JP2018148785A - ブラシレスdcモーター制御及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブラシレスDCモーターのためのコントローラ及び制御システムを提供する。【解決手段】アクチュエータ40の移動を制御するシステム10は、入力パルス幅(PWM)信号80を提供する入力電源と、PWM信号80を受信し、合成された三−相駆動信号を提供するモータードライバ60と、駆動信号を受信し、受信された駆動信号に応答して動作してアクチュエータ位置を変更するブラシレス直流(BLDC)モーター50と、PWM信号80を受信するコントローラ100と、を含む。コントローラ100は、PWM信号80の振幅を検出する振幅検出モジュールと、PWM信号の極性を検出する方向検出モジュールと、を含む。【選択図】図1
Description
本発明は、ブラシレスDCモーターに関し、より具体的には、ブラシレスDCモーターのためのコントローラ及び制御システムに関する。
ブラシレス直流(BLDC)モーターは知られている。名称が暗示するように、BLDCモーターは、伝統的なブラシを使用しない。ブラシの除去によって、これらのモーターは、ブラシタイプのモーターよりも信頼性が高い。さらに、BLDCモーターは、同じ電力出力を持ちながらもブラシタイプのモーターよりも小さくて軽く製造することができる。しかしながら、ブラシの不在は、BLDCモーターが駆動するためにいくつかの形態の電子管理を要求することができることを意味します。
アクチュエータの移動を制御するシステムは、入力パルス幅(PWM)信号を提供する入力電源と;PWM信号を受信し、合成された三−相駆動信号を提供するモータードライバと;駆動信号を受信し、受信された駆動信号に応答して動作されてアクチュエータの位置を変更するブラシレス直流(BLDC)モーターと;PWM信号を受信するコントローラと、を含む。コントローラは、PWM信号の振幅及び方向を検出する振幅検出モジュールを含む。
ブラシレス直流(BLDC)モーターで駆動されるアクチュエータを制御する方法は、アクチュエータ制御システム及びアクチュエータ移動システムに電力を印加するステップと;アクチュエータ移動システムの要求された移動方向と、始動トルク、駆動トルク及びテールトルクを含む要求されたトルクがアクチュエータを命令された信号に移動させるプロセッサによって決定するステップと;アクチュエータ移動システムに印加された駆動信号の印加されたトルクをセンサー入力なしで、プロセッサによってモニタリングするステップと;駆動信号のトルクを修正してアクチュエータを命令された位置に移動させるステップと、を含む。
BLDCモーター及びアクチュエータの制御システムは、アクチュエータを現在位置から命令された位置に移動するための命令を提供し、命令がPWM信号でエンコードされる電子制御ユニット(ECU);センサー入力なしで、PWM信号でエンコードされた命令をデコードし、デコードされた命令を使用してアクチュエータの移動を制御するコントローラ;及びPWM信号を受信してアクチュエータ移動に使用される三−相駆動信号を合成するドライバを含む。
詳細な説明は、以下の図面を参照し、図面において、類似の番号は類似の項目を示す:
図1は例示的なブラシレスDC(BLDC)モーター及びアクチュエータシステムの構成要素を例示する簡略ブロック図である;
図2は図1のシステムで使用されるパルス幅変調(PWM)波形を例示する;
図3Aは図1のシステムで使用される例示的なBLDCモーターコントローラ構成要素を例示する;
図3Bは図1のシステムで使用される例示的なBLDCモーターコントローラ構成要素を例示する;
図3Cは図1のシステムで使用される例示的なBLDCモーターコントローラ構成要素を例示する;
図3Dは図1のシステムで使用される例示的なBLDCモーターコントローラ構成要素を例示する;
図3Eは図1のシステムで使用される例示的なBLDCモーターコントローラ構成要素を例示する;
図4Aはアクチュエータの動作を制御するための図1のシステムの波形及び構成要素を例示すると、
図4Bはアクチュエータの動作を制御するための図1のシステムの波形及び構成要素を例示すると、
図4Cはアクチュエータの動作を制御するための図1のシステムの波形及び構成要素を例示すると、
図4Dはアクチュエータの動作を制御するための図1のシステムの波形及び構成要素を例示すると、
