JPS5819175A - 直／並列モ−タ駆動回路 - 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】 この発明はＤＣブラシＶレスータの制御を行なうだめの
電気回路、そして特にモータの運転中において動的に選
択されることができる２つのトルり定数値を提供するシ
ステムに関するものである。

ブラシレスモータは通常のＤＣモータト類似するもので
あるが、それは一定の直線性すなわちモータ速度と巻線
が誘起する起電力との間に電圧定数を有するということ
である。この起電力はモータを作動させて機械的負荷に
動力を’ｙ＝えるだめに必要な印加電圧とは逆の極性を
有する。ブラシレスモータが前記印加電圧を得るために
所定の電源から駆動されると、このモータはある速度、
いわゆる無電荷速度において回転する。この無負荷速度
における起電力は前記印加電圧に等しい逆極性の値であ
るため、モータはこの速度を超えることはできない。こ
の速度においてはモータ巻線中にわずかな電流しか流れ
ないため、トルクはきわめて小さいか又は全く生巳ない
。しだがってブラシレスモータの速度範囲は印加電圧に
より決定される。

ブラシレスモータが通常のＤＣモータト近似する別の点
は、モータトルりと巻線電流との間の、いわゆるトルり
定数が一定の比例性を有することである。ブラシレスモ
ータが電流を規制した電源から駆動されると、そのモー
タトルりは比例的に規制される。

通常のＤＣモータ及びブラシレスモータはいずれも所定
の巻線接続において、電圧定数とトルク定数との間に一
定の関係性を有する。この関係性は次の式によって表わ
される。

ここにＫはモータの特性による定数である。

通常のＤＣモータ又はブラシレスモータの設計において
、電源から引き出される電流と電圧は、巻線形状を如何
に選択するかによって規制される。低速において効率的
なトルりを発生するだめの最良の設計は、トルり定数の
値を太きくすることである。しかしながらこのようにす
ると無負荷速度を低い値にすることになる。したがって
高速を得るためには電圧定数を低くし、これに対応して
トルり定数を低くシ、トルク水準を下げなければならな
い。

この種のモータの種々の利用分野においては、低速にお
ける高いトルクを得ること及び小トルりにおいて高い無
負荷速度を得ることが特に要求される。たとえばこの特
性は低速において大きく加速したシ適度なトルク出力に
おいて高速で運転しなければならないような牽引用モー
タにきわめて有用である。通常のＤＣモータは必要に応
じて異なった電圧定数及びトルク定数を有する２つ以上
の界磁巻線を具備するように設計され、これらの界磁巻
線を選択的に電源に接続することにより、七−夕の種々
の特性から最適なものを選択して使用するだめのスイッ
チギアが用いられる。しかしながらブラシレスモータは
通常永久磁石による回転磁界を形成し、したがってモー
タの多特性を与えるような、いわゆる多重界磁巻線技術
を用いることはできないものである。しかしながらＤＣ
ブラシレスモータにおいても、種々の目的に使用し、及
び省エネルギーの見地から２つ以上のトルク定数を実現
することが要求される。さらにサーボ駆動機構などの高
速応答性が要求されるような利用分野においてはトルク
定数を迅速に切り換えるための能力が強く要求される。

上述した特徴はＤＣブラシレスモータ駆動システムにお
いて、複数のセットからなるステータ巻線と、対応する
複数のスイッチング制御回路とを組み入れることにより
実現することができる。これらのスイッチング回路は被
整流巻線のセットが直列又は並列のいずれかにおいて効
果的に駆動されることにより、２つの異なったモータ定
数を提供するように構成されている。

この直列か並列かの選択は、モータ速度又はモータによ
って発生されるトルクとは関係なく、巻線接続を迅速に
選択するという電子回路技術により達せられる。

モータ巻線が電源の両端子間に直列に接続されると、電
源から見たインピーダンスは、巻線の単一セットによっ
て提供されるインピーダンスの２倍となる。巻線が電源
の両端子間に並列に接続されると、電源から見たインピ
ーダンスは前記単一の巻線セットによるものの半分の値
になる。スイッチング素子はタコメータなどのモータ速
度検出器によって駆動され、低いモータ速度における直
列接続と、高いモータ速度における並列接続とを提供す
るものである。これによシ、トルク定数は低速度におい
て増大して電源から過大な電流が引き出されることを阻
止し高速においては逆起電力を減少させて電源から付加
的４電流が引き出せるようにしたものである。

