JP2022186058A - Method for detecting rotor position of sensorless motor and sensorless motor drive method - Google Patents

Method for detecting rotor position of sensorless motor and sensorless motor drive method Download PDF

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Abstract

To provide a method for detecting a rotor position of a sensorless motor which is adapted for startup and low-speed rotation, and with which a position detection current, noise and vibration are reduced.SOLUTION: A sensing pulse signal in six conduction patterns of an electric angle 120° is generated and applied to a three-phase coil. An open-phase voltage immediately before the termination of a sensing pulse in two sections constituting a complementary section is measured and stored as a rotor position signal. A sign of a result of subtracting the stored two open-phase voltage values from each other is adopted as subtraction position information, and similar application, measurement and computation processing are performed on two remaining pairs of complementary sections to generate a total of three bits of subtraction position information, with logical operation performed thereupon, and a rotor position is thereby identified to be one of three pairs of complementary sections. Further, an amplitude is added to a neutral point potential of the open-phase voltage values in two sections constituting the identified complementary section and a magnetic saturation component is extracted. One section is selected from the two sections constituting the complementary section by the sign of an addition result, and the rotor position is finally identified to be one of conduction sections of the electric angle 120°.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、センサレスモータの回転子位置を検出するセンサレスモータの回転子位置検出方法及び回転子位置を検出後電気角120°通電方式で始動するセンサレスモータ駆動方法に関する。 The present invention relates to a sensorless motor rotor position detecting method for detecting the rotor position of a sensorless motor and a sensorless motor driving method for starting the motor by a 120 electrical angle energization method after detecting the rotor position.

従来、小型直流モータはブラシ付きDCモータが用いられてきたが、ブラシに起因する摺動音・摺動抵抗・電気的ノイズ・耐久性・スペース等の問題がありブラシレスDCモータが登場した。さらに最近では小型軽量化・堅牢化・ローコスト化等の観点から位置センサを持たないセンサレスモータが注目され、まず情報機器分野のハードディスクドライブ等に採用されたがベクトル制御技術の発展により家電・車載分野でも採用され始めた。 Conventionally, brushed DC motors have been used as compact DC motors, but brushless DC motors have emerged due to problems such as sliding noise, sliding resistance, electrical noise, durability, and space caused by the brushes. Recently, sensorless motors, which do not have position sensors, have attracted attention from the viewpoint of reducing size, weight, robustness, and cost, and were first used in hard disk drives in the information equipment field. However, it has started to be adopted.

図8に位置センサを備えないセンサレスモータの一例として三相ブラシレス直流(DC)モータの構成を示す。回転子軸1を中心に回転する回転子2にはS極とN極で一対の永久磁石3が設けられている。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。固定子4には120°位相差で設けられた極歯に電機子巻線(コイル)U,V,Wが配置され、中性点(コモン)Cを介してスター結線されている。隣接相を接続し中性点を持たないデルタ結線されるものもある。 FIG. 8 shows the configuration of a three-phase brushless direct current (DC) motor as an example of a sensorless motor having no position sensor. A rotor 2 rotating around a rotor shaft 1 is provided with a pair of permanent magnets 3 having an S pole and an N pole. There are various magnetic pole structures (IPM, SPM) or the number of poles of the permanent magnet field. On the stator 4, armature windings (coils) U, V, W are arranged on pole teeth provided with a phase difference of 120°, and are star-connected via a neutral point (common) C. Some are delta-connected, connecting adjacent phases and having no neutral point.

図9に従来のセンサレスモータ駆動回路の一例をブロック構成図に示す。MOTORは三相センサレスモータである。制御回路51(MPU)は上位コントローラ50(CONT)からの回転指令(RUN)に応じて出力回路57へのゲート出力を制御する。出力回路57(INV)は、三相ブリッジ構成のインバータ回路でコイル出力UVWをモータに送出する。ゼロクロス検出回路(ZERO)は零クロスコンパレータ59とダミーコモン生成部60(COM)で構成される。実際のセンサレスモータ駆動回路には、このほかに電源部、ホストインターフェース部、プリドライバ回路等が必要であるが煩雑化を避けるため省略してある。 FIG. 9 is a block diagram showing an example of a conventional sensorless motor drive circuit. MOTOR is a three-phase sensorless motor. The control circuit 51 (MPU) controls the gate output to the output circuit 57 according to the rotation command (RUN) from the host controller 50 (CONT). The output circuit 57 (INV) is an inverter circuit with a three-phase bridge configuration and sends out the coil output UVW to the motor. A zero-cross detection circuit (ZERO) is composed of a zero-cross comparator 59 and a dummy common generator 60 (COM). An actual sensorless motor drive circuit also requires a power supply section, a host interface section, a pre-driver circuit, etc., but they are omitted to avoid complication.

図10に三相ブラシレスDCモータの駆動方式の代表的な例として電気角120°通電のタイミングチャートを示す。区間1はU相からV相に、区間2はU相からW相に、区間3はV相からW相に、区間4はV相からU相に、区間5はW相からU相に、区間6はW相からV相に、矩形波通電される。破線は誘起電圧波形である。HU~HWはモータに内蔵されるホールセンサの出力波形であり、従来の位置センサ付き三相ブラシレスDCモータはこの信号に基づいて励磁切り替えが行われる。 FIG. 10 shows a timing chart of energization at an electrical angle of 120° as a representative example of a three-phase brushless DC motor drive system. Section 1 is from U phase to V phase, Section 2 is from U phase to W phase, Section 3 is from V phase to W phase, Section 4 is from V phase to U phase, Section 5 is from W phase to U phase, Section 6 is energized with a rectangular wave from the W phase to the V phase. A dashed line is an induced voltage waveform. HU to HW are the output waveforms of Hall sensors incorporated in the motor, and a conventional three-phase brushless DC motor with a position sensor performs excitation switching based on these signals.

位置センサを用いないセンサレス駆動方式は、誘起電圧から回転子位置を検出する手法が主流である。しかし静止時は誘起電圧が発生せず低速回転時も誘起電圧が小さく位置検出が困難なことから、位置を検出しないで始動及び低速回転する方法が様々実用化されており、永久磁石を用いるブラシレスDCモータでは数秒間、大電流の直流を印加して回転子を強制的に位置決めし、その後回転磁界を発生させて強制同期で始動させ徐々に速度を上げてゆくオープンループ方式が多く使われる。 A sensorless drive system that does not use a position sensor is mainly used to detect the rotor position from the induced voltage. However, since no induced voltage is generated when stationary and the induced voltage is small even when rotating at low speed, position detection is difficult. Therefore, various methods of starting and rotating at low speed without detecting position have been put into practical use. In many DC motors, an open-loop method is often used in which a large direct current is applied for several seconds to forcibly position the rotor, and then a rotating magnetic field is generated to start the motor in forced synchronization and gradually increase the speed.

前記のオープンループ方式にて始動前に直流を印加して強制的に初期位置決め(アライン)する方法は、大きな電流を要すること、位置決めが完了するまでに長い時間がかかること、突き当て停止状態や拘束状態では初期位置決めができないこと、といった様々な課題がある。また始動遅れが数秒間も発生することは操作性を著しく損ない使用できない用途も多い。 The method of forcibly initial positioning (aligning) by applying a direct current before starting in the above-mentioned open loop method requires a large current, takes a long time to complete positioning, and causes a collision stop state. There are various problems such as the inability to perform initial positioning in a restrained state. In addition, the occurrence of a start delay of several seconds significantly impairs the operability of the engine, making it unusable in many applications.

そこで始動前に回転子位置を検出して瞬時に始動する方法が考えられた。始動前に初期位置を検出する方法としては、電気角120°通電パターンで複数の大電流センシングパルスを印加して磁気飽和偏差を検出し回転子位置を特定する方法がある。あるいは三相同時通電にて回転子位置を特定する方法もあり、例えば特許文献1は三相同時通電で所定の通電パターンにて電気角120°通電の6区間を検出することで、検出精度を向上させるものである(特許文献1参照)。 Therefore, a method was devised to detect the position of the rotor before the start and start the engine instantly. As a method of detecting the initial position before starting, there is a method of applying a plurality of high-current sensing pulses in a 120 electrical angle energization pattern to detect the magnetic saturation deviation and identify the rotor position. Alternatively, there is also a method of specifying the rotor position by simultaneous three-phase energization. (See Patent Document 1).

