JP4513914B2 - モータ制御回路，車両用ファン駆動装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータを位置センサ等を使用せずに駆動制御する、モータ制御回路および制御方法，並びに前記モータ制御回路を備えてなる車両用ファン駆動装置に関する。

ブラシレスＤＣモータを駆動する場合に、ホールＩＣ等の位置センサを使用することなく駆動する制御方式としては、通電角が１８０°未満時の方式と、通電角を１８０°として正弦波状の電圧で駆動する方式の２つに大別される。通電角が１８０°未満時の制御方式は、通電休止期間に巻線に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出して位置推定を行い駆動制御する方式であり、簡単なロジックで実現することができる。

一方、通電角を１８０°として正弦波状の電圧で駆動する方式は、通電休止区間に発生する誘起電圧による位置推定ができないため、巻線の電圧と巻線の電流、モータの定数から高速に演算することにより位置推定を行い駆動制御する。この方式では、正弦波状の電圧を与えるためトルクリップルが非常に小さく騒音や振動等を抑制できるが、高精度な電流センサ等が必要となり、また高速演算を行うための高性能なマイコン等が必要となる。

上述したセンサレス制御では、モータが停止中である場合、若しくは回転速度が低い領域では位置検出ができなくなるため、強制転流を行うことで同期モータとして起動を行いセンサレス制御に切り替えるようにしている。例えば図１７に示すように、通電角が１８０°未満で電圧波形が矩形波状の駆動信号にてセンサレス制御を行う場合には、起動時の強制転流においても矩形波状の駆動信号の強制転流により起動を行う（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５８−２９３８０号公報

ところで、例えば車両に搭載されるモータについては、動作環境温度の高低差が極めて大きくなる。雰囲気温度が上昇すると、モータの巻線抵抗が上昇し、駆動装置を中心とする回路部における半導体素子や配線などの抵抗も上昇する。その結果、モータに印加する電圧が同じレベルであっても、モータに流れる電流は減少することになり、発生トルクも減少する。
したがって、起動時に強制転流を行う際に、雰囲気温度の上昇によって発生トルクが減少した場合には、ロータが駆動回路側の転流速度に追従せず、起動が失敗するおそれがある。そのような問題を回避するには、温度上昇時にトルクが不足しないように、十分なレベルの電圧を印加する必要がある。

しかしながら、上記のように温度上昇時に対応して印加電圧を決定すると、今度は雰囲気温度が室温程度の場合や更に低下した場合には、モータの巻線抵抗やその他回路部の抵抗が下がるため、逆に電流が増えて発生トルクが増加する。１８０°未満の通電角で電圧波形が矩形波状の駆動信号による強制転流では、トルクリップルによるモータの振動が増加することになり、起動時に異音が発生することが問題となる。

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、ブラシレスＤＣモータを１８０°未満の通電角となる矩形波状の駆動信号を用いたセンサレス制御方式により駆動制御する場合でも、異音の発生を抑制しつつ確実に起動することができるモータ制御回路及びモータ制御方法，並びに前記モータ制御回路を備えてなる車両用ファン駆動装置を提供することにある。

請求項１記載のモータ制御回路によれば、１８０°未満の通電角となる矩形波状の駆動信号で、通電休止区間に発生する誘起電圧により位置推定し通電を行うセンサレス制御方式によりブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御する場合、起動制御手段は、モータがセンサレス制御を適用できない停止状態又は低速回転状態にある場合に起動指令が与えられると、相補ＰＷＭ制御によりモータへの印加電圧振幅が緩やかに変化するようにした駆動信号の強制転流により当該モータを起動した後に、センサレス制御に切替える。
尚、ここで言う「相補ＰＷＭ制御」とは、インバータ回路を介してモータをＰＷＭ制御する場合、インバータ回路を構成する上アーム側，下アーム側のスイッチング素子を双方ともＰＷＭ制御するものを示す。

すなわち、定常的なセンサレス方式による駆動状態では、モータに対して１８０°未満の通電角により滑らかさを欠く電圧波形（例えば、１２０°の矩形波電圧波形）を印加してもモータの駆動音が問題とならないようなアプリケーションであっても、モータを停止状態から、若しくはセンサレス制御が適用できないレベルの低速回転状態にある状態から起動する際には、駆動音が問題となる場合がある。それに加えて、上述したように、モータを確実に起動するためのトルクを付与する必要性との間でトレードオフが存在する。
そこで、停止状態若しくは低速回転状態からモータを起動する場合には、相補ＰＷＭ制御によりモータへの印加電圧振幅が緩やかに変化するようにした駆動信号の強制転流を行うようにすれば、駆動音の発生を抑制しつつ、上記駆動信号の電圧レベルや周波数を適宜調整することで、モータを確実に起動するためのトルクを与えることも可能となる。

具体的には、起動用駆動信号の波形を、電気角６０°未満の区間毎にモータへの印加電圧振幅が変化するように設定される擬似正弦波とする。すなわち、擬似的な正弦波状の駆動信号（平均電圧が正弦波状となるＰＷＭ信号）を用いることで、モータを滑らかに起動して駆動音の発生を抑制することができる。

請求項２記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、モータが３相である場合、擬似正弦波状の起動用駆動信号を２相変調方式によりモータに印加するので、ＰＷＭ制御においてスイッチング素子がスイッチングを行う回数をトータルで少なくすることができる。また、同時にスイッチングを行う素子を６個から４個にすることができる為、装置全体の発熱を抑制できる。さらにスイッチング素子を駆動する回路の消費電流も減らすことができる。

請求項３記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、強制転流を行なった後、モータに対する通電を所定期間だけＯＦＦすることにより、確実に誘起電圧を検出してからセンサレス制御に切替えるので、駆動方式の切り替えを滑らかに行うことができる。

