JPH04372595A - ブラシレス直流モータの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固定子巻線に誘起され
る誘起電圧に基づいて位置検出信号を得るようにしたブ
ラシレス直流モータの駆動回路に関し、例えばエンジン
の冷却ファンモータに適する。

【０００２】

【従来の技術】ブラシレス直流モータは、同期電動機の
原理により、永久磁石による回転子が固定子巻線による
回転磁界と同じ速度で回転しているとき一定トルクを発
生する。したがって、固定子巻線への電流の通電は、回
転子によって固定子巻線へ誘起される正弦波誘起電圧に
同期した最適通電角が設定される。このため、ブラシレ
ス直流モータでは、回転子の位置検出が不可欠となる。

【０００３】近時、上記回転子の位置検出を、ホール素
子等の位置検出素子を用いずに固定子巻線に誘起される
誘起電圧を利用して検出する方法が採用されるようにな
ってきている。図４に上記位置検出素子をもたないブラ
シレス直流モータにおける駆動回路の一例を示す。これ
は、３相全波通電の駆動方式の例であって、ドレイン・
ソース通路を直列に接続（カスケード接続）したＮ形及
びＰ形Ｃ−ＭＯＳトランジスタ（以下単にトランジスタ
と呼ぶ）を３相分並列に接続して成るインバータ１１と
、該インバー１１によって通電角が制御されるＵ相，Ｖ
相及びＷ相から成る固定子巻線群４Ｕ，４Ｖ，４Ｗと、
該固定子巻線群４Ｕ〜４Ｗの正弦波誘起電圧と極性が対
応した矩形波電圧を形成する矩形波電圧形成回路５０と
、該矩形波電圧形成回路５０からの３相の矩形波電圧よ
り各二つの組合せについての正側と負側との論理積であ
る六つの中間信号を生成するロジック回路５３と、該ロ
ジック回路５３の出力を電気角３０°だけ遅相するＤフ
リップフロップ構成の遅延回路５１と、該遅延回路５１
に３０°移相量を算出したタイミングクロックを与える
３０°算出回路５２とから構成されている。なお、１０
はバッテリである。また、矩形波電圧形成回路５０は一
般に差動増幅回路による演算増幅器が用いられる。

【０００４】図５は上記回路の動作を示すタイムチャー
トを示し、Ａは各固定子巻線Ｕ，Ｖ及びＷに誘起する電
圧波形を、ＣＬは３０°算出回路５２の出力するタイミ
ングクロック、Ｕ０，Ｖ０及びＷ０はそれぞれ矩形波電
圧形成回路５０の矩形波出力、（ＵＶ）ａ′，（ＵＶ）
ｂ′、（ＶＷ）ａ′，（ＶＷ）ｂ′及び（ＷＵ）ａ′，
（ＷＵ）ｂ′は、ロジック回路５３の出力する各中間信
号、（ＵＶ）ａ，（ＵＶ）ｂ、（ＶＷ）ａ，（ＶＷ）ｂ
及び（ＷＵ）ａ，（ＷＵ）ｂは遅延回路５１から出力さ
れる通電タイミング信号をそれぞれ表している。

【０００５】これによれば、例えばＵ相の固定子巻線４
Ｕを励磁する電流は、その前半区間には、遅延回路５１
の通電タイミング信号（ＵＶ）ａのハイレベル信号ＵＶ
′によって導通したトランジスタＴａのドレイン・ソー
ス通路から固定子巻線４Ｕ，及び４Ｖを通り、通電タイ
ミング信号（ＶＷ）ｂのロウレベル信号Ｖ′Ｗによって
導通したトランジスタＴｂのドレイン・ソース通路を通
して流れ、後半区間には、固定子巻線４Ｗを通り、通電
タイミング信号（ＷＵ）ｂのロウレベル信号Ｗ′Ｕによ
って導通したトランジスタＴｃのドレイン・ソース通路
を通して流れる。これにより、固定子巻線４Ｕに対して
１２０°の通電が行われることになる。他の固定子巻線
４Ｖ，４Ｗも同様である。