特許第6284207号公報Japanese Patent No. 6284207

このセンシングパルス方式により始動前の初期位置決めは不要となり始動遅れも解消される効果がある。しかしながら、大電流センシングパルス印加時に大きな騒音(クリック音)や振動が発生するという課題がある。また、コイルにストレスがかかり絶縁劣化あるいは焼損する場合もあり、駆動回路やDC電源の負荷も大きくなる課題がある。また回路構成によっては数百msの始動遅れが発生する場合もあり瞬時始動が要求される用途では問題となる場合がある。 This sensing pulse method eliminates the need for initial positioning before starting, and has the effect of eliminating start delays. However, there is a problem that a large noise (click sound) and vibration are generated when a large current sensing pulse is applied. In addition, stress may be applied to the coil, which may cause insulation deterioration or burnout, thus increasing the load on the drive circuit and the DC power supply. Also, depending on the circuit configuration, a startup delay of several hundred milliseconds may occur, which may pose a problem in applications requiring instant startup.

さらに始動前の静止時だけでなく、始動時の低速領域でも誘起電圧が小さいことから回転子位置検出が困難となる。上述のオープンループ制御による強制同期方式は回転子位置を検出しないため低速回転時に負荷変動があると制御を失ってしまう場合があり始動が不確実で用途も限定されるという課題がある。その他、強制転流の時間・電流値・ランプカーブ特性などパラメータ設定も多く、さらに過大な始動電流を要し省エネの観点からは不利であり、始動時間もかかることから瞬時始動には対応できない。 Furthermore, since the induced voltage is small not only when the engine is stationary before starting but also when the engine is started at low speed, it becomes difficult to detect the rotor position. Since the forced synchronization method based on the open loop control described above does not detect the rotor position, there is a problem that the control may be lost if there is a load fluctuation during low speed rotation, and the starting is uncertain and the application is limited. In addition, there are many parameter settings such as forced commutation time, current value, ramp curve characteristics, etc., and it requires an excessive starting current, which is disadvantageous from the viewpoint of energy saving.

そこで、3相コイルに接続するコイルリード二線間にPWM(パルス幅変調)通電すると開放相電圧が位相角に応じて変化する現象を利用して回転子位置を検出するインダクティブセンス方式を採用して、位置を検出しながら回転する位置閉ループ方式も提案されている。
図11にインダクティブセンス方式の開放相電圧の実測例を示す。U-V通電パターンでPWM通電しながら1電気角分回転させたときの開放相電圧の変化を測定したもので2周期性の概サイン波が得られている。10%ずつPWMデューティ比を変えて測定し重ね書きしてある。また、参考として開放相の理論的な誘起電圧波形(1周期性のサイン波)が記載されており、回転時はこの誘起電圧波形が開放相電圧に重畳し回転数に比例して波高値は大きくなり支配的になる。
Therefore, we adopted an inductive sense method that detects the rotor position using the phenomenon that the open phase voltage changes according to the phase angle when PWM (Pulse Width Modulation) is energized between two coil leads connected to a 3-phase coil. A position closed loop system that rotates while detecting the position has also been proposed.
FIG. 11 shows an example of actual measurement of the open phase voltage of the inductive sensing method. A roughly sine wave with two periodicity is obtained by measuring the change in the open phase voltage when rotating by one electrical angle while applying the PWM current in the UV current pattern. Measurements are overwritten while changing the PWM duty ratio by 10%. In addition, for reference, the theoretical induced voltage waveform (single wave of one period) of the open phase is described. grow and become dominant.

しかしながらインダクティブセンス方式は正転時にしか適用できず、始動時に外力によりわずかでも逆転した場合、開放相に逆極性の誘起電圧が重畳してインダクタンスによる電圧変化が打ち消され回転子位置を誤検出する課題がある。そのためモータの始動が正しく行われたか確認する必要があり、例えば励磁電流に高周波センシング電流を重畳させて回転子位相を確認する手法などが提案されているが連続的なセンシング音が発生し制御手順も煩雑となる。
さらにインダクティブセンス方式の検出信号レベルは、上述のとおりPWMデューティ比に依存し実質的には概ね20%~80%が使用可能領域であり、20%以下の低デューティ比においては信号レベルが小さくなり回転子位置検出が困難である。したがって、低速回転や低負荷運転あるいは高負荷運転に制約がある。
以上説明したように、ブラシレスDCモータのセンサレス駆動のオープンループ方式に関しては多くの課題があり、センシングパルス方式あるいはインダクティブセンス方式等にて改善が図られてきたがそれぞれの方式に課題がある。
However, the inductive sensing method can only be applied during forward rotation, and if the rotor rotates even slightly in reverse due to an external force at start-up, an induced voltage of opposite polarity is superimposed on the open phase, canceling out the voltage change due to the inductance, resulting in erroneous detection of the rotor position. There is Therefore, it is necessary to check whether the motor has been started correctly. For example, a method has been proposed in which a high-frequency sensing current is superimposed on the excitation current to check the rotor phase. becomes complicated.
Furthermore, the detection signal level of the inductive sense method depends on the PWM duty ratio as described above, and the usable range is approximately 20% to 80%. Rotor position detection is difficult. Therefore, there are restrictions on low-speed rotation, low-load operation, and high-load operation.
As described above, there are many problems with the open-loop method of sensorless driving of brushless DC motors, and improvements have been made with the sensing pulse method, the inductive sense method, and the like, but each method has its own problems.

本発明は上述した様々な課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、電気角120°通電による始動及び低速回転に適用され、位置検出電流・騒音・振動を低減したセンサレスモータの回転子位置検出方法及びこの方法を用いて閉ループ制御により確実に始動・低速回転し、励磁出力のデューティ比や通電方式の制約が無いセンサレスモータ駆動方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned various problems, and its purpose is to apply it to start-up and low-speed rotation by energizing at an electrical angle of 120°, and to reduce position detection current, noise, and vibration. To provide a motor rotor position detection method and a sensorless motor drive method that reliably starts and rotates at a low speed by closed loop control using this method, and has no restrictions on the duty ratio of the excitation output and the energization method.

永久磁石界磁を有する回転子と三相コイルを有する固定子を備えるブラシレスDCモータをセンサレス駆動するためのセンサレスモータの回転子位置検出方法であって、電気角120°通電における6通りの通電区間の180°位相差となる二つの区間の対を相補区間とし、上位コントローラからのセンシング指令を受けて三相コイルに対するセンシングパルス信号を発生し、三相コイルから検出された回転子位置信号が入力されると回転子位置を判定する制御回路と、前記制御回路からのセンシングパルス信号が入力されると電力増幅して三相コイルにセンシングパルスを出力する三相ブリッジ構成の出力回路と、を備え、前記制御回路は、前記上位コントローラからセンシング指令を受信すると、電気角120°通電の6通りの通電パターンのセンシングパルス信号を生成して前記出力回路を介して三相コイルにセンシングパルスを印加し、相補区間を構成する2区間のセンシングパルス終了直前の開放相電圧を測定して回転子位置信号として記憶するステップと、記憶した相補区間を構成する2区間の開放相電圧値どうしを減算し、減算結果の符号を減算位置情報とし、残る2対の相補区間についても同様のセンシングパルス印加及び開放相電圧測定及び演算処理を行って都合3ビットの減算位置情報を生成するステップと、前記3ビットの減算位置情報を論理演算することで回転子位置を3対の相補区間のいずれか一つに特定するステップと、特定された相補区間を構成する2区間の開放相電圧値の中性点電位に対する振幅を加算して磁気飽和成分を抽出し、加算結果の符号により相補区間を構成する2区間から一つの区間を選択し、最終的に回転子位置を電気角120°通電区間の一つに特定するステップと、を含むことを特徴とする。
これにより制御回路は、電源電圧変動や減磁に対し大きな耐量を持ち静止時から極低速回転領域において回転子位置を検出できる。センシングは瞬時に行われ始動遅れはほぼ無いといってよく、またセンシング電流が小さく従来の大電流センシングパルス方式に比べ騒音と振動を大幅に低減できる。
A rotor position detection method for a sensorless motor for sensorless driving of a brushless DC motor comprising a rotor having a permanent magnet field and a stator having a three-phase coil, comprising six energization sections in an electrical angle of 120° energization. A pair of two sections with a 180° phase difference is set as a complementary section, and a sensing command is received from the host controller to generate a sensing pulse signal for the three-phase coil, and the rotor position signal detected from the three-phase coil is input. and a three-phase bridge configuration output circuit that amplifies power and outputs a sensing pulse to a three-phase coil when a sensing pulse signal is input from the control circuit. When receiving a sensing command from the host controller, the control circuit generates sensing pulse signals of six energization patterns of 120° electrical angle energization, and applies the sensing pulses to the three-phase coils via the output circuit. a step of measuring open-phase voltages immediately before the end of the sensing pulse in the two sections forming the complementary section and storing them as rotor position signals; subtracting the stored open-phase voltage values of the two sections forming the complementary section from each other; The sign of the subtraction result is used as subtraction position information, and the same sensing pulse application, open phase voltage measurement, and arithmetic processing are performed for the remaining two pairs of complementary sections to generate subtraction position information of 3 bits in total; a step of specifying the rotor position to any one of the three pairs of complementary sections by performing a logical operation on the subtracted position information of; is added to extract the magnetic saturation component, one section is selected from the two sections constituting the complementary section according to the sign of the addition result, and finally the rotor position is set to one of the 120 electrical angle energization sections. and a step of identifying.
As a result, the control circuit has a large resistance to power supply voltage fluctuations and demagnetization, and can detect the rotor position from the stationary state to the extremely low speed rotation region. Sensing is performed instantaneously, and there is almost no delay in starting.In addition, the sensing current is small, and noise and vibration can be greatly reduced compared to the conventional high-current sensing pulse method.

