JP2007195313A - ブラシレスモータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコイルに生じる逆起電力の大きさに拘わらず、ステータコイルに生じる誘導起電力に基づいてロータの位置を検出し、通電相を切り替えることのできるセンサレス型のブラシレスモータの駆動装置を提供する。
【解決手段】ステータに設けられた複数相のステータコイルの各相の端子電圧が所定の基準電圧を通過する通過点を検出することによってロータの回転位置を検出する位置検出手段３を備え、この位置検出手段３の検出結果に基づいて、インバータを介してステータコイルへの通電を切り替えるブラシレスモータの駆動装置であって、以下を特徴とする。位置検出手段３は、インバータの通電切り替え時に発生する逆起電力を端子電圧の変化により検出する逆起電力検出手段６を備え、逆起電力の検出に続いて検出された通過点をロータの回転位置として検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータの回転位置をステータコイルの端子電圧の変化によって検出し、ステータコイルへの通電を切り替えるセンサレス型のブラシレスモータの駆動装置に関する。

回転運動型の電動アクチュエータであるモータは、種々の機器に組み込まれ、数多く利用されている。車載用途においても、オイルポンプやウォーターポンプ、パワーステアリング装置、シート、ドアなどの駆動にモータが利用されている。電磁モータの一つであるブラシレスモータは、ブラシと整流子とによる機械的接触構造を持たず、駆動回路（インバータ）によって整流を行い、回転磁界を発生させる。機械的接触構造を有しないので、長寿命が期待できるが、回転するロータの位置を検出して、整流を行う必要がある。

回転するロータの位置検出には、ホール素子などの磁気センサを用いる方式と、センサを用いずコイルに生じる誘導起電力を利用するセンサレス方式とがある。両方式には、それぞれ長短所があるが、特別なセンサを必要とせず、またモータの構造も簡易となることから、コスト要求の高い場合には、センサレス方式がよく用いられる。
下記に出典を示す特許文献１には、磁気センサを用いないセンサレス方式のブラシレスモータの制御方法が記載されている。これによると、ロータの回転によって、３相Ｙ結線（スター結線）されたステータの電機子コイルに発生する誘導起電力を利用する。３相それぞれの正負両方向の誘導起電力が位置検出パルスとして取り出され、６つのモードが認識される。そして、検出した時点から所定の電気角（特許文献１では３０度）だけ待機して、電機子コイルの各相への通電が切り替えられる。

ところで、励磁されていた相への通電が切り替えられても、その相に発生していた磁束にはその状態を維持しようとする性質がある。このため、逆に磁束による起電力（逆起電力）によって、この相にはしばらく電流が流し続けられる。この電流はフライホイール（fly wheel）電流と呼ばれる（フリーホイール（free wheel）電流とも称す。）。このフライホイール電流は、駆動回路に備えられたフライホイールダイオードによって還流される。この際、当該相の端子電圧には、直前の通電時とは逆方向の電位を有する信号が重畳される。
上述したように各相の誘導起電力を位置検出パルスとして取り出すに際し、上記逆起電力によって生じる逆方向の電位もノイズ性のパルスとして取り出される。その結果、ロータの位置検出に支障をきたす場合がある。
特許文献１に記載の制御装置では、各相への通電を切り替えた後、所定時間は、誘導起電力の変化（パルスのＨ／Ｌの変化）の有無を判断しないようにして、対策している。

特許第２６４２３５７号公報（第３頁左欄第４１行〜右欄第２６行、第４頁第１５行〜２１行、第１〜３図）

電機子コイルに流れる電流は、モータの負荷が重いほど多くなる。電流が多くなれば、発生する磁束も多くなる。従って、相の切り替え時に発生する逆起電力も大きくなり、フライホイール電流によって生じるノイズ性のパルスの幅も広くなる。このため、特許文献１に記載された所定時間を超えて、このノイズ性のパルスが生じている場合がある。この場合には、ロータの位置検出が正しく行われない可能性が高くなる。

本願発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、ステータコイルに生じる逆起電力の大きさに拘わらず、ステータコイルに生じる誘導起電力に基づいてロータの位置を検出し、通電相を切り替えることのできるセンサレス型の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。

