JPS6235355B2

JPS6235355B2 -

Info

Publication number: JPS6235355B2
Application number: JP54008594A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamauchi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-01-26
Filing date: 1979-01-26
Publication date: 1987-07-31
Also published as: JPS55100084A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は無刷子直流モータの、特に、駆動回
路に関する。

無刷子直流モータとして、ロータの回転角位置
に無関係に常に一定の回転トルクが得られるよう
にしたものが知られている。

第１図〜第４図は、この種の無刷子直流モータ
の一例で、磁束分布が正弦波状になるようにロー
タマグネツトが着磁されるとともに、互いに位相
が90度異なる２相交流電流を、２相のステータコ
イルに流すことにより、ロータの回転角に無関係
に常に一定のトルクが得られ、トルクむらのない
回転をなすようにしたものである。

すなわち、第１図はこの無刷子直流モータの一
例の縦断面を示すもので、１は回転軸、２はロー
タマグネツト、３はロータヨークで、ロータマグ
ネツト２はロータヨーク３に被着されている。

ロータマグネツト２は複数極に着磁された永久
磁石が用いられるもので、第２図に示すように例
えば８極に着磁されるとともに、磁束分布が正弦
波状になるように着磁されている。

また、ステータコイルは２相設けられるもの
で、第３図に示すようにロータマグネツト２より
の磁界に対して互いに同相となる位置に配置され
ている巻線ブロツクC₁とC₂が直列に接続されて
第１のステータコイル４が形成され、ロータマグ
ネツト２よりの磁界に対して互いに同相となる位
置に同様に配されている巻線ブロツクC₃とC₄が
直列に接続されて第２のステータコイル５が形成
される。そして、これら第１及び第２のステータ
コイル４及び５はロータマグネツト２に対向する
ように配されるとともに互いに電気角で90゜の奇
数倍だけ異なるように配されている。

また、２個のステータコイル４及び５に対応し
てロータマグネツト２の磁界を検出するための検
出素子として２個のホール素子６及び７が設けら
れる。すなわち、ホール素子６はステータコイル
４と電気角で同相となる位置に、ホール素子７は
ステータコイル５と電気角で同相となる位置に、
それぞれ配されるとともに、２個のホール素子６
及び７は、第３図に示すようにロータマグネツト
２よりの磁束を検出する位置で、かつ、互いに電
気角で90゜異なる位置に配置される。

第４図は、この無刷子直流モータの駆動回路を
示すもので、２個のホール素子６及び７には、端
子８が通じて直流電流Ｉが供給されている。

したがつて、ロータマグネツト２の回転に応じ
て、ホール素子６及び７には正弦波電圧が得ら
れ、この電圧が直線性を有する増幅回路９及び１
０に供給される。すなわち、ホール素子６及び７
の出力に得られる正弦波電圧がオペレーシヨナル
アンプ（以下オペアンプという）１１及び１２の
正及び負入力端子間に印加され、このオペアンプ
１１及び１２の出力により、正弦波電圧の正の半
サイクル期間にはそれぞれトランジスタ１３及び
１５が導通状態となつて、これを通じてステータ
コイル４及び５に電流が流れ、負の半サイクル期
間にはそれぞれトランジスタ１４及び１６が導通
状態となつてこれを通じてステータコイル４及び
５に電流が流れる。

したがつて、ステータコイル４及び５には、ホ
ール素子６及び７より得られた電圧に比例した電
流が供給される。

すなわち、ロータの回転角をθとすれば、一方
のステータコイル４に鎖交する磁束B₁及び他方
のステータコイル５に鎖交する磁束B₂は、 B₁＝Bmsinθ ……(1) B₂＝Bmcosθ ……(2) で表わされる。ただしBmは定数である。