【０００６】３０°算出回路５２は、ロジック回路５３
から出力する中間信号（ＵＶ）ａ′〜（ＷＵ）ｂ′の立
ち上がり時期が矩形波電圧形成回路５０の出力する各矩
形波出力Ｕ０，Ｖ０及びＷ０の立ち上がり時期に一致す
るため、そのハイレベル側への転移時よりタイミングク
ロックＣＬを立ち上げ、３０°移相時間をカウント後、
タイミングクロックＣＬを立ち下げている。遅延回路５
１は、ロジック回路５３からの中間信号（ＵＶａ）′〜
（ＷＵ）ｂ′を上記立ち下がりのタイミングで出力する
ことで、通電タイミング信号（ＵＶａ）〜（ＷＵ）ｂを
形成する。これにより、固定子巻線へ誘起される正弦波
誘起電圧に同期した最適通電角が設定される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記駆動回
路によると、３０°算出回路５２は、各矩形波出力Ｕ０
，Ｖ０及びＷ０の正側への立ち上がり時を、タイミング
クロックＣＬを立ち下げる３０°移相時間の基準として
いる。そして、そのＵ０，Ｖ０及びＷ０の立ち上がり時
期は、矩形波電圧形成回路５０が固定子巻線４Ｕ，４Ｖ
，４Ｗの中性点Ｎの電位を基準に各正弦波誘起電圧をゼ
ロクロス点を検出することによって決定している。

【０００８】しかしながら、このような中性点Ｎの電位
は、零電位を脈動し、ノイズ等によって変動する性質が
あり、矩形波電圧形成回路５０による各相正弦波誘起電
圧の検出において、上記中性点Ｎの電位を基準にするこ
とは、差動増幅回路のオフセット動作によって極めて不
正確なものになる。これにより、通電タイミング信号の
タイミングも不安定になってしまう。

【０００９】また、３０°算出回路５２も正確にカウン
ト動作を行わなければならず、構成部品の精度が要求さ
れて高価になるという欠点があった。本発明は、固定子
巻線の中性点の電位を基準にすることなく、また、カウ
ントのような精度が要求される動作を行うことなく、正
確な通電タイミング信号を得るようにしたブラシレス直
流モータの駆動回路を提供する。

【００１０】

【課題を解決するめたの手段】本発明は、回転子と、ス
ター接続された複数相相当個の固定子巻線群と、前記固
定子巻線群のうち各直列をなす二巻線に並列に接続され
、該二巻線間端子電圧の中間電位を示す信号を形成する
分圧回路群と、該各分圧回路群からの前記中間電位を示
す信号を増幅した信号の上側ピーク及び下側ピークの位
置を検出するピーク検出回路群と、該ピーク検出回路群
から出力されるピーク位置信号に基づいて前記固定子巻
線の通電角を制御するための通電タイミング信号を形成
するタイミング信号形成回路とを有している。

【００１１】

【作用】このような構成によれば、分圧回路群の出力す
る中間電位を示す信号は、各二つの巻線に誘起した電圧
同士の差に追随した差成分を表すものであり、該差成分
の上側ピーク及び下側ピークの位置は、一方の通電中の
固定子巻線が非通電状態へ移行する変移点と、他方の非
通電中の固定子巻線が通電状態に移行する変移点とが重
なった点となる。これらを示す上側ピーク位置信号及び
下側ピーク位置信号は、各全ての二相間巻線について求
められ、それらの位置信号は、正弦波の全波に対して設
定した通電角ごとにずれた信号となる。三相の場合は１
２０°となる。

【００１２】したがって、例えばＵ相巻線に対する通電
タイミング信号に関しては、Ｗ相巻線が通電状態から非
通電状態に移行する変移点と、Ｕ相巻線が非通電状態か
ら通電状態に移行する変移点との重なりによって検出さ
れる第１のピーク位置検出信号で当該通電タイミング信
号を立ち上げ、Ｕ相巻線が通電状態から非通電状態に移
行する変移点と、Ｖ相巻線が非通電状態から通電状態に
移行する変移点との重なりによって検出される第２のピ
ーク位置検出信号で当該通電タイミング信号を立ち下げ
ることによって形成することができる。これによって得
られる通電タイミング信号は、各相巻線に対する最適通
電角を与えることになる。

