JP2005176453A - ブラシレスモータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】停止状態から指令速度に達するまでの時間を短縮する。
【解決手段】同期制御回路４６は、指令速度ωｓの増減に応じて指令速度ωｓと正の相関関係を持つように同期運転制御における転流周波数ｆ並びに印加電圧ｖの増加率を変化させる。故に、同期運転時の印加電圧不足による脱調の防止と過剰な印加電圧によるブラシレスモータＭの振動や過電流を抑えながら短時間で同期運転からブラシレス運転へ移行することができる。そして、ブラシレス運転移行後は速度制御回路４２の速度制御によって加速度を大きくできるので、停止状態から指令速度ωｓに達するまでの時間が短縮できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ブラシレスモータを駆動する駆動装置に関するものである。

従来より、永久磁石を有する回転子と三相巻線からなる固定子巻線を有したブラシレスモータが様々な機器で利用されているが、この種のブラシレスモータには、回転子の回転によって開放相（通電されていない相）の固定子巻線に発生する誘起電圧（端子電圧）を基準電圧と比較することで回転子の回転位置を検出する位置検出手段を有するものがある（特許文献１参照）。また、ブラシレスモータを始動する始動方法として、回転子が停止しているとき、位置検出手段の検出結果に関わらず、各々同時に通電する固定子巻線の組み合わせを異ならせた複数の通電パターンをその切換周波数（「転流周波数」という）を徐々に増加しながら順次切り換える同期運転を行うことで回転子を起動し、転流周波数が所定周波数に達したら、位置検出手段の検出結果に基づいて前記複数の通電パターンを順次切り換えるブラシレス運転に切り換える、という方法がある（特許文献１及び特許文献２参照）。例えば、特許文献２に記載されている駆動装置では、一旦印加電圧を減少させて回転子の回転速度を下げることで同期運転時の転流タイミングと回転子位置の位相差をブラシレス運転時の位相差に一致させてから、同期運転からブラシレス運転へ移行させている。また、ブラシレス運転時には、駆動装置が回転子の位置に応じて最適なタイミングで転流するから、発生トルク並びに加速度を大きくすることが可能であり、外部から与えられる指令速度と回転子の速度を一致させるように固定子巻線への印加電圧を調整する。
特開平７−３０８０９２号公報 特開２００１−１７８１８４号公報

しかしながら、特許文献２に記載されている従来装置では、印加電圧を低下させるという過程を経てから同期運転からブラシレス運転へ移行するから、短時間でブラシレスモータを起動して同期運転からブラシレス運転へ移行させることが困難であった。特に、始動時に与えられる指令速度が大きくなるにつれて同期運転の時間が長くなり、その結果、停止状態から指令速度に達するまでの時間も長くならざるを得なかった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、停止状態から指令速度に達するまでの時間が短縮できるブラシレスモータの駆動装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、永久磁石を有する回転子と三相巻線からなる固定子巻線を有したブラシレスモータを駆動する駆動装置において、開放相の固定子巻線の端子電圧を基準電圧と比較することで回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、外部電源から供給される直流電圧をスイッチングすることで固定子巻線の各相への通電状態を切り換える通電切換手段と、通電切換手段を制御して各々同時に通電する固定子巻線の組み合わせを異ならせた複数の通電パターンを順次切り換えるとともに単位時間当たりの通電量を変化させて固定子巻線への印加電圧を調整する制御手段とを備え、制御手段は、位置検出手段の検出結果に関わらず前記複数の通電パターンを順次切り換える同期運転制御と、位置検出手段の検出結果に基づいて前記複数の通電パターンを順次切り換え回転子の回転速度を外部から与えられた指令速度に一致させるように印加電圧を調整するブラシレス運転制御とを行い、回転子が停止状態にあるときに複数の通電パターンの切換周波数を徐々に増加しながら同期運転制御を行うことで回転子を起動し、切換周波数が所定周波数に達した後にブラシレス運転制御に移行する駆動装置において、制御手段は、指令速度に応じて同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧を変化させることを特徴とする。

この発明によれば、指令速度に応じて同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧を変化させることで同期運転の時間を短くすることができるから、停止状態から指令速度に達するまでの時間が短縮できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、制御手段は、同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧を、指令速度と正の相関関係を持つように変化させることを特徴とする。

