(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インナーローター、スロットレスタイプの２相ブラシレスモータを回転制御するブラシレスモータ制御装置において、２個のホール素子が向かい合って９０度の角度でそれぞれ配置され、ロータマグネットの磁極は径方向Ｎ／Ｓ２極で形成され、ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、前記ホール素子の配置と前記ローターマグネットの磁極とにより定まる１／４回転時間毎に検出されたロータ位置パターンに合わせてコイル通電を行なうコイル通電手段と、通電直後における前記ロータ位置検出手段により得られるロータの位置信号から現状のロータ位置パターンをＣＰＵで認識し、回転方向で決定される次ロータ位置パターンになるまで通電を継続し、次ロータ位置パターンを前記ＣＰＵで認識した時点で通電を停止し、また、１／４回転時間後に次ロータ位置パターンに合わせて通電方向を切り替え、コイル通電を開始するように前記コイル通電手段を制御し、次の通電を行なう１／４回転時間までにロータ位置パターンがズレた場合、前記コイル通電手段を介して補正通電を実行するように前記コイル通電手段を制御するモータ制御手段と、を備えたことを特徴とするブラシレスモータ制御装置。
【請求項２】
前記コイル通電手段は、パルス幅変調による通電またはチョッパー制御による間欠通電を行なうことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ制御装置。
【請求項３】
２個のホール素子を向かい合って９０度の角度で配置した磁極検出手段でロータマグネットに形成された径方向Ｎ／Ｓ２極の磁極位置を検出するインナーローター、スロットレスタイプの２相ブラシレスモータのステップ制御方法において、通電直後における前記磁極検出手段により得られるロータの磁極位置信号から現状のロータ位置パターンをＣＰＵで認識する第１の工程と、前記第１の工程で認識された現状のロータ位置パターンから、回転方向で決定される次ロータ位置パターンを設定し、あらかじめ決められたコイル通電パターンで、前記ホール素子の配置とローターマグネットの磁極とにより定まる１／４回転時間毎に通電する第２の工程と、前記現状のロータ位置パターンが前記次ロータ位置パターンと一致するまで通電を継続し、一致した時点で通電を停止する第３の工程と、次の通電を行なう１／４回転時間までにロータ位置パターンがズレたときに補正通電を行なう第４の工程と、を含むことを特徴とするブラシレスモータのステップ制御方法。
【請求項４】
前記第２〜第４の工程における通電は、パルス幅変調による通電またはチョッパー制御による間欠通電を行な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ステップ制御方法。
【請求項５】
ロータ位置が設定を行き過ぎた場合でも、補正通電を行わない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ステップ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、医療機器などに利用され、ブラシレスモータを超低速から高速回転までの広範囲で回転制御するブラシレスモータ制御装置およびブラシレスモータのステップ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来より、モータの回転を制御する方法として、たとえば以下のものが知られている。ブラシレスモータでは、ブラシ付きモータにおけるブラシ機能を半導体回路で置き換えるために、磁気センサを内蔵してロータ（永久磁石）の回転角を非接触で検知する方法や、あるいはロータが回転するときに発生する逆起電力（Back electromotive force）を利用してロータの位置を検出する方法などがある。またさらに、エンコーダ（Encoder）からの２進符号の情報にしたがって回転数制御を行なう方法なども知られている。【０００３】  ＤＣモータは基本的には制御性の優れたモータであるが、低回転数（数rpm程度）やステッピング・モータのような寸動動作には不向きである。これは、ＤＣモータは制御直前のロータの動きを検出し、制御を決定する制御方法によるからである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  ブラシレスモータは、基本的に連続回転で使用されるものであり、超低速度で回転数を安定させて制御させるには不向きなモータ構造となっている。また、ステッピングモータは、基本的にパルス通電に対応して断続回転（ステップ制御）を行なうように構成されているので、連続回転を行なうとコギング（cogging）による騒音や振動などの不具合現象が発生する。