前記制御回路は、センシングパルスを所定時間印加してセンシングパルス終了時のコイル電流を測定するか、あるいは所定電流のセンシングパルスを印加し所定電流値に到達する時間を測定する極性検出を行なうステップを更に含み、相補区間が特定された後、制御回路は特定された相補区間を構成する一方の区間の通電パターンにてセンシングパルス信号を発生し出力回路を介して第一のセンシングパルスを三相コイルに印加し、第一のセンシングパルス時間に相当する休止時間をおいて前記相補区間を構成する他方の区間の通電パターンにてセンシングパルス信号を発生し出力回路を介して第二のセンシングパルスを三相コイルに印加し、双方のセンシングパルスのそれぞれについて、前記制御回路は所定時間通電後の電流値あるいは所定電流までの到達時間を検出して双方の電流値あるいは到達時間の大小比較を行い、それに基づいて相補区間を構成する2区間のいずれか一方を選択し、回転子位置を120°通電の1区間に特定するようにしてもよい。
これにより、制御回路は、センシングパルスよりも大きな電流で磁気飽和量を検出して界磁極性を判別するので、回転子位置検出の精度が向上しさらに位置検出可能な回転数範囲を極低速回転領域から低速回転領域に拡張することができる。
The control circuit applies a sensing pulse for a predetermined time and measures the coil current at the end of the sensing pulse, or applies a sensing pulse of a predetermined current and measures the time required to reach a predetermined current value. Further, after the complementary section is identified, the control circuit generates a sensing pulse signal in the energization pattern of one section constituting the identified complementary section, and outputs the first sensing pulse through the output circuit to the three-phase coil. After a rest time corresponding to the first sensing pulse time, a sensing pulse signal is generated in the energization pattern of the other section constituting the complementary section, and the second sensing pulse is applied to three through the output circuit. For each of the sensing pulses applied to the phase coils, the control circuit detects the current value after energization for a predetermined time or the arrival time to reach the predetermined current, compares the two current values or the arrival time, and Based on this, either one of the two sections forming the complementary section may be selected, and the rotor position may be specified as one section of 120° energization.
As a result, the control circuit detects the amount of magnetic saturation with a current larger than the sensing pulse and determines the magnetic field polarity. It can be extended from the region to the slow rotation region.

回転子位置検出を繰り返し実施する際に、前回位置検出と今回位置検出の間に1区間以上回転しないことを条件として、前回の位置検出により得られた前回相補区間番号が与えられる場合、今回相補区間番号が前回相補区間番号と同じ時は今回区間番号を前回区間番号と同じとし、今回相補区間番号が前回相補区間番号より1区間進んだ時は今回区間番号を一つ進め、今回相補区間番号が前回相補区間番号より1区間戻った時は今回区間番号を一つ戻す、ことで回転子位置を電気角120°通電の1区間に特定するようにしてもよい。
これにより、減算位置信号にて相補区間を特定するだけで回転子位置を120°通電区間の1区間に特定することができ、極性判別のためのセンシングパルス印加あるいは演算処理を省略して騒音の低減あるいは回転子位置検出に要する時間短縮ができる。
When the rotor position detection is repeatedly performed, on the condition that the rotor does not rotate by one section or more between the previous position detection and the current position detection, when the previous complementary section number obtained by the previous position detection is given, the current complementary section number is given. If the section number is the same as the previous complementary section number, the current section number will be the same as the previous section number. The rotor position may be specified in one section of 120 electrical angle energization by returning one section number from the previous complementary section number when is one section back from the previous complementary section number.
As a result, the rotor position can be specified in one section of the 120° energization section only by specifying the complementary section with the subtraction position signal, and the application of the sensing pulse or the arithmetic processing for discriminating the polarity can be omitted, thereby reducing the noise. It is possible to reduce or shorten the time required for rotor position detection.

センサレスモータの駆動方法においては、三相コイルへの通電を遮断して誘起電圧から回転子の回転速度を検出し、所定速度以上の高速回転時は任意の高速回転処理へ移行し、所定速度未満の低速回転時は上述したいずれかのセンサレスモータの回転子位置検出方法により回転子位置を特定する処理を行うセンシング工程と、前記センシング工程にて特定された回転子位置に基づいて励磁パターンを決定し任意のPWMデューティ比で所定時間通電する通電工程を備え、所定速度未満の低速回転時は上記のセンシング工程と通電工程を交互に繰り返す、ことを特徴とする。
これにより始動時及び低速回転時のフィールドオリエンテッドコントロール(FOC)を可能とし、始動時及び低速回転時に負荷変動や停動(ストール)や逆転が発生しても制御を失うことなく確実に回転することができる。
In the method of driving a sensorless motor, the energization to the three-phase coil is interrupted and the rotation speed of the rotor is detected from the induced voltage. During low speed rotation, a sensing step of performing a process of specifying the rotor position by any of the above sensorless motor rotor position detection methods, and determining an excitation pattern based on the rotor position specified in the sensing step and an energizing step of energizing for a predetermined time at an arbitrary PWM duty ratio, and alternately repeating the sensing step and the energizing step during low-speed rotation below a predetermined speed.
This enables Field Oriented Control (FOC) at startup and at low speed rotation, ensuring rotation without loss of control even when load fluctuations, stalls, and reverse rotation occur at startup and low speed rotation. be able to.

センサレスモータの回転子位置検出方法によれば、始動性と制御性が改善され、多くの用途でブラシ付きモータやセンサ付きブラシレスモータをセンサレスモータに置き換えることが可能となる。また正弦波駆動のオープンループ始動をクローズドループ始動化することができる。
具体的には、回転子位置検出時間は従来方式より1/5程度に短縮され、位置検出可能な回転数範囲が拡張される。
センシング電流は従来方式より1/10程度に低減され騒音と振動が減る。
過電流が解消されることから電源や出力段の負担が減りあるいは小型モータのコイル焼損事故を防止することができる。
回転数・コイル電圧・コイル電流・コイル温度・磁束密度等の変動の影響を受けにくく安定している。
According to the sensorless motor rotor position detection method, startability and controllability are improved, and it is possible to replace brushed motors and sensored brushless motors with sensorless motors in many applications. Also, the open-loop start-up of sinusoidal drive can be changed to closed-loop start-up.
Specifically, the rotor position detection time is shortened to about one-fifth of that of the conventional method, and the rotation speed range in which the position can be detected is expanded.
Sensing current is reduced to about 1/10 of the conventional method, reducing noise and vibration.
Since the overcurrent is eliminated, the load on the power supply and the output stage can be reduced, and the coil burning accident of the small motor can be prevented.
Stable and less susceptible to fluctuations in rotation speed, coil voltage, coil current, coil temperature, magnetic flux density, etc.

