JP6952408B2 - A drive device for a brushless motor, a brushless motor, and a medical handpiece using the brushless motor. - Google Patents

A drive device for a brushless motor, a brushless motor, and a medical handpiece using the brushless motor. Download PDF

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Description

本発明は、ホール素子等のセンサを用いないでステータコイルに対するロータの位置検出を行うセンサレスのDCブラシレスモータに関し、特に、低速度の回転領域であっても、ロータの位置検出が可能なモータ制御装置と、このモータ駆動装置を用いたブラシレスモータと、このブラシレスモータを用いた医療用ハンドピースに関するものである。 The present invention relates to a sensorless DC brushless motor that detects the position of the rotor with respect to the stator coil without using a sensor such as a Hall element. In particular, motor control capable of detecting the position of the rotor even in a low-speed rotation region. The present invention relates to a device, a brushless motor using this motor drive device, and a medical handpiece using this brushless motor.

従来から、広く歯科や外科の治療に用いられる医療用ハンドピース(以下、ハンドピース)の駆動源として、DCブラシレスモータ(以下、ブラシレスモータ)が用いられている。ハンドピースは、歯牙や骨の切削を行うものであり、ヘッドの部分に回転して切削する刃を有する。この刃は、ファイル又はリーマといわれるものであり、切削工具である。
このようなハンドピースは、使用時に患者又は使用者に対しての感染を予防するために、あらかじめ滅菌処理を行う必要がある。従って、ハンドピースの刃を回転させるために用いられる駆動用のブラシレスモータには、滅菌処理に耐えることが可能な性能が求められている。
このようなハンドピースの滅菌処理は、一般的にオートクレーブが用いられる。オートクレーブは、機器内部にハンドピースを保持する空間を有し、この空間内部を約120〜約135度の水蒸気で満たし、高温・高圧の状態に保つことにより、ハンドピースの滅菌を行う装置である。
Conventionally, a DC brushless motor (hereinafter, brushless motor) has been used as a drive source for a medical handpiece (hereinafter, handpiece) widely used for dental and surgical treatment. The handpiece cuts teeth and bones, and has a blade that rotates and cuts at the head portion. This blade is called a file or reamer and is a cutting tool.
Such handpieces need to be sterilized in advance to prevent infection to the patient or user during use. Therefore, the drive brushless motor used to rotate the blade of the handpiece is required to have performance capable of withstanding sterilization.
An autoclave is generally used for the sterilization process of such a handpiece. An autoclave is a device that sterilizes a handpiece by having a space inside the device to hold the handpiece, filling the space with water vapor of about 120 to about 135 degrees Celsius, and keeping it in a high temperature and high pressure state. ..

しかしながら、ホール素子等の磁極位置センサを用いて、ステータコイルに対するロータのマグネットの磁極の相対位置を検出して、これに基づき、回転駆動を行うブラシレスモータは、磁極位置センサとその周辺回路が高温・高圧状態の水蒸気によって劣化し故障する恐れがある。
このため、医療用ハンドピースに用いられる駆動用モータは、磁極位置センサを用いないで回転駆動制御を行うセンサレス方式のブラシレスモータが望まれている。
However, in a brushless motor that detects the relative position of the magnetic poles of the rotor magnet with respect to the stator coil using a magnetic pole position sensor such as a Hall element and drives the rotation based on this, the magnetic pole position sensor and its peripheral circuits have a high temperature.・ There is a risk of deterioration and failure due to high-pressure steam.
Therefore, as the drive motor used for the medical handpiece, a sensorless brushless motor that performs rotational drive control without using a magnetic pole position sensor is desired.

このセンサレス方式のブラシレスモータの制御には、ロータマグネットの回転によってステータコイルに発生する逆起電圧を利用する方法がある。この方法は比較的簡易ではあるが、低速度領域では逆起電圧が極小になるため検出が困難で利用できない。
そこで、低速度領域で駆動する用途には、ロータの位置によってステータコイルのインダクタンスが変化する現象を利用する。
インダクタンスの変化は、ロータの回転数には関係なく、位置に依存して発生するため、静止時及び低速度領域での利用が可能である。この静止時及び低速度領域での位置センサレス制御については、様々な方法が提案されている。
To control this sensorless brushless motor, there is a method of utilizing the counter electromotive voltage generated in the stator coil by the rotation of the rotor magnet. Although this method is relatively simple, it cannot be used because it is difficult to detect because the counter electromotive voltage becomes extremely small in the low speed region.
Therefore, for applications that drive in a low speed region, the phenomenon that the inductance of the stator coil changes depending on the position of the rotor is used.
Since the change in inductance occurs depending on the position regardless of the rotation speed of the rotor, it can be used at rest and in a low speed region. Various methods have been proposed for position sensorless control at rest and in a low speed region.

例えば、特許文献1には、ステータコイルに短パルス電流を順方向と逆方向に順次流し、非通電相に現れる誘起電圧を、順方向と逆方向で合成し、誘起電圧の極性判定から通電相を決定する方法が開示されている。
また、特許文献2には、短パルス電流を流して、ロータの静止位置の違いによって微妙に変化するインダクタンスの差で生じるキックバック時間の差に基づいて、ロータ静止位置の識別を行う方法が開示されている。
また、特許文献3には、モータに短時間通電を行って、非通電相のコイルに誘起される電圧を検知し、誘起電圧の振幅からロータの磁極位置を検出する方法が開示されている。
また、特許文献4には、非通電相のコイルに誘起される電圧を検知して基準電圧と比較し、その結果に応じて通電相を切り替える方法が開示されている。
For example, in Patent Document 1, a short pulse current is sequentially passed through the stator coil in the forward and reverse directions, the induced voltage appearing in the non-energized phase is synthesized in the forward and reverse directions, and the current-carrying phase is determined based on the polarity determination of the induced voltage. The method of determining is disclosed.
Further, Patent Document 2 discloses a method of identifying a rotor stationary position based on a difference in kickback time caused by a difference in inductance that slightly changes depending on a difference in the stationary position of the rotor by passing a short pulse current. Has been done.
Further, Patent Document 3 discloses a method in which a motor is energized for a short time, a voltage induced in a coil in a non-energized phase is detected, and a magnetic pole position of a rotor is detected from the amplitude of the induced voltage.
Further, Patent Document 4 discloses a method of detecting a voltage induced in a coil of a non-energized phase, comparing it with a reference voltage, and switching the energized phase according to the result.

特開2001−275387号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-275387 特開2002−335691号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-335691 特開2003−189674号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-189674 特開2009−189176号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-189176

しかしながら、各特許文献に開示されている方法で、歯科や外科において用いられるハンドピースにおいて、駆動用のブラシレスモータを低速で駆動すると様々な課題がある。
特許文献1に開示されている方法では、ステータコイルに短パルス電流を順方向と逆方向に順次流すので、これを低速駆動に用いようとすれば、所望の電流とは逆の電流が流れる期間が生じることにより、スムーズな動作を妨げるという課題がある。
However, in the handpiece used in dentistry and surgery by the method disclosed in each patent document, there are various problems when the brushless motor for driving is driven at a low speed.
In the method disclosed in Patent Document 1, a short pulse current is sequentially passed through the stator coil in the forward and reverse directions. Therefore, if this is used for low-speed driving, a period opposite to the desired current flows. There is a problem that smooth operation is hindered due to the occurrence of.

また、特許文献2に開示されている方法では、短パルス電流を流して、ロータの静止位置の違いによって微妙に変化するインダクタンスの差で生じるキックバック時間の差を検出する。このキックバック時間は、ロータの静止位置の違いによって変化するだけでなく、低速駆動時には、負荷によっても変化する。
従って、刃による切削に係る負荷変動がある歯科、外科治療で用いるハンドピースを駆動するモータに適用することが難しいという課題がある。
Further, in the method disclosed in Patent Document 2, a short pulse current is passed, and a difference in kickback time caused by a difference in inductance that slightly changes due to a difference in the stationary position of the rotor is detected. This kickback time not only changes depending on the difference in the stationary position of the rotor, but also changes depending on the load during low-speed driving.
Therefore, there is a problem that it is difficult to apply it to a motor for driving a handpiece used in dental and surgical treatments, which has a load fluctuation related to cutting by a blade.