【０００５】  ステッピング・モータは外部要因（トルク変動）に関わらず確実に１ステップを動かすためには、モータのトルクに余裕が必要となる。一方、ブラシレスモータは、直前の角速度を検出して次の通電条件を決定して制御するため、安定した低速回転を行なうことができない。このため、使用する回転数のレンジが非常に広い用途の機器に組み込まれるモータの場合、つまり、超低速から高速回転までのレンジで制御を行なうには、ステッピングモータを採用するか、あるいはブラシレスモータを採用するかが一般的に考えられるが、いずれのモータを採用しても、一つのモータで広い回転数レンジが要求される場合、高精度で低消費電力の要求を満足させることができないといった問題点があった。
【０００６】  本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ブラシレスモータおよびステッピングモータそれぞれが有する利点を融合させることにより、幅広い回転数レンジの回転制御を、高精度でかつ低消費電力で実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、請求項１にかかるブラシレスモータ制御装置にあっては、インナーローター、スロットレスタイプの２相ブラシレスモータを回転制御するブラシレスモータ制御装置において、２個のホール素子が向かい合って９０度の角度でそれぞれ配置され、ロータマグネットの磁極は径方向Ｎ／Ｓ２極で形成され、ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、前記ホール素子の配置と前記ローターマグネットの磁極とにより定まる１／４回転時間毎に検出されたロータ位置パターンに合わせてコイル通電を行なうコイル通電手段と、通電直後における前記ロータ位置検出手段により得られるロータの位置信号から現状のロータ位置パターンをＣＰＵで認識し、回転方向で決定される次ロータ位置パターンになるまで通電を継続し、次ロータ位置パターンを前記ＣＰＵで認識した時点で通電を停止し、また、１／４回転時間後に次ロータ位置パターンに合わせて通電方向を切り替え、コイル通電を開始するように前記コイル通電手段を制御し、次の通電を行なう１／４回転時間までにロータ位置パターンがズレた場合、前記コイル通電手段を介して補正通電を実行するように前記コイル通電手段を制御するモータ制御手段と、を備えたものである。
【０００８】  この発明によれば、ブラシレスモータ制御装置において、通電直後におけるロータ位置をロータ位置検出手段で検出し、当該ロータ位置検出手段で検出したロータ位置から現状のロータ位置パターン（たとえばＮ−Ｓパターン）を認識し、回転方向で決まる次ロータ位置パターン（Ｎ−Ｎパターン）を設定して通電を継続させ、現状のロータ位置パターンが次ロータ位置パターンに一致したタイミングで通電を停止させることにより、最適通電時間が設定でき、負荷や外乱要因に影響されない低消費電力の回転が実現する。
【００１０】
また、この発明によれば、次の通電を行なう所定時間までにロータ位置パターンがズレた場合にさらにコイルに補正通電を行なうことにより、ズレが生じた際におけるロータの位置出しが実現する。
【００１１】
また、請求項２にかかるブラシレスモータ制御装置にあっては、前記コイル通電手段は、パルス幅変調による通電またはチョッパー制御による間欠通電を行なうものである。
【００１２】  この発明によれば、請求項１において、コイルへの通電制御を、パルス幅変調（PWM:Pulse Width Modulation）などによって平均電圧を間欠的に印加する制御とすることにより、パルス幅で平均電圧をロータの回転状況に合わせて細かく対応することが可能になる。
