JP6182735B2 - Brushless DC motor drive device and ventilation blower equipped with the drive device - Google Patents

Brushless DC motor drive device and ventilation blower equipped with the drive device Download PDF

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Description

本発明は、換気送風装置、例えば、天井に埋め込まれて使用される天井埋込形換気扇に使用されるブラシレスＤＣモータの駆動装置の起動方法に係り、駆動装置が停止しているにもかかわらず、室外の風や停止直後で回転子が回転している場合において、磁気センサを用いることなくブラシレスＤＣモータに誘起される誘起電圧に基づいて回転子の位置を推定し、センサレス制御により起動する駆動装置およびそれを搭載した換気送風装置に関するものである。 The present invention relates to a method for starting a driving device for a brushless DC motor used in a ventilation fan, for example, a ceiling-mounted ventilation fan that is embedded in a ceiling, and the driving device is stopped. Drive activated by sensorless control by estimating the position of the rotor based on the induced voltage induced in the brushless DC motor without using a magnetic sensor when the rotor is rotating immediately after outdoor wind or when stopped The present invention relates to a device and a ventilation blower equipped with the device.

近年、この種のブラシレスＤＣモータやその駆動装置は、効率が良く省電力で耐久性に優れていることから換気送風装置、例えばレンジフードや天井埋込形換気扇等に搭載されるようになってきた。換気送風装置は小型化や低コスト化の要求から、ブラシレスＤＣモータやその駆動装置の小型化や低コスト化が求められている。   In recent years, this type of brushless DC motor and its driving device have been installed in ventilation blowers such as range hoods and ceiling-mounted ventilation fans because of their high efficiency, low power consumption and excellent durability. It was. In order to reduce the size and cost of a ventilation fan, the brushless DC motor and its driving device are required to be reduced in size and cost.

図１１は従来の天井埋込形換気扇にブラシレスＤＣモータ及び、駆動装置を搭載し、実際に天井に設置された例を示している。図１１（ａ）に示すように、天井埋込形換気扇１１８は、ケーシング１１５にブラシレスＤＣモータ１０２と駆動装置１１２を取り付けた構造になっている。ブラシレスＤＣモータ１０２は、その駆動軸に送風ファン１１６が取り付けられたものである。ブラシレスＤＣモータ１０２は駆動装置１１２によって送風ファン１１６を回転させる。図１１（ｂ）に示すように、天井埋込形換気扇１１８は天井１２０に設置されている。天井埋込形換気扇１１８は、送風ファン１１６を回転させて、室内の空気をダクト１１９を通して外壁１２１に隔てられた室外に排出することによって換気送風を行う。   FIG. 11 shows an example in which a brushless DC motor and a driving device are mounted on a conventional ceiling-mounted ventilation fan and are actually installed on the ceiling. As shown in FIG. 11A, the ceiling-embedded ventilation fan 118 has a structure in which a brushless DC motor 102 and a driving device 112 are attached to a casing 115. The brushless DC motor 102 has a blower fan 116 attached to its drive shaft. The brushless DC motor 102 rotates the blower fan 116 by the driving device 112. As shown in FIG. 11B, the ceiling-embedded ventilation fan 118 is installed on the ceiling 120. The ceiling-embedded ventilation fan 118 performs ventilation ventilation by rotating the blower fan 116 and discharging indoor air to the outside of the room separated by the outer wall 121 through the duct 119.

従来のブラシレスＤＣモータやその駆動装置は、小型化や低コスト化の観点から、回転子の位置検出は、磁気素子を用いないセンサレス制御方式が採用されることが多く、例えば、特許文献１に記載されているものがある。   Conventional brushless DC motors and their driving devices often employ a sensorless control method that does not use magnetic elements for rotor position detection from the viewpoint of miniaturization and cost reduction. Some are listed.

特許文献１では、固定子の巻線に発生する誘起電圧を検出して回転子の位置を推定し、巻線に印加するモータ電圧を目標位相に追従するように１２０度矩形波通電で駆動制御している。以下、そのブラシレスＤＣモータの駆動装置の動作について図１２に基づいて説明する。   In Patent Document 1, the induced voltage generated in the stator winding is detected to estimate the position of the rotor, and the motor voltage applied to the winding is driven by 120-degree rectangular wave energization so as to follow the target phase. doing. The operation of the brushless DC motor driving device will be described below with reference to FIG.

図１２に示すように、直流電源１０５は、マイナス側をＧＮＤに接続し、インバータ回路１０１に直流電圧を供給する。インバータ回路１０１は３相インバータブリッジの構成であり、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３はそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相の上アームスイッチング素子であり、同様にＱ４，Ｑ５，Ｑ６はそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相の下アームスイッチング素子である。各スイッチング素子には、それぞれ並列に還流ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６を接続している。ブラシレスＤＣモータ１０２は固定子１０３と回転子１０４から構成され、固定子１０３には電気角で１２０度の位相差をもつように３相の巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷが施され、ブラシレスＤＣモータ１０２との接続部にＵ相端子、Ｖ相端子、Ｗ相端子を設ける。また、巻線Ｕ，ＬＶ，ＬＷには誘起電圧検出手段１１４であるＰＵ，ＰＶ，ＰＷが接続され、１２０度矩形波通電において、通電していない巻線の誘起電圧と直流電源１０５の１／２電圧１１３と比較して信号を出力し、ブラシレスＤＣモータの駆動装置１１２のマイクロコンピュータ１１０に内蔵された回転子推定手段１１７に出力される。回転子推定手段１１７は誘起電圧検出手段１１４からの出信号より、回転子１０４の回転子位置を推定し、通電手段１０８に出力する。   As shown in FIG. 12, the DC power supply 105 connects the negative side to GND and supplies a DC voltage to the inverter circuit 101. The inverter circuit 101 has a three-phase inverter bridge configuration, Q1, Q2, and Q3 are U, V, and W-phase upper arm switching elements, respectively. Similarly, Q4, Q5, and Q6 are U, V, and W-phase switching elements, respectively. It is a lower arm switching element. Each switching element is connected in parallel with free-wheeling diodes D1, D2, D3, D4, D5, and D6. The brushless DC motor 102 includes a stator 103 and a rotor 104. The stator 103 is provided with three-phase windings LU, LV, and LW so as to have a phase difference of 120 degrees in electrical angle. A U-phase terminal, a V-phase terminal, and a W-phase terminal are provided at a connection portion with 102. The windings U, LV, and LW are connected to PU, PV, and PW, which are the induced voltage detection means 114. In 120-degree rectangular wave energization, the induced voltage of the coil that is not energized and the 1 / Compared with the two voltages 113, a signal is output and output to the rotor estimating means 117 built in the microcomputer 110 of the brushless DC motor driving device 112. The rotor estimation means 117 estimates the rotor position of the rotor 104 from the output signal from the induced voltage detection means 114 and outputs it to the energization means 108.

通電手段１０８は入力した回転子位置の推定の出力信号より目標回転子位置に追従するように通電信号を決定し、ドライブ回路１１１に出力する。   The energization means 108 determines an energization signal so as to follow the target rotor position from the input output signal for estimating the rotor position, and outputs the energization signal to the drive circuit 111.

ドライブ回路１１１は通電手段１０８から出力される通電信号に基づいてモータ電圧Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−をインバータ回路１０１のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６に出力する。インバータ回路１０１はドライブ回路１１１の通電信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６をスイッチングして３相巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷにモータ電流を流し、回転子１０４を回転させて、実際にブラシレスＤＣモータ１０２を駆動する。   The drive circuit 111 applies the motor voltages U +, U−, V +, V−, W +, W− based on the energization signal output from the energization means 108 to the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 of the inverter circuit 101. Output to. The inverter circuit 101 switches the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, and Q6 based on the energization signal of the drive circuit 111 to flow motor current through the three-phase windings LU, LV, and LW, and rotates the rotor 104. The brushless DC motor 102 is actually driven.

ところで、停止状態から起動する場合、回転子１０４が回転していないため、固定子１０３の巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷには誘起電圧が発生しない。したがって、駆動装置１１２は、インバータ回路１０１のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を強制的にオン、オフさせて、初めは特定のスイッチング素子をオンして回転子１０４の位置決めをする。その後、低周波同期起動で強制的に回転子１０４を回転させて加速する信号を通電手段に出力し、加速して回転が速くなることによって発生した巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷの誘起電圧と直流電源１０５の１／２電圧１１３と比較して回転子位置を推定する回転子推定手段１１７に切替えてセンサレス制御する起動方法がとられていた。   By the way, when starting from the stop state, the rotor 104 is not rotating, and therefore no induced voltage is generated in the windings LU, LV, LW of the stator 103. Therefore, the driving device 112 forcibly turns on and off the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, and Q6 of the inverter circuit 101, and initially turns on a specific switching element to position the rotor 104. To do. Thereafter, a signal for forcibly rotating and accelerating the rotor 104 at the low frequency synchronous start is output to the energizing means, and the induced voltages and DC of the windings LU, LV, LW generated by the acceleration and the faster rotation are generated. An activation method was adopted in which sensorless control was performed by switching to the rotor estimation means 117 that estimates the rotor position as compared with the half voltage 113 of the power source 105.

