JPS63110989A - ブラシレスモ−タ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、微細位＃法め動作可能で高速回転をすること
のできるブラシレスモータに関するものである。

従来の技術 近年の半導体技術及びデジタル技術の発達により産業上
のあらゆる機器のデジタル化が進み、マイクロコンピュ
ータの採用が促進されている。これらの機器の駆動源と
してはデジタル的な位置決め動作が可能なモータが適し
ており、従来、ステッピングモータやサーボモータが使
用されていた。

以下図面を参照しながら従来のステッピングモータにつ
いて説明する。第１４図は従来のパーマネントマグネッ
ト（ＰＭ）型ステッピングモータの原理図を示すもので
、１４１は固定子、１４２は磁石よりなる回転子、１４
３はコイルである。

コイルを外部から順序よく励磁してやれば回転子はコイ
ル涌電の状態により位置をかえて歩進する。

７Ａ１５図は第１４図に示したステッピングモータのト
ルク分布を示すもので、位置保持特性をｔ）ち、かつ外
部信号に同期した回転数を得ることがわかる。しかし、
ステッピングモータは高スピードでは、コイルのもつ時
定数や鉄損の影響により電流の立ち上がりが連れるため
タイミング良くトルクが発生できず高速回転には向いて
いない。特に位置分解能をあげるため、磁極ピッチを細
かくした場合は１回転当たりのスイッチング周波数が上
がる為その影響が太き（出ていた。

またステッピングモータの一上記欠点をおぎなうため、
外部にエンコーダをつけ、モータのスピードに応じて通
電相の切替を時間的に早くして電流の立ち上がり遅れを
カバーする方法がとられる場合もあるが、この方法では
モータ外部にエンコーダをつけるため形状が大きくなり
、またエンコーダが高価であるという欠点があった。

さらにステッピングモータには、位置決め停止トの際、
第１ｆｉ［］に示すように停止Ｆ点を中心に振動的に＋
トまるという現鋤が一般的にあり、位置の確定に時間が
かかるという欠点がある。この振動を少なくし位置確定
の時間を短かくするためには、回転子に機械的な粘性抵
抗（メカダンピング）を与えてやる必要があり、この場
合には構造が複雑になるという欠点があった。

次に従来のサーボモータについて説明する。第１７図は
サーボモータの位置決め制御系を示すもので、１７１は
モータ、１７２はエンコーダ、】７３は偏差カウンタを
含む制御回路、１７４は駆動回路である。

以トのように構成された位置決めサーボ系では、デジタ
ル位置指令に従って高速運転でき、かつ位Ｗｅめ特性を
得ることができろ。また電気的なダンピングを加えるこ
とができて、停止Ｆも振動的ではない。しかし、エンコ
ーダが高価であることと、制御系の回路規模が大きくか
つ高価であるという欠点をもっている。

発明が解決しようとする問題点 上記のように、ステッピングモータは高速回転できず位
置確定までの時間が長いという欠点をもち、ステッピン
グモータにエンコーダをつけたものでは、形状が大きく
なりエンコーダが高価であるという欠点をもっている。

また、サーボモータはｍｉｉ御系とエンコーダが高価で
あるといろ欠点をもっていた。

本発明はと記問題点に鑑み、従来のステッピングモータ
と同程度の形状でかつ比較的簡単な回路構成で、位置決
め機能と、高速回転性を持ったブラシレスモータを提供
するものである。

問題点を解決するための手段 一上記問題点を解決するために本発明のブラシレスモー
クは、 （１）磁性体または磁石よりなる回転子と、（２）　　
回転子と空隙を介して対向する固定子コアと複数個のコ
イルを少なくとも備えた固定子と、（３）回転子を回転
自在に支える軸受装置と、（４）ｆ電子にとりつけられ
、回転子の位置の変化を検出しこれを電気信号に変換し
て、互いに位相の異なる略正弦波状の相励磁用位置信号
及び位置決め基準のみに用いる位置信号を出力する非接
触センサと、 （５）位置信号の変化を速度信号に変換する速度検出手
段と、 （６）５外部からの歩進指令信号を受けつけ、歩進指令
信号数により上記多相の２種類の位置信号を順字よく選
択する電子スイッチ手段と、 （７）選択された位置信号の変化量を出力する微分手段
と、 （８）速度信号と選択された位置信号と、位置信号の変
化量と、外部からの指令員との加算値と進相量として上
記相励磁用位置信号の位相を進ませる進相手段と、 （９）進相された相励磁用位置信号によって複数個のコ
イルを付勢する正弦波型駆動回路と、を備えたものであ
る。

