JPH09247981A - ブラシレス直流モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ホール素子などの位置検出素子を必要としな
いブラシレス直流モータで、回転時の振動や騒音の発生
やトルクリップルの発生を小さくすることを目的とす
る。 【解決手段】 永久磁石回転子２０の回転に応じて出力
する周波数発電機１の２相周波数信号より回転方向と回
転移動量をそれぞれ方向検出手段３とカウント手段４で
検出する。位相調整手段５は回転方向指令１４に応じて
カウント手段４の計数値よりアドレス信号を形成し、波
形発生手段６はそのアドレス信号をもとに関数テーブル
より３相の波形信号を形成し所定の時間だけ遅延した時
差出力信号を形成する。電力供給手段７は時差出力の３
相の波形信号をそれぞれ合成し、得られた合成信号に応
じた正弦波状の駆動電流を固定子巻線に供給することに
より回転子を回転させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石回転子の
回転位置を検出するための位置検出素子を不要としたブ
ラシレス直流モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ブラシレス直流モータは、固定子
巻線の通電相の切換えのためにブラシに相当する位置検
出素子（例えばホール素子）を使用している。しかしな
がら、位置検出素子自体決して安価なものではなく、素
子の取付け位置調整の煩雑さや配線数の増加などにより
ブラシレス直流モータはブラシ付直流モータに比べて大
幅にコストが上昇する欠点がある。またモータ内部に位
置検出素子を取り付けなければならないため、モータの
構造上の制約が起こることがしばしばある。近年、機器
の小型化に伴い、使用されるモータも小型かつ薄型化さ
れ、ホール素子等の位置検出素子を取り付ける場所的な
余裕がなくなってきているのが実状である。そこで、ホ
ール素子の如き位置検出素子の全くないブラシレス直流
モータが、従来よりいくつか提案されている。

【０００３】この種の位置検出素子の全くないブラシレ
ス直流モータとしては、モータに取り付けられた周波数
発電機の出力パルスを利用するものがある。例えば特開
昭６３−２６２０８８号公報には、あらかじめディジタ
ルメモリに正弦波情報を格納しておき、回転子の回転に
応じたパルスを発生する周波数発電機の出力パルスをカ
ウンタで計数し、その計数値に対応してディジタルメモ
リのディジタル情報を順次読み出し、ディジタル−アナ
ログ変換器でアナログ電圧に変換して正弦波状の電流パ
ターンの駆動電流を３相の固定子巻線に順次通電させ、
永久磁石回転子を回転させるようにしたブラシレス直流
モータが示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなブラシレス
直流モータにおいては、回転時の振動・騒音や発生トル
クのリップルの小さいことが要求されている。しかしな
がら上記のような構成では、固定子巻線に供給される電
流は概略正弦波状ではあるが、微視的には階段状に変化
する電流のため、モータの回転時に振動・騒音やトルク
リップルを発生しやすい。ブラシレス直流モータで振動
・騒音やトルクリップルを極力小さく抑えるためには固
定子巻線に供給する電流波形を極めて滑らかな正弦波状
にするのが好ましく、従来技術では滑らかに変化する駆
動電流を作り出すためにディジタル回路の分解能を相当
高くする必要があるという課題を有していた。

【０００５】本発明は、このような課題を解決するため
になされたものであり、分解能の低いディジタル処理で
正弦波に近い駆動電流波形を形成することが可能で、回
転時の振動・騒音やトルクリップルの小さいブラシレス
直流モータを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のブラシレス直流モータは、複数個の磁極を有
する回転子と、前記回転子に所定の空隙を有して配設さ
れた複数相の固定子巻線と、前記回転子の回転数に比例
した複数相の周波数信号を発生する周波数発電機と、前
記複数相の周波数信号より前記回転子の回転方向を検出
し方向信号を出力する方向検出手段と、前記方向信号に
応じて前記周波数発電機の少なくとも１つの周波数信号
のパルスをアップカウントもしくはダウンカウントを行
うカウント手段と、前記複数相の固定子巻線の少なくと
も１相の電圧もしくは電流の位相に応じた位相信号を出
力する位相検出手段と、前記カウント手段の計数値を回
転方向指令に応じて所定の値だけ加減算し、さらに前記
位相信号に応じて調整して得られた指令値を出力する位
相調整手段と、前記指令値に応じて複数相の波形信号を
それぞれ所定時間ずつ遅延させて発生する波形発生手段
と、前記複数相の波形信号をそれぞれ合成し、得られた
合成信号に応じた駆動電流もしくは駆動電圧を固定子巻
線に供給する電力供給手段とを備えたものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【０００８】図１は本発明の一実施例におけるブラシレ
ス直流モータの構成を示すブロック図である。図１にお
いて、２０は永久磁石回転子、１１，１２，１３は３相
の固定子巻線である。１は周波数発電機で、永久磁石回
転子２０の回転に比例した互いに位相の異なる２相の周
波数信号ｍ１，ｍ２を発生する。この２相の周波数信号
ｍ１，ｍ２は、波形整形回路２に入力されて矩形波信号
ｓ１，ｓ２に変換された後、方向検出回路３に入力され
る。方向検出回路３は、永久磁石回転子２０の正逆の回
転方向に応じた方向信号ｄを出力する。４はカウント回
路で、波形整形回路２の出力する矩形波信号ｓ１と方向
検出回路３の出力する方向信号ｄが入力され、永久磁石
回転子２０の回転に応じて発生する矩形波信号ｓ１のパ
ルス数をその回転方向に応じてアップカウントあるいは
ダウンカウントを行う。８は位相検出回路で、固定子巻
線１１，１２，１３に印加される電圧の位相を検出して
位相信号ｇを出力する。５は位相調整回路で、入力端子
１４に入力される方向指令ｒに応じてカウント回路４の
計数値ｃに所定値の加算もしくは減算処理を行い、また
位相検出回路８の出力する位相信号ｇに応じて位相補正
を行った後、アドレス信号ｆを波形発生回路６に出力す
る。波形発生回路６は、位相調整回路５の出力するアド
レス信号ｆに応じて３相の波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３を
出力する。７は電力供給回路で、入力された３相の波形
信号ｐ１，ｐ２，ｐ３をそれぞれ増幅して、波形信号ｐ
１，ｐ２，ｐ３の大きさに比例した電流ｉ１，ｉ２，ｉ
３をそれぞれ固定子巻線１１，１２，１３に供給する。

