JP6106353B2 - ブラシレスモータの駆動制御装置、モータユニットおよびこれを用いた機器 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータの駆動を制御する駆動制御装置に関する

ブラシレスモータの静音化の方法として、いわゆる正弦波駆動方式（１８０°通電方式）がある。この方式は、コイルに通電する電流を正弦波状に変化させることにより、急峻な電流変化に伴うトルク変動や振動の発生を抑え、静音化を実現するものである。このような正弦波駆動方式でブラシレスモータを駆動する駆動制御装置として、特許文献１には、ロータの回転位置を検出するための位置検出手段としてホール素子を用い、該ホール素子の出力から得られる振幅の変化を利用する装置が開示されている。具体的には、３相の位置信号の変化（アップエッジおよびダウンエッジ）のタイミング間の時間をパルスカウントし、カウント時間を次の周期の同じ位相の変調波形の６０°位相分の時間幅データとして使用して変調波形を形成し、その変調波形をＰＷＭ回路に出力してブラシレスモータを駆動する。

特開２０１２−６５４９５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された駆動制御装置では、リアルタイムではない位置信号の周期を利用して正弦波状の電流を作り出すため、急な負荷変動に対する速度変動が大きい。

このため、リアルタイムなホール素子の位置信号の出力を利用することが望ましい。しかし、３相のホール素子に感度、振幅方向でのオフセットおよび実装位置にばらつき（ずれ）があると、ブラシレスモータの駆動トルクにリップルが生じ、回転むらが発生するという問題がある。

図２（ａ）には、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相のホール素子のオフセット、感度および実装位置にばらつきがなく、トルク変動も全くない状態を示している。これに対して、図２（ｂ）では、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相のホール素子の感度にばらつきがあり、電気角１周期中に２回のトルク変動が発生している状態を示している。さらに、図２（ｃ）では、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相のホール素子にオフセットのばらつきがあり、電気角１周期中に１回のトルク変動が発生している状態を示している。Ｕ，Ｖ，Ｗの３相のホール素子の実装位置にばらつきがある場合でも、図２（ｂ）又は図２（ｃ）と同様のトルク変動が発生する。

本発明は、正弦波駆動方式でのブラシレスモータの駆動において、複数相の位置検出手段の感度、オフセットおよび実装位置のばらつきに起因したブラシレスモータの回転むらを低減できるようにした駆動制御装置を提供する。

本発明の一側面としての駆動制御装置は、複数相のコイルと、該コイルへの通電に応じて回転するロータと、該ロータの回転位置を互いに異なる位相において検出する複数の位置検出手段とを有するブラシレスモータの駆動を外部からの入力信号に応じて生成された第１の指令信号に基づいて制御する。該駆動制御装置は、複数の位置検出手段からの出力に基づいて互いに位相差を持つ複数の正弦波信号を生成し、該複数の正弦波信号の二乗和の平方根を用いてブラシレスモータの回転におけるリップル成分を求め、該リップル成分の逆位相を第１の指令信号に加算した第２の指令信号を生成する信号生成部を有することを特徴とする。

なお、ブラシレスモータと上記駆動制御装置により構成されるモータユニット、さらには、該モータユニットとブラシレスモータにより駆動される被駆動部材とを有する各種機器も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、複数相の位置検出手段からの出力に基づいて生成された複数の正弦波信号に対して所定の演算を行うことで疑似的にブラシレスモータの回転におけるリップル成分を求め、求めたリップル成分の逆位相を指令信号に加算する。これにより、位置検出手段の感度、オフセットおよび実装位置のばらつきがキャンセルされ、ブラシレスモータのトルク変動や回転むらを低減することができる。

本発明の実施例における正弦波信号と搬送波との比較によるＰＷＭ出力を示す図。 本発明の課題を説明する図。 実施例の駆動制御装置の全体構成を示すブロック図。 実施例の駆動制御装置における駆動ロジックを説明する図。 実施例の駆動制御装置における制御回路の内部構成を示す図。 実施例におけるホール素子からの出力（オフセットばらつきあり）とHall rippleの演算結果を示す図。 実施例におけるHall ripple演算結果からリップル成分を抽出した結果を示す図。 実施例と比較例との回転むらのＦＦＴ解析結果を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、図３には、ブラシレスモータと本発明の実施例である駆動制御装置とにより構成されるモータユニットの全体構成を示している。

