JP2007116775A - ブラシレスｄｃモータのセンサレスｐｗｍ駆動における拘束電流制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの制御方法を改善することにより、モータがダウンしないようにする。
【解決手段】ブラシレスＤＣモータのステータコイルＬＵ、ＬＶ、ＬＷを、リアクタンスＬと抵抗Ｒの直列回路からなる等価回路と見なし、その等価回路と並列にダイオードＤＵ−を接続し、そのダイオードＤＵ−を接続した並列回路に第１のスイッチ手段Ｕ＋を直列に接続して、前記スイッチ手段Ｕ＋を直列に接続した直列回路に直流電圧を印加する。そして、前記スイッチ手段Ｕ＋がＯＮの時間をｔ１、ＯＦＦの時間をｎｔ１（ｎ＝１、２、・・・）として、第１のスイッチ手段Ｕ＋をＯＮ・ＯＦＦした場合の各電流からＰＷＭ制御に妥当な拘束電流を設定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、熱安定度や長期信頼性の向上を図るためのブラシレスＤＣモータのセンサレスＰＷＭ駆動における拘束電流制御方法に関するものである。

一般に、モータは、負荷トルクが大きくなると回転数が低下し、回転数が低下するとモータに流れる電流は大きくなる。このとき、回転数を０にするトルクが拘束トルクで、その拘束トルクで最大になるモータ電流が拘束電流である。

そのため、モータ及びその駆動回路は、モータがロック（拘束トルク）したときの拘束電流でダウンしないように充分な余裕度を持たせる必要があった。ところが、このような余裕度を持たせると回路規模が大きくなり、小型化や軽量化に反する。また、省エネルギーにも逆行するものである。しかし、余裕度をむやみに減少させると、ダウンは防げても熱安定度や長期信頼性に問題を生じる懸念がある。

このような問題を解決する一つの方法として、（特許文献１）には、図３に示すように、ブラシレスＤＣモータを使用したモータファン１において、拘束電流が流れるのを検出すると、拘束電流を流れないように遮断するようにしたものが記載されている。

すなわち、このものは、ＰＷＭ制御信号のＯＮ区間に検知区間を設定する。この検知区間では、モータに拘束電流が流れた際にパワーＦＥＴ２のＯＮ抵抗が高くなる。そのため、このＯＮ抵抗を検出するために、ロック検出手段３を設けてパワーＦＥＴ２のドレイン端子の電圧を検出し、その検出したドレイン電圧から拘束電流を検出して、前記電流が発生した際に遮断するようにして、ダウンしないようにしたものである。
特開２００５−１５１７６６号公報

しかしながら、上記のものでは、パワーＦＥＴのドレイン端子の電圧（電流制限手段の前記モータ側の電圧）を検出するためのロック検出手段を設ける必要がある。

このようなロック検出手段を追加するためには、従来の回路の構成を変更したり、新たに回路を作り直したりする必要がある。そのため、手間とコストが余分に掛かる問題がある。

そこで、この発明の課題は、余裕度のために回路規模を大きくしたり、追加の検出回路を設けたりしないでも、モータの制御方法を改善することにより、モータがダウンしないようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、ブラシレスＤＣモータのステータコイルを、リアクタンスと抵抗の直列回路からなる等価回路と見なして、前記等価回路と並列にダイオードを接続し、そのダイオードを接続した並列回路に第１のスイッチ手段を直列に接続して、その直列回路の両端に直流電圧を印加し、前記第１のスイッチ手段をオンにした際と、オフにした際の前記並列回路に流れる電流を、前記第１のスイッチ手段のオンとオフのデューティ比と周期、並びに前記等価回路のリアクタンスと抵抗値及び印加電圧の電圧値とを任意に設定して算出し、その算出した値に基づいて拘束電流を設定して制御するという方法を採用したのである。