【０００９】以上のように構成されたブラシレス直流モ
ータについて、以下、その動作を述べる。

【００１０】永久磁石回転子２０が定常状態で回転して
いるときについて説明する。図２は方向検出回路３の一
実施例の回路構成図で、その各部信号波形図を図３に示
す。

【００１１】図２において、２１はデータ入力型のフリ
ップフロップ回路で、波形整形回路２の出力する２相の
矩形波信号ｓ１，ｓ２が入力される。フリップフロップ
回路２１のデータ入力端子Ｄには矩形波信号ｓ１が入力
され、クロック入力端子ＣＫには矩形波信号ｓ２が入力
される。図３ａに、永久磁石回転子２０が正方向に回転
しているときの矩形波信号ｓ１，ｓ２の波形を示し、図
３ｂには永久磁石回転子２０が逆方向に回転していると
きの矩形波信号ｓ１，ｓ２の波形を示す。データ入力型
のフリップフロップ回路２１は、クロック入力端子ＣＫ
に入力された信号の立上がりエッジ毎に、データ入力端
子Ｄの状態を保持し、その状態を出力端子Ｑより出力す
るので、図３ａのように永久磁石回転子２０が正方向に
回転しているときは、データ入力型のフリップフロップ
回路２１の出力Ｑは、常に高電位状態（以下、”Ｈ”状
態と呼ぶ）となる。一方、永久磁石回転子２０が逆方向
に回転しているときは、図３ｂの如く矩形波信号ｓ１が
矩形波信号ｓ２より位相が９０度だけ遅れるので、出力
Ｑは常に低電位状態（以下、”Ｌ”状態と呼ぶ）とな
る。以上より明らかなように、図１の方向検出回路３に
より永久磁石回転子２０の回転方向を検出することがで
きる。すなわち、方向検出回路３の出力する方向信号ｄ
は、永久磁石回転子２０が正方向に回転しているとき
は、”Ｈ”状態となり、逆方向に回転しているとき
は、”Ｌ”状態となる。カウント回路４には、波形整形
回路２の出力する矩形波信号ｓ１と方向検出回路３の方
向信号ｄとが入力され、カウント回路４は方向信号ｄに
応じて矩形波信号ｓ１をアップカウントもしくはダウン
カウントを行う。すなわち、永久磁石回転子２０の回転
に応じて発生する矩形波信号ｓ１のパルス数を回転方向
に応じてアップカウントあるいはダウンカウカウントを
行うので、カウント回路４の計数値より永久磁石回転子
２０の回転移動量を得ることができる。

【００１２】図４は位相検出回路８の一実施例の回路構
成図で、その各部信号波形図を図５に示す。

【００１３】図４において、３１は比較器で、比較器３
１の２つの入力端子は１相の固定子巻線１１の両端に接
続される。比較器３１の非反転入力（＋）には固定子巻
線１１の端子電圧ｖ１が接続され、比較器３１の反転入
力（−）には３相の固定子巻線１１、１２、１３の中性
点Ｏが接続される。比較器３１は固定子巻線１１の相電
圧に応じた位相信号ｇを位相調整回路５に出力する。

【００１４】図５において、ａは永久磁石回転子２０が
回転しているときの３相の端子電圧ｖ１，ｖ２，ｖ３の
各電圧波形を示す。端子電圧ｖ１は比較器３１の非反転
入力（＋）に接続され、３相の固定子巻線１１，１２，
１３の中性点Ｏが比較器３１の反転入力（−）に接続さ
れているので、比較器３１は固定子巻線１に発生する相
電圧の符号を検出したことになる。波形ｂより明らかな
ように位相信号ｇの立ち上がりエッジは端子電圧ｖ１と
中性点電位Ｏとのゼロクロス点と一致する。すなわち、
位相検出回路８の出力する位相信号ｇは、固定子巻線１
１，１２，１３のうち１相の相電圧のゼロクロス点のタ
イミングを出力することになり、位相検出回路８により
固定子巻線１１の相電圧の位相を検出することができ
る。なお、位相信号ｇをもとに行う操作については、図
１３および図１４にて説明する位相補正の動作のところ
で詳細に説明する。

【００１５】図６は本発明のブラシレス直流モータの定
常回転時の各部信号波形図である。図６ａは、固定子巻
線１１,１２,１３のそれぞれに誘起される誘起電圧ｅ
１,ｅ２,ｅ３の波形である。図６ｂは、波形発生回路６
で発生される３相の波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３で、永久
磁石回転子２０の回転位置に応じて出力され、誘起電圧
ｅ１，ｅ２，ｅ３と同位相の関係となる。図６ｃは、固
定子巻線１１，１２，１３の各相に供給される３相駆動
電流ｉ１，ｉ２，ｉ３で、正弦波状の波形信号ｐ１，ｐ
２，ｐ３を電力供給回路７によりそれぞれ増幅されたも
のである。図６ｄは、固定子巻線１１，１２，１３の各
相の端子電圧ｖ１，ｖ２，ｖ３で、固定子巻線１１,１
２,１３のそれぞれに誘起される誘起電圧ｅ１，ｅ２，
ｅ３と各相に駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３が流れることに
より発生した巻線抵抗による電圧降下分（電圧波形ｖ１
のみ斜線で示した部分）を合成した波形である。図６よ
り明らかなように誘起電圧ｅ１，ｅ２，ｅ３、波形信号
ｐ１，ｐ２，ｐ３、駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３および端
子電圧ｖ１，ｖ２，ｖ３はすべて同位相にあり、誘起電
圧ｅ１，ｅ２，ｅ３と駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３とがそ
れぞれ同位相のときモータは最大効率で駆動される。３
相駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３により固定子巻線１１，１
２，１３には回転磁界が発生し、永久磁石回転子２０の
磁極と固定子巻線１１，１２，１３により発生した回転
磁界との相互作用により永久磁石回転子２０は回転力を
受けて回転を始める。

