JPH0216670B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、モータ可動部の位置に応じて多相の
コイルへの給電を制御するブラシレス直流モータ
等に使用されるモータ駆動回路に関するものであ
る。

ブラシレス直流モータは、トルクリツプルが小
さく、ブラシによるノイズがなく、長寿命である
ことから各種の音響機器に応用されている。この
ようなブラシレス直流モータにおいては、位置検
出信号に応動して小信号を切換、制御した後に増
幅して多相のコイルへの供給電力を制御してい
る。

そのために、信号の切換後の増幅回路において
その増幅度に相間のバラツキがあると、供給電力
（電流・電圧）の変動を生じ発生トルクのリツプ
ルを生じるために好ましくない。特に、トランジ
スタを使用する場合には相間のトランジスタ間で
のh_FEバラツキがあり問題となつていた。

このような欠点をなくすために、特公昭50−
12766号公報では、各相のコイルに給電される電
流の合成値を検出して検出電流が指令信号に対応
した値となるように帰還ループを構成することに
よつて、各相間の増幅度のバラツキを補正する方
法をとつている。これにより、各相のコイルへの
供給電流は確実に指令信号に対応した値となり、
各相間でのバラツキは著しく小さくなり、モータ
性能は向上する。

しかし、このような帰還ループを構成すると、
高周波領域における位相まわりに伴つて発振を生
じることがあり、問題になつていた。特に各相の
コイルへの供給電流に応じて帰還ループのゲイン
が変動し、大電流領域において発振しやすくなつ
ていた。

本発明は、そのような点を考虜して、上述のご
とき帰還ループを有しながらもその位相補償を確
実かつ安定に行なうモータ駆動回路を提供するも
のである。

以下本発明の構成を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す電気結線図で
ある。第１図において、１１はロータに取り付け
られた界磁マグネツト、１２，１３，１４はマグ
ネツト１１の磁束と鎖交する３相のコイル、１
５，１６，１７はマグネツト１１の磁束によりロ
ータの回転位置を検出するホール素子、１８はロ
ータの回転速度に対応した電圧を得る速度・電圧
変換器（速度検出方法および電圧への変換方法は
周知の技術を用いる）、２０は電圧・電流変換器
であり、速度・電圧変換器１８と電圧・電流変換
器２０により指令信号発生器を構成している。ま
た、図示の破線で囲まれた部分１０１はホール素
子１５，１６，１７の出力信号に応動して３相の
コイル１２，１３，１４への通電を制御する分
配・給電気、１０２は３相のコイル１２，１３，
１４への合成の供給電流値を検出する電流検出
器、１０３は電流検出器１０２の出力信号と電
圧・電流変換器２０の出力信号を比較してその両
者に応じた出力信号を得る比較器、１０４は２本
の定電流源出力を有する定電流供給器である。ま
た１００は比較器１０３、分配・給電器１０１お
よび電流検出器１０２によつて構成される帰還ル
ープの位相補償用のコンデンサであり、電流検出
器１０２の出力端と比較器１０３の出力端の間に
直接に（または抵抗介して）接続されている。

次に、その動作について説明する。周知の構成
の速度・電圧変換器１８によりロータの回転速度
に対応した電圧信号１９を得る。信号１９は電
圧・電流変換器２０に入力され、直流電圧源２１
の電圧値E_rと比較されてその両者の差に応じた電
流I_pが流出される。

第２図に電圧・電流変換器２０の構成を示す。
これは、定電流源２０５、ダーソントン接続され
た差動増幅器（トランジスタ２０２，２０３，２
０７，２０８、抵抗２０１，２０４，２０６，２
０９）、第１のカレントミラー回路（トランジス
タ２１０，２１１）とベース接地トランジスタ２
１３およびそのベース抵抗２１２、第２のカレン
トミラー回路（トランジスタ２１４，２１５、抵
抗２１６，２１７）よつて構成され、電圧信号１
９がE_rより小さくなると、その差に応じた電流I_p
をトランジスタ２１５が流出している。

