JP5678681B2 - センサレスブラシレスモータの駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステータの電機子巻線に誘起される誘起電圧を検知してロータの回転位置を検出するセンサレス方式のブラシレスモータの駆動装置に関し、より詳細には、電機子巻線に電源電圧を供給する通電時間帯のタイミングを制御する進み角制御機能を有する駆動装置に関する。

直流ブラシレスモータの一方式として、ロータの回転位置を検出するセンサを備えていないセンサレス方式のモータが実用化されている。このセンサレスブラシレスモータでは、ステータの電機子巻線の端子に非通電時間帯に誘起される誘起電圧を検知することでロータの磁極対との相対的な回転位置関係を検出する位置検出回路が設けられる。検出した回転位置に基づいて、電源制御装置は電機子巻線に電源電圧を供給する通電時間帯を設定する。電源回路は、インバータ回路により構成されるのが一般的であり、設定された通電時間帯にしたがい電機子巻線に電源電圧を供給して通電する。三相の電機子巻線を有するモータでは、ロータの回転位置に応じて電気角の１２０°ピッチで通電相を順次切り替える駆動方式が多用され、１２０°を越えて複数相への通電をオーバーラップさせることも行われている。また、出力トルクを調整するために、通常電源回路はパルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）やパルス電圧振幅制御方式（ＰＡＭ方式）などにより電源電圧を制御する。

さらに、通電時間帯のタイミングを制御する進み角制御も行われている。補足すると、前記の位置検出回路やインバータ回路では電気信号の伝達遅延時間が発生するため、検出した回転位置に合わせて通電時間帯を制御しても、伝達遅延時間分だけ電機子巻線の回転磁界形成が遅れてモータ効率が低下する。したがって、検出された回転位置に対して通電時間帯の設定を先行させることが好ましく、先行する時間をロータの回転角度で表して進み角と称している。ここで、電気信号の伝達遅延時間が一定であるのに対しロータの回転速度は変化するので、進み角を可変に制御することが好ましい。この種の進み角制御技術の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１のブラスレスモータのセンサレス制御方法は、回転速度と減算率との関係を予め求めて記憶しておき、実際に回転速度を検出したときに対応する減算率で遅延時間を減じるようにしている。ここで、遅延時間は、ロータが基準位置を通過してから通電を開始するまでの時間を意味している。つまり、遅延時間の減少は、通電時間帯の先行時間の増加を意味し、進み角に対応する量である。このことは、特許文献１中の図３に例示されたモータ回転速度と進み角制御量（および減算率）の関係を示す特性図を見れば一目瞭然である。これにより、効率がよく、設定した回転速度と実際の回転速度との間の偏差が小さい制御方法を実現できるとされている。

また、特許文献２のモータ駆動装置は、直流電圧を方形波交流電圧に変換して供給するインバータ部と、ロータ位置検出手段と、インバータ部の通電角（通電時間帯）を制御する駆動制御手段と、電力検出手段とを備え、駆動制御手段は検出した電力値が目標に略一致するように通電角を制御することを特徴としている。さらに、請求項２では、モータ印加電圧位相または電流位相の進み角を制御する制御手段を備え、進み角をも制御するようになっている。これにより、低損失・ハイパワーで、高速モータを安価な制御装置で駆動できる、とされている。

特開２００５−２７８３６０号公報 特開２００８−１６７５２５号公報

ところで、特許文献１のセンサレス制御方法では、特許文献１中の図３に例示されるように、モータの回転速度と進み角制御量の関係を予め求めてテーブルに記憶しておく必要がある。したがって、特性の異なるモータに対してそれぞれ、予め実測などを行って進み角テーブルを用意する必要があり手間がかかる。また、設計上は同じ特性でもモータには個体差があるので、一律の進み角テーブルを使用しても各個体に対して最適な制御が行えるとは限らない。さらに、１台のモータでも三相間に構造上のばらつきを有する場合があり、必ずしも各相に対して最適な制御が行えるとは限らない。

