JPH04200290A - ブラシレスモータの駆動回路 - 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】 以下の順序で本発明を説明する。

Ａ、産業上の利用分野 Ｂ１発明の概要 Ｃ０従来の技術 り９発明が解決しようとする課題 Ｅ９課題を解決するための手段 Ｆ１作用 Ｇ、実施例 Ｇ１．一実施例の構成 Ｇ、、一実施例の作用 Ｈ０発明の効果 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、センサを使用しないブラシレスモータをミス
なく起動できるブラシレスモータの駆動回路に関するも
のである。

Ｂ１発明の概要 本発明は、センサを使用しないブラシレスモータの駆動
回路において、 立ち上げ時の加振周期が、トルク定数や逆起電圧定数を
固定定数と見なすことができがつロータの初期位置を考
慮した新たなブロック線図から求めた値以上となるよう
に、その加振周期を決定するスタータの時定数を定める
ことにより、スタータの時定数の決定を容易にするとと
もに、モータ立ち上げ時の起動ミスが起きないようにし
たものである。

Ｃ９従来の技術 ブラシレスモータは、Ｎ極とＳ極を交互に複数極着磁し
たロータと、複数相の駆動コイルを配置したスタータと
から成っており、その駆動回路はロータの位置を検出し
て各相の駆動コイルの電流の通電タイミングを切り替え
ることにより、ロータを回転させている。ここで、ロー
タの位置を検出する手段としては、ロータの着磁極を検
出するホール素子等のセンサが知られているが、ホール
素子等のセンサを使用せず簡素化を図る目的で駆動コイ
ルに発生する逆起電圧からロータ位置を検出するものも
知られている。

ところで、センサを使用しないブラシレスモータでは、
モータが停止した状態あるいは一定の回転数となるまで
は逆起電圧が生じないため、モータ立ち上げ時において
スタータによりある起動周期で駆動を行ったり、あるい
は、特開昭５５−１６０９８０号に開示されているよう
に、自起動回路から駆動回路に初期値を与えて駆動出力
か発生するようにしたりしていた。

０１発明か解決しようとする課題 しかしなから、上記従来の技術におけるセンサを使用し
ないブラシレスモータの駆動回路のスタータでは、起動
周期を決定するスタータの時定数の明確な設定方法がな
く、カット　　アンド　トライとなっているのが現状で
あり、このため、以下に述べるような問題点があった。

（１）カット　アンド　トライでの定数設定のため、定
数決定までに多くの時間と手数がかかる。また現物が無
い場合には決定がむずかしい。

（２）定数を決定しても、それが最適な起動周期である
保証は無く、起動ミスを起こす可能性がある。

（３）環境温度等の変動に対して確実な起動の保証がな
い。

（４）起動ミスを嫌う機器では、上記（２）および（３
）項は致命的な欠点となる。

本発明は、上記問題点を解決するために創案したもので
あり、その目的は、センサを使用しないブラシレスモー
タのスタータの時定数の決定を容易にするとともに、起
動ミスか起こらないようにするブラシレスモータの駆動
回路を提供することにある。

Ｅ１課題を解決するための手段 上記の目的を達成するための本発明のブラシレスモータ
の駆動回路の構成は、 センサを使用しないブラシレスモータの駆動回路におい
て、 起動周期ｔ０が駆動系の固有の振動周期Ｔ０およびマグ
ネット極数Ｐコイルまたはスロット数と該マグネット極
数の最小公倍数ｇを用いてとなるように時定数を定めた
スタータを具備することを特徴とする。

Ｆ１作用 本発明は、ブラフレスモータの駆動系を解析するモデル
として、トルク定数と逆起電圧定数か見かけ上固定の定
数とみなすことかでき、かつロータの初期位置を考慮し
たブロック線図を考え、これらの固定の定数から求まる
駆動系に固有な振動周期を基に、起動周期が求まるよう
にし、この起動周期に対応してスタータの時定数を定め
ることにより、その決定を容易にし、かつ立ち上げ時の
起動ミスをなくす。

Ｇ、実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

Ｇ１．一実施例の構成 第１図は本発明のブラシレスモータの駆動回路の一実施
例を示す回路構成図、第２図はその駆動回路を含むモー
タ駆動用ＩＣ（集積回路）のブロック図である。本実施
例では３相のブラシレスモータを駆動する場合を例とす
る。

まず、第２図に示すＩＣ化された回路全体から説明する
。第２図において、１はセンサレスのプラ／レスモーク
を所定の起動周期で起動するためのスタータコントロー
ル回路、２は切替部を有しブラソレスモークが起動され
た後は逆起電圧からモータコイルの通電タイミング信号
を作成するタイミングコントロール回路、３は上記逆起
電圧の検出回路、４はタイミングコントロール回路２か
らの起動時およびその後の通常時の通電タイミング信号
を受けて図示省略のモータコイルに通電する駆動回路で
ある。この他に、駆動用ＩＣは、電流リミッタ５を有し
モータコイルのトータル電流を検出してオペアンプ５ａ
等の回路等により外部から設定された値に制限する。

