JPS5931319B2 - Brush angle lead/lag control device for DC brushless motor - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＤＣブラシレス電動機のブラシ角進み遅れ制御
装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a brush angle lead/lag control device for a DC brushless motor.

従来の菌種界磁ブラシレス電動機では界磁主磁束と直交
する電流を流すことによりトルクを発生させている。In conventional bacterial field brushless motors, torque is generated by passing a current perpendicular to the field main magnetic flux.

ここで、この種電動機では主磁束によるトルクと凸極性
によるリラクタンストルクが得られる。しかしながら、
前記のように界磁主磁束と直交する電流を流したのでは
凸極性によるトルクが失われ、この種電動機本来のトル
クを出すことができない。Here, in this type of motor, torque due to the main magnetic flux and reluctance torque due to convex polarity are obtained. however,
If a current perpendicular to the field main magnetic flux is passed as described above, the torque due to the convex polarity will be lost, and this type of motor will not be able to produce the original torque.

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、菌種界磁ブ
ラシレス電動機のトルクを増大し得るような制御装置の
提供を目的とする。The present invention has been made in view of the above-mentioned points, and an object of the present invention is to provide a control device that can increase the torque of a bacterial field brushless motor.

この目的達成のため本発明では、電機子電流の指令電圧
と回転界磁の位置信号を掛算して得た信号により電機子
電流の制御を行なう制御装置において、電機子電流指令
電圧をＤＣブラシレス電動機のトルクが最大になるとき
のブラシ角の正接に対応する電圧に減衰させる減衰器と
、回転界磁に同期してロータ位置検出器から発せられる
余弦波信号および正弦波信号のそれぞれに減衰器の出力
電圧を掛算する第１および第２の乗算器と、第１の乗算
器の出力信号に正弦波信号を加算する加算器と、余弦波
信号から第２の乗算器の出力を減算する減算器とを備え
、加算器および減算器の出力信号を回転界磁の位置信号
とすることにより、電動機巻線電流と界磁主磁束との直
交性、いわゆるブラシ角を可変にしたブラシレス電動機
のブラシ角進み遅れ制御装置を提供するものである。To achieve this objective, the present invention provides a control device that controls the armature current by a signal obtained by multiplying the command voltage of the armature current by the position signal of the rotating field. An attenuator is used to attenuate the voltage corresponding to the tangent of the brush angle when the torque is maximum, and an attenuator is used to attenuate the cosine wave signal and sine wave signal, respectively, which are emitted from the rotor position detector in synchronization with the rotating field. first and second multipliers that multiply output voltages, an adder that adds a sine wave signal to the output signal of the first multiplier, and a subtracter that subtracts the output of the second multiplier from the cosine wave signal. By using the output signals of the adder and the subtractor as the position signals of the rotating field, the brush angle of a brushless motor can be changed to achieve orthogonality between the motor winding current and the field main magnetic flux, so-called brush angle. A lead/lag control device is provided.

以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。第
１図は本発明に係る電動機の回路構成を示したもので、
ここでは２相形に構成している。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows the circuit configuration of the electric motor according to the present invention.
Here, it is configured in two phases.

