JP2007174745A

JP2007174745A - ブラシレスモータのセンサレス制御方法及びブラシレスモータのセンサレス制御装置

Info

Publication number: JP2007174745A
Application number: JP2005365471A
Authority: JP
Inventors: Shigekazu Okumura; 繁一奥村
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】通電パターンを切換えた後の、ゼロクロス点の検出を禁止する時間を簡単に設定することができるブラシレスモータのセンサレス制御装置の提供。
【解決手段】負荷検出手段１７を備え、複数相のステータ巻線（図示せず）の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと所定電圧Ｅ／２との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶してあり、各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと所定電圧Ｅ／２との大小関係を時系列的にサンプリングし、その大小関係が変化した時点の間隔を検出し、その時点から、検出した間隔に基づく遅延時間後に、前記規則的な変化に基づき、ステータ巻線を通電制御し、通電制御の開始時点から所定時間、サンプリングを禁止するブラシレスモータのセンサレス制御装置。負荷検出手段１７が検出した負荷に基づきｎ（ｎは自然数）を定める手段３と、遅延時間／ｎの商を演算する手段３とを備え、演算した商を前記所定時間とする構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、その大小関係が変化したゼロクロス点の間隔を検出し、ゼロクロス点から、検出した間隔に基づく遅延時間後に、所定のパターンに基づき、ステータ巻線を通電制御するブラシレスモータのセンサレス制御方法及びブラシレスモータのセンサレス制御装置に関するものである。

近時、車両に搭載されてトランスミッション及び舵取装置の電動ポンプ等を駆動する電動モータとして、ブラシレスモータが使用されるようになって来ている。ブラシレスモータは、ＤＣモータからブラシ及び整流子を取除き、電子整流回路を取付けたモータである。電子整流回路は、例えば３個のホール素子等の磁気センサを用いてマグネットロータがどの位置にあるのかを検出し、これらの検出信号に基づいてＰＷＭ制御等により、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相への通電を制御して回転磁界を発生させ、マグネットロータを回転駆動する。

ブラシレスモータを駆動するには、上述したようにロータの回転位置センサが必要であるが、モータを高温のエンジンルーム内に搭載する場合には、磁気センサの耐熱性が問題となり、回転位置センサを用いずにモータを駆動する所謂センサレス駆動が望ましい。センサレス駆動では、ロータの回転位置を推定して、回転位置センサからの回転位置信号に相当する回転位置推定信号を作成する必要があり、通常、回転位置推定信号の作成には、３相の誘起電圧が利用される。

ブラシレスモータのセンサレス駆動では、各相のステータ巻線への通電は、通常、図３（ａ）〜（ｃ）のタイミングチャートに示すように、正負電圧区間の電気角１８０度の内１２０度の区間のみ通電する所謂１２０度通電が行なわれており、通電しない残りの６０度の区間には、各相のステータ巻線の端子に各相の誘起電圧が露出する。
従って、この６０度の区間の各相のステータ巻線の端子電圧と基準電圧（ＲＥＦ電圧）とを比較して、何れかの相でそれらがクロスする時点、即ち、ゼロクロス点をロータの回転位置に関連する時点とすることが出来る。基準電圧には、通電の為の電源電圧の１／２の電圧を使用する。

このセンサレス駆動では、図３（ｄ）のタイミングチャートに示すような、検出したゼロクロス点の間隔を６０度に相当する期間として、その１／２の３０度に相当する期間を遅延時間Ｔｄ（図３（ｅ））とし、ゼロクロス点から遅延時間Ｔｄ遅延した時点で、各相のステータ巻線への通電を切換えている。
ゼロクロス点をサンプリングにより検出する場合、基準電圧との比較結果をサンプリングし、ステータ巻線の端子電圧の方が大である場合を「１」、小である場合を「０」として、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各比較結果を「１０１」「１１０」の様にパターン化する。

このパターンは、３相の場合は６種類有り、６種類のパターンが連続しながら順次切換わって行き、パターンが切換わった時点を、ゼロクロス点として検出している。
特開平６−７０５８６号公報特開平９−２６６６９０号公報特開２００２−３００７９２号公報特開２００２−３２５４８４号公報特開２００３−１１１４８３号公報特開２００２−２７７７６号公報長竹和夫「モータ実用ポケットブック家電用モータ・インバータ技術」日刊工業新聞社２０００年４月２８日初版１刷発行

