JP4325443B2 - ブラシレスモータのセンサレス制御方法、ブラシレスモータのセンサレス制御装置及び電動ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶しておき、各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出して行き、検出した最新の間隔と規則的な変化とに基づき、ステータ巻線を通電制御するブラシレスモータのセンサレス制御方法、ブラシレスモータのセンサレス制御装置、及びこのブラシレスモータのセンサレス制御装置を備える電動ポンプに関するものである。

近時、車両に搭載されてトランスミッション及び舵取装置の電動ポンプ等を駆動する電動モータとして、ブラシレスモータが使用されるようになって来ている。ブラシレスモータは、ＤＣモータからブラシ及び整流子を取除き、電子整流回路を取付けたモータである。電子整流回路は、例えば３個のホール素子等の磁気センサを用いてマグネットロータがどの位置にあるのかを検出し、これらの検出信号に基づいてＰＷＭ制御等により、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相への通電を制御して回転磁界を発生させ、マグネットロータを回転駆動する。

ブラシレスモータを駆動するには、上述したようにロータの回転位置センサが必要であるが、モータを高温のエンジンルーム内に搭載する場合には、磁気センサの耐熱性が問題となり、回転位置センサを用いずにモータを駆動する所謂センサレス駆動が必要である。センサレス駆動では、ロータの回転位置を推定して、回転位置センサからの回転位置信号に相当する回転位置推定信号を作成する必要があり、通常、回転位置推定信号の作成には、３相の誘起電圧が利用される。

ブラシレスモータのセンサレス駆動では、各相のステータ巻線への通電は、通常、図６（ａ）のタイミングチャートに示すように、正負電圧区間の電気角１８０度の内１２０度の区間のみ通電する所謂１２０度通電が行なわれており、通電しない残りの６０度の区間には、各相のステータ巻線の端子に各相の誘起電圧が露出する（ここでは１相のみ表示）。
従って、この６０度の区間の各相のステータ巻線の端子電圧と基準電圧（ＲＥＦ電圧）とを比較して、何れかの相でそれらがクロスする時点（図６（ｂ）のタイミングチャートではコンパレート出力が変化する時点）、即ち、ゼロクロス点をロータの回転位置に関連する時点とすることが出来る。基準電圧には、通電の為の電源電圧の１／２の電圧を使用する。

このセンサレス駆動では、図６（ｄ）のタイミングチャートに示すような、検出したゼロクロス点の間隔を６０度に相当する期間として、その１／２の３０度を遅延時間Ｔｄとし、ゼロクロス点から遅延時間Ｔｄ遅延した時点で、各相のステータ巻線への通電を切換えている。
ゼロクロス点をサンプリングにより検出する場合、基準電圧との比較結果をサンプリングし、ステータ巻線の端子電圧の方が大である場合を「１」、小である場合を「０」として、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各比較結果を「１０１」「１１０」の様にパターン化する。

このパターンは、３相の場合は６種類有り、６種類のパターンが連続しながら順次切換わって行き、パターンが切換わった時点を、ゼロクロス点として検出している。
特開平６−７０５８６号公報 特開平９−２６６６９０号公報 特開２００２−３００７９２号公報 特開２００２−３２５４８４号公報 特開２００３−１１１４８３号公報 長竹和夫「モータ実用ポケットブック 家電用モータ・インバータ技術」日刊工業新聞社 ２０００年４月２８日初版１刷発行

上述したように、ブラシレスモータのセンサレス駆動では、各相のステータ巻線の端子電圧と基準電圧とを比較して、パターン切換えタイミングであるゼロクロス点を検出しており、基準電圧には、通電の為の電源電圧の１／２の電圧を使用している。
図６（ａ）に示すように、電源電圧の１／２の電圧（ＲＥＦ電圧）と、各相（ここでは１相のみ表示）の誘起電圧の中点レベルとが一致していれば、図６（ｄ）に示すように、ゼロクロス点の間隔は略一定になる。しかし、ＲＥＦ電圧と各相の誘起電圧の中点レベルとが一致していなければ、図６（ａ）（ｃ）のタイミングチャートに示すように、コンパレート出力にズレが生じ、図６（ｅ）に示すように、ゼロクロス点の間隔にバラツキが生じる。

