(57)【要約】【課題】好適な位置検出方法のなかった停止時を含む低速域で３相ブラシレスモータの回転子の回転位置及び回転方向を低コストで簡易な方法で判別して閉ループ制御により確実な始動することができる３相ブラシレスモータの回転方向判別方法を提供する。【解決手段】ＭＰＵ５は、誘起電圧波形の負側交点位相で交差する２相のインダクタンスをタイマーＴＭにより周期的に測定し安定交点を検出することで回転子位置を特定し、現在位置に基づいて次に出現すると予測される正転側の安定交点を構成する２相及び逆転側の安定交点を構成する２相のインダクタンスを測定し続けて安定交点を各々検出し、正転側安定交点が先に検出された場合は正転と判定し、逆転側安定交点が先に検出された場合は逆転と判定してハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３にゲート信号を出力する。【選択図】図１３
2017139871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石界磁型の回転子を備えた３相ブラシレスモータのセンサレス駆動する際に回転子の回転方向を判別する３相ブラシレスモータの回転方向判別方法であって、
上位コントローラからの回転指令によりモータ駆動信号を出力制御する制御手段と、
前記制御手段の出力指令により、所定相コイルに正方向通電または逆方向通電するハーフブリッジ回路を３相分備えたモータ出力手段と、
任意の相のインダクタンスを測定する測定手段と、を具備し、
前記制御手段は、誘起電圧波形の負側交点位相で交差する２相のインダクタンスを前記測定手段により周期的に測定し安定交点を検出することで回転子位置を特定し、現在位置に基づいて次に出現すると予測される正転側の安定交点を構成する２相及び逆転側の安定交点を構成する２相のインダクタンスを測定し続けて安定交点を各々検出し、正転側安定交点が先に検出された場合は正転と判定し、逆転側安定交点が先に検出された場合は逆転と判定して前記モータ出力手段にモータ駆動信号を出力することを特徴とする３相ブラシレスモータの回転方向判別方法。
【請求項２】
前記制御手段は、安定交点の検出から特定した回転子位置において、１相正方向若しくは１相逆方向、２相正方向若しくは２相逆方向、３相正方向若しくは３相逆方向のうちいずれか一の組み合わせで選択される正転方向及び逆転方向の２相分の通電方式を選択してセンシング通電することで、電気角０°から始まる３０°ピッチで、前記回転子の回転方向を特定する請求項１記載の３相ブラシレスモータの回転方向判別方法。
【請求項３】
前記制御手段は、区間番号と対応する通電方式・構成相・勾配符号情報をまとめた正転側で１２通電パターン、逆転側で１２通電パターンの合計２４通電パターンをセンシングテーブルに記憶しており、前記回転子の現在位置に応じた励磁区間番号から励磁区間番号に応じて正転側及び逆転側の２相を各々選択してセンシング通電して前記回転子の回転方向を特定する請求項１又は請求項２記載の３相ブラシレスモータの回転方向判別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば３相ブラシレスモータをセンサレス駆動する際に低速域で回転子回転方向を判別する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスＤＣモータをコストダウンするにはセンサレス駆動が有効である。しかし現状のセンサレス駆動は始動初期に回転子位置を検出できないオープンループ期間がある。そのため始動ミスを始め様々な問題が発生しており、センサレス駆動の普及を阻んでいる。
【０００３】
一般的な永久磁石界磁型の位置センサレス３相ブラシレスＤＣモータの一例について図１５を参照して説明する。回転子軸１を中心に回転する回転子２には永久磁石３が設けられ、固定子４には１２０°位相差で設けられた極歯にコイルＵ，Ｖ，Ｗが配置され、コモンＣを介してスター結線される。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。
【０００４】
また、３相ブラシレスＤＣモータをセンサレス駆動する駆動回路について図１９に一例を示す。基本的な回路はセンシング部・制御部・インバータ部からなり、例えば強制同期にて始動し１２０°通電（後述）等にて回転する構成となっている。
【０００５】
センシング部はダミーコモンｃを生成する抵抗網を備え、ゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３はコイルＵ，Ｖ，Ｗとダミーコモンｃ間の電圧を比較して誘起電圧を検出する。
ＭＰＵはマイクロプロセッサであり、コンパレータ出力ＳＵ，ＳＶ，ＳＷに応じてゲート出力ＯＵＴ１〜ＯＵＴ６を切り替えてインバータ部を制御する。
インバータ部は３個のハーフブリッジＢ１〜Ｂ３で構成され、コイルＵ，Ｖ，Ｗを正逆励磁あるいはハイインピーダンス状態とする。
【０００６】
（静止時の位置検出）
上述したモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）は、静止時の位置検出に磁気回路の空間高調波によるコイルインダクタンス変化を検出するインダクティブセンス方式が一般的である。コイル電流プロファイルからインダクタンスを推定する方法や、高周波パルスを重畳させて高周波電流ピークを測定する方法などがある。
またインダクタンス変化は界磁のＮ極とＳ極で等しく位置検出には極性判別が必要となる。磁気飽和あるいは磁気ヒステリシス等を利用して極性を判別する方法も種々提案されている。
【０００７】
