JPS6240958B2

JPS6240958B2 -

Info

Publication number: JPS6240958B2
Application number: JP53104798A
Authority: JP
Inventors: Moorin Kingu Kenyon
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1977-08-29
Filing date: 1978-08-28
Publication date: 1987-08-31
Also published as: JPS5449514A; DE2837187A1; JPS62268387A; GB2004141A; DE2837187C2; GB2004141B; US4136308A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、電子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ツチングに利
用するブラシレス直流モータに関する。

［従来の技術とその問題点］整流入力によつて作動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又
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。しかし、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レ
ス直流モータとして動作させるために、種々の回
路が開発されている。このセンサは、固定子巻線
に順次給電するための整流に利用される。例え
ば、ホール効果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つて発生する
誘導又は逆起電力の波形を、回転子位置の指示に
利用できることも認識されている。逆起電力の利
用には、補足的な素子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
知方式には、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という欠点がある。即
ち、この種公知の方式に属する直流モータではな
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の方式による直流モー
タは応答特性が劣り、外部センサを利用する方式
のものは確実性を欠く。この種の公知方式に属す
る直流モータの実例としては、米国特許第
3304481号及び第3611081号に開示されたようなも
のがある。逆起電力に呼応して電圧を発生させる
ために、固定子巻線と直列の抵抗を利用する方式
は、1977年２月刊行の、プロダクツ・エンジニア
リングの第47−49頁におけるJ.R.FRUS及びB.C.
KUOの≪ステツプモータ制御回路における波形
感知閉ループ回路≫と題する論文に記載されてい
る。しかし、これらの公知回路は、最大トルクを
得られるようにするために速度に基づくなんらか
の回路調定が必要か、又は一度に給電される固定
子巻線が１つに制限されるから、完全に満足すべ
きものではない。

［発明の概要］本発明は、外部センサを併用せずに交流又はス
テツプモータを整流することのできる新規な回路
を提供しようとするものである。本発明は、モー
タの速度や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つて固定
子巻線中に誘導される逆起電力を利用するもので
ある。整流信号は、正確な整流点と同期するよう
に、固定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
めにスイツチングが行なわれる角度位置を正確に
指示するようにしてある。整流信号は単一チヤン
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くするためス
テツプモータ制御の為に通常使用される直列抵抗
は不要である。１回転ごとの整流パルス数は、モ
ータ設計によつてのみ制限される。

本発明のモータ制御回路の上記及びその他の利
点は、直流電源を挾んで、オーバラツプする時間
シーケンスでスイツチされる４つの固定子巻線を
具備する永久磁石式ステツプモータの固定子巻線
に発生する逆起電力に応答する回転子位置センサ
を設けることによつて達成される。センサは、電
源及び２つの固定子巻線に直列に接続する第１の
巻線と、電源及び残る２つの固定子巻線に直列に
接続する第２の巻線との一対の巻線を有する変圧
器を含み、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つた時
に固定子巻線のスイツチングが行なわれると、い
かなる負荷条件下にあつ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ツチン
グに利用される。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（同期動
作）手段及び有害な干渉を排除する手段を含む。

時計方向動作又は反時計方向動作の何れにおい
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。この位相制御回路
は、動作の加速及び減速モードをも制御する。

［実施例］以下添付図面に従つて本発明を詳述する。

第１図において、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，
１８，２０とを具備するステツプモータである。
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
期モータ又は広角度ステツプモータに応用できる
が、例えば米国特許第3519859号明細書に開示さ
れている狭角度ステツプモータの作動にもよく適
している。例えば角度が1.8度、即ち１回転に200
回の整流を必要とするステツプモータは、特に本
発明を応用するのに好適である。

