JP4277919B2 - モータ駆動装置及びモータ駆動制御方法 - Google Patents

モータ駆動装置及びモータ駆動制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、ブラシレスDCモータを駆動する際、モータの相電圧を検出し、その検出結果に基づいてロータの回転位置を検出するモータ駆動装置及びモータ駆動制御方法に関する。
例えば車載モータを駆動する装置において、ロードダンプにより過電圧が発生した場合に保護を図るため、電源線間にツェナーダイオードを挿入して過電圧をクランプするように対策を図ることがある。しかし、パワーツェナーダイオードは比較的高価な部品であり、過電圧対策に用いるため耐圧が高いものを選択すると一層高価になることから、製品価格を上昇させてしまうという問題がある。
また、特許文献1には、過電圧が印加されたことを検出すると、モータを最大出力条件で回転駆動させて電力を消費させる技術が開示されている。
特開2000−69786号公報
しかしながら、ブラシレスDCモータを駆動する際に、ホールセンサなどの位置検出素子を使用することなく、モータに発生する相電圧を検出することでロータの位置を推定する所謂(位置)センサレス駆動方式を採用する装置に特許文献1の技術を適用することを想定すると、以下のような問題が生じる。すなわち、センサレス駆動方式によりモータを駆動制御している最中に上記の制御を行うと、誘起電圧に基づいて得られる位置検出信号が乱れ、それに伴いモータに対する通電タイミングも乱れる。その結果、通電が特定の相に偏ったり、通電順序が不規則になって電力を消費させることができず、過電圧保護を図ることができなくなるおそれがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサレス方式を採用した場合でも過電圧保護を適切に図ることができるモータ駆動装置及びモータ駆動制御方法を提供することにある。
請求項1記載のモータ駆動装置によれば、制御切換え手段は、モータを駆動している場合において電源線に過電圧が印加されたことが検出されると、その時点の回転数に基づいてモータを強制転流させるように、駆動制御手段における駆動制御方式を切り換える。したがって、回転位置推定手段により推定された回転位置に基づきモータをセンサレス駆動する構成においても、過電圧が印加された場合には、モータを強制転流させて過電圧のエネルギーを消費させ保護を図ることができる。そして、センサレス駆動制御が不安定になったり、或いは脱調状態に至るような問題は発生しなくなる。
請求項2記載のモータ駆動装置によれば、制御切換え手段は、モータを強制転流させている間に電源線の電圧が所定レベルまで低下すると、その時点から所定時間が経過した後に回転位置推定手段を用いた制御に切り換える。したがって、駆動制御手段は、所定時間が経過するまでの間にモータの回転数を把握することができ、回転位置推定手段を用いた制御への切り換えをスムーズに行うことができる。
請求項3記載のモータ駆動装置によれば、制御切換え手段は、所定時間が経過する以前に過電圧が印加されたことが再度検出されると、駆動制御方式を強制転流側に切り替えさせた時点に検出された回転数に基づく強制転流を再試行させる。したがって、過電圧の印加が短時間内において連続的に発生した場合でも、保護を確実に図ることができる。
請求項4記載のモータ駆動装置によれば、駆動制御手段は、モータの回転が停止している場合に過電圧検出手段により過電圧の印加が検出されるとモータを強制転流させる。したがって、回転位置推定手段により推定された回転位置に基づきモータをセンサレス駆動する構成においてモータの回転が停止している状態でも、過電圧が印加された場合にはモータを強制転流させて過電圧のエネルギーを消費させ、保護を図ることができる。
請求項5記載のモータ駆動装置によれば、駆動制御手段は、過電圧の印加が検出される毎に、モータの通電相を一定のパターンにしたがって順次切り換えるので、前記パターンによりモータを強制転流させることができる。
