JP4680280B2 - ブラシレスモータのロータ位置推定装置、ブラシレスモータの起動制御システム、および、ブラシレスモータの起動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータの起動に関し、詳しくは、ブラシレスモータのロータ位置を推定する技術に関する。

従来、ステータ側にコイルを配設し磁極を有するロータを回転させるようにして、ロータとの摺動子をなくしたブラシレスモータが知られている。このようなブラシレスモータでは、その起動時にロータが停止している位置（以下、「ロータ位置」という）を推定することが必要になるが、摺動子を有するモータとは異なり、ロータ位置の推定は困難である。

ブラシレスモータにおいて、ロータ位置を推定する最も単純な方法は、センサによって検知する方法である。ただし、この場合、部品点数の増加などが生じてしまう。そこで従来、ステータに配設されるコイルに電圧を印加し、当該コイルに流れる電流の変化からロータ位置を推定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここに開示される技術は、ロータの回転方向に対し垂直な方向の磁束を所定角度毎に発生させるように電圧を印加して、コイルに流れる電流である巻線電流の大きさを測定することにより、ロータ位置を推定するものである。具体的には、電流が増加しても磁束密度の変化が小さくなるいわゆる磁気飽和がコイルに生じると、電圧一定の下でコイルのインダクタンスが減少するため、電流が増加するという現象が起きる。このとき、ロータ位置に対応する角度では、ロータ自身の発生する磁束によって磁気飽和しやすい。したがって、従来技術では、所定角度毎に磁束の方向を変えるように電圧を複数回印加し、それぞれの場合の巻線電流を検出するようにして、当該巻線電流のピークを比べることにより、ロータ位置を推定している。
特開昭６３−６９４８９号公報

ところで、ブラシレスモータを、車載用の燃料ポンプに用いることを考える。この場合、コイルに印加される電圧は、車載用のバッテリによるものとなり、そのため、電圧が変動するおそれがある。例えば、車載電装品によって電圧降下が生じたり、あるいは、故障時などに外部に接続されるバッテリによって電圧上昇が生じたりするという具合である。

このとき、上記特許文献１に開示される技術では、磁束を発生させるための電圧の印加時間が一定となっているため、電圧降下が生じている低電圧時には、コイルが磁気飽和しないおそれがある。コイルが磁気飽和しない場合、電流の増加が小さくなるため、巻線電流のピークを比較するという方法では、ロータ位置の推定精度が低下してしまう。

一方、電圧上昇が生じている高電圧時には、電圧と共に電流が大きくなる。したがって、コイルや、電圧の印加を実現するためのスイッチなどの回路素子を大電流に耐えられるものにする必要が生じてくる。そのため、システムが大型化してしまう。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、その目的は、電源電圧の変動があったとしても、ロータ位置を精度よく推定可能であり、かつ、構成のコンパクト化を図ることが可能なブラシレスモータのロータ位置推定装置、ブラシレスモータの起動制御システム、および、ブラシレスモータの起動制御方法を提供することにある。

請求項１に記載のブラシレスモータのロータ位置推定装置は、ブラシレスモータのロータの停止位置（ロータ位置）を推定するものである。ここで、ブラシレスモータは、コイルが巻回されてなるステータ、および、当該ステータに回転可能に支持されるロータを有している。

本発明では、電流検出手段が、コイルに流れる電流である巻線電流を直接的又は間接的に検出する。「直接的又は間接的に」としたのは、電流そのものを検出する場合の他、電流の流れる抵抗器の両端の電位差（電圧）を検出する場合などを含める趣旨である。また、電圧印加手段が、ロータの回転方向に対して垂直な複数の方向にそれぞれ磁束を発生させるよう電圧を印加する。この電圧印加手段は、例えば電源およびスイッチング回路として具現化される。

ここで特に、電圧印加制御手段は、複数の方向のうち予め定められた方向に対し順に磁束を発生させるように電圧印加手段を制御する。「予め定められた方向」とは、ロータ位置を推定するための方向であり、例えば「複数の方向」がロータの回転方向に３０度間隔毎に１２方向に設定される場合、そのうちの６０度間隔毎の６方向を予め定められた方向とする、という具合である。また、電圧印加制御手段は、電流検出手段にて検出された巻線電流が所定の閾値を上回ると、電圧印加手段による電圧の印加を終了する。このとき、印加期間取得手段は、電圧印加制御手段の制御により磁束が発生する方向毎に、電圧の印加期間に相当する期間相当値を取得する。「印加期間に相当する期間相当値」としたのは、期間そのものの他、たとえば期間内にカウンタでカウントを行う構成の下、そのカウンタのカウント数を採用する等、時間情報だけでなく実質的に当該期間を示す他の情報を含める趣旨である。そして、ロータ位置推定手段によって、印加期間取得手段にて取得される期間相当値が比較されることにより、電圧の印加期間が最小となる方向が特定され、当該特定される方向に基づき、ロータの停止位置が推定される。

つまり、本発明では、予め定められた方向毎に電圧を印加するのであるが、電圧の印加期間を一定にするのではなく、電流が所定の閾値を上回るまで、電圧を印加するようにした。所定の閾値は、コイルが磁気飽和する電流の範囲に設定される。このとき、ロータ位置では、ロータ自身の発生する磁束によって、コイルが磁気飽和するまでに要する時間が短くなる。したがって、本発明では、電流が所定の閾値を上回るまでの電圧の印加期間に相当する期間相当値を比較し、電圧の印加期間が最小となる方向を特定して、ロータ位置を推定する。

このようにすれば、電源電圧の電圧降下があったとしても、電流閾値を上回るまで電圧を印加し続けるため、コイルを磁気飽和させることができ、ロータ位置の推定精度の低下を回避することができる。また、電源電圧の電圧上昇があったとしても、電流閾値に到達した段階で電圧の印加が終了するため、回路素子などを大電流に耐え得るものとする必要がなく、コンパクトなシステム設計が可能となる。