モータ１０は、正入力端子２２及びアース端子
２４間に接続された適当な直流電源によつて駆動
される。固定子巻線１４，１６，１８，２０に
は、それぞれ一連のトランジスタ・スイツチ２
６，２８，３０及び３２をスイツチング手段とし
て接続し、これらを介して各固定子巻線は電源に
接続されている。これらのスイツチ２６，２８，
３０，３２は、一対のフリツプ・フロツプ３６及
び同３８により適当な駆動回路３４を介して一対
ずつ操作される。即ち、スイツチ２６及び同２８
は、低速動作の条件下ではほぼ一定の周期で交互
にスイツチされるようにフリツプ・フロツプ３８
によつて制御される。同様に、スイツチ３０及び
同３２も交互に、但しスイツチ２６及び同２８と
は90゜だけ位相がずれてスイツチされる。４つの
固定子巻線１４，１６，１８，２０のスイツチン
グ波形を第３図のＡからＤまでに示した。

従来の駆動回路では固定子巻線は電源の共通端
子に接続されているが、本発明では、変圧器４０
からなる回転子位置感知回路が設けられ、その第
１巻線４２を固定子巻線１４及び同１６並びに電
源の一方の端子にそれぞれ直列接続してある。変
圧器４０の第２巻線４４は、電源と巻線１８及び
同２０との間に直列接続してある。感知回路の変
圧器４０からは、第３巻線４６により、又は巻線
４２及び同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。

Ｄ型フリツプ・フロツプ３６及び同３８のクロ
ツク端子にはスイツチ４７からクロツク信号が供
給されるが、フリツプ・フロツプ３６のＱ出力は
排他的ノア・ゲート９２を介してフリツプ・フロ
ツプ３８のＤ端子に接続されて入力し、フリツ
プ・フロツプ３８のＱ出力は排他的ノア・ゲート
９０を介してフリツプ・フロツプ３６のＤ端子に
接続されて入力する。排他的ノア・ゲート９０，
９２の別の入力側には、後述する如く、モータ回
転方向を指示する切換スイツチ６２が接続されて
いる。排他的ノア・ゲート９０及び同９２は、ス
イツチ６２が順方向側に接続されるときには、フ
リツプ・フロツプ３６，３８のＱ出力に何らの影
響を与えず、スイツチ６２が逆方向側に接続する
ときには、これらがインバータとして作用する。

フリツプ・フロツプ３６，３８及び排他的ノ
ア・ゲート９０，９２のこのように接続により、
フリツプ・フロツプ３６と同３８は、クロツク・
パルスに応答して90゜位相のずれた信号を形成す
る。第３図のＡに示す波形は、フリツプ・フロツ
プ３８のＱ出力に対応し、同じくＢは同３８のＱ
出力に対応し、同様にＣは同３６のＱ出力に対応
し、またＤは同３６のＱ出力に対応する。

スイツチ４７をセツトすることによりフリツ
プ・フロツプ３６及び同３８が外部クロツクによ
りトリガされ、且つ、変圧器４０の巻線４２及び
４４間に相互結合関係がない場合を想定すると、
共通接続点Ｅ，Ｆにおける波形は、それぞれ第３
図のE′とF′に示すような波形となる。即ち、比
較感知回路の接続点Ｅ及び同Ｆにおける電圧は、
90゜の位相ずれを呈し、逆起電力信号を生ずる。
比較感知回路の変圧器４０の巻線間を相互に結合
した場合には、接続点Ｅ及びＦにおける電圧は前
記電圧波形E′及びF′の合成として、ほぼ第３図
のＥ，Ｆに示すような波形となる。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、接続点Ｅ及びＦにおける電圧の位
相が固定子駆動信号に対してシフトする。

経験に照らすと、接続点Ｅ及びＦにおける電圧
（第３図のＥとＦ）が等振幅の時に整流が行なわ
れると、最大トルクが得られる。即ち、接続点Ｅ
及びＦを例えば高利得演算増幅器から成る比較回
路５０に接続することにより整流信号を得る。比
較回路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（第３図のＧ）は、第３図の
Ｅ，Ｆ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と交差するほぼ対応
する方形波となる。比較回路５０の方形波出力電
圧（第３図のＧ）の位相は、例えばモータ負荷が
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。