請求項6記載のモータ駆動装置によれば、駆動制御手段は、モータを強制転流させる処理を行う毎に、前記一定のパターンに従って最初に通電する相を順次変化させる。すなわち、モータを強制転流させるパターンにおいて最初に通電する相が固定されていると、モータを駆動するインバータ等を構成する複数のスイッチング素子のうち、特定の素子の通電回数が多くなる。その結果、上記素子の温度がより高く上昇する場合が想定される。そこで、モータを強制転流させる処理を行う毎に最初に通電する相を順次変化させれば、各スイッチング素子の通電回数の偏りがより少なくなるので、各素子の温度上昇度合についても偏りを少なくすることができる。
請求項7記載のモータ駆動装置によれば、駆動制御手段は、モータを強制転流させる処理を行う場合に、一定のパターンに従って最初に通電する相を、温度センサによって検出される温度が最も高いスイッチング素子を避けるように変化させる。したがって、温度が最も高いスイッチング素子を温度センサにより特定し、当該素子の温度が過剰に上昇することを抑制できる。
請求項8記載のモータ駆動装置によれば、モータを強制転流させる場合に加速制御を行うので、過電圧のエネルギーをより短い時間で消費することができる。
請求項9記載のモータ駆動装置によれば、モータを強制転流させる場合に、モータが最高回転数に達するまで加速制御を行うので、過電圧のエネルギーを極力短い時間で消費することができる。
(第1実施例)
以下、本発明を車両に搭載される冷却機器(ラジエータ)に使用されるファンモータを駆動するインバータ装置に適用した場合の第1実施例について図1ないし図4を参照して説明する。図1は、モータ制御装置の構成を、本発明の要旨に係る部分について示すものである。インバータ回路1は、6個のMOSFET(半導体スイッチング素子)2UU,2VU,2WU(上アーム側,Pチャネル),2UD,2VD,2WD(下アーム側,Nチャネル)を三相ブリッジ接続して構成されている。そして、インバータ回路1には、車両のバッテリ3からの直流電源が、コンデンサ4a,4b並びにコイル4cよりなるπ型フィルタ4及び過電圧検出部(電圧検出手段)5を介して供給されている。
駆動回路(駆動制御手段)6は、マイクロコンピュータによって構成されており、外部より入力信号処理部7を介して与えられる駆動制御信号に応じて、インバータ回路1を構成する各FET2のゲートにPWM駆動信号を出力する。入力信号処理部7は、上記駆動制御信号が例えばPWM信号として与えられる場合に、その信号をレベル信号などに変換処理する。インバータ回路1の各相出力端子には、ブラシレスDCモータ8の各相巻線が接続されている。このモータ8は、冷却機器のラジエータファンを回転駆動するものである。
また、インバータ回路1の各相出力端子は、位置検出回路(回転位置推定手段,回転数検出手段)9の入力端子に接続されている。位置検出回路9は、例えばアナログフィルタ方式や基準電圧方式,中性点電位比較方式などのセンサレス検出方式等を採用して回転位置信号を生成し、駆動回路6に出力する。
過電圧検出部5は、電源線に例えばロードダンプなどにより第1基準電圧以上のサージ電圧が印加されたことを検出すると過電圧保護開始信号を保護回路(制御切り換え手段)10に出力し、その後、過電圧のレベルが、第1基準電圧よりも低いレベルに設定してある第2基準電圧を下回ると、過電圧保護終了信号を保護回路10に出力するように構成されている。そして、保護回路10は、上記の保護開始信号,保護終了信号の出力に応じた信号を駆動回路6に出力する。
また、各種保護機能部11は、各種の検出手段(センサ等)により、例えば電源電流について過電流状態を検出したり、FET2について過熱状態を検出するなどしてそれらの検出結果を保護回路10に出力する。そして、保護回路10は、検出された上記各種の状態に応じた動作をさせるための信号を駆動回路6に出力する。
駆動回路6は、モータ8を起動する場合には強制通電(強制転流)方式によって起動し、所定時間が経過してモータ8の回転数がある程度上昇するとセンサレス駆動方式に切り替える。すなわち、位置検出回路9により出力される回転位置信号を参照し、その信号に基づいてモータ8の通電切替えタイミングを決定する。
以上の構成において、バッテリ3,モータ8を除いたものが、モータ駆動装置12を構成している。
