JP2014212593A - Motor control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレスDCモータを位置センサレス方式によりPWM制御するモータ制御装置に関する。 The present invention relates to a motor control device that PWM-controls a brushless DC motor by a position sensorless system.
ブラシレスDCモータの駆動方式として、モータの固定子巻線に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出し、そのゼロクロス点を基準として順次通電相を切り替える、所謂位置センサレス方式がある。このとき、モータをPWM制御すると、誘起電圧にはPWM信号のパルスがノイズとして重畳されるため、ゼロクロス点を正確に把握するには、そのノイズの影響を如何にして排除するかが問題となる。 As a driving method of the brushless DC motor, there is a so-called position sensorless method in which a zero cross point of an induced voltage generated in a stator winding of the motor is detected and the energized phases are sequentially switched with reference to the zero cross point. At this time, if the motor is PWM-controlled, the pulse of the PWM signal is superimposed on the induced voltage as noise, so in order to accurately grasp the zero cross point, how to eliminate the influence of the noise becomes a problem. .
例えば特許文献1には、モータの回転数に応じた波形データを用いて誘起電圧が中性点電圧(ゼロクロス点)に達するタイミングを推定する技術が開示されている。その他、ノイズが発生するタイミングでのゼロクロス点検出を諦めたり、フィルタ処理によりノイズを除去する等の技術がある。 For example, Patent Document 1 discloses a technique for estimating the timing at which the induced voltage reaches a neutral point voltage (zero cross point) using waveform data corresponding to the number of rotations of the motor. In addition, there are techniques such as giving up the detection of zero-cross points at the timing when noise is generated and removing noise by filtering.
しかしながら、上記のような従来技術では、フィルタ処理による応答遅れが発生するため、高速な応答性が要求されるシステムには適さない。また、各相の通電パターンを切り替えるのにCPUに割り込みを発生させるため、モータを高速で回転させるにはCPUに高い処理能力が必要となる。しかし、ゼロクロス点を検出するためのフィルタ処理に負荷が占有されると、CPUがその他の制御を行うことができなくなり、CPUを含む制御回路に多くの機能を統合させることが困難になる。 However, the prior art as described above is not suitable for a system that requires high-speed responsiveness because a response delay due to filter processing occurs. In addition, since an interrupt is generated in the CPU to switch the energization pattern of each phase, a high processing capability is required for the CPU to rotate the motor at high speed. However, when the load is occupied by the filter processing for detecting the zero cross point, the CPU cannot perform other controls, and it becomes difficult to integrate many functions into the control circuit including the CPU.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、CPUの処理負荷を増大させることなく、誘起電圧のゼロクロス点に基づく通電タイミングを取得できるモータ制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a motor control device that can acquire the energization timing based on the zero cross point of the induced voltage without increasing the processing load of the CPU.
請求項1記載のモータ制御装置によれば、CPUを有してなる制御回路は、ブラシレスDCモータの固定子巻線の端子電圧に基づき誘起電圧のゼロクロス点を推定することで固定子巻線への通電タイミングを制御し、PWM指令値を出力する。具体的には、制御回路は、PWM周期の開始時点より所定時間が経過した後に非通電相となる固定子巻線の端子電圧について第1検出タイミングを設定し、その後更に所定時間が経過した後に端子電圧の第2検出タイミングを設定する。 According to the motor control device of the first aspect, the control circuit having a CPU estimates the zero-cross point of the induced voltage based on the terminal voltage of the stator winding of the brushless DC motor, and transfers it to the stator winding. Is controlled to output a PWM command value. Specifically, the control circuit sets the first detection timing for the terminal voltage of the stator winding that becomes the non-conduction phase after a predetermined time has elapsed from the start of the PWM cycle, and then after the predetermined time has elapsed. A second detection timing of the terminal voltage is set.
そして、第1,第2検出タイミングにおいてそれぞれ検出された端子電圧の一方がモータの中性点電圧を下回り、且つ端子電圧の他方が中性点電圧を上回ることで検出条件を満たすと第1,第2検出タイミングの中間をゼロクロス点と推定し、次の検出周期における第1,第2検出タイミングを、推定したゼロクロス点に基づいて決定する。一方、前記検出条件を満たさなければ、次のPWM周期における第1,第2検出タイミング間の時間がより長くなるように設定する。 Then, if one of the terminal voltages detected at the first and second detection timings is lower than the neutral point voltage of the motor and the other of the terminal voltages exceeds the neutral point voltage, the first and second detection conditions are satisfied. The middle of the second detection timing is estimated as the zero cross point, and the first and second detection timings in the next detection cycle are determined based on the estimated zero cross point. On the other hand, if the detection condition is not satisfied, the time between the first and second detection timings in the next PWM cycle is set to be longer.
すなわち、第1,第2検出タイミングの間を、ゼロクロス点を捕捉するためのウインドウとすると、検出条件を満たした場合、ゼロクロス点はウインドウ内にあると考えられる。したがって、ゼロクロス点を直接検出せずとも、ウインドウの時間幅の中間をゼロクロス点として妥当に推定できる。一方、検出条件を満たさなければ、ゼロクロス点はウインドウ外にあると考えられるので、次の検出周期に用いるウインドウの時間幅をより長くして、ゼロクロス点をウインドウ内で捕捉できるようにする。 That is, if the window between the first and second detection timings is a window for capturing the zero-cross point, it is considered that the zero-cross point is in the window when the detection condition is satisfied. Therefore, it is possible to reasonably estimate the middle of the window time width as the zero cross point without directly detecting the zero cross point. On the other hand, if the detection condition is not satisfied, the zero cross point is considered to be outside the window. Therefore, the time width of the window used for the next detection cycle is made longer so that the zero cross point can be captured within the window.
