JP4801773B2 - ブラシレスモータ、ブラシレスモータ制御システム、およびブラシレスモータ制御方法 - Google Patents

ブラシレスモータ、ブラシレスモータ制御システム、およびブラシレスモータ制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関(エンジン)のスタータ用のモータとして使用されるブラシレスモータ(ブラシレスDCモータ)のブラシレスモータ制御システムに関する。特に、ホール素子等のロータ位置検出センサを用いずに、モータが停止している場合のロータ停止位置を確実に検出することができる、ブラシレスモータ、ブラシレスモータ制御システム、およびブラシレスモータ制御方法に関する。
本願は、2007年3月30日に、日本に出願された特願2007−95450号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
一般に、内燃機関のスタータに使用されるブラシレスモータ駆動制御方式として、ブラシレスモータ内のロータ(永久磁石側)の位置を検出するために複数個のホール素子をロータの周辺に実装したセンサ型駆動制御回路が知られている。しかし、このセンサ型駆動制御回路では、複数個のホール素子や必要に応じてロータとは別に位置検出用磁石等を実装しなければならないため、モータの小型化や低コスト化の障害となっている。また、ホール素子の取り付け具合による位置検出精度にばらつきが出てしまう。このため、ホール素子等のセンサを用いずにロータ位置を検出するセンサレス型駆動制御回路の実現が強く望まれていたが、現在では実現されている。
従来のブラシレスモータのセンサレス型駆動制御では、モータが回転しない程度に高速のタイミングで電機子巻線に駆動電流を流し、その駆動電流の立ち上がり特性からブラシレスモータ内でのロータ停止位置を検出し、通電開始相を決定してロータを回転させ,通電開始後は、非通電相の相電圧のゼロクロス点を検出することによりロータ位置を検出する120度通電(全相期間180度のうちの120度の期間だけ通電する方式)による駆動制御方式が知られている。その他の通電方式としてはサブコイルから検出されるロータ位置検出波形によりロータ位置を取得し、180度通電にてブラシレスモータの駆動制御を行う180度通電方式がある(例えば、特許文献1、2、3、4、5、および非特許文献1、2を参照)。
上記モータ停止時のロータ停止位置の検出は、U,V,W相に短時間(例えば、数msec)の通電を行ない、ロータ(の磁石)の位置とモータコイルの位置関係による立ち上がり電流の差をとってロータ位置を検知する。
このロータ停止位置検出方法は、三相モータの各々、多極に巻回されたU,V,Wの各相コイルのL(インダクタンス)値はU,V,W相のそれぞれにおいて等しくなっているものとして、ロータ(の磁石)の位置によって各相コイルの受ける磁界に違いが生じるために、同じL値のコイルに通電した時の電流の立ち上がりに差が生じるのを利用する。
特許第3673964号明細書 特開2006−81396号公報 特開平10−257792号公報 特開平7−274585号公報 特開2001−327185号公報 近藤 俊一「ブラシレスDCモータ制御回路の設計」、トランジスタ技術、CQ出版株式会社、2000年2月号、p.212〜220 日下 智「ブラシレスDCモータの駆動法」、トランジスタ技術、CQ出版株式会社、2000年2月号、p.221〜228
しかしながら、上記のロータ停止位置検知方法にあっては、次のような問題点がある。
第1の問題点として、立ち上がり電流の差は磁界の影響によるものでなくてはならないために、三相の各コイルのL値は等しいというのが前提であるが、実際のモータコイルにはばらつきがあり、上記三相の各コイルのL値は全く等しい値になっていないのが通常である。
特にバイクや車両等の発電機のモータは、フロッピーディスク(登録商標)やハードディスク駆動用のブラシレスモータと違い、大きなパワーを必要とされるため三相のL値がそれぞれ大きい。L値が大きいと、コイルのばらつきによるL値の差が大きくなる。このため立ち上がり電流に現れる差が、磁界の影響よりもL値のばらつきによって左右されてしまう。これによってばらつきに差が出たときにロータ停止時のロータ位置を誤検出する。例えば、磁界の影響により電流が流れやすい相に流れる電流よりも、磁界の影響により電流が流れにくいはずの相に、L値の影響で大きい電流が流れてしまう。
第2の問題点として、ロータを動かさないような非常に短い時間の通電であるために、電流差の違いが微小になってしまうという問題点があった。
このように、従来のロータ停止位置検知方法においては、コイルの立ち上がり電流に現れる差が、磁界の影響よりもL値のばらつきによって左右されてしまことがあり、ロータ停止時のロータ停止位置を誤検出することがあり、また、ロータ停止位置の検出は、ロータを動かさないような非常に短い時間の通電で行うため、電流差の違いが微小になってしまい、ロータ停止位置を正確に検出することが困難な場合もあった。
本発明は、上記問題点を解決するためになされた。本発明の目的は、ブラシレスモータにおいて、U,V,Wの各相にホール素子を実装したり、ロータとは別に位置検出用の磁石等を実装することなく、複数相の駆動コイルのインダクタンス値にばらつきが有ってもロータ停止位置を確実に検出できる、ブラシレスモータ、ブラシレスモータ制御システム、およびブラシレスモータ制御方法を提供することにある。
