JP2011030371A - ブラシレスモータの電気角推定方法およびブラシレスモータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回転子を目標回転速度で回転させるPWM駆動電圧の演算に用いる電気角を、PWM駆動電圧における周期を利用して推定する。また、回転子と、固定子と、回転子位置検知センサと、PWM駆動信号を印加する駆動回路と、回転速度検出器と、電流検出器と、制御部とを有するブラシレスモータにおいて、制御部は、前記推定方法で電気角を推定し、少なくとも回転速度検出器および電流検出器の検出結果を受けて回転子の目標回転速度に応じてPWM駆動電圧を生成するための指令信号を電気角を用いて演算し、指令信号を駆動回路に送信する。
【選択図】図6
Description
特に画像形成装置の感光体などを駆動するモータでは、精度の高い回転制御(例えば0.数%程度の回転精度)が必要とされており、回転を制御するPWM演算においても正確な電気角の推定が望ましい。
この他に、回転子が回転する際にコイルに発生する誘起電圧の変化を利用した統計的手法により、電気角を算出する方法(カルマンフィルタ推定法など)が知られている。
また、コイルの誘起電圧を利用した統計的手法の演算によって電気角を求める方法では、複雑な演算処理機能が要求されるため高価な演算装置を設けることが必要になり、コストが上昇してしまう問題がある。また、この演算装置を設置するためのスペースが必要であり、小型化の障害になる。さらに、小型モータに見られる磁極の多極構造では、磁極が一セクタを通過する時間が極めて短いため、演算結果の精度にも問題がある。例えば、3相DCブラシレスモータで、16極、回転速度3000rpmの場合、電気角1周期は、1/3000rpm/60sec/(16極/2)/6セクタ =1.157e−7sec となる。ベクトル制御を行う場合、この時間に対してさらに分割された角度補正が必要となり、上記演算によって精度の高い結果を得ることは難しい。
なお、特定の周期を利用して電気角を推定する方法として、タイマの周期を利用することも考えられる。しかし、この場合、タイマを特別に用意することが必要であり、コスト増を招き、また、タイマ設置のために高機能な演算手段が必要になってしまうという問題がある。これに対し本発明は、PWM制御に用いるPWM駆動電圧の周期を利用することで、格別に構成要素を必要とすることなく電気角を推定できるという点で、上記タイマに対し、格別な利点を有している。
基準電気角分解能=2π/((1/N)/T)
このため、PWM駆動電圧における周期は、良好な再現性が得られるように、回転子が目標回転速度において一つまたは二以上のセクタを通過する時間の1/m倍(mは1以上の整数)の関係となるように設定するのが望ましい。PWM駆動電圧における周期は、PWMキャリアの周波数を調整することにより設定が可能であり、上記関係を満たすようにPWMキャリアの周波数を調整するのが望ましい。
補正電気角分解能は、デューティーの変化に応じて基準電気角分解能を補正することにより算出することができる。デューティーの変化は、一または二以上のセクタに亘る平均デューティーの変化により容易に把握することができる。
例えば、回転子が回転した際のPWM駆動電圧のデューティーをA、目標回転速度を得るために必要とされる理論上の前記PWM駆動電圧の基準デューティーをB、基準電気角分解能をθrsとして、下記式により補正電気角分解能を算出することができる。
補正電気角分解能=A/B×θrs
図1にブラシレスモータの制御ブロック、図2に同ブラシレスモータの回路図、図3に同ブラシレスモータの概略構造を示す。
また、上記演算では、推定した電気角がパラメータとして用いられ、電気角の推定では、電気角分解能がパラメータとして用いられる。
前記ブリッジ回路12は、PWM回路11によって生成されるPWM駆動電圧に応じて、スイッチが切り替わり、各相のコイル4に電流を流す。各相のコイル4は、電流が流れることで磁界を発生する。そして、永久磁石により形成された回転子3は、コイルの磁界の作用を受けて目標回転速度で回転する。
図4(a)は、各ホール素子Hu、Hv、Hwの検知結果と、U相を基準にして、回転子3の位置が60°回転するごとにコイル4を流れる電流の向きが変わる120度通電時の励磁シーケンスを示している。
該励磁シークエンスにより、例えば、セクタ1は、ホール素子からの信号が(101)の場合で、U相、W相でON、V相でOFFの状態であり、それに伴って、各相のコイルに電流が流れる。電流の方向は、V相からU相およびV相からW相へと流れることで、各コイルの磁極(010)は、V相側がN極、U相側及びW相側がS極に、それぞれ励磁される。
