JP2005057922A - ブラシレスモータ及びブラシレスモータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズや負荷変動などにより磁石回転子の位置を検出できなくなった場合でも、許容される回転数低下の間に磁石回転子の位置を再検出して駆動を再開することで、長時間の安定稼動する。
【解決手段】 異常信号パターンが発生したときに、センサレス駆動を停止することで、磁石回転子５４の回転数の低下を最小限に押さえて回転位置を検出し、センサレス駆動を再開することができる。また、負荷変動やノイズなどが発生してもブラシレスモータを停止することが無く、長時間の安定稼動できるブラシレスモータを提供することができる。【選択図】 図２

Description

本発明は、ブラシレスモータ及びブラシレスモータの駆動方法に係り、特に回転子の回転位置を検出しながら駆動信号を出力する駆動方式において、異常発生時の駆動制御に関する。

ブラシレスモータはブラシと整流子とが無いモータとして知られている。このブラシレスモータは、ブラシ付きモータがブラシと整流子との接触するのに対し、摩擦消耗が発生しないため長期間の駆動に適している。このため、車両の冷却用ウォータポンプや各種家電製品の駆動用モータとして幅広く用いられている。

ブラシレスモータは、電機子巻線と磁石回転子とから構成されている。電機子巻線は駆動信号を受けて回転磁界を発生し、磁石回転子は発生した回転磁界からトルクを受けて回転をする。

ブラシレスモータは、起動時に用いる同期駆動と継続駆動時に用いるセンサレス駆動との２つの駆動形式を併用している。すなわち、起動時には同期駆動が行われ、磁石回転子の回転数が所定の回転数（駆動切替回転数）以上になると同期駆動からセンサレス駆動へと駆動形式の切り替えが行われる。

同期駆動は、電機子巻線に回転磁界を発生させる駆動信号を送り、磁石回転子を強制的に回転させる。駆動信号を送る周期を短くして行くことで、回転数をゼロから駆動切替回転数まで増加させることができる。

センサレス駆動は磁石回転子の回転位置の検出を行い、回転周期を算出して次の回転を行うのに適した駆動信号を送ることで、磁石回転子を回転させている。磁石回転子の回転位置の検出は電機子巻線に発生する誘導起電力を測定することで行っている。

誘導起電力による回転位置の検出手法は次のようになっている。

ブラシレスモータは駆動中に磁石回転子が回転しているので、磁石回転子から生じる磁界が変化する。これにより、電機子巻線を通る磁束数が変化している。この磁束数の変化により電機子巻線に誘導起電力が発生し、誘導起電力の電圧変化を測定し電圧の極性が変わる点（ゼロクロス点）を検出することで、磁石回転子の回転位置を検出している。

しかし、誘導起電力により回転位置を検出しているため、回転数が少ないと電機子巻線を通る磁束数の変化も少なくなり誘導起電力を十分に検出できなくなる。このため、位置を検出するには回転数を誘導起電力が検出できる最低の回転数（位置検出最低回転数）以上に保つ必要がある。

また、同期駆動からセンサレス駆動への切り替えのための駆動切替回転数は、前記位置検出最低回転数よりも大きい値となっている。すなわち、ブラシレスモータは回転数が駆動切替回転数となると同期駆動からセンサレス駆動に駆動形式を切り替えるが、この駆動切替回転数は位置検出最低回転数よりも大きいため、センサレス駆動に切り替えるときには誘導起電力から磁石回転子の回転位置を検出することができる。

一方、ブラシレスモータがセンサレス駆動中であっても、磁石回転子の回転数が位置検出最低回転数未満になると誘導起電力の測定ができなくなり、磁石回転子の回転位置も検出できなくなる。このため、回転数が位置検出最低回転数未満となると、駆動信号を止めて電機子巻線に回転磁界を発生させることを止め、磁石回転子の惰性による回転が物理的止まるまでの時間（磁石回転子停止時間）を待ち、再度ブラシレスモータの起動駆動（同期駆動とセンサレス駆動）を行う必要がある。

ところで、センサレス駆動では、検出した位置信号にノイズが発生することや、負荷変動によって回転周期が急激に変化することがある。このような場合には、正しい回転位置や回転周期が検出できなくなる。これを解消するためには、デジタルフィルタによる検出した位置信号の補正や電流値による通電タイミングの補正を行い、その補正した位置信号を元にして駆動信号を送り電機子巻線に回転磁界を発生させることが考えられる。（以下、デジタルフィルタ等による補正をいう）
また、参考として、ブラシレスモータの回転停止及び再開の技術に関して、センサレス駆動中に停止の命令を行い、その後、磁石回転子停止時間までに起動の命令をした場合についての制御が開示されている（特許文献１参照）。

特許文献１では、停止の命令により磁石回転子を回転させる駆動信号を止めるようにしているが、停止の命令後も磁石回転子は惰性により回転しているため、その惰性回転によって生じる誘導起電力から回転位置の検出を行っている。磁石回転子は惰性によって回転しているので、回転数が位置検出最低回転数以上であれば回転位置の検出は可能である。すなわち、停止の命令後に起動の命令を受けた時の回転数が位置検出最低回転数以上であれば、検出した回転位置からセンサレス駆動を再開することができる。これにより、磁石回転子を物理的に停止させる必要がなくなる。
特開平７−２４５９８３号

しかしながら、デジタルフィルタ等による補正では、適正な補正を行うことができないために誤ったタイミングで駆動信号を出力してしまい、電機子巻線に回転を妨げるような磁界を発生させて、磁石回転子の回転数を低下させてしまうことがある。それにより、回転数が位置検出最低回転数未満まで低下してしまうとブラシレスモータを一度停止してから、起動駆動をし直さなければならない。この駆動を停止することは、長時間の安定して駆動することが必要な機器では避けなければならないことである。また、停止して起動しなおすことは、部品の劣化や駆動素子の温度サイクルストレスにつながる可能性もある。

また、特許文献１では、停止の命令、駆動の命令は予め定められた制御順序、またはオペレータの判断によってなされるので、いつ発生するかわからないノイズや負荷変動などには対応することができない。

