JP2006034090A - ブラシレス直流モーターのホールセンサー位置合わせ - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレス直流モーター駆動部の、望ましくはモーターの惰走期間中に逆ＥＭＦ波形を測定することによって、ホールセンサーの位置合わせ誤差を決定する手法。
【解決手段】選択されたＢＥＭＦ波形と選択されたホール信号間で角度オフセットが計算される。前記オフセットは各相で独立に計算されるのが好適である。前記オフセットはモーター制御ユニットに蓄積されて、最大トルクを得るために出力モーター制御信号を調節するために用いられる。
【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照

[0001]本出願は、２００４年６月１１日出願の米国仮出願番号第６０／５７９，０３７号に基づき優先権を主張するものであり、そのすべての内容は参照により本願明細書に援用したものとする。

発明の背景

[0002]本発明はブラシレス直流モーターの駆動装置に関し、より具体的には前記駆動装置におけるホールセンサーの位置合わせ誤差を決定する方法とシステムに関わるものであり、ホールセンサーの設定位置の最適化をもたらすものである。

[0003]ブラシレス直流モーターの駆動装置は回転子の位置決めのためにホール効果センサーを用いるのが一般的である。ホールセンサーは回転子に取り付けた磁石の磁界を検出し、回転子の可能な６区分の中の１つの位置を示すデジタルパターンを発生する。ホールセンサーと磁石との相対的な機械的な位置、センサーの分解能と精度、検知磁石の極の幅、および検知磁石と回転子との物理的な関係によって誤差が導入される。このような誤差の潜在的発生源のためにホールセンサーによって測定された位置は実際の回転子の位置とは正確には整合しない。この位置の誤差のために、ある電流において発生するトルクを低減させる可能性がある。

発明の概要

[0004]このような誤差の潜在的な発生源を指定してそれを回避するために、逆起電力ＥＭＦの波形を、望むらくはモーターが惰走している間に測定して、ブラシレス直流モーター駆動装置のホールセンサーの位置の位置合わせ誤差を決定するための一手法が開発された。

[0005]この手法は選択された逆起電力ＢＥＭＦ波形と選択されたホール信号の間でオフセット角を計算によって求めることが特徴である。前記オフセットは各相においてそれぞれ計算されるのが望ましい。オフセットはモーター制御ユニットに蓄えられて、最大トルクとなるようにモーター制御の出力信号を調整するために使われるのが利点である。

[0006]ここで開示される技術はテストの結果、本質的には速度の変化に関係なく良好な結果を与えることがわかった。

[0007]本発明の他の特徴と利点は付属図面を参照して発明の実施例の記述より明らかとなるであろう。

本発明の実施形態に関する詳細説明

[0015]試験対象のＢＬＤＣモーターを制御できて、モーターの相電圧に電気的にアクセスする外部ユニットがホール素子の位置合わせを測定し、校正する方法を示すことができる技術を開発した。

[0016]その装置の１例を図１に示す。装置はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０、通信変換器１２、電子的制御ユニット（ＥＣＵ）付きのモーター１４、と電源１６から構成されている。テスト手順の例として、前記ＰＣは通信変換器を制御してホール位置合わせをスタートさせる。通信変換器はＥＣＵを制御してモーターを選択された速度で回転させてホール位置合わせモードに入れる。そこでＥＣＵはモーター駆動装置を止めてモーターを惰走状態にし、通信変換器が線１８と線ＣＡＮＨ／ＣＡＮＬ上でホール信号とＢＥＭＦ信号を検知し始める。通信変換器はホール位置合わせ誤差の修正を行うために必要ならば位相進みを計算して、前記位相進みをたとえばＥＥＰＲＯＭに蓄積して、最大トルクが得られるようにモーター駆動装置を制御するために回転子の位置信号を修正する際にこれを用いるようにＥＣＵを制御する。

[0017]図２に前記方法の一般的な例示を示すので参考にされたい。ホールセンサー位置合わせ誤差はホール信号の端（ここでは立ち下がり端）Ｈと逆ＥＭＦ信号Ｂの局所的最小点Ｍの間の位相誤差Ｄとして検出される。一度測定されると、位相誤差Ｄは電子的モーター制御ユニットに蓄えられ、モーター制御信号を補償して発生トルクを増大させるために用いられる。

[0018]本手法の１例では、Ｕ相ホール信号はＵ相ＢＥＭＦと一致することになる。測定される時間の基準はホール信号である。図３を参照されたい。

[0019]モーターが一定速度ｗ（ＲＰＭ）で回転しているとき、ホール信号は下記（１）式で与えられる周波数ｆ（Ｈｚ）を持つ。
ｆ＝３×ｗ／６０ (1)

