JP2750453B2 - 自動ドア用ブラシレスモータ回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、自動ドア用のブラシレスモータ回路に関す
る。

［従来の技術］ 第３図は、従来の自動ドア用ブラシレスモータ回路の
ブロック図であって、いわゆるPWMインバータチョッピ
ング方式を採用したものである。

整流・平滑回路10は、例えば100Vの交流入力を直流化
して、直流高電圧をチョッパ回路20に与える。チョッパ
回路20は、チョッピングのためのオン・オフ回路（トラ
ンジスタ等のスイッチング素子）と平滑回路とからな
り、直流高電圧入力を直流低電圧に変換してこれを出力
する。差動増幅器33は例えば＋33Vの直流設定電圧に対
するチョッパ回路20の出力電圧V_Mの偏差を演算して、こ
れを出力する。パルス幅変調回路50は、差動増幅器33の
出力電圧φ_Ｍをパルス幅に比例変換して、チョッパ回路
20の出力電圧V_Mを設定する。この際、パルス幅変調回路
50からチョッパ回路20に与えられるチョッパ信号P_C1の
パルス幅は、電圧φ_Ｍと例えば20kHzの三角波信号との
大小比較によって決定される。以上の整流・平滑回路1
0、チョッパ回路20、差動増幅器33及びパルス幅変調回
路50は、スイッチングレギュレータ55を構成する。そし
て、このスイッチングレギュレータ55によってチョッパ
回路20から直流定電圧V_Mが得られる。

この定電圧V_Mは、インバータ回路60を介してブラシレ
スモータ70の固定子巻線に与えられて回転磁界をつく
る。三相ブラシレスモータを使用する場合、インバータ
回路60は、例えば上アームを構成する３つのトランジス
タと下アームを構成する３つのトランジスタとからな
る。ただし、下アームを構成する各トランジスタは、ダ
ーリントン接続トランジスタを介してパルス幅変調がか
けられる。

ブラシレスモータ70の永久磁石からなる回転子の近傍
にはホール素子からなる位置検出器が配され、この検出
器を含む論理回路で構成される回転子位置検出回路80
が、ブラシレスモータ70の回転子の位置を検出してイン
バータ回路60へのオン・オフ指令を発して規定の固定子
巻線に順次電流を供給させるとともに、モータ速度に応
じた繰返し周波数の速度パルスP_Rを出力する。回転子の
位置検出にホール素子を使用する場合、モータ１回転あ
たり12パルスを越える速度パルスを得るのは困難であ
る。したがって、速度パルスR_Rの数は、モータ１回転あ
たり例えば１〜12パルスである。

F/V変換回路90は、この速度パルスP_Rの繰返し周波数
を直流電圧に比例変換してこれを出力する。このF/V変
換回路90としては、微分回路91、ワンショットマルチバ
イブレータ92及び平滑回路93を順次縦続接続したものが
使用される。差動増幅器95は、F/V変換回路90の出力電
圧V_Rの速度指令電圧V_Sに対する偏差を演算する。パルス
幅変調回路100は、差動増幅器95の出力電圧φ_Ｒをパル
ス幅に比例変換して、インバータ回路60の下アームトラ
ンジスタにパルス幅変調をかける。このパルス幅変調回
路100からインバータ回路60に与えられるチョッパ信号P
_C2のパルス幅は、電圧φ_Ｒと例えば20kHzの三角波信号
との大小比較によって決定される。

以上に説明した従来の自動ドア用ブラシレスモータ回
路では、スイッチングレギュレータ55からインバータ回
路60を介してブラシレスモータ70に与えられる直流電圧
V_Mすなわちモータ電圧は一定である。ところが、インバ
ータ回路60の下アームを構成する各トランジスタのオン
時間が速度帰還によってパルス幅変調されるので、ブラ
シレスモータ70は速度指令電圧V_Sの大きさに応じた定速
度に制御され、低速時のトルクアップがはかられる。こ
の際、F/V変換回路90において、微分回路91が速度パル
スP_Rの各エッジを検出し、ワンショットマルチバイブレ
ータ92が各エッジから始まる一定幅のパルスを生成し、
平滑回路93がこのパルスを平滑して直流電圧とする。ワ
ンショットマルチバイブレータ92の出力パルス幅は、こ
れに接続される時定数回路で設定される。

［発明が解決しようとする課題］ 通常、自動ドアの開閉を駆動するブラシレスモータで
は、例えば1000〜3000rpmの範囲の高速モードと例えば2
50〜500rpmの範囲の低速モードとの２モードが要求され
るのみである。