図１３は具体的な低周波同期起動時のドライブ回路１１１の出力波形を示し、モータ電圧Ｕ＋にＰＷＭ、Ｖ−にＨの信号を出力してスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４をスイッチングし、その後モータ電圧Ｕ＋にＰＷＭ、Ｖ−にＨ、Ｗ−にＨの信号を出力してスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ６をスイッチングして回転子１０４を位置決めさせる。次にモータ電圧Ｖ＋にＰＷＭ、Ｗ−にＨの信号を出力してスイッチング素子Ｑ３、Ｑ６をスイッチングして低周波同期に入り、その後順次モータ電圧とスイッチング素子を切り替えることによって、起動させていた。   FIG. 13 shows a specific output waveform of the drive circuit 111 at the time of low-frequency synchronous start. The PWM voltage is output to the motor voltage U + and the H signal is output to the V− to switch the switching elements Q1 and Q4, and then the motor voltage U +. PWM is output to H, H is output to V−, and H is output to W− to switch the switching elements Q1, Q4, and Q6 to position the rotor 104. Next, a PWM signal is output to the motor voltage V + and an H signal is output to the W− to switch the switching elements Q3 and Q6 to enter low-frequency synchronization, and then the motor voltage and the switching element are sequentially switched to start.

ところで、天井埋込形換気扇１１８は、停止時において、室外の風によって室内側からダクト１１９を通って室外側に風が吹いたり、室外側からダクト１１９を通って室内側に風が吹いたりすることにより、送風ファン１１６が回転することがある。送風ファン１１
６はそのファンの大きさと風の強さに応じて回転数が変わるが、このような状況下でも駆動装置１１２はブラシレスＤＣモータ１０２を起動させて、送風ファン１１６を回転させる必要がある。また、天井埋込形換気扇１１８を運転から停止させると、送風ファン１１６が惰性で回転するので、この様な場合に天井埋込形換気扇１１８を運転させても、駆動装置１１２はブラシレスＤＣモータ１０２を起動させて、送風ファン１１６を回転させる必要がある。 By the way, when the ceiling-embedded ventilation fan 118 is stopped, wind blows from the indoor side through the duct 119 to the outdoor side by the outdoor wind, or wind blows from the outdoor side through the duct 119 to the indoor side. As a result, the blower fan 116 may rotate. Blower fan 11
6, the number of rotations varies depending on the size of the fan and the strength of the wind. Even under such circumstances, the driving device 112 needs to activate the brushless DC motor 102 to rotate the blower fan 116. In addition, when the ceiling-embedded ventilation fan 118 is stopped from operation, the blower fan 116 rotates by inertia. In such a case, even if the ceiling-mounted ventilation fan 118 is operated, the driving device 112 is not limited to the brushless DC motor 102. Must be activated to rotate the blower fan 116.

しかし、送風ファン１１６の回転が継続的に続いたり、停止までに時間がかかったりする場合、起動の位置決め時において回転子１０４が回転し続け、低周波同期後の誘起電圧に基づく位置推定ができずに起動できないことがあった。また、送風ファン１１６の回転が低速な場合、通常、位置決め時に回転子１０４が停止するが、送風ファン１１６が大きく回転する力が強いと、同様に位置決め時に回転子が停止できずに起動できないことがあった。また送風ファン１１６の種類によっては正転のみならず、逆転で空転しているものがあり、起動できないことがあった。   However, if the rotation of the blower fan 116 continues or it takes time to stop, the rotor 104 continues to rotate at the time of starting positioning, and position estimation based on the induced voltage after low frequency synchronization can be performed. Could not start without In addition, when the rotation of the blower fan 116 is low speed, the rotor 104 normally stops at the time of positioning. However, if the blower fan 116 has a strong rotating force, the rotor cannot be stopped at the same time and cannot be started. was there. In addition, depending on the type of the blower fan 116, not only forward rotation but also idle rotation causes reverse rotation, and it may not be possible to start.

駆動装置１１２が停止状態において送風ファン１１６が回転している時の駆動装置１１２の起動方法は、例えば、特許文献２や特許文献３に記載されている。   For example, Patent Literature 2 and Patent Literature 3 describe a method of starting the driving device 112 when the blower fan 116 is rotating while the driving device 112 is stopped.

特許文献２では、ブラシレスＤＣモータ１０２の３相巻線ＬＵ，ＬＶ，Ｌの各Ｕ相端子、Ｖ相端子、Ｗ相端子とＧＮＤ間の誘起電圧を分圧抵抗で分圧して電圧を下げ、ＡＤ変換をしてマイコンに取り込み、マイコンは、この誘起電圧を３相巻線ＬＵ，ＬＶ，Ｌの各２相の端子間電圧に変換した後、α・β変換の演算処理をして誘起電圧の位相とそれらの位相差よりブラシレスＤＣモータの回転子位置と回転数を推定していた。回路については、特許文献２の図６に開示されている。   In Patent Document 2, the induced voltage between each U-phase terminal, V-phase terminal, W-phase terminal and GND of the three-phase windings LU, LV, L of the brushless DC motor 102 is divided by a voltage dividing resistor to lower the voltage. A / D conversion is performed to the microcomputer, and the microcomputer converts the induced voltage into a voltage between terminals of each of the three-phase windings LU, LV, and L, and then performs an α / β conversion calculation process to induce the induced voltage. The rotor position and the number of rotations of the brushless DC motor were estimated from the phase of the motor and the phase difference between them. The circuit is disclosed in FIG. 6 of Patent Document 2.

図１４（ａ）は３相巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷの各Ｕ相端子、Ｖ相端子、Ｗ相端子とＧＮＤ間の波形を示し、ｅＵ-ＧＮＤはＵ相端子とＧＮＤ間の誘起電圧、ｅＶ-ＧＮＤはＶ相端子とＧＮＤ間の誘起電圧、ｅＷ-ＧＮＤは、Ｗ相端子とＧＮＤ間の誘起電圧である。図１４
（ｂ）は３相巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷの各２相の端子間電圧の波形を示し、ｅＵ-ＶはＵ相
とＶ相端子間の誘起電圧、ｅＶ-ＷはＶ相とＷ相端子間の誘起電圧、ｅＷ-ＵはＷ相とＵ相端子間の誘起電圧である。図１４（ａ）、（ｂ）の波形の縦軸は３相巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷの誘起電圧の大きさをｅとした場合の各相起電圧の振幅を示し、横軸は電気角を示す。これらの波形、およびこれらの波形の発生原理については、特許文献２に開示されている。 FIG. 14A shows the waveforms between the U-phase terminals, V-phase terminals, W-phase terminals and GND of the three-phase windings LU, LV and LW, eU-GND is the induced voltage between the U-phase terminal and GND, eV-GND is an induced voltage between the V-phase terminal and GND, and eW-GND is an induced voltage between the W-phase terminal and GND. FIG.
(B) shows the waveform of the voltage between the terminals of each of the two phases of the three-phase windings LU, LV, LW, eU-V is the induced voltage between the U-phase and V-phase terminals, and eV-W is the V-phase and W-phase. The induced voltage between terminals, eW-U, is the induced voltage between the W-phase and U-phase terminals. 14A and 14B, the vertical axis indicates the amplitude of each phase electromotive voltage when the magnitude of the induced voltage of the three-phase windings LU, LV, LW is e, and the horizontal axis indicates the electrical angle. Indicates. These waveforms and the generation principle of these waveforms are disclosed in Patent Document 2.

この時、３相巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷの各Ｕ相端子、Ｖ相端子、Ｗ相端子とＧＮＤの誘起電圧Ｅｍａｘの最大値および３相巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷの各２相の端子の誘起電圧の最大値Ｅｍａｘは３相の相電圧と端子電圧の関係から、１．７３ｅとなる。   At this time, the U-phase terminals, V-phase terminals, W-phase terminals of the three-phase windings LU, LV, LW and the maximum value of the induced voltage Emax of the GND and the two-phase terminals of the three-phase windings LU, LV, LW The maximum value Emax of the induced voltage is 1.73e because of the relationship between the three-phase voltage and the terminal voltage.

また、特許文献３では、ブラシレスＤＣモータ１０２の巻線ＬＵ、ＬＶのＵ相端子とＶ相端子間の誘起電圧を比較して、比較した立ち上がり信号と立ち下がり信号をマイコンに入力し、この信号が回転子位置と常に１対１で対応していることから回転子位置を推定し、また、信号の周期より回転数を推定していた。   In Patent Document 3, the induced voltage between the U-phase terminal and V-phase terminal of the windings LU and LV of the brushless DC motor 102 is compared, and the compared rising signal and falling signal are input to the microcomputer. Is always in one-to-one correspondence with the rotor position, and the rotor position is estimated, and the rotation speed is estimated from the signal period.