Ｍは電動機でありα，βの２つの電機子相巻線と回転界
磁Ｆとを有し、界磁Ｆにはロータ位置検出器Ｄが連結さ
れている。ロータ位置検出器Ｄは回転界磁Ｆの回転に同
期して正弦波ｄ１、余弦波Ｄ２の出力を生じ加、減算器
Ｃ２，Ｃ３および掛算器Ｍ３，Ｍ４に与える。掛算器Ｍ
３，Ｍ４にはこの外に指令電圧Ｅｉが減衰器Ｃ１を介し
てＥｉＪとして与えられ、掛算器Ｍ３ではこのＥｉ″と
余弦波Ｄ２とが、また掛算器Ｍ４ではＥｉ″と正弦波ｄ
１とが掛け合わされる。そして掛算器Ｍ３の出力は加算
器Ｃ２に、また掛算器Ｍ４の出力は減衰器Ｃ３に与えら
れて、それぞれ正弦波ｄ１、余弦波Ｄ２と加え合わされ
る。この結果、加、減算器Ｃ２，Ｃ３の出力に現われ信
号Ｄ３，ｄ４がブラシ角制御信号であり、掛算器Ｍ３，
Ｍ４、加、減算器Ｃ２．Ｃ３および減衰器Ｃ１によりブ
ラシ角制御器Ｃが構成される。ブラシ角制御信号Ｄ３，
ｄ４は掛算器Ｍｌ，Ｍ２に与えられて指令電圧Ｅｉと掛
け合わされＥｉｌ，ｅｉ２となる。M is an electric motor having two armature phase windings α and β and a rotating field F, and a rotor position detector D is connected to the field F. The rotor position detector D generates outputs of a sine wave d1 and a cosine wave D2 in synchronization with the rotation of the rotating field F, and supplies them to adders and subtracters C2 and C3 and multipliers M3 and M4. Multiplier M
3. In addition to this, command voltage Ei is given to M4 as EiJ via attenuator C1, multiplier M3 receives this Ei'' and cosine wave D2, and multiplier M4 receives Ei'' and sine wave d.
1 is multiplied. The output of the multiplier M3 is applied to an adder C2, and the output of the multiplier M4 is applied to an attenuator C3, where they are added to the sine wave d1 and the cosine wave D2, respectively. As a result, the signals D3 and d4 appearing at the outputs of the adders and subtractors C2 and C3 are brush angle control signals,
M4, adder/subtractor C2. C3 and attenuator C1 constitute a brush angle controller C. Brush angle control signal D3,
d4 is given to multipliers Ml and M2 and multiplied by command voltage Ei to become Eil and ei2.

そして増幅器Ａｌ，Ａ２を介して電動機Ｍのα，βの両
巻線に電流１（Ｘ，ｉβが供給される。第２図は凸極界
磁ブラシレス電動機のブラシ角対トルク特性を示したも
のである。ここで、ブラシ角対トルク特性が第２図のよ
うになる理由を第５図を参照して説明する。Then, current 1 (X, iβ) is supplied to both α and β windings of motor M via amplifiers Al and A2. Figure 2 shows the brush angle versus torque characteristics of a convex-pole field brushless motor. Here, the reason why the brush angle vs. torque characteristic is as shown in FIG. 2 will be explained with reference to FIG. 5.

凸極界磁形のブラシレスモータ（２相の場合）の平均発
先トルクを求めてみると、第５図において（磁軸は図中
のＰｌ，Ｐ２）Ｌ（Ｘ，Ｌβ；α，β相の自己インダク
タンスは凸極性により、のように変化する。When calculating the average starting torque of a convex-pole field type brushless motor (in the case of two phases), in Fig. 5 (the magnetic axes are Pl and P2 in the figure) L (X, Lβ; α, β phase) The self-inductance of changes with convex polarity as follows.

この系のエネルギーは であるから（インダクタンスの変化するコイルに蓄えら
れるエネルギーのみ）、界磁の凸極性により発生するト
ルクはとなる。Since the energy of this system is (only the energy stored in the coil whose inductance changes), the torque generated by the convex polarity of the field is.

また、界磁主磁束ｆにより発生するトルクはＴＭ＝Ｋｔ
（１（Ｘｓｉｎθ＋ｉβＣＯｓθ） ．．．．．．（４
）である（但し、Ｋ１は定数）。Also, the torque generated by the field main magnetic flux f is TM=Kt
(1(Xsinθ+iβCOsθ)...(4
) (where K1 is a constant).

ここで、まずθが増大する向き（図中のＣＷで示した時
計回り方向）のトルタを発生する場合に各巻線に流す電
流を●Ｐ６ｖｖｖＸＶｒ′ とすると（γはブラシ角） となる。First, let P6vvvXVr' be the current flowing through each winding when generating a tortor in the direction in which θ increases (clockwise direction indicated by CW in the figure) (γ is the brush angle).

従つて平均トルクＴＡＶＥはＴＡＶＥＯＫｔ′ＩｃＯｓ
ｒ婚Ｌｉ２ｓｉｎ２γ・・・・・・（７）でブラシ角を
進めるのが有効である。Therefore, the average torque TAVE is TAVEOKt'IcOs
It is effective to advance the brush angle using r marriage Li2sin2γ (7).