また、位置検出時間が短くて済むことから周期的に回転子位置検出しながら励磁通電する低速領域オンオフ制御方式が可能であり、静止時及び低速回転時の閉ループ制御を実現できる。確実にモータを始動し、外力逆転時も速やかに正転に復帰し、極低速回転や過負荷時のストール運転にも対応でき、急激な過負荷いわゆる衝撃負荷にも追従し脱調せず、ノイズ等で誤動作時も1周期で正常に復帰し位置センサ駆動とほぼ同等の堅牢性の高いセンサレスモータシステムを構築できる。
またセンシング工程と通電工程が独立しており励磁の自由度が高く通電方式や出力デューティ比は任意であり、出力0%から100%まで幅広い負荷領域に対応でき、電気角120°通電だけでなく電気角150°通電あるいは電気角180°通電(サイン波通電)など幅広い駆動方式に対応することができる。
In addition, since the position detection time is short, a low-speed region ON/OFF control method in which excitation is energized while periodically detecting the rotor position is possible. It reliably starts the motor, quickly returns to normal rotation even when external force is reversed, can handle extremely low speed rotation and stall operation when overloaded, and can follow sudden overloads, so-called impact loads, without losing synchronism. It is possible to construct a sensorless motor system with high robustness almost equivalent to position sensor drive, which returns to normal in one cycle even when it malfunctions due to noise or the like.
In addition, the sensing process and the energization process are independent, so there is a high degree of freedom in excitation, and the energization method and output duty ratio are arbitrary. A wide range of driving methods such as 150° electrical angle energization or 180° electrical angle energization (sine wave energization) can be supported.

図1Aは相補区間1、図1Bは相補区間2、図1Cは相補区間3、の開放相電圧シミュレーション波形である。FIG. 1A shows open-phase voltage simulation waveforms in complementary interval 1, FIG. 1B in complementary interval 2, and FIG. 1C in complementary interval 3. FIG. 開放相電圧の減算シミュレーション波形である。It is a subtraction simulation waveform of the open phase voltage. 開放相電圧振幅の加算シミュレーション波形である。It is an addition simulation waveform of open phase voltage amplitude. 極性センシングパルスの動作説明図である。FIG. 10 is an operation explanatory diagram of a polarity sensing pulse; 低速領域オンオフ制御方式の動作説明図である。FIG. 4 is an operation explanatory diagram of a low-speed region on/off control system; 本案による駆動回路ブロック図である。1 is a block diagram of a driving circuit according to the present invention; FIG. 制御プログラムのゼネラルフローチャートである。4 is a general flow chart of a control program; 三相モータの説明図である。It is an explanatory view of a three-phase motor. 従来の駆動回路ブロック図である。1 is a block diagram of a conventional drive circuit; FIG. 120°通電のタイミングチャートである。It is a timing chart of 120-degree energization. インダクティブセンス方式による開放相電圧の実測波形である。It is an actually measured waveform of the open phase voltage by the inductive sensing method.

以下、本発明に係るモータ駆動方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本願発明は、モータの一例として、回転子に永久磁石界磁を備え、固定子に巻き線を機械角120°位相差で配置してスター結線し、相端がモータ出力回路に接続されたブラシレス直流(BLDC)モータがあげられ、ここでは近年利用が拡大している位置センサレスモータを用いて説明する。 An embodiment of a motor driving method according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. As an example of a motor, the present invention is a brushless motor in which a rotor is provided with a permanent magnet field, windings are arranged in a stator at a mechanical angle of 120° phase difference and star-connected, and phase ends are connected to a motor output circuit. A direct current (BLDC) motor can be mentioned, and here, a position sensorless motor, which has been widely used in recent years, will be used for explanation.

図8を参照して三相BLDCセンサレスモータの一実施例を示す。一例として2極永久磁石回転子と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ー型でもアウターローター型でもいずれでもよい。また、永久磁石型界磁としては永久磁石埋め込み型(IPM)モータや表面永久磁石型(SPM)モータのいずれであってもよい。 An embodiment of a three-phase BLDC sensorless motor is shown with reference to FIG. As an example, a 3-phase brushless DC motor with a 2-pole permanent magnet rotor and a stator 4 with 3 slots is illustrated. The motor may be either an inner rotor type or an outer rotor type. Further, the permanent magnet type magnetic field system may be either an embedded permanent magnet (IPM) motor or a surface permanent magnet (SPM) motor.

図8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には機械角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を設けて相間がコモンCでスター結線されて後述するモータ駆動装置に配線された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。また、隣接相を接続し中性点を持たないデルタ結線されるものであってもよい。 In FIG. 8, a rotor 2 is provided integrally with a rotor shaft 1, and a two-pole permanent magnet 3 is provided as a magnetic field. On the stator 4, pole teeth U, V, W are arranged facing the permanent magnet 3 with a mechanical angle phase difference of 120°. Windings u, v, and w are provided on the respective pole teeth U, V, and W of the stator 4, and the phases are star-connected by a common C to form a three-phase brushless DC motor wired to a motor driving device, which will be described later. . Note that the common line is omitted because it is unnecessary. Also, it may be a delta connection that connects adjacent phases and does not have a neutral point.

次に、図6に三相センサレスモータのモータ駆動回路の一例について説明する。煩雑化を避けるため、電源部やクロック発生部や通信部等の記載は省略する。
上位コントローラ50(CONT)は回転指令(RUN)を制御回路51に送出する。制御回路51(MPU)は、論理回路52(LOGIC)、PWMコントローラ53(PWMC)、電流アンプ54(AMP)及びADコンバータ回路55(ADC)等を内蔵している。プリドライバ56(PRE)はPWMコントローラ53からゲート信号を入力し、出力回路57へゲート出力を送出する。出力回路57(INV)はプリドライバ56からゲート出力を入力し、モータへコイル出力UVWを送出する。コイル電流はシャント抵抗58(RS)を介してGND母線へ流れ、シャント抵抗58で検出されたコイル電流信号IMは電流アンプ54で増幅されADコンバータ回路55に入力される。コイル電圧は分圧回路61(DIV)で減衰され、コンディショニングされたコイル電圧信号uvwがADコンバータ回路55に入力される。
Next, an example of a motor drive circuit for a three-phase sensorless motor will be described with reference to FIG. In order to avoid complication, the description of the power supply unit, clock generation unit, communication unit, etc. is omitted.
The host controller 50 (CONT) sends a rotation command (RUN) to the control circuit 51 . The control circuit 51 (MPU) incorporates a logic circuit 52 (LOGIC), a PWM controller 53 (PWMC), a current amplifier 54 (AMP), an AD converter circuit 55 (ADC), and the like. A pre-driver 56 (PRE) receives a gate signal from the PWM controller 53 and outputs a gate output to an output circuit 57 . The output circuit 57 (INV) receives the gate output from the pre-driver 56 and sends out the coil output UVW to the motor. The coil current flows through the shunt resistor 58 (RS) to the GND bus, and the coil current signal IM detected by the shunt resistor 58 is amplified by the current amplifier 54 and input to the AD converter circuit 55 . The coil voltage is attenuated by the voltage dividing circuit 61 (DIV), and the conditioned coil voltage signal uvw is input to the AD converter circuit 55 .

制御回路51は、上位コントローラ50から回転指令を受け取ると位置検出動作を行う。論理回路52は、電気角120°通電の通電パターンを記憶しPWMコントローラ53へセンシングパルス信号を送出する。センシングパルス信号はタイマー制御の直流パルス信号でありPWM制御は行われない。PWMコントローラ53はセンシングパルス信号を受けて直流のゲート信号をプリドライバ56へ送出する。 When the control circuit 51 receives a rotation command from the host controller 50, it performs a position detection operation. The logic circuit 52 stores an energization pattern of 120° electrical angle energization and sends a sensing pulse signal to the PWM controller 53 . The sensing pulse signal is a timer-controlled DC pulse signal, and PWM control is not performed. The PWM controller 53 receives the sensing pulse signal and sends out a DC gate signal to the pre-driver 56 .

プリドライバ56はゲート信号を受けて、電圧増幅したゲート出力を出力回路57へ送出する。ゲート出力電圧を昇圧するチャージポンプ回路や貫通電流防止回路などが内蔵されている。出力回路57は、三相ブリッジ構成のインバータ回路であり、プリドライバ56からゲート出力が入力されると各相のハイサイドアームまたはローサイドアームの出力素子が駆動され、電力増幅されたコイル出力U~Wがモータに出力される。出力素子はFETが用いられ回生ダイオードが内蔵されている。 The pre-driver 56 receives the gate signal and outputs a voltage-amplified gate output to the output circuit 57 . A charge pump circuit that boosts the gate output voltage and a through current prevention circuit are built in. The output circuit 57 is an inverter circuit with a three-phase bridge configuration. When the gate output is input from the pre-driver 56, the output element of the high side arm or the low side arm of each phase is driven, and power-amplified coil output U~ W is output to the motor. An FET is used as an output element, and a regenerative diode is incorporated.