上述したように、ブラシレスモータのセンサレス駆動では、各相のステータ巻線の端子電圧と基準電圧とを比較して、通電パターン切換えタイミングであるゼロクロス点を検出しており、基準電圧には、通電の為の電源電圧の１／２の電圧を使用している。
ゼロクロス点を検出した後、遅延時間Ｔｄ遅延した時点で、各相のステータ巻線への通電パターンを切換えているが、このとき、図４に示すように、転流過渡応答により発生するリンギングをゼロクロス点として誤検出することがあり、同期ずれ及び脱調等を引起してモータ駆動を不安定にしていた。

そこで、従来は、通電パターンを切換えた後、適当な時間、サンプリング信号をマスクして、ゼロクロス点の検出を禁止していたが、リンギングが発生している時間は、モータの回転数により変化し、また、同じ回転数であっても、負荷の大きさによっても変化するので、その禁止時間の設定が難しいという問題がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１発明では、通電パターンを切換えた後の、ゼロクロス点の検出を禁止する時間を簡単に設定することができるブラシレスモータのセンサレス制御方法を提供することを目的とする。
第２発明では、通電パターンを切換えた後の、ゼロクロス点の検出を禁止する時間を簡単に設定することができるブラシレスモータのセンサレス制御装置を提供することを目的とする。

第１発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法は、負荷を検出し、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶しておき、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出し、該時点から、検出した間隔に基づく遅延時間後に、前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御すると共に、該通電制御の開始時点から所定時間、前記サンプリングを禁止するブラシレスモータのセンサレス制御方法において、検出した前記負荷に基づきｎ（ｎは自然数）を定め、前記遅延時間／ｎの商を前記所定時間として定めることを特徴とする。

第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置は、負荷を検出する負荷検出手段を備え、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶してあり、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出し、該時点から、検出した間隔に基づく遅延時間後に、前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御すると共に、該通電制御の開始時点から所定時間、前記サンプリングを禁止するように構成してあるブラシレスモータのセンサレス制御装置において、前記負荷検出手段が検出した負荷に基づきｎ（ｎは自然数）を定める手段と、前記遅延時間／ｎの商を演算する手段とを備え、該手段が演算した商を前記所定時間とするように構成してあることを特徴とする。

第１発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法によれば、検出した前記負荷に基づきｎ（ｎは自然数）を定め、遅延時間／ｎの商を、通電制御の開始時点からサンプリングを禁止する所定時間として定めるので、通電パターンを切換えた後の、ゼロクロス点の検出を禁止する時間を簡単に設定することができるブラシレスモータのセンサレス制御方法を実現することができる。

第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置によれば、負荷検出手段が検出した負荷に基づきｎ（ｎは自然数）を定め、演算する手段が遅延時間／ｎの商を演算し、その演算した商を、通電制御の開始時点からサンプリングを禁止する所定時間とするので、通電パターンを切換えた後の、ゼロクロス点の検出を禁止する時間を簡単に設定することができるブラシレスモータのセンサレス制御装置を実現することができる。

以下に、本発明を、その実施の形態を示す図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及びブラシレスモータのセンサレス制御装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。このブラシレスモータのセンサレス制御装置は、車両に搭載されて油圧ポンプ等を駆動するブラシレスモータ（以下、モータと記載）のセンサレス制御装置であり、車載バッテリ２からの直流電源により片側ＰＷＭ方式で３相交流電圧を生成させ、モータ１を駆動制御する。

モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線（図示せず）の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが回転位置推定信号生成部３に与えられ、回転位置推定信号生成部３は、与えられた各端子電圧に基づき、サンプリング（ディジタル方式）により各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成する。
回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗは、通電制御装置４に与えられ、通電制御装置４は、与えられた回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づき、片側ＰＷＭ方式で車載バッテリ２の直流電圧Ｅから３相交流電圧を生成させ、モータ１を駆動制御する。
また、モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線に流れる合計電流値が、電流検出器（負荷検出手段）１７により検出され、後述する電流制御部１６′に与えられる。

回転位置推定信号生成部３は、図２のブロック図に示すように、電圧比較部１２及び極性決定部１４を備えており、電圧比較部１２は、各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと車載バッテリ２の直流電圧Ｅの１／２の電圧Ｖａとをそれぞれ比較するコンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗを備えている。コンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗの比較結果は、各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの方が大である場合は「１」、小である場合は「０」であるディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗとして、極性決定部１４に例えば１９．２３ｋＨｚの周波数でサンプリングされる。

極性決定部１４は、メモリ１４ａ及びタイマ１４ｂを有するＭＰＵにより構成され、メモリ１４ａには、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンの取るべき規則的な変化等を記憶している。また、サンプリングしたディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンとメモリ１４ａが記憶している規則的な変化に基づき、各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成して、通電制御装置４に与える。

