JP3440274B2 - ブラシレスdcモータ制御 - Google Patents

ブラシレスdcモータ制御

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JP3440274B2 JP53419098A JP53419098A JP3440274B2 JP 3440274 B2 JP3440274 B2 JP 3440274B2 JP 53419098 A JP53419098 A JP 53419098A JP 53419098 A JP53419098 A JP 53419098A JP 3440274 B2 JP3440274 B2 JP 3440274B2
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    • H02P6/28Arrangements for controlling current

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、電気的に制御される(永久磁石回転子を有
する)ブラシレスDCモータに関し、特に、単一ではな
い、家庭用器具及び健康管理装置等における小馬力の用
途に対する3巻線モータに関する。

従来技術 電気転流(electronically commutated)ブラシレスD
Cモータを制御する方法は、米国特許第4,495,450号(To
kizaki他)に記載されており、家庭用器具における使用
及び特に洗濯機に対しては米国特許第4540921号(Boyd
他)、米国特許第4857814号(Duncan他)に記載されて
いる。これらの特許に記載された、電気制御モータ(EC
M)の基本的な着想のいくつかについては、図1及び2
を参照して以下に手短に述べる。

通常はパワーFETであるような転流スイッチを有する
理想的な三相(あるいは巻線)DCモータが図1に示され
ている。相Aの上側のスイッチ1及び相Bの下側のスイ
ッチ2をターンオンすることによって、静止磁界が固定
子に生成される。この磁界は、相Bの下側のスイッチ2
をターンオフし、かつ相Cの下側のスイッチ3をターン
オンすることによって、時計周りの方向に動く。相Aの
上側のスイッチ1をターンオフし、かつ相Bの上側のス
イッチ4をターンオンすることによって、磁界が時計周
りの方向へ動き続ける。転流スイッチのこの「回転」を
繰り返すことによって、固定子の磁界が、スイッチのス
イッチングと同じ速度で回転することになる。時計周り
の回転のためのスイッチの状態の完全なパターンが図2
に示されている。

モータの半時計周りの回転は、転流スイッチのスイッ
チングパターンの順序を逆にすることによって得られ
る。

固定子における回転磁界の生成について記された方法
では、2つだけの相が、同時にそれらの相に意図的に流
れる電流を有する。これによって、第3の巻線にはそこ
を流れる意図的な電流を残さないことになる。引用され
た特許においては、この一時的に使用されない巻線は、
回転する永久磁石回転子によって誘導される電圧に対し
て感知され、回転子の位置の示度を提供する。この誘導
電圧は逆起電力(BEMF)に起因する。

感知されたBEMF波形は周期的であり、台形と正弦曲線
に近い形との間を変化する。この波形の「ゼロクロス」
は、永久磁石の極のエッジに起因しており、その回転位
置を追跡するために回転子上に一貫した転を提供する。

このようなDCブラシレスモータを運転しているとき、
各転流は回転子の位置と同期する必要がある。上記のBE
MF信号がゼロを通過するとすぐに、連続回転を確保する
次のスイッチングパターンで達成される転流が決定され
る。回転子が適切な角度位置にあるときにだけスイッチ
ングを発生しなければならない。これは、速度制御のた
めの閉ループフィードバックシステムに帰着する。

回転子の加速又は減速は、固定子の回転磁界の強度を
増加あるいは減少させることによって(パルス幅変調
(PWM)技術によって)達成される。なぜなら、固定子
上の力は磁界の強度に比例するからである。転流周波数
は、BEMFセンサからの閉ループフィードバックによって
回転子のペースを維持することになる。

一定負荷の下で所定の速度を維持することは、固定子
の磁界の強度を制御することを伴い、所望の転流レート
の維持を確実にする。変化する負荷の下で所定の回転速
度を維持することは、固定子の磁界の強度の対応する交
番を必要とし、回転子の負荷変動を補償する。

米国特許第4,540,921号及び第4,857,814号に記載され
たECM技術は、スイッチングFETを流れ得る電流を安全な
値に制限するための専用の電流制限回路の使用を必要と
する。このような保護回路は、ECMシステムの費用を増
大させ、より低い出力で、より高価ではないような用途
での使用を妨げる。更に、モータ電流はモータ負荷に対
して正比例で変化するので、負荷変動を引き起こす事象
に応答して器具の運転を制御するためには、モータ電流
の測定を使うことが望ましいであろう。引用された従来
技術では、このような負荷感知には更に高価なハードウ
ェアを必要とするであろう。

回転子の位置を判定するためにBEMFの感知を用いるこ
とは多くの利点を有するが、回転子巻線の転流時に生じ
る過渡現象を取り除くために出力は高価な構成要素を使
うフィルタリングを必要とするという問題がある。加え
て、このタイプのECMシステムは、一般にBEMFをもたら
すモータ電流のために、最適なモータ効率では運転され
ない。

従って、本発明の目的及び/又は本発明の1つ又はそ
れより多い好適な実施例は、上記の欠点を克服するいく
つかの方法を実行する電気制御モータシステムを提供す
ることである。

発明の開示 従って本発明は、どの時点においても、1つのモータ
巻線は、電力が供給されておらず、巻線の転流を始動す
るのに使われる情報である逆起電力のゼロクロスを検出
するのに使われ、転流素子を制御する信号のパルス幅変
調がモータの加速を制御するために使われ、一方向電流
素子が、転流素子に並列に接続される電気転流ブラシレ
スDCモータにおいて、電流の供給がこの巻線から取り除
かれた後、一方向電流素子による蓄えられたエネルギー
が消滅することでこの巻線に生成される電流パルスの持
続時間がモータ電流の測定に使われることを特徴とする
電気転流ブラシレスDCモータにある。