[0020]一般に周期的に変化する信号はフーリエ級数で表すことができる。
Ｇ(ｔ)＝a₀/2＋a₁cos(2πf×t)＋b₁sin(2πf×t)＋a₂cos(4πf×t)＋b₂sin(4πf×t)＋--- (2)

[0021]時間ｔ＝０をホール信号の立ち上がり端とすると,ホール信号のフーリエ級数は次のように表現される。
Ｇ(ｔ)＝a₀/2＋b₁sin(2πf×t)＋b₂sin(4πf×t)＋b₃sin(6πf×t)＋--- (3)

[0022]直流項を無視または０であると仮定すると、すなわちa₀＝０の場合は
Ｇ(ｔ)＝b₁sin(2πf×t)＋b₂sin(4πf×t) )＋b₃sin(6πf×t)＋--- (4)
となり、
t=n/f（ここでn=０，１，２，３---）のときはG(t)＝0 (5)
となる。

[0023]一方、基本周波数だけに着目すると次のように書くことができる。
sin(2πf×t)=0のときにG(t)=0 (6)
2πf×t=n×2π (7)
f×t−n=0 (8)

[0024]式（８）がもっとも重要な関心のある式である。ｆは一定とは仮定できない、すなわちΔf=df/dt ≠0である。しかし、d²f/dt²＝0, すなわち加速度は一定であるとする。

[0025]周波数は実際には時間の関数である。すなわち、
F(t)=f−Δf×t (9)
である。

[0026]モーターが惰走しているときはモーターの周波数は減少しているのでｆの代わりにF(t)を式（４）に代入して
Ｇ(ｔ)＝b₁sin(2π(f−Δf×t)×t)＋b₂sin(4π(f−Δf×t)×t)＋b₃sin(6π(f−Δf×t)×t)＋--- (10)
となる。

[0027]式(6)−(8)は次のように書き換えられる。
sin(2π(f−Δf×t)×t)=0のときにG(t)=0 (11)
2π(f−Δf×t)×t=n×2π (12)
（f−Δf×t）×t−n=0 (13)
Δf×t²−f×t＋n=0 (14)

[0028]図１において、時間＝T₁が最初の０、すなわちn＝１であり、時間=T₁＋T₂が２番目の０、すなわちn=2であることがわかる。

[0029]それ故、式（14）にこのことを代入すると
Δf×T₁ ²−f×T₁＋1=0 (15)
Δf×(T₁＋T₂)²−f×(T₁＋T₂)＋2=0 (16)

[0030]実際にはディジタル信号処理装置ＤＳＰを用いてT₁とT₂は正確に測定できる。この時間を式(15)と(16)に代入して２つの式を解いて２つの未知数ｆとΔｆを求める。一般にｆとΔｆの解は次のように表わされる。
f＝(T₂ ²＋2×T₁×T₂− T₁ ²)/(T₁×T₂×（T₁＋T₂）) (17)
Δｆ＝(f×T₁-1)/T₁ ² (18)

[0031]位相合わせ誤差を決定する次の手段はホール信号との関係においてＢＥＭＦの局所的最小値をとる時間／角度を見つけることである。理想的には局所的最小値はπ／６ラジアンすなわち６０°で起こる。

[0032]ＤＳＰはＢＥＭＦを追跡して直接に局所的最小値を決定するために用いることができるが、実際にはこの時間の測定は雑音による誤差を受けかねない。誤差をより受けにくい代替手法としては、前記ＢＥＭＦ波形に対して任意の閾値電圧を設定することである。信号が増大してこの閾値を越える時間／角度を時間＝Ｂ_１とし、減少時に閾値以下になる時間を時間＝Ｂ_２とする。この閾値を移動平均の出力を基にして設定すれば雑音誤差はより減少させることができる。この場合時間＝Ｂ_１は移動平均を構成するサンプルの中で初めて閾値と等しくなるかこれを超える最後のサンプルの時間として設定する。時間＝Ｂ_２は移動平均を構成するサンプルの中で初めて閾値と等しくなるかこれを下回る最初のサンプルの時間として設定する。

[0033]時間Ｂ_１は最初のホール信号端からの時間を表しており、この時間はホール信号内の角度に変換できる：
2π（f−Δf×t）×t=θ（ラジアン） (19)
360（f−Δf×t）×t=θ（度） (20)
360（f−Δf×T_B1）×T_B1=θ_B1（度） (21)

