JPH0574314B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は直流無整流子モータの駆動装置の関す
るものである。

従来の技術 最近の直流無整流子モータには回転子の回転位
置の検出素子として、その手軽さから磁電変換素
子、とりわけホール素子が多用されているが、良
く知られているようにホール素子は感度のばらつ
きが大きく、このため、従来からホール素子の感
度のばらつきを回路技術によつて吸収しようとす
る試みが盛んに行なわれてきた。

特開昭58−86892号公報（以後、文献１と略記
する。）にはその代表的な技術が開示されており、
その駆動回路の具体的な構成の説明は省略する
が、その動作のポイントは前記文献１の明細書に
示されているように、「３個のホール素子の出力
を線形増幅して得られた電機子コイルへの印加電
圧VU、VV、VWのなかで、第１の基準値VCよ
りも高い電圧の和と、第２の基準値VDよりも低
い電圧の和をとつて、これらの電圧の和が、制御
信号VIに比例する値に常時一致するようにホー
ル素子のバイアス電圧を制御すること。

（前記文献１の第４頁の右上欄第18行目から左
下欄第２行目までを引用。ただし、部分的な補足
を追加。）」にある。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、前記文献１に示された駆動装置
の構成によれば、電機子コイルへの供給電圧ある
いは供給電流の和が常に制御入力電圧VIに比例
する値に一致するように制御されるので、３個の
ホール素子のそれぞれに感度ばらつきが生じてい
ても、それを吸収するように回路が動作するので
ホール素子の出力信号の基本波成分の周波数に対
してはトルクリツプルの抑制効果を有するが、よ
り高次のトルクリツプル成分については殆んど抑
制効果を有さない。

例えば、３相全波駆動の直流無整流子モータに
ついて論じると、各固定子巻線に誘起される発電
電圧波形が純粋な正弦波であつても、しかも各固
定子巻線に正弦波電流を流すならば、モータの出
力トルクＴは次式で示されるように一定となる。

Ｔ＝｛sinθ｝²＋｛sin（θ−２・π／３）｝² ＋sin（θ−４・π／３）｝²＝1.5 ……(1) なお、(1)式においてθは回転電気角である。

ところが、一般にはモータの効率を高めるため
に回転子の永久磁石にはより強い着磁が施され、
その結果、ホール素子の出力信号波形ならびに発
電電圧波形のいずれにも３次成分を始めとする奇
数次の高調波成分が含まれる。

このため、前記文献１に示された装置において
ホール素子の感度ばらつきに起因するトルクリツ
プルを抑制できても、高次のトルクリツプルにつ
いては抑制しきれないという問題があつた。

問題点を解決するための手段 前記した問題点を解決するために本発明の直流
無整流子モータの駆動装置は、ホール素子を始め
とする３個の磁電変換素子と、前記各磁電変換素
子から得られる３組の検出信号を２組ずつ合成し
て増幅する第１の増幅器と、前記第１の増幅器の
出力を増幅してそれぞれに対応した固定子巻線に
電流を供給する第２の増幅器からなる３組の増幅
手段と、前記第１の増幅器から前記第２の増幅器
への正方向の出力の和もしくは負方向の出力の和
の平均値が制御入力に比例するように前記第１の
増幅器の増幅度あるいは前記磁電変換素子への給
電電圧を調節する感度調節手段を備え、前記正方
向の出力の和もしくは負方向の出力の和に比例し
た電流をバイアス電流として前記第２の増幅器に
供給したことを特徴とするものである。