また、印加期間取得手段は、装置全体の制御を司る制御部の機能として実現されている。この印加期間取得手段は、電圧の印加期間において制御部の動作クロックに基づきカウントを行うカウント手段を用いて構成されており、当該カウント手段によるカウント数を期間相当値として取得する。このようにすれば、印加期間取得手段を簡単に構成することができる。

ところで、具体的には、請求項２に示すように、ロータ位置推定手段は、電圧の印加期間が最小となる方向に基づき、ロータの回転方向の所定角度範囲にロータの磁極があるものとして、ロータの停止位置を推定することとしてもよい。

なお、電源電圧の電圧降下が大きい場合、電圧に伴って電流が小さくなるため、電流が所定の閾値を上回るまでの電圧印加期間が長くなってしまうおそれがある。
この点、請求項１では、電流検出手段にて検出された巻線電流が所定の閾値を上回ることなく所定時間が経過すると、電圧印加制御手段によって、電圧印加手段による電圧の印加が終了させられる。このようにすれば、電圧降下が大きな場合であっても、電圧印加期間が長くなってしまうことを回避できる。

ただし、予め定められた方向のすべてで巻線電流が閾値を上回ることなく所定時間が経過すると、ロータ位置が推定できなくなるおそれがある。そこで、請求項３に示すように、所定時間を、電圧が印加される予め定められた方向の中で少なくとも一方向においては、巻線電流が所定の閾値に到達するように設定するとよい。

請求項４では、電源電圧検出手段がコイルに電圧を印加するための電源の電圧を検出し、検出される電源電圧に基づき、所定の閾値が設定される。例えば低電圧時には電流の閾値を相対的に小さなものとする。このようにすれば、低電圧時において電圧の印加期間が長くなってしまうことを回避できる。また例えば高電圧時には電流の閾値を相対的に大きなものとする。このようにすれば、高電圧時においても、電圧の印加期間を適切に取得することができ、ロータ位置の推定精度を一層向上させることができる。なお、閾値の設定には、もともと設定されている閾値を変更する場合を含む（以下の手段でも同様）。

ここまでは、ブラシレスモータのロータ位置推定装置の発明として説明してきたが、次に示すようなブラシレスモータの起動制御システムの発明として実現することもできる。
すなわち、請求項５に記載のブラシレスモータの起動制御システムは、ブラシレスモータの起動制御を実行するものである。
本発明のブラシレスモータの起動制御システムは、電流検出手段、電圧印加手段、電圧印加制御手段、印加期間取得手段、および、ロータ位置推定手段、を備えている。ただし、これらの手段は、上述したロータ位置推定装置が備える各手段と同様のものであるため、説明を割愛する。

これらの手段に加え、本発明は、モータ起動制御手段を備えており、このモータ起動制御手段によって、ロータ位置推定手段にて推定されるロータの停止位置に基づき、ロータを転流させるための磁束の方向が決定される。上述した例で言えば、「複数の方向」がロータの回転方向に３０度間隔毎に１２方向に設定されることを前提に、６０度間隔毎の６方向を「予め定められた方向」とした場合、残りの６方向を、ロータを転流させるための磁束方向にすることが考えられる。このとき、ロータの停止位置に基づいて、これら残りの６方向のうちの一方向を、ロータを転流させるための磁束の方向として決定する。このような磁束の方向が決定されると、モータ起動制御手段によって、決定された方向に磁束を発生させるよう電圧印加手段が制御され、ブラシレスモータが起動される。

本発明のブラシレスモータの起動制御システムにおいても、上述したロータ位置推定装置と同様の効果が奏される。すなわち、電源電圧の電圧降下があったとしても、電流閾値を上回るまで電圧を印加し続けるため、コイルを磁気飽和させることができ、ロータ位置の推定精度の低下を回避することができる。また、電源電圧の電圧上昇があったとしても、電流閾値に到達した段階で電圧の印加が終了するため、回路素子などを大電流に耐え得るものとする必要がなく、コンパクトなシステム設計が可能となる。
加えて、本発明によれば、ブラシレスモータの適切な起動が実現される。
また、印加期間取得手段は、システム全体の制御を司る制御部の機能として実現されている。この印加期間取得手段は、電圧の印加期間において制御部の動作クロックに基づきカウントを行うカウント手段を用いて構成されており、当該カウント手段によるカウント数を期間相当値として取得する。このようにすれば、印加期間取得手段を簡単に構成することができる。

また、このようなブラシレスモータの起動制御システムにおいても、次に示すような構成を採用することができる。

例えば、請求項６に示すように、ロータ位置推定手段は、電圧の印加期間が最小となる方向に基づき、ロータの回転方向の所定角度範囲にロータの磁極があるものとして、ロータの停止位置を推定することとしてもよい。

なお、このようなシステムにおいても、電源電圧の電圧降下が大きい場合、電圧に伴って電流が小さくなるため、電流が所定の閾値を上回るまでの電圧印加期間が長くなってしまうおそれがある。
この点、請求項５では、電流検出手段にて検出された巻線電流が所定の閾値を上回ることなく所定時間が経過すると、電圧印加制御手段によって、電圧印加手段による電圧の印加が終了させられる。このようにすれば、電圧降下が大きな場合であっても、電圧印加期間が長くなってしまうことを回避できる。

ただし、予め定められた方向のすべてで巻線電流が閾値を上回ることなく所定時間が経過すると、ロータ位置が推定できなくなるおそれがある。そこで、請求項７に示すように、所定時間を、電圧が印加される予め定められた方向の中で少なくとも一方向においては、巻線電流が所定の閾値に到達するように設定するとよい。