第2の態様では本発明は、どの時点においても、1つ
のモータ巻線は、電力が供給されておらず、巻線の転流
を始動するのに使われる情報である逆起電力のゼロクロ
スを検出するのに使われ、転流素子を制御する信号のパ
ルス幅変調がモータの加速を制御するために使われ、一
方向電流素子が、転流素子に並列に接続される電気電流
ブラシレスDCモータにおいて、電流の供給がこの巻線か
ら取り除かれた後、一方向電流素子による蓄えられたエ
ネルギーが消滅することでこの巻線に生成される電流パ
ルスの持続時間が測定され、モータ巻線における電流の
転流の瞬間がモータ電流と逆起電力との位相角を減らす
ために各逆起電力ゼロクロスの発生の後に遅延させら
れ、それによってモータ効率が最大となり、この遅延
は、前の転流とこの電流パルス持続時間との間の時間の
関数として計算されることを特徴とする電気転流ブラシ
レスDCモータにある。

更に別の態様では本発明は、 少なくとも1つの相の巻線を有する回転子及び固定子
を持つブラシレスDCモータと、 直流電源と、この電源に接続され、前記少なくとも1
つの巻線あるいは固定子巻線の選択された組に電流を供
給するスイッチング素子と、スイッチング素子を通る電
流の供給が終了した後各巻線に蓄えられたエネルギーを
消滅させるために電流経路を提供する一方向電流素子と
を有する転流回路と、 前記少なくとも1つの巻線上の電圧を感知し、前記電
圧をA基準信号電圧と比較し、それによって、前記少な
くとも1つの巻線に回転子の回転により誘導される逆起
電力のゼロクロスを検出するディジタイザ回路と、 メモリ及び入出力ポートを有するプログラムされたデ
ィジタルプロセッサであって、第1のポートは前記ディ
ジタイザ回路の出力に接続され、第2のポートのグルー
プは前記転流回路に接続されてスイッチング信号をそこ
に供給するディジタルプロセッサと、 前記メモリに記憶され、前記プロセッサに前記スイッ
チング信号を生成させるソフトウェアとを備え、 前記ソフトウェアは、 (a)(i)もし連続的かつ周期的にスイッチング素子
に印加されるならば固定子巻線に回転磁界を生成させる
ような、前記転流回路における各スイッチング素子に対
する状態の順序の組合わせと、(ii)回転子が対応する
所定の位置にある時に連続回転を確保するために回転子
のトルクを生成するスイッチング素子状態の組合わせに
それぞれが対応するような、前記固定子の角度の所定の
位置に対して前記ディジタイザ回路の可能性のある順序
の出力状態とを記憶するテーブルと、 (b)前記テーブルから各記憶された状態の組み合わせ
を選択し、所定の時間に選択される特定の組合わせの状
態に対応する論理レベルを有する各スイッチング素子に
対してディジタルスイッチング制御信号生成するルーチ
ンと、 (c)前記スイッチング制御信号をパルス幅変調してそ
れによって固定子巻線における電流実効値を制御するル
ーチンと、 (d)記憶されたデューティーサイクル値に従ってパル
ス幅変調のデューティーサイクルを設定するルーチン
と、 (e)前記ディジタイザ回路の出力を読み取り、そこか
ら回転子の角度位置を決定する位置決定ルーチンと、 (f)その連続回転のために各感知された回転子位置に
対応する記憶された状態の組合わせを選択するための前
記選択ルーチンを呼び出すルーチンと、 (g)前記ディジタイザ回路の出力を読み取り、そこか
ら前記回転子の各速度を決定する速度決定ルーチンと、 (h)所望の回転子速度の値を記憶するテーブルと、 (i)決定された回転子速度を所望の回転子速度と比較
して、速度誤差値を生成するルーチンと、 (j)前記速度誤差値を受信し、回転子速度が所望の速
度より小さいときには増加され、回転子速度が所望の速
度より高いときには減少させられるように、前記記憶さ
れたデューティーサイクル値を更新するルーチンと、 (k)スイッチング素子を通じて各巻線に電流を供給す
ることが終了した後、蓄えられたエネルギーが消滅する
間に、前記ディジタイザ回路の出力を読み取り、そこか
ら各相の巻線に生成されるパルスの持続時間を決定す
る、パルス持続時間決定ルーチンと、 (l)そのように決定されたパルス持続時間を、記憶さ
れ予め決められたパルス持続時間の最大値とを比較し、
もしそのように決定された持続時間が前記最大値よりも
大きい場合は、記憶されたデューティーサイクル値を減
少された値に設定するための値を生成するルーチンと、 (m)このデクリメントする値を読み取り、現在の記憶
されたデューティーサイクル値を更新するルーチンとを
有するような、電気転流モータシステムにある。

