JP2006333599A - Controller for dc brushless motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はDCブラシレスモータの制御方法に関するものである。 The present invention relates to a method for controlling a DC brushless motor.
空気調和機の室外ファンの駆動にはDCブラシレスモータが多く用いられている。室外ファンは有風時に回転し、その回転方向及び速度は一様ではなく、回転状態でモータを始動させると、回転方向及び回転速度によってはモータに大きな負担がかかる場合があり、最悪破損するおそれがある。 A DC brushless motor is often used to drive an outdoor fan of an air conditioner. The outdoor fan rotates when there is wind, and the rotation direction and speed are not uniform. If the motor is started in the rotation state, the motor may be heavily loaded depending on the rotation direction and rotation speed, and may be damaged in the worst case. There is.
したがって、空気調和機の運転開始時に、室外ファンが回転していたとすれば、その制動、停止、位置決めを行ってから起動させることになる。 Therefore, if the outdoor fan is rotating at the start of operation of the air conditioner, the air conditioner is started after braking, stopping, and positioning.
一方、DCブラシレスモータは、そのロータの磁極位置を検出するために磁極位置センサが用いられている。室外ファンの制動、停止、位置決めには磁極位置センサの出力に基づいてその方向及び回転数を検知し、これに応じてステータ巻線に供給する電流を制御していた。しかし、従来の駆動装置においては、3個の磁極位置センサを用いていたため、コストを高騰させる一因になっていた。 On the other hand, the DC brushless motor uses a magnetic pole position sensor to detect the magnetic pole position of the rotor. For braking, stopping, and positioning of the outdoor fan, the direction and the number of rotations are detected based on the output of the magnetic pole position sensor, and the current supplied to the stator winding is controlled accordingly. However, in the conventional driving device, since three magnetic pole position sensors are used, it has become a cause of increasing the cost.
そこで、特許文献1においては低コスト化を目的として、巻線相数よりも少ない数の磁極位置センサによって、直流励磁または巻線短絡を行うことにより、ロータを所定位置に停止させてからモータを始動する技術について提案されている。
しかしながら、モータに作用する外力が強い場合には、巻線短絡ではブレーキトルクが弱いためロータを停止させることができない。また、直流励磁は、ロータの位置によってブレーキトルクが作用する場合と作用しない場合とがあるため、直流励磁が弱い場合には、やはりロータを停止させることができず振り切られてしまう。 However, when the external force acting on the motor is strong, the rotor cannot be stopped because the brake torque is weak when the winding is short-circuited. Moreover, since direct current excitation may or may not work depending on the position of the rotor, if the direct current excitation is weak, the rotor cannot be stopped and is shaken off.
ロータを確実に停止させるために直流励磁を強くすることも考えられるが、直流励磁を強くするにはモータの巻線に流す電流量を増加させねばならない。巻線に流す電流量を増加させると、ロータを構成する永久磁石が発生させている磁界の向きと逆向きの強い磁界が巻線に発生して、永久磁石を減磁させてしまうおそれがある。 Although it is conceivable to increase the DC excitation in order to reliably stop the rotor, to increase the DC excitation, it is necessary to increase the amount of current flowing through the motor winding. If the amount of current flowing through the winding is increased, a strong magnetic field opposite to the direction of the magnetic field generated by the permanent magnet constituting the rotor may be generated in the winding, and the permanent magnet may be demagnetized. .
本発明は始動前にモータが外力によって回転している場合に、ロータを所定位置に確実に停止させることができるDCブラシレスモータの制御装置を提供することを目的する。 An object of the present invention is to provide a control device for a DC brushless motor capable of reliably stopping a rotor at a predetermined position when the motor is rotated by an external force before starting.
