JP2004229360A - Driving method and device for dc motor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子巻線に生じる誘起電圧に基づいて回転子の位置を検出し、固定子巻線の転流のタイミングを制御する直流電動機の駆動方法および直流電動機の駆動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、複数個の固定子巻線と、固定子巻線との磁気的に相互作用(つまり、吸引力および反発力)により固定子巻線に対して回転する回転子とを備える構成の直流電動機が提供されている。この種の直流電動機には、回転子の位置を検出せずに各固定子巻線の転流のタイミングを適当に切り換えて回転子を回転させる同期電動機と、回転子の位置を検出するとともに回転子の位置に応じて固定子巻線への通電のタイミングを切り換えるフィードバック制御を行って回転子を回転させるブラシレス電動機とが知られている。ブラシレス電動機における回転子の位置の検出器としてはホール素子が知られているが、ホール素子を用いる代わりに固定子巻線の端子電圧から誘起電圧を検出することによって回転子の位置を検出するブラシレス電動機も知られている。
【0003】
ところで、回転子が回転していなければ固定子巻線には誘起電圧が生じないから、固定子巻線の端子電圧を監視することによって回転子の位置を検出するブラシレス電動機では、起動時には同期電動機として動作させる必要がある。つまり、この種のブラシレス電動機は、起動時には同期電動機としての動作モードで動作させ(以下、「同期運転」という)、回転子が所定の速度に達した後に、回転子の位置を検出してブラシレス電動機としての動作モードで動作させる(以下、「ブラシレス運転」という)ことになる。
【0004】
この種の技術としては、起動時に固定子巻線に通電して回転子を所定位置に位置付けた後、所定の周波数で各相の固定子巻線に順に通電することにより、同期運転によって回転子を回転させ、固定子巻線の転流の周波数が設定周波数に達するとブラシレス運転を開始するものが知られている(たとえば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平5−284781号公報(第2−3頁、図1、6)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献1では、同期運転の起動時における転流の周波数を比較的高く設定しておき、起動できない場合には周波数を順次引き下げて起動を試みるという処理を繰り返すことによって、起動可能な周波数に到達させる技術を採用している。また、起動後には脱調しない程度の加速度で回転子の回転速度を加速する旨の記載がある。一方、同期運転中には負荷の変動などによって脱調することがあり、脱調の判断には回転子の回転に伴って生じる誘起電圧を監視する必要がある。
【0007】
ここで、特許文献1に記載の技術を用いると、電源の投入から回転子が回転を開始するまでに転流の周波数を徐々に引き下げる期間があるから、負荷の大きさなどの条件によっては回転子の回転が開始されるまでの時間が長くなり、結果的に脱調の判断が遅れる可能性がある。
【0008】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、起動時における同期運転を確実に行い、しかも、脱調状態が生じたときには起動から短時間で検出することが可能な直流電動機の駆動方法および直流電動機の駆動装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1ないし請求項6の発明は直流電動機の駆動方法に関する。
【0010】
請求項1の発明は、複数の磁極を有する回転子の回転方向において等間隔に配列された固定子磁極を備えるとともに固定子磁極を励磁することにより回転子と固定子磁極との間の磁気的な相互作用によって回転子を回転させる複数相の固定子巻線を備えた直流電動機を駆動する方法であって、回転子の回転中における固定子巻線の端子電圧を基準電圧と比較することにより求めた回転子の位置に対して規定の位相差で固定子巻線の通電パターンを切り換えるブラシレス運転を行うにあたり、回転子の位置を検出せずに固定子巻線に通電する通電パターンを順次切り換える同期運転を固定子巻線の転流の周波数がブラシレス運転を可能とするように設定した規定の設定周波数に達するまで行い、同期運転の期間においていずれかの固定子巻線の転流後の規定時点と次の転流前の規定時点との両時点における固定子巻線の通過電流の差を求め、通過電流の差が閾値以下のときに脱調状態と判断することを特徴とする。
【0011】
請求項2の発明は、請求項1の発明に加えて、前記同期運転の期間において脱調が検出されると、転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくして再起動することを特徴とする。
【0012】
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明に加えて、前記同期運転の期間において脱調が検出されると、脱調状態が解消されるまでの間は、固定子巻線の転流の周波数を変化させずに印加電圧を増加させることを特徴とする。
【0013】
請求項4の発明は、請求項1の発明に加えて、前記同期運転の期間において固定子巻線の転流から固定子巻線の端子電圧が基準電圧に達するまでの位相差が規定値を超えると、転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくすることを特徴とする。
【0014】
請求項5の発明は、請求項1の発明に加えて、前記同期運転の期間において、転流の周波数の変化率が大きいほど転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくすることを特徴とする。
【0015】
請求項6の発明では、請求項1の発明に加えて、前記同期運転の期間において、前記設定周波数と同期運転中の実際の転流の周波数との差が大きいほど転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくすることを特徴とする。
【0016】
請求項7ないし請求項10の発明は直流電動機の駆動装置に関する。
【0017】
請求項7の発明は、複数の磁極を有する回転子の回転方向において等間隔に配列された固定子磁極を備えるとともに固定子磁極を励磁することにより回転子と固定子磁極との間の磁気的な相互作用によって回転子を回転させる複数相の固定子巻線を備えた直流電動機と、回転子の回転中における固定子巻線の端子電圧を基準電圧と比較することにより回転子の位置を検出する位置検出回路と、位置検出回路で求めた回転子の位置に対して規定の位相差で固定子巻線の通電パターンを切り換えるブラシレス運転を行う通電制御手段とを備え、通電制御手段は、回転子の位置を検出せずに固定子巻線に通電する通電パターンを順次切り換える同期運転を固定子巻線の転流の周波数がブラシレス運転を可能とするように設定した規定の設定周波数に達するまで行い、同期運転の期間においていずれかの固定子巻線の転流後の規定時点と次の転流前の規定時点との両時点における固定子巻線の通過電流の差を求め、通過電流の差が閾値以下のときに脱調状態と判断することを特徴とする。
【0018】
請求項8の発明では、請求項7の発明に加えて、前記通電制御手段が、前記同期運転の期間において脱調を検出すると、転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくして再起動することを特徴とする。