また、電圧信号１９がE_rより大きくなると（こ
の状態は速度が規定値よりも速い時または給電停
止時に相当する）、トランジスタ２１５の出力電
流I_pは零となる。

電圧・電流変換器２０の出力電流I_pは比較器１
０３の抵抗２２，２３に供給され、その両端に電
圧降下を発生する。これはトランジスタ２５のベ
ース電圧となり、その増減に応じて３相のコイル
１２，１３，１４への合成供給電流は増減し、抵
抗２２，２３の電圧降下と抵抗２６，６０の電圧
降下が等しくなるように動作する。

これについて説明する。電流I_pが増加するとト
ランジスタ２５のベース電圧が大きくなり、ベー
ス・エミツタ間電圧が増加し、エミツタ電流、コ
レクタ電流が増加し、分配・給電器１０１への供
給電流ｉが大きくなる。分配・給電器１０１は、
増幅器１１０、差動形分配器１１１、拡脹形増幅
器１１２，１１３，１１４および駆動トランジス
タ１１５，１１６，１１７により構成されている
（増幅器１１０は単純にカレントミラー回路にお
きかえても良い）。

比較器１０３の出力電流は分配・給電器１０１
の増幅器１１０により増幅されて、差動分配器１
１１のトランジスタ３４，３５，３６の共通エミ
ツタ電流として供給される。トランジスタ３４，
３５，３６の各ベース端子にはホール素子１５，
１６，１７の出力信号が印加されており、そのベ
ース電圧に応じて共通エミツタ電流を各コレクタ
電流に分配している。その結果、ベース電圧の最
も低いトランジスタに最も大きなコレクタ電流が
流れ、他のトランジスタのコレクタ電流は相対的
にかなり小さな値（ほとんど零）となる。また、
ロータの回転に伴つてホール素子１５，１６，１
７の出力電圧がなだらかに変化するため、活性と
なるトランジスタもなだらかに切換わつてゆく。

差動形分配器１１１のトランジスタ３４，３
５，３６の各コレクタ電流は、それぞれ拡張形増
幅器１１２，１１３，１１４にて増幅された後
に、駆動トランジスタ１１５，１１６，１１７の
ベース電流として供給され、電流増幅されて各相
のコイル１２，１３，１４に供給される。

拡張形増幅器１１２は２個のトランジスタ３
７，３８と抵抗３９により構成され、トランジス
タ３７と３８のベースを共通接続し、トランジス
タ３７をダイオード接続してそのエミツタを抵抗
３９を介してトランジスタ３８のエミツタに接続
している。これにより、拡張形増幅器１１２の電
流増幅度は入力電流（トランジスタ３７への供給
電流）に応じて大幅に変化し、小電流レベルでは
ほぼ一定であるが、大電流レベルではその電流値
に応じて指数関数的に大きくなる特性を有してい
る。（第３図参照）。他の増幅器１１３，１１４も
同じ特性を有している。

３相のコイル１２，１３，１４への合成の給電
電流は電流検出器１０２の抵抗６０の電圧降下と
して検出され、比較器１０３に入力されて抵抗２
６を介してトランジスタ２５のエミツタに供給さ
れる。その結果、比較器１０３、分配・給電器１
０１および電流検出器１０２によつて帰還ループ
が構成され、増幅器１１２，１１３，１１４およ
び駆動トランジスタ１１５，１１６，１１７の増
幅度のバラツキによる変動を小さくして、各相の
コイルへの給電電流が指令電流I_pに対応した値と
なるようにしている。