【００１６】図７は永久磁石回転子２０の磁極と固定子
巻線１１，１２，１３により発生した回転磁界の位相関
係を示したベクトル図である。図７において、Φは永久
磁石回転子２０の磁極を示す磁極ベクトル、Ｉは固定子
巻線１１，１２，１３により発生した回転磁界を示す起
磁力ベクトル、Ｅは固定子巻線１１，１２，１３に誘起
される誘起電圧を示す誘起電圧ベクトルである。図７ａ
はモータが正方向（時計方向）に回転している様子を、
図７ｂはモータが逆方向（反時計方向）に回転している
様子をそれぞれベクトル図で表現したもので、起磁力ベ
クトルＩと磁極ベクトルΦはそれぞれ図示した方向に回
転する。図より明らかなように、永久磁石回転子２０を
連続して回転させるためには、固定子巻線１１，１２，
１３で発生される起磁力ベクトルＩの位相を永久磁石回
転子２０の磁極ベクトルΦの位相より常に９０度だけ回
転方向に進めてやればよい。すなわち、正方向に回転さ
せるには起磁力ベクトルＩを時計方向に９０度だけ進
め、逆方向に回転させるには起磁力ベクトルＩを反時計
方向に９０度だけ進めればよい。また図７より明らかな
ように、モータの回転方向とは無関係に起磁力ベクトル
Ｉと誘起電圧ベクトルＥとは位相が一致している。この
状態のときモータは最大効率で駆動されることになる。

【００１７】このような信号処理を行う本発明の一実施
例の各部の動作について、詳しく説明する。図８は、本
発明のブラシレス直流モータを構成する位相調整回路
５、波形発生回路６の一実施例を示す構成図である。本
実施例では、位相調整回路５、波形発生回路６は、演算
器６１とメモリ６２とディジタル−アナログ変換器６
３，６４，６５とで構成される。演算器６１は、メモリ
６２のＲＯＭ（リードオンリメモリ）領域に格納されて
いる後述の所定の内臓プログラムに従って動作し、端子
１４に入力される方向指令ｒと位相検出回路８の出力す
る位相信号ｇおよびカウント回路４の計数値ｃをＲＡＭ
（ランダムアクセスメモリ）領域に取り込み、所定の演
算を施してアドレス信号ｆを求める。つぎに演算器６１
はアドレス信号ｆに応じて、メモリ６２のＲＯＭ領域に
予め格納されている１周期分の正弦波の関数テーブルを
参照することによりアドレス信号ｆに応じた３相のディ
ジタル位置信号ｄｐ１，ｄｐ２，ｄｐ３を求め、それぞ
れディジタル−アナログ変換器６３，６４，６５に出力
する。ディジタル−アナログ変換器６３，６４，６５
は、３相のディジタル位置信号ｄｐ１，ｄｐ２，ｄｐ３
をそれぞれアナログ値に変換して３相の波形信号ｐ１，
ｐ２，ｐ３を出力する。

【００１８】つぎに、メモリ６２のＲＯＭ領域に格納さ
れている内臓プログラムについて説明する。通常回転時
に処理の行われる通常モードについて、図９に示した基
本フローチャートに沿って説明する。処理７１では、カ
ウント回路４の計数値ｃの変化したときの割り込みを待
っている。割り込みが入ると処理７２に移行する。処理
７２では、カウント回路４の計数値ｃと端子１４に入力
される方向指令ｒを取り込みメモリ６２のＲＡＭ領域に
格納する。処理７３では、方向指令ｒが正方向指令であ
るか逆方向指令であるかを判定する。方向指令ｒが正方
向指令であるときには処理７４でカウント回路４の計数
値ｃに所定の値（位相に換算して９０度相当）を加算し
てアドレス信号ｆを演算する。方向指令ｒが逆方向指令
であるときにはカウント回路４の計数値ｃに所定の値
（位相に換算して９０度相当）を減算してアドレス信号
ｆを演算する。処理７１，７２，７３，７４，７５が位
相調整回路５の行う演算処理である。

【００１９】処理７６は、処理７４または処理７５で得
られたアドレス信号ｆをもとに、つぎの処理７７で必要
な３相のアドレス信号ｆ１，ｆ２，ｆ３を求める。すな
わち、波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３の位相はそれぞれ１２
０度ずつずれているので（図６）、以下に示す（数
１），（数２），（数３）より、ｆ１，ｆ２，ｆ３の３
相の各アドレス値を計算する。

