JP4578142B2 - ブラシレスdcモータの駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、進角制御を行えるブラシレスDCモータのセンサーレス型の駆動装置に関するものである。

ブラシレスDCモータ(以下、単にモータという)の回転子の位置を検出するために、ホールICまたはホール素子などの位置検出素子が回転子の外周部に取り付けられている(例えば、特許文献1参照)。

この位置検出素子の最適な取り付け位置は、電機子反作用などの影響や負荷電流などにより異なっている。そのため、従来のモータでは、位置検出素子を予め使用する負荷に合わせて最適な位置にシフトさせて配線基板上に取り付けている。

しかし、位相角が使用点から外れている場合には、位相が遅れまたは進み過ぎとなり、モータに騒音が発生し、モータ効率が悪くなるという問題点がある。

特に、ファン装置に使用されているモータにおいては、負荷トルクが、回転数と二次曲線の関係があり、また、各回転数に対して最適な位相角は一点しかない。ところが、設定する使用点は一点であり、それ以外の点ではモータ効率が悪く、騒音が発生してしまうという問題点がある。

また、モータの位置検出は位置検出素子で行っているため、この位置検出素子の実装精度の影響により設定よりも進角がばらついたりすることがある。
特開2002−101683公報

上記のような問題点を有する位置検出素子による回転子の位置検出に代えて、モータの誘起電圧により位置を検出するセンサーレス型のモータの駆動装置が提案されている。このセンサーレス型の駆動装置は、モータの誘起電圧と基準電位との比較をした結果に基づいて位相信号を生成している。これにより、従来、モータの位置検出に必要となっていた位置検出素子が不要となる。

ところが、この基準電位は、位置検出素子を有する駆動装置と同様に、基準電位が固定されているので進角も固定され、その進角に対応した回転数以外では、モータ効率が落ち、騒音が発生するという問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、センサーレス型のモータの駆動装置において、最適な進角制御を行うことができるブラシレスDCモータの駆動装置を提供する。

請求項1に係る発明は、直流電源からの負荷電流に基づいて三相のブラシレスDCモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバータ回路と、前記各相の固定子巻線の端子間電圧に基づいて回転子の回転位置を表す位置検出信号を出力する位置検出手段と、外部から入力する速度指令信号と前記位置検出信号とに基づいてPWM制御を行ってPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、前記PWM信号に基づいて前記インバータ回路を構成する各スイッチング素子をON/OFFするためのスイッチング信号を出力する駆動手段と、を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、前記直流電源から前記インバータ回路へ流れる負荷電流の値を検出する負荷電流検出手段と、前記直流電源の1/2の電位を主基準電位として、前記負荷電流検出手段が検出した負荷電流の値が基準負荷電流よりも低くなったときに進角基準電位を前記主基準電位より上昇させて生成し、前記検出した負荷電流の値が前記基準負荷電流よりも高くなったときに前記進角基準電位を前記主基準電位より下降させて生成し、前記生成した進角基準電位と前記端子間電圧とのクロスタイミングによって位相信号を生成する進角制御手段とを有し、前記位置検出手段は、この位相信号に基づいて位置検出信号を生成することを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置である。

請求項2に係る発明は、前記進角制御手段は、前記各相毎の固定子巻線の端子間電圧と前記進角基準電位とのクロスタイミングによって各相毎の位相信号を生成することを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。

請求項3に係る発明は、前記進角制御手段は、前記各相の固定子巻線の端子間電圧を合成した中性点電圧と前記進角基準電位とのクロスタイミングによって位相信号を生成することを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。

請求項に係る発明は、前記進角制御手段は可変抵抗素子を有し、前記可変抵抗素子の一端は前記直流電源のプラス側に接続され、その他端は第2の抵抗素子の一端と前記位置検出手段に接続され、前記第2の抵抗素子の他端は接地され、前記負荷電流検出手段が検出した負荷電流の値が低くなったときに前記可変抵抗素子の抵抗値を下げ、前記検出した負荷電流の値が高くなったときに前記可変抵抗素子の抵抗値を上げることを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。

請求項に係る発明は、前記負荷電流検出手段は、前記検出した負荷電流の値が過電流保護基準値以上のときに前記ブラシレスDCモータの回転を停止、または、減速させることを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。