作 用 本発明では前記した構成によつて、基本波成分
だけでなく、より高次のトルクリツプルをも抑制
することが可能となる。

実施例 以下、本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。

第１図は本発明の一実施例における直流無整流
子モータの駆動装置の回路構成図を示したもので
ある。

第１図においてホール素子１，２，３は固定子
（図示せず。）上に互いに120°の間隔を保つて配置
されており、前記ホール素子１，２，３の出力は
抵抗５１〜６２によつて構成された合成回路５０
を介して電流出力型の前記増幅器１００，２０
０，３００の入力端子に供給されている。すなわ
ち、抵抗５１，５２と抵抗５８，５７によつて前
記ホール素子１の出力に前記ホール素子２の出力
が逆極性で加算されて前記前置増幅器１００に供
給され、抵抗５５，５６と抵抗６２，６１によつ
て前記ホール素子２の出力に前記ホール素子３の
出力が逆極性で加算されて前記前置増幅器２００
に供給され、抵抗５９，６０と抵抗５４，５３に
よつて前記ホール素子３の出力に前記ホール素子
１の出力が逆極性で加算されて前記前置増幅器３
００に供給され、前記前置増幅器１００，２０
０，３００の出力はそれぞれ抵抗４，５，６の一
端に供給されるとともに、パワー増幅器４００，
５００，６００の非反転入力端子に供給されてい
る。前記パワー増幅器４００，５００，６００の
両方向出力端子４００ａ，５００ａ，６００ａは
それぞれ星形結線された固定子巻線７，８，９の
一端に接続されている。前記前置増幅器１００，
２００，３００の両方向出力端子１００ａ，２０
０ａ，３００ａを介して前記パワー増幅器４００
〜６００に供給される出力のうち負方向（前記両
方向出力端子１００ａ，２００ａ，３００ａに電
流が流し込まれる方向。）の出力に比例した電流
を吸い込む流入端子１００ｂ，２００ｂ，３００
ｂは互いに共通接続されて一端がプラス側給電端
子１０に接続された抵抗１１の他端に接続される
とともにバツフア回路７００の入力端子にも接続
されている。さらに、前記両方向出力端子１００
ａ，２００ａ，３００ａからの正方向の出力に比
例した電流を流し出す流出端子１００ｃ，２００
ｃ，３００ｃは互いに共通接続されてその合成電
流が増幅度の調節のためのバイアス電流として前
記パワー増幅器４００，５００，６００に供給さ
れている。

一方、制御電圧入力端子２０には制御増幅器８
００の非反転入力端子が接続され、前記制御増幅
器８００の流入端子は一端がプラス側給電端子１
０に接続された抵抗１２の他端に接続されるとと
もに比較器９００の反転入力端子に接続され、前
記比較器９００の出力は前記ホール素子１，２，
３の給電端子に接続されている。

また、抵抗１３，１４によつて給電電圧を分圧
して作られた給電電圧の半分の電圧がバツフア回
路１０００を介して前記抵抗４，５，６のそれぞ
れの他端と、前記制御増幅器８００の反転入力端
子と、前記パワー増幅器４００，５００，６００
の反転入力端子に供給されている。

さらに、前記バツフア回路７００の出力は抵抗
１５とコンデンサ１６によつて構成されたフイル
タ回路を介して前記比較器９００の非反転入力端
子に供給されている。

以上のように構成された直流無整流子モータの
駆動装置について、第１図および第２図を用いて
その動作を説明する。

なお、説明に先だつてモータの回転子を構成す
る永久磁石の磁束をホール素子で検出したときに
は基本波に対して３次高調波、５次高調波、７次
高調波、９次高調波がそれぞれ、17.77％、5.68
％、2.16％、0.79％の割合で含まれているものと
する。また、発電電圧波形には３次高調波、５次
高調波がそれぞれ、8.30％、0.75％の割合で含ま
れているがそれ以上の高次の高調波は含まれてい
ないものとする。これらの数値は永久磁石として
フエライト系の素材を用いた場合の実測値に基い
ており、発電電圧波形がホール素子の出力電圧波
形に比べて高次の高調波の含有率が低くなつてい
るのは実際の固定子巻線の形状が扇形のワンター
ンコイル状ではなくて、ある程度の巻幅を有する
円形に近くなつていることに起因する。

さて、第２図Ａ，Ｂは第１図の装置の主要部の
信号波形を示したもので、第２図Ａが前置増幅器
１００，２００，３００の出力端子１００ａ，２
００ａ，３００ａに現われる信号波形であり、第
２図Ｂが抵抗１１の両端に現われる信号波形であ
る。

前置増幅器１００，２００，３００は、後に説
明するように抵抗４〜６およびパワー増幅器４０
０〜６００に供給する出力のうち、正方向成分に
比例した電流を流出端子１００ｃ，２００ｃ，３
００ｃから流し出し、負方向成分に比例した電流
を流入端子１００ｂ，２００ｂ，３００ｂから吸
収する構成になつているので、抵抗１１の両端に
は第２図Ａの電圧波形の中間電位よりも下側の電
圧を中間電位との差分だけ符号を反転して加え合
わせた値に比例した電圧が現われる。

また、第２図Ａの信号波形は合成回路５０によ
つてホール素子１，２，３の出力のうちの２出力
を、一方を逆極性にしたうえで加算した結果を線
形増幅することによつて得られる。

前置増幅器１００，２００，３００の伝達コン
ダクタンスをgmとし、抵抗４，５，６の抵抗値
をｒとし、ホール素子１〜３のそれぞれの出力電
圧をV_H1，V_H2，V_H3とすると、パワー増幅器４０
０，５００，６００に供給される入力電圧V₁₁，
V₁₂，V₁₃はつぎのようになる。

V₁₁＝gm・ｒ・（V_H1−V_H2） ……(2) V₁₂＝gm・ｒ・（V_H2−V_H3） ……(3) V₁₃＝gm・ｒ・（V_H3−V_H1） ……(4) (2)〜(4)式より、V₁₁＋V₁₂＋V₁₃の結果は常に零
となり、前置増幅器１００，２００，３００の線
形性が維持され、抵抗４，５，６の抵抗値が等し
ければ前記前置増幅器１００，２００，３００の
正方向の出力の和と負方向の出力の和のバランス
は保たれることになる。

