(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の励磁巻線を備えた固定子及び永久磁石からなる複数の回転子磁極を有する回転子を備えたブラシレスモータの前記回転子の位置を検出する位置検出器と、前記回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記複数の励磁巻線にそれぞれ直列に接続されオン状態において前記複数の励磁巻線に励磁電流を流す複数の励磁切換用半導体スイッチと、前記位置検出器の出力に応じて前記複数の励磁切換用半導体スイッチのオン・オフ切換信号を出力する駆動回路とを具備するブラシレスモータの駆動装置であって、
前記複数の励磁巻線と電源との間に配置されてオン状態において前記励磁巻線に前記電源から電力を供給する電力供給用半導体スイッチと、前記電力供給用半導体スイッチのオン・オフを制御するための制御信号を出力する電源制御回路とを具備し、
前記電源制御回路は、起動時において、前記電力供給用半導体スイッチのオン時間を回転子が負のトルク領域を脱出するのに必要な時間に定め、前記オン時間後のオフ時間を回転子が空回りをするのに必要な時間に定め、このオン時間とオフ時間の繰り返しによる起動動作を前記回転子が正方向に回転するのに必要な回数実施するように構成されていることを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
【請求項２】
複数の励磁巻線を備えた固定子及び永久磁石からなる複数の回転子磁極を有する回転子を備えたブラシレスモータの前記回転子の位置を検出する位置検出器と、前記回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記複数の励磁巻線にそれぞれ直列に接続されオン状態において前記複数の励磁巻線に励磁電流を流す複数の励磁切換用半導体スイッチと、前記位置検出器の出力に応じて前記複数の励磁切換用半導体スイッチのオン・オフ切換信号を出力する駆動回路とを具備するブラシレスモータの駆動装置であって、
前記複数の励磁巻線と電源との間に配置されてオン状態において前記励磁巻線に前記電源から電力が供給されるのを許容する制御用半導体スイッチと、前記制御用半導体スイッチのオン・オフを制御するための制御信号を出力する制御回路とを具備し、
前記制御回路は、起動時において、前記制御用半導体スイッチのオン時間を回転子が負のトルク領域を脱出するのに必要な時間に定め、前記オン時間後のオフ時間を回転子が空回りをするのに必要な時間に定め、このオン時間とオフ時間の繰り返しによる起動動作を前記回転子が正方向に回転するのに必要な回数実施するように構成されていることを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
【請求項３】
前記オン時間が０．２秒以上であり、前記オフ時間が０．０５秒以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスモータの駆動装置。
【請求項４】
前記オン時間を約０．３秒とし、前記オフ時間を約０．１秒として、前記オン時間と前記オフ時間を繰り返す起動動作を１回行うことを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータの駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレスモータは、複数の励磁巻線を備えた固定子と永久磁石からなる複数の回転子磁極を有する回転子とを備えている。このブラシレスモータを駆動制御するために、従来の駆動装置は、回転子の位置を検出する位置検出器と、回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、複数の励磁巻線にそれぞれ直列に接続されオン状態において複数の励磁巻線に励磁電流を流す複数の励磁切換用半導体スイッチと、位置検出器の出力に応じて複数の励磁切換用半導体スイッチのオン・オフ切換信号を出力する駆動回路とを有している。ブラシレスモータでは、起動時にデッドポイントを回避しなれければならないという特有の問題がある。
【０００３】
