JP5125091B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば空調機器、燃焼用ファンモータを搭載した給湯機、空気清浄機並びに複写機、プリンタ等の情報機器に使用されるブラシレスＤＣモータなどを駆動するのに好適なモータ駆動装置に関する。特に、モータ駆動時の速度安定性能に優れ、トルクリップル、振動、騒音を大幅に低減できる正弦波駆動を高効率で実現し、更にこれをモータに内蔵または一体化することで、上位機器が使用し易いモータ駆動装置の提供に関するものである。

例えば空調機器、給湯機、空気清浄機、複写機およびプリンタ等の電気機器に用いられる各種駆動用モータは、長寿命、高信頼性および速度制御の容易さなどの長所を活かして、ブラシレスＤＣモータ（以下、モータという）が用いられることが多い。

従来、モータの駆動方式としては、モータの駆動巻線を矩形波状駆動波形によって駆動する矩形波駆動方式が広く採用されてきた。しかし近年、モータをより低トルクリップル、低振動および低騒音で駆動することへの要求が高まってきている。この要求に対応する駆動技術として、モータの駆動巻線を正弦波状駆動波形によって駆動する正弦波駆動方式が一般的になりつつある。

モータを正弦波駆動するための従来技術としては、例えば、日本特許公報第３２３２４６７号に記載のものがある。この従来技術では、モータの回転位置に応じてメモリー記憶された正弦波状の波形データを順次読み出す。そして、この波形データをパルス幅変調して、モータの駆動巻線に電力供給するためのインバータ回路の各スイッチ素子を制御することによって、モータを正弦波駆動する。

また特開２００３−３４８８７４号公報に記載のものがある。この従来技術では、正弦波駆動技術を半導体集積回路により実現し、使用部品点数並びにコストを削減する。

また日本特許公報第３５００３２８号に記載のものがある。この従来技術では、
モータの誘起電圧と駆動電圧との位相補正をモータの回転速度と負荷トルクに応じて絶えず行うことによって、モータを高効率駆動する。

図８はこの種の従来技術におけるモータ駆動装置の回路構成図であり、図９は図８に示すモータ駆動装置の動作説明図である。

図８において、モータ５０１は、Ｕ相駆動巻線５１１、Ｖ相駆動巻線５１３およびＷ相駆動巻線５１５を有する。これら各駆動巻線５１１、５１３および５１５には、直流電源５０５からインバータ５２０を介して駆動電力が供給される。

インバータ５２０は、モータ５０１の駆動巻線５１１、５１３および５１５を正側電源線路５０１に接続する正側スイッチ５２１、５２３および５２５を備える。また、インバータ５２０は、モータ５０１の駆動巻線５１１、５１３および５１５を負側電源線路５０２に接続する負側スイッチ５２２、５２４および５２６を備える。

制御器５３０は、波形生成器５３１およびパルス幅変調器５３２を備える。

速度制御器５４０は、上位器５０６からのモータ駆動速度の指令信号Ｓｒｅｆに応じて制御信号ＶＳＰをパルス幅変調器５３２に出力する。また、上位器５０６からの速度切替え信号ＨＬに応じて速度制御器５４０のゲインが切替えられる。

モータ駆動装置５００は、インバータ５２０、制御器５３０および速度制御器５４０から構成されている。

モータ５０１の回転位置信号ＣＳに応じて波形生成器５３１が生成する正弦波状の波形信号ＷＦが、パルス幅変調器５３２に入力される。パルス幅変調器５３２は、正弦波状の波形信号ＷＦに基づき、パルス幅変調した制御信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬおよびＷＬをインバータ５２０の各スイッチ素子５２１から５２６に対して出力する。各スイッチ素子５２１から５２６は、制御信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬおよびＷＬによってそれぞれオンまたはオフ動作される。

ここで、制御信号ＵＨ、ＶＨおよびＷＨは互いに電気角１２０度の位相差をもってパルス幅変調器５３２から出力される信号である。また制御信号ＵＬ、ＶＬ、ＷＬも互いに電気角１２０度の位相差をもってパルス幅変調器５３２から出力される信号である。

ここで、モータ５０１の駆動巻線のうち、インバータ５２０の出力Ｕに接続されるＵ相駆動巻線５１１に対する動作について、図９を用いて説明する。

図９において、三角波状の信号ＣＹはパルス幅変調器５３２の内部に存在するＰＷＭキャリア信号である。

波形生成手段５３１がモータ５０１の回転位置信号ＣＳに応じて生成する正弦波状の波形信号ＷＦは、パルス幅変調器５３２によりキャリア信号ＣＹと比較される。その比較結果に応じてインバータ５２０のスイッチ素子５２１および５２２は相補的にオン、オフされる。その結果、図９で示される駆動電圧Ｕがインバータ５２０から出力され、Ｕ相駆動巻線５１１に印加される。Ｕ相駆動巻線５１１にはＵ相駆動電流Ｉｕが流れる。

駆動電圧Ｕは、瞬時的には直流電源５０５の正側電圧と負側電圧との間を交互に変化する電圧であるが、パルス幅変調の原理から平均値的には波形信号ＷＦに応じた正弦波状の電圧となる。したがって、Ｕ相駆動巻線５１１にはＵ相の波形信号ＷＦと同様の正弦波状の電圧が印加される。