ところが、前記従来の自動ドア用ブラシレスモータ回
路では、回転子位置検出回路80から出力される速度パル
スP_Rの数がモータ１回転あたり１〜12パルスと少ないに
もかかわらず、不要範囲を含む250〜3000rpmの速度範囲
を１つの速度帰還制御でカバーしようとしていたため
に、次の問題があった。

すなわち、速度パルスP_Rの周期が最も短くなるモータ
最高速度3000rpmにおいてワンショットマルチバイブレ
ータ92の出力パルスどおしが互いにつながってしまうこ
とのないようにこのワンショットマルチバイブレータ92
の出力パルス幅設定を小さくすると、低速回転時に幅の
狭いパルスが長い間隔をおいて平滑回路93に与えられる
ことになる。したがって、低速回転時に平滑回路93の出
力電圧すなわちF/V変換回路90の出力電圧V_Rに含まれる
リップルが非常に大きくなる。この脈動が差動増幅器95
の出力電圧φ_Ｒにも現れてパルス幅変調回路100から出
力されるチョッパ信号P_C2のパルス幅が不規則に変動
し、インバータ回路60の下アームトランジスタのオン時
間が変動する。したがって、従来はモータ速度が約300r
pmを下回るとブラシレスモータ70がハンチングを生じや
すくなるのが実情であって、特に軽量ドアの場合に振動
やトルクむらが生じる問題があった。

この低速時のハンチング問題を解決するために例えば
１回転あたり100パルスを出力するロータリエンコーダ
をブラシレスモータ70の回転軸に接続して回転子の位置
を検出することが考えられるが、ロータリエンコーダが
高価であることが問題となる。

本発明は、高速及び低速の２段階モードのみが要求さ
れるという自動ドア用ブラシレスモータ回路の場合の特
殊事情に鑑みてなされたものであって、チョッパ回路の
出力電圧を段階的に切換えることによって、モータ１回
転あたりの速度パルス数が少ない場合であっても両モー
ドにおいてともに円滑な速度制御を実現することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る自動ドア用ブラシレスモータ回路は、チ
ョッパ回路の出力をインバータ回路を介してブラシレス
モータの固定子巻線に供給するモータ回路であって、高
速回転をすべき指令を受けたときに高い直流設定電圧
を、低速回転をすべき指令を受けたときに低い直流設定
電圧をそれぞれ切換え出力する切換回路と、この切換回
路の切換出力電圧に対するチョッパ回路出力電圧の偏差
を演算する第１の差動増幅器と、この第１の差動増幅器
の出力電圧をパルス幅に比例変換してチョッパ回路の出
力電圧を設定する第１のパルス幅変調回路と、ブラシレ
スモータの回転子の位置を検出してインバータ回路への
オン・オフ指令を発するとともにモータ速度に応じた繰
返し周波数の速度パルスを出力する回転子位置検出回路
と、微分回路、ワンショットマルチバイブレータ及び平
滑回路の縦続接続で構成され、速度パルスの繰返し周波
数を直流電圧に比例変換してこれを出力するF/V変換回
路と、このF/V変換回路の出力電圧の速度指令電圧に対
する偏差を演算する第２の差動増幅器と、この第２の差
動増幅器の出力電圧をパルス幅に比例変換してインバー
タ回路を構成するスイッチング素子のオン時間を設定す
る第２のパルス幅変調回路とを有することを特徴とす
る。

［作 用］ 切換回路、第１の差動増幅器、第１のパルス幅変調回
路及びチョッパ回路は、複数の異なる定電圧出力が得ら
れるスイッチングレギュレータを構成する。すなわち、
高速回転をすべき指令が切換回路に与えられるとチョッ
パ回路から直流高電圧出力が得られ、低速回転をすべき
指令が切換回路に与えられるとチョッパ回路から直流低
電圧出力が得られる。

このチョッパ回路の可変出力は、インバータ回路を介
してブラシレスモータの固定子巻線に供給され回転磁界
を生成する。このブラシレスモータの回転子の速度は、
回転子位置検出回路、F/V変換回路、第２の差動増幅器
及び第２のパルス幅変調回路を通してインバータ回路に
帰還される。すなわち、インバータ回路を構成するスイ
ッチング素子のオン時間が速度指令電圧の大きさに応じ
てパルス幅変調され、定速度制御が実行される。ただ
し、高速回転をすべき指令が切換回路に与えられてお
り、チョッパ回路からインバータ回路に直流高電圧が印
加されている場合には、速度指令電圧が低くとも例えば
1000〜3000rpmの範囲の高速モードが実現される。一
方、低速回転をすべき指令が切換回路に与えられてお
り、チョッパ回路からインバータ回路に直流低電圧が印
加されている場合には、高速モードと同じ範囲の大きさ
の速度指令電圧が第２の差動増幅器に印加されても、例
えば250〜500rpmの範囲の低速モードが実現される。つ
まり、パルス幅変調回路からインバータ回路に与えるチ
ョッパ信号のパルス幅を極端に狭くしなくとも低速モー
ドを実現することができる。

