JPH10507058A - ブラシレス直流モータ用二重モード制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ブラシレス直流モータ用の二重モード制御装置は、予め定められた転移速度によって規定された２つの異なる特有のモードで電子整流子に駆動信号を供給する。エンコーダは、駆動信号の発生に使用するために制御装置にモータ位置信号を供給する。駆動信号は転移速度より遅い速度で位置信号と同位相で発生される。転移速度より速い速度では駆動信号の位相は実質的に進められる。これは、ステータ巻線における逆起電力を減少させ、モータの最大無負荷速度を実質的に増加させる。

Description

【発明の詳細な説明】 ブラシレス直流モータ用二重モード制御装置 ［発明の技術的背景］ 本発明は、直流モータ用の制御装置の分野に関し、特に永久磁石ロータおよび 三相ステータを有するブラシレス直流モータに関する。そのようなモータは一般 的に直流モータのステータによって使用される三相交流に直流電力を変換するト ランジスタ装置を具備している。 電気モータの設計においては伝統的に速度とトルクの要求の間で妥協が行われ ている。一般的に言えば、モータ出力速度はトルクの増加と共に直線的に減少し 、一方モータ電流は出力トルクと共に同時に増加する。特に、永久磁石を備えた モータでは所定の電流に対する最大の利用可能な速度およびその同じ電流に対す る最大の利用可能なトルクは一定した関係を有し、それはモータの大きさおよび 設計には関係しない物理的な法則によって決定される。 永久磁石モータがある電流に対して所定のトルクを生成するように設計される ならば、所定の電圧に対する最大出力速度は自動的に決定され、任意に増加させ ることはできない。それ故永久磁石モータ、例えばブラシレス直流モータの設計 は速度とトルクの要求の間で妥協を必要としている。 ブラシレス直流モータのインピーダンスは低い回転速度において主として抵抗 性であり、速度の増加と共にリアクタンス分が増加する。これはステータ中に誘 起される磁界の位相をシフトさせ、その結果、モータにより生成されたトルクは 減少する。従来技術において、その特定の問題が認識され、ステータ巻線へ供給 される電流の位相を進めることによってその問題は処理された。位相シフトされ た電流を供給する制御システムは一般に非常に複雑であり、速度の関数として連 続的に調整を変化させる。そのようなモータ制御システムの例は、米国特許第４ ８３５４４８号明細書（Dishner他）および米国特許第４６５１０６８号明細書 （Meshkat-Razavi）に開示されている。それらのシステムは高い無負荷速度を与 える問題については触れていないが、スタート期間中あるいは失速状態に高いト ルクを保持することができる。 ［発明の要約］ 本発明は、スタートトルクの損失なしにブラシレス直流モータの無負荷速度を 最大にするための制御システムおよび方法を提供する。本発明は二重モード制御 装置を使用し、その制御装置は２つの異なった動作モードの一方または他方にお いてモータの速度に依存してモータを動作させる。低速度ではモータはベース速 度モードで動作し、それにおいては最大トルク定数を有し、ベース無負荷速度を 発生させる。モータが予め定められた転移速度に達したとき、制御装置はモータ を連続的に増加する速度／トルク比によって特徴付けられた高速度モードに切換 える。高速度モードに切換えることによって制御装置はモータの最大速度をベー スモードにおいて得ることのできる速度の２．４倍以上の係数でモータの最大速 度を増加させる。 位置エンコーダはモータに結合されて二重モード制御装置へモータ位置信号を 供給する。二重モード制御装置は位置信号を発生させて通常の電子整流子へ送る 駆動信号を発生する。ベース速度モードの動作中に二重モード制御装置は位置信 号と同位相の駆動信号を発生する。整流子は駆動信号を使用してインバータに対 するゲート制御信号を発生する。インバータはブラシレス直流モータのステータ 巻線に対する多相交流駆動電流を発生することによってゲート制御信号に応答す る。 高速度モードにおいて、二重モード制御装置はモータに供給されている電流位 相の数に応じて予め定められた量だけ駆動信号の位相を進める。