これにより制御回路を構成するCPUの制御プログラム(ソフトウェア)は、フィルタ処理を行わずとも誘起電圧のゼロクロス点に基づく通電タイミングを設定できるので、CPUの処理負荷が従来よりも軽減され、モータ制御以外の機能についても並列して実行が可能になる。 As a result, the CPU control program (software) constituting the control circuit can set the energization timing based on the zero-cross point of the induced voltage without performing the filter process, so that the CPU processing load is reduced compared to the conventional case, and other than motor control. These functions can also be executed in parallel.
(第1実施形態)
図1に示すように、例えば車載用のモータ駆動制御装置1は、マイクロコンピュータ(マイコン,制御回路)2とインバータ回路3とを中心に構成されている。モータ駆動制御装置1には、車両のイグニッションスイッチ(IG)を介して駆動用電源が供給される。その駆動用電源は、コンデンサ4a及び4bとコイル5とからなるπ型フィルタ6を介してインバータ回路3(駆動回路)に供給されている。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, for example, an in-vehicle motor drive control device 1 is configured around a microcomputer (a microcomputer, a control circuit) 2 and an
また、駆動用電源は、ダイオード7を介して5V電源回路8に供給されている。5V電源回路8は、駆動用電源電圧を降圧して5Vの制御用電源を生成すると、マイコン2の電源端子に供給する。マイコン2の電源端子とグランドとの間には、バイパスコンデンサ9が接続されている。入力回路10には、図示しない上位の制御装置より、モータの回転数指令が低速のPWM信号で入力される。入力回路10は、入力されたPWM指令値(PWMデューティ)に応じたより高速のPWM信号を生成し、マイコン2の入力ポートに出力する。
The driving power is supplied to the
インバータ回路3は、3つの素子モジュール11U,11V,11Wより構成され、各素子モジュール11は、直列接続された2つのNチャネルMOSFET(スイッチング素子)12及び13を備えている。これらのFET12及び13の共通接続点がインバータ回路3の各相出力端子となり、例えば3相ブラシレスDCモータであるモータ14の各相固定子巻線15U,15V,15Wに接続されている。マイコン2(PWM信号出力手段)は、内蔵されるCPUが制御プログラム(ソフトウェア)に従い動作することで、インバータ回路3を構成する各NチャネルMOSFET12及び13のゲートにPWM信号を出力してモータ14を駆動制御する。
The
また、素子モジュール11は、FET12及び13の共通接続点の電位を、モータ14の中性点電位(各相電圧の和)と比較するコンパレータ16(図1では、U相のみ図示)を備えている。コンパレータ16は、マイコン2がモータ14の誘起電圧のゼロクロス点を推定するために使用される。また、各素子モジュール11が備えるコンパレータ16の出力信号は、マイコン2の入力ポートにそれぞれ入力されている。
The
5V電源回路8の出力端子とグランドとの間には、抵抗素子17及びサーミスタ18の直列回路が接続されている。サーミスタ18(図1では、U相のみ図示)は、各素子モジュール11の近傍に配置され、NチャネルMOSFET12及び13の温度を検出するために使用される。抵抗素子17及びサーミスタ18(温度検出手段)の共通接続点は、マイコン2のA/D変換入力ポートに接続されている。
A series circuit of a
シャント抵抗19は、グランド線において、コンデンサ4a,4bの一端が接続されている接続点の間に挿入されている。そして、シャント抵抗19(電流検出手段)の端子電圧は、アンプ20(電流検出手段)により増幅されると、マイコン2のA/D変換入力ポートに入力される。また、電源端子IGとグランドとの間には、抵抗素子21及び22の直列回路(電圧検出手段)が接続されており、それらの共通接続点は、マイコン2のA/D変換入力ポートに接続されている。
The
本実施形態では、マイコン2は、入力ポートに与えられるコンパレータ16(U,V,W)の出力信号を参照することで、モータ14が回転している際に固定子巻線15U,15V,15Wに発生する誘起電圧のゼロクロス点(中性点電圧レベルを跨ぐ点)を推定する。以下、その原理について説明する。
In the present embodiment, the
PWM制御に伴うノイズが含まれている各相電圧を、コンパレータが中性点電圧と比較して出力する信号をマイコンの入力ポートに直接与え、マイコンのCPUが、フィルタ処理を行わずにゼロクロス点を直接検出することを想定する。想定した従来技術では、図9に示すように、入力ポートのレベルをポーリングするための期間をある程度の幅を持たせて設定しておき、その期間内(以下、当該期間の幅を「検出ウインドウ」と称す)に連続してポーリングを行う。そして、コンパレータの出力信号レベルがハイからロー,又はローからハイに切り替わったタイミングをゼロクロス点として検出する。尚、このようなゼロクロス点の検出は、非通電相について行う。 Each phase voltage that includes noise associated with PWM control is compared with the neutral point voltage, and a signal that is output by the comparator is directly applied to the microcomputer input port. Is assumed to be detected directly. In the assumed prior art, as shown in FIG. 9, a period for polling the input port level is set with a certain width, and within that period (hereinafter, the width of the period is referred to as “detection window”). Polling is performed continuously. The timing at which the output signal level of the comparator is switched from high to low or from low to high is detected as a zero cross point. Such detection of the zero cross point is performed for the non-energized phase.
