JP4062074B2 - 三相ブラシレスdcモータの制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、三相ブラシレスDCモータの制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
三相ブラシレスDCモータのインバータ制御では、上アームおよび下アームそれぞれ3個のMOS(又はIGBT)をスイッチング駆動して直流を交流に変換する。インバータの通電制御法の一つとして、各スイッチング素子のオン期間を電気角2π/3とした120度通電方式や、各スイッチング素子のオン期間を電気角πとした180度通電方式が知られている。180度通電方式は、インバータ回路のスイッチング素子および三相巻線において電流が上記同時オン期間に分散するために抵抗損失、発熱の低減において有利であり、特に回転機の逆起電圧が発生する高回転域においても通電期間が長いために、120度通電方式に比較してバッテリから回転機に電流を相対的に十分に流し込むことができるので、出力増大が可能となる利点を有している。この三相ブラシレスDCモータの電動トルクを制御するには、インバータ回路のスイッチング素子をPWM制御して行われる。
【0003】
三相ブラシレスDCモータの電動トルクを所定の目標トルクとするには、三相ブラシレスDCモータの電流特にそのトルク電流を検出してそれと目標トルクとの差を0とするようにPWM制御のデューティ比を調整するフィードバック制御を行うのが通常である。
【0004】
三相ブラシレスDCモータの電流を検出するには、三相ブラシレスDCモータの各相電流を検出する方法、インバータ回路の下アーム側の各スイッチング素子の電流を検出する方法、インバータ回路の入力電流を検出する簡易的な方法が知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の180度通電方式では、まだ解決すべき以下の次の問題があった。
【0006】
まず、従来の180度通電方式では、上アーム側のスイッチング素子と下アーム側のスイッチング素子とを同時オンオフしているため、スイッチング損失が多く、かつ、スイッチング素子駆動用ドライバとしても大型のものを必要とし、車両用として量産するには更なる回路構成や制御の簡素化や消費電力の低減を図る必要があった。
【0007】
また、インバータ回路が過電流で損傷するのを防止するために電流を制限する必要があるが、従来のインバータ回路の過電流保護にはインバータ回路の入力電流が過大となった時に作動する保護リレーを用いることが考えられるが、この方法は、回路コストが余分に掛かる上に、インバータ回路内の各スイッチング素子個々の電流を検出しないために、モータ保護は可能であるが、インバータ回路の各スイッチング素子個々を精密に保護することが困難であった。
【0008】
なお、車両のアイドルストップ時のエンジン再始動にモータを用いる場合は、回転数を制御するためにインバータ電流を目標値に制御するような複雑な制御は不要であり、短時間始動を実現するためにフルパワーで回転させればよく、インバータの電流制御としては破損しないように過電流保護すればよい。
【0009】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、インバータ回路のスイッチング素子を好適に過電流保護することができ、簡素な回路構成で実施でき、損失低減も可能な三相ブラシレスDCモータの制御方法を提供することをその目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の三相ブラシレスDCモータの制御方法は、三相インバータ回路の各スイッチング素子を断続制御して前記三相インバータ回路が駆動する三相ブラシレスDCモータを制御する三相ブラシレスDCモータの制御方法において、
前記三相インバータ回路の上アーム側(下アーム側)の三つのスイッチング素子をロータ角度に同期しかつ互いに電気角2π/3ずれて電気角πごとに断続し、前記三相インバータ回路の上アーム側(下アーム側)の前記三つのスイッチング素子のうちの二つのスイッチング素子がオンしている期間に、オンしている前記上アーム側(下アーム側)の前記二つのスイッチング素子と異なる相の下アーム側(上アーム側)の一つのスイッチング素子をPWM制御し、前記三相インバータ回路の上アーム側(下アーム側)の前記三つのスイッチング素子のうちの一つスイッチング素子がオンしている期間に、オンしている前記上アーム側(下アーム側)の前記一つのスイッチング素子と異なる相の下アーム側の二つのスイッチング素子をPWM制御し、前記インバータ回路のPWM制御されないアーム側の各スイッチング素子及びフライホイルダイオードを流れる電流を検出し、検出した各相の電流の総和を求め、前記総和と所定のしきい値電流値との比較結果に基づいて前記インバータ回路のPWM制御デューティ比を調整することを特徴としている。なお、上記「電気角πごとに断続し」という用語は、略電気角πごとに断続することを意味し、オン期間は170〜190度、オフ期間は190〜170度としてもよい。
