JP2017131000A - ３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】好適な位置検出方法のなかった零速から中速域で、ホールセンサ相当の位置情報を得ることができ、閉ループ制御により始動することができる３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法を提供する。
【解決手段】ＭＰＵ５は、回転子の現在位置情報と回転方向情報から次に出現すると予測される誘起電圧波形の負側交点位相に一致するインダクタンス波形交点を構成する通電相を選択してセンシングパルスを通電し、測定手段を用いて周期的にインダクタンス測定を行い、当該通電相のインダクタンス測定値の大小比較と波形勾配符号判定により回転子位置を特定し、特定した回転子位置情報と回転方向情報に基づいて励磁相を切り替えることで零速から中速域にかけて閉ループ制御にて３相ブラシレスモータを回転駆動する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、例えば３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法に係り、特にセンサレスモータで零速から中速域にかけて回転子位置を検出して、閉ループ制御にて始動するセンサレス駆動方法に関する。

ブラシレスＤＣモータをコストダウンするにはセンサレス駆動が有効である。しかし現状のセンサレス駆動は始動初期に回転子位置を検出できないオープンループ期間がある。そのため始動ミスを始め様々な問題が発生しており、センサレス駆動の普及を阻んでいる。

一般的な永久磁石界磁型の位置センサレス３相ブラシレスＤＣモータを対象とする。図１３に一例を示す。回転子軸１を中心に回転する回転子２には永久磁石３が設けられ、固定子４には１２０°位相差で設けられた極歯にコイルＵ，Ｖ，Ｗが配置され、コモンＣを介してスター結線される。永久磁石界磁の磁極構造（ＩＰＭ，ＳＰＭ）あるいは極数等は様々である。

また３相ブラシレスＤＣモータをセンサレス駆動する駆動回路を対象としている。図１４に一例を示す。基本的な回路はセンシング部・制御部・インバータ部からなり、例えば強制同期にて始動し１２０°通電（後述）等にて回転する構成となっている。

センシング部はダミーコモンｃを生成する抵抗網を備え、ゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３はコイルＵ，Ｖ，Ｗとダミーコモンｃ間の電圧を比較して誘起電圧を検出する。
ＭＰＵはマイクロプロセッサであり、コンパレータ出力ＳＵ，ＳＶ，ＳＷに応じてゲート出力ＯＵＴ１〜ＯＵＴ６を切り替えてインバータ部を制御する。
インバータ部は３個のハーフブリッジＢ１〜Ｂ３で構成され、コイルＵ，Ｖ，Ｗを正逆励磁あるいはハイインピーダンス状態とする。

（静止時の位置検出）
上述したモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）は、静止時の位置検出に磁気回路の空間高調波によるコイルインダクタンス変化を検出するインダクティブセンス方式が一般的である。コイル電流プロファイルからインダクタンスを推定する方法や、高周波パルスを重畳させて高周波電流ピークを測定する方法などがある。
またインダクタンス変化は界磁のＮ極とＳ極で等しく位置検出には極性判別が必要となる。磁気飽和あるいは磁気ヒステリシス等を利用して極性を判別する方法も種々提案されている。

あるいは回転子を強制的に位置決めし位置検出は行わないセットアップ法もある。静止時に任意の固定磁界を与え回転子を特定の位置に固定する。デッドポイントを避けるため通常、２段階の固定励磁にて最終位置に位置決めする。この方法は位置決めに時間を要することと電気角で１８０°以上逆転する場合があるといった欠点があるが、検出手段が不要で手順も簡便であり位置決め効果も高いことから小型モータでは広く用いられている。以下の説明では、これらの技術により静止時の回転子位置は特定されているものとする。

（回転時の位置検出）
回転時は誘起電圧Ｖｂを利用して位置検出を行っている。
誘起電圧はＶｂ＝Ｋｅ×Ｎ×ｓｉｎθで表される。但し、Ｋｅ＝誘起電圧定数、Ｎ＝回転数、θ＝回転子電気角を示す。

図１５に３相の誘起電圧プロファイルを示す。ＳＵ〜ＳＷはゼロクロスコンパレータ出力波形である。なお本書では回転子Ｎ極方向がＵ相Ｎ極方向と一致するゼロクロス点を０°とし、１２０°通電の通電区間である位相角３０°から始まる６０°ピッチの区間で電気角を区分する。
励磁方式は誘起電圧のゼロクロス点を検出する１２０°通電が主流で、２相に通電し、残りの１相を誘起電圧検出に使用する。現在位置から次のゼロクロス発生相を予測し閉ループ制御により駆動する。

図１６に１２０°通電のタイミングチャートを示す。Ｕ〜Ｗがコイル通電波形である。中心線より上側が＋励磁、下側が−励磁を表す。参考までに、破線サイン波＝誘起電圧波形、ＺＸ０〜３００＝ゼロクロス点、ＨＵ〜ＨＷ＝ホールセンサ出力波形、を記載した。誘起電圧ゼロクロス点とホールセンサエッジとは３０°位相差があることに注意を要する。

尚、零速近傍の極低速域からの駆動を可能とする位置センサレス駆動方式が提案されている。この方式は永久磁石モータの中性点電位をインバータのＰＷＭ波形に同期させて検出し理想的な正弦波状の電流で駆動するものである（特許文献１参照）。

