JPS62268387A - ブラシレス直流モ−タの整流制御装置 - 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】 本発明は電ｒ−的整流を利用する直流モータ、特にモー
タの誘導起電力を整流スイッチングに利用するブラシの
ない直流モータに係わる。

繰作するのに整流を必要とする直流モータがトルク特性
、大きさ、重量及び応答特性に関して交流または同期タ
イプのモータよりもすぐれていることは公知であるが、
直流モータに必要な整流子及びブラシには、ブラシが摩
耗し、高周波ノイズを発生し、モータの製造コストを大
幅に増大させるという欠点がある。回転子位置を感知す
る外部センサを利用して永久磁石モータをブラシのない
直流モータとして操作するために種々の回路が開発され
ている。１１ｉｊ記センサは固定子巻線に順次供電する
ための整流子として利用される。例えばホール効実装置
や光学エンコーダのようなセンサが整流を提供するのに
利用されて来た。固定子巻線に対する永久磁界の回転に
よって発生する誘導または逆起電力の波形を回転子位置
の指示に利用で軽ることも認識されている。逆起電力の
利用には補足の素子またはセンサを全く必要としないと
云う利点がある。多数の整流セグメントが含まれる場合
に最大トルク及び効率を得るために重要な問題となる整
列の問題がない。しかしこの公知方式の欠点として、逆
起電力信号が発生する前にモータを回転させねばならな
い。即ち、この公知方式はなんらかの起動機構を必要と
する。

逆起電力を利用する公知方式は応答特性が劣り、外部セ
ンサを利用する方式の確実性を欠く。この種の公知方式
の実例は米国特許第３．３０４．４８１号及び第３．６
１１．０８１号に開示されている。逆起電力に呼応して
電圧を発生させるため、固定子巻線と直列の抵抗を利用
する方式は１９７７年２月刊、プロダクツ・エンジニア
リングの第４７−４９頁ｌこ於けるｊ、Ｒ。

７ラス及びＢ、Ｃ，キューオの論文（階動モータ制御回
路に於いて波形感知がループを閉しる）に記載されてい
る。しかし、これらの公知回路は最大トルクを得られる
ように速度に基づくなんらかの回路調定が必要か、また
は一度に供電される固定子巻線は１つだけであるから完
全に満足すべきものではない。

木登甥は外部センサを併用せずに交流または階動モータ
を整流することのできる新規の回路に係わる。本発明は
モータ速度または供給電圧変動に影響されない整流信号
を発生させるのに、永久磁石回転子により固定子巻線中
に誘導される逆起電力を利用する。整流信号は正確な整
流点と同期するように回転子位置と正確に対応させる。

即ち、整流信号はモータ速度に関係なく最大トルクを得
るためにスイッチングが行われる角度位１ｎを正確に指
示する。整流信号は単一・チャンネルで形成されるから
信号の処理及び制御が簡単になる。モータ巻線の時定数
を小さくするため階動モータに使用される普通の直列抵
抗は不要である。１回転ごとの整流パルス数はモータ設
計によってのみ制限される。

本発明のモータ制御回路の上記及びその他の利点は直流
電源を挟んで、オーバラップする時間シーケンスでスイ
ッチされる４つの固定子巻線を具備する永久磁石式階動
モータの固定子巻線に発生する逆起電力に応動する回転
子位置センサを設けることによって達成される。センサ
は電源及び２つの固定子巻線と直列に接続する巻線と、
電源及び残る２つの固定子巻線と直列に接続する巻線と
の一対の巻線を有する変圧器を含む。両巻線の電圧を比
較し、両電圧が等しくなるごとに整流パルスを発生させ
る。経験に照らして、変圧器の両巻線の電圧が等しくな
った時に固定子巻線のスイッチングが行われると、いか
なる負荷条件下にあっても最大トルクが維持されること
が確認された。

