(57)【要約】 【課題】     回転速度の制御が可能で、回転ムラの極めて小さい開ループで３相ブラシレスモータの駆動方式を実現すること。【解決手段】     Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のコイルを有するブラシレスモータを、１２０°ずつ位相の異なる正弦波電圧を印加することにより駆動する。各相に印加する正弦波電圧の周波数が変動する場合においても、各相間の位相差を保ち、振幅が時間とともに変わっても、３相間で振幅と周波数の関係を保ち同時に変わっていくようにすることで、３相ブラシレスモータのロータは、入力周波数に対して確実に追従し同期して回転する。これにより開ループでの回転速度の制御が可能となる。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁マグネットを有するロータと、前記ロータを回転するためのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルを有するステータとから成る３相ブラシレスモータの駆動方式であって、
前記ブラシレスモータを駆動する際には、前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に、同一の周波数と振幅を持つ正弦波電圧を、各相間に１２０°ずつ位相をずらして連続的に印加することにより駆動し、
前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間の位相は、常に前記Ｕ相に対し、前記Ｖ相は１２０°、前記Ｗ相は２４０°位相差を保ち、
前記正弦波電圧の振幅が時間とともに変わっても、前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に流れる３相交流電流は、３相間で振幅と周波数の関係を保ち同時に変動することにより、
開ループでの速度制御を行うことを特徴とする３相ブラシレスモータの駆動方式。
【請求項２】
請求項１に記載の３相ブラシレスモータの駆動方式であって、前記３相ブラシレスモータの起動時に、印加する正弦波電圧の周波数を、低回転速度に対応する周波数から目標とする回転速度に対応する周波数まで、ランプ状に変化させることを特徴とする３相ブラシレスモータの駆動方式。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の駆動方式の速度制御を行うための駆動装置であって、
周波数カウンタとｓｉｎテーブルを有するワンチップマイコンと、３相分のＤ／Ａ変換器及び電流増幅回路とからなる構成であることを特徴とする３相ブラシレスモータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３相ブラシレスモータ及び該ブラシレスモータの速度制御を行うための駆動方式及び駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスモータは一般に、ホール素子に代表される磁極位置センサでロータの回転位置を検出して、その検出信号に基いて相切換えを行うものと、特別な磁極位置センサを用いずに、逆起電力あるいは直流電流波形の零クロス位置を検出することで磁極の位置情報を取り出して処理を行う、いわゆるセンサレスと呼ぶ構造のものがある。
【０００３】
また、３相ブラシレスモータの入力に関して、主に１２０°又は１８０°通電方式による方形波駆動及び、正弦波電圧を印加する正弦波駆動等による方法があるが、３相ブラシレスモータを静粛に且つ滑らかに駆動するには正弦波駆動が理想的な方法である。
【０００４】
但し、正弦波駆動において正確な正弦波信号を発生するためには、より正確な磁極の位置情報が必要となる為、電磁式のレゾルバや光学式、磁気式のインクリメンタルエンコーダ等の分解能の高い位置センサを設ける必要がある。
【０００５】
上述した３相ブラシレスモータの構造、駆動方法に関しては、例えば非特許文献１の主にＰ．５９−８７に記載されている。
【非特許文献１】見城尚志、永守重信  著「新・ブラシレスモータ」総合電子出版社、  ２０００年６月１日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
３相ブラシレスモータを少ない回転ムラで駆動するには、正弦波での駆動が望ましいが、その為には、位置センサとしてエンコーダを用いて位置信号を抽出し、閉ループの中で処理する必要がある。
【０００７】
しかしながら、軸方向のサイズに制約があるブラシレスモータや、外径φ４mm以下の小形のブラシレスモータでは、スペース上の問題から、回転ムラの大きいセンサレス駆動の方式を選択せざるをえない。
【０００８】
一方、ＯＣＴ内視鏡、超音波内視鏡等の血管内視鏡の走査駆動源として、回転ムラを±５％以下とした外径φ２mm以下のモータが望まれている。
【０００９】
これらの課題に対して、本発明は、センサレスでありながら正弦波での駆動を行い、開ループで回転ムラを±５％以下の指令速度に追従させることが可能な、３相ブラシレスモータの駆動方式及びその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】
【００１０】