図面の簡単な説明 図1は、電気的に転流される3巻線ブラシレスDCモー
タの回路図である。

図2は、図1のモータを時計周りに回転させるための
転流スイッチの状態の順番を示す図である。

図3は、本発明によるブラシレスDCモータ及びコント
ローラのブロック回路図である。

図4は、図3のモータの相にかかる電圧を示す波形図
である。

図5は、巻線を通るモータ電流経路を示す部分回路図
である。

図6は、種々のモータ電流でのモータ性能のグラフで
ある。

図7は、モータ巻線電流及び逆起電力を示す波形図で
ある。

図8は、図3に示される逆起電力ディジタイザ回路の
ための回路図である。

発明を実施する最良の形態 図3は、ブロック図形式による、本発明のモータ制御
システムを示す。主なハードウェアのブロックは、永久
磁石3巻線モータ21、モータ巻線転流回路22、スイッチ
モードDC電源23、逆起電力ディジタイザ回路24及びマイ
クロプロセッサ25である。マイクロプロセッサ25内のブ
ロックは、以下で説明するようなソフトウェアルーチン
によって実行される機能を表す。

このECMシステムは、3巻線(すなわち相)A,B,Cと6
つの突極を持つ固定子を有するモータに関連して説明さ
れる。他の固定子構造を使うこともできる。種々の極数
を適用することができるが、このモータは4極の永久磁
石回転子を有する。巻線A,B,Cは図3に示されるこの実
施例のように星型構造で相互に接続される。

転流回路22は、パワー電界効果トランジスタ(FET)
という形でのスイッチング素子の組を含み、このスイッ
チング素子は、直流電源23にかけて接続され、図1及び
2を参照して既に説明した方法で巻線A,B,Cのそれぞれ
を転流する。各モータの相に対して上側及び下側のスイ
ッチを構成する6つのスイッチング素子のそれぞれは、
マイクロプロセッサ25によって生成されるゲート信号a
+、a−、b+、b−、c+、c−によって切り換えら
れる。切換えモード電源23は、各スイッチング素子の組
に印加されるDC電圧を供給する。

固定子によって誘導される逆起電力を監視する目的の
ために、BEMFディジタイザ回路24は、モータの相A、B
及びCのそれぞれのスイッチ終端から入力信号を受信す
る。どのような所定の時間においても転流回路22から電
流が供給されていないモータ巻線からの出力は、この目
的のために使われる。使用される逆起電力感知は、図1
及び2を参照して既に説明されている。BEMFディジタイ
ザ回路24は、その3つの入力においてアナログ信号を示
していた合成ディジタル信号をその出力に供給し、公知
のコンパレータ技術によって3つの論理レベルが導かれ
る。出力信号は、回転子の極はその相に関連する巻線の
極を通るとき個々のアナログBEMF電圧の「ゼロクロス」
に一致するような論理遷移を有するであろう。この出力
はまた、以下で説明するような他の情報も含む。

BEMFディジタイザ回路24に適した回路が図8に示され
る。コンパレータ51には、出力56上の基準電圧Vrefと、
出力55上の3モータ巻線A,B及びCからの逆起電力電圧
とが提供される。入力55での合成巻線電圧信号のレベル
がVrefを越えたとき、(ゼロクロス点を確立するため
に)コンパレータの出力57は状態を変化させ、それによ
って巻線電圧信号の非常に大きなエクスカージョン(ex
cursion)をディジタル化する。

抵抗52〜54は、巻線電圧を結合し、従って、コンパレ
ータの出力を3つ全ての巻線にかかる電圧によって決定
される。コンパレータの2つの状態の出力57は、マイク
ロプロセッサのポート27に供給される。既に述べたよう
に、これは回転子の位置及び他の制御目的のために有用
である。転流されない巻線にかかる電圧である。しか
し、転流は、マイクロプロセッサによって決定されるの
で、モータ電流を運搬するあらゆる時間においても巻線
がわかり、従って、どの巻線電圧が所定の時間間隔での
ディジタイザ回路出力に映し出されるかを決定する時間
窓(time window)が確立される。

スタートアップルーチンにおいては、使用されない巻
線における逆起電力の大きさは、コンパレータ51の状態
を変化させるのには不十分であり、転流の閉ループフィ
ードバック制御を使うことができない。閉ループ制御に
対するスイッチングに対して所望の回転子速度で、ゼロ
クロス状態遷移が出力57に現れるように、(一定ではな
くてもよい)Vrefの値及び、抵抗58の値は、ディジタイ
ザ回路のヒステリシスをセットするように選ばれる。こ
れは、いくつかの用途に対しては通常330rpmであり得
る。

本発明のモータ制御は、プログラムされた単一のマイ
クロプロセッサ25によって実行され、そのマクロプロセ
ッサ25は、転流回路22に対して、付加的な論理又は「カ
レントステアリング(current steering)」回路を必要
とすることなく直接スイッチング信号を供給する。モー
タ巻線の電流における必要なパルス幅変調もまたマイク
ロプロセッサ25によって実行される。

マクロプロセッサ25は、通常、8ビットシングルチッ
プCPUであり、最適なタイプはテキサスインストゥルメ
ントのTMS370である。CPU、バス、クロック、RAM及びRO
Mのようなマイクロプロセッサのハードウェア構成部品
は、図3には示されていない。なぜなら、マイクロプロ
セッサのこれらの本質的な構成部品は、公知であるから
である。むしろ、説明を助けるために、マイクロプロセ
ッサ25内に示されるブロックは、それぞれ、マイクロプ
ロセッサ25によって実行されるソフトウェアルーチンに
よって実行される制御機能を表し、また代わりに、メモ
リにおけるデータテーブル又はデータ記憶の位置を表
す。

