JP2007028774A - ブラシレスモータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータに重い負荷が接続された場合にも、起動が容易で、インバータトリップが生じ難く、安定した運転が可能なブラシレスモータの駆動装置を提供する。
【解決手段】 ロータ１２の外周に沿って配置された位置センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３と、該位置センサからの信号により、ロータ１２の基準位置がステータ１１内周面の一周を前記位置センサ数の倍に分割したフェーズのいずれかに位置することを検出するロータ位置検出手段１５と、ロータ１２の基準位置の前記フェーズ境界の通過にともなう割込信号から、ステータの三相巻線に印加する空間電圧ベクトルのスタート回転角度とストップ回転角度とを設定するとともに、前記空間電圧ベクトルの回転角度を監視する位相制御手段１６と、前記空間電圧ベクトルの大きさ、周波数、及び位相を制御して前記ステータ巻線に印加する電圧印加手段１３とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステータ巻線にインバータ装置等の電圧印加手段により三相交流電流を通電することで、正弦波の回転磁界を形成し、永久磁石を周設したロータを回転駆動するブラシレスモータの駆動装置に関するものである。

ロータ回転軸の周囲に設置されている位置センサの信号に基づき、予め決められている二相通電バタ一ンに従って、インバータ装置から二相台形波電流を三相ステータ巻線に通電して、永久磁石を周設したロータを回転駆動するブラシレスモータの駆動装置が知られている（例えば、特許文献１）。これらの駆動装置においては、所定の周期（例えば、１０msec）で、ステータ巻線に二相電圧を出力する時に、出力電圧のＰＷＭパルス幅変調の導通率αを例えば速度ＰＩ制御などで調整し、負荷が変動しても目標回転速度が得られるように制御されている。

しかし、二相通電パターンの電流波形は台形波状になっているために、起動特性は良好であるが、トルクリップルが大きいと共に騒音が大きく、三相ステータ巻線の利用率が悪いなどの問題点がある。このため、ブラシレスモータの駆動装置としては、ステータの三相巻線に正弦波電流を通電する正弦波通電法が広く使用されている（例えば、特許文献２）。正弦波通電法は、ロータ回転軸の周囲に設置されている位置センサの信号に基き、インバータ装置からステータ巻線に対して、三相正弦波交流電流を出力することで、正弦波の空間回転磁界を形成し、永久磁石を周設したロータを回転駆動するものである。これにより、モータの出力トルクがなめらかに平滑され（トルクリップルが無くなり）、騒音を大幅に抑え、且つ巻線の利用率を高めることができる。
特開昭６２−１３１７８７号公報 特開平１０ー２９０５９２号公報

しかし、正弦波通電法は、起動特性、或いは負荷の急変に対して問題がある。正弦波通電法は二相通電法と違い、三相巻線に三相交流正弦波電流を通電し、回転磁界を形成するものであり、三相巻線に印加する電圧の振幅（パルス幅変調信号の導通率）と回転角度の二つの要素を考慮する必要がある。また、モータの出力トルクは、駆動電流の大きさ以外に、ステータ三相巻線に印加されたインバータの各相の出力電圧を合成して表される空間電圧ベクトルの回転角度と誘起電圧回転角度（つまりロータ回転角度＋９０°）との角度差にも関係がある。なお、空間電圧ベクトルの回転角度は、インバータ装置内部にて時間の経過と共に刻々更新していて、誘起電圧の回転角度はロータ回転角度と関連して、位置センサにより計測されている。

大体、ロータの負荷は事前に分からない場合が多い。そのために、インバータ装置は予め決めている電圧の大きさ（振幅、パルス幅変調信号の導通率）で、予め決めている回転周波数で、三相正弦波電圧を出力するように設計されている。その電圧の大きさ（振幅、パルス幅変調信号の導通率）は、その後に、電流ＰＩなどの制御により更新され、電圧の回転角度（位相）は、位置センサ信号によりＰＬＬなどの処理が行われるため、定常運転状態ではブラシレスモータは徐々に加速でき、正常運転ができる。

しかし、負荷の急激な変動時又は低い回転速度の時、特に起動時では、ロータ回転軸の周囲に配置された位置センサは、通常３個のみであり、ロータの回転角度の検出時間間隔が広いため、空間電圧ベクトルの回転角度の処理を適切に行わないと、モータ回転トルクが不足し、インバータトリップが発生しやすくなる。例えば、ロータ負荷が急に重くなる場合に、インバータ装置の出力電圧の回転角度は時間の経過によりどんどん進むが、負荷に接続したロータの回転角度即ち誘起電圧の回転角度が一定値以上遅れると、モータトルクは全く出なくなったり、逆にマイナストルクを発生したりすることになる。そうなると、最終的にインバータ装置では出力電流が速度ＰＩ制御などにより上昇し、更に、空間電圧ベクトルとモータの誘起電圧との位相差で出力電流が大幅に振動し、インバータ装置のトリップレベルまで上昇すると、インバータトリップを起し、停止してしまうことになる。

