JPH03285591A - 直流ブラシレスモータの駆動装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、直流ブラシレスモータの駆動装置に関する。

（従来の技術〉 従来の直流ブラシレスモータの駆動装置を第８図に示す
。

この駆動装置は、永久磁石型のロータ２の回転角度信号
（以下、単にロータ位置信号ともいう）Ｓ：磁極検出素
子３８〜３ｃにより検出し、それらが出力する二値信号
型式のロータ位置信号Ａ”、Ｂ′、Ｃ−に基づいてモー
タ駆動信号発生回路４により６種類のモータドライブ信
号ＵＨ”、ＵＬ、ＶＨ−１ＶＬ−１ＷＨ−１ＷＬ−を発
生させる。電力増幅回路５はモータドライブ信号ＬＪＨ
−ＵＬ−１ＶＨ＝、ＶＬ−１Ｗ！−１−１ＷＬ−を用い
て、三相交流のステータ電圧ｔｒ、ｖ−１ｗ＝をステー
タコイル１ａ〜１Ｃに印加する。

ステータ電圧Ｕ−１Ｖ−１Ｗ−が印加されるステータコ
イル１ａ〜１ｃ１は回転電磁界を形成し、この回転電磁
界とロータ２の永久磁極（図示せず）が作る回転Ｗｉ界
との間の電磁作用によりロータ２は回転する。

すなわち、従来の直流ブラシレスモータの駆動装置では
、ロータ位置信号Ａ′、Ｂ−１Ｃ−によりロータ２上の
永久磁極位＠（すなわちロータ２が作る回転磁界位相）
を検出し、検出したこの回転磁界の位相と所望の位相差
となる位相のステータ電圧を合成し、それにより回転磁
界の位相に対するステータコイル１ａ、１ｂ、１Ｃの回
転電磁界の位相を決定し、一定回転方向へのトルクを得
ている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記した従来の駆動装置では、１組の磁極検出
素子から得られるロータ位置信号（すなわちロータ２が
作る回転磁界）八−〜Ｃ−の位相とステータ電圧Ｕ−〜
Ｗ″′の位相との関係（位相差）が固定不変であるので
、低速時に最大トルクを発生するように磁極検出素子を
配置した場合、高速時にトルクが低下してしまう欠点が
あった。

この理由は以下の通りである。

一般には、起動トルクの増大のために、低速時において
トルクが最大となるようにロータ位置信号Ａ−〜Ｃ−の
位相に対するステータ電圧Ｕ−〜Ｗ′の位相を決定して
いる。すなわち、低速時においてロータ２が作る回転磁
界の最大磁界位置に最大電流を流して、ロータ２が作る
回転磁界とステータ電流の空間分布のベクトル積を最大
にしている。けれども、高速回転時にはステータコイル
１ａ、１ｂ、１Ｃのりアクタンスが増加し、このリアク
タンス増加の影響によりステータ電圧Ｕ−〜Ｗ−に対し
てステータ電流の位相が遅延する。

実際においては、ステータ電流位相が遅延する分だけ、
ステータＮ流が作る回転電磁界の位相がロータ２が作る
回転磁界の位相に対して遅延し、その結果、トルク低下
が生じる。

逆に、高速回転時にトルクが最大となるようにロータ位
置信号の位相に対してステータ電圧の位相を進相すると
、低速時にステータ電流の位相が進み過ぎてトルクが低
下する。

なお、この問題は磁極検出素子をステータコイルに対し
て所望角度回転させることにより解消することができる
が、この解決手段によると直流ブラシレスモータの構成
が複雑化すると共に大型化するという問題がある。

そこで本発明は、直流ブラシレスモータの構成の複雑化
及び大型化を招くことなく、回転数の変化に伴うステー
タ電流の位相変化を補償して回転数変化に対して安定か
つ優れたトルクを発生する直流ブラシレスモータの駆動
装置を提供することを、その解決すべき課題としている
。

