JPS5831830B2 - ブラツシレス直流電動機の駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転子に永久磁石を使用し固定子に逐時に励
磁電流が供給される複数の励磁コイルを配置して成る所
謂永久磁石形プラツシレス直流電動機に関し、特に、回
転子に２個のホール発電素子を配置し該ホール発電素子
の発生電圧によって回転子の回転位置を検出し、これら
２つの検出信号を利用して励磁電流を供給すべきコイル
の選択および励磁電流の極性を決定するプラツシレス直
流電動機の駆動回路に関する。

本発明は、極性切換可能な単一の増幅器によっテフラツ
シレス直流電動機を駆動することのできる簡単な構成の
駆動回路を提供することを目的とする。

本発明は更に、回転子が如何なる停止位置にある場合で
も直流電源出力の供給を受けると同時に確実に回転を開
始し回転子を所望の方向に回転せしめることのできる駆
動回路を提供することを目的とする。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

第１図は、本発明の駆動回路を実施せるプラツシレス直
流電動機の概略の構成を示す。

図において、Ｍは電動機の構成説明図である。

１は永久磁石２を使用せる回転子で、０は回転軸である
。

永久磁石２のＮ、Ｓ磁極にはそれぞれ磁極片Ｎ、Ｓが固
定されており、磁極片Ｎ、Ｓの軸方向の片端（図では手
前正面）には後述のホール発電素子に作用する回転子永
久磁石２の漏洩磁界をつくるために補助磁極ｎ、ｓが接
着されている。

補助磁極ｎｔｓはＭの説明図には示さずに、ｎ、ｓのみ
をＣ図に分離して示す。

補助磁石ｎ、５は一対の半円環形の軟鉄板で、−面をＮ
、Ｓ磁極の側面に接着し、幅狭い空隙ｑ１ 、ｑ２を隔
てて対向する。

永久磁石２の中心磁軸をｐ−ｐとすれば、中心Ｏを通る
（１１ ０ （１２面と磁軸ｐ−ｐとは軸方向から
見ると直交する。

コイルＡとＢとは回転子のまわりに配置されている固定
子鉄心に巻回されている２組の励磁コイルで、コイルＡ
の中心軸ａ −ａとコイルＢの中心軸ｂ−ｂとは中心Ｏ
を通り直交する。

Ｄ図に示すリング状の軟鉄板４は電動機フレーム（図示
せず）に固定されており、第１図Ｂに示すごとくその一
面は補助磁極ｎ、ｓの表面に対向しｎ９ｓに近接配置さ
れる。

軟鉄板４の補助磁極に対向する面に２個のホール発電素
子ｘｙがはり付けられている。

ホール発電素子ｘ、ｙはＤ図に示すごとく、一方の励磁
コイル例えばＡの中心軸ａ −ａと回転軸Ｏを含む平面
に対し対称の位置にあり、挟角Ｘ−０−ｙがほぼ９０度
をなして配置されている。

各ホール発電素子の電流端には定電圧源ＥＢより抵抗塊
を介して一定の直流駆動電流が供給されており、素子が
回転子１の補助磁極ｎまたはＳに接近すれば素子の出力
端に近接する補助磁石の極性に為応する極性の直流電圧
■を発生する。

この直流電圧上■を回転子の回転位置検出信号と呼び、
Ｘの出力■工を第１、ｙの出力ｖｙを第２の回転位置検
出信号と称する。

第１回転位置検出信号Ｖｘは後述する第１極性弁別増幅
器ＯＰＸに肌えられる。

ＯＰＸは検出信号■ を増幅しその出力に第１検出信号
りの極性に対応して２値に変化する′ＸＱ ｚＡｓ ｌ
“信号Ｘを発生する。

第２のホール発電素子ｙに発生する第２回転位置検出信
号Ｖｙも同様に第２極性弁別増幅器ＯＰｙによって増幅
され、ＯＰｙの出力にＶｙの極性に対応する２値の ０
１ 信号Ｙを発生する。

電動機を、駆動するための直流電源（図示せず）の出力
電圧飄は極性切換可能な増幅器ＳＡの入力５に印刃口さ
れる。

この極性切換増幅器ＳＡは第１極性弁別増幅器ＯＰ
の出力信号Ｘに制卸され、Ｘのゝ０ 〃またＯｔｌ “
の信号値に対応し出力６に■の反転出力−ＥＸあるいは
非反転出力＋〜を発生する。