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、ロータに重い負荷が接続された場合にも、起動が容易で、インバータトリップが生じ難く、また、負荷の急変に対しても安定した運転の継続が可能なブラシレスモータの駆動装置を提供することを目的とする。

本発明のブラシレスモータの駆動装置は、ロータの外周に沿って配置された位置センサと、該位置センサからの信号により、前記ロータの基準位置がステータ内周面の一周を位置センサ数の倍に分割したフェーズのいずれかに位置することを検出するロータ位置検出手段と、前記ロータの前記フェーズ境界の通過にともなう割込信号から、ステータの三相巻線に印加するインバータの各相の出力電圧を合成した空間電圧ベクトルのスタート回転角度とストップ回転角度とを設定するとともに、前記空間電圧ベクトルの回転角度を監視する位相制御手段と、前記空間電圧ベクトルに相当する各相の出力電圧の大きさ、周波数、及び位相を制御して、ステータ巻線に空間電圧ベクトルを印加する電圧印加手段（インバータ装置）とを備えたことを特徴とするものである。

そして、前記割込信号により、前記スタート回転角度から前記空間電圧ベクトルを回転させ、前記空間電圧ベクトルの回転を監視し、前記ストップ回転角度に到達したら、該ストップ回転角度の属するフェーズにおける所定の静止空間電圧ベクトルに相当する電圧印加手段（インバータ装置）の各相の出力電圧を前記ステータ巻線に印加することを特徴とするものである。

なお、空間電圧ベクトルとは、空間的に電気角度１２０°間隔で分布しているステータ巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に、それぞれ時間的に電気角度１２０°異なる三相交流電圧を印加すると、全体としては1個の回転している電圧ベクトルが合成される。また、三相交流電圧を印加すると、三相巻線に位相が１２０°異なる正弦波電流が流れ空間回転磁界（ベクトル）が形成される。そして、空間電圧ベクトルを回転させるとは、空間回転磁界（ベクトル）を回転させる正弦波電圧を三相巻線に印加することを意味する。
また、静止空間電圧ベクトルとは、空間的に電気角度１２０°間隔で分布しているステータ巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）にそれぞれ一定の直流電圧（或いは直流に相当するＰＷＭ電圧）を印加すると、電圧ベクトルが合成され、各ステータ巻線に直流電流が流れ、空間的に一定方向の静止磁界（ベクトル）が形成される。この静止空間磁界（ベクトル）を形成する各ステータ巻線に印加する電圧を静止空間電圧ベクトルという。

これにより、ロータ負荷が急に重くなりロータ（磁極）回転角度が空間電圧ベクトルの回転角度に対して遅れが生じた場合に、空間電圧ベクトルがストップ回転角度に到達すると、そこで前記静止空間電圧ベクトルを前記ステータ巻線に印加することにより空間電圧ベクトルは回転を停止する。従って、空間電圧ベクトルは静止となり、遅れたロータ磁極により形成される誘起電圧が到達するのを待つことになる。ロータには、回転の慣性力が作用する。静止空間電圧ベクトルと誘起電圧ベクトルとの間の角度差（静止空間磁界（ベクトル）とロータ磁極との角度差）はプラスのトルクとしてロータに作用するので、回転角度差は縮まることになる。そして、１フェーズ以上遅れたロータがフェーズの境界を通過すると、割込信号が生成され、新たに空間電圧ベクトルはスタート回転角度から回転を開始するので、ロータの回転の遅れが取り戻され、運転が継続されることになる。その処理が実施されると同時に、別周期に設置されている速度ＰＩ制御及び電流ＰＩ制御により、駆動電流が上昇することでトルクを増大し、重くなった負荷に追従して、ロータ回転速度を指令速度になるようにトルクを調整する。

従って、ロータ負荷が急に重くなった場合にも、インバータトリップを生ぜず、安定した運転の継続が可能となる。また、例えばエレベータの駆動用モータや大容量ポンプの駆動用モータなどの起動トルクが大きい場合にも、空間電圧ベクトルはストップ回転角度で静止する静止空間電圧ベクトルになり、ロータの到達を待つので、インバータトリップなどの問題を生じることなく、安定した起動が行える。

