JP2004229360A

JP2004229360A - Driving method and device for dc motor

Info

Publication number: JP2004229360A
Application number: JP2003011666A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Okamura; 幸彦岡村; Takashi Yoshida; 吉田　　孝; Kenji Sakamoto; 健二阪本; Koichi Teraura; 浩一寺裏
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-20
Also published as: JP4085818B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To certainly perform synchronous operation in starting a DC motor, and to detect stepping-out in a short time after its starting if it occurs. <P>SOLUTION: The DC motor 10 includes a rotor 2, three sets of three-phase stator winding 1u, 1v, 1w, and a stator pole. A position detecting circuit 4 determines a rotational position of the rotor 2 by monitoring the terminal voltage of sets of the stator winding 1u, 1v, 1w. An inverter circuit 3 and a control circuit 5 control energization to the sets of stator winding 1u, 1v, 1w of the DC motor 10 based on the position of the rotor 2 determined in the position detecting circuit 4. The control circuit 5 performs synchronous operation until the frequency of commutation of the sets of stator winding 1u, 1v, 1w reaches a specified frequency. A difference between currents passing through the sets of stator winding 1u, 1v, 1w in both of a specified point after the commutation of the sets of the stator winding 1u, 1v, 1w and a specified point before the next commutation is determined during the synchronous operation, and if the difference of the passing current is not more than a threshold value, it is determined as stepping-out condition. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