この出力±ＥＸは後述の演算回路ＥＬの出力信号Ｚに制
御される切換回路ＳＷに導かれる。

一方、第１極性弁別増幅器ＯＰＸの出力信号Ｘおよび第
２極性弁別増幅器ＯＰｙの出力信号Ｙは排他的論理和回
路ＥＬに与えられ、ここで両信号の排他的論理和演算が
行われる。

ＥＬの出力信号Ｚは切換回路ＳＷの接続を制御し、ＳＷ
の切点７を８または９に選択的に接続する。

以下、上述の駆動回路による電動機Ｍの動作を説明する
。

いま、回転子の補助磁極のｎ極がホール発電素子Ｘに近
接せる時に素子Ｘに発生する回転位置検出信号ｖＸによ
って第１極性弁別増幅器ＯＰＸの出力に発生する信号Ｘ
の値、ＥＳＳ ｌ ／／、、 ｓ極がＸに近接せる時の
出力信号Ｘの値をゝ０ 〃とする。

また、ｎ極がホール発電素子ｙに近接させる時にＯＰｙ
の出力信号Ｙの値を５１“９ｓ極がｙに近接せる時の信
号Ｙの値を１０“とする。

また、信号Ｘ力φｌ“のとき極性切換増幅器ＳＡの出力
信号を＋ＥＸ１ゝＯ“のときの出力信号を−ＥＸとする
。

いま、第１図Ｃ，Ｄに示すごとく、回転子１の永久磁石
Ｎ、Ｓの中心磁軸Ｐ１７Ｐが励磁コイルＡの中心軸ａ
−ａと平行する時の回転子１の回転位置を基準位置とす
れば、この位置においては、回転子補助磁極のｎ極がホ
ール発電素子Ｘとｙとに対向する。

この基準位置から回転子が時計方向に一回転すればその
間にｘ、ｙ素子とｆｉ、Ｓとの対向関係は第１表の第１
列、第２列に表示するごとく変化し、このＸ、ｙとｎ、
ｓとの対向関係の組合せに対応し、Ｘ９ＹおよびＺは第
３、第４．および第５列に示す値をとる。

切換回路ＳＷにおいて、Ｚが２０“のとき接点７が９に
接続しＳＡの出力＋ＥＸまたは−へはコイルＢに供給さ
れ、Ｚが＆Ｓ １ ／／のときはコイルＡに供給され
るとすれば、その結果、回転子が固定子に対し如何なる
回転位置にあっても回転子には一定方向のトルクが作用
し一定方向に回転する。

つまり、図１の場合、飄の極性が正のとき右方向に回転
し、負のときにはその逆方向に回転する。

第２図は、本願の他の発明の実施例の駆動回路要部の概
略の構成を示す。

図において、第１図に示され！いる構成要素に対応する
要素は第１図に記入せる符号と同一符号を付して示す。

第２図（こ示す駆動回路で第１図に示す回路と異なると
ころは、第１極性弁別増幅器ＯＰＸの出力信号Ｘが抵抗
〜を介してホール発電素子ｙの駆動電流としてｙに供給
されていること、および第２極性弁別増幅器ＯＰ の出
力信号Ｚによって直接切換回路ＳＷの切換接続を行ない
論理演算回路ＥＬを要しないことである。

この駆動回路の作用を説明すれば次のごとくである。

第１極性弁別増幅器ＯＰＸにはリニヤ集積回路が使用さ
れており、出力信号Ｘの１１“およびゝ Ｏ“のレベル
は集積回路の正、負の飽和型モ＋Ｅ８ および−Ｅ８
である。

したがって、ホール発電素子ｙの出力信号ｖｙの極性は
ｙに近接する補助極の極性ｎまたはＳとＸの極性との両
者に関係して定まる。

ホール発電素子Ｘとｙのそれぞれに対向する場合の組合
せに対するＯＰｘの出力信号Ｘの極性、むよびＯＰｙの
出力信号Ｚの極性とを表示すれば第２表となる。

ここでＯＰｙとして使用されている増幅器はＯＰＸと同
様にリニヤＩＣとする。

い１、補助磁極の極性ｎ、ｓをそれぞれ＋、−とみなせ
ば、Ｘの極性とｙに近接する磁極の極性とが一致してい
る場合はＺは正、一致していない場合は負である。

信号Ｘの極性の変化によって極性切換増幅器ＳＡの出力
信号■の極性を反転し、信号Ｚによって切換回路ＳＷの
切換動作を行えば第１図の駆動回路と同様に直流電源出
力勾によって電動機を駆動することができる。