特開２０１０−７４８９８号公報

上述した背景技術に示す３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法は、以下に述べる技術的課題があった。即ちモータ静止時はインダクタンスを測定し、インダクタンスプロファイルからパターンマッチング法により回転子位置を検出している。しかしモータ始動直後の低速域ではまだ誘起電圧が小さすぎて利用できず回転子位置が検出できない。このため、オープンループにて徐々に転流周期を上げるランプスタート法が一般的であるが、オープンループ制御はトルク変動や加速レートに厳しい制約があり、始動ミスが発生し易く、始動時間がかかるなど様々な課題がある。
この回転子位置が検出できない期間を超えるために矩形波駆動で急加速してわずか１励磁区間で誘起電圧を検出する方法も多用されている。しかし情報機器・ファンなどに用途が限られ、また微妙なタイミング設定が要求されるなど制約が多く回転動作は不安定となる。

極低速域から中速回転（50rpm〜300rpm程度）まで継続して回転子位置を検出する方法としては、上述の先行技術例の他にも空間ベクトルＰＷＭによるセンサレスベクトル制御等がある。しかし、その実現には高精度電流センサと高速Ａ／Ｄコンバータ、マルチパターンＰＷＭ回路、高性能ＣＰＵなどが必要となる。また位置推定演算の負荷が大きくソフトウェアの負担も大きい。このようにセンサレスベクトル制御はハード・ソフトともにコストがかかりすぎ低価格の小型モータでの利用は困難である。
前述した特許文献１の構成においては、コモン線を設けなければならず配線が多くなるうえにセンサレスベクトル制御回路が必要であるため、小型の３相ブラシレスＤＣモータではコスト的に採用が難しい。
このように現状では３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法において、低価格で零速近傍の極低速域から中速域にかけて継続的に回転子位置を検出する好適な方法が無い。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、好適な位置検出方法のなかった零速から中速域で、ホールセンサ相当の位置情報を得ることができ、閉ループ制御により始動することができる３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法を提供することにある。

本発明は、上記従来技術の課題を解決すべく以下の手段を備える。
即ち、永久磁石界磁型の回転子を備えた３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法であって、上位コントローラからの回転指令によりモータ駆動信号を出力制御する制御手段と、前記制御手段の出力指令により、所定相コイルに正方向通電または逆方向通電するためのハーフブリッジ回路を３相分備えたモータ出力手段と、任意の相のインダクタンスを測定する測定手段と、を具備し、前記制御手段は、前記回転子の現在位置情報と回転方向情報から次に出現すると予測される誘起電圧波形の負側交点位相に一致するインダクタンス波形交点を構成する通電相を選択してセンシングパルスを通電し、前記測定手段を用いて周期的にインダクタンス測定を行い、当該通電相のインダクタンス測定値の大小比較と波形勾配符号判定により回転子位置を特定し、特定した回転子位置情報と回転方向情報に基づいて前記モータ出力手段による励磁相を切り替えることで零速から中速域にかけて閉ループ制御にて３相ブラシレスモータを回転駆動することを特徴とする。

上記３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法を用いれば、従来回転子の好適な位置検出方法のなかった零速から中速域で、ホールセンサ相当の回転子位置情報を得ることができ、３相ブラシレスモータのセンサレス駆動において閉ループ制御による始動が可能となり、始動トルク範囲が広がり、負荷変動による始動ミスや脱調を無くすことができる。

前記制御手段は、前記センシングパルスを所定相コイルに対して、１相正方向・１相逆方向・２相正方向・２相逆方向・３相正方向・３相逆方向の６種の通電方式からひとつを選択し、任意の相へ任意のタイミングで通電することで、電気角０°から始まる３０°ピッチで、誘起電圧波形の負側交点位相に一致するインダクタンス波形交点を構成する通電相を特定し、これにより回転子位置を特定することが望ましい。
これにより、制御手段は、特定した回転子位置から次に出現する誘起電圧波形の負側交点位相に一致するインダクタンス波形交点を構成する通電相へ所定の通電方式により通電する動作を電気角で３０°ピッチで繰り返すことで、確実にセンサレス駆動することができる。

前記測定手段は、前記制御手段に内蔵したタイマーであり、前記制御手段は、インダクタンス測定対象コイルに一定電圧かつ一定時間のセンシングパルスを印可し、通電遮断時に発生するコイル蓄積エネルギー放出によるスパイクパルスのパルス幅時間を前記タイマーにより測定することで、当該パルス幅時間をもってインダクタンス相当値とみなすことが望ましい。
これにより、制御手段であるＭＰＵに標準的に内蔵する計測用タイマーを用いて各検出相コイルのスパイクパルスのパルス幅時間を測定し、制御手段はパルス幅時間の大小比較という簡易な演算処理で誘起電圧負側交点の検出を実現できる。また、コイルに蓄積されたエネルギーは電流を積分したものであり、減衰振動やノイズが低減されて微小なインダクタンス変化を安定してしかも高精度に測定することができる。