【００２０】

【数１】

【００２１】

【数２】

【００２２】

【数３】

【００２３】なお、（１２０）は位相に換算して１２０
度相当のアドレス計数値である。処理７７では、処理７
６で得られた３相のアドレス信号ｆ１，ｆ２，ｆ３をも
とにメモリ６２のＲＯＭ領域に格納されている正弦波の
関数テーブルを参照し、３相のディジタル位置信号ｄｐ
１，ｄｐ２，ｄｐ３を求める。処理７７のあとは処理８
０に移行する。処理８０では、変数ｍを０に設定し、処
理８１に移行する。処理８１では、タイマーからの割り
込みを待っている。タイマーは、周波数発電機１の周波
数信号の周期を略均等配分するように所定の時間△Ｔ毎
に割り込み信号を発生し、割り込みが入ると処理８２に
移行する。処理８２では、変数ｍに１を加算し、処理８
３に移行する。処理８３では、処理７７で得られた３相
のディジタル位置信号ｄｐ１，ｄｐ２，ｄｐ３のうち、
ｍ番（ｍ＝１，２，３）目のディジタル位置信号を図８
のディジタル−アナログ変換器６３，６４，６５にそれ
ぞれ出力する。処理８４では、変数ｍが３であるかどう
かを判定し、ｍ≠３のときは処理８１に移行し処理８
１，８２，８３，８４を繰り返し、ｍ＝３のときは処理
７１に移行する。処理７６，７７，８０，８１，８２，
８３，８４が波形発生回路６の行う演算処理である。本
処理のあとは処理７１に移行し、以上の処理を繰り返
す。すなわち、波形発生回路６は周波数発電機の周波数
信号のパルス毎に複数相の波形信号をそれぞれ周波数信
号のパルス周期を略均等配分するように遅延させて発生
する。位相調整回路５、波形発生回路６で以上の処理を
行うことにより、永久磁石回転子２０の回転に応じて波
形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３を電力供給回路７に出力する。

【００２４】図１０は、電力供給回路７の一実施例の回
路構成図である。図１０において、ｐ１，ｐ２，ｐ３は
波形発生回路６により形成された３相の波形信号が入力
される入力端子、５１，５２，５３は入力された波形信
号ｐ１，ｐ２，ｐ３の大きさを１／２倍にする減衰器で
ある。５４，５５，５６は３入力の減算器で、減算器５
４では減衰器５１の出力ｐ１／２より波形信号ｐ２，ｐ
３を減算する。同様に減算器５５は減衰器５２の出力ｐ
２／２より波形信号ｐ３，ｐ１を減算し、減算器５６は
減衰器５３の出力ｐ３／２より波形信号ｐ１，ｐ２を減
算する。減算器５４，５５，５６で得られた結果はそれ
ぞれ増幅回路５７，５８，５９に入力され、増幅回路５
７，５８，５９により入力信号はそれぞれ増幅され、入
力信号に応じた電流ｉ１，ｉ２，ｉ３が固定子巻線１
１，１２，１３に供給される。

【００２５】すなわち、図１０の電力供給回路は以下に
示す（数４），（数５），（数６）で示される駆動電流
ｉ１，ｉ２，ｉ３を固定子巻線１１，１２，１３に供給
する。

【００２６】

【数４】

【００２７】

【数５】

【００２８】

【数６】

【００２９】なお、ｋは、増幅回路５７，５８，５９の
増幅係数である。このような信号処理を行う本発明を構
成する電力供給回路の一実施例の動作について、詳しく
説明する。図１１は、波形発生回路６で形成された波形
信号ｐ１，ｐ２，ｐ３を図１０の電力供給回路７で増幅
したときの固定子巻線１１，１２，１３に供給される駆
動電流の電流波形図である。なお、図１１では簡単のた
め１相の駆動電流波形のみ示してある。図１１ａは、本
発明の駆動電流の電流波形図で、波形発生回路６で図９
の基本フローチャートの処理に従い周波数発電機の発生
する周波数信号のパルス毎に３相の波形信号を周波数信
号のパルス周期を略均等配分するようにそれぞれ遅延さ
せて発生させ、図１０の電力供給回路により波形信号を
それぞれ合成し増幅したときの駆動電流波形を示す。図
１１ｂは、本発明のような処理を行わない場合、すなわ
ち３相の波形信号を周波数発電機の発生する周波数信号
のパルス毎に集中して発生させ、各相の波形信号を合成
することなく個別に増幅したときの駆動電流波形を比較
のために示した駆動電流波形図である。なお、図１１に
おいて波形信号の出力タイミングを各図に併記してあ
る。

【００３０】図１１ａでは３相の波形信号の出力タイミ
ングは、全期間平均化されているのに対して、図１１ｂ
では出力タイミングは周波数発電機の発生する周波数信
号の出力タイミングの時点に集中している。図１１より
明らかなように、本発明のブラシレス直流モータの駆動
電流波形（図１１ａ）は、本発明のような処理を行わな
い場合の駆動電流波形（図１１ｂ）に比べて、固定子巻
線に供給する電流波形を滑らかな正弦波状にすることが
できる。一般にブラシレス直流モータでは、駆動電流の
通電方向の変化するゼロクロス点近傍の波形がモータ回
転時の振動・騒音に大きく影響を与えることが知られて
おり、図１１ａに示す本発明の駆動電流波形でブラシレ
ス直流モータを駆動した場合、本発明のような処理を行
わずに駆動電流波形が階段状に大きく変化する図１１ｂ
に示す駆動電流波形で駆動した場合よりモータの回転時
の振動・騒音を大幅に低減することができる。また本発
明により固定子巻線に供給する電流波形を滑らかな正弦
波状にすることができるので、モータ回転時のトルクリ
ップルを極力小さく抑えることができる。

【００３１】図１２は、電力供給回路７の他の一実施例
の回路構成図である。なお、図１０と同様の機能を有す
るものについては同一の番号を付して重複した説明は省
略する。図１２において、９１は波形発生回路６により
形成された３相の波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３を加算し加
算信号ｐ０を形成する加算器、９２は加算器９１の加算
信号の大きさを２／３倍にする減衰器である。９３，９
４，９５は減算器で、減算器９３では波形信号ｐ１より
加算信号ｐ０を減算する。同様に減算器９４は波形信号
ｐ２より加算信号ｐ０を減算し、減算器９５は波形信号
ｐ３より加算信号ｐ０を減算する。減算器９３，９４，
９５で得られた結果はそれぞれ増幅回路５７，５８，５
９に入力され、増幅回路５７，５８，５９はそれぞれ入
力信号を増幅し入力信号に応じた電流ｉ１，ｉ２，ｉ３
を固定子巻線１１，１２，１３に供給する。すなわち、
図１２の電力供給回路は以下に示す（数７），（数
８），（数９）で示される駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３を
固定子巻線１１，１２，１３に供給する。

