JP4850418B2 - Zcp検知システムと方法 - Google Patents

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Description

この発明はZCP検知システムと方法に関するものであり、さらに詳しくはブラシレスDCモーターの複数の相のそれぞれを整流する複数の切換え信号を有したブラシレスDCモーター中の位相戻りEMFのゼロ交差点(ZCP)を検知するシステムと方法に関するものである。
センサーレスBLDCモーターの位相戻りEMFゼロ交差点(ZCP)の検知はBLDCモーター中の位相整流の制御における回転子位置の決定に用いられてきた。従来回転子位置の決定は位置センサーを用いて行われてきた。しかし今日の方法ではセンサーレス検知およびBLDCモーター制御の方に向かっている。
回転子位置のセンサーレス検知には種々の方法が開発されてきた。それらのいくつかを挙げると(a)ローパスフィルターを使って非励磁位相電圧の回転子位置を検知する方法、(b)非励磁位相電圧と予設定しきい値電圧の積分を比較する方法、(c)第3高調波固定子電圧の積分からの間接位置感知方法、(d)フリーホイールダイオードの信号を伝動させる方法、(e)電流センサーおよび電圧センサーによる展開カルマンフィルター位置推定方法および(f)回転子位置に関してインダクタンスを測定する方法などがある。
これらの方法には固有の利点と欠点とがある。戻りEMF ZCP検知を用いるときには、モーター端子電圧による位相戻りEMFの真正ZCPの正確な検知が肝要である。BLDCモーターの各相の整流中、ある励磁相がスイッチオフされたときに、無音位相電圧上に電圧スパイクが起きるという周知の問題がある。
通常これらの電圧スパイクは振幅が大きくて、無音位相電圧を正負変化させる電圧に起因する。各整流は無音位相電圧上に2個のZCPを生じる。これは真正のZCPではなくて位相戻りEMFのノイズまたは疑似ZCPである。センサーレスBLDCモーターの整流制御がZCPの検知に依存する場合には、励磁位相の整流中のスイッチオフにより生じるこれらの「偽造」ZCPは実に問題となる。
現存の方法ではこれらの「偽造」ZCPをフィルターしようとしたが、ZCPタイミングの歪み(すなわち位相遅れ)という不利な結果に終わっており、したがって速度範囲が制約されることになる。
したがって、位相遅れがなくて広範囲の速度を適用できるBLDCモーター中の位相戻りEMFのゼロ交差点の検知を行う方法が必要であり、そうすれば現存の技術の欠点、特に高速度BLDCモーターの不利を克服することができる。
かかる従来技術の現状に鑑みてこの発明の目的は、センサーレスBLDCモーター中の位相戻りEMFのゼロ交差点検知を、位相遅れなくかつ単純に強力に、モーター速度およびパラメーターに関係なく、行うシステムと方法を提供することにある。
またこの発明は全てのセンサーレスモーターに応用できるものであり、速度の制限もない。しかしてこの発明によればBLDCモーターの普遍的なセンサーレス制御が容易に実施できるのである。
この発明の第1の技術的思想に係るZCP検知システムはZCPレベル検知回路とパルス発生器と第1の疑似ZCPマスキング信号と状態コンパレーターとを有しており、検知回路はブラシレスDCモーターの各相の端子電圧と中電圧とを受信してブラシレスDCモーターの各相についてZCPレベル出力を発生し、該ZCPレベル出力はブラシレスDCモーターの各相についての位相電圧の各ZCPに対応する複数の上昇・下降端を有しており、パルス発生器は複数のZCPレベル出力を受信するとともにZCPパルス信号を発生し、該ZCPパルス信号はZCPレベル出力の各上昇・下降端に対応する複数のパルスを有しており、第1の疑似ZCPマスキング信号はZCPパルス信号からの第1の複数の疑似ZCPをマスキングするとともに第1のマスクされた信号を発生し、第1の疑似ZCPマスキング信号は第1の複数の疑似ZCPに対応する複数のパルスを有しており、状態コンパレーターは第1のマスクされたZCP信号の複数のパルスに対応するZCPレベル出力の論理値を比較するとともに第2の複数の疑似ZCPをマスキングして真正ZCP信号を発生し、ZCPパルス信号の複数のパルスが第1の所定の幅であることを要旨とする。
