(57)【要約】      （修正有）【課題】位置センサ及び電流センサを使わず低コストで回転子位置を検出する。【解決手段】ＭＰＵ５は、インバータ回路７の出力をすべて遮断しすべてのコイルに蓄積されたコイル蓄積エネルギーを放出する期間を設けるステップと、コイル蓄積エネルギーが放出されたら１相コイルだけを測定対象として当該測定コイルに対し１相通電される所定の通電パターンにて一定電圧の電圧パルスを印可するステップと、所定通電時間経過後すべての通電コイル端を同時に遮断し、通電を遮断した時から測定コイルのスパイクパルスがコンパレートレベルに収束するまでの時間をコンパレータ回路９及びタイマー回路１０により測定して当該測定コイルのスパイクパルス時間とするステップと、を含み、全測定対象相のコイルについて同様の測定を行い、各相コイルのスパイクパルス時間測定値を大小比較することで回転子位置をモータ励磁方式により決定される励磁区間単位で特定する。【選択図】図１３
2018014773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石界磁を有する回転子と複数相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して交流駆動により回転させるセンサレスモータの回転子位置検出方法であって、
スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードを備え正極電源ライン及び接地電源ラインに接続するハーフブリッジ型スイッチング回路を相ごとに設けた出力手段と、
上位コントローラからの回転指令に応じて前記出力手段をスイッチング制御して励磁状態を任意に切り替える制御手段と、
各相コイル端に電源電圧より低い所定電位を与える高インピーダンス素子によるバイアス手段と、
正極電源電位近傍のコンパレートレベルを設けてコイル通電遮断時に発生する正極性スパイクパルス期間を検出する正極電源側コンパレータと、接地電源電位近傍のコンパレートレベルを設けて負極性スパイクパルス期間を検出する接地電源側コンパレータの双方を相ごとに設けたコンパレータ手段と、
前記コンパレータ手段の出力から前記ダイオードによるクランプ期間及びコンパレートレベルに収束するまでの時間を測定可能なタイマー手段と、を備え、
前記制御手段は、前記出力手段の出力をすべて遮断しすべてのコイルに蓄積されたコイル蓄積エネルギーを放出する期間を設けるステップと、
前記コイル蓄積エネルギーが放出されたら１相コイルだけを測定対象として当該測定対象コイルに対し１相通電される所定の通電パターンにて一定電圧の電圧パルスを印加するステップと、
１相通電から所定通電時間経過後すべての通電コイル端を同時に遮断し、通電を遮断した時から前記測定対象コイルのスパイクパルスがコンパレートレベルに収束するまでの時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段により測定して当該測定対象コイルのスパイクパルス時間とするステップと、
前記測定対象コイルを除く他相コイルについて同様の測定を繰り返して測定対象となる全相コイルについてスパイクパルス時間を測定するステップと、を含み、
前記制御手段は、各相コイルのスパイクパルス時間測定値を大小比較することで回転子位置をモータ励磁方式により決定される励磁区間単位で特定することを特徴とするセンサレスモータの回転子位置検出方法。
【請求項２】
励磁方式により決定される励磁パターンの区間ごとに番号をつけ励磁区間番号とし、予め前記制御手段に備えた記憶部に励磁区間番号に対応してコイルの磁気飽和によりスパイクパルス時間が最小となる相を位置判別情報として記憶しておき、
前記制御手段は、零速あるいは極低速時に各相コイルにそれぞれ正方向及び逆方向に、機械的時定数より短くかつ磁気飽和が発生する一定時間の一定電圧パルスを前記出力手段を通じて印加し、すべての通電コイル端を同時に遮断した時のスパイクパルス時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段にて測定し、
全相コイル測定完了後、前記制御手段はスパイクパルス時間測定値の最小相を判別し前記位置判別情報に基づいて現在の励磁区間番号を特定する請求項１記載のセンサレスモータの回転子位置検出方法。
【請求項３】
前記制御手段は、低速正転時に現在位置している励磁区間番号から決定される最小相を第一の測定対象相とし、正転側に隣接する励磁区間番号に該当する最小相を第二の測定対象相とし、それぞれに対して２相に、電気的時定数より短くわずかに磁気飽和が発生する一定時間の一定電圧パルスを前記出力手段を通じて印加し、遮断時のスパイクパルス時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段にて計測する測定動作を測定対象となる全相コイルに対して周期的に繰り返し、
測定周期完了ごとに、前記制御手段は最終測定時のスパイクパルス時間測定値についての大小比較から正転側の励磁区間境界点を判別し、磁気抵抗及び磁気飽和によるスパイクパルス時間変化プロファイル上の信号波形どうしの交点を検出時は前記位置判別情報に基づいて励磁区間番号を歩進して現在の励磁区間番号とする請求項１又は請求項２記載のセンサレスモータの回転子位置検出方法。
【請求項４】
前記制御手段は、低速回転時は回転方向に関わりなく、現在位置している励磁区間番号から決定される最小相を第一の測定対象相とし、正転側及び逆転側の隣接励磁区間番号に該当する最小相を第二，第三の測定対象相とし、それぞれに対して３相に、電気的時定数より短くわずかに磁気飽和が発生する一定時間の一定電圧パルスを前記出力手段を通じて印加し、遮断時のスパイクパルス時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段にて計測する測定動作を測定対象となる全相コイルに対して周期的に繰り返し、
測定周期完了ごとに、前記制御手段は最終測定時のスパイクパルス時間測定値についての大小比較から励磁区間境界点を判別し、正転側交点を検出した時は正転側に、逆転側交点を検出した時は逆転側に、前記位置判別情報に基づいて励磁区間番号を歩進して現在の励磁区間番号とする請求項３記載のセンサレスモータの回転子位置検出方法。
【請求項５】
１相あたりの測定時間をＴｓ、極数をＰとしたとき、３相モータを使用する場合の位置検出可能な最高回転数Ｎｍａｘ（ｒｐｍ）を１／（Ｔｓ×Ｐ）とし、誘起電圧を検出可能な最低回転数をＮｚとしたとき、前記制御手段は、Ｎｍａｘ≧Ｎｚの条件を満たすときのみスパイクパルス時間測定を行い、スパイクパルス時間測定値の最小相を判別し前記位置判別情報に基づいて現在の励磁区間番号として位置検出する請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載のセンサレスモータの回転子位置検出方法。
【請求項６】
永久磁石界磁を有する回転子と複数相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して交流駆動して回転させるセンサレスモータの駆動装置であって、
スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードを備え正極電源ライン及び接地電源ラインに任意に接続可能なハーフブリッジ型スイッチング回路を相ごとに設けた出力手段と、
上位コントローラからの回転指令に応じて前記出力手段をスイッチング制御して励磁状態を任意に切り替える制御手段と、
各相端に電源電圧より低い所定電位を与える高インピーダンス素子によるバイアス手段と、
正極電源電位近傍のコンパレートレベルを設けてコイル通電遮断時に発生する正極性スパイクパルス期間を検出する正極電源側コンパレータと、接地電源電位近傍のコンパレートレベルを設けて負極性スパイクパルス期間を検出する接地電源側コンパレータの双方を相ごとに設けたコンパレータ手段と、
前記コンパレータ手段の出力から前記ダイオードによるクランプ期間及びコンパレートレベルに収束するまでの時間を測定可能なタイマー手段と、を備え、
