JP4572026B2

JP4572026B2 - ブラシレスｄｃモータの駆動装置および駆動方法

Info

Publication number: JP4572026B2
Application number: JP2000301717A
Authority: JP
Inventors: 宏偉高
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2020-10-02
Also published as: JP2002112577A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスＤＣモータの駆動装置および駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来のブラシレスＤＣモータの構成を例示した概略図である。このモータ１０は、Ｕ相巻線２１、Ｖ相巻線２２およびＷ相巻線２３を有する固定子２０と、永久磁石形回転子３０とを備えた３相巻線永久磁石モータである。
Ｕ相巻線２１は、巻線方向が互いに逆である巻線２１ａ，２１ｂを固定子２０の周方向に隣接配置した構成を有し、Ｖ相巻線２２およびＷ相巻線２３も同様の構成を有する。
【０００３】
このモータ１０の回転子３０の周りには、該回転子３０の磁極位置を検出する３個の位置検出器４１，４２および４３が配設されている。これらの位置検出器４１，４２および４３は、固定子２０の各相巻線の誘起電圧が最大になった時の回転子３０の位置を検出するため、それぞれの出力が電気角で１２０°の位相差をもつようにその配設位置が選定されている。
【０００４】
図示していない駆動装置は、上記各位置検出器４１，４２，４３の出力に基づいて上記モータ１０を回転駆動する。図８および図９は、上記モータ１０が時計方向および反時計方向に回転駆動される場合の前記各相巻線２１，２２，２３の誘起電圧Ｖ_IU，Ｖ_IV，Ｖ_IW、各位置検出器４１，４２，４３から出力される回転子位置検出信号Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３および各相巻線２１，２２，２３に印加される電圧Ｖ_U，Ｖ_V，Ｖ_Wの波形を示している。
この波形図から明らかなように、従来のブラシレスＤＣモータ１０では、上記印加電圧Ｖ_U，Ｖ_VおよびＶ_Wの位相が、それぞれ上記誘起電圧Ｖ_IU，Ｖ_IVおよびＶ_IWの位相とほぼ同じになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のブラシレスＤＣモータ１０では、相巻線２１，２２，２３の転流前後における該巻線の電流の変化が大きい。このような巻線電流の急激な変化は、モータ１０の半径方向に作用する電磁力に急激な変化を生じさせるので、該電磁力に起因するモータ騒音を増大させる。
また、周知のように、モータの各相巻線２１〜２３のインダクタンス成分のために、該相巻線に流れる電流が印加電圧に対して多少の遅れを生じ、これは、特に該印加電圧の周波数が上昇する高速駆動の場合にモータの運転効率を低下させる。
【０００６】
このような問題を解決するには、いわゆる進み位相励磁を実行すれば良い。そこで、モータ１０の固定子２０の円周方向に時計回り専用の位置検出器と反時計回り専用の位置検出器を設け、これらの位置検出器の出力に基づいて進み位相励磁を実現する方法が提案されている。
もちろん、この場合には、各回転方向専用の位置検出器が進み位相励磁可能な位置に配設され、回転子３０の回転方向に応じてそれらの位置検出器が切換え使用されることになる。
しかし、この方法は、位置検出器の配設個数が２倍になるので、モータと制御回路間の配線数が多くなる等の欠点がある。
【０００７】