以下、本発明の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態のブラシレスモータの駆動装置を示す。ブラシレスモータ１０は、三相巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を備えたステータ１１と、永久磁石を周設したロータ１２とから構成されている。この例では、ロータ１２はＮ極とＳ極との２極の磁極を備えている。ステータ１１の三相巻線は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に三相交流電流を通電することで、２極の正弦波の空間回転磁界を形成するように結線されている。

従って、ステータ１１の内周面では、三相巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に三相交流電流を通電することで、２極のステータ磁束分布（以下、ステータ磁束という）が回転し、これに同期して、或る角度だけ遅れて２極のロータ１２が回転する。２極のステータ磁束は、ステータ内周面の円周方向に沿って、正弦波分布となっている。

この例では、ロータ１２の周囲には、ホール素子センサなどの位置センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３合計３個が配置され、２極のロータ１２の回転角度を検出するようになっている。ここで、ロータ１２及びステータ磁束は反時計回りに回転し、それぞれ回転角度は、便宜上、位置センサＳ１の位置を０°として、反時計回りに一周３６０°としている。なお、１２０°の位置に、位置センサＳ２が配置され、２４０°の位置に、位置センサＳ３が配置されている。

図２（ａ）は、ロータの回転に伴う位置センサ出力（誘起電圧）の関係を示している。
ロータ１２の基準位置（Ｎ極位置）の回転角度が２７０°近辺で、つまり誘起電圧の回転角度が０°近辺で、位置センサＳ１の出力が最大となり、同様に、誘起電圧の回転角度が１２０°近辺で位置センサＳ２の出力が最大となり、誘起電圧の回転角度が２４０°近辺で位置センサＳ３の出力が最大となる。位置センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力は、ロータ位置検出部１５に入力され、図２（ｂ）（ｃ）に示すように信号処理される。すなわち、誘起電圧のゼロクロスを境として、＋側の場合には「１」が出力され、−側の場合には「０」が出力される。従って、各位置センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の誘起電圧回転角度に伴う出力は図２（ｂ）に示すようになる。

このため、誘起電圧の回転角度が３３０°−３０°の区間では、位置センサＳ３，Ｓ２，Ｓ１の出力は図２（ｃ）に示すように「０，０，１」となり、以下、３０°−９０°の区間では「０，１，１」となり、９０°−１５０°の区間では「０，１，０」となり、１５０°−２１０°の区間では「１，１，０」となり、２１０°−２７０°の区間では「１，０，０」となり、２７０°−３３０°の区間では「１，０，１」となる。ここで、回転角度が３３０°−３０°の区間をフェーズ（Ｐｈａｓｅ）１とし、以下６０°毎に、フェーズ２、３、４、５、６とする。

図３に示すように、誘起電圧Ｅ１はロータ１２の基準位置（Ｎ極位置）より電気角度９０°進んでいる。従って、位置センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力の組合せから、分解能６０°で、いずれのフェーズに誘起電圧の回転角度が位置しているかを特定することができる。また、誘起電圧の回転角度が、各フェーズの境界である、３０°、９０°、１５０°、・・・３３０°通過時には、位置センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力の組合せパターンが変化するため、この組合せパターンが変化した時に、割込信号を出力する。従って、割込信号の出力から、誘起電圧の回転角度がフェーズの境界を通過したことを検出することができる。

このブラシレスモータの駆動装置においては、ステータ巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に可変周波数・可変振幅の交流電圧を印加する電圧印加手段（インバータ装置）１３を備えている。インバータ装置１３は、図４に示す回路構成を備え、所定振幅・所定周波数・所定位相の空間電圧ベクトルがステータ巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に印加される。すなわち、Ｕ相を例にするとステータ巻線には、
Ｖ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ＋θｏ）
Ｖ：Ｕ相瞬時電圧、Ｖｏ：Ｕ相の電圧振幅値
という形式の正弦波電圧が印加される。

インバータ装置１３は上記正弦波電圧をステータ巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に印加するが、その電圧とブラシレスモータの誘起電圧との大きさ及び位相の差分で、ステータ巻線に電流が流れる。また、インバータの出力に電流計測手段を搭載することで、ステータ電流の振幅及び位相を計測できる。従って、ステータ巻線には、Ｕ相を例とすると、
Ｉ＝Ｉ_０ｓｉｎ（２πｆｔ＋θｏ-φ）
Ｉ：Ｕ相瞬時電流、Ｉ_０：Ｕ相の電流振幅値
というＵ相電圧よりφの角度差で遅れる正弦波電流が通電される。
また、ステータ電流の振幅Ｉ_０以外に、誘起電圧の回転角度に対する空間電圧ベクトルの回転角度差は、モータ出力トルクに関連するもう一つの決定要素で、永久磁石ブラシレスモータの駆動装置においては極めて重要である。従って、誘起電圧の回転角度に基づき、電圧指令部１７からパルス幅変調の導通率αと角度θをインバータ装置１３に指令することで、所定の大きさのモータ出力トルクを得ることができる。