作用 本発明は上記の構成によって、モータに内蔵された非接
触センサにより得られる相励磁用位置信号を、電子スイ
ッチ手段により選択された位置信号により進相させ、上
記進相された相励磁用位置信号によってコイルを付勢す
ることにより歩進機能と位置決め機能をもつブラシレス
モータを得ている。さらに、速度信号を進相指令量に加
算するこ、とにより、速度に応じて全体的に相励磁用位
置信号の進相量を増して電流の立ち一ヒがり遅れをカバ
ーし高速運転を行なうことができろ。また、進相指令用
位置信号の変化分をダンピング信号として進相量に加算
することにより停止ト時の撮動を抑制し７位置確定まで
の時間を短くしている。そして、外部からの信号を進相
量に加算することにより外部信号に応じた停止位置の移
動を行なうことができる。

実施例 以下、本発明の実施例のブラシレスモータについて図面
を参りしながら説明する。

第１図は本発明の第１の実施例のブラシレスモータの機
構部を示すものであり、（ａ）は主要部の断面図、（ｂ
）はＡ−Ａ細断面図である。

第１図において、ｌａ、ｌｂは円周上表面に磁極歯を備
えた回転子コア、２は回転子との対向面に磁極歯を備え
た固定子コア、３は１ａと１ｂの２つの回転コアに積層
された磁石、４は３相１２個のコイル、５は】２０°ず
つ位相のずれた３相の信号上、それらから３０°ずつ位
相のずれた３相信号の計６相の略正弦波状の位置信号を
出力する非接触センサである。

第２図は第１の実施例のブラシレスモータの電気回路部
のブロック図である。第２図において２０は前述のモー
タの機構部で、２１は回転子、２２ａ。

２２ｂ、２２ｃは３相のコイル、２３は磁気抵抗素子か
らなる非接触センサである。２４ａ、２４ｂ。

２４ｃ、２４ｒｌ、２４ｅ、２４ｆは一上記非接触セン
サの６相位置信号出力をそれぞれ増巾する位置信号増巾
器である。２５は進相指令量に応じて６相の位置信号の
内、コイル相励磁用の３相の位置信号の位相を進ませた
り遅らせたりする進相回路、２６は３相モータのコイル
に、進相された相励磁用位置信号に比例した電流を流す
：３相正弦波型駆動回路である。２７ａ、２７ｂ、２７
ｒ、、２７ｄ。

２７ｅ、２７ｆは６相の位置信号を反転する増巾器であ
る。２８は外部からの歩進指令信号を受けつけ、位置信
号と反転された位置信号の合計１２信号から１つを選択
して出力する電子スイッチ回路部ある。

２９は選択された進相指令用の位置信号の変化をとり出
し、増巾する微分器である。：１０は非接触センサから
の位置信号の変化を速度信号に変換する周波数−電圧変
換（ＦＶ変換）回路、３１は加算器であり、その出力が
進相器２５の進相指令信号上なる。

以ヒのように構成されたブラシレスモータについて、以
下動作を説明する。

本実施例のモータのように固定子、回転子磁極歯が発生
する力を利用するレラクタンスタイプのモータでは、そ
の磁極歯の形状を工夫することにより、固定子と回転子
間の空隙の磁束分布を正弦波に近づけることができる。

このよろにして各コイル相に一定電流を流した場合、コ
イルの各相、Ａ、Ｂ、Ｃによるトルクは第１３図に示す
よろに回転子方向電気角θに対し歯ピッチτ（１１：気
負２π）を周期とする正弦波として表せる。本実施例の
場合、３相モータなので各トルク分布は１２０°ずつ位
相がずれている。

