JP4143958B2 - Dcブラシレスモータの並列駆動回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数台のファンやポンプ等を同一速度で運転するために互いに並列接続された複数台のDCブラシレスモータを駆動するための並列駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
周知のように、DCブラシレスモータは、永久磁石形直流モータの長所を備え、機械的な騒音や電気的ノイズを発生せず、長寿命である等の利点があるため、小形の直流電動機として各種用途に利用されている。
ここで、図12は、この種のDCブラシレスモータを駆動する従来の駆動回路を示している。
【0003】
図6において、Eは直流電源、T1〜T6は三相ブリッジ接続されたトランジスタ等の半導体スイッチング素子、U,V,Wは三相ブリッジ回路の出力端子、MはDCブラシレスモータ、11はステータ、12は永久磁石からなるロータ、CU,CV,CWはステータ11に配置されたU,V,W各相のコイル、HU,HV,HWはロータ12の磁極位置(ロータ位置)を検出するロータ位置センサとしてのホール素子、20はホール素子HU,HV,HWに接続されたロータ位置検出回路、30はロータ位置検出信号(以下では、必要に応じて単に位置検出信号という)を用いて各相のスイッチング素子T1〜T6に対するスイッチング信号を作成して出力するスイッチング信号発生回路である。
【0004】
この駆動回路では、図7に示すように、ホール素子HU,HV,HWにより検出した位置検出信号に従い、スイッチング信号発生回路30によって最適なスイッチング素子を120°ずつオンさせ、これにより各相のコイルCU,CV,CWに正または負の電圧VU,VV,VWを印加してステータ11とロータ12との間の磁気的吸引力または反発力により、ロータ12を回転させている。
なお、この駆動方式は120°通電方形波駆動方式と呼ばれている。
【0005】
しかし、図6に示した構成は基本的に1台のモータMを駆動するためのものであり、例えば2台のモータを駆動するには2つの駆動回路が必要になって回路構成の複雑化や価格の上昇を避けることができない。
このような点に鑑み、1つの駆動回路によって複数台のモータを駆動する従来技術として、特開2000−262082号公報に記載されたブラシレスモータの駆動回路が知られている。
【0006】
上記特開2000−262082号公報に記載された駆動回路は、図8に示すように、並列接続された2台のブラシレスモータM1,M2の各ロータ位置を検出するロータ位置検出センサ50,60と、これらの出力信号及び発振器80からの発振信号Pが加えられるセンサ信号切換回路70と、その出力信号がモータ駆動指令と共に加えられる駆動ドライバ90とを備えている。なお、U1,V1,W1,U2,V2,W2はモータM1,M2の各相コイル、50u,50v,50w,60u,60v,60wはロータ位置検出素子である。
【0007】
この駆動回路の動作を図9を参照しつつ簡単に説明すると、まず、ブラシレスモータの数に応じて分周された発振信号P(例えば2台のモータM1,M2を駆動する場合には元の信号の1周期を2分割した半周期信号)を基準信号とし、この発振信号Pは周期Tでデューティ比が50%(T1=T2)であるとする。
センサ信号切換回路70は、上記発振信号Pを用いて、2台のモータM1,M2の同一相のロータ位置検出信号(例えば50u,60u)を発振信号Pの半周期ごとに切り替えて駆動ドライバ90に出力すると共に、駆動ドライバ90では、ロータ位置検出信号に応じた駆動信号をモータM1,M2のU相コイルU1,U2に供給してモータM1,M2を運転するものである。
【0008】
しかしながら、特開2000−262082号公報に記載された駆動回路では、図9に示したように、発振信号Pによりロータ位置検出信号を切り替えるタイミングがロータ位置検出信号と完全には同期していないため、このロータ位置検出信号に基づいて駆動信号を切り替えた直後にコイルに印加される電圧の位相が急変して動作が不安定になり易い。