あるいは回転子を強制的に位置決めし位置検出は行わないセットアップ法もある。静止時に任意の固定磁界を与え回転子を特定の位置に固定する。デッドポイントを避けるため通常、２段階の固定励磁にて最終位置に位置決めする。この方法は位置決めに時間を要することと電気角で１８０°以上逆転する場合があるといった欠点があるが、検出手段が不要で手順も簡便であり位置決め効果も高いことから小型モータでは広く用いられている。
【０００８】
尚、零速近傍の極低速域からの駆動を可能とする位置センサレス駆動方式が提案されている。この方式は永久磁石モータの中性点電位をインバータのＰＷＭ波形に同期させて検出し理想的な正弦波状の電流で駆動するものである（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−７４８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した背景技術に示す３相ブラシレス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。即ちモータ静止時はインダクタンスを測定し、インダクタンスプロファイルからパターンマッチング法により回転子位置を検出している。しかしモータ始動直後の低速域ではまだ誘起電圧が小さすぎて利用できず回転子位置が検出できない。このため、オープンループにて徐々に転流周期を上げるランプスタート法が一般的であるが、オープンループ制御はトルク変動や加速レートに厳しい制約があり、始動ミスが発生し易く、始動時間がかかるなど様々な課題がある。
この回転子位置が検出できない期間を超えるために矩形波駆動で急加速してわずか１励磁区間で誘起電圧を検出する方法も多用されている。しかし情報機器・ファンなどに用途が限られ、また微妙なタイミング設定が要求されるなど制約が多く回転動作は不安定となる。
【００１１】
極低速域から中速回転（50rpm〜300rpm程度）まで継続して回転子位置を検出する方法としては、上述の先行技術例の他にも空間ベクトルＰＷＭによるセンサレスベクトル制御等がある。しかし、その実現には高精度電流センサと高速Ａ／Ｄコンバータ、マルチパターンＰＷＭ回路、高性能ＣＰＵなどが必要となる。また位置推定演算の負荷が大きくソフトウェアの負担も大きい。このようにセンサレスベクトル制御はハード・ソフトともにコストがかかりすぎ低価格の小型モータでの利用は困難である。
前述した特許文献１の構成においては、コモン線を設けなければならず配線が多くなるうえにセンサレスベクトル制御回路が必要であるため、小型の３相ブラシレスＤＣモータではコスト的に採用が難しい。
【００１２】
これに対して、始動時の回転子位置及び回転方向が判っている場合、誘起電圧波形の負側交点の位相に位置する安定交点を構成する２相のインダクタンスを周期的に測定し、次に出現すると予測されるインダクタンス波形の安定交点を検出することで位置を特定する安定交点検出法を出願人は既に提案した。
上述の安定交点検出法は零速から低速域まで位置検出でき優れているが、使用するにはあらかじめ回転子位置と回転方向を知る必要がある。位置検出はインダクタンス波形などから推定可能であるが、回転方向に関しては始動時には位置推定ミスから逆転する場合があり、また回転時も回転方向切り替え時には逆転する瞬間が発生する。さらには惰性回転あるいは外力で逆回転する場合も有り、一義的には決まらない。
【００１３】
上述の安定交点検出法により正転するものと仮定して次に出現する交点を構成する相を選択した場合、逆転時には交点を逆方向から検出することになりしかも誘起電圧の極性が反転することから交点を検出するまでに大きく逆回転しあるいは逆転途中で正逆トルクが均衡する位置で停止してしまう等の問題が発生する。
従って、回転子の回転方向が正逆変化する可能性のある低速回転領域においては、わずかな回転角度で回転方向を検出し迅速に逆転に対処する必要がある。微小な誘起電圧変化を読み取り位置を推定することも可能であるが、高性能なハードウェアと複雑な演算が必要となり、小型センサレスモータにおいては特に低コストかつ簡易な回転方向検出方法が望まれる。
【００１４】
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、好適な位置検出方法のなかった低速域で３相ブラシレスモータの回転子の回転位置及び回転方向を低コストで簡易な方法で判別して閉ループ制御により確実な始動することができる３相ブラシレスモータの回転方向判別方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
誘起電圧波形の負側交点位相にて交差する２相のインダクタンスを繰り返し測定し波形交点を検出する上述の安定交点検出法によれば、現在位置が判っている場合、次に出現する安定交点は予測できる。そこで、正転方向と逆転方向の双方の安定交点を検出し続ければ、どちらの安定交点が先に検出されるかにより回転方向を判別できる。正転側の交点が先に検出されれば正転、逆転側の交点が先に検出されれば逆転である。
回転方向が検出されるまでの回転角度は交点ピッチにより決まりそれは上述の安定交点検出法においては電気角で３０°であるから、最大３０°回転すれば回転方向を判別できる。また交点位相は回転速度には依存しないことから回転方向判別は極低速回転あるいは停止・回転を含む間欠動作や揺動時でも可能である。
【００１６】
以上を前提として、本発明は以下の手段を備える。
即ち、永久磁石界磁型の回転子を備えた３相ブラシレスモータのセンサレス駆動する際に回転子の回転方向を判別する３相ブラシレスモータの回転方向判別方法であって、上位コントローラからの回転指令によりモータ駆動信号を出力制御する制御手段と、前記制御手段の出力指令により、所定相コイルに正方向通電または逆方向通電するためのハーフブリッジ回路を３相分備えたモータ出力手段と、任意の相のインダクタンスを測定する測定手段と、を具備し、前記制御手段は、誘起電圧波形の負側交点位相で交差する２相のインダクタンスを前記測定手段により周期的に測定し安定交点を検出することで回転子位置を特定し、現在位置に基づいて次に出現すると予測される正転側の安定交点を構成する２相及び逆転側の安定交点を構成する２相のインダクタンスを測定し続けて安定交点を各々検出し、正転側安定交点が先に検出された場合は正転と判定し、逆転側安定交点が先に検出された場合は逆転と判定して前記モータ出力手段にモータ駆動信号を出力することを特徴とする。