モータを120度通電により駆動制御すると、ゼロクロス点は3相について電気角60度ごとに発生する。そこで、図9(a)に示すように、モータが一定速度で回転している場合には、前回のゼロクロス点検出タイミングから電気角30度相当の期間が経過すると通電パターンを切り替え、同タイミングから電気角60度相当の期間が経過した時点が次の検出ウインドウ内にあれば、そこでゼロクロス点を検出できる。つまり、検出ウインドウの始点を、電気角60度相当期間よりも手前に設定しておき、ゼロクロス点の検出を始点付近で行うようにし、検出ウインドウの終点は、ゼロクロス点検出が不能となる時間まで拡張しておく。 When the motor is driven and controlled by energization at 120 degrees, a zero cross point is generated every three electrical phases for three phases. Therefore, as shown in FIG. 9A, when the motor is rotating at a constant speed, the energization pattern is switched when a period corresponding to an electrical angle of 30 degrees elapses from the previous zero-cross point detection timing, and from that timing. If the time point corresponding to the electrical angle of 60 degrees has elapsed within the next detection window, the zero cross point can be detected there. That is, the start point of the detection window is set before the period corresponding to the electrical angle of 60 degrees, and the zero cross point is detected in the vicinity of the start point. The end point of the detection window is until the time when the zero cross point cannot be detected. Keep expanding.
これに対して、図9(b)に示すように、モータが加速している場合には、次にゼロクロス点が到来するタイミングが早まるため、検出ウインドウの始点よりも手前になると検出できなくなる。このケースでは「検出ミス」と判定すると、検出ウインドウの始点をゼロクロス点として、そこから電気角30度経過で通電パターンを切り替え、電気角60度相当経過で次の検出ウインドウを設定する。尚、「検出ミス」と判定するタイミングは、モータが加速状態にあることが把握できれば、検出ウインドウの中間点までに検出できなかった時点で判定すれば良い。結果として、次回に検出されるゼロクロス点が検出ウインドウの始点側に偏るため、加速に対する追従性が悪くなってしまう。 On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the motor is accelerating, the timing at which the zero-cross point arrives next is advanced, so that it cannot be detected before the start point of the detection window. In this case, if it is determined as “detection error”, the starting point of the detection window is set as a zero cross point, and the energization pattern is switched after 30 degrees of electrical angle, and the next detection window is set when 60 degrees of electrical angle has elapsed. Note that the timing of determining “detection error” may be determined when the motor is in an acceleration state and cannot be detected by the midpoint of the detection window. As a result, the zero cross point detected next time is biased toward the start point side of the detection window, so that the followability to acceleration is deteriorated.
このように検出ウインドウを設定した結果、図10に示すようにモータが減速する際には、ゼロクロス点が検出ウインドウの始点側で検出されることになるので、減速に対する追従性は良好になる。また、減速時に検出ウインドウ内でゼロクロス点が検出できなかった場合には、センサレス駆動制御が失敗したと判断されてモータの起動シーケンスを再度実行することになる。 As a result of setting the detection window as described above, when the motor decelerates as shown in FIG. 10, the zero cross point is detected on the start point side of the detection window, so that the followability to the deceleration is good. If the zero cross point cannot be detected in the detection window during deceleration, it is determined that the sensorless drive control has failed and the motor startup sequence is executed again.
上記の考察を踏まえて、本実施形態では図11(a)に示すように、検出ウインドウをより狭く設定し、検出ウインドウの始点と終点とでコンパレータ16の出力信号のレベルを検出する。そして、一方のレベルが中性点電圧を超えており、他方のレベルが中性点電圧を下回っていれば、ゼロクロス点は検出ウインドウ内にあると推定できる。その場合は、検出ウインドウの中間点にゼロクロス点があると推定し、前回の通電パターンの切替えタイミングから60度経過後に次の通電パターンに切り替えを行う。この場合、検出ウインドウの設定は、前回のゼロクロス点推定タイミングから60度経過する時点の前後に始点,終点を設定して行う。 In consideration of the above consideration, in the present embodiment, as shown in FIG. 11A, the detection window is set narrower, and the level of the output signal of the comparator 16 is detected at the start point and end point of the detection window. If one level exceeds the neutral point voltage and the other level is lower than the neutral point voltage, it can be estimated that the zero cross point is within the detection window. In that case, it is estimated that there is a zero cross point at the midpoint of the detection window, and switching to the next energization pattern is performed 60 degrees after the previous energization pattern switching timing. In this case, the detection window is set by setting a start point and an end point before and after the point when 60 degrees has elapsed from the previous zero cross point estimation timing.
そして、図11(b)に示すように、モータ14が加速している場合に検出ウインドウ内にゼロクロス点が無かったと判定すると(この場合、始点の手前にある)、検出ウインドウの始点をゼロクロス点として、そこを基準に(30−α)度経過後に次の通電パターン切替えを行う。また、次回の検出ウインドウの設定を、始点をα度手前に、終点をα度後に設定することで広げ、検出ウインドウ内でゼロクロス点を捕捉できるようにする。これにより加速時の追従性が良好になる。
Then, as shown in FIG. 11 (b), when it is determined that there is no zero cross point in the detection window when the
また、図12に示す減速の場合は、検出ウインドウ内にゼロクロス点が無かったと判定すると(この場合、終点の後にある)、検出ウインドウの終点をゼロクロス点として、そこを基準に(30+α)度経過後に次の通電パターン切替えを行う。また、次回の検出ウインドウの設定を、加速時と同様に始点,終点の双方をα度拡げるようにする。この場合も減速時の追従性が良好になる。 Further, in the case of deceleration shown in FIG. 12, if it is determined that there is no zero cross point in the detection window (in this case, after the end point), the end point of the detection window is set as the zero cross point, and (30 + α) degrees have elapsed with reference to that point. The next energization pattern switching is performed later. Further, the next detection window is set so that both the start point and the end point are expanded by α degrees as in acceleration. Also in this case, the followability during deceleration is good.
図2において、太い破線を中心として細い破線で囲んで示しているのは、前回の検出周期における検出ウインドウの位置である。それに対して、右方向矢印の先にある検出ウインドウは、前回にゼロクロス点が検出できなかったとした場合に、通電パターンの切替えタイミングを変更し、且つ検出幅を拡げた今回の検出ウインドウである。 In FIG. 2, what is surrounded by a thin broken line with the thick broken line as the center is the position of the detection window in the previous detection cycle. On the other hand, the detection window at the tip of the right-pointing arrow is the current detection window in which the energization pattern switching timing is changed and the detection width is expanded when the zero-cross point cannot be detected last time.