本発明は上記課題を解決するためになされた。エンジンのスタータ用のモータとして使用され、ステータにU,V,Wの3相コイルを有するブラシレスモータを駆動すると共に、前記ブラシレスモータの起動時にロータの停止位置を検出してU,V,Wの各相コイルに通電する相電圧を制御するブラシレスモータ制御システムにおける本発明の前記ブラシレスモータは、ステータ側にN(N≧2)極のU,V,W相コイルを有すると共に、前記N極の内の1極においてU,V,W相コイルのいずれかの1相のコイルを間引いた。
上記構成のブラシレスモータでは、U,V,Wの各相コイルが多極に(複数個並列に)まかれているブラシレスモータにおいて、このうち1極のU,V,Wコイルのいずれかの1相のコイルだけを取り払い、この相のL値を他の2相とは明らかに異なるL値としてしまう。これにより、U,V,W相のコイルに直流電圧を印加し、各相コイルに流れる電流のパターンを検出する際に、各相のL値のばらつきが大きくても、1極分だけコイルの少ない相のL値によって電流差がはっきりと現れるために、L値のばらつきによる電流の大きさの逆転現象がなくなる。
これにより、各相そのままの電流値を比較することはできないが、ロータの位置による各相に流れる電流の電流差を明確化し、ロータの位置を正確に検出することができる。このため、ブラシレスモータにおいて、U,V,Wの各相にホール素子を実装したり、ロータとは別に位置検出用の磁石等を実装することなく、モータが停止している場合のロータ停止位置を確実に検出できる。また、センサレスモータ(ブラシレスモータ)の部品点数の減少、小型軽量化が図れる。
エンジンのスタータ用のモータとして使用され、ステータにU,V,Wの3相コイルを有するブラシレスモータを駆動すると共に、前記ブラシレスモータの起動時にロータの停止位置を検出してU,V,Wの各相コイルに通電する相電圧を制御する本発明のブラシレスモータ制御システムは、前記ブラシレスモータとして、ステータ側にN(N≧2)極のU,V,W相コイルを有すると共に、前記N極の内の1極においてU,V,W相コイルのいずれかの相のコイルを間引いたブラシレスモータを使用すると共に、前記ブラシレスモータが停止している場合に、前記U,V,Wの各相コイルの内から2相のコイルを順次に選択し該選択した2相のコイル間に所定の直流電圧を印加すると共に、前記選択した2相のコイルに流れる電流値を検出する電流立ち上がり検出回路と、前記電流立ち上がり検出回路により検出された各相コイルに流れる電流値の情報を基に、前記ブラシレスモータのロータ停止位置を判定するロータ停止位置検知部と、を含む。
上記構成のブラシレスモータ制御システムは、U,V,Wの各相コイルが多極に(複数個のコイルが並列に)巻かれたブラシレスモータを使用すると共に、このうちの1極においてU,V,W相コイルのいずれかの1相コイルだけを取り払い、この相のL値を他の2相とは明らかに異なるL値としたブラシレスモータを使用する。
モータが停止している場合に、U,V,W相の内の2相のコイル間に順次に直流電圧を印加し、各相コイルに流れる電流のパターン(全部で6パターン)を検出して、ロータ停止位置を判定する。
これにより、ブラシレスモータのU,V,W各相コイルのL値のばらつきが大きくても、1極分だけ少ない相のL値によって、各コイルに流れる電流の差がはっきりと異なるようにできるために、L値のばらつきによる電流の大きさの逆転現象をなくすことができる。
このため、ブラシレスモータにおいて、U,V,Wの各相にホール素子を実装したり、ロータとは別に位置検出用の磁石等を実装することなく、モータが停止している場合のロータ停止位置を確実に検出できるようになる。
本発明のブラシレスモータ制御システムにおいて、前記ブラシレスモータとして、2対のN極とS極を含む4極のロータを有するブラシレスモータを使用してもよく、前記電流立ち上がり検出回路は、前記ステータのU,V,Wの各相コイルのU−V間、V−U間、V−W間、W−V間、W−U間、U−W間の順に所定の直流電圧を第1から第6までの6つの所定のタイミングで印加し、前記第1から第6までの各タイミングにおいて各相コイルに流れる電流値を含む電流パターンを検出してもよく、前記ロータ停止位置検出部は、前記第1から第6までの各タイミングにおける電流値を含む電流パターンの差異を検出して、前記ロータ停止位置を判定してもよい。
上記構成のブラシレスモータ制御システムでは、4極(2対のN、S極)のロータを備えるブラシレスモータ(コイルを間引いたブラシレスモータ)において、ステータ側のU,V,Wの各相コイルの内の2相のコイル間に直流電圧を印加し、電流の立ち上がり特性からロータ停止位置を検出する。この場合、U,V,Wの各相コイルのU−V間、V−U間、V−W間、W−V間、W−U間、U−W間の順に6つのタイミングで電流を流す。ただし、モータが回転しないように、通常の駆動タイミングに比べて高速に電流パターンを切り替える。この6つのタイミングにおける電流値のパターンの差異を判定し、ロータ停止位置を検出する。
これにより、ブラシレスモータにおいて、U,V,Wの各相にホール素子を実装したり、ロータとは別に位置検出用の磁石等を実装することなく、モータが停止している場合のロータ停止位置を確実に検出できるようになる。
本発明のブラシレスモータ制御システムにおいて、前記間引き相がV相であってもよく、前記ロータ停止位置検出部は、前記電流パターンの差異を検出する際に、前記第1のタイミングから第4のタイミングまでは、前記V相コイルに流れるV相電流値を使用し、前記第5のタイミングではW相コイルに流れるW相電流値を使用し、前記第6のタイミングではU相コイルに流れるU相電流値を使用してもよい。