上記目的を達成するため、本発明に係るブラシレスモータの駆動装置は下記のように構成される。
本発明に係るブラシレスモータの駆動装置は、ステータに設けられた複数相のステータコイルの各相の端子電圧が所定の基準電圧を通過する通過点を検出することによってロータの回転位置を検出する位置検出手段を備え、この位置検出手段の検出結果に基づいて、インバータを介して前記ステータコイルへの通電を切り替えるものであって、下記特徴を有する。
前記位置検出手段が、前記インバータの通電切り替え時に発生する逆起電力を前記端子電圧の変化により検出する逆起電力検出手段を備え、前記逆起電力の検出に続いて検出された前記通過点を前記ロータの回転位置として検出することを特徴とする。

インバータの通電切り替え時、通電を遮断された相には遮断直後に逆起電力が発生する。また、他の相への通電により回転を続けるロータによって非通電中の上記相には誘導起電力が発生する。通電を遮断された相は、非通電状態を経て遮断前とは逆方向へ通電される相である。従って、本特徴構成のように、通電の遮断後、まずこの相に生じた逆起電力を検出し、続いて誘導起電力による電位の変化を検出すれば、次の通電のタイミングを決定することができる。
誘導起電力による電位の変化は、上記相に相当するステータコイルの端子電圧が所定の基準電圧を通過する通過点を検出することによって検出される。この基準電圧は、多くの場合、ステータコイルの中性点電圧が用いられる。
但し、逆起電力によってこの端子電圧に重畳されるノイズ性の信号も基準電圧を超えて変化する。上述したように端子電圧の逆起電力による変化と、誘導起電力による変化とが混同されることは問題とされていた。従来は、例えば、発生した逆起電力が収束すると推定される一定期間は、端子電圧の変化を判定しないようにすることで対応していた。しかし、逆起電力の大きさによっては、この一定期間内に逆起電力が収束しない場合もある。

本発明では、該当する相への通電が遮断された後、まずこの相に生じた逆起電力を検出し、続いて誘導起電力による電位の変化を検出することで、逆起電力の大きさに拘わらず、逆起電力と誘導起電力との混同を抑制している。
その結果、ステータコイルに生じる逆起電力の大きさに拘わらず、ステータコイルに生じる誘導起電力に基づいてロータの位置を検出することができ、通電相を切り替えることができる。

さらに前記位置検出手段は、前記逆起電力が発生すると予測される検出期間を設定する検出期間設定手段を有することができる。そして、前記位置検出手段は、前記逆起電力検出手段が前記検出期間内に前記逆起電力の発生を検出しなかった場合には、前記検出期間に続いて検出された前記通過点を前記ロータの回転位置として検出することを特徴とすることができる。

逆起電力が小さい場合は、逆起電力を起因とする端子電圧の変化も小さくなる。従って、逆起電力が小さい場合は、逆起電力を検出し損ねる可能性がある。
端子電圧の変化の検出には、エッジ検出やレベル検出などがある。エッジ検出は、信号の立ち上がりや立ち下りなどのエッジをフリップフロップなどの順序素子のトリガ（クロック）端子に直結させる方法である。レベル検出は、一方の状態から他方の状態への状態変化を一方の電圧レベルと他方の電圧レベルとを検出することによって検出するものである。順序素子を用いる場合であっても、トリガ端子ではなく、データ端子に接続される。
耐ノイズ性を考慮すると、エッジ検出よりも、レベル検出を用いることが好ましい。しかし、レベル検出は、電圧レベルを検出する検出点（ストローブポイント）の間隔に時間的な分解能が依存される。ストローブポイントの間隔が広く、逆起電力が小さい場合では、逆起電力による端子電圧の変化を取りこぼす可能性も否定できない。
上述したように、逆起電力は、インバータの通電切り替えによって通電を遮断された相に、遮断直後に発生する。つまり、逆起電力は、通電切り替え直後から一定の期間内に発生する。

本発明によれば、この一定の期間を、逆起電力が発生すると予測される検出期間として設定する。そして、この検出期間内に逆起電力の発生を検出しなかった（あるいは検出できなかった）場合には、検出期間に続いて検出された通過点（端子電圧の変化）をロータの回転位置として検出する。
つまり、逆起電力は通電切り替えの直後に生じるべきものであり、検出期間内に検出されない場合には、「逆起電力を検出した」と擬制して以降の処理を続行する。
その結果、ステータコイルに生じる逆起電力の大きさやストローブポイントの間隔に拘わらず、ステータコイルに生じる誘導起電力に基づいてロータの位置を検出することができる。