更に、特許文献3及び特許文献4に開示されている方法では、非通電相のコイルに誘起される電圧を検知し、その振幅を参照、或いは、基準値と比較するので、製造上の誤差によって生じるステータコイルのばらつきにより、検知精度が影響を受けやすい。
従って、製造上の誤差やばらつきによる影響を抑制するために、モータ個体ごと、或いは、相ごとに値を補正する作業が必要となるという課題がある。
Further, in the methods disclosed in Patent Documents 3 and 4, the voltage induced in the coil of the non-energized phase is detected, and the amplitude thereof is referred to or compared with the reference value. The detection accuracy is easily affected by the variation of the stator coil that occurs.
Therefore, there is a problem that it is necessary to correct the value for each motor or each phase in order to suppress the influence of manufacturing errors and variations.

特に、ブラシレスモータを低速で駆動するなどして、刃の回転をコントロールして、少しずつ歯牙や骨等の切削の程度や加減を調整するような使い方をする歯科や外科用のハンドピースでは、以上のような課題がある場合、使用者が繊細な操作をすることが難しくなる。 In particular, for dental and surgical handpieces that are used to control the rotation of the blade by driving a brushless motor at a low speed and gradually adjust the degree and degree of cutting of teeth and bones. When there are the above problems, it becomes difficult for the user to perform delicate operations.

本発明は、上記の課題を解決するためのものであり、ロータの位置によってステータコイルのインダクタンスが変化する現象を利用して、ロータの位置検出する場合に、ステータコイルに一方向に電流を流した後、更に、逆方向に流す必要が無く、低速でのスムーズな動作の駆動方法を提供することを目的とする。 The present invention is for solving the above-mentioned problems, and when the position of the rotor is detected by utilizing the phenomenon that the inductance of the stator coil changes depending on the position of the rotor, a current flows through the stator coil in one direction. After that, it is not necessary to flow in the opposite direction, and it is an object of the present invention to provide a driving method for smooth operation at a low speed.

課題を解決する為には、3つの相により回転駆動するブラシレスモータを制御するモータ駆動装置において、3つの相に通電する駆動手段と、駆動手段を制御する制御手段と、いずれかの相の端子電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段の検出値を記憶する記憶手段と、を備え、第1の状態として、3つの相の内、2つの相に通電させて通電相とした状態において、電圧検出手段は、相のうち通電していない非通電相の第1の電圧を検出して記憶手段に記憶し、第2の状態として、全ての相に通電を行っていない状態において、電圧検出手段は、第1の状態において非通電相であった相の第2の電圧を検出して記憶手段に記憶し、制御手段は、第1の電圧と第2の電圧に基づき、駆動手段により通電する相を切り替え、電圧検出手段は、第1の状態から第2の状態に切り替えた後、ブラシレスモータに還流電流が流れ続けている間に、第2の電圧を検出するように構成すれば良い。
In order to solve the problem, in a motor drive device that controls a brushless motor that is rotationally driven by three phases, a drive means that energizes the three phases, a control means that controls the drive means, and terminals of either phase. A voltage detecting means for detecting a voltage and a storage means for storing a detection value of the voltage detecting means are provided, and as a first state, in a state in which two of the three phases are energized to form an energized phase. , The voltage detecting means detects the first voltage of the non-energized phase among the phases and stores it in the storage means, and as the second state, the voltage in the state where all the phases are not energized. The detecting means detects the second voltage of the phase that was the non-energized phase in the first state and stores it in the storage means, and the controlling means is based on the first voltage and the second voltage by the driving means. If the energized phase is switched and the voltage detecting means is configured to detect the second voltage while the recirculation current continues to flow through the brushless motor after switching from the first state to the second state. good.

本発明によれば、センサレスのブラシレスモータの駆動において、ロータの位置によってステータコイルのインダクタンスが変化する現象を利用して、ステータコイルに対するロータの位置検出する場合に、モータ端子電圧を参照して、ステータコイルのインダクタンスを変化を捉えて位置検出するので、負荷変動によるモータ電流の変化に関わらず、低速回転で駆動制御を行うことができる。 According to the present invention, in driving a sensorless brushless motor, when the position of the rotor with respect to the stator coil is detected by utilizing the phenomenon that the inductance of the stator coil changes depending on the position of the rotor, the motor terminal voltage is referred to. Since the position is detected by capturing the change in the inductance of the stator coil, the drive control can be performed at a low speed regardless of the change in the motor current due to the load fluctuation.

モータ駆動装置に接続するブラシレスモータと歯科用ハンドピースの概略図Schematic of a brushless motor and dental handpiece connected to a motor drive 駆動装置とこの駆動装置に接続するブラシレスモータの回路図Circuit diagram of the drive unit and the brushless motor connected to this drive unit ブラシレスモータにおいて、ロータ磁石と各相の関係を示す概略図Schematic diagram showing the relationship between the rotor magnet and each phase in a brushless motor 図3の角度θdに対する各コイルのインダクタンスの変化を示すグラフGraph showing the change of the inductance of each coil with respect to the angle θd of FIG. モータの通電状態の一例であり、V相とW相に通電してU相を非通電にした状態を示す等価回路This is an example of the energized state of the motor, and is an equivalent circuit showing a state in which the V phase and the W phase are energized and the U phase is de-energized. ロータ磁石の位相に対する中性点電圧のグラフGraph of neutral voltage with respect to rotor magnet phase モータの正逆回転制御の制御ステップを示すフローチャートFlowchart showing control steps of forward / reverse rotation control of motor U相が非通電相である状態を示すインバータ及びモータの等価回路Equivalent circuit of inverter and motor indicating the state where the U phase is the non-energized phase 図8の状態から全てのスイッチング素子をオフした直後の状態の等価回路Equivalent circuit in the state immediately after turning off all switching elements from the state shown in FIG. 図8と図9の状態におけるモータ端子電圧の状態を示すグラフA graph showing the state of the motor terminal voltage in the states of FIGS. 8 and 9. モータ端子電圧から中性点電圧である第1の電圧と第2の電圧をサンプリングする様子を示すグラフA graph showing how the first voltage and the second voltage, which are the neutral point voltages, are sampled from the motor terminal voltage. ロータ磁石の回転によって、U相、V相、W相のステータコイルに発生する逆起電圧を示すグラフA graph showing the counter electromotive voltage generated in the U-phase, V-phase, and W-phase stator coils due to the rotation of the rotor magnet. 図12の逆起電圧が図11のU相端子電圧に重畳した様子を示すグラフA graph showing how the counter electromotive voltage of FIG. 12 is superimposed on the U-phase terminal voltage of FIG. 一般的なコイルの両端に電圧Vdを印加、遮断を繰り返した場合の波形を示すグラフA graph showing the waveform when voltage Vd is applied to both ends of a general coil and cutoff is repeated.

以下、発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明のモータ駆動装置M(以下、駆動装置M)と、この駆動装置Mにより駆動されるセンサレスDCブラシレスモータ4(以下、モータ4)と、このモータ4が接続する歯科用ハンドピースH(以下、ハンドピースH)の概略構成を示す図である。
ハンドピースHは、モータ4により得られる回転トルクを前端のヘッドに位置する刃Haに伝達し、刃Haを回転駆動する。使用者はハンドピースHを握り、回転する刃Haにより歯牙等を切削する。
Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a motor drive device M (hereinafter, drive device M) of the present invention, a sensorless DC brushless motor 4 (hereinafter, motor 4) driven by the drive device M, and a dental hand to which the motor 4 is connected. It is a figure which shows the schematic structure of piece H (hereinafter, handpiece H).
The handpiece H transmits the rotational torque obtained by the motor 4 to the blade Ha located at the front end head, and rotationally drives the blade Ha. The user grasps the handpiece H and cuts teeth and the like with a rotating blade Ha.

