JP7198121B2 - ブラシレスｄｃモータ用の駆動装置およびモータシステム - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータ用の駆動装置およびモータシステムに関する。

ブラシレスＤＣモータの駆動方式として、正弦波通電駆動が知られている。正弦波通電駆動では、矩形波通電駆動に比べて効率が高い。
ところで、ブラシレスＤＣモータにおけるロータの位置検出素子として、ホール素子が採用される。ホール素子を採用することで、ブラシレスＤＣモータの低コスト化を図ることができる。
しかしながら、ホール素子を採用したブラシレスＤＣモータでは、例えば、起動時などの低回転数のときに、通電タイミングにずれ（遅れや進み）が生じる。その結果として、トルクの低下が発生する。
上記課題を解決するため、下記特許文献１に記載されたブラシレスＤＣモータ駆動装置が知られている。この駆動装置では、モータ起動後に一定回転数になるまで矩形波通電駆動を実施し、一定回転数になった後に正弦波通電駆動を実施する。これにより、トルクの低下を抑制することができる。

特開２００４－２４２４３２号公報

しかしながら、前記従来のブラシレスＤＣモータ用の駆動装置では、低回転数時（矩形波通電駆動時）に騒音や振動が大きくなる。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、低回転数時におけるトルクの低下を抑えつつ、騒音や振動の発生を抑えることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様に係るブラシレスＤＣモータ用の駆動装置は、ロータと、前記ロータを回転させるｎ相（ｎは２以上の自然数）の巻き線と、前記ロータに設けられた回転基準の回転位置を所定の間隔で検出する素子と、を備えているブラシレスＤＣモータを駆動する装置であって、前記素子から信号を取得する回転位置取得部と、上位装置および前記回転位置取得部それぞれから信号を取得する波形制御部と、前記波形制御部からの信号に基づいて前記ｎ相の巻き線に電圧を印加する波形出力部と、を備え、前記波形制御部は、回転開始の信号を前記上位装置から取得した後、前記回転基準の回転位置が検出された信号を前記素子から最初に取得するまでの間には、前記ブラシレスＤＣモータを中間値通電駆動させるための信号を前記波形出力部に出力し、前記回転基準の回転位置が検出された信号を前記素子から取得した後には、前記ブラシレスＤＣモータを正弦波通電駆動させるための信号を前記波形出力部に出力し、前記波形制御部は、前記ブラシレスＤＣモータを前記中間値通電駆動させるときに、前記ｎ相の巻き線のうち、１つの相の巻き線に角度θＭ（ただし前記角度θＭは、前記素子が検出する回転位置によって区画される複数の回転範囲のうち、前記ロータ停止時に前記回転基準が位置している前記回転範囲に含まれる所定の角度）の正弦値に相当する電圧を印加させ、残りの相の巻き線に、前記角度θＭに対して前記正弦波通電駆動時と同様の位相差をもたせた角度の正弦値に相当する電圧を印加させるための信号を出力する。

この場合、例えば、ブラシレスＤＣモータが回転開始時に矩形波通電駆動される場合に比べて、各相の巻き線に印加される電圧値を、出力効率の観点から好適な値に設定することができる。これにより、低回転数時におけるトルクの低下を抑えつつ、騒音や振動の発生を抑えることができる。

前記複数の回転範囲それぞれでは、前記正弦波通電駆動時にその回転範囲の始点θＳから終点θＥに至るまでに前記ｎ相の巻き線それぞれに印加される電圧値が、単調増加または単調減少し、前記角度θＭは、前記ロータ停止時に前記回転基準が位置している前記回転範囲の中間角度であってもよい。

この場合、ロータの回転基準が、回転範囲内において始点θＳ側に位置していても終点θＥ側に位置していても、各相の巻き線に印加される電圧値を、出力効率の観点から好適な値に設定することができる。
なお回転範囲の中間角度は、回転範囲の始点θＳおよび終点θＥの中央値（すなわち、（θＳ＋θＥ）／２）に限られない。回転範囲の中間角度は、前記中央値に対して、出力効率の観点から問題ない程度の差分（例えば、（θＥ－θＳ）の１０％程度）を有していてもよい。

