JP2005094925A - ブラシレスｄｃモータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブラシレスＤＣモータのロータ位相を推定する推定位相方式により進み位相角を大きくし、弱め界磁制御を十分に発揮可能とする。
【解決手段】 ブラシレスＤＣモータ６を制御する際、非通電相に発生する誘起電圧によるロータ位置検出ができない領域において、制御回路１２は予め得ているモータ電流とモータ回転数との関係を用い、シャント抵抗１０および電流検出回路１１によって検出したモータ電流が所定モータ回転数に対応する値となるようにロータ位相を推定する推定位相方式によってブラシレスＤＣモータ６の通電タイミングの駆動信号をインバータ回路４に出力して同モータ６を制御する。その推定位相方式により、進み位相角を大きくして弱め界磁制御を可能とし、回転数範囲を拡大している。
【選択図】 図１

Description

本発明はセンサレスの直流モータ（ブラシレスＤＣモータ；ＩＰＭモータ等）を制御する制御技術に関し、さらに詳しく言えば、モータ非通電相に発生する誘起電圧（逆起電力）によるロータ位置検出ができない領域において回転数のアップを可能として回転数範囲を拡大するブラシレスＤＣモータの制御方法に関するものである。

直流モータをインバータ制御するための制御装置としては、例えば図５に示す構成が一般的である。この制御装置は、交流電源１をコンバータ２で所定の直流電源に変換してこれを平滑コンデンサ３で平滑化してインバータ回路４に供給するとともに、このインバータ回路４を制御回路（マイクロコンピュータ）５によって駆動して直流モータ（例えば三相四極のブラシレスＤＣモータ）６を制御する。

制御回路５は、インバータ回路４を構成する上下アームの複数スイッチング素子を所定にスイッチングする駆動信号（ＰＷＭ信号も含み）をベースアンプ（ドライバ）回路７を介してインバータ回路４に出力する。これにより、直流電圧が三相の矩形波電圧とされてセンサレスの直流モータ（例えば三相四極のブラシレスＤＣモータ）６に印加され、ブラシレスＤＣモータ６には駆動電流が流れて回転トルクが発生する。

このとき、ロータの位置を検出してステータの巻線電流切り替えタイミングを得るが、例えば１２０度通電方式等によって通電を切り替える場合、位置検出回路８においてブラシレスＤＣモータ６の非通電相に発生する誘起電圧波形と基準電圧と比較してこの交点（ゼロクロス点）を検出し、このゼロクロス点を含む信号を位置検出信号として制御回路５に出力する。制御回路５はその位置検出信号をもとにして通電切り替えタイミングを算出してインバータ回路４各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力し、ステータの巻線電流を切り替える。

ＰＷＭ制御において、制御回路５はモータ回転数を目標回転数とするため所定デューティ比のＰＷＭ波形を生成してこれを通電切替信号に重畳した駆動信号をインバータ回路４に出力し、インバータ回路４によって所定矩形波電圧を発生してブラシレスＤＣモータ６を回転制御する。

また、位置検出回路８からの位置検出信号により、ブラシレスＤＣモータ６の現回転数を検出して目標回転数と比較し、この比較結果を生成ＰＷＭ波形にフィードバックしてインバータ回路４の矩形波電圧を制御し、ブラシレスＤＣモータ６の回転数を目標回転数に制御する。

上記制御方式にあっては、例えば相通電を行わない区間が６０度であるとき、この区間の中心に誘起電圧のゼロクロス点がくるように構成した場合、通電位相タイミングが前後に３０度の範囲でしか制御することができない。また、弱め界磁制御を適用しようとすると、進み位相角が小さく、つまり通電相タイミングがそれほど早くならず、弱め界磁制御の効果が十分に発揮されない。

これを解消すべく、例えば特許文献１ではロータ位置を検出するために誘起電圧と比較する仮想中性点を変化させ、通電タイミングを大きく進める装置が提案されている。すなわち、特許文献１においては、インバータの母線電圧を分圧して仮想中性点を得るが、抵抗回路とスイッチング素子とを組み合わせて異なる分圧比の抵抗回路を構成し、異なる仮想中性点の１つを生成する。

これによれば、それら仮想中性点として通常の比較用電圧の他に、低い比較用電圧を用いることより、進み位相角を大きして、弱め界磁制御の効果を発揮させることができる。
特開平１１―１４６６８５号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記特許文献１の制御技術はＰＷＭ制御範囲内で適用されるが、誘起電圧によるロータ位置検出ができない領域では適用できず、進み位相角を大きくすることができない点である。例えば、ＰＷＭ波形のデューティ比が１００％に達したときの駆動信号やインバータ回路３の還流ダイオードの影響によりその誘起電圧波形が隠れることで、ロータ位置検出ができなくなり、また負荷増大によりモータ電流が増加した場合に誘起電圧の検出が不可能である。

