JP4771032B2 - ブラシレスモータの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータ（ＤＣブラシレスモータ）の制御装置に関し、詳しくは、ホールセンサ等の位置検出器の出力信号に同期させてほぼ正弦波状の交流電圧をステータコイルに印加するようにしたブラシレスモータの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、ブラシレスモータでは、ロータの磁極の位置をホールセンサにより検出し、その磁極位置に対応したステータコイルに方形波の電圧を印加する制御方法が一般に用いられている。
しかし、この方法では、モータの速度に大きなリップルが含まれ、発生騒音が大きくなったりモータの効率も十分高めることができないといった問題がある。
これらの対策のため、ステータコイルに正弦波または正弦波に近い波形の電圧を印加する方法が提案されているが、制御の方法が複雑で高価になる等の問題がある。
【０００３】
ステータコイルに正弦波状の電圧を印加する従来技術としては、（１）特開平６−２３３５８５号公報に記載された「直流モータの駆動装置」、（２）特開平７−２４１０９５号公報に記載された「ブラシレスモータの駆動装置」、（３）特開平４−２３６１９０号公報に記載された「ブラシレスモータのための電気制御装置」、（４）特開平１１−１２２９７３号公報に記載された「ブラシレスモータの駆動装置」等が知られている。
しかるに、上記（１），（３），（４）の従来技術は制御回路の構成が概して複雑である。また、（２）の従来技術は、ロータの位置を検出するためにエンコーダ等の位置検出器を用いているため、高価になるという問題がある。
【０００４】
なお、ＤＣブラシレスモータにおいてロータの位置を検出した後に、ステータコイルに印加する電圧のタイミングを回転速度に応じて変化させることが下記の公開公報に記載されているが、その具体的な方法は明確には開示されていない。
（５）特開平１−１７４２８８号公報「ブラシレスモータの駆動装置」
（６）特開平３−２８９３９１号公報「ブラシレスモータ」
【０００５】
更に、ブラシレスモータの制御装置として、
（７）特開平７−３３７０６７号公報「ブラシレスモータの導通位相角制御装置」
（８）特開平５−２１１７９６号公報「ブラシレスＤＣモータ駆動方法およびその装置」
等が知られているが、いずれもモータの電流や電圧を検出して制御しており、検出部の価格が高いという問題がある。
【０００６】
更に、ブラシレスモータのロータの位置検出器の取付誤差等を補正する方法として、以下の従来技術が存在する。
（９）特開平１１−２１５８８１号公報「モータ制御装置」
しかし、この従来技術ではロータの位置検出信号の時間間隔を測定することが不可欠であるため、タイマが必要になり、これが価格を上昇させる原因となっている。
【０００７】
そこで本発明は、比較的簡単かつ低コストの回路構成で、振動の発生が少ないブラシレスモータの制御装置を提供しようとするものである。
また、本発明は、位置検出器を備えていない誘導モータ等に対してインバータによるＶ／ｆ制御を実現可能とした制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、電圧指令及び周波数指令に従って作成されたほぼ正弦波状の変調波としてのＰＷＭ演算波形をキャリア信号と比較して半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成するＰＷＭ演算回路と、前記駆動信号が加えられるＶ／ｆ制御用のインバータとを備え、このインバータの出力電圧を、ロータの磁極位置を検出する位置検出器を備えたブラシレスモータのステータコイルに印加するようにしたブラシレスモータの制御装置において、
前記位置検出器の出力信号のタイミングに同期して新たなＰＷＭ演算波形の変化が開始するようにＰＷＭ演算波形の位相角を補正する手段を備え、この手段によりＰＷＭ演算波形の位相角を補正する動作を、ロータが（３６０／Ｎ）°回転するごとに行い、かつ、ロータが（３６０／Ｎ）°回転する以前にＰＷＭ演算波形が電気角で（３６０／Ｎ）°に達したときは、その時点でのＰＷＭ演算波形の値をロータが（３６０／Ｎ）°回転するまで保持することを特徴とする（Ｎはすべて同一の整数）。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のブラシレスモータの制御装置において、ロータが（３６０／Ｎ）°回転する時点とＰＷＭ演算波形が電気角で（３６０／Ｎ）°に達する時点とが異なるときに、ＰＷＭ演算波形の周期を位置検出器の出力信号のタイミングに一致する方向に補正してＰＷＭ演算波形を作成し、このＰＷＭ演算波形をその後に用いるものである（Ｎはすべて同一の整数）。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載したブラシレスモータの制御装置において、ＰＷＭ演算波形を、モータの回転速度に応じた位相角設定値を用いて補正するものである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載のブラシレスモータの制御装置において、周波数指令に対して、位相角設定値を直線的に近似するものである。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項３記載のブラシレスモータの制御装置において、周波数指令に対して、位相角設定値をモータの特性に応じた曲線により近似するものである。