(57)【要約】【課題】センサレスブラシレスモータにおいてＰＷＭ駆動制御が可能でありかつ励磁位相を適切化する。【解決手段】センサレスブラシレスモータ１をＰＷＭ制御し、モータの誘起電圧の増減に対してコンパレータＯＰ１〜ＯＰ３によりロータ位置信号を取り出し、ロータ位置信号に基づく励磁位相タイミングで転流制御する。ＰＷＭノイズ除去用の第１のフィルタ７による特に高回転速度側で大きくなる遅れ位相を、ロータ位置信号に基づいた回転速度に応じてマップから遅れ位相を求め、励磁位相タイミングを補正する。さらに他の回路上の一定時間の遅れもマップにより回転速度に対応した遅れ位相として補正する。１次ＣＲフィルタによりモータ端子電圧変化に回転速度の違いにより位相遅れが生じるが、その遅れ位相を補正することから、ＰＷＭ駆動における励磁位相（励磁のタイミング）を適切化し得る。【選択図】図１
2007244054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレスモータの各相の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、前記端子電圧検出手段に入力される前記端子電圧の変化からロータ位置を求めるロータ位置検出手段と、前記ブラシレスモータを駆動する転流パターンを前記ロータ位置に応じて切り替える転流制御を行う転流制御手段と、前記ブラシレスモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、検出された前記回転速度に応じて前記転流パターンを遅角させる遅角角度を算出する遅角角度算出手段と、算出された前記遅角角度による前記転流パターンで前記ブラシレスモータを駆動制御する駆動制御手段とを有するセンサレスブラシレスモータの駆動装置であって、
前記端子電圧検出手段が、前記端子電圧の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタを有し、
前記遅角角度算出手段が、前記フィルタの前記回転速度で変化する遅れ位相を補正するフィルタ遅れ位相補正手段を有することを特徴とするセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
【請求項２】
前記駆動制御手段が前記ブラシレスモータをＰＷＭ制御し、
前記フィルタが前記端子電圧の検出信号に含まれるＰＷＭノイズを除去する１次ＣＲフィルタであることを特徴とする請求項１に記載のセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
【請求項３】
前記遅角角度算出手段が、前記フィルタ以外の回路による遅れ位相を補正する回路遅れ位相補正手段をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスモータの位置検出にセンサを用いないセンサレスブラシレスモータの駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、３相ブラシレスモータのセンサレス制御をアナログ方式で行う場合にはＣＲによる積分回路を用いて誘起電圧信号を９０度位相シフトすることで励磁タイミングを生成するなどしていた。なお、ＰＷＭ駆動を行う場合にはＰＷＭのパルス波の周波数がノイズとなるが、その場合でも上記積分回路によりそのＰＷＭノイズを除去できていたので、ロータ位置検出には影響がなかった。
【０００３】