三相モータの場 合には位相の進相は約６０度または３６００ＲＰＭにおいて約２．８ミリ秒であ る。反対方向の回転に対して制御装置は所望の進相を維持するために駆動信号を 調整する。進相はモード間のハンティングを避けるためにモード転移のための短 い期間中凍結される。 ［図面の簡単な説明］ 図１は、ブラシレス直流モータに対する二重モード制御システムの概略ブロッ ク図である。 図２は、図１の装置の動作に関連した信号波形の例示である。 図３は、装置に対する性能情報のグラフである。 図４は、二重モード制御装置の詳細を示す概略図である。 ［好ましい実施形態の説明］ 図１は、本発明にしたがって制御されている三相ブラシレス直流モータ20を示 す。モータ20は、永久磁石ロータ22を駆動する３個のＹ接続されたステータ巻線 ＰＡ，ＰＢおよびＰＣを有する。巻線ＰＡ，ＰＢおよびＰＣは、交流電流ＩＡ， ＩＢおよびＩＣをそれぞれ伝送する。これらの電流はインバータ24によって供給 され、相互に１２０°づつ位相分離されている。以下詳細に説明するように、モ ータ20は２つの異なる特有の動作モード、すなわちベース速度モードおよび高速 モードを有している。 ベース速度モードにおいて、ホール効果エンコーダ26はロータ22の回転を監視 し、３つの位置信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を発生する。これらの位置信号は、理解し 易くするために参照符号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３でそれぞれ示された３つの別個の導線 に供給される。エンコーダ26とロータ22との間のホール効果リンクは、参照符号 28によって示されている。 位置信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、それらを駆動信号Ｓ１^*，Ｓ２^*，Ｓ３^*にそれ ぞれ変換する二重モードの制御装置30に送られる。位置信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と 駆動信号Ｓ１^*，Ｓ２^*，Ｓ３^*との間の関係は、表Ｉに示され、以下詳細に説明 するように動作モードに依存している。ベース速度モードで動作中は２組の信号 は同じである。 駆動信号Ｓ１^*，Ｓ２^*，Ｓ３^*は、通常の設計の電子整流子32に供給される。 この目的に適した整流子は市販されており、容易に購入できる。ブラシレス直流 モータ用の整流子の構造および動作の概要は、米国特許第５２０２６１６号明細 書（Peters他）およびそこで引用された参照文献に記載されている。 整流子32は６つのゲート制御信号ＧＡ，ＧＡ´，ＧＢ，ＧＢ´，ＧＣおよびＧ Ｃ´を発生するために駆動信号Ｓ１^*，Ｓ２^*，Ｓ３^*を使用する。これらのゲー ト制御信号は、パワースイッチＳＡ，ＳＡ´，ＳＢ，ＳＢ´，ＳＣおよびＳＣ´ をそれぞれ選択的に制御する。６個のパワースイッチは、タイオード91乃至95と 並列に配置されている。 ベース速度モードにおいて、ゲート信号は、モータ20への電流が３個のモータ 巻線ＰＡ，ＰＢ，ＰＣのうちの２つにより何時でも維持されているようにパワー スイッチを制御する。電流は、一定の大きさおよび方向の電磁トルクを生成する ように正しい大きさおよび位相で異なる巻線対に順次供給される。電流の波形は 、ゲート信号の周波数に比例した周波数と、直流電力供給源の電圧の変化と共に 変化するピークの大きさとを有する。モータ速度は、直流電圧を調節することに よって制御される。 整流子32は、個々の巻線をそれぞれ通る電流の期間がその巻線において一定の 誘導された電圧の期間に対応するように、かつ各巻線を通る電流の方向がその巻 線において誘導された電圧の極性に対応するように動作する。ロータの磁界の相 対運動のために３個の巻線のうちの２つにおいて誘導された電圧がインバータ24 によって供給されている供給電圧と釣り合ったとき、ロータ22の最大回転速度が 生じる。 高速モードでの動作中、駆動信号Ｓ１^*，Ｓ２^*，Ｓ３^*は、制御装置30によっ て６０°の電気角度だけ時間的に進められる。これは電流ＩＡ，ＩＢ，ＩＣを進 ませ（しかし位相において３０°だけ）、それによって巻線における実効誘導電 圧を減少させる。