図5Aは図1のシステムの構成要素によって実行される動作を例示する。
図5Bは図1のシステムの構成要素によって実行される動作を例示する。
図5Cは図1のシステムの構成要素によって実行される動作を例示する。
ブラシレス直流(BLDC)モーターは知られており、信頼性、コンパクトサイズ、及び堅固性が重要な条件において特に有利であり得る。ブラシDCモーターと比較して、BLDCモーターは、向上した速度対トルク特性、高い動的応答、高い効率、無騒音及び無干渉動作、拡張された速度範囲、コンパクトサイズ及び低重量、及び長い作動寿命を提供する。メンテナンスフリーの動作は、連続的に動作するシステムにとって特に価値を有する。
特定のBLDCモーターを使用して線形または回転アクチュエータを動作させることができる。BLDCモーター駆動アクチュエータの1つの具体的な適用例は、自動車及び他のモーター車両である。このようなアクチュエータは、モーターで作動して命令された位置を達成し、例えば、ターボチャージャーまたはスロットルバルブにおいて、ウェイストゲートまたはベーンを作動させる。これらの適用例において、BLDCモーターは、始動位置と最終または命令された、位置との間でアクチュエータを作動し、アクチュエータが2つの方向に動作できるようにするために逆方向に作動するのに要求されることができる。
アクチュエータがその機能(複数)を行うために、関連するBLDCモーターを制御して停止された位置から加速し、アクチュエータの命令された位置に近付くにつれて減速し、アクチュエータの命令された位置で停止することができる。さらに、所望の方向にアクチュエータを作動するためには、モーター回転方向を制御すべきである。アクチュエータを移動させるために、特定のトルク値がモーターによって達成しなければならず、トルク値は、アクチュエータの移動中に変化し得る;例えば、モーターを始動するためには高いトルクが要求されることがあり、アクチュエータの所望の移動方向にトルクが生成される。アクチュエータの移動が終わるときに、アクチュエータの移動速度を遅くするためにトルクはモーター回転方向と反対することができる。
必要なトルク制御を達成するために、モーターのコイル内の電流振幅ならびにモーター磁石に対する(すなわち、BLDCモーターの回転子の角度に対する)電流の位相が制御される。
図1は、例示的なブラシレスDCモーター及びアクチュエータシステムの構成要素を例示する簡略なブロック図である。図1において、システム10は、電子制御ユニット(ECU)20及びアクチュエータ40を含む。ECU20は、H−ブリッジ22を含む。アクチュエータ40は、ブラシレスDCモーター(BLDC)50、BLDCドライバ60、出力軸位置モニター70、及びマイクロコントローラ100を含む。ECU20は、H−ブリッジ22を介した電力を2−線インターフェース24を介してアクチュエータ40に提供する。H−ブリッジ22は、アクチュエータ40の2−方向制御を提供する。H−ブリッジ22の動作は、基準電流の所望の振幅及び方向を示す矩形波パルス幅変調(PWM)信号80を生成する。H−ブリッジ22は、図3Aに関連してより詳細に説明される。BLDCドライバ60は、コントローラ100から入力2−線信号62を合成してBLDCモーター50に印加する三−相信号64を生成する。出力軸位置モニター70は、BLDCモーター50の出力軸位置を感知してモーター出力軸位置情報をECU20に提供し、ECU20のロジッグ(図示せず)は、この情報を処理してPWM信号80を修正する。マイクロコントローラ100は、PWM信号80をデコードして、BLDC50、そして、究極的には、アクチュエータ40の動作を制御する。
PWM信号80は、図2に図示されており、この信号は、図1のシステム10において処理されて使用され得る例示的な信号である。本明細書に開示されたように、PWM信号80は、2つの目的のために使用され、すなわち、情報をエンコードし、以後に、この情報をデコードしてBLDCモーター50の動作を制御し、BLDCモーター50を作動するための電力を提供する。例示されたPWM信号80には、正弦基本波が含まれていないことに留意する。PWM信号80は、正のパルス80a及び負のパルス80bを含む。パルス80a及び80bは、特性パルス幅T、バーチカルスケールV(t)上で表示された振幅、及び正または負の方向を有する。これらの特性値は、PWM信号80から抽出またはデコードされることができ、デコードされた値を使用してBLDCモーター及びアクチュエータの動作を制御することができる。