第１図の駆動回路によれば排他的論理和回路ＥＬが必要
であるが、第２図の駆動回路にｂ−ｈ−ｍＥＬの要がな
い。

また、第１図の回路においては、第１．第２の各極性弁
別増幅器の出力信号Ｘ１およびＹを演算回路ＥＬに使用
されるＩＣ回路の入力に適合させるために、Ｘ、Ｙのレ
ベルを変換シてからＥＬに供給しなければならないが、
第２図の回路においてはＸおよびＺのレベル変換を行う
必要がない。

例えば第１図における演算回路ＥＬとして普通のＴＴＬ
−ＩＣを使用する場合は、Ｘ。

Ｙ♂Ｑ ／／、”＋ １ ／／レベル、すなわち±Ｅ
８をＴＴＬに適合する入力レベルｏ 、５Ｖに変換しな
ければならない。

次に、ホール発電素子による回転子位置の弁別の確実化
手段について述べる。

第１図を参照し、回転子の基準位置からの時計方向の回
転角をθで表わし、θが略４５度の近くにあるときは、
回転子の補助磁極ｎ、Ｓ両極はともにホール発電素子Ｘ
と同程度に接近する。

したがってＸに発生する回転位置検出信号°へは第５図
ａに示すととくθの変化とともにゼロを通り漸進的に変
化し、この１へを第４図に示すようなＩＣによる差動増
幅器、すなわちＩＣ回路を使用した演算増幅器ＯＰにＲ
１〜Ｒ４の演算抵抗を接続し、Ｒ１−Ｒ４の関係を（１
）式に示すように選定せる通常の差動増幅器によって増
幅したと仮定すれば、 増幅器出力Ｘはθが４５度を横切る近くにおいてＯＰの
正負の飽和電圧±Ｅｓの中間の値をとる。

その結果、この信号Ｘを極性切換増幅器ＳＡに刃口え、
■の極性の切換えを行うとき切換力坏確実となる。

また、θが変化して例ボ１３５度の近くになり、ｎ９Ｓ
がともにホール発電素子ｙに同程度に接近した場合、第
４図に示す差動増幅器でｙの出力信号を増幅せる場合そ
の出力Ｙ（第２図の場合はＺ）の絶対値が減少し、第１
図の場合は演算回路ＥＬの演算動作が不確実になり、第
１図および第２図の倒れの駆動回路にあっても信号Ｚに
よる切換回路ＳＷの切換が不確実になる。

したがって回転子がかかる回転位置に停止している場合
は入力直流電圧■を作力目しても回転子は起動しないこ
とがある。

本発明においては、第１．第２の各極性弁別増幅器に第
３図に示す構成の差動増幅器を適用し、前述の欠点を除
去している。

この第３図の回路において、演算増幅器ＯＰに接続され
ている演算抵抗Ｒ１〜Ｒ４の値は次の式を満足するよう
に選定される。

すなわち、右辺の値を左辺の値よりわずかに太きいよう
に各抵抗値を定め、ＯＰの負帰還量より正帰還量をわず
かに犬きくシ、第３図の回路全体をわずかに正帰還を施
した増幅回路として動作させる。

かくすれば、この差動増幅器の出力はヒステリシス特性
をもち一方の飽和電圧から他方の飽和電圧に飛躍的に変
化する。

したがって、回転位置検出信号■工または■ が第５図
ａに示すごとくゼロに近い値をとり回転角θの変化に従
って漸進的に変化する範囲においてもこれに応答してＯ
ＰＸまたはＯＰ の出力に発生する信号ＸまたはＹ（第
２図回路にあってはＺ）の値は第５図すに示すごとく±
Ｅｓ ４ Ｅｓの飛躍的な変化をたどる。

第１９第２の各極性弁別増幅器ＯＰ 、ＯＰ。

として第３図の特性を有する差動増幅器を使用すれば、
２つの効果がもたらされる。

第１に、回転子がどんな回転角位置に停止していても、
駆動回路の入力に所定極性の直流電圧飄を作力１１すれ
ば、電動機回転子はこれに即応して確実に所定の方向に
回転を開始する。

第２に、回転子の回転に短周期の微小振動が含まれてい
て回転位置検出信号■アがこの微小振動に従って変化し
ても、極性弁別増幅器の出力信号Ｘ、Ｙ（またはＺ）は
その極性変換点の近くでこの微小振動に感応して所謂チ
ャタリングをおこすことがない。

したがって、励磁コイルが切換えられる回転角の近くで
コイルインダクタンスによっておこる励磁電流の位相遅
れがこのチャタリングによって増力口し、このモータを
サーボ系の駆動モータとして使った場合、系が発振する
のを防止することができる。

