JPS6188784A - 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】 （産業上の利用分１！Ｆ） この発明は、特に起動動作制御を効果的に実１テさせる
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。

（従来の技術） ブラシレスモータは、ブラシ、コ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
性に冨むものである。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、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’ｆＪＪ
応答性の悪い状態となる。

第１２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坂、あるいは反射器等で構成するこ
とも行なわれる。

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１３図は上記のように構成される位置検出機構１７を
備えるブラシレスモータ１１の駆動制御回路を示してい
るもので、この位置検出機構１７で検出された回転子１
３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１７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
置検出機構１７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。

そこで、ホール素子、磁気抵抗素子等の位置検出素子を
使用する必要がないものに、ナインスアニュアル　シン
ポジウム［インクリメンタルモーション　コントロール
　システムズ　アンドデバイスＪ　　（Ｎｉｎｔｈ　Ａ
ｎｎｕａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍｒｉｎｃｒｅｍｅｎ−
ｔａｌ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ
ｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｉｃｅＪ、発行針インクリメンタル
　モーション　コントロール　システムズ　ソサエティ
（ＩｎｃｒｅｍａｎｔａｌＭｏｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏ
ｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　５ｏｃｉｅｔｙ）におけるＰ、Ｍ
。

ブラシレ；ｌ　　−Ｅ：一タ　ドライブズ（Ｐ、ｌ’１
．　ＢＲ［ＩＳＨＬＥＳＳＭＯＴＯＲＤＲＩＶＥＳ）　
　（３０５ページ）に示すように、３相Ｙ結線に設定さ
れた電機子コイルそれぞれに対して並列状態で持続する
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、イ
ンバータ回路により、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磁電流を切換え制御するものがあ
る。

そして、この場合の起動手段として、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
際に振動か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
、電機子コイルの特定の相に対して所定時間励磁電流を
供給し、起動待回転子を定位置に固定する。そして、そ
の後インバータ回路により電機子コイルに対する励磁電
流を切換えて、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、安定した起動を行なう。

（発明が解決しようとする問題点） ところが上述した従来のものでは、電機子コイルの特定
の相に対して励磁電流を供給して、回転子を定位置に固
定する際、回転子は振動した（友シこ安定点に対して収
束する状態となり、安定するまでに時間を要し、起動す
るまでに時間がかかるという問題がある。

そこで本発明は、起動時において、円滑で速やかな起動
制御を行なうことである。

（問題を解決するための手段） ３相Ｙ結線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、前記電機子コイ
ルの中性接続点と前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前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、このインバータ回
路により前記電機子コイルに対する励磁電流を切換えて
、回転する複数極の永久磁石からなる回転子とを有する
ブラシレスモーフにおいて、起動時に２相の前記電機子
コイルに励磁電流を流し、残りの１相の前記電機子コイ
ルに前記回転子の振動により発生する誘起電圧のほぼピ
ーク値を検出し、前記インバータ回路に信号を入力する
ピーク値検出部とを備えるブラシレスモーフの制御装置
とすることである。

（作　用） 電機子コイルに誘起される誘起電圧のピーク点をピーク
値検出部で検出し、３相インバ一タ回路に信号を出し、
モータを起動する。

（実施例） 以下本発明を図に示す実施例について説明する。

第１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フ１１は、２極の永久磁石からなる
回転子１３に対してＵ相、■相。

Ｗ相の電機子コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃを巻装設定
した３相モータである。

すなわち、直流電源１９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を含む制御部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
設計される抵抗２２ａ〜２２ｃをＹ結線した抵抗回路２
２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３相インバ一タ回路２０
に接続設定されている。この抵抗回路２２は、回転子１
３の位置検出機構として用いられる。

また、抵抗回路２２の中性接続点の電圧および電機子コ
イル１４の中性接続点の電圧を積分回路２３に入力して
いる。そして、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２０のスイッチング素子を制御している。

また、ピーク値検出部２７について発明すると、Ｗ相の
電機子コイル１４Ｃの両端の誘起電圧をＡ／Ｄコンバー
タ２５に入力し、このＡ／Ｄコンバータ２５の出力をマ
イクロコンピュータユニット（ＭＰＵ）に入力して、電
機子コイル１４Ｃの誘起電圧のピーク値を検出する。そ
してピーク値を検出すると、分周回路２４に信号を与え
る。