次に、以上の処理を実行するための制御についてより具体的に説明する。図3において、マイコン2に対しては、PWM信号のオンタイミングから、FET12及び13の通電,非通電の切り替わりに同期して発生するノイズを避けるため所定時間が経過した後に割込みを発生させる。すると先ず、その時点の時刻がゼロクロス検出開始時刻(検出ウインドウの始点)を跨いだか否かを判定し(S1)、跨いだ場合は(YES)、コンパレータ16の出力信号レベルを読み込む(S2,第1検出タイミング)。続くステップS3では、その時点の時刻がゼロクロス検出終了時刻(検出ウインドウの終点)を跨いだか否かを判定し(S3)、跨いだ場合は(YES)、再度コンパレータ16の出力信号レベルを読み込む(S4,第2検出タイミング)。尚、ステップS2,S4の処理の詳細については後述する。
Next, the control for executing the above processing will be described more specifically. In FIG. 3, the
ステップS4の実行結果により、ゼロクロス点の検出時刻であれば(S4a:YES)2つの検出時刻間隔よりモータ14の回転数を計測し(S5)、目標回転数を算出し(S6)、両者でPI制御することでPWMデューティを算出する(S7)。これにより、モータ14の回転数が目標回転数に収束するようにPWMデューティが調整される。それから、アンプ20の出力電圧をA/D変換して読み込み電流制限率を算出し(S8)、サーミスタ18の端子電圧(モジュール11の温度)を参照して温度制限率を算出する(S9)。
Based on the execution result of step S4, if it is the detection time of the zero cross point (S4a: YES), the rotational speed of the
更に、マイコン2は、抵抗素子21及び21により分圧された駆動電源電圧をA/D変換して読み込むと、電圧補正率を算出する(S10)。そして、ステップS8〜S10で算出した各補正率によりS7で求めたPWMデューティを補正し、次回のPWM割り込み発生時におけるモータ14の回転数を予測する(S11)。
Further, when the
次に、ステップS4aと同様の判断を行い(S11a)、ゼロクロス点検出時刻であれば(YES)次回にゼロクロス点が到来すると予測される時刻を算出する(S12)。それから、前記時刻に基づいて検出ウインドウの始点,終点タイミング(時刻)を算出し(S13)、前回のゼロクロス点を起点として次の通電切り替えタイミングを算出する(S14)。そして、次回に通電パターンを切り替えるため発生させる割り込みをセットする(S15)。また、ステップS11aにおいて、ゼロクロス点検出時刻でなければ(NO)、PWM周期を計時する割り込み発生用のタイマを設定する(S16)。 Next, the same determination as in step S4a is performed (S11a), and if it is a zero cross point detection time (YES), a time at which the next zero cross point is predicted to be calculated is calculated (S12). Then, the start point and end point timing (time) of the detection window are calculated based on the time (S13), and the next energization switching timing is calculated from the previous zero cross point (S14). Then, an interrupt to be generated in order to switch the energization pattern next time is set (S15). In step S11a, if it is not the zero cross point detection time (NO), an interrupt generation timer for measuring the PWM period is set (S16).
図4(a)に示すように、ステップS2では、マイコン2はコンパレータ16の出力電圧を読み込んで取得すると(S21)、その電圧が検出(1)位相か否かを判断する(S22)。ここで、「検出(1)位相」及び後述する「検出(2)位相」は、図4(c)に示すように各通電パターンに応じて決まるU,V,Wの何れか一相のレベルが、H,Lに遷移する場合の遷移前,遷移後のレベルに対応する。ここで検出(1)位相であれば(YES)処理を終了し、検出(1)位相でなければ(NO)現在時刻,すなわち、ステップS2の実行時刻をゼロクロス点の検出時刻とする(S23)。そして、進角させる通電角度をインクリメントすると(S24)、ゼロクロス点の検出を「失敗」とし(S25)、後述するフリーラン判定を行う(S26)。
As shown in FIG. 4A, in step S2, when the
図4(b)に示すように、ステップS4では、先ずその時点がゼロクロス点の検出中であるか否かを判断する(S31)。ここで「検出中」とは、通電パターンを切り替えた時点から設定される。「検出中」であれば(YES)、コンパレータ16の出力電圧を読み込んで取得し(S32)、その電圧が検出(2)位相か否かを判断する(S33)。検出(2)位相であれば(YES)、ステップS2,S4の間にゼロクロス点を跨いだことになるので(検出条件を満たす)、ゼロクロス点の推定時刻を、ステップS12で算出した期待時刻とする(S38)。この場合は、ゼロクロス点の検出(推定)を「成功」として(S39)、ステップS37(S26と同じフリーラン判定)に移行する。尚、本実施形態では、ゼロクロス点についての「検出」とは「推定」を意味する。 As shown in FIG. 4B, in step S4, it is first determined whether or not the time point is detecting a zero cross point (S31). Here, “being detected” is set from the time when the energization pattern is switched. If “detecting” (YES), the output voltage of the comparator 16 is read and acquired (S32), and it is determined whether the voltage is in the detection (2) phase (S33). If it is the detection (2) phase (YES), the zero-cross point is straddled between steps S2 and S4 (detection condition is satisfied), so the estimated time of the zero-cross point is the expected time calculated in step S12. (S38). In this case, the detection (estimation) of the zero cross point is set to “success” (S39), and the process proceeds to step S37 (same free run determination as S26). In the present embodiment, “detection” for the zero-cross point means “estimation”.