磁気抵抗素子よりなる非接触センサは１チツプの中に６
相分のセンサエレメントが構成されており回転子の磁極
歯の位置を検出する。第４図（ａ）。

（ｂ）、（ｃ）にセンサ配置と出力を示す。第４ＩＩ　
（ａ　）において４１は回転子磁極歯、４２は非接触セ
ンサである。回転子がθ方向に移動すると、各センサエ
レメントの中心ａ、ｂ、ｃ、ｄ。

ｅ、ｆと回転子磁極歯の相対位置の変化により６相のセ
ンサ出力が得られる。センサ出力ｔ）磁気抵抗素子の取
付位置やバイアス磁石４３の強さを調整することにより
正弦波状の出力を得ることができる。６相のセンサ出力
は第４図（ｂ）、（ｃ）に示すように３０”ずつ位相の
ずれた２絹の二９相信号となるようにしている。

非接触センサの取りつけは、相励磁用位置信神のトルク
分布との位相関係が第５図（ｄ）、（ｅ）になるように
取りつける。第５図において５１は固定子１相の磁極歯
、５２は回転子磁極歯、５３は固定子磁極歯の相に対応
する励磁用】相のセンサである。第５図（ａ）のように
回転子と固定子の磁極歯が対向しているときトルクは発
生しない。

（ｂ）の位置関係のとき磁極歯間の吸引力によりθ方向
のトルクが働く。（Ｃ）のときは反θ方向へのトルクが
発生する。センサを（ａ）、（ｂ）。

（Ｃ，）に示すように、固定子磁極歯５１に対して配置
すると、各相のトルク分布とセンサ出力上の関係は、第
５図（ｄ）、（ｅ）に示すように９０°位相のずれた関
係になる。但し励磁用センサ信号は進相器２５により任
意の角度進相されるこ七になる。

本発明のように正弦波型駆動回路をもちいた場合、各相
のコイル電流は正弦波状の励磁用位置信号に従って変化
する。

各相のトルクは、θに対し正弦波状に分布しているので
、 Ａｔ’ｆｌ　　　Ｋｌ−ＩＡ−ｓｉｎθＢ相　　ＫｌＩ
Ｂ−ｓｉｎ（θ−−π）：３ Ｃ相　　Ｋｚｌｃ−ｓｉｎ（θ−−π）コ３ に１：定数　　ＴＡ、ｉＢ、ｌｃ：各相電流上表せる。

各相の電流は励磁用センサ信号に比例し、励磁用π センサ信号はトルク分布に対し一位相がずれているので
、 ＋Ａ＝に２−　ｓｉ　ｎ　（θ−−＋α）Ｋｌ定数　　
α：センサ信号の進相角度となって、全体のトルク分布
は ＝−Ｋ　Ｉ　Ｋ２　・ｓｉ　ｎ　ａ　−（１）となる。

辿常のブラシレスモーフは、α＝−の七きに相当し、Ｔ
＝−１−ＫＩＫ２となって連続的なトルクを発生する。

本発明のブラシレスモータでは、進相量αを位置信号に
応じて変化させて位置決め特性をもたせる。

第２図の進相回路２５は上記正弦波状の励磁用センサ信
号の位相を進相指令電圧に応じて進ませる回路で、セン
サ信号のベクトル加算による方法や、指示量により正弦
的な値の変化をする基準信号とセンサ信号との乗算によ
る方法で得られる。

相励磁用センサ信号は進相回路２５に導かれると同時に
他の３信号とともに進相指令用としても用いられる。

第２図に示すように６相のセンサ信号はそれぞれ反転さ
れ、計１２信号が電子スイッチ回路２８に入力される。

電子スイッチ回路２８は第６図に示すように１２進の可
逆カウンタ６１とカウンタ出力により１２をの信号から
１つを選択するデコーダ６２により構成される。この構
成により両方向の進相指令に対して１２にの信号を順序
よ（選択することができる。

