JP4121277B2 - ブラシレスｄｃモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の相巻線が装着されるステータおよび永久磁石が装着されるロータなどを備えたブラシレスＤＣモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の相巻線を有するステータ、永久磁石を有するロータ、このロータの回転位置を検知する検知器、複数のスイッチング素子のオン，オフにより各相巻線に対する通電を順次に行うスイッチング回路、およびこのスイッチング回路を駆動制御する駆動制御回路などを樹脂で覆って一体構成したブラシレスＤＣモータがある。
【０００３】
上記駆動制御回路は、上記検知器の検知に基づく所定の位相角で各相巻線に対する所定期間幅の駆動信号を順次に生成する駆動信号生成部、この駆動信号生成部で生成される各駆動信号の所定期間幅において上記各スイッチング素子をオン，オフ駆動する駆動部などを備え、外部からの指令回転数（指令速度）に応じて駆動部のオン，オフ駆動のデューティを制御する。このデューティ制御により、ロータの回転数が指令回転数に設定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
相巻線に対する駆動信号の位相角（相巻線の通電タイミング）は、常に固定となっている。
このため、当該ブラシレスＤＣモータにかかる負荷が変動したり、回転数制御のためのデューティ制御値が大きく変化した場合に、運転効率が悪化したり、騒音が大きくなるなどの不具合を生じることがある。
【０００５】
この発明は、上記の事情を考慮したもので、その目的とするところは、負荷の変動やデューティ制御に影響を受けることなく、常に良好な効率でしかも低騒音の運転が可能な信頼性にすぐれたブラシレスＤＣモータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のブラシレスＤＣモータは、複数の相巻線を有するステータと、永久磁石を有するロータと、このロータの回転位置を検知する検知手段と、複数のスイッチング素子のオン，オフにより各相巻線に対する通電を行うスイッチング回路と、上記検知手段の検知に基づく所定の位相角で各相巻線に対する所定期間幅の駆動信号を順次に生成する生成手段と、この生成手段で生成される各駆動信号の所定期間幅において各スイッチング素子をオン，オフ駆動する駆動手段と、外部からの指令回転数に応じて上記駆動手段のオン，オフ駆動のデューティを制御する第１制御手段と、スイッチング回路に対する動作用電圧の供給路に設けられた電流制限用の抵抗器と、この抵抗器に生じる電圧および上記指令回転数に応じて上記生成手段で生成される各駆動信号の位相角を制御する第２制御手段と、を備えている。とくに、上記第２制御手段は、上記抵抗器に生じる電圧を積分する積分回路と、この積分回路の出力電圧を前記各相巻線の巻線または線形に対応する固有の定数に基づいてレベル変換するレベル変換部と、上記指令回転数の許容最大値を現時点の指令回転数で除算して補正値とする補正値算出部と、上記レベル変換部の出力電圧レベルと上記補正値とを乗算しその乗算結果に応じて上記各駆動信号の位相角を設定する位相角制御部とを備えている。
【０００７】
請求項２に係る発明のブラシレスＤＣモータは、複数の相巻線を有するステータと、永久磁石を有するロータと、このロータの回転位置を検知する検知手段と、複数のスイッチング素子のオン，オフにより各相巻線に対する通電を順次に行うスイッチング回路と、このスイッチング回路を駆動制御する駆動制御回路と、スイッチング回路に対する動作用電圧の供給路に設けられた電流制限用の抵抗器とを一体構成したものであって、上記駆動制御回路は、上記検知手段の検知に基づく所定の位相角で各相巻線に対する所定期間幅の駆動信号を順次に生成する生成手段と、この生成手段で生成される各駆動信号の所定期間幅において各スイッチング素子をオン，オフ駆動する駆動手段と、外部からの指令回転数に応じて上記駆手段のオン，オフ駆動のデューティを制御する第１制御手段と、上記抵抗器に生じる電圧および上記指令回転数に応じて上記生成手段で生成される各駆動信号の位相角を制御する第２制御手段と、を備えている。とくに、上記第２制御手段は、上記抵抗器に生じる電圧を積分する積分回路と、この積分回路の出力電圧を前記各相巻線の巻線または線形に対応する固有の定数に基づいてレベル変換するレベル変換部と、このレベル変換部の出力電圧レベルを上記第１制御手段のデューティ制御値で除算しその除算結果に応じて上記各駆動信号の位相角を設定する位相角制御部とを備えている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