【００１７】
これにより低速域において回転方向の判別が可能となり、さらに正転判定時は正転方向へ、逆転判定時は逆転方向へ、検出ピッチ分だけ位置を歩進して新たな現在位置とすれば、回転方向を反映した正しい位置情報を得ることができる。よって、低速域で３相ブラシレスモータの回転子の回転位置及び回転方向を低コストで簡易な方法で判別して閉ループ制御により確実なセンサレス駆動を行うことができる。
また、例えば過負荷で停止したりあるいは外力で回されたりしている場合（励磁・非励磁に関わらず）でも正しい位置を検出して正転方向へトルクを出力し続けること（いわゆる４象限動作）が可能となる。また、回転方向判別をしないとわずかな逆転でも推定位置がずれてしまい大きく逆転したり、セットアップ位置まで回転したりして停止するなどの不具合が生じるが、本発明によればそのような問題が発生せず常に安定して回転できる。
【００１８】
前記制御手段は、安定交点の検出から特定した回転子位置において、１相正方向若しくは１相逆方向、２相正方向若しくは２相逆方向、３相正方向若しくは３相逆方向のうちいずれか一の組み合わせで選択される正転方向及び逆転方向の２相分の通電方式を選択してセンシング通電することで、電気角０°から始まる３０°ピッチで、前記回転子の回転方向を特定することが好ましい。
これにより、制御手段は、安定交点の検出から特定した回転子位置において１相正方向若しくは１相逆方向、２相正方向若しくは２相逆方向と３相正方向若しくは３相逆方向のうちいずれか一の組み合わせで選択される正転方向及び逆転方向の２相分の通電方式を選択してセンシング通電することで確実に回転方向を判別してセンサレス駆動を行うことができる。
【００１９】
具体的には、前記制御手段は、区間番号と対応する通電方式・構成相・勾配符号情報をまとめた正転側で１２通電パターン、逆転側で１２通電パターンの合計２４通電パターンをセンシングテーブルに記憶しており、前記回転子の現在位置に応じた励磁区間番号から励磁区間番号に応じて正転側及び逆転側の２相を各々選択してセンシング通電するのが好ましい。これにより、複雑な演算を要さずソフトウェアの負荷も少なく、ハード・ソフトの両面から低コスト化を実現できる。
【発明の効果】
【００２０】
上述した３相ブラシレスモータの回転方向判別方法を用いれば、好適な位置検出方法のなかった低速域で３相ブラシレスモータの回転子の回転位置及び回転方向を判別して閉ループ制御により確実に始動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】１相通電センシング零速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。
【図２】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。
【図３】１相通電センシング逆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。
【図４】１相通電センシング零速時のインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。
【図５】１相通電センシング正転時のインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。
【図６】１相通電センシング逆転時のインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。
【図７】１相正方向通電／逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。
【図８】２相正方向通電／逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。
【図９】３相正方向通電／逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。
【図１０】３相のインダクタンス測定波形図である。
【図１１】正方向へ始動時のインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。
【図１２】逆方向へ始動時のインダクタンス実測波形図（インダクタンス実測プロファイル）である。
【図１３】実施例１に係るモータ駆動回路の構成図である。
【図１４】実施例２に係るモータ駆動回路の構成図である。
【図１５】３相ブラシレスモータの説明図である。
【図１６】正転時の誘起電圧波形図（誘起電圧プロファイル）である。
【図１７】逆転時の誘起電圧波形図（誘起電圧プロファイル）である。
【図１８】１２０°通電を示すタイミングチャート図である。
【図１９】従来の３相ブラシレスモータのモータ駆動回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る３相ブラシレスモータの回転方向判別方法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、相端が前記モータ出力手段に接続された３相ブラシレスＤＣモータをセンサレス駆動するセンサレス駆動方法に広く適用することができる。
【００２３】