次に、本実施例の作用について図2及び図3も参照して説明する。図2は、保護回路10を中心とする、本発明の要旨に係る部分の制御内容を示すフローチャートであり、図3は、駆動回路6により過電圧保護動作が行われる場合の各部の波形を示すタイミングチャートである。駆動回路6は、モータ8を起動した後の通常動作状態においては、上述のようにセンサレス駆動方式(回転数制御)を実行している(ステップS1,図3(A))。この場合、図3(b),(c)に示すように、上アーム側のFET2UU,2VU,2WUをスイッチングさせてPWM制御する。
そして、図3(a)に示すように、例えばロードダンプが発生するなどして、バッテリ3の電圧(+B電圧)が上昇し、第1基準電圧(例えば30V)を上回ったことを過電圧検出部5が検出すると(ステップS2:YES)、過電圧検出部5は、保護回路10に過電圧保護開始信号を出力し、保護回路10は、それに応じた信号を出力して、駆動回路6は、回転位置信号より把握されるその時点の回転数を基に、モータ8の駆動方式を強制通電方式に切り替える(ステップS3,図3(B))。この場合、PWMデューティは100%に設定し、モータ8の回転数が最高に達するまで加速させて電源線に印加された過電圧のエネルギーを極力短時間内に消費させる。
図3(B)に示す期間において、強制通電方式によりモータ8を回転させることで電源線の過電圧レベルが低下し、正常レベルに復帰する傾向にあると判断される第2基準電圧(例えば25V)を下回ったことを過電圧検出部5が検出すると(ステップS4:YES)、過電圧検出部5は、保護回路10に過電圧保護停止信号を出力する。すると、保護回路10は、それに応じた信号を駆動回路6に出力する。
但し、駆動回路6は、上記信号が出力された時点から所定時間αが経過するまで待機し(ステップS5)、その間にモータ8の回転数を把握する。そして、所定時間αが経過するまでに、再び、過電圧を検出しなければ(ステップS6:NO)、ステップS1に移行してモータ8の駆動方式を再びセンサレス駆動方式に戻す(図3(C))。
ここで、図4は、所定時間αが経過する以前に、過電圧検出→過電圧保護開始信号出力→制御切り換え信号出力、となる状態が繰り返された場合の図3相当図であり、ステップS6において(YES)と判断する場合に対応する。すなわち、図4(B)において、+B電圧レベルが一旦第2基準電圧を下回った後、時間β(<α)後に再び第1基準電圧を超えるとステップS3に戻る。したがって、続く図4(C)の期間も、(B)に移行した場合のモータ8の回転数に基づく強制通電を再試行することになる。
また、図4(C)において+B電圧レベルが再度第2基準電圧を下回り、時間γ(<α)後に再び第1基準電圧を超えれば、同様にステップS6からS3に戻るので、続く図4(D)の期間も、(B)に移行した場合のモータ8の回転数に基づく強制通電を再試行する。
以上のように本実施例によれば、保護回路10は、モータ8を駆動している場合において電源線に過電圧が印加されたことが検出されると、その時点の回転数に基づいてモータ8を強制転流させるように、駆動回路6における駆動制御方式を切り換える。したがって、位置検出回路9により推定された回転位置に基づきモータ8をセンサレス駆動する構成においても、過電圧が印加された場合にはモータ8を強制転流させて過電圧のエネルギーを消費させ保護を図ることができる。そして、センサレス駆動制御が不安定になったり、或いは脱調状態に至るような問題は発生しなくなる。そして、モータ8を強制転流させる場合は、モータ8が最高回転数に達するまで加速制御を行うので、過電圧のエネルギーを極力短い時間で消費することができる。
また、保護回路10は、モータ8を強制転流させている間に電源線の電圧が所定レベルまで低下すると、その時点から所定時間が経過した後に位置検出回路9を用いたセンサレス制御に切り換えるので、駆動回路6は、所定時間が経過するまでの間にモータ8の回転数を把握して、センサレス制御への切り換えをスムーズに行うことができる。
更に、保護回路10は、所定時間が経過する以前に過電圧が印加されたことが再度検出されると、駆動制御方式を強制転流側に切り替えさせた時点に検出された回転数に基づく強制転流を再試行させる。したがって、過電圧の印加が短時間内において連続的に発生した場合でも、保護を確実に図ることができる。