また、ステップS33において、コンパレータ16の出力電圧が検出(2)位相でなければ(NO)、現在時刻(ステップS4の実行時刻)をゼロクロス点の検出時刻とする(S34)。それから、進角させる通電角度をデクリメントして(S35)ゼロクロス点の検出を「失敗」とし(S36)、ステップS37に移行する。 In step S33, if the output voltage of the comparator 16 is not in the detection (2) phase (NO), the current time (execution time of step S4) is set as the zero cross point detection time (S34). Then, the energization angle to be advanced is decremented (S35), and the detection of the zero cross point is set to “failure” (S36), and the process proceeds to step S37.
図5に示すフリーラン判定では、先ずゼロクロス点の検出が「失敗」であったか否かを判断する(S41)。「成功」であれば(NO)、検出失敗の回数が1回以上か否かを判断して(S46)、1回も失敗していなければ(NO)処理を終了する。ステップS41においてゼロクロス点の検出が「失敗」であれば(YES)、検出失敗回数をカウントするカウンタをインクリメントしてから(S42)、検出失敗回数が所定の閾値、例えば12回に達したか否かを判断する(S43)。尚、本説明では検出失敗の回数を用いているが、検出失敗回数の代わりにゼロクロス点が検出できない時間を計測し、前記時間が所定の閾値以上となったか否かを判断しても良い。 In the free-run determination shown in FIG. 5, it is first determined whether or not the detection of the zero cross point is “failure” (S41). If it is “success” (NO), it is determined whether or not the number of detection failures is one or more (S46), and if it has never failed (NO), the process is terminated. If the detection of the zero-cross point is “failure” in step S41 (YES), the counter for counting the number of detection failures is incremented (S42), and whether the number of detection failures has reached a predetermined threshold, for example, 12 times or not. Is determined (S43). In this description, the number of detection failures is used, but instead of the number of detection failures, a time during which the zero cross point cannot be detected may be measured to determine whether or not the time has exceeded a predetermined threshold.
ステップS43において、検出失敗回数が11回以下であれば(NO)フリーラン判定処理を終了するが、12回以上であれば(YES)モータ14の駆動モードをフリーラン状態にし(S44)、モータ14の実回転数を0rpmに設定して(S45)処理を終了する。このとき、インバータ回路3による通電は全相ともオフにして、通電パターン切り替えのための割り込みの発生は禁止する。
In step S43, if the number of detection failures is 11 times or less (NO), the free-run determination process is terminated, but if it is 12 times or more (YES), the drive mode of the
つまり、ステップS2,S4の間にゼロクロス点がなかった場合は、検出ウインドウの始点又は終点をゼロクロス点と仮定してオープンループ制御でモータ14を駆動することになる。その状態駆動を継続しても、ステップS2,S4の間でゼロクロス点が検出されなければ、モータ14の回転位置と通電パターンとが不一致であるか、又は想定しているモータ14の回転数が、実際の回転数と大きくかけ離れていることが想定される。そこで、PWM制御を一旦停止してモータ14をフリーラン(空転)状態にし、慣性で回転している状態でゼロクロス点が検出されることを期待する。
That is, when there is no zero cross point between steps S2 and S4, the
ステップS46において「YES」と判断するのは、過去に1回以上検出を失敗した後に成功に転じたケースである。この場合は、モータ14の実回転数が0rpmを超えているか否かを判断し(S47)、0rpmでなければ(YES)処理を終了する。一方、モータ14が停止しており実回転数が0rpmであれば(NO)、検出失敗回数のカウンタをゼロクリアして(S48)、進角の設定値を初期値にしてから(S49)、モータ14の駆動モードを強制転流にして再起動する(S50)。
The case where “YES” is determined in step S46 is a case where the detection has succeeded after having failed once or more in the past. In this case, it is determined whether or not the actual rotational speed of the
ここで、図3に示すステップS13においては、図4に示す処理で判定したゼロクロス点検出結果(成功/失敗)に応じて、検出ウインドウの時間幅を調整しても良い。検出が成功であれば次回の検出ウインドウをより狭くして推定精度を向上させ、検出が失敗であれば次回の検出ウインドウをより拡げて、次回に検出が成功する確率を高めるようにする。すなわち、図11及び図12に示した制御内容となる。また、検出ウインドウを拡げた場合には、それに伴い通電時間を短くして時間幅を確保する。
この時、ゼロクロス点の検出失敗が連続すると通電時間が次第に短くなるが、通電時間に下限値を設定しておき、通電時間が下限値に達しても検出条件を満たさなければ、モータ14の回転数を低下させたり、PWM制御を停止させるようにしても良い。
Here, in step S13 shown in FIG. 3, the time width of the detection window may be adjusted according to the zero cross point detection result (success / failure) determined in the process shown in FIG. If the detection is successful, the next detection window is narrowed to improve the estimation accuracy. If the detection is unsuccessful, the next detection window is expanded to increase the probability that the next detection will be successful. That is, the control contents shown in FIGS. Further, when the detection window is expanded, the energization time is shortened accordingly, and the time width is secured.
At this time, if the zero-cross point detection failure continues, the energization time is gradually shortened. However, if the lower limit value is set for the energization time and the detection condition is not satisfied even if the energization time reaches the lower limit value, the
図6(a)に示すように、モータ14が加速する期間では、電気角60度ごとのゼロクロス点の検出間隔が次第に狭まる。そして、図6(b)に示すように、通電パターンはゼロクロス点より電気角30度のタイミングより進角相当時間手前で切り替えられる。通電パターンカウンタは、切り替えタイミング毎にインクリメントされ、そのカウント値は「0」〜「11」を循環して繰り返す。
通電パターンは、図4(c)に示す6つの通電パターンが切り替わるタイミングを含む6つの移行期間を加えて12パターンとなる。すなわち、上記カウント値が「1,3,5,7,9,11」を示す場合に、ステップS31で「検出中」となる。尚、進角αについては、進角させない場合の通電切り替えタイミング間を「通電角」とすると、
α=(通電角−60度)/2
相当時間とする。
As shown in FIG. 6A, in the period in which the
The energization pattern is 12 patterns by adding six transition periods including the timing at which the six energization patterns shown in FIG. That is, when the count value indicates “1, 3, 5, 7, 9, 11”, “in detection” is set in step S31. As for the advance angle α, when the energization switching timing when the advance angle is not advanced is defined as “energization angle”,
α = (conduction angle−60 degrees) / 2
It will be equivalent time.