つまり、第１図に示した装置では、第１のホー
ル素子１の出力から第２のホール素子２の出力を
減算する第１の減算回路が、抵抗５１，５２，５
７，５８によつて構成され、第２のホール素子２
の出力から第３のホール素子３の出力を減算する
第２の減算回路が、抵抗５５，５６，６１，６２
によつて構成され、第３のホール素子３の出力か
ら第１のホール素子１の出力を減算する第３の減
算回路が、抵抗５９，６０，６１，６２によつて
構成され、前記抵抗５１〜６２によつて構成され
た合成回路５０が前記ホール素子１，２，３と前
記前置増幅器１００，２００，３００の間に挿入
されているので、前記前置増幅器１００〜３００
の正方向の出力の和と負方向の出力の和のバラン
スは保たれる。なお、これらの減算はホール素子
の出力電圧そのものによつて行なわなくとも、い
つたん増幅したうえで、電流レベルで行なつても
良い。

つぎに、第２図Ｃはモータを回転させたときに
固定子巻線７，８，９に誘起される発電電圧波形
を示したもので、前置増幅器１００〜３００の流
出端子１００ｃ〜３００ｃによるパワー増幅器４
００，５００，６００のバイアス電流の供給を遮
断して、パワー増幅器４００，５００，６００を
単なる線形増幅器として動作させたときにはモー
タが発生するトルクは第２図Ａに示されるａ１，
ａ２，ａ３の電流値と第２図Ｃに示されるｃ１，
ｃ２，ｃ３の電圧値の積に比例する。

ちなみに、それぞれの積を求めて（a1×c1＋
a2×c2＋a3×c3）を計算すると、トルクリツプ
ルはほぼ5.54％_p-pとなり、その最大値は第２図
の回転電気角が30°、90°、150°、……の点に現わ
れ、最小値は0°、60°120°、……の点に現われる。

一方、第２図の信号波形のリツプル成分に着目
すると、その最大点と最小点の位相関係がトルク
リツプルのそれとは逆であることがわかる。した
がつて、第２図Ｂの信号によつてパワー増幅器４
００，５００，６００のバイアス電流を変調し、
その変調度を適当な値に設定することによつてト
ルクリツプルを最小にすることが可能となる。

第１図に示した直流無整流子モータの駆動装置
では、第２図Ｂの信号波形と相似な電流を前置増
幅器１００〜３００の流出端子１００ｃ〜３００
ｃからパワー増幅器４００〜６００にバイアス電
流として供給することによつてトルクリツプルを
低減させており、第２図Ｄがこのときのパワー増
幅器４００〜６００の出力電流波形であり、第２
図Ｅは第２図Ｃに示した発電電圧波形と第２図Ｄ
の出力電流波形の積から得られるトルクリツプル
の波形を示したものである。なお、このときのト
ルクリツプルの大きさは約2.65％_p-pである。

このように、第１図に示した直流無整流子モー
タの駆動装置は高次のトルクリツプルを従来以上
に小さくすることができる。

なお、第１図の装置においてホール素子の感度
が平均よりも高かつたり、あるいは低かつたりし
ても、それを補償するように比較器９００が動作
するので、同一装置において３個のホール素子の
ペアリングがなされていれば問題はない。また、
３個のホール素子の感度ばらつきをも吸収しよう
とすると、第２図Ｂの信号波形のリツプル成分が
弊害となるが、固転子磁石にホール素子１，２，
３の出力が正弦波形になるような着磁が施されて
いればリツプル成分はなくなる（勿論、このとき
には抵抗１５とコンデンサ１６によるフイルタ回
路も不要となる。）し、そうでない場合には、抵
抗１５とコンデンサ１６によるフイルタをアクテ
イブフイルタなどに変更して着磁波形の基本波以
上の周波数成分に対しては急峻な垂下特性を持た
せるか、あるいはリツプル成分だけを抽出して抵
抗１２の両端に重畳させるなどして、高次のリツ
プル成分が回路動作的に無視されるような構成を
採ることによつて、３個のホール素子の感度ばら
つきをも吸収することが可能となる。

ところで、第１図に示した実施例においては比
較器９００からホール素子１，２，３に直接に給
電するように構成しているが、前記比較器９００
の出力によつて前置増幅器１００，２００，３０
０の増幅度を調節するように構成しても同様の効
果を得ることができる。