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項３〜５のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、インバータの直流電流が最も小さくなるように位相角設定値を決定するものである。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項６記載のブラシレスモータの制御装置において、モータを無負荷状態で運転して位相角を僅かに変化させながらインバータの直流電流を検出するものである。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項３〜７のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、モータの正転用、逆転用にそれぞれ独立して位相角設定値を設けるものである。
【００１６】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、位置検出器の出力信号の周波数を検出してこの周波数が速度指令の換算値と等しくなるようにフィードバック制御する手段を備えたものである。
【００１７】
請求項１０記載の発明は、請求項１〜９のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、ＰＷＭ演算波形の位相角を補正する手段の作動・停止を選択可能な選択回路を備えたものである。
【００１８】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載のブラシレスモータの制御装置において、複数の位置検出器の出力信号の組み合わせにより選択回路の動作を決定するものである。
【００１９】
請求項１２記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、位置検出器の出力信号の理想値と実際値との位置ずれを考慮して位相角指令値を補正する手段を備えたものである。
【００２０】
請求項１３記載の発明は、請求項１２記載のブラシレスモータの制御装置において、ロータが（３６０／Ｎ）°回転する時点とＰＷＭ演算波形が電気角で（３６０／Ｎ）°に達する時点とが異なるときに、両者のタイミングのずれが規定範囲内に収まるように位相角指令値を補正するものである（Ｎはすべて同一の整数）。
【００２１】
請求項１４記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、位置検出器がホールセンサであることを特徴とする。
【００２２】
請求項１５記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、位置検出器が、光学的な位置検出手段であることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施形態と対比するために、従来技術の構成及び動作等を略述する。
図２７は、従来のブラシレスモータの駆動回路図である。図において、１００は直流電源、２００はトランジスタＴ１〜Ｔ６からなるインバータ、Ｕ，Ｖ，Ｗは出力端子、３００はブラシレスモータ、３０１，３０２，３０３はステータコイル、３１０は永久磁石を有するロータ、３２１，３２２，３２３はホールセンサ、４００はロータ位置検出回路、５００はスイッチング信号発生回路である。
【００２６】
図２８は上記ブラシレスモータの駆動原理を示しており、ホールセンサ３２１〜３２３によりロータ３１０の磁石の位置を検出し、それに合わせてトランジスタＴ１〜Ｔ６を順番に導通させてモータ３００の最適なステータコイルに方形波の電圧を印加するものである。
この場合、方形波の印加電圧に多くの高調波が含まれることから、モータの効率が低下したり発生する騒音が大きい等の問題を生じる。
【００２７】
図２９は、ステータコイルにほぼ正弦波状の電圧を印加することによりブラシレスモータを駆動する原理図を示している。
この従来技術では、ホールセンサ３２１〜３２３によりロータ３１０の磁石の位置を検出し、それに合わせてマイコン等により計算した正弦波の交流電圧を出力するようにトランジスタＴ１〜Ｔ６を６０°ごとに切り替えて駆動するものである。
【００２８】
次に、図３０は、誘導モータをインバータにより駆動する制御ブロック図であり、６００は制御装置、３３０は誘導モータを示す。
図において、速度指令または電圧指令がソフトスタート回路６０１に与えられると、電圧指令及び周波数指令発生回路６０２からこれらの指令がＰＷＭ演算回路６０３に入力される。ＰＷＭ演算回路６０３は、これらの指令に基づいてＰＷＭ演算波形を生成し、この波形とキャリア信号とを比較してインバータ６０４のスイッチング素子（トランジスタ）に対する駆動信号を出力する。
【００２９】
図３１は、図３０におけるインバータ６０４の出力周波数と出力電圧との関係を示しており、いわゆるＶ／ｆ制御が行われる。Ｖ１，Ｖ２は出力電圧の振幅、ｆ１，ｆ２は出力周波数、Ｔ１，Ｔ２は周期である。
インバータ６０４の出力電圧波形は、ＰＷＭ動作による正弦波になっており、周波数の低い帯域では低い電圧が、周波数の高い帯域では高い電圧が出力される。また、出力電圧波形の位相は、何も基準になるポイントはなく、ただ単に連続して出力されている。
【００３０】
これらの従来技術を前提として、以下に本発明の各実施形態を詳述する。
図１は、本発明の第１参考形態にかかるブラシレスモータの制御ブロック図である。