前記波形制御部は、前記ロータ停止時に前記回転基準が位置している前記回転範囲を、前記回転位置取得部からの信号に基づいて判定してもよい。

この場合、例えば、ロータ停止時に回転基準が位置している回転範囲を予め記憶しておく必要がなく、装置構成（記憶装置）の簡素化を図ること等ができる。

前記ｎ相の巻き線は、３相の巻き線であり、前記素子は、前記回転基準の回転位置を電気角６０°間隔で検出してもよい。

この場合、例えば、駆動装置を一般的な３相２極のブラシレスＤＣモータに適用すること等ができる。

前記素子は、ホール素子であってもよい。

この場合、例えば、駆動装置の低価格化を図ること等ができる。

本発明の一態様に係るモータシステムは、ロータと、前記ロータを回転させるｎ相（ｎは２以上の自然数）の巻き線と、前記ロータに設けられた回転基準の回転位置を所定の間隔で検出する素子と、を備えているブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータ用の駆動装置と、を備える。

本発明によれば、低回転数時におけるトルクの低下を抑えつつ、騒音や振動の発生を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係るモータシステムの制御ブロック図である。 図１に示すモータシステムの駆動電圧を説明するタイムチャートである。 図１に示すモータシステムの制御方法を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係るモータシステム１０を説明する。
図１に示すように、モータシステム１０は、ブラシレスＤＣモータ２０（以下、モータ２０という）と、モータ２０用の駆動装置３０と、を備えている。モータシステム１０は、モータ２０と駆動装置３０とが一体になった構成（いわゆるインテリジェントモータ）であってもよく、モータ２０と駆動装置３０とが一体でない構成でもよい。

モータ２０は、ロータ２１と、ロータ２１と径方向に対向し、ロータ２１を回転させるｎ相（ｎは２以上の自然数）の巻き線２２（コイル）と、ロータ２１に設けられた回転基準２１ａの回転位置を所定の電気角θＲ間隔で検出するホール素子２３（素子）と、を備えている。

ロータ２１は、２極の磁極を有している。このモータ２０では、機械角と電気角とが一致する。ロータ２１の回転基準２１ａは、例えば、２極の磁極の境界とされている。なおロータ２１は、４極以上の磁極を有していてもよい。ロータ２１は、インナーロータであってもアウターロータであってもよい。ロータ２１は、埋込磁石型であっても表面磁石型であってもよい。

モータ２０は、３相の巻き線２２を備えている。言い換えると、前記ｎ＝３である。巻き線２２は、Ｕ相の巻き線２２と、Ｖ相の巻き線２２と、Ｗ相の巻き線２２と、を備えている。巻き線２２は、ステータに巻き回されている。なお、ステータのスロット数（ティースの数）は、例えば、相数（本実施形態では３）の任意の倍数（本実施形態では３、６、９等）に設定することができる。

ホール素子２３は、ロータ２１の回転基準２１ａの回転位置を電気角６０°間隔で検出する。言い換えると、前記θＲ＝６０°である。本実施形態では、機械角と電気角とが一致しており、ホール素子２３は、ロータ２１の回転位置を機械角６０°間隔で検出する。ホール素子２３がロータ２１の回転位置を電気角６０°間隔で検出することで、電気角１周３６０°の間に、６０°ごとに６つ（複数）の回転範囲が区画される。

駆動装置３０は、例えば、マイコンを含む。駆動装置３０は、上位装置４０からの信号に基づいてモータ２０を回転させる。駆動装置３０は、回転位置取得部３１と、波形制御部３２と、波形出力部３３と、を備えている。
回転位置取得部３１は、ホール素子２３から信号を取得する。回転位置取得部３１は、例えば、ホールアンプを含む。回転位置取得部３１は、ホール素子２３からの信号（出力）を増幅して、波形制御部３２に出力する。

波形制御部３２は、例えば、ＰＷＭ駆動回路およびＰＷＭコンパレータを含む。波形制御部３２は、上位装置４０および回転位置取得部３１それぞれから信号を取得する。波形制御部３２は、モータ２０の起動／停止を行うためのＯＮ／ＯＦＦ信号、およびモータ２０の回転数の目標値となる信号を上位装置４０から取得する。波形制御部３２は、ロータ２１の回転基準２１ａの回転位置についての信号を回転位置取得部３１から取得する。

