JPH04229093A

JPH04229093A - 切り換えリラクタンスモータ用制御回路

Info

Publication number: JPH04229093A
Application number: JP3207300A
Authority: JP
Inventors: Karl Konecny; カール　コネクニイ
Original assignee: Synektron Corp
Current assignee: Synektron Corp
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1992-08-18
Also published as: US5015939A; EP0470685A1

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は切り換えリラクタンスモ
ータと共に用いるセンサレスの制御回路に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】切り換えリラクタンス・ステッピングモ
ータは、回転子の極が向かい合って置かれているコイル
と一直線に整列させられたときに磁気回路を作るように
、複数の極を持った鉄心の回転子と、回転子に対向して
一列にならんでいる幾組かの固定子コイルとを使用して
いる。磁気回路の磁気抵抗は、一対の極が向かい合って
いるコイルの一対の相互間で一直線に整列させられたと
きに最も低くなる。コイルの対を順番に励磁することに
より、回転子は最低の磁気抵抗の位置を見つけるために
回転させられる。

【０００３】この様なモータの制御回路は、回転子の位
置を感知するため回転子に連結されている外部センサを
特徴として包含する。この信号はコイルを切り替える順
序と回転子の位置との間の提携を維持するために用いら
れる。ホール効果センサ（Ｈａｌｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｓ
ｅｎｓｏｒｓ）　は、長くこの目的のために使用されて
いる。機械的なセンサは、アブラハム（Ａｂｒａｈａｍ
）　その他によるアメリカ合衆国特許第３，６０１，６
７８　号に示されている。アブラハムの特許では回転子
のシャフトに連結されている機械的なエミッタが、モー
タの速度を制御する制御ループに、順番にフイードバッ
ク信号を誘起する読み取りヘッドのための位置情報を準
備する。しかしながら、センサは場所を取り、高い金が
掛かり、そして切り換えリラクタンスモータが位置付け
られている厳しい環境によく耐えることは出来ない。

【０００４】センサレスの回転制御のいくつかの型が永
久磁石回転子を用いている直流ブラッシュレスモータの
ために存在する。永久磁石ローターは正弦曲線に従って
変化する逆起電力を固定子コイルの中に誘起する。した
がって、この逆起電力信号の位相（ｐｈａｓｅ）　を決
定することにより回転子位置の指示を与える。制御回路
のこの型の例はプランケット（Ｐｌｕｎｋｅｔｔ）のア
メリカ合衆国特許第４，９２８，０４３　号”ＢＡＣＫ
　ＥＭＦ　ＳＡＭＰＬＩＮＧ　ＣＩＲＣＵＩＴ　ＦＯＲ
　Ａ　ＰＨＡＳＥ−ＬＯＣＫＥＤ　ＬＯＯＰＭＯＴＯＲ
　ＣＯＮＴＲＯＬ”　に示されている。プランケットの
発明は、励磁されていないモータ巻線の上の逆起電力を
感知するための感知回路網を開示している。この信号は
、最適値と比較した時位相エラーを表す、そしてインバ
ータのためのタイミング信号を順番に発生させる電圧の
制御された発振器を駆動する。しかしながら、切り換え
リラクタンスモータは永久磁石を使っていないので、回
転子の回転の直接の結果として励磁されていないコイル
の中に逆起電力は誘起されない。

【０００５】コイルのインダクタンスはローターの位置
の関数として変化する。一組の回転子の極が一組の固定
子コイルと一直線に整列させられたとき、インダクタン
スが最大になる。過去において、モータの設計者達は感
知されたインダクタンスのある値を利用して制御ループ
を築き上げることを試みた。しかしながら、これにはそ
れと結合している高いレベルの雑音を持つ傾向がある複
雑なブリッジ回路が必要である。飽和効果やヒステリシ
ス効果もまたインダクタンスを感知する技術に悪影響が
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、モータの励
磁されたコイルの中の電流に比例する信号を検出するた
めの電流感知回路を準備することによって、切り換えリ
ラクタンス・ステッピングモータの前述の問題を解決す
る。傾斜検出器は、一組の個々の時間間隔の間中、電流
に比例した信号の変化の割合を決定する。その時間間隔
は予めウインドウ生成器により準備されており、それは
電流信号が急速に変動している時期の間、傾斜検出器を
マスクする。そのため、標本化は電流信号が時間と共に
ゆっくりと増えたり、時間と共にゆっくり減ったり或い
は一定な時だけ起こる。可変発振器は傾斜検出器の総合
出力に反応し、励磁するコイルに連結されている駆動回
路のためのタンミングパルスを発生する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この回路は、逆起電力は
駆動電流や回転子の回転によって発生させられるという
理論によって動作する。切り換えリラクタンスモータは
、直流モータである程度まで発生する逆起電力を発生し
ない、すなわち、励起されていない切り換えリラクタン
スモータの回転子を外部から回しても、直流永久磁石モ
ータに見られる様な電圧が巻線に誘起されない。しかし
ながら、切り換えリラクタンスモータは電力を機械的な
力に変える。それゆえに、ある誘起された電圧が電流や
力に対して存在しなければならない。力を準備するため
供給するものは少なくとも機械的な出力と等しい。