前記インバータ装置から出力される通電電流の周波数ｆは、予め目標周波数ｆ^＊として与えられる。ロータ位置検出部１５から生成される割込信号に基づいて、実際周波数計測部１９にてロータの実際回転周波数ｆ’が計測され、比較器２０にてその差が検出され、速度ＰＩ制御部２１により実際回転周波数ｆ’が目標周波数ｆ^＊に追従するように制御される。

ロータの負荷が重くなり、ステータ起磁力の回転に対してロータの回転が遅くなると、割込信号の時間間隔が長くなり、ロータの実際回転周波数ｆ’が低下し、速度ＰＩ制御部２１は、電流目標値Ｉ^＊を増加するように動作する。インバータ装置１３の出力電流を計測する電流計測部１４を備え、目標電流Ｉ^＊と実際電流Ｉとの差が比較器２２で求められ、電流ＰＩ制御部１８により、実際電流Ｉが目標電流Ｉ^＊に追従するように制御され、電圧指令部１７のパルス幅変調の導通率αを増加するように動作する。
反対に、ロータの負荷が軽くなると、ロータの回転が早くなる。その時に、割込信号の時間間隔が短くなり、ロータの実際回転周波数ｆ’が上昇し、速度ＰＩ制御部２１は、電流目標値Ｉ^＊を下げるように動作する。電流ＰＩ制御部１８により、実際電流Ｉが目標電流Ｉ^＊に追従するように制御され、電圧指令部１７のパルス幅変調の導通率αを低下するように動作する。

このブラシレスモータの駆動装置では、位相制御部１６を備え、誘起電圧基準位置θｒがフェーズの境界を通過することに伴う割込信号を受けて、その都度、空間電圧ベクトルのスタート回転角度及びストップ回転角度を設定する（図３参照）。
ブラシレスモータの突極効果を無視すると、理論的にはステータ起磁力角度は、永久磁石の磁界角度つまりロータの回転角度よりも９０°進ませて運転すると、その時の駆動電流に対する最大駆動トルクが得られる。しかしながら、ブラシレスモータの突極効果を考慮すると、最大駆動トルクを得られる前記角度差（位相進み角度）は２０−８０°となる。本実施例では、例えば位相進み角度は３０°とすると、誘起電圧の回転角度が３３０°を通過してフェーズ１に入った時の割込信号では、空間電圧ベクトルのスタート回転角度θｐは３３０°＋３０°＝３６０°とする。そして、空間電圧ベクトルは、割込信号によりスタート回転角度θｐから目標周波数ｆ^＊と時間ｔにより、
θ＝２πｆ^＊ｔ＋θｐ
で回転する。

従って、このブラシレスモータの駆動装置では、ステータ内周面の一周を６フェーズに均等に区切り、各フェーズの境界をロータの基準位置が通過する時に割込信号を生成し、その都度、誘起電圧の回転角度に対して最適な進み角度に空間電圧ベクトルのスタート回転角度を設定し、そこから空間電圧ベクトルを回転させて、空間電圧ベクトルと誘起電圧の大きさ及び位相の差分でステータ巻線電流を流して、ステータ起磁力を発生させてロータを回転駆動するようにしている。
このため、ロータに接続した負荷が重くなり、ロータの回転が遅れ、空間電圧ベクトルの回転角度と誘起電圧の回転角度との角度差が開く場合にも、ロータの１／６回転毎に、空間電圧ベクトルの回転角度と誘起電圧の回転角度との角度差を最適なものに戻しているので、脱調を未然に防止できる。
逆にロータに接続した負荷が軽くなり、ロータの回転が早くなり、極端の場合に誘起電圧は空間電圧ベクトルより先に進み、発電機状態になっても、６０°ごとに位相制御部１６にて割込信号が発生することにより、新たなスタート回転角度θｐを算出して、そこからまた空間電圧ベクトルを回転させることで、脱調を未然に防止できる。

さらに、位相制御部１６では、割込信号を受けて、空間電圧ベクトルのストップ回転角度を設定している。ストップ回転角度は、スタート回転角度θｐに対して、６０°−１８０°（θ_Ｓ１−θ_Ｓ5）、好ましくは９０°−１５０°（θ_Ｓ２−θ_Ｓ4）、より好ましくは所定の回転数以上の中高速度の場合のストップ角度として、１２０°（θ_Ｓ３）進ませた角度に設定し、起動時及び低速時等の所定の回転数以下の低速度の場合のストップ角度として９０°（θ_Ｓ２）進ませた角度に設定する。そして、空間電圧ベクトルがこのストップ回転角度に到達すると、空間電圧ベクトルの回転を停止し、その属するフェーズの静止空間電圧ベクトルを出力する。なお、空間電圧ベクトルの回転角度θ（＝２πｆ^＊ｔ＋θｐ）は、位相制御部１６の回転角度監視ルーチンにより監視している。