以下では、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駆動方法についてモータの構成と共に説明する。
図１５に本発明に係る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。
【００２４】
図１５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（ＤＲＩＶＥＲ）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。
【００２５】
次に、モータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）の構成例を図１３及び図１４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。
【００２６】
（実施例１）
図１３に実施例１の駆動回路図を示す。
上位コントローラ６は回転指令ＲＵＮをＭＰＵ５（制御手段）に与える。モータ駆動回路のレギュレータは、ＭＰＵ用電源ＶＣＣを生成する。ＭＰＵ５はマイクロプロセッサであり、ゼロクロス点検出手段ＣＯＭＰ１〜３の出力信号ＳＵ〜ＳＷによりハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３（モータ出力手段）のゲート信号ＯＵＴ１〜６を切り替え、１相１２０°バイポーラ通電などを行う。ＭＰＵ５は、予め回転子２の位相角度に対するインダクタンス測定情報をメモリ内のセンシングテーブルＳＴに格納している。また、スパイクパルス時間を計測する内蔵タイマーＴＭ（測定手段）を備えている。ＭＰＵ５は、上位コントローラ６のコマンドにより動作し、メモリに記憶されたプログラムを読み込出し、プログラムの指示に従ってコマンドを出力したり、メモリからデータを参照したりして、入力データをプログラム通りに演算・加工したうえで出力する。
【００２７】
ハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３は、各相端ｕ，ｖ，ｗを高電位Ｈ（＋Ｖ）あるいは低電位Ｌ（ＧＮＤ）に接続する。各相端ｕ〜ｗはそれぞれハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３の出力端子（ハイサイドトランジスタとロウサイドトランジスタの接続部）に接続され、また後述するバイアス手段ＢＳ１（抵抗Ｒ１〜Ｒ６）及びダミーコモンｃに各々接続される。
【００２８】
ゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３（ゼロクロス点検出手段）は各相端ｕ〜ｗとダミーコモンｃ間に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出するコンパレータである。ゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３の出力信号ＳＵ〜ＳＷは、ＭＰＵ５（制御手段）に出力される。
【００２９】
一般にモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）のセンサレス駆動回路には、ゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３を備えている。このゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３を使ってスパイクパルスを検出すれば、コストがかからず広い電源電圧範囲に対応できる。そこで、非通電時にコイル電位を電源電位の１／２にするバイアス手段ＢＳ１と、負極性スパイクパルスを検出する際に中性点電位を与えるゼロクロスコンパレータリファレンス電位を電源電位の１／２以下に下げるバイアス手段ＢＳ２（トランジスタＴＲ１）と、正極性スパイクパルスを検出する際にゼロクロスコンパレータリファレンス電位を電源電位の１／２以上に上げるバイアス手段ＢＳ３（ダーリントン接続されたトランジスタＴＲ２及びトランジスタＴＲ３）を備えている。
【００３０】
ＭＰＵ５は、センシング通電をハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３（モータ出力手段）により実行するとともに、正極性若しくは負極性のスパイクパルスに応じてバイアス手段ＢＳ２及びバイアス手段ＢＳ３の動作をＯＵＴ７及びＯＵＴ８にて制御し、３個のゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３の出力からＳＥＬＥＣＴを介してひとつを選択してＭＰＵ５の内蔵タイマーＴＭに送出し、スパイクパルス時間を測定する。
【００３１】
（実施例２）
図１４に実施例２の駆動回路図を示す。図１３と同一部材には同一符号を付して説明を援用するものとする。
本実施例では、ハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３は、各相端ｕ，ｖ，ｗを高電位Ｈ（＋Ｖ）あるいは低電位Ｌ（ＧＮＤ）に接続する。各相端ｕ〜ｗはそれぞれハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３の出力端子（ハイサイドトランジスタとロウサイドトランジスタの接続部）に接続され、またバイアス手段ＢＳ１（抵抗Ｒ１〜Ｒ６）及びレベルシフト回路ＬＳ１〜ＬＳ６に各々接続され、更にレベルシフト回路ＬＳ１〜ＬＳ６を介してＭＰＵ５に各々接続されている。
【００３２】
このように、各相コイルＵ，Ｖ，Ｗに発生したスパイクパルスを直接ＭＰＵ５に取り込めば位相遅れが小さく高精度化しやすい。しかしながら、ＭＰＵ５の電源より電圧が高くそのままでは取り込めないので、レベルシフト回路ＬＳ１〜ＬＳ６を介して取り込むことにした。入力信号は、ＭＰＵ５内の保護ダイオードによりＶＣＣ或いはＧＮＤにクランプされる。なお、図１３で用いたゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３は不要である。