【００１３】
また、請求項３にかかるブラシレスモータのステップ制御方法にあっては、 ２個のホール素子を向かい合って９０度の角度で配置した磁極検出手段でロータマグネットに形成された径方向Ｎ／Ｓ２極の磁極位置を検出するインナーローター、スロットレスタイプの２相ブラシレスモータのステップ制御方法において、通電直後における前記磁極検出手段により得られるロータの磁極位置信号から現状のロータ位置パターンをＣＰＵで認識する第１の工程と、前記第１の工程で認識された現状のロータ位置パターンから、回転方向で決定される次ロータ位置パターンを設定し、あらかじめ決められたコイル通電パターンで、前記ホール素子の配置とローターマグネットの磁極とにより定まる１／４回転時間毎に通電する第２の工程と、前記現状のロータ位置パターンが前記次ロータ位置パターンと一致するまで通電を継続し、一致した時点で通電を停止する第３の工程と、次の通電を行なう１／４回転時間までにロータ位置パターンがズレたときに補正通電を行なう第４の工程と、を含むものである。
【００１４】  この発明によれば、２極のロータマグネットで、磁極検出手段が、たとえば90度向かい合って配置された場合、モータへの通電が指示された後に、磁極検出手段によりロータマグネットの磁極位置信号を取得し、当該信号から現状ロータ位置パターンを認識し、さらに通電を継続させ、回転方向で決定される次のパターンになった時点で通電を停止し、少なくとも１／４回転毎の短時間通電を行なうことにより、低消費電力化が実現する。
【００１５】
また、請求項４にかかるブラシレスモータのステップ制御方法にあっては、前記第２ないし第４の工程における通電は、パルス幅変調による通電またはチョッパー制御による間欠通電を行なうものである。
【００１６】
この発明によれば、請求項３において、コイルへの通電制御を、パルス幅変調（PWM）などによって平均電圧を間欠的に印加する制御とすることにより、パルス幅で平均電圧をロータの回転状況に合わせて細かく対応することが可能になる。
【００１７】
また、請求項５にかかるブラシレスモータのステップ制御方法にあっては、ロータ位置が設定を行き過ぎた場合でも、補正通電を行わないものである。
【００１８】  この発明によれば、前のロータ位置である（目標のロータ位置パターンではない）と判断した場合にコイル通電し、ロータが行き過ぎた場合には通電を行わないことにより、さらなる省電力化が可能になり、戻し制御を行わないので、振動・騒音がより小さくなる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】  以下、本発明にかかるブラシレスモータ制御装置およびブラシレスモータのステップ制御方法の実施の形態について添付図面を参照し、詳細に説明する。なお、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００２０】  本発明は、ブラシレスモータが有する利点（連続運転性など）と、ステッピングモータにおけるステップ制御の良さ（低速・断続運転など）とを融合させ、これをマイクロコンピュータシステムにより回転数を所定の範囲で可変制御するものである。以下、この実施の形態では、２相全波、ホール素子（ホール効果デバイス：Hall effect device）２個を90度向かい合わせて配置した構成の小型のブラシレスモータ（Brushless Motor ）を例にとって説明する。
【００２１】  図１は、本発明の実施の形態にかかるブラシレスモータ10の構成を示す説明図であり、モータの軸方向から見た状態における概略断面を図示したものである。図において、符号11はモータ外装ケースとなるハウジング、符号12a，12bはそれぞれ90度ずらして設けられ、ロータマグネットがどの位置にあるかを検知するホール素子（磁極センサー）、符号13はカップ状を成し、駆動用の巻線コイル、符号14はたとえば小型モータに最適な希土類磁石を径方向Ｎ／Ｓ２極で円筒状に形成したロータマグネット、また符号15はロータマグネット14の回転軸であり、回転出力軸となるシャフトである。