また、２個のホール素子６及び７によつてロー
タマグネツト２よりの正弦波状の磁束が検出さ
れ、これらホール素子６及び７には、検出磁束に
比例した電圧が発生し、これが増幅回路９及び１
０に供給されるから、各ステータコイル４及び５
に流れる電流i₁及びi₂は、 i₁＝Ksinθ ……(3) i₂＝Kcosθ ……(4) となる。但し、Ｋは回転角θに無関係の値で、完
成したモータでは電流Ｉが一定ならば定数であ
る。

したがつて、ステータコイル４及び５による力
F₁及びF₂は、 F₁＝i₁・B₁＝BmKsin²θ ……(5) F₂＝i₂・B₂＝BmKcos²θ ……(6) したがつて、ロータマグネツト２が受ける力Ｆ
は、Ｆ＝F₁＋F₂ ＝BmK（sin²θ＋cos²θ）＝BmK ……(7) となり、ロータの回転角θに関係なく一定のもの
となる。

このように、この無刷子直流モータによれば、
磁束分布が正弦波状になるようにロータマグネツ
トを着磁するとともに２相のステータコイルに、
互いに位相が90度ずれた２相正弦波交流信号を通
電することにより、ロータの回転角に無関係に常
に一定のトルクを得ることができ、トルクむらの
ない直流モータが実現できるものである。

ところで、上述の例のように、ロータマグネツ
トよりの磁界を２個のホール素子で検出し、その
検出出力から直接的にステータコイルに流す正弦
波電流を形成するようにした場合には次のような
欠点がある。

すなわち、ホール素子の検出出力には直流オフ
セツト電圧が発生し、したがつてステータコイル
に流れる正弦波電流には直流分が含まれる。この
ため正弦波の正の区間と負の区間との長さが異な
り、これがトルクリツプルの原因となる。

また、ホール素子は同一材料で構成されたもの
であつても、その積感度は同じではなく、バラツ
キがある。したがつて、その出力電圧にもバラツ
キが生じ、上述の例の場合、ホール素子６の出力
電圧とホール素子７の出力電圧が同じにならず、
これもトルクリツプルの原因となる。

さらに、ロータマグネツトに対し、その磁束分
布が正確に正弦波状になるように着磁することは
困難で、通常、着磁むらを生じる。上述の例で
は、この着磁むらのあるロータマグネツトよりの
磁界を検出することにより正弦波を形成すること
になり、ステータコイルに流れる電流は正しい正
弦波にはならない。これも、トルクリツプルの原
因となる。

この発明の第１の目的は、上述の欠点を一掃で
きるようにした無刷子直流モータを提供しようと
することにある。

すなわち、この発明は、ステータコイルに供給
する正弦波電流を得るに当たつて、ロータマグネ
ツトよりの磁界を検出して、その検出出力を利用
するのではなく、正確な正弦波信号の情報を記憶
させておき、この記憶情報をロータの回転速度に
応じ、かつ、各ステータコイルに加わるロータマ
グネツトよりの磁界に同期して読み出すようにす
るものである。

ところで、このようにメモリーより波形情報を
読み出すのにロータの回転に応じて得られる信号
を利用する場合には、モータの起動は、読み出し
信号が得られないからこのままでは出来ず、他の
方法でモータの起動をしなければならない。した
がつて、モータの起動時は冒頭で述べたトルクむ
らのない駆動ではなくなつてしまうことが多々あ
ると考えられる。

そこで、この発明の第２の目的は、この起動時
の駆動期間を極力短期間ですむようにすることに
ある。

以下、この発明による無刷子直流モータの一例
を、第５図以下を参照しながら説明しよう。

第５図で、２０及び２１はリードオンリーメモ
リーで、この例では、メモリー２０と２１とでは
記憶される情報の位相が互いに90度異なるように
されるもので、例えば、一方のメモリー２０には
サイン波情報が、他方のメモリー２１にはコサイ
ン波情報が、それぞれ記憶される。

