JP2012135097A - モータ制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの位置を検出するホールＩＣが故障した場合においても、ブラシレスモータに対して位相のずれが小さい、適切な正弦波状のＰＷＭ波形を印加することができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】ロータの位置を検出するホールＩＣを複数有するブラシレスモータに対して正弦波状のＰＷＭ波形を印加するモータ制御装置であって、ホールＩＣの各出力信号に基づき、１又は複数のホールＩＣの故障を検出する手段（ステップＳ１）と、故障が検出された場合に、故障が検出されなかった１又は複数のホールＩＣの出力信号が変化した時刻に応じて、ＰＷＭ波形の電気角を所定の設定値に補正する手段（ステップＳ４、Ｓ６） を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータの位置を検出するホールＩＣ（集積回路）等の位置検出手段を複数有するブラシレスモータに対して正弦波状のＰＷＭ（パルス幅変調）波形を印加するモータ制御装置及び方法に関する。

ブラシレスモータ（ＤＣ（直流）ブラシレスモータとも呼ばれる）の制御装置には、ホールＩＣ等の位置検出手段からの信号に応じて、正弦波状のＰＷＭ波形をステータコイルに印加するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、３相ステータコイルを有するブラシレスモータに１個のホールＩＣを設け、ホールＩＣの出力信号の立ち上がりに同期させてＰＷＭの電気角を０度に補正する構成（第１実施形態）や、３個のホールＩＣを設け、各ホールＩＣの出力信号の立ち上がり及び立ち下がりに同期させて、ＰＷＭの電気角を６０度単位で補正する構成（第２実施形態）が示されている。

なお、本願において、ホールＩＣとは、ホール素子と信号変換回路とを１つのパッケージに組み込んだ磁気センサであり、磁気を検知して「１」（Ｈｉｇｈ）又は「０」（Ｌｏｗ）のデジタル信号を出力するものであるとする。また、ホール素子とは、ホール効果を利用して磁界を検出し、その大きさに比例したアナログ信号を出力する磁気センサであるとする。また、電気角とは、正弦波の１周期を３６０度とした場合の正弦波の位相を意味する。

一方、特許文献２には、ブラシレスモータのホールＩＣに不具合が生じた場合でもモータを回転駆動するためのモータ制御装置が示されている。この特許文献２に記載されているモータ制御装置では、ホールＩＣの出力信号に基づいてホールＩＣの異常を検出するとともに、異常と検出されたホールＩＣを除く残りのホールＩＣの出力信号の少なくとも１つを用いてモータに印加される駆動電圧が生成されるようになっている。

特開２００２−２７２１６３号公報 特開２０１０−２２１９６号公報

上述した特許文献１には、ホールＩＣが故障した場合にどのように対応するのかが記載されていない。

他方、特許文献２に記載されているモータの駆動方式は、矩形波状の交流電圧を電気角で１２０度分モータに印加する（すなわち半周期（１８０度）毎に６０度分の休止期間を有する交流波形を印加する）１２０度通電方式が用いられている。この１２０度通電方式では、正弦波状のＰＷＭ波形をモータに印加する場合に比べ、交流波形の高調波成分が多く、また、モータの振動や騒音が大きくなりやすいという課題がある。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、ロータの位置を検出するホールＩＣ等の位置検出手段が故障した場合においても、ブラシレスモータに対して位相のずれが小さい等、適切な正弦波状のＰＷＭ波形を印加することができるモータ制御装置及び方法を提供すること目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、ロータの位置を検出する位置検出手段を複数有するブラシレスモータに対して正弦波状のＰＷＭ波形を印加するモータ制御装置であって、前記位置検出手段の各出力信号に基づき、１又は複数の前記位置検出手段の故障を検出する故障検出手段と、前記故障検出手段によって１又は複数の前記位置検出手段に故障が検出された場合に、故障が検出されなかった１又は複数の前記位置検出手段の出力信号が変化した時刻に応じて、前記ＰＷＭ波形の電気角を所定の設定値に補正するＰＷＭ波形制御手段とを備えることを特徴とするモータ制御装置である。

請求項２に記載の発明は、前記位置検出手段がホール素子又はホールＩＣであることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。

