JPH11509080A - ソフトスイッチング、ｐｗｍコントローラ及び多相ｄｃモータのトルクリップルを減少させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＰＷＭ制御された多相ＤＣモータ装置は、多相ＤＣモータ、電流センサ及びＰＷＭコントローラを有する。ＤＣモータは、整流中整流周波数でターンオン及びオフする複数の巻線を有する。電流センサを、ＤＣモータの巻線の全てに流れる電源電流を検知するために結合する。ＰＷＭコントローラを、可変デューティサイクルの選択されたＰＷＭ周波数のＰＷＭ信号を用いてＤＣモータを制御するために結合する。電流センサからのフィードバックを用いると、ＰＷＭコントローラは、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整することによりＤＣモータのトルクをほぼ一定に維持する。ＰＷＭコントローラは、整流中巻線の線形的な電流反転を発生させるように制御するＰＷＭ信号を発生させるのに用いられる電圧を処理するソフトスイッチング回路を含む。線形的な電流反転は、ＰＷＭ周波数に比べて低い反転速度で発生し、これによって整流中のトルクリップルが減少する。整流中の連続的なＰＷＭデューティサイクル制御及び線形的な電流反転を組み合わせた特徴によって、基本整流周波数及び最初の少数の高調波でトルクリップルを減少させる。多相ＤＣモータのＰＷＭ制御の方法も記載する。

Description

【発明の詳細な説明】 ソフトスイッチング、ＰＷＭコントローラ及び多相 ＤＣモータのトルクリップルを減少させる方法発明の分野 本発明は、多相ＤＣモータ用のコントローラに関するものであり、より詳細に は、多相ＤＣモータ用パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラに関するものである 。発明の背景 従来のブラシレスＤＣ（直流）モータは、多相巻線からなる固定子の内部又は 外部に装着した回転可能なモータを有する。通常の３相ＤＣモータは三つのこの ような巻線を有する。一つ以上の巻線に電流を流すと、固定子内に磁界が発生す る。回転子は、磁界と相互作用して回転を発生させる永久磁石を含む。磁界が存 在するために、永久磁石は、磁界の極を互いに整列させようとする。ＤＣモータ は、巻線間で順次電流を切り替えることによって作動し、その結果、磁界は常に 永久磁石の前に存在する。永久磁石は、常に磁界についていくように試み、した がって、モータを回転させる。 ある巻線から次の巻線までの切替電流のプロセスは、「整流」として既知であ る。整流は、代表的にはある巻線をターンオンするとともに他の巻線をターンオ フする。巻線がターンオン及びオフする周波数は、「整流周波数」として既知で ある。 ＤＣモータは、複数の方法で制御することができる。ある通常のアプローチで は、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラを用いる。ＰＷＭコントローラは、定 振幅であるが可変パルス幅を有する方形波信号を出力する。方形波信号は、代表 的には２０〜５０ｋＨｚの高周波数で出力される。 ＤＣモータに関連する問題の一つは、整流中に発生する「トルクリップル」と して既知の現象である。トルクリップルは、主にモータ巻線に方形波を適用する ことによって生じる。すなわち、方形波信号は、ほぼ垂直な波の立上がり端及び 立下がり端が原因でモータ巻線を急にターンオン又はオフする。この急速な電流 変化によって、モータに振動又はトルクリップルが生じる。トルクリップルの周 波数成分は、整流周波数及びその高調波である。 トルクリップルは、典型的にはうなりのような可聴雑音を生じるので好ましく ない。ＤＣモータを用いる多数の市販の装置は、このような雑音の影響を受ける 。例えば、ビデオレコーダは、高感度マイクロホンに非常に近接した小ＤＣモー タを用いる。ＤＣモータからの雑音を減少させて音声記録のオーディオ整流を回 避するのが好ましい。コンピュータ産業では、ＤＣモータによって駆動される磁 気ディスクドライブによって発生したうなりを減少させるのが望ましい。 トルクリップルを減少させる従来解明されたあるアプローチでは、整流中に制 御された低速で巻線に対する電圧を反転し、したがって、巻線電流をより低速で 反転している。