【００３２】

【数７】

【００３３】

【数８】

【００３４】

【数９】

【００３５】なお、ｋ'は、図１２の増幅回路５７，５
８，５９の増幅係数で、

【００３６】

【数１０】

【００３７】とおけば、（数７），（数８），（数９）
は、（数４），（数５），（数６）と全く同じになるの
で、図１４に示す電力供給回路は図９に示すフローチャ
ートに従って処理の行われる波形発生回路６の形成する
波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３によって、図１０の電力供給
回路と同様の効果が得られる。すなわち、図１４の電力
供給回路により、図１０の電力供給回路と同様に分解能
の低いディジタル処理で固定子巻線に供給する電流波形
を滑らかな正弦波状にすることができ、モータの回転時
の振動・騒音を大幅に低減することができ、モータの発
生トルクのトルクリップルを極力小さく抑えることがで
きる。

【００３８】以上より明らかなように、電力供給回路７
は固定子巻線１，１２，１３に正弦波状の駆動電流ｉ
１，ｉ２，ｉ３を供給する。すなわち、永久磁石回転子
２０の回転量を検出し、その回転量だけ固定子巻線１
１，１２，１３により発生する磁界を回転させる。その
結果、固定子巻線は回転磁界を発生し、回転磁界の起磁
力ベクトルＩは、永久磁石回転子２０の磁極ベクトルΦ
とは図７に示すように常に９０度だけ位相が異なるよう
に形成される。そして磁極ベクトルＩと磁極ベクトルΦ
との相互作用により、永久磁石回転子２０は回転力を受
けて回転を持続する。

【００３９】つぎに、本発明のブラシレス直流モータで
通常回転時に行われる位相補正の動作について詳しく説
明する。

【００４０】図１３は固定子巻線１１，１２，１３に誘
起される誘起電圧ｅ１，ｅ２，ｅ３と各相に通電される
駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３の位相がずれた場合の各部電
圧・電流波形と位相検出回路８の出力する位相信号ｇを
示した波形図である。

【００４１】図１３ａは固定子巻線１１，１２，１３に
誘起された誘起電圧ｅ１，ｅ２，ｅ３、図１３ｂは波形
発生回路６の出力する正弦波状の波形信号ｐ１，ｐ２，
ｐ３、図１３ｃは固定子巻線１１，１２，１３に通電さ
れる駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３である。波形信号ｐ１，
ｐ２，ｐ３は正弦波状の信号波形であり、電力供給回路
７はこれらをそれぞれ増幅して正弦波状の３相駆動電流
ｉ１，ｉ２，ｉ３に変換し固定子巻線１１，１２，１３
の各相に供給するので、波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３と駆
動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３とは同位相の関係となる。

【００４２】図１３ｄのｖ１，ｖ２，ｖ３は固定子巻線
１１，１２，１３の各相の端子電圧で、各相に誘起され
る誘起電圧ｅ１，ｅ２，ｅ３と各相に駆動電流ｉ１，ｉ
２，ｉ３が流れることにより発生する巻線抵抗の電圧降
下分（電圧波形ｖ１のみ斜線で示した部分）を合成した
波形である。図１３より明らかなように、誘起電圧ｅ
１，ｅ２，ｅ３と駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３および端子
電圧ｖ１，ｖ２，ｖ３はすべて位相が異なる。特に誘起
電圧ｅ１，ｅ２，ｅ３と駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３との
位相がずれているので、モータは最大効率では駆動され
ない。

【００４３】図１３ｅは図４に示す位相検出回路８の出
力する位相信号ｇを示し、図５と同様に位相信号ｇの立
ち上がりエッジが端子電圧ｖ１の中性点電位Ｏを下から
上へクロスするゼロクロス点と一致し、位相信号ｇの立
ち下がりエッジが端子電圧ｖ１の中性点電位Ｏを上から
下へクロスするゼロクロス点と一致する。図１３より明
らかなように、位相信号ｇの立ち上がりエッジは波形信
号ｐ１（または駆動電流ｉ１）のゼロクロス点とΔｇだ
け位相がずれている。

【００４４】つぎに、位相検出回路８の出力する位相信
号ｇをもとに誘起電圧ｅ１，ｅ２，ｅ３と駆動電流ｉ
１，ｉ２，ｉ３との位相を図６に示すように一致させる
位相補正の処理を行う本発明の一実施例の動作につい
て、詳しく説明する。

【００４５】図１４は位相補正の処理を行う位相補正モ
ードの一実施例のフローチャートである。以下、図１４
に示したフローチャートに沿って説明する。

【００４６】図１４において、処理１３１では、位相検
出回路８の出力する位相信号ｇの立ち上がりエッジの発
生による割り込みを待っている。位相信号ｇの立ち上が
りエッジの発生がない場合は、処理は通常モードに移行
し位相信号ｇの立ち上がりの発生がある場合は処理１３
２に移行する。処理１３２では、位相信号ｇの立ち上が
りエッジの発生する時点におけるアドレス値ｆ（波形発
生回路６に入力される）と波形発生回路６の出力する波
形信号ｐ１のゼロクロス点に相当するアドレス値ｆｐと
の差（Δｇ＝ｆ−ｆｐ）を演算して位相差Δｇを求め、
メモリ６２のＲＡＭ領域に格納し、処理１３３に移行す
る。

【００４７】処理１３３では、処理１３２で求めた位相
差Δｇの大きさが所定値Ｇの範囲内にあるかどうかを判
定する。位相差Δｇの大きさが所定値Ｇより小さいとき
は、処理は通常モードに移行し、位相差Δｇの大きさが
所定値Ｇより大きいときは処理１３４に移行する。処理
１３４では、処理１３２で得られた位相差Δｇの符号を
判定する。位相差Δｇの符号が正のときは処理１３５に
移行し、アドレス値ｆを１だけ加算させた後、通常モー
ドに移行する。処理１３４で位相差Δｇの符号が正でな
いときは処理１３６に移行し、アドレス値ｆを１だけ減
算させた後、通常モードに移行する。

