JPS62272896A - 直流ブラシレスモ−タの駆動方法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野］ 本発明は直流ブラシレスモータの駆動方法に関するもの
である。

［従来の技術］ 直流ブラシレスモータは、永久磁石を界磁とした回転子
と、多相の電機子巻線を備えた固定子と、回転子の磁極
位置を検出する回転子位置検出部と、直流電源と電機子
巻線との間に設けられたスイッチ回路と、回転子位置検
出部から与えられる検出信号によりスイッチ回路を開閉
制御する駆動回路とを備えており、検出された回転子１
ｉｔ１の位置に応じてスイッチ回路を開閉することによ
り、各相の電機子巻線に回転子磁極の位置に応じた交流
電流を流して回転子を駆動するようにしている。

第６図は３相の電機子巻線１−ｕ、ＬＶ及びＬＷを備え
た直流ブラシレスモータ１の駆動回路の構成の一例とし
て３相全波式の駆動回路を示したちのである。この例で
は、電機子巻線１ｕないししＷがそれぞれ１２０度間隔
で設けられた３個の突極部に集中巻きされているものと
し、回転子は２極で各磁極の極弧角が１８０度であると
する。

第６図においてＳはＰＮＰＩ−ランジスタＱｕないしＱ
ｗ及びこれらのトランジスタのコレクタエミッタ間に逆
並列接続されたダイオード［）Ｕないし［）Ｗと、コレ
クタエミッタ間回路がトランジスタＱＬＪないしＱｗの
コレクタエミッタ間回路にそれぞれ直列に接続されたＮ
ＰＮトランジスタＱｘないしＱＺとこれらのトランジス
タのコレクタエミッタ間回路に逆並列接続されたダイオ
ードＤｘないしＤＺとからなるスイッチ回路で、トラン
ジスタＱｕ及びＱｘの直列回路と、トランジスタＱ■及
びＱｙの直列回路と、トランジスタＱｗ及びＱｚの直列
回路とが直流電源２の出力端子間に並列に接続されてい
る。３相の電機子巻線ＬＬＪないし１ｗは星形結線され
、巻線１ｕないしＬＷの中性点と反対側の端子がそれぞ
れトランジスタＱｕとＱｘとの接続点、トランジスタＱ
ｖとＱｙとの接続点及びトランジスタＱｗとＱｚとの接
続点に接続されている。

ＰＳｕ　、ＰＳｖ及びＰＳｗはそれぞれＵ、Ｖ及びＷ相
の電機子巻線を巻いた固定子磁極に相応する位置に配置
されて回転子磁極の位置を検出する位置センサで、回転
子の磁極に対向している角度範囲（この例では１８０度
）に亘って持続する検出信号を出力する。これらの位置
センサとしてはホール素子や磁気抵抗素子等が用いられ
る。位置センサＰＳｕないしＰＳｗの出力は波形整形回
路等からなる位置信号出力回路３に入力され、該信号出
力回路３から得られる位置信号ＨｕないしＨＷが分配回
路４に入力されている。また回転子には該回転子の回転
速度を検出するロータリーエンコーダＲＥが直結され、
このロータリーエンコーダから１ｑられる速度検出信号
Ｖｓが速度制御回路５に与えられている。分配回路４か
ら１７られる制す０信号及び速度制御回路５から得られ
る制御信号が加算器６により加算されて（またはアンド
回路によりアンド条件がとられて）トランジスタＱｕ〜
Ｑｗ及びＱｘ−ＱＺのベースにそれぞれ与えられている
。

このような直流ブラシレスモータの駆動方法としては、
各相の雷鳴子巻線に流す電機子電流の各半波の通電角α
を電気角で１２０度とするようにトランジスタＱｕ−Ｑ
ｗ及びＱｘ〜Ｑｚをオンオフ制御する１２０度形の駆動
方法と、各相の電機子巻線に流す電刷子電流の各半波の
通電角を電気角で１８０度とするように各トランジスタ
をオンオフ制御する１８０度形の駆動方法とがあり、こ
れらの駆動方法におけるタイミングチャートの一例をそ
れぞれ第３図及び第４図にに示しである。

第３図は１２０度形の駆動方法を採用する場合のタイミ
ングチャートで、この場合位置信号ＨｕないしＨＷはそ
れぞれ第３図（ａ）ないしくＣ）に示すように回転子の
回転角（電気角）の３０度ないし２１０度の区間、１５
０度ないし３３０度の区間及び２７０度ないし９０度の
区間持続する矩形波信号を出力する。