図1に戻って、ECU20とアクチュエータ40との間にあるPWM連結24は、2−線インターフェースである。PWM信号80は、一つのワイヤと他のワイヤとの間の電位差(電圧)としてエンコードされる。
図3A〜図3Eは、システム10の例示的な構成要素を例示する。ECU20には、H−ブリッジ回路22が装着されており、この回路は、2−線インターフェース24上において正、負、ゼロの信号をエンコードすることができる。図3Aは、図1のECU20において使用され得る例示的なH−ブリッジを例示する。図3Aにおいて、H−ブリッジ22は、H−ブリッジ構造を形成するトランジスター22A〜22Dを含む。H−ブリッジ22は、入力電力信号を受信し、PWM信号80をアクチュエータ40に提供する。
図1のシステム10において、PWM信号80は、BLDCモーター50を直接駆動しない。代わりに、PWM信号80は、コントローラ100を含む追加回路によって処理され、この回路は、モータートルクの所望の方向を示す極性(正または負)と所望のモータートルクの大きさを示す交流波形の振幅を提供する情報を抽出する。アクチュエータ40、より具体的には、BLDCドライバ60は、三−相駆動信号64を合成してBLDCモーター50を駆動させる。1つの例示的な合成方法は、図4A〜図4Dに関連して開示されている。またアクチュエータ40は、電力調節器回路105を介してDC電力を使用してアクチュエータ制御電子装置を作動し、また、入力として三−相モーター駆動信号64を合成する。
図3B〜図3Dは、コントローラ100の例示的な構造を例示する。コントローラ100は、PWM信号80から振幅及び方向情報を決定する機能をする。一様態において、コントローラ100は、高い周波数でPWM信号80をサンプリングし、ソフトウェアローパスフィルターを使用してPWM信号80の平均または“基本”波形を復元する。その後、コントローラ100のソフトウェアロジッグを使用して制御ルーフが実行されるたびに基本波形の振幅及び方向を検出する。図3Bは、コントローラ100内にあるこのような振幅検出回路110Aを例示する。図3Bにおいて、振幅検出回路110Aは、サンプリングモジュール112A、フィルターモジュール114A、比較モジュール116A、及び出力モジュール118Aを含む。
図3Cは、PWM信号80パルスのオン(on)時間測定に基づいて振幅を決定するための代替振幅検出回路110Bを例示する。これが可能な理由は、パルストレインのオン−時間が増加するにつれて、平均または基本波形の振幅が増加するためである。この関係は、完全に線形ではなく、屈折がない、すなわち、入力と出力との間に1:1の関係が存在する。図3Cにおいて、回路110Bは、オン−時間測定モジュール111B、ルック−アップロジッグ115B、及びルック−アップテーブル117Bを含む。オン−時間測定モジュール111Bは、PWM信号80のパルスのオン−時間を測定してルック−アップロジッグ115Bにその測定値を提供する。次いで、ルック−アップロジッグ115Bは、測定値をルック−アップテーブル117B内の値と比較して振幅を決定する。オン−時間モジュール111Bは、エッジ−トリガータイマー−カウンター112Bを使用してオン−時間を測定するか、サンプリングロジッグ114Bを使用してPWM周波数よりもはるかに大きい規則的な周波数でサンプリングし、各サンプリング瞬間の電圧を測定し、3つの電圧レベルに対して3つのカウンター116B;正、負またはゼロのカウンターのうちの1つを増加させる。
図3Dは、PWM信号80の方向を決定する方向検出構成要素120Aを例示する。構成要素120Aは、サンプリングされたPWM信号80を受信する。極性検出構成要素121Aは、サンプリングされたPWM信号80の極性を検出し、対応する方向(正または負;上または下)を提供する。例えば、構成要素121Aは、PWM信号80の電圧をサンプリングし、電圧の符号(極性)の変化を決定する。出力構成要素123Aは、信号方向情報を受信し、BLDCモーター50を制御するために使用される対応する出力を提供する。
