JP2005312216A - ブラシレスｄｃモータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置検出素子を使用しつつ、そのばらつきの影響をなくし、ベクトル制御や複雑なシステムを使うことなく安価に回転を正確に制御することができるブラシレスＤＣモータの駆動装置を提供する。
【解決手段】回転子の回転位置を検出する１個のホールＩＣ３０が設けられ、このホールＩＣ３０から出力された位相信号ＨＵの一周期をカウンター回路２０で計測し、この計測した周期を一周期とし、速度指令信号に基づいて振幅が決定されたＵ相の変調信号を正弦波パターン回路３２が生成し、このＵ相の変調信号から１２０°ずらせたＶ相の変調信号を生成し、Ｕ相の変調信号から１２０°ずらせたＷ相の変調信号を生成し、これら各相の変調信号と三角波とを比較してＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号に基づいてインバータ回路１４の各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インバータ回路によってブラシレスＤＣモータを駆動させる駆動装置に関するものである。

従来より、三相のブラシレスＤＣモータにおいて、回転子のマグネットの磁束を３個のホールＩＣやホール素子などの位置検出素子によって検出し、３個の位置検出素子からの各相の位相信号に基づいて回転子の位置を推定して通電を切り替えてＰＷＭ制御を行い、インバータ回路の各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦすることによりその回転を制御している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１０１６８３公報

上記のような３個の位置検出素子を使用する場合に、これら３個の位置検出素子の実装位置のばらつき、特性のばらつき、回転子のマグネットのばらつきなどの相互の影響により、各位置検出素子からの位相信号の通電幅がばらつき、回転むらが発生して、騒音などが発生するという問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、位置検出素子を使用しつつ、そのばらつきの影響をなくし、ベクトル制御や複雑なシステムを使うことなく安価に回転を正確に制御することができるブラシレスＤＣモータの駆動装置を提供する。

請求項１に係る発明は、三相のブラシレスＤＣモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバータ回路と、外部から入力する速度指令信号に基づいてＰＷＭ制御を行ってＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記ＰＷＭ信号に基づいて前記インバータ回路を構成する各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチング信号を出力する駆動手段と、を有するブラシレスＤＣモータの駆動装置において、回転子の回転位置を検出する少なくとも１個の位置検出素子が設けられ、前記位置検出素子から出力された位相信号の一周期の周期時間を計測するカウンター手段が設けられ、前記計測した周期時間を一周期とし、かつ前記速度指令信号に基づいて振幅が決定されたＵ相の変調信号を生成し、前記Ｕ相の変調信号を１２０°ずらせてＶ相の変調信号を生成し、前記Ｕ相の変調信号を２４０°ずらせてＷ相の変調信号を生成する変調信号生成手段が設けられ、前記ＰＷＭ信号生成手段は、前記各相の変調信号と三角波とを比較してＰＷＭ信号を生成することを特徴とするブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

請求項２に係る発明は、前記位置検出手段は、二相変調方式により各相の変調信号を生成することを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

請求項３に係る発明は、起動用制御手段が設けられ、前記起動用制御手段は、前記ブラシレスＤＣモータの起動時において、予め決められた二相の固定子巻線に一定時間通電を行って前記回転子を固定し、予め設定された起動周期で強制転流を行う変調信号を生成し、前記一個の位置検出素子が前記起動周期に応じた周期の位相信号を出力した時に、前記１個の位置検出素子の位相信号に基づいて回転を制御することを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

請求項４に係る発明は、起動用制御手段と前記１個の位置検出素子以外に２個の位置検出素子とを有し、前記起動用制御手段は、前記ブラシレスＤＣモータの起動時において、前記３個の位置検出素子からの各相の位相信号に基づいて各相の変調信号を生成し、これら各相の変調信号に基づいて前記回転子をｎ回回転させ、前記回転子をｎ回回転させた後に前記１個の位置検出素子の位相信号に基づいて回転を制御することを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

請求項１に係る発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置においては、１個の位置検出素子から出力された位相信号に基づいて、三相の変調信号を生成し、これら三相の変調信号と三角波とを比較してＰＷＭ信号を生成するため、従来のような３個の位置検出素子におけるばらつき等の影響がなくなり、回転むらが発生しない。

