JP6457410B2 - 3相ブラシレスモータの駆動装置及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明に係る3相ブラシレスモータの駆動装置の一例として、エンジンの冷却システムにおいて、冷媒を圧送する電動ウォータポンプの駆動源である3相ブラシレスモータに適用した例を示す。
ブラシレスモータ100は、3相DC(Direct Current)ブラシレスモータであり、スター結線したU相、V相及びW相の3相巻線110u、110v、110wを、図示省略した円筒状のステータ(固定子)に備え、該ステータの中央部に形成した空間にロータ(永久磁石回転子)120を回転可能に備えている。
モータ駆動回路210は、逆並列のダイオード212a〜212fを含んでなるスイッチング素子214a〜214fを3相ブリッジ接続した回路を有しており、電源230と接続されている。スイッチング素子214a〜214fは、例えば、FET又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、電力制御の用途に用いられる半導体素子で構成されている。
制御ユニット220は、U相巻線110uの端子112uにおける端子電圧Vu、V相巻線110vの端子112vにおける端子電圧Vv、及びW相巻線110wの端子112wにおける端子電圧Vwを検出できるように構成されている。
なお、端子電圧Vu,Vv,Vwは、厳密には、各端子112u,112v,112wとグランドGNDとの間の電圧であるが、本実施形態では、中性点の電圧を検出し、各端子112u,112v,112wとグランドGNDとの間の電圧から中性点の電圧を減算した値を端子電圧Vu,Vv,Vwとしている。
PWM制御においては、三角波で設定されるキャリア信号の値(電圧レベル)と、印加電圧の指令値に基づいて設定される指示信号の値(電圧レベル)と、を比較してPWM信号を生成することで、各スイッチング素子214a〜214fをオン・オフさせるタイミングを検出している。
制御ユニット220は、印加電圧演算部232、PWM信号生成部234、ゲート信号切替部236、通電モード決定部238、比較部240、電圧閾値切替部242、電圧閾値学習部244、非通電相電圧選択部246を備えている。
したがって、前述のように、第1通電モードM1で通電した場合に合成磁束φが生じると推定される推定角度を0degとした場合、電圧閾値は、第3通電モードM3から第4通電モードM4への切り替えでは、ロータ120の磁極の角度位置(磁極位置)が60degであるときに検出されるパルス誘起電圧VM3で設定され、第4通電モードM4から第5通電モードM5への切り替えでは、ロータ120の磁極位置が120degであるときに検出されるパルス誘起電圧VM4で設定され、第5通電モードM5から第6通電モードM6への切り替えでは、ロータ120の磁極位置が180degであるときに検出されるパルス誘起電圧VM5で設定され、第6通電モードM6から第1通電モードM1への切り替えでは、ロータ120の磁極位置が240degであるときに検出されるパルス誘起電圧VM6で設定され、第1通電モードM1から第2通電モードM2への切り替えでは、ロータ120の磁極位置が300degであるときに検出されるパルス誘起電圧VM1で設定されている。
非通電相電圧選択部246は、通電モード決定部238の出力であるモード指令信号と、PWM信号生成部234の出力であるPWM信号と、に基づいて、スイッチング素子214a〜214fのうち上アーム側及び下アーム側のそれぞれがオンとなっている期間を検出したうえで、この期間中に非通電相の端子電圧を検出する。
非通電相のパルス誘起電圧は、ブラシレスモータ100の製造ばらつき、電圧検出回路の検出ばらつきなどによって変動するため、電圧閾値を固定してしまうと通電モードの切り替えタイミングを誤って判定する可能性がある。
そこで、電圧閾値学習部244は、ロータ120の磁極が通電モードの切り替えを行う所定の角度位置にあるときにパルス誘起電圧を検出し、当該検出結果に基づいて電圧閾値切替部242が記憶する電圧閾値を修正する電圧閾値の学習処理を実施する。
ここで、ロータ120の初期位置は、ブラシレスモータ100を起動する際に、ロータ120の停止状態における磁極位置、あるいは、初期位置推定処理を開始したときのロータ120の磁極位置(例えば、N極の位置)をいう。
