JP6603959B2 - 多相ブラシレス直流モータ及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレス直流モータに関し、特に多相ブラシレス直流モータ及びその駆動方法に関する。

他のモータと比べて、ブラシレス直流モータは、省エネルギー及び高い信頼性という二つの利点を有し、増々人気が高くなっている。単相直流駆動は、一つのホール効果センサを有するシングルＨブリッジインバータによって実現される。また、センサに基づくまたはセンサなしの伝統的な三相直流モータは、通常３つのハーフブリッジによって駆動される。その相コイル巻線は、一般的に図１に示す３つの相コイル巻線１が共通のエンドポイントを有するようなスター型接続を利用する。台形、正弦波、フィールド指向制御は、最も一般的な転流方法です。しかし、この場合、インバータは、正弦波に近い電圧または電流しか出力できない。このような電圧または電流によって直流ブラシレスモータを駆動すると、高い電力消費および聞こえるノイズを引き起こしてしまう。

本発明が解決しようとする課題は、従来の巻線のスター型接続を打破し、直流ブラシレスモータのパフォーマンスを大幅に向上させるように、より完璧な正弦電圧と電流で各組の巻線を駆動するために、どうやって多相ブラシレス直流モータ及びその駆動方法を提供するのかということである。

本発明は、上記した一つ目の課題を解決するために、モータ本体および相コイル巻線を有する駆動モジュールを含む多相ブラシレス直流モータを構築する。駆動モジュールはさらにコントローラを含む。

コントローラにおいて、各出力端子は、各相のＨブリッジ単段インバータのそれぞれを制御するように各相のＨブリッジ単段インバータの制御ピンに電気的に接続され、その出力信号は、各相のＨブリッジ単段インバータを駆動するためのパルス幅変調された正弦波であり、それぞれのパルス幅変調された正弦波の周波数および振幅は同一である。

各相のＨブリッジ単段インバータの出力端子は、ぞれぞれの対応する相コイル巻線の両端に接続される。

相コイル巻線は、共通のエンドポイントを有しない独立した相コイル巻線であり、隣接する２つの相コイル巻線に対応するパルス幅変調された正弦波の間では、位相差が非ゼロであり、位相差が同じである

本発明が提供する多相ブラシレス直流モータによれば、位相は夾角とも称し、位相差は夾角差とも称する。

本発明が提供する多相ブラシレス直流モータによれば、直流モータの固定子コイルの巻線は、２組、３組または２と３の任意の倍数である。

本発明が提供する多相ブラシレス直流モータによれば、コントローラは、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）であってもよいし、または他のプログラマブルロジックアレイを有する電子部品であってもよい。パルス幅変調された正弦波は、ＣＯＲＤＩＣ（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＲｏｔａｔｉｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、座標回転デジタル計算方法）というアルゴリズムおよび乗算器によって実現される。

本発明が提供する多相ブラシレス直流モータによれば、コントローラは、アナログ回路ユニットまたはデジタル回路ユニットである。パルス幅変調された正弦波は、ハードウェア回路によって実現される。

本発明は、上記したもう一つの課題を解決するために、多相ブラシレス直流モータの駆動方法を構築する。特徴としては、各相のＨブリッジ単段インバータの制御ピンに電気的に接続される出力端子を有するコントローラ及び、対応する独立した相コイル巻線（１）の両端に電気的に接続される出力端子を有する各相のＨブリッジ単段インバータを利用し、以下のステップを含む：

５０１）コントローラは、同じ周波数および振幅を有するパルス幅変調された正弦波を出力して、各相のＨブリッジ単段インバータをそれぞれ駆動する。隣接する２つの相コイル巻線に対応するパルス幅変調された正弦波の間では、位相差が非ゼロであり、位相差が同じである。

５０２）各相のＨブリッジ単段インバータは、それぞれが対応して電気的に接続する独立の相コイル巻線に、対応する位相を有する正弦波駆動電圧または正弦波駆動電流を出力する。