前記制御手段は、負極性スパイクパルスを検出する際に中性点電位が与えられるゼロクロスコンパレータリファレンス電位を電源電位の１／２以下に下げるバイアス手段と、正極性スパイクパルスを検出する際にゼロクロスコンパレータリファレンス電位を電源電位の１／２以上に上げるバイアス手段と、を備え、前記制御手段はセンシングパルスの通電方向に応じて前記バイアス手段を制御して、ゼロクロスコンパレータによりスパイクパルスを検出してもよい。
これにより、センサレス駆動回路が通常有するゼロクロスコンパレータを用いてスパイクパルスを検出するので簡易な回路構成で広い電源電圧範囲に対応することができる。

或いは、前記制御手段は、相ごとに負極性スパイクパルス及び正極性スパイクパルスを入力レベルに整合させる２個のレベルシフト手段を備え、３相分で合計６個の前記レベルシフト手段の出力を、センシングパルスの通電相及び通電方向に応じていずれかひとつを選択して内部タイマーに送出し、スパイクパルス幅時間を測定するようにしてもよい。
これにより、各相で発生する負極性スパイクパルス及び正極性スパイクパルスを電圧レベルを下げて制御手段に取り込むことで、位相遅れを低減しスパイクパルス幅時間を高精度で測定することができる。また、ゼロクロスコンパレータが不要となり、回路構成が簡易になる。

前記制御手段は、励磁区間番号とそれに応じたセンシングパルス通電方向と、誘起電圧波形の負側交点位相に一致するインダクタンス波形交点を構成する通電相と、当該通電相のインダクタンス波形勾配符号情報をルックアップテーブルに記憶しておき、励磁方式に対応するセンシング通電方式を選択し前記回転子の現在位置に応じた励磁区間番号を参照することで、センシング通電することが好ましい。
これにより、回転子の位置検出に必要な演算は、通電相のインダクタンス測定値の相対レベルの大小比較だけですむので、ハードウェアはシンプルであり、さらにルックアップテーブル参照方式により複雑な演算を要さずソフトウェアの負荷も少なく、ハード・ソフトの両面から低コスト化を実現できる。

上述した３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法を用いれば、従来、小型の３相ブラシレスＤＣモータのセンサレス駆動において、好適な位置検出方法のなかった極低速域から中速域で、ホールセンサ相当の回転子位置情報を得ることができる。それにより閉ループ制御による始動が可能となり以下の効果が生まれる。
３相ブラシレスモータの始動トルク範囲が広がり、負荷変動による始動ミスや脱調を回避できるうえに、加速レート範囲も広がり、ソフトスタートあるいはストール運転をすることもできる。
ピーク始動電流を低減でき、電源容量も小さく抑える事ができるため省エネルギー化を図ることができる。また、制御手段による最適な励磁切り替えにより、モータ振動が減り、始動時間も短縮される。
ＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）など永久磁石界磁型の回転子を備えた各種モータのセンサレス駆動に適用することができる。
更には、励磁切り替え原理が明快で判りやすく、従来のモータ駆動回路に容易に組み込むことができ、センサレス駆動の可能性を大きく拡げ、小型モータ分野での用途拡大が期待される。

１相通電センシング零速時のインダクタンス波形図（インダクタンスプロファイル）である。 １相通電センシング回転時のインダクタンス波形図（インダクタンスプロファイル）である。 １相通電センシング零速時のインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。 １相通電センシング回転時のインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。 １相正方向通電／逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。 ２相正方向通電／逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。 ３相正方向通電／逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。 ３相のインダクタンス測定波形図である。 始動時の３相正・逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。 実施例１に係るモータ駆動回路の構成図である。 実施例２に係るモータ駆動回路の構成図である。 センサレス駆動方法を示すフローチャート図である。 ３相ブラシレスモータの説明図である。 従来の３相ブラシレスモータのモータ駆動回路の構成図である。 誘起電圧波形図（誘起電圧プロファイル）である。 １２０°通電を示すタイミングチャート図である。

以下、本発明に係る３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本願発明は、回転子に永久磁石界磁を備え、固定子４に巻き線を１２０°位相差で配置してスター結線し、相端が前記モータ出力手段に接続された３相ブラシレスＤＣモータをセンサレス駆動するセンサレス駆動方法に広く適用することができる。

以下では、３相ＤＣブラシレスモータをセンサレス駆動するセンサレス駆動方法についてモータの構成と共に説明する。
図１３に本発明に係る３相ブラシレスＤＣモータの一実施例を示す。一例として２極永久磁石ロータと３スロットを設けた固定子４を備えた３相ブラシレスＤＣモータを例示する。モータはインナーロータ型でもアウターロータ型でもいずれでもよい。

図１３において、回転子軸１には回転子２が一体に設けられ、界磁として２極の永久磁石３が設けられている。固定子４には１２０°位相差で極歯Ｕ，Ｖ，Ｗが永久磁石３に対向して配置されている。固定子４の各極歯Ｕ，Ｖ，Ｗに巻線ｕ，ｖ，ｗを設けて相間をコモンＣで結線して後述するモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）に配線された３相ブラシレスＤＣモータとなっている。尚、コモン線は、不要であるので省略されている。

