JP4701705B2

JP4701705B2 - Ｄｃモータ回転数検出装置

Info

Publication number: JP4701705B2
Application number: JP2004370602A
Authority: JP
Inventors: 陽一宿里
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: JP2006180610A

Description

本発明は、ＤＣ（直流）モータ、特にＤＣブラシレスモータの回転数検出装置に関する。

従来のＤＣブラシレスモータの回転数検出装置としては、例えば（特許文献１）において開示されたものがある。図９は、従来のブラシレスＤＣモータの回転数信号発生回路図、図１０は、従来のブラシレスＤＣモータの回転数信号発生回路の各ポイントでの波形図である。

図９において、従来のブラシレスＤＣモータの回転数信号発生回路は、回転子の位置を検出するホール素子１０１と、そのホール素子１０１の出力信号からブラシレスＤＣモータの固定子巻線１０５に通電する信号を生成する通電制御信号発生回路１０２と、その出力信号に基づいて通電制御トランジスタ１０３，１０４のベースに流す電流を制御するベース電流制御回路１１４と、通電制御信号発生回路１０２からの信号に基づいて回転子の回転数を検出する回転数検出回路１１０とを有している。

次に、この回転数信号発生回路の動作を説明する。

ホール素子１０１には、回転子に設けられている永久磁石の磁極の位置に応じた信号が出力される。その信号を通電制御信号発生回路１０２のロジック信号発生回路１０２−１で処理してベース電流制御回路１１４の一方に入力し、該ベース電流制御回路１１４の出力を通電制御トランジスタ１０３，１０４に入力し、固定子巻線１０５に通電して回転子を回転させる。通電制御信号発生回路１０２のロジック信号発生回路１０２−１より得たパルス信号は、回転数検出回路１１０で回転数に比例した交流電圧に変換され、回転数信号１１１として出力される。図１０は、回転数信号１１１の発生までの各信号を示す。例えば３相ブラシレスＤＣモータの場合、ホール素子１０１は３つあり、それぞれのホール素子の出力信号は、１１２−１，１１２−２，１１２−３のように１２０度ずつ位相が異なる信号となる。この３つの信号は、ほぼゼロクロスのタイミング（ノイズによる誤動作をなくすため通常ヒステリシス回路を付加するのでゼロクロスよりわずかに通り過ぎたところ）で、通電制御信号発生回路１０２のロジック信号発生回路１０２−１で処理され、合成することにより、回転数検出回路１１０で発生する回転数信号１１１は波形１１３のようになる。このとき、回転数信号１１１は分周回路等により、波形整形され波形１１４となる場合がある。
特開２００３−１６４１８４号公報

しかしながら、上記従来技術では、回転数信号１１１を使ってブラシレスＤＣモータを制御する場合、その制御部と回転数信号１１１を発生する駆動部が離れている場合、専用の長いケーブルを必要とするため、部品点数が増加しコストアップするという問題があった。

また３相のブラシレスＤＣモータの場合、通電制御トランジスタ１０３、１０４は合計６つの通電制御トランジスタでブリッジ構成されて接続されているが、回転中に６つのうち１つが破壊していても回転状態はほぼ正常に回転するため、この異常状態を検出できないという問題があった。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、回転数信号を使ってブラシレスＤＣモータを制御する場合、その信号線を専用ケーブルとして設ける必要がなく、構成が簡素化およびコンパクト化できるＤＣモータ回転数検出装置を提供することを第１の目的とする。

本発明はさらに、通電制御トランジスタを構成する複数のトランジスタのうち１つが破壊してもこの異常状態を検出できるＤＣモータ回転数検出装置を提供することを第２の目的とする。

本発明は、ＤＣモータをＰＷＭ制御する制御部内に、ＤＣモータ用直流電源から供給される電流の全電流波形を電圧波形に変換する電流−電圧変換回路と、その出力信号の交流成分をあらかじめ設定した基準電圧を中心にＡＣ増幅するＡＣ増幅回路と、ＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、ＰＷＭ信号発生回路からのＰＷＭ信号を受ける半導体スイッチで、基準電圧をパルス信号に変換して閾値とする閾値変換回路と、ＡＣ増幅回路の出力信号と閾値とを比較する比較回路で構成される回転数検出回路とを設けたＤＣモータ回転数検出装置としたことを主要な特徴とする。