本発明は上記事実を鑑み、ノイズや負荷変動などにより磁石回転子の位置を検出できなくなった場合でも、許容される回転数低下の間に磁石回転子の位置を再検出して駆動を再開することで、長時間の安定稼動できるブラシレスモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係るブラシレスモータは、磁石回転子と電機子巻線を備え、物理的に摺動摩擦しない状態で駆動するブラシレスモータであって、前記磁石回転子の回転位置情報を前記磁石回転子の回転よって前記電機子巻線に発生する誘導起電力から検出する回転位置情報検出手段と、前記回転位置情報検出手段により検出した前記回転位置情報より前記磁石回転子を回転させるのに適した磁界を発生させるタイミングの算出を行い、該算出した磁界を発生させるタイミングで前記電機子巻線に磁界を発生させて、前記磁石回転子を回転駆動させる回転駆動制御手段と、予め異常である回転位置情報を異常パターンとして設定しておき、前記回転位置情報検出手段により検出した前記回転位置情報を前記異常パターンと比較して異常が発生したかを判断する異常判断手段と、
前記異常判断手段により異常と判定されたときに、前記回転駆動制御手段による磁界の発生を停止させる回転駆動停止手段と、前記回転駆動停止手段による磁界の発生を停止した後の惰性による回転中に、前記磁石回転子の回転位置情報を前記回転位置情報検出手段により検出して、検出した磁界停止後の回転位置情報から、前記回転駆動制御手段によって前記磁石回転子を回転させるのに適した磁界を発生させるタイミングの算出を行い、該算出した磁界を発生させるタイミングで前記電機子巻線に磁界を再度発生させて、前記磁石回転子を回転駆動させる再駆動制御手段と、を有することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、回転位置情報検出手段では、ブラシレスモータはセンサレス駆動しているときに、電機子巻線に発生している誘導起電力から回転位置情報の検出を行う。回転駆動制御手段では、回転位置情報から磁石回転子の回転位置と回転周期とを算出し、磁石回転子が回転するのに適した回転磁界の発生タイミングを求めて、電機子巻線に回転磁界を発生させることで磁石回転子を回転させる。

ここで、異常判断手段では、回転位置情報の異常を検出するために回転位置情報が異常であるパターンを異常パターンとして予め設定しており。回転位置情報と異常パターンとを比較して、異常を容易に判断することができる。

誘導起電力から検出した回転位置情報に異常が発生すると、磁石回転子の正しい回転位置と回転周期とを算出することができず、適正な回転磁界の発生タイミングを求めることができない。このため、本発明では、回転位置情報に異常が発生したとき、これを異常判断手段で判別し、電機子巻線に回転磁界を発生させることを停止させる（回転駆動停止手段）。回転磁界の発生が停止すると、回転磁界からのトルクが無くなり、磁石回転子は惰性によって回転することになる。

また、回転磁界の発生が停止すると、電機子巻線には回転磁界を発生させる電圧がなくなり、磁石回転子の惰性回転による誘導起電力のみが発生している。

そこで、再駆動制御手段では、この磁石回転子の惰性回転による誘導起電力から回転位置情報を再度検出することで、磁石回転子の回転位置を正確に検出することができる。この正確な回転位置を基にして電機子巻線に回転磁界を再度発生させることで、安定したセンサレス駆動を再開することができる。

従って、請求項１の発明によれば、異常が発生しても磁石回転子の回転を停止することが無く、ブラシレスモータを長時間安定して稼動することができる。

請求項２に係るブラシレスモータは、請求項１記載の発明において、前記異常パターンは、回転位置情報による誘導起電力の極性が全て同一の極性である場合とすることを特徴としている。

請求項２の発明によれば、異常パターンを誘導起電力から検出した回転位置情報において、誘導起電力の極性が全てプラス又はマイナスである場合としている。
ブラシレスモータのセンサレス駆動が正常に行われていると、電機子巻線に生じる誘導起電力の極性が全てプラス又はマイナスとなることは無いことがわかっている。このため、正常なセンサレス駆動では発生しない回転位置情報を異常パターンとして設定することで、回転位置情報に発生したノイズなどを容易に検出することができる。

従って、請求項２の発明によれば、回転位置情報に発生するノイズを容易に検出することができる。

請求項３に係るブラシレスモータは、請求項１記載の発明において、前記異常パターンは、回転位置情報による誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率が所定の範囲から外れた場合とすることを特徴としている。

請求項３の発明によれば、異常パターンを誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率から定めている。
ブラシレスモータが一定の回転数でセンサレス駆動をしていると、電機子巻線から検出される誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率が所定の範囲内となることがわかっている。

しかし、ブラシレスモータに負荷変動が発生すると、回転数が急激に変化をする。回転数が急激に変化をすると、誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期も変化して、比率が所定の範囲から外れることになる。誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率が所定の範囲から外れた場合を異常パターンと設定しておくことで、負荷変動を容易に検出することができる。

従って、請求項３の発明によれば、ブラシレスモータに発生する負荷変動を容易に検出することができる。

請求項４に係るブラシレスモータは、前記請求項１に記載の発明において、前記異常パターンは、回転位置情報検出手段で検出される回転位置情報の発生順序が乱れた場合とすることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、通常、電機子巻線は磁石回転子の周囲に複数設けられ、位相をずらして、磁界を発生させている。このため、適正な状態での磁界の発生順序は、予め定められた順序を維持する。

従って、請求項４の発明によれば、回転位置情報においても、一定の順序を維持することになるが、異常が発生すると、この順序が乱れることになる。そこで、回転位置情報の発生順序が乱れた場合を異常パターンとすれば、回転の異常を判別することができる。