[0034]時間Ｂ_２に対しては
360（f−Δf×T_B２）×T_B２=θ_B２（度） (22)

[0035]局所的最小値をとる角度を正確に評価するには単純にこれら２つの角を平均すればよい、すなわち
θ_B＝（θ_B2＋θ_B1）／２ (23)

[0036]目的の位置合わせ誤差はいまや次のように計算される。
位置合わせ誤差＝（θ_B2＋θ_B1）／２―420（度）

[0037]前記の手法のいろいろな変形が研究されてきて有用であることがわかった。たとえば、Ｕ相ＢＥＭＦを図４に示すようにＷ相ホール信号に対して測定することができる。理想的にはホールＷ信号の立ち下り端はＵ相ＢＥＭＦの局所的最小値と一致するものである。図５を参照のこと。ホール位置合わせ因子を計算するためにはまず、時間Ｔ_１，Ｂ_１，Ｂ_２とＨ（図２と図５を参照）を見出す。つぎに、（Ｂ_２−Ｂ_１）／２を計算してＢを決定する（図２）。最後に度で表したホール位置合わせ因子を（Ｂ−Ｈ）×３６０／Ｔ_１で決定する。

[0038]第３の例として、Ｗ相のＢＥＭＦをＷ相のホール信号と関係付ける。

[0039]理想的にはホールＷ信号の立ち上がり端はＢＥＭＦ波形の局所的最小値より正確に６０度進んでいる。図６を参照されたい。

[0040]ホール位置合わせを計算するためには次のステップを適用すればよい。

[0041]ステップ１：時間Ｔ_１，Ｂ_１，Ｂ_２とＨを見つける。（図７参照）

[0042]ステップ２：（Ｂ_２−Ｂ_１）／２を計算する。

[0043]ステップ３：ホール位置合わせ（度）を（Ｂ−（Ｈ−Ｔ_１／６）×３６０／Ｔ_１より求める。

[0044]本発明はその特別の実施形態に関連して記述されてきたが、多くの他の変形や改良あるいは他の使用方法があることは当業者には自明である。ゆえに、本発明は前記の特別の開示項目に限定されるものではない。

[0045]前記方法とシステムの利点はホール位置合わせ手順がモーターに接続されている電源インバータを用いて行うことが可能であるという点である。このような構成が特に有利である点は、図面にその形を示したように、局所的最小値部分を含む逆ＥＭＦの波形が得られることである。

[0046]モーター制御ユニットは通常は図１の１４に示すようにモーター部の囲いのなかに構築される。ＣＡＮＨとＣＡＮＬ（制御器エリア網 高／低）線はモーター制御ユニットおよびその他モーター中の部品に接続可能であり、特にモーターから通信制御器へホール信号を送ることも可能である。逆ＥＭＦ信号は線１８上を運ばれる。

[0047]位相差がＵ相ホール信号とＵ相逆ＥＭＦ信号間、又はＷ相ホール信号とＷ相逆ＥＭＦ信号間で計算されるような方法とシステムを開示してきたが、本発明の範囲は、計算回路が多相モーターの任意のきめられた相のホール信号と逆ＥＭＦ信号の間の位相差を計算するような任意の方法又はシステムへ広く拡張される。

[0048]位相差がＷ相ホール信号とＵ相逆ＥＭＦ信号間で計算されるような方法とシステムを開示してきたが、本発明の範囲は計算回路が多相モーターの任意の或る相のホール信号と任意の異なる相の逆ＥＭＦ信号の間の位相差を計算するようないかなる方法又はシステムへと広く拡張される。

本発明の実施形態の回路配置を示す概略図である。 測定すべき形の位相オフセットを一般的に示すグラフである。 本発明の１実施形態によるＵ相のホール信号とＵ相の逆起電力（ＢＥＭＦ）信号の解析方法を示すグラフである。 Ｗ相のホール信号とＵ相のＢＥＭＦ信号を示すグラフである。 図４のグラフで用いられる計算手法である。 Ｗ相のホール信号とＷ相のＢＥＭＦ信号を示すグラフである。 図６のグラフで用いられる計算手法である。

符号の説明

１０ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１２ 通信変換器
１４ 電子的制御ユニット（ＥＣＵ）付きのモーター
１６ 電源
１８ 線

Claims (24)