上記構成のブラシレスモータ制御システムでは、V相のコイルを間引いたブラシレスモータを使用し、電流パターンの差異を検出する際は、第1のタイミングから第4のタイミングまでは、V相コイルに流れるV相電流の電流値を使用し、第5のタイミングではW相コイルに流れるW相電流値を使用し、第6のタイミングではU相コイルに流れるU相電流値を使用する。
これにより、モータが停止している場合のロータ停止位置を確実に検出できるようになる。
エンジンのスタータ用のモータとして使用され、ステータにU,V,Wの3相コイルを有するブラシレスモータを駆動すると共に、前記ブラシレスモータの起動時にロータの停止位置を検出してU,V,Wの各相コイルに通電する相電圧を制御するブラシレスモータ制御システムにおける本発明のブラシレスモータ制御方法は、前記ブラシレスモータとして、ステータ側にN(N≧2)極のU,V,W相コイルを有すると共に、前記N極の内の1極においてU,V,W相コイルのいずれかの1相のコイルを間引いたブラシレスモータを使用する手順と、前記ブラシレスモータが停止している場合に、前記U,V,Wの各相コイルの内から2相のコイルを順次に選択し該選択した2相のコイル間に所定の直流電圧を印加すると共に、前記選択した2相のコイルに流れる電流値を検出する電流立ち上がり検出手順と、前記電流立ち上がり検出手順により検出された各相コイルに流れる電流値の情報を基に、前記ブラシレスモータのロータ停止位置を判定するロータ停止位置検知手順と、を含む。
上記手順を含むブラシレスモータ制御方法は、U,V,Wの各相コイルが多極に(複数個のコイルが並列に)巻かれたブラシレスモータを使用すると共に、このうちの1極においてU,V,W相コイルのいずれかの1相コイルだけを取り払い、この相のL値を他の2相とは明らかに異なるL値としたブラシレスモータを使用する。
モータが停止している場合に、U,V,W相の内の2相のコイル間に順次に直流電圧を印加し、各相コイルに流れる電流のパターン(全部で6パターン)を検出して、ロータ停止位置を判定する。
これにより、ブラシレスモータのU,V,W各相コイルのL値のばらつきが大きくても、1極分だけ少ない相のL値によって、各コイルに流れる電流の差がはっきりと異なるようにできるために、L値のばらつきによる電流の大きさの逆転現象をなくすことができる。
このため、ブラシレスモータにおいて、U,V,Wの各相にホール素子を実装したり、ロータとは別に位置検出用の磁石等を実装することなく、モータが停止している場合のロータ停止位置を確実に検出できるようになる。
本発明のブラシレスモータ制御システムによれば、ブラシレスモータにおいて、U,V,Wの各相にホール素子を実装したり、ロータとは別に位置検出用の磁石等を実装することなく、モータが停止している場合のロータ停止位置を確実に検出できる。このため、安価なブラシレスモータ制御システムを供給することができ、また、センサレスモータ(ブラシレスモータ)の部品点数の減少、小型軽量化が図れる。
本発明の実施の形態に係わるブラシレスモータ制御システムの構成を示す。 図1に示すブラシレスモータ制御システムにおける制御部の構成を示す。 ブラシレスモータのU,V,W相のコイル巻線の構成を示す。 ブラシレスモータのU,V,W相のコイル巻線の構成を示す。 ブラシレスモータのU,V,W相のコイルに流す電流パターンを示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(1)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(1)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(1)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(2)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(2)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(2)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(3)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(3)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(3)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(4)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(4)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(4)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(5)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(5)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(5)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(6)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(6)を示す。 電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法(6)を示す。 電流パターン差異検出方法(1)を示す。 電流パターン差異検出方法(1)を示す。 電流パターン差異検出方法(2)を示す。 電流パターン差異検出方法(2)を示す。 電流パターン差異検出方法(3)を示す。 電流パターン差異検出方法(3)を示す。 120度通電方式におけるU,V,Wの相電圧波形を示す。