図2に示されるような転流スイッチングパターンは、
モータの半時計周りの回転を生成するためのスイッチン
グパターンである第2の順序と共に、テーブル28に記憶
される。転流スイッチ用の制御パルスは、転流制御パル
ス発生器ルーチン29によって合成されるが、そのルーチ
ンは、モータ21に必要な特定の回転方向のための次の転
流を生成するのに必要である、テーブル28におけるスイ
ッチング状態パターンの位置を指し示すポインタ値を含
む。6つの転流駆動信号は、これらのうちの2つだけが
各転流時に状態を変化させるが、合成させるためには必
要である。

初期段階でのスタートアップルーチン30は、低い一定
周波数(あるいは低いがゆっくり増加する周波数)でス
イッチングパターンの順序によってポインタ29を実質的
に「クロック」する。これは固定子の相を転流して、デ
ィジタイザ回路24のヒステリシスを克服するのに十分に
高い速度で回転磁界を生成する。永久磁石回転子は回転
固定子磁界に追従する。

使われない相の各巻線から入力ポート27においてディ
ジタル逆起電力信号を生成するのに十分な速度でモータ
が回転するとき、モータ起動ルーチンは、説明した開ル
ープ制御モードから閉ループ制御モードへ分岐する。こ
れは、位置感知ルーチン31が、合成ディジタルBEMF信号
を入力ポート27で読み込み、どの相が即座に転流されて
いるかについての情報を使うことで、使われない相にお
ける逆起電力に起因する遷移を決定し、各相における各
「ゼロクロス」に続く並列パターンあるいはディジタル
ワードを生成し、このパターンをルーチン29へ渡す、と
いうことを伴う。テーブル28内のルックアップテーブル
にアクセスすることによって、このルーチンは、ルーチ
ン31によって供給されるパターンによって指示されるよ
うな回転子位置に対する考慮を有するモータの効果的な
連続回転を確保するために適用されるのに適した、テー
ブル28における転流スイッチングパターンを画定する。
そうして、回転子の位置は固定子の相の転流を決定す
る。

転流回路22へ供給されたとき、合成された転流制御パ
ルスはパルス幅変調される。すなわち、ルーチン32は、
ロケーション33に保持されるデューティーサイクルの現
在の値に従って、モータ電流が流れるべき転流素子に適
するルーチン29によって合成されたパルスにデューティ
ーサイクルを与える。デューティーサイクルは、モータ
21を加速及び減速するために、そしてモータに対する変
動負荷に適応するために、変化させられる。なぜなら、
モータトルクはモータ電流に比例し、これはパルス幅変
調(PWM)のデューティーサイクルによって決まるから
である。

速度感知ルーチン34はBEMFゼロクロスパターンを読み
込み、タイマルーチン36と関連して回転子の角速度を表
わす値を決定する。ルーチン37は、この値とテーブル38
に記憶された速度について予め決められた値nとを比較
する。計算された回転子速度がnより小さい場合、ロケ
ーション33に保持されるデューティーサイクル値は、
(例えば1%ずつ)インクリメントされるであろうし、
計算された回転子速度がnより大きい場合は、33のデュ
ーティーサイクル値は、(例えば1%ずつ)ディクリメ
ントされるであろう。テーブル38から選択された予め決
められた速度の値は、どのような特定の時間においても
モータの用途に依存するであろう。以下で議論する例で
は、通常の所定の動作速度は3000rpmである。

転流回路のスイッチング素子を保護するためには、電
流制限機能を課すべきである。図6を参照して以下に更
に詳しく説明するように、出願人は、モータ電流実効値
(すなわち、あらゆる時間における接続された相のあら
ゆる組での電流)は、フリーホイール電流の持続時間に
正比例するが、このフリーホイール電流は転流スイッチ
からの供給が終了した後、各巻線に流れる。この電流は
もちろんインダクタはエネルギーを蓄えるという公知の
特性によるものであり、印加電圧の除去によりエネルギ
ーを消滅させる必要がある。従来技術で公知であるよう
に、「フリーホイール」ダイオードが転流スイッチング
素子に並列に接続され、このような電流の流れを促進す
る。

この発見に基づいて、使用されない各巻線に生じる電
流パルスがルーチン40によってBEMFディジタイザ回路24
の出力から取り出されるが、これはタイマ36と共に各フ
リーホイール電流パルスの持続時間を決定する。第1の
決定ルーチン41はパルス幅CPがロケーション42に記憶さ
れている所定の値T1よりも大きいかを確認するが、この
値は、転流素子に対して決定的な最大限界におけるモー
タ電流の値に一致する。もしそうであるならば、値43
は、最小のON時間を有するPWMデューティーサイクルを
確立するロケーション33に設定される。以下で議論され
る例では、これは通常は17%であってもよい。パルス幅
がT1よりも小さければ、第2の決定ルーチン50は電流パ
ルス幅がロケーション49に記憶され通常の最大の安全動
作電流に一致する更に低い所定の値T2の持続時間を超え
るかを確認するが、もしそうであるならば、値44はPWM
デューティーサイクル値33をデクリメントするのに使わ
れる。通常のデクリメントは5%である。電流パルス持
続時間がT2よりも小さい場合は、そのときは電流制限は
必要なく、PWMデューティーサイクル制御は速度決定ル
ーチン37へ移る。