この発明の第2の技術的思想に係るZCP検知方法にあっては、ブラシレスDCモーターの複数の位相電圧に対応する複数の端子電圧を受信して、該複数の位相電圧から複数のZCPレベル出力を発生し、パルス発生器を用いて複数のZCPレベル出力からZCPパルス信号を発生し、第1の疑似ZCPマスキング信号を用いてZCPパルス信号をマスキングすることにより第1のマスキングを行って第1の複数の疑似ZCPを除きかつ第1のマスクされたZCP信号を発生し、第1のマスクされたZCP信号の複数のパルスに対応する複数のZCPレベル出力の論理値の状態比較を行って第2の複数の疑似ZCPをマスキングしかつ位相戻りEMFの真正ZCP信号を発生し、ZCPパルス信号の複数のパルスが第1の所定の幅であることを要旨とする。
BLDCモーターの作動特性により、単純で低価格でかつ位相遅れのない実中電圧または仮想中電圧を用いたZCP検知システムと方法とを以下記載する。該システムと方法とにより、各位相電圧のZCPレベル信号がまず得られる。検知されたZCPレベル信号のなかで、あるZCPは位相戻りEMFにより発生され、それらは真正ZCPであり他のZCPは整流によるものであり疑似ZCPであると考えられる。
励磁位相電流、インダクタンスおよびモーターの戻りEMFとともに疑似ゼロ交差点レベル信号の期間は変動するので、この発明はZCPレベル信号の上昇・下降端に対応する固定狭幅パルスを利用して、前記したモーターパラメーターまたはモーター作動状態の影響を除いている。
固定幅パルスはZCPパルス信号を構成している。疑似ZCPレベル信号の第1の端部は実質的に整流オフ励磁位相のスイッチオフ信号に対応する。ZCPパルス信号よりも広いパルスを有した第1の疑似ZCPマスキング信号が印加されて第1の複数の疑似ZCP信号をマスキングする。ZCPレベル信号の論理値を比較して、現行のパルスの論理値が直前のパルスの論理値と異なる場合には、ZCPパルス信号のパルスは真正のZCPと識別される。したがって現行のパルスの論理値が直前のパルスの論理値と同じならば、現行のパルスは疑似ZCPである。かくして全ての位相戻りEMFの位相遅れのない真正のゼロ交差点が簡単な回路と論理処理で得られるのである。
図1において、この発明のシステム10はBLDCモーター20、整流制御モジュール25およびゼロ交差点(ZCP)検知モジュール35を有している。
BLDCモーター20は一般に3相を具えた固定子12、回転子13および複数の切換え信号(SAH,SBH,SCH,SAL,SBL,SCL)により制御される複数のスイッチを有している。これらのスイッチは固定子12の各相に接続されて固定子の相を整流する。
ZCP検知モジュール35はBLDCモーター20中の固定子12の各相から端子電圧の入力を受信するとともに、固定子巻線のスター接続の中心から中電圧VNまたは図3中の等価回路からの仮想中電圧を受信する。ZCP検知モジュール35は端子電圧を中電圧VNと比較して、各相の個々の位相電圧(VANまたはVA−VN、VBNまたはVB−VN、VCNまたはVC−VN)を得て、これらを使ってZCPを決定する。位相A,VANの位相電圧の一例を図4Aに示す。
またZCP検知モジュール35は整流制御モジュール25に接続されていて、整流制御モジュール25はZCP検知モジュール35からZCPについてのデータを受信する。整流制御モジュール25は該データを使って切換え信号(SAH,SBH,SCH,SAL,SBL,SCL)を発生して、BLDCモーター20の整流制御のために複数のスイッチを制御する。BLDCモーター20の整流制御は当業界において周知のものであるので、以下詳細な説明は割愛する。
図2において、ZCP検知モジュール35はZCPレベル検知回路40を有しており、該回路は端子電圧と中電圧からの入力を受信して、BLDCモーター20の各位相電圧に対応する複数のZCPレベル出力41(ZA、ZB、ZC)を発生する。ZCPを示すゼロ値を通って位相電圧が上昇・下降したときに、該出力41の有する上昇・下降端は状態の変化を表わす。
