JP2645604B2 - ブラシレスモータの駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ブラシレスモータの駆動回路に関する。

［発明の概要］ 本発明は、回転子の位置を検出する検出器とこの検出
器の出力信号を処理する信号処理回路と、この出力を得
て電機子コイルに電流を流すためのスイッチング回路と
を備えたブラシレスモータの駆動回路において、その信
号処理回路の一部には不感帯特性を持たせるとともに、
上記の検出器の出力信号がその不感帯部の範囲内に一定
時間以上ある場合にその駆動回路への電源の供給を遮断
することにより駆動回路の異常発振を防止し、さらに場
合によってはモータまたは駆動回路の焼損、破壊を防止
し、信頼度の高いブラシレスモータを提供することを目
的としたものである。

そして、特に位置検出器が一個の２相ブラシレスモー
タの場合には、この不感帯部の大きさは検出器の配設位
置を中心にして、回転子の無励磁トルクによる停止位置
までの角度幅の２倍よりも小さい角度で検出器の配設位
置の両側に設定することにより、その目的を達成する事
ができるものである。

［従来の技術］ まず従来からの課題として、ブラシレスモータの不起
動点つまり死点の問題と、磁極切り換え時の駆動回路の
発振の問題があり、それについて説明する。

回転子の位置検出器が１個のブラシレスモータの原理
は第11図（ａ）〜（ｅ）のごとくであり、説明を加える
と、第11図（ａ）は２相ユニポーラ式モータの駆動回路
を示しており、例えばホール素子、磁気抵抗素子等によ
る位置検出器３の出力信号は差動増幅器Q1に入力され、
Q1の出力はコンパレータや増幅器で構成される７を経て
電源とモータコイルL1とに直列に接続されるバイポーラ
トランジスタやFET等によるスイッチング素子S1へ入力
されるとともに反転増幅器G1によって位相を反転されて
電源とモータコイルL12とに直列に接続されるスイッチ
ング素子S2へ入力される。

第11図（ｂ）〜（ｄ）の断面図はブラシレスモータの
断面概要と動作原理を示している。まず始めに第11図
（ｂ）のように永久磁石回転子１が位置している場合、
位置検出器３はＮ極を検知し固定子鉄芯５に巻かれたコ
イルL2に電流を流して固定込鉄芯をＳ極に励磁し矢示ａ
のようにCCW方向に回転子１を回転させる。

次に永久磁石回転子１が回転して第11図（ｃ）の位置
にくると、位置検出器３は無磁界となるために第11図
（ａ）の差動増幅器Q1の出力は零になり、コイルL1及び
コイルL2に電流は流れず、回転子１には回転トルクが発
生しなくなるが慣性によってCCW方向へ回り続ける。

さらに永久磁石回転子１が回転して第11図（ｄ）の位
置にくると、位置検出器３はＳ極を検知し固定子鉄芯５
に巻かれたコイルL1に電流を流して固定子鉄芯をＳ極に
励磁しCCW方向に回転子１をなおも回転させる。

以上のようにして永久磁石回転子１は連続回転する
が、この時に発生する回転トルクは、横軸を回転角度、
縦軸を回転トルクにして示すと第11図（ｅ）に示す特性
図のようになり、発生トルクが零となる死点６が生ず
る。これは先の説明による第11図（ｃ）の位置に回転子
がある場合に対応している。この死点の位置に回転子が
ある場合、モータは起動することができず、又、回転子
に対する負荷が大きい場合、何等かの原因によってこの
死点の位置で回転子が停止させられるとそのまま回転が
停止してしまうというような問題があった。又、この位
置を回転子が通過する前後の磁極の切り換わり点におい
て駆動回路が発振してしまうというような問題があっ
た。

