JPS60194782A - ブラシレスモ−タの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野」 この発明は、特に起動動作制御を効果的に実行させるよ
うに改良した、固定子巻線の誘起電圧の信号によって励
磁相の切換えを行なうブラシレスモータの制御装置に関
する。

［発明の背景技術］ ブラシレスモータは、ブラシ、フンミテータ等が存在し
ないものであるため、その構造が簡単なものとなるもの
であり、また動作時に火花が発生することもなく、安全
性に富むものである。このため、直流機と比べてその用
途は充分に広範囲となるものと予想される。

このブラシレスモータでは、固定子巻線の誘起電圧によ
って励磁相の切換えを行なう。したがって、その起動時
にあっては上記誘起電圧が発生していないものであるた
め、外部より強制的に回転磁界を与え、回転子が所定の
回転数に達した状態となった後に誘起電圧を検出して、
励磁相の切換えを実行させるようにしている。しかし、
このような起動手段では５回転数が上昇するまでに時間
を要する状態となるものであり、したがって起動応答性
の悪い状態となる。

第１図は、従来のブラシレスモータの回転制御手段を説
明するための概略的な構成を示すもので、モータ１１の
回転軸１２に対して永久磁石からなる回転子１３が設け
られ、この回転子１３に対して電機子コイル１４が巻装
設定されている。そして、上記回転軸１２に対しては、
回転子１３と同軸的に回転するように位置検出用の回転
板１５を設け、この回転板１５に対向する位置に、検出
素子１６を固定設定するものである。この場合、上記検
出素子１６としては、ホール素子、磁気抵抗素子等が使
用されるもので、これに対向する状態となる位置検出用
の回転板１５は、特定回転角位置に磁極を設定した永久
磁石によって構成され、電機子コイル１４の特定回転角
位置を検出できるように構成している。また、検出素子
１６を光源および受光素子で構成し、回転板１５を特定
回転角位置で光を透過させるスリット板、あるいは反射
器等で構成することも行われる。

すなわち、回転子１３の位置を回転板１５および検出素
子１６による位置検出機構１７によって、回転子１３と
固定子との相対位置関係を検出し、この検出された位置
関係に対応して所定の電機子コイルに対して励磁電流を
供給して、このモータ１１を駆動制御しているものであ
る。

第２図は上記のように構成される位置検出ｍ構１７を備
えたブラシレスモータ１１の駆動１即回路を示している
もので、この位置検出機構１７で検出された回転子１３
の位置検出信号によって、３相インバータ１８のスイッ
チング素子を開閉制御して、モータ１１の３相の電機子
コイルに対して励磁電流を分配供給するものである。

したがって、このような従来のブラシレスモータの制御
手段にあっては、回転子１３の回転角位置を検出するホ
ール素子等を使用した位置検出機構１１が必要となるも
のであり、電動装置の構成が複雑となる。また、その位
置検出機？ｉ１７を構成するために、ホール素子、磁気
抵抗素子等の検出素子が用いられるものであり、このよ
うな検出素子の耐環境性から、利用範囲が必然的に限定
される状態となっているものである。

［発明の目的コ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、ホー
ル素子、磁気抵抗素子等の位置検出素子を使用すること
なく、充分簡単な構成として回転角位置を検出する状態
とすると共に、特にその起動時において円滑でかつ速や
かな起動制御が行なえるようにするブラシレスモータの
制御１′ａ置を提供しようとするものである。

