JP2019205269A

JP2019205269A - モータ駆動装置

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Publication number: JP2019205269A
Application number: JP2018098660A
Authority: JP
Inventors: 星野　隆; Takashi Hoshino; 隆星野; 正大石島; Masahiro Ishijima
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2019-11-28
Anticipated expiration: 2038-05-23
Also published as: JP7009308B2; WO2019225373A1

Abstract

【課題】三相のブラシレスモータを正弦波駆動するモータ駆動装置であって、一の電流センサで各相の相電流値を求める。【解決手段】三相のブラシレスモータを正弦波駆動するモータ駆動装置であって、電源装置と母線を介して接続され、前記電源装置から前記母線を介して供給された直流電力を交流電力に変換して前記ブラシレスモータに出力するインバータと、前記母線に流れる母線電流値を検出する一の電流センサと、前記三相のうち、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングで前記電流センサにより検出された母線電流から、他の二相の各相電流値を算出する相電流算出部と、前記相電流算出部で算出された前記相電流値に基づいて前記インバータを制御する駆動制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動装置に関する。

下記特許文献１には、三相のブラシレスモータを正弦波駆動するモータ駆動装置が開示されている。

特開２０１６−２０１９１１号公報

ところで、上記モータ駆動装置において、各相の相電流値を検出するためには、三相のうち二相の相電流値を二つの電流センサで検出し、その各電流センサで検出した二相の各相電流値から、残りの一相の相電流値をキルヒホッフの法則を用いて算出する必要がある。そのため、最低でも二つの電流センサが必要となり、高コストとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、三相のブラシレスモータを正弦波駆動するモータ駆動装置であって、一の電流センサで各相の相電流値を求めることができることである。

本発明の一態様は、三相のブラシレスモータを正弦波駆動するモータ駆動装置であって、電源装置と母線を介して接続され、前記電源装置から前記母線を介して供給された直流電力を交流電力に変換して前記ブラシレスモータに出力するインバータと、前記母線に流れる母線電流値を検出する一の電流センサと、前記三相のうち、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングで前記電流センサにより検出された母線電流から、他の二相の各相電流値を算出する相電流算出部と、前記相電流算出部で算出された前記相電流値に基づいて前記インバータを制御する駆動制御部と、を備えることを特徴とするモータ駆動装置である。

本発明の一態様は、上述のモータ駆動装置であって、前記相電流算出部は、前記一相の相電流値がゼロクロスとなるタイミングとして、前記ブラシレスモータの電気角が６０°毎のタイミングで前記電流センサにより検出された母線電流値から、他の二相の各相電流値を算出する。

本発明の一態様は、上述のモータ駆動装置であって、前記駆動制御部は、前記相電流算出部で算出された前記相電流値に基づいて前記インバータをＰＷＭ制御し、前記相電流算出部は、前記一相の相電流値がゼロクロスとなるタイミングで前記電流センサにより検出された前記母線電流値に対して、前記ＰＷＭ制御におけるデューティ比で除算することで、他の二相の各相電流値を算出する。

以上説明したように、本発明によれば、三相のブラシレスモータを正弦波駆動するモータ駆動装置であって、一の電流センサで各相の相電流値を求めることができる。

本発明の一実施形態に係るモータシステムＡの概略構成の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る制御部８の構成図を示す図である。本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置３の動作のフロー図である。本発明の一実施形態に係るブラシレスモータ１に流れる各相の相電流の波形を示す図である。本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置３の作用効果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るモータシステムＡの概略構成の一例を示す図である。図１に示すように、モータシステムＡは、ブラシレスモータ１、ホールセンサ２、及びモータ駆動装置３を備える。

ブラシレスモータ１は、三相のモータ構造を有するモータである。ブラシレスモータ１は、三相の電機子巻線であるＵ相ステータコイル、Ｖ相ステータコイル及びＷ相ステータコイルが巻かれたステータと、複数の磁極を有する永久磁石ロータとを備えている。