【００１３】つまり、本発明で上側ピーク及び下側ピー
クの各位置を検出することは、直接に通電角を求めてい
るのである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を三相ブラシレス直流モータに
適用した実施例によって詳細に説明する。図１は本発明
に係るブラシレス直流モータの一実施例における駆動回
路を示し、図２は内部構造を示す構成図、図３は図１に
示す回路の動作を示すタイムチャートである。

【００１５】本実施例のブラシレス直流モータは、図２
に示すように、回転軸１にコア２を固着し、その周囲に
所定数の永久磁石３を周回状に配列して、回転子が構成
される。永久磁石３からの磁界は放射方向Ａに形成され
る。回転子には、上記放射方向Ａに対し交叉した磁界を
形成するように、コア５に巻回されて固定子巻線群４が
ある。このように本ブラシレス直流モータは、回転子の
位置検出を行う位置検出センサを有しない。

【００１６】次に、駆動回路は以下のように構成される
。固定子巻線群４は、Ｕ相，Ｖ相及びＷ相に相当する巻
線４Ｕ，４Ｖ及び４Ｗがスター結線されて成る。インバ
ータ回路１１は、バッテリ１０の端子間に、Ｎ形トラン
ジスタ１２，１４及び１６と、Ｐ形トランジスタ１３，
１５及び１７とのカスケード接続を介装したものである
。そして、巻線４Ｕの中性点Ｎと反対端が、上記トラン
ジスタ１２と１３のソース・ドレイン接続点に接続され
、巻線４Ｖの反対端が、トランジスタ１６と１７のソー
ス・ドレイン接続点に接続され、巻線４Ｗの反対端が、
トランジスタ１４と１５のソース・ドレイン接続点に接
続されている。

【００１７】しかして、巻線４Ｕと４Ｖとの直列接続に
は、抵抗２０及び２１の直列回路が並列に接続され、巻
線４Ｕと４Ｗとの直列接続には、抵抗２２及び２３の直
列回路が並列に接続され、巻線４Ｖと４Ｗとの直列接続
には、抵抗２４及び２５の直列回路が並列に接続されて
いる。これら直列回路は、本発明による分圧回路群１９
を構成し、その各接続点Ｐ１〜Ｐ３に生じる二巻線間端
子電圧の中間電位を示す信号を次段の増幅回路２６を構
成する各演算増幅器２７，２８及び２９の反転入力端子
（−）に導いている。すなわち、抵抗２０と２１の接続
点Ｐ１が演算増幅器２７の反転入力端子に、抵抗２２と
２３の接続点Ｐ２が演算増幅器２８の反転入力端子に、
抵抗２４と２５の接続点Ｐ３が演算増幅器２９の反転入
力端子に接続される。そして、これら演算増幅器２７〜
２９の各非反転入力端子（＋）には、スター結線の中性
点Ｎを接続している。こうして、演算増幅器２７からは
、Ｕ相及びＶ相の二巻線間端子電圧の中間電位を示す信
号が直流増幅された信号Ｕ−Ｖが出力され、演算増幅器
２８からは、Ｗ相及びＵ相の二巻線間端子電圧の中間電
位を示す信号が直流増幅された信号Ｗ−Ｖが、演算増幅
器２８からは、Ｖ相及びＷ相の二巻線間端子電圧の中間
電位を示す信号が直流増幅された信号Ｖ−Ｗが出力され
る。

