JP5378785B2 - 位置検知器を有しないブラシレス直流モータの起動駆動方法およびこれを用いた電動自転車 - Google Patents

Description

本発明の位置検知器を有しないブラシレスモータの起動駆動方法は固定ディスクなどの各種データ記録装置、冷蔵庫などの家電機器、電動自転車など電動車両など、小型、低コスト、低消費電力、高効率なモータが必要とされる装置または機器に広く用いられる。

ブラシレス直流モータにおいては各相のモータ巻線に対して所定の転流動作のタイミングで各相のモータ巻線へ順次に駆動電流を切換え供給するために、モータ巻線と回転子の相対的な位置情報を示す信号が必要とされる。それで、従来からブラシレス直流モータは、回転子の回転位相情報を例えばホール素子や光学的な素子などを含んで構成される位置検知器によって検出して、所定の転流動作のタイミングでモータの各巻線へ順次に駆動電流が供給されるようにするか、あるいは、回転子の回転中に各モータ巻線に発生する逆起電圧を測定して回転子の回転位相情報を示す信号を得て、所定の転流動作のタイミングでモータの各巻線へ順次に駆動電流が供給されるようにしている。
前記した後者の構成形態のブラシレス直流モータ、すなわち位置検知器を有しないブラシレス直流モータは位置検知器が不要なために、モータの構成が簡単化できるとともに、位置検知器自体の信頼性が低いことによって生じる問題もなく、また、位置検知器を所定の取付け位置に正確に取付けるための組立製作上の困難さもないなどの利点があり、特に小型なブラシレス直流モータを構成させる場合に有利である。

ところで、モータの起動時には停止状態の回転子が所定の回転方向で回転を開始することができるように各相の巻線に対する転流の制御が行なわれる必要があるが、前記した位置検知器を有しないブラシレス直流モータには位置検知器を備えていないから、起動時に前記の所望の転流の態様で各相の巻線に対して駆動電流が順次に供給されるようにするためには、停止時における回転子の磁極と巻線の相対位置を検出し、その検出された回転子の磁極と巻線の相対位置に基づいて所望の回転方向に回転子が回転を開始できるように各相に対する転流の制御が行なわれるようにしなければならない。
この手段として従来、回転子が停止している状態で３相巻線の各相に適切な電流を流し、その電流値の大小を相対比較することにより、回転子と３相巻線の相対的な停止位置を検出する手段が特開昭６３−６９４８９号公報に開示されている。
図１、図２、図３を用いてその動作を説明する。図１はモータの３相巻線を示しそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする。図２の（ａ）は測定のための各相に対する通電態様の一例で、Ｕ→（Ｖ＋Ｗ）はＵ端からＶおよびＷ端へ、Ｕ←（Ｖ＋Ｗ）はＶおよびＷ端からＵ端に電流を流すことを示す。図２の（ｂ）も同じ目的の他の例だが、ここでは（ａ）の方法で説明する。図３は各通電態様で測定される電流値を示し、横軸は３相巻線に対する回転子の位置を電気角で示している。測定される電流値は回転子の磁極が各巻線に与える磁束によって影響を受け、たとえば通電１はＵ相が回転子に対向する面がＮに励磁されるとき、回転子のＳ極が対向する位置にあれば通電電流は大きく、対向位置から離れると小さくなる。通電４は通電１と電流方向が反対の例でＵ相はＳに励磁され、回転子のＮ極が対向する位置にあるときに電流値は大きくなる。このように通電１から通電６を実行して電流値の大小を求めれば、各回転子の電気角の位置、すなわち３相巻線と回転子の相対位置が求められる。

特開昭６３−６９４８９号公報

ところが前記した従来の回転子の停止位置の検出手段では、通電１から通電６の六回の電流測定をおこなうので一定の測定時間を必要とし、測定時間中に回転子が変動している応用の場合には、測定した時の回転子の位置と測定後の実際の回転子の位置が異なってしまうことがあった。駆動トルクの不足や、逆回転動作などの誤動作を起こす危険が避けられない。たとえば図２（ａ）の通電１から通電６の順序で測定した時、通電１で通電電流が大きいとすでにここで回転子の位置が推定されるが、測定値の大小比較のために続けて通電２から通電６の測定をおこなうために、この時間の間に回転子が変動してしまう。換気扇が停止状態でも大気の風で回転子が揺れているような場合、あるいは電動自転車の応用で停止状態であっても道路の傾斜によって回転子が移動してしまう場合などで問題となる。電動自転車ではこのような誤動作は安全上致命的で、実際の応用はきわめて困難であった。