この参考形態の制御装置６００Ａは、ブラシレスモータ３４０を制御対象とし、そのロータの磁極位置を検出する位置検出器としてのホールセンサ３４１と、ホールセンサ３４１の出力信号からロータの位置を検出する位置検出回路６０５と、その出力信号によりＰＷＭ演算の指令波形（インバータ６０４の出力電圧波形であり、以下ではＰＷＭ演算波形という）の位相角を合わせるための、位相角指令補正回路６０６とから構成されている。ここで、補正回路６０６はロータが機械角で３６０°つまり１回転するたびにＰＷＭ演算波形の位相角を補正するように構成されている。
【００３１】
なお、インバータ６０４は３相出力であってモータ３４０は３相のステータコイルを有しており、前記ホールセンサ３４１は一相にだけ１個取り付けられている。例えば、前述の図２７におけるホールセンサ３２１だけが設けられているものとする。
この参考形態の制御装置６００Ａによれば、図３０に簡単な構成の制御ブロックを追加しただけであり、簡単かつ安価に制御装置６００Ａを構成することができる。
【００３２】
図２は、この参考形態の動作説明図である。
モータ３４０にはホールセンサ３４１が一個だけ取り付けられているので、図２（ｂ）に示すように、ホールセンサ３４１からはロータが１回転するごとに１個の信号が出力される。ホールセンサ３４１の出力信号がない場合には、Ｓ１に示す波形がＰＷＭ演算回路６０３により演算されている。この波形Ｓ１は、あらかじめ決められたＶ／ｆ特性に合った値になっている。
【００３３】
いま、図２（ａ）に示すごとく、補正前のＰＷＭ演算波形（インバータの出力電圧波形）をＳ１、その振幅をＶ２，周期をＴ２とする。
ホールセンサ３４１の出力信号がLowからHighになった時点（時刻ｔ２）において、（ｃ）に示すように、前記補正回路６０６により波形Ｓ１の位相角が電気角０°に補正される。つまり、ＰＷＭ演算回路６０３では、波形Ｓ１の位相角を遅らせた波形Ｓ２が生成されてキャリア信号との比較に用いられる。
これによってホールセンサ３４１の出力信号の立ち上がりとＰＷＭ演算波形の開始時点とが同期することになり、ブラシレスモータ３４０の最適なステータコイルに正弦波の電圧を加えることができる。
【００３４】
時刻ｔ２からロータが１回転した後の時刻ｔ４において、波形Ｓ２の位相角が電気角０°になっていなかったとすると、再び補正回路６０６により波形Ｓ２の位相角が補正され、ＰＷＭ演算回路６０３では、波形Ｓ２の位相角をずらして時刻ｔ４が電気角０°になる波形Ｓ３が生成され、キャリア信号との比較に用いられる。
この結果、ロータの１回転ごとにＰＷＭ演算波形が補正されて同期がずれないようになる。
なお、上記説明では、最初の時刻ｔ１からｔ２の期間の波形の変化を誇張して描いているが、実際には低い速度（周波数）から運転を開始するので、モータ３４０には補正に伴うショック等はほとんど発生しない。
【００３５】
次に、図３は本発明の第２参考形態を示す制御ブロック図である。
図１では、ホールセンサを１個だけ取り付けていたが、図３の参考形態では、３相のブラシレスモータ３５０の各相に１個ずつ合計３個のホールセンサ３５１〜３５３を取り付け、これらのホールセンサ３５１〜３５３の出力信号を制御装置６００Ｂ内の位置検出回路６０５に入力する。
また、補正回路６０７はロータが機械角で６０°回転するたびに（３個のホールセンサの出力信号の立ち上がり及び立ち下がりのタイミングで）ＰＷＭ演算波形を補正するように動作する。
【００３６】
図４はこの参考形態の動作説明図である。
ホールセンサの出力信号がない場合には、図４（ａ）に示す波形Ｓ１がＰＷＭ演算回路６０３により演算されている。この波形は、あらかじめ決められたＶ／ｆ特性に合った値になっている。
【００３７】
いま、３個のホールセンサ３５１〜３５３の出力信号の組み合わせにより、ロータの回転角６０°毎に正弦波のＰＷＭ演算波形のどの部分からスタートするかを予め決めてあるものとすると、図４（ｃ）に示すように時刻ｔ１１において波形Ｓ１は波形Ｓ１１に補正される。その後、同様にして、時刻ｔ１２，ｔ１３，……において波形Ｓ１２，Ｓ１３，……に補正される。
このようにして、ＰＷＭ演算波形を補正することにより、ブラシレスモータ３５０の最適なステータコイルに正弦波の電圧を加えることができる。
本参考形態によれば、図２と比較した場合に一層短い周期（ロータの回転角６０°ごと）に補正が行われるため、より正確に正弦波状の電圧をステータコイルに印加してモータ３５０を制御することができる。
【００３８】
次に、図５は本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図であり、この実施形態はインバータ６０４の出力電圧波形の改善を図るものである。図５において、６００Ｃは制御装置であり、図１の制御装置６００Ａに位相差検出回路６０８が追加されている。この位相差検出回路６０８は、補正回路６０６とＰＷＭ演算回路６０３との間に接続される。
【００３９】
図６は位相差検出回路６０８の動作を示すフローチャートである。また、図７は図５の動作説明図である。
いま、図７（ａ），（ｂ）に示すように、モータ３４０の速度よりもＰＷＭ演算波形の方が位相が進んでいるとする。
【００４０】
この状態で、図１の参考形態によれば、図７（ｃ）に示すごとく、ＰＷＭ演算波形Ｓ１の位相角が時刻ｔ２２で補正回路６０６により電気角０°に補正され、波形Ｓ２２が生成される。また、時刻ｔ２５において更に位相が補正され、波形Ｓ２３が生成される。このため、時刻ｔ２５の時点では、波形Ｓ２２の電圧Ｖ２５が急に波形Ｓ２３の電圧０に急変するため、モータ３４０に流れる電流が急変してモータの振動の増加や、効率の低下を招く。
【００４１】
そこで本実施形態では、ＰＷＭ演算波形を改善して上記の問題を解決しようとするものである。
