(57)【要約】【課題】モータが外力によって回転している場合に、ロータを所定位置に確実に停止させることができるＤＣブラシレスモータの制御手段を提供すること。【解決手段】ＤＣブラシレスモータ１と１つの磁極位置センサ２と、前記ＤＣブラシレスモータ１に供給するインバータ回路３と、スイッチング素子を駆動する駆動手段５と、前記磁極位置センサ２の信号からモータ回転数および減速度の演算を行う演算手段６と、演算手段６の結果に基づき前記駆動手段５が出力する直流励磁の通電幅を制御する通電幅制御手段７とを備え、前記ＤＣブラシレスモータ１の起動前にファンが外力により回転している場合に前記磁極位置センサの出力信号に同期して、２つのパターンの直流励磁信号を切り換え、前記直流励磁の通電幅を減速度に応じて制御することにより、モータの個体差や特性が変化した場合でも確実に制動、停止させることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣブラシレスモータと前記ＤＣブラシレスモータのロータの磁極位置を検出する１つの磁極位置センサと、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、前記スイッチング素子の開閉により直流電圧を交流電圧に変換し、前記ＤＣブラシレスモータに供給するインバータ回路と、前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、前記磁極位置センサの信号からモータ回転数および減速度の演算を行う演算手段と、前記演算手段の結果に基づき前記駆動手段の出力する直流励磁信号の通電幅を制御する通電幅制御手段とを備え、前記駆動手段は、前記ＤＣブラシレスモータの起動前にファンが外力により回転している場合において、前記磁極位置センサの出力信号に同期して、２つのパターンの直流励磁信号を切り換え、前記直流励磁信号の通電幅を減速度に応じて制御することを特徴とするＤＣブラシレスモータの制御装置。
【請求項２】
前記通電幅制御手段は前記演算手段により得られる回転数ｆと減速度ａの関係がａ＜ｆ＊＊２（ｆの自乗）を満足するように直流励磁信号の通電幅を制御することを特徴とする請求項１記載のＤＣブラシレスモータの制御装置。
【請求項３】
前記通電幅制御手段の初期通電幅は外力による初期回転数に応じて変更することを特徴とする請求項１記載のＤＣブラシレスモータの制御装置。
【請求項４】
前記演算手段において回転数および減速度の演算を平均化することを特徴とする請求項１記載のＤＣブラシレスモータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＤＣブラシレスモータの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機の室外ファンの駆動にはＤＣブラシレスモータが多く用いられている。室外ファンは有風時に回転し、その回転方向及び速度は一様ではなく、回転状態でモータを始動させると、回転方向及び回転速度によってはモータに大きな負担がかかる場合があり、最悪破損するおそれがある。
【０００３】
したがって、空気調和機の運転開始時に、室外ファンが回転していたとすれば、その制動、停止、位置決めを行ってから起動させることになる。
【０００４】
一方、ＤＣブラシレスモータは、そのロータの磁極位置を検出するために磁極位置センサが用いられている。室外ファンの制動、停止、位置決めには磁極位置センサの出力に基づいてその方向及び回転数を検知し、これに応じてステータ巻線に供給する電流を制御していた。しかし、従来の駆動装置においては、３個の磁極位置センサを用いていたため、コストを高騰させる一因になっていた。
【０００５】
そこで、特許文献１においては低コスト化を目的として、巻線相数よりも少ない数の磁極位置センサによって、直流励磁または巻線短絡を行うことにより、ロータを所定位置に停止させてからモータを始動する技術について提案されている。
【特許文献１】特開平１０―２９０５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、モータに作用する外力が強い場合には、巻線短絡ではブレーキトルクが弱いためロータを停止させることができない。また、直流励磁は、ロータの位置によってブレーキトルクが作用する場合と作用しない場合とがあるため、直流励磁が弱い場合には、やはりロータを停止させることができず振り切られてしまう。
【０００７】