【0011】
すなわち、本発明は、180度通電制御において、上アーム側のスイッチング素子をその通電期間に常時オンし、下アーム側のスイッチング素子をその通電期間にPWM制御するか、もしくは、下アーム側のスイッチング素子をその通電期間に常時オンし、上アーム側のスイッチング素子をその通電期間にPWM制御するものである。
【0012】
このようにすれば、通電オンする側のアームのスイッチング素子のスイッチング過渡期間(オンからオフに移行する期間又はオフからオンへ移行する期間)における大きな損失を解消することができるので、インバータ回路のスイッチング素子の電力損失および発熱を低減することができ、併せて上記常時オン側のスイッチング素子を駆動するドライバの小型化および損失低減を実現することができる。
【0013】
以下の記載において、「スイッチング素子を流れる電流」という用語は、スイッチング素子逆並列に接続されたフライホイルダイオードを流れる電流」を含むことができる。通常の構成ではMOSトランジスタは、フライホイルダイオードを内蔵する構成をもつが、更に専用のフライホイルダイオードを追加することもできることはもちろんである。
【0014】
以下の記載において、インバータ回路のPWM制御されないアームを通電位相制御側アームとも称し、PWM制御する側のアームをPWM制御側アームともいうものとする。
【0019】
通電位相アーム側で電流検出する利点は、その総和は略直流電流になるために、直流成分抽出のための回路処理が不要となる点である。これに対して、PWM制御される側のアームの検出電流は高周波パルス電流の形態となるために、直流成分の抽出、あるいは高速の演算が不可欠となり、回路装置の大型化、高コスト化、低速応答化を招いてしまう
【0020】
すなわち、本構成では、通電位相制御側アーム(PWM制御されないアーム)側の電流だけを直接検出するので、各スイッチング素子を良好に過電流保護することができる。
【0021】
たとえば、上アーム側のスイッチング素子をその通電期間に常時オンする(上アームを通電位相制御側アームとする)場合を例に説明すると、上アーム側のスイッチング素子の電流は、フライホイル電流分だけ下アーム側のスイッチング素子の電流よりも平均電流が大きくなるので、両者のオン抵抗を等しいと仮定すれば、上アーム側のスイッチング素子の電流が所定値を超えないように制御すれば、インバータ回路のすべてのスイッチング素子の過電流保護を実現することができる。
【0022】
同様に、下アーム側のスイッチング素子をその通電期間に常時オンする(下アームを通電位相制御側アームとする)場合には、前述したように下アーム側のスイッチング素子の電流は、フライホイル電流分だけ上アーム側のスイッチング素子の電流よりも平均電流が大きくなるので、両者のオン抵抗を等しいと仮定すれば、下アーム側のスイッチング素子の電流が所定値を超えないように制御すれば、インバータ回路のすべてのスイッチング素子の過電流保護を実現することができる。
【0023】
なお、キャリヤの種類が同じで同一チップ面積をもつスイッチング素子を上アーム素子として用いる場合は、下アームとして用いる場合と比較して、実効的な制御電圧が異なるのでオン抵抗値が異なり、スイッチング素子の発熱量が異なる。しかし、上アーム側のスイッチング素子のチップ面積を相対的に大きくしたり、そのゲート電圧を大きくすることにより上アーム側のスイッチング素子のオン抵抗を下アーム側のスイッチング素子のそれと略等しく設定することができる。もしくは、下アーム側のスイッチング素子のオン抵抗と上アーム側のスイッチング素子のオン抵抗とを一定の比率とし、この比率に基づいて、上アーム側のスイッチング素子の許容最大電流が所定のしきい値電流値を超えないように設定してもよい。
【0024】
本発明は特に、この通電位相制御側アームの電流値を交流的に加算する点にある。これは、この通電位相制御側アームの電流値を単純に加算することに相当する。これにより、インバータ回路の入力電流を簡単に得ることができるので、求めた入力電流が目標電流に収束するように、PWM制御されるアーム側のスイッチング素子のPWM制御デューティ比をネガティブフィードバック制御することができる。したがって、インバータ回路のスイッチング素子の過電流保護用の検出電流を用いてトルク制御を実行することができる。
【0025】