また、この従来技術では、一般にロータ位置検出信号の周期よりも長い周期の発振信号Pを基準信号としてロータ位置検出信号を切り替えているため、ロータ位置検出信号が選択されていないモータは、その間、自己のロータ位置検出信号に関係なく運転されるので、動作が不安定になり易いという問題がある。
【0009】
つまり、図9において、駆動信号がモータM1のロータ位置検出信号50uに基づいて決定されている期間は、モータM2のロータ位置検出信号60uは考慮されていないため、モータM2にとって正規の通電角度でU相コイルに通電されず、これがモータM2の回転を不安定にするおそれがある。
【0010】
上記の問題を解決するために、本出願人は、先に特願2001−387671号としてDCブラシレスモータの並列駆動回路(以下、先願発明という)を出願した。この出願の請求項2に記載した発明は、互いに並列接続された2台のDCブラシレスモータを、複数の半導体スイッチング素子を有する駆動回路により同一速度で駆動する並列駆動回路であって、スイッチング信号発生手段が、各モータのロータ位置検出信号から作成した制御信号を用いて前記スイッチング素子のスイッチング信号を作成するDCブラシレスモータの並列駆動回路において、各相ごとに2台のモータの前記ロータ位置検出信号を用いて作成した制御信号を前記スイッチング信号発生手段に出力する信号選択手段を、論理積手段により構成したものである。
【0011】
図10は、上記先願発明に係る駆動回路の全体構成を示しており、2台のDCブラシレスモータMA,MBを1台の駆動回路によって駆動する場合のものである。
図10において、半導体スイッチング素子T1〜T6を有する三相ブリッジ回路の各相出力端子U,V,Wには、同一構成のDCブラスレスモータMA,MBが並列に接続されており、それぞれに設けられたホール素子HU,HV,HWはロータ位置検出回路21,22に接続されている。
【0012】
これらの検出回路21,22から出力される各モータMA,MBのロータ位置検出信号は各相ごとに信号選択回路40に入力され、どちらのモータMA,MBの位置検出信号を使用するかを切り替えて選択可能となっている。そして、この信号選択回路40からは、選択したモータのロータ位置検出信号に応じてスイッチング素子T1〜T6をオン・オフさせるために、スイッチング信号発生回路30に対する制御信号が出力される。
【0013】
いま、モータMA,MBが同期して同一速度で運転されているとすると、それぞれのロータ位置検出信号は各相共に図11のように同期して出力されている。なお、図11ではモータMAに関する信号をA、モータMBに関する信号をBで示してある。
【0014】
両方のモータMA,MBをロータ位置検出信号に同期させて運転するためには、三相全体では、ロータ回転角(空間角)が0°、60°、120°、180°、240°、300°のタイミングでロータ位置検出信号が変化するのに合わせて、スイッチング信号発生回路30からのスイッチング信号を変化させる必要がある。
ここで、三相のうちU相のみに着目すると、ロータ回転角で180°ごとの0°及び180°のタイミングでロータ位置検出信号が変化するのに合わせて、スイッチング信号を変化させる必要があり、図11に示した信号選択回路出力(制御信号)を得ることが望まれる。
【0015】
2台のモータMA,MBを1台の駆動回路によって安定して並列運転するためには、モータMA,MBのロータ位置検出信号をできるだけきめ細かく切り替え、その切り替えた信号に基づいてスイッチング信号を発生させる必要がある。
そこでこの従来技術では、各相ごとに、2台のモータMA,MBのロータ位置検出信号の論理積から制御信号を作成し、この制御信号に基づいてスイッチング信号を作成している。
【0016】
すなわち、前記信号選択回路40は、例えば図12に示すアンド回路ANDから構成されている。ここで、図12はモータMA,MBの一相(例えばU相)分のロータ位置検出信号の処理回路であり、実際の信号選択回路は図12のアンド回路ANDが他のV相、W相についても設けられる。
U相のアンド回路ANDにはモータMA,MBのU相のロータ位置検出信号が入力されている。ここで、アンド回路ANDは、二つのロータ位置検出信号からその論理積を選択して出力するという意味で、信号選択回路40を構成するものとする。
【0017】
図13は、モータMA,MBが同期して運転されている場合、つまりモータMA,MBのロータ位置検出信号が同期しているときのタイミングチャートである。
