JP2009100526A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置構成でロックトルク領域などの低回転域から高回転域までの広い範囲で回転制御ができるようにする。
【解決手段】モータ制御装置４は、ブラシレスモータ１のコイルＵ，Ｖ，Ｗのそれぞれに対応して配置された３つのホールセンサ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの出力信号と、タイミング発生部２１の出力信号を受けて、論理演算をするＯＲ回路３１ＷＨ〜３１ＵＬと、ＡＮＤ回路３２ＷＨ〜３２ＵＬを有し、各ＡＮＤ回路３２ＷＨ〜３２ＵＬの出力がインバータ回路６の各スイッチング素子ＵＨ〜ＷＬに１つずつ接続されている。タイミング発生部２１は、低速回転時と高速回転時で１８０°通電と１２０°通電を切り換えて行えるように出力信号を切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータの駆動制御を行うモータ制御装置に関する。

ＤＣブラシレスモータでは、コイルに流す電流を切り替えるタイミングが最適になるように制御することで省エネルギ化、かつ低騒音化を図っている。切り換えタイミングを最適化する従来の方法としては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。このブラシレスモータでは、ロータと一体に回転するセンサマグネットの磁界の方向を検出するホールＩＣを有し、磁界の方向の変化が検出される周期からモータの回転速度を算出する。さらに、回転速度に応じてタイミング制御手段が進角量を演算し、進角量とセンサ信号から進角量に応じた進角制御を行い、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）をＯＮ、ＯＦＦさせていた。
特開２０００−１３４９７８号公報

しかしながら、回転速度に応じて進角量を演算するためには、複雑な演算処理が必要であり、高価なマイコンなどが必要であった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な装置構成でロックトルク領域などの低回転域から高回転域までの広い範囲で回転制御ができるようにすることを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、ブラシレスモータの３相のコイルに通電制御を行って、ロータの回転制御を行うモータ制御装置において、前記コイルに流す電流を切り替え可能に配設された複数のスイッチング素子と、前記コイルのそれぞれに対応して設けられ、前記ロータの回転位置を検出する複数のセンサと、前記複数のセンサの出力信号に基づいて前記スイッチング素子を切り換える駆動信号を生成する制御部とを有し、前記制御部は、通電休止期間を有する１２０°通電と、通電休止期間を有しない１８０°通電を切り換える切り替え制御部を有することを特徴とするモータ制御装置とした。
このモータ制御装置では、センサの出力に基づいて１８０°通電をするモードと、同じセンサの出力を進角補正して１２０°通電するモードを選択できる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記切り替え制御部は、前記ブラシレスモータの始動時に１８０°通電を実施し、その後に１２０°通電に切り換えるように構成したことを特徴とする。
このモータ制御装置では、低速回転時に１８０°通電を行い、高速回転時には進角補正して１２０°通電をする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置において、前記切り替え制御部は、前記ブラシレスモータの回転数で１２０°通電と１８０°通電を切り換えるように構成したことを特徴とする。
このモータ制御装置では、ブラシレスモータの回転数を調べ、予め設定されている回転数に達したら、切り替え制御部が１８０°通電から１２０°通電に切り替える信号を出力する。

請求項４に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置において、前記切り替え制御部は、前記ブラシレスモータを始動開始からの経過時間で１２０°通電と１８０°通電を切り換えるように構成したことを特徴とする。
このモータ制御装置では、始動開始からの経過時間を調べ、予め設定されている時間が経過したら、切り替え制御部が１８０°通電から１２０°通電に切り替える信号を出力する。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ制御装置において、前記制御部は、前記切り換え部の出力といずれかの１つの前記センサの出力又は出力を反転させた信号とが入力されるＯＲ回路と、前記ＯＲ回路の出力と他の１つの前記センサの出力又は出力を反転させた信号とが入力されるＡＮＤ回路とを備え、前記ＡＮＤ回路の出力が前記スイッチング素子に接続されていることを特徴とする。
このモータ制御装置は、切り替え制御部の出力に応じて１８０°通電と１２０°通電を切り替える処理と、各通電モードで通電タイミングを切り替える処理をＡＮＤ回路とＯＲ回路の組み合わせで実現する。

