JPH0216674B2

JPH0216674B2 -

Info

Publication number: JPH0216674B2
Application number: JP56158087A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Sugiura; Shigeki Morinaga; Kunio Myashita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-10-06
Filing date: 1981-10-06
Publication date: 1990-04-17
Also published as: JPS5863090A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ブラシレスモータのトルクリツプル
抑制装置に係り、特にパルス幅変調方式のインバ
ータを備えたブラシレスモータのトルクリツプ抑
制装置に関するものである。

まず、従来のパルス幅変調方式のインバータを
備えた120度通電形のブラシレスモータ回路につ
いて、第１図ないし第３図により説明する。

すなわち、第１図は、従来のブラシレスモータ
用パルス幅変調方式インバータによるブラシレス
モータの回路構成図、第２図は、そのタイムチヤ
ート図、第３図は、そのブラシレスモータの電流
波形図である。

まず、第１図において、１は交流電源、２は整
流回路、３は平滑コンデンサ、４は、インバータ
に係る逆変換回路、５は、ブラシレスモータに係
る３相同期電動機（以下、電動機と略称。）であ
る。

そして、６は、電動機５の回転子、７１〜７３
は、回転子６の位置を検出する位置検出器、８
は、位置検出器７１〜７３の信号を基に、逆変換
回路４のトランジスタ４１〜４６へ信号を送る制
御回路である。

すなわち、第１図の構成に係るものは、交流電
源１と、前記交流電源１に接続されて直流電源を
作る整流回路２と、インバータ接続された偶数の
トランジスタ４１〜４６からなり前記整流回路２
の出力側に接続された逆変換回路４と、前記逆変
換回路４のそれぞれのトランジスタ４１〜４６の
中間点に接続されたブラシレスモータに係る電動
機５と、前記ブラシレスモータに係る電動機５の
回転子６の回転位置を検出する複数の位置検出器
７１〜７３と、これらの位置検出器から得られた
位置検出信号に基づいて、前記逆変換回路４の複
数のトランジスタ４１〜４６を選択的に導通あせ
るとともに、パルス幅変調信号をそれらのトラン
ジスタ４１〜４６に付与する制御回路８とを具備
せしめた120度通電形のブラシレスモータ回路で
ある。

このような構成において、その信号の様子を示
したタイムチヤート図が第２図である。

同図において、ＡのＵ，Ｖ，Ｗは、上記位置検
出器７１〜７３の位置検出信号であり、電気角で
互に120度の間隔を有する方形波である。

そして、位置検出信号Ｕ〜Ｗは、その立上り
が、電動機５の誘起電圧のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の位
相０度に一致させた位置信号である。この位置検
出信号Ｕ〜Ｗの立上りと立下りから、電気角で60
度毎に同期化パルスS_Pを得るものである。

ついで、パルス幅変調信号に係る変調信号ｍ
は、三角波S₁と制御電圧V_Rとを比較して作られ
る。三角波S₁は、同期化パルスS_Pによりリセツト
され、新たに零電圧から発振する。

次に、この変調信号ｍと位置検出信号Ｕ〜Ｗを
論理回路を組み合せることにより、同図Ｂに示す
所望のドライブ信号Ｓ４１〜Ｓ４６を得るもので
ある。

これらドライブ信号Ｓ４１〜Ｓ４６は、逆変換
回路４のトランジスタ４１〜４６のドライブ信号
である。ただし、第２図では、各ドライブ信号の
変調は、120度通電形インバータの120度のうち、
後半側の60度の期間のみ行なうものとしている。

このような信号により、電動機５の回転数を制
御するには、図示していないが、電動機の回転数
を回転センサで検出し、速度指令と回転センサの
偏差からデイジタルまたはアナログ方式で比例積
分演算を行ない、その制御量を制御電圧V_Rとし
て制御すれば、変調信号ｍの通流率D₀は、D₀＝
T_0o／T_fとして制御できる。

この通流率D₀を変えて、逆変換回路４の出力
電圧を制御することで、電動機５の回転制御を行
なうことができる。

このような各ドライブ信号によつて逆変換回路
４を動作させると、電動機５の電流は第３図に示
すようになる。

同図のI_U〜I_Wは、電動機５のＵ〜Ｗ相巻線に流
れる相電流であり、またIdは、電流I_U〜I_Wの和で
あり、電動機５への入力電流である。

そして、その電流の脈動成分は、さきの変調信
号ｍに基づく周波数の高い成分と、電動機５の巻
線電流の相の変換時に、電気角で60度に一度発生
する相の転流に追随する周波数の低い成分とがあ
る。