本発明のＤＣモータ回転数検出装置は、ＤＣモータをＰＷＭ制御する制御部内に、ＤＣモータ用直流電源から供給される電流の全電流波形を電圧波形に変換する電流−電圧変換回路と、その出力信号の交流成分をあらかじめ設定した基準電圧を中心にＡＣ増幅するＡＣ増幅回路と、ＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、ＰＷＭ信号発生回路からのＰＷＭ信号を受ける半導体スイッチで、基準電圧をパルス信号に変換して閾値とする閾値変換回路と、ＡＣ増幅回路の出力信号と閾値とを比較する比較回路で構成される回転数検出回路とを設けたことにより、ＤＣモータのいかなる運転状態、すなわち広範囲の負荷状態でも回転数を検出でき、また回転数信号を伝えるための専用のケーブルを必要とせず、構成が簡素化およびコンパクト化できる。

また、異常処理装置を設けることにより、通電制御を行うトランジスタが破壊したときにその電流変化により異常状態を検出することができ、ＤＣモータの安全性を高めることができる。

本発明は、回転数信号を使ってブラシレスＤＣモータを制御する場合、その信号線を専用ケーブルとして設ける必要がなく、構成が簡素化およびコンパクト化できるＤＣモータ回転数検出装置を提供するという目的を、ＤＣモータをＰＷＭ制御する制御部内に、ＤＣモータ用直流電源から供給される電流の全電流波形を電圧波形に変換する電流−電圧変換回路と、その出力信号の交流成分をあらかじめ設定した基準電圧を中心にＡＣ増幅するＡＣ増幅回路と、ＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、ＰＷＭ信号発生回路からのＰＷＭ信号を受ける半導体スイッチで、基準電圧をパルス信号に変換して閾値とする閾値変換回路と、ＡＣ増幅回路の出力信号と閾値とを比較する比較回路で構成される回転数検出回路とを設けたＤＣモータ回転数検出装置とすることにより実現した。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、ＤＣモータ用直流電源及びその制御を行う制御回路を含めた制御部と、その制御部によりＰＷＭ制御されるＤＣモータの回転数検出装置において、制御部内に、ＤＣモータ用直流電源から供給される電流の全電流波形を電圧波形に変換する電流−電圧変換回路と、電流−電圧変換回路の出力信号の交流成分をあらかじめ設定した基準電圧を中心にＡＣ増幅するＡＣ増幅回路と、ＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、ＰＷＭ信号発生回路からのＰＷＭ信号を受ける半導体スイッチで、基準電圧をパルス信号に変換して閾値とする閾値変換回路と、ＡＣ増幅回路の出力信号と閾値とを比較する比較回路で構成される回転数検出回路とを設けたことにより、ＤＣモータのいかなる運転状態、すなわち広範囲の負荷状態でも回転数を検出でき、更に省配線によるコストダウン及び施工性の向上を図ることができる。