すなわち、図５の位相差検出回路６０８はＰＷＭ演算波形Ｓ２２を監視しており、この波形Ｓ２２が時刻ｔ２２を基準として電気角で３６０°に達するまでの期間は、ホールセンサ３４１の出力信号が発生した時点でＰＷＭ演算波形を補正する（図６のＰ１０１〜Ｐ１０３）こととし、波形Ｓ２２が時刻ｔ２２を基準として電気角で３６０°に達したとき（図７（ｄ）における時刻ｔ２４）にはその時点の波形Ｓ２２を次のホールセンサ３４１の出力信号が発生する時刻ｔ２５まで保持する（Ｐ１０４）。
【００４２】
つまり、言い換えると、図７（ｃ）のように、ロータが３６０°回転する（ホールセンサの出力信号が一周期経過する）以前にＰＷＭ演算波形が電気角で３６０°に達したときは、その時点でのＰＷＭ演算波形の値をロータが３６０°回転するまで保持する。
これにより、図７（ｄ）から明らかなように、時刻ｔ２５では電圧が急変することなく波形Ｓ２３に移り変わっていく。このため、モータ４０の振動増大や効率の低下を防止することができる。
【００４３】
次いで、図８は本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図であり、インバータ６０４の出力電圧波形の更なる改善を図るものである。
図８において、６００Ｄは制御装置であり、図５の制御装置６００Ｃに第２のＰＷＭ演算回路６０９が追加されている。ここで、第１のＰＷＭ演算回路６０３は図５におけるＰＷＭ演算回路６０３と実質的に同一である。
【００４４】
第１実施形態による改善後の波形（図７（ｄ）の波形）では、時刻ｔ２４〜ｔ２５の期間は電圧の変化がないので、完全な正弦波とは言えない波形になっている。そこでこの実施形態では、上述したような電圧の変化がない状態を早く解消してモータ３４０に正弦波を印加するように波形を改善する。
【００４５】
図９は、図８における第２のＰＷＭ演算回路６０９の動作を示すフローチャートである。また、図１０は図８の動作説明図である。
図１０（ｂ），（ｃ）によれば、時刻ｔ２２〜ｔ２５の間のＰＷＭ演算波形Ｓ２２の電気角３６０°に相当する時間と、ロータの１回転（機械角で３６０°）によってホールセンサ３４１の出力信号が発生する周期とを比較すると、後者の方が長い。つまり、ＰＷＭ演算波形Ｓ２２の電気角３６０°に相当する時刻ｔ２４よりも遅れた時刻ｔ２５で、ホールセンサ３４１の出力信号が立ち上がっている。
【００４６】
そこで、図８の位相差検出回路６０８では、時刻ｔ２４〜ｔ２５の時間に相当する位相差を検出し（図９のＰ１１１）、ホールセンサ３４１の出力信号の立ち上がり時点がＰＷＭ演算波形Ｓ２２の電気角３６０°よりも遅れているとき（図１０の状態）には、図１０（ｄ）のように、第２のＰＷＭ演算回路６０９により前回よりも周期が一定時間長いＰＷＭ演算波形Ｓ２４を演算する（Ｐ１１３）。なお、この演算を行っている期間は、第１実施形態により改善した波形Ｓ２３を用いることとする。
そして、上記演算した波形Ｓ２４を波形Ｓ２３に続けて使用することとし、波形Ｓ２４の後では、波形Ｓ２３よりも周期が一定時間長い波形Ｓ２５をＰＷＭ演算回路６０９が演算して使用する。
【００４７】
詳細には、図１０（ｄ）の時刻ｔ２５以降は、ＰＷＭ演算回路６０９が波形Ｓ２２よりも周期が一定時間長い波形Ｓ２４を作り、時刻ｔ２８以後に出力させて第１のＰＷＭ演算回路６０３の演算波形データに置き換える（図９のＰ１１４）。この動作を繰り返すことにより、ＰＷＭ演算波形すなわちインバータ６０４の出力電圧波形は次第にきれいな正弦波に変わっていく。
【００４８】
なお、ホールセンサ３４１の出力信号の立ち上がり時点がＰＷＭ演算波形Ｓ２２の電気角３６０°よりも進んでいるときには、第２のＰＷＭ演算回路６０９により前回よりも周期が一定時間短いＰＷＭ演算波形を演算し（図９のＰ１１２）、第１のＰＷＭ演算回路６０３の演算波形データに置き換える（Ｐ１１４）。
そして、ホールセンサ３４１の出力信号が発生した時点で、既に置き換えられた第１のＰＷＭ演算回路６０３の波形を出力する（キャリア信号との比較に用いる）ものである（Ｐ１１５，Ｐ１１６）。
【００４９】
また、図示していないが、以下のような方法によってもＰＷＭ演算波形をきれいな正弦波にすることができる。
すなわち、図１０（ｄ）の時刻ｔ２５の時点で、時刻ｔ２２〜ｔ２５迄のロータが１回転する時間を知ることができる。この１回転（１周期）の時間が分かれば、その周期に合った正弦波の演算をすることができるので、その演算を、波形Ｓ２３を使用している間に行って波形Ｓ２４を作る。次の時刻ｔ２８以降は、先に演算した波形Ｓ２４を使用すれば、時刻ｔ２８以降にきれいな正弦波のＰＷＭ演算波形を得ることができる。
【００５０】
上記波形Ｓ２４の波形の演算は、ホールセンサ３４１の出力信号が立ち上がるごと（ｔ２２，ｔ２５，ｔ２８，……）に行ってもよいが、使用しているマイコンに演算速度の制約などがある場合には、ＰＷＭ演算回路の波形とホールセンサの出力信号の位相角に誤差が生じた場合だけ実施したり、あるいは、Ｓ２４に相当する波形の演算を何周期かに分けて行ってもよい。
【００５１】
図１１は、本発明の第３実施形態を示す動作説明図である。この実施形態は、図３に示した第２参考形態の制御ブロック図によって実現される。
その動作を説明すると、この実施形態では第２参考形態と同様に、補正回路６０７はロータが機械角で６０°回転するたびにＰＷＭ演算波形の位相角指令値を補正する。
【００５２】
図１１（ｃ）では、第２参考形態によりＰＷＭ演算波形を補正した結果、時刻ｔ３４の時点で、電圧がＶ３２からＶ３３へ急変している。先に述べた第１実施形態により波形を改善すると、図１１（ｄ）のように、時刻ｔ３３〜ｔ３４の間は、同じ電圧値が継続的に出力される。こうして波形はロータの回転角６０°毎に、Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４，……と移っていく。