請求項２に係る発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置においては、位置検出手段が、二相変調方式により各相の変調信号を生成するため、インバータ回路におけるスイッチング素子のスイッチング損失を低減することができる。

請求項３に係る発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置について説明する。

請求項１または請求項２におけるブラシレスＤＣモータの駆動装置においては、１個の位置検出素子によって回転を制御するため、起動時に回転方向が定まらない。そのため、起動用制御手段は、起動時において、予め固定された二相の固定子巻線に一定時間通電を行って回転子を固定し、予め設定された起動周期で強制転流を行う変調信号を生成する。前記１個の位置検出素子が起動周期に応じた周期の位相信号を出力した時から請求項１または請求項２における１個の位置検出素子からの位相信号に基づいて回転を制御する。これによって、起動時においても容易にその回転を制御することができる。

請求項４に係る発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置について説明する。

請求項１または請求項２におけるブラシレスＤＣモータの駆動装置においては、１個の位置検出素子によって回転を制御するため、起動時に回転方向が定まらない。そのため、起動用制御手段は、起動時において３個の位置検出素子からの各相の位相信号に基づいて各相の変調信号を生成し、これら各相の変調信号に基づいて回転子をｎ回回転させ、回転子がｎ回回転させた後に、請求項１または請求項２に記載されている１個の検出素子の位相信号に基づいて回転を制御する。これによって、起動を確実に行うことができ、通常の回転時では、１個の位置検出素子に基づいて回転を制御するため３個の位置検出素子のばらつきによる影響などを受けることがない。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態の三相のブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータという）１０の駆動装置１２について説明する。このモータ１０は、ファン装置の駆動源である。

（１）駆動装置１２の構成
図１のブロック図に基づいて、駆動装置１２の構成について説明する。

駆動装置１２は、インバータ回路１４、駆動回路１６、位置推定回路１８、カウンター回路２０、システムクロック生成回路２２、三角波発生回路２４、マイコンよりなりファン装置の主制御部でもある制御部２６とより構成されている。また、駆動回路１６は、各相の正弦波パターン回路３２、コンパレータ３４、ＮＯＴ回路３６から構成される。

インバータ回路１４は、６個のＭＯＳＦＥＴより構成され、２個のＭＯＳＦＥＴが直列に接続され、これら直列に接続された２個のＦＥＴが３組並列に接続されている。２個の直列に接続されたＭＯＳＦＥＴの間に各相の固定子巻線２８が接続されている。また、各ＭＯＳＦＥＴと並列に電流還流用のダイオードが接続されている。さらに、３個のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子には、直流電源＋Ｖｍが接続されている。

モータ１０の回転子のマグネットの位置を検出するための１個のホールＩＣ３０が設けられている。このホールＩＣ３０からの位相信号ＨＵは位置検出回路１８に入力する。位置検出回路１８は、システムクロック生成回路２２からのクロック信号と入力した位相信号ＨＵをカウンター回路２０に出力する。カウンター回路２０では、図２に示すように、位相信号ＨＵの立ち下がり位置から次の立ち下がり位置までの時間をカウントして、これを一周期とする。なお、この一周期は、回転数により異なり、図２の場合には最初の周期はＴ１であり、次の周期はＴ２である。

カウンター回路２０によってカウントされた一周期の時間及び位相信号の立ち下がりのタイミングが駆動回路１６の各相の正弦波パターン回路３２に入力する。

Ｕ相の正弦波パターン回路３２においては、二相変調方式による正弦波のＵ相の変調信号ＳＵが生成される。Ｕ相の変調信号ＳＵの出力するタイミングは位相信号の立ち下がり時によって決定され、変調信号の周期は入力した一周期（例えば、Ｔ１）と同じに設定され、振幅は速度指令信号の電圧に基づいて決定される。

Ｖ相の正弦波パターン回路３２においても同様にＶ相の変調信号ＳＶが生成されるが、Ｖ相の変調信号ＳＶの生成されるタイミングは、Ｕ相の変調信号ＳＵに対し１２０°ずれた状態で生成される。