また、特許文献２のモータ駆動装置は、従来構成にない電力検出手段を備えるため、その分コストが上昇する。さらに、制御パラメータとして、通電角、進み角、および電圧振幅を調整制御するが、これらのパラメータは複雑に互いに影響しあうとされており（特許文献２の段落００４７など参照）、効率が最大となるように制御するのは実際には難しい。また、直流電源電圧を可変に制御する構成のため、ＰＷＭ方式のインバータ回路を含む構成には、そのままでは適用できない。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、予め進み角テーブルを用意する手間が不要で、モータの特性の違いや個体差、三相間の構造上のばらつきに依存せず適正に進み角を制御して良好なモータ効率を発揮できるセンサレスブラシレスモータの駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係るセンサレスブラシレスモータの駆動装置の発明は、三相の電機子巻線を有するステータおよび磁極対を有するロータを備えるセンサレスブラシレスモータの前記電機子巻線の三相の端子に電源電圧を供給する電源回路と、前記電源回路から前記電源電圧が供給されない非通電時間帯に前記端子に誘起される誘起電圧を検知し、前記誘起電圧に基づいて前記ロータの回転位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路で検出した前記ロータの前記回転位置に基づくとともに、前記電源回路および前記位置検出回路における伝達遅延時間を補償する進み角を考慮し、前記電源電圧を供給する通電時間帯のタイミングを制御する進み角制御信号を設定して前記電源回路に送出する電源制御回路と、を備えるセンサレスブラシレスモータの駆動装置であって、前記電源制御回路は、少なくとも一相の端子における前記非通電時間帯の始点から前記誘起電圧が増加して前記電源電圧の中間レベル値に達するまでの立上り前期時間および前記誘起電圧が前記中間レベル値に達してから前記非通電時間帯の終点までの立上り後期時間のセット、ならびに前記少なくとも一相の端子における前記非通電時間帯の始点から前記誘起電圧が減少して前記電源電圧の中間レベル値に達するまでの立下り前期時間および前記誘起電圧が前記中間レベル値に達してから前記非通電時間帯の終点までの立下り後期時間のセットのうち少なくとも一方のセットを検知する時間検知部と、前記時間検知部で検知された前記立上り前期時間と前記立上り後期時間との大小関係、ならびに前記時間検知部で検知された前記立下り前期時間と前記立下り後期時間との大小関係のうち少なくとも一方の大小関係を判定する進み角判定部と、前記少なくとも一相の前記少なくとも一方の大小関係の判定結果に基づいて前記進み角を加減調整する進み角調整部と、を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記電源制御回路の前記時間検知部は、少なくとも一相の端子における前記立上り前期時間および前記立上り後期時間のセット、ならびに前記少なくとも一相の端子における前記立下り前期時間および前記立下り後期時間のセットを検知し、前記進み角判定部は、前記立上り前期時間と前記立上り後期時間との大小関係、ならびに前記立下り前期時間と前記立下り後期時間との大小関係を判定し、前記進み角調整部は、前記少なくとも一相の端子の２つの前記大小関係の判定結果に基づいて前記進み角を加減調整する、ことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記電源制御回路の前記進み角判定部は、前記大小関係を判定する際に所定閾値未満の差では略同じとして大小を判定せず、前記所定閾値以上の差で大小を判定し、前記進み角調整部は、前記立上り前期時間が前記立上り後期時間より大きいときおよび前記立下り前期時間が前記立下り後期時間より大きいときに前記進み角を減少させ、前記立上り前期時間が前記立上り後期時間より小さいときおよび前記立下り前期時間が前記立下り後期時間より小さいときに前記進み角を増加させる、ことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記電源制御回路の前記時間検知部は、三相の端子における各前記立上り前期時間および各前記立上り後期時間の３セット、ならびに前記三相の端子における各前記立下り前期時間および各前記立下り後期時間の３セットを検知し、前記進み角判定部は、合計６セットについてそれぞれ前記大小関係を判定し、前記進み角調整部は、前記合計６セットの前記大小関係の判定結果の多数決論理に基づいて三相に共通な進み角を加減調整することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記電源制御回路の前記時間検知部は、三相の端子における各前記立上り前期時間および各前記立上り後期時間の３セット、ならびに前記三相の端子における各前記立下り前期時間および各前記立下り後期時間の３セットのうち少なくとも一方の３セットを検知し、前記進み角判定部は、前記時間検知部で検知された前記少なくとも一方の３セットについてそれぞれ前記大小関係を判定し、前記進み角調整部は、前記少なくとも一方の３セットの前記大小関係の判定結果に基づいて三相個別に進み角を加減調整することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記電源回路は、パルス幅変調方式により前記電源電圧のデューティ比を可変とするインバータ回路を含むことを特徴とする。

請求項１に係るセンサレスブラシレスモータの駆動装置の発明は、電源回路と位置検出回路と電源制御回路とを備え、電源制御回路は、時間検知部と進み角判定部と進み角調整部とを有している。ここで、電機子巻線の端子の誘起電圧が電源電圧の中間レベル値になることは、電機子巻線の正面にロータの磁極対の中間点が位置していることを意味している。また、立上り前期時間と立上り後期時間が等しく、立下り前期時間と立下り後期時間が等しいことは、通電時間帯のタイミングの制御が良好であること、すなわち進み角の設定が適正であることを意味している。したがって、三相の端子の誘起電圧の立上りおよび立下りのうち少なくとも１箇所で前期時間（立上り前期時間または立下り前期時間）と後期時間（立上り後期時間または立下り後期時間）の大小関係を判定することにより進み角の良否を判定できる。また、大小関係があるときには進み角を加減調整して通電時間帯のタイミングを適正化できる。したがって、電機子巻線が形成する回転磁界とロータの磁極対との相対回転位置関係が適正に保たれて、良好なモータ効率を得ることができる。

さらに、本発明では、進み角の良否を自己判定して自律的に加減調整するので、従来技術のように予め進み角テーブルを用意する手間は不要である。また、モータの定格や仕様を始めとする特性の違いや量産時の個体差に依存せず、各モータで個別にかつ最適に進み角を制御して、良好なモータ効率を得ることができる。

請求項２に係る発明では、少なくとも一相の端子の誘起電圧の立上りと立下りの両方で進み角の良否を判定でき、大小関係があるときには進み角を加減調整できる。したがって、ロータが電気角の３６０°回転する間に２回の判定および加減調整を行えて、制御精度が向上する。

請求項３に係る発明では、進み角判定部は前期時間と後期時間の大小関係を判定する際に、所定閾値未満の差では略同じとして大小を判定せず、所定閾値以上の差で大小を判定し、進み角調整部は、所定閾値を考慮した判定結果に基づいて進み角を加減調整する。したがって、わずかな検出誤差などによって生じる些細な大小関係に起因して、無意味に煩雑に進み角を変更することがなくなり、駆動装置の動作が安定する。

請求項４に係る発明では、三相の端子の誘起電圧の立上りと立下りの両方、すなわち合計６セットの前期時間および後期時間を用いて進み角の良否を判定し、かつ、判定結果の多数決論理に基づいて三相に共通な進み角を加減調整する。したがって、三相間に構造上のばらつきがある場合、三相に対して平均的に良好となるように進み角を調整でき、モータ効率の最大化を図ることができる。また、偶発的なノイズの影響や欠測などで６セット中の一部の判定結果の信頼性が低下しても、多数決論理を用いるので進み角の調整は良好となり、駆動装置として高い信頼性を確保できる。

請求項５に係る発明では、三相の端子の誘起電圧の立上りと立下りの少なくとも一方の３セットの前期時間および後期時間を用いて進み角の良否を判定し、進み角調整部は、三相個別に進み角を加減調整する。したがって、三相間に構造上のばらつきがある場合、相ごとに異なる進み角を設定でき、モータ効率の最大化を図ることができる。

請求項６に係る発明では、電源回路は、パルス幅変調方式により電源電圧のデューティ比を可変とするインバータ回路を含んでいる。本発明は、パルス幅変調方式のインバータ回路を含む構成で実施することができ、請求項１〜５の効果が顕著となる。