【００３３】
そこで、非通電時に各相コイル電位を電源電位の１／２にするバイアス手段ＢＳ１と、相ごとに負極性スパイクパルスをコンディショニングするレベルシフト手段ＬＳ１〜ＬＳ３（抵抗Ｒ７〜Ｒ９）と、正極性スパイクパルスをコンディショニングするレベルシフト手段ＬＳ４〜ＬＳ６（可変抵抗ＶＲ１〜ＶＲ３）を各々備えている。
【００３４】
ＭＰＵ５はセンシング通電をハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３（モータ出力手段）により実行するとともに、各相コイルで発生した正極性若しくは負極性のスパイクパルスを対応する６個のレベルシフト手段ＬＳ１〜ＬＳ６を経てコンディショニングされた正極性若しくは負極性パルスがＭＰＵ５の対応する正負入力端子ＮＵ，ＰＵ、ＮＶ，ＰＶ、ＮＷ，ＰＷから入力する。入力した正極性若しくは負極性パルスは、ＳＥＬＥＣＴを介してセンシング通電の通電相と通電方向からひとつを選択してＭＰＵ５の内蔵タイマーＴＭに送出して、スパイクパルス時間を測定する。
【００３５】
（インダクタンス測定方法）
次に、各相コイルインダクタンスの測定方法について説明する。通電により各相コイルに蓄積されるエネルギーはＰ＝ＬＩ２／２で表され、インダクタンス成分を含む。通電遮断時のスパイクパルスはそれを反映しており、出力素子のダイオードにより定電流で放電することからインダクタンスは時間関数となりタイマーで測定できる。そこで、本発明ではスパイクパルス幅時間をインダクタンス相当値とみなしている。
【００３６】
図１０に３相分のインダクタンス測定時のコイル波形を示す。３相正方向通電センシングであり、各相センシングパルスはハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３（図１３，図１４参照）を使用して電源電圧を印可し、通電遮断時の負極性または正極性のスパイクパルスは電源にダイオードクランプされた後、中間電位に収束する。
測定動作は、最初にＵ相を電源＋にＶ相とＷ相をＧＮＤに接続してセンシングパルスを印可し、遮断時のＵ相スパイクパルス時間を測定する。以下同様にＶ相・Ｗ相を測定する。計測用タイマーは、一般的なＭＰＵ５に内蔵されている内蔵タイマーＴＭで充分であり（図１３，図１４参照）、電流センサやＡ／Ｄコンバータも不要である。
また、コイル蓄積エネルギーは電流を積分したものであり減衰振動やノイズが低減され微小なインダクタンス変化を安定して検出でき、高精度測定が可能である。
【００３７】
（安定交点の検出）
ここで、３相ブラシレスモータにセンシング通電した際に発生する誘起電圧負側交点（安定交点）の検出原理について説明する。
本発明は、回転子角度に対するインダクタンス波形（インダクタンスプロファイル）を作成して、速度変化に対し位相及び通電相と波形勾配符号の変化しない交点の存在に着目して回転子位置を特定する。以下では、磁気回路特性を理想的なサイン波としたモデルを用いて説明する。回転子が零速時（励磁電流は流れているが回転子が静止している時）の空間高調波による各相コイルのインダクタンス変化Ｌを２周期性のコサイン波とすると、
ＬＵ＝−ｃｏｓ２θ                          式１
ＬＶ＝−ｃｏｓ（２（θ−２π／３））        式２
ＬＷ＝−ｃｏｓ（２（θ−４π／３））        式３
図１は零速時の各相コイルのインダクタンス波形（インダクタンスプロファイル）を示す。
【００３８】
また、回転時の各相コイルのインダクタンス変化Ｂを、零速時の前記インダクタンス変化Ｌと正負を反転した誘起電圧の合成とすると、
ＢＵ＝ＬＵ＋Ｋ（−ｓｉｎθ）                式４
ＢＶ＝ＬＶ＋Ｋ（−ｓｉｎ（θ−２π／３））  式５
ＢＷ＝ＬＷ＋Ｋ（−ｓｉｎ（θ−４π／３））  式６    但しＫ＝速度係数
図２に正転時の各相コイルのインダクタンス波形（インダクタンスプロファイル）図３に逆転時の各相コイルのインダクタンス波形（インダクタンスプロファイル）を示す。ｂｅｍｆＵ〜ｂｅｍｆＷは参考用に表示した誘起電圧波形である。
【００３９】
図１及び図２の双方を比較すると、９０°から始まる１２０°ピッチで位相・通電相・波形勾配符号が一致する３交点（丸印、以下「安定交点」という）が発生していることが判る。これ以外の交点は回転するにつれて位相シフトを起すか勾配が反転するかあるいは交点が消滅する。尚、図３は逆転時のインダクタンス波形であり、交点位相は６０°ずれており３０°から始まる１２０°ピッチの３点となる。その理由は後述の（逆転時の安定交点）にて詳述する。
【００４０】
正転時の安定交点の位相角を計算から求める。
静止時の空間高調波のインダクタンス波形のＵ相とＶ相の交点角度は、
−ｃｏｓ２θ＝−ｃｏｓ（２（θ−２π／３））と表され、
これを解くとθ＝π／３、５π／６、４π／３、１１π／６となる。
波形勾配符号はπ／３、４π／３はＵ＝＋、Ｖ＝−であり、５π／６、１１π／６はＵ＝−、Ｖ＝＋である。
一方、正転時に発生する逆極性誘起電圧波形のＵ相とＶ相の交点角度は、
−ｓｉｎθ＝−ｓｉｎ（θ―２π／３）と表され、
これを解くとθ＝５π／６、１１π／６となる。
波形勾配符号は５π／６はＵ＝＋、Ｖ＝−、１１π／６はＵ＝−、Ｖ＝＋である。
以上からＵ相とＶ相の交点のうち、静止時と回転時の双方で等しい角度と波形勾配符号を持つ交点は１１π／６つまり３３０°の一点のみである。
