JP2015142422A - Brushless dc motor, and control method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】磁極位置検出用のセンサ自体やその電源、出力等の配線を不要とし、コストの低減を図る。【解決手段】本発明に係るブラシレス直流モータは、励磁コイルが巻回されるステータと、前記ステータに収容され、所定の向きに回転可能なロータと、前記ロータの回転軸を中心として異極が対向するように、周方向において所定間隔で前記ステータの内面に固定される複数対の磁石と、を備え、前記コイルに、双方向の電圧を交互に印加することによってロータを回転させ、電圧を印加する向きを切り替えてから所定時間後の電流値に応じて、前記ロータの回転角度の、所望の回転角度からのずれ量を検出し、前記算出したずれ量に応じて次回の電圧印加タイミングを補正する、または、前記算出したずれ量に応じて次回の印加電圧値を補正することを特徴とする。【選択図】図７The present invention eliminates the need for a magnetic pole position detection sensor itself and its power supply, output wiring, and the like, thereby reducing costs. A brushless DC motor according to the present invention has a stator around which an exciting coil is wound, a rotor housed in the stator and capable of rotating in a predetermined direction, and different poles around the rotation axis of the rotor. A plurality of pairs of magnets fixed to the inner surface of the stator at predetermined intervals in the circumferential direction so as to face each other, and by rotating the rotor by alternately applying a bidirectional voltage to the coil, the voltage is The amount of deviation of the rotation angle of the rotor from the desired rotation angle is detected according to the current value after a predetermined time after switching the application direction, and the next voltage application timing is determined according to the calculated amount of deviation. The correction is performed, or the next applied voltage value is corrected according to the calculated deviation amount. [Selection] Figure 7
Description
本発明は、ブラシレス直流モータに関する。 The present invention relates to a brushless DC motor.
従来、自動車等の電動ポンプには、ブラシ、および、整流子を有するブラシ付直流モータが主に用いられていた。ブラシ付直流モータは低コストかつ構造が単純であるという利点を有するものの、整流子との機械的接触によってブラシが経年劣化し、ブラシ・整流子間の電気的接続に不具合が生じ得るという欠点がある。 Conventionally, brushes and DC motors with brushes having commutators have been mainly used for electric pumps such as automobiles. Although the DC motor with brushes has the advantage of low cost and simple structure, the brush has deteriorated over time due to mechanical contact with the commutator, and the electrical connection between the brush and commutator can be defective. is there.
これに対し、前記したブラシ、および、整流子に代えて、スイッチング素子のオン／オフを電気的に制御することで矩形波電圧をコイルに印加するブラシレス直流モータが知られている。ブラシレス直流モータを用いることで、その使用期間に関わらず、前記した電気的接続の信頼性を維持できる。 On the other hand, instead of the brush and the commutator described above, a brushless DC motor that applies a rectangular wave voltage to a coil by electrically controlling on / off of a switching element is known. By using a brushless DC motor, the reliability of the electrical connection described above can be maintained regardless of the period of use.
ところで、従来のブラシレス直流モータは、互いに位相の異なる矩形波電圧を三相コイルに印加することで回転磁界を発生させる構成になっていた。この場合、三相コイルに正負の電圧を印加するため６個のスイッチング素子（例えば、ＦＥＴ：Field effect transistor）が必要になり、ブラシ付直流モータよりも製造コストが高くなる。 By the way, the conventional brushless DC motor is configured to generate a rotating magnetic field by applying rectangular wave voltages having different phases to a three-phase coil. In this case, six switching elements (for example, FET: Field effect transistor) are required to apply positive and negative voltages to the three-phase coil, and the manufacturing cost is higher than that of a brushed DC motor.
また、特許文献１には、隈取コイルが巻回されるステータと、このステータのロータ収容孔に挿入されて回転駆動するロータと、ステータを励磁する励磁コイルと、を備えた隈取モータについて記載されている。当該隅取モータは単相コイルを使用しているため、前記の三相コイルを用いたモータに比べて、制御部品を減らすことができ、製造コストを下げることができる。
しかしながら、特許文献１のモータであっても、コイルへの通電制御においては、ロータの位置情報に基づいてこれを行わなければならず、ロータの位置を検出するためにレゾルバ等の位置センサが必要である。レゾルバ等の位置センサを用いてロータ位置を検出するためには、位置センサに加えてその検出信号の処理回路が必要となり、さらには、位置センサの取り付けが必要となるため、モータのコストが高くなり、サイズが大きくなるという課題がある。
However, even with the motor of
そこで、本発明は磁極位置検出用のセンサ自体やその電源、出力等の配線に関する課題を解決することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems relating to the magnetic pole position detection sensor itself and its power supply, output and other wiring.