初期位置推定処理を実施する条件としては、駆動指令が生じたときに、初期位置推定処理の開始から完了までの間に初期位置の推定に影響を与えるほどにロータ120が慣性回転していないことである。例えば、ブラシレスモータ100の回転速度が所定速度以下であること、あるいは、ロータ120が回転することによって発生する誘起電圧(速度起電圧)が所定電圧以下であることを条件としてもよい。
なお、制御ユニット220は、ステップS1002において初期位置推定処理を実施する条件が成立していないと判断した場合、初期位置の推定が不能であると判断し、所定の通電モードで強制的な通電を連続的に行ってロータ120の回転速度を所定速度以下に低下させる回転速度低下処理を実施してもよい。かかる回転速度低下処理を実施した場合には、再度ステップS1002を実施して、初期位置推定処理を実施する条件が成立しているか否かを判断する。
駆動開始処理の実施によりロータ120の回転が開始することでブラシレスモータ100が起動し、ステップS1004において、前述したセンサレス制御、つまり、低回転速度域では矩形波駆動方式、高回転速度域では正弦波駆動方式でブラシレスモータ100を駆動する。
初期位置推定処理の概略から説明する。まず、各通電モードによる通電を順次行ったときに、非通電相(開放相)に生じるパルス誘起電圧VM1、VM2、VM3、VM4、VM5又はVM6を検出し、非通電相が共通する2つの通電モード間でパルス誘起電圧の差分をそれぞれ算出する。換言すれば、ブラシレスモータ100の任意の2相のうち一方の電流が正となる通電が行われるときに検出される非通電相のパルス誘起電圧と上記一方の電流が負となる通電が行われるときに検出される非通電相のパルス誘起電圧との差分である誘起電圧差について、各相を非通電相にして3つのパルス誘起電圧差を演算する。演算された3つのパルス誘起電圧の差分の大小関係に基づいて、電気角1周期分を6等分した6つの角度領域のうち、ロータ120の初期位置を含むと推定される2つの角度領域を選択する。2つの角度領域を選択した後、後述する所定の制御処理を行うことで、2つの角度領域のうち、ロータ120の初期位置を含む1つの角度領域を特定する。
また、第6通電モードM6での合成磁束φの推定角度と第4通電モードM4での合成磁束φの推定角度とは120deg異なり、第1通電モードM1での合成磁束φの推定角度と第5通電モードM5での合成磁束φの推定角度とは120deg異なる。
2つの通電モード間で合成磁束φの推定角度が離れるにつれて、通電モードの切り替え時にロータ120に対する磁気吸引力も小さくなるので、初期位置推定処理におけるパルス誘起電圧の検出・記憶では、例えば、第3通電モードM3→第6通電モードM6→第4通電モードM4→第1通電モードM1→第5通電モードM5→第2通電モードM2の順で通電モードの切り替えを行ってもよい。
D1-4=VM1−VM4
D5-2=VM5−VM2
D3-6=VM3−VM6
図9(g)において、例えば、ロータ120の磁極位置が約15〜約75degの角度領域(以下、便宜上、「角度領域R30」という。以下同様)では、第1通電モードM1でのパルス誘起電圧VM1から第4通電モードM4でのパルス誘起電圧VM4を減算した誘起電圧差D1-4が、誘起電圧差D5-2及び誘起電圧差D3-6よりも大きく最大値となっていることがわかる。
また、ロータ120の磁極位置が約195deg〜約255degの角度領域(角度領域R210)では、再び、誘起電圧差D1-4が最大値となり、ロータ120の磁極位置が約255deg〜約315degの角度領域(角度領域R270)では、再び、誘起電圧差D5-2が最大値となり、ロータ120の磁極位置が約315deg〜約15degの角度領域(角度領域R330)では、再び、誘起電圧差D3-6が最大値となる。
一方、制御ユニット220は、ステップS2021で、誘起電圧差D1-4が最大値Dmaxでないと判断した場合にはステップS2030へ進み(No)、誘起電圧差D5-2が最大値Dmaxであるか否かを判定する。
一方、制御ユニット220は、ステップS2030で、誘起電圧差D5-2が最大値Dmaxでないと判定した場合にはステップS2039へ進み(No)、誘起電圧差D3-6が最大値Dmaxであるか否かを判定する。
