(57)【要約】【課題】従来のものよりも起動失敗の可能性を低減することができるモータ起動装置及びモータ起動方法を提供すること。【解決手段】モータ起動装置１００は、モータ５０の駆動信号を生成する駆動信号生成手段１０と、モータ５０を駆動するドライブ回路３０と、モータ５０の回転子の位置を検出する位置検出駆動手段４０とを備え、駆動信号生成手段１０は、強制転流駆動状態においてモータ５０の回転子を所定時