図2は、本発明の駆動装置Mとこの駆動装置Mに接続するモータ4の回路図を示す。
駆動装置Mは、インバータ1と制御手段3とロータ位置検出回路5(以下、位置検出回路5)を有する。制御手段3は、記憶手段を有する。モータ4は、3相のステータコイルLu,Lv,Lw(以下、コイルLu,Lv,Lw)を有し、インバータ1に接続する。
インバータ1は、モータ4の駆動手段であり、6個のスイッチング素子(U+,U−,V+,V−,W+,W−)を有する。直流電源2は、このインバータ1に電圧Vdを供給する。制御手段3は、インバーター1のコントローラであり、6個のスイッチング素子を適宜オン,オフする。これにより、コイルLu,Lv,Lwに流れる電流が適宜変化し、ロータが回転する。
FIG. 2 shows a circuit diagram of the drive device M of the present invention and the motor 4 connected to the drive device M.
The drive device M includes an inverter 1, a control means 3, and a rotor position detection circuit 5 (hereinafter, position detection circuit 5). The control means 3 has a storage means. The motor 4 has three-phase stator coils Lu, Lv, Lw (hereinafter, coils Lu, Lv, Lw) and is connected to the inverter 1.
The inverter 1 is a driving means of the motor 4 and has six switching elements (U +, U−, V +, V−, W +, W−). The DC power supply 2 supplies the voltage Vd to the inverter 1. The control means 3 is a controller of the inverter 1, and turns on and off six switching elements as appropriate. As a result, the currents flowing through the coils Lu, Lv, and Lw change appropriately, and the rotor rotates.

位置検出回路5は、モータ4において、コイルLu,Lv,Lwに対するロータ磁石4aの磁極の相対位置を検出するための回路でり、モータ4のコイルLu,Lv,Lwと接続する端子とインバータ1の間に接続する。また、位置検出回路5は、分圧回路5a,5b,5cと増幅器5d,5e,5fを有する。
分圧回路5a,5b,5cは、モータ端子電圧Vu,Vv,Vwを検出する電圧検出手段である。この分圧回路5,6,7は、モータ端子電圧Vu,Vv,Vwを各々低電圧にして電圧信号S1,S2,S3を制御手段3に出力する。制御手段3は、入力した電圧信号S1,S2,S3を記憶手段に記憶し、これに基づき、後述する中心電圧Vn,Vn’を検出する。
増幅器5d,5e,5fは、モータ端子電圧Vu,Vv,Vwの相間電圧を増幅し、電圧信号S4,S5,S6を制御手段3に出力する。制御手段3は、入力した電圧信号S4,S5,S6を記憶手段に記憶し、これに基づき、逆起電圧eu,ev,ewを検出する。
The position detection circuit 5 is a circuit for detecting the relative position of the magnetic pole of the rotor magnet 4a with respect to the coils Lu, Lv, Lw in the motor 4, and the terminal connected to the coils Lu, Lv, Lw of the motor 4 and the inverter 1 Connect between. Further, the position detection circuit 5 includes voltage dividing circuits 5a, 5b, 5c and amplifiers 5d, 5e, 5f.
The voltage dividing circuits 5a, 5b, and 5c are voltage detecting means for detecting the motor terminal voltages Vu, Vv, and Vw. The voltage dividing circuits 5, 6 and 7 set the motor terminal voltages Vu, Vv and Vw to low voltages, respectively, and output the voltage signals S1, S2 and S3 to the control means 3. The control means 3 stores the input voltage signals S1, S2, and S3 in the storage means, and detects the center voltages Vn and Vn'described later based on the stored voltage signals S1, S2, and S3.
The amplifiers 5d, 5e, 5f amplify the interphase voltage of the motor terminal voltages Vu, Vv, Vw, and output the voltage signals S4, S5, S6 to the control means 3. The control means 3 stores the input voltage signals S4, S5, S6 in the storage means, and detects the counter electromotive voltages eu, ev, and ew based on the stored voltage signals S4, S5, and S6.

つまり、位置検出回路5は、3つの相のコイルに対応するモータ端子電圧(Vu,Vv,Vw)を検出したり、各コイル間の電圧を比較する。そして、検出したモータ端子電圧等に係る信号は、制御手段3に出力される。制御手段3は、端子電圧に係る検出値等を制御手段に記憶する。制御手段3は、これらの検出信号に基づいて、インバーター1を制御して、モータ4の駆動制御を行う。
尚、VuはU相の端子電圧であり、VvはV相の端子電圧であり、VwはW相の端子電圧である。また、euはU相に生じる逆起電圧であり、evはV相に生じる逆起電圧であり、ewはW相に生じる逆起電圧である。
That is, the position detection circuit 5 detects the motor terminal voltages (Vu, Vv, Vw) corresponding to the coils of the three phases, and compares the voltages between the coils. Then, the detected signal related to the motor terminal voltage or the like is output to the control means 3. The control means 3 stores the detected value and the like related to the terminal voltage in the control means. The control means 3 controls the inverter 1 based on these detection signals to control the drive of the motor 4.
Vu is the U-phase terminal voltage, Vv is the V-phase terminal voltage, and Vw is the W-phase terminal voltage. Further, eu is a counter electromotive voltage generated in the U phase, ev is a counter electromotive voltage generated in the V phase, and ew is a counter electromotive voltage generated in the W phase.

次に、図3は、モータ4において、ロータ磁石4aと各相(U相、V相、W相)の関係を示す概略図である。角度θd は、U相コイルLuとロータ磁石4aのなす角度を示す。言い換えると、角度θdは、モータ4のロータの回転中心とU相のコイルの磁気中心をつなぐ直線を基準としたロータ磁石4aの磁極方向直線の傾きの角度である。 Next, FIG. 3 is a schematic view showing the relationship between the rotor magnet 4a and each phase (U phase, V phase, W phase) in the motor 4. The angle θd indicates the angle formed by the U-phase coil Lu and the rotor magnet 4a. In other words, the angle θd is the angle of inclination of the magnetic pole direction straight line of the rotor magnet 4a with respect to the straight line connecting the rotation center of the rotor of the motor 4 and the magnetic center of the U-phase coil.

次に、図4は、角度θdに対するコイルインダクタンスの時間経過に対する変化を示すグラフである。つまり、図4は、角度θdの値によって、モータ4の各コイルのコイルインダクタンスが変化する様子を示す。尚、LuはU相のインダクタンスを示し、LvはV相のインダクタンスを示し、LwはW相のインダクタンスを示す。
コイルインダクタンス(Lu,Lv,Lw)は、回転するロータ磁石4aの磁束の影響により、モータ4が1回転する0度から360度の間に、2度のピークを持つように変動する。
コイルインダクタンスが、ロータ磁石4aの位置によって変動するため、この変化を捉えれば、ステータコイルに対するロータ磁石4aの位置を検出可能である。尚、実際のモータ4のインダクタンス変化は、磁束飽和の影響などでなめらかな正弦波にはならないが、模式的に示している。
Next, FIG. 4 is a graph showing the change of the coil inductance with respect to the angle θd with time. That is, FIG. 4 shows how the coil inductance of each coil of the motor 4 changes depending on the value of the angle θd. Lu indicates the inductance of the U phase, Lv indicates the inductance of the V phase, and Lw indicates the inductance of the W phase.
The coil inductance (Lu, Lv, Lw) fluctuates so as to have a peak of 2 degrees between 0 degrees and 360 degrees when the motor 4 makes one rotation due to the influence of the magnetic flux of the rotating rotor magnet 4a.
Since the coil inductance fluctuates depending on the position of the rotor magnet 4a, the position of the rotor magnet 4a with respect to the stator coil can be detected by capturing this change. It should be noted that the actual change in the inductance of the motor 4 does not become a smooth sine wave due to the influence of magnetic flux saturation and the like, but it is shown schematically.