この場合、ロータ位置検出信号は何れも回転角が0°でLowレベルからHighレベルに変化し、回転角が180°でHighレベルからLowレベルに変化する。従って、アンド回路AND(すなわち信号選択回路40)から出力される制御信号は、モータMA,MBのロータ位置検出信号と同一になる。
【0018】
図14はモータMA,MBのロータ位置検出信号の間に若干の時間的なずれ、すなわち角度のずれが生じている場合である。
モータMAのロータ位置検出信号は、図13と同様に回転角が0°でLowレベルからHighレベルに変化し、回転角が180°でHighレベルからLowレベルに変化している。一方、モータMBのロータ位置検出信号は、回転角がF°(F>0°)でLowレベルからHighレベルに変化し、回転角がG°(G>180°)でHighレベルからLowレベルに変化している。
【0019】
このため、アンド回路AND(すなわち信号選択回路40)から出力される制御信号は、回転角がF°〜180°の期間がHighレベルであり、それ以外の期間はLowレベルとなる。このアンド回路ANDの出力は、モータMA,MBのロータ位置検出信号とはそれぞれ若干異なるが、実用上、支障なく2台のモータMA,MBを並列運転できることが確認されている。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
図15は、図10に示した先願発明の具体的な配線図である。図15において、100は制御回路であり、図10における主回路(直流電源E、スイッチング素子T1〜T6)及びスイッチング信号発生回路30を一体化したものに相当する。
【0021】
図15に示すように、各モータMA,MBのロータ位置検出回路21,22と信号選択回路40とを接続するために、位置検出回路21,22側の電源端子C1A,C1B、各相の検出端子X1A,X2A,X3A,X1B,X2B,X3B及び共通端子CMA,CMBと、信号選択回路40側の合計10個の対応端子C1A,X1A,X2A,X3A,CMA,C1B,X1B,X2B,X3B,CMBとを個別に結線する必要があり、配線本数が多く配線作業が繁雑であったり、信号選択回路40の端子数が多いため回路全体の大型化や構造の複雑化を招いていた。
なお、信号選択回路40側の電源端子C1A,C1B、共通端子CMA,CMBをそれぞれ共通にしたとしても合計8個の端子が必要であり、端子数の大幅な減少や配線の簡略化は期待できない。
【0022】
そこで本発明は、配線の簡略化や接続端子数の減少を図り、配線作業の労力を軽減すると共に装置全体の構造の簡素化、小型化を可能にしたDCブラシレスモータの並列駆動回路を提供しようとするものである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、互いに並列接続された複数台のDCブラシレスモータを、複数の半導体スイッチング素子を有する駆動回路により同一速度で駆動する並列駆動回路であって、スイッチング信号発生手段が、各モータのロータ位置検出信号から作成した制御信号を用いて前記スイッチング素子のスイッチング信号を作成するDCブラシレスモータの並列駆動回路において、前記ロータ位置検出信号を出力するロータ位置検出回路の出力側をオープンコレクタにより構成し、複数台のモータの前記ロータ位置検出信号を相ごとに一括接続して得たAND信号を前記スイッチング信号発生手段に入力したものである。
【0024】
請求項2記載の発明は、請求項1に記載したDCブラシレスモータの並列駆動回路において、前記スイッチング信号発生手段が、スイッチング信号として正弦波PWM制御方式によるPWMパルスを出力するものである。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、この実施形態における各モータMA,MBの一相(例えばU相)分のロータ位置検出回路21U,22Uの出力側と制御回路200との接続状態を概略的に示したものである。
【0026】
ロータ位置検出回路21U,22Uは、各モータMA,MBのU相のホール素子HU(図示せず)をそれぞれ備えており、検出回路21U,22Uの出力端子は出力トランジスタ(npnトランジスタ)TA,TBの各ベースに接続されている。