また、ＣＲ積分回路を用いることなく、誘起電圧信号と、誘起電圧信号からセンシングしたモータの（疑似）中性点電位とをコンパレータで比較した結果（モータ端子電圧及びモータ中性点電位と相対的な関係）のエッジを検出し、電気角３０度後に励磁を切り替えることにより、回転速度に依存することなく常に適切な励磁位相を得ることができるようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３０４９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＣＲ積分回路を用いたものにあっては、上記したようにＰＷＭ駆動制御は可能だが、ＣＲ積分回路の周波数特性により励磁位相を適切にすることができないという問題があった。一方、上記特許文献のものにあっては、励磁位相は適切にすることができるが、ＣＲ積分回路を用いずに回路を構成していることからＣＲ積分回路によるＰＷＭノイズの除去が行われないため、ＰＷＭ駆動制御を行うことには不向きであるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような課題を解決して、センサレスブラシレスモータにおいてＰＷＭ駆動制御が可能でありかつ励磁位相を適切化し得ることを実現するために本発明に於いては、ブラシレスモータの各相の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、前記端子電圧検出手段に入力される前記端子電圧の変化からロータ位置を求めるロータ位置検出手段と、前記ブラシレスモータを駆動する転流パターンを前記ロータ位置に応じて切り替える転流制御を行う転流制御手段と、前記ブラシレスモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、検出された前記回転速度に応じて前記転流パターンを遅角させる遅角角度を算出する遅角角度算出手段と、算出された前記遅角角度による前記転流パターンで前記ブラシレスモータを駆動制御する駆動制御手段とを有するセンサレスブラシレスモータの駆動装置であって、前記端子電圧検出手段が、前記端子電圧の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタを有し、前記遅角角度算出手段が、前記フィルタの前記回転速度で変化する遅れ位相を補正するフィルタ遅れ位相補正手段を有するものとした。
【０００６】
特に、前記駆動制御手段が前記ブラシレスモータをＰＷＭ制御し、前記フィルタが前記端子電圧の検出信号に含まれるＰＷＭノイズを除去する１次ＣＲフィルタであると良い。また、前記遅角角度算出手段が、前記フィルタ以外の回路による遅れ位相を補正する回路遅れ位相補正手段をさらに有すると良い。
【発明の効果】
【０００７】
このように本発明によれば、センサレスブラシレスモータの駆動制御においてロータ位置信号を求めるためのモータ端子電圧に乗るノイズをフィルタにより除去する場合に、そのフィルタによりモータ端子電圧変化に回転速度の違いにより位相遅れが生じるが、その遅れ位相を補正することから、駆動制御における励磁位相（励磁のタイミング）を適切化し得る。回転速度の違いにより変化する遅れ位相を補正する手段としては、遅れ位相を所定の電気角だけ回転するのに要する時間の関数として時定数を含む形で表すことができる。例えばその式を予めマップ化しておくことにより、ＣＰＵによる演算時間を短縮化でき、速やかな処理を行うことができるため、特に高回転速度側で大となる遅れ位相の影響にも何等問題なく対応できる。
【０００８】
特に、ブラシレスモータをＰＷＭ制御する場合に端子電圧の検出信号にＰＷＭノイズが含まれるが、１次ＣＲフィルタを用いることによりそのＰＷＭノイズを簡単に除去することができ、低コストで回路を構成し得る。また、１次フィルタ以外の回路による遅れ位相を補正することにより、より一層高精度に励磁位相（励磁のタイミング）を適切化し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用されたブラシレスモータの駆動制御装置を示す概略ブロック図である。図１では３相のセンサレス型ブラシレスモータ１に対する駆動制御について示す。なお、本発明にあっては、３相に限定されるものではない。
【００１０】