この方法では、整流周波数でトルクリップルを減少させるのでは なく、高調波周波数成分を減少させる。 しかしながら、ＰＷＭ制御されたＤＣモータに対して、モータの電圧は、著し く高速に切り替えられて、ＰＷＭ制御によってもたらされた効率を維持する。こ れは、低速で電圧を反転してトルクリップルを減少させることに反する。 したがって、トルクリップルを減少させながらＰＷＭ制御の利点を維持するＰ ＷＭ制御されたＤＣモータが必要となる。 発明の要約 本発明の一態様によれば、多相ＤＣモータ、電流センサ及びＰＷＭコントロー ラを具える装置を設ける。ＤＣモータは、整流中整流周波数でターンオン及びオ フする複数の巻線を有する。電流センサを、ＤＣモータの全ての巻線に流れる電 流電源を検知するために結合する。ＰＷＭコントローラを、電流センサからのフ ィードバックに基づいてＤＣモータを制御するために結合する。ＰＷＭコントロ ーラは、可変デューティサイクルの選択したＰＷＭ周波数のＰＷＭ信号を発生さ せてＤＣモータを制御する。電流センサからのフィードバックを用いると、ＰＷ Ｍコントローラは、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整することによりＤＣ モータのトルクをほぼ一定に維持する。 他の態様によれば、ＰＷＭコントローラは、整流中巻線の線形的な電流反転を 発生させるように制御用のＰＷＭ信号を発生させるのに用いる電圧を処理するソ フトスイッチング回路を含む。線形的な電流反転は、ＰＷＭ周波数に比べて低い 反転速度で発生し、これによって整流中のトルクリップルが減少する。整流中の 連続的なＰＷＭデューティサイクル制御及び線形的な電流反転を組み合わせた特 徴によって、基本整流周波数及び最初の少数の高調波でトルクリップルを著しく 減少させる。図面の説明 本発明の好適な実施の形態を、本発明を実現する最適モードを実施する例を表 す添付図面を参照して以下詳細に説明する。 図１は、本発明によるソフトスイッチング、ＰＷＭ制御されたＤＣモータのブ ロック図である。 図２は、本発明の一態様によるソフトスイッチング、ＰＷＭ制御したＤＣモー タの好適な実現の機能図を表す図３〜５の関係を表す図面である。 図３は、多相ＤＣモータの機能図である。 図４は、図３のＤＣモータを駆動するのに用いられる巻線選択論理の機能図で ある。 図５は、本発明の一態様によるＰＷＭコントローラの機能図である。 図６は、本発明のソフトスイッチング、ＰＷＭ制御されたＤＣモータを通じて 流れる電流の時間に対する変化を示す。 図７は、本発明によって制御されないＤＣモータを通じて流れる電流の時間に 対する変化を示す。 図８は、図５のＰＷＭコントローラの電圧波形を示す。 図９は、図８の電圧波形及び三角波の組合せに基づくＰＷＭ信号の発生を示す 。 図１０は、本発明のソフトスイッチング、ＰＷＭ制御されたＤＣモータの全エ ネルギーを示す。 図１１は、本発明によって制御されないＤＣモータの全エネルギーを示す。発明の詳細な説明 米国憲法第１章第８条の「科学及び有益な技術の進歩を促進するために」とい う米国特許法の設立目的を促進するために、本発明の開示を提出する。 本発明を、磁気記憶ディスクドライブのスピンドルを駆動するのに使用される ３相ＤＣモータについて説明する。しかしながら、本発明の原理は、多相ＤＣモ ータに利用できる。また、本発明のＰＷＭ制御されたＤＣモータは、ビデオレコ ーダ、携帯オーディオテープ／ＣＤプレーヤ、及びうなり又は雑音の影響を受け る他の携帯装置のような他の使用に好適である。 図１は、本発明によるＰＷＭ制御された多相ＤＣモータ装置２０を示す。装置 ２０は、多相ＤＣモータ２２及びＰＷＭ制御システム２４を含む。多相ＤＣモー タ２２は、整流中整流周波数でターンオン及びオフする多相巻線（例えば、３巻 線）を有する。整流周波数の一例を２．８８ｋＨｚとする。これら巻線は、モー タ内で磁界を継続的に変化させるために互いに相違する時間でターンオン及びオ フして、回転子に絶えず追いつくようにする。 ＰＷＭ制御システム２４は、電流センサ２６及びＰＷＭコントローラ２８を含 む。電流センサ２６を、ＤＣモータ２２の全ての巻線に流れる電源電流を検知す るために結合する。