本発明の課題は、このような従来の問題点に鑑み、ブラシレスＤＣモータの時計回り方向および反時計回り方向についての進み位相励磁を、位置検出器の数を増加することなく実現することが可能なブラシレスＤＣモータの駆動装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁極のＮ極とＳ極がほぼ均一に分布するように構成された永久磁石形の回転子と、３相固定子巻線の相間の電気的位相差が１２０°であるように構成された固定子とを有したブラシレスＤＣモータを駆動するための装置であって、前記回転子のＮ極とＳ極の境界位置が前記固定子の任意の相巻線を通過するときに該相巻線の誘起電圧がゼロとなる位置を基準とし、この基準位置から機械角θ＝ｋ・６０°／Ｐ（ｋ：整数、Ｐ：回転子の極対数）だけ離れた位置に配設した磁極位置検出用の第１の位置検出器と、前記第１の位置検出器に対して電気角が６０°または１２０°ずれた位置にそれぞれ配設した第２および第３の位置検出器と、前記第１、第２および第３の位置検出器の出力に基づいて、前記回転子のいずれの回転方向に対しても進み位相励磁可能な通電タイミング信号を生成して、前記固定子の各相巻線の通電を制御する制御手段とを備えている。
本発明の実施形態では、前記進み位相励磁の進み位相量調整するため、前記第１、第２および第３の位置検出器の出力を遅延する遅延手段を付加している。
また、本発明の実施形態は、前記第１、第２および第３の位置検出器としてホール効果磁気センサを使用している。
本発明は、磁極のＮ極とＳ極がほぼ均一に分布するように構成された永久磁石形の回転子と、３相固定子巻線の相間の電気的位相差が１２０°であるように構成された固定子とを有したブラシレスＤＣモータを駆動するための方法であって、前記回転子のＮ極とＳ極の境界位置が前記固定子の任意の相巻線を通過するときに該相巻線の誘起電圧がゼロとなる位置を基準とし、この基準位置から機械角θ＝ｋ・６０°／Ｐ（ｋ：整数、Ｐ：回転子の極対数）だけ離れた第１の位置で前記回転子の磁極位置を検出するステップと、前記第１の位置に対してそれぞれ電気角が６０°または１２０°ずれた第２および第３の位置で前記回転子の磁極位置を検出するステップと、前記第１、第２および第３の位置において検出される各磁極位置に基づいて、前記回転子のいずれの回転方向に対しても進み位相励磁可能な通電タイミング信号を生成し、この信号によって前記固定子の各相巻線の通電を制御するステップとを備えている。
【０００９】
【実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図３は、本発明に係るブラシレスＤＣモータの構成を例示した概略図である。
このブラシレスＤＣモータ１００は、Ｕ相巻線２１０、Ｖ相巻線２２０およびＷ相巻線２３０を有する固定子２００と、永久磁石形回転子３００とを備えた３相巻線永久磁石モータである。
【００１０】
このモータ１００において、Ｕ相巻線２１０、Ｖ相巻線２２０およびＷ相巻線２３０は相間の電気的位相差が１２０°であり、また、回転子３００の磁極はＮ極とＳ極がほぼ均一に分布していている。
なお、隣接するＵ相巻線２１０ａ、２１０ｂは、互いの巻線方向が逆であり、同様に、隣接するＶ相巻線２２０ａ，２２０ｂおよびＷ相巻線２３０ａ，２３ｂも互いの巻線方向が逆である。
【００１１】
このモータ１００の回転子３００の周囲には、該回転子３００の磁極位置を検出する３個の位置検出器４１０，４２０および４３０を配設してある。なお、これらの位置検出器としては、例えば、ホール効果磁気センサが適用される。
【００１２】
以下、上記位置検出器４１０，４２０および４３０の配設位置について説明する。
固定子２００の任意の相巻線に誘起される電圧（図４および図５の最上方に記載）は、回転子３００のＮ極とＳ極の境界がその相巻線の中間位置を通過するときにゼロになる。
すなわち、例えば、上記Ｎ極とＳ極の境界が固定子２００のＵ相巻線２１０の中間位置（巻線２１０ａ，２１０ｂの中間位置）を通過した時には、このＵ相巻線２１０の鎖交磁束が最大になるので、該巻線２１０の誘起電圧がゼロとなる。
