JP5026346B2 - モーター装置及びモーター速度制御システム - Google Patents

Description

本発明は、モーター装置及びモーター速度制御システムに関するものである。

従来のモーター装置の制御と、その回転を制御するための制御装置との間には、通常、かなりの量で接続関係が複雑な信号線が接続されている。例えば、モーター装置を制御するのによく見られるモーター速度制御システムが図１に示されている。制御装置１２とモーター装置１４間は、正電源線すなわち正電源信号線１６１、負電源線すなわち負電源信号線１６２が接続され、制御装置１２とモーター装置１４を互いに電気接続する。また、速度制御信号線１６３は、制御装置１２が生成した速度制御信号をモーター装置１４に伝送し、モーター装置１４内部の処理器（図示せず）が制御装置１２の速度制御信号に基づいてモーター装置１４を駆動し、特定速度の回転を行えるようにしている。また、制御装置１２とモーター装置１４間に接続された回転速度フィードバック信号線１６４は、モーター装置１４内部の処理器が生成したフィードバック信号を制御装置１２内に伝送し、制御装置１２が受けたフィードバック信号に基づいて、各タイミングにおけるモーター装置１４の回転速度が、前記タイミングにおける速度制御信号に対応する回転速度と合うかどうかを確認して設定できるようにしている。

これより分かるように、モーター装置１４の回転を正確に監視できるようにするために、モーター装置１４とその作動を制御する制御装置１２との間は、少なくとも４本の信号線、即ち、上述の正電源信号線１６１、負電源信号線１６２、速度制御信号線１６３と、回転速度フィードバック信号線１６４で接続しなければならない。速度制御信号線１６３と回転速度フィードバック信号線１６４は、制御装置１２からモーター装置１４、モーター装置１４から制御装置１２の信号をそれぞれ伝送する。つまり、速度制御信号線１６３と回転速度フィードバック信号線１６４の両方とも単一方向に伝送する信号線である。

しかし、制御装置１２とモーター装置１４間の制御信号は、上述の制御信号、フィードバック信号だけでなく、駆動信号、タイミング信号．．．などを更に備える。これらの信号を伝送するために、実際の応用では、制御装置１２とモーター装置１４間は、上述の４本の信号線以外に、多くの信号線と接続している。よって全体の回路構造は、かなり複雑なだけでなく、部材コスト、組立作業時間と、装置故障率全てにマイナスの影響がある。

よって、如何にして回転装置の制御回路を簡易化しながら制御効果には影響を及ぼさないようにするかが速度制御の技術で非常に重要な課題の１つとなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、モーター速度の制御効果に影響を及ぼさないように、全体の制御回路構造の簡易化を図ることができると共に、装置の故障率を低下させることのできるモーター装置とモーター速度制御システムを提供することにある。

本発明は、双方向に信号を伝送できるフィードバック／速度制御信号線を用いて制御装置とモーター装置間の回路設計を簡易化する。よって、制御装置からの速度制御信号とモーター装置からのフィードバック信号の両方が同一の信号線によって伝送を行うため、回路を簡易化し、コストと装置の故障率を下げる目的を達成することができる。

上述の目的を達成するため、先ず、本発明は、制御装置、モーター装置と、前記制御装置と前記モーター装置間に接続された複数の信号線とを備えたモーター速度制御システムを提供する。前記信号線は、２つの電源信号線と１つのフィードバック／速度制御信号線を備える。よって、前記制御装置が速度制御信号を生成した後、前記制御装置と前記モーター装置間に接続された前記フィードバック／速度制御信号線によって前記モーター装置内に伝送される。また、前記モーター装置内の制御回路がこの速度制御信号を受けた後、この速度制御信号に基づいて前記モーター装置を駆動し、対応する回転を行いながら同時にフィードバック信号を生成し、且つこのフィードバック信号を前記フィードバック／速度制御信号線を通して前記制御装置内に再度フィードバックし、前記フィードバック信号に基づいて前記モーター装置が正常に作動されているかどうかを前記制御装置に判断させる。

また本発明は、制御装置に電気接続されたモーター装置を提供する。このモーター装置は、制御回路と複数の信号線を備え、これらの信号線は、前記制御回路と前記制御装置間に接続され、且つ２つの電源信号線と１つのフィードバック／速度制御信号線を備える。前記制御装置は、速度制御信号を発生し、前記モーター装置の回転を制御する。前記モーター装置は回転後、フィードバック信号を生成し、前記制御装置内にフィードバックする。上述の速度制御信号とフィードバック信号は、双方向伝送能力を有する前記フィードバック／速度制御信号線を通して伝送される。