同様にＶ相とＷ相、Ｗ相とＵ相の交点を計算すると、９０°、２１０°のみとなる。よって、安定交点は９０°、２１０°、３３０°の３か所である。また、逆転時の安定交点の位相角に関しても同様に計算することができ、その結果安定交点は３０°、１５０°、２７０°の３か所が得られる（計算の詳細は省略する）。
【００４１】
さらに図１５に示す実機においても各相コイルのインダクタンス波形（インダクタンスプロファイル）を作成して確認してみる。図４は零速時の各相コイルのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。また、図５は正転時の各相コイルのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。回転数は２極モータ換算で４２０ｒｐｍ、インダクタンス測定周期は１．６ｍｓである（測定方法は後述）。その結果、モデル同様に安定交点が発生することが判った。また図６は、逆転時の各相コイルのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）であり、こちらもシミュレーションモデルどおり３０°、１５０°、２７０°の３か所に安定交点が発生することが確かめられた。尚、図１〜図６はすべて１相正方向通電センシング（後述）による。
【００４２】
以上、シミュレーションモデル及び実測からモータが零速時は、モータの幾何学的構成と電磁気的な特性を反映した磁気回路の空間高調波により回転子位置に応じてインダクタンスが変化し、誘起電圧の負側交点と位相が一致する位置に安定交点が発生することが判明した。
【００４３】
なお、空間高調波は２周期性があり、安定交点と１８０°離れた位置に同様の交点が存在する。こちらは回転子位置が判れば検出対象から外すことができる。本発明では回転子２の位置が始動励磁の直前には予め判っていることが前提条件となっている。
【００４４】
次に、回転時も誘起電圧の負側交点と位相が一致する位置に安定交点が発生する理由を説明する。回転子２が回転し始めるとコイルに誘起電圧が発生し、誘起電圧が正側に発生している区間では実効コイル電圧が低下し、負側の誘起電圧が発生している区間では上昇する。つまりコイル電圧Ｖｃ＝相電圧Ｖｍ−誘起電圧Ｖｂと表すことができ、回転時のインダクタンス変化ＢＵ〜ＢＷは正負を反転した誘起電圧を反映していると言える。
【００４５】
図２及び図３に細線で記載された誘起電圧の参考波形を見ると、例えば左下の誘起電圧波形ｂｅｍｆＶが上方に折り返されて左上の波形ＢＶに反映していることが理解される。波形ｂｅｍｆＷ、ｂｅｍｆＵも同様である。その結果、矢印のように誘起電圧負側交点も上方へ折り返される。従って安定交点は、誘起電圧の負側の交点が正負反転したものである。
【００４６】
そして、矩形波駆動の励磁相切り替え動作は２相の誘起電圧が等しくなる交点にて行われる。安定交点は誘起電圧交点を反映していることから励磁切り替え点を示している。
【００４７】
安定交点の位相は、磁気回路特性が磁極中心に対し対称となっている場合は、正転時９０°・２１０°・３３０°である。偏っていた場合はわずかに位相シフトするがシフトした位置が理想的な励磁切り替え点であることから問題はない。本実施形態では便宜上、磁気回路は歪のないサイン波として角度を説明している。
また空間高調波位相と誘起電圧位相の双方とも角速度に依存しないことから安定交点の位相は零速時も回転時も等しく、常に正確な励磁切り替え点である。
従って、安定交点は、回転子２が零速から回転域にわたって継続的に位置検出に使用可能となることがわかる。
【００４８】
（位相シフト）
誘起電圧の位相は励磁条件によりシフトする。同様にインダクタンスを測定するセンシング通電においても通電条件により安定交点の位相はシフトする。位相シフトは零速時の空間高調波においても発生する。
【００４９】
例えばコイル端ｕ，ｖ，ｗからコモンＣへと通電する１相正方向通電センシングの場合（図１３，図１４参照）は、前述のとおり正転時の安定交点の位相は９０°・２１０°・３３０°の３点である。しかしコモンＣからコイル端ｕ，ｖ，ｗへと通電する逆方向通電とすると１８０°位相がずれ２７０°・３０°・１５０°となる。ただし勾配符号は変化しない。そして逆方向通電は、正方向通電時とは６０°位相差の位置を検出できることになる。
【００５０】
図７に零速時の１相正方向通電センシングと１相逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。２周期性のため下段の逆方向通電波形は一見上段の正方向通電波形と同じに見えるが、よく見ると微細部分が異なっており１８０°位相シフトしていることが判別できる。また正方向通電と逆方向通電とで双方の安定交点が６０°位相差を持つことも判る。
【００５１】
また２相間に通電すると誘起電圧は２相の合成されたものとなり１相通電時と比較して３０°位相が進む。そして同様に安定交点の位相も３０°進む。図８に零速時の２相正方向通電センシングと２相逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。１相通電時に９０°であった安定交点の位相が６０°の位置へと位相シフトしていることが判る。コイルを入れ替え逆方向通電すると１相通電同様、１８０°位相シフトしていることが判別できる。また正方向通電と逆方向通電とで双方の安定交点が６０°位相差を持つことも判る。
【００５２】
さらに３相間に通電することもできる。３相通電時はコモンＣを境に１相部と２相部があるが、測定対象相は１相側であり安定交点の位相は１相通電時と同じとなる。図９に零速時の３相正方向通電センシングと３相逆方向通電センシングのインダクタンス実測波形（インダクタンス実測プロファイル）を示す。安定交点の位相は１相通電時と同じであることが判る。また、コイルの通電電位を入れ替え逆方向通電すると１相通電同様、１８０°位相シフトしていることが判別できる。また正方向通電と逆方向通電とで双方の安定交点が６０°位相差を持つことも判る。尚、１相通電はモータ側にコモン線が必要であり駆動回路側でも中性点電源が必要となり実用上不利である。そこで、本実施形態では１相通電は３相通電で代用することとする。