前記制御手段は、測定対象コイルへの１相通電から所定通電時間経過後すべての通電コイル端を同時に遮断し、通電を遮断した時から前記測定対象コイルのスパイクパルスがコンパレートレベルに収束するまでの時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段により測定して当該測定対象コイルのスパイクパルス時間とする測定を繰り返し、全相コイルについてスパイクパルス時間定値を大小比較することで回転子位置をモータ励磁方式により決定される励磁区間単位で特定することを特徴とするセンサレスモータ駆動装置。
【請求項７】
各相端信号から一つを選択するセレクト手段を備え、前記制御手段により適宜切り替えて前記コンパレータ手段に送出し、電源レール近傍電位のコンパレートレベルを備えた正極電源側及び接地電源側の２個のコンパレータのみで前記コンパレータ手段を構成する請求項６記載のセンサレスモータ駆動装置。
【請求項８】
非測定時は前記制御手段によりコンパレートレベルを接地電源電位近傍からコモン電位に切り換え、接地電源側のコンパレータをゼロクロスコンパレータとして使用する請求項７記載のセンサレスモータ駆動装置。
【請求項９】
コモン生成抵抗を各相端に接続しスター結線して生成されるコイル中性点電位部にバイアス手段を接続し、前記コモン生成抵抗を経由してコイル端をバイアスする請求項７又は請求項８記載のセンサレスモータ駆動装置。
【請求項１０】
各相コイル端に正極電源電位より低い所定バイアス電位が印加され、スパイクパルス時間の測定に支障のない短時間でスパイクパルスが収束する場合は、バイアス手段によるクランプ動作を省略する請求項９記載のセンサレスモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサレスモータの回転子位置検出方法及びセンサレスモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型直流モータは大量に使用されておりコストダウンの要求が非常に強く、位置センサもブラシも不要なセンサレスモータが望まれている。小型直流モータをセンサレス駆動にて始動する際は、零速時の回転子位置を検出する必要があり、界磁の突極性によるインダクタンス変化あるいは磁気飽和によるインダクタンス変化を検出する方法が知られている。
【０００３】
しかしながら、従来のインダクタンスの測定はいずれも測定回路に高性能なＡ／Ｄ変換機能や演算能力が要求されコストアップの要因となっており、特に小型モータでは採用し難くセンサレスモータの普及を阻んでおり、より簡便な測定方法と装置が求められている。
さらに始動後の低速領域においても回転子位置が検出できない期間がありオープンループ制御されているがスロースタートできないあるいは脱調するなどの問題があり、零速時の位置検出とともにクローズドループ化が求められている。
【０００４】
図１７に位置センサを備えないセンサレスモータの一例として３相ブラシレス直流（ＤＣ）モータの構成を示す。回転子軸１を中心に回転する回転子２にはＳ極とＮ極で一対の永久磁石３が設けられている。永久磁石界磁の磁極構造（ＩＰＭ，ＳＰＭ）あるいは極数等は様々である。固定子４には１２０°位相差で設けられた極歯に電機子巻線（コイル）Ｕ，Ｖ，Ｗが配置され、中性点（コモン）Ｃを介してスター結線されている。
【０００５】
図１８に従来駆動回路例のブロックダイアグラムを示す。ＭＯＴＯＲは３相ブラシレスＤＣモータである。ＭＰＵ５１はマイクロコントローラ（制御手段）である。ＩＮＶ５２は、３相ハーフブリッジ構成のインバータ回路（出力手段）である。ＲＳ５３は電流センサである。ＡＤＣ５４は電流値をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータである。なお実際の回路にはこのほかに電源部、位置センサ入力部あるいはゼロクロスコンパレータとダミーコモン生成部、ホストインターフェース部等が必要であるが煩雑化を避けるため省略してある。
【０００６】
図１９に３相ブラシレスＤＣモータの駆動方式の代表的な例として２相１２０°通電のタイミングチャートを示す。区間１はＵ相からＶ相に、区間２はＵ相からＷ相に、区間３はＶ相からＷ相に、区間４はＶ相からＵ相に、区間５はＷ相からＵ相に、区間６はＷ相からＶ相に、矩形波通電される。破線は誘起電圧波形である。ＨＵ〜ＨＷはモータに内蔵されるホールセンサの出力波形であり、従来の位置センサ付きブラシレスＤＣモータはこの信号に基づいて励磁切り替えが行われる。
【０００７】
上記駆動回路により位置センサなしで始動するためには回転子位置を知る必要がある。高速回転であれば誘起電圧をゼロクロスコンパレータ等で検出して回転させることができるが、零速時は誘起電圧が発生しないため回転子の位置検出ができない。一般的に零速状態での始動時には回転子位置を検出するために図１８に示したようにコイル電流センサと電流検出回路を設け、インバータを用いてＰＷＭ駆動によりコイルにサイン波あるいは三角波状のコイル電流を流して電流応答から位置を推定している。電流センサ及び電流検出回路を備えてコイル電流を検出している先行技術として特開2006-254626号（特許文献１）や特開2014-503170号（特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２５４６２６号公報
【特許文献２】特開２０１４−５０３１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した背景技術に示す３相ブラシレスＤＣモータのセンサレス駆動方法は、以下に述べる技術的課題があった。即ち、例えば特許文献１のセンサレス駆動方法においても電流値というアナログ信号をデジタル信号に変換する手段を用いており、電流プロファイルを作成するためには電流センサと３相同時サンプリングの高速Ａ／Ｄコンバータが必要でありさらに高精度測定のためには差動アンプなども必要となり検出回路は複雑化し、また高い演算処理能力を持つＭＰＵ（マイクロプロセッサ）も要求される。これらの事情により回転子位置検出のために直接電流を検出する方法及び装置は複雑化し高価格化する。
【００１０】
また、特許文献２のセンサレス駆動方法は、停止位置の検出に用いるものであり、始動回転時の位置検出には対応しておらずオープンループ制御にて始動している。低速回転時の位置検出が困難であることからクローズドループ制御されていない。このように、オープンループ制御であることから負荷変動に対応できず脱調する、ソフトスタートできない、ストール運転できない、などの諸問題が発生している。
ブラシレスＤＣモータのセンサレス化はローコスト化及び高性能化に有効であるが、上述のとおり零速時位置検出及び始動性に難点があるため現状技術では用途が限定されている。
【００１１】
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、センサレスモータをセンサレス駆動するにあたって、位置センサ及び電流センサを使わず低コストで回転子位置を検出することができるセンサレスモータの回転子位置検出方法及びこの回転子位置検出方法を用いて確実に始動することが可能なセンサレスモータ駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
永久磁石界磁を有する回転子と複数相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して交流駆動により回転させるセンサレスモータの回転子位置検出方法であって、スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードを備え正極電源ライン及び接地電源ラインに接続するハーフブリッジ型スイッチング回路を相ごとに設けた出力手段と、上位コントローラからの回転指令に応じて前記出力手段をスイッチング制御して励磁状態を任意に切り替える制御手段と、各相コイル端に電源電圧より低い所定電位を与える高インピーダンス素子によるバイアス手段と、正極電源電位近傍のコンパレートレベルを設けてコイル通電遮断時に発生する正極性スパイクパルス期間を検出する正極電源側コンパレータと、接地電源電位近傍のコンパレートレベルを設けて負極性スパイクパルス期間を検出する接地電源側コンパレータの双方を相ごとに設けたコンパレータ手段と、前記コンパレータ手段の出力から前記ダイオードによるクランプ期間及びコンパレートレベルに収束するまでの時間を測定可能なタイマー手段と、を備え、前記制御手段は、前記出力手段の出力をすべて遮断しすべてのコイルに蓄積されたコイル蓄積エネルギーを放出する期間を設けるステップと、前記コイル蓄積エネルギーが放出されたら１相コイルだけを測定対象として当該測定対象コイルに対し１相通電される所定の通電パターンにて一定電圧の電圧パルスを印加するステップと、１相通電から所定通電時間経過後すべての通電コイル端を同時に遮断し、通電を遮断した時から前記測定対象コイルのスパイクパルスがコンパレートレベルに収束するまでの時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段により測定して当該測定対象コイルのスパイクパルス時間とするステップと、前記測定対象コイルを除く他相コイルについて同様の測定を繰り返して測定対象となる全相コイルについてスパイクパルス時間を測定するステップと、を含み、前記制御手段は、各相コイルのスパイクパルス時間測定値を大小比較することで回転子位置をモータ励磁方式により決定される励磁区間単位で特定することを特徴とする。