第1実施形態のセンサレスブラシレスモータの駆動装置の全体装置構成を説明する図である。 第1実施形態の駆動装置で、電源制御回路によりセンサレスブラシレスモータの通電および非通電時間帯を制御する方法を説明する一覧表の図である。 図２に示される制御により各部に発生する電圧波形を例示した図である。 電源制御回路の時間検知部、進み角判定部、および進み角調整部の制御動作を説明するフローチャートの図である。 進み角が過大な場合の位置検出回路内の合成電圧の波形を例示した図である。 進み角が過小な場合の位置検出回路内の合成電圧の波形を例示した図である。 第２実施形態における電源制御回路の時間検知部、進み角判定部、および進み角調整部の制御動作を説明するフローチャートの図である。

本発明の第1実施形態のセンサレスブラシレスモータの駆動装置について、図１〜図６を参考にして説明する。図１は、第1実施形態のセンサレスブラシレスモータの駆動装置１の全体装置構成を説明する図である。駆動装置１は、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式（以降はパルス幅変調をＰＷＭと略記）により電源電圧のデューティ比を可変とするインバータ回路２を用いてセンサレスブラシレスモータ９を駆動し、ロータの回転速度に応じて進み角Ａの制御を行う装置である。進み角Ａは、インバータ回路２および位置検出回路３における電気信号の伝達遅延時間を補償して、ステータ９１の電機子巻線９２〜９４の通電時間帯のタイミングを適正化し、モータ効率を向上するための量である。

センサレスブラシレスモータ９は、Δ結線された三相の電機子巻線９２、９３、９４を有するステータ９１、および図略の磁極対を有するロータを備え、ロータの回転位置を検出するセンサを備えていない。ステータ９１には、Ｕ相端子９５Ｕ、Ｖ相端子９５Ｖ、およびＷ相端子９５Ｗが設けられている。Ｕ相端子９５ＵとＶ相端子９５Ｖの間にはＵＶ間電機子巻線９２が接続され、同様に、Ｖ相端子９５ＶとＷ相端子９５Ｗの間にはＶＷ間電機子巻線９３、Ｗ相端子９５ＷとＵ相端子９５Ｕの間にはＷＵ間電機子巻線９４が接続されている。本第１実施形態では、ステータ９１の電機子巻線９２、９３、９４の極数、およびロータの磁極対の数量に特別な制約はない。

駆動装置１は、電源回路を構成するインバータ回路２、ロータの回転位置を検出する位置検出回路３、およびインバータ回路２に通電制御信号ＳＣを送出する電源制御回路４により構成されている。インバータ回路２の入力端子２１および接地端子Ｅには図略の直流電源装置が接続されており、電源電圧Ｖｃｃが供給されるようになっている。

インバータ回路２は、図示されるように三相ブリッジ回路で構成されている。詳述すると、入力端子２１と接地端子Ｅとの間に、Ｕ相電源側スイッチング素子２２ＵとＵ相接地側スイッチング素子２３Ｕとが直列接続され、両素子２２Ｕ、２３Ｕ間にＵ相出力端子２４Ｕが設けられている。同様に、Ｖ相電源側スイッチング素子２２ＶとＶ相接地側スイッチング素子２３Ｖとの間にＶ相出力端子２４Ｖが設けられ、Ｗ相電源側スイッチング素子２２ＷとＷ相接地側スイッチング素子２３Ｗとの間にＷ相出力端子２４Ｗが設けられている。各スイッチング素子２２Ｕ〜２２Ｗ、２３Ｕ〜２３Ｗには、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いることができ、通電制御信号ＳＣにより導通状態および遮断状態に切り替え制御できるように構成する。各相出力端子２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗはそれぞれ、電源線２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗによりステータ９１の各相端子９５Ｕ、９５Ｖ、９５Ｗに接続されている。

インバータ回路２の各スイッチング素子２２Ｕ〜２２Ｗ、２３Ｕ〜２３Ｗの開閉制御により、ステータ９１の各相端子９５Ｕ、９５Ｖ、９５Ｗは３つの状態をとる。この３つの状態は各相で同様であるので、Ｕ相端子９５を例に説明する。Ｕ相端子９５Ｕは、Ｕ相電源側スイッチング素子２２Ｕが導通状態でＵ相接地側スイッチング素子２３Ｕが遮断状態のとき電源電圧Ｖｃｃに拘束され、Ｕ相電源側スイッチング素子２２Ｕが遮断状態でＵ相接地側スイッチング素子２３Ｕが導通状態のときゼロ電圧に拘束され、Ｕ相電源側スイッチング素子２２Ｕおよび接地側スイッチング素子２３Ｕがともに遮断状態のときハイインピダンス状態になる。

ハイインピダンス状態のＵ相端子９５Ｕには、誘起電圧ＶＵｉが誘起される。このＵ相誘起電圧ＶＵｉは、Ｕ相端子９５Ｕに接続されたＵＶ間電機子巻線９２およびＷＵ間電機子巻線９４にロータの磁極対からの磁束が鎖交することで発生する。したがって、Ｕ相誘起電圧ＶＵｉは、ＵＶ間およびＷＵ間電機子巻線９２、９４とロータとの相対回転位置関係に依存して変化し、回転位置を検出する指標となり得る。なお、Ｕ相電源側スイッチング素子２２ＵおよびＵ相接地側スイッチング素子２３Ｕがともに導通状態になる制御は禁止されて、電源電圧短絡故障が防止されている。

位置検出回路３は、三相の合成抵抗３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ、比較器３４、および位置検出部３７で構成されている。三相の合成抵抗３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗは、抵抗値Ｒが互いに等しく、それぞれ各相の電源線２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗと共通の合成点３２との間に接続されている。つまり、三相の合成抵抗３１Ｕ、３１Ｖ、３１ＷはＹ結線され、合成点３２はＹ結線中性点になっている。後述するように、合成点３２には、ステータ９１の各相端子９５Ｕ、９５Ｖ、９５Ｗの誘起電圧ＶＵｉ、ＶＶｉ、ＶＷｉを合成した合成電圧Ｖｍｉｘが発生する。合成点３２は、比較器３４の正側入力端子＋に接続されて、合成電圧Ｖｍｉｘが入力される。