【００５３】
結局、１相または３相通電と２相通電、及び正方向通電と逆方向通電があり、都合４種類のセンシング通電方式がある。一方、センシング通電は、トルク発生のための励磁とは無関係であり自由に通電方式を選択できる。従って、回転子位置を検出できる検出角度は、４種類の通電方式×３か所＝１２か所となり、０°から始まる３０°ピッチで位置検出できる。正転時の通電方式と検出位置の関係を表１に示す。
【表１】
2017139871.tif 000003
【００５４】
ＭＰＵ５は、上記安定交点の位相、通電相及び波形勾配符号をインダクタンス実測プロファイルとしてセンシングテーブルＳＴ（図１３、図１４参照）に予め記憶しておく。
以上により、回転子２が零速時から回転時まで、ＭＰＵ５は、安定交点検出ごとにセンシング通電の通電方式を適宜切り替えながら安定交点を検出し続ければ３０°ピッチで励磁に必要な位置情報を得ることができ、任意の駆動方式にて励磁切り替えが可能であることがわかる。
【００５５】
（逆転時の安定交点）
逆転時は磁束を反対方向に横切ることから誘起電圧の極性が反転する。図１６に正転時の誘起電圧波形、図１７に逆転時の誘起電圧波形を示す。正転時に比べ逆転時は誘起電圧波形の位相が１８０°進む。但しピーク出現順序は正転時のＵ−Ｖ−Ｗに対し逆転時はＵ−Ｗ−Ｖとなる。
【００５６】
図９において、安定交点は例えばＶ相とＷ相の交点の場合、正転時の９０°が逆転時には２７０°へと１８０°位相が進む。さらに波形勾配符号は反対になり、正転時はＶ＝−、Ｗ＝＋だったものが、逆転時にはＶ＝＋，Ｗ＝−となる。また交点出現順序は、正転時がＵとＶの交点、ＶとＷの交点，ＷとＵの交点、の順序だったものが、逆転時にはＵとＷの交点、ＷとＶの交点、ＶとＵの交点、の順序となる。なお静止時の安定交点は図１を参照すればやはり１８０°位相の進んだ位置に交点が出現すること及び波形勾配符号が反対になることが理解される。
【００５７】
逆転時の通電方式と検出位置の関係を表２にまとめる。ただし波形勾配符号は正転時の反対になる。
【表２】
2017139871.tif 000004
別の考え方としてセンシング通電方向を反転させると、前述の図７〜図９のとおり位相は１８０°進むから逆転時には位相は３６０°進むことになり結局は正転時と同じ位置を検出することになる。いずれの考え方に立ってもセンシング方法はひとつである。
【００５８】
表１と表２を一つにまとめた正転時及び逆転時のセンシング通電方式と検出位置の関係を表３として示す。表３の左側欄に記載の通電方式は上段が正転時、下段かっこ内は逆転時の通電方式である。例えば９０°位置を検出する場合、正転時は３相正方向通電にて、逆転時は３相逆方向通電にてセンシングすることで交点を検出できることを表している。
【表３】
2017139871.tif 000005
ただし逆転時は安定交点に対し正転時とは反対方向から接近することから波形勾配符号は反転する。従って１２種類のセンシングパターンそれぞれに２種類の波形勾配符号が有り、都合２４種類の判定パターンとなる。波形勾配符号の詳細は後述のセンシングテーブルにて説明する。
【００５９】
次に、回転子の回転方向の判別方法について説明する。回転方向判別は、正転検出のためのセンシング通電に引き続いて、逆転を検出するために表４の下段の逆転時の通電方式を援用してセンシング通電すればよく、３０°ピッチで回転方向の判別ができる。例えば１５°に位置していた場合、正転すれば３０°、逆転すれば０°の位置の安定交点を検出することは明白である。そこで３０°側交点を検出するために３相逆方向通電センシングにて正転側の安定交点を、０°側交点を検出するために２相正方向通電センシングにて逆転側の安定交点を検出し続ける。
そして正転側安定交点が先に検出されれば正転、逆転側安定交点が先に検出されれば逆転、と判定することができる。
他の区間でも同様の方法により３０°以内で回転方向を判別できる。
なお微細な振動や揺動は３０°ピッチに量子化されることは通常のエンコーダーなどのデジタルセンサと同様である。またサイクリックに測定することから時間軸でヒステリシス性を有しノイズによる誤動作を低減できる。
【００６０】
（センシングテーブル）
センシング方法を明確化し駆動回路ＭＰＵの制御ソフトを高速処理化するにはテーブル参照法が有効である。
励磁区間番号と、それに応じたセンシングパルス通電方式と、安定交点構成２相と、それぞれの勾配符号情報と、をテーブルとしてあらかじめＭＰＵ５のメモリに記憶し、現在位置に応じてテーブル内容を参照し、それに基づいてインダクタンス測定を行い、安定交点構成２相の相対レベルの大小比較により交点検出を行う。
【００６１】
安定交点を３０°ピッチで検出するためには図８に示す２相センシング及び図９に示す３相センシングの両方を用いる。正転時の安定交点は、現在位置が安定交点に対し左から接近するものとして見る。逆転時の安定交点は図８及び図９において通電方向を正逆入れ替えて読み、安定交点に対し右から接近するものとして見る。従って勾配符号は正転時の反対になる。尚、図８及び図９において、区間番号１の電気角前半３０°を１Ａ、後半３０°を１Ｂと表記し、他の区間も同様に表記する。
【００６２】
区間番号と対応する通電方式・構成相・勾配符号情報をまとめたセンシングテーブルを表４に示す。センシング内容は正転側で１２種類、逆転側で１２種類あり、都合２４種類から区間に応じて２種類を適宜選択して回転方向と位置を検出する。
【表４】
2017139871.tif 000006
注１．通電方式の正＝正方向通電、逆＝逆方向通電の省略である。