請求項５に係るブラシレスモータの駆動方法は、磁石回転子と電機子巻線を備え、物理的に摺動摩擦しない状態で駆動するブラシレスモータの駆動方法であって、前記磁石回転子の回転位置情報を前記磁石回転子の回転よって前記電機子巻線に発生する誘導起電力から検出し、誘導起電力から検出した前記回転位置情報より前記磁石回転子を回転させるのに適した磁界を発生させるタイミングの算出を行い、該算出した磁界を発生させるタイミングで前記電機子巻線に磁界を発生させて、前記磁石回転子を回転駆動させ、予め異常である回転位置情報を異常パターンとして設定しておき、前記電機子巻線に発生する誘導起電力から検出した前記回転位置情報を前記異常パターンと比較して異常が発生したかを判断し、該判断により異常と判定されたときに、前記電機子巻線への磁界の発生を停止し、
磁界の発生を停止した後の惰性による回転中に、前記磁石回転子の回転位置情報を前記電機子巻線に発生する誘導起電力から検出し、検出した磁界停止後の回転位置情報から、前記磁石回転子を回転させるのに適した磁界を発生させるタイミングの算出を行い、算出した磁界を発生させるタイミングで前記電機子巻線に磁界を再度発生させて、前記磁石回転子を回転駆動させる、ことを特徴とする。

請求項５の発明によれば、ブラシレスモータはセンサレス駆動していると、電機子巻線に発生している誘導起電力から回転位置情報の検出を行い、回転位置情報から磁石回転子の回転位置と回転周期とを算出し、磁石回転子が回転するのに適した回転磁界の発生タイミングを求めて、電機子巻線に回転磁界を発生させることで磁石回転子は回転している。

また、回転位置情報の異常を検出するために回転位置情報が異常であるパターンを異常パターンとして予め設定してある。異常パターンを予め設定することにより、回転位置情報と異常パターンとを比較して、異常を容易に判断することができる。

誘導起電力から検出した回転位置情報に異常が発生すると、磁石回転子の正しい回転位置と回転周期とを算出することができず、適正な回転磁界の発生タイミングを求めることができない。このため、本発明では、回転位置情報に異常が発生したとき、電機子巻線に回転磁界を発生させることを停止する。回転磁界の発生が停止すると、回転磁界からのトルクが無くなり、磁石回転子は惰性によって回転する。

また、回転磁界の発生が停止すると、電機子巻線には回転磁界を発生させる電圧がなくなり、磁石回転子の惰性回転による誘導起電力のみが発生している。

この磁石回転子の惰性回転による誘導起電力から回転位置情報を再度検出することで、磁石回転子の回転位置を正確に検出することができる。この正確な回転位置を基にして電機子巻線に回転磁界を再度発生させることで、安定したセンサレス駆動を再開することができる。

従って、請求項５の発明によれば、異常が発生しても磁石回転子の回転を停止することが無く、ブラシレスモータを長時間安定して稼動することができる。

請求項６に係るブラシレスモータの駆動方法は、請求項５記載の発明において、前記異常パターンは、回転位置情報による誘導起電力の極性が全て同一の極性である場合とすることを特徴としている。

請求項６の発明によれば、異常パターンを誘導起電力から検出した回転位置情報において、誘導起電力の極性が全てプラス又はマイナスである場合としている。
ブラシレスモータのセンサレス駆動が正常に行われていると、電機子巻線に生じる誘導起電力の極性が全てプラス又はマイナスとなることは無いことがわかっている。このため、正常なセンサレス駆動では発生しない回転位置情報を異常パターンとして設定することで、回転位置情報に発生したノイズなどを容易に検出することができる。

従って、請求項６の発明によれば、回転位置情報に発生するノイズを容易に検出することができる。

請求項７に係るブラシレスモータの駆動方法は、請求項５記載の発明において、前記異常パターンは、回転位置情報による誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率が所定の範囲から外れた場合とすることを特徴としている。

請求項７の発明によれば、異常パターンを誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率から定めている。
ブラシレスモータが一定の回転数でセンサレス駆動をしていると、電機子巻線から検出される誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率が所定の範囲内となることがわかっている。

しかし、ブラシレスモータに負荷変動が発生すると、回転数が急激に変化をする。回転数が急激に変化をすると、誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期も変化して、比率が所定の範囲から外れることになる。誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率が所定の範囲から外れた場合を異常パターンと設定しておくことで、負荷変動を容易に検出することができる。

従って、請求項７の発明によれば、ブラシレスモータに発生する負荷変動を容易に検出することができる。

請求項８に係るブラシレスモータの駆動方法は、前記請求項５に記載の発明において、前記異常パターンは、回転位置情報検出手段で検出される回転位置情報の発生順序が乱れた場合とすることを特徴としている。

請求項８に記載の発明によれば、通常、電機子巻線は磁石回転子の周囲に複数設けられ、位相をずらして、磁界を発生させている。このため、適正な状態での磁界の発生順序は、予め定められた順序を維持する。

従って、請求項８の発明によれば、回転位置情報においても、一定の順序を維持することになるが、異常が発生すると、この順序が乱れることになる。そこで、回転位置情報の発生順序が乱れた場合を異常パターンとすれば、回転の異常を判別することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、ブラシレスモータ及びブラシレスモータ駆動装置の概略構成図である。

ブラシレスモータ５０は、Ｕ、Ｖ、Ｗの電機子巻線がスター結線された３相電機子巻線５２と磁石回転子５４とから構成されている。３相電機子巻線５２の各相Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ１２０°のピッチで配置されており、ブラシレスモータ駆動装置１０のスイッチング素子群１４の出力端と接続されている。３相電機子巻線５２には、スイッチング素子群１４のトランジスタにより３相電機子巻線５２の各相に所定のタイミングで交互に通電がオン・オフさせることで、１２０°方形波通電の回転磁界が形成される。また、３相電機子巻線５２の各相には、スイッチング素子群１４のトランジスタにより３相電機子巻線５２の通電がオフされることで、回転磁界を発生させるため流れている電流が無くなり、自己誘導の電圧も発生する。

このブラシレスモータ５０は、起動時には磁石回転子５４の磁極位置に拘らず、回転磁界発生回路２０の出力信号でスイッチング素子群１４のトランジスタが制御されることによって駆動する。（同期起動）その後、磁石回転子５４の回転数が誘導起電力から回転位置を検出するのに十分な回転数（駆動切替回転数）以上となると、位置検出回路２２において３相電機子巻線５２に発生する誘導起電力に基づいて磁石回転子５４の回転位置が検出され、その回転位置から算出した出力信号によりスイッチング素子群１４のトランジスタが制御されることにより駆動する。（センサレス駆動）
ブラシレスモータ駆動装置１０のスイッチング素子群１４には、直流電源１２が接続されている。スイッチング素子群１４を構成するスイッチング素子としての３対（計６個）のトランジスタＵ＋、Ｕ−、Ｖ＋、Ｖ−、Ｗ＋、Ｗ−は、３相ブリッジ接続され、各トランジスタに並列にダイオードが接続されている。