ここで、コイルインダクタンスの変化を検知するには、特許文献2に示すようにモータ電流によって生じるキックバック時間の長短を比較する方法がある。
モータコイルに通電した後、インバータのスイッチング素子をオフすると、コイルのインダクタンスに蓄えられたエネルギーがなくなるまで、キックバック電圧が発生する。インダクタンスが大きくなると、キックバック時間は長くなるので、キックバック時間の長短を比較すればロータ磁石の位置を検出できる。
しかし、キックバック時間は、モータ負荷の増減によってモータ電流が変動することによっても発生するので、モータ駆動中に負荷変動がある場合には適用が難しい。
Here, in order to detect the change in the coil inductance, there is a method of comparing the length of the kickback time caused by the motor current as shown in Patent Document 2.
When the switching element of the inverter is turned off after the motor coil is energized, a kickback voltage is generated until the energy stored in the inductance of the coil is exhausted. As the inductance increases, the kickback time increases, so the position of the rotor magnet can be detected by comparing the length of the kickback time.
However, since the kickback time is also generated by the fluctuation of the motor current due to the increase or decrease of the motor load, it is difficult to apply the kickback time when the load fluctuates while driving the motor.

そこで、モータ4に流れる電流の変化に影響を受けない方法として、モータ4の中性点電圧Vn,Vn’を検出して、モータ4のインダクタンス変化を検知する方法がある。
中性点電圧Vn,Vn’は、インバータのスイッチング素子がオンオフした直後は、通電相の2相のインダクタンス比で決まる。インダクタンス比は、ロータ磁石4aの位置によって変化するので、中性点電圧Vn,Vn’の変化を捉えれば、ロータ磁石4aの位置を検出することができる。
120度通電制御において、モータ4の3相のうち2相を通電させた状態で、非通電相のコイルに電流が流れていない場合、中性点電圧Vn,Vn’と非通電相のモータ端子電圧は同じである。本発明では、非通電相のコイルに電流が流れていない状態における非通電相のモータ端子電圧を検出して、これに基づきロータ磁石4aの位置を検出する。
Therefore, as a method that is not affected by the change of the current flowing through the motor 4, there is a method of detecting the neutral point voltage Vn, Vn'of the motor 4 and detecting the change in the inductance of the motor 4.
The neutral point voltages Vn and Vn'are determined by the inductance ratio of the two phases of the energized phase immediately after the switching element of the inverter is turned on and off. Since the inductance ratio changes depending on the position of the rotor magnet 4a, the position of the rotor magnet 4a can be detected by capturing the changes in the neutral point voltages Vn and Vn'.
In the 120-degree energization control, when two of the three phases of the motor 4 are energized and no current is flowing through the coil of the non-energized phase, the neutral point voltage Vn, Vn'and the motor terminal of the non-energized phase The voltage is the same. In the present invention, the motor terminal voltage of the non-energized phase in a state where no current is flowing through the coil of the non-energized phase is detected, and the position of the rotor magnet 4a is detected based on this.

図5は、モータ4の通電状態の一例であり、V相とW相に通電して、U相を非通電にした状態を示す。回路内には電圧Vdが印加されている。
特に、図5(a)は、インバータ1のスイッチング素子V+,W−をオンした状態の等価回路を示す。また、図5(b)は、インバータ1のスイッチング素子V−,W+をオンした状態の等価回路を示す。
FIG. 5 shows an example of the energized state of the motor 4, showing a state in which the V phase and the W phase are energized and the U phase is de-energized. A voltage Vd is applied in the circuit.
In particular, FIG. 5A shows an equivalent circuit in a state where the switching elements V + and W− of the inverter 1 are turned on. Further, FIG. 5B shows an equivalent circuit in a state where the switching elements V− and W + of the inverter 1 are turned on.

モータ4に流れる電流は、図5(a)ではV相からW相のコイルへ流れ、図5(b)の状態ではW相からV相へ流れる。つまり、図5(b)の状態の場合、電流の流れる向きは、図5(a)の状態の電流の流れの逆向きとなる。
この時、U相は電流は流れず非通電相となり、中性点電圧VnとU相のモータ端子電圧Vuは同じである。先述したように、コイルインダクタンス(Lu,Lv,Lw)は、ロータ磁石4aの角度θdによって図4のように変化する。
The current flowing through the motor 4 flows from the V phase to the W phase coil in FIG. 5 (a), and flows from the W phase to the V phase in the state of FIG. 5 (b). That is, in the case of the state of FIG. 5 (b), the direction of current flow is opposite to the direction of current flow in the state of FIG. 5 (a).
At this time, no current flows in the U phase and it becomes a non-energized phase, and the neutral point voltage Vn and the U-phase motor terminal voltage Vu are the same. As described above, the coil inductance (Lu, Lv, Lw) changes as shown in FIG. 4 depending on the angle θd of the rotor magnet 4a.

Lvを式1、Lwを式2で表す。ここで、L0はインダクタンスが変化しない固定値を示し、L1はインダクタンスが変化する振れ幅を示す。実際のインダクタンスは、両者が加わったものになる。
Lv=L0−L1・COS(2(θd−2π/3)) - - - 式1
Lw=L0−L1・COS(2(θd+2π/3)) - - - 式2
Lv is represented by Equation 1 and Lw is represented by Equation 2. Here, L0 indicates a fixed value in which the inductance does not change, and L1 indicates a swing width in which the inductance changes. The actual inductance is the sum of the two.
Lv = L0-L1 · COS (2 (θd-2π / 3)) ---- Equation 1
Lw = L0-L1 · COS (2 (θd + 2π / 3)) ---- Equation 2

このとき中性点電圧Vnは、図5(a)の通電状態では式3で、図5(a)の通電状態では式4で表される。
Vn =Lw/(Lv+Lw)・Vd - - - 式3
Vn’=Lv/(Lv+Lw)・Vd - - - 式4
At this time, the neutral point voltage Vn is represented by Equation 3 in the energized state of FIG. 5 (a) and by Equation 4 in the energized state of FIG. 5 (a).
Vn = Lw / (Lv + Lw) ・ Vd ---- Equation 3
Vn'= Lv / (Lv + Lw) ・ Vd ---- Equation 4

図6は、ロータ磁石4aの位相に対する中性点電圧のグラフである。つまり、図6は、式3 、式4をグラフにしたものである。
θdが−30度から+30度の範囲内のとき、非通電相をU相とする。このときVu には、モータ4に流れる電流の方向に応じて、Vn又はVn’の電圧が現れる。
モータ4の回転駆動について説明する。制御手段3は、ある通電相が別の通電相に切り替わった直後の位相をθd1として、このときのVnとVn’を検知して記憶手段に記録する。また、VnからVn’を減算して得た振幅Aを記録する。
FIG. 6 is a graph of the neutral point voltage with respect to the phase of the rotor magnet 4a. That is, FIG. 6 is a graph of Equations 3 and 4.
When θd is in the range of −30 degrees to +30 degrees, the non-energized phase is defined as the U phase. At this time, a voltage of Vn or Vn'appears in Vu depending on the direction of the current flowing through the motor 4.
The rotary drive of the motor 4 will be described. The control means 3 detects Vn and Vn'at this time and records them in the storage means, with the phase immediately after switching from one energized phase to another energized phase as θd1. Further, the amplitude A obtained by subtracting Vn'from Vn is recorded.