［１］以下、この発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。 図１に示すように、ブラシレスＤＣモータ１は、星形結線の相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有するステータ２、永久磁石を有するロータ３、このロータ３の回転位置を磁気的に検知する検知器たとえばホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３、複数のスイッチング素子のオン，オフにより相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに対する通電を順次に行うスイッチング回路４、このスイッチング回路４を駆動制御する駆動制御回路１０、電流制限用の抵抗器５などを樹脂で覆って一体構成している。
【０００９】
スイッチング回路４は、上流側スイッチング素子と下流側スイッチング素子の直列回路を三相分設けたもので、Ｕ相用の上流側スイッチング素子および下流側スイッチング素子としてトランジスタＴｕ＋とトランジスタＴｕ−、Ｖ相用の上流側スイッチング素子および下流側スイッチング素子としてトランジスタＴｖ＋とトランジスタＴｖ−、Ｗ相用の上流側スイッチング素子および下流側スイッチング素子としてトランジスタＴｗ＋とトランジスタＴｗ−を備え、これらトランジスタにそれぞれダンパダイオードＤを並列接続している。
【００１０】
このスイッチング回路４に外部から動作用電圧（直流電圧）Ｖｍが印加されるようになっている。そして、この動作用電圧Ｖｍの供給路に、上記電流制限用の抵抗器５が挿接されている。抵抗器５は、過負荷時にスイッチング回路４に過大電流が流れるのを防ぐ働きをする。
【００１１】
スイッチング回路４におけるトランジスタＴｕ＋，トランジスタＴｕ−の相互接続点に、相巻線Ｌｕの非結線端が接続されている。トランジスタＴｖ＋，トランジスタＴｖ−の相互接続点に、相巻線Ｌｖの非結線端が接続されている。トランジスタＴｗ＋，トランジスタＴｗ−の相互接続点に、相巻線Ｌｗの非結線端が接続されている。
【００１２】
上記駆動制御回路１０には、外部から動作用電圧（直流５Ｖ電圧）Ｖccが印加されるとともに、ロータ３の回転数を電圧レベルで指令する回転数指令信号（速度指令信号ともいう）Ｖｓｐおよび上記ホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の出力信号（回転位置検知信号）が入力される。回転数指令信号Ｖｓｐは、当該ブラシレスＤＣモータ１が搭載される機器の制御部などから入力される。
【００１３】
この駆動制御回路１０はＩＣロジック化されており、その要部を図２に示す。
図２において、１１は駆動信号生成部で、ホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の検知に基づく所定の位相角で相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに対する所定期間幅（高レベル期間）の駆動信号を順次に生成する。これら駆動信号が駆動部１２に供給される。
【００１４】
駆動部１２は、各駆動信号の高レベル期間において、後述のパルス幅変調部１３から供給されるパルス信号に応じてスイッチング回路４の各スイッチング素子をオン，オフ駆動する。
【００１５】
１３はパルス幅変調部（ＰＭＷ）で、ここに上記回転数指令信号Ｖｓｐが入力される。パルス幅変調部１３は、回転数指令信号Ｖｓｐの電圧を基準電圧とし、その基準電圧で三角波信号の電圧をチョッピングすることにより、基準電圧のレベルに応じてオン期間の幅（オン，オフデューティＤｕ％）が変化するパルス信号を出力する。このパルス信号が上記駆動部１２に供給される。
【００１６】
このパルス幅変調部１３により、指令回転数に応じて駆動部１２のオン，オフ駆動のデューティＤｕを制御する第１制御手段が構成されている。
【００１７】
１４は積分回路で、抵抗器５に生じる電圧Ｖ０を積分する。この積分回路１４の出力電圧Ｖ１がレベル変換部１５に供給される。レベル変換部１５は、積分回路１４の出力電圧Ｖ１を相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの例えば巻数や線径などに対応する固有の定数に基づいてレベル変換する。具体的には、出力電圧Ｖ１のレベルに定数を乗算し、その乗算結果（＝Ｖ１×定数）に相当するレベルの電圧Ｖ２を出力する。この出力電圧Ｖ２が位相角制御部１６に供給される。
【００１８】
１７は補正値算出部で、指令回転数の許容最大値（Ｖspmax）を現時点の指令回転数（Ｖsp）で除算することにより、上記駆動信号生成部１１で生成される各駆動信号の位相角に対する補正値Ｘ（＝Ｖspmax／Ｖsp）を求める。この補正値Ｘが上記位相角制御部１６に供給される。
【００１９】