次に本発明に係るモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）の構成例を図１０及び図１１に示す。駆動方式は１相１２０°バイポーラ矩形波励磁である。ＭＰＵ５（マイクロプロセッサ；制御手段）は、上位コントローラ６からの回転指令（ＲＵＮ）によりモータ駆動信号を出力端子ＯＵＴ１〜ＯＵＴ６から出力制御する。また、ＭＰＵ５は、上位コントローラ６に回転子位置情報や回転方向情報を送出する。

（実施例１）
図１０に実施例１の駆動回路図を示す。
上位コントローラ６は回転指令ＲＵＮをＭＰＵ５（制御手段）に与える。モータ駆動回路のレギュレータは、ＭＰＵ用電源ＶＣＣを生成する。ＭＰＵ５はマイクロプロセッサであり、ゼロクロス点検出手段ＣＯＭＰ１〜３の出力信号ＳＵ〜ＳＷによりハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３（モータ出力手段）のゲート信号ＯＵＴ１〜６を切り替え、１相１２０°バイポーラ通電などを行う。ＭＰＵ５は、予め回転子２の位相角度に対するインダクタンス測定情報をメモリ内のセンシングテーブルＳＴに格納している。また、スパイクパルス時間を計測する内蔵タイマーＴＭ（測定手段）を備えている。ＭＰＵ５は、上位コントローラ６のコマンドにより動作し、メモリに記憶されたプログラムを読み込出し、プログラムの指示に従ってコマンドを出力したり、メモリからデータを参照したりして、入力データをプログラム通りに演算・加工したうえで出力する。

ハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３は、各相端ｕ，ｖ，ｗを高電位Ｈ（＋Ｖ）あるいは低電位Ｌ（ＧＮＤ）に接続する。各相端ｕ〜ｗはそれぞれハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３の出力端子（ハイサイドトランジスタとロウサイドトランジスタの接続部）に接続され、また後述するバイアス手段ＢＳ１（抵抗Ｒ１〜Ｒ６）及びダミーコモンｃに各々接続される。

ゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３（ゼロクロス点検出手段）は各相端ｕ〜ｗとダミーコモンｃ間に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出するコンパレータである。ゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３の出力信号ＳＵ〜ＳＷは、ＭＰＵ５（制御手段）に出力される。

一般にモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）のセンサレス駆動回路には、ゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３を備えている。このゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３を使ってスパイクパルスを検出すれば、コストがかからず広い電源電圧範囲に対応できる。そこで、非通電時にコイル電位を電源電位の１／２にするバイアス手段ＢＳ１と、負極性スパイクパルスを検出する際に中性点電位を与えるゼロクロスコンパレータリファレンス電位を電源電位の１／２以下に下げるバイアス手段ＢＳ２（トランジスタＴＲ１）と、正極性スパイクパルスを検出する際にゼロクロスコンパレータリファレンス電位を電源電位の１／２以上に上げるバイアス手段ＢＳ３（ダーリントン接続されたトランジスタＴＲ２及びトランジスタＴＲ３）を備えている。

ＭＰＵ５は、センシング通電をハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３（モータ出力手段）により実行するとともに、正極性若しくは負極性のスパイクパルスに応じてバイアス手段ＢＳ２及びバイアス手段ＢＳ３の動作をＯＵＴ７及びＯＵＴ８にて制御し、３個のゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３の出力からＳＥＬＥＣＴを介してひとつを選択してＭＰＵ５の内蔵タイマーＴＭに送出し、スパイクパルス時間を測定する。

（実施例２）
図１１に実施例２の駆動回路図を示す。図１０と同一部材には同一符号を付して説明を援用するものとする。
本実施例では、ハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３は、各相端ｕ，ｖ，ｗを高電位Ｈ（＋Ｖ）あるいは低電位Ｌ（ＧＮＤ）に接続する。各相端ｕ〜ｗはそれぞれハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３の出力端子（ハイサイドトランジスタとロウサイドトランジスタの接続部）に接続され、またバイアス手段ＢＳ１（抵抗Ｒ１〜Ｒ６）及びレベルシフト回路ＬＳ１〜ＬＳ６に各々接続され、更にレベルシフト回路ＬＳ１〜ＬＳ６を介してＭＰＵ５に各々接続されている。

このように、各相コイルＵ，Ｖ，Ｗに発生したスパイクパルスを直接ＭＰＵ５に取り込めば位相遅れが小さく高精度化しやすい。しかしながら、ＭＰＵ５の電源より電圧が高くそのままでは取り込めないので、レベルシフト回路ＬＳ１〜ＬＳ６を介して取り込むことにした。入力信号は、ＭＰＵ５内の保護ダイオードによりＶＣＣ或いはＧＮＤにクランプされる。なお、図１０で用いたゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３は不要である。

そこで、非通電時に各相コイル電位を電源電位の１／２にするバイアス手段ＢＳ１と、相ごとに負極性スパイクパルスをコンディショニングするレベルシフト手段ＬＳ１〜ＬＳ３（抵抗Ｒ７〜Ｒ９）と、正極性スパイクパルスをコンディショニングするレベルシフト手段ＬＳ４〜ＬＳ６（可変抵抗ＶＲ１〜ＶＲ３）を各々備えている。