前記課題を解決するための手段として、本発明に係るは、励磁コイルが巻回されるステータと、前記ステータに収容され、所定の向きに回転可能なロータと、前記ロータの回転軸を中心として異極が対向するように、周方向において所定間隔で前記ステータの内面に固定される複数対の磁石と、を備えるブラシレス直流モータの制御方法であって、前記コイルに、双方向の電圧を交互に印加することによってロータを回転させ、電圧を印加する向きを切り替えてから所定時間後の電流値に応じて、前記ロータの回転角度の、所望の回転角度からのずれ量を検出し、前記算出したずれ量に応じて次回の電圧印加タイミングを補正する、または、前記算出したずれ量に応じて次回の印加電圧値を補正することを特徴とする。 As means for solving the above-mentioned problems, according to the present invention, a stator around which an exciting coil is wound, a rotor housed in the stator and capable of rotating in a predetermined direction, and a rotation axis of the rotor. A control method of a brushless DC motor comprising a plurality of pairs of magnets fixed to the inner surface of the stator at predetermined intervals in the circumferential direction so that different polarities face each other, wherein bidirectional voltages are alternately applied to the coils The rotor is rotated by applying the voltage to the rotor, and the amount of deviation of the rotation angle of the rotor from the desired rotation angle is detected in accordance with the current value after a predetermined time after switching the direction in which the voltage is applied, and the calculation is performed. The next voltage application timing is corrected according to the deviation amount, or the next applied voltage value is corrected according to the calculated deviation amount.
このような構成によれば、レゾルバやホール素子等の位置センサによらずとも、ロータのずれ角度を判定し、これを補正することができる。 According to such a configuration, the deviation angle of the rotor can be determined and corrected without using a position sensor such as a resolver or a Hall element.
本発明によれば、磁極位置検出用のセンサ自体やその電源、出力等の配線に関する課題を解決することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the subject regarding wiring, such as the sensor itself for magnetic pole position detection, its power supply, an output, can be solved.
本発明を実施するための形態（以下、実施形態と記す）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、向きを説明する場合、図１に示す上下左右に基づいて説明する。 Modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In addition, when explaining a direction, it demonstrates based on the upper and lower sides and right and left shown in FIG.
≪実施形態≫
＜ブラシレス直流モータの構成＞
図１は、本実施形態に係るブラシレス直流モータの構成を示す断面図である。
ブラシレス直流モータ１は、励磁コイル２０に流れる電流に応じた磁束と、ステータ１０の内面に固定される４つの磁石４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂの磁束と、の合成磁束によってトルクを発生させ、ロータ３０を所定の向きに回転駆動させる機能を有している。本実施例においてはロータ３０を左回り（反時計回り）に回転させるものとして説明するが、ロータ３０の断面形状を左右反転させて右回り（時計回り）に回転させてもよい。
ブラシレス直流モータ１は、ロータ３０がステータ１０に収容されたインナロータ型構造を呈し、ステータ１０の内部（回転軸３４を基準として径方向内側）にロータ３０が回転自在に軸支されている。なお、回転軸３４には、負荷（図示せず）が連結される。
<Embodiment>
<Configuration of brushless DC motor>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the brushless DC motor according to the present embodiment.
The
The
図１に示すように、ブラシレス直流モータ１は、励磁コイル２０が巻回されたステータ１０と、ステータ１０に収容され、ロータ３０と、周方向において略等間隔でステータ１０の内面に固定される磁石４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂと、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
（ステータ）
ステータ１０は、径方向内側にロータ３０を収容する磁性体（例えば、ケイ素鋼板）であり、コイル巻回部１１と、第１収容部１２と、第２収容部１３と、第１接続部１４と、第２接続部１５と、を有している。
コイル巻回部１１は、左右方向に延びる棒状部材であり、励磁コイル２０が巻回されている。
第１収容部１２は、断面視でＣ字状を呈し、回転軸３４を中心とした円弧状の内周面を有している。第１収容部１２は、第１接続部１４を介してコイル巻回部１１の左端に接続されている。
(Stator)
The
The
The first
第２収容部１３は、断面視で逆Ｃ字状を呈し、第１収容部１２と同様に回転軸３４を中心とした円弧状の内周面を有している。第２収容部１３は、第２接続部１５を介してコイル巻回部１１の右端に接続されている。
つまり、各接続部１４、１５を介してコイル巻回部１１と一体成形された第１収容部１２、および、第２収容部１３は、ロータ３０を左右から挟み込むように、回転軸３４を中心とする円柱状の収容空間を形成している。
The
