(57)【要約】【課題】  ブラシレスＤＣモータの電圧低下率を低下させずに高速回転を行うと共に、広範囲の速度制御を実現する。【解決手段】  回転駆動する回転軸を中心として複数に分割された複数の磁石が配列されてなる回転子と、当該回転子の周囲に前記回転軸を中心として配列され各相に対応した電流がコイルに供給される電機子とを備えたブラシレスＤＣモータ１を駆動するに際して、出力制御部９は、位置検出器４及び位置検出部５で検出された回転位置に基づいてＰＷＭインバータ３のスイッチング素子をオンオフ状態を切換制御する２相の電機子を選定し、当該２相の電機子によって発生した磁束を電機子から回転子に与えて回転数を制御すると共に、他の１相の電機子を選定して、当該他の１相と接続されたＰＷＭインバータ３のスイッチング素子をＰＷＭ制御する。【選択図】図１
2006033998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動する回転軸を中心として複数に分割された複数の磁石が配列されてなる回転子と、当該回転子の周囲に前記回転軸を中心として配列され各相に対応した電流がコイルに供給される電機子とを備えた３相ブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出手段と、
電源の正端子に接続され前記各相に対応した電機子と接続された複数のスイッチング素子からなる上側スイッチング素子群と、前記電源の負端子に接続され前記各相に対応した電機子と接続された複数のスイッチング素子からなる下側スイッチング素子群とを駆動して、前記ブラシレスモータに電流を供給するインバータと、
前記回転位置検出手段で検出された回転位置に基づいて、前記上側スイッチング素子群と前記下側スイッチング素子群のそれぞれから通電すべき２相の電機子巻線に電流を供給する一対の第１、第２のスイッチング素子を選択し、選択された第１、第２のスイッチング素子をオン状態に制御して前記通電すべき第１、第２の２相の電機子巻線に電流を供給する制御手段とを備えたモータ駆動装置において、
前記回転位置検出手段で検出された回転位置に基づいて、前記選択された第１、第２のスイッチング素子に引き続いてオン状態に制御される第３のスイッチング素子を選択し、前記第１、第２のスイッチング素子がオン状態に制御されている間において、第３のスイッチング素子をオンオフ制御して第３の相の電機子巻線に電流を供給することを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第３の相の電機子巻線に電流を供給する第３のスイッチング素子をデューティ比を変化させてＰＷＭ制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記インバータの上側スイッチング素子群の複数のスイッチング素子は前記制御手段によって、互いに１２０度の電気角だけ異なってオン状態に制御され、前記インバータの下側スイッチング素子群の複数のスイッチング素子は前記制御手段によって、互いに１２０度の電気角だけ異なってオン状態に制御され、かつ、上側スイッチング素子群の複数のスイッチング素子と下側スイッチング素子群の複数のスイッチング素子とが互いに６０度の電気角だけ異なってオン状態に制御され、前記第３のスイッチング素子は６０度の電気角だけオンオフ制御されることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高回転制御を行ってトルクを発生させるモータを制御するモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ブラシレスＤＣモータ等の同期モータを駆動する技術としては、下記の特許文献１や特許文献２に記載された技術が知られている。
【０００３】
この特許文献１には、ブラシレスＤＣモータの高速運転領域を拡大するために、低負荷或いは中負荷のトルク範囲である時に、高負荷時よりもモータ巻線への通電モードの切替の位相角を進めることにより出力トルク及び回転数を向上させる技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ブラシレスＤＣモータの高速回転を達成するために、インバータ制御によって電機子電流の位相を誘起電圧よりも進ませるように制御し、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧を低減する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２９９２７８号公報
【０００６】