1. 多相直流モーターの制御システムであって、
   多相モーター駆動回路と、
   前記モーター駆動回路からの逆ＥＭＦ信号を出力する回路と、
   ホール効果センサーと回転子の位置を示す前記センサーからのホール信号を出力する回路と、
   ホール信号と逆ＥＭＦ信号の間の位相差を計算する計算回路と、
   を備えた多相直流モーターの制御システム。
2. 前記モーター駆動回路にさらに、前記位相差を蓄積し、前記位相差に基づいて前記出力ホール信号を修正することによって前記回転子の位置を修正する記憶回路を備えた請求項１に記載の制御システム。
3. 前記モーターの各相ごとにそれぞれホール信号と逆ＥＭＦ信号が生じるものであり、前記計算回路により各相ごとに対応する位相差を計算するように構成されている請求項１に記載の制御システム。
4. 前記モーター駆動回路にさらに、前記位相差を蓄積し、前記位相差に基づいて前記出力ホール信号を修正することによって前記回転子の位置を修正する記憶回路を備えた請求項３に記載の制御システム。
5. 前記計算回路によりＵ相のホール信号とＵ相の逆ＥＭＦ信号の位相差を計算するように構成されている請求項１に記載の制御システム。
6. 前記計算回路によりＷ相のホール信号とＵ相の逆ＥＭＦ信号の位相差を計算するように構成されている請求項１に記載の制御システム。
7. 前記計算回路によりＷ相のホール信号とＷ相の逆ＥＭＦ信号の位相差を計算するように構成されている請求項１に記載の制御システム。
8. 前記計算回路により前記ホール信号の立ち上がり端又は立ち下がり端と前記逆ＥＭＦ信号の局所的最小値の間の位相差を計算するように構成されている請求項１に記載の制御システム。
9. 前記計算回路により前記逆ＥＭＦ信号の立ち上がり端と立ち下がり端の間を内挿することによって前記逆ＥＭＦ信号の局所的最小値を計算するように構成されている請求項８記載の制御システム。
10. 前記計算回路により前記逆ＥＭＦ信号の立ち上がり端と立ち下がり端が所定の閾値を越える点の間を内挿するように構成されている請求項９に記載の制御システム。
11. 多相直流モーターの制御方法であって、多相モーター駆動回路を有する前記モーターと、前記モーター駆動回路からの逆ＥＭＦ信号を出力する回路と、ホール効果センサーと回転子の位置を示す前記センサーからホール信号を出力する回路とを備え、ホール信号と逆ＥＭＦ信号との間の位相差を計算するステップを有する多相直流モーターの制御方法。
12. 前記位相差を蓄積して、位相差に従って前記出力ホール信号を修正することによって回転子の位置を修正するステップをさらに含む請求項１１に記載の制御方法。
13. 前記モーターの各相ごとにそれぞれホール信号と逆ＥＭＦ信号が生じるものであり、前記計算回路により各相ごとに対応する位相差を計算する請求項１１に記載の制御方法。
14. 前記位相差を蓄積するステップと、前記位相差に従って前記出力ホール信号を修正することによって回転子の位置を修正するステップとをさらに含む請求項１３に記載の制御方法。
15. 前記計算回路によりＵ相のホール信号とＵ相の逆ＥＭＦ信号の位相差を計算する請求項１１に記載の制御方法。
16. 前記計算回路によりＷ相のホール信号とＵ相の逆ＥＭＦ信号の位相差を計算する請求項１１に記載の制御方法。
17. 前記計算回路によりＷ相のホール信号とＷ相の逆ＥＭＦ信号の位相差を計算する請求項１１に記載の制御方法。
18. 前記計算回路により前記ホール信号の立ち上がり端又は立ち下がり端と前記逆ＥＭＦ信号の局所的最小値の間の位相差を計算する請求項１１に記載の制御方法。
19. 前記計算回路により前記逆ＥＭＦ信号の立ち上がり端と立ち下がり端の間を内挿することによって前記逆ＥＭＦ信号の局所的最小値を計算する請求項１８に記載の制御方法。
20. 前記計算回路により前記逆ＥＭＦ信号の立ち上がり端と立ち下がり端が所定の閾値を越える点の間を内挿する請求項１９記載の制御方法。
21. 前記計算回路により前記多相モーターの単一相のホール信号と逆ＥＭＦ信号の位相差を計算する請求項１記載の制御システム。
22. 前記計算回路により前記多相モーターの一相のホール信号と異なる相の逆ＥＭＦ信号の位相差を計算する請求項１に記載の制御システム。
23. 前記計算回路により前記多相モーターの単一相のホール信号と逆ＥＭＦ信号の位相差を計算する請求項１１に記載の制御方法。
24. 前記計算回路により前記多相モーターの単一相のホール信号と逆ＥＭＦ信号の位相差を計算する請求項１１に記載の制御方法。

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