JP6798330B2

JP6798330B2 - モータ制御装置、及びモータ制御方法

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Publication number: JP6798330B2
Application number: JP2017013423A
Authority: JP
Inventors: 謙治山下
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2037-01-27
Also published as: JP2018121501A

Description

本発明は、第１の電源ラインと第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で、直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータを制御して三相モータを駆動するモータ制御装置、及びこのようなモータ制御方法に関する。

従来、三相ブラシレスモータ（以下「三相モータ」）の駆動中に、回転センサを用いることなく三相モータの回転を検出し、更に三相モータが脱調状態であるか否かを判定する技術が利用されてきた。この種の技術として、下記に出典を示す特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載のセンサレス制御装置は、三相モータの相電圧と相電流とから三相モータの一次磁束の角速度を算出し、算出された一次磁束の角速度が、三相モータが正常回転を行う際に示す値の領域に収まるか否かに基づいて脱調を検知している。

特開平１１−８９９０号公報

ここで、三相モータを例えば電動ポンプの動力源として用いる場合、液体の有無により負荷が変動する。制御装置（センサレス制御装置）がこのような負荷が変動する三相モータを駆動する場合、正常に回転している状態において無負荷状態であれば回転数が急上昇するが、脱調している状態であっても回転数が急上昇する検出結果を示すので、正常に回転している状態であるのか、脱調している状態であるのかを正確に区別することは困難である。

そこで、三相モータが脱調状態であるか否かを正確に判定することが可能なモータ制御装置、及びこのようなモータ制御方法が求められる。

本発明に係るモータ制御装置の特徴構成は、第１の電源ラインと前記第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で、直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータを制御して三相モータを駆動するモータ制御装置であって、前記３組のアーム部のうちの１つのアーム部が有する前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の双方が開状態となる非通電期間において、前記非通電期間の開始直後に前記非通電期間よりも短い期間で設定されたマスク期間の終了後に前記三相モータの回転数を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記三相モータの回転数が、予め設定された回転数以上であるか否かを判定する回転数判定部と、前記回転数判定部により前記三相モータの回転数が前記予め設定された回転数以上であると判定された時に、前記マスク期間が終了する終了タイミングを早くして前記マスク期間を短縮する短縮部と、前記マスク期間を短縮した場合の前記検出部の検出結果の変化に応じて前記三相モータが脱調状態であるか否かを判定する判定部と、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、三相モータによっては、センサレス制御が高速に転流してしまう脱調状態の回転数と無負荷状態での正常回転時の回転数とが同じ程度となるが、三相モータの回転数が無負荷状態での正常回転時の回転数に至った際に、センサレス制御のマスク期間を短縮してマスク期間の解除タイミングを早めることで脱調時の回転数を上昇させ、無負荷状態での正常回転時と区別することが可能となる。したがって、ＢＥＭＦ（back electromotive force）方式のセンサレスモータにおいて、三相モータが脱調状態であるか否かを正確に判定し、簡単に脱調状態を検知することが可能となる。

また、前記判定部は、前記マスク期間の短縮に応じて、前記検出部の検出結果の変化が前記三相モータの回転数が増大したことを示す場合に前記三相モータが脱調状態であると判定すると好適である。

このような構成とすれば、センサレス制御において、脱調状態と無負荷状態での正常回転状態とを回転数のみで判定することが可能となる。

また、本発明に係るモータ制御方法の特徴構成は、第１の電源ラインと前記第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で、直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータを制御して三相モータを駆動するモータ制御方法であって、前記３組のアーム部のうちの１つのアーム部が有する前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の双方が開状態となる非通電期間において、前記非通電期間の開始直後に前記非通電期間よりも短い期間で設定されたマスク期間の終了後に前記三相モータの回転数を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて検出された前記三相モータの回転数が、予め設定された回転数以上であるか否かを判定する回転数判定ステップと、前記回転数判定ステップにおいて前記三相モータの回転数が前記予め設定された回転数以上であると判定された時に、前記マスク期間が終了する終了タイミングを早くして前記マスク期間を短縮する短縮ステップと、前記マスク期間を短縮した場合の前記検出ステップにおける検出結果の変化に応じて前記三相モータが脱調状態であるか否かを判定する判定ステップと、を備えている点にある。