ロータを確実に停止させるために直流励磁を強くすることも考えられるが、直流励磁を強くするにはモータの巻線に流す電流量を増加させねばならない。巻線に流す電流量を増加させると、ロータを構成する永久磁石が発生させている磁界の向きと逆向きの強い磁界が巻線に発生して、永久磁石を減磁させてしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は始動前にモータが外力によって回転している場合に、ロータを所定位置に確実に停止させることができるＤＣブラシレスモータの制御装置を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために本発明のＤＣブラシレスモータの制御装置は、ＤＣブラシレスモータとＤＣブラシレスモータのロータの磁極位置を検出する１つの磁極位置センサと、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、前記スイッチング素子の開閉により直流電圧を交流電圧に変換し、前記ＤＣブラシレスモータに供給するインバータ回路と、前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、前記磁極位置センサの信号からモータ回転数および減速度の演算を行う演算手段と、前記演算手段の結果に基づき前記駆動手段の出力する直流励磁信号の通電幅を制御する通電幅制御手段とを備え、前記駆動手段は、前記ＤＣブラシレスモータの起動前にファンが外力により回転している場合において、
前記磁極位置センサの出力信号に同期して、２つのパターンの直流励磁信号を切り換え、前記直流励磁信号の通電幅を減速度に応じて制御させるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のＤＣブラシレスモータの制御装置は、ファンが起動前に外的な要因によって回転している場合において、モータの回転方向およびモータの個体差や特性が変化した場合においても駆動回路及びモータに過度の負担をかけることなく、短時間かつ確実にＤＣブラシレスモータの制動・停止が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、ＤＣブラシレスモータとＤＣブラシレスモータのロータの磁極位置を検出する１つの磁極位置センサと、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、スイッチング素子の開閉により直流電圧を交流電圧に変換し、ＤＣブラシレスモータに供給するインバータ回路と、スイッチング素子を駆動する駆動手段と、磁極位置センサの信号からモータ回転数および減速度の演算を行う演算手段と、演算手段の結果に基づき駆動手段が出力する直流励磁信号の通電幅を制御する通電幅制御手段とを備え、駆動手段は、ＤＣブラシレスモータの起動前にファンが外力により回転している場合に、磁極位置センサの出力信号に同期して、２つのパターンの直流励磁信号を切り換え、さらに減速度に応じて直流励磁信号の通電幅を制御することにより、駆動回路及びモータに過度の負担をかけることなく制動・停止を可能とすることができる。
【００１２】
第２の発明は、前記演算手段により得られる回転数ｆと減速度ａの関係がａ＜ｆ2を満足するように直流励磁信号の通電幅を制御することで、モータの個体差や特性が変化した場合でも、モータの回転方向がハンチングすることを防止できるので、より確実に制動・停止させることができる。
【００１３】
第３の発明は、前記通電幅制御手段の初期通電幅を外力による初期回転数に応じて変更することにより、外力の負荷に関わらず、回転方向のハンチングの防止と短時間でモータの制動・停止を実現することができる。
【００１４】
第４の発明は、前記演算手段において回転数および減速度の演算を平均化することにより、モータの減速度の脈動を抑制できるため、より安定したモータの制動・停止を実現することができる。
【００１５】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１６】
（実施の形態１）