波形制御部３２は、上位装置４０および回転位置取得部３１それぞれからの信号に基づいて、例えば、デューティー比などを決定する。波形制御部３２は、上位装置４０および回転位置取得部３１それぞれからの信号に基づいて、巻き線２２に通電させるための信号を波形出力部３３に出力する。
波形出力部３３は、例えば、プリドライバおよびインバータ回路（ドライバ）を含む。波形出力部３３は、波形制御部３２からの信号に基づいて３相の巻き線２２に電圧を印加し、ロータ２１を回転させる。

次に、図２および図３を参照し、モータシステム１０におけるモータ２０の駆動方法（モータシステム１０の制御方法）について説明する。この駆動方法では、駆動方式として正弦波通電駆動を基本としている。以下では、まず正弦波通電駆動について説明する。

図２の下部に示すように、正弦波通電駆動では、各相の巻き線２２に、位相がずらされた正弦波電圧が入力される。図示の例では、Ｕ相の巻き線２２に印加される正弦波電圧を基準とする。Ｖ相の巻き線２２には、Ｕ相の正弦波電圧に対して位相が電気角－１２０°ずらされた正弦波電圧が印加される。Ｗ相の巻き線２２には、Ｕ相の正弦波電圧に対して位相が電気角－２４０°ずらされた正弦波電圧が印加される。なお、これらの正弦波電圧の印加は、例えば、デューティー比が調整されたパルス電圧の印加などにより実現される。

図２の上部に示すように、ホール素子２３は、３相の巻き線２２に対応して３つ設けられている。３つのホール素子２３は、ロータ２１の回転方向に電気角１２０°おき（本実施形態では、２極対であるため機械角１２０°おきでもある）に間隔（等間隔）をあけて配置されている。３つのホール素子２３は、Ｕ相のホール素子２３と、Ｖ相のホール素子２３と、Ｗ相のホール素子２３と、を備えている。

３つのホール素子２３は、ロータ２１の回転基準２１ａの位置に応じて出力値を切り替える。Ｕ相のホール素子２３は、回転基準２１ａが３０°および２１０°に位置するときに出力値（図２に示すＨｕ）を切り替える。Ｖ相のホール素子２３は、回転基準２１ａが１５０°および３３０°に位置するときに出力値（図２に示すＨｖ）を切り替える。Ｗ相のホール素子２３は、回転基準２１ａが９０°および２７０°に位置するときに出力値（図２に示すＨｗ）を切り替える。

３つのホール素子２３の出力値を合成することで、電気角の１周３６０°を、（１）３０°～９０°の第１回転範囲Ｒ１、（２）９０°～１５０°の第２回転範囲Ｒ２、（３）１５０°～２１０°の第３回転範囲Ｒ３、（４）２１０°～２７０°の第４回転範囲Ｒ４、（５）２７０°～３３０°の第５回転範囲Ｒ５、（６）３３０°～３０°（３９０°）の第６回転範囲Ｒ６の６つの回転範囲に区画することができる。なお、これらの第１回転範囲Ｒ１から第６回転範囲Ｒ６のいずれにおいても、図２の下部に示すように、Ｕ相の巻き線２２、Ｖ相の巻き線２２、Ｗ相の巻き線２２に印加される正弦波電圧の電圧値は、その回転範囲の始点θＳから終点θＥに至るまで単調増加または単調減少している。

次に、図２および図３を参照し、モータ２０の駆動方法の流れを説明する。
なお以下では、ロータ２１停止時にロータ２１の回転基準２１ａが第１回転範囲Ｒ１内の位置Ｐ（図２参照）に位置する（属する）場合を前提として説明する。ただし、回転基準２１ａが他の回転範囲（第２回転範囲Ｒ２から第６回転範囲Ｒ６）に位置する場合も同様の方法を採用することができる。

図３に示すように、波形制御部３２は、回転開始の信号（起動信号）を上位装置４０から取得した（Ｓ１）後、ロータ２１の回転基準２１ａが位置している回転範囲を、回転位置取得部３１からの信号に基づいて判定する（Ｓ２）。なお回転基準２１ａが、第１回転範囲Ｒ１から第６回転範囲Ｒ６のうちのいずれの回転範囲に位置するかは、複数のホール素子２３から検出される信号の値の組み合わせに基づいて推定することができる。
回転位置の判定（Ｓ２）の後、回転基準２１ａの回転位置が検出された信号をホール素子２３から最初に取得するまでの間（Ｓ４：ＮＯ）には、モータ２０を中間値通電駆動させるための信号を波形出力部３３に出力する（Ｓ３）。