ＭＰＵ５はセンシング通電をハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３（モータ出力手段）により実行するとともに、各相コイルで発生した正極性若しくは負極性のスパイクパルスを対応する６個のレベルシフト手段ＬＳ１〜ＬＳ６を経てコンディショニングされた正極性若しくは負極性パルスがＭＰＵ５の対応する正負入力端子ＮＵ，ＰＵ、ＮＶ，ＰＶ、ＮＷ，ＰＷから入力する。入力した正極性若しくは負極性パルスは、ＳＥＬＥＣＴを介してセンシング通電の通電相と通電方向からひとつを選択してＭＰＵ５の内蔵タイマーＴＭに送出して、スパイクパルス時間を測定する。

（安定交点の検出）
ここで、３相ブラシレスモータにセンシング通電した際に発生する誘起電圧負側交点（安定交点）の検出原理について説明する。
本発明は、回転子角度に対するインダクタンス波形（インダクタンスプロファイル）を作成して、速度変化に対し位相及び通電相と波形勾配符号の変化しない交点の存在に着目して回転子位置を特定する。以下では、磁気回路特性を理想的なサイン波としたモデルを用いて説明する。回転子が零速時（励磁電流は流れているが回転子が静止している時）の空間高調波による各相コイルのインダクタンス変化Ｌを２周期性のコサイン波とすると、
ＬＵ＝−ｃｏｓ２θ 式１
ＬＶ＝−ｃｏｓ（２（θ−２π／３）） 式２
ＬＷ＝−ｃｏｓ（２（θ−４π／３）） 式３
図１は零速時の各相コイルのインダクタンス波形（インダクタンスプロファイル）を示す。

また、回転時の各相コイルのインダクタンス変化Ｂを、零速時の前記インダクタンス変化Ｌと正負を反転した誘起電圧の合成とすると、
ＢＵ＝ＬＵ＋Ｋ（−ｓｉｎθ） 式４
ＢＶ＝ＬＶ＋Ｋ（−ｓｉｎ（θ−２π／３）） 式５
ＢＷ＝ＬＷ＋Ｋ（−ｓｉｎ（θ−４π／３）） 式６ 但しＫ＝速度係数
図２に回転時の各相コイルのインダクタンス波形（インダクタンスプロファイル）を示す。ｂｅｍｆＵ〜ｂｅｍｆＷは参考用に表示した誘起電圧波形である。

図１及び図２の双方を比較すると、９０°から始まる１２０°ピッチで位相・通電相・波形勾配符号が一致する３交点（丸印、以下「安定交点」という）が発生していることが判る。これ以外の交点は回転するにつれて位相シフトを起すか勾配が反転するかあるいは交点が消滅する。

安定交点の位相角を計算から求める。
静止時の空間高調波のインダクタンス波形のＵ相とＶ相の交点角度は、
−ｃｏｓ２θ＝−ｃｏｓ（２（θ−２π／３））と表され、
これを解くとθ＝π／３、５π／６、４π／３、１１π／６となる。
波形勾配符号はπ／３、４π／３はＵ＝＋、Ｖ＝−であり、５π／６、１１π／６はＵ＝−、Ｖ＝＋である。
一方、回転時に発生する逆極性誘起電圧波形のＵ相とＶ相の交点角度は、
−ｓｉｎθ＝−ｓｉｎ（θ―２π／３）と表され、
これを解くとθ＝５π／６、１１π／６となる。
波形勾配符号は５π／６はＵ＝＋、Ｖ＝−、１１π／６はＵ＝−、Ｖ＝＋である。
以上からＵ相とＶ相の交点のうち、静止時と回転時の双方で等しい角度と波形勾配符号を持つ交点は１１π／６つまり３３０°の一点のみである。
同様にＶ相とＷ相、Ｗ相とＵ相の交点を計算すると、９０°、２１０°のみとなる。よって、安定交点は９０°、２１０°、３３０°の３か所である。

さらに図１３に示す実機においても各相コイルのインダクタンス波形（インダクタンスプロファイル）を作成して確認してみる。図３は零速時の各相コイルのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。また、図４は回転時の各相コイルのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。回転数は２極モータ換算で４２０ｒｐｍ、インダクタンス測定周期は１．６ｍｓである（測定方法は後述）。その結果、モデル同様に安定交点が発生することが判った。尚、図１〜４はすべて１相正方向通電センシング（後述）による。

モータが零速時は、モータの幾何学的構成と電磁気的な特性を反映した磁気回路の空間高調波により回転子位置に応じてインダクタンスが変化し、誘起電圧の負側交点と位相が一致する位置（９０°、２１０°、３３０°）に安定交点が発生することが判明した。

なお、空間高調波は２周期性があり、安定交点と１８０°離れた位置に同様の交点が存在する。こちらは回転子位置が判れば検出対象から外すことができる。本発明では回転子２の位置が始動励磁の直前には予め判っていることが前提条件となっている。

次に、回転時も誘起電圧の負側交点と位相が一致する位置に安定交点が発生する理由を説明する。回転子２が回転し始めるとコイルに誘起電圧が発生し、誘起電圧が正側に発生している区間では実効コイル電圧が低下し、負側の誘起電圧が発生している区間では上昇する。つまりコイル電圧Ｖｃ＝相電圧Ｖｍ−誘起電圧Ｖｂと表すことができ、回転時のインダクタンス変化ＢＵ〜ＢＷは正負を反転した誘起電圧を反映していると言える。

