回路にて形成したものであり、３００はセラミック基板、３０１はU相のホール効果抵抗膜、３０２はーW相のホール効果抵抗膜、３０３はV相のホール効果抵抗膜、３０４は図２４に示すシリコンチップ２００に等しいICチップである。各ホール効果抵抗膜３０１〜３０３は同一の工程にてセラミック基板３００上にパターニング形成され、図示しない導体パターンやワイヤボンディング配線によりICチップ３０４上の所定の導体パターンに接続されている。ホール効果抵抗膜３０１は実質的に既述したU相のホール素子４１の磁電変換部に相当し、ホール効果抵抗膜３０２は実質的に既述した−W相のホール素子４１の磁電変換部に相当し、ホール効果抵抗膜３０３は実質的に既述したV相のホール素子４１の磁電変換部に相当している。ホール効果抵抗膜３０２の磁電変換特性を反転するために、ホール効果抵抗膜３０２に流れる電流の方向は、他のホール効果抵抗膜３０１、３０３に流れる電流の方向に対して逆転される。各ホール効果抵抗膜３０１〜３０３の出力電圧はICチップ３０４にて増幅などの処理がなされた後、同じくICチップ３０４に集積された図２２に示すノイズキャンセル兼二値化回路により角度信号に変換される。
【００５０】
このようにすれば、一つのハイブリッドICにより検出部４２を構成することができるので、各ホール効果抵抗膜３０１〜３０３を同時に形成することができるので、それらの間の距離ばらつきをほとんど０にすることができる。なお、この実施例の検出部４２はホール素子１２０度配置方式を採用するので上述したように、各ホール効果抵抗膜３０１〜３０３の間の間隔として電気角π／３が必要であるが、この間隔は、ホール素子２４０度配置方式を採用した場合に比較して半分でよく、シリコンチップを大型化する必要がないため、製造コストを大幅に低減することも可能となる。
【００５１】
（変形態様）
上記実施例では磁電変換素子としてホール素子を採用したが、ホール効果以外の磁気−電気効果を用いた素子を利用することも可能である。
【００５２】
（変形態様）
上記実施例では、回転角センサ４の検出部４２にてノイズキャンセルや進角切替を行ったが、制御回路１１中にてそれを行ってもよいことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の多相モータを示す軸方向模式断面図である。
【図２】 実施例１のホール素子１２０度配置方式を示す回転角センサの模式斜視図である。
【図３】 参考例のホール素子２４０度配置方式を示す回転角センサの模式斜視図である。
【図４】 ホール素子２４０度配置方式の回転角センサの出力電圧（角度電圧）の波形図である。
【図５】図４のU相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図６】図４のV相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図７】図４のW相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図８】 ホール素子２４０度配置方式の回転角センサの出力電圧（角度電圧）の波形図である。
【図９】図８のU相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１０】図８のV相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１１】図８のW相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１２】 ホール素子１２０度配置方式の回転角センサの出力電圧（角度電圧）の波形図である。
【図１３】図１２のU相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１４】図１２のV相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１５】図１２のW相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１６】 ホール素子１２０度配置方式の回転角センサの出力電圧（角度電圧）の波形図である。
【図１７】図１６のU相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１８】図１６のV相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図１９】図１６のW相用出力電圧を二値化した角度信号の波形図である。
【図２０】モータ回転数とトルクとの関係を示す特性図である。
【図２１】図１のモータの制御回路図である。
【図２２】オフセット電圧キャンセルと進角切替を行う回路図である。
【図２３】オフセット電圧キャンセルと進角切替を行うフローチャートである。
【図２４】回転角センサの検出部の構成を示す模式側面図である。
【図２５】回転角センサの検出部の構成を示す模式平面図である。
【符号の説明】
１ 三相ブラシレスＤＣモータ（多相モータ）
２ ランデル型ロータ
３ ステータ
４ 回転角センサ
５ ハウジング
６ ブラシ装置
７ スリップリング
８ 回転軸
４０ 回転角センサの回転磁極部
４１ ホール素子（磁電変換素子、角度検出部）
４２ 検出部（角度検出部、角度信号処理部）
Claims (2)
- 三以上の相コイルをもつステータとこのステータに対面して回転するロータとを有する多相モータの回転軸に周方向所定角度ごとかつ極性交互に固定された回転磁極部と、
前記回転磁極部に所定距離離れて対面しつつ互いに周方向へ所定角度離れて前記多相モータのハウジング側に配設されるとともに前記回転磁極部の磁界の大きさに正相関を有する角度電圧を出力する第一、第二および第三の磁電変換素子を含む角度検出部と、
前記回転軸の角度に関する情報を含む角度信号を前記各角度電圧に基づいて前記各磁電変換素子の数だけ抽出する角度信号処理部と、
前記各角度信号に基づいて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御するステータ電流制御部と、
を備え、
前記第二の磁電変換素子は、
その出力が前記第一、第三の磁電変換素子の出力とは逆方向となるように配置されている多相モータ制御装置において、
前記角度信号処理部は、
前記第一、第二、第三の磁電変換素子が出力する前記各角度電圧を変数とする所定の数式に前記三つの角度電圧を代入して数値演算することにより、オフセット電圧がキャンセルされた前記三つの角度信号を抽出し、
前記角度信号処理部は、
前記第一、第二、第三の磁電変換素子が出力する前記角度電圧を変数とする所定の数式に前記三つの角度電圧を代入して数値演算することにより、前記オフセット電圧を抽出し、前記角度電圧から前記オフセット電圧を差し引くことにより前記三つの第１の角度信号を抽出し、
前記第二の磁電変換素子が出力する前記角度電圧を反転して W 相の角度電圧を求め、前記 U 、 V 、 W 相の角度電圧の相間電圧を演算することにより前記オフセット電圧がキャンセルされた前記三つの第２の角度信号を抽出し、
前記第１の角度信号を用いて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御する第一の制御モードと、前記第２の角度信号を用いて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御する第二の制御モードとを前記角度信号に基づいて検出した前記モータの回転数に応じて切り替えることを特徴とする多相モータ制御装置。 - 三以上の相コイルをもつステータとこのステータに対面して回転するロータとを有する多相モータの回転軸に周方向所定角度ごとかつ極性交互に固定された回転磁極部と、
前記回転磁極部に所定距離離れて対面しつつ互いに周方向へ所定角度離れて前記多相モータのハウジング側に配設されるとともに前記回転磁極部の磁界の大きさに正相関を有する角度電圧を出力する第一、第二および第三の磁電変換素子を含む角度検出部と、
前記回転軸の角度に関する情報を含む角度信号を前記各角度電圧に基づいて前記各磁電変換素子の数だけ抽出する角度信号処理部と、
前記各角度信号に基づいて前記各相コイルに通電する電流をスイッチング制御するステータ電流制御部と、
を備える多相モータ制御装置において、
前記角度信号処理部は、
所定回転数未満にて前記第一、第二および第三の磁電変換素子から出力される角度電圧に対応する角度信号を抽出し、
前記所定回転数以上にて前記第一、第二および第三の磁電変換素子の角度電圧のうちの二つの角度電圧間の差である相間角度電圧に対応する角度信号を抽出することを特徴とする多相モータ制御装置。
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| JP2003178367A JP4193125B2 (ja) | 2003-06-23 | 2003-06-23 | 多相モータ制御装置 |
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- 2003-06-23 JP JP2003178367A patent/JP4193125B2/ja not_active Expired - Lifetime
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