１はブラシレスモータ４のロータである。図ではロータ１にＮ極とＳ極が１極ずつ着磁されているように示しているが、これは電気角の１周期を表記しているためであり、ロータ１が２極着磁タイプに限定されるわけではない。２Ｕ，２Ｖ，２Ｗはロータ１の回転位置を検出するための複数（本実施例では３つ）の位置検出手段としてのホール素子であり、ロータ１の回転に伴って同相入力電圧を基準とした周波電圧（交流電圧）としての信号を出力する。これらホール素子２Ｕ，２Ｖ，２Ｗは、互いに電気角１２０°間隔で、つまりは互いに異なる位相に実装されている。

３Ｕ，３Ｖ，３Ｗは複数相（本実施例では３相）のステータコイルであり、ロータ１に対して、２×Ｎポール−３×Ｎスロット又は４×Ｎポール−３×Ｎスロット（Ｎは整数）の関係にある。ステータコイル３Ｕ，３Ｖ，３Ｗについても、ロータ１と同様に、電気角の１周期を表記している。ロータ１、ホール素子２Ｕ，２Ｖ，２Ｗおよびステータコイル３Ｕ，３Ｖ，３Ｗによりブラシレスモータ４が構成される。

次に、駆動制御装置の構成について説明する。５ａ〜５ｆはＦＥＴであり、相切り替えやＰＷＭ制御のための電圧のＯｎ−Ｏｆｆ切り替えを行う。６は信号生成部としての制御回路であり、ホール素子２Ｕ，２Ｖ，２Ｗからの出力（信号）により得られるロータ１の回転角度の情報と後述する速度検出器８から得られる回転速度の情報とに基づいてＦＥＴ５ａ〜５ｆのＯｎ−Ｏｆｆタイミングやデューティー比、つまりはステータコイル３Ｕ，３Ｖ，３Ｗへの通電を制御する。７は電源である。

速度検出器８は、ロータ１の実際の回転速度を検出してその情報を出力する。速度検出器８としては、ロータ１の回転に伴う磁束変化の周波数から回転速度を検出したり、光学式エンコーダを用いて回転速度を検出したりする等、回転速度を得られるものであればその構成は問わない。ＦＥＴ５ａ〜５ｆ、制御回路６および速度検出器８により駆動制御装置が構成される。

なお、ブラシレスモータ４の出力は、不図示の伝達機構を介して、該モータ４および駆動制御装置を搭載した機器の被駆動部材２０に伝達され、これを移動または動作させる。機器としては、ブラシレスモータを駆動源とし得るすべての機器、例えば被駆動部材としての感光体ドラムや定着ローラをブラシレスモータにより駆動する複写機、および被駆動部材としての給紙ローラをブラシレスモータにより駆動するプリンタを含む。

次に、本実施例の制御回路６における駆動ロジックについて、図４を用いて説明する。制御回路６は、ホール素子２Ｕ，２Ｖ，２Ｗからの出力であるホール出力ＨＵ，ＨＶ，ＨＷに基づいて、ロータ１の磁束ベクトルとステータコイル３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの電流ベクトルとが互いに直交する関係を満たすように、ホール出力ＨＵ，ＨＶ，ＨＷからそれぞれ電気角でπ／２［ｒａｄ］ずつ位相を遅れさせた複数相（本実施例では３相）の正弦波信号ＳＩＮＵ，ＳＩＮＶ，ＳＩＮＷを生成する。３相の正弦波信号ＳＩＮＵ，ＳＩＮＶ，ＳＩＮＷは、互いに電気角１２０°の位相差を有する。