前記従来の課題を解決するために本発明のDCブラシレスモータの制御装置は、DCブラシレスモータとDCブラシレスモータのロータの磁極位置を検出する1つの磁極位置センサと、複数のスイッチング素子が3相ブリッジ接続され、前記スイッチング素子の開閉により直流電圧を交流電圧に変換し、前記DCブラシレスモータに供給するインバータ回路と、前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、前記磁極位置センサの信号からモータ回転数および減速度の演算を行う演算手段と、前記演算手段の結果に基づき前記駆動手段の出力するPWM信号のデューティを制御するデューティ制御手段とを備え、前記駆動手段は、前記DCブラシレスモータの起動前にファンが外力により回転している場合にお
いて、前記磁極位置センサの出力信号に同期して、2つのパターンの直流励磁信号を切り換え、前記直流励磁信号のデューティを減速度に応じて制御させるものである。
In order to solve the above-described conventional problems, a control apparatus for a DC brushless motor according to the present invention includes a DC brushless motor, one magnetic pole position sensor for detecting the magnetic pole position of the rotor of the DC brushless motor, and a plurality of switching elements having a three-phase bridge. An inverter circuit that is connected and converts a DC voltage to an AC voltage by opening and closing the switching element and supplies the DC voltage to the DC brushless motor; a driving unit that drives the switching element; Computation means for computing the deceleration, and duty control means for controlling the duty of the PWM signal output from the drive means based on the result of the computation means, the drive means before starting the DC brushless motor When the fan is rotated by an external force, the magnetic pole position sensor In synchronization with a signal, it switches the DC excitation signals of the two patterns, but to control the duty cycle of the DC excitation signal in response to the deceleration.
本発明のDCブラシレスモータの制御装置は、ファンが起動前に外的な要因によって回転している場合において、モータの回転方向およびモータの個体差や特性が変化した場合においても駆動回路及びモータに過度の負担をかけることなく、短時間かつ確実にDCブラシレスモータの制動・停止が可能となる。 The control device for a DC brushless motor according to the present invention provides a drive circuit and a motor even when the rotation direction of the motor and the individual differences or characteristics of the motor change when the fan rotates due to external factors before starting. The DC brushless motor can be braked / stopped in a short time and reliably without imposing an excessive burden.
第1の発明は、DCブラシレスモータとDCブラシレスモータのロータの磁極位置を検出する1つの磁極位置センサと、複数のスイッチング素子が3相ブリッジ接続され、スイッチング素子の開閉により直流電圧を交流電圧に変換し、DCブラシレスモータに供給するインバータ回路と、スイッチング素子を駆動する駆動手段と、磁極位置センサの信号からモータ回転数および減速度の演算を行う演算手段と、演算手段の結果に基づき駆動手段が出力するPWM信号のデューティを制御するデューティ制御手段とを備え、駆動手段は、DCブラシレスモータの起動前にファンが外力により回転している場合において、磁極位置センサの出力信号に同期して、2つのパターンの直流励磁信号を切り換え、さらに減速度に応じて直流励磁信号のデューティを制御することにより、駆動回路及びモータに過度の負担をかけることなく制動・停止を可能とすることができる。 In the first invention, a DC brushless motor, a magnetic pole position sensor for detecting a magnetic pole position of a rotor of the DC brushless motor, and a plurality of switching elements are connected in a three-phase bridge, and a DC voltage is changed to an AC voltage by opening and closing the switching elements. Inverter circuit for converting and supplying to the DC brushless motor, driving means for driving the switching element, computing means for calculating the motor rotation speed and deceleration from the signal of the magnetic pole position sensor, and driving means based on the result of the computing means Duty control means for controlling the duty of the PWM signal output from the motor, and the drive means is synchronized with the output signal of the magnetic pole position sensor when the fan is rotated by an external force before starting the DC brushless motor, Switch between the two patterns of DC excitation signal, and further select the DC excitation signal according to the deceleration. By controlling the parties are able to allow braking and stopping without overburdening the driver circuit and the motor.
第2の発明は、前記デューティ制御手段は演算手段により得られる回転数fと減速度aの関係がa<f2を満足するようにデューティ制御することで、モータの個体差や特性が変化した場合でも、モータの回転方向がハンチングすることを防止できるので、より確実に制動・停止させることができる。 According to a second aspect of the invention, the duty control means performs duty control so that the relationship between the rotational speed f obtained by the calculation means and the deceleration a satisfies a <f 2 , so that individual differences and characteristics of the motor have changed. Even in this case, it is possible to prevent hunting in the rotation direction of the motor, so that braking and stopping can be performed more reliably.