【0019】
請求項9の発明では、請求項7または請求項8の発明に加えて、前記通電制御手段が、前記同期運転の期間において脱調を検出すると、脱調状態が解消されるまでの間は、固定子巻線の転流の周波数を変化させずに印加電圧を増加させることを特徴とする。
【0020】
請求項10の発明では、請求項7の発明に加えて、前記通電制御手段が、前記同期運転の期間において固定子巻線の転流から固定子巻線の端子電圧が基準電圧に達するまでの位相差が規定値を超えたことを検出すると、転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくすることを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に説明する実施形態では、3個の固定子巻線をスター結線するとともに、回転子が回転する形式の3相の直流電動機を例示するが、固定子巻線の相数についてとくに制限はない。また、回転子として永久磁石を用いた例を示すが、回転子に電磁石を用いることも可能である。
【0022】
(実施形態1)
図1に示すように、直流電動機10はスター結線された3個の固定子巻線1u,1v,1wを備え、固定子巻線1u,1v,1wに対応する複数極の固定子磁極(図示せず)を備える。固定子磁極は1つの円周上に60度間隔で等間隔に配列される。回転子2は固定子磁極を配列した円周の中心を中心として回転可能になるように配置される。また、回転子2は永久磁石を備え回転中心を中心として周方向に複数の磁極を有する。固定子磁極および回転子2の極数は2極、4極、8極など適宜に設定される。回転子2の磁極は固定子磁極との間で磁気的な相互作用が生じるように配置される。ただし、固定子磁極および回転子2の磁極の極数は適宜に選択される。
【0023】
3個の固定子巻線1u,1v,1wには、直流電源Eからインバータ回路3を介して電圧が印加される。インバータ回路3は、スイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wを2個ずつ直列接続した3組の直列回路を直流電源Eの両端間にそれぞれ接続し、外部からの制御信号を受けるドライブ回路3aによって各スイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wをオンオフさせるように構成されている。また、直列接続された各2個のスイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wの接続点には各固定子巻線1u,1v,1wの一端が接続される。ここに、固定子巻線1u,1v,1wはスター結線されているから、各固定子巻線1u,1v,1wの他端は当然ながら互いに接続されている。
【0024】
各スイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wは、それぞれダイオードD1u,D2u、D1v,D2v、D1w,D2wによる環流経路を備える。環流経路は、スイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wのオフ時にオン時とは逆向きの電流が通電可能となる経路を意味する。したがって、スイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wをMOSFETにより構成する場合には、MOSFETのボディダイオードがダイオードD1u,D2u、D1v,D2v、D1w,D2wとして機能することになり、環流経路を形成するための外付部品は不要になる。
【0025】
各固定子巻線1u,1v,1wの上記一端にはそれぞれ固定子巻線1u,1v,1wの端子電圧Vu,Vv,Vwを監視することによって回転子2の位置を検出する位置検出回路4が設けられる。位置検出回路4は、電圧が印加されていない固定子巻線1u,1v,1wの端子電圧Vu,Vv,Vwを基準電圧Vtと比較しており、端子電圧Vu,Vv,Vwが基準電圧Vt(直流電源Eの2分の1に相当する電圧)を通過する変化点(つまり、端子電圧Vu,Vv,Vwと基準電圧Vtとの大小関係の変化点)でタイミング信号である位置検出信号を出力する。また、各固定子巻線1u,1v,1wの上記一端には固定子巻線1u,1v,1wの通過電流をそれぞれ監視する電流検出回路6が設けられる。電流検出回路6は固定子巻線1u,1v,1wの通過電流に応じた電流信号を出力する。位置検出回路4から出力された位置検出信号と電流検出回路6から出力された電流信号とはともに制御回路5に入力され、制御回路5では位置検出信号の発生タイミングと電流信号とに基づいてスイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wをオンオフさせるための制御信号を生成する。制御回路5からの制御信号はドライブ回路3aに入力されスイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wのオンオフを制御する。要するに、インバータ回路3および制御回路5によって固定子巻線1u,1v,1wの通電を制御する通電制御手段が構成される。ここに、制御回路5は、たとえばマイクロコンピュータを用いて実現される。
【0026】
制御回路5では位置検出回路4から出力される位置検出信号に基づいて回転子2の回転速度を監視しており、回転子2の回転速度が速度設定器7によって制御回路5に与えられている目標速度に保たれるように、各スイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wのPWM制御を行う。つまり、各スイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wの通電期間においてスイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wを高周波でオンオフするチョッパ制御を行うとともに、チョッパ制御の際のオンデューティを調節する。周知のように固定子巻線1u,1v,1wに通電するにはスイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wのうちの2個をオンにする必要があるから、チョッパ制御の際には、固定子巻線1u,1v,1wに通電するために用いる2個のスイッチング素子Q1u,Q2u、Q1v,Q2v、Q1w,Q2wのうちの一方をオンに保ち、他方を高周波でオンオフさせるようにすればよい。たとえば、固定子巻線1u,1vの直列回路に固定子巻線1uから固定子巻線1vに向かって通電するには、スイッチング素子Q1uとスイッチング素子Q2vとをオンにする必要があるから、固定子巻線1u,1vの直列回路に通電する期間においてスイッチング素子Q1uをオンに保つとともにスイッチング素子Q2vを高周波でオンオフさせれば、チョッパ制御が可能になる。なお、以下の説明において固定子巻線1u,1v,1wの端子電圧Vu,Vv,Vwはチョッパ制御による平均値を意味する。つまり、端子電圧Vu,Vv,Vwは制御信号のオンデューティに相当する値になる。
【0027】
本実施形態で説明する直流電動機10は、基本的には位置検出信号に基づいたフィードバック制御であるブラシレス運転が行われる。つまり、ブラシレス運転では、制御回路5は、位置検出回路4から位置検出信号が出力されると、後述する規定の位相差θbの後に転流させることによって回転子2に回転力を与える。このとき、位置検出信号が発生する時間間隔に基づいて求めた回転子2の実際の回転速度が速度設定器7から与えられる目標速度に一致するように印加電圧を決定するのであって、求めた印加電圧が得られるようにインバータ回路3のPWM制御を行うのである。
