JP2017143612A - Sensorless starting method for three-phase brushless motor - Google Patents

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JP2017143612A
JP2017143612A JP2016022142A JP2016022142A JP2017143612A JP 2017143612 A JP2017143612 A JP 2017143612A JP 2016022142 A JP2016022142 A JP 2016022142A JP 2016022142 A JP2016022142 A JP 2016022142A JP 2017143612 A JP2017143612 A JP 2017143612A
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Inventor
山本 清
Kiyoshi Yamamoto
山本  清
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北斗制御株式会社
Hokuto Seigyo Kk
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensorless starting method for a three-phase brushless motor which can be started at low cost and surely according to a simple starting method and improves versatility.SOLUTION: An MPU 5 uses a stable intersection detection method to detect stable intersections by periodically detecting. using a timer, inductance of two phase constituting a forward rotation side stable intersection that is predicted to appear next based on an initial estimated position and two phases constituting a backward rotation side stable intersection predicted to appear next, with a correction position advanced from the initial estimated position at an electric angle of 180° defined as a reference, in the case of backward rotation therefrom. If the forward rotation side stable intersection is detected first, starting excitation using half bridge circuits B1-B3 is continued as it is. If the backward rotation side stable intersection is detected first, the initial estimated position is corrected by advancing the initial estimated position at an electric angle of 180°, an electrification pattern is determined by defining a position rotated backwards therefrom for one interval as a present position, and starting excitation using the half bridge circuits B1-B3 is performed.SELECTED DRAWING: Figure 12

Description

本発明は、例えば3相ブラシレスモータをセンサレス駆動する際に回転子の初期推定位置に基づいて励磁パターンを決定するセンサレス始動方法に関する。   The present invention relates to a sensorless start method for determining an excitation pattern based on an initial estimated position of a rotor, for example, when sensorless driving a three-phase brushless motor.
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。   Sensorless driving is effective in reducing the cost of a brushless DC motor. However, the current sensorless drive has an open loop period in which the rotor position cannot be detected at the beginning of the start. For this reason, various problems such as a start mistake have occurred, and the spread of sensorless driving has been hindered.
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モータの一例について図15を参照して説明する。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。   An example of a general permanent magnet field type position sensorless three-phase brushless DC motor will be described with reference to FIG. A rotor 2 that rotates about the rotor shaft 1 is provided with a permanent magnet 3, and the stator 4 has coils U, V, and W arranged on pole teeth provided with a phase difference of 120 °, and a common C is provided. Via the star connection. The magnetic pole structure (IPM, SPM) or the number of poles of the permanent magnet field varies.
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について図19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。   FIG. 19 shows an example of a driving circuit for sensorless driving a three-phase brushless DC motor. The basic circuit is composed of a sensing unit, a control unit, and an inverter unit. For example, the circuit is started by forced synchronization and rotated by 120 ° energization (described later).
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。
The sensing unit includes a resistor network that generates a dummy common c, and the zero cross comparators COMP1 to COMP3 compare voltages between the coils U, V, and W and the dummy common c to detect an induced voltage.
The MPU is a microprocessor, and controls the inverter unit by switching the gate outputs OUT1 to OUT6 according to the comparator outputs SU, SV, and SW.
The inverter unit is composed of three half bridges B1 to B3, and the coils U, V, and W are set in a forward / reverse excitation or high impedance state.
(静止時の位置検出方法)
完全静止状態において、磁気回路の空間高調波のインダクタンスは回転子角度により変化することは広く知られている。3相のインダクタンス変化波形例を図1のモデル波形及び図4の実機による実測波形で示す。
上記3相のインダクタンス波形の大小比較を行うと、電気角30°単位の6種類のパターンが2回繰り返される。図1を参照してインダクタンスの大小比較結果例を表1に示す。尚、図1に記載の区間番号は電気角60°幅で区間を表記しているが、30°区間を扱うために区間番号1の前半30°を1A、後半30°を1Bと表すこととし、他の区間も同様に区間番号にAとBを付記して電気角30°区間を表すこととする。
表1から、前半の区間6B〜3Aのパターン1と後半の区間3B〜6Aのパターン2は同一パターンの繰り返しであることが判る。例えば区間6Bの大小比較結果はV相−W相−U相の順であり、区間3Bでも大小比較結果はV相−W相−U相とまったく同じである。つまり180°位相差で同じパターンが出現する。これは磁気回路の空間高調波によるインダクタンス変化は界磁磁極の極性を反映しないことが理由である。
(Position detection method when stationary)
It is well known that in a completely stationary state, the inductance of the spatial harmonics of the magnetic circuit varies with the rotor angle. An example of a three-phase inductance change waveform is shown as a model waveform in FIG. 1 and an actually measured waveform in FIG.
When comparing the magnitudes of the three-phase inductance waveforms, six types of patterns with an electrical angle of 30 ° are repeated twice. Table 1 shows an example of a comparison result of the magnitude of the inductance with reference to FIG. In addition, although the section number described in FIG. 1 represents the section with an electrical angle of 60 ° width, in order to handle the 30 ° section, the first 30 ° of the section number 1 is represented as 1A and the latter 30 ° is represented as 1B. Similarly, in other sections, A and B are added to the section numbers to represent sections having an electrical angle of 30 °.
From Table 1, it can be seen that pattern 1 in the first half sections 6B to 3A and pattern 2 in the second half sections 3B to 6A are repetitions of the same pattern. For example, the magnitude comparison result in section 6B is in the order of V phase-W phase-U phase, and the magnitude comparison result in section 3B is exactly the same as V phase-W phase-U phase. That is, the same pattern appears with a 180 ° phase difference. This is because the inductance change due to the space harmonics of the magnetic circuit does not reflect the polarity of the field magnetic pole.
S極とN極でのインダクタンス値はほぼ同一値を示し上記2パターンの判別は非常に困難である。さらに何とか微小な差異を検出して極性判別を行うにしても、回転子が少しでも回転した場合は極性によるインダクタンスの差よりもはるかに大きな誘起電圧が発生し、完全静止状態という条件でしか信頼できる極性判別は行えない。そのため実用に際しては完全静止状態を検出しなければならず、測定時間を要するわずらわしい処理をしなければならない。
これらの事情により静止時の回転子位置はインダクタンスのパターンマッチング法により比較的安定して180°位相差の2か所に特定できるが、それを1か所に特定することは容易ではない。
The inductance values at the S and N poles are almost the same value, and it is very difficult to distinguish the two patterns. In addition, even if a slight difference is detected and the polarity is discriminated, if the rotor rotates even a little, an induced voltage much larger than the difference in inductance due to the polarity is generated, and it is reliable only under the condition of a completely stationary state. Polarity discrimination that can be done is not possible. Therefore, in practical use, a completely stationary state must be detected, and cumbersome processing requiring measurement time must be performed.
For these reasons, the stationary rotor position can be specified in two places with a 180 ° phase difference relatively stably by the inductance pattern matching method, but it is not easy to specify it in one place.
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)。   In addition, a position sensorless driving method that enables driving from an extremely low speed region near zero speed has been proposed. In this method, the neutral point potential of the permanent magnet motor is detected in synchronization with the PWM waveform of the inverter and driven by an ideal sine wave current (see Patent Document 1).
特開2010−74898号公報JP 2010-74889 A
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。即ちモータ静止時に固定磁界により位置決めするセットアップ法は、始動時間がかかり大きな逆転動作が伴い電力消費も大きいという欠点がある。
一方、静止時の空間高調波によるインダクタンス変化から回転子位置を推定する場合、180°位相差の2か所となることから1か所に特定するためには極性判別を行う必要がある。極性判別は大電流を流し微小な電流変化を検出する必要があり完全静止状態が要求される。さらにモータ機種依存性も強く適応できない場合もあり、位置推定演算も複雑化しソフトハード両面でコストアップとなる。
しかし極性判別を行わず任意の検出位置を初期推定位置として始動した場合、確率50%で逆転しあるいは逆転途中の正逆トルクの均衡する位置で停止してしまうという問題が発生し実用にならない。
The sensorless driving method of the three-phase brushless motor shown in the background art described above has the following technical problems. That is, the set-up method in which positioning is performed by a fixed magnetic field when the motor is stationary has a disadvantage that it takes a long time to start and a large reversing operation is accompanied with a large power consumption.
On the other hand, when the rotor position is estimated from the inductance change due to the spatial harmonics at rest, since there are two 180 ° phase differences, it is necessary to determine the polarity in order to specify one. For polarity discrimination, it is necessary to detect a small current change by passing a large current, and a completely stationary state is required. In addition, there is a case where the dependence on the motor model is not strong enough, and the position estimation calculation becomes complicated and the cost increases in both software and hardware.
However, if an arbitrary detection position is started as an initial estimated position without performing polarity discrimination, there is a problem that reverse rotation occurs at a probability of 50% or stops at a position where forward and reverse torques in the middle of reverse rotation are balanced, which is not practical.
前述した特許文献1の構成においては、センサレスベクトル制御を用い、その実現には高精度電流センサと高速A/Dコンバータ、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。   In the configuration of Patent Document 1 described above, sensorless vector control is used, and a high-accuracy current sensor, a high-speed A / D converter, a high-performance CPU, and the like are required to realize this. In addition, the load of position estimation calculation is large, and the burden on software is also large. Thus, sensorless vector control is too expensive for both hardware and software, and is difficult to use in a small motor with low cost.