ホールセンサ２は、ブラシレスモータ１の永久磁石ロータ近傍に取り付けられている。ホールセンサ２は、ブラシレスモータ１の動作時における磁束変化の信号を検出する三個のＵ相ホールセンサ、Ｖ相ホールセンサ、Ｗ相ホールセンサから構成される。Ｕ相ホールセンサは、永久磁石ロータの磁極の切り替わりを検出し、検出した結果をＨｉｇｈ（Ｈ）又はＬｏｗ（Ｌ）の２値信号であるＵ相ホールセンサ信号をモータ駆動装置３に出力する。また、Ｖ相ホールセンサは、永久磁石ロータの磁極の切り替わりを検出し、検出した結果をＨ又はＬの２値信号であるＶ相ホールセンサ信号をモータ駆動装置３に出力する。また、Ｗ相ホールセンサは、永久磁石ロータの磁極の切り替わりを検出し、検出した結果をＨ又はＬの２値信号であるＷ相ホールセンサ信号をモータ駆動装置３に出力する。

モータ駆動装置３は、ブラシレスモータ１を正弦波駆動する装置である。この正弦波駆動とは、ブラシレスモータ１のステータコイル（Ｕ相ステータコイル、Ｖ相ステータコイル及びＷ相ステータコイル）に印加する電圧を、正弦波状に変化させる駆動方式であって、矩形波状に変化させる矩形波駆動よりも低騒音、低振動である。
以下に、本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置３の構成について説明する。

モータ駆動装置３は、電源装置４、インバータ５、電流センサ６、ゲートドライバ７、及び制御部８を備える。

電源装置４は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、電源装置４は、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることもできる。この電源装置４は、例えば、車両内に設けられたバッテリである。

インバータ５は、電源装置４と母線Ｌを介して接続されている。インバータ５は、電源装置４から母線Ｌを介して供給された直流電力を交流電力に変換してブラシレスモータ１に出力する。

より具体的には、インバータ５は、複数のスイッチング素子ＳＷ_ＵＨ〜ＳＷ_ＷＬ（ＳＷ_ＵＨ，ＳＷ_ＵＬ，ＳＷ_ＶＨ，ＳＷ_ＶＬ，ＳＷ_ＷＨ，ＳＷ_ＷＬ）を有し、その複数のスイッチング素子ＳＷ_ＵＨ〜ＳＷ_ＷＬがＰＷＭ制御されてスイッチング動作することにより、電源装置４から母線Ｌを介して供給された電流（以下、「母線電流」という。）を正弦波状の交流電流に変換する。そして、インバータ５は、その変換した正弦波状の交流電流を相電流としてＵ相ステータコイル、Ｖ相ステータコイル及びＷ相ステータコイルのそれぞれに供給する。これにより、ブラシレスモータ１が駆動する。なお、本実施形態では、６つのスイッチング素子ＳＷ_ＵＨ〜ＳＷ_ＷＬがｎ型チャネルのＦＥＴ（Field Effective Transistor）である場合について説明するが、これに限定されず、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）、及びＢＪＴ（bipolar junction transistor）であってもよい。

以下に、インバータ５の具体的な構成について、説明する。
直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ_ＵＨ，ＳＷ_ＵＬと、直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ_ＶＨ，ＳＷ_ＶＬと、直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ_ＷＨ，ＳＷ_ＷＬとは、電源装置４の高電位（出力）側と、接地電位との間に並列に接続されている。

スイッチング素子ＳＷ_ＵＨのドレイン端子は、電源装置４の出力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ_ＵＬのソース端子は、ＧＮＤ（グランド）に接続されている。スイッチング素子ＳＷ_ＵＨのソース端子と、スイッチング素子ＳＷ_ＵＬのドレイン端子との接続点は、Ｕ相ステータコイルの一端に接続されている。

