JP2006020489A - ブラッシュレス直流モーターの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブラッシュレス直流モーターの初期起動段階でブラッシュレス直流モーターに過度な電流が供給されるのを防ぐことによって、センサレス運転モードへの切換が安定的になされるようにするブラッシュレス直流モーターの制御方法を提供する。
【解決手段】 ブラッシュレス直流モーターの同期加速中の所定の相転換時点で相電流の相転換を遂行し、前記ブラッシュレス直流モーターに供給される前記相電流の大きさが、あらかじめ設定された値を超える相電流印加時点を検出し、前記相転換時点から前記相電流印加時点までの時間に基づいて、回転子の回転位置に対する固定子巻線への電圧印加時点を制御する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、モーターの制御方法に関し、特に、ブラッシュレス直流モーター(brushless DC motor)のセンサレス運転モードの制御方法に関する。

ブラッシュレス直流モーターは、ブラッシュと整流子などの機械的な要素の代わりに、スイッチング素子で構成された整流回路を使用する。このブラッシュレス直流モーターは、摩耗によるブラッシュの交換が要らなく、電磁障害(electromagnetic interference)と駆動騒音が小さいことに特徴付けられる。

ブラッシュレス直流モーターは、商用交流電源をパルス形態の多相交流電源(通常、３相)に変換する電力変換装置を通して電源を受ける。ブラッシュレス直流モーターの速度を制御する制御部は、電力変換装置からブラッシュレス直流モーターに供給される多相交流電源の相電流情報と回転子の位置及び速度情報に基づいてブラッシュレス直流モーターの回転速度を制御する。制御部は、ブラッシュレス直流モーターの回転速度が外部から入力される速度命令を追従するように制御する。

ブラッシュレス直流モーターから最適の効率を導き出すためには、回転子の位置と相電流の転換(commutation)時点を高精度に一致させなければならない。このためには、回転子の位置を検出するための装置が要求され、一般的には、回転子の位置検出のためにエンコーダ(encoder)のような位置検出センサを使用したが、かかるエンコーダは、体積が大きくて価格が高いという不具合がある。そこで、電気回路を使って回転子の位置を検出する方案が摸索され、モーターの逆起電力のゼロ・クロシング・ポイント(Zero Crossing Point)を通じて回転子の位置を検出する電気回路が多用されるに至った。このように、エンコーダのような位置検出センサの代わりに電気回路を使って回転子の位置を検出する運転モードを、センサレス運転モードという。

ブラッシュレス直流モーターのセンサレス運転のためには、センサレス運転を始めるに先立って所定の初期起動が要求される。すなわち、インバータ及び制御変数を初期化するシステム初期化を実施し、２相(３相モーターの場合)を励磁させて回転子を強制的に整列させる。回転子の整列が完了すれば、相電圧と駆動周波数をあらかじめ設定された値まで増加させるモーターの同期加速を実施する。同期加速により駆動周波数と相電圧が一定水準に到達すれば、駆動周波数は固定させる一方で、相電圧は可変させながらこのときに発生する逆起電力のゼロ・クロシング・ポイントを検出する運転モード切換を遂行する。このような過程で検出されるゼロ・クロシング・ポイントを用いて相電流の転換及びモーターの回転速度を制御するセンサレス運転モードを遂行する。

この初期起動段階では、逆起電力が微弱なために回転子の実際位置がわからず、よって、固定子巻線に任意に電圧を印加して回転子を同期加速させる。したがって、ブラッシュレス直流モーターの負荷が変動すれば、固定子巻線に電圧を印加する時点で回転子の位置に正確に同期しなくなる確率が高い。こうなると、モーターに過電流が供給され、過電流遮断装置が動作するため、正常な動作が不能になるか、あるいは、深刻なトルクリップルが生じることから、正確な逆起電力のゼロ・クロシング・ポイント検出がし難く、結果としてセンサレス運転モードへの切換に失敗してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みて、ブラッシュレス直流モーターの初期起動段階でブラッシュレス直流モーターに過度な電流が供給されるのを防ぐことによって、センサレス運転モードへの切換が安定的になされるようにするブラッシュレス直流モーターの制御方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく、本発明の一側面に従うブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法は、ブラッシュレス直流モーターの同期加速中の所定の相転換時点で相電流の相転換を遂行し；前記ブラッシュレス直流モーターに供給される前記相電流の大きさが、あらかじめ設定された値を超える相電流印加時点を検出し；前記相転換時点から前記相電流印加時点までの時間に基づいて、回転子の回転位置に対する固定子巻線への電圧印加時点を制御することを特徴とする。

