JPH0260488A - ブラシレス直流モータの速度制御法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、ブラシレス直流モータの速度制御方法に関す
る。

〔従来の技術〕

ブラシレス直流モータは、整流子とブラシという機械的
整流機構を回転磁界検出素子、半導体ＳＷ素子および光
検出素子等による位置検出素子に置き換えた新しい型の
モータであり、主にＡｖ。

ＯＡ、ＦＡ機器等の小容量で使用する速度範囲の比較的
狭い分野に使用されている。その理由は、モータの効率
がそれ程問われず、かつ広範囲に恒って速度〜トルク特
性の優れたものが必要でなく、しかも小型化が可能とな
るからである。しかし、これからは超低速から高速、低
ｌ・ルクから高トルりまでの範囲で負荷の変動に対応し
て自由に速度制御出来る分野、例えば人、物品、運搬用
、液体、粉体移動用動力源等、多方面の分野で利用でき
ることが要求されている。

第】図は、従来のブラシレス直流モータの速度〜１ヘル
ク特性（点線）の１例で固定子巻線の時定数の比較的大
きなモータである。

同図は、供給電圧を与えて負荷を増大させていき、その
時々の回転数をプロットとじたものである。図から明ら
かなようにトルクが増大するとともに回転数が象、激に
落ちしかも有効な速度〜トルク範囲が狭い。この時の供
給電源を与えるタイミングは、ＮＳ極に対応した極性を
考慮し誘起起電力と同相タイミングで印加する一般的な
方法の結果である。

又、第２図は誘起起電力Ｅと同相タイミングに供給相電
圧■、を印加した時の基本波ヘクトル図を示す。（ａ）
は誘起起電力Ｅと供給相電圧の基本波成分■１の比γ−
Ｅ　／　ｖ　＋がγく１の時で、通常の使用範囲におり
るヘクトル図である。　（ｂ）はＴ−ｌの時でトルク−
Ｏとなりモータは停止する。

第１図のように、従来の印加電圧タイミングでは無負荷
速度近くまでの特性は得られるが、中容量以上のモータ
では巻線時定数が大きくなるため第１図の点線の曲線と
なり、広範囲にわたって必要なトルクを得ることが困難
な場合が多い。従って特願昭６１７５７９６　ｒブラシ
レス直流モータの駆動方法」でのべているように、印力
Ｕ電圧のタイミングを誘起起電力の位相に先がけて行い
、巻線に流れる相電流の基本波成分と誘起起電力の位相
差がほぼＯになるようにすることにより、同一条件下で
も第１図の速度〜トルク特性が点線から実線へ大きく改
善する方法を示した。

しかしながら、特願昭６３−７５７９６の方法では、誘
起起電力と印加相電圧の基本波成分との比Ｔ＝Ｅ／Ｖ　
、が１以下の時しか成立せず第１図の実線のＴ−１の点
が最高回転数となり、これより先の無負荷速度までは上
記出願のものでは得られず、低トルク領域での速度制御
が出来ない。

〔発明が解決しようとする課題］ この従来の印加電圧タイミングの方法では、モータ巻線
の時定数の比較的大きな中、大容量のモータでは誘導性
負荷の影響で、固定子巻線に流れる電流は誘起起電力に
対し遅れ位相となり、無効電力が発生ずるため有効な速
度〜トルク特性が得られる範囲は狭く、その絶対値も低
い。

そごで特ＩＤｊ’ｉ昭６３−７５７９６　Ｆブラシレス
直流モータの駆（’Ｊ］方ｔｊ、ｊてすでに述べている
が、７＜１の範囲は誘起起電力Ｃと固定子巻線の基本波
相電流の位相差φ１がほぼＯになるように、供給電圧の
印加タイミング即ち誘起起電力とのずれ角λをその時々
の速度ｎと相電圧の基本波成分■１で一定時間（電気角
で３６０°）毎計算し、誘起起電力の位相に先かりてλ
°たけ進角して与える。従ってφ１−０となり、力率ｃ
ｏｓφ、−１となり、速度〜トルク特性が大きく改善さ
れるがあくまでもＴく１の範囲でのみ正トルクが得られ
ないと考えられていたが、さらに研究を重ねた結果次の
ことが判明した。

