JPH05122983A - 永久磁石モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 モータの通電電流のうち無効電流成分を極力
低減して銅損の発生を抑制し、運転効率を向上させる。 【構成】 固定子巻線１１ａの通電電流は電流検出器１
４により各相毎に検出する。モータ１１の回転子の回転
位置はロータリエンコーダ１５で検出し、記憶装置１６
は回転子の回転位置に応じた電流指令値を出力する。そ
の電流指令値は固定子巻線１１ａの誘起電圧の波形に追
従する波形となるように予め記憶されている。記憶装置
１６から電流指令値が出力されると、比較器１８乃至２
０は通電電流との比較結果を制御回路２１に与え、誘起
電圧に追従した通電電流を流すように駆動回路１２に制
御信号を与える。これにより、高調波成分の位相のずれ
がなくなり、無効電流を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転子に永久磁石を備
え固定子巻線に通電して駆動するようにした永久磁石モ
ータの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転子に永久磁石を使用したブラシレス
モータは、ＯＡ機器，ＡＶ機器等をはじめ広く利用され
ているもので、構造的には永久磁石回転子を備えた同期
電動機として動作するものである。従って、同期をとる
ために回転子の回転位置を検出する必要がある。

【０００３】モータを回転させるための制御装置の電気
的構成は、例えば図７（ａ）に示すようになっている。
即ち、モータ本体１の三相の固定子巻線２には駆動回路
３により駆動電流が与えられるようになっており、その
駆動回路３はトランジスタをブリッジ接続して構成さ
れ、制御回路４から制御信号が与えられるようになって
いる。

【０００４】制御回路４は、位置センサとしての３個の
ホール素子５乃至７からモータ１の図示しない回転子の
回転位置を示す信号が与えられるようになっており、こ
の位置信号に基づいて制御信号を生成する。ホール素子
５乃至７は、図７（ｂ）に示すように、機械角で６０°
ずつで電気角では１２０°隔たった位置で回転子の位置
を検出すべく配置されている。

【０００５】このような構成によれば、回転子の回転に
応じてホール素子５乃至７からは、図８（ａ），
（ｂ），（ｃ）に示すような位置信号が出力され、この
位置信号に基づいて制御回路４は駆動回路３に対して同
図（ｄ）乃至（ｉ）に示す制御信号を与える。駆動回路
３においては三相の固定子巻線２に同図（ｊ），
（ｋ），（ｌ）に示すような駆動電流を与え、回転子は
これにより回転駆動される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来構成
のものでは、例えば、固定子巻線２への通電電流は、図
８（ｊ），（ｋ），（ｌ）に示すように、電気角で１２
０°位相をずらして三相通電するようになっている。ま
た、このときの駆動電圧波形は図９に示すようになって
いる。

【０００７】ホール素子５乃至７からの信号により転流
が行なわれ、同期電動機として駆動されているので、基
本波成分の駆動電圧に対する電流の位相は一致してお
り、基本波力率は「１」となっている。

【０００８】ところが、駆動電圧波形と電流波形とは図
９に示すように大きく異なっており、高次高調波成分の
電圧と電流との位相は大きくずれている。従って、高調
波成分の力率は非常に低下しており、モータ１は、基本
波力率と高調波成分の力率を併せた総合力率が低い状態
で駆動される状況である。

【０００９】つまり、このような状況では固定子巻線２
に無効電流を流しながら回転駆動させているため、固定
子巻線２での銅損が増加することになり、モータとして
の運転効率が低下してしまう不具合がある。

【００１０】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、固定子巻線への無効電流の通電量を極
力低減して固定子巻線での銅損の発生を抑制し、駆動効
率を向上させることができる永久磁石モータの制御装置
を提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の永久磁石モータ
の制御装置は、回転子に永久磁石を備え固定子巻線に通
電して駆動するようにした永久磁石モータを対象とした
ものであり、前記固定子巻線への通電電流をその固定子
巻線に固有の誘起電圧波形に追従するように制御する構
成としたところに特徴を有する。

【００１２】

【作用】本発明の永久磁石モータの制御装置によれば、
固定子巻線への通電電流は、回転子の回転によってその
固定子巻線に誘起される固有の誘起電圧波形に追従する
ように制御されるので、基本波成分の位相のみならず高
調波成分の位相も揃い、総合の力率を１に近付けること
ができ、従って、固定子巻線に流れる無効電力を低減で
き、モータとしての効率を向上させることができる。