そこで、このような問題を改良して従来から実施され
ているブラシレスモータの方式に第12図（ａ）〜（ｃ）
があるのでこれについて説明する。第12図（ａ）は位置
検出器３を一個設けた外転形（アウターロータ形）ブラ
シレスモータの断面図で、ラジアル（半径）方向に４極
に着磁されたリング状の永久磁石回転子１、４の突極を
有する固定子鉄芯５、固定子鉄芯５に巻かれて直列に接
続されたコイル４からなっている。固定子鉄芯５の突極
形状は回転軸に対して同心的ではなく、永久磁石回転子
１との空隙長（エアーギャップ）は場所によって変化し
ていることが重要であり、これについては、後で説明す
る。尚、２は磁性体でできた回転子ヨークである。

駆動回路はコイルの接続方法によって先に説明した第
11図（ａ）と同様か、又は、第12図（ｂ）に示すような
２相バイポーラ方式のどちらでもよいし、２相バイポー
ラ方式では第11図（ａ）のスイッチング素子S1（以下NP
Nトランジスタと仮定する）と電極との間にPNPスイッチ
ングトランジスタS3、NPNスイッチングトランジスタS2
と電源との間にPNPスイッチングトランジスタS4が直列
に接続され、S3のベースからは抵抗を通じてS2のコレク
タへ、S4のベースからは抵抗を通じてS1のコレクタへ接
続され、４個のコイルはすべてが直列接続されてS1のコ
レクタとS2のコレクタ間に接続されている。

この場合にコイルＬに電流を流すことによって発生す
るトルクの形、すなわち、励磁トルクの形は第11図
（ｅ）の類似形となり、第12図（ｃ）で示す特性図の
（Ａ）のように死点が１回転中に４箇所ある。ところ
が、コイルに電流を流さない場合に永久磁石回転子１と
固定子鉄芯５の間に生ずるトルク、すなわち、無励磁ト
ルク（レラクタンストルク、又は、コギングトルクとも
呼ばれる）は固定子鉄芯５の突極の形状により変化させ
ることができ、例えば第12図（ａ）のように永久磁石回
転子１との空隙長を場所によって変化させることにより
第12図（ｃ）の（Ｂ）のような形にすることができる。
従って、励磁トルク（Ａ）と無励磁トルク（Ｂ）の合成
トルクは（Ａ＋Ｂ）のようになり死点を無くすことがで
きる。

尚、駆動回路第11図（ａ）及び第12図（ｂ）におい
て、コンパレータQ1や増幅器で構成される７、インバー
タG1をひとまとめにした集積回路８や、更にスイッチン
グ素子S1、S2までを内蔵した集積回路が汎用として市販
されており、これを使用することは経済的に有効であ
る。又、この集積回路の中には、モータ拘束時の保護回
路動作、モータ拘束時のセンサー信号出力等の機能を集
積したものもある。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、この従来の方法第12図（ａ）〜（ｃ）では固
定子鉄芯５の突極と永久磁石回転子１との空隙長を変化
させているために、一定空隙長のモータに比べてどうし
ても効率が犠牲になる。又、固定子鉄芯５の突極部分の
形成によって第12図（ｃ）の無励磁トルク（Ｂ）の刑が
様々に変化することから、その形状の決定には多くの設
計時間と多くの評価時間を必要としなければならないと
いう問題を有していた。又、第12図（ａ）の固定子鉄芯
５では回転角に対して非対称の形状となるために、回転
子の回転方向は一方向に限定されてしまう。また逆方向
に回転させる場合、励磁トルク（Ａ）の形は変化しない
が無励磁トルク（Ｂ）Ｎの形が基準角度に対して線対称
になるために合成トルク（Ａ＋Ｂ）の形は変化してしま
う。従って逆方向に回転させようとする場合には固定子
鉄芯５を裏返しにする必要がある、などいずれの場合も
問題を有していた。

又、第12図（ｂ）の回路の場合にも第11図（ａ）の回
路と同様に磁極の切り換わり点において駆動回路に発振
が生じるという問題は残っていた、つまり第12図（ｃ）
における励磁トルク（Ａ）が零の点の付近で発振を生じ
ることである。

