JPH07118944B2 - ブラシレス直流モ−タ - Google Patents

ブラシレス直流モ−タ

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JPH07118944B2
JPH07118944B2 JP61056804A JP5680486A JPH07118944B2 JP H07118944 B2 JPH07118944 B2 JP H07118944B2 JP 61056804 A JP61056804 A JP 61056804A JP 5680486 A JP5680486 A JP 5680486A JP H07118944 B2 JPH07118944 B2 JP H07118944B2
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration

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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

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に係り、特にモータ端
子電圧からフイルターとコンパレータとを用いて位置検
出信号を得るようにしたブラシレス直流モータに関する
ものである。
〔従来の技術〕
従来のブラシレス直流モータは、モータ端子電圧から位
置検出信号を作成する、フイルターとコンパレータとか
らなる逆起電圧位置検出回路を備えていた。例えば、特
開昭59−162793号公報，特公昭59−36519号公報、電気
学会論文誌B.105巻,5号（1985年）“Brushless Motor w
ithout a Shaft Position Sensor"（ブラシレス モー
タ ウイズアウト ア シヤフト ポジシヨン セン
サ）等に述べられている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
これらの従来の逆起電圧位置検出回路によるブラシレス
直流モータでは、上記の論文にも明らかにされているよ
うに、負荷が増大した場合はモータ誘起起電圧E0を基準
に考えたとき、負荷増大による巻線電流増加とともに位
置検出信号位相、換言すると、これと同相の巻線電流位
相が進んで、モータ効率低下をもたらし、更には、その
進み角が、およそ30゜程度になると、位置検出不能とな
つて、モータが停止する問題があつた。
以上のことを第６図の逆起電圧位置検出によりブラシレ
ス直流モータを運転した場合の電圧ベクトル図を参照し
て説明すると、次のとおりである。
第６図中で、印加電圧Ｖは、モータ誘起電圧E0,抵抗降
下電圧rIM及び、リアクタンス降下電圧XIMのベクトル和
に等しい。そして、ベクトル図上の位置検出信号位相PS
及び、巻線電流IMの位置は、逆起電圧位置検出回路の原
理上、印加電圧Ｖの位相と同相の関係にある。
ここで、巻線電流IMが増加すると、そのベクトル図は、
同図実線から破線で示したベクトル図となる。
すなわち、モータ誘起電圧E0と巻線電流IMとの位相差で
ある制御進み角γは、巻線電流増加とともに増大するも
のである。
更に、この制御進み角γが、上述のおよそ30゜以上にな
ると、一定の負荷であつても、制御進み角γの増大にと
もなう巻線電流増加があり、このため、制御進み角増大
→巻線電流増加→制御進み角増大という正帰還が発生し
て、制御進み角γは、ますます増大し、ついには、モー
タ出力トルクが負荷トルク以下になつてモータが停止す
るものである。
本発明は、従来の逆起電圧位置検出回路のもつ上述の問
題を無くし、負荷増大による位置検出信号の位相変化を
防止して、高効率を図るとともに位置検出不能となつて
モータが停止することの無い位置検出手段を備えたブラ
シレス直流モータを提供することを目的とするものであ
る。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、モータ端子電圧からフィルターとコンパレ
ータとを用いて位置検出信号を得る方式の逆起電圧位置
検出回路を具え、上記フィルターの位相がモータの回転
