(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子の回転位置を検出する回転位置センサの出力信号に基づいて電機子に供給する電流値を制御する電機子電流制御手段、およびＰＷＭ制御部とインバータ部を有し上記電流値に基づいて上記電機子に電機子電流を供給する駆動手段を備えており、上記インバータ部と上記電機子の間の各相に、上記電機子に比べてインダクタンスの大きい電流平滑用コイルが設けられ、上記電機子電流制御手段に、上記回転位置センサの出力信号に対して電機子電流の位相を進める位相制御手段が設けられているブラシレス直流電動機であって、
上記位相制御手段が、一連のアドレスに全体で所定の電流波形を表す電流波形データが記憶された記憶手段を有する電流波形データ出力手段、および上記一連のアドレスに対応するアドレス値信号を順次繰り返して上記電流波形データ出力手段に出力するアドレス値制御手段を備えており、上記電流波形データ出力手段が、上記アドレス値制御手段から出力されるアドレス値信号に対応する上記記憶手段のアドレスの電流波形データを出力するものであり、上記アドレス値制御手段が、外部からのトリガ信号により所定幅の位相制御用パルス信号を出力するパルス発生手段、上記回転位置センサの出力信号の始端と上記位相制御用パルス信号の終端を同期させるとともに上記回転位置センサの出力信号よりも高い周波数のカウント用パルス信号を出力する信号同期手段、および上記カウント用パルス信号を所定の値までカウントしてリセットする動作を繰り返しカウントのたびにカウント値をアドレス値信号として上記電流波形データ出力手段に出力するとともにリセットしたときに上記パルス発生手段にトリガ信号を出力するカウント手段を備え、上記電流波形データ出力手段から出力される電流波形データが表す電流波形の位相が上記回転位置センサの出力信号に対して進むようにアドレス値信号を出力するものであることを特徴とするブラシレス直流電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ブラシレス直流電動機、さらに詳しくは、ＰＷＭ方式のインバータにより駆動されるブラシレス直流電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のブラシレス直流電動機として、回転子の回転位置を検出する回転位置センサの出力信号に基づいて電機子に供給する電流値を制御する電機子電流制御装置、およびＰＷＭ制御部とインバータ部を有し上記電流値に基づいて電機子に電機子電流を供給する駆動装置を備えたものが知られている。
【０００３】
ところで、高速回転用に設計されたブラシレス直流電動機においては、必然的に、電機子の固有インダクタンスは非常に小さなものになる。そして、電機子のインダクタンスが非常に小さいブラシレス直流電動機をＰＷＭ方式のインバータで駆動する場合、電機子に流れる電流にリップル成分が含まれてしまう。このため、回転子がスムーズに回転しなかったり、電機子が激しく発熱するなどという問題が生じる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、リップル電流を低減でき、しかも高速回転が可能なブラシレス直流電動機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によるブラシレス直流電動機は、回転子の回転位置を検出する回転位置センサの出力信号に基づいて電機子に供給する電流値を制御する電機子電流制御手段、およびＰＷＭ制御部とインバータ部を有し上記電流値に基づいて上記電機子に電機子電流を供給する駆動手段を備えており、上記インバータ部と上記電機子の間の各相に、上記電機子に比べてインダクタンスの大きい電流平滑用コイルが設けられ、上記電機子電流制御手段に、上記回転位置センサの出力信号に対して電機子電流の位相を進める位相制御手段が設けられているブラシレス直流電動機であって、上記位相制御手段が、一連のアドレスに全体で所定の電流波形を表す電流波形データが記憶された記憶手段を有する電流波形データ出力手段、および上記一連のアドレスに対応するアドレス値信号を順次繰り返して上記電流波形データ出力手段に出力するアドレス値制御手段を備えており、上記電流波形データ出力手段が、上記アドレス値制御手段から出力されるアドレス値信号に対応する上記記憶手段のアドレスの電流波