本発明のブラシレスモータの駆動装置は、さらに前記ブラシレスモータの負荷を検出する負荷検出手段を備え、下記のように前記ロータ回転位置を検出することを特徴とすることができる。
前記位置検出手段は、前記逆起電力が発生すると予測される検出期間を設定する検出期間設定手段を有し、前記ブラシレスモータが所定の負荷以下で駆動される場合には、前記検出期間の間、前記端子電圧の変化の検出を行わず、前記検出期間に続いて検出された前記通過点を前記ロータの回転位置として検出する。

ステータコイルに流れる電流は、モータが高トルクで回転するとき、即ち、負荷が重い場合に多くなる。この電流が多ければ、遮断時に発生する逆起電力も大きくなる。つまり、負荷が小さければ、上述したように逆起電力による端子電圧の変化を取りこぼす可能性が高くなる。
本発明によれば、逆起電力が小さい場合には、端子電圧の変化の検出を行うことなく、以降の処理を「逆起電力を検出した」と擬制して続行する。負荷が重い場合には、逆起電力も大きい。従って、上述したように、該当する相への通電が遮断された後、逆起電力による端子電圧の変化に続いて誘導起電力による端子電圧の変化を検出する。
負荷検出手段による負荷の判定は、上記場合分けが実施可能な程度の精度で十分であるので、駆動装置の規模を大きく増大させることなく付加することができる。
このように本特徴によれば、ステータコイルに生じる逆起電力の大きさに拘わらず、ステータコイルに生じる誘導起電力に基づいてロータの位置を検出することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るブラシレスモータの駆動装置の構成を模式的に示す回路ブロック図である。図２は、図１に示した制御手段２の構成例を模式的に示すブロック図である。図３は、ステータコイルの端子電圧とロータの位置検出信号（ロータ位置信号）とインバータの通電信号との関係を示す波形図である。
図１に示すように、ブラシレスモータ２０は、永久磁石型のロータ２２と、このロータ２２に回転力を与えるための磁界を発生させる複数相のステータコイルを有するステータ２１とを備える。本例では、ロータ２２は、Ｎ極とＳ極とがそれぞれ２極ずつ、ロータ２２の回転角度（機械角）で９０度ずつ異ならされて配置された４極構造である。ステータ２１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータコイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗを備える。ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗの一端は、電気的な中性点となる一点で共通に接続され、Ｙ結線されている。他端は、後述するインバータ１に接続される。

図１に示すように、直流電源Ｂから供給される電源電圧は、制御手段２によって制御されるインバータ１を介して、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗに供給される。デカップリングコンデンサＣは、インバータ１の電源電圧安定用のコンデンサである。シャント抵抗（shunt resistor）Ｒ３は、３相のステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗに流れる電流の合計値としての電源電流を検出するもので、後述する負荷検出手段１２を構成する。

インバータ１は、電源−グラウンド間、即ち、直流電源Ｂのプラス側とマイナス側との間に、２つのスイッチング素子を直列に接続し、これを３回線並列したブリッジ回路として構成されている。本例では、スイッチング素子にパワーＭＯＳＦＥＴ（以下、適宜単にＦＥＴと略称する。）が用いられている。また、電源側にｐチャネル型ＦＥＴ１ａ、１ｂ、１ｃが、グラウンド側にｎチャネル型ＦＥＴ１ｄ、１ｅ、１ｆが用いられている。各ＦＥＴ１ａ〜１ｆには、フライホイールダイオードＦＤ（以下、適宜単にダイオードと略称する。）が内蔵されている。もちろん、パワートランジスタなど、他の素子を用いて構成してもよいし、昇圧回路などを備えて全てｎチャネル型を用いて構成してもよい。

上述したステータコイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗの他端は、直列接続されるｐチャネル型ＦＥＴ１ａ〜１ｃと、ｎチャネル型ＦＥＴ１ｄ〜１ｆの接続点に接続される。即ち、ＦＥＴ１ａと１ｄとの接続点にステータコイル２１Ｕが、ＦＥＴ１ｂと１ｅとの接続点にステータコイル２１Ｖが、ＦＥＴ１ｃと１ｆとの接続点にステータコイル２１Ｗが、接続される。