この発明の請求項１記載の発明は、界磁マグネットを有するロータと、前記ロータを回転するためのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルを有するステータとから成る３相ブラシレスモータの駆動方式に関するものである。
【００１１】
前記ブラシレスモータを駆動する際には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に、同一の周波数と振幅を持つ正弦波電圧を、各相間に１２０°ずつ位相をずらして連続的に印加することにより駆動させる。
【００１２】
またＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間の位相は、常にＵ相に対し、Ｖ相は１２０°、Ｗ相は２４０°位相差を保ち、印加する正弦波電圧の振幅が時間とともに変わっても、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に流れる３相交流電流は、３相間で振幅と周波数の関係を保ち同時に変動することにより、開ループでの速度制御を行うものである。
【００１３】
この発明の請求項２記載の発明は、請求項１に記載の３相ブラシレスモータの駆動方式で、特に前記ブラシレスモータの起動時に、印加する正弦波電圧の周波数を、低回転速度に対応する周波数から目標とする回転速度に対応する周波数まで、ランプ状に変化させることとしたものである。
【００１４】
この発明の請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の駆動方式の速度制御を行うための駆動装置であって、周波数カウンタとｓｉｎテーブルを有するワンチップマイコンと、３相分のＤ／Ａ変換器及び電流増幅回路とからなる構成としたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１によれば、従来３相ブラシレスモータを正弦波電圧で駆動する為には、位置センサにより抽出した位置信号を閉ループの中で処理する必要があったが、常に各相に流れる交流電流を、３相間でバランスを保ちながら同時に変動させることで、ロータが入力周波数に対して確実に追従する為、簡単な回路で構成できる開ループの速度制御を行える。
【００１６】
本発明の請求項２によれば、徐々に入力周波数を上げていくことにより３相ブラシレスモータの起動がスムーズに行えるとともに、起動開始回転周波数から最終目標回転周波数に至るまで、ロータは、入力周波数に対して確実に同期させることができる。
【００１７】
本発明の請求項３によれば、請求項１及び２の駆動方法を行うための駆動装置として、線形性の優れた回路を部品点数少なく、経済的に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】
【００１８】
以下、本発明の最良の形態に係る３相ブラシレスモータの駆動方式及び駆動装置についての実施例を、添付図面を参照して説明する。
【００１９】
実施の形態
図１は本発明の実施の形態１の３相ブラシレスモータの駆動方式に関するブロック図を示したものであり、主に周波数カウンタとｓｉｎテーブルを有する８ビットのワンチップマイコンと、３相分のＤ／Ａ変換器及び電流増幅回路と３相ブラシレスモータからなる構成を示している。
【００２０】
マイコンのクロック周波数は８MHzのものを使用し、電流増幅回路にはコンプリメンタリＳＥＰＰ回路を用いて、少ない部品点数で経済性・線形性の優れた回路構成となっている。
【００２１】
正弦波はワンチップマイコンにおいてカウンタ設定値とアドレスを対応させることで発生させる。
【００２２】
具体的には、カウンタに２５５でプリセットし、カウントダウンしていく毎にクロック周波数fcから適当に分周したカウンタ周波数f0（f0=fc／m  ※ｍは正の整数）でＲＯＭのアドレスをカウントアップしてテーブルルックアップによりＤ／Ａ出力する。データはホールドし０になるとラウンドするリングカウンタとする。
【００２３】
ｍの値を変えることで発生する正弦波の周波数を変えることができる。更に１２０°ずつ位相をずらした３つの正弦波を、ＲＯＭからのずらしたアドレスからテーブルルックアップすることで発生可能となる。
【００２４】
又は、ワンチップマイコンにおけるカウンタの設定を、ダウン若しくはアップカウンタとして使用することによっても、同様の正弦波を発生することができる。
【００２５】
具体的には、プリセット値は正弦波の周波数に反比例的に対応する。ダウンカウンタが０になるとキャリー信号を出し、ＲＯＭのアドレスを変えていく。アドレス値は２５６で繰り返し回るようにして、ＲＯＭ上のルックアップされるデータが正弦波上に変わっていく。
【００２６】
上記の構成で、まず起動はＶ相とＷ相を接続し、これとＵ相間に直流励磁してロータの初期位置を固定する。
【００２７】
但し、この直流励磁による初期ロータの位置固定は、対象となる３相ブラシレスモータによっては行わなくとも起動できる場合があり、後述する実験結果からも確認されている。
【００２８】
次に３相正弦波電圧を印加するが、このとき入力周波数を起動開始時の低回転周波数f0から目標回転周波数ftまで連続的にランプ状に変えて、各相にＤ／Ａ出力する。
【００２９】
