JPH0667260B2

JPH0667260B2 - ブラシレスモ−タ

Info

Publication number: JPH0667260B2
Application number: JP61021413A
Authority: JP
Inventors: 裕明玉江; 幸弘芦▲崎▼
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-02-03
Filing date: 1986-02-03
Publication date: 1994-08-24
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: JPS62181689A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、位置決め動作可能で高速回転をすることので
きるブラレシスモータに関するものである。

従来の技術近年の半導体技術及びデジタル技術の発達により産業上
のあらゆる機器のデジタル化が進み、マイクロコンピュ
ータの採用が促進されている。これらの機器の駆動源と
してはデジタル的な位置決め動作が可能なモータが適し
ており、従来、ステッピングモータやサーボモータが使
用されていた。

以下図面を参照しながら従来のステッピングモータにつ
いて説明する。第14図は従来のパーマネントマグネット
（PM）型ステッピングモータの原理図を示すもので、14
1は固定子、142は磁石よりなる回転子、143はコイルで
ある。コイルを外部から順序よく励磁してやれば回転子
はコイル通電の状態により位置をかえて歩進する。第15
図は第14図に示したステッピングモータのトルク分布を
示すもので、位置保持特性をもち、かつ外部信号に同期
した回転数を得ることがわかる。しかし、ステッピング
モータはコイルのもつ時定数や、鉄損の影響により高ス
ピードでは電流の立ち上がりが遅れてタイミング良くト
ルクが発生せず高速回転には向いていない。特に位置分
解能をあげるため、磁極ピッチを細かくした場合は１回
転当たりのスイッチング周波数が上がる為その影響が大
きく出ていた。

またステッピングモータの上記欠点をおぎなうため、外
部にエンコーダをつけ、モータのスピードに応じて通電
相の切替を時間的に早くして電流の立ち上がり遅れをカ
バーする方法がとられる場合もあるが、この方法ではモ
ータ外部にエンコーダをつけるため形状が大きくなり、
またエンコーダが高価であるという欠点があった。

さらにステッピングモータには、位置決め停止の際、第
16図に示すように停止点を中心に振動的に止まるという
現象が一般的にあり、位置の確定に時間がかかるという
欠点がある。この振動を少なくし位置確定の時間を短く
するためには、回転子には機械的な粘性抵抗（メカダン
ピング）を与えてやる必要があり、この場合には構造が
複雑になるという欠点があった。

次に従来のサーボモータについて説明する。第17図はサ
ーボモータの位置決め制御系を示すもので、171はモー
タ、172はエンコーダ、173は偏差カウンタを含む制御回
路、174は駆動回路である。

以上のように構成された位置決めサーボ系では、デジタ
ル位置指令に従って高速運転でき、かつ位置決め特性を
得ることができる。また電気的なダンピングを加えるこ
とができて、停止も振動的ではない。しかし、エンコー
ダが高価であることと、制御系の回路規模が大きくかつ
高価であるという欠点をもっている。

発明が解決しようとする問題点上記のように、ステッピングモータは高速回転できず位
置確定までの時間が長いという欠点をもち、ステッピン
グモータにエンコーダをつけたものでは、形状が大きく
なりエンコーダが高価であるという欠点をもっている。
また、サーボモータは制御系とエンコーダが高価である
という欠点をもっていた。

本発明は上記問題点に鑑み、従来のステッピングモータ
と同程度の形状でかつ比較的簡単な回路構成で、位置決
め機能と、高速回転性を持ったブラシレスモータを提供
するものである。

問題点を解決するための手段上記問題点を解決するために本発明のブラシレスモータ
は、（１）磁性体または磁石よりなる回転子と、（２）回転子と空隙を介して対向する固定子コアと複数
個のコイルを少なくとも備えた固定子と、（３）回転子を回転自在に支える軸受装置と、（４）固定子にとりつけられ、回転子の位置の変化を検
出しこれを電気信号に変換して、互いに位相の異なる略
正弦波状の位置信号を出力する非接触センサと、（５）位置信号の変化を速度信号に変換する速度検出手
段と、（６）外部からの歩進指令信号を受けつけ、歩進指令信
号数により上記多相の位置信号を順序よく選別する電子
スイッチ手段と、（７）選択された位置信号の変化量を出力する微分手段
と、（８）速度信号と選択された位置信号と、位置信号の変
化量と、外部からの指令量との加算値と進相量として上
記位置信号の位相を進ませる進相手段と、（９）進相された位置信号によって複数個のコイルを付
勢する正弦波型駆動回路と、を備えたものである。