好適な態様において、下アーム側のスイッチング素子をPWM制御することを特徴とする。このようにすれば次の効果を奏することができる。すなわち、チャンネルに電子が流れる形式のMOSトランジスタやIGBTを上アーム側のスイッチング素子として用いる通常の場合において、ソースホロワ動作やエミッタホロワ動作となるためにゲート電圧を大幅に高く設定する必要があり、その結果、上アーム側のスイッチング素子のPWM制御はそのドライバの損失を大幅に増大させる。これに対して、この態様では上アーム側のスイッチング素子を通電期間π中、常時オンするのでそのドライバの損失を格段に低減し、ドライバを小型化することができる。また、この実施例では、オン抵抗および発熱が大きくなりやすい上アーム側のスイッチング素子の電流を検出するので、上アーム側のスイッチング素子の電流を検出して制限すれば、上アーム側のスイッチング素子よりも発熱が小さくなることが通常である下アーム側のスイッチング素子の過電流保護も当然実現することができる。
【0026】
好適な態様において、上アーム側のスイッチング素子をPWM制御することを特徴とする。この態様は、下アーム側のスイッチング素子の電流を検出することができるので、この検出電流に相当する信号電圧の絶対電位レベルがローレベルとすることができ、検出電流を処理する回路を簡素化することができる。更に説明すれば、上アーム側のスイッチング素子の電流を検出する場合には、検出電流に相当する信号電圧の絶対電位は、略電源電圧に等しくなり、その処理を行う回路の電源電圧は更に高く設定される必要があり、回路規模が大きくなる。この態様では、この問題を解決することができる。
【0027】
好適な態様において、前記PWM制御されない側のスイッチング素子に流れる電流に比例する小電流信号を出力するカレントミラー回路を有し、前記カレントミラー回路が出力する前記信号に基づいて前記インバータ回路のPWM制御されないアーム側の各スイッチング素子を流れる電流を検出する。すなわち、この態様では、カレントミラー回路により電流検出を行うので、ホール素子などの磁気式電流センサを必要とせず、また、低抵抗電流検出方式に比較して電力損失の低減と信号電圧の増大と電流検出精度の格段の改善とを図ることができる。
【0028】
好適な態様において、前記PWM制御されない側のスイッチング素子は、一対の主電極端子の一方に隣接して電流検出用電極端子を有する電流検出電極端子付きMOSトランジスタからなり、前記カレントミラー回路は、−入力端子が前記電流検出電極端子付きMOSトランジスタの前記電流検出用電極端子に接続され、+入力端子が前記一対の主電極端子の一方と同一電位とされ、所定抵抗値の帰還抵抗素子を有するオペアンプ回路からなる。このようにすれば、電流検出電極端子付きMOSトランジスタの一対の主電極端子間に流れる電流に比例する信号電圧を正確に検出することができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
【0030】
(参考例)
参考例を図1を参照して以下に説明する。この装置は、エンジン始動用および発電用の三相同期機である。
【0031】
(回路構成)
1は界磁巻線型同期機からなる三相ブラシレスDCモータ、2はインバータ回路、3はコントローラ、4は界磁電流制御装置、5は回転角度センサとしてのレゾルバ、6は平滑コンデンサ、71〜73は低抵抗の電流検出用抵抗素子である。
【0032】
三相ブラシレスDCモータ1は、U相巻線11、V相巻線12、W相巻線13をスター接続してなり、ロータに巻装されて界磁電流制御装置から所望の界磁電流を通電される界磁コイル14を有している。
【0033】
インバータ回路2は、VB+、VBー間に印加される図示しない直流電源電圧を三相交流電圧に変換する3相インバータ回路であって、21〜23は上アーム側の半導体スイッチング素子、24〜26はMOSトランジスタからなる下アーム側の半導体スイッチング素子、Dは寄生ダイオードからなるフライホイルダイオードであるが専用のダイオードを設けてもよい。
【0034】
コントローラ3は、インバータ回路2の半導体スイッチング素子21〜26を駆動する回路からなり、このコントローラ3は、イグニッションスイッチのオン期間やアイドルストップ後のエンジン始動期間のみ電源電圧を供給されて、各相ごとに電気角πごとに断続され、互いに電気角2/3π位相がずれたゲート電圧G1〜G6をスイッチング素子21〜26のゲート電極に印加する。コントローラ3の回路例を図2を参照して以下に説明する。
【0035】
界磁電流制御装置4は、通常の車両用交流発電機のレギュレータと同一構成をもつが、エンジン始動時には100%通電され、発電時には図示しない直流電源の端子電圧を一定とするために界磁電流値をフィードバック制御するが、これは、従来のオルタネータのレギュレータと同じであるので説明を省略する。