これについてさらに説明する。トランジスタ２
５のベース電圧を考えると次式が成立する。

V_BE24＋（R₂₂＋R₂₃）I_p＋R₂₃I₂＝V_BE25 ＋（R₂₆＋R₆₀）（I₃＋ｉ）＋R₆₀I_a ………(1) ここで、V_BE24はトランジスタ２４のベース・
エミツタ間順方向電圧、V_BE25はトランジスタ２
５のベース・エミツタ間順方向電圧、R₂₂，R₂₃，
R₂₆，R₆₀は抵抗２２，２３，２６，６０の抵抗
値、I_pは指令電流、I₂，I₃は定電流値、ｉは分
配・給電器の入力電流、I_aは３相のコイルへの供
給電流である。定電流供給器１０４の出力電流
I₂，I₃は、 V_BE24＋R₂₃I₂≦V_BE25＋（R₂₆＋R₆₀）I₃………(2) ｉ≪I₃ ………(3) に選定されている。従つて、 I_a≒（R₂₂＋R₂₃／R₆₀）・I_p ………(4) となり、３相のコイルへの供給電流I_aは指令電流
I_pに比例する。

このように、比較器１０３のトランジスタ２５
のコレクタ側に定電流I₃を流すならば、トランジ
スタ２５は常に能動領域において動作するために
ほぼ線形増幅器として考えて良く、帰還ループの
動作が安定となる。また、上記のI₃によつてトラ
ンジスタ２５のエミツタ側回路に生じるV_BE電圧
と抵抗２６，６０の電圧降下を補償してI_aがI_pに
完全に比例するように、上記(2)式が成立するよう
な定電流I₂を抵抗２３とダイオード接続されたト
ランジスタ２４の直列回路に供給している。これ
により、I_pの変化がそのまま各相のコイルへの供
給電流の変化となる（オフセツトがなくなる）。

また、(2)式より両辺共にV_BE電圧と抵抗の電圧
降下の和であるから、V_BE24とV_BE25R₂₃と（R₂₆＋
R₆₀）、さらにI₂とI₃の温度特性はそれぞれ相殺さ
れている。

また、各相のコイル１２，１３，１４に並列に
接続されたコンデンサ４６，４８，５０および抵
抗４７，４９，５０は電流の切換えに伴うスパイ
ク電圧を低減している。

次に前述の帰還ループの位相補償について、第
４図を参照して説明する。第４図は第１図に示さ
れる帰還ループのゲインを示した図である。第４
図において、ａは比較器１０３のゲイン、ｂは分
配・給電器１０１の増幅器１１０のゲインc₁，
c₂，c₃はそれぞれ拡張形増幅器１１２，１１３，
１１４のゲイン、d₁，d₂，d₃は駆動トランジスタ
１１５，１１６，１１７のh_FEである。また差動
形分配器１１１は単にスイツチで示した。帰還ル
ープのループゲインは、 Ｔ（Ｓ）＝ａ・bc_id_iR₆₀／１＋（SC₁₀₀）・（bc_id_iR₆₀
）………(5) となる。ここでｉ＝１、２、３であり、分配器１
１１の状態に対応してかわる。帰還ループの安定
性はループゲインが１となる角周波数ω₀におけ
る位相特性によつて判定され、一般に、ω₀が小
さい程安定度を大きくとれる。一方、ω₀が小さ
いと帰還のかかる周波数範囲が狭くなり好ましく
ない。このような理由からω₀の設定の自由度が
広く、かつ各部分のバラツキに対して十分に安定
（変化しない）なことが望ましい。また、コンデ
ンサ１００の容量値は小さい程、実装面積が小さ
くなり好ましい。

(5)式において、｜Ｔ（Ｓ）｜_s=j〓₀＝１とおき、
（ω₀C₁₀₀bc_id_iR₆₀）²≫１となることを考虜してω₀に
ついて解くと ω₀≒ａ／C₁₀₀ ………(6) となる。ここで、ａは電流検出器１０２の出力側
からみた比較器１０３のゲインであり、第１図の
ごとき構成では ａ＝１／R₂₆＋r_d25 ………(7) となる。ここに、r_d25はトランジスタ２５の動的
エミツタ抵抗であり、R₂₆＞r_d25に選定されてい
る。これは、トランジスタ２５のコレクタに常に
I₃の電流を流しているために、そのエミツタ側に
もI₃が流れているからである。I₃＝ImAとすれば
r_d25＝26Ωとなり、R₂₆が100Ω以上であれば無視
でき、比較器１０３のゲインはトランジスタ２５
のh_FEやエミツタ電流の変動に無関係に一定とな
る。