ここで、インバータ回路２０からの各Ｕ相、■相、Ｗ相
の端子電圧をそれぞれＶｕ、Ｖｖ、ＶＷ、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ＭＭ、上記両中性接読点相互間の電位量をＶＭ
Ｎとするとその各電位は、 Ｖ＋１＝１／３　（Ｖｕ＋Ｖｖ＋Ｖｗ）ＶＮ＝１／３　
　（（Ｖｕ−Ｅｕ）＋ （Ｖｖ−Ｅｖ）＋　　（Ｖｗ−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Ｅｕ、ＥＶ
％　ＥＶがそれぞれ第２図（Ａ）　〜（Ｃ）で示すよう
に１２０°台形波とすると、電位差ＶＭＮは第２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２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ＶＭＮのピーク点と一致する状態
となる。しかし、上記ＶＭＮ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■ＭＮ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ＶＭＮ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
回転時においその検出が容易になる状態となり、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。

ここで３相ブラシレスモークの電機子コイルの励磁パタ
ーンは、第３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、ｒ’Ｕ−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３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、積分回路
２３における前記電位差ＶＭＮの積分波形の零クロス点
を検出すると、この励磁バクーンは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ステップ移行するものである。

第４図は回転子の挙動を視覚的に把握するため示したも
ので、回転子１３は２極の永久磁石で構成され、これに
介してＵ、Ｖ、Ｗの各相の電機子コイル１４ａ〜１４Ｃ
が設定される。ここで、このモータにおいて、起動時に
第３図（Ａ）に示した励磁パターンを設定した場合には
、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。

そして、モータを起動する前には、回転子１３の永久磁
石と固定子との間に働く吸引力（ディテントトルク）に
より、回転子１３は第５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４図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、±１５
０度の位置にある。

起動時において、特定の例えば第４図に示すように、Ｕ
相をＮ極とし■相をＳ極とすると、回転子は第５図に示
す起動前の静止位置より移動して、第６図に示すように
、収束位置を中心に減衰移動をした後に、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称で
あるため、その片側についてのみ示している。また、こ
の図は、横軸に時間、縦軸に角度をとって示した実験結
果である。

そこで、本発明においては、振動している回転子１３が
収束する位置を通過した時に、回転子１３が回転させた
い方向と同じ方向の速度をもっていれば、その時にイン
パーク回路により、電機子コイルに対する励磁電流を切
換え制御し、モータの滑らかな起動を実現するものであ
る。

そして、回転子１３の振動により、残りのＷ相の巻線に
は誘起電圧が発生する。ここで、３相のＵ、Ｖ、Ｗ相巻
線は等間隔で配置されており、Ｉ■動の中心（収束位置
）とＷ相の巻線の中心は一致する。このため、Ｗ相巻線
に鎖交する磁束は、この振動の中心において、向きがか
わるので、Ｗ相巻線に発生する誘起電圧はピークとなり
、更に、その振動方向により鎖交磁束の変化する方向が
ちがい、誘起電圧の極性が異なる。したがって、誘起電
圧のピーク点を知ることで、回転子１３が収束位置を通
過していることとその時の向きが検出できる。

そして、この誘起電圧を実測したのが、第７図および第
８図である。ここで第７図（Ａ）、　　（Ｂ）は、起動
前の回転子１３の位置が一９０度の点に停止していた場
合に、Ｕ相および■相に励磁電流を流した後の、それぞ
れ時間に対する回転子１３の位置と、Ｗ相に誘起される
誘起電圧を示している。また第８図（Ａ）、　　（Ｂ）
は、起動前の回転子の位置が９０度の点に静止していた
場合である。

