特許 5930264 二相ブラシレスモータの駆動装置及び駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5930264

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月8日

(54)【発明の名称】二相ブラシレスモータの駆動装置及び駆動方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/18 20160101AFI20160526BHJP

【ＦＩ】

   H02P6/02 371S

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-114858(P2011-114858)

(22)【出願日】2011年5月23日

(65)【公開番号】特開2012-244848(P2012-244848A)

(43)【公開日】2012年12月10日

【審査請求日】2014年4月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】100087701

【弁理士】

【氏名又は名称】稲岡 耕作

(74)【代理人】

【識別番号】100101328

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 実夫

(74)【代理人】

【識別番号】100086391

【弁理士】

【氏名又は名称】香山 秀幸

(74)【代理人】

【識別番号】100110799

【弁理士】

【氏名又は名称】丸山 温道

(72)【発明者】

【氏名】奥村 繁一

【審査官】 池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−０３８５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０７０５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２６６６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２９７０７９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ６／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２相結線された少なくとも２つのステータコイルへの通電を行うスイッチング回路と、
前記スイッチング回路を制御することにより、前記各ステータコイルに、電流をそれぞれ通電させる制御回路と、
比較回路とを有し、
前記制御回路は、前記各ステータコイルとマグネットロータの相対位置を表すゼロクロス時点以後の、通電開始から通電終了までの通電角を決めるタイマー時間を設定し、前記タイマー時間が経過した時点で、前記少なくとも２つのステータコイルへの通電を同時に遮断するものであり、
前記比較回路は、前記遮断により現れる逆起電圧と基準電圧とを比較するものであり、
前記制御回路は、前記比較結果に基づいて次のゼロクロス時点を検出し、これら２つのゼロクロス時点間の周期を決定し、この決定された周期に基づいて、前記ステータコイルの次の周期における通電角を設定するものである、二相ブラシレスモータの駆動装置。

【請求項2】

前記タイマーは、前記ステータコイルの通電開始から通電終了までの通電角を設定する第二のタイマーであり、
前記ゼロクロス時点の開始から前記ステータコイルの通電開始までの待ち時間を設定する第一のタイマーをさらに有する、請求項１記載の二相ブラシレスモータの駆動装置。

【請求項3】

スイッチング回路によって、２相結線された少なくとも２つのステータコイルに電流をそれぞれ通電させ、
前記各ステータコイルとマグネットロータの相対位置を表すゼロクロス時点以後の通電開始から通電終了までの通電角を決めるタイマー時間を設定し、前記タイマー時間が経過した時点で、前記少なくとも２つのステータコイルへの通電を同時に遮断し、
前記遮断により現れる逆起電圧と基準電圧とを比較することによって、次のゼロクロス時点を検出し、
これら２つのゼロクロス時点間の周期を決定し、この決定された周期に基づいて、前記ステータコイルの次の周期における通電角を設定する、二相ブラシレスモータの駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ステータコイルの逆起電圧を検出して、ステータコイルとマグネットロータの相対位置を推定し、それに基づいて通電角を設定して２相ブラシレスモータを駆動する二相ブラシレスモータの駆動装置及び駆動方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の一般的な２相ブラシレスモータは、回転軸に回転自在に支持され回転方向に交互にＮ極とＳ極の磁極を配設した永久磁石を備えたマグネットロータと、２相結線されたコイル群からなるステータコイルと、磁極の位置を検出するホール素子と、ホール素子の出力信号を入力として差動増幅を行う差動増幅器と、差動増幅器の出力信号に基づいてステータコイルに互いに位相の異なる駆動電流を出力する駆動回路とから構成されている。

【0003】

しかし前記のような二相ブラシレスモータの駆動装置では、ホール素子及びそれに付随する配線等により小型化、コストの低減化が図りにくいという問題点があった。
そこで、ホール素子のような磁極の位置を検出するセンサ手段をなくしたセンサレス方式の二相ブラシレスモータの駆動装置が提案されている（特許文献１）。
この二相ブラシレスモータの駆動装置は、各ステータコイルから発生する逆起電圧を測定して前記ステータコイルとマグネットロータの相対位置を表す信号を生成する位置検出回路を備えている。この相対位置を表す信号に基づいてタイマーを生成し、このタイマーで前記駆動回路に内蔵される各素子の転流タイミングを決めることによって前記ステータコイルの通電角を設定している。