符号の説明
1 ブラシレスモータ
2 ステータ
3 ロータ
10 ブラシレスモータ制御システム
11 FETドライバ回路
12 電流立ち上がり検出回路
13 ゼロクロス検出回路
20 制御部
21 ロータ停止位置検知部
22 ゼロクロス信号によるロータ位置検知部
23 モータ制御部
[概要]
本発明では、ブラシレスモータが停止している場合のロータ(永久磁石側)停止位置の検出を確実に行えるようにした。
ブラシレスモータが停止している場合は、ステータ側のU,V,Wの各相コイルの内の2相のコイル間に正および負の直流電圧を印加し、電流の立ち上がり特性からロータ停止位置を検出する。この場合、U,V,Wの各相コイルに6つのタイミングで電流を流すことになる。ただし、モータが回転しないように、通常の駆動タイミングに比べて高速に電流パターンを切り替える。この駆動電流の立ち上がり特性から、停止中のロータ位置を検出する。
一般に、内燃機関用のスータモータとして使用されるブラシレスモータはU,V,Wの各相コイルが多極に(複数個並列に)まかれている。このうち1極のU,V,Wコイルのいずれかのコイルだけを取り払い、この相のL値を他の2相とは明らかに小さいL値としてしまう。これにより各相のL値のばらつきが大きくても、1極分だけ少ない相のL値によって電流差がはっきりと異なるために、L値のばらつきによる電流の大きさの逆転現象がなくなる。これにより、各相そのままの電流値を比較することはできないが、ロータの位置による電流差を明確化し、ロータの位置を正確に検出する。
例えば、従来のブラシレスモータ(コイルを間引かないブラシレスモータ)の例では、コイルへの電流の通電時間を、2.0[msec]通電で実験したところ、ロータが動いてしまい正確な位置検出ができない時があった。また、通電時間を1.0[msec]にしたところ電流差が小さすぎて、ロータ位置検出が難しかった。しかし、発明に使用するブラシレスモータの場合では、従来はごく短い通電時間であるため差が微小であった電流値も、L値が異なる1相のために電流差が顕著に現れるのでロータの位置を正確に検出できるようになった。
以上説明したように本発明のブラシレスモータ、およびブラシレスモータ制御システムにおいては、ブラシレスモータにおいて、U,V,Wの各相にホール素子を実装したり、ロータとは別に位置検出用の磁石等を実装することなく、モータが停止している場合のロータ停止位置を確実に検出できる。このため、安価なブラシレスモータ制御システムを供給することができ、また、センサレスモータ(ブラシレスモータ)の部品点数の減少、小型軽量化が図れる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
[本発明によるブラシレスモータ制御システムの構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態に係わるブラシレスモータ制御システムの構成を示す。図1において、ブラシレスモータ制御システムは、ブラシレスモータ1とブラシレスモータ制御装置10とを有している。
ブラシレスモータ1は、内燃機関のスタータ用モータであり、U,V,Wの各相コイル(鉄心に巻かれているコイル)および該コイルの中性線を有するステータ2と、4極の永久磁石(2対のN、S極)からなるロータ3とで構成されている。
ブラシレスモータ制御装置10は、3相のブラシレスモータ1を駆動する制御装置である。ブラシレスモータ制御装置10は、FET(Field Effect Transistor)の3相ブリッジで構成されるスイッチング素子Q1〜Q6と、FETドライバ回路11と、電流立ち上がり検出回路12と、ゼロクロス検出回路13と、制御部20とを有している。
ブラシレスモータ1においては、図3Aに示すように、通常はステータ2のU,V,Wの各相コイルの巻線が、6極の巻線(U1〜U6、V1〜V6、W1〜W6の6層の巻線)を並列に接続して構成されているところを、図3Bに示すように、1極分のV相コイルV6(取り払うコイルC)を取り払った(間引いた)ものである。なお、取り払うコイルは、いずれかの1極における任意の1相のコイルであればよい。また、巻線の並列極数は6極に限らず何極の場合であってもよい。
3相ブリッジで構成されるスイッチング素子Q1〜Q6のうちスイッチング素子Q1は、直流電源となるバッテリ(図示せず)の+側の電圧Vbatとブラシレスモータ1のU相コイルと間に接続され、スイッチング素子Q2は、バッテリの+側の電圧VbatとV相コイルと間に接続され、スイッチング素子Q3は、バッテリの+側の電圧VbatとW相コイルと間に接続されている。
スイッチング素子Q4は、ブラシレスモータ1のU相コイルとバッテリのGNDとの間に接続され、スイッチング素子Q5は、V相コイルとバッテリのGNDとの間に接続され、スイッチング素子Q6は、W相コイルとバッテリのGNDとの間に接続されている。
上記スイッチング素子Q1〜Q6は、FETドライバ回路11から出力されるゲート駆動信号により駆動される。このゲート信号は、FETドライバ回路11において、制御部(CPU等で構成される制御部)20から出力されるFET駆動信号を基にして生成される。