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 Patent Literature 1, the commutation frequency at the start of the synchronous operation is set relatively high, and if the start is not possible, the process of sequentially reducing the frequency and trying to start is repeated, thereby obtaining a startable frequency. The technology to reach is adopted. Further, there is a description that the rotational speed of the rotor is accelerated at an acceleration that does not cause loss of synchronism after startup. On the other hand, during synchronous operation, a step-out may occur due to a change in load or the like, and it is necessary to monitor the induced voltage caused by the rotation of the rotor to determine step-out.
[0007]
Here, when the technique described in Patent Document 1 is used, there is a period in which the frequency of commutation is gradually reduced from the time when the power is turned on to the time when the rotor starts rotating. There is a possibility that the time required for the child to start rotating becomes longer, and consequently, the step-out determination may be delayed.
[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 claims 1 to 6 relate to a method for driving a DC motor.
[0010]
The invention according to claim 1 includes a stator magnetic pole arranged at equal intervals in a rotation direction of a rotor having a plurality of magnetic poles, and energizing the stator magnetic pole so that a magnetic force between the rotor and the stator magnetic pole is increased. A method for driving a DC motor having a multi-phase stator winding that rotates the rotor by a simple interaction, comprising comparing the terminal voltage of the stator winding during rotation of the rotor with a reference voltage. In performing brushless operation in which the energization pattern of the stator winding is switched at a specified phase difference with respect to the obtained rotor position, the energization pattern for energizing the stator winding is sequentially switched without detecting the rotor position. Synchronous operation is performed until the commutation frequency of the stator winding reaches the specified set frequency set to enable brushless operation. The difference between the passing current of the stator winding at both the specified time after the current flow and the specified time before the next commutation is obtained. And
[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 claims 7 to 10 relates to a drive device for a DC motor.
[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 claim 8, in addition to the invention of claim 7, when the energization control means detects a step-out during the period of the synchronous operation, the energization control means restarts by increasing the ratio of the applied voltage to the frequency of commutation. It is characterized by the following.
[0019]
In the invention of claim 9, in addition to the invention of claim 7 or claim 8, when the energization control means detects a step out during the period of the synchronous operation, until the step out state is resolved, The present invention is characterized in that the applied voltage is increased without changing the commutation frequency of the stator winding.
[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 DC motor 10 includes three star-connected stator windings 1u, 1v, and 1w, and a plurality of stator magnetic poles (see FIG. 1) corresponding to the stator windings 1u, 1v, and 1w. (Not shown). The stator magnetic poles are arranged at equal intervals at 60 degrees on one circumference. The rotor 2 is arranged so as to be rotatable around the center of the circumference where the stator magnetic poles are arranged. The rotor 2 includes a permanent magnet and has a plurality of magnetic poles in the circumferential direction around the center of rotation. The number of stator magnetic poles and the number of poles of the rotor 2 are appropriately set such as 2 poles, 4 poles, and 8 poles. The magnetic poles of the rotor 2 are arranged such that magnetic interaction occurs with the stator magnetic poles. However, the number of stator magnetic poles and the number of magnetic poles of the rotor 2 are appropriately selected.
[0023]
A voltage is applied to the three stator windings 1u, 1v, 1w from the DC power supply E via the inverter circuit 3. Inverter circuit 3 is a drive that receives three external control signals by connecting three sets of series circuits in which two switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w are connected in series, respectively, between both ends of DC power supply E. The switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, and Q2w are turned on and off by the circuit 3a. One end of each stator winding 1u, 1v, 1w is connected to a connection point of each of two switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w connected in series. Here, since the stator windings 1u, 1v, 1w are star-connected, the other ends of the stator windings 1u, 1v, 1w are naturally connected to each other.
[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 position detecting circuit 4 for detecting the position of the rotor 2 by monitoring the terminal voltages Vu, Vv, Vw of the stator windings 1u, 1v, 1w respectively at the one ends of the stator windings 1u, 1v, 1w. Is provided. The position detection circuit 4 compares the terminal voltages Vu, Vv, Vw of the stator windings 1 u, 1 v, 1 w to which no voltage is applied with the reference voltage Vt, and the terminal voltages Vu, Vv, Vw correspond to the reference voltage Vt. At a change point passing through (a voltage corresponding to a half of the DC power supply E) (that is, a change point of the magnitude relationship between the terminal voltages Vu, Vv, Vw and the reference voltage Vt), the position detection signal which is a timing signal is changed. Output. Further, a current detection circuit 6 for monitoring the current passing through the stator windings 1u, 1v, 1w is provided at one end of each of the stator windings 1u, 1v, 1w. The current detection circuit 6 outputs a current signal corresponding to the current passing through the stator windings 1u, 1v, 1w. The position detection signal output from the position detection circuit 4 and the current signal output from the current detection circuit 6 are both input to the control circuit 5, and the control circuit 5 performs switching based on the generation timing of the position detection signal and the current signal. A control signal for turning on / off the elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w is generated. A control signal from the control circuit 5 is input to the drive circuit 3a to control the on / off of the switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w. In short, the inverter circuit 3 and the control circuit 5 constitute an energization control means for controlling energization of the stator windings 1u, 1v, 1w. Here, the control circuit 5 is realized using, for example, a microcomputer.
[0026]
The control circuit 5 monitors the rotation speed of the rotor 2 based on the position detection signal output from the position detection circuit 4, and the rotation speed of the rotor 2 is given to the control circuit 5 by the speed setting device 7. PWM control of each of the switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w is performed so that the target speed is maintained. That is, during the energization period of each of the switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w, chopper control for turning on and off the switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w at a high frequency is performed. Adjust the duty. As is well known, it is necessary to turn on two of the switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w to energize the stator windings 1u, 1v, 1w. Is such that one of the two switching elements Q1u, Q2u, Q1v, Q2v, Q1w, Q2w used to energize the stator windings 1u, 1v, 1w is kept on and the other is switched on and off at a high frequency. do it. For example, to energize the series circuit of the stator windings 1u and 1v from the stator winding 1u to the stator winding 1v, it is necessary to turn on the switching elements Q1u and Q2v. If the switching element Q1u is kept on and the switching element Q2v is turned on and off at a high frequency during a period when the series circuit of the child windings 1u and 1v is energized, chopper control becomes possible. In the following description, the terminal voltages Vu, Vv, Vw of the stator windings 1u, 1v, 1w mean average values obtained by chopper control. That is, the terminal voltages Vu, Vv, Vw have values corresponding to the on-duty of the control signal.
[0027]
The DC motor 10 described in the present embodiment basically performs a brushless operation, which is a feedback control based on a position detection signal. That is, in the brushless operation, when the position detection signal is output from the position detection circuit 4, the control circuit 5 applies a rotational force to the rotor 2 by performing commutation after a specified phase difference θb described later. At this time, the applied voltage is determined so that the actual rotation speed of the rotor 2 obtained based on the time interval at which the position detection signal is generated matches the target speed provided from the speed setting device 7. The PWM control of the inverter circuit 3 is performed so that the applied voltage can be obtained.