本発明の好ましい実施例において、ブラシレスＤＣモー
タは２組のステータ巻線を用いるものであシ、これらの
各組は８個の巻線をＹ型に接続したものである。各巻線
の組の整流は、分離されたスイッチングブリッジ回路に
よって行なわれる。各スイッチングブリッジ回路は、巻
線電流をパルス幅変調制御す”るためのブリッジ回路と
して配列された６個のトランジスタスイッチからなって
いる。この変調のデユーティサイクルは巻線電流の所望
の平均値を提供するように選択される。読取り専用メモ
リー等の論理アレーが前記ブリッジスイッチのうちの特
定のものを選択して巻線電流を電子整流するために閉じ
、又は開くようになっている。メモリーはロータとステ
ータとの相対位置を検出するセンサーからの信号によっ
てアドレスされ、この相対位置がロータの極とステータ
の巻線との間でずれたときに前記ブリッジスイッチの選
択を更新するものである。論理アレーはさらに幅変調器
の信号によってアドレスされ、巻線電流の所望の１Ｖ均
値を得るようにその電流のパμスを開始し、及び終了さ
せるものである。

この直／並列接続は直列に接続された２つのセクシ、ヨ
ンを用い、その第２のセクションの正の端ｆ−をダイオ
ードを通じて第１のセクションの負の端子に接続するこ
とにより達せられる。

この直列接続は電源の正、負端子間に接続される。これ
により電流は電源の正端子から巻線の組を含む第１の駆
動セクションを経てダイオードに流入し、さらにこのダ
イオードを経て巻線の組を含む第２の駆動セクションに
遠し、最後に電源の負端子に戻るものである。この直列
接続は２個のスイッチ手段により並列接続に変換される
。２個のスイッチのうちの一方は第１及び第２の駆動セ
クションにおける２個の正端子間に接続され、他方のス
イッチはこれら駆動セクションの２個の負端子間に接続
される。これらの直／並列スイッチが閉じられると、ダ
イオードには逆バイアスがかかり、２個の駆動セクショ
ンが並列となる。又、この２個の直／並列スイッチが開
放されると、２つの駆動セクＳ／ヨンが直列となる。こ
れによりこれらの駆動セクションを並列接続と直列接続
との間で電子的に切り換え、モータの速度及び電流に従
ってモータ電源に所望のインピーダンス特性及び逆起電
力特性を選択的に適用することができる。本発明の選択
的な実施例においては、モータの現在速度はタコメータ
によシ検出されるか、又は巻線電流の測定により検出さ
れる。

第１図を参照すると、本発明に従ってモータ＠に結合さ
れた制御回路（イ）が示されている。この制御回路は２
つの駆動セクション■、（ホ）を有する。これらのセク
ションはダイオード（１）によって直列接続されている
。駆動セクション（ロ）、に）の直列接続は、電源（至
）の端子間においてスイッチ（至）、（至）に接続され
ることにより形成される。

回路（イ）はさらに比較器（至）及びスイッチ（至）、
（至）を駆動するだめの速度域値手段（イ）を有する。

モータ（ハ）はロータに）及び２組の巻線に）、−を有
する４極ブラシレスＤＣモータである。ロータ（６）は
各２つのＮ極とＳ極とを交互に配列したものである。各
組の巻線に）、に）は三相Ｙ型に接続され°Ｃいる。ロ
ータシャフトは破線（財）で示すように位置検出器−と
タコ′メータ拗及び負荷（財）に機械的に結合されてい
る。タコメータはロータに）の回転速度に比例した電圧
を発生し、この電圧は比較器（至）に加えられてモータ
速度を指示するものである。位置検出器■は軸角度を検
出するための光電検出素子又は磁気検出素子から構成し
得るが、ここでは磁気検出器として示しである。位置検
出器−は２組のホール素子からなシ、この場合、全部で
６個のホール素子が磁気円盤（至）の周辺に均等に配置
されている。磁気円盤（至）は磁気結合によりロータ（
６）とともに回転するものであり、したがってロータ（
財）の極配置に対応する磁極セットを有する。

