JPH10136691A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石型モータの中点電圧を検出する手段
によって、簡単な検出回路で正確なロータ位置を検出す
ることができ、かつ回路の実装面積、コストを削減でき
るモータ駆動装置を提供する。 【解決手段】 永久磁石型モータの中点電圧を検出する
中点電圧検出手段を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１２０度通電型の
電圧型インバータで、永久磁石型モータにおいて、逆起
電力を利用した位置センサレス駆動装置に関するもので
あり、特に中点電圧を回路へ供給することが容易な小形
ステッピングモータ等の駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の永久磁石型モータのセンサレス駆
動装置を図１に示し説明する。図１は、永久磁石型モー
タの駆動装置全体の一構成例である。１は商用電源、２
は整流回路、３は６個の半導体スイッチング素子で構成
された１２０度通電型の電圧型インバータ、４は永久磁
石型モータ本体、５は逆起電力検出部、６は永久磁石型
モータ本体４のステータ電機子巻き線端である。電圧型
インバータ３の入力端は、商用電源１から整流回路２に
よって整流平滑された直流電源が供給されている。ま
た、出力端は、永久磁石型モータ本体４のステータ電機
子巻き線に接続され、前記直流電源を導通、遮断するこ
とによって永久磁石型モータを回転させるようにしてい
る。永久磁石型モータ本体４は、多相の電機子巻き線を
スター結線したステータ（図示しない）と永久磁石によ
って磁極対を構成するロータ（図示しない）で構成さ
れ、ロータが回転することによってステータ電機子巻き
線端６に逆起電力が発生する。逆起電力検出部５はステ
ータ電機子巻き線端６から前記逆起電力が入力されて、
ロータの位置検出を行いパルス信号として出力パターン
発生部８に入力される。出力パターン発生部８は、入力
された逆起電力検出部５の検出タイミングに合わせ、電
圧型インバータ３の各スイッチング素子のベース端子を
駆動するパターンを決定し、回転数指令９に従ってＰＷ
Ｍチョッパ制御の導通、遮断のデューティー比を決定
し、インバータドライブ部７に信号を入力し、電圧型イ
ンバータ３の各ベース端子が駆動されるものである。

【０００３】次に前記逆起電力検出部５を図２に示す。
図２は１相分の逆起電力検出部５の一構成例である。つ
まり３相モータの場合は図２に示す回路が３つ必要とな
る。１０は抵抗１１、１２で構成された分圧回路、１３
は直流成分除去のためのコンデンサ、１４は抵抗１５、
コンデンサ１６で構成された一次遅れフィルタ回路、１
７は抵抗１８、１９、２０、比較器２１で構成された比
較回路である。分圧回路１０はステータ電機子巻き線端
６の端子電圧を入力端２２に入力し、前記直流電源の０
Ｖを基準として抵抗１１と１２との分圧比によって検出
される。この検出された端子電圧には、逆起電力の基本
波成分以外に前記ＰＷＭチョッパ制御による高周波成
分、転流後の還流モードで生じるスパイク電圧、分圧回
路１０の抵抗１１、１２のばらつきによる直流分のオフ
セットなどが含まれている。これらを軽減するために直
流成分カットのためコンデンサ１３の接続を介し、さら
に一次遅れフィルタ１４によって高調波成分の低減を行
うとともに９０度位相シフトを行っている。比較回路１
７は一次遅れフィルタ１４の出力と基準電圧２４を比較
することによって出力端２３にパルス信号としてロータ
位置検出信号が出力される。基準電圧２４は、前記一次
遅れフィルタ後の端子電圧を合成して得られる電圧が用
いられている。９０度位相シフトされた検出信号は、検
出した自身の相より１２０度遅れた相の位置検出信号と
して用いられるため電流位相角は、ほぼ０度の位置で駆
動される。たとえばＵ，Ｖ，Ｗの３相で駆動されている
場合、Ｕ相の端子電圧で検出された検出信号は、Ｗ相の
ロータ位置信号として使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記のロータ位置検出
方法は、それぞれのステータ電機子巻線端に図２の回路
を接続する必要があるため、図２の回路は相数分の必要
になる。つまり３相モータの場合は３個必要となる。