整流パルスは処理回路を介して個々の固定子巻線の供給
電圧スイッチングｔこ利用される。処理回路は起動シー
ケンスを開始させる手段、モータ速度を制限する（同期
操作）手段及び有害な干渉を排除する手段を含む。

時計方向動作に於いても反時針方向動作に於いても整流
信号と固定子駆動電圧との間に適正な位相関係が成立す
るように整流信号の位相を制御する位相制御回路を組込
む。位相制御回路は動作の加速及び減速モードをも制御
する。

以下添付図面に従って本発明を詳述する。

第１図に於いて１０は永久磁石回転子１２と多相固定子
、好ましくは４相固定子１４，１６，１８及び２０とを
具備するＷ４動モータである。永久磁石回転子が好まし
いが、可変リラクタンス回転子を採用することも可能で
ある。本発明は同期または広角階動モータに応用できる
が、例えば米国特許第３．５１９．８５９号明細書に開
示されている挟角階動モータの操作に特に好適である。

例えば階動角度が１．８度、即ち、１回転に２００回の
整流を必要とする階動モータは特に本発明を応用するの
ｌ：好適である。

モータ１０は正入力端子２２及びアース端子２４開に接
続された（図示しない）適当な直流電源から駆動される
。固定子巻線はそれぞれ一連のトランン′スタ・スイッ
チ２６，２８．３０及び３２を介して電源と接続する。

これらのスイッチは一対の７リツプ・７０ツブ３６及び
３８により過当な駆動回路３４を介して一対ずつ操作さ
れる。即ち、スイッチ２６及び２８は定速動作の条件下
ではほぼ一定の周期で交互にスイ・ンチされるように７
リンプ・７０ツフ゛３８によりで制御される。同様に、
スイッチ３０及び３２も交互に、但しスイッチ２６及び
２８と９０°だけ位相がずれてスイッチされる。４つの
固定子巻線のスイッチング波形を第３Ａ図から第３Ｄ図
までに示した。

従来の駆動回路では電源の共通端子に接続するが、本発
明では第１巻線４２を固定子巻線１４及び１６及び電源
の一方の端子にそれぞれ直列接続した変圧器から成る回
転子位置感知回路４０を設ける。変圧器４０の第２巻線
４４は電源と巻線１８及び２０との間に直列接続する。

感知回路変圧器４０がらは第３巻線４６により、または
巻線４２及び４４と固定子巻線との間の共通接続点Ｅ及
びＦ間で出力信号が得られる。

スイッチ４７をセットすることにより７リツプ・７０ツ
ブ３６及び３８が外部タイマーからトリガされ、変圧器
４０の巻線４２及び４４間に相互接続関係がなければ、
共通接続点に於ける波形はそれぞれ第３Ｅ’図及び第３
Ｆ’図に示すような波形となる。即ち、接続点Ｅ及びＦ
ｌこ於ける電圧は９０’の位相ずれを呈し、逆起電力信
号を表わす。変圧器４０の巻線間に相互接続関係か成）
′１すると、接続点Ｅ及びＦに於ける電圧は電圧Ｅ゛及
びＦ゛の結果であり、はぼ第３Ｅ図及び第３Ｆ図に示す
波形を呈する。互いに１８０°の位相ずれを有するこれ
らの波形の振幅及び周波数は回転子の角速度を表わす。

固定子駆動信号に対するこれらの信号の位相は固定子に
対する回転子の角位置を表わす。例えばモータの負荷が
変化すると、Ｅ及びＦに於ける電圧の位相が固定子駆動
信号に対してシフトする。

経験に照らしてＥ及びＦに於ける電圧が等振幅の時に整
流が行われると最大トルクが得られる。

即ち、例えば高利得演算増幅器から成る比較回路５０に
接続点ト〕及びＦを接続することにより整流信号を得る
。演算増幅器５０の信号供給源として第３巻線４６を利
用することもできる。いずれの場合にも、比較回路５０
の出力波形は第３Ｅ図及び第３１・図の波形が等振幅の
時点、即ち、変圧器の正味流量がゼロを通過する時点に
交差点がほぼ対応する方形波である。第３に図の波形に
示す比較回路の方形波出力電圧の位相は、例えばモータ
負荷か変化する場合のように固定子駆動信号に対する回
転子の角位置が変化するとシフトする。