請求項３に記載の発明は、ロータの位置を検出する位置検出手段を複数有するブラシレスモータに対して正弦波状のＰＷＭ波形を印加するモータ制御方法であって、前記位置検出手段の各出力信号に基づき、１又は複数の前記位置検出手段の故障を検出する故障検出過程と、前記故障検出過程で１又は複数の前記位置検出手段に故障が検出された場合に、故障が検出されなかった１又は複数の前記位置検出手段の出力信号が変化した時刻に応じて、前記ＰＷＭ波形の電気角を所定の設定値に補正するＰＷＭ波形制御過程とを含むことを特徴とするモータ制御方法である。

本発明によれば、故障検出手段によって（あるいは故障検出過程で）１又は複数の位置検出手段に故障が検出された場合に、故障が検出されなかった１又は複数の位置検出手段の出力信号が変化した時刻に応じて、ＰＷＭ波形の電気角が所定の設定値に補正される。したがって、ロータの位置を検出するホールＩＣ等の位置検出手段が故障した場合においても、ブラシレスモータに対して位相のずれが小さい等、適切な正弦波状のＰＷＭ波形を印加することができる。

本発明によるモータ制御装置の一実施形態の構成例を説明するためのブロック図である。 図１のモータ制御装置１の動作を説明するためのフローチャートである。 図１のモータ制御装置１の動作（ホールＩＣ正常時）を説明するためのタイミングチャートである。 図１のモータ制御装置１の動作（ホールＩＣが１個故障時）を説明するためのタイミングチャートである。 図１のモータ制御装置１の動作（ホールＩＣが２個故障時）を説明するためのタイミングチャートである。

以下、図面を参照して本発明によるモータ制御装置の一実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態としてのモータ制御装置１の構成を説明するためのブロック図である。モータ制御装置１は、内部に３相ステータコイルと磁石ロータとを備えるブラシレスモータ２に正弦波状の３相ＰＷＭ波形を印加することで、ブラシレスモータ２を駆動制御する装置である。なお、ブラシレスモータ２には、磁石ロータの磁極位置を検出するための３個のホールＩＣ３１、３２、および３３が例えば１２０度の電気角に対応する間隔（あるいは互いに異なる極性を検出する構成の場合には６０度の電気角に対応する間隔）で取り付けられている。なお、ホールＩＣ３１、３２、および３３の出力信号がそれぞれ信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３であるとする。

図１に示すモータ制御装置１は、インバータ回路１１、インバータ制御回路１２、故障検出・電気角補正部１３、およびセンサレス位置検出部１４を備えて構成されている。モータ制御装置１内の各部の構成は、その一部又は全部をＩＣ化して構成したり、さらにマイクロコンピュータ等を用いて所定のプログラムを実行することで動作するように構成したりすることができる。なお、図１では、モータ制御装置１内に本発明の特徴に係る部分のみを示しており、例えばモータの速度制御に係る構成等、他の構成が含まれていてもよい。

インバータ回路１１は、３相交流を発生するための６個のトランジスタからなるトランジスタブリッジ回路等からなり、図示してない直流電源の出力をＰＷＭ制御によってスイッチング制御（すなわちオン・オフ制御）することで、ブラシレスモータ２に対して正弦波状の（すなわち正弦波状に変化するパルス幅を有する）３相ＰＷＭ波形を印加する。

インバータ制御回路１２は、故障検出・電気角補正部１３から出力される電気角を表す信号（あるいは数値データ）に基づいて３相ＰＷＭ波形の各相のパルス幅を逐次算出し、インバータ回路１１をスイッチング制御することで、インバータ回路１１から正弦波状の３相ＰＷＭ波形を出力させる。インバータ制御回路１２は、また、３個のホールＩＣ３１〜３３のすべてが故障した場合等に、センサレス位置検出部１４の出力に応じて、１２０度通電方式による矩形波状の３相交流波形をインバータ回路１１から出力させる制御を行うことができるようにもなっている。