第3の発明は、前記デューティ制御手段の初期デューティを外力による初期回転数に応じて変更することにより、外力の負荷に関わらず、回転方向のハンチングの防止と短時間でモータの制動・停止を実現することができる。 According to a third aspect of the present invention, by changing the initial duty of the duty control means according to the initial rotational speed by an external force, the hunting in the rotational direction is prevented and the motor is braked / stopped in a short time regardless of the load of the external force. Can be realized.
第4の発明は、前記演算手段における回転数および減速度の演算を平均化することにより、モータの減速度の脈動を抑制できるため、より安定したモータの制動・停止を実現することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the pulsation of the deceleration of the motor can be suppressed by averaging the calculation of the rotation speed and the deceleration in the calculating means, it is possible to realize more stable braking / stopping of the motor.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
以下、本発明を例えば空気調和機の室外機に設けられたファンを駆動するDCブラシレスモータに適用した実施の形態1について図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a first embodiment in which the present invention is applied to a DC brushless motor that drives a fan provided in an outdoor unit of an air conditioner, for example, will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態1におけるDCブラシレスモータの制御装置の構成を示したブロック図である。図1において、DCブラシレスモータ1は空気調和機の室外機に設けられる室外ファンの駆動用モータとして用いられ、このDCブラシレスモータ1のU相、V相、W相の各ステータ巻線は中性点Nでスター結線され、さらに、ステータには磁極位置センサ2が設けられている。このうち、ステータのU、V、W相巻線はインバータ回路3に接続され、その接続点をそれぞれU、V、Wとする。インバータ回路3はQu、Qv、Qw、Qx、Qy、Qzが3相ブリッジ接続されている。すなわち、スイッチング素子Qu及びQxの直列接続回路と、スイッチング素子Qv及びQyの直列接続回路と、スイッチング素子Qw及びQzの直列接続回路とが並列接続され、その一端が直流電源4の
正極に接続され、他端が直流電源4の負極に接続されている。これらのスイッチング素子Qu、Qv、Qw 、Qx、Qy、Qzには環流用のダイオードDu、Dv、Dw、Dx、Dy、Dzがそれぞれ逆並列に接続されている。また、スイッチング素子Qu、Qv、Qw 、Qx、Qy、Qzを駆動するために、駆動手段5からSu、Sv、Sw、Sx、Sy、Szの駆動信号が出力される構成となっている。さらに、磁極位置センサ2からの出力信号線は演算手段6に接続され、演算手段6における演算結果に基づき、デューティ制御手段7は駆動手段5に駆動信号のデューティを指令する構成となっている。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control device for a DC brushless motor according to
上記のように構成された本実施形態1の動作について以下に説明する。ここで、スイッチング素子Qu、Qv、Qwをインバータ回路3の正電圧側のスイッチング素子と称し、スイッチング素子Qx、Qy、Qzをインバータ回路3の負電圧側のスイッチング素子と称することとする。また、磁極位置センサ2はロータのN磁極を検出したときハイレベルの信号を出力し、ロータのS磁極を検出したとき、ローレベルの信号を出力するものとする。一方、外力によりモータが回転している場合に、1つの磁極位置センサでは回転方向が不明であるため、所定位置に確実に停止させ、その後、起動させる必要がある。ここで、ロータを停止させる磁極位置について図2〜4を用いて説明する。図2〜4はロータを2極、ステータを3スロットとした場合のDCブラシレスモータの内部構造を示している。図2で図示する磁極位置は通常の回転方向(図示した矢印の向き)にロータが回転している場合に磁極位置センサ2がロータのS磁極を検出し、ローレベルの信号を出力する磁極位置を表しており、このときの回転角を0°と定義すると、図3、図4の磁極位置はそれぞれ、回転角90°、270°となる。この2つの磁極位置では、1つの磁極位置センサであっても回転方向に関係なく磁極位置が推定可能となる。