【０００８】直線領域（飽和していない）で作動してい
る切り換えリラクタンスモータの電圧とトルクは、次式
のように表される：Ｖ＝ｉ・Ｒ＋ｄ（Ｌ・ｉ）／ｄｔＴ＝１／２・（ｄＬ／ｄθ・ｉ）・ｉ

【０００９】電圧方程式の中の誘導の成分はインダクタ
ンスも電流も共に導関数の中に書かれている。何故なら
ば両方の成分は時間によって変化するからである。電圧
方程式は、Ω＝ｄθ／ｄｔとするとき、Ｖ＝ｉ・Ｒ＋ｄ
ｉ／ｄｔ・Ｌ＋（ｄＬ／ｄθ・ｉ）・Ωの様に展開でき
る。（ｄｌ／ｄθ・ｉ）・Ωの項は逆起電力を表わす項
である。これはエネルギー転換過程により誘起される電
圧である。（）中の項はまたトルク方程式の中にも現れ
るが、１／２倍されている。この様にして、位置と共に
変わるインダクタンスの変化により転換されるエネルギ
ーの半分だけが機械的な仕事として転換される。他の半
分は内部の磁場の中に蓄えられる。

【００１０】最大のトルクと効率を得るために、電流の
パルスは逆起電力項のピークと合わされねばならない。これはｄｌ／ｄθが最大のときに起こる。コイルに電流
が流されるとき、電流は急速に立ち上がり始める、電圧
−電流の関係はｄｉ／ｄｔ＊Ｌの項によって支配される
。電流はｄｉ／ｄｔがほとんど零なので、間もなく平ら
になり、電圧−電流の関係は逆起電力の項に支配される
。もしも電流のパルスと逆起電力が合っているなら、電
流の傾斜は零になるであろう。もしも電流のパルスが逆
起電力より進みつつあるならば、その時にはｄｌ／ｄθ
の項はそれの最大の方向へ増大して行くであろう。電流
は、その積であるｄ１／ｄθ＊ｉが一定に保たれるため
この期間の間減少するであろう。もしも電流のパルスが
逆起電力より遅れつつあるならば、その時にはｄｌ／ｄ
θの項はそれの最高を通り越して減少していくであろう
。電流はこの期間の間増大するであろう。本発明の回路
はコイルの中の電流を感知し、逆起電力が電圧−電流の
関係を支配する時間間隔の間の時間について電流パルス
を検知する。結果として生じた信号は回転子の位置と駆
動波形の間の位相エラーに比例する。

【００１１】本発明の一つの実施例には微分器が傾斜検
知器として用いられている。単に各相のピークの部分が
逆起電力項によって左右されるだけであるから、該発明
は、一つのコイルが転出し次のコイルが転入する過渡的
な期間の間、傾斜検知器をマスクするためにウインドウ
生成器を利用している。これは一つのコイルから次に切
り替える過渡期によって電流が急速に変化する時間の間
傾斜検知器を分離することである。

【００１２】第二の実施例では、傾斜検出器は切り換え
反転増幅器を包含する。それは電流のピークを二つの相
等しい部分に分け、一つの部分を反転させて各々の相対
的な振幅を比較する。比較器の出力はモータが同位相の
時は零であるべきであるが、位相がずれたときは正味の
正或いは負のエラー信号が生じる。

【００１３】第三の実施例には、傾斜検出器、ウインド
ウ生成器、比例積分コントローラ（ＰＩコントローラ）
、ＶＣＯ及びシーケンサーが、ディジタルプロセッサの
中に備えられている。傾斜検出器のために、電流はウイ
ンドウの始めともう一度終りとディジタル的に標本化さ
れる。位相エラー信号はこれら二つの値の間の算術的差
分として生成される。