Ｖ相駆動巻線５１３およびＷ相駆動巻線５１５に対しても、Ｕ相駆動巻線５１１と同様にして、インバータ５２０からそれぞれ駆動電圧Ｖおよび駆動電圧Ｗによって正弦波状の電圧が印加される。

ここで、各相駆動巻線５１１、５１３および５１５に印加される駆動電圧Ｕ、ＶおよびＷは、互いに電気角１２０度の位相差を有する。すなわち、Ｖ相駆動巻線５１３に関しては、Ｕ相の波形信号ＷＦと互いに電気角１２０度の位相差をもつ正弦波状のＶ相の波形信号と、キャリア信号ＣＹとの比較結果に応じて、インバータ５２０のスイッチ素子５２３および５２４が相補的にオン、オフされる。

また、Ｗ相駆動巻線５１５に関しては、Ｕ相の波形信号およびＶ相の波形信号と互いに電気角１２０度ずつ位相差をもつ正弦波状のＷ相の波形信号とキャリア信号ＣＹとの比較結果に応じて、インバータ５２０のスイッチ素子５２５および５２６が相補的にオン、オフされる。

以上のようにして、各相駆動巻線５１１、５１３および５１５に正弦波状の電圧が印加され、モータ５０１は正弦波駆動される。

ここで上位器５０６は、たとえばマイクロコンピュータやＤＳＰ、ＰＬＤ、ＦＰＧＡなどで構成される。

上位器５０６はモータの駆動速度を定める指令信号Ｓｒｅｆを速度制御器５４０に出力し、速度制御器５４０はモータの実際の駆動速度と指令信号Ｓｒｅｆの示す速度との差（速度偏差）に所定のゲインを乗じ、この速度偏差が小さくまたはゼロとなるように制御信号ＶＳＰをパルス幅変調器５３２に出力する。パルス幅変調器５３２は制御信号ＶＳＰに対応した大きさ（波高値）の正弦波駆動電圧を各相駆動巻線５１１、５１３および５１５に印加する。これによりモータ５０１の速度制御が行われる。

また、上位器５０６の速度切替え信号ＨＬは、指令信号Ｓｒｅｆと連動してＨレベルまたはＬレベルとなる信号であり、例えば指令信号Ｓｒｅｆが速いモータ駆動速度に対する指令である場合はＨレベル、遅いモータ駆動速度に対する指令である場合はＬレベルとなる信号である。

速度切替え信号ＨＬは、速度制御器５４０において上記の速度偏差に乗じるゲインを切替える信号として使用され、モータの駆動速度が速い場合および遅い場合のそれぞれにおいて、速度制御ゲインを最適化し、低速から高速まで安定した速度制御性を得るためのものである。

このような速度ゲインを切替えて速度制御性を安定化する技術は、特開平６−２６１５７６号公報に示されている。
特許第３２３２４６７号公報 特開２００３−３４８８７４号公報 特許第３５００３２８号公報 特開平６−２６１５７６号公報

しかしながら上記した従来技術によるモータ駆動装置５００は、モータ５０１を高効率駆動し、かつその駆動速度を安定化することが難しいという課題を有している。

モータを高効率で駆動するには、駆動巻線に流れる駆動電流の位相と誘起電圧の位相とを一致させることが必要である。

駆動巻線に流れる駆動電流は、駆動巻線に印加される駆動電圧から誘起電圧を差し引いた電圧を、駆動巻線のインピーダンスで除した値となる。ここで駆動巻線のインピーダンスはインダクタンス成分を有している。このため駆動電流の位相は駆動電圧の位相よりも遅れる。したがって、モータを高効率で駆動するためには、駆動電圧に対する駆動電流の位相遅れを考慮し、誘起電圧の位相と駆動電流の位相が一致するように、駆動電圧の位相を進めること（いわゆる進角）が必要である。

図８に示した従来技術によるモータ駆動装置は、各相駆動巻線５１１、５１３および５１５に印加する駆動電圧は正弦波状で、その大きさを制御信号ＶＳＰにより制御して速度制御できるものの、その位相を進めることができない。

その結果、図９に示すように例えば駆動巻線５１１の誘起電圧Ｕｅｍｆとこれに流れる駆動電流Ｉｕとの位相を一致させることができず、モータの駆動効率が低下するという課題を有している。

これを改善するものとして、引用文献３に示した日本特許公報第３５００３２８号では、モータの実際の駆動速度および負荷トルクに応じて駆動電圧の位相を進める技術が開示されている。しかしこの技術は、モータをある程度の高効率で駆動することはできるものの、モータの駆動速度や負荷トルクによって駆動電圧の位相を絶えず補正しているため、この補正によってモータのトルク特性が絶えず変化し、これに伴いモータの駆動速度も不安定になり易いという課題を有している。

上記課題を解決するための第１の発明は、可動子および駆動巻線を有するモータと、前記モータを正弦波駆動するための波形信号を生成する波形生成器と、前記波形信号に基づく駆動電圧を前記駆動巻線に印加するインバータと、前記駆動巻線の誘起電圧に対する前記駆動電圧の位相進み角度である進角値を設定する進角設定器とを備えるモータ駆動装置であり、前記進角設定器は複数の進角値を設定し得るものであり、かつ前記進角設定器によって前記駆動巻線に流れる正弦波状の駆動電流の位相が前記駆動巻線の誘起電圧の位相と概ね一致するように、前記複数の進角値のうち何れか一つの進角値を選択して設定し、この進角値は一定の値に固定されるモータ駆動装置である。

