JPS6020787A - Digital phase control system of brushless motor - Google Patents

Digital phase control system of brushless motor

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Publication number
JPS6020787A
JPS6020787A JP58128300A JP12830083A JPS6020787A JP S6020787 A JPS6020787 A JP S6020787A JP 58128300 A JP58128300 A JP 58128300A JP 12830083 A JP12830083 A JP 12830083A JP S6020787 A JPS6020787 A JP S6020787A
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JP
Japan
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phase
output
pulse
circuit
control
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Application number
JP58128300A
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Japanese (ja)
Inventor
Akihiko Iwama
岩間 明彦
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS6020787A publication Critical patent/JPS6020787A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/06Arrangements for speed regulation of a single motor wherein the motor speed is measured and compared with a given physical value so as to adjust the motor speed

Abstract

PURPOSE:To accurately control the rotation of a brushless motor by setting the timing of an exciting pulse so that the symmetrical relationship is held before and after the center of the time when the rate of change becomes zero in the zone that the induced voltages of the excited phase and the rate of change of the torque become minimum. CONSTITUTION:The output of a speed detector 6 is compared by a phase comparator 19 with the phase of a reference pulse from 12-stage frequency divider 17, the logic sum of the output and the output pulse-width-modulated are taken by an OR gate 28, further the logic product of the output of a starter 21 is taken by an AND gate 29, and inputted to a distributor 23. Further, the rotor position is detected by Hall elements H1, H2, the outputs are inputted through waveform shapers 24, 25 to the distributor 23. The timing of generating the exciting pulse at every one phase is set to hold the symmetrical relationship before and after the center of the time when the rate of change becomes zero in the zone that the induced voltages of the excited phase and the rate of change of the torque become minimum.

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、耐ノイズやドリフト等について極めて有効
で、しかも精度の高い定速駆動が行えるようにしたブラ
シレスモータのディジタル位相制御方式に係り、特に7
万回転のような高速回転時においても、その回転ムラの
発生を抑制して、著しく高精度の回転制御を可能にした
ディジタル位相制御方式に関する。
[Detailed Description of the Invention] Technical Field The present invention relates to a digital phase control method for brushless motors that is extremely effective against noise and drift, and also enables highly accurate constant speed drive.
The present invention relates to a digital phase control method that suppresses the occurrence of rotational unevenness even when rotating at high speeds such as 10,000 rotations, making it possible to control rotation with extremely high precision.

従来技術 ブラシレスモータは、基準クロックに完全同期して高速
かつ定速回転を行うモータで、VTRやプリンタその他
の駆動用として使用される。
BACKGROUND ART Brushless motors are motors that rotate at high speed and at a constant speed in complete synchronization with a reference clock, and are used to drive VTRs, printers, and other devices.

第7図は、ブランレスモータの内部構造の一例を示す一
部切断した平面図である。図面において、lは磁気回路
構成部で、/Aはそのマグネットロータ、/Bはステー
タ、/Cはギャップ、コは巻線駆動部、′3はロータ位
置検出部、tは軸受部。
FIG. 7 is a partially cutaway plan view showing an example of the internal structure of the branless motor. In the drawings, l is a magnetic circuit component, /A is its magnet rotor, /B is a stator, /C is a gap, C is a winding drive part, '3 is a rotor position detection part, and t is a bearing part.

左は回転軸、乙は速度検出部を示す。The left side shows the rotation axis, and the second side shows the speed detection section.

この第1図は% グ相コ極ブラシレスモータ(BLM)
の場合で、磁気回路構成部/は1回転軸りに取付けられ
、その軸方向に着磁されたマグネットロータ/Aと% 
グ相ダスロットのステータ/B。
This figure 1 is a %G phase co-pole brushless motor (BLM).
In the case of , the magnetic circuit component / is attached to the axis of one rotation, and the magnet rotor /A and % are magnetized in the axial direction.
Stator/B of phase slot.

およびマグネットロータ/Aとステータ/Bとの間に形
成されたギャップ/Cとからなる。
and a gap /C formed between the magnet rotor /A and the stator /B.

回転力を発生する巻線駆動部コは、各相について/コイ
ルが対応し、グ相グコイルを有する。これらのダ相クコ
イルは1図示されない分配回路から/相毎に与えられる
7個または複数個の励磁パルスで駆動され、またロータ
/Aの現在位置は、ロータ位置検出部3によって検出さ
れる。
The winding drive unit that generates the rotational force has a coil for each phase and a coil for each phase. These daphase coils are driven by seven or more excitation pulses given to each phase from a distribution circuit (not shown), and the current position of the rotor A is detected by a rotor position detection section 3.

ロータ位置検出部3は、機械角で“ろrl rad ]
ずらされた位置関係に配置された一個のホール素子で構
成される。
The rotor position detection unit 3 has a mechanical angle of “rorl rad”.
It is composed of one Hall element arranged in a shifted positional relationship.

速度検出f%6は、例えば多極マグネットを使用したレ
ラクタンス形速度検出器からなり、高精度の速度検出を
行う。
The speed detection f%6 is composed of, for example, a reluctance type speed detector using a multipolar magnet, and performs highly accurate speed detection.

なお、軸受部グには、高精度ベアリングが用いられ、回
転軸Sの良好な回転が保証されている。
In addition, a high-precision bearing is used for the bearing part, and good rotation of the rotating shaft S is guaranteed.

第2図は、駆動回路の一例である。図面において、LA
−LDはBLMの励磁巻線、QA〜QDは駆動用トラン
ジスタ、DA−DDは逆流防止用ダイオード、R/〜R
2とRA−RDは抵抗器、Cはコンデンサを示し、また
PはトランジスタQAのコレクタ端子、ΦA〜ΦDは各
相の励磁パルスを示す。
FIG. 2 is an example of a drive circuit. In the drawings, LA
-LD is the excitation winding of BLM, QA~QD are drive transistors, DA-DD are backflow prevention diodes, R/~R
2 and RA-RD are resistors, C is a capacitor, P is the collector terminal of transistor QA, and ΦA to ΦD are excitation pulses of each phase.