換言すれば、速度帰還のためのF/V変換回路中のワン
ショットマルチバイブレータの出力パルス幅は高速モー
ド又は低速モードの各範囲内で設定できるから、この出
力パルス幅設定を大きくすることができる。したがっ
て、回転子位置検出回路から出力される速度パルスの数
がモータ１回転あたり１〜12パルスと少ない場合であっ
ても、このワンショットマルチバイブレータに接続され
る平滑回路の出力リップルが小さくなり、両モードにお
いてともに円滑な速度制御が実現する。

［実施例］ 第１図は、本発明の実施例に係る自動ドア用ブラシレ
スモータ回路の回路図である。

例えば100Vの交流電源２が整流・平滑回路10に接続さ
れる。この整流・平滑回路10は、交流入力を直流化し
て、直流高電圧をチョッパ回路20に与える。このチョッ
パ回路20において、整流・平滑回路10の出力電圧は、パ
ルストランス21の１次巻線と主スイッチング素子である
NPNトランジスタ22との直列回路に印加される。この主
トランジスタ22のベース回路は、他のパルストランス23
で絶縁された他のNPNトランジスタ24（副トランジス
タ）のコレクタ回路に接続される。主トランジスタ22が
１次巻線に接続されるパルストランス21の２次側は、ダ
イオード、コイル及び出力コンデンサで構成される平滑
回路25を介してインバータ回路60に接続される。

チョッパ回路20の出力コンデンサの両端電圧は、イン
バータ回路60ばかりでなく、２本の抵抗器31,32を直列
接続してなる分圧回路にも与えられる。両抵抗器31,32
の接続点電圧V_Mは、チョッパ回路20の出力電圧を監視す
るために利用される。すなわち、この電圧V_Mが差動増幅
器33に反転入力として与えられ、ここに電圧帰還回路30
が形成される。

符号40は、差動増幅器33の非反転入力端子に与える直
流設定電圧の大きさを切換えるための切換回路を示す。
この切換回路40において、＋10VDCがアナログスイッチ4
1に入力され、＋33VDCが他のアナログスイッチ42に与え
られる。一方のアナログスイッチ41には、速度切換信号
S_WがNOT回路43に介して与えられ、他方のアナログスイ
ッチ42には、速度切換信号S_Wが直接与えられる。Ｈレベ
ルの速度切換信号S_Wすなわち高速指令が切換回路40に与
えられると、アナログスイッチ42がオンして、直流高電
圧＋33Vが切換出力電圧V_Uとして差動増幅器33に与えら
れる。一方、Ｌレベルの速度切換信号S_Wすなわち低速指
令が切換回路40に与えられると、アナログスイッチ41が
オンして、直流低電圧＋10Vが切換出力電圧V_Uとして差
動増幅器33に与えられる。

差動増幅器33の出力電圧φ_Ｍは、パルス幅変調回路50
において、コンパレータ51で三角波発振回路52の出力信
号T₁と大小比較されてチョッパ信号ＰC1となる。このチ
ョッパ信号ＰC1は、前記チョッパ回路20の副トラジスタ
24のベースに印加され、パルストランス23を介して主ト
ランジスタ22をオン・オフさせる。つまり、パルス幅変
調回路50は、差動増幅器33の出力電圧φ_Ｍをパルス幅に
比例変換して、チョッパ回路20の出力電圧V_Mを設定す
る。なお、三角波信号T₁の周波数は、例えば20kHzであ
る。

以上の整流・平滑回路10、チョッパ回路20、電圧帰還
回路30、切換回路40及びパルス幅変調回路50は、出力電
圧が２段階切換可能なスイッチングレギュレータ55を構
成する。