スイッチング素子ＳＷ_ＶＨのドレイン端子は、スイッチング素子ＳＷ_ＵＨのドレイン端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ_ＶＬのソース端子は、ＧＮＤ（グランド）に接続されている。スイッチング素子ＳＷ_ＶＨのソース端子と、スイッチング素子ＳＷ_ＶＬのドレイン端子との接続点は、Ｖ相ステータコイルの一端に接続されている。

スイッチング素子ＳＷ_ＷＨのドレイン端子は、スイッチング素子ＳＷ_ＵＨのドレイン端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ_ＷＬのソース端子は、ＧＮＤ（グランド）に接続されている。スイッチング素子ＳＷ_ＷＨのソース端子と、スイッチング素子ＳＷ_ＷＬのドレイン端子との接続点は、Ｗ相ステータコイルの一端に接続されている。

また、各スイッチング素子ＳＷ_ＵＨ〜ＳＷ_ＷＬは、ゲート端子が制御部８に接続されている。さらに、各スイッチング素子ＳＷ_ＵＨ〜ＳＷ_ＷＬには、還流ダイオードが並列に接続されている。

各スイッチング素子ＳＷ_ＵＨ〜ＳＷ_ＷＬは、ゲートドライバ７を介して、制御部８から入力されるパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）に基づいて、オンとオフとが切り替えられる。

電流センサ６は、母線Ｌに設けられた一の電流センサであって、その母線Ｌに流れる母線電流の電流値（以下、「母線電流値」という。）Ｉ_Ｌを検出する。そして、電流センサ６は、検出した母線電流値Ｉ_Ｌを制御部８に出力する。なお、電流センサ６は、母線電流値Ｉ_Ｌを検出できればよく、その検出方法には特に限定されない。例えば、電流センサ６は、シャント抵抗を有し、当該シャント抵抗の両端の電圧から母線電流値Ｉ_Ｌを求めるものであってもよい。また、例えば、電流センサ６は、カレントトランスであってもよいし、カレントトランスであってもよい。

ゲートドライバ７は、制御部８から出力されたデューティ比ＤのＰＷＭ信号を各スイッチング素子ＳＷ_ＵＨ〜ＳＷ_ＷＬのゲート端子に出力する。これにより、スイッチング素子ＳＷ_ＵＨ〜ＳＷ_ＷＬは、デューティ比ＤでＰＷＭ制御されることになる。

制御部８は、一の電流センサ６からの母線電流値Ｉ_Ｌから相電流値を求め、その相電流値が目標値になるように、各スイッチング素子ＳＷ_ＵＨ〜ＳＷ_ＷＬをＰＷＭ制御する。
以下に、本発明の一実施形態に係る制御部８の構成について、図２を用いて説明する。

図２に示すように、制御部８は、電気角算出部９、相電流算出部１０、及び駆動制御部１１を備える。

電気角算出部９は、Ｕ相ホールセンサ信号、Ｖ相ホールセンサ信号及びＷ相ホールセンサ信号に基づいて、ブラシレスモータ１の電気角θを一定周期ごとに算出する。そして、電気角算出部９は、算出した電気角θを相電流算出部１０に出力する。

相電流算出部１０は、三相のうち、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングで電流センサ６により検出された母線電流から、他の二相の各相電流値を算出する。例えば、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングとは、ブラシレスモータ１の電気角θが６０°の倍数となるタイミングである。

したがって、相電流算出部１０は、電気角算出部９から得られる電気角θが６０°毎に電流センサ６から母線電流値Ｉ_Ｌを取得し、その取得した母線電流値Ｉ_Ｌから、他の二相の各相電流値を算出する。

例えば、相電流算出部１０は、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングである場合には、電流センサ６により検出された母線電流Ｉ_Ｌに対して、ＰＷＭ制御におけるデューティ比Ｄで除算することで、他の二相の各相電流値を算出する。