本発明が提供する多相ブラシレス直流モータの駆動方法によれば、各相のＨブリッジ単段インバータは、好ましくいずれもシングルステージモードで作動する。

本発明が提供する多相ブラシレス直流モータの駆動方法によれば、直流モータの固定子コイルの巻線は、２組、３組または２と３の任意の倍数である。

本発明により提供された多相ブラシレス直流モータ及びその駆動方法は、従来の巻線のスター型接続を打破し、従来技術と比べて、以下のメリットがある：

１、それぞれの巻線は、Ｈブリッジ単段インバータを利用する；

２、巻線は、共通のエンドポイントを有しておらず、お互いに影響しない；

３、アルゴリズムは簡単であり、すべての巻線は、滑らかで純粋な正弦波で駆動される。

伝統的な三相直流モータの回路の概略構成図である。

本発明における好ましい実施形態に係る三相直流モータの回路の概略構成図である。

図1に示すＨブリッジ単段インバータの回路の概略構成図である。

図３に示すＨブリッジ単段インバータにより出力された、パルス幅変調された正弦波タイミング概略図である。

図３に示すＨブリッジ単段インバータの制御信号と出力電圧との間の真理値表の概略図である。

本発明における好ましい実施形態に係る二相直流モータの回路の概略構成図である。

図面の符号：１−相コイル巻線

本発明における好ましい実施形態に係る三相ブラシレス直流モータは、図２に示すような構成を有し、３つのＨブリッジ単段インバータによって駆動される。そのモータには、共通のエンドポイントを有しない３組の独立する相コイル巻線１が配置される。よって、すべての巻線は、滑らかで純粋な正弦波で駆動され、モータの相コイル巻線１が最小パワー高調波を有して、最大の駆動効率を達成できるようになる。さらに、このモータは、強力な高速ＦＰＧＡを使用して、３つのＨブリッジ単段インバータを同時に駆動する。

本発明における実施形態に係るＨブリッジ単段インバータは、図３に示すような構成を有し、４つのゲートｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４で駆動され、モータ駆動信号Ｖ_ＡＢを出力する。最良のスイッチング効率を達成するために、すべてのインバータは、ゲート信号によって駆動され、シングルステージモードで作動する。図4に示すように、Ｖ_ＡＮは仮想の作業場所Ｎに対するＡの電圧であり、Ｖ_ＢＮは仮想の作業場所Ｎに対するＢの電圧である。

本発明における好ましい実施形態に係る三相ブラシレス直流モータの具体的な作動原理は次の通りである。

ゲートによって駆動される各インバータは、ＦＰＧＡにおける対応する４つのデジタルピンによって駆動される。巻線を駆動する信号が完全に滑らかに純粋な正弦波となるように、正弦波パルス幅変調方式が採用される。サイクルごとには、振幅が一定であってパルス幅デューティサイクルが変化する５ＰＷＭが各組のＨブリッジインバータに送信される。デューティサイクルの変化する正弦波ＰＷＭ信号は各巻線に流れて、巻線上の電圧波形はＡＣ信号に類似し、すべてのインバータは、最大のスイッチング効率を達成するために、ゲート信号によって駆動されてシングルステージモードで作動する。３相ブラシレス直流モータの中の強力な高速ＦＰＧＡには、ＣＯＲＤＩＣサインアルゴリズムが組み込まれており、角度を決定するために３２データビットが使用される。その範囲は０〜３６０度である。角度のサイン値（＋１．０から−１．０まで）は、最小２秒の２４ビットデータで表される。データの符号は、巻線を流れる電流の方向を決定する。２４ビット×２４ビットの乗算器を介して、角度のサイン値の２４ビットデータにスイッチング周波数を掛けて、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを取得する。一定の時間間隔で、一定値と累積角度値が加算されれば、一定の単段変調正弦波が生成される。この一定値または時間間隔を変更すると、正弦波の周波数が変化する。

本実施形態では、３相の直流モータを駆動するために、角度値に１／３の３２ビットのフルスケール値を加算することにより、１２０度で第１の相コイル巻線よりも遅れた第２の相コイル巻線の位相電流の正弦波データを得る。同様に、角度値に２／３の３２ビットのフルスケール値を加算することにより、２４０度で第１の相コイル巻線よりも遅れた第３の相コイル巻線の位相電流の正弦波データを得る。この順番で、電流はそれぞれの相コイル巻線に流れる。このようにして、モータを回転させて完全な同期を達成することができる。

図５は、ＦＰＧＡがＨブリッジインバータに与える制御信号と、インバータブリッジがモータに出力する相電圧との間の真理値関係を示す。

異なるタイプの多相モータの場合、相と相との間の角度が同じであれば、例えば９０度の位相角を有する２相ブラシレス直流モータと同様な方法で駆動することができる。その回路構成は図６に示される。２相直流モータのＦＰＧＡの制御アルゴリズムは、３相直流モータの場合と同様であり、２相直流モータがＨブリッジインバータに与える制御信号と、インバータブリッジがモータに出力する相電圧との真理値関係は、３相直流モータと同じである。ここで、説明を繰り返しない。
本発明の実施形態