請求項1に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置について説明する。

駆動装置は、三相の固定子巻線のうち二相にインバータ回路から駆動電流を通電しトルクを発生させ、残りの一相の固定子巻線をセンサーとして利用する。固定子巻線に駆動電流が流れていない相の一周期二回の区間には誘起電圧が露出している。そのためこの露出している誘起電圧に相当する端子間電圧と進角基準電位とを比較し、そのクロスタイミングにより位相信号を生成する。従来はこの位相基準電位が固定されていたが、本願発明においてはこの位相基準電位を変化させる。すなわち、負荷電流検出手段が検出した負荷電流の値が低くなったとき(負荷が軽くなったとき)には、位相基準電位を上昇させて出力し、進角が遅れるように位相信号を生成する。また、検出した負荷電流の値が高くなったとき(負荷が大きくなったとき)には進角基準電位を下降させて出力し、進角を進ませて位相信号を生成する。これによって、各負荷に応じた最適の進角制御を行うことができる。

また、直流電源の1/2の電位を主基準電位として、負荷電流の値が所定値よりも低くなったときに進角基準電位を主基準電位よりも上昇させて出力する。検出した負荷電流の値が所定値よりも高くなったときには進角基準電位を主基準電位よりも下降させて出力する。これにより、進角基準電位は直流電源の1/2の電位を中心として上昇または下降させて進角の制御を行うことができる。

請求項2に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、各相毎の固定子巻線の端子間電圧と進角基準電位とのクロスタイミングによって各相毎の位相信号を生成し、この各相毎の位相信号に基づいて位置検出信号を生成する。
請求項3に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、各相の固定子巻線の端子間電圧を合成した中性点電圧と進角基準電位とのクロスタイミングによって位相信号を生成し、この位相信号に基づいて位置検出信号を生成する。

請求項に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、負荷電流検出手段が検出した負荷電流の値が低くなったときに可変抵抗の抵抗値を下げて進角基準電位を上昇させ、検出した負荷電流の値が高くなったときに可変抵抗の抵抗値を上げて進角基準電位を下降させるので、その構造が簡単である。

請求項に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、負荷電流検出手段は過電流検出手段を兼ね、検出した負荷電流が所定値以上のときにブラシレスDCモータの回転を停止、または、減速させる。

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態のブラシレスDCモータ(以下、単にモータという)10の駆動装置12について図1と図2に基づいて説明する。

モータ10は、三相のブラシレスDCモータであり、U相、V相、W相のスター結線された固定子巻線14を有しており、このモータ10はファン装置の駆動源である。

(1)駆動装置12の構成
駆動装置12の構成について、図1に基づいて説明する。

駆動装置12は、インバータ回路16、マイコンよりなる制御部18、PWM制御回路20、三角波発振回路22、通電信号形成回路24、上アーム駆動回路26、下アーム駆動回路28、過電流検出回路30、進角制御回路32、位置検出回路34、タイミング制御回路23とから構成されている。

インバータ回路16は、6個のMOSFETより構成され、2個のMOSFETが直列に接続され、これら2個のMOSFETがそれぞれ並列に接続されている。各並列に接続された上段のMOSFETのドレイン端子に直流電圧+Vmが接続され、下段の3個のMOSFETのソース端子には検出抵抗素子R0を介して接地されている。上段のMOSFETのソース端子と下段のMOSFETのドレイン端子が接続され、これら各接続点と三相の固定子巻線14とがそれぞれ接続されている。

過電流検出回路30は、検出抵抗素子R0の両端の電圧を測定し、この両端の電圧から流れる負荷電流を算出して、その算出した負荷電流に対応した負荷電流信号を制御部18に出力する。

制御部18は、ファン装置の主制御部も兼ねたモータ10の主制御部である。この制御部18は、PWM制御回路20に速度指令信号を出力する。

PWM制御回路20は、三角波発振回路22から発信された三角波に基づいてPWM信号を生成しタイミング制御回路23に出力する。タイミング制御回路23では位置検出回路34から出力された位置検出信号とPWM信号に基づいてタイミング信号を出力する。通電信号形成回路24は、タイミング信号に基づいて回転数信号を生成し、この生成した回転数信号を制御部18に出力する。また、通電信号形成回路24では、生成した回転数信号に基づいて、上アーム駆動回路26と下アーム駆動回路28にそれぞれ駆動信号を出力している。上アーム駆動回路26は、インバータ回路16の上段のMOSFETのゲート端子にスイッチング信号を出力し、下アーム駆動回路28はインバータ回路16の下段の3個のMOSFETのゲート端子にスイッチング信号を出力する。

進角制御回路32は、三相の固定子巻線14の端子間電圧と、制御部18からの進角指令信号に基づいて位相信号を生成し位置検出回路34に出力する。

具体的には、三相の固定子巻線14にはそれぞれ抵抗素子R1〜R3の一端が接続され、これら抵抗素子R1〜R3の他端は3個のコンパレータ38,40,42のプラス端子に接続されている。