さらに、制御回路内のＰＷＭ信号発生回路からのＰＷＭ信号を受ける半導体スイッチ（例えばトランジスタ）で、比較回路の閾値をパルス信号に変換する閾値変換回路を設けたことにより、ＰＷＭ制御を使って能力制御を行う場合においても省配線によるコストダウン及び施工性の向上した回転数検出ができる。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、第１の発明のＤＣモータ回転数検出装置において、制御部内に、回転数検出回路の出力信号の立上りから次の立上りもしくは、立下りから次の立下りまでの時間間隔を計測するタイマーカウンターと、タイマーカウンターの出力値を記憶するメモリと、メモリ内の前後の値（Ｔ１、Ｔ２）を比較する比較手段と、比較手段においておよそＴ１＜０．７×Ｔ２もしくはＴ１＞１．５×Ｔ２のとき、ＤＣモータを駆動するための通電相を切替えるインバータ部の異常として判定する判定手段と、判定手段がインバータ部の異常と判定したときにＤＣモータへの電源の供給を停止するリレー等のスイッチ手段とからなる異常処理装置を設けたことにより、インバータを構成する複数のトランジスタのうち１つでも破壊したとき、その異常状態を検出し、安全に運転状態を停止できる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について図１〜図４を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１におけるＤＣモータ回転数検出装置ブロック図、図２は本発明の実施の形態１におけるＤＣモータ回転数検出装置の回路図、図３は本発明の実施の形態１におけるＤＣモータ回転数検出装置の回路の各ポイントでの波形図、図４は本発明の実施の形態１におけるＤＣモータ回転数検出装置でモータ駆動用のインバータを構成するトランジスタが破壊したときの各ポイントでの波形図を示している。

図１に示されているように、本実施の形態１に係るＤＣモータ回転数検出装置は、ＤＣモータを駆動する電源及びその運転状態（ＯＮ／ＯＦＦ等）を制御する回路で構成されている制御部（回路）１を有しており、この制御部１は、ＤＣモータに流れる電流（全電流）を電圧に変換するための、抵抗器で構成された電流−電圧変換回路２と、電流−電圧変換回路２の出力信号をＡＣ増幅するＡＣ増幅回路３と、ＡＣ増幅回路３の出力信号と適当な電圧値を閾値として比較する比較回路４と、比較回路４の出力信号を分周する波形整形部５と、水晶発振子やセラミック発振子等を使ったクロック発生回路６と、波形整形部５の出力信号のＨ（ハイ）の間の時間及びＬ（ロウ）の間の時間を計測するタイマーカウンター７と、タイマーカウンター７のカウント値を随時記憶するメモリ８と、メモリ８に記憶されたカウント値と予め設定した閾値電圧と比較する比較手段９と、所定の場合、ＤＣモータの駆動回路が故障と判断する判定手段１０と、判定手段１０が駆動回路が故障したと判断したときにＤＣモータへの電源供給を停止するスイッチ手段１１とを備えている。

この制御部１の動作について説明する。ＤＣモータに流れる全電流は電流−電圧変換回路２で電圧に変換され、ＡＣ増幅回路３でＡＣ増幅される。ＡＣ増幅回路３は、適当な電圧、例えば、増幅回路が５Ｖで動作する電源を使用する場合その中間電圧であるおよそ２．５Ｖ、を中心に数倍〜数十倍に増幅度が設定されている。次に、比較回路４では、ＡＣ増幅回路３の出力信号と適当な電圧値を閾値として比較し、ＤＣモータに流れる全電流の脈動波形を矩形波状にする。波形整形部５は、比較回路４の出力信号を受け、Ｈ（ハイ）／Ｌ（ロウ）の時間がほぼ同じになるように波形を整形する。具体的には、フリップ・フロップを用いて比較回路４の出力信号を分周することにより、デューティ比が５０％の矩形波を出力する。この波形整形部５の出力はタイマーカウンター７に入力され、クロック発生回路６の出力信号（数〜数十ＭＨｚ程度）で、波形整形部５の出力信号のＨ（ハイ）の間の時間及びＬ（ロウ）の間の時間を計測する。そしてメモリ８でタイマーカウンター７のカウント値を随時記憶し、比較手段９で、メモリ８内の前後の値をＴ１、Ｔ２としたとき、モータの運転状態が極端な加速・減速状態でない定常状態であっても、Ｔ１とＴ２の大きさがかなり変っているかどうかを比較する。判定手段１０では、比較手段９の比較結果がＴ１＜０．７×Ｔ２もしくはＴ１＞１．５×Ｔ２の場合、ＤＣモータの駆動回路の故障と判断する。スイッチ手段１１は、判定手段１０が駆動回路の故障と判断したとき、ＤＣモータへの電源供給を停止し、ＤＣモータが不安全にならないようにする。通常、スイッチ手段１１としては、ｂ接点のリレー等を用いる。これにより、異常状態のときのみ電源の供給を停止するようにリレーのコイルへの通電をするため、通常の正常時の省エネルギーを図ることができる。

