JP4154635B2

JP4154635B2 - センサレス・ブラシレスｄｃモータ制御装置

Info

Publication number: JP4154635B2
Application number: JP15105899A
Authority: JP
Inventors: 康多北峯
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: DE10026707A1; US6424798B1; JP2000341982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサレス・ブラシレスＤＣモータ制御装置に関し、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されるセンサレス・ブラシレスＤＣモータを駆動制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレスＤＣモータには、回転位置センサを有するセンサ付きブラシレスＤＣモータ及びこのセンサを省略したセンサレス・ブラシレスＤＣモータがある。センサ付きブラシレスＤＣモータでは回転位置センサのロータ位置信号に基づいて、センサレス・ブラシレスＤＣモータではモータ電圧（たとえばモータの端子電圧）から推定したロータ位置に基づいて、モータ電圧の位相及び周波数及びモータ回転数を決定するのが一般的である。
【０００３】
このセンサレス・ブラシレスＤＣモータの回転数を目標値にフィードバック制御するには、検出したモータ電圧に基づいて決定したロータ位置から推定したモータ回転数と目標値との比較結果に基づいてＰＷＭ制御によりモータ電圧の平均値を増減してなされる。
具体的には、モータ回転数と目標値との比較結果に応じて、デューティ比の今回値を、モータ回転数と目標値との差に応じた大きさの増減デューティ比又は一定の単位デューティ比だけデューティ比の前回値から増減して行う。
【０００４】
なお、センサレス・ブラシレスＤＣモータのモータ回転数はロータ位置検出の信号周期から演算するのが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上述した従来のセンサレス・ブラシレスＤＣモータ制御により、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に用いる場合、車両の回生制動時にバッテリ電圧すなわち直流電源電圧は急上昇するため次の問題が生じることを見出した。
【０００６】
すなわち、前述したようにセンサレス・ブラシレスＤＣモータでは、ロータ位置はモータ端子電圧を監視することで検出しているので、直流電源電圧の急変によりモータ端子電圧が急変すると、ロータ位置の誤検出が生じ、脱調によりモータ停止といった不具合が生じる可能性が生まれる。
特に、バッテリ容量不足により電圧が大幅に低下してモータ回転数が目標値よりも低い状態のままとなっており、その結果としてＰＷＭ制御のデューティ比が結果的に１００％に張付いている場合を考える。この場合、計算上、デューティ比の今回値はデューティ比の前回値よりも高い値に算出されてしまうため、車両の回生制動などにより直流電源電圧が上昇すると、結果的にデューティ比の今回値は前回値と同じ１００％のままとなってしまい、その結果、車両の回生制動による直流電源電圧すなわちバッテリ電圧上昇の影響により、出力トルクが急増したり、上記ロータ位置の誤検出を生じたりすることになってしまう。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、直流電源電圧の変動にもかかわらずモータの脱調などを防止して安定制御が可能なセンサレス・ブラシレスＤＣモータ制御装置を提供することをその目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明のセンサレス・ブラシレスＤＣモータ制御装置によれば、インバータ回路をＰＷＭ制御する制御部は、直流電源電圧変動の影響を低減したモータ電圧を用いてロータ位置の検出を行うので、従来のセンサレス・ブラシレスＤＣモータ制御装置に比べて直流電源電圧の変動にもかかわらず格段に高精度にロータ位置を検出することができ、ロータ位置の誤検出による誤ったモータ電圧（指令値）の位相、周波数制御を防止してモータの脱調などを良好に防止可能なセンサレス・ブラシレスＤＣモータ制御装置を実現することができる。