分配回路４は位置信号Ｈｕないし１−１ｗを入力として
、トランジスタＱ　ＩＪ　ｈいしＱｗ及びＱｘないしＱ
Ｚへのベース電流の供給をｉ＋ＩＩ　１Ｇしてこれらの
トランジスタをオンオフ制御する。トランジスタＱｕ、
Ｑｖ、Ｑｗ、Ｑｘ、Ｑｙ及びＱＺがオンｒＪ＋作する区
間をそれぞれ第３図（ｄ）ないしく１）に矩形波の形で
示しである。これらのトランジスタのオンオフにより電
機子巻線１−ｕないし１ｗにそれぞれ第３図（ｊ＞ない
しくλ）に示すように交番する電機子電流１ｕないしＩ
Ｗが流れる。この場合各型様子電流の各半波の通電角α
が電気角で１２０度となる。これらの電機子電流により
回転磁界が発生し、回転子（図示せず。）がＵ→■→Ｗ
の方向に回転する。

また１８０度形の駆動方法が採用される場合の位置信号
口Ｕないしｌ−１ｗは例えば第４図（ａ）ないしくＣ）
に示す通りで、この場合ｉ１２置信号Ｈｕないしｌ−１
ｗはそれぞれ電気角で０度ないし１８０度の区間、１２
０度ないし３００度の区間及び２４０度ないし６０度の
区間発生する。分配回路４はこれらの位置信号を入力と
してトランジスタトランジスタＱｕないしＱｗ及びＱｘ
ないしＱＺへのベース電流の供給を制御して、第４図（
ｄ）ないしくｉ）に示すようにこれらのトランジスタを
オンオフ制御する。これらのトランジスタのオンオフに
より、電機子巻線ｌｕないしＬＷにそれぞれ第４図（ｊ
）ないしくりに示すように交番する電機子電流１ｕない
し［Ｗが流れる。この場合各電機子Ｎ流の各半波の通電
各αは電気角で１８０度なる。

速度制御回路５は回転速度を設定値に保つようにチョッ
パ制御を行わせるための制御信号を発生するもので、速
度制御回路５から与えられる制御信号によりトランジス
タＱｕないしＱｗ及びＱＸないしＱＺにそれぞれ供給さ
れるベース電流が断続させられる。これによりトランジ
スタＱｕないしＱｗ及びＱｘないしＱＺがそれぞれの導
通期間Ｔｏ　　（各電機子電流の半波の通電角αに相応
する時間）内で第５図に示すように所定の周期でオンオ
フさせられて回転速度の検出値に応じて各トランジスタ
のオン１１間ｔｏのデユーティが制御され、これにより
各［１子電流の平均値が制御されて回転速度が設定値に
保たれる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のように直流ブラシレスモータにおいては、１２０
度形または１８０度形いずれの駆動方法をとる場合にも
チョッパ制御により速度を制御することが可能であるが
、低速領域から高速領域まで速度を変化させようとする
と次のような問題が生じる。

すなわち、１２０度形の駆動方法をとった場合には、高
速領域では回転むらが少ない安定な運転を行わせること
ができるが、低速領域で回転むらが大きくなるのを避け
られない。また１８０度形の駆動方法をとった場合には
、低速領域の回転むらを少なくすることができるが、１
２０度形の駆動方法による場合に比べて効率が悪く、１
２０度形の駆動方法をとる場合と同じ銅量で巻線を構成
した場合には、高速大出力を得ることができない。

１８０度形の駆動方法をとってしかも高速時の出力を増
大させるためには巻線の断面積を大きくする必要があり
、巻線及び回転子が大形になってモータが大形化するの
を避けられない。

これらの問題が生じる原因は、１２０度形の駆動方法を
とった場合と１８０度形の駆動方法をとった場合とで、
同時に電機子電流が流れる相の数が異なることにあると
されている。すなわら、１２０度形の場合には同時に２
相の巻線に電機子電流が流れるが、１８０度形の場合に
は同時に３相の巻線に電機子電流が流れるためである。