そして、この発振は特に市販の集積回路８を使用する
場合、それがモータ拘束時の保護回路動作やモータ拘束
時のセンサー信号出力等、その機能が多機能で複雑なも
のであるほど、その機能を動作不能にしてしまうという
ような矛盾した問題があった。更に、２相バイポーラ方
式の第12図（ｂ）の駆動回路の場合には、この発振時に
クロスカレントコンダクションと呼ばれる短絡現象が発
生して過大電流が流れ、場合によっては駆動回路の焼
損、破壊に至るという重大な問題を有していた。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記ブラシレスモータの効率が悪いこと、固
定子鉄芯の突極部分の形状決定に多くの時間と労力を有
すること、モータの逆回転が容易でないこと等の欠点を
除去するとともに、回転子の磁極切り換わり点における
駆動回路の発振を無くし、設計が容易で効率が良く、異
常発振等の生じない信頼度の高いブラシレスモータを得
るための駆動回路を提供する事を目的としたものであ
る。

このため本発明では、回転子の位置検出器の信号処理
回路の一部に不感帯特性を持たせるとともに、位置検出
器の出力信号がその不感帯部の範囲内に一定時間以上あ
る場合には駆動回路への電源の供給を遮断するようにし
たものである。

そして、特に位置検出器が一個の２相ブラシレスモー
タの場合には、この不感帯部の大きさは検出器の配設位
置を中心にして、回転子の無励磁トルクによる停止位置
までの角度幅の２倍よりも小さい角度で検出器の配設位
置の両側に渡って設定するようにしたものである。

以下に、この発明の原理を説明する。

［作用］ 第１図〜第５図により本発明の作用について説明す
る。第１図は本発明のブラシレスモータを輪切にした断
面図で、その構造は従来例で示した第12図（ａ）と同様
で４突起、４コイルとして共通にして説明する。しか
し、本発明の回路を適用するモータにおいて図示のよう
に固定子鉄芯５の突極部分の先端形状は回転軸に対して
同芯的であり、永久磁石回転子１との空隙長は場所にか
かわらず一定となっている。従って回転子鉄芯は機械角
90度で対称形状となる。この場合、無励磁トルクの形状
も機械角90度で対称となり、永久磁石回転子１は磁極の
切り換わり点が隣接する固定子鉄芯の突極間空隙の中央
部分に位置して停止する。この位置関係を拡大して展開
図で示すと第２図（ｂ）のｄの位置と同じである。

回転子１の位置検出器３として例えばホール素子があ
り、この設定位置は第２図（ｂ）のｂ位置、すなわち隣
接する固定子鉄芯の突極間空隙の中央武分ｄの位置より
も回転方向に角度θ１だけ手前（進み位相）とする。こ
れが遅れ位相でも原理的には本発明の効果は変わるもの
ではない。

一方、モータの永久磁石回転子１は一般に正弦波状に
着磁され、横軸に回転角度、縦軸に検出位置での磁束密
度に対する出力電圧Vsを取ると第２図（ｃ）のような磁
気特性の曲線図となっている。

次に第３図の回路図で２相ユニポーラ方式の駆動回路
について、従来の駆動回路第11図（ａ）との相違を中心
に説明する。第３図の回路において位相検出器３の出力
は差動増幅器Q2へ入力され、Q2の出力はウインドコンパ
レータで構成された信号処理回路Q3、Q4からS3に入力さ
れる。

このQ3、Q4は不感帯特性を有し、上限基準電圧Vu、下
限基準電圧V_lによってその入出力特性は第４図のように
処理される。すなわち、同図（ａ）の信号処理回路によ
り、同図（ｂ）に示すようなQ3、Q4の動作となり、入・
出力の関係が得られる。したがって入力電圧Vsは同図
（ｃ）に示すように上・下の基準電圧VuとV_lによって立
上がりと立下がりが決められ、その出力Voの機能する駆
動信号の幅は規定される。このVu、V_lを先の角度θ１の
２倍より小さな適当な値θ２に設定する。この関係を位
置検出器の出力電圧に換算すると第２図（ｃ）の位置
ａ、ｂ、ｃ、ｄのようになる。但し、θ２は位置検出器
３の設定位置ｂを中心にして両側になるべく均等に配置
するのが望ましい。