【００１３】

【実施例】以下本発明の第１の実施例について図１及び
図２を参照しながら説明する。

【００１４】電気的構成を示す図１において、モータ１
１は固定子巻線１１ａと永久磁石を有する回転子とから
構成されている。駆動回路１２は、トランジスタ１２ａ
乃至１２ｆをブリッジ接続してなるもので、その出力端
子はモータ１１の固定子巻線１１ａに接続されている。
そして、駆動回路１２は、与えられる制御信号に応じて
各トランジスタ１２ａ乃至１２ｆがスイッチングされて
直流電源１３をモータ１１の固定子巻線１１ａに三相通
電するようになっている。

【００１５】電流検出器１４は、モータ１１の固定子巻
線１１ａの各相に流れる電流を検出するように配設され
ている。また、ロータリエンコーダ１５は、モータ１１
の回転子の回転位置を検出して複数ビットのデジタル信
号として出力するアブソリュート形の回転位置検出器で
あり、その出力端子は記憶装置１６に接続されている。
記憶装置１６は、回転角度に対応した電流指令値のデ
ータが予め記憶されているもので、３つの出力端子はＤ
／Ａ変換回路１７に接続され、ロータリエンコーダ１５
から与えられる回転角度信号に応じて電流指令信号を出
力する。この場合、電流指令値は、回転子の回転によっ
て固定子巻線１１ａに誘起される電圧の波形と相似形を
なす電流波形となるように設定されている。

【００１６】記憶装置１６からの電流指令信号はデジタ
ル信号として出力されるが、この電流指令信号はＤ／Ａ
変換器１７によりアナログ信号に変換して出力される。
比較器１８乃至２０は、夫々入力端子の一方側がＤ／Ａ
変換器１７の各出力端子に接続され、他方側が電流検出
器１４の各出力端子に接続され、各出力端子は制御回路
２１に接続されている。

【００１７】そして、各比較器１８乃至２０は、Ｄ／Ａ
変換回路１７を介して与えられる各相の電流指令信号に
対して、電流検出器１４から与えられる固定子巻線１１
ａに流れる実際の電流値を比較してその結果を制御回路
２１に与えるようになっている。制御回路２１は比較器
１８乃至２０からの比較結果を示す信号が与えられる
と、駆動回路１２のトランジスタ１２ａ乃至１２ｆのベ
ースに制御信号を与えるようになっている。

【００１８】次に、本実施例の作用について図２をも参
照しながら説明する。モータ１１の回転子の回転位置は
ロータリエンコーダ１５により検出され、記憶装置１６
に入力される。ロータリエンコーダ１５は、位置検出信
号として、回転子の回転角度に１対１で対応する複数ビ
ットのデジタル信号（図２（ｄ）に最上位のビット，以
下（ｅ），（ｆ）及び最下位のビットを（ｇ）で示して
いる）を出力し、これに対して記憶装置１６において
は、この回転角度を示すデジタル信号に応じて記憶され
た電流指令値（同図（ａ），（ｂ），（ｃ）参照）を読
み出して出力されるようになっている。

【００１９】この場合、前述のように記憶装置１６に
は、回転子の回転角度に応じて固定子巻線１１ａに発生
する誘起電圧の値に対応した通電電流のパターンが予め
記憶されており、通電電流波形と誘起電圧波形とが相似
形をなすようになっている。つまり、従来においては、
各相の通電期間が電気角で１２０°に相当する期間とな
っているが、本実施例においては、誘起電圧波形に合わ
せて通電期間が１８０°に相当する期間となっている。

【００２０】そして、記憶装置１６から三相の各相に対
応したデジタル信号で制御信号が出力されると、Ｄ／Ａ
変換回路１７はこれをアナログ信号に変換して夫々比較
器１８乃至２０に入力する。比較器１８乃至２０におい
ては、Ｄ／Ａ変換回路１７を介して与えられた電流指令
値と電流検出器１４により検出されるモータ１１の実際
の通電電流とを比較する。そして，このとき通電電流が
電流指令値よりも大きいときには通電を停止し、小さい
ときには通電を行なうように比較結果の信号を出力す
る。

【００２１】これにより、制御回路２１は三相の各相に
対応した適切な制御信号を駆動回路１２に出力するよう
になり、通電電流と固定子巻線１１ａの誘起電圧との波
形が略一致するように制御される。従って、両者の波形
が一致することにより、高調波の位相のずれがなくな
り、高調波成分の無効電流の発生が低減される。