図3Eは、例示的なBLDCドライバ60を例示する。図3Eにおいて、BLDC60は、三相合成構成要素65を含むことを示す。構成要素65は、図4Bにおいてより詳細に図示される。構成要素は、入力電力信号62を受信し、出力62’を生成する4−ダイオードブリッジ及びコンデンサ構造を含む。合成構成要素65は、BLDCモーター50を駆動するための三−相電力信号64を生成する。
前述したようにモーター電流振幅及び方向基準情報がデコードされると、三−相BLDCモーター50のための三−相信号が合成されることができる。三−相ブリッジのためのスイッチング信号を生成するために変調方式が使用される。1つの例示的な変調装置及び対応する方法を、図4A〜4Dを参照して例示される。
図4Aは、三−相信号を合成することによってアクチュエータ40の動作を制御するために、図1のシステムの構成要素で使用される波形120を例示する。図4Aにおいて、三角搬送波110と3つの正弦変調波A、B、及びCの交点を使用して、三相のスイッチのためのスイッチング瞬間を決定する。3つの変調波A、B、及びCは、互い120度に変位され、それらの位相は、前述したコントローラ100によって決定される基準位相に同期化される。この“正弦−三角形”変調技法は知られている。三角形キャリアに代替する鋸歯状のキャリアを含み、この技法に対する様々な変形具現例が知られている。また様々なサンプリング技法を使用して、この技法の多くの具現例が存在する。特定の設計目標を達成するために、出力波形の高調波スペクトルを修正することができるこの変調技法の変形が知られている。
図4Bは、(BLDCドライバ60において)BLDCモーター50を駆動するために一連のスィッチA+、A−、B+、B−、C+、及びC−を使用して3つの電圧VAB、VBC、及びVACを生成するための例示的なインバータ63を例示する。スィッチは、両方のスィッチに同じレッグ(leg)がター−ンオンになる時間がないように制御され、これは1つのレッグ内でスィッチの相補的な動作によって具現されることができる;例えば、A+がオンになると、A−はオフになり、その逆の場合も同様である。これは、図4C及び図4Dに示され得るように、6つの活性スイッチングベクトル及び2つのゼロベクトルと共に、インバータのためにV0からV7までのインバータのための8つのスイチングベクトルを誘導する。スイチング構成が活性である時間の長さは、得られた電流ベクトルを決定し、これはBLDCモーター50の回転、及び定義された振幅及び位相の回転に同期化されるように制御される。この技法は、空間−ベクトル変調として知られている。空間ベクトル変調の多くの具現例が知られているが、本発明の重要な部分を形成しないので、ここでは説明しない。6−ステップまたは準矩形変調としても知られている台形変調も、BLDCモーター50を駆動するために使用されることができる。
図5Aは、BLDCモーター方法200を例示するフローチャートである。図5Aにおいて、方法200は、BLDCモーター及びアクチュエータシステム10に電力が印加されるときにブロック210で開始する(図1参照)。印加された電力を使用してシステム10の制御構成要素を付勢する。ブロック220において、命令信号をアクチュエータ40に提供してアクチュエータを命令された位置に移動させる。ブロック230において、コントローラは、アクチュエータが任意のオーバーシュート(overshoot)なしで命令された位置に到逹し、減速して命令された位置に到逹するようにBLDCモーター50の要求された移動方向と要求された始動トルク、駆動トルク及びテールトルクを決定する。ブロック240において、コントローラ100は、ルーチンを実行して要求された方向に要求されたトルクを直接印加する。ブロック250において、システム10の構成要素は、印加されたPWM信号80の振幅及び方向をモニタリングしてBLDCモーター50を駆動し、制御大きさ及び方向を調整してアクチュエータ40を命令された位置に移動させる。ブロック260において、システム10の構成要素は、アクチュエータ40が命令された位置に到逹したことを決定し、PWM信号80の印加は、BLDCモーター50から除去される。