コンパレータ３Ｕ、３Ｖ、３Ｗは、後述する位置検出手段３を構成するもので、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗの端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷと基準電圧Ｚとを比較判定する。基準電圧Ｚは、電源電圧とグラウンドとの間を同じ抵抗値を有する抵抗器Ｒ１とＲ２とで分圧することにより与えられる。基準電圧Ｚは、電源電圧の１／２の電圧値を有して、上述した３相のステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗの中性点に相当する仮想中性点となる。
コンパレータ３Ｕ〜３Ｗは、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗの端子電圧ＶＵ〜ＶＷが、電気的な中性点に相当する仮想中性点に対して高電位であるか低電位であるかを判定する。コンパレータ３Ｕ〜３Ｗの出力であるロータ位置信号ＳＵ、ＳＶ、ＳＷは、２値化（デジタル化）された信号となって制御手段２へ入力される。

図２に示すように、制御手段２は、位置判定手段４と、通電信号形成手段１０とを有している。
位置判定手段４は、上述したコンパレータ３Ｕ〜３Ｗと共に位置検出手段３を構成するもので、ロータ位置信号判定手段５と、逆起電力検出手段６とを有している。ロータ位置信号判定手段５は、ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷに基づいて、ロータ２２の回転位置を検出する。逆起電力検出手段６は、ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷに基づいて、インバータ１の通電切り替え時に発生する逆起電力を検出し、検出結果をロータ位置信号判定手段５に伝達する。
通電信号形成手段１０は、位置判定手段４の検出結果（位置検出手段３の検出結果）に基づいて、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗへの通電を切り替える通電信号ＰＵ、ＮＵ、ＰＶ、ＮＶ、ＰＷ、ＮＷをインバータ１へ出力する。

例えば、３相Ｙ結線のステータコイルを有するブラシレスモータを１２０度２相励磁方式で駆動する場合、原則として常に１相が余ることになる。各コイルに流れる電流の方向は正負両方向あるので、通電状態は３相×２方向で６状態ある。電気角の１周期（３６０度）の間に、６状態があるので、１状態は電気角で６０度である。各相は、正負両方向に１２０度ずつ通電されるので、電気角の１周期中に２状態（６０度＋６０度＝１２０度）、非通電状態が存在する。
非通電状態である間、他相の通電によってロータは回転を続けるので、電磁誘導により非通電状態の相には誘導起電力が生じる。誘導起電力により、非通電状態の６０度の間に、ステータコイルの端子電圧は、電気的中性点を挟んで電流の正負の方向が反転する。ステータコイルの端子電圧は、１状態の半分の３０度近辺で電気的な中性点を通過することとなる。誘導起電力を利用したセンサレス型のブラシレスモータでは、この中性点を通過するタイミングによって、ロータの回転位置を検出する。

本例では、図３に示すように、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗの端子電圧ＶＵ〜ＶＷが、仮想中性点である基準電圧Ｚよりも高電位であるか低電位であるかが判定され、ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷが得られる。コンパレータ３Ｕ〜３Ｗによって２値化されたロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷの変化点（立ち上がりと立ち下り）は、端子電圧ＶＵ〜ＶＷが基準電圧Ｚを通過する通過点（クロスポイント）を示している。

ところで、励磁されていた相への通電が切り替えられても、その相に発生していた磁束にはその状態を維持しようとする性質がある。このため、磁束による逆起電力によって、この相にはしばらくフライホイール電流が流し続けられる。このフライホイール電流は、フライホイールダイオードＦＤによって還流される。
このため、端子電圧ＶＵ〜ＶＷには、逆起電力、即ちフライホイール電流に起因するノイズＦが重畳されている。このノイズＦも、コンパレータ３Ｕ〜３Ｗによって２値化される。従って、ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷには、クロスポイントを示すパルスの他、ノイズＦに相当するノイズパルスＦＰが出現している。