従来は、ゼロクロス点の間隔を一定にする為に、ゼロクロス点を検出した後の処理で、間隔の移動平均を取っていたが、処理に時間が掛かり遅れが生じる要因となり、遅延時間の算出が遅れるという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１発明では、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点の間隔の不均一を軽減し、通電する為の遅延時間の算出に遅れが生じないブラシレスモータのセンサレス制御方法を提供することを目的とする。

第２発明では、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点の間隔の不均一を軽減し、通電する為の遅延時間の算出に遅れが生じないブラシレスモータのセンサレス制御装置を提供することを目的とする。
第３発明では、第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置を備える電動ポンプを提供することを目的とする。

第１発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法は、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶しておき、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出し、検出した間隔と前記規則的な変化とに基づき、前記ステータ巻線を通電制御するブラシレスモータのセンサレス制御方法において、最新の前記間隔である第１間隔の１つ前の間隔である第２間隔を記憶しておき、（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）を演算し、サンプリングした大小関係が変化した時点から（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）遅延させた時点から、前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御することを特徴とする。（ｎ＞２）

第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置は、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶してあり、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出し、検出した間隔と前記規則的な変化とに基づき、前記ステータ巻線を通電制御すべくなしてあるブラシレスモータのセンサレス制御装置において、最新の前記間隔である第１間隔の１つ前の間隔である第２間隔を記憶する手段と、（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）を演算する演算手段とを備え、サンプリングした大小関係が変化した時点から、前記演算手段が演算した（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）遅延させた時点から、前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御すべくなしてあることを特徴とする。（ｎ＞２）

第１発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及び第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置では、複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶してあり、各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出し、検出した間隔と規則的な変化とに基づき、ステータ巻線を通電制御する。記憶する手段が、最新の前記間隔である第１間隔の１つ前の間隔である第２間隔を記憶し、演算手段が、（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）を演算する。次いで、サンプリングした大小関係が変化した時点から、演算手段が演算した（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）遅延させた時点から、規則的な変化に基づき、ステータ巻線を通電制御する。（ｎ＞２）

第３発明に係る電動ポンプは、請求項２に記載されたブラシレスモータのセンサレス制御装置と、該センサレス制御装置が駆動制御するブラシレスモータと、該ブラシレスモータが駆動するポンプとを備えることを特徴とする。

この電動ポンプでは、請求項２に記載されたブラシレスモータのセンサレス制御装置が、ブラシレスモータを駆動制御し、ブラシレスモータがポンプを駆動する。

第１発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法によれば、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点の間隔の不均一を軽減し、通電する為の遅延時間の算出に遅れが生じず、ブラシレスモータを効率良く駆動出来るブラシレスモータのセンサレス制御方法を実現することが出来る。

第２発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御装置によれば、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点の間隔の不均一を軽減し、通電する為の遅延時間の算出に遅れが生じず、ブラシレスモータを効率良く駆動出来るブラシレスモータのセンサレス制御装置を実現することが出来る。

第３発明に係る電動ポンプによれば、ステータ巻線の端子電圧のゼロクロス点の間隔の不均一を軽減し、通電する為の遅延時間の算出に遅れが生じず、ブラシレスモータを効率良く駆動出来る電動ポンプを実現することが出来る。

以下に、本発明を、その実施の形態を示す図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及びブラシレスモータのセンサレス制御装置の実施の形態１の要部構成を示すブロック図である。このブラシレスモータのセンサレス制御装置は、車両に搭載されて油圧ポンプ等を駆動するブラシレスＤＣモータ（以下、モータと記載）のセンサレス制御装置であり、車載バッテリ２からの直流電源により片側ＰＷＭ方式で３相交流電圧を生成させ、モータ１を駆動制御する。

モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線（図示せず）の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが回転位置推定信号生成部３に与えられ、回転位置推定信号生成部３は、与えられた各端子電圧に基づき、サンプリング（ディジタル方式）により各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成する。
回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗは、通電制御装置４に与えられ、通電制御装置４は、与えられた回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づき、片側ＰＷＭ方式で車載バッテリ２の直流電圧Ｅから３相交流電圧を生成させ、モータ１を駆動制御する。

回転位置推定信号生成部３は、図２のブロック図に示すように、電圧比較部１２及び極性決定部１４を備えており、電圧比較部１２は、各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと車載バッテリ２の直流電圧Ｅの１／２の電圧Ｖａとをそれぞれ比較するコンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗを備えている。コンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗの比較結果は、各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの方が大である場合は「１」、小である場合は「０」であるディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗとして、極性決定部１４に例えば１９．２３ｋＨｚの周波数でサンプリングされる。

極性決定部１４は、メモリ１４ａ及びタイマ１４ｂを有するＭＰＵにより構成され、メモリ１４ａには、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンの取るべき規則的な変化等を記憶している。また、サンプリングしたディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンとメモリ１４ａが記憶している規則的な変化に基づき、各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成して、通電制御装置４に与える。
通電制御装置４は、通電信号生成部５、ＰＷＭ制御部７、ゲートドライブ回路８、スイッチング回路９及び速度制御部１６から構成されている。

スイッチング回路９は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に、車載バッテリ２の陽極側に接続される半導体スイッチング素子６ｕ＋，６ｖ＋，６ｗ＋と、車載バッテリ２の陰極側に接続される半導体スイッチング素子６ｕ−，６ｖ−，６ｗ−とが直列接続されている。それぞれの接続点は、モータ１のステータ巻線の端子に各相毎に接続されている。半導体スイッチング素子６ｕ＋，６ｕ−，６ｖ＋，６ｖ−，６ｗ＋，６ｗ−には、それぞれフリーホイールダイオード（フライバックダイオード）が逆並列に接続されている。

速度制御部１６は、モータ１のロータの回転速度検出値Ｓ及び回転速度設定値Ｓａとを比較し、両者の大小関係に基づき、モータ１をＰＷＭ駆動する為の速度制御信号Ｓｐｗｍを作成し、ＰＷＭ制御部７へ与える。
通電信号生成部５は、与えられた各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づいて、スイッチング回路９の半導体スイッチング素子６ｕ＋，６ｕ−，６ｖ＋，６ｖ−，６ｗ＋，６ｗ−をそれぞれ通電制御する為の通電信号Ｃｕ＋，Ｃｕ−，Ｃｖ＋，Ｃｖ−，Ｃｗ＋，Ｃｗ−を作成し、ＰＷＭ制御部７へ与える。通電信号生成部５は、ＭＰＵ又は論理素子により構成される。

ＰＷＭ制御部７は、与えられた通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−及び速度制御信号Ｓｐｗｍに基づき、半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれＰＷＭ制御する為のＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋，Ｄｕ−，Ｄｖ＋，Ｄｖ−，Ｄｗ＋，Ｄｗ−を作成し、ゲートドライブ回路８へ与える。
ゲートドライブ回路８は、与えられたＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋〜Ｄｗ−に基づき、半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれオン／オフ駆動し、モータ１のステータ巻線に回転磁界を発生させる。

以下に、このような構成のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置の動作を、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）の波形図に示すように、位相がそれぞれ１２０度異なっており、それぞれの正負電圧区間である１８０度の電気角の内、中央部の１２０度の区間が通電され、それぞれの通電区間の終端部にはリンギングが生じている。中央部の１２０度以外の区間は、ステータ巻線に生じた誘起電圧が露出している。

回転位置推定信号生成部３のコンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗは、モータ１の各相のステータ巻線の各端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと車載バッテリ２の直流電圧Ｅの１／２の電圧Ｖａとをそれぞれ比較する。これらの比較結果は、端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの方が大である場合は「１」、小である場合は「０」であるディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗとして、極性決定部１４にサンプリングされる。

ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗは、例えば、（１０１）→（００１）→（０１１）→（０１０）→（１１０）→（１００）→（１０１）の順序で規則的に変化する。ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのこの６種類のパターンが規則的に変化する周期的時間は、サンプリング周期より充分大きい。
極性決定部１４のメモリ１４ａは、上述したディジタル信号Ｂｗ，Ｂｖ，Ｂｕのパターンが規則的に変化する順序を記憶している。

極性決定部１４は、先ず、他からの割込を禁止した後（図３Ｓ２）、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗをサンプリングし（Ｓ４）、サンプリングしたディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンに基づき、ゼロクロス点を検出する手順を実行する（Ｓ６）。ゼロクロス点を検出する手順は、例えば、ディジタル信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗのパターンが変化した後、その変化した後のパターンが複数回のサンプリングで連続した場合に、ゼロクロス点を検出したことにする。

極性決定部１４は、ゼロクロス点を検出する手順（Ｓ６）により、ゼロクロス点を検出しなかったときは（Ｓ８）リターンする。ゼロクロス点を検出したときは、前回のゼロクロス点検出からのタイマ１４ｂの計時を終了し（Ｓ１０）、その計時した時間であるゼロクロス点間隔Ｔｚａ（第１間隔）をメモリ１４ａに記憶する（Ｓ１２）。次いで、今回のゼロクロス点検出からのタイマ１４ｂの計時を開始する（Ｓ１４）。

極性決定部１４は、次に、前回のゼロクロス点間隔Ｔｚｂ（第２間隔）をメモリ１４ａから読込み（Ｓ１６）、遅延時間Ｔｄ＝（Ｔｚａ／２）−（Ｔｚｂ／ｎ）を演算する（Ｓ１８）。ｎはモータ１の回転数又は負荷によって変化させる進み角制御量によって変化する２を超える正数である。
極性決定部１４は、次に、メモリ１４ａに記憶するゼロクロス点間隔Ｔｚａを前回のゼロクロス点間隔Ｔｚｂとした後（Ｓ２０）、他からの割込を許可して（Ｓ２２）リターンする。

極性決定部１４は、メモリ１４ａが記憶しているパターンの規則的な変化に基づき、コンパレータ１５ｕ，１５ｖ，１５ｗの出力信号（サンプリングした信号）から、演算した遅延時間Ｔｄ（Ｓ１８）分、遅延させた各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを作成して、通電制御装置４に与える。回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗには、通電を切換えるタイミングと、メモリ１４ａが記憶しているパターンの規則的な変化に基づく、各相の正負の通電／非通電情報が含まれている。

通電制御装置４の通電信号生成部５は、回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づく半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−の６種類の制御パターンを記憶しており、与えられた回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗとこの制御パターンとにより通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−を作成する。作成した通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−はＰＷＭ制御部７へ与える。
ＰＷＭ制御部７は、与えられた通電信号Ｃｕ＋〜Ｃｗ−及び速度制御信号Ｓｐｗｍに基づき、片側ＰＷＭ方式で半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれＰＷＭ制御する為のＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋〜Ｄｗ−を作成し、ゲートドライブ回路８へ与える。

ゲートドライブ回路８は、与えられたＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋〜Ｄｗ−に基づき、片側ＰＷＭ方式で各相の半導体スイッチング素子６ｕ＋〜６ｗ−をそれぞれオン／オフ制御する駆動信号を出力して、モータ１のステータ巻線に回転磁界を発生させ、マグネットロータを回転駆動する。
尚、上述した実施の形態では、片側ＰＷＭ方式でモータ１を駆動制御しているが、本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及びセンサレス制御装置は、両側ＰＷＭ方式及びＰＷＭ方式によらない方式にも適用することは可能である。

（実施の形態２）
図５は、本発明に係る電動ポンプの実施の形態２の要部構成及びその周辺部を示すブロック図である。この電動ポンプは、車両のオートマチック・トランスミッションに使用されており、エンジン２０の図示しないクランクシャフトとプロペラシャフト２４とをオートマチック・トランスミッション２１が連結している。