【0036】
レゾルバ5は、三相巻線を有し、その出力電圧VU、VV、VWは、コントローラ3の0点は電圧V0に設定され、かつ、インバータ回路2の各相の通電位相の切り替え点となるように設定されている。
【0037】
平滑コンデンサ6は、インバータ回路2のスイッチング動作によるスイッチングサージ電圧が図示しない直流電源に悪影響を及ぼす効果を低減したり、外部に放射される電磁波ノイズを低減するためにインバータ回路2の一対の直流電源端間に接続された大容量コンデンサにより構成されている。
【0038】
電流検出用抵抗素子71〜73はスイッチング素子24〜26の電流を検出するものであり、この実施例では、回路簡素化のために低抵抗素子を用いているが、ホール素子などでもよいことは当然である。
【0039】
図2を参照して、コントローラ3の構成とその動作を以下に説明する。
【0040】
レゾルバ5から出力される正弦波電圧VU、VV、VWは、コンパレータ36、37、38にて定電圧V0と比較され、コンパレータ36、37、38は、デューティ比50%でかく互いに120度ずれた3相パルス電圧を出力する。
【0041】
電流検出用抵抗素子71〜73は、インバータ回路2の下アーム側のスイッチング素子24〜26の電圧降下を電圧増幅し、増幅された電圧はダイオードDにより個別に整流されて加算回路34にて加算される。これにより、下アーム側のスイッチング素子24〜26の順方向電流の総和を得ることができる。なお、ダイオードDを全波整流回路又は絶対値発生回路に変更してもよい。
【0042】
この総和に相当する電圧は、コンパレータ35によりしきい値電流値に相当するしきい値電圧Vthと比較される。このしきい値電圧Vthは、スイッチング素子21〜26の最大許容電流値に関連する所定値に設定されたしきい値電圧である。これにより、コンパレータ35は過電流と判定した場合にローレベル電圧を出力する。
【0043】
コンパレータ36、37、38が出力する3相パルス電圧は、反転出力型の電力増幅回路42、44、46で電力増幅された後、下アーム側のスイッチング素子24〜26に個別に出力される。また、コンパレータ36、37、38が出力する3相パルス電圧はアンドゲート39、40、41を通じて非反転型の電力増幅回路43、45、47で電力増幅された後、上アーム側のスイッチング素子に個別に出力される。これにより、過電流が生じていない場合には、インバータ回路2のスイッチング素子21〜26は、互いに120度異なり、デューティ比50%の正負の個のパルス電圧により通電位相制御される。
【0044】
コンパレータ35が過電流を判定すると、アンドゲート39、40、41がローレベルを出力して、非反転型の電力増幅回路43、45、47がスイッチング素子21〜23をオフし、これにより、過電流とならないようにスイッチング素子21〜26の電流を制限するPWM制御が実施される。
【0045】
この実施例によれば、電流検出用抵抗素子71〜73により検出した電流の全波整流値(又は絶対値)を総和を求めるか、又は、電流検出用抵抗素子71〜73により検出した電流の順方向電流成分の総和を求めるので、スイッチング素子の保護を良好に行うことができる。
(実施例1)
実施例1を以下に説明する。
この実施例では、電流検出用抵抗素子71〜73の代わりに、スイッチング素子のカレントミラー回路を利用して電流検出を行う。この実施態様を図8〜図9を参照して説明する。なお、この実施態様では、下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26により通電位相制御を行い、上アーム側NチャンネルMOSトランジスタ21〜23により過電流制限を行うが、逆としてもよいことは当然である。
【0046】
図8において、100〜102は各下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26のカレントミラー出力電流をそれに比例する信号電圧に変換する電流/電圧変換用オペアンプ回路、103は各電流/電圧変換用オペアンプ回路100〜102が出力する信号電圧Vu、Vv、Vwを加算し電圧増幅する加算・電圧増幅用オペアンプ回路、104はコンパレータ、105〜107はANDゲート、108〜110は電力増幅回路である。
【0047】
オペアンプ回路100の−入力端子は、図1に示すU相下アームのスイッチング素子24を構成する電流検出電極端子付きMOSトランジスタの電流検出電極端子に直結され、オペアンプ回路101の−入力端子は、図1に示すV相下アームのスイッチング素子25を構成する電流検出電極端子付きMOSトランジスタの電流検出電極端子に直結され、オペアンプ回路102の−入力端子は、図1に示すU相下アームのスイッチング素子26を構成する電流検出電極端子付きMOSトランジスタの電流検出電極端子に直結されている。