【００１８】上記各演算増幅器２７，２８及び２９の出
力端子は、ピーク検出回路群３０にそれぞれ入力される
。ピーク検出回路群３０は、入力信号波形の上側ピーク
及び下側ピークを検出する上側ピーク検出回路と下側ピ
ーク検出回路の２個１組で各演算増幅器２７，２８及び
２９からの信号を処理している。すなわち、上側ピーク
検出回路３１と下側ピーク検出回路の３２の組には演算
増幅器２７からの信号Ｕ−Ｖが入力され、上側ピーク検
出回路３３と下側ピーク検出回路３４の組には演算増幅
器２８からの信号Ｗ−Ｕが入力され、上側ピーク検出回
路３５と下側ピーク検出回路３６の組には演算増幅器２
９からの信号Ｖ−Ｗが入力される。これらピーク検出回
路３２〜３６は、例えばサンプリング回路や微分回路に
よるゼロクロス検出回路を用いることができる。

【００１９】次に、上側ピーク検出回路３１の検出した
信号Ｕ−Ｖの上側ピーク位置信号（Ｕ−Ｖ）ａは、ＲＳ
フリップフロップ４２のセット端子Ｓに導かれるととも
に、ＲＳフリップフロップ３８のリセット端子Ｒに導か
れる。同様に、上側ピーク検出回路３３の検出した上側
ピーク位置信号（Ｗ−Ｕ）ａはＲＳフリップフロップ３
８のセット端子Ｓに導かれるとともに、ＲＳフリップフ
ロップ４０のリセット端子Ｒに導かれ、上側ピーク検出
回路３５の検出した上側ピーク位置信号（Ｖ−Ｗ）ａは
ＲＳフリップフロップ４０のセット端子Ｓに導かれると
ともに、ＲＳフリップフロップ４２のリセット端子Ｒに
導かれる。また、下側ピーク検出回路３２の検出した下
側ピーク位置信号（Ｕ−Ｖ）ｂは、ＲＳフリップフロッ
プ４３のセット端子Ｓに導かれるとともに、ＲＳフリッ
プフロップ３９のリセット端子Ｒに導かれ、下側ピーク
検出回路３４の検出した下側ピーク位置信号（Ｗ−Ｕ）
ｂはＲＳフリップフロップ３９のセット端子Ｓに導かれ
るとともに、ＲＳフリップフロップ４１のリセット端子
Ｒに導かれ、下側ピーク検出回路３６の検出した下側ピ
ーク位置信号（Ｖ−Ｗ）ｂはＲＳフリップフロップ４１
のセット端子Ｓに導かれるとともに、ＲＳフリップフロ
ップ４２のリセット端子Ｒに導かれる。これらＲＳフリ
ップフロップ３８〜４３は、タイミング信号形成回路３
７を構成している。ＲＳフリップフロップ３８は、巻線
４Ｕに誘起した正の半波に対する通電タイミング信号（
ＵＶ）ａを形成し、ＲＳフリップフロップ４２は、巻線
４Ｖに誘起した正の半波に対する通電タイミング信号（
ＶＷ）ａを形成し、ＲＳフリップフロップ４０は、巻線
４Ｗに誘起した正の半波に対する通電タイミング信号（
ＷＵ）ａを形成している。また、ＲＳフリップフロップ
３９は、巻線４Ｕに誘起した負の半波に対する通電タイ
ミング信号（ＵＶ）ｂを形成し、ＲＳフリップフロップ
４３は、巻線４Ｖに誘起した負の半波に対する通電タイ
ミング信号（ＶＷ）ｂを形成し、ＲＳフリップフロップ
４１は、巻線４Ｗに誘起した負の半波に対する通電タイ
ミング信号（ＷＵ）ｂを形成している。そして、各ＲＳ
フリップフロップ３９〜４３からの通電タイミング信号
（ＵＶ）ａ〜（ＷＵ）ｂは、インターフェース回路４４
を介して既述したトランジスタ１２〜１７のゲートに入
力される。