図２は、本実施の形態１におけるＤＣモータ回転数検出装置の回路図、図３は、図２におけるＤＣモータの回転数検出装置の回路の各ポイントでの波形を示したものを示すものである。図２において、１４はＤＣモータ駆動用の直流電源である。この電源を可変にすることで、ＤＣモータの能力を制御することもできる。１５ａ、１５ｂは直流電源１４からＤＣモータへ電気を供給するための中継ケーブルで、制御部１とＤＣモータが離れている場合は、数ｍの長さを必要とする場合がある。１６はＤＣモータで、１６ａはその内のモータ部を示し、巻線されたステータ、マグネットロータ、軸、軸受け、マグネットの磁極位置を検出する磁極位置センサ（ホールセンサ等）等で構成される。また１６ｂはＤＣモータ駆動回路で、磁極位置センサからの信号を受け、巻線に通電する相切替えを制御する通電制御回路及びトランジスタで構成されるインバータ（３相モータの場合、６個のトランジスタで構成される）等で構成されるものである。

１７はＤＣモータ駆動回路１６ｂに流れる全電流を電圧に変換する電流−電圧変換用シャント抵抗であり、図１における電流−電圧変換回路２に相当する。電流−電圧変換用シャント抵抗１７は、流れる電流値が大きく、損失を小さくするため小さい抵抗値を選定することになる（数十〜数百ｍΩ程度）。そのため電流値を電圧に変換した出力信号は、非常に小さく十〜数百ｍＶ程度となる（図３の波形１参照）。１８はコンデンサで電流−電圧変換用シャント抵抗１７の出力信号の交流成分のみを伝え、直流成分をカットするものである。２０はオペアンプ（演算増幅器）で、１９，２１〜２３は抵抗である。これらの部品でコストが安い単電源の（反転）ＡＣ増幅回路３を構成している。このＡＣ増幅回路３では、コンデンサ１８で直流成分をカットされ交流成分のみの信号を、抵抗２１，２２で分圧された電圧値を中心に抵抗１９，２３の抵抗値の比で反転増幅する（図３の波形２参照）。このとき抵抗２１，２２の分圧値で決まる適当な電圧、例えば、増幅回路が５Ｖで動作する電源を使用する場合その中間電圧であるおよそ２．５Ｖ、を中心に数倍〜数十倍に増幅度が設定されている。よって抵抗２１，２２の抵抗値は同じ値を設定すると良い。

図４の比較回路４に相当するコンパレータ２４は、ＡＣ増幅回路３のオペアンプ２０の出力信号（波形２）と抵抗２１，２２の分圧した電圧（図３の波形３参照）を入力信号とし、２つの電圧値を比較した結果をオープンコレクタ信号で出力するため、抵抗２５でプルアップし、電圧波形とする（図３の波形４参照）。ここでＡＣ増幅回路３を使う理由を説明すると、もしＤＣ増幅回路を使った場合、空運転時等の負荷の軽いときは特にＤＣモータに流れる電流値が小さいので、電流−電圧変換用シャント抵抗１７の出力信号が小さくなり、コンパレータ２４の閾値を定格運転時に合せて設定すると、回転数信号が発生しなくなるという問題が発生する。これに対しＡＣ増幅回路３の場合、コンパレータ２４の閾値を抵抗２１，２２の分圧値とすると、増幅回路の出力信号の振幅の大きさに拘わらず、すなわちモータの負荷が広範囲にわたり、電流値が小さくても、回転数信号を得ることができる。

