JPH0574312B2

JPH0574312B2 -

Info

Publication number: JPH0574312B2
Application number: JP59263854A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Mizuguchi; Toshio Inaji; Yoshifumi Shimogaki; Yoshiaki Igarashi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1984-12-14
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1993-10-18
Also published as: JPS61142987A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は直流無整流子モータの駆動装置に関す
るものである。

従来の技術最近の直流無整流子モータには回転子の回転位
置の検出素子として、その手軽さから磁電変換素
子、とりわけホール素子が多用されているが、良
く知られているようにホール素子は感度のばらつ
きが大きく、このため、従来からホール素子の感
度のばらつきを回路技術によつて吸収しようとす
る試みが盛んに行なわれてきた。

特開昭58−86892号公報（以後、文献１と略記
する）にはその代表的な技術が開示されており、
その駆動回路の具体的な構成の説明は省略する
が、その動作のポイントは前記文献１に示されて
いるように、３個のホール素子の出力を線形増幅
して得られた電機子コイルへの印加電圧VU、
VV、VWのなかで、第１の基準値VCよりも高い
電圧の和と、第２の基準値VDよりも低い電圧の
和をとつて、これらの電圧の和が、制御信号VI
に比例する値に常時一致するようにホール素子の
バイアス電圧を制御することにある（文献１の第
４頁右上欄第18行目から左下欄第２行目参照）。

発明が解決しようとする問題点しかしながら、前記文献１に示された駆動装置
の構成によれば、電機子コイルへの供給電圧ある
いは供給電流の和が常に制御入力電圧VIに比例
する値に一致するように制御され、３個のホール
素子のそれぞれに感度ばらつきが生じていても、
それを吸収するように回路が動作するのでホール
素子の出力信号の基本波成分の周波数に対しては
トルクリツプルの抑制効果を有するが、より高次
のトルクリツプル成分ついてはほとんど抑制効果
を有さない。

例えば、３相全波駆動の直流無整流子モータに
ついて論じると、各固定子巻線に誘起される発電
電圧波形が純粋な正弦波であつて、しかも各固定
子巻線に正弦波電流を流すならば、モータの出力
トルクＴは次式で示されるように一定となる。

Ｔ＝（sinθ）²＋｛sin（θ−２・π／３
）｝²＋｛sin（θ−４・π／３）｝²＝1.5(1) なお、(1)式においてθは回転電気角である。

ところが、一般にはモータの効率を高めるため
に回転子の永久磁石にはより強い着磁が施され、
その結果、ホール素子の出力信号波形ならびに発
電電圧波形のいずれにも３次成分をはじめとする
奇数次の高調波成分が含まれる。

このため、前記文献１に示された装置において
は、ホール素子の感度ばらつきに起因するトルク
リツプルを抑制できても、高次のトルクリツプル
については抑制しきれないという問題点があつ
た。

問題点を解決するための手段前記した問題点を解決するために本発明の直流
無整流子モータの駆動装置は、固定子上に配置さ
れて回転子磁石による磁界を検出する複数の磁電
変換素子と、前記各磁電変換素子の出力を増幅す
る複数の前置増幅器と、前記前置増幅器の出力を
増幅してそれぞれに対応した固定子巻線に電流を
供給する複数のパワー増幅器と、前記パワー増幅
器から前記固定子巻線への流出電流の和と前記固
定子巻線から前記パワー増幅器への流入電流の和
が等しくなるように前記パワー増幅器の入力バイ
アス電圧を調節する出力バランス調節手段と、前
記流出電流の和または前記流入電流の和の直流分
を抽出して、それが制御入力電圧もしくは制御入
力電流に依存するように前記前置増幅器の増幅度
を調節する出力電流調節手段を具備したものであ
る。