ストップ回転角度を設ける意義は、負荷の急変等により、空間電圧ベクトルの回転角度と誘起電圧の回転角度との角度差が大きく開いた場合、すなわちステータ起磁力の回転角度とロータの回転角度との角度差が大きく開いた場合の救済にある。負荷が急に重くなった場合などでは、ロータの回転速度が低下し、空間電圧ベクトルの回転角度と誘起電圧の回転角度との角度差が大きく開く。この場合には、ロータの回転角度の進行に時間がかかり、次フェーズの境界の割込信号発生位置に到達する前に、空間電圧ベクトルの回転角度との角度差が１８０°以上開くと、逆位相となり、空間電圧ベクトルにより駆動電流はロータに対して回転駆動力を与えるのでなく、逆に減速力を与えるように動作する。この場合には、ロータは脱調し、駆動装置側では、速度ＰＩ制御及び電流ＰＩ制御により電流を増加する方向に動作し、更にその時の空間電圧ベクトルと誘起電圧の位相差が大きくなり、インバータトリップを起し、運転停止に到ることになる。

このため、このブラシレスモータの駆動装置では、空間電圧ベクトルの回転角度とスタート回転角度との角度差が上記所定角度差のストップ回転角度に到達すると、空間電圧ベクトルの回転を停止し、その属するフェーズの静止空間電圧ベクトルを出力することにより、ステータ起磁力を静止状態とし、遅れたロータの到達を待つようにしたものである。すなわち、図３に示すように、スタート回転角度θｐに対してストップ回転角度θｓを、少なくとも６０°進ませた角度（θ_Ｓ１）に設定することで、少なくともこの間にロータの遅れが無ければ１回の割込信号が入る筈であるので、ロータの回転角度に少なくとも遅れが生じていることが分かる。このため、ストップ回転角度は、理論的には６０°−１８０°の範囲に設定する必要がある。

本実施例では、所定の回転数以上の中高速度の場合のストップ角度として、ストップ回転角度をスタート回転角度θｐに対して、１２０°（θ_Ｓ３）進ませた角度に設定し、起動時及び低速時等の所定の回転数以下の低速度の場合のストップ角度として９０°（θ_Ｓ２）進ませた角度に設定した場合について説明を行ったが、実験等により、モータに応じて、適宜、所定の回転数及びストップ角度を設定すればよい。
まず、モータは中高速回転時に負荷急変が発生した場合に、ロータの回転慣性を考えると、スタート回転角度θｐに対して１２０°（θ_Ｓ３）程度進ませた角度に設定することで、実際のインバータ電圧と誘起電圧の角度差は７０−９０°近辺になり、ほぼ最大駆動トルクが発生できる。

また、起動時及び低速時に重い負荷でロータがほぼ停止した場合に、９０°（θ_Ｓ２）程度進ませた回転角度に設定すると、実際のインバータ電圧と誘起電圧の角度差はやはり７０−１００°近辺になり、同様に最大駆動トルクが発生できる。
なお、中高速回転時に１２０°（θ_Ｓ３）程度進ませた角度に設定することで、順調ならば２回の割込信号が入る筈であり、少なくとも１フェーズ分（６０°）以上のロータの位相遅れが生じたことが分かる。

尚、上述した実施例においては、起動時及び低速時と中高速時の２つのパターンにおいてスタート回転角度とストップ回転角度との角度差を設定した場合について説明をしたが、例えば、スタート回転角度とストップ回転角度との角度差を９０℃〜１２０℃の範囲で回転数に応じて変化するよう一次式で演算する、あるいは回転数に応じた角度差を記憶手段にテーブルデータとして記憶するなどして、回転数に応じたスタート回転角度とストップ回転角度の角度差が複数設定されるようにしても良い。
このようにすることで、より細かい単位で制御が可能となり、何れの回転数においても最大駆動トルクを発生することが出来る。