次に、第３図の回路のS3の出力Voは抵抗R1とコンデン
サC1で構成される積分回路を通った後、コンパレータQ5
の＋入力端子により接続される。Q5の−入力端子には抵
抗により分割された基準電圧Vrが入力される。Q5の出力
はNPNスイッチングトランジスタS4のベースに入力されS
4のコレクタは電源の＋側に直列に入った制御用NPNトラ
ンジスタS5の、ベースに接続される。S4のコレクタと電
源＋Vccには抵抗R2が接続される。

以上の様な回路によって第１図のモータを駆動した場
合の動作は第５図（ａ）〜（ｃ）のようになる。横軸は
回転角、縦軸は各部の電圧で、その測定点は第３図の回
路の中の記号と共通である。第５図（ａ）はモータ回転
時、第５図（ｂ）は回転子がなんらかの原因で前述の角
度θ２の範囲以外に拘束された時、又第５図（ｃ）は回
転子がなんらかの原因で角度θ２の範囲以内に拘束され
た時の各部の波形を示している。第５図（ａ）と（ｂ）
では従来の駆動方法と同じ動作になるが、第５図（ｃ）
のように、回転子が前述の角度θ２の範囲以内に拘束さ
れた場合、コンデンサC1の充電電圧が上昇し、基準電圧
Vrを越えるとS4がONとなり、S5がOFFして電源電圧＋Vcc
の供給を遮断する。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第
１図は４突極４コイルの有鉄芯５を固定子としたアウタ
ーロータタイプのブラシレスモータの断面図である。固
定子鉄芯５の突極部分の先端形状は回転軸に対して同心
的であり、永久磁石回転子１との空隙長は場所にかかわ
らず一定で良い。

半径方向に４極に着磁されたリング状の永久磁石回転
子１の位置を検出する１個の位置検出器３は、回転子の
無励磁トルクによる停止位置、すなわち固定子鉄芯突極
間空隙の中央部分第２図（ｂ）のｄよりも回転方向に角
度θ１だけ手前（進み位相）に配設する。

第３図は２相ユニポーラ方式の駆動回路を示し、位置
検出器３の出力信号は、第４図の入出力特性のごとく不
感帯を有するQ3、Q4、S3に加えられ、信号処理される。
第２図（ｃ）の不感帯部θ２は、V_l、Vuによって任意に
設定出来るので、位置検出器３の設定位置ｂを中心にし
て両側になるべく均等に、先の角度θ１の２倍より小さ
な適当な値θ２に設定する。トランジスタS3の出力Voは
抵抗R1とコンデンサC1で構成される積分回路を通った
後、コンパレータQ5の＋入力端子に接続される。Q5の−
入力端子には抵抗により分割された基準電圧Vrが入力さ
れる。Q5の出力はNPNスイッチングトランジスタS4のベ
ースに入力されS4のコレクタは電源の＋側に直列に入っ
た制御用NPNトランジスタS5のベースに接続される。S4
のコレクタと電源＋Vccには抵抗R2が接続される。

第７図は２相バイポーラ方式の駆動回路に対し本発明
を適用した例を示したもので、差動増幅器Q2以降の構成
と動作は第３図と同様である。

第８図は本発明を適用した別の実施例で、２極２コイ
ルの有鉄芯ブラシレスモータの断面概略図であり、その
駆動回路は第７図と共通である。

第９図と第10図は４極２コイルの偏平型無鉄芯ブラシ
レスモータの永久磁石回転子と固定子を平面図で示した
例で、駆動回路は第７図と共通である。

尚、従来のブラシレスモータ第12図（ａ）に本発明の
駆動回路第３図又は第７図だけを適用することももちろ
ん可能であるが、その場合には、回転子の無励磁トルク
による停止位置が変化し、第２図のｄが第６図のｄの位
置になることに注意すれば同様の動作が得られる。