本発明によれば、１２０°通電と１８０°通電を切り換えて使用することで、簡単な構成で回転数や負荷状態に応じた最適な通電モードを選択することができる。ブラシレスモータを効率良く回転させることが可能になる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１にブラシレスモータ及びモータ制御装置の構成を示す。ブラシレスモータ１は、３相のコイルＵ，Ｖ，Ｗを有するステータと、界磁用の永久磁石を有するロータとを有し、ロータの回転軸には、ロータと共に回転するセンサマグネット２が取り付けられている。センサマグネット２は、回転方向にＳ極とＮ極が交互に着磁されており、センサマグネット２の近傍には、回転位置を検出する３つのホールセンサ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗが回転方向に１２０°の間隔で、センサマグネット２の磁極の切り替わりを検出できるように取り付けられている。

モータ制御装置４は、直流電源５からコイルＵ，Ｖ，Ｗに流す電流を切り換えるインバータ回路６と、各ホールセンサ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの出力が入力され、インバータ回路６のスイッチングを行う切り替え制御部７とを有する。
インバータ回路６は、３つのアーム１１，１２，１３が直流電源５に対して並列に接続されている。第１のアーム１１は、２つのスイッチング素子ＷＨ，ＷＬの中点がコイルＷに接続されている。第２のアーム１２は、２つのスイッチング素子ＶＨ，ＶＬの中点がコイルＶに接続されている。第３のアーム１３は、２つのスイッチング素子ＵＨ，ＵＬの中点がコイルＵに接続されている。コイルＵ，Ｖ，Ｗは、例えば、スター結線されており、交点側と反対側のコイルＵ，Ｖ，Ｗの端部が、インバータ回路６にそれぞれ電気的に接続されている。なお、インバータ回路６と、コイルＵ，Ｖ，Ｗとを繋ぐ通電線に電流センサを設け、コイルＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流をモニタできるようにしても良い。コイルＵ，Ｖ，Ｗに過電流が流れないように監視することが可能になる。

制御部７は、切り換え制御部であるタイミング発生部２１と、切り替え回路２２とを有する。切り替え回路２２は、ホールセンサ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの信号を変換する変換器３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗと、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）などを用いて作成された６つのＯＲ回路３１ＵＨ，３１ＵＬ，３１ＶＨ，３１ＶＬ，３１ＷＨ，３１ＷＬと、インバータ回路６に駆動信号を出力する６つのＡＮＤ回路３２ＵＨ，３２ＵＬ，３２ＶＨ，３２ＶＬ，３２ＷＨ，３２ＷＬからなる。

ＡＮＤ回路３２ＷＨの入力には、Ｗ相のホールセンサ３Ｗの出力と、ＯＲ回路３１ＷＨの出力が接続される。ＡＮＤ回路３２ＷＬの出力は、バッファを介して第１のアーム１１のＨ（Ｈｉｇｈ）側のスイッチング素子ＷＨに接続されている。ＯＲ回路３１ＷＨの入力には、Ｕ相のホールセンサ３Ｕの信号を反転させる変換器３０Ｕの出力と、タイミング発生部２１の出力が接続されている。
ＡＮＤ回路３２ＷＬの入力には、Ｗ相のホールセンサ３Ｗの信号を反転させる変換器３０Ｗの出力と、ＯＲ回路３１ＷＬの出力が接続されている。ＡＮＤ回路３２ＷＬの出力は、第１のアーム１１のＬ（Ｌｏｗ）側のスイッチング素子ＷＬに接続されている。ＯＲ回路３１ＷＬの入力には、Ｕ相のホールセンサ３Ｕの出力と、タイミング発生部２１の出力が接続されている。

ＡＮＤ回路３２ＶＨの入力には、Ｖ相のホールセンサ３Ｖの出力と、ＯＲ回路３１ＶＨの出力が接続されている。ＡＮＤ回路３２ＶＨの出力は、第２のアーム１２のＨ側のスイッチング素子ＶＨに接続されている。ＯＲ回路３１ＶＨの入力には、Ｗ相のホールセンサ３Ｗの信号を反転させる変換器３０Ｗの出力と、タイミング発生部２１の出力が接続されている。
ＡＮＤ回路３２ＶＬの入力には、Ｖ相のホールセンサ３Ｖの信号を反転させる変換器３０Ｖの出力と、ＯＲ回路３１ＶＬの出力が接続される。ＡＮＤ回路３２ＶＬの出力は、第２のアーム１２のＬ側のスイッチング素子ＶＬに接続されている。ＯＲ回路３１ＶＬの入力には、Ｗ相のホールセンサ３Ｗの出力と、タイミング発生部２１の出力が接続されている。