【０００９】
また、ロータ位置に基づいてモータ回転数を検出する場合でも、検出するモータ回転数の精度が向上するので、検出モータ回転数と目標値との差によりデューティ比を制御するフィードバック回転数制御の安定性を向上することができる。
【００１１】
請求項１記載の構成によれば更に、インバータ回路のデューティ比（出力デューティ比ともいう）が１００（％）となってから１００（％）を下回るまでの間だけ前記目標値をモータ回転数の今回値に一時的に設定する（すなわち、制御部がデューティ比１００％を算出するようにする）。そして、出力デューティ比が１００（％）を下回った後、目標値を本来の値に徐々に復帰させる。なお、インバータ回路のデューティ比（出力デューティ比）１００％以上の値をもち得ないので、出力デューティ比１００％において制御部が算出するデューティ比（算出デューティ比）が１００％以上となる場合も、インバータ回路の出力デューティ比は１００％となる。
【００１２】
このようにすれば、たとえばバッテリ（直流電源）の容量不足により直流電源電圧が低下して、モータ回転数が目標値よりも低い状態のままとなっており、その結果としてＰＷＭ制御の出力デューティ比が結果的に１００％に張付いている状態が生じると、一時的な目標値の低下により制御部が算出する算出デューティ比は１００％となり、その結果、直流電源電圧が上昇すると、この直流電源電圧上昇に応じて請求項１又は２の制御によりモータ電圧又はそれに対応するデューティ比をただちに低下させることができるので、従来のようにこの直流電源電圧上昇時に出力デューティ比が１００％に張付いたままとなり、それにより直流電源電圧上昇に応じてモータ電圧が上昇して、ロータ位置の誤検出やトルクの好ましくない増大が生じるということを良好に抑止することができる。
【００１３】
【発明を実施するための態様】
本発明の好適な態様を以下の実施例により具体的に説明する。
【００１４】
【実施例１】
実施例１のセンサレス・ブラシレスＤＣモータ制御装置を、その回路図を示す図１を参照して以下具体的に説明する。
（全体構成）
１はインバータ装置、２はセンサレス・ブラシレスＤＣモータ、３は電気自動車の高圧電源、１１はインバータ回路であり、インバータ回路１１は三相全波ブリッジ構成となっている。
【００１５】
インバータ回路１１において、１１ａ〜１１ｃは上アームの半導体スイッチング素子（ここではＩＧＢＴ）、１１ｄ〜１１ｆは下アームの半導体スイッチング素子（ここではＩＧＢＴ）、１１ｇ〜１１ｍは還流ダイオ−ドであるが、インバータ回路１１の上記構成は周知であるので、これ以上の説明は省略する。
１２は高圧電源の直流電源電圧を検出する機能を有する入力電圧検出器、１３はモータ電圧に基づいてセンサレス・ブラシレスＤＣモータ２のロータ位置を示すパルス信号（ロータ位置信号）を検出する機能を有するロータ位置検出回路、１４はロータ位置検出信号周期からその逆数としてのモータ回転数を検出する機能を有する回転数検出器、１５はたとえば外部から指示されたモータ回転数の目標値を保持してこのモータ回転数の目標値を出力するとともに、デューティ比判定装置１９から出力される判定結果に基づいて目標値を一時的に変更する機能を有する回転数指令器、１６は検出したモータ回転数と上記目標値との間の偏差を演算し、それに基づいてこの偏差を減らす方向にモータ電圧の増大又は減少を指令するためのモータ電圧指令値を形成する機能を有する回転数制御装置、１７は回転数制御装置１６から出力されるモータ電圧指令値を保持する記憶装置であり、回転数制御装置１６は上記偏差に基づいてそれを解消する方向に記憶装置１７が保持するモータ電圧指令値を次のように制御する。すなわち、モータ回転数が目標値より低い場合には一定の単位デューティ比に相当する一定の単位モータ電圧指令値を現在のモータ電圧指令値に加算してモータ電圧指令値の今回値とし、モータ回転数が目標値より高い場合には一定の単位デューティ比に相当する一定の単位モータ電圧指令値を現在のモータ電圧指令値から減算してモータ電圧指令値の今回値とする。
【００１６】