また、第２の発明は、第１の発明において、進角設定器は、モータの駆動速度の指令値に応じて進角値を選択して設定し、この進角値は一定の値に固定されるモータ駆動装置である。

また、第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、波形生成器とインバータと進角設定器の一部または全部を半導体集積回路にて形成し、モータに内蔵または一体化されるモータ駆動装置である。

本発明は上記構成により、モータを低トルクリップル、低騒音、低振動で正弦波駆動することに加えて、駆動巻線の誘起電圧と駆動電流の位相を概略一致させて高効率駆動も実現し、更に進角設定器により一つの進角値を選択して設定することでトルク特性が安定し、モータの駆動速度も安定化するという効果を奏する。

また、モータの駆動速度の指令値に応じて最適な進角値を選択して設定することで、低速から高速までの幅広い速度範囲でモータを高効率かつ安定した速度で駆動することが可能となる。このことは、プリンタやＰＰＣなどの拡大縮小機能や空調機器などの風量調整など、モータの駆動速度を比較的広範囲で可変して使用する用途には好適な効果となる。

また、波形生成器、インバータおよび進角設定器からなるモータ駆動装置をモータに内蔵または一体化することで、小型で機器に組み込み易くなり、上位機器が速度安定性に優れ、かつ低振動、低騒音な正弦波駆動モータによる高効率駆動系を容易に構築することできる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施例１におけるモータ駆動装置の回路構成図、図２、図３および図４は図１に示すモータ駆動装置の動作説明図である。

図１において、本実施の形態のモータ駆動装置１００は、インバータ２０、制御器３０、速度制御器４０および進角設定器６０を含む。

モータ駆動装置１００は、プリント配線板（図示せず）上に形成され、モータ１を構成する可動子（図示せず）および駆動巻線１１、１３および１５と共に、モータ１に内蔵または一体化される。

また、モータ駆動装置１００は、モータ制御端子１０および１１を備える。制御端子１０にはモータの駆動速度を定める指令信号Ｓｒｅｆが上位器６から入力され、制御端子１１には指令信号Ｓｒｅｆと連動して動作する速度切替え信号ＨＬが入力される。上位器６は、モータ１およびモータ駆動装置１００が搭載される機器に備えられ、マイクロコンピュータあるいはＤＳＰ、ＰＬＤ、ＦＰＧＡなどで構成される。

インバータ２０は、モータ１の複数相（３相）の駆動巻線１１、１３および１５を正側電源線路１０１に電気的に接続する正側スイッチ素子２１、２３および２５を備える。また、インバータ２０は、複数相の駆動巻線１１、１３および１５を負側電源線路１０２に電気的に接続する負側スイッチ素子２２、２４および２６を備える。

進角設定器６０は、内部に異なる値の進角値ＰＳ１およびＰＳ２を持ち、速度切替え信号ＨＬによって何れかの進角値を選択して設定し、ここで設定された位相進角信号ＰＳを制御器３０に出力する、
制御器３０は波形生成器３１を含む。波形生成器３１は、正側または負側スイッチ素子２１から２６のオン期間とオフ期間の比率信号を駆動巻線１１、１３および１５の波形信号として出力する。また、その波形信号の位相は位相進角信号ＰＳにより制御される。

制御器３０は、波形信号に応じて正側または負側スイッチ素子２１から２６のオン期間とオフ期間の比率信号をインバータ２０に出力する。これにより、インバータ２０は、インバータ２０の正側および負側スイッチ素子２１から２６が制御器３０からの制御信号に基づきオンまたはオフ動作され、各相の駆動巻線１１、１３および１５を正弦波状の交番電流で駆動する。

図１を用いて、本実施の形態１のモータ駆動装置の構成についてさらに詳細に説明を加える。図１において、モータ１にはインバータ２０を介して直流電源５が接続される。より具体的には、直流電源５の正側電源線路１０１に正側スイッチ素子２１の第１端子に接続される。正側スイッチ素子２１の第２端子は負側スイッチ素子２２の第１端子が接続される。負側スイッチ素子２２の第２端子は直流電源５の負側電源線路１０２に接続される。正側スイッチ素子２１と負側スイッチ素子２２の共通接続点、すなわち正側スイッチ素子２１の第２端子と負側スイッチ素子２２の第１端子との接続点にモータ１のＵ相駆動巻線１１の第１端が接続される。

同様に、正側電源線路１０１に正側スイッチ素子２３の第１端子が接続される。正側スイッチ素子２３の第２端子は負側スイッチ素子２４の第１端子に接続される。負側スイッチ素子２４の第２端子は負側電源線路１０２に接続される。正側スイッチ素子２３と負側スイッチ素子２４の共通接続点、すなわち正側スイッチ素子２３の第２端子と負側スイッチ素子２４の第１端子との接続点にモータ１のＶ相駆動巻線１３の第１端が接続される。

同様に、正側電源線路１０１に正側スイッチ素子２５の第１端子が接続される。正側スイッチ素子２５の第２端子は負側スイッチ素子２６の第１端子に接続される。負側スイッチ素子２６の第２端子は負側電源線路１０２に接続される。正側スイッチ素子２５と負側スイッチ素子２６の共通接続点、すなわち正側スイッチ素子２５の第２端子と負側スイッチ素子２６の第１端子との接続点にモータ１のＷ相駆動巻線１５の第１端が接続される。