【特許文献２】特開平５−２１１７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述の従来の技術を含めて、電圧低下率を低下させずに高効率に可変速駆動を行うこと、モータの高速運転可能範囲を拡大することなどは、種々の用途を考えると、多相モータにとってはさらなる向上が望まれている。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、電圧低下率を低下させずに高速回転を行うと共に、広範囲の速度制御を実現することができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、回転駆動する回転軸を中心として複数に分割された複数の磁石が配列されてなる回転子と、当該回転子の周囲に前記回転軸を中心として配列され各相に対応した電流がコイルに供給される電機子とを備えた３相ブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置であって、前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出手段と、電源の正端子に接続され前記各相に対応した電機子と接続された複数のスイッチング素子からなる上側スイッチング素子群と、前記電源の負端子に接続され前記各相に対応した電機子と接続された複数のスイッチング素子からなる下側スイッチング素子群とを駆動して、前記ブラシレスモータに電流を供給するインバータと、前記回転位置検出手段で検出された回転位置に基づいて、前記上側スイッチング素子群と前記下側スイッチング素子群のそれぞれから通電すべき２相の電機子巻線に電流を供給する一対の第１、第２のスイッチング素子を選択し、選択された第１、第２のスイッチング素子をオン状態に制御して前記通電すべき第１、第２の２相の電機子巻線に電流を供給する制御手段とを備えたモータ駆動装置である。
【００１０】
このモータ駆動装置は、前記回転位置検出手段で検出された回転位置に基づいて、前記選択された第１、第２のスイッチング素子に引き続いてオン状態に制御される第３のスイッチング素子を選択し、前記第１、第２のスイッチング素子がオン状態に制御されている間において、第３のスイッチング素子をオンオフ制御して第３の相の電機子巻線に電流を供給することにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るモータ駆動装置によれば、３相ブラシレスモータの回転数を制御するに際して、回転位置に基づいて、通電すべき２相の電機子巻線に電流を供給するスイッチング素子を選択し、選択されたスイッチング素子をオン状態、オフ状態に制御する。そして、当該２相の電機子によって発生した磁束を電機子から回転子に与えて回転数を制御すると共に、他の１相の電機子を選定して、当該他の１相と接続されたスイッチング素子をＰＷＭ制御して、当該ＰＷＭ制御のオンオフタイミングに応じて生じる電流が発生する磁束を電機子から回転子に与えることにより、当該他の１相の電機子に流れる電流をＰＷＭ制御することによって発生する起磁力が回転子の磁石（永久磁石）を減磁するように作用する。その結果、磁束に依存する誘起電圧は、減磁作用によって低減され、したがって、回転子の回転速度は上昇する。なお、この時、電機子電流の位相は誘起電圧に対し進み位相になる。したがって、このモータ駆動装置によれば、電圧低下率を低下させずに高速回転を行うと共に、高速領域を含む広範囲の速度制御を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
本発明は、例えば図１に示すように構成されたモータ駆動装置に適用される。
【００１４】
このモータ駆動装置は、制御対象であるブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣＭ）１を、当該ブラシレスＤＣモータ１の回転速度に応じて制御駆動するものである。このブラシレスＤＣモータ１は、電源２からＰＷＭインバータ３を介してＵ相、Ｖ相及びＷ相に供給される各電流値が制御されることで、内部コイルに流れる各電流が制御されてトルクが制御される。本例において、ブラシレスＤＣモータ１は、永久磁石同期モータであって、内部埋め込み磁石構造となっている回転子であるロータと、集中巻構造となっている固定子であるステータとを備えたＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）モータである。
【００１５】
このモータ駆動装置は、外部からブラシレスＤＣモータ１の回転数（速度）を制御する速度指令値がマイコンから供給されて、この速度指令値のトルクを発生させるための各種演算を行って、ブラシレスＤＣモータ１に供給する電流を制御する。
【００１６】
速度指令値に従ってブラシレスＤＣモータ１を駆動制御する場合には、モータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータ１の各相におけるロータ位置を位置検出器４により検出する。この位置検出器４は、ホール素子からなり、ロータの回転によって変化する磁束を電流値として検出することにより、ブラシレスＤＣモータ１の回転角を位置検出部５及び速度検出部６に出力する。