形データを出力するものであり、上記アドレス値制御手段が、外部からのトリガ信号により所定幅の位相制御用パルス信号を出力するパルス発生手段、上記回転位置センサの出力信号の始端と上記位相制御用パルス信号の終端を同期させるとともに上記回転位置センサの出力信号よりも高い周波数のカウント用パルス信号を出力する信号同期手段、および上記カウント用パルス信号を所定の値までカウントしてリセットする動作を繰り返しカウントのたびにカウント値をアドレス値信号として上記電流波形データ出力手段に出力するとともにリセットしたときに上記パルス発生手段にトリガ信号を出力するカウント手段を備え、上記電流波形データ出力手段から出力される電流波形データが表す電流波形の位相が上記回転位置センサの出力信号に対して進むようにアドレス値信号を出力するものであることを特徴とするものである。
【０００６】
インバータ部と電機子の間の各相に、電機子に比べてインダクタンスの大きい電流平滑用コイルが設けられているので、電機子電流のリップル成分が低減され、回転子の回転の滑らかさが向上し、電機子の発熱が低減する。
【０００７】
ところで、インバータ部と電機子の間の各相に、電機子に比べてインダクタンスの大きい電流平滑用コイルを入れると、電機子電流の位相が遅れ、高速回転が難しくなる。
【０００８】
しかし、電機子電流制御手段に、回転位置センサの出力信号に対して電機子電流の位相を進める位相制御手段が設けられているので、電機子電流の位相遅れを防止することができる。そして、回転位置センサの出力信号すなわち回転子の位置に対して電機子電流の位相を進めることにより、減磁作用が生じ、高速回転が円滑になる。また、ブラシレス直流電動機を発電機として運転する場合、回転子の位置に対して電機子電流の位相を進めることにより、磁化作用が生じ、発電機としての見かけ上の容量が大きくなる。
【０００９】
したがって、この発明のブラシレス直流電動機によれば、電機子電流のリップル成分を低減させて、回転子の回転の滑らかさを向上させ、回転子の発熱を低減させることができ、しかも高速回転が可能である。
【００１１】
電流波形データ出力手段の記憶手段としては、たとえばＰＲＯＭなどのメモリが使用される。
【００１２】
アドレス値制御手段からアドレス値信号が出力されると、電流波形データ出力手段において、そのアドレス値信号に対応する記憶手段のアドレスから電流波形データが読み出されて、これが出力される。アドレス値制御手段から記憶手段の一連のアドレスに対応するアドレス値信号が順次繰り返して出力されることにより、記憶手段の一連のアドレスに記憶された電流波形データが順次繰り返して出力され、その結果、全体で所定の電流波形（たとえば正弦波形）を表す電流波形データが繰り返して出力される。電流波形データ出力手段から出力される電流波形データはＤＡ変換器などの適宜な手段によりアナログ信号に変換され、このアナログ信号が電機子電流値として駆動手段に供給される。アドレス値制御手段が、電流波形データ出力手段から出力される電流波形データが表す電流波形の位相が回転位置センサの出力信号に対して進むようにアドレス値信号を出力するから、駆動手段に供給される電機子電流値およびこれに基づいて駆動手段から電機子に供給される電機子電流の位相は、回転子の位置に対して進められる。
【００１４】
パルス発生手段としては、たとえば単安定マルチバイブレータが使用される。信号同期手段としては、たとえばＰＬＬ(Phase Locked Loop)回路などが使用される。カウント手段としては、たとえばカウンタなどが使用される。
【００１５】
カウント手段は、信号同期手段からのカウント用パルス信号をカウントするたびにカウント値をアドレス値信号として電流波形データ出力手段に出力し、カウント手段がリセットしてから所定の値までカウントアップするまでの間に、記憶手段の一連のアドレスに対応するアドレス値信号がカウント手段から電流波形データ出力手段に出力され、その結果、全体で所定の電流波形を表す電流波形データが電流波形データ出力手段から出力される。そして、カウント手段がカウント用パルス信号を所定の値までカウントアップしてリセットする動作を繰り返すことにより、全体で所定の電流波形を表す電流波形データが繰り返して出力される。後は、上記と同様である。
【００１６】