Ｕ相駆動巻線１１の第２端、Ｖ相駆動巻線１３の第２端およびＷ相駆動巻線１５の第２端は、互いに接続され中性点を構成している。

制御器３０は、正側スイッチ素子２１、２３および２５のそれぞれをオンまたはオフ動作させる制御信号ＵＨ、ＶＨおよびＷＨを、正側スイッチ素子２１、２３および２５のそれぞれの第３端子に対して出力する。また、制御器３０は、負側スイッチ素子２２、２４および２６のそれぞれをオンまたはオフ動作させる制御信号ＵＬ、ＶＬおよびＷＬを、負側スイッチ素子２２、２４および２６のそれぞれの第３端子に対して出力する。

制御器３０は、波形生成器３１の他に、さらにパルス幅変調器３２を含む。波形生成器３１は、駆動巻線１１、１３および１５の駆動電流波形が概略正弦波状となるように波形信号ＷＦをパルス幅変調器３２に対して出力する。

上位器６は指令信号Ｓｒｅｆおよび切替え信号ＨＬを出力する。これらの各信号はモータ駆動装置１００のモータ制御端子１０および１１に入力され、さらに速度制御器４０に入力される。また、切替え信号ＨＬは進角設定器６０にも入力される。

速度制御器４０は、モータの実際の駆動速度と指令信号Ｓｒｅｆが示す速度との差（速度偏差）に所定のゲインを乗じた信号を制御信号ＶＳＰとしてパルス幅変調器３２に出力する。また、上記ゲインは切替え信号ＨＬによって制御される。

パルス幅変調器３２は、波形信号ＷＦと制御信号ＶＳＰとを掛け合わせた後、キャリア信号ＣＹと比較することによってパルス幅変調を行う。そのパルス幅変調の結果を、制御器３０の制御信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬおよびＷＬとして、インバータ２０に対して出力する。

進角設定器６０は、内部に持つ異なる値の進角値ＰＳ１およびＰＳ２のうち、何れかの進角値を切替え信号ＨＬによって選択して設定し、ここで設定された進角値を位相進角信号ＰＳとして出力する。位相進角信号ＰＳは、制御器３０に入力され、さらに波形生成器３１に入力される。

波形生成器３１は、上記した波形信号ＷＦの位相を、位相進角信号ＰＳに応じて進め、パルス幅変調器３２に対して出力する。

以上のように構成された本実施の形態１におけるモータ駆動装置１００について、次にその動作を説明する。

図２は図１に示す本実施の形態１におけるモータ駆動装置１００の動作説明図である。

図２において、三角波状の信号ＣＹはパルス幅変調器３２の内部に存在するＰＷＭキャリア信号である。通常、キャリア信号ＣＹは、モータ１の回転による電気角周期よりも十分に高い周波数に設定されるが、図２においては説明の便宜上、比較的低い周波数で記している。

波形生成器３１は、モータ１の回転位置に応じて正弦波状の波形信号ＷＦを生成する。その正弦波状の波形信号ＷＦが、パルス幅変調器３２によってキャリア信号ＣＹと電圧比較され、波形信号ＷＦに応じてパルス幅が変化するパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）が生成される。そして、そのパルス幅変調信号に応じてインバータ２０の正側スイッチ素子２１と負側スイッチ素子２２のうちいずれかをオン、オフする。その結果、図２で示される駆動電圧Ｕがインバータ２０から出力され、Ｕ相駆動巻線１１に印加される。

駆動電圧Ｕは、瞬時的には直流電源５の正側電圧と負側電圧との間を交互に変化する電圧であるが、パルス幅変調の原理から、平均値的には波形信号ＷＦに応じた正弦波状の電圧となり、Ｕ相駆動巻線１１には波形信号ＷＦと同様の正弦波状の電圧が印加される。

上記の説明においては、Ｕ相駆動巻線１１について説明してきたが、Ｖ相駆動巻線１３およびＷ相駆動巻線１５に対しても、Ｕ相駆動巻線１１と同様にして、それぞれインバータ２０からの駆動電圧Ｖおよび駆動電圧Ｗにより正弦波状の電圧が印加される。

ここで、各相駆動巻線１１、１３および１５に印加される各相駆動電圧Ｕ、ＶおよびＷは互いに電気角１２０度の位相差を有する。これは、Ｖ相駆動巻線１３に対しては、Ｕ相の波形信号ＷＦと互いに電気角１２０度の位相差をもつ正弦波状のＶ相の波形信号と、キャリア信号ＣＹとの比較結果に応じて、インバータ２０のスイッチ素子２３および２４をオン、オフ動作することで実現される。また、Ｗ相駆動巻線１５に対しては、Ｕ相の波形信号およびＶ相の波形信号と互いに電気角１２０度ずつ位相差をもつ正弦波状のＷ相の波形信号とキャリア信号ＣＹとの比較結果に応じて、インバータ２０のスイッチ素子２５および２６をオン、オフ動作することで実現される。

以上のようにして、各駆動巻線１１、１３および１５に正弦波状の電圧が印加され、各駆動巻線１１、１３および１５は正弦波状の交番電流にて駆動される。

ここで、進角設定器６０が出力する位相進角信号ＰＳによって各駆動巻線１１、１３および１５に印加される正弦波状の電圧の位相が制御される動作について、図３を用いて説明する。説明の便宜上、Ｕ相について説明するが、Ｖ相およびＷ相についても同様である。