図２に細線で記載された誘起電圧の参考波形を見ると、例えば左下の誘起電圧波形ｂｅｍｆＶが上方に折り返されて左上の波形ＢＶに反映していることが理解される。波形ｂｅｍｆＷ、ｂｅｍｆＵも同様である。その結果、矢印のように誘起電圧負側交点も上方へ折り返される。従って安定交点は、誘起電圧の負側の交点が正負反転したものである。

そして、矩形波駆動の励磁相切り替え動作は２相の誘起電圧が等しくなる交点にて行われる。安定交点は誘起電圧交点を反映していることから励磁切り替え点を示している。

安定交点の角度は、磁気回路特性が磁極中心に対し対称となっている場合は、９０°・２１０°・３３０°である。偏っていた場合はわずかに位相シフトするがシフトした位置が理想的な励磁切り替え点であることから問題はない。本実施形態では便宜上、磁気回路は歪のないサイン波として角度を説明している。
また空間高調波位相と誘起電圧位相の双方とも角速度に依存しないことから安定交点の位相は零速時も回転時も等しく、常に正確な励磁切り替え点である。
従って、安定交点は、回転子２が零速から回転域にわたって継続的に位置検出に使用可能となることがわかる。

（位相シフト）
誘起電圧の位相は励磁条件によりシフトする。同様にインダクタンスを測定するセンシング通電においても通電条件により安定交点の位相はシフトする。位相シフトは零速時の空間高調波においても発生する。

例えばコイル端ｕ，ｖ，ｗからコモンＣへと通電する１相正方向通電センシングの場合（図１０，図１１参照）は、前述のとおり安定交点の位相は９０°・２１０°・３３０°の３点である。しかしコモンＣからコイル端ｕ，ｖ，ｗへと通電する逆方向通電とすると１８０°位相がずれ２７０°・３０°・１５０°となる。ただし勾配符号は変化しない。そして逆方向通電は、正方向通電時とは６０°位相差の位置を検出できることになる。

図５に零速時の１相正方向通電センシングと１相逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。２周期性のため下段の逆方向通電波形は一見上段の正方向通電波形と同じに見えるが、よく見ると微細部分が異なっており１８０°位相シフトしていることが判別できる。また正方向通電と逆方向通電とで双方の安定交点が６０°位相差を持つことも判る。

また２相間に通電すると誘起電圧は２相の合成されたものとなり１相通電時と比較して３０°位相が進む。そして同様に安定交点の位相も３０°進む。図６に零速時の２相正方向通電センシングと２相逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。１相通電時に９０°であった安定交点の位相が６０°の位置へと位相シフトしていることが判る。コイルを入れ替え逆方向通電すると１相通電同様、１８０°位相シフトしていることが判別できる。また正方向通電と逆方向通電とで双方の安定交点が６０°位相差を持つことも判る。

さらに３相間に通電することもできる。３相通電時はコモンＣを境に１相部と２相部があるが、測定対象相は１相側であり安定交点の位相は１相通電時と同じとなる。図７に零速時の３相正方向通電センシングと３相逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。安定交点の位相は１相通電時と同じであることが判る。また、コイルの通電電位を入れ替え逆方向通電すると１相通電同様、１８０°位相シフトしていることが判別できる。また正方向通電と逆方向通電とで双方の安定交点が６０°位相差を持つことも判る。尚、１相通電はモータ側にコモン線が必要であり駆動回路側でも中性点電源が必要となり実用上不利である。そこで、本実施形態では１相通電は３相通電で代用することとする。

結局、１相または３相通電と２相通電、及び正方向通電と逆方向通電があり、都合４種類のセンシング通電方式がある。一方、センシング通電は、トルク発生のための励磁とは無関係であり自由に通電方式を選択できる。従って、回転子位置を検出できる検出角度は、４種類の通電方式×３か所＝１２か所となり、０°から始まる３０°ピッチで位置検出できる。通電方式と検出位置の関係を表１にまとめる。

ＭＰＵ５は、上記安定交点の位相、通電相及び波形勾配符号をインダクタンス実測プロファイルとしてセンシングテーブルＳＴ（図１０、図１１参照）に予め記憶しておく。
以上より、回転子２が零速から中速回転域まで、ＭＰＵ５は、安定交点検出ごとにセンシング通電の通電方式を適宜切り替えながら安定交点を検出し続ければ励磁に必要な位置情報を得ることができ、任意の駆動方式にて励磁切り替えが可能であることをわかる。

（インダクタンス測定方法）
次に、誘起電圧を検出する際の各相コイルインダクタンスの測定方法について説明する。通電により各相コイルに蓄積されるエネルギーはＰ＝ＬＩ²／２で表され、インダクタンス成分を含む。通電遮断時のスパイクパルスはそれを反映しており、出力素子のダイオードにより定電流で放電することからインダクタンスは時間関数となりタイマーで測定できる。そこで、本発明ではスパイクパルス幅時間をインダクタンス相当値とみなしている。