次にコンパレータ２４の出力信号（図３の波形４参照）は、Ｈ／Ｌのディジタル信号となっているが、ＨレベルとＬレベルの時間が異なるため、後段での判定をしやすくするように波形整形を行う。そこで、図１の波形整形部５に相当するフリップ・フロップ２６は、コンパレータ２４の出力信号（波形４）を受け、分周を行い波形整形をする。これによりＤＣモータ１６の回転数が変動しない場合は、ＨレベルとＬレベルが同じになるような回転数信号２７（図３の波形５参照）が生成される。以上が本発明の実施の形態１におけるＤＣモータの回転数検出装置の回路である。

図３は、ＤＣモータの回転数検出装置の回路の各ポイントでの波形を示したものであるが、どのポイントの波形であるかは、すでに説明しているので省略する。波形１は巻線の通電の相切替えごとで電圧値が０Ｖ（ＧＮＤ）となる。つまり本実施の形態１の回転数検出装置は、この相切替えで波形１の電圧値が落ち込むことを利用して、回転数検出を行っているのである。波形２は（単電源）反転ＡＣ増幅回路３によって、あるオフセット電圧（中間電圧）に対し波形１がＡＣ増幅された状態である。これとオフセット電圧値を比較した結果が波形４となる。しかし波形４は回転数が変動しない場合でもＨレベルとＬレベルの時間が異なるため、分周回路を使って波形整形を行った結果が波形５となる。波形５は回転数変動がない場合はＨレベルの時間とＬレベルの時間は同じになる波形である。

図４は、ＤＣモータ駆動回路１６ｂの中のインバータを構成するトランジスタの１つが破壊した（オープン）場合の波形である。一般的にＤＣモータの駆動方法は１２０度通電方式がとられ、１つのトランジスタが破壊すると波形１の連続する２つ山が出力されないことになる。この場合、波形５は図４のようにＨレベルの時間とＬレベルの時間が急に２倍以上変ることになる。この特徴を使って、インバータを構成するトランジスタの故障を判定することになる。この異常処理装置は、図１のクロック発生回路６，タイマーカウンター７，メモリ８，比較手段９，判定手段１０で構成され、異常と判定された場合には、スイッチ手段１１によりＤＣモータ１６を停止させる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について図５〜図８を用いて説明する。図５は本発明の実施の形態２におけるＤＣモータ回転数検出装置ブロック図、図６は本発明の実施の形態２におけるＤＣモータ回転数検出装置の回路図、図７は本発明の実施の形態２におけるＤＣモータ回転数検出装置の回路の各ポイントでの波形図、図８は本発明の実施の形態２におけるＤＣモータ回転数検出装置でモータ駆動用のインバータを構成するトランジスタが破壊したときの各ポイントでの波形図である。

本発明の実施の形態２は、実施の形態１の構成に、ＰＷＭ発生回路および閾値変換回路１３を設けたものであり、ＤＣモータの特徴である能力制御が簡単な構成で行える特徴を持つ。その他の構成については実施の形態１と同様のであるので、同一の符号を付して説明を省略する。

図５において、ＰＷＭ制御に対応するため、三角波信号とアナログ信号の比較回路で構成されるＰＷＭ信号発生回路１２で発生したハイアクティブのＰＷＭ信号を使って、閾値変換回路１３は、比較回路４で入力される一定の中間電圧ではなく、ＰＷＭ信号に同期した信号波形に変換し、比較回路４に入力する。

図６は、その具体的回路を示すもので、抵抗２８，２９は抵抗２１，２２とそれぞれ同じ値をとり、コンパレータ２４に入力される閾値の基準となる電圧信号を生成する。ＰＷＭ発生回路１２で生成されたＰＷＭ信号３１は、Ｐ型トランジスタ３２と抵抗３０により、ＰＷＭ信号のＨレベル時のみ、抵抗２８，２９の分圧で生成された電圧信号をコンパレータ２４の閾値として入力し、ＰＷＭ信号がＬレベルのときはコンパレータ２４の入力閾値をＬレベルとする（図７の波形６参照）。これによりＰＷＭ信号により電流が流れた時のみコンパレータ２４の比較が行われることになる。つまりＰＷＭ信号でマスキングすることを意味する。あとは実施の形態１と同じ動作となる。