このように構成されたモータ制御方法も上述した本発明の対象としてのモータ制御装置と比べて、実質的な特徴構成には相違はなく、上述した作用効果を得ることが可能である。

また、前記判定ステップは、前記マスク期間の短縮に応じて、前記検出ステップにおける検出結果の変化が前記三相モータの回転数が増大したことを示す場合に前記三相モータが脱調状態であると判定すると好適である。

モータ制御装置の構成を模式的に示したブロック図である。通電期間及び非通電期間の説明図である。脱調状態であるか否かの判定フローである。

本発明に係るモータ制御装置は、三相モータが脱調状態であるか否かを正確に判定することができるように構成される。以下、本実施形態のモータ制御装置１について説明する。

図１は、モータ制御装置１の構成を模式的に示したブロック図である。モータ制御装置１は、ＰＷＭ制御部１０、ドライバ２０、インバータ３０、検出部４０、回転数判定部５０、短縮部６０、判定部７０を備えて構成される。

ＰＷＭ制御部１０は、ＰＷＭ信号を生成し、後述するインバータ３０をＰＷＭ制御する。ＰＷＭ信号によるＰＷＭ制御は、公知であるので説明は省略する。

ドライバ２０は、ＰＷＭ制御部１０とインバータ３０との間に設けられ、ＰＷＭ制御部１０により生成されたＰＷＭ信号が入力される。ドライバ２０は、入力されたＰＷＭ信号のドライブ能力を向上し、インバータ３０に出力する。

インバータ３０は、三相モータＭに流れる電流を制御して、三相モータＭを駆動する。本実施形態では、三相モータＭは図１に示されるようにスター結線により構成されたものを例に挙げるが、デルタ結線により構成されたものであっても良い。

また、インバータ３０は、第１の電源ライン２と当該第１の電源ライン２の電位よりも低い電位に接続される第２の電源ライン３との間で、直列に接続されたハイサイドスイッチング素子ＱＨとローサイドスイッチング素子ＱＬとを有するアーム部Ａを３組備えている。第１の電源ライン２とは、電源Ｖに接続されるケーブルである。第１の電源ライン２の電位よりも低い電位に接続される第２の電源ライン３とは、電源Ｖの出力電圧よりも低い電位が印加されたケーブルであり、本実施形態では接地されたケーブルが相当する。

本実施形態では、ハイサイドスイッチング素子ＱＨはＰ−ＭＯＳＦＥＴを用いて構成され、ローサイドスイッチング素子ＱＬはＮ−ＭＯＳＦＥＴを用いて構成される。ハイサイドスイッチング素子ＱＨは、ソース端子が第１の電源ライン２に接続され、ドレーン端子がローサイドスイッチング素子ＱＬのドレーン端子に接続される。ローサイドスイッチング素子ＱＬのソース端子は第２の電源ライン３に接続される。このように接続されたハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬでアーム部Ａを構成し、インバータ３０はこのアーム部Ａを３組備える。

ハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬの夫々のゲート端子はドライバ２０と接続され、上述したドライブ能力が向上されたＰＷＭ信号が入力される。また、各アーム部Ａのハイサイドスイッチング素子ＱＨのドレーン端子は、三相モータＭが有する３つの端子に夫々接続される。

検出部４０は、３組のアーム部Ａのうちの１つのアーム部Ａが有するハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬの双方が開状態となる非通電期間において、非通電期間の開始直後に非通電期間よりも短い期間で設定されたマスク期間の終了後に三相モータＭの回転数を検出する。