【００５３】
また、図１１（ｄ）の改善後の波形でも、時刻ｔ３３〜ｔ３４、または、ｔ３５〜ｔ３６の間は電圧が一定に保持されており、完全な正弦波にはなっていない。
この場合にも、第２実施形態と同様の原理により、時刻ｔ３２〜ｔ３４の間のＰＷＭ演算波形Ｓ３２の電気角３６０°の時間と、ロータの１回転によるホールセンサの出力信号の時間間隔とを比較する。ここでは、ホールセンサの時間間隔の方が長いため、時刻ｔ３４以降は第２のＰＷＭ演算回路６０９により波形Ｓ３２よりも一定時間長い波形Ｓ３４を演算し、時刻ｔ３６以降に使用するように、第１のＰＷＭ演算回路６０３のデータに置き換える。
【００５４】
この動作を繰り返すことにより、ＰＷＭ演算波形を次第にきれいな正弦波に変えることができる。あるいはまた、時刻ｔ３２〜ｔ３４間の周期を求め、それに合った正弦波を演算して時刻ｔ３６以降はその波形に置き換えることで、きれいな正弦波とすることもできる。
【００５５】
次に、図１２は図１１の実施形態を補足的に説明するための図であり、横軸はホールセンサの出力信号が発生するロータの回転角、縦軸はＰＷＭ演算回路の演算結果を示している。
図１２（ｂ）に示す波形の改善前では、ロータの回転角が６０°毎の位置に達してなくても、ＰＷＭ演算回路では電気角６０°を超えて波形が演算されることがある。図１１の実施形態による波形の改善後では、ＰＷＭ演算回路の演算結果は、電気角６０°に達したらその６０°における値を保持するようにする。
【００５６】
図１３は、本発明の第４実施形態を示す制御ブロック図である。６００Ｅは制御装置、６１０は補正回路６０６とＰＷＭ演算回路６０３との間に接続された位相角制御装置である。この位相角制御装置６１０には、高速の位相角設定値と低速の位相角設定値とを設定可能であると共に、ＰＷＭ演算波形の周波数指令も入力されている。
【００５７】
ブラシレスモータのステータコイルはインダクタンス成分であるから、モータの速度、すなわちモータに印加する電圧の周波数が高くなるに従い、加えた電圧と流れる電流との間の位相角の差が大きくなる。このため、ホールセンサの出力信号のタイミングを基にしてモータに印加する電圧のタイミングを決める際に、周波数（回転速度）が低い時と高い時とでＰＷＭ演算波形の位相角を変更することにより、モータを低速から高速までの広い範囲で効率よく制御可能とし、しかも大きな出力を発生させることができる。
【００５８】
図１４は、本実施形態の動作原理を説明する図である。低速域では、ホールセンサの出力信号に対して、ＰＷＭ演算波形の位相をθ５２だけ遅らせ、高速域では、θ５１だけ進ませるように設定値を決めている。高速域と低速域との間は、速度（周波数指令の大きさ）に応じて位相角θを変化させるようにする。
【００５９】
図１５は、図１４で説明した内容を、横軸に周波数指令、縦軸に位相角度をとってグラフ化したものである。低速域の位相角θ５２と高速域の位相角θ５１との間では、位相角が直線的に変化するように近似している。
なお、位相角の補正は、モータの特性に応じて曲線的に近似してもよい。
【００６０】
図１３の位相角制御回路６１０は、このようにＰＷＭ演算波形の位相角を遅らせたり進めたりする機能を実現するものであるが、この機能は、図１や図３等の補正回路６０６，６０７によっても実現可能である。
また、正転・逆転を行うモータにおいては、正転用の高速及び低速の設定値、逆転用の高速及び低速の設定値というように合計４点の位相角を設定できるようにしても良い。
【００６１】
図１６は、本発明の第５実施形態を示す制御ブロック図であり、制御装置６００Ｆによって上記の位相角θ５２やθ５１を自動的に設定できるようにしたものである。
この実施形態は、図１３の構成に対し、インバータ６０４のＤＣバスの電流を検出するＤＣ電流検出回路６１１と、速度に応じた位相角設定のための演算を行う設定演算回路６１２とを付加してある。
【００６２】
モータ３４０を無負荷の状態で運転したときに、ＤＣバスの電流やモータ３４０の電流が最小になるＰＷＭ演算波形の位相角がほぼ最適な位相角になる。
そこで本発明では、無負荷でモータを運転し、低速及び高速の両方でＤＣバスの電流が最も小さくなるように位相角を制御することとした。
図１７、図１８は、この実施形態の動作を示すフローチャートである。
【００６３】
図１７において、モータを無負荷にし、かつ、最低速度で運転する（図１７のＰ１２１，Ｐ１２２）。そして、ＰＷＭ演算波形の初期の位相角をθ１としてインバータ６０４（半導体スイッチング素子としてトランジスタを使用）のＤＣバスの電流ＩＤ１を測定し、記憶する（Ｐ１２３）。
【００６４】
その後、位相角を少し（θ１１）ずつ段階的に増加させてその都度、ＤＣバスの電流ＩＤ１１を測定し、記憶する（Ｐ１２４）とともに、電流ＩＤ１とＩＤ１１とを逐次比較する（Ｐ１２５，Ｐ１２６）。この過程で電流が最も小さくなったことが検出されたら、Ｐ１２７を経て位相角を少しずつ減少させるステップに移行する。
すなわち、位相角を少し（θ１１）ずつ段階的に減少させて上記と同様の処理を行い（Ｐ１２８〜Ｐ１３０）、電流が最も小さくなったことが検出されたときの位相角を低速の位相角設定値θ５２とする（Ｐ１３１）。
【００６５】
しかる後、モータを最高速度で運転し（Ｐ１３２）、上述した最低速度時と同様の動作により高速の位相角設定値θ５１を決定する（（Ｐ１３３〜Ｐ１４１）。
【００６６】
次に、図１９は本発明の第６実施形態を示す制御ブロック図である。
前述した図１や図３の参考形態では、モータに負荷がかかるとモータの速度が低下してしまう。モータの用途によっては、負荷が変化しても速度が略一定になっていることが望まれる。