(第2実施例)
図5及び図6は本発明の第2実施例を示すものであり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第2実施例の構成は、基本的に第1実施例と同様であり、モータ8の回転が停止している場合に行う過電圧保護について説明する。図5は上記保護動作のフローチャート,図6はタイミングチャートである。
モータ8の回転停止中に(ステップS11)+B電圧が上昇して、第1基準電圧を上回ったことを過電圧検出部(過電圧検出手段)5が検出し(ステップS12:YES)、過電圧保護開始信号を出力すると、保護回路10は、第1実施例と同様に、駆動回路6に対し制御切り換え信号を出力する。すると、駆動回路6は、通電相を予め定めた所定のパターンで切り替えてモータを強制通電により回転させる(ステップS13)。そして、+B電圧が低下して第2基準電圧を下回るまで(ステップS14:YES)、ステップS13に戻り強制通電を継続する。
すなわち、図6に示すように、例えば通電相を(1)U→V,(2)U→W,(3)V→W,(4)V→U,(5)W→U,(6)W→V,(1)U→V,…というように順次切り替えることで、モータ8を回転させ、過電圧のエネルギーを消費させる。
以上のように第2実施例によれば、駆動回路6は、モータ8の回転が停止している場合に過電圧の印加が検出されると、モータ8の通電相を一定のパターンにしたがって順次切り換えて、そのパターンにより強制転流させるので、モータ8の回転が停止している状態でも、過電圧が印加された場合には強制転流により過電圧のエネルギーを消費させて、保護を図ることができる。
(第3実施例)
図7ないし図9は本発明の第3実施例を示すものであり、第2実施例と異なる部分のみ説明する。モータ駆動装置13の構成を示す図7において、インバータ回路1の上アーム側FET2UU,2VU,2WUには、それぞれ温度センサ14U,14V,14Wが配置されており、それらのセンサ信号は、駆動回路(駆動制御手段)15に与えられている。
そして、図8に示す処理では、モータ8の停止時に過電圧が検出され、ステップS12において(YES)と判断すると、駆動回路15は、その時点の各FET2UU,2VU,2WUの温度を検出する(ステップS15)。そして、それらのうち温度が最も高いFET2を含まない通電相で、強制通電パターンを開始させるように設定してから(ステップS16)、ステップS13に移行する。
尚、モータ8の停止が比較的長い期間継続した状態から過電圧が最初に検出された場合には、各FET2UU,2VU,2WUの温度にはほとんど差が生じていないと想定されるので、その場合は、第2実施例と同様に(1)から開始すれば良い。
例えば図9に示すように、過電圧の発生が僅かな間をおいて連続した場合には、1回目は第2実施例と同様の通電パターンを実行する。そして、2回目の過電圧発生時に、ステップS15においてFET2WUの温度が最高であったとすると、ステップS16では(4)V→Uを最初とするように設定し、ステップS13に移行して通電パターンを実行する。
すなわち、強制転流パターンにおいて最初に通電する相が固定されていると、FET2UU,2VU,2WUのうち特定のFET2の通電回数が多くなる結果、その特定のFET2の温度がより高く上昇する場合が想定される。そこで、モータ8を強制転流させる処理を行う毎に最初に通電する相を順次変化させれば、FET2UU,2VU,2WUの通電回数の偏りがより少なくなり、各FET2UU,2VU,2WUの温度上昇度合の偏りも少なくなる。
以上のように第3実施例によれば、駆動回路15は、モータ8を強制転流させる処理を行う毎に、一定のパターンに従って最初に通電する相を順次変化させる。具体的には、最初に通電する相を、温度センサによって検出される温度が最も高いスイッチング素子を避けるように変化させる。したがって、温度が最も高いFET2を温度センサ14により特定し、当該FET2の温度が過剰に上昇することを抑制できる。
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
駆動回路はマイクロコンピュータではなくカスタムICで構成しても良い。