電流立ち上がり検出回路12は、ブラシレスモータ1が停止している場合にロータ停止位置を検出するための電流信号を検出する回路であり、検出された電流値情報は制御部20に送信される。
ゼロクロス検出回路13は、ブラシレスモータ1が回転している場合に、ブラシレスモータ1のU,V,Wの各相コイルに誘起される電圧(非通電相の電圧)からゼロクロス点を検出するための回路であり、検出されたゼロクロス点の情報はゼロクロス信号として制御部20に送信される。
図2は、制御部20の構成を示す。この制御部20はCPU(マイクロコンピュータやマイクロコントローラ)、ROM、RAM、A/D変換器、D/A変換器等のハードウェアを含んで構成されている。
制御部20内のロータ停止位置検知部21は、電流立ち上がり検出回路12から電流信号を受信し、この電流信号を基に、モータが停止している場合のロータ停止位置を検出する処理を行う。このロータ停止位置検知部21で検出されたロータ停止位置の情報は、モータ制御部23に送信される。なお、ロータ停止位置検知部21におけるロータ停止位置の検出方法については後述する。
ゼロクロス信号によるロータ位置検知部22は、ゼロクロス検出回路13で検出されたゼロクロス点の情報を受信し、このゼロクロス点の情報を基に、モータが回転している場合のロータ位置を検出する処理を行う。このゼロクロス信号によるロータ位置検知部22において検出されたロータ位置の情報は、ロータ位置情報としてモータ制御部23に送信される。
モータ制御部23では、ロータ停止位置検知部21から受信したロータ停止位置の情報、およびゼロクロス信号によるロータ位置検知部22から受信したロータ位置情報を基に、スイッチング素子(FET)Q1〜Q6を駆動するFET駆動信号を生成して、ブラシレスモータ1の各相コイルU,V,Wに通電する電圧を制御する。
なお、前述した本発明における電流立ち上がり検出回路は電流立ち上がり検出回路12が相当し、ロータ停止位置検知部はロータ停止位置検知部21が相当する。
[電流パターンによるロータ停止位置検出制御方法の説明]
ここで、電流立ち上がり検出回路12およびロータ停止位置検知部21により行われる、モータが停止している場合の電流パターンによるロータ停止位置検知制御方法について説明する。
図4は、U,V,W相コイルに流す電流パターンを示す。電流パターンによりロータ停止位置を検出するためには、図4に示すように、パターンP1〜パターンP6に示す順番に、モータが動作しないような短時間(例えば、数msec)だけ直流電圧を印加して通電を行い、U,V,Wの各相コイルに流れる電流のパターンにより、ロータ停止位置を検出する。
これは、ステータに巻かれている各相のコイルに電流が流れたときに、ステータ側に発生する磁界と、ロータ側の永久磁石による磁界との影響によりステータ側の磁束(ひいては電流)が増加する方向に作用するか、あるいは磁束がキャンセルされて減少する方向に作用するか)が、ロータとステータとの位置関係で変化することにより、ロータ停止位置を検出するものである。
図5〜図10は、電流パターンによるロータ停止位置検知制御方法の例を示す。図5A〜Cは、電流パターンによるロータ停止位置検知制御方法(1)を示す。図5Aは、ロータ(回転子)側の永久磁石が4極(N,S極が2対)であり、ステータ(固定子)側にU,V,Wの各相コイルが巻かれたブラシレスモータにおいて、ロータ側の中点a(N,S極の境界点)が、U相コイルのコイル軸と一致した状態を示している。図5Aにおいて、符号a〜dは、中点を示す。
図5Aに示すロータ停止位置の状態において、P1〜P6のパターンで電流を流すと、図5Bおよび図5Cに示す電流パターンが得られる。図5Bは従来のブラシレスモータ(V相コイルを間引かないブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。図5Cは、本発明によるブラシレスモータ(V相コイルを間引いたブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。
図5Bに示す従来のブラシレスモータの場合は、パターンP4(W,V相間に、W相が+電位になるように電圧を印加)において最も大きな電流が流れ、パターンP3(V,W相間に、V相が+電位になるように電圧を印加)において最も少ない電流が流れる。
このように、U,V,Wの各相コイルに流れる電流パターンP1〜P6により、ロータ停止位置が図5Aの状態であることを判定していた。このため、U,V,Wの各相コイルのL(インダクタンス)に誤差がある場合には誤判定する可能性があった。
図5Cは、本発明によるブラシレスモータを用いた場合であり、パターンP1、P2,P3、P4に示すようにV相に流れる電流が、他の相に流れる電流と大きく異なることが分かる。なお、ロータ停止位置の判定方法については後述する。
図6A〜Cは、電流パターンによるロータ停止位置検知制御方法(2)を示し、図6Aは、ロータ側の中点d(N,S極の境界点)が、W相コイルのコイル軸と一致した状態を示している。図6Aにおいて、符号a〜dは、中点を示す。
図6Aに示すロータ停止位置の状態において、P1〜P6のパターンで電流を流すと、図6Bおよび図6Cに示す電流パターンが得られる。図6Bは従来のブラシレスモータ(V相コイルを間引かないブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示す。図6Cは、本発明によるブラシレスモータ(V相コイルを間引いたブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。