トランジスタTA,TBのコレクタはロータ位置検出信号出力端子HUA,HUBにそれぞれ接続されていると共に、プルアップ抵抗RA,RBを介して電源端子C1A,C1Bにそれぞれ接続されている。また、トランジスタTA,TBのエミッタは共通端子CMA,CMBにそれぞれ接続されている。
【0027】
一方、制御回路200は後述するようにスイッチング信号発生回路30と主回路(直流電源E、スイッチング素子T1〜T6)とを一体化したものであり、その電源端子C1にはモータMA,MBの電源端子C1A,C1Bが一括して接続され、U相入力端子(スイッチング信号発生回路30のU相入力端子)CHUにはモータMA,MB側の前記出力端子HUA,HUBが一括して接続され、更に、共通端子CMにはモータMA,MB側の前記共通端子CMA,CMBが一括して接続されている。
ここで、ロータ位置検出回路21U,22Uの出力側の構成を図示するようにオープンコレクタとして出力端子HUA,HUBを一括接続することで、制御回路200のU相入力端子CHUにはモータMA,MBのU相のロータ位置検出信号のAND出力を得ることができ、回路的には前述した図12と同一になる。
【0028】
なお、図1はモータMA,MBと制御回路200との間のU相分の接続関係を示しており、U,V,Wの三相分を示すと図2のようになる。更に、駆動回路の全体的な構成は図3のようになる。
図2において、制御回路200は三相交流電源を図3の直流電源Eに変換し、その直流電圧をスイッチング素子T1〜T6のスイッチング動作により三相交流電圧に変換して出力端子U,V,Wから出力する。また、前述のようにC1は電源端子、CMは共通端子、CHUはU相入力端子であり、更に、CHVはV相入力端子、CHWはW相入力端子である。
【0029】
一方、図2のモータMA,MBにおいて、UA,VA,WA,UB,VB,WBは各ステータコイルCU,CV,CWに接続される各相入力端子、C1A,C1Bは電源端子、CMA,CMBは共通端子、HUA,HUB、HVA,HVB、HWA,HWBはそれぞれU,V,W各相のロータ位置検出信号出力端子であり、このうち、電源端子C1A,C1B、共通端子CMA,CMB、U相の出力端子HUA,HUBについては、図1により既に説明した。
【0030】
図2に示すように、本実施形態では2台のモータMA,MBの電源端子C1A,C1Bを制御回路200の電源端子C1に一括接続し、かつ、共通端子CMA,CMBを制御回路200の共通端子CMに一括接続すると共に、各相ごとにロータ位置検出信号出力端子HUA,HUBと、同HVA,HVBと、同HWA,HWBとをそれぞれ制御回路200のU相入力端子CHU、V相入力端子CHV、W相入力端子CHWに一括接続している。
【0031】
これにより、図15に示した従来技術では、ロータ位置検出回路21,22と接続するために信号選択回路40に合計10個(電源端子及び共通端子を共通接続する場合には合計8個)の端子が必要であったのに対し、本実施形態では、図2に示す如くロータ位置検出回路21,22との接続には合計5個の端子を制御回路200に設ければ良くなる。このため、端子数の減少による装置の小型化、簡素化、配線数の減少による配線作業の労力軽減が可能である。
【0032】
同時に、図1に示したオープンコレクタ構成が従来の信号選択回路40におけるAND回路として機能するので、実質的に従来の信号選択回路40が不要になり、回路構成を一層簡素化することができる。言い換えれば、図3に示すように各モータMA,MBのロータ位置検出回路21,22の出力端子を直接、制御回路200内のスイッチング信号発生回路30に接続すれば良くなる。
【0033】
ここで、図4は、モータMA,MBが同期して運転されており、モータMA,MBのU相のロータ位置検出信号HUA,HUBにずれがないときのタイミングチャートである。前述したようにロータ位置検出回路(U相)21Uの出力側がオープンコレクタにより構成されているため、制御回路200に入力される信号CHUは信号HUA,HUBのAND出力となる。従って、図12、図13と同一の機能を果たすことができる。
【0034】