［・発明の構成］ （ｉ！！題を解決するための手段） 本発明の直流ブラシレスモータの駆動装置の駆動装置は
、永久磁石型のロータを有する直流ブラシレスモータの
複数のステータコイルに同一周期で互いに一定の位相差
をもつ複数のステータ電圧を別々に印加するステータ電
圧印加手段と、前記ロータの回転位置を検出し該回転位
置情報を含むロータ位置信号を出力するロータ位置検出
手段と、前記ロータ位置信号の位相に対し前記ステータ
電圧の位相を推移させるステータ電圧位相推移手段と、
前記ステータ電圧位相推移手段の位相推移量を指定する
位相推移量指定手段とを備えることを特徴としている。

ロータ位置検出手段としては磁気式あるいは光学式のロ
ータリーエンコーダなどを用いることができる。

ステータ電圧位相推移手段としては、ＰＬＬ（フェーズ
ロックループ）回路や、可変遅延回路などを採用するこ
とができる。

（作用） ロータ位置検出手段はロータの回転位置を検出してロー
タ位置信号をステータ電圧位相推移手段に送り、ステー
タ電圧位相推移手段はロータ位置信号の位相に対しステ
ータ電圧の位相差を推移させる。このステータ電圧の位
相推移により回転数変動に伴うステータ電流の位相変動
を補償することができる。

位相推移量指定手段は、手動操作によりあるいは回転数
に応じて所望の位相推移量をステータ電圧位相推移手段
の位相推移量を決定する。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に基づき説明する。

この実施例の直流ブラシレスモータの駆動装置は、第２
図に示すように、磁極検出素子’１９ａ〜１９Ｃと、位
相推移回路３０と、モータ駆動信号発生回路４０と、電
力増幅器５０、位相推移量指定回路６０とにより構成さ
れている。

ここで、磁極検出素子１９８〜１９ｃは本発明でいうロ
ータ位置検出手段を構成し、位相推移回路３０は本発明
でいうステータ電圧位相推移手段を構成し、モータ駆動
信号発生回路４０及び電力増幅器５０は本発明でいうス
テータ電圧印加手段を構成し、位相推移量指定回路６０
は本発明でいう位相推移量指定手段を構成している。

直流ブラシレスモータの断面図を第１図に示す。

ヨークを構成する円筒状のフレーム１０の内部には、鉄
心１１に巻装された３相のステータコイル１１ａ、１１
ｂ、’１１Ｇからなるステータ１１が配設されている。

ステータ１１は環状に形成されており、ステータ１１の
内部にはロータ１２が遊嵌されている。

ロータ１２は出力軸であるロータ軸１３に固定されてお
り、ロータ軸１３はフレーム１０の両端開口を夫々閉塞
するカバー１４．１５に夫々固設された軸受１６．１７
に回転可能に支承されている。ロータ１２は外周上に配
設された所定対の永久磁極（図示せず）を備え、これら
永久磁極は永久磁石と磁束通路としての軟鉄部とで構成
されている。

ロータ軸１３には有孔円板形状の回転磁石１８が一体回
転可能に嵌着されており、カバー１５には基板２２が設
けられている。基板２２はロータ軸１３が回転自在に貫
通する孔部をもち、また、カバー１５の孔部の周囲には
回転磁石１８の磁界を検出する磁極検出素子１９ａ、１
９ｂ、１９Ｇが磁石円板１８の外周から一定間隔を隔て
て同円上に配設されている。磁極検出素子１９ａ、１９
ｂ、１９Ｇはステータコイル１１ａ、１１ｂ、１１Ｃに
対してそれぞれ所定角度で配置されている。

磁極検出素子１９ａ、１９ｂ、１９Ｃ，はそれぞれホー
ル素子からなり、磁極検出素子１９ａ、１９ｂ、１９Ｃ
の出力電圧は基板２２上に設けられたセンスアンプ（図
示せず）によりそれぞれ独立に増幅された後、ロータ位
置信号Ａ、Ｂ、Ｃとして位相推移回路３０に入力される
。ここで、磁極検出素子１９ａ、１９ｂ、１９Ｇは互い
に１２０度づつ離れており、そして、最低速時にモータ
が最大トルクを出力する通電タイミングに相当する角度
位置に配置されている。

