JPH0667259B2 - ブラシレスモ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、位置決め動作可能で高速回転をすることので
きるブラシレスモータに関するものである。

従来の技術 近年の半導体技術及びデジタル技術の発達により産業上
のあらゆる機器のデジタル化が進み、マイクロコンピュ
ータの採用が促進されている。これらの機器の駆動源と
してはデジタル的な位置決め動作が可能なモータが適し
ており、従来ステッピングモータやサーボモータが使用
されていた。

以下図面を参照しながら従来のステッピングモータにつ
いて説明する。

第20図は従来のパーマネントマグネット（PM）型ステッ
ピングモータの原理図を示すもので201は固定子、202は
磁石よりなる回転子、203はコイルである。

上記コイルを外部から順序よく励磁してやれば回転子は
コイル通電の状態により位置をかえて歩進する。第21図
は第20図に示したステッピングモータのトルク分布を示
すもので位置保持特性をもち、かつ外部信号に同期した
回転数を得られることがわかる。しかし、ステッピング
モータはコイルのもつ時定数や、鉄損の影響によりハイ
スピード時には電流の立ち上がりが遅れてタイミング良
くトルクを発生せず高速回転には向いていない。特に位
置分解能を上げるため、磁極ピッチを細かくした場合は
１回転当たりのスイッチング周波数が上がるため、その
影響が大きくでていた。

またステッピングモータの上記欠点をおぎなうため、外
部にエンコーダをつけてモータのスピードに応じて、通
電相の切替を時間的に早くし電流の立ち上がり遅れをカ
バーする方法がとられる場合もあるが、この方法ではモ
ータ外部にエンコーダをとりつけているため形状が大き
くなり、またエンコーダが高価であるという欠点があっ
た。

次に従来のサーボモータについて説明する。第22図は、
サーボモータの位置決め制御系を示すもので、221はモ
ータ、222はエンコーダ、223は偏差カウンタを含む制御
回路、224は駆動回路である。

以上のように構成された位置決めサーボ系では、デジタ
ルの位置指令に従って高速運転でき、かつ位置決め特性
を得ることができる。しかし、エンコーダが高価である
ことと、制御系の回路規模が大きく、かつ高価であると
いう欠点をもっている。

発明が解決しようとする問題点 上記のように、ステッピングモータは高速運転できない
という欠点をもち、ステッピングモータにエンコーダを
つけたものでは形状が大きくエンコーダが高価であると
いう欠点をもっている。またサーボモータでは、制御系
とエンコーダが高価であるという欠点をもっていた。

本発明は上記問題点に鑑み従来のステッピングモータと
同程度の形状で、かつ比較的簡単な回路構成で、位置決
め機能と高速回転性を持ったブラシレスモータを提供す
るものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明のブラシレスモータ
は、 （１）磁性体または磁石よりなる回転子と （２）回転子と空隙を介して対向する固定子コアと複数
個のコイルを少なくとも備えた固定子と、 （３）回転子を回転自在に支える軸受装置と、 （４）固定子にとりつけられ、回転子の位置を検出しこ
れを電気信号に変換し互いに位相の異なる位置信号を出
力する非接触センサと、 （５）位置信号から複数個の第１の進相指令信号をつく
る処理手段と、 （６）外部からの歩進指令信号を受けつけ、歩進指令信
号数により複数の第１の進相指令を順序よく選択する電
子スイッチ手段と、 （７）位置信号または歩進指令信号の周波数に応じて少
なくとも１つの第２の進相指令信号をつくる速度検出手
段と、 （８）第１、第２の進相指令信号に応じて位置信号の位
相を進ませる相進手段と、 （９）進相された位置信号により複数個のコイルを付勢
する駆動回路と、 を備えたものである。

作用 本発明は上記の構成によって、モータに内蔵された非接
触センサにより得られる位置信号を、電子スイッチ手段
により選択された第１の進相指令信号により進相させ、
上記進相された位置信号によってコイルを付勢すること
により歩進機能と位置決め機能をもつブラシレスモータ
を得ている。さらに、速度に応じて得られる第２の進相
指令によって位置信号をさらに進相させて、速度が増し
たときの進相量を全体的に増加することにより、電流の
立ち上がり遅れをカバーし高速運転を行うことができ
る。

