JP2973267B2 - 直流モータの駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は直流モータの駆動装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近のＶＴＲやテープレコーダ等の機器
に使用される直流モータ、特に直流ブラシレスモータは
静粛で円滑な回転を得るため相切替えの電流傾斜を緩や
かにし、トルクリップルを電気的に補正する機能を備え
た駆動装置を使用することが多い。例えば、特開昭61−
142986号公報(以下、文献１と略記)には、前置増幅器の
流入方向の出力の和と流出方向の出力の和を比較し、そ
の差を前置増幅器のオフセット調整端子に帰還すること
によりホール素子のオフセットと３次高調波の影響を除
去する方法と、パワー増幅器の出力の和と出力制御信
号、あるいは出力制御信号と前置増幅器の流入方向の出
力の和を比較し、その差により前置増幅器の増幅度ある
いはホール素子の給電電圧を制御することによりホール
素子の感度ばらつきの影響を抑圧する方法、およびホー
ル素子のオフセット調整ループの比較器の出力を出力制
御信号に加算することによりトルクリップルを減少させ
る方法が示されている。

【０００３】また、モータの出力トルクを制御するため
に、モータと直列にトランジスタと抵抗器を接続し、抵
抗器両端の電圧でモータに流れる電流を検出し、制御入
力電圧と前記抵抗器両端の電圧を差動増幅器で比較し、
その出力によりモータに直列に接続されたトランジスタ
のベース電流を制御することによりモータの電流を制御
し、モータの出力トルクを制御することが一般に行われ
ている。

【０００４】なお、この際に、制御入力電圧と抵抗器両
端の電圧を直接に比較せずに、一旦制御入力電圧Ｖcと
基準電圧Ｖtを比較し、レベルシフトしてから抵抗器両
端の電圧と比較することが一般的である。

【０００５】このような直流モータ駆動装置の回路構成
のブロック線図を図10に、その各特性の一例を図11に示
す。

【０００６】図10において、制御入力端子701に印加さ
れる制御入力電圧Ｖcは、回路電源電圧Ｖccを抵抗器2
3，24で分圧して作られた基準電圧Ｖtを、反転入力端子
に接続された前置増幅器700(差動増幅器)の非反転入力
端子に接続され、その出力電流Ｉoは抵抗器22に入力さ
れる。そして、制御増幅器800でモータ40のモータ電流
Ｉmにより抵抗器21に発生する電圧と比較されている。

【０００７】前記制御増幅器800の出力電流回路は、ト
ランジスタ30のベースに接続されており、トランジスタ
30のコレクタに接続されたモータ40のモータ電流Ｉmを
制御入力電圧Ｖcで制御するモータ電流制御ループを構
成している。

【０００８】図11の(a)は制御入力電圧(Ｖc)対モータ電
流(Ｉm)の特性、図11の(b)はモータ電流・回転数(Ｎ)対
出力トルク(Ｔ)の特性を示す。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記文
献1に示された方法では帰還ループを構成するためルー
プ内に比較器や増幅器を設ける必要があり、回路部分を
ワンチップ集積回路(IC)化するときにより大きなチップ
面積を必、要とするだけでなく、帰還ループの動作を安
定化するために、IC外部に位相補償のための多くの外付
部品を必要とするという第1の問題があった。

【００１０】また、慣性モーメントの小さいモータや回
転速度のサンプリング間隔を十分に小さくできないモー
タを制御するためには、図11(a)に示す伝達特性の傾斜
は特性１より特性２のように傾斜が小さい方が望まし
い。

【００１１】しかしながら、伝達特性を特性２のように
設定すると制御入力電圧Ｖcの最大値Ｖc maxを印加して
も、図11(b)に特性２で示すようにモータの起動トルク
が低下してしまうという第２の問題があった。