一方、制御ユニット220は、ステップS2039で、誘起電圧差D3-6が最大値Dmaxでないと判定した場合には、誘起電圧差D1-4,D5-2,D3-6のうちのいずれが最大値Dmaxであるかを判定できないことを意味するため、非通電相に生じるパルス誘起電圧VM1、VM2、VM3、VM4、VM5及びVM6のデータを再度取得すべく、ステップS2001へ戻る(No)。
図10(a)に示すように、誘起電圧差D1-4が最大値Dmaxである場合、初期位置領域Rとして2つの角度領域R30及びR210が選択される。
これに対し、初期位置領域Rを1つの角度領域に特定するための通電モードである特定通電モード(所定通電モード)として第3通電モードM3で通電を行うと、角度領域R30と角度領域R210との間に推定角度120degの合成磁束φが生じ(図4(c)参照)、ロータ120の磁極は、初期位置から推定角度120degの合成磁束φへ引き寄せられて回転を始める。
したがって、特定通電モード(M3)の通電で、パルス誘起電圧VM3の検出値が減少すれば、ロータ120の初期位置は2つの角度領域R30又はR210のうち角度領域R30に含まれると推定することができ、一方、パルス誘起電圧VM3の検出値が増加すれば、ロータ120の初期位置は2つの角度領域R30又はR210のうち角度領域R210に含まれると推定することができ、これにより、初期位置領域Rを1つに特定することが可能となる。
例えば、所定時間tは、ロータ120の初期位置が2つの角度領域R30又はR210のうちいずれの角度領域に含まれるかを明確に判定するために、ロータ120が正回転方向に回転したときに第3通電モードM3で通電したときの非通電相に生じたパルス誘起電圧VM3が単調に増加し、又は、ロータ120が逆回転方向に回転したときにパルス誘起電圧VM3が減少する角度範囲内で、ロータ120の回転が収まるように設定することができる。
下限電圧は、冷却システムにおける冷却水の温度が高い等、ブラシレスモータ100の負荷が最も軽くなると想定される状況で、ロータ120を回転させることができる下限の電圧である。かかる下限電圧を特定通電モードにおける印加電圧として算出される特定通電デューティ比は、前述のパルス誘起電圧VM3を検出可能な最小のデューティ比として設定されてもよい。
上限電圧は、電動ウォータポンプ26の異物噛み込み、あるいは、冷却システムにおける冷却水の凍結等、ブラシレスモータ100の耐熱保護等の観点から通電が制限される電圧である。
なお、印加電圧演算部232は、パルス誘起電圧VM3の変化が生じるまで印加電圧を段階的に上昇させる代わりに、印加電圧を徐々に(連続的に)上昇させるようにしてもよい。
駆動開始処理では、初期位置推定処理によりロータ120の初期位置が含まれると推定される初期位置領域Rに応じて通電モードを決定し、この通電モードで強制的に所定時間Tの通電を行う。
要するに、制御ユニット220は、初期位置推定処理の終了後に、第1開始通電モードから第N開始通電モード(Nは1以上の整数)まで通電モードを所定時間T毎に順次切り替えて(切り替える場合はN≧2)、第N開始通電モードによる通電が終了したときに、センサレス制御によるブラシレスモータ100の駆動を円滑に開始できればよい。
所定時間Tは、開始通電デューティ比の設定値に応じて設定され、ロータ120の磁極位置が、第1開始通電モード(M4)の通電終了時に、第4通電モードM4から第5通電モードM5への切り替え角度である120degを超えず、かつ、第2開始通電モード(M5)の通電終了時に、第5通電モードM5から第6通電モードM6への切り替え角度である180degを超えないような時間である。
また、制御ユニット220は、ステップS2029において、第1開始通電モードとしての第5通電モードM5による所定時間Tの通電を行った後、第1開始通電モードの次の通電モード(以下、「第2開始通電モード」という)として第6通電モードM6に切り替えて、第6通電モードM6による所定時間Tの通電を行う。なお、制御ユニット220が、第1開始通電モードから第N開始通電モード(Nは1以上の整数)までの通電を行うことができるのは、ステップS2028と同様である。