ＡＮＤ回路３２ＵＨの入力には、Ｕ相のホールセンサ３Ｕの出力と、ＯＲ回路３１ＵＨの出力が接続されている。ＡＮＤ回路３２ＵＨの出力は、第３のアーム１３のＨ側のスイッチング素子ＵＨに接続されている。ＯＲ回路３１ＵＨの入力には、Ｖ相のホールセンサ３Ｖの信号を反転させる変換器３０Ｖの出力と、タイミング発生部２１の出力が接続されている。
ＡＮＤ回路３２ＵＬの入力には、Ｕ相のホールセンサ３Ｕの信号を反転させる変換器３０Ｕの出力と、ＯＲ回路３１ＵＬの出力が接続されている。ＡＮＤ回路３２ＵＬの出力は、第３のアーム１３のＬ側のスイッチング素子ＵＬに接続されている。ＯＲ回路３１ＵＬの入力には、Ｖ相のホールセンサ３Ｖの出力と、タイミング発生部２１の出力が接続されている。

タイミング発生部２１は、ブラシレスモータ１の回転数に応じてＨレベルとＬレベルの信号を切り換えて出力する。後述するように、タイミング発生部２１がＨレベルの信号を出力すると、１８０°通電になる。Ｌレベルの信号を出力すると、１２０°通電になる。信号レベルの切り替えは、例えば、ブラシレスモータ１の回転数をモニタし、回転数が予め定められた所定の回転数になったときに行うと良い。ブラシレスモータ１の回転数が変化すると、これに比例してホールセンサ出力のパルス信号の周波数が変化するので、この周波数に信号を直流電圧に変換するＦＶ変換器を使用すると、ブラシレスモータ１の回転数で信号レベルを切り替えることができる。なお、信号レベルを切り替える閾値となる回転数は、１２０°通電の方が効率良く回転させるようになる回転数であり、ブラシレスモータ１にかかる負荷と、モータの規格によって定まる。

この実施の形態の作用について説明する。
ブラシレスモータ１を始動させるときは、回転数がゼロなので、タイミング発生部２１は、Ｈレベルの信号を出力する。図２に正転低回転時のセンサ出力と通電パターンの関係を示すように、各ホールセンサ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの出力が順番にＨレベルとＬレベルに切り換わる。例えば、Ｕ相のホールセンサ３Ｕは、時間ｔ３までＨレベルで、その後はＬレベルになり、時間ｔ６で再びＨレベルに切り替わる。時間軸は、ｔ０からｔ６で一周期とし、３区間（例えば、時間ｔ０から時間ｔ３）が１８０°に相当する。

ここで、ロータの回転に伴って通電が切り換えられる様子を低速回転時の時間ｔ０から時間ｔ２の間を例にして説明する。
時間ｔ０から時間ｔ１では、ホールセンサ３ＵがＨレベル、ホールセンサ３ＶがＬレベル、ホールセンサ３ＷがＨレベルである。その結果、図１のＯＲ回路３１ＷＨでは、変換器３０Ｕの出力と、タイミング発生部２１のＨレベルの信号が入力される。変換器３０Ｕは、ホールセンサ３Ｕの信号を反転させるので、Ｌレベルの信号を出力する。これによって、ＯＲ回路３１ＷＨには、Ｌレベルの信号とＨレベルの信号が出力されることになるので、Ｈレベルの信号が出力される。
ＡＮＤ回路３２ＷＨは、ＯＲ回路３１ＷＨから出力されるＨレベルの信号と、ホールセンサ３ＷのＨレベルの信号が入力され、Ｈレベルの信号が出力される。これによってスイッチング素子ＷＨがＯＮ（Ｈレベル）になる。同様にして、スイッチング素子ＵＨ，ＶＬがＯＮになり、他のスイッチング素子ＵＬ，ＶＨ，ＷＬがＯＦＦ（Ｌレベル）になる。その結果、Ｕ相及びＷ相のそれぞれからＶ相に向かって電流が流れ、ロータが回転させられる。