これらのモーター速度制御システムとモーター装置において、前記速度制御信号はパルス信号またはパルス幅変調信号であり、前記フィードバック信号と異なる周波数を有し、前記フィードバック信号と前記速度制御信号が前記フィードバック／速度制御信号線で伝送され、前記制御装置は、第１フィルター素子を更に有し、前記モーター装置は、第２フィルター素子を有し、前記第１フィルター素子と前記第２フィルター素子は、前記フィードバック／速度制御信号線と接続され、前記第１フィルター素子は、前記フィードバック信号以外の周波数の信号をフィルタリングした後、前記フィードバック信号を前記制御装置に入力させ、前記第２フィルター素子は、前記速度制御信号以外の周波数の信号をフィルタリングした後、前記速度制御信号を前記モーター装置に入力させる。

上述により、本発明のモーター装置とモーター速度制御システムは、双方向伝送能力を有する信号線を用いて制御装置とモーター装置からの信号を伝送する。よって、従来技術に比べると、本発明のモーター装置とモーター速度制御システムは、より簡易化した回路設計を有するだけでなく、制御装置がモーター装置の回転速度を正確に制御することができ、同時にモーター装置も回転速度のフィードバックを行ってモーターが正常に作動できるように確保することができる。

また、モーター装置が速度制御信号を受けた後、先ずその内部の第２フィルター素子を用いて、その他の周波数の信号をフィルターした後、モーター装置に入力し、モーター装置が速度制御信号に基づいて、対応する回転速度を演算する。同時にモーター装置はフィードバック信号を生成し、フィードバック／速度制御信号線によって伝送する。このフィードバック信号は、先に第１フィルター素子を通してその他の周波数の雑音をフィルタリングした後、制御装置に入ることができる。

本発明が提供するモーター装置とモーター速度制御システムは、双方向伝送能力を有する信号線を用いて、制御信号とフィードバック信号を伝送し、全体の回路構造を簡易化させ、同時に全体のハードウェアコストの支出を下げ、組立作業時間を減少する。また、部材の減少により、ある単一の部材が機能しなくなって構造全体を故障させる可能性を減少することができる。

本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。

図２は、本発明のモーター速度制御システムのブロック図を表している。モーター速度制御システム２は、制御装置２２、モーター装置２４、制御装置２２とモーター装置２４の間に接続された正電源線すなわち正電源信号線２６１、負電源線すなわち負電源信号線２６２と、フィードバック／速度制御信号線（ｆｅｅｄｂａｃｋ／ｓｐｅｅｄ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｉｇｎａｌ ｌｉｎｅ）２６３を備える。制御装置２２は、モーター装置２４を制御し、モーター装置２４がモーター装置と接続した回転体２４２の動作を駆動できるようにする。また、モーター装置２４は、回転体２４２の回転状態を制御装置２２にも同時にフィードバックし、制御装置２２がモーター装置２４と回転体２４２の動作を同時に監視できるようにする。

モーター装置２４の回転速度を正確に制御できるようにするために、制御装置２２は、速度制御信号を生成する。また、回転後のモーター装置２４は、回転の状態に基づいて対応するフィードバック信号を生成する。よって、制御装置が速度制御信号を生成した後、フィードバック／速度制御信号線２６３によって、速度制御信号をモーター装置２４内の制御回路２４１に伝送する。制御回路の演算を経た後、対応する回転速度でモーター装置２４を駆動して回転させ、回転体２４２の動作を連動させる。続いて、制御回路２４１は、モーター装置２４２の実際の回転速度（または回転装置に基づいた切換動作の周波数信号、または周波数信号に基づいて換算して得られた回転速度信号）に基づいて、対応するフィードバック信号を生成し、フィードバック／速度制御信号線２６３によって、制御装置２２にフィードバックさせる。よって、制御装置２２は、受けたフィードバック信号に基づいて、モーター装置２４が特定のタイミングにおいて正確な回転速度で作動しているかどうかを判断することができる。

前記制御装置２２が生成した速度制御信号は、パルス信号（例えば電圧制御されたパルス信号）、またはパルス幅変調信号であり、上述のフィードバックと統合した信号であることができる。モーター装置２４は、ブラシレスモーターであることができ、モーター装置２４と接続した回転体２４２は、ファンであることができる。モーター装置２４が生成したフィードバック信号は、モーター装置２４の回転速度信号、または周波数信号であることができる。制御回路２４１が信号とデータを演算した後、その内部のモーターによってチップ、マイクロプロセッサ．．．などの制御素子を駆動して実現することができる。また、スイッチング素子（図示せず）によって制御素子とフィードバック／速度制御信号線２６３間を接続することができる。