進角設定器６０から出力される位相進角信号ＰＳは、波形生成器３１に入力される。波形生成器３１は、モータ１の可動子位置に応じて生成される波形信号ＷＦの位相を、位相進角信号ＰＳに応じて進め、パルス幅変調器３２に対して出力する。

ここで、モータの可動子位置検出には、ブラシレスＤＣモータの場合、ホール効果を利用したホールセンサーを用いる方法や、駆動巻線に発生する誘起電圧あるいは駆動巻線電流を利用する方法などがある。

図１における位置検出信号ＣＳは、これらいずれかの方法で検出された信号であり、波形生成器３１は、この信号ＣＳに基づく位相を基準位相タイミングとして波形信号ＷＦを生成する。なお、位置検出信号ＣＳは、可動子に組み込まれたマグネットの磁極位置を検出するものであるため、駆動巻線が発生する誘起電圧との位相関係は一義的に定まったものとなる。本実施の形態においては、図３に示すように、基準位相タイミングを駆動巻線１１に発生する誘起電圧Ｕｅｍｆのゼロクロスタイミングとしている。

波形生成器３１は、上記基準位相タイミングに応じて生成される波形信号ＷＦの位相を、位相進角信号ＰＳに応じて進め、パルス幅変調器３２に対して出力する。これにより、Ｕ相駆動巻線１１には、位相が位相進角信号ＰＳによって制御可能な正弦波状の駆動電圧を印加することができる。

位相進角信号ＰＳは、モータ１の高効率駆動を可能とする。これは、駆動巻線が有するインダクタンス成分により発生する位相遅れ、すなわち駆動電圧Ｕの平均値（波形信号ＷＦに相当）に対する駆動電流Ｉｕの位相遅れが見込まれる分、進角設定器６０により進角値つまり位相進角信号ＰＳを設定し、波形信号ＷＦの位相を進めて駆動巻線の誘起電圧Ｕｅｍｆと駆動電流Ｉｕとの位相差を概ねゼロとすることで実現される。このことは、上記説明したＵ相駆動巻線１１だけではなく、Ｖ相駆動巻線１３およびＷ相駆動巻線１５についても同様である。

また、進角設定器６０により設定される位相進角信号ＰＳは、一定の進角値ＰＳ１またはＰＳ２に定められるため、モータの速度や負荷の状態によって進角値が絶えず変化することはなく、モータのトルク特性が安定し、その駆動速度も安定する。

一方、速度制御器４０から入力される制御信号ＶＳＰによって各駆動巻線１１、１３および１５に印加される正弦波状の電圧の大きさが制御される。これについても図３を用いてＵ相に関して説明を加えるが、Ｖ相およびＷ相についても同様である。

速度制御器４０から出力される制御信号ＶＳＰはパルス幅変調器３２に入力される。パルス幅変調器３２は、波形生成器３１が出力する正弦波状の波形信号ＷＦの大きさ（波高値）を制御信号ＶＳＰに対応させてキャリア信号ＣＹと比較し、パルス幅変調を行う。これにより、Ｕ相駆動巻線１１には、大きさが制御信号ＶＳＰによって制御可能な正弦波状の駆動電圧を印加することができる。

ここで、ここまでの動作説明の内容について整理する。

制御器３０に含まれる波形生成器３１の波形信号ＷＦに応じて、各駆動巻線１１、１３および１５は正弦波状の交番電流で駆動される。これにより、モータを低トルクリップル、低騒音、低振動で駆動できる。

また波形生成器３１は、進角設定器６０の位相進角信号ＰＳに応じて波形信号ＷＦの位相を進める。これにより、各駆動巻線の誘起電圧と駆動電流との位相差が概ねゼロとなるように、位相進角信号ＰＳを適切に設定することでモータを高効率駆動できる。このとき位相進角信号ＰＳは、一定の進角値ＰＳ１またはＰＳ２に定められるため、モータの速度や負荷の状態によって進角値が絶えず変化することはなく、モータのトルク特性が安定し、その駆動速度も安定する。

また制御器３０に含まれるパルス幅変調器３２は、波形信号ＷＦの大きさ（波高値）を制御信号ＶＳＰに対応させてキャリア信号ＣＹと比較し、パルス幅変調を行う。これにより、制御信号ＶＳＰに応じて各駆動巻線への印加電圧の大きさが制御でき、モータの速度の可変や調整ができる。

以上が、ここまでの動作説明内容の整理である。

以下、上位器６が制御端子１０および１１を介してモータ駆動装置１００に出力する指令信号Ｓｒｅｆおよび速度切替え信号ＨＬによる動作について説明する。

先ず指令信号Ｓｒｅｆは、上位器６がモータ１を所望の速度で駆動するための速度指令信号である。指令信号Ｓｒｅｆは、速度制御器４０に入力される。速度制御器４０は、信号Ｓｒｅｆと図示しないモータ１の速度検出信号との差つまり速度偏差を検出し、これに適切なゲインを乗じて制御信号ＶＳＰを出力するように動作する。このとき速度制御器４０は、上記速度偏差が小さくまたはゼロになるように、制御信号ＶＳＰを加減してモータ１の速度を調整する。これにより、上位器６は指令信号Ｓｒｅｆを操作することでモータ１の速度を所望の値に設定することができる。