【００２２】  すなわち、ブラシレスモータ10はマグネット２極で円筒面にコイル線を向かい合わせた２相全波のモータであって、ステップ角90度づつ回転するようなコイル配置とし、４つのコイル（あるいは２つのコイル）に通電を行なうことにより90度づつ回転し、所定のコイル通電パターンで通電を続けると、後述する図の４つのロータ位置パターンの何れかになるように構成されている。
【００２３】  図２は、図１に示したブラシレスモータ10の制御システムの構成を示すブロック図である。図において、符号20aはホール素子12aから出力された磁極検知信号を一定レベルに増幅するアンプ、符号20bはホール素子12bから出力された磁極検知信号を一定レベルに増幅するアンプ、符号21aはアンプ20aで増幅された磁極検知信号（アナログ信号）をデジタルの信号に変換するＡ／Ｄ変換器、符号21bはアンプ20bで増幅された磁極検知信号（アナログ信号）をデジタルの信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。
【００２４】  なお、Ａ／Ｄ変換器21a，21bは、８bit、０〜255値のＡ／Ｄ変換値でパターン検出を行なっており、この例では128以上をＮ極、128未満をＳ極としてロータ位置パターンを設定する。また、この数値は検出精度によって適宜変更してもよい。
【００２５】  また、符号22はＡ／Ｄ変換器21a，21bを介し、検出された磁極検知信号からロータ位置パターンを設定し、モータの制御を実行するＣＰＵ、符号23はＣＰＵ22が実行する制御プログラムが格納されているＲＯＭ、符号24はワーキングメモリなど制御途中で使用されるＲＡＭである。
【００２６】  また、符号25は上述したＡ／Ｄ変換器21a，21b、ＣＰＵ22、ＲＯＭ23、ＲＡＭ24を備えたモータ制御部である。また、符号26はモータ制御部25の出力信号にしたがってブラシレスモータ10を駆動するドライバであり、ＦＥＴ（Field Effect Transistor ：電界効果トランジスタ）によって構成されている。なお、この図２においては電源回路部分については通常の電源供給を行なうものであり、ここでは省略してある。
【００２７】  次に、以上のように構成されたブラシレスモータの制御システムの特徴となる動作について説明する。図３(a)〜(d)は、本発明の実施の形態にかかるロータ位置パターンを示す説明図であり、ロータマグネット14のＮ極14a、Ｓ極14bの回転（ＣＷ方向）により４つのパターンがホール素子12a，12bによる磁極検知信号を用いてＡ／Ｄ変換器21a，21bによって検出され、ＣＰＵ22によってロータ位置パターンが認識される。
【００２８】  すなわち、90度づつ回転することにより、図３の(a)Ｎ−Ｓパターン、(b)Ｎ−Ｎパターン、(c)Ｓ−Ｎパターン、(d)Ｓ−Ｓパターンの４つのパターンのうちの何れかになり、このパターンを検出することにより、その次のパターンを検出するまで通電制御を行なうものである。また、図３(a)〜(d)のパターンは、矢印で示された順に所定の通電タイミング毎に遷移される。
以下、その動作例について図４〜図６のフローチャートを用いて説明する。
【００２９】  なお、コイルへの通電を行なう方法としては、パルス幅変調（PWM）またはチョッパー（Chopper ）制御法などにより間欠的に電圧を印加する方法を用いる。これにより、パルス幅で印加電圧をロータの回転状況に合わせて細かく対応することが可能となり、実質上平均電圧を変え、起動トルクを変えることができる。
【００３０】  図４は、本発明の実施の形態にかかるモータ制御手順を示すフローチャートである。まず、前記モータ制御部25によって回転の指示が行なわれたか否かを判断する（ステップS11）。ここで、回転の指示があったと判断した場合、所定のコイル通電処理（図５、図６参照）を実行する（ステップS12）。一方、回転の指示がなされていないと判断した場合、コイル通電停止処理（ステップS13）をする。
【００３１】  図５は、本発明の実施の形態にかかるモータ制御における通電タイミングを示すフローチャートである。まず、１／４回転時間であるか否かを判断する（ステップS21）。ここで、１／４回転時間であると判断した場合、強制的に通電を停止し（ステップS22）、目標パターンPbを次に進めてコイル通電を開始し（ステップS23）、前ステップS21に戻り、以降の処理を繰り返し実行する。