回転子の位置が誤動作を起すほど変動する前に高速に位置検出を行い、かつ直ちに駆動電力を与えることができれば上記の問題は回避できる。本発明はこのための手段を与えるために以下の構成を備える。
ブラシレスモータの駆動制御で、回転子が停止もしくは小変動している状態で、３相巻線に順方向と逆方向の全６方向への通電態様でパルス通電を行い、通電電流の大小を比較して回転子位置を検出するセンサーレスのモータ駆動装置にあって、該６方向への通電態様の測定を回転子の位置を示す電気角の順番に通電１、通電２、通電３、通電４、通電５、通電６として測定する手段を設け、測定される各通電電流の中の３方向の値より大きく、かつ残る３方向の測定値の中の１箇以上の通電電流の値が大きい値として検出される基準電流値を設け、各測定電流と該基準電流値の大小を比較する手段を備え、該基準電流値を超えて測定される最初の通電態様を検出ステップ１とし、続けて次の通電態様の測定を行って検出ステップ２とし、さらにすでに検出が済んでいる検出ステップ１の前の通電態様をステップ０とし、ただし検出ステップ１が上記の通電１の場合は通電６をステップ０として追加測定し、検出ステップ０と検出ステップ１と検出ステップ２の連続測定された通電電流値の大小から回転子の磁極の位置と３相巻線との相対位置を決定する手段とを備え、この位置情報から最大トルクを与える励磁を選択して供給するブラシレスモータの起動駆動方法である。

さらに、第二の技術は、電源変動など外部環境によって通電１から通電６の通電電流値が変動することに対処する方法を提供するもので、モータ起動を行う前の工程であらかじめ全６種類の通電ステップの通電測定を実行して得られる６個の電流値を参照して、小さいほうの値から３番目より大きい値で、かつ必ず１つ以上のステップの通電電流値が大きい値として判定される条件のもとで最適化して新たな該基準電流値としてセットする手段を追加する。

また第三の技術は、回転子が時間とともに順方向か逆方向かどちらかに変動している場合にその変化方向を検出して適切な起動の励磁力を選定する手段を与えるもので、検出ステップ０、検出ステップ１、検出ステップ２の測定後、さらに検出ステップ０，１，２の中の最大の電流値、或いは二番目に大きい電流値のステップと同じ通電態様で検出ステップ３の通電測定を実行して、すでに測定される電流値の時間的変化から回転子の位置の変動方向を予測する手段を備える。

第四の技術は検出ステップ０、検出ステップ１、検出ステップ２から回転子の位置が特定のピーク電流を与える位置の近傍にあることが判断されたところで、さらにこのピーク位置に相当する通電態様で通電を与えて回転子がこのピーク位置に制動されるよう駆動力を与えて測定後の回転子の変動を押さえ込むことによって、位置検出の確度をさらに高めるものである。位置検出後に瞬時に与えられるため誤動作のリスクなく大きな制動力を与えることができる。

作用

図３のグラフから、回転子のそれぞれの電気角で測定される六個の通電電流値は、１から２個のデータが大きな値を示して特定の相の巻線が回転子の特定の磁極に近いことを示す有意なデータであるが、残る４個から５個の測定値は小さい値を示し測定値の大小の順番を決める参照値として使われるに過ぎないことがわかる。
本発明はこの特性に着目して考案されたもので、ある一定の基準電流値を設けて、基準電流値より大きな通電電流が測定される場合、すなわち有意なデータの得られる通電態様だけが検出されるようにし、これを検出ステップ１として、この前後の通電態様の通電測定情報をそれぞれ検出ステップ０、検出ステップ２として加えるだけで回転子位置を確定するものである。

本手段の必要条件として第一に、通電測定の測定順序を、図２に示す通電１、通電２、通電３、通電４、通電５、通電６の通電態様の順番で行うことが望ましい。従来法ではこの順序は任意であるが、図２の説明では本発明の順序としている。この順序を逆にすること、あるいは測定の開始をどの通電態様から行ってもよいが、それぞれ隣り合う測定はこの順番でなければならない。この順番に測定することによって、大きな通電電流の有意なデータの得られる通電態様とその前後の通電態様が有意なデータの得られる測定点で、それ以外は最小値近傍の値になることがわかる。第二の必要条件は、各通電態様から得られる６個の通電電流の最小値から三番目の値より大きく、かつ残る３個の通電態様のうちの１箇以上の通電電流が大きい値として検出される値に設定した基準電流値を設けて各通電電流と比較することにより、有意な大きさの通電電流のステップを検出することである。図３に示す測定から基準電流値を決めることができる。回転子がどの位置にいても必ず最小値から３番目の電流値より大きく、かつどれかの通電電流は必ずこの基準電流値より上回る値とすればよい。一例を図示した。