時間ｔ１から時間ｔ２では、ホールセンサ３ＵがＨレベル、ホールセンサ３ＶがＬレベル、ホールセンサ３ＷがＬレベルになる。タイミング発生部２１は、Ｈレベルの信号を維持するので、スイッチング素子ＵＨ，ＶＬ，ＷＬがＯＮになり、スイッチング素子ＵＬ，ＶＨ，ＷＨがＯＦＦになる。その結果、Ｕ相からＶ相とＷ相のそれぞれに向かって電流が流れ、ロータがさらに回転させられる。

このようにして、例えば、スイッチング素子ＵＨは、時間ｔ１から時間ｔ３の間、ＯＮになる。スイッチング素子ＵＬは、時間ｔ４から時間ｔ６の間、ＯＮになる。その結果、コイルＵは、時間ｔ０から時間ｔ３の間はコイルの交点に向かう方向に電流が流れ、時間ｔ３から時間ｔ６（＝ｔ０）の間は反対向きに電流が流れる。１８０°通電では、３つのコイルＵ，Ｖ，Ｗのそれぞれに常に電流が流れ、休止期間が設けられることなく通電される。１つのコイルにおいては、１８０°ごとに電流の向きが変化する。

次に、正転高回転時の通電パターンについて説明する。正転高回転時には、タイミング発生部２１は、Ｌレベルの信号を出力する。
図３に示すように、時間ｔ０から時間ｔ１では、ホールセンサ３ＵがＨレベル、ホールセンサ３ＶがＬレベル、ホールセンサ３ＷがＨレベルになる。図１のＯＲ回路３１ＷＨには、変換器３０Ｕで生成したＬレベルの信号と、タイミング発生部２１のＬレベルの信号が入力され、Ｌレベルの信号が出力される。ＡＮＤ回路３２ＷＨには、ＯＲ回路３１ＷＨからＬレベルの信号が入力され、ホールセンサ３ＷからＬレベルの信号が入力される。これによって、ＡＮＤ回路３２ＷＨからＬレベルの信号が出力され、スイッチング素子ＷＨがＯＦＦになる。同様に、スイッチング素子ＵＬ，ＶＨ，ＷＬがＯＦＦになり、残りの２つのスイッチング素子ＵＨとスイッチング素子ＶＬがＯＮになる。その結果、コイルＵからコイルＶに向かって電流が流れ、ロータが回転させられる。コイルＷには、電流が流れない。

時間ｔ１から時間ｔ２では、スイッチング素子ＵＨとスイッチング素子ＷＬのみがＯＮになり、他のスイッチング素子ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨがＯＦＦになる。コイルＵからコイルＷに向かって電流が流れる。コイルＶには、電流が流れない。
時間ｔ２から時間ｔ３では、スイッチング素子ＶＨとスイッチング素子ＷＬのみがＯＮになり、他のスイッチング素子ＵＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＨがＯＦＦになる。コイルＶからコイルＷに向かって電流が流れる。コイルＵには、電流が流れない。
時間ｔ３から時間ｔ４では、スイッチング素子ＵＬとスイッチング素子ＶＨのみがＯＮになり、他のスイッチング素子ＵＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬがＯＦＦになる。コイルＶからコイルＵに向かって電流が流れる。コイルＷには、電流が流れない。

このようにして、例えば、コイルＵは、時間ｔ０から時間ｔ２の間、電流が流れる。時間ｔ２から時間ｔ３の間は、電流が流れない休止期間になる。時間ｔ３から時間ｔ５の間は、逆向きに電流が流れる。時間ｔ５から時間ｔ６の間は、再び休止期間になる。１２０°通電では、３つのコイルＵ，Ｖ，Ｗのいずれか２つに電流が流れ、残りの１つのコイルには電流が流れないように通電制御される。

図４に１２０°通電時と１８０°通電時の印加電圧の波形の違いをＵ相を例にとって示す。ホールセンサ３Ｕの出力は、いずれの通電方式でも同じであるが、スイッチング素子
ＵＨ，ＵＬの切り替えタイミングが異なる。この結果、１８０°通電における波形の印加電圧の中心（波頭、波底部）に対し、１２０°通電における波形の印加電圧の中心は、３０°進んでいる。つまり、１８０°通電から、１２０°通電に切り換えることで、３０°の進角制御を実施した場合と同等の制御になる。

