(57)【要約】【課題】モータ停止状態と回転状態とにかかわらずモータのロータとステータとの相対位置を正確に検出する。【解決手段】モータの停止状態において、駆動信号としてロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を注入する手段を含み、この注入に対応する巻線（２０）に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定する第１相対位置検出回路系（１３，１５，１６）と、モータの稼働状態において、駆動信号にロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を重畳する手段を含み、この重畳に対応する巻線（２０）に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定する第２相対位置検出回路系（１４，１５，１６）と、当該判定された相対位置に基づいて駆動信号を生成する駆動信号生成回路系（１６，１１）と、を有する。【選択図】図１
2012200123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサレスモータの巻線に駆動信号を供給して当該モータを駆動する手段を備えて当該モータを制御する方法であって、
前記モータの停止状態において、前記駆動信号としてロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を注入し、この注入に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定するステップと、
前記モータの稼働状態において、前記駆動信号にロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を重畳し、この重畳に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定するステップと、
当該判定された相対位置に基づいて駆動信号を生成するステップと、
を有することを特徴とするセンサレスモータの制御方法。
【請求項２】
当該重畳に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいた相対位置の判定は、前記電流の測定値のベクトル解析によるインダクタンス判定を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載のセンサレスモータの制御方法。
【請求項３】
前記インダクタンス判定は、ｄｑ軸のインダクタンスを用いて行われることを特徴とする請求項２に記載のセンサレスモータの制御方法。
【請求項４】
前記巻線は、Ｕ相，Ｖ相及びＷ相の巻線部からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載のセンサレスモータの制御方法。
【請求項５】
当該判定された相対位置に基づいて、転流のための駆動信号が生成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のセンサレスモータの制御方法。
【請求項６】
センサレスモータの巻線に駆動信号を供給して当該モータを駆動する回路を備えて当該モータを制御する装置であって、
前記モータの停止状態において、前記駆動信号としてロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を注入する手段を含み、この注入に対応する当該巻線に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定する第１相対位置検出回路系と、
前記モータの稼働状態において、前記駆動信号にロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を重畳する手段を含み、この重畳に対応する当該巻線に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定する第２相対位置検出回路系と、
当該判定された相対位置に基づいて駆動信号を生成する駆動信号生成回路系と、
を有することを特徴とするセンサレスモータの制御装置。
【請求項７】
当該重畳に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいた相対位置の判定は、前記電流の測定値のベクトル解析によるインダクタンス判定を用いて行われることを特徴とする請求項６に記載のセンサレスモータの制御装置。
【請求項８】
前記インダクタンス判定は、ｄｑ軸のインダクタンスを用いて行われることを特徴とする請求項７に記載のセンサレスモータの制御装置。
【請求項９】
前記巻線は、Ｕ相，Ｖ相及びＷ相の巻線部からなることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一に記載のセンサレスモータの制御装置。
【請求項１０】
当該判定された相対位置に基づいて、転流のための駆動信号が生成されることを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか一に記載のセンサレスモータの制御装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載のセンサレスモータの制御方法を用いることを特徴とする電動装置。
【請求項１２】