インバータ電圧の回転を停止し、その属するフェーズの静止空間電圧ベクトルを出力する場合には、各フェーズの静止空間電圧ベクトルの出力は、図５に示すように、Ｖ_０、Ｖ_１・・・Ｖ_６、Ｖ_７の８パターンの中からいずれかを選択することになる。
静止空間電圧ベクトルの出力は、図４に示すインバータ装置の各出力Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを、図５（ｂ）に示す組合せで制御することで、二相通電法と同様の考え方で制御できる。図５（ｂ）に示す０は、図４のインバータ該当相の上アームがＯＦＦ、下アームがＯＮ状態を表し、１はインバータ該当相の上アームがＯＮ、下アームがＯＦＦ状態を表している。従って、０の時にインバータ該当相は負の電圧を出力し、１の時にインバータ該当相は正の電圧を出力することを意味する。そして、各相の電圧出力の組合せでそれぞれの三相巻線電圧を空間的に合成して、６種類の動作電圧ベクトルと２種類のゼロ電圧ベクトルを出力することができる。

さらに、静止空間電圧ベクトルを出力する際に、パルス幅変調の導通率制御と組合せることができる。例えば、ある相に対して、１の時に、ひとつのキャリア周期に上アーム全ＯＮ時を変調率１００％とし、また、ひとつのキャリア周期に上アームＯＮと下アームＯＮの時間が等しい時を導通率０％と定義して、導通率を０％〜１００％の間に制御することで、インバータ出力動作電圧ベクトルの長さを調整できる。
図３に示す場合には、ストップ角度を１２０°（θ_Ｓ３）に設定し、インバータ電圧の回転角度が上記角度に到達すると、ステータ三相巻線端子に、Ｖ_３に示す回転角度の動作電圧ベクトルが印加される。図４に示すインバータ装置の各出力Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを、０，１，０とすることで、動作電圧ベクトルＶ_３として出力できる。また、ストップ角度に到達した時の電圧指令部１７のパルス幅変調の導通率αを、インバータ出力動作電圧ベクトルの導通率として出力する。この方法で、電圧の大きさを変更せず回転を止めることができる。

なお、空間電圧ベクトルの回転を停止し、その属するフェーズの静止空間電圧ベクトルを出力する場合に、空間電圧ベクトルの停止位置が隣接する２つのフェーズの境界である場合には、両方のフェーズの静止空間電圧ベクトルを交互に出力することで、隣接するフェーズの境界に静止空間電圧ベクトルを合成するようにしてもよい。このように出力することにより、境界のベクトルを作成でき、トルクを最大とすることができる。

空間電圧ベクトルを出力すると、この空間電圧ベクトルの大きさは速度ＰＩ制御手段２１及び電流ＰＩ制御手段１８により増大する。すなわち、実際周波数算定手段１９では、割込信号の間隔に対応した実際周波数（回転速度）ｆを算定するが、ロータの回転速度が落ちた場合には実際周波数ｆは低下する。すると、目標周波数ｆ^＊との乖離が大きくなり、この乖離を小さくするように電流指令Ｉ^＊が増大する。また、その電流指令Ｉ^＊は許容電流値を超えないように制限される。そして、電流ＰＩ制御手段１８によりパルス幅変調の導通率αを増加し、電流を増大する電圧を出力するように電圧指令手段１７が動作する。インバータ装置１３より巻線に通電される電流Ｉは、電流検出手段１４により検出され、比較器２２で目標電流Ｉ^＊と比較され、実際電流Ｉが目標電流Ｉ^＊と一致するように電流ＰＩ制御が行われる。

従って、ロータの実際回転速度が低下すると、ステータ巻線への通電電流が増加し、ロータを回転駆動するトルクが増加する。一般的には、ロータには、負荷が急に重くなった場合にも、回転速度は低下するが回転の慣性力が作用すると同時に、空間電圧ベクトルが回転を停止するために、誘起電圧との間の角度差の正弦計算値と略比例したプラスのトルクが作用している。更に、ロータが止まったような極端な場合にも、空間電圧ベクトルが静止となって、前述電流ＰＩ制御手段１８がその間に作動して、駆動電流を増大することで、トルクがロータを回転させるように増大する。従って、負荷が急に重くなった場合にも、インバータトリップが発生せずに回転角度差を縮めることができる。そして、遅れたロータがフェーズの境界を通過すると、割込信号が生成され、新たに空間電圧ベクトルはスタート回転角度から回転を開始するので、ロータの回転の遅れが取り戻され、運転が継続されることになる。

このインバータ装置からの空間電圧ベクトルの出力と、ステータ巻線の電流増大機能は、特に例えばエレベータの駆動用モータや大容量ポンプの駆動用モータなどの起動トルクが大きい場合の起動時に、又は負荷変動が大きい時に有効である。これらの起動トルクの大きな負荷の起動時には、目標周波数ｆ^＊を小さくしても、負荷の大きさが不明であるため、予め決まっている始動電圧と予め決まっている周波数ｆで回転を始めるのは容易でない。しかしながら、本発明の駆動装置によれば、インバータ電圧はストップ回転角度で静止電圧ベクトルとなり、ロータの到達を待ち、その間に通電電流が増大し、駆動トルクが増加するので、回転を開始させることができる。

