JP4291991B2 - 単相ブラシレスモータの駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単相ブラシレスモータの駆動装置に関し、特に、バイポーラ駆動装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の単相ブラシレスモータの駆動装置としては、例えば、図５に示すバイポーラ駆動回路を有する装置がある。
【０００３】
図５において、単相ブラシレスモータの駆動装置１は、単相ブラシレスモータＭと、該モータＭを駆動する複数（例えば４個）の半導体スイッチング素子、例えばスイッチングトランジスタ２ａ，２ｂ、２ｃ、２ｄからなる駆動回路２と、前記モータＭの固定子に配設され、回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出素子３と、該磁極位置検出素子３からの出力信号を矩形波信号に成形するコンパレータ４と、該コンパレータ４からの出力信号を基にして、前記モータＭの巻線Ｗａに電流を流すため、前記駆動回路２の前記４個のスイッチングトランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄをオンオフする信号を、該スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄのそれぞれのゲートに出力する分配回路５とからなる。
【０００４】
前記駆動回路２は、前記４個のスイッチングトランジスタ２ａ（ＰＮＰ型），２ｂ（ＮＰＮ型），２ｃ（ＰＮＰ型），２ｄ（ＮＰＮ型）のうち、それぞれ直列に接続された該スイッチングトランジスタ２ａ，２ｄと，該スイッチングトランジスタ２ｃ，２ｂとを並列に接続してブリッジ回路に組み込まれており、直列に接続された前記スイッチングトランジスタ２ａ，２ｄと２ｃ，２ｂの、それぞれ中央接続点６，７の間に、前記モータＭの一方の相の巻線Ｗａが接続されている。また、定電圧直流電源Ｅと前記駆動回路２との間には、前記定電圧直流電源Ｅを逆極性接続したときの回路保護用にダイオードＤ1が接続されている。同様に、ダイオードＤ2,Ｄ3も逆極性接続の保護用である。
【０００５】
なお、保護用ダイオード２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈが、前記スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄのそれぞれのコレクタ・エミッタ間に逆方向に接続され、また、前記駆動回路２の前記定電圧直流電源Ｅに並列にツェナーダイオード８が接続され、前記スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄのオフ時に前記モータ巻線Ｗａに発生する逆起電力による電圧上昇、すなわちキックバックの電圧を前記ツェナーダイオード８により制限し、トランジスタなどが過電圧で破損するのを保護している。（ここで、キックバックとは、逆起電力により発生する電圧上昇、電流増加などをいう。）
【０００６】
前記駆動回路２の動作は、前記分配回路５から出力されるそれぞれのゲート信号▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼により、スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂをオン、スイッチングトランジスタ２ｃ，２ｄをオフする時間と、スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂをオフ、スイッチング素子２ｃ，２ｄをオンする時間を繰り返す。すると前記中央接続点、６，７間には、直流電源Ｅの一定電圧の振幅をもつ交番矩形波が発生する。
【０００７】
すなわち、前記駆動回路２は、前記モータＭの回転子の磁極（永久磁石）の位置を前記磁極位置検出素子３からの信号を基に、前記分配回路５からの出力信号により、前記スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを切り替えて、前記モータ巻線Ｗａに流す電流の方向を切り替えている。
【０００８】