請求項４記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、誘起電圧の振幅が位置推定が可能となるレベルに達するまで強制転流を行なった後、モータに対する通電を所定期間だけＯＦＦしてからセンサレス制御に切替えるので、センサレス制御への切替えをスムーズに行うことができる。

請求項５記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、誘起電圧の振幅が、位置推定が可能となるレベルに達すると共に、モータによる負荷の駆動騒音が矩形波のセンサレス制御によるモータ単体の駆動騒音以上となるまで強制転流を行なうので、センサレス制御への切替えを行った場合に、モータ単体の駆動騒音が負荷の駆動騒音にマスクされ異音として聞こえなくなる。

請求項６記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、強制転流におけるモータへの印加電圧振幅を低下させてからモータに対する通電をＯＦＦするように切り替えるので、通電をＯＦＦする際の電流変化を抑制して、駆動音の発生を回避できる。

請求項７記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、電圧振幅を低下させる場合に、電気角３６０°で振幅がゼロになるように低下させるので、回転数を低下させることなしに電圧振幅を低下させることができる。

請求項８記載のモータ制御回路によれば、通電をＯＦＦする期間を、センサレス制御に切替える時点の回転数において電気角３６０°以上とするので、駆動方式を切り替える場合のインターバルを十分に確保することができるとともに、切替え時の回転数を確実に検出することができ、センサレス制御に切替えた後に安定して回転数制御を行うことができる。

請求項９又は１０記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、強制転流時における起動用駆動信号のモータ印加電圧振幅（請求項９）を少なくとも初期段階は次第に増加させたり、周波数に対するモータ印加電圧振幅を一定比で次第に増加させるので（請求項１０）、起動をより滑らかに及び確実に行うことができる。

請求項１１記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、起動用駆動信号のパラメータ初期値及び増加量を格納する記憶手段を備えて初期値及び増加量を可変出来るようにしたので、例えば使用するモータの特性等に応じて、記憶手段に格納される初期値及び増加量に応じて印加する駆動信号をどのように変化させるかを決定できる。

請求項１２記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、直流通電によりモータのロータを位置決めしてから強制転流を開始するので、モータの起動をロータ位置が決まった状態から滑らかに開始することができる。

請求項１３記載のモータ制御回路によれば、ロータの位置決めの際にモータに流れる電流を検出し、起動制御手段は、検出された電流値に応じて起動用駆動信号のモータ印加電圧振幅を可変設定する。すなわち、モータの巻線抵抗は周囲温度に応じて変化するので、位置決めの際に巻線に印加する電圧に応じて流れる電流は、その時点の巻線抵抗値を反映している。したがって、上記電流に応じて起動用駆動信号の電圧振幅を設定すれば、周囲温度が異なる場合でもモータの巻線に略同じ電流を流して安定した起動を行うことができる。

請求項１４記載のモータ制御回路によれば、起動制御手段は、起動指令が与えられた場合に温度検出手段が検出した温度が所定値以下の場合は相補ＰＷＭ制御による駆動信号を印加し、前記温度が所定値を超えている場合は片側ＰＷＭ制御による矩形波状の駆動信号を印加して起動を行う。尚、ここで言う「片側ＰＷＭ制御」とは、インバータ回路を介してモータをＰＷＭ制御する場合、インバータ回路を構成する上アーム側，下アーム側のスイッチング素子の何れか一方だけをＰＷＭ制御するものを示す。

すなわち、回路周辺の温度が低い場合は、相補ＰＷＭ制御による駆動信号を印加してモータを低騒音で起動することが望ましいが、回路周辺の温度が高い場合には、更なる温度上昇を抑制するため、ＰＷＭ制御におけるスイッチング損失による発熱を抑えつつモータを起動するのが適切となる。そこで、請求項１４によれば、温度検出手段が検出した温度の高低に応じてモータの起動方式を適切に切り替えることができる。

請求項１５記載のモータ制御回路によれば、前記所定値を、ＰＷＭ制御を実行した結果が、前記回路の温度を内部素子の定格温度範囲内に抑えるように設定するので、インバータ回路がスイッチング動作した結果発生する熱により、スイッチング素子が破壊されたり、信頼性が低下したりすることをより確実に防止できる。

請求項１６記載の車両用ファン駆動装置によれば、請求項１ないし１５の何れかに記載のモータ制御回路を備えて、モータにより車両に搭載されるファンを駆動する。すなわち、車両用のファンを定常的に駆動している状態では風切り音が発生するため、モータの駆動音が発生しても車両の乗員に対してマスキングされ、異音として聞こえず問題はない。しかし、回転停止状態や低速回転状態からモータを起動する場合には、風切り音が殆ど発生していないため駆動音がマスキングされ難くなるので、本願発明のモータ制御回路を極めて有効に適用できる。

（第１実施例）
以下、本発明を車両用ファン駆動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、車両に搭載されるファンモータをＰＷＭ制御により矩形波通電して駆動する装置の一構成例を示すものである。ファン駆動装置１は、例えばＥＣＵ（Electronic Control Unit）などの上位コントローラ２よりＰＷＭ信号として与えられるファンの回転速度指令を信号処理部３で受けると、ＰＷＭ信号のデューティに応じた電圧信号を変換生成して回転数指令変換回路４に出力する。上位コントローラ２は、例えばラジエータ内部の水温を検知する水温センサ（図示せず）や車両速度を検知する車速センサなどからの出力信号を受けて、それらの検知結果に応じた回転速度指令を出力するものである。

回転数指令変換回路４は、上記電圧信号に応じて回転数指令を決定し、デューティ（ＤＵＴＹ）演算回路５に出力する。ファン６は、３相ブラシレスＤＣモータ７によって回転駆動されるようになっており、モータ７の回転状態は位置検出回路８により検出される。位置検出回路８は、例えばモータ７の巻線に発生する誘起電圧波形に基づいて（所謂位置センサレス方式）回転を検出するように構成されている。