The operation of the first embodiment configured as described above will be described below. Here, the switching elements Qu, Qv, and Qw are referred to as positive voltage side switching elements of the
次に、図3、図4に示す磁極位置で停止させるための具体的な停止方法について図5を用いて説明する。図5は磁極位置センサ2の信号レベルと、ロータを制動するための直流励磁信号の関係を表している。図中のW−Y、V−Zが直流励磁信号のパターンである。この直流励磁信号によりモータ内部に磁界を発生させ制動トルクを発生する。W−Yは図3に示す90°の磁極位置に、V−Zは図4に示す270°の磁極位置に停止させる直流励磁信号である。この2つの直流励磁信号のパターンを図5の示すとおりに磁極位置センサ2の信号レベルの変化に基づいて交互に出力する。なお、図5のVingはこの2つの直流励磁パターンの通電幅であり、本実施の形態においてはVingを80°としている。
Next, a specific stopping method for stopping at the magnetic pole positions shown in FIGS. 3 and 4 will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the relationship between the signal level of the magnetic
次に、図6を用いて外力による回転数f0から上記した停止方法により制動をかけたときのファンの回転数の時間変化および磁極位置センサ2の信号を示す。ファンの回転数は磁極位置センサ2の信号周期を演算手段6内部のタイマ(図示せず)により計測した結果により得ることができる。原理上、磁極位置センサ2の信号は離散値であり、演算手段6は図6の直線上のプロット毎にファンの回転数を演算、認識することとなる。また、演算手段6が回転数f1以下を認識した場合、2つの直流励磁信号の切り換えを止め、いずれかの直流励磁信号を出力することで、位置決め(停止)状態となり起動が容易となる。
Next, FIG. 6 shows the change over time of the rotational speed of the fan and the signal of the magnetic
図7に図6とモータ特性(誘起電圧、巻線抵抗および巻線のインダクタンス等)の異なる場合の回転数の時間変化および磁極位置センサ2の信号を示す。図6で示した直線と比較して、その特性の傾きが異なる。この特性差は温度特性や製造上の個体差によるものである。図6の場合、演算手段6が所定の回転数範囲(0〜f1)で回転数を認識できるため、確実に停止することができる。一方、図7では所定の回転数範囲(0〜f1)内に演算手段6が回転数を認識することができない。図7においては回転数0以下、つまり回転方向が異なった後に認識することになるか、あるいは認識できないこともある。その結果、1つの磁極位置センサでは回転方向が不明なため、図8のように回転方向のハンチング現象に陥ることとなる。このように図6および図7の直線の傾き(以後、減速度と称する
)が急峻なほど、ハンチング現象が発生することとなる。
FIG. 7 shows the time variation of the rotational speed and the signal of the magnetic
次に、図9を用いてハンチング現象が発生しない減速度の理論値にいて説明する。図9は磁極位置センサ2の信号レベルの変化に対応した時間t、回転数f、減速度aを定義したものであり、減速度a(n)(nは自然数)は式1のように表すことができる。
Next, the theoretical value of deceleration at which the hunting phenomenon does not occur will be described with reference to FIG. FIG. 9 defines the time t corresponding to the change in the signal level of the magnetic
a(n)=(f(n−1)−f(n))/(t(n)−t(n−1)) 式1
また、角速度ωと回転角θの関係より、次のような関係式を得る。
a (n) = (f (n−1) −f (n)) / (t (n) −t (n−1))
Further, the following relational expression is obtained from the relationship between the angular velocity ω and the rotation angle θ.