故障検出・電気角補正部１３は、ホールＩＣ３１〜３３が故障しているか否かの検出と、ホールＩＣ３１〜３３のうちで故障が検出されなかったものの出力信号の変化に応じてブラシレスモータ２のステータコイルに印加される交流波形の電気角を補正する処理と、電気角の瞬時値を算出する処理とを行う。ただし、電気角の瞬時値を算出する処理については、インバータ制御回路１２内で行うようにしてもよい。

センサレス位置検出部１４は、ブラシレスモータ２の３相ステータコイルに発生する逆起電力の零クロス点を検出することでロータの磁極位置を検出する。
上記以外のセンサレス方式を用いて、ロータの磁極位置を検出しても良い。

次に、図２〜図５を参照して、図１の故障検出・電気角補正部１３が、ＰＷＭ波形の電気角を所定の設定値に補正する際の動作について説明する。図２に示す処理は、例えば、３個のホールＩＣ３１〜３３のいずれかの出力信号Ｈ１、Ｈ２またはＨ３が立ち上がるか（すなわち「０」から「１」に変化するか）、もしくは、立ち下がるか（すなわち「１」から「０」に変化するか）、または３個のホールＩＣ３１〜３３のいずれにも所定時間変化が発生しない場合に、実行される。なお、図３は３つの信号Ｈ１、Ｈ２およびＨ３が正常に動作している場合のタイミングチャートであり、図４は１つの信号Ｈ１が故障している場合のタイミングチャートであり、そして、図５は２つの信号Ｈ１およびＨ３が故障している場合のタイミングチャートである。

信号Ｈ１〜Ｈ３のいずれかに立ち上がりまたは立ち下がり変化が発生した場合、故障検出・電気角補正部１３は、まず、信号Ｈ１〜Ｈ３の過去の信号の状態に基づいて、ホールＩＣ３１〜３３のいずれかに故障が発生しているか否かを判定する（ステップＳ１）。具体的には、信号Ｈ１〜Ｈ３における変化（すなわちエッジ変化）の時間間隔を電気角に対応させて求めることで、ホールＩＣ３１〜３３の故障の有無と、ホールＩＣ３１〜３３のどれに故障が発生しているかを検出する。
また、各信号のレベルの変位を確認することでも、ホールＩＣの異常を検出することが可能である。

図３に示すように、３つの信号Ｈ１、Ｈ２およびＨ３が正常に動作している場合、信号Ｈ１〜Ｈ３における変化の時間間隔は電気角で６０度間隔一定となる。図３に示す例では、時刻ｔ１０で信号Ｈ３が「０」から「１」に変化し、時刻ｔ１１で信号Ｈ２が「１」から「０」に変化し、時刻ｔ１２で信号Ｈ１が「０」から「１」に変化し、…というように、例えば時刻ｔ１０、ｔ１１、…、ｔ１６で信号Ｈ１〜Ｈ３のいずれかが変化している。この場合、例えば信号Ｈ３の変化の１周期（電気角３６０度分）は時刻ｔ１０から時刻ｔ１６までであり、その間に５回の変化（時刻ｔ１１〜ｔ１５の変化）が等時間間隔で発生しているので、３つの信号Ｈ１、Ｈ２およびＨ３の変化の時間間隔は電気角で６０度一定となる。各変化間の時間から電気角への換算は、例えば信号Ｈ１〜Ｈ３の少なくとも１つの信号の１周期の時間（３６０度）に対する割合（例えば信号Ｈ３については時刻ｔ１０〜ｔ１６の時間に対する時刻ｔ１０〜ｔ１１の時間の割合＝６分の１＝６０度）を算出することで行うことができる。

他方、図４に示すように、例えば信号Ｈ１が正常に動作していない場合（この例では「０」に固定されている。）、信号Ｈ１〜Ｈ３における変化の時間間隔は電気角で６０度または１２０度となる。図４に示す例では、例えば、時刻ｔ２０から時刻ｔ２１あるいは時刻ｔ２２から時刻ｔ２３で６０度間隔の変化が発生し、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２あるいは時刻ｔ２３から時刻ｔ２４で１２０度間隔の変化が発生している。

また、図５に示すように、例えば信号Ｈ１およびＨ３が正常に動作していない場合（この例では「０」に固定されている。）、信号Ｈ１〜Ｈ３における変化の時間間隔は電気角で１８０度一定となる。図５に示す例では、例えば、時刻ｔ３０、ｔ３１、ｔ３２、ｔ３３、およびｔ３４の各時刻で１８０度間隔の変化が発生している。