作用本発明では前記した構成によつて、基本波成分
だけでなく、より高次のトリクリツプルをも抑制
することが可能となる。

実施例以下、本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。

第１図は本発明の一実施例において直流無整流
子モータの駆動装置の回路構成図を示したもので
ある。

第１図においてホール素子１，２，３は固定子
（図示せず）上に互いに120°の間隔を保つて配置
されており、前記ホール素子１，２，３の出力は
それぞれ電流出力型の前置増幅起１００，２０
０，３００の入力端子に供給され、前記前置増幅
起１００，２００，３００の出力はそれぞれ抵抗
４，５，６の一端に供給されるとともに電流出力
型のパワー増幅器４００，５００，６００の非反
転入力端子に供給されている。前記パワー増幅器
４００，５００，６００の両方向出力端子４００
ａ，５００ａ，６００ａはそれぞれ星形結線され
た固定子巻線７，８，９の一端に接続され、前記
両方向出力端子４００ａ，５００ａ，６００ａを
介して前記パワー増幅器４００，５００，６００
に流入する電流に比例した電流を吸い込む流入端
子４００ｂ，５００ｂ，６００ｂは互いに共通接
続されて一端がプラス側給電端子１０に接続され
た抵抗１１の他端に接続されるとともに比較器７
００と比較器８００のそれぞれの非反転入力端子
にも接続され、前記両方向出力端子４００ａ，５
００ａ，６００ａを介して前記パワー増幅器４０
０，５００，６００から流出する電流に比例した
電流を流し出す流出端子４００ｃ，５００ｃ，６
００ｃは互いに共通接続されてカレントミラー回
路９００の入力端子に接続され、前記カレントミ
ラー回路９００の出力端子は一端がプラス側給電
端子１０に接された抵抗１２の他端に接続される
とともに前記比較器７００の反転入力端子に接続
されている。

一方、制御電圧入力端子２０には電流出力型の
増幅器１０００の非反転入力端子が接続され、前
記増幅器１０００の流入端子は一端がプラス側給
電端子１０に接続された抵抗１３の他端に接続さ
れるとともに前記比較器８００の反転入力端子に
接続され、前記比較器８００の出力は増幅度の制
御信号として前記前置増幅器１００，２００，３
００に供給されている。

また、抵抗１４，１５によつて給電電圧を分圧
して作られた一定の電圧がバツフア回路１１００
を介して前記ホール素子１，２，３に供給され、
同じ抵抗値の抵抗１６，１７によつて給電電圧を
分圧して作られた給電電圧の半分の電圧がバツフ
ア回路１２００を介して前記抵抗４，５，６のそ
れぞれの他端と、前記増幅器１０００の反転入力
端子と絶対値増幅器１３００の一方の入力端子に
供給され、前記前記比較器７００の出力は前記パ
ワー増幅器４００，５００，６００の反転入力端
子と前記絶対値増幅器１３００の他方の入力端子
に供給されている。

以上のように構成された直流無整流子モータの
駆動装置について、第１図および第２図、第３図
ならにび第４図を用いてその動作を説明する。

なお、説明に先立つてモータの回転子を構成す
る永久磁石の磁束をホール素子で検出したときに
は基本波に対して３次高調波、５次高調波、７次
高調波、９次高調波がそれぞれ、17.77％、5.68
％、2.16％、0.79％の割合で含まれているものと
する。また、発電電圧波形には３次高調波、５次
高調波がそれぞれ、8.30％、0.75％の割合で含ま
れているがそれ以上の高次の高調波は含まれてい
ないものとする。これらの数値は永久磁石として
フエライト系の素材を用いた場合の実測値に基い
ており、発電電圧波形がホール素子の出力電圧波
形に比べて高次の高調波の含有率が低くなつてい
るのは実際の固定子巻線の形状が扇形のワンター
ンコイル状ではなく、ある程度の巻幅を有する円
形に近くなつていることに起因する。

まず、第２図は第１図の比較器７００と比較器
８００による制御ループをいずれも開放状態にし
たときの信号波形を示したもので、第２図Ａがホ
ール素子１，２，３の差動出力電圧波形であり、
第２図Ｂが抵抗１２の両端に現われる信号波形で
あり、第２図Ｃが抵抗１１の両端に現われる信号
波形であり、第２図Ｄは給電電圧の２分の１の電
位を基準にしたときの比較器７００の出力電圧波
形である。