また、進角制御回路32は、可変抵抗素子44を有し、この可変抵抗素子44の一端は直流電源+Vmに接続され、他端は抵抗素子R4の一端及び3個のコンパレータ38,40,42のマイナス端子に接続されている。抵抗素子R4の他端は接地されている。この可変抵抗素子44は、制御部18からの進角指令信号に基づいてその抵抗値を可変にすることができる。

コンパレータ38,40,42の出力はそれぞれ位置検出回路34に接続され各相の位相信号を出力する。

位置検出回路34はこの位相信号に基づいて位置検出信号を生成し、前記したタイミング制御回路23に出力する。

(2)進角制御回路32の構成位置検出回路34の動作状態
この進角制御回路32と位置検出回路34の動作状態について図2のタイムチャートに基づいて説明する。

図2(a)は、スイッチング信号、端子間電圧、位相信号、位置検出信号の波形を示すタイムチャートであり、図2(b)はPWM信号と端子間電圧と位置信号の拡大した波形図を示している。

図2(a)に示すように、上アーム駆動回路26と下アーム駆動回路28からのスイッチング信号によって6個のMOSFETはON/OFFする。

各MOSFETがON/OFFすることにより三相の端子間電圧も変動する。以下、U相に注目して説明する。

U相のスイッチング信号において、上段のMOSFETは、30°と150°の間でON状態であり、150°〜390°の間でOFF状態になり、下段のMOSFETは−30°〜210°の間でOFF状態であり、210°〜330°の間でON状態となる。

このスイッチング信号の動きによりU相の端子間電圧においては、−30°から上昇し、+30°で最大値になり、150°から再び下降し210°で転流する。なお、この端子間電圧の波形において、転流位置において黒い太線が記載されている理由は、MOSFETと並列に取り付けられている還流ダイオートに電流が流れている期間の転流過渡状態の影響を示している。この転流状態におけるU相の端子間電圧の拡大図が、図2(b)であり、PWM信号のPWM周期にてスイッチングされている。そして、この端子間電圧と、可変抵抗素子44によって生成された進角基準電位とをU相用のコンパレータ38で比較し、進角基準電位以上の端子間電圧を位相信号PDUとして出力している。

このU相の位相信号PDUの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを位置検出回路34が検出し、同ように他のV相とW相の位相信号PDV,PDWの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを検出し、これら各三相の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを合成して、パルス状の位置検出信号を生成している。還流ダイオートによる転流過渡状態の電圧の影響は、この位置検出回路34で除去している。

そして、図2(a)が示すように、各相においては、スイッチング信号がON状態のときのみその位置検出信号が検出される状態となっている。

(3)進角制御方法
上記のような進角制御回路32において、進角制御方法を行う場合について説明する。

前記したように制御部18は過電流検出回路30から負荷電流信号が入力している。この負荷電流信号が、過電流検出用の第1の基準値I1を越えた場合には、制御部18は速度指令信号を落としたり、または停止を指示する。

負荷電流信号が、上記した第1の基準値I1よりも低い値で入力している場合には、進角制御指令信号を出力する。すなわち、負荷電流信号が、第2の基準値I2(但し、I2<I1である)を基準として、この第2の基準値I2よりも負荷電流信号が大きい場合には負荷が大きくなったとして進角を進めるように進角指令信号を出力する。この進角指令信号によって可変抵抗素子44の抵抗値を上げ、進角基準電位を主基準電位よりも下げる。

なお、この主基準電位は直流電源+Vmの1/2であり、負荷電流信号がI2と等しい場合には、可変抵抗素子44の抵抗値が抵抗素子R4と等しいように進角指令信号は制御する。

進角指令信号によって進角を進める場合には可変抵抗素子44の抵抗値が上昇するので、進角基準電位が主基準電位よりも下がる。すると、図2(b)に示すように進角基準電位が下がるため、位相信号の立ち上がりエッジが主基準電位よりも速くなり進角が進むこととなる。これによって、位置検出信号のタイミングパルスも速くなり、負荷が高くなってもそのモータの特性を落とすことなく最適の位置でモータ10を回転させることができる。

一方、負荷電流信号の値がI2よりも低くなった場合には負荷が小さくなっていることを意味し、進角指令信号は進み角を遅れるように指示する。可変抵抗素子44の抵抗値を下げ、進角基準電位を上昇させる。図2(b)に示すように進角基準電位が上昇すると位相信号の立ち上がりエッジが遅れることとなり、進角が遅れることとなる。これによって、負荷が軽くなった場合でもそれに対応したモータ10の特性を得ることができる。