（後に説明する）好適な実施の形態では、電流センサ２６は 、モータコイル電流よりも電源電流を検知する。電源は比較的一定であるので、 電流センサをスピンドル電力を検知するということができる。電力は、トルクに ＤＣモータの速度を乗算したものに等しい。ＤＣモータの慣性の非常に低い周波 数極のために、速度は、整流周波数に対してほぼ一定となる。速度が一定である ので、トルクは、電力が一定の場合には一定になる。したがって、定電力制御に よってほぼ一定のトルクが生じ、これによりトルクリップルが減少する。二つの モータ巻線を流れる電流の和がある巻線から次の巻線までの整流中一定に保持さ れる場合、定電力及び定トルクが達成される。 ＰＷＭコントローラ２８を、電流センサ２６からのフィードバックに基づいて ＤＣモータを制御するために結合する。ＰＷＭコントローラ２８は、ＤＣモータ ２２に入力される選択されたＰＷＭ周波数（例えば、３０ｋＨｚ）でＰＷＭ信号 を発生させる。ＰＷＭコントローラ２８は、電流センサ２６からのフィードバッ クを用いて、ＤＣモータのトルクをほぼ一定に維持する。 本発明のＰＷＭコントローラは、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整する ことによって定トルク制御を達成する。ＤＣモータに対する有効な電圧は、電源 電圧にデューティサイクルを乗じたものに等しい。したがって、デューティサイ クルを調整することによって、ＤＣモータに対する電圧及び電流を有効に制御す る。 ＰＷＭコントローラは、整流中巻線に線形的な電流反転を発生させるように制 御されるＰＷＭ信号を発生させるのに用いる電圧を処理するソフトスイッチング 回路を含む。線形的な電流反転は、ＰＷＭ周波数に比べて低い反転速度で発生し て、整流中のトルクリップルを減少させる。整流中の連続的なＰＷＭデューティ サイクル制御及び線形的な電流反転を組み合わせた特徴によって、基本整流周波 数及び最初の少数の高調波でトルクリップルを著しく減少させる。 ＰＷＭコントローラ２８は、好適には、二つのデューティサイクルコントロー ラ３０及び３２と、巻線選択論理３４とを含む。二つのデューティサイクルコン トローラを用いて、整流中にターンオン又はターンオフする巻線に進行するＰＷ Ｍ信号のデューティサイクルを互いに独立して調整する。デューティサイクルコ ントローラは、整流周期を制御する（図示しない）他の論理からの（「整流タイ ミング」と称する）入力を受信する。 二つのデューティサイクルは、各整流中急変する。例えば、第１整流中、第１ のＰＷＭデューティサイクルコントローラ３０は、「オン」にある巻線に対する ＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整し、第２のＰＷＭデューティサイクルコ ントローラ３２は、「オフ」になる巻線に対するＰＷＭ信号のデューティサイク ルを調整する。次の整流中、これらの役割が反転し、これにより、第２のＰＷＭ デューティサイクルコントローラ３２は、「オン」にある巻線に対するＰＷＭ信 号のデューティサイクルを調整し、第１のＰＷＭデューティサイクルコントロー ラ３０は、「オフ」になる巻線に対するＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整 する。このバイコントローラ構造によれば、ＰＷＭコントローラ２８は、「オン 」になる巻線及び「オフ」になる巻線の電流反転速度を独立して制御することが できる。 図３〜５は、本発明によるＰＷＭ制御された多相ＤＣモータ装置２０の好適な 実現の機能図を示す。図３〜５は図２に関するものである。図３は、３端部の３ 相ＤＣモータ４０又は地面と切替回路との間に接続した巻線４２〜４４を図示す る。各巻線端部を、モータ巻線の逆ＥＭＦを表す記号的な電源で示す。各巻線４ ２〜４４を、（Ｘのボックスで表した）二つのスイッチ間に接続する。これらス イッチを好適にはドライバ遷移として実施する。第１巻線端部４２を、ハイスイ ッチ４６とロースイッチ４７との間に接続する。第２巻線端部４３を、ハイスイ ッチ４８とロースイッチ４９との間に接続する。第３巻線端部４４を、ハイスイ ッチ５０とロースイッチ５１との間に接続する。ハイスイッチを（番号６２を付 した）電源電圧Ｖ_ccに結合し、ロースイッチを接地する。 