本発明の他の側面に従うブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法は、回転子を強制整列し；所定の相転換時点に固定子巻線に供給される相電流の相転換を遂行し；
前記ブラッシュレス直流モーターに供給される前記相電流の大きさが、あらかじめ設定された値を超える相電流印加時点を検出し；前記相転換時点から前記相電流印加時点までの時間が第１の範囲または第２の範囲にあるか判断し；前記時間が第１の範囲内にあれば、前記回転子の位置に対する前記固定子巻線への印加電圧の電圧印加時点が早いと判定し、前記相電流の次の相転換時点を所定時間だけ遅らせ；前記時間が第２の範囲内にあれば、回転子の位置に対する前記固定子巻線への印加電圧の電圧印加時点が遅いと判定し、前記相電流の次の相転換時点を所定短縮時間だけ繰り上げ；前記遅延または短縮された後に生成された相転換時点によって、再び相転換を遂行し；駆動周波数があらかじめ設定された値に達すると、センサレス運転モードに切り換えることを特徴とする。

本発明に従うブラッシュレス直流モーターの制御方法によれば、ブラッシュレス直流モーターの初期起動段階においてブラッシュレス直流モーターに過度な電流が供給されるのを防ぐことによって、トルクリップルと起動騷音を減らし、同期加速以後のセンサレス運転モードへの転換が安定的になされることが可能になる。

以下、本発明の望ましい実施形態を、図１ないし図７を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態によるブラッシュレス直流モーターの制御装置を示すブロック図である。図１に示すように、コンバータ１０４、キャパシタ１０８、及びインバータ１０６から構成される電力変換装置は、交流電源装置１０２から供給される交流電源をパルス形態の３相交流電源に変換して、ブラッシュレス直流モーター１１０に供給する。位置検出部１１２は、インバータ１０６からブラッシュレス直流モーター１１０に供給される３相交流電源(Ｕ，Ｖ，Ｗ)から回転子の位置情報を獲得して位置検出信号１１８を生成する。位置検出部１１２の位置検出信号１１８は、制御部１１４に提供され、この位置検出信号１１８に基づいてインバータ制御信号１２０が生成される。制御部１１４は、インバータ１０６から出力される３相交流電源(Ｕ，Ｖ，Ｗ)の相転換(phase ｃｏｍmutation)時点及び相電流の大きさを制御するためのインバータ制御信号１２０を出力して、ブラッシュレス直流モーター１１０の回転速度が速度命令１２２を追従するようにする。電流検出部１１６は、コンバータ１０４からインバータ１０６に供給される直流電源の電流を検出し、その値を制御部１１４に提供する。制御部１１４は、この電流値の情報に基づいて固定子巻線への電圧印加時点を制御し、ブラッシュレス直流モーター１１０に過電流が供給されないようにする。

図２は、本発明の実施形態によるブラッシュレス直流モーターのセンサレス運転のための初期起動時の周波数及び相電圧の変化を示す波形図である。図２に示すように、駆動周波数２０２と相電圧２０４をそれぞれ、ｆ_０とＶ_０からｆ_１とＶ_１まで上昇させた後に、駆動周波数２０２はｆ_１固定させる一方で、相電圧２０４はＶ_１近傍で可変させる。相電圧２０４を可変させる内に逆起電力のゼロ・クロシング・ポイントを検出して回転子の位置情報を獲得し、モーターの固定子の磁界と回転子の磁界が安定した範囲内に同期すると、センサレス運転モードに切り換えてブラッシュレス直流モーターを運転する。

図３は、ブラッシュレス直流モーターの相電圧が適度の大きさであるときの相電流及び逆起電力の波形を示す図である。図３に示すように、相電圧の大きさが適度になると、各相の相電流と逆起電力の位相差が一定範囲以内の値を持つようになって、事実上、同期される。