システムはさらに論理アレ一部η、ｅａとパルス幅変調
器−とクロック輪及びトルク命令素子−を具備している
。巻線電流の電子整流ば駆動セクション翰、（ハ）及び
位置検出器−と協同する論理アレーＩη、輔によって行
なわれる。駆動セクションいは６個のスイッチ（ハ）を
有する。これらはそれぞれ（５）〜０を付すことにより
特定され、巻線（ハ）に電流を供給するものである。駆
動セクション（財）も又、それぞれ体）〜０により特定
される６個のスイッチ四を有し、巻線に）に電流を供給
するものである。ホール素子−を表わすブロックは各ホ
ール信号を１ビツトの二進信号に変換するだめの回路を
含むものである。したがって論理アレー６カはステータ
巻線に）の組に関するロータ（転）の位置を指定するラ
インＱＱ上の８ビット信号によってアドレスされる。論
理アレー−は同様にロータ（６）とステータ巻線の組に
）との間の相対位置を指示する残り８個のホール素子−
からラインＭ上に供給される８ビット二進信号によって
アドレスされる。論理アレーＩ◇はスイッチ（７１Ａ）
〜（７１Ｆ）の各１つの制御端子翰に接続された出力ラ
インを有する。又、論理アレー６カはスイッチ（７２Ａ
）〜（７２Ｆ）の各１つの制御端ｆ−一に接続された出
力ラインを有する。端子軸及び■はスイッチ（ハ）及び
（２）のそれぞれに対応して四〜のにより特定される。

したがって論理アレー１１）、輪はラインｆＬｆｅ上の
位置アドレス信号に応答して対応する出力ラインを介し
、端子軸、輪に命令を与える。これらの端子軸、■はそ
れぞれスイッチ（２）、（ハ）を付勢して巻線に）、に
）の組に電流を通じ、ロータに）を所望の方向に回転さ
せるものである。論理アレー１１）、（至）による命令
は、巻線電流を電子整流するためにモータ（ハ）のロー
タとステータとの相対位置に従って連続的に更新される
。

モータ（ハ）のトルクを負荷（財）の所望の方向におけ
る回転駆動のために制御すぺ＜トルり命令素子−は、２
つの出力ラインを有する。一方のラインは変調器■にト
ルり信号を与えるものであり、他方のラインはトルクの
方向を選択すべく論理アレーＩカ１−にアドレス信号を
与えるものである。トルり命令素子−の電流及び回転信
号は、トルクの振幅及び方向をトルク命令素子−に手動
でセットすることにより達せられる。このような信号は
選択的にコンピュータ（図示せず）によって提供される
。すなわち、システム（１）がコンピュータ制御システ
ム（図示せず）の一部として用いられる場合などである
。変調器−はクロック−のクロックパルスによって駆動
され、電流命令素子−の信号に従って変調されるパルス
信号を発生するものである。周知の通り、ステーク巻線
のイ°ンダクタンス及び抵抗値はパルス幅変調信号の脈
動を平滑化するだめのｍ　Ｌで作用し、したがってパル
レフ幅変調ｆｄ号のデユーティサイクルに比例した平均
値を有する巻線電流を形成するものである。変調器−の
出力パルスは論理ｕｏｎ及び論理゛°１”′の′間で変
化する振幅を有する１ビット二進信号を構成するもので
ある。すなわちラインｅｉ２における変調器（財）の出
力信号並びにライン６のに接続されるものとして示した
ライン（ロ）上の回転命令信号は、ライン（７Ｑ」二の
アドレスに関連して論理アレー（６〕をアドレスするた
めのライン（ハ）上における２ビットアドレス信号を提
供するものである。さらにライン輪」−のアドレス信号
はメモリー（６１）をアドレスするためにライン（７ｉ
９上のアドレスに関連して加えられる。したがって論理
アレー６◇、６）はステータ巻線に所望の方向で電流を
流すためにスイッチ（２）、（ハ）のうちの適当なもの
を選択して、その電流を電子整流することにより負荷（
財）を所望の方向に回転させるものである。スイッチ（
ハ）、（２）によって形成される電流路はライン６乃上
のアドレス部分に応答し、ライン■上のパルス幅変調の
デユーティサイクルに従って繰返し遮断され、これによ
りすでに述べたように巻線電流の比例化を提供するもの
である。