そして、回転を開始しても直ちに目標周波数ｆ^＊に到達する訳ではないので、インバータ電圧が回転しては止まり、ロータが付いてくると、また回転し、・・・のサイクルを繰り返すことで、起動トルクの大きな負荷が接続されたブラシレスモータをインバータトリップなどを起すことなく容易に起動することができる。さらに、正常回転時の負荷変動に対しても、同じ制御論理で対応できる。
従って、本発明の駆動装置によって、モータの始動から高速回転に到達する迄、同一の制御論理で正弦波駆動が実現でき、負荷急変時にはインバータトリップなどを起すことなく継続運転できる。

次に、このブラシレスモータの駆動装置の動作手順について説明する。
手順１
正常回転時に、位置センサの信号は図２（ｂ）に示す立ち上げあるいは立ち下げにより割込み要求があり、ロータ位置検出部１５は、その要求に応じて、図２（ｃ）に示した位置センサの出力パターンの値をチェックし、現在のロータ基準位置の所在フェーズを判断する。また、ブラシレスモータを起動するときに、割込要求の有り無しと関係なく、上記の処理を行う。図３の実施例では、位置センサの出力パターンは００１であり、現在ロータの基準位置はフェーズ１にある。

手順２
現在ロータの所在フェーズにより、ロータの回転角度θを計算し、また、その回転角度θと予め決めている進み角度θ_０の合計値を計算し、そのスタート回転角度（θｐ＝θ＋θ_０）を位相制御部１６のメモリに記録すると同時に、その角度（θｐ＝θ＋θ_０）から、予め決めた起動周波数で三相正弦波電圧の出力を開始する。図３の実施例ではフェーズ1であるために、ロータ基準位置の回転角度θ＝３３０°、スタート回転角度は３３０＋θ_０である。また、ブラシレスモータの位相進み角度θ_０は実験或いは理論値で決定され、通常では２０°〜８０°の範囲にあるが、この実施例として位相進み通電角度θ_０＝３０°とする。つまり、スタート回転角度は３３０＋３０＝０°である。

手順３
インバータ装置１３の指令周波数は、予め決めた加速時間に従って、現在の出力周波数からユーザーが指定した周波数まで立ち上げ処理を行う。また、インバータ装置内部の指令周波数と位置センサから実測したモータ回転周波数を用いて、速度ＰＩ制御部２１により出力電流指令値が定期的に計算される。この処理は、例えば１０msec毎に実行される。

手順４
手順３で算出された電流指令値と実測電流を用いて、電流ＰＩ制御部２１によりパルス幅変調の導通率α（インバータ電圧の大きさに対応）を計算し、調整する処理が定期的に行われる。実施例として、この電流ＰＩ制御処理は１msec毎に実行される。

手順５
インバータ装置１３の内部では、実測したモータ回転周波数を用いて、ＰＬＬ処理を行い、インバータ出力周波数を算出する。また、インバータ出力周波数により、インバータ電圧の回転角度を時間の経過とともに次々に更新する。

手順６
位相制御部１６では、位置センサから新しい情報（割込信号）が入るまで、常にメモリに記憶したスタート回転角度と現在インバータ装置から出力しているインバータ電圧の回転角度とを比較する。

手順７
インバータ装置１３が出力するインバータ電圧の回転角度が記憶したスタート回転角度より特定な値θ＿limを越え、ストップ回転角度に到達すると、ロータがステータ起磁力の回転に追従しなくなったと見なし、インバータ装置はこれ以上、インバータ電圧（空間磁界ベクトル）の回転角度の進み処理を止め、現在のインバータ電圧の所在角度に帰属するフェーズの静止空間電圧ベクトルを選択し、その静止空間電圧ベクトルパターンと現在の変調率を組み合わせて静止空間電圧ベクトルを出力する。同時に、位置センサの情報（割込信号）を常時監視し、位置センサからの情報が更新されるまで、手順６を繰り返して実行する。その間に、手順３及び手順４も並列に実行されている。

実施例としては、位相進み限界値θ＿lim＝１２０°を設定すると、その回転角度は、０＋１２０＝１２０°である。この回転角度はフェーズ３に帰属し、動作電圧ベクトルＶ_３が選択される。また、Ｖ_３を出力している際に、インバータのパルス幅変調の導通率は手順２の電流ＰＩ制御により調整される。なお、インバータ装置は動作電圧ベクトルＶ_３を出力している間に、位置センサの情報が更新されると、次の手順に移行するが、位置センサの情報が更新されなければ、モータのトルクを大きくするために、手順３で、電流指令値が徐々に上げられ、手順４で電流値が電流指令値に追従するようにパルス幅変調の導通率を上昇することで、電流値が上昇する。