回転数検出回路９は、位置検出回路８によって出力される検出信号（モータ７を構成するロータの回転位置信号）に基づいてモータ７の回転数を算出し、デューティ演算回路５の入力側に出力する。そして、回転数検出回路９によって算出された回転数と、回転数指令変換回路４によって出力される回転数指令との差分が減算器１０により演算され、デューティ演算回路５に対しては、上記減算結果が入力されるようになっている。

デューティ演算回路５は、上記減算結果に基づいて例えばＰＩ（比例積分）制御を行うことでデューティ指令を演算し、そのデューティ指令はデューティ指令選択／電圧補正回路１１に出力される。デューティ指令選択／電圧補正回路１１は、車両のバッテリ１２の電圧ＶＢに応じてデューティ演算回路５より与えられるデューティ指令を補正すると共に、強制転流時デューティ指令生成回路１３より与えられる切替え信号に応じて、ＰＷＭ信号生成回路１４に出力するデューティ指令の形態を切替える。

すなわち、強制転流時デューティ指令生成回路１３より、強制転流時に対応するデューティ指令を出力するための切替え信号が与えられると、デューティ指令選択／電圧補正回路（以下、単にデューティ指令選択回路と称す）１１は、正弦波状のＰＷＭデューティ指令を（図３（ａ）参照）３相分（位相がそれぞれ１２０°異なる）出力する。一方、上記の切替え信号が与えられない場合には、デューティ演算回路５より与えられるデューティ指令をそのまま出力する。また、デューティ指令選択回路１１は、必要に応じてＥＥＰＯＭ２４（記憶手段）より制御に必要なデータを読み出すようになっている。

ＰＷＭ信号生成回路１４には、デューティ指令選択回路１１より与えられる補正されたデューティ指令と内部で生成されたＰＷＭ制御の搬送波との振幅を比較することでＰＷＭ信号を生成し、６個のＡＮＤゲート１５（Ｕ_U，Ｕ_D，Ｖ_U，Ｖ_D，Ｗ_U，Ｗ_D）の入力端子に出力するようになっている。Ｕ相信号は、ＡＮＤゲート１５Ｕ_Uと共にＮＯＴゲート１６Ｕを介してＡＮＤゲート１５Ｕ_Dに、Ｖ相信号は、ＡＮＤゲート１５Ｖ_Uと共にＮＯＴゲート１６Ｖを介してＡＮＤゲート１５Ｖ_Dに、Ｗ相信号は、ＡＮＤゲート１５Ｗ_Uと共にＮＯＴゲート１６Ｗを介してＡＮＤゲート１５Ｗ_Dにそれぞれ出力されている。

位置検出回路８によって出力される検出信号は通電相振り分け回路１７にも与えられており、通電相振り分け回路１７は、上記検出信号が示すロータの回転位置に応じて矩形波による１２０度通電パターン信号を生成すると、各ＡＮＤゲート１５の残りの入力端子に出力する。

ＡＮＤゲート１５Ｕ_U，１５Ｖ_U，１５Ｗ_Uは、通電相振り分け回路１７より与えられる通電パターン信号がハイレベルとなる期間に、ＰＷＭ信号生成回路１４により生成されたＰＷＭ信号をハイサイド信号として、ノンオーバーラップ設定部２５を介してゲートドライブ回路１８に出力する。また、ＡＮＤゲート１５Ｕ_D，１５Ｖ_D，１５Ｗ_Dよりノンオーバーラップ設定部２５を介してゲートドライブ回路１８に与えられる信号が、ロウサイド信号となる。ここでの信号の「Ｈ」はＭＯＳの駆動をＯＮする信号で、「Ｌ」はＭＯＳの駆動をＯＦＦする信号とする。

インバータ回路１９は、例えば６個のパワーＭＯＳＦＥＴ１９Ｕ_U，１９Ｖ_U，１９Ｗ_U（これらはＰチャネル），１９Ｕ_D，１９Ｖ_D，１９Ｗ_D（これらはＮチャネル）を３相ブリッジ接続して構成されており、ゲートドライブ回路１８より出力されるゲート信号は、上記各ＦＥＴ１９Ｕ_U〜１９Ｗ_D（スイッチング素子）の各ゲートに与えられる。そして、インバータ回路１９の各相出力端子は、モータ７の各相巻線７Ｕ，７Ｖ，７Ｗに接続されている。

尚、ノンオーバーラップ設定部２５は、インバータ回路１９の上アーム側ＦＥＴ１９Ｕ_U，１９Ｖ_U，１９Ｗ_Uと、それらに対応する下アーム側ＦＥＴ１９Ｕ_D，１９Ｖ_D，１９Ｗ_Dとが同時にＯＮすることで貫通電流が流れるのを防止するため、ＰＷＭ信号のレベルがハイ，ロウに遷移する間に、双方のＦＥＴが同時にＯＦＦする期間（ノンオーバーラップ期間）を設定するために配置されている。また、このようなノンオーバーラップ設定部は、ＡＮＤゲート１５やＮＯＴゲート１６などのロジック回路と併せて一体に構成される場合もある。ノンオーバーラップ期間は、正弦波の歪みが増大しないように、極力「０」に近い値とするのが好ましい。

インバータ回路１９の下アーム側とグランドとの間には、電流検出用のシャント抵抗（電流検出手段）２０が接続されており、そのシャント抵抗２０の端子電圧は電流検出回路（電流検出手段）２１により検出されると、強制転流時デューティ指令生成回路１３に与えられている。尚、シャント抵抗２０や電流検出回路２１は、一般には脱調や過負荷等に起因する過電流検出などに使用されるもので、検出電流を上記指令生成回路１３に与える場合の作用については、後述の第２実施例で説明する。また、上記の脱調や過負荷等に起因する過電流時の動作および回路については、本願発明と直接関係ないので省略する。