また、Ｆ　Ｖ変換回路二９０はセンサ信号の変化から速
度に応じた電圧を発生させる回路で、微分器を中心とし
た回路で構成される。

さて、外部からのパルス指令の間隔が長く速度電圧がほ
とんど無視できる場合の本発明のブラシレスモータの動
作を説明する。

箪７図（ａ）に、進相用１２）ｒの信号の分布図を示す
。センサ信号はそれぞれ反転され、３０゜ずつ位相のず
れた正弦波信号がつくられている。

そわ、らは π ａ＝に３＋＋　ｓ　ｉ　ｎ　（θ−一）π　　５ ａ＝に３・ｓ　　ｉ　　ｎ　　（θ−−−π）と表され
第７図（ｂ）に示すようにａ、ｄ、ｃ。

王、ｂ、Ｆ！、ａ、Ｈ，ｃ、ｆ、Ｔ５．百の順で３０゜
ずつ位相がずれている。

いま電子スイッチ回路により進相信号としてａが選ばれ
ているとする。また進相器２５の進相指令電圧−進相角
度の係数をβとすれば、（１）式よりトルク分布は、 Ｔ（θ＞　＝−ＫＩ　Ｋ２　ｓ　ｉ　ｎ七なる。

このトルク分布は第８図に示すようにβに３の値により
形状をかえるが、θ＝−πの点で位置保持持性をもつこ
とを示している。またβ１＜３の値を変えることにより
、位置決め特性上重要な、位置決め点近傍のトルク分布
の傾斜（Ｔ−θ特性）を変えることができることも示し
ている。即ちａ常のステッピングモータでは、トルク分
布はＴ’　（θ＞　＝−ＫＩＫ２ｓｉ　ｎθとなるが、
このときの位置保持点近傍の傾斜は、第８図のβに３＝
１の場合にほぼ等しい。

しかし本発明のブラシレスモーフの場合、βに３＝−程
度にすることにより、位置保持照返傍のＴ−θ特性を約
２倍に上げることができ、外乱に対しての位置決め誤差
を小さくすることができる。

さて、進相信号ａの場合のトルク分布と同じよろにβに
３＝−とじた場合のそれぞれの進相信号が選ばれたとき
のトルク分布を第９図に示す。本図かられかるように、
磁極歯】ピッチ内に１２にの位置保持点をもつトルク分
布のつらなりが得られることがわかる。

電子スイッチ回路が外部クロックにより進相用センサ信
号をａ　：　ｄ　’；”　Ｑ　ｄ　Ｔ　、＝！　ｂ　ｄ
　Ｆ！　ｄ　ｆｌ　ｄ　Ｔｒ　＊　Ｃｄ　ｆ　ｄ　Ｋ　
ｄ　ｐの順番で可逆的に選ぶように定めておき、現在ａ
の信号が選ばれているとすれば、回転子はＴａで定まる
トルク分布に従い第９図■点で安定し位置を保持する。

次に正方向への進相指令が外部よりはいると電子スイッ
チ回路によりセンサ信号ｄが選ばれる。

これにより回転子には箪９ＭＴｃ１上の０点の正トルク
がはたらき■点まで移動して位置を保持する。

このようにして外部パルスの数に応じて回転子は歩進し
ていく。■点で安定しているときに負方向への歩進指令
が入ると進相用センサ信号ａが選ばれ回転子にはａ）点
の負トルクがはたらき回転子は逆方向に移動し０点で安
定し、外部パルスに応じた可逆的な動きをすることがわ
かる。

このときの位置決めステップは１ビ・ソチの１／１２と
なって、通常のステッピングモータと比べ小さい。

また位置保持点近傍のＴ−θ特性を第１０図の（ａ）の
ように線型化して考えると、センサ信号によるフィード
バック系（ｂ）を構成しているとみなすことができる。

（第１０図において、■は回転子イナーシャ、Ｓはラプ
ラス演算子、Ｋ４．ＫＳは定数である。）このような２
次系のサーボ系の場合、第１０Ｉｇ（ｃ）のように位置
の微分項に５Ｓをフィードバックループ内に入れると位
置決め時の整定性を変化させることかできる。

通常（ｂ）のように微分項がない場合、回転子は振動的
に止まるが、（Ｃ）のようにしてに５の値を遡当な鋳に
定めるとその振動を抑制することができ、整定までの時
間を短くすることができる。