【００４８】以上の処理１３１から処理１３６までが、
位相補正モードの動作である。図１４のフローチャート
に示す処理を行うことにより、端子電圧ｖ１，ｖ２，ｖ
３の中性点電位Ｏとのゼロクロス点が波形発生回路６の
出力する波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３のゼロクロス点と一
致するするように処理が行われる。すなわち、図１３ｅ
に示すように端子電圧ｖ１のゼロクロス点が波形信号ｐ
１のゼロクロス点に相当するアドレス値ｆｐより進んだ
位置にあるときは波形発生回路６の出力する波形信号の
アドレス値ｆを小さくすることにより波形信号ｐ１，ｐ
２，ｐ３の位相を進める。逆に、端子電圧ｖ１のゼロク
ロス点が波形信号ｐ１のゼロクロス点に相当するアドレ
ス値ｆｐより遅延した位置にあるときは波形発生回路６
の出力する波形信号のアドレス値ｆを大きくすることに
より波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３の位相を遅延させる。そ
の結果、波形発生回路６の出力する波形信号ｐ１，ｐ
２，ｐ３の位相（駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３と同位相）
と端子電圧ｖ１，ｖ２，ｖ３との位相が一致し、誘起電
圧ｅ１，ｅ２，ｅ３の位相と駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３
の位相が図６に示すごとく一致するので、モータは最大
効率で駆動される。

【００４９】したがって、仮にモータの駆動中に何らか
の原因で周波数発電機１にノイズが重畳しカウント回路
４の計数値に誤差を発生しても図１４の位相補正モード
によりモータの通常回転時に自動的に誘起電圧ｅ１，ｅ
２，ｅ３の位相と駆動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３の位相を一
致させることができる。したがって、周波数発電機１に
重畳したノイズによりカウント回路４の計数値の誤差が
累積してモータが停止してしまうという最悪状態を未然
に防止することができる。

【００５０】図１５は、本発明のブラシレス直流モータ
を構成する位相調整回路５、波形発生回路６で、通常回
転時に処理の行われる通常モードの他の実施例の基本フ
ローチャートである。なお、図９と同様の処理を有する
ものについては同一の番号を付して重複した説明は省略
する。

【００５１】通常回転時に処理の行われる通常モードの
他の実施例について、図１５に示した基本フローチャー
トに沿って説明する。処理１０１では、変数ｍを０にリ
セットし処理７１に移行する。処理７１，７２，７３，
７４，７５の位相調整回路５の行う演算処理（図９のフ
ローチャートと同じ）のあと、処理１０２に移行する。
処理１０２では、変数ｍに１を加算し処理１０３に移行
する。処理１０３では、処理７４または処理７５で得ら
れたアドレス信号ｆをもとに、つぎの処理１０４で必要
なｍ番（ｍ＝１，２，３）目の相のアドレス信号ｆ(ｍ)
を（数１），（数２），（数３）より、ｍ番目の相のア
ドレス値を計算する。

【００５２】処理１０４では、処理１０３で得られたｍ
番目の相のアドレス値ｆ(ｍ)をもとに図８のメモリ６２
のＲＯＭ領域に格納されている正弦波の関数テーブルを
参照し、ｍ番目の相のディジタル位置信号ｄｐ(ｍ)を求
める。処理１０４のあとは処理１０５に移行する。処理
１０５では、処理１０４で得られたｍ番目の相のディジ
タル位置信号ｄｐ(ｍ)を、図８のディジタル−アナログ
変換器６３，６４，６５のうち、変数ｍに対応した１つ
のディジタル−アナログ変換器に出力する。

【００５３】処理１０６では、変数ｍが３であるかどう
かを判定し、ｍ≠３のときは処理７１に移行し、処理７
１，７２，７３，７４，７５，１０２，１０３，１０
４，１０５、１０６を繰り返し、ｍ＝３のときは処理１
０１にてｍ＝０に設定した後、処理７１，７２，７３，
７４，７５，１０２，１０３，１０４，１０５、１０６
を繰り返す。処理１０１，１０２，１０３，１０４，１
０５，１０６が波形発生回路６の行う演算処理である。
すなわち、波形発生回路６は図１５に示すフローチャー
トの処理に従い、周波数発電機１の周波数信号のパルス
毎に順次１相のみの波形信号を繰り返し発生保持するの
で、３相の波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３を周波数信号のパ
ルス周期ずつ遅延させて発生する。

【００５４】したがって、永久磁石回転子２０の回転に
応じて得られた３相の時差出力の波形信号ｐ１，ｐ２，
ｐ３を電力供給回路７に出力することにより、図１１ａ
に示すような滑らかな正弦波状の駆動電流を固定子巻線
１１，１２，１３に供給することができる。すなわち、
図１５のフローチャートに従って処理の行われる波形発
生回路６は、図９のフローチャートに従って処理の行わ
れる場合と同様、分解能の低いディジタル処理で固定子
巻線に供給する電流波形を滑らかな正弦波状にすること
ができ、モータの回転時の振動・騒音を大幅に低減する
ことができ、モータの発生トルクのトルクリップルを極
力小さく抑えることができる。

【００５５】以上の説明では、電力供給回路７は、波形
発生回路６の出力する波形信号ｐ１，ｐ２，ｐ３に比例
した３相駆動電流を発生させる、いわゆる電流制御型の
電力供給回路である。しかしながら、入力された波形信
号ｐ１，ｐ２，ｐ３にそれぞれ比例した大きさの電流を
発生させる電流増幅回路は、一般に相間ばらつきを発生
しやすく単なる電圧増幅回路に比べれば回路構成が複雑
になるという欠点を有する。入力された波形信号ｐ１，
ｐ２，ｐ３にそれぞれ比例した３相駆動電圧を発生させ
る、いわゆる電圧制御型の電力供給回路を用いる場合に
は、図４に示した位相検出回路８の代わりに図１６に示
すような位相検出回路を使用すればよい。