図6Bに示す従来のブラシレスモータの場合は、パターンP1(U,V相間に、U相が+電位になるように電圧を印加)において最も大きな電流が流れ、パターンP2(U,V相間に、V相が+電位になるように電圧を印加)において最も少ない電流が流れる。
このように、U,V,Wの各相コイルに流れる電流パターンP1〜P6により、ロータ停止位置が図6Aの状態であることを判定していた。このため、U,V,Wの各相コイルのL(インダクタンス)に誤差がある場合には誤判定する可能性があった。
図6Cは、本発明によるブラシレスモータを用いた場合であり、パターンP1、P2、P3、P4においてV相に流れる電流が、他の相に流れる電流と大きく異なることが分かる。なお、本発明の場合におけるロータ停止位置判定方法については後述する。
図7A〜Cは、電流パターンによるロータ停止位置検知制御方法(3)を示す。図7Aは、ロータ側の中点c(N,S極の境界点)が、V相コイルのコイル軸と一致した状態を示している。図7Aにおいて、符号a〜dは、中点を示す。
図7Aに示すロータ停止位置の状態において、P1〜P6のパターンで電流を流すと、図7Bおよび図7Cに示す電流パターンが得られる。図7Bは従来のブラシレスモータ(V相コイルを間引かないブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。図7Cは、本発明によるブラシレスモータ(V相コイルを間引いたブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。
図7Bに示す従来のブラシレスモータの場合は、パターンP6(U,W相間に、U相が+電位になるように電圧を印加)において最も大きな電流が流れ、パターンP5(U,W相間に、W相が+電位になるように電圧を印加)において最も少ない電流が流れる。
このように、U,V,Wの各相コイルに流れる電流パターンP1〜P6により、ロータ停止位置が図7Aの状態であることを判定していた。このため、U,V,Wの各相コイルのL(インダクタンス)に誤差がある場合には誤判定する可能性があった。
図7Cは、本発明によるブラシレスモータを用いた場合であり、パターンP2、P3においてV相に流れる電流が、他の相に流れる電流と大きく異なることが分かる。なお、本発明の場合におけるロータ停止位置判定方法については後述する。
図8A〜Cは、電流パターンによるロータ停止位置検知制御方法(4)を示す。図8Aは、ロータ側の中点b(N,S極の境界点)が、U相コイルのコイル軸と一致した状態を示している。図8Aにおいて、符号a〜dは、中点を示す。
図8Aに示すロータ停止位置の状態において、P1〜P6のパターンで電流を流すと、図8Bおよび図8Cに示す電流パターンが得られる。図8Bは従来のブラシレスモータ(V相コイルを間引かないブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。図8Cは、本発明によるブラシレスモータ(V相コイルを間引いたブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。
図8Bに示す従来のブラシレスモータの場合は、パターンP3(V,W相間に、V相が+電位になるように電圧を印加)において最も大きな電流が流れ、パターンP4(V,W相間に、W相が+電位になるように電圧を印加)において最も少ない電流が流れる。
このように、U,V,Wの各相コイルに流れる電流パターンP1〜P6により、ロータ停止位置が図8Aの状態であることを判定していた。このため、U,V,Wの各相コイルのL(インダクタンス)に誤差がある場合には誤判定する可能性があった。
図8Cは、本発明によるブラシレスモータを用いた場合であり、パターンP1、P2、P3、P4においてV相に流れる電流が、他の相に流れる電流と大きくなることが分かる。なお、本発明の場合におけるロータ停止位置判定方法については後述する。
図9A〜Cは、電流パターンによるロータ停止位置検知制御方法(5)を示し、ロータ側の中点a(N,S極の境界点)が、W相コイルのコイル軸と一致した状態を示している。図9Aにおいて、符号a〜dは、中点を示す。
図9Aに示すロータ停止位置の状態において、P1〜P6のパターンで電流を流すと、図9Bおよび図9Cに示す電流パターンが得られる。図9Bは従来のブラシレスモータ(V相コイルを間引かないブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。図9Cは、本発明によるブラシレスモータ(V相コイルを間引いたブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。
図9Bに示す従来のブラシレスモータの場合は、パターンP2(V,U相間に、V相が+電位になるように電圧を印加)において最も大きな電流が流れ、パターンP1(V,U相間に、V相が+電位になるように電圧を印加)において最も少ない電流が流れる。
このように、U,V,Wの各相コイルに流れる電流パターンP1〜P6により、ロータ停止位置が図9Aの状態であることを判定していた。このため、U,V,Wの各相コイルのL(インダクタンス)に誤差がある場合には誤判定する可能性があった。
図9Cは、本発明によるブラシレスモータを用いた場合であり、パターンP1、P2、P3、P4においてV相に流れる電流が、他の相に流れる電流と大きく異なることが分かる。なお、本発明の場合におけるロータ停止位置判定方法については後述する。