That is, the
なお、第１収容部１２、および、第２収容部１３は、上下両端（両末端）に向かうにつれて肉薄となる三日月状に形成されている。これによって、第１収容部１２の上端付近・下端付近を通る磁束の量を制限できる。また、第１収容部１２、および、第２収容部１３の厚み（つまり紙面奥行き方向の長さ）は、ロータ３０の長さに対応して適宜定められた寸法を有している。
In addition, the 1st
また、第１収容部１２の上端と、第２収容部１３の上端とは、左右方向において所定距離だけ離間して対向している。同様に、第１収容部１２の下端と、第２収容部１３の下端と、は左右方向において所定距離だけ離間して対向している。これによって、励磁コイル２０に流される電流に伴う磁束が必ずロータ３０を通り抜けるようにしている（図３（ｃ）の磁力線５２を参照）。換言すると、励磁コイル２０の電流に伴って生じる磁束が、ステータ１０内のみで閉じないようにしている。なお、前記した磁束の詳細については後記する。
Moreover, the upper end of the 1st accommodating
（磁石）
磁石４１ａ、４２ａは、断面視で円弧状をなす永久磁石であり、第１収容部１２の内面に固定されている。このうち磁石４１ａは、Ｎ極が第１収容部１２の内面に密着し、Ｓ極がロータ３０に対向している。一方、磁石４２ａは、Ｓ極が第１収容部１２の内面に密着し、Ｎ極がロータ３０に対向している。因みに、この例では、磁石４１ａと磁石４２ａは同形状で磁石の極性のみが異なる。
なお、磁石４１ａの下端と、磁石４２ａの上端とは、周方向において所定距離Ｌ１だけ離間している。
(magnet)
The
Note that the lower end of the
磁石４１ｂ、４２ｂは、断面視で円弧状をなす永久磁石であり、第２収容部１３の内面に固定されている。このうち磁石４１ｂは、Ｓ極が第１収容部１２の内面に密着し、Ｎ極がロータ３０に対向している。一方、磁石４２ｂは、Ｎ極が第１収容部１２の内面に密着し、Ｓ極がロータ３０に対向している。磁石４１ａ、４２ａの関係と同様に、磁石４１ｂと磁石４２ｂは同形状で磁石の極性のみが異なる。磁石４１ｂ、４２ｂは、回転軸３４を通りコイル巻回部１１に垂直な線を基準として、磁石４１ａ、４２ａと対称になるように配置されている。
The
なお、磁石４１ａ、４２ｂの上端部同志、または磁石４１ｂ、４２ａの下端部同志は、周方向において所定距離Ｌ２だけ離間している。
また図１に示すように、前記各収容部（第１収容部１２、第２収容部１３）の各端部と、これらの内面に固定された磁石（磁石４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ）の各端部は略一致する形になっている。
The upper end portions of the
Moreover, as shown in FIG. 1, each of the end portions of each of the housing portions (the
（ロータ）
ロータ３０は、ブラシレス直流モータ１内での磁束分布に応じたトルクによって回転可能な回転子であり、第１収容部１２と第２収容部１３との間の円柱状の収容空間に収容されている。ロータ３０は、基部３１と、延出部３２と、が一体成形された磁性体（例えば、鉄心）である。ロータ３０は、この例では左回りを規定しているので左回りであることを考慮した形状をしている。
(Rotor)
The
基部３１は、２対の磁石（４１ａ，４１ｂ）、（４２ａ，４２ｂ）が第１収容部１２及び第２収容部１３に固定された状態で、両端がその回転角に応じて各磁石と近接可能な長さで径方向に延びている。また、基部３１の両端面（外周）は、第１収容部１２及び第２収容部１３の内面に対応した形状（断面視で円弧状）になっている。
なお、軽量化を図るため、基部３１には、複数個（回転軸３４付近に４個、端部付近にそれぞれ２個）の孔部３３が設けられている。
The
In order to reduce the weight, the
延出部３２は、基部３１の両端から、ロータ３０の回転向き（左回り）に延びている。延出部３２は、その外側面が基部３１の一端と面一となるように、断面視で円弧状に形成されている。
なお、延出部３２の肉厚は、先端に向かうにつれて薄くなっている。延出部３２の形状及び肉厚は、自体を通り抜ける磁束が最大になった状態で延出部３２内が磁気飽和状態になるように設定されている。これによって、必要以上の磁束が延出部３２内を通ることを防止できる。
The extending
In addition, the thickness of the
延出部３２の機能について説明すると、磁石４１ａと４２ｂとの間には離間Ｌ２が存在し、同様に、磁石４２ａと磁石４１ｂとの間にも離間Ｌ２が存在する。この一対の離間Ｌ２について、例えば、後記する図３（ｄ）のように、ロータ３０の角度によって、一方の延出部３２が一方の離間Ｌ２を橋渡しし、併せて、他方の延出部３２が他方の離間Ｌ２を橋渡しする状態が生じる。これにより、磁石４１ａと磁石４２ｂとの磁気的な接続がなされ、併せて、磁石４１ｂと磁石４２ａとの磁気的な接続もなされ、図３（ｅ）に示すような磁路が形成される。
この延出部の機能については、磁石４１ａと４２ａとの間の離間Ｌ１と、磁石４１ｂと磁石４２ｂとの間の間隔Ｌ１についても同様であるので説明を省略する。
The function of the extending
Since the function of the extending portion is the same for the distance L1 between the
＜モータ駆動装置の構成＞
図２は、ブラシレス直流モータ１を駆動させるモータ駆動装置１００の構成図である。なお、図２では、ブラシレス直流モータ１のロータ３０のみを模式的に示し、ステータ１０、および、各磁石については図示を省略した。
モータ駆動装置１００は、直流電源１０１に並列接続されるコンデンサ１０２と、コンデンサ１０２の出力側に接続されるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と、抵抗Ｒ、および、励磁コイル２０と、制御装置１０３と、を備えている。
<Configuration of motor drive device>
FIG. 2 is a configuration diagram of a
The
それぞれのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（例えば、ＦＥＴ）には、転流による破壊を防止するための還流ダイオードＤ１〜Ｄ４が逆並列に接続されている。また、第１レグを構成するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点と、第２レグを構成するスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点と、が配線ａを介して接続されている。また、前記した配線ａにおいて、抵抗Ｒ、および、励磁コイル２０が直列接続されている。
図２に示す励磁コイル２０は、図１で説明したように、ブラシレス直流モータ１のステータ１０に巻回されている。
The switching diodes S1 to S4 (for example, FETs) are connected in reverse parallel with free-wheeling diodes D1 to D4 for preventing breakdown due to commutation. Further, the connection point of the switching elements S1 and S2 constituting the first leg and the connection point of the switching elements S3 and S4 constituting the second leg are connected via the wiring a. In the wiring a described above, the resistor R and the