【００５６】図１６は位相検出回路８の他の実施例の回
路構成図で、その各部信号波形図を図１７に示す。図１
６において、４１は１相の固定子巻線１１に直列接続さ
れた電流検出用の抵抗で、固定子巻線１１に通電される
相電流ｉ１を電圧に変換する。４２は比較器で、比較器
４２の２つの入力端子は抵抗４１の両端に接続される。
比較器４２は抵抗４１に流れる電流の方向に応じて位相
信号ｇを位相調整回路５に出力する。

【００５７】図１７において、ａは永久磁石回転子２０
が回転しているときの３相の固定子巻線１１，１２，１
３に流れる電流ｉ１，ｉ２，ｉ３の各電流波形を示して
いる。固定子巻線１１に流れる電流ｉ１は抵抗４１によ
り電流に応じた電圧に変換され、抵抗４１の両端の電圧
は比較器４２の非反転入力（＋）と反転入力に接続され
ているので、比較器４２は固定子巻線１に通電される相
電流の符号を検出したことになる。波形ｂより明らかな
ように、波形信号ｇの立ち上がりエッジは電流ｉ１のゼ
ロクロス点と一致する。すなわち、位相検出回路８の出
力する位相信号ｇは、固定子巻線１１，１２，１３のう
ち１相の電流のゼロクロス点のタイミングを出力するこ
とになり、位相検出回路８により固定子巻線１１の電流
の位相を検出することができる。位相検出回路８の出力
する位相信号ｇをもとに誘起電圧ｅ１，ｅ２，ｅ３と駆
動電流ｉ１，ｉ２，ｉ３との位相を一致させる位相補正
の処理は、図１４に示した電流制御型の電力供給回路の
場合とほぼ同じ操作であるので重複した説明は省略す
る。

【００５８】以上より、本発明のブラシレス直流モータ
は、周波数発電機の出力する互いに位相の異なる２相の
周波数信号をもとに３相の波形信号を作成するので、ホ
ール素子の如き位置検出素子を設けなくてもよい。

【００５９】なお、本発明に係わる波形発生回路６で
は、１周期のみの正弦波の関数テーブルをメモリに記憶
させておき、位相の異なる分だけアドレス値を変えて関
数テーブルを参照することにより３相の波形信号を図８
に示すような３個のディジタル−アナログ変換器６３，
６４，６５に出力しているが、１個のディジタル−アナ
ログ変換器を使用して逐次アナログ値に変換した後、得
られたアナログ値を３個のサンプルホールド回路（図示
しない）で保持して３相の波形信号として出力しても可
能であることは言うまでもない。また、正弦波関数は対
称周期関数であるので、１周期分すべてを関数テーブル
に記憶させておく必要はなく、１／２周期分もしくは１
／４周期分のみを記憶させておき、後はアドレス値に応
じて適当な処理を行い３相の波形信号に相当するディジ
タル値を求めるように構成してもよい。この場合は、関
数テーブル用に必要なメモリを少なく構成することがで
きるという利点がある。また、逆に１周期のみの正弦波
の関数テーブルだけをメモリに記憶させておくのでな
く、３相分の正弦波をそれぞれ関数テーブルに記憶させ
ておき、直接３相の波形信号に相当するディジタル値を
３個のディジタル−アナログ変換器６３，６４，６５に
出力しても可能であることは言うまでもない。

【００６０】また、本発明の実施例では、３相のモータ
に限ったが、相数は３相に限らず何相であってもよいこ
とは言うまでもない。その他、本発明の主旨を変えず種
々の変更が可能である。

【００６１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、従来のブ
ラシレス直流モータのような位置検出素子が不要のた
め、素子の取付け位置調整の煩雑さや配線数が削減さ
れ、大幅にコストが低減される。またモータ内部に位置
検出素子を取付ける必要がないため、モータは構造上の
制約を受けず小型化、薄型化が可能となる。

【００６２】また、波形発生回路で３相の波形信号をそ
れぞれ所定時間ずつ遅延させて発生し、時差出力された
３相の波形信号を電力供給回路によりそれぞれ合成し、
得られた合成信号に応じた駆動電流もしくは駆動電圧を
固定子巻線に供給することにより駆動電流波形を滑らか
な正弦波状にすることができるので、分解能の低いディ
ジタル処理で正弦波に近い駆動電流波形を形成すること
が可能となり回転時の振動・騒音やトルクリップルの小
さいブラシレス直流モータを提供することができるとい
う顕著な効果が得られる。

【００６３】また、モータが回転しているときに固定子
巻線に誘起される誘起電圧の位相と各相の固定子巻線に
通電される電流位相とがそれぞれ一致するように位相補
正操作を行うことにより、モータの駆動中に何らかの原
因で周波数発電機の出力にノイズが重畳しても自動的に
誘起電圧の位相と駆動電流の位相を一致させることがで
きるので、モータが停止してしまうという最悪状態を未
然に防止することができ、モータを常に高効率で駆動す
ることができる。

【００６４】したがって、位置検出素子が不要でありな
がら効率の高い駆動が可能で、しかも広い用途に応用可
能なブラシレス直流モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のブラシレス直流モータの一実施例の構
成を示すブロック図

【図２】本発明に係わる方向検出回路の一実施例を示す
回路構成図

【図３】図２に示す方向検出回路の各部信号波形図

【図４】本発明に係わる位相検出回路の一実施例を示す
回路構成図

【図５】図４に示す位相検出回路の各部信号波形図

【図６】本発明のブラシレス直流モータの定常回転時の
各部信号波形図

【図７】本発明のブラシレス直流モータの定常回転時に
おける永久磁石回転子の磁極ベクトルΦと固定子巻線の
発生する起磁力ベクトルＩと固定子巻線に誘起される誘
起電圧Ｅの関係を示すベクトル図