第６図、回転子の回転に短周期の微小振動が含まれてい
る場合のθの波形と第３図の帰還増幅器をＯＰｙとして
使用する場合の切換回路ＳＷを制御する信号Ｚの波形と
を示す。

図においてθおよびθ２はそれぞれ信号Ｚの極性変換点
で、それぞれ−Ｅ８→＋Ｅ８および＋Ｅｓ→−Ｅ８にな
るθの値を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願発明の駆動回路を実施せるブラツシレス
直流電動機の概略の構成を示す。 第２図は、本願の他の発明の実施例の駆動回路要部の概
略の構成を示す。 第３図は第１図または第２図に示す駆動回路における第
１．第２の極性弁別増幅器に適する回路の概略の接続図
を示す。 第４図は普通に知られている差動増幅器の接続図を示す
。 第５図ａおよびｂは本発明実施例の作用を説明するため
の線図でａは回転子回転角とホール発電素子の出力電圧
との関係を示し、ｂは回転角と極性弁別増幅器出力との
関係を示す。 第６図は、本発明実施例の作用を説明するための波形図
で、回転子の回転に微小振動成分が含まれている場合の
回転角の波形と切換回路を駆動する信号の波形との関係
を説明する。 Ｍ・・・電動機部分、１・・・回転子、２・・・永久磁
石、ｎ、ｓ・・・補助磁極、ＸｅＹ・・・ホール発電素
子、ＯＰ ・・・第１極性弁別増幅器、ＯＰｙ・・・
第２極性弁別増幅器、ＳＡ・・・極性切換増幅器、ＳＷ
・・・切換回路、ＥＬ・・・排他的論理和回路、Ａ、Ｂ
・・・固定子励磁コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各々直流駆動電流が供給されており回転子に近接し
   相互に一定の間隔をおいて配置されている第１および第
   ２のホール発電素子、前記第１、第２のホール発電素子
   の出力端にそれぞれ接続し各ホール発電素子出力端に発
   生する回転位置検出信号の極性に対応する２値出力信号
   を発生する第１６第２の極性弁別増幅器、直流電源の出
   力に接続しかつ前記第１極性弁別増幅器の出力信号に制
   御されることにより、前記電源出力の極性に対応する極
   性の出力または該対応極性と反対極性の出力を発生する
   極性切換増幅器、前記第１．第２の極性弁別増幅器の出
   力を受けて両出力信号値の排他的論理和に相当する値の
   出力信号を発生する論理演算回路、および該論理演算回
   路の出力信号に制御され前記極性切換増幅器の出力を電
   動機固定子の具備する複数の励磁コイルのうちの特定の
   励磁コイルに接続する切換回路を具備するブラツシレス
   直流電動機の駆動回路。 ２ 前記特許請求範囲第１項における第１および第２の
   各極性弁別増幅器は演算増幅器と少なくとも該増幅器の
   出力を入力側に正帰還する帰還回路とを具備する前記特
   許請求範囲第１項記載のブラツシレス直流電動機の駆動
   回路。 ３一定の直流駆動電流が供給されており回転子に近接し
   て配置され、回転子の回転位置に関係する第１回転位置
   検出信号を発生する第１ホール発電素子、前記第１ホー
   ル発電素子に接続し前記第１回転位置検出信号を増幅し
   、該検出信号の極性に対応する第１の２値出力信号を発
   生する第１極性弁別増幅器、回転子に近接しかつ前記第
   １ホール発電素子と一定の距離を隔てて配置されており
   前記第１極性弁別増幅器の出力から駆動電流が供給され
   ており、前記第１の２値出力信号と回転子の回転位置と
   に関係する第２回転位置検出信号を発生する第２ホール
   発電素子、前記第２回転位置検出信号を増幅し該第２位
   置検出信号の極性に対応する第２の２値出力信号を発生
   する第２極性弁別増幅器、直流電源の出力に接続しかつ
   前記第１の２値出力信号に制御され前記直流電源の出力
   の極性に対応する極性の直流出力または該直流出力の極
   性と反対極性の直流出力を発生する極性切換増幅器、お
   よび前記第２の２値出力信号に制御され、前記極性切換
   増幅器の出力を電動機固定子の具備する複数の励磁コイ
   ルのうちの前記第２の２値出力信号の信号値によって定
   まる特定の励磁コイルに接続する切換回路を具備するプ
   ラツシレス直流電動機の駆動回路。 ４ 前記特許請求範囲第３項における第１および第２の
   各極性弁別増幅器は、演算増幅器と少なくとも該演算増
   幅器の出力を入力側に正帰還する帰還回路とを具備する
   前記特許請求範囲第３項記載のプラツシレス直流電動機
   の駆動回路。