上記課題を解決するため、本発明は、交流電源から変換された直流電源をインバータ手段を介してブラシレスＤＣモータへ供給するとともに、上記ブラシレスＤＣモータの通電を切り替える際、上記ブラシレスＤＣモータの非通電相に発生する誘起電圧によって検出されるロータの回転位置をもとにして上記インバータ手段を制御して所定の駆動電圧を上記ブラシレスＤＣモータに印加して回転制御を行うブラシレスＤＣモータの制御方法において、上記誘起電圧によるロータ位置検出ができない領域では、検出したモータ電流が所定モータ回転数に対応する値となるようにロータ位相を推定する推定位相方式によって上記ブラシレスＤＣモータを制御し、その推定位相を大きい進み位相角として回転数範囲の拡大を可能としたことを特徴としている。

また、本発明は、上記誘起電圧によるロータ位置検出ができない領域では、少なくとも検出したモータ電流が予め得ている所定モータ回転数に対応する値になるようにロータ位相を推定する推定位相方式によって上記ブラシレスＤＣモータを制御し、その推定位相を大きい進み位相角として回転数範囲の拡大を可能とする一方、そのモータ電流が所定値を越えないようにしたオープンループ制御を行って上記ブラシレスＤＣモータの回転数を目標回転数に制御可能したことを特徴としている。

本発明には好ましい態様として、上記ブラシレスＤＣモータの印加電圧が所定値を越えた場合、上記誘起電圧に基づくロータ位置検出によりブラシレスＤＣの通電切り替えを行うフィードバック制御から上記推定位相方式に切り替える態様が含まれる。

また、本発明には、上記オープンループ制御時において、上記誘起電圧に基づくロータ位置検出ができる状態になった場合、上記誘起電圧に基づくロータ位置検出によりブラシレスＤＣモータの通電切り替えを行うフィードバック制御に移行する態様も含まれる。

また、本発明には別の態様として、上記ブラシレスＤＣモータの印加電圧が所定値を越えた場合、上記誘起電圧に基づくロータ位置検出によりブラシレスＤＣモータの通電切り替えを行うフィードバック制御から上記オープンループ制御に切り替える態様も含まれる。

本発明は、非通電相に発生する誘起電圧によるロータ位置検出ができない領域、例えばＰＷＭデューティ比が１００％に達してロータ位置検出ができない領域では、モータ回転数、モータ電流によりロータ位相を推定することから、進み位相角を大きくして弱め界磁制御を十分に発揮させ、回転数範囲を拡大する一方、また例えばＩＰＭモータであればリラクタンストルクも発生し、モータ高効率化を図ることができるという効果がある。

本発明は、上記モータ電流が電流リミット値を越えないようにし、推定したモータ位相による通電切り替えによりモータ電流が電流リミット値を超えるようであれば回転数を下げる制御を行うことにより、モータの脱調を防止するとともに、モータ減磁およびインバータ回路４のスイッチング素子の破損を防止することができる。

本発明は、上記ブラシレスＤＣモータの印加電圧が所定値を越えた場合、ロータ位置検出による通電切り替えを行うフィードバック制御から上記推定位相方式による制御またはオープンループ制御に切り替えることから、モータを低回転数から高回転数に広範囲に、かつフレキシブルに制御することができる。

本発明のブラシレスＤＣモータの制御方法は、例えばＰＷＭ制御のデューティ比が１００％に達し、モータ誘起電圧波形により位置検出ができない領域にある場合に、モータ駆動電圧、モータ回転数を認識していることから、検出したモータ電流が所定モータ回転数に対応する値となるように通電タイミング（位相タイミング）を推定する推定位相方式による制御を可能であり、進み位相角を大きくし、より高回転数とする回転数範囲を拡大する。

図１は本発明のブラシレスＤＣモータの制御方法が適用される制御装置のブロック線図である。なお、図中、図５と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

図１において、この制御装置は、モータ電流を検出するための電流検出手段（例えばシャント抵抗）１０および電流検出回路１１と、モータ駆動電圧、モータ回転数、その検出されたモータ電流により位相タイミングを推定し、またそのモータ電流が電流リミット値を超えないようにした位相タイミングによる駆動信号をインバータ回路４に出力する制御回路（マイクロコンピュータ）１２とを備えている。なお、制御回路１２は、先に説明した図５の制御回路５の機能も備えている。

制御装置１２について、図２のブロック線図を参照して説明すると、目標回転数ωと現回転数ω０により速度コントロール１２ａで速度指令を発し、この速度指令および位置検出信号により速度信号生成１２ｂでインバータ４の通電信号を生成する。