そこで、第６実施形態は上記課題を解決するためのものである。
【００６７】
図１９の実施形態にかかる制御装置６００Ｇは、図３の制御装置６００Ｂに、ホールセンサ３５１〜３５３の出力信号から検出されるモータ速度に比例した周波数を電圧に変換する周波数・電圧変換回路６１３を付加し、更に、ソフトスタート回路６０１の出力信号と周波数・電圧変換回路６１３の出力信号との偏差をなくすようにＰＩ（比例・積分）動作するＰＩ演算回路６１４を付加することにより、モータ３５０の速度が一定になるようにフィードバック制御するものである。
なお、図１９では、ホールセンサの出力信号の周波数を一旦電圧に変換しているが、マイコンの演算処理により、周波数のまま、あるいは周期に置き換えてソフトスタート回路６０１の出力信号との偏差を求めても良い。
【００６８】
さて、上述した各実施形態では、Ｖ／ｆ制御されるインバータの制御方法を基にしてブラシレスモータの制御を行えるようにしているので、簡単に元のインバータ制御に戻すことができる。
すなわち、図１や図３における角度指令の補正機能を停止させれば、誘導モータ等を駆動するためのインバータ制御装置を実現することができ、本発明のブラシレスモータの制御装置を誘導モータの制御装置に転用することができる。
【００６９】
図２０は、上記の点を考慮して構成された本発明の第７実施形態を示す制御ブロック図であり、この制御装置６００Ｈは、図１の制御装置６００Ａにおける補正回路６０６とＰＷＭ演算回路６０３との間に補正の作動・停止選択回路６１５を付加したものである。
すなわち、作動・停止選択回路６１５によりＰＷＭ演算波形の位相角の補正が有効になるように選択すれば、前述したようなブラシレスモータの制御装置を構成することができ、また、作動・停止選択回路６１５によりＰＷＭ演算波形の位相角の補正が無効になるように選択すれば、Ｖ／ｆ制御による誘導モータの制御装置を構成することができる。
【００７０】
また、図２１は本発明の第８実施形態を示す制御ブロック図である。この実施形態に係る制御装置６００Ｉは、ホールセンサ３５１〜３５３の出力信号の組み合わせに応じてインバータ制御とブラシレスモータの制御とを自動的に切替可能としたものである。
詳細には、図２０の制御装置６００Ｈに組み合わせ判定回路６１６を付加し、位置検出回路６０５の出力信号の組み合わせに応じてインバータ制御とブラシレスモータの制御とのいずれかを選択し、補正の作動・停止選択回路６１５を動作させるように構成されている。
【００７１】
この実施形態では、３相各相に各１個ずつホールセンサを取り付けてあるので、このうちの常に１個か２個がオン（出力信号あり）になっている。もし３個ともオンあるいはオフに相当する信号が出力されている場合には、ホールセンサが取り付けられていない状態と考えることができる。
【００７２】
ホールセンサの出力信号の組み合わせと制御動作との対応関係を図２２に示す。この図２２の対応関係を図２１の組み合わせ判定回路６１６により判定し、ホールセンサが取り付けられている場合（３個のホールセンサの出力信号にオン、オフが混在する場合）にはブラシレスモータの制御、ホールセンサが取り付けられていない場合はインバータ制御と判定して、選択回路６１５により位相角指令の補正の作動・停止を選択する。
【００７３】
本実施形態によれば、単一の制御装置を誘導モータ等のインバータ制御とブラシレスモータの制御の両方に適用することができ、生産する機種の種類を減らしたり、メンテナンスのための在庫機種の種類を減らすことができる。
【００７４】
次に、本発明のブラシレスモータの制御装置では、ホールセンサの出力信号に従ってＰＷＭ演算波形を補正し、最終的にモータに印加する電圧を正弦波状とする制御を行っている。
仮にホールセンサの出力信号が等間隔で発生しないと、きれいな正弦波にすることができず、モータから発生する騒音が大きくなったり効率が低下することがある。
本発明の第９実施形態は、ホールセンサの取付精度が悪い等の理由によりホールセンサの出力信号が等間隔に発生しない場合でも、これを補正してきれいな正弦波電圧を得ようとするものである。
【００７５】
図２３は、ホールセンサが各１個ずつ、３相のモータに取り付けられている時のホールセンサ出力信号を示している。
図２３（ａ）に示す理想の出力タイミングに対し、実際のホールセンサの出力信号が、（ｂ）に示すようにロータの回転角６０°の位置でθ６０、１２０°の位置でθ１２０、１８０°の位置でθ１８０、２４０°の位置でθ２４０、３００°のところでθ３００それぞれずれているとする。
【００７６】
図２４は、上述した図２３の位置ずれを補正して運転するための第９実施形態の制御ブロック図である。この制御装置６００Ｊは、図１３の制御装置６００Ｅに、ロータが６０°回転する毎に位置ずれを補正する補正回路６１７を付加したものである。
【００７７】
すなわち、図２４の制御装置６００Ｊでは、従来は機械角６０°ごとに角度指令を補正していたのを、ずれ補正回路６１７により図２３における位置ずれθ６０，θ１２０，θ１８０，θ２４０，θ３００の値をそれぞれ機械角６０°ごとの値に加算したうえで角度補正を行う。
これにより、図２３（ｂ）のようにホールセンサの実際の出力信号に一ずれがあって等間隔になっていない場合でも、図２３（ａ）の理想状態に近い間隔に補正することができる。
【００７８】
図２５、図２６は、上記の位置ずれを自動的に補正する方法を示すフローチャートである。
まず、モータを無負荷にし（図２５のＰ１５１）、ロータの回転角で各６０°毎のＰＷＭ演算波形の位相角指令補正値をすべてゼロにして低速で運転する（Ｐ１５２〜Ｐ１５７）。