図5Bは、ブロック250の方法をより詳細に例示する。図5Bにおいて、コントローラ100及びシステム10の他の構成要素は、PWM信号80から振幅及び方向情報を決定する機能をする。ブロック251において、コントローラ100は、高い周波数でPWM信号80をサンプリングし、ソフトウェアフィルターを使用してPWM信号80の基本波形を復元する。すなわち、コントローラ100は、要求されたトルク大きさ及び印加方向を決定する(例えば、時計回りまたは反時計回り)。ブロック253において、コントローラ100のソフトウェアロジッグを実行して基本波形の振幅を検出し、ブロック255において、各サンプルの正弦波形を比較して、どちらが大きいかを決定する。このような比較プロセスによって、コントローラ100は、PWM信号80の振幅を決定する。ブロック257において、コントローラ100は、復元された波形の方向を決定する。
図5Cは、代替的な振幅検出プロセス250’を例示する。図5Cのブロック251’において、振幅検出回路110Aは、PWM信号80のパルスのオン−時間を測定し、ブロック253’では、ルック−アップロジッグ115Bに対する測定値を提供する。ブロック255’において、ルック−アップロジッグ115Bは、測定値をルック−アップテーブル117Bと比較して、振幅を決定する。
本明細書に開示された実施形態は、本明細書に開示された構造及びその等価物を含み、デジタル電子回路またはコンピューターソフトウェア、ファームウェアまたはハードウェアで具現され得る。いくつかの実施形態は、1つまたは複数のプロセッサによって実行されるために、コンピューター記憶媒体上にエンコードされた1つまたは複数のコンピュータープログラム、すなわち、1つまたは複数のコンピュータープログラム命令モジュールとして具現され得る。コンピューター記憶媒体は、コンピューター可読記憶装置、コンピューター可読記憶基板、またはランダムまたは直列アクセスメモリーであるか、またはそれらに含まれ得る。またコンピューター記憶媒体は、多数のCD、ディスク、または他の記憶装置のような1つまたは複数の分離された物理的構成要素または媒体であるか、またはそれらに含まれ得る。コンピューター可読記憶媒体は、一時的な信号を含まない。
本明細書に開示されたシステムは、デコードのための集積回路に具現されるか、またはそれを含むことができる。集積回路の上にあるブロック図には、コントローラとして図示されているが、それは、特定用途向け集積回路(ASIC)またはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)のような代替タイプの集積回路になることができる。
本発明は、1つ以上の実施形態に関連して記載されたが、記載された特定のメカニズム及び技法は、本発明の原理を単に例示したものと理解されるべきであり、添付された請求項によって定義されたように本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、記載された方法及び装置に対して多数の変形が行われることができる。
Claims (15)
- アクチュエータの移動制御システムであって:
入力パルス幅(PWM)信号を提供する入力電源と;
PWM信号を受信し、合成された三−相駆動信号を提供するモータードライバと;
前記駆動信号を受信し、受信された駆動信号に応答して動作してアクチュエータの位置を変更するブラシレス直流(BLDC)モーターと;
前記PWM信号を受信するコントローラであって:
前記PWM信号の振幅を検出する振幅検出モジュール、及び
センサー入力なしで、PWM信号の極性を検出する方向検出モジュールを含むコントローラと;
前記PWM信号を修正するために出力軸位置情報を提供するモーター出力軸位置モニターと、を含む、アクチュエータの移動制御システム。 - 前記振幅検出モジュールは:
前記PWM信号をサンプリングするPWM信号サンプリングモジュールと;
前記PWM信号の平均波形を復元するフィルターモジュールと;
前記復元された波形の振幅を検出する比較モジュールと、を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記振幅検出モジュールは:
前記PWM信号の複数のパルスの各オン時間を測定するオン時間測定モジュールと;
前記オン時間測定値をルック−アップテーブルのデータと比較して振幅を決定するルック−アップロジッグと;選択的に
前記オン時間測定モジュールは、パルスのエッジをカウントするエッジ−トリガータイマーカウンターを含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記方向検出モジュールは、PWM信号の電圧をサンプリングする電圧サンプリングモジュールであり、電圧の符号変更を決定すると、選択的に