逆起電力検出手段６は、このノイズパルスＦＰを検出することにより、逆起電力を検出する。ロータ位置信号判定手段５は、逆起電力検出手段６によるノイズパルスＦＰの検出に続いて、上記クロスポイントをロータ２２の回転位置として検出する。クロスポイントの検出は、ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷが、Ｌ状態からＨ状態へ、あるいはＨ状態からＬ状態へ変化することを検出することによって行われる。
クロスポイントが検出されると、所定の待機期間Ｔ１をおいて、６種類の通電信号ＰＵ〜ＰＷ、ＮＵ〜ＮＷの内、何れか該当する通電信号をアクティブにする。本例では待機期間Ｔ１は、ブラシレスモータ２０の進み角が０度の場合、電気角として３０度である。通電信号ＰＵ、ＰＶ、ＰＷは、それぞれｐチャネル型のＦＥＴ１ａ、１ｂ、１ｃを駆動するもので、ローアクティブ（L active）の信号である。通電信号ＮＵ、ＮＶ、ＮＷは、それぞれｎチャネル型のＦＥＴ１ｄ、１ｅ、１ｆを駆動するもので、ハイアクティブ（H active）である。

このように本発明によれば、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗに生じる逆起電力の検出に続いてクロスポイントを検出する。従って、少なくとも逆起電力の発生を正しく検出すれば、逆起電力の大きさに拘わらず、ステータコイルに生じる誘導起電力に基づいてロータの位置を検出することができる。

図４は、図１の制御手段２の第二の構成例を模式的に示すブロックである。
位置判定手段４（位置検出手段３）は、逆起電力が発生すると予測される検出期間（後述する符号Ｔ２）を設定する検出期間設定手段７をさらに備える。そして、逆起電力検出手段６が上記検出期間（Ｔ２）内に逆起電力の発生を検出しなかった場合には、上記検出期間（Ｔ２）に続いて検出された通過点（クロスポイント）をロータ２２の回転位置として検出する。

図３に基づいて上述したように、本発明のブラシレスモータの駆動装置は、逆起電力（ノイズパルスＦＰ）の検出に続いて検出された通過点（クロスポイント）をロータ２２の回転位置として検出する。図５は、逆起電力が小さい場合の例を示す波形図であり、この場合、狭幅のノイズパルスＦＰを逆起電力検出手段６が取りこぼす可能性がある。

逆起電力検出手段６の動作の安定性（例えば、耐ノイズ性）を考慮すると、ノイズパルスＦＰを検出するに際してエッジ検出を用いることは好ましくない。つまり、フリップフロップなどの順序素子のトリガ（クロック）端子に直接ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷを入力することは、外来ノイズなどによる誤動作の原因となることがある。従って、順序素子のデータ端子にロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷを入力し、システムクロックなどをトリガ端子に入力して、状態変化を検出するレベル検出を用いることが好ましい。
ただし、レベル検出は、時間的な分解能がシステムクロックに依存される。つまり、電圧レベルを検出する検出点（ストローブポイント）の間隔に分解能が依存される。例えば、システムクロックのクロック周期の間に、ノイズパルスＦＰが存在すると、これを取りこぼす可能性がある。

図６は、図４に示した検出期間設定手段７を有した制御手段２を用いた場合の端子電圧（ＶＵ、ＶＶ）とロータ位置信号（ＳＵ）と通電信号（ＰＵ）との関係を示す波形図である。端子電圧ＶＵに生じる逆起電力は小さく、ロータ位置信号ＳＵに現れるノイズパルスＦＰも狭幅である。
上述したように、逆起電力は、インバータ１を介した通電切り替えによって通電を遮断された相に、遮断直後に発生する。つまり、逆起電力は、通電切り替え直後から一定の期間内に発生する。上述したように、通電切り替えはクロスポイントから待機期間Ｔ１を経た直後であるから、逆起電力は、クロスポイントから起算して、待機期間Ｔ１経過後の一定の期間内に発生する。従って、検出期間設定手段７は、図６に示したようにクロスポイントから起算して待機期間Ｔ１よりも長い検出期間Ｔ２を設定する。

検出期間Ｔ２が満了した時点（符号Ａ）において、逆起電力検出手段６がノイズパルスＦＰを検出していれば、ロータ位置信号判定手段５は、逆起電力の検出に続いて検出されたクロスポイントをロータ２２の回転位置として検出する。
検出期間Ｔ２が満了した時点（符号Ａ）において、逆起電力検出手段６がノイズパルスＦＰを検出していなければ、逆起電力検出手段６はノイズパルスＦＰを検出したと擬制する。そして、ロータ位置信号判定手段５は、擬制された逆起電力の検出に続いて（検出期間Ｔ２に続いて）検出されたクロスポイントをロータ２２の回転位置として検出する。