本発明によれば、スイッチ（至）、（至）は駆動セクシ
ョン（財）、（ハ）の直列型又は並列型のいずれかにお
ける接続を提供するものである。スイッチ（ハ）、（ト
）は同一の構造を有し、比較器（ト）からの命令信号に
よシ制御されて同時に導通状態にされる。

スイッチ（至）、（ハ）が導通すると電源（イ）間にお
ける電流路はスイッチングブリッジ回路翰トライン（イ
）及びスイッチ（至）を介して形成され、並列電流路は
スイッチ（至）とライン（至）及びスイッチングブリッ
ジ回路（ハ）を介して形成される。ダイオード（至）は
逆バイアスされており、これらの条件下において非導通
である。スイッチ（至）、（至）が非導通状態になると
電源間の単一の直列電流路は、スイッチングブリッジ回
路（財）とダイオード（１）並びにスイッチングブリッ
ジ回路（ハ）を経て形成される。

直列型における駆動セクション翰、に）にわたる電圧降
下は並列型における電圧降下とは相違するが、駆動セク
ション翰、翰の動作は直列型並列型の両方にわたって同
一である。したがって駆動セクション（イ）は巻線の組
（ハ）に電流を流し、駆動セクション（ハ）は巻線の組
に）に電流を流すことによりそれぞれ直列型及び並列型
における電流の整流を行なうものである。′ステーク巻
線の各々を通ずる電流の実際の大きさは、トルク命令素
子−からの信号の大きさ及び駆動セクション翰又は（ハ
）にわたる電圧降下とステータ巻線の対応する組に誘起
された逆起電力との差に従って変化するものである。

ロータ（６）の回転速度を増加させると逆起電力は増大
する。その結果、ステーク巻線に発生する終電圧、すな
わち印加電圧と逆起電力との差は減少して巻線電流の減
少をもたらすものである。ダイオード（至）とスイッチ
（ハ）及び（ハ）とにおける電圧降下の作用を無視すれ
ば、印加電圧は電源（イ）の電圧に実質上等しいか、又
は電源（イ）の電圧の半分に等しくなる。これは並列型
か直列型かによって決まるものである。したがって本発
明の特徴的構成によれば、前記の直列型は、低速のロー
タ回転において適用され、並列型は高速のロータ回転に
おいて適用されるものである。

すなわちロータの低速回転中においては、低い値の印加
電圧と小さな逆起電力とが巻線電流確立のためにあられ
れる。ロータの高速回転においては、よシ高い印加電圧
とより高い逆起電力とが巻線電流確立のためにあられれ
る。したがってモータ（ハ）の低速回転及び高速回転の
いずれの場合においても実質的な巻線電流が形成される
。その結果、モータ（ハ）は低速度範囲において十分な
トルクを発揮するとともに、高速回転において十分な電
流を通じることを可能にするものである。

直列型と並列型との間の移行を行なうのに都合のよい回
転速度は、速度域値手段に）において、手動で設定する
ことができる。その結果、比較器（至）はタコメータ６
つによって提供される実際のモータ速度とこの速度域値
手段に）によって提供される過渡速度とを比較して実際
の速度とこの移行速度との関係性を意味する出力論理信
号を発生するものである。この比較器（至）の出力論理
信号は、モータ速度が過渡速度よシ低いか又はこれと同
等以上であるかに応じて論理″ＲＯ”′又は論理ＩＩ　
Ｉ　ＩＩとなるものである。スイッチ（至）及び（至）
は比較器（至）の出力論理信号の値に応答して閉じ、又
は開くように駆動され、これにより駆動セクション翰、
（ハ）の相互接続をモータ（ハ）の速度範囲に従って形
成することができる。