回路および端子間の誘起電圧と動作原理については特許文献３に開示されており、Ｕ相端子とＶ相端子の誘起電圧の波形を入力して、各誘起電圧の電圧が同じで交わったタイミングで信号を出力している。このタイミングの誘起電圧の電圧値は３相交流の原理から、誘起電圧の最大値Ｅｍａｘに対して一定値になる。   The induced voltage between the circuit and the terminal and the operating principle are disclosed in Patent Document 3, and the waveform of the induced voltage of the U-phase terminal and the V-phase terminal is input, and the voltages of the induced voltages are the same and intersect. A signal is being output. The voltage value of the induced voltage at this timing is a constant value with respect to the maximum value Emax of the induced voltage from the principle of three-phase alternating current.

特開平６−２５３５８８号公報JP-A-6-253588 特開２００７−１６６６９５号公報JP 2007-166695 A 特開２００５−１３７１０６号公報JP 2005-137106 A

このような従来の特許文献１の構成では、空転している時に発生する誘起電圧をマイコンに取り込んだ後、α・β変換の演算処理をして誘起電圧の位相と、それらの位相差よりブラシレスＤＣモータの回転子の回転子位置と回転数を推定する必要があり、複雑な演算を高速で処理する必要があるため、マイコンのコストが高くなるという課題があった。   In the configuration of the conventional Patent Document 1 as described above, after the induced voltage generated during idling is taken into the microcomputer, the calculation process of α / β conversion is performed, and the phase of the induced voltage and the phase difference thereof are brushless. Since it is necessary to estimate the rotor position and the number of rotations of the rotor of the DC motor, and it is necessary to process complicated calculations at high speed, there is a problem that the cost of the microcomputer increases.

また、特許文献２の構成では、２相の２つの端子の誘起電圧を分圧抵抗によって電圧を下げて比較回路で比較してマイコンに入力するため、２つ端子の分圧抵抗が必要となる。したがって、この部分の回路が大型になり、回路の小型化が出来ないという課題があった。   Further, in the configuration of Patent Document 2, two-phase voltage dividing resistors are required because the induced voltages of two terminals of two phases are reduced by the voltage dividing resistors and compared by the comparison circuit and input to the microcomputer. . Therefore, there is a problem that the circuit of this part becomes large and the circuit cannot be miniaturized.

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、室外の風や駆動装置が停止直後に運転することによって送風ファンが空転している場合において、信頼性が高く確実に起動ができ、回路が小型で低コスト化できる駆動装置を提供する。   Therefore, the present invention solves the above-described conventional problems, and when the blower fan is idling by operating immediately after the outdoor wind or driving device stops, it can be reliably and reliably started, Provided is a drive device that can be reduced in cost with a small circuit.

そして、この目的を達成するために本発明は、直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路を介して接続された３相の巻線と磁石が施された回転子を有するブラシレスＤＣモータと、前記回転子が回転することにより前記巻線に発生する誘起電圧に基づいて前記回転子位置を推定しセンサレスで通電制御する駆動装置において、起動時に前記巻線の所定の相の端子とＧＮＤ間に発生する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、前記回転子の位置を推定する回転子推定手段と、あらかじめ定められたしきい値を出力するしきい値設定手段を備え、前記誘起電圧検出手段は前記誘起電圧と前記しきい値を比較し、前記誘起電圧の前記しきい値に対する大小に応じた信号を出力し、前記回転子推定手段は前記信号が大きくなるタイミングと小さくなるタイミングの期間の１／２のタイミングから回転している前記回転子位置を推定し、前記インバータ回路は前記回転子の位置にあわせて通電を開始して起動させるものである。 In order to achieve this object, the present invention provides a brushless having a rotor provided with a magnet and a three-phase winding connected via an inverter circuit in which a plurality of switching elements are bridge-connected to a DC power source. In a DC motor and a drive device that estimates the rotor position based on an induced voltage generated in the winding as the rotor rotates and controls energization without a sensor, a terminal of a predetermined phase of the winding at startup And an induced voltage detecting means for detecting an induced voltage generated between GND and GND, a rotor estimating means for estimating a position of the rotor, and a threshold setting means for outputting a predetermined threshold value, the induced voltage detection means comparing the induced voltage with the threshold value, the output a signal corresponding to the magnitude for the threshold of the induced voltage, the rotor estimating means is the signal The position of the rotating rotor is estimated from a timing that is half of the timing when the timing becomes smaller and the timing when the timing becomes smaller, and the inverter circuit starts and starts energization in accordance with the position of the rotor. .

本発明によれば、起動時に誘起電圧検出手段により出力される信号のタイミングおよび期間で回転子推定手段は回転子位置および回転数を簡単に確実に推定でき、複雑な演算を高速で連続して処理する必要はなく、低コスト化できる。   According to the present invention, the rotor estimating means can easily and reliably estimate the rotor position and the number of rotations at the timing and the period of the signal output by the induced voltage detecting means at the time of start-up, and perform complicated calculations at high speed. There is no need for processing, and the cost can be reduced.

また、１相の端子に発生する誘起電圧を検出すればよく、１つ端子の分圧抵抗しか必要が無いので回路の小型化ができる。   Further, it is only necessary to detect the induced voltage generated at one phase terminal, and only one voltage dividing resistor is required, so that the circuit can be reduced in size.

本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置の回路図Circuit diagram of brushless DC motor driving device of the present invention 同、ブラシレスＤＣモータの停止時に回転子が空転した場合の各部の波形図（（ａ）回転子が空転している場合の誘起電圧検出手段ＰＵの波形図、（ｂ）通電手段の各相出力波形図）The waveform diagram of each part when the rotor is idling when the brushless DC motor is stopped ((a) the waveform diagram of the induced voltage detection means PU when the rotor is idling, (b) each phase output of the energization means) Waveform diagram) 同、低速回転時と高速回転時の誘起電圧検出手段の入出力波形図（（ａ）誘起電圧波形としきい値を示す図、（ｂ）誘起電圧検出手段の出力波形図）Similarly, input / output waveform diagrams of the induced voltage detection means during low speed rotation and high speed rotation ((a) a diagram showing an induced voltage waveform and a threshold value, (b) an output waveform diagram of the induced voltage detection means) 同、Ｕ相誘起電圧検出手段ＰＵの具体的な回路図Same circuit diagram of U-phase induced voltage detection means PU 同、空転中にブレーキ制御と位置決め制御を行った時の各部の波形と回転数のタイミングチャート図Same as above, waveforms of each part and rotation speed timing chart when brake control and positioning control are performed during idling 同、Ｖ相誘起電圧検出手段ＰＶにあらかじめ定められたしきい値を入力した回路図A circuit diagram in which a predetermined threshold value is inputted to the V-phase induced voltage detection means PV 同、回転方向を検出する方法を説明する図（（ａ）正転の場合の誘起電圧検出手段の出力波形図、（ｂ）逆転の場合の誘起電圧検出手段の出力波形図）The figure explaining the method to detect a rotation direction ((a) The output waveform figure of the induced voltage detection means in the case of forward rotation, (b) The output waveform figure of the induced voltage detection means in the case of reverse rotation) 同、空転時と運転時の誘起電圧検出手段を共用した回路図Same as above, Circuit diagram sharing the means for detecting the induced voltage during idling and operation 同、起動時に停止、正転、逆転している場合の起動方法を示すフローチャートSame as above, a flowchart showing a starting method when stopping, normal rotation, and reverse rotation at the time of startup 同、ブラシレスＤＣモータの駆動装置を搭載した換気送風装置の三面図Three-side view of ventilation blower equipped with brushless DC motor drive 従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置を搭載した換気送風装置の（ａ）三面図、（ｂ）取付図(A) Three-side view, (b) Installation drawing of a ventilation fan equipped with a conventional brushless DC motor drive 同、従来のブラシレスＤＣモータの駆動装置の回路図The circuit diagram of the conventional brushless DC motor drive device 同、具体的な低周波同期起動時のドライブ回路の出力波形図Same as above, output waveform diagram of the drive circuit at the time of specific low frequency synchronous start-up 同、（ａ）各相の誘起電圧とＧＮＤの波形図、（ｂ）各２相間の誘起電圧の波形図(A) Waveform diagram of induced voltage and GND of each phase, (b) Waveform diagram of induced voltage between each two phases