駆動回路４は、通電タイミング信号波形を滑らかにして
ソフトスイッチング波形とするソフトスイッチングドラ
イバ回路４ａと、出カバソファ回路４ｂと、パワードラ
イバ回路４Ｃとから構成される。出力バッファ回路４ｂ
は、ソフトスイッチングドライバ回路４ａとパワードラ
イバ回路４Ｃの間にあって、パワードライバ回路４Ｃの
各トラン／メタのベースを上記ソフトスイッチング波形
で駆動する。図示しない３相構成のモータコイルはパワ
ードライバ回路４Ｃの出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される
とともに、逆起電圧検出回路３の入力端子Ｕ工、、Ｖ、
、、Ｗ□に接続される。

次に、第１図により本発明に関連する主要部の構成を説
明する。

スタータコントローラ回路１は、非安定なバイブレータ
回路１ａと３相の起動用通電タイミング信号（パルス）
を発生する波形発生回路１ｂから成る。非安定なバイブ
レータ回路１ａは、電流源■１をコレクタに接続したト
ランジスタＴｒ、と、電流源Ｉ、をコレクタに接続した
トランジスタＴｒ、とを有し、互いのベースが接続され
てトランジスタＴｒ、のコレクタに接続され、トランジ
スタＴｒ、のコレクタが起動周期（以降ｔ。で表わす）
を決定する外付はコンデンサＣ１に接続されるとともに
、抵抗Ｒ，を通して起動停止信号によりオン／オフされ
るトランジスタＴｒ、に接続されて成る。ここて本実施
例では、コンデンサＣ３による時定数を決定するに当り
、上記の起動周期ｔ。

か、後記する駆動系の固有の振動周期Ｔ。およびマグネ
、ト極数Ｐコイルまたはスロット数と該マグネット極数
の最小公倍数ｇを用いて となるように定める。上記時定数と起動周期ｔ。

とは、回路毎に一定の相関関係があり、一義的に定める
ことが可能である。

タイミングコントロール回路２は、各相に対応する連動
スイッチから成る切替部２ａを有し、その一方の入力に
前記波形発生回路１ｂの３相の起動用通電タイミング信
号を接続する。一方、タイミングコントロール回路２は
、３相の逆起電圧波形を差動アンプ回路等から成る逆起
電圧検出回路３から受けて、まずクロック（ｃｌｏｃｋ
）作成回路２ｂでクロックを作成し、その位相を３０゜
位相ずらし回路２Ｃで電気角３０°だけずらし、各相対
応のＤタイプフリップフロップ（Ｄ−ＦＦ）２ｅ、２ｆ
、２ｇのクロック端子に入力する。これらのＤ−ＦＦ２
ｅ、２ｆ、２ｇの各データ端子には、前述の逆起電圧波
形が入力されていて、モータが起動された後、逆起電圧
が所定レベルに達しクロックが作成され始めた時点て保
持され、検出逆起電圧波形よりも３０°位相の遅れた通
電タイミング信号が得られる。この通電タイミング信号
は、切替部２ａの他方の入力に接続される。上記のクロ
ックが作成され始めた時点は、クロック検出回路２ｄで
検出され、その検出信号がスタータコントロール回路ｌ
に対する起動停止信号となり、また、切替部２ａに対す
る切替信号となる。

Ｇｔ、一実施例の作用 以上のように構成した実施例の動作および作用を述べる
。

第３図はスタータコントロール回路各部の動作波形を示
すタイミングチャートである。始めにロータが停止の状
態においてはまだ、起動停止信号が発せられないので、
スタータコントロール回路１が作動する。その動作は、
ロータが停止の状態において、ある周期（以降、起動周
期ｔ。と記す）で通電するモータコイルを切り替えて、
対峙するロータのマグネットを吸引（反発）することに
より、周期的にロータを動かすというものである。

すなわち、コンデンサＣ１の（ａ）点では鋸歯状に発振
し、波形発生回路１ｂには周期ｔ０の短波形が入力され
て通電角がｔ。の幅の３相の通電信号に変換され、それ
ぞれ各相のモータコイルに通電される。その後スタータ
コントロール回路１は、動き始めたロータにより生じる
モータコイルの逆起電圧が検出できるようになった時点
で、起動停止信号で動作が停止されると同時に、切替部
２ａが切り替えられて、本来のセンサレスとしての駆動
に移行する。ここで重要なのはスタータコントロール回
路１の起動周期である。ここは駆動するブラシレスモー
タあるいはそのブラシレスモータに加わる負荷により変
える必要があり、例えば第１図においては外付けのコン
デンサＣＩによって時定数を変えられるようにしている
。