【００２２】このような本実施例によれば、回転子の回
転角度に応じて固定子巻線１１ａに発生する誘起電圧の
波形に追従するように固定子巻線１１ａへの通電電流を
設定するようにしたので、高調波成分の位相のずれが少
なくなり、通電電流の全体に対して占める無効電流を大
幅に低減させることができ、総じてモータ１１の運転効
率を向上させることができる。

【００２３】図３乃及び図４は本発明の第２の実施例を
示し、以下、第１の実施例と異なる部分についてのみ説
明する。即ち、本実施例においては、図３に示すよう
に、第１の実施例におけるアブソリュート形のロータリ
エンコーダ１５に代えて、インクリメンタル形のロータ
リエンコーダ２２及びアップダウンカウンタ２３を用い
た構成としているところである。

【００２４】即ち、第１の実施例においては、アブソリ
ュート形のロータリエンコーダ１５により回転子の回転
角度に対応した信号を生成して記憶装置１６に与える構
成であったのに対して、本実施例においては、インクリ
メンタル形のロータリエンコーダ２２により、回転子の
相対的な回転量をパルス信号で出力すると共に、回転子
の基準位置に相当するゼロ相を示すパルスを出力し、こ
れをアップダウンカウンタ２３によりゼロ相信号の位置
からカウントして回転位置を検出する構成のものであ
る。

【００２５】このような構成とすることにより、ゼロ相
パルスが入力された時点でアップダウンカウンタ２３が
リセットされ、この時点が回転角度がゼロであるとして
設定され、この後、ロータリエンコーダ１５からパルス
が入力される度にカウント数をインクリメントして回転
角度が相対的に検出される。そして、この回転角度に対
応するアップダウンカウンタ２３の出力信号により記憶
装置１６はその回転角度に相当する位相の電流指令値を
デジタル信号で出力する。

【００２６】以下、第１の実施例と同様にして固定子巻
線１１ａの誘起電圧波形と相似形をなす電流波形の電流
を通電することにより、高調波成分の位相のずれを極力
低減することができ、従って、このような本実施例にお
いても、図４に示すように回転子の回転位置に対応した
位置検出信号が記憶装置１６に入力されるようなるの
で、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

【００２７】図５及び図６は本発明の第３の実施例を示
し、以下、第１の実施例と異なる部分についてのみ説明
する。尚、本実施例においては、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ
Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を用いて基準クロックにモー
タ１１の回転数を一致させる構成のものである。

【００２８】さて、図５において、ホール素子２４はモ
ータ１１の回転子の回転位置を検出するように配置され
ている。ホール素子２４の信号出力端子は周波数比較器
２５の一方の入力端子に接続されると共に、アップダウ
ンカウンタ２６に接続されている。基準クロック発生回
路２７は、モータ１１の運転を行なうための基準クロッ
クを発生する回路で、その出力端子はアップダウンカウ
ンタ２６に接続されると共に分周回路２８の入力端子に
接続されている。分周回路２８は、入力された基準クロ
ック（周波数ｆ０）を所定の周波数に分周して速度基準
パルス（周波数ｆａ）として出力するもので、その出力
端子は周波数比較器２５の他方の入力端子に接続されて
いる。

【００２９】アップダウンカウンタ２６は、ホール素子
２４からのゼロ相信号によりリセットされその後基準ク
ロックをカウントアップして回転子の回転位置に相当す
る位置信号を出力するもので、その出力端子は記憶装置
１６の入力端子に接続されている。記憶装置１６の３つ
の出力端子は、Ｄ／Ａ変換回路１７を介して比較器２
９，３０，３１の一方の入力端子に接続されている。比
較器２９乃至３１の各他方の入力端子は周波数比較器２
５の出力端子に共通に接続されている。この場合、周波
数比較器２５は、分周回路２８から与えられる所定周波
数の速度基準パルス信号に対してホール素子２４からの
位置検出信号の周波数を比較し、そのずれ信号を出力す
るようになっている。

【００３０】比較器２９乃至３１の各出力端子は比較器
１８乃至２０の各一方の入力端子に接続されている。そ
して、比較器１８乃至２０の各他方の入力端子は電流検
出器１４の各出力端子に接続されている。

