JP2006141198A - ブラシレス電気モータの転流角の自動調整方法及び調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの効率を回転数依存的に改善するための、ブラシレス電気モータにおける転流角の自動調整方法を提供する。
【解決手段】本発明は、可変な転流角αを利用しながら開ループに基づいてモータ制御部により電気モータの制御が行われる、ブラシレス電気モータの転流角αの自動調整方法及び調整装置に関するものである。本発明によれば、電気モータの最新の回転速度ωを検出するステップと、最新の回転速度を以前に検出されて保存された回転速度ω^α _ｏｌｄと比較するステップと、ω＞ω^α _ｏｌｄの場合に転流角αを一定の値Δαだけ拡大するステップ、又は、ω＜ω^α _ｏｌｄの場合に転流角αを一定の値Δαだけ縮小するステップと、最新の回転数ωを新たな値ω^α _ｏｌｄとして記憶するステップとが繰り返して実行される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に基づく、ブラシレス電気モータの転流角の自動調整方法、及び、請求項６の上位概念に基づく、ブラシレス電気モータの転流角の調整装置に関する。

ブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣモータ：ＢｒｕｓｈＬｅｓｓ ＤＣモータ）は、例えば、ファン、電動工具又は自動車での用途等、様々な用途に用いられている。この場合、モータは直流電圧源と直接接続され、モータ電子装置又はモータ制御部がモータを制御するために利用される。現代のＢＬＤＣには、制御電子装置の心臓部として、どのような用途の場合でも最大限可能なフレキシビリティを可能にするマイクロコントローラが採用されている。マイクロコントローラを用いることにより、どのような用途の場合においてもモータの最善の効率を得るために、転流角を比較的容易に調節することができる。モータの転流角は、モータの巻線における電流転流と、ステータの磁気的に中立な位相との間の角度である。転流角が大きすぎるとき、モータは転流前の制動位相を有している。小さすぎる転流角は、低い磁気抵抗モーメントに基づき（逆起電力）、モータ巻線における低い電流上昇（ｄＩ／ｄｔ）につながる。最善の転流角は、モータの回転数（回転速度）にも左右される。回転速度が高くなればなるほど、転流角を大きく選択することができる。

最高のモータ効率を実現するためのモータ巻線における最善の電流推移は、基本的に、次のようなパラメータに依存して決まる。
転流角 α
動作電圧 Ｕ_ｉｎ
回転速度 ω
モータ負荷と設計 Ｌ，Ｒ_Ｓ，ｎ
蓄積コンデンサの容量 Ｃ

動作電圧Ｕ_ｉｎ、蓄積コンデンサの容量Ｃ、回転速度ω及びモータ負荷は、事前設定されるパラメータであり、即ち、モータ巻線における最善の電流推移を実現するために動作中に変更することができない。

転流角はファームウェアを通じて変更することができ、モータ巻線における電流推移に大きな影響を及ぼし、従って、効率にも大きな影響を及ぼす。

最善の転流角の計算は、式（１）から明らかなように、様々なパラメータに左右される複雑な式に基づいている。
α_ｏｐｔ＝
ｆ（Ｕ_ｉｎ，Ｃ，ω，Ｌ，ｎ_{ｗｉｃｋｌｕｎｇ}，Ｌ_{ｗｉｃｋｌｕｎｇ}，Ｒ_{ｗｉｃｋｌｕｎｇ}，Ｔ_{ｍａｇｎｅｔ}，．．．） （１）

この式を実地に適用するのは非常に困難である。そのため多くの場合、転流角は、モータのいろいろな動作条件の間で妥協を図る不変の値に設定される。

本発明の課題は、モータの効率を回転数依存的に改善するための、ブラシレス電気モータにおける転流角の自動調整方法を提供することである。

この課題は、本発明によれば、請求項１の構成要件を備える方法によって解決される。この方法を実施する対応する装置は、請求項６に定義されている。

本発明のその他の有利な実施の形態や構成要件は、従属請求項に記載されている。

特にモータ制御部のマイクロコントローラのファームウェアにより具現化される上述の方法は、ＢＬＤＣモータの効率を開ループ制御において向上させるために、最新の回転速度に依存して転流角を自動的に制御する。

この方法は、所与の回転速度ωにおいて、モータの改善された効率が実現されるように、転流角αを変更する。転流角は一定の範囲内で変更することができ、下側の限界値α_ｍｉｎと上側の限界値α_ｍａｘとが事前設定されるのが好ましい。例えばα_ｍｉｎとα_ｍａｘとの間の中間値である特定の転流角αが、初期値として利用される。この方法は、モータが定常的な動作状態に達すると直ちに開始される。この状態に当てはまるのは、回転速度を変更するための制御信号をモータ制御部が受け取っておらず、回転速度が一定の値に落ち着いた状態である。このときに本発明の方法を用いて、転流角αを以下に述べるように最適化することができる。