またに５の値の調整は電気的に行うことができ、ステ・
ソピングモータの場合のように、機械的に行う必要はな
い。

さて、位置決め特性は（１）式のトルク分布によ１３定
まるが、この進相量αに第２図の位置微調入力端子３２
任意のバイアス電圧に６を与えた場合、センサ信号ａが
選ばれているとすると、進相量は π α＝β＊に３・５ｉｎ（θ−−）＋β−ＫＧとなって、 トルク分布は となり、（２）式の分布からβＫＧだけ位相がずれた分
布になる。従って、トルクθの安定点、即ち回転子の停
止ｋ−位置を位置微調入力の値により任意に連続的に変
えることができる。

次に外部の歩進指令の間隔が短くなり、それに従って回
転子のスピードが増してくると、ＦＶ変換Ｐ！３０の出
力電圧が大きくなりこの速度電圧が加算器ｚコ１により
、進相用位置電圧と加算され、相励磁用のセンサ信号は
、スピードの遅い場合より進相量が大きくなる。ＦＶ変
換出力のレベルを遡当に調整することにより、スイッチ
ング周波数の増加に伴うコイル電流の立ち上がり遅れを
励磁用位置信号の進相によりカバーして高速の運転を行
うことができる。

以上のように本実施例によれば、円周上に一定ピッチで
きざまれだ磁極歯を備えた磁性体よりなる回転子と、磁
極歯群を備えた固定子コア、磁石、多相のコイルよりな
る固定子と、回転子の磁極の凹凸を検出し略正弦波状の
位置信号を出力する非接触センサと、速度検出手段と、
電子スイッチ手段と、微分手段と、位置微調入力端子と
、進相手段と、正弦波型駆動回路を設けることにより、
微小ステップでの歩進機能と、整定性がよ（位置の微調
整が可能な位置決め機能をもち、高速で回転する小型か
つ廉価なブラシレスモータを得ることができろ。

なお以上の実施例において、モータの機構部分には従来
のブラシレスモータすべてを適用することができる。即
ち、第１１図に示すように固定子コア１１１に磁石１１
２と継鉄１１３とコイル１］４を装着し、回転子コア１
１５と固定子コア１１１に磁極歯を備え、非接触センサ
１１６は回転子の磁極歯の凹凸を検出するブラシレスモ
ータや、第１２図に示すように、回転子が多極−着磁さ
れた磁石１２１よりなり、固定子コア１２２と固定子コ
アに巻かれたコイル１２３と、回転子磁石の磁極を検出
する非接触センサ１２４を備えたブラシレスモータや、
第１３図のように回転子が円板面上に多極着磁された磁
石１３】よりなり、固定子は継鉄１３２とコイル１３４
からなり、回転子の磁極を検出する非接触センサ１３５
を備えたブラシレスモータとしてもよい。

また実施例では、位置決め用の信号を電気角で３０°お
きの１２ケの信号としているがこれも任意の角度おきの
ピッチで構成してよ（、より細かなステ・ツブ角度を得
てもよい。