図８に３相分のインダクタンス測定時のコイル波形を示す。３相正方向通電センシングであり、センシングパルスはハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３（図１０参照）を使用して電源電圧を印可し、通電遮断時の負極性または正極性のスパイクパルスは電源にダイオードクランプされた後、中間電位に収束する。
測定動作は、最初にＵ相を電源＋にＶ相とＷ相をＧＮＤに接続してセンシングパルスを印可し、遮断時のＵ相スパイクパルス時間を測定する。以下同様にＶ相・Ｗ相を測定する。計測用タイマーは、一般的なＭＰＵ５に内蔵されている内蔵タイマーＴＭで充分であり（図１０，図１１参照）、電流センサやＡ／Ｄコンバータも不要である。
また、コイル蓄積エネルギーは電流を積分したものであり減衰振動やノイズが低減され微小なインダクタンス変化を安定して検出でき、高精度測定が可能である。

（閉ループ駆動方法）
上述した誘起電圧波形の負側交点（安定交点）の位相に一致するインダクタンス波形交点を構成する通電相を特定し、これにより特定された回転子位置に基づいてＭＰＵ５は励磁相を切り替えることで位置センサを用いずに閉ループ制御にて３相ブラシレスモータをセンサレス駆動することができる。駆動方式は、３０°ピッチの位置情報で制御可能な任意の駆動方式が可能であるが、トルク発生効率の高さから始動時は１２０°通電が適する。

図１３の実機にて、モータ始動時のインダクタンス波形を測定したインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を図９のグラフ図に示す。図９の左端が回転子の零速域、右端で回転数が６００ｒｐｍ（２極モータ換算）である。零速状態から中速回転域まで、区間ごとに正方向通電センシングと逆方向通電センシングが交互に行われ、該当２相がセンシングされている。

また、ホールセンサ情報と本発明によるセンシング情報とを対比して記載した。下段の階段状の波形は区間を表し、最小値が区間１、最大値が区間６であり、一巡が１電気角を表している。良好な位置検出が行われておりスムーズに加速していることが判る。無論、閉ループ制御であるので、例え過負荷により始動時間が長くなってもトルクを発生し続け、負荷が減れば通常通り始動する。

なお、モータ駆動装置に設けたＭＰＵ５の制御動作を高速処理化するにはテーブル参照法が有効である。励磁区間番号と、それに応じたセンシングパルス通電方向と、上記安定交点を構成する通電相と、それぞれの勾配符号情報と、をテーブルとして予めメモリに記憶し、さらに励磁方式に対応するセンシング通電方式を選択しておき、現在位置に応じてテーブル内容を参照し、センシングパルス通電方向と、上記安定交点を構成する通電相と、それぞれの勾配符号情報と、を取得し、それに基づいてインダクタンス測定を行い、上記交点構成２相の相対レベルの大小比較により安定交点の検出を行う。

表２に正転時のセンシングテーブルＳＴを示す。１２０°通電時は３相通電センシングを、６０°または１８０°通電時は２相通電センシングを適用する。
上記センシングテーブルＳＴの具体的な使い方は、例えば現在区間が１の場合、正方向通電センシングにてＶ相とＷ相を測定し、Ｖ＞Ｗならばまだ区間１に位置し、Ｖ＜Ｗとなったとき区間２と判定する。現在区間が２の場合、逆方向通電センシングにてＵ相とＶ相を測定し、Ｕ＞Ｖなら区間２、Ｕ＜Ｖとなったら区間３と判定する。以下同様に区間を歩進してゆく。
これによれば、回転子２の位置検出に必要な演算はインダクタンス測定値の大小比較１ステップで済む。

（フローチャート）
上記センサレス駆動回路を用いて、零速から低速域の位置センシング及び励磁制御に関するＭＰＵプログラムのゼネラルフローチャートを図１２に示す。尚、モータ始動時に回転子位置は判っているものとする。また、ＭＰＵ５は、予めセンシング通電により作成されたインダクタンスプロファイルを、センシングテーブルＳＴとして記憶しているものとする。

以下、センサレス駆動動作の一例を図１２のフローチャートを参照して説明する。
先ず、上位コントローラ６の指令によりＭＰＵ５は、回転子２の停止位置に応じてモータ回転を付勢する向きにハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３を通して励磁を開始し、所定時間（数ｍｓｅｃ）経過して本案による位置検出が開始されるところから記述する。ＭＰＵ５は、励磁出力をオフしてスパイクパルスが収まるまで待つ（ステップＳ１）。センシングテーブルＳＴを参照して安定交点（誘起電圧負側交点）が含まれる検出相１と通電方向を読み出す（ステップＳ２）。

次いで、ＭＰＵ５は検出相１に対してセンシング通電を行い（ステップＳ３）、検出相１から得られるスパイクパルス時間を内蔵タイマーＴＭで測定し、データＴ１として記憶する（ステップＳ４）。

次に現在検出区間番号をもとに検出相２と通電方向をセンシングテーブルＳＴから読み出す（ステップＳ５）。
ＭＰＵ５は検出相２に対してセンシング通電を行い（ステップＳ６）、検出相２から得られるスパイクパルス時間を内蔵タイマーＴＭで測定し、データＴ２として記憶する（ステップＳ７）。