実施例 以下本発明の一実施例のブラシレスモータについて図面
を参照しながら説明する。

第１図、第２図、第３図は本発明の第１の実施例のブラ
シレスモータの機構部を示すものである。これらの図に
おいて、１は円周面上に多極着磁された磁石によりなる
回転子、2a,2b,2c,2dは内周に複数の磁極を備えた固定
子コア、3a,3bは２相２ヶのコイルで、巻枠4a,4cに巻か
れ、固定子コア内に収められている。

5a,5bは回転子の漏れ磁束を検出し、電気角で90゜ずつ
位相のずれた２相信号を出力するホール素子からなる非
接触センサである。

第４図は、第１の実施例のブラシレスモータの電気回路
部のブロック図である。第４図において40は前述のモー
タの機構部で、41は回転子、42a,42bは２相のコイル、4
3a,43bは非接触センサである。44a,44bは上記非接触セ
ンサの信号をそれぞれ矩形波に直す整形回路である。45
は２種類の進相指令信号に応じて位置信号の位相を進ま
せる進相回路、46は２相モータのコイルに進相された位
置信号の極性の変化に応じて電流を流す駆動回路であ
る。47は２相の位置信号から４つの第１の進相指令信号
をつくる処理回路である。48は外部からの歩進指令信号
を受けつけ、４つの第１の進相指令信号から１つを選択
して出力する電子スイッチ回路である。49は位置信号、
又は外部からの歩進指令の周波数から速度に応じた第２
の進相指令信号を出力する速度検出回路であり、50は歩
進の方向を判別し進相、遅相の切替を行うフリップフロ
ップ回路である。

以上のように構成されたブラシレスモータについて、以
下動作を説明する。

第５図は本実施例のブラシレスモータの原理図とモータ
のトルク分布を示す図である。第５図（ａ）は本ブラシ
レスモータの原理図であり２相のコイルA,Bと、磁石回
転子を示している。各相に一定電流を流したときのトル
ク分布を（ｂ）に示す。

コイルには正逆方向の電流を流すのでトルク分布はA,B,
，の４つがありこれらは角度０にたいしほぼ正弦波
状の分布をしている。通常のブラシレスモータでは、回
転子の位置を検出する非接触センサの位置を調整し第５
図（ｃ）のような連続的なトルクを得ているが、本発明
のブラシレスモータでは、第５図（ｄ）のようなトルク
分布になるよう非接触センサの位置を調整する。このよ
うな通電を行うと、回転子は回転せず通電相によって決
まる位置に保持され位置決め特性をもつことになる。

最初に基本的な１相分のセンサ信号と回転子とトルク分
布の関係を第６図を用いて説明する。非接触センサ61に
ホール素子を用いた場合、センサ出力は回転子磁束の変
化に応じて第６図（ａ）のように略正弦波状に変化す
る。

ホール素子の取付位置は円周対向面でなく回転子の端面
の対向面であるが、回転子磁石の漏れ磁束が存在するの
で主磁束に比例した出力信号を得ることができる。そし
てセンサ信号は整形され（ｂ）に示す信号となる。

さて固定子磁極62と回転子磁極63の位置関係が第６図
（ｃ）の場合は吸引力が働いているときの安定点でトル
クは０である。（ｄ）は反発力が働いているときの不安
定点でこれもトルクは０である。トルク最大時の固定子
磁極と回転子の極の関係は第６図（ｅ）で吸引力と反発
力によりそれぞれの方向へトルクが働く。

センサ信号の極性のよりコイル電流の方向を変える場合
で、通常のブラシレスモータのように連続的なトルクを
発生する場合［第５図（ｃ）］は、第６図（ｆ）のＡの
ようにセンサエレメントの中心が固定子磁極の中心より
１／４ピッチずれた位置になるようにセンサを配置すれ
ばよい。

本発明のブラシレスモータでは、位置決めの特性を得る
為に（ｆ）Ｂのようにセンサエレメントの中心と固定子
磁極の中心が一致するように配置している。

第１の進相指令信号をつくる処理回路47は、矩形波のデ
ジタル位置信号a,bから４つの通電状態に応じた４つの
進相指令信号をつくる。第７図（ａ）にその回路構成を
示す。入力信号a,bは処理され、第７図（ｂ）に示すよ
うな進相指令信号ａ,ab,b,を得ている。