第1,第2基準電圧については、個別の設計に応じて適宜設定すれば良い。また、両者を同じレベルに設定して共通化しても良い。
モータを強制転流させる場合には、必ずしも最高回転数まで加速させる必要はなく、所定の回転数まで、或いは所定時間だけ加速制御させても良い。また、一定速度で回転させても良い。
モータを停止状態から強制転流させる場合には、第3実施例のように温度センサ14を使用せず、最初の通電相を、例えば((1)→(2)→(3)→…,(2)→(3)→(4)→…,(3)→(4)→(5)→…)のように、所定パターンにおいて順次1つずらすようにしても良い。また、最初の通電相を、ランダムに変化させても良い。
第1実施例と、第2又は第3実施例とを組み合わせて実施しても良い。
PWM制御は、下アーム側のFET2UD,2VD,2WDで行っても良い。その場合、第3実施例の温度センサ14は、FET2UD,2VD,2WD側に配置すれば良い。また、上アームPWM制御もしくは下アームPWM制御のどちらの場合でもかまわずFETすべてに温度センサをつけても良い。
上アーム側FET3個もしくは下アーム側FET3個を1チップ化した場合は温度センサを1個だけ配置すれば良い。
インバータ回路の相数は3相に限ることなく、2相若しくは4相以上であっても良い。
半導体スイッチング素子は、FETに限ることなく、バイポーラトランジスタやIGBTであっても良い。
車両用のファンモータに限ることなく、インバータ回路によりモータを駆動制御する場合に、半導体スイッチング素子の過熱保護動作を行なう必要があるものであれば、広く適用が可能である。
本発明の第1実施例であり、モータ駆動装置の構成を要旨に係る部分について示す図 本発明の要旨に係る部分の制御内容を示すフローチャート 過電圧保護動作が行われる場合の各部波形を示すタイミングチャート(その1) 同タイミングチャート(その2) 本発明の第2実施例を示す図2相当図 モータの回転が停止している場合の図3相当図 本発明の第3実施例を示す図1相当図 図2相当図 図6相当図
符号の説明
図面中、1はインバータ回路、2はMOSFET(半導体スイッチング素子)、5は過電圧検出部(電圧検出手段,過電圧検出手段)、6は駆動回路(駆動制御手段)、8はブラシレスDCモータ、9は位置検出回路(回転位置推定手段,回転数検出手段)、10は保護回路(制御切り換え手段)、12,13はモータ駆動装置、14は温度センサ、15は駆動回路(駆動制御手段)を示す。

Claims (18)

  1. ブラシレスDCモータのステータコイルに発生する相電圧を検出し、その検出結果よりロータの回転位置を推定する回転位置推定手段と、この回転位置推定手段によって推定された回転位置に基づき前記モータを駆動制御する駆動制御手段とを備えてなるモータ駆動装置において、
    電源線の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、
    前記モータを駆動している場合に前記電圧検出手段により過電圧が印加されたことが検出されると、その時点に前記回転数検出手段によって検出されている回転数に基づいて前記モータを強制転流させるように、前記駆動制御手段における駆動制御方式を切り換える制御切換え手段とを備えることを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 前記制御切換え手段は、前記モータを強制転流させている間に前記電源線の電圧が所定レベルまで低下したことが検出されると、その時点から所定時間が経過した後に、前記駆動制御手段における駆動制御方式を前記回転位置推定手段を用いた制御に切り換えることを特徴とする請求項1記載のモータ駆動装置。
  3. 前記制御切換え手段は、前記所定時間が経過する以前に、前記電源線に過電圧が印加されたことが再度検出されると、前記駆動制御方式を強制転流側に切り替えさせた時点に検出された前記回転数に基づく強制転流を再試行させることを特徴とする請求項2記載のモータ駆動装置。
  4. ブラシレスDCモータのステータコイルに発生する相電圧を検出し、その検出結果よりロータの回転位置を推定する回転位置推定手段と、この回転位置推定手段によって推定された回転位置に基づき前記モータを駆動制御する駆動制御手段とを備えてなるモータ駆動装置において、