第２図を参照すると、スイッチ（ハ）はトランジスタ（
９）と、フォトダイオード（１０４）　ヲ含ｔｒヘース
駆動装置（１０２）と、トランジスタ（１００）のエミ
ッターコレクタ端子間に装置性で接続されたダイオード
（１０６）と、抵抗（１０８）及びキャパシタ（１１０
）からなっている。抵抗（１０８）及びキャパシタ（１
１０）はトランジスタ（１００）のコレクタ及びエミッ
タ端子間に直結接続されている。ベース駆動装置（１０
２）はトランジスタ（１００）のベース及びエミッタ端
子を通ずるベース電流を供給するだめの周知の回路構成
（図示せず）を含むものである。ベース駆動装置（１０
２）はフォトダイ、オード（１０４）の光学結合により
制御端子Ｑ呻に接続される。この光学結合は端子Ｑ１の
電圧レベルをトランジスタ（１００）の両端にあられれ
る電圧とは独立にセットさせるものである。トランジス
タ（１００）へのベース電流が供給されると、トランジ
スタ（１００）及びスイッチ（ハ）は導通状態となシ、
この導通状態はベース電流が停止したときに終了する。

第１図を再び参照して巻線の組（ハ）における電流はス
イッチ（ハ）が導通状態のとき、トランジスタ（１００
）を流通する。駆動セクション翰におけるスイッチ（２
）の特定の一つについて説明した事項は、このスイッチ
（ハ）の他の素子にも適用され、又駆動セクション（ハ
）における６個のスイッチ（ハ）についても同様である
。２個のスイッチ（至）及び（至）はスイッチｇυと同
じ形態において有利に形成される。すなわち高速で用い
るトランジスタは巻線の組（ハ）、に）の各８個の巻線
に電流を通ずるに十分な大きい電流容量を有するもので
あることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はブラシレスＤＣモータに結合された本発明のモ
ータ制御回路をブロック構成とともに示す配線図、第２
図は第１図の駆動セクションにおいて用いられるスイッ
チ回路の略図である。 （イ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・制御回路（ハ）・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・モータ（イ）、（ハ）・・・
・・・・・・・・・・・駆動セクション（６）・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ロータ（
ハ）、（ト）・・・・・・・・・・・・・・巻線の組（
４）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
ホール素子（財）・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・磁気円盤特許出願人　　　　コルモーグン
テクノロジイス。 コイレイジョン 代理人　新実健部 （外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　巻線の複数の組と、モータのステータ及びロ
   ータ間の相対位置を指示するための位置検出器とを含む
   ブラシレスＤＣモータト、 各巻線の組に接続された回路であって、各回路が′これ
   に接続された巻線の組を整流することができるように個
   々に設けられた駆動スイッチング回路、及び・ 前記巻線の組を並列又は直列に接続することにより、選
   択的に異なったモータ特性を発揮させることができるよ
   うにした直／並列るイツチング手段を備えたことを特徴
   とするブラシレスＤＣモータの制御システム。 （２）前記モータが２組の巻線を含み前記制御システム
   が前記巻線の各組にそれぞれ接続された２ツノ駆動スイ
   ッチング回路を含むものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項記載のシステム。 （３）特許請求の範囲第（１）項記載のモータ制御シス
   テムにおいて、前記モータの速度を検出すぺ〈結合され
   た速度検出手段を含み、この速度検出手段を前記直／並
   列スイッチング手段に、これを制御すべく接続したこと
   を特徴とするシステム０ （４）前記モータの速度を検出すべく結合された速度検
   出手段が、前記モータの所定速度以下における運転中に
   おいて、前記巻線を並列にし、前記モータの所定速度を
   上回る速度での運転中において、前記巻線を直列に接続
   することを前記駆動スイッチ手段を介して行なうように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載の
   システム。 （６）　　前記駆動スイッチング回路の各々が、ブリッ