図の駆動制御回路２には、転流パターンに基づいてブラシレスモータ１の各相に駆動信号を出力するために、転流パターンを作成するべくマイクロコンピュータからなるマイコン２ａと、マイコン２ａからの転流パターンによる出力信号に応じて各相の駆動信号を出力するプリドライバ２ｂと、プリドライバ２ｂからの駆動信号を変換して出力するインバータ２ｃとが設けられている。また、センサレス型ブラシレスモータにおけるロータ位置信号を検出するための誘起電圧Ｉ／Ｆ回路２ｄが設けられている。なお、誘起電圧Ｉ／Ｆ回路２ｄからのロータ位置信号はマイコン２ａに入力される。
【００１１】
駆動制御回路２には駆動スイッチ４が接続されており、駆動スイッチ４のオン信号がマイコン２ａに入力されるようになっている。また、インバータ２ｃからの駆動信号は駆動制御回路２から延出された各接続線３ｕ・３ｖ・３ｗを介してモータ１の各相のモータ端子に出力される。そして、各接続線３ｕ・３ｖ・３ｗから分岐された端子電圧検出手段を構成する各分岐線５ｕ・５ｖ・５ｗが誘起電圧Ｉ／Ｆ回路２ｄに接続されている。
【００１２】
駆動スイッチ４のオンにより、高レベル（Ｈ）信号がマイコン２ａに入力され、その高レベル信号を受けてマイコン２ａではブラシレスモータ１の駆動制御を実行する。
【００１３】
次に、上記した誘起電圧Ｉ／Ｆ回路２ｄについて図２を参照して示す。図に示されるように、各分岐線５ｕ・５ｖ・５ｗが、それぞれに対応する各コンパレータＯＰ１・ＯＰ２・ＯＰ３の各反転入力端子に接続されていると共に、それぞれ所定の抵抗Ｒ１を介して非反転入力端子に接続されている。各コンパレータＯＰ１・ＯＰ２・ＯＰ３の出力がマイコン２ａに入力される。
【００１４】
本駆動制御回路２による駆動制御はＰＷＭ制御を行うものであり、端子電圧の検出信号に含まれるＰＷＭ制御における搬送波によるノイズ（ＰＷＭノイズ）を除去するために、誘起電圧Ｉ／Ｆ回路２ｄの入力側となる各分岐線５ｕ・５ｖ・５ｗと各コンパレータＯＰ１・ＯＰ２・ＯＰ３との間には、端子電圧の検出信号に含まれるノイズを除去するフィルタとして、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ２とによる１次ＣＲフィルタを構成する第１のフィルタ７がそれぞれ設けられている。また、誘起電圧Ｉ／Ｆ回路２ｄの出力側となる各コンパレータＯＰ１・ＯＰ２・ＯＰ３とマイコン２ａとの間には、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ３とによる１次ＣＲフィルタを構成する第２のフィルタ８がそれぞれ設けられている。この第２のフィルタ８は、低回転速度時のコンパレータＯＰ１・ＯＰ２・ＯＰ３の出力信号の切り替わりエッジでのチャタリング抑制するためのものである。なお、上記第１のフィルタ７にあっては、図示例ではコンデンサと抵抗とによる１次ＣＲフィルタとしたが、そのような１次ＣＲフィルタに限られるものではなく、高周波ノイズを除去するローパスフィルタを構成するものであれば良い。また、図示例ではＰＷＭ制御することからＰＷＭノイズを簡単に除去するのに適する１次ＣＲフィルタとしたが、他のノイズ除去の場合には当然それに応じた適切なフィルタを用いると良い。
【００１５】
この誘起電圧Ｉ／Ｆ回路２ｄによりロータ位置検出手段が構成され、そのロータ位置の検出及び転流制御における励磁タイミングの生成要領について図３を参照して示す。図３には各相の波形が示されており、図の上段はステータコイルの端子電圧（分岐線５ｕ・５ｖ・５ｗでの電圧波形）の波形である。なお、各相の波形は電気角１２０度ずつずれているだけで同じなので、以下特に断らない限りＵ相について示すものとする。図に示されるθ１は電気角１２０度であり、その間だけ通電する。その前後のθ２・θ３は電気角６０度の区間を示す。
【００１６】
ロータの回転中にはステータに配置されたコイルに誘起電圧が発生する。その誘起電圧は励磁無しであって上記電気角６０度の区間θ２・θ３に発生し、例えば図の電圧波形の傾斜で示されるように漸増または漸減する波形となる。その電圧変化に対してしきい値Ｖｄを設定することによりロータ位置信号を容易に取り出すことができる。
【００１７】