従来のデッドポイント回避の方法の一つとして、固定子の磁極と回転子の永久磁石との間のギャップの不均一から生じる励磁トルクの回転方向の正トルクへのアンバランスを利用して、デッドポイントを回避することが行われている。また駆動回路の制御部に、回転子の回転状態を検知して、デッドポイントでの拘束時にモータが焼損するのを防止するように、巻線への通電を遮断する機能を設ける場合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
相切換のタイミングは、回転子の永久磁石の磁束をホール素子により検出して行う。しかし回転子の回転速度が上がると、それに比例して励磁巻線に誘起する誘起電圧が増加するため、定格速度により、入力電流を制御し易い波形とするために、ホール素子の位置を変更してタイミングをずらす場合がある。その際に、起動時の回転子の安定点に対して、回転方向に対し負のトルクを発生する領域が現れる。そのポイントから起動した場合でも、逆回転→相切換ポイント到達→正回転→相切換ポイント到達→逆回転→相切換ポイント到達→正回転を繰り返すが、正トルクの方が大きくバランスするようにしてあるため、通常は正回転する。しかしモータの焼損を防止するための制御回路が、この動作を回転子回転状態の異常と判断する場合があり、このような場合には、巻線への通電が遮断されてしまい、正常に起動できなくなる。またブラシレスファンモータの場合に、複数のファンモータが配置されたときに、他のファンの風圧で回転子が逆回転すると、電源を投入したときに、正常回転に至らず、この場合にもモータの焼損を防止するための制御回路が働き、巻線への通電が遮断して、正常に起動できなくなる問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、起動時に確実に回転子を正方向に回転させることができるブラシレスモータの駆動装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の励磁巻線を備えた固定子及び永久磁石からなる複数の回転子磁極を有する回転子とを備えたブラシレスファンモータの回転子の位置を検出する位置検出器と、回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、複数の励磁巻線にそれぞれ直列に接続されオン状態において複数の励磁巻線に励磁電流を流す複数の励磁切換用半導体スイッチと、位置検出器の出力に応じて複数の励磁切換用半導体スイッチのオン・オフ切換信号を出力する駆動回路を具備するブラシレスモータの駆動装置を改良の対象とする。
【０００７】
本発明においては、複数の励磁巻線と電源との間に配置されてオン状態において励磁巻線に電源から電力を供給する電力供給用半導体スイッチと、電力供給用半導体スイッチのオン・オフを制御するための制御信号を出力する電源制御回路とを具備する。そして電源制御回路を、起動時において、電力供給用半導体スイッチのオン時間を回転子が負のトルク領域を脱出するのに必要な時間に定め、オン時間後のオフ時間を回転子が空回りをするのに必要な時間に定め、このオン時間とオフ時間の繰り返しによる起動動作を回転子が正方向に回転するのに必要な回数実施するように構成する。この電力供給用半導体スイッチは、励磁巻線に供給する電力を常時制御するために、オン・オフ動作をするものであるが、本発明では起動時にこの電力供給用半導体スイッチのオン時間とオフ時間とを前述のように制御することによりデットポイントを回避する。なお電力供給用半導体スイッチとは別に、複数の励磁巻線と電源との間に配置されてオン状態において励磁巻線に電源から電力が供給されるのを許容する専用の制御用半導体スイッチと、この制御用半導体スイッチのオン・オフを制御するための制御信号を出力する制御回路と別に設けて、この制御用半導体スイッチのオン時間とオフ時間を前述のように制御するようにしてもよい。なおこの場合に電力供給用半導体スイッチを備えているときには、電力半導体スイッチには通常の動作を行わせればよい。
【０００８】
いずれの場合でも、オン時間とオフ時間とをこのように定めると、電源投入時に負のトルク領域に回転子が位置していても、回転子を負のトルク領域から確実に脱出させて、正方向に回転させることができる。またブラシレスモータがファンモータである場合に、複数台のファンモータが配置された場合でも、前述の起動動作を繰り返すことにより、ファンが他のファンモータの回転により逆方向に回転していたとしても、風圧による負荷から脱出することができて、正方向に確実に回転させることができる。