本発明の目的は、静止時回転子位置をインダクタンスセンシングにて電気角180°位相差の2か所を検出して任意の一方を初期推定位置としてセンサレス始動し、初期推定位置が誤っていた場合は所定回転角度以内で補正する簡易な始動方法により低コストで確実に始動でき汎用性を高めた3相ブラシレスモータのセンサレス始動方法を提供することにある。   It is an object of the present invention to detect two positions of a 180 ° electrical angle phase difference with an inductance sensing position of a stationary rotor and start sensorless with any one as an initial estimated position, and the initial estimated position is incorrect An object of the present invention is to provide a sensorless starting method for a three-phase brushless motor that can be reliably started at low cost by a simple starting method that corrects within a predetermined rotation angle and has improved versatility.
静止時の回転子位置は、磁気回路の空間高調波によるインダクタンス変化からパターンマッチングにより180°位相差の2か所に特定できる。一方は正転する位置であり他方は逆転する位置である。2か所のうちいずれか一方を初期推定位置と任意に決めて始動励磁を行い回転させ、わずかに回転したところで回転方向を判別し、逆転時は前記初期推定位置を180°進め前記2か所の他方に選択しなおせば正しい位置に補正できる。その際、逆転角度は小さいほどよいから、小さな回転角度にて回転方向を検出する必要がある。本件出願人は既に誘起電圧負側交点で交差する2相のインダクタンス波形を検出することで回転子位置を特定する安定交点検出法を提案している。本件出願人は、この回転子位置を特定する安定交点検出法を用いることで電気角30°ピッチで、回転子の逆転を検出でき、逆転角度を小さく抑えることができることを見出して以下の始動方法を提案する。   The position of the rotor at rest can be specified in two places of 180 ° phase difference by pattern matching from the inductance change due to the spatial harmonics of the magnetic circuit. One is a forward rotation position and the other is a reverse rotation position. Any one of the two locations is arbitrarily determined as the initial estimated position and rotated by starting excitation, and when it is slightly rotated, the direction of rotation is determined, and at the time of reverse rotation, the initial estimated position is advanced by 180 ° and the two locations. If it is selected again, the correct position can be corrected. At that time, the smaller the reverse rotation angle, the better. Therefore, it is necessary to detect the rotation direction with a small rotation angle. The present applicant has already proposed a stable intersection detection method in which the rotor position is specified by detecting two-phase inductance waveforms that intersect at the negative side intersection of the induced voltage. The present applicant has found that by using this stable intersection detection method for specifying the rotor position, it is possible to detect the reversal of the rotor at an electrical angle of 30 ° pitch, and to suppress the reversal angle to a small value. Propose.
以上より、本発明は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をセンサレス駆動する際に回転子の初期位置を検出する3相ブラシレスモータの始動方法であって、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、回転子静止時に磁気回路の空間高調波によるインダクタンス変化からパターンマッチングにより回転子位置を電気角180°位相差の2か所に特定し、任意の一方を初期推定位置として始動励磁し、誘起電圧波形の負側交点位相で交差するインダクタンス波形の安定交点を30°ピッチで検出し、回転子位置を30°ピッチで特定する安定交点検出方法を用いて、前記制御手段は、前記回転子の初期推定位置に基づいて次に出現すると予測される正転側安定交点を構成する2相及び初期推定位置から電気角180°進んだ補正位置を基準としてそこから逆転した場合に次に出現すると予測される逆転側安定交点を構成する2相のインダクタンスを前記測定手段により周期的に測定して各々安定交点を検出し、正転側安定交点が先に検出された場合は、そのまま前記モータ出力手段による始動励磁を継続し、逆転側安定交点が先に検出された場合は初期推定位置を180°進めて初期推定位置を補正し、そこから1区間逆転した位置を現在位置として通電パターンを決定し前記モータ出力手段が始動励磁を行うことを特徴とする。
As described above, the present invention includes the following means.
That is, a method for starting a three-phase brushless motor that detects an initial position of a rotor when a three-phase brushless motor having a permanent magnet field-type rotor is driven sensorlessly. Control means for controlling the output of the drive signal, motor output means comprising three phases of half-bridge circuits for energizing a predetermined phase coil in the forward direction or the reverse direction according to an output command of the control means, and an inductance of an arbitrary phase Measuring means for measuring, and specifying the rotor position at two electrical phase 180 ° phase difference by pattern matching from the inductance change due to the spatial harmonics of the magnetic circuit when the rotor is stationary. Start excitation as an estimated position, detect a stable intersection of the inductance waveform intersecting at the negative side intersection phase of the induced voltage waveform at a 30 ° pitch, Using the stable intersection detection method for specifying the rotor position at a 30 ° pitch, the control means forms a two-phase forward intersection that is predicted to appear next based on the initial estimated position of the rotor. In addition, the measurement means periodically measures the two-phase inductances constituting the reverse-side stable intersection that is predicted to appear next when the position is reversed from the initial estimated position by an electrical angle of 180 °. When each of the stable intersections is detected and the forward rotation side stable intersection is detected first, the start excitation by the motor output means is continued as it is, and when the reverse rotation side stable intersection is detected first, the initial estimated position is determined. The initial estimated position is corrected by advancing by 180 °, the energization pattern is determined with the position reversed from that position as the current position, and the motor output means performs starting excitation.
この方法によれば界磁磁極の極性を判別することなく簡単なハードとソフトにて瞬時に始動でき、確率50%で発生する始動時の逆転は回転角度30°(電気角)以下に抑えて検出して初期推定位置を補正し正転させることができる。   According to this method, it is possible to start instantaneously with simple hardware and software without discriminating the polarity of the field magnetic pole, and the reverse rotation at the time of starting occurring with a probability of 50% is suppressed to a rotation angle of 30 ° (electrical angle) or less. It is possible to detect and correct the initial estimated position for normal rotation.
前記制御手段は、前記回転子の界磁磁極の極性判別を行って、初期推定位置を1カ所に特定して始動励磁し、初期推定位置に基づいて次に出現すると予測される前記正転側安定交点を構成する2相及び前記逆転側安定交点を構成する2相のインダクタンスを前記測定手段により周期的に測定して各々安定交点を検出し前記初期推定位置の補正を行なうことが好ましい。
これによれば、万が一初期推定位置を誤った場合でも、わずかな逆転角度にて補正することができる。
The control means determines the polarity of the magnetic field magnetic pole of the rotor, specifies the initial estimated position as one place, performs start excitation, and is predicted to appear next based on the initial estimated position. It is preferable that the two-phase inductance constituting the stable intersection and the two-phase inductance constituting the reverse-side stable intersection are periodically measured by the measuring means to detect each stable intersection and correct the initial estimated position.
According to this, even if the initial estimated position is wrong, it can be corrected with a slight reverse angle.
また、モータの用途によっては回転子停止端にて機械的ストッパーに突き当て停止する場合もある。突き当て停止していたとき、初期推定位置を誤り逆転方向に励磁して始動してもストッパーにより規制されまったく回転せずいつまでも交点を検出できない。あるいは、過負荷状態など回転軸が拘束され回転しない場合も同様にいつまでも交点を検出できない。
そこで、前記制御手段は、始動励磁時間より長い所定始動時間をあらかじめ設定しておき、始動励磁を開始して前記所定始動時間を経過しても安定交点を検出しないときは再度位置検出して初期推定位置を補正して始動励磁し、以上の始動励磁動作を安定交点を検出するまで繰り返し、位置検出ごとに初期推定位置を選択する範囲を電気角0°〜180°の周期1と電気角180°〜360°の周期2とで交互に切り替えることが好ましい。
Further, depending on the use of the motor, there may be a case where the rotor stops against the mechanical stopper at the rotor stop end. When the butt stops, even if the initial estimated position is excited in the error reverse direction and started, it is restricted by the stopper and does not rotate at all, and the intersection cannot be detected indefinitely. Alternatively, even when the rotation axis is restricted and does not rotate, such as in an overload state, the intersection cannot be detected indefinitely.
Therefore, the control means sets in advance a predetermined start time longer than the start excitation time, and when a stable intersection is not detected even after the start start time has elapsed after starting the start excitation, the position is detected again and the initial value is set. The starting position is corrected by correcting the estimated position, and the above starting excitation operation is repeated until a stable intersection is detected. The range in which the initial estimated position is selected for each position detection is defined as a cycle 1 of electrical angles 0 ° to 180 ° and an electrical angle 180. It is preferable to alternately switch between cycles 2 and 360 °.
具体的には、所定始動時間(始動励磁期間より十分大きな値、例えば0.1秒以上)を定めておき、それを超えても安定交点を検出しないときは、改めてインダクタンス測定を行い、初期推定位置を補正する動作を繰り返す。このとき、例えば位置検出測定が奇数回のときは初期推定位置を周期1から選択し、偶数回のときは周期2から選択するようにする。
これにより、始動励磁の回転方向が初期位置を推定するための位置検出測定ごとに反対になるので、回転子がストッパーで突き当て停止していて初期推定位置が誤りだった場合でも2回目で正しい方向に励磁され始動することができる。また、過負荷状態など回転軸が拘束され回転しない場合は所定始動時間の周期で正転・逆転を繰り返す揺動トルクが発生し、始動のきっかけとすることができる。
Specifically, if a predetermined start time (a value sufficiently larger than the start excitation period, for example, 0.1 seconds or more) is set and a stable intersection is not detected even if the predetermined start time is exceeded, an inductance measurement is performed again to perform initial estimation. Repeat the operation to correct the position. At this time, for example, when the position detection measurement is an odd number of times, the initial estimated position is selected from the cycle 1, and when the position detection measurement is an even number of times, the initial estimated position is selected from the cycle 2.