モータ誘起電圧が検出されない場合、モータ回転数が目標回転数に近づくような仮想位置検出指令を位置検出１２ｃに出力して位置情報、回転数情報を推定する。この回転数情報により回転数検出１２ｄで現回転数ω０を算出してフィードバックする一方、その位置情報により位相制御１２ｅで通電位相指令を通電信号生成１２ｂに出力し、つまり進み位相角を大きくことができる。

上記構成の制御装置の動作を図３のフローチャート図および図４のグラフを参照して具体的に説明すると、まず制御回路１２は、従来同様に駆動信号（ＰＷＭ波形を含む通電信号）をインバータ回路４に出力してブラシレスＤＣモータ６を回転制御するとともに、目標回転数に制御する。

このとき、位置検出信号によりロータ位置検出タイミングを予測し（ステップＳＴ１）、つまり次回の位置検出予測時間を算出する。続いて、位置検出信号によりロータ位置検出ができ、あるいはその位置検出予測時間が経過したか否かを判断し（ステップＳＴ２）、その条件が満足されればステップＳＴ３に進み、ロータ位置検出があったか否かを判断する。

例えば、ＰＷＭ波形のデューティ比が１００％に達したときの駆動信号やインバータ回路３の還流ダイオードの影響によりその誘起電圧波形が隠れることで、位置検出ができない状態になると、ステップＳＴ３からＳＴ４に進み、仮想位置検出タイミングを目標回転数に近づくように生成する。この生成された仮想位置検出タイミングを加味した駆動信号を生成し（ステップＳＴ５）、これをインバータ回路４に出力する。

上記仮想位置検出タイミングは、モータ駆動電圧やモータ回転数と、検出したモータ電流とによりモータ位相を推定（進み位相角を所定値）して得る。すなわち、予め図４に示す関係を得ていれば、少なくともモータ回転数とモータ電流がそのモータ回転数となるように、モータ電流を電流リミット値に制御する位相タイミングの推定が可能であり、またこの推定位相方式によりその位相タイミングを大きく進ませた仮想位置検出タイミングが得られる。

例えば、ＰＷＭデューティ比１００％直前にあっては、ロータ位置検出によりモータ回転数が分かっており、またそのロータ位置検出による位相を維持すれば現モータ回転数が維持される。そこで、ＰＷＭデューティ比１００％に達して誘起電圧によるロータ位置検出ができなくなったときに、モータ電流を図４を参照して監視して上記ＰＷＭデューティ比１００％直前の位相を早めることができる（大きい進み位相角を推定することができる）。

したがって、誘起電圧による位置検出ができない領域、例えばＰＷＭデューティ比１００％になった状態でも、ブラシレスＤＣモータ６の通電タイミングを得るためのモータ位相を推定していることから、進み位相を大きくし、弱め界磁制御を行うことができ、ひいては回転数範囲の拡大が可能となる。

上記ブラシレスＤＣモータ６として、ＩＰＭモータを用いれば、マグネットトルクとともに、リラクタンストルクが発生するが、誘起電圧による位置検出ができない領域でも、そのリラクタンストルクが十分に発生し、上記弱め界磁制御と相まってモータの高効率化、モータ運転範囲を拡大する効果が期待できる。

本発明ブラシレスＤＣモータの制御方法は、図４に示すようにモータ電流を電流リミット値で制限し（最大電流値を規定し）、これを越えることのないように回転数制限を行うようにする。

電流リミット値は予めモータ回転数毎に負荷（モータ印加電圧等）を加味してモータの脱調しない電流値を経験的に求めたものである。具体的例として、モータ回転数が７０ｒｐｍである場合電流リミット値を６Ａとし、モータ回転数が１００ｒｐｓである場合１０Ａとする。なお、その電流リミット値はモータ回転数毎に算出するようにしてもよい。

これにより、上記推定したモータ位相によって通電切り替えを行った場合、モータ電流が電流リミット値を越えないように回転数を下げる制御を行い、モータの脱調を防止する。また、モータ減磁およびインバータ回路４のスイッチング素子の破損を防止することができる。

また、上記ステップＳＴ３において、位置検出があると判断したときには、その位置検出をもとにしてブラシレスＤＣモータ６の駆動信号（通電タイミング）を生成し（ステップＳＴ５）、閉ループ制御を行う、つまり従来同様に誘起電圧によるフィードバック制御を行う。この場合、その駆動信号にはＰＷＭ波形を含め、回転数を目標回転数に制御する。

ロータ回転数を目標回転数とするために上記推定位相方式を用いたオープンループ制御を行っている状態において、例えば目標回転数が低いため現回転数を下降させるときに、ロータ誘起電圧による位置検出ができる状態になれば、そのオープンループ制御からフィードバック制御に移行する。なお、オープンループ制御とは位置検出をもとにしない制御である。