図示した、前者の周期Ｔは通常、一定であり２
ｍsee以下の例が多い。

他方、同様図示の、後者の周期Tθは、当該電
動機の回転数により、大きく変化する。たとえば
極数４極の電動機が、10〜1000rpmまで変化した
とき、周期Tθは、0.5sec〜５ｍsecまで変化する。

このとき、２Hz〜200Hzのトルクリツプルを生
じ、回転数が脈動する。

すなわち、第３図に示すように、ブラシレスモ
ータの60度毎の転流時に、電流が極端に減少し、
この電流の脈動がトルクリツプルを大きくしてい
る。

このブラシレスモータを工作機械などの数値制
御装置におけるサーボモータに使用すると、加工
物の品質が低下するという事態を招来する。

以上に述べたところにより、従来方式に係るも
のにおいては、そのブラシレスモータの転流時に
おけるトルクリツプルが大きいという欠点があつ
たものである。

本発明は、以上のような従来技術に係るものの
問題点、欠点に鑑み、それらを解消するもので、
ブラシレスモータの転流時におけるトルクリツプ
ルを低減し、回転数の脈動を小さくするようにし
たブラシレスモータのトルクリツプル抑制装置の
提供を、その目的とするものである。

本発明の要点は、ブラシレスモータの相の転流
時に、その当初のみ、すなわち転流時の信号であ
る同期化パルスS_P後の初めの変調パルスまたは数
パルス間を、インバータに加わる直流電圧を、通
常の電圧より高い直流電源により加圧し、電流の
立上り時定数を小さくして、電流の脈動を小さく
し、トルクリツプルを低減させるようにしたもの
である。

本発明の、ブラシレスモータのトルクリツプル
抑制装置の構成は、交流電源と、前記交流電源に
接続されて直流電源を作る整流回路と、インバー
タ接続された偶数のトランジスタからなり前記整
流回路の出力側に接続された逆変換回路と、前記
逆変換回路のそれぞれのトランジスタの中間点に
接続されたブラシレスモータと、前記ブラシレス
モータの回転子の回転位置を検出する複数の位置
検出器と、これらの位置検出器から得られた位置
検出信号に基づいて、前記逆変換回路の複数のト
ランジスタを選択的に導通させるとともに、パル
ス幅変調信号をそれらのトランジスタに付与する
制御回路とを具備せしめた120度通電形のブラシ
レスモータ回路において、上記整流回路の出力側
と逆変換回路との間に、上記の直流電源よりも高
い電圧を発生する高圧直流回路を接続するととも
に、前記高圧直流回路を、上記位置検出器からの
位置検出信号の入力による上記制御回路からの制
御信号により、相切換え転流時から当該相電流導
通期間の当初のみ能動状態とし、高直流電圧を上
記逆変換回路に印加するように構成したものであ
る。

次に、本発明に係る実施例を、各図を参照して
説明する。しかして本実施例に係るものは、倍電
圧トルクリツプル抑制に係るものである。

ここで、第４図は、本発明の一実施例に係る、
ブラシレスモータ用パルス幅変調方式インバータ
によるブラシレスモータの回路構成図、第５図
は、その要部回路図、第６図は、そのタイムチヤ
ート図、第７図は、そのブラシレスモータにおけ
る電流関係波形図である。

まず、第４図において、第１図と同一符号は同
等部分を示し、８Ａは制御回路、１０は、高圧直
流回路に係る倍電圧回路である。

そして、倍電圧回路１０は、まず、整流器１０
１，１０２、トランジスタ１０３、コンデンサ１
０４，１０５からなり、また１０６も整流器で、
電動機５からの逆電圧バイパス用であり、トラン
ジスタ１０３の保護用でもある。

しかして、上記のトランジスタ１０３は、相切
換え転流時に、次に説明する制御回路８Ａからの
制御信号に係る信号Ｃ２により、当該相電流導通
期間の当初のみONして倍電圧回路１０を能動状
態にし、さきのインバータに係る逆変換回路４へ
の直流電圧Edを昇圧させるものである。

すなわち、この倍電圧回路１０は、図示のごと
く、整流回路２の出力側と逆変換回路４との間に
接続されたものである。

次に、第５図に係る回路は、前記のトランジス
タ１０３をONさせる、上述の制御信号に係る信
号Ｃ２（第４図）を、位置検出器７１〜７３から
の位置検出信号Ｕ，Ｖ，Ｗの入力によつて発生す
る回路、すなわち、第４図の制御回路８Ａに係る
ものである。