    電源線に過電圧が印加されたことを検出する過電圧検出手段を備え、
    前記駆動制御手段は、前記モータの回転が停止している場合に前記過電圧検出手段により過電圧の印加が検出されると、前記モータを強制転流させることを特徴とするモータ駆動装置。
  5. 前記駆動制御手段は、前記過電圧検出手段により過電圧の印加が検出される毎に、前記モータの通電相を、一定のパターンにしたがって順次切り換えることを特徴とする請求項4記載のモータ駆動装置。
  6. 前記駆動制御手段は、前記モータを強制転流させる処理を行う毎に、前記一定のパターンに従って最初に通電する相を、順次変化させることを特徴とする請求項5記載のモータ駆動装置。
  7. 前記モータを駆動する駆動回路を構成しているスイッチング素子の温度を検出する温度センサを備え、
    前記駆動制御手段は、前記モータを強制転流させる処理を行う場合に、前記一定のパターンに従って最初に通電する相を、前記温度センサによって検出される温度が最も高いスイッチング素子を避けるように変化させることを特徴とする請求項5記載のモータ駆動装置。
  8. 前記モータを強制転流させる場合に、加速制御を行うことを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載のモータ駆動装置。
  9. 前記モータを強制転流させる場合に、前記モータが最高回転数に達するまで加速制御を行うことを特徴とする請求項8記載のモータ駆動装置。
  10. ブラシレスDCモータのステータコイルに発生する相電圧を検出し、その検出結果よりロータの回転位置を推定し、推定した回転位置に基づき前記モータを駆動制御する方法において、
    前記モータを駆動している場合に、電源線に過電圧が印加されたことが検出されると、その時点の回転数に基づいて前記モータを強制転流させるように駆動制御方式を切り換えることを特徴とするモータ駆動制御方法。
  11. 前記モータを強制転流させている間に前記電源線の電圧が所定レベルまで低下したことが検出されると、その時点から所定時間が経過した後に、駆動制御方式を、回転位置を推定して行う制御に切り換えることを特徴とする請求項10記載のモータ駆動制御方法。
  12. 前記所定時間が経過する以前に、前記電源線に過電圧が印加されたことが再度検出されると、前記駆動制御方式を強制転流側に切り替えさせた時点の前記回転数に基づく強制転流を再試行させることを特徴とする請求項11記載のモータ駆動制御方法。
  13. ブラシレスDCモータのステータコイルに発生する相電圧を検出し、その検出結果よりロータの回転位置を推定し、推定した回転位置に基づき前記モータを駆動制御する方法において、
    前記モータの回転が停止している場合に、電源線に過電圧が印加されたことが検出されると、前記モータを強制転流させることを特徴とするモータ駆動制御方法。
  14. 前記過電圧検出手段により過電圧の印加が検出される毎に、前記モータの通電相を、一定のパターンにしたがって順次切り換えることを特徴とする請求項13記載のモータ駆動制御方法。
  15. 前記モータを強制転流させる処理を行う毎に、前記一定のパターンに従って最初に通電する相を、順次変化させることを特徴とする請求項14記載のモータ駆動制御方法。
  16. 前記モータを駆動する駆動回路を構成しているスイッチング素子の温度を検出し、
    前記モータを強制転流させる処理を行う場合に、前記一定のパターンに従って最初に通電する相を、温度が最も高いスイッチング素子を避けるように変化させることを特徴とする請求項14記載のモータ駆動制御方法。
  17. 前記モータを強制転流させる場合に、加速制御を行うことを特徴とする請求項10ないし16のいずれかに記載のモータ駆動制御方法。
  18. 前記モータを強制転流させる場合に、前記モータが最高回転数に達するまで加速制御を行うことを特徴とする請求項17記載のモータ駆動制御方法。
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