請求項６乃至請求項１１のいずれか一に記載のセンサレスモータの制御装置を用いることを特徴とする電動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くモータ制御に関し、特に、モータのロータとステータとの相対位置を検出する位置センサを有しないセンサレスモータの制御であって、いわゆる脱調防止を図ることのできるセンサレスモータの制御方法、装置及びこれら方法、装置を用いる電動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサレスモータの例として、ブラシレス直流モータがあるが、その起動駆動方法は、固定ディスクなどの各種データ記録装置、冷蔵庫などの家電機器、電動自転車などの電動車両など、小型、低コスト、低消費電力、高効率なモータを必要とされる装置又は機器に広く用いられる。
【０００３】
ブラシレス直流モータにおいては、各相のモータ巻線に対して所定の転流動作のタイミングで各相のモータ巻線へ順次に駆動電流を切り換え供給するために、モータ巻線と回転子との相対的な位置情報を示す信号が必要とされる。
そのため、従来からブラシレス直流モータでは、例えばホール素子や光学的な素子などを含んで構成される位置検知器によって回転子の回転位相情報を検出して、所定の転流動作のタイミングでモータの各巻線へ順次に駆動電流が供給されるようにするか、又は回転子の回転中に各モータ巻線に発生する逆起電圧を測定して回転子の回転位相情報を示す信号を得て、所定の転流動作のタイミングでモータの各巻線へ順次に駆動電流が供給されるようにしている。
【０００４】
後者の構成形態のブラシレス直流モータ、すなわち、位置検知器を有しないブラシレス直流モータは、位置検知器が不要であるために、モータの構成が簡単化できるとともに、位置検知器自体の信頼性が低いことによって生じる問題もなく、また、位置検知器を所定の取付位置に正確に取り付けるための組立製作上の煩雑さもないなどの利点があり、特に小型なブラシレス直流モータを構成させる場合に有利である。
【０００５】
ところで、モータの起動時には停止状態の回転子を所定の回転方向に回転を開始することができるように各相の巻線に対する転流の制御を行う必要がある。しかしながら、センサレスブラシレス直流モータには位置検知器が備えられていない。
よって、起動時に所望の転流の態様で各相の巻線に対して駆動電流が順次に供給されるように停止時における回転子の磁極と巻線の相対位置を検出し、その検出された相対位置に基づいて所定の回転方向に回転子が回転を開始できるように各相に対する転流の制御を行わなければならない。
【０００６】
回転子が停止している状態で三相巻線の各相に適切な電流を流し、その電流値の大小を相対比較することにより、回転子と三相巻線との相対的な停止位置を検出する手段として、引用文献１に記載された技術が知られている。
【０００７】
かかる手段の動作を説明すると、モータの三相巻線における星形結線された巻線のそれぞれをＵ相、Ｖ相、Ｗ相としたとき、
通電１：Ｕ→（Ｖ＋Ｗ）
通電２：Ｖ←（Ｕ＋Ｗ）
通電３：Ｗ→（Ｕ＋Ｖ）
通電４：Ｕ←（Ｖ＋Ｗ）
通電５：Ｖ→（Ｕ＋Ｗ）
通電６：Ｗ←（Ｕ＋Ｖ）
という形で表される６つの通電態様の各々において電流値が測定される。ここで例えば、通電１のＵ→（Ｖ＋Ｗ）はＵ端からＶ及びＷ端へ、通電４のＵ←（Ｖ＋Ｗ）はＶ及びＷ端からＵ端へ電流を流すことを表している。
測定される電流値は、回転子の磁極が各巻線に与える磁束によって影響を受け、例えば、通電１では、Ｕ相が回転子に対向する面がＮに励磁されるとき、回転子のＳ極が対向する位置にあれば通電電流は大きく、対向位置から離れると小さくなる。通電４は、通電１と電流方向が反対の例であり、Ｕ相はＳに励磁され、回転子のＮ極が対向する位置にあるときに電流値は大きくなる。このように、通電１から通電６を実行して電流値の大小を求めれば、各回転子の電気角の位置、すなわち三相巻線と回転子との相対位置が求められる。
【０００８】
特許文献１は、このような電流値測定に基づいて、モータの停止中において回転子と巻線との相対位置を正確に検出する駆動方法及びこれを用いた電動自転車を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１５４７２７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、モータ停止状態と回転状態とにかかわらずモータのロータとステータとの相対位置を正確に検出すること、また、この正しい相対位置に基づいた制御信号により、脱調の発生を防止し、適正なモータ制御を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明によるセンサレスモータの制御方法は、センサレスモータの巻線に駆動信号を供給して当該モータを駆動する手段を備えて当該モータを制御する方法であって、前記モータの停止状態において、前記駆動信号としてロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を注入し、この注入に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定するステップと、前記モータの稼働状態において、前記駆動信号にロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を重畳し、この重畳に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定するステップと、当該判定された相対位置に基づいて駆動信号を生成するステップと、を有することを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、モータ停止状態と回転状態とにかかわらずモータのロータとステータとの相対位置を正確に検出することができる。また、この相対位置に基づいて駆動信号を生成するので、脱調の発生を防止し、適正なモータ制御を達成することができる。