また、２２は例えばロータの回転軸に同軸的に
設けられた歯数Ｎの周波数発電機で、これよりは
ロータの１回転当たりくり返し数Ｎで、周波数が
ロータの回転速度に応じたものとなる信号FGが
得られる。そして、この例では、この信号FGに
よりメモリー２０及び２１よりの波形情報を読み
出すようにするもので、このためメモリー２０及
び２１には周波数発電機２２の歯数に基づいてサ
ンプリングされた波形情報が記憶されている。

すなわち、例えば、周波数発電機２２の全波数
Ｎが512個で、ロータマグネツト２が８極着磁さ
れている場合には、ロータの１回転当たり、正弦
波磁界は第６図Ａに示すように４回くり返すの
で、正弦波磁界の１周期分に対応する周波数発電
機２２の歯数は128である。そこで、正弦波磁界
に対応して正弦波信号を得るには、サイン波及び
コサイン波の１周期分を128個のサンプリングパ
ルスでサンプリングし、その各値をメモリー２０
及び２１に記憶しておき、これを信号FGによつ
て読み出すようにすればよい。

この例の場合、第６図Ｂに示すようにサイン波
の０ラジアンから２πラジアンまでに相当する１
周期分がサンプリング数128個でサンプリングさ
れ、そのサンプリングレベルが、例えば８ビツト
のデジタル量に変換されて、メモリー２０の０番
地から127番地に記憶され、同様に、第６図Ｃに
示すようにコサイン波の０ラジアンから２πラジ
アンまでに相当する１周期分がサンプリング数
128でサンプリングされ、そのサンプリングレベ
ルがデジタル量に変換されて、メモリー２１の０
番地から127番地に記憶されている。

一方、２５及び２６はカウンタで、これは周波
数発電機２２よりの信号FGを計数してリードオ
ンリーメモリー２０及び２１のアドレスを指定す
るものである。

この場合、周波数発電機２２より得られる信号
FGは正弦波状であるため、信号FGはアンプ２３
を通じてシユミツトトリガ回路２４に供給されて
パルスで整形されてパルスＰ_FGとされ、このパル
スＰ_FGがカウンタ２５及び２６に供給される。

この場合、前述の(7)式を満足するようにするた
めには、ロータマグネツト２よりの磁界に同期し
てメモリー２０及び２１から波形情報を読み出す
ようにしなければならない。すなわち、例えばス
テータコイル４に印加される磁界が立ち上がりの
零クロス点であるロータマグネツトの回転角位置
から、メモリー２０及び２１の読み出しを「０」
番地から順次開始する必要がある。

このため、この発明では次のようになされる。

すなわち、この例ではステータコイル４と電気
角で同相となる位置に配置されたホール素子３２
（従来例のホール素子６に対応）にてロータの回
転に伴つてロータマグネツト２よりの正弦波状磁
界が検出され、その出力EH_S（第７図Ｃ）がリミ
ツタ回路３３に供給されてこれより矩形波信号Ｌ
_S（第７図Ｄ）が得られる。そして、この信号Ｌ_S
の例えば立ち上がりによりフリツプフロツプ回路
３４がトリガされてこれより信号Ｌ_Sが1/2分周さ
れた信号CS₂（第７図Ｅ）が得られ、さらにこの
信号CS₂の立ち上がりによりフリツプフロツプ回
路３５がトリガされてこれより信号CS₂が1/2分
周された、したがつて信号Ｌ_Sが1/4分周された
CS₄（第７図Ｆ）が得られる。そして、この信号
CS₄によりカウンタ２５及び２６はリセツトされ
る。

この信号CS₄は、ロータの１回転につき１回の
立ち上がりを有し、しかもこの立ち上がりの時点
はステータコイル４に与えられる磁界EH_Sの立ち
上がりの零クロス点Ｐに相当する。したがつて、
カウンタ２５及び２６はステータコイル４に与え
られる磁界EH_Sが零クロス点Ｐであるロータの回
転角位置でリセツトされ、その直後のパルスＰ_FG
から順次「１」，「２」，「３」…と計数される。す
なわち、磁界EH_Sに同期して、メモリー２０より
サイン波情報の読み出しがなされ、また、磁界
EH_Sに対して90度進相した磁界EH_C（第７図Ｇ）
に同期してメモリー２１よりコサイン波情報の読
み出しがなされる。