また、図16に示すように、ロータ120を正回転方向に回転させるべく、第1開始通電モードとして、初期位置領域Rを超えた推定角度300degの合成磁束φを発生させる第6通電モードM6を決定することも考えられるが、本実施形態では、敢えて、初期位置領域R中に推定角度240degの合成磁束φを発生させる第5通電モードM5を決定している。その理由は、以下の通りである。
そして、初期位置推定処理の終了後、ロータ120を正回転方向に回転させるべく、角度領域R210に誤特定された初期位置領域Rを超えた角度位置に合成磁束φを発生させる第6通電モードM6を第1開始通電モードとして決定して通電を行うと、特定通電モードによる通電でロータ120が回転した回転後の磁極位置が、第3通電モードM3による通電で生じた合成磁束φの推定角度120degを超えている可能性は比較的低いため、ロータ120が逆回転方向に回転してしまうおそれがある。
そして、初期位置推定処理後、ロータ120を正回転方向に回転させるべく、角度領域R30に誤特定された初期位置領域Rを超え、かつ、特定通電モードである第3通電モードの通電で生じた合成磁束φの推定角度を超えた角度位置に合成磁束φを発生させる第4通電モードM4を第1開始通電モードとして決定して通電を行っても、特定通電モードによる通電でロータ129が回転した回転後の磁極位置は、第4通電モードM4の通電により生じた合成磁束φの推定角度180degを超えている可能性は比較的低いため、ロータ120が正回転方向に回転する可能性は高い。
また、前述のステップS2028と同様に、ステップS2046の駆動開始処理では、ステップS2044で角度領域R150に特定された初期位置領域Rに応じて、第1開始通電モードとしての第6通電モードM6で所定時間Tの通電を行い、さらに、第2開始通電モードとしての第1通電モードM1で所定時間Tの通電を行う。
また、前述のステップS2029と同様に、ステップS2047の駆動開始処理では、ステップS2045で角度領域R330に特定された初期位置領域Rに応じて、第1開始通電モードとしての第1通電モードM1で所定時間Tの通電を行い、さらに、第2開始通電モードとしての第2通電モードM2で所定時間Tの通電を行う。
制御ユニット220は、前述の実施形態と同様に、初期位置推定処理において、特定通電モードの通電により非通電相に生じたパルス誘起電圧に基づいて、初期位置領域Rを1つの角度領域に特定している。しかし、本変形例では、誘起電圧差D1-4,D5-2,D3-6の最小値Dminに基づいて、ロータ120の初期位置が1つの角度領域に特定された初期位置領域Rの前半又は後半のいずれにあるかを示す最小初期位置領域Rminをさらに判別し、駆動開始処理において、第1開始通電モード及び第2開始通電モードの各開始通電モードの通電時間を規定する所定時間Tを、判別された最小初期位置領域Rminに応じて設定している点で前述の実施形態と異なる。
また、制御ユニット220は、ステップS2028a〜ステップS2028cにおいて、前述のステップS2028と同様に、第2開始通電モードとして第5通電モードM5による所定時間Tの通電を行う。なお、制御ユニット220が、第1開始通電モードから第N開始通電モード(Nは1以上の整数)までの通電を行うことができるのは、ステップS2028と同様である。
すなわち、図22及び図23に示すように、初期位置領域Rが角度領域R30(例えば、15deg〜75deg)に特定された場合に、特定通電モード(第3通電モードM3)の通電により初期位置から回転したロータ120の磁極位置は、さらに、第1開始通電モードの通電(第4通電モードM4)による回転、及び、第2開始通電モード(第5通電モードM5)の通電による回転で移動する。
なお、所定時間TaMは、所定時間TaH又は所定時間TaLのいずれか一方と等しくなるように設定してもよい(所定時間TaH≦所定時間TaM<所定時間TaLあるいは所定時間TaH<所定時間TaM≦所定時間TaL)。
図21(b)において、ステップS2027で初期位置領域Rを角度領域R210に特定した場合には、ステップS2029a〜ステップS2029cの駆動開始処理における第1開始通電モード(M5)及び第2開始通電モード(M6)の通電時間をそれぞれ規定する所定時間TbL,TbH,TbMは、ステップS2027Hで最小初期位置領域Rminが角度領域R210の後半の角度領域R210Hであると判別されたときの所定時間TbHよりも、ステップS2027Lで最小初期位置領域Rminが角度領域R210の前半の角度領域R210Lであると判別されたときの所定時間TbLの方が長くなるように設定され、所定時間TbH<所定時間TbM<所定時間TbLとなる。