ハイ／ロースイッチ４６〜５１を、巻線選択論理３４（図１）の一部である各 ＯＲゲートからの出力によって制御する。各ＯＲゲートは、（巻線を表す数字（ １，２，３）及び巻線のロー／ハイ切替を表すアルファベット（Ｌ又はＨ）で示 した）三つの制御信号を受信する。これら制御信号を、図５を参照して後に詳細 に説明するＰＷＭデューティサイクルコントローラからのＰＷＭ信号出力に応答 する図４を参照して後に詳細に説明する巻線選択論理３４によって発生させる。 電流センサ２６を、好適には、スイッチ４７，４９，５１と地面との間に結合 したセンス抵抗６０の形態とする。このセンス抵抗は、ロースイッチがオンであ るかオフであるかに従って一つ以上の巻線端部を流れる電流を断続的に検知する 。例えば、スイッチ４７が「オン」のとき、電流は、第１巻線４２、スイッチ４ ７及びセンス抵抗６０の両端間に電流が流れる。これによって、ＤＣモータの全 ての巻線に流れる電源電流に比例する、したがって、ＤＣモータの全ての巻線に 流れる電源電流を表す電圧Ｖ_csを発生させる。センス抵抗６０の値の一例を０． ２Ωとする。電流センサ２６（すなわち、センス抵抗６０）から出力された電圧 Ｖ_csは、図示した図５を参照して説明する制御回路に供給される。トルクリップ ル減少の目的を達成するために、電流を、二つの巻線を流れる電流の和がある巻 線から他の巻線への整流中に一定に保持されるように制御する必要がある。 ロースイッチが一時的にオフ又は遷移状態にあるとき、電流は、モータ巻線の インダクタンスの消失領域のためにモータ巻線から（番号６２を付した）電源Ｖ_cc まで電流が流れたままである。電流は、ハイスイッチ４６，４８及び５０の迂 回経路のダイオードの順方向に流れる。 図４は、図１からの巻線選択論理３４の好適な実現を示す。巻線選択論理３４ は、第１のＰＷＭデューティサイクルコントローラ３０に結合した第１のＡＮＤ ゲートセットと、第２のＰＷＭデューティサイクルコントローラ３２に結合した 第２のＡＮＤゲート６６セットとを含む。ＡＮＤゲートセット６４及び６６は、 ＰＷＭデューティサイクルコントローラによって発生したＰＷＭ信号ＰＷＭ₁及 びＰＷＭ₂に応答し、これを図５を参照して詳細に説明する。ＡＮＤゲートセッ トは、ＯＮ信号６８からの入力を受信する。 論理構成により、電流は、第１及び第２の隣接する巻線間で整流され、対応す る第３巻線は整流中常にオンとなる。これを、例えば、三つの巻線４２〜４４を 流れる電流Ｉ₄₂〜Ｉ₄₄を表す図６に示す。各巻線に関連する電流を、巻線それ自 体を識別するのに用いたのと同一番号を用いて参照する。整流を、電流がある巻 線でターンオンされるとともに別の巻線でターンオフされる（一般に番号６９を 付した）“Ｘ”現象とする。例えば、第１巻線４２を「オフ」にし、第２巻線４ ３を「オン」にし、第３巻線４３をオンにする整流６９に注意すべきである。整 流巻線に対向する巻線の「オン」状態の維持は、図４のＯＮ信号によって制御さ れる。ＡＮＤゲートセット６４及び６６の出力並びにＯＮ信号６８を結合して、 制御信号Ｓ_1H，Ｓ_1L，Ｓ_2H，Ｓ_2L，Ｓ_3H，Ｓ_3Lを発生させ、これら制御信号を、 ハイ／ロースイッチ４６〜５１を駆動するのに用いる。 図５は、ＰＷＭコントローラ２８の好適な実現を示す。それは、電流センサ２ ６から受信した電圧Ｖ_cs及び基準電圧Ｖ_refとの比較に基づいてエラー電圧Ｖ_Eを 取り出す積分増幅器７０を含む。既に説明したように、ＰＷＭコントローラ２８ は、第１及び第２のデューティサイクルコントローラ３０及び３２も含む。これ らデューティサイクルコントラローラを、互いに独立して各スイッチ７２及び７ ３を通じて積分増幅器７０に接続し及び積分増幅器７０から切り離すことができ る。これらスイッチを、整流タイミングに従って制御して、任意の所定の整流周 期中、一方のデューティサイクルコントローラを積分増幅器に接続するとともに 、他方の増幅器を切り離す。デューティサイクルコントローラを、各整流に応じ て周期的に積分増幅器に交互に接続する。 図８は、デューティサイクルコントローラ３０及び３２の交互の動作を示す。 これらコントローラは、コンパレータ７６及び７７をそれぞれ含み、図８は、コ ンパレータ７６及び７７の電圧信号入力を示す。