【0004】

この従来技術にかかる二相ブラシレスモータの駆動装置においては、ホール素子を用いずにセンサレスで、２相全波駆動が可能である。
この従来技術にかかる二相ブラシレスモータの駆動装置においては、前記ステータコイルに供給する各電流の位相差は９０度に設定されている（引用文献１の図２(a)）。このため、逆起電圧のゼロクロス時点を見るのに、片方のステータコイルに供給される電流を遮断して当該ステータコイルから発生する逆起電圧の波形を調べ、次に約９０度の進相に相当する時間が経過してから、他方のステータコイルに供給される電流を遮断して当該ステータコイルから発生する逆起電圧の波形を調べている。そして通電角を、回転数安定後、前記タイマーを使って徐々に拡大し、供給電力に対するモータの回転出力、すなわちモータの効率を上げている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平07-274582号公報

【特許文献2】特開平06-253579号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

前記従来技術にかかる二相ブラシレスモータの駆動装置においては、両ステータコイルに供給される電流を別々に遮断するためには、両ステータコイルに独立して電流を流せる回路が必要となる。このため前記両ステータコイルどうしの接続点を、中性点電位に固定している（引用文献１の図１）。このため、中性点を持った電源が必要になる。
また、モータの効率を最大まで上げようとすれば、前記２つのステータコイルに位相差のある電流を流すと良いが、この場合、両ステータコイルの逆起電圧のゼロクロス時点は同時刻に出現するので、それを検出する必要がある。

【0007】

そこで、本発明の目的は、２つのステータコイルに位相差のある電流を流すことにより効率を向上させ、中性点のない直流電源に対しても適用可能な二相ブラシレスモータの駆動装置及び方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記の目的を達成するための本発明の二相ブラシレスモータの駆動装置は、２相結線された少なくとも２つのステータコイルへの通電を行うスイッチング回路と、前記スイッチング回路を制御することにより、前記各ステータコイルに電流をそれぞれ通電させる制御回路と、比較回路とを有し、前記制御回路は、前記各ステータコイルとマグネットロータの相対位置を表すゼロクロス時点以後の、通電開始から通電終了までの通電角を決めるタイマー時間を設定し、前記タイマー時間が経過した時点で、前記少なくとも２つのステータコイルへの通電を同時に遮断するものであり、前記比較回路は、前記遮断により現れる逆起電圧と基準電圧とを比較するものであり、前記制御回路は、前記比較結果に基づいて次のゼロクロス時点を検出し、これら２つのゼロクロス時点間の周期を決定し、この決定された周期に基づいて、前記ステータコイルの次の周期における通電角を設定するものである。

【0009】

前記タイマーは、前記ゼロクロス時点の開始から前記ステータコイルの通電開始までの待ち時間を設定する第一のタイマーと、前記ステータコイルの通電開始から通電終了までの駆動時間を設定する第二のタイマーとがあり、第一のタイマーによって待ち時間を設定し、第二のタイマーによって駆動時間を設定するようにしてもよい。
また本発明の二相ブラシレスモータの駆動方法は、前記二相ブラシレスモータの駆動装置の発明と実質同一の発明に係る方法である。

【発明の効果】

【0010】

以上のように本発明によれば、ホール素子を用いずにセンサレスで２相全波駆動方式のためのブラシレスモータ化が可能である。また、２つのステータコイルに位相差のある電流を流す際の通電角の設定により、２相ブラシレスモータの効率を良好にし、耐負荷性能でより大きな負荷に対して駆動可能な二相ブラシレスモータの駆動装置及び駆動方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】二相ブラシレスモータの駆動装置を示す要部回路図である。