前記電圧サンプリングモジュールは、正電圧及びゼロ電圧のうちの一つから負電圧への変化を測定する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシステム。 - ブラシレス直流(BLDC)モーターによって駆動されるアクチュエータを制御するためのセンサーレス方法であって:
アクチュエータ制御システム及びアクチュエータ移動システムに電力を印加するステップと;
アクチュエータ移動システムの要求された移動方向と、始動トルク、駆動トルク及びテールトルクを含む要求されたトルク、及びアクチュエータを命令された信号に移動させる駆動信号の要求された位相をプロセッサによって決定するステップと;
アクチュエータ移動システムに印加された駆動信号の印加されたトルク及び位相をプロセッサによってモニタリングするステップと;
駆動信号のトルク及び位相を修正してアクチュエータを命令された位置に移動させるステップと、を含む、センサーレス方法。 - 前記印加されたトルクをモニタリングするステップは:
前記駆動信号をサンプリングするステップと、
前記駆動信号の平均波形を復元するステップと;
サンプル駆動信号及び復元された波形を比較して前記駆動信号の振幅を検出するステップと、を含む、請求項5に記載の方法。 - 前記印加されたトルクをモニタリングするステップは、
前記駆動信号の複数のパルスの各々のオン時間を測定するステップと;
前記測定されたオン時間をルックアップテーブルの情報と比較して駆動信号の振幅を決定するステップと、を含む、請求項5に記載の方法。 - 前記駆動信号の方向をモニタリングするステップは、正の値とゼロの値のうちの一つから負の値に駆動信号の電圧変更を決定するステップを含む、請求項5〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記駆動信号から三相信号を合成するステップと:
前記三相信号を印加して前記アクチュエータを命令された位置に移動させるステップと、選択的に前記三相信号を印加して前記アクチュエータを命令された位置に移動させるステップは、駆動信号をアクチュエータに結合されたブラシレス直流モーターに印加するステップをさらに含む、請求項5〜8のいずれか一項に記載の方法。 - BLDCモーター及びアクチュエータの制御のためのシステムであって:
アクチュエータを現在位置から命令された位置に移動させる命令を提供し、前記命令がPWM信号でエンコードされるものである電子制御装置(ECU)と;
任意のセンサー入力なしで、PWM信号でエンコードされた命令をデコードし、デコードされた命令を使用してアクチュエータの移動を制御するコントローラと;
前記PWM信号を受信してアクチュエータ移動に使用される三−相駆動信号を合成するドライバと;
出力軸位置情報をECUに提供するBLDCモーター出力軸位置モニターと;
前記軸位置情報を使用してPWM信号を修正するECUと、を含む、システム。 - 前記コントローラは:
前記PWM信号の振幅を決定する振幅検出モジュールと;
前記PWM信号の方向を決定する極性検出モジュールと、を含む、請求項10に記載のシステム。 - 前記振幅検出モジュールは:
前記PWM信号をサンプリングするPWM信号サンプリングモジュールと、
前記PWM信号の平均波形を復元するフィルターモジュールと;
前記振幅を検出し、復元された波形をPWM信号サンプルと比較する比較モジュールと、または
前記振幅検出モジュールは:
複数のパルスのPWM信号のそれぞれのオン時間測定を比較して、選択的に
前記オン時間測定モジュールはパルスのエッジ−をカウントするエッジ−トリガータイマーカウンターを含む、請求項11に記載のシステム。 - 前記極性検出モジュールはPWM信号の電圧をサンプリングし、電圧の符号決定する電圧サンプリングモジュールを含む、請求項11または請求項12に記載のシステム。
- 前記電圧サンプリングモジュールは正電圧及びゼロ電圧のうちの一つから負電圧への変化を測定する、請求項13に記載のシステム。
- 前記三−相駆動信号はブラシレス直流モーターに印加される、請求項10〜14のいずれか一項に記載のシステム。
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