出力41はパルス発生器42により受信されて、該パルス発生器は異なる位相の出力41の下降・上昇端を検知・統合して、出力41の各下降・上昇端におけるパルスを有したZCPパルス信号(PZABC)を発生する。
図5A、B、CにBLDCモーター20の各3相(A、B、C)の出力41(ZA、ZB、ZC)を示す。発生されたZCPパルス信号(PZABC)43を図5Dに示す。ここで各パルスはZCPの起きたことを表わしている。これらのパルスは1〜18と番号が付けられている。1電気サイクルのパルスの合計は、疑似ZCPパルスなしで、6ZCPパルス〜18ZCPパルスであり、うち12パルスはモーターパラメーターとその作動状態に依存する。
図3にZCPレベル検知回路40を示す。ここでは複数のコンパレーターが用いられ位相電圧信号上にラッチして、出力41を生成する。該検知回路40は高端末電圧のためのタップ抵抗器と入力緩衝増幅器と仮想中電圧発生器と実中電圧または仮想中電圧のための選択スイッチとを有している。コンパレーターは3個の位相電圧からゼロ交差点レベル信号を発生するためのものである。このようなラッチ回路の作動は当業者周知であり、検知回路図40は一例に過ぎない。
図4Aに示す位相Aの位相電圧VANは図4BのスイッチSAHおよび図4Cの位相AのZCPレベル出力41ZAを活性化している。位相整流のためにスイッチをオフにすると図4Aに示すように位相Aの電圧スパイク51が起きる。振幅が充分大きいと、これらの電圧スパイク51によりZCPが起きる。しかしそれは固定子に対する回転子の運動により発生される位相戻りEMFによるものではないので、真正ZCPとは考えられない。
しかして位相整流のためのスイッチオフにより発生されるこれらの電圧スパイク51は疑似ZCPと言われている。位相Aについての検知回路40からの出力41ZAを図4Cに示す。他の2個の位相は図4A、B、Cに示すように、異なるタイミングではあるが、同じ電圧を有している。
再び図2において、パルス発生器42からのZCPパルス信号(PZABC)43は第1の疑似ZCPマスキング(MZ)信号44によるマスキングに掛けられる。該第1の疑似ZCPマスキング(MZ)信号は信号(SAH,SAL,SBH,SBL,SCH,SCL)をスイッチオフすることにより発生されて、疑似ZCPの第1のセットをマスキングする。マスキング信号44の有する複数のパルスは狭い固定幅を有しており、該幅はパルス信号43におけるパルスよりも若干広い。複数のパルスはBLDCモーター20の速度とパラメーターには左右されない。結果として得られる第1のマスクされたZCP信号(PZM)45は1セットの真正ZCPと第2のセットの疑似ZCPとを有している。疑似ZCPの第1のセットはマスキング信号44により除かれている。
図7Bには第1の疑似ZCPマスキング(MZ)信号44が示され、図7AにはZCPパルス信号(PZABC)43が示されている。結果として得られる第1のマスクされたZCP信号(PZM)45を図7Cに示し、第1のセットの疑似ZCPがマスクされている。
第1のマスクされたZCP信号(PZM)45はついでZCPレベル論理値の状態コンパレーター48を用いて状態比較に掛けられ、残りの第2のセットの疑似ZCPは除かれる。ZCP検知モジュール35からの偶発的な信号出力は1セットのパルスであって、図7Dに示すように真正ZCP信号(ZTABC)49を構成している。
ZCPパルス信号(PZABC)。ZCP出力41の下降・上昇端を検知するパルス発生器42が発生するZCPパルス信号(PZABC)43はZCPレベル出力41の各下降または上昇端においてパルスを有している。パルス信号43を構成するパルスは以下の論理等式で表わされる。
Figure 0004850418
A、ZB、ZCはZCPパルスレベル検知回路40からのZCPレベル出力41であり、「delay1」は第1の所定幅またはZCPパルス信号(PZABC)43のパルス期間である。図8にパルス信号43を発生する論理回路を示す。ここでは「delay1」はRd1、Cd1の積によりセットできる。