図３と図４をそれぞれ参照して、以下、本発明のモーター装置とモーター速度制御システムに基づいて２種類の異なる実施態様を提供する。

図３は、本発明のブラシレスモーター３４を用いて、ファン３４２に接続され、このファン３４２を駆動して回転を行っている。また、ブラシレスモーター３４は、正電源線すなわち正電源信号線２６１、負電源線すなわち負電源信号線２６２と、フィードバック／速度制御信号線２６３によって制御装置２２に接続される。制御装置２２は、ブラシレスモーター３４を制御する速度制御信号を生成し、フィードバック／速度制御信号線２６３を通してブラシレスモーター３４に伝送する。また、本実施態様の速度制御信号は、電圧信号であり、ブラシレスモーター３４が速度制御の電圧信号を受けた後、その内部の制御素子、例えば、モーター駆動ＩＣ、またはマイクロプロセッサ３４１がこの電圧信号と駆動電圧（例えばフルレベルのＶｃｃ）間の関係に基づいて、対応する回転速度を演算する。算出された回転速度を用いてブラシレスモーター３４を駆動し、ファン３４２を連動して回転させる。同時にマイクロプロセッサ３４１は、位相検出回路によってブラシレスモーター３４の実際の切換周波数（即ちファン３４２の実際の回転速度）を検出し、対応するフィードバック信号（例えば周波数信号）を生成して、フィードバック／速度制御信号線２６３によってフィードバック信号を制御装置２２に伝送する。

速度を制御するための電圧信号とフィードバック信号が両方ともフィードバック／速度制御信号線２６３によって伝送されるのだが、２種類の信号の伝送方向、性質と、周波数がそれぞれ異なることから、２種類の信号間の干渉を起こすことがなく、制御装置２２のブラシレスモーター３４の回転速度に対する制御効果、またはブラシレスモーター３４のフィードバックの相対速度の正規分布に影響を及ぼすこともない。

また、この実施態様のブラシレスモーター３４が生成するフィードバック信号が用いる回路構造は、オープンコレクタ（ｏｐｅｎｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）の設計であるため、ダイオード４２とコンデンサ４４を含む。ダイオード４２の一端は、フィードバック／速度制御信号線２６３に接続され、コンデンサ４４の一端は、ダイオード４２のもう一端に接続されて、ブラシレスモーター３４内のマイクロプロセッサ３４１に接続される。コンデンサ４４のもう一端は、接地される。また、マイクロプロセッサ３４１は、スイッチング素子４６と更に接続される。スイッチング素子４６は、トランジスタであることができる。例えば、実際の応用では、スイッチング素子４６は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであることができるが、これを限定するものではない。しかし、上述の回路構造は、この実施態様の中の一種の実現方法だけであって、本発明の実際の応用時の回路設計を限定するものではない。即ち、上述の回路設計と等価、または類似の回路構造は全て本発明に含まれる範囲と見なすことができる。

図４は、本発明の一種のブラシレスモーターであり、図３に示す実施態様と類似している。異なる所は、フィードバック／速度制御信号線２６３が制御装置２２とブラシレスモーター３４との間でフィルターユニットに接続している所である。このフィルターユニットは、ハイパスフィルタ５２１とローパスフィルタ５２２を備える。ハイパスフィルタ５２１は、ブラシレスモーター３４内に統合され、その内部のマイクロプロセッサ３４１と接続される。ローパスフィルタ５２２は、制御装置２２内に統合される。

制御装置２２は、ブラシレスモーター３４を制御する速度制御信号を生成し、フィードバック／速度制御信号線２６３を通してブラシレスモーター３４に伝送する。また、本実施態様の速度制御信号は、より高い周波数のパルス幅変調信号を有するため、ブラシレスモーター３４が高周波のパルス幅変調信号を受けた後、先ずその内部のハイパスフィルタ５２１を用いて、その他のより低い周波数の信号をフィルターした後、マイクロプロセッサ３４１に入力し、マイクロプロセッサ３４１がこのパルス幅変調信号に基づいて、対応する回転速度を演算する。算出された回転速度を用いてブラシレスモーター３４を駆動して回転し、ファン３４２を連動して回転させる。同時にマイクロプロセッサ３４１は、ブラシレスモーター３４の実際の切換周波数に基づいて、対応するフィードバック信号（例えば周波数信号）を生成し、フィードバック／速度制御信号線２６３によって伝送する。フィードバック信号の周波数は、パルス幅変調信号に比べて低いため、ブラシレスモーター３４からのフィードバック信号は、先にローパスフィルタ５２２を通してその他の周波数の雑音をフィルタリングした後、制御装置２２に入ることができる。

また、上述の２種類の実施態様がそれぞれブラシレスモーターの応用であることから、ブラシレスモーターの実際の回転速度をフィードバック信号の位相信号に換算するサンプリング回路は、ホール素子であることができる。よって、ホール素子によって先にブラシレスモーターの切換周波数を検出し、検出した切換周波数をブラシレスモーター内の制御回路の制御素子に伝送して演算を行い、制御装置が読み取り可能なフィードバック信号に変換する。この信号の検出と変換方法は従来技術であるため、ここでは述べない。