さらに、ブラシレスモータ駆動装置１０には、同期信号発生回路１８と、回転磁界発生回路２０と、位置検出回路２２と、切替回路２４と、駆動信号発生回路２６と、パルス幅変調回路２８とが設けられている。同期信号発生回路１８、切替回路２４、及びパルス幅変調回路２８には、マイクロコンピュータ１６が接続されている。

マイクロコンピュータ１６は、図示されないＣＰＵ及びＲＯＭを含んで構成され、ＲＯＭには、ブラシレスモータ５０の同期駆動を制御するための処理プログラムが記憶されている。さらに、ＲＯＭには、強制回転目標周波数と、強制回転目標デューティ比と、目標周波数とが記憶されている。強制回転目標周波数は、同期起動において回転磁界を発生させる周期を所定のパターンで増加させる際の目標値であり、強制回転目標デューティ比は、同期起動においてモータ印加電圧のデューティ比を所定のパターンで増加させる際の目標値である。また、目標周波数は、磁石回転子５４の回転によって生ずる誘導起電力から回転位置を検出するのに十分な回転数（駆動切替回転数）としてユーザにより指定された値であり、条件に応じてユーザにより適宜変更される。

なお、同期起動中の回転数及びデューティ比は、強制回転目標周波数及び強制回転目標デューティ比に達するように、マイクロコンピュータ１６によって所定のパターンで増加するように制御される。

同期信号発生回路１８は、同期駆動時にマイクロコンピュータ１６からの指示に基づいて同期信号を出力する。

回転磁界発生回路２０は、同期信号発生回路１８より出力される同期信号を用いて、３相電機子巻線５２に強制的に回転磁界を発生させるための信号（同期回転信号）を出力する。

位置検出回路２２は、３相電機子巻線５２に生じている電圧から磁石回転子５４の回転による誘導起電力の測定を行い、誘導起電力から磁石回転子５４の回転位置と回転周期を検出して、３相電機子巻線５２に磁石回転子５４の回転に適した回転磁界を発生させるための信号（センサレス回転信号）を算出して出力する。３相電機子巻線５２には、センサレス回転信号に基づきスイッチング素子群１４のトランジスタの通電がオンされることで、３相電機子巻線５２に１２０°方形波通電の回転磁界を発生させるための電圧と、スイッチング素子群１４のトランジスタの通電がオフされることで、３相電機子巻線５２を流ていた電流が無くなることにより発生する自己誘導の電圧と、磁石回転子５４の回転による誘導起電力による電圧とが発生している。このため、位置検出回路２２では３相電機子巻線５２に発生している電圧から誘導起電力による電圧のみ測定するため、誘導起電力を検出するのに適したタイミング（誘導起電力検出タイミング）を算出して、３相電機子巻線５２の電圧を測定している。

図２は位置検出回路２２をさらに詳細に示した構成図である。位置検出回路２２は、回転位置検出回路３０と異常検出回路３２と駆動信号停止回路３４とセンサレス信号回路３６とから構成されている。

回転位置検出回路３０は、後述する誘導起電力検出タイミング信号を受け、誘導起電力検出タイミングで３相電機子巻線５２の各相に生じている電圧から誘導起電力による電圧を測定して、回転位置検出信号を出力する。回転位置検出信号は、誘導起電力の電圧がプラスであると１、マイナスであると０が出力され、電圧の極性が変わるゼロクロス点で値が変わる。

異常検出回路３２は、回転位置検出回路３０から出力された回転位置検出信号にノイズや負荷変動などの異常が発生していないか判断をする。異常検出回路３２に後述する異常と認められる信号発生パターン（異常信号パターン）を予め設定しておき、回転位置検出信号が異常信号パターンと一致するときは異常と判断がされる。異常と判断された場合は、駆動信号停止回路３４へ異常検出信号が出力される。正常（異常信号パターンで無い）と判断された場合は、回転位置検出信号をそのままセンサレス信号回路３６へ出力させる。

駆動信号停止回路３４は、異常検出回路３２から出力された異常検出信号を受けると、センサレス信号回路３６へ駆動停止信号を出力し、センサレス回転信号の出力を停止させる。

センサレス信号回路３６は、異常検出回路３２から出力された回転位置検出信号を受けると磁石回転子５４の回転位置と回転周期の検出を行い、３相電機子巻線５２に磁石回転子５４の回転に適した回転磁界を発生させるための信号（センサレス回転信号）を算出して出力する。このセンサレス回転信号により３相電機子巻線５２には１２０°方形波通電の電圧と自己誘導の電圧とが発生する。

また、センサレス信号回路３６では、回転位置検出回路３０において、誘導起電力を検出するための誘導起電力検出タイミングの算出をする。誘導起電力検出タイミングはセンサレス回転信号と磁石回転子５４の回転周期とから算出され、誘導起電力検出タイミング信号として回転位置検出回路３０へ出力される。

一方、センサレス信号回路３６は、駆動信号停止回路３４から駆動停止信号を受けるとセンサレス回転信号の出力を停止する。センサレス回転信号の停止により、３相電機子巻線５２には、センサレス回転信号に基づく１２０°方形波通電の電圧と自己誘導の電圧とが発生しなくなり、磁石回転子５４の回転による誘導起電力のみが生じることになる。このため、センサレス信号回路３６は、センサレス回転信号の停止中は回転位置検出回路３０において常に誘導起電力の検出が可能であるので、誘導起電力検出タイミング信号を回転位置検出回路３０へ出力する。

また、センサレス信号回路３６は駆動停止信号を受けると、駆動停止信号を受けるまで算出していた磁石回転子５４の回転位置と回転周期との初期化を行い、回転位置検出信号の検出待ち状態となる。センサレス信号回路３６が回転位置検出信号の検出待ち状態であるときに、回転位置検出信号が再度検出されると、センサレス信号回路３６は再度検出された回転位置検出信号から回転位置と回転周期を算出して、センサレス回転信号の出力を再開する。