The
制御装置１０３は、外部から入力される指令信号（駆動指令、停止指令、速度変更指令）、予め設定されたプログラムに従ってスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン／オフを制御する。
The
例えば、制御装置１０３によってスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオンに、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオフに切り替えられると、励磁コイル２０に正の電圧が印加される（図４（ａ）参照）。一方、制御装置１０３によってスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオフに、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオンに切り替えられると、励磁コイル２０に負の電圧が印加される。
なお、励磁コイル２０に正の電圧が印加された場合、電流は、コイルの上側では手前から奥に、コイルの下側では奥から手前に流れる（図４（ｃ）等参照）。逆に、励磁コイル２０に負の電圧が印加された場合、コイルの上側では奥から手前に、コイルの下側では手前から奥に電流が流れる（図４（ａ）等参照）。
For example, when the switching elements S1 and S4 are switched on and the switching elements S2 and S3 are switched off by the
When a positive voltage is applied to the
スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン／オフを切り替える際、回路の短絡を防止するため、第１レグのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、又は、第２レグのスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を両方オフにする期間が設けられる。制御装置１０３は、このように正負の矩形波電圧を励磁コイル２０に印加することによって励磁コイル２０に電流を流し、これに伴って生じるトルクでロータ３０を回転駆動させる。
なお、制御装置１０３が、搬送波（例えば、正弦波）と基本波（例えば、三角波）との比較結果に応じたＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うことで、励磁コイル２０に所定の矩形波電圧を印加するようにしてもよい。
When switching the switching elements S1 to S4 on / off, a period is provided to turn off both the first leg switching elements S1 and S2 or the second leg switching elements S3 and S4 in order to prevent a short circuit. It is done. The
The
＜始動制御＞
図３は、始動制御、つまり始動時の通電制御におけるロータ３０の回転角度等の状態遷移をあらわしたものである。図３に記されていない符号、および、磁石の極性については図１に従う。
<Starting control>
FIG. 3 shows state transitions such as the rotation angle of the
ブラシレス直流モータ１を回転駆動させる前の無通電状態において、ロータ３０には、磁石４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂによって左回り、および、右回りのどちらの向きにもトルクが生じていて、ロータ３０は、互いに正反対の向きを持つこれらのトルクの大きさが釣り合う、つまりトルクバランスの取れる角度で停止している。このトルクバランスが取れたことによってロータ３０が停止する状態を安定状態と呼ぶことにする。
In the non-energized state before the
本実施形態において、安定状態となるロータ３０の角度は２通り存在し、それぞれ図３（ａ）、（ｂ）にあらわされる。図３（ａ）、（ｂ）にあらわされた安定状態を、それぞれ状態１、状態２と呼ぶことにする。
なお、図３（ａ）、（ｂ）には、安定状態において磁石４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂによって発生した磁束の分布があらわされている。磁力線５１は、説明の便宜のため、一定の範囲に分布している無数の磁束を、一本の磁力線に合成してあらわしたものである。
In the present embodiment, there are two angles of the
3A and 3B show distributions of magnetic fluxes generated by the
ロータ３０に対して常に意図した向きのトルクを発生させるために、励磁コイル２０には、ロータ３０の角度に応じて適切な方向に電圧を印加する必要がある。状態１と状態２では、励磁コイル２０に印加すべき電圧の方向が異なる（図４（ａ）、（ｃ）参照）。回転駆動の開始前は状態１と状態２の何れの状態もとり得るため、何れの状態にあるか特定しない限りは、電圧を意図した向きに印加することができない。そこで、回転駆動の開始前のロータ３０の角度を一意に特定するために、当該始動制御を行う。
In order to always generate the torque of the intended direction with respect to the
始動制御において、制御装置１０３は、まず所定の時間だけ通電し、励磁コイルに対して所定の電圧を印加する。なお、印加する電圧は、磁力線５１の磁力を十分に上回る磁力を発生させるのに足る大きさを設定する。本実施形態においては正の電圧を印加し、これによって発生した磁束が、励磁コイル２０を右から左に抜ける方向に発生する。
In the start control, the
発生した磁束は主に、励磁コイル２０から、第１接続部１４、第１収容部１２、ロータ３０、第２収容部１３、第２接続部１５、の順に経由して励磁コイル２０に戻ってくる。磁束は、第１収容部１２からロータ３０に入る際に、磁束の向きが逆である磁気抵抗の大きい磁石４１ａを避け、磁束の向きが同じである磁石４２ａを、主に通過する。同様の理由で、当該磁束は、ロータ３０から第２収容部に入る際には、主として磁石４２ｂを通過する。
The generated magnetic flux mainly returns from the
図３（ｃ）は始動制御において、前記の電圧を印加した状態をあらわしている。磁力線５２は、電圧印加によって励磁コイルを右から左に抜ける方向に発生した一定範囲の磁束を１本に合成してあらわしたものである。ロータ３０は、電圧印加の前に状態１、または状態２の何れの状態にあったとしても、磁力線５２の張力によって回転し、磁力線５２がロータ３０を通過する経路が、直線に近くなるような角度で停止する。この状態を状態３と呼ぶことにする。