上記のように、１２０度形の駆動方法をとった場合には
低速領域で回転むらが少ない運転を行わせることができ
ず、また１８０度形の駆動方法をとった場合には高速領
域で高効率の運転を行わせることができないため、低速
領域で回転むらが少なく、しかも高速領域で高出力を得
ることができる小形の直流ブラシレスモータを得ること
ができなかった。

本発明の目的は、上記の問題を解決し、低速領域で回転
むらを少なくし、しかも大形化を招くことなく高速領域
で高出力を取出すことを可能にする直流ブラシレスモー
タの駆動方法を提案することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、回転子磁極の位置を検出し、直流電源と各相
の電機子巻線との間に設けられたスイッチ回路を検出さ
れた回転子磁極の位置に応じて開閉することにより各相
の電機子巻線に交流電流を流して回転子を駆動する直流
ブラシレスモーフの駆動方法であって、低速領域で回転
むらを少なくし、しかもモータの大形化を１？ｌ　＜こ
となく高速領域で高出力を取出すことを可能にしたもの
である。

そのため本発明においては、回転子の回転速度が設定値
以下の時には各相の電機子Ｔｉ流の各半波の通電角を１
８０度とし、回転速度が設定値を超えた時には各相の電
機子電流の各半波の通電角を１２０度とするように電機
子電流の通電角を回転速度に応じて切替える。

［発明の作用］ 上記のように電機子電流の通電角を回転速度に応じて切
替えると、１２０度形の駆動方法及び１８０度形の駆動
方法のそれぞれが有する利点を活かして、低速領域及び
高速領域で満足のいく運転を行わせることができ、低速
領域では回転むらを少なくし、高速領域では高効率の運
転を行わせることができる。従ってモータの大形化を招
くことなく、使用回転速度範囲を広げかつ高速大出力を
得ることができる。

［実施例］ 以下添附図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の駆動方法を実施する駆動回路の構成例
を概略的に示したものである。本発明の駆動方法を実施
する装置の構成は種々考えられるが、第１図に示した例
では、１８０度形の駆動方法に用いる位置センサｐ３ｕ
１ないしｐＳｗｌと、１２０度形の駆動方法に用いる位
置センサｐ３ｕ２ないしＰＳｗ２との２組の位置センサ
が設けられ、位置センサｐ３ｕ１ないしｐ３ｗ１の出力
は第１の位置信号出力回路３Ａに、また位置センサｐ３
ｕ２ないしｐ３ｗ２の出力は第２の位置信号出力回路３
Ｂにそれぞれ入力されている。第１及び第２の位置信号
出力回路３Ａは第４図に示す１８０度形の駆動方法を実
施する場合の位置信号ＨＵないしｌ−（ｗを出力し、第
２の位置信号出力回路３Ｂは第３図に示す１２０度形の
駆動方法を実施する場合の位置信号ＨｕないしＨＷを出
力する。

第１及び第２の位置信号出力回路３Ａ及び３Ｂの出力は
それぞれ第１及び第２の分配回路４Ａ及び４Ｂに入力さ
れ、これらの分配回路の出力が切換回路７を介して加算
器６に入力されている。

第１の分配回路４Ａは位置センサｐ３ｕ１ないしｐ３ｗ
１の出力を入力として、第４図に示す１８０度形の駆動
方法でトランジスタＱｕないしＱｗ及びＱｘないしＱＺ
をオンオフ制御するために各トランジスタのベースに与
える信号を出力する。また第２の分配回路４Ｂは位置セ
ンサｐ３ｕ２ないしｐ３ｗ２の出力を入力として、第３
図に示す１２０度形の駆動方法でトランジスタＱｕない
しＱｗ及びＱｘないしＱｚをオンオフ制御するために各
トランジスタのベースに与える信号を出力する。

切換回路７はロータリーエンコーダＲＥから与えられる
回転速度検出信号を入力として、回転速度に応じて第１
及び第２の分配回路４Ａ及び４Ｂの出力を選択して加算
器（またはアンド回路）６に与える。