１８は、入力電圧検出器１２が出力するバッテリ電圧（直流電源電圧）と、記憶装置１７が保持するモータ電圧指令値とに基づいてインバータ回路１１のデューティ比（出力デューティ比）を演算し、このデューティ比と所定の搬送周波数をもつＰＷＭ信号ＰＷＭを出力する機能を有するＰＷＭ演算装置、１９は、ＰＷＭ演算装置１８が出力するＰＷＭ信号ＰＷＭのデューティ比が１００％か否かを判定するデューティ比判定装置、２０は、ロータ位置検出回路１３が検出したロータ位置信号と、ＰＷＭ演算装置１８から出力されるＰＷＭ信号ＰＷＭとに基づいて半導体スイッチング素子１１ａ〜１１ｆを断続制御するためのゲート制御電圧（ゲート電圧）を形成する駆動信号生成装置である。
【００１７】
インバータ装置１は、インバータ回路１１と、それ以外の回路から構成される本発明でいう制御部とからなる。ロータ位置検出回路１３、回転数指令器１５、ＰＷＭ演算装置１８、デューティ比判定装置１９、駆動信号生成装置２０以外の上記各装置はブラシレスＤＣモータのインバータ制御装置として周知であるので、説明は省略する。
（ロータ位置検出回路１３の構成）
ロータ位置検出回路１３の一例を図２に示す。
【００１８】
１３ａ，１３ｂ，１３ｃは各相のモータ電圧の入力端、１３ｄ，１３ｅ，１３ｆは各相のロータ位置検出信号の出力端、１３ｇ，１３ｈ，１３ｉは各相のロータ位置検出回路である。
各ロータ位置検出回路１３ｇ，１３ｈ，１３ｉは同一回路構成を有し、それぞれ抵抗ＲとコンデンサＣとからなりＰＷＭ制御によるキャリヤ周波数を除去する積分回路と、抵抗ｒ１、ｒ２と、コンパレータＣＲとからなる。各コンパレータＣＲの−入力端はそれぞれ抵抗ｒ２を通じて積分回路の出力端に接続されるとともに相互に渡りをとることにより各相のモータ電圧の平均電圧の和が入力され、各コンパレータＣＲの＋入力端にはそれぞれ抵抗ｒ１を通じて各積分回路の出力端に個別に接続されている。これにより、各コンパレータＣＲは、各相のモータ電圧が上記各相のモータ電圧の平均電圧の和より大きい場合にハイレベルとなる３つのロータ位置信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を出力する。
（駆動信号生成装置２０の構成）
駆動信号生成装置２０の一例を図３に示す。
【００１９】
駆動信号生成装置２０は、ロータ位置検出回路１３の出力端１３ｄ，１３ｅ，１３ｆから出力される各相のロータ位置検出信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３と、ＰＷＭ演算装置１８から出力されるＰＷＭ信号ＰＷＭに基づいてＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆを開閉するためのゲート制御電圧２０ａ〜２０ｆを形成する論理回路であり、これら信号の関係は、図４に示すタイミングチャートにより示される。
【００２０】
簡単に説明すると、駆動信号生成装置２０は、ＰＷＭ信号ＰＷＭ（図４では、三つのゲート制御電圧２０ａ、２０ｂ、２０ｃを合計した信号となる）をロータ位置検出信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の所定の論理関係が満足される期間だけ周期的にゲート制御電圧２０ａ、２０ｂ、２０ｃとして出力する。
（回転数指令器１５、ＰＷＭ演算装置１８およびデューティ比判定装置１９の構成）
回転数指令器１５、ＰＷＭ演算装置１８およびデューティ比判定装置１９は、レスポンスの点で実際にはハードウエア回路で構成されることが好適であるが、この実施例はマイコンのソフトウエアで構成したとしてその機能を図４、図５に示すフローチャートを参照して説明する。
（ＰＷＭ演算装置１８の構成）
ＰＷＭ演算装置１８は、まずバッテリ電圧（直流電源電圧）とモータ電圧指令値とを読み込んで（Ｓ１００）、それらからインバータ回路１１のデューティ比（出力デューティ比）を演算する（Ｓ１０２）。この演算は、具体的には、次の式を計算するものである。
【００２１】
デューティ比信号ＤＵＴＹ＝（モータ電圧指令値／バッテリ電圧）・１００（％）
ただし、モータ電圧指令値がバッテリ電圧に達している状態でもなおモータ回転数が目標値より低い状態では、回転数制御装置１６が単位モータ電圧指令値をこのモータ電圧指令値に更に追加するためにデューティ比（算出デューティ比）が１００％を超えるので、算出デューティ比が１００％以上かどうかを調べて（Ｓ１０４）、その場合にはデューティ比（出力デューティ比）を１００％とし（Ｓ１０６）、得られたデューティ比をもつＰＷＭ信号ＰＷＭを出力する（Ｓ１０８）。Ｓ１０８は、ＰＷＭ信号ＰＷＭは、一定パルス周期で上記デューティ比をもつパルス信号を形成する処理であるステップである。