最新の回転速度ωが測定され、転流角αの最後の変更前に記憶された回転速度ω^α _ｏｌｄと比較される。モータが新規スタートしたときはω^α _ｏｌｄがゼロにセットされ、αはα_ｍｉｎとα_ｍａｘとの間の値にセットされる。

最新の回転速度ωが、以前に記憶された回転速度ω^α _ｏｌｄよりも大きい場合、このことは、転流角が最後に変更されて以来、モータ効率が改善されてきていることを意味している。なぜなら、その他のモータパラメータは変わらずに維持されているからである。効率の一層の改善が可能ならばそれを実現するために、最新の転流角αに事前設定された値Δαが加算されることによって、転流角が拡大される。

しかし、最新の回転速度ωが以前に記憶された回転速度ω^α _ｏｌｄよりも小さい場合には、効率が低下してきている。最新の転流角αから事前設定された値Δαが減算されることによって、転流角が縮小される。転流角αが変更されるごとに、最新の回転速度が値ω^α _ｏｌｄとして保存される。

転流角が変更された後は、回転速度が安定している動作状態が再び成立するまで待機する。そして、最新の回転速度が改めて検出され、本方法が最初から実施される。

本方法は、モータ制御のバックグラウンドにおいて継続的に実行される。

本発明に係る方法の利点は、モータの出力を判定するために、モータ電圧やモータ電流を検出するセンサをモータ制御部が必要としないことである。動作電圧が大きく変化する場合には、動作電圧の検出を意図することができる。本方法は、モータ制御部においてファームウェアとして具現化される。従って、本方法は特に「低コスト」用途に適用することができ、及び、小規模なモータ電子装置／モータセンサ装置しか可能でない用途に適用することができる。

次に、図面を参照しながら本発明の有利な実施の形態について説明する。

図１は、転流角を調整するための本発明の方法手順をフローチャートにより示している。

ステップ１において方法が開始された後、先ず、モータの速度設定が変更されているかどうかがチェックされる（ステップ２）。通常、ブラシレス直流モータは、パルス幅変調によって制御される。デューティ比ＰＷＭ_ｉｎを事前設定することにより、モータの回転速度又は回転数を決定することができる。ステップ３においては、最新のデューティ比ＰＷＭ_ｉｎの値から、以前に記憶されたデューティ比ＰＷＭ_ｏｌｄの値が減算され、その差がゼロになるかどうか調べられることによって、事前設定されたデューティ比が変化しているかどうかがチェックされる。差がゼロでない場合、このことは、速度設定が変化したことを意味しており、回転速度ωの変化につながるので、目下、安定したモータ状態が成立していないことになる。従って、当面は転流角αの調整を行うことができないので、ステップ１４が実行される。ステップ１４では、最新の回転速度ωが値ω_ｏｌｄとして保存される。ステップ３において速度設定が変化していないことが確認されたときは、即ち、ＰＷＭ_ｉｎとＰＷＭ_ｏｌｄとの差＝０であるときは、次のステップ４において最新の回転速度ωが検出される。そして、ステップ５において、記憶されている値ω_ｏｌｄから最新の回転速度ωの値が差し引かれ、こうして得られた差の絶対値をとる。この値が値Δωと比較される。この値が特定の値Δωよりも小さくない場合、このことは、回転速度ωが依然として比較的大きく変化しており、モータはまだ定常的な動作状態に達していないことを意味している。従って、ステップ１４が実行され、回転速度ωの最新の値が値ω_ｏｌｄとして保存される。

しかし、ステップ５において得られた値が一定の参照値Δωよりも小さい場合、このことは、回転速度ωがもはや大幅には変化しておらず、モータが定常的な動作状態に達していることを意味している。この場合には、転流角αの調整を開始することができる。そのためにステップ６を実行する。ステップ６においては、最新の回転速度ωが転流角関連の値ω^α _ｏｌｄと比較される。ω^α _ｏｌｄは、転流角αが最後に変更されたときに測定された回転速度である。回転速度ωが値ω^α _ｏｌｄよりも大きい場合、このことは、転流角αが最後に変更されて以来、モータ効率が改善されていることを意味している。この場合には、最新の転流角αに一定の値Δαが加算され、即ち、最新の転流角αが拡大される（ステップ８）。しかし、ω^α _ｏｌｄの方がωよりも大きいときは効率が低下してきており、ステップ７を実行し、値Δαが値−Δαに設定される。このことは、ステップ８において、最新の転流角に負の値Δαが加算されることを意味しているので、この場合には転流角αが縮小される。