この発明によれば、指令速度が大きくなるにつれて同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧を大きくすることで同期運転中の脱調が防止できる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、制御手段は、同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧の増加率を、指令速度と正の相関関係を持つように変化させることを特徴とする。

この発明によれば、指令速度が大きくなるにつれて同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧の増加率を大きくすることで同期運転中の脱調が防止できる。さらに、停止状態の回転子を起動するときの切換周波数並びに印加電圧の初期値を小さくできるから、通電切換手段に過電流が流れるのを防止できる。

請求項４の発明は、請求項１又は２又は３の発明において、制御手段は、同期運転からブラシレス運転へ移行する際の前記所定周波数を、指令速度と正の相関関係を持つように変化させることを特徴とする。

この発明によれば、指令速度が大きくなるにつれて同期運転からブラシレス運転へ移行する際の所定周波数が大きくなるから、同期運転終了後の最初の回転子の位置検出を確実に行うことができ、ブラシレス運転への移行時に一時的に発生トルクが減少した場合でも停止させずに加速に必要なトルクを発生させて指令速度に達するまでの時間が短縮できる。

請求項５の発明は、請求項１〜４の何れかの発明において、制御手段は、同期運転制御における切換周波数に対する印加電圧の割合を、指令速度と正の相関関係を持つように変化させることを特徴とする。

この発明によれば、指令速度が大きくなるにつれて加速のために必要なトルクも増大するため、指令速度の増加に伴って切換周波数に対する印加電圧の割合も増加させることにより、固定子巻線に十分な電流を流してトルクが不足することを防ぐことができ、その結果、脱調の発生が抑えられる。

請求項６の発明は、請求項１〜５の何れかの発明において、制御手段は、所定周波数に達した後、同期運転制御からブラシレス運転制御への移行前に所定時間だけ切換周波数を所定周波数に固定し且つ印加電圧を所定値に固定して同期運転制御を行うことを特徴とする。

この発明によれば、同期運転時の加速状態に影響されずにブラシレス運転へ確実に移行できる。

本発明によれば、指令速度に応じて同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧を変化させることで同期運転の時間を短くすることができるから、停止状態から指令速度に達するまでの時間が短縮できるという効果がある。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明に係る駆動装置は、ブラシレスモータを動力源とする種々の電気機器（例えば、電動工具など）に好適なものである。

図１（ａ）に示すように、ブラシレスモータＭは永久磁石を有する回転子５０と三相巻線からなる固定子巻線５１を有しており、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の固定子巻線５１がスター結線されるとともに駆動装置Ａのインバータ回路１に接続されている。インバータ回路１は、各々ダイオードが逆並列に接続された２つのスイッチング素子２ａと２ｄ、２ｂと２ｅ、２ｃと２ｆをそれぞれ直列接続した直列回路を、直流電源Ｅの両端に互いに並列に接続してなるスイッチング素子群と、これら６つのスイッチング素子２ａ〜２ｆをスイッチングするドライブ部３とで構成され、スイッチング素子群における各直列回路の中点（直列接続された２つのスイッチング素子２ａ、２ｂ、…の接続点）にブラシレスモータＭの３つの固定子巻線５１が接続されている。すなわち、制御部４から与えられる指令に基づいてドライブ部３が６つのスイッチング素子２ａ〜２ｆを個別にスイッチングすることで転流が行われる。また位置検出部５は、固定子巻線５１におけるＵ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相とＵ相の各端子間電圧を基準電圧と比較することで誘起電圧のゼロクロス（回転子５０の位置）を検出して位置検出信号を制御部４に出力する。

制御部４は、図１（ｂ）に示す構成を有する。速度設定回路４１は、操作部Ｂの操作量（例えば、可変抵抗器の抵抗値）に応じた指令速度を求めて速度制御回路４２に出力する。速度検出回路４３は、位置検出部５から位置検出信号が出力される時間間隔に基づいて回転子５０の回転速度を演算して速度制御回路４２に出力する。速度制御回路４２は、速度検出回路４３から入力される回転子５０の回転速度が速度設定回路４１から入力される指令速度に一致するように、回転速度と指令速度の差分に応じて決まる固定子巻線５１への印加電圧の指令値を演算してブラシレス通電パターン回路４４に出力する。ブラシレス通電パターン回路４４は、固定子巻線５１の通電パターン毎に、速度制御回路４２から入力される指令値で決まる印加電圧を固定子巻線５１に印加するために必要な条件、すなわち、ドライブ部３で各スイッチング素子をスイッチングするために出力される駆動パルスのオンデューティ比を求めるとともに、オンデューティ比を含めた通電パターンの指令値を位置検出信号の入力時点から所定の電気角後に切換回路４５へ出力する。