電子スイッチ回路48は第８図に示すように、外部歩進指
令を受けつける４種のアップダウンカウンタ81と、前記
４つの第１の進相指令の中の１つをカウンタ出力に従っ
て選択するデコーダ82からなっている。この構成により
両方向の歩進指令に対して４つの進相指令を可逆的に順
序よく選択することができる。

第２の進相指令信号をつくる速度検出回路49は、回転子
のスピードに応じた信号を出力する回路で、センサ信号
又は外部歩進パルスの周波数が周期を判定する機能が必
要である。本実施例では外部歩進パルスの周期を基準ク
ロックでカウントし設定値と比較する方法をとってい
る。第９図にその構成を示す。歩進指令入力99から入る
外部パルスからモノマルチバイブレータ93によりラッチ
用パルスとリセット用パルスをつくっておき、基準発振
器91からのパルスを８ビットのカウンタ92でカウントす
る。カウンタ出力は４つのコンパレータ94a,94b,94c,94
dにそれぞれ入力され設定値N1,N2,N3,N4と比較される。
設定値は周期即ち速度を判定するもので、本実施例の場
合四つの設定値があるので５段階の速度判定信号を出す
ことができる。コンパレータの出力はリセットパルス直
前のラッチパルスで保持されるので、ラッチ95には外部
歩進パルスの周期に応じた速度判定値が保持される。ラ
ッチ出力はさらにラッチされていないコンパレータ94a,
94b,94c,94dの出力とコンパレータ96により比較され
る。コンパレータ96の出力信号はその２つの信号を選択
するセレクタ97のコントロール信号としている。セレク
タ97はラッチ出力がコンパレータ94a,94b,94c,94dの出
力より小さい場合、ラッチ出力を選択し、ラッチ出力が
コンパレータ出力より大きくなるとコンパレータ出力を
選択するようにしている。即ち、より小さい値の方を選
択している。コンパレータ94a,94b,94c,94dの出力は速
度の早いとき（周期の短いとき）の方が４ビットの値と
して大きくなるように桁を与えているので、より遅い速
度信号の方を優先していることになる。これは外部の歩
進パルスが急になくなったり、遅い速度指令が与えられ
た場合、次のラッチパルス（歩進パルス）が入るまで古
い速度情報がラッチ95に残るが、このような場合カウン
タ92の値は基準クロックをカウントしつづけて大きくな
りコンパレータ出力は小さくなるので、この新しいより
遅い速度信号で速度情報を更新するためである。この動
作を第10図を用いて示すと、外部歩進パルスの周期が短
くコンパレータ出力がすべてＨ状態で急に外部パルスが
なくなったとき、ラッチ95の出力はすべてＨであるが、
カウンタの値が大きくなるにつれ次々と遅い速度信号に
移っていき最後に速度信号は最低レベルになる。尚第９
図の98は上記セレクタ出力を２進数に変換して出力する
変換器である。

フリップフロップ回路50は歩進指令パルスの方向（CWか
CCWか）を判定するもので第11図に示すようにRSフリッ
プフロップで構成しておりその出力は回転子の回転方向
を示している。