(6)、(7)式より、ループゲインが１となる角周波
数ω₀は抵抗２６とコンデンサ100の値によつて定
まることがわかる。すなわち、その値ω₀は他の
回路部分ゲイン（分配・給電器１０１の各部のゲ
インｂ，c₁，c₂，c₃，d₁，d₂，d₃および電流検出
器１０２の抵抗値R₆₀に無関係に一定となる。従
つて、これらのゲインの量産時でのバラツキや各
期間でのバラツキや供給電流I_aに応じて増幅器１
１２，１１３，１１４が変化する場合においても
安定・確実な位相補償が可能となる。

さらに、抵抗２６の抵抗値R₂₆を大きくするこ
とによりコンデンサ１００の容量値C₁₀₀をかなり
小さくすることができる。なお、コンデンサ１０
０に抵抗値の低い低抗を直列に接続しても、その
抗果を得ることができる（ただし、ない方が良
い）。

なお、前述の実施例では、回転形のモータにつ
いて説明したが、直進形のモーターであつても良
い。また、３相に限らず、一般に、多相のモータ
駆動回路が構成できる。さらに、比較器１０３、
分配・給電器１０１および検出器１０２の構成は
前述の実施例に限定されるものではない。その他
本発明の主旨を変えずして種々の変形が可能であ
る。

以上本発明のモータ駆動回路は、多相のコイル
への給電状態を指令信号に対応させる帰還ループ
を有しながらも、その位相補償を安定かつ確実な
ものとなしており、各相のコイルへの供給状態が
変化しても帰還ループは安定に動作する。従つて
本発明に基づいて、音響機器用ブラシレス直流モ
ータの駆動回路を構成するならば、性能の安定し
たモータ駆動回路が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を表わす電気回路図、
第２図は電圧・電流変換器の具体的な構成を示す
電気回路図、第３図は増幅器の電流増幅度特性
図、第４図は本発明の効果を説明するゲイン・ブ
ロツク図である。 １１……界磁マグネツト、１２，１３，１４…
…コイル、１５，１６，１７……ホール素子、１
８……速度電圧変換器、２０……電圧・電流変換
器、１００……位相補償用コンデンサ、１０１…
…分配・給電器、１０２……電流検出器、１０３
……比較器、１０４……定電流供給器、１１０…
…増幅器、１１１……差動形分配器、１１２，１
１３，１１４……増幅器、１１５，１１６，１１
７……駆動トランジスタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 多相のコイルへの給電を制御する分配・給電
   器と、前記多相のコイルへの給電状態に対応した
   信号を得る検出器と、前記多相のコイルへの給電
   を指令する指令信号発生器と、ベース端子側に前
   記指令信号発生器の出力端が接続され、エミツタ
   端子側に前記検出器の一方の端子が接続された比
   較用のトランジスタを有し、前記指令信号発生器
   と前記検出器の出力信号の両者に応じた出力信号
   を前記比較用のトランジスタのコレクタ端子側か
   ら前記分配・給電器に供給する比較器と、前記比
   較器、分配・給電器および検出器によつて構成さ
   れる帰還ループの位相補償用のコンデンサと、少
   なくとも２個の定電流出力端子を有する定電流供
   給器を具備し、前記比較器は前記比較用のトラン
   ジスタのベース端子側と前記検出器の他端の間に
   抵抗とダイオード接続されたトランジスタの直列
   回路を有し、前記比較用のトランジスタのコレク
   タ端子側に前記定電流供給器の第１の定電流出力
   端子が接続され、前記抵抗と前記ダイオード接続
   されたトランジスタの直列回路に設けた接続端に
   前記定電流供給器の第２の定電流出力端子が接続
   されたことを特徴とするモータ駆動回路。