【0028】
上述のように、ブラシレス運転を行うには回転子2の位置を検出する必要があり、位置検出回路4では回転子2の回転に伴って生じる誘起電圧を用いて回転子2の位置を検出しているから、回転子2が回転していなければ回転子2の位置を検出することができない。つまり、上述した直流電動機10ではブラシレス運転で起動することはできない。そこで、直流電動機10を起動するために、まず同期運転のための励磁を行う制御が採用されている。同期運転によって回転子2の回転が開始された後には、適宜のタイミングでブラシレス運転に移行する。
【0029】
ところで、同期運転の際に回転子2が正常に回転している場合と、回転子2が脱調した場合とでは、回転子2の回転に伴って生じる誘起電圧の波形が変化する。その結果、固定子巻線1u,1v,1wの通過電流の波形にも変化が生じる。以下では、同期運転の際の脱調の有無を固定子巻線1u,1v,1wの通過電流の波形の特徴によって検出する技術について説明する。
【0030】
同期運転時において回転子2が正常に回転しているときの1つの固定子巻線1u,1v,1wに関する電流の波形は、誘起電圧の影響によって、図2(a)の波形になる。つまり、固定子巻線1u,1v,1wの通過電流は、転流による通電開始から次の転流までの期間で徐々に増加する。これに対して、脱調しているときには回転子2が停止しており、回転子2の停止状態では、固定子巻線1u,1v,1wはインダクタンス成分と抵抗成分とだけを含むことになり、転流による通電開始から次の転流までの期間では固定子巻線1u,1v,1wへの印加電圧と抵抗成分とによって決まる比較的短い時間で電流が増加する。つまり、回転が正常であるときには時間経過に伴って電流が比較的緩やかに増加するが、脱調したときには電流が短時間で増加すると言える。
【0031】
本実施形態では、上述のような電流波形の相違に基づいて正常状態か脱調状態かを識別するのであって、転流直後の所定時点(図2における60°+θ1)と次の転流直前の所定時点(図2における60°+θ2)との各電流値i1,i2を電流検出回路6で求め、両電流値i1,i2の差を閾値と比較したときに、電流値i1,i2の差が閾値以下であれば脱調と判断する。
【0032】
すなわち、図3に示すように、転流すると(S1)、制御回路5の内部において転流からの位置を計数している位置カウンタをリセットし(S2)、回転速度と経過時間とに基づいて回転子2の位置を演算する(S3)。位置が転流直後であるθ1になれば(S4)、その時点の電流値i1を電流検出回路6の出力から求める(S5)。さらに、位置の演算を継続し(S6)、位置が次の転流直前であるθ2になれば(S7)、その時点の電流値i2を電流検出回路6の出力から求める(S8)。このようにして求めた電流値i1,i2を用い、i2−i1の値を閾値と比較することで脱調の有無を判定するのである(S9)。
【0033】
ところで、本実施形態では同期運転時において負荷の大きさも検出している。同期運転時には負荷が小さければ、図4(a)のように、固定子巻線1u,1v,1wへの通電により生じる回転磁界と回転子2の回転位置(図4に実線で示す位置)との位相差θ2は比較的小さいが、負荷が大きくなれば、図4(b)のように、回転磁界と回転子2の回転位置との位相差θ3が大きくなる(θ2>θ3)。言い換えると、回転磁界(つまり、転流を指示するタイミング)に対する回転子2の回転位置(つまり、位置検出回路4で求められる位置検出信号の発生時点)との位相差は負荷が大きいほど大きくなるのである。
【0034】
本実施形態は、脱調を防止するために、負荷の大きさに合わせてトルクを調節しており、トルクの調節としては固定子巻線1u,1v,1wへの印加電圧と転流の周波数との比を変化させる技術を採用している。固定子巻線1u,1v,1wへの印加電圧と転流の周波数との比を変化させているのは、転流の周波数が大きくなれば固定子巻線1u,1v,1wのインダクタンス成分によるインピーダンスが大きくなって固定子巻線1u,1v,1wの通過電流が減少するのに対し、固定子巻線1u,1v,1wへの印加電圧を高くすれば固定子巻線1u,1v,1wの通過電流が増加するからであり、転流の周波数と印加電圧とを適宜に設定すれば固定子巻線1u,1v,1wの通過電流を調節することでトルクを調節することができる。ここで、固定子巻線1u,1v,1wへの印加電圧をVとし転流の周波数をFとし、図5に直線Aで示すように、周波数当たりの印加電圧であるV/Fを大きくすれば、固定子巻線1u,1v,1wの通電電流が大きくなってトルクが大きくなり、直線Bで示すようにV/Fを小さくすれば、固定子巻線1u,1v,1wの通電電流が小さくなってトルクが小さくなる。
【0035】
本実施形態では、上述した同期運転中の脱調を検出する技術とトルクを調節する技術とを用い、図6の手順で同期運転中の制御を行う。制御回路5では電源が投入されると、速度設定器7で設定された回転速度(つまり、同期運転からブラシレス運転に移行させる時点の転流の周波数である設定周波数)を読み込み(S1)、印加電圧Vと周波数Fとの比V/Fを設定する(S2)。ここに、設定周波数が高いほど回転子2の加速に必要なトルクが大きくなるから、設定周波数が高いほどV/Fの値を大きく設定する。V/Fが決まると、同期運転の際の転流の周波数fを規定した初期値f1にセットし(S3)、印加電圧を求めて(S4)、同期運転を開始する(S5)。同期運転を開始すると、上述したように固定子巻線1u,1v,1wの通過電流により脱調の有無を監視し(S6)、脱調がなければ転流のタイミングと位置検出信号との位相差を求める。上述したように、この位相差が規定値θTL以下であれば(S7)、負荷が適正範囲であることを意味しているから、回転子2を加速するために転流の周波数を加速度Δf(加速度Δfについては後述する)だけ増加させる(S8)。このようにして、周波数を増加させることによってブラシレス運転に移行させることができる周波数に達すると(S9)、ブラシレス運転に移行する(S10)。
【0036】
一方、ステップS6において脱調を検出したときには、トルクが不足していると考えられるから、V/Fの設定値を大きくしてステップS3からの制御をやり直す(S11)。つまり、転流の周波数に対して印加電圧を大きくすることにより、トルクの設定値を大きくしてから再起動する。また、ステップS7において位相差が規定値θTLよりも大きい場合には負荷に対するトルクが不足していると考えられるから、この場合にもV/Fの設定値を大きくする(S12)。ステップS9において転流の周波数がブラシレス運転に移行する周波数に達していない場合には、設定周波数を再度読み込むとともに(S13)、設定周波数をあらかじめ固定値として設定されている加速時間で除算することにより加速度Δfを求め(S14)、この加速度ΔfからV/Fを求めて設定する(S15)。ステップS14で求めた加速度Δfが大きいほど必要トルクが大きいから、ステップS15では設定するV/Fを大きくして発生トルクを大きくする。
【0037】
図6に示した制御による動作を図7ないし図9に示す。図7はステップS6において脱調が検出されたときの動作を示している。図7(a)は転流の周波数であって、f1は初期値を示し、f2はブラシレス運転に移行させる周波数を示す。また、図7(b)は印加電圧を示す。図7において、T1は同期運転の期間、T2はブラシレス運転の期間を示している。また、図7においては負荷がTL1からTL2(>TL1)に変化した場合の例として示してある。