Ｗ相の正弦波パターン回路３２においても同様にＷ相の変調信号ＳＷが生成されるが、このＷ相の変調信号ＳＷはＵ相の変調信号ＳＵに対し２４０°ずれた状態で生成される。

なお、各相の変調信号の一周期は、入力する位相信号の一周期によって異なり、Ｔ１で入力している時にはＴ１の一周期を設定し、回転数が変化して一周期がＴ２になった場合には、一周期がＴ２となる。

このように各相の変調信号が生成されると、各相のコンパレータ３４に入力する。各相のコンパレータ３４には、三角波発生回路２４から入力した三角波が入力し、この三角波が入力した変調信号と比較されてコンパレータ３４からはそれぞれＰＷＭ信号が出力される。この三角波発生回路２４はシステムクロック生成回路２２からのクロック信号によって三角波が生成される。

Ｕ相のコンパレータ３４から出力されたＰＷＭ信号はインバータ回路１４のＵ相の上段のＭＯＳＦＥＴのゲート端子に入力される。また、Ｕ相のコンパレータ３４から出たＰＷＭ信号はＮＯＴ回路３６によって反転され、この反転されたＰＷＭ信号はＵ相の下段のＭＯＳＦＥＴのゲート端子に入力される。

Ｕ相のコンパレータ３４から出力されたＰＷＭ信号、Ｗ相のコンパレータ３４から出力されたＰＷＭ信号も同様にＵ相の上下のＭＯＳＦＥＴとＷ相の上下のＭＯＳＦＥＴにそれぞれ入力される。

（２）通常回転時の制御状態
起動時以外の通常回転時における駆動装置１０の制御状態について説明する。

モータ１０の回転子が所定の速度で回転していると回転子のマグネットの磁束の変化により位相信号ＨＵを出力する。

位相信号ＨＵは、位置推定回路１８とカウンタ回路２０によって、その立ち下がり時及び一周期の時間がカウントされ、各相の正弦波パターン回路３２に入力される。Ｕ相では立ち下がり時の時点を基準として変調信号が生成される。この場合に速度指令信号の電圧により振幅が変化し、また一周期が位相信号の一周期と同じように設定される。Ｖ相の変調信号はこのＵ相の変調信号に対し１２０°ずれた状態で生成され、Ｗ相の変調信号はＵ相の変調信号に対し２４０°ずれた状態で生成される。

そのため、従来のように３個の変調信号からの信号に基づくようなばらつきがなく正確に１２０°ずつずれた変調信号が出力されるため、これに基づくＰＷＭ信号による回転子の回転にばらつきが発生しない。また、ベクトル制御や複雑なシステムを使うことがないため、コストを削減することができる。

（３）起動時の制御方法
上記のような通常回転時においては、回転子が既に回転しているため回転方向が判明しているが、起動時においては回転方向が定まらないため１個のホールＩＣ３０ではその制御が行いにくい。この起動制御方法における起動時は一定時間予め定めた二相の固定子巻線に通電し、モータ１０の回転子の位置を固定し、その後強制的に転流してモータ１０を始動通電することにより回転方向を決定し、起動後は上記した通常の回転制御方法に切り替えるものである。

図３のフローチャートに基づいて起動制御方法を説明する。

ステップ１において、予め決められた二相の固定子巻線に一定時間通電を行うことにより、即ち、直流励磁を行うことにより、回転子の位置を固定する。

ステップ２において、予め設定した周期で強制転流を行うための起動用位相信号を制御部２６から位置推定回路１８に出力する。

ステップ３において、起動用位相信号に基づいて回転子が回転し始めるため、ホールＩＣ３０がそれを検知し、位相信号を位置検出回路１８に出力する。位置検出回路１８では、入力した位相信号が起動位相信号と一致した時には、ステップ４に進み、上記した通常の回転制御に移行する。また、入力した位相信号が起動位相信号と一致しない場合には、ステップ１に戻り直流励磁を続ける。