ところで、今まで述べてきた各通電態様で測定される通電電流は適用する電源や環境条件の変化で変動することが考えられるので、この変化に対応して該基準電流値も適正化することが望ましい。このためには、回転子の位置測定を行うまえに、通電１から通電６の測定を行い、この測定値は環境の変化を反映しているので、測定値が大きければ該基準電流値を一定量上げ、小さければ一定量下げる変更を行い、新たな基準電流値とする。あるいは通電１から通電６を実施して基準電流値を超える通電態様のステップが検出されなければ、一定量だけ基準電流値をさげ、基準電流値を超える通電態様のステップが３個以上検出されれば、一定量だけ基準電流値を上げる手段も好便で有効である。

本発明はセンサーレスのブラシレスモータ駆動に広く応用できる。以下に好適な応用として電動自転車への応用を説明する。モータは車軸に直結された直接駆動で、三相巻線のステーターは車軸に固定され、永久磁石のローターは車輪の一部として構成される。モータはステーターの巻線が５１極、ローターの磁極が４８極の２４ポールペアである。車輪が一回転、即ち機械角で３６０度回転するとき、ローターの電気角はポールペア数だけ繰り返されるので、電気角の３６０度は機械角で１５度（＝３６０度／２４）に相当する。また車輪の直径を５０ｃｍとすると車輪円周は５０＊３．１４≒１５０ｃｍだから、電気角の３６０度の変化は、電気自転車が約６．２５ｃｍ（≒１５０ｃｍ＊（１５度／３６０度））移動することに相当する。図４は実施例で適用したモータ駆動回路のブロック図で、よく知られた標準的な構成である。電源Ｖｃｃからの電流を１１で示すＱ１からＱ６のトランジスタで切り替えてモータ巻線に流し、ローター（図示せず）に回転力を与える。たとえばＱ１とＱ６をＯＮにして他をＯＦＦにするとＵ相からＶ相（Ｕ→Ｖ）に電流は流れて、Ｕ相とＶ相が励磁される。巻線への通電電流は１２で示す抵抗Ｒｓの両端に発生する電圧でモニターする。１３で示すローター位置検出回路１はあとで詳述するように巻線の通電電流をモニターしてローターが停止している時の位置測定を行う。ローターが回転している時は標準的な方法として、巻線に生じる逆起電力を使い、これを１４に示すローター位置検出回路２に入力して位置測定を行う。１５に示すセンサーレス駆動演算回路はローターの位置情報から３相巻線への通電態様を決定してＱ１からＱ６のＯＮ，ＯＦＦ制御を行う制御信号を出力するとともに、ローター位置検出器１とローター位置検出器２へ測定の制御情報を与える。本例では電源をＶｃｃ＝４８Ｖとし、モータの動作電流が１０Ａから１５Ａなので抵抗Ｒｓを０．００５オームとして、Ｒｓの両端で０．５Ｖから１．５Ｖが得られるようにしている。

本発明の技術はローター位置検出回路１に適用される。該基準電流値を設定するために、図３と同様のデータを測定しなければならない。図５に示したデータがその結果で、図４の１３に示すローター位置検出回路１で１２に示す抵抗Ｒｓに生じる電圧を測定した。図２（ａ）と同様の通電１、通電２、通電３、通電４、通電５、通電６の順番で、個々の電流測定は図６に示す４段階で行った。即ち、▲１▼でＱ４，Ｑ５，Ｑ６をＯＮにして接地電位を確認し、▲３▼で所定のトランジスタをＯＮにして通電測定する。▲２▼と▲４▼はＱ１とＱ４あるいはＱ２とＱ５あるいはＱ３とＱ６が同時にＯＮして貫通電流がながれてトランジスタを破壊する危険をさけるために挿入した。▲３▼の通電時間は１５０マイクロ秒である。一つの通電電流の測定は８００マイクロ秒としている。図７は一定のローター位置でおこなった通電１から通電６の実測波形の例である。図５の測定結果から基準電流値を１３Ａに設定した。
ローター位置検出器１で制御しているローター位置決定の測定フローを図８（ａ）に示す。通電１を▲１▼から▲４▼の順番でおこない基準電流値と比較し、基準値を超えなければ通電２で同様の測定をおこない、どれかの通電態様で基準電流値を超えたところでその通電を検出ステップ１としてループをでて、次の通電の検出ステップ２を測定してロータ停止位置判定が行われる。比較のために図８（ｂ）に従来法の測定フローを示すが、常に６回の測定が必要なのにたいし、実施例では基準電流値をこえる通電態様の測定の時点が位置測定の開始となるから概略２回の測定で結果を出せていることがわかる。一回の通電測定を８００マイクロ秒としたので、従来法で４．８ミリ秒かかるのに対して実施例では１．６ミリ秒に短縮できている。
本実施例では図８（ａ）に示すように位置検出後直ちに、検出位置に強制的に復帰させる制動駆動を与える、すなわち位置検出した以降の回転子の変動を押さえ込む、また検出後に微小変動していても検出位置に戻す駆動力を与えるフローとしている。ここではローター位置が確度よく検出されており、ローター位置は制動位置近傍にあるので慣性による振動の危険もなく強い駆動力の制動駆動を与えることができる。制動時間は目的の条件によって変えるが、実施例では５０ミリ秒の通電パルスを５回与えている。