[0028]
As described above, it is necessary to detect the position of the rotor 2 in order to perform the brushless operation, and the position detection circuit 4 detects the position of the rotor 2 using the induced voltage generated with the rotation of the rotor 2. Therefore, if the rotor 2 is not rotating, the position of the rotor 2 cannot be detected. That is, the DC motor 10 described above cannot be started in the brushless operation. Therefore, in order to start the DC motor 10, a control for first performing excitation for synchronous operation is employed. After the rotation of the rotor 2 is started by the synchronous operation, the operation shifts to the brushless operation at an appropriate timing.
[0029]
By the way, the waveform of the induced voltage generated by the rotation of the rotor 2 changes between the case where the rotor 2 rotates normally and the case where the rotor 2 steps out during the synchronous operation. As a result, the waveform of the passing current of the stator windings 1u, 1v, 1w also changes. In the following, a description will be given of a technique for detecting the presence or absence of step-out during synchronous operation based on the characteristics of the waveform of the passing current of the stator windings 1u, 1v, and 1w.
[0030]
The current waveform of one stator winding 1u, 1v, 1w when the rotor 2 is rotating normally during the synchronous operation has the waveform of FIG. 2A due to the influence of the induced voltage. That is, the current passing through the stator windings 1u, 1v, 1w gradually increases in the period from the start of energization by commutation to the next commutation. On the other hand, when the rotor is out of synchronization, the rotor 2 is stopped, and when the rotor 2 is stopped, the stator windings 1u, 1v, and 1w include only an inductance component and a resistance component. During the period from the commutation start by commutation to the next commutation, the current increases in a relatively short time determined by the applied voltage to the stator windings 1u, 1v, 1w and the resistance component. That is, when the rotation is normal, the current increases relatively slowly with the passage of time, but when the step-out occurs, the current increases in a short time.
[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 current detection circuit 6, and when the difference between the two current values i1 and i2 is compared with a threshold value, the difference between the current values i1 and i2 is obtained. Is less than the threshold, it is determined that the step-out occurs.
[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 control circuit 5 is reset (S2), and based on the rotation speed and the elapsed time, The position of the rotor 2 is calculated (S3). If the position becomes θ1 immediately after commutation (S4), the current value i1 at that time is obtained from the output of the current detection circuit 6 (S5). Further, the position calculation is continued (S6), and when the position becomes θ2 immediately before the next commutation (S7), the current value i2 at that time is obtained from the output of the current detection circuit 6 (S8). Using the current values i1 and i2 obtained in this way, the value of i2-i1 is compared with a threshold value to determine the presence or absence of step-out (S9).
[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 stator windings 1u, 1v, 1w and the rotational position of the rotor 2 (the position indicated by the solid line in FIG. 4) Is relatively small, but as the load increases, the phase difference θ3 between the rotating magnetic field and the rotational position of the rotor 2 increases (θ2> θ3) as shown in FIG. 4B. In other words, the phase difference between the rotating magnetic field (that is, the timing at which commutation is instructed) and the rotational position of the rotor 2 (that is, the point in time at which the position detection signal obtained by the position detection circuit 4 is generated) increases as the load increases. It is.
[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 stator windings 1u, 1v, 1w and the frequency of commutation. And technology to change the ratio is adopted. The ratio between the voltage applied to the stator windings 1u, 1v, and 1w and the frequency of commutation is changed because the inductance component of the stator windings 1u, 1v, and 1w increases as the frequency of commutation increases. While the impedance increases and the current passing through the stator windings 1u, 1v, 1w decreases, increasing the voltage applied to the stator windings 1u, 1v, 1w increases the stator windings 1u, 1v, 1w. If the commutation frequency and the applied voltage are appropriately set, the torque can be adjusted by adjusting the current passing through the stator windings 1u, 1v, and 1w. Here, the applied voltage to the stator windings 1u, 1v, 1w is V, the commutation frequency is F, and as shown by the straight line A in FIG. 5, the applied voltage per frequency V / F is increased. For example, if the current flowing through the stator windings 1u, 1v, 1w increases, the torque increases, and if the V / F is reduced as indicated by the straight line B, the current flowing through the stator windings 1u, 1v, 1w is reduced. It becomes smaller and the torque becomes smaller.
[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 control circuit 5 reads the rotation speed set by the speed setting device 7 (that is, the set frequency which is the commutation frequency at the time of shifting from the synchronous operation to the brushless operation) (S1), and applies it. A ratio V / F between the voltage V and the frequency F is set (S2). Here, the higher the set frequency is, the larger the torque required for accelerating the rotor 2 is. Therefore, the higher the set frequency is, the larger the value of V / F is set. When V / F is determined, the commutation frequency f during the synchronous operation is set to a specified initial value f1 (S3), the applied voltage is determined (S4), and the synchronous operation is started (S5). When the synchronous operation is started, the presence or absence of step-out is monitored by the passing current of the stator windings 1u, 1v and 1w as described above (S6), and if there is no step-out, the position of the commutation timing and the position detection signal is determined. Find the phase difference. As described above, if the phase difference is equal to or smaller than the specified value θTL (S7), it means that the load is within the appropriate range. Therefore, in order to accelerate the rotor 2, the commutation frequency is changed to the acceleration Δf ( The acceleration Δf is increased by an amount (described later) (S8). In this way, when the frequency reaches the frequency at which the operation can be shifted to the brushless operation by increasing the frequency (S9), the operation shifts to the brushless operation (S10).
[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 speed setting device 7 is different, the operation shown in FIG. 8 is performed. In FIG. 8, for the sake of simplicity, it is assumed that no step-out occurs during the synchronous operation, and that the magnitude of the load does not change during the synchronous operation. Here, considering the setting frequencies f3 and f4 (f3> f4) in two levels, large and small, all of the setting frequencies f3 and f4 are set higher than the frequency f2 as a condition for shifting from the synchronous operation to the brushless operation (f3, f3). f4> f2). In FIG. 8, for the commutation frequency and applied voltage, the solid line corresponds to the set frequency f3, and the broken line corresponds to the set frequency f4. As is clear from FIG. 6, when the set frequency is high, the acceleration Δf also increases. As a result, the rate of increase of the frequency increases, and therefore the rate of increase of the applied voltage also increases. That is, for the higher set frequency f3 shown by the solid line in FIG. 8, compared with the lower set frequency f4 shown by the broken line in FIG. 8, the commutation frequency and the rate of increase of the applied voltage are higher. As a result, the period T1 of the synchronous operation becomes shorter. Also, the applied voltages V1 and V2 at the time of shifting from the synchronous operation to the brushless operation also increase as the set frequency is higher.
[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 claim 5, in the period of the synchronous operation, since the ratio of the applied voltage to the frequency of the commutation increases as the change rate of the frequency of the commutation increases, the torque increases when it is necessary to increase the acceleration, It can be started reliably.
[0050]
According to the invention of claim 6, in the period of the synchronous operation, the ratio of the applied voltage to the frequency of the commutation increases as the difference between the set frequency and the actual frequency of the commutation during the synchronous operation increases. Even if the set frequency of commutation changes, it can be followed by changing the applied voltage.
[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