その後、VnとVn’を周期的に連続して検出し、同様にその都度、VnからVn’を減算して振幅Bを計算する。θdがθd2まで移動したとき、振幅Bは振幅Aと極性が逆で絶対値は同じとなる。この条件が成立したときに、通電相を切り替える。
一般的に120度通電制御では、ロータ磁石4aの位置に応じて、通電相を60度毎に切り替えるので、前述の動作を繰り返し実行すると、ロータ磁石4aの位置に応じて通電相が60度毎に切り替わりモータを回転駆動できる。
After that, Vn and Vn'are detected periodically and continuously, and Vn'is subtracted from Vn each time to calculate the amplitude B. When θd moves to θd2, the amplitude B has the opposite polarity to the amplitude A and has the same absolute value. When this condition is satisfied, the energizing phase is switched.
Generally, in 120-degree energization control, the energizing phase is switched every 60 degrees according to the position of the rotor magnet 4a. Therefore, when the above operation is repeatedly executed, the energizing phase changes every 60 degrees according to the position of the rotor magnet 4a. The motor can be driven to rotate.

次に、図7を参照して、モータ4の正逆回転制御について説明する。図7は、モータ4の正逆回転制御の制御ステップを示すフローチャートである。
本実施の形態のモータ4は、ホール素子等のロータの位置検出手段を有さないので、回転駆動していない状態では、ロータ磁石4aの初期位置推定はできない。そのため、制御手段3は、STEP1で既知の初期位置推定方法を使って、ロータ磁石の位置を求めておく。尚、初期位置推定方法として、例えば、ステータコイルに、ロータが動かない程度のパルス電流を流し、ロータ毎の電圧を検知して、これに基づき推定する方法などがある。
Next, the forward / reverse rotation control of the motor 4 will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a flowchart showing a control step of forward / reverse rotation control of the motor 4.
Since the motor 4 of the present embodiment does not have a rotor position detecting means such as a Hall element, the initial position of the rotor magnet 4a cannot be estimated in a state where it is not rotationally driven. Therefore, the control means 3 obtains the position of the rotor magnet by using the initial position estimation method known in STEP1. As an initial position estimation method, for example, there is a method in which a pulse current that does not move the rotor is passed through the stator coil, the voltage of each rotor is detected, and estimation is performed based on the pulse current.

次に、STEP2において、制御手段3は、ロータ磁石4aの位置に応じて、インバータ1に通電信号を出力して所定のステータコイルに通電する。このとき、モータ4に回転トルクが発生する。
次に、STEP3において、位置検出回路5は、非通電相のモータ端子電圧を検出し、制御手段3に出力する。制御手段3は、非通電相に電流が流れていないときは、モータ端子電圧は中性点電圧と同じであるから、VnとVn’を検知して記録する。
Next, in STEP 2, the control means 3 outputs an energization signal to the inverter 1 according to the position of the rotor magnet 4a to energize a predetermined stator coil. At this time, rotational torque is generated in the motor 4.
Next, in STEP 3, the position detection circuit 5 detects the motor terminal voltage of the non-energized phase and outputs it to the control means 3. When no current is flowing in the non-energized phase, the control means 3 detects and records Vn and Vn'because the motor terminal voltage is the same as the neutral point voltage.

次に、STEP4では、制御手段3は、VnからVn’を減算して振幅Aを求め、この振幅Aを記憶手段に記録すると共に、このVnからVn’を減算した値が振幅Aより大きいか判断する。
図6のθd1の左側のように、VnからVn’を減算した値が振幅Aより大きい場合、STEP7に移行する。この場合、モータはθdが減少する逆方向に回転しているので、STEP7において、制御手段3は、インバーター1を制御し、逆転方向に合った通電相へ切り替え、STEP2に移行する。図に示した例ではU+,W−である。
Next, in STEP 4, the control means 3 subtracts Vn'from Vn to obtain the amplitude A, records the amplitude A in the storage means, and is the value obtained by subtracting Vn'from this Vn larger than the amplitude A? to decide.
When the value obtained by subtracting Vn'from Vn is larger than the amplitude A as shown on the left side of θd1 in FIG. 6, the process proceeds to STEP7. In this case, since the motor is rotating in the opposite direction in which θd decreases, in STEP 7, the control means 3 controls the inverter 1, switches to the energized phase suitable for the reverse direction, and shifts to STEP 2. In the example shown in the figure, it is U + and W−.

次に、VnからVn’を減算した値が振幅Aより小さい場合、STEP5に移行する。図6のθd2の右側は、VnからVn’を減算して得た振幅Bが、既に記録した振幅Aの絶対値より大きく、かつ、極性が逆となる。
STEP5では、この条件が成立しているか判定する。成立していれば、モータはθdが増加する正方向に回転しているので、STEP8に移行して、制御手段3は正転方向に合った通電相へ切り替え、STEP2に移行する。図に示した例では、スイッチング素子は、V+,U−がONしている。
また、成立していなければ、STEP6に移行して、通電相を切り替えずにSTEP2に移行する。以上の処理を繰り返すことによって、制御手段3は、モータ4を正転、逆転の駆動制御する。
Next, when the value obtained by subtracting Vn'from Vn is smaller than the amplitude A, the process proceeds to STEP5. On the right side of θd2 in FIG. 6, the amplitude B obtained by subtracting Vn'from Vn is larger than the already recorded absolute value of the amplitude A, and the polarity is opposite.
In STEP 5, it is determined whether or not this condition is satisfied. If it is established, the motor is rotating in the positive direction in which θd increases, so that the motor shifts to STEP8, the control means 3 switches to the energized phase matching the forward rotation direction, and shifts to STEP2. In the example shown in the figure, V + and U− are ON for the switching element.
If it is not established, the process shifts to STEP 6 and shifts to STEP 2 without switching the energized phase. By repeating the above processing, the control means 3 drives and controls the motor 4 in the forward rotation and the reverse rotation.

次に、Vn,Vn’のサンプリングについて説明する。
先述した図5の例では、Vn,Vn’を得るため、V+,W−とV−,W+の正逆に通電する必要がある。しかし、特許文献1の課題で説明したように、短パルス電流を順方向と逆方向に順次流せば、モータを回転させるべき所望の電流とは逆の電流が流れる期間が生じることにより、スムーズな回転動作を妨げる恐れがある。そこで、この課題に解決するためキックバック時間におけるモータ端子電圧に着目する。
Next, sampling of Vn and Vn'will be described.
In the example of FIG. 5 described above, in order to obtain Vn, Vn', it is necessary to energize V +, W− and V−, W + in the forward and reverse directions. However, as described in the problem of Patent Document 1, if the short pulse current is sequentially passed in the forward direction and the reverse direction, a period in which the current opposite to the desired current for rotating the motor flows is generated, so that the smoothness is achieved. It may interfere with the rotation operation. Therefore, in order to solve this problem, we focus on the motor terminal voltage at the kickback time.

図8は、U相が非通電相である状態を示すインバータ1及びモータ4の等価回路を示す。図8は、インバータ1のスイッチング素子U+,U−を省略して示しており、V+とW−がオンした状態である。
矢印は、モータ4に流れる電流の流れを示しており、V相コイルからW相コイルに電流が流れている。
FIG. 8 shows an equivalent circuit of the inverter 1 and the motor 4 showing a state in which the U phase is a non-energized phase. FIG. 8 shows the switching elements U + and U− of the inverter 1 omitted, and shows a state in which V + and W− are turned on.
The arrow indicates the flow of the current flowing through the motor 4, and the current is flowing from the V-phase coil to the W-phase coil.

図9は、図8の状態から全てのスイッチング素子をオフした直後の状態を示す。モータのコイルインダクタンスには、エネルギーが蓄積されているため、全てのスイッチング素子をオフしても、還流電流が若干の間流れ続ける。
図中の矢印は、還流電流の流れる経路を示しており、図8の状態から、引き続きV相コイルからW相コイルに電流が流れるが、スイッチング素子W+,V−には逆方向から流れ込む。
FIG. 9 shows a state immediately after all the switching elements are turned off from the state of FIG. Since energy is stored in the coil inductance of the motor, the reflux current continues to flow for a short time even if all the switching elements are turned off.
The arrow in the figure indicates the path through which the reflux current flows. From the state of FIG. 8, the current continues to flow from the V-phase coil to the W-phase coil, but flows into the switching elements W + and V- from the opposite direction.