ここで、図２には通電期間と非通電期間の説明図が示される。図２には、インバータ３０が有する３組のアーム部Ａのうち、１つのアーム部Ａを構成するハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬの導通状態が示される。上述したように、ハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬはＰＷＭ信号で制御されるが、本実施形態ではハイサイドスイッチング素子ＱＨはＰ−ＭＯＳＦＥＴで構成されるため、ＰＷＭ信号は図２の最上段の波形を反転したものとなる。また、図２には、図１においてＶＵで示した箇所の電圧波形も示される。

通電期間は、３組のアーム部Ａのうちの１つのアーム部Ａが有するハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬのうちの一方が閉状態となる期間である。「ハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬのうちの一方が閉状態となる」とは、ハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬのうちの一方が導通状態となることを意味する。具体的には、図２の例にあっては、時間ｔ１から時間ｔ２までの間、時間ｔ３から時間ｔ４までの間、時間ｔ５から時間ｔ６までの間、時間ｔ７から時間ｔ８までの間が相当する。これらの期間は、３組のアーム部Ａのうちの１つのアーム部Ａが有するハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬのうちの一方が通電された状態であることから、通電期間と称される。

非通電期間は、３組のアーム部Ａのうちの１つのアーム部Ａが有するハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬの双方が開状態となる期間である。「ハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬの双方が閉状態となる」とは、ハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬの双方が導通していない状態となることを意味する。具体的には、図２の例にあっては、時間ｔ２から時間ｔ３までの間、時間ｔ４から時間ｔ５までの間、時間ｔ６から時間ｔ７までの間が相当する。これらの期間は、３組のアーム部Ａのうちの１つのアーム部Ａが有するハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬの双方が通電されていない状態であることから、非通電期間と称される。

このような非通電期間には、通電期間からの移行直後にサージが発生する。そこで、非通電期間の開始直後に非通電期間よりも短い期間でマスク期間が設定される。「非通電期間よりも短い期間でマスク期間が設定される」とは、マスク期間は、非通電期間の全てに亘って設定されるわけではなく、非通電期間の一部においてのみ設定されることを意味する。特に、マスク期間は、位置検出（ゼロクロス検出）後から開始し、次の位置検出前までに解除される。図２には、マスク期間の一例が示される。検出部４０は、このマスク期間の終了後に三相モータＭの回転数を検出することで、サージの影響を受けることなく検出することが可能となる。

なお、検出部４０は、三相モータＭに流れるモータ電流に基づいて、三相モータＭのロータ（図示せず）の位置を検出する。本実施形態では、検出部４０は、上述した各アーム部Ａのハイサイドスイッチング素子ＱＨのドレーン端子と三相モータＭが有する３つの端子の夫々とを接続するケーブルに、抵抗器Ｒを介して接続される。また、スター結線の中性点とも抵抗器Ｒを介して接続される。このように接続されることにより、検出部４０はモータ電流を検出し、ロータの位置を検出（算定）する。この検出については、公知であるので説明は省略する。検出部４０は、ロータの位置に基づき、三相モータＭの回転数を検出する。検出部４０の検出結果は、ＰＷＭ制御部１０に伝達され、ＰＷＭ制御部１０はＰＷＭ制御に利用する。また、検出部４０の検出結果は、後述する回転数判定部５０にも伝達される。

このような３組のアーム部Ａのうちの１つのアーム部Ａが有するハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬの双方が開状態となる非通電期間において、非通電期間の開始直後に非通電期間よりも短い期間で設定されたマスク期間の終了後に三相モータＭの回転数を検出するステップは、モータ制御方法における検出ステップに相当する。

回転数判定部５０は、検出部４０により検出された三相モータＭの回転数が、予め設定された回転数以上であるか否かを判定する。上述したように、検出部４０は三相モータＭの回転数を検出し、回転数判定部５０に検出結果を伝達する。「予め設定された回転数」とは、三相モータＭが無負荷状態である場合の回転数である。あるいは三相モータＭの負荷が所定値以下となる軽負荷状態である場合の回転数であっても良い。このような回転数は、予め設定され、回転数判定部５０或いは記憶部（図示せず）に記憶される。したがって、回転数判定部５０は、検出部４０から伝達された三相モータＭの回転数が、予め設定され、記憶されている三相モータＭが無負荷状態（あるいは軽負荷状態）である場合の回転数以上であるか否かを判定する。回転数判定部５０の判定結果は、後述する短縮部６０に伝達される。