図７は、図６と同様に、図４の制御手段を用いた場合の各信号の関係を示す波形図である。端子電圧ＶＵに生じる逆起電力が大きく、ロータ位置信号ＳＵに現れるノイズパルスＦＰの幅も広い点が図６に示した波形図と相違する。
この場合、ノイズパルスＦＰは逆起電力検出手段６のストローブポイントに掛かるだけの充分なパルス幅を有している。従って、検出期間Ｔ２の満了を待つことなく、ノイズパルスＦＰが検出される。ロータ位置信号判定手段５は、逆起電力の検出に続いて検出されたクロスポイントをロータ２２の回転位置として検出する。

図４〜７に基づいて説明したように、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗに生じる逆起電力の大きさやストローブポイントの間隔に拘わらず、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗに生じる誘導起電力に基づいてロータの位置を検出することができる。

図８は、図１の制御手段２の第三の構成例を模式的に示すブロックである。
図２と対比すれば、制御手段２は、ブラシレスモータ２０の負荷（トルク）を、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗを流れる電流（＝電圧換算値ＩＭ）により検出する負荷検出手段１２をさらに備える。また、位置判定手段４（位置検出手段３）は、検出期間設定手段７、マスク手段８をさらに備える。検出期間設定手段７は、上述した第二の構成例と同様に、逆起電力が発生すると予測される検出期間Ｔ２を設定するものである。マスク手段８は、検出期間Ｔ２の間、ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷの変化を禁止する（マスクする）ものである。
このように構成された位置判定手段４は、ブラシレスモータ２０が所定の負荷以下で駆動される場合には、検出期間Ｔ２の間、端子電圧ＶＵ〜ＶＷの変化の検出を行わない。そして、検出期間Ｔ２に続いて検出された通過点（クロスポイント）をロータ２２の回転位置として検出する。

図９は、図８の制御手段２を用いた場合の各信号の関係を示す波形図である。図２の制御手段２を用いた場合の波形図である図３と対比して参照すると違いがより明確になる。
図９では、ブラシレスモータ２０の負荷が小さい場合の例を波形図の左側に、大きい場合の例を波形図の右側に示している。図９の右側の波形は、ブラシレスモータ２０の負荷が大きいことにより、ノイズＦ及びノイズＦＰが図３に示した波形よりも広い幅となっていることを除けば、図３と同様である。従って、詳細な説明は省略する。

図９の左側の波形は、ノイズＦは図３に示した波形と同等の幅であるが、ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷのノイズパルスＦＰはマスク手段８の作用により、検出が禁止されている（マスクされている）。このため、検出期間Ｔ２の間は、逆起電力検出手段６及びロータ位置信号判定手段５共に、端子電圧ＶＵ〜ＶＷ（ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷ）の変化を検出しない。
従って、ノイズパルスＦＰが狭幅であっても逆起電力検出手段６がノイズパルスＦＰを取りこぼすことはない。また、ロータ位置信号判定手段５がノイズパルスＦＰをクロスポイントとして判定することもない。
ロータ位置信号判定手段５は、ブラシレスモータ２０の負荷が軽い場合、検出期間Ｔ２に続いて検出されたクロスポイントをロータ２２の回転位置として検出する。

図８及び９に基づいて説明したように、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗに生じる逆起電力の大きさに拘わらず、ステータコイル２１Ｕ〜２１Ｗに生じる誘導起電力に基づいてロータの位置を検出することができる。