また、ステータコイルの中性点電位波形と同等の等価中性点電位Ｖｄを図２の抵抗Ｒ１の設定により生成し、上記誘起電圧と等価中性点電位ＶｄとをコンパレータＯＰ１で比較して、コンパレータＯＰ１から出力されるパルス信号のエッジタイミングをロータ位置信号として使用することができる（図３の中上・中下段）。そのようにして得られたロータ位置信号の発生間隔からマイコン２ａにより回転速度を求める。
【００１８】
また、マイコン２ａでは、各コンパレータＯＰ１・ＯＰ２・ＯＰ３の出力波形の誘起電圧エッジの隣り合うもの同士の間隔を例えば内蔵カウンタによりデジタル的に計測し、そのカウント値を電気角６０度に換算し、その値に基づいて電気角３０度のカウント値を算出する。図示例ではロータ位置信号のＵ相のエッジ検出の次に検出されるＷ相のエッジ検出タイミングＴｗから電気角３０度だけ遅らせたタイミングＥｗで励磁を切り替えるようにしている。このタイミングＥｗは、例えばホールセンサ付きのブラシレスモータにおけるホールセンサ信号が切り替わるタイミングと同等であり、センサレス型ブラシレスモータにおいても同等の励磁切替タイミングをもって駆動制御することができる。
【００１９】
上記制御はマイコン２ａ内でのソフトウェアによる処理であって良く、その処理要領を図１にブロック図化して示している。すなわち、誘起電圧Ｉ／Ｆ回路２ｄから出力されるロータ位置信号に基づいて、励磁位相設定部１１で励磁位相タイミングを設定すると共に回転速度算出部１２でモータ回転速度を求め、転流制御部１３では励磁位相タイミングの信号に応じてＰＷＭ制御の転流パターン制御信号をプリドライバ２ｂに出力する。
【００２０】
また、回転速度信号に応じてマップ部１４から遅れ位相を読み出し、その遅れ位相に応じて遅れ位相補正部１５により遅れ位相分を補正する補正信号を励磁位相部１１に出力する。励磁位相部１１では補正信号に応じて励磁位相のタイミングを補正して上記励磁位相タイミング信号を出力する。その遅れ位相の補正要領について次に示す。
【００２１】
上記した第１のフィルタ７にあっては、ＰＷＭ駆動制御を行う場合のＰＷＭノイズ除去として有効であり、例えばブラシレスモータ１の回転速度の制御範囲が図４のＡで示されるような場合に、その制御範囲Ａより高い周波数側に第１のフィルタ７のカットオフ周波数ｆｃを設定する。なお、図は、横軸の周波数を対数表示し、縦軸を位相とした片対数グラフである。ＰＷＭ搬送波の周波数との関係から図に示されるようなカットオフ周波数ｆｃを設定した場合には図４に示されるように制御範囲Ａの高周波数側で遅れ位相が見られる。
【００２２】
本図示例では、マイコン２ａ内でのソフトウェアによる処理で上記遅れ位相を補正するものであり、その制御要領について以下に示す。
【００２３】
第１のフィルタ７の伝達関数Ｇ(ｓ)は、τ（＝Ｃ×Ｒ）を用いて次式で表せる。
Ｇ(ｓ)＝１／（τｓ＋１）  …（１）
式（１）より、遅れ位相θ１［ｒａｄ］は、
θ１＝−arctan（ωτ）  …（２）
となる。
【００２４】
ここで、第１のフィルタ７による遅れ時間はモータ端子電圧の基本周波数ｆ（回転速度に相当）の関数となり、ω＝２πｆにより、
遅れ位相θ１は基本周波数ｆの関数となり、
θ１＝−arctan（２πτ×ｆ）  …（３）
となり、単位を［度］とし、位相遅れ量を正にとると、
θ１＝arctan（２πτ／ｆ）×３６０／２π  …（４）
となる。さらに、電気角６０度回転するのに要する時間Ｔａの関数として次式で表すことができる。
θ１＝arctan（２πτ／６×Ｔａ）×３６０／２π  …（５）
上記式（５）により、第１のフィルタ７による遅れ位相θ１を算出することができる。これが、図４で表されるボード線図による位相特性の式となる。したがって、具体的にはＣＰＵで常時演算するとＣＰＵに負担がかかることから、図４をマップ化しておき、時間Ｔａから遅れ位相θ１を求めると良い。
【００２５】