また、θが減少する向き（図中の反時計回り方向）のト
ルクを発生させる場合は、”Ｐ ′ −″−
ゝ− ” ″ ″とするとＴＡＶＥ０−Ｋｔ′ＩｃＯｓ
γ十肉Ｌｉ２ｓｉｎ２γ・・・・・・（９）になる。In addition, when generating torque in the direction in which θ decreases (counterclockwise in the figure), “P ′ −”−
If ゝ- ” ” , then TAVE0-Kt'IcOs
γ ten meat Li2sin2γ...(9).

従つて、この場合はγをθの増大する向きとは逆向き、
つまりトルクの発生する方向にブラシ角を進めるのが有
効である。第２図は上記式（７），（９）であられされ
るトルクとブラシ角γの関係を、電流振幅１に対して一
義的に決められる指令電圧Ｅｉをパラメータとして求し
たものである。Therefore, in this case, set γ in the opposite direction to the increasing direction of θ,
In other words, it is effective to advance the brush angle in the direction in which torque is generated. FIG. 2 shows the relationship between the torque and the brush angle γ calculated by the above equations (7) and (9) using the command voltage Ei, which is uniquely determined for the current amplitude 1, as a parameter.

第２図では、横軸にブラシ角を、縦軸にトルクをとり、
指令電圧Ｅｉをパラメータとしている。In Figure 2, the horizontal axis represents the brush angle and the vertical axis represents the torque.
The command voltage Ei is used as a parameter.

そして、いま指令電圧がＥｉＯであるとすると、ブラシ
角γ。においてヒータとなるようなブラシ角一トルク特
性を示す。指令電圧が大小変化するとそれに応じてピー
クを示すブラシ角も変化し、またピーク値も変化する。
指令電圧の極性を負にするとこれと同傾向の特性が得ら
れる。図における一点鎖線は各指令電圧に対するピーク
値の推移を示したものである。そこで、この一点鎖線に
沿うようにブラシ角を制御すれば常に最大トルクを取出
すことができる。第３図は第１図におけるブラシ角制御
器Ｃの制御特性を指令電圧Ｅｉ対ブラシ角γ特性として
示したものであり、この特性は第２図の一点鎖線を移し
換えたものに外ならない。Now, if the command voltage is EiO, then the brush angle γ. The brush angle-torque characteristic is shown as a heater. When the command voltage changes in magnitude, the brush angle indicating the peak changes accordingly, and the peak value also changes.
If the polarity of the command voltage is made negative, characteristics with the same tendency can be obtained. The dashed-dotted line in the figure shows the transition of the peak value for each command voltage. Therefore, if the brush angle is controlled along this one-dot chain line, the maximum torque can always be obtained. FIG. 3 shows the control characteristic of the brush angle controller C in FIG. 1 as a command voltage Ei versus brush angle γ characteristic, and this characteristic is nothing but a transposition of the one-dot chain line in FIG.

たとえば指令電圧がＥｉＯであるときブラシ角はγ。だ
けずらされ、また指令電圧が−ＥｌＯであれば同様に一
γ。だけずらされ、共にトルク最大となる。この場合ず
らされる量は、第１図の回路において、Ｄ３はｄ１に対
して、またＤ４はＤ２に対してそれぞれＴａｎ′″１ｅ
ｉ′である。指令電圧Ｅｉが正の場合には、発生するト
ルクの向きは第５図の時計回りの方向である。For example, when the command voltage is EiO, the brush angle is γ. Similarly, if the command voltage is -ElO, then 1 γ. torque is maximized. In this case, in the circuit shown in FIG. 1, D3 is shifted with respect to d1, and D4 is shifted with respect to D2 by Tan'''1e.
i′. When the command voltage Ei is positive, the direction of the generated torque is clockwise in FIG. 5.

従つてγは発生トルク方向に進ませる必要があるのでＤ
３＝ｄ１＋Ｅｉ′×Ｄ２＝Ｓｉｎθ＋Ｅｉ′ＣＯｓθ 一 鳳 となる。Therefore, γ needs to advance in the direction of the generated torque, so D
3=d1+Ei'×D2=Sinθ+Ei'COsθ 1 It becomes Otori.

但し、γｏ＞Ｏとする。指令電圧Ｅｉが負の場合には、
Ｅｉ′が負になるのでＴａｎ→ｅビも負になり一γｏに
なる。However, γo>O. When the command voltage Ei is negative,
Since Ei' becomes negative, Tan→e Bi also becomes negative and becomes 1γo.

