JP5690700B2 - ブラシレスｄｃモータの回転子位置検出方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明はブラシレスＤＣモータの回転子位置検出方法とその装置に関する。

従来、この種のブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出するには、ロータリーエンコーダを用いるのが一般的であった。
ロータリーエンコーダはデジタル信号を出力するため制御性に優れる。しかし、その反面、高価という問題がある。また、エンコーダ本体に加えて信号線等のスペースも必要になるため、装置の小型化にはマイナスとなる。
このような問題を解決するため、特許文献１では、ブラシレスＤＣモータを制御するための３相の磁極検出用ホールセンサの信号から、６逓倍化手段と２相化手段とを用いて、２相エンコーダ相当の信号を生成する回転角度検出装置を提案している。

特開平１０−１１１３０４号公報

しかしながら、特許文献１の発明にあっては、２相エンコーダ相当の信号とはいうものの、Ｂ相の信号は単にＡ相の信号を電気角で９０°遅らせただけの信号であって、実質的には１相であるため、エンコーダの出力信号からモータ回転子の回転方向を判別することができないという問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、３つのホールセンサの信号出力とパルス交番信号の、合計４つの信号の値から、２相エンコーダの出力に相当する信号を生成することによって、モータ回転子の回転方向を判別することができるブラシレスＤＣモータの回転子位置検出方法とその装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ブラシレスＤＣモータの固定子に、１２０度の位相又は６０度の位相で３つのホールセンサを配置し、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の磁気を前記ホールセンサで検出し、前記ホールセンサの信号によって前記ブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出する方法であって、前記３つのホールセンサ信号の現在値と、その１つ前の値とから、前記回転子の回転方向を判別し、前記３つのホールセンサのうち、いずれか１つの立ち上がりエッジまたは、立ち下がりエッジを基準位置とし、かつ、この基準位置として立ち上がりエッジを選択するか、あるいは、立ち下がりエッジを選択するかは、前記回転子の回転方向によって決定して、前記基準位置を通過する度に交番する交番信号を生成し、前記３つのホールセンサの信号と、前記交番信号とから、２相エンコーダ出力相当のパルス信号を生成し、このパルス信号によって前記回転子位置を検出することにある。
また、本発明は、ブラシレスＤＣモータと、このブラシレスＤＣモータの固定子に、１２０度の位相又は６０度の位相で配置され、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の磁気を検出する３つのホールセンサと、前記ブラシレスＤＣモータの３つのホールセンサ信号をサンプリングし、現在値とその１つ前の値とから、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転方向を判別する回転方向判別部と、得られた回転方向情報と前記３つのホールセンサの信号とから、前記ホールセンサ信号の２倍の周期の交番信号を生成する交番信号生成部と、前記３つのホールセンサ信号と前記交番信号とに基づき２相エンコーダ相当の信号を生成する２相エンコーダ信号生成部とを備え、前記２相エンコーダ相当の信号から回転子位置を検出することにある。

本発明によれば、ロータリーエンコーダなどを取り付けることなく、既存のブラシレスＤＣモータに取り付けられたホールセンサ出力を位置検出装置に入力することで回転子の位置をカウントする信号を得ることが可能となる。また回転方向を知ることもできる。
さらに、ブラシレスＤＣモータの駆動回路に本発明の装置が装備されている場合、そのまま回転子の位置をエンコーダカウンタでカウントできる。
ホールセンサと本発明の位置検出装置をバッテリーバックアップすることで、停電時の回転子位置情報を保持できる。