図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に、前記モータＭの駆動装置１における前記磁極位置検出素子３から前記コンパレータ４を介した磁極位置信号、前記駆動回路２の各スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを駆動する信号波形、及びこれらの信号に対応して前記モータ巻線Ｗａに流れるモータ電流の波形を示す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のブラシレスモータの駆動装置１にあっては、前記駆動回路２の動作中、切り替え時における前記スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂのオフと、前記スイッチングトランジスタ２ｃ，２ｄのオフとが同じタイミングであるため、図６（ｄ）に示すように、前記モータ巻線Ｗａ中に流れるモータ電流がオフされるとき、該モータ巻線Ｗａにより、前記直流電源Ｅの電圧に異常な逆起電力、すなわちキックバックが発生するという問題点があった。
【００１０】
従来の駆動装置１においては、前述のように発生する前記キックバックを、例えばアルミ電解コンデンサで吸収させていた。
また、長寿命の前記駆動装置として、前記アルミ電解コンデンサを使用しないタイプの駆動装置があるが、そのままでは直流電圧が上昇して、前記スイッチング素子（トランジスタ）の使用最大電圧や時として耐圧を超えてしまう。
【００１１】
前述のような場合、前記従来の駆動装置１では、前記ツェナーダイオード８を接続して置き、キックバックによる電圧上昇を該ツェナーダイオード８のツェナー電圧Ｖzdに制限して、前記スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを保護をしていた。しかし、前記従来の駆動装置１の動作中では、常に前記キックバックが発生するため、このツェナーダイオード８の消費電力は大きくなり、使用する素子が大型になるという問題点があった。
【００１２】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前記問題点を解消し、駆動回路の動作中における半導体スイッチング素子の切り替え時、特に前記半導体スイッチング素子のオフ時にモータ巻線に異常な逆起電力、いわゆるキックバックの発生を防止するブラシレスモータの駆動装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の構成は、回転子の磁極位置を検出する手段を有する単相ブラシレスモータと、前記モータを駆動する４個の半導体スイッチング素子からなる駆動回路と、前記磁極位置検出手段からの出力信号を矩形波信号に成形するコンパレータと、前記コンパレータからの出力信号を基にして前記駆動回路の前記４個の半導体スイッチング素子をそれぞれオンオフする信号を出力する分配回路とからなる前記モータの駆動装置において、次のとおりである。
【００１４】
前記駆動回路は、前記４個の半導体スイッチング素子がブリッジ回路状に接続されるバイポーラ駆動回路を形成するとともに、前記ブリッジ回路の互いに対向する辺に接続される２つの前記半導体スイッチング素子群を前記分配回路からの出力信号により、交互にオンオフを繰り返すとき、オフされる側の２個の半導体スイッチング素子のうちの１個を、他の３個の半導体スイッチング素子に対して時間差を設けてスイッチングさせて、前記半導体スイッチング素子群のそれぞれのオフ時に前記モータ巻線に発生する逆起電力による電圧上昇を低減し、又は該逆起電力による電圧上昇を防止するブラシレスモータの駆動装置である。
【００１６】
前記半導体スイッチング素子群のそれぞれのなかでのオフ時の時間差は、前記磁極位置検出手段の配設位置を、位置調整手段により前記回転子位置より進み方向に微小位置ずらすとともに、そのずらされた磁極位置における位置信号と、前記ずらされた磁極位置信号が、前記分配回路に設けられる遅延回路により、前記設定された遅延時間だけ遅延された磁極位置信号との時間差であるブラシレスモータの駆動装置である。
【００１７】
前記半導体スイッチング素子群のそれぞれのなかでのオフ時の時間差は、予め測定された前記回転子の磁極切り替え周期を基にして、前記半導体スイッチング素子群のそれぞれのオフ時に前記モータ巻線に発生する逆起電力が、該モータ巻線で消費される時間以上になるようにマイコンで制御される時間差であるブラシレスモータの駆動装置である。
【００１８】
前記半導体スイッチング素子群のなかでのオフ時の時間差の始まりを、前記コンパレータで成形された矩形波状の出力信号の立ち上がり又は立ち下がりに合わせるブラシレスモータの駆動装置である。
【００１９】