従つて、トルクの発生方向にブラシ角がずれる（進む）
ことになる。つまり、トルクの発生する方向に電流位相
角がずれることになる。Therefore, the brush angle shifts (advances) in the direction of torque generation.
It turns out. In other words, the current phase angle shifts in the direction in which torque is generated.

これを第６図、第７図で説明すると、α相とロータ磁軸
のなす角θが増大する向きにトルクを発生させる場合は
、本来流すべき電流Ｓｉｎθと実際の電流Ｓｉｎ（θ＋
γ）の関係は第６図のように表わされるので、トルクの
発生する方向つまりθの増大する方向にブラシ角γをお
くらせることになる。また、α相とロータ磁軸のなす角
θが減少する向きにトルクを発生させる場合は、第７図
に示すようにθの減少する方向にブラシ角γを進めるこ
とになる。To explain this with FIGS. 6 and 7, when generating torque in the direction in which the angle θ between the α phase and the rotor magnetic axis increases, the current that should originally flow Sinθ and the actual current Sin(θ+
Since the relationship between .gamma. and .gamma. is expressed as shown in FIG. 6, the brush angle .gamma. is moved in the direction in which torque is generated, that is, in the direction in which .theta. increases. Furthermore, when torque is generated in a direction in which the angle θ between the α phase and the rotor magnetic axis decreases, the brush angle γ is advanced in the direction in which θ decreases, as shown in FIG.

減衰器においてその出力Ｅｉ′は次のようにして決めら
れる。The output Ei' of the attenuator is determined as follows.

すなわち、指令電圧Ｅｉが設定されると、流すべき電流
１（Ｘ，ｉβの振幅１がきまるので、モータ定数Ｋｔ，
Ｌがモータの種類によりわかつていれば（７）式あるい
は（９）式からブラシ角とトルクの関係が求まる。この
トルクが最大値をとるときのブラシ角γ。から出力Ｅｉ
′はＴａｎｒＯとして求められ、減衰器Ｃ１から出力さ
れる。第４図は第１図の回路においてα巻線にブラシ角
をずらした通電を行う際の各部波形を示したものであり
、第１図との関係により説明する。That is, when the command voltage Ei is set, the amplitude 1 of the current 1 (X, iβ) to be passed is determined, so the motor constants Kt,
If L is known depending on the type of motor, the relationship between the brush angle and torque can be found from equation (7) or equation (9). Brush angle γ when this torque reaches its maximum value. Output Ei from
' is determined as TanrO and is output from the attenuator C1. FIG. 4 shows waveforms of various parts when the α winding is energized with a shifted brush angle in the circuit of FIG. 1, and will be explained in relation to FIG. 1.

電動機Ｍの界磁Ｆが回転するとこれに伴い磁束λが増減
する。このときロータ位置検出器Ｄは磁束λと９０゜位
相のずれた信号ｄ１を形成する。この信号ｄ１はブラシ
角制御器Ｃにより角度γだけずらされた信号Ｄ３となる
。この信号Ｄ３と指令電圧Ｅｉとが掛け合わされてＥｉ
ｌとなり、増幅器Ａ１を介してα巻線に電流１（Ｘが供
給される。これにより最大トルクを生じるよう運転を行
う。上記実施例では２相機の例について説明したが、３
相以上の多相機についても本発明を適用し得る。When the field F of the electric motor M rotates, the magnetic flux λ increases or decreases accordingly. At this time, the rotor position detector D forms a signal d1 that is 90° out of phase with the magnetic flux λ. This signal d1 is shifted by the angle γ by the brush angle controller C to become a signal D3. This signal D3 and the command voltage Ei are multiplied to produce Ei
1, and a current 1 (X) is supplied to the α winding via the amplifier A1. This causes the operation to produce the maximum torque. In the above embodiment, an example of a two-phase machine was explained, but 3
The present invention can also be applied to a multiphase machine having more than one phase.