【００７９】
次に、ＰＷＭ演算波形の電気角６０°の時間と、ホールセンサ出力信号によるロータの回転角６０°の時間間隔とは制御回路内のマイコンによって検出しており、両者の時間の長さ（ＰＷＭ演算波形の電気角６０°の時刻とロータが６０°回転する時刻とのどちらが早く到来するか）を比較、検出する（Ｐ１５８）。この比較された時間の差に相当する角度が規定の範囲より小さければ、わずかな一定角度θＨだけ位相角指令補正値を大きくし（Ｐ１５９）、逆に規定の範囲よりも大きければ、角度θＨだけ位相角指令補正値を小さくし（Ｐ１６０）、ステップＰ１５８に戻って再度、波形のタイミングを比較する。
【００８０】
上記の動作を何回か繰り返せば、比較された時間の差に相当する角度は規定の範囲内に入る。その値を、ロータの回転角６０°における位相角指令補正値としてセットする（Ｐ１６１）。
以下、同様の手順によりロータの回転角１２０°，１８０°，２４０°，３００°についても同様の処理を行い、位置ずれが補正された位相角指令補正値を得る（Ｐ１６２〜図２６のＰ１７７）。
なお、上記説明では、比較結果に応じて一定角度θＨを加算または減算することとしたが、加算や減算、あるいは修正の回数などでその値を変化させてもよい。
【００８１】
上記各実施形態において、ホールセンサの出力信号を用いたＰＷＭ演算波形の角度指令の補正を、ロータの回転角が６０°または３６０°に達した時点で行うこととしたが、ロータの回転角はこれらに限定されず、一般にロータが（３６０／Ｎ（Ｎは整数））°回転するたびごとに行っても良い。つまり、９０°ごと、１２０°ごと、１８０°ごと……に行っても良い。
また、ロータの位置検出器はホールセンサに限らず、ロータの磁極位置に合わせて取り付けた歯車状の円盤（スリット円板）とホトセンサとを組み合わせた光学式センサや同等のものでも代用することができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように本発明の制御装置は、従来の誘導モータ等を駆動するインバータ制御装置に位置検出器や位相角指令補正回路、位相差検出回路等を付加するだけで比較的簡単かつ低コストに実現可能であり、ブラシレスモータにほぼ正弦波状の電圧を印加可能として騒音の低減、効率の向上を図ることができる。
また、必要に応じて誘導モータを駆動するインバータ制御装置を構成することも可能であるから、回路装置の有効利用、汎用性の向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１参考形態を示す制御ブロック図である。
【図２】図１の動作説明図である。
【図３】本発明の第２参考形態を示す制御ブロック図である。
【図４】図３の動作説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
【図６】図５における位相差検出回路の動作を示すフローチャートである。
【図７】図５の動作説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図である。
【図９】図８における第２のＰＷＭ演算回路の動作を示すフローチャートである。
【図１０】図８の動作説明図である。
【図１１】本発明の第３実施形態を示す動作説明図である。
【図１２】図１１の実施形態を補足的に説明するための図である。
【図１３】本発明の第４実施形態を示す制御ブロック図である。
【図１４】図１３の動作説明図である。
【図１５】図１３の動作説明図である。
【図１６】本発明の第５実施形態を示す制御ブロック図である。
【図１７】図１６の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図１８】図１６の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図１９】本発明の第６実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２０】本発明の第７実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２１】本発明の第８実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２２】図２１の実施形態におけるホールセンサの出力信号の組み合わせと制御動作との対応関係を示す図である。
【図２３】本発明の第９実施形態における、ホールセンサの出力信号のタイミングを示す図である。
【図２４】本発明の第９実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２５】図２４の実施形態による位置ずれ補正動作を示すフローチャートである。
【図２６】図２４の実施形態による位置ずれ補正動作を示すフローチャートである。
【図２７】従来技術を示す制御ブロック図である。
【図２８】図２７の動作説明図である。
【図２９】図２７の動作説明図である。
【図３０】誘導モータの制御ブロック図である。
【図３１】図３０におけるインバータの出力周波数と出力電圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
３４０，３５０ ブラシレスモータ
３４１，３５１〜３５３ ホールセンサ
６００Ａ，６００Ｂ，６００Ｃ，６００Ｄ，６００Ｅ，６００Ｆ，６００Ｇ，６００Ｈ，６００Ｉ，６００Ｊ 制御装置
６０１ ソフトスタート回路
６０２ 電圧指令及び周波数指令発生回路
６０３，６０９ ＰＷＭ演算回路
６０４ インバータ
６０５ 位置検出回路
６０６，６０７ 位相角指令補正回路
６０８ 位相差検出回路