即ちγ〉１の範囲では位相角λを誘起起電力の位相に対
し相電流の法零波成分■１が十分進み位相になるように
与えるとＴ−１の速度から無負荷速度の範囲の速度〜ト
ルク特性が新たに使用出来、その対象となる範囲が拡大
された。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであり、第４Ｍ、第５図のようにブラシレス直流モー
タの相電流を誘起起電力に対し、十分進め位相（０＜φ
、くπ／′２）となるような供給電圧の印加タイミング
を与えることにより、同一電源電圧にもかかわらす速度
〜（・ルク範囲の拡大が計れることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のブラシレス直流モータの速度制御法は、この目
的を達成する為、誘起起電力と相電圧の基本波成分■、
の比Ｔが１以下の範囲は効率を重視し、誘起起電力と相
電流の位相差がほぼＯ即ぢφ、′：０、力率−１となる
ように供給電圧を誘起起電力に先がけて速度ｎと相電圧
■１とで決定する位相角λを与え速度〜トルク特性の向
トを計る。

又ｒ＞１の範囲では効率は低くなるが、相電流が誘起起
電力の位相に比較して１分進むように］ｊ；１記固定子
巻線に印加する電圧の切換時期を調整し速度制御するこ
とを特徴とする。

（作用］ 以下に、本発明による速度制御方法について説明する。

本発明に関し、すでに特願昭６３−７５７９６「ブラシ
レス直流モータの駆動方法」に記載しであるようにトル
クτは固定子巻線に印加される相電圧の基本波成分によ
る巻線相電流■１と誘起起電力係数にΦと力率ｃｏｓφ
ｌとで決定する。

今、誘起起電力ｅに対し、固定子巻線に印加する相電圧
の位相差がλの場合の基本波相電流は以下のようになる
。

φ１−△−Φ Ｌ　：巻線インダクタンス Ｒ：巻線抵抗 Ｔ　二巻線時定数 Ｅ　：誘起起電力最大瞬時値 ■に：方形波交流印加電圧の第に高調波成分λ　：誘起
起電力に対する固定子巻線印加電圧の位相ずれ角 Ｉｋ：固定子巻線印加電圧の第に高調波成分電流φＩ：
Ｉｋ起電力に対する■、の位相づれ角度ω　：角速度 Ｐ　：極数 ｎ　：回転数 又、ｌ・ルクτは ｒ　＝０．９７５　・Ｉ　＋　　・ＫΦ’　ｃｏｓφ１
で表わされ、力率ＣＯＳφ１により大きく影響すること
がわかる。故にｃｏｓφ１−１即ち誘起起電力と相電流
の基本波の位相差φ１が０になるように巻線電圧の印加
タイミングを誘起起電力が先がけ°ζ位相差λを与えて
行う方法については前記出願の中に述べている通りであ
る。λは で表わされ、巻線印加電圧■、と回転数ｎの関数となり
、モータの運転状態に応じて必要時間毎に求め印加電圧
のタイミングを調整しφ１＝０即ち力率−１としても、
誘起起電力と巻線印加電圧の比ｒ＝Ｅ／Ｖ＋＞１の範囲
の速度〜トルク特性は得られない。なぜならばγ〉１で
はＩｔ＜Ｏとなり、負のトルクが発生ずるからである。

即ちφ＝０の条件でばγ〈１までしか速度〜トルク特性
が得られない。しかし発明者等の研究ではＯ〈φ１くπ
／２でλ〉０でＴ〉■の条件を満たし、かつφ＋　＝０
，７＜１の条件の速度〜トルク特性の最大限界速度から
無負荷速度まで連続的な速度〜トルク特性が得られるよ
うに適当にλを選択すれば、速度〜トルク特性の範囲が
大幅に拡大することが判明した。しかし、力率ｃｏｓφ
、が多少悪くなり、この区間の効率がγ〈１でλ制御し
た時に比較し低い。

しかしながらλ〉０で例えば一定値で、Ｔ−１］ 付近より与えることにより広範囲な速度制御が可能とな
り、負荷が時々刻々変化し、低速から高速までの速度変
化が必要な分野では、極めて有効な速度制御が、ずれ角
λで容易に達成できた。

〔実施例］ 以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

第６図は本発明の実施例を示したものである。

図中■〜［相］については、特願昭６３−７５７９６　
ｒブラシレス直流モータの駆動方法」の作用および実施
例の項目で詳細に説明しているので概要は省略するが、
２点程機能が追加したため以下にこの点について特に述
べる。

第１はｓｉｎ、　ｃｏｓカーブ発生関連の■、■、■０
について述べる。図中■、■のＩｃメモリは磁極Ｎ、Ｓ
区間位置、極性に対応した電気角で３６０°分およびそ
の前後６０°分を３°毎０ｃｏｓ値、ｓｉｎ値を格納し
ており、■のＣＬＫで３″′毎（出来るだけ小さい方が
分解能が向上し位相制御がより細かくなめらかに行なわ
れるが、演算５ｐｅｅｄ等により制約をうける）にｃｏ
ｓ、　ｓｉｎ値を取り出す。