本発明の実施の形態によるブラシレスＤＣモータの回転子位置検出装置を示す概念図である。 ２相エンコーダ相当の信号Ａ，Ｂを生成する手順を示すフローチャートである。 ホールセンサ出力の位相が１２０度で回転方向が時計方向であるときの３個のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗからの出力と、エンコーダ信号を示すタイミングパルス波形である。 ホールセンサ出力の位相が１２０度で回転方向が反時計方向であるときの３個のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗからの出力と、エンコーダ信号を示すタイミングパルス波形である。 図１の回転子位置検出装置のブロック図である。 ホールセンサ出力の位相が６０度で回転方向が時計方向であるときの３個のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗからの出力と、エンコーダ信号を示すタイミングパルス波形である。 ホールセンサ出力の位相が６０度で回転方向が反時計方向であるときの３個のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗからの出力と、エンコーダ信号を示すタイミングパルス波形である。 本発明の他の実施の形態を示す概念図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるブラシレスＤＣモータの回転子位置検出装置を示す概念図で、ブラシレスＤＣモータ１には、回転子の位置を検出する３つのホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗが内蔵されている。ホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗは、固定子の内側に一定間隔で３個配置され、例えば１２０度の位相でそれぞれ配置されている。この位相は６０度の位相で３個配置することもできる。
ブラシレスＤＣモータ１は、固定子を構成する固定子鉄心に巻線を巻装して一定間隔で例えば６つの磁極が設けられている。これら磁極には、デルタ結線またはスター結線により、それぞれＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線を構成するように固定子巻線が巻装されている。

３はブラシレスＤＣモータ１を駆動する駆動回路であり、この駆動回路３は、例えば、対をなすスイッチング素子を三組、並列接続して構成されるもので、電源から流れる電流を、スイッチング素子をＯＮ、ＯＦＦ制御して前記固定子巻線に駆動電流を流して駆動制御するものである。

４は前記３つのホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗから回転子の位置情報が入力され、回転子位置を検出する回転子位置検出装置である。この回転子位置検出装置４は、回転方向判別部４１と、交番信号生成部４２と、２相エンコーダ信号生成部４３とを備えている。前記回転方向判別部４１は、前記３つのホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗ信号の現在値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎ相信号と、その１つ前の値Ｕ_ｎ-１，Ｖ_ｎ-１，Ｗ_ｎ-１相信号から回転子の回転方向を判別するものである。前記交番信号生成部４２は、前記回転方向判別部４１で得られた回転方向情報と、前記３つのホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_ＷのＵ，Ｖ，Ｗ相信号とから前記ホールセンサ信号の２倍の周期の交番信号を生成するものである。前記２相エンコーダ信号生成部４３は、前記３つのホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_ＷのＵ，Ｖ，Ｗ相信号と、前記交番信号生成部４２からの交番信号Ｐとに基づき２相エンコーダ相当のＡ相，Ｂ相信号を生成するものである。このＡ相，Ｂ相信号はエンコーダカウンタ５に入力されてブラシレスＤＣモータ１の回転子位置が検出される。

次に、２相エンコーダ相当の信号Ａ，Ｂを生成する手順を図２のフローチャートを用いて説明する。
始めにホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗ信号の現在値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎ相信号から電気角１周期中の位置情報を得る（ステップ１）。
次にホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗ信号の現在値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎ相信号とその１つ前の値Ｕ_ｎ-１，Ｖ_ｎ-１，Ｗ_ｎ-１相信号と、から回転方向情報を得る（ステップ２）。
次に、３つのホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗのうちのどれか１つを選択し、選択したホールセンサの立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジを基準位置とし、基準位置を通過するごとに交番するパルス交番信号を生成する（ステップ３）。
この際、回転方向によって立ち上がりエッジか、立ち下がりエッジかを決定する。
たとえば回転方向が時計回り方向のときに立ち上がりエッジを基準位置にするように決めた場合、回転方向が反時計回り方向になったら、今度は立ち下がりエッジを基準位置としてパルス交番信号を生成するように変更する（ステップ４）。
そして、３つのホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの信号出力とパルス交番信号の、合計４つの信号の値から、２相エンコーダの出力Ａ，Ｂに相当する信号を生成する（ステップ５）。

次に、図３および図４には、ホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの位相が１２０度位相で、回転方向が時計回り方向（ＣＷ方向）、回転方向が反時計回り方向（ＣＣＷ方向）に回転しているブラシレスＤＣモータに取り付けられた３個のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗからの出力を示す。
図３は時計回り方向（ＣＷ方向）に回転しているブラシレスＤＣモータに取り付けられた３個のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗからの出力を示す。

算出したいエンコーダ信号Ａ，Ｂの一例は、図３の下部のとおりである。
ホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの出力は１周期６箇所の位置情報が検出可能である。一方、エンコーダＡ，Ｂから得られる位置情報は４種類である。このため、ホールセンサ出力が区間０から５まで経過すると区間０の出力に戻るが、エンコーダ出力は同一とはならない。