【００１２】本発明は上記第１の問題点を解決し、従来
より簡単な回路と少ない外付部品でトルクリップルを抑
制することができる直流モータの駆動装置の提供を目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記第1の問
題点を解決するため、制御入力に対応したトルク指令電
流を発生する手段と、前記トルク指令電流を電圧に変換
する抵抗器と、前記固定子巻線に流れる電流の総和に比
例した電圧を発生する手段と、前記トルク指令電流を変
換した電圧と前記固定子巻線に流れる電流の総和に比例
する電圧を比較し、出力電流指令電流を発生する手段
と、磁電変換素子の出力に対応して前記出力電流指令電
流を分配する第1の電流分配手段と、前記第1の電流分配
手段の出力電流を増幅し、対応する前記固定子巻線に電
流を供給する電流増幅手段と、前記固定子巻線に流れる
電流の総和に比例するトルクリップル補正指令電流を発
生する手段と、前記磁電変換素子の出力に対応してトル
クリップル補正指令電流を分配する第2の電流分配手段
と、前記第2の電流分配手段の出力とトルクリップル補
正指令電流からトルクリップル補正信号を合成するトル
クリップル補正信号発生手段を備え、前記トルクリップ
ル補正信号発生手段の出力電流を前記トルク指令電流に
加算したものである。

【００１４】また、本発明は、前記回転子マグネットの
位置に対応した電気角６０度の平坦部を持つ台形波を発
生する手段と、前記トルク指令電流を電圧に変換する抵
抗器と、前記固定子巻線に流れる電流の総和に比例した
電圧を発生する手段と、前記トルク指令電流を変換した
電圧と前記固定子巻線に流れる電流の総和に比例する電
圧を比較し、出力電流指令電流を発生する手段と、前記
台形波に比例して前記出力電流指令電流を分配する第1
の電流分配手段と、前記第1の電流分配手段の出力電流
を増幅し、対応する前記固定子巻線に電流を供給する電
流増幅手段と、前記固定子巻線に流れる電流の総和に比
例するトルクリップル補正指令電流を発生する手段と、
前記台形波に比例してトルクリップル補正指令電流を分
配する第2の電流分配手段と、前記第2の電流分配手段の
出力とトルクリップル補正指令電流からトルクリップル
補正信号を合成するトルクリップル補正信号発生手段を
備え、前記トルクリップル補正信号発生手段の出力信号
を前記トルク指令電流発生手段の出力信号に加算したも
のである。

【００１５】

【作用】本発明によれば、前記した構成の手段により、
従来より簡単な回路と少ない外付部品でトルクリップル
を抑制することが可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の各実施例について、図面を参
照しながら説明する。

【００１７】(実施例１)図１は本発明の第１の実施例に
おける直流モータ駆動装置の回路構成をブロック線図で
示したものである。

【００１８】図１において、ホール素子１，２，３は固
定子(図示せず)上にお互いに電気角120°の間隔で配置
されており、前記ホール素子１，２，３の出力は電流出
力型のホール信号増幅器100，200，300の入力端子にそ
れぞれ接続されている。ホール信号増幅器100，200，30
0の出力は、対数圧縮回路400の入力端子401，402，403
にそれぞれ入力され、対数圧縮された出力電圧がそれぞ
れ第１の分配回路(1)500、および第２の分配回路(2)900
に接続されている。第１の分配回路(1)500は、出力電流
指令端子501に入力された電流を対数圧縮回路400の入力
端子401〜403の電圧に比例して、その出力端子505〜507
および508〜510からパワー増幅器600の入力端子601〜60
3および604〜606に分配する。

【００１９】図２は前記図１における対数圧縮回路400
および第１の分配回路(1)500の一例を示す回路図であ
り、この回路は基本的なアナログ乗算回路を３差動構成
にし、さらに正負両方向の信号に対応させたものであ
る。３相正弦波の性質から３つのダイオードおよびトラ
ンジスタの１つは常に逆バイアスされるためオフ状態と
なり、通常の乗算器として動作することを利用して、入
力端子401〜403の電圧の比に比例して出力電流指令端子
501の電流を分配し、出力端子505〜507および508〜510
に出力する。

【００２０】次に、図１に示すパワー増幅器600は吸込
方向の出力電流と等しい電流を吐出する電流吐出端子60
7を持ち、電流吐出端子607は抵抗器21の一端に接続さ
れ、モータ電流に比例する電圧を抵抗器21に発生してい
る。パワー増幅器600の出力は固定子巻線４，５，６に
接続され、回転子マグネットの位置に対応した前記固定
子巻線に電流を供給することによってモータに回転トル
クを発生している。