【００２２】
なお、ＰＷＭ演算装置１８はハードウエア回路でも構成でき、たとえば、割り算回路によりモータ電圧指令値／バッテリ電圧に相当する電圧を求め、この電圧と鋸歯状波発生回路から出力される鋸歯状電圧とをコンパレータに入力してＰＷＭ電圧ＰＷＭを形成すればよい。
（デューティ比判定装置１９の構成）
デューティ比判定装置１９は、ＰＷＭ演算装置１８から入力されるＰＷＭ電圧ＰＷＭのデューティ比が１００％か否かを判定し（Ｓ１０４）、判定結果を回転数指令器１５に出力する（Ｓ１１０）。
（回転数指令器１５の構成）
回転数指令器１５は、外部から指示されたモータ回転数の目標値を保持してこのモータ回転数の目標値を出力するとともに、デューティ比判定装置１９から出力される判定結果に基づいて目標値を一時的に変更する。
【００２３】
更に具体的に説明すると、まず外部から指示される目標値（目標回転数）を読み込み（Ｓ１１２）、デューティ比が１００％かどうかを調べ（Ｓ１１４）、そうであれば、回転数指令器１５から現在のモータ回転数を読み込んで（Ｓ１１６）、それを目標値とし（Ｓ１１８）、デューティ比が１００％であることを意味するフラグＦを１にセットして（Ｓ１２０）、定期的に実行されるメインルーチン（図示せず）にリターンする。
【００２４】
Ｓ１１４にて、デューティ比が１００％でなければ、フラグＦが１かどうかを調べ（Ｓ１２２）、そうであれば、目標値をＳ１１２にて読み込んだ目標値へ徐々に復帰させ（Ｓ１２４）、フラグＦを０にリセとして（Ｓ１２６）、メインルーチンにリターンし、Ｓ１２２にてフラグＦが１でなければ、今回の目標値をＳ１１２にて外部から読み込んだ目標値として（Ｓ１２８）、メインルーチンにリターンする。
（上述の制御におけるバッテリ電圧変動がモータ電圧に与える悪影響をキャンセルするのを回避する制御動作の説明）
図６に示すタイミングチャートは、入力電圧検出器１２の出力信号１２ａ、モータ電圧（正確に言えばモータ２の相電圧）１３ａ〜１３ｃ、ロータ位置検出器１３の出力信号１３ｄ〜１３ｆ、駆動信号生成装置２０の出力信号２０ａ〜２０ｆ、ＰＷＭ演算装置１８の出力端１８ａに現れるＰＷＭ信号ＰＷＭ（のデューティ比）のデューティ比ＤＵＴＹの大きさを示す。
【００２５】
時点Ａまでは、バッテリ電圧が２００Ｖに維持されており、この時のデューティ比ＤＵＴＹは６０％なので、モータ印加電圧は１２０Ｖとなる。
次に、たとえばモータ２の回生制動動作によりり時点Ａから時点Ｂに至るまでの期間にバッテリ電圧が３００Ｖに急上昇すると、モータ電圧１３ａ〜１３ｃの波高値が上昇する。
【００２６】
この期間Ａ〜Ｂに、デューティ比ＤＵＴＹが一定であると、従来のセンサレス・ブラシレスＤＣモータでは、モータ電圧は３００Ｖ×０．６＝１８０Ｖまで急上昇して、ロータ位置検出器１３が誤作動し、その出力信号すなわちロータ位置信号１３ｄ〜１３ｆが異常となってしまい、それによりモータ電圧（三相交流電圧）の位相や周波数がモータ２の実態から離れて脱調を生じさせ、モータ制御がうまく働かない可能性が生じる。
【００２７】
これに対し、この実施例では、図６に示すように、デューティ比ＤＵＴＹが変化し、バッテリ電圧変化にかかわらずそれを補償してモータ電圧を１２０Ｖに保持するので、このような不具合は防止される。
（上述の制御におけるバッテリ電圧が低下してデューティ比が１００％になった時点で目標値をモータ回転数に一時的にセットし、バッテリ電圧が上昇した後、徐々に目標値を元の値に復帰させる制御動作の説明）
次に、バッテリ電圧１２ａ、モータ回転数１４ａ，目標値１５ａ、デューティ比判定信号１９ａの関係を図７に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００２８】
この場合では、初期状態ではバッテリ電圧１２ａが高いが、時間がたつにつれて徐々にバッテリ電圧１２ａが下降している。バッテリ電圧１２ａが所定値を下回ると、もはやモータ回転数は初期の目標回転数を維持できなくなり、ＰＷＭ信号ＰＷＭのデューティ比ＤＵＴＹは１００％になり、この時点で、デューティ比判定信号１９ａがセットされる。すると、回転数指令器１５はデューティ比判定信号１９ａのこの変化を検出して、目標値（目標回転数）１５ａを一時的に現在のモータ回転数１４ａにセットする。
【００２９】