チョッパ回路20の出力電圧は、インバータ回路60を介
してブラシレスモータ70の固定子巻線に与えられて回転
磁界をつくる。三相ブラシレスモータを使用する場合に
はインバータ回路60が３つのPNPトランジスタ（上アー
ム）61a,61b,61cと３つのNPNトランジスタ（下アーム）
62a,62b,62cとで構成される。各トランジスタにはフラ
イホイール・ダイオードが接続されている。ただし、下
アームを構成する各トランジスタ62a,62b,62cのベース
には他のPNPトランジスタ63a,63b,63cのコレクタがそれ
ぞれ接続され、これらトランジスタ63a,63b,63cのエミ
ッタは、パルス幅変調をかけるための１つの共通PNPト
ランジスタ64を介して直流電源V_BBに接続される。

ブラシレスモータ70は、例えば２極の永久磁石からな
る回転子を有し、この周囲に三相固定子巻線が120度等
配されている。更に、ホール素子からなる３つの位置検
出器81が回転子近傍に120度等配され、これらの検出器
がブラシレスモータ70に回転子位置に対応する速度信号
A,B,Cをそれぞれ出力する。これらの速度信号A,B,Cは、
駆動論理回路82に入力されて、インバータ回路60の上ア
ームのためのオン・オフ指令U,V,Wと、下アームのため
のオン・オフ指令X,Y,Zとに変換される。ただし、上ア
ームのためのオン・オフ指令U,V,WはPNPトランジスタ61
a,61b,61cのベースをそれぞれ直接駆動するが、下アー
ムのためのオン・オフ指令X,Y,ZはPNPトランジスタ63a,
63b,63cのベースを介してNPNトランジスタ62a,62b,62c
をそれぞれ駆動する。また、駆動論理回路82は、速度信
号A,B,Cをもとにして速度パルスP_Rを生成する。この速
度パルスP_Rのレートは、ブラシレスモータ70の１回転あ
たり例えば12パルスである。ただし、駆動論理回路82の
回路構成は周知であるので、その詳細な説明は省略す
る。なお、位置検出器81と駆動論理回路82とは、前記回
転子位置検出回路80を構成する。

速度パルスP_Rは、F/V変換回路90に入力される。F/V変
換回路90は、微分回路91、ワンショットマルチバイブレ
ータ92及び平滑回路93を順次縦続接続したものであっ
て、速度パルスP_Rの繰返し周波数をこれに比例した直流
電圧V_Rに変換する。このF/V変換回路90の出力電圧V
_Rは、差動増幅器95の反転入力端子に入力される。この
差動増幅器95は、抵抗分圧回路である直流電圧設定回路
98から速度指令電圧V_Sが非反転入力端子に入力されて、
F/V変換回路90の出力電圧V_Rの速度指令電圧V_Sに対する
偏差を演算する。なお、F/V変換回路90と差動増幅器95
とは、速度帰還回路96を構成する。

差動増幅器95の出力電圧φ_Ｒは、パルス幅変調回路10
0において、コンパレータ101で三角波発振回路102の出
力信号T₂と大小比較されてチョッパ信号P_C2となる。こ
のチョッパ信号P_C2は、前記インバータ回路60において
共通PNPトランジスタ64のベースを駆動して、インバー
タ回路60の下アームトランジスタ62a,62b,62cにパルス
幅変調をかける。つまり、このパルス幅変調回路100
は、差動増幅器95の出力電圧φ_Ｒをパルス幅に比例変換
して、下アームトランジスタ62a,62b,62cのオン時間を
設定する。なお、三角波信号T₂の周波数は、例えば20kH
zである。

第２図は、以上に説明した自動ドア用ブラシレスモー
タ回路の動作を示すタイミングチャートである。

整流・平滑回路10は、交流電源２から供給される例え
ば100Vの交流入力を直流化して、直流高電圧をチョッパ
回路20に与える。チョッパ回路20は、この直流高電圧入
力を直流低電圧に変換して、これをインバータ回路60に
与える。

一方、位置検出回路80において、位置検出器81は、ブ
ラシレスモータ70の回転子位置変化に応じた速度信号A,
B,Cをそれぞれ出力する。これらの速度信号A,B,Cは、駆
動論理回路82によってインバータ回路60に対するオン・
オフ指令U,V,W,X,Y,Zに変換される。この際、インバー
タ回路60の上アームトランジスタ61a,61b,61cと下アー
ムトランジスタ62a,62b,62cとがそれぞれ１つに選択さ
れ、ブラシレスモータ70の回転子位置に応じた規定の固
定子巻線に電流が流れて回転磁界が生成し、回転子が回
転する。ただし、固定子巻線への電流供給は共通PNPト
ランジスタ64のオン時間に限られるから、ブラシレスモ
ータ70はパルス幅制御回路100から出力されるチョッパ
信号P_C2によって、速度指令電圧V_Sの大きさに応じた定
速度制御が実行される。

