JP2005269719A - ブラシレスモータのセンサレス制御方法、ブラシレスモータのセンサレス制御装置及び電動ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点を誤検出してモータが停止する虞が無いブラシレスモータのセンサレス制御方法の提供。
【解決手段】 複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶しておき、各端子電圧と所定電圧とのサンプリングした大小関係（Ｓ４）と規則的な変化に基づき、ステータ巻線を通電制御するブラシレスモータのセンサレス制御方法。サンプリングした大小関係（Ｓ４）が、あるべき大小関係と一致するか否かを判定し（Ｓ８）、一致しないときは、サンプリングした大小関係が、前回サンプリングした大小関係と一致するか否かを判定し（Ｓ１０）、一致するときは、あるべき大小関係からサンプリングした大小関係への変化が、規則的な変化に従っているか否かを判定し（Ｓ１２）、従っているときに、サンプリングした大小関係への変化を確定する（Ｓ１４）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶しておき、各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係と規則的な変化に基づき、ステータ巻線を通電制御するブラシレスモータのセンサレス制御方法、ブラシレスモータのセンサレス制御装置、及びこのブラシレスモータのセンサレス制御装置を備える電動ポンプに関するものである。

近時、車両に搭載されてトランスミッション及び舵取装置の電動ポンプ等を駆動する電動モータとして、ブラシレスモータが使用されるようになって来ている。ブラシレスモータは、ＤＣモータからブラシ及び整流子を取除き、電子整流回路を取付けたモータである。電子整流回路は、例えば３個のホール素子等の磁気センサを用いてマグネットロータがどの位置にあるのかを検出し、これらの検出信号に基づいてＰＷＭ制御等により、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相への通電を制御して回転磁界を発生させ、マグネットロータを回転駆動する。

従来、ブラシレスモータを駆動するには、上述したようにロータの回転位置センサが必要であるが、モータを高温のエンジンルーム内に搭載する場合には、センサの耐熱性が問題となり、回転位置センサを用いずにモータを駆動する所謂センサレス駆動が必要である。センサレス駆動では、ロータの回転位置を推定して、回転位置センサからの回転位置信号に相当する回転位置推定信号を作成する必要があり、通常、回転位置推定信号の作成には、３相の誘起電圧が利用される。

ブラシレスモータのセンサレス駆動では、各相のステータ巻線への通電は、通常、電気角１８０度の内１２０度の区間のみ通電する所謂１２０度通電が行なわれており、通電しない残りの６０度の区間には、各相のステータ巻線の端子に各相の誘起電圧が露出する。
従って、この６０度の区間の各相のステータ巻線の端子電圧と基準電圧とを比較して、何れかの相でそれらがクロスする時点、即ち、ゼロクロス点をロータの回転位置に関連する時点とすることが出来る。基準電圧には、通電の為の電源電圧の１／２の電圧を使用する。

このセンサレス駆動では、検出したゼロクロス点の間隔を６０度に相当する期間として、ゼロクロス点から３０度遅延した時点で、各相のステータ巻線への通電を切換えている。
ゼロクロス点をサンプリングにより検出する場合、基準電圧との比較結果をサンプリングし、ステータ巻線の端子電圧の方が大である場合を「１」、小である場合を「０」として、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各比較結果を「１０１」「１１０」の様にパターン化する。このパターンは、３相の場合は６種類有り、６種類のパターンが連続しながら順次切換わって行く。

従来は、このパターンがｎ回（ｎは２以上の整数）以上連続した場合に、前のパターンから切換わったことを検出し、ゼロクロス点を検出していた。
特開平６−７０５８６号公報 特開平９−２６６６９０号公報 特開２００２−３００７９２号公報 特開２００２−３２５４８４号公報 特開２００３−１１１４８３号公報 長竹和夫「モータ実用ポケットブック 家電用モータ・インバータ技術」日刊工業新聞社 ２０００年４月２８日初版１刷発行