モータ駆動信号発生回路４０は、第３図に示すように、
位相推移回路３０から出力される３相位相推移信号Ｅ、
Ｆ、Ｇに基づいてモータ駆動信号ＵＨ，ｔＪＬ、ＶＨ，
ＶＬ、ＷＨ，ＷＬを合成する。

それぞれ約１２０度のパルス幅をもつこれら各モータ駆
動信号ｔＪＨ，ＵＬ、ＶＨ，ＶＬ、ＷＨ，Ｗ［の合成は
通常のロジック回路により簡単になされる。

電力増幅回路５０は、モータ駆動信号発生回路４０より
出力されたモータ駆動信号ＵＨ，ＵＬ、ＶＨ，ＶＬ、Ｗ
Ｈ，ＷＩＪ：基ツイテ形成さレル３相のステータ電圧Ｕ
、Ｖ、Ｗをそれぞれモータステータコイル１１ａ、１１
ｂ、１１Ｃに印加する。

このような電力増幅回路５０は通常のものと同一である
ので、説明は省略する。

なお、回転磁５１８を省略して、ロータ１２に配設され
た上記永久磁極の磁界を直接検出してロータ位置信号を
出力するようにＦｌｉ極検比検出素子１９ａ９ｂ、１９
Ｃを配置することも可能である。

また、ステータ相数は３に限定されない。

次に、位相推移回路３０及び位相推移量指定回路’６０
について、第６図に基づいて説明する。

信号位相推移回路３０は、位相比較器３１、電圧制御発
振器３２、分周カウンタ３３．３４、Ｄ／Ａコンバータ
３５、比較器３７、デコーダ３８ａ、３８ｂ１マルチプ
レクサ３９、単安定マルチバイブレータ４２、積分回路
４３、コンパレータ４４、しきいＷｉ設定ボリューム４
１からなり、位相推移量指定回路６０は位相推移口を指
定するボリュームからなる。

以上の構成からなる本実施例の作用を説明する。

低速回転時には単安定マルチバイブレータ４２から出力
されるパルス信号のデユーティ比が小さく、その結果、
整流器４３から出力される直流電圧はしきい値設定ボリ
ューム４１の設定値より小さく、コンパレータ４４の出
力Ｓはローレベルとなり、マルチプレクサ３９はデコー
ダ３８ｂの出力電圧Ａ１、Ｂ１、Ｃ１を選択せずに、ロ
ータ位置信号Ａ、Ｂ、Ｃ８選択して３相位相推移信号Ｅ
、Ｆ、Ｇとして出力する。

また、ロータ１２の回転速度が増加すると単安定マルチ
バイブレータ４２から出力されるパルス信号のデユーテ
ィ比が大きくなり、ロータ１２の回転速度が一定しきい
値を越えると整流器４３ｈ１ら出力される直流電圧はし
きい値設定ボリューム４１の設定値より大きくなり、コ
ンパレータ４４の出力Ｓはハイレベルとなり、マルチプ
レクサ３９はロータ位置信＠Ａ、８．Ｃを選択せずにデ
コーダ３８ｂが出力する位相推移済みロータ位置信号Ａ
１、Ｂ１、Ｃ１を選択して、３相位相推移信号Ｅ、Ｆ、
Ｇとして出力する。

マルチプレクサ３９により切替える理由は、低速時には
Ｐ　Ｌ　Ｌ　ＩＩＩ御が円滑に実施できない場合がある
からである。

マルチプレクサ３９から出力される３相位相推移信号Ｅ
、Ｆ、Ｇは、上述したように、モータ駆動信号発生回路
４０でモータ駆動信号ｔ、Ｉｔ−（、ＵＬ、ＶＨ，ＶＬ
、ＷＨ，ＷＬｋ：変換され、次に電力増幅回路５０で３
相のステータ電圧Ｕ、Ｖ、Ｗに変換増幅されてステータ
コイル１１ａ、１１ｂ、１１Ｃに印加される。