【0038】
まず、起動時には図7(a)のように転流の周波数はf1に設定され、このときの負荷TL1は比較的小さく設定されているものとする。脱調しなければステップS8の処理によって図7(a)のように周波数が増加する。また、周波数の増加に伴ってV/Fを大きくするから印加電圧も増加する。ここで、脱調が検出されるとトルクを大きくするために、ステップS11においてV/Fを大きくするのであるが、ステップS3において周波数が初期値f1に低下するから、印加電圧も低下する。ステップS6において脱調が検出される状態が継続している間にはV/Fが増加するが、周波数は初期値f1に保たれるから、印加電圧のみが増加する。
【0039】
印加電圧の増加に伴ってトルクが大きくなれば、脱調状態を脱出して同期運転が再開されるから、周波数はステップS8において増加し、印加電圧は周波数の増加に追随してステップS4において増加する。ここで、ブラシレス運転に移行するまでに比較的大きな負荷TL2に変化したとすると、ステップS7において位相差が大きくなるから、トルクを増加させるためにステップS12においてV/Fが増加する。ここで、加速度Δfには変化がないから、V/Fの増加に伴って印加電圧が大きくなる。このようにして、転流の周波数がブラシレス運転に移行するための周波数f2に達すると、ブラシレス運転に移行する。
【0040】
ところで、速度設定器7による設定周波数が異なる場合には、図8に示す動作になる。図8では説明を簡単にするために、同期運転中に脱調は生じないものとし、また同期運転中に負荷の大きさが変化することもないものする。ここでは、大小2段階の設定周波数f3,f4(f3>f4)を考え、いずれの設定周波数f3,f4も同期運転からブラシレス運転に移行する条件としての周波数f2よりも高く設定される(f3,f4>f2)。図8では転流の周波数および印加電圧について、実線が設定周波数f3に対応し、破線が設定周波数f4に対応している。図6から明らかなように設定周波数が高いときには、加速度Δfも大きくなるのであって、結果的に周波数の増加率が大きくなり、そのため印加電圧の増加率も大きくなる。すなわち、図8に実線で示してある高いほうの設定周波数f3に対しては、図8に破線で示してある低いほうの設定周波数f4に比較すると、転流の周波数および印加電圧の増加率は大きくなり、結果的に同期運転の期間T1は短くなる。また、同期運転からブラシレス運転に移行する時点の印加電圧V1,V2も設定周波数が高いほうが大きくなる。
【0041】
図9は、同期運転中における設定周波数の変化や負荷の急激な変化などによって、加速度Δfがa1からa2(>a1)に変化した場合の動作例を示している。図6のステップS15においては加速度Δfに対応してV/Fを変化させているのであって、実際には加速度Δfが大きくなるとV/Fを大きくする処理を行う。したがって、図9の加速度a2に対応する区間のように加速度Δfが大きくなり図9(a)に示す転流の周波数の変化率が大きくなると、図9(b)に実線で示しているように、V/Fの増加に伴って印加電圧が高くなり、結果的にブラシレス運転に移行する際の電圧V4が高くなる。なお、図9(b)において加速度a2に対応する区間に破線で示している例は、ステップS15の処理を行わず加速度Δfの変化に対してV/Fを一定に保った場合の動作であって、この場合には同期運転からブラシレス運転に移行する際の印加電圧V3が、本実施形態における印加電圧V4よりも低くなる。
【0042】
(実施形態2)
本実施形態は、図10に示すように、図6に示した実施形態1の処理に対してステップS11の行き先をステップS3からステップS4に変更したものである。つまり、脱調を検出したときに転流の周波数を初期値f1に戻さずに印加電圧を高めて脱調状態から脱出させるものである。
【0043】
したがって、本実施形態では図7に示した実施形態1の動作に対応する動作は図11のようになる。図7と図11とを比較すればわかるように、実施形態1では脱調が検出されると転流の周波数が下がり、それに伴って印加電圧も低下するが、本実施形態では脱調が検出されても転流の周波数は変化せず、印加電圧のみが上昇を続けることになる。つまり、本実施形態の動作では脱調時に転流の周波数を低下させないから、同期運転からブラシレス運転に移行するまでの時間を実施形態1よりも短縮することが可能になる。他の構成および動作は実施形態1と同様である。
【0044】
なお、上述した各実施形態では図6、図10に示すステップS6において脱調の有無を判断した後に、固定子巻線の転流から固定子巻線の端子電圧が基準電圧に達するまでの位相差が規定値を超えるか否かの判定(ステップS7)を行い、また、転流の周波数の変化率を求める演算(ステップS14)が、ステップS7,S14の後にステップS12,S15でV/Fを設定しているのは、同期運転中において脱調を防止しながらもブラシレス運転への移行をスムーズに行うことが目的であるから、ステップS7およびステップS12、ステップS14およびステップS15の処理の少なくとも一方を、脱調の有無の判定よりも前に行う構成としてもよい。
【0045】
【発明の効果】
請求項1、7の発明は、回転子の位置を検出せずに固定子巻線に通電する通電パターンを順次切り換える同期運転を固定子巻線の転流の周波数がブラシレス運転を可能とするように設定した規定の設定周波数に達するまで行い、同期運転の期間においていずれかの固定子巻線の転流後の規定時点と次の転流前の規定時点との両時点における固定子巻線の通過電流の差を求め、通過電流の差が閾値以下のときに脱調状態と判断するから、起動時における同期運転を確実に行いながらも、脱調状態が生じると起動から短時間で検出することが可能になる。また、従来構成のように転流の周波数をあらかじめ高く設定しておく必要がなく、負荷が比較的小さいときに印加電圧と転流の周波数との比を比較的小さく設定して起動することができるから、比較的小さい電力での起動が可能になる。このことは、駆動回路の発熱量の低減につながり、省エネルギになる。
【0046】
請求項2、8の発明は、同期運転の期間において脱調が検出されると、転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくして再起動するので、請求項1の構成によって脱調状態を迅速に検出した後に、条件を変えて起動を試みるから、起動に要する時間を短くすることができる。
【0047】
請求項3、9の発明は、同期運転の期間において脱調が検出されると、脱調状態が解消されるまでの間は、固定子巻線の転流の周波数を変化させずに印加電圧を増加させるので、脱調時において転流の周波数を低下させてトルクを増加させる場合に比較すると、ブラシレス運転に移行させる周波数に達するまでの時間が短くなり、結果的にブラシレス運転に移行させるまでの起動時間を短くすることができる。
【0048】
請求項4、10の発明は、同期運転の期間において固定子巻線の転流から固定子巻線の端子電圧が基準電圧に達するまでの位相差が規定値を超えると、転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくするので、負荷が大きくなればトルクを大きくする補正が可能になり、同期運転時の脱調の可能性を低減することになる。
【0049】
請求項5の発明は、同期運転の期間において、転流の周波数の変化率が大きいほど転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくするから、加速度を大きくする必要があるときにはトルクが大きくなり、確実に起動することができる。
