JP4725109B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、一般産業用途などに使用されるブラシレスモータの磁極検出手段に関する。

従来、ブラシレスモータの回転位置を検出する手段はマグネットの回転位置に応じた信号を発生する磁気センサの出力論理によってモータの位置を検出する方式や、高度な制御精度が求められる場合は光学式エンコーダなどのセンサを用いてＣＳ信号の論理とエンコーダが検出した位置情報を併用してモータの回転位置を検出する方式が用いられている。

一般に磁気センサとしてはホール素子が多く用いられ、マグネットの磁束を感知してロータの磁極位置検出を行っている。これまで磁気センサを使用した位置制御方式として磁極信号のアナログ値を補正する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１５８８８８号公報

解決しようとする問題点は、ブラシレスモータのロータマグネットやセンサマグネットの着磁ピッチや磁束ばらつき、およびホール素子などの磁気センサ自身の特性や取付け位置のばらつきによって検出誤差が存在するため、ロータ磁極位置の検出精度に限界があることである。

図４に示すとおり磁気センサ２１，磁気センサ２２，磁気センサ２３は、ロータマグネット２の外周に配置されており、ロータマグネット２の回転に応じて互いに位相差がほぼ１２０°である３相の正弦波状信号を出力し、これらの信号はオペアンプ８５からオペアンプ８７と抵抗器７１から抵抗器７９からなる演算増幅回路４によって増幅され、ロータ磁極位置検出のための情報として用いられる。

しかしながら、実際にはロータマグネットの着磁精度や磁気センサの取付け位置などにばらつきがあるため、ロータマグネットが一回転したときに磁気センサが出力する４周期の正弦波状信号の振幅や位相は、図５に示すようにばらついていた。

この磁気センサの源信号のばらつきを上位制御回路の演算処理などで補正することは困難であるため、磁気センサの出力信号の情報を元に高精度なモータ制御を行う上述の方式では、磁気センサ出力信号のばらつきを低減することは非常に重要な課題である。

本発明は上記の課題を解決するもので、ロータマグネットの着磁ピッチ誤差や磁気センサの取付け誤差などの影響を低減し、ロータの磁極位置検出精度を向上させて、高精度なモータ制御が可能なブラシレスモータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、磁気センサにより検出したロータマグネットの磁極位置に応じてステータ巻線に通電するモータにおいて、少なくとも２つの磁気センサの出力信号を平均化してステータ巻線１相分の磁極位置を検出する磁極検出手段を備えたブラシレスモータであり、１相につき少なくとも２つの磁気センサの出力信号が互いに同位相となるように配置し、それら磁気センサの出力信号を演算増幅回路に入力して平均値を求め、位置情報として使用することにより、正弦波信号の位相、振幅ばらつきの影響を低減し、より高精度なモータ制御を実現する。

本発明のブラシレスモータによれば、一回転当たりのロータマグネットの着磁ピッチや磁束ばらつき、およびホール素子などの磁気センサ自身の特性や取付け位置のばらつきなどの影響がすべて平均化され、ばらつきの少ない信号が得られるため、その信号情報を元に精度の良い回転位置検出を行い高精度なモータ制御が可能となる。

磁気センサにより検出したロータマグネットの磁極位置に応じてステータ巻線に通電するモータにおいて、少なくとも２つの磁気センサの出力信号を平均化してステータ巻線１相分の磁極位置を検出する磁極検出手段を備えたブラシレスモータで、磁気センサの出力を平均した値で出力する演算増幅回路を有し、磁気センサが出力する同位相の正弦波状出力信号を加算および増幅する。また、ロータマグネットの磁極数が４の整数倍のとき、２つの磁気センサを機械角で１８０度離れた位置に配置する。

図１は、本発明の磁極検出手段のブロック構成図である。図１において、配線基板１に搭載した６個の磁気センサ３１から磁気センサ３６は、同心円上で機械角１８０°離れた２個を一組として、それぞれ同位相検出手段１１から同位相検出手段１３を構成している。

同位相検出手段１１から同位相検出手段１３により、ロータマグネット３外周の磁束変化を検知し、各同位相検出手段の出力は演算増幅回路５に入力されて、後述する加算による平均化処理が行われた後、上位制御装置１０へと送られロータ磁極位置を検出する。

ここで、本発明の磁極検出手段を搭載したブラシレスモータについて説明する。図２において、ロータマグネット３は、外周面をほぼ均等に８極着磁しており、磁気センサ３１から磁気センサ３６が出力する正弦波状出力信号は、電気角３６０°×４＝１４４０°でモータ１回転（３６０°）となる。