このような検出ステップにおいて検出された三相モータＭの回転数が、予め設定された回転数以上であるか否かを判定するステップは、モータ制御方法における回転数判定ステップに相当する。

ここで、高速に転流してしまう脱調状態の回転数は以下の（１）式を用いて計算することが可能である。
Ｔ６０＝Ｔｍ＋Ｔｂ・・・（１）
ただし、Ｔ６０は脱調時のゼロクロス−ゼロクロス間の時間、Ｔｍはマスク解除時間、Ｔｂは位置検出判定に最低限必要な時間である。（１）式からわかるように、Ｔｍを短くすることによりＴ６０を短くし、脱調時の回転数を上昇させることが可能となる。

そこで、短縮部６０は、回転数判定部５０により三相モータＭの回転数が予め設定された回転数以上であると判定された時に、マスク期間が終了する終了タイミングを早くしてマスク期間を短縮する。上述したように、短縮部６０には回転数判定部５０の判定結果が伝達される。したがって、「回転数判定部５０により三相モータＭの回転数が予め設定された回転数以上であると判定された時」とは、回転数判定部５０による判定結果が、検出部４０により検出された三相モータＭの回転数が予め設定された回転数以上であることを示す判定結果である時を意味する。また、マスク期間とは、上述したように、通電期間から非通電期間に移行直後から開始するように設定される期間である。したがって、短縮部６０は、回転数判定部５０による判定結果が、検出部４０により検出された三相モータＭの回転数が予め設定された回転数以上であることを示す判定結果である時は、通電期間から非通電期間に移行直後から開始するように設定されたマスク期間が早く終了するように、短くする。

このような回転数判定ステップにおいて三相モータＭの回転数が予め設定された回転数以上であると判定された時に、マスク期間が終了する終了タイミングを早くしてマスク期間を短縮するステップは、モータ制御方法における短縮ステップに相当する。

判定部７０は、マスク期間を短縮した場合の検出部４０の検出結果の変化に応じて三相モータＭが脱調状態であるか否かを判定する。判定部７０には、短縮部６０によりマスク期間が短縮されたことを示す情報が伝達される。この情報により判定部７０は、マスク期間が短縮されたことを認識できる。一方、このマスク期間が短縮され場合でも、上述した検出部４０は継続して三相モータＭの回転数を検出し、回転数判定部５０は三相モータＭの回転数が予め設定された回転数以上であるか否かを判定している。判定部７０は、マスク期間が短縮された後、回転数判定部５０により三相モータＭの回転数が予め設定された回転数以上であるか否かの判定結果に基づき、三相モータＭが脱調状態であるか否かを判定する。

このようなマスク期間を短縮した場合の検出ステップにおける検出結果の変化に応じて三相モータＭが脱調状態であるか否かを判定するステップは、モータ制御方法における判定ステップに相当する。

特に、本実施形態では、判定部７０は、マスク期間の短縮に応じて、検出部４０の検出結果の変化が三相モータＭの回転数が増大したことを示す場合に三相モータＭが脱調状態であると判定する。すなわち、短縮部６０によりマスク期間が短縮された後、回転数判定部５０の判定結果が、三相モータＭの回転数がこれまでの回転数（マスク期間の短縮前の回転数）よりも増大したことを示す場合に、判定部７０は三相モータＭが脱調状態であると判定する。

このように判定ステップは、マスク期間の短縮に応じて、検出ステップにおける検出結果の変化が三相モータＭの回転数が増大したことを示す場合に三相モータＭが脱調状態であると判定するステップとなる。

次に、モータ制御装置１による脱調状態であるか否かの判定処理を図３のフローチャートを用いて説明する。まず、回転数判定部５０により三相モータＭが所定回転数以上で等速運転中であるか否かが判定される（ステップ＃０１）。三相モータＭが所定回転数以上で等速運転中であると判定されると（ステップ＃０１：Ｙｅｓ）、短縮部６０がマスク期間を短縮する（ステップ＃０２）。