この実施形態では、ベクトル制御が用いられる。図4(b)は、ベクトル制御における回転子の電気角とU、V、Wの各相の出力ベクトルとの関係を示しており、例えば、セクタ1の場合、回転子の位置から電流ベクトルは、U相:−Vdd、V相:Vdd、W相:−Vddの条件である。
ベクトル制御では、各セクタ間0〜60度の範囲で回転子位置を推定し、それぞれの相の電流値を基に、clarke/park変換、及び目標位置に対するPI制御、その後、inverse clarke/park変換を行い、算出された電圧ベクトルを基に、Space Vector変換を行い、U、V、Wの各相のON/OFFパターンを制御する。各セクタを決めるものとして、この実施形態ではホール素子Hu、Hv、Hw信号が用いられる。この実施形態では、回転子の位置は、例えば、前記0〜60度の範囲でPWMキャリア信号のエッジを用いて推定し、また、セクタ1の切り替わり目でエッジ信号のカウンタをクリアする。上記電気角の推定は360度毎に行ってもよく、この場合、セクタ1のエッジのカウンタのみをクリアすればよい。
この図には、ブラシレスモータ1におけるホール素子Hu、Hv、Hwからの信号およびPWM駆動電圧のパルスが示されている。
この例では、PWM駆動電圧における周期は、一つのセクタを通過する時間の1/m倍(mは1以上の整数)の関係となるように設定されており、ここではm=9の例を示している。
基準電気角分解能=60/9×2π/360=0.116355rad
上記基準電気角分解能は、2以上のセクタを用いて算出することも可能である。
上記算出は、PWM駆動電圧が1パルス発生する間に、回転子が目標回転速度において回転する回転角度を基準電気角分解能にするという観点で算出されたものであり、回転子の目標回転速度における回転数をN、PWM駆動電圧の周期をTとして、下記式を用いて算出することもできる。
基準電気角分解能=2π/((1/N)/T)
各セクタで上記周期の個数をカウントする手順の例を図6のフローチャートに基づいて説明する。
先ず、U相のホール素子Huで立ち上がりエッジが検出されたか否かを判定する(ステップU1)。立ち上がりエッジが検知されていなければ(ステップU1、NO)、次フローへ移行する。立ち上がりエッジが検知されれば(ステップU1、YES)、他相のホール素子におけるエッジカウント数を制御部20の記憶部に記憶した後、PWMエッジカウントをクリアし(ステップU2)、セクタNo.4として、PWMエッジのカウントを開始し、次フローに移行する。
次フローでは、W相のホール素子Hwで立ち上がりエッジが検出されたか否かを判定する(ステップW1)。立ち上がりエッジが検知されていなければ(ステップW1、NO)、次フローへ移行する。立ち上がりエッジが検知されていれば(ステップW1、YES)、W相のホール素子におけるエッジカウント数を制御部20の記憶部に記憶した後、PWMエッジカウントをクリアし(ステップW2)、セクタNo.2として、PWMエッジのカウントを開始し、次フローに移行する。
次フローでは、V相のホール素子Hvで立ち下がりエッジが検出されたか否かを判定する(ステップV10)。立ち下がりエッジが検知されていなければ(ステップV10、NO)、次フローへ移行する。立ち下がりエッジが検知されていれば(ステップV10、YES)、V相のホール素子におけるエッジカウント数を制御部20の記憶部に記憶した後、PWMエッジカウントをクリアし(ステップV11)、セクタNo.3として、PWMエッジのカウントを開始し、次フローに移行する。
補正電気角分解能=65/64×0.116355rad
=0.118173046875rad
この補正電気角分解能を用いて電気角を推定し、PWM演算を行うことで、負荷の変動に際しても適正なPWM駆動電圧を印加して精度よく回転制御を行うことができる。
n周期前の平均デューティーの情報を取得し、該平均デューティーによって回転子が回転する際に、平均デューティーが与えられたセクタを前記回転子が通過する時間を推定する。平均デューティーが理論デューティーよりも大きくなっていれば、推定時間は理論値よりも大きくなる。この推定時間内に、PWM駆動電圧における周期が繰り返し可能な数を算出し、前記セクタの範囲角度を算出した数で除する。この値が補正電気角分解能を示す。平均デューティーを求める際のタイミングとして、PWM駆動電圧におけるエッジを用いることができる。
まず、一または二以上のセクタを回転子が通過する際のPWM駆動電圧のパルスのエッジをカウントして基準電気角分解能を求める。一セクタの場合には、図6に示すフローチャートにしたがって、各セクタでの周期カウントを行うことができる。