As a result, the rotation direction of the starting excitation is reversed every time the position detection measurement for estimating the initial position is performed, so even if the rotor is stopped by a stopper and the initial estimated position is incorrect, it is correct at the second time. Excited in the direction and can be started. Further, when the rotating shaft is restrained and does not rotate, such as in an overload state, a swinging torque that repeats normal rotation and reverse rotation is generated at a predetermined start time period, which can be a trigger for starting.
上述した3相ブラシレスモータのセンサレス始動方法を用いれば、静止時回転子位置をインダクタンスセンシングにて180°位相差の2か所を検出して任意の一方を初期推定位置として始動し、推定が誤っていた場合は回転角度30°(電気角)以内で補正するという、簡易なセンサレス始動方法により低コストで確実に始動し汎用性を高めることができる。   If the sensorless start method for the three-phase brushless motor described above is used, the rotor position at rest is detected as two 180 ° phase differences by inductance sensing, and any one of them is started as the initial estimated position. In such a case, a simple sensorless starting method of correcting within a rotation angle of 30 ° (electrical angle) can reliably start at low cost and enhance versatility.
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。It is an inductance waveform figure (inductance profile) at the time of 1 phase energization sensing zero speed. 1相通電センシング正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。It is an inductance waveform figure (inductance profile) at the time of one-phase electricity sensing forward rotation. 1相通電センシング逆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。It is an inductance waveform figure (inductance profile) at the time of 1 phase energization sensing reversal. 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。It is an inductance actual measurement waveform figure (inductance actual measurement profile) at the time of 1 phase energization sensing zero speed. 1相通電センシング正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。It is an inductance actual measurement waveform figure (inductance actual measurement profile) at the time of one-phase electricity sensing forward rotation. 1相通電センシング逆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。It is an inductance actual measurement waveform figure (inductance actual measurement profile) at the time of 1 phase energization sensing reversal. 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。It is an inductance actual measurement waveform figure (inductance actual measurement profile) of 1 phase normal direction electricity supply / reverse direction electricity supply sensing. 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。It is an inductance measurement waveform figure (inductance measurement profile) of two-phase forward direction energization / reverse direction energization sensing. 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。It is an inductance measurement waveform figure (inductance measurement profile) of three-phase forward direction energization / reverse direction energization sensing. 3相のインダクタンス測定波形図である。It is a three-phase inductance measurement waveform diagram. 正方向へ始動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。It is an inductance measurement waveform figure (inductance measurement profile) at the time of starting to a positive direction. 逆方向へ始動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。It is an inductance measurement waveform figure (inductance measurement profile) at the time of starting to a reverse direction. 実施例1に係るモータ駆動回路の構成図である。1 is a configuration diagram of a motor drive circuit according to Embodiment 1. FIG. 実施例2に係るモータ駆動回路の構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a motor drive circuit according to a second embodiment. 3相ブラシレスモータの説明図である。It is explanatory drawing of a three-phase brushless motor. 正転時の誘起電圧波形図(誘起電圧プロファイル)である。It is an induced voltage waveform figure (induced voltage profile) at the time of forward rotation. 逆転時の誘起電圧波形図(誘起電圧プロファイル)である。It is an induced voltage waveform figure (induced voltage profile) at the time of reverse rotation. 120°通電を示すタイミングチャート図である。It is a timing chart figure which shows 120 degree electricity supply. 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。It is a block diagram of the motor drive circuit of the conventional three-phase brushless motor.
以下、本発明に係る3相ブラシレスモータのセンサレス始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。   Hereinafter, an embodiment of a sensorless start method for a three-phase brushless motor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the present invention, there is provided a three-phase brushless DC motor having a permanent magnet field in a rotor, windings arranged on a stator 4 with a phase difference of 120 °, star connection, and phase ends connected to the motor output means. The present invention can be widely applied to a sensorless driving method that performs sensorless driving.
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始動方法についてモータの構成と共に説明する。
図15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。
In the following, a sensorless starting method for sensorlessly driving a three-phase DC brushless motor will be described together with the configuration of the motor.
FIG. 15 shows an embodiment of a three-phase brushless DC motor according to the present invention. As an example, a three-phase brushless DC motor including a stator 4 having a two-pole permanent magnet rotor and three slots is illustrated. The motor may be either an inner rotor type or an outer rotor type.
図15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。   In FIG. 15, a rotor 2 is integrally provided on a rotor shaft 1, and a two-pole permanent magnet 3 is provided as a field magnet. In the stator 4, pole teeth U, V, W are arranged to face the permanent magnet 3 with a 120 ° phase difference. A three-phase brushless DC motor is provided in which windings u, v, and w are provided on the pole teeth U, V, and W of the stator 4 and the phases are connected by a common C, and are wired to a motor drive device (DRIVER) described later. ing. The common line is omitted because it is unnecessary.
次に、モータ駆動装置(DRIVER)の構成例を図13及び図14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。   Next, a configuration example of the motor drive device (DRIVER) is shown in FIGS. The driving method is one-phase 120 ° bipolar rectangular wave excitation. The MPU 5 (microprocessor; control means) controls the output of the motor drive signal from the output terminals OUT1 to OUT6 according to the rotation command (RUN) from the host controller 6. In addition, the MPU 5 sends rotor position information and rotation direction information to the host controller 6.
(実施例1)
図13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。
Example 1
FIG. 13 shows a drive circuit diagram of the first embodiment.
The host controller 6 gives a rotation command RUN to the MPU 5 (control means). The regulator of the motor drive circuit generates the MPU power supply VCC. The MPU 5 is a microprocessor, which switches the gate signals OUT1 to OUT6 of the half bridge circuits B1 to B3 (motor output means) by the output signals SU to SW of the zero cross point detection means COMP1 to COMP3 and performs one-phase 120 ° bipolar energization and the like. . The MPU 5 stores in advance the inductance measurement information for the phase angle of the rotor 2 in the sensing table ST in the memory. Further, a built-in timer TM (measuring means) for measuring the spike pulse time is provided. The MPU 5 operates in accordance with a command from the host controller 6, reads a program stored in the memory, outputs a command according to a program instruction, and refers to data from the memory, and calculates and processes input data according to the program. And then output.
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。   Half-bridge circuits B1-B3 connect each phase end u, v, w to high potential H (+ V) or low potential L (GND). The phase ends u to w are respectively connected to output terminals of the half bridge circuits B1 to B3 (connecting portions of the high side transistor and the low side transistor), and to bias means BS1 (resistors R1 to R6) and a dummy common c which will be described later. Each is connected.
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。   The zero cross comparators COMP1 to COMP3 (zero cross point detecting means) are comparators for detecting the zero cross point of the induced voltage generated between the phase terminals u to w and the dummy common c. The output signals SU to SW of the zero cross comparators COMP 1 to COMP 3 are output to the MPU 5 (control means).
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。   In general, a sensorless drive circuit of a motor drive device (DRIVER) includes zero-cross comparators COMP1 to COMP3. If spike pulses are detected using these zero-cross comparators COMP1 to COMP3, it is possible to deal with a wide power supply voltage range without cost. Therefore, the bias means BS1 for reducing the coil potential to ½ of the power supply potential when not energized, and the zero-cross comparator reference potential for providing the neutral point potential when detecting the negative spike pulse is lowered to ½ or less of the power supply potential. Bias means BS2 (transistor TR1) and bias means BS3 (Darlington-connected transistor TR2 and transistor TR3) for raising the zero-cross comparator reference potential to 1/2 or more of the power supply potential when detecting a positive spike pulse are provided. .
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。   The MPU 5 performs sensing energization by the half bridge circuits B1 to B3 (motor output means), and controls the operations of the bias means BS2 and the bias means BS3 by OUT7 and OUT8 according to the positive or negative spike pulse. One of the outputs from the three zero cross comparators COMP1 to COMP3 is selected via SELECT and sent to the built-in timer TM of the MPU 5 to measure the spike pulse time.
(実施例2)
図14に実施例2の駆動回路図を示す。図13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。
(Example 2)
FIG. 14 shows a drive circuit diagram of the second embodiment. The same members as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is incorporated. In the present embodiment, the half bridge circuits B1 to B3 connect the phase ends u, v, and w to the high potential H (+ V) or the low potential L (GND). Each phase end u to w is connected to an output terminal of the half bridge circuits B1 to B3 (connecting portion between the high side transistor and the low side transistor), and bias means BS1 (resistors R1 to R6) and level shift circuits LS1 to LS6. Are further connected to MPU 5 via level shift circuits LS1 to LS6.
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13で用いたゼロクロスコンパレータCOMP1〜3は不要である。   In this way, if the spike pulses generated in the respective phase coils U, V, W are directly taken into the MPU 5, the phase delay is small and it is easy to improve the accuracy. However, since the voltage is higher than the power source of the MPU 5 and cannot be taken in as it is, it is taken in via the level shift circuits LS1 to LS6. The input signal is clamped to VCC or GND by a protection diode in the MPU 5. Note that the zero cross comparators COMP1 to COMP3 used in FIG. 13 are unnecessary.