また図７，図８の動作波形もＰＷＭ信号で電圧値が変化するが、その変動に対してはＰＷＭでマスキングすることで結果として、相切替えごとで電圧値が変動するところのみを使って回転数を検出することになる。これによりＰＷＭ制御下でも実施の形態１同様の回転数検出およびトランジスタ故障時の異常処理ができることになる。

本発明は、特に制御回路及び電源回路とＤＣモータ及びその駆動回路との距離が離れている場合におけるＤＣモータ回転数検出装置として好適に利用することができる。

本発明の実施の形態１におけるＤＣモータ回転数検出装置ブロック図本発明の実施の形態１におけるＤＣモータ回転数検出装置の回路図本発明の実施の形態１におけるＤＣモータ回転数検出装置の回路の各ポイントでの波形図本発明の実施の形態１におけるＤＣモータ回転数検出装置でモータ駆動用のインバータを構成するトランジスタが破壊したときの各ポイントでの波形図本発明の実施の形態２におけるＤＣモータ回転数検出装置ブロック図本発明の実施の形態２におけるＤＣモータ回転数検出装置の回路図本発明の実施の形態２におけるＤＣモータ回転数検出装置の回路の各ポイントでの波形図本発明の実施の形態２におけるＤＣモータ駆動回路のインバータ部が破壊したときの回転数検出装置回路図の各ポイントでの波形図従来のブラシレスＤＣモータの回転数信号発生回路図従来のブラシレスＤＣモータの回転数信号発生回路の各ポイントでの波形図

符号の説明

１制御部（回路）
２電流−電圧変換回路
３ＡＣ増幅回路
４比較回路
５波形整形部
６クロック発生回路
７タイマーカウンター
８メモリ
９比較手段
１０判定手段
１１スイッチ手段
１２ＰＷＭ信号発生回路
１３閾値変換回路
１４直流電源（ＤＣモータ駆動電源）
１５ａ＋側電源中継ケーブル
１５ｂ −側電源中継ケーブル
１６ＤＣモータ
１６ａモータ部
１６ｂＤＣモータ駆動回路
１７電流−電圧変換用シャント抵抗
１８コンデンサ
１９，２１，２２，２３，２５，２８，２９，３０抵抗
２０オペアンプ
２４コンパレータ
２６フリップ・フロップ
２７回転数信号
３１ＰＷＭ信号
３２Ｐ型トランジスタ

Claims

ＤＣモータ用直流電源及びその制御を行う制御回路を含めた制御部と、その制御部によりＰＷＭ制御されるＤＣモータの回転数検出装置において、前記制御部内に、前記ＤＣモータ用直流電源から供給される電流の全電流波形を電圧波形に変換する電流−電圧変換回路と、前記電流−電圧変換回路の出力信号の交流成分をあらかじめ設定した基準電圧を中心にＡＣ増幅するＡＣ増幅回路と、ＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、前記ＰＷＭ信号発生回路からのＰＷＭ信号を受ける半導体スイッチで、前記基準電圧をパルス信号に変換して閾値とする閾値変換回路と、前記ＡＣ増幅回路の出力信号と前記閾値とを比較する比較回路で構成される回転数検出回路とを設けたことを特徴とするＤＣモータ回転数検出装置。
前記制御部内に、前記回転数検出回路の出力信号の立上りから次の立上りもしくは、立下りから次の立下りまでの時間間隔を計測するタイマーカウンターと、前記タイマーカウンターの出力値を記憶するメモリと、メモリ内の前後の値（Ｔ１、Ｔ２）を比較する比較手段と、前記比較手段においておよそＴ１＜０．７×Ｔ２もしくはＴ１＞１．５×Ｔ２のとき、ＤＣモータを駆動するための通電相を切替えるインバータ部の異常として判定する判定手段と、前記判定手段がインバータ部の異常と判定したときに前記ＤＣモータへの電源の供給を停止するリレー等のスイッチ手段とからなる異常処理装置を設けたことを特徴とする請求項１記載のＤＣモータの回転数検出装置。