この第1図と第2図に示したBLMの従来の回転制御は
、アナログ的に行われていた。
Conventional rotation control of the BLM shown in FIGS. 1 and 2 was performed in an analog manner.

第3図は、従来のサーボ制御系を示すブロック線図であ
る。図面において、■は基準電圧、θは角速度(rad
/3ec ]を示し、7〜/4は制御系処理回路で、1
0と//は速度制御系% /2〜/6は位囮制御系を示
す。なお1mはエンコーダのスリット数である。
FIG. 3 is a block diagram showing a conventional servo control system. In the drawing, ■ is the reference voltage, and θ is the angular velocity (rad
/3ec ], 7 to /4 are control system processing circuits, and 1
0 and // indicate the speed control system % /2 to /6 indicate the decoy control system. Note that 1 m is the number of slits in the encoder.

従来のサーボ制御方式では、この第3図に示すように、
BLMの回転速度と位相差とを並行して検出し、速度偏
差信号と位相偏差信号とを合成したアナログ信号に変換
して制御を行っていた。
In the conventional servo control system, as shown in Fig. 3,
The rotational speed and phase difference of the BLM were detected in parallel, and the speed deviation signal and the phase deviation signal were converted into a combined analog signal for control.

このような速度制御系と位相制御系とを並行・させるt
l’i制御方式は、特に起動特性が問題とされ、しかも
トルク変動を伴う回転制御には有効である。
The speed control system and the phase control system are run in parallel.
The l'i control method is especially effective in rotation control where starting characteristics are a problem and torque fluctuations are involved.

すなわち、速度偏差と、 P L L (Phase 
LockedLoop )制御による位相補正とに基づ
き、その回転を制御すれば、所望の速度による回転を得
ることができる。
That is, the speed deviation and P L L (Phase
If the rotation is controlled based on phase correction by LockedLoop) control, rotation at a desired speed can be obtained.

ところが、このようなアナログ的な処理の場合。However, in the case of analog processing like this.

例えばVTRのシリンダ制御を行うときは、回路規模が
大きくなり、また耐ノイスやドリフト等に問題があった
For example, when controlling the cylinders of a VTR, the circuit size becomes large and there are problems with noise resistance, drift, etc.

また、このようなサーボ制御をディジタル的に行う制1
t11方式も知られている。
In addition, there is a system for performing such servo control digitally.
The t11 method is also known.

例えば、ロータの位置検出信号から回転数に比例した信
号(速度信号)をディジタル的に取出し。
For example, a signal proportional to the rotational speed (speed signal) is digitally extracted from the rotor position detection signal.

その信号により励磁パルスのパルス幅を制御することで
、定速駆動を行っている。
Constant speed driving is performed by controlling the pulse width of the excitation pulse using this signal.

このような制御方式によれば、位置検出手段を設けるだ
けで速度信号も得られるので1回転数(速度)を検出す
る手段が不要になるという利点がある。しかし、ロータ
に着磁ムラが存在する場合には、位置検出信号自体に検
出誤差が生じ、それをディジタル処理しても、その誤差
はそのまtiるので、正確な回転制御が行えない、とい
う不都合がある。
According to such a control system, a speed signal can be obtained by simply providing a position detecting means, so there is an advantage that a means for detecting the number of revolutions (velocity) per revolution is not required. However, if there is magnetization unevenness in the rotor, a detection error will occur in the position detection signal itself, and even if it is digitally processed, the error will remain as it is, making it impossible to perform accurate rotation control. It's inconvenient.

目 的 そこで、この発明のブラシレスモータのディジタル位相
制御方式では、従来のサーボ系で使用されるBLMの回
転制御におけるこれらの不都合を解決し、簡単な制御手
段を使用するだけで、耐ノイスやドリフト等について極
めて有効で、しかも回転ムラも著しく少ない高精度の回
転101」御が行えるようにすることを目的とする。
Purpose Therefore, the digital phase control method for brushless motors of the present invention solves these inconveniences in the rotation control of BLM used in conventional servo systems, and improves noise resistance and drift by using simple control means. It is an object of the present invention to provide highly accurate rotation 101'' control that is extremely effective and has extremely little rotational unevenness.

この発明のブラシレスモータのディジタル位相制御方式
は、起動特性が余り問題とされず、またトルク変動も小
さい、例えばレーザプリンタのポリゴンミラー等の&勤
に特に有効で、7万回転のような高速回転でも、回転ム
ラが殆んど発生せず、しかもロータの着磁ムラの影響も
受けるおそれのない、高精度の定速回転を可能にしてい
る。
The digital phase control method of the brushless motor of this invention is particularly effective for applications such as polygon mirrors in laser printers, where starting characteristics are not a problem and torque fluctuations are small. However, it enables high-precision, constant-speed rotation with almost no rotational unevenness and no risk of being affected by uneven magnetization of the rotor.

構 成 そのために、この発明のブラシレスモーフのディジクル
位η’E flilJ御方式では、励磁している相の誘
起1.、IL圧とトルクの変化率が最小となる27′/
11(ただしnはモータの8数)区[hjで、かつ時間
的にその変化率が零吉なる時点を中心として、前後に対
称の関係が保たれるように励磁パルスのタイミンクを設
定している。
Structure: Therefore, in the brushless morph dissicle position control method of the present invention, the induced phase of the excited phase 1. , 27'/ where the rate of change of IL pressure and torque is minimum
11 (where n is the number 8 of the motor) The timing of the excitation pulses is set so that a symmetrical relationship is maintained around the time when hj and the rate of change is zero in time. There is.