スイッチ４７を外部刻時パルス供給源から後述の内部刻
時パルス供給源へ切換えることにより７リツプ・７０ツ
ブ３６及び３８のスイッチングを制御するのに比較回路
５０の出力から得られる整流信号（第３Ｇ図）を利用す
る。整流信号は先ず位相制御回路５２に供給され、前記
制御回路は単極性時定信号を発生すると共にモータが反
転、即ち、減速モードで動作すると確実に整流が行われ
るようにする。位相制御回路は２つの入力制御ゲート５
４及び５６を含む４つの排他的オア・デートを有する簡
単な論理回路であり、前記入力制御デート５４及び５６
の出力は入力として第３ゲート５８に接続され、前記第
３デー１５８の出力は比較回路５０からの整流信号と共
に第４排他的オア・ゲート６０に接続される。

排他的オア・ゲート５４は７リツプ・７０ツブ３６及び
３８からの２つの信号を比較する。排他的オア・ゲート
５４の出力は４つのスイッチ２６，２８．３０及び３２
のそれぞれが閉じるごとに極性を反転する方形波であり
、モータノｊ向に応じて第３Ｈ図または第：（Ｈ゛図に
示す波形をＶする。この信号は排他的オア・ゲート５６
の出力に応してオア・デート５８により反転させられる
かまたは反転させられないかのいずれかであり、１１訂
記排他的オア・デート５６の出力はモータがスイッチ６
２によってセットされた通りに順方向に動作するか逆方
向に動作するか、回路がスイッチ６４によって七ッ卜さ
れた通りｔこ加速モードで動作するか減速モードで動作
するかを決定する。外部刻時パルス供給源から駆動が行
われるとして、順り向／減速モードまたは逆方向／加速
モードで動作する時排他的オア・デー）６０からの出力
信号は第３１図に示す通りである。順方向／減速モード
または逆方向／減速モードに於いて位相を反転させると
、駆動信号に対する比較回路５０の出力信号位相ずれが
現われ、第３１図に示すように排他的オア・ゲート６０
の出力に於ける方形波信号の正への転換点をずらす。こ
の結果、詳しくは後述するように、モータ駆動回路のシ
ーケンスを反転させることなく整流信号の反対極性を検
知＝１１− することができる。従って、回転子及び界磁駆動電圧が
モータ停止まで同一方向に“′回転する”間最大制動ト
ルクを維持するように、回転子を固定子巻線駆動電圧に
対して遅相させることができる。

整流式または非ブラシ式直流モータとして動作する時、
Ｅ、Ｆ及びＧに於ける波形は定速動作条件下で第４図の
ように変形される。スイッチ４７をリセットすれば、外
部刻時パルス供給源の代りに位相制御回路５２の出力を
利用して７リツプ・７０ツブ３６及び３８をトリガする
ことができる。整流信号から７リツプ・７０ツブ・トリ
ガ信号を発生させるための処理回路７２を設ける。処理
回路は始動シーケンス信号を発生し、無用の信号を消去
し、最大速度（同期モード）を制御し、整流信号から７
リツプ・７０ツブ用刻時信号を発生するなどいくつかの
機能を提供する。

モータが回転するまで逆起電力信号は存在しないから、
回転子の回転を始動させるには始動シーケンス・パルス
が必要である。１つの始動パルスで充分な場合もあるが
、少くとも２つのパルスから成るパルス列が好ましい。