電圧波形に、それらを発生させ る各デューティサイクルコントローラ３０及び３２に対応してＶ₃₀又はＶ₃₂を付 す。時間１００において、、第１のデューティサイクルコントローラ３０を、積 分増幅器に接続するとともに、第２のデューティサイクルコントローラ３２を、 積分増幅器から切り離す。その後、時間１０２において、第２のデューティサイ クルコントローラ３２を再接続し、第１のデューティサイクルコントローラを切 り離す。 第１及び第２のデューティサイクルコントローラ３０が実質的に同一であるの で、第１のデューティサイクルコントローラ３０の機能及び動作のみを詳細に説 明する。コントローラ３０の素子に偶数を付し、コントローラ３２の同一素子に 、それに続く奇数を付すものとする。 エラー電圧Ｖ_Eを、デューティサイクルコントローラ３０によって発生したＰ ＷＭ信号ＰＷＭ₁を発生させ及び調整するのに用いる。エラー電圧Ｖ_Eをコンパレ ータ７６に入力し、その後、（後に説明する）波形成形ＲＣ回路によって処理す る。コンパレータ７６は、アナログエラー電圧Ｖ_Eを、電源７８から出力された 三角波と比較する。方形波ＰＷＭ信号を、処理されたエラー電圧信号及び三角波 信号の交差でトリガすることによって発生させる。電源７８は、のこぎり波のよ うな三角波以外の波形を発生させることもできる。 図９は、第１デューティサイクルコントローラ３０に対する三角波１２０と処 理されたエラー電圧信号を結合することによる方形波ＰＷＭ信号ＰＷＭ₁の形成 をＶ₃₀として示す。三角波は、３０ｋＨｚの所望のＰＷＭ出力周波数を確立し、 ＰＷＭ信号のデューティサイクルは、三角波に沿った処理エラー信号Ｖ_Eの交差 点の変更に従って制御される。 デューティサイクルコントローラは、トルクリップルを減少させるのを助ける 整流中にソフトスイッチングを行う。ソフトスイッチングを行うために、各デュ ーティサイクルコントローラは、整流中にエラー電圧Ｖ_Eを処理してターンオン 及びオフされる巻線の電流反転する波形成形ネットワークを含む。電流反転は、 ＰＷＭ手段は数に比べて低い反転速度で発生する。この電流反転によってトルク リップルが減少する。 任意の所定の整流中、一方のデューティサイクルコントローラは、「オン」と なる（、すなわち、ターンオンされる）巻線に対して電流反転し、他方のデュー ティサイクルコントローラは、「オフ」となる（、すなわち、ターンオフされる ）巻線に対して電流反転する。デューティサイクルが可変でない方法で線形的に ターンオン及びオフされる場合、モータ巻線の電流は、巻線の電圧及び電流間の 指数関係により線形的でない。本発明の態様によれば、デューティサイクルを、 整流中のモータ巻線に線形的な電流を引き起こすように処理する。 電流反転速度をできるだけ小さくするのが理想的であるが、整流周期未満で電 流をオンからオフ又はオフからオンに反転するのに十分速くする必要がある。例 えば、ホールレスタイプのスピンドルモータであるＤＣモータ４０に対して、他 の反転速度を用いることができるにもかかわらず、反転速度の一例は半整流周期 である。この反転速度は、ホールレスモータの軸位置情報を取り出すのに用いら れるオフ巻線の零交差を検出する際に半整流周期の状態にする。 図６は、ＰＷＭコントローラの電流反転態様を示す。整流６９ｂを考察する。 「オン」となる巻線４３の電流は徐々に上方に傾斜し、「オフ」となる巻線４２ の電流は徐々に下方に傾斜する。このように「よりソフトな（緩和された）」反 転電流により、整流中に瞬時に遷移しにくくすることができ、その後、トルクリ ップルを緩和する。図６の傾斜した電流遷移を、本発明のソフトスイッチング制 御なしで動作する３相モータで測定された図７に図示した鋭く急な電流遷移と比 較する。（９０を付した）整流中、電流は、零と最大値付近との間で上昇又は下 降し、不所望なトルクリップルが生じる。 整流中に電流反転する波形成形ネットワークを、好適には、「オン」となる巻 線に対するＲＣ回路並びに「オフ」となる巻線に対する電流源及び放電キャパシ タの組合せとして実施する。デューティサイクルコントローラ３０のＲＣ回路は 、積分増幅器７０に直接結合した抵抗Ｒと、キャパシタＣ₁とを具える。同一抵 抗Ｒは、両コントローラ３０及び３２のＲＣ回路の一部を形成する。