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。   Therefore, the bias means BS1 for setting the coil potential of each phase to ½ of the power supply potential when not energized, the level shift means LS1 to LS3 (resistors R7 to R9) for conditioning the negative spike pulse for each phase, and the positive spike Level shift means LS4 to LS6 (variable resistors VR1 to VR3) for conditioning the pulse are provided.
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。   The MPU 5 performs sensing energization by the half-bridge circuits B1 to B3 (motor output means) and conditions the positive or negative spike pulses generated in the respective phase coils via the corresponding six level shift means LS1 to LS6. The positive polarity or negative polarity pulse thus inputted is inputted from the corresponding positive / negative input terminals NU, PU, NV, PV, NW, PW of the MPU 5. The input positive polarity or negative polarity pulse is selected from the energization phase and the energization direction of sensing energization via SELECT, and sent to the built-in timer TM of the MPU 5 to measure the spike pulse time.
(インダクタンス測定方法)
次に、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。
(Inductance measurement method)
Next, a method for measuring each phase coil inductance will be described. Energy stored in the phase coils by energization is represented by P = LI 2/2, including an inductance component. The spike pulse at the time of de-energizing reflects this, and since the discharge is performed at a constant current by the diode of the output element, the inductance becomes a time function and can be measured with a timer. Therefore, in the present invention, the spike pulse width time is regarded as an inductance equivalent value.
図10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、各相センシングパルスはハーフブリッジ回路B1〜B3(図13,図14参照)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13,図14参照)、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。
FIG. 10 shows a coil waveform at the time of inductance measurement for three phases. This is a three-phase positive-direction energization sensing, and each phase sensing pulse is applied with a power supply voltage using half-bridge circuits B1 to B3 (see FIGS. 13 and 14), and a negative or positive spike pulse when energization is cut off. Is diode clamped to the power supply and then converges to an intermediate potential.
In the measurement operation, first, the U phase is connected to the power source +, the V phase and the W phase are connected to GND, a sensing pulse is applied, and the U phase spike pulse time at the time of interruption is measured. Similarly, V phase and W phase are measured. As the measurement timer, a built-in timer TM built in a general MPU 5 is sufficient (see FIGS. 13 and 14), and neither a current sensor nor an A / D converter is required.
In addition, the coil accumulated energy is obtained by integrating the current, the damping vibration and noise are reduced, a minute change in inductance can be detected stably, and high-accuracy measurement is possible.
(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。
(Stable intersection detection)
Here, the detection principle of the induced voltage negative side intersection (stable intersection) generated when sensing current is supplied to the three-phase brushless motor will be described.
The present invention creates an inductance waveform (inductance profile) with respect to the rotor angle, and specifies the rotor position by paying attention to the existence of the intersection where the phase and the energized phase and the waveform gradient code do not change with respect to the speed change. Hereinafter, description will be made using a model in which the magnetic circuit characteristics are ideal sine waves. If the inductance change L of each phase coil due to spatial harmonics when the rotor is at zero speed (when excitation current is flowing but the rotor is stationary) is a two-period cosine wave,
LU = −cos 2θ Equation 1
LV = −cos (2 (θ−2π / 3)) Equation 2
LW = −cos (2 (θ−4π / 3)) Equation 3
FIG. 1 shows an inductance waveform (inductance profile) of each phase coil at zero speed.
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に正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)図3に逆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。
In addition, when the inductance change B of each phase coil during rotation is a combination of the inductance change L at zero speed and the induced voltage obtained by reversing positive and negative,
BU = LU + K (−sin θ) Equation 4
BV = LV + K (−sin (θ−2π / 3)) Equation 5
BW = LW + K (−sin (θ−4π / 3)) Equation 6 where K = speed coefficient FIG. 2 shows the inductance waveform of each phase coil during forward rotation (inductance profile) FIG. 3 shows the inductance waveform of each phase coil during reverse rotation (Inductance profile) is shown. bemfU to bemfW are induced voltage waveforms displayed for reference.
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。尚、図3は逆転時のインダクタンス波形であり、交点位相は60°ずれており30°から始まる120°ピッチの3点となる。その理由は後述の(逆転時の安定交点)にて詳述する。   Comparing both FIG. 1 and FIG. 2, it is found that there are three intersections (circles, hereinafter referred to as “stable intersections”) having the same phase, energized phase, and waveform gradient code at a 120 ° pitch starting from 90 °. I understand. As the other intersections rotate, the phase shift occurs, the gradient is reversed, or the intersections disappear. FIG. 3 shows an inductance waveform at the time of reverse rotation, and the intersection phase is shifted by 60 ° and becomes three points with a 120 ° pitch starting from 30 °. The reason will be described in detail later in (Stable intersection at reverse rotation).
正転時の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、正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。また、逆転時の安定交点の位相角に関しても同様に計算することができ、その結果安定交点は30°、150°、270°の3か所が得られる(計算の詳細は省略する)。
Find the phase angle of the stable intersection during forward rotation from the calculation.
The intersection angle of the U-phase and V-phase of the inductance waveform of the spatial harmonic at rest is
-Cos2 [theta] =-cos (2 ([theta] -2 [pi] / 3)), and solving this results in [theta] = [pi] / 3, 5 [pi] / 6, 4 [pi] / 3, and 11 [pi] / 6.
Waveform gradient codes are π / 3, 4π / 3 are U = + and V = −, and 5π / 6 and 11π / 6 are U = − and V = +.
On the other hand, the intersection angle between the U phase and the V phase of the reverse polarity induced voltage waveform generated during forward rotation is
−sin θ = −sin (θ−2π / 3), and when this is solved, θ = 5π / 6 and 11π / 6.
The waveform gradient sign is U = +, 5 = / 6, U = −, 11π / 6 is U = −, and V = +.
From the above, among the intersections of the U phase and the V phase, there is only one intersection of 11π / 6, that is, 330 °, having the same angle and waveform gradient sign both when stationary and when rotating.
Similarly, when the intersections of the V phase and the W phase and the W phase and the U phase are calculated, only 90 ° and 210 ° are obtained. Therefore, there are three stable intersections: 90 °, 210 °, and 330 °. Further, the phase angle of the stable intersection at the time of reverse rotation can be calculated in the same manner, and as a result, three stable intersections of 30 °, 150 °, and 270 ° are obtained (details of calculation are omitted).
さらに図15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4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5は正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。また図6は、逆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)であり、こちらもシミュレーションモデルどおり30°、150°、270°の3か所に安定交点が発生することが確かめられた。尚、図1〜図6はすべて1相正方向通電センシング(後述)による。   Further, in the actual machine shown in FIG. 15, an inductance waveform (inductance profile) of each phase coil is created and checked. FIG. 4 shows an actual inductance waveform (inductance actual profile) of each phase coil at zero speed. FIG. 5 shows an actual inductance waveform (inductance actual profile) of each phase coil during forward rotation. The rotation speed is 420 rpm in terms of a two-pole motor, and the inductance measurement cycle is 1.6 ms (measurement method will be described later). As a result, it was found that a stable intersection occurs as in the model. Fig. 6 shows the measured inductance waveform (inductance measured profile) of each phase coil during reverse rotation. This also confirms that stable intersections occur at three locations of 30 °, 150 °, and 270 ° as per the simulation model. It was. 1 to 6 are all based on one-phase positive direction energization sensing (described later).
以上、シミュレーションモデル及び実測からモータが零速時は、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に安定交点が発生することが判明した。   As described above, when the motor is at zero speed based on the simulation model and the actual measurement, the inductance changes according to the rotor position due to the spatial harmonics of the magnetic circuit reflecting the geometric configuration and electromagnetic characteristics of the motor, and the induced voltage is negative. It was found that a stable intersection occurs at a position where the phase coincides with the side intersection.
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。   The spatial harmonic has a two-periodicity, and a similar intersection exists at a position 180 ° away from the stable intersection. This can be removed from the detection target if the rotor position is known. In the present invention, it is a precondition that the position of the rotor 2 is known in advance immediately before starting excitation.
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。   Next, the reason why a stable intersection occurs at a position where the phase coincides with the negative intersection of the induced voltage even during rotation will be described. When the rotor 2 starts to rotate, an induced voltage is generated in the coil. The effective coil voltage decreases in a section where the induced voltage is generated on the positive side, and increases in a section where the negative induced voltage is generated. That is, it can be expressed as coil voltage Vc = phase voltage Vm−induced voltage Vb, and it can be said that the inductance changes BU to BW at the time of rotation reflect the induced voltage in which positive and negative are reversed.
図2及び図3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。   2 and FIG. 3, it can be seen that, for example, the lower left induced voltage waveform bemfV is folded upward and reflected in the upper left waveform BV. The same applies to the waveforms bemfW and bemfU. As a result, as shown by the arrow, the induced voltage negative side intersection is also folded upward. Therefore, the stable intersection is a negative intersection of the negative side of the induced voltage.
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。   The rectangular-wave drive excitation phase switching operation is performed at the intersection where the two-phase induced voltages are equal. Since the stable intersection reflects the induced voltage intersection, the excitation switching point is indicated.
安定交点の位相は、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、正転時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。   The phase of the stable intersection is 90 °, 210 °, and 330 ° during forward rotation when the magnetic circuit characteristics are symmetric with respect to the magnetic pole center. If it is biased, the phase shifts slightly, but there is no problem because the shifted position is an ideal excitation switching point. In the present embodiment, for convenience, the magnetic circuit describes the angle as a sine wave without distortion. Further, since both the spatial harmonic phase and the induced voltage phase do not depend on the angular velocity, the phase of the stable intersection is the same at both zero speed and rotation, and is always an accurate excitation switching point. Therefore, it can be seen that the stable intersection can be continuously used for position detection of the rotor 2 from the zero speed to the rotation range.