その結果、ロータは実効誘導電圧が供給電圧と釣り合うまで速 度を増加させる。典型的な適用において、このようなモード変化は約２．４の係 数だけ最大ロータ速度を増加させる。 図２は、３個の巻線ＰＡ，ＰＢおよびＰＣにそれぞれ印加された３つの電圧Ｖ Ａ，ＶＢおよびＶＣの波形を示す。これらの電圧はステータ巻線ＰＡ，ＰＢ，Ｐ Ｃに関するロータの位置角度に対応し、３つの位置信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の生成 に使用するためにエンコーダ26によって感知される。図２に示されているように 、位置信号は、巻線電圧が上昇し始めたときにＬＯからＨＩに切替わり、また巻 線電圧が下降し始めたときにＨＩからＬＯに切替わる。 図２には、駆動信号Ｓ１^*，Ｓ２^*，Ｓ３^*の波形が２組示されている。両組の 駆動信号波形は高速モードの動作に対するものである。上方の組は順方向におけ るロータ回転に対するものであり、下方の組は逆方向のロータ回転に対するもの である。それぞれの場合、駆動信号は、適切な方向において、対応したロータ位 置角度に関して６０°進められる。 制御装置30は、上記の表Ｉに示された論理変換によって適切に駆動信号を進め る。これらの変換を行なうために、制御装置はロータ速度、ロータ方向および転 移速度を知っている必要がある。以下説明するように、これらのパラメータは制 御装置30によって決定される。別の制御パラメータは、転移時間である。制御装 置30がモードを切換えるとき、それはモードハンティングを阻止するのに十分な 期間中Ｓ１^*，Ｓ２^*，Ｓ３^*の値を凍結する。４極三相モータに対して、好まし い凍結期間は１回転の約１／１２である。別のモータ構造では、好ましい凍結期 間が多少異なる。 制御装置30は、ハードウェアまたはソフトウェアのいずれかにおいて容易に構 成されることができる。好ましい実施形態において、制御装置30は図４に示され ているようにＥＰ６００ ＰＬＤチップ40および比較装置42を含んでよい。信号 変換用のデジタル論理は全てチップ40中にプログラムされており、一方比較装置 42は、転移速度に達した時にチップ40に通知する。チップ40は、その時点でモー ドを変化させ、また予め定められた数の位置パルス（説明されている実施形態で は３つのパルス）がエンコーダ26から受取られるまで、固定した形態に駆動信号 を維持するようにプログラムされている。 チップ40は、参照符号ＳＰＤで示されている出力ライン上で５０％のデューテ ィサイクルの方形波を発生させる。ＳＰＤ信号は、位置信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に よってクロックされ、したがってロータ22の速度に比例した周波数を有する。示 された実施形態において、ＳＰＤ信号は１ロータ回転当たり６つのパルスを含ん でおり、それ故４，０００ＲＰＭの典型的なロータ速度に対して、ＳＰＤは４０ ０Ｈｚの周波数を有する。この信号は、増幅器42の反転入力端子48に供給される 。キャパシタ52はまた端子48に接続されている。このキャパシタはＳＰＤパルス によって充電され、パルスとパルスの間では放電される。 １対の抵抗44，46は、増幅器42の非反転入力端子50に接続されている。これら の抵抗は増幅器42に基準電圧を供給する。高速度で、キャパシタ52の両端子間の 電圧は増幅器42の端子50の基準電圧に到達する前にリセットされる。低速度では キャパシタ52間のピーク電圧が基準電圧を越える。 増幅器42はチップ40にフィードバックされ、かつ厳密な時間間隔でサンプリン グされる出力信号ＬＯ／ＨＩを生成する。この信号は、転移速度を越える速度に 対してＨＩ状態のままである。転移速度を下回る速度に対して、ＬＯ／ＨＩ信号 は短期間のあいだＬＯになり、チップ40のサンプリング間隔をスパンする。ＬＯ ／ＨＩ信号のサンプリングされた状態は、表Ｉの論理を構成するためにチップ40 によって使用される。 チップ40は、位置信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の位相を検査することによって回転方 向を設定する。順方向回転に対して、位置信号Ｓ１は信号Ｓ２より進んでおり、 一方逆方向の回転に対してはその逆が成立する。