以下、具体的数値を用いて、本発明のブラシレスモータの駆動装置の実施形態について詳述する。
図１〜図３に示したように、本例では、３相のブラシレスモータ２０を１２０度通電方式で駆動する。つまり、電気角の１周期（３６０度）の間に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相を１２０度ずつ、ずらして通電する。上述したように各相は、ｐチャネル型、ｎチャネル型のＦＥＴが１２０度ずつ駆動され、その駆動の間、６０度ずつは、いずれのＦＥＴも駆動されない非通電状態となる。この間、他相の通電によってロータ２２は回転を続けるので、電磁誘導により非通電状態の相には誘導起電力が生じる。誘導起電力により、非通電状態の６０度の間に、端子電圧ＶＵ〜ＶＷは、電源−グラウンド間を変位する。従って、端子電圧ＶＵ〜ＶＷは、その半分の３０度近辺で電気的な中性点を通過することとなり、この通過点を仮想中性点である基準電圧Ｚを基準として検出する。このように検出時点の位相は非通電状態の中点であるから、ここから、電気角で３０度の待機期間Ｔ１を経過した後、対応する通電信号がアクティブとなる。

このように、６０度ごとに通過点（クロスポイント）が検出されるので、電気角の１周期の間に６つのクロスポイントが検出される（６＝３６０／６０）。ブラシレスモータ２０は、これら６つのクロスポイントに関連付けられる６つの状態（ステート）Ｓ１〜Ｓ６（図３参照）に対応して制御される。図１に示すようにブラシレスモータ２０のロータ２２が４極構造である場合、電気角で２周期、つまり７２０度通電させることによって、ロータ２２が機械的に１回転する。ロータ２２の１回転において、６つのステートが２回繰り返される（合計１２ステート）。
ここで、例えばブラシレスモータ２０の回転数を３０５ｒｐｍ（＝周期１９７ｍｓ）に制御するために、１つのステートは１６．４２ｍｓ（＝１９７／１２）に制御される。

ステートや待機期間Ｔ１、検出期間Ｔ２の時間管理には、例えばタイマを利用することができる。一例として、１μｓで１つインクリメント又はデクリメントされるタイマを用いる場合について以下に説明する。
ステートを管理する第一のタイマは、周期１６．４２ｍｓで、クロスポイントの検出によってカウンタ値０にクリアされてインクリメントされるタイマである。１周期（１６．４２ｍｓ）中にクロスポイントが検出されなかった場合には、最大カウント値１６４１９の次に０に自動的にクリアされる。つまり、カウント値１６４２０へのインクリメントと０へのクリアとが同義である。この自動クリアにより、クロスポイントが検出されたと見なされて、ブラシレスモータ２０はいわゆる強制転流される。

第二のタイマは、上述した待機期間Ｔ１を管理するタイマである。上述したようにブラシレスモータ２０の電気角の進み角が０度の場合、待機期間Ｔ１は電気角で３０度である。第一のタイマは、機械的な回転角で３０度（＝３６０／１２）、電気角では６０度に相当する期間を計測している。従って、第一のタイマの計測結果の１／２が、電気角の３０度に相当する。
第二のタイマは、第一のタイマの計測結果の１／２の値を第一のタイマのクリアと同時にセット（ロード）され、以降１μｓごとに１つずつデクリメントされる。例えば、第一のタイマが最大カウント値１６４１９までインクリメントされて０にクリアされる場合、８２０９にセットされる。
第二のタイマのカウント値が０になると、待機期間Ｔ１を経過したこととなり、対応する通電信号がアクティブにされる。第二のタイマは、次のステートの待機時間Ｔ１に相当するセット値ＴＭ２がセットされるまでカウント値０を保持して休止する。

尚、進み角θを考慮すると、第二のタイマのセット値ＴＭ２は、第一のタイマの最大カウント値ＴＭ１との間で以下の式に基づいて規定することができる。
ＴＭ２ ＝ ＴＭ１ × （３０−θ）／６０

進み角θの選択枝を０度、７．５度、１５度、３０度などに限定すれば、上式の右辺の第二項は、１／２、３／８、１／４、０となる。論理演算では、２の累乗を除数とする除算は容易であるから、第二のタイマのセット値ＴＭ２を簡単に得ることができる。

第三のタイマは、上述した検出期間Ｔ２を管理するタイマである。第二のタイマと同様に、検出期間Ｔ２に相当する値をセットされ、以降１μｓごとに１つずつデクリメントされる。セットされる値は、上述したように、待機期間Ｔ１より長く、次のクロスポイントには達しない値である。待機期間Ｔ１の満了（＝通電信号ＰＵ等の切り替え）から、次のクロスポイントまでは電気角で３０度である。従って、検出期間Ｔ２は、待機期間Ｔ１より１０〜２０度（＝ステートの１／６〜１／３）程度長く設定することができる。論理演算では、２の累乗を除数とする除算が容易であるから、ステートの１／４とすれば、検出期間Ｔ２は、待機期間Ｔ１よりも１５度長い期間となる。