さらに、図５に、始動から目標となる回転数に至るまでの間の電流値と回転数のグラフを示す。横軸は時間を示し、縦軸は回転数及び電流値を示す。なお、このグラフでは、時間ｔ１１で所定の回転数に達し、タイミング発生部２１が信号レベルを切り替えるものとする。
ラインＬ１に示すように、回転数は、徐々に増加し、所望する回転数に到達している。ラインＬ２に示すように、電流値は、時間ｔ１１までは１８０°通電することによって大きい電流が流れる。時間ｔ１１で１２０°通電に移行したところで電流値が下がり、略一定になる。

比較例として、ラインＬ３に従来の１２０°通電のみで回転制御する方法での回転数の変化を示し、ラインＬ４に従来の方法での電流値の変化を示す。ラインＬ４に示す電流値は、１８０°通電に比べて小さい値で推移する。ラインＬ３に示す回転数で、所望する回転数に到達するまでに要する時間は、この実施の形態に比べて長かった。

この実施の形態では、始動時に１８０°通電を実施し、その後に１２０°通電に移行するようにしたので、低回転域でも十分なトルクが得られるようになる。高回転域では１２０°通電、つまり３０°の進角制御が行えるので、高回転域でも効率の良い運転が可能になる。さらに、図５に示したように、所望の回転数に到達するまでに要する時間を従来の方法に比べて短くできる。
１８０°通電と１２０°通電のロジックを切り替えるだけで広い領域で回転制御が可能になるので、モータ制御装置４の構成を簡略化でき、低コスト化が図れる。
通電切り換えのタイミングをモータ回転数で制御するようにしたので、効率の良い運転が可能である。例えば、高回転域から低回転域に減速した場合には、１２０°通電から１８０°通電に切り換えることが可能になる。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、タイミング発生部２１は、タイマでも良い。始動後に一定の時間が経過したら、１８０°通電から１２０°通電に切り換えることが可能になる。

本発明の実施の形態に係るモータ制御装置を含むシステムのブロック図である。 正転低速回転時の通電制御のタイミングチャートである。 正転高速回転時の通電制御のタイミングチャートである。 １８０°通電と１２０°通電の違いをＵ相のコイルを例にして説明する図である。 始動時の回転数と電流の関係の一例を示すグラフであり、比較として従来の始動時の回転数と電流の関係を重ねて表示したグラフである。

符号の説明

１ ブラシレスモータ
３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ ホールセンサ
４ モータ制御装置
６ インバータ回路
２１ タイミング発生部（切り替え制御部）
３１ＵＨ，３１ＵＬ，３１ＶＨ，３１ＶＬ，３１ＷＨ，３１ＷＬ ＯＲ回路
３２ＵＨ，３２ＵＬ，３２ＶＨ，３２ＶＬ，３２ＷＨ，３２ＷＬ ＡＮＤ回路
Ｕ，Ｖ，Ｗ コイル
ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ スイッチング素子

Claims (5)

1. ブラシレスモータの３相のコイルに通電制御を行って、ロータの回転制御を行うモータ制御装置において、
   前記コイルに流す電流を切り替え可能に配設された複数のスイッチング素子と、
   前記コイルのそれぞれに対応して設けられ、前記ロータの回転位置を検出する複数のセンサと、
   前記複数のセンサの出力信号に基づいて前記スイッチング素子を切り換える駆動信号を生成する制御部とを有し、
   前記制御部は、通電休止期間を有する１２０°通電と、通電休止期間を有しない１８０°通電を切り換える切り替え制御部を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記切り替え制御部は、前記ブラシレスモータの始動時に１８０°通電を実施し、その後に１２０°通電に切り換えるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記切り替え制御部は、前記ブラシレスモータの回転数で１２０°通電と１８０°通電を切り換えるように構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記切り替え制御部は、前記ブラシレスモータを始動開始からの経過時間で１２０°通電と１８０°通電を切り換えるように構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置。
5. 前記制御部は、前記切り換え部の出力といずれかの１つの前記センサの出力又は出力を反転させた信号とが入力されるＯＲ回路と、前記ＯＲ回路の出力と他の１つの前記センサの出力又は出力を反転させた信号とが入力されるＡＮＤ回路とを備え、前記ＡＮＤ回路の出力が前記スイッチング素子に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。

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