同位相検出手段１１を構成する磁気センサ３１と磁気センサ３２は、ロータマグネット３を挟んで互いに向かい合う位置（機械角１８０°）に配置しており、ロータマグネット３の回転位置に応じて互いに同位相となる正弦波状信号を出力する。すなわち、磁極数を４の整数倍（実施例１では２）にすることで、機械角で１８０°離れた磁極を同極にすることができ、同位相の正弦波状信号を得ることができる。

同位相検出手段１２を構成する磁気センサ３３と磁気センサ３４、同位相検出手段１３を構成する磁気センサ３５と磁気センサ３６についても、上記と同様に同位相の正弦波状信号を出力する位置に配置する。各同位相検出手段は、互いに位相差が１２０°になるように配置しており、検出した３相の正弦波状信号に基づき３相ステータ巻線（図示せず）の通電電流を制御する点は従来と同じである。

上述した同位相の正弦波状信号は演算増幅回路５に入力され、加算および適当な重み付けがなされ、誤差が平均化によって低減された精度のよい１相分の正弦波状信号となる。演算増幅回路５は、オペアンプ６１からオペアンプ６３と、抵抗器４１から抵抗器５８で構成され、増幅率や各信号の重み付けは抵抗値の調節によって設定可能である。

図２において、電圧Ｖ１から電圧Ｖ４は第１相の磁気センサ３１および磁気センサ３２の出力電圧を示している。ここで磁気センサ３１と磁気センサ３２は互いに同位相の電圧を出力するのでＶ１＝Ｖ３、Ｖ２＝Ｖ４と考えられる。この関係と基準電圧Ｖ５、抵抗器
４１から抵抗器４４および抵抗器５３の抵抗値によってオペアンプ６１の正入力端子電圧Ｖ６が求まり、最終的にオペアンプ６１の出力電圧Ｖ７は、式１で求まる。

一方、各磁気センサは上述したように配線基板の同心円上で機械角１８０°に配置しているため、磁気センサを搭載した配線基板をステータに固定するとき、仮に回転軸に対して取付け誤差が発生しても、加算による平均化処理で相殺することができる。本発明の磁極検出手段により着磁ピッチ誤差や磁気センサの取付け誤差などの影響を低減した後の正弦波状信号の波形を図３に示している。

なお、実施例１では、各相に対して２個の磁気センサを機械角で１８０°に配置して、磁気センサの取付け誤差の影響を低減したが、電気角３６０°の整数倍としても同位相の正弦波状信号が得られる。この場合、磁気センサの取付け誤差の影響が出やすくなる。また、磁気センサを１相当たり３個以上配置してそれらの平均値を求めることも可能であるが高価となる。またロータマグネットではなく、磁極位置検出のために設けられたセンサマグネットなどの磁束を検知する構成にすることも可能である。また１２０°位相差の３相正弦波信号のうち１相は他の２相信号に基づき演算で求めることができるため、演算増幅回路５の１相分を省略することも可能である。

本発明のブラシレスモータは、産業用途などのモータ制御の高精度化に有用である。

本発明の磁極検出手段のブロック構成図 本発明の磁極検出手段を搭載したブラシレスモータの説明図 本発明の磁極検出手段における出力信号の参考波形図 従来の磁極検出手段を搭載したブラシレスモータの説明図 従来方式の磁極検出手段における出力信号の参考波形図

符号の説明

１ 配線基板
３ ロータマグネット
５ 演算増幅回路
１１、１２、１３ 同位相検出部
３１、３２、３３、３４、３５、３６ 磁気センサ

Claims (2)

1. 磁気センサにより検出したロータマグネットの磁極位置に応じてステータ巻線に通電するモータにおいて、同位相の電圧を出力する少なくとも２つの磁気センサを有し、この磁気センサが出力する同位相の正弦波状出力信号を演算回路にて加算および増幅するブラシレスモータであり、前記演算回路は、少なくともオペアンプと、複数の抵抗器（Ｒ４１，Ｒ４３，Ｒ５６）とを有し前記各抵抗器の抵抗値を抵抗値４１，抵抗値４３，抵抗値５６として、前記オペアンプの正入力端子へ入力電圧（Ｖ６）が入力され、前記オペアンプの出力電圧（Ｖ７）が以下の式１となる構成を具備するブラシレスモータ。
   
2. 請求項１記載のブラシレスモータにおいて、ロータマグネットの磁極数が４の整数倍のとき、２つの磁気センサを機械角で１８０度離れた位置に配置したブラシレスモータ。