【図2】演算増幅器２１，２２の接続図である。

【図3】トランジスタＳＷ１〜ＳＷ４を導通・遮断するためのマイクロコンピュータ２３を表すブロック図である。

【図4】交互に流されるＵ相電流ＵI、Ｗ相電流ＷIの波形と、Ｕ相電流ＵIの遮断時のＵ相逆起電圧Ｕinの波形と、Ｗ相電流ＷIの遮断時のＷ相逆起電圧Ｗinの波形とを重ねて描いたグラフである。

【図5】Ｕ相電流ＵIの波形と、Ｕ相電流ＵIの遮断時のＵ相逆起電圧Ｕinの波形を１８０度（周期Ｔ）にわたって描いた拡大図である。

【図6】マイクロコンピュータ２３の制御手順を概説するためのフローチャートである。

【図7】待ち時間、駆動時間を決めるためのマイクロコンピュータ２３の処理手順を示すブロック図である。

【図8】２相ブラシレスモータの効率が最も良かった待ち時間、駆動時間の数値を適用した波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、二相ブラシレスモータの駆動装置を示す要部回路図である。図１において、１０は交流電源、１１は交流を整流して直流電源を作り出す整流回路である。整流回路１１には中性点出力は必ずしも必要がない。また、トランジスタＳＷ１〜ＳＷ４によってスイッチング回路１２を構成している。さらに、１３及び１４は２相のブラシレスモータを構成するＵ相ステータコイル及びＷ相ステータコイルである。Ｕ相ステータコイル１３及びＷ相ステータコイル１４の配置は任意であるが、この実施の形態では、マグネットロータの回転軸に対して点対称となっている。

【0013】

スイッチング回路１２の一方（Ｕ相）の出力がＵ相ステータコイル１３の上端に接続され、スイッチング回路１２の他方（Ｗ相）の出力がＷ相ステータコイル１４の下端に接続され、Ｕ相ステータコイル１３及びＷ相ステータコイル１４は、互いに直列に接続されている。Ｕ相とＷ相とは、もとは同一の信号を反転させているだけであり、位相は１８０度ずれている。

【0014】

Ｕ相ステータコイル１３にＵ相電流ＵIが上から下に（１３→１４に）流れる方向をＵ＋方向と定義し、Ｗ相ステータコイル１４にＷ相電流ＷIが上から下に流れる方向をＷ−方向と定義し、Ｗ相ステータコイル１４にＷ相電流ＷIが下から上に流れる方向をＷ＋方向と定義し、Ｕ相ステータコイル１３にＵ相電流ＵIが下から上に流れる方向をＵ−方向と定義する。

【0015】

スイッチング回路１２のＵ相逆起電圧Ｕinは、Ｕ相及びＷ相ステータコイル１３，１４の逆起電圧に基づいてゼロクロス時点を検出するため比較回路２０に供給され、スイッチング回路１２のＷ相逆起電圧Ｗinは、Ｕ相及びＷ相ステータコイル１３，１４の逆起電圧に基づいてゼロクロス時点を検出するため、比較回路２０に供給される。比較回路２０は、演算増幅器２１，２２で構成される。

【0016】

図２（ａ）は演算増幅器２１の接続図である。Ｕ相逆起電圧Ｕinは、演算増幅器２１の正端子に供給され、演算増幅器２１の負端子にはゼロクロス時点を検出するための基準電圧が供給される。基準電圧の電圧値は、Ｕ相逆起電圧Ｕinに重畳されている直流電圧に等しい値に設定される。Ｕ相逆起電圧Ｕinに直流電圧が乗っていないならば０Ｖである。演算増幅器２１の出力Ｕoutは、Ｕ相逆起電圧Ｕinが基準電圧を超えているならばハイレベルを出力し、Ｕ相逆起電圧Ｕinが基準電圧を超えていないならばローレベルを出力する。したがって、演算増幅器２１の出力Ｕoutが変化する時点を見ることによって、Ｕ相逆起電圧Ｕinのゼロクロス時点が検出できる。