図４は、ブラッシュレス直流モーターの初期起動段階において、回転子の位置(逆起電力)と電圧印加時点による電流波形との関係を示す図である。図４の(Ａ)は、回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点が遅い場合であって、逆起電力と相電流の位相が互いに一致しないだけでなく、相電流の後半部で相電流の大きさが過度に大きくなることが分かる。図４の(Ｂ)は、回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点が適度の場合であって、逆起電力と相電流の位相が互いに一致するとともに、相電流が過度に大きくなる区間がないため、非常に安定的であることが分かる。図４の(Ｃ)は、回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点が早い場合であって、逆起電力と相電流の位相が互いに一致しないだけでなく、相電流の前半部で相電流の大きさが過度に大きくなることが分かる。

図５は、回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点の速さ遅さによる相電流の変化を示す図である。本発明の実施形態によるブラッシュレス直流モーターの制御方法では、固定子巻線への電圧印加時点から相電流が過度に大きくなる時点までの時間に基づいて、回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点が早いか遅いかを検出し、その電圧印加時点を調節することによって、ブラッシュレス直流モーターに供給される相電流が過度に大きくなるのを防ぐ。

まず、図５の(Ｂ)は、回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点が適度の場合であり、平均電流値(ＴＨ)は、ブラッシュレス直流モーターの同期加速段階でモーターに定格負荷が印加され、固定子巻線への電圧印加時点が適度である場合に測定した、通電された非転換相電流の平均値である。本発明の実施形態では、相電流の大きさがこの平均電流値(ＴＨ)より１０〜２０％程度大きい値を過度電流値(ＴＨ_１)に設定し、相電流の値がこの過度電流値(ＴＨ_１)を超過すると、過度電流が発生したものと判断する。

また、本発明の実施形態では、相電流値がこの過度電流値(ＴＨ_１)を超過する時点に基づいて、回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点が遅いか早いかを判別する。すなわち、図５の(Ａ)では、相転換時点(ｔ_０)から過度電流値(ＴＨ_１)が検出される時点までの時間、すなわち、過度電流検出時間(δ_ｔ)が比較的長いのに対し、図５の(Ｃ)ではこの過度電流検出時間(δ_ｔ)が相対的に短い。

本発明の実施形態では、回転子が相転換時点(ｔ_０)から１５°回転したと予想される時間ｔ＿１５°を算出し、過度電流検出時間(δ_ｔ)が１５°回転予想時間(ｔ＿１５°)より小さいか等しいと(δｔ≦ｔ＿１５°)、図５の(Ｃ)のように回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点が早いと判定し、次の相転換時点(ｔ_１)を、図５の(Ａ)のｔ_＋に遅らせることによって、固定子巻線への電圧印加時点を遅延させる。これに対し、回転子が相転換時点(ｔ_０)から４５°回転したと予想される時間ｔ＿４５°を算出し、過度電流検出時間(δ_ｔ)が１５°回転予想時間(ｔ＿１５°)より大きくて４５°回転予想時間(ｔ＿４５°)より小さいか等しいと(ｔ＿１５°＜δｔ≦ｔ＿４５°)、図５の(Ａ)のように、回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点が遅いと判定し、次の相転換時点(ｔ_１)を図５のｔ₋に操り上げることによって、固定子巻線への電圧印加時点を短縮させる。