【０００５】ステータ電機子巻き線端子には、高電圧が
印可される場合が多いため、例えばプリント基板上に図
２の回路を実装する場合、絶縁距離を確保する必要があ
り、相数分の検出回路を実装した場合では、広い実装面
積を確保しなければならない。またステータ電機子巻き
線端６から逆起電力を入力するための電線が相数分必要
となるほか、検出回路も規模が大きくなりコスト削減の
妨げとなっていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、本発明のうち請求項１記載の発明は永久磁
石モータの中点電圧を検出し転流タイミングを得るロー
タ位置検出手段を備えたことを特徴とする。永久磁石モ
ータの中点電圧を検出することで、従来例のように相数
分の検出回路を必要とせず、中点電圧を検出する回路だ
けでよい。

【０００７】中点電圧を検出するための基準電圧はさま
ざま考えられるが、請求項２記載の発明のように永久磁
石型モータの中点電圧と電圧型インバータに入力される
直流電圧の１／２を比較する中点電圧検出手段を備える
ことにより、回路が簡潔に構成できる。

【０００８】また請求項３記載の発明のように中点電圧
を積分する積分手段を備えることにより、中点電圧に現
れるスパイク電圧が除去され、永久磁石型モータを安定
に回転させることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】

（発明の実施の形態１）以下に本発明の実施の形態につ
いて添付の図面を参照して説明する。本形態例では小形
ステッピングモータを例にとって説明する。小形スッテ
ピングモータは逆起電力が正弦波状に現れるため、本発
明の実施には適したモータである。

【００１０】図３は、本発明のステッピングモータ駆動
装置の一構成例である。３相の電機子巻き線をスター結
線されたステータ（図示しない）と永久磁石によって磁
極を構成するロータ（図示しない）で構成されているス
テッピングモータ４と、１２０度通電型の電圧型インバ
ータ３と、前記ステッピングモータ４の中点電圧Ｖｎを
検出し転流タイミングを得るロータ位置検出部３０と、
通電パターン発生部３１と、電圧型インバータ３を駆動
するインバータドライブ部７で構成される。３相の電機
子巻き線をスター結線した前記ステータの各励磁コイル
Ｕ，Ｖ，Ｗは電圧型インバータ３に接続されている。電
圧型インバータ３はＰ側に直流電圧ＥｃのＥｃ＋、Ｎ側
にＥｃのＥｃ−が接続され、各々Ｐ側の還流ダイオード
Ｄｕ＋、Ｄｖ＋、Ｄｗ＋が接続されたＰ側のトランジス
タＴｕ＋、Ｔｖ＋、Ｔｗ＋と、各々Ｎ側の還流ダイオー
ドＤｕ−、Ｄｖ−、Ｄｗ−が接続されたＮ側のトランジ
スタＴｕ−、Ｔｖ−、Ｔｗ−とから構成されている。こ
の電圧型インバータ３にはＤＣ／ＤＣコンバータ３２の
出力が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は速
度指令９によって調整された電圧Ｅｃを出力している。
ロータ位置検出部３０は中点電圧を検出して転流タイミ
ングを得て、ハイおよびローの信号を出力する。ロータ
位置検出部３０の詳細は後述する。通電パターン部３１
は、ロータ位置検出部３０から出力された信号から、図
４に示すように、各相の励磁コイルのうち２つの巻き線
を選択して、Ｐ側トランジスタとＮ側トランジスタを一
組組み合わせた励磁パターンで順次導通させ、ステータ
に回転磁界を形成しロータを回転させるための信号を発
生する。インバータドライブ部７は通電パターン発生部
の出力を、インバータを構成するトタンジスタのベース
端子を駆動するのに適した信号へ変換する。

【００１１】中点電圧Ｖｎについて述べる。図５はステ
ッピングモータにおける逆起電力ｅu、ｅv、ｅwと駆動
信号の関係を示す。逆起電力ｅu、ｅv、ｅwは正弦波状
の信号でありそれぞれ１２０度の位相差で発生する。Ｐ
側のトランジスタは逆起電力が最も高い１２０度期間に
導通し、Ｎ側のトランジスタは逆起電力が最も低い１２
０度期間に導通する。この場合いかなる位相において
も、Ｐ側のある一相とそれとは異なるＮ側のある一相の
２つのトランジスタだけが動作している。したがってど
の位相においてもＰ側・Ｎ側両方のトランジスタがとも
に動作していない相が存在する。