作用本発明は上記の構成によって、モータに内蔵された非接
触センサにより得られる位置信号を、電子スイッチ手段
により選択された位置信号自身により相励磁用位置信号
を進相させ、上記進相された位置信号によってコイルを
付勢することにより歩進機能と位置決め機能をもつブラ
シレスモータを得ている。さらに、速度信号を進相指令
量に加算することにより、速度に応じて全体的に位置信
号の進相量を増して電流の立ち上がり遅れをカバーし高
速運転を行うことができる。また、進相指令用位置信号
の変化分をダンピング信号として進相量に加算すること
により停止時の振動を抑制し位置確定までの時間を短く
している。そして、外部からの信号を進相量に加算する
ことにより外部信号に応じた停止位置の移動を行うこと
ができる。

実施例以下本発明の実施例のブラシレスモータについて図面を
参照しながら説明する。

第１図は本発明の第１の実施例のブラシレスモータの機
構部を示すものであり、（ａ）は主要部の斜視図、
（ｂ）は断面図である。

第１図において、１は円周上表面に磁極歯を備えた回転
子、２は回転子との対向面に磁極歯を備えた固定子コ
ア、３は磁石、４は磁気回路を構成する継鉄、５は３相
12個のコイル、６は120゜ずつ位相のずれた略正弦波状
の信号を出力する非接触センサである。

第２図は第１の実施例のブラシレスモータの電気回路部
のブロック図である。第２図において20は前述のモータ
の機構部で、21は回転子、25a,25b,25cは３相のコイ
ル、26は磁気抵抗素子からなる非接触センサである。30
a,30b,30cは上記非接触センサの３相位置信号出力をそ
れぞれ増巾する位置信号増巾器である。31は進相指令量
に応じて３相の位置信号の位相を進ませたり遅らせたり
する進相回路、32は３相モータのコイルに、進相された
位置信号に比例した電流を流す３相正弦波型駆動回路で
ある。34a,34b,34cは３相の位置信号を反転する増巾器
である。33は外部からの歩進指令信号を受けつけ、位置
信号と反転された位置信号の合計６信号から１つを選択
して出力する電子スイッチ回路である。

35は選択された進相指令用の位置信号の変化をとり出し
増巾する微分器である。36は非接触センサからの位置信
号の変化を速度信号に変換する周波数−電圧変換（FV変
換）回路、37は加算器であり、その出力が進相器31の進
相指令信号となる。

以上のように構成されたブラシレスモータについて、以
上動作を説明する。

本実施例のモータのように固定子、回転子磁極歯が発生
する力を利用するレラクタンタイプのモータでは、その
磁極歯の形状を工夫することにより、固定子と回転子間
の空隙の磁束分布を正弦波に近づけることができる。

このようにしたとき各コイル相に一定電流を流した場
合、コイルの各相、A,B,Cによるトルクは第３図に示す
ように回転子方向電気角θに対し歯ピッチτ電気角２π
を周期とする正弦波として表せる。本実施例の場合、３
相モータなので各トルク分布は120゜ずつ位相がずれて
いる。

磁気抵抗素子よりなる非接触センサは１チップの中に３
相分のセンサエレメントが構成されており回転子の磁極
歯の位置を検出する。第４図にセンサ配置と出力を示
す。第４図において41は回転子磁極歯、42は非接触セン
サである。回転子がθ方向に移動すると、各センサエレ
メントの中心a,b,cと回転子磁極歯の相対位置の変化に
より３相のセンサ出力が得られる。センサ出力も磁気抵
抗素子の取付位置やバイアス磁石43の強さを調整するこ
とにより正弦波状の出力を得ることができる。