以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することは可能である。従って、本発明が保護を請求する範囲は、特許請求の範囲を基準とする。

従来のモーター速度制御システムのブロック図である。 本発明のモーター速度制御システムのブロック図である。 本発明のモーター速度制御システムを用いたブラシレスモーターのブロック構造図である。 本発明のモーター速度制御システムを用いたブラシレスモーターのもう１つのブロック構造図である。

１２、２２ 制御装置
１４、２４ モーター装置
１６１ 正電源信号線
１６２ 負電源信号線
１６３ 速度制御信号線
１６４ フィードバック信号線
２ モーター速度制御システム
２４１ 制御回路
２４２ 回転体
２６１ 正電源信号線
２６２ 負電源信号線
２６３ フィードバック／速度制御信号線
３４ ブラシレスモーター
３４１ マイクロプロセッサ
３４２ ファン
４２ ダイオード
４４ コンデンサ
４６ スイッチング素子
５２１ ハイパスフィルタ
５２２ ローパスフィルタ

Claims (8)

1. 速度制御信号を生成する制御装置、
   フィードバック信号を生成するモーター装置、及び
   前記モーター装置と前記制御装置間に接続されたフィードバック／速度制御信号線を含み、
   前記速度制御信号が前記フィードバック／速度制御信号線によって前記モーター装置に伝送され、且つ前記フィードバック信号が前記フィードバック／速度制御信号線によって前記制御装置に伝送され、
   前記速度制御信号はパルス信号またはパルス幅変調信号であり、前記フィードバック信号と異なる周波数を有し、前記フィードバック信号と前記速度制御信号が前記フィードバック／速度制御信号線で伝送され、
   前記制御装置は、第１フィルター素子を更に有し、前記モーター装置は、第２フィルター素子を有し、前記第１フィルター素子と前記第２フィルター素子は、前記フィードバック／速度制御信号線と接続され、
   前記第１フィルター素子は、前記フィードバック信号以外の周波数の信号をフィルタリングした後、前記フィードバック信号を前記制御装置に入力させ、
   前記第２フィルター素子は、前記速度制御信号以外の周波数の信号をフィルタリングした後、前記速度制御信号を前記モーター装置に入力させるモーター速度制御システム。
2. 前記速度制御信号は、電圧制御された前記パルス信号であり、前記フィードバック信号は、前記モーター装置の回転速度信号または周波数信号である請求項１に記載のモーター速度制御システム。
3. 前記モーター装置は、
   前記モーター装置の回転時に生成される切換位相信号を検出し、対応する位相信号を得て出力する位相信号サンプリング回路、及び
   前記位相信号サンプリング回路と接続され、前記位相信号を受けて前記フィードバック信号を生成し、出力する制御回路を更に含む請求項１に記載のモーター速度制御システム。
4. 前記モーター装置は、前記フィードバック／速度制御信号線と接続され、前記フィードバック信号を出力する制御回路を更に含む請求項１に記載のモーター速度制御システム。
5. 前記制御回路は、
   制御素子、及び
   前記制御素子と前記フィードバック／速度制御信号線に接続されたスイッチング素子を含む請求項３または請求項４に記載のモーター速度制御システム。
6. 前記第１フィルター素子は、ローパスフィルタ素子であり、前記第２フィルター素子は、ハイパスフィルタ素子である請求項１に記載のモーター速度制御システム。
7. 制御装置と電気接続されたモーター装置であって、前記モーター装置は、
   フィードバック信号を生成して出力する制御回路、及び
   前記制御回路と前記制御装置間に接続されたフィードバック／速度制御信号線を含み、
   前記制御装置が生成した前記モーター装置を制御する速度制御信号がフィードバック／速度制御信号線によって伝送され、前記フィードバック信号が前記フィードバック／速度制御信号線によって前記制御装置に伝送され、
   前記速度制御信号はパルス信号またはパルス幅変調信号であり、前記フィードバック信号と異なる周波数を有し、前記フィードバック信号と前記速度制御信号が前記フィードバック／速度制御信号線で伝送され、
   前記制御装置は、第１フィルター素子を更に有し、前記モーター装置は、第２フィルター素子を有し、前記第１フィルター素子と前記第２フィルター素子は、前記フィードバック／速度制御信号線と接続され、
   前記第１フィルター素子は、前記速度制御信号をフィルタリングして前記フィードバック信号を通過させ、
   前記第２フィルター素子は、前記フィードバック信号をフィルタリングして前記速度制御信号を通過させるモーター装置。
8. 前記制御回路は、
   制御素子、及び
   前記制御素子と前記フィードバック／速度制御信号線に接続されたスイッチング素子を含む請求項７に記載のモーター装置。

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