全3位相、つまりZA、ZB、ZCおよびZCPパルス信号(PZABC)43のZCP出力を示す二進法状態を用いて表1を得ることができる。
Figure 0004850418
ここでパルス番号が図5D中のパルス番号に相当する。真正ZCPがパルス番号1、4、7、10、13、16において起きることが分かる。
第1の疑似ZCPマスキング(MZ)信号。図5、6と表1においては、疑似ZCPの第1のセットと呼ばれるパルス番号2、5、8、11、14、17は、固定子の3位相のひとつの整流の開始の間に、起きる。図6A、B、C、Dにおいて、励磁された位相がスイッチオフされたときに、3個の疑似ZCPの第1のセットが起きる。しかして固定子位相を整流するための複数のスイッチに使われる切換え信号(SAH、SAL、SBH、SBL、SCH、SCL)を用いて疑似ZCPの第1のセットのためのマスキング信号を発生できる。疑似ZCPの第1のセットを除去して表1を改変すると以下の表2が得られる。
Figure 0004850418
第1の疑似ZCPマスキング(MZ)信号44は切換え信号から引き出すことができ、表1とP表2とはつぎの倫理等式で表される。
Figure 0004850418
ここでSAH、SBH、SCH、SAL、SBL、SCLはBLDCモーター20を整流するための複数のスイッチの切換え信号である。「delay2」は期間または第2の所定の幅であり、delay2はdelay1より大である。図9に示す第1の疑似ZCPマスキング(MZ)信号44を発生する論理回路は等式(2)に示したものであり、「delay2」はRd2、Cd2の積によりセットできる。
第1の疑似ZCPマスク(MZ)44は、整流中に励磁位相をスイッチオフしてそれらを疑似ZCPとして扱いかつそれらを考慮からは外すことにより得られる各位相中の第1の電圧スパイクを、識別する働きをする。
第1のマスクされたZCP信号(PZM)。図7Cに疑似ZCPの第1のセットを含まない第1のマスクされたZCP信号(PZM)45を示す。マスキング処理の論理等式はつぎのように表される。
Figure 0004850418
図10に等式(3)で示される第1のマスクされたZCP信号(PZM)45を発生させるための論理回路を示す。
真正ZCP信号(ZTABC)。疑似ZCPの第1のセットが除かれて、第1のマスクされたZCP信号(PZM)45が得られる。これに続いて、状態コンパレーター48を用いて状態比較が行われ、残りの疑似ZCPの第2のセットからの真正ZCPが識別され、かくして真正ZCP信号(ZTABC)49が得られる。この真正ZCP信号(ZTABC)49は固定子12に対する回転子13の運動により発生される位相戻りEMFによる真正ZCPのパルスのみからなるものである。
状態比較は表1、表2から引き出すことができる。最終的な出力は真正ZCP信号(ZTABC)49であって、以下の論理等式で表される。
Figure 0004850418
ここでkはパルス番号1、3、4、6、7、8、10、12、13、15、16、18などである。
状態比較の論理を理解するには表2と図7Dを参照するとよい。真正ZCP信号(ZTABC)49はパルス番号1、4、7、10、13、16を有している。真正ZCPパルスに対応するZCPレベル信号(ZA、ZB、ZC)を見ると、直前のパルスに対応する論理値の変化が認められる。ついで疑似ZCPは、いずれかの直前のパルスを比較して不変のままの論理値を有したパルスを経験する全てのパルスである、と識別される。図11に等式(4)に示された真正ZCP信号(ZTABC)49を発生する論理回路を示す。ZCP検知モジュール35からの最終的な出力は真正ZCP信号(ZTABC)49であって、これがついで整流制御モジュール25にフィードバックされて、BLDCモーター20の整流制御に使われる。
図3、8〜11の論理回路はこの発明の思想を限定するものではない。この発明の実施はCPLDまたはFPGAのファームウエアーやRC遅延回路を用いたハードウエアーまたはマイクロ制御器または埋設マイクロプロセッサーのソフトウエアーまたはファームウエアーに限定されるものではない。