【００１３】
コイルに通電したときのコイル蓄積エネルギーＵは、
Ｕ＝ＬＩ2／２  （但しＬはコイルインダクタンス、Ｉはコイル電流）
で表されコイル蓄積エネルギーはインダクタンス及び電流の二乗に比例する。コイル蓄積エネルギーは、急速に通電を遮断したときにスパイクパルスとなって放出される。
コイル通電を遮断した時のスパイクパルス電圧は自己誘導電圧Ｅ＝−Ｌ（ΔＩ／Δｔ）であるが、しかしモータ駆動回路のインバータ出力素子には逆並列にダイオードが接続されており、通電遮断時に発生するスパイクパルス電圧は電源レールにクランプされる。クランプ電圧は電源レール電圧にダイオード電圧降下分が加算された一定電圧となる。
一定電圧で放電した時のスパイクパルス時間Ｔは
Ｔ＝Ｕ／Ｉ′  （Ｉ′は放電電流）
従って、スパイクパルスのクランプ期間の長さはコイル蓄積エネルギーＵに比例し、前述のとおりコイル蓄積エネルギーＵはインダクタンス及びコイル電流を反映しており、スパイクパルス時間Ｔから、零速時及び回転時のいずれにおいても回転子位置を特定することができる。
【００１４】
また、クランプ期間以後のコイル端はハイインピーダンス状態となり電位は相互誘導や浮遊容量等により不安定となるが、各相コイル端を電源電位より低い所定電位（例えば電源電位の１／２）にバイアスすればスパイクパルスは安定してバイアス電位に収束する。従って、バイアスをかければ電源レール付近を短時間で横切ることになり測定精度が向上する。バイアス手段は電源レールからのプルアップ抵抗及びプルダウン抵抗で実現でき、消費電力の増加を抑えるため抵抗値は大きくすることが好ましい。
【００１５】
また電圧パルスを遮断する際、コイル両端の出力手段を同時にオフにすればコイル蓄積エネルギーは電源レールの双方に放出されることからスパイクパルスの収束時間が短縮され測定を高速化できる。
測定回路や負荷条件、環境条件など様々な要因により直線性を得ることは難しいが、相間大小比較で位置情報を得ることができる場合（例えば３相モータの２相１２０°通電方式）に適用でき、電流センサや電流検出手段も高い演算処理能力も不要となり低コスト化という課題を解決することができる。
【００１６】
上述したように、センサレスモータの回転子位置検出方法を用いれば、従来のような位置センサ及び電流センサを用いて直接コイル電流を測定することはなく、各相コイルに蓄積されたコイル電流の積分量であるコイル蓄積エネルギーを放出するスパイクパルス時間を測定することによって低コストで回転子位置を特定することができる。この回転子位置検出方法は、コイル電流の２乗値を検出できることから測定電流が少なくて済む長所がある。即ち、始動時はトルク発生効率の高さから３相モータであれば１２０°通電方式が適する。この方式は６０°区間で励磁切り替えを行うことから位置検出も区間単位でよい。そこで、スパイクパルス時間から相間のコイル蓄積エネルギー偏差、即ちコイル電流偏差を検出して６０°単位で回転子位置を求める。それはコイル電流の相間の大小比較で得られることから相対値さえ測定できればよく、絶対値での精度は必要がないことから測定が簡素化される。
【００１７】
励磁方式により決定される励磁パターンの区間ごとに番号をつけ励磁区間番号とし、予め前記制御手段に備えた記憶部に励磁区間番号に対応してコイルの磁気飽和によりスパイクパルス時間が最小となる相を位置判別情報として記憶しておき、前記制御手段は、零速あるいは極低速時に各相コイルにそれぞれ正方向及び逆方向に、機械的時定数より短くかつ磁気飽和が発生する一定時間の一定電圧パルスを前記出力手段を通じて印加し、すべての通電コイル端を同時に遮断した時のスパイクパルス時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段にて測定し、全相コイル測定完了後、前記制御手段はスパイクパルス時間測定値の最小相を判別し前記位置判別情報に基づいて現在の励磁区間番号を特定することが望ましい。
【００１８】
前記制御手段は、低速正転時に現在位置している励磁区間番号から決定される最小相を第一の測定対象相とし、正転側に隣接する励磁区間番号に該当する最小相を第二の測定対象相とし、それぞれに対して２相に、電気的時定数より短くわずかに磁気飽和が発生する一定時間の一定電圧パルスを前記出力手段を通じて印加し、遮断時のスパイクパルス時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段にて計測する測定動作を測定対象となる全相コイルに対して周期的に繰り返し、測定周期完了ごとに、前記制御手段は最終測定時のスパイクパルス時間測定値についての大小比較から正転側の励磁区間境界点を判別し、磁気抵抗及び磁気飽和によるスパイクパルス時間変化プロファイル上の信号波形どうしの交点を検出時は前記位置判別情報に基づいて励磁区間番号を歩進して現在の励磁区間番号とすることが望ましい。
【００１９】
さらに、前記制御手段は、低速回転時は回転方向に関わりなく、現在位置している励磁区間番号から決定される最小相を第一の測定対象相とし、正転側及び逆転側の隣接励磁区間番号に該当する最小相を第二，第三の測定対象相とし、それぞれに対して３相に、電気的時定数より短くわずかに磁気飽和が発生する一定時間の一定電圧パルスを前記出力手段を通じて印加し、遮断時のスパイクパルス時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段にて計測する測定動作を測定対象となる全相コイルに対して周期的に繰り返し、測定周期完了ごとに、前記制御手段は最終測定時のスパイクパルス時間測定値についての大小比較から励磁区間境界点を判別し、正転側交点を検出した時は正転側に、逆転側交点を検出した時は逆転側に、前記位置判別情報に基づいて励磁区間番号を歩進して現在の励磁区間番号とすることが望ましい。
【００２０】
１相あたりの測定時間をＴｓ、モータ極数をＰとしたとき、３相モータを使用する場合の位置検出可能な最高回転数Ｎｍａｘ（ｒｐｍ）を１／（Ｔｓ×Ｐ）とし、誘起電圧を検出可能な最低回転数をＮｚとしたとき、前記制御手段は、Ｎｍａｘ≧Ｎｚの条件を満たすときのみスパイクパルス時間測定を行い、スパイクパルス時間測定値の最小相を判別し前記位置判別情報に基づいて現在の励磁区間番号として位置検出することが好ましい。尚、測定時間Ｔｓはコイル蓄積エネルギー放出時間と電圧パルス通電時間とスパイクパルス発生時間との合計である。
【００２１】
永久磁石界磁を有する回転子と複数相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して交流駆動して回転させるセンサレスモータの駆動装置であって、スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードを備え正極電源ライン及び接地電源ラインに任意に接続可能なハーフブリッジ型スイッチング回路を相ごとに設けた出力手段と、上位コントローラからの回転指令に応じて前記出力手段をスイッチング制御して励磁状態を任意に切り替える制御手段と、各相端に電源電圧より低い所定電位を与える高インピーダンス素子によるバイアス手段と、正極電源電位近傍のコンパレートレベルを設けてコイル通電遮断時に発生する正極性スパイクパルス期間を検出する正極電源側コンパレータと、接地電源電位近傍のコンパレートレベルを設けて負極性スパイクパルス期間を検出する接地電源側コンパレータの双方を相ごとに設けたコンパレータ手段と、前記コンパレータ手段の出力から前記ダイオードによるクランプ期間及びコンパレートレベルに収束するまでの時間を測定可能なタイマー手段と、を備え、前記制御手段は、測定対象コイルへの１相通電から所定通電時間経過後すべての通電コイル端を同時に遮断し、通電を遮断した時から前記測定対象コイルのスパイクパルスがコンパレートレベルに収束するまでの時間を前記コンパレータ手段及びタイマー手段により測定して当該測定対象コイルのスパイクパルス時間とする測定を繰り返し、全相コイルについてスパイクパルス時間定値を大小比較することで回転子位置をモータ励磁方式により決定される励磁区間単位で特定することを特徴とする。