多くの用途においてはモータ21上の負荷の度合いある
いは負荷の増加は、ECMシステムで使われるプロセスの
制御に対する有用な情報を構成するかもしれない。モー
タ負荷におけるあらゆる変化は、モータ電流における変
化に反映されるであろうし、電流パルス測定ルーチン40
はこのような感知情報を提供するのに使われる。負荷監
視ルーチン45は、ルーチン41によって今のところ決定さ
れた電流パルス幅の値を渡し、パルス幅の急激な変動を
確認することによって、あるいはパルス幅が所定のしき
い値に達しているということを判定することによって、
有用な出力を出力ポート46を介して外部コントローラに
供給することができる。例えば、洗浄液体ポンプを駆動
するためにモータが皿洗い機に使われるような場合、ポ
ンプが給水管側に水を入れはじめるときのモータ電流の
急激な増加を検出することによって水位を確認すること
ができる。

説明したタイプのECMシステムでは、BEMFをもたらす
相電流のおかげでモータ21の最大運転効率を得ることが
できないので、電流及び電圧のピークは一致しない。こ
のことは、ゼロクロス検出後、相のスイッチングを遅延
させるのに使われる時間を計算することによって、本発
明により改善することができる。従って、(以下で詳細
に説明される)遅延アルゴリズム47は、転流の遅延をも
たらし、モータ巻線の電圧及び電流のピークを一致さ
せ、それによって、モータの効率を最適にする。

BEMFディジタイザ回路24からの出力信号は、転流の発
生と同時に過渡現象を含む。ハードウェアフィルタを使
う代わりに、本発明では、これらの過渡現象はソフトウ
ェアによってフィルタされる。ルーチン48は入力ポート
27において信号を読み取るが、ルーチン29からの転流に
関するタイミング情報を使って各転流の発生時に読み取
られる機能を中断する。

上で概説した特定のルーチンの動作は、次のセクショ
ンでより詳細に説明される。

モータ起動ルーチン モータ起動は、ルーチン30によって2つのステップで
行われる。第1のステップは、固定子の磁界の回転を開
始することを伴う。これは、時計周りあるいは半時計周
りの回転のどちらに対しても、スイッチングパターン
(図2)のステップを踏むことによって得られる。永久
磁石モータは、固定子の回転磁界に追従するであろう。
このステップでは、システムはオープンループである。
第1のステップが完了したときの回転磁界の最終的な速
度は、回転子の回転を検出するためにディジタイザ回路
24に対して必要な最小のBEMFによって決まる。BEMFの大
きさは、回転子の回転速度に正比例する。回転が無い場
合は、そのときはBEMFはゼロである。代わりに、回転が
速ければ速いほど、BEMFは大きくなる。しかし、固定子
の回線磁界のオープンループ速度が、固定子に対して速
すぎて「追いつく」ことができないかもしれないポイン
トが存在する。これでは、モータを適切に起動すること
は決してできないであろう。この上限の速度の限界は、
回転子の慣性によって決まる。好適な実施例の1つの用
途では、初期スタートアップ速度の最大値は、330rpmで
ある。

330rpmで、閉ループ動作が可能であるための十分なBE
MFが生成される。従来技術の説明で概説したように、ソ
フトウェアは、BEMFの反応して記憶された次のスイッチ
ングパターンに変えるだけである。図4は、相Bにかか
る電圧が各スイッチングパターンでどのように変化する
かを示している。ディジタイザ回路24に対してBEMF波形
が基準電圧Vrpfとクロスするとき、回転子の位置が決ま
る。そしてソフトウェアは、次のスイッチングパターン
に変わるのに最適な時間を決める。回転子速度がフード
バック制御の下にあるとき、BEMF「基準クロス」が発生
することになるまで転流は発生しない。

スタートアップルーチンの第2のステップは、従来技
術の説明において概説したようにPWMデューティーサイ
クルを増加させることで回転子速度を所望の運転速度ま
で増加させるということを伴う。

速度制御 閉ループ制御の下で、転流が回転子に「追従」する。
好適な実施例の1つの用途では、3000rpmが所望の回転
速度である。これは、回転子の1回転数あたり0.02秒か
かることに等しい。ある実施例によれば、モータシステ
ムは、4極の回転子と6極の固定子とを有するモータを
制御するように意図されている。モータの2「電気」回
転、すなわち完全なBEMFサイクルに対して、回転子の1
機械回転だけ回転が必要である。各電気回転は6つ転流
が必要である。これは、各転流の間の時間は1.667ミリ
秒であることを意味している。330rpmの初期起動速度か
ら3000rpmまで回転速度を増加させるために、転流のレ
ートが1.667ミリ秒に等しくなるまで固定子の電流を増
加させなければならない。

一旦回転子の動作速度になると、回転子の負荷のどの
ような変動もその速度に影響してくる。これら速度変動
は、既に説明された手法でPWMデューティーサイクルを
変えることによって補償され、所望の回転速度が常に得
られることが確保される。

ソフトウェアは2つの異なるステップサイズにおいて
PWMデューティーサイクルの値を変える。

1.モータ速度が所望の速度の10%以内である場合、PWM
レートは1%毎で変化する。

2.モータ速度が10%以内でない場合、PWMレートは5%
毎で変化する。

この速度は本発明の1つの用途の例を言っている。さ
らに高い速度が他の用途に対して選択されるかもしれな
い。

フリーホイール電流パルス スイッチング素子電流を制限するルーチン40,41,50
は、フリーホイール電流パルスを使用する。これは、図
5(図1を簡単化したバージョン)及び図4を参照して
説明される。図5は、相A及びCにおける電流の流れを
示す。これは、相Aの上側のスイッチ1(A+)及び相
Cの下側のスイッチ3(C−)がオンしていることに相
当する。この電流は実線の矢印で表せる。