第11.図は、この発明のブラシレスモーフのディジタ
ル位相制御方式を実施する場合に使用される制御回路の
一構成例を示すブロック図である。図mJにおける符号
は第1図および第2図と同様であり、/7は/コ段分周
器、/gは波形整形回路、/qは位相比較器、ユ0はパ
ルス幅変調器、 、21は起動回路、2コは/相ユニポ
ーラ駆動回路、コ3は分配回路%、2ヶと2左は波形積
形回路1.2乙と、27はインパーク、2gはオアゲー
ト回路、コブはアンドゲート回路を赤し、また、θ1は
/二段分周器/7から出力される基準クロックの周波数
11th. FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a control circuit used when implementing the brushless morph digital phase control method of the present invention. The symbols in Figure mJ are the same as in Figures 1 and 2, /7 is a /co-stage frequency divider, /g is a waveform shaping circuit, /q is a phase comparator, U0 is a pulse width modulator, 21 is the starting circuit, 2 is the /phase unipolar drive circuit, 3 is the distribution circuit, 2 and 2 are the waveform forming circuits 1.2 and 2, 27 is the impark, 2g is the OR gate circuit, and Cobb is the AND The gate circuit is shown in red, and θ1 is the frequency of the reference clock output from the two-stage frequency divider/7.

θ、は速度検出パルスの周波数、θ。は基準クロックの
周波数θ□と速度検出パルスの周波数02との偏差に応
じたパルス幅を有する位相検出パルス、K7θ8はパル
ス幅変調器λθから出力される制御信号を示す。なお、
H/とH2はロータの位置を検出するためのホール素子
である。
θ is the frequency of the speed detection pulse, θ. K7θ8 indicates a phase detection pulse having a pulse width corresponding to the deviation between the frequency θ□ of the reference clock and the frequency 02 of the speed detection pulse, and K7θ8 indicates a control signal output from the pulse width modulator λθ. In addition,
H/ and H2 are Hall elements for detecting the position of the rotor.

すでに説明したように、ダ相BLMには、グ相の巻線L
A−LDが設けられており、またマグネットローラ/A
の位置を検出する1個のホール素子H/とHコが、機械
角でπl/、2 Crad )の位置関係で配置されて
いる。
As already explained, in the D-phase BLM, the G-phase winding L
A-LD is provided, and a magnetic roller/A
Hall elements H/ and H are arranged with a mechanical angle of πl/, 2 Crad).

このホール素子H/とH2から出力される信号は、それ
ぞれ波形整形回路2汐とJ4によって方形波パルスに波
形整形され、インパーク、27と26を介する反転信号
とともに、分配回路:13へ与えられる。
The signals output from the Hall elements H/ and H2 are shaped into square wave pulses by the waveform shaping circuits 2 and J4, respectively, and are given to the distribution circuit 13 along with the inverted signals via imparks 27 and 26. .

分配回路コ3には、これらの信号をエンコードして、エ
ンコード出力を発生するエンコーダ、およびこのエンコ
ード出力とアンドゲート回路2qを介して力えられる制
御信号とをアンド処理する論理回路が設けられていて、
BLMの励磁コイルLA−LDを駆動する先の第2図に
詳細に示した駆動回路22へ励磁パルスを出力する。
The distribution circuit 3 is provided with an encoder that encodes these signals and generates an encoded output, and a logic circuit that performs AND processing on this encoded output and a control signal inputted via the AND gate circuit 2q. hand,
An excitation pulse is output to the drive circuit 22 shown in detail in FIG. 2, which drives the excitation coils LA-LD of the BLM.

起動時(回転数=θ)には、パルス幅変調器コθの出力
KTθ。は1Hルベルの状態にあり、これがオアゲート
回路2gを介してアンドゲート回路ユタへ与えられる。
At startup (rotation speed = θ), the output of the pulse width modulator θ is KTθ. is in the state of 1H level, which is applied to the AND gate circuit Utah via the OR gate circuit 2g.

そして% BLM電源がオン状態になると、起動回路二
/が作動して一定時間出力を′″H′にする。
When the %BLM power supply is turned on, the starting circuit 2/2 is activated and the output is set to ``H'' for a certain period of time.

そのため、アンドゲート回路29の出力も1H′で分配
回路コ3へ与えられる。この1Hルベルの制御信号は、
分配回路コ3内のエンコーダの出力とアンド処理されて
、励磁パルスが発生される。
Therefore, the output of the AND gate circuit 29 is also given to the distribution circuit 3 at 1H'. The control signal of this 1H level is
An excitation pulse is generated by AND processing with the output of the encoder in the distribution circuit 3.

なお、この励磁パルスは、ロジックレベルの信号として
%駆動回路2コへ与えられる。
Note that this excitation pulse is given to the % drive circuit 2 as a logic level signal.

この励磁パルスにより、駆動回路ココはダ相巻線LA−
LDのいずれか/相を駆動するので、BLMは回転を開
始する。
With this excitation pulse, the drive circuit here is connected to the da-phase winding LA-
By driving either/phase of the LD, the BLM starts rotating.

BLMの回転は、ロータ位置を検出する2個のホール素
子H/とH2によって検知され、分配回路、23への入
力の変化によりエンコード出力が変化し、励磁相が順次
切換えられるとともに、BLMの回転速度も上昇する。
The rotation of the BLM is detected by two Hall elements H/ and H2 that detect the rotor position, and the encode output changes depending on the input to the distribution circuit 23, and the excitation phase is sequentially switched, and the rotation of the BLM is detected by the two Hall elements H/ and H2 that detect the rotor position. Speed also increases.