【００３２】  図６は、本発明の実施の形態にかかるモータ制御におけるコイル通電処理を示すフローチャートである。まず、現状パターンPaを認識し、当該現状パターンPaに対応する次の目標パターンPbを設定し、コイル通電を行なう（ステップS31）。すなわち、現状パターンPaをPa1→Pa2→Pa3→Pa4のサイクルとすれば、目標パターンPbはPb2→Pb3→Pb4→Pb1の順に遷移される。
【００３３】  続いて、現状パターンPaが目標パターンPbになったか否かを判断する（ステップS32）。ここで、現状パターンPaが目標パターンPbに一致したと判断した場合、コイル通電を停止する（ステップS33）。コイル通電停止を行なった後にロータ位置のズレ有無を検出するために、さらにPa＝Pbであるか否かを判断する（ステップS34）。Pa＝Pbであると判断した場合には通電を停止し（ステップS35）、前ステップS34に戻る。また、ステップS34においてPa＝Pbではないと判断した場合、ロータ位置がズレていると見なし、補正通電を実行し（ステップS36）、ロータを前の位置に戻し、ステップS34に戻り、同様の動作を１／４回転時間迄繰り返し実行する。
【００３４】  すなわち、ホール素子12a，12bによる磁極検知信号をアンプ20a，20bにより増幅し、その増幅した信号をＡ／Ｄ変換器21a，21bによってそれぞれデジタル変換し、ＣＰＵ22に供給する。ＣＰＵ22はＲＯＭ23に格納されている制御プログラムにしたがって図４〜図６に示した手順で制御を実行する。つまり、Ａ／Ｄ変換して得られるロータ位置パターン（図３(a)〜(d)参照）から、回転方向で決まる次のロータ目標パターン（Ｎ−Ｓパターンであれば次のパターンはＮ−Ｎパターン）を設定する。そして、Ａ／Ｄ変換して得られるロータ位置現状パターンが目標パターンと一致するまで通電する。目標パターンに一致した時点では、モータは１／４（90度）回転している。
【００３５】  次の１／４回転までの時間の間、現状位置パターンが目標パターンに対して一致していればそのまま、一致していなければ目標パターンと一致する通電方向へパターンが一致するまで通電を行なう。たとえば、図３において、（ａ）Ｎ−Ｓパターンが現状パターンとして認識された場合には次の（b）Ｎ−Ｎパターンになるまで通電する。あるいは、現状パターンは（c）Ｓ−Ｎパターンであると認識された場合には行き過ぎたので、（b）Ｎ−Ｎパターンに戻るまで通電する。したがって、通電時間中は、負荷や外乱要因にかかわらず目標パターンと現状パターンとが一致するまで行なわれるので、回転精度が維持される。
【００３６】  また、上述した制御においてはロータが行き過ぎた場合、補正通電を行なっているが、現状パターンと目標パターンが一致したら通電を切り、この補正通電を行なわなくてもよい。これにより、さらに低騒音および低振動、かつ低消費電力化が実現する。
【００３７】  ところで、一般のステッピングモータは、鉄心の歯を有していることからディテントトルク（Detent Torque ：ゼロ電流コギング）があるので、ロータの回り始めに時間がかかってしまう。これに対して、本発明によるモータは、インナーロータ、スロットレスタイプのブラシレスモータにおいて回転開始時には上記ゼロ電流コギングが極めて少ない（０に近い）ので、この点で低消費電力には有利となる。
【００３８】  この実施の形態におけるブラシレスモータの回転精度は、たとえばギア比200：１とした場合、ロータの位置が90度ズレたとしてもギア比が１／200であるので90／200度のズレで済むことになる。よって、速度精度は、１／４回転の時間精度で決まる。なお、分解能は、マイクロコンピュータで制御するので桁数を増やすことによっていくらでも実現可能であるが、本発明者は、割り込み時間によって決めた。たとえば、0.2ｍsecの分解能で計算し、最も短い高速回転時の１／４回転の時間で１％以下の精度の確保が検証された。回転数設定は、1200倍の幅があるので、最も長い時間では１／1200％以下の精度が実現する。