図２に示すように、波形制御部３２は、モータ２０を中間値通電駆動させるとき（Ｓ３）に、３相の巻き線２２のうち、１つの相の巻き線２２に角度θＭの正弦値に相当する電圧を印加させるための信号を出力する。３相の巻き線２２のうち、残りの相の巻き線２２に、角度θＭに対して正弦波通電駆動時と同様の位相差をもたせた角度の正弦値に相当する電圧を印加させるための信号を出力する。このとき本実施形態では、Ｕ相の巻き線２２にｓｉｎθＭに相当する定電圧が印加される。Ｖ相の巻き線２２にｓｉｎ（θＭ－１２０°）に相当する定電圧が印加される。Ｗ相の巻き線２２にｓｉｎ（θＭ－２４０°）に相当する定電圧が印加される。

ここで角度θＭは、ロータ２１停止時に回転基準２１ａが位置している回転範囲である第１回転範囲Ｒ１に含まれる所定の角度である。具体的には、角度θＭは、第１回転範囲Ｒ１の中間角度である。第１回転範囲Ｒ１の始点θＳは３０°であり、第１回転範囲Ｒ１の終点θＥは９０°である。本実施形態では、θＭは、第１回転範囲Ｒ１の始点θＳおよび終点θＥの中央値、すなわち（θＳ＋θＥ）／２＝６０°である。
よって、本実施形態における中間値通電駆動では、Ｕ相の巻き線２２にはｓｉｎ６０°（＝ｃｏｓ３０°、図２に示すＰｕ）に相当する定電圧が印加される。Ｖ相の巻き線２２にはｓｉｎ（－６０°）（＝ｓｉｎ３００°、図２に示すＰｖ）に相当する定電圧が印加される。Ｗ相の巻き線２２にはｓｉｎ（－１８０°）（＝ｓｉｎ１８０°、図２に示すＰｗ）に相当する定電圧が印加される。

図３に示すように、波形制御部３２は、回転基準２１ａの回転位置が検出された信号をホール素子２３から取得した後には（Ｓ４：ＹＥＳ）、モータ２０を正弦波通電駆動させるための信号を波形出力部３３に出力する（Ｓ５）。波形制御部３２は、モータ２０を停止させる信号を上位装置４０から取得するまで（Ｓ６：ＮＯ）、モータ２０の正弦波通電駆動を継続させる（Ｓ５）。
波形制御部３２が上位装置４０からモータ２０の停止信号を取得した後には（Ｓ６：ＹＥＳ）、波形出力部３３による巻き線２２への電圧の印加が停止され、モータ２０（ロータ２１の回転）が停止する。

以上説明したように、本実施形態に係るモータシステム１０によれば、波形制御部３２は、回転開始の信号を上位装置４０から取得した後、回転基準２１ａの回転位置が検出された信号をホール素子２３から最初に取得するまでの間に、モータ２０を中間値通電駆動させるための信号を波形出力部３３に出力する。このとき、３相の巻き線２２のうち、１つの相の巻き線２２に角度θＭの正弦値に相当する電圧が印加される。また３相の巻き線２２のうち、残りの相の巻き線２２に、角度θＭに対して正弦波通電駆動時と同様の位相差をもたせた角度の正弦値に相当する電圧が印加される。したがって、例えば、モータ２０が回転開始時に矩形波通電駆動される場合に比べて、各相の巻き線２２に印加される電圧値を、出力効率の観点から好適な値に設定することができる。これにより、低回転数時におけるトルクの低下を抑えつつ、騒音や振動の発生を抑えることができる。