【００１３】
上記位置検出器４１０は、任意の相巻線の誘起電圧がゼロになる位置を基準として、この基準位置から機械角θ＝ｋ・６０°／Ｐ（ｋ：整数、Ｐ：回転子の極対数）だけ離れた位置（電気角では、ｋ・６０°離れた位置）に配設される。ここで、極対数Ｐは、回転子のＮ極とＳ極の対の数を意味し、図３の回転子３００の例では、この極対数Ｐが５である。
なお、図３のモータ１００の例では、Ｕ相巻線２１０の中間位置を基準とし、その基準位置から機械角θ＝０（ｋ＝０）だけ離れた位置、つまり、上記基準位置と同じ位置に位置検出器４１０を配設している。
一方、前記第２の位置検出器４２０および第３の位置検出器４３０は、位置検出器４１０に対して電気角が１２０°ずれる位置、つまり、個々の出力信号の位相が位置検出器４１０の出力の位相に対して１２０°ずれる位置にそれぞれ配設されている。
【００１４】
図１に示すように、上記位置検出器４１０，４２０，４３０の出力信号Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３は、制御回路５００にフィードバックされる。制御回路５００は、図示していないが、モータ１００の励磁シーケンスを実行するシーケンサを含み、上記位置検出器４１０，４２０，４３０の出力信号に基づいて上記励磁シーケンスに従った励磁信号を出力回路６００に出力する。
【００１５】
図２に示すように、上記出力回路６００は、直流電源６１０と、モータ１００の相巻線２１０〜２３０に接続された電力変換主回路６２０とを備えている。電力変換主回路６２０に設けられた複数のスイッチング素子（この例では、トランジスタ）は、制御回路５００から出力される励磁信号によって選択的に開閉され、これによって、上記巻線２１０〜２３０が上記励磁シーケンスに従って励磁される。
【００１６】
上記位置検出器４１０，４２０，４３０、制御回路５００、および出力回路は、本発明に係る駆動装置を構成している。以下、この駆動装置の作用をより詳細に説明する。
モータ１００の回転子３００が時計方向に回る場合には、上記相巻線２１０，２２０，２３０にそれぞれ図４に示すような波形の電圧Ｖ_IU，Ｖ_IV，Ｖ_IWが誘起される。図示するように、誘起電圧Ｖ_IVは誘起電圧Ｖ_IUよりも電気角で１２０°位相が遅れ、また、誘起電圧Ｖ_IWは誘起電圧Ｖ_IVよりも電気角で１２０°位相が遅れてる。
【００１７】
一方、上記位置検出器４１０，４２０および４３０は、回転子３００の時計方向回転に伴って磁極位置信号Ｈ１，Ｈ２およびＨ３をそれぞれ発生する。
各位置検出器４１０，４２０および４３０は、それぞれ前述した位置に配設されている。それ故、上記位置信号Ｈ１，Ｈ２およびＨ３は、上記誘起電圧Ｖ_IU，Ｖ_IVおよびＶ_IWがゼロになるタイミングでレベル変化する３相信号であって、位置信号Ｈ２が位置信号Ｈ１より電気角で１２０°位相が遅れ、また、位置信号Ｈ３が位置信号Ｈ２より電気角で１２０°位相が遅れている。
【００１８】
前記制御回路５００は、位置信号Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３と、時計回りの回転方向を指令する入力指令とに基づき、時計方向の進み位相励磁を可能にする励磁シーケンスを生成し、その励磁シーケンスに従った図４に示すような励磁信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬを出力する。
【００１９】
図２に示す出力回路６００の各スイッチング素子は、上記制御回路５００から出力される上記励磁信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬによって選択的にスイッチングされ、その結果、モータ１００のＵ相巻線２１０、Ｖ相巻線２２０およびＷ相巻線２３０には、図４に示す電圧Ｖ_U，Ｖ_VおよびＶ_Wがそれぞれ印加される。