すなわち、パワー増幅器４００，５００，６０
０は、後に説明するように固定子巻線７，８，９
に供給する出力電流のうち、流出電流の200分の
１の電流を流出端子４００ｃ，５００ｃ，６００
ｃから流し出し、流入電流の200分の１の電流を
流入端子４００ｂ，５００ｂ，６００ｂから吸収
する構成になつているので、抵抗１２の両端には
第２図Ａの電圧波形の中間電位よりも上側の電圧
を中間電位との差分だけ加え合わせた値に比例し
た電圧が現われ、抵抗１１の両端には第２図Ａの
電圧波形の中間電位よりも下側の電圧を中間電位
との差分だけ符号を反転して加え合わせた値に比
例した電圧が現われ、比較器７００の出力端子に
は両者の差に比例した電圧波形が現われる。

第２図Ｂ，Ｃの信号波形を比較すればわかるよ
うに、パワー増幅器４００，５００，６００から
固定子巻線７，８，９に供給される電流のうち、
流出電流の総和と流入電流の総和が一致せず、こ
のままではパワー増幅器４００，５００，６００
の出力電流のバランスがとれなくなる。

つぎに、第３図は比較器７００による制御ルー
プを動作させたときの信号波形を示したもので、
第３図Ａがパワー増幅器４００，５００，６００
の出力電流波形であり、第３図Ｂが抵抗１２の両
端に現われる信号波形であり、第３図Ｃが抵抗１
１の両端に現われる信号波形であり、第３図Ｄは
モータを回転させたときに固定子巻線７，８，９
に誘起される発電電圧波形である。

すなわち、第２図Ｄに示した比較器７００の出
力によつてパワー増幅器４００，５００，６００
の反転入力端子のバイアス電圧が調節され、その
結果、パワー増幅器４００，５００，６００の出
力電流波形は第３図Ａに示すように、第２図Ａの
信号波形から３次高調波成分を取り除いた波形と
なり、抵抗１２の両端に現われる電圧波形と抵抗
１１の両端に現われる電圧波形が同じ形になる。

なお、ここでは比較器７００の比較ゲインは十
分に大きいものとしており、その出力信号波形は
依然として第２図Ｄのままである。

一方、固定子巻線７，８，９には第３図Ｄに示
したような発電波形が現われるから、モータが発
生するトルクは第３図Ａに示されるａ１，ａ２，
ａ３の電流値と第３図Ｄに示されるｄ１，ｄ２，
ｄ３の電圧値の積に比例する。

ちなみに、それぞれの積を求めて（a1×d1＋
a2×d2＋a3×d3）を計算すると、トルクリツプ
ルはほぼ8.5％_p-pとなり、その最大値は第３図の
回転電気角が30°、90°、150°、210°、……の点に
現われ、最小値は0°、60°、120°、180°、……の点
に現われる。

このトルクリツプルを抑制するには第３図Ｂあ
るいは第３図Ｃの信号波形の交流分だけ取り出し
て逆相にした上でホール素子１，２，３の給電電
圧または前置増幅器１００，２００，３００のバ
イアス電流に変調をかければ良い。

また、第３図Ｂあるいは第３図Ｃの電圧波形の
平均値はモータの出力トルクに比例した値となる
ので、ホール素子１，２，３がそれぞれ感度のば
らつきを有している場合、それに起因するトルク
リツプウを抑制するには第１図の制御電圧入力端
子２０に印加される電圧に比例した電圧と第３図
Ｂあるいは第３図Ｃの電圧波形の平均値とを比較
して両者が常に等しくなるようにホール素子１，
２，３への給電電圧あるいは前置増幅器１００，
２００，３００の増幅度を調節すれば良い。

第１図に示した直流無整流子モータの駆動装置
において、この両方の調節を行なつているのが比
較器８００と絶対値増幅器１３００と、前記絶対
値像幅器１３００の出力電流と増幅器１０００の
出力電流が合成される抵抗１３によつて構成され
た出力電流調節ループである。