また、請求項８では、電源電圧検出手段がコイルに電圧を印加するための電源の電圧を検出し、検出される電源電圧に基づき、所定の閾値が設定される。例えば低電圧時には電流の閾値を相対的に小さなものとする。このようにすれば、低電圧時において電圧の印加期間が長くなってしまうことを回避できる。また例えば高電圧時には電流の閾値を相対的に大きなものとする。このようにすれば、高電圧時においても、電圧の印加期間を適切に取得することができ、ロータ位置の推定精度を一層向上させることができる。

以上は、ブラシレスモータのロータ位置推定装置および起動制御システムの発明として説明してきたが、本発明は、時系列に行われる起動処理に特徴を有している。したがって、次に示すようなブラシレスモータの起動制御方法の発明として実現してもよい。

請求項９に記載のブラシレスモータの起動制御方法は、コイルが巻回されてなるステータ、および、当該ステータに回転可能に支持されるロータを有するブラシレスモータを備え、当該ブラシレスモータの起動制御を実行するブラシレスモータの起動制御方法であって、下記の手順（１）〜（６）で実行されることを特徴とする。
手順（１）では、前記ロータの回転方向に対して垂直な複数の方向のうち予め定められた方向に対し磁束を発生させるように電圧を印加すると共に制御部の動作クロックに基づきカウントを開始する。
手順（２）では、前記コイルに流れる電流である巻線電流が所定の閾値を上回ったことを判断する。
手順（３）では、前記巻線電流が所定の閾値を上回ったと判断されると、前記電圧の印加を終了すると共にカウントを終了する。
手順（４）では、前記予め定められた方向のすべてに対し、上記手順（１）〜（３）を繰り返す。
手順（５）では、前記予め定められた方向のうち前記カウント数が最小となる方向を特定し、当該特定される方向に基づき、前記ロータの停止位置を推定する。
手順（６）では、前記推定される前記ロータの停止位置に基づき、前記複数の方向の中から前記ロータを転流させるための磁束の方向を決定し、当該方向に磁束を発生させるよう前記電圧印加手段を制御して、前記ブラシレスモータを起動する。

このようなブラシレスモータの起動制御方法によれば、上述した発明と同様の効果が奏される。すなわち、電源電圧の電圧降下があったとしても、電流閾値を上回るまで電圧を印加し続けるため、コイルを磁気飽和させることができ、ロータ位置の推定精度の低下を回避することができる。また、電源電圧の電圧上昇があったとしても、電流閾値に到達した段階で電圧の印加が終了するため、回路素子などを大電流に耐え得るものとする必要がなく、コンパクトなシステム設計が可能となる。

また、手段（３）では、巻線電流が所定の閾値を上回ることなく所定時間が経過すると、電圧印加制御手段によって、電圧の印加が終了させられるので、電圧降下が大きな場合であっても、電圧印加期間が長くなってしまうことを回避できる。このとき、請求項１０に示すように、手順（５）では、カウント数が最小となる方向に基づき、ロータの回転方向の所定角度範囲にロータの磁極があるものとして、ロータの停止位置を推定するようにしてもよい。

ただし、予め定められた方向のすべてで巻線電流が閾値を上回ることなく所定時間が経過すると、ロータ位置が推定できなくなるおそれがある。そこで、請求項１１に示すように、所定時間を、電圧が印加される予め定められた方向の中で少なくとも一方向においては、巻線電流が所定の閾値に到達するように設定するとよい。

さらにまた、請求項１２に示すように、手順（３）に先立って、検出される電源電圧に基づき、所定の閾値を設定してもよい。例えば低電圧時には電流の閾値を相対的に小さなものとする。このようにすれば、低電圧時において電圧の印加期間が長くなってしまうことを回避できる。また例えば高電圧時には電流の閾値を相対的に大きなものとする。このようにすれば、高電圧時においても、電圧の印加期間を適切に取得することができ、ロータ位置の推定精度を一層向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
図１は、一実施形態のブラシレスモータの起動制御システム１の概略構成を示すブロック図である。なお、本実施形態のブラシレスモータの起動制御システム１は、車載用の燃料ポンプの駆動に用いられるものである。

ブラシレスモータの起動制御システム１は、モータ１０と、電圧印加部２０と、電流検出部３０と、制御部４０と、ドライバ回路５０とを備えている。
モータ１０は、いわゆるブラシレスモータであり、ステータおよび、ステータに対して回転するロータ１４（図４（ａ）参照）を有する（ステータは不図示）。図４（ａ）中のロータ１４は、棒状となっているが、実際は円板状の部材であり、磁極を有するように、その表面に永久磁石が貼り付けられている。図４（ａ）では、Ｎ極およびＳ極を有するものとして模式的にロータ１４を示している。このロータ１４を内部に収容し、回転可能に支持するのが、ステータである。図４（ａ）に示したロータ１４は、点Ｏを回転中心として、時計回りに回転するものとする。

再び図１を参照すると、電圧印加部２０は、電源６０と、インバータ７０とを有している。電源６０は、車載用のバッテリである。この電源６０によって発生させられる電圧を、以下「電源電圧」という。インバータ７０は、モータ１０のステータに巻回されるコイルへ電圧を印加するためのスイッチング回路である。

電流検出部３０は、電源６０とインバータ７０との間に電気的に接続されており、コイルに流れる電流を検出する。詳細には、電流に比例する電圧を検出するのであるが、これについては後述する。
制御部４０は、ドライバ回路５０を経由して、インバータ７０を制御する。また、制御部４０には、電流検出部３０からの信号が入力されるようになっている。

次に、ブラシレスモータの起動制御システム１の回路構成を、図２に基づき説明する。
モータ１０がステータおよびロータを有することは既に述べたが、このステータは径内方向へ所定角度毎に突出する突出部を有しており、この突出部に、三相コイル１１、１２、１３が巻回されている。具体的には、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、Ｗ相コイル１３が巻回されている。そして、三相コイル１１、１２、１３への電圧印加の態様を切り換えるのが、上述したインバータ７０である。