手順８
その間にロータが回転することにより、位置センサに新しい情報（割込信号）が入ると、位相制御部１６は手順１に戻って、新しいスタート回転角度を計算して、メモリに記録し、インバータ装置１３からは現在の出力周波数で正弦波波形の電圧の出力を継続する。以上のプロセスが繰り返し実行される。

この駆動方法は、ロータの回転位置に基づいてインバータ装置の出力を選択するため、モータには常に正しいトルク出力が与えられ、無駄な電流が流れなく、インバータトリップを避けることができる。

また、この駆動方法では、運転中でもロータの異常を検知できる。例えば、インバータの出力電流を監視しながら、所定電流値（例えばストール電流値）まで電圧を線形に上昇させ、手順７にかかった時間を計算して、その時間が所定時間を超えると、ロータロックが発生すると判断できる。

なお、以上の説明は３個の位置センサ、２極のブラシレスモータについて説明したが、２個の位置センサを設けて、９０度単位のフェーズにより、本発明のスタート回転角度、ストップ回転角度の概念を用いて実施することも可能である。また、４極以上のブラシレスモータについても本発明の技術思想を同様に適用できる。

ここで、これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。

本発明の一実施形態のブラシレスモータの駆動装置を示すブロック図である。 位置センサの誘起電圧と、各センサの出力信号と、ロータ基準位置との関係を示す図である。 ロータ回転角度と、インバータ電圧のスタート回転角度と、ストップ回転角度との関係を示す図である。 インバータ装置の回路構成例を示す図である。 静止空間電圧ベクトルとインバータ装置各相の出力との関係を示す図である。

符号の説明

１０ ブラシレスモータ
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ インバータ装置
１４ 電流計測部
１５ ロータ位置検出部
１６ 位相制御部
１７ 電圧指令部
１８ 電流制御部
１９ 実際周波数計測部
２０ 周波数比較器
２１ 速度制御部
２２ 電流比較器
ｆ’ 実際回転周波数
ｆ^＊ 目標周波数
Ｉ 実際電流
Ｉ^＊ 目標電流
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 位置センサ
α パルス幅変調の導通率
θｒ ロータ基準位置の回転角度
θｐ スタート回転角度
θｓ ストップ回転角度

Claims (9)

1. ロータの外周に沿って配置された位置センサと、
   該位置センサからの信号により、前記ロータの基準位置がステータ内周面の一周を前記位置センサ数の倍に分割したフェーズのいずれかに位置することを検出するロータ位置検出手段と、
   前記ロータの基準位置の前記フェーズ境界の通過にともなう割込信号から、ステータの三相巻線に印加する空間電圧ベクトルのスタート回転角度とストップ回転角度とを設定するとともに、前記空間電圧ベクトルの回転角度を監視する位相制御手段と、
   前記空間電圧ベクトルの大きさ、周波数、及び位相を制御して前記ステータ巻線に印加する電圧印加手段とを備えたことを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
2. 前記割込信号により、前記空間電圧ベクトルのスタート回転角度から前記空間電圧ベクトルを回転させ、前記空間電圧ベクトルの回転を監視し、前記ストップ回転角度に到達したら、該ストップ回転角度の属するフェーズの中央で回転しない静止空間電圧ベクトルを前記ステータ巻線に印加することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの駆動装置。
3. 前記空間電圧ベクトルのスタート回転角度及びストップ回転角度を演算装置により計算して、記憶装置に記録することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの駆動装置。
4. 前記空間電圧ベクトルのスタート回転角度及びストップ回転角度との角度差が、回転数に応じて複数設定されていることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの駆動装置。
5. 前記空間電圧ベクトルのスタート回転角度とストップ回転角度との角度差が、６０°乃至１８０°であり、所定回転数以上の場合に１２０°で、所定回転数以下の場合に９０°であることを特徴とする請求項４記載のブラシレスモータの駆動装置。
6. 前記空間電圧ベクトルの回転を停止する時には、ステータコイルに印加する電圧は、電圧印加手段の静止空間電圧ベクトルＶ_０からＶ_７の８パターンの中から選択することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの駆動装置。
7. 前記電圧印加手段の静止空間電圧ベクトルを出力する時に、パルス幅変調の導通率を調整することで、静止空間電圧ベクトルの大きさを制御することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの駆動装置。
8. 前記モータトルクの大きさを負荷の変動に対応して制御する電流ＰＩ制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの駆動装置。
9. 前記ロータの回転周波数を、目標周波数に一致するように制御する速度ＰＩ制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの駆動装置。

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