一方、比較器３４の負側入力端子−には、直流電源装置の電源電圧Ｖｃｃを等しい抵抗値ｒで半分に分圧した中間レベル値ＶＭ（＝Ｖｃｃ／２）が基準電圧として入力されている。比較器３４は、正側入力端子＋に入力された合成電圧Ｖｍｉｘを負側入力端子−の中間レベル値ＶＭと大小比較して位置信号ＳＸを出力する。つまり、比較器３４の出力端子３５で、合成電圧Ｖｍｉｘが中間レベル値ＶＭよりも小さいと位置信号ＳＸはローレベルＬとなり、合成電圧Ｖｍｉｘが中間レベル値ＶＭ以上になると位置信号ＳＸはハイレベルＨになる。比較器３４の出力端子３５は、位置検出部３７に接続されて、位置信号ＳＸが入力される。

位置検出部３７は、後に波形例を参考にして詳述するように、比較器３４の位置信号ＳＸを入力とし、ローレベルＬとハイレベルＨの変化タイミングを以ってロータの基準回転位置を検出する。また、複数個の基準回転位置を検出した時間差から、ロータの回転速度を検出する。

電源制御回路４は、時間検知部４１、進み角判定部４２、進み角調整部４３、タイミング生成部４４、インバータ制御部４５、およびＰＷＭ生成部４６で構成されている。電源制御回路４の詳細な機能については後の動作説明で詳述するので、ここでは概要を説明する。

時間検知部４１には、比較器３４から位置信号ＳＸが入力され、インバータ制御部４５から通電相切替信号ＳＹが入力される。そして、時間検知部４１は、各相端子９５Ｕ、９５Ｖ、９５Ｗにおける誘起電圧ＶＵｉ、ＶＶｉ、ＶＷｉの立上りおよび立下りで、合計６セットの前期時間Ｔｒ１Ｕ、Ｔｒ１Ｖ、Ｔｒ１Ｗ、Ｔｆ１Ｕ、Ｔｆ１Ｖ、Ｔｆ１Ｗ、および後期時間Ｔｒ２Ｕ、Ｔｒ２Ｖ、Ｔｒ２Ｗ、Ｔｆ２Ｕ、Ｔｆ２Ｖ、Ｔｆ２Ｗを検知する。なお、添字の１は前期時間、２は後期時間を示し、添字のｒは立上り、ｆは立下りを示し、添字のＵ、Ｖ、およびＷは三相の別を示し、以降の記載では適宜添字を省略する。

進み角判定部４２は、合計６セットの前期時間Ｔ１および後期時間Ｔ２の大小関係を判定する。進み角調整部４３は、合計６セットの大小関係の判定結果の多数決論理に基づいて三相に共通な進み角Ａを加減調整する。タイミング生成部４４は、位置検出回路３の位置検出部３７で検出したロータの基準回転位置および回転速度に基づくとともに、加減調整された進み角Ａを考慮し、通電時間帯のタイミングを制御する進み角制御信号ＳＡを設定する。インバータ制御部４５は、タイミング生成部４４から進み角制御信号ＳＡを取得し、ＰＷＭ生成部４６からＰＷＭ信号ＳＰを取得する。インバータ制御部４５は、取得した進み角制御信号ＳＡおよびＰＷＭ信号ＳＰにしたがい、インバータ回路２を制御する通電制御信号ＳＣを設定して送出する。また、インバータ制御部４５は、通電相を切り替えたタイミングで通電相切替信号ＳＹを時間検知部４１に送出する。通電相切替信号ＳＹは、通電時間帯および非通電時間帯の始点および終点を示す信号である。

次に、上述のように構成された第1実施形態のセンサレスブラシレスモータの駆動装置１によるモータ９の駆動動作について説明する。図２は、第1実施形態の駆動装置１で、電源制御回路４によりセンサレスブラシレスモータ９の通電および非通電時間帯を制御する方法を説明する一覧表の図である。図示されるように、電源制御回路４は６つの期間１）〜６）に分けて、各相端子９５Ｕ、９５Ｖ、９５Ｗの状態制御を行う。一覧表中の各欄は、該当する期間における各相端子９５Ｕ、９５Ｖ、９５Ｗの状態を示している。表中の「Ｈｉ−Ｚ」はハイインピダンス状態を示し、「Ｌ」はゼロ電圧拘束状態を示し、「ＰＷＭ」はＰＷＭ制御状態を示している。

例えば期間１）において、Ｕ相端子の欄は「Ｈｉ−Ｚ」であり、インバータ回路２のＵ相電源側スイッチング素子２２ＵおよびＵ相接地側スイッチング素子２３Ｕの両方が遮断状態とされて、Ｕ相端子９５Ｕがハイインピダンス状態であることを示している。また、Ｖ相端子の欄は「Ｌ」であり、インバータ回路２のＶ相電源側スイッチング素子２２Ｖが遮断状態とされＶ相接地側スイッチング素子２３Ｖが導通状態とされて、Ｖ相端子９５Ｖがゼロ電圧に拘束されていることを示している。また、Ｗ相端子の欄は「ＰＷＭ」であり、インバータ回路２のＷ相接地側スイッチング素子２３Ｗが遮断状態とされＷ相電源側スイッチング素子２２Ｗが指令されたＰＷＭ周波数およびデューティ比で導通状態および遮断状態に切り替え制御されることを示している。これにより、Ｗ相端子９５Wには、電源電圧Ｖｃｃとゼロ電圧に振動する矩形波が発生する。したがって、Ｗ相端子９５WとＶ相端子９５Ｖの間に接続されたＶＷ間電機子巻線９３がＰＷＭ制御により通電される。また、期間１）はＵ相端子９５Ｕの非通電時間帯となり、Ｕ相誘起電圧ＶＵｉの検知が可能になっている。