このことを、表１，２を使って説明する。この表１は、図３の信号を数値で表したものである。ただし、説明の都合上ＵＤカウンタは除いてある。

区間「０」のホールセンサ信号値は「１０１」で、エンコーダ値は「１０」である。
区間「６」のホールセンサ信号値は区間「０」と同じく「１０１」であるが、エンコーダ値は「０１」である。

このように、ホールセンサ信号値とエンコーダ値が一意対応になっていないため、３つのホールセンサ信号値から２相エンコーダの信号を直接生成することはできない。
そこで本実施例においては、図５に示すように、前記交番信号生成部４２にアップダウンカウンタ（ＵＤカウンタ）４２_ＵＤを用いて、表２のように、ホールセンサ信号の他に、新たにもう１つの信号を生成することにした。

アップダウンカウンタ４２_ＵＤの出力信号の生成方法について、表２を用いて以下に説明する。この表は、図３の信号を数値で表したものである。
便宜上、左から右へ進むのをＣＷ方向、その逆をＣＣＷ方向とする。
本実施例では、ＣＷ方向に回転した時のホールＵの立ち上がりエッジを基準位置として、交番信号生成部４２でパルス交番信号を生成することとする。

ＣＷ方向に回転していてホールＵの信号が立ち上がりエッジとなるのは、ホールＵの信号値が０から１に変わる区間「５」から「６」の間と、区間「１１」から「０」の間である。
よって表２のように、アップダウンカウンタ４２_ＵＤの出力値は、区間「５」と区間「１１」を通過する度に０→１→０→１…と交番するパルス信号となる。

次に、図４のように回転方向がＣＣＷ方向に変わった場合について説明する。
モータ回転子の回転方向については、３つのホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの値から判別可能である。ただし、現在値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎだけからでの判別は不可能で、現在値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎとその１つ前の値Ｕ_ｎ-１，Ｖ_ｎ-１，Ｗ_ｎ-１とを比較することによって回転方向を判別する。
たとえばホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの現在値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎが「１００」で、その前の値Ｕ_ｎ-１，Ｖ_ｎ-１，Ｗ_ｎ-１が「１１０」だったとする。現在値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎが「１００」ということは区間でいうと「１」か「７」ということになる。その前Ｕ_ｎ-１，Ｖ_ｎ-１，Ｗ_ｎ-１は「１１０」であるから、区間でいうと「２」か「８」ということになる。したがって、現在値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎの如何に係わらず回転方向はＣＣＷ方向であると判別できる。このように、３つのホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの現在値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎとその１つ前の値Ｕ_ｎ-１，Ｖ_ｎ-１，Ｗ_ｎ-１から回転方向の判別が可能である。

そして、回転方向がＣＣＷ方向になった場合には、パルス交番信号の基準位置をホールＵの立ち下がりエッジに変更する。
ただしこれは、基準位置自体を別の位置に移してしまうという意味ではない。
表２を用いて具体的に説明すると、区間「５」から「６」に移る際はホールＵの値は「０」から「１」になる。すなわち、立ち上がりエッジとなる。逆に区間「６」から「５」に移る際はホールＵの値は「１」から「０」になる。これは立ち下がりエッジということになる。
このように回転方向によって立ち上がり／立ち下がりが逆転してしまうため、回転方向によって立ち上がりエッジでカウントするか、立ち下がりエッジでカウントするかを変更する必要がある。

本実施例では、時計（ＣＷ）方向の回転時のホールＵの立ち上がりエッジを基準位置とし、基準位置から1周期を1bitのアップダウンカウンタ４２_ＵＤでカウントした。このときＣＷ方向回転の場合にはアップカウント、反時計（ＣＣＷ）方向の回転の場合にはダウンカウントするようにした。
以上のようにして、図３のＵＤカウンタ４２_ＵＤの出力信号を生成した。

なお、上記実施例のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの信号に対応するエンコーダ信号出力はー例であり、区間単位でずれる分には一向に問題はない。これは本発明に係わるエンコーダ相当出力信号が、インクリメンタルタイプであるためである。