こうして得られたデジタル波形情報はそれぞれ
Ｄ／Ａ変換器２７及び２８にてアナログ正弦波信
号に変換され、それぞれアンプ２９、ドライブ回
路３１及びアンプ３０、ドライブ回路３２を通じ
てステータコイル４及び５にそれぞれ供給され
る。

こうして、前述した第(7)式を満足する回転駆動
がなされる。

この場合、フリツプフロツプ回路５３の出力
CS₄の立ち上がりにより１回転毎にカウンタ２５
及び２６がリセツトされるので、１回転の中途で
カウント誤差が生じても、次の１回転では新たに
カウントが開始されるので、カウント誤差による
波形の歪はほとんど無視できるものである。

以上は、この発明による無刷子直流モータの定
常回転時における動作であるが、前述したように
モータの起動時には、ロータは回転していないの
で、周波数発電機２２よりは信号FGは得られ
ず、このままでは起動はできない。そこで、この
例では起動時を考慮して次のようにしている。

すなわち、例えばスタートスイツチを押すと、
端子３７を通じてスタートスイツチを押している
期間だけ「１」となる信号がオア回路３８に供給
されて、このオア回路３８の出力が「１」とな
り、その「１」となる期間だけスイツチ回路３９
が図の状態とは逆の状態に切り換えられて、この
スイツチ回路３９より「１」に立ち上がる信号
SP（第７図Ａ）が得られ、これがそれぞれプリ
セツト定数設定回路４０及び４１に供給される。
そして、プリセツト定数設定回路４０によりカウ
ンタ２５は「32」の状態にプリセツトされ、プリ
セツト定数設定回路４１によりカウンタ２６は
「０」の状態にプリセツトされる。すなわち、そ
れぞれ、各波形の正の最大値を読み出すべきアド
レスがプリセツトされる。したがつて、ムモリー
２０及び２１よりは各波形の正の最大値のデジタ
ル情報（等しい値である）が読み出され、これが
Ｄ／Ａ変換器２７及び２８にてアナログ信号に変
換される。

一方、リミツタ回路３３の出力Ｌ_Sがゲート回
路４２に供給される。また、ステータコイル５と
電気角で同相となる位置に配置されたホール素子
４３（第４図のホール素子６に対応）にてロータ
マグネツト２よりの磁界が検出され、その検出電
圧EH_C（第７図Ｇ）がリミツタ回路４４に供給さ
れてこれより矩形波信号Ｌ_C（第７図Ｈ）が得ら
れ、この信号Ｌ_Cがゲート回路４５に供給され
る。

また、スイツチ回路３９よりの「１」に立ち上
がる信号SPによりフリツプフロツプ回路３６が
セツトされ、これより「１」に立ち上がる信号Ｓ
_F（第７図Ｂ）が得られ、これがゲート回路４２
及び４５に、そのゲート信号として供給される。
そして、ゲート回路４２及び４５は信号Ｓ_Fが
「１」である期間オンとされて、この期間、これ
を通じてリミツタ回路３３及び４４の出力信号Ｌ
_S及びＬ_Cがそれぞれスイツチ回路４６及び４７に
供給される。そして、信号Ｌ_S及びＬ_Cが「１」で
あるときにはスイツチ回路４６及び４７は図の状
態に切り換えられて、アンプ２９及び３０よりは
Ｄ／Ａ変換器２７及び２８の出力がそのままの極
性で得られ、信号Ｌ_S及びＬ_Cが「０」であるとき
にはスイツチ回路４６及び４７は図の状態とは逆
の状態に切り換えられて、アンプ２９及び３０よ
りはＤ／Ａ変換器２７及び２８の出力が逆の極性
で得られる。したがつて、アンプ２９及び３０の
出力Ｄ_S（第７図Ｉ）及びＤ_C（第７図Ｊ）は、正
弦波信号の最大振幅に等しい振幅の矩形波信号と
なり、これがドライブ回路３１及び３２を通じて
ステータコイル４及び５に供給されてモータが起
動される。