もし、パルス幅変調器20がない状態で、制御系のゲイ
ン特性が充分であれば、BLMの速度は上昇するととも
に、速度検出部乙の出力パルスの周波数02も同時に上
昇し、位相比較器/9の位相検出範囲に入ると1位相制
御系は基準クロックの周波数θ、に対して、BLMを同
期回転させるべく、同期引込み動作を行う。なお、位相
検出範囲は。
If the gain characteristics of the control system are sufficient without the pulse width modulator 20, the speed of the BLM will increase and the frequency 02 of the output pulse of the speed detector B will also increase at the same time, and the phase comparator/ When entering the phase detection range 9, the 1-phase control system performs a synchronous pull-in operation to rotate the BLM synchronously with respect to the frequency θ of the reference clock. Furthermore, the phase detection range is as follows.

基準クロックの周期Tをλπ[rad ]とすると、は
ぼπ(rad )の範囲である。
If the period T of the reference clock is λπ [rad], then the range is approximately π (rad).

このような速度領域では、ディジクル形の位相比較器/
qからの位相検出パルスθ8は、基準クロックの周波数
01と波形整形された速度検出部乙の出力パルスの周波
数02との偏差を正確に検出したパルス幅のパルス信号
となる。すなわち、この位相検出パルスθ8は、基準ク
ロランの周期Tと同じ周期で、かつ周波数θ、と02と
の偏差に対応したパルス幅の信号である。
In such a speed range, a digital phase comparator/
The phase detection pulse θ8 from q becomes a pulse signal with a pulse width that accurately detects the deviation between the frequency 01 of the reference clock and the frequency 02 of the waveform-shaped output pulse of the speed detection unit B. That is, this phase detection pulse θ8 is a signal having the same period as the period T of the reference chlorane and a pulse width corresponding to the deviation between the frequency θ and 02.

しかし、一般的には、この位相検出パルスθ。のパルス
幅では、BLMの速度を規定の速度まで上昇させること
はできない。そこで、パルス幅変・調器コθによりこの
パルスθ。のパルス幅をさらに拡げて5出力パルスに7
θ。を発生させる。この第7図の回路では、後に詳しく
説明する理由により、このパルス幅変調器λθから出力
される制御信号に、rd8は、オアゲート回路コgを介
して分配回路ス3へ供給されるようにしている。
However, in general, this phase detection pulse θ. With a pulse width of , it is not possible to increase the speed of the BLM to the specified speed. Therefore, this pulse θ is adjusted by the pulse width modulator θ. Further widen the pulse width of 7 to 5 output pulses.
θ. to occur. In the circuit of FIG. 7, for reasons to be explained in detail later, the control signal rd8 output from the pulse width modulator λθ is supplied to the distribution circuit 3 via the OR gate circuit g. There is.

B L Mの速度が上昇を続け、速度検出部乙からの出
力周波数02が基準クロックの周波数θ、に一致すると
、BLMは基準クロックに対し完全同期回転となり、規
定の回転数で回転される。
When the speed of the BLM continues to increase and the output frequency 02 from the speed detection unit B matches the frequency θ of the reference clock, the BLM rotates in complete synchronization with the reference clock and rotates at a specified rotation speed.

第S図は、第7図の制御回路の同期回転時における1l
ilJ M’l系信号のタイムチャートである。各信号
波形ζζ伺けられた符号は%第グ図の符号位置に対応し
ている。っ なお、この同期回転時(定常回転時)における位相比較
器/9の出力、すなわちθ、とθ2との偏差は、定常位
相偏差といわれる。
Figure S shows 1l of the control circuit in Figure 7 during synchronous rotation.
1 is a time chart of ilJ M'l system signals. The code found in each signal waveform ζζ corresponds to the code position in the %G diagram. Incidentally, the deviation between the output of the phase comparator/9, ie, θ, and θ2 during this synchronous rotation (steady rotation) is called a steady phase deviation.

このように、BLMは高精度の定速回転を行うので、こ
の状態で使用する場合、すなわち起動特性が余り問題と
ならず、しかもトルク変動が小さいときには、極めて有
効な制御手段である。
As described above, since the BLM performs constant speed rotation with high precision, it is an extremely effective control means when used in this state, that is, when the starting characteristics are not much of a problem and torque fluctuations are small.

そしで、このような使用目的では5速度制御系を用いず
1位相制御(PLL)系だけで極めて高精度の回転制御
が可能となる。この発明のディジタル位相制御方式は、
このような点に着目し、さらに回転ムラの発生を抑制す
ることを目的としている。
Therefore, for such purposes of use, it is possible to control the rotation with extremely high precision using only a single phase control (PLL) system without using a 5-speed control system. The digital phase control method of this invention is
Focusing on these points, the present invention aims to further suppress the occurrence of rotational unevenness.

ここで、BLMの動作を数式で示すと、BLMの誘起電
圧keは、 ke= Kecosθ ・−(1) Ke:BLMの誘起電圧定数最大値 CV Sec rd−’ 〕 また、BLMのトルクktは、 kt−KtCO5θ ・・・(2) Kt:BLMのトルク定数最大値 CKg f cm A−” ) モータの端子電圧Vは。
Here, to express the operation of the BLM using a mathematical formula, the induced voltage ke of the BLM is: ke=Kecosθ・−(1) Ke: Maximum value of the induced voltage constant of the BLM CV Sec rd−′] Also, the torque kt of the BLM is kt-KtCO5θ (2) Kt: Maximum torque constant value of BLM CKg f cm A-”) The terminal voltage V of the motor is.

i、L: i相の励磁電流〔A/相〕 Ra: /相の巻線抵抗〔/相〕 L8:/相のインダクタンス〔H/相〕さらに、モータ
で発生される変動トルクTTは。
i, L: Excitation current of i phase [A/phase] Ra: Winding resistance of /phase [/phase] L8: Inductance of /phase [H/phase] Furthermore, the fluctuating torque TT generated by the motor is.