位相角制御部１６は、レベル変換部１５の出力電圧Ｖ２のレベルと補正値Ｘとを乗算し、その乗算結果（＝Ｖ２×Ｘ）に応じた大きさに、駆動信号生成部１１で生成される各駆動信号の位相角を設定する。
【００２０】
これら積分回路１４、レベル変換部１５、位相角制御部１６、および補正値算出部１７により、抵抗器５に生じる電圧Ｖ０および指令回転数Ｖspに応じて各駆動信号の位相角を制御する第２制御手段が構成されている。
【００２１】
つぎに、上記の構成の作用を説明する。
スイッチング回路４および駆動制御回路１０にそれぞれ動作用電圧Ｖｍ，Ｖccが印加されると、スイッチング回路４の各トランジスタがオン，オフ駆動され、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに順次に電流が流れる。この通電により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗから磁界が発生し、その磁界とロータ３の永久磁石との相互作用により、ロータ３が回転する。
【００２２】
このとき、ロータ３の回転位置がホール素子Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３で検知され、その検知に基づく所定の位相角で相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに対する各駆動信号が順次に生成される。これら駆動信号のそれぞれ高レベル期間において、各トランジスタがオン，オフ駆動される。そして、このオン，オフ駆動のデューティＤｕが回転数指令信号Ｖｓｐに応じて制御される。これにより、ロータ３の回転数が回転数指令信号Ｖｓｐに応じた指令回転数に設定される。
【００２３】
一方、スイッチング回路４の動作に伴い、抵抗器５に電流Ｉｍが流れる。この電流Ｉｍは、当該ブラシレスＤＣモータ１にかかる負荷の大きさ、およびロータ３の回転数に応じて、変化する。
【００２４】
この電流Ｉｍの変化は駆動制御回路１０で検出されており、その検出結果に応じて、かつデューティ制御値Ｄｕの決定要素である指令回転数に応じて、上記各駆動信号の位相角つまり相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの通電タイミングが制御される。
【００２５】
このように、負荷の変動を抵抗器５に生じる電圧Ｖ０から検出し、かつデューティ制御値Ｄｕの決定要素である指令回転数を監視し、これら検出結果および監視結果に応じて各駆動信号の位相角を可変設定（最適値に設定）することにより、負荷の変動やデューティ制御に影響を受けることなく、常に良好な効率でしかも低騒音の運転が可能となる。
【００２６】
しかも、これら制御機能を当該ブラシレスＤＣモータ１内にＩＣロジック化して組み込む構成であるから、外部に制御回路を付加する必要がなく、よって構成の複雑化を回避できて、多様な機器への搭載が可能な汎用性にすぐれたものとなる。
【００２７】
一般に、ブラシレスＤＣモータの電流検出抵抗（抵抗器５）はその多くがモータ駆動電源ラインに１個付いており、その抵抗に流れる電流には、ＰＷＭ制御の場合、スイッチングオフ時の回生電流が流れない構造になっている。その為、電流検出抵抗で検出した電圧を積分して位相調整信号として使用する場合には、ＰＷＭ制御のデューティ制御値Ｄｕが大きく変化した際に、位相調整信号が“巻線電流×Ｄｕ”の電圧情報となってしまうという不具合を生じる。この不具合に対処するためには、デューティ制御値Ｄｕの変化に応じて、位相調整用の信号を調整する必要がある。
【００２８】
本発明は、ＰＷＭ制御のデューティ制御値Ｄｕが大きく変化した場合でも、完全に、最適な位相角調整信号を作成することを目的に、デューティ制御値Ｄｕの決定要素である回転数指令信号Ｖｓｐ（指令回転数）を監視し、電流検出抵抗の電圧から作成される位相調整信号に対し、上記監視結果に応じた補正を加える構成を採用している。
【００２９】
［２］第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態では、図３に示すように、駆動制御回路１０から補正値算出部１７が除去されるとともに、回転数指令信号Ｖｓｐが位相角制御部１６に供給される。
【００３０】
位相角制御部１６は、パルス幅変調部１３で決定されるデューティ制御値Ｄｕを回転数指令信号Ｖｓｐから把握し、レベル変換部１５の出力電圧Ｖ２のレベルをその把握したデューティ制御値Ｄｕで除算し、その除算結果（＝Ｖ２／Ｄｕ）に応じた大きさに、駆動信号生成部１１で生成される各駆動信号の位相角を設定する。
他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００３１】