【００１２】ここで図６にＴｕ＋とＴｗ−が導通時の等
価回路を示す。Ｔｕ＋とＴｗ−にドライブ信号を与えＴ
ｕ＋からＴｗ−に電流ｉが流れたとき、つまりＵ相から
Ｗ相に電流が流れた場合を仮定する。

【００１３】電流ｉが流れるループから次式が成立す
る。

【００１４】 Ｖｎ＝Ｅｃ−ＶCE−Ｌ・ｄｉ／ｄｔ−ｒｉ−ｅu ．．．（１） Ｖｎ＝ＶCE＋Ｌ・ｄｉ／ｄｔ＋ｒｉ−ｅw ．．．（２） （１）式と（２）式より次式が得られる。

【００１５】 Ｖｎ＝Ｅｃ／２−（ｅu＋ｅw）／２ ．．．（３） 他の導通状態においても同様の式が成り立つのは明かで
ある。

【００１６】通電切り換えタイミングと中点電圧Ｖｎの
関係を図７に示した。

【００１７】中点電圧Ｖｎの波形は図中で示す切り換え
タイミングでモータを回転をさせた場合の波形である。
逆起電力の２倍の周波数でＥｃ／２を中心にした三角波
状の信号である。ここで中点電圧ＶｎがＥｃ／２と等し
くなるタイミングに注目すると転流タイミングよりも電
気角で３０度進んだ位置となっている。つまり比較器で
中点電圧ＶｎとＥｃ／２を比較すれば電気角で３０度進
んだ信号が得られることがわかる。ロータ位置検出部３
０の回路例を図８に示す。４９は抵抗器４０，４１，４
２，４３，４４、比較器４５で構成された中点電圧検出
部である。抵抗器４０と４１は同一の抵抗値の抵抗器で
あり、分圧によってＥｃ／２の電圧値を作っている。入
力端４７には中点電圧Ｖｎが入力される。比較器４５は
中点電圧ＶｎとＥｃ／２の大小関係によって、ハイもし
くはローの電圧を出力する。出力された信号は遅延器４
６によって電気角３０度遅れて出力される。比較器４５
の出力と中点電圧Ｖｎの関係を図９に示す。図９からわ
かるように、遅延器４６の出力がローからハイに変化し
たら、現在通電しているＰ側のトランジスタの導通を止
めて、次のトランジスタの導通を開始すればよい。比較
器４５の出力がハイからローに変化したら、現在通電し
ているＮ側のトランジスタの導通を止めて次のトランジ
スタの導通を開始すればよい。またコイルに電流が流れ
る場合の遅れ時間を考慮した場合、遅延器４６を削除し
て比較器４５の出力タイミングで転流を行ってもよい。
その場合でも以上述べてきた検出方法についてはなんら
変わりはない。

【００１８】以上述べたように中点電圧を用いれば簡単
な回路構成でロータの位置検出ができる。しかし逆起電
力ｅu、ｅv、ｅwはロータが回転しないと現れないの
で、起動時に同期運転等でロータを回転させる必要があ
る。また通電パターン部はロータ位置検出回路から出力
される１ビットの信号で６個のトランジスタを制御する
信号を作る必要がある。以下に具体的な方法を述べる。
例えばまずＴｕ+とＴｖ-を導通させ電流をＵ相からＶ相
へ流す。電流が流れるとロータが回転し安定点で停止す
る。停止する際ロータは振動するため、振動が収まるま
で電流を流し続ける必要がある。なおロータが停止して
いるとき比較器４５の出力は不定となる。ロータの振動
が収まったら、次にＴｕ+とＴｗ-を導通させＵ相からＷ
相に電流を流す。するとロータが回転し始め逆起電力が
現れ、比較器４５の出力がローになる。その後正規の切
り換えタイミングの電気角３０度手前で比較器４５の出
力がハイに変化するので、遅延回路４６から出力される
パルスのタイミングでＴｖ+、Tw-を導通させる。その後
は比較器４５の変化に応じて出力される遅延器４６のパ
ルスによって転流をすればよい。トランジスタと導通さ
せる順序はＲＯＭ等に記憶させておけば容易に得られ
る。また回転数が上がらないと逆起電力が小さすぎて比
較器４５が正常に動作しない場合は、強制的に転流を行
い、同期運転をして回転数を上げてから比較器４５の出
力を判別し転流を行うようにすれば良い。