本発明の請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路を介して接続された３相の巻線と磁石が施された回転子を有するブラシレスＤＣモータと、前記回転子が回転することにより前記巻線に発生する誘起電圧に基づいて前記回転子位置を推定しセンサレスで通電制御する駆動装置において、起動時に前記巻線の所定の相の端子とＧＮＤ間に発生する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、前記回転子の位置を推定する回転子推定手段と、あらかじめ定められたしきい値を出力するしきい値設定手段を備え、前記誘起電圧検出手段は前記誘起電圧と前記しきい値を比較し、前記誘起電圧の前記しきい値に対する大小に応じた信号を出力し、前記回転子推定手段は前記信号が大きくなるタイミングから小さくなるタイミングまでの期間の１／２のタイミングから回転している前記回転子の位置を推定し、前記インバータ回路は前記回転子の位置にあわせて通電を開始して起動させるものである。起動時に誘起電圧検出手段により出力される信号のタイミングで回転子推定手段は回転子位置を簡単に確実に推定でき、複雑な演算を高速で連続して処理する必要はなく、低コスト化できる。また、１相の端子に発生する誘起電圧を検出すればよく、１つの端子の分圧抵抗しか必要が無く回路の小型化ができる。また、あらかじめ定められたしきい値は低速回転の誘起電圧にあわせて設定できるので、位置推定の信頼性が高くなり、低い回転数まで位置推定ができる。 The brushless DC motor driving apparatus according to claim 1 of the present invention is a rotor in which magnets are provided with three-phase windings connected via an inverter circuit in which a plurality of switching elements are bridge-connected to a DC power source. a brushless DC motor having, in the driving mechanism wherein the estimating the rotor position is energized in sensorless based on the induced voltage generated in the windings by the rotor is rotated, a predetermined of said windings at start An induced voltage detecting means for detecting an induced voltage generated between a phase terminal and GND; a rotor estimating means for estimating the position of the rotor; and a threshold setting means for outputting a predetermined threshold value. wherein the induced voltage detecting means compares the induced voltage and the threshold value, and outputs a signal corresponding to the magnitude relative to the threshold of the induced voltage, the rotor estimated hand Estimates the position of the rotor being rotated 1/2 of the timing period to decrease timing from the timing of the signal increases, the inverter circuit starts the power in accordance with the position of the rotor Is to be activated. The rotor estimation means can easily and reliably estimate the rotor position at the timing of the signal output by the induced voltage detection means at the time of start-up, and it is not necessary to continuously process complicated calculations at high speed, thereby reducing the cost. Further, it is only necessary to detect an induced voltage generated at one phase terminal, and only a voltage dividing resistor at one terminal is necessary, and the circuit can be miniaturized. Further, since the predetermined threshold value can be set according to the induced voltage of the low speed rotation, the reliability of the position estimation becomes high, and the position estimation can be performed up to a low rotation speed.

本発明の請求項２記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、回転子推定手段は誘起電圧があらかじめ定められたしきい値より大きくなるタイミングから次の大きくなるタイミングまでの期間から回転子の回転数を推定し、前記インバータ回路は、回転数と回転子位置より、回転が継続するように通電制御を開始して起動させるものである。起動時に誘起電圧検出手段により出力される信号のタイミングおよび期間で回転子推定手段は回転子位置および回転数を簡単に確実に推定でき、複雑な演算を高速で連続して処理する必要はなく、低コスト化できる。また、あらかじめ定められたしきい値は低速回転の誘起電圧にあわせて設定できるので、位置推定の信頼性が高くなり、低い回転数まで位置推定ができる。   In the brushless DC motor driving apparatus according to claim 2 of the present invention, the rotor estimation means is configured so that the number of rotations of the rotor from the period from the timing when the induced voltage becomes greater than a predetermined threshold to the next timing becomes larger. The inverter circuit starts and starts energization control based on the rotational speed and the rotor position so that the rotation continues. The rotor estimation means can easily and reliably estimate the rotor position and the number of rotations at the timing and period of the signal output by the induced voltage detection means at the start-up, and it is not necessary to process complicated operations continuously at high speed. Cost can be reduced. Further, since the predetermined threshold value can be set according to the induced voltage of the low speed rotation, the reliability of the position estimation becomes high, and the position estimation can be performed up to a low rotation speed.

本発明の請求項３記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、回転子推定手段が推定した回転数より回転子が停止していると判断した場合、インバータ回路はスイッチング素子によるブレーキ制御および位置決め制御をした後起動を行うものである。これにより、回転子が停止していると判断した場合、通常の起動をすることができる。   In the brushless DC motor drive device according to claim 3 of the present invention, when it is determined that the rotor is stopped based on the number of rotations estimated by the rotor estimation means, the inverter circuit performs brake control and positioning control by the switching element. After that, start up. Thereby, when it is determined that the rotor is stopped, normal activation can be performed.

本発明の請求項４に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、回転子推定手段は誘起電圧検出手段が出力する２相の誘起電圧の信号を検出し、信号が出力される順番から回転方向を推定し、正転と判断した場合、回転子が回転したまま起動させ、逆転と判断した場合、インバータ回路のスイッチング素子によるブレーキ制御および位置決め制御をした後起動を行うものである。これにより、回転方向を推定し回転方向に応じて起動方法を変えることができる。
本発明の請求項５記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、誘起電圧検出手段は、電源電圧の１／２電圧を入力し、起動時には、固定子巻線に発生する誘起電圧とあらかじめ定められたしきい値を比較し、定常運転時には、固定子巻線に発生する誘起電圧と電源電圧の１／２電圧のしきい値を比較し、この比較結果の信号を回転子推定手段に出力するものである。これにより起動時の回路と運転時の回路を共用化できるので、回路の部品や実装スペースが少なくなり、小型化と低コスト化できる。 In the brushless DC motor driving apparatus according to claim 4 of the present invention, the rotor estimating means detects the two-phase induced voltage signal output from the induced voltage detecting means, and determines the rotation direction from the order in which the signals are output. When it is estimated and determined to be normal rotation, the rotor is started while rotating, and when it is determined to be reverse rotation, the control is performed after brake control and positioning control are performed by the switching element of the inverter circuit. Thereby, a rotation direction can be estimated and a starting method can be changed according to a rotation direction.
In the brushless DC motor driving apparatus according to claim 5 of the present invention, the induced voltage detecting means inputs a half voltage of the power supply voltage, and is predetermined as an induced voltage generated in the stator winding at the time of startup. Compares the threshold value, compares the induced voltage generated in the stator winding with the threshold value of 1/2 of the power supply voltage during steady operation, and outputs a signal of the comparison result to the rotor estimation means It is. Thereby, since the circuit at the time of starting and the circuit at the time of operation can be shared, circuit components and mounting space are reduced, and the size and cost can be reduced.

本発明の請求項６記載の換気送風装置は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のブラシレスＤＣモータを搭載したものである。これにより、小型で低コスト化でき、より低い回転数まで位置推定ができるブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置を提供できる。   A ventilation blower according to a sixth aspect of the present invention includes the brushless DC motor according to any one of the first to fifth aspects. Thereby, it is possible to provide a ventilation blower equipped with a brushless DC motor that is small in size and can be reduced in cost, and that can estimate the position up to a lower rotational speed.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（実施の形態１）
図１はブラシレスＤＣモータ２および駆動装置１２の構成を示すものであり、図に示すように、直流電源５は、インバータ回路１に直流電圧を供給する。インバータ回路１は３相インバータブリッジの構成であり、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３はそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相の上アームスイッチング素子であり、同様にＱ４，Ｑ５，Ｑ６はそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相の下アームスイッチング素子である。各スイッチング素子には、それぞれ並列に還流ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６を接続する。ブラシレスＤＣモータ２は固定子３と回転子４から構成され、固定子３には電気角で１２０度の位相差を持つように３相巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷが配置される。また、巻線には誘起電圧検出手段１４であるＰＵ，ＰＶ，ＰＷが接続され、停止時に誘起電圧検出手段１４は巻線に発生する誘起電圧と、しきい値設定手段２２が出力するあらかじめ定められたしきい値と比較し、回転子推定手段１７に出力するようにしたものである。本実施の形態では、誘起電圧検出手段１４の電子部品の一例としてコンパレータが用いられている。通電手段８、ドライブ回路１１、直流電源５の１／２電圧１３およびＵ相端子、Ｖ相端子、Ｗ相端子、ＧＮＤは、従来例と同じなので説明を省略する。また、しきい値設定手段２２と回転子推定手段１７と通電手段８はマイクロコンピュータ１０に内蔵されている。 (Embodiment 1)
FIG. 1 shows the configuration of the brushless DC motor 2 and the driving device 12. As shown in the figure, a DC power supply 5 supplies a DC voltage to the inverter circuit 1. The inverter circuit 1 has a configuration of a three-phase inverter bridge, Q1, Q2, and Q3 are U, V, and W-phase upper arm switching elements. Similarly, Q4, Q5, and Q6 are U, V, and W-phase switching elements, respectively. It is a lower arm switching element. Each switching element is connected in parallel with free-wheeling diodes D1, D2, D3, D4, D5, and D6. The brushless DC motor 2 includes a stator 3 and a rotor 4, and three-phase windings LU, LV, and LW are arranged on the stator 3 so as to have a phase difference of 120 degrees in terms of electrical angle. In addition, PU, PV, and PW, which are induced voltage detection means 14, are connected to the winding, and the induced voltage detection means 14 determines in advance that the induced voltage generated in the winding and the threshold setting means 22 output when stopped. Compared with the threshold value thus obtained, it is outputted to the rotor estimation means 17. In the present embodiment, a comparator is used as an example of an electronic component of the induced voltage detection means 14. The energizing means 8, the drive circuit 11, the 1/2 voltage 13 of the DC power source 5, the U-phase terminal, the V-phase terminal, the W-phase terminal, and GND are the same as those in the conventional example, and thus the description thereof is omitted. Further, the threshold setting means 22, the rotor estimating means 17 and the energizing means 8 are built in the microcomputer 10.

