JP3965395B2 - モータ駆動装置 - Google Patents
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Description
制御部140Aは同期運転を行うための同期信号を出力し、それに伴いモータ10が起動して同期運転を行う。位置検出部130はロータが回転し始めると逆起電圧によるロータ位置検出を行い、演算部140Bは位置検出信号に応じた通電制御信号を出力する。比較回路160は、制御部140Aの同期信号と演算部140Bの通電制御信号の位相差を検出し、位相差が所定値以内に入った時点で切替部150のスイッチを端子150Aから端子150Bに切り替える。すなわち、同期運転から位置検出駆動に切り替えられる。また、位相差検出信号は制御部140Aにフィードバックされ、比較回路160において位相差が所定値以内の値になるように制御部140Aの同期信号が補正される。
以上のように、同期信号と位置検出信号に応じた通電制御信号との位相差を検出し、位相差が所定値以内となった時点で同期運転から位置検出駆動に切り替えて起動を行う従来のモータ駆動装置は、例えば特許文献2において開示されている。
本発明は上記問題を解決するものであり、その目的とするところは、発振、脱調、逆回転等の起動失敗のない安定したPWMセンサレス起動、かつ、起動時間の短縮化が可能なモータ駆動装置を提供することにある。
前記コイルの非通電相の端子電圧と前記複数相のコイルの共通電位の中性点電圧とを比較することにより得られる比較信号に応じて前記ロータ位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、
ロータ回転速度が所定値に達するまでの起動時において前記位置検出信号に対する通電制御信号を進み位相として前記コイルへの通電制御を行い、ロータ回転速度が所定値以上である通常時において前記進み位相を解除して前記位置検出信号に応じて前記コイルへの通電制御を行うよう構成された通電制御手段と、
指令信号に応じて高周波スイッチング制御を行う駆動信号(PWM信号)を前記通電制御手段へ出力するスイッチング制御手段と、
を具備している。このように構成することにより、本発明のモータ駆動装置においては、起動トルクを向上させることが可能となり、起動時間の短縮化が可能となる。
また、本発明のモータ駆動装置において、請求項3に記載したように、請求項1の前記位置検出手段は、前記比較信号を反転した反転比較信号を生成し、高周波スイッチング制御のオン区間において前記反転比較信号に応じた位置検出を行うよう構成してもよい。このように構成することにより、発振、脱調、逆回転等の起動失敗のない安定したPWMセンサレス起動が可能となり、さらに、所定周期オフを用いないため、起動トルクが向上し、起動時間の短縮化が可能となる。
また、本発明のモータ駆動装置は、請求項5に記載したように、請求項2の構成において、前記ロータの回転状態を判定する状態判定手段をさらに具備し、前記通電制御手段が前記状態判定手段の出力に応じて、前記位置検出信号に対する通電制御信号の進み位相を解除させると共に、前記所定周期オフ手段の所定周期オフ動作を停止し、前記位置検出手段が高周波スイッチング制御のオン区間またはオフ区間において位置検出を行うよう構成してもよい。このように構成することにより、発振、脱調、逆回転等の起動失敗のない安定したPWMセンサレス起動が可能で、進み位相解除後は効率的に最適位相でのPWMセンサレス駆動が可能となる。さらに、所定周期オフを用いないため、起動トルクが向上し、起動時間の短縮化が可能となる。
また、本発明のモータ駆動装置は、請求項7に記載したように、請求項4から請求項6のいずれか一項に記載の前記状態判定手段が、前記位置検出信号に基づいて得られる前記ロータ回転速度が所定値を超えているか否かを判定するよう構成してもよい。このように構成することにより、発振、脱調、逆回転等の起動失敗のない安定したPWMセンサレス起動が可能で、進み位相解除後は効率的に最適位相でのPWMセンサレス駆動が可能となる。
また、本発明のモータ駆動装置は、請求項9に記載したように、請求項4から請求項8のいずれか一項に記載の前記通電制御手段が、前記状態判定手段の出力に応じてリニア的もしくは階段的に、前記位置検出信号に対する通電制御信号の進み位相の解除を行うよう構成してもよい。
また、本発明のモータ駆動装置は、請求項10に記載したように、請求項4から請求項8のいずれか一項に記載の前記通電制御手段が、起動時の前記位置検出信号に対する前記通電制御信号の進み位相に対して小さい第2の進み位相を設定し、前記状態判定手段の出力応じて進み位相を解除した後は第2の進み位相で通電制御を行うよう構成してもよい。
また、本発明のモータ駆動装置は、請求項11に記載したように、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の前記スイッチング制御手段が、前記複数相のコイルに流れる駆動電流波形が実質的に台形波状となるようにスロープ制御を行うよう構成してもよい。このように構成することにより、駆動電流波形が台形波状となるため、駆動電流波形に起因する振動や騒音を低減した発振、脱調、逆回転等の起動失敗のない安定したPWMセンサレス起動が可能となる。