キャパシタ Ｃ₁は、電流源８０から放電される放電キャパシタとしても機能する。 ＰＷＭデューティサイクルコントローラ３０をある整流中に積分増幅器７０に 接続した（、すなわち、スイッチ７２をターンオンするとともにスイッチ７３を ターンオフする）と仮定する。これは、デューティサイクルコントローラ３０を 用いて整流６９ｂ（図６）の巻線４３に対するようなオンとなる巻線の電流を制 御する場合である。抵抗Ｒは、キャパシタＣ₁をＲＣ時定数に応じて指数的に充 電する。これは、「オン」となる巻線４３の電流を線形的に増大させるのに要求 される電圧波形に近くなる。図８は、９２でＲＣ制御した波形を示す。一度、時 定数が点９４に到達すると、ＲＣ回路はもはや制御ループに何ら重大な影響を及 ぼさない。この点では、積分増幅器は、単にＰＷＭ信号のデューティサイクルの 微調整を行うだけである。 ここで、第１のＰＷＭデューティサイクルコントローラ３０が次の整流中に積 分増幅器７０から切り離された（すなわち、スイッチ７２がターンオフされると ともにスイッチ７３がターンオンされる）と仮定する。これは、デューティサイ クルコントローラ３０を用いて整流６９ｄ（図６）の「オフ」となる巻線４３に 対するような「オフ」となる巻線の制御電流を制御する場合の例である。切り離 しの際に、キャパシタＣ₁は放電を開始する。電流源８０を、定線形速度で放電 キャパシタＣ₁に対するこの接合点でスイッチ８２を通じて選択的に接続する。 図８は、９６の線形放電電圧波形を示す。放電は、モータへの有効な電圧（すな わち、電源電圧にＰＷＭ信号のデューティサイクルを乗じたもの）がモータの逆 ＥＭＦに等しくなる点９８（図８）まで続く。点９８で、信号Ｌ１＿ＩＮＴがス イッチ８４をターンオンして、コンパレータ７６に対して入力された電圧を約１ Ｖまで急に降下させる。これを、図８の９９で示す。 波形成形ネットワークの素子の値の例は、３０，０００Ωの抵抗、７５０ｐＦ のキャパシタ、及び２．４μＡの電流源を含む。 電流源を好適には定電流源とする。しかしながら、出力電流がモータ巻線の電 流に比例する場合には可変電流源も用いることができる。この出力電流は好適で ある。その理由は、キャパシタが充電される際の整流中の反転電圧の変化は、モ ータ巻線の電流に正比例するからである。可変電流源を用いると、モータ巻線の 電流レベルがハイのとき、ハイ電流が一層急速に放電キャパシタＣ₁に出力され る。それに対して、電流レベルがローのとき、ロー電流が一層低速に放電キャパ シタＣ₁に出力される。 表１は、スピンドルを１回転させる制御シーケンスを示す。以下の制御は、３ 相ＤＣモータの電気回転サイクルごとの２４クロックに基づく。各クロックサイ クルに対して、この表は、デューティサイクルコントローラ３０又は３２のいず れを積分増幅器に接続するか、スイッチ８２〜８５を制御するＬ１＿ＩＮＴ及び Ｌ２＿ＩＮＴの状態、及び（ＯＲゲート５４〜５９に対して図３に示したのと同 一表記を用いて１Ｌ〜３Ｈと称した）ＯＮ信号６８の種々の状態を表す。 整流中にコントローラから発生した指数的及び線形的波形は、低い方のデュー ティサイクル電圧を通じて急速かつ良好に通過する。ＰＷＭ制御されたＤＣモー タにおいて、電流は、有効な電圧（すなわち、電源電圧×ＰＷＭデューティサイ クル）が端部間電圧の逆起電力より上になるまで重要でない。この理由は、有効 な電圧が端部間電圧の逆起電力より大きくない場合、個々のモータ巻線に電流が 連続的に流れないからである。本実施の形態で用いられるような１２Ｖの電源電 圧に対して、有効な電圧は６．５〜７．５Ｖとなり、これは、５８％以上のデュ ーティサイクルが必要であることを意味する。５８％より上のデューティサイク ルで電流が連続的に発生し、５８％より下のデューティサイクルで不連続な電流 パルスが発生する。 図１０は、本発明によって制御されるＤＣモータの全エネルギーを示す。この グラフを、ソフトスイッチングトルク制御のないＤＣモータの全エネルギーを示 す図１１と比較する。全エネルギーを、逆起電力電圧に各巻線の電流を乗算する ことによって算出し、全ての巻線を互いに加算する。大きな電力スパイクが図１ １の１１０に生じる。これら電力スパイクは、整流中に発生し、不所望な、場合 によっては可聴のトルクリップルが生じる。