このような方法を採用することにより、モータを抵抗とリアクタンスとから構成される等価回路で置き換え、その等価回路に第１のスイッチ手段を介して直流電圧を印加することで、電圧振幅、デューティ比を任意に設定したＰＷＭ波形を入力できるようにする。そして、その回路から算出する電流値と消費電力とから、熱安定度と長期の信頼性が得られる条件を導き出し、その導き出した条件で制御する。こうすることで、余裕度のために回路規模を大きくしたり、追加の検出回路を設けたりしなくても拘束電流でダウンしないようにする。

この発明は、以上のように構成したことにより、回路規模を大きくしたり、追加の検出回路を設けたりすることなく、拘束電流でダウンしないようにできる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

この形態は、本願を業務用冷蔵庫のファンモータに用いられる３相ブラシレスＤＣモータに適用した場合について述べるもので、このように３相ブラシレスＤＣモータへ適用したものを述べることで、本願発明のブラシレスＤＣモータの拘束電流の制御方法を説明するものである。

図１に、３相ブラシレスＤＣモータＭとそのフルブリッジ主回路Ｂのブロック図を示す。

図１に示すように、３相ブラシレスＤＣモータは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３個のステータコイルＬＵ、ＬＶ、ＬＷを備えたもので、各ステータコイルＬＵ、ＬＶ、ＬＷは、一端同士を接続して他端をフルブリッジ主回路Ｂと接続してある。

フルブリッジ主回路Ｂは、２個のスイッチング素子Ｕ＋とＵ−、Ｖ＋とＶ−、Ｗ＋とＷ−を直列に接続した出力回路を、３個並行に接続したもので、その各出力回路の直列に接続したスイッチング素子Ｕ＋とＵ−、Ｖ＋とＶ−、Ｗ＋とＷ−の接続点に、図１のように各々の各相のステータコイルＬＵ、ＬＶ、ＬＷが接続されている。また、出力回路の各スイッチング素子Ｕ＋とＵ−、Ｖ＋とＶ−、Ｗ＋とＷ−には、フライホイールダイオードＤＵ＋、ＤＵ−、ＤＶ＋、ＤＶ−、ＤＷ＋、ＤＷ−が並列に接続されている。

ところで、ブラシレスＤＣモータの単体での特性は、下記の関係式に従う。

モータが外力によって固定された場合、ロータは回転しないので、モータ電流Ｉは、

となり、印加電圧とコイル抵抗によって求まる。

ところが、フルブリッジ主回路によってブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御した際の電流値は、ＰＷＭ出力が非線形出力（パルス出力）なので、［数２］式で求めることはできない。

そのため、所望の電流値（拘束電流）を得るのに、従来は、カット アンド トライでＰＷＭの制御の条件を決めたが、ここでは、以下のような方法により、定性的に求める手法を示す。

上記の３相フルブリッジの場合、まず、２相１２０°通電の場合についてＰＷＭの値を算出する。これには図２で示す等価回路を使用する。

前記回路は、図２に示すように、ブラシレスＤＣモータＭのステータコイルＬＵ、ＬＶ、ＬＷを、リアクタンスＬと抵抗Ｒの直列回路からなる等価回路と見なしたもので、その直列回路に第２のスイッチ手段Ｖ−を直列接続し、その第２のスイッチ手段Ｖ−を接続した直列回路と並列にダイオードＤＵ−を接続し、そのダイオードＤＵ−を接続した並列回路に第１のスイッチ手段Ｕ＋を直列に接続して、その第１のスイッチ手段Ｕ＋を直列に接続した直列回路の両端に直流電圧を印加するようにしたものである。