同様に期間２）において、Ｕ相端子の欄は「ＰＷＭ」であり、Ｕ相端子９５Ｕには指令されたＰＷＭ周波数およびデューティ比で電源電圧Ｖｃｃとゼロ電圧に振動する矩形波が発生する。また、Ｖ相端子の欄は「Ｌ」であり、Ｖ相端子９５Ｖのゼロ電圧への拘束が継続することを示している。また、Ｗ相端子の欄は「Ｈｉ−Ｚ」であり、Ｗ相端子９５Ｗがハイインピダンス状態であることを示している。これにより、Ｕ相端子９５ＵとＶ相端子９５Ｖの間に接続されたＵＶ間電機子巻線９２がＰＷＭ制御により通電される。また、期間２）はＷ相端子９５Ｗの非通電時間帯となり、Ｗ相誘起電圧ＶＷｉの検知が可能になっている。以下同様に、期間３）〜６）でそれぞれ、順番に各相端子９５Ｕ、９５Ｖ、９５Ｗの状態、通電される電機子巻線、および誘起電圧の検知が可能な相端子が変更制御される。

期間１）〜６）はそれぞれ電気角の６０°に相当するので、電源制御部４は期間１）〜６）が互いに等期間となるように制御する。また、期間６）に続いて期間１）に戻り、繰り返して同様に制御する。

図２に示されるようにセンサレスブラシレスモータ９の通電および非通電時間帯を制御すると、図３に例示される各部電圧波形が発生する。図３は、図２に示される制御により各部に発生する電圧波形を例示した図である。図３の横軸は共通の時間軸でかつ期間１）〜６）は図２に対応しており、波形は上から順番にＵ相端子電圧ＶＵ、Ｖ相端子電圧ＶＶ、Ｗ相端子電圧ＶＷ、合成電圧Ｖｍｉｘおよび中間レベル値ＶＭを示している。図中のＵ相端子電圧ＶＵで、期間２）および期間３）に発生している矩形波の繰り返しはＰＷＭ制御による通電時間帯を示し、期間５）および期間６）はゼロ電圧拘束による通電時間帯を示している。また、Ｕ相端子電圧ＶＵで、期間１）に発生している増加の傾斜とＰＷＭ制御が重なった波形、および期間４）に発生している減少の傾斜とＰＷＭ制御が重なった波形は、非通電時間帯の誘起電圧ＶＵｉを示している。図中のＶ相端子電圧ＶVおよびＷ相端子電圧ＶＷについても、期間１）〜６）が異なることを除いて同様の見方をすることができる。

また、各相端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷには、各スイッチング素子２２Ｕ〜２２Ｗ、２３Ｕ〜２３Ｗが開閉制御されて通電相が切り替えられたタイミングで逆起電力波形Ｚが発生している。図中で逆起電力波形Ｚは或る程度の時間幅を有しているが、実際には瞬間的な波形である。逆起電力波形Ｚは、前述の通電相切替信号ＳＹと同時に発生し、各期間１）〜６）の境目に重畳している。

一方、位置検出回路３では、三相の合成抵抗３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗの作用により、合成点３２に各相の誘起電圧ＶＵｉ、ＶＶｉ、ＶＷｉを合成した合成電圧Ｖｍｉｘが発生する。合成電圧Ｖｍｉｘは、各相の誘起電圧ＶＵｉ、ＶＶｉ、ＶＷｉが増加および減少する波形に、逆起電力波形Ｚが重畳した波形となる。図３の波形例では、合成電圧Ｖｍｉｘは、期間１）のＵ相誘起電圧ＶＵｉの増加、期間２）のＷ相誘起電圧ＶＷｉの減少、期間３）のＶ相誘起電圧ＶＶｉの増加、期間４）のＵ相誘起電圧ＶＵｉの減少、期間５）のＷ相誘起電圧ＶＷｉの増加、および期間６）のＶ相誘起電圧ＶＶｉの減少が連なり、各期間１）〜６）の境目に逆起電力波形Ｚが重畳した波形となっている。

この合成電圧Ｖｍｉｘが位置検出回路３の比較器３４の正側入力端子＋に入力される。比較器３４の出力端子３５では、合成電圧Ｖｍｉｘの波形が中間レベル値ＶＭと交差するタイミングで、位置信号ＳＸのローレベルＬとハイレベルＨが切り替わる。位置検出部３７は、このローレベルＬとハイレベルＨが切り替わるタイミング、すなわち図３で誘起電圧Ｖｓｗの波形が中間レベル値ＶＭと交差する点Ｐ１〜Ｐ６を以ってロータの基準回転位置を検出する。ここで、誘起電圧ＶＵｉ〜ＶＷｉが電源電圧Ｖｃｃの中間レベル値ＶＭになることは、電機子巻線９２〜９４の正面にロータの磁極対の中間点が位置していることを意味している。したがって、例えば点Ｐ１〜Ｐ６をそれぞれ、電気角の３０°、９０°、１５０°２１０°、２７０°、および３３０°とすることができる。また、点Ｐ１〜Ｐ６の発生時間間隔からロータの回転速度を検出することができる。なお、位置検出部３７内では、逆起電力波形Ｚはマスキングされて影響を受けないようになっている。

電源制御回路４の時間検知部４１には、位置信号ＳＸおよび通電相切替信号ＳＹが入力される。以降の電源制御回路４の制御動作については、図４も参考にして説明する。図４は、電源制御回路４の時間検知部４１、進み角判定部４２、および進み角調整部４３の制御動作を説明するフローチャートの図である。図４のステップＳ１で、時間検知部４１は、立上り前期時間Ｔｒ１および立上り後期時間Ｔｒ２を検知する。具体例として、時間検知部４１は、図３の波形例の期間１）で、Ｕ相の非通電時間帯の始点からＵ相誘起電圧ＶＵｉが増加して中間レベル値ＶＭに達するまでの立上り前期時間Ｔｒ１Ｕ、およびＵ相誘起電圧ＶＵｉが中間レベル値ＶＭに達してから非通電時間帯の終点までの立上り後期時間Ｔｒ２Ｕのセットを検知する。補足すると、非通電時間帯の始点および終点は通電相切替信号ＳＹから求められ、中間レベル値ＶＭへの到達は位置信号ＳＸが切り替わるタイミングで求められる。