【００１３】
上記した発明において、当該重畳に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいた相対位置の判定は、前記電流の測定値のベクトル解析によるインダクタンス判定を用いて行われることを特徴としてもよい。
また、前記インダクタンス判定は、ｄｑ軸のインダクタンスを用いて行われることを特徴としてもよい。
前記巻線は、Ｕ相，Ｖ相及びＷ相の巻線部からなることを特徴としてもよい。さらに、当該判定された相対位置に基づいて、転流のための駆動信号が生成されることを特徴としてもよい。
かかる発明によれば、モータのロータとステータとの相対位置の判定を容易に行い得るとともに、この判定に基づいた転流のための駆動信号を生成することで、脱調を生じさせず適正なモータ制御を達成することができる。
【００１４】
さらに、本発明によるセンサレスモータの制御装置は、センサレスモータの巻線に駆動信号を供給して当該モータを駆動する回路を備えて当該モータを制御する装置であって、前記モータの停止状態において、前記駆動信号としてロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を注入する手段を含み、この注入に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定する第１相対位置検出回路系と、前記モータの稼働状態において、前記駆動信号にロータ・ステータ相対位置測定用高周波電流成分を重畳する手段を含み、この重畳に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定する第２相対位置検出回路系と、当該判定された相対位置に基づいて駆動信号を生成する駆動信号生成回路系と、を有することを特徴とする。
【００１５】
かかる発明によれば、モータ停止状態と回転状態とにかかわらずモータのロータとステータとの相対位置を正確に把握することができる。また、この相対位置に基づいて駆動信号を生成するので、脱調の発生を防止し、適正なモータ制御を達成することができる。
【００１６】
上記した発明において、当該重畳に対応する前記巻線に流れる電流の測定に基づいた相対位置の判定は、前記電流の測定値のベクトル解析によるインダクタンス判定を用いて行われることを特徴としてもよい。
また、前記インダクタンス判定は、ｄｑ軸のインダクタンスを用いて行われることを特徴としてもよい。
前記巻線は、Ｕ相，Ｖ相及びＷ相の巻線部からなることを特徴としてもよい。さらに、当該判定された相対位置に基づいて、転流のための駆動信号が生成されることを特徴としてもよい。
かかる発明によれば、モータのロータとステータとの相対位置の判定を容易に行い得るとともに、この判定に基づいた転流のための駆動信号を生成することで、脱調を生じさせず適正なモータ制御を達成することができる。
また、本発明による電動装置は、前記センサレスモータの制御方法を用いることを特徴とする。さらに、本発明による電動装置は、前記センサレスモータの制御装置を用いることを特徴とする。
電動装置には、電動自転車などの電動車両、固定ディスクなどの各種データ記録装置や冷蔵庫などの家電機器が含まれる。つまり、電動装置は、センサレスモータを用いる装置、機器を意味している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、モータ停止状態と回転状態とにおいて、ロータとステータとの相対位置を正確に検出することができ、適正な制御が可能なセンサレスモータの制御方法、装置及びこれら方法、装置を用いる電動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明によるモータ駆動回路を示すブロック図である。
【図２】本発明によるモータ駆動回路において用いられる駆動信号のベクトル及びこれに注入又は重畳する高周波成分のベクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の上記態様及び実施の形態を実施例に基づき添付図面を参照して詳しく説明する。
本発明は、センサレスのブラシレスモータ駆動に広く応用できる。以下に好適な電動装置として電動自転車への応用例を説明する。モータは、車軸に直結される直接駆動形態で使用され、三相巻線を有するステータは車軸に固定され、永久磁石を有するロータは車輪の一部として構成される。本例では、モータは、ステータの巻線が５１極、ロータの磁極が４８極の２４ポールペアとしている。車輪が１回転、すなわち機械角で３６０度回転するとき、ロータの電気角はポールペア数だけ繰り返されるので、電気角の３６０度は機械角で１５度（＝３６０度／２４）に相当する。また、車輪の直径を５０ｃｍとすると、車輪円周は５０×３．１４≒１５０ｃｍであるので、電気角の３６０度の変化は、電動自動車が約６．２５ｃｍ（≒１５０ｃｍ×（１５度／３６０度））移動することに相当する。
【００２０】
図１は、本発明の実施例において適用されるモータ駆動回路のブロック図を示している。
【００２１】
図１において、電源Ｖｃｃからの電流をインバータ回路１１のブロック内でＱ１からＱ６のトランジスタで切り替えてモータ巻線２０に流し、ロータ（図示せず）に回転力を生起させる。例えば、Ｑ１とＱ６をＯＮにして他をＯＦＦにすると、巻線２０のＵ相からＶ相（Ｕ→Ｖ）に電流が流れ、Ｕ相とＶ相とが励磁される。巻線２０への通電電流は、抵抗Ｒｓ１２の両端に発生する電圧でモニタする。
【００２２】
ロータ位置検出回路（１）（第１相対位置検出回路系）１３は、後述するように巻線２０の通電電流をモニタしてロータが停止しているときの位置測定を行う。ロータが回転しているときも、巻線２０の通電電流をモニタして、ロータ位置検出回路（２）（第２相対位置検出回路系）１４に入力して位置測定を行う。