【0050】
請求項6の発明は、同期運転の期間において、設定周波数と同期運転中の実際の転流の周波数との差が大きいほど転流の周波数に対する印加電圧の比率を大きくするので、同期運転中に転流の設定周波数が変化したとしても、印加電圧を変化させて追随することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図2】同上における脱調の検出技術を説明する動作説明図である。
【図3】同上に用いる脱調の検出技術を説明する動作説明図である。
【図4】同上における負荷の検出技術を説明する動作説明図である。
【図5】同上における周波数と印加電圧との関係を示す説明図である。
【図6】本発明の実施形態1の処理手順を示す動作説明図である。
【図7】同上の動作説明図である。
【図8】同上の動作説明図である。
【図9】同上の動作説明図である。
【図10】本発明の実施形態2の処理手順を示す動作説明図である。
【図11】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
1u,1v,1w 固定子巻線
2 回転子
3 インバータ回路
3a ドライブ回路
4 位置検出回路
5 制御回路
10 直流電動機
E 直流電源[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a DC motor driving method and a DC motor driving device that detect the position of a rotor based on an induced voltage generated in a stator winding and control the commutation timing of the stator winding. .
[0002]
[Prior art]
Generally, a DC motor including a plurality of stator windings and a rotor that rotates with respect to the stator windings due to magnetic interaction (ie, attraction and repulsion) between the stator windings. Is provided. This type of DC motor includes a synchronous motor that rotates the rotor by appropriately switching the commutation timing of each stator winding without detecting the rotor position, and a rotor that detects the rotor position and rotates the rotor. 2. Description of the Related Art There is known a brushless electric motor that rotates a rotor by performing feedback control that switches the timing of energization to a stator winding according to the position of a stator. A Hall element is known as a rotor position detector in a brushless motor, but instead of using a Hall element, a brushless motor that detects the rotor position by detecting an induced voltage from the terminal voltage of a stator winding. Electric motors are also known.
[0003]
By the way, since no induced voltage is generated in the stator winding unless the rotor is rotating, in a brushless motor that detects the position of the rotor by monitoring the terminal voltage of the stator winding, a synchronous motor is used at startup. Need to be operated as That is, this type of brushless motor is operated in an operation mode as a synchronous motor at startup (hereinafter referred to as "synchronous operation"), and after the rotor reaches a predetermined speed, the position of the rotor is detected and the brushless motor is detected. The motor is operated in the operation mode as an electric motor (hereinafter, referred to as “brushless operation”).
[0004]
As this type of technology, the rotor is positioned at a predetermined position by energizing the stator winding at start-up, and then the stator winding of each phase is sequentially energized at a predetermined frequency, so that the rotor is synchronously operated. And a brushless operation is started when the commutation frequency of the stator winding reaches a set frequency (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-5-284787 (pages 2-3, FIGS. 1 and 6)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in
[0007]
Here, when the technique described in
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a DC motor capable of reliably performing a synchronous operation at the time of start-up and detecting a step-out state in a short time after start-up. An object of the present invention is to provide an electric motor driving method and a DC electric motor driving device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The inventions of