また、指令速度は同期制御回路４６にも出力されており、同期制御回路４６では指令速度がゼロから変化したことを確認すると、同期運転に切り換えるための制御信号Ｓを切換回路４５に出力するとともに、通電パターンを切り換える切換周波数（転流周波数）ｆを初期値から所定値まで徐々に増加させながら同期通電パターン回路４７に出力し、転流周波数ｆが所定値に達すれば、同期運転からブラシレス運転への移行を指示する制御信号Ｓを切換回路４５に出力する。同期通電パターン回路４７は、固定子巻線５１の通電パターン毎に、速度の指令値に対応した印加電圧を得るために必要な駆動パルスのオンデューティ比を求めるとともに、オンデューティ比を含めた通電パターンの指令値を転流周波数ｆによって決まるタイミングで切換回路４５へ出力する。切換回路４５では、制御信号Ｓにより同期運転に切り換えられている間は同期通電パターン回路４７から入力される指令値をインバータ回路１のドライブ部３に出力し、制御信号Ｓによりブラシレス運転に切り換えられている間はブラシレス通電パターン回路４４から入力される指令値をインバータ回路１のドライブ部３に出力する。そして、ドライブ部３では、制御部４から入力される指令値に基づいて通電パターンを切り換えるとともに駆動パルスのオンデューティ比を変化させて固定子巻線５１への印加電圧を調整する、いわゆるＰＷＭ（パルス幅変調）制御が行われる。

次に、図２及び図３のタイミングチャートを参照して、ブラシレスモータの始動時における動作をさらに詳細に説明する。

まず、ブラシレスモータＭが停止しているときに操作部Ｂが操作されて速度設定回路４１から出力される指令速度ωｓがゼロからωａ（＞０）に変化したとすると（図２（ａ）参照）、同期制御回路４６では、上述のように指令速度ωｓがゼロからωａに変化したことで起動を確認し、予め設定されているデータテーブルを参照して、印加電圧ｖ、転流周波数ｆ並びに同期運転の経過時間ｔをそれぞれ指令速度ωｓの大きさ（＝ωａ）に対応した初期値ｖ０（＞０）、ｆ０（＞０）、ｔ０に設定するとともに（図２（ｂ）（ｃ）参照）、同期運転に切り換えるためにＬレベルの制御信号Ｓを切換回路４５に出力する（図２（ｄ）参照）。さらに同期制御回路４６は、図２（ｂ）（ｃ）に示すように前記データテーブルから指令速度ωｓの設定値ωａに対応した同期最大印加電圧ｖａ、同期最大周波数ｆａ、同期運転時間ｔａを読み出し、印加電圧ｖ並びに転流周波数ｆを経過時間ｔが同期運転時間ｔａに至るまでにそれぞれ同期最大印加電圧ｖａ、同期最大周波数ｆａに到達させるように印加電圧ｖ並びに転流周波数ｆをほぼ一定の増加率で増加させる。

そして、経過時間ｔが同期運転時間ｔａに至った時点で、同期制御回路４６は切換回路４５にＨレベルの制御信号Ｓを出力して同期運転からブラシレス運転に移行させる（図２（ｄ）参照）。このとき、ブラシレス運転への移行時点では速度検出回路４３で検出される速度が指令速度ωｓの設定値ωａに到達していないため、速度制御回路４２の速度制御によって検出速度と設定値ωａが一致するように印加電圧ｖを増加して加速し、検出速度と設定値ωａが一致したら（ｔ＝ｔ１）、それ以降は指令速度ωｓが変更されるか若しくは検出速度が変化するまで印加電圧ｖがほぼ一定に保たれる。