そこで、上記起動周期ｔ。の理想条件を求める。

そのためには、まず駆動する系の固有な振動Ｔ。

を求める必要がある。ここではモータとして偏平タイプ
の６コイル８ポールのブラシレスモータを例に取り上げ
る。通常、モータの特性等を検討する場合、モデル化し
たブロック線図が用いられるが、従来のモデルは、ロー
タ位置による磁束の変化が考慮されていない。そのため
モータの立ち上げ時やトルクリップルなどの特性を検討
するには適していなかった。そこで本実施例では新たに
第４図に示すようなモデルを提案する。このモデルのブ
ロック線図および以降の解析式において、ｔｏは起動周
期、Ｔ、は駆動する系の固有な振動周期、ＫＴはトルク
定数、Ｋ２は逆起電圧定数、θはロータ位置、θ。はロ
ータ初期位置、ω０はロータ初角速度、Ｄは粘性摩擦、
ＬはコイルのＬ（インタフタンス）成分、Ｂは位置に対
する傾き平均値、Ｐはマグネット極数、αは電圧比例定
数、ＡアはθＫＴ換算係数、Ａ、はθ−Ｋｘ換算係数、
■は入力電圧、Ｖ、、Ｖ、、Ｖ、はモデル中の各都電圧
、Ｊはイナーシャ、Ｒはコイル抵抗、Ｇは伝達関数、ζ
はモデルの減衰係数、ω。はモデルの固有振動、ｔは時
間、ξはＩＲ座標系での極座標表示、Ｎはｔ、−Ｔｏの
比例定数、ｎはコイル数（スロット数）、ｇはｎとＰの
最小公倍数、Ｉはコイル電流、ωはロータ角速度を示す
。

本ブロック線図では、トルク定数ＫＴと逆起電圧定数に
やはロータの位置θの関数とし、加えてロータの周期位
置θ。と初速ω。を考慮している。

なお２、粘性摩擦りとコイルのし成分については無視し
ている。

位置に対するに丁（＝ＫＥ）の関係の傾きを平均値で近
似したものをＢとすると（ＫＴ（＝ＫＥ）が最大になる
位置が原点）ロータマグネットの極数をＰとして Ｐ／２ これより また Ａｔ＝　Ｉ　＝Ｖ　ｌ／Ｒ、Ａｚ＝ω＝Ｖｔ／Ｋｉこれ
らの値を用いると、このモデルの伝達関数Ｇは（θ。＝
ω。−〇、Ｖ＝１として） ただし これにステップ入力を与え、ζ〈１としてラプラス逆変
換するとこの系は、 ただし で表される振動をすることが分かる。したがって、振動
の周期Ｔ０は で表される。

第５図（ａ）、（ｂ）は、同一諸元により上記モデルに
よる固有振動周期Ｔ。のシミレーンヨン結果（ａ）と実
測データ（ｂ）の比較図を示している。（ａ）の／ミュ
レー／ヨン結果ては、固有振動周期Ｔ０か１２１．１２
ｍ５であるのに対し、（ｂ）の実測テークでは１００．
７８ｍ５と比較的良く一致している。

そこで、次に（２）式を用いて起動周期ｔ。を考察する
。第６図（ａ）、　　（ｂ）は６フイル８ポールのプラ
ンレスモーフの起動時の挙動を説明するための図であり
、（ａ）はモータの上面から見たモータコイルＬとマグ
ネットＭの関係図、（ｂ）は側面から平面的に見たそれ
らの関係図である。

θ。二〇で停止していたときに通電した場合のθの変化
は第５図（ａ）に示される。モータを最短時間で起動さ
せようとするとき、周期ｔ。で次の相に切り替えること
になる。６コイル８ポールのモータの場合、マグネット
サイズが（２π／８ポール）だからロータはθ＝Ｏ〜π
／８の位置で正転、π／８からπ／４の位置で逆転のト
ルクを受ける。従ってθ。−〇で停止していたモータは
正の向きに最大の力を受けて動き出す。ここで次の相（
π／１２ステツプ）に移ったときにも同様にπ　　　　
　　　　　　　５ −くθ（ｔ。）≦−π（−１士！！−）・・（４）の位
置にあった場合、同じく正転のトルクを受けるので、同
期して回り続けるための必要条件を満足する。なお、上
側に外れた場合（θ（５／２４）π）には何回か振動し
ている間に前記の値に入って同期するが、下側に外れた
場合には十分な加速が得られずに、いつまでも振動を続
けることになる。次に、逆の向きに最大の力を受けるθ
。＝π／４で停止していた場合について考える。初期位
置がπ／４で逆向きの力かかかるので、θ。＝Ｏのとき
と同様に 一≦−−θ（ｔｏ）≦−π π 一≧θ（ｔｏ）≧−・・・（５） よって（４）、　　（５）式より π 一≦θ（ｔｏ）≦−・・・（６） したがって、このときθ。＝０またはπ／４ならばモー
タは最短時間で起動するための必要条件を満足すること
になる。一方、０くθ。〈π／４の場合のθの変化はθ
。＝０とθ。−π／４のときの両曲線にはさまれるので
、（６）式は全ての場合についての最短時間での起動の
必要条件となる。