この第５図において、８１は波形整形回路で、
８２は分配回路、８３はトルクリツプル抑制回
路、８４はＵ〜Ｗ相結線、８５は三角波発振回
路、８６は変調信号形成回路、８７は変調回路で
あり、９はベースドライブ回路である。

詳細については後述するが、さきの第１図にお
ける回転子６の位置検出器７１，７２，７３の出
力信号は、波形整形回路８１に入力され、３相の
位置検出信号Ｕ，Ｖ，Ｗとなる。なお、図示のも
のにおいては、位置センサに係る位置検出器はホ
ール素子によつて構成したが、これは受光素子な
どでも可能なものである。

上記の波形整形回路８１には、三角波発振回路
８５、分配回路８２が結線８４により接続されて
いる。

また、三角波発振回路８５には変調信号形成回
路８６が接続されており、この変調信号形成回路
８６には変調回路８７が接続されている。

なお、トルクリツプル抑制回路８３の接続につ
いては後述する。

しかして、変調回路８７は、分配回路８２と統
合し、さきの第４図の逆変換回路４の各トランジ
スタ４１〜４６にたいする信号を形成して、ベー
スドライブ回路９に入力する。

このベースドライブ回路９は、変調回路８７か
らの出力によつて、さきの第１図における逆変換
回路４の各トランジスタのベースに電流を供給す
るものである。

次に、上記構成について、さらに詳しく説明す
る。

上記のホール素子に係る位置検出器７１，７
２，７３へ接続される波形整形回路８１は、差動
増幅器８１７，８１８，８１９と抵抗８１１，８
１２，８１３，８１４，８１５，８１６とから構
成され、ホール素子に係る位置検出器７１，７
２，７３からの出力を各差動増幅器８１７，８１
８，８１９から、第６図ａのＵ，Ｖ，Ｗに示すご
とく180度幅の矩形波を出力する。

また、分配回路８２は、NOT回路８２１，８
２２，８２３、AND回路８２４，８２５，８２
６，８２７，８２８，８２９から構成されてい
る。

すなわち、波形整形回路８１の差動増幅器８１
７の出力Ｕには、AND回路８２４の一方の入力
端子が接続されており、このAND回路８２４の
他の入力端子には、差動増幅器８１８からの出力
信号〔第６図ａのＶ〕がNOT回路８２２を介し
て、反転させて入力されるように構成されてい
る。

その結果、AND回路８２４の出力は、第６図
ｂのU⁺に示すように、Ｕ信号に同期し、かつ120
度の矩形波を得る。

また、差動増幅器８１７には、NOT回路８２
１を介してAND回路８２５，８２８が接続され
る。

このAND回路８２５の他方の入力端子には、
差動増幅器８１８の出力端子が接続されている。

また、上記のAND回路８２８の他方の入力端
子には、差動増幅器８１９の出力端子が接続され
ている。

そして、差動増幅器８１８には、AND回路８
２６が接続されており、このAND回路８２６の
他方の入力端子には、差動増幅器８１９からの出
力信号が、NOT回路８２３を介して入力される
ように構成されている。

このNOT回路８２３には、AND回路８２９が
接続されており、このAND回路８２９の他の入
力端子には、差動増幅器８１７が接続されてい
る。

また、差動増幅器８１９には、AND回路８２
７が接続されており、このAND回路８２７の入
力端子には、差動増幅器８１８がNOT回路８２
２を介して接続されている。

すなわち、AND回路８２５の一端の入力は、
Ｕ信号の反転信号を基準にするためNOT回路８
２１を介して接続され、他の入力はＶ信号が接続
される。その結果、第６図bU^-に示すように、Ｕ
の反転信号に同期し、かつ120度の矩形波を得る。

同様にして、V⁺信号は、AND回路８２６によ
り、V^-信号は同８２７、W⁺信号は同８２８、
W^-信号は同８２９で形成されるものである。

上述の分配回路８２の出力は、第６図ｂに示
す、U⁺，U^-，V⁺，V^-，W⁺，W^-のごとき、さ
きの逆変換回路４の各相の120度通電の基本信号
となる。

一方、三角波発振回路８５は、AND回路８５
１，８５２，８５３、NOR回路８５４、NOT回
路８５５、Exclusive（エクスクルーシブ）NOR
回路８５６、ユニジヤンクシヨントランジスタ８
５８、トランジスタ８５７，８５９、抵抗８５Ｒ
１，８５Ｒ２，８５Ｒ３，８５Ｒ４，８５Ｒ５，
８５Ｒ６、コンデンサ８５Ｃ１，８５Ｃ２、ダイ
オード８５Ｄ１，８５Ｄ２とから構成されている
ものである。