但し、上記リアクタンスＬと抵抗Ｒとは、Ｌ＝ＬＵ＋ＬＶ Ｒ＝ＲＵ＋ＲＶである。

また、ここでは、第２のスイッチ手段Ｖ−は常にＯＮで閉じた状態である。この状態で第１のスイッチ手段Ｕ＋をＯＮして閉じる。すると、矢印ａの向きに電流が流れる。次に、第１のスイッチ手段Ｕ＋をＯＦＦにして開放すると、図２の矢印ｂの向きに電流が流れる。このようにして第１のスイッチ手段Ｕ＋がＯＮの時間をｔ１、第１のスイッチ手段Ｕ＋がＯＦＦの時間をｎｔ１（ｎ＝１、２、・・・）として、そのｎを変えた際の時間比で第１のスイッチ手段Ｕ＋をＯＮ・ＯＦＦした場合の各電流を求める。

まず、第１のスイッチ手段Ｕ＋がＯＮのとき、矢印ａの向きに流れる電流は、

以後、奇数回目のＵ＋がＯＦＦのときの電流値と、偶数回目のＵ＋がＯＮのときの電流値は、

となる。したがって、上記式［数４］に具体的な数字を代入して拘束電流をコンピュータなどで求めればよい。

この形態は、上記のように構成され、次に、その具体的な算出手法を以下に示す。

まず、次のように、Ｖｐ、Ｒ、Ｌ、ｔ１、ｎを設定する。

１０μＳのＯＮと９０μＳのＯＦＦとで、周期１００μＳでのデューティ比が１０％の場合は、

以上より、電流換算でのスイッチＵ＋の奇数回目のＯＦＦのときの電流と、偶数回目のＯＮのときの電流は、デューティ比が１０％で求まる中心値に対して±４．５％の幅に収まるのに対して、消費電力換算では、＋９．２％、−８．８％と幅が大きくなる。

この変化幅は、ＯＮ時間とＯＦＦ時間の合計時間である周期に大きく依存する。すなわち、余りに周期を長くして周波数を低下させるとリアクタンス（コイル）Ｌでの発熱のピークが大きくなる。そのうえ、図１で示す３相フルブリッジ主回路Ｂで消費されるスイッチング素子Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋の損失のピークも大きくなる。このことは、モータＭ及び主回路Ｂでの熱安定度が悪化し、長期信頼性を損なう恐れがある。

ここで、周波数１５ｋＨｚ、周期６６．６７μＳ、デューティ比が１０％の場合を求めると、

となり、消費電力換算で、±６％以内に収まる。

以上のことから周波数１５ｋＨｚ以上でのＰＷＭ制御を行うことにより、装置の熱安定度を増し、長期信頼性を確保できる。

ここでは、業務用冷蔵庫のファンモータに用いられる３相ブラシレスＤＣモータに本願を適用した場合について述べたが、これに限定されるものではない。センサレスで駆動するブラシレスＤＣモータを使用する全ての機器や装置に適用できることは明らかである。

実施形態のブロック図 実施形態の作用説明図 従来例の作用説明図

符号の説明

Ｂ フルブリッジ主回路
ＬＵ ステータコイル
ＬＶ ステータコイル
ＬＷ ステータコイル
Ｍ ３相ブラシレスＤＣモータ
Ｕ＋ スイッチング素子
Ｕ− スイッチング素子
Ｖ＋ スイッチング素子
Ｖ− スイッチング素子
Ｗ＋ スイッチング素子
Ｗ− スイッチング素子

Claims (1)

1. ブラシレスＤＣモータのステータコイルを、リアクタンスと抵抗の直列回路からなる等価回路と見なして、前記等価回路と並列にダイオードを接続し、そのダイオードを接続した並列回路に第１のスイッチ手段を直列に接続して、その直列回路の両端に直流電圧を印加し、前記第１のスイッチ手段をオンにした際と、オフにした際の前記並列回路に流れる電流を、前記第１のスイッチ手段のオンとオフのデューティ比と周期、並びに前記等価回路のリアクタンスと抵抗値及び印加電圧の電圧値とを設定して算出し、その算出した値に基づいて拘束電流を設定して制御するブラシレスＤＣモータのセンサレスＰＷＭ駆動における拘束電流制御方法。

Images