【００２０】本実施例は以上のように構成され、次に動
作を図３に示すタイムチャートに従って説明する。なお
、図３において、Ｕ，Ｖ及びＷの各波形はそれぞれ各相
巻線に誘起する電圧波形を表し、Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ及びＷ
−Ｕは、増幅回路２６の出力波形を、（Ｕ−Ｖ）ａ〜（
Ｗ−Ｕ）ａは上側ピーク検出回路３１，３３及び３５の
出力するピーク位置信号を、（Ｕ−Ｖ）ｂ〜（Ｗ−Ｕ）
ｂは下側ピーク検出回路３２，３４及び３６の出力する
ピーク位置信号を、（ＵＶ）ａ〜（ＷＵ）ａ及び（ＵＶ
）ｂ〜（ＷＵ）ｂはタイミング信号形成回路３７の出力
する通電タイミング信号を表している。

【００２１】回転子が張る磁界によって各巻線４Ｕ，４
Ｖ及び４Ｗに誘起する電圧は、図５に示したように正弦
波状であるが、トランジスタ１２〜１７の導通による制
限分を加えると、Ｕ，Ｖ及びＷに示すように、正弦波の
正側及び負側でそれぞれ１２０°通電分が平坦電圧をな
す波形となる。本発明は、先ずこれらの電圧Ｕ，Ｖ及び
Ｗのうち二電圧の組について、分圧回路群１９のＱ１〜
Ｑ３点における中間電位の信号を検出する。Ｑ１〜Ｑ３
点に現れる中間電位の信号は、各巻線４Ｕと４Ｖ，４Ｖ
と４Ｗ並びに４Ｗと４Ｕの両端電圧を加算して得られる
信号であり、これは二巻線に誘起した両端電圧の差成分
となる。該差成分は、平坦電圧区間が重なった区間では
零電位を呈し、非通電区間と平坦電圧区間が重なった区
間では正弦波誘起電圧のゼロクロス近傍の波形によって
上側及び下側に三角波状を呈する。増幅回路２６は、単
にこれらＱ１〜Ｑ３点に現れる差成分の信号を増幅して
いるだけである。

【００２２】こうして、ピーク位置検出回路群３０には
、間欠的に三角波を含む信号が入力されることになる。 ピーク位置検出回路群３０は上記差成分Ｕ−Ｖ，Ｗ−Ｕ
及びＶ−Ｗのピーク値位置を検出する。すなわち、上側
及び下側に三角波状となった信号の頂点を検出するわけ
である。上記したように、差成分Ｕ−Ｖ，Ｗ−Ｕ及びＶ
−Ｗは、それぞれ巻線４Ｕと４Ｖ、４Ｖと４Ｗ及び４Ｗ
と４Ｕに誘起した電圧同士の差分に追随した信号を表す
ものであり、該差成分Ｕ−Ｖ，Ｗ−Ｕ及びＶ−Ｗの上側
（正側）ピーク及び下側（負側）ピークの位置は、一方
の通電中の巻線が非通電状態へ移行する点と、他方の非
通電中の巻線が通電状態に移行する点とが重なった点と
なる。これらを検出した上側ピーク位置信号は、各全て
の二相間巻線について求められ、（Ｕ−Ｖ）ａ〜（Ｗ−
Ｕ）ａ及び下側ピーク位置信号（Ｕ−Ｖ）ｂ〜（Ｗ−Ｕ
）ｂに示すように、正弦波の全波に対して設定した通電
角、ここでは１２０°ごとにずれた信号となる。

【００２３】したがって、例えば巻線４Ｕに必要な通電
タイミング信号（ＵＶ）ａを形成する場合、巻線４Ｗが
通電状態から非通電状態に移行する変移点と、巻線４Ｕ
が非通電状態から通電状態に移行する変移点とが重なる
ｔ１（代表点）にて第１のピーク位置検出信号Ｓ１（波
形（Ｗ−Ｕ）ａ参照）を得て、これによって、ＲＳフリ
ップフロップ３８をセットする。これにより通電タイミ
ング信号（ＵＶ）ａが立ち上がる。通電タイミング信号
（ＵＶ）ａの立ち下げは、巻線４Ｕが通電状態から非通
電状態に移行する変移点と、巻線４Ｖが非通電状態から
通電状態に移行する変移点との重とが重なるｔ３にて第
２のピーク位置信号Ｓ２（波形（Ｕ−Ｖ）ａ参照）を得
る。そして、この信号Ｓ２によって、ＲＳフリップフロ
ップ３８をリセットする。これによって得られる通電タ
イミング信号（ＵＶ）ａは、巻線４Ｕに対する最適通電
角を与えることができる。