Claims

The rotor includes a plurality of stator poles arranged at regular intervals in the rotation direction of the rotor having a plurality of magnetic poles, and the rotor is excited by exciting the stator poles to cause a magnetic interaction between the rotor and the stator poles. A method of driving a DC motor having a plurality of phases of stator windings to be rotated, wherein a terminal voltage of the rotor determined by comparing a terminal voltage of the stator windings with a reference voltage during rotation of the rotor. On the other hand, when performing brushless operation in which the energization pattern of the stator winding is switched with a specified phase difference, synchronous operation in which the energization pattern for energizing the stator winding is sequentially switched without detecting the rotor position is performed. Until the commutation frequency reaches the specified frequency set to enable brushless operation, and the specified time after commutation of any stator winding during the synchronous operation A difference between the passing currents of the stator windings at both a specified time and a specified time before commutation of the DC motor, and determining that the step-out state occurs when the difference between the passing currents is equal to or less than a threshold value. .

2. The method according to claim 1, wherein when step-out is detected during the synchronous operation, the ratio of the applied voltage to the commutation frequency is increased to restart the motor.

When step-out is detected during the synchronous operation, the applied voltage is increased without changing the commutation frequency of the stator winding until the step-out state is eliminated. The method for driving a DC motor according to claim 1 or 2.

When the phase difference from the commutation of the stator winding to the terminal voltage of the stator winding reaching the reference voltage exceeds a specified value during the period of the synchronous operation, the ratio of the applied voltage to the frequency of the commutation is increased. The method for driving a DC motor according to claim 1, wherein:

2. The method according to claim 1, wherein 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.

2. The direct current according to claim 1, wherein, during the period of the synchronous operation, the ratio of the applied voltage to the frequency of the commutation increases as the difference between the set frequency and the actual frequency of the commutation during the synchronous operation increases. How to drive the motor.

The rotor includes a plurality of stator poles arranged at regular intervals in the rotation direction of the rotor having a plurality of magnetic poles, and excites the stator poles, thereby causing the rotor to rotate by a magnetic interaction between the rotor and the stator poles. A DC motor having a plurality of phases of stator winding to be rotated, a position detection circuit for detecting a position of the rotor by comparing a terminal voltage of the stator winding with a reference voltage during rotation of the rotor, and a position detection circuit. Energization control means for performing brushless operation for switching the energization pattern of the stator winding with a prescribed phase difference with respect to the rotor position obtained by the detection circuit, wherein the energization control means does not detect the rotor position. The synchronous operation of sequentially switching the energization pattern for energizing the stator winding is performed until the commutation frequency of the stator winding reaches a specified frequency set to enable brushless operation. During the operation, the difference between the passing currents of the stator windings at both the specified time after commutation of one of the stator windings and the specified time before the next commutation is determined. A driving device for a DC motor, which determines a step-out state in the following cases.

8. The DC motor driving device according to claim 7, wherein, when the step-out control unit detects step-out during the period of the synchronous operation, it restarts by increasing a ratio of an applied voltage to a commutation frequency.

When detecting the step-out during the synchronous operation, the energization control unit increases the applied voltage without changing the commutation frequency of the stator winding until the step-out state is eliminated. The driving device for a DC motor according to claim 7 or 8, wherein:

When detecting that the phase difference between the commutation of the stator winding and the terminal voltage of the stator winding reaching the reference voltage exceeds a specified value during the synchronous operation, The driving device for a DC motor according to claim 7, wherein a ratio of an applied voltage to a frequency is increased.