点線の矢印は、前の転流のスイッチングパターンによ
る電流の流れを表わす。前の転流では、スイッチ1(A
+)及び2(B−)がオンであった(図2を参照)。電
力スイッチ2(B−)がターンオフし、かつスイッチ3
(C−)がターンオンしたとき、相Bのインダクタにお
ける電流をすぐにはゼロにすることはできない。インダ
クタは電流の流れを維持する。これにより、上側のスイ
ッチ4に並列のフリーホイールダイオード5が導通し始
めるまで相Bの終端に電圧が生じる。このポイントで
は、「相の終端の」電圧はV+0.6ボルトにクランプさ
れ、電流は相Bのインダクタから流れ出す。この「フリ
ーホイールしている」電流はスイッチがターンオフする
ときはいつも発生する。電流がゼロに減ったとき、ダイ
オードは導通をやめ、相Bにかかる電圧はBEMFのみによ
ることになる。相Bに対するフリーホイール電流パルス
は図4の「CP」で示される。

電流が相を流れているとき、BEMFは感知できない。フ
リーホイールしている電流はBEMFの感知時に不連続にな
る。これはここでは「電流パルス」として呼ばれる。相
Bの電圧波形は図4に示され、電流パルスをはっきりと
見ることができる。

電流制御 転流スイッチを通じて流れる電流は、使用されるスイ
ッチング素子に適した安全なレベルに制限しなければな
らない。好適な実施例では、スイッチング素子として使
われるFETに対する制限は、定常状態では2アンペア、
連続したパルス状では4アンペアである。各巻線におけ
る最大電流は、レール電圧と、巻線の抵抗によって分割
された巻線に生成されるBEMFとの差によって決定され
る。

電流の傾きは、巻線のインダクタンスによって決まる。

スタートアップ時に転流素子を通じて流れるピーク電
流が常に4アンペア以下であることを確保するために、
PWMデューティーサイクルを最小値に維持する。この最
小値はまた、スタートアップ時に最大トルクを設定す
る。回転子及び接続された負荷の慣性は、スタートアッ
プ時に可能な最大限のトルクでモータがスタートできる
ことを確保できるように低くなければならない。

初期のPWMの値は、回転子及びどのような初期負荷の
慣性を克服できる十分な起動トルクが確保されるように
選択される。この値は、4つの基準による転流の原則に
よって転流時に変わる。

1.モータ電流が臨界点になる場合、PWMを所定の「安全
な」値に制限する。

2.モータ電流が臨界に達する場合、PWMを減少させる。

3.モータが速度より低い場合、PWMを増加させる。

4.モータが速度を越える場合、PWMを減少させる。

図6は、既に述べたシステムのモータ性能を表わすグ
ラフを示す。双曲線は、種々のPWMデューティーサイク
ル(例えば、9%、18%、27%他)に対するトルク対速
度のグラフである。ほぼ水平である曲線は、所定のPWM
デューティーサイクルのパーセンテージ及び回転子速度
でのスイッチング素子電流実効値のプロットである。こ
のグラフは次のことを示している。

1.PWMデューティーサイクルとモータの出力トルクとの
間の線形関係 一定速度(例えば314rad/secあるいは3000rpm)で
は、VBEMFは一定のままであろう。(種々のPWMデューテ
ィーサイクルによる)Imotorの変動は、モータのトルク
を適度な線形関係で変動させるであろう。これは、所定
の速度に対しては、PWMデューティーサイクルと負荷変
動との間の関係は線形であるということを意味してい
る。

2.モータ電流が4アンペアを越えないようにするための
最小のPWMデューティーサイクル。30%あるいはそれよ
り小さいようなPWMデューティーサイクル曲線の全て
は、4アンペアの水平線を決してクロスすることはな
い。これは、回転子速度に関係なく、これらのデューテ
ィーサイクルに対してモータ電流が4アンペアを越えな
いということを意味している。これは、スタートアップ
時及びモータ故障状態下での最大PWM値を決定する。

3.通常の動作によってモータ電流が2アンペア(実効
値)を越えることにはならない。速度が314rad/sec(30
00rpm)でかつPWMデューティーサイクルが100%では、
このグラフはモータにおける電流は2アンペア(実効
値)を越えていないということを示している。

図6はまた、実効値のモータ電流(アンペアで測定さ
れた右側の方のY軸)対電流パルス持続時間(ミリ秒で
測定)についても示している。このグラフは、電流パル
スの持続時間はモータにおける実効値電流に正比例する
ということを示している。これによって、モータにおけ
る実効値電流が電流パルス持続時間を測定することで決
定することができる。そうすることで、従来のECMを象
徴する、専用のハードウェア電流制限回路を取り除くこ
とができる。

電流制限 電流制限は、どんな故障あるいは起動状態の下でも、
PWMデューティーサイクル値33を17%に制限することに
よって得られる。ルーチン40から渡されるデータから、
ルーチン50が電流パルス持続時間が1ミリ秒よりも長く
なるということを確認したとき、故障状態であるとされ
る。このことは、FETを流れるおおよそ3アンペア(実
効値)に相当する。この状態が検出されたとき、デュー
ティーサイクル値がすぐに17%に制限され、ソフトウェ
アは、モータをフル速度に戻そうと試みるであろう。モ
ータをフル速度へ戻す試みについて所定回数失敗した場
合は、ソフトウェアはユーザに対してエラーを合図する
ことになる。