【００２３】
センサレス駆動演算回路１５は、ロータの位置情報から三相巻線への通電態様を決定し、出力トランジスタ制御回路１６（駆動信号生成回路系）と連携して、トランジスタ部Ｑ１からＱ６のＯＮ，ＯＦＦ制御を行う制御信号を出力させるとともに、ロータ位置検出回路（１）１３とロータ位置検出回路（２）１４とに、測定のための制御情報を供給する。本例では、電源をＶｃｃ＝４８Ｖとし、モータの動作電流が１０Ａから１５Ａなので抵抗Ｒｓを０．００５オームとして、Ｒｓの両端で０．５Ｖから１．５Ｖが得られるようにしている。
【００２４】
本実施例は、モータ停止、回転状態に係わらず、モータ巻線２０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に高周波電流を注入して、巻線とロータとの相対位置に依存して各相を通じる電流量が変化する特性を利用して当該相対位置を特定するようにしている。これを実現するため、出力トランジスタ制御回路１６は、モータ巻線２０の各相に供給する駆動信号ＶＵ，ＶＷ，ＶＶに高周波電流成分が重畳するように、インバータ回路１１への各入力信号を生成する。
【００２５】
モータの停止状態においては、所定の短期間、駆動信号ＶＵ，ＶＷ，ＶＶにおいて高周波電流成分が巻線２０に注入されるようにして、ロータと巻線２０との相対位置によって巻線２０に流れる電流が異なることを利用し、その位置推定を行う。この電流は、シャント抵抗１２より検出される電圧から算出することで測定され、その測定値がロータ位置検出回路（１）１３において用いられる。ロータ位置検出回路（１）１３は、電流の測定値の大きさの如何によってロータと巻線２０との相対位置を判定することとなる。
【００２６】
モータの回転状態においては、通常の駆動信号成分に同様の高周波電流成分が重畳された駆動信号ＶＵ，ＶＷ，ＶＶを巻線２０に供給し、これにより巻線２０を流れる電流をロータ位置検出回路（２）１４において測定し、電流の測定値の大きさの如何によってロータと巻線２０との相対位置をリアルタイムで判定する。この際、ロータ位置検出回路（２）１４においては、電流の波形をベクトル解析（ｄｑ軸解析）したうえで、最終的にロータと巻線２０との相対位置を判定する。
【００２７】
ここでいうｄｑ軸解析は、清武氏らによる「速度センサレス誘導電動機ベクトル制御のための電圧ベクトル重畳によるスロット漏れインダクタンスの検出方法」と題された鹿児島大学工学部研究報告書（第４７号，（２００５））の文献等を参考として導かれる手法によって行われるものである。かかるｄｑ軸解析においては、ｄｑ軸のインダクタンスの相違を、上記した高周波成分によって、ベクトル解析に基づいて測定することができる。
【００２８】
したがって、モータの停止時のみならず回転時においても、同様の高周波成分の駆動信号への注入又は重畳によって、ロータと巻線２０を有するステータとの正確な相対位置を検出することができる。
【００２９】
なお、図２には、通常の駆動信号ＶＵ，ＶＷ，ＶＶの駆動成分のＰＷＭ（パルス幅変調）時のベクトルが実線の矢印にて示され、この駆動成分に対して上述したような注入又は重畳すべき高周波電流成分(テスト信号)が点線の矢印にて示される。
【００３０】
モータの起動時には、停止状態の回転子が所定の回転方向で回転を開始することができるように各相の巻線に対する転流の制御を行う必要がある。センサレスブラシレス直流モータには位置検知器が備えていないから、起動時に所望の転流の態様で各相の巻線に対して駆動電流が順次に供給されるようにするためには、停止時における回転子の磁極と巻線の相対位置を検出し、その検出された回転子の磁極と巻線との相対位置に基づいて所定の回転方向に回転子が回転を開始できるように各相に対する転流の制御が行われるようにしなければならない。
【００３１】
一方、いわゆるモータの脱調は、誤った位置情報に基づいて駆動信号を生成してしまい、その結果、誤ったモータ制御を継続するために生じる。この脱調の防止には、正しい位置推定が必要で、上述したようなベクトル解析によりリアルタイムに正確な位置測定を行い、これをモータ制御側に反映させることにより、脱調防止を実現することができる。
【００３２】
本実施例によれば、高周波電流をモータ駆動信号において巻線（部）に注入又は重畳し、その注入又は重畳に対応する巻線通過電流測定に基づいてロータとステータとの相対位置を判定しているので、モータの停止状態と回転状態とにかかわらずモータのロータとステータとの相対位置を正確に検出することができる。また、この正しい相対位置に基づいた制御信号（駆動信号）により、脱調の発生を防止し、適正なモータ制御を達成することができる。
【００３３】
なお、上記実施例においては、電動自転車を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、様々な応用が可能である。つまり、センサレスモータを用いる装置、機器などのあらゆる電動装置に適用できる。
【００３４】
以上、本発明による代表的実施例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、添付した請求項の範囲を逸脱することなく種々の代替実施例及び改変例を見出すことができる。
【符号の説明】
【００３５】
１１・・・インバータ回路
２０・・・巻線
１２・・・シャント抵抗
１３・・・ロータ位置検出回路（１）
１４・・・ロータ位置検出回路（２）
１５・・・センサレス駆動演算回路
１６・・・出力トランジスタ制御回路
【図１】
2012200123.tif 000003
【図２】
2012200123.tif 000004