回転数検出回路９の出力信号は駆動方法判定回路２２にも与えられており、駆動方法判定回路２２は、モータ７の回転数の高低により、駆動方法切替え信号を強制転流時デューティ指令生成回路１３並びに通電相振り分け回路１７に出力する。
以上において、位置検出回路８，回転数検出回路９，デューティ指令選択回路１１，強制転流時デューティ指令生成回路１３，駆動方法判定回路２２は、起動制御手段２３を構成している。

次に、本実施例の作用について図２ないし図４も参照して説明する。図２は、駆動装置１の起動制御手段２３を中心とする回路動作を示すフローチャートである。上位コントローラ２がファン６の回転速度指令を出力すると、信号処理部３は、その指令を信号処理した電圧信号を回転数指令変換回路４に出力する（ステップＳ１）。すると、回転数指令変換回路４は、上記電圧信号に応じて回転数指令を決定し、デューティ演算回路５に出力する（ステップＳ２）。

続いて、駆動方法判定回路２２は、その時点のモータ７の回転数を回転数検出回路９により検出し（ステップＳ３）、その回転数が所定値Ｎmin「ｒｐｍ」以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。例えばモータ７が停止していたり、若しくはモータ７が駆動装置１により駆動されていないがファン６が走行風を受けて低速で回転しているような場合は（ＹＥＳ）、例えばインバータ回路１９における上アーム：Ｖ，Ｗ相から下アーム：Ｕ相に直流通電を行い、モータ７のロータ位置決めを行う（ステップＳ５）。

この時、駆動方法判定回路２２は、駆動方法の切替え信号をアクティブにするが、通電相振り分け回路１７は、上記切替え信号がアクティブになった時点から所定時間だけＡＮＤゲート１５Ｕ_D，１５Ｖ_U，１５Ｗ_Uだけにハイレベル信号を出力する。また、デューティ指令選択回路１１は、上記切替え信号が強制転流時デューティ指令生成回路１３を介して与えられると、ＰＷＭデューティ指令を所定時間だけ所定のＤＵＴＹで出力する（例えば、１０％）。このＤＵＴＹは、ロータの位置決めが可能なトルクが発生できるＤＵＴＹを適宜設定すればよい。

ステップＳ５でロータ位置決めを行うと、続いて強制転流時デューティ指令生成回路１３は、図３（ａ）に示すような正弦波状の駆動信号（３相）をモータ７に印加するためのデューティ指令をデューティ指令選択回路１１に出力する。すると、デューティ指令選択回路１１は、強制転流時デューティ指令生成回路１３より与えられたデューティ指令を選択してＰＷＭ信号生成回路１４に出力し、モータ７を強制転流により起動する（ステップＳ６）。

この場合、通電相振り分け回路１７は、全てのＡＮＤゲート１５にハイレベル信号を出力し、インバータ回路１９の上アーム，下アームのＯＮ／ＯＦＦ切り替えは、ＰＷＭ信号生成回路１４が出力するＰＷＭ信号のみで行う。その結果、ＰＷＭの制御形態は相補型の３相変調となり、強制転流時の駆動信号波形は、図４に示すように平均電圧が正弦波状のＰＷＭ波形となる。

ここで、駆動信号波形を図３（ａ）のような正弦波状とするものに替えて、図３（ｂ）に示すように、同様な正弦波状の信号を２相変調方式によって印加しても良い。すなわち、３相の内何れか１相はスイッチング動作させず（上アームをＯＦＦ，下アームはＯＮ状態）に維持する間、残りの２相間で相補ＰＷＭ制御でスイッチング動作を行う。

ステップＳ６で強制転流を行っている間、強制転流の周波数を次第に増加させ（ステップＳ６ａ）、その周波数が所定値Ｆchange［Ｈｚ］以上となったか否かを判定する（ステップＳ７）。そして、モータ７の強制転流周波数が所定値Ｆchange［Ｈｚ］以上になると（ＹＥＳ）、駆動方法判定回路２２は駆動方法切替え信号をインアクティブにする。すると、通電相振り分け回路１７は、所定時間だけ全てのＡＮＤゲート１５にロウレベル信号を出力し、インバータ回路１９による通電をＯＦＦにして、モータ６をフリーラン状態にする（ステップＳ８）。ここで、通電をＯＦＦする期間は、電気角で３６０°以上とする。

上記の通電ＯＦＦ期間が経過すると、この段階ではモータ７の回転数がある程度上昇しているので、位置検出回路８がモータ７の巻線７Ｕ〜７Ｗに発生する誘起電圧のゼロクロス点に基づくロータ位置検出を行うことが十分可能な状態にある。したがって、デューティ指令選択回路１１は、矩形波状の駆動信号を印加するためのＰＷＭデューティ指令を出力するように切り替え、通電相振り分け回路１７は、３相振り分け用の信号出力を開始してセンサレス制御に移行する（ステップＳ９）。
以降は、ステップＳ４で「ＮＯ」と判定してステップＳ９に移行することになり、モータ７は、センサレス制御方式により矩形波状の駆動信号が印加されて駆動される。

尚、ステップＳ７における所定値Ｆchangeの設定については、例えば、モータ７の巻線７Ｕ〜７Ｗに発生する誘起電圧の振幅が、センサレス制御による位置推定が可能となるレベルに達するような周波数とする。また、その条件に加えて、モータ７によるファン６の駆動騒音が、矩形波のセンサレス制御によるモータ７の駆動騒音以上となるような周波数としても良い。後者のように設定した場合、低回転領域においてファン６の騒音が小さい領域で、センサレス制御に切り替えた場合の矩形波によるモータ７単体の駆動騒音が、ファン６の駆動騒音にマスクされ異音として聞こえなくなる。