また、本発明のモータ駆動装置は、請求項13に記載したように、請求項11の前記通電制御手段が、起動時に前記複数相のコイルに流れる実質的に台形波状電流波形のスロープ制御角度をスロープの立上がり側と立下り側を個々に制御することにより、前記位置検出信号に対する前記通電制御信号を進み位相とするよう構成してもよい。
これらおよびその他の構成や動作については、実施の形態の説明において詳細に説明する。
図1は本発明に係る実施の形態1におけるモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。実施の形態1のモータ駆動装置の制御対象であるモータ10は永久磁石による界磁部を有するロータ(図示省略)と、3相コイル11,12,13がY結線されたステータ(図示省略)とで構成される。
図1に示すように、モータ駆動装置は、出力部20と、位置検出手段である位置検出部30と、通電制御手段である通電制御部40と、電流検出部70と、スイッチング制御手段であるスイッチング制御部80と、状態判定手段である状態判定部90と、を備える。
ノイズ処理回路34は、比較信号UN,VN,WNに重畳されているノイズを除去し、位置検出信号Dtを出力する。通電切り替わり時に発生するキックバックノイズによる影響は、通電制御部40の検出ウィンドウ信号WINによりマスク処理を行い、PWM駆動による高周波のスイッチングノイズによる影響はスイッチング制御部80のPWMMASK信号によりマスク処理が行われる。
なお、位置検出部30の構成は図2に示した構成に限定されるものではなく、中性点電圧Vcを3相端子電圧Vu,Vv,Vwにより擬似的に生成してもよく、比較器1つで選択的に位置検出を行うような構成としてもよい。
スイッチング制御部80は、電流検出信号CSと指令信号ECとに応じたPWM信号を通電制御部40に出力し、出力部20の各パワートランジスタ21,22,23および25,26,27を高周波スイッチング動作(PWM駆動)させる。さらに、スイッチング制御部80はPWMMASK信号を位置検出部30のノイズ処理回路34(図2)に出力する。
通電制御部40は、位置検出信号Dtに応じて出力部20の各パワートランジスタ21,22,23および25,26,27の通電制御を行う上側通電制御信号UU,VU,WUおよび下側通電制御信号UL,VL,WLを出力する。図5は通電制御部40の具体的な構成を示すブロック図である。通電制御部40は、同期信号発生回路41と、選択回路42と、時間計測回路43と、第1調整回路44と、第2調整回路45と、通電制御信号作成回路46と、を含んで構成されている。
図7は起動時の各部の動作(U相のみ)を示すタイミングチャートである。ここで、起動時とは、起動開始からロータ回転速度が所定値に達するまでの期間をいう。起動開始直後の状態判定信号SJは“L”レベルを出力し、選択回路42は一定周期の同期信号Fsを選択し出力する。時間計測回路43は同期信号Fsのエッジ間の時間計測を行い、第1調整回路44および第2調整回路45に計測値Dataをロードする。ロードされた計測値Dataは電気角で60度相当の計測値であり、第1調整回路44は第1調整時間T1を0とし、同期信号Fsのエッジと同じタイミングで第1調整パルスF1’を出力し、第2調整回路45は第1調整パルスF1’のエッジから電気角で15度相当の遅延時間に相当する第2調整時間T2’後に第2調整パルスF2’を出力する。検出ウィンドウ信号WINは、第2調整パルスF2’に同期して“H”レベルに状態変化し、位置検出部30の位置検出動作を可能状態にし、同期信号Fsのエッジに同期して“L”レベルに状態変化する。
このように進相通電制御を行うことにより、モータ10をPWMセンサレス駆動して加速していき、やがてロータ回転速度が所定値以上に達すると、状態判定信号SJが “L”から“H”レベルに状態変化する。状態判定信号SJが“H”レベルに変化すると、図6に示す効率的で最適な位相での通電制御に切り替えられてPWMセンサレス駆動が行われる。
次に、本発明に係る実施の形態2のモータ駆動装置について説明する。図8は本発明に係る実施の形態2のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。実施の形態2のモータ駆動装置において、前述の実施の形態1のモータ駆動装置と異なる点は、所定周期オフ回路100を設けた点である。図8に示すように、所定周期オフ回路100は、スイッチング制御部80からのPWM信号と状態判定部90からの状態判定信号SJが入力されて、PWMA信号を通電制御部40に出力し、PWMMASK信号を位置検出部30に出力するよう構成されている。それ以外の構成、動作は実施の形態1で説明したものと同様であるので、実施の形態2においてはその説明を省略する。