’fT” Ktsi@ cosθ = J −十りω十Tf ・・・(4)t J:ロータと負荷イナーシャ [Kg f ”cm Sec 2] D二粘性負荷(Kg f 0m/ rad / Beo
]Tf:フリクショントルク[Kg f cm )で表
わされる。
'fT' Ktsi @ cos θ = J - ω1 Tf ... (4) t J: Rotor and load inertia [Kg f ''cm Sec 2] D two viscous load (Kg f 0m/rad/Beo
]Tf: Friction torque [Kg f cm ).

となる。この式(5)は、他の相を励磁する場合にも成
立する。なお1式(1)からKtCO3θ= ktであ
る。
becomes. This equation (5) also holds true when other phases are excited. Note that from Equation 1 (1), KtCO3θ=kt.

この式(5)から、最小の励磁電流でBLMを回転する
条件を考えると、各相ともktが最大の区間を利用すれ
ばよいことが分葛。
From this equation (5), it is clear that when considering the conditions for rotating the BLM with the minimum excitation current, it is sufficient to use the section where kt is maximum for each phase.

グ相コ極のBLMの/相ユニポーラ駆動の場合には、各
相がπ/a (rad )の励磁を分担しているので、
Ki−!cη区間で励磁すれば、この/相ユニポーラ駆
動では最大効率が得られる。
In the case of the /phase unipolar drive of the BLM with the phase co-pole, each phase shares the excitation of π/a (rad), so
Ki-! If the magnet is excited in the cη section, maximum efficiency can be obtained in this /phase unipolar drive.

次に、外乱トルクが存在し、先の式(4)のTTが角周
波数ω′で変動している場合について説明する。
Next, a case where a disturbance torque exists and TT in the above equation (4) fluctuates at the angular frequency ω' will be described.

なお、ここでは、変動しているトルクだけについて考察
する。
Note that only the varying torque will be considered here.

この場合には、式(4)は、 TT= TPcosω′t”’ Kt iB cosθ
 ・−・(6)TP:変動トルクの最大値 で表わすことができる。
In this case, equation (4) becomes: TT= TPcosω′t”' Kt iB cosθ
...(6) TP: Can be expressed as the maximum value of fluctuating torque.

第を図は、この発明のディジタル位相制御方式における
定常回転動作時の制御信号の入力タイミングと励磁パル
スの発生タイミングおよびトルク変動の関係を説明する
ためのタイムチャートである。図面において%T0は/
相のエンコード出力の発生時間、t、とt、およびt、
は励磁パルスの非発生時間、t3は制御4=号の入力期
間で励磁パルスの出力時間を示す。
FIG. 5 is a time chart for explaining the relationship between the input timing of the control signal, the generation timing of the excitation pulse, and the torque fluctuation during steady rotation operation in the digital phase control system of the present invention. In the drawing, %T0 is /
Occurrence times of the encoded outputs of the phases, t, and t, and t,
is the non-occurrence time of the excitation pulse, and t3 is the input period of the control #4 and represents the output time of the excitation pulse.

この場合のトルク変動は、BLMで使用されるベアリン
グ等によって決定される固有の周期で発生される。
Torque fluctuations in this case occur at a specific period determined by the bearings used in the BLM.

また、/相のコレクタ波形keは、分配回路23内のエ
ンコーダの出力と、制御信号とのアンド処理によって、
この第6図のように変化する。
In addition, the collector waveform ke of the /phase is obtained by AND processing the output of the encoder in the distribution circuit 23 and the control signal.
It changes as shown in Fig. 6.

この第6図と式(6)とを参照しながら、この発明のデ
ィジタル位相制御方式による励磁パルスの発生タイミン
グについて説明する。
With reference to FIG. 6 and equation (6), the timing of generating excitation pulses using the digital phase control system of the present invention will be explained.

まず1式(6)から/相の励磁電流laをめると、とな
る。
First, by subtracting the excitation current la of the /phase from Equation 1 (6), it becomes.

この式(力を先のモータの端子電圧Vを表わす式(3)
へ代入すれば、 が得られ、この式(8)をさらにBLMの角速度ωの式
に変換すると、 となる。
This formula (Formula (3) that expresses the terminal voltage V of the motor in front of the force)
By substituting into , the following is obtained, and when this equation (8) is further converted into an equation for the angular velocity ω of the BLM, the following is obtained.

この式(9)について考えてみると、KecosθとK
lcosθが最大である区間の”ン−[rad ]区間
で励磁すれば、keとktの波形は同相で変化率が小さ
いので、BLMの角速度ωの変動を小さくすることが可
能であることが分る。
Considering this equation (9), Kecos θ and K
It turns out that if the magnetization is performed in the "n-[rad]" section of the section where l cos θ is maximum, the waveforms of ke and kt are in phase and the rate of change is small, so it is possible to reduce fluctuations in the angular velocity ω of the BLM. Ru.

この関係を定常回転時におけるタイムチャートを示す第
6図について説明すれば、/相毎の励磁パルスを% B
LMの誘起電圧ke(同相関係にあるBLMのトルクk
tについても同じ)の変化率が最小の区間(この第6図
では、駆動用トランジスタのコレクタ波形について示し
ているので、励磁パルスはこれと逆極性であり%に、波
形の最大区間に相当する)と、分配回路23内のエンコ
ード出力の発生時間T。とを正確に対応させて発生させ
ればよいことになる。
To explain this relationship with reference to Figure 6, which shows a time chart during steady rotation, the excitation pulse for each phase can be expressed as % B
Induced voltage ke of LM (torque k of BLM in in-phase relationship)
(The same applies to t) The section where the rate of change is the minimum (Figure 6 shows the collector waveform of the driving transistor, so the excitation pulse has the opposite polarity and corresponds to the maximum section of the waveform. ) and the generation time T of the encode output in the distribution circuit 23. It is only necessary to generate them in an accurate manner.