【0048】
これらの電流検出電極端子付きMOSトランジスタにおいて、電流検出電極端子はMOSトランジスタの一対の主電極の一方に隣接する電流検出電極に接続されているので、電流検出電極端子には、これら一対の主電極間を流れる主電流に比例する小さい検出電流が流れる。
【0049】
各相の下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26は、オペアンプ回路100〜102により個別に検出電流に比例する信号電圧Vu、Vv、Vwを出力し、これらは信号電圧Vu、Vv、Vwは、電圧加算回路103にて加算されてコンパレータ104に出力される。すなわち、コンパレータ104には、下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26に流れる電流の総和に比例する信号電圧Vsが入力される。コンパレータ104は信号電圧Vsとしきい値電圧Vref1とを比較する。つまり、下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26を流れる相電流の総和、すなわちモータ電流の総和がしきい値電圧Vref1に相当する所定の許容最大電流値を超える場合に、コンパレータ104はローレベルを出力し、ANDゲート105〜107をオフする。
【0050】
ANDゲート105〜107には、回転センサ5から出力される3相パルス信号(180度デューティ)のパルス信号Su、Sv、Swが個別に入力されており、コンパレータ104の出力電圧がハイレベル(総電流が許容最大電流値未満)であれば、ANDゲート105〜107の出力はパルス信号Su、Sv、Swに等しい。パルス信号Su、Sv、Swは、互いに120度位相が異なり、ロータ磁極の回転位置に同期する信号であり、総電流が許容最大電流値未満であれば、180度周期で断続される。
【0051】
ANDゲート105〜107の出力は電力増幅回路108〜110で増幅された後、上アーム側NチャンネルMOSトランジスタ21〜23のゲート端子に個別に印加される。なお、VguはU相上アーム側NチャンネルMOSトランジスタ21のゲート電圧、VgvはU相上アーム側NチャンネルMOSトランジスタ22のゲート電圧、VgwはW相上アーム側NチャンネルMOSトランジスタ23のゲート電圧である。これにより、通電位相制御される下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26の電流の合計が許容最大電流値を超える場合に上アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26を一斉に遮断することができる。なお、図8に示す回路では、三相交流電流の総和を検出している。
【0052】
オペアンプ回路100による下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26の電流をオペアンプ回路100によりそれに比例する電圧として検出する動作を図9を参照して更に詳細に説明する。
【0053】
図9において、下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24は、一対の電極S1、D1をもつ主のトランジスタ241と、一対の電極S2、D2をもつ電流検出電極用のトランジスタ242とからなる。電極D1、D2とは半導体基板部分により構成されて共通となっている。電極S1は電極S2より格段に広く形成されている。このような電流検出電極端子付きMOSトランジスタは周知となっており、電極S2は電流検出用電極端子を構成している。
【0054】
この電流検出電極端子付きMOSトランジスタ24とオペアンプ回路100とを用いたカレントミラー回路を用いれば、電流が流れる方向が反転するインバータ回路のスイッチング素子の電流を良好に検出できることを以下に説明する。
【0055】
まず、電極S1、S2が原理的なソース電極(電子注入電極)となる場合について説明する。この場合には、オペアンプ回路100のー入力端の電位がほぼ接地されているとみなすことができるため、電極S1、S2の電位が等しいとみなすことができ、その結果として、二つのトランジスタ241、242のゲート/ソース間電圧Vgsが等しくなり、トランジスタ242にはトランジスタ241の電流の1/k倍(kは定数)の電流が流れ、オペアンプ回路100の出力電圧Vuは帰還抵抗Rfと電流iとの積となり、トランジスタ24の電流に比例する出力電圧を得ることができる。
【0056】