次に速度切替え信号ＨＬは、上位器６が上記指令信号Ｓｒｅｆと連動して出力する信号であり、指令信号Ｓｒｅｆによるモータ１の設定速度の大きさに応じて段階的に状態が変化する信号で、例えば指令信号Ｓｒｅｆがモータ１を高速領域で駆動する設定である場合はＨレベルとなり、逆に低速領域で駆動する設定である場合はＬレベルとなる信号である。

速度切替え信号ＨＬは、速度制御器４０および進角設定器６０に入力される。

速度制御器４０は、切替え信号ＨＬにより上述した速度偏差に乗じるゲインを切替え、上位器６が指令信号Ｓｒｅｆによりモータ１の駆動速度を変化させた場合においても、速度制御性能を確保するように動作する。

進角制御器６０は、切替え信号ＨＬにより進角値を切替え、上位器６が指令信号Ｓｒｅｆによりモータ１の駆動速度を変化させた場合においても、正弦波状交番電流による高効率駆動を確保するように動作する。

このことについて、以下説明を加える。

まず速度制御器４０は、上述の通り、指令信号Ｓｒｅｆとモータの速度検出信号との差つまり速度偏差に適切なゲインを乗じて制御信号ＶＳＰを出力する。

ここで、上記速度偏差に乗じるゲインは、モータの速度制御を安定に行うために適切に設定する必要があることは周知の通りである。

一般にモータの速度が変わると負荷点や回路の動作点が変わる。

従って上位器６からの指令信号Ｓｒｅｆによりモータ１の駆動速度が変化した場合、これに伴い速度偏差に乗じるゲインを設定し直すことが、モータの速度制御性能の安定維持に必要である。

切替え信号ＨＬは、上記したように、指令信号Ｓｒｅｆがモータ１を高速領域で駆動する設定である場合はＨレベルとなり、逆に低速領域で駆動する設定である場合はＬレベルとなる信号である。この切替え信号ＨＬの出力の状態により、速度制御器４０は指令信号Ｓｒｅｆが設定しようとしているモータ１の駆動速度が高速領域であるか低速領域であるかを判別でき、それぞれの速度領域に適したゲイン設定に切替えることができる。これにより、モータ１の駆動速度を変化させた場合においても、モータ１の速度制御性能を維持することが可能となる。

一方、進角設定器６０は、駆動巻線の誘起電圧と駆動電流との位相が概ね一致して高効率でモータ１駆動されるように、波形信号ＷＦの位相を進めるための位相進角信号ＰＳを設定する。

ここで、モータ１を効率よく駆動するためには、位相進角信号ＰＳを適切に設定することが必要であることは既に述べた通りである。

一般にモータの速度を変えた場合、駆動巻線のインダクタンス成分によるインピーダンスや誘起電圧の大きさや負荷の大きさなどが変化し、駆動巻線への駆動電圧に対する駆動電流の位相遅れの状態が変化する。つまり一つの速度でモータが高効率駆動されていても、別の速度になると駆動巻線の誘起電圧と駆動電流との間に位相差が発生し、高効率駆動できなくなる。

従って上位器６からの指令信号Ｓｒｅｆによりモータ１の駆動速度が変化した場合、これに伴い位相進角信号ＰＳを設定し直すことが、モータの正弦波状交番電流による高効率駆動の維持に必要である。

進角設定器６０は、図１に示す通り、その内部に異なる値の進角値ＰＳ１およびＰＳ２をもち、これらの進角値のうち何れかを切替え信号ＨＬによって選択して設定し、位相進角信号ＰＳとして出力できるように構成されている。

また上記の通り、切替え信号ＨＬの出力の状態により、指令信号Ｓｒｅｆが設定しようとしているモータ１の駆動速度が、高速領域であるか低速領域であるかを判別できるため、それぞれの速度領域において進角値ＰＳ１とＰＳ２の何れかを適切に選択することができ、モータ１の高効率駆動が可能になる。

これについて、図４を用いて更に説明を加える。

図４において、モータを高速で駆動する場合、進角設定器６０は切替え信号ＨＬにより位相進角信号ＰＳとして進角値ＰＳ１を選択し設定している。信号ＰＳが進角値ＰＳ１に設定されると、前述の波形生成器３１により駆動波形信号ＷＦは進角値ＰＳ１に応じた位相だけ進角され、誘起電圧Ｕｅｍｆと駆動電流Ｉｕとの位相を概ね一致させる。なお進角値ＰＳ１は、モータの高速駆動時に誘起電圧Ｕｅｍｆと駆動電流Ｉｕとの位相が概ね一致するように予め定めた値としている。

またモータを低速で駆動する場合、進角設定器６０は切替え信号ＨＬにより位相進角信号ＰＳとして進角値ＰＳ２を選択し設定している。信号ＰＳが進角値ＰＳ２に設定されると、前述の波形生成器３１により駆動波形信号ＷＦは進角値ＰＳ２に応じた位相たけ進角され、誘起電圧Ｕｅｍｆと駆動電流Ｉｕとの位相を概ね一致させる。なお進角値ＰＳ２は、モータの低速駆動時に誘起電圧Ｕｅｍｆと駆動電流Ｉｕとの位相が概ね一致するように予め定めた値としている。

このように、低速駆動から高速駆動まで指令信号Ｓｒｅｆによりモータの駆動速度を変化させる場合においても、進角設定器６０によりそれぞれの駆動速度で進角値を適切に選択し設定することで常に高効率駆動の実現が可能になる。