ADコンバータ回路55(ADC)は、論理回路52(LOGIC)からの指定によりコイル電流信号IMあるいはコイル電圧信号u~wのいずれか一つを選択し、センシングパルス終了直前の信号をAD変換し、変換結果を論理回路52に送出する。論理回路52はAD変換された測定データを記憶し、記憶された測定データを演算処理することで回転子位置を検出する。
以上にて、回転子位置検出に関するハードウェア構成例を説明した。なお制御回路51は当然ながら高速回転でのモータ駆動も行うが制御方法は任意の方式が許容され公知の制御手法を利用できるので説明を省略する。
The AD converter circuit 55 (ADC) selects either one of the coil current signal IM or the coil voltage signals u to w according to the designation from the logic circuit 52 (LOGIC), AD-converts the signal immediately before the end of the sensing pulse, The conversion result is sent to logic circuit 52 . The logic circuit 52 stores the AD-converted measurement data, and performs arithmetic processing on the stored measurement data to detect the rotor position.
The hardware configuration example regarding rotor position detection has been described above. Although the control circuit 51 naturally drives the motor at a high speed, any control method is allowed and a known control method can be used, so the explanation is omitted.

以下では、センサレスモータの回転子位置検出方法について詳述するものとする。
(1)相補区間の検出方法
相補区間とは電気角120°通電における6通りの通電区間の180°位相差となる二つの区間の対のことであり、三対の相補区間1~3がある。
三相BLDCモータのコイルに接続するコイルリードの二線間に数十kHzの矩形波パルスを印加すると、開放相(非通電相端子)には位相角θに応じてリラクタンスと磁気飽和と誘起電圧を反映したインダクタンス電圧VLが発生する。VLは模式的に下式で表すことができる。
奇数区間の通電パターンのセンシングパルスで正転時
VL1=K1・sin2θ+K2・sinθ+K3・sin(θ-90°) 式(1)
奇数区間の通電パターンのセンシングパルスで逆転時
VL2=K1・sin2θ+K2・sinθ+K3・sin(θ+90°) 式(2)
偶数区間の通電パターンのセンシングパルスで正転時
VL3=-(K1・sin2θ+K2・sinθ)+K3・sin(θ+90°) 式(3)
偶数区間の通電パターンのセンシングパルスで逆転時
VL4=-(K1・sin2θ+K2・sinθ)+K3・sin(θ-90°) 式(4)
但しK1=リラクタンス係数、K2=磁気飽和係数、K3=誘起電圧係数
リラクタンスはローター磁気抵抗を反映し2周期性の概サイン波であり、磁気飽和は界磁極性を反映し1周期性の概サイン波である。誘起電圧は回転数及び回転方向に依存する1周期性の概サイン波であり、静止時には発生せず逆転時は逆極性となる。
A rotor position detection method for a sensorless motor will be described in detail below.
(1) Complementary section detection method A complementary section is a pair of two sections having a phase difference of 180° among six energization sections in an electrical angle of 120°, and there are three pairs of complementary sections 1 to 3. .
When a square wave pulse of several tens of kHz is applied between the two wires of the coil leads connected to the coils of a three-phase BLDC motor, the open phase (non-energized phase terminal) exhibits reluctance, magnetic saturation, and induced voltage depending on the phase angle θ. generates an inductance voltage VL reflecting VL can be schematically represented by the following formula.
During forward rotation with sensing pulse of energization pattern in odd number section VL1=K1・sin2θ+K2・sinθ+K3・sin(θ-90°) Equation (1)
Reverse rotation with sensing pulse of energization pattern in odd number section VL2=K1・sin2θ+K2・sinθ+K3・sin(θ+90°) Equation (2)
Forward rotation with sensing pulse of energization pattern in even section VL3=-(K1・sin2θ+K2・sinθ)+K3・sin(θ+90°) Equation (3)
Reverse rotation with sensing pulse of energization pattern in even section VL4=-(K1・sin2θ+K2・sinθ)+K3・sin(θ-90°) Equation (4)
However, K1 = reluctance coefficient, K2 = magnetic saturation coefficient, K3 = induced voltage coefficient. is a wave. The induced voltage is a cyclic sine wave that depends on the number of rotations and the direction of rotation.

図1A~Cに、三相コイルに対して120°通電の6通りの通電パターンにてセンシングパルスを印加しながら1電気角回転させた時の中性点電位に対するインダクタンス電圧VLのシミュレーション波形を示す。V1~V6は区間1~6の通電パターンでセンシング時の開放相電圧波形である。誘起電圧は0である。図1A~Cは相補区間を構成する2波形を重ねて表示したものである。
ここで注目する点は相補区間波形どうしがゼロクロス点で交差する交点である。図1Aでは150°と330°、図1Bでは30°と210°、図1Cでは90°と270°で発生する6個の交点である。これらの交点は界磁磁極と通電磁界の磁極が正対する位相角を反映しており、誘起電圧が重畳しても位相は変化しない安定交点である。安定交点の位相角は120°通電の区間切り替え点と一致し回転子位置検出に利用できる。安定交点を検出すれば誘起電圧に影響されないため静止時から回転時まで回転子位置を検出することができる。
安定交点を検出するためには相補区間どうしの信号を減算すればよい。
1A to 1C show simulation waveforms of the inductance voltage VL with respect to the neutral point potential when the three-phase coil is rotated by one electrical angle while applying sensing pulses in six energization patterns of 120° energization. . V1 to V6 are energization patterns in intervals 1 to 6, and are open phase voltage waveforms during sensing. The induced voltage is 0. 1A-C are superimposed representations of the two waveforms that make up the complementary interval.
The point to be noted here is the crossing point where complementary interval waveforms intersect at the zero crossing point. 1A, 30° and 210° in FIG. 1B, and 90° and 270° in FIG. 1C. These intersection points reflect the phase angle at which the field magnetic pole and the magnetic pole of the energizing magnetic field face each other, and are stable intersection points where the phase does not change even if the induced voltage is superimposed. The phase angle of the stable intersection coincides with the section switching point of 120° energization and can be used for rotor position detection. If the stable intersection is detected, it is not affected by the induced voltage, so the rotor position can be detected from the time of rest to the time of rotation.
In order to detect a stable crossing point, the signals of complementary sections should be subtracted.

図2に減算シミュレーション波形を図示する。信号AA(破線)は区間4信号から区間1信号を減算した波形である。信号BB(太線)は区間5信号から区間2信号を減算した波形である。信号CC(細線)は区間6信号から区間3信号を減算した波形である。減算波形のゼロクロス点のうち120°通電の区間切り替え点と一致する交点(30°、90°、150°、210°、270°、330°)が安定交点である。以上から3対の相補区間1~3から一つに特定するには減算波形の符号を論理演算すればよいことがわかる。 FIG. 2 illustrates subtraction simulation waveforms. A signal AA (broken line) is a waveform obtained by subtracting the section 1 signal from the section 4 signal. A signal BB (thick line) is a waveform obtained by subtracting the section 2 signal from the section 5 signal. A signal CC (thin line) is a waveform obtained by subtracting the section 3 signal from the section 6 signal. Of the zero-crossing points of the subtraction waveform, the intersections (30°, 90°, 150°, 210°, 270°, 330°) that coincide with the section switching points of the 120° energization are stable intersections. From the above, it can be seen that one of the three pairs of complementary sections 1 to 3 can be specified by performing a logical operation on the sign of the subtraction waveform.

例えば信号BB(太線)が正かつ信号CC(細線)が正との条件により区間30°~90°と区間210°~270°の2区間が得られ、それは相補区間1(区間1及び区間4)と一致する。同様に信号CC(細線)が負かつ信号AA(破線)が正の条件により相補区間2(区間2及び区間5)、信号AA(破線)が負かつ信号BB(太線)が負の条件により相補区間3(区間3及び区間6)が判別できる。
実際のモータの開放相電圧波形はステータ形状や着磁パターンなどで複雑に変化するが、減算波形を二値化することでそれらの影響を受けず、波形レベルは問題とならないことから電源電圧変動や温度変化による減磁などについての耐量も大きくすることができる。また、誘起電圧については相補区間の双方でほぼ同時刻に測定が行われることから、低速回転であれば誘起電圧による電圧差は無視でき位相には影響せず従って回転していても静止時と同様に回転子位置を検出できる。
For example, under the condition that the signal BB (bold line) is positive and the signal CC (thin line) is positive, two sections of section 30° to 90° and section 210° to 270° are obtained. ). Similarly, the signal CC (thin line) is negative and the signal AA (broken line) is positive under the condition that the signal CC (thin line) is negative and the signal AA (broken line) is positive. Section 3 (section 3 and section 6) can be distinguished.
Although the open-phase voltage waveform of an actual motor changes in a complex manner depending on the stator shape and magnetization pattern, the binarization of the subtraction waveform eliminates these effects and the waveform level does not matter. It is also possible to increase the resistance to demagnetization due to temperature changes and the like. In addition, since the induced voltage is measured at almost the same time in both complementary sections, the voltage difference due to the induced voltage can be ignored at low speed rotation and does not affect the phase. Similarly, the rotor position can be detected.