この際、第２図の左半部に示すようにＨレベルの速度
切換信号S_Wすなわち高速指令が切換回路40に与えられる
と、切換出力電圧V_Uとして直流高電圧＋33Vが差動増幅
器33に与えられて、この電圧を基準電圧としてスイッチ
ングレギュレータ55が動作する。したがって、チョッパ
回路20から直流高電圧が出力される。このとき速度指令
電圧V_Sとして同図に示すようなランプ入力を与えると、
ブラシレスモータ70の速度が例えば1000〜3000rpmの高
速モード範囲で変化する。

一方、同図の右半部に示すようにＬレベルの速度切換
信号S_Wすなわち低速指令が切換回路40に与えられると、
スイッチングレギュレータ55が＋10Vの切換出力電圧V_U
を基準電圧として動作して、チョッパ回路20の直流出力
電圧が低下する。このとき速度指令電圧ＶSとして同図
に示すような高速モードと同じ範囲のランプ入力を与え
ても、ブラシレスモータ70の速度が例えば250〜500rpm
の低速モード範囲で変化する。つまり、パルス幅変調回
路100からインバータ回路60に与えるチョッパ信号P_C2の
パルス幅を極端に狭くしなくとも低速モードを実現する
ことができる。

換言すれば、速度帰還のためのF/V変換回路90中のワ
ンショットマルチバイブレータ92の出力パルス幅は高速
モード又は低速モードの各範囲内で設定できるから、こ
の出力パルス幅設定を大きくすることができる。したが
って、回転子位置検出回路80から出力される速度パルス
P_Rの数が少なくとも、平滑回路93の出力リップルが小さ
くなり、両モードにおいてともに円滑な速度制御が実現
する。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係る自動ドア用ブラ
シレスモータ回路は、いわゆるPWMインバータチョッピ
ング方式において高速モードと低速モードとでチョッパ
回路の出力電圧を段階的に切換えているので、本発明に
よれば、モータ１回転あたりの速度パルス数が少ない場
合であっても、両モードにおいてともに円滑な速度制御
を実現することができる。つまり、高速回転時に滑かに
速度制御を実行できることはもちろん、従来とは違って
低速域でのハンチングを防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係る自動ドア用ブラシレス
モータ回路の回路図、 第２図は、前図の自動ドア用ブラシレスモータ回路の動
作を示すタイミングチャート、 第３図は、従来の自動ドア用ブラシレスモータ回路のブ
ロック図である。 符号の説明 10……整流・平滑回路、20……チョッパ回路、30……電
圧帰還回路、33……差動増幅器、40……切換回路、50…
…パルス幅変調回路、55……スイッチングレギュレー
タ、60……インバータ回路、70……ブラシレスモータ、
80……回転子位置検出回路、81……位置検出器、82……
駆動論理回路、90……F/V変換回路、91……微分回路、9
2……ワンショットマルチバイブレータ、93……平滑回
路、95……差動増幅器、96……速度帰還回路、98……直
流電圧設定回路、100……パルス幅変調回路、P_C1,P_C2…
…チョッパ信号、P_R……速度パルス、S_W……速度切換信
号、V_S……速度指令電圧。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チョッパ回路の出力をインバータ回路を介
   してブラシレスモータの固定子巻線に供給するモータ回
   路であって、高速回転をすべき指令を受けたときに高い
   直流設定電圧を、低速回転をすべき指令を受けたときに
   低い直流設定電圧をそれぞれ切換え出力する切換回路
   と、この切換回路の切換出力電圧に対するチョッパ回路
   出力電圧の偏差を演算する第１の差動増幅器と、この第
   １の差動増幅器の出力電圧をパルス幅に比例変換してチ
   ョッパ回路の出力電圧を設定する第１のパルス幅変調回
   路と、ブラシレスモータの回転子の位置を検出してイン
   バータ回路へのオン・オフ指令を発するとともにモータ
   速度に応じた繰返し周波数の速度パルスを出力する回転
   子位置検出回路と、微分回路、ワンショットマルチバイ
   ブレータ及び平滑回路の縦続接続で構成され、速度パル
   スの繰返し周波数を直流電圧に比例変換してこれを出力
   するF/V変換回路と、このF/V変換回路の出力電圧の速度
   指令電圧に対する偏差を演算する第２の差動増幅器と、
   この第２の差動増幅器の出力電圧をパルス幅に比例変換
   してインバータ回路を構成するスイッチング素子のオン
   時間を設定する第２のパルス幅変調回路とを有すること
   を特徴とする自動ドア用ブラシレスモータ回路。