しかして、第５図に示すNOR回路８５４の出
力信号PUVWは、60度の同期化パルスS_P（第６
図）を得るための120度のパルスである。

また、抵抗８５Ｒ１、コンデンサ８５Ｃ１、
NOT回路８５５、Exclusive NOR回路８５６
は、上記信号PUVWの立上り、立下りを検出す
る回路で、これにより同期化パルスS_Pを得るもの
である。

上述した、その三角波発振回路８５からは、第
６図に示すS₁のごとき三角波が発生し、変調信号
形成回路８６に入力されるものである。

変調信号形成回路８６は、コンパレータ８６
１、抵抗８６Ｒ１，８６Ｒ２とから構成されてい
る。

そして、このコンパレータ８６１の負入力端子
には、さきの三角波発振回路８５からの出力信号
（第５，６図のS₁の三角波）が入力され、また正
入力端子には、第６図に示される設定電圧値に係
る制御電圧V_Rが入力されている。

このコンパレータ８６１からは、第５，６図の
ｍに示すごとき変調信号が出力され、変調回路８
７に入力されるものである。

また、さきの同期化パルスS_Pは、トルクリツプ
ル抑制回路８３のワンシヨツトマルチバイブレー
タ８３１に入力されるものである。なおトルクリ
ツプル抑制装置８３は、ワンシヨツトマルチバイ
ブレータ８３１、AND回路８３２よりなるもの
である。

この同期化パルスS_Pは、転流時の信号である。
しかして、この信号により、ワンシヨツトマルチ
バイブレータ８３１により、第６図ｃに示す、一
定時間T_Cなる信号Ｃ１を得るものである。

そして、AND回路８３２には、変調信号形成
回路８６から変調信号ｍが入力されて、前記の信
号Ｃ１と変調信号ｍを論理和し、出力信号Ｃ２を
得るものである。

この信号Ｃ２は、さきの第４図における倍電圧
回路１０のトランジスタ１０３のベース信号とな
るものであり、このＣ２信号のある時間T₁だけ
インバータの直流電圧は、後述のごとく２E_dと
なる。

前述の変調回路８７は、OR回路８７１〜８７
６、AND回路８７７〜８８２によつて構成され
ている。

このOR回路８７１〜８７６の第１の入力端子
には、分配回路８２におけるAND回路８２４〜
８２９のそれぞれの出力端子が接続され、第２の
入力端子には、それぞれ共通に変調信号形成回路
８６におけるコンパレータ８６１の出力端子（変
調信号ｍ）が接続されている。

その結果、たとえばOR回路８７１の出力は、
U⁺と変調信号ｍの論理和になり、第６図ｄのＵ
１⁺信号を得る。同様にして、第６図ｄに示すご
とく、Ｕ１^-，Ｖ１⁺，V^-，Ｗ１⁺，Ｗ１^-信号を
得るものである。

また、さきの分配回路８２におけるAND回路
８２４〜８２９の出力端子は、それぞれAND回
路８７７〜８８２の一方の入力端子に接続されて
おり、このAND回路８７７〜８８２の他方の入
力端子には、OR回路８７４，８７３，８７６，
８７５，８７２，８７１の出力端子が接続されて
おり、このAND回路８７７〜８８２の出力信号
に係るドライブ信号Ｓ４１〜Ｓ４６が、ベースド
ライブ回路９へ入力されるものである。

すなわち、AND回路８７７の一端の入力は、
AND回路８２４の出力U⁺が接続され、他の入力
は、OR回路８７４の出力Ｖ１^-が接続される。

この結果、AND回路８７７の出力は、第６図
ｅのドライブ信号Ｓ４１のように、位置検出信号
Ｕに同期し、前半の60度は矩形波に、後半の60度
は変調された120度の信号が得られる。

これをベースドライブ回路９で増幅し、さきの
第４図の逆変換回路４におけるトランジスタ４１
のベースの信号として印加する。

同様にして、AND回路８７８〜８８２は、そ
れぞれ、ドライブ信号Ｓ４２〜４６の信号を得、
上記と同様に、トランジスタ４２〜４６の信号と
なるものである。

上記のような構成による、本実施例のトルクリ
ツプル抑制装置での各相の電流波形は、さきの第
２，３図に示すものと同態様で示すと、第７図の
ようになり、電動機５のＵ〜Ｗ相巻線に流れる相
電流は、同図のI_U〜I_Wのようになる。