産業の実用性

以上の説明は、本発明の好適な実施形態に過ぎず、本発明の特許請求の範囲に基づいて行った均等の変更及び修正はすべて、本発明の特許請求の範囲に含まれる。

配列リストのフリー・コンテンツ
［項目１］
モータ本体と、相コイル巻線（１）を含む駆動モジュールとを備える多相ブラシレス直流モータであって、
上記駆動モジュールはさらに、コントローラを含み、
上記コントローラの各出力端子は、各相のＨブリッジ単段インバータのそれぞれを制御するように上記各相のＨブリッジ単段インバータの制御ピンに電気的に接続され、その出力信号は、上記各相のＨブリッジ単段インバータを駆動するためのパルス幅変調された正弦波であり、それぞれの上記パルス幅変調された正弦波の周波数および振幅は同一であり、
上記各相のＨブリッジ単段インバータの出力端子は、ぞれぞれの対応する相コイル巻線の両端に接続され、
上記相コイル巻線は、独立した相コイル巻線であり、隣接する２つの上記相コイル巻線に対応するパルス幅変調された正弦波の間では、位相差が非ゼロであり、位相差が同じである
ことを特徴とする多相ブラシレス直流モータ。
［項目２］
上記相コイル巻線の組数は、２組、３組または２と３の任意の倍数である、項目１に記載の多相ブラシレス直流モータ。
［項目３］
上記コントローラはＦＰＧＡであることを特徴とする項目１に記載の多相ブラシレス直流モータ。
［項目４］
上記コントローラは、アナログ回路ユニットまたはデジタル回路ユニットであることを特徴とする項目１に記載の多相ブラシレス直流モータ。
［項目５］
多相ブラシレス直流モータの駆動方法であって、コントローラ、及び、各相の出力端子が対応する独立した相コイル巻線（１）の両端に電気的に接続されるＨブリッジ単段インバータを利用して、
５０１）上記コントローラは、同じ周波数および振幅を有するパルス幅変調された正弦波を出力して、各相のＨブリッジ単段インバータをそれぞれ駆動し、隣接する２つの上記相コイル巻線に対応するパルス幅変調された正弦波の間では、位相差が非ゼロであり、位相差が同じであるステップと、
５０２）上記各相のＨブリッジ単段インバータは、それぞれに対応する独立した相コイル巻線（１）に電気的に接続され、対応する位相を有する正弦波駆動電圧または正弦波駆動電流を出力するステップとを、
含むことを特徴する多相ブラシレス直流モータの駆動方法。
［項目６］
上記各相のＨブリッジ単段インバータは、いずれもシングルステージモードで作動することを特徴とする項目５に記載の多相ブラシレス直流モータの駆動方法。
［項目７］
上記相コイル巻線の組数は、２組、３組または２と３の任意の倍数であることを特徴とする項目５に記載の多相ブラシレス直流モータの駆動方法。

Claims (11)