その代わりに、モータ方向信号 ＦＷＤ／ＲＥＶがチップ40に供給されてもよい。このような場合、チップ40はモ ータ方向および位相の進みを制御するようにプログラムされてもよい。 抵抗44，46およびキャパシタ52は、予め定められた転移速度でパルス間の期間 中短時間中断するアナログタイミング回路を提供するように選択されることが理 解されるであろう。この機能は、チップ40内または別の装置中のデジタル回路に よって提供されることが可能である。 チップ40は、モータ20の動作状態を設定し、それによって表Ｉの論理を構成す る３フリップ・フロップ状態マシンとして機能する。状態ダイアグラムを処理し てチップ40をプログラムすることに関与する技術は慣例的なものであり、詳細な 説明は不要である。市販されている種々のマイクロプロセッサのいずれか１つに おいて表Ｉを構成することも慣例的なプログラミングの問題である。 図３は、本発明にしたがって動作された典型的な三相ブラシレス直流モータに 対する試験データを示す。矢印101は、低速動作と高速動作との間のモード転移 を示す。図３のグラフには、ベース速度モードに対する部分および高速度モード に対する部分との２つの部分を有する３つの曲線が示されている。 曲線部分102ａ，102ｂは、速度対トルクのプロットである。曲線部分102ｂに より示されているように、モータ速度は、モード変化が発生する点108までトル クの減少と共に直線的に増加する。鎖線103は、モード変化が発生しなかったい 場合のモータ速度変化を示すライン102ｂの延長である。モード変化は、モータ が約３１オンスインチのトルクを発生していた約３８００ｒｐｍの速度で発生し たことが理解される。モード変化に続いて、曲線102ａによって示されているよ うに、トルクの減少と共に速度が急速に増加した。無負荷の条件の下ではモータ は１２，０００ｒｐｍを越える速度に達するが、実質的にモード変化を生ぜずに その速度の半分以下が到達されている。 曲線部分104ａ，104ｂは、高速度モードおよびベース速度モードでのそれぞれ の動作のためのトルクによる直流電流の変化を示している。曲線部分106ａ，106 ｂは、対応したトルク／ａｍｐをそれぞれ示している。低速度の高いトルク動作 中、モータは約２．５オンスインチ／ａｍｐを発生し、一方高速度の動作に対し て、それは約１．６から約１．１に低下するトルク／ａｍｐ比を生じさせる。し たがって本発明は、点弧角が無負荷電圧に関してほぼ６０°進められたときに増 加される速度にトルク発生能力を効率的に変換する。 本発明の実施形態による典型的な動作において、ブラシレス直流モータは、適 切な大きさの駆動電流を供給することによってほぼ最大の負荷トルクの下でスタ ートされることができる。直流電源の電圧は、必要な電流を維持するように調節 される。モータが動き始めて速度を増すにしたがって、トルクは減少されてもよ い。これによって、速度はさらに増加し、転移速度に達するまでこの過程が繰り 返される。その間、モータは上述されたようにベース速度モードで動作する。転 移速度に達したとき、制御装置は自動的にモータを高速度モードに切換える。ト ルクをさらに減少させると、上述された位相の進みのためにモータは速度を増加 し続けることができる。モータは予め定められた最小の期間高速度モードで動作 し、その後トルクが増加するか、或は供給電圧が減少するまで転移速度に減速し 、それからベース速度動作を再開する。 上述された方法および装置は、本発明の好ましい実施形態を構成しているが、 本発明はこの方法または装置の形態に限定されず、また添付された請求の範囲に 限定されている本発明の技術的範囲を逸脱することなく変更が可能なことが理解 されるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クロード、 ハロルド アメリカ合衆国、オハイオ州 45458、セ ンタービル、ディープ・フォーレスト・レ ーン 8904