これにより、従来のような電流センサを用いて直接コイル電流を測定することはなく、コイル電流の積分量であるコイル蓄積エネルギーをスパイクパルス時間の測定によって回転子位置を低コストで特定することができ、センサレスモータの始動を確実に行える。
【００２２】
各相端信号から一つを選択するセレクト手段を備え、前記制御手段により適宜切り替えて前記コンパレータ手段に送出し、電源レール近傍電位のコンパレートレベルを備えた正極電源側及び接地電源側の２個のコンパレータのみで前記コンパレータ手段を構成するようにしてもよい。
【００２３】
非測定時は前記制御手段によりコンパレートレベルを接地電源電位近傍からコモン電位に切り換え、接地電源側のコンパレータをゼロクロスコンパレータとして使用するようにしてもよい。
【００２４】
コモン生成抵抗を各相端に接続しスター結線して生成されるコイル中性点電位部にバイアス手段を接続し、前記コモン生成抵抗を経由してコイル端をバイアスするようにしてよい。
【００２５】
各相コイル端に正極電源電位より低い所定バイアス電位が印加され、スパイクパルス時間の測定に支障のない短時間でスパイクパルスが収束する場合は、バイアス手段によるクランプ動作を省略するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
センサレスモータをセンサレス駆動するにあたって、位置センサ及び電流センサを使わず低コストで回転子位置を検出することができるセンサレスモータの回転子位置検出方法及びこの回転子位置検出方法を用いて確実に始動することが可能なセンサレスモータの駆動装置を提供することができる。
具体的には、ＩＰＭ・ＳＰＭ、大型・小型等各種のブラシレスＤＣモータを、位置センサ及び電流センサを用いることなく、クローズドループ制御にて無負荷から過負荷まで負荷変動に影響されず無調整で確実かつ迅速に始動できる。
タイマー回路は制御手段（ＭＰＵ）に内蔵されており電流センサやＡ／Ｄコンバータ等も不要で演算処理能力もさほど要さないことから駆動回路を簡略化できる。一方、モータ自体もセンサ基板及び配線を省略でき、小型化により軸・ハウジング等の材料も減る。これらによりセンサレスモータ及び駆動装置の双方で低コスト化が図れる。
さらにセンシングと励磁は無関係なことからＰＷＭデューティ及び通電方向は自由であり、従来は困難だったソフトスタート・逆転ブレーキ等の加減速制御も容易であり幅広い用途に対応でき高い実用性を備えている。
ブラシモータあるいはブラシレスＤＣモータは大量に使われており、これらのモータをセンサレスモータ化することによりコストダウンと高性能化に資する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】スパイクパルス波形図である。
【図２】誘起電圧によるスパイクパルス時間変化プロファイルである。
【図３】磁気抵抗によるスパイクパルス時間変化プロファイルである。
【図４】磁気抵抗によるスパイクパルス時間変化実測プロファイルである。
【図５】磁気飽和によるスパイクパルス時間変化プロファイルである。
【図６】磁気飽和によるスパイクパルス時間変化実測プロファイルである。
【図７】零速時の磁気抵抗及び磁気飽和によるスパイクパルス時間変化プロファイルである。
【図８】正転時の磁気抵抗及び磁気飽和によるスパイクパルス時間変化プロファイルである。
【図９】逆転時の磁気抵抗及び磁気飽和によるスパイクパルス時間変化プロファイルである。
【図１０】スパイクパルス時間測定波形図である。
【図１１】２相通電時の測定電流経路を示す回路図である。
【図１２】３相通電時の測定電流経路を示す回路図である。
【図１３】センサレスモータの駆動回路例１にかかるブロックダイアグラムである。
【図１４】センサレスモータの駆動回路例２にかかるブロックダイアグラムである。
【図１５】センサレスモータの駆動回路例３にかかるブロックダイアグラムである。
【図１６】センサレスモータの動作例を示すフローチャートである。
【図１７】スター結線された３相ブラシレスＤＣモータの構成図である。
【図１８】従来のモータ駆動回路のブロックダイアグラムである。
【図１９】１２０°通電タイミングチャート１相通電センシング正転時のインダクタンス波形図（インダクタンスプロファイル）である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係るセンサレスモータの回転子位置検出方法及びセンサレスモータ駆動装置の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本願発明は、回転子に永久磁石界磁を備え、固定子４に巻き線を１２０°位相差で配置してスター結線し、相端がモータ出力手段に接続されたセンサレスモータをセンサレス駆動するセンサレス駆動方法及び駆動装置に広く適用することができる。
【００２９】
以下では、一例として３相ＤＣブラシレスモータをセンサレス駆動するセンサレスモータの回転子位置検出方法について、センサレスモータ駆動装置の構成と共に説明する。
図１７を参照して本発明に係る３相ブラシレスＤＣモータの一実施例を示す。一例として２極永久磁石ロータと３スロットを設けた固定子４を備えた３相ブラシレスＤＣモータを例示する。モータはインナーロータ型でもアウターロータ型でもいずれでもよい。
【００３０】
図１７において、回転子軸１には回転子２が一体に設けられ、界磁として２極の永久磁石３が設けられている。固定子４には１２０°位相差で極歯Ｕ，Ｖ，Ｗが永久磁石３に対向して配置されている。固定子４の各極歯Ｕ，Ｖ，Ｗに巻線ｕ，ｖ，ｗを設けて相間をコモンＣで結線して後述するモータ駆動装置に配線された３相ブラシレスＤＣモータとなっている。尚、コモン線は、不要であるので省略されている。
【００３１】
次に、センサレスモータの駆動装置のモータ駆動回路例１を図１３に示す。駆動方式は１相１２０°バイポーラ矩形波励磁である。ＭＰＵ５（マイクロプロセッサ；制御手段）は、上位コントローラ６からの回転指令（ＲＵＮ）によりモータ駆動信号を出力端子ＯＵＴ１〜ＯＵＴ６から出力制御する。また、ＭＰＵ５は、上位コントローラ６に回転子位置情報や回転方向情報を送出する。
【００３２】
通常、モータ駆動回路のインバータ回路７（ＩＮＶ：インバータ手段）はモータトルクを制御するために励磁相切り替えあるいはＰＷＭ制御などのスイッチング制御動作を行う。インバータ回路７は、スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードを備え、正極電源ライン及び接地電源ラインに任意に接続可能なハーフブリッジ型スイッチング回路を相ごとに設けられている（図１３は１相分のみ例示している）。本発明では任意のタイミングで複数のコイルを同時にオンオフしスパイクパルス時間を測定する動作を行う必要がある。そこで、図１８の従来のモータ駆動回路の構成に加えて、各相コイル端を電源電圧の１／２電位にするＢＩＡＳ回路８（バイアス手段）、コイル端に発生するスパイクパルスが正極電源電位近傍以上または接地電源電位近傍以下の期間を検出する２個のコンパレータを相ごとに設けたコンパレータ回路９（ＣＯＭＰ：コンパレータ手段）、コンパレータ回路９の出力によりスパイクパルス時間を測定するタイマー回路１０（ＴＭＲ：タイマー手段）を備え、ＭＰＵ５は測定相のスパイクパルス時間を各々記憶し、大小比較することで回転子位置を検出する（図１３参照）。
【００３３】