カウント手段がカウントアップしてリセットすると、カウント手段からパルス発生手段にトリガ信号が出力され、パルス発生手段から信号同期手段に位相制御用パルス信号が出力される。これと同時に、カウント手段から最初のアドレス値信号が出力され、電流波形データ出力手段から最初の電流波形データが出力される。したがって、電流波形データ出力手段から出力される一連の電流波形データの位相すなわち電機子電流の位相は、カウント手段のリセットすなわちトリガ信号の始端と同期している。一方、信号同期手段において、回転位置センサの出力信号の始端と位相制御用パルス信号の終端が同期させられるため、回転位置センサの出力信号の位相は、電機子電流の位相に対して、位相制御用パルス信号の幅だけ遅れることになる。つまり、電機子電流の位相は、回転位置センサの出力信号の位相に対して、位相制御用パルス信号の幅だけ進むことになる。
【００１７】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、ブラシレス直流電動機の全体構成を概略的に示している。この電動機は、たとえば、制御型磁気軸受を用いた電力貯蔵用フライホイール装置に適用される。この種のフライホイール装置では、ケーシング内の真空中で磁気軸受により非接触支持されたロータが内蔵型のブラシレス直流電動機により高速回転させられる。
【００１９】
電動機は、電動機本体(1)と制御部(2)とから構成されている。
【００２０】
電動機本体(1)は通常のブラシレス直流電動機のものと同様の構成を有するものであるが、図１にはのそのうちのロータ側の回転子(3)とステータ側の電機子(4)だけが示されている。電機子(4)には、３相の電機子巻線(5a)(5b)(5c)が設けられている。巻線は、符号(5)で総称する。
【００２１】
制御部(2)は、回転位置センサ(6)、電機子電流制御手段を構成する電機子電流制御装置(7)および駆動手段を構成する駆動装置(8)を備えている。図３に、電機子電流制御装置(7)の所要部分の信号の１例が示されている。
【００２２】
回転位置センサ(6)は、回転子(3)の回転位置を検出するものであり、図３に信号Ａで示すように、回転子(3)が１回転する間に、電動機本体(1)の極数に比例する１あるいは複数のパルスを発生する。回転位置センサ(6)は、回転子(3)の回転速度を検出するセンサを兼ねている。
【００２３】
電機子電流制御装置(7)は、回転子(3)の位置に対応する回転位置センサ(6)の出力信号（パルス信号）に基づいて電機子電流値を制御するものであり、位相制御手段を構成する位相制御装置(9)、減算器(11)、増幅器(12)および乗算型ＤＡ変換器(13)を備えている。位相制御装置(9)は、回転位置センサ(6)の出力信号Ａに対して電機子電流の位相を進めるためのものであり、電流波形データ出力手段を構成する電流波形データ出力装置(10)、およびアドレス値制御手段を構成するアドレス値制御装置(22)を備えている。
【００２４】
電流波形データ出力装置(10)は記憶手段を構成するＰＲＯＭ(23)を備えており、ＰＲＯＭ(23)の一連のアドレスに、全体で図３の信号Ｅ（電流値信号）のような一定の電流波形（この例では正弦波形）を表す電流波形データが記憶されている。ＰＲＯＭ(23)には、電機子(4)の３相分の電流波形データが記憶されている。電流波形データ出力装置(10)は、後述するようにアドレス値制御装置(22)からアドレス値信号が出力されたときに、そのアドレス値に対応するＰＲＯＭ(23)のアドレスに記憶されている３相分の電流波形データをＤＡ変換器(13)に出力する。
【００２５】
アドレス値制御装置(22)は、信号同期手段を構成するＰＬＬ回路(14)、カウント手段を構成するカウンタ(15)およびパルス発生手段を構成する単安定マルチバイブレータ(16)を備えている。
【００２６】
マルチバイブレータ(16)は、後述するトリガ信号Ｃが入力したときに所定幅の位相制御用パルス信号Ｂを出力する。
【００２７】
ＰＬＬ回路(14)には、回転位置センサ(6)の出力信号Ａとマルチバイブレータ(16)からのパルス信号Ｂが入力する。ＰＬＬ回路(14)は、信号Ａの始端（立ち上がり）と信号Ｂの終端（立ち上がり）を同期させるとともに、信号Ａの周波数よりカウンタ(15)の分周率分だけ高い周波数のカウント用パルス信号をカウンタ(15)に出力する。
【００２８】