ステップＳ１の判定では、信号Ｈ１〜Ｈ３における変化の時間間隔が電気角で６０度間隔一定の場合には、ホールＩＣ３１〜３３が正常であると判定され（ステップＳ１で「Ｎ」）、そうでない場合にはホールＩＣ３１〜３３の少なくとも１つに異常があると判定される（ステップＳ１で「Ｙ」）。

ホールＩＣ３１〜３３が正常であると判定された場合（ステップＳ１で「Ｎ」の場合）には、３個のホールＩＣ３１〜３３の出力信号に基づいて、３相ＰＷＭ波形の電気角の補正値が算出される（ステップＳ２）。図３に示す例で、例えば信号Ｈ２の立ち下がりの時刻（例えばｔ１１）が、３相のうちの１相（ここではＵ相とする。）の正弦波の電気角０度に対応しているとすると、時刻ｔ１１でＵ相の電気角が０度に補正される。次いで、時刻ｔ１２では電気角が６０度に補正され、時刻ｔ１３では電気角が１２０度に補正され、…というようにＰＷＭ波形の電気角が６０度毎の設定値に補正される。他の相の電気角の補正値はＵ相の電気角を１２０度および２４０度遅らせた値となる。

一方、ホールＩＣ３１〜３３が正常でないと判定された場合（ステップＳ１で「Ｙ」の場合）には、まず、ホールＩＣ３１〜３３の故障が１個であるか否かが判定される（ステップＳ３）。例えば、図４に示すように、１つの信号Ｈ１に故障が発生した場合には、信号Ｈ１〜Ｈ３における変化の時間間隔が電気角で６０度または１２０度となるので、このような場合にはホールＩＣ３１〜３３の故障が１個であると判定される（ステップＳ３で「Ｙ」）。

ホールＩＣ３１〜３３の故障が１個であると判定された場合（ステップＳ３で「Ｙ」の場合）には、３個のホールＩＣ３１〜３３のうち、異常でない（変化が正常な）残りの２つの出力信号に基づいて、３相ＰＷＭ波形の電気角の補正値が算出される（ステップＳ４）。図４に示す例で、上記と同様に、信号Ｈ２の立ち下がりの時刻（図４ではｔ２５等）が、Ｕ相の正弦波の電気角０度に対応しているとすると、例えば時刻ｔ２５でＵ相の電気角が０度に補正される。さらに、時刻ｔ２６でＵ相の電気角が１２０度に補正され、時刻ｔ２７で１８０度に補正され、そして、時刻ｔ２８で３００度に補正される。

なお、３相ＰＷＭ波形における電気角の各時刻における値（すなわち瞬時値）は、故障検出・電気角補正部１３（あるいはインバータ制御回路１２）において、ステップＳ２、ステップＳ４等で補正された電気角を基準として、ロータの回転速度と経過時間とに応じて算出することができる。すなわち、補正された電気角と、補正時刻からの経過時間と、電気角の単位時間当たりの変化量とに基づいて、各時刻における電気角を求めることができる。例えば、図４に示す例では、時刻ｔ２５で０度に補正された電気角に対して、直前のホールＩＣ３２および３３の出力信号Ｈ２およびＨ３における変化の時刻ｔ２４およびｔ２５の時間と電気角６０度から、単位時間当たりの電気角の変化量を求め、その変化量に時刻ｔ２５からの経過時間を掛け合わせることで電気角の瞬時値を算出することができる。

また、ステップＳ３の判定で、ホールＩＣ３１〜３３の故障が１個ではないと判定された場合（ステップＳ３で「Ｎ」の場合）、ホールＩＣ３１〜３３の故障が２個であるか否かが判定される（ステップＳ５）。例えば、図５に示すように、信号Ｈ１およびＨ３に故障が発生した場合には、信号Ｈ１〜Ｈ３における変化の時間間隔が電気角で１８０度となるので、このような場合にはホールＩＣ３１〜３３の故障が２個であると判定される（ステップＳ５で「Ｙ」）。