注２．構成相は降順で記載してあり、前相が−勾配、後相が＋勾配である。
尚２相正方向通電時はＵ相＝ＵからＶへ、Ｖ相＝ＶからＷへ、Ｗ相＝ＷからＵへと通電し、２相逆方向通電時はＵ相＝ＶからＵへ、Ｖ相＝ＷからＶへ、Ｗ相＝ＵからＷへと通電する。
【００６３】
上記センシングテーブルの具体的な使い方を図８及び図９を参照しながら説明する。逆転時は図８及び図９に記載された通電方向を反対に読み替える事と、安定交点に対し右から左へ接近する事に注意する。
例えば回転子が０°〜３０°の区間６Ｂに位置し正逆どちらかに回転していた場合、逆転を検出するために、２相正方向通電センシング（図８下段の逆方向通電波形を参照）にてＵ相とＷ相を測定し、ＬＵ＞ＬＷならまだ区間６Ｂにおり、ＬＵ＜ＬＷとなったら逆転して０°点を超え次の逆転方向区間６Ａへ戻ったことを意味する。
また、逆転検出と並行して正転を検出するために、３相逆方向通電センシング（図９下段の逆方向通電波形を参照）にてＷ相とＵ相を測定し、ＬＷ＜ＬＵとなったら正転して３０°点を超え次の正転方向区間１Ａへ進んだことを意味する。
【００６４】
従って２相正方向通電にてＵ相・Ｗ相、３相逆方向通電にてＷ相・Ｕ相、の測定と大小比較を周期的に繰り返し、どちらかの安定交点を検出した時点で回転方向を判定でき、同時に位置も特定できる。先に２相正方向通電にてＵ相＜Ｗ相を検出したら逆転、あるいは先に３相逆方向通電にてＷ相＜Ｕ相を検出したら正転である。
他の区間も同様の手順で回転方向と位置を判定できる。
以上、３０°ピッチで回転方向の検出が可能であることを説明した。
【００６５】
（クローズドループ駆動方法）
安定交点検出方法により特定された回転子位置に基づいて励磁相を切り替えることで位置センサを用いずクローズドループ制御にてセンサレス駆動できる。３０°ピッチの位置情報で制御可能な任意の駆動方式が可能であり、トルク発生効率の高さから図１８の通電タイミングチャートに示す１２０°通電が適する。
【００６６】
図１１に実機にて正方向へ始動時のインダクタンス実測プロファイルを示す。左端は零速、右端は約６００ｒｐｍ（２極相当）である。３０°区間ごとに正方向交点の検出と逆方向交点の検出が行われ正転・逆転のそれぞれについて該当２相がセンシングされている。なお図の下方に本案による位置情報Ｌｓｅｎｓｉｎｇ（３０°ピッチ）とホールセンサによる位置情報HALL sensor（６０°ピッチ）とを対比して記載した。階段状の波形は区間を表し、最小値が区間１、最大値が区間６であり、一巡が１電気角を表している。両者で若干ずれが生じているが着磁誤差とセンサ誤差によるものである。
正方向センシング波形は対象２相が３０°ごとに収束し交点（丸印）を検出しており、逆方向センシング波形は対象２相が発散し交点を検出していないことから、正転していることが判る。
【００６７】
図１２に実機にて逆方向へ始動時のインダクタンス実測プロファイルを示す。左端は零速、右端は約１２００ｒｐｍ（２極相当）である。正方向センシング波形は対象２相が発散し交点を検出しておらず、一方、逆方向センシング波形は対象２相が収束し交点（丸印）を検出していることから、逆転していることが判る。
以上により本案によるセンシングは零速時から中速域にかけて、正しく位置検出しており回転方向も３０°以内で検出できることが判る。
【００６８】
以上説明したように、３相ブラシレスモータの回転判別方法を用いれば、好適な位置検出方法のなかった低速域で３相ブラシレスモータの回転子の回転位置及び回転方向を判別して閉ループ制御により確実に始動することができる。
また、ＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）など永久磁石界磁型の回転子を備えた各種モータのセンサレス駆動に適用することができる。
更には、回転子の位置検出原理が明快で判りやすく、従来のモータ駆動回路に容易に組み込むことができ、センサレス駆動の可能性を大きく拡げ、小型モータ分野での用途拡大が見込まれる。
【００６９】
尚、インダクタンスの測定手段として、ＭＰＵ５に内蔵タイマーＴＭを用いたが、ＭＰＵ外部に設けたタイマーや、電流センサやＡ／Ｄコンバータなどを用いて測定してもよい。また、上記実施形態では、インダクタンス測定法としてセンシング通電遮断時のスパイクパルス幅測定法を例示して説明したが、それに限定するものではなくその他のインダクタンス検出法を用いることも当然に本願発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７０】
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
【図１】
2017139871.tif 000007
【図２】
2017139871.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
2017139871.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2017139871.tif 000015
【図１０】
2017139871.tif 000016
【図１１】
2017139871.tif 000017
【図１２】
2017139871.tif 000018
【図１３】
2017139871.tif 000019
【図１４】
2017139871.tif 000020
【図１５】
2017139871.tif 000021
【図１６】
2017139871.tif 000022
【図１７】
2017139871.tif 000023
【図１８】
2017139871.tif 000024
【図１９】
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