非接触センサは基本的に第５図に示すように取り付け
る。第５図において51は固定子１相の磁極歯、52は回転
子磁極歯、53は固定子磁極歯の相に対応する１相のセン
サである。第５図（ａ）のように回転子と固定子の磁極
歯が対向しているときトルクは発生しない。

（ｂ）の位置関係のとき磁極歯間の吸引力によりθ方向
のトルクが働く。（ｃ）のときは反θ方向へのトルクが
発生する。センサを（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すよう
に、固定子磁極歯に対して配置すると、各相のトルク分
布とセンサ出力との関係は、第５図（ｄ）、（ｅ）に示
すように90゜位相のずれた関係になる。但し励磁用セン
サ信号は進相器31により任意の角度進相されることにな
る。

本発明のように正弦波型駆動回路をもちいた場合、各相
のコイル電流は正弦波状の位置信号に従って変化する。

従って各相のトルクは、 K¹:定数 I_A,I_B,I_C:各相電流となる。

各相の電流はセンサ信号に比例するので K₂:定数 α：センサ信号の進相角度となって、全体のトルク分布はとなる。

通常のブラシレスモータは、のときに相当し、となって連続的なトルクを発生する。

本発明のブラシレスモータでは、進相量αをセンサ信号
自身に応じて変化させて位置決め特性をもたせる。

第２図の進相回路31は上記正弦波状の励磁用センサ信号
の位相を進相指令電圧に応じて進ませる回路で、センサ
信号のベクトル加算による方法や、指示量により正弦的
な値の変化をする基準信号とセンサ信号との乗算による
方法で得られる。センサ信号は相励磁用として進相回路
31に導かれると同時に進相指令用としても用いられる。
第２図に示すように３相のセンサ信号はそれぞれ反転さ
れ、計６信号が電子スイッチ回路33に入力される。

電子スイッチ回路33は第６図に示すように６進の可逆カ
ウンタ61とカウンタ出力により６つの信号から１つを選
択するデコーダ62により構成される。この構成により両
方向の進相指令に対して６つの信号を順序よく選択する
ことができる。

また、FV変換回路36はセンサ信号の変化から速度に応じ
た電圧を発生させる回路で、微分器を中心とした回路で
構成される。

さて、外部からのパルス指令の間隔が長く速度電圧がほ
とんど無視できる場合の本発明のブラシレスモータの動
作を説明する。

第７図に、進相用の６信号の分布図を示す。センサ信号
はそれぞれ反転され、60゜ずつ位相のずれた正弦波信号
をつくられている。

それらはと表せる。

いま電子スイッチ回路により進相信号としてａが選ばれ
ているとする。また進相器31の進相指令電圧−進相角度
の係数をβとすれば、（１）式よりトルク分布は、となる。

このトルク分布は第８図に示すようにβK₂の値により形
状をかえるが、の点で位置保持特性をもつことを示している。またβK₃
の値を変えることにより、位置決め特性上重要な、位置
決め点近傍のトルク分布の傾斜（Ｔ−θ特性）を変える
ことができることも示している。即ち通常のステッピン
グモータでは、トルク分布はとなるが、このときの位置保持点近傍の傾斜は、第８図
のβK₃＝１の場合にほぼ等しい。

しかし本発明のブラシレスモータの場合、程度にすることにより、位置保持点近傍のＴ−θ特性を
約２倍に上げることができ、外乱に対しての位置決め誤
差を小さくすることができる。

さて、進相信号ａの場合のトルク分布と同じようにとした場合のa,b,c,，，の進相信号が選ばれたと
きのトルク分布を第９図に示す。本図からわかるよう
に、磁極歯１ピッチ内に６つの位置保持点をもつトルク
分布のつらなりが得られることがわかる。

電子スイッチ回路が外部クロックにより進相用センサ信
号をａｂｃの順番で可逆的に選ぶよう
に定めておき、現在ａの信号が選ばれているとすれば、
回転子はTaで定まるトルク分布に従い第９図１点で安定
し位置を保持する。次に正方向への進相指令が外部より
はいると電子スイッチによりセンサ信号が選ばれる。