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）モータの回転位置を示す位置信号を発生する位置エンコーダと、 （ｂ）前記モータが予め定められた転移速度より遅い速度で動作しているとき に前記位置信号と同位相の駆動信号を発生し、また前記モータが予め定められた 転移速度より速い速度で動作しているときには前記位置信号に関して位相を進め られた駆動信号を発生する二重モード制御装置と、 （ｃ）直流電源に接続し、かつ前記モータのステータ巻線に伝送するために前 記駆動信号と時間的に関係した多相交流電流を発生する電力供給手段とを具備し ているブラシレス多相直流モータ用の制御装置。 ２．前記電力変換手段は、前記駆動信号と同期したゲート信号を発生する電子整 流子と、前記ゲート信号と同期している前記多相交流電流に前記直流電力源から の直流電流を変換するインバータとを具備している請求項１記載の制御装置。 ３．前記位置エンコーダはホール効果感知手段を具備している請求項２記載の制 御装置。 ４．（ａ）モータの回転位置を示す位置信号を発生する位置エンコーダと、 （ｂ）前記モータが予め定められた転移速度より遅い速度で動作しているとき に前記位置信号と同位相の駆動信号を発生し、また前記モータが予め定められた 転移速度より速い速度で動作しているときには前記位置信号に関してほぼ６０° 位相を進められた駆動信号を発生し、位相の進みに続く予め定められた期間中前 記駆動信号の位相を凍結する二重モード制御装置と、 （ｃ）直流電源に接続し、かつ前記モータの３個のステータ巻線に伝送するた めに前記駆動信号と時間的に関係した３つの位相分離された交流電流を発生する 電力供給手段とを具備しているブラシレス三相直流モータ用の制御装置。 ５．前記二重モード制御装置は、前記転移速度で１／１２回転を行なうために前 記モータにより必要とされる時間にほぼ等しい期間のあいだ前記駆動信号の前記 位相を凍結する手段を具備している請求項４記載の制御装置。 ６．（ａ）モータの回転位置を示す位置信号を発生する位置エンコーダと、 （ｂ）前記モータが予め定められた転移速度より遅い速度で動作しているとき に前記位置信号と同位相の駆動信号を発生し、また前記モータが予め定められた 転移速度より速い速度で動作しているときであって、かつ前記予め定められた転 移速度を越えた後予め定められた設定期間のあいだ前記位置信号に関して位相を 進められた駆動信号を発生する二重モード制御装置と、 （ｃ）直流電源に接続し、かつ前記モータのステータ巻線に伝送するために前 記駆動信号と時間的に関係した多相交流電流を発生する電力供給手段とを具備し ているブラシレス多相直流モータ用の制御装置。 ７．（１）スタートレベルの直流電圧を供給し、 （２）スタート周波数の一連のゲートパルスを発生し、 （３）前記直流電圧のレベルに対応した最大値を有する多相交流電流を、ゲー トパルスの前記シーケンスの周波数に比例した周波数で発生するために前記ゲー トパルスを使用し、 （４）前記多相交流電流を異なるステータ巻線に供給することによって前記モ ータを回転させ、 （５）位置パルスの複数のシーケンスを発生し、前記位置パルスのシーケンス のそれぞれが前記ステータ巻線の別個の回転位置を示し、 （６）運動に対して抵抗する負荷トルクを前記モータに与え、 （７）前記モータの回転速度を感知し、 （８）前記回転速度が予め定められた転移値より低いあいだは、位置パルスの 前記シーケンスのそれぞれに対応し、かつそれと同位相の駆動パルスのシーケン スを発生し、 （９）前記位置パルスのシーケンスと同期するように前記ゲート信号の周波数 および位相を調節し、 （１０）前記回転速度を増加し、 （１１）前記回転速度が前記転移値に達するまで上記のステップ（３）乃至（ １０）を繰返し、 （１２）前記回転速度が前記転移値に到達した後、前記位置パルスのシーケン スに関して前記駆動パルスのシーケンスの位相を予め定められた量だけ進め、 （１３）その後、前記駆動パルスのシーケンスの位相が前記位置パルスのシー ケンスの位相より前記予め定められた量だけ進んだ状態を維持しながら前記回転 速度を調節し、前記位相が予め定められた期間中、およびその後前記回転速度が 前記転移速度に戻るまでそのように維持されているステップを含んでいるブラシ レス多相直流モータを駆動する方法。 ８．前記モータは三相ブラシレス直流モータであり、前記予め定められた量の位 相の進みはほぼ60°の位相角である請求項６記載の方法。 ９．前記予め定められた期間は、前記モータが前記転移速度で１／１２回転を行 なうために必要とする時間にほぼ等しい請求項７記載の方法。