増幅器１０００は、その反転入力端子にバツフ
ア回路１２００から出力される給電電圧の２分の
１の電圧が供給されて、この電圧を基準として、
制御電圧入力端子２０に供給される制御電圧の大
小に応じて比較器８００を介して前置増幅器１０
０〜３００の増幅度を調節する。

また、絶対値増幅器１３００は、基準側の入力
端子ａに供給される給電電圧の２分の１の電圧を
折り返し点とし、入力端子ｂに供給される第２図
Ｄの信号波形の全波整流波形の信号を出力する。
これは、第３図ｂの信号波形から直流分だけを差
し引いた波形となる。

絶対値増幅器１３００の出力信号は、前記増幅
器１０００の出力信号と加え合わせて比較器８０
０に供給しているが、これは比較出力信号から抵
抗１１の両端に現われる電圧のリツプル成分を相
殺することを目的としたものである。これによ
り、比較器８００は、パワー増幅器４００〜６０
０の流入電流の和の直流分だけを抽出して、前記
増幅器１０００の出力電流と比較することがで
き、流入電流の和の直流分が制御入力電圧の大き
さに対応するように、前置増幅器１００〜３００
の増幅度を調節する。

なお、その一端にバツフア回路１２００から出
力される給電電圧の２分の１の電圧が供給され、
他端は前置増幅器１００〜３００の出力端子に接
続される抵抗４〜６は前記前置増幅器の出力電圧
の中心点を給電電圧の２分の１に固定するために
用いられている。

第４図は、第１図の装置において抵抗１１の両
端の電圧波形のリツプル含有率が13.3％になるよ
うに、抵抗１３を流れる電流の合成比率を設定し
たときの信号波形を示したものであり、第４図Ａ
がパワー増幅器４００，５００，６００の出力電
流波形であり、第４図Ｂが抵抗１２の両端に現わ
れる信号波形であり、第４図Ｃが抵抗１１の両端
に現われる信号波形であり、第４図Ｄは第３図Ｄ
に示した発電電圧波形と第４図Ａの出力電流波形
の積から得られるトルクリツプルの波形を示した
ものである。なお、このときのトルクリツプルの
大きさは約2.6％_p-pである。

ところで、永久磁石の着磁波形の高調波の含有
率が先に述べた値と異なる場合には、それに適し
た合成比率を設定することによつてトルクリツプ
ルの大きさを最小にすることができ、着磁波形が
正弦波に近づく程トルクリツプルは小さくなる。

また、ホール素子１，２，３がそれぞれ感度ば
らつきを有していてもそれらに起因するトルクリ
ツプルは実用上支障ない程度にまで抑制されるの
はいうまでもない。

このように、第１図に示した直流無整流子モー
タの駆動装置は回路に特別な演算を行なわせるこ
となく容易にトルクリツプルを低減させることが
できる。

さて、第５図はパワー増幅器４００の具体的な
回路構成例を示す回路結線図であり、パワー増幅
器５００，６００も同一の構成となる。

第５図においてトランジスタ４０１，４０２，
４０３，４０４，４０５によつて構成された差動
段の伝達コンダクタンスgmは、定電流源４１０
の出力電流をI_Sとし、ボルツマン定数をｋとし、
電子の電荷をｑ、接合温度をＴとしたとき次式に
よつて与えられる。

gm＝I_S・ｑ／２・ｋ・Ｔ (2) また、トランジスタ４０１のコレクタから流出
端子POまでと、トランジスタ４０２のコレクタ
から流出端子NOまでとはいずれもカレントミラ
ー回路で連結され、電流増倍率は５０に設定され
ているので、入力端子IN₊−IN_-間から流出端子
POあるいは流出端子NOまでの伝達コンダクタ
ンスGM_Sは次式によつて与えられる。

GM_S＝25・I_S・ｑ／ｋ・Ｔ (3) 一方、トランジスタ４０６に対する出力トラン
ジスタ４０７のエミツタ面積の倍率と、トランジ
スタ４０８に対する出力トランジスタ４０７のエ
ミツタ面積の倍率はいずれも200に設定されてい
るので、入力端子、IN₊−IN_-間から出力端子
BOまでの伝達コンダクタンスGM_Bは次式によつ
て与えられる。