しかし、上述したｎが小さければ、真のゼロクロス点との誤差は小さくなるが、ゼロクロス点を誤検出する確率は上がり、ｎを大きくすれば、ゼロクロス点を誤検出する確率は下がるが、真のゼロクロス点との誤差は大きくなるという問題がある。ゼロクロス点を誤検出した場合、誤検出したパターンに基づき、通電することになるので、脱調してモータが停止する虞がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１発明では、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点を誤検出してモータが停止する虞が無いブラシレスモータのセンサレス制御方法を提供することを目的とする。
第２発明では、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点を誤検出してモータが停止する虞が無いブラシレスモータのセンサレス制御装置を提供することを目的とする。
第３発明では、第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置を備える電動ポンプを提供することを目的とする。

第１発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法は、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶しておき、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係と前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御するブラシレスモータのセンサレス制御方法において、サンプリングした大小関係が、あるべき大小関係と一致するか否かを判定し、一致しないと判定したときは、サンプリングした大小関係が、前回サンプリングした大小関係と一致するか否かを判定し、一致すると判定したときは、前記あるべき大小関係からサンプリングした大小関係への変化が、前記規則的な変化に従っているか否かを判定し、従っていると判定したときに、前記大小関係への変化を確定することを特徴とする。

第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置は、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶してあり、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係と前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御すべくなしてあるブラシレスモータのセンサレス制御装置において、サンプリングした大小関係が、あるべき大小関係と一致するか否かを判定する手段と、該手段が一致しないと判定したときは、サンプリングした大小関係が、前回サンプリングした大小関係と一致するか否かを判定する手段と、該手段が一致すると判定したときは、前記あるべき大小関係からサンプリングした大小関係への変化が、前記規則的な変化に従っているか否かを判定する手段とを備え、該手段が従っていると判定したときに、前記大小関係への変化を確定すべくなしてあることを特徴とする。

第１発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及び第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置では、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶してあり、各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係と規則的な変化に基づき、ステータ巻線を通電制御する。判定する手段が、サンプリングした大小関係が、あるべき大小関係と一致するか否かを判定し、一致しないと判定したときは、判定する手段が、サンプリングした大小関係が、前回サンプリングした大小関係と一致するか否かを判定する。判定する手段が一致すると判定したときは、判定する手段が、あるべき大小関係からサンプリングした大小関係への変化が、規則的な変化に従っているか否かを判定し、従っていると判定したときに、サンプリングした大小関係への変化を確定する。

第３発明に係る電動ポンプは、請求項２に記載されたブラシレスモータのセンサレス制御装置と、該センサレス制御装置が駆動制御するブラシレスモータと、該ブラシレスモータが駆動するポンプとを備えることを特徴とする。

この電動ポンプでは、請求項２に記載されたブラシレスモータのセンサレス制御装置が、ブラシレスモータを駆動制御し、ブラシレスモータがポンプを駆動する。

第１発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法によれば、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点を誤検出してモータが停止する虞が無いブラシレスモータのセンサレス制御方法を実現することが出来る。

第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置によれば、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点を誤検出してモータが停止する虞が無いブラシレスモータのセンサレス制御装置を実現することが出来る。

第３発明に係る電動ポンプによれば、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点を誤検出してモータが停止する虞が無い電動ポンプを実現することが出来る。

以下に、本発明を、その実施の形態を示す図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及びブラシレスモータのセンサレス制御装置の実施の形態１の要部構成を示すブロック図である。このブラシレスモータのセンサレス制御装置は、車両に搭載されて油圧ポンプ等を駆動するブラシレスＤＣモータ（以下、モータと記載）のセンサレス制御装置であり、車載バッテリ２からの直流電源により片側ＰＷＭ方式で３相交流電圧を生成させ、モータ１を駆動制御する。

モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線（図示せず）の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが回転位置推定信号生成部３に与えられ、回転位置推定信号生成部３は、与えられた各端子電圧に基づき、サンプリング（ディジタル方式）により各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成する。
回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗは、通電制御装置４に与えられ、通電制御装置４は、与えられた回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づき、片側ＰＷＭ方式で車載バッテリ２の直流電圧Ｅから３相交流電圧を生成させ、モータ１を駆動制御する。

回転位置推定信号生成部３は、図２のブロック図に示すように、電圧比較部１２及び極性決定部１４を備えており、電圧比較部１２は、各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと車載バッテリ２の直流電圧Ｅの１／２の電圧Ｖａとをそれぞれ比較するコンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗを備えている。コンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗの比較結果は、各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの方が大である場合は「１」、小である場合は「０」であるディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗとして、極性決定部１４に例えば１９．２３ｋＨｚの周波数でサンプリングされる。

極性決定部１４は、ＭＰＵにより構成され、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンの取るべき規則的な変化を記憶しているメモリ１４ａ及びタイマ１４ｂを備えている。また、サンプリングしたディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンとメモリ１４ａが記憶している規則的な変化に基づき、各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成して、通電制御装置４に与える。
通電制御装置４は、通電信号生成部５、ＰＷＭ制御部７、ゲートドライブ回路８、スイッチング回路９及び速度制御部１６から構成されている。

スイッチング回路９は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に、車載バッテリ２の陽極側に接続される半導体スイッチング素子６ｕ＋，６ｖ＋，６ｗ＋と、車載バッテリ２の陰極側に接続される半導体スイッチング素子６ｕ−，６ｖ−，６ｗ−とが直列接続されている。それぞれの接続点は、モータ１のステータ巻線の端子に各相毎に接続されている。半導体スイッチング素子６ｕ＋，６ｕ−，６ｖ＋，６ｖ−，６ｗ＋，６ｗ−には、それぞれフリーホイールダイオード（フライバックダイオード）が逆並列に接続されている。

速度制御部１６は、モータ１のロータの回転速度検出値Ｓ及び回転速度設定値Ｓａとを比較し、両者の大小関係に基づき、モータ１をＰＷＭ駆動する為の速度制御信号Ｓｐｗｍを作成し、ＰＷＭ制御部７へ与える。
通電信号生成部５は、与えられた各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づいて、スイッチング回路９の半導体スイッチング素子６ｕ＋，６ｕ−，６ｖ＋，６ｖ−，６ｗ＋，６ｗ−をそれぞれ通電制御する為の通電信号Ｃｕ＋，Ｃｕ−，Ｃｖ＋，Ｃｖ−，Ｃｗ＋，Ｃｗ−を作成し、ＰＷＭ制御部７へ与える。通電信号生成部５は、ＭＰＵ又は論理素子により構成される。

ＰＷＭ制御部７は、与えられた通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−及び速度制御信号Ｓｐｗｍに基づき、半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれＰＷＭ制御する為のＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋，Ｄｕ−，Ｄｖ＋，Ｄｖ−，Ｄｗ＋，Ｄｗ−を作成し、ゲートドライブ回路８へ与える。
ゲートドライブ回路８は、与えられたＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋〜Ｄｗ−に基づき、半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれオン／オフ駆動する。

以下に、このような構成のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置の動作を、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）の波形図に示すように、位相がそれぞれ１２０度異なっており、それぞれの正負電圧区間である１８０度の電気角の内、中央部の１２０度の区間が通電され、それぞれの通電区間の終端部にはリンギングが生じている。中央部の１２０度以外の区間は、ステータ巻線に生じた誘起電圧が露出した部分である。

回転位置推定信号生成部３のコンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗは、モータ１の各相のステータ巻線の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと車載バッテリ２の直流電圧Ｅの１／２の電圧Ｖａとをそれぞれ比較する。これらの比較結果は、端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの方が大である場合は「１」、小である場合は「０」であるディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗとして、極性決定部１４にサンプリングされる。

ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗは、例えば、（１０１）→（００１）→（０１１）→（０１０）→（１１０）→（１００）→（１０１）の順序で規則的に変化する。ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのこの６種類のパターンが規則的に変化する周期的時間は、サンプリング周期より充分大きい。
極性決定部１４のメモリ１４ａは、上述したディジタル信号Ｂｗ，Ｂｖ，Ｂｕのパターンが規則的に変化する順序を記憶している。

極性決定部１４は、先ず、ＭＰＵへの割込を禁止した後（図３Ｓ２）、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗをサンプリングし（Ｓ４）、サンプリングしたディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンを記憶する（Ｓ６）。次いで、サンプリングしたパターンが、現在のディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターン、つまり、パターンが変化した直近の時点からのパターンと一致するか否かを判定する（Ｓ８）。一致する場合は、パターンは変化しないのでリターンする。

極性決定部１４は、サンプリングしたパターンが、現在のディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンと一致しない場合は（Ｓ８）、サンプリングしたパターンと前回サンプリングして記憶したパターンとが一致するか否かを判定し（Ｓ１０）、一致しない場合はリターンする。つまり、同じパターンが２回連続しない場合はリターンする。

極性決定部１４は、サンプリングしたパターンと前回サンプリングして記憶したパターンとが一致する場合（Ｓ１０）、つまり、同じパターンが２回連続した場合は、２回連続したパターンと、メモリ１４ａが記憶している規則的な変化から予想される次回のパターンとが一致するか否かを判定する（Ｓ１２）。同じパターンが２回連続した場合は、上述した現在のパターンから、２回連続したパターンへ変化したことが推定されるが、この変化が、メモリ１４ａが記憶している規則的な変化に従っているか否かを判定する。

極性決定部１４は、２回連続したパターンと、メモリ１４ａが記憶している規則的な変化から予想される次回のパターンとが一致しない場合は（Ｓ１２）リターンする。２回連続したパターンと予想される次回のパターンとが一致する場合は、現在のパターンから、２回連続したパターンへ変化したとして、ゼロクロス点を検出し（Ｓ１４）、前回のパターン変化からのタイマ１４ｂの計時を終了し（Ｓ１６）、今回のパターン変化からのタイマ１４ｂの計時を開始する（Ｓ１８）。

極性決定部１４は、次に、前回のパターン変化から今回のパターン変化までの時間（Ｓ１６）を２で割って、遅延時間を算出した後（Ｓ２０）、ＭＰＵへの割込を許可して（Ｓ２２）リターンする。
極性決定部１４は、メモリ１４ａが記憶しているパターンの規則的な変化に基づき、コンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗの出力信号（サンプリングした信号）から、遅延時間分を遅延させた各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成して、通電制御装置４に与える。回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗには、通電を切換えるタイミングと、メモリ１４ａが記憶しているパターンの規則的な変化に基づく、各相の正負の通電／非通電情報が含まれている。

通電制御装置４の通電信号生成部５は、回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づく半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−の６種類の制御パターンを記憶しており、与えられた回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗとこの制御パターンとにより通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−を作成する。作成した通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−はＰＷＭ制御部７へ与える。
ＰＷＭ制御部７は、与えられた通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−及び速度制御信号Ｓｐｗｍに基づき、片側ＰＷＭ方式で半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれＰＷＭ制御する為のＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋〜Ｄｗ−を作成し、ゲートドライブ回路８へ与える。

ゲートドライブ回路８は、与えられたＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋〜Ｄｗ−に基づき、片側ＰＷＭ方式で各相の半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれオン／オフ制御する駆動信号を出力して、モータ１のステータ巻線に回転磁界を発生させ、マグネットロータを回転駆動する。
尚、上述した実施の形態では、片側ＰＷＭ方式でモータ１を駆動制御しているが、本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及びセンサレス制御装置は、両側ＰＷＭ方式及びＰＷＭ方式によらない方式にも適用することは可能である。