すなわら回転速度が設定値以下の場合には、切換回路７
が第１の分配回路３Ａから得られる１８０度形駆動用の
位置信号ＨｕないしＨＷを加ｎ器６に与えて第４図に示
した１８０度形の駆動方法でトランジスタＱｕないしＱ
ｗ及びＱｘないしＱＺのオンオフ制御を行わせる。また
回転速度が設定値を超えた場合には切換回路７が第２の
分配回路４Ｂから得られる１２０度形駆動用の位置信号
ＨｕないしＨｗを加算器（またはアンド回路）６に与え
て、第３図に示す１２０度形の駆動方法でトランジスタ
Ｑ　ＬｌないしＱｗ及びＱｘないしＱｚのオンオフ制御
を行わせる。その他の点は第６図に示した従来の駆動方
法を実施する駆動回路と同様である。

本発明の駆動方法を実施するに当り切換回路６が切換動
作を行う回転速度の設定値は、例えば１２０度形の駆動
方法を採用した場合に小さな回転むらで運転できる回転
速度領域の下限に設定する。

このように設定すれば、高効率で運転できる速度領域を
広くとることができる。回転速度の設定置を上記のよう
に設定する場合、１２０度形の駆動方法によりモータを
駆動する実験を行って回転変動の特性を測定してみるこ
とにより設定回転速度を容易に決定することができる。

上記実施例において第１及び第２の分配回路４Ａ及び４
Ｂはそれぞれ第１及び第２の位置信号出力回路３Ａ及び
３Ｂから与えられる位置信号に応じてトランジスタＱｕ
ないしＱｗ及びＱｘＱいしＱｚにベース電流を分配して
これらのトランジスタをオンオフ制御する。これらの分
配回路の動作を更に詳細に説明すると、第１の分配回路
４△は、第４図に示されているように、位置信号ｌ−Ｉ
　ｕ　、　Ｈ■及びＨｗがそれぞれ発生している期間ト
ランジスタＱｕ、Ｑｖ及びＱｗにベース電流を流してこ
れらのトランジスタを順次導通させる。また位置信号）
１ｕ、　Ｈｖ及び）１ｗの否定信号がそれぞれ発生して
いる閘門トランジスタＱｕ、Ｑｖ及びＱｗにベース電流
を流してこれらのトランジスタを順次導通させる。これ
らのトランジスタのオンオフにより巻線１−ｕないしＬ
Ｗに第４図（ｊ）ないしくフ）に示すように交番する電
機子電流１ｕないしＩＷが流れる。

また第２の分配回路４Ｂは、第３図に示されているよう
に、位置信号）１ｕの立上りから位置信号Ｈｖの立上り
までの期間及び位置信号Ｈ■の立上りから位置信号）−
１ｗの立上りまでの期間トランジスタＱｕ及びＱｖにそ
れぞれベース電流を流してこれらのトランジスタを順次
導通させ、位置信号Ｈｗの立上りから位置信号Ｈｕの立
上りまでの期間トランジスタＱｗにベース電流を供給し
て該トランジスタＱｗを導通させる。また位置信号ＨＵ
の立下りから位置信号Ｈｖの立下りまでの期間及び位置
信号１−１ｖの立下りから位置信号ＨＷの立下りまでの
期間トランジスタＱｘ及びＱｙにそれぞれベース電流を
供給してこれらのトランジスタを導通させ、位置信号）
１ｗの立下りから位置信号１」Ｕの立下りまでの期間ト
ランジスタＱＺにベース電流を供給して該トランジスタ
ＱＺを導通させる。

これらのトランジスタのオンオフにより、電機子巻線１
ｕないし１ｗにそれぞれ第３図（ｊ）ないしくぶ）に示
すように交番する電機子電流１ｕないし１ｗが流れる。

上記第１及び第２の分配回路は論理回路を用いて構成す
ることができる。

第２図は本発明の方法を実施する場合に用いる直流ブラ
シレスモータ１の機械的構成の一例を示したもので、同
図において１００は環状のヨーク１０１から３極の突極
部１０２ｕないし１０２Ｗを１２０度間隔で放射状に突
出させた電機子鉄心で、突極部１０２ｕないし１０２ｗ
の先端にはそれぞれ極片部１０３ｕないし１０３Ｗが設
けられている。突極部１０２ｕないし１０２ｗにはそれ
ぞれ口ないしＷ相のｆｆ１ｌｆｉ子巻線しすないししＷ
が巻回され、これらの巻線は第１図に示すように星形結
線されている。電機子鉄心１００及び巻線Ｌすないし１
ｗにより固定子１０５が構成され、この固定子は図示し
ないフレームまたはケースに固定されている。