(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。
(Phase shift)
The phase of the induced voltage shifts depending on the excitation conditions. Similarly, in the sensing energization for measuring the inductance, the phase of the stable intersection is shifted depending on the energization conditions. The phase shift also occurs in spatial harmonics at zero speed.
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13,図14参照)は、前述のとおり正転時の安定交点の位相は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。   For example, in the case of one-phase positive direction energization sensing in which the coil ends u, v, and w are energized to the common C (see FIGS. 13 and 14), the phase of the stable intersection during forward rotation is 90 ° / 210 ° as described above. -Three points of 330 °. However, if reverse energization is performed from the common C to the coil ends u, v, and w, the 180 ° phase shifts to 270 °, 30 °, and 150 °. However, the gradient sign does not change. In the reverse direction energization, the position of the phase difference of 60 ° from that in the normal direction energization can be detected.
図7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。   FIG. 7 shows measured inductance waveforms (inductance measured profiles) for one-phase forward direction energization sensing and one-phase reverse direction energization sensing at zero speed. Due to the two-period nature, the reverse energization waveform in the lower stage appears to be the same as the positive energization waveform in the upper stage. However, if you look closely, it can be determined that the fine part is different and the phase shift is 180 °. It can also be seen that the stable intersection of both the forward direction energization and the reverse direction energization has a 60 ° phase difference.
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8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。   When the current is passed between the two phases, the induced voltage is a composite of the two phases, and the phase is advanced by 30 ° compared to the one-phase current. Similarly, the phase of the stable intersection advances by 30 °. FIG. 8 shows an actual inductance measurement waveform (inductance actual measurement profile) of two-phase forward direction energization sensing and two-phase reverse direction energization sensing at zero speed. It can be seen that the phase of the stable intersection, which was 90 ° during one-phase energization, has shifted to a position of 60 °. When the coils are replaced and energized in the reverse direction, it can be determined that the phase is shifted by 180 ° as in the case of 1-phase energization. It can also be seen that the stable intersection of both the forward direction energization and the reverse direction energization has a 60 ° phase difference.
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9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。   Furthermore, electricity can be supplied between the three phases. At the time of three-phase energization, there are a 1-phase portion and a 2-phase portion with the common C as a boundary, but the phase to be measured is on the 1-phase side, and the phase of the stable intersection is the same as at the time of 1-phase energization. FIG. 9 shows measured inductance waveforms (inductance measured profiles) of the three-phase forward direction energization sensing and the three-phase reverse direction energization sensing at zero speed. It can be seen that the phase of the stable intersection is the same as that during one-phase energization. In addition, when the energization potential of the coil is switched and reverse direction energization is performed, it can be determined that the phase is shifted by 180 ° as in the case of one-phase energization. It can also be seen that the stable intersection of both the forward direction energization and the reverse direction energization has a 60 ° phase difference. One-phase energization requires a common wire on the motor side, and a neutral point power source is also required on the drive circuit side, which is disadvantageous in practice. Therefore, in this embodiment, the one-phase energization is replaced with the three-phase energization.
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。正転時の通電方式と検出位置の関係を表2に示す。
After all, there are four types of sensing energization methods, one-phase or three-phase energization and two-phase energization, and forward-direction energization and reverse-direction energization. On the other hand, the sensing energization is independent of the excitation for generating the torque, and the energization method can be freely selected. Therefore, the detection angle at which the rotor position can be detected is 4 kinds of energization methods × 3 places = 12 places, and the positions can be detected at a 30 ° pitch starting from 0 °. Table 2 shows the relationship between the energization method and the detection position during normal rotation.
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13、図14参照)に予め記憶しておく。以上により、回転子2が零速時から回転時まで、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30°ピッチで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がわかる。   The MPU 5 stores the phase of the stable intersection, the energized phase, and the waveform gradient code in advance in the sensing table ST (see FIGS. 13 and 14) as an inductance measurement profile. As described above, if the rotor 2 continues to detect the stable intersection while appropriately switching the energization method of the sensing energization every time the stable intersection is detected from the time of zero speed to the time of rotation, the MPU 5 can obtain the position information necessary for excitation at 30 ° pitch. It can be seen that excitation switching can be performed by any driving method.
(逆転時の安定交点)
逆転時は磁束を反対方向に横切ることから誘起電圧の極性が反転する。図16に正転時の誘起電圧波形、図17に逆転時の誘起電圧波形を示す。正転時に比べ逆転時は誘起電圧波形の位相が180°進む。但しピーク出現順序は正転時のU−V−Wに対し逆転時はU−W−Vとなる。
(Stable intersection at reverse rotation)
When reversing, the polarity of the induced voltage is reversed because the magnetic flux crosses in the opposite direction. FIG. 16 shows the induced voltage waveform during forward rotation, and FIG. 17 shows the induced voltage waveform during reverse rotation. The phase of the induced voltage waveform advances by 180 ° during reverse rotation compared to during normal rotation. However, the peak appearance order is U-V-V at the time of reverse rotation and U-V-V at the time of reverse rotation.
図9において、安定交点は例えばV相とW相の交点の場合、正転時の90°が逆転時には270°へと180°位相が進む。さらに波形勾配符号は反対になり、正転時はV=−、W=+だったものが、逆転時にはV=+,W=−となる。また交点出現順序は、正転時がUとVの交点、VとWの交点,WとUの交点、の順序だったものが、逆転時にはUとWの交点、WとVの交点、VとUの交点、の順序となる。なお静止時の安定交点は図1を参照すればやはり180°位相の進んだ位置に交点が出現すること及び波形勾配符号が反対になることが理解される。   In FIG. 9, when the stable intersection is, for example, the intersection of the V phase and the W phase, the phase advances by 180 ° from 90 ° during forward rotation to 270 ° during reverse rotation. Further, the waveform gradient sign is reversed, and V = − and W = + at the time of forward rotation, but V = + and W = − at the time of reverse rotation. The order of intersection appearance is the order of intersection of U and V, intersection of V and W, intersection of W and U at the time of forward rotation, intersection of U and W, intersection of W and V, V And the intersection of U. It should be understood that the stable crossing point at rest can be seen from FIG. 1 in that the crossing point appears at a position advanced by 180 ° and the waveform gradient sign is reversed.
逆転時の通電方式と検出位置の関係を表3にまとめる。ただし波形勾配符号は正転時の反対になる。
別の考え方としてセンシング通電方向を反転させると、前述の図7〜図9のとおり位相は180°進むから逆転時には位相は360°進むことになり結局は正転時と同じ位置を検出することになる。いずれの考え方に立ってもセンシング方法はひとつである。
Table 3 summarizes the relationship between the energization method and the detection position during reverse rotation. However, the waveform gradient sign is the opposite of that during forward rotation.
As another way of thinking, if the sensing energization direction is reversed, the phase advances by 180 ° as shown in FIGS. 7 to 9 described above, so that the phase advances by 360 ° at the time of reverse rotation and eventually the same position as at the time of normal rotation is detected. Become. There is only one sensing method in any way of thinking.
表2と表3を一つにまとめた正転時及び逆転時のセンシング通電方式と検出位置の関係を表4として示す。表4の左側欄に記載の通電方式は上段が正転時、下段かっこ内は逆転時の通電方式である。例えば90°位置を検出する場合、正転時は3相正方向通電にて、逆転時は3相逆方向通電にてセンシングすることで交点を検出できることを表している。
ただし逆転時は安定交点に対し正転時とは反対方向から接近することから波形勾配符号は反転する。従って12種類のセンシングパターンそれぞれに2種類の波形勾配符号が有り、都合24種類の判定パターンとなる。波形勾配符号の詳細は後述のセンシングテーブルにて説明する。
Table 4 shows the relationship between the sensing energization method and the detection position during normal rotation and reverse rotation in which Table 2 and Table 3 are combined into one. The energization method described in the left column of Table 4 is the energization method when the upper row is forward rotation and the lower bracket is the reverse rotation time. For example, when a 90 ° position is detected, this indicates that the intersection can be detected by sensing with three-phase forward energization during forward rotation and with three-phase reverse energization during reverse rotation.
However, at the time of reverse rotation, the waveform gradient sign is reversed because the stable intersection is approached from the opposite direction to that at the time of normal rotation. Therefore, there are two types of waveform gradient codes for each of the 12 types of sensing patterns, resulting in 24 types of determination patterns. Details of the waveform gradient code will be described in a sensing table described later.