このように、負荷の変動を抵抗器５に生じる電圧Ｖ０から検出し、かつデューティ制御値Ｄｕを回転数指令信号Ｖｓｐから把握し、これら検出結果および把握結果に応じて各駆動信号の位相角を可変設定（最適値に設定）することにより、負荷の変動やデューティ制御に影響を受けることなく、常に良好な効率でしかも低騒音の運転が可能となる。
【００３２】
しかも、これら制御機能を当該ブラシレスＤＣモータ１内にＩＣロジック化して組み込む構成であるから、外部に制御回路を付加する必要がなく、よって構成の複雑化を回避できて、多様な機器への搭載が可能な汎用性にすぐれたものとなる。
なお、この発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、負荷の変動やデューティ制御に影響を受けることなく、常に良好な効率でしかも低騒音の運転が可能な信頼性にすぐれたブラシレスＤＣモータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各実施形態の構成を示す図。
【図２】第１の実施形態おける駆動制御回路の要部の構成を示すブロック図。
【図３】第２の実施形態おける駆動制御回路の要部の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…ブラシレスＤＣモータ、２…ステータ、Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ…相巻線、３…ロータ、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…ホール素子（検知手段）、４…スイッチング回路、５…電流制限用の抵抗器、１０…駆動制御回路、１１…駆動信号生成部、１２…駆動部、１３…パルス幅変調部、１４…積分回路、１５…レベル変換部、１６…位相角制御部、１７…補正値算出部

Claims (2)

1. 複数の相巻線を有するステータと、
   永久磁石を有するロータと、
   前記ロータの回転位置を検知する検知手段と、
   複数のスイッチング素子のオン，オフにより前記各相巻線に対する通電を行うスイッチング回路と、
   前記検知手段の検知に基づく所定の位相角で、前記各相巻線に対する所定期間幅の駆動信号を順次に生成する生成手段と、
   前記生成手段で生成される各駆動信号の所定期間幅において前記各スイッチング素子をオン，オフ駆動する駆動手段と、
   外部からの指令回転数に応じて、前記駆動手段のオン，オフ駆動のデューティを制御する第１制御手段と、
   前記スイッチング回路に対する動作用電圧の供給路に設けられた電流制限用の抵抗器と、
   前記抵抗器に生じる電圧および前記指令回転数に応じて、前記生成手段で生成される各駆動信号の位相角を制御する第２制御手段と、
   を具備し、
   前記第２制御手段は、前記抵抗器に生じる電圧を積分する積分回路と、この積分回路の出力電圧を前記各相巻線の巻線または線形に対応する固有の定数に基づいてレベル変換するレベル変換部と、前記指令回転数の許容最大値を現時点の指令回転数で除算して補正値とする補正値算出部と、前記レベル変換部の出力電圧レベルと前記補正値とを乗算しその乗算結果に応じて前記各駆動信号の位相角を設定する位相角制御部とを備えている、
   ことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
2. 複数の相巻線を有するステータと、
   永久磁石を有するロータと、
   前記ロータの回転位置を検知する検知手段と、
   複数のスイッチング素子のオン，オフにより前記各相巻線に対する通電を行うスイッチング回路と、
   前記検知手段の検知に基づく所定の位相角で、前記各相巻線に対する所定期間幅の駆動信号を順次に生成する生成手段と、
   前記生成手段で生成される各駆動信号の所定期間幅において前記各スイッチング素子をオン，オフ駆動する駆動手段と、
   外部からの指令回転数に応じて、前記駆動手段のオン，オフ駆動のデューティを制御する第１制御手段と、
   前記スイッチング回路に対する動作用電圧の供給路に設けられた電流制限用の抵抗器と、
   前記抵抗器に生じる電圧および前記指令回転数に応じて、前記生成手段で生成される各駆動信号の位相角を制御する第２制御手段と、
   を具備し、
   前記第２制御手段は、前記抵抗器に生じる電圧を積分する積分回路と、この積分回路の出力電圧を前記各相巻線の巻線または線形に対応する固有の定数に基づいてレベル変換するレベル変換部と、このレベル変換部の出力電圧レベルを前記第１制御手段のデューティ制御値で除算しその除算結果に応じて前記各駆動信号の位相角を設定する位相角制御部とを備えている、
   ことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。

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