回転子１０６は、カップ状の回転体１０７と、１８０度
の極弧角を有する２個の円弧状永久磁石１０８．１０９
とからなり、回転体１０７の底壁部に固定された図示し
ない回転軸が電機子鉄心１００のヨーク１０１の内側の
孔を通して設けられて、図示しないフレームまたはケー
スの端部壁に取付けられた軸受により支持されている。

永久磁石１０８及び１０９はそれぞれの内周側がＮ極及
びＳ極になるように径方向に着磁され、これらの磁石に
よりそれぞれが１８０度の極弧角を有する２極の回転子
磁極が構成されている。

第３図及び第４図にも示されているように、１２０度形
の駆動方法による場合と１８０度形の駆動方法による場
合とでは位置信号の発生区間が異なり、通常はこれらの
駆動方法の相違により位置センサの取付は位置が３０度
異なっている。この例ではり相の固定子磁極の中心を０
度にとってあり、１８０度形の駆動方法に用いる位置セ
ンサＰＳｕ１ないしｐ３ｗｌはそれぞれの中心を極片部
１０３ｕないし１０３Ｗの中心位置に一致させて取付け
られている。また１２０度形の駆動方法に用いる位置セ
ンサｐ３ｕ２ないしＰＳｗ２はそれぞれの中心を極片部
１０３ｕないし１０３Ｗの中心位置より回転方向と反対
側に（遅れ側に）３０度ずれた位置に一致させて取付け
られている。各位置センサとしてはホール素子が用いら
れている。

尚上記各位置センサの取付は方は任意であり、例えば各
位置センサを？［子鉄心に固定してもよく、また駆動回
路を構成する電子部品を取付けたプリント基板が電機子
鉄心、モータのフレームまたはケースに対して固定され
る場合には該プリント基板に各位置センサを固定しても
よい。

上記の説明では、位置センサとして磁気検出素子を用い
るとしたが、回転子磁極の位置を光電的に検出する場合
にも本発明を適用することができる。

上記の実施例では回転子が２極に構成されているが、更
に多極の回転子を用いる場合にも本発明を適用すること
ができる。

上記の実施例では３相の電機子巻線が星形結線されてい
るが、３相の電機子巻線を三角結線する場合にも本発明
を適用することができる。

［発明の作用１ 以上のように、電機子電流の通電角を回転速度に応じて
切替えると、１２０度形の駆動方法及び１８０度形の駆
動方法のそれぞれが有する利点を活かすことができ、低
速領域では回転むらを少なくして運転し、高速領域では
高効率の運転を行わせることができる。従ってモータの
大形化を招くことなく、使用回転速度範囲を広げかつ高
速大出力を得ることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するために用いる駆動回路
の構成を概略的に示した回路構成図、第２図は本発明の
方法を実施する場合に用いるモータの機械的構成を示す
構成図、第３図及び第４図はそれぞれ１２０度形及び１
８０度形の駆動方法を示ずタイミングヂャート、第５図
はチョッパ制御により速度制御を行う場合のトランジス
タのオンオフ動作を示す線図、第６図は従来の駆動方法
による場合の駆動回路の構成を示す回路構成図である。 １・・・直流ブラシレスモータ、２・・・直流電源、３
△、３Ｂ・・・位置信号出力回路、４Ａ、４Ｂ・・・分
配回路、５・・・速度制御回路、６・・・加算器、ＲＥ
・・・ロータリエンコーダ、ＰＳｕ１〜ＰＳＷ１・・・
１８０度形駆動用の位置センサ、ｐ３ｕ２〜ｐ３ｗ２・
・・１２０度駆動用の位置センサ、Ｑｕ−Ｑｗ、Ｑｘ−
Ｑｚ・・・トランジスタ。 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 回転子磁極の位置を検出し、直流電源と各相の電機子巻
   線との間に設けられたスイッチ回路を検出された回転子
   磁極の位置に応じて開閉することにより各相の電機子巻
   線に交流電流を流して回転子を駆動する直流ブラシレス
   モータの駆動方法において、 前記回転子の回転速度が設定値以下の時には各相の電機
   子電流の各半波の通電角を１８０度とし、前記回転速度
   が設定値を超えた時には前記各相の電機子電流の各半波
   の通電角を１２０度とするように前記電機子電流の通電
   角を回転速度に応じて切替えることを特徴とする直流ブ
   ラシレスモータの駆動方法。