すなわち、エンコード出力の発生時間TOに対して、こ
のkeの変化率が零となる時点を中心として、時間的に
前後に対称となる関係、この第6図では、To ” t
+ + 12+−2t+ +3ts 、、−α0、で、
しかも理想的には。
In other words, with respect to the encode output generation time TO, there is a temporally symmetrical relationship centered around the point in time when the rate of change of ke becomes zero;
+ + 12+-2t+ +3ts , -α0,
And ideally.

t、 =: t24 tv2 ”’αDとなるように励
磁パルス1Bを発生させれば、外乱トルクの影響を除去
し1回転ムラを著しく抑制することができることになる
。なお、この第6図の横ffl+は、機械角である。
If the excitation pulse 1B is generated so that t, =: t24 tv2 '''αD, it is possible to remove the influence of disturbance torque and significantly suppress one-rotation unevenness. ffl+ is mechanical angle.

このようなタイミングで励磁パルスを発生させるために
は、第6図の定常回転時におけるエンコード出力が、k
、波形の変化率が最小の区間に正確に対応するようにホ
ール素子H/とH2との取付は位竹を設定することが必
要である。
In order to generate excitation pulses at such timing, the encode output during steady rotation as shown in Fig. 6 must be k.
It is necessary to set the mounting positions of Hall elements H/ and H2 so that they correspond exactly to the section where the rate of change of the waveform is minimum.

なお、この第6図のタイムチャートは、ダ相のBLMの
7回転を72個の励磁パルスで駆動する場合で、/相毎
に3個の励磁パルスが与えられる。
The time chart in FIG. 6 is for the case where 7 rotations of the da-phase BLM are driven with 72 excitation pulses, and 3 excitation pulses are given for each phase.

この励磁パルスの数は、必ずしも/相毎に3個である必
要はなく、また奇数に限らず偶数であってもよい。この
励磁パルスの数は、被駆動体の回転状態等に応じて異な
り1回転ムラが相互に打消される最適な数に設定すれば
よい。
The number of excitation pulses is not necessarily three per phase, and may be an even number instead of an odd number. The number of excitation pulses varies depending on the rotational state of the driven body, etc., and may be set to an optimal number so that unevenness in one rotation is mutually canceled out.

ところで、この第6図のようなタイミングで励磁パルス
を発生させるためには1位相偏差に対応したパルス幅の
制御信号KTθ8を正確なタイミングで分配回路、2.
3へ入力させる必要がある。
By the way, in order to generate the excitation pulse at the timing shown in FIG. 6, the control signal KTθ8 with a pulse width corresponding to one phase deviation is sent to the distribution circuit, 2.
It is necessary to input it to 3.

そのための信号処理方法としては1種々の方法が可能で
あるが、この発明のディジタル位相制御方式の一実施例
として説明した先の第を図の制御回路では、位相比較器
/qの比較検出信号θ8とパルス幅変調器20からの制
御信号Krθ。とをオアゲート回路2gへ入力させて、
オア処理している。
Various methods are possible as a signal processing method for this purpose, but in the control circuit shown in FIG. θ8 and the control signal Krθ from the pulse width modulator 20. Input this into the OR gate circuit 2g,
Or is being processed.

第7図は、この発明において使用される制御信号の補正
方法の一実施例を示すタイムチャートである。
FIG. 7 is a time chart showing one embodiment of the control signal correction method used in the present invention.

位相比較器/qの比較出力θ8をパルス幅変調する場合
、従来の制御方式では、単に積分回路等で構成されたパ
ルス幅変調器コθによって制御信号KTθ8を発生して
いた。
In the case of pulse width modulating the comparison output θ8 of the phase comparator /q, in the conventional control system, the control signal KTθ8 was generated simply by a pulse width modulator θ consisting of an integrating circuit or the like.

この場合、変調器20の出力に7θ0は、この第7図に
示すように、比較出力θ。に対して遅れを生じる。
In this case, 7θ0 at the output of the modulator 20 is the comparison output θ, as shown in FIG. There will be a delay with respect to

この制御信号Krθ8の遅れは、BLMの回転ムラの原
因となるので、この発明のディジタル位相制御方式では
、その一つの補正方法として、オアゲート回路2gによ
ってオア処理し、このオア処理された信号を制御信号と
して使用する。
This delay in the control signal Krθ8 causes uneven rotation of the BLM, so in the digital phase control system of the present invention, one correction method is to perform OR processing using the OR gate circuit 2g and control this OR processed signal. Use as a signal.

このようにオア処理された制御信号を分配回路23へ入
力すれば、先の第6図に関連して説明したタイミングで
、励磁パルスを発生させることができ、このような制御
信号の遅れに起因する回転ムラが除去されて、極めて高
精度の回転制御が可能となる。
If the OR-processed control signal is input to the distribution circuit 23, the excitation pulse can be generated at the timing explained in connection with FIG. This eliminates rotational unevenness, making it possible to control rotation with extremely high precision.

第3図は、この発明のディジタル位相制御方式において
速度検出部乙により検出される検出信号とパルス信号θ
2との関係を示すタイムチャートである。
FIG. 3 shows the detection signal and pulse signal θ detected by the speed detection unit B in the digital phase control method of the present invention.
2 is a time chart showing the relationship with 2.

第y図の:GII御回路で、波形整形回路igから出力
される速度検出パルスθ2は、このようにゼロクロスア
ンプ等で方形波パルスに波形整形されて、基準クロック
と位相比較されるため、その検出精度が向上する。なお
、波形整形は、必ずしも方形波にすることは必要でなく
、適当なパルス信号に波形整形すれば充分である。
In the GII control circuit in Figure y, the speed detection pulse θ2 output from the waveform shaping circuit ig is shaped into a square wave pulse by a zero-cross amplifier, etc., and compared in phase with the reference clock. Detection accuracy is improved. Note that it is not necessary to shape the waveform into a square wave, and it is sufficient to shape the waveform into an appropriate pulse signal.