次に、電極D1、D2が原理的なソース電極(電子注入電極)となる場合について説明する。この場合には、電極D1、D2の電位が等しいので、二つのトランジスタ241、242のゲート/ソース間電圧Vgsが等しくなり、問題なく、トランジスタ242にはトランジスタ241の電流の1/k倍(kは定数)の電流が流れ、オペアンプ回路100の出力電圧Vuは帰還抵抗Rfと電流iとの積となり、トランジスタ24の電流に比例する出力電圧を得ることができる。つまり、インバータ回路のPWM制御トランジスタとしてのMOSトランジスタの通電方向は切り替わるが、図9のオペアンプ回路100の出力電圧は、この通電方向の変更にかかわらず正確な電流を検出することができる。
【0057】
なお、図8の回路において、オペアンプ回路101を省略し、オペアンプ回路100の−入力端を各相の下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26の電流検出用電極端子に直結してもよい。この回路例を図10に示す。i1はMOSトランジスタ24の電流検出用電極端子の電流、i2はMOSトランジスタ25の電流検出用電極端子の電流、i3はMOSトランジスタ26の電流検出用電極端子の電流である。オペアンプ回路100の帰還抵抗rfには各電流の総和電流Σiが流れるので、オペアンプ回路100の出力電圧Voは帰還抵抗rfの抵抗値(rfとする)×Σiとなり、出力電圧Voは下アーム側NチャンネルMOSトランジスタ24〜26の電流の総和に比例する。したがって、出力電圧Voを電圧増幅回路103により所定倍に電圧増幅すればよい。このようにすれば、オペアンプ回路100〜103の帰還抵抗のばらつきなどによる誤差を解消して高精度の電流検出が可能となる。
【0058】
(変形態様)
上記実施例では、電動動作をエンジン始動時にのみ用いたが、車両加速時などのエンジントルクアシスト時に用いることもできる。この場合にも、電流検出用抵抗素子71〜73の電流を整流することなく、加算して総和を求めることにより、通電位相制御側アームのフライホイル電流を含まない電流の総和を求めることができる。したがって、この総和をトルクに応じた目標電流に収束させるフィードバック制御を行えばよい。
【0059】
なお、このPWM制御は、一定のキャリヤ周波数(ここでは、15〜20kHz)のキャリヤ信号としてのパルス電圧をインバータ回路2のスイッチング素子のゲート電極に印加して行われる。つまり、検出電流の交流的総和の平均値が目標電流値より小さければこのPWM制御パルス電圧のデューティ比を所定量だけ増加し、逆に検出電流が目標電流値より大きければこのPWM制御パルス電圧のデューティ比を所定量だけ減少させるPWM制御を行えばよい。
【0060】
これにより、インバータ回路2から三相ブラシレスDCモータ1に流れる三相電流iu、iv、iwの大きさを所望のレベルに調整することができる。つまり、上記実施例では、スイッチング素子21〜26が故障しないための過電流制限のためにPWM制御を行ったが、しきい値Vthを更に低下させてスイッチング素子21〜26が故障しないための過電流制限より小さい所定の制限レベルに電流制限することも可能であり、その他、発生トルクを目標値に制御するPWM制御(トルク制御)を行うことも当然可能である。たとえば、検出電流と目標電流値との差に応じて、デューティ比の変化量を増減することも可能である。
【0061】
この時のトルク制御又はエンジン始動制御の例を図7に示す。コントローラ3はマイコンを含み、外部から入力される指令に基づいて三相ブラシレスDCモータ1に電動動作と発電動作との切り替えを行うとともに、電動動作時に上記指令に基づいて決定した目標トルク値に相当する目標電流値を決定する。この三相ブラシレスDCモータ1は、アイドルストップ自動車のエンジン始動時、所定トルク値のトルクアシスト指令に基づいて電動動作を行い、通常走行時に発電動作を行う。エンジン始動時には上記PWM制御のデューティ比および界磁電流のデューティ比はスイッチング素子が過電流により故障しないためレベルに制限されるが、トルクアシストにおいては、図示しない電子制御装置(ECU)から入力される目標トルク値を目標電流値に変換し、この目標電流値に検出電流を一致させる上記フィードバック制御が行われる。
【0062】
また、通常走行時における発電電流制御は高速の制御が不要であるので、従来のオルタネータのレギュレータと同様に図示しない直流電源(バッテリ)の端子電圧を所定値に収束させる制御を行うことによりインバータ回路2のフライホイルダイオードを通じての三相全波整流を行うので、インバータ回路2のスイッチング素子21〜26の断続は休止される。この発電電流制御自体は周知であるともに、本発明の要旨でもないので説明を省略する。
【0063】