インバータ７０は、電界効果トランジスタの一種である６つのＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor ）７１、７２、７３、７４、７５、７６で構成されている。これらＭＯＳＦＥＴ７１〜７６は、スイッチング素子として機能し、ゲートの電位により、ドレイン−ソース間がＯＮ（導通）またはＯＦＦ（遮断）される。以下、ＭＯＳＦＥＴ７１〜７６を、単に、ＦＥＴ７１〜７６と記述する。また、６つのＦＥＴ７１〜７６を区別する必要があるときは、図２中の記号を用い、ＦＥＴ（Ｓｕ＋）７１、ＦＥＴ（Ｓｖ＋）７２、ＦＥＴ（Ｓｗ＋）７３、ＦＥＴ（Ｓｕ−）７４、ＦＥＴ（Ｓｖ−）７５、ＦＥＴ（Ｓｗ−）７６と記述する。

ここで、これらＦＥＴ７１〜７６の接続について説明しておく。
３つのＦＥＴ７１〜７３のドレインが、電源電圧に接続されている。また、これらのＦＥＴ７１〜７３のソースがそれぞれ、残り３つのＦＥＴ７４〜７６のドレインに接続されている。さらにまた、これらのＦＥＴ７４〜７６のソースが後述するシャント抵抗３１を経由して接地されている。また、６つのＦＥＴ７１〜７６のゲートは、ドライバ回路５０の６つの出力端子に接続されている。かかる構成により、制御部４０は、ドライバ回路５０を経由して、６つのＦＥＴ７１〜７６のＯＮ／ＯＦＦを個別に切り換え可能となっている。

そして、ＦＥＴ（Ｓｕ＋）７１およびＦＥＴ（Ｓｕ−）７４の接続点が、Ｕ相コイル１１の一端部１５に接続されている。また、ＦＥＴ（Ｓｖ＋）７２とＦＥＴ（Ｓｖ−）７５との接続点が、Ｖ相コイル１２の一端部１６に接続されている。さらにまた、ＦＥＴ（Ｓｗ＋）７３とＦＥＴ（Ｓｗ−）７６との接続点が、Ｗ相コイル１３の一端部１７に接続されている。また、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、および、Ｗ相コイル１３の他端が相互に接続されて、他端部１８となっている。

電流検出部３０は、シャント抵抗３１、オペアンプ（図中にＯＰと示した）３２、および、ＡＤ変換器（図中にＡＤＣと示した）３３を有している。
ここで、オペアンプ３２の２つの入力端子が、シャント抵抗３１の両端に接続されている。すなわち、オペアンプ３２は、シャント抵抗３１の両端の電位差を検出し、これを増幅して出力する。オペアンプ３２の出力端子はＡＤ変換器３３に接続されており、ＡＤ変換器３３の出力が制御部４０への入力となっている。かかる構成により、オペアンプ３２の出力がデジタル情報となって制御部４０へ入力される。

次に、本実施形態のブラシレスモータの起動制御システム１の動作を説明する。
図３は、制御部４０にて実行される起動処理を示すフローチャートである。最初のステップＳ１００において（以下、「ステップ」を省略し、単に記号Ｓで示す）、電圧を印加する。この処理は、モータ１０のステータに巻回された三相コイル１１、１２、１３に電圧を印加するものである。

ここで、三相コイル１１、１２、１３に対する電圧の印加について、図４を参照しつつ説明する。
図４（ａ）は、三相コイル１１、１２、１３への電圧印加によって発生する磁束の方向を示す説明図である。電圧印加によって発生させられる磁束の方向は、時計回りに６０度毎に設定されている。図４（ａ）では、磁束の方向を、矢印Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６で示した。これらの磁束は、ＦＥＴ７１〜７６のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせでＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、および、Ｗ相コイル１３への電圧印加の態様を変えることによって発生させられる。例えば、図４（ａ）に示した矢印Ｖ１で示す方向の磁束を発生させる場合、図４（ｂ）に示すように、ＦＥＴ（Ｓｕ＋）７１をＯＮにし、ＦＥＴ（Ｓｖ＋）７２をＯＦＦにし、ＦＥＴ（Ｓｗ＋）７３をＯＦＦにし、ＦＥＴ（Ｓｕ−）７４をＯＦＦにし、ＦＥＴ（Ｓｖ−）７５をＯＮにし、ＦＥＴ（Ｓｗ−）７６をＯＮにする。この場合、Ｕ相コイル１１の一端部１５に電源電圧が印加されて、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３の一端部１６、１７が低電位となる。したがって、Ｕ相コイル１１→他端部１８→Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３というように電流が流れる。これにより、矢印Ｖ１で示す方向の磁束が発生する。矢印Ｖ２で示す方向の磁束を発生させる場合、図４（ｂ）に示すように、ＦＥＴ７１〜７６をそれぞれ、ＯＮ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＮとする。同様に、矢印Ｖ３で示す方向の磁束は、ＦＥＴ７１〜７６をそれぞれＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＮとすることで発生させる。矢印Ｖ４で示す方向の磁束はＦＥＴ７１〜７６をそれぞれＯＦＦ、ＯＮ、ＯＮ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＦＦとすることで発生させ、矢印Ｖ５で示す方向の磁束はＦＥＴ７１〜７６をそれぞれＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＮ、ＯＮ、ＯＦＦとすることで発生させ、矢印Ｖ６で示す方向の磁束はＦＥＴ７１〜７６をそれぞれＯＮ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦとすることで発生させる。なお、以下では、電圧印加によって発生させられる磁束の方向を「電圧印加方向」という。特に矢印Ｖ１〜Ｖ６の方向を示す場合、電圧印加方向Ｖ１、電圧印加方向Ｖ２、・・・、電圧印加方向Ｖ６ということにする。