誘起電圧検出手段１４のＰＵは、Ｕ相巻線に発生する誘起電圧とあらかじめ定められたしきい値を比較して信号を出力する。そして、回転子推定手段１７は、誘起電圧検出手段１４が出力する信号によって、誘起電圧がしきい値より大きくなるタイミングと小さくなるタイミングの期間の１／２のタイミングから回転している回転子位置を推定するものである。   The PU of the induced voltage detection means 14 compares the induced voltage generated in the U-phase winding with a predetermined threshold value and outputs a signal. Then, the rotor estimation means 17 rotates the rotor position from the half of the period between the timing when the induced voltage becomes larger than the threshold and the timing when the induced voltage becomes smaller by the signal output from the induced voltage detecting means 14. Is estimated.

図２（ａ）は、停止時に回転子４が空転している場合の誘起電圧検出手段１４のＵ相ＰＵの入力波形と出力波形を示し、図２（ｂ）は通電手段８の各相の出力波形を示す。以下図を見ながら説明する。   2A shows an input waveform and an output waveform of the U-phase PU of the induced voltage detection means 14 when the rotor 4 is idling when stopped, and FIG. 2B shows each phase of the energization means 8. The output waveform is shown. This will be described below with reference to the drawings.

図２（ａ）に示すように、誘起電圧検出手段１４はＵ相巻線ＬＵのＵ相端子とＧＮＤ間の誘起電圧とあらかじめ定められたしきい値を入力し、両者を比較した出力波形を出力す
る。誘起電圧は回転数によって大きさが変化し、ＰＵの出力波形の立ち上がりから立ち下りまでの期間の時間は変わる。しかし、誘起電圧波形は左右対称であり、また、電気角−２７０度、９０度、４５０度・・・の波形が落ち込む電圧以下の電圧値をあらかじめ定められたしきい値とすることにより、出力波形の立ち上がりから立ち下がりまでの期間ＴＣの１／２のタイミングは、いつも同じで誘起電圧波形の電気角−２７０度、９０度、４５０度・・・に対応したものとなる。具体的にあらかじめ定められたしきい値は、回転子が停止していると判断する回転数、例えば６０ｍｉｎ−１とし、この時に発生する誘起電圧の波形が落ち込む電圧以下に設定する。この落ち込む電圧は３相の正弦波であるので、理論的に誘起電圧の最大値Ｅｍａｘの８６％となる。したがって、あらかじめ定められたしきい値は、Ｎ＝６０ｍｉｎ−１のＥｍａｘの８６％以下の電圧に設定すればよい。
図２（ｂ）は空転している誘起電圧の電気角４５０度にあわせて通電手段８が出力を開始した波形である。 As shown in FIG. 2 (a), the induced voltage detection means 14 inputs an induced voltage between the U-phase terminal of the U-phase winding LU and GND and a predetermined threshold value, and outputs an output waveform obtained by comparing the two. Output. The magnitude of the induced voltage changes depending on the rotation speed, and the time period from the rise to the fall of the output waveform of the PU changes. However, the induced voltage waveform is bilaterally symmetric, and the voltage value below the voltage at which the waveform of electrical angles −270 degrees, 90 degrees, 450 degrees,. The timing ½ of the period TC from the rise to the fall of the waveform is always the same, and corresponds to the electrical angles of the induced voltage waveform of −270 degrees, 90 degrees, 450 degrees,. Specifically, the predetermined threshold value is set to a rotational speed at which the rotor is determined to be stopped, for example, 60 min −1, and is set to be equal to or lower than the voltage at which the waveform of the induced voltage generated at this time drops. Since this voltage drop is a three-phase sine wave, it is theoretically 86% of the maximum value Emax of the induced voltage. Therefore, the predetermined threshold value may be set to a voltage of 86% or less of Emax of N = 60 min −1 .
FIG. 2B shows a waveform when the energizing means 8 starts outputting in accordance with the electrical angle of 450 degrees of the induced voltage that is idling.

ここで、回転子推定手段１７は、図２（ａ）の誘起電圧検出手段１４のＰＵが出力するＵ相の出力波形の立ち上がりのタイミングＡにおいて、ＴＣをその直前の出力波形より検出して１／２×ＴＣを算出する。そして、タイミングＡから１／２×ＴＣ経過した電気角４５０度の図２（ｂ）のタイミングＢにおいて通電手段８に通電開始を指示する。１２０度矩形波通電の場合、通電手段８は誘起電圧の電気角４５０度に対応した出力であるモータ電圧Ｕ＋にＰＷＭ，Ｗ−にＨの信号をドライブ回路１１に出力する。   Here, the rotor estimating means 17 detects TC from the output waveform immediately before it at the rising timing A of the U-phase output waveform output by the PU of the induced voltage detecting means 14 in FIG. / 2 × TC is calculated. Then, the energization means 8 is instructed to start energization at the timing B of FIG. In the case of 120-degree rectangular wave energization, the energizing means 8 outputs a PWM signal to the motor voltage U + and an H-level signal to the drive circuit 11 corresponding to an electric angle of 450 degrees of the induced voltage.

また、図３（ａ）は、低速回転時と高速回転時の誘起電圧とあらかじめ定められたしきい値を示し、図３（ｂ）は、低速回転時と高速回転時の誘起電圧検出手段１４が出力する波形を示している。誘起電圧は低速回転で十分大きさが確保できるように設定するが、回転数が高くなるとそれに比例して誘起電圧が大きくなり、誘起電圧検出手段１４の入力範囲の最大を超えないようにする必要がある。ここで、あらかじめ定められたしきい値に対して誘起電圧が大きくなるか、または、小さくなるかが検出できれば誘起電圧検出手段１４の信号は出力され、回転子位置の推定ができる。したがって、誘起電圧検出手段１４の入力範囲を超えないように波形の上部を制限する。   FIG. 3A shows the induced voltage during low-speed rotation and high-speed rotation and predetermined threshold values, and FIG. 3B shows the induced voltage detection means 14 during low-speed rotation and high-speed rotation. Shows the output waveform. The induced voltage is set so as to be sufficiently large at low speed, but the induced voltage increases in proportion to the increase in the number of rotations, and it is necessary not to exceed the maximum input range of the induced voltage detection means 14. There is. Here, if it can be detected whether the induced voltage increases or decreases with respect to a predetermined threshold value, the signal of the induced voltage detection means 14 is output, and the rotor position can be estimated. Therefore, the upper part of the waveform is limited so as not to exceed the input range of the induced voltage detection means 14.

図４は本実施の形態のＵ相誘起電圧検出手段１４（ＰＵ）の具体的な回路図である。制御電源３４は誘起電圧検出手段誘起電圧１４（ＰＵ）の電源である。低速回転で誘起電圧を十分確保できるように２つの分圧抵抗３１、３２を設定して入力している。また、高速回転で誘起電圧が制御電源３４の電圧より大きくならないように入力範囲の最大を制限するツェナーダイオード３３を分圧抵抗３１、３２の間に接続している。これによって、図３の高速回転時の誘起電圧の波形のように、上部を制限している。しきい値設定手段２２はマイクロコンピュータ１０から出力され、また、ＰＵの出力信号はマイクロコンピュータ１０の回転子推定手段１７に入力している。しきい値設定手段２２の具体的な例として、マイクロコンピュータ１０に内蔵されたＤＡコンバータがある。   FIG. 4 is a specific circuit diagram of the U-phase induced voltage detection means 14 (PU) of the present embodiment. The control power supply 34 is a power supply for the induced voltage detection means induced voltage 14 (PU). Two voltage dividing resistors 31 and 32 are set and inputted so that the induced voltage can be sufficiently secured at low speed. In addition, a Zener diode 33 that limits the maximum input range is connected between the voltage dividing resistors 31 and 32 so that the induced voltage does not become larger than the voltage of the control power supply 34 due to high-speed rotation. As a result, the upper part is limited as in the waveform of the induced voltage during high-speed rotation in FIG. The threshold setting means 22 is output from the microcomputer 10, and the output signal of the PU is input to the rotor estimation means 17 of the microcomputer 10. A specific example of the threshold setting means 22 is a DA converter built in the microcomputer 10.