［発明の概要コ すなわち、この発明に係るブラシレス七−夕の制御Ｉｌ
装置は、複数相に設定される電機子コイルに対して並列
状態で接続設定される抵抗回路を設け、この抵抗回路の
中性接続点と上記電機子コイルの中性接続点との間の電
位差変動を検出し、この電位差変動に対応して上記電機
子コイルに対する励ｌ電流を切換え制御するものであり
、また起動時において特定される時間範囲で、電機子コ
イルの特定される相に対して電流制限される励磁電流を
供給設定するようにしたものであ８゜ ブラシレスモータにおいて回転子の位置検出を行なう手
段として、ホール素子、磁気抵抗素子等の位置検出機構
を用いることなく、電機子の銹起電圧を利用して回転子
位置の検出を行なって、電機子コイルに対しての励磁電
流制卸を行なうことが考えられている。この発明はこの
ような電機子コイル電流制卸手段を用いた制御手段をさ
らに改良して、起動制御がより円滑に実行されるように
しているものである。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第３図はその構成を示すもので、ここで対象として示さ
れるブラシレスモータ１１は、永久磁石からなる回転子
１３に対してＵ相、■相、Ｗ相の電機子コイル１４を巻
装設定した３相モータである。

すなわち、直流電＋！１１９は、３相のインバータ回路
２０を介してＹ結線された電機子コイル１４の各相に対
して接続設定される。このようなモータ１１に対して上
記インバータ回路２０を含む制皿部２１にあっては、上
記３相の電機子コイル１４の各相にそれぞれ対応するよ
うに設定される抵抗２２ａ〜２２ｃをＹ結線した抵抗回
路２２を備えるもので、この抵抗回路２２は上記電機子
コイル１４と並列状態となるように三相インバータ回路
２０に接続設定されている。

この抵抗回路２２は、回転子の位置検出機構として用い
られるもので、次にその位置検出動作について説明する
。

ここで、インバータ回路２０からの各相端子電圧をＶｕ
　１Ｖｖ　、Ｖｗ　、電機子コイル１４の各相誘起電圧
をＥＵ　、　ＥＶ　、　ＥＶ　、電機子コイル１４の中
性接続点電位をＶｎ、抵抗回路２２の中性接続点電位を
Ｖｍ、上記雨中性接続点相互間の電位差をＶｍｎとする
とその各電位は、 Ｖｍ　＝　１／３　（Ｖｕ　＋Ｖｖ　十Ｖｗ　）Ｖｎ　
＝１／３　（（Ｖｕ　−Ｅｕ　）　＋（Ｖｖ　−Ｅｖ　
）　＋　（Ｖｓｖ　−Ｅｗ　）　）となる。また、中性
接続点相互間の電位差は、Ｖｍｎ＝１／３　（Ｅｕ　＋
ＥＶ　＋ＥＷ　）となり、これは電機子コイル１４各相
の誘起電圧の総和となる。

ここで、電機子コイル１４の各相の誘起電圧Ｅｕ１Ｅｖ
　、Ｅｗが、それぞれ第４図に（Ａ）〜（Ｃ）で示すよ
うに１２０°台形波とすると、電位差■ｌ１ｌｎは第４
図の（Ｄ）に示すように誘起電圧の３倍の周波数の三角
波の状態となる。このような電圧波形の状態で、電機子
コイル１４に通電する区間は、各誘起電圧の平坦状態と
なる部分（第４図で斜線で示す部分）となるものであり
、励磁相の切換え点は、電位差■ｌｌ１ｎのピーク点と
一致する状態となる。しかし、上記Ｖｌｌｌ１１のピー
ク点を検出することは、モータの回転数によって電位差
ＶＩｌ１１１の振幅が変動する状態となるものであり、
ピーク点を正確に検出することが困難となることがある
。また、ノイズ信号が存在するような場合には、Ｖｍｎ
のピーク点を正確に捕えることが難しい。

このため、この電位差■ｍｎは積分回路２３において積
分して第４図の（Ｅ）に示すような波形とし、その零ク
ロス点を検出するようにする。このようにすれば、モー
タの回転数に対して振幅の変化しない波形となり、低速
回転時においてもその検出が容易な状態となり、しかも
ノイズに対して強い状態となる。