切替回路２４は、マイクロコンピュータ１６からの指示に基づいて、回転磁界発生回路２０の同期回転信号と位置検出回路２２のセンサレス回転信号を選択し、切り替えて駆動信号発生回路２６へ出力する。

駆動信号発生回路２６は、回転磁界発生回路２０の同期回転信号と位置検出回路２２のセンサレス回転信号とのいずれか一方を用いてブラシレスモータ５０を駆動する駆動信号を出力する。

パルス幅変調回路２８は、駆動信号発生回路２６から出力される駆動信号のパルス幅をマイクロコンピュータ１６からの指示に基づいて変調してスイッチング素子群１４のトランジスタを駆動する。

ここで、異常検出回路３２で設定されている異常信号パターンについて説明する。

図３は、磁石回転子５４の回転による誘導起電力の電圧を３相電機子巻線５２の各相Ｕ、Ｖ、Ｗにより測定したものを示す。各相Ｕ、Ｖ、Ｗにおいて測定される誘導起電力には、１２０°ずつ位相が生じている。

ここでＵ相の電圧がマイナスとなっている部分に注目すると、Ｖ相、またはＷ相の少なくともどちらか一方はプラスのとなっている。また、Ｕ相の電圧がプラスとなっている部分に注目すると、Ｖ相、またはＷ相の少なくともどちらか一方はマイナスのとなっている。３相電機子巻線５２の各相には１２０°ずつ位相があるため、すべての相の電圧がマイナス、又はプラスとなることは無いことがわかる。

図４は図３で示した誘導起電力を回転位置検出回路３０により測定した回転位置検出信号を示す。図３よりすべての相の電圧がマイナス、又はプラスとなることは無いため、回転位置検出信号もすべて０（マイナス）又は１（プラス）となることが無い。そのことから、３相すべての回転位置検出信号が０（マイナス）又は１（プラス）となる場合は異常であるため、異常信号パターンとして検出する。

また、ブラシレスモータ５０がほぼ一定回転で駆動するような状況で使用されていると、回転数はほぼ一定となっているため、回転位置検出信号１周期の中で０と１とが発生する時間はほぼ等しくなる。１周期の中で０である時間を１である時間で除して比率を求めると、０と１とが発生する時間はほぼ等しいため、その比率は所定の範囲内となる。例えば、Ｕ相の回転位置検出信号の１周期で０が検出される時間とその後の１が検出される時間の比率を求めると、その値は０．９９〜１．０１以内となる。

しかし、ブラシレスモータ５０に負荷変動が発生すると回転数が急激に変わるため、回転位置検出信号の発生周期も変り、１周期の中で０である時間と１である時間が等しくならなくなる。このため、１周期の中で０である時間と１である時間の比率は所定の範囲から外れることになる。１周期の中で０である時間と１である時間の比率が所定の範囲から外れた場合も異常信号パターンとして検出する。

次に上記実施の形態の作用及び効果を説明する。

まず、ブラシレスモータ５０の駆動制御について記す。

ブラシレスモータ５０を起動すると同期駆動が開始される。同期駆動は、マイクロコンピュータ１６の図示しないＲＯＭに記憶されている同期駆動を制御するための処理プログラムにより制御され、マイクロコンピュータ１６から各回路に各種信号が出力される。

同期駆動を開始すると、マイクロコンピュータ１６から切替回路２４に対して駆動信号発生回路２６に入力される信号として回転磁界発生回路２０の同期回転信号が選択されるように切り替える指示が出力され、また、同期信号発生回路１８に対して起動指示が出力され、さらに、パルス幅変調回路２８に対してデューティ比の指示が出力される。

同期信号発生回路１８は、起動指示により、回転磁界発生回路２０に対して同期信号を出力する。回転磁界発生回路２０は、この同期信号を受けて、３相電機子巻線５２に回転磁界を発生させる同期回転信号を切替回路２４を介して駆動信号発生回路２６へ出力する。

駆動信号発生回路２６はスイッチング素子Ｕ−、Ｖ−、Ｗ−に対して駆動信号を出力する。さらに、駆動信号発生回路２６は別途パルス幅変調回路２８へ出力信号を出力する。パルス幅変調回路２８では、マイクロコンピュータ１６からのデューティ比の指示に基づいて、入力された信号をパルス幅変調する。変調された信号は、トランジスタＵ＋、Ｖ＋、Ｗ＋に対する駆動信号として出力される。スイッチング素子群１４に出力された駆動信号によってスイッチング素子群１４の６個のトランジスタがスイッチングされ、直流電源１２からブラシレスモータ５０へ電力が供給される。その結果、３相電機子巻線５２に回転磁界が発生し、回転磁界からのトルクにより磁石回転子５４が回転してブラシレスモータ５０が起動する。

同期駆動中は、マイクロコンピュータ１６により現在の回転磁界の周波数が、上述のＲＯＭに記憶されている目標周波数未満か否かを判断している。

回転磁界の周波数が目標周波数未満の場合には、現在の周波数が上述のＲＯＭに記憶されている強制回転目標周波数未満か否かが判断される。強制回転目標周波数未満であると判断された場合には、周波数を増加する指示が同期信号発生回路１８へ出力される。また同様に、デューティ比が上述のＲＯＭに記憶されている強制回転目標デューティ比未満か否かが判断され、強制回転目標デューティ比未満であると判断された場合には、デューティ比を増やす指示がパルス幅変調回路２８へ出力される。

回転磁界の周波数が目標周波数以上であると判断された場合には、ブラシレスモータ５０は磁石回転子５４の回転位置の検出には十分な回転数（駆動切替回転数）となっているため、センサレス駆動が開始される。マイクロコンピュータ１６から切替回路２４に対して、駆動信号発生回路２６に入力される信号として位置検出回路２２のセンサレス回転信号が選択されるように切替信号を出力し、位置検出回路２２のセンサレス回転信号に基づいた制御が行われる。