本発明は、以上のように構成されているので、前記駆動回路を形成するブリッジ回路の互いに対向する辺に接続され、交互にオンオフを繰り返す２つの前記半導体スイッチング素子群で、オフされる側の２個の半導体スイッチング素子のうちの１個を、他の３個の半導体スイッチング素子に対して時間差を設けてスイッチングさせて、前記半導体スイッチング素子群のそれぞれのなかの一方の半導体スイッチング素子を、他方の半導体スイッチング素子より早くオフさせて、モータ巻線のエネルギー（電磁エネルギー）を該巻線に還流させている。このように、前記エネルギーを前記巻線で消費することができるため、オフ時に前記モータ巻線に発生する逆起電力である、キックバックの発生を低減又は防止することができるのである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
［第１実施例］図１は、本発明のブラシレスモータの駆動装置の実施の形態の第１実施例を示す回路構成図である。図５に示す部材と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。
【００２１】
図１において、ブラシレスモータの駆動装置１１は、図５の前記ブラシレスモータの駆動装置１に遅延回路１２が配設されている。
この遅延回路１２は、前記単相ブラシレスモータＭの回転子の磁極位置検出素子３から、前記コンパレータ４を介して出力される磁極位置信号に対して、遅延された信号を形成する。前記遅延回路１２は、抵抗器Ｒ１とコンデンサＣとからなるＣＲ回路と抵抗器Ｒ２，Ｒ３による分圧回路とからなる。
【００２２】
該遅延回路１２は、前記磁極位置検出信号の前記コンパレータ４からの出力信号を分岐して、ＣＲ回路を介して遅延させ、その遅延された出力電圧信号と、直流電源Ｅの定電圧を抵抗器R2，R3により分割された基準電圧信号とをコンパレータ１２ａで比較して、該コンパレータ１２ａからの前記遅延出力信号を前記駆動回路２の前記スイッチングトランジスタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄのゲート信号を形成するために前記分配回路５に供給する。
【００２３】
前記駆動回路２は、４個のスイッチングトランジスタ２ａ（ＰＮＰ型），２ｂ（ＮＰＮ型），２ｃ（ＰＮＰ型），２ｄ（ＮＰＮ型）のうち、それぞれ直列に接続された該スイッチングトランジスタ２ａ，２ｄと，該スイッチングトランジスタ２ｃ，２ｂとを並列に接続して、ブリッジ回路状に接続され、前記単相ブラシレスモータＭの巻線Ｗａにモータ電流を供給するバイポーラ駆動回路形式にて形成されている。
【００２４】
前記ブリッジ回路の互いに対向する辺に接続される２つの前記スイッチングトランジスタ群２ａ，２ｂ；２ｃ，２ｄを前記分配回路５からの出力信号により、交互にオンオフを繰り返すとき、オフされる側の前記スイッチングトランジスタ群２ａ，２ｂ；２ｃ，２ｄのそれぞれのなかで、オフ時に時間差を設けている。
【００２５】
前記スイッチングトランジスタ群２ａ，２ｂ；２ｃ，２ｄのそれぞれのなかで、オフ時に時間差を設ける手段としては、まず、前記モータＭの固定子に配設する前記磁極位置検出素子３の位置を、図示しない位置調整手段により前記回転子位置より進み方向に微小位置ずらしておく。前記位置調整手段としては、前記磁極位置検出素子３と、予め決められたその各位置とがそれぞれ形成された、複数種類のプリント回路基板を選択的に取り付けるか、又は微小角調整装置が使用される。
【００２６】
次いで、前記遅延回路１２により、前記コンパレータ４を介して、前記磁極位置信号から、例えば０．３ｍｓ程度遅延された信号を形成している。この場合、前記遅延回路１２の遅延時間は従来の位置の前記磁極位置検出素子３における前記磁極位置信号と同じか又はほぼ同じになるように設定しておく。
【００２７】
次に、前記駆動回路２の動作を、図２の各部の動作波形図により説明する。図２で、磁極位置信号は前記磁極位置検出素子３からの検出信号を前記コンパレータ４を介して出力された信号である。
前記遅延回路１２からの遅延信号の立ち上がりエッジで、前記分配回路５のトランジスタ駆動信号▲１▼、▲２▼を切り替えて前記トランジスタ群２ａ，２ｂをオンする。次いで前記分配回路５のトランジスタ駆動信号▲１▼により、ずらした前記磁極位置検出素子３における磁極位置信号の立ち下がりエッジで前記トランジスタ２ａをオフする。その後、前記分配回路５のトランジスタ駆動信号▲２▼により、遅延信号の立ち下がりエッジで前記トランジスタ２ｂをオフするようにする。このときの時間差はＴoffである。
【００２８】
他方、前記遅延回路１２からの遅延信号の立ち下がりエッジで、前記分配回路５のトランジスタ駆動信号▲３▼、▲４▼を切り替えて前記トランジスタ群２ｃ，２ｄをオンする。次いで前記分配回路５のトランジスタ駆動信号▲３▼により、ずらした前記磁極位置検出素子３における磁極位置信号の立ち上がりエッジで前記トランジスタ２ｃをオフする。その後、前記分配回路５のトランジスタ駆動信号▲４▼により、遅延信号の立ち上がりエッジで前記トランジスタ２ｄをオフするようにする。このときの時間差はＴoffである。