一方、ブラシレスモータＭの起動時における指令速度ωｓがより大きな値ωｂ（＞ωａ）に設定された場合、同期制御回路４６では、図３（ｂ）（ｃ）に示すように前記データテーブルから指令速度ωｓの設定値ωｂに対応した同期最大印加電圧ｖｂ（＞ｖａ）、同期最大周波数ｆｂ（＞ｆａ）、同期運転時間ｔｂ（＜ｔａ）を読み出し、印加電圧ｖ並びに転流周波数ｆを経過時間ｔが同期運転時間ｔｂに至るまでにそれぞれ同期最大印加電圧ｖｂ、同期最大周波数ｆｂに到達させるように印加電圧ｖ並びに転流周波数ｆをほぼ一定の増加率で増加させる。そして、経過時間ｔが同期運転時間ｔｂに至った時点で同期制御回路４６が切換回路４５にＨレベルの制御信号Ｓを出力して同期運転からブラシレス運転に移行させ、その後、速度制御回路４２の速度制御によって検出速度と設定値ωｂが一致するように印加電圧ｖを増加して加速し、検出速度と設定値ωｂが一致したら（ｔ＝ｔ２）、それ以降は指令速度ωｓが変更されるか若しくは検出速度が変化するまで印加電圧ｖがほぼ一定に保たれる。

また、同期運転中に指令速度ωｓが変更された場合、例えば、図４に示すように経過時間ｔ＝ｔ３で指令速度ωｓの設定値がωａからωｂに変更された場合、同期制御回路４６は、上述のように前記データテーブルから指令速度ωｓの設定値ωｂに対応した同期最大印加電圧ｖｂ、同期最大周波数ｆｂ、同期運転時間ｔｂを読み出し、印加電圧ｖ並びに転流周波数ｆを経過時間ｔがｔ＝ｔ３からｔ＝ｔｂに至るまでにそれぞれ同期最大印加電圧ｖｂ、同期最大周波数ｆｂに到達させるように印加電圧ｖ並びに転流周波数ｆをほぼ一定の増加率で増加させ、経過時間ｔが同期運転時間ｔｂに至った時点で同期運転からブラシレス運転に移行させる。

このように本実施形態では、指令速度ωｓの増減に応じて指令速度ωｓと正の相関関係を持つように同期制御回路４６が同期運転制御における転流周波数ｆ並びに印加電圧ｖの増加率を変化させているため、同期運転時の印加電圧不足による脱調の防止と過剰な印加電圧によるブラシレスモータＭの振動や過電流を抑えながら短時間で同期運転からブラシレス運転へ移行することができる。そして、ブラシレス運転移行後は速度制御回路４２の速度制御によって加速度を大きくできるので、停止状態から指令速度ωｓに達するまでの時間が短縮できる。なお、指令速度ωｓの増減に応じて転流周波数ｆ並びに印加電圧ｖの初期値ｆ０，ｖ０を変化させても、同様に停止状態から指令速度ωｓに達するまでの時間短縮が可能である。但し、増加率を変化させる場合であれば、停止状態の回転子５０を起動するときの転流周波数ｆの初期値ｆ０並びに印加電圧ｖの初期値ｖ０を小さくできるから、インバータ回路１に過電流が流れるのを防止できるという利点がある。

また本実施形態では、同期運転からブラシレス運転へ移行する際の同期最大周波数を、指令速度ωｓと正の相関関係を持つように変化させ、指令速度ωｓが大きくなるにつれて同期運転からブラシレス運転へ移行する際の同期最大周波数を大きくしているから、同期運転終了後の最初の回転子５０の位置検出を確実に行うことができ、ブラシレス運転への移行時に一時的に発生トルクが減少した場合でも停止させずに加速に必要なトルクを発生させて指令速度ωｓに達するまでの時間が短縮できるものである。