電流トリップ 電流トリップは、スイッチモード電力供給(SMPS)23
によって容易になされる。1次インダクタにおける電流
が、2.25〜3.15アンペアを越える場合、SMPSの次のサイ
クルが始動されるまで上側のスイッチがターンオフす
る。これは、2次側に転送され得るエネルギー量を制限
する。

この状態を発生させる通常の故障は、ソフトウェア制
御の不能又はハードウェアの故障によって上側及び下側
のFETが同時にオンになるということである。FETを流れ
る電流量は、どれくらいのエネルギーが変圧器の2次側
のインダクタ及び40Vレール(40V rail)がかかる平滑
コンデンサにあるかに依存する。ダメージを受ける前に
NチャネルFETが特に取り扱うピークエネルギーは30ミ
リジュールである。

モータ効率の最適化 アルゴリズム47の機能は、モータ出力に関する式から
わかるように、モータ効率を最適化するために相のBEMF
及び電流波形を維持することである。

Powermotor=VBEMF×Imotor×cos(位相角) 位相角をできるだけ小さく維持するということは、前
の転流に特有である時間量を転流毎に遅延させるという
ことを伴う。

このダイナミックな転流遅延を計算する式は、 この式は図表を用いて得ることができる。図7は、2
つの軌跡を示す。正弦波の軌跡は、永久磁石が回転する
ので、固定子の巻線に誘導されたBEMFとなる。台形の軌
跡Iphaseは、所定の巻線を流れる電流である。目的とし
てはt1=t6にすることである。これは、位相角を最小に
するために、BEMF波形に関して電流波形が中心にあると
いうことを確保する。

各転流間の時間 (TBC)=t5+t6+t7 従って t6=TBC−t5−t7 再配置及び評価 t7=t1=t6 ここで、t6=最適遅延 t5=電流パルス持続時間 TBC=電流転流レート このアルゴリズムは、各転流でダイナミックに実行さ
れる。しかし、実質的に一定速度の動作である用途にお
いては、遅延時間の値を、各モータ動作モードの間に加
えるために、マイクロプロセッサ25で予め計算し、そし
て予めロードしてもよい。この場合の計算は、所望の転
流レートに基づく各転流間の時間の値と、コンピュータ
のモデル化及び推定によって決定される電流パルス持続
時間の値をと使う。

このモータシステムは、相対的に低いPWMレートで実
現することができ、低ノイズ動作を得ることができる。
大きなインダクタンスモータ(例えば突極)を使うこと
によって、低PWMレートの使用が容易になる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダンカン,ジェラルド ニュージーランド国,オークランド,マ ウント イーデン,ヘンリー ロード 42 (72)発明者 ペリー,マイケル トーマス ジョージ ニュージーランド国,オークランド,マ ヌーカウ,セリ プレイス 6 (56)参考文献 特開 平6−165569(JP,A) 特開 平8−182103(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02P 6/16 H02K 29/00 H02P 6/06