【０００９】
オン時間及びオフ時間は、負荷条件や使用条件によって一律に定めることはできない。しかしながら典型的なケースを考えると、オン時間については０．２秒以上、オフ時間については０．０５秒以上にすれば、ほぼどのような条件であってもデットポイントを回避できる。通常の冷却に用いられるファンモータの場合には、好ましくは、オン時間を約０．３秒とし、オフ時間を約０．１秒として、オン時間とオフ時間とを繰り返す起動動作を１回行えばよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明をブラシレスファンモータの駆動装置に適用した実施の形態の構成の概略を示す図である。周知のとおり、ブラシレスファンモータは、図示しない複数の磁極部に励磁巻線が巻装されて形成された複数の巻線部を備えた固定子と、永久磁石からなる複数の回転子磁極を有する回転子とで構成されている。固定子の励磁巻線に流れる励磁電流により、回転子の永久磁石からなる複数の回転子磁極との間に吸引・反発力が起きて回転子が回転する。
【００１１】
図１において、符号Ｌ１，Ｌ２は固定子の複数の励磁巻線である。この駆動装置は、電源制御回路１と、駆動回路３と、ホール素子５と、位置検出器７と、回転速度検出手段９と、異常判定回路１１と、電力供給用半導体スイッチＴｒ１と、励磁切換用半導体スイッチＴｒ２及びＴｒ３とから構成されている。位置検出器７はブラシレスファンモータの図示しない回転子の永久磁石からなる回転子磁極の位置と励磁巻線が巻装されているステータ側のステータ磁極との位置関係を検出する。回転速度検出手段９は、ホール素子５の出力に基づいて回転子の回転速度を検出するものである。
【００１２】
励磁切換用半導体スイッチＴｒ２及びＴｒ３はブラシレスファンモータの励磁巻線Ｌ１及びＬ２に直列に接続されている。励磁切換用半導体スイッチＴｒ２及びＴｒ３は、オン状態において励磁巻線Ｌ１及びＬ２に励磁電流を流す。駆動回路３は、位置検出器７の出力に応じて励磁切換用半導体スイッチＴｒ２及びＴｒ３のオン・オフ切換信号を出力する。電力供給用半導体スイッチＴｒ１は、オン状態において励磁巻線Ｌ１及びＬ２に電源Ｖｓから電力を供給するものである。また図１においてＳｐＣは速度指令、ＧＲＤはグランド、ＬＳＡはモータの回転が所定の回転に達しない場合に発する低速アラーム、ＨＳＡはモータが最高回転速度で回転していることを知らせる高速アラームである。ブラシレスファンモータの回転子の回転速度が安定した後は、実際の回転速度と目標回転速度との比較を行う。実際の回転速度は回転子の回転速度をホール素子５を通して回転速度検出手段９により検出し、速度信号ＳｐＭとして得られる。目標回転速度は速度指令ＳｐＣとして与えられる。そして電源制御回路１で速度信号ＳｐＭと速度指令ＳｐＣとの両信号が比較されて、その比較結果として変動する制御出力が得られて電力供給用半導体スイッチＴｒ１がオン、オフ制御される。
【００１３】
図２は、図１に示したブラシレスファンモータの駆動装置の制御部分をマイクロコンピュータを用いて実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートである。なおこの例では、電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間を変えて速度を制御する。図２において、ステップＳＴ１はスタート処理であり、ここでは電源を投入してからブラシレスファンモータが徐々に回転を高めるように電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオン、オフを制御する。この例では、図３はステップＳＴ１の詳細を示している。このスタート処理では、最初にステップＳＴ１０１で電力供給用半導体スイッチＴｒ１を予め定めた一定時間のオン時間とする。このオン時間は、起動時に回転子が負のトルク領域を脱出することができる時間であり、一般的には０．２秒以上にすればよく、ファンモータの場合には約０．３秒あればよいと考える。オン時間をここでは「一定間隔ＰＯＷＥＲ  ＯＮ」と表現している。