【0017】

図２（ｂ）は演算増幅器２２の接続図である。Ｗ相逆起電圧Ｗinは、演算増幅器２２の正端子に供給され、演算増幅器２２の負端子にはゼロクロス時点を検出するための基準電圧が供給される。演算増幅器２２の出力Ｗoutは、Ｗ相逆起電圧Ｗinが基準電圧を超えているならばハイレベルを出力し、Ｗ相逆起電圧Ｗinが基準電圧を超えていないならばローレベルを出力する。したがって、演算増幅器２２の出力Ｗoutが変化する時点を見ることによって、Ｗ相逆起電圧Ｗinのゼロクロス時点が検出できる。

【0018】

演算増幅器２１で検出されるゼロクロス時点と演算増幅器２２で検出されるゼロクロス時点とは、Ｕ相とＷ相とが同一信号を反転させたものであることから、同一時刻となる。
図３は、トランジスタＳＷ１〜ＳＷ４を導通・遮断するための、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータ２３を表すブロック図である。マイクロコンピュータ２３には、演算増幅器２１，２２の出力信号Ｕout，Ｗoutが入力される。マイクロコンピュータ２３は、この出力信号Ｕout，Ｗoutの波形がローからハイへ立ち上がる時点、ハイからローへ立ち下がる時点に基づいて、Ｕ相逆起電圧Ｕin，Ｗ相逆起電圧Ｗinのゼロクロス時点を検出する。そして、隣接するゼロクロス時点間の周期Ｔを算出する。この時間が、マグネットロータが半回転する時間（１８０度）に相当する。

【0019】

マイクロコンピュータ２３は、ゼロクロス時点及びゼロクロス時点間の周期Ｔに基づいて、Ｕ相ステータコイル１３及びＷ相ステータコイル１４に電流を流す時間を決定し、この決定した時間に基づいて、トランジスタＳＷ１〜ＳＷ４を制御する。
図４は、交互に流されるＵ相電流ＵI、Ｗ相電流ＷIの波形と、Ｕ相電流ＵIの遮断時のＵ相逆起電圧Ｕinの波形と、Ｗ相電流ＷIの遮断時のＷ相逆起電圧Ｗinの波形とを重ねて描いたグラフである。ゼロクロス時点は黒丸で記入している。図４のグラフのＵ相だけを取り出し、１８０度（周期Ｔ）にわたって描いた拡大図が、図５である。図６はマイクロコンピュータ２３の制御手順を概説するためのフローチャートである。図７は待ち時間、駆動時間を決めるためのマイクロコンピュータ２３の処理手順を示すブロック図である。

【0020】

以下フローチャート（図６）とブロック図（図７）を用いて、グラフ（図４，５）も参照しながら制御手順を説明する。マイクロコンピュータ２３は、Ｕ相電流ＵIが遮断され、Ｕ相逆起電圧Ｕinが現れる期間に、ゼロクロス時点をサーチし（ステップＳ１）、ゼロクロス時点が検出されれば、その後ソフトウェアタイマー１を起動する（ステップＳ２）。このタイマー１の計測時間を「待ち時間」という。待ち時間は例えば周期Ｔの１／６である３０度に設定している。タイマー１の計測時間が完了すると、トランジスタＳＷ２，ＳＷ３にベース信号を送るとともに（ステップＳ３）、ソフトウェアタイマー２を起動する（ステップＳ４）。このタイマー２の計測時間を「駆動時間」という。駆動時間は、デフォルトでは例えば周期Ｔの２／３である１２０度に設定されている。タイマー２の時間計測中、トランジスタＳＷ２，３にベース信号が供給され、Ｕ+方向に流れる電流によってＵ相ステータコイル１３が駆動され、Ｗ-方向に流れる電流によってＷ相ステータコイル１４が駆動される。