図10A〜Cは、電流パターンによるロータ停止位置検知制御方法(6)を示す。ロータ側の中点d(N,S極の境界点)が、V相コイルのコイル軸と一致した状態を示している。図10Aにおいて、符号a〜dは、中点を示す。
図10Aに示すロータ停止位置の状態において、P1〜P6のパターンで電流を流すと、図10BおよびCに示す電流パターンが得られる。図10Bは従来のブラシレスモータ(V相コイルを間引かないブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。図10Cは、本発明によるブラシレスモータ(V相コイルを間引いたブラシレスモータ)を使用した場合の電流パターンを示している。
図10Bに示す従来のブラシレスモータの場合は、パターンP5(W,U相間に、W相が+電位になるように電圧を印加)において最も大きな電流が流れ、パターンP6(W,U相間に、U相が+電位になるように電圧を印加)において最も少ない電流が流れる。このように、U,V,Wの各相コイルに流れる電流パターンP1〜P6により、ロータ停止位置が図10Aの状態であることを判定していた。このため、U,V,Wの各相コイルのL(インダクタンス)に誤差がある場合には誤判定する可能性があった。
図10Cは、本発明によるブラシレスモータを用いた場合であり、パターンP1、P2、P3、P4においてV相に流れる電流が、他の相に流れる電流と大きく異なることが分かる。なお、本発明の場合におけるロータ停止位置判定方法については後述する。
[電流パターン差異検出方法によるロータ停止位置の検出方法の説明]
次に、図5〜図10に示した電流パターンの差異によるロータ停止位置の検出方法について説明する。
図11Aおよび図11Bは、電流パターン差異検出方法(1)を示し、従来のV相のL(コイル)の間引きなしの場合は、図5〜図10のパターンから、図11Aに示すように4種類だと分かる。このため、各波形の大小比較をする場合、L値のばらつきによって、差が小さくなり大小比較できなかったり、大小逆転の可能性がある。
本発明によるV相のL(コイル)の間引きありの場合は、図5〜図10のパターンから、図11Bに示すように4種類だと分かる。このため、V相の電流値はL値の誤差があっても電流差が大きいため大小比較しやすく、大小関係の逆転もない。これによりV相の電流は誤判定無く4種類を識別できる。
図12Aおよび図12Bに電流パターン差異検出方法(2)に示すように、パターンP1〜P4はV相の電流によって「電流が流れやすい」〜「電流が流れにくい」までの4種を識別可能となる。パターンP5、P6についてはV相電流がないので、別の手法をとる必要がある。
パターンP5のW相については、パターンP4のW相波形と大小比較を行なう。パターンP4のW相波形は4種類の電流のどれにあたるかが分かっており、また同相の波形なので、L値のばらつきは問題がなくなる(磁界の影響による電流差異だけが差として現れるため)。
ロータ位置によるW相の電流のパターンは、ロータ位置1〜6(図5〜図10)の6通り存在しており、W相のパターンP4、P5の波形の組み合わせは、図12Bに示す表のようになる。この場合、パターンP4のW相電流値A、B、C、DはV相の波形(電流値)から識別可能である。
図12Bに示す表において、パターンP4のW相電流値がA、Dとなるパターンは1種類ずつしかないので、パターンP5のW相電流値は計算しなくても認識可能である。
ロータ位置2(図5A)、ロータ位置6(図10A)の場合は、パターンP5のW相電流がCまたはAとなる。L値の誤差では「C←→A」が逆転するほど電流値に違いが出ないので、純粋に大小比較して大きいほうをA、小さいほうをCの電流値とする。ロータ位置3(図7A)、ロータ停止位置5(図9A)の場合も上記と同様に大小比較を行ない、大きいほうをB、小さいほうをDの電流値とする。
パターンP6のU相電流波形については、パターンP1のU相電流波形と大小比較を行なう。パターンP1のU相波形は4種類の電流のどれにあたるかが分かっており、また同相の波形なので、L値のばらつきは問題なくなる(磁界の影響による電流差異だけが差として現れる)。
ロータ位置による電流のパターンは、前述のロータ位置1(図5A)〜ロータ位置6(図10C)までの6通り存在している。W相のパターンP1、パターンP6の波形の組み合わせは、図13Bの表のようになる。この場合、パターンP1のU相電流値A、B、C、DはV相の波形(電流値)から識別可能である。
図13Bの表に示すように、パターンP1のU相電流値がA、Dとなるパターンは1種類ずつしかないので、パターンP6のU相電流値は計算しなくても認識可能である。
ロータ位置1(図5A)、ロータ位置3(図7A)の場合は、パターンP6のW相電流がCまたはAとなる。L誤差では「C←→A」が逆転するほど電流値に違いが出ないので、純粋に大小比較して大きいほうをA,小さいほうをCの電流値とする。ロータ位置4(図8A)、ロータ位置6(図10A)の場合も上記同様に大小比較を行ない、大きいほうをB、小さいほうをDの電流値とする。
以上説明した判定方法により、以上で6パターンのロータ位置(図5A〜図10C)における「電流の流れやすい通電相」〜「流れにくい通電相」を全て知ることができる。これにより、ロータ停止位置を判定することができる。
[モータが回転で回っている場合のロータ位置の検出方法の説明]
モータが回転している場合のロータ位置の検出方法について説明しておく。この方法自体は本発明には関係せず、また、一般的な方法であるため、以下、簡単にだけ説明する。