[0010]
The invention according to
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in addition to the first aspect of the present invention, when out-of-step is detected during the synchronous operation, the ratio of the applied voltage to the commutation frequency is increased to restart. I do.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in addition to the first or second aspect, when a step-out is detected during the synchronous operation, the stator winding is kept until the step-out state is resolved. The present invention is characterized in that the applied voltage is increased without changing the frequency of the commutation.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the first aspect, the phase difference from the commutation of the stator winding to the terminal voltage of the stator winding reaching the reference voltage during the synchronous operation is a specified value. If it exceeds, the ratio of the applied voltage to the commutation frequency is increased.
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, in addition to the first aspect, during the period of the synchronous operation, the ratio of the applied voltage to the commutation frequency is increased as the change rate of the commutation frequency is increased. .
[0015]
According to a sixth aspect of the present invention, in addition to the first aspect, in the period of the synchronous operation, as the difference between the set frequency and the actual frequency of the commutation during the synchronous operation increases, the applied voltage with respect to the frequency of the commutation increases. Is characterized by increasing the ratio.
[0016]
The invention according to
[0017]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a magnetic head between a rotor and a stator magnetic pole which comprises a plurality of stator magnetic poles arranged at equal intervals in a rotation direction of a rotor having a plurality of magnetic poles and which excites the stator magnetic pole. Motor with a multi-phase stator winding that rotates the rotor by simple interaction, and detects the position of the rotor by comparing the terminal voltage of the stator winding with the reference voltage during rotation of the rotor A position detection circuit that performs a brushless operation of switching a conduction pattern of a stator winding with a specified phase difference with respect to the position of the rotor obtained by the position detection circuit. Synchronous operation that sequentially switches the energization pattern that energizes the stator winding without detecting the position of the stator is performed at the specified frequency set so that the commutation frequency of the stator winding enables brushless operation. During the synchronous operation, determine the difference between the stator coil passing currents at both the specified time after commutation of one of the stator windings and the specified time before the next commutation. A step-out state is determined when the difference between the currents is equal to or less than the threshold value.