すなわち、この積分回路２３で積分した信号を分周回路
２４に供給し、この分周信号によってインバータ回路２
０のスイッチング素子を制御して、電機子コイル１４の
各相に対する励磁電流を制御するものである。

しかし、このような誘起電圧による駆動制御手段にあっ
ては、その起動時に電機子コイル１４に対して電流が流
れていないものであるため、誘起電圧は存在せず、誘起
電圧を用いた起動制御は実行できない。

このような場合の起動手段として、外部より強制的に回
転磁界を与え、回転子が所定の回転数に達した後に、誘
起電圧を検出して駆動することが考えられる。しかし、
このような手段では、外部から回転磁界を与える場合に
、回転子と固定子との相対位置関係によって、起動当初
逆回転トルクが発生し、回転子が逆方向に回転を開始し
た後、この１回転子が正方向に回転方向を変えるといっ
た現象が生ずる。そして、この回転方向の逆転の際に振
動が発生して正常に起動制御ができない。

このような起動当初における回転子の逆転を防ぐために
、特定の相に対して所定時間励１１電流を供給し、この
特定相に対して回転磁界を与えるようにし、起動待回転
子を定位置に固定する。そして、その後回転子を回転さ
せることによってこの回転子の逆転動作を防止し、安定
した起動を実現することが考えられる。しかし、外部か
ら回転磁界を与える手段では、たとえ上記のようにして
初期位置が決まっている場合であっても、回転磁界の周
波数を急激に上昇させようとすると、回転子の回転がこ
の回転磁界に対して追従できなくなる。

このため、回転磁界の周波数は、徐々に上げるように制
御する必要があり、このブラシレスモータの起動待応答
性が、直流機に比較して、非常に悪い状態となるもので
ある。また、起動時に回転子の位置決めを行なうように
すれば、起動応答性はさらに悪くなるものである。

このような起動時の応答性の悪い点を改善するために、
起動時から特定される時間範囲を計測設定するタイマー
回路２５を設け、このタイマー回路２５によってインバ
ータ回路２０に指令を与える分周回路２４を制御するよ
うに構成する。また、電流センサ２６からの検出信号に
よって、電流検出回路２７で励磁電流値を検出し、突入
電流等に対応してインバータ回路２０を制御するように
すると共に、上記タイマー回路２５で設定される時間範
囲でインバータ回路２０に対して指令を与え、励磁電流
値に制限を加えるようにする。

ここで３相ブラシレスモータの電機子コイルの励磁パタ
ーンは、第５図に示すように６種類のパターン状態とな
る。この図において、ｒＵ−ＶＪはＵ相から■相に電流
を流し励磁することを示しており、またコイル部の矢印
はその電流の方向を示している。このような励磁パター
ンで、第５図に（Ａ）〜（Ｆ）で示す順序で励磁電流の
切換えを行なうと、一定方向の回転磁界が発生するもの
である。また、この順序を逆にすれば、上記場合と反対
方向の回転磁界が発生するようになる。

このような回転磁界を発生する状態において、前記電位
差ｖｍｎの積分波形の零クロス点を検出すると、この励
磁パターンは１ステップ進むものである。すなわち、（
Ａ）図の励磁パターンであったものが、零クロス点の検
出に対応して（Ｂ）図のような励磁パターンに１ステッ
プ移行覆るものである。

第６図は回転子の挙動を視覚的に把握するために示した
もので、回転子１３は２極の永久磁石で構成され、これ
に対してＵ１■、Ｗの各相の電機子コイル１４ａ〜１４
ｃが設定される。ここで、このモータにおいて、第５図
（Ａ）に示した励磁パターンを設定した場合には、第７
図（Ａ）に示すような状態で電機子コイル１４ａおよび
１４ｂにＮ極およびＳ極が設定されるものと仮定する。