ここに述べる始動回路は構成素子が極めて少なくてすむ
比較的簡単な回路である。もっと複雑なデジタル制御時
定カウント回路を使用することも可能である。

処理回路はモータが停止するとナンド・デート７６の一
方の入力・＼正レベルを供給する停止／始動スイッチ７
４を含む。モータ停止と同時にインバータ８０を介して
パルス発生器７８がバイアス・オフされる。スイッチ７
４は始動位置へ切換わるとパルス発生器７８を作動させ
る。ナンド・デート７６が前記発生器の出力パルスをナ
ンド・デート８２へ通すと、この出力パルスが第２パル
ス発生器８４を作動させる。コンデンサ８６を接地する
ことにより、ナンド・ゲート７６への入力に負パルスが
発生する。ナンド回路７６の出力に呼応して第２パルス
発生器８４はフリップ・フロップ３６または３８をトリ
がする初期出力パルスを発生する。７リツプ・７０ツブ
３６及び３８は順方向／逆方向スイッチ６２のセツティ
ング及びそれぞれの７リツプ・７０ツブ３６及び３８の
状態に応じて一対の排他的オア・デート９０及び９２に
より交互にトリガされる。

パルス発生器７８がスイッチ７４をセットすることによ
りオンになると、パルス発生器７８によってパルス列が
形成され、ナンド・ゲート７６及び回路８２を介してパ
ルス８４をトリがする。パルス発生器７８は抵抗９４及
びコンデンサ９６の時定数によって周波数制御される。

コンデンサ１００の放電に伴なってナンド・ゲート７６
への入力に於ける電圧が、ナンド・ゲートがパルス発生
器７８からのパルスを通過させる限界レベル以下に降下
する。パルスは直接整流パルス入力から一対のノア・ゲ
ート１０２及び１０４及びナンド回路８２へ送られてパ
ルス発生器８４を作動させる。発生器８４の出力パルス
のパルス幅は抵抗１１０及び１１２によって決定される
。即ち、固定子巻線の以後のシーケンスは変圧器４０か
らの整流パルスによって決定される。供給電圧−逆起電
力がモータの負荷損失と平衡するまでモータは加速し続
ける。始動時の処理回路の波形は第５図に示す通りであ
り、第６図に示す正常な駆動モードにある。

ノア・ゲート１０４はモータ巻線及び変圧器のインダク
タンスによって発生する整流パルス中の好ましくない過
渡を消去する。ノア・ゲー）１０４はノ（ルス発生器８
４の出力パルスのパルス幅十抵抗１０６及びコンデンサ
１０８の時定数が整流信号が一定の時間前にパルス発生
器８４をトリガするのを妨げるように、パルス発生器８
４の出力に接続された抵抗１０６及びコンデンサ１０８
を含むＲＣ回路に呼応して調定される。

抵抗１０６及びコンデンサ１０８の作用下に、発生器８
４によって発生するパルスが終ってから発生器８４が再
びトリガされるまでにこの発生器８４の時定回路を完全
にリセントするに充分な時間が経過する。

即ち、この時ｌｌが経過するまで整流信号が保持され、
整流信号の最大周波数を制限する。同期モードと呼ばれ
るこの動作モードは広範囲の入力電圧または負荷変動に
亘って整流信号の最大周波数を制限して速度を設定周波
数に同期させる。同期モーＶに於ける波形は第７図及び
第８図に示す通りである。第７図の波形から明らかなよ
うに、Ｉに於ける波形は第７１′図−二示すように、整
流信号がパルス発生器８４によって保持され、時間Ｔ２
が抵抗１０６及びコンデンサ１０８の時定数によって決
定されるように変形される。