たとえば、I_Uに関して説明すると、転流時、t₀
からT₁の期間、第７図ｅに示すように、ドライ
ブ信号Ｓ４１とＳ４４に信号があるから、第４図
の逆変換回路４は、トランジスタ４１と４４とが
ONし、電動機５は、端子MuとMv（第４図）に
電流が流れる。

このとき、第７図で、図示の信号Ｃ２があるか
ら、第４図のトランジスタ１０３が導通し、イン
バータの直流電圧は、倍電圧回路１０により、２
E_dとなる。

そのため、第７図のモータの相電流I_Uの立上り
の傾きは、（A_n−A₁）／T₁、と大きくなる。

その理由は、直流電圧が２倍になるためであ
る。

その後は、信号Ｃ２がOFFするため、直流電
圧はE_dになり、電流のリツプルは、図示で、（A_n
−A₂）／T₂、で行なわれる。

ここで、A_nは、電流リツプルの最大値、A₁
は、転流時における電流リツプルの最小値、A₂
は、正常時における電流リツプルの最小値であ
る。

第７図のI_dは、インバータに入力される直流の
入力電流で、各相の電流を加えた値である。

以上の結果、脈流電流の少ないブラシレスモー
タの制御ができるものである。

また、上記において、転流時の落ち込みが大き
く、リツプルがはげしいとき、すなわち一つの信
号Ｃ２では抑制できないときは、制御信号に係る
信号Ｃ１の時間幅T_Cを長くし、変調信号の数個
を倍電圧源である倍電圧回路１０から加えること
により、さらに脈動電流を少なくすることも可能
なものである。

さらに、上記実施例においては、直流電源より
高圧の別な直流電源として、倍電圧に係るものを
用いているが、これは倍電圧に限らず、高圧の別
な直流電源であればよく、その使用を妨げるもの
ではない。

以上に述べたところをも総合して、本発明によ
るときは、ブラシレスモータの転流時におけるト
ルクリツプルを減少させることができて、その回
転数の脈動を小さくすることを所期しうるブラシ
レスモータのトルクリツプル抑制装置を提供する
ことができるもので、実用的効果にすぐれた発明
ということができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のブラシレスモータ用パルス幅
変調方式インバータによるブラシレスモータの回
路構成図、第２図は、そのタイムチヤート図、第
３図は、そのブラシレスモータの電流波形図、第
４図は、本発明の一実施例に係る、ブラシレスモ
ータ用パルス幅変調方式インバータによるブラシ
レスモータの回路構成図、第５図は、その要部回
路図、第６図は、そのタイムチヤート図、第７図
は、そのブラシレスモータにおける電流関係波形
図である。１……交流電源、２……整流回路、３……平滑
コンデンサ、４……逆変換回路、５……電動機、
６……回転子、７１〜７３……位置検出器、８Ａ
……制御回路、８１……波形整形回路、８２……
分配回路、８３……トルクリツプル抑制回路、８
４……Ｕ〜Ｗ相結線、８５……三角波発振回路、
８６……変調信号形成回路、８７……変調回路、
９……ベースドライブ回路、１０……倍電圧回
路、I_U〜I_W……相電流、ｍ……変調信号。

Claims

【特許請求の範囲】

１交流電源と、前記交流電源に接続されて直流
電源を作る整流回路と、インバータ接続された偶
数のトランジスタからなり前記整流回路の出力側
に接続された逆変換回路と、前記逆変換回路のそ
れぞれのトランジスタの中間点に接続されたブラ
シレスモータと、前記ブラシレスモータの回転子
の回転位置を検出する複数の位置検出器と、これ
らの位置検出器から得られた位置検出信号に基づ
いて、前記逆変換回路の複数のトランジスタを選
択的に導通させるとともに、パルス幅変調信号を
それらのトランジスタに付与する制御回路とを具
備せしめた120度通電形のブラシレスモータ回路
において、上記整流回路の出力側と逆変換回路と
の間に、上記の直流電源よりも高い電圧を発生す
る高圧直流回路を接続するとともに、前記高圧直
流回路を、上記位置検出器からの位置検出信号の
入力による上記制御回路からの制御信号により、
相切換え転流時から当該相電流導通期間の当初の
み能動状態とし、高直流電圧を上記逆変換回路に
印加するように構成したことを特徴とするブラシ
レスモータのトルクリツプル抑制装置。