そして、制御回路６は、図１に示すように、正弦波信号ＳＩＮＵ，ＳＩＮＶ，ＳＩＮＷと搬送波との比較によってＰＷＭ信号Ｕ_ＰＷＭ，Ｖ_ＰＷＭ，Ｗ_ＰＷＭを生成し、ＦＥＴ５ａ〜５ｆのそれぞれのゲートＵＨＧ，ＶＨＧ，ＷＨＧ，ＵＬＧ，ＶＬＧ，ＷＬＧのＯｎ−Ｏｆｆを制御する。正弦波信号ＳＩＮＵ，ＳＩＮＶ，ＳＩＮＷの振幅を変化させることで、ステータコイル３Ｕ，３Ｖ，３Ｗに流れる電流の振幅を変化させることができ、これによりブラシレスモータ４のトルクを制御することができる。

次に、図５を用いて、制御回路６の内部構成について説明する。SINU，SINV，SINWは、ホール素子ＨＵ，ＨＶ，ＨＷの出力に基づいて正弦波信号ＳＩＮＵ，ＳＩＮＶ，ＳＩＮＷを生成する。また、U_PWM,V_PWM,W_PWMは、正弦波信号ＳＩＮＵ，ＳＩＮＶ，ＳＩＮＷとCarrier（搬送波）とを比較してＰＷＭ信号Ｕ_ＰＷＭ，Ｖ_ＰＷＭ，Ｗ_ＰＷＭを生成する。そして、図中において点線で囲まれた部分が本実施例における特徴的な部分である。仮にこの部分がないと、駆動制御装置の外部から入力されるTargetSPEED（目標位置）と、速度検出器８で検出したMotorSPEED（回転速度）との差をGainで増幅し、Integratorで積分し、さらにFilterで平滑化したVoutを出力し、Voutと正弦波信号ＳＩＮＵ，ＳＩＮＶ，ＳＩＮＷとの積をとることで振幅を調整し、トルクや回転速度を制御することになる。

しかし、３相のホール素子２Ｕ，２Ｖ，２Ｗのオフセット（図６の上図参照）、感度および実装位置にばらつき（ずれ）がある場合には、トルクに意図しないタイミングでリップルが生じ、この結果、モータ４の回転むらが発生する。

これに対して、本実施例では、以下の駆動制御処理により、上述したホール素子のオフセット、感度および実装位置のばらつき（以下、ホール素子のばらつきという）に起因する回転むらを低減する。まず、Hall ripple（演算部）により、下記式および図６の下図に示すように、正弦波信号ＳＩＮＵ，ＳＩＮＶ，ＳＩＮＷの二乗和の平方根を演算する。

この演算の意味について説明する。図２（ａ）に示したように正弦波信号ＳＩＮＵ，ＳＩＮＶ，ＳＩＮＷにホール素子のばらつきの影響が全くない場合は、定トルクに相当するHall rippleの出力として直流信号が得られる。しかし、図２（ｂ），（ｃ）に示したようにホール素子のばらつきの影響を含む場合は、Hall rippleの出力は、電気角１周期中に１回または２回の変動を含むことになる。図６の下図には、ホール素子のオフセットにばらつきがあるために、Hall rippleにおける電気角１周期中に１回の変動が現れている様子を示している。

次に、図７に示すように、Hall rippleの出力から直流部分を削除してトルクの変動成分（疑似的なリップル成分）のみを抽出するために、Filter（フィルタ部）によって、極めて平坦な出力をHall rippleから除き、リップル成分のみからなるHall rippleの出力（以下、抽出Hall rippleという）を得る。そして、この抽出Hall rippleに対して、Voutの出力レベルに合わせるための係数HFBGainを乗算する（Hall ripple×HFBGain）。さらに、トルクの大小によってトルクのリップル量が変化するため、その調整のためにMLT（乗算部）Hall ripple×HFBGain にVoutを乗算してHoutの出力を得る。そして、SUB（減算部）において、VoutからHoutを減算することでトルクのリップル成分の逆位相をVoutに含ませた（加算した）指令信号としてのVout’を生成する。これにより、ブラシレスモータ４の回転の変動を予め推定してこれをキャンセルすることができる。