【００１４】本発明の主要な目的は切り換えリラクタン
スモータのためのセンサレス制御回路を準備することで
ある。

【００１５】本発明のもう一つの目的は最小の数のコン
ポネントを用いて切り換えリラクタンスモータのための
本質的に雑音を感じない制御ループを準備することであ
る。

【００１６】本発明の更に別の目的は逆起電力が最大の
時に、モータの回転が駆動電流パルスと同位相であるか
進んでいるか或いは遅れているかを指示する位相エラー
信号が生じている時にモータ・コイルの中の電流の傾斜
を感知する制御ループを準備することである。

【００１７】

【実施例】前述のことや他の目的、特徴及び発明の有利
な点の詳細は、以下の添付図面を引用した実施例の説明
によりもっとたやすく理解されるであろう。

【００１８】図１の切り換えリラクタンスモータ１０は
、鉄のような磁気的に透過性を持った物質で組み立てら
れた回転子１２を包含する。回転子１２は電線のコイル
１６で包まれた複数の固定子の極１４により取り巻かれ
ている。各組が二つのお互いに対向した極を包含してい
るＡ，Ｂ及びＣと名付けた３組の極１４がある。極の対
１４Ａ，　１４Ｂ及び１４Ｃ　のコイル１６は駆動回路
１８　（図２参照）により励磁される。駆動回路１８は
電圧制御発振器２２により順番に作動させられるシーケ
ンサ２０により制御される。シーケンサ２０に連結され
ているカウンタ２４は回転子位置を表示する出力を準備
する。シーケンサ２０は３相の駆動電圧で順番にモータ
１０を駆動する駆動回路１８のためにタイミングパルス
を供給する。

【００１９】フィードバック・ライン２６は電圧制御発
振器（ＶＣＯ）２２をウインドウ生成器２８と接続する
。ウインドウ生成器２８の用途は電流感知抵抗器３２を
通して感知された電流に比例する信号の傾斜を感知する
傾斜検出器３０の出力　（或いは入力）　の一定の部分
をマスクすることである。抵抗器３２からの電流信号は
傾斜検出器３０への入力を作り出す、そして傾斜検出器
出力はＡＮＤゲイト３４への最初の入力を形成する。ゲ
イト３４へのほかの入力はウインドウ生成器２８の出力
である。ゲイト３４の出力はＰＩコントローラ３８に順
番に接続される反転増幅器３６に結合される。ＰＩコン
トローラ３８の出力はＶＣＯ２２への入力を形成する。固定子の極Ａ，Ｂ及びＣのコイル１６は共通ノード４０
に接続される、そしてそこへは電流感知抵抗器３２もま
た接続される。このようにしてノード４０における電流
信号はどのような時点においてもコイル１６の中を流れ
ている電流の和である。

【００２０】ＰＩコントローラ３８の出力は位相エラー
信号が零になるまでＶＣＯ２２の位相を調節する。これ
は回転子の回転と駆動回路１８が同位相である時に起こ
る。ある用途においては高速にモータ１０を進めるため
駆動回路１８を制御することが望ましい。これは、逆起
電力が電圧−電流関係を支配する前に電流がより高いレ
ベルに立ち上がることを許す。これは効率の少しの低下
を犠牲にしてより大きな出力トルクと力を生ずる。

【００２１】この特性は速度にフィードフォワード、す
なわち結果を予想してプロセスを調整することを付加す
ることによって遂行することができる。ＶＣＯ２２への
入力はモータ速度を指示する。それは利得エレメント　
Ｋｆｆを通ってフィードフォワードされることができ、
位相エラーから引き算される。利得エレメントは或いは
単純な抵抗器であってもよい。低速においては、この項
は無視できる。そして駆動回路は回転子の回転と同位相
になる。高速においては、フィードフォワードした速度
は重要になる。そしてＰＩコントローラ３８は位相エラ
ーとフィードフォワードした速度の条件との間の差が零
になるまでＶＣＯ２２の位相を調整するであろう。この
様にして、駆動回路は要求された負の位相エラー信号を
造りモータを進めるであろう。