【００２１】制御入力端子701に印加された電圧は前置
増幅器700でレベルシフト，電流変換されて抵抗器22に
入力され、制御増幅器800により抵抗器21に発生するモ
ータ電流に比例する電圧と比較され、その誤差に比例し
た出力信号が第１の分配回路(1)500の出力電流指令端子
501に印加されることにより出力電流制御ループを構成
している。

【００２２】また、電流検出回路1100は抵抗器21ととも
に、モータ電流に比例する電流を発生し、第２の分配回
路(2)900の出力電流指令端子901および波形合成回路100
0の出力電流指令端子1001に前記電流を供給している。
第２の分配回路(2)900の出力は波形合成回路1000に接続
されトルクリップル補正信号を発生し、トルクリップル
補正信号は抵抗器22に導かれ、前置増幅器700の出力と
加算された後に制御増幅器800の入力となり、トルクリ
ップル補正ループを構成している。

【００２３】以上のように構成された直流モータの駆動
装置について、図１および図３，図４，ならびに図５を
用いてその動作を説明する。

【００２４】まず、図３は図１の第２の分配回路(2)900
および波形合成回路1000による帰還がないときの動作を
説明する各部の動作波形図であり、ホール素子１〜３の
出力電圧は、ホール信号増幅器100〜300により電流に変
換されて図３(a)に示す電流の形で、図１の対数圧縮回
路400の入力端子401〜403に入力される。図３(b)は対数
圧縮回路400の出力端子404〜406の電圧である。第１の
分配回路(1)500は前述の通り、出力電流指令端子501の
電流を対数圧縮回路400の入力端子401〜403の電圧に比
例して分配しており、出力端子508〜510から図３(c)、
出力端子505〜507から図３(d)の電流を出力する。した
がって、パワー増幅器600の出力端子608〜610に図３(e)
の電流が得られる。図３(f)は出力トルクであり、約14
％のトルクリップルを含んでいる。

【００２５】図４は第２の分配回路(2)900および波形合
成回路1000による帰還を加えたときの図１の各部の動作
波形図であり、図４(a)，(b)は前記図３(a)，(b)と同じ
ものである。図４(c)が図１の波形合成回路1000の出力
端子1002の電圧波形である。したがって、パワー増幅器
600の出力端子608〜610に図４(d)の電流が得られ、図４
(e)で示される出力トルクのリップルは約２％以下にな
る。

【００２６】図５は図１における第２の分配回路(2)900
および波形合成回路1000の一例を示す回路図であり、図
６は図５の各部の動作波形図である。

【００２７】図６(a)は上段に示す電気角に対応する波
形合成回路1000による帰還がないときのパワー増幅器60
0の出力電流、(b)は後述するトランジスタＴ21〜Ｔ23お
よびＴ34〜Ｔ36を流れる電流Ｉ21〜Ｉ23およびＩ34〜Ｉ
36、(c)は同じくトランジスタＴ25〜Ｔ27およびＴ31〜
Ｔ33を流れる電流Ｉ25〜Ｉ27およびＩ31〜Ｉ33、(d)は
トランジスタＴ43〜Ｔ45に流れる電流Ｉ43〜Ｉ45、(e)
は同じくトランジスタＴ46〜Ｔ48に流れる電流Ｉ46〜Ｉ
48、(f)はトランジスタＴ41およびＴ52を流れる電流Ｉ4
1およびＩ52、(g)は波形合成回路1000による帰還をかけ
たときのパワー増幅器600の出力電流である。

【００２８】さて、上記図５において、トランジスタＴ
11，Ｔ12，Ｔ13，Ｔ21，Ｔ22，Ｔ23，Ｔ25，Ｔ26，Ｔ27
は他のトランジスタの２倍、トランジスタＴ14，Ｔ15は
他のトランジスタの３倍のエミッタ面積を持っており、
各トランジスタに流れる電流で、Ｉ14，Ｉ15はＩ11の1.
5倍、Ｉ24，Ｉ28はＩ11の0.5倍の電流となる。Ｉ15をト
ランジスタＴ34，Ｔ35，Ｔ36で分配して得られたＩ34，
Ｉ35，Ｉ36とＩ21，Ｉ22，Ｉ23を減算してＩ43，Ｉ44，
Ｉ45が、同様にしてＩ46，Ｉ47，Ｉ48が得られる。さら
に、Ｉ24からＩ43，Ｉ44，Ｉ45を減算してＩ41が、Ｉ28
からＩ46，Ｉ47，Ｉ48を減算してＩ52が得られる。Ｉ41
とＩ52は加算されて出力端子1002に出力され、トルクリ
ップル補正信号となる。このトルクリップル補正信号を
図１の前置増幅器700の出力信号と加算して図１の抵抗
器22に図４(c)に示す電圧を発生し、制御増幅器800に入
力することにより前述のトルクリップル抑制効果が得ら
れる。