図7に示すように、マイコン2は、U,V,W各相に対応するコンパレータ16の出力信号を参照し、ゼロクロス点を検出(推定)する。そして、ゼロクロス点検出時の時刻を平均化してモータ14の実回転数を算出する。また、ゼロクロス点の検出結果は、成功した場合と、検出できずに検出ウインドウの始点(早い)又は終点(遅い)を検出時刻とした場合との3パターンがあるので、それらの結果についても、平均化や実回転数の算出に使用する。また、上記の検出結果は、通電パターン切り替えの際の進角補正にも、符号の決定などに適用される。
As shown in FIG. 7, the
モータ14の実回転数は、通電角の算出と、通電パターン切り替え時刻の算出にも用いられる。通電パターン切り替え時刻については、ゼロクロス点の検出時刻と進角補正値も考慮して次回の切り替えと、その次の切り替え時刻(次々回)とが算出される。尚、フリーラン判定において実回転数を0rpmとした状態から通電を開始する際には、次回時刻を現在時刻に置き換えて通電パターン切り替え時刻を算出する。
The actual rotational speed of the
図8に示すように、モータ14を停止している状態から起動させる際には、先ず直流励磁によりロータの位置決めを行う。それから、通電を停止して電流がある程度低下するまで待機すると、強制転流により回転を開始させる。強制転流期間中には、通電パターンの切り替えタイミングから所定時間後にゼロクロス点があるものとして、すなわち回転初期に期待する回転数相当のタイミングで次の通電パターンに切り替える。そして、通電パターンの切り替えは割り込みを設定して行うが、その割り込み処理中に、次回の通電パターン切り替えのための割り込みを設定する。
As shown in FIG. 8, when starting the
強制転流の開始から所定時間が経過するか、又は所定回転数分だけ通電パターン切り替えを実行すると、ゼロクロス点の推定を開始する。若しくは、ゼロクロス点の推定も並行して行い、次回の通電パターン切り替え割り込みが発生する前にゼロクロス点が検出できれば、以降に推定を継続して行うようにしても良い。また、モータ14の回転数が目標値に達した時点で推定を開始しても良い。その後は、回転数が目標値に収束するようにPWMデューティをPI制御などにより調整する。
When a predetermined time elapses from the start of forced commutation or when the energization pattern is switched by a predetermined number of revolutions, estimation of the zero cross point is started. Alternatively, the zero cross point may be estimated in parallel, and if the zero cross point can be detected before the next energization pattern switching interrupt occurs, the estimation may be continued thereafter. The estimation may be started when the rotation speed of the
更にまた、アンプ20により検出される電流の最終目標値(閾値,例えば3A)を設定しておく。そして、強制転流により回転数を上昇させる際に、電流の目標値を段階的に上昇させて、検出される電流が各目標値に収束するようにPWMデューティを例えばPI制御により補正する。検出される電流が最終目標値に達した時点でゼロクロス点の推定を開始しても良い。これにより、起動時の通電電流が過大になることを防止する。
Furthermore, a final target value (threshold value, for example, 3 A) of the current detected by the
以上のように本実施形態によれば、マイコン2は、モータ14の非通電相となる固定子巻線15の端子電圧の変化に基づき誘起電圧のゼロクロス点を推定して固定子巻線15への通電タイミングを制御し、PWM指令値を出力する。具体的には、PWM周期の開始時点より所定時間が経過した後に第1検出タイミング(S2)を設定し、その後更に所定時間が経過した後に第2検出タイミング(S4)を設定する。
As described above, according to the present embodiment, the
そして、第1,第2検出タイミングでそれぞれ検出されたコンパレータ16の出力電圧の一方がモータ14の中性点電圧を下回り、且つ他方が中性点電圧を上回ることで検出条件を満たすと、両検出タイミングの中間をゼロクロス点と推定し、或いは期待通りのゼロクロス点であったと仮定し、次の検出周期における第1,第2検出タイミングを、推定したゼロクロス点に基づいて決定する。一方、前記検出条件を満たさなければ、次のPWM周期における第1,第2検出タイミング間の時間がより長くなるように設定する。
If one of the output voltages of the comparator 16 detected at the first and second detection timings is lower than the neutral point voltage of the
すなわち、検出条件を満たした場合、ゼロクロス点は検出ウインドウ内にあると考えられるので、ゼロクロス点を直接検出せずとも、検出ウインドウの時間幅の中間をゼロクロス点として妥当に推定できる。一方、検出条件を満たさなければ、ゼロクロス点はウインドウ外にあると考えられるので、次の検出周期に用いるウインドウの時間幅をより長くして、ゼロクロス点をウインドウ内で捕捉できるようにする。 That is, when the detection condition is satisfied, the zero cross point is considered to be within the detection window, and therefore, the middle of the time width of the detection window can be reasonably estimated as the zero cross point without directly detecting the zero cross point. On the other hand, if the detection condition is not satisfied, the zero cross point is considered to be outside the window. Therefore, the time width of the window used for the next detection cycle is made longer so that the zero cross point can be captured within the window.