以上により、起動時においては予め設定した起動用位相信号によって起動させ、その後上記で説明した通常回転制御に移行するため、起動時においても１個のホールＩＣ３０によって起動することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の起動制御方法について図４に基づいて説明する。

第１の実施形態の起動制御方法においては予め設定された起動用位相信号に基づいて起動を行ったが、本実施形態では従来と同様に３個のホールＩＣを設け、起動時においてはこの３個のホールＩＣを用いて起動するものである。

図４のフローチャートに基づいて起動制御方法を説明する。

ステップ１１においてモータが停止し、ステップ１２において外部から起動信号が入力すると、ステップ１３において制御部２６は通電を開始する。

ステップ１４において、通電により回転子が回転し始めると、３個のホールＩＣが従来と同様に各相の位相信号を出力し、これら各相の位相信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し回転を制御する。

ステップ１５において、回転子がｎ回連続して回転した場合には、上記で説明した通常回転制御に移り、ｎ回まで達しない場合には３個のホールＩＣ３０を用いて回転制御を行う。

第２の実施形態の起動制御方法であると、起動時のみ３個のホールＩＣ３０を用い通常回転時では１個のホールＩＣ３０で制御を行うため、通常回転時では回転むらなどが発生しない。

本発明は上記各実施形態に限らず、その主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。

本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置においては、ファン装置などの回転数をあまり変化させない駆動源として好適である。

本発明の第１の実施形態を示す駆動装置のブロック図である。 駆動装置のタイムチャートである。 起動制御方法におけるフローチャートである。 第２の実施形態の起動制御方法のフローチャートである。

符号の説明

１０ モータ
１２ 駆動装置
１４ インバータ回路
１６ 駆動回路
１８ 位置推定回路
２０ カウンター回路
２２ システムクロック生成回路
２４ 三角波発生回路
２６ 制御部
２８ 固定子巻線
３０ ホールＩＣ
３２ 正弦波パターン回路
３４ コンパレータ
３６ ＮＯＴ回路

Claims (4)

1. 三相のブラシレスＤＣモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバータ回路と、
   外部から入力する速度指令信号に基づいてＰＷＭ制御を行ってＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、
   前記ＰＷＭ信号に基づいて前記インバータ回路を構成する各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチング信号を出力する駆動手段と、
   を有するブラシレスＤＣモータの駆動装置において、
   回転子の回転位置を検出する少なくとも１個の位置検出素子が設けられ、
   前記位置検出素子から出力された位相信号の一周期の周期時間を計測するカウンター手段が設けられ、
   前記計測した周期時間を一周期とし、かつ、前記速度指令信号に基づいて振幅が決定されたＵ相の変調信号を生成し、前記Ｕ相の変調信号を１２０°ずらせてＶ相の変調信号を生成し、前記Ｕ相の変調信号を２４０°ずらせてＷ相の変調信号を生成する変調信号生成手段が設けられ、
   前記ＰＷＭ信号生成手段は、
   前記各相の変調信号と三角波とを比較してＰＷＭ信号を生成する
   ことを特徴とするブラシレスＤＣモータの駆動装置。
2. 前記位置検出手段は、二相変調方式により各相の変調信号を生成する
   ことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
3. 起動用制御手段が設けられ、
   前記起動用制御手段は、
   前記ブラシレスＤＣモータの起動時において、予め決められた二相の固定子巻線に一定時間通電を行って前記回転子を固定し、
   予め設定された起動周期で強制転流を行う変調信号を生成し、
   前記一個の位置検出素子が前記起動周期に応じた周期の位相信号を出力した時に、前記１個の位置検出素子の位相信号に基づいて回転を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
4. 起動用制御手段と前記１個の位置検出素子以外に２個の位置検出素子とを有し、
   前記起動用制御手段は、
   前記ブラシレスＤＣモータの起動時において、前記３個の位置検出素子からの各相の位相信号に基づいて各相の変調信号を生成し、これら各相の変調信号に基づいて前記回転子をｎ回回転させ、
   前記回転子をｎ回回転させた後に前記１個の位置検出素子の位相信号に基づいて回転を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。

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