以下、本発明を例えば空気調和機の室外機に設けられたファンを駆動するＤＣブラシレスモータに適用した実施の形態１について図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態１におけるＤＣブラシレスモータの制御装置の構成を示したブロック図である。図１において、ＤＣブラシレスモータ１は空気調和機の室外機に設けられる室外ファンの駆動用モータとして用いられ、このＤＣブラシレスモータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各ステータ巻線は中性点Ｎでスター結線され、さらに、ステータには磁極位置センサ２が設けられている。このうち、ステータのＵ、Ｖ、Ｗ相巻線はインバータ回路３に接続され、その接続点をそれぞれＵ、Ｖ、Ｗとする。インバータ回路３はＱｕ、Ｑｖ、Ｑｗ、Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚが３相ブリッジ接続されている。すなわち、スイッチング素子Ｑｕ及びＱｘの直列接続回路と、スイッチング素子Ｑｖ及びＱｙの直列接続回路と、スイッチング素子Ｑｗ及びＱｚの直列接続回路とが並列接続され、その一端が直流電源４の
正極に接続され、他端が直流電源４の負極に接続されている。これらのスイッチング素子Ｑｕ、Ｑｖ、Ｑｗ 、Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚには環流用のダイオードＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗ、Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚがそれぞれ逆並列に接続されている。また、スイッチング素子Ｑｕ、Ｑｖ、Ｑｗ 、Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚを駆動するために、駆動手段５からＳｕ、Ｓｖ、Ｓｗ、Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚの駆動信号が出力される構成となっている。さらに、磁極位置センサ２からの出力信号線は演算手段６に接続され、演算手段６における演算結果に基づき、通電幅制御手段７は駆動手段５に駆動信号の通電幅を指令する構成となっている。
【００１８】
上記のように構成された本実施形態１の動作について以下に説明する。ここで、スイッチング素子Ｑｕ、Ｑｖ、Ｑｗをインバータ回路３の正電圧側のスイッチング素子と称し、スイッチング素子Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚをインバータ回路３の負電圧側のスイッチング素子と称することとする。また、磁極位置センサ２はロータのＮ磁極を検出したときハイレベルの信号を出力し、ロータのＳ磁極を検出したとき、ローレベルの信号を出力するものとする。一方、外力によりモータが回転している場合に、１つの磁極位置センサでは回転方向が不明であるため、所定位置に確実に停止させ、その後、起動させる必要がある。ここで、ロータを停止させる磁極位置について図２〜４を用いて説明する。図２〜４はロータを２極、ステータを３スロットとした場合のＤＣブラシレスモータの内部構造を示している。図２で図示する磁極位置は通常の回転方向（図示した矢印の向き）にロータが回転している場合に磁極位置センサ２がロータのＳ磁極を検出し、ローレベルの信号を出力する磁極位置を表しており、このときの回転角を０°と定義すると、図３、図４の磁極位置はそれぞれ、回転角９０°、２７０°となる。この２つの磁極位置では、１つの磁極位置センサであっても回転方向に関係なく磁極位置が推定可能となる。
【００１９】
次に、図３、図４に示す磁極位置で停止させるための具体的な停止方法について図５を用いて説明する。図５は磁極位置センサ２の信号レベルと、ロータを制動するための直流励磁信号の関係を表している。図中のＷ−Ｙ、Ｖ−Ｚはそれぞれ直流励磁信号のパターンである。この直流励磁信号によりモータ内部に磁界を発生させ制動トルクを発生する。Ｗ−Ｙは図３に示す９０°の磁極位置に、Ｖ−Ｚは図４に示す２７０°の磁極位置に停止させる直流励磁信号である。この２つの直流励磁信号のパターンを図５の示すとおりに磁極位置センサ２の信号レベルの変化に基づいて交互に出力する。図５のＶｉｎｇはこの２つの直流励磁パターンの通電幅を表している。
【００２０】
次に、図６を用いて外力による回転数ｆ０から上記した停止方法により制動をかけたときのファンの回転数の時間変化および磁極位置センサ２の信号を示す。ファンの回転数は磁極位置センサ２の信号周期を演算手段６内部のタイマ（図示せず）により計測した結果により得ることができる。原理上、磁極位置センサ２の信号は離散値であり、演算手段６は図６の直線上のプロット毎にファンの回転数を演算、認識することとなる。また、演算手段６が回転数ｆ１以下を認識した場合、２つの直流励磁信号の切り換えを止め、いずれかの直流励磁信号を出力することで、位置決め（停止）状態となり起動が容易となる。