さて、第３図はパワー増幅器４００の具体的な
回路構成例を示す回路結線図であり、パワー増幅
器５００，６００も同一の構成となる。

第３図においてトランジスタ４０１，４０２，
４０３，４０４，４０５によつて構成された差動
段の伝達コンダクタンスgmは、定電流源４１０
の出力電流をIsとし、ボルツマン定数をｋとし、
電子の電荷をｑ、接合温度をＴとしたとき次式に
よつて与えられる。

gm＝Is・ｑ／２・ｋ・Ｔ ……(5) 一方、トランジスタ４０６に対する出力トラン
ジスタ４０７のエミツタ面積の倍率と、トランジ
スタ４０８に対する出力トランジスタ４０９のエ
ミツタ面積の倍率はいずれも２００に設定されて
いるので、入力端子IN₊−IN_-間から出力端子Bo
までの伝達コンダクタンスGM_Bは次式によつて
与えられる。

GM_B＝500・Is・ｑ／ｋ・Ｔ ……(6) なお、定電流源４１０は、実際には第１図の前
置増幅器１００〜３００の流出端子１００ｃ〜３
００ｃの合成電流に依存した電流を供給するよう
に構成される。

つぎに、第４図は第１図の前置増幅器１００，
２００，３００の具体的な構成例を示す回路結線
図であり、第３図とほぼ同様の増幅回路の前段に
差動段を追加した構成となつている。

なお、V_REF端子は第１図のバツフア回路１００
０の出力電圧が供給される端子である。

発明の効果 以上に示したように本発明の直流無整流子モー
タの駆動装置は、固定子上に配置されて回転子磁
石による磁界を検出する３個の磁電変換素子（実
施例ではホール素子１，２，３。）と、前記各磁
電変換素子から得られる３組の検出信号を２組ず
つ合成する合成手段（合成回路５０）と、前記合
成手段の出力を増幅する第１の増幅器１００，２
００，３００と、前記第１の増幅器の出力を増幅
してそれぞれに対応した固定子巻線７，８，９に
電流を供給する第２の増幅器４００，５００，６
００からなる３組の増幅手段と、２の増幅器から
なる３組の増幅手段と、前記第１の増幅器から前
記第２の増幅器への正方向の出力の和もしくは負
方向の出力の和の平均値が制御入力に比例するよ
うに前記第１の増幅器の増幅度あるいは前記磁電
変換素子への給電電圧を調節する感度調節手段
（実施例においてはバツフア回路７００、比較器
９００，抵抗１５、コンデンサ１６によつて構成
されている。）と、前記正方向の出力の和もしく
は負方向の出力の和に比例した電流をバイアス電
流として前記第２の増幅器に供給する電流供給手
段（実施例においては前置増幅器１００〜３００
の流出端子１００ｃ〜３００ｃによつて構成され
ている。）を備えたことを特徴とするものであり、
回路に特別な演算を行なわせることなく容易にト
ルクリツプルを低減させることができ、また、着
磁波形の基本波成分だけでなく、高次のトルクリ
ツプルをも低減させることができ、大なる効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における直流無整流
子モータの駆動装置の回路構成図、第２図は第１
図の装置の動作を説明するための信号波形図、第
３図はパワー増幅器の具体例を示す回路結線図、
第４図は前置増幅器の具体例を示す回路結線図で
ある。 １，２，３……ホール素子、７，８，９……固
定子巻線、１５……抵抗、１６……コンデンサ、
５０……合成回路、１００，２００，３００……
前置増幅器、１００ｃ，２００ｃ，３００ｃ……
流出端子、４００，５００，６００……パワー増
幅器、７００……バツフア回路、９００……比較
器、２０……制御電圧入力端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体子上に配置されて回転子磁石による磁界
   を検出する３個の磁電変換素子と、前記各磁電変
   換素子から得られる３組の検出信号を２組ずつ合
   成する合成手段と、前記合成手段の出力を増幅す
   る第１の増幅器と、前記第１の増幅器の出力を増
   幅してそれぞれに対応した固定子巻線に電流を供
   給する第２の増幅器からなる３組の増幅手段と、
   前記第１の増幅器から前記第２の増幅器への正方
   向の出力の和もしくは負方向の出力の和の平均値
   が制御入力に比例するように前記第１の増幅器の
   増幅度あるいは前記磁電変換素子への給電電圧を
   調節する感度調節手段と、前記正方向の出力の和
   もしくは負方向の出力の和に比例した電流をバイ
   アス電流として前記第２の増幅器に供給する電流
   供給手段を具備してなる直流無整流子モータの駆
   動装置。 ２ 第１の磁電変換素子の出力から第２の磁電変
   換素子の出力を減算する第１の減算回路と、第２
   の磁電変換素子の出力から第３の磁電変換素子の
   出力を減算する第２の減算回路と、第３の磁電変
   換素子の出力から第１の磁電変換素子の出力を減
   算する第３の減算回路によつて合成手段を構成し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   直流無整流子モータの駆動装置。