GM_B＝500・I_S・ｑ／ｋ・Ｔ (4) ところが、(3)式あるいは(4)式で表わされる伝達
コンダクタンスは、定電流源４１０の出力電流I_S
に温度依存性がない場合には、両式からもわかる
ように接合部の絶対温度に反比例するが、良く知
られたバンドギヤツプ基準電圧源などによつて、
絶対温度に比例した精度の良い電流を作りだせば
全温度範囲にわたつて伝達コンダクタンスを一定
にすることもできる。

つぎに、第１図の前置増幅器１００，２００，
３００についても第５図の回路と同様の構成で実
現することができる。勿論、大きな電力を必要と
しないので、カレントミラー回路による電流の増
倍は不要であり、増幅器の増幅度、すなわち伝達
コンダクタンスを調節するには定電流源４１０の
出力電流が第１図の比較器８００の出力電圧によ
つて変化するように構成すれば良い。

また、第１図の絶対値増幅器１３００について
も第５図の回路構成がそのまま利用できる。すな
わち、第５図のトラジスタ４１１のコレクタを切
り離してトランジスタ４１２のコレクタに接続
し、さらにトラジスタ４１３のコレクタから出力
電流を取りだすように変更すれば良い。

さて、第６図は本発明の第２の実施例における
直流無整流子モータの駆動装置の回路構成図を示
したものであり、第１図と同一の箇所については
同一図番にて示している。

第６図の装置の基本的な動作は第１図の装置と
同じであるが、第１図の装置では比較器８００の
出力によつて前置増幅器１００，２００，３００
の増幅度を調節していたのに対して、比較器８０
０の出力をホール素子１，２，３にバイアス電圧
として供給した点が異なり、これに伴つてバツフ
ア回路１１００と抵抗１４，１５が削除されてい
る。

このように第６図の装置では第１図の装置に比
べてブロツク構成が簡略化された形になつている
が、一方では不都合な面もある。例えば、ホール
素子１，２，３の出力信号を固定巻線７，８，９
への通電のためにだけではなく、回転速度や回転
方向の判別のためにも用いたい場合などには、第
６図の回路構成ではホール素子１，２，３の出力
信号の振幅が変化するので好ましくない。

しかしながら、回路部分をワンチツプ集積回路
（IC）化して、同一のICで異なる種類のホール素
子を使いわける場合には第６図に示した回路構成
の方が都合が良い。なぜならば、第１図の構成で
はホール素子１，２，３へのバイアス電圧が、抵
抗１４，１５による分圧比で一義的に定まつてし
まうのに対して、第６図の構成によれば、使用す
るホール素子の種類が変更されたとしても、比較
器８００と絶対値増幅器１３００、抵抗１３によ
つて構成された出力電流調節ループがホール素子
に対して必要な電圧あるいは電流を供給するよう
に動作するからである。