その方法はモータの回転部に取付けられた円周方向のス
リント円板（又は反射板等）の速度に同期してパルスが
発生出来るように固定部にセンサー（光検出器、磁気的
検出器等）を取付け、その速度に同期したパルスに従っ
てデータを順次取出し、ｅｃ・ｌおよびｅ、・ｉを求め
る。さらにＮＳ極の極性に合致するよう、ｕ、ｖ、ｗ相
（Ｙ結線）のタイミングを作るための３つのセンサ（同
上）を円板ザイトに電気角で１２０６づつずらして取付
けている。

これはモータを始動する時この３つのセンサーにより、
ｕ、ｖ、ｗ相のＮ、Ｓ極どちらの位置に対応するかを認
識し、その位置に対応した電圧の極性を固定子巻線へ与
えてモータを回すためである。又、■の同期パルスば■
、■のＩｃメモリからのｃｏｓθ、　　ｓｉｎθの値を
３°毎に電流と掛算しｅ、−ｉとｅ５・１をＮ、Ｓ区間
即ち電気角で３６０°の区間積分し、回転時３６０°毎
に積分器をクリアし、　ｔａｎφ１を求める。この時の
積分クリアのタイミングパルスである。

第２は■のスイッチである。通常ブラシレス直流モータ
ばγく１の接続ラインでｔａｎφｌ　−０となるように
誘起起電力と相電流の基本波成分の位相制御を行ってい
るが、φ１−０ではｒ＜１の範囲でしがモータは回転し
ない。γ〉１では負のトルクが発生しモータは停止する
。即ちｒ＝１より小さく、１に非常に近い点のスピード
が最大限界となり、この速度からτ−０即ち無負荷速度
の間の速度〜トルク特性は使用出来ないことになる。

従って、この区間に限ってＴ−１付近（実際はＴ−０，
５〜０．９程度）でπ／２〉φ、＞Ｏの条件で動作させ
れば効率は多少おちるが速度〜トルク特性が得られ、し
かも向上することがわかった。そこでこの例ではｒ　＃
　Ｑ、　９よりπ／２〉φ、〉０でλ〉０で例えば一定
値（必要な速度〜Ｉ・ルク特性を満足する値を選択する
）で運転ずれば、第７同のような速度トルク特性が得ら
れた。

第７図は電源電圧が５．３６，８０，１２０Ｖ毎にφ＋
＝０となるような電流位相制御を行った冊 結果の速度〜トルク特性である。それぞれＶ−４１付近
では全てトルクは小さいが、無負荷速度までは到達して
いない。そこで発明者等が研究した方法をこれυこ適用
した結果の速度〜トルク特性を点線で示す。回倒の場合
その適用範囲をγ−１以」二でなしｒ　’＝　０．９以
上に拡大して行った。

これはｒ＝１まで効率を重視して運転するか、速度〜ト
ルクの特性値を優先するか、その時々の判断で決定すべ
きことであり、それぞれの使用目的、ニーズに合わせて
設計者が決断すれば良く、必ずしもＴ＝１以上限定する
必要はない。同図の場合１２０■時はλ−７５６一定、
８０Ｖ時はλ−４５°一定、３６Ｖ時はλ−２３°一定
、５■時ばλ−８°一定で行った例であり、Ｔ　’ｉ　
０．９より無負荷速度までφ、−０の位相制御に比較し
速度〜トルク特性が大幅に向上しているのがわかる。

しかしながらφ１が０〜π／２の範囲となるため力率ｃ
ｏｓφ１嬌１でなくなるため効率は１１５〜１／２程度
落ちる。

又、この方法とは別に効率を多少犠牲にしても、全速度
〜トルク領域即ち７＞ｏ、φ、−π／２〜十π／２の範
囲で例えばλ−一定の速度制御法もあり、完全進み角制
御時のφｌ−０という制御ロジックを必要とせず、簡単
な方法で速度制御が可能となる。

この方法を以下に説明する。

■のｎは回転数で■により電圧へ変換され、［相］の誘
起起電ノコの実効値ｂｍｓ）と■の掛算器で掛算されＣ
（誘起起電力）が求まる。

一方■のｙ　、ｒｍｓはＵ相の基本波成分の実効値であ
り、［相］の電圧変換器で整合され、０の割算器で誘起
起電力ｅを割りγ−ｅ　／　Ｖ　、が求まる。Ｔ−１（
この例でば１を設定）以上か以下かは■のＳＷで必要に
応じて使い分けが出来る。０は常時“１゛（この例では
１を設定）入力されておりＴ１〈０かどうかの判定を［
相］の減算器で行う。即ち０は前述の速度制御法用であ
る。又、■は後述した速度制御に必要なＳＷでありＴ〉
０で全ての条件においてＯの比較器の出力が正となり＠
のλ−一定でＳＷ■が下側へ切換えられλが与えられ】
　４ この時のλの与え方は前述の方法と同様で効率をある程
度加味したものが多く採用される。その１例を第８回に
示す。