なお、このとき、フリツプフロツプ回路３６の
出力Ｓ_Fはカウンタ２５及び２６のイネーブル端
子に供給されて、この出力Ｓ_Fが「１」である間
は、すなわち、起動時は、シユミツトトリガ回路
２４よりのパルスＰ_FGがカウンタ２５及び２６で
計数されないようにされている。

こうしてモータの起動がなされて、ロータが回
転を始め、ロータの回転角位置がホール素子３２
で、磁界EH_Sの最初の立ち上がりの零クロス点を
検出する位置になると、前述したように、フリツ
プフロツプ回路３３の出力CS₄が「１」に立ち上
がり、これによつてフリツプフロツプ回路３６が
リセツトされて、その出力Ｓ_Fは「０」になる。
すると、ゲート回路４２及び４５はオフとなり、
スイツチ回路４６及び４７は図の状態に切り換え
られたままとなる。これと同時に、カウンタ２５
及び２６が信号CS₄の立ち上がりによりリセツト
されるとともに、出力Ｓ_Fが「０」になることに
よつてカウンタ２５及び２６は計数可能状態とな
り、パルスＰ_FGの計数が「１」、「２」…と開始さ
れる。そして、前述したように、このカウンタ２
５及び２６の出力によりメモリー２０及び２１か
ら各波形情報が順次読み出されて、定常回転駆動
状態になる。

ところで、この定常回転駆動状態で、例えば、
外力によりロータの回転が強制的に停止されてし
まつたような場合には、パルスＰ_FGがなくなるの
で、このままではモータは回転を続けることがで
きなくなつてしまう。そこで、この例では、次の
ようにされる。すなわち、アンプ２３を通じた周
波数発電機２２よりの信号Ｆ_Gが速度検出回路４
８に供給されて、これより信号FGの周波数に比
例した電圧が得られ、これがレベル検出回路４９
に供給される。そして、ロータの回転数が低くな
つて、速度検出回路４８の出力電圧が一定値以下
になつたとき、このレベル検出回路４９の出力に
「１」に立ち上がる信号が得られ、これがオア回
路３８を通じてスイツチ回路３９に供給されて、
これがオンとされる。したがつて、スイツチ回路
３９よりは起動時と同様に「１」に立ち上がるパ
ルスSPが得られ、ステータコイル４及び５には
矩形状電流が流れて、起動時と全く同様の動作と
なる。そして、回転速度が上がれば、前述と同様
にして起動回転駆動状態から定常回転駆動の状態
に戻り、回転は持続する。

以上述べたようにして、この発明によればロー
タマグネツトよりの磁界を検出素子で検出し、そ
の検出出力からステータコイルに供給する正弦波
電流を形成するのではなく、歪のない正弦波情報
をメモリーに記憶しておき、このメモリーより正
弦波情報をロータマグネツトよりの磁界に同期す
るとともにロータの回転に同期した信号により読
み出し、この読み出した情報からステータコイル
に流す電流を形成するようにしたので、検出素子
としての２個のホール素子のゲイン差や、直流オ
フセツト電圧に起因するトルクリツプルは生じな
いという顕著な効果がある。

また、ロータマグネツトよりの磁界が正しく正
弦波状でないことによる影響も、ステータコイル
に流れる電流には全くない。

また、この発明においては、ステータコイルに
供給する正弦波電流を得るに当たつて、ロータマ
グネツトよりの正弦波磁界に同期させるようにす
るのに、ロータマグネツトよりの正弦波磁界の任
意の立ち上がり（又は立ち下がり）の零クロス点
を基準とするようにしたので、起動回転区間が短
かくなるという効果がある。