【００２１】
図７に図６とモータ特性（誘起電圧、巻線抵抗および巻線のインダクタンス等）の異なる場合の回転数の時間変化および磁極位置センサ２の信号を示す。図６で示した直線と比較して、その特性の傾きが異なる。この特性差は温度特性や製造上の個体差によるものである。図６の場合、演算手段６が所定の回転数範囲（０〜ｆ１）で回転数を認識できるため、確実に停止することができる。一方、図７では所定の回転数範囲（０〜ｆ１）内に演算手段６が回転数を認識することができない。図７においては回転数０以下、つまり回転方向が異なった後に認識することになるか、あるいは認識できないこともある。その結果、１つの磁極位置センサでは回転方向が不明なため、図８のように回転方向のハンチング現象に陥ることとなる。このように図６および図７の直線の傾き（以後、減速度と称する）が急峻なほど、ハンチング現象が発生することとなる。
【００２２】
次に、図９を用いてハンチング現象が発生しない減速度の理論値にいて説明する。図９は磁極位置センサ２の信号レベルの変化に対応した時間ｔ、回転数ｆ、減速度ａを定義したものであり、減速度ａ（ｎ）（ｎは自然数）は式１のように表すことができる。
【００２３】
ａ（ｎ）＝（ｆ（ｎ−１）−ｆ（ｎ））／（ｔ（ｎ）−ｔ（ｎ−１））           式１
また、角速度ωと回転角θの関係より、次のような関係式を得る。
【００２４】
Δθ＝∫ωｄｔ＝π（ｆ（ｎ）＋ｆ（ｎ−１））・（ｔ（ｎ＋１）−ｔ（ｎ））   式２
式２において、Δθ=πなので
（ｆ（ｎ）＋ｆ（ｎ＋１））・（ｔ（ｎ＋１）−ｔ（ｎ））                     式３
式１、式３より、
ｆ（ｎ＋１）＝√（ｆ（ｎ）＊＊２−ａ（ｎ））                        式４
式４の解の条件である式５が理論式となる。
【００２５】
ａ（ｎ）＜ｆ（ｎ）＊＊２                                            式５
（ここで、＊＊２は自乗を表す。）
次に、式５の関係を満足するための制御方法について図１０を用いて説明する。図１０は磁極位置センサ２の信号と直流励磁信号の通電幅の関係を示しており、磁極位置センサ２の信号レベルの変化毎に演算手段６において回転数および減速度を監視し、さらにこの結果に基づき通電幅制御手段７において、現在の通電幅Ｖｉｎｇ（ｎ）から次に磁極位置センサ２の信号レベルが変化したときのＶｉｎｇ（ｎ＋１）を次式６に示すように制御する。制御方式としては減速度を、予め設定した目標減速度（ａｓ）となるように比例制御するものである。
【００２６】
Ｖｉｎｇ（ｎ＋１）＝Ｖｉｎｇ（ｎ）−ｋｐ（ａ（ｎ）−ａｓ）  （ｋｐ：比例定数）式６
なお、目標減速度は回転数に応じて式５を満足するよう範囲で任意に変更することも可能である。以上の制御とした場合の回転数および通電幅と時間の関係を図１１に、減速度と回転数の関係を図１２に示す。図１１は目標減速度を固定した場合に回転数および通電幅と時間の関係を示しており、通電幅は初期通電幅であるＶｉｎｇ０から時間ｔｓ経過後にほぼ一定となる（ｔｓ：減速度が目標減速度ａｓに達する時間）。回転数については、時間ｔｓ経過後に減速度（傾き）がａｓで一定となる。この制御は演算手段６が回転数ｆ１以下を認識するまで継続する。
【００２７】
図1２は初期回転数１００ｒｐｍ付近から停止判定回転数fｓ（＝２５ｒｐｍ）まで目標減速度ａｓ（＝３０ｒｐｍ）となるように制御した場合の実験結果を示している。回転数ｆ０からｆ１までの全域において、式５の関係を満足することができる。
【００２８】
以上のような制御とすることで、自然風によりファンが回転している場合においても、減速度を理論値以内に制御することができるため、モータの個体差や特性の変化によらず、確実にファンの制動および停止が可能となる。
【００２９】
なお、本実施の形態１では説明を簡単にするため、図２〜４に示すようにロータは２極、ステータを３スロットの構造としているが、ロータの極数が２ｍ、ステータのスロット数が３ｍを有するモータの場合においてもこれまでの説明は、同様となる（ｍは自然数）。
【００３０】
（実施の形態２）