しかし、図15に示すように、特定通電モードの通電による合成磁束φの推定角度が初期位置領域Rに対して正回転方向に位置する場合と、図16に示すように、特定通電モードの通電による合成磁束φの推定角度が初期位置領域Rに対して逆回転方向に発生する場合とで、特定通電モードの通電によりロータ120が回転した回転後の磁極位置と第1開始通電モードの通電により生じる合成磁束φの推定角度との角度偏差に差異があることも考えられる。
そこで、特定通電モードの通電による合成磁束φの推定角度が、初期位置領域Rに対して正回転方向に位置する場合の所定時間TaL,TcL,TeLと、特定通電モードの通電による合成磁束φの推定角度が、初期位置領域Rに対して逆回転方向に位置する場合の所定時間TbL,TdL,TfLと、を異なる値に設定してもよい。所定時間TaH,TcH,TeHと所定時間TbH,TdH,TfHとの間についても同様である。
ここで、図24に示すように、特定通電モードとして第6通電モードM6で通電したとき、角度領域R210では非通電相に生じたパルス誘起電圧VM6はロータ120が正回転方向に回転したときに単調に増加し、角度領域R30では非通電相に生じたパルス誘起電圧VM6はロータ120が逆回転方向に回転したときに単調に減少することが既知である。
したがって、ステップS2024で非通電相であるU相に生じたパルス誘起電圧VM6を複数回取得して、ステップS2025でパルス誘起電圧VM6が減少していると判定された場合には初期位置領域Rを角度領域R30に特定する一方、ステップS2025でパルス誘起電圧VM6が増加していると判定された場合には初期位置領域Rを角度領域R210に特定することができる。
ここで、図25に示すように、特定通電モードとして第5通電モードM5で通電したとき、角度領域R30及び角度領域R210において、非通電相に生じるパルス誘起電圧VM5はロータ120が正回転方向あるいは逆回転方向に回転したとき同様に変化することが既知である。
また、第5通電モードM5により合成磁束φの推定角度(240deg)は角度領域R210に含まれ、ロータ120の初期位置が角度領域R210に含まれる場合には、ロータ120は240degで殆ど位置決めされた状態となり、ロータ120の初期位置が角度領域R30に含まれる場合と比較すると、パルス誘起電圧VM5の変化も小さくなる可能性が高い。
したがって、ステップS2024で非通電相であるV相に生じたパルス誘起電圧VM5を複数回取得して、ステップS2025でパルス誘起電圧VM5の変化が所定値以上であると判定された場合には初期位置領域Rを角度領域R30に特定する一方、ステップS2025でパルス誘起電圧VM5の変化が所定値未満であると判定された場合には初期位置領域Rを角度領域R210に特定することができる。
例えば、図10において、特定通電モードとして第3通電モードM3の通電を行った場合、角度領域R30の下限(例えば、15deg)から上限(例えば、75deg)までロータ120が回転した場合に対し、角度領域R30の下限(例えば、15deg)から中央(例えば、45deg)までロータ120が回転した場合では、非通電相に生じたパルス誘起電圧VM3の変化量はおよそ半分となる。このように非通電相に生じたパルス誘起電圧VM3の変化量が大きくなるに従って、特定通電モードの通電によるロータ120の回転後の角度位置が、センサレス制御で第5通電モードM5から第6通電モードM6へ切り替える切り替え角度(180deg)により近づく可能性が高い。
そこで、非通電相に生じたパルス誘起電圧VM3の変化量が増大するに従って、第1開始通電モード及び第2開始通電モードの通電によるロータ120の回転量を抑えるべく、所定時間Tと併せて開始通電デューティ比を減少させ、これによりセンサレス制御に移行したときの脱調を抑制すべく、
110u,110v,110w…3相巻線
120…ロータ
200…モータ制御装置
210…モータ駆動回路
220…制御ユニット
φ…合成磁束
M1〜M6…各通電モード
VM1〜VM6…各通電モードにおける非通電相に生じたパルス誘起電圧