すなわち、上述の同期をとるにあたつては、例
えばロータヨークの外周の所定の位置に永久磁石
をマーカとして被着し、このマーカ磁石の位置を
例えばホール素子で検出し、これを基準とする方
法も考えられる。ところが、この方法では、ロー
タが、マーカ磁石の位置をちよつと通り過ぎた時
点で停止していた場合には、起動回転区間は、最
大、１回転期間にまでなつてしまうことになる。

これに対し、この発明による場合の同期の基準
点は、回転開始時点から初めに検出素子に到来す
る任意の零クロス点であるので、起動区間は最悪
の場合でも正弦波磁界の１周期分である。したが
つて、定状回転時に比べてトルク変動が生ずる起
動回転区間が短かいという利点がある。

また、この発明では同期位置検出素子として、
従来通常用いられているロータの位置検出素子と
してのホール素子を利用することができ、特に永
久磁石やその磁界を検出する検出素子を設ける必
要がないという利点もある。

なお、図の例ではメモリーには正弦波の１周期
分を記憶するようにしたが、ロータの１回転分、
図の例では４周期分を記憶しておくようにしても
よく、また、正弦波の1/2周期分を記憶しておい
て、信号Ｌ_S及びＬ_Cにより、スイツチ回路４６、
及び４７を切り換えて、正弦波電流をステータコ
イル４及び５に供給するようにすることもでき
る。

また、メモリー２０にはサイン波情報、メモリ
ー２１にはコサイン波情報を記憶するようにした
が、読み出しのタイミングを工夫することにより
メモリー２０及び２１の同じ番地に同じ波形情報
を記憶することもできる。

また、メモリーより時分割的にサイン波形情報
とコサイン波形情報を読み出すようにすることに
よりメモリーは共通の１個とすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は無刷子直流モータの一例の構造を示す
断面図、第２図及び第３図はその説明のための
図、第４図は従来の無刷子直流モータの駆動回路
の要部の一例の回路図、第５図はこの発明による
無刷子直流モータの駆動回路の一例の系統図、第
６図及び第７図はその動作の説明のための波形図
である。２はロータマグネツト、４及び５はステータコ
イル、２０及び２１はメモリー、２２は周波数発
電機、２５及び２６はカウンタ、３２はホール素
子、３３はリミツタ回路、３４，３５及び３３は
フリツプフロツプ回路である。

Claims

【特許請求の範囲】

１磁界分布が正弦波状になるように着磁された
ロータマグネツトと、互いに電気角で90度の奇数
倍だけ異なる位置に配置された２相のステータコ
イルと、ロータの回転速度に応じてくり返し周波
数が変わる信号を得る信号発生器と、上記信号発
生器よりの信号のくり返し数と上記ロータマグネ
ツトよりの磁界との関係を考慮したサンプル数で
正しい正弦波信号がサンプリングされ、そのサン
プリング値がデジタル量に変換されて各番地に順
次記憶されたメモリーと、上記信号発生器の出力
信号を計数して上記メモリーの番地を指定するカ
ウンタと、上記ロータマグネツトの回転角位置を
その磁界を検出することにより検出する位置検出
手段と、この位置検出手段の出力信号から、上記
ロータマグネツトよりの磁界の立ち上がり又は立
ち下がりの任意の零クロス点を検出した時点を基
準にして上記カウンタでの番地計数を開始させる
ようにするカウンタ制御手段と、上記カウンタの
カウント値出力により上記メモリーより上記ロー
タマグネツトよりの磁界に同期した正弦波信号の
デジタル量を読み出すための読み出し手段と、読
み出された信号に基づいて位相が90゜異なる２相
の駆動信号を形成し、この２相の駆動信号を上記
２相のステータコイルに供給するための駆動回路
とを設けた無刷子直流モータ。