【００２４】なお、本実施例では、分圧回路群１９とピ
ーク検出回路群３０との間に増幅回路２６を設けている
が、これはかならずしも必要ない。というのは、中性点
Ｎの電位が変動しても、その変動分は差成分の三角波に
比し小さく、ピーク位置検出に影響することはないから
である。また、増幅回路２６は、演算増幅器２７〜２９
のゲインが１においても数〔Ｖ〕〜数十１０〔Ｖ〕得ら
れるので、ノイズにより誤動作したり、演算増幅器２７
〜２９のオフセットが問題となることもなく、増幅回路
２６を設けない場合よりピーク位置検出が確実となる。

【００２５】このように、本発明の上側ピーク及び下側
ピークの各位置を検出することは、直接に通電角を求め
ているのである。このため、従来のように、正弦波誘起
電圧のゼロクロス点（例えばｔ０）を検出し、これを基
準に３０°移相角分（ｔ０−ｔ１）をカウントする必要
がなくなる。なお、本発明は、上記実施例のみに限定さ
れず、例えば固定子巻線が、二相或いは４相、５相のも
のに適用することができる。また、ピーク検出回路３０
及びタイミング信号形成回路３７等はマイクロコンピュ
ータにて構成することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、固定
子巻線の中性点の電位を基準にしたり、カウントのよう
な精度が要求される動作を行っておらず、二相巻線間端
子電圧の中間電位の信号におけるピークを簡潔な構成の
論理回路で直接に検出しているため、正確な通電タイミ
ング信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明に係るブラシレス直流モータにおけ
る駆動回路の一実施例を示す構成図

【図２】　　本発明を適用したモータの内部構造を示す
構成図

【図３】　　本発明の動作を示すタイムチャート

【図４
】　　従来のブラシレス直流モータにおける駆動回路の
一例を示す構成図、

【図５】　　図４に示すモータの動作を示すタイムチャ
ート

【符号の説明】

１─回転軸、２，５─コア、３─永久磁石、４（４Ｕ，
４Ｖ，４Ｗ）─固定子巻線群、１０─バッテリ、１１─
インバータ回路、１９─分圧回路群、２０〜２５─抵抗
、２６─増幅回路、３０─ピーク検出回路群、３１，３
３，３５─上側ピーク検出回路、３２，３４，３６─下
側ピーク検出回路、３７─タイミング信号形成回路、３
８〜４３─ＲＳフリップフロップ、（Ｕ−Ｖ）ａ，（Ｗ
−Ｕ）ａ，（Ｖ−Ｗ）ａ、（Ｕ−Ｖ）ｂ，（Ｗ−Ｕ）ｂ
，（Ｖ−Ｗ）ｂ─ピーク位置検出信号、（ＵＶ）ａ，（
ＷＵ）ａ，（ＶＷ）ａ、（ＵＶ）ｂ，（ＷＵ）ｂ，（Ｖ
Ｗ）ｂ─通電タイミング信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　永久磁石形の回転子と、該回転子に回
   転力を与えるべく回転磁界を作用させるスター接続され
   た複数相相当個の固定子巻線群と、前記固定子巻線群の
   うち各直列をなす二巻線に並列に接続され、該二巻線間
   端子電圧の中間電位を示す信号を形成する分圧回路群と
   、該各分圧回路群からの前記中間電位を示す信号を増幅
   した信号の上側ピーク及び下側ピークの位置を検出する
   ピーク検出回路群と、該ピーク検出回路群から出力され
   るピーク位置信号に基づいて前記固定子巻線の通電角を
   制御するための通電タイミング信号を形成するタイミン
   グ信号形成回路と、該タイミング信号形成回路からの信
   号に基づいて前記固定子巻線群の通電を制御するインバ
   ータ回路とを、具備することを特徴とするブラシレス直
   流モータの駆動回路。