極性決定部（ｎを定める手段、商を演算する手段）１４は、各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成する際は、サンプリングしたディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗに基づき、後述する遅延時間Ｔｄを検出（算出）する。また、検出した遅延時間Ｔｄに基づき、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのサンプリングを禁止する時間Ｔｄ／ｎを算出する。ここで、ｎは、与えられた合計電流値に基づき定められる自然数（例えば２〜９）であり、合計電流値が大きい程、小さい値に定められる。ｎと合計電流値との対応関係は、実験により定められたものであり、メモリ１４ａに参照テーブルとして記憶してある。

通電制御装置４は、通電信号生成部５、ＰＷＭ制御部７、ゲートドライブ回路８、スイッチング回路９、速度制御部１６及び電流（トルク）制御部１６′から構成されている。尚、速度制御部１６又は電流制御部１６′の何れか一方のみを用いても良い。
スイッチング回路９は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に、車載バッテリ２の陽極側に接続される半導体スイッチング素子６ｕ＋，６ｖ＋，６ｗ＋と、車載バッテリ２の陰極側に接続される半導体スイッチング素子６ｕ−，６ｖ−，６ｗ−とが直列接続されている。それぞれの接続点は、モータ１のステータ巻線の端子に各相毎に接続されている。半導体スイッチング素子６ｕ＋，６ｕ−，６ｖ＋，６ｖ−，６ｗ＋，６ｗ−には、それぞれフリーホイールダイオード（フライバックダイオード）が逆並列に接続されている。

速度制御部１６は、モータ１のロータの回転速度検出値Ｓ及び回転速度設定値Ｓａとを比較し、両者の大小関係に基づき、モータ１をＰＷＭ駆動する為の速度制御信号Ｓｐｗｍを作成し、ＰＷＭ制御部７へ与える。
電流制御部１６′は、モータ１の電流検出値Ａ及び電流設定値Ａａを比較し、両者の大小関係に基づき、モータ１をＰＷＭ駆動する為の電流制御信号Ａｐｗｍを作成し、ＰＷＭ制御部７へ送る。
通電信号生成部５は、与えられた各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づいて、スイッチング回路９の半導体スイッチング素子６ｕ＋，６ｕ−，６ｖ＋，６ｖ−，６ｗ＋，６ｗ−をそれぞれ通電制御する為の通電信号Ｃｕ＋，Ｃｕ−，Ｃｖ＋，Ｃｖ−，Ｃｗ＋，Ｃｗ−を作成し、ＰＷＭ制御部７へ与える。通電信号生成部５は、ＭＰＵ又は論理素子により構成される。

ＰＷＭ制御部７は、与えられた通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−並びに速度制御信号Ｓｐｗｍ及び／又は電流制御信号Ａｐｗｍに基づき、半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれＰＷＭ制御する為のＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋，Ｄｕ−，Ｄｖ＋，Ｄｖ−，Ｄｗ＋，Ｄｗ−を作成し、ゲートドライブ回路８へ与える。
ゲートドライブ回路８は、与えられたＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋〜Ｄｗ−に基づき、半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれオン／オフ駆動し、モータ１のステータ巻線に回転磁界を発生させる。

以下に、このような構成のブラシレスモータのセンサレス制御装置の動作を、それを示す図３のタイミングチャートを参照しながら説明する。
モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）のタイミングチャートに示すように、位相がそれぞれ１２０度異なっており、それぞれの正負電圧区間である１８０度の電気角の内、中央部の１２０度の区間が矩形波通電され、それぞれの通電区間の始端部及び終端部にはリンギングが生じている。中央部の１２０度以外の区間は、ステータ巻線に生じた誘起電圧が露出している。

回転位置推定信号生成部３のコンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗは、モータ１の各相のステータ巻線の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと車載バッテリ２の直流電圧Ｅの１／２の電圧Ｖａとをそれぞれ比較する。これらの比較結果は、端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの方が大である場合は「１」、小である場合は「０」であるディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗとして、極性決定部１４にサンプリングされる。

ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗは、例えば、（１０１）→（００１）→（０１１）→（０１０）→（１１０）→（１００）→（１０１）の順序で規則的に変化する。ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのこの６種類のパターンが規則的に変化する周期的時間は、サンプリング周期より充分大きい。
極性決定部１４のメモリ１４ａは、上述したディジタル信号Ｂｗ，Ｂｖ，Ｂｕのパターンが規則的に変化する順序を記憶している。

極性決定部１４は、他からの割込を禁止した後、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗをサンプリングし、サンプリングしたディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンに基づき、ゼロクロス点を検出する。ゼロクロス点を検出する際、例えば、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンが変化した後、その変化した後のパターンが複数回のサンプリングで連続した場合に、ゼロクロス点を検出したことにする。