第２図は二対の固定子巻線１及び１６．１８及び２０に
それぞれ接続された直列抵抗１２０−１２２及び１２４
−１２６のセンタータップに比較回路５０’への２つの
入力を接続した回路の他の実施例を示す。この回路構成
では出力電圧の振幅が比較的大きいことを除けば上記回
路構成と同様−二動作する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例の回路図であり、第２
図は整流信号の他の発生態様を示す図であり、第３−８
図は第１図に示す回路の動作を説明するための波形図で
ある。 １０・・・階動モータ　１２・・・永久磁石回転子　１
４〜２０・・・固定子巻線　３４・・・駆動回路　３８
．３８・・・７リツプ・フロップ　４０・・・変圧器　
４２，４４．４６・・・巻線　５０・・・比較回路　５
２・・・位相制御回路　７２・・・処理回路　７４・・
・停止／始動スイッチ　１８．８４・・・パルス発生器
Ｊ費・３ と Ｉ′ 今４ Ｌ充動作庁ベルーグ ぞ Ｊ９−一 手　　続　　補　　正　　書（方式） ％式％ １、事件の表示　　昭和６１年特許願第２４９８１０号
２、発明の名称　　ブラシレス直流モータの整流制御装
置３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住所　アメリカ合衆国、　　４３６１５　　オハイオ州
。 トレド、ドア　ストリート　４５００ 名称　ダナ　コーボレイション 代表者　スー　１イ、グリフイン ４、代理人 東京都新宿１メ下落合二丁目１４番１号を補充します。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）１つの永久磁石回転子及び４つの固定子巻線を具
   備し、直流電源を挟んで前記巻線を順次スイッチするこ
   とにより供電されるブラシレス直流モータの整流回路に
   おいて、 固定子巻線の２つ及び電源と直列接続される第１巻線と
   、固定子巻線の他の２つ及び電源と直列接続される第２
   巻線とを具備する変圧器と、これら両巻線の電圧を比較
   して両電圧が等しいときに出力パルスを発生するパルス
   発生部材と、前記電圧比較による出力パルスに呼応して
   固定子巻線をスイッチするスイッチング部材とから成る
   ことを特徴とする整流制御装置。
2. （２）回転子の回転方向を反転させるため固定子巻線の
   スイッチング・シーケンスを反転させる部材を含む特許
   請求の範囲第（１）項に記載の整流制御装置。
3. （３）前記電圧比較のための部材が変圧器の両巻線の電
   圧が略等しくなる時点と時間的に対応する零交差点をも
   つ略方形の波形をもった整流信号を発生し、方形波の位
   相に呼応して前記スイッチング部材の位相を制御するた
   めのパルスを発生する位相制御部材を含むことを特徴と
   する特許請求の範囲第（１）項に記載の整流制御装置。
4. （４）回転子が静止状態の時にスイッチング部材をトリ
   ガするための２つ以上の起動パルスを発生する起動部材
   を含むことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記
   載の整流制御装置。
5. （５）方形波信号の位相をシフトすると共に固定子巻線
   のスイッチング時間を変化させることによつて制動トル
   クを発生させる部材をも含むことを特徴とする特許請求
   の範囲第（１）項に記載の整流制御装置。
6. （６）スイッチング部材に関して位相をシフトすること
   によりモータのトルクを反転させて制動作用を発生させ
   るための前記比較部材の出力に接続した移相部材を含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（３）項に記載の整
   流制御装置。
7. （７）モータの最大回転速度を制御するため前記出力パ
   ルスの周波数を制限する時間遅延部材を含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項に記載の整流制御装置
   。
8. （８）前記移相部材が、モータが加速モードにあるか減
   速モードにあるかを指示する信号部材と、スイッチング
   部材及び信号部材の位相に呼応して比較部材の出力の一
   方の極性または他方の極性を検知する部材とを含み、モ
   ータの回転方向を変えずにスイッチング部材の位相をシ
   フトすることを特徴とする特許請求の範囲第（６）項に
   記載の整流制御装置。
9. （９）前記時間遅延部材が前記出力パルスの時間長を固
   定する部材と、次の出力パルスの開始を先行の出力パル
   スの終了後一定最少限の時間まで遅延する部材とを含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（７）項に記載の整
   流制御装置。