[0018]
In the invention of
[0019]
In the invention of
[0020]
According to a tenth aspect of the present invention, in addition to the seventh aspect of the present invention, the energization control means controls a period from the commutation of the stator winding until the terminal voltage of the stator winding reaches the reference voltage during the synchronous operation. When detecting that the phase difference exceeds a specified value, the ratio of the applied voltage to the commutation frequency is increased.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the embodiment described below, a three-phase DC motor in which the three stator windings are star-connected and the rotor rotates is illustrated, but the number of stator winding phases is not particularly limited. . Further, although an example in which a permanent magnet is used as the rotor is shown, an electromagnet can be used as the rotor.
[0022]
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the
[0023]
A voltage is applied to the three
[0024]
Each of the switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w has a circulation path formed by diodes D1u, D2u, D1v, D2v, D1w, D2w, respectively. The circulation path means a path through which a current can flow when the switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, and Q2w are off, in a direction opposite to that when the switching elements are on. Therefore, when the switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w are constituted by MOSFETs, the body diodes of the MOSFETs function as diodes D1u, D2u, D1v, D2v, D1w, D2w, and the circulation path. There is no need for an external component for forming the device.
[0025]
A
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
As described above, it is necessary to detect the position of the
[0029]
By the way, the waveform of the induced voltage generated by the rotation of the
[0030]
The current waveform of one stator winding 1u, 1v, 1w when the
[0031]
In the present embodiment, the normal state or the step-out state is identified based on the difference in the current waveform as described above, and a predetermined time immediately after commutation (60 ° + θ1 in FIG. 2) and immediately before the next commutation Current values i1 and i2 at a predetermined time point (60 ° + θ2 in FIG. 2) are obtained by the
[0032]
That is, as shown in FIG. 3, when the commutation occurs (S1), the position counter that counts the position from the commutation in the
[0033]
In the present embodiment, the magnitude of the load is also detected during the synchronous operation. If the load is small during the synchronous operation, as shown in FIG. 4A, the rotating magnetic field generated by energizing the
[0034]
In the present embodiment, the torque is adjusted in accordance with the size of the load in order to prevent loss of synchronism. The adjustment of the torque includes the voltage applied to the
[0035]
In the present embodiment, the control during the synchronous operation is performed according to the procedure shown in FIG. 6 by using the technology for detecting the step-out during the synchronous operation and the technology for adjusting the torque. When the power is turned on, the
[0036]
On the other hand, when step-out is detected in step S6, it is considered that the torque is insufficient. Therefore, the set value of V / F is increased and the control from step S3 is repeated (S11). That is, by increasing the applied voltage with respect to the frequency of the commutation, the motor is restarted after increasing the set value of the torque. If the phase difference is larger than the specified value θTL in step S7, it is considered that the torque for the load is insufficient, and the set value of V / F is also increased in this case (S12). If the commutation frequency has not reached the frequency for shifting to the brushless operation in step S9, the set frequency is read again (S13), and the set frequency is divided by the acceleration time set as a fixed value in advance. The acceleration Δf is determined (S14), and V / F is determined and set from the acceleration Δf (S15). Since the required torque increases as the acceleration Δf obtained in step S14 increases, in step S15, the generated torque is increased by increasing the set V / F.
[0037]
The operation by the control shown in FIG. 6 is shown in FIGS. FIG. 7 shows the operation when step-out is detected in step S6. FIG. 7A shows the commutation frequency, f1 represents an initial value, and f2 represents a frequency at which the operation shifts to the brushless operation. FIG. 7B shows the applied voltage. In FIG. 7, T1 indicates a period of the synchronous operation, and T2 indicates a period of the brushless operation. FIG. 7 shows an example in which the load changes from TL1 to TL2 (> TL1).
[0038]
First, it is assumed that the commutation frequency is set to f1 at the time of startup as shown in FIG. 7A, and the load TL1 at this time is set to be relatively small. If the step-out does not occur, the frequency is increased by the processing in step S8 as shown in FIG. In addition, since V / F is increased as the frequency increases, the applied voltage also increases. Here, when step-out is detected, V / F is increased in step S11 to increase the torque. However, since the frequency decreases to the initial value f1 in step S3, the applied voltage also decreases. Although V / F increases while the state in which step-out is detected in step S6 continues, the frequency is kept at the initial value f1, so that only the applied voltage increases.
[0039]
If the torque increases with an increase in the applied voltage, the step-out state is escaped and the synchronous operation is restarted. Therefore, the frequency increases in step S8, and the applied voltage increases in step S4 following the increase in the frequency. I do. Here, if the load TL2 changes to a relatively large load before the shift to the brushless operation, the phase difference increases in step S7, so that V / F increases in step S12 to increase the torque. Here, since the acceleration Δf does not change, the applied voltage increases as the V / F increases. Thus, when the commutation frequency reaches the frequency f2 for shifting to the brushless operation, the operation shifts to the brushless operation.