ホールＩＣ３１〜３３の故障が２個であると判定された場合（ステップＳ５で「Ｙ」の場合）には、３個のホールＩＣ３１〜３３のうち、異常でない（変化が正常な）残りの１つの出力信号に基づいて、３相ＰＷＭ波形の電気角の補正値が算出される（ステップＳ６）。図５に示す例で、上記と同様に、信号Ｈ２の立ち下がりの時刻（図５ではｔ３２等）が、Ｕ相の正弦波の電気角０度に対応しているとすると、例えば時刻ｔ３２でＵ相の電気角が０度に補正される。さらに、時刻ｔ３３でＵ相の電気角が１８０度に補正される。

また、ステップＳ５の判定で、ホールＩＣ３１〜３３の故障が２個ではないと判定された場合（ステップＳ５で「Ｎ」の場合）、ホールＩＣ３１〜３３の故障は３個すべてとなるので、センサレス位置検出部１４の出力に基づいて、通電方式の変更と電気角の制御とを行うセンサレス動作が開始される（ステップＳ７）。

以上述べたように、本実施形態によれば、故障検出・電気角補正部１３（故障検出手段）によって、１または複数のホールＩＣ３１〜３３（位置検出手段）に故障が検出された場合に、故障が検出されなかった１または複数のホールＩＣ３１〜３３の出力信号Ｈ１〜Ｈ３が変化した時刻（時刻ｔ２５〜ｔ２８、ｔ３２、３４等）に応じて、ＰＷＭ波形の電気角が所定の設定値に補正される（ステップＳ４またはＳ６）。したがって、ブラシレスモータ２のロータの位置を検出するホールＩＣ３１〜３３が故障した場合においても、ブラシレスモータ２に対して位相のずれが小さい等、適切な正弦波状のＰＷＭ波形を印加することができる。

なお、本発明の実施形態は上記のものに限定されず、例えば、ホールＩＣに代えてホール素子とその信号処理回路とを設けるようにしたり、ロータの回転速度を算出する際の基準とする時間を１組のエッジ間ではなく、ホールＩＣ出力の複数のエッジ（立ち下がりまたは立ち下がり変化）間としたり、センサレス位置検出部１４を省略して３個のホールＩＣが故障した場合にはブラシレスモータ２を停止させるようにしたりといった変更を適宜行うことができる。また、上記の説明は、ホールＩＣ３１〜３３の出力信号Ｈ１〜Ｈ３の異常を、ホールＩＣ３１〜３３の故障として表現しているが、ホールＩＣ３１〜３３の故障という表現には、ホールＩＣ３１〜３３そのもののほか、信号線等の断線などの故障も含まれるものとする。

１ モータ制御装置
２ ブラシレスモータ
３１、３２、３３ ホールＩＣ
１１ インバータ回路
１２ インバータ制御回路
１３ 故障検出・電気角補正部
１４ センサレス位置検出部

Claims (3)

1. ロータの位置を検出する位置検出手段を複数有するブラシレスモータに対して正弦波状のＰＷＭ波形を印加するモータ制御装置であって、
   前記位置検出手段の各出力信号に基づき、１又は複数の前記位置検出手段の故障を検出する故障検出手段と、
   前記故障検出手段によって１又は複数の前記位置検出手段に故障が検出された場合に、故障が検出されなかった１又は複数の前記位置検出手段の出力信号が変化した時刻に応じて、前記ＰＷＭ波形の電気角を所定の設定値に補正するＰＷＭ波形制御手段と
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記位置検出手段がホール素子又はホールＩＣである
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. ロータの位置を検出する位置検出手段を複数有するブラシレスモータに対して正弦波状のＰＷＭ波形を印加するモータ制御方法であって、
   前記位置検出手段の各出力信号に基づき、１又は複数の前記位置検出手段の故障を検出する故障検出過程と、
   前記故障検出過程で１又は複数の前記位置検出手段に故障が検出された場合に、故障が検出されなかった１又は複数の前記位置検出手段の出力信号が変化した時刻に応じて、前記ＰＷＭ波形の電気角を所定の設定値に補正するＰＷＭ波形制御過程と
   を含むことを特徴とするモータ制御方法。

Images