そして、Ｗ相に誘起される誘起電圧をＡ／Ｄコンバータ
２５を介して、ＭＰＵ２６に人力する。

このＭＰＵ２６では、第９図に示すように、電源が入力
されると、ステップＳ１でスタートし、次にステップＳ
２でｅＮに一■を入力する。また、ステップＳ３ではＷ
相の誘起電圧をｅＮ＋　１に入力して、ステップＳ４に
おいて、ｅＮとｅＮ＋　１を比較して、ｅＮがｅＮｔ＋
よりも小さい時には、ステップＳ５においてｅＮ＋　ｌ
をｅＮに置き換える。また、ステップＳ４において、こ
の置き換えたｅＮを次のステップＳ３で入力された誘起
電圧ｅＮ＋　１を比較して、ｅＮがｅＮ＋１よりも大き
くなるまで、ステップＳ５・ステップＳ３＼ステツプＳ
４を繰り返す。そして、ｅＮがｅＮ４１よりも大きくな
った時に、ステップＳ６でＭＰＵ２６から分周回路２４
に信号を送る。信号を送った後に、ステップＳ７でＭＰ
ｔＪ２６の作動を終了する。ここでは、第４図に示すよ
うに、回転子を矢印方向に回転させるために、Ｗ相の誘
起電圧の正のピーク点を検出している。そして、第７図
および第８図に示すように、回転子１３の回転方向と同
じ方向の速度をもち、収束位置にＡ点つまり誘起電圧の
正のピーク点已において、ＭＰＵ２６から分周回路２４
に信号が与えられる。

分周回路２４はＭＰＵ２６からの信号を受けて、３相の
インバータ回路２０に分周信号を送る。そして、３相イ
ンバ一タ回路２０によって、第４図に示した励磁パター
ンを、次に外部より強制的に２ステツプ先の第３図（Ｃ
）で示す励磁パターンを第１０図（Ｂ）に示すように与
えると回転子１３は右回転し、第１０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３図ＣＤ）に示す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１０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
を切換えて、回転子１３を回転させ、ブラシレスモーフ
が起動する。

第１１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
対応して、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。

したがって、第７図および第８図に示すように、電機子
コイル１４のＵ相および■相に励磁して、回転子１３の
位置決めを行ない、その際回転子が回転方向と同一の方
向の速度をもって収束位置を通過するＷ相の誘起電圧の
ピーク点を検出し、分周回路２４に信号を送り、すぐ回
転子１３を回転させて、ブラシレスモーフを起動してい
るため、回転子１３が収束位置に落ち着くまでの時間を
待つ必要がなく、応答性の向上を計ることができ、第７
図および第８図に示す実験結果においては、最低約３０
０（ｍｓｅｃ）の時間の短縮を計ることができた。

また、上述した実施例においては、第７図および第８図
に示すように、回転方向を矢印方向に決めたために、誘
起電圧の正のピーク点を検出したが、回転方向を矢印と
逆方向にすれば、誘起電圧の負のピーク点を検出すれば
よい。

さらに、３相２極のブラシレスモーフを例として示して
いるが、回転子１３の永久磁石の極数は６の倍数を除く
偶数倍であればよい。

また、Ｗ相の誘起電圧のピーク値を検出したが、若干ピ
ーク値よりもずれてもよい。

（発明の効果） 以上述べたように本発明においては、起動時の回転子の
位置決めの際に電機子コイルに誘起される誘起電圧のピ
ーク点をピーク値検出部により検出し、３相インバ一タ
回路を介して、ずぐモークを起動するため、起動時に、
回転子の振動が収束するまでの時間が不要となり、応答
性を非常によくすることかできるという優れた効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係るブラシレスータの制
御回路を説明する図、第２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３図はこのモータ起動
時の電機子コイルに対する励磁順序を説明する図、第４
図は３相ブラシレスモークの視覚的モデルを示す図、第
５図は起動前の静止点の状態の例を示す図、第６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、
エータの作動を示すフローチャート、第１０図は第４図
に示す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１１図は上記起動時の励磁１３図は第１２図に
おけるモータの駆動制御回路を示す図である。 １１・・・ブラシレスモーフ、１３・・・回転子、１４
・・・電機子コイル、２０・・・３相インバ一タ回路、
２１・・・制御回路、２２・・・抵抗回路、２３・・・
積分回路、２４・・・分周回路、２５・・・Ａ／Ｄコン
バータ、２６・・・マイクロコンピュータ、２７・・・
ピーク値検出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ３相Ｙ結線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、前記電機子コイ
   ルの中性接続点と前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前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、このインバータ回
   路により前記電機子コイルに対する励磁電流を切換えて
   、回転する複数極の永久磁石からなる回転子とを有する
   ブラシレスモータにおいて、起動時に２相の前記電機子
   コイルに励磁電流を流し、残りの１相の前記電機子コイ
   ルに前記回転子の振動により発生する誘起電圧のほぼピ
   ーク値を検出し、前記インバータ回路に信号を入力する
   ピーク値検出部とを備えるブラシレスモータの制御装置
   。