またこのオン時間に通電することを「パルス駆動」と表現している。ステップＳＴ１０１の次には、ステップＳＴ１０２へと進む。ステップＳＴ１０２では、このパルス駆動を予め定めたＮ回実施したか否かを判定する。Ｎ回に達していなければ、ステップＳＴ１０３へと進む。ステップＳＴ１０３では、オン時間の後に電力供給用半導体スイッチＴｒ１を一定時間オフにする。このオフ時間は、オン時間の後に回転子が数回転空回りする時間に設定されている。そして予め定めたＮ回が終了するまでステップＳＴ１０１からステップＳＴ１０３が繰り返される。Ｎの設定値は，負荷状態に応じて任意に定める。Ｎが１の場合即ちオン時間とオフ時間とが１回ずつの場合でも、多くの場合問題なく正しい起動を行える。オン時間及びオフ時間並びにＮの最適値は、予め試験を行っておけば、簡単に定めることができる。ステップＳＴ１０２でＮ回のパルス駆動が終了すると、ステップＳＴ１０４に進んで、電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間を変えずに比較的短い周期で一定の電力を励磁巻線Ｌ１及びＬ２に供給することを始めて、ステップＳＴ２へと進む。
【００１４】
ステップＳＴ２では、速度指令ＳｐＣを一定時間カウントして速度指令ＳｐＣの値を知る。この間、回転子の回転速度が安定するまでは、電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間及びオン時間をそれぞれ所定の固定値にする。次にステップＳＴ３に進み、ここで速度信号ＳｐＭを一定時間カウントして速度信号ＳｐＭの値を知る。ここでも回転子の回転速度が安定するまでは、電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間及びオン時間をそれぞれ所定の固定値にする。
【００１５】
次にステップＳＴ４〜ＳＴ６に進み、ステップＳＴ５で得られた速度信号ＳｐＭの値によってファンモータの回転の状況を判断する。ステップＳＴ４では、速度信号ＳｐＭが例えば５００ＲＰＭ以下の場合、ファンモータがロック状態にあると判断して、ステップＳＴ１５のロック動作処理に移り、ステップＳＴ３に戻る。速度信号ＳｐＭが例えば５００ＲＰＭを超えていれば、正常な回転が得られているとして、次のステップＳＴ５に進む。ステップＳＴ５では同様に、速度信号ＳｐＭが例えば１７００ＲＰＭ以下の場合ファンモータの回転の立ち上がりが遅れているとして、ステップＳＴ１６に移り、低速アラームＬＳＡを出力して、ステップＳＴ６へ進む。速度信号ＳｐＭが例えば１７００ＲＰＭを超えてる場合も、次のステップＳＴ６へ進む。ステップＳＴ６では、速度指令ＳｐＣの入力をチェックし、入力がなければ異常処理としてステップＳＴ１７に移り、ステップＳＴ２に戻る。
【００１６】
ステップＳＴ１７に移行するのは、例えば、正常時に最高回転速度より余裕をもたせた常用回転速度で回転していて、電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間Ｔｏｆｆもそれに見合った値になっているが、何らかの理由で速度指令が入力されない異常状態になったときである。このような異常状態になると、電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間Ｔｏｆｆをゼロにして、ファンモータを最高回転速度で回転させる。このとき高速アラームＨＳＡをオンにして、異常の発生を知らせる。
【００１７】
ステップＳＴ６で速度指令ＳｐＣの入力をチェックして、入力が有れば、次のステップＳＴ７に進む。ステップＳＴ７では、ファンモータが安定な回転に入ったか否かをチェックする。例えば、ファンモータの回転が２５０回以上回転したか否かで安定性をチェックすることができる。不安定と判断されればステップＳＴ２に戻る。安定と判断されればステップＳＴ８に進む。ステップＳＴ８では、ステップＳＴ２〜ＳＴ３で得られた速度指令ＳｐＣと速度信号ＳｐＭとを比較する。この比較結果により次のステップＳＴ９〜ＳＴ１１のどれか一つに進む。即ち速度指令ＳｐＣと速度信号ＳｐＭとを比較して、速度指令ＳｐＣが大きい場合は、ステップＳＴ９に進み、ステップＳＴ９で電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間ＴｏｆｆをＴ１時間だけ減ずる。