数に応じて変化するブラシレス直流モータにおいて、上
記モータへの通電を制御する複数個の半導体スイッチよ
りなるインバータ部と、上記インバータ部とこのインバ
ータ部に直流電圧を供給する直流電源部との間に設けら
れた電流検出素子と、上記インバータ部の入力電流であ
る直流電流を上記電流検出素子の両端電圧として検出
し、この検出された電圧の最大値を任意の充放電時定数
で保持する手段と、上記電圧の最大値に応じて変化する
補正位相量を作成するとともに、上記モータの回転数に
応じて変化するフィルターの位相を補正位相量として、
上記両補正位相量を合成した補正位相量の分だけ上記位
置検出信号の位相を補正する位置検出信号補正手段とを
備えたブラシレス直流モータとすることにより、達成さ
れる。
〔作用〕
本発明は、従来の逆起電圧位置検出回路から得られる位
置検出信号の位相が巻線電流により変位する原因が、巻
線電流により位相が変化するモータ印加電圧上に位置検
出信号の位相があるためであり、更に逆起電圧位置検出
回路を構成するフイルターの位相が周波数、すなわちモ
ータの回転数に応じて変化することに鑑み、上記の位置
検出信号の位相に対して、巻線電流の代りに、インバー
タの入力電流の最大値を保持し、この最大値に応じて変
化する補正位相量及び回転数に応じて変化するフィルタ
ーの補正位相量を合成した補正位相量を加えることによ
つて、補正後の位置検出信号の位相が、例えばモータ誘
起電圧の位相上となるようにして、巻線電流の大きさ及
び回転数で、その位相が変化しないようにしたものであ
る。
〔実施例〕
本発明に係るブラシレス直流モータの実施例を各図を参
照して説明する。
まず、第１図は、本発明の一実施例に係るブラシレス直
流モータにおける制御回路の要部構成図、第２図は、一
般例示のブラシレス直流モータの構成図、第３図（ａ）
は第１図のモータ通電時の低抵抗R1に流れる直流電流ID
の波形図、第３図（ｂ）は直流電流IDの最大値を保持す
るピークホールド回路の充放電波形図、第４図は、第１
図の逆起電圧位置検出回路の各部波形図、第５図は、第
１図のブラシレス直流モータを運転して得られる電圧ベ
クトル図、 すなわち、一般のモータ端子電圧からフィルターとコン
パレータを用いて位置検出信号を得るものを第２図によ
り説明する。図示の交流電源１から整流回路２及び平滑
コンデンサ３より直流電圧Edを得て、インバータ４に供
給するものである。
このインバータ４は、トランジスタTR1〜TR6と還流ダイ
オードD1〜D6とから構成された120゜通電形のインバー
タであり、その交流出力電圧は直流電圧Edの正電位側ト
ランジスタTR1〜TR3の通流期間（電気角120゜）がパル
ス幅変調を受けてチヨツパ動作することにより制御され
るものとしている。
また、トランジスタTR4〜TR6の共通エミツタ端子と還流
ダイオードD4〜D6の共通アノード端子間に低抵抗R1が接
続されているいものである。
５は、ブラシレス直流モータ本体に係る同期モータであ
り、回転子５−１と電機子線５−２とから構成され、こ
の電機子巻線５−２に流れる３相の巻線電流は、前記の
低抵抗R1にも流れ、この低抵抗R1の電圧降下として、モ
ータ電流IL（３相の巻線電流IMを全波整流した電流）が
検出できるものである。
同期モータ５の速度を制御するようにした制御回路は、
マイクロコンピユータ７、同期モータ５の回転子５−１
の磁極位置を検出する逆起電圧位置検出回路６、モータ
電流ILを制御するチヨツパ信号を作成する電流制御部
８、トランジスタTR1〜TR6に対するベースドライバ９か
ら構成されるものである。
前記のマイクロコンピユータ７は、CPU7−1,ROM7−2,RA
−７−3,タイマー７−４などから構成され、それぞれア
ドレスバス，データバス及びコントロールバス（図示せ
ず）によつて接続されるものである。
そして、前記のROM7−２には、同期モータ５を駆動する
のに必要な各種処理プログラム、例えば速度制御処理に
係るものなどが記憶されている。
一方、マイクロコンピユータ７には、前記逆起電圧位置
検出回路６の出力である位置検出信号a,b,cが入力さ
れ、またベースドライバ９へのドライブ信号11が出力さ
れるものとしている。
前記の逆起電圧位置検出回路６は、電機子巻線５−２の