それに対して、図１０のエネルギー プロットにこのようなスパイクは存在しない。本発明のソフトスイッチング、Ｐ ＷＭデューティサイクル制御されたＤＣモータは、整流周波数及び高調波でトル クリップルを著しく減少させる。 本発明の他の態様によれば、多相ＤＣモータのＰＷＭ制御の方法を、既に説明 した技術に基づいて行う。この方法は、（１）ＤＣモータの全ての巻線に流れる 電源電流を検知し、（２）検知した電流に基づいて、所望の調整を表すエラー電 圧Ｖ_Eを発生させて、ＤＣモータのトルクをほぼ一定に維持し、エラー電圧を用 いて、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを発生させ及び調整し、（３）検知した 電流に基づいてＰＷＭ信号のデューティサイクルを変動させて、ＤＣモータのト ルクをほぼ一定に維持する。この方法は、更に、ＰＷＭ周波数に比べて低い反転 速度で巻線の電流を反転させるように整流中エラー電圧を処理する。 法令に従って、本発明を、構成的及び方法的な態様に対して幾分特別な用語で 説明した。しかしながら、本発明は、ここで開示した意味は本発明を有効にする 好適な形態を具えるので、図示し及び説明した特定の態様に制限されるものでは ないことを理解すべきである。したがって、本発明を、均等論の原理に従って適 切に解釈された添付した請求の範囲の適正な範囲内でその形態又は変更のうちの 任意のものを請求する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バスケル ヘンリクス セー イェー オランダ国 5731 イェーテー ミーロ レンジナッケル 72 【要約の続き】 多相ＤＣモータのＰＷＭ制御の方法も記載する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．整流中整流周波数でターンオン及びオフする複数の巻線を有し、これら巻線 は互いに相違するときにターンオン及びオフする多相ＤＣモータと、 ＤＣモータの全ての巻線に流れる電源電流を検知するために結合した電流セ ンサと、 前記電流センサからのフィードバックに基づいて前記ＤＣモータを制御する ために結合され、前記ＤＣモータを制御するために可変デューティサイクルの選 択したＰＷＭ周波数でＰＷＭ信号を発生させ、前記ＰＷＭ信号のデューティサイ クルを調整することによって前記ＤＣモータのトルクをほぼ一定にするために前 記電流センサからのフィードバックを用いるＰＷＭコントローラとを具えること を特徴とする装置。 ２．前記ＰＷＭコントローラは、整流中巻線の線形的な電流反転を発生させるよ うに制御するＰＷＭ信号を発生させるために用いた電圧を調整するソフトスイッ チング回路を有し、前記線形的な電流反転が、前記ＰＷＭ周波数より低い反転速 度で発生するようにしたことを特徴とする請求の範囲１記載の装置。 ３．前記ＰＷＭコントローラは、第１及び第２のデューティサイクルコントロー ラを具え、 前記第１のデューティサイクルコントローラを、整流中にターンオンされる 巻線に対するＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整するために使用し、 前記第２のデューティサイクルコントローラを、同一調整中にターンオフさ れる巻線に対するＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整するために使用し、 前記第１及び第２のデューティサイクルコントローラは、次の整流中にそれ らの機能を逆にし、これにより、前記第１のデューティサイクルコントローラを 、ターンオフされる巻線に対するＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整するた めに使用し、前記第２のデューティサイクルコントローラを、ターンオンされる 巻線に対するＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整するために使用するように したことを特徴とする請求の範囲１記載の装置。 ４．