(2)区間の特定方法1
以下、相補区間を構成する2区間から1区間に特定する特定方法1を述べる。
上述にて特定された相補区間を構成する2区間は磁気飽和量が最大及び最小の区間である。開放相電圧には小さいながらも磁気飽和成分が含まれており、すでに測定済みの開放相電圧から磁気飽和成分を抽出すればよい。そのために相補区間の開放相電圧値の中性点電位に対する振幅を加算する。
(2) Section identification method 1
Hereinafter, the specification method 1 for specifying one section from two sections constituting a complementary section will be described.
The two sections forming the complementary section identified above are sections with the maximum and minimum magnetic saturation amounts. The open-phase voltage contains a magnetic saturation component, although it is small, and the magnetic saturation component can be extracted from the already measured open-phase voltage. Therefore, the amplitude of the open-phase voltage value in the complementary section with respect to the neutral point potential is added.

図3に相補区間の開放相電圧の振幅加算シミュレーション波形を示す。波形信号A(実線)はV1振幅+V4振幅、波形信号B(破線)はV2振幅+V5振幅、波形信号C(細線)はV3振幅+V6振幅の加算波形である。なお信号V1~6は区間1~6の通電パターンの開放相電圧波形であり図1A~Cに示されている。
例えば波形信号A(実線)に着目すると、30°~90°(区間1)では負、210°~270°(区間4)では正となっており、波形信号A(実線)の符号により区間1と区間4を判別できることがわかる。以下同様に波形信号B(破線)の符号により区間2と区間5、波形信号C(細線)の符号により区間3と区間6も判別することができる。
ただし加算信号に誘起電圧が重畳すると最大±90°の位相シフトが発生する。そのためこの方法1は回転数に制約があり静止時及び極低速回転時に適用可能である。
FIG. 3 shows an amplitude addition simulation waveform of the open phase voltage in the complementary section. Waveform signal A (solid line) is V1 amplitude+V4 amplitude, waveform signal B (broken line) is V2 amplitude+V5 amplitude, and waveform signal C (thin line) is a summed waveform of V3 amplitude+V6 amplitude. Signals V1-6 are the open phase voltage waveforms of the energization patterns of sections 1-6, which are shown in FIGS. 1A-1C.
For example, focusing on the waveform signal A (solid line), it is negative at 30° to 90° (section 1) and positive at 210° to 270° (section 4). and interval 4 can be discriminated. Similarly, sections 2 and 5 can be discriminated from the sign of the waveform signal B (broken line), and sections 3 and 6 can also be discriminated from the sign of the waveform signal C (thin line).
However, when the induced voltage is superimposed on the added signal, a maximum phase shift of ±90° occurs. Therefore, this method 1 is applicable when the number of rotations is restricted and when the vehicle is stationary or when it rotates at a very low speed.

(3)区間の特定方法2
以下、相補区間を構成する2区間から1区間に特定する特定方法2を説明する。特定方法2は、前述した特定方法1の回転数範囲を拡張するもので、低速回転域でも初期位置を検出可能である。この方法は相補区間が特定された後に、相補区間を構成する2区間の通電パターンでやや電流量の多いセンシングパルスを三相コイルに印加して磁気飽和量を増加させ、より確実に磁気飽和を検出するものである。
制御回路51(MPU)は上述の相補区間を検出するときのセンシングパルスよりパルス時間を数倍に大きくした極性検出用のセンシングパルスを三相コイルに印加し、センシングパルスの終了直前の電流値を測定する。あるいは所定電流に到達するまでの通電時間を測定する。これらの測定を、相補区間を構成する2区間について行い、双方の電流値あるいは通電時間を比較して1区間に特定する。
(3) Section identification method 2
A method 2 for identifying one section from two sections forming a complementary section will be described below. Identification method 2 expands the rotation speed range of identification method 1 described above, and is capable of detecting the initial position even in a low-speed rotation range. In this method, after the complementary section is identified, a sensing pulse with a slightly large amount of current is applied to the three-phase coil in the energization pattern of the two sections that make up the complementary section to increase the amount of magnetic saturation, thereby ensuring magnetic saturation. to detect.
The control circuit 51 (MPU) applies to the three-phase coil a sensing pulse for polarity detection, the pulse time of which is several times longer than the sensing pulse for detecting the above-mentioned complementary section, and the current value immediately before the end of the sensing pulse is calculated. Measure. Alternatively, the energization time until the predetermined current is reached is measured. These measurements are performed for two sections that constitute complementary sections, and one section is specified by comparing both current values or energization times.

図4に極性センシングパルス印加時の動作説明図を示す。相補区間を構成する2区間の通電パターンI及びIIのセンシングパルスを概ねセンシングパルス時間に相当する休止期
間をおいて三相コイルに印加する。
図4Aは、所定時間のセンシングパルスを三相コイルに印加しコイル電流を測定する方法で、IM1、IM2はコイル電流、TS1は通電時間である。磁気飽和量に応じて電流立ち上がりカーブが異なりIM1とIM2は異なるので、ADコンバータでセンシングパルス終了直前のコイル電流を測定し双方を比較すれば相補区間を構成する2区間から1区間に特定できる。
なおコイル電流IMが小さい場合の近似値は下式で求められる。
IM=VM・TS1/L 式(5)
但しVM=コイル電圧、L=磁気飽和時のコイルインダクタンス
FIG. 4 shows an explanatory diagram of the operation when the polarity sensing pulse is applied. Sensing pulses of energization patterns I and II of two sections constituting complementary sections are applied to the three-phase coil with a pause period approximately corresponding to the sensing pulse time.
FIG. 4A shows a method of applying a sensing pulse for a predetermined time to a three-phase coil and measuring the coil current, where IM1 and IM2 are the coil currents and TS1 is the energization time. Since the current rising curve differs depending on the amount of magnetic saturation and IM1 and IM2 are different, by measuring the coil current immediately before the end of the sensing pulse with an AD converter and comparing the two, it is possible to specify one section from the two sections that constitute the complementary section.
Note that the approximate value when the coil current IM is small can be obtained by the following equation.
IM=VM·TS1/L Formula (5)
However, VM = coil voltage, L = coil inductance at magnetic saturation

図4Bは、所定電流のセンシングパルスを三相コイルに印加し到達時間を測定する方法で、IMはコイル電流、TS1、TS2は到達時間である。磁気飽和量に応じて電流立ち上がりカーブが異なりTS1とTS2は異なるので、タイマーで到達時間を計時し双方を比較すれば相補区間を構成する2区間から1区間に特定できる。 FIG. 4B shows a method of applying a sensing pulse of a predetermined current to a three-phase coil and measuring the arrival time, where IM is the coil current and TS1 and TS2 are the arrival times. Since TS1 and TS2 are different because the current rising curve differs according to the amount of magnetic saturation, if the arrival times are measured by a timer and compared, two sections constituting complementary sections can be identified as one section.

(4)区間の特定方法3
以下、相補区間を構成する2区間から1区間に特定する特定方法3を説明する。特定方法3は、初期位置検出ではなく始動時あるいは低速回転時に繰り返し位置検出する場合に適用するものである。すでに前回の相補区間番号が判っているから、今回の相補区間番号と比較すれば前回と同じ区間に位置しているかあるいは1区間正転したか逆転したか判別できる。それに基づいて今回の区間番号を決定すれば連続回転することができる。但し、相補区間番号を使うことから1区間以内の変化しか対応できない。従って前回の回転子位置検出から今回の回転子位置検出までに1区間以上回転しないことが条件となる。
この特定方法3によれば、極性センシングパルスが不要となり静音化できる。相補区間さえ特定すれば区間まで特定できるため制御ソフトも簡略化される。
(4) Section identification method 3
A method 3 for identifying one section from two sections forming a complementary section will be described below. The identification method 3 is applied not to initial position detection but to repeated position detection at the time of start-up or low speed rotation. Since the previous complementary section number is already known, it can be determined by comparing with the current complementary section number whether it is positioned in the same section as the previous one, or whether it has rotated forward or reversed by one section. If the current section number is determined based on this, continuous rotation is possible. However, since complementary section numbers are used, only changes within one section can be handled. Therefore, it is a condition that the rotor does not rotate for one section or more from the previous rotor position detection to the current rotor position detection.
According to this identification method 3, the polarity sensing pulse is not required, and the noise can be reduced. The control software is also simplified because the segment can be specified only by specifying the complementary segment.