この駆動制御処理は、回転速度のフィードバック信号とは独立して実行可能であるため、ロータ１のイナーシャの機械的時定数や速度検出器８の分解能の制約を受けることなく回転むらの低減が可能である。

図８には、ブラシレスモータの回転むらのＦＦＴ解析結果（シミュレーション結果）を、本実施例のようにリップル成分の逆位相の加算（以下、ホール出力のフィードバックという）を行った場合とこのようなホール出力のフィードバックを行わない比較例ＲＥＦについて示している。このシミュレーションでは、８ポール−１２スロット構成のブラシレスモータを１０００［ｒ／ｍｉｎ］で駆動した。グラフ中の縦軸に示すwowは、以下の計算方法で算出された回転むらを示しており、このシミュレーションでは、０〜５００［Ｈｚ］までのそれぞれのpower spectrumにおいて計算を行った。

図２（ｃ）に示したように、ホール素子のオフセットのばらつきの影響は、電気角１周期中に１回のトルク変動となって現れる。８ポール−１２スロットのモータでは、電気角１周期の周波数が（１０００÷６０）×４＝６６．７［Ｈｚ］であり、ＲＥＦと比較して、ホール出力のフィードバックを行った場合は、６５［Ｈｚ］付近にあるピークが減少しており、回転むらが改善されている。

また、図２（ｂ）に示したように、ホール素子の感度のばらつきの影響は、電気角１周期中に２回のトルク変動となって現れる。この変動の周波数成分は（（１０００÷６０）×４）×２＝１３３．３［Ｈｚ］であり、ＲＥＦと比較して、ホール出力のフィードバックを行った場合は、１３０［Ｈｚ］付近にあるピークが減少しており、回転むらが改善されている。

このように、ホール出力のフィードバックを行った場合は、行わない場合に比べて、ホール素子のオフセットのばらつきがある場合および感度のばらつきがある場合のいずれも、７０％程度の回転むらの改善効果が得られた。

なお、本実施例では、３相のホール素子およびステータコイルを設けた場合について説明したが、これらの数は３相に限られず、２相でも４相以上でもよい。

また、本実施例では、位置検出手段としてホール素子を用いた場合について説明したが、ＭＲセンサ（磁気抵抗効果素子）や光学センサ等、ロータの回転位置を検出可能な他の位置検出手段を用いてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

本発明は、ホール素子等の位置検出手段の出力を利用した正弦波駆動方式で駆動されるブラシレスモータの回転むら低減に有用である。

１ ロータ
２U，２V，２W ホール素子
３U，３V，３W ステータコイル
４ ブラシレスモータ
５ａ〜５ｆ ＦＥＴ
６ 制御回路
７ 電源
８ 速度検出器

Claims (4)

1. 複数相のコイルと、該コイルへの通電に応じて回転するロータと、該ロータの回転位置を互いに異なる位相において検出する複数の位置検出手段とを有するブラシレスモータの駆動を外部からの入力信号に応じて生成された第１の指令信号に基づいて制御する駆動制御装置であって、
   前記複数の位置検出手段からの出力に基づいて互いに位相差を持つ複数の正弦波信号を生成し、前記複数の正弦波信号の二乗和の平方根を用いて前記ブラシレスモータの回転におけるリップル成分を求め、該リップル成分の逆位相を前記第１の指令信号に加算した第２の指令信号を生成する信号生成部を有することを特徴とする駆動制御装置。
2. 前記信号生成部は、
   前記複数の正弦波信号の二乗和の平方根を演算する演算部と、
   該演算部の出力から前記リップル成分のみを抽出するフィルタ部と、
   前記リップル成分に前記第１の指令信号を乗算する乗算部と、
   前記乗算部からの出力を前記第１の指令信号から減算する減算部とを有することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。
3. ブラシレスモータと、
   請求項１または２に記載の駆動制御装置とを有することを特徴とするモータユニット。
4. 請求項３に記載のモータユニットと、
   前記ブラシレスモータにより駆動される被駆動部材とを有することを特徴とする機器。