Δθ=∫ωdt=π(f(n)+f(n−1))・(t(n+1)−t(n)) 式2
式2において、Δθ=πなので
(f(n)+f(n+1))・(t(n+1)−t(n)) 式3
式1、式3より、
f(n+1)=√(f(n)**2−a(n)) 式4
式4の解の条件である式5が理論式となる。
Δθ = ∫ωdt = π (f (n) + f (n−1)) · (t (n + 1) −t (n))
In
From
f (n + 1) = √ (f (n) ** 2-a (n))
a(n)<f(n)**2 式5
(ここで、**2は自乗を表す)
次に、式5の関係を満足するための制御方法について図10を用いて説明する。図10は磁極位置センサ2の信号と直流励磁信号のデューティの関係を示しており、磁極位置センサ2の信号レベルの変化毎に演算手段6において回転数および減速度を監視し、さらにこの結果に基づきデューティ制御手段7において、現在の通電幅D(n)から次に磁極位置センサ2の信号レベルが変化したときのD(n+1)を次式6に示すように制御する。制御方式としては減速度を、予め設定した目標減速度(as)となるように比例制御するものである。
a (n) <f (n) ** 2
(Here, ** 2 represents the square)
Next, a control method for satisfying the relationship of
D(n+1)=D(n)−kp(a(n)−as)(kp:比例定数) 式6
なお、目標減速度は回転数に応じて式5を満足するよう範囲で任意に変更することも可能である。以上の制御とした場合の回転数およびデューティと時間の関係を図11に、減速度と回転数の関係を図12に示す。図11は目標減速度を固定した場合に回転数およびデューティと時間の関係を示しており、デューティは初期デューティであるD0から時間ts経過後にほぼ一定となる(ts:減速度が目標減速度asに達する時間)。回転数については、時間ts経過後に減速度(傾き)がasで一定となる。この制御は演算手段6が回転数f1以下を認識するまで継続する。
D (n + 1) = D (n) −kp (a (n) −as) (kp: proportional constant)
It should be noted that the target deceleration can be arbitrarily changed within a range so as to satisfy
図12は初期回転数100rpm付近から停止判定回転数fs(=25rpm)まで目標減速度as(=30rpm)となるように制御した場合の実験結果を示している。回転数f0からf1までの全域において式5の関係を満足することができる。
FIG. 12 shows the experimental results when the target deceleration as (= 30 rpm) is controlled from the initial rotation speed near 100 rpm to the stop determination rotation speed fs (= 25 rpm). The relationship of
以上のような制御とすることで、自然風によりファンが回転している場合においても、減速度を理論値以内に制御することができるためモータの個体差によらず確実にファンの制動および停止が可能となる。 With the control described above, even when the fan is rotating due to natural wind, the deceleration can be controlled within the theoretical value, so that the fan can be reliably braked and stopped regardless of individual motor differences. Is possible.
なお、本実施の形態1では説明を簡単にするため、図2〜4に示すようにロータは2極、ステータを3スロットの構造としているが、ロータの極数が2m、ステータのスロット数が3mを有するモータの場合においてもこれまでの説明は、同様となる(mは自然数)
。
In order to simplify the description in the first embodiment, the rotor has a structure of two poles and the stator has three slots as shown in FIGS. 2 to 4, but the number of poles of the rotor is 2 m and the number of slots of the stator is Even in the case of a motor having 3 m, the description so far is the same (m is a natural number).
.
(実施の形態2)
図1〜図12については実施の形態1と同一の内容のため説明を省略する。図13は初期デューティであるD0と外力による初期回転数f0の関係を表している。外力が強く初期回転数が大きい場合にはD0を大きく設定し、外力が比較的弱く初期回転数が低い場合にはD0を小さく設定する。このように外力の大きさに応じて初期デューティD0を設定可変とすることで、自然風による外力が比較的小さい場合には減速度の理論値を越えることを防止するとともに、外力が大きな場合には停止までに要する時間を短縮することが可能となる。
(Embodiment 2)
1 to 12 are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted. FIG. 13 shows the relationship between the initial duty D0 and the initial rotational speed f0 due to external force. When the external force is strong and the initial rotational speed is large, D0 is set large, and when the external force is relatively weak and the initial rotational speed is low, D0 is set small. Thus, by setting the initial duty D0 to be variable according to the magnitude of the external force, it is possible to prevent the deceleration from exceeding the theoretical value when the external force due to natural wind is relatively small, and when the external force is large. Can shorten the time required to stop.