次に進相回路45の構成を第12図に示す。この進相回路は
センサ信号からデジタル的にある位相角度おきの進相信
号をつくっておいて、それを第１、第２二つの進相指令
信号の合成値により選択して出力するという方法をとっ
ている。本実施例では進相量のきざみ巾は22.5゜（電気
角）にとっているので、第13図（ａ）の励磁信号ベクト
ル図に示すようにセンサ信号を含めて16種類信号を用意
して選択すればよい。まず進相信号発生回路部について
説明する。入力された２相のセンサ信号は排他的論理和
をとられた後反転され第13図（ｂ）に示す二信号が得ら
れる。この信号と発振回路121からの基準クロックとの
論理積をとり第13図（ｃ）に示すように分散されたクロ
ックパルスを得る。このクロックパルスをカウンタ123
a,123b,でカウントする。カウンタのリセットは第13図
（ｂ）の信号からモノマルチバイブレータ122によって
つくられるリセットパルスによりなされる。この結果カ
ウンタ123a,123bの計数値は第13図（ｄ）に示すような
時間変化をする。このカウンタの出力から演算回路124
a,124b,124c,125a,125b,125cでそれぞれ１／4,1／2,3／
４の値を得る。１／4,1／２の演算は、それぞれカウン
タ出力の２ビットシフト、１ビットシフトで得られ、３
／４の演算は１／２と１／４の和で得ることができる。
１つのカウンタから得られる演算結果と他のカウンタの
上昇中の値をデジタルコンパレータ126a,126b,126c,127
a,127b,127cにより比較することによってセンサ信号と
は位相の異なる立ち上がりエッジをもつ矩形波を得るこ
とができる。この様子を第14図に示す。これらの波形を
処理回路128で処理しデューティ約50％のそれぞれ位相
の異なる12ケの矩形波を得ている。これらの波形はセン
サ信号及びその反転信号計４ヶとで第13図（ａ）に示す
16ヶの位相の異なる信号群を構成する。16ヶの信号はセ
レクタ133,134に入力され、それぞれ１つが選択され
る。

セレクタ133,134の選択指令信号は第１、第２の進相指
令信号から合成される。第２の進相指令信号は第13図
（ａ）図の信号の番号に対応して位相を進めていく。即
ちその指令の示す数が１つ増すと22.5゜位相を進める働
きをし、速度に従って位相を進める。第１の進相指令信
号はこれとは異なり、Ｈレベルのときは位相を４段階90
゜進め、Ｌレベルのときは位相を進めない働きをする。
これらの合成値により進相レベルを決めるので、第１の
進相指令から０または４の数を発生する処理回路131の
出力と第２の進相指令値とを加算器132で加算してい
る。この場合回転子の回転方向により進相の向きが異な
り、逆方向にまわるときは遅相してやる必要があるの
で、第１、第２の進相信号から補数を129,135によって
つくっておき、セレクタ130,136で選択している。この
セレクタへの指令は第４図56から得られる正逆信号によ
り行っている。セレクタ133,134の出力は常に90゜位相
のずれた位相を出力するように調整しておき、これが２
相のコイルの励磁信号となる。第13図（ａ）で説明する
と進相指令信号のないときは“0"と“4"の信号が出力さ
れ進相指令のあるときにはレベルに応じて“1"と“5"、
“2"と“6"のように進相された２相信号が出力される。

さて外部からのパルス指令の間隔が長く第２の進相指令
が０である場合の本発明のブラシレスモータの動作を第
15図にて説明する。第15図（ａ）は２相コイルA,Bに一
定電流を流したときのトルク分布を示す。（ｂ）は２相
のセンサ出力信号を示している。通常のブラシレスモー
タとは異なり、トルク分布とセンサ信号は１／４ピッチ
ずれた関係になっている。第15図（ｃ）は２相全波駆動
の場合の各励磁モードのトルク分布であり、（ａ）に示
すトルクの２相分の合成値となっている。

いま第15図（ｃ）の安定点、ABのトルクが発生するよ
うに励磁されているとき、電子スイッチ回路48により第
15図（ｄ）の第１進相指令のabが選択されるようにして
おく。この状態で外部からの歩進指令がないときは、AC
のトルク曲線により回転子は同位置を保持する。正方向
歩進パルスが１パルスずつ入るに従って電子スイッチが
第１の進相指令信号ab→b,→ａ→abを次々選択
するようにしておけば、上記abが選ばれて安定している
ときに正方向指令の１パルスが入ると第１の進相指令信
号はｂに切替わり、電子スイッチ48の出力レベルはＬ
からＨに切替わる。進相回路45はこのＨレベルの信号を
受け、センサ信号を90゜進相させ励磁モード及びトルク
分布はに変化する。回転子はの状態で保持されて
いるので、トルク分布がＢに切替わると回転子には正
方向のトルクが働き回転子は第15図（ｃ）の点線で示す
ように正方向へ回転する。回転子が点にくると第１の
進相指令ｂはＬレベルに変化し進相はしなくなるが、
Ａ相センサ信号もＬレベルに変化するので励磁モード
は、次のモードに変化することなくＢのままであ
り、このトルク分布に従って第15図（ｃ）の点で安定
する。この状態で次の正方向パルスが１パルス入れば第
１の進相指令信号が選択され同じように次の安定点
へ移動する。