次に、信号位相推移回路３０の作用について第５図及び
第６図を参照して説明する。

磁極検出素子１９ａから出力されたロータ位置信号Ａは
位相比較器３１を介して電圧制御発振器３２に入力され
、電圧１１１１１１発振器３２はロータ位置信号Ａの１
９２倍の周波数のパルス信号を発振する。このパルス信
号は８ビツトの分周カウンタ３３により分周され８ビツ
トデータとしてＤ／Ａコンバータ３５に入力される。な
お、この分周カウンタ３３は、ロータ位置信号Ａの立下
がりエツジでＯにリセットされるので、最高カウント数
は１９１である。第５図に分周カウンタ３３の上位３ビ
ツトＱ８、Ｃ７、Ｃ６を示す。

Ｄ／Ａコンバータ３５はこの８ビツトデータをアナログ
信号Ｖａに変換しコンパレータ３７に出力する。したが
って、アナログ信号■ａはロータ位置信号Ａと同期する
鋸歯状波形を有する。

コンパレータ３７はアナログ信号電圧Ｖａと、位相推移
量指定回路６０により設定される位相推移量指定しきい
ｗＬ電圧ｙｔとを比較し、比較結果により分周カウンタ
３４をリセットする。

この分周カウンタ３４は電圧制御発振器３２から出力さ
れるパルス信号をカウントしており、コンパレータ３７
の出力がローレベル（Ｖａ＞Ｖｔ）となった時点ＴＳＦ
Ｏにリセットされる。したがって、８ビツトの分周カウ
ンタ３４は時点Ｔｓからカウントを開始し、当然、最高
カウント数は１９１である。

分周カウンタ３４から出力される８ビツトデータの上位
３ビットＱ８−１Ｑ７”、Ｃ６−（第５図参照）はデコ
ーダ３８ａ（入力されて循環遂時パルスＳ○〜３５（第
５図参照）に変換され、循環遂時パルス５ｏ−３５はデ
コーダ３８ｂに入力されて位相推移済みロータ位置信号
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１に変換され、マルチプレクサ３９に入
力される。マルチプレクサ３９は上述したように、ロタ
位置信号Ａ、Ｂ、Ｃと位相推移済みロータ位置信号Ａ１
、Ｂ１、Ｃ１のどちらかを選択し、３相位相推移信号Ｅ
、Ｆ、Ｇとして出力する。

ここで、位相推移量指定回路６０が出力する位相推移量
指定しきいｍ電圧Ｖｔを変更すると（当然、Ｖａの最大
値は常にｙｔより大きく設定されている）、コンパレー
タ３７の出力反転時点Ｔｓが推移する。そしてこの推移
した分だけ位相推移済みロータ位置信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ
１はロータ位置信号Ａ、Ｂ、Ｃから推移することとなる
。

以上説明したように、この実施例では、ロータ位置信＠
Ａ、Ｂ、Ｃに対して所望位相差だけ推移した位相推移済
みロータ位置信号Ａ１，８１、Ｃ１を合成し、この位相
推移済みロータ位置信号ＡＬ　Ｂ１、Ｃ１を用イＴ　ス
フ−−’）電圧Ｕ、Ｖ、Ｗを合成しているので、例えば
高速回転時にステータ電圧位相を進相することにより、
モータの出力トルクを向上することができる。

またこの実施例によれば、位相推移量を連続的に調節す
ることもできる。

本実施例の作用効果について第４図に基づいて更に詳細
に説明する。

モータのトルクはロータ１２の回転磁界と各ステータ電
流とのベクトル積に比例する。

Ｂはロータ１２の回転磁界である。Ｕａは低速時のステ
ータ電圧Ｕであり、磁極検出素子１９ａ、１９ｂ、１９
Ｇからのロータ位置信号に基づき形成される。Ａａは低
速時における磁極検出素子１９ａのロータ位置信号Ａで
ある。

■ａは低速時のステータ電流波形であり、リアクタンス
が小ざいのでその位相遅れは小さい。Ｉｂは中速時のス
テータ電流波形であり、リアクタンスがやや大きくなる
のでその位相遅れはヤヤ大きくなっている。