【００３１】さて、上述のような構成において、いまモ
ータ１１が三相４極である場合について説明する。この
場合、ホール素子２４は、回転子が１回転する間に２４
個のパルス（転流信号）を位置信号として発生して周波
数比較器２５に与えると共に、そのパルスのうち１個は
ゼロ相を示すリセットパルスとしてカウンタ２６に与え
るようになっている。一方、分周回路２８は、基準クロ
ック２７から与えられる基準クロックを分周して回転子
が１回転する間に２４個のパルスを速度基準パルスとし
て発生するように設定されている。

【００３２】周波数比較器２５は、分周回路２８から与
えられる速度基準パルスの周波数ｆａとホール素子２４
から与えられるパルスの周波数とを比較し、回転子の回
転周波数が低い場合には比較器２９乃至３１に加算指令
を出力し、高い場合には減算指令を出力する。例えば、
図６に示すように、回転子の回転周波数が分周回路２８
からの周波数に比べてΔｆ１，Δｆ２だけ低い場合に
は、加算指令が出力されて回転数を上昇させるように制
御される。

【００３３】このようにしてフィードバック制御が行な
われて、定常状態に達すると、回転子の回転周波数を示
すホール素子２４からのパルスの周波数と分周回路２８
からの速度基準パルスとが一致するようになって回転子
の回転状態が安定する。この状態においては、基準クロ
ック発生回路２７から出力される基準クロックの数をカ
ウントすることにより回転子の回転位置を求めることが
でき、記憶装置１６はこのカウンタからの信号に基づい
て電流指令値を出力する。

【００３４】例えば、記憶装置１６に電気角１°につい
て１個の電流指令値データが記憶される場合には、モー
タ回転数が１８００ｒｐｍであるとすると、基準クロッ
クの周波数ｆ０は、 ｆ０＝３６０（データ）×４（極）×１８００（ｒｐｍ）／６０ ＝４３．２（ｋＨｚ） …（１） となる。また、分周回路２８による速度基準パルスの周
波数ｆａは、 ｆａ＝４３．２（ｋＨｚ）／２４ ＝１．８（ｋＨｚ） …（２） となる。

【００３５】そして、この速度基準パルスｆａと実際の
モータ回転数が比較され、分周回路２８の出力パルスの
時間間隔よりもモータ回転信号のパルス間隔のほうが長
い場合には出力電流を増加させ、逆に分周回路２８の出
力パルスの時間間隔よりもモータ回転信号のパルス間隔
のほうが短い場合には出力電流を減少させるように制御
する。従って、このような本実施例によっても、第１及
び第２の実施例と同様の効果を得ることができるもので
ある。

【００３６】尚、上記実施例においては、制御の手段を
ハードウェアで構成したが、これに限らず、例えば、マ
イクロコンピュータ等を用いてプログラムにより同様の
制御を行なうようにしても良い。この場合、固定子巻線
１１ａに発生する誘起電圧を関数表現して位置検出信号
に対応して求めるようにしても良いものである。

【００３７】また、上記実施例においては、三相のモー
タ１１に適用した場合について述べたが、これに限ら
ず、二相，四相或は五相等のモータにも適用できること
は勿論である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の永久磁石
モータの制御装置によれば、固定子巻線への通電電流
を、回転子の回転によりその固定子巻線に発生する固有
の誘起電圧の波形に追従するように制御する構成とした
ので、モータトルクの発生に寄与しない無効電流の通電
を極力低減することができ、従って、モータの運転効率
を向上させることができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック構成図

【図２】通電電流のパターンと回転角との対応図

【図３】本発明の第２の実施例を示す図１相当図

【図４】図２相当図

【図５】本発明の第３の実施例を示す図１相当図

【図６】図２相当図

【図７】従来例を示す電気的構成図

【図８】図２相当図

【図９】実測した誘起電圧及び通電電流の波形図

【符号の説明】

１１はモータ、１２は駆動回路、１４は電流検出器、１
５はアブソリュート形のロータリエンコーダ、１６は記
憶装置、１７はＤ／Ａ変換回路、１８乃至２０は比較
器、２１は制御回路、２２はインクリメンタル形のロー
タリエンコーダ、２３はアップダウンカウンタ、２４は
ホール素子、２５は周波数比較器、２６はアップダウン
カウンタ、２７は基準クロック発生回路、２８は分周回
路、２９乃至３１は比較器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子に永久磁石を備え固定子巻線に通
   電して駆動するようにした永久磁石モータにおいて、前
   記固定子巻線への通電電流をその固定子巻線に固有の誘
   起電圧波形に追従するように制御することを特徴とする
   永久磁石モータの制御装置。