図8の状態は、図5(a)の等価回路で表され、図9の状態は図5(b)の等価回路で表される。つまり、Vn,Vn’を得るため、V+,W−とV−,W+の正逆に通電した状態と、還流電流が流れ続けている間の等価回路は同じである。
よって、還流電流が流れている期間にVn’をサンプリングして記録すれば、逆方向に通電する必要はなく、モータをスムーズに駆動できる。
The state of FIG. 8 is represented by the equivalent circuit of FIG. 5 (a), and the state of FIG. 9 is represented by the equivalent circuit of FIG. 5 (b). That is, in order to obtain Vn and Vn', the equivalent circuit is the same when the V +, W− and V−, W + are energized in the forward and reverse directions and while the reflux current continues to flow.
Therefore, if Vn'is sampled and recorded during the period in which the reflux current is flowing, it is not necessary to energize in the opposite direction, and the motor can be driven smoothly.

ここで、3つの相の内、2つの前記相に通電させて通電相とした状態を第1の状態とする。第1の状態は、本実施の形態においては、V相とW相に通電を行いU相が非通電となっている状態である。そして、第1の状態の中心点電圧Vnを第1の電圧Vnと言う。
また、3つの相のいずれにも通電が行われていない状態(非通電の状態)を第2の状態とする。そして、第2の状態の中心点電圧Vn’を第2の電圧Vn’と言う。
Here, the state in which two of the three phases are energized to form the energized phase is defined as the first state. In the first embodiment, the first state is a state in which the V phase and the W phase are energized and the U phase is not energized. The center point voltage Vn in the first state is referred to as the first voltage Vn.
The second state is a state in which none of the three phases is energized (non-energized state). The center point voltage Vn'in the second state is referred to as the second voltage Vn'.

図10は、図8と図9の状態におけるモータ端子電圧(Vu,Vv,Vw)と電流(Iu,Iv,Iw)の状態を示すグラフである。
t1の期間は第1の状態であり、スイッチング素子V+,W−がオンしている。このとき、Vv=Vd、Vw=0、Vu=Vnである。
t2の期間は第2の状態であり、スイッチング素子V+,W−がオフした直後で還流電流が流れている。このとき、Vv=0、Vw=Vd、Vu=Vn’である。
t3の期間はスイッチング素子がオフしている第2の状態であるが、還流電流が流れていない。VnとVn’を検出するため、期間t1,t2,t3を繰り返す。
FIG. 10 is a graph showing the states of the motor terminal voltage (Vu, Vv, Vw) and the current (Iu, Iv, Iw) in the states of FIGS. 8 and 9.
The period of t1 is the first state, and the switching elements V + and W− are turned on. At this time, Vv = Vd, Vw = 0, and Vu = Vn.
The period of t2 is the second state, and the reflux current flows immediately after the switching elements V + and W− are turned off. At this time, Vv = 0, Vw = Vd, and Vu = Vn'.
The period of t3 is the second state in which the switching element is off, but no reflux current is flowing. Periods t1, t2, t3 are repeated to detect Vn and Vn'.

図10(a)は、Lw>Lvの時のVnとVn’の関係を示し、Vn>Vn’となる。図10(b)は、Lw<Lvの時のVnとVn’の関係を示し、Vn<Vn’となる。図10(c)は、Lw=Lvの時のVnとVn’の関係を示し、Vn=Vn’=Vd/2となる。
このように、VnとVn’の比較でインダクタンスの変化、すなわち、ロータ磁石4aの位置が検知できるので、特許文献3及び4のように、非通電相のコイルに誘起される電圧を検知し、その振幅を参照、或いは基準値と比較する必要はなく、製造上の誤差によって生じるステータコイルのばらつきによる影響を抑制することができる。
FIG. 10A shows the relationship between Vn and Vn'when Lw> Lv, and Vn>Vn'. FIG. 10B shows the relationship between Vn and Vn'when Lw <Lv, and Vn <Vn'. FIG. 10C shows the relationship between Vn and Vn'when Lw = Lv, and Vn = Vn'= Vd / 2.
In this way, the change in inductance, that is, the position of the rotor magnet 4a can be detected by comparing Vn and Vn', so that the voltage induced in the coil of the non-energized phase can be detected as in Patent Documents 3 and 4. It is not necessary to refer to the amplitude or compare it with the reference value, and it is possible to suppress the influence of the variation of the stator coil caused by the manufacturing error.

図11は、モータ端子電圧からVnとVn’をサンプリングする様子を示している。VnのサンプリングポイントをP1、Vn’のサンプリングポイントをP2とする。
Vn’をサンプリングする際、第1の状態である期間t1から、第2の状態である期間t2に切り替えた直後、実際の回路ではリンギングが生じるので、これを避けたサンプリングポイントP2で検知して記録する。
また、t2の期間は、次第に還流電流が小さくなってゆくが、Vuの値も次第にVd/2に近づき、t3の期間が始まると同時にインダクタンスの変動によって生じた有意差が無くなる。
従って、できるだけt2の早期にサンプリングポイントP2を設定する必要がある。一方、Vnをサンプリングする際のサンプリングポイントP1は、できるだけ期間t1の最後に近い方が良い。
FIG. 11 shows how Vn and Vn'are sampled from the motor terminal voltage. Let P1 be the sampling point of Vn and P2 be the sampling point of Vn'.
When sampling Vn', immediately after switching from the period t1 which is the first state to the period t2 which is the second state, ringing occurs in the actual circuit, so it is detected at the sampling point P2 which avoids this. Record.
Further, during the period of t2, the reflux current gradually decreases, but the value of Vu gradually approaches Vd / 2, and at the same time as the period of t3 starts, the significant difference caused by the fluctuation of the inductance disappears.
Therefore, it is necessary to set the sampling point P2 as early as t2. On the other hand, the sampling point P1 when sampling Vn should be as close to the end of the period t1 as possible.

サンプリングポイントP1とP2を上記のように設定する理由は、次の通りである。
図12は、ロータ磁石4aの回転によって、U相、V相、W相のステータコイルに発生する逆起電圧eu,ev,ewを示す。非通電相がU相の場合、逆起電圧euがU相端子電圧に重畳する。
図13は、図12の逆起電圧が図11のU相端子電圧の状態に重畳した様子を示す。
逆起電圧の振幅は回転数に比例して増加する。逆起電圧の振幅が増加した状態でサンプリングポイントP1とサンプリングポイントP2のサンプリング間隔が広くなると、この間に発生する逆起電圧の差分が増加し、サンプリングポイントP1とサンプリングポイントP2の検出に誤差を与える。
これを避けるため、サンプリングポイントP1は、できるだけ期間t1の最後に近い方に設定して、サンプリングポイントP2との時間差を少なくする。
The reason for setting the sampling points P1 and P2 as described above is as follows.
FIG. 12 shows the counter electromotive voltages eu, ev, and ew generated in the U-phase, V-phase, and W-phase stator coils by the rotation of the rotor magnet 4a. When the non-energized phase is the U phase, the counter electromotive voltage eu is superimposed on the U phase terminal voltage.
FIG. 13 shows how the counter electromotive voltage of FIG. 12 is superimposed on the state of the U-phase terminal voltage of FIG.
The amplitude of the counter electromotive voltage increases in proportion to the number of revolutions. If the sampling interval between the sampling point P1 and the sampling point P2 becomes wide while the amplitude of the counter electromotive voltage increases, the difference in the counter electromotive voltage generated during this period increases, causing an error in the detection of the sampling point P1 and the sampling point P2. ..
In order to avoid this, the sampling point P1 is set as close to the end of the period t1 as possible to reduce the time difference from the sampling point P2.