1. 多相ブラシレス直流モータであって、
   モータ本体と駆動モジュールとデジタルコントローラとを備え、前記駆動モジュールは、それぞれが２つの端部を含む複数の相コイル巻線を有し、
   前記駆動モジュールはさらに、複数のＨブリッジ単段インバータを有し、前記複数のＨブリッジ単段インバータのそれぞれが、前記多相ブラシレス直流モータの各相を表し、
   前記デジタルコントローラは、複数の出力端子を含み、
   前記複数のＨブリッジ単段インバータのそれぞれはさらに、前記複数の相コイル巻線が共通のエンドポイントを有することなく独立して作動するように配置された、前記複数の相コイル巻線のそれぞれのものの前記２つの端部と電気的に接続する２つの出力端を有しており、
   前記デジタルコントローラの前記複数の出力端子のうちの１又は複数は、前記複数のＨブリッジ単段インバータのそれぞれの各制御ピンと電気的に接続し、前記デジタルコントローラの出力信号は、パルス幅変調された正弦波であり、前記パルス幅変調された正弦波は、前記複数のＨブリッジ単段インバータのそれぞれを駆動し、
   前記パルス幅変調された正弦波は、同じ周波数及び振幅であり、
   前記複数の相コイル巻線の各自が互いに独立しており、前記パルス幅変調された正弦波は、非ゼロの位相差を有する２つの隣接する相コイル巻線ごとに対応し、前記複数の相コイル巻線の位相差は同じである、多相ブラシレス直流モータ。
2. 前記複数の相コイル巻線は、２つの相コイル巻線、３つの相コイル巻線、及び、２又は３の倍数である数の相コイル巻線のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の多相ブラシレス直流モータ。
3. 前記デジタルコントローラは、パルス幅変調された正弦波を提供するためのＣＯＲＤＩＣサインアルゴリズムが組み込まれている、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイコントローラである、請求項１に記載の多相ブラシレス直流モータ。
4. 前記フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイコントローラは、アナログ及びデジタル回路のうちの少なくとも一方を有する、請求項３に記載の多相ブラシレス直流モータ。
5. 前記複数の相コイル巻線は、共通のエンドポイントを有することなく並列に配置される、請求項１に記載の多相ブラシレス直流モータ。
6. 多相ブラシレス直流モータの駆動方法であって、前記多相ブラシレス直流モータは、それぞれが２つの端部を含む複数の相コイル巻線を有する駆動モジュールを備え、前記駆動モジュールはさらに、複数のＨブリッジ単段インバータを有し、前記複数のＨブリッジ単段インバータのそれぞれは、前記多相ブラシレス直流モータの各相を表し、前記複数のＨブリッジ単段インバータのそれぞれはさらに、前記複数の相コイル巻線が共通のエンドポイントを有することなく独立して作動するように配置された、前記複数の相コイル巻線のそれぞれのものの前記２つの端部と電気的に接続する２つの出力端を有し、前記方法は、
   コントローラから、同じ周波数および振幅を有するパルス幅変調された信号を出力し、それによって、各相の前記複数のＨブリッジ単段インバータをそれぞれ駆動するステップ
   を備えており、
   前記方法はさらに、
   前記コントローラから、同じ周波数および振幅を有するパルス幅変調された正弦波を出力し、それによって、各相の前記複数のＨブリッジ単段インバータをそれぞれ駆動するステップであって、前記パルス幅変調された正弦波は、非ゼロの位相差を有する２つの隣接する相コイル巻線ごとに対応し、前記複数の相コイル巻線の位相差は同じである、ステップと、
   それらの対応する相において正弦波駆動電圧又は正弦波駆動電流を、前記複数のＨブリッジ単段インバータのそれぞれから、対応して電気的に接続された前記複数の相コイル巻線に出力するステップと、
   を備える、多相ブラシレス直流モータの駆動方法。
7. 各相の前記複数のＨブリッジ単段インバータのそれぞれは、単段モードで作動し、前記コントローラが、０〜３６０度の範囲で角度を決定するために、データビットを使用する、請求項６に記載の多相ブラシレス直流モータの駆動方法。
8. 前記複数の相コイル巻線は、２つの相コイル巻線、３つの相コイル巻線、及び、２又は３の倍数である数の相コイル巻線のうちの少なくとも１つを有する、請求項６に記載の多相ブラシレス直流モータの駆動方法。
9. 前記複数の相コイル巻線は、共通のエンドポイントを有することなく並列に配置される、請求項６に記載の多相ブラシレス直流モータの駆動方法。
10. ３相ブラシレス直流モータであって、
    モータ本体と駆動モジュールとデジタルコントローラとを備え、前記駆動モジュールは、それぞれが２つの端部を有する３つの相コイル巻線を有し、
    前記駆動モジュールはさらに、３つのＨブリッジ単段インバータを有し、前記３つのＨブリッジ単段インバータのそれぞれは、前記３相ブラシレス直流モータの３相の各相を表し、
    前記デジタルコントローラは、複数の出力端子を含み、
    前記３つのＨブリッジ単段インバータのそれぞれはさらに、前記３つの相コイル巻線は、共通のエンドポイントを有することなく独立して作動するように配置された、前記３つの相コイル巻線のそれぞれのものの前記２つの端部と電気的に接続する２つの出力端を有しており、
    前記デジタルコントローラの前記出力端子は、前記３つのＨブリッジ単段インバータのそれぞれの各制御ピンと電気的に接続し、前記デジタルコントローラの出力信号は、組み込まれているＣＯＲＤＩＣサインアルゴリズムによって提供されるパルス幅変調された正弦波であり、前記パルス幅変調された正弦波は、前記３つのＨブリッジ単段インバータのそれぞれを駆動し、
    前記パルス幅変調された正弦波は、同じ周波数及び振幅であり、
    前記３つの相コイル巻線の各自が互いに独立しており、前記パルス幅変調された正弦波は、非ゼロの位相差を有する２つの隣接する相コイル巻線ごとに対応し、前記３つの相コイル巻線の位相差は同じである、３相ブラシレス直流モータ。
11. 前記３つの相コイル巻線は、共通のエンドポイントを有することなく並列に配置される、請求項１０に記載の３相ブラシレス直流モータ。