[0040]
When the frequency set by the
[0041]
FIG. 9 shows an operation example when the acceleration Δf changes from a1 to a2 (> a1) due to a change in the set frequency or a sudden change in the load during the synchronous operation. In step S15 of FIG. 6, the V / F is changed in accordance with the acceleration Δf, and in practice, the processing for increasing the V / F as the acceleration Δf increases. Therefore, when the acceleration Δf increases as in the section corresponding to the acceleration a2 in FIG. 9 and the change rate of the commutation frequency shown in FIG. 9A increases, as shown by the solid line in FIG. 9B. , V / F increases, the applied voltage increases, and as a result, the voltage V4 at the time of shifting to the brushless operation increases. Note that the example shown by the broken line in the section corresponding to the acceleration a2 in FIG. 9B is an operation when the V / F is kept constant with respect to the change in the acceleration Δf without performing the processing in step S15. In this case, the applied voltage V3 at the time of shifting from the synchronous operation to the brushless operation is lower than the applied voltage V4 in the present embodiment.
[0042]
(Embodiment 2)
In the present embodiment, as shown in FIG. 10, the destination of step S11 is changed from step S3 to step S4 with respect to the processing of the first embodiment shown in FIG. That is, when the step-out is detected, the applied voltage is increased without returning the commutation frequency to the initial value f1, and the step-out is performed from the step-out state.
[0043]
Therefore, in this embodiment, the operation corresponding to the operation of the first embodiment shown in FIG. 7 is as shown in FIG. As can be seen from a comparison between FIG. 7 and FIG. 11, in the first embodiment, when a step-out is detected, the frequency of the commutation decreases, and the applied voltage decreases accordingly. In the present embodiment, the step-out is detected. Even if this occurs, the frequency of the commutation does not change, and only the applied voltage continues to rise. That is, in the operation of the present embodiment, the frequency of commutation is not reduced at the time of step-out, so that it is possible to shorten the time from the synchronous operation to the brushless operation as compared with the first embodiment. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.
[0044]
In each of the above-described embodiments, after the presence or absence of step-out is determined in step S6 shown in FIGS. 6 and 10, the time from the commutation of the stator winding until the terminal voltage of the stator winding reaches the reference voltage is determined. It is determined whether or not the phase difference exceeds a specified value (step S7), and the calculation for determining the rate of change of the commutation frequency (step S14) is performed in steps S12 and S15 after steps S7 and S14. Is set for the purpose of smooth transition to the brushless operation while preventing step-out during the synchronous operation. Therefore, at least the processing of steps S7 and S12, step S14, and step S15 is performed. One of them may be configured to be performed before the determination of the step-out.
[0045]
【The invention's effect】
According to the first and seventh aspects of the present invention, the synchronous operation for sequentially switching the energization pattern for energizing the stator winding without detecting the position of the rotor is performed so that the commutation frequency of the stator winding enables the brushless operation. Until the specified set frequency is reached, and during the synchronous operation, the stator windings at both the specified time after commutation of one of the stator windings and the specified time before the next commutation The difference between the passing currents is determined, and when the difference between the passing currents is equal to or smaller than the threshold value, it is determined that the step-out state has occurred. It becomes possible. Further, it is not necessary to set the commutation frequency high in advance as in the conventional configuration, and when the load is relatively small, it is possible to start by setting the ratio between the applied voltage and the commutation frequency to be relatively small. As a result, it is possible to start with relatively small power. This leads to a reduction in the amount of heat generated by the drive circuit, and saves energy.
[0046]
According to the second and eighth aspects of the present invention, when a step-out is detected during the period of the synchronous operation, the ratio of the applied voltage to the commutation frequency is increased and the restart is performed. After quick detection, an attempt is made to start under different conditions, so that the time required for starting can be shortened.
[0047]
According to the third and ninth aspects of the present invention, when step-out is detected during the synchronous operation, the applied voltage is not changed until the step-out state is eliminated without changing the commutation frequency of the stator winding. As compared with the case where the frequency of the commutation is lowered and the torque is increased at the time of step-out, the time required to reach the frequency for shifting to the brushless operation becomes shorter, and consequently until the shift to the brushless operation is completed. Startup time can be shortened.
[0048]
According to a fourth aspect of the present invention, when the phase difference from the commutation of the stator winding to the terminal voltage of the stator winding reaching the reference voltage exceeds the specified value during the synchronous operation, the frequency of the commutation is reduced. Since the ratio of the applied voltage is increased, it is possible to perform a correction to increase the torque as the load increases, thereby reducing the possibility of step-out during synchronous operation.
[0049]
According to the invention of
[0050]
According to the invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an operation explanatory diagram illustrating a step-out detection technique in the above energy management system;
FIG. 3 is an operation explanatory diagram illustrating a step-out detection technique used in the embodiment.
FIG. 4 is an operation explanatory diagram illustrating a load detection technique in the above energy management system;
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a frequency and an applied voltage in the above.
FIG. 6 is an operation explanatory diagram showing a processing procedure according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 8 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 9 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 10 is an operation explanatory diagram showing a processing procedure according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an operation explanatory view of the above.
[Explanation of symbols]
1u, 1v, 1w stator winding
2 rotor
3 Inverter circuit
3a Drive circuit
4 Position detection circuit
5 Control circuit
10 DC motor
E DC power supply
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