Ｔ１時間は例えば２μｓ以上である。速度指令ＳｐＣと速度信号ＳｐＭとが等しい場合にはステップＳＴ１０に進み、ステップＳＴ１０では、電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間Ｔｏｆｆは変えない。比較して速度指令ＳｐＣが小さい場合は、ステップＳＴ１１に進み、ステップＳＴ１１で電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間ＴｏｆｆをＴ１時間だけ増加させる。そしてステップＳＴ１２〜ＳＴ１４を終えた段階で、いずれもステップＳＴ２に戻る。このように速度を制御すると、早く目標の速度に到達でき、更に到達後も速度のオーバーシュートが少ない滑らかな回転が得られる。
【００１８】
本例では、電力供給用半導体スイッチＴｒ１のオフ時間を変えてファンモータの速度を制御する場合の例について述べたが、オフ時間の代わりにオン時間を変えて制御することも可能である。この場合は、図２において、ステップＳＴ１２〜ステップＳＴ１４のＴｏｆｆをＴｏｎに変え、Ｔ１の符号を逆にし（＋は−にし、−は＋にする）、その他ステップＳＴ１７のＴｏｆｆ＝０を最大のＴｏｎに変えればよい。
【００１９】
図４は、ブラシレスファンモータを複数台並列接続して運転制御する場合の制御部の概略構成を示すブロック図であり、複数台のファンモータをそれぞれのファンモータの最高回転速度よりも遅い常用回転速度で回転させておき、複数のファンモータの少なくとも１台のファンモータが停止したときには、残りのファンモータを最高回転速度で回転させる場合の一例である。図４において、２１はＯＲ回路であり、２３はＮＡＮＤ回路であり、２５は異常処理部である。複数台（Ｎ台）のブラシレスファンモータから低速アラーム＃１ＬＳＡ，＃２ＬＳＡ〜＃ＮＬＳＡを集め、ＯＲ回路２１とＮＡＮＤ回路２３とに入力する。ＯＲ回路２１の出力は１台以上の駆動装置でアラームが出ていることを示し、異常処理部２５のセット信号となる。ＮＡＮＤ回路２３の出力はどこからもアラームが来ていないことを示し、異常処理部２５のリセット信号となる。異常処理部２５の出力は異常時には速度指令ＳｐＣとして全ファンモータに伝えられる。
【００２０】
なお上記実施の形態では、電力供給用半導体スイッチを用いて起動時のオン・オフ動作を行っているが、電力供給用半導体スイッチが用いられない場合等には、励磁巻線と電源との間に配置されてオン状態において励磁巻線に電源から電力が供給されるのを許容する専用の制御用半導体スイッチと、この制御用半導体スイッチのオン・オフを制御するための制御信号を出力する制御回路と別に設けて、この制御用半導体スイッチのオン時間とオフ時間を前述のように制御するようにしてもよい。なおこの場合に電力供給用半導体スイッチを備えているときには、電力半導体スイッチには通常の動作を行わせればよい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、起動時のオン時間とオフ時間とをこのように定めることにより、電源投入時に負のトルク領域に回転子が位置していても、回転子を負のトルク領域から確実に脱出させて、正方向に回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をブラシレスファンモータの駆動装置に適用した概略構成を示す図である。
【図２】ブラシレスファンモータの駆動装置の動作のアルゴリズムを示すフローチャートで
【図３】図２のステップＳＴ１の詳細を示すフローチャートである。
【図４】本発明の複数台のブラシレスファンモータを制御する制御部である。
【符号の説明】
１  電源制御回路
３  駆動回路
５  ホール素子
７  位置検出器
９  回転速度検出手段
１１  異常判定回路
２１  ０Ｒ回路
２３  ＮＡＮＤ回路
２５  異常処理部
Ｌ１，Ｌ２  励磁巻線
Ｔｒ１  電力供給用半導体スイッチ
Ｔｒ２，Ｔｒ３  励磁切換用半導体スイッチ
【図１】
0003602046.tif 000002
【図２】
0003602046.tif 000003
【図３】
0003602046.tif 000004
【図４】
0003602046.tif 000005