次に、回転子の回転方向の判別方法について説明する。回転方向判別は、正転検出のためのセンシング通電に引き続いて、逆転を検出するために表4の下段の逆転時の通電方式を援用してセンシング通電すればよく、30°ピッチで回転方向の判別ができる。例えば15°に位置していた場合、正転すれば30°、逆転すれば0°の位置の安定交点を検出することは明白である。そこで30°側交点を検出するために3相逆方向通電センシングにて正転側の安定交点を、0°側交点を検出するために2相正方向通電センシングにて逆転側の安定交点を検出し続ける。そして正転側安定交点が先に検出されれば正転、逆転側安定交点が先に検出されれば逆転、と判定することができる。
他の区間でも同様の方法により30°以内で回転方向を判別できる。
なお微細な振動や揺動は30°ピッチに量子化されることは通常のエンコーダーなどのデジタルセンサと同様である。またサイクリックに測定することから時間軸でヒステリシス性を有しノイズによる誤動作を低減できる。
Next, a method for determining the rotation direction of the rotor will be described. In order to determine the rotation direction, the sensing energization may be performed with the aid of the energization method at the time of reverse rotation in Table 4 in order to detect reverse rotation following sensing energization for forward rotation detection. Can be distinguished. For example, when it is located at 15 °, it is obvious that a stable intersection point at a position of 30 ° is detected when rotating forward and 0 ° when rotating backward. Therefore, to detect the 30 ° side intersection, the three-phase reverse energization sensing detects the forward rotation stable intersection, and to detect the 0 ° side intersection, the two-phase forward energization sensing detects the reverse rotation stable intersection. Keep doing. If the normal rotation side stable intersection is detected first, it can be determined to be normal rotation, and if the reverse rotation side stable intersection is detected first, it can be determined to be reverse rotation.
In other sections, the rotation direction can be discriminated within 30 ° by the same method.
It is to be noted that minute vibrations and oscillations are quantized at a 30 ° pitch, as in a digital sensor such as an ordinary encoder. In addition, since cyclic measurement is performed, there is hysteresis on the time axis, and malfunction due to noise can be reduced.
(センシングテーブル)
センシング方法を明確化し駆動回路MPUの制御ソフト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式と、安定交点構成2相と、それぞれの勾配符号情報と、をテーブルとしてあらかじめMPU5のメモリに記憶し、現在位置に応じてテーブル内容を参照し、それに基づいてインダクタンス測定を行い、安定交点構成2相の相対レベルの大小比較により交点検出を行う。
(Sensing table)
The table reference method is effective in clarifying the sensing method and speeding up the control software of the drive circuit MPU. The excitation section number, the sensing pulse energization method corresponding thereto, the stable intersection configuration two phases, and the respective gradient code information are stored in advance in the memory of the MPU 5 as a table, and the table contents are referred to according to the current position, Based on this, inductance is measured, and intersection detection is performed by comparing the relative levels of the two phases of the stable intersection configuration two phases.
安定交点を30°ピッチで検出するためには図8に示す2相センシング及び図9に示す3相センシングの両方を用いる。正転時の安定交点は、現在位置が安定交点に対し左から接近するものとして見る。逆転時の安定交点は図8及び図9において通電方向を正逆入れ替えて読み、安定交点に対し右から接近するものとして見る。従って勾配符号は正転時の反対になる。尚、図8及び図9において、区間番号1の電気角前半30°を1A、後半30°を1Bと表記し、他の区間も同様に表記する。   In order to detect the stable intersection at a 30 ° pitch, both the two-phase sensing shown in FIG. 8 and the three-phase sensing shown in FIG. 9 are used. The stable intersection at the time of forward rotation is regarded as the current position approaching the stable intersection from the left. The stable intersection at the time of reverse rotation is read by switching the energization direction forward and backward in FIGS. 8 and 9 and viewed as approaching the stable intersection from the right. Therefore, the gradient sign is the opposite of that during forward rotation. 8 and 9, the first 30 ° electrical angle of section number 1 is represented as 1A and the last 30 ° is represented as 1B, and the other sections are also represented in the same manner.
区間番号と対応する通電方式・構成相・勾配符号情報をまとめたセンシングテーブルを表5に示す。センシング内容は正転側で12種類、逆転側で12種類あり、都合24種類から区間に応じて2種類を適宜選択して回転方向と位置を検出する。
注1.通電方式の正=正方向通電、逆=逆方向通電の省略である。
注2.構成相は降順で記載してあり、前相が−勾配、後相が+勾配である。
尚2相正方向通電時はU相=UからVへ、V相=VからWへ、W相=WからUへと通電し、2相逆方向通電時はU相=VからUへ、V相=WからVへ、W相=UからWへと通電する。
Table 5 shows a sensing table in which the energization method, the constituent phase, and the gradient code information corresponding to the section number are summarized. There are 12 types of sensing contents on the forward rotation side and 12 types on the reverse rotation side, and two types are selected appropriately from 24 types according to the section to detect the rotation direction and position.
Note 1. In the energization method, forward = forward direction energization and reverse = reverse direction energization are omitted.
Note 2. The constituent phases are listed in descending order, the front phase is -gradient and the rear phase is + gradient.
It should be noted that when energized in the two-phase forward direction, U phase = U to V, V phase = V to W, W phase = W to U, and for two phase reverse energization, U phase = V to U, Electricity is supplied from V phase = W to V and W phase = U to W.
上記センシングテーブルの具体的な使い方を図8及び図9を参照しながら説明する。逆転時は図8及び図9に記載された通電方向を反対に読み替える事と、安定交点に対し右から左へ接近する事に注意する。
例えば回転子が0°〜30°の区間6Bに位置し正逆どちらかに回転していた場合、逆転を検出するために、2相正方向通電センシング(図8下段の逆方向通電波形を参照)にてU相とW相を測定し、LU>LWならまだ区間6Bにおり、LU<LWとなったら逆転して0°点を超え次の逆転方向区間6Aへ戻ったことを意味する。
また、逆転検出と並行して正転を検出するために、3相逆方向通電センシング(図9下段の逆方向通電波形を参照)にてW相とU相を測定し、LW<LUとなったら正転して30°点を超え次の正転方向区間1Aへ進んだことを意味する。
A specific usage of the sensing table will be described with reference to FIGS. At the time of reverse rotation, it should be noted that the energizing directions described in FIGS. 8 and 9 are reversed and that the stable intersection is approached from right to left.
For example, when the rotor is located in the section 6B of 0 ° to 30 ° and is rotating in either forward or reverse direction, in order to detect reverse rotation, two-phase forward direction energization sensing (see the reverse direction energization waveform in the lower part of FIG. 8) ), The U phase and the W phase are measured, and if LU> LW, it is still in the section 6B, and if LU <LW, it means that it has reversed and returned to the next reverse direction section 6A beyond the 0 ° point.
In addition, in order to detect forward rotation in parallel with reverse rotation detection, W phase and U phase are measured by three-phase reverse energization sensing (refer to the reverse energization waveform in the lower part of FIG. 9), and LW <LU. Then, it means that the vehicle has rotated forward and passed the 30 ° point to the next forward rotation direction section 1A.
従って2相正方向通電にてU相・W相、3相逆方向通電にてW相・U相、の測定と大小比較を周期的に繰り返し、どちらかの安定交点を検出した時点で回転方向を判定でき、同時に位置も特定できる。先に2相正方向通電にてU相<W相を検出したら逆転、あるいは先に3相逆方向通電にてW相<U相を検出したら正転である。
他の区間も同様の手順で回転方向と位置を判定できる。
以上、30°ピッチで回転方向の検出が可能であることを説明した。
Therefore, the measurement and size comparison of the U phase / W phase with two-phase forward energization and the W phase / U phase with three-phase reverse energization are periodically repeated, and the rotation direction is detected when one of the stable intersections is detected. The position can be specified at the same time. If the U phase <W phase is detected first in the two-phase forward direction energization, the reverse rotation is performed, or if the W phase <U phase is detected first in the three-phase reverse direction energization, the forward rotation is performed.
In the other sections, the rotation direction and position can be determined in the same procedure.
As described above, it has been explained that the rotation direction can be detected at a pitch of 30 °.
(初期位置の推定)
回転子静止時の3相のインダクタンスパターンから特定される初期位置は180°位相差で2か所ある。ここで初期位置が周期1(電気角:0°〜180°)にあるものと仮定し励磁すると、仮定が正しければ正転し、周期2(電気角:180°〜360°)に位置していた場合は逆転する。従って、前述の安定交点検出法にて逆転側の安定交点を先に検出した場合は、初期推定位置を180°進めそこから逆転側に1区間進めれば正しい位置に補正される。このように前述した安定交点検出法を用いれば回転角度30°以内で正転または逆転を検出でき、初期位置を1か所に特定できる。
(Estimation of initial position)
There are two initial positions with a 180 ° phase difference specified from the three-phase inductance pattern when the rotor is stationary. Here, assuming that the initial position is in the period 1 (electrical angle: 0 ° to 180 °) and exciting, if the assumption is correct, the motor rotates forward and is located in the cycle 2 (electrical angle: 180 ° to 360 °). If reversed, reverse. Therefore, when the stable intersection on the reverse rotation side is detected first by the above-described stable intersection detection method, the initial estimated position is advanced by 180 °, and if it is advanced by one section to the reverse rotation side, the correct position is corrected. As described above, by using the above-described stable intersection detection method, forward rotation or reverse rotation can be detected within a rotation angle of 30 °, and the initial position can be specified at one place.
表6に初期位置を周期1と仮定した場合の区間ごとの検出交点角度とセンシング通電方式をまとめる。
Table 6 summarizes the detected intersection angle and the sensing energization method for each section when the initial position is assumed to be period 1.
表6を用いて具体的な初期位置推定方法について説明する。
回転子静止時のインダクタンス測定から2か所の位置が特定されたとする。例えば区間6Bと180°位相が進んだ区間3Bであったとしよう。そこで、初期推定位置を周期1の区間6Bと決めて始動励磁を行う。推定が正しければ正転しやがて30°の安定交点が検出されるはずである。しかし推定が誤った場合には回転子は区間3Bにいたことになり、逆転して180°の安定交点を逆転側から検出することになる。
A specific initial position estimation method will be described with reference to Table 6.