【図８】本発明のブラシレス直流モータを構成する位相
調整回路、波形発生回路の構成を示すブロック図

【図９】本発明のブラシレス直流モータの通常モードの
操作を行う一実施例を説明するためのフローチャート図

【図１０】本発明に係わる電力供給回路の一実施例を示
す回路構成図

【図１１】図１０に示す電力供給回路の１相の駆動電流
波形図

【図１２】本発明に係わる電力供給回路の他の実施例を
示す回路構成図

【図１３】図４に示す位相検出回路を使用し、固定子巻
線に誘起される誘起電圧と各相に通電される駆動電流の
位相がずれた場合の各部信号波形図

【図１４】本発明のブラシレス直流モータの位相補正の
操作を行う一実施例のフローチャート図

【図１５】本発明のブラシレス直流モータの通常モード
の操作を行う他の実施例を説明するためのフローチャー
ト図

【図１６】本発明に係わる位相検出回路の他の一実施例
を示す回路構成図

【図１７】図１６に示す位相検出回路の各部信号波形図

【符号の説明】

１ 周波数発電機 ２ 波形整形回路 ３ 方向検出回路 ４ カウント回路 ５ 位相調整回路 ６ 波形発生回路 ７ 電力供給回路 ８ 位相検出回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個の磁極を有する回転子と、前記回転
   子に所定の空隙を有して配設された複数相の固定子巻線
   と、前記回転子の回転数に比例した複数相の周波数信号
   を発生する周波数発電機と、前記複数相の周波数信号よ
   り前記回転子の回転方向を検出し方向信号を出力する方
   向検出手段と、前記方向信号に応じて前記周波数発電機
   の少なくとも１つの周波数信号のパルスをアップカウン
   トもしくはダウンカウントを行うカウント手段と、前記
   複数相の固定子巻線の少なくとも１相の電圧もしくは電
   流の位相に応じた位相信号を出力する位相検出手段と、
   前記カウント手段の計数値を回転方向指令に応じて所定
   の値だけ加減算し、さらに前記位相信号に応じて調整し
   て得られた指令値を出力する位相調整手段と、前記指令
   値に応じて前記周波数発電機の周波数信号のパルス毎に
   複数相の波形信号を前記周波数信号のパルス周期を略均
   等配分するようにそれぞれ遅延させて発生する波形発生
   手段と、前記複数相の波形信号をそれぞれ合成し、得ら
   れた合成信号に応じた駆動電流もしくは駆動電圧を固定
   子巻線に供給する電力供給手段より構成されたことを特
   徴とするブラシレス直流モータ。
2. 【請求項２】複数個の磁極を有する回転子と、前記回転
   子に所定の空隙を有して配設された複数相の固定子巻線
   と、前記回転子の回転数に比例した複数相の周波数信号
   を発生する周波数発電機と、前記複数相の周波数信号よ
   り前記回転子の回転方向を検出し方向信号を出力する方
   向検出手段と、前記方向信号に応じて前記周波数発電機
   の少なくとも１つの周波数信号のパルスをアップカウン
   トもしくはダウンカウントを行うカウント手段と、前記
   複数相の固定子巻線の少なくとも１相の電圧もしくは電
   流の位相に応じた位相信号を出力する位相検出手段と、
   前記カウント手段の計数値を回転方向指令に応じて所定
   の値だけ加減算し、さらに前記位相信号に応じて調整し
   て得られた指令値を出力する位相調整手段と、前記指令
   値に応じて前記周波数発電機の周波数信号のパルス毎に
   順次１相のみの波形信号を繰り返し発生保持する波形発
   生手段と、前記複数相の波形信号をそれぞれ合成し、得
   られた合成信号に応じた駆動電流もしくは駆動電圧を固
   定子巻線に供給する電力供給手段より構成されたことを
   特徴とするブラシレス直流モータ。
3. 【請求項３】電力供給手段は、入力された１相の波形信
   号を２分の１倍したものから他相の波形信号をそれぞれ
   減算することにより得られた合成信号に応じた駆動電流
   もしくは駆動電圧を固定子巻線に供給するようにした請
   求項１または２記載のブラシレス直流モータ。
4. 【請求項４】電力供給手段は、それぞれ入力された１相
   の波形信号から複数相のすべての波形信号を加算した加
   算信号の３分の２倍したものを減算することにより得ら
   れた合成信号に応じた駆動電流もしくは駆動電圧を固定
   子巻線に供給するようにした請求項１または２記載のブ
   ラシレス直流モータ。
5. 【請求項５】位相調整手段は、回転方向指令に応じてカ
   ウント手段の計数値より所定値を加減算することによ
   り、固定子巻線の発生する回転磁界の位相を回転子の磁
   極の位相から電気角で９０度だけ回転させるようにした
   請求項１または２記載のブラシレス直流モータ。
6. 【請求項６】波形発生手段は、正弦波状の信号を予め記
   憶させたメモリ手段と、前記メモリ手段から読み出され
   るディジタル値をアナログ値に変換するディジタル−ア
   ナログ変換器を含む請求項１または２記載のブラシレス
   直流モータ。
7. 【請求項７】波形発生手段は、１周期のみの正弦波状の
   信号を予め記憶させた請求項１または２記載のブラシレ
   ス直流モータ。
8. 【請求項８】波形発生手段は、１／２周期もしくは１／
   ４周期のみの正弦波状の信号を予め記憶させた請求項１
   または２記載のブラシレス直流モータ。
9. 【請求項９】カウント手段、位相調整手段、波形発生手
   段は、処理内容に従ったプログラム・データを保存する
   メモリ手段と、前記プログラム・データに従って処理を
   実行する演算処理ユニットを含む請求項１または２記載
   のブラシレス直流モータ。