上記説明したこの実施例では、インバータ回路2の下アーム側のスイッチング素子21〜23をそれらの通電期間中、常時オンし、上アーム側のスイッチング素子24〜26をそれらの通電期間中、PWM制御し、上アーム側でたとえば上記低抵抗素子などの電流検出手段で電流検出する場合に対して、電流検出手段を下アーム側に設けることができるので、電流検出手段の出力電圧の絶対電位をローレベル側にシフトすることができ、その結果、この電流検出手段の出力電圧のその後の処理を行う信号処理回路の構成を簡素化し、この信号処理回路の電源電圧を低下させることができるという効果を奏することができる。
【0064】
(実施例2)
上アームを通電位相制御側アームとし、下アームをPWM制御アーム(電流制限アーム)とした例を図3に示す。電流検出用抵抗素子71〜73は、上アーム側のスイッチング素子21〜23と直列に配置される。
【0065】
この実施例でも、インバータ回路2のスイッチング素子21〜26は上述したレゾルバ5からの回転角度信号に基づいてインバータ回路の出力電流がすべてトルク電流となるように決定された通電位相で断続される。各スイッチング素子21〜26は電気角πごとに通電期間と非通電期間とが切り替えられ、上アーム側のスイッチング素子21〜23は自己の通電期間π中ずっと通電され、下アーム側のスイッチング素子24〜26は自己の通電期間πにて上記PWM制御を行う。
【0066】
図4に、通電位相の変化を示し、図5、図6に、各通電位相期間における通電状態とその時のモータ相電流のベクトル状態を示す。Σiは各相電流のベクトル電流和である。このようにすれば、図5、図6に示すように、三相電流iu、iv、iwは、空間的に回転する電流Σiとなる。
【0067】
図4の通電制御(180度通電制御)の詳細を図5、図6を参照して更に詳しく説明する。
【0068】
インバータ回路2のスイッチング素子21〜26は上述したレゾルバ5からの回転角度信号に基づいてインバータ回路の出力電流がすべてトルク電流となるように決定された通電位相で断続される。特に、この実施例では、各スイッチング素子21〜26は電気角πごとに通電期間と非通電期間とが切り替えられ、上アーム側のスイッチング素子21〜23は自己の通電期間π中ずっと通電され、下アーム側のスイッチング素子24〜26は自己の通電期間πにて上記PWM制御を行う。
【0069】
図4において、黒塗りの部分は常時通電期間を示し、縦線の部分はPWM制御される通電期間を示す。このようにすれば、図5、図6に示すように、三相電流iu、iv、iwは、空間的に回転する電流となる。
【0070】
電流センサ71〜73を流れる電流の変化を更に詳細に検討すると、ロータの2磁極ピッチ(N極とS極の1ペア)の回転に相当する電気角2πの期間は、6個のサブ期間T1〜T6に区分される。もしも下アーム側のスイッチング素子24〜26のPWM制御のデューティ比が一定とし、各相巻線の電磁的逆起電力の相違を無視すれば、三相ブラシレスDCモータ1の三相巻線11〜13は常に一つの相巻線と他の二つの相巻線とが直列接続された状態となっており、下アーム側のスイッチング素子24〜26の一つだけをPWM制御する場合と、下アーム側のスイッチング素子24〜26の二つを同タイミングPWM制御する場合とは、結局、インバータ回路2の入力側からみて同じであるので、インバータ回路2の入力電流が各サブ期間ごとに大きく変化することはない。
【0071】
たとえば、図5において、各相巻線の電磁的逆起電力の相違を無視すれば、サブ期間T1のスイッチング素子25のデューティ比と、サブ期間T2のスイッチング素子25および26のそれぞれのデューティ比が同じであれば、電流センサ7に流れる電流は三相ブラシレスDCモータ1の電気負荷回路としてのインピーダンス特性が等しいので同じ大きさとなるはずである。このため、電流センサにおける通電位相切り替えによる低周波数の電流変動を抑止でき、その結果、一つの電流センサ7でインバータ回路2の入力電流を検出し、PWM制御のキャリヤ周波数を分離するだけで三相ブラシレスDCモータ1のトルク制御が可能となるわけである。
【0072】
この実施例で重要なことは、インバータ回路2の下アーム側のスイッチング素子24〜26のPWM制御のみによりスイッチング素子21〜26の電流はオンオフされ、自己の通電期間中、上アーム側のスイッチング素子21〜23は常時オンされる点にある。これにより、下アーム側のスイッチング素子24〜26の断続に比較して格段に高いゲート電圧を必要とする上アーム側のスイッチング素子21〜23のスイッチング回数を格段に減らすことができ、インバータ回路2のスイッチング素子駆動回路31の小型軽量化、消費電力低減を実現することができる。
【0073】