【００１７】
速度検出部６は、回転角に基づいてブラシレスＤＣモータ１の回転速度を計算して速度計算値を生成して加算器７に供給する。加算器７は、速度検出部６からの速度計算値とマイコンからの速度指令値とが供給され、速度指令値から速度計算値を減算した偏差を速度制御部８に供給する。速度制御部８は、速度指令値と速度計算値との偏差が供給されると、当該偏差を小さくするためのＰＷＭインバータ３のデューティ比、すなわち、ＰＷＭインバータ３からブラシレスＤＣモータ１に与えるパルスの変調率を求める。位置検出部５は、回転角に基づいてブラシレスＤＣモータ１の現在のロータとステータとの位置関係を示す位置信号を生成する。
【００１８】
出力制御部９は、速度制御部８からの変調率及び位置検出部５からの位置信号に基づいて、ＰＷＭインバータ３を構成するスイッチング素子（ＦＥＴ（Field Effect Transistor））をオンオフ制御、又はＰＷＭ制御する制御信号をＰＷＭインバータ３に送る。なお、図１において、位置検出部５、速度検出部６、加算器７、速度制御部８及び出力制御部９がマイコン(図示せず)内に含まれる場合もある。
【００１９】
ＰＷＭインバータ３は、図２に示すように、電源２の正端子に接続されブラシレスＤＣモータ１のＵ相、Ｖ相及びＷ相に対応した上側スイッチング素子群ＵＰ，ＶＰ，ＷＰと、電源２の負端子に接続されブラシレスＤＣモータ１のＵ相、Ｖ相及びＷ相に対応した下側スイッチング素子群ＵＢ，ＶＢ，ＷＢを備える。このＰＷＭインバータ３は、上述の各部５〜９で構成される制御回路１１及びドライブ回路１２と接続されている。
【００２０】
ドライブ回路１２は、ＰＷＭインバータ３の各スイッチング素子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ及びＵＢ，ＶＢ，ＷＢと接続されている。そして、ドライブ回路１２は、制御回路１１の出力制御部９からの制御信号によって各スイッチング素子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ及びＵＢ，ＶＢ，ＷＢをオンオフさせて、ブラシレスＤＣモータ１のコイル２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗに供給する電流を制御する。
【００２１】
このような構成によって駆動されるブラシレスＤＣモータ１は、その構成を図３に示すように、回転駆動する回転軸を中心として複数に分割された複数の磁石が配列されてなる回転子であるロータ３１と、当該ロータ３１の周囲に回転軸を中心として配列され各相に対応した電流がコイルに供給される電機子及び固定子であるステータ３２とを備えている。このブラシレスＤＣモータ１は、ＵＰ，ＶＰ，ＷＰに接続されたステータ３２のコイルと、ＵＢ，ＶＢ，ＷＢに接続されたステータ３２のコイルが設けられ、各コイルにＰＷＭインバータ３からの電流が供給されることで、ステータ３２で発生した磁束がロータ３１に供給され、ロータ３１に回転力を与える。
【００２２】
また、このようなブラシレスＤＣモータ１においては、位置検出器４を構成するホールＩＣを図４（ａ）に示すように６０°間隔の角度で設けても良く、図４（ｂ）に示すように１２０°間隔の角度で設けても良い。更に、このブラシレスＤＣモータ１においては、ロータ３１の構成を図５（ａ）に示すように４極の永久磁石（ＩＰＭ）で構成しても良く、図５（ｂ）に示すように円周上に複数の永久磁石を連続して設けた８極型のもの（ＳＰＭ）を使用しても良い。更にまた、このブラシレスＤＣモータ１としては、図６に示すように、３相で構成した場合に、ステータ３２の数（スロット数）を６，９，１２という相数の整数倍とし、当該ロータ３１の数をスロット数に応じた偶数としても良い。すなわち、図４〜図６に示した何れのブラシレスＤＣモータ１であっても、後述したブラシレスＤＣモータ１の駆動動作を行うことによって、後述の効果を発揮できる。
【００２３】
このようなブラシレスＤＣモータ１に対するモータ駆動装置の駆動動作は、電源２からブラシレスＤＣモータ１へ電力供給するに際して、図７に示すように、ＰＷＭインバータ３の３相のうち２相をブラシレスＤＣモータ１に接続した２相通電と、図８に示すように、ＰＷＭインバータ３の３相をブラシレスＤＣモータ１に接続した３相通電とが知られている。
【００２４】
すなわち、このモータ駆動装置は、３相通電を行う場合には、上述の特許文献１の図１１に開示されているように位置検出器４の検出信号に応じて３相共にオンオフ制御を行う。これに対して、本発明を適用したモータ駆動装置では、１２０°通電のブラシレスＤＣモータ１において、図９に示すように、電気角が６０°〜１２０°である場合には、スイッチング素子ＷＰ及びスイッチング素子ＵＢをオン状態にすることによってＷ相からＵ相への通電を行っているときに、スイッチング素子ＶＢをＰＷＭ制御し、次の電気角が１２０°〜１８０°である場合には、スイッチング素子ＷＰ及びスイッチング素子ＶＢをオン状態にすることによってＷ相からＶ相への通電を行いスイッチング素子ＵＰをＰＷＭ制御し、次の電気角が１８０°〜２４０°である場合には、スイッチング素子ＵＰ及びスイッチング素子ＶＢをオン状態にすることによってＵ相からＶ相への通電を行いスイッチング素子ＷＢをＰＷＭ制御する。