以上のように本実施例によれば、駆動装置１の起動制御手段２３は、車両用のファン６を回転させるモータ７について、センサレス制御を適用できない停止状態又は低速回転状態にある場合に上位コントローラ２により起動指令が与えられると、相補ＰＷＭ制御による擬似的な正弦波状の駆動信号を印加する強制転流によってモータ７を起動した後に、センサレス制御に切替えるようにした。
すなわち、車両用のファン６を定常的に駆動している状態では風切り音が発生するため、モータ７に矩形波状の駆動電圧を印加することで駆動音が発生しても車両の乗員に対してマスキングされるので問題はない。しかし、回転が停止している状態や低速回転状態からモータ７を起動する場合には、駆動音がマスキングされ難くなり駆動音が問題となる。また、モータ７を確実に起動するためのトルクを付与する必要性もある。

したがって、モータ７を起動する場合は正弦波状の駆動信号を印加して強制転流を行うことで、モータ７を滑らかに起動して駆動音の発生を抑制しつつ、上記駆動信号の電圧レベルや周波数を適宜調整することでモータ７を確実に起動するためのトルクを与えることも可能となる。その場合、図３（ｂ）に示すように、擬似正弦波状の起動用駆動信号を２相変調方式でモータ７に印加すれば、ＰＷＭ制御によりインバータ回路１９の各ＦＥＴがスイッチングを行う回数をトータルで少なくすることができ、ゲートドライブ回路１８の駆動電流を低減できると共に、スイッチング損失（各ＦＥＴの発熱）を抑制できる。

また、起動制御手段２３は、強制転流を行なった後、モータ７に対する通電を所定期間，例えば切替えを行う時点の回転数で電気角３６０°以上だけＯＦＦしてからセンサレス制御に切替えるので、駆動方式を切り替える場合のインターバルを十分に確保して切り替えを滑らかに行うことができる。更に、直流通電７によりモータのロータを位置決めしてから強制転流を開始するので、モータ７の起動を、ロータ位置が決まった状態から滑らかに開始することができる。

さらに、ステップＳ７における所定値Ｆchangeをモータ７の巻線７Ｕ〜７Ｗに発生する誘起電圧の振幅を、センサレス制御による位置推定が可能となるレベルに達するような周波数とすることで、センサレス制御への移行を確実かつスムーズに行うことができる。また、その条件に加えて、モータ７によるファン６の駆動騒音が矩形波による駆動騒音以上となるような周波数とすることで、低回転領域においてファン６の騒音が小さい領域で、センサレス制御に切り替えた場合の矩形波によるモータ７単体の駆動騒音をマスキングして、車両の乗員に与える不快感を軽減できる。

（第２実施例）
図５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実施例の構成は第１実施例と同様であり、電流検出回路２１を使用する場合の作用について説明する。図２相当図である図５において、ステップＳ５で直流励磁によるロータ位置決めを行うと、デューティ指令選択回路１１は、その際にシャント抵抗２０に流れる電流値を、電流検出回路２１を介して検出する（ステップＳ１１）。そして、その電流値の大きさに応じて、起動用の駆動信号である擬似正弦波の電圧振幅（最大値）を可変設定する。

すなわち、モータ７の巻線の抵抗は周囲温度に応じて変化するので、位置決めの際に巻線に印加する電圧に応じて電流はその時点の巻線抵抗値を反映している。したがって、上記電流に応じて起動用駆動信号の電圧振幅を設定すれば、周囲温度が異なる場合でもモータ７の巻線７Ｕ〜７Ｗに略同じ電流を流して、安定した起動を行うことができる。

（第３実施例）
図６は本発明の第３実施例を示すものである。第３実施例では、起動用駆動信号の電圧を次第に増加させる（ステップＳ１４）。すなわち、正弦波状に変化する振幅の最大値を、ステップＳ１４を実行する毎に増加させる。例えば、印加電圧の上限に達するまでの間に、その上限の１％分ずつ増加させる。これにより、モータ７をより滑らかに及び確実に起動することができる。

（第４実施例）
図７は本発明の第４実施例を示すものである。第４実施例では、第３実施例のステップＳ１４に替わるステップＳ１５において、起動用駆動信号の転流周波数と電圧とを同一の所定比で順次増加させる。例えば、周波数を２．５Ｈｚ〜２５Ｈｚまで０．０５Ｈｚ／ｍｓの割合で増加させながら強制転流を行うとき、デューティを１５％から０．３６％／Ｈｚの比率で上昇させる。これにより、モータ７を一層滑らかに及び確実に起動することができる。

（第５実施例）
図８は本発明の第５実施例を示すものである。第５実施例では、第４実施例と同様に起動用駆動信号の転流周波数と電圧（パラメータ）とを双方共に順次増加させるが、それらの初期値並びに増加量をデータとして、ＥＥＰＲＯＭ２４に記憶させる。そして、ステップＳ５を実行すると、デューティ指令選択回路１１は、ＥＥＰＲＯＭ２４に記憶されている転流周波数，印加電圧の初期値（例えば周波数は２．５Ｈｚ（１０極モータの場合３０ｒｐｍ），電圧はデューティ１５％）を読み出して設定し（ステップＳ１６）、ステップＳ６の強制転流を開始する。

また、ステップＳ６，Ｓ７において強制転流を行っている間も、メモリに記憶されている転流周波数，印加電圧の増加量（例えば周波数は０．０５Ｈｚ／ｍｓ，電圧はデューティ０．３６％／Ｈｚ）を読み出して設定し（ステップＳ１７）、その増加量に応じて周波数，電圧を順次増加させる。したがって、例えば使用するモータの特性等に応じて、メモリに格納される初期値及び増加量に応じて印加する駆動信号をどのように変化させるかを決定できる。