６１０ 位相角制御回路
６１１ 直流電流検出回路
６１２ 設定演算回路
６１３ 周波数・電圧変換回路
６１４ ＰＩ演算回路
６１５ 補正の作動・停止選択回路
６１６ 組み合わせ判定回路
６１７ ずれ補正回路

Claims (15)

1. 電圧指令及び周波数指令に従って作成されたほぼ正弦波状の変調波としてのＰＷＭ演算波形をキャリア信号と比較して半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成するＰＷＭ演算回路と、前記駆動信号が加えられるＶ／ｆ制御用のインバータとを備え、このインバータの出力電圧を、ロータの磁極位置を検出する位置検出器を備えたブラシレスモータのステータコイルに印加するようにしたブラシレスモータの制御装置において、
   前記位置検出器の出力信号のタイミングに同期して新たなＰＷＭ演算波形の変化が開始するようにＰＷＭ演算波形の位相角を補正する手段を備え、この手段によりＰＷＭ演算波形の位相角を補正する動作を、ロータが（３６０／Ｎ）°回転するごとに行い、かつ、ロータが（３６０／Ｎ）°回転する以前にＰＷＭ演算波形が電気角で（３６０／Ｎ）°に達したときは、その時点でのＰＷＭ演算波形の値をロータが（３６０／Ｎ）°回転するまで保持することを特徴とするブラシレスモータの制御装置（本請求項においてＮはすべて同一の整数）。
2. 請求項１記載のブラシレスモータの制御装置において、
   ロータが（３６０／Ｎ）°回転する時点とＰＷＭ演算波形が電気角で（３６０／Ｎ）°に達する時点とが異なるときに、ＰＷＭ演算波形の周期を位置検出器の出力信号のタイミングに一致する方向に補正してＰＷＭ演算波形を作成し、このＰＷＭ演算波形をその後に用いることを特徴とするブラシレスモータの制御装置（本請求項においてＮはすべて同一の整数）。
3. 請求項１または２に記載したブラシレスモータの制御装置において、
   ＰＷＭ演算波形を、モータの回転速度に応じた位相角設定値を用いて補正することを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
4. 請求項３記載のブラシレスモータの制御装置において、
   周波数指令に対して、位相角設定値を直線的に近似することを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
5. 請求項３記載のブラシレスモータの制御装置において、
   周波数指令に対して、位相角設定値をモータの特性に応じた曲線により近似することを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、
   インバータの直流電流が最も小さくなるように位相角設定値を決定することを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
7. 請求項６記載のブラシレスモータの制御装置において、
   モータを無負荷状態で運転して位相角を僅かに変化させながらインバータの直流電流を検出することを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
8. 請求項３〜７のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、
   モータの正転用、逆転用にそれぞれ独立して位相角設定値を設けることを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、
   位置検出器の出力信号の周波数を検出してこの周波数が速度指令の換算値と等しくなるようにフィードバック制御する手段を備えたことを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、
    ＰＷＭ演算波形の位相角を補正する手段の作動・停止を選択可能な選択回路を備えたことを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
11. 請求項１０記載のブラシレスモータの制御装置において、
    複数の位置検出器の出力信号の組み合わせにより選択回路の動作を決定することを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、
    位置検出器の出力信号の理想値と実際値との位置ずれを考慮して位相角指令値を補正する手段を備えたことを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
13. 請求項１２記載のブラシレスモータの制御装置において、
    ロータが（３６０／Ｎ）°回転する時点とＰＷＭ演算波形が電気角で（３６０／Ｎ）°に達する時点とが異なるときに、両者のタイミングのずれが規定範囲内に収まるように位相角指令値を補正することを特徴とするブラシレスモータの制御装置（本請求項においてはＮはすべて同一の整数）。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、
    位置検出器がホールセンサであることを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
15. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載したブラシレスモータの制御装置において、
    位置検出器が、光学的な位置検出手段であることを特徴とするブラシレスモータの制御装置。

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