図６は、本発明の実施形態によるブラッシュレス直流モーターの制御方法を示す順序図であり、ブラッシュレス直流モーターの初期起動からセンサレス運転モードに切り換える時までの制御方法を示す。図６に示すように、ブラッシュレス直流モーターが３相であれば、その中で２相を励磁させて回転子を強制的に整列させ、回転子の整列が完了すると、相電圧と駆動周波数をあらかじめ設定された値まで増加させるモーターの同期加速を遂行する(ステップ６０２)。同期加速が始まると、相転換を遂行する(Ｓ６０４)。例えば、強制整列に際してＵ−Ｖ相巻線を励磁させたとすれば、Ｕ−Ｗ相に相転換をしてＵ−Ｗ相巻線を励磁させる。制御部１１４は、内蔵タイマー(図示せず)を用いて次の相転換時点までの時間(ｔ＿ｃｏｍ)を算出し、内部タイマーを‘０’にリセットする(ステップ６０６)。続いて、制御部１１４は、電流検出部１１６を用いて通電された非転換相電流の大きさを検出し(ステップ６０８)、相電流が過度電流値(ＴＨ_１)より大きいか比較する(ステップ６１０)。もし、相電流が過度電流値(ＴＨ_１)よりも大きければ、制御部１１４は、相転換時点から過度電流検出時点までの時間、すなわち、過度電流検出時間(δ_ｔ)を算出する(ステップ６１２)。一方、相電流が過度電流値(ＴＨ_１)を超えなければ、次の相転換時点(ｔ＿ｃｏｍ)に到達するまで相電流検出(ステップ６０８)及び比較動作(ステップ６１０)を繰り返し行い(ステップ６１４)、次の相転換時点(ｔ＿ｃｏｍ)に到達すると、相転換を遂行する(ステップ６２６)。

続いて、過度電流検出時間(δ_ｔ)が算出されると(ステップ６１２)、まず、１５°回転予想時間(ｔ＿１５°)と比較し(ステップ６１６)、過度電流検出時間(δ_ｔ)が１５°回転予想時間(ｔ＿１５°)より小さいか等しいと、次の相転換時点をαだけ遅らせる(ステップ６１８)。このα値は、１５°回転予想時間(ｔ＿１５°)よりは小さい値(例えば、回転子の１０°回転予想時間(ｔ＿１０°)の絶対値)とすることが好ましい。過度電流検出時間(δ_ｔ)が１５°回転予想時間(ｔ＿１５°)を超えると、過度電流検出時間(δ_ｔ)を４５°回転予想時間(ｔ＿４５°)と比較する(ステップ６２０)。もし、過度電流検出時間(δ_ｔ)が４５°回転予想時間(ｔ＿４５°)より小さいか等しいと、次の相転換時点をαだけ短縮(操り上げ)させる(ステップ６２２)。

その後、内部タイマーのカウント値と以前に算出された次の相転換時点とを比較し(ステップ６２４)、次の相転換時点になったら相転換を遂行する(ステップ６２６)。この時の相転換時点は、以前に制御部１１４により算出された相転換時点であるか、或いは、この相転換時点が過電流検出によって遅延/短縮されたもののいずれか一つである。

同期加速により同期加速周波数があらかじめ設定された周波数(センサレス運転に必要な周波数ｆ＿ｓｅｔ)に到達すれば(ステップ６２８)、周波数は固定させ、相電圧は可変させながらこのときに発生する逆起電力のゼロ・クロシング・ポイントを検出するセンサレス運転モードに切り換える(ステップ６３０)。このような過程で検出されるゼロ・クロシング・ポイントを用いて相転換及びモーターの回転速度を制御するセンサレス運転モードを遂行する。

図７は、従来の技術と本発明における同期加速段階の電流波形をそれぞれ示す図であり、図７の(Ａ)での縦目盛りの単位は２A/divであり、図７の(Ｂ)での縦目盛りの単位は０．５A/divである。図７の(Ａ)に丸で示した７０２は、従来技術における同期加速段階の電流波形であって、大きさが約３〜４Ａと大きいが、図７の(Ｂ)に７０４で示した本発明の実施形態における同期加速段階の電流波形では、約０．２５Ａと非常に小さいことがわかる。

本発明の実施形態によるブラッシュレス直流モーターの制御装置を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるブラッシュレス直流モーターのセンサレス運転のための初期起動時の周波数及び相電圧の変化を示す波形図である。 ブラッシュレス直流モーターの相電圧が適度の大きさであるときの相電流及び逆起電力の波形を示す図である。 ブラッシュレス直流モーターの初期起動段階で、回転子の位置(逆起電力)と電圧印加時点による電流波形の関係を示す図である。 回転子の位置に対する固定子巻線への電圧印加時点の速さ遅さによる相電流の変化を示す図である。 本発明の実施形態によるブラッシュレス直流モーターの制御方法を示す順序図である。 従来の技術及び本発明による初期同期加速段階の電流波形をそれぞれ示す図である。