【００１９】以上のように回転を開始するときに、定め
られた相に電流を流し中点電圧Ｖｎから得られたロータ
位置信号によって、定められた順序で転流を行えば中点
電圧検出部３０から出力される１ビットの信号で６個の
トランジスタを制御することができる。

【００２０】（発明の実施の形態２）モータのインダク
タンスが大きい場合や、大きな電流が流れている場合
は、転流のスパイク電圧が無視できなくなる。その場合
中点電圧Ｖｎは図１０のようになる。図１０に示すよう
に転流直後にスパイク電圧があらわれ、このスパイク電
圧によって図８の比較器４５が誤動作してしまう。そこ
で図１１のように積分器５３を追加する事により転流時
のスパイク電圧の影響をなくすことができる。

【００２１】入力端６４には中点電圧Ｖｎが入力され
る。５０は抵抗５１、５２で構成された分圧器である。
モータ駆動電圧Ｅｃが高い場合、オペアンプ等の保護の
ため必要となるが、低い電圧の場合なくてもかまわな
い。５３は抵抗器５４、５６、コンデンサ５５、オペア
ンプ５７で構成された積分器である。中点電圧を積分器
５３を通すことによって転流時のスパイク電圧を除去
し、かつ信号の位相が遅れるため正規の転流タイミング
に近づけることもできる。

【００２２】５８は比較回路であり抵抗器５９、６０、
６２、比較器６１で構成されている。積分された中点電
圧と基準電圧６３で作られるＥc／２を比較回路５９で
比較することにより、転流のタイミングが出力端６５に
得られる。必要に応じ出力端６５の後に遅延器を設ける
こともできる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように請求項１は永久磁石型モー
タの中点電圧を検出するだけでロータの位置検出がで
き、検出回路実装スペースおよびコストの削減に効果が
ある。

【００２４】請求項２の発明は、Ｅｃ／２と中点電圧を
比較することで簡単な回路構成でロータの位置検出を行
うことができる。

【００２５】請求項３の発明は、転流時に中点電圧にス
パイク電圧が現れたとしても、安定にロータ位置検出を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のセンサレス永久磁石型モータの駆動
装置を示す図。

【図２】 従来の逆起電力検出手段の回路図。

【図３】 発明の実施の形態１のステッピングモータ
駆動装置の一構成例を示す図。

【図４】 ステッピングモータの励磁パターンを説明
する説明図。

【図５】 逆気電力と駆動信号の関係を示す図。

【図６】 Ｔｕ+とＴｗ-が導通時の等価回路を示す
図。

【図７】 中点電圧と逆起電力のタイミングを示す
図。

【図８】 発明の実施の形態１のロータ検出手段の回
路図。

【図９】 発明の実施の形態１で検出された信号で駆
動した場合の中点電圧を示す図。

【図１０】 発明の実施の形態２の中点電圧を示す図。

【図１１】 発明の実施の形態２のロータ位置検出手段
の回路図。

【符号の説明】

３．電圧型インバータ ４．ステッピングモータ ３０．中点電圧検出部 ３１．通電パターン発生部 ４９．中点検出部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３相の電機子巻線をスター結線したステー
   タと永久磁石によって磁極対を構成するロータとを有す
   る永久磁石型モータと、複数個の半導体スイッチング素
   子で構成された１２０度通電型の電圧型インバータで構
   成されるセンサレス永久磁石型モータ駆動回路におい
   て、前記モータの中点電圧を検出し転流タイミングを得
   るロータ位置検出手段（３０）を備えたことを特徴とす
   るモータ駆動装置。
2. 【請求項２】請求項１のモータ駆動装置において、永久
   磁石型モータの中点電圧と前記電圧型インバータに入力
   される直流電圧の１／２を比較する中点電圧検出手段
   （４９）を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
3. 【請求項３】請求項２のモータ駆動装置において、中点
   電圧を積分する積分手段（５３）備えたことを特徴とす
   るモータ駆動装置。