このような波形整形は、ホール素子H/とI(,2の出
力についても、波形整形回路J5とユtとによって行わ
れる。
Such waveform shaping is also performed on the outputs of the Hall elements H/ and I(, 2) by the waveform shaping circuit J5 and unit.

したがって、第弘図の制御回路では、その後の動作がす
べてディジタル的に処理され、耐ノイズやドリフト等に
優れる。
Therefore, in the control circuit shown in Figure 1, all subsequent operations are processed digitally, and are excellent in noise resistance, drift, etc.

次の第9図は、この発明のディジタル位相制御方式によ
る通電タイミングと回転ムラとの関係を示す測定波形図
である。
The following FIG. 9 is a measured waveform diagram showing the relationship between energization timing and rotational unevenness using the digital phase control method of the present invention.

この実験では、第り図の下方に示すように1時間軸tに
おけるエンコード出力の中心と、制御信号の中心とのず
れを通電タイミングθと定義して。
In this experiment, the deviation between the center of the encode output and the center of the control signal on the time axis t is defined as the energization timing θ, as shown at the bottom of the figure.

θ=−π〜πの範囲について回転ムラの発生状態を測定
した。
The occurrence of rotational unevenness was measured in the range of θ=-π to π.

その結果、この通電タイミングθが、θおよび一π(=
π)では回転ムラが極めて小さく、θが−“ろや“ろで
は回転ムラが比較的高いということを確認した。
As a result, this energization timing θ is different from θ and −π (=
It was confirmed that rotational unevenness is extremely small for π), and relatively high for θ=-"roya"ro.

この第9図では、エンコード出力と制御信号之の関係を
示しているが、励磁パルスはこれらの両信号のアンド処
理によって発生されるので、励磁パルスの発生タイミン
グは制御信号の発生タイミングと同じと考えることがで
きる。
This Figure 9 shows the relationship between the encode output and the control signal, but since the excitation pulse is generated by AND processing these two signals, the generation timing of the excitation pulse is the same as the generation timing of the control signal. I can think.

そして、回転ムラの発生率が低いθ−Oの場合は、先の
第6図に関連して説明した場合と同様で、分配回路コ3
内にお゛けるエンコード出力と制御信号との相互のタイ
ミングが、keの変化率が零となる時点に対応するエン
コード出力の中心点に対し、図面上で左右対称(時間的
には前後対称)の関係で制御信号が入力されている。
In the case of θ-O, where the incidence of rotational unevenness is low, the distribution circuit 3 is similar to the case explained in connection with FIG.
The mutual timing between the encode output and the control signal in the diagram is symmetrical in the drawing (temporally symmetrical) with respect to the center point of the encode output, which corresponds to the time when the rate of change of ke becomes zero. A control signal is input due to the following relationship.

また、θ=−πの場合は、制御信号が4個与えられるが
、この場合にもエンコード出力の中心点に対し、制御信
号が図面上で左右対称の関係で入力される。
Further, when θ=-π, four control signals are provided, but in this case as well, the control signals are input in a symmetrical relationship on the drawing with respect to the center point of the encoded output.

これに対して、回転ムラの発生率が特に高い一πろやπ
ろでは、エンコード出力と制御信号との相互関係がθ=
θや一πのような関係に保たれていない。
On the other hand, the occurrence rate of uneven rotation is particularly high in 1π, π, and
In this case, the correlation between the encoded output and the control signal is θ=
The relationship is not maintained like θ or 1π.

すなわち、通電タイミングθがOや−πに近い場合、換
言すれば、制御信号が誘起電圧keの変化率が零となる
時点(エンコード出力の中心点)を中心として、時間的
に前後対称のタイミングで入力される場合には、回転ム
ラが著しく少なくなり、この関係がずれると序々に回転
ムラが大きくなり。
In other words, when the energization timing θ is close to O or -π, in other words, the control signal has timings that are temporally symmetrical around the point in time when the rate of change of the induced voltage ke becomes zero (the center point of the encoded output). When the input value is , the rotational unevenness will be significantly reduced, and if this relationship deviates, the rotational unevenness will gradually increase.

著しくずれたθ=−1乃や−では回転ムラが著しく多く
なって、外乱トルクの影響を受けることが分る。
It can be seen that when θ=-1 or -, which is significantly deviated, rotational unevenness increases significantly and is affected by disturbance torque.