FIG. 3C shows a state in which the voltage is applied in the starting control. The magnetic lines of
所定時間が経過すると制御装置１０３は通電を停止する。このため磁力線５２は消失し、ロータ３０には磁力線５１のみが作用する。ロータ３０には磁力線５１によってトルク５１ａが発生している。ロータ３０は、トルク５１ａによって安定状態のとなるように回転しようとするが、状態２よりも状態１の方が近いため、トルク５１ａは状態１の方向に向かって発生する。したがってロータ３０は、図３（ｄ）に示すように状態１の角度まで回転し停止する。以上が始動制御の手順である。
When the predetermined time has elapsed, the
回転駆動を開始する前に、係る始動制御を行うことによって、ロータ３０の角度を一意に特定することができるために、位置センサを用いることなく、正しい向きに回転を開始することができる。本実施形態の場合、始動制御後、ロータ３０は状態１の角度にあるため、最初に負の電圧を励磁コイル２０に印加することで、正しい向き（左回り）に回転を開始することができる（図４（ａ））。
By performing such start-up control before starting the rotation drive, the angle of the
＜回転駆動制御＞
図４は、回転駆動制御におけるロータ３０の回転角度等の状態遷移をあらわしたものである。図中、励磁コイル２０によって発生する磁束は、一定範囲に分布しているものを合成し、１本の磁力線として説明する。従って、磁束の図示は省略する。また磁石４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂによる磁力についても、励磁コイル２０による磁力に比べて回転駆動に及ぼす影響が小さいため、省略する。
<Rotation drive control>
FIG. 4 shows state transitions such as the rotation angle of the
図５は、回転駆動制御において、励磁コイル２０に印加する電圧の波形を時系列であらわしたグラフである。グラフにおいて附された度数は、励磁コイル２０に印加する電圧を、正から負に切り替える時点のロータ３０の角度（図４（ｄ）から図４（ａ）の間）を基準として、度数が附された各時点においてロータ３０が所定の向きに何度回転しているかをあらわしている。
FIG. 5 is a graph showing the waveform of the voltage applied to the
図５から分かるように、ブラシレス直流モータ１は、ロータ３０の角度に応じて所定の方向に電圧を印加し、９０度毎に電圧を印加する方向を切り替えることによって、回転駆動制御を行う。なお、ここでの「９０度毎に」とは、ロータ３０が補正する必要がない本来の角度（後記する想定角度）を回転していることを前提でとして、電圧を印加する方向を切り替えるものである。
As can be seen from FIG. 5, the
制御装置１０３は、ロータ３０が回転して０度の位置に来たとき、励磁コイル２０に負の電圧を印加する（図５）。このとき、図４（ａ）（ｂ）に示すように、励磁コイル２０には左から右に抜ける磁力線５３が発生する。磁力線５３は、前記した磁力線５２（図３（ｃ））とは向きは異なるが、磁力線５２と同様に、磁気抵抗が大きい磁石４２ａ、４２ｂを避け、磁気抵抗が小さい磁石４１ａ、４１ｂを通過しようとする。従って、磁力線５３は、励磁コイル２０から、第２接続部１５、第２収容部１３、磁石４１ｂ、ロータ３０、磁石４１ａ、第１収容部１２、第１接続部１４、の順に経由して励磁コイル２０に戻ってくる（図４（ａ））。
The
従って、磁力線５３は、図４（ａ）にあるようにＳ字カーブを描く。磁力線５３は、磁力の張力によって真っ直ぐに伸びようとするため、ロータ３０には所定の向きのトルク５３ａが発生している。
ロータ３０が回転を続けて９０度付近の位置まで来たとき、磁力線５３のＳ字は直線に近くなるため、トルク５３ａはほぼ消失する（図４（ｂ））。
Therefore, the
When the
制御装置１０３は、ロータ３０が回転して９０度の位置に来たとき、励磁コイル２０に正の電圧を印加する（図５）。励磁コイル２０には右から左に抜ける磁力線５２が発生する。これは始動制御において発生した磁力線５２（図３（ｃ））と同様である。従って、磁力線５２は、励磁コイル２０から、第１接続部１４、第１収容部１２、磁石４２ａ、ロータ３０、磁石４２ｂ、第２収容部１３、第２接続部１５、の順に経由して励磁コイル２０に戻ってくる（図４（ｃ））。
The
従って、磁力線５２は、図４（ｃ）にあるようにＳ字カーブを描く。磁力線５２は、磁力の張力によって真っ直ぐに伸びようとするため、ロータ３０には所定の向きのトルク５２ａが発生している。
ロータ３０が回転を続けて１８０度付近の位置まで来たとき、磁力線５３のＳ字は直線に近くなるため、トルク５２ａはほぼ消失する（図４（ｄ））。
Therefore, the
When the
制御装置１０３は、ロータ３０が回転して１８０度の位置に来たとき、励磁コイル２０に正の電圧を印加する。ロータ３０の断面形状は回転軸３４を基準として点対称であるため、１８０度から３６０度までの状態は、０度から１８０度までと全く同じであるため、以降の説明を省略する。
The
以上の説明のように、ブラシレス直流モータ１は、ロータ３０の角度に応じて９０度毎に印加する電圧の向きを切り替え、ほぼ常にロータ３０に対して正しい向きのトルクを発生させることによって、回転駆動制御を行う。
なお、電圧を印加する向きを切り替える角度によっては、その前後で、若干ながらも逆向きのトルクが発生する可能性がある。従って、これを避けるために、特に回転開始直後の低速回転時等には、電圧を切り替える際に一定時間だけ通電を停止する無通電期間を挟んでもよい。また、高速回転時には、電圧を印加しても回転トルクにあまり寄与しない角度があるため、無通電期間は、係る高速回転時にも設けてもよい。
As described above, the
Depending on the angle at which the direction in which the voltage is applied is switched, a slightly reverse torque may occur before and after that. Therefore, in order to avoid this, particularly during low-speed rotation immediately after the start of rotation, a non-energization period in which energization is stopped for a certain time may be interposed when the voltage is switched. Further, since there is an angle that does not contribute much to the rotational torque even when a voltage is applied during high-speed rotation, the non-energization period may be provided during such high-speed rotation.