【００２２】図５，図６及び図７に示す波形図はこの発
明の位相の合致、位相の遅れ及び位相の進みのそれぞれ
の場合の働きを図解している。シーケンサ２０によって
生起されるクロックパルス列は駆動回路１８に駆動電圧
　Ｖａ　，Ｖｂ　及び　Ｖｃ　を生じさせる。これらの
電圧パルスは続いて電流パルス　Ｉａ０　，　Ｉｂ０及
び　Ｉｃ０を形成するためコイルに印加される。そして
このａ，ｂ及びｃは三つのモータ・コイルの対を表して
いる。次の波形はノード４０における電流パルスの和を
表現している。電流感知抵抗器３２により感知され、傾
斜検出器３０への入力として準備されているのはこの信
号である。図５の次の波形は電流和信号の時間に関して
の導関数を表現している。そしてこれは傾斜検出器の出
力である。ウインドウ生成器２８は、駆動回路１８によ
って一つのコイルから次への移行を原因として迅速に変
動している時間の間に派生する信号をマスクするパルス
を生起する。ウインドウ生成器の信号が低いときには、
ＡＮＤゲイト３４の出力は閉塞される。その結果は図５
の一番下の線に示されている、そしてそれは駆動電圧と
逆起電力が同位相であるので出力は本来零である。逆起
電力により生起される信号は回転子の位置に依存するこ
とを思い出していただきたい。

【００２３】回転子の位置と駆動電圧パルスの位相がず
れているときには、ゲイト３４の出力は図６或いは図７
の一番下の波形に示された形をしている。駆動回路のパ
ルスに関し回転子の位置が遅れているか或いは進んでい
るかを表現している正或いは負のパルスは変換器３６で
反転されＰＩコントローラ３８によって統合される。そ
の結果はＶＣＯ２２の周波数を制御するアナログ電圧と
なる。

【００２４】傾斜検出器の好適な形は図３に示されてい
る。抵抗器３２からの電流和信号は順番に増幅器Ｕ８Ａ
と直列に接続されているコンデンサＣ１と直列に接続さ
れている抵抗器Ｒ１から成る微分器回路３０に加えられ
る。増幅器Ｕ８Ａの出力は抵抗器１３を通ってバッファー増
幅器Ｕ９ＡとスィッチＳ２から成るゲイト回路３４につ
ながれる。スィッチＳ２は並列に増幅器Ｕ９Ａへの正の
入力と連結される。この入力はスィッチＳ２が閉じられ
たときはいつでも接地される。スイッチＳ２はウインド
ウ生成器２８によって準備されているウインドウ信号が
低いとき閉じられる。これは周期的に傾斜検出器３０の
出力をマスクする、そしてＰＩコントローラ３８へ進ま
されるそれの出力の一部は傾斜が逆起電力により決定さ
れるところのものである。一つのコイルから次へ駆動し
ている信号の変化が回りに起こすところの傾斜信号の非
直線性は消去される。

【００２５】傾斜検出器の第二の形は図４に示される。この実施例によれば、電流和信号の傾斜の検出はウイン
ドウ生成器によりマスクした後に起こる。この様にして
、図４の実施例と図２の概略図を一致させるためは、ゲ
イト３４と傾斜検出器３０との間の接続は逆にされるべ
きである。図４を参照して、電流和信号はバッファーと
して機能する増幅器Ｕ１１Ａに抵抗器２７を通じて加え
らさる。この信号はウインドウ生成器からの信号によっ
て駆動させられるスイッチＳＷ１によって接地させられ
る。バッファ増幅器Ｕ１１Ａの脈動的な出力は反転増幅器Ｕ
１１Ｂに加えられる。増幅器Ｕ１１Ｂへの正の入力はス
イッチＳＷ２を通って地気に接続される。スイッチＳＷ
２は、クロック入力を含んでいるゲイトＵ５Ｃにより制
御される。このクロック入力はＶＣＯの周波数と、ＶＣ
Ｏの周波数の二倍で作動するウインドウ生成器から得ら
れる信号で作動する。このことは、スイッチＳＷ２に増
幅器Ｕ１１Ａの出力からの各パルスを逆転されている部
分と逆転されていない部分を効果的に分けさせる。回転
子位置とモータ駆動回路が同位相に整列しているときに
は各々の検出された傾斜パルスの正と負の部分は同じで
ある、がしかし信号が回転子位置に進み或いは遅れたと
きはその部分は同じでなくなる。したがってＶＣＯのア
ナログ制御電圧となるため統合された位相エラー信号が
生起する。

【００２６】ここに開示されているいろいろなコンポネ
ントを使った代替の構造が、発明の精神を逸脱すること
なしに用いられるかも知れない。他の感知する方法が電
流に比例した信号を感知するため使用されるかも知れな
い。そして他の傾斜検出方法もまた駆動パルスと回転子
位置の間の位相エラーを決定するため用いられるかも知
れない。

【００２７】これまで使われている用語や数式はそのな
かで説明の言葉として用いられており限定的に用いては
いない、そのような用語や数式を使うことにより、示さ
れそして記述された特徴と同等な物或いはそれの部分を
排除することを意図していない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は通常の切り換えリラクタンス・ステッピ
ングモータの概略図である。