これにより回転子には第９図Ｔ上の２点の正トルクが
はたらき３点まで移動して位置を保持する。このように
して外部パルスの数に応じて回転子は歩進していく。３
点で安定しているときに負方向への歩進指令が入ると進
相用センサ信号ａが選ばれ回転子には４点の負トルクが
はたらき回転子は逆方向に移動し１点で安定し、外部パ
ルスに応じた可逆的な動きをすることがわかる。

また位置保持点近傍のＴ−θ特性を第10図の（ａ）のよ
うに線型化して考えると、センサ信号によるフィードバ
ック系（ｂ）を構成しているとみなすことができる。

（第10図においてＪは回転子イナーシャ、Ｓはラプラス
演算子、K₄,K₅は定数である。）このような２次系のサーボ系の場合、第10図（ｃ）のよ
うに位置の微分項K₅Sをフィードバックループ内に入れ
ると位置決め時の整定性を変化させることができる。

通常（ｂ）のように微分項がない場合、回転子は振動的
に止まるが、（ｃ）のようにしてK₅の値を適当な値に定
めるとその振動を抑制することができ、整数までの時間
を短くすることができる。またK₅の値の調整は電気的に
行うことができ、ステッピングモータの場合のように、
機械的に行う必要はない。

さて、位置決め特性は（１）式のトルク分布により定ま
るが、この進相量αに第２図38の位置微調入力端子から
任意のバイアス電圧K₆を与えた場合、センサ信号ａが選
ばれているとすると、進相量はとなって、トルク分布はとなり、（２）式の分布からβK₆だけ位相がずれた分布
になる。従って、トルクθの安定点、即ち回転子の停止
位置を位置微調入力の値により任意に連続的に変えるこ
とができる。

次に外部の歩進指令の間隔が短くなり、それに従って回
転子のスピードが増してくると、FV変換器36の出力電圧
が大きくなりこの速度電圧が加算器37により、進相用位
置電圧と加算され、相励磁用のセンサ信号は、スピード
の遅い場合より進相量が大きくなる。FV変換出力のレベ
ルを適当に調整することにより、スイッチング周波数の
増加に伴うコイル電流の立ち上がり遅れを励磁用位置信
号の進相によりカバーして高速の運転を行うことができ
る。

以上のように本実施例によれば、円周上に一定ピッチで
きざまれた磁極歯を備えた磁性体よりなる回転子と、磁
極歯群を備えた固定子コア、磁石、多相のコイルよりな
る固定子と、回転子の磁極の凹凸を検出し略正弦波状の
位置信号を出力する非接触センサと、速度検出手段と、
電子スイッチ手段と、微分手段と、位置微調入力端子
と、進相手段と、正弦波型駆動回路を設けることによ
り、歩進機能と、整定性がよく位置の微調整が可能な位
置決め機能をもち、高速で回転する小型かつ廉価なブラ
シレスモータを得ることができる。

なお、上述の実施例において、モータの機構部分には従
来のブラシレスモータすべてを適用することができる。
即ち、第11図に示すように回転子に磁石112を配置し、
回転子コア111、固定子エア113ともに磁極歯を持つブラ
シレスモータや、第12図のように回転子が多極着磁され
た磁石よりなるブラシレスモータや、第13図のように円
板面上に多極着磁された磁石よりなる回転子をもつブラ
シレスモータとしてもよい。また実施例では３相コイル
のブラシレスモータとしているが他の２相以上のブラシ
レスモータとしても同様の効果を得ることができる。な
お第11図において、114はコイル、115は非接触センサで
ある。また、第12図において、121は固定子コア、122は
磁石、123はコイル、124は非接触センサである。さら
に、第13図において、131は回転子磁石、132は固定子継
鉄、133はコイル、134は非接触センサである。