また、進角設定器６０により設定される進角値は、モータ駆動速度の高速領域および低速領域の各範囲内で進角値ＰＳ１またはＰＳ２に固定して設定されるため、モータの速度や負荷の状態によって絶えず進角値が変化することはない。従ってトルク特性が安定し、モータの駆動速度も安定する。

また更に前述の速度制御器４０の作用が加わることで、より高精度な速度安定制御が実現できる。

なお、本実施の形態においては、説明を簡単にするため、切替え信号ＨＬは、指令信号Ｓｒｅｆがモータ１を高速領域で駆動する設定である場合はＨレベルとなり、逆に低速領域で駆動する設定である場合はＬレベルとなる信号として説明したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、更に信号Ｓｒｅｆが中速領域で駆動する設定である場合はＭレベルを出力するようにしても構わないし、更に細かく信号Ｓｒｅｆの設定速度領域を区切って、信号ＨＬを細かくレベル分けして出力しても構わない。無論、信号ＨＬは１ｂｉｔである必要もなく、信号Ｓｒｅｆの設定速度領域を細かく区切る場合は、２ｂｉｔ以上の論理出力としても構わない。そしてこの細分化に伴い、進角設定器６０の内部の進角値もＰＳ１、ＰＳ２のみでなく、更に多くの進角値を選択し得る構成としても構わない。

以上のように本実施の形態のモータ駆動装置においては、制御器３０に含まれる波形生成器３１の波形信号ＷＦに応じて、各駆動巻線１１、１３および１５は正弦波状の交番電流で駆動され、モータを低トルクリップル、低騒音、低振動で駆動できる。加えて、進角設定器６０の位相進角信号ＰＳに応じて波形信号ＷＦの位相を進め、各駆動巻線の誘起電圧と駆動電流との位相差を概ね一致させてモータを高効率駆動できる。このとき位相進角信号ＰＳは、一定の進角値ＰＳ１またはＰＳ２に定められるため、モータの速度や負荷の状態によって進角値が絶えず変化することはなく、モータのトルク特性が安定し、その駆動速度も安定する。

また、上位器６が指令信号Ｓｒｅｆによりモータの駆動速度を低速から高速まで変化させる場合においても、進角設定器６０が切替え信号ＨＬによりそれぞれの駆動速度で進角値を適切に選択し設定することで、常に高効率駆動の実現が可能になる。このとき、進角設定器６０により設定される進角値つまり位相進角信号ＰＳは、モータ駆動速度の高速領域および低速領域の各範囲内で進角値ＰＳ１またはＰＳ２に固定して設定されるため、モータの速度や負荷の状態により進角値が絶えず変化することはなく、モータのトルク特性が安定し、その駆動速度も安定する。

また、速度制御器４０は、上位器６が指令信号Ｓｒｅｆによりモータ１の駆動速度を変化させた場合、切替え信号ＨＬにより速度偏差に乗じるゲインを切替えて速度制御性能を確保する。この速度制御器４０の作用が加わることで、更に高精度な速度安定制御が実現できる。

また、モータを高効率で正弦波駆動するための波形生成器３１、インバータ２０および進角設定器６０をモータ１に内蔵または一体化することで、小型で上位機器に組み込み易く、使い勝手が良くなる。つまり、速度安定性に優れかつ高効率かつ低トルクリップル、低騒音、低振動な正弦波駆動は、モータ１に内蔵または一体化されるモータ駆動装置１００において自己完結される。これにより、上位器６からは、指令信号Ｓｒｅｆ、切替え信号ＨＬをモータ制御装置１００に入力するだけで、高効率正弦波駆動によりモータ１を自在かつ高精度に速度制御できる。そして上位機器の正弦波駆動モータによる速度安定性に優れた高効率駆動系の構築を容易にすることできる。

なお、上位器６から入力される信号ＳｒｅｆおよびＨＬは、アナログ電圧信号、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号、周波数信号、論理信号あるいは通信による信号のいずれの形式の信号であっても構わない。

図５は本発明の実施例２におけるモータ駆動装置の動作波形図である。

インバータ２０から出力される駆動電圧Ｕの平均値（波形信号ＷＦに相当）は、正弦波状の波形に限る必要はなく、結果としてモータ１の各相駆動巻線１１、１３および１５の第１端同士の間の電圧、または各相駆動巻線１１、１３および１５の第１端と中性点との間の電圧が正弦波状であれば、モータ１を正弦波駆動することは可能である。

例えば、図５に示すような波形信号ＷＦをパルス幅変調してインバータ２０から駆動電圧Ｕを出力しても構わない。

この場合、各相駆動巻線１１、１３および１５の第１端と中性点との間は、図５に示す波形Ｆのような正弦波状の波形となり、モータは先の実施の形態１と同様、正弦波駆動される。

図５に示すような波形信号ＷＦを用いた場合においても、上記実施の形態１に示したものと同様の効果が得られる。

図６は本発明の実施例３におけるモータ駆動装置の回路構成図である。

図６において、図１に示した実施の形態１と異なる部分は、上位器６からの指令信号Ｓｒｅｆ、制御端子１０、速度検出器４０を廃して、その替わりに制御信号ＶＳＰ、制御端子７を設け、上位器６からの制御信号ＶＳＰが制御端子７を介して制御器３０に含まれるパルス変調器３２に入力される構成としたことであり、その他については図１に示した実施の形態１におけるモータ駆動装置の回路構成図と同じである。