モータ１０の回転を閉ループ制御する場合、ス
イツチ４７を外部クロツク・パルス供給源から後
述の内部クロツク・パルス供給源へ切換え、比較
回路５０の出力から得られる整流信号（第３図の
Ｇ）を利用してフリツプ・フロツプ３６及び同３
８のスイツチングを制御する。整流信号は先ず位
相制御回路５２に供給され、この制御回路５２
は、単極性タイミング信号を発生すると共に、モ
ータが反転又は減速モードで動作するときに確実
に整流が行なわれるようにする。位相制御回路５
２は、２つの入力制御ゲート５４及び同５６を含
む４つの排他的オア・ゲートを有する簡単な論理
回路であり、入力制御ゲート５４及び同５６の出
力は第３ゲート５８に入力され、この第３ゲート
５８の出力は、比較回路５０からの整流信号（第
３図のＧ）と共に第４の排他的オア・ゲート６０
に入力される。排他的オア・ゲート５４はフリツ
プ・フロツプ３６及び同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
つのスイツチ２６，２８，３０，３２の何れかが
閉じるごとに極性を反転する方形波であり、モー
タ回転方向に応じて第３図のＨ又はH′に示す波
形を呈する。即ち、ゲート５４の出力信号は、排
他的オア・ゲート５６の出力に応じて、排他的オ
ア・ゲート５８により反転させられるか又は排他
的オア・ゲート５８を通過するかのいずれかであ
り、排他的オア・ゲート５６の出力は、モータ１
０がスイツチ６２によつてセツトされた通りに順
方向に回転するか逆方向に回転するか、又は、回
路がスイツチ６４によつてセツトされた通りに加
速モードで動作するか減速モードで動作するかに
依存する。外部クロツク・パルス供給源から駆動
が行なわれるとして、順方向／減速モード又は逆
方向／加速モードで動作するとき、排他的オア・
ゲート６０からの出力信号は、第３図のに示す
如くなる。順方向／減速モード又は逆方向／減速
モードにおいて位相が逆転されると、駆動信号に
対する比較回路５０の出力信号の位相シフトが、
第３図のに示すように排他的オア・ゲート６０
の出力における方形波信号の立ち上がりエツジを
シフトさせる。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することができ
る。従つて、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。

整流式又はブラシレス直流モータとして動作す
るとき、接続点Ｅ，Ｆ及び比較回路５０出力点Ｇ
における波形は、定速動作条件下で第４図のよう
に変形される。スイツチ４７をリセツトすれば、
外部クロツク・パルス供給源の代わりに位相制御
回路５２の出力を利用してフリツプ・フロツプ３
６及び同３８をトリガすることができる。整流信
号（第４図上のＧ）からフリツプ・フロツプ・ト
リガ信号を発生させるための処理回路７２を比較
回路５０に接続して設けてある。処理回路７２
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
信号からフリツプ・フロツプ用クロツク信号を発
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、少なくとも２つのパルス
から成るパルス例が好ましい。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
な回路として示した。もつ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。

第５図の特性表示Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｏ、Ｎ、Ｊは、
第１図の処理回路７２上に記入した各点K.L.M.
O.N.Jにおける各出力波形を示すものである。処
理回路７２は、モータが停止するとナンド・ゲー
ト７６の一方の入力へ正レベルの信号を供給する
ために起動指示信号部材としての停止／始動スイ
ツチ７４を含む。モータの停止と同時に、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。スイツチ７４は、始動位置へ切換わ
ると起動パルス発生手段としてのパルス発生器７
８を起動する。ナンド・ゲート７６がパルス発生
器７８の出力パルス（第５図のＯ）は、ナンド・
ゲート７６及びナンド・ゲート８２を通り、第２
パルス発生器８４を起動する。コンデンサ８６を
アース接続することにより、ナンド・ゲート７６
への入力に負パルスが発生する。ナンド・ゲート
７６の出力（第５図のＮ）に呼応して第２パルス
発生器８４はフリツプ・フロツプ３６又は同３８
をトリガする初期出力パルス（第５図のＪ）を発
生する。フリツプ・フロツプ３６及び同３８は、
順方向／逆方向スイツチ６２のセツテイング及び
それぞれのフリツプ・フロツプ３６及び３８の状
態に応じて、一対の排他的ノア・ゲート９０及び
同９２により交互にトリガされる。