図４のステップＳ２で、時間検知部４１は、立下り前期時間Ｔｆ１および立下り後期時間Ｔｆ２を検知する。具体例として、時間検知部４１は、図３の波形例の期間２）で、Ｗ相の非通電時間帯の始点からＷ相誘起電圧ＶＷｉが減少して中間レベル値ＶＭに達するまでの立下り前期時間Ｔｆ１Ｗ、およびＷ相誘起電圧ＶＷｉが中間レベル値ＶＭに達してから非通電時間帯の終点までの立下り後期時間Ｔｆ２Ｗのセットを検知する。次のステップＳ３で、三相合計６セット集まったか否か判定し、不足していればステップＳ１に戻る。図３の波形例では、ステップＳ１およびＳ２を各３回実施して期間１）〜６）でそれぞれ検知を行うことにより６セット集まるので、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４で、進み角判定部４２は、合計６セットの前期時間Ｔ１（Ｔｒ１、Ｔｆ１）と後期時間Ｔ２（Ｔｒ２、Ｔｆ２）についてそれぞれ大小関係を判定する。大小関係を判定する際に所定閾値を設け、所定閾値未満の差では略同じとして大小を判定せず、前期時間Ｔ１＝後期時間Ｔ２と判定する。所定閾値以上の差があるときは、前期時間Ｔ１＞後期時間Ｔ２、または前期時間Ｔ１＜後期時間Ｔ２と判定する。判定終了後は、ステップＳ５に進む。なお、図４のフローチャートでは６セット集まった時点で一括して大小関係を判定しており、別法として、各セットで大小関係を判定し判定結果が６個集まった時点でステップＳ５に進むようにしてもよい。

ステップＳ５で、進み角調整部４３は、合計６セットの大小関係の判定結果の多数決論理を調査する。多数決論理では、最多数を占める判定結果を採用し、また、判定結果が３対３や２対２対２に割れるおそれに対して予め採るべき判定結果を定めておく。多数決論理にしたがい、前期時間Ｔ１＝後期時間Ｔ２では進み角Ａの現在値を維持し、ステップＳ１に戻る。前期時間Ｔ１＞後期時間Ｔ２では、ステップＳ６に進んで進み角Ａを刻み幅ΔＡだけ減少させ、前期時間Ｔ１＜後期時間Ｔ２では、ステップＳ７に進んで進み角Ａを刻み幅ΔＡだけ増加させる。ステップＳ６およびステップＳ７の後、ステップＳ１に戻り、次の電気角３６０°に対して同様の制御動作を行う。

タイミング生成部４４は、位置検出回路３の位置検出部３７から、ロータが基準回転位置に達したタイミング（図９の波形例ではＰ１〜Ｐ６の各タイミングに相当）および回転速度を取得するとともに、進み角調整部４３から加減調整された進み角Ａを取得する。そして、タイミング生成部４４は、ロータの基準回転位置に対して進み角Ａだけ先行するように進み角制御信号ＳＡを設定する。進み角制御信号ＳＡは、電気角の３６０°に相当する期間を設定し、３６０°の中における各相端子の状態を指示する信号である。これにより、各相端子９５Ｕ〜９５ＷのＰＷＭ制御およびゼロ電圧拘束の各１２０°の通電時間帯のタイミングが制御される。進み角制御信号ＳＡは、インバータ制御部４５に送出される。

インバータ制御部４５は、タイミング生成部４４から進み角制御信号ＳＡを取得し、ＰＷＭ生成部４６からＰＷＭ信号ＳＰを取得する。ＰＷＭ信号ＳＰは、ＰＷＭ周波数およびデューティ比を指示する信号である。インバータ制御部４５は、取得した進み角制御信号ＳＡおよびＰＷＭ信号ＳＰにしたがい、インバータ回路２の各スイッチング素子２２Ｕ〜２２Ｗ、２３Ｕ〜２３Ｗを開閉制御する通電制御信号ＳＣを設定して送出する。以上の説明でわかるように、進み角制御信号ＳＡは図３の期間１）〜６）の発生タイミングを制御し、ＰＷＭ信号ＳＰは期間１）〜６）よりも短い周期で繰り返す矩形波の形状を制御する。

ところで、図３の波形例において、前期時間Ｔ１（Ｔｒ１Ｕ、Ｔｆ１Ｗ、……）と後期時間Ｔ２（Ｔｒ２Ｕ、Ｔｆ２Ｗ、……）は概ね等しくなっている。これは、通電時間帯のタイミングの制御が良好であること、すなわち進み角Ａの設定が適正であることを意味している。このとき、図４のステップＳ４で前期時間Ｔ１＝後期時間Ｔ２と判定され、進み角Ａの現在値が維持される。

次に、進み角Ａの設定が不適正に陥った場合の制御動作について、図５および図６を参考にして説明する。図５は進み角Ａが過大な場合の位置検出回路３内の合成電圧Ｖｍｉｘの波形を例示した図であり、図６は進み角Ａが過小な場合の位置検出回路３内の合成電圧Ｖｍｉｘの波形を例示した図である。

図５において、立上り前期時間Ｔｒ１は立上り後期時間Ｔｒ２より大きく、立下り前期時間Ｔｆ１も立下り後期時間Ｔｆ２より大きい。これは、図３の適正な状態と比較して誘起電圧ＶＵｉ、ＶＶｉ、ＶＷｉの発生が遅れていることを示し、ステータ９１の電機子巻線９２〜９４が形成する回転磁界に対してロータの磁極対の相対回転位置が遅れていることを意味している。逆に言えば、電機子巻線９２〜９４への通電が早すぎ、各相端子９５Ｕ〜９５Ｗの通電時間帯のタイミングが早すぎることを意味している。したがって、図４のステップＳ４で前期時間Ｔ１＞後期時間Ｔ２と判定して、ステップＳ６で進み角Ａを減少させることにより、各相端子９５Ｕ〜９５Ｗの通電時間帯のタイミングを遅らせて適正化することができる。