又、３個の位置検出器を持つ３相ブラシレスモータ、
２個の位置検出器を持つ４相ブラシレスモータの駆動回
路についても、差動増幅器Q2以降の回路を付加すること
によって同一の動作が可能である。

［発明の効果］ 以上、本発明は回転子の位置を検出する検出器とこの
検出器の出力信号を処理する信号処理回路と、そこから
得た信号により電機子コイルに電流を流すためのスイッ
チング回路とを備えたブラシレスモータの駆動回路にお
いて、前記信号処理回路の一部には不感帯特性を持た
せ、前記検出器の出力信号がその不感帯部の範囲内に一
定時間以上ある場合にはその駆動回路への電源の供給を
遮断することにした。

又、ブラシレスモータの死点の問題を保護回路の動作
で回避することにより、固定子鉄芯の突極部形状は対
称、一定空隙長での設計が可能となるため従来のような
複雑形状設計が不要となり容易になる。さらに、固定子
鉄芯突極部の形状が対称であるから、モータの回転方向
を逆転する場合でも固定子鉄芯を裏返しにする必要もな
く駆動回路の選択によって容易に実施できる。又、固定
子鉄芯突極部と永久磁石回転子の空隙長が一定であるか
ら効率良いモータ設計が可能となるなど多くの効果を示
すものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の実施の説明で、第１図は本発
明に係わるブラシレスモータを輪切りにした断面図、第
２図（ａ）はモータのロータとステータの関係の展開
図、第２図（ｂ）は（ａ）図の要部を拡大した展示図、
第２図（ｃ）は位置検出器の出力電圧を示す波形図、第
３図は駆動回路図、第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）は不
感帯部を構成する信号処理回路の（ａ）は回路図、
（ｂ）は動作の状態図、（ｃ）は入出力特性図、第５図
は、各状態における各部の波形を示すもので、（ａ）は
回転時の駆動回路各部の状態を示す波形図、（ｂ）は回
転子が不感帯部θ２の範囲以外に拘束された時の駆動回
路各部の状態を示す波形図、（ｃ）は回転子が不感帯部
θ２の範囲以内に拘束された時の駆動回路各部の状態を
示す波形図である。 第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）は従来のブラシレスモー
タに本発明の駆動回路だけを適用する場合の位置検出器
の配設を説明する図で、第７図は本発明の他の実施例の
駆動回路図、第８図は本発明の別の実施例のモータの断
面図、第９図は本発明の別の実施例の回転子の平面図、
第10図は第９図のロータに適用される固定子の平面図で
ある。 第11図（ａ）〜（ｅ）は、従来の問題点を説明する図面
で（ａ）は駆動回路図、（ｂ）〜（ｄ）は回転子の動作
状態を説明する平面図、（ｅ）は発生トルクと死点を示
す特性図、第12図（ａ），（ｂ），（ｃ）は改善された
従来のモータの説明図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は駆
動回路の回路図で、（ｃ）は合成トルクの発生を説明す
る特性図である。 １……永久磁石回転子 ２……回転子ヨーク ３……位置検出器 4,4′……電機子コイル ５……固定子鉄芯 ６……不感帯部 ７……コンパレータ、増幅器 ８……集積回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転子の位置を検出する検出器と、該検出
   器の出力信号を処理する信号処理回路と、該信号処理回
   路の出力信号を得て電機子コイルに電流を流すためのス
   イッチング回路とを備えたブラシレスモータの駆動回路
   において、前記信号処理回路の一部には不感帯特性を持
   たせるとともに、前記検出器の出力信号が前記不感帯部
   の範囲に一定時間以上ある場合には前記駆動回路への電
   源の供給を遮断することを特徴とするブラシレスモータ
   の駆動回路。