（実施の形態２）
図５は、本発明に係る電動ポンプの実施の形態２の要部構成及びその周辺部を示すブロック図である。この電動ポンプは、車両のオートマチック・トランスミッションに使用されており、エンジン２０の図示しないクランクシャフトとプロペラシャフト２４とをオートマチック・トランスミッション２１が連結している。

電動ポンプ２２ａは、オートマチック・トランスミッション２１の側面に固定されたポンプ２２と、ポンプ２２を駆動するブラシレスＤＣモータ１と、ブラシレスＤＣモータ１を駆動制御する実施の形態１で説明したセンサレス制御装置２３とを備えている。
電動ポンプ２２ａは、オートマチック・トランスミッション２１を作動させるオイルの圧力を制御する。

エンジン２０のクランクシャフトの、オートマチック・トランスミッション２１と連結しない側の端部の回転は、電磁クラッチ３２を介してプーリ３１に伝達され、プーリ３１の回転は、ベルト３３により発電機２８及び補機３０に伝達される。補機３０は、エアコンディショナのコンプレッサ等である。発電機２８が発電した電力は、車載バッテリ２９に蓄電され、センサレス制御装置２３等の電源となる。
プロペラシャフト２４のオートマチック・トランスミッション２１と連結しない側の端部は、デファレンシャル２５により駆動輪２７の駆動軸２６に直角に連結されている。

本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及びブラシレスモータのセンサレス制御装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。 回転位置推定信号生成部の構成例を示すブロック図である。 極性決定部の動作の例を示すフローチャートである。 ステータ巻線の各端子電圧を示す波形図である。 本発明に係る電動ポンプの実施の形態の要部構成及びその周辺部を示すブロック図である。

符号の説明

１ （ブラシレスＤＣ）モータ
２，２９ 車載バッテリ
３ 回転位置推定信号生成部
４ 通電制御装置
５ 通電信号生成部
６ｕ＋，６ｕ−，６ｖ＋，６ｖ−，６ｗ＋，６ｗ− 半導体スイッチング素子
７ ＰＷＭ制御部
８ ゲートドライブ回路
９ スイッチング回路
１４ 極性決定部
１４ａ メモリ（記憶する手段）
１４ｂ タイマ
１５ｕ，１５ｖ，１５ｗ コンパレータ
２０ エンジン
２１ オートマチック・トランスミッション
２２ ポンプ
２２ａ 電動ポンプ
２３ センサレス制御装置
２４ プロペラシャフト

Claims (3)

1. 複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶しておき、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係と前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御するブラシレスモータのセンサレス制御方法において、
   サンプリングした大小関係が、あるべき大小関係と一致するか否かを判定し、一致しないと判定したときは、サンプリングした大小関係が、前回サンプリングした大小関係と一致するか否かを判定し、一致すると判定したときは、前記あるべき大小関係からサンプリングした大小関係への変化が、前記規則的な変化に従っているか否かを判定し、従っていると判定したときに、前記大小関係への変化を確定することを特徴とするブラシレスモータのセンサレス制御方法。
2. 複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶してあり、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係と前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御すべくなしてあるブラシレスモータのセンサレス制御装置において、
   サンプリングした大小関係が、あるべき大小関係と一致するか否かを判定する手段と、該手段が一致しないと判定したときは、サンプリングした大小関係が、前回サンプリングした大小関係と一致するか否かを判定する手段と、該手段が一致すると判定したときは、前記あるべき大小関係からサンプリングした大小関係への変化が、前記規則的な変化に従っているか否かを判定する手段とを備え、該手段が従っていると判定したときに、前記大小関係への変化を確定すべくなしてあることを特徴とするブラシレスモータのセンサレス制御装置。
3. 請求項２に記載されたブラシレスモータのセンサレス制御装置と、該センサレス制御装置が駆動制御するブラシレスモータと、該ブラシレスモータが駆動するポンプとを備えることを特徴とする電動ポンプ。

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