（第６〜第８実施例）
図９〜図１２は本発明の第６〜第８実施例を示すものである。第６〜第８実施例は、モータ７を強制転流させる場合に印加する起動用駆動信号波形のバリエーションを示す。図９に示す第６実施例は、図３（ｂ）と同様の２相変調方式による擬似正弦波の分解能をより荒くしたもので、通電角を１５°ステップとしたものである。
また、図１０に示す第７実施例は、電圧波形を台形波状とした場合であり、（ａ），（ｂ）では斜辺の傾きが異なっている。また、図１１に示す第８実施例は、電圧波形を三角波状とした場合である。起動用駆動信号の波形がこれらのような場合であっても、矩形波に比較すると印加電圧の変化はより緩やかになるため、モータ７を滑らかに起動することができる。

図１２は、擬似正弦波の分解能を変化させた場合と、矩形波で駆動した場合とのトルクリップルを比較したものである。通電角を３０°ステップとした場合のトルクリップルは、矩形波の場合の１／２未満となっている。擬似正弦波の分解能を向上させるのに応じてトルクリップルは低下するが、それに応じて回路規模は増大する。従って、両者のトレードオフを、個別の設計に応じて適当なポイントでバランスさせるように設定すれば良い。

（第９実施例）
図１３及び図１４は本発明の第９実施例を示すものである。図１３に示す駆動装置３１は、回路内部の温度を検出するための温度検出回路（温度検出手段）３２を備えており、温度検出回路３２の検出出力は駆動方法判定回路３３に与えられている。駆動方法判定回路３３は、モータ７の回転数がＮmin［ｒｐｍ］以下である場合に温度検出回路３２の検出出力を参照し、その検出結果に応じて強制転流時に使用する駆動信号波形を選択する指示を、強制転流時デューティ指令生成回路３４並びに通電相振り分け回路３５に出力する。そして、第１実施例の起動制御手段２３に対して、駆動方法判定回路３３，強制転流時デューティ指令生成回路３４を置き換えたものが起動制御手段３６を構成している。

次に、第９実施例の作用について図１４も参照して説明する。図１４のフローチャートでは、ステップＳ５で強制転流を行うと、駆動方法判定回路３３は、温度検出回路３２により検出された温度が所定温度未満か否かを判定する（ステップＳ２１，Ｓ２２）。尚、ステップＳ２２で行う判定は、例えば温度検出回路３２側に温度判定用のコンパレータを設けておき、そのコンパレータの信号出力状態を参照することで判定しても良い。
そして、検出温度が所定温度以下であれば（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、強制転流時デューティ指令生成回路３４並びに通電相振り分け回路３５に対し、第１実施例と同様に起動用として正弦波状の駆動信号を選択させ（ステップＳ２３）、ステップＳ６’に移行して強制転流を行う。

一方、検出温度が所定温度を超えている場合は（ステップＳ２２：ＮＯ）、強制転流時デューティ指令生成回路３４並びに通電相振り分け回路３５に対し、起動用として矩形波状の駆動信号を選択させて（ステップＳ２４）ステップＳ６’に移行する。この場合、通電相振り分け回路３５は、センサレス制御時と同様の３相通電振り分け信号を、位置検出回路８の信号出力に依存することなく、同様の振り分けパターンの信号を所定の周波数で出力する。その結果、強制転流時には、インバータ回路１９の上アーム側だけをスイッチングさせる片側ＰＷＭ制御となる。

この場合、前記所定温度を、ＰＷＭ制御を実行した結果が、インバータ回路１９の温度を素子の定格範囲内に抑えるように設定するのが好ましい。このように設定すれば、インバータ回路１９がスイッチング動作した結果発生する熱により、スイッチング素子が破壊されたり、信頼性が低下したりすることをより確実に防止できる。

以上のように第９実施例によれば、駆動装置３１の起動制御手段３５は、起動指令が与えられた場合に温度検出回路３２が検出した温度が所定値以下の場合は正弦波状の駆動信号を印加し、前記温度が所定値を超えている場合は片側ＰＷＭ制御による矩形波状の駆動信号を印加して起動を行うようにした。
すなわち、回路周辺の温度が低い場合は、正弦波状の駆動信号を印加してモータを低騒音で起動することが望ましいが、回路周辺の温度が高い場合には、更なる温度上昇を抑制するため、ＰＷＭ制御におけるスイッチング損失による発熱を抑えつつモータを７起動するのが適切となる。したがって、温度検出回路３２が検出した温度の高低に応じてモータ７の起動方式を適切に切り替えることができる。

（第１０実施例）
図１５及び図１６は本発明の第１０実施例を示すものである。図１５は、第３実施例の図６相当図である。第１０実施例では、ステップＳ７を実行した後、ステップＳ８でインバータ回路１９による通電をＯＦＦする前に、ステップＳ２５において印加電圧を減少させる処理を行う。

図１６（ａ）は、ステップＳ６〜Ｓ９の処理を実行した場合の、モータ７の巻線７Ｕ〜７Ｗに通電される電流波形の変化を示すものである。強制転流において、印加電圧並びに周波数を漸増させているが、周波数がFchangeに達してステップＳ７で「ＹＥＳ」と判断すると、ステップＳ２５で印加電圧を低下させる。この時、電気角３６０°で振幅がゼロとなるように低下させてから、ステップＳ８で通電をＯＦＦする。図１６（ｂ）は、比較のため、ステップＳ２５を実行しない第３実施例の場合の電流波形を示しているが、通電をＯＦＦするタイミングでの電流変化が急峻になるため、モータ７及びファン６の駆動騒音が発生するおそれがある。