カウンタ(15)は、ＰＬＬ回路(14)からのカウント用パルス信号を所定の値までカウントしてリセットする動作を繰り返し、カウントのたびにカウント値をアドレス値信号Ｄとして電流波形データ出力装置(23)に出力するとともに、リセットしたときにマルチバイブレータ(16)にトリガ信号Ｃを出力する。
【００２９】
回転位置センサ(6)の出力信号は、また、図示しない単安定マルチバイブレータなどの適宜な手段によりアナログ値の回転速度信号に変換される。減算器(11)において、この回転速度信号と予め設定されている速度設定値の差が演算され、減算器(11)の出力が増幅器(12)を介して速度差信号としてＤＡ変換器(13)に入力する。
【００３０】
ＤＡ変換器(13)は、電流波形データ装置(10)から３相分の電流波形データが入力するたびに、これらをアナログ値に変換するとともに、その結果に増幅器(12)からの速度差信号を乗算し、３相分の電流値信号Ｅとして駆動装置(8)に出力する。
【００３１】
駆動装置(8)は、３相の電機子巻線(5)にそれぞれ対応する３つの減算器(17a)(17b)(17c)、ＰＷＭ制御部を構成するＰＷＭ制御回路(18)およびインバータ部(19)を備えている。減算器は、符号(17)で総称する。電機子電流制御装置(7)のＤＡ変換器(13)からの３相分の電流値信号Ｅが、対応する減算器(17)に入力する。各電機子巻線(5)に電流検出器(20a)(20b)(20c)が設けられ、これらの電圧出力が対応する減算器(17)にそれぞれ入力する。電流検出器は、符号(20)で総称する。また、インバータ部(19)と各電機子巻線(5)との間に、電機子巻線(5)に比べてインダクタンスの大きい電流平滑用コイル（インダクタ）(21a)(21b)(21c)が設けられている。コイルは、符号(21)で総称する。ＰＷＭ制御回路(18)は、各減算器(17)の出力に基づいて対応する相のＰＷＭ制御信号をインバータ部(19)に出力する。インバータ部(19)は、ＰＷＭ制御信号に基づき、各相の電機子巻線(5)に電機子電流を供給する。なお、ＰＷＭ制御回路(18)およびインバータ部(19)には、公知の適宜な構成を採用しうる。
【００３２】
上記の電機子電流制御装置(7)において、カウンタ(15)は、ＰＬＬ回路(14)からのカウント用パルス信号をカウントするたびにカウント値をアドレス値信号Ｄとして電流波形データ出力装置(10)に出力し、カウンタ(15)がリセットしてから所定の値までカウントアップするまでの間に、ＰＲＯＭ(23)の一連のアドレスに対応するアドレス値信号Ｄがカウンタ(15)から電流波形データ出力装置(10)に出力される。カウンタ(15)からアドレス値信号Ｄが出力されると、電流波形データ出力装置(10)において、そのアドレス値信号Ｄに対応するＰＲＯＭ(23)のアドレスから電流波形データが読み出されて、これがＤＡ変換器(13)に出力される。カウンタ(15)からＰＲＯＭ(23)の一連のアドレスに対応するアドレス値信号が順次繰り返して出力されることにより、ＰＲＯＭ(23)の一連のアドレスに記憶された電流波形データが順次繰り返して出力され、その結果、全体で図３の信号Ｅのような一定の電流波形を表す電流波形データが繰り返してＤＡ変換器(13)に出力される。電流波形データ出力装置(10)から出力される電流波形データはＤＡ変換器(13)により増幅器(12)からの速度差信号に比例するアナログ値の電流値信号Ｅに変換され、この電流値信号Ｅが電機子電流値として駆動装置(8)に供給される。
【００３３】
インバータ部(19)と電機子(4)の間の各相に、電機子巻線(5)に比べてインダクタンスの大きいコイル(21)が設けられているので、電機子電流のリップル成分が低減され、回転子(3)の回転の滑らかさが向上し、回転子の発熱が低減する。しかし、このようにインバータ(19)と電機子(4)の間の各相にインダクタンスの大きいコイル(21)があるので、そのままでは、電機子電流の位相が遅れ、高速回転が難しくなる。ところが、上記の電動機では、次に説明するように、位相制御装置(9)により、回転位置センサ(6)の出力信号に対して電機子電流の位相が進められるため、電機子電流の位相遅れを防止することができ、高速回転が可能になる。
【００３４】
仮にアドレス値制御装置(22)にマルチバイブレータ(16)が設けられていないとしたときの位相制御装置(9)の動作は、次のとおりである（図２参照）。
【００３５】