端子電圧VA,VB,VCより、フイルター回路とコンパレータ
とを用いて、回転子位置に、対応した位置検出信号a,b,
cを形成する回路である。
以上の第２図に示した一般的な構成のブラシレス直流モ
ータに対して、本発明に係る構成としたブラシレス直流
モータの一実施例を第１図，第３図乃至第５図により以
下説明する。
第１図は、逆起電圧位置検出回路12に位置検出信号補正
回路13を付加した回路を示す要部構成に係るものであ
る。
すなわち、本実施例の第１図に図示された構成は、上記
第２図の構成とは次の点が相違する。すなわち、第１図
において、インバータ21は、トランジスタTR1〜TR6と還
流ダイオードD1〜D6とから構成された120゜通電形のイ
ンバータであり、トランジスタTR4〜TR6の共通エミツタ
端子と還流ダイオードD4〜D6の共通アノード端子が共通
となつている汎用のインバータであり、当該インバータ
21と直流電源部の平滑キヤパシタ３のマイナス電源側と
の間に低抵抗R1を接続している。モータ通電時の低抵抗
R1に流れる直流電流IDはトランジスタTR1〜TR3がチヨツ
パー動作ON時のモータ電流であり、チヨツパー動作OFF
時のモータ電流はインバータ21内部の還流電流となつて
いる。この直流電流IDを低抵抗R1の両端電圧として検出
し、ダイオードD11,低抵抗R17を通しキヤパシタC7を時
定数τ１＝R17×C7により決まる速度で充電し、またキ
ヤパシタC7に充電された電荷はR18を通して時定数τ２
＝R18×C7により決まる速度で放電することにより低抵
抗R1の変化時において、その最大値IDPを保持すること
が可能なピークホールド回路19を備えている。上記直流
電流IDの波形とピークホールド回路19のキヤパシタC7の
充放電波形を第３図の（ａ）（ｂ）に示す。この時の充
電時定数τ１はサージ電流やノイズによる誤動作を防止
する為に検出感度を若干落とし、放電時定数τ２は、チ
ヨツパー周期，電源周波数や圧縮機の回転トルク変動に
よる電流リツプル周期に対しては十分長くし、モータ電
流のインバータ21内部の環流電流の減衰特性に近づけて
いる。
さらに逆起電圧位置検出回路12に、位置検出信号補正手
段の係る位置検出信号補正回路13を付加したものを備え
るようにして、その全体を構成するようにしたものであ
り、他は同様である。
上記インバータ21の出力である端子電圧VA,VB,VCは逆起
電圧位置検出回路12に入力され、それぞれ２つのコンデ
ンサC5,C6,C1,C2,C3,C4と２つの抵抗R6,R7,R2,R3,R4,R5
とから成るフイルター回路18−3,18−1,18−２を通過し
フイルター通過電圧VAF,VBF,VCFが作成されるものであ
る。
これら３相のフイルター通過電圧VAF,VBF,VCFより、抵
抗R8,R9,R10及びバツフア17を用いて、中性点電圧VNを
作成し、この中性点電圧VNと前記のフイルター通過電圧
VAF,VBF,VCFとを、それぞれコンパレータCP−3,CP−1,C
P−２で比較し、位置検出信号ah,bh,chを作成する。
そして、前記のコンパレータCP−１〜CP−３は、それぞ
れ抵抗R11,R12,R13,R14、及びR15とR16を備えたヒステ
リシス特性を有したコンパレータであり、兼ねて位置検
出信号補正回路13の一部を成している。
しかして、この位置検出信号補正回路13は、更に、ピー
クホールド回路19と増幅器14と回転数に比例した電圧V
rpmを増幅器14の出力電圧Vpから減算する減算器20と符
号反転器15及びアナログスイツチ16−１〜16−３とから
構成されるものである。
ここで、アナログスイツチ16−１〜16−３は、各コンパ
レータの出力によつて前記符号の異なる電流検出電圧を
切替えるアナログスイツチに係るものである。
すなわち、前記アナログスイツチ16−１〜16−３には、
前記増幅器14の出力Vpから回転数に比例した電圧Vrpmを
減算した減算器20の出力＋VIDと符号反転器15の出力−V
IDとの２つの電圧が入力され、これらの２つの電圧を切
替えて前記ヒステリシス特性を有したコンパレータCP−
１〜CP−３に伝えるものである。
ただし、同図では、アナログスイツチ16−１〜16−３の