効 果 したがって、この発明のブラシレスモーフのディジタル
位相制御方式によれば、すべてディジタル信号で処理す
るため、耐ノイズ、ドリフト等で優れ、しかも位相制御
系のみの簡単な制御手段を用いるだけで、起動特性が余
り問題とならず、トルク変動も比較的少ない駆動系の例
えば7万回転のような高速かつ定速回転において1回転
ムラの著しく少ない高精度の回転制御が可能となり、そ
の利用分野も極めて広い、という優れた効果が得られる
Effects Therefore, according to the digital phase control method of the brushless morph of the present invention, since all processing is performed using digital signals, it is excellent in noise resistance, drift, etc., and can be started by simply using a simple control means using only the phase control system. It is possible to perform high-precision rotation control with significantly less unevenness per rotation in high-speed, constant-speed rotations such as 70,000 rotations in drive systems where the characteristics do not pose much of a problem and torque fluctuations are relatively small. You can get an excellent wide effect.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はブラシレスモータの内部構造の一例を示す一部
切断した平面図、第2図は駆動回路の一例、第3図は従
来のサーボ制御系を示すブロック線図、第を図はこの発
明のブラシレスモータのディジタル位相制御方式を実施
する場合に使用される制御回路の一構成例を示すブロッ
ク図、第S図は47図のfl14御回路の同期回転時に
おける制御系信号のタイムチャート、第6図はこの発明
のディジタル位相制御方式における定常回転動作時の制
御信号の入力タイミングと励磁パルスの発生タイミング
およびトルク変動の関係を説明するためのタイムチャー
ト、第7図はこの発明において使用される制御信号の補
正方法の一実施例を示すタイムチャート、第3図はこの
発明のディジタル位相制御方式において速度検出部によ
り検出される検出信号とパルス信号との関係を示すタイ
ムチャート、第9図はこの発明のディジタル位相制御方
式による通電タイミングと回転ムラとの関係を示す測定
波形図である。 図面において、乙は速度検出部、/7は72段分周器、
7gは波形整形回路、/9は位相比較器、20はパルス
幅変調器、2/は起動回路、、2.2は/相ユニポーラ
駆動回路1.23は分配回路、2グと2汐は波形整形回
路を示す。 手続補正書(1劃 特許庁長官 若杉和夫 殿 1、事件の表示 昭和58年 特許願 第1283oo号2、発明の名称 ブラシレスモータのディジタル位相制御方式3、補正を
する者 事件との関係 特許出願人 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 (67/l )株式会社 リ コ − 4、代理人 6、補正の内容 1)明細書第8頁第11行の「ットローラIA」を「ッ
トロータIA」と訂正する。 2)同第9頁第10行から第13行までを下記のとおり
訂正する。 「になると、BL、M電流検出抵抗器R3の電圧降下が
、起動回路21内に設定されている一定電圧(基準電圧
)より大きいので起動回路21が作動する。 そのため、BLMの起動時(加速時)には、はぼ起動回
路21のオン(”H”)、オフ(”L”)信号が分配回
路23べ与えられる。この」3) 同第13頁第7行の
「モータで発生される変動1〜ルクJを「モータの発生
トルク」と訂正する。 以上
Fig. 1 is a partially cutaway plan view showing an example of the internal structure of a brushless motor, Fig. 2 is an example of a drive circuit, Fig. 3 is a block diagram showing a conventional servo control system, and Fig. 3 is a diagram showing the invention. Figure S is a block diagram showing an example of the configuration of a control circuit used when implementing the digital phase control method of a brushless motor. Fig. 6 is a time chart for explaining the relationship between the input timing of the control signal, the generation timing of the excitation pulse, and the torque fluctuation during steady rotation operation in the digital phase control method of the present invention, and Fig. 7 is used in the present invention. FIG. 3 is a time chart showing an example of a control signal correction method. FIG. 3 is a time chart showing the relationship between the detection signal and pulse signal detected by the speed detection section in the digital phase control method of the present invention. FIG. FIG. 3 is a measured waveform diagram showing the relationship between energization timing and rotation unevenness using the digital phase control method of the present invention. In the drawing, B is the speed detection section, /7 is the 72-stage frequency divider,
7g is a waveform shaping circuit, /9 is a phase comparator, 20 is a pulse width modulator, 2/ is a starting circuit, 2.2 is a /phase unipolar drive circuit 1.23 is a distribution circuit, 2g and 2shio are waveforms A shaping circuit is shown. Procedural amendment (1) Kazuo Wakasugi, Commissioner of the Japan Patent Office1, Indication of the case 1983 Patent Application No. 1283oo2, Name of the invention Digital phase control system for brushless motors 3, Person making the amendment Relationship to the case Patent applicant 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo (67/l) Ricoh Co., Ltd. 4, Agent 6, Contents of amendment 1) Changed "Ttrolla IA" on page 8, line 11 of the specification to "ttrolla IA" ” he corrected. 2) Page 9, lines 10 to 13 are corrected as follows. When the voltage drop across the BL and M current detection resistors R3 is greater than the constant voltage (reference voltage) set in the startup circuit 21, the startup circuit 21 operates. At this time, the on (“H”) and off (“L”) signals of the activation circuit 21 are given to the distribution circuit 23. Correct the fluctuation 1 to Luk J to be the "torque generated by the motor."that's all

Claims (1)

【特許請求の範囲】 ブラシレスモータと、速度検出手段と、この速度検出手
段からの出力と基準パルスとの位相を比較する位相比較
手段と、その比較結果に対応したパルス幅に変調された
制御信号を発生するパルス幅変調手段と、このパルス幅
変調手段から出力される制御信号およびロータの位置検
出手段からの出力をエンコードした信号との論理処理に
よって励磁パルスを発生する分配回路と、この分配回路
からの励磁パルスによってブラシレスモータの巻線へ駆
動電流を与える駆動回路とからなるブラシレスモーフ1
lj13御回路において、前記速度検出手段からの出力
をパルスに波形整形する波形整形手段と、前記ロータの
位11<〔検出手段からの出力をノドルスに波形整形す
る波形整形手段とを設け、/相毎の前記励磁パルスの発
生タイミングが、同相関係にあるブラシレスモータ夕の
誘起電圧とトルクの変化率が最小となる2%(ただしn
はモータの相数)区間で、かつ時間的にその変化率が零
となる時点を中心として前後に対称の関係で出力される
ことを特徴とするディ・ジタル位相制御方式。
[Claims] A brushless motor, a speed detection means, a phase comparison means for comparing the phase of an output from the speed detection means and a reference pulse, and a control signal modulated to a pulse width corresponding to the comparison result. a distribution circuit that generates excitation pulses through logical processing of a control signal output from the pulse width modulation means and a signal encoded with the output from the rotor position detection means; and this distribution circuit. Brushless morph 1 consisting of a drive circuit that applies a drive current to the windings of a brushless motor using excitation pulses from
The lj13 control circuit is provided with waveform shaping means for shaping the output from the speed detection means into a pulse, and waveform shaping means for shaping the output from the rotor position detection means into a nodle. The generation timing of each excitation pulse is set at 2% (however, n
is the number of motor phases), and the digital phase control method is characterized in that the output is symmetrical around the point in time when the rate of change becomes zero.
JP58128300A 1983-07-14 1983-07-14 Digital phase control system of brushless motor Pending JPS6020787A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0712253A3 (en) * 1994-11-14 1997-10-22 Texas Instruments Inc Improvements in or relating to image display systems

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