【００２９】
前記トランジスタ２ａをオフすると前記モータ巻線Ｗａに逆起電力が発生するが、前記トランジスタ２ｂが未だオフしていないので、該トランジスタ２ｂとダイオード２ｈに電流が流れて、該逆起電力を消費する。前記トランジスタ２ｂをトランジスタ２ａより先にオフさせても同様に動作する。
他方の前記トランジスタ群２ｃ，２ｄの駆動についても、同様に動作して、前記逆起電力による電圧上昇、すなわちキックバックを防止することができる。
【００３０】
なお、前記遅延回路１２では、従来の前記磁極位置検出素子３における磁極位置信号とずらした磁極位置信号との時間差は、前記モータＭの回転周期に依存して変わるのに対して、該遅延回路１２の遅延時間は変わらない。そのため、事前にその分の余裕をみて磁極位置検出素子３の位置を決める必要がある。
【００３１】
［第２実施例］本発明の第２実施例で、前記駆動回路２の動作を、図３のマイコンにより制御する場合の動作波形図により説明する。図３で、磁極位置信号は前記磁極位置検出素子３からの検出信号を前記コンパレータ４を介して出力された信号であり、また、同図は、前記分配回路５のトランジスタ駆動信号▲１▼、▲２▼を切り替えて前記トランジスタ群２ａ，２ｂをオンオフする場合を示す。
【００３２】
図１において、前記モータＭの固定子に配設する前記磁極位置検出素子３の位置を、ずらさない従来の位置に配設するとともに、事前に前記モータＭの磁極切り替わり周期Ｔ１を測定しておき、その周期（時間）を基に、前記遅延回路１２に代えて配設された図示しないマイコンにより制御する。
【００３３】
図３において、予め時間差Ｔoffを設定しておき、該Ｔoffは、前記トランジスタ２ａがオフしたとき、前記モータ巻線Ｗａに発生する逆起電力が該巻線Ｗａで消費される時間以上に設定する。
しかる後、前記マイコンのタイマに時間Ｔ１−Ｔoffを設定しておき、この時間Ｔ１−Ｔoffがカウントアップすると、前記トランジスタ２ａがオフするようにする。該トランジスタ２ａがオフして時間Ｔoff経過後、前記トランジスタ２ｂをオフする。なお、他方の前記トランジスタ群２ｃ，２ｄの駆動についても、同様に動作して、前記逆起電力、いわゆるキックバックを防止することができる。
【００３４】
［第３実施例］本発明の第３実施例で、前記駆動回路２の動作を、図４のマイコンにより制御する場合の動作波形図により説明する。図４で、磁極位置信号は前記磁極位置検出素子３からの検出信号を前記コンパレータ４を介して出力された信号であり、また、同図は、前記分配回路５のトランジスタ駆動信号▲１▼、▲２▼を切り替えて前記トランジスタ群２ａ，２ｂをオンオフする場合を示す。
前述の第２実施例では、回転子の着磁状態で磁極切り替わり周期Ｔ１などにばらつきがあると、前記時間差Ｔoffに余裕を見る必要が生じる。
【００３５】
そこで、第２実施例において、前記マイコンに、設定された時間差Ｔoffを磁極切り替わり信号の初めに設けると、前記磁極切り替わり周期Ｔ１などのばらつきの時間は、前記モータ巻線Ｗａに電流が供給される時間に吸収することができるので、起動時など周期が変わるときにも安定して動作するようになる。
【００３６】
前記マイコンにおいて、前記磁極切り替わり信号で、タイマに前記時間差Toffを設定して起動させると、そのカウントアップで前記分配回路５の前記トランジスタ群２ａ，２ｂの駆動信号▲１▼、▲２▼をオンにする。次の磁極切り替わり信号（磁極位置検出信号）でトランジスタ２ａをオフにして、前記マイコンのタイマを起動する。次いで、時間差Ｔoff経過後、トランジスタ２ｂをオフする。こうすることで、時間差Ｔoffを確保できるため、キックバックを確実に防止することができる。
【００３８】
なお、本発明の技術は、前記実施の形態における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明のブラシレスモータの駆動装置によれば、駆動回路は、前記４個の半導体スイッチング素子がブリッジ回路状に接続されるバイポーラ駆動回路を形成するとともに、前記ブリッジ回路の互いに対向する辺に接続される２つの前記半導体スイッチング素子群を前記分配回路からの出力信号により、交互にオンオフを繰り返すとき、オフされる側の２個の半導体スイッチング素子のうちの１個を、他の３個の半導体スイッチング素子に対して時間差を設けてスイッチングさせるので、駆動回路の動作中におけるスイッチング半導体素子の切り替え時、特に該スイッチング半導体素子のオフ時にモータ巻線に異常な逆起電力、いわゆるキックバックの発生を低減、又は防止することができるという優れた効果がある。