駆動制御部１１は、相電流算出部１０で算出された相電流値に基づいてインバータ５をＰＷＭ制御する。例えば、駆動制御部１１は、相電流算出部１０で算出された相電流値が目標値になるようなデューティ比Ｄを算出し、その算出したデューティ比ＤのＰＷＭ信号を、ゲートドライバ７を介してインバータ５に出力する。そして、インバータ５は、ＰＷＭ信号に基づいて、ブラシレスモータ１のステータコイルへの電圧供給を、正弦波状に変化させて供給する。

以下に、本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置３の動作について、図３及び図４を用いて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置３の動作のフロー図である。図４は、本発明の一実施形態に係るブラシレスモータ１に流れる各相の相電流の波形を示す図である。

制御部８は、三相のうち、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングであるか否かを判定する。より具体的には、制御部８は、現在の電気角θが６０°の倍数であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。制御部８は、現在の電気角θが６０°の倍数であると判定した場合には、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングであるとして、電流センサ６から母線電流値Ｉ_Ｌを取得する（ステップＳ１０２）。なお、制御部８は、現在の電気角θが６０°の倍数でないと判定した場合には、電気角θが６０°の倍数となるまで、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。

制御部８は、取得した母線電流値Ｉ_Ｌに対して、ＰＷＭ制御におけるデューティ比Ｄで除算することで、他の二相の各相電流値を算出する（ステップＳ１０３）。

ここで、本発明の一実施形態に係る母線電流値Ｉ_Ｌから相電流値を算出する方法について、図４を用いて説明する。

例えば、図４に示すように、電気角θ＝６０°又は２４０°となるタイミングとは、Ｗ相の相電流がゼロクロスとなるタイミングである。そして、このタイミングでは、Ｗ相には相電流が流れておらず、Ｕ相及びＶ相にのみ電流が流れていることになる。より具体的には、Ｗ相ステータコイルには相電流が流れておらず、直列に接続されたＵ相ステータコイル及びＶ相ステータコイルにのみ母線電流により生成された相電流が流れる。

したがって、電気角θ＝６０°又は２４０°となるタイミングで電流センサ６から母線電流値Ｉ_Ｌを取得した場合には、制御部８は、当該母線電流値Ｉ_Ｌに対してデューティＤで除算することで、Ｕ相及びＶ相の相電流値（＝母線電流値Ｉ_Ｌ÷デューティＤ）を算出することができる。すなわち、Ｕ相の相電流値＝Ｖ相の相電流値＝（母線電流値Ｉ_Ｌ÷デューティＤ）となる。

また、電気角θ＝１２０°又は３００°となるタイミングとは、Ｖ相の相電流がゼロクロスとなるタイミングである。そして、このタイミングでは、Ｖ相には相電流が流れておらず、Ｕ相及びＷ相にのみ電流が流れていることになる。より具体的には、Ｖ相ステータコイルには相電流が流れておらず、直列に接続されたＵ相ステータコイル及びＷ相ステータコイルにのみ母線電流により生成された相電流が流れる。

したがって、電気角θ＝１２０°又は３００°となるタイミングで電流センサ６から母線電流値Ｉ_Ｌを取得した場合には、制御部８は、当該母線電流値Ｉ_Ｌに対してデューティＤで除算することで、Ｕ相及びＷ相の相電流値（＝母線電流値Ｉ_Ｌ÷デューティＤ）を算出することができる。すなわち、Ｕ相の相電流値＝Ｗ相の相電流値＝（母線電流値Ｉ_Ｌ÷デューティＤ）となる。

また、電気角θ＝１８０°又は３６０°となるタイミングとは、Ｕ相の相電流がゼロクロスとなるタイミングである。そして、このタイミングでは、Ｕ相には相電流が流れておらず、Ｖ相及びＷ相にのみ電流が流れていることになる。より具体的には、Ｕ相ステータコイルには相電流が流れておらず、直列に接続されたＶ相ステータコイル及びＷ相ステータコイルにのみ母線電流により生成された相電流が流れる。