(実施の形態3)
図1〜図13については実施の形態1、2で説明した内容と同一であり、説明を省略する。図14を用いて、演算手段6が演算する回転数および減速度の平均化処理について説明する。図14は極位置センサ2の信号レベルの変化毎の時間t(n)における、演算後の回転数faveおよび減速度aaveをそれぞれ示している。次に回転数および減速度の演算を4回平均化する場合の演算方法を示す。まず、時間t(n)、t(n+1)における回転数fave(n)、fave(n+1)は、
fave(n−1)=1/(t(n−1)−t(n−5)) 式7
fave(n)=1/(t(n)−t(n−4)) 式8
さらに、時間t(n)における4回平均化後の減速度aave(n)は、
aave(n)=(fave(n−1)−fave(n))/(t(n)−t(n−1))式9
と演算する。この結果に基づき、実施の形態1と同様にデューティ制御手段7において、直流励磁信号のデューティを制御する。このように演算を平均化することで、図12(減速度の演算に平均化処理をしない場合)では高回転数域にて減速度にハンチングが発生するが、図15に示すように、回転数および減速度の演算に平均処理(4回)した場合に回転数全域において減速度の脈動を低減し、式5に示す条件を満足することができる。
(Embodiment 3)
1 to 13 are the same as those described in the first and second embodiments, and a description thereof will be omitted. The rotation speed and deceleration averaging process calculated by the calculation means 6 will be described with reference to FIG. FIG. 14 shows the calculated rotational speed fave and deceleration aave at time t (n) for each change in the signal level of the
fave (n-1) = 1 / (t (n-1) -t (n-5))
fave (n) = 1 / (t (n) -t (n-4)) Equation 8
Furthermore, the deceleration aave (n) after averaging four times at time t (n) is
ave (n) = (fave (n−1) −fave (n)) / (t (n) −t (n−1)) Equation 9
And calculate. Based on this result, the duty control means 7 controls the duty of the DC excitation signal as in the first embodiment. By averaging the calculations in this way, hunting occurs in the deceleration in the high rotation speed range in FIG. 12 (when the averaging process is not performed in the deceleration calculation), but as shown in FIG. When the average processing (4 times) is performed for the calculation of the number and the deceleration, the pulsation of the deceleration can be reduced over the entire rotational speed, and the condition shown in
以上のように、本発明にかかるDCブラシレスモータの制御装置はファンが外的な要因によって回転している場合において、駆動回路及びモータに過度の負担をかけることなく、永久磁石の減磁を抑え、さらにモータ個体差や特性の変化した場合においてもファンの制動、停止が可能となるので、空気調和機の室外ファンだけでなく、外的要因によって、起動時に自由回転しているブラシレスモータに適用することができる。 As described above, the DC brushless motor control device according to the present invention suppresses the demagnetization of the permanent magnet without imposing an excessive burden on the drive circuit and the motor when the fan rotates due to an external factor. In addition, the fan can be braked and stopped even when individual motor differences or characteristics change, so it can be applied not only to the outdoor fan of an air conditioner, but also to a brushless motor that freely rotates during startup due to external factors. can do.
1 DCブラシレスモータ
2 磁極位置センサ
3 インバータ回路
4 直流電源
5 駆動手段
6 演算手段
7 デューティ制御手段
DESCRIPTION OF
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005152115A JP2006333599A (en) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | Controller for dc brushless motor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005152115A JP2006333599A (en) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | Controller for dc brushless motor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006333599A true JP2006333599A (en) | 2006-12-07 |
Family
ID=37554699
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006333599A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011103707A (en) * | 2009-11-10 | 2011-05-26 | Hitachi Ltd | Motor control apparatus |
CN110557059A (en) * | 2018-05-31 | 2019-12-10 | 长城汽车股份有限公司 | Motor stalling method and device |
-
2005
- 2005-05-25 JP JP2005152115A patent/JP2006333599A/en active Pending
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