【0021】

タイマー２の計測時間が完了すると、トランジスタＳＷ２，３のベース信号を遮断して、トランジスタＳＷ２，３をオフさせる（ステップＳ５）。
次に、Ｕ相逆起電圧Ｕinが現れる期間に、ゼロクロス時点をサーチし（ステップＳ６）、ゼロクロス時点が検出されれば、ソフトウェアタイマー１を起動する（ステップＳ７）。このゼロクロス時点をサーチしてから、ゼロクロス時点が検出されるまでの時間を「サーチ時間」という。ゼロクロス時点が検出されると、タイマー１を起動する。タイマー１の計測時間は、前述したのと同様、３０度（Ｔ／６）である。タイマー１の計測時間が完了すると、トランジスタＳＷ１，ＳＷ４にベース信号を送るとともに（ステップＳ８）、ソフトウェアタイマー２を起動する（ステップＳ９）。このタイマー２の計測時間も前述したのと同様、１２０度（２Ｔ／３）である。タイマー２の時間計測中、トランジスタＳＷ１，４にベース信号が供給され、Ｕ-方向に流れる電流によってＵ相ステータコイル１３が駆動され、Ｗ+方向に流れる電流によってＷ相ステータコイル１４が駆動される。タイマー２の計測時間が完了すると、トランジスタＳＷ１，４のベース信号を中止して、トランジスタＳＷ１，４をオフさせて（ステップＳ１０）、サーチ時間に入る。

【0022】

これらの動作により「Ｕ+」及び「Ｗ-」の方向の磁界が発生し、次に「Ｕ-」及び「Ｗ+」の方向の磁界が発生し、これらの交代磁界により、マグネットロータが回転する。そしてＵ相電流ＵI及びＷ相電流ＷIを遮断している間に、Ｕ相ステータコイル１３及びＷ相ステータコイル１４で発生する逆起電圧に基づいてゼロクロス時点を検出して記憶し（図７；ブロックＶ１）、この検出したゼロクロス時点に基づいて、隣接するゼロクロス時点間の周期Ｔを算出する（ブロックＶ２）。この周期Ｔに基づいて、Ｕ相ステータコイル１３及びＷ相ステータコイル１４の通電時間を決めることができる（ブロックＶ３）。

【0023】

なお、２相ブラシレスモータの起動開始時には、Ｕ相及びＷ相ステータコイル１３，１４の逆起電圧が十分な大きさで発生しないため、マグネットロータの正しい角度位置が検出できないので、３相ブラシレスモータの１２０度通電矩形波センサレス駆動と同様に、強制転流を使用する。すなわち、デフォルトで決定されている「待ち時間」と「駆動時間」とを有するパターンでトランジスタＳＷ１〜４のオン、オフを繰り返す。これによりロータが、効率は悪いが回り出す。起動開始時は、駆動時間の終了時刻がゼロクロスの時刻となり、徐々に駆動時間の中心が逆起電圧のピークと一致する方向に自然に移動し、回転が安定すると、図４のような「駆動時間」の終了後にゼロクロス時点が発生するパターンとなる。このようにしてモータを安定的に駆動させる。

【0024】

なお、各ステータコイルに流す電流の位相差は、必ずしも１８０度でなくてもよい。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

【実施例】

【0025】

前述の実施の形態では、周期Ｔに基づいて、タイマー１の計測時間である「待ち時間」を３０度（Ｔ／６）に設定し、タイマー２の計測時間である「駆動時間」を１２０度（２Ｔ／３）に設定していた。このような待ち時間や駆動時間の数値は、２相ブラシレスモータの効率や耐負荷に影響するので、２相ブラシレスモータの効率を加味して最適な数値に決定されるべきものである。

【0026】

発明者の実験では耐負荷性能でより大きな負荷に対して駆動可能な数値は、図８に示すように、待ち時間＝４１．４度、駆動時間＝１１９．７度であった。この数値は、使用したモータにおいて、最大トルクが出るポイントを探った結果得られた最適値である。
なお、効率や耐負荷に関係なく、２相ブラシレスモータを回転駆動するだけでよければ、待ち時間は０度〜９０度の範囲の中から任意の数値を採用すればよい。駆動時間は０度を下限とし、１８０度から待ち時間を引いた数値を上限とする範囲の中から任意の数値を選択して採用することができる。

【符号の説明】

【0027】

１０…交流電源、１１…整流回路、ＳＷ１〜ＳＷ４…トランジスタ、１２…スイッチング回路、１３…Ｕ相ステータコイル、１４…Ｗ相ステータコイル、２０…比較回路、２１，２２…演算増幅器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】