Assume that two positions are identified from the inductance measurement when the rotor is stationary. For example, suppose that it is the section 3B in which the phase is advanced by 180 ° from the section 6B. Therefore, the initial estimated position is determined as the section 6B of the period 1 and the start excitation is performed. If the estimation is correct, the forward rotation will eventually occur and a stable intersection of 30 ° should be detected. However, if the estimation is incorrect, the rotor is in the section 3B, and reversely detects a 180 ° stable intersection from the reverse side.
従って、初期推定位置から正転側の安定交点及び180°進んだ位置から逆転側の安定交点の双方を検出すれば推定誤りを検出できる。以上の初期位置推定動作を可能とするセンシング方式を整理したものが表6である。もし180°の逆転側の安定交点が先に検出されたら、回転子は位相角180°〜210°である区間3Bの位置から逆転して位相角150°〜180°の区間3Aの位置に逆転したことになり、区間3Aが現在位置である。つまり逆転検出時は、初期推定位置を180°進め区間3Bとしたうえで、そこから1区間逆転したところの区間3Aを現在位置とすれば正しい位置に補正される。   Accordingly, an estimation error can be detected by detecting both the stable intersection on the forward rotation side from the initial estimated position and the stable intersection on the reverse rotation side from the position advanced by 180 °. Table 6 summarizes the sensing methods that enable the above initial position estimation operation. If a stable intersection on the reverse side of 180 ° is detected first, the rotor reverses from the position of section 3B where the phase angle is 180 ° to 210 ° and reverses to the position of section 3A where the phase angle is 150 ° to 180 °. Thus, the section 3A is the current position. That is, when reverse rotation is detected, the initial estimated position is set to a section 3B advanced by 180 °, and if the section 3A that is one section reverse from there is set as the current position, the current position is corrected.
あるいは初期位置を周期2として推定することもできる。その際に使用するセンシングテーブルを表7に示す。使用方法は周期1の場合と同様で、例えば回転子静止時のインダクタンス測定から検出位置は区間6Bあるいは区間3Bの2か所であった場合、周期2側の区間3Bを初期推定位置に選択する。推定が誤りであった場合は、回転子は区間6Bに位置しており逆転して0°の安定交点を検出することになる。推定が正しければ正転して210°の安定交点を検出する。従って逆転側0°の交点及び正転側210°の交点を検出し続ければ推定誤りを検出し補正できる。他の区間も同様にして推定誤りを検出できる。
尚、初期推定位置の補正は静止時の位置を検出した後の一回限りとする。静止時位置検出を行わず初期推定位置の補正を繰り返すことはできない。
Alternatively, the initial position can be estimated as the period 2. Table 7 shows the sensing table used at that time. The method of use is the same as in the case of cycle 1. For example, when the detection position is two locations of section 6B or section 3B from the inductance measurement when the rotor is stationary, section 3B on the cycle 2 side is selected as the initial estimated position. . If the estimation is incorrect, the rotor is located in the section 6B and is reversed to detect a stable intersection of 0 °. If the estimation is correct, it rotates forward and a 210 ° stable intersection is detected. Therefore, if an intersection at 0 ° on the reverse side and an intersection at 210 ° on the forward side are continuously detected, an estimation error can be detected and corrected. An estimation error can be detected in the same manner in other sections.
The initial estimated position is corrected only once after the stationary position is detected. It is not possible to repeat the correction of the initial estimated position without detecting the stationary position.
(クローズドループ駆動方法)
安定交点検出方法により特定された回転子初期位置に基づいて励磁相を切り替えることで位置センサを用いずクローズドループ制御にてセンサレス駆動できる。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り、トルク発生効率の高さから始動時は図18の通電タイミングチャートに示す120°通電が適する。
(Closed loop drive method)
By switching the excitation phase based on the rotor initial position specified by the stable intersection detection method, sensorless driving can be performed by closed loop control without using a position sensor. Any driving method that can be controlled by position information at 30 ° pitch is possible, and 120 ° energization shown in the energization timing chart of FIG. 18 is suitable at the time of start-up because of high torque generation efficiency.
図11に実機にて始動した際に、初期推定位置が正しかった場合のインダクタンス実測プロファイルを示す。グラフ左端が零速時、右端で約600rpm(2極モータ換算)である。静止時のセンシング通電にて回転子位置検出が行われ、それに基づいて初期推定位置が決定され、始動励磁が始まる。本例は回転子が周期1(表6:電気角0°〜180°)の区間1A(電気角30°〜60°)に位置しており推定が正しく行われた場合である。
センシングは正転側と逆転側双方の交点検出が同時に行われる。図11の上段に記載の正方向センシング波形が正転側、下段に記載の逆方向センシング波形が逆転側のインダクタンス実測プロファイルである。
FIG. 11 shows an inductance actual measurement profile when the initial estimated position is correct when starting with an actual machine. When the left end of the graph is at zero speed, the right end is approximately 600 rpm (2-pole motor conversion). Rotor position detection is performed by sensing energization at rest, an initial estimated position is determined based on the detected rotor position, and starting excitation starts. This example is a case where the rotor is located in the section 1A (electrical angle 30 ° to 60 °) of the period 1 (Table 6: electric angle 0 ° to 180 °) and estimation is performed correctly.
In sensing, intersection detection on both the forward rotation side and the reverse rotation side is performed simultaneously. The forward direction sensing waveform shown in the upper part of FIG. 11 is the forward rotation side, and the backward direction sensing waveform shown in the lower part is the actual inductance profile on the reverse side.
最初の区間では、上段の正方向センシング波形は表6よりV相とW相が対象2相であり波形BV(破線)とBW(一点鎖線)は収束し安定交点が検出されている。一方、下段の逆転側波形は表6よりU相とW相が対象2相であり波形BU(実線)とBW(一点鎖線)は発散しており安定交点は検出されていない。
従って正転して60°を超え区間1Aから区間1Bへ回転したことが判り、この時点で回転子位置は確定され、初期位置推定モードは終了する。
In the first section, the upper-stage positive direction sensing waveform has two phases of V phase and W phase as shown in Table 6, and the waveforms BV (broken line) and BW (dashed line) converge and a stable intersection is detected. On the other hand, the reverse rotation side waveform of the lower stage is that the U phase and the W phase are the two target phases from Table 6, and the waveforms BU (solid line) and BW (one-dot chain line) diverge, and a stable intersection is not detected.
Accordingly, it can be seen that the motor has rotated forward and rotated from section 1A to section 1B by exceeding 60 °, and at this time, the rotor position is determined and the initial position estimation mode ends.
以後、現在位置に基づいて回転方向を検出する逆転検出モードに切り替え、表5に基づいて正転側波形の対象2相は安定交点が検出され続け、逆転側波形の対象2相は交差せず、通常の電気角360°フルスケールの正転運転が行われている。
図11の下方に本案によるセンシング情報Lsensing波形(30°ピッチ)とホールセンサ情報HALLsensor波形(60°ピッチ)を対比して記載した。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。この波形からも正常に正転したことが判る。
Thereafter, the mode is switched to the reverse rotation detection mode in which the rotation direction is detected based on the current position, and the stable intersection is continuously detected in the two target phases of the normal rotation waveform based on Table 5, and the two target phases of the reverse rotation waveform do not intersect. A normal electric angle 360 ° full scale forward rotation operation is performed.
The sensing information Lsensing waveform (30 ° pitch) according to the present plan and the Hall sensor information HALLsensor waveform (60 ° pitch) according to the present plan are shown in comparison below in FIG. The step-like waveform represents a section, the minimum value is section 1, the maximum value is section 6, and one round represents one electrical angle. From this waveform, it can be seen that normal rotation was normally performed.
図12に実機にて始動した際に、初期推定位置を誤った場合のインダクタンス実測プロファイルを示す。ホールセンサ情報は区間4を指し、センシング情報は区間1Aを検出しており、回転子が区間4に位置しているにも関わらず周期1(表6:電気角0°〜180°)に位置するものと仮定したため区間1Aと誤って推定した場合である。   FIG. 12 shows an inductance actual measurement profile when the initial estimated position is wrong when starting with an actual machine. Hall sensor information points to section 4, sensing information detects section 1A, and the rotor is located in section 4 and is located in period 1 (Table 6: electrical angle 0 ° to 180 °). This is a case where it is erroneously estimated to be section 1A.
初期推定位置は区間1Aであり、表6の区間1Aを参照してセンシングが開始される。始動してすぐに逆方向センシング波形の対象相であるU相(実線)とW相(一点鎖線)が交差しており逆転したことを検出している。そこで初期推定位置を180°進め1区間戻して現在位置としてから次の励磁相を決定する初期推定位置の補正が行われる。従って初期推定位置は4Aでありそこから1区間戻った3Bが現在位置となり、Lセンシング情報は区間3Bへと跳躍している。この時点で回転子位置が確定され、初期位置推定モードは終了する。   The initial estimated position is section 1A, and sensing is started with reference to section 1A in Table 6. Immediately after the start, the U phase (solid line) and the W phase (one-dot chain line), which are the target phases of the reverse sensing waveform, intersect and detect that they are reversed. Thus, the initial estimated position is corrected by 180 °, which is advanced by 180 ° and returned to the current position to determine the next excitation phase. Therefore, the initial estimated position is 4A, and 3B returned from that section becomes the current position, and the L sensing information jumps to the section 3B. At this time, the rotor position is determined, and the initial position estimation mode ends.