上記印加電圧Ｖ_U，Ｖ_VおよびＶ_Wの位相は、それぞれ前記誘起電圧Ｖ_IU，Ｖ_IV，Ｖ_IWの位相より約３０°進んでいる。したがって、モータ１００は進み位相励磁されながら時計方向に回転されることになる。
【００２０】
次に、モータ１００の回転子３００が反時計方向に回る場合には、前記相巻線２１０，２２０および２３０にそれぞれ図５に示すような波形の電圧Ｖ_IU，Ｖ_IVおよびＶ_IWが誘起される。この場合、誘起電圧Ｖ_IVは誘起電圧Ｖ_IWよりも電気角で１２０°位相が遅れ、また、誘起電圧Ｖ_IUは誘起電圧Ｖ_IVよりも電気角で１２０°位相が遅れる。
【００２１】
一方、位置検出器４１０，４２０および４３０は、位置信号Ｈ１，Ｈ２およびＨ３をそれぞれ発生する。この位置信号Ｈ１，Ｈ２およびＨ３は、それぞれ上記誘起電圧Ｖ_IU，Ｖ_IVおよびＶ_IWがゼロになるタイミングでレベル変化するので、位置信号Ｈ２が位置信号Ｈ３より電気角で１２０°位相が遅れ、また、位置信号Ｈ１が位置信号Ｈ２より電気角で１２０°位相が遅れている。
【００２２】
前記制御回路５００は、上記位置信号Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３と、反時計回りの回転方向を指令する入力指令とに基づき、反時計方向の進み位相励磁を可能にする励磁シーケンスを生成し、その励磁シーケンスに従った図５に示す励磁信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬを出力する。
【００２３】
図２に示す出力回路６００の各スイッチング素子は、上記制御回路５００から出力される上記励磁信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬによって選択的にスイッチングされ、その結果、モータ１００のＵ相巻線２１０、Ｖ相巻線２２０およびＷ相巻線２３０には、図５に示す電圧Ｖ_U ，Ｖ_VおよびＶ_W がそれぞれ印加される。
上記印加電圧Ｖ_U ，Ｖ_V およびＶ_Wの位相は、それぞれ前記誘起電圧Ｖ_IU，Ｖ_IVおよびＶ_IWの位相より約３０°進んでいる。したがって、モータ１００は進み位相励磁されて反時計方向に回転されることになる。
【００２４】
以上の説明から明らかなように、上記実施形態に係る駆動装置によれば、モータ１００が時計方向、反時計方向のいずれの方向に回転する場合でも、３個の磁極位置検出器４１０〜４３０の出力に基づいて約３０°の進み位相励磁を実現することができる。
【００２５】
このような進み位相励磁が実行されると、誘起電圧に対する巻線電流の遅れが補償されるので、モータ１００の回転中における電流波形が滑らかになる。したがって、転流前後における巻線電流値の変化が大幅に抑制されて、巻線電流による電磁力の急激な変化が抑えられるので、この電磁力の急変に起因して発生する騒音を大幅に低減することができる。
また、巻線電流の位相が補償されるので、運転効率および力率も改善される。
つまり、モータ電流位相と誘起電圧位相との差を低減する方向にモータ印加電圧の位相が補正されるので、運転効率および力率が改善される。この運転効率および力率の改善効果は、特に、モータ印加電圧の周波数が上昇する高速駆動時に顕著となる。
【００２６】
なお、上記実施形態においては、第２の位置検出器４２０および第３の位置検出器４３０を、第１の位置検出器４１０に対して電気角が１２０°ずれる位置にそれぞれ配設しているが、これらの位置検出器４２０，４３０を位置検出器４１０に対して電気角が６０°ずれる位置に配設することも可能である。
位置検出器４２０，４３０を上記のような位置に配設した場合、これらの位置検出器４２０，４３０からは、図４または図５に示す信号Ｈ２，Ｈ３を反転した信号が出力されることになる。そして、このことは、位置検出器４２０，４３０の出力を反転することによって、図４または図５に示す信号Ｈ２，Ｈ３と同様の信号が得られることを示唆している。