したがって、マイコン2は、フィルタ処理を行わずとも誘起電圧のゼロクロス点に基づく通電タイミングを設定できるので、CPUの制御プログラムの処理負荷が従来よりも軽減され、モータ制御以外の機能についても並列して実行が可能になる。また、ゼロクロス点の推定が成功した場合には、次の検出周期における検出ウインドウの時間幅を狭めるように調整するので、ゼロクロス点の推定精度を向上させることができる。
Therefore, since the
また、マイコン2は、検出条件を満たさず連続してゼロクロス点の推定失敗と判定した回数が所定の閾値以上になるとPWM制御を停止し、モータ14をフリーラン状態にしてゼロクロス点の推定を行う。したがって、モータ14の回転位置と通電パターンとが不一致であるか、又は想定しているモータ14の回転数が実際の回転数と大きくかけ離れているような場合でも、モータ14が慣性で回転している状態でゼロクロス点が検出されることを期待できる。
Further, the
また、マイコン2は、モータ14の起動を強制転流によって開始し、アンプ20を介して検出される電流が所定の閾値を超えるとゼロクロス点の推定を開始して、推定したゼロクロス点に基づき固定子巻線15への通電タイミングを制御するので、強制転流からセンサレス制御にスムーズに移行できる。また、マイコン2は、推定したゼロクロス点に基づきモータ14の回転数を計測し、その回転数が目標値に達すると、そのまま目標値に収束するようにPWMデューティを調整するので、デューティを最適化することができる。
Further, the
さらに、マイコン2は、第1,第2検出タイミング間の時間をより長くすると、それに伴い固定子巻線15への通電時間を短くして検出ウインドウの時間幅を拡げるようにする。そして、通電時間が下限値に達しても検出条件を満たさなければ、モータ14の回転数を低下させたり、PWM制御を停止させるので、ゼロクロス点が検出される確率をより高めたり、モータ14を再起動するなどしてゼロクロス点の検出を再試行できる。
加えて、マイコン2は、モータ14の回転が安定した場合にも、通電電流や駆動電圧、素子モジュール11の温度を周期的に検出し、それらの検出結果に基づいて、PWMデューティを制限するので、過電流や過昇温の発生を防止できる。
Further, when the time between the first and second detection timings is made longer, the
In addition, even when the rotation of the
(第2実施形態)
図13に示すように、第2実施形態では、通電時間(通電角)を最適化するように学習制御を行う。すなわち、図7に示したように通電角を算出した際に、モータ14の実回転数が安定しているか否かを判断する(S51)。具体的には、実回転数の変化が所定範囲内となる状態が所定時間(例えば1秒程度)継続するか、又は通電パターンの切り替えを所定回数行う間継続するか、を判断する。モータ14が加速中や減速中であれば実回転数は安定しないので「NO」と判断し、通電時間を、既に算出済みの時間より、回転数の変動に伴いゼロクロス点が変化したと推定される時間に相当する分を減じたものに設定する(S52)。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 13, in the second embodiment, learning control is performed so as to optimize the energization time (energization angle). That is, when the energization angle is calculated as shown in FIG. 7, it is determined whether or not the actual rotational speed of the
一方、ステップS51で実回転数が安定していると判断すると(YES)、その状態でデューティの変化度合いをステップS53,S55,S57,S59で判定する。デューティの変化について所定の閾値を定め、その符号が負側,正側となる変化が閾値以上であれば(S53:YES,S57:YES)、通電時間を電気角1度(電気角)拡げる(S54,S58)。 On the other hand, if it is determined in step S51 that the actual rotational speed is stable (YES), the degree of change in duty is determined in steps S53, S55, S57, and S59. A predetermined threshold is set for the change in duty, and if the change in which the sign is negative or positive is greater than or equal to the threshold (S53: YES, S57: YES), the energization time is expanded by 1 electrical angle (electrical angle) ( S54, S58).
また、デューティの負側の変化が閾値の1/2以下であれば(S55:YES)通電時間を0.5度狭め(S56)、デューティの正側の変化が閾値の1/2以下であれば(S59:YES)通電時間を0.5度拡げる(S60)。このように制御することで、図14に示すように通電角を±1度の範囲でオフセットさせ、デューティを最適化する。 If the change on the negative side of the duty is ½ or less of the threshold (S55: YES), the energization time is narrowed by 0.5 degrees (S56), and the change on the positive side of the duty is ½ or less of the threshold. (S59: YES), the energization time is extended by 0.5 degrees (S60). By controlling in this manner, the duty angle is optimized by offsetting the energization angle within a range of ± 1 degree as shown in FIG.
すなわち、ステップS56,S60における処理では、最適化学習のため通電時間を敢えて変動させている。それに伴い、ステップS53で「YES」と判断するケースでは、ステップS56で変動させても回転数が引き続き安定していることから、ステップS54で変動量を増やして最適化を加速させている。ステップS58の処理についても逆極性の変動について同じことが言える。 That is, in the processing in steps S56 and S60, the energization time is intentionally changed for optimization learning. Accordingly, in the case where “YES” is determined in step S53, the rotational speed continues to be stable even if it is varied in step S56. Therefore, the amount of variation is increased in step S54 to accelerate the optimization. The same can be said for the reverse polarity fluctuation in the process of step S58.
以上のように第2実施形態によれば、マイコン2は、モータ14の実回転数の変動が所定範囲内であれば、その状態におけるPWMデューティの変化度合いに応じて固定子巻線15への通電時間を変化させてデューティを最適化するので、モータ14の駆動効率を向上させることができる。この場合、通電時間を変化させても、モータ14の回転数の変動が所定範囲内に留まるようであれば、通電時間の変化量をより大きくする。したがって、デューティの最適化をより加速して最適化学習を短時間で完了できる。
As described above, according to the second embodiment, when the fluctuation of the actual rotational speed of the
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態に限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
ステップS43における検出失敗回数の閾値は12回に限ることなく、適宜変更して良い。
第2実施形態において、ステップS54,S56,S58,S60で増減させる通電角値についても、適宜変更して良い。
スイッチング素子はMOSFETに限ることなく、バイポーラトランジスタやIGBTなどでも良い。
車両に搭載されるモータを制御するものに限らず、ブラシレスDCモータを制御するものであれば適用が可能である。
The present invention is not limited to the embodiment described above or illustrated in the drawings, and the following modifications or expansions are possible.