図１３において、図１８の従来のモータ駆動回路の電流センサＲＳ及びＡ／Ｄコンバータを外し、以下の部分を追加したものである。同一部材には、図１８の符号を援用し新たに追加された部分を説明する。コイル端ｕ〜ｗを電源Ｖ／２の電位にする高インピーダンス素子によるバイアス回路８（ＢＩＡＳ）と、コイル端ｕ〜ｗが電源＋電位近傍以上あるいは電源接地電位近傍以下の期間を検出しレベルシフトするコンパレータ６個からなるコンパレータ回路９（ＣＯＭＰ）と、コンパレータ回路９からの出力パルス幅を測定するタイマー回路１０（ＴＭＲ）と、を備える。タイマー回路１０にはコンパレータ回路９の出力信号ＣＵ〜ＣＷから一つを選択するセレクタを内蔵してもよい。ＭＰＵ５はタイマー回路１０へ入力チャンネルを切り替えるセレクト信号ａ・ｂ及びリセット信号Ｒを出力し、タイマー回路１０からＭＰＵ５へ測定データｄが入力される。通常、タイマー回路１０はＭＰＵ５に内蔵されているが、外付けで設けてもよい。
【００３４】
バイアス回路８（ＢＩＡＳ）は、各相コイル端に電源電位Ｖにプルアップ及び接地電位Ｇにプルダウンする同じ値の２個の抵抗ｒであり、全部で６個ある。この抵抗ｒは励磁には関与しないため抵抗値は大きいほうがよいが、スパイクパルスが電源Ｖ／２に短時間で収束するためには抵抗値が小さいほうがよく１０ｋΩ〜１００ｋΩ程度が選ばれる。
コンパレータ回路９（ＣＯＭＰ）は、コイル電圧が電源電位近傍より高い期間及び接地電位近傍より低い期間を検出し、出力電圧をレベルシフトしたあとタイマー回路１０（ＴＭＲ）へ測定信号ＣＵ，ＣＶ，ＣＷを出力する。
【００３５】
図１にスパイクパルス波形にコンパレータ回路９（ＣＯＭＰ）の出力タイミングチャートが合わせて記載されている。測定対象コイルは、開放時はＶ／２電位となっており、測定時は電源電位Ｖ＋に充電され期間Ｔ１経過後、通電が遮断されると負極性パルスが接地電位ＧＮＤより低い期間Ｔ２だけ出力され、測定対象コイルに蓄積されたコイル蓄積エネルギーが放出されてコイル端電圧はＬレベルとなる。次に測定対象コイルは接地電位ＧＮＤに充電され期間Ｔ１経過後、通電が遮断されると正極性パルスが電源電位Ｖ＋より高い期間Ｔ３だけ出力され、測定対象コイルに蓄積されたコイル蓄積エネルギーが放出されてコイル端電圧はＨレベルとなる。なお、コンパレータ回路９の出力電圧レベルはタイマー入力レベルにコンディショニングされている。
【００３６】
図１３において、タイマー回路１０（ＴＭＲ）は、負極性及び正極性双方のスパイクパルスのパルス幅時間Ｔ２，Ｔ３を各々測定し、測定データｄをＭＰＵ５へ送出する。タイマー回路１０で測定されたパルス幅時間Ｔ２，Ｔ３は、ＭＰＵ５からのリセット信号Ｒにてリセットされる。
【００３７】
ＭＰＵ５は、タイマー回路１０からの各相測定対象コイルの測定データを記憶し、位置検出処理を行う。具体的な位置検出処理例としては、零速時の位置検出について１２０°通電方式の６個の励磁区間ごとにスパイクパルス時間が最小となる相をあらかじめルックアップテーブルに記憶しておき（表１参照）、零速時のスパイクパルス時間測定値６個から最小となる相を判定し、上記ルックアップテーブルを参照して区間を決定し現在位置を検出する。無論ルックアップテーブルを用意せずプログラム上に区間の判定条件を記述することも可能でそれらも含まれる。
【００３８】
なお、図１３において、上述した回転子位置検出方法で始動した後、従来方式により誘起電圧を検出して駆動する場合に必要となるゼロクロスコンパレータとダミーコモン生成部から構成されるゼロクロスコンパレータ回路１１（ＺＥＲＯ）も設けた。リファレンスとなるコモン信号（ＣＯＭ）は抵抗合成により生成している。ゼロクロスコンパレータ出力ＺＵ〜ＺＷは、ＭＰＵ５に送出されこれに基づいてインバータ回路７（ＩＮＶ）により励磁が切り替えられる。使用するコンパレータの数は、コンパレータ回路９（ＣＯＭＰ）の６個及びゼロクロスコンパレータ回路（ＺＥＲＯ）の３個で、合計９個である。
【００３９】
上記モータ駆動回路において、各相端信号から一つを選択するセレクト手段を備え、ＭＰＵ５により適宜切り替えてコンパレータ手段に送出し、電源レール近傍電位のコンパレートレベルを備えた正極電源側及び接地電源側の２個のコンパレータのみでコンパレータ手段を構成してもよい。
【００４０】
図１４にモータ駆動回路例２を示す。図１３に示すモータ駆動回路例１とはコンパレータ回路９（ＣＯＭＰ）の前段にセレクタ回路１２（ＳＥＬ：セレクト手段）を設けている点が異なる。セレクタ１２（ＳＥＬ）をコンパレータ回路９の前段に設け、ＭＰＵ５のセレクト信号ａ・ｂによりコイルＵ〜Ｗの一つを選択する。コンパレータ回路９は１ｃｈ分の２個で済み、ゼロクロスコンパレータ回路１１の３個とでコンパレータが合計５個に低減される。
【００４１】
尚、ゼロクロスコンパレータ回路１１において、非測定時はＭＰＵ５によりコンパレートレベルを接地電源電位近傍からコモン電位に切り換え、接地電源側のコンパレータをゼロクロスコンパレータとして使用してもよい。
【００４２】
図１５にモータ駆動回路例３を示す。図１３に示すモータ駆動回路例１とはゼロクロスコンパレータを省略した点が異なっている。ＭＰＵ５のＺ信号によりコンパレータ回路９（ＣＯＭＰ）の接地電源電位近傍のコンパレートレベル電位とコモン信号とを切り替えて、測定時以外の期間は接地電源電位側コンパレータをゼロクロスコンパレータとして使用する。ゼロクロスコンパレータとして動作時の出力は信号ｃによりＭＰＵ５に送出する。スパイクパルス時間測定時はタイマー回路１０（ＴＭＲ）により時間測定されて信号ｄによりＭＰＵ５に送出される。
【００４３】
非励磁相の誘起電圧波形は正極電源電位を超えることはないので励磁時には正極電源側のコンパレータは動作しない。仮にＰＷＭ駆動などにより動作する場合は２個のコンパレータの出力をそれぞれ独立させてタイマー回路１０へ送出し適宜セレクトしＭＰＵ５へは接地電源側コンパレータ出力のみを送出し、正極電源側のコンパレータ出力を無視すればよい。これにより専用のゼロクロスコンパレータ手段は設けなくて済み、必要なコンパレータは合計で２個に低減される。
【００４４】
図１５において、コモン生成抵抗を各相端に接続しスター結線して生成されるコイル中性点電位部１３（ＣＯＭ）にバイアス回路８（ＢＩＡＳ）を接続し、コモン生成抵抗を経由して各相コイル端をバイアスしてもよい。そのためにバイアス回路８をダミーコモン信号の後段に配置した。これにより、バイアス回路８（ＢＩＡＳ）を構成するプルアップ抵抗及びプルダウン抵抗も６個から２個に低減される。
【００４５】
さらに図１５において、周辺回路等によりコイル端に正極電源電位の１／２程度のバイアス電位が印加されるなどして、スパイクパルス時間の測定に支障のない短時間でスパイクパルスが正極電源電位の１／２程度に収束する場合は、バイアス回路８によるクランプ動作を省略してもよい（図示せず）。
【００４６】
以上説明したように、上述した回転子位置検出方法においては、従来のような電流センサを用いて直接コイル電流を測定することはせず、コイル電流の積分量であるコイル蓄積エネルギーをスパイクパルス時間によって検出する。この方式は電流の２乗値を検出できることから測定電流が少なくて済む長所がある。
始動時はトルク発生効率の高さから３相モータであれば１２０°通電方式が適する。この方式は６０°区間で励磁切り替えを行うことから位置検出も区間単位でよい。そこで本案はスパイクパルス時間から相間のコイル蓄積エネルギー偏差即ちコイル電流偏差を検出して６０°単位で回転子位置を求めるものである。それはコイル電流の相間の大小比較で得られることから相対値さえ測定できればよく、絶対値での精度は必要がないことから測定が簡素化される。
【００４７】
図１にスパイクパルス波形図を示す。コイルＵ〜Ｗのいずれか１相の相端を正極電源電位に接続する正方向通電あるいは接地電源電位に接続する逆方向通電にて定電圧パルスをＴ１時間印加したときの負極性スパイクパルス期間（時間Ｔ２）及び正極性スパイクパルス期間（時間Ｔ３）を表している。本案では必要に応じて該当相の時間Ｔ２あるいは時間Ｔ３を測定する。なお３相モータではセンシングの通電方法には１相通電・２相通電・３相通電及びそれぞれに正方向通電と逆方向通電があり合計６種類の通電方法がある。３相正方向通電とは、例えばＵ相を正極電源電位にＶ相・Ｗ相を接地電源電位に接続して通電することを差し、Ｕ相のスパイクパルス時間を測定する。３相逆方向通電とは、Ｖ相・Ｗ相を正極電源電位にＵ相を接地電源電位に接続して通電することを差し、やはりＵ相のスパイクパルス時間を測定する。
【００４８】