PWM駆動電圧のパルスのエッジカウントがなされると(ステップ1、YES)、最初のエッジ検知においてカウント数のクリアを行っているため、カウント数に一を加算して(ステップs2)、カウント数とする。次いで、電気角の推定を行う(ステップs3)。
先ず、n周期前(nは1以上の整数)の一または二以上のセクタの平均デューティーを算出する。過去のデューティーは、制御部20の記憶部に格納されており、上記セクタに該当するデューティーを読み出して平均デューティーを算出することができる(ステップs30)。
また、パラメータとして使用するPWM駆動電圧のデューティーは、制御部の記憶部に記憶されているデータであるため、過去のデータを読み出して演算に用いることは容易であり、複雑な演算装置を必要としない。そのため、低コストで高精度に回転を制御することができる。
先ず、電流検出器7により検知され、制御部20に入力された、各コイル4に流れるU相、V相、W相の電流をClarke変換により、二相に変換する(ステップ4)。
図9はClarke変換におけるベクトル図を示すものであり、固定子の各コイルに流れる電流iu、iv、iwを、図9中の行列式を用いて、α、β軸上のisに変換している。この例では、V相およびW相からU相に流れる電流が示されている。
このように、固定子の各コイルを流れる三相の電流をα、β軸上の二相(iα、iβ)に変換して、電流値算出の際の計算を容易にしている。
2a、2b 磁極
3 回転子
4 コイル
5 固定子
6 回転速度検出器
7 電流検出器
Hu、Hv、Hw ホール素子
10 駆動回路
11 PWM回路
12 ブリッジ回路
20 制御部
Claims (33)
- 回転子を目標回転速度で回転させるPWM駆動電圧の演算に用いる電気角を、前記PWM駆動電圧における周期を利用して推定することを特徴とするブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記PWM駆動電圧のパルスの立ち上がりまたは立ち下がりのエッジを前記電気角を推定するタイミングに用いることを特徴とする請求項1に記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記PWM駆動電圧における一周期の間に前記回転子が前記目標回転速度において回転する回転角度を基準電気角分解能とし、該基準電気角分解能を用いて、前記電気角の推定を行うことを特徴とする請求項1または2に記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記PWM駆動電圧のパルスの立ち上がりまたは立ち下がりのエッジを前記基準電気角分解能を決定する際のタイミングに用いることを特徴とする請求項3記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記回転子の目標回転速度における回転数をN、前記PWM駆動電圧における周期をTとして、下記式を用いて、前記基準電気角分解能を算出することを特徴とする請求項3または4に記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
基準電気角分解能=2π/((1/N)/T) - 前記基準電気角分解能を励磁シーケンスの一または二以上のセクタ単位で算出することを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記励磁シーケンスの一または二以上のセクタが切り替わる間の、前記PWM駆動電圧のパルスの立ち上がりまたは立ち下がりのエッジ数を求め、該エッジ数と前記切り替わりの間に前記回転子が前記目標回転速度で回転する回転角度とを用いて、前記基準電気角分解能を算出することを特徴とする請求項6記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記回転子が回転している際のPWM駆動電圧の変化に基づいて前記基準電気角分解能を補正した補正電気角分解能を求め、該補正電気角分解能を用いて、前記電気角の推定を行うことを特徴とする請求項3〜7のいずれかに記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記PWM駆動電圧の変化は、前記回転子を前記目標回転速度で回転させる際に必要とされる理論上のPWM駆動電圧を基準とするものであることを特徴とする請求項8記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記PWM駆動電圧の変化は、該PWM駆動電圧のデューティーの変化であることを特