次に、データＴ１とデータＴ２の相対的な大きさを比較し、Ｔ１＜Ｔ２であれば、安定交点を検出したものと判断して励磁区間番号を１だけ歩進させる（ステップＳ９）。Ｔ１＞Ｔ２であれば励磁区間を歩進せず、検出相１の励磁を所定時間（数ｍｓｅｃ）継続する（ステップＳ１０）。ＰＷＭ制御によるデューティ比は任意である。

次にＭＰＵ５は、モータ停止命令を受け取ったか否かを判定し、停止命令を受け取っていなければ、ステップＳ１に戻って上述した位置検出動作及び励磁動作を繰り返し、停止命令を受け取っていれば、励磁動作を停止する（ステップＳ１１）。

以上説明したように、３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法を用いれば、好適な位置検出方法のなかった零速から中速域で、ホールセンサ相当の回転子位置情報を得ることができ、閉ループ制御による始動が可能となり、始動トルク範囲が広がり、負荷変動による始動ミスや脱調を無くすことができる。
また、ＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）など永久磁石界磁型の回転子を備えた各種モータのセンサレス駆動に適用することができる。
更には、励磁切り替え原理が明快で判りやすく、従来のモータ駆動回路に容易に組み込むことができ、センサレス駆動の可能性を大きく拡げ、小型モータ分野での用途拡大が見込まれる。

尚、インダクタンスの測定手段として、ＭＰＵ５に内蔵タイマーＴＭを用いたが、ＭＰＵ外部に設けたタイマーや、電流センサやＡ／Ｄコンバータなどを用いて測定してもよい。また、上記実施形態では、インダクタンス測定法としてセンシング通電遮断時のスパイクパルス幅測定法を例示して説明したが、それに限定するものではなくその他のインダクタンス検出法を用いることも当然に本願発明の範囲に含まれる。

１ 回転子軸 ２ 回転子 ３ 永久磁石 ４ 固定子 ５ ＭＰＵ ６ 上位コントローラ

Claims (6)

1. 永久磁石界磁型の回転子を備えた３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法であって、
   上位コントローラからの回転指令によりモータ駆動信号を出力制御する制御手段と、
   前記制御手段の出力指令により、所定相コイルに正方向通電または逆方向通電するためのハーフブリッジ回路を３相分備えたモータ出力手段と、
   任意の相のインダクタンスを測定する測定手段と、を具備し、
   前記制御手段は、前記回転子の現在位置情報と回転方向情報から次に出現すると予測される誘起電圧波形の負側交点位相に一致するインダクタンス波形交点を構成する通電相を選択してセンシングパルスを通電し、前記測定手段を用いて周期的にインダクタンス測定を行い、当該通電相のインダクタンス測定値の大小比較と波形勾配符号判定により回転子位置を特定し、
   特定した回転子位置情報と回転方向情報に基づいて前記モータ出力手段による励磁相を切り替えることで零速から中速域にかけて閉ループ制御にて３相ブラシレスモータを回転駆動することを特徴とする３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
2. 前記制御手段は、前記センシングパルスを所定相コイルに対して、１相正方向・１相逆方向・２相正方向・２相逆方向・３相正方向・３相逆方向の６種の通電方式からひとつを選択し、任意の相へ任意のタイミングで通電することで、電気角０°から始まる３０°ピッチで、前記インダクタンス波形交点を構成する通電相を特定し、これにより回転子位置を特定する請求項１記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
3. 前記測定手段は、前記制御手段に内蔵したタイマーであり、前記制御手段は、インダクタンス測定対象コイルに一定電圧かつ一定時間のセンシングパルスを印可し、通電遮断時に発生するコイル蓄積エネルギー放出によるスパイクパルスのパルス幅時間を前記タイマーにより測定することで、当該パルス幅時間をもってインダクタンス相当値とみなす請求項１又は２記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
4. 前記制御手段は、
   負極性スパイクパルスを検出する際にコモン電位が与えられるゼロクロスコンパレータリファレンス電位を電源電位の１／２以下に下げるバイアス手段と、
   正極性スパイクパルスを検出する際にゼロクロスコンパレータリファレンス電位を電源電位の１／２以上に上げるバイアス手段と、を備え、
   前記制御手段はセンシングパルスの通電方向に応じて前記バイアス手段を制御して、ゼロクロスコンパレータによりスパイクパルスを検出する請求項３記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
5. 前記制御手段は、相ごとに負極性スパイクパルス及び正極性スパイクパルスを入力レベルに整合させる２個のレベルシフト手段を備え、３相分で合計６個の前記レベルシフト手段の出力を、センシングパルスの通電相及び通電方向に応じていずれかひとつを選択して前記タイマーに送出し、スパイクパルス幅時間を測定する請求項３記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
6. 前記制御手段は、励磁区間番号とそれに応じたセンシングパルス通電方向と、誘起電圧波形の負側交点位相に一致するインダクタンス波形交点を構成する通電相と、当該通電相のインダクタンス波形勾配符号情報をルックアップテーブルに記憶しておき、励磁方式に対応するセンシング通電方式を選択し前記回転子の現在位置に応じた励磁区間番号を参照することで、センシング通電する請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。