さてブラシレスＤＣモータのコイル電流は、誘起電圧によるコイル印加電圧変動、回転子の永久磁石配置及び透磁率に起因する磁気抵抗、及び大電流通電時の電機子巻線（コイル）の磁気飽和、により位相角に応じて変化する。そしてこの３要因（電圧変動・磁気抵抗・磁気飽和）はスパイクパルス時間にも反映される。
【００４９】
定電圧駆動時の誘起電圧による電圧変化Ｖｂｅｍｆは鎖交磁束量を反映していることから、Ｖｂｅｍｆ＝−Ｋｅ×Ｎｏ×ｓｉｎθ（但し、Ｋｅ：誘起電圧定数、Ｎｏ：回転数）と近似し、スパイクパルス時間の変化ΔＴｐｗ＝Ｖｂｅｍｆとする。
【００５０】
図２に上記の電圧変化近似式によるスパイクパルス時間変化のプロファイルを示す（１２０°位相差の３相波形）。波形は誘起電圧の逆極性となり、位相角に応じたプロファイルは１周期性のサイン波である。
【００５１】
回転子磁気抵抗によるインダクタンス変化ＬΔａは突極性を反映していることから、ＬΔａ＝−ｃｏｓ２θと近似し、スパイクパルス時間の変化ΔＴｐｗ＝ＬΔａとする。
【００５２】
図３に上記の磁気抵抗変化近似式によるスパイクパルス時間変化プロファイルを示す（１２０°位相差の３相波形）。位相角に応じた零速時プロファイルは２周期性のサイン波である。
【００５３】
図４に磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）を使って零速状態にて小さなコイル電流を流し、各相に１相正方向通電をしたときのスパイクパルス時間実測値のプロファイルを示す。位相角は近似式と精度よく一致している。
【００５４】
電気子巻線（コイル）の磁気飽和によるインダクタンス変化ＬΔｂは界磁磁極の極性を反映していることから、ＬΔｂ＝−ｃｏｓ２θ（但し０〜π／２及び３π／２〜２πは最大値とする）と近似し、スパイクパルス時間の変化ΔＴｐｗ＝ＬΔｂとする。
【００５５】
図５に上記磁気飽和変化近似式によるスパイクパルス時間変化プロファイルを示す（１２０°位相差の３相波形）。位相角に応じた零速時プロファイルは１周期性の略台形波である。各相に３相正方向通電及び３相逆方向通電した合計６波形が表示されている。逆方向通電波形は信号名にアンダーバーを付けた。
【００５６】
図６に表面磁石型モータ（ＳＰＭモータ）を使って零速状態にて比較的大きなコイル電流を流し、各相に３相正方向通電及び３相逆方向通電をしたときのスパイクパルス時間実測値のプロファイル６波形を示す。逆方向通電波形は信号名にアンダーバーを付けた。位相角は近似式と概ね±１０°以下の誤差で一致している。誤差の原因はコモンを使わず測定しているため、３相の内１相が放電し終わると２相放電となり位相シフトするためである。
【００５７】
図７に零速時の磁気抵抗と磁気飽和が同じ大きさで発生した場合のプロファイルを示す。逆方向通電波形は信号名にアンダーバーを付けた。磁気抵抗と磁気飽和の双方が加算された場合はスパイクパルス時間ボトム部の位相シフトは発生せず、変位量は大きくなるので使用可能であることが判る。
【００５８】
図８に図７と同じ条件で低速回転した時のプロファイルを示す。誘起電圧のボトム位相はｑ軸にあり、磁気飽和等はｄ軸にあることから両者には９０°位相差があり、角速度ωにより誘起電圧の影響が重畳し位相シフトが発生し、ボトム点の位相シフトがみられる。しかしながら、波形の対称性から隣接波形との交点はまったく位相シフトしない。よって、交点位相角であれば零速時だけでなく低速回転での位置検出にも使用可能である。
【００５９】
図９に図８と同じ条件で外力により強制的に逆転した場合のプロファイルを示す。逆転していることからプロファイルは右から左に進む。
図９より逆転により誘起電圧極性が反転しても最小相は変化しないことが判る。さらにボトム側波形の隣接波形との交点はまったく位相シフトしていない。従って正転時と同じ信号によって位置検出が可能である。
【００６０】
以下、センサレスモータの回転子位置検出方法及びセンサレスモータの駆動装置について詳細を説明する。なお位相角は正転時にＵ相誘起電圧が負から正へコモン電位を横切るゼロクロス点を０度とした電気角で表す。通電方向はコイル端からコモン側へ通電する場合を正方向、コモン側からコイル端へ通電する場合を逆方向とする。正極電源ライン及びＧＮＤラインの双方を包含して電源レールと呼ぶ。
スパイクパルス時間を位相軸あるいは時間軸でプロットしたプロファイルを前提に説明しており、例えば交点とは磁気抵抗及び磁気飽和によるスパイクパルス時間変化プロファイル（図８、図９参照）上の信号波形どうしの交点を指す。
【００６１】
図１０にスパイクパルス時間の測定波形例を示す。Ｕ，Ｖ，Ｗはコイルで、３相正方向通電により１相ごとにスパイクパルス時間を測定している波形（４０ｕｓ／ｄｉｖ）である。モータ駆動装置のインバータ回路７（ＩＶ：図１３参照）にはハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチからなる３個のハーフブリッジ型スイッチング回路が用いられ、それぞれのスイッチング素子にはダイオードが逆並列接続され、各コイル端にはＶ／２電位を与えるバイアス回路８（ＢＩＡＳ：抵抗ｒ）が追加されている。
３相ブリッジ構成においては、ＭＰＵ５が各スイッチング素子を制御することで任意の組み合わせの２相通電と３相通電ができ、さらにそれぞれに正方向通電あるいは逆方向通電も可能である。
またコイル両端を同時に遮断することもできる。両端を同時に遮断した時、正極電源側ラインに接続されていたコイル端には大きな負電圧が発生し接地電源側ラインからローサイド側ダイオードを経由して充電され、接地電源側ラインに接続されていたコイル端には大きな正電圧が発生し正極電源側ラインへハイサイド側ダイオードを経由して放電される。両端を遮断した時のスパイクパルス時間は通電時間のほぼ半分であることも図から判る。
【００６２】
図１１にＵ相とＶ相の２相に通電時の測定電流回路を示す。
まず充電時は、スイッチング素子Ｔｒ１によりＵ相コイル端ｕに電源電位ＶＭが印加され、スイッチング素子Ｔｒ２によりＶ相コイル端ｖが接地電位Ｇに接続され、センシング電流Ｉ１はコイルＵとコイルＶを流れる。
次にＴｒ１とＴｒ２を同時に遮断すると、コイル蓄積エネルギーにより電流Ｉ２がダイオードＤ１を経由してコイル端ｕへ流れ込み、コイル端ｖからダイオードＤ２を経由して電源電位ＶＭへ放電する。放電電流Ｉ２は充電時と同じ方向にコイルＵとコイルＶを流れる。このときスパイクパルス電圧は接地電位Ｇあるいは電源電位ＶＭにクランプされ一定電圧となり、クランプ期間の長さはインダクタンスを反映していると考えられる。
【００６３】
２相のコイルの合成インダクタンスは回転子位置によるリラクタンスを反映して変化することからスパイクパルス時間も回転子位置を反映して変化する。２相間のインダクタンス差はコイル接続点（コモン）電位の変動となって現れ、２相のコイル両端でのスパイクパルス時間は等しい。
この例の場合のスパイクパルス時間はＵ相コイル端を測定してＵ相正方向通電としてもよいし、Ｖ相コイル端を測定してＶ相逆方向通電として扱ってもよい。なお図中、破線で示したスイッチング素子Ｔｒ３，Ｔｒ４及びダイオードＤ３，Ｄ４を使用すれば逆方向通電時のスパイクパルス時間測定もできる。
また図１１ではＵ相とＶ相を例示したが、３個のハーフブリッジを用いれば３相の中の任意の２相を上記と同様に測定できる。
【００６４】
図１２に３相通電時の測定電流回路を示す。
充電時は、スイッチング素子Ｔｒ１・Ｔｒ２・Ｔｒ３によりＵ相コイル端ｕに電源電位ＶＭが印加されＶ相コイル端ｖ及びＷ相コイル端ｗは接地電位Ｇに接続され、センシング電流Ｉ１はコイルＵ及びコイルＶとコイルＷを流れる。
Ｔｒ１〜Ｔｒ３を同時に遮断すると、コイル蓄積エネルギーにより電流Ｉ２がダイオードＤ１を経由してコイル端ｕへ流れ込み、ダイオードＤ２を経由してコイル端ｖからとダイオードＤ３を経由してコイル端ｗから電源電位ＶＭへ放電する。放電電流Ｉ２は充電時と同じ方向にコイルＵとコイルＶ及びコイルＷを流れる。
また３個のハーフブリッジを用いれば３相の任意の相を正方向通電あるいは逆方向通電にてスパイクパルス時間測定できる。測定対象相はすでに述べたように１相通電される相である。
３相間のインダクタンス差はコイル接続点（コモン）電位の変動となって現れ、２相通電側のいずれか１相が放電し終わったあとは２相放電となり、２相のコイル両端でのスパイクパルス時間は等しい。各相端のスパイクパルス時間を数学モデルから求めることは演算負荷が大きくまた温度変化や電源電圧変動等からも現実的ではないが、本案では実測が可能なため推定ではない確実な値を得ることができる。