図１〜図１２については実施の形態１と同一の内容のため説明を省略する。図１３は初期通電幅であるＶｉｎｇ０と外力による初期回転数ｆ０の関係を表している。外力が強く初期回転数が大きい場合にはＶｉｎｇ０を大きく設定し、外力が比較的弱く初期回転数が低い場合にはＶｉｎｇ０を小さく設定する。このように外力の大きさに応じて初期通電幅Ｖｉｎｇ０を設定可変とすることで、自然風による外力が比較的小さい場合には減速度の理論値を越えることを防止するとともに、外力が大きな場合には停止までに要する時間を短縮することが可能となる。
【００３１】
（実施の形態３）
図１〜図１３については実施の形態１、２で説明した内容と同一であり、説明を省略する。図１４を用いて、演算手段６が演算する回転数および減速度の平均化処理について説明する。図１４は極位置センサ２の信号レベルの変化毎の時間ｔ（ｎ）における、演算後の回転数ｆａｖｅおよび減速度ａａｖｅをそれぞれ示している。次に回転数および減速度の演算を４回平均化する場合の演算方法を示す。まず、時間ｔ（ｎ）、ｔ（ｎ＋１）における回転数ｆａｖｅ（ｎ）、ｆａｖｅ（ｎ＋１）は、
ｆａｖｅ（ｎ−１）＝１／（ｔ（ｎ−１）−ｔ（ｎ−５））                     式７
ｆａｖｅ（ｎ）＝１／（ｔ（ｎ）−ｔ（ｎ−４））                      式８
さらに、時間ｔ（ｎ）における４回平均化後の減速度ａａｖｅ（ｎ）は、
ａａｖｅ（ｎ）＝（ｆａｖｅ（ｎ−１）−ｆａｖｅ（ｎ））／（ｔ（ｎ）−ｔ（ｎ−１））式９
と演算する。この結果に基づき、実施の形態１と同様に通電幅制御手段７において、直流励磁信号の通電幅を制御する。このように演算を平均化することで、図１２（減速度の演算に平均化処理をしない場合）では高回転数域にて減速度にハンチングが発生するが、図１５に示すように、回転数および減速度の演算に平均処理(４回)した場合に回転数全域において減速度の脈動を低減し、式５に示す条件を満足することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように、本発明にかかるＤＣブラシレスモータの制御装置はファンが外的な要因によって回転している場合において、駆動回路及びモータに過度の負担をかけることなく、永久磁石の減磁を抑え、さらにモータ個体差や特性の変化した場合においてもファンの制動、停止が可能となるので、空気調和機の室外ファンだけでなく、外的要因によって、起動時に自由回転しているブラシレスモータに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＤＣブラシレスモータ制御手段の構成を示したブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における回転角０°の磁極位置を定義した模式図
【図３】本発明の実施の形態１における回転角９０°の磁極位置を定義した模式図
【図４】本発明の実施の形態１における回転角２７０°の磁極位置を定義した模式図
【図５】本発明の実施の形態１における直流励磁信号のパターンを示した説明図
【図６】本発明の実施の形態１におけるファンの回転数の時間変化を示した特性図
【図７】本発明の実施の形態１における図６と異なる条件におけるファンの回転数の時間変化を示した特性図
【図８】本発明の実施の形態１における回転方向のハンチング現象を示した特性図
【図９】本発明の実施の形態１における磁極位置センサ２の信号に対して時間ｔ、回転数ｆ、減速度ａを定義した説明図
【図１０】本発明の実施の形態１における磁極位置センサ２の信号と直流励磁信号の通電幅の関係を示した説明図
【図１１】本発明の実施の形態１における回転数および通電幅と時間の関係を示した特性図
【図１２】本発明の実施の形態１における減速度と回転数の関係を示した特性図
【図１３】本発明の実施の形態２における初期通電幅と初期回転数ｆ０の関係を示した特性図
【図１４】本発明の実施の形態３における演算手段６の演算方法を示した説明図
【図１５】本発明の実施の形態３における減速度と回転数の関係を示した特性図
【符号の説明】
【００３４】
１  ＤＣブラシレスモータ
２  磁極位置センサ
３  インバータ回路
４  直流電源
５  駆動手段
６  演算手段
７  通電幅制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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