極性決定部１４は、ゼロクロス点を検出したときは、前回のゼロクロス点検出からの、タイマ１４ｂが計時した時間であるゼロクロス点間隔Ｔｚ（図３（ｄ））をメモリ１４ａに記憶更新して、Ｔｄ＝Ｔｚ／２により遅延時間Ｔｄを算出する。また、そのときの与えられた合計電流値に対応する自然数ｎを、メモリ１４ａ内の参照テーブルを参照することにより定め、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのサンプリングを禁止する時間Ｔｄ／ｎを算出する。

極性決定部１４は、メモリ１４ａが記憶しているパターンの規則的な変化に基づき、コンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗの出力信号（サンプリングした信号）から、算出した遅延時間Ｔｄ分（３０°）遅延させた各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成して、通電制御装置４に与える。回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗには、通電を切換える時点（最新のゼロクロス点の遅延時間Ｔｄ後（図３（ｄ）（ｅ）））と、メモリ１４ａが記憶しているパターンの規則的な変化に基づく、各相の正負の通電／非通電情報が含まれている。
極性決定部１４は、また、通電を切換える時点から時間Ｔｄ／ｎ分（マスク期間（図３（ｆ）））、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのサンプリングを禁止する。

遅延時間Ｔｄは、モータ１の回転数によって変化する値であり、パターン切換えから次のゼロクロス点検出迄の時間を超えることはない。従って、その１／ｎでディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのサンプリング信号をマスクして、ゼロクロス点の検出を禁止すれば良い。転流過渡応答により発生するリンギング期間は、負荷電流（モータ電流）が大きくなれば長くなる傾向があるので、負荷電流に応じて、ゼロクロス点検出の禁止時間を変化させれば良い。

通電制御装置４の通電信号生成部５は、回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づく半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−の６種類の制御パターンを記憶しており、与えられた回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗとこの制御パターンとにより通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−を作成する。作成した通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−はＰＷＭ制御部７へ与える。
ＰＷＭ制御部７は、与えられた通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−及び速度制御信号Ｓｐｗｍに基づき、片側ＰＷＭ方式で半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれＰＷＭ制御する為のＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋〜Ｄｗ−を作成し、ゲートドライブ回路８へ与える。

ゲートドライブ回路８は、与えられたＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋〜Ｄｗ−に基づき、片側ＰＷＭ方式で各相の半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれオン／オフ制御する駆動信号を出力して、モータ１のステータ巻線に回転磁界を発生させ、マグネットロータを回転駆動する。
尚、上述した実施の形態では、片側ＰＷＭ方式でモータ１を駆動制御しているが、本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及びセンサレス制御装置は、両側ＰＷＭ方式及びＰＷＭ方式によらない方式にも適用することは可能である。

本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及びブラシレスモータのセンサレス制御装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。回転位置推定信号生成部の構成例を示すブロック図である。本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置の動作を示すタイミングチャートである。従来のブラシレスモータのセンサレス制御方法及びブラシレスモータのセンサレス制御装置の問題点を示す説明図である。

符号の説明

１（ブラシレス）モータ
２バッテリ
３回転位置推定信号生成部
４通電制御装置
５通電信号生成部
６ｕ＋，６ｕ−，６ｖ＋，６ｖ−，６ｗ＋，６ｗ− 半導体スイッチング素子
７ＰＷＭ制御部
８ゲートドライブ回路
９スイッチング回路
１４極性決定部（ｎを定める手段、商を演算する手段）
１４ａメモリ
１４ｂタイマ
１５ｕ，１５ｖ，１５ｗコンパレータ
１６速度制御部
１７電流検出器（負荷検出手段）

Claims

負荷を検出し、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶しておき、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出し、該時点から、検出した間隔に基づく遅延時間後に、前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御すると共に、該通電制御の開始時点から所定時間、前記サンプリングを禁止するブラシレスモータのセンサレス制御方法において、
検出した前記負荷に基づきｎ（ｎは自然数）を定め、前記遅延時間／ｎの商を前記所定時間として定めることを特徴とするブラシレスモータのセンサレス制御方法。
負荷を検出する負荷検出手段を備え、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶してあり、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出し、該時点から、検出した間隔に基づく遅延時間後に、前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御すると共に、該通電制御の開始時点から所定時間、前記サンプリングを禁止するように構成してあるブラシレスモータのセンサレス制御装置において、
前記負荷検出手段が検出した負荷に基づきｎ（ｎは自然数）を定める手段と、前記遅延時間／ｎの商を演算する手段とを備え、該手段が演算した商を前記所定時間とするように構成してあることを特徴とするブラシレスモータのセンサレス制御装置。