以上のように構成される第１０実施例によれば、強制転流における初期段階では印加電圧振幅を増加させると共に通電周波数を増加させ、周波数がFchangeに達すると、電圧振幅を低下させてからモータ７に対する通電をＯＦＦするように切り替えるので、通電をＯＦＦする際の電流変化を抑制して、駆動音の発生を回避できる。そして、電圧振幅を低下させる場合に、電気角３６０°で振幅がゼロになるように低下させるので、モータ７の回転数を低下させることなしに電圧振幅を低下させることができる。

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。
起動用駆動信号として用いる擬似正弦波は、その他、例えば通電角が３０°ステップのものでも良く、通電角が６０°未満であれば良い。
強制転流時の駆動信号の印加電圧は、負荷によっては第１実施例のように一定でも構わない。また、周波数や印加電圧を最初に高く設定し、その後次第に低下させるなど、負荷トルクや慣性モーメントにより最適な値に設定すれば良い。

強制転流を開始する場合、ロータの位置決めは、ステップＳ５に示すパターンに限らない。また、ロータの位置決めは必要に応じて行えば良い。
強制転流からセンサレス制御に移行する間にモータへの通電をＯＦＦする期間は、電気角３６０°以上に限ることなく、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。また、通電ＯＦＦ期間自体を設けるか否かについても、適宜決定すれば良い。
第２実施例を、第３〜第１０実施例に適用しても良い。
第５実施例において、記憶手段はＥＥＰＲＯＭでなくても良い。
第１０実施例において、ステップＳ２５で電圧振幅を低下させる場合に、必ずしも電気角３６０°で振幅がゼロになるようにする必要はない。
インバータ回路の上アーム側に、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを使用しても良い。
インバータ回路を構成するスイッチング素子は、ＩＧＢＴでも良い。
車両用のファンを駆動するものに限らず、特に起動時におけるモータの駆動音を低減する必要があるものに適用が可能である。

本発明の第１実施例であり、車両用ファン駆動装置の構成を示す図 回路動作を示すフローチャート 起動用駆動信号の波形を示す図 ＰＷＭ制御により起動用駆動信号の平均電圧が正弦波状となることを示す図 本発明の第２実施例を示す図２相当図 本発明の第３実施例を示す図２相当図 本発明の第４実施例を示す図２相当図 本発明の第５実施例を示す図２相当図 本発明の第６実施例を示す図３相当図 本発明の第７実施例を示す図３相当図 本発明の第８実施例を示す図３相当図 擬似正弦波の分解能を変化させた場合と、矩形波で駆動した場合とのトルクリップルを比較した図 本発明の第９実施例を示す図１相当図 図２相当図 本発明の第１０実施例を示す図６相当図 （ａ）はステップＳ６〜Ｓ９を実行した場合の通電電流波形の変化を示す図、（ｂ）は第３実施例の場合の（ａ）相当図 従来の矩形波状のＰＷＭ信号を示す図

符号の説明

図面中、１はファン駆動装置、６はファン、７は３相ブラシレスＤＣモータ、８は位置検出回路、９は回転数検出回路、１１はデューティ指令選択回路、１３は強制転流時デューティ指令生成回路、１９はインバータ回路、２０はシャント抵抗（電流検出手段）、２１は電流検出回路（電流検出手段）、２２は駆動方法判定回路、２３は起動制御手段、２４はＥＥＰＲＯＭ（記憶手段）、３１はファン駆動装置、３２は温度検出回路（温度検出手段）、３３は駆動方法判定回路、３４は，強制転流時デューティ指令生成回路、３６は起動制御手段を示す。

Claims (31)