The threshold value of the number of detection failures in step S43 is not limited to 12 and may be changed as appropriate.
In 2nd Embodiment, you may change suitably also about the energization angle value increased / decreased by step S54, S56, S58, S60.
The switching element is not limited to a MOSFET but may be a bipolar transistor or IGBT.
The present invention is not limited to controlling a motor mounted on a vehicle, but can be applied as long as it controls a brushless DC motor.
図面中、2はマイクロコンピュータ(PWM信号出力手段,制御回路)、3はインバータ回路(駆動回路)、14はモータ(ブラシレスDCモータ)、18はサーミスタ(温度検出手段)、19はシャント抵抗(電流検出手段)、20はアンプ(電流検出手段)、21及び22は抵抗素子(電圧検出手段)を示す。 In the drawing, 2 is a microcomputer (PWM signal output means, control circuit), 3 is an inverter circuit (drive circuit), 14 is a motor (brushless DC motor), 18 is a thermistor (temperature detection means), and 19 is a shunt resistor (current). Detection means), 20 is an amplifier (current detection means), and 21 and 22 are resistance elements (voltage detection means).
Claims (14)
PWM指令値に基づいてPWM信号を生成出力するPWM信号出力手段(2)と、
CPUを有して構成され、ブラシレスDCモータの固定子巻線(15)の端子電圧の変化に基づいて、誘起電圧のゼロクロス点を推定することで前記固定子巻線への通電タイミングを制御し、前記PWM指令値を出力する制御回路(2)とを備え、
前記制御回路は、PWM周期の開始時点より所定時間が経過した後に、非通電相となる固定子巻線の端子電圧について第1検出タイミングを設定し、その後更に所定時間が経過した後に前記端子電圧の第2検出タイミングを設定し、
前記第1,第2検出タイミングにおいてそれぞれ検出された端子電圧の一方が前記モータの中性点電圧を下回り、且つ前記端子電圧の他方が前記中性点電圧を上回ることで検出条件を満たすと、前記第1,第2検出タイミングの中間を前記ゼロクロス点と推定して、次の検出周期における第1,第2検出タイミングを、前記推定したゼロクロス点に基づいて決定し、
前記検出条件を満たさなければ、次の検出周期における第1,第2検出タイミング間の時間がより長くなるように設定することを特徴とするモータ制御装置。 In a motor control device that PWM-controls a brushless DC motor (14) by a position sensorless system,
PWM signal output means (2) for generating and outputting a PWM signal based on the PWM command value;
The CPU is configured to control the energization timing of the stator winding by estimating the zero-cross point of the induced voltage based on the change in the terminal voltage of the stator winding (15) of the brushless DC motor. And a control circuit (2) for outputting the PWM command value,
The control circuit sets a first detection timing for the terminal voltage of the stator winding that is in a non-energized phase after a predetermined time has elapsed from the start of the PWM cycle, and then the terminal voltage after a predetermined time has elapsed. Set the second detection timing of
When one of the terminal voltages detected at the first and second detection timings is lower than the neutral point voltage of the motor and the other of the terminal voltages exceeds the neutral point voltage, the detection condition is satisfied. An intermediate between the first and second detection timings is estimated as the zero cross point, and the first and second detection timings in the next detection cycle are determined based on the estimated zero cross point,
If the detection condition is not satisfied, the motor control device is set so that the time between the first and second detection timings in the next detection cycle becomes longer.
前記制御回路は、前記モータの起動を強制転流によって開始し、
前記電流検出手段により検出される電流が所定の閾値を超えると前記ゼロクロス点の推定を開始して、推定したゼロクロス点に基づき前記固定子巻線への通電タイミングを制御
することを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載のモータ制御装置。 Current detection means (19, 20) for detecting a current supplied to the motor;
The control circuit starts the motor by forced commutation,
When the current detected by the current detection means exceeds a predetermined threshold, the estimation of the zero cross point is started, and the energization timing to the stator winding is controlled based on the estimated zero cross point. Item 5. The motor control device according to any one of Items 1 to 4.
前記制御回路は、前記電流検出手段により前記電流を周期的に検出し、検出した電流に基づいて前記PWM指令値を制限することを特徴とする請求項1から11の何れか一項に記載のモータ制御装置。 Current detection means (19, 20) for detecting a current supplied to the motor;
12. The control circuit according to claim 1, wherein the control circuit periodically detects the current by the current detection unit and limits the PWM command value based on the detected current. Motor control device.
前記制御回路は、前記電圧検出手段により前記駆動電圧を周期的に検出し、検出した駆動電圧に基づいて前記PWM指令値を制限することを特徴とする請求項1から12の何れか一項に記載のモータ制御装置。 Voltage detection means (21, 22) for detecting the drive voltage of the motor;
13. The control circuit according to claim 1, wherein the control circuit periodically detects the drive voltage by the voltage detection unit, and limits the PWM command value based on the detected drive voltage. The motor control apparatus described.
前記制御回路は、前記温度検出手段により前記温度を周期的に検出し、検出した温度に基づいて前記PWM指令値を制限することを特徴とする請求項1から13の何れか一項に記載のモータ制御装置。 Temperature detecting means (18) for detecting the temperature of the drive circuit (3) for energizing the stator winding based on the PWM signal;
14. The control circuit according to claim 1, wherein the control circuit periodically detects the temperature by the temperature detection unit and restricts the PWM command value based on the detected temperature. Motor control device.
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