スイツチ７４をセツトすることによりパルス発
生器７８がオンになると、パルス発生器７８によ
つてパルス列（第５図のＯ）が形成され、ナン
ド・ゲート７６及びナンド・ゲート８２を介して
クロツクパルス発生手段としてのパルス発生器８
４をトリガする。パルス発生器７８は、抵抗９４
及びコンデンサ９６の時定数によつて周波数制御
がなされる。コンデンサ１００の放電に伴つてナ
ンド・ゲート７６への入力における電圧が、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。その結果、
ナンド・ゲート７６の出力は、第５図のＮに示す
ように、ハイレベル出力のままとなる。その後
は、パルス発生器８４をパルス作動させるため
に、整流信号パルス（第６図の参照）がノア・
ゲート１０２及び同１０４並びにナンド・ゲート
８２へ送られる。パルス発生器８４の出力パルス
（第６図のＪ参照）のパルス幅は、抵抗１１０及
びコンデンサ１１２によつて決定される。即ち、
固定子巻線の以後のシーケンスは変圧器４０から
の整流パルスによつて決定される。供給電圧と逆
起電力の差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図に示す通りである。これによりモータは第
６図に示す正常な駆動モードにある。

ノア・ゲート１０４は、前記各モータ巻線及び
変圧器のインダクタンスによつて発生する整流信
号パルス中の好ましくない過渡信号を消去する。
パルス発生器８４の出力側に接続された抵抗１０
６及びコンデンサ１０８を含むRC回路に呼応す
るノア・ゲート１０４は、パルス発生器８４の出
力パルスのパルス幅と抵抗１０６及びコンデンサ
１０８の時定数が一定の時間前に整流信号がパル
ス発生器８４をトリガするのを防ぐように調節さ
れている。

第７図は、同期状態の直前及び同期状態におけ
る整流信号パルスとパルス発生器８４の出力Ｊ
を示してある。この第７図から解るように、抵抗
１０６及びコンデンサ１０８の作用下に、パルス
発生器８４によつて発生するパルスが終わつてか
らパルス発生器８４が再びトリガされるまでに、
このパルス発生器８４の時定回路を完全にリセツ
トするに充分な時間が経過する。即ち、この時間
が経過するまで整流信号がホールドされ、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、広範囲の入力電圧又は負荷
変動に亘つ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。モータが同期状態
に至る時間と速度の関係を第８図に示した。第７
図の波形から明らかなように、接続点における
波形は第７図のに示すように、整流信号がパル
ス発生器８４によつてホールドされ、また時間
T₂が抵抗１０６及びコンデンサ１０８の時定数
によつ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１４と１６及び同１
８と２０にそれぞれ接続された直列抵抗１２０，
１２２及び１２４，１２６の各センタータツプに
比較回路５０′への２つの入力を接続した比較感
知回路の他の実施例を示す。この回路構成は、出
力電圧の振幅が比較的大きいことを除けば、上記
回路構成と同様に動作する。

［発明の効果］以上の説明から容易に理解できるように、本発
明によれば、外部センサを用いること無しに電子
的な整流を達成できる。また、回転子位置に精確
に対応している整流信号が得られるので、モータ
を適切に制御でき、而もこれを実現する回路構成
も極めて簡単なものとなるので、この種ブラシレ
スモータを生産する上での利得も多大なものがあ
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図は整流信号を形成する別の回路形態を
示す図であり、第３図乃至第７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り、第８
図は、モータが加速して同期状態に至る速度と時
間の関係を示す。１０……ステツプモータ、１２……回転子、１
４，１６，１８，２０……固定子巻線、３４……
駆動回路、３６，３８……フリツプ・フロツプ、
４０……変圧器、４２，４４，４６……巻線、５
０……比較回路、５２……位相制御回路、７２…
…処理回路、７４……停止／始動スイツチ、７
８，８４……パルス発生器。