電動自転車が停止時であっても坂道などにいて変動して動く場合がある。
この変動を人間の歩く速度程度の約５ｋｍ／時と想定すると、これは１ミリ秒あたり０．１４４ｃｍの変動である。本例の電動自転車はさきに説明したように、電気角３６０度が６．２５ｃｍの移動に相当するから、０．１４４ｃｍの変動はモータの電気角で約８度（３６０度＊（０．１４４／６．２５））に相当する。
本実施例では位置測定に１．６ミリ秒かかっているから測定中に電気角で±１３度（＝１．６＊８）ずれて測定誤差になることが考えられる。一方、従来法ではこの３倍かかっているので、測定中に±４０度弱の測定誤差が想定される。
モータの駆動は電気角で６０度毎に転流しておこなうが、本実施例での測定誤差はこの範囲に十分入っており、さらに強制制動で変動をおさえているので転流タイミングを外す危険は非常似小さくなっている。実際に従来法では坂道でバックしている状態では適切な駆動力をあたえられないばかりかバック方向に加速される場合を防げなかったが、実施例ではこれをほぼ根絶でき、前身に強い加速駆動を与えることが可能になった。

は３相ブラシレスモータの励磁巻線を示し、電気角で１２０°間隔でＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの巻線で構成される。 は回転子位置検出のための３相巻線への通電方法を示す。（ａ）、（ｂ）に二種類の方法を示すが、ここでは（ａ）で説明する。 は回転子の各電気角での通電電流の測定結果である。 は位置検出器を持たないブラシレスモータの駆動回路ブロック図である。よく知られた標準的な構成であっる。 は実施例のモータ駆動回路装置で、回転子の各電気角の通電電流を測定した結果である。基準電流値はこのデータから作成する。 は実施例の通電電流測定方法を示す。 は通電電流測定の実測波形を示す。 ローター位置検出の測定フローを示し、（ａ）は本発明の方法で、（ｂ）は従来法である

Claims (5)

1. ブラシレスモータの駆動制御で、回転子が停止もしくは小変動している状態で、３相巻線に順方向と逆方向の６方向への通電ステップでパルス通電を行い、通電電流の大小を比較して回転子位置を検出するセンサーレスのモータ駆動装置にあって、
   該６方向への通電ステップの測定を回転子の位置を示す電気角の順番に通電１、通電２、通電３、通電４、通電５、通電６の通電態様として測定する手段を設け、
   ６方向で測定される各通電電流値の３方向の測定値より大きく、残る３方向の測定値の中の１箇以上の通電態様の通電電流が大きい値として検出される基準電流値を設けてそれぞれ測定される各通電電流を該基準電流値と大小比較する手段を備え、
   該基準電流値を超えて測定される最初の通電態様を検出する検出ステップ１と、
   この検出ステップ１に続けて次の通電態様の測定を行う検出ステップ２と、
   すでに測定が済んでいる検出ステップ１の前の通電態様を測定する検出ステップ０とを有して、
   前記検出ステップ１が通電１の場合で検出ステップ０がないときは通電６を検出ステップ０として追加測定して、検出ステップ０と検出ステップ１と検出ステップ２の連続測定された通電電流値の大小から回転子の磁極の３相巻線との相対位置を決定する手段を備え、この位置情報から最大トルクを与える励磁を選択して供給することを特徴とするブラシレス直流モータの起動駆動方法。
2. 請求項１のモータ起動を行う前の工程として、あらかじめ通電１から通電６の通電測定を実行して得られる６個の電流値を参照して、該基準電流値を最適化して再設定する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス直流モータの起動駆動方法。
3. 前記検出ステップ０、検出ステップ１及び検出ステップ２の測定後、さらに検出ステップ０、検出ステップ１及び検出ステップ２の中の最大の電流値、或いは二番目に大きい電流値のステップと同じ通電態様で検出ステップ３の通電測定を行い、検出ステップ０、検出ステップ１及び検出ステップ２とその後に測定された検出ステップ３の通電電流値の時間的変化から回転子の位置の変動方向を予測する手段を備え、回転子位置情報に加えて変動方向の情報から適切な励磁態様を選択して起動を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブラシレス直流モータの起動駆動方法。
4. 回転子位置を検出して、回転子を検出された回転子位置に制動駆動する通電態様の電力を一定期間与えてから所定の回転駆動電力を与える手段を具備していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブラシレス直流モータの起動駆動方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のブラシレス直流モータの起動駆動方法を適用した電動自転車。

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