起動時において、特定の例えば第５図（Ａ）に示した励
磁パターンを、回転子１３の振動が減衰し第７図（Ａ）
の状態の安定位置に達するまで所定時間励磁し、位置決
めを行なう。その後、外部より強制的に２ステツプ先の
第５図（Ｃ）で示す励磁パターンを第７図（Ｂ）に示す
ように与えると、回転子１３は右回転し、第７図（Ｃ）
に示すようにこの励磁パターンの安定位置に移動する。

このような移動に際して、上記中性点間電位の積分波形
が零クロス点の励磁パターンの切換え信号を検出して、
この励磁パターンを第５図（Ｄ）に示ずステップに進め
るもので、この励磁パターン切換え直後の状態では第７
図の（Ｄ）に示すような状態となる。以後、同様に６０
度毎に零クロス点を検出して、この検出毎に順次励磁パ
ターンを切換えるようにする。

このような手段は、位置決めを行なうのみで起動可能と
されるもので、外部から回転磁界を与える場合に比較し
て、その応答性は向上する。

第８図は、このような起動手段を励磁相に着目して模式
的に示したものである。この図において斜線で示した部
分は電機子コイルに電流が流れているものであり、その
正の部分は端子から中性点の方向に電流が流れて、電機
子コイルを巻装した歯部分がＮ極に励磁される状態に対
応し、負の部分は上記場合と反対の方向、すなわち中性
点から端子部に対して電流が流れて、電機子コイルを巻
装した歯部分がＳ極に励磁される状態に対応するもので
ある。

しかし、位置決めを行なう以前にあっては、回転子は第
９図の（Ａ）〜（Ｆ）に示した６通りの位置のいずれか
１つの状態に必ず静止設定される。

第７図（Ａ）に示した状態とする励磁パターンによる安
定点を原点とすると、回転子は±３０度、±９０度、±
１５０度の位置にある。

第１０図は従来の位置決めによる回転子の挙動状態を示
したもので、横軸に時間、縦軸に角度をとって示した実
験結果であり、回転子は振動した後に安定点に対して収
束する状態となっている。

この図では、安定点に対して左右対象であるため、その
片側についてのみ示している。

前記第３図に示した実施例装置にあっては、この位置決
め期間のみ、各相の？ｌｌ１ｌ子コイルに対する電流を
制限する状態とするもので、起動操作に対応して起動さ
せられるタイマー回路２５を設け、このタイマー回路２
５で設定される時間範囲で分周回路２４を動作設定する
と共に、電流制限回路２１を制御設定する。この電流制
限回路２１は、インバー夕回路２０を負荷電流に対応し
て制御するものであるが、上記タイマー回路２５で設定
される時間範囲で電機子コイルに流れる電流を制限する
ようにインバータ回路２０を制御するものである。すな
わち、電機子コイルに対する電流を制限することによっ
て、回転子１３の振動を抑制するものであり、この撮動
の抑制によって位置決めに要する時間を短縮し、応答性
の向上を計るものである。第１１図は、このように起動
制御した場合の回転子の挙動状態を、上記第１０図と対
応させて示したもので、回転子の振動の減衰状態は、第
１０図で示した従来の場合に比較して充分に早くなって
いるものである。

一般に、このようなモータの起動時の突入電流、ロック
時の過電流は、定格電流の数倍となるものである。した
がって、インバータ回路２０のスイッチング素子を選定
するものであるが、このような点を考慮してスイッチン
グ素子を選定すると、このスイッチング素子の大容量化
となる。このため、実際には定格電流に見合ったスイッ
チング素子を選定し、電流制限を行なって上記スイッチ
ング素子の保護を行なうようにしている。このため、上
記のように起動時の位置決め期間のみ電流制限のレベル
を特別に下げることは、上記起動時等の保護回路の電流
制限設定値を、タイマー回路２５で設定される位置決め
期間のみ変更させることで対応できるものである。