しかる後、目標回転数が高くなって現回転数を上昇させるときに、ロータ誘起電圧による位置検出ができない状態（フィードバック制御においてＰＷＭデューティ比が１００％に達した状態）になれば、そのフィードバック制御からオープンループ制御に移行する。

本発明のブラシレスＤＣモータの制御方法は、ブラシレスＤＣモータの印加電圧が所定値を越えているか否かを用いてフィードバック制御から推定位相方式に移行し、あるいはフィードバック制御からオープンループ制御に切り替える。

この場合、モータの印加電圧は、インバータ回路４の母線電圧を検出してもよいが、ＰＷＭデューティ比から算出するようにしてもよく、所定値としては予め経験的に求め、例えばＰＷＭデューティ比が１００％に達するときのモータ印加電圧としてもよい。これにより、上記実施例と同様の作用、効果を得ることができる。

なお、上記各実施例は、モータ駆動波形が１２０度通電方式である場合に適用するだけなく、オーバーラップ通電方式（１２０から１８０度の間の通電方式）である場合にも適用してもよい。

ブラシレスＤＣモータ６の回転数範囲を拡大することから、ファンやコンプレッサ等のモータに利用してそれらの機能アップを図ることが可能であり、それらファンやコンプレッサを搭載したエアコン等に適用してそれらの性能向上を図ることが可能である。

本発明の実施例を示すブラシレスＤＣモータの制御方法が適用される制御装置を説明する概略的ブロック線図。 図１に示す制御装置を構成する制御回路を説明する概略的模式的ブロック線図。 図１に示す制御装置による制御方法を説明する概略的フローチャート。 図１に示す制御装置による制御方法を説明するための概略的グラフ。 従来のブラシレスＤＣモータの制御装置を説明する概略的ブロック線図。

符号の説明

１ 直流電源
４ インバータ回路
５，１２ 制御回路（マイクロコンピュータ）
６ 直流モータ（ブラシレスＤＣモータ；ＩＰＭモータ）
８ 位置検出回路
１０ シャント抵抗
１１ 電流検出回路

Claims (5)

1. 交流電源から変換された直流電源をインバータ手段を介してブラシレスＤＣモータへ供給するとともに、上記ブラシレスＤＣモータの通電を切り替える際、上記ブラシレスＤＣモータの非通電相に発生する誘起電圧によって検出されるロータの回転位置をもとにして上記インバータ手段を制御して所定の駆動電圧を上記ブラシレスＤＣモータに印加して回転制御を行うブラシレスＤＣモータの制御方法において、
   上記誘起電圧によるロータ位置検出ができない領域では、検出したモータ電流が所定モータ回転数に対応する値となるようにロータ位相を推定する推定位相方式によって上記ブラシレスＤＣモータを制御し、その推定位相を大きい進み位相角として回転数範囲の拡大を可能としたことを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御方法。
2. 交流電源から変換された直流電源をインバータ手段を介してブラシレスＤＣモータへ供給するとともに、上記ブラシレスＤＣモータの通電を切り替える際、上記ブラシレスＤＣモータの非通電相に発生する誘起電圧によって検出されるロータの回転位置をもとにして上記インバータ手段を制御して所定の駆動電圧を上記ブラシレスＤＣモータに印加して回転制御を行うブラシレスＤＣモータの制御方法において、
   上記誘起電圧によるロータ位置検出ができない領域では、少なくとも検出したモータ電流が予め得ている所定モータ回転数に対応する値になるようにロータ位相を推定する推定位相方式によって上記ブラシレスＤＣモータを制御し、その推定位相を大きい進み位相角として回転数範囲の拡大を可能とする一方、上記モータ電流が所定値を越えないようにしたオープンループ制御を行って上記ブラシレスＤＣモータの回転数を目標回転数に制御可能したことを特徴とするブラシレスＤＣモータの制御方法。
3. 上記ブラシレスＤＣモータの印加電圧が所定値を越えた場合、上記誘起電圧に基づくロータ位置検出によりブラシレスＤＣモータの通電切り替えを行うフィードバック制御から上記推定位相方式に切り替えるようにした請求項１または２に記載のブラシレスＤＣモータの制御方法。
4. 上記オープンループ制御時において、上記誘起電圧に基づくロータ位置検出ができる状態になった場合、上記誘起電圧に基づくロータ位置検出によりブラシレスＤＣモータの通電切り替えを行うフィードバック制御に移行するようにした請求項２に記載のブラシレスＤＣモータの制御方法。
5. 上記ブラシレスＤＣモータの印加電圧が所定値を越えた場合、上記誘起電圧に基づくロータ位置検出によりブラシレスＤＣモータの通電切り替えを行うフィードバック制御から上記オープンループ制御に切り替えるようにした請求項１または２に記載のブラシレスＤＣモータの制御方法。

Images