電動ポンプ２２ａは、オートマチック・トランスミッション２１の側面に固定されたポンプ２２と、ポンプ２２を駆動するブラシレスＤＣモータ１と、ブラシレスＤＣモータ１を駆動制御する実施の形態１で説明したセンサレス制御装置２３とを備えている。
電動ポンプ２２ａは、オートマチック・トランスミッション２１を作動させるオイルの圧力を制御する。

エンジン２０のクランクシャフトの、オートマチック・トランスミッション２１と連結しない側の端部の回転は、電磁クラッチ３２を介してプーリ３１に伝達され、プーリ３１の回転は、ベルト３３により発電機２８及び補機３０に伝達される。補機３０は、エアコンディショナのコンプレッサ等である。発電機２８が発電した電力は、車載バッテリ２９に蓄電され、センサレス制御装置２３等の電源となる。
プロペラシャフト２４のオートマチック・トランスミッション２１と連結しない側の端部は、デファレンシャル２５により駆動輪２７の駆動軸２６に直角に連結されている。

本発明に係るブラシレスモータのセンサレス制御方法及びブラシレスモータのセンサレス制御装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。 回転位置推定信号生成部の構成例を示すブロック図である。 極性決定部の動作の例を示すフローチャートである。 ステータ巻線の各端子電圧を示す波形図である。 本発明に係る電動ポンプの実施の形態の要部構成及びその周辺部を示すブロック図である。 従来のブラシレスモータのセンサレス制御装置の動作の例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ （ブラシレスＤＣ）モータ
２，２９ 車載バッテリ
３ 回転位置推定信号生成部
４ 通電制御装置
５ 通電信号生成部
６ｕ＋，６ｕ−，６ｖ＋，６ｖ−，６ｗ＋，６ｗ− 半導体スイッチング素子
７ ＰＷＭ制御部
８ ゲートドライブ回路
９ スイッチング回路
１４ 極性決定部
１４ａ メモリ（記憶する手段）
１４ｂ タイマ
１５ｕ，１５ｖ，１５ｗ コンパレータ
２０ エンジン
２１ オートマチック・トランスミッション
２２ ポンプ
２２ａ 電動ポンプ
２３ センサレス制御装置
２４ プロペラシャフト

Claims (3)

1. 複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶しておき、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出し、検出した間隔と前記規則的な変化とに基づき、前記ステータ巻線を通電制御するブラシレスモータのセンサレス制御方法において、
   最新の前記間隔である第１間隔の１つ前の間隔である第２間隔を記憶しておき、（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）を演算し、サンプリングした大小関係が変化した時点から（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）遅延させた時点から、前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御することを特徴とするブラシレスモータのセンサレス制御方法。（ｎ＞２）
2. 複数相のステータ巻線の各端子電圧と所定電圧との大小関係の取るべき規則的な変化を記憶してあり、前記各端子電圧と所定電圧との大小関係を時系列的にサンプリングし、サンプリングした大小関係が変化した時点の間隔を検出し、検出した間隔と前記規則的な変化とに基づき、前記ステータ巻線を通電制御すべくなしてあるブラシレスモータのセンサレス制御装置において、
   最新の前記間隔である第１間隔の１つ前の間隔である第２間隔を記憶する手段と、（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）を演算する演算手段とを備え、サンプリングした大小関係が変化した時点から、前記演算手段が演算した（第１間隔／２）−（第２間隔／ｎ）遅延させた時点から、前記規則的な変化に基づき、前記ステータ巻線を通電制御すべくなしてあることを特徴とするブラシレスモータのセンサレス制御装置。（ｎ＞２）
3. 請求項２に記載されたブラシレスモータのセンサレス制御装置と、該センサレス制御装置が駆動制御するブラシレスモータと、該ブラシレスモータが駆動するポンプとを備えることを特徴とする電動ポンプ。

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