第15図（ｃ）の状態で逆方向指令パルスが１パルス入
ると電子スイッチ48内の４進カウンタ出力は１つ前の状
態へ戻り第１の進相指令信号abが選択される。また同時
に逆方向パルスによりフリップフロップ回路50の出力が
反転し、進相回路45は遅相モードになっている。回転子
が点にある状態では第１の進相指令abはＨレベルなの
でセンサ信号は90゜遅相され励磁モード及びトルクカー
ブはABが選択され正方向の場合及びトルクカーブはABが
選択され正方向の場合とと同様にして回転子は点で安
定する。

以上のように外部の歩進パルスに応じて１ステップずつ
指令の方向に回転することがわかる。次に外部の歩進指
令の間隔が短くなり、それに従って回転子の速度が大き
くなると、第２の進相指令信号の値が大きくなり第１の
進相指令信号と加算器132で加算され、励磁信号は速度
の遅い場合より進相量が大きくなる。速度と第２の進相
指令の関係を調整することにより、通常のブラシレスモ
ータと同様な第５図（ｃ）のトルク分布のピーク点に近
い連続トルクを発生させることができ、さらに進相によ
り早めにコイル励磁を切り替えて、スイッチング周波数
の増加に伴うコイル電流の立ち上がり遅れをカバーして
高速の運転をすることができる。

以上のように本実施例によれば円周面上に多極着磁され
た磁石よりなる回転子と、内周に複数の磁極を備えた固
定子コアと２相のコイルよりなる固定子と、回転子の磁
極を検出し互いに位相の異なる２相の信号を出力する非
接触センサと、上記位置信号から第１の進相指令信号を
出力する処理手段と、電子スイッチ手段と、第２の進相
指令信号をつくる速度検出手段と駆動回路を設けること
により、歩進機能と位置決め機能をもち高速で回転する
小型かつ廉価なブラシレスモータを得ることができる。

なお、以上の実施例においてモータの機構部分には従来
のブラシレスモータのすべてを適用できる。

即ち、第16図に示すように円筒内面に多極着磁された磁
石162よりなる回転子と回転子対向面に磁極をもち、多
相のコイル163を備えた固定子161と、回転子の磁極を検
出し電気信号に変換する非接触センサ164を備えたブラ
シレスモータや、第17図に示すように、円周上に一定の
ピッチできざまれた磁極歯を備えた磁性体よりなる回転
子172と、回転子対向面に磁極歯群を備えた固定子コア1
71と、固定子コア171に装着した磁石174と、固定子コア
171に巻かれた多相のコイル173と、回転子磁極歯の凹凸
を検出し電気信号に変換する非接触センサ175を備えた
ブラシレスモータや、第18図に示すように、磁石と磁石
を両側から積層する磁性体と、その磁性体円周上にきざ
まれた磁極歯を備えた回転子182と、回転子対向面に磁
極歯群を備えた固定子コア181と多相のコイル183と、回
転子の磁極歯の凹凸を検出し電気信号に変換する非接触
センサ184を備えたブラシレスモータや、第19図に示す
ように円板平面上に多極着磁された磁石よりなる回転子
192と、円板対向面に配置されたコイル193と継鉄191か
らなる固定子と、回転子の磁極を検出し電気信号に変換
する非接触センサ194を備えたブラシレスモータとして
もよい。

また、実施例では２相のブラシレスモータとしているが
他の３相以上のブラシレスモータとしても同様の効果を
得ることができる。

さらに速度検出の方法も実施例では基準クロックをカウ
ントする方法をとっているが、単位時間内の外部歩進パ
ルスまたはセンサ信号をカウントする方法や、それらを
併用する方法、あるいはセンサ原信号の微分やセンサ信
号または、外部歩進パルスをトリガとしてモノマルチバ
イブレータを働かせてアナログ速度信号を得て基準電圧
と比較する方法等を用いてもよい。また、進相のステッ
プも本実施例では22.5゜（電気角）としているがこれも
他の角度にしても同様の効果を得ることができる。