(5)低速領域オンオフ制御方式
以上述べた各種の回転子位置検出方式はいずれも1ms程度の短時間で位置検出できることから、低速回転時に瞬時出力を遮断して位置検出することが可能である。そして検出された回転子位置に基づいて所定時間の励磁を行えば位置閉ループ制御を実現できる。即ち低速回転領域をフィールドオリエンテッドコントロール化できる。
(5) Low-speed area ON/OFF control method Since all of the various rotor position detection methods described above can detect the position in a short time of about 1 ms, it is possible to detect the position by interrupting the instantaneous output during low-speed rotation. Position closed loop control can be realized by performing excitation for a predetermined time based on the detected rotor position. That is, the low-speed rotation area can be field-oriented controlled.

図5に低速領域オンオフ制御方式の動作タイミングチャートを示す。
センシング工程は出力を遮断して行われる。まず誘起電圧から速度を検出し、所定速度以上の高速回転なら本案から離脱して高速処理プログラムに移行する。低速回転なら上述した位置検出方式により回転子位置を特定する。
次に通電工程が実行され、通電工程では前記センシング工程で特定された位置に応じて励磁パターンが選択され任意の出力デューティ比で所定時間だけ通電する。
低速回転時は上記のセンシング工程と通電工程を繰り返す。
この低速領域オンオフ制御方式は、上限回転数と加速度耐量に制限はあるものの、回転子位置に応じて励磁されることから停動(ストール)や逆転にも対応でき、またセンシングと通電を完全に切り離すことができ出力デューティ比などの制約がなくソフトスタートやトルク制御などが容易で高い実用性を実現できる。またノイズや誤動作が発生しても1周期で正常に回復でき確実に動作する堅牢性に優れている。ただし出力をオンオフするため低周波振動や騒音が発生するため、振動や騒音の要求の厳しい用途には不向きである。
FIG. 5 shows an operation timing chart of the low-speed area ON/OFF control method.
The sensing process is performed with the output turned off. First, the speed is detected from the induced voltage, and if the rotation is at a high speed equal to or higher than a predetermined speed, the present invention is abandoned and the high-speed processing program is started. If the rotor rotates at a low speed, the position of the rotor is identified by the position detection method described above.
Next, an energizing step is performed, in which an excitation pattern is selected according to the position specified in the sensing step, and energized at an arbitrary output duty ratio for a predetermined period of time.
During low-speed rotation, the sensing process and the energizing process are repeated.
This low-speed region on/off control method has limits on the upper limit of rotation speed and acceleration resistance, but it can handle stalls and reverse rotations because it is excited according to the rotor position. It can be detached, and there are no restrictions on the output duty ratio, etc., and soft start and torque control are easy, and high practicality can be realized. In addition, even if noise or malfunction occurs, it can recover normally in one cycle and is excellent in robustness to operate reliably. However, since low-frequency vibration and noise are generated when the output is turned on and off, it is not suitable for applications that require severe vibration and noise.

次に図6に示すセンサレスモータ駆動回路を用いた回転子位置検出プログラムのゼネラルフローチャート例を図7に示す。以下では図7のフローチャートに基づいてステップごとに回転子位置検出動作を説明する。なお制御プログラムは制御回路51に格納される。 Next, FIG. 7 shows an example of a general flowchart of a rotor position detection program using the sensorless motor drive circuit shown in FIG. The rotor position detection operation will be described step by step based on the flow chart of FIG. Note that the control program is stored in the control circuit 51 .

上位コントローラ50より回転指令(RUN)が与えられると、MPU51はまずコイル出力を遮断し誘起電圧から回転子の回転速度を検出する(STEP1)。所定の速度以上の高速回転なら任意の高速回転処理に進む(STEP2)。低速回転なら以下の位置検出処理に進む。 When a rotation command (RUN) is given from the host controller 50, the MPU 51 first cuts off the coil output and detects the rotational speed of the rotor from the induced voltage (STEP 1). If the rotation speed is equal to or higher than a predetermined speed, the process proceeds to arbitrary high speed rotation processing (STEP 2). If the rotation speed is low, proceed to the following position detection processing.

論理回路52(LOGIC)は、PWMコントローラ53(PWMC)へ相補区間の一方の区間の通電パターンにて所定時間センシングパルス信号を送出する。PWMコントローラ53はセンシングパルス信号を受けて直流のゲート信号をプリドライバ56(PRE)へ送出する。プリドライバ56は、ゲート出力を増幅して出力回路57(INV)に送出し、出力回路57はプリドライバ56からゲート出力を入力されると、モータへコイル出力電圧UVWを送出する。コイルの開放相電圧は分圧回路61(DIV)で減衰され、コンディショニングされたコイル電圧信号uvwがADコンバータ回路55に入力する。センシングパルス終了直前の開放相電圧はAD変換され、変換結果を論理回路52に送出する。論理回路52はAD変換された測定データを保存する(STEP3)。 The logic circuit 52 (LOGIC) sends a sensing pulse signal for a predetermined time to the PWM controller 53 (PWMC) in the conduction pattern of one of the complementary sections. The PWM controller 53 receives the sensing pulse signal and sends out a DC gate signal to the pre-driver 56 (PRE). The pre-driver 56 amplifies the gate output and sends it to the output circuit 57 (INV), and when the output circuit 57 receives the gate output from the pre-driver 56, it sends the coil output voltage UVW to the motor. The open-phase voltage of the coil is attenuated by the voltage dividing circuit 61 (DIV), and the conditioned coil voltage signal uvw is input to the AD converter circuit 55 . The open-phase voltage immediately before the end of the sensing pulse is AD-converted, and the conversion result is sent to the logic circuit 52 . The logic circuit 52 stores the AD-converted measurement data (STEP 3).

また、論理回路52は、相補区間の他方の区間の通電パターンにて所定時間センシングパルス(逆センシングパルス)を三相コイルに印加し、上記と同様にセンシングパルス終了直前に開放相電圧を測定し保存する(STEP4)。そして、所定時間の休止期間をおく(STEP5)。以上のセンシング通電を、3対の相補区間についてセンシングが完了するまで繰り返す(STEP6)。 In addition, the logic circuit 52 applies a sensing pulse (reverse sensing pulse) to the three-phase coil for a predetermined time in the energization pattern of the other segment of the complementary segment, and measures the open-phase voltage immediately before the sensing pulse ends in the same manner as described above. Save (STEP 4). Then, a rest period of a predetermined time is provided (STEP 5). The above sensing energization is repeated until sensing is completed for three pairs of complementary sections (STEP 6).

次いで論理回路52は、相補区間を構成する2区間の開放相電圧値を減算し符号を減算位置情報とし、3対の相補区間について演算し3ビットの減算位置情報を求める(STEP7)。3ビットの減算位置情報を論理演算し相補区間を特定する(STEP8)。
また、論理回路52は、6個の開放相電圧値の平均を求め中性点電圧とする(STEP9)。特定した相補区間を構成する2区間の開放相電圧値の中性点からの振幅を加算する(STEP10)。加算値の符号にて前記2区間から1区間に特定する(STEP11)。
以上の手順で回転子位置を電気角120°通電の1区間に特定することができる。
Next, the logic circuit 52 subtracts the open phase voltage values of the two sections forming the complementary section, uses the sign as the subtraction position information, and calculates the three pairs of complementary sections to obtain 3-bit subtraction position information (STEP 7). A logical operation is performed on the 3-bit subtraction position information to identify the complementary section (STEP 8).
Also, the logic circuit 52 finds the average of the six open-phase voltage values and sets it as the neutral point voltage (STEP 9). The amplitudes from the neutral point of the open-phase voltage values of the two sections forming the identified complementary section are added (STEP 10). One section is identified from the two sections by the sign of the added value (STEP 11).
With the above procedure, the rotor position can be specified in one section of 120 electrical angle energization.