ここで、ｔｏ＝Ｎ−Ｔ、とおくと（３）式より、（０≦
Ｎ≦１） ωｎｔｏ−ω、ＮＴｏ　　　（ζ〈〈１より）また、 なので、（７）、　　（８）式を（２）式に代入して２
πζＮ、２πＮ−π／２はそれぞれ十分小さいので、 ・・・（９） ０≦Ｎ≦１より符号は上側をとるので ζ＝０として α−Ｐ／π＝８／πと（６）式より ０．２０≦Ｎ≦０．３０　　・・　（１１）従ってｔｏ
はＴ。の０．２倍以上でなければならない。

以上のことをもとに実際のモータの定数を入れて、パソ
コンでシミュレートした結果が、第７図である。これは
Ｎか約０．２２のときにモータが起動することを示して
おり、（１１）式とほぼ同じ結果を得ている。

ここまでのことを一般に拡張すると、１ステツプはコイ
ル数またはスロット数ｎと、マグネットの極数Ｐの最小
公倍数ｇで表され、またマグネットサイズは２π／Ｐで
あることから（６）式は従って（１１）式は よって一般に起動周期１ｏは固有振動振動Ｔ。の（（Ｐ
／πｇ）＋（π−２）／４π）倍以上でなければならな
い。スタータ回路の時定数はこれをもとに設定すれば良
いことになる。

なお、上記実施例において、起動周期ｔ。はいくら大き
くても構わないか、起動のパルスか１回来るごとにロッ
クポイント（第６図におけるω。−π／８のときの図に
示すような位置関係になる場所であり、ここでは力がつ
り合ってモータは動けない）で停止していては、最適な
定数設定とは言いがたい。従って実用上、起動周期ｔ。

は実際に用いられる負荷を付けた状態における系の振動
の５％設定時間以下であるのが好適である。本発明は上
記実施例に述べた以外の型式あるいはコイル数、ポール
数、相数のプランレスモータに適用できることは当然で
ある。このように、本発明はその主旨に沿って種々に応
用され、種々の実施態様を取り得るものである。

Ｈ９発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明のプランレスモー
タの駆動回路によれば、センサを使用しないプランレス
モータのスタータの起動周期を固定の定数から求まる理
論式から定めることか可能となるため、以下に述へる利
点か得られる。

（１）理論上起動ミスかな（なる。

（２）最短時間で起動させることかできる。

（３）環境温度等の変動に対しても、起動を保証するこ
とができる。

（４）スタータ定数を決定するまでの時間を大幅に減ら
すことができる。

（５）モータ定数などが既知の場合には、実験をせずに
設定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のブラシレスモータの駆動回路の一実施
例を示す回路構成図、第２図はその駆動回路を含むモー
タ駆動用ＩＣのブロック図、第３図は上記実施例のスタ
ータコントロール回路各部の動作波形を示すタイミング
チャート、第４図は上記実施例の検討に用いるプロ・ツ
ク線図、第５図（ａ）、　　（ｂ）は上記ブロック線図
による固有振動周期のシミュレーション結果と実測テー
クの比較図、第６図（ａ）、（ｂ）は上記実施例におけ
るブラシレスモータの起動時の挙動を説明するための図
、第７図は上記実施例によるモータ起動のシミュレーシ
ョン結果を示す図である。 １・・・スタータコントロール回路、２・・・タイミン
グコントロール回路、３・・逆起電圧検出回路、Ｃ１・
・・起動周期を決定するコンデンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）センサを使用しないブラシレスモータの駆動回路
   において、 起動周期ｔ＿０が駆動系の固有の振動周期Ｔ＿０および
   マグネット極数Ｐコイルまたはスロット数と該マグネッ
   ト極数の最小公倍数ｇを用いて ｔ＿０≧｛（Ｐ／πｇ）＋（π−２／４π）｝Ｔ＿０と
   なるように時定数を定めたスタータを具備することを特
   徴とするブラシレスモータの駆動回路。