   ジ回路型に接続されたトランジスタのセットを含むもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第（０項記載の
   システム。 （６）巻線の複数の組と、モータのステータ及びロータ
   間の相対位置関係を指示するための位置検出器とを含む
   ブラシレスＤＣモータと、前記巻線の各組に接続されて
   おり、各々対応する巻線の組を整流することができる、
   個々に接続されたことにより、前記駆動スイッチング回
   路のスイッチング状態を前記モータのステータ及びロー
   タ間の相対位置に従って制御するための論理制御回路手
   段及び 前記駆動スイッチング回路に接続されたことにより、前
   記巻線の組を並列又は直列に接続して選択的に異なった
   モータ特性を発揮せしめるための直／並列スイッチング
   手段を備えたことを特徴とするブラシレスＤＣモータの
   制御システム。 （７）特許請求の範囲第（７）項記載のモータ制御シス
   テムにおいて、前記駆動スイッチング回路により前記巻
   線に供給される電流を制御すべく、前記論理制御回路手
   段に接続されたパルス幅変調器を備えたことを特徴とす
   るシステム。 （８）前記モータが２組の巻線を含み、前記制御システ
   ムガそれぞれ前記巻線の各組に接続された２組の駆動ス
   イッチング回路を含むものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第（６）項記載のシステム。 （９）特許請求の範囲第（８）項記載のモータ制御シス
   テムにおいて、前記モータの速度を検出すべく結合され
   た速度検出手段を備え、前記速度検出手段が前記駆動ス
   イッチ手段を介して前記巻線を相互接続するようにした
   ことにより、前記モータが所定の速度より低い速度で回
   転するときは、前記巻線を並列にし、前記モータが所定
   速度を上回る速度で回転するときは、直列に接続するよ
   うにしたことを特徴とするシステム。 ００）前記駆動スイッチング回路の各々がブリッジ回路
   接続されたトランジスタスイッチのセットからなること
   を特徴とする特許請求の範囲第（６）項記載のシステム
   。 （ＩＩ）互いに相対的に移動することができる第１及び
   第２の部材と、前記第１及び第２の部材間における相対
   移動を与えるために、第１及び第２の巻線セクションを
   有するようにした巻線手段とを含む電気モータと、 前記巻線手段に電源からの電力を供給するための手段で
   あって、それぞれ前記第１及び第２の巻線セクションに
   接続された第１及び第２の駆動セクションを含むととも
   に、さらに前記第１及び第２の駆動セクションを前記相
   対移動の大きさに従って選択的に直／並列に接続するた
   めの結合手段を有することにより、前記電源に対して反
   射される前記モータイ線のインピーダンスを、前記モー
   タ速度に従って変換させるようにした駆動手段と、 を備えたことを特徴とする負荷駆動用電気駆動システム
   。 （＋２、特許請求の範囲第（１１）項記載の駆動システ
   ムがさらに前記第１及び第２の駆動セクションの、互い
   に反対極性の端子間に結合されたダイオード手段を備え
   たことを特徴とする駆動システム。 ０３）前記結合手段が前記第１及び第２の駆動セクショ
   ンに接続されるスイッチのセットを含むことにより、前
   記駆動セクションの同じ特性の端子を選択的に結合し、
   かつ切離し、前記ダイオードの導通状態を変化させるよ
   うにしたことを特徴とする特許請求の範囲第（ロ）項記
   載の駆動システム。 ０→　特許請求の範囲第（１０項記載の駆動システムが
   前記モータと前記駆動手段との間に結合された速度検出
   手段を含むことを特徴とする駆動システム。 ０５）前記駆動セクションの各々が、ブリッジ回路接続
   されたスイッチのセットを含むことを特徴とする特許請
   求の範囲第０→項記載の駆動システム。 ０６）特許請求の範囲第（１５）項記載の駆動システム
   がさらに前記モータの前記第１及び第２の部材間の相対
   位置を検出するための位置検出器と前記駆動セクション
   のスイッチを付勢す、るために前記位置検出器によりア
   ドレスされるメモリーと、前記巻線手段に供給される電
   流の大きさを変化すべく前記駆動セクションのスイッチ
   における制御ライン上の信号を変調するように前記メモ
   リーをアドレスするためのパルス幅変調器とをＮむこと
   を特徴とする特許請求の範囲第０荀項記載の駆動システ
   ム。