角度θＭが、ロータ２１停止時に回転基準２１ａが位置している回転範囲の中間角度である。したがって、ロータ２１の回転基準２１ａが、回転範囲内において始点θＳ側に位置していても終点θＥ側に位置していても、各相の巻き線２２に印加される電圧値を、出力効率の観点から好適な値に設定することができる。
なお回転範囲の中間角度は、回転範囲の始点θＳおよび終点θＥの中央値（すなわち、（θＳ＋θＥ）／２）に限られない。回転範囲の中間角度は、前記中央値に対して、出力効率の観点から問題ない程度の差分（例えば、（θＥ－θＳ）の１０％程度）を有していてもよい。本実施形態のように、回転基準２１ａの回転位置を所定の電気角６０°間隔で検出する場合、回転範囲の中間角度が、前記中央値に対して６°程度の差分を有していてもよい。例えば、第１回転範囲Ｒ１の中間角度は、５４°～６６°であってもよく、前記角度θＭとして、５４°～６６°のいずれかの値を好適に採用することができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

角度θＭが、ロータ２１停止時に回転基準２１ａが位置している回転範囲の中間角度でなくてもよい。例えば、角度θＭが、ロータ２１停止時に回転基準２１ａが位置している回転範囲に含まれる他の角度であってもよい。
モータ２０は、３相２極に限られない。

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１０ モータシステム
２０ ブラシレスＤＣモータ
２１ ロータ
２１ａ 回転基準
２２ 巻き線
２３ ホール素子
３０ 駆動装置
３１ 回転位置取得部
３２ 波形制御部
３３ 波形出力部
４０ 上位装置

Claims (5)

1. ロータと、前記ロータを回転させるｎ相（ｎは２以上の自然数）の巻き線と、前記ロータに設けられた回転基準の回転位置を所定の位置の間隔で検出する素子と、を備えているブラシレスＤＣモータを駆動する装置であって、
   前記素子から信号を取得する回転位置取得部と、
   上位装置および前記回転位置取得部それぞれから信号を取得する波形制御部と、
   前記波形制御部からの信号に基づいて前記ｎ相の巻き線に電圧を印加する波形出力部と、を備え、
   前記波形制御部は、
   回転開始の信号を前記上位装置から取得した後、前記回転基準の回転位置が検出された信号を前記素子から最初に取得するまでの間には、前記ブラシレスＤＣモータを中間値通電駆動させるための信号を前記波形出力部に出力し、
   前記回転基準の回転位置が検出された信号を前記素子から取得した後には、前記ブラシレスＤＣモータを正弦波通電駆動させるための信号を前記波形出力部に出力し、
   前記波形制御部は、前記ブラシレスＤＣモータを前記中間値通電駆動させるときに、前記ｎ相の巻き線のうち、１つの相の巻き線に角度θＭ（ただし前記角度θＭは、前記素子が検出する回転位置によって区画される複数の回転範囲のうち、前記ロータの停止時に前記回転基準が位置している前記回転範囲に含まれる所定の角度）の正弦値に相当する電圧を印加させ、残りの相の巻き線に、前記角度θＭに対して前記正弦波通電駆動時と同様の位相差をもたせた角度の正弦値に相当する電圧を印加させるための信号を出力し、
   前記波形制御部は、前記回転開始の信号を前記上位装置から取得した後、前記ロータの停止時に前記回転基準が位置している前記回転範囲を、前記回転位置取得部からの信号に基づいて判定するブラシレスＤＣモータ用の駆動装置。
2. 前記複数の回転範囲それぞれでは、前記正弦波通電駆動時にその回転範囲の始点θＳから終点θＥに至るまでに前記ｎ相の巻き線それぞれに印加される電圧値が、単調増加または単調減少し、
   前記角度θＭは、前記ロータの停止時に前記回転基準が位置している前記回転範囲の中間角度である請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ用の駆動装置。
3. 前記ｎ相の巻き線は、３相の巻き線であり、
   前記素子は、前記回転基準の回転位置を電気角６０°間隔で検出する請求項１又は２に記載のブラシレスＤＣモータ用の駆動装置。
4. 前記素子は、ホール素子である請求項１から３のいずれか１項に記載のブラシレスＤＣモータ用の駆動装置。
5. ロータと、前記ロータを回転させるｎ相（ｎは２以上の自然数）の巻き線と、前記ロータに設けられた回転基準の回転位置を所定の位置の間隔で検出する素子と、を備えているブラシレスＤＣモータと、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のブラシレスＤＣモータ用の駆動装置と、を備えるモータシステム。

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