誘起電圧によって位置検出を実行するブラシレスモータ
にあっては、その起動時にＮＩｌ子コイルに対して電流
が流れていないため、誘起電圧が無く、位置検出が不可
能な状態にある。そのため、起動前にタイマー回路２５
で設定される時間範囲で電機子コイルを励磁して位置決
めを行なった後に起動覆るようにしたものである。

この位置決めに際しては、回転子１３は振動した後に安
定点に対して収束するように挙動するものであるが、こ
の場合上記タイマー回路２５で設定される所定時間範囲
で電機子コイルに流れる電流を制限して上記振動の振幅
を押えるようにするもので、この振動振幅の抑制によっ
て、回転子の安定点に対する収束が早められるものであ
る。

上記実施例では、３相２極のブラシレスモータを例とし
て示しているが、誘起電圧を位置検出の信号として使用
し、励磁パターンの切換えを行なうブラシレスモータで
あれば、任意の相数、極数の場合でも適用可能である。

また、上記実施例では電流制限の設定値を位置決め期間
だけ一定レベルまで下げることによって、応答性の向上
を狙った。しかし、電流制限のレベルを時間の関数で変
化させるように制御するようにしてもよい。また、実施
例では電流制限回路２７に対して電流センサ２６から電
流検出を行なって、インバータ回路２０のスイッチング
素子を制御し電機子コイルに対する電流を制限するよう
な状態で示しているが、これは特に電流センサを使用せ
ずに、電源電圧のレベルによって予めインバータ回路２
０のスイッチング素子のオン−オフパターンを設定する
ようにに構成し、電機子コイルに対する電流値が特定さ
れるレベルを越えないように制御させることも可能であ
る。

［発明の効果コ 以上のようにこの発明によれば、特にホール素子、磁気
抵抗素子等の位置検出素子を使用することなく、ブラシ
レスモータが本来備えている機構を効果的に利用して簡
単な構成のもとに回転角位置を検出できるようになるも
のであり、特にその起動時において、回転子を安定点に
対して振動を充分に抑制する状態で収束設定できるもの
であり、その起動時の応答性向上に大きな効果を発揮す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のブラシレスモータの位置検出機構を説明
する図、第２図は上記モータの駆動１迎回路を示す図、
第３図はこの発明の一実施例に係るブラシレスモータの
１１１３１１１回路を説明する図、第４図は上記制御回
路における各部の信号電圧の状態を示す図、第５図はこ
のモータの起動時の電機子コイルに対する励磁順序を説
明する図、第６図は３相ブラシレスモータの視覚的モデ
ルを示す図、第７図は上記視覚的モデルに対応して示し
た起動順序を説明する図、第８図は上記起動時の励磁電
流の状態を説明する図、第９図は起動前の静止点の状態
の例を示す図、第１０図は従来の起動手段における回転
子の振動減衰状態を示す図、第１１図は上記この発明に
係る手段における回転子の振動減衰状態を示す図である
。 １１・・・ブラシレスモータ、１３・・・回転子、１４
・・・電機子コイル、２０・・・３相インバータ、２１
・・・１帥回路、２２・・・抵抗回路、２３・・・積分
回路、２４・・・分周回路、２５・・・タイマー回路、
２６・・・電流センサ、２７・・・Ｎ流制限回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 Ｌ 第２図 Ｉ＼ 〉 簗　兵　罵　− フ　＞　≧　肴 陰

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数相に設定された電機子コイルそれぞれに対して並列
   状態で接続設定される抵抗回路と、上配電磯子コイルの
   中性接続点と上記抵抗回路の中性接続点との間の電位差
   変動に対応して上記電機子コイルに対する励磁電流を切
   換え制御するインバータ回路と、起動時より特定される
   時間範囲を設定する手段と、この特定される時間範囲内
   で上記電（幾子コイルの特定される相に対して励磁電流
   を供給制御する手段と、この特定相の励ｌ！電流を制限
   する手段とを具備したことを特徴とするブラシレスモー
   タの制御装置。