＜ロータの角度ずれ補正＞
ブラシレス直流モータ１は、ロータ３０の角度に応じて電圧を印加する方向を切り替えているため、当該制御において、各切替え時点で想定しているロータ３０の角度と、実際のロータ３０の角度にずれが発生している場合は、これを一致させるように補正しなければならない。
ところで、この種のモータではロータの角度に応じてインダクタンスが大きく変動するため、これに伴って励磁コイル２０に流れる電流の値も変動する。そこで、本発明では、この性質を利用して前記のロータのずれを検知することによって、レゾルバやホール素子等に依存しない補正を可能とする。
<Rotor angle deviation correction>
Since the
By the way, in this type of motor, the inductance greatly varies according to the angle of the rotor, and accordingly, the value of the current flowing through the
補正の手段としては、電圧印加の周期をずらす、つまり印加電圧の正負を切り替えるタイミングをずらすことによる方法と、印加電圧の値を変動させることによる方法とがある。 As means for correction, there are a method by shifting the period of voltage application, that is, a method by shifting the timing of switching between positive and negative of the applied voltage, and a method by varying the value of the applied voltage.
なお、当該補正の説明において、ロータ３０の想定角度をいうときは、実際の角度ではなく、電圧の印加を基準とした本来の角度をいうものとする。前記の通り、ブラシレス直流モータ１は、ロータ３０が回転して所定の角度にあることを想定して、９０度毎に電圧の印加する方向を切り替えている。つまり想定角度とは、電圧の印加の制御において、所望されるロータ３０の角度である。
In the description of the correction, when referring to the assumed angle of the
（ずれ角度判定のための関係式の算出）
図６は、ブラシレス直流モータ１を特定の回転速度で回転駆動させ、特定のいくつかのずれ角度毎に回転駆動に伴う励磁コイル２０の電流値の変動をあらわしたグラフである。またグラフには回転駆動の際に印加する電圧の値も重ねて表示されている。グラフの値は実験やシミュレーション等によって計測されたものでる。
なお、横軸に符された角度をあらわす数値は、ロータ３０が所定の角度にあるときを０度とした、想定角度の大きさをあらわす。また、凡例において、電流をあらわす表示の横の括弧内の値は、ロータ３０の、想定角度から回転向きへのずれ量(以降、ずれ角度と呼ぶ。)をあらわしている。
(Calculation of relational expressions for deviation angle judgment)
FIG. 6 is a graph showing fluctuations in the current value of the
The numerical value representing the angle marked on the horizontal axis represents the size of the assumed angle with 0 degree when the
前記したように、励磁コイル２０の電流値は、ロータ３０の回転に応じて周期的に変動する。本実施例では、当該電流値が変動する周期上の特定の一点において、励磁コイル２０の電流値を測定し、得られた電流値に基づいてずれ角度の判定、および、ずれ補正を周期毎に繰り返す。以降、ずれ角度の判定のために電流値を測定する、電流値の変動周期上の特定の一点を電流検出点と呼ぶことにする。電流値の変動周期はロータ３０の回転に応じているため、電流検出点はロータ３０の回転周期上の特定の角度に対応する。
As described above, the current value of the
また、回転速度が十分に高速である場合はロータ３０が回転する角速度は一定であると考えてよいため、ロータ３０が特定の角度を回転するのに要する時間は一定である。従って、前記の励磁コイル２０の電流値の変動周期において電圧切替えから電流検出点までの時間もまた一定である。
In addition, when the rotational speed is sufficiently high, the angular speed at which the
図７は、図６からずれ角度と電流値の関係が略線形となるような電流検出点を幾つか選定し、それらの電流検出点毎に、ずれ角度と電流値を折れ線グラフにあらわしたものである。また、図７にあらわされた線形、および、当該線形に対応する電流検出点は、前記の折れ線グラフに基づいて、近似によって算出されたものである。図７にあらわされた関係式は、当該線形をあらわすものである。 FIG. 7 shows several current detection points where the relationship between the deviation angle and the current value is substantially linear from FIG. 6, and the deviation angle and the current value are represented by a line graph for each current detection point. It is. Further, the linearity shown in FIG. 7 and the current detection point corresponding to the linearity are calculated by approximation based on the line graph. The relational expression shown in FIG. 7 represents the linearity.