短縮部６０によりマスク期間が短縮された後、検出部４０により検出された三相モータＭの回転数が、上昇している場合には（ステップ＃０３：Ｙｅｓ）、判定部７０は三相モータＭが脱調状態であると判定する（ステップ＃０４）。ステップ＃０３において、短縮部６０によりマスク期間が短縮された後、検出部４０により検出された三相モータＭの回転数が、上昇しておらず（ステップ＃０３：Ｎｏ）、且つ、三相モータＭの回転数に変化がない場合には（ステップ＃０５：Ｙｅｓ）、判定部７０は三相モータＭが正常状態（非脱調状態）であると判定する（ステップ＃０６）。ステップ＃０５において、三相モータＭの回転数に変化がある場合には（ステップ＃０５：Ｎｏ）、ステップ＃０１に戻り処理が継続される。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、ハイサイドスイッチング素子ＱＨはＰ−ＭＯＳＦＥＴを用いて構成され、ローサイドスイッチング素子ＱＬはＮ−ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されるとして説明したが、ハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬは、他のスイッチング素子を用いて構成することも可能である。

本発明は、第１の電源ラインと第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で、直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータを制御して三相モータを駆動するモータ制御装置、及びこのようなモータ制御方法に用いることが可能である。

１：モータ制御装置
２：第１の電源ライン
３：第２の電源ライン
３０：インバータ
４０：検出部
５０：回転数判定部
６０：短縮部
７０：判定部
Ａ：アーム部
ＱＨ：ハイサイドスイッチング素子
ＱＬ：ローサイドスイッチング素子
Ｍ：三相モータ

Claims

第１の電源ラインと前記第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で、直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータを制御して三相モータを駆動するモータ制御装置であって、
前記３組のアーム部のうちの１つのアーム部が有する前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の双方が開状態となる非通電期間において、前記非通電期間の開始直後に前記非通電期間よりも短い期間で設定されたマスク期間の終了後に前記三相モータの回転数を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記三相モータの回転数が、予め設定された回転数以上であるか否かを判定する回転数判定部と、
前記回転数判定部により前記三相モータの回転数が前記予め設定された回転数以上であると判定された時に、前記マスク期間が終了する終了タイミングを早くして前記マスク期間を短縮する短縮部と、
前記マスク期間を短縮した場合の前記検出部の検出結果の変化に応じて前記三相モータが脱調状態であるか否かを判定する判定部と、
を備えるモータ制御装置。
前記判定部は、前記マスク期間の短縮に応じて、前記検出部の検出結果の変化が前記三相モータの回転数が増大したことを示す場合に前記三相モータが脱調状態であると判定する請求項１に記載のモータ制御装置。
第１の電源ラインと前記第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で、直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータを制御して三相モータを駆動するモータ制御方法であって、
前記３組のアーム部のうちの１つのアーム部が有する前記ハイサイドスイッチング素子及び前記ローサイドスイッチング素子の双方が開状態となる非通電期間において、前記非通電期間の開始直後に前記非通電期間よりも短い期間で設定されたマスク期間の終了後に前記三相モータの回転数を検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出された前記三相モータの回転数が、予め設定された回転数以上であるか否かを判定する回転数判定ステップと、
前記回転数判定ステップにおいて前記三相モータの回転数が前記予め設定された回転数以上であると判定された時に、前記マスク期間が終了する終了タイミングを早くして前記マスク期間を短縮する短縮ステップと、
前記マスク期間を短縮した場合の前記検出ステップにおける検出結果の変化に応じて前記三相モータが脱調状態であるか否かを判定する判定ステップと、
を備えるモータ制御方法。
前記判定ステップは、前記マスク期間の短縮に応じて、前記検出ステップにおける検出結果の変化が前記三相モータの回転数が増大したことを示す場合に前記三相モータが脱調状態であると判定する請求項３に記載のモータ制御方法。