第三のタイマのセット値ＴＭ３は、第一のタイマの最大カウント値ＴＭ１、第二のタイマのセット値ＴＭ２、進み角θとの間で以下の式に基づいて規定することができる。
ＴＭ３ ＝ ＴＭ２ ＋ ＴＭ１／４
＝ ＴＭ１ × （３０−θ）／６０ ＋ ＴＭ１／４

尚、ロータ位置信号ＳＵ〜ＳＷのレベル検出を行うためのストローブポイントは、本例の場合には、少なくともタイマのインクリメントの間隔と同じ１μｓにすることができる。従って、例えば、ノイズパルスＦＰが１０μｓ以上のパルス幅を有するような負荷を基準として、負荷の大小を判定することができる。

以上、説明したように本発明によって、ステータコイルに生じる逆起電力の大きさに拘わらず、ステータコイルに生じる誘導起電力に基づいてロータの位置を検出し、通電相を切り替えることのできるセンサレス型のブラシレスモータの駆動装置を提供することができる。

本発明に係るブラシレスモータの駆動装置の構成を模式的に示す回路ブロック図 図１の制御手段の構成例を模式的に示すブロック図 ステータコイルの端子電圧とロータの位置検出信号とインバータの通電信号との関係を示す波形図 図１の制御手段の第二の構成例を模式的に示すブロック 逆起電力が小さい場合の例を示す波形図 図４の制御手段を用いた場合の端子電圧と位置検出信号と通電信号との関係を示す波形図（１） 図４の制御手段を用いた場合の端子電圧と位置検出信号と通電信号との関係を示す波形図（２） 図１の制御手段の第三の構成例を模式的に示すブロック 図８の制御手段を用いた場合の端子電圧と位置検出信号と通電信号との関係を示す波形図

符号の説明

１：インバータ
３：位置検出手段
３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ：コンパレータ（位置検出手段）
４：位置判定手段（位置検出手段）
６：逆起電力検出手段
７：検出期間設定手段
１２：負荷検出手段
２０：ブラシレスモータ
２１：ステータ
２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ：ステータコイル
２２：ロータ
ＰＵ、ＰＶ、ＰＷ：ｐチャネルＦＥＴの通電信号
ＮＵ、ＮＶ、ＮＷ：ｐチャネルＦＥＴの通電信号
ＶＵ、ＶＶ、ＶＷ：ステータコイルの端子電圧
ＳＵ、ＳＶ、ＳＷ：ロータ位置信号（位置検出信号）
Ｔ１：待機期間
Ｔ２：検出期間
Ｚ：基準電圧

Claims (3)

1. ステータに設けられた複数相のステータコイルの各相の端子電圧が所定の基準電圧を通過する通過点を検出することによってロータの回転位置を検出する位置検出手段を備え、この位置検出手段の検出結果に基づいて、インバータを介して前記ステータコイルへの通電を切り替えるブラシレスモータの駆動装置であって、
   前記位置検出手段は、前記インバータの通電切り替え時に発生する逆起電力を前記端子電圧の変化により検出する逆起電力検出手段を備え、前記逆起電力の検出に続いて検出された前記通過点を前記ロータの回転位置として検出するブラシレスモータの駆動装置。
2. 前記位置検出手段は、前記逆起電力が発生すると予測される検出期間を設定する検出期間設定手段を有し、前記逆起電力検出手段が前記検出期間内に前記逆起電力の発生を検出しなかった場合には、前記検出期間に続いて検出された前記通過点を前記ロータの回転位置として検出する請求項１に記載のブラシレスモータの駆動装置。
3. 前記ブラシレスモータの負荷を検出する負荷検出手段を備え、
   前記位置検出手段は、前記逆起電力が発生すると予測される検出期間を設定する検出期間設定手段を有し、前記ブラシレスモータが所定の負荷以下で駆動される場合には、前記検出期間の間、前記端子電圧の変化の検出を行わず、前記検出期間に続いて検出された前記通過点を前記ロータの回転位置として検出する請求項１に記載のブラシレスモータの駆動装置。

Images