【００４０】
また、キックバックの発生を防止できるので、直流電源の電圧ラインにツェナーダイオードを接続して置く必要がなくなり、さらに、その逆電力を前記モータ巻線に流しトルクとして利用するので、前記モータを効率よくで運転できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単相ブラシレスモータの駆動装置の実施の形態の第１実施例を示す回路構成図である。
【図２】図１の駆動装置の各部における信号及びモータ電流の波形図である。
【図３】本発明の第２実施例の単相ブラシレスモータの駆動装置の各部における信号及びモータ電流の波形図である。
【図４】本発明の第３実施例の単相ブラシレスモータの駆動装置の各部における信号及びモータ電流の波形図である。
【図５】従来の、バイポーラ駆動回路を有する単相ブラシレスモータの駆動装置の回路構成図である。
【図６】図５の駆動装置の各部における信号、モータ電流及びモータ巻線の逆起電力の波形を示し、図６（ａ）は、磁極位置検出素子からコンパレータを介した磁極位置信号波形、図６（ｂ）は、駆動回路の各スイッチングトランジスタの駆動信号波形、図６（ｃ）は、モータ巻線Ｗａに流れる電流波形、図６（ｄ）は、モータ巻線中に流れるモータ電流がオフされるとき、発生する逆起電力波形である。
【符号の説明】
１，１１ 単相ブラシレスモータの駆動装置
２ 駆動回路
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ スイッチングトランジスタ
２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ ダイオード
３ 磁極位置検出素子
４，１２ａ コンパレータ
５ 分配回路
６，７ 中央接続点
８ ツェナーダイオード
１２ 遅延回路
Ｃ コンデンサ
Ｄ1,Ｄ2,Ｄ3 ダイオード
Ｅ 定電圧直流電源
Ｍ 単相ブラシレスモータ
R1，R2，R3 抵抗器
Ｖzd ツェナー電圧（ツェナーダイオード８）
Ｗａ モータ巻線

Claims (4)

1. 回転子の磁極位置を検出する手段を有する単相ブラシレスモータと、前記モータを駆動する４個の半導体スイッチング素子からなる駆動回路と、前記磁極位置検出手段からの出力信号を矩形波信号に成形するコンパレータと、前記コンパレータからの出力信号を基にして前記駆動回路の前記４個の半導体スイッチング素子をそれぞれオンオフする信号を出力する分配回路とからなる前記モータの駆動装置において、
   前記駆動回路は、前記４個の半導体スイッチング素子がブリッジ回路状に接続されるバイポーラ駆動回路を形成するとともに、前記ブリッジ回路の互いに対向する辺に接続される２つの前記半導体スイッチング素子群を前記分配回路からの出力信号により、交互にオンオフを繰り返すとき、オフされる側の２個の半導体スイッチング素子のうちの１個を、他の３個の半導体スイッチング素子に対して時間差を設けてスイッチングさせて、前記半導体スイッチング素子群のそれぞれのオフ時に前記モータ巻線に発生する逆起電力による電圧上昇を低減し、又は該逆起電力による電圧上昇を防止することを特徴とする単相ブラシレスモータの駆動装置。
2. 前記半導体スイッチング素子群のそれぞれのなかでのオフ時の時間差は、前記磁極位置検出手段の配設位置を、位置調整手段により前記回転子位置より進み方向に微小位置ずらすとともに、そのずらされた磁極位置における位置信号と、前記ずらされた磁極位置信号が、前記分配回路に設けられる遅延回路により、前記設定された遅延時間だけ遅延された磁極位置信号との時間差であることを特徴とする請求項１に記載の単相ブラシレスモータの駆動装置。
3. 前記半導体スイッチング素子群のそれぞれのなかでのオフ時の時間差は、予め測定された前記回転子の磁極切り替え周期を基にして、前記半導体スイッチング素子群のそれぞれのオフ時に前記モータ巻線に発生する逆起電力が、該モータ巻線で消費される時間以上になるように、マイコンで制御される時間差であることを特徴とする請求項１に記載の単相ブラシレスモータの駆動装置。
4. 前記半導体スイッチング素子群のなかでの前記オフ時中の時間差の始まりを、前記コンパレータで成形された矩形波状の出力信号の立ち上がり又は立ち下がりに合わせることを特徴とする請求項３に記載の単相ブラシレスモータの駆動装置。

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