動作は、各コンパレータの出力がHighレベルのときに、
減算器20の出力＋VIDがコンパレータCP−１〜CP−３側
に伝えられるものでありLowレベルのときはその逆とし
ている。
次に、インバータ21の端子電圧VBから位置検出信号ahを
作成する過程を例示として、第４図により、以下説明す
る。
第４図は、既述のように、第１図の逆起電圧位置検出回
路12の各部波形を示したもので、端子電圧VBから、三角
波状の、さきに述べたフイルター通過電圧VBFが得られ
る。
このフィルター通過電圧VBFは、コンパレータCP−１の
マイナス入力端子に入力されることから、中性点電圧VN
と、減算器20の出力＋VID及び符号反転器15の出力−VID
とより作成されたコンパレータCP−１のプラス端子入力
電圧と比較されて、補正された位置検出信号ahが得られ
るものである。
ここで、コンパレータCP−１の、第４図に示すヒステリ
シス幅ΔVIDは次式により与えられる。
更に、上式のVID（減算器20の出力）は、モータ電流検
出用低抵抗R1と増幅器14のゲインＫ、及び直流電流IDの
最大値IDPと回転数に比例した電圧Vrpmとにより次式と
して与えられる。
ΔVID＝Ｋ・R1・IDP−Vrpm …（２） この結果、直流電流の最大値IDPが増加すると、この直
流電流の最大値IDPに比例してヒステリシス幅ΔVIDが増
加する。
一方、ヒステリシス幅ΔVIDの増加とともに、位置検出
信号は遅れ位相となり、補正位相量に係る遅れ角Δθ
は、フイルター通過電圧VBFを三角波として、その波高
値を、第４図図示のVTPとすれば、高さVTP、底辺がπ/2
の直角三角形と高さΔVID/2、底辺がΔθの同三角形と
の比較から次式として得られるものである。
以上のように、第１図で示した本実施例に係るもので
は、逆起電圧位置検出回路を構成するコンパレータにヒ
ステリシス特性を持たせ、そのヒステリシス幅を、モー
タ電流に応じて比例的に変え位置検出信号の位相を遅ら
せることにより、モータ電流増加による従来の位置検出
信号の位相進み現象を防ぐようにしたものである。
次に、上記（３）式で与えられる遅れ角Δθとモータ電
流ILとの関連について、実施例モータの動作を説明する
ための第５図の電圧ベクトル図により説明する。同図
は、上述の補正位置検出信号によりブラシレス直流モー
タを運転した場合に得られる電圧ベクトル図である。
補正位置検出信号の位相と等しい巻線電流IMの位相をモ
ータ誘起電圧E0上に選ぶとすると、印加電圧Ｖと前記誘
起電圧E0との位相差δは、次のように与えられる。
そして、巻線抵抗分ｒを無視して、tanθ＝θという近
似を行えば、次式が得られる。
ここに、KEはモータ発電定数、Ｌは巻線インダクタンス
であり、（５）式で与えられる負荷角δと、（３）式で
与えられる遅れ角Δθとが等しい関係となるように、位
置検出信号補正回路の各定数を決定すれば、第５図の電
圧ベクトル図が得られるようにブラシレス直流モータを
運転できるものである。
以上示した実施例では、増加する直流電流IDとともに遅
れ角Δθが増加するため、巻線電流IMは、モータ誘起電
圧E0の位相と同相もしくは、その近傍に常に存在するこ
とになる。
上述したところにより、従来の逆起電圧位置検出回路の
位置検出信号が、巻線電流増加と共に進位相となり、モ
ータ誘起電圧E0の位相からのずれが大きくなつて効率低
下をもたらし、また極端な場合、位置検出不能となつて
モータが停止していたのに対し、本発明に係る実施例に
よれば直流電流IDの最大値IDPに応じて変化する補正位
相量と回転数に応じて変化するフィルターの位相による
補正位相量を用いて上記の位置検出信号に補正を加える
ことにより、巻線電流によつてその位置検出信号の位相
が変化しないようにしたことから、上述のモータ停止現
象が無くなり、このことから、巻線電流の増大化、言い
換えればブラシレス直流モータとして運転可能な負荷範
囲の拡大が図れる効果を有するものである。
更には、補正後、位置検出信号の位相をモータ誘起電圧
位相に合わせることが可能なため、等しい巻線電流に対
しては、出力トルクの増大が図れ、また等しいトルクに
対しては、巻線電流は少なくてよく、効率の向上が図れ
る効果を有するものである。
〔発明の効果〕