図３中のＳ１００では、最初に図４（ａ）中の電圧印加方向Ｖ１の電圧が印加される。また、電圧印加時点からカウントを開始する。このカウントは、制御部４０の動作クロックに基づいて行う。

続くＳ１０１では、電流応答検出を行う。この処理は、シャント抵抗３１の両側の電位差をデジタル情報としてＡＤＣ３３から取得するものである（図２参照）。

次のＳ１０２では、電流閾値に到達したか否かを判断する。電流閾値は、予め定められるものであり、三相コイル１１、１２、１３が磁気飽和する範囲で設定される。ここで電流閾値に到達したと判断された場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、Ｓ１０４へ移行する。一方、電流閾値に到達していないと判断された場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、Ｓ１０３へ移行する。

Ｓ１０３では、最大電圧印加時間が経過したか否かを判断する。ここで最大電圧印加時間が経過したと判断された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、Ｓ１０４へ移行する。一方、最大電圧印加時間が経過していないうちは（Ｓ１０３：ＮＯ）、Ｓ１０１からの処理を繰り返す。

電流閾値に到達したと判断された場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）または最大電圧印加時間が経過したと判断された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）に移行するＳ１０４では、カウントを終了する。

続くＳ１０５では、ＦＥＴ７１〜７６のすべてをＯＦＦにする。この処理は、ドライバ回路５０を経由してＦＥＴ７１〜７６の各ゲートを所定の電位にすることで実現される。
次のＳ１０６では、電圧印加回数が「６」であるか否かを判断する。この処理は、電圧印加方向Ｖ１〜Ｖ６のすべての方向に対し電圧を印加したか否かを判断するものである。ここで電圧印加回数＝「６」である場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、Ｓ１０７へ移行する。一方、電圧印加回数≠「６」である場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、Ｓ１００からの処理を繰り返す。Ｓ１００の処理が繰り返されることによって、電圧印加方向Ｖ１→Ｖ２→Ｖ３→・・・→Ｖ６という順序で電圧が印加されることになる。

Ｓ１０７では、カウント数が最小となる電圧印加方向を探索する。この処理は、電圧印加方向Ｖ１〜Ｖ６の中からカウント数が最小となるものを探索する処理である。続くＳ１０８では、強制転流させる電圧印加方向を決定する。そして、次のＳ１０９ではモータ１０を起動し、その後、本起動処理を終了する。なお、強制転流させる電圧印加方向については後述する。

ここで、上述した起動処理についての理解を容易にするため、図５および図６に基づき、具体的な説明を加える。ここでは、最初に図５を用いて図３中のＳ１０７までの処理を説明し、次に図６を用いてＳ１０８、Ｓ１０９の処理を説明する。

図５は、電圧印加方向、印加電圧、巻線電流、および、カウント信号を対応させて示す説明図である。ここでは、印加電圧がＶｉｎで一定となっており、電流閾値がＩｔｈとなっているものとして説明する。

最初に時刻ｔ１で電圧が印加されてカウントが開始される（図３中のＳ１００）。すると、時刻ｔ１から、三相コイル１１、１２、１３の電流は右上がりに増加していく。そして、時刻ｔ２において電流閾値Ｉｔｈに到達すると（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、カウントを終了し（Ｓ１０４）、電圧印加を終了する（Ｓ１０５）。このときは、まだ一方向（電圧印加方向Ｖ１）にしか電圧を印加していないため（Ｓ１０６：ＮＯ）、次に、時刻ｔ３において、電圧印加方向Ｖ２となるよう電圧が印加される（Ｓ１００）。

このようにして、電圧印加方向Ｖ１〜Ｖ６（図４（ａ）参照）のすべてに電圧が印加されるように処理が繰り返される。そして、電圧印加方向Ｖ６となる電圧の印加が行われて電圧印加回数が「６」になると（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、カウント数が最小となる電圧印加方向が探索される（Ｓ１０７）。図５では、最初の電圧印加方向Ｖ１におけるカウント数が「３」となっており最小となっている。したがって、電圧印加方向Ｖ１に（厳密には当該方向を中心とする所定角度範囲に）ロータ１４のＮ極があるものと推定される。

図６（ａ）は、ロータ１４を強制転流させるための磁束の発生方向（以下「転流電圧印加方向」という）を示す説明図である。図６（ｂ）は、電流閾値到達時間が最小となる電圧印加方向、ロータ推定位置範囲、および転流電圧印加方向の対応関係を示す説明図である。さらにまた、図６（ｃ）は、転流電圧印加方向に対応するＦＥＴ７１〜７６のＯＮ／ＯＦＦを示す説明図である。

図６（ａ）に示すように転流電圧印加方向は、電圧印加方向Ｖ１〜Ｖ６に対して、３０度ずつずれた位置に設定されている。具体的には、電圧印加方向Ｖ１を０度とした場合に、３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度、３３０度の方向に設定されている。以下、転流電圧印加方向を、３０ｄｅｇ、９０ｄｅｇ、１５０ｄｅｇ、２１０ｄｅｇ、２７０ｄｅｇ、３３０ｄｅｇで示す。

上述したように、電圧印加方向Ｖ１〜Ｖ６のうちでカウント数が最小となる方向を探索する（図３中のＳ１０７）。このとき、ロータ１４のＮ極は、当該方向を中心とするプラスマイナス１５度の範囲、すなわち３０度の範囲にあるものと推定される。この推定ロータ位置範囲は、図６（ａ）中にＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩとして示すごとくである。そして、図６（ｂ）に示すように、カウンタ数が最小となる電圧印加方向が例えばＶ１である場合、推定ロータ位置範囲はＩの範囲と推定される。同様に電圧印加方向Ｖ２であれば推定ロータ位置範囲はＩＩの範囲と推定され、Ｖ３であればＩＩＩの範囲と推定され、Ｖ４であればＩＶの範囲と推定され、Ｖ５であればＶの範囲と推定され、Ｖ６であればＶＩの範囲と推定される。