図６に示すような構成とした場合、速度制御器４０がないため、モータ駆動装置がより簡素化される。この場合、上位器６でサーボ演算などを行わない限り厳密な速度制御は行われないが、基本的には指令信号Ｓｒｅｆと同様に上位器６からの制御信号ＶＳＰによってモータの駆動速度が設定可能で、制御信号ＶＳＰと連動して速度切替え信号ＨＬを操作することで、上記実施の形態１に示したものと同様の効果が得られる。

なお、上位器６から入力される制御信号ＶＳＰは、アナログ電圧信号、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号、周波数信号、論理信号あるいは通信による信号のいずれの形式の信号であっても構わない。

図７は本発明の実施例４におけるモータ駆動装置の回路構成図である。

図７において、図６に示した実施の形態３と異なる部分は、上位器６からの速度切替え信号ＨＬ、制御端子１１を廃して、新たにレベル判定器７０を設け、上位器６からの制御信号ＶＳＰが、モータを高速領域で駆動するレベルの信号か低速領域で駆動するレベルの信号かをレベル判定器７０により判定し、その判定信号を切替え信号ＨＬとして進角設定器６０に入力する構成としたことであり、その他については図６に示した実施の形態３におけるモータ駆動装置の回路構成図と同じである。

図７に示す構成とした場合、レベル判定器７０により切替え信号ＨＬがモータ駆動装置１００の内部で生成されるため、上位器６から速度切替え信号ＨＬを出力しなくとも、上記実施の形態１および３に示したものと同様の効果が得られる。この場合、上位器６の制御負荷を軽減できる、また上位器６とモータ駆動装置１００とのインターフェイスを簡素化できるという効果も得られる。

本発明のモータの駆動装置は、モータを低トルクリップル、低騒音、低振動で正弦波駆動することに加えて、駆動巻線の誘起電圧と駆動電流の位相を概略一致させて高効率駆動も実現し、更に進角設定器により一つの進角値を選択して設定することでトルク特性が安定し、モータの駆動速度も安定化するという効果を奏する。また、モータの駆動速度の指令値に応じて最適な進角値を選択して設定することで、低速から高速までの幅広い速度範囲でモータを高効率かつ安定した速度で駆動することが可能となる。また、波形生成器、インバータおよび進角設定器からなるモータ駆動装置をモータに内蔵または一体化することで、小型で機器に組み込み易くなり、上位機器が速度安定性に優れ、かつ低振動、低騒音な正弦波駆動モータによる高効率駆動系を容易に構築することできる。

したがって、低振動低騒音かつ高効率が要求され、風量制御のために速度の可変速範囲の広い空調機器用のファンモータ駆動や燃焼用ファンモータを搭載した給湯機、空気清浄機、冷蔵庫、洗濯機などの家電機器、あるいは、低振動低騒音かつ高効率に加えて、拡大縮小機能などのための広可変速制御への対応や低回転むらなどの速度安定性能が要求されるプリンタ、ＰＰＣ、複写機、スキャナー、ファックス、またはこれらの複合機器、また、ハードディスク、光メディア機器などの情報機器などに使用されるモータの駆動に好適である。

本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置の回路構成図 図１に示すモータ駆動装置の動作説明図 図１に示すモータ駆動装置において、位相進角信号により駆動巻線に印加される正弦波状の電圧の位相が制御される場合の動作説明図 図１に示すモータ駆動装置において、モータ駆動速度に応じて進角値を設定して高効率駆動される様子を示す動作説明図 本発明の実施の形態２における動作波形図 本発明の実施の形態３におけるモータ駆動装置の回路構成図 本発明の実施の形態４におけるモータ駆動装置の回路構成図 従来技術のモータの駆動装置における回路構成図 図８に示すモータ駆動装置の動作説明図

１ モータ
１１、１３、１５ 駆動巻線
５ 直流電源
６ 上位器
２０ インバータ
２１、２３、２５ 正側スイッチ素子
２２、２４、２６ 負側スイッチ素子
３０ 制御器
３１ 波形生成器
３２ パルス幅変調器
４０ 速度制御器
６０ 進角設定器
７０ レベル判定器
１００ モータ駆動装置

Claims (3)

1. 可動子および駆動巻線を有するモータと、前記モータを正弦波駆動するための波形信号を生成する波形生成器と、前記波形信号に基づく駆動電圧を前記駆動巻線に印加するインバータと、前記駆動巻線の誘起電圧に対する前記駆動電圧の位相進み角度である進角値を設定する進角設定器とを備えるモータ駆動装置であり、前記進角設定器は複数の進角値を設定し得るものであり、かつ前記進角設定器によって前記駆動巻線に流れる正弦波状の駆動電流の位相が前記駆動巻線の誘起電圧の位相と概ね一致するように、前記複数の進角値のうち何れか一つの進角値を選択して設定し、この進角値は一定の値として固定されるモータ駆動装置。
2. 進角設定器は、モータの駆動速度の指令値に応じて進角値を選択して設定し、この進角値は一定の値に固定される請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 波形生成器とインバータと進角設定器の一部または全部を半導体集積回路にて形成し、モータに内蔵または一体化した構成を具備する請求項１または請求項２のいずれかに記載のモータ駆動装置。