ここで、初期設定について説明する。
電源投入直後は、当然であるが、現在値の１つ前の値が存在しない。
そこで、電源投入後の初期値は、現在値と1bitカウンタの値を０もしくは１とし、ＣＷ方向回転もしくはＣＣＷ回転時の正常な１つ前の値を選択し、エンコーダ出力を決定するようにする。
それは例えば、ホールセンサ信号の現在値が「１００」で、回転方向をＣＷ方向とする場合、１つ前の値を「１０１」に選択する、ということである。

図６と図７は、本発明の他の実施の形態で、図３と図４では、１２０度位相のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗを使用した場合について説明したが、ブラシレスＤＣモータでは、ホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの位相が６０度で使用される場合もある。このときのＣＷ方向回転時のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗと1bitアップダウンカウンタ４２_ＵＤ、エンコーダ出力の関係を示したのが図６である。
また、回転方向ＣＣＷ時のホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗと1bitアップダウンカウンタ４２_ＵＤ、エンコーダ出力の関係を示したのが図７である。
このようにホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの位相が６０度であっても、１２０度位相の場合と同様に、２相エンコーダ相当の信号を生成することが可能である。

本願発明における回転位置検出装置４は、前記実施の形態では、ブラシレスＤＣモータの駆動回路装置とは別体に設けたが、図８に示すように、ブラシレスＤＣモータの駆動回路装置に内蔵させることもできる。
なお、上記実施の形態では、交番信号生成部４２で、交番信号を生成するのにアップダウンカウンタを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の素子を使用して交番信号を生成しても良い。

以上説明したように、上記実施の形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
ロータリーエンコーダなどを取り付けることなく、既存のブラシレスＤＣモータに取り付けられたホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗの出力を位置検出装置４に入力することで回転子の位置をカウントする信号を得ることが可能となる。また回転方向を知ることもできる。
さらに、ブラシレスＤＣモータ１の駆動回路３に本発明の装置が装備されている場合、そのまま回転子の位置をエンコーダカウンタ５でカウントできる。
ホールセンサ２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗと本発明の位置検出装置４をバッテリーバックアップすることで、停電時の回転子位置情報を保持できる。

１ ブラシレスＤＣモータ
２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗ ホールセンサ
３ 駆動回路
４ 回転子位置検出装置
４１ 回転方向判別部
４２ 交番信号生成部
４２_ＵＤ アップダウンカウンタ
４３ ２相エンコーダ信号生成部
５ エンコーダカウンタ

Claims (2)

1. ブラシレスＤＣモータの固定子に、１２０度の位相又は６０度の位相で３つのホールセンサを配置し、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の磁気を前記ホールセンサで検出し、前記ホールセンサの信号によって前記ブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出する方法であって、
   前記３つのホールセンサ信号の現在値と、その１つ前の値とから、前記回転子の回転方向を判別し、
   前記３つのホールセンサのうち、いずれか１つの立ち上がりエッジまたは、立ち下がりエッジを基準位置とし、かつ、この基準位置として立ち上がりエッジを選択するか、あるいは、立ち下がりエッジを選択するかは、前記回転子の回転方向によって決定して、前記基準位置を通過する度に交番する交番信号を生成し、
   前記３つのホールセンサの信号と、前記交番信号とから、２相エンコーダ出力相当のパルス信号を生成し、
   このパルス信号によって前記回転子位置を検出することを特徴とするブラシレスＤＣモータの回転子位置検出方法。
2. ブラシレスＤＣモータと、このブラシレスＤＣモータの固定子に、１２０度の位相又は６０度の位相で配置され、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の磁気を検出する３つのホールセンサと、
   前記ブラシレスＤＣモータの３つのホールセンサ信号をサンプリングし、現在値と、その１つ前の値とから、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の回転方向を判別する回転方向判別部と、
   得られた回転方向情報と前記３つのホールセンサの信号とから、前記ホールセンサ信号の２倍の周期の交番信号を生成する交番信号生成部と、
   前記３つのホールセンサ信号と前記交番信号とに基づき２相エンコーダ相当の信号を生成する２相エンコーダ信号生成部と、
   を備え、前記２相エンコーダ相当の信号から回転子位置を検出することを特徴とするブラシレスＤＣモータの回転子位置検出装置。

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