図14に、一般的なコイルの両端に電圧Vdを印加、遮断を繰り返した場合の波形を示す。コイル電流が変化しているt4,t6の期間では、コイルに自己誘起電圧が発生している。このとき、図5に示すようにコイルを2個直列に接続したときの中性点電圧Vnは、式3で表される。
一方、図14のt5,t7の期間は、コイル電流が変化しないため、コイルの自己誘起電圧が発生しない。このとき、図5に示すようにコイルを2個直列に接続したときの中性点電圧Vnは、式5で表される。尚、RwはW相の抵抗、RvはV相の抵抗、RuはU相の抵抗である。
Vn=Rw/(Rv+Rw)・Vd - - - 式5
FIG. 14 shows a waveform when a voltage Vd is repeatedly applied and cut off at both ends of a general coil. During the period of t4 and t6 where the coil current is changing, a self-induced voltage is generated in the coil. At this time, as shown in FIG. 5, the neutral point voltage Vn when two coils are connected in series is represented by the equation 3.
On the other hand, during the periods t5 and t7 of FIG. 14, since the coil current does not change, the self-induced voltage of the coil does not occur. At this time, as shown in FIG. 5, the neutral point voltage Vn when two coils are connected in series is represented by the equation 5. Rw is a W-phase resistor, Rv is a V-phase resistor, and Ru is a U-phase resistor.
Vn = Rw / (Rv + Rw) ・ Vd ---- Equation 5

式3と式5の電圧差が、図11におけるVd/2とサンプリングポイントP1の差に該当し、サンプリングポイントP2も同様である。
この理由により、t2の早期には、コイルの電流変化があるため、式3に近い値となるが、後期にはコイルの電流変化が無くなるため、式5に近い値になる。
よって、インダクタンスの変動によって生じた有意差を捉えるには、できるだけt2 の早期にサンプリングポイントP2を設定する必要がある。
The voltage difference between Equation 3 and Equation 5 corresponds to the difference between Vd / 2 and the sampling point P1 in FIG. 11, and the same applies to the sampling point P2.
For this reason, since there is a change in the coil current in the early stage of t2, the value is close to Equation 3, but in the latter stage, the value is close to Equation 5 because there is no change in the coil current.
Therefore, it is necessary to set the sampling point P2 as early as t2 in order to capture the significant difference caused by the fluctuation of the inductance.

また、無通電期間であるt2,t3の期間は、Vn,Vn’を検出するために必要であるが、回転数速度が高くなると、回転周期に占める無通電期間の割合が増加して速度制御に影響する。
そこで、ある程度速度が増加した時点で、無通電期間を必要としない既知のセンサレス制御に切り替える。既知のセンサレス制御を、ロータ磁石4aの回転によってステータコイルに発生する逆起電圧を利用する方式とすれば、無通電期間を必要としないので、問題無く速度を上げることができる。
Further, the periods of t2 and t3, which are non-energized periods, are necessary for detecting Vn and Vn', but as the rotation speed increases, the ratio of the non-energized period to the rotation cycle increases and the speed is controlled. Affects.
Therefore, when the speed increases to some extent, the control is switched to the known sensorless control that does not require a non-energized period. If the known sensorless control is a method that utilizes the counter electromotive voltage generated in the stator coil by the rotation of the rotor magnet 4a, the speed can be increased without any problem because the non-energized period is not required.

図2において、既知のセンサレス制御に切り替える前は、信号S1,S2,S3を参照し、既知のセンサレス信号に切り替えた後は、信号S4,S5,S6を参照する。信号S1,S2,S3は、モータ端子電圧Vu,Vv,Vwを分圧回路5a,5b,5cで各々低電圧にして、制御手段3で中性点電圧Vn,Vn’を検出するための電圧信号として参照する。
一方、信号S4,S5,S6は、モータ端子電圧Vu,Vv,Vwの相間電圧を増幅器5d,5e,5fで増幅し、制御手段3で逆起電圧eu,ev,ewを検出するための電圧信号として参照する。
In FIG. 2, signals S1, S2, and S3 are referred to before switching to the known sensorless control, and signals S4, S5, and S6 are referred to after switching to the known sensorless signal. The signals S1, S2, and S3 are voltages for detecting the neutral point voltage Vn, Vn'by the control means 3 by setting the motor terminal voltages Vu, Vv, and Vw to low voltages by the voltage dividing circuits 5a, 5b, and 5c, respectively. Refer to as a signal.
On the other hand, the signals S4, S5 and S6 are voltages for amplifying the interphase voltage of the motor terminal voltages Vu, Vv and Vw by the amplifiers 5d, 5e and 5f and detecting the counter electromotive voltage eu, ev and ew by the control means 3. Refer to as a signal.

以上、本実施の形態によれば、センサレスDCブラシレスモータの駆動において、ロータの位置によってステータコイルのインダクタンスが変化する現象を利用して、ステータコイルに対するロータの位置検出する場合に、モータ端子電圧を参照して、ステータコイルのインダクタンスを変化を捉えて位置検出するので、負荷変動によるモータ電流の変化に関わらず、低速回転で駆動制御を行うことができるブラシレスモータの駆動装置を提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, when driving the sensorless DC brushless motor, the motor terminal voltage is detected when the position of the rotor with respect to the stator coil is detected by utilizing the phenomenon that the inductance of the stator coil changes depending on the position of the rotor. Since the position is detected by capturing the change in the inductance of the stator coil with reference to the reference, it is possible to provide a drive device for a brushless motor capable of performing drive control at a low speed regardless of a change in the motor current due to load fluctuation. ..

また、ブラシレスモータのステータコイルに還流電流が流れ続けている間に、端子電圧を検出して記憶して制御に用いることで、端子電圧を検知する際に、ステータコイルに逆方向に電流を流す必要が無く、スムーズな動作の低速駆動ができるブラシレスモータの駆動装置を提供することができる。 In addition, while the reflux current continues to flow in the stator coil of the brushless motor, the terminal voltage is detected, stored, and used for control. Therefore, when the terminal voltage is detected, the current flows in the stator coil in the opposite direction. It is possible to provide a drive device for a brushless motor that does not need to be used and can be driven at a low speed for smooth operation.

また、ブラシレスモータのロータの位置を検出する際に、製造上の誤差によって生じるモータのばらつきがあっても、ステータコイルに誘起される電圧振幅を計測、或いは、基準値と比較しないので、モータごと、或いは、相ごとに検出値を補正する必要がないブラシレスモータの駆動装置を提供することができる。 In addition, when detecting the position of the rotor of a brushless motor, even if there are variations in the motor caused by manufacturing errors, the voltage amplitude induced in the stator coil is not measured or compared with the reference value, so each motor Alternatively, it is possible to provide a drive device for a brushless motor that does not need to correct the detected value for each phase.

また、本実施の形態のブラシレスモータの駆動装置によりセンサレスのブラシレスモータの駆動を制御することで、安定した低速回転での駆動を可能とする。 Further, by controlling the drive of the sensorless brushless motor by the drive device of the brushless motor of the present embodiment, it is possible to drive at a stable low speed rotation.

また、ハンドピースの駆動源として、本実施の形態のブラシレスモータの駆動装置により駆動するブラシレスモータを用いることにより、ハンドピースを使用する際に、ブラシレスモータを低速で駆動するなどして、刃の回転をコントロールして、少しずつ歯牙や骨等の切削の程度や加減を調整するような使い方が可能となる。
特に、歯科や外科等の医療現場において、使用者がハンドピースを用いて、繊細な操作をすることが可能となる。例えば、歯科治療において、インプラントの人工歯根を埋め込むための開口を顎骨に切削して形成する場合などは、ハンドピースの刃の回転を低回転で行う必要があり、本発明を用いることで治療を行いやすくなる。
Further, by using the brushless motor driven by the driving device of the brushless motor of the present embodiment as the driving source of the handpiece, when the handpiece is used, the brushless motor is driven at a low speed, and the blade By controlling the rotation, it is possible to use it to adjust the degree and degree of cutting of teeth and bones little by little.
In particular, in medical settings such as dentistry and surgery, the user can perform delicate operations using the handpiece. For example, in dental treatment, when an opening for implanting an artificial tooth root of an implant is formed by cutting into the jawbone, it is necessary to rotate the blade of the handpiece at a low rotation, and the treatment can be performed by using the present invention. It will be easier to do.