したがって、電気角θ＝１８０°又は３６０°となるタイミングで電流センサ６から母線電流値Ｉ_Ｌを取得した場合には、制御部８は、当該母線電流値Ｉ_Ｌに対してデューティＤで除算することで、Ｖ相及びＷ相の相電流値（＝母線電流値Ｉ_Ｌ÷デューティＤ）を算出することができる。すなわち、Ｖ相の相電流値＝Ｗ相の相電流値＝（母線電流値Ｉ_Ｌ÷デューティＤ）となる。

駆動制御部１１は、相電流算出部１０で算出された相電流値に基づいてインバータ５をＰＷＭ制御する（ステップＳ１０４）。例えば、駆動制御部１１は、相電流算出部１０で算出された相電流値が目標値になるようなデューティ比Ｄを算出し、その算出したデューティ比ＤのＰＷＭ信号を、ゲートドライバ７を介してインバータ５に出力する。これにより、制御部８は、ブラシレスモータ１を正弦波駆動することができる。

以下に、本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置３の作用効果について、図５を用いて説明する。

図５（ａ）は、三相のうち、いずれの相の相電流もゼロクロスとはならないタイミングであって、例えば、電気角θが９０°となるタイミングであるときの各相の相電流を示す図である。この場合には、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の三相に相電流が流れるため、母線電流値Ｉ_Ｌからでは、各相の相電流値を算出することができない。

図５（ｂ）は、三相のうち、いずれか一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングであって、例えば、電気角θが１２０°となるタイミングであるときの各相の相電流を示す図である。この場合には、Ｕ相及びＷ相にのみ相電流が流れるため、母線電流値Ｉ_Ｌから各相の相電流値を算出することができる。

したがって、本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置３は、三相のうち、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングで得られた母線電流値Ｉ_Ｌから、他の二相の各相電流を算出する。

このような構成によれば、三相のブラシレスモータ１を正弦波駆動するモータ駆動装置において、一の電流センサ６で各相の相電流を求めることができる。

また、制御部８は、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングとして、ブラシレスモータの電気角が６０度毎のタイミングで電流センサ６により検出された母線電流値Ｉ_Ｌを取得し、当該取得した母線電流値Ｉ_Ｌから、他の二相の各相電流を算出してもよい。

また、制御部８は、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングで電流センサ６により検出された母線電流値Ｉ_Ｌに対して、ＰＷＭ制御におけるデューティ比Ｄで除算することで、他の二相の各相電流を算出してもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ブラシレスモータ
３モータ駆動装置
４電源装置
５インバータ
６電流センサ
７ゲートドライバ
８制御部
９電気角算出部
１０相電流算出部
１１駆動制御部

Claims

三相のブラシレスモータを正弦波駆動するモータ駆動装置であって、
電源装置と母線を介して接続され、前記電源装置から前記母線を介して供給された直流電力を交流電力に変換して前記ブラシレスモータに出力するインバータと、
前記母線に流れる母線電流値を検出する一の電流センサと、
前記三相のうち、一相の相電流がゼロクロスとなるタイミングで前記電流センサにより検出された母線電流から、他の二相の各相電流値を算出する相電流算出部と、
前記相電流算出部で算出された前記相電流値に基づいて前記インバータを制御する駆動制御部と、
を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
前記相電流算出部は、前記一相の相電流値がゼロクロスとなるタイミングとして、前記ブラシレスモータの電気角が６０°毎のタイミングで前記電流センサにより検出された母線電流値から、他の二相の各相電流値を算出することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記駆動制御部は、前記相電流算出部で算出された前記相電流値に基づいて前記インバータをＰＷＭ制御し、
前記相電流算出部は、前記一相の相電流値がゼロクロスとなるタイミングで前記電流センサにより検出された前記母線電流値に対して、前記ＰＷＭ制御におけるデューティ比で除算することで、他の二相の各相電流値を算出することを特徴とする、請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。