第８図は第７図と異なり、Ｔ＃０．９（この値は設計者
が必要に応して例えば０．５〜１以下の範囲で選択可能
）以１−の領域に適用するのではなくγの全領域に恒っ
て例えばλ−−一定値制御を行う方法であり、第７図と
同様な傾向の速度〜１−ルク特性が得られる。

同図の実線はφＩ−０となるよ・うな位相制御を行った
場合であり、点線は全領域に恒ってλ−−定値での制御
結果である。ここでは電源電圧８０■と３６Ｖを示して
いるが３６Ｖのλ−５０゜定値制御を行った場合はトル
クが３　ｋｇ　−ｍ以上より大幅に速度が向上している
ことがわかる。８０■の場合はφ１−０の位相制御（実
線）に比較しλ−６３°一定植制御（点線）の方が６０
０回転数以下では大幅にトルクが低い。これは電圧がそ
れはと大きくない範囲内では例えば３６Ｖの点線のよう
になり、電流が比較的小さい場合はｌ・ルクが増加した
特性が得られる。しかし効率はφ１−０でないため、実
線の速度〜トルク特性に比較し低くなる。

以上述べたように２つの速度制御法を示した。

１つは第８図のようなｌ・ルクの大きな領域ではφ１−
０となるような位相制御を行い、軽トルク（この例では
Ｔ　’＝；　０．９でトルクが約１ｋｇ−ｍ）から無負
荷速度の領域においてλ−一定値制御、即ち０〈φ、〈
π／２になるようにしかも効率を加味した特性になるよ
うなλを選択し速度制御する方法。

他の１つは必要な速度〜トルク特性の全領域に恒ってλ
−一定値制御を行う方法である。これらはいずれも軽負
荷時の速度〜トルク特性の大幅な向上が計れる速度制御
法である。

以上、述べたように、効率優先の速度制御法、あるいは
簡易型速度制御法を使用することによって広い範囲の速
度〜トルク特性が効率を考慮して得られることを示した
。

【図面の簡単な説明】

第１図はブラシレス直流モータの速度〜トルク特性を示
す図、 第２図は誘起起電力と供給相電圧のタイミングが同相な
通常のスイッチング法でのベクトル図、第３図は誘起起
電力と供給相電圧の位相差をλだけ進めた場合のベクト
ル図、 第４図は相電流が誘起起電力に対してφ１だけ進角した
場合のベクトル図、 第５図はφ１がπ／２でトルクτ−０の時のベクトル図
、 第６図は２つの速度制御ブロック図、 第７図は全速度〜トルク特性領域の中経トルク範囲は例
えばλ−一定値制御をそれ以上のｌ・ルクはφ１−０の
完全進み角制御の組合せで行う方法での速度〜トルクの
特性結果を示すグラフ、第８図は全領域に恒って例えば
λ−一定値制御の速度制御結果を示すグラフである。 割算器、■は切換スイッチ、０はｓｉｎ関数発生器、［
相］はｃｏｓ関数発生器、［相］は位相分配器処理部、
［相］は回転数／電圧変換器、［相］は電圧変換器、Ｏ
は比較器である。 出　願　人　新日本製鐵株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．　ブラシレス直流モータの誘起起電力と固定子巻線
   供給相電圧の基本波成分との比が１か１より少し小さい
   値を超えかつトルクが正になる範囲において固定子供給
   電圧の基本波成分を誘起起電力の位相に対しずらして固
   定子巻線に与え、固定子巻線に流れる電流の基本波成分
   と誘起起電力の位相差が０〜π／２の範囲にあり得るよ
   うに位相差を与えることにより、比＝１付近から無負荷
   速度の範囲において位相差に応じて自由に速度〜トルク
   特性が得られることを特徴とする速度制御法。
2. ２．　ブラシレス直流モータの誘起起電力と固定子巻線
   供給相電圧の基本波成分との比が０以上で、固定子巻線
   に流れる相電流の基本波成分と誘起起電力の位相差が−
   π／２〜π／２の範囲内で、しかも必要な速度〜トルク
   特性の全領域で効率が最良となりうる誘起起電力と固定
   子巻線供給相電圧の基本波成分の位相差の平均値を予め
   求めて与えることにより、無負荷領域から最大トルク領
   域まで前記位相差を一定値ずらして固定子巻線の供給相
   電圧を与えることにより自由に速度〜トルク特性が得ら
   れることを特徴とする速度制御法。