そこで、図１に示す制御回路５００で位置検出器４２０，４３０の出力信号の論理レベルを反転させる処理を実行して、図４または図５に示す信号Ｈ２，Ｈ３を形成することにより、上記と同様の進み位相励磁を実現することができる。
【００２７】
ところで、例えば、位置検出器（ホール効果磁気センサ）４１０が配設された磁極検出部位の磁束密度は、モータ１００の回転子３００の回転に伴う回転子磁石の位置変化によって図６に符号Ｂで示すように変化する。
したがって、位置検出器４１０のヒステリシス幅がＨＷであるとすると、この位置検出器４１０の出力信号は、磁束密度Ｂの波形に対してα°（電気角）位相が遅れること、換言すれば、図４および図５に示すＵ相誘起電圧Ｖ_IUに対してα°位相が遅れることになる。
【００２８】
同様に、他の位置検出器４２０および４３０のヒステリシス幅がＨＷであるととすると、これらの検出器の出力信号もそれぞれ図４、図５に示すＶ相誘起電圧Ｖ_IVおよびＷ相誘起電圧Ｖ_Iwに対してα°位相が遅れることになる。
【００２９】
図４および図５において、位置検出器４１０，４２０および４３０の出力信号Ｈ１，Ｈ２およびＨ３の位相が対応する相誘起電圧Ｖ_IU，Ｖ_IVおよびＶ_IWに対してα°遅れると、励磁シーケンス信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬの位相もα°だけ遅れることから、Ｕ相巻線２１０、Ｖ相巻線２２０およびＷ相巻線２３０の印加電圧Ｖ_U，Ｖ_VおよびＶ_Wの進み位相角が前記の値（約３０°）よりもα°だけ小さくなる。
【００３０】
以上の説明から明らかなように、位置検出器４１０〜４３０のヒステリシス幅ＨＷは、進み位相励磁における励磁位相の進み量に影響を与える。つまり、該ヒステリシス幅ＨＷが大きいほど上記遅れ角α°が大きくなるので、上記励磁位相の進み量が小さくなる。
このことは、進み位相励磁における励磁位相の進み量の調整手段としてヒステリシス幅ＨＷを活用することが可能であることを示唆している。
【００３１】
ヒステリシス幅ＨＷは、位置検出器４１０〜４３０の磁気検出感度に依存し、該感度が高いほど小さくなる傾向を示す。この磁気検出感度は、異なる感度特性の位置検出器４１０〜４３０を使用することによって、または、回転子３００に対する位置検出器４１０〜４３０の配置距離を変化させることによって調整することができる。
そこで、上記した進み位相励磁を実施する場合において、該進み位相励磁の位相進み量を前記の値（約３０°）よりも小さな値（約３０°−α°）に設定する必要のある場合には、上記感度調整手法によって上記ヒステリシス幅ＨＷを調整すれば良い。
【００３２】
進み位相励磁における励磁位相の進み量は、ヒステリシス幅ＨＷ以外の手段によっても調整可能である。すなわち、上記進み量は、上記位置検出器４１０〜４３０の出力信号の発生タイミングによって決定される。そこで、これらの位置検出器４１０〜４３０の出力を遅延させることによっても上記進み量を３０°以下の大きさに調整（遅延時間が大きいほど、位相進み量が減少する）することができる。
【００３３】
この場合、例えば、時定数要素等を備えた図示していない遅延回路を前記制御回路５００に組込み、上記位置検出器４１０〜４３０の出力をこの遅延回路で適宜時間遅延させる。
なお、位置検出器４１０〜４３０の何れかの出力に基づいて回転子３００の回転速度を検出し、この回転速度に基づいて上記遅延回路の遅延時間を変化（例えば、回転速度が小さいほど遅延時間を大きくする）させることも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、モータが時計方向、反時計方向のいずれの方向に回転する場合でも、３個の磁極位置検出器に基づいて約３０°の進み位相励磁を実現することができる。