【００２５】
このようにＰＷＭインバータ３を駆動してブラシレスＤＣモータ１に電流供給するのは、次の２相通電の切換時に、オフ状態からオン状態となる相の６０°前に、当該相のスイッチング素子をＰＷＭ制御で駆動する。これによって、例えば電気角が６０°〜１２０°の範囲でＷ相からＵ相に電流を流しているときに、Ｗ相、Ｕ相の電機子に発生する起電力が減少し、Ｗ相の電機子からＵ相の電機子に流れる電流が増大し、Ｗ相からＵ相に流れる電流によって発生したトルクが増加して、ロータ３１の回転数を向上させることができる。また、他の電気角においても、図９に示すように、オフ状態からオン状態に移行する６０°前でＰＷＭ制御を開始することによって、当該期間での回転数を上昇させることができる。
【００２６】
このとき、モータ駆動装置は、位置検出器４で検出された回転位置に基づいてＰＷＭインバータ３のスイッチング素子のオンオフ状態を切換制御する２相のステータ３２を選定し、当該２相のステータ３２によって発生した磁束をステータ３２からロータ３１に与えて回転数を制御すると共に、他の１相のステータ３２を選定して、当該他の１相と接続されたスイッチング素子をＰＷＭ制御して、当該ＰＷＭ制御のオンオフタイミングに応じた磁束をステータ３２からロータ３１に与えるようなスイッチング素子の制御を出力制御部９によって行う。
【００２７】
このように、２相で通電を行っているときに、他の１相をＰＷＭ制御することによって、図１０に示すような線間電圧及び線電流を実現することができ、これに対し、本発明を適用しないモータ駆動装置では、図１１に示すような線間電圧及び線電流となる。したがって、このモータ駆動装置によれば、図１２に示すように、図１１に示す線間電圧及び線電流となる１２０°通電のブラシレスＤＣモータと比較して、回転数を上昇させることができる。特に、低トルク領域及び高トルク領域にて回転数を上昇させることができる。
【００２８】
また、このモータ駆動装置では、ＰＷＭ制御を行うスイッチング素子のデューティ比を変更することによって、起電力のキャンセル度合いを変更して、ブラシレスＤＣモータ１の回転数を上昇させる制御を行うことができる。
【００２９】
更に、このモータ駆動装置によれば、従来で必要であったタイマに応じたスイッチング素子の切換制御を行わなくてもよい。タイマが必要なくコスト低減を実現することができる。
【００３０】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明を適用したモータ駆動装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用したモータ駆動装置のＰＷＭインバータとブラシレスＤＣモータとの接続関係を説明する回路図である。
【図３】ブラシレスＤＣモータの構成例を示す図である。
【図４】ブラシレスＤＣモータに設けるホールＩＣの設置例を示す図であって、（ａ）は６０°間隔、（ｂ）は１２０°間隔である。
【図５】ブラシレスＤＣモータのロータの構成例であって、（ａ）はＩＰＭモータ、（ｂ）はＳＰＭモータである。
【図６】ブラシレスＤＣモータのスロット数と極数との組み合わせを説明するための図である。
【図７】本発明を適用したモータ駆動装置による２相通電を説明するための回路図である。
【図８】本発明を適用したモータ駆動装置による３相通電を説明するための回路図である。
【図９】本発明を適用したモータ駆動装置によるスイッチング素子のスイッチングシーケンスを示す図である。
【図１０】本発明を適用したモータ駆動装置による線間電圧及び線電流の変化を示す図である。
【図１１】本発明を適用したモータ駆動装置に対する比較例の線間電圧及び線電流の変化を示す図である。
【図１２】本発明を適用したモータ駆動装置と比較例とのトルクに対するシステム効率、回転数及び消費電流を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ブラシレスＤＣモータ
２  電源
３  ＰＷＭインバータ
４  位置検出器
５  位置検出部
６  速度検出部
７  加算器
８  速度制御部
９  出力制御部
１１  制御回路
１２  ドライブ回路
２１  コイル
３１  ロータ
３２  ステータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006033998.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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