1 回転子軸 2 回転子 3 永久磁石 4 固定子 50 上位コントローラ 51 制御回路 52 論理回路 53 PWMコントローラ 54 電流アンプ 55 ADコンバータ回路 56 プリドライバ 57 出力回路 58 シャント抵抗 59 零クロスコンパレータ 60 ダミーコモン生成部 61 分圧回路 1 rotor shaft 2 rotor 3 permanent magnet 4 stator 50 host controller 51 control circuit 52 logic circuit 53 PWM controller 54 current amplifier 55 AD converter circuit 56 pre-driver 57 output circuit 58 shunt resistor 59 zero cross comparator 60 dummy common generator 61 voltage divider

Claims (4)

永久磁石界磁を有する回転子と三相コイルを有する固定子を備えるブラシレスDCモータをセンサレス駆動するためのセンサレスモータの回転子位置検出方法であって、
電気角120°通電における6通りの通電区間の180°位相差となる二つの区間の対を相補区間とし、
上位コントローラからのセンシング指令を受けて三相コイルに対するセンシングパルス信号を発生し、三相コイルから検出された回転子位置信号が入力されると回転子位置を判定する制御回路と、
前記制御回路からのセンシングパルス信号が入力されると電力増幅して三相コイルにセンシングパルスを出力する三相ブリッジ構成の出力回路と、を備え、
前記制御回路は、前記上位コントローラからセンシング指令を受信すると、電気角120°通電の6通りの通電パターンのセンシングパルス信号を生成して前記出力回路を介して三相コイルにセンシングパルスを印加し、相補区間を構成する2区間のセンシングパルス終了直前の開放相電圧を測定して回転子位置信号として記憶するステップと、
記憶した相補区間を構成する2区間の開放相電圧値どうしを減算し、減算結果の符号を減算位置情報とし、残る2対の相補区間についても同様のセンシングパルス印加及び開放相電圧測定及び演算処理を行って都合3ビットの減算位置情報を生成するステップと、
前記3ビットの減算位置情報を論理演算することで回転子位置を3対の相補区間のいずれか一つに特定するステップと、
特定された相補区間を構成する2区間の開放相電圧値の中性点電位に対する振幅を加算して磁気飽和成分を抽出し、加算結果の符号により相補区間を構成する2区間から一つの区間を選択し、最終的に回転子位置を電気角120°通電区間の一つに特定するステップと、を含むことを特徴とするセンサレスモータの回転子位置検出方法。
A rotor position detection method for a sensorless motor for sensorless driving of a brushless DC motor comprising a rotor having a permanent magnet field and a stator having a three-phase coil, comprising:
A pair of two sections having a phase difference of 180° among six energization sections in 120 electrical angle energization is defined as a complementary section,
a control circuit that receives a sensing command from a host controller, generates a sensing pulse signal for the three-phase coil, and determines the rotor position when a rotor position signal detected from the three-phase coil is input;
an output circuit having a three-phase bridge configuration that amplifies power when a sensing pulse signal is input from the control circuit and outputs a sensing pulse to a three-phase coil,
When the control circuit receives a sensing command from the host controller, the control circuit generates a sensing pulse signal of six energization patterns with an electrical angle of 120° and applies the sensing pulse to the three-phase coil through the output circuit, a step of measuring the open-phase voltage immediately before the end of the sensing pulse in the two intervals constituting the complementary interval and storing it as a rotor position signal;
The open phase voltage values of the two sections forming the stored complementary section are subtracted from each other, the sign of the subtraction result is used as subtraction position information, and the same sensing pulse application, open phase voltage measurement and arithmetic processing are performed for the remaining two pairs of complementary sections. to generate 3-bit subtraction position information;
specifying the rotor position to any one of three pairs of complementary sections by logically operating the 3-bit subtracted position information;
A magnetic saturation component is extracted by adding the amplitudes of the open-phase voltage values of the two sections forming the specified complementary section with respect to the neutral point potential, and one section is selected from the two sections forming the complementary section by the sign of the addition result. A rotor position detection method for a sensorless motor, comprising a step of selecting and finally specifying the rotor position in one of the 120 electrical angle energization sections.
前記制御回路は、センシングパルスを所定時間印加してセンシングパルス終了時のコイル電流を測定するか、あるいは所定電流のセンシングパルスを印加し所定電流値に到達する時間を測定する極性検出を行なうステップを更に含み、
相補区間が特定された後、制御回路は特定された相補区間を構成する一方の区間の通電パターンにてセンシングパルス信号を発生し出力回路を介して第一のセンシングパルスを三相コイルに印加し、第一のセンシングパルス時間に相当する休止時間をおいて前記相補区間を構成する他方の区間の通電パターンにてセンシングパルス信号を発生し出力回路を介して第二のセンシングパルスを三相コイルに印加し、双方のセンシングパルスのそれぞれについて、前記制御回路は所定時間通電後の電流値あるいは所定電流までの到達時間を検出して双方の電流値あるいは到達時間の大小比較を行い、それに基づいて相補区間を構成する2区間のいずれか一方を選択し、回転子位置を120°通電の1区間に特定する請求項1記載のセンサレスモータの回転子位置検出方法。
The control circuit applies a sensing pulse for a predetermined time and measures the coil current at the end of the sensing pulse, or applies a sensing pulse of a predetermined current and measures the time required to reach a predetermined current value. further includes
After the complementary section is identified, the control circuit generates a sensing pulse signal in the energization pattern of one section constituting the identified complementary section, and applies the first sensing pulse to the three-phase coil via the output circuit. , a sensing pulse signal is generated in the energization pattern of the other section constituting the complementary section after a pause time corresponding to the first sensing pulse time, and the second sensing pulse is applied to the three-phase coil through the output circuit. For each of the two sensing pulses, the control circuit detects the current value after a predetermined time of energization or the arrival time to reach the predetermined current, compares the two current values or the arrival time, and complements them based on the result. 2. A rotor position detection method for a sensorless motor according to claim 1, wherein either one of two sections constituting the section is selected, and the rotor position is specified as one section of 120° energization.
回転子位置検出を繰り返し実施する際に、前回位置検出と今回位置検出の間に1区間以上回転しないことを条件として、前回の位置検出により得られた前回相補区間番号が与えられる場合、今回相補区間番号が前回相補区間番号と同じ時は今回区間番号を前回区間番号と同じとし、今回相補区間番号が前回相補区間番号より1区間進んだ時は今回区間番号を一つ進め、今回相補区間番号が前回相補区間番号より1区間戻った時は今回区間番号を一つ戻す、ことで回転子位置を電気角120°通電の1区間に特定する請求項1又は請求項2記載のセンサレスモータの回転子位置検出方法。 When the rotor position detection is repeatedly performed, on the condition that the rotor does not rotate by one section or more between the previous position detection and the current position detection, when the previous complementary section number obtained by the previous position detection is given, the current complementary section number is given. If the section number is the same as the previous complementary section number, the current section number will be the same as the previous section number. 3. Rotation of the sensorless motor according to claim 1 or 2, wherein the rotor position is specified in one section of 120 electrical angle energization by returning one section number from the previous complementary section number when the number is one section back from the previous complementary section number. Child location method. 三相コイルへの通電を遮断して誘起電圧から回転子の回転速度を検出し、
所定速度以上の高速回転時は任意の高速回転処理へ移行し、所定速度未満の低速回転時は前記請求項1~3のいずれかに記載のセンサレスモータの回転子位置検出方法により回転子位置を特定する処理を行うセンシング工程と、
前記センシング工程にて特定された回転子位置に基づいて励磁パターンを決定し任意のPWMデューティ比で所定時間通電する通電工程を備え、
所定速度未満の低速回転時は上記のセンシング工程と通電工程を交互に繰り返す、ことを特徴とするセンサレスモータの駆動方法。
The rotation speed of the rotor is detected from the induced voltage by interrupting the energization to the three-phase coil,
When rotating at a speed equal to or higher than a predetermined speed, an arbitrary high-speed rotation process is performed, and when rotating at a low speed below a predetermined speed, the rotor position is detected by the sensorless motor rotor position detection method according to any one of claims 1 to 3. A sensing step for performing identifying processing;
An energizing step of determining an excitation pattern based on the rotor position specified in the sensing step and energizing for a predetermined time at an arbitrary PWM duty ratio,
A method of driving a sensorless motor, wherein the sensing step and the energizing step are alternately repeated during low-speed rotation below a predetermined speed.
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