モータが回転している場合は、120度通電法方式によりモータを駆動する。この120度通電方式においては、図14のU,V,Wの相電圧波形に示すように、180度の全通電期間中、120度の期間だけコイルに通電が行われる。従って、U,V,Wの各相には非通電相が生じ、この非通電相のゼロクロス点a,b,cを検出することにより、ロータ位置を検出することができる。
以上説明したように本発明によれば、ブラシレスモータにおいて、U,V,Wの各相にホール素子を実装したり、ロータとは別に位置検出用の磁石等を実装することなく、モータが停止している場合のロータ停止位置を確実に検出できる。このため、安価なブラシレスモータ制御システムを供給することができ、また、センサレスモータ(ブラシレスモータ)の部品点数の減少、小型軽量化が図れる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明のブラシレスモータ、およびブラシレスモータ制御システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明は、ブラシレスモータ、ブラシレスモータの制御システム、およびブラシレスモータの制御方法に適用できる。このブラシレスモータ、ブラシレスモータ制御システム、およびブラシレスモータ制御方法によれば、ブラシレスモータにおいて、U,V,Wの各相にホール素子を実装したり、ロータとは別に位置検出用の磁石等を実装することなく、複数相の駆動コイルのインダクタンス値にばらつきが有ってもロータ停止位置を確実に検出できる。

Claims (5)

  1. エンジンのスタータ用のモータとして使用され、ステータにU,V,Wの3相コイルを有するブラシレスモータを駆動すると共に、前記ブラシレスモータの起動時にロータの停止位置を検出してU,V,Wの各相コイルに通電する相電圧を制御するブラシレスモータ制御システムにおける前記ブラシレスモータであって、
    ステータ側にN(N≧2)極のU,V,W相コイルを有すると共に、前記N極の内の1極においてU,V,W相コイルのいずれかの1相のコイルを間引いたブラシレスモータ。
  2. エンジンのスタータ用のモータとして使用され、ステータにU,V,Wの3相コイルを有するブラシレスモータを駆動すると共に、前記ブラシレスモータの起動時にロータの停止位置を検出してU,V,Wの各相コイルに通電する相電圧を制御するブラシレスモータ制御システムであって、
    前記ブラシレスモータとして、ステータ側にN(N≧2)極のU,V,W相コイルを有すると共に、前記N極の内の1極においてU,V,W相コイルのいずれかの相のコイルを間引いたブラシレスモータを使用すると共に、
    前記ブラシレスモータが停止している場合に、前記U,V,Wの各相コイルの内から2相のコイルを順次に選択し該選択した2相のコイル間に所定の直流電圧を印加すると共に、前記選択した2相のコイルに流れる電流値を検出する電流立ち上がり検出回路と、
    前記電流立ち上がり検出回路により検出された各相コイルに流れる電流値の情報を基に、前記ブラシレスモータのロータ停止位置を判定するロータ停止位置検知部と、
    を含むブラシレスモータ制御システム。
  3. 前記ブラシレスモータとして、2対のN極とS極を含む4極のロータを有するブラシレスモータを使用し、
    前記電流立ち上がり検出回路は、
    前記ステータのU,V,Wの各相コイルのU−V間、V−U間、V−W間、W−V間、W−U間、U−W間の順に所定の直流電圧を第1から第6までの6つの所定のタイミングで印加し、前記第1から第6までの各タイミングにおいて各相コイルに流れる電流値を含む電流パターンを検出し、
    前記ロータ停止位置検出部は、
    前記第1から第6までの各タイミングにおける電流値を含む電流パターンの差異を検出して、前記ロータ停止位置を判定する
    請求項2に記載のブラシレスモータ制御システム。
  4. 前記間引き相がV相であり、
    前記ロータ停止位置検出部は、前記電流パターンの差異を検出する際に、
    前記第1のタイミングから第4のタイミングまでは、前記V相コイルに流れるV相電流値を使用し、
    前記第5のタイミングではW相コイルに流れるW相電流値を使用し、
    前記第6のタイミングではU相コイルに流れるU相電流値を使用する請求項3に記載のブラシレスモータ制御システム。
  5. エンジンのスタータ用のモータとして使用され、ステータにU,V,Wの3相コイルを有するブラシレスモータを駆動すると共に、前記ブラシレスモータの起動時にロータの停止位置を検出してU,V,Wの各相コイルに通電する相電圧を制御するブラシレスモータ制御システムにおけるブラシレスモータ制御方法であって、
    前記ブラシレスモータとして、ステータ側にN(N≧2)極のU,V,W相コイルを有すると共に、前記N極の内の1極においてU,V,W相コイルのいずれかの1相のコイルを間引いたブラシレスモータを使用する手順と、
    前記ブラシレスモータが停止している場合に、前記U,V,Wの各相コイルの内から2相のコイルを順次に選択し該選択した2相のコイル間に所定の直流電圧を印加すると共に、前記選択した2相のコイルに流れる電流値を検出する電流立ち上がり検出手順と、
    前記電流立ち上がり検出手順により検出された各相コイルに流れる電流値の情報を基に、前記ブラシレスモータのロータ停止位置を判定するロータ停止位置検知手順と、
    を含むブラシレスモータ制御方法。
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