本発明について、医療用ハンドピースに用いた実施の形態で説明したが、医療用や産業用などの使用分野を問わず、センサレスのブラシレスモータにおいて適用することができる。 Although the present invention has been described in the embodiment used for a medical handpiece, it can be applied to a sensorless brushless motor regardless of the field of use such as medical use or industrial use.

M モータ駆動装置
H ハンドピース
Ha 刃
1 インバータ(駆動手段)
2 直流電源
3 制御手段
4 センサレスDCブラシレスモータ
4a ロータ磁石
5 ロータ位置検出回路
5a、5b、5c 分圧回路
5d、5e、5f 増幅回路
Vu モータU相端子電圧
Vv モータV相端子電圧
Vw モータW相端子電圧
Ru モータU相抵抗
Rv モータV相抵抗
Rw モータW相抵抗
Lu モータU相インダクタンス
Lv モータV相インダクタンス
Lw モータW相インダクタンス
Vc 増幅回路制御電源電圧
Vd 直流電圧
U+ インバータスイッチング素子
V+ インバータスイッチング素子
W+ インバータスイッチング素子
U− インバータスイッチング素子
V− インバータスイッチング素子
W− インバータスイッチング素子
Vn モータ中性点電圧(第1の電圧値)
Vn’モータ中性点電圧(第2の電圧値)
θd U相コイルLuとロータ磁石4aのなす角度
eu U相逆起電圧
ev V相逆起電圧
ew W相逆起電圧
P1 電圧サンプリングポイント
P2 電圧サンプリングポイント
R 一般的なコイルの抵抗値
IL 一般的なコイルに流れる電流
VL 一般的なコイルの自己誘起電圧
M Motor drive device H Handpiece Ha Blade 1 Inverter (drive means)
2 DC power supply 3 Control means 4 Sensorless DC brushless motor 4a Rotor magnet 5 Rotor position detection circuit 5a, 5b, 5c Pressure division circuit 5d, 5e, 5f Amplification circuit Vu Motor U-phase terminal voltage Vv Motor V-phase Terminal voltage Vw Motor W-phase Terminal voltage Ru Motor U-phase resistance Rv Motor V-phase resistance Rw Motor W-phase resistance Lu Motor U-phase inductance Lv Motor V-phase inductance Lw Motor W-phase inductance Vc Amplification circuit control power supply voltage Vd DC voltage U + Inverter switching element V + Inverter switching element W + Inverter switching element U-Inverter switching element V-Inverter switching element W- Inverter switching element Vn Motor neutral point voltage (first voltage value)
Vn'motor neutral point voltage (second voltage value)
θd Angle formed by U-phase coil Lu and rotor magnet 4a eu U-phase countercurrent voltage ev V-phase countercurrent voltage ew W-phase countercurrent voltage P1 Voltage sampling point P2 Voltage sampling point R General coil resistance IL General Current flowing through the coil VL Self-induced voltage of a general coil

Claims (4)

3つの相により回転駆動するブラシレスモータを制御するモータ駆動装置において、
3つの前記相に通電する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
いずれかの前記相の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の検出値を記憶する記憶手段と、を備え、
第1の状態として、3つの前記相の内、2つの前記相に通電させて通電相とした状態において、前記電圧検出手段は、前記相のうち通電していない非通電相の第1の電圧を検出して前記記憶手段に記憶し、
第2の状態として、全ての前記相に通電を行っていない状態において、前記電圧検出手段は、前記第1の状態において非通電相であった前記相の第2の電圧を検出して前記記憶手段に記憶し、
前記制御手段は、前記第1の電圧と前記第2の電圧に基づき、前記駆動手段により通電する相を切り替え
前記電圧検出手段は、前記第1の状態から前記第2の状態に切り替えた後、前記ブラシレスモータに還流電流が流れ続けている間に、前記第2の電圧を検出することを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
In a motor drive device that controls a brushless motor that is rotationally driven by three phases,
A driving means for energizing the three phases and
A control means for controlling the drive means and
A voltage detecting means for detecting the terminal voltage of any of the phases, and
A storage means for storing the detected value of the voltage detecting means is provided.
As a first state, in a state in which two of the three phases are energized to form an energized phase, the voltage detecting means is the first voltage of the non-energized phase among the phases. Is detected and stored in the storage means,
As a second state, when all the phases are not energized, the voltage detecting means detects the second voltage of the phase which was the non-energized phase in the first state and stores the memory. Remember in the means,
The control means switches the phase energized by the drive means based on the first voltage and the second voltage .
The voltage detecting means is brushless, which detects the second voltage while the reflux current continues to flow through the brushless motor after switching from the first state to the second state. Motor drive.
3つの相により回転駆動するブラシレスモータを制御するモータ駆動装置において、In a motor drive device that controls a brushless motor that is rotationally driven by three phases,
3つの前記相に通電する駆動手段と、A driving means for energizing the three phases and
前記駆動手段を制御する制御手段と、A control means for controlling the drive means and
いずれかの前記相の端子電圧を検出する電圧検出手段と、A voltage detecting means for detecting the terminal voltage of any of the phases, and
前記電圧検出手段の検出値を記憶する記憶手段と、を備え、A storage means for storing the detected value of the voltage detecting means is provided.
第1の状態として、3つの前記相の内、2つの前記相に通電させて通電相とした状態において、前記電圧検出手段は、前記相のうち通電していない非通電相の第1の電圧を検出して前記記憶手段に記憶し、As a first state, in a state in which two of the three phases are energized to form an energized phase, the voltage detecting means is the first voltage of the non-energized phase among the phases. Is detected and stored in the storage means,
第2の状態として、全ての前記相に通電を行っていない状態において、前記電圧検出手段は、前記第1の状態において非通電相であった前記相の第2の電圧を検出して前記記憶手段に記憶し、As a second state, when all the phases are not energized, the voltage detecting means detects the second voltage of the phase which was the non-energized phase in the first state and stores the memory. Remember in the means,
前記制御手段は、前記第1の電圧と前記第2の電圧に基づき、前記駆動手段により通電する相を切り替え、The control means switches the phase energized by the drive means based on the first voltage and the second voltage.
前記駆動手段が、前記ブラシレスモータを回転駆動するために通電相を切り替えた後、前記制御手段は、前記第1の電圧から前記第2の電圧を減算して第1の数値を求め前記記憶手段に記憶し、After the drive means switches the energizing phase to rotationally drive the brushless motor, the control means subtracts the second voltage from the first voltage to obtain a first numerical value, and the storage means. Remember to
その後、前記制御手段は、前記第1の電圧から前記第2の電圧を減算して第2の数値を繰り返し求めて前記記憶手段に記憶し、After that, the control means subtracts the second voltage from the first voltage, repeatedly obtains the second numerical value, and stores it in the storage means.
前記制御手段は、前記第2の数値が前記第1の数値と、逆極性かつ絶対値が同一となったときに、モータを回転させるために、次の通電相に切り替えることを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。The control means is brushless, wherein when the second numerical value has the same polarity and absolute value as the first numerical value, the control means switches to the next energizing phase in order to rotate the motor. Motor drive.
請求項1又は請求項2のいずれかに記載のブラシレスモータの駆動装置により制御されることを特徴とするブラシレスモータ。A brushless motor that is controlled by the drive device of the brushless motor according to claim 1 or 2. 請求項3に記載のブラシレスモータを用いた医療用ハンドピース。A medical handpiece using the brushless motor according to claim 3.
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