ずれ角度と電流値の関係が式であらわされたことによって、検出された電流値から任意のずれ角度を判定することができる。また、当該関数が一次関数であらわされているため、簡単な計算によってずれ角度を導き出すことができる。従って、当該線形に対応した電流検出点が、ずれ補正に最適な電流検出点ということになる。
ずれ角度と電流値の関係式は、当該関係式を算出した回転速度、および、電流検出点と組にして、予め制御装置１０３に記憶しておく。
Since the relationship between the deviation angle and the current value is expressed by an expression, an arbitrary deviation angle can be determined from the detected current value. Further, since the function is expressed as a linear function, the shift angle can be derived by simple calculation. Therefore, the current detection point corresponding to the linearity is the optimum current detection point for deviation correction.
The relational expression between the deviation angle and the current value is stored in advance in the
（電圧切替えタイミングの調整による補正）
図８は、前記のずれ角度と電流値の関係式に基づいて、電圧を切り替えるタイミングを調整することによって、ずれを補正する手順についてあらわしたものである。
ブラシレス直流モータ１が所定の回転速度で駆動しているとき、制御装置１０３は、予め記憶してある電流検出点において、励磁コイル２０に流れる電流の値を検出する。次に、制御装置１０３は、当該電流検出点に対応した前記の関係式に基づいて、検出した電流値からずれ角度を判定する。次に、制御装置１０３は、判定したずれ角度の分だけ、次回、または所定回数後の電圧切替えのタイミングを前、または後ろにずらす。
(Correction by adjusting the voltage switching timing)
FIG. 8 shows a procedure for correcting the shift by adjusting the timing for switching the voltage based on the relational expression between the shift angle and the current value.
When the
（電圧値の調整による補正）
図９は、ずれ角度と、そのずれ角度を補正するのに必要な電圧値との関係をあらわしたグラフである。グラフの値は、図６と同様に、実験やシミュレーション等によって計測されたものである。電圧値の調整によって補正を行う場合は、前記のずれ角度と電流値の関係式（図７）に加えて、当該グラフについても、回転速度と組にして、予め制御装置１０３に記憶しておく。
(Correction by adjusting the voltage value)
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the deviation angle and the voltage value necessary to correct the deviation angle. The values of the graph are measured by experiments, simulations, etc., as in FIG. When the correction is performed by adjusting the voltage value, in addition to the relational expression (FIG. 7) between the deviation angle and the current value, the graph is also stored in advance in the
図１０は、前記のずれ角度と電流値の関係式に基づいて、電圧値を調整することによって、ずれを補正する手順についてあらわしたものである。電圧の調整方法としては、ＰＷＭ制御や、可変抵抗機による制御等の周知の方法を用いることができる。ずれ角度の判定までは、電圧を切り替えるタイミングの調節による方法と同様である。ずれ角度が判定されると、制御装置１０３は予め記憶してある、ずれ角度と補正電圧の関係（図９）に基づいて、次回、または所定の回数後の電圧切替えにおいて、切替え後の電圧を通常の値から増加、または減少させる。
FIG. 10 shows a procedure for correcting the shift by adjusting the voltage value based on the relational expression between the shift angle and the current value. As a voltage adjustment method, a well-known method such as PWM control or control using a variable resistor can be used. Until the determination of the deviation angle, the method is the same as the method by adjusting the timing of switching the voltage. When the deviation angle is determined, the
（補正の禁止）
前記したように、制御装置１０３は、励磁コイル２０の電流値の変動周期毎に当該ずれ角度の判定、および、ずれ補正を繰り返す。しかし、補正を行った直後は、ずれが生じていなくても、補正の影響によって、励磁コイル２０を流れる電流が正常な値となっていない場合がある。そのような場合に補正を行うと、ずれ角度を誤判定してしまう虞がある。従って、補正を行った直後は、制御装置１０３に所定の回数だけ補正を禁止するようにしてもよい。そうすることで、誤判定を可及的に排除することができ、補正の精度を高めることができる。
(Prohibition of correction)
As described above, the
さらに、ずれが生じている場合に、ずれの角度が大きいほど、前記の補正を行った後に、励磁コイル２０を流れる電流が正常な値に戻るまでに時間がかかる。従って、補正したずれ角度の大きさに応じて、前記の補正の禁止する所定の回数を増減させてもよい。そうすることで、さらに補正の精度を高めることができる。
Furthermore, when a deviation occurs, the longer the deviation angle, the longer it takes for the current flowing through the
（電流検出点の位置）
図１１（ａ）〜（ｃ）は、図６と同様に、ずれ角度別に励磁コイル２０を流れる電流値の変化の様子をグラフにあらわしたものであるが、さらに、ブラシレス直流モータ１の回転速度を変化させ、回転速度別に前記グラフをあらわしたものである。図１１によると、同じずれ角度でも回転速度によって電流の変化が異なることが分かる。また、図１２（ａ）〜（ｃ）は、図７と同様に、図１１に基づいて電流検出点とずれ角度と電流値の関係式を算出したものである。図１２によると、最適な電流検出点と、それに対応した前記関係式も、回転速度によって異なることが分かる。
(Current detection point position)
11A to 11C are graphs showing changes in the value of the current flowing through the
従って、ブラシレス直流モータ１が複数の回転速度によって駆動することが予定されているものであるならば、所望の回転速度ごとに最適な電流検出点、及びそれに対応した前記関係式を計測し、予め制御装置１０３に回転速度と組にして記憶させておくとよい。そうすることで、回転速度に応じた精度の高い補正を実現することができる。
Therefore, if the
図１３は、ブラシレス直流モータ１の回転速度と最適な電流検出点の位置との関係をグラフにあらわしたものである。グラフの横軸は回転速度、縦軸はパルス幅比をあらわす。パルス幅比とは、図１１等の電流値の変動グラフにおける、パルス幅に対する電圧切替えから電流検出点までの横軸の長さ（図１１のＷ２）の比率である。また、パルス幅とは電圧切替えから次の電圧切替えまでの横軸の長さ（図１１のＷ１）である。横軸は角度をあらわすので、前記の通りパルス幅は９０度に対応する。従って、パルス幅比は、９０度（Ｗ２）に対する、電圧切替えから電流検出点まで（Ｗ１）のロータ３０の回転角度の角度比をあらわす。