従来の特許文献３では、ブラシレスＤＣモータ１０２の巻線ＬＵ、ＬＶのＵ相端子とＶ相端子間の誘起電圧を比較し、誘起電圧が交わった信号により回転子位置と回転数を推定していた。誘起電圧は回転数に比例するので、高速回転で誘起電圧が高くなった状態で、制御電源の電圧を超えないように設定しなければならない。逆に低速回転では誘起電圧が小さくなるので、この状態で誘起電圧が交わった信号を検出しなければならず、回転子位置の推定の信頼性が低下していた。   In the conventional patent document 3, the induced voltage between the U-phase terminal and the V-phase terminal of the windings LU and LV of the brushless DC motor 102 is compared, and the rotor position and the number of revolutions are estimated from the signal of the induced voltage. It was. Since the induced voltage is proportional to the rotational speed, it must be set so as not to exceed the voltage of the control power supply when the induced voltage becomes high at high speed rotation. On the contrary, the induced voltage becomes small at low speed rotation, so that a signal in which the induced voltage crosses in this state has to be detected, and the reliability of estimation of the rotor position is lowered.

以上より、誘起電圧は低速回転で十分大きさが確保できるように設定できるので、停止時に回転子４が回転して空転している場合、特に低い回転数で回転していても、信頼性が高く確実に起動ができ、回路が小型で低コスト化できる。   From the above, the induced voltage can be set so as to be sufficiently large at low speed rotation. Therefore, when the rotor 4 rotates idly at the time of stoppage, the reliability is high even when the rotor 4 rotates at a low speed. High and reliable start-up is possible, and the circuit is small and low cost.

なお、本実施の形態では誘起電圧検出手段１４の電子部品としてコンパレータを使用した例を示したが、マイクロコンピュータのＡＤ変換を使用して誘起電圧を入力してあらかじめ定められたしきい値と比較してもよく、その作用効果にかわりはない。   In this embodiment, an example is shown in which a comparator is used as the electronic component of the induced voltage detection means 14, but the induced voltage is input using AD conversion of the microcomputer and compared with a predetermined threshold value. Yes, there is no change in its effects.

また、本実施の形態では矩形波通電の例を前提にしているが、正弦波通電の場合、空転時であれば通電制御に無関係で回転数の推定の方法は同じなので、その作用効果にかわりはない。   In this embodiment, a rectangular wave energization example is assumed. However, in the case of sine wave energization, the method of estimating the rotation speed is the same regardless of the energization control during idling. There is no.

また、図２に示すように、回転子推定手段１７はあらかじめ定められたしきい値より大きくなるタイミングから次の大きくなるタイミングまでの期間から回転子の回転数を推定し、回転数と回転子位置より、回転が継続するように通電制御を開始するようにしたものである。   Further, as shown in FIG. 2, the rotor estimation means 17 estimates the rotational speed of the rotor from the period from the timing when it becomes larger than a predetermined threshold value to the timing when it becomes larger, and the rotational speed and the rotor. The energization control is started from the position so that the rotation continues.

Ｕ相巻線ＬＵの誘起電圧は回転数によって大きさが変化し、ＰＵの出力波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの期間の時間は変わる。この期間ＴＤは電気角で３６０度に相当するので、回転子推定手段１７は期間ＴＤより回転数を推定する。ここで、矩形波の通電制御に必要な電気角で６０度の期間ＴＭは（１）式となる。   The magnitude of the induced voltage of the U-phase winding LU varies depending on the number of rotations, and the time period from the rise of the output waveform of the PU to the next rise changes. Since this period TD corresponds to 360 degrees in electrical angle, the rotor estimation means 17 estimates the rotational speed from the period TD. Here, a period TM of 60 degrees in electrical angle necessary for energization control of the rectangular wave is expressed by equation (1).

ＴＭ＝ＴＤ×６０／３６０ ・・・（１）
また、１分間当たりの回転数Ｎｍｉｎ−１はＴＤの単位を秒とすると、（２）式となる。 TM = TD × 60/360 (1)
Further, the number of rotations per minute Nmin −1 is expressed by equation (2) when the unit of TD is seconds.

Ｎ＝６０／ＴＤ ・・・（２）
となる。したがって、回転子推定手段１７はタイミングＡの直前に出力波形において、ＴＣを検出し１／２×ＴＣを算出するのと同時にＴＤを検出して、タイミングＡから１／２ＴＣの図２（ｂ）のタイミングＢに通電手段８は４５０度に対応した出力であるＵ＋にＰＷＭ、Ｗ−にＨをＴＭの期間出力する信号をドライブ回路１１に出力する。ドライブ回路１１はＵ＋にＰＷＭ、Ｗ−にＨの信号を実際に出力して通電を開始させる。
これによって、停止時に回転子４が回転して空転している場合でも、簡単で確実に回転子位置および回転数を推定し、停止することなしに起動することができる。 N = 60 / TD (2)
It becomes. Therefore, the rotor estimation means 17 detects TC in the output waveform immediately before timing A and calculates ½ × TC, and at the same time detects TD, and FIG. At the timing B, the energizing means 8 outputs to the drive circuit 11 a signal for outputting PWM at U + and H at W− for a period of TM, which is an output corresponding to 450 degrees. The drive circuit 11 actually outputs a PWM signal to U + and an H signal to W- to start energization.
As a result, even when the rotor 4 rotates and idles at the time of stopping, it is possible to easily and reliably estimate the rotor position and the number of rotations and start without stopping.

また、通電手段８は、回転子推定手段１７が推定する回転数を入力し、回転子４を位置決めする位置決め制御を行うようにしたものである。すなわち、通電手段８は、回転子推定手段１７が推定する回転数Ｎが６０ｍｉｎ−１で停止と判断した場合、モータ電圧Ｕ−，Ｖ−，Ｗ−にＨの信号を出力して下アームスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を強制的にオンさせてブレーキ制御を行う。そして、回転子４の回転数を低下させ、完全に停止する時間を経過した後、特定の相例えば、モータ電圧Ｕ＋，Ｖ−，Ｗ−強制的にＨの信号を出力させて回転子４を位置決めする。なお、ブレーキ制御は回転子４にブレーキトルクを与えるものである。 In addition, the energizing means 8 inputs the number of rotations estimated by the rotor estimating means 17 and performs positioning control for positioning the rotor 4. That is, the energizing means 8 outputs a H signal to the motor voltages U−, V−, and W− when the rotation number N estimated by the rotor estimating means 17 is determined to be stopped at 60 min −1 and lower arm switching. Brake control is performed by forcibly turning on the elements Q4, Q5, and Q6. Then, after the rotational speed of the rotor 4 is reduced and a time for complete stop has elapsed, a specific phase, for example, the motor voltages U +, V−, W− are forcibly outputted to output an H signal. Position. The brake control is to give a brake torque to the rotor 4.

図５は停止時に回転子４が空転している場合、ブレーキ制御と位置決め制御を行った時の回転数の推移を示している。Ｕ相の誘起電圧検出手段１４（ＰＵ）の出力はブレーキ制御にいたるとＱ４，Ｑ５，Ｑ６は強制的にオンされるので、波形が出力されない。この時、ブレーキトルクによって回転数は急激に低下し、その後、位置決め制御を行う。
これにより、確実に回転子の回転を停止させた後に位置決め制御するので、位置決めの失敗をなくすことができる。 FIG. 5 shows the transition of the rotational speed when the brake control and the positioning control are performed when the rotor 4 is idling at the time of stop. When the output of the U-phase induced voltage detecting means 14 (PU) is in brake control, Q4, Q5, and Q6 are forcibly turned on, so that no waveform is output. At this time, the number of revolutions rapidly decreases due to the brake torque, and then positioning control is performed.
Thereby, since positioning control is performed after the rotation of the rotor is reliably stopped, positioning failure can be eliminated.

なお、回転子の空転している回転数が、最初から６０ｍｉｎ−１以下の例えば、４５ｍｉｎ−１で回転し、誘起電圧波形の落ち込み部分とあらかじめ定められたしきい値と比較された場合、正しい回転子位置や回転数の推定が出来ない。この場合、回転子推定手段１７が２回連続して回転数を推定し、２つの回転数が一致していなかったら、正しい回転数
でなく６０ｍｉｎ−１以下であると判断できる。
（実施の形態２）
第２の実施の形態のブラシレスＤＣモータの駆動装置について、図６、図７を用いて説明する。第１の実施の形態と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。 Incidentally, when the rotation speed that idles of the rotor, for example, from the first 60min -1 or less, which rotates at 45min -1, is compared with a predetermined threshold and drop portions of the induced voltage waveform, correct The rotor position and the number of rotations cannot be estimated. In this case, if the rotor estimation means 17 estimates the rotation speed twice consecutively and the two rotation speeds do not match, it can be determined that the rotation speed is not the correct rotation speed but 60 min −1 or less.
(Embodiment 2)
A brushless DC motor driving apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

第２の実施の形態における回転子推定手段２３は誘起電圧検出手段１４のＵ相ＰＵおよびＶ相ＰＶの出力信号を検出し、回転方向を推定し、回転方向に応じて起動方法を変更するようにしたものである。   The rotor estimation means 23 in the second embodiment detects the output signals of the U-phase PU and V-phase PV of the induced voltage detection means 14, estimates the rotation direction, and changes the starting method according to the rotation direction. It is a thing.