【００２９】(実施例２)実施例１は回転子マグネットの
位置を検出するホール素子１〜３による場合を示し、磁
電変換素子を想定していたが、図６(a)の電流波形が得
られれば必ずしも磁電変換素子を必要としない。例え
ば、特開平３−89890号公報に示された方法により回転
子マグネットの位置に対応した電気角60°の平坦部を持
つ台形波を発生することができれば、図５および図６に
示した方法によりトルクリップル補正信号を得ることが
できるため、図４(e)に示すと同様のトルクリップル抑
制効果が得られる。

【００３０】(比較例) 図7は本発明の実施例の比較例におけるモータ駆動装置
の回路構成を示すブロック線図である。これは慣性モー
メントの小さいモータや回転速度のサンプリング間隔を
十分に小さくできないモータにおいても、起動トルクを
減少させることなく安定な制御をする手段を示したもの
である。

【００３１】図７において制御入力端子711に印加され
る制御入力電圧Ｖcは、回路電源電圧Ｖccを抵抗器23，3
5，24で分圧して作られた基準電圧Ｖt１およびＶt２を
反転入力端子に接続された前置増幅器(電流出力の差動
増幅器)710および720の非反転入力端子に接続され、そ
れぞれの出力電流Ｉ2およびＩ3は抵抗器22に入力され、
制御増幅器800(誤差増幅手段，差動増幅器)でモータ40
のモータ電流Ｉmにより抵抗器21に発生する電圧と比較
されている。制御増幅器800の出力電流はトランジスタ3
0のベースに接続されており、トランジスタ30のコレク
タに接続されたモータ40のモータ電流Ｉmを制御入力電
圧Ｖcで制御するモータ電流制御ループを構成してい
る。

【００３２】図８は図７におけるモータ電流(Ｉm)と前
置増幅器の出力電流Ｉ2，Ｉ3の特性図を示し、(a)は制
御入力電圧(Ｖc)対モータ電流(Ｉm)の特性図、(b)は制
御入力電圧(Ｖc)対前置増幅器の出力電流Ｉ2，Ｉ3の特
性図である。

【００３３】前記図7に示す比較例の回路図における、
この制御ループはＩ2といＩ3を加算した電流で動作する
ため、制御入力電圧Vcとモータ電流Ｉmは図8(a)の特性2
に示すような関係となる。

【００３４】この特性２を特性１で示す従来の制御回路
の特性と比較してみると、通常の動作点Ｉｏｐ付近では
特性１より傾斜が小さいため、慣性モーメントの小さい
モータや回転速度のサンプリング間隔を十分に小さくで
きないため制御入力電圧のリップルを除去しきれないモ
ータの速度制御に好適な特性をしている。また特性の変
曲点Ｉtを最大の動作点より高く設定しておけば、通常
の動作範囲では前述の特性を保ちながら制御入力電圧Ｖ
cの最大値Ｖc maxに対しては特性１と同等以上のモータ
電流Ｉmaxを得ることができ、起動トルクの低下なしに
良好な制御特性を得ることができる。

【００３５】また、前置増幅器720の特性を図９のＩ3で
示すような特性に変更しても同じ効果が得られる。

【００３６】なお、説明にはトランジスタ１つの例を示
したが、図１のようにパワー増幅器に複数のトランジス
タを使用してモータを駆動する装置についても適用でき
ることはいうまでもない。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の直流モー
夕の駆動装置によれば、従来より簡単な回路と少ない外
付部品でトルクリップルを抑制することが可能となる。

【００３８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるモータ駆動装置
の回路構成を示すブロック線図である。