このとき、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間の正弦波電圧は、常にＵ相に対し、Ｖ相は１２０°、Ｗ相は２４０°の位相差を保ちながら、振幅が時間とともに変わっても、３相間でバランスを保ちつつ同時に変動する。
【００３０】
制御速度に対応する目標回転周波数ftに到達した後は、周波数ftと振幅を維持した状態でＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間の正弦波電圧は、Ｕ相に対し、Ｖ相は１２０°、Ｗ相は２４０°の位相差を維持し、開ループで駆動する。
【００３１】
図２は、この実施の形態による方法で外径φ１.５mmの３相ブラシレスモータを駆動するために、起動開始時の低回転周波数f0=７Hzから目標回転周波数ft=１.８kHzまで角加速度１０００／sec2で周波数をランプ状に変えて出力した１.８kHz、３.０Vppの３相正弦波電圧Eu、Ev、Ewを示したものである。
【００３２】
ここで角加速度１０００／sec2は、回転周波数が０Ｈｚから１０００Ｈｚまで１秒間で到達する加速度である。
【００３３】
図３は、図２に示す出力を受けた、該外径φ１.５mmの３相ブラシレスモータのＵ相への印加電圧VuとＵ相零クロスパルス信号Huを示したものである。
【００３４】
実際に、上記の条件により外径φ１.５mmの３相ブラシレスモータを駆動した結果、該３相ブラシレスモータは、回転ムラ±５％以下の状態を保持し、指令速度に追従し続けることが確認されている。
【００３５】
起動時の目標回転周波数までのランプ状による立ち上げは、起動対象となるモータの有する機械的負荷やその他の諸条件、特に目標回転周波数が低い設定である場合などは、必ずしも必要としない場合がある。
【００３６】
実際、本実施例における外径φ１.５mmの３相ブラシレスモータでは、どのようなロータ位置からも、１.８kHz、３.０Vppの３相正弦波電圧の入力により、直ちに該３相ブラシレスモータは起動し、回転ムラ±５％以下の状態を保持して指令速度に追従し続けることが後述する実験結果からも確認されている。
【００３７】
上記の実施形態の作用効果に対応する検証として、発明者らが行った実験結果について以下に説明する。
【００３８】
実験は上記の実施形態における駆動回路、φ１.５mmの３相ブラシレスギヤードモータ（機種名：ＳＢＬ０１５ＰＧ４０）及び、該ギヤードモータの回転出力軸先端に２極磁石を取付、ＭＲセンサ（磁気抵抗素子）により回転出力軸の位置情報を読み取る構成で行い、指令速度に対する追従及び回転ムラの状態について検証した。
【００３９】
実験結果１
図４は、入力周波数を一定の角加速度（１０００／sec2）でランプ状に上げていった場合において、モータの回転が指令速度に追従できなくなり脱調するときの周波数と、駆動回路からの出力電圧Ｅとの関係を示している。
【００４０】
この結果から、例えば「ＳＢＬ０１５ＰＧ４０」に０Ｈｚから１０００Ｈｚまで１秒間で到達する加速度で入力周波数を上げながら、３.０Vppの３相正弦波電圧を印加したとき、１８００Ｈｚ（１.８kHz）までは容易に追従していることが確認できる。
【００４１】
実験結果２
図５は、「ＳＢＬ０１５ＰＧ４０」をＥｕ＝３V，１８００rpmで駆動した速度変動の分布状態を示しており、出力軸が１回転する時間を3,891回測定した結果で、横軸は測定時間を、縦軸は各データの領域毎の占有率を表している。
【００４２】
この結果から、「ＳＢＬ０１５ＰＧ４０」の速度変動率は、特にＥｕ＝３V，１８００rpmの条件下では０．８％以下であることが確認できる。
【００４３】
回転ムラに関しては、更に１０００〜３０００rpmの範囲で複数の条件で、且つＭＲセンサの検知位置上での時間測定の開始ポイントを変えて確認した結果として、いずれも１％以下であった。
【００４４】
すなわち、三相ブラシレスモータの駆動において、回転ムラが優に±５％以下の状態で指令速度に確実に追従させて開ループでの速度制御が可能な駆動方法による駆動装置としての結果が得られたものである。
【００４５】
実施の形態における実施例として、駆動回路に８ビットのワンチップマイコンを用い、駆動するモータには外径φ１.５mmの３相ブラシレスモータを使用したが、当然ながら本発明を適用するにあたり、これらの仕様のものに限定されない。８ビット以上のマイコン及び外径φ１.５mm以外のサイズの３相ブラシレスモータの駆動にも本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る、駆動回路からの出力波形図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る、３相ブラシレスモータへの入力電圧等を示す波形図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る、周波数と電圧の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る、速度変動率の分布を示す図である。
【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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