この発明のBLDCモーターの一例を示す回路図である。 図1のZCP検知モジュールを示すブロックである。 図2の検知回路のZCPレベル検知回路を示す線図である。 Aは位相Aの位相電圧のグラフである。Bは切換え信号SAHのグラフである。Cは切換え信号SALのグラフである。Dは図1の位相AのZCPレベル出力のグラフである。 Aは高サンプリング速度での図4Dの位相AのZCPレベル出力のグラフである。Bは位相BのZCPレベル出力のグラフである。Cは位相CのZCPレベル出力のグラフである。DはZCPパルス信号(PZABC)のグラフである。 Aは切換え信号SAHのグラフである。Bは切換え信号SALのグラフである。Cは切換え信号SBHのグラフである。Dは切換え信号SBLのグラフである。Eは切換え信号SCHのグラフである。Fは切換え信号SCLのグラフである。Gは第1の疑似ZCPマスキング(MZ)信号のグラフである。 AはZCPパルス信号(PZABC)のグラフである。Bは第1の疑似ZCPマスキング(MZ)信号のグラフである。Cは第1のマスクされたZCP信号(PZM)のグラフである。Dは真正ZCP信号(ZTABC)のグラフである。 ZCPパルス信号(PZABC)を発生する論理回路の回路図である。 第1の疑似ZCPマスキング(MZ)信号を発生する論理回路の回路図である。 第1のマスクされたZCP信号(PZM)を発生する論理回路の回路図である。 疑似ZCPの第2のセットをマスキングしかつ真正ZCP信号(ZTABC)を発生する論理回路の回路図である。
符号の説明
40:ZCPレベル検知回路
42:パルス発生器
44:第1疑似ZCPマスキング信号
48:状態コンパレーター

Claims (15)

  1. ブラシレスDCモーターの複数の相のそれぞれを整流する複数の切換え信号を有したブラシレスDCモーター中の位相戻りEMFのゼロ交差点(ZCP)を検知するシステムであって、
    ZCPレベル検知回路とパルス発生器と第1の疑似ZCPマスキング信号と状態コンパレーターとを有しており、
    ZCPレベル検知回路は、ブラシレスDCモーターの各相の端子電圧と中電圧とを受信してブラシレスDCモーターの各相についてZCPレベル出力を発生し、該ZCPレベル出力は、ブラシレスDCモーターの各相についての位相電圧の各ゼロ交差点に対応する複数の上昇・下降端を有しており、ここで前記ZCPは、前記端子電圧と前記中電圧との間の電圧差から検知され、各相を整流するスイッチのオフで起こる電圧スパイクにより生じる最初のZCPである第1の疑似ZCPと、前記電圧スパイクにより生じる2番目のZCPである第2の疑似ZCPとを含み、
    パルス発生器は、複数のZCPレベル出力を受信してZCPパルス信号を発生し、該ZCPパルス信号は、複数のZCPレベル出力の各上昇・下降端に対応する複数のパルスを有しており、
    第1の疑似ZCPマスキング信号は、ZCPパルス信号から複数の前記第1の疑似ZCPをマスキングして第1のマスクされたZCP信号を発生し、第1の疑似ZCPマスキング信号は、複数の前記第1の疑似ZCPに対応する複数のパルスを有しており、
    状態コンパレーターは、各相のZCPレベル出力の組み合わせであるZCPレベル出力の論理値について、第1のマスクされたZCP信号の複数のパルスに対応する前記論理値のそれぞれを、直前のパルスに対応する前記論理値と比較し、複数の前記第2の疑似ZCPをマスキングして真正ZCP信号を発生し、
    ZCPパルス信号の複数のパルスが第1の所定の幅であることを特徴とするZCP検知システム。