一方、図６において図５とは逆に、立上り前期時間Ｔｒ１は立上り後期時間Ｔｒ２よりも小さく、立下り前期時間Ｔｆ１も立下り後期時間Ｔｆ２より小さい。これは、図３の適正な状態と比較して誘起電圧ＶＵｉ、ＶＶｉ、ＶＷｉの発生が進んでいることを示し、ステータ９１の電機子巻線９２〜９４が形成する回転磁界に対してロータの磁極対の相対回転位置が進んでいることを意味している。逆に言えば、電機子巻線９２〜９４への通電が遅すぎ、各相端子９５Ｕ〜９５Ｗの通電時間帯のタイミングが遅すぎることを意味している。したがって、図４のステップＳ４で前期時間Ｔ１＜後期時間Ｔ２と判定して、ステップＳ６で進み角Ａを増加させることにより、各相端子９５Ｕ〜９５Ｗの通電時間帯のタイミングを進ませて適正化することができる。

本第１実施形態では、前期時間Ｔ１と後期時間Ｔ２の大小関係を判定し、大小関係があるときには進み角Ａを加減調整して通電時間帯のタイミングを適正化している。したがって、電機子巻線９２〜９４が形成する回転磁界とロータの磁極対との相対回転位置関係が適正に保たれて、良好なモータ効率を得ることができる。さらに、進み角Ａの良否を自己判定して自律的に加減調整するので、従来技術のように予め進み角テーブルを用意する手間は不要である。また、モータ９の定格や仕様を始めとする特性の違いや量産時の個体差に依存せず、各モータ９で個別にかつ最適に進み角Ａを制御して、良好なモータ効率を得ることができる。

また、前期時間Ｔ１と後期時間Ｔ２の大小関係を判定する際に、所定閾値未満の差では略同じとして大小を判定せず、所定閾値以上の差で大小を判定する。したがって、わずかな検出誤差などによって生じる些細な大小関係に起因して、無意味に煩雑に進み角Ａを変更することがなくなり、駆動装置１の動作が安定する。加えて、合計６セットの前期時間Ｔ１および後期時間Ｔ２を用いて進み角Ａの良否を判定し、かつ、判定結果の多数決論理に基づいて三相に共通な進み角Ａを加減調整する。したがって、モータ９の三相間に構造上のばらつきがある場合、三相に対して平均的に良好となるように進み角を調整でき、モータ効率の最大化を図ることができる。また、偶発的なノイズの影響や欠測などで６セット中の一部の判定結果の信頼性が低下しても、多数決論理を用いるので進み角Ａの調整は良好となり、駆動装置１として高い信頼性を確保できる。

次に、三相個別に進み角Ａ１を加減調整する第２実施形態のセンサレスブラシレスモータの駆動装置について説明する。第２実施形態の駆動装置は、図１に示される第１実施形態と同じ装置構成で、電源制御回路４の制御動作が異なる。図７は、第２実施形態における電源制御回路の時間検知部、進み角判定部、および進み角調整部の制御動作を説明するフローチャートの図である。

図７のステップＳ１１で、時間検知部は、或る第１相の立上り前期時間Ｔｒ１および立上り後期時間Ｔｒ２を検知する。次のステップＳ１２で、進み角判定部は、立上り前期時間Ｔｒ１と立上り後期時間Ｔｒ２との大小関係を判定する。大小関係を判定する際に所定閾値を設けるのは第１実施形態と同様である。大小関係の判定結果に基づき、進み角調整部は三者択一の処理を行う。すなわち、立上り前期時間Ｔｒ１と立上り後期時間Ｔｒ２が等しければ進み角Ａ１の現在値を維持し、立上り前期時間Ｔｒ１＞立上り後期時間Ｔｒ２では、ステップＳ１３に進んで進み角Ａ１を刻み幅ΔＡだけ減少させ、立上り前期時間Ｔｒ１＜立上り後期時間Ｔｒ２では、ステップＳ１４に進んで進み角Ａ１を刻み幅ΔＡだけ増加させる。進み角Ａ１は、第１相だけに用いる個別の量である。三者択一のいずれの場合も、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５で、時間検知部は、別の第２相の立下り前期時間Ｔｆ１および立下り後期時間Ｔｆ２を検知する。次のステップＳ１６で、進み角判定部は、立下り前期時間Ｔｆ１と立下り後期時間Ｔｆ２との大小関係を判定する。大小関係の判定結果に基づき、進み角調整部は三者択一の処理を行う。すなわち、立下り前期時間Ｔｆ１と立下り後期時間Ｔｆ２が等しければ進み角Ａ２の現在値を維持し、立下り前期時間Ｔｆ１＞立下り後期時間ＴｆではステップＳ１７に進んで進み角Ａ２を刻み幅ΔＡだけ減少させ、立下り前期時間Ｔｆ１＜立下り後期時間Ｔｆ２ではステップＳ１８に進んで進み角Ａ２を刻み幅ΔＡだけ増加させる。進み角Ａ２は、別の第２相だけに用いる個別の量である。

三者択一のいずれの場合も、ステップＳ１１に戻り、また別の第３相に対して同様の制御動作を行い、第３相だけに用いる個別の進み角Ａ３を加減調整する。この後、検出相が順番に交替し、立上りと立下りが交互に替って、三相個別の進み角Ａ１、Ａ２、Ａ３が順番に加減調整される。

第２実施形態では、三相個別に進み角Ａ１、Ａ２、Ａ３加減調整するので、モータ９の三相間に構造上のばらつきがある場合、相ごとに異なる進み角を設定でき、モータ効率の最大化を図ることができる。

なお、第１および第２実施形態で、三相の端子の誘起電圧の立上りと立下りの両方、すなわち合計６セットの前期時間および後期時間を用いているが、セット数を減らして制御動作を簡略化することもできる。例えば、代表一相の立上りの前期時間および後期時間のセットだけを用いれば、制御動作は大幅に簡略となる。また、本発明は、通電時間帯が電気角の１２０°を越えて複数相への通電をオーバーラップさせる制御方式のインバータ回路を含む構成にも実施できる。さらに、ＰＷＭ方式のインバータ回路２に限定されず、ＰＡＭ方式のインバータ回路やその他の制御方式の電源回路を含む構成にも実施できる。また、本発明は、Ｙ結線の電機子巻線を有するセンサレスブラシレスモータに対しても実施できる。本発明は、その他様々な応用や変形が可能である。