符号の説明

１０２ 交流電源装置
１０４ コンバータ
１０６ インバータ
１０８ キャパシタ
１１０ ブラッシュレス直流モーター
１１２ 位置検出部
１１４ 制御部
１１６ 電流検出部
１１８ 位置検出信号
１２０ インバータ制御信号
１２２ 速度命令

Claims (12)

1. ブラッシュレス直流モーターの同期加速中の所定の相転換時点で相電流の相転換を遂行し；
   前記ブラッシュレス直流モーターに供給される前記相電流の大きさが、あらかじめ設定された値を超える相電流印加時点を検出し；
   前記相転換時点から前記相電流印加時点までの時間に基づいて、回転子の回転位置に対する固定子巻線への電圧印加時点を制御することを特徴とするブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
2. 前記相電流の大きさは、前記ブラッシュレス直流モーターに供給される非転換相電流の大きさであることを特徴とする請求項１に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
3. 前記あらかじめ設定された値は、
   前記ブラッシュレス直流モーターの同期加速段階で前記ブラッシュレス直流モーターに定格負荷が印加され、前記電圧印加時点が前記回転子の回転位置と同期する状態で測定した、前記ブラッシュレス直流モーターに供給される非転換相電流の平均値に対して１１０〜１２０％の値を持つように設定することを特徴とする請求項１に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
4. 前記時間が第１の範囲または第２の範囲にあるか判断し；
   前記時間が第１の範囲内にあれば、前記電圧印加時点が早いと判定し、前記相電流の次の相転換時点を所定の遅延時間だけ遅らせ；
   前記時間が第２の範囲内にあれば、前記電圧印加時点が遅いと判定し、前記相電流の次の相転換時点を所定の短縮時間だけ繰り上げることを特徴とする請求項１に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
5. 前記第１の範囲は、相転換時点から、前記回転子が前記相転換時点から第１の角度だけ回転したと予想される第１の時点までの時間であり；
   前記第２の範囲は、前記第１の時点から、前記回転子が前記相転換時点から第２の角度だけ回転したと予想される時点までの時間であることを特徴とする請求項４に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
6. 前記第１の角度は１５°であり；
   前記第２の角度は４５°であることを特徴とする請求項５に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
7. 前記遅延または短縮時間は、前記回転子が１０°〜１５°回転するのにかかる時間の絶対値であることを特徴とする請求項４に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
8. 前記遅延または短縮された後に生成される相転換時点によって、再び相転換を遂行することを特徴とする請求項４に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
9. 回転子を強制整列し；
   所定の相転換時点で固定子巻線に供給される相電流の相転換を遂行し；
   前記ブラッシュレス直流モーターに供給される前記相電流の大きさが、あらかじめ設定された値を超える相電流印加時点を検出し；
   前記相転換時点から前記相電流印加時点までの時間が第１の範囲または第２の範囲にあるか判断し；
   前記時間が第１の範囲内にあれば、前記回転子の位置に対する前記固定子巻線への印加電圧の電圧印加時点が早いと判定し、前記相電流の次の相転換時点を所定時間だけ遅らせ；
   前記時間が第２の範囲内にあれば、回転子の位置に対する前記固定子巻線への印加電圧の電圧印加時点が遅いと判定し、前記相電流の次の相転換時点を所定の短縮時間だけ繰り上げ；
   前記遅延または短縮された後に生成された相転換時点によって、再び相転換を遂行し；
   駆動周波数があらかじめ設定された値に達すると、センサレス運転モードに切り換えることを特徴とするブラッシュレス直流モーターの制御方法。
10. 前記第１の範囲は、相転換時点から、前記回転子が前記相転換時点から第１の角度だけ回転したと予想される第１の時点までの時間であり；
    前記第２の範囲は、前記第１の時点から、前記回転子が前記相転換時点から第２の角度だけ回転したと予想される時点までの時間であることを特徴とする請求項９に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
11. 前記第１の角度は１５°であり；
    前記第２の角度は４５°であることを特徴とする請求項１０に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
12. 前記遅延または短縮時間は、前記回転子が１０°〜１５°回転するのにかかる時間の絶対値であることを特徴とする請求項９に記載のブラッシュレス直流モーターの同期加速制御方法。
    

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