発明の効果以上のように本発明は、磁性体または磁石よりなる回転
子と、固定子コアと複数個のコイルを少なくとも備えた
固定子と、軸受装置と、回転子の位置を検出する非接触
センサと、速度検出手段と、外部パルスを受けつける電
子スイッチ手段と、進相手段と、微分回路と、正弦波型
駆動回路を設けることにより、整定性がよく外部より位
置微調ができる位置決め機能をもち、外部の歩進パルス
に同期して高速に回転する小型、廉価なブラシレスモー
タが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施例における
ブラシレスモータの要部斜視図および断面図、第２図は
本発明の第１の実施例における電気回路のブロック図、
第３図は第１の実施例の各相のトルク分布を示す図、第
４図（ａ），（ｂ）は非接触センサの配置と出力を示す
図、第５図（ａ）〜（ｅ）はセンサ配置とトルク及びセ
ンサ出力の分布を示す図、第６図は第１の実施例の電子
スイッチ手段の構成図、第７図は進相用位置信号の波形
を示す図、第８図（ａ）〜（ｄ）、第９図は第１の実施
例のトルク分布を示す図、第10図（ａ）〜（ｃ）はダン
ピング部分を説明する図、第11図、第12図、第13図は本
発明の他の実施例のモータ主要機構部を示す図、第14図
は従来のステッピングモータの原理図、第15図は第14図
のモータのトルク分布を示す図、第16図はステッピング
モータの整定性を示す図、第17図は従来のサーボモータ
の制御系を示す図である。１……回転子、2,113,121……固定子コア、3,112……磁
石、5,114,123,133……コイル、6,26,115,124,134……
非接触センサ、20……モータ部、31……進相回路、32…
…正弦波型駆動回路、33……電子スイッチ回路、35……
微分器、36……FV変換器、41,52……回転子磁極歯、51
……固定子磁極歯。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転子と、該回転子と空隙を介して対向す
る固定子コアを備えた固定子と、前記回転子を回転自在に支える軸受装置と、前記固定子に取り付けられ、前記回転子の位置の変化を
検出しこれを電気信号に変換し、互いに位相の異なる略
正弦波状の位置信号を出力する非接触センサと、前記位置信号の変化を、速度信号に変換する速度検出手
段と、外部からの歩進指令信号を受け付け、歩前指令信号数に
より前記多数の位置信号を順序よく選択する電子スイッ
チ手段と、該選択された位置信号の変化量を出力する微分手段と、前記速度信号と選択された位置信号と位置信号の変化量
と外部からの指令量との加算値を進相量として、前記位
置信号の位相を進ませる進相手段と、前記進相された位置信号によって前記複数個のコイルを
付勢する正弦波型駆動回路を備えるブラシレスモータで
あって、前記回転子は円周上に一定のピッチできざまれた磁極歯
を備えた磁性体よりなり、前記固定子は前記回転子との対向面に磁極歯郡を備えた
固定子コアと該固定子コアに装着された磁石と、前記固
定子コアに巻かれた複数個のコイルからなり、前記非接触センサは前記回転子の磁極歯の凹凸を検出し
これを電気信号に変換することを特徴とするブラシレス
モータ。
【請求項２】回転子と、該回転子と空隙を介して対向す
る固定子コアを備えた固定子と、前記回転子に回転自在に支える軸受装置と、前記固定子に取り付けられ、前記回転子の位置の変化を
検出しこれを電気信号に変換し、互いに位相の異なる略
正弦波状の位置信号を出力する非接触センサと、前記位置信号の変化を、速度信号に変換する速度検出手
段と、外部からの歩進指令信号を受け付け、歩前指令信号数に
より前記多数の位置信号を順序よく選択する電子スイッ
チ手段と、該選択された位置信号の変化量を出力する微分手段と、前記速度信号と選択された位置信号と位置信号の変化量
と外部からの指令量との加算値を進相量として、前記位
置信号の位相を進ませる進相手段と、前記進相された位置信号によって前記複数個のコイルを
付勢する正弦波型駆動回路を備えるブラシレスモータで
あって、前記回転子は磁石と該磁石を両側から積層する磁性体
と、該磁性体円周上にきざまれた磁極歯を備え、前記固定子は前記回転子対向面に磁極歯郡を備えた固定
子コアと該固定子コアに巻かれた複数個のコイルからな
り、前記非接触センサは前記回転子の磁極歯の凹凸を検出し
これを電気信号に変換することを特徴とするブラシレス
モータ。
【請求項３】非接触センサーに磁気抵抗素子を用いるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のブラシレス
モータ。
【請求項４】非接触センサーに磁気抵抗素子を用いるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のブラシレス
モータ。