モータ制御部では、転流角αの変更がどの程度の領域内において変動してよいかが決定される。そのために、下側の領域限界α_ｍｉｎと上側の領域限界α_ｍａｘとが決定される。ステップ９において、最新の転流角αが最大値α_ｍａｘよりも大きいかどうかがチェックされる。大きい場合には、ステップ１２において最新の転流角αの値が最大値α_ｍａｘに設定される。大きくない場合には、ステップ１０が実行される。ここでは、最新の転流角αが最小値α_ｍｉｎよりも小さいかどうかがチェックされる。小さい場合には、ステップ１１において最新の転流角αが値α_ｍｉｎに設定される。小さくない場合には、ステップ１３が実行される。このステップでは、最新のデューティ比ＰＷＭが値ＰＷＭ_ｏｌｄとして保存される。それと同時に、値ω^α _ｏｌｄが回転速度の最新値ωに設定される。ステップ１４においては、回転速度の最新値ωが値ω_ｏｌｄとして保存される。こうして本方法は、終了する（ステップ１５）。この方法は、さらに再度、最初から実施することができる。

以上に説明した本発明に係るブラシレス電気モータの転流角αの自動調整方法を実施するための本発明に係るブラシレス電気モータの転流角の調整装置の構成は、以下の通りである。

即ち、本発明に係るブラシレス電気モータの転流角の調整装置は、転流角αが可変な電気モータを制御するための開ループに基づく電子モータ制御部の一部としての、ブラシレス電気モータの転流角の調整装置であって、電気モータの最新の回転速度ωを検出する手段と、最新の回転速度を以前に検出されて保存された回転速度ω^α _ｏｌｄと比較する手段と、ω＞ω^α _ｏｌｄの場合に転流角αが一定の値Δαだけ拡大され、ω＜ω^α _ｏｌｄの場合に転流角αが一定の値Δαだけ縮小される、転流角αを変更する手段と、回転速度ω^α _ｏｌｄを記憶する手段と、を備えているものである。

最新の回転速度を検出する上記手段は、少なくとも一つのホールセンサを含んでおり、その出力信号が上記モータ制御部により評価されるものとするとよい。

転流角を調整するための本発明の方法手順を示すフローチャートである。

符号の説明

ω 最新の回転速度（回転数）
Δω 回転速度の許容される差異
値ω^α _ｏｌｄ 転流角αが最後に変化したときの回転速度
値ω_ｏｌｄ 回転速度の記憶された最後の値
α 最新の転流角
Δα 転流角の変化
α_ｍａｘ 最大限許容される転流角
α_ｍｉｎ 最小限許容される転流角
ＰＷＭ_ｉｎ 事前設定されたデューティ比
ＰＷＭ_ｏｌｄ 以前のデューティ比

Claims (7)

1. 可変な転流角αを利用しながら開ループに基づいてモータ制御部により電気モータの制御が行われる、ブラシレス電気モータの転流角αの自動調整方法において、
   電気モータの最新の回転速度ωを検出するステップと、
   最新の回転速度を以前に検出されて保存された回転速度ω^α _ｏｌｄと比較するステップと、
   ω＞ω^α _ｏｌｄの場合に転流角αを一定の値Δαだけ拡大するステップ、又は、ω＜ω^α _ｏｌｄの場合に転流角αを一定の値Δαだけ縮小するステップと、
   最新の回転数ωを新たな値ω^α _ｏｌｄとして記憶するステップと、
   を含むことを特徴とするブラシレス電気モータの転流角αの自動調整方法。
2. 前記転流角αは、下側の限界値α_ｍｉｎと上側の限界値α_ｍａｘとの間において可変であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. モータが安定した動作状態のときにのみ前記転流角αの変更が行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 消費された電力を測定することなく、即ち、最新の電圧と消費された電流とを測定することなく、モータ効率が最適化されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. ファン又はポンプを駆動するためのモータにおいて適用されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 転流角αが可変な電気モータを制御するための開ループに基づくモータ制御部の一部としての、ブラシレス電気モータの転流角の調整装置において、
   電気モータの最新の回転速度ωを検出する手段と、
   最新の回転速度を以前に検出されて保存された回転速度ω^α _ｏｌｄと比較する手段と、
   ω＞ω^α _ｏｌｄの場合に転流角αが一定の値Δαだけ拡大され、ω＜ω^α _ｏｌｄの場合に転流角αが一定の値Δαだけ縮小される、転流角αを変更する手段と、
   回転速度ω^α _ｏｌｄを記憶する手段と、
   を備えていることを特徴とするブラシレス電気モータの転流角の調整装置。
7. 最新の回転速度ωを検出する前記手段は、少なくとも一つのホールセンサを含んでおり、その出力信号が前記モータ制御部により評価されることを特徴とする請求項６に記載の装置。

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