そして、推定ロータ位置範囲がＩである場合、図６（ｂ）に示すように、転流電圧印加方向は３０ｄｅｇとなる。すなわち、推定ロータ範囲Ｉに対し時計回り方向の最も近い位置に磁束を発生させることによって、ロータ１４を時計回り方向へ転流させる。同様に、推定ロータ位置範囲がＩＩである場合、転流電圧印加方向は９０ｄｅｇとなる。推定ロータ位置範囲がＩＩＩである場合、転流電圧印加方向は１５０ｄｅｇとなり、推定ロータ位置範囲がＩＶである場合、転流電圧印加方向は２１０ｄｅｇとなり、推定ロータ位置範囲がＶである場合、転流電圧印加方向は２７０ｄｅｇとなり、推定ロータ位置範囲がＶＩである場合、転流電圧印加方向は３３０ｄｅｇとなる。

このような対応関係から転流電圧印加方向が決定されて（図３中のＳ１０８）、電圧印加が行われてモータ１０が起動される（Ｓ１０９）。具体的には、図６（ｃ）に示すごとく、転流電圧印加方向へ磁束は、ＦＥＴ７１〜７６の切り換えにより、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、および、Ｗ相コイル１３への電圧印加の態様を変えることによって発生させられる。

例えば、転流電圧印加方向が３０ｄｅｇである場合、図６（ｃ）に示すように、ＦＥＴ（Ｓｕ＋）７１をＯＮにし、ＦＥＴ（Ｓｖ＋）７２をＯＦＦにし、ＦＥＴ（Ｓｗ＋）７３をＯＦＦにし、ＦＥＴ（Ｓｕ−）７４をＯＦＦにし、ＦＥＴ（Ｓｖ−）７５をＯＦＦにし、ＦＥＴ（Ｓｗ−）７６をＯＮにする。この場合、Ｕ相コイル１１の一端部１５に電源電圧が印加されて、Ｗ相コイル１３の一端部１７が低電位となる（図２参照）。したがって、Ｕ相コイル１１→他端部１８→Ｗ相コイル１３というように電流が流れる。これにより、転流電圧印加方向としての３０ｄｅｇの磁束が発生する。転流電圧印加方向が９０ｄｅｇであれば、図６（ｃ）に示すように、ＦＥＴ７１〜７６をそれぞれ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＮとする。同様に、転流電圧印加方向が１５０ｄｅｇである場合の磁束は、ＦＥＴ７１〜７６をそれぞれＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＦＦとすることで発生させる。転流電圧印加方向が２１０ｄｅｇである場合の磁束はＦＥＴ７１〜７６をそれぞれＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＦＦとすることで発生させ、転流電圧印加方向が２７０ｄｅｇである場合の磁束はＦＥＴ７１〜７６をそれぞれＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦとすることで発生させ、転流電圧印加方向が３３０ｄｅｇである場合の磁束はＦＥＴ７１〜７６をそれぞれＯＮ、ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦとすることで発生させる。

なお、本実施形態のモータ１０が「ブラシレスモータ」を構成し、電流検出部３０が「電流検出手段」を構成し、電圧印加部２０が「電流印加手段」を構成し、制御部４０が「電圧印加制御手段」、「印加期間取得手段（カウント手段）」、「ロータ位置推定手段」および「モータ起動制御手段」を構成する。そして、図３中のＳ１００、Ｓ１０２、Ｓ１０３およびＳ１０５が「電流印加制御手段」としての処理に相当し、Ｓ１００〜Ｓ１０４で実行されるカウント処理が「印加期間取得手段」としての処理に相当し、Ｓ１０７が「ロータ位置推定手段」としての処理に相当し、Ｓ１０８およびＳ１０９の処理が「モータ起動制御手段」としての処理に相当する。また、図３中のＳ１００の処理が「手順（１）」に相当し、Ｓ１０１およびＳ１０２の処理が「手順（２）」に相当し、Ｓ１０３〜Ｓ１０５の処理が「手順（３）」に相当し、Ｓ１０６の処理が「手順（４）」に相当し、Ｓ１０７の処理が「手順（５）」に相当し、Ｓ１０８およびＳ１０９の処理が「手順（６）」に相当する。

次に、本実施形態のブラシレスモータの起動制御システム１の発揮する効果について説明する。ここでの説明に対する理解を容易にするため、最初に比較例として電流のピークで判断する方法を説明し、次に、本実施形態の方法について説明する。

図７（ａ）に示す比較例では、電圧印加時間が一定となっている。各方向へ一定時間だけ電圧を印加した場合、ロータ１４自身の発生する磁束の向きと電圧印加時にコイルから発生する磁束の向きが同じ時、磁気飽和しやすくなる。そこで、電流のピーク振幅値を比較するのであるが、電源電圧の電圧降下があると、コイルから発生する磁束が少なくなり磁気飽和しなくなるおそれがあり、その場合には、ロータ位置の推定精度が低下してしまう。また、電圧印加時間が一定であるため、電源電圧の電圧上昇があると、電圧に伴って電流も大きくなる。そのため、回路素子などを大電流に耐え得るものとする必要が生じ、システムが大型化してしまう。

これに対し、本実施形態では、図７（ｂ）に示すように、電流閾値Ｉｔｈまで到達するまで電圧を印加する。そして、電圧印加開始から電圧印加終了まで、クロックに基づくカウントを行うようにした。三相コイル１１、１２、１３が磁気飽和すると、コイルのインダクタンスが急激に小さくなることで、電流の増加度合いが大きくなる。例えば、図７（ｂ）では、記号Ａに示す点で電流の増加度合いが大きくなっている。したがって、クロックに基づくカウント数を最小にする電圧印加方向にロータ１４のＮ極があるものと推定できる。