センサレス駆動は、３相電機子巻線５２に生じている電圧の変化を回転位置検出回路３０により測定し、センサレス信号回路３６で磁石回転子５４の回転位置及び回転周期を検出して、センサレス回転信号を出力している。

図５は駆動しているブラシレスモータ５０において、３相電機子巻線５２の各相Ｕ、Ｖ、Ｗそれぞれで測定される電圧、及び回転位置検出回路３０により検出される回転位置検出信号である。３相電機子巻線５２には、回転磁界を発生させる１２０°方形波通電の電圧と自己誘導の電圧と磁石回転子５４の回転による誘導起電力とが合わさった電圧が検出される。

図６は、図５における３相電機子巻線５２のＵ相の電圧を、１２０°方形波通電の電圧と自己誘導の電圧と誘導起電力による電圧とに発生区分で分けたものである。３相電機子巻線５２のＶ、Ｗについても同様に発生区分によって分けることができる。

１２０°方形波通電の電圧は、磁石回転子５４を回転駆動させる電圧であり、センサレス信号回路３６から出力されたセンサレス回転信号に基づいて発生する。すなわち、センサレス回転信号が駆動信号発生回路２６に出力されると、駆動信号発生回路２６は駆動信号を出力してスイッチング素子群１４の制御を行い、３相電機子巻線５２に１２０°方形波通電による回転磁界を発生させる。この回転磁界により、磁石回転子５４はトルクを受けて回転駆動する。

自己誘導の電圧は、前記１２０°方形波通電により３相電機子巻線５２に流れていた電流がスイッチング素子群１４のオフにより流れなくなるため、３相電機子巻線５２に自己誘導が発生して、電流が流れていた向きと逆向きに電圧が発生する。

誘導起電力による電圧は、磁石回転子５４の回転によって発生する電圧で、この電圧を測定することで磁石回転子５４の回転位置を検出している。

回転位置検出回路３０は、センサレス信号回路３６から誘導起電力検出タイミング信号を受けて１２０°方形波通電の電圧と自己誘導の電圧が発生している時間を待った後に電圧の測定を行っている。回転位置検出回路３０は３相ごとに誘導起電力による電圧のゼロクロス点を測定し、各相ごとに回転位置検出信号を出力する。

各相の回転位置検出信号は異常検出回路３２へ出力され、各相の回転位置検出信号が異常信号パターンと一致するかの検出を行う。異常信号パターンと一致した場合は、駆動信号停止回路３４へ異常検出信号が出力される。正常（異常信号パターンでない）場合は、回転位置検出信号をそのままセンサレス信号回路３６へ出力する。

センサレス信号回路３６では、異常検出回路３２より出力された回転位置検出信号から磁石回転子５４の回転位置と回転周期の検出を行う。図１の磁石回転子５４のようなＮ、Ｓ極を持つ磁石では、回転による誘導起電力は図３のように正弦波となり、磁石回転子５４の回転１回につき、正弦波が１周期検出される。図３の誘導起電力から検出される回転位置検出信号は図４のようになるため、信号が１から０、０から１へ変わる点（ゼロクロス点）から磁石回転子５４の回転位置と回転周期を検出することができる。この回転位置と回転周期とからセンサレス回転信号の算出を行い、センサレス回転信号を切替回路２４を介して駆動信号発生回路２６へ出力する。

駆動信号発生回路２６は、センサレス回転信号を受け、スイッチング素子群１４に駆動信号出力する。スイッチング素子群１４は駆動信号によりトランジスタがスイッチングされ、直流電源１２から３相電機子巻線５２へ電力が供給される。その結果、３相電機子巻線５２に回転磁界が発生し、回転磁界により磁石回転子５４が回転してブラシレスモータ５０がセンサレス駆動する。

ここで、上記のセンサレス駆動制御中、回転位置検出信号にノイズ等の異常が発生した場合、従来では、センサレス駆動を一旦停止して同期駆動からやり直す必要があった。

これに対し、本実施例では、回転位置検出信号にノイズ等の異常を検出したときに、３相電機子巻線５２に回転磁界を発生させることを停止し、磁石回転子５４の惰性回転よって生じる誘導起電力から回転位置検出信号を検出して、再度、磁石回転子５４の正確な回転位置の検出を行うようにしている。

以下、図７に前述のセンサレス駆動に対して、この異常検出を含んだ制御のためのフローチャートを示す。

このフローチャートに示す制御は、位置検出回路２２において誘導起電力による電圧の測定がされている間、繰り返し実行される。

ステップ１００では、回転速度指令入力ルーチンにより磁石回転子５４の回転数の増加、減少に関する指示が、マイクロコンピュータ１６からパルス幅変調回路２８へ出力される。この指示により１２０°方形波通電の各相のパルス幅が変調されて、３相電機子巻線５２に発生する回転磁界からのトルクが増加、減少して、磁石回転子５４の回転数は増加、減少をする。

ステップ１０２は、誘導起電力による電圧にゼロクロス点が検出できるか判断をしている。回転位置検出回路３０は、３相電機子巻線５２に発生する誘導起電力の電圧を測定している。誘導起電力の電圧にゼロクロス点が検出されたとき判定はＹＥＳとなり、回転位置検出信号の検出が行われる。回転位置検出信号の値は、誘導起電力の電圧がプラスであると１、マイナスであると０となる。ゼロクロス点が検出されないときは、判定はＮＯとなり、回転位置検出信号の値は、直前のゼロクロス点で検出された状態のまま変わらない。回転位置検出信号は異常検出回路３２へ出力される。

ステップ１０４は、回転位置検出信号にノイズが発生したのか判断をする。回転位置検出信号にノイズが発生するとゼロクロス点の発生順序が乱れるため、異常検出回路３２は、回転位置検出信号が異常信号パターンと一致するかを判断する。異常信号パターンと一致しないときは正常（ＹＥＳ）と判定され、ステップ１０６にて負荷変動の検出を行う。一致するときは異常（ＮＯ）と判定され、駆動信号停止回路３４へ異常検出信号が出力される。