このようにすれば、その後、もしバッテリ電圧１２ａが車両の回生制動などにより上昇すれば、ＰＷＭ信号ＰＷＭのデューティ比ＤＵＴＹは１００％未満になるので、前述したロータ位置信号１３ｄ〜１３ｆを正常に出力することができるとともに、デューティ比判定信号１９ａがこのバッテリ電圧１２ａの上昇を受けてリセットされ、これを受けて回転数指令器１５は目標回転数を徐々に増加させて、初期の目標回転数と等しくする。
【００３０】
すなわち、この実施例では、バッテリ電圧１２ａが低下してデューティ比ＤＵＴＹが１００％になった時点で目標値１５ａをモータ回転数１４ａに一時的にセットしているので、その後、バッテリ電圧１２ａが急上昇した場合でも、モータ電圧１３ａ、１３ｂ、１３ｃをこのバッテリ電圧１２ａの急上昇を受けて低下向きに補正してこのバッテリ電圧１２ａの急上昇がモータ電圧１３ａ、１３ｂ、１３ｃを上昇させることを防止することができ、これによりこのモータ電圧１３ａ、１３ｂ、１３ｃをモニタしてロータ位置検出を検出してもロータ位置を誤検出することがない。更に、上記モータ電圧の補償により、モータの出力トルクがバッテリ電圧１２ａのこの急上昇を受けて急に増大するといった不具合も生じない。
（バッテリ電圧が低下してデューティ比が１００％になっても目標値を変更しない従来の制御動作の説明）
図８は図７の制御を実施しない場合の動作を示しており、バッテリ電圧１２ａが低下してＰＷＭ電圧ＰＷＭのデューティ比が１００％になっても目標回転数は一定値となっている。
【００３１】
そのため、モータ回転数が下降すると目標値との間に大きな偏差が生じる。その後、バッテリ電圧１２ａが回生によって急上昇すると、モータ回転数と目標値の間に偏差があるため、デューティ比が１００％のままとなってしまい、モータ電圧の急上昇が生じ、ロータ位置検出器が誤作動してモータ停止に至ってしまう。
【００３２】
すなわち、従来では、バッテリ電圧が低下してデューティ比が１００％になった時点でも目標値がモータ回転数よりも低ければ、その後、バッテリ電圧が急上昇した場合でも、デューティ比が１００％より急には低下することができず、上述した作用効果を奏することができない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のモータ制御装置を示すブロック回路図である。
【図２】図１に示すロータ位置検出回路の回路図である。
【図３】図１に示す駆動信号生成装置の回路図である。
【図４】図１に示す回転数指令器、ＰＷＭ演算装置およびデューティ比判定装置を示すフローチャートの一部である。
【図５】図１に示す回転数指令器、ＰＷＭ演算装置およびデューティ比判定装置を示すフローチャートの残部である。
【図６】実施例１のモータ制御装置の各部の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】実施例１のモータ制御装置の各部の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】従来のモータ制御装置の各部の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１１はインバ−タ回路、１２は入力電圧検出器（制御部）、１３はロータ位置検出回路（制御部）、１４は回転数検出器（制御部）、１５は回転数指令器（制御部）、１６は回転数制御装置（制御部）、１７は記憶装置（制御部）、１８はＰＷＭ演算装置（制御部）、１９はデューティ比判定装置（制御部）、２０は駆動信号生成装置（制御部）

Claims

直流電源電圧をＰＷＭ制御してセンサレス・ブラシレスＤＣモータに印加するモータ電圧を形成するインバ−タ回路と、
前記モータ電圧から推定したロータ位置に基づいて前記モータ電圧の位相及び周波数を決定するとともにモータ回転数を検出する制御部とを備え、
前記制御部は、前記モータ回転数と所定の目標値との回転数差に基づいて前記回転数差を減らす方向に前記ＰＷＭ制御のデューティ比を制御するセンサレス・ブラシレスＤＣモータ制御装置において、
前記制御部は、前記モータ電圧への直流電源電圧変動の影響を相殺するように補正した前記モータ電圧を用いて前記ロータ位置を推定し、かつ、
前記デューティ比が１００（％）となってから１００（％）を下回るまでの間だけ前記目標値をモータ回転数の今回値に一時的に設定し、前記デューティ比が１００（％）を下回った後、前記目標値を本来の値に徐々に復帰させることを特徴とするセンサレス・ブラシレスＤＣモータ制御装置。