そして、このような方法によれば、電源電圧の電圧降下があったとしても、電流閾値Ｉｔｈに到達するまで電圧を印加し続けるため、三相コイル１１、１２、１３を磁気飽和させることができ、ロータ位置の推定精度の低下を回避することができる。また、電源電圧の電圧上昇があったとしても、電流閾値Ｉｔｈに到達した段階で電圧の印加が終了するため、回路素子などを大電流に耐え得るものとする必要がなく、コンパクトなシステム設計が可能となる。

また、本実施形態のブラシレスモータの起動制御システム１では、電圧の印加が開始されてから（図３中のＳ１００）最大電圧印加時間が経過すると（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、カウントを終了して電圧の印加を終了するようにしている（Ｓ１０４、Ｓ１０５）。これによって、例えば電源電圧の電圧降下が著しいときなど、三相コイル１１、１２、１３を磁気飽和させるための電圧印加に要する時間があまりにも大きくなることを回避できる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、電流閾値Ｉｔｈを一律にしていたが、例えば電源電圧を検出する構成を備えるようにし、電源電圧に基づいて電流閾値Ｉｔｈを設定するようにしてもよい。例えば電源電圧の電圧降下が生じている場合、電流閾値Ｉｔｈを相対的に小さなものとして設定することが考えられる。具体的には、図８に示すように、電源電圧を検出する電圧検出部８０を備える構成とし、電圧検出部８０にて検出される電源電圧に基づき、制御部４０が電流閾値Ｉｔｈを設定する。このようにすれば、低電圧時において電圧の印加期間が長くなってしまうことを回避できる。また例えば電源電圧の電圧上昇が生じている場合、電流閾値Ｉｔｈを相対的に大きなものとして設定することが考えられる。このようにすれば、高電圧時においても、電圧の印加期間を適切に取得することができ、ロータ位置の推定精度を一層向上させることができる。
以上、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々なる形態で実施可能である。

本発明の一実施形態のブラシレスモータの起動制御システムを示すブロック図である。 本発明の一実施形態のブラシレスモータの起動制御システムを示す回路図である。 一実施形態の制御部にて実行される起動処理を示すフローチャートである。 一実施形態における説明図であり、（ａ）は電圧印加方向を示す説明図であり、（ｂ）は電圧印加方向に対応するＦＥＴの切り換えを示す説明図である。 一実施形態における電圧印加方向、印加電圧、巻線電流、および、カウント信号の対応関係を示す説明図である。 一実施形態における説明図であり、（ａ）は転流電圧印加方向を示す説明図であり、（ｂ）は電圧印加方向、推定ロータ位置範囲、および、転流電圧印加方向の対応関係を示す説明図であり、（ｃ）は転流電圧印加方向に対応するＦＥＴの切り換えを示す説明図である。 本発明の一実施形態の効果を説明するための説明図であり、（ａ）は比較例を示す説明図であり、（ｂ）は一実施形態の特徴的方法を示す説明図である。 本発明のその他の実施形態のブラシレスモータの起動制御システムを示すブロック図である。

符号の説明

１：ブラシレスモータの起動制御システム、１０：モータ（ブラシレスモータ）、１１：Ｕ相コイル、１２：Ｖ相コイル、１３：Ｗ相コイル、１４：ロータ、１５、１６、１７：一端部、１８：他端部、２０：電圧印加部（電圧印加手段）、３０：電流検出部（電流検出手段）、３１：シャント抵抗、３２：オペアンプ、３３：ＡＤ変換器、４０：制御部（電圧印加制御手段、印加期間取得手段、ロータ位置推定手段、および、モータ起動制御手段）、５０：ドライバ回路、６０：電源、７０：インバータ、８０：電圧検出部（電源電圧検出手段）

Claims (12)