ステップ１０６は、ゼロクロス点が発生する周期から、ブラシレスモータ５０に負荷変動が発生していないかの判断をする。負荷変動が発生すると、回転数が急激に変化するため、ゼロクロス点が発生する周期が大きく変化する。このため、異常検出回路３２では、ゼロクロス点が発生する周期の変化量が正常の範囲内であるかを判断する。ゼロクロス点が発生する周期の変化量が正常の範囲以内であるときは、正常（ＹＥＳ）と判定がされ、センサレス信号回路３６に回転位置検出信号がそのまま出力される。正常の範囲から外れたときは、異常（ＮＯ）と判定され、駆動信号停止回路３４へ異常検出信号が出力される。

なお、ステップ１０４、及び１０６は本発明である異常パターンとの比較に関するものである。

ステップ１０８は、回転位置検出信号に異常（ステップ１０４、１０６）が検出されたときに、センサレス回転信号の出力を停止させる。駆動信号停止回路３４は、異常検出信号を受けると、センサレス信号回路３６に駆動停止信号を出力してセンサレス回転信号の出力を停止させる。センサレス回転信号の停止により、３相電機子巻線５２には１２０°方形波通電の電圧と自己誘導の電圧とが発生しなくなり、磁石回転子５４の回転による誘導起電力のみが生じることになる。

なお、ステップ１０８は本発明である異常検出による磁界の発生を停止させること関するものである。

ステップ１１０は、センサレス信号回路３６において、異常検出回路３２から出力された回転位置検出信号のゼロクロス点によって、磁石回転子５４の回転位置及び回転周期の検出が行される。

ステップ１１２は、センサレス信号回路３６において、ステップ１１０で検出した磁石回転子５４の回転位置及び回転周期から、３相電機子巻線５２に回転磁界を発生させるセンサレス回転信号が算出する。

ステップ１１４では、回転位置検出信号のゼロクロス点が検出されると、位置検出回路２２の図示しない位相補正タイマを初期化して起動させる。この位相補正タイマにより直前のゼロクロス点が発生してからの時間（位相補正タイマ時間）を計測することができる。

ステップ１１６は、位相補正タイマ時間について判断を行う。

センサレス駆動では、磁石回転子５４の回転数が位置検出最低回転数未満となると、３相電機子巻線５２から誘導起電力の測定することができなくなるため、回転位置検出信号の検出ができなくなる。この位置検出最低回転数から回転位置検出信号を検出できる最低の周期（位置検出最低周期）を算出することができる。

回転位置検出信号にゼロクロス点が発生するとステップ１１４で位相補正タイマが起動されるため、直前のゼロクロス点が発生してからの時間（位相補正タイマ時間）を位相補正タイマにより計測することができる。この位相補正タイマ時間が位置検出最低周期よりも長い場合は、磁石回転子５４の回転数は位置検出最低回転数未満となっており、センサレス駆動を継続することができない。このため、位相補正タイマ時間が位置検出最低周期よりも長い場合は、判定がＹＥＳとなる。また、位相補正タイマ時間が位置検出最低周期以内の場合は、判定がＮＯとなる。

ステップ１１８は、磁石回転子５４の回転数が位置検出最低回転数未満となりセンサレス駆動を行うことができないので、切替回路２４の入力信号を回転磁界発生回路２０の同期回転信号に切り替える。

ステップ１２０では、駆動制御ルーチンによりブラシレスモータ５０の同期駆動、又はセンサレス駆動の各種の制御が行われる。ゼロクロス点が検出された場合は、ゼロクロス点から算出したセンサレス回転信号によってセンサレス駆動がなされる。同期駆動に駆動形式が切り替った場合は、磁石回転子５４の回転停止待ちを行い、その後、起動処理の同期駆動が行われる。このフローチャートを示す制御は回転速度制御ルーチンに制御を渡し、終了となる。

次に、本発明であるセンサレス駆動中の異常検出制御について記す。

ブラシレスモータ５０がセンサレス駆動を行っていると３相電機子巻線５２の各相は図５の３相電機子巻線電圧に示すような電圧を検出する。回転位置検出回路３０は、３相電機子巻線５２の電圧を測定し、回転位置検出信号を異常検出回路３２へ出力する。

ここで図５の矢印Ａで示すようにノイズが発生して、回転位置検出信号のＶ、Ｗ相が０となったとする。この回転位置検出信号は異常検出回路３２で異常信号パターンと比較され、すべての信号が０となっているため、異常であると判定されて異常検出信号が駆動信号停止回路３４へ出力される。

駆動信号停止回路３４は異常検出信号を受けて、センサレス信号回路３６へ駆動停止信号を出力する。センサレス信号回路３６は駆動停止信号を受けるとセンサレス回転信号の出力を停止する。センサレス回転信号の出力を停止すると、図５の駆動信号に示すように、駆動信号発生回路２６からスイッチング素子群１４への駆動信号の出力が無くなり、１２０°方形波通電の電圧も無くなる。それにより、スイッチング素子群１４の電流の変化が無くなるため自己誘導の電圧も無くなる。

センサレス回転信号の停止により、回転磁界が無くなるため駆動トルクがなくなり、磁石回転子５４はそれまで回転していたことによる惰性回転が続く。これにより、３相電機子巻線５２で測定される電圧は、磁石回転子５４の惰性回転による誘導起電力の電圧のみとなる（図５参照）。この誘導起電力の電圧を回転位置検出回路３０で測定することで、他の電圧による影響の無い状態での回転位置検出信号を検出して、この回転位置検出信号を異常検出回路３２を介してセンサレス信号回路３６へ出力することができる。センサレス信号回路３６では、この回転位置検出信号を基にして磁石回転子５４の回転位置と回転周期とを正確に検出してセンサレス回転信号を再度出力することで、センサレス駆動を再開することができる。

図５の最下段に磁石回転子５４の回転数がノイズ発生により変化する様子を示す。縦軸が回転数を表し、位置検出最低回転数を横軸と平行な線として表示してある。

ノイズ発生前、磁石回転子５４はセンサレス駆動を行っているため回転数が一定に維持されている。ノイズ発生によりセンサレス駆動を停止すると、磁石回転子５４は惰性回転となり回転数が減少していく。この磁石回転子５４の惰性による回転によって生じる誘導起電力を測定することで、この磁石回転子５４の回転位置を検出し直すことができ、回転数の減少を最小限に押さえてセンサレス駆動を再開することができる。