そして、図６に示すように、Ｖ相の誘起電圧検出手段１４のＰＶにしきい値設定手段２２のあらかじめ定められたしきい値を出力している。   Then, as shown in FIG. 6, the predetermined threshold value of the threshold value setting means 22 is output to the PV of the V-phase induced voltage detection means 14.

図７は誘起電圧検出手段１４のＵ相ＰＵとＶ相ＰＶが出力する波形を正転の場合と逆転の場合を示している。回転子推定手段２３はＰＵの立ち上がりから次のＰＶの立ち上がりまでの期間ＴＥと、ＰＵの立ち上がりから次ＰＵの立ち上がりの期間ＴＤの比より検出する。正転時はＴＥ／ＴＤ＝１／３、逆転時はＴＥ／ＴＤ＝約２／３となるので、正転の場合、ＴＥ／ＴＤ＜１／２、逆転の場合、ＴＥ／ＴＤ＞１／２で求める。   FIG. 7 shows the waveforms output from the U-phase PU and V-phase PV of the induced voltage detection means 14 in the case of normal rotation and in the case of reverse rotation. The rotor estimation means 23 detects from the ratio of the period TE from the rise of PU to the next rise of PV and the period TD of the rise of PU to the next PU. TE / TD = 1/3 during forward rotation and TE / TD = about 2/3 during reverse rotation. Therefore, TE / TD <1/2 for forward rotation and TE / TD> 1 / for reverse rotation. Calculate by 2.

そして、回転子推定手段２３は正転と推定した場合、回転子位置を推定するとともに回転数を検出し、回転子４が回転して空転していても停止することなしに起動させる。この動作は、実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は省く。また、逆転と推定した場合、通電手段８はドライブ回路１１のＵ−，Ｖ−，Ｗ−にＨの信号を出力して下アームスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を強制的にオンさせてブレーキ制御を行う。そして、回転子４の回転数を低下させ、完全に停止する時間が経過した後、特定の相例えば、Ｕ＋，Ｖ−，Ｗ−を強制的にオンさせて回転子４を位置決めする位置決め制御を行って正転方向に低周波同期起動するようにしたものである。これによって、回転子推定手段１７は正転、逆転を検出して起動方法を変更するので、簡単、確実に回転方向に応じて起動することができる。
（実施の形態３）
第３の実施の形態のブラシレスＤＣモータの駆動装置について、図８、図９を用いて説明する。第１、第２の実施の形態と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。 When the rotor estimation unit 23 estimates normal rotation, the rotor estimation unit 23 estimates the rotor position and detects the rotation speed, and starts the rotor 4 without stopping even if the rotor 4 rotates and idles. Since this operation is the same as that of the first embodiment, a detailed description is omitted. When the reverse rotation is estimated, the energizing means 8 outputs a H signal to the U-, V-, W- of the drive circuit 11 to forcibly turn on the lower arm switching elements Q4, Q5, Q6, and brake control. I do. Then, after the time for which the rotation speed of the rotor 4 is reduced and completely stopped has elapsed, a positioning control for positioning the rotor 4 by forcibly turning on a specific phase, for example, U +, V−, W−, is performed. The low frequency synchronous start is performed in the forward direction. Thus, the rotor estimation unit 17 forward, to detect a reversed Starting-varying puff Runode, simple and can be activated in response to securely rotational direction.
(Embodiment 3)
A brushless DC motor driving apparatus according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. The same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.

図８に示すように、しきい値設定手段２４は、直流電源５の１／２電圧１３のしきい値を入力し、起動時にあらかじめ定められたしきい値を出力する。誘起電圧検出手段１４のＰＵは、Ｕ相巻線ＬＵに発生する誘起電圧としきい値設定手段２４が出力するあらかじめ定められたしきい値を比較する。そして、運転時にしきい値設定手段２４はあらかじめ定められたしきい値から直流電源５の１／２電圧１３のしきい値に切り替え、誘起電圧検出手段１４は、巻線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷに発生する誘起電圧と直流電源５の１／２電圧１３のしきい値を比較して信号を出力するようにしたものである。   As shown in FIG. 8, the threshold value setting means 24 inputs the threshold value of the ½ voltage 13 of the DC power supply 5 and outputs a predetermined threshold value at the time of activation. The PU of the induced voltage detection means 14 compares the induced voltage generated in the U-phase winding LU with a predetermined threshold value output from the threshold setting means 24. During operation, the threshold value setting means 24 switches from a predetermined threshold value to the threshold value of the half voltage 13 of the DC power source 5, and the induced voltage detection means 14 is applied to the windings LU, LV, LW. The generated induced voltage is compared with the threshold value of the half voltage 13 of the DC power source 5 to output a signal.

ここで、あらかじめ定められたしきい値は、起動時の回転子が停止と判断する回転数６０ｍｉｎ−１に対応した値とする。 Here, the predetermined threshold value is a value corresponding to the rotational speed 60 min −1 at which the rotor at the start is determined to be stopped.

第１の実施の形態で用いた図２によって本実施の形態についても説明する。すなわち、図２は、正転の空転時の起動から通電移行時に、誘起電圧検出手段１４はあらかじめ定められたしきい値から運転時の直流電源５の１／２電圧１３に変更した例を示している。   This embodiment will also be described with reference to FIG. 2 used in the first embodiment. That is, FIG. 2 shows an example in which the induced voltage detection means 14 is changed from a predetermined threshold value to a half voltage 13 of the DC power source 5 during operation when starting energization at the time of forward idling and shifting to energization. ing.

回転子推定手段１７は、通電移行時のタイミングＡの直前において、Ｕ相巻線ＬＵが出
力する誘起電圧とあらかじめ定められたしきい値からＴＣを検出する。そして、１／２×ＴＣを算出するのと同時にＴＤを検出してＴＭを算出後、タイミングＡから１／２×ＴＣの図２（ｂ）のタイミングＢで通電手段８に通電開始を指示する。通電手段８は誘起電圧の電気角４５０度に対応した出力であるＵ＋にＰＷＭ，Ｗ−にＨの信号をドライブ回路に出力する。ドライブ回路１１はＵ＋にＰＷＭ，Ｗ−にＨの信号を実際にインバータ回路１に出力して通電を開始させる。 The rotor estimation means 17 detects TC from the induced voltage output from the U-phase winding LU and a predetermined threshold immediately before the timing A at the time of energization transition. Then, after calculating ½ × TC and detecting TD and calculating TM, the energization means 8 is instructed to start energization from timing A to timing B in FIG. 2B of ½ × TC. . The energizing means 8 outputs a PWM signal to U + and an H signal to W− to the drive circuit, which are outputs corresponding to an electrical angle of 450 degrees of the induced voltage. The drive circuit 11 actually outputs a PWM signal to U + and an H signal to W− to the inverter circuit 1 to start energization.

さらに、しきい値設定手段２２はあらかじめ定められたしきい値から直流電源５の１／２電圧１３に出力を切り替える。誘起電圧検出手段１４のＰＵ，ＰＶ，ＰＷは、直流電源５の１／２電圧１３と巻線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷの誘起電圧と比較して回転子推定手段１７に信号を出力し、運転状態にする。つまり、回転子推定手段１７は、図２（ｂ）のタイミングＢよりＴＭの期間経過中に今度は通電の無いＶ相誘起電圧と直流電源５の１／２電圧１３を比較して出力されるＶ相ＰＶの出力信号より回転子位置を推定する。そして、その結果に基づいて通電手段８はドライブ回路１１にモータ電圧の信号を出力し、ドライブ回路１１は実際に信号をインバータ回路１に出力して通電させ、これらの繰り返しによって運転を継続させる。   Further, the threshold value setting means 22 switches the output from a predetermined threshold value to the ½ voltage 13 of the DC power supply 5. The PU, PV, PW of the induced voltage detecting means 14 outputs a signal to the rotor estimating means 17 in comparison with the 1/2 voltage 13 of the DC power source 5 and the induced voltages of the windings LU, LV, LW, and the operating state To. That is, the rotor estimation means 17 compares the V-phase induced voltage with no energization with the 1/2 voltage 13 of the DC power supply 5 this time during the period of TM from the timing B in FIG. The rotor position is estimated from the output signal of the V-phase PV. Based on the result, the energizing means 8 outputs a motor voltage signal to the drive circuit 11, and the drive circuit 11 actually outputs the signal to the inverter circuit 1 to energize it, and continues operation by repeating these operations.

そして、運転時に誘起電圧検出手段１４が巻線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷに発生する誘起電圧と直流電源５の１／２電圧１３のしきい値を比較して信号を出力し、回転子推定手段１７が誘起電圧検出手段１４の出力する信号より回転子位置を推定して駆動させるのは、従来例の運転方法と同じである。   Then, the induced voltage detecting means 14 compares the induced voltage generated in the windings LU, LV, and LW with the threshold value of the ½ voltage 13 of the DC power source 5 during operation, and outputs a signal, and the rotor estimating means 17 Is driven by estimating the rotor position from the signal output from the induced voltage detection means 14 in the same manner as in the conventional driving method.