【００６５】
次に零速時の回転子位置検出方法の一例について説明する。
励磁方式により決定される励磁パターンの区間ごとに番号をつけ励磁区間番号とし、あらかじめＭＰＵ５（制御手段）に備えた不揮発性メモリ（記憶部）に励磁区間番号に応じて電気子巻き線が磁気飽和によりスパイクパルス時間が最小となる相を位置判別情報として記憶しておき、あるいは位置判別条件としてプログラムしておく。
零速あるいは極低速時は、各相それぞれ正方向及び逆方向に、機械的時定数より短くかつ磁気飽和が発生する通電時間の一定電圧パルスを前記出力手段にて印加し、遮断時のスパイクパルス時間をコンパレータ回路９（ＣＯＭＰ）及びタイマー回路１９（ＴＭＲ）にて測定する（図１３参照）。
全測定完了後、ＭＰＵ１５はスパイクパルス時間測定値の最小相を判別し前記位置判別情報に基づいて現在の励磁区間番号として回転子位置を特定する。
【００６６】
前述のコイル電流を変化させる３要素について、零速時には誘起電圧は発生しないことから検出対象とならない。回転子の磁気抵抗については２周期性から推定位置が２か所となり１か所に特定できないことからこれも検出対象としない。従って、残る検出対象は電気子巻線（コイル）の磁気飽和によるインダクタンスの変化である。
大電流通電時には、固定励磁にて回転子が停止する位置、即ち回転子磁界と巻線磁界が異極性で対面する位置でスパイクパルス時間は最小となる。回転子位置に応じたプロファイルは１周期の略台形波である。また、通電方向を反対にすれば１８０°位相差の位置が最小となる。従って３相モータであれば３コイルそれぞれに正方向及び逆方向に通電し全部で６状態についてスパイクパルス時間を測定し、最小相を検出すれば１２０°通電の励磁区間の６か所のいずれか１か所に回転子位置を特定できる。
図５及び図６を参照しながら、３相モータ１２０°通電方式の励磁区間と最小相の関係を表にまとめる。最小相信号名のアンダーバーは逆方向通電を表す。
【００６７】
表１
2018014773.tif 000003
【００６８】
本案はコイル蓄積エネルギーを検出しており電流変化は２乗値で現れ大きな変位となって検出されることから、単純に電流センサを用いて電流値を測定する場合に比べて通電電流値を小さく設定することができる。定電圧駆動時の通電電流は印加する電圧パルス時間で決まることから、電圧パルス時間を機械的時定数より短く、電気的時定数程度に設定すればよい。それは概ね０．１〜１ｍｓ程度であり位置検出に要する時間は３相モータの場合で０．６〜６ｍｓ程度と短時間であり、また回転子を回転させることなく位置検出できる。
【００６９】
次に低速時の回転子位置検出方法の一例について説明する。
低速正転時は、現在位置している励磁区間番号から決定される最小相（第一の測定対象相）及び正転側に隣接する励磁区間番号に該当する最小相（第二の測定対象相）との２相に、電気的時定数より短くわずかに磁気飽和が発生する通電時間の一定電圧パルスを前記出力手段にて印加し、遮断時のスパイクパルス時間をコンパレータ回路９（ＣＯＭＰ）及びタイマー回路１０（ＴＭＲ）にて測定する（図１３参照）。
以上の一連の測定を周期的に繰り返し、測定完了ごとに、ＭＰＵ５（制御手段）はスパイクパルス時間測定値の大小比較から正転側の励磁区間境界点を判別し、誘起電圧波形の負側交点位相に一致するインダクタンス波形交点を検出したときは位置判別情報に基づいて励磁区間番号を歩進して現在の励磁区間番号として回転子位置を特定する。
【００７０】
零速時の回転子位置、即ち初期位置検出以後は、励磁を周期的に中断して短時間でスパイクパルス時間測定を行えば位置を検出しながら始動するクローズドループ制御が可能となる。磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）は回転子の位相角による磁気抵抗変化が大きくスパイクパルス時間変化は数十%も発生することから、測定回路の分解能の許す範囲で電圧パルス時間を短く設定することができる。一方、表面磁石型モータ（ＳＰＭモータ）はほとんど磁気抵抗変化がないため磁気飽和によるインダクタンス変化を利用することとなる。
【００７１】
回転時はすでに回転子位置は特定されているとの前提条件から１２０°通電に必要な６０°ピッチの隣接相との区間境界点を検出すれば、回転子位置を直接検出しなくとも励磁切り替えは可能である。そして、区間境界点は特定の２相のスパイクパルス時間により検出できる。従って現在位置に基づいて特定２相のスパイクパルス時間のみを測定し大小比較すれば区間境界点を通り過ぎたことを検出できる。センシング相としては表１にて現在区間及び正転方向に隣接する区間の最小相を選択すればよい。
この交点検出方法によれば回転時も交点位相は変化しないことから始動時の低速領域において位置を検出できる。
【００７２】
また、信号レベルを大小比較する零速時の最小相検出方法は、静止状態だけでなく極低速回転時も位置検出しなければならないことから確実に位置検出するために充分に大きな信号レベルが要求される。それに比べて交点検出法は、次に発生する交点を予測し特定の２相のみに着目すればよいことから短い電圧パルス時間で交点を検出できる。例えばＩＰＭモータの場合、極低速時の位置検出を確実に行うためには１相あたり１ｍｓ程度が望ましく位置検出には６状態で６ｍｓ程度を要するが、回転時は交点検出方法により位置検出に０．１ｍｓ程度でよくさらに２相のみの測定であることから測定時間は０．２ｍｓで済み、静止時の位置検出に比べて１／３０に短縮される。よって位置検出周期を２ｍｓといった短時間に設定でき、仮に周期を２ｍｓとすれば測定時間対位置検出周期のデューティ比は０．２ｍｓ：２ｍｓであるから測定以外の励磁期間のデューティは９０％となり充分な始動トルクを得ることができ、誘起電圧が十分に発生する回転数まで位置検出しながらクローズドループ制御にて加速することができる。
【００７３】
次に逆転時の回転子位置検出方法の一例について説明する。
低速回転時は回転方向に関わりなく、現在位置している励磁区間番号から決定される最小相（第一の測定対象相）と、正転側及び逆転側の隣接励磁区間番号に該当する最小相（第二，第三の測定対象相）の合計３相に、ＭＰＵ５（制御手段）は電気的時定数より短くわずかに磁気飽和が発生する通電時間の一定電圧パルスをインバータ回路７（ＩＮＶ）にて印加し、通電遮断時のスパイクパルス時間をコンパレータ回路９（ＣＯＭＰ）及びタイマー回路（ＴＭＲ）にて測定する（図１３参照）。
以上の一連の測定を周期的に繰り返し、測定完了ごとに、ＭＰＵ５はスパイクパルス時間測定値の大小比較から励磁区間境界点を判別し、正転側交点を検出した時は正転側に、逆転側交点を検出した時は逆転側に、前記位置判別情報に基づいて励磁区間番号を歩進して現在の励磁区間番号として回転子位置を特定する。
【００７４】
始動時は振動や外力により逆転している場合も頻繁に発生するため回転方向を検出して位置を把握することが必須である。そこで正転側区間境界点の検出と同時に逆転側の区間境界点の検出を行えば回転方向を判別できる。逆転側の区間境界点を検出した時は、正転方向へ励磁しているにも関わらず現在区間からひとつ手前の区間へ逆方向に回転したことになる。センシング相としては表１にて現在区間と正転方向及び逆転方向に隣接する区間の合計３区間の最小相を選択すればよい。
【００７５】
図９に逆転時のスパイクパルス時間プロファイルが示されている。逆転時は誘起電圧の極性が反対となるが交差する２相の大小関係と位相関係は変わらず正転時と共通である。従って回転方向に関わりなく同じ相をセンシングすれば交点を検出できる。
正転時（図８）及び逆転時（図９）の双方にて、例えば区間２では最小相はＶ相であり、正転側交点はＶ相とＵ相間で発生し、逆転側交点はＶ相とＷ相間で発生するから、Ｖ相は共通である。従って回転方向判別を追加した場合でもスパイクパルス時間の測定は３相について行えば可能であり、測定時間の増加は１相分のみである。
以上の逆転方向のセンシングを追加することで、微振動を検出してまったく逆転のない始動が可能となり、また外力あるいは惰性回転による逆転にも対応可能となり適切に逆転ブレーキを掛けることが可能となる等、実用性が格段に向上する。
【００７６】
前述した零速時の回転子位置検出方法において、１相あたりの測定時間をＴｓ、極数をＰとしたとき、３相モータを使用する場合の位置検出可能な最高回転数Ｎｍａｘ（ｒｐｍ）を１／（Ｔｓ×Ｐ）とする。なお測定時間Ｔｓとは、コイル蓄積エネルギー放出時間＋電圧パルス通電時間＋スパイクパルス時間である。