また、図5は、モータMA,MBが完全には同期しておらず、モータMA,MBのU相のロータ位置検出信号HUA,HUBに若干のずれがあるときのタイミングチャートである。この場合にも、制御回路200に入力される信号CHUは信号HUA,HUBのAND出力となり、図12、図14と同一の機能を果たすことができる。
すなわち、信号選択回路40として図12のアンド回路ANDを用いなくても従来と同様の作用を得ることができる。
【0035】
なお、DCブラシレスモータの駆動方式としては、図7に示した120°通電方形波駆動方式が良く用いられている。しかし、この方式は安定性が余り良くなく、振動や騒音が大きくなり易い。
一方、モータMA,MBへの印加電圧が等価的に正弦波となるようにスイッチング素子をPWM(パルス幅変調)制御する正弦波PWM制御方式も広く知られている。
そこで、請求項2に記載したように、上記正弦波PWM制御方式を本実施形態におけるスイッチング信号発生回路30に適用してPWMパルスによりスイッチング素子を駆動することにより、モータを一層安定して動作させることが可能である。
【0036】
なお、本発明は、3台以上のDCブラシレスモータを並列駆動する場合にも適用することができる。
【0037】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来必要とされた信号選択回路を不要にし、また、ロータ位置検出回路に接続される制御回路の端子数を従来よりも削減できるため、配線の簡略化や接続端子数の減少が可能であり、配線作業の労力を軽減すると共に装置全体の構造の簡素化、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の主要部の結線図である。
【図2】本発明の実施形態を示す結線図である。
【図3】本発明の実施形態を示す全体的な回路構成図である。
【図4】本発明の実施形態の動作を示すタイミングチャートである。
【図5】本発明の実施形態の動作を示すタイミングチャートである。
【図6】1台のDCブラシレスモータを駆動する従来技術の回路図である。
【図7】図6の動作を示すタイミングチャートである。
【図8】2台のブラシレスモータを駆動する従来技術の回路図である。
【図9】図8の動作を示すタイミングチャートである。
【図10】先願発明に係る従来技術の回路図である。
【図11】図10の動作を示すタイミングチャートである。
【図12】図10における信号選択回路の構成図である。
【図13】図12の動作を示すタイミングチャートである。
【図14】図12の動作を示すタイミングチャートである。
【図15】図10の回路の具体的な配線図である。
【符号の説明】
E 直流電源
T1〜T6 スイッチング素子
MA,MB DCブラシレスモータ
CU,CV,CW コイル
HU,HV,HW ホール素子
TA,TB 出力トランジスタ
RA,RB プルアップ抵抗
HUA,HVA,HWA,HUB,HVB,HWB ロータ位置検出信号出力端子
C1,C1A,C1B 電源端子
CM,CMA,CMB 共通端子
CHU,CHV,CHW 入力端子
U,V,W 出力端子
UA,VA,WA,UB,VB,WB 入力端子
11 ステータ
12 ロータ
21,22,21U,22U ロータ位置検出回路
30 スイッチング信号発生回路
200 制御回路
Claims (2)
- 互いに並列接続された複数台のDCブラシレスモータを、複数の半導体スイッチング素子を有する駆動回路により同一速度で駆動する並列駆動回路であって、スイッチング信号発生手段が、各モータのロータ位置検出信号から作成した制御信号を用いて前記スイッチング素子のスイッチング信号を作成するDCブラシレスモータの並列駆動回路において、
前記ロータ位置検出信号を出力するロータ位置検出回路の出力側をオープンコレクタにより構成し、複数台のモータの前記ロータ位置検出信号を相ごとに一括接続して得たAND信号を前記スイッチング信号発生手段に入力したことを特徴とするDCブラシレスモータの並列駆動回路。 - 請求項1に記載したDCブラシレスモータの並列駆動回路において、
前記スイッチング信号発生手段が、スイッチング信号として正弦波PWM制御方式によるPWMパルスを出力することを特徴とするDCブラシレスモータの並列駆動回路。
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