１：センサレスブラシレスモータの駆動装置
２：インバータ回路（電源回路）
２１：入力端子
２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電源側スイッチング素子
２３Ｕ、２３Ｖ、２３Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相接地側スイッチング素子
２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相出力端子
２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗ：電源線
Ｅ：接地端子
３：位置検出回路
３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ：合成抵抗 ３２：合成点
３４：比較器 ３５：出力端子
３７：位置検出部
４：電源制御回路
４１：時間検知部 ４２：進み角判定部 ４３：進み角調整部
４４：タイミング生成部 ４５インバータ制御部 ４６：ＰＷＭ生成部
９：センサレスブラシレスモータ
９１：ステータ
９２、９３、９４：ＵＶ間、ＶＷ間、ＷＵ間電機子巻線
９５Ｕ、９５Ｖ、９５Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相端子
Ｖｃｃ：電源電圧 ＶＭ：中間レベル値
ＶＵ、ＶＶ、ＶＷ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相端子電圧
ＶＵｉ、ＶＶｉ、ＶＷｉ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相誘起電圧
Ｖｍｉｘ：合成電圧
Ｔｒ１Ｕ、Ｔｒ１Ｖ、Ｔｒ１Ｗ：立上り前期時間
Ｔｒ２Ｕ、Ｔｒ２Ｖ、Ｔｒ２Ｗ：立上り後期時間
Ｔｆ１Ｕ、Ｔｆ１Ｖ、Ｔｆ１Ｗ：立下り前期時間
Ｔｆ２Ｕ、Ｔｆ２Ｖ、Ｔｆ２Ｗ：立下り後期時間
Ａ：進み角 Ａ１、Ａ２：三相個別の進み角
ＳＸ：位置信号 ＳＡ：進み角制御信号 ＳＰ：ＰＷＭ信号
ＳＣ：通電制御信号

Claims (6)

1. 三相の電機子巻線を有するステータおよび磁極対を有するロータを備えるセンサレスブラシレスモータの前記電機子巻線の三相の端子に電源電圧を供給する電源回路と、
   前記電源回路から前記電源電圧が供給されない非通電時間帯に前記端子に誘起される誘起電圧を検知し、前記誘起電圧に基づいて前記ロータの回転位置を検出する位置検出回路と、
   前記位置検出回路で検出した前記ロータの前記回転位置に基づくとともに、前記電源回路および前記位置検出回路における伝達遅延時間を補償する進み角を考慮し、前記電源電圧を供給する通電時間帯のタイミングを制御する進み角制御信号を設定して前記電源回路に送出する電源制御回路と、を備えるセンサレスブラシレスモータの駆動装置であって、
   前記電源制御回路は、
   少なくとも一相の端子における前記非通電時間帯の始点から前記誘起電圧が増加して前記電源電圧の中間レベル値に達するまでの立上り前期時間および前記誘起電圧が前記中間レベル値に達してから前記非通電時間帯の終点までの立上り後期時間のセット、ならびに前記少なくとも一相の端子における前記非通電時間帯の始点から前記誘起電圧が減少して前記電源電圧の中間レベル値に達するまでの立下り前期時間および前記誘起電圧が前記中間レベル値に達してから前記非通電時間帯の終点までの立下り後期時間のセットのうち少なくとも一方のセットを検知する時間検知部と、
   前記時間検知部で検知された前記立上り前期時間と前記立上り後期時間との大小関係、ならびに前記時間検知部で検知された前記立下り前期時間と前記立下り後期時間との大小関係のうち少なくとも一方の大小関係を判定する進み角判定部と、
   前記少なくとも一相の前記少なくとも一方の大小関係の判定結果に基づいて前記進み角を加減調整する進み角調整部と、を有することを特徴とするセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
2. 請求項１において、
   前記電源制御回路の前記時間検知部は、少なくとも一相の端子における前記立上り前期時間および前記立上り後期時間のセット、ならびに前記少なくとも一相の端子における前記立下り前期時間および前記立下り後期時間のセットを検知し、
   前記進み角判定部は、前記立上り前期時間と前記立上り後期時間との大小関係、ならびに前記立下り前期時間と前記立下り後期時間との大小関係を判定し、
   前記進み角調整部は、前記少なくとも一相の端子における２つの前記大小関係の判定結果に基づいて前記進み角を加減調整する、ことを特徴とするセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
3. 請求項１または２において、
   前記電源制御回路の前記進み角判定部は、前記大小関係を判定する際に所定閾値未満の差では略同じとして大小を判定せず、前記所定閾値以上の差で大小を判定し、
   前記進み角調整部は、前記立上り前期時間が前記立上り後期時間より大きいときおよび前記立下り前期時間が前記立下り後期時間より大きいときに前記進み角を減少させ、前記立上り前期時間が前記立上り後期時間より小さいときおよび前記立下り前期時間が前記立下り後期時間より小さいときに前記進み角を増加させる、ことを特徴とするセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、
   前記電源制御回路の前記時間検知部は、三相の端子における各前記立上り前期時間および各前記立上り後期時間の３セット、ならびに前記三相の端子における各前記立下り前期時間および各前記立下り後期時間の３セットを検知し、
   前記進み角判定部は、合計６セットについてそれぞれ前記大小関係を判定し、
   前記進み角調整部は、前記合計６セットの前記大小関係の判定結果の多数決論理に基づいて三相に共通な進み角を加減調整することを特徴とするセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
5. 請求項１〜３のいずれか一項において、
   前記電源制御回路の前記時間検知部は、三相の端子における各前記立上り前期時間および各前記立上り後期時間の３セット、ならびに前記三相の端子における各前記立下り前期時間および各前記立下り後期時間の３セットのうち少なくとも一方の３セットを検知し、
   前記進み角判定部は、前記時間検知部で検知された前記少なくとも一方の３セットについてそれぞれ前記大小関係を判定し、
   前記進み角調整部は、前記少なくとも一方の３セットの前記大小関係の判定結果に基づいて三相個別に進み角を加減調整することを特徴とするセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、前記電源回路は、パルス幅変調方式により前記電源電圧のデューティ比を可変とするインバータ回路を含むことを特徴とするセンサレスブラシレスモータの駆動装置。

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