このように、本実施の形態のブラシレスモータ駆動装置によれば、異常信号パターンが発生したときに、センサレス駆動を停止することで、磁石回転子５４の回転数の低下を最小限に押さえて回転位置を検出し、センサレス駆動を再開することができる。また、負荷変動やノイズなどが発生してもブラシレスモータを停止することが無く、長時間の安定稼動できるブラシレスモータを提供することができる。

なお、本実施の形態では回転位置検出信号を電機子巻線に発生する誘導起電力から検出する例について説明したが、ホール素子、マグネットなどにより回転位置検出信号を検出するブラシレスモータにも本発明を適用することもできる。回転位置検出信号にノイズや負荷変動が検出されたとき駆動信号を停止することで、誤ったタイミングで駆動信号を出力することがなくなり、磁石回転子の停止を防止して長時間の安定稼動することができる。

異常パターンを判別する手段として、１周期の比率又は各相の極性を用いたが、各相の回転位置信号の発生順序を用いてもよい。

実施の形態に係るブラシレスモータ及びブラシレスモータ駆動装置の概略構成図である。 実施の形態に係る図１の位置検出回路２２を詳細に示した構成図である。 実施の形態において３相電機子巻線に発生する誘導起電力の電圧波形図である。 実施の形態において図３の誘導起電力による回転位置検出信号の波形図である。 実施の形態に係るセンサレス駆動中に発生する電圧、各種信号、及び回転数の波形図である。 実施の形態に係る図５の３相電機子巻線のＵ相発生する電圧、及び回転位置検出信号の波形図である。 実施の形態に係る回転位置検出制御の異常判定を示したフローチャートである。

符号の説明

１０ ブラシレスモータ駆動装置、１２ 直流電源、１４ スイッチング素子群、１６ マイクロコンピュータ、１８ 同期信号発生回路、２０ 回転磁界発生回路、２２ 位置検出回路、２４ 切替回路、２６ 駆動信号発生回路、２８ パルス幅変調回路、３０ 回転位置検出回路、３２ 異常検出回路、３４ 駆動信号停止回路、３６ センサレス信号回路、５０ ブラシレスモータ、５２ ３相電機子巻線、５４ 磁石回転子

Claims (8)

1. 磁石回転子と電機子巻線を備え、物理的に摺動摩擦しない状態で駆動するブラシレスモータであって、
   前記磁石回転子の回転位置情報を前記磁石回転子の回転よって前記電機子巻線に発生する誘導起電力から検出する回転位置情報検出手段と、
   前記回転位置情報検出手段により検出した前記回転位置情報より前記磁石回転子を回転させるのに適した磁界を発生させるタイミングの算出を行い、該算出した磁界を発生させるタイミングで前記電機子巻線に磁界を発生させて、前記磁石回転子を回転駆動させる回転駆動制御手段と、
   予め異常である回転位置情報を異常パターンとして設定しておき、前記回転位置情報検出手段により検出した前記回転位置情報を前記異常パターンと比較して異常が発生したかを判断する異常判断手段と、
   前記異常判断手段により異常と判定されたときに、前記回転駆動制御手段による磁界の発生を停止させる回転駆動停止手段と、
   前記回転駆動停止手段による磁界の発生を停止した後の惰性による回転中に、前記磁石回転子の回転位置情報を前記回転位置情報検出手段により検出して、検出した磁界停止後の回転位置情報から、前記回転駆動制御手段によって前記磁石回転子を回転させるのに適した磁界を発生させるタイミングの算出を行い、該算出した磁界を発生させるタイミングで前記電機子巻線に磁界を再度発生させて、前記磁石回転子を回転駆動させる再駆動制御手段と、
   を有することを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記異常パターンは、回転位置情報による誘導起電力の極性が全て同一の極性である場合とする前記請求項１記載のブラシレスモータ。
3. 前記異常パターンは、回転位置情報による誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率が所定の範囲から外れた場合とする前記請求項１記載のブラシレスモータ。
4. 前記異常パターンは、回転位置情報検出手段で検出される回転位置情報の発生順序が乱れた場合とすることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
5. 磁石回転子と電機子巻線を備え、物理的に摺動摩擦しない状態で駆動するブラシレスモータの駆動方法であって、
   前記磁石回転子の回転位置情報を前記磁石回転子の回転よって前記電機子巻線に発生する誘導起電力から検出し、
   誘導起電力から検出した前記回転位置情報より前記磁石回転子を回転させるのに適した磁界を発生させるタイミングの算出を行い、該算出した磁界を発生させるタイミングで前記電機子巻線に磁界を発生させて、前記磁石回転子を回転駆動させ、
   予め異常である回転位置情報を異常パターンとして設定しておき、前記電機子巻線に発生する誘導起電力から検出した前記回転位置情報を前記異常パターンと比較して異常が発生したかを判断し、
   該判断により異常と判定されたときに、前記電機子巻線への磁界の発生を停止し、
   磁界の発生を停止した後の惰性による回転中に、前記磁石回転子の回転位置情報を前記電機子巻線に発生する誘導起電力から検出し、検出した磁界停止後の回転位置情報から、前記磁石回転子を回転させるのに適した磁界を発生させるタイミングの算出を行い、算出した磁界を発生させるタイミングで前記電機子巻線に磁界を再度発生させて、前記磁石回転子を回転駆動させる
   ことを特徴とするブラシレスモータの駆動方法。
6. 前記異常パターンは、回転位置情報による誘導起電力の極性が全て同一の極性である場合とする前記請求項５記載のブラシレスモータの駆動方法。
7. 前記異常パターンは、回転位置情報による誘導起電力の極性がプラスである周期とマイナスである周期の比率が所定の範囲から外れた場合とする前記請求項５記載のブラシレスモータの駆動方法。
8. 前記異常パターンは、回転位置情報検出手段で検出される回転位置情報の発生順序が乱れた場合とすることを特徴とする請求項５記載のブラシレスモータの駆動方法。

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