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the rotational speed of the
また、前記したように、ロータ３０の角速度は一定であると考えてよいため、当該パルス幅比は、ロータ３０が９０度回転するのに要する時間に対する、電圧切替えから電流検出点までの回転時間の比率に等しい。従って、回転速度毎におけるパルス幅比を比較することで、電圧切替えから電流検出点までの相対的な時間を比較することができる。
Further, as described above, since the angular velocity of the
図１３のグラフによるとパルス幅比は回転速度が低くなるに応じて小さくなることがわかる。従って、所定の回転速度における、電圧切替えから最適な電流検出点までの時間の、ロータ３０が所定の角度を回転するのにかかる時間に対する比率は、回転速度が低くなるほど小さくなることが分かる。
According to the graph of FIG. 13, it can be seen that the pulse width ratio decreases as the rotational speed decreases. Therefore, it can be seen that the ratio of the time from voltage switching to the optimum current detection point at the predetermined rotational speed to the time required for the
＜効果＞
本発明に係るブラシレス直流モータ１によれば、レゾルバやホール素子等の位置センサを依らずとも、ロータ３０のずれ角度を判定、及び補正することができるため、前記の位置センサ自体やその電源、出力等の配線を省略することができ、コストの低減を図ることができる。
<Effect>
According to the
１ ブラシレス直流モータ
１０ ステータ
１１ コイル巻回部
１２ 第１収容部
１３ 第２収容部
１４ 第１接続部
１５ 第２接続部
２０ 励磁コイル
３０ ロータ
３１ 基部
３２ 延出部
３３ 孔部
３４ 回転軸
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ 磁石
１０３ 制御装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記ステータに収容され、所定の向きに回転可能なロータと、
前記ロータの回転軸を中心として異極が対向するように、周方向において所定間隔で前記ステータの内面に固定される複数対の磁石と、
を備えるブラシレス直流モータの制御方法であって、
前記コイルに、双方向の電圧を交互に印加することによって前記ロータを回転させ、
電圧を印加する向きを切り替えてから所定時間後の電流値に応じて、前記ロータの回転角度の、所望の回転角度からのずれ量を検出し、
前記算出したずれ量に応じて次回の電圧印加タイミングを補正する、
または、前記算出したずれ量に応じて次回の印加電圧値を補正する、
ことを特徴とするブラシレス直流モータの制御方法。 A stator around which an exciting coil is wound;
A rotor housed in the stator and rotatable in a predetermined direction;
A plurality of pairs of magnets fixed to the inner surface of the stator at predetermined intervals in the circumferential direction so that different poles face each other about the rotation axis of the rotor;
A method for controlling a brushless DC motor comprising:
Rotating the rotor by alternately applying a bidirectional voltage to the coil;
According to the current value after a predetermined time after switching the direction in which the voltage is applied, the amount of deviation from the desired rotation angle of the rotation angle of the rotor is detected,
Correcting the next voltage application timing according to the calculated deviation amount,
Alternatively, the next applied voltage value is corrected according to the calculated deviation amount,
A control method for a brushless DC motor.
前記ステータに収容され、所定の向きに回転可能なロータと、
前記ロータの回転軸を中心として異極が対向するように、周方向において所定間隔で前記ステータの内面に固定される複数対の磁石と、
を備え、
前記コイルに、双方向の電圧を交互に印加することによって前記ロータを回転させ、
電圧を印加する向きを切り替えてから所定時間後の電流値に応じて、前記ロータの回転角度の、所望の回転角度からのずれ量を検出し、
前記算出したずれ量に応じて次回の電圧印加タイミングを補正する、
または、前記算出したずれ量に応じて次回の印加電圧値を補正する、
ことを特徴とするブラシレス直流モータ。 A stator around which an exciting coil is wound;
A rotor housed in the stator and rotatable in a predetermined direction;
A plurality of pairs of magnets fixed to the inner surface of the stator at predetermined intervals in the circumferential direction so that different poles face each other about the rotation axis of the rotor;
With
Rotating the rotor by alternately applying a bidirectional voltage to the coil;
According to the current value after a predetermined time after switching the direction in which the voltage is applied, the amount of deviation from the desired rotation angle of the rotation angle of the rotor is detected,
Correcting the next voltage application timing according to the calculated deviation amount,
Alternatively, the next applied voltage value is corrected according to the calculated deviation amount,
A brushless DC motor characterized by that.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014013459A JP2015142422A (en) | 2014-01-28 | 2014-01-28 | Brushless dc motor, and control method thereof |
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|---|---|
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