同様に、停止または逆転時の低周波同期起動後の通電開始時において、しきい値設定手段２２はあらかじめ定められたしきい値から運転時の電源電圧の１／２電圧１３に変更する。そして、誘起電圧検出手段１４のＰＵ，ＰＶ，ＰＷは巻線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷが発生する誘起電圧と電源電圧の１／２電圧１３を比較し、回転子推定手段１７に出力する。回転子推定手段１７は回転子位置推定することにより、正転の空転時と同様に運転することができる。   Similarly, at the start of energization after the low frequency synchronous start at the time of stop or reverse rotation, the threshold value setting means 22 changes from a predetermined threshold value to a half voltage 13 of the power supply voltage during operation. Then, PU, PV, and PW of the induced voltage detection means 14 compare the induced voltage generated by the windings LU, LV, and LW with the half voltage 13 of the power supply voltage, and output it to the rotor estimation means 17. By estimating the rotor position, the rotor estimation means 17 can be operated in the same manner as during normal idling.

図９は全体のフローチャートを示す。まず初めに、Ｓ１：誘起電圧を誘起電圧検出手段１４が検出する。次にＳ２：誘起電圧検出手段１４より出力される信号により回転子推定手段１７は回転子位置を推定する。そして、Ｓ３：回転子推定手段１７は回転数および回転方を推定する。Ｓ４：停止又は逆転と判断した場合、Ｓ５：ブレーキ制御、Ｓ６：低周波同期起動をして、Ｓ８：誘起電圧検出手段１４はあらかじめ定められたしきい値から電源の１／２電圧１３にしきい値を変更し、Ｓ９：運転する。Ｓ３で正転と判断した場合、Ｓ７：回転子推定手段１７の推定された回転子位置より通電開始を行い、Ｓ８：誘起電圧検出手段１４はあらかじめ定められたしきい値から電源の１／２電圧１３にしきい値を変更し、Ｓ９：運転することになる。   FIG. 9 shows an overall flowchart. First, S1: The induced voltage detecting means 14 detects the induced voltage. Next, S2: The rotor estimation means 17 estimates the rotor position from the signal output from the induced voltage detection means 14. And S3: The rotor estimation means 17 estimates a rotation speed and a rotation method. S4: When it is determined to stop or reverse, S5: Brake control, S6: Low-frequency synchronous activation, S8: The induced voltage detection means 14 is set to a half voltage 13 of the power supply from a predetermined threshold value. Change the value, S9: Run. If it is determined in S3 that the rotation is normal, S7: energization is started from the rotor position estimated by the rotor estimating means 17, and S8: the induced voltage detecting means 14 is ½ of the power source from a predetermined threshold value. The threshold value is changed to voltage 13, and S9: Operation is performed.

上記構成によって、起動時と運転時の誘起電圧検出手段１４を共用化できるので、回路の部品や実装スペースが少なくできる。   With the above configuration, since the induced voltage detection means 14 at the time of start-up and operation can be shared, circuit components and mounting space can be reduced.

本発明にかかるブラシレスＤＣモータの駆動装置は、簡単で確実に回転子位置の推定および回転数を検出して回転したまま起動できるので、天井埋込換気扇のような送風装置等の駆動装置として有用である。   The brushless DC motor driving device according to the present invention is useful as a driving device for an air blower such as a ceiling-embedded ventilation fan, because it can be easily and reliably started by detecting the rotor position and detecting the rotational speed. It is.

１ インバータ回路
２ ブラシレスＤＣモータ
３ 固定子
４ 回転子
５ 直流電源
８ 通電手段
１０ マイクロコンピュータ
１１ ドライブ回路
１２ 駆動装置
１３ １／２電圧
１４ 誘起電圧検出手段
１７ 回転子推定手段
２２ しきい値設定手段
２３ 回転子推定手段
２４ しきい値設定手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inverter circuit 2 Brushless DC motor 3 Stator 4 Rotor 5 DC power supply 8 Current supply means 10 Microcomputer 11 Drive circuit 12 Drive apparatus 13 1/2 voltage 14 Induced voltage detection means 17 Rotor estimation means 22 Threshold setting means 23 Rotor estimation means 24 Threshold setting means

Claims (6)

直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路を介して接続された３相の巻線と磁石が施された回転子を有するブラシレスＤＣモータと、
前記回転子が回転することにより前記巻線に発生する誘起電圧に基づいて前記回転子位置を推定しセンサレスで通電制御する駆動装置において、
起動時に前記巻線の所定の相の端子とＧＮＤ間に発生する誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、
前記回転子の位置を推定する回転子推定手段と、
あらかじめ定められたしきい値を出力するしきい値設定手段を備え、
前記誘起電圧検出手段は前記誘起電圧と前記しきい値を比較し、前記誘起電圧の前記しきい値に対する大小に応じた信号を出力し、
前記回転子推定手段は前記信号が大きくなるタイミングから小さくなるタイミングまでの期間の１／２のタイミングから回転している前記回転子の位置を推定し、
前記インバータ回路は前記回転子の位置にあわせて通電を開始して起動させることを特徴とするブラシレスＤＣモータの駆動装置。 A brushless DC motor having a rotor provided with a three-phase winding and a magnet connected via an inverter circuit formed by bridge-connecting a plurality of switching elements to a DC power supply;
In the drive device that estimates the rotor position based on the induced voltage generated in the winding due to the rotation of the rotor and performs energization control without a sensor,
Induced voltage detection means for detecting an induced voltage generated between a terminal of a predetermined phase of the winding and GND at the time of startup;
Rotor estimation means for estimating the position of the rotor;
Threshold setting means for outputting a predetermined threshold is provided,
The induced voltage detection means compares the induced voltage and the threshold value, and outputs a signal corresponding to the magnitude relative to the threshold of the induced voltage,
The rotor estimation means estimates the position of the rotor rotating from a half of the period from the timing when the signal increases to the timing when it decreases,
The drive circuit of a brushless DC motor, wherein the inverter circuit starts and starts energization in accordance with the position of the rotor. 回転子推定手段は誘起電圧があらかじめ定められたしきい値より大きくなるタイミングから次の大きくなるタイミングまでの期間から回転子の回転数を推定し、
前記インバータ回路は、回転数と回転子位置より、回転が継続するように通電制御を開始して起動させることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。 The rotor estimation means estimates the number of rotations of the rotor from the period from the timing when the induced voltage becomes greater than a predetermined threshold to the next timing,
2. The brushless DC motor driving device according to claim 1, wherein the inverter circuit starts and starts energization control so as to continue the rotation based on the rotation speed and the rotor position. 回転子推定手段が推定した回転数より回転子が停止していると判断した場合、
インバータ回路はスイッチング素子によるブレーキ制御および位置決め制御をした後起動を行うことを特徴とする請求項２に記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。 If it is determined that the rotor is stopped from the number of rotations estimated by the rotor estimation means,
The drive device for a brushless DC motor according to claim 2, wherein the inverter circuit is activated after performing brake control and positioning control by a switching element. 回転子推定手段は誘起電圧検出手段が出力する２相の誘起電圧の信号を検出し、信号が出力される順番から回転方向を推定し、
正転と判断した場合、回転子が回転したまま起動させ、
逆転と判断した場合、インバータ回路のスイッチング素子によるブレーキ制御および位置決め制御をした後起動を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のブラシ
レスＤＣモータの駆動装置。 The rotor estimation means detects the two-phase induced voltage signal output from the induced voltage detection means, estimates the rotation direction from the order in which the signals are output,
If it is determined that the rotation is normal, start the rotor while rotating,
4. The brushless DC motor drive device according to claim 1, wherein, when it is determined that the rotation is reverse, the brake control and the positioning control are performed by the switching element of the inverter circuit, and then the brushless DC motor is driven. 誘起電圧検出手段は、
電源電圧の１／２電圧を入力し、
起動時には、固定子巻線に発生する誘起電圧とあらかじめ定められたしきい値を比較し、
定常運転時には、固定子巻線に発生する誘起電圧と電源電圧の１／２電圧のしきい値を比較し、
この比較結果の信号を回転子推定手段に出力することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。 The induced voltage detection means is
Input half the power supply voltage
At startup, compare the induced voltage generated in the stator winding with a predetermined threshold,
At the time of steady operation, the induced voltage generated in the stator winding is compared with the threshold value of 1/2 of the power supply voltage,
5. The brushless DC motor driving apparatus according to claim 1, wherein the comparison result signal is output to a rotor estimating means. 請求項１乃至５のいずれかに記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置を搭載した換気送風装置。
A ventilation blower equipped with the brushless DC motor driving device according to any one of claims 1 to 5.
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