【図２】図２は切り換えリラクタンス・ステッピングモ
ータのための制御回路の概略ブロック図である。

【図３】図３は微分器を使っている傾斜検知器回路の概
略図である。

【図４】図４は切り換え反転増幅器を使っている別の形
の傾斜検出器回路の概略図である。

【図５】図５はロータと駆動回路が同位相に合っている
時の図２の制御回路の働きを説明している一組の波形図
である。

【図６】図６は駆動回路が実際の回転子位置に遅れてい
る時の図２の制御回路の働きを説明している一組の波形
図である。

【図７】図７はモータ駆動回路が実際の回転子の位置よ
り進んでいる時の状態を説明している図６に似た波形図
である。

【符号の説明】

１０　　切り換えリラクタンスモータ１２　　回転子１４　　固定子極１６　　コイル１８　　駆動回路２０　　シーケンサ２２　　電圧制御発振器（ＶＣＯ）２４　　カウンタ２８　　ウインドウ生成器３０　　傾斜検出器３２　　抵抗器３４　　ＡＮＤゲイト３６　　反転増幅器３８　　ＰＩコントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　コイルで巻かれた複数の固定子極を持
ち、該コイルはそれらを順々に励磁するための駆動回路
に結合して成る切り換えリラクタンスモータ用の、モー
タ制御回路であって、該回路は（ａ）　上記コイル中の電流に比例する信号を検出する
ために上記コイルに結合している電流感知手段と、（ｂ
）　回転子の位置に関するインダクタンスの変化がほぼ
最大となる予め定められた複数の時間間隔に亙る時間に
関し、上記信号の変化の割合を検出するための傾斜検出
手段と、（ｃ）　上記駆動回路用のタイミング信号を生成するた
めの上記傾斜検出手段の積分された出力に応答する可変
発振器手段とを有することを特徴とするモータ制御回路
。
【請求項２】　　上記電流感知手段は、少なくとも複数
の上記コイルに共通のノードに結合する抵抗器手段を有
することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御回路
。
【請求項３】　　上記信号が１つのコイルから次のコイ
ルへの切り換え過渡期間にはマスクされている上記予め
定められた時間間隔を定義するパルスを供給するウィン
ドウ生成器手段を更に有することを特徴とする請求項１
に記載のモータ制御回路。
【請求項４】　　上記傾斜検出手段は微分器を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載のモータ制御回路。
【請求項５】　　上記信号は、少なくとも複数の上記コ
イルの中を流れる電流の和であることを特徴とする請求
項１に記載のモータ制御回路。
【請求項６】　　順々にそれらを励磁するための駆動回
路に結合している複数のコイルを含んで成る切り換えリ
ラクタンスモータ用の、モータ制御回路であって、該回
路は（ａ）　上記コイル中の電流に比例する信号を検出する
ための電流感知手段と、（ｂ）　予め設定された複数の時間間隔に亙って、上記
信号の変化の割合を検出するための傾斜検出手段と、（
ｃ）　上記予め設定された複数の時間間隔相互の間では
上記傾斜検出手段をマスクするウィンドウ生成器手段と
、（ｄ）　上記駆動回路用のタイミング・パルスを生成
するための上記傾斜検出手段の出力に応答する手段とを
有することを特徴とするモータ制御回路。
【請求項７】　　上記予め設定された時間間隔は、上記
コイルの両端の電圧がほぼ逆起電力に起因する期間に対
応するものであることを特徴とする請求項６に記載のモ
ータ制御回路。
【請求項８】　　上記電流感知手段は電流感知抵抗器を
有することを特徴とする請求項６に記載のモータ制御回
路。
【請求項９】　　上記傾斜検出手段は微分回路網を有す
ることを特徴とする請求項６に記載のモータ制御回路。
【請求項１０】　　上記傾斜検出手段は、周期的に切り
換えられる反転増幅器を有することを特徴とする請求項
６に記載のモータ制御回路。
【請求項１１】　　上記抵抗器は、上記コイルの少なく
とも１組に共通のノードに結合することを特徴とする請
求項８に記載のモータ制御回路。
【請求項１２】　　上記傾斜検出手段の出力に応答する
上記手段は、可変発振器手段を制御するための電圧を生
成する積分回路を有することを特徴とする請求項６に記
載のモータ制御回路。
【請求項１３】　　速度フィード・フォワード・ループ
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のモータ制
御回路。
【請求項１４】　　速度フィード・フォワード・ループ
を更に含むことを特徴とする請求項６に記載のモータ制
御回路。