図12は本発明に係る実施の形態3のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。実施の形態3のモータ駆動装置の構成において、前述の実施の形態1とは位置検出部30Aおよびスイッチング制御部80Aの構成が異なる。それ以外の構成、動作は実施の形態1で説明したものと同様である。
一方、状態判定信号SJが“H”レベル(ロータ回転速度が所定値以上)では、PWM駆動のオンタイミングおよびオフタイミングのそれぞれの時点から所定時間Tyを除いた区間でロータ位置検出の検出動作を可能状態にする。つまり、ロータ回転速度が所定値以上では、PWM駆動のオン区間検出とオフ区間検出の両方を行う。
なお、位置検出部30Aの構成は図13に限定されるものではなく、中性点電圧Vcを3相端子電圧Vu,Vv,Vwにより擬似的に生成してもよく、比較器1つで選択的に位置検出を行うような構成としてもよい。
さらに、実施の形態3では比較信号を反転出力した信号を用いてノイズ処理を行いロータ位置検出を行う構成としたが、逆に、先に比較信号のノイズ処理を行いノイズ処理された信号を反転出力し、その信号を用いてロータ位置検出を行う構成としても同様の効果が得られる。
図15は本発明に係る実施の形態4のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。実施の形態4のモータ駆動装置において、前述の実施の形態1とは通電制御部40Aの構成が異なり、それ以外の構成、動作は実施の形態1で説明したものと同様である。
以上のように、実施の形態4のモータ駆動装置においては、駆動電流波形を台形波状に制御することにより、駆動電流波形に起因する振動や騒音の低減が可能となる。
起動開始直後の状態判定信号SJは“L”レベルを出力し、選択回路42は一定周期の同期信号Fsを選択出力している。時間計測回路43は、同期信号Fsのエッジ間の時間計測を行い、第1調整回路44、第2調整回路45およびスロープ調整回路47に計測値Dataをロードする。ロードされた計測値Dataは電気角で60度相当の計測値であり、第1調整回路44は第1調整時間T1を0とし、同期信号Fsのエッジと同じタイミングで第1調整パルスF1’を出力する。また、第2調整回路45は第1調整パルスF1’のエッジから電気角で40度相当の遅延時間に相当する第2調整時間T2’後に第2調整パルスF2’を出力する。さらに、スロープ調整回路47は第1調整パルスF1’のエッジから電気角で30度相当の遅延時間に相当するスロープ調整時間TSL’後にスロープ調整パルスSL’を出力する。また、検出ウィンドウ信号WINは、第2調整パルスF2’に同期して“H”レベルに状態変化し、位置検出部30の位置検出動作を可能状態にし、同期信号Fsのエッジに同期して“L”レベルに状態変化する。
このように、位置検出信号Dtが出力された後においては、位置検出信号Dtにより生成される第1調整パルスF1’およびスロープ調整パルスSL’により通電制御信号を生成し、スロープ制御を用いたPWM駆動を行うことによりモータ10のPWMセンサレス駆動が行われる。
このように、起動開始からロータ回転速度が所定値に達するまでの期間、つまり、状態判定信号SJが“L”レベルの場合、第1調整パルスF1をF1’に設定し、第2調整パルスF2をF2’に設定し、そしてスロープ調整パルスSLをSL’に設定して、タイミングを早めることにより、通電制御信号の通電開始タイミングを早くしている。このように、実施の形態4のモータ駆動装置は、通電制御信号の通電開始タイミングを早めることにより、通常時の通電制御の通電開始タイミング(図17)に対して、電気角で15度相当の進相通電制御を行うことができる(図18)。
図19は本発明に係る実施の形態5のモータ駆動装置の構成を示ブロック図である。実施の形態5のモータ駆動装置の構成において、前述の実施の形態1とは通電制御部40Bの構成が異なるが、それ以外の構成、動作は実施の形態1で説明したものと同様である。
実施の形態5における通電制御部40Bは、実施の形態4の通電制御部40A(図16)と実質的に同じ構成を有し、スロープ調整回路47の動作が異なる。通常時動作、つまり、状態判定信号SJが“H”レベル(ロータ回転速度が所定値以上)における動作は実施の形態4の通常時動作と同じである。
図21に示すように、状態判定信号SJが“L”レベルの領域での時間に対する速度変化の傾きは、起動曲線(a)<起動曲線(b)<起動曲線(c)となっており、起動曲線(c)で示す起動特性を持つ実施の形態5の構成を適用することにより、起動トルクをさらに向上させることができ、起動時間を更に短縮させることが可能となることが理解できる。
なお、スロープ制御角度の設定値は実施の形態5において説明したように15度に限定されず、通常時に対して小さくなるように設定すれば本発明の効果が得られることは言うまでもない。
なお、以上の実施の形態において説明した構成に対し、本発明はその趣旨を変えずして種々の変更が可能であり、そのような構成が本発明の思想に含まれることは言うまでもない。