徴とする請求項8または9に記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記回転子が回転している際のPWM駆動電圧のデューティーを用いて、該デューティーにおいて前記一または二以上のセクタを前記回転子が回転して通過する推定の通過時間を算出し、該推定通過時間内で前記PWM駆動電圧における周期が繰り返し可能な数を求め、該繰り返し数と前記一または二以上のセクタに亘る回転角度とを用いて、前記補正電気角分解能を算出することを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記回転子が回転している際のPWM駆動電圧のデューティーから前記一または二以上のセクタを前記回転子が回転して通過する推定の通過時間を算出し、前記回転子が前記目標回転速度で回転する際に前記一または二以上のセクタを通過する際の基準通過時間を求め、前記推定通過時間と前記基準通過時間との偏差に基づいて前記補正電気分解能を算出することを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記目標回転速度を得るために必要とされる理論上の基準平均デューティーと、前記回転子が回転している際の平均デューティーとの偏差に基づいて前記補正電気分解能を算出することを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記基準平均デューティーは、前記基準電気角分解能を算出した一または二以上のセクタに亘って前記回転子が回転する際のPWM駆動電圧のデューティーの平均値であり、前記平均デューティー値が、前記一または二以上のセクタのn周期前(nは1以上の整数)の同じセクタに亘って前記回転子が回転した際のPWM駆動電圧のデューティーの平均値であることを特徴とする請求項13記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 前記回転子が回転した際のPWM駆動電圧のデューティーをA、前記目標回転速度を得るために必要とされる理論上の前記PWM駆動電圧の基準デューティーをB、前記基準電気角分解能をθrsとして、下記式を用いて、前記補正電気角分解能を算出することを特徴とする請求項13または14に記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
補正電気角分解能=A/B×θrs - 前記PWM駆動電圧における周期は、前記回転子が目標回転速度において一つのセクタを通過する時間の1/m倍(mは1以上の整数)の関係となるように設定されることを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載のブラシレスモータの電気角推定方法。
- 永久磁石により形成される複数の磁極を有する回転子と、
駆動電圧の印加により励磁される複数のコイルを備える固定子と、
前記回転子の、前記固定子に対する相対的な位置を検知する回転子位置検知センサと、
前記コイルに、PWMキャリアを用いた多相のPWM駆動信号を印加する駆動回路と、
前記回転子の回転速度を検出する回転速度検出器と、
前記コイルに通電される電流値を検出する電流検出器と、
前記回転子の回転を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記回転子位置検知センサの検知結果を受けて複数のセクタからなる励磁シーケンスを決定するとともに、前記PWM駆動電圧における周期を利用して前記回転子の電気角を推定し、少なくとも前記回転速度検出器および前記電流検出器の検出結果を受けて前記回転子の目標回転速度に応じて前記PWM駆動電圧を生成するための指令信号を前記電気角を用いて演算し、該指令信号を前記駆動回路に送信することを特徴とするブラシレスモータ。 - 前記制御部は、前記PWM駆動電圧のパルスの立ち上がりまたは立ち下がりのエッジを前記電気角を推定する際のタイミングに用いることを特徴とする請求項17に記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記PWM駆動電圧における一周期の間に前記回転子が前記目標回転速度において回転する回転角度を基準電気角分解能とし、該基準電気角分解能を用いて、前記電気角の推定を行うことを特徴とする請求項17または18に記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記PWM駆動電圧のパルスの立ち上がりまたは立ち下がりのエッジを前記基準電気角分解能を決定する際のタイミングに用いることを特徴とする請求項19に記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記回転子の目標回転速度における回転数をN、前記PWM駆動電圧における周期をTとして、下記式を用いて、前記基準電気角分解能を算出することを特徴とする請求項19または20に記載のブラシレスモータ。