ある巻線をターンオンするとともに整流中それに電流が流れるようにし、 前記ＰＷＭコントローラは、ターンオンされた巻線の線形的な電流反転を発 生させるＲＣ時定数に従って制御するＰＷＭ信号を発生させるのに用いられる電 圧を処理するＲＣ回路を有し、前記線形電流反転が、前記ＰＷＭ周波数より低い 反転速度で発生するようにしたことを特徴とする請求の範囲１記載の装置。 ５．ある巻線をターンオンするとともに整流中それに電流が流れるようにし、 前記ＰＷＭコントローラはキャパシタ及び電流源を有し、この電流源は、前 記キャパシタを線形的な速度で放電して、前記ＰＷＭ周波数より低い反転速度で ターンオフされる巻線の電流を反転するようにしたことを特徴とする請求の範囲 １記載の装置。 ６．前記電流源は、前記巻線の全てに流れる電源電流を断続的に検知するように 結合したセンス抵抗を具えることを特徴とする請求の範囲１記載の装置。 ７．選択したＰＷＭ周波数のＰＷＭ信号を用いて多相ＤＣモータを制御するＰＷ Ｍ制御システムであって、このＤＣモータは、整流中整流周波数でターンオン及 びオフする多相巻線を有し、前記巻線は、互いに相違するときにターンオン及び オフし、前記ＰＷＭ制御システムは、 前記ＤＣモータの全ての巻線に流れる電源電流を検知するために結合し、検 知した電流に比例する電圧を出力する電流センサと、 所望の基準電圧と前記電流センサからの電圧との比較に基づいてエラー電圧 を発生させる積分増幅器と、 交互にかつ周期的に互いに独立して前記積分増幅器に接続するとともに前記 積分増幅器から切り離され、前記ＤＣモータのトルクをほぼ一定に維持するため に前記エラー電圧に基づいてＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整し、前記Ｐ ＷＭ周波数に比べて低い反転速度でターンオン又はオフされる巻線の電流反転を 発生させる整流中前記エラー電圧を処理してトルクリップルを減少させる波形成 形ネットワークをそれぞれ有する第１及び第２のデューティサイクルコントロー ラとを具えることを特徴とするＰＷＭ制御システム。 ８．前記波形成形ネットワークは、ＲＣ時定数を有するＲＣ回路を具え、 各デューティサイクルコントローラを前記積分増幅器に接続するとき、前記 ＲＣ回路は、前記ＲＣ時定数に従って前記エラー電圧を処理するようにしたこと を特徴とする請求の範囲７記載のＰＷＭ制御システム。 ９．前記波形成形ネットワークはキャパシタ及び電流源を具え、 各デューティサイクルコントローラを前記積分増幅器から切り離すと、前記 電流源は、線形的な速度で前記キャパシタを放電して、前記エラー電圧を処理す るようにしたことを特徴とする請求の範囲７記載のＰＷＭ制御システム。 １０．前記電流センサは、前記巻線の全てに流れる電源電流を断続的に検知する ように結合したセンス抵抗を具えることを特徴とする請求の範囲７記載のＰＷＭ 制御システム。 １１．選択したＰＷＭ周波数のＰＷＭ信号を用いて多相ＤＣモータをＰＷＭ制御 する方法であって、このＤＣモータは、整流中整流周波数でターンオン及びオフ する多相巻線を有し、前記巻線は、互いに相違するときにターンオン及びオフし 、 前記ＤＣモータの全ての巻線に流れる電源電圧を検知するステップと、 検知した電流に基づいて前記ＰＷＭ信号のデューティサイクルを変動させて 、前記ＤＣモータのトルクをほぼ一定に維持するステップとを具えることを特徴 とするＤＣモータのＰＷＭ制御方法。 １２．前記検知した電流に基づいて前記ＰＷＭ信号のデューティサイクルを変動 させて、前記ＤＣモータのトルクをほぼ一定に維持するステップは、 前記検知した電流に基づいて所望の調整を表すエラー電圧を発生させて、前 記ＤＣモータのトルクをほぼ一定に維持し、前記エラー電圧を用いて、前記ＰＷ Ｍ信号のデューティサイクルを発生させ及び調整するステップと、 前記ＰＷＭ周波数に比べて低い反転速度で前記巻線の電流反転を発生させる ように整流中前記エラー電圧を処理するステップとを具えることを特徴とする請 求の範囲１１記載のＤＣモータのＰＷＭ制御方法。 １３．前記エラー電圧を処理するステップは、ＲＣ回路を通じてで前記エラー電 圧を通過させするステップを具えることを特徴とする請求の範囲１２記載のＤＣ モータのＰＷＭ制御方法。 １４．前記エラー電圧を処理するステップは、キャパシタに蓄積された電圧を電 流源を用いて放電するステップを具えることを特徴とする請求の範囲１２記載の ＤＣモータのＰＷＭ制御方法。