初期推定位置が3Bへと跳躍した結果、次の区間では正しい励磁が行われ逆転から正転へと回転方向が変わり、また逆転検出モードに切り替わったことから表5が参照され正方向センシング波形は210°の正転側交点をセンシングしており、やがてW相(一点鎖線)とU相(実線)の交点を検出し区間4Aへと正転したことが検出され、ホールセンサの位置情報(区間4)と一致する。なおホールセンサは60°ピッチであるので上記の小さな回転角度の逆転挙動は検出されていない。
それ以後は正転が継続し、逆方向センシング波形は交差せず正方向センシング波形は安定交点を検出し続けている。このように本発明によれば、回転子のわずかな逆転にて正転に補正され、正常に始動できることが判る。
As a result of the initial estimated position jumping to 3B, correct excitation is performed in the next section, the rotation direction is changed from reverse rotation to normal rotation, and the reverse rotation detection mode is switched. Sensing a forward rotation intersection of 210 °, eventually detecting the intersection of the W phase (dashed line) and the U phase (solid line) and detecting normal rotation to the section 4A, the position information of the Hall sensor (section It matches 4). Since the Hall sensor has a pitch of 60 °, the reverse behavior of the small rotation angle is not detected.
Thereafter, the forward rotation continues, the reverse direction sensing waveform does not intersect, and the forward direction sensing waveform continues to detect the stable intersection. As described above, according to the present invention, it can be seen that normal rotation can be performed by correcting the rotation to normal rotation by slight reverse rotation of the rotor.
尚、所定始動時間(始動励磁期間より十分大きな値、例えば0.1秒以上)を定めておき、それを超えても安定交点を検出しないときは、改めてインダクタンス測定を行い、初期位置を推定しなおす動作を繰り返す。このとき、例えば位置検出測定が奇数回のときは初期推定位置を周期1から選択し、偶数回のときは周期2から選択するようにする。
これにより、始動励磁の回転方向が初期位置を推定するための位置検出測定ごとに反対になるので、回転子がストッパーで突き当て停止していて初期推定位置が誤りだった場合でも2回目で正しい方向に励磁され始動することができる。また、過負荷状態など回転軸が拘束され回転しない場合は所定始動時間の周期で正転・逆転を繰り返す揺動トルクが発生し、始動のきっかけとすることができる。
If a predetermined start time (a value sufficiently larger than the start excitation period, for example, 0.1 seconds or more) is set and a stable intersection is not detected even if the predetermined start time is exceeded, the inductance is measured again to estimate the initial position. Repeat the corrective action. At this time, for example, when the position detection measurement is an odd number of times, the initial estimated position is selected from the cycle 1, and when the position detection measurement is an even number of times, the initial estimated position is selected from the cycle 2.
As a result, the rotation direction of the starting excitation is reversed every time the position detection measurement for estimating the initial position is performed, so even if the rotor is stopped by a stopper and the initial estimated position is incorrect, it is correct at the second time. Excited in the direction and can be started. Further, when the rotating shaft is restrained and does not rotate, such as in an overload state, a swinging torque that repeats normal rotation and reverse rotation is generated at a predetermined start time period, which can be a trigger for starting.
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始動方法を用いれば、セットアップ法に比べ始動待ち時間が無く回転子の逆転角度も小さく抑えられる。また、わずらわしい界磁磁極の極性判別を省略でき、完全静止状態でなくとも位置検出でき、機種依存性も少ない。更には、簡単なハードとソフトで実現することができる。
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、回転子の初期位置検出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。
As described above, if the sensorless start method of the three-phase brushless motor is used, there is no start waiting time as compared with the setup method, and the reverse rotation angle of the rotor can be kept small. Also, troublesome field pole polarity determination can be omitted, position detection is possible even when the magnetic field is not completely stationary, and there is little dependence on the model. Furthermore, it can be realized with simple hardware and software.
Further, the present invention can be applied to sensorless driving of various motors including permanent magnet field type rotors such as IPM (Interior Permanent Magnet) and SPM (Surface Permanent Magnet).
Furthermore, the principle of detecting the initial position of the rotor is clear and easy to understand, and can be easily incorporated into a conventional motor drive circuit, greatly expanding the possibility of sensorless drive and expanding the application in the field of small motors.
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。   As the inductance measuring means, the built-in timer TM is used in the MPU 5, but it may be measured using a timer provided outside the MPU, a current sensor, an A / D converter, or the like. Further, in the above embodiment, the spike pulse width measurement method when sensing energization is cut off has been described as an example of the inductance measurement method. However, the present invention is not limited thereto, and other inductance detection methods can naturally be used within the scope of the present invention. include.
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   1 Rotor shaft 2 Rotor 3 Permanent magnet 4 Stator 5 MPU 6 Host controller

Claims (3)

  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をセンサレス駆動する際に回転子の初期位置を検出する3相ブラシレスモータの始動方法であって、
    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、
    回転子静止時に磁気回路の空間高調波によるインダクタンス変化からパターンマッチングにより回転子位置を電気角180°位相差の2か所に特定し、任意の一方を初期推定位置として始動励磁し、誘起電圧波形の負側交点位相で交差するインダクタンス波形の安定交点を30°ピッチで検出し、回転子位置を30°ピッチで特定する安定交点検出方法を用いて、前記制御手段は、前記回転子の初期推定位置に基づいて次に出現すると予測される正転側安定交点を構成する2相及び初期推定位置から電気角180°進んだ補正位置を基準としてそこから逆転した場合に次に出現すると予測される逆転側安定交点を構成する2相のインダクタンスを前記測定手段により周期的に測定して各々安定交点を検出し、
    正転側安定交点が先に検出された場合は、そのまま前記モータ出力手段による始動励磁を継続し、逆転側安定交点が先に検出された場合は初期推定位置を180°進めて初期推定位置を補正し、そこから1区間逆転した位置を現在位置として通電パターンを決定し前記モータ出力手段が始動励磁を行うことを特徴とする3相ブラシレスモータのセンサレス始動方法。
    A method for starting a three-phase brushless motor that detects an initial position of a rotor when a sensorless drive of a three-phase brushless motor having a permanent magnet field type rotor is provided,
    Control means for controlling the output of the motor drive signal in accordance with a rotation command from the host controller;
    Motor output means comprising three phases of half-bridge circuits for energizing a predetermined phase coil in the forward direction or the reverse direction according to an output command of the control means;
    Measuring means for measuring the inductance of an arbitrary phase,
    When the rotor is stationary, the rotor position is specified in two places with an electrical angle of 180 ° phase difference by pattern matching from the inductance change due to the space harmonics of the magnetic circuit. By using a stable intersection detection method that detects a stable intersection of inductance waveforms intersecting at the negative intersection phase of the rotor at a pitch of 30 ° and specifies a rotor position at a pitch of 30 °, the control means performs initial estimation of the rotor Based on the two-phase constituting the forward rotation side stable intersection that is predicted to appear next based on the position and the corrected position advanced by an electrical angle of 180 ° from the initial estimated position, it is predicted that the next appears when reversed from there. The two-phase inductance constituting the reverse-side stable intersection is periodically measured by the measuring means to detect each stable intersection,
    When the forward rotation side stable intersection is detected first, the starting excitation by the motor output means is continued as it is, and when the reverse rotation side stable intersection is detected first, the initial estimated position is advanced by 180 ° to set the initial estimated position. A sensorless start method for a three-phase brushless motor, wherein the current output position is determined by correcting the current position as a current position after correction, and the motor output means performs start excitation.
  2. 前記制御手段は、前記回転子の界磁磁極の極性判別を行って、初期推定位置を1カ所に特定して始動励磁し、初期推定位置に基づいて次に出現すると予測される前記正転側安定交点を構成する2相及び前記逆転側安定交点を構成する2相のインダクタンスを前記測定手段により周期的に測定して各々安定交点を検出し、前記初期推定位置の補正を行なう請求項1記載の3相ブラシレスモータのセンサレス始動方法。   The control means determines the polarity of the magnetic field magnetic pole of the rotor, specifies the initial estimated position as one place, performs start excitation, and is predicted to appear next based on the initial estimated position. 2. The two-phase inductance constituting the stable intersection and the two-phase inductance constituting the reverse-side stable intersection are periodically measured by the measuring means to detect each stable intersection and correct the initial estimated position. A sensorless starting method for a three-phase brushless motor.
  3. 前記制御手段は、始動励磁時間より長い所定始動時間をあらかじめ設定しておき、始動励磁を開始して前記所定始動時間を経過しても安定交点を検出しないときは再度位置検出して初期推定位置を補正して始動励磁し、以上の始動励磁動作を安定交点を検出するまで繰り返し、位置検出ごとに初期推定位置を選択する範囲を電気角0°〜180°の周期1と電気角180°〜360°の周期2とで交互に切り替える請求項1又は請求項2記載の3相ブラシレスモータのセンサレス始動方法。   The control means sets in advance a predetermined start time longer than the start excitation time, and if the stable intersection is not detected even after the predetermined start time has elapsed after starting start excitation, the position is detected again to obtain the initial estimated position. The starting excitation operation is repeated until the stable intersection is detected, and the initial estimated position is selected for each position detection within the range of electrical angle 0 ° to 180 ° and electrical angle 180 ° to The sensorless start method for a three-phase brushless motor according to claim 1 or 2, wherein the sensorless start is switched alternately with a cycle 2 of 360 °.
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