尚実施例では３相コイルのブラシレスモータとしている
が他の２相以上のブラシレスモータとしても間様の効果
を得ることができる。

発明の効果 以上のように本発明は、磁性体または磁石よりなる回転
子と、固定子コアと複数個のコイルを少なくとも備えた
固定子と、軸受装置と、回転子の位置を検出し多相の略
正弦波状の信号を出力する非接触センサと、速度検出手
段と、外部パルスを受けつける電子スイッチ手段と、進
相手段と、微分回路と、正弦波型駆動回路を設けること
により、高分解能で整定性がよ（外部より位置微調がで
きる位置快め機能をもち、外部の歩進パルスに同期して
高速に回転する小型、廉価なブラシレスモータが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例におけるブラシレ
スモータの要部断面図、第１図（ｂ）は第１　ＵＡ　（
ａ）のＡ−Ａ線断面図、第２図は本発明の第１の実施例
における電気回路のブロック図、第３図は第１の実施例
の各相のトルク分布を示すセンサ配置とトルク及びセン
サ出力の分布を示す図、第６図は第１の実施例の電子ス
イッチ手段の構成図、第７図（ａ）は進相用位置信号の
波形を示す図、（ｂ）はそのベクトル図、第８図（ａ）
〜（ｄ”）及び第９図は第１の実施例のトルク分布を示
す図、第１０図（ａ）〜（Ｃ）はダンピング部分を説明
する図、第１１図（ａ）、（ｂ＞は本発明の他の実施例
のモータの主要機構部を示す斜視図および断面図、第１
２図（ａ）、（ｂ）はさらに他の実施例の縦断面図およ
び横断面図、第１３ｍ（ａ＞、（ｈ）はさらに別の実施
例の断面図およびＬ面図、第１４図は従来のステッピン
グモータの原理図、第１５図は￥％１４図のモータのト
ルク分布を示す図、第１６図はステッピングモータの整
定性を示す図、第１７図は従来のサーボモータの制御系
を示す図である。 １　ａ、　　１　ｂ　・・・・・・回転子コア、２，１
１１．１２２・・・・・・固定子コア、３．１１２・・
・・・・磁石、４，１１４゜１２３．１３４・・・・・
・コイル、５．２３，１１６゜１２４．１３５・・・・
・・非接触センサ、２０・・・・・・モータ部、２５・
・・・・・進相回路、２６・・・・・・正弦波型駆動回
路、２８・・・・・・電子スイッチ回路、２９・・・・
・・微分器、３０・・・・・・ＦＶ変換器、４１．Ｆ）
２・・・・・・回転子磁極歯、５１・・・・・・固定子
磁極歯。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名１ｂ 第２図 第３図 第４図 活 第５図 第６図 Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｊ第７図 （ａ） 第８図 第９図 第１０図 工 第１１図 （ａ） １１ら 第１Ｑ図 （ａ） ＋２１　　１２２ 第１３図 （ａ） ＋３２　　１３５ 第１４図 θ ′） １ム２　　　　　１４３ 第１５図 トｌレク 第１６図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁性体または磁石よりなる回転子と、該回転子と
   空隙を介して対向する固定子コアと複数個のコイルを少
   なくとも備えた固定子と、前記回転子を回転自在に支え
   る軸受装置と、前記固定子にとりつけられ、前記回転子
   の位置の変化を検出しこれを電気信号に変換し、互いに
   位相の異なる略正弦波状のコイルの相励磁用位置信号及
   び位置決めの基準のみに用いる位置信号を出力する非接
   触センサと、上記位置信号の変化を速度信号に変換する
   速度検出手段と、外部からの歩進指令信号を受けつけ、
   歩進指令信号数により上記多数の２種類の位置信号を順
   序よく選択する電子スイッチ手段と、該選択された位置
   信号の変化量を出力する微分手段と、上記速度信号と選
   択された位置信号と位置信号の変化機と外部からの指令
   量との加算値を進相量として、上記相励磁用位置信号の
   位相を進ませる進相手段と、上記進相された相励磁用位
   置信号によって前記複数個のコイルを付勢する正弦波型
   駆動回路を備えたブラシレスモータ。
2. （２）回転子は磁石と該磁石を両側から積層する磁性体
   と、該磁性体円周上にきざまれた磁極歯を備え、固定子
   は上記回転子対向面に磁極歯群を備えた固定子コアと、
   該固定子コアに巻かれた複数個のコイルからなり、非接
   触センサは前記回転子の磁極歯の凹凸を検出しこれを電
   気信号に変換する特許請求の範囲第１項記載のブラシレ
   スモータ。
3. （３）回転子は、円周上に一定のピッチできざまれた磁
   極歯を備えた磁性体よりなり、固定子は上記回転子との
   対向面に磁極歯群を備えた固定子コアと該固定子コアに
   装着された磁石と、上記固定子コアに巻かれた複数個の
   コイルからなり、非接触センサは前記回転子の磁極歯の
   凹凸を検出しこれを電気信号に変換する特許請求の範囲
   第１項記載のブラシレスモータ。
4. （４）回転子は、円周内面もしくは外面に多極着磁され
   た磁石よりなり、固定子は上記回転子円周の対向面に極
   をもつ固定子と複数のコイルから構成され、非接触セン
   サは前記回転子の磁極を検出し、これを電気信号に変換
   する特許請求の範囲第１項記載のブラシレスモータ。
5. （５）回転子は円板上に多極着磁された磁石よりなり、
   固定子は上記回転子円板の対向面に配置された複数のコ
   イルと、継鉄から構成され、非接触センサは前記回転子
   の磁極を検出しこれを電気信号に変換する特許請求の範
   囲第１項記載のブラシレスモータ。