なお、各相巻線の電磁的逆起電力の変動を無視し、デューティ比を変更しないとすれば、電流センサ7を流れる電流がたとえばサブ期間T1、T2で等しい場合でも、図4に示すようにサブ期間T1にV相巻線12に流れる電流はサブ期間T2にV相巻線12に流れる電流は2倍となる。すなわち、U相電流iu、V相電流iv、W相電流iwは略4段階の振幅をもつ疑似正弦波となり、歪みを減らすことができる。上記制御を図7のフローチャートに示す。
【0074】
各相電流を更に正弦波形に近づけるために各サブ期間T1〜T6においてPWM制御のデューティ比を変更してもよい。すなわち、下アーム側のスイッチング素子24〜26の通電期間πにおいて、最初のπ/3期間(サブ期間)と最後のπ/3期間(サブ期間)のデューティ比よりも、中央のπ/3期間(サブ期間)のデューティ比をたとえば2倍としてもよい。なお、U相電流iu、V相電流iv、W相電流iwを更に正弦波に近づけるべく、デューティ比を通電期間中に更に多段階に切り替えてもよいことは当然である。。
【0075】
次に、エンジン始動時においては、インバータ回路のスイッチング素子21〜26の許容最大電流値に設定される。これは、エンジン始動トルクをできるだけ大きくするためである。したがって、上記PWM制御において、検出電流の瞬時値がこの許容最大電流値を超えないようにデューティ比を低減する。これにより、前述した理由により、インバータ回路2の各スイッチング素子21〜26がその許容最大電流値を超えることがなく、スイッチング素子21〜26の過電流保護を行いつつ、エンジン始動トルクを最大化することができる。なお、この時、界磁電流も最大化される。
(変形態様)
上記実施例では、三相ブラシレスDCモータ1として界磁巻線型同期機を用いたが、その代わりにリラクタンス型同期機を用いてもよい。この場合には、発電時にインバータ回路2は界磁磁界形成用電流成分を流す必要があるため。インバータ回路2の通電位相は界磁磁界形成用電流成分を流すためにロータ磁極に対してシフトされる。なお、このレラクタンス型同期機に界磁磁石を追加してもよいことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例及び実施例1の制御に用いるブラシレスDCモータ駆動装置の構成を示す回路図である。
【図2】図1のコントローラの回路の一例を示す回路図である。
【図3】実施例2の制御に用いるブラシレスDCモータ駆動装置の構成を示す回路図である。
【図4】図1のインバータ回路の通電位相を示すタイミングチャートである。
【図5】図2のサブ期間T1〜T3の電流経路を示す説明図である。
【図6】図2のサブ期間T4〜T6の電流経路を示す説明図である。
【図7】実施例2の制御の要部を示すフローチャートである。
【図8】カレントミラー回路を用いた電流検出を示す回路図である。
【図9】図8のカレントミラー回路によるインバータ回路のスイッチング素子の両方向電流を検出できることを説明するための回路図である。
【図10】図8のインバータ総電流検出用のカレントミラー回路図である。
【符号の説明】
1 三相ブラシレスDCモータ
2 インバータ回路
3 コントローラ
11〜13 相巻線
21〜23 上アーム側のスイッチング素子
24〜26 下アーム側のスイッチング素子
5 レゾルバ
6 平滑コンデンサ
71〜73 電流検出用抵抗素子(電流センサ)
Claims (1)
- 三相インバータ回路の各スイッチング素子を断続制御して前記三相インバータ回路が駆動する三相ブラシレスDCモータを制御する三相ブラシレスDCモータの制御方法において、
前記三相インバータ回路の上アーム側(下アーム側)の三つのスイッチング素子をロータ角度に同期しかつ互いに電気角2π/3ずれて電気角πごとに断続し、
前記三相インバータ回路の上アーム側(下アーム側)の前記三つのスイッチング素子のうちの二つのスイッチング素子がオンしている期間に、オンしている前記上アーム側(下アーム側)の前記二つのスイッチング素子と異なる相の下アーム側(上アーム側)の一つのスイッチング素子をPWM制御し、
前記三相インバータ回路の上アーム側(下アーム側)の前記三つのスイッチング素子のうちの一つスイッチング素子がオンしている期間に、オンしている前記上アーム側(下アーム側)の前記一つのスイッチング素子と異なる相の下アーム側の二つのスイッチング素子をPWM制御し、
前記インバータ回路のPWM制御されないアーム側の各スイッチング素子及びフライホイルダイオードを流れる電流を検出し、検出した各相の電流の総和を求め、前記総和と所定のしきい値電流値との比較結果に基づいて前記インバータ回路のPWM制御デューティ比を調整することを特徴とする三相ブラシレスDCモータの制御方法。
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