カウンタ(15)がカウントアップしてリセットすると、カウンタ(15)からトリガ信号Ｃが出力され、アドレス値制御装置(22)にマルチバイブレータ(16)が設けられていないとすると、トリガ信号ＣがＰＬＬ回路(14)に直接入力する。また、カウンタ(15)からトリガ信号Ｃが出力されると同時に、カウンタ(15)からＰＲＯＭ(23)の最初のアドレスに対応するアドレス値信号Ｄが出力され、電流波形データ出力装置(10)から最初の電流波形データが出力される。したがって、電流波形データ出力装置(10)から出力される一連の電流波形データの位相すなわち電流値信号Ｅの位相は、カウンタ(15)のリセットすなわちトリガ信号Ｃの始端と同期している。一方、ＰＬＬ回路(14)において、回転位置センサ(6)の出力信号Ａの始端とトリガ信号Ｃの始端が同期させられるため、電流値信号Ｅの位相すなわち電機子電流の位相は、回転位置センサの出力信号Ａの位相と一致する。
【００３６】
これに対し、図１の位相制御装置(9)の動作は、次のとおりである（図３参照）。
【００３７】
カウンタ(15)がカウントアップしてリセットすると、カウンタ(15)からマルチバイブレータ(16)にトリガ信号Ｃが出力され、マルチバイブレータ(16)からＰＬＬ回路(14)に位相制御用パルス信号Ｂが出力される。これと同時に、カウンタ(15)からＰＲＯＭ(23)の最初のアドレスに対応するアドレス値信号Ｄが出力され、電流波形データ出力装置(10)から最初の電流波形データが出力される。したがって、電流波形データ出力装置(10)から出力される一連の電流波形データの位相すなわち電流値信号Ｅの位相は、カウンタ(15)のリセットすなわちトリガ信号Ｃの始端と同期している。一方、ＰＬＬ回路(14)において、回転位置センサ(6)の出力信号Ａの始端と位相制御用パルス信号Ｂの終端が同期させられるため、回転位置センサ(6)の出力信号Ａの位相は、電流値信号Ｅの位相に対して、位相制御用パルス信号Ｂの幅の分(a)だけ遅れることになる。つまり、電流値信号Ｅの位相すなわち電機子電流の位相は、回転位置センサ(6)の出力信号Ａの位相に対して、位相制御用パルス信号Ｂの幅の分(a)だけ進むことになる。なお、この位相の進み分(a)は、電動機の特性などを考慮して最適となるように決定されるが、電機子電流の周期を３６０度とすると、たとえば１５度以下である。
【００３８】
ブラシレス直流電動機の構成、電機子電流制御装置(7)および駆動装置(8)の構成などは、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示すブラシレス直流電動機の概略構成図である。
【図２】図２は、位相制御装置のアドレス値制御装置に単安定マルチバイブレータが設けられていないとしたときのアドレス値制御装置の各部の信号を示すタイムチャートである。
【図３】図３は、図１の実施形態における位相制御装置のアドレス値制御装置の各部の信号を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
(3)                   回転子
(4)                   電機子
(6)                   回転位置センサ
(7)                   電機子電流制御装置（電機子電流制御手段）
(8)                   駆動装置（駆動手段）
(9)                   位相制御装置（位相制御手段）
(10)                  電流波形データ出力装置（電流波形データ出力手段）
(14)                  ＰＬＬ回路（信号同期手段）
(15)                  カウンタ（カウント手段）
(16)                  単安定マルチバイブレータ（パルス発生手段）
(18)                  ＰＷＭ制御回路（ＰＷＭ制御部）
(19)                  インバータ部
(21a)(21b)(21c)       電流平滑用コイル
(22)                  アドレス制御装置（アドレス制御手段）
(23)                  ＰＲＯＭ（記憶手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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