基準電気角分解能=2π/((1/N)/T) - 前記制御部は、前記基準電気角分解能を前記励磁シーケンスの一または二以上のセクタ単位で算出することを特徴とする請求項19〜21のいずれかに記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記励磁シーケンスの一または二以上のセクタが切り替わる間の、前記PWM駆動電圧のパルスの立ち上がりまたは立ち下がりのエッジ数を求め、該エッジ数と前記切り替わりの間に前記回転子が前記目標回転速度で回転する回転角度とを用いて、前記基準電気角分解能を算出することを特徴とする請求項22に記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記回転子が回転している際のPWM駆動電圧の変化に基づいて前記基準電気角分解能を補正した補正電気角分解能を求め、該補正電気角分解能を用いて、前記電気角の推定を行うことを特徴とする請求項19〜23のいずれかに記載のブラシレスモータ。
- 前記PWM駆動電圧の変化は、前記回転子を前記目標回転速度で回転させる際に必要とされる理論上のPWM駆動電圧を基準とするものであることを特徴とする請求項24記載のブラシレスモータ。
- 前記PWM駆動電圧の変化は、該PWM駆動電圧のデューティーの変化であることを特徴とする請求項24または25に記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記回転子が回転している際のPWM駆動電圧のデューティーを用いて、該デューティーにおいて前記一または二以上のセクタを前記回転子が回転して通過する推定の通過時間を算出し、該推定通過時間内で前記PWM駆動電圧における周期が繰り返し可能な数を求め、該繰り返し数と前記一または二以上のセクタに亘る回転角度とを用いて、前記補正電気角分解能を算出することを特徴とする請求項24〜26のいずれかに記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記回転子が回転している際のPWM駆動電圧のデューティーから前記一または二以上のセクタを前記回転子が回転して通過する推定の通過時間を算出し、前記回転子が前記目標回転速度で回転する際に前記一または二以上のセクタを通過する際の基準通過時間を求め、前記推定通過時間と前記基準通過時間との偏差に基づいて前記補正電気分解能を算出することを特徴とする請求項24〜26のいずれかに記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記目標回転速度を得るために必要とされる理論上の基準平均デューティーと、前記回転子が回転している際の平均デューティーとの偏差に基づいて前記補正電気分解能を算出することを特徴とする請求項24〜26のいずれかに記載のブラシレスモータ。
- 前記基準平均デューティーは、前記基準電気角分解能を算出した一または二以上のセクタに亘って前記回転子が回転する際のPWM駆動電圧のデューティーの平均値であり、前記平均デューティー値が、前記一または二以上のセクタのn周期前(nは1以上の整数)の同じセクタに亘って前記回転子が回転した際のPWM駆動電圧のデューティーの平均値であることを特徴とする請求項29記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記回転子が回転した際のPWM駆動電圧のデューティーをA、前記目標回転速度を得るために必要とされる理論上の前記PWM駆動電圧の基準デューティーをB、前記基準電気角分解能をθrsとして、下記式を用いて、前記補正電気角分解能を算出することを特徴とする請求項29または30に記載のブラシレスモータ。
補正電気角分解能=A/B×θrs - 前記PWM駆動電圧における周期は、前記回転子が目標回転速度において一つのセクタを通過する時間の1/m倍(mは1以上の整数)の関係となるように設定されることを特徴とする請求項17〜31のいずれかに記載のブラシレスモータ。
- 前記制御部は、前記PWM駆動電圧の変化を記憶する記憶部を備えることを特徴とする請求項23〜32のいずれかに記載のブラシレスモータ。
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