Claims

【特許請求の範囲】１回転子１２及び第１乃至第４の固定子巻線１
４，１６，１８，２０を具備し、前記固定子巻線
の一方の巻線端に接続された複数のスイツチング
手段２６，２８，３０，３２を逐次開閉すること
により前記回転子に回転トルクを生じさせるブラ
シレス直流モータにおいて、前記第１及び第２の
固定子巻線に含まれる巻線端のうち前記スイツチ
ング手段が接続されていない巻線端を互に接続し
て共通接続点を形成する接続手段Ｅと、前記共通
接続点と電源側端子との間に挿入した第１巻線４
２と、前記第３及び第４の固定子巻線に含まれる
巻線端のうち前記スイツチング手段が接続されて
いない巻線端を互に接続して共通接続点を形成す
る接続手段Ｆと、前記共通接続点Ｆと電源側端子
との間に挿入した第２巻線４４と、前記第１巻線
と前記第２巻線との磁気結合関係を規制する相互
結合手段４０と、前記第１巻線及び前記第２巻線
の各巻線間電圧が略等しくなつたとき一致パルス
を出力する比較感知手段５０と、起動指示信号部
材７４に応答して起動パルスを送出する起動パル
ス発生手段７８と、前記起動パルス及び前記一致
パルスのいずれか一方を選択的に導入し、所定周
期のクロツクパルスを送出するクロツクパルス発
生手段８２，８４と、前記クロツクパルスに応答
して、前記スイツチング手段の開閉を制御する信
号を送出する回転制御手段３４，３６，３８とを
備えたことを特徴とするブラシレス直流モータ。２前記両巻線４２及び４４の電圧を比較する比
較感知手段が、変圧器の両巻線の電圧がほぼ等し
くなる時点と時間的に対応する零交叉点を持つほ
ぼ方形の整流信号を出力する特許請求の範囲第１
項に記載のブラシレス直流モータ。３前記回転子が永久磁石である特許請求の範囲
第１項または第２項の何れか１項に記載のブラシ
レス直流モータ。４前記回転子が可変リラクタンス回転子である
特許請求の範囲第１項または第２項の何れか１項
に記載のブラシレス直流モータ。５回転子１２及び第１乃至第４の固定子巻線１
４，１６，１８，２０を具備し、前記固定子巻線
の一方の巻線端に接続された複数のスイツチング
手段２６，２８，３０，３２を逐次開閉すること
により前記回転子に回転トルクを生じさせるブラ
シレスモータにおいて、前記第１及び第２の固定
子巻線に含まれる巻線端のうち前記スイツチング
手段が接続されていない巻線端を互に接続して共
通接続点を形成する接続手段Ｅと、前記共通接続
点と電源側端子との間に挿入した第１巻線４２
と、前記第３及び第４の固定子巻線に含まれる巻
線端のうち前記スイツチング手段が接続されてい
ない巻線端を互に接続して共通接続点を形成する
接続手段Ｆと、前記共通接続点Ｆと電源側端子と
の間に挿入した第２巻線４４と、前記第１巻線と
前記第２巻線との磁気結合関係を規制する相互結
合手段４０と、前記第１巻線及び前記第２巻線の
各巻線間電圧が略等しくなつたとき一致パルスを
出力する比較感知手段５０と、加速または原則制
御時に前記一致パルスを導入して該パルスの位相
を変化させる位相制御手段５６，５８，６０と、
起動指示信号部材７４に応答して起動パルスを送
出する起動パルス発生手段７８と、前記起動パル
ス及び前記位相制御手段からの一致パルスのいず
れか一方を選択的に導入し、所定周期のクロツク
パルスを送出するクロツクパルス発生手段８２，
８４と、前記クロツクパルスに応答して、前記ス
イツチング手段の開閉を制御する信号を送出する
回転制御手段３４，３６，３８とを備えたことを
特徴とするブラシレス直流モータ。６前記両巻線４２及び４４の電圧を比較する比
較感知手段が、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叉点を持つ略方
形の整流信号を出力する特許請求の範囲第５項に
記載のブラシレス直流モータ。７前記回転子が永久磁石である特許請求の範囲
第５項または第６項の何れか１項に記載のブラシ
レス直流モータ。８前記回転子が可変リラクタンス回転子である
特許請求の範囲第５項または第６項の何れか１項
に記載のブラシレス直流モータ。に記載のブラシ
レス直流モータ。