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】どの時点においても、1つのモータの巻線
    は、電力が供給されておらず、巻線の転流を始動するの
    に使われる情報である逆起電力ゼロクロスを検出するの
    に使われ、転流素子を制御する信号のパルス幅変調は、
    モータの加速を制御するために使われ、一方向電流素子
    は、前記転流素子に並列に接続される電気転流ブラシレ
    スDCモータにおいて、 電流供給が前記巻線から取り除かれた後、前記一方向電
    流素子によって蓄えられたエネルギーが消滅することで
    前記巻線に生成される電流パルスの持続時間がモータ電
    流の測定に使われることを特徴とする電気転流ブラシレ
    スDCモータ。
  2. 【請求項2】前記モータ電流の測定は、前記パルス幅変
    調のデューティーサイクルを制御して前記モータ電流を
    安全な値に制限する請求項1に記載の電気転流ブラシレ
    スDCモータ。
  3. 【請求項3】相の少なくとも1つの巻線を有する回転子
    及び固定子を持つブラシレスDCモータと、 直流の電源と、該電源に接続され、前記少なくとも1つ
    の巻線あるいは固定子巻線の選択された組に電流を供給
    するスイッチング素子と、スイッチング素子を通る電流
    の供給が終了した後各前記巻線に蓄えられたエネルギー
    を消滅させるために電流経路を提供する一方向電流素子
    とを有する転流回路と、 前記少なくとも1つの巻線上の電圧を感知し、前記電圧
    をA基準信号電圧と比較し、それによって、前記少なく
    とも1つの巻線に前記回転子の回転により誘導される逆
    起電力のゼロクロスを検出するディジタイザ回路と、 メモリ及び入出力ポートを有するプログラムされたディ
    ジタルプロセッサであって、第1のポートは前記ディジ
    タイザ回路の出力に接続され、第2のポートのグループ
    は前記転流回路に接続されてスイッチング信号を前記転
    流回路に供給するディジタルプロセッサと、 前記メモリに記憶され、前記プロセッサに前記スイッチ
    ング信号を生成させるソフトウェアとを備える電気転流
    モータシステムにおいて、 前記ソフトウェアは、 (a)(i)もし連続的かつ周期的に前記スイッチング
    素子に印加されるならば前記固定子巻線に回転磁界を生
    成させるような、前記転流回路における各前記スイッチ
    ング素子に対する状態の順序の組合わせと、(ii)前記
    回転子が対応する所定の位置にある時に連続回転を確保
    するために前記回転子のトルクを生成するスイッチング
    素子状態の前記組合わせにそれぞれが対応するような、
    前記固定子の角度の前記所定の位置に対して前記ディジ
    タイザ回路の可能性のある順序の出力状態とを記憶する
    テーブルと、 (b)前記テーブルから各記憶された状態の組み合わせ
    を選択し、所定の時間に選択される特定の組合わせの状
    態に対応する論理レベルを有する各前記スイッチング素
    子に対してディジタルスイッチング制御信号生成するル
    ーチンと、 (c)前記スイッチング制御信号をパルス幅変調してそ
    れによって固定子巻線における電流実効値を制御するル
    ーチンと、 (d)記憶されたデューティーサイクルの値に従ってパ
    ルス幅変調の前記デューティーサイクルを設定するルー
    チンと、 (e)前記ディジタイザ回路の出力を読み取り、そこか
    ら前記回転子の角度の位置を決定する位置決定ルーチン
    と、 (f)その連続回転に対して各感知された回転子位置に
    対応する前記記憶された状態の組合わせを選択するため
    の前記選択ルーチンを呼び出すルーチンと、 (g)前記ディジタイザ回路の出力を読み取り、そこか
    ら前記回転子の角速度を決定する速度決定ルーチンと、 (h)所望の回転子速度の値を記憶するテーブルと、 (i)前記決定された回転子速度を前記所望の回転子速
    度と比較して、速度誤差値を生成するルーチンと、 (j)前記速度誤差値を受信し、回転子速度が所望の速
    度より小さいときには増加させ、回転子速度が所望の速
    度より高いときには減少させるように、前記記憶された
    デューティーサイクル値を更新するルーチンと、 (k)スイッチング素子を通じて各巻線への電流供給が
    終了した後、蓄えられたエネルギーが消滅する間に、前
    記ディジタイザ回路の出力を読み取り、そこから各相の
    巻線に生成されるパルスの持続時間を決定する、パルス
    持続時間決定ルーチンと、 (l)このように決定されたパルスの前記持続時間を、
    記憶され予め決められたパルス持続時間の最大値とを比
    較し、もしそのように決定された前記持続時間が前記最
    大値よりも大きい場合は、前記記憶されたデューティー
    サイクル値を減少された値に設定するための値を生成す
    るルーチンと、 (m)このデクリメントする値を読み取り、現在の前記
    記憶されたデューティーサイクル値を更新するルーチン
    とを有する電気転流モータシステム。
  4. 【請求項4】前記固定子は少なくとも3つの相の巻線を
    有し、前記スイッチング素子は選択された巻線の組を前
    記電源に連続的に接続し、前記ディジタイザ回路は各前
    記巻線に接続されて全ての前記巻線に誘導される逆起電
    力のゼロクロスを検出する請求項3に記載の電気転流モ
    ータシステム。
  5. 【請求項5】前記ディジタイザ回路がゼロクロスを検出
    するとき相巻線のスイッチングを遅延させることによっ
    て電流と逆起電力との間の位相角を減少させるルーチン
    を有する請求項3に記載の電気転流モータシステム。
  6. 【請求項6】前記遅延ルーチンは、その巻線への電流の
    供給が終了した後、蓄えられたエネルギーが消滅する間
    に、すぐ先行する各転流の間の時間間隔と、すぐ先行す
    る転流された相の巻線において生成される電流パルスの
    持続時間との差の半分に等しい遅延を実現する請求項5
    に記載の電気転流モータシステム。
  7. 【請求項7】前記選択ルーチンが、前記テーブルから記
    憶された状態組合わせを連続的に選択し、予め決められ
    た速度が得られるまで、前記位置決定ルーチンからのデ
    ータによっては影響されない、一定の低周波数又は漸次
    増加の低周波数で各スイッチング素子にスイッチング制
    御信号を供給するようにさせるモータスタートルーチン
    を有し、それによって、前記位置決定ルーチンからのデ
    ータが、前記選択ルーチンを呼び出し、前記スイッチン
    グ素子を決定するのに使われる請求項3に記載の電気転
    流モータシステム。
  8. 【請求項8】前記速度誤差値を記憶されたしきい値と比
    較し、前記誤差値が前記しきい値を越える場合は、前記
    誤差値が前記しきい値を越えない場合よりも大きな値毎
    に、前記記憶されたデューティーサイクル値はインクリ
    メント又はデクリメントされる請求項3に記載の電気転
    流モータシステム。
  9. 【請求項9】前記パルス持続時間を、予め決められた前
    記最大値よりも小さい第2の記憶され予め決められた値
    と比較し、前記持続時間が前記第2の予め決められた値
    よりも大きい場合、予め決められた量だけ前記記憶され
    たデューティーサイクル値をデクリメントする請求項3
    に記載の電気転流モータシステム。
  10. 【請求項10】前記更新するデューティーサイクル値
    を、記憶され予め決められた最大値と比較するルーチン
    を有し、更新された値が前記最大値を越えた場合、前記
    デューティーサイクル値は前記最大値に設定される請求
    項3に記載の電気転流モータシステム。
  11. 【請求項11】デューティーサイクルの第2の最大値は
    記憶され、前記スターツルーチンが実行されるときに使
    われる請求項10に記載の電気転流モータシステム。
  12. 【請求項12】前記選択ルーチンから渡されるデータに
    したがって、前記ディジタイザ回路の出力を読み取り、
    前記スイッチング素子の制御信号における過渡現象が生
    じたときは前記ディジタイザ回路の出力を読み取られな
    いようにする請求項3に記載の電気転流モータシステ
    ム。
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