なお、図２〜図４に示す例では同期運転制御における転流周波数ｆに対する印加電圧ｖの割合を指令速度ωｓに関係なく一定としているが、図５に示すように指令速度ωｓが設定値ωｂに設定されたときの印加電圧ｖの設定値をｖｃ（＞ｖｂ）とし、転流周波数ｆに対する印加電圧ｖの割合（ｖｃ／ｆｂ）を指令速度ωｓと正の相関関係を持つように変化させても構わない。すなわち、指令速度ωｓが大きくなると加速のために必要なトルクも大きくなるが、このとき、転流周波数ｆに対する印加電圧ｖの割合が一定であると、転流周波数ｆの増加に伴って固定子巻線５１のインダクタンス成分によりインピーダンスが増加し、印加電圧ｖを大きくしても電流が増加しないため、固定子巻線５１に流れる電流が増加せず、このためにトルクも増加せずに脱調してしまう虞がある。したがって、転流周波数ｆに対する印加電圧ｖの割合を指令速度ωｓと正の相関関係を持つように変化させれば、固定子巻線５１に十分な電流を流してトルクが不足することを防ぐことができ、その結果、脱調の発生が抑えられる。

ところで、上述のように指令速度ωｓに応じて同期運転時における転流周波数ｆ、印加電圧ｖ並びに同期運転時間ｔａ，ｔｂを変化させると同期運転時の加速状態が変化し、ブラシレス運転への移行に影響がでる場合がある。そこで、図６に示すように転流周波数ｆが同期最大周波数ｆｂに達した後、同期運転からブラシレス運転への移行前に同期運転時間ｔｂから所定時間ｔｓが経過するまで転流周波数ｆ並びに印加電圧ｖをそれぞれ同期最大周波数ｆｂ並びに同期最大印加電圧ｖｂに固定して同期運転を行ってからブラシレス運転に移行させれば、同期運転時の加速状態に影響されずにブラシレス運転へ確実に移行できて望ましいものである。

実施形態を示し、（ａ）は全体の概略構成図、（ｂ）は制御部のブロック図である。 同上の動作説明用のタイミングチャートである。 同上の動作説明用のタイミングチャートである。 同上の動作説明用のタイミングチャートである。 同上の動作説明用のタイミングチャートである。 同上の動作説明用のタイミングチャートである。

符号の説明

１ インバータ回路
４ 制御部
４１ 速度設定回路
４５ 切換回路
４６ 同期制御回路

Claims (6)

1. 永久磁石を有する回転子と三相巻線からなる固定子巻線を有したブラシレスモータを駆動する駆動装置において、開放相の固定子巻線の端子電圧を基準電圧と比較することで回転子の回転位置を検出する位置検出手段と、外部電源から供給される直流電圧をスイッチングすることで固定子巻線の各相への通電状態を切り換える通電切換手段と、通電切換手段を制御して各々同時に通電する固定子巻線の組み合わせを異ならせた複数の通電パターンを順次切り換えるとともに単位時間当たりの通電量を変化させて固定子巻線への印加電圧を調整する制御手段とを備え、制御手段は、位置検出手段の検出結果に関わらず前記複数の通電パターンを順次切り換える同期運転制御と、位置検出手段の検出結果に基づいて前記複数の通電パターンを順次切り換え回転子の回転速度を外部から与えられた指令速度に一致させるように印加電圧を調整するブラシレス運転制御とを行い、回転子が停止状態にあるときに複数の通電パターンの切換周波数を徐々に増加しながら同期運転制御を行うことで回転子を起動し、切換周波数が所定周波数に達した後にブラシレス運転制御に移行する駆動装置において、制御手段は、指令速度に応じて同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧を変化させることを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
2. 制御手段は、同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧を、指令速度と正の相関関係を持つように変化させることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの駆動装置。
3. 制御手段は、同期運転制御における切換周波数並びに印加電圧の増加率を、指令速度と正の相関関係を持つように変化させることを特徴とする請求項１又は２記載のブラシレスモータの駆動装置。
4. 制御手段は、同期運転からブラシレス運転へ移行する際の前記所定周波数を、指令速度と正の相関関係を持つように変化させることを特徴とする請求項１又は２又は３記載のブラシレスモータの駆動装置。
5. 制御手段は、同期運転制御における切換周波数に対する印加電圧の割合を、指令速度と正の相関関係を持つように変化させることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のブラシレスモータの駆動装置。
6. 制御手段は、所定周波数に達した後、同期運転制御からブラシレス運転制御への移行前に所定時間だけ切換周波数を所定周波数に固定し且つ印加電圧を所定値に固定して同期運転制御を行うことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のブラシレスモータの駆動装置。

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