本発明によれば、インバータ部の入力電流である直流電
流を上記電流検出素子の両端電圧として検出し、この検
出された電圧の最大値を任意の充放電時定数で保持する
手段と、上記電圧の最大値に応じて変化する補正位相値
を作成するとともに、上記モータの回転数に応じて変化
するフィルターの位相を補正位相量として、上記両補正
位相量を合成した補正位相量の分だけ上記位置検出信号
の位相を補正する位置検出信号補正手段とを備えたこと
により、負荷の増大による位相検出信号の位相変化の防
止及び従来の逆起電圧位置検出回路のフィルターの位相
が回転数で変化していたのを防止して、高効率を図ると
ともに位置検出不能となってモータが停止することの無
い位置検出手段を備えたブラシレス直流モータを提供す
ることができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例に係るブラシレス直流モー
タにおける制御回路の要部構成図、第２図一般例示のブ
ラシレス直流モータ制御システムの構成図、第３図
（ａ）は第１図のモータ通電時の低抵抗R1に流れる直流
電流IDの波形図、第３図（ｂ）は直流電流IDの最大値を
保持するピークホールド回路の充放電波形図、第４図
は、第１図に示すものの各部波形図、第５図は、実施例
のブラシレス直流モータを運転して得られる電圧ベクト
ル図、第６図は、従来の逆起電圧位置検出によりブラシ
レス直流モータを逆転した場合の電圧ベクトル図であ
る。 １……交流電源、２……整流回路、３……平滑コンデン
サ、４……インバータ、５……同期モータ、6,12……逆
起電圧位置検出回路、７……マイクロコンピユータ、７
−１……CPU、７−２……ROM、７−３……RAM、７−４
……タイマー、９……ベースドライバー、10……チヨツ
パー信号、11……ドライブ信号、13……位置検出信号補
正回路、14……増幅器、15……符号反転器、16−１〜16
−３……アナログスイツチ、17……バツフア、18−１〜
18−６……フイルタ回路、19……ピークホールド回路、
20……減算器、21……汎用インバータ、CP−１〜CP−７
……コンパレータ、TR1〜TR6……トランジスタ、D1〜D6
……還流ダイオード、D11……ダイオード、R1……低抵
抗、R2〜R18……抵抗、C1〜C7……コンデンサ、E0……
モータ誘起電圧、Ｖ……印加電圧、rIM……抵抗降下電
圧、XIM……リアクタンス降下電圧、PS……位置検出信
号位相、IM……巻線電流、γ……制御進み角、Ed……直
流電圧、IL……モータ電流、a,b,c……位置検出信号、a
h,bh,ch……補正された位置検出信号、Δｔ……位相補
正量、VA〜VC……端子電圧、VAF,VBF,VCF……フイルタ
通過電圧、VN……中性点電圧、＋VIL……減算器の出
力、−VIL……符号反転器の出力、ΔVIL……ヒステリシ
ス幅、KE……モータ発電定数、Ｌ……巻線インダクタン
ス、δ……負荷角、Δθ……遅れ角。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】モータ端子電圧からフィルターとコンパレ
    ータとを用いて位置検出信号を得る方式の逆起電圧位置
    検出回路を具え、上記フィルターの位相がモータの回転
    数に応じて変化するブラシレス直流モータにおいて、 上記モータへの通電を制御する複数個の半導体スイッチ
    よりなるインバータ部と、 上記インバータ部とこのインバータ部に直流電圧を供給
    する直流電源部との間に設けられた電流検出素子と、 上記インバータ部の入力電流である直流電流を上記電流
    検出素子の両端電圧として検出し、 この検出された電圧の最大値を任意の充放電時定数で保
    持する手段と、 上記電圧の最大値に応じて変化する補正位相量を作成す
    るとともに、上記モータの回転数に応じて変化するフィ
    ルターの位相を補正位相量として、上記両補正位相量を
    合成した補正位相量の分だけ上記位置検出信号の位相を
    補正する位置検出信号補正手段とを備えたことを特徴と
    するブラシレス直流モータ。
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