本発明は上述のように、電機子電流の指令電圧と回転界
磁の位置信号を掛算して得た信号により電機子電流の制
御を行なう制御装置において、電機子電流指令電圧をＤ
Ｃブラシレス電動機のトルクが最大になるときのブラシ
角の正接に対応する電圧に減衰させる減衰器と、回転界
磁に同期してロータ位置検出器から発せられる余弦波信
号および正弦波信号のそれぞれに減衰器の出力電圧を掛
算する第１および第２の乗算器と、第１の乗算器の出力
信号に、正弦波信号を加算する加算器と、余弦波信号か
ら第２の乗算器の出力を減算する減算器とを備え、加算
器および減算器の出力信号を回転界磁の位置信号とする
ことにより、電動機巻線電流と界磁主磁束との直交性を
ずらし、ブラシ角をずらすようにしたので、凸極界磁ブ
ラシレス電動機のトルクを増大し得るＤＣブラシレス電
動機のブラシ角進み遅れ制御装置を得ることができる。
これにより、本発明に係る装置を用いれば、常に最大ト
ルク点でブラシレス電動機を運転させることができ、同
一重量で大きなトルクを得ることができる。As described above, the present invention provides a control device that controls an armature current by a signal obtained by multiplying a command voltage of an armature current by a position signal of a rotating field.
An attenuator that attenuates the voltage corresponding to the tangent of the brush angle when the torque of the C brushless motor reaches its maximum, and a cosine wave signal and a sine wave signal that are emitted from the rotor position detector in synchronization with the rotating field, respectively. first and second multipliers that multiply the output voltage of the attenuator, an adder that adds a sine wave signal to the output signal of the first multiplier, and an adder that adds the output of the second multiplier from the cosine wave signal. By using the output signals of the adder and subtracter as position signals of the rotating field, the orthogonality between the motor winding current and the field main magnetic flux is shifted, and the brush angle is shifted. Therefore, it is possible to obtain a brush angle lead/lag control device for a DC brushless motor that can increase the torque of a convex-pole field brushless motor.
As a result, if the device according to the present invention is used, the brushless motor can always be operated at the maximum torque point, and a large torque can be obtained with the same weight.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の一実施例を示すプロツク線図、第２図
はブラシレス電動機におけるブラシ角−トルク特性を示
す図、第３図は第１図におけるブラシ角制御器の制御特
性図、第４図は第１図の実施例における各部波形図、第
５図は第２図のブラシ角−トルク特性の説明図、第６図
、第７図はブラシ角γのずれを説明するための図である
。 α，β・・・・・・電動機電機子巻線、Ｆ・・・・・・
界磁、Ｃ・・・・・・ブラシ角制御回路。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing brush angle-torque characteristics in a brushless motor, FIG. 3 is a control characteristic diagram of the brush angle controller in FIG. 4 is a waveform diagram of each part in the embodiment of FIG. 1, FIG. 5 is an explanatory diagram of the brush angle-torque characteristic of FIG. 2, and FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining the deviation of the brush angle γ. It is. α, β...Motor armature winding, F...
Field, C...Brush angle control circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １ 凸極回転界磁を備えたＤＣブラシレス電動機のブラ
シ角進み遅れ制御装置において、前記ＤＣブラシレス電
動機の電機子電流指令電圧を前記ＤＣブラシレス電動機
のトルクが最大になるときのブラシ角の正接に対応する
電圧に減衰させる減衰器と、前記凸極回転界磁の回転に
同期してロータ位置検出器から発せられる余弦波信号お
よび正弦波信号のそれぞれに前記減衰器の出力電圧を掛
算する第１および第２の乗算器と、該第１の乗算器の出
力信号に前記正弦波信号を加算する加算器と、前記余弦
波信号から前記第２の乗算器の出力を減算する減算器と
を備え、前記加算器および減算器の出力信号と前記電機
子電流指令電圧とをそれぞれ掛算した信号によつて電機
子電流を制御するようにしたことを特徴とするＤＣブラ
シレス電動機のブラシ角進み遅れ制御装置。1. In a brush angle lead/lag control device for a DC brushless motor equipped with a convex pole rotating field, the armature current command voltage of the DC brushless motor corresponds to the tangent of the brush angle when the torque of the DC brushless motor reaches a maximum. an attenuator for attenuating the voltage to a voltage of 1, and a first and second attenuator for multiplying each of a cosine wave signal and a sine wave signal emitted from the rotor position detector in synchronization with the rotation of the convex pole rotating field by the output voltage of the attenuator. comprising a second multiplier, an adder that adds the sine wave signal to the output signal of the first multiplier, and a subtracter that subtracts the output of the second multiplier from the cosine wave signal, A brush angle lead/lag control device for a DC brushless motor, characterized in that the armature current is controlled by a signal obtained by multiplying the output signals of the adder and the subtracter by the armature current command voltage.