【図２】図１における対数圧縮回路および第１の分配回
路(1)の一例を示す回路図である。

【図３】図１における第２の分配回路(2)および波形合
成回路による帰還がないときの動作を説明する各部の動
作波形図である。

【図４】図１における第２の分配回路(2)および波形合
成回路による帰還を加えたときの動作を説明する各部の
動作波形図である。

【図５】図１における第２の分配回路(2)および波形合
成回路の一例を示す回路図である。

【図６】図５における第２の波形合成回路(2)および波
形合成回路の動作を説明する各部の動作波形図である。

【図７】本発明の実施例の比較例におけるモータ駆動装
置の回路構成を示すブロック線図である。

【図８】図７における制御入力電圧対モータ電流特性図
(a)および制御入力電圧対前置増幅器の出力電流特性図
(b)である。

【図９】図７における他の制御入力電圧対モータ電流特
性図(a)および制御入力電圧対前置増幅器の出力電流特
性図(b)である。

【図１０】従来のモータ駆動装置の回路構成を示すブロ
ック線図である。

【図１１】図10のモータ駆動装置の制御入力電圧対モー
タ電流特性図(a)および出力トルク対モータ電流および
回転数特性図(b)である。

【符号の説明】

１，２，３…ホール素子、 ４，５，６…固定子巻線、
40…モータ、 100，200，300…ホール信号増幅器、
400…対数圧縮回路、 500…第１の分配回路(1)、 50
1，901，1001…出力電流指令端子、 600…パワー増幅
器、 607…電流吐出端子、 700，710，720…前置増幅
器、 800…制御増幅器、 900…第２の分配回路(2)、
1000…波形合成回路、 1100…電流検出回路。

フロントページの続き (72)発明者 寺井 保則 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−89890（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−83983（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−295891（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02P 6/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 3相の固定子巻線と、回転子マグネット
   と、前記回転子マグネットの位置を検出する3個の磁電
   変換素子を備えた直流モータの駆動装置において、制御
   入力に対応したトルク指令電流を発生する手段と、前記
   トルク指令電流を電圧に変換する抵抗器と、前記固定子
   巻線に流れる電流の総和に比例した電圧を発生する手段
   と、前記トルク指令電流を変換した電圧と前記固定子巻
   線に流れる電流の総和に比例する電圧を比較し、出力電
   流指令電流を発生する手段と、磁電変換素子の出力に対
   応して前記出力電流指令電流を分配する第1の電流分配
   手段と、前記第1の電流分配手段の出力電流を増幅し、
   対応する前記固定子巻線に電流を供給する電流増幅手段
   と、前記固定子巻線に流れる電流の総和に比例するトル
   クリップル補正指令電流を発生する手段と、前記磁電変
   換素子の出力に対応してトルクリップル補正指令電流を
   分配する第2の電流分配手段と、前記第2の電流分配手段
   の出力とトルクリップル補正指令電流からトルクリップ
   ル補正信号を合成するトルクリップル補正信号発生手段
   を備え、前記トルクリップル補正信号発生手段の出力電
   流を前記トルク指令電流に加算してなることを特徴とす
   る直流モータの駆動装置。
2. 【請求項２】 3相の固定子巻線と、回転子マグネット
   を備えた直流モータの駆動装置において、前記回転子マ
   グネットの位置に対応した電気角60度の平坦部を持つ台
   形波を発生する手段と、前記トルク指令電流を電圧に変
   換する抵抗器と、前記固定子巻線に流れる電流の総和に
   比例した電圧を発生する手段と、前記トルク指令電流を
   変換した電圧と前記固定子巻線に流れる電流の総和に比
   例する電圧を比較し、出力電流指令電流を発生する手段
   と、前記台形波に比例して前記出力電流指令電流を分配
   する第1の電流分配手段と、前記第1の電流分配手段の出
   力電流を増幅し、対応する前記固定子巻線に電流を供給
   する電流増幅手段と、前記固定子巻線に流れる電流の総
   和に比例するトルクリップル補正指令電流を発生する手
   段と、前記台形波に比例してトルクリップル補正指令電
   流を分配する第2の電流分配手段と、前記第2の電流分配
   手段の出力とトルクリップル補正指令電流からトルクリ
   ップル補正信号を合成するトルクリップル補正信号発生
   手段を備え、前記トルクリップル補正信号発生手段の出
   力信号を前記トルク指令電流発生手段の出力信号に加算
   してなることを特徴とする直流モータの駆動装置。