D1-4,D5-2,D3-6…誘起電圧差
T,TaL,TbL,TcL,TdL,TeL,TfL,TaH,TbH,TcH,TdH,TeH,TfH…所定時間
Claims (10)
- 3相ブラシレスモータの3相のうち通電する2つの相を選択する6通りの通電モードを順次切り替えてセンサレス制御を行う、3相ブラシレスモータの駆動装置であって、
前記センサレス制御を行う前に、前記6通りの通電モードによる通電を行って開放相に発生する6つの第1誘起電圧を検出し、前記6つの第1誘起電圧のうち開放相を共通にする2つの通電モードによる通電で検出された2つの第1誘起電圧の差分である誘起電圧差を、各相を開放相として演算して3つの誘起電圧差を取得し、前記3つの誘起電圧差の大小関係に応じた所定の通電モードで通電してロータを回転させたときに検出された開放相の第2誘起電圧の変化に基づいて前記ロータの初期位置を推定する、3相ブラシレスモータの制御装置。 - 前記3つの誘起電圧差に基づいて前記ロータの初期位置を含むと推定される2つの角度領域を選択し、前記第2誘起電圧の変化に基づいて前記2つの角度領域を1つの角度領域に特定することで、前記ロータの初期位置を推定する、請求項1に記載の3相ブラシレスモータの駆動装置。
- 前記第2誘起電圧が増加した場合、前記ロータの初期位置を前記2つの角度領域の一方に特定し、前記第2誘起電圧が減少した場合、前記ロータの初期位置を前記2つの角度領域の他方に特定する、請求項2に記載の3相ブラシレスモータの駆動装置。
- 前記2つの角度領域は、前記3つの誘起電圧差のうち最大値となるものに基づいて選択される、請求項2又は請求項3に記載の3相ブラシレスモータの駆動装置。
- 前記所定の通電モードは、前記3つの誘起電圧差のうち最大値となるものに基づいて決定される、請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の3相ブラシレスモータ。
- 前記所定の通電モードで通電して前記ロータを回転させるとき、検出される前記第2誘起電圧に変化が生じるまで前記3相ブラシレスモータに対する印加電圧を増加させる、請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の3相ブラシレスモータの駆動装置。
- 前記1つの角度領域が、前記所定の通電モードで通電することで励磁される合成磁束の推定角度に対して逆回転方向にある場合には、前記所定の通電モードを、前記6通りの通電モードにおける前記所定の通電モードの次の通電モードに切り替える一方、前記1つの角度領域が、前記推定角度に対して正回転方向にある場合には、前記所定の通電モードを、前記次の通電モードを1つ飛ばした2番目の通電モードに切り替える、請求項2〜請求項4のいずれか1つに記載の3相ブラシレスモータの駆動装置。
- 前記所定の通電モードを前記次の通電モード又は前記2番目の通電モードに切り替えてから少なくとも1回目の通電モードまでは所定時間の通電を行う、請求項7に記載の3相ブラシレスモータの駆動装置。
- 前記3つの誘起電圧差のうち最小値となるものに基づいて、前記1つの角度領域のうち前記ロータの初期位置を含むと推定される最小角度領域をさらに判別し、前記最小角度領域に応じて前記所定時間を変更する、請求項8に記載の3相ブラシレスモータの駆動装置。
- 3相ブラシレスモータの3相のうち通電する2つの相を選択する6通りの通電モードを順次切り替えてセンサレス制御を行う、3相ブラシレスモータの駆動方法であって、
前記センサレス制御を行う前に、前記6通りの通電モードによる通電を行って開放相に発生する6つの第1誘起電圧を検出することと、
前記6つの第1誘起電圧のうち開放相を共通にする2つの通電モードによる通電で検出された2つの第1誘起電圧の差分である誘起電圧差を、各相を開放相として演算して3つの誘起電圧差を取得することと、
前記3つの誘起電圧差の大小関係に応じた所定の通電モードで通電してロータを回転させたときに開放相の第2誘起電圧を検出することと、
前記第2誘起電圧の変化に基づいて前記ロータの初期位置を推定することと、
を含む、3相ブラシレスモータの駆動方法。
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