つまり、従来では、時計方向回転時の進み位相励磁と反時計方向回転時の進み位相励磁を実現するために、それぞれ異なる磁極位置検出器を設けているが、本発明では、時計方向回転時の進み位相励磁と反時計方向回転時の進み位相励磁を共通の磁極位置検出器を用いて実現することができるので、コンパクト化とコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るブラシレスＤＣモータの駆動装置の実施形態を例示したブロック図。
【図２】出力回路の構成を例示した結線図。
【図３】ブラシレスＤＣモータの構成を例示した模式図。
【図４】図３のモータが時計方向回転する場合の各主要部分の波形を示す波形図。
【図５】図３のモータが反時計方向回転する場合の各主要部分の波形を示す波形図。
【図６】位置検出器のヒステリシスと該位置検出器の出力信号の位相遅れとの関係を示す波形図。
【図７】従来のブラシレスＤＣモータの一例を示す模式図
【図８】図７のモータが時計方向回転する場合の各主要部分の波形を示す波形図。
【図９】図７のモータが反時計方向回転する場合の各主要部分の波形を示す波形図。
【符号の説明】
１００ブラシレスＤＣモータ
２００固定子
２１０Ｕ相巻線
２２０Ｖ相巻線
２３０Ｗ相巻線
３００回転子
４１０，４２０，４３０位置検出器
５００制御回路
６００出力回路

Claims

磁極のＮ極とＳ極がほぼ均一に分布するように構成された永久磁石形の回転子と、３相固定子巻線の相間の電気的位相差が１２０°であるように構成された固定子とを有したブラシレスＤＣモータを駆動するための装置であって、
前記回転子のＮ極とＳ極の境界位置が前記固定子の任意の相巻線を通過するときに該相巻線の誘起電圧がゼロとなる位置を基準として、この基準位置から機械角θ＝ｋ・６０°／Ｐ（ｋ：整数、Ｐ：回転子の極対数）だけ離れた位置に配設した磁極位置検出用の第１の位置検出器と、
前記第１の位置検出器に対して電気角が６０°または１２０°ずれた位置にそれぞれ配設した第２および第３の位置検出器と、
前記第１、第２および第３の位置検出器の出力に基づいて、前記回転子のいずれの回転方向に対しても進み位相励磁可能な通電タイミング信号を生成して、前記固定子の各相巻線の通電を制御する制御手段と
を備えることを特徴とするブラシレスＤＣモータの駆動装置。
前記進み位相励磁の進み位相量を調整するため、前記第１、第２および第３の位置検出器の出力を遅延させる遅延手段を付加したことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
前記第１、第２および第３の位置検出器としてホール効果磁気センサを使用することを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
磁極のＮ極とＳ極がほぼ均一に分布するように構成された永久磁石形の回転子と、３相固定子巻線の相間の電気的位相差が１２０°であるように構成された固定子とを有したブラシレスＤＣモータを駆動するための方法であって、
前記回転子のＮ極とＳ極の境界位置が前記固定子の任意の相巻線を通過するときに該相巻線の誘起電圧がゼロとなる位置を基準とし、この基準位置から機械角θ＝ｋ・６０°／Ｐ（ｋ：整数、Ｐ：回転子の極対数）だけ離れた第１の位置で前記回転子の磁極位置を検出するステップと、
前記第１の位置に対してそれぞれ電気角が６０°または１２０°ずれた第２および第３の位置で前記回転子の磁極位置を検出するステップと、
前記第１、第２および第３の位置において検出される各磁極位置に基づいて、前記回転子のいずれの回転方向に対しても進み位相励磁可能な通電タイミング信号を生成し、この信号によって前記固定子の各相巻線の通電を制御するステップと
を備えることを特徴とするブラシレスＤＣモータの駆動方法。