1. １８０°未満の通電角となる矩形波状の駆動信号で、通電休止区間に発生する誘起電圧により位置推定し通電を行うセンサレス制御方式によりブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御するモータ制御回路において、
   前記モータが前記センサレス制御を適用できない停止状態又は低速回転状態にある場合に起動指令が与えられると、相補ＰＷＭ制御により前記モータへの印加電圧振幅が緩やかに変化するようにした駆動信号の強制転流により当該モータを起動した後に、前記センサレス制御に切替える起動制御手段を備え、
   前記起動用駆動信号の波形は、電気角６０°未満の区間毎に前記モータへの印加電圧振幅が変化するように設定される擬似正弦波であることを特徴とするモータ制御回路。
2. 前記起動制御手段は、前記モータが３相である場合、前記擬似正弦波状の起動用駆動信号を、２相変調方式により前記モータに印加することを特徴とする請求項１記載のモータ制御回路。
3. 前記起動制御手段は、前記強制転流を行なった後、前記モータに対する通電を所定期間だけＯＦＦしてから、前記センサレス制御に切替えることを特徴とする請求項１又は２記載のモータ制御回路。
4. 前記起動制御手段は、前記誘起電圧の振幅が、前記位置推定が可能となるレベルに達するまで前記強制転流を行なった後、前記モータに対する通電を所定期間だけＯＦＦしてから、前記センサレス制御に切替えることを特徴とする請求項３記載のモータ制御回路。
5. 前記起動制御手段は、前記誘起電圧の振幅が、前記位置推定が可能となるレベルに達すると共に、前記モータによる負荷の駆動騒音が矩形波のセンサレス制御によるモータの駆動騒音以上となるまで前記強制転流を行なうことを特徴とする請求項４記載のモータ制御回路。
6. 前記起動制御手段は、前記強制転流における前記モータへの印加電圧振幅を低下させてから、前記モータに対する通電をＯＦＦするように切り替えることを特徴とする請求項３ないし５の何れかに記載のモータ制御回路。
7. 前記起動制御手段は、前記電圧振幅を低下させる場合に、電気角３６０°で振幅がゼロになるように低下させることを特徴とする請求項６記載のモータ制御回路。
8. 前記通電をＯＦＦする期間を、前記センサレス制御に切替える時点の回転数において電気角３６０°以上とすることを特徴とする請求項３ないし７の何れかに記載のモータ制御回路。
9. 前記起動制御手段は、前記強制転流時における前記起動用駆動信号のモータ印加電圧振幅を、少なくとも初期段階は次第に増加させることを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載のモータ制御回路。
10. 前記起動制御手段は、前記強制転流時における前記起動用駆動信号の周波数及びモータ印加電圧振幅を、少なくとも初期段階は一定比で次第に増加させることを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載のモータ制御回路。
11. 前記起動制御手段は、前記起動用駆動信号のパラメータ初期値及び増加量を格納する記憶手段を備え、前記初期値及び前記増加量を可変出来るようにしたことを特徴とする請求項９又は１０記載のモータ制御回路。
12. 前記起動制御手段は、直流通電により前記モータのロータを位置決めしてから、前記強制転流を開始することを特徴とする請求項１ないし１１の何れかに記載のモータ制御回路。
13. 前記位置決めの際に、前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
    前記起動制御手段は、前記電流の値に応じて、前記起動用駆動信号のモータ印加電圧振幅を可変設定することを特徴とする請求項１２記載のモータ制御回路。
14. 回路内部の温度を検出する温度検出手段を備え、
    前記起動制御手段は、前記起動指令が与えられると前記温度検出手段により検出される温度を参照し、前記温度が所定値以下の場合は前記相補ＰＷＭ制御による駆動信号を印加して起動を行い、前記温度が所定値を超えている場合は片側ＰＷＭ制御による矩形波状の駆動信号を印加して起動を行うことを特徴とする請求項１ないし１３の何れかに記載のモータ制御回路。
15. 前記所定値は、ＰＷＭ制御を実行した結果が、前記回路の温度を内部素子の定格温度範囲内に抑えるように設定されることを特徴とする請求項１４記載のモータ制御回路。
16. 請求項１ないし１５の何れかに記載のモータ制御回路を備え、
    前記モータによって車両に搭載されるファンを駆動することを特徴とする車両用ファン駆動装置。
17. １８０°未満の通電角となる矩形波状の駆動信号で、通電休止区間に発生する誘起電圧により位置推定し通電を行うセンサレス制御方式によりブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御する方法において、
    前記モータが前記センサレス制御を適用できない停止状態又は低速回転状態にある場合に起動指令が与えられると、相補ＰＷＭ制御により前記モータへの印加電圧振幅が緩やかに変化するようにした、電気角６０°未満の区間毎に前記モータへの電圧振幅が変化するように設定される擬似正弦波状の起動用駆動信号の強制転流により当該モータを起動した後に、前記センサレス制御に切替えることを特徴とするモータ制御方法。
18. 前記モータが３相である場合、前記擬似正弦波状の起動用駆動信号を、２相変調方式により前記モータに印加することを特徴とする請求項１７記載のモータ制御方法。
19. 前記強制転流を行なった後、前記モータに対する通電を所定期間だけＯＦＦしてから、前記センサレス制御に切替えることを特徴とする請求項１７又は１８記載のモータ制御方法。
20. 前記誘起電圧の振幅が、前記位置推定が可能となるレベルに達するまで前記強制転流を行なった後、前記モータに対する通電を所定期間だけＯＦＦしてから、前記センサレス制御に切替えることを特徴とする請求項１９記載のモータ制御方法。
21. 前記誘起電圧の振幅が、前記位置推定が可能となるレベルに達すると共に、前記モータによる負荷の駆動騒音が矩形波のセンサレス制御によるモータの駆動騒音以上となるまで前記強制転流を行なうことを特徴とする請求項１９記載のモータ制御方法。
22. 前記強制転流におけるモータへの印加電圧振幅を低下させてから、前記モータに対する通電をＯＦＦするように切り替えることを特徴とする請求項１９ないし２１の何れかに記載のモータ制御方法。
23. 前記電圧振幅を低下させる場合に、電気角３６０°で振幅がゼロになるように低下させることを特徴とする請求項２２記載のモータ制御方法。
24. 前記通電をＯＦＦする期間を、前記センサレス制御に切替える時点の回転数において電気角３６０°以上とすることを特徴とする請求項１９ないし２３の何れかに記載のモータ制御方法。
25. 前記強制転流時における前記起動用駆動信号のモータ印加電圧振幅を、少なくとも初期段階は次第に増加させることを特徴とする請求項１７ないし２４の何れかに記載のモータ制御方法。
26. 前記強制転流時における前記起動用駆動信号の周波数及びモータ印加電圧振幅を、少なくとも初期段階は一定比で次第に増加させることを特徴とする請求項１７ないし２４の何れかに記載のモータ制御方法。
27. 前記起動用駆動信号のパラメータ初期値及び増加量を記憶手段に格納して、前記初期値及び増加量を可変出来るようにしたことを特徴とする請求項２５又は２６記載のモータ制御方法。
28. 直流通電により前記モータのロータを位置決めしてから、前記強制転流を開始することを特徴とする請求項１７ないし２７の何れかに記載のモータ制御方法。
29. 前記位置決めの際に、前記モータに流れる電流を検出し、
    前記電流の値に応じて、前記起動用駆動信号のモータ印加電圧振幅を可変設定することを特徴とする請求項２８記載のモータ制御方法。
30. 前記起動指令が与えられると温度検出手段により検出される回路内部の温度を参照し、前記温度が所定値以下の場合は前記相補ＰＷＭ制御による駆動信号を印加して起動を行い、前記温度が所定値を超えている場合は片側ＰＷＭ制御による矩形波状の駆動信号を印加して起動を行うことを特徴とする請求項１７ないし２９の何れかに記載のモータ制御方法。
31. 前記所定値を、ＰＷＭ制御を実行した結果が、前記回路の温度を内部素子の定格温度範囲内に抑えるように設定することを特徴とする請求項３０記載のモータ制御方法。

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