さらに、本発明にあっては、上記第１のフィルタ７以外となるその他の回路及びソフトウェア処理における遅れ位相θ２についても補正する。この遅れ位相θ２に含まれる主な要因としては、コンパレータＯＰ１〜３、第２のフィルタ８、マイコン（ＣＰＵ）２ａがある。それらの合計となる遅れ合計時間Ｔ２にあっては、回転速度にかかわらず一定値であるが、位相として考えると上記電気角６０度回転するのに要する時間Ｔａの関数となり、その値は一定値である。遅れ合計時間Ｔ２の上記時間Ｔａに対する割合から、遅れ位相θ２［度］は、
θ２＝（Ｔ２／Ｔａ）×６０  …（６）
となる。
【００２６】
この式（６）から、回転速度が上昇すると時間Ｔａが短くなるのに対して、遅れ合計時間Ｔ２は一定であるため、Ｔ２／Ｔａの値が大きくなり、回転速度が高い場合の遅れ位相θ２が大きくなることが分かる。なお、式（６）にあってもマップ化しておくと良い。
【００２７】
したがって、ロータ位置検出信号の遅れ位相θを求める式として好ましくは、上記式（５）及び（６）を合算して、
θ＝arctan（２πτ／６×Ｔａ）×３６０／２π＋（Ｔ２／Ｔａ）×６０  …（７）
となる。この式（７）の実行にあっては、上記したように式（５）のマップと式（６）のマップとから求めた各値の加算で良く、簡単にロータ位置検出信号の遅れ位相θを求めることができる。具体的な制御にあっては、図３の励磁を切り替えるタイミングＥｗに遅れ位相θを考慮する（３０−θ）。
【００２８】
このように各遅れ位相θ１・θ２をマップ（テーブル化）を用いて処理することから、式（７）を高速に処理することができ、高回転速度域においてもマイコン２ａの転流制御などにおいて計算時間の影響を受けることがないため、ＣＰＵに高速すなわち高価なものを用いる必要が無く、装置の高騰化を防止し得る。
【００２９】
また、上記式（７）を用いて励磁位相（３０−θ）を求めた結果と、ホールセンサを設けたブラシレスモータの実測値によるセンサ信号のエッジタイミング（立ち上がりエッジ）とがほぼ一致することが確認された。その結果、ステータコイルの端子電圧波形にあっても、ホールセンサを用いて駆動した場合と同等の台形波となり、センサレスブラシレスモータのＰＷＭ制御をセンサ付きブラシレスモータと同等の駆動ができることが確認された。
【００３０】
なお、上記補正をする制御方法をコアレスブラシレスモータに適用することが考えられる。その場合には、コアレスモータにあっては低イナーシャにより機械的時定数が小さく、また低インダクタンスにより電気的時定数が小さいため、加速が良く、上記補正を用いたロータ位置検出及び励磁タイミング生成制御を適用することで、応答性の良い（高速）起動特性を得ることができる、という効果も生じる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明にかかるセンサレスブラシレスモータの駆動装置は、センサレスブラシレスモータのＰＷＭ制御及び励磁タイミングの遅れを防止して正確な駆動制御を行うことができ、センサレスブラシレスモータを用いた種々のモータ装置の技術分野として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明が適用されたブラシレスモータの駆動制御装置を示す概略ブロック図である。
【図２】誘起電圧Ｉ／Ｆ回路を示す図である。
【図３】各相の励磁タイミングを示す波形図である。
【図４】周波数に対するモータ端子電圧波形の遅れ位相を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ブラシレスモータ
２  駆動制御回路、２ａ  マイコン、２ｂ  プリドライバ、２ｃ  インバータ
３ｕ・３ｖ・３ｗ  接続線
４  駆動スイッチ
５ｕ・５ｖ・５ｗ  分岐線
７  第１のフィルタ
８  第２のフィルタ
１１  励磁位相設定部
１２  回転速度算出部
１３  転流制御部
１４  マップ部
１５  位相補正部
【図１】
2007244054.tif 000003
【図２】
2007244054.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007244054.tif 000006