Ｉｃは高速時のステータ電流波形であり、リアクタンス
が更に大きくなるのでその位相遅れは更に大きくなって
いる。

すなわち、中速時、高速時に推移するにしたがいステー
タ電流の位相遅れはますます増加し、ステータ電流とロ
ータの回転磁界Ｂとのベクトル積は益々小さくなる。

したがって、低速時から中速時、高速時と回転数が推移
するとともに、ロータ位置信号Ａ１の位相をＡａからＡ
ｂ、ＡＣと進相させれば、ステータ電流の位相後れを補
償してトルク低下を防止することができる。

なおこの実施例では、低速時には磁極検出素子出力をそ
のまま使用するため、低速時のＰＬＬ発振器の不安定な
領域の使用を避けることができる。

また、上記実施例ではＰＬＬ回路を用いてステータ電圧
の位相を可変としているが、他に、ロータ位置信号Ａ、
Ｂ、Ｃを各種の可変遅延回路を用いて所望の時間だけ遅
延してモータ駆動回路４０に入力してもよい。

（第２実施例〉 本発明の他の実施例を第７図に示す。

この実施例では、回転速度を検出し速度範囲に応じてコ
ンパレータ３７に入力するしきい値電圧Ｖｔを変化させ
る構成を採用している。すなわち、この実施例では位相
推移量指定手段として、単安定マルチバイブレータ４２
と、積分回路４３と、可変アナログレベルシフト回路６
１とを用いている。　この可変アナログレベルシフト回
路６１は整流器４３から出力される直流電圧を所望量だ
けレベルシフトする回路であり、例えばボリュームとア
ナログ加算回路又はレベルシフタで構成することができ
る。

整流器４３から出力される直流電圧は回転速度に比例し
ているので、コンパレータ３７に入力されるしきい値電
圧Ｖｔは回転速度に連動し、その結果、位相推移量を回
転速度に連動させることができる。なお、可変アナログ
レベルシフト回路６１を省略することも可能である。

このようにすれば、手動操作なしに回転数変化によるト
ルク減少を防止することができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、直流ブラシレスモータを高速回転させ
る場合、起動時に最大トルクを冑ながら、高速回転時に
通電位相推移手段により、その回転数に適した進み角制
御することができるため、直流ブラシレスモータの構成
の複雑化及び大型化を招くことなく、ステータ巻線の通
電位相を推移させてトルク低下を防止することができる
。

また、本発明によれば、１組の固定の磁極検出素子の検
出信号によって上記した効果が得られるので、組立作業
の作業性が良いと共にモータの信頼性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における直流ブラシレスモータの断面図
、第２図は本発明の駆動Ｈ置の一実施例を示すブロック
図、第３図は位相推移済みロータ位置信号Ｅ、Ｆ、Ｇと
ステータ電圧Ｕ、■、Ｗとの関係を示す信号波形図、第
４図は回転速度変化とステータ電流位相推移との関係を
示す信号波形図、第５図は位相推移回路３０の信号波形
図、第６図は位相推移回路３０のブロック図、第７図は
位相推移回路３０の変形例を示すブロック図、第８図は
従来の従来の直流ブラシレスモータの駆動装置のブロッ
ク図である。 １１ａ、１１ｂ、１１Ｃ−２チータコイル１２・・・ロ
ータ　　　　　１３・・・ロータ軸１８・・・回転磁石 １９ａ、１９ｂ、１９　ｃ　−・・磁極検出素子３０・
・・位相推移回路（位相推移制御手段）４０・・・モー
タ駆動信号発生回路 ５０・・・電力増幅回路 ６０・・・位相推移量指定手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 永久磁石型のロータを有する直流ブラシレスモータの複
   数のステータコイルに同一周期で互いに一定の位相差を
   もつ複数のステータ電圧を別々に印加するステータ電圧
   印加手段と、 前記ロータの回転位置を検出し該回転位置情報を含むロ
   ータ位置信号を出力するロータ位置検出手段と、 前記ロータ位置信号の位相に対し前記ステータ電圧の位
   相を推移させるステータ電圧位相推移手段と、 前記ステータ電圧位相推移手段の位相推移量を指定する
   位相推移量指定手段と、 を備えることを特徴とする直流ブラシレスモータの駆動
   装置。