以上により、負荷電流の値により、基準位置の位相信号よりも進角が進んだ位相信号や進角が遅れた位相信号を生成することができるため、負荷の状態に応じた位相制御を行うことができる。

また、この進角制御回路はソフト上でなくハード上で簡単に実現することができる。

(第2の実施形態)
第2の実施形態の駆動装置12について図3に基づいて説明する。

第1の実施形態では、各相毎の端子間電圧を進角基準電位と比較したが、本実施形態の場合には図3に示すように各相の端子間電圧を一つに合成した中性点電圧と進角基準電位とを比較している。

具体的には、各相の固定子巻線に接続された抵抗素子R1〜R3の他端を接続し、抵抗素子R5を介してコンパレータ46のプラス端子に接続している。このコンパレータ46のマイナス端子は、可変抵抗素子44の他端に接続されている。また、コンパレータ46の出力端子は位置検出回路34に接続され、合成された位相信号が出力される。

本実施形態の駆動装置12であっても、第1の実施形態と同様に負荷電流に応じた進角制御を行うことができる。

(変更例)
本発明は、上記実施形態に限らずその主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。

例えば、上記実施形態ではファン装置の駆動源としてモータ10を用いたがこれに限らず他の装置の駆動源としても用いてもよい。

本発明は、ファン装置などの駆動源であるブラシレスDCモータの駆動装置として好適である。

本発明の第1の実施形態を示す駆動装置のブロック図である。 図2(a)は駆動装置のタイミングチャートであり、(b)は、PWM信号と端子間電圧と位相信号のタイミングチャートである。 本発明の第2の実施形態の駆動装置のブロック図の一部の図である。

10 モータ
12 駆動装置
14 固定子巻線
16 インバータ回路
18 制御部
20 PWM制御回路
22 三角波発振回路
23 タイミング制御回路
24 通電信号形成回路
26 上アーム駆動回路
28 下アーム駆動回路
30 過電流検出回路
32 進角制御回路
34 位置検出回路
36 検出抵抗素子
38 コンパレータ
40 コンパレータ
42 コンパレータ
44 可変抵抗素子

Claims (5)

  1. 直流電源からの負荷電流に基づいて三相のブラシレスDCモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバータ回路と、
    前記各相の固定子巻線の端子間電圧に基づいて回転子の回転位置を表す位置検出信号を出力する位置検出手段と、
    外部から入力する速度指令信号と前記位置検出信号とに基づいてPWM制御を行ってPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、
    前記PWM信号に基づいて前記インバータ回路を構成する各スイッチング素子をON/OFFするためのスイッチング信号を出力する駆動手段と、
    を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、
    前記直流電源から前記インバータ回路へ流れる負荷電流の値を検出する負荷電流検出手段と、
    前記直流電源の1/2の電位を主基準電位として、前記負荷電流検出手段が検出した負荷電流の値が基準負荷電流よりも低くなったときに進角基準電位を前記主基準電位より上昇させて生成し、前記検出した負荷電流の値が前記基準負荷電流よりも高くなったときに前記進角基準電位を前記主基準電位より下降させて生成し、前記生成した進角基準電位と前記端子間電圧とのクロスタイミングによって位相信号を生成する進角制御手段とを有し、
    前記位置検出手段は、この位相信号に基づいて位置検出信号を生成する
    ことを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置。
  2. 前記進角制御手段は、
    前記各相毎の固定子巻線の端子間電圧と前記進角基準電位とのクロスタイミングによって各相毎の位相信号を生成する
    ことを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
  3. 前記進角制御手段は、
    前記各相の固定子巻線の端子間電圧を合成した中性点電圧と前記進角基準電位とのクロスタイミングによって位相信号を生成する
    ことを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
  4. 前記進角制御手段は可変抵抗素子を有し、前記可変抵抗素子の一端は前記直流電源のプラス側に接続され、その他端は第2の抵抗素子の一端と前記位置検出手段に接続され、前記第2の抵抗素子の他端は接地され、
    前記負荷電流検出手段が検出した負荷電流の値が低くなったときに前記可変抵抗素子の抵抗値を下げ、前記検出した負荷電流の値が高くなったときに前記可変抵抗素子の抵抗値を上げる
    ことを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
  5. 前記負荷電流検出手段は、
    前記検出した負荷電流の値が過電流保護基準値以上のときに前記ブラシレスDCモータの回転を停止、または、減速させる
    ことを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
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