1. コイルが巻回されてなるステータ、および、当該ステータに回転可能に支持されるロータを有するブラシレスモータを備え、前記ロータの停止位置を推定するブラシレスモータのロータ位置推定装置であって、
   前記コイルに流れる電流である巻線電流を直接的又は間接的に検出する電流検出手段と、
   前記ロータの回転方向に対して垂直な複数の方向にそれぞれ磁束を発生させるよう前記コイルに対し電圧を印加可能な電圧印加手段と、
   前記複数の方向のうち予め定められた方向に対し順に磁束を発生させるよう前記電圧印加手段を制御すると共に、前記電流検出手段にて検出された前記巻線電流が所定の閾値を上回ると、前記電圧印加手段による電圧の印加を終了する電圧印加制御手段と、
   前記電圧印加制御手段の制御により磁束が発生する方向毎に、電圧の印加期間に相当する期間相当値を取得する印加期間取得手段と、
   前記印加期間取得手段にて取得される前記期間相当値を比較することによって、前記電圧の印加期間が最小となる方向を特定し、当該特定される方向に基づき、前記ロータの停止位置を推定するロータ位置推定手段と、を備え、
   前記印加期間取得手段は、装置全体の制御を司る制御部の機能として実現され、前記電圧の印加期間において前記制御部の動作クロックに基づきカウントを行うカウント手段を用いて構成されており、当該カウント手段によるカウント数を前記期間相当値として取得し、
   前記電圧印加制御手段は、前記電流検出手段にて検出された前記巻線電流が所定の閾値を上回ることなく所定時間が経過すると、前記電圧印加手段による電圧の印加を終了することを特徴とするブラシレスモータのロータ位置推定装置。
2. 請求項１に記載のブラシレスモータのロータ位置推定装置において、
   前記ロータ位置推定手段は、前記電圧の印加期間が最小となる方向に基づき、前記ロータの回転方向の所定角度範囲に前記ロータの磁極があるものとして、前記ロータの停止位置を推定することを特徴とするブラシレスモータのロータ位置推定装置。
3. 請求項１又は２に記載のブラシレスモータのロータ位置推定装置において、
   前記所定時間は、電圧が印加される予め定められた方向の中で少なくとも一方向においては、前記所定の閾値に前記巻線電流が到達するように設定されることを特徴とするブラシレスモータのロータ位置推定装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のブラシレスモータのロータ位置推定装置において、
   さらに、前記コイルに電圧を印加するための電源の電圧を検出する電源電圧検出手段を備え、
   前記電源電圧検出手段にて検出される電源電圧に基づき、前記所定の閾値を設定するよう構成されていることを特徴とするブラシレスモータのロータ位置推定装置。
5. コイルが巻回されてなるステータ、および、当該ステータに回転可能に支持されるロータを有するブラシレスモータを備え、当該ブラシレスモータの起動制御を実行するブラシレスモータの起動制御システムであって、
   前記コイルに流れる電流である巻線電流を直接的又は間接的に検出する電流検出手段と、
   前記ロータの回転方向に対して垂直な複数の方向にそれぞれ磁束を発生させるよう前記コイルに対し電圧を印加可能な電圧印加手段と、
   前記複数の方向のうち予め定められた方向に対し順に磁束を発生させるよう前記電圧印加手段を制御すると共に、前記電流検出手段にて検出された前記巻線電流が所定の閾値を上回ると、前記電圧印加手段による電圧の印加を終了する電圧印加制御手段と、
   前記電圧印加制御手段の制御により磁束が発生する方向毎に、電圧の印加期間に相当する期間相当値を取得する印加期間取得手段と、
   前記印加期間取得手段にて取得される前記期間相当値を比較することによって、前記電圧の印加期間が最小となる方向を特定し、当該特定される方向に基づき、前記ロータの停止位置を推定するロータ位置推定手段と、
   前記ロータ位置推定手段にて推定される前記ロータの停止位置に基づき、前記複数の方向の中から前記ロータを転流させるための磁束の方向を決定し、当該方向に磁束を発生させるよう前記電圧印加手段を制御して、前記ブラシレスモータを起動するモータ起動制御手段と、を備え、
   前記印加期間取得手段は、システム全体の制御を司る制御部の機能として実現され、前記電圧の印加期間において前記制御部の動作クロックに基づきカウントを行うカウント手段を用いて構成されており、当該カウント手段によるカウント数を前記期間相当値として取得し、
   前記電圧印加制御手段は、前記電流検出手段にて検出された前記巻線電流が所定の閾値を上回ることなく所定時間が経過すると、前記電圧印加手段による電圧の印加を終了することを特徴とするブラシレスモータの起動制御システム。
6. 請求項５に記載のブラシレスモータの起動制御システムにおいて、
   前記ロータ位置推定手段は、前記電圧の印加期間が最小となる方向に基づき、前記ロータの回転方向の所定角度範囲に前記ロータの磁極があるものとして、前記ロータの停止位置を推定することを特徴とするブラシレスモータの起動制御システム。
7. 請求項５又は６に記載のブラシレスモータの起動制御システムにおいて、
   前記所定時間は、電圧が印加される予め定められた方向の中で少なくとも一方向においては、前記所定の閾値に前記巻線電流が到達するように設定されることを特徴とするブラシレスモータの起動制御システム。
8. 請求項５〜７のいずれか一項に記載のブラシレスモータの起動制御システムにおいて、
   さらに、前記コイルに電圧を印加するための電源の電圧を検出する電源電圧検出手段を備え、
   前記電源電圧検出手段にて検出される電源電圧に基づき、前記所定の閾値を設定するよう構成されていることを特徴とするブラシレスモータの起動制御システム。
9. コイルが巻回されてなるステータ、および、当該ステータに回転可能に支持されるロータを有するブラシレスモータを備え、当該ブラシレスモータの起動制御を実行するブラシレスモータの起動制御方法であって、
   前記ロータの回転方向に対して垂直な複数の方向のうち予め定められた方向に対し磁束を発生させるように前記コイルに対し電圧を印加すると共に制御部の動作クロックに基づきカウントを開始する手順（１）と、
   前記コイルに流れる電流である巻線電流が所定の閾値を上回ったことを判断する手順（２）と、
   前記巻線電流が所定の閾値を上回ったと判断されると、前記電圧の印加を終了すると共にカウントを終了する手順（３）と、
   前記予め定められた方向のすべてに対し、上記手順（１）〜（３）を繰り返す手順（４）と、
   前記予め定められた方向のうち前記カウント数が最小となる方向に基づき、前記ロータの停止位置を推定する手順（５）と、
   前記推定される前記ロータの停止位置に基づき、前記複数の方向の中から前記ロータを転流させるための磁束の方向を決定し、当該方向に磁束を発生させるよう前記電圧印加手段を制御して、前記ブラシレスモータを起動する手順（６）と、
   を備え、
   前記手順（３）では、前記巻線電流が所定の閾値を上回ることなく所定時間が経過すると、前記電圧の印加を終了することを特徴とするブラシレスモータの起動制御方法。
10. 請求項９に記載のブラシレスモータの起動制御方法において、
    前記手順（５）では、前記カウント数が最小となる方向に基づき、前記ロータの回転方向の所定角度範囲に前記ロータの磁極があるものとして、前記ロータの停止位置を推定することを特徴とするブラシレスモータの起動制御方法。
11. 請求項９又は１０に記載のブラシレスモータの起動制御方法において、
    前記所定時間は、電圧が印加される予め定められた方向の中で少なくとも一方向においては、前記所定の閾値に前記巻線電流が到達するように設定されることを特徴とするブラシレスモータの起動制御方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載のブラシレスモータの起動制御方法において、
    前記手順（３）に先立って、検出される電源電圧に基づき、前記所定の閾値を設定することを特徴とするブラシレスモータの起動制御方法。

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