  2. 前記中電圧が、ブラシレスDCモーターの固定子巻線のスター接続の中心から取られることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  3. 前記中電圧が、等価回路からの仮想中電圧であることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  4. 第1のZCPマスキング信号がブラシレスDCモーターのいずれかの相の切換え信号のONからOFFへの状態の変化に対応する複数のパルスを有していることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  5. 第1の疑似ZCPマスキング信号の複数のパルスが第2の所定の幅であることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  6. 第2の所定の幅が第1の所定の幅より広いことを特徴とする請求項5に記載のシステム。
  7. 状態コンパレーターが複数の前記第2の疑似ZCPをマスキングし、該複数の前記第2の疑似ZCPは複数のパルスを有しており、第2の疑似ZCPの各パルスに対応する前記論理値は、第1のマスクされたZCP信号の複数のパルスにおいて、直前のパルスに対応する前記論理値と同じであることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  8. ブラシレスDCモーターの複数の相のそれぞれを整流する複数の切換え信号を有したブラシレスDCモーター中の位相戻りEMFのゼロ交差点(ZCP)を検知する方法であって、
    ブラシレスDCモーターの複数の相電圧に対応する複数の端子電圧を受信して、該複数の相電圧からブラシレスDCモーターの各相についての位相電圧の各ゼロ交差点に対応する複数の上昇・下降端を有する複数のZCPレベル出力を発生し、前記ZCPは、各相を整流するスイッチのオフで起こる電圧スパイクにより生じる最初のZCPである第1の疑似ZCPと、前記電圧スパイクにより生じる2番目のZCPである第2の疑似ZCPとを含み、
    パルス発生器を用いて複数のZCPレベル出力からZCPパルス信号を発生し、
    第1の疑似ZCPマスキング信号を用いてZCPパルス信号をマスキングすることにより第1のマスキングを行って複数の前記第1の疑似ZCPを除きかつ第1のマスクされたZCP信号を発生し、
    各相のZCPレベル出力の組み合わせであるZCPレベル出力の論理値について、第1のマスクされたZCP信号の複数のパルスに対応する前記論理値のそれぞれを、直前のパルスに対応する前記論理値と比較し、複数の前記第2の疑似ZCPをマスキングして真正ZCP信号を発生し、
    ZCPパルス信号の複数のパルスが第1の所定の幅であることを特徴とするZCP検知方法。
  9. 前記複数の端子電圧を受信するに際して、さらに実際の中電圧または自己発生仮想中電圧を受信し、前記ZCPが、前記端子電圧と前記中電圧との間の電圧差から検知されることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 前記中電圧が、ブラシレスDCモーターの固定子巻線のスター接続の中心から受信されることを特徴とする請求項9に記載の方法。
  11. 前記中電圧が、等価回路からの仮想中電圧であることを特徴とする請求項9に記載の方法。
  12. 第1の疑似ZCPマスキング信号がブラシレスDCモーターのいずれかの位相の切換え信号の状態のONからOFFへの変化に対応する複数のパルスを有していることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  13. 第1の疑似ZCPマスキング信号の複数のパルスが第2の所定の幅であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  14. 第2の所定の幅が第1の所定の幅より広いことを特徴とする請求項13に記載の方法。
  15. 前記複数のZCPレベル出力の論理値の比較によって複数の前記第2の疑似ZCPをマスキングし、該複数の前記第2の疑似ZCPが複数のパルスを有しており、第2の疑似ZCPの各パルスに対応する前記論理値が、第1のマスクされたZCP信号において、直前のパルスに対応する前記論理値と同じであることを特徴とする請求項8に記載の方法。
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