10 モータ
11,12,13 コイル
20 出力部
30,30A 位置検出部
40,40A,40B 通電制御部
70 電流検出部
80,80A スイッチング制御部
90 状態判定部
100 所定周期オフ回路
Claims (13)
- 複数相のコイルとロータを有するモータと、
前記コイルの非通電相の端子電圧と前記複数相のコイルの共通電位の中性点電圧とを比較することにより得られる比較信号に応じて前記ロータ位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、
ロータ回転速度が所定値に達するまでの起動時において前記位置検出信号に対する通電制御信号を進み位相として前記コイルへの通電制御を行い、ロータ回転速度が所定値以上である通常時において前記進み位相を解除して前記位置検出信号に応じて前記コイルへの通電制御を行うよう構成された通電制御手段と、
指令信号に応じて高周波スイッチング制御を行う駆動信号を前記通電制御手段へ出力するスイッチング制御手段と、
を具備したことを特徴とするモータ駆動装置。 - 前記複数相のコイルへの通電に所定周期オフ区間を設ける所定周期オフ手段をさらに具備し、前記位置検出手段が前記所定周期オフ区間において位置検出を行うよう構成されたことを特徴とした請求項1に記載のモータ駆動装置。
- 前記位置検出手段は、前記比較信号を反転した反転比較信号を生成し、高周波スイッチング制御のオン区間において前記反転比較信号に応じた位置検出を行うよう構成されたことを特徴とした請求項1に記載のモータ駆動装置。
- 前記ロータの回転状態を判定する状態判定手段をさらに具備し、前記通電制御手段が前記状態判定手段の出力に応じて、前記位置検出信号に対する通電制御信号の進み位相を解除させるよう構成されたことを特徴とした請求項1に記載のモータ駆動装置。
- 前記ロータの回転状態を判定する状態判定手段をさらに具備し、前記通電制御手段が前記状態判定手段の出力に応じて、前記位置検出信号に対する通電制御信号の進み位相を解除させると共に、前記所定周期オフ手段の所定周期オフ動作を停止し、前記位置検出手段が高周波スイッチング制御のオン区間またはオフ区間において位置検出を行うよう構成されたことを特徴とした請求項2に記載のモータ駆動装置。
- 前記ロータの回転状態を判定する状態判定手段をさらに具備し、前記通電制御手段が前記状態判定手段の出力に応じて、前記位置検出信号に対する通電制御信号の進み位相を解除させると共に、前記位置検出手段が前記比較信号に応じて位置検出を行うよう構成されたことを特徴とした請求項3に記載のモータ駆動装置。
- 前記状態判定手段が、前記位置検出信号に基づいて得られる前記ロータ回転速度が所定値を超えているか否かを判定するよう構成されたことを特徴とした請求項4から請求項6のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
- 前記状態判定手段が、前記通電制御信号の電気周期が所定回数以上出力されたか否かを判定するよう構成されたことを特徴とした請求項4から請求項6のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
- 前記通電制御手段が、前記状態判定手段の出力に応じてリニア的もしくは階段的に、前記位置検出信号に対する通電制御信号の進み位相の解除を行うよう構成されたことを特徴とした請求項4から請求項8のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
- 前記通電制御手段が、起動時の前記位置検出信号に対する前記通電制御信号の進み位相に対して小さい第2の進み位相を設定し、前記状態判定手段の出力応じて進み位相を解除した後は第2の進み位相で通電制御を行うよう構成されたことを特徴とした請求項4から請求項8のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
- 前記スイッチング制御手段が、前記複数相のコイルに流れる駆動電流波形が実質的に台形波状となるようにスロープ制御を行うよう構成されたことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
- 前記通電制御手段が、起動時に前記複数相のコイルに流れる実質的に台形波状電流波形のスロープ制御角度を小さく制御することにより、前記位置検出信号に対する前記通電制御信号を進み位相とするよう構成されたことを特徴とした請求項11に記載のモータ駆動装置。
- 前記通電制御手段が、起動時に前記複数相のコイルに流れる実質的に台形波状電流波形のスロープ制御角度をスロープの立上がり側と立下り側を個々に制御することにより、前記位置検出信号に対する前記通電制御信号を進み位相とするよう構成されたことを特徴とした請求項11に記載のモータ駆動装置。
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