発明の効果以上に示したように、本発明の直流無整流子モ
ータの駆動装置は、固定子上に配置されて回転子
磁石による磁界を検出する複数の磁電変換素子
（実施例においは、ホール素子１〜３）と、前記
各磁電変換素子の出力を増幅する複数の前置増幅
器１００〜３００と、前記前置増幅器の出力を増
幅してそれぞれに対応した固定子巻線に電流を供
給する複数のパワー増幅器４００〜６００と、前
記パワー増幅器から前記固定子巻線への流出電流
の和と前記固定子巻線から前記パワー増幅器への
流入電流の和が等しくなるように前記パワー増幅
器の入力バイアス電圧を調節する出力バランス調
節手段（実施例においては、抵抗１１、抵抗１
２、比較器７００によつて構成されている）と、
前記流出電流の和または前記流入電流の和の直流
分を抽出して、それが制御入力電圧もしくは制御
入力電流に依存するように前記前置増幅器の増幅
度あるいは前記磁電変換素子のバイアス電圧を調
節する出力電流調節手段（実施例においては、絶
対値増幅器１３００と比較器８００によつて構成
されている）を具備したことを特徴とするもので
あり、このように２通りの調節ループを介在させ
ることによつて、磁電変換素子の感度ばらつきと
永久磁石の着磁波形の両方に起因するモータのト
ルクリツプルを実用上支障ないしレベルにまで抑
制することができ、極めて大なる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における直流無整流
子モータの駆動装置の回路構成図、第２図、第３
図、第４図は第１図の装置の動作を説明するため
の信号波形図、第５図はパワー増幅器の具体例を
示す回路結線図、第６図は本発明の別の実施例に
おける直流無整流子モータの駆動装置の回路構成
図である。１，２，３……ホール素子、７，８，９……固
定子巻線、１３……抵抗、１００，２００，３０
０……前置増幅器、４００，５００，６００……
パワー増幅器、７００，８００……比較器、１３
００……絶対値増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】１固定子上に配置されて回転子磁石による磁界
を検出する複数の磁電変換素子と、前記各磁電変
換素子の出力を増幅する複数の前置増幅器と、前
記前置増幅器の出力を増幅してそれぞれに対応し
た固定子巻線に電流を供給する複数のパワー増幅
器と、前記パワー増幅器から前記固定子巻線への
流出電流の和と前記固定子巻線から前記パワー増
幅器への流入電流の和が等しくなるように前記パ
ワー増幅器の入力バイアス電圧を調節する出力バ
ランス調節手段と、前記流出電流の和または前記
流入電流の和の直流分を抽出して、それが制御入
力電圧もしくは制御入力電流に依存するように前
記前置増幅器の増幅度を調節する出力電流調節手
段を具備してなる直流無整流子モータの駆動装
置。２前置増幅器の出力をパワー増幅器の非基準側
の入力端子に供給し、一方の入力端子に基準電圧
が印加され、他方の入力端子に出力バランス調節
手段を構成する第１の比較器の出力が供給される
絶対値増幅器と、前記絶対値増幅器の出力と、制
御入力に依存した電圧もしくは電流を合成する合
計回路と、前記合成回路によつて合成された電圧
もしくは電流と、前記パワー増幅器の出力に依存
した電圧もしくは電流を比較する第２の比較器に
よつて出力電流調節手段を構成し、前記第１の比
較器の出力を前記パワー増幅器の基準側の入力端
子に供給し、前記第２の比較器の出力によつて前
記前置増幅器の増幅度を調節するように構成した
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の直
流無整流子モータの駆動装置。３固定子上に配置されて回転子磁石による磁界
を検出する複数の磁電変換素子と、前記各磁電変
換素子の出力を増幅する複数の前置増幅器と、前
記前置増幅器の出力を増幅してそれぞれに対応し
た固定子巻線に電流を供給する複数のパワー増幅
器と、前記パワー増幅器から前記固定子巻線への
流出電流の和と前記固定子巻線から前記パワー増
幅器への流入電流の和が等しくなるように前記パ
ワー増幅器の入力バイアス電圧を調節する出力バ
ランス調節手段と、前記流出電流の和または前記
流入電流の和の直流分を抽出して、それが制御入
力電圧もしくは制御入力電流に依存するように前
記磁電変換素子のバイアス電圧を調節する出力電
流調節手段を具備してなる直流無整流子モータの
駆動装置。４前置増幅器の出力をパワー増幅器の非基準側
の入力端子に供給し、一方の入力端子に基準電圧
が印加され、他方の入力端子に出力バランス調節
手段を構成する第１の比較器の出力が供給される
絶対値増幅器と、前記絶対値増幅器の出力と、制
御入力に依存した電圧もしくは電流を合成する合
計回路と、前記合成回路によつて合成された電圧
もしくは電流と、前記パワー増幅器の出力に依存
した電圧もしくは電流を比較する第２の比較器に
よつて出力電流調節手段を構成し、前記第１の比
較器の出力を前記パワー増幅器の基準側の入力端
子に供給し、前記第２の比較器の出力によつて磁
電変換素子のバイアス電圧を調節するように構成
したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
の直流無整流子モータの駆動装置。