【００７７】
また静止判定時に回転数を検出し、Ｎｍａｘより低い場合は零速時の回転子位置検出し、高いときは本案検出方法を適用せず従来のセンサレス駆動方式により回転する。
尚、従来のセンサレス駆動方式とは、３相モータであれば６０°１相矩形波通電方式、１２０°２相矩形波通電方式、１５０°２相疑似サイン波通電方式、１８０°３相サイン波通電方式、１８０°３相ベクトル制御通電方式、等を用いて位置センサなしで回転させる駆動方式のいずれかのことである。
また誘起電圧検出可能な最低回転数をＮｚとし、Ｎｍａｘ≧Ｎｚのとき本案を適用し、Ｎｍａｘ＜Ｎｚのとき本案を適用しない。
【００７８】
零速時の回転子位置検出は磁気飽和によるスパイクパルス時間の最小相を検出することで行われる。しかし始動時に零速であるとは限らずすでに回転していた場合にも位置検出できることが望ましい。測定は１相ごとに行われるため測定時間がかかり、回転時は位置検出回転数の上限を考慮しなければならない。
【００７９】
３相モータでは１回の測定に６回センシングすることから１相の測定時間Ｔｓ×６＝励磁区間時間Ｔｐｈ以下との条件が発生する。さらにセンシング中にも回転子は回転するのでセンシング許容時間は通電誤差を３０°まで許容するとした場合、励磁区間時間Ｔｐｈは６０°の時間であることからＴｓ×６はＴｐｈの半分となる。さらに放電モードが収束時には３相から２相に変化することから発生する位相シフトあるいは測定系の相間差等から測定誤差を±１０°程度は見込む必要があり、Ｔｓ×６はＴｐｈの１／３程度が許容範囲である。
１電気角時間Ｔｃｙ＝励磁区間時間Ｔｐｈ×６ステート
＝センシング時間Ｔｓ×６×６＝３６Ｔｓ
メカニカル検出回転数Ｎｍａｘ′（ｒｐｍ）＝（１／Ｔｃｙ）×（２／Ｐ）×６０ｓ
＝２×６０／（３６Ｔｓ×Ｐ）＝１０／（３・Ｔｓ・Ｐ）
これに上述の許容範囲から安全率を３／１０として見込むと
位置検出可能なメカニカル最高回転数Ｎｍａｘは
Ｎｍａｘ（ｒｐｍ）＝１／（Ｔｓ・Ｐ）となる。
例えばＴｓ＝１ｍｓ、２極の時、Ｎｍａｘ＝５００ｒｐｍ
Ｔｓ＝１ｍｓ、４極の時、Ｎｍａｘ＝２５０ｒｐｍ
Ｔｓ＝０．１ｍｓ、４極の時、Ｎｍａｘ＝２５００ｒｐｍである。
【００８０】
またモータ駆動回路は、上位コントローラ６から始動命令を受け取るとまず回転数を測定し零速かどうか判定する。従来は完全静止状態を検出するために長い時間を要していた。しかし本案によればＮｍａｘ以下であれば回転子の位置検出が可能であるから、完全静止状態でなく低速回転していても静止位置センシングを行い、回転子位置を検出することが可能である。これにより低速回転時もわざわざ静止させることなく即座に位置を検出して迅速に始動することができる。また静止判定時間はＮｍａｘ周期で済み、静止検出と比較してはるかに高い回転数を検出すればよいことから静止判定時間そのものも短時間となる。
【００８１】
一方、誘起電圧検出可能な最低回転数Ｎｚは回路及びモータ設計時にあらかじめ決定されている。そこでＮｚよりもＮｍａｘが高くなるようにＴｓを設定すれば、誘起電圧を検出できない期間を避けることができ使用回転数領域の全域で位置検出が可能である。逆にＮｍａｘがＮｚより低くなる設定では位置検出できない期間が発生することも判り設定ミスを予防できる。
【００８２】
次に、図１３に示すモータ駆動装置の動作例について図１６に示す始動及び高速回転を行う際のフローチャートにしたがって説明する。
図１３において、ＭＰＵ５は、上位コントローラ６からの回転指令待ち、上位コントローラ６から回転指令が与えられると（ＳＴＥＰ１）、まずモータが静止しているか判定する（ＳＴＥＰ２）。
【００８３】
具体的には、モータの始動時の回転数を測定し、静止状態か回転状態か判定する。すでに高速回転しているときは高速運転へジャンプする。ここから始動動作が始まる。
位置検出限界回転数Ｎｍａｘ以上だった場合は、高速回転と判定して従来のセンサレス駆動方式に切り替え高速運転する（ＳＴＥＰ１０）。
【００８４】
位置検出限界回転数Ｎｍａｘ未満だった場合は、低速回転と判定して初期位置検出動作を行い、回転子位置を特定する（ＳＴＥＰ３）。具体的には、静止時位置検出方法により、比較的長い通電パルスを３相モータなら６状態について印加しスパイクパルス時間を測定し、磁気飽和による最小相を判別し初期位置を検出する。
【００８５】
初期位置が特定されたら、上位コントローラ６からの回転指令を待って（ＳＴＥＰ４）、それに従って始動励磁として所定時間の励磁をする（ＳＴＥＰ５）。具体的には、回転時の位置検出方法により、比較的短い通電パルスを３状態について印加しスパイクパルス時間を測定する。励磁中は所定の周期で繰り返し位置検出を行う。それはスパイクパルス時間プロファイルの現在区間の最小値と隣接する区間の最小値との交点を検出することで実現される（交点センシング：ＳＴＥＰ６）。正転側と逆転側の双方の交点を検出するので逆転しても正しく位置検出される。
【００８６】
交点を見つけたら（ＳＴＥＰ７）、励磁区間番号をひとつ進める（区間番号歩進：ＳＴＥＰ８）。具体的には、正転側交点を検出したら区間番号を１区間進め、逆転側交点を検出したら区間番号を１区間戻し現在位置とする。
【００８７】
次いで、Ｎｍａｘ×２程度の高速回転か判定する（ＳＴＥＰ９）。Ｎｍａｘの２倍とする理由は、高速回転と低速回転の切り換えにヒステリシスを設け切り替えによる振動を防止するためである。尚、低速回転時は交点を検出することから測定は３回行われ、６回測定時の上限であるＮｍａｘの２倍の回転数まで位置検出可能である。区間時間から回転数を判定し低速ならＳＴＥＰ４へ戻り始動励磁及びセンシングを周期的に繰り返す。また、誘起電圧を検出できる回転数になったら、従来のセンサレス駆動方式による高速運転に切り替える（ＳＴＥＰ１０）。
【００８８】
上位コントローラ６からの回転指令確認し（ＳＴＥＰ１１）、停止指令が送出されていればＳＴＥＰ１に戻ってモータへの通電を停止させる。また、回転指令が送出されていれば高速回転か否か常に回転数の判定を行い（ＳＴＥＰ１２）、低速回転となったら始動励磁（ＳＴＥＰ４）へ戻り始動励磁及びセンシングを周期的に繰り返す。これは過負荷による回転数低下あるいは逆転ブレーキへの対応である。
【００８９】
以上、モータ駆動装置の基本的な動作例について説明した。実用化にはこの他にもパラメータやルックアップテーブルの設定あるいはサイクルタイム監視・トルク制御・停止動作等様々な処理が必要となるが説明を省略する。
【００９０】
なお、モータ駆動回路構成やプログラム構成は様々考えられ、本実施例に限定するものではなく、本案主旨を逸脱しない範囲で電子回路技術者あるいはプログラマーであれば当然なし得る回路構成やプログラム構成も含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１  回転子軸  ２  回転子  ３  永久磁石  ４  固定子  ５  ＭＰＵ  ６  上位コントローラ  ７  インバータ回路  ８  バイアス回路  ９  コンパレータ回路  １０  タイマー回路  １１  ゼロクロスコンパレータ回路  １２  セレクタ回路  １３  中性点電位部
【図１】
2018014773.tif 000004
【図２】
2018014773.tif 000005
【図３】
2018014773.tif 000006
【図４】
2018014773.tif 000007
【図５】
2018014773.tif 000008
【図６】
2018014773.tif 000009
【図７】
2018014773.tif 000010
【図８】
2018014773.tif 000011
【図９】
2018014773.tif 000012
【図１０】
2018014773.tif 000013
【図１１】
2018014773.tif 000014
【図１２】
2018014773.tif 000015
【図１３】
2018014773.tif 000016
【図１４】
2018014773.tif 000017
【図１５】
2018014773.tif 000018
【図１６】
2018014773.tif 000019
【図１７】
2018014773.tif 000020
【図１８】
2018014773.tif 000021
【図１９】
2018014773.tif 000022