発明の効果 以上のように本発明は、磁性体または磁石よりなる回転
子と、固定子コアと複数個のコイルを少なくとも備えた
固定子と、軸受装置と、前記回転子の位置を検出する非
接触センサと、該位置信号から第１の進相指令信号をつ
くる処理手段と、外部からの歩進指令信号を受けつけ、
第１の進相指令信号を順序よく選択する電子スイッチ手
段と、前記位置信号または指令信号の周波数に応じて第
２の進相指令信号をつくる速度検出手段と、第１、第２
の進相指令信号に応じて位置信号の位相を進ませる進相
手段と、コイルを付勢する駆動回路を設けることによ
り、位置決め機能をもち、外部の歩進パルスに同期して
高速に回転する小型のブラシレスモータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のモータの一部切欠き斜視
図、第２図は同分解斜視図、第３図は同断面図、第４図
は本発明の実施例における電気回路のブロック図、第５
図（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例のコイル結線図とト
ルク分布を示す図、第６図（ａ）〜（ｆ）は実施例のセ
ンサ位置を説明する図、第７図（ａ），（ｂ）は本発明
の実施例の第１の進相指令信号発生回路の回路図および
各部の出力波形図、第８図は電子スイッチのブロック
図、第９図（ａ），（ｂ）は第２の進相指令信号発生回
路のブロック図およびパルスの波形図、第10図は第９図
ブロック図の動作説明図、第11図（ａ），（ｂ）はフリ
ップフロップ回路の回路図および各部の波形図、第12図
は進相回路のブロック図、第13図（ａ）〜（ｄ）、第14
図は進相回路の動作説明図、第15図（ａ）〜（ｄ）は実
施例の動作を説明する図である。第16図から第19図は本
発明の他の実施例のモータ部分を示す図であり、第16図
（ａ），（ｂ）は磁石回転型モータの縦断面図および横
断面図、第17図（ａ），（ｂ）は回転子が磁極歯をもつ
磁性体からなるモータの主要構成を示す斜視図および断
面図、第18図（ａ），（ｂ）は回転子に磁極歯をもつコ
アと磁石を備えたモータの縦断面図および横断面図、第
19図（ａ），（ｂ）は回転子が円板状の磁石からなるモ
ータの断面図および上面図、第20図は従来のPM型ステッ
ピングモータの原理図、第21図はそのトルク分布を示す
図、第22図は従来のサーボモータを用いた位置決め制御
系のブロック図である。 1,162,192……回転子磁石、2a,2b,2c,2d,161,171,181…
…固定子コア、172,182……回転子コア、3a,3b,42a,42
b,163,173,183,193……コイル、45……進相回路、46…
…駆動回路、48……電子スイッチ回路、47……第１の進
相指令をつくる処理回路、49……速度検出回路、50……
フリップフロップ回路、94a,94b,94c,94d,96……コンパ
レータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転子と、該回転子と空隙を介して対向す
   る固定子コア備えた固定子と、 該固定子にとりつけられ前記回転子を回転自在に支える
   軸受装置と、 前記固定子に取り付けられ、前記回転子の位置を検出し
   てこれを電気信号に変換し互いに位相の異なる位置信号
   を出力する複数個の非接触センサと、 該位置信号から複数の第１の進相指令信号をつくる処理
   手段と、 外部からの歩進指令信号を受け付け、歩前指令信号数に
   より前記複数の第１の進相指令信号を順序よく選択する
   電子スイッチ手段と、 前記位置信号または歩進指令信号の周波数に応じて少な
   くとも１つの第２の進相指令信号をつくる速度検出手段
   と、 これら第１、第２の進相指令信号に応じて位置信号の位
   相を進ませる進相手段と、 該位置信号により前記複数個のコイルを付勢する駆動回
   路を備えたブラシレスモータであって、 前記回転子は、円筒形状の外面に多極着磁された磁石よ
   りなり、 前記固定子は前記回転子円周の対向面に極をもつ固定子
   コアと複数のコイルから構成され、前記非接触センサは
   前記回転子の磁極を検出しこれを電気信号に変換するこ
   とを特徴とするブラシレスモータ。
2. 【請求項２】非接触センサにホール素子を用いたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のブラシレスモー
   タ。