【００３９】  したがって、0.2ｍsecの分解能によりモータ制御を行ない、上述したように目標パターンと一致したロータ位置（少なくともこの実施の形態では１／４回転）で通電を打ち切るので、外乱要因を考慮した不必要な電流を必要とせずに高精度で低消費電力のブラシレスモータの制御が実現する。また、従来のブラシレスモータのように前の回転状況をフィードバックして次の回転速度を決めて制御していないので、高精度制御は分解能の範囲で、計算通りに確保することができる。また、この場合、ホール素子などの磁極センサーの精度には高精度が必ずしも必要でなく実現することができる。
【発明の効果】
【００４０】  以上説明したように、本発明にかかるブラシレスモータ制御装置（請求項１）によれば、通電直後におけるロータ位置を検出し、当該検出したロータ位置から現状のロータ位置パターン（たとえばＮ−Ｓパターン）を認識し、回転方向で決まる次ロータ位置目標パターン（Ｎ−Ｎパターン）を設定して通電を継続させ、現状のロータ位置パターンが次ロータ位置目標パターンに一致したタイミングで通電を停止させるため、広回転数レンジの回転制御を、高精度でかつ低消費電力で実現させることができる。
【００４１】  また、本発明にかかるブラシレスモータ制御装置（請求項２）によれば、請求項１において、次の通電を行なう所定時間までにロータ位置パターンがズレた場合にさらにコイルに補正通電を行なうため、ロータにズレが生じた際に正規のロータ位置に戻すことができる。
【００４２】  また、本発明にかかるブラシレスモータ制御装置（請求項３）によれば、請求項１において、コイルへの通電制御を、パルス幅変調（PWM）などによって電圧を間欠的に印加する制御とするため、パルス幅で印加電圧をロータの回転状況に合わせて細かく対応することが可能となり、実質上の平均電圧を変えることができる。
【００４３】  また、本発明にかかるブラシレスモータのステップ制御方法（請求項４）によれば、磁極検出手段が、たとえば90度向かいあって配置された場合、モータへの通電が指示された後に、磁極検出手段によりロータマグネットの磁極位置信号を取得し、当該信号から現状ロータ位置パターンを認識し、さらに通電を継続させ、回転方向で決定される次の目標パターンになるまで、すなわち、この場合、１／４回転までロータ位置が移動する通電で済むので、外乱要因や負荷変動を考慮した不必要な電流供給がなくなり、高精度で低消費電力化が実現する。
【００４４】  また、本発明にかかるブラシレスモータのステップ制御方法（請求項５）によれば、請求項４において、コイルへの通電制御を、パルス幅変調（PWM）などによって電圧を間欠的に印加する制御とするため、パルス幅で印加電圧をロータの回転状況に合わせて細かく対応することが可能となり、実質上の平均電圧を変えることができる。
【００４５】  また、本発明にかかるブラシレスモータのステップ制御方法（請求項６）によれば、前のロータ位置である（目標のロータ位置パターンではない）と判断した場合にコイル通電し、ロータが行き過ぎた場合には通電を行わないので、さらなる低電力化が実現し、さらに静粛性および低振動化が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態にかかるブラシレスモータの内部構成を示す説明図である。
【図２】  図１に示したブラシレスモータの制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】  本発明の実施の形態にかかるロータ位置パターンを示す説明図である。
【図４】  本発明の実施の形態にかかるモータ制御手順を示すフローチャートである。
【図５】  本発明の実施の形態にかかるモータ制御における通電タイミングを示すフローチャートである。
【図６】  本発明の実施の形態にかかるモータ制御におけるコイル通電処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】  10  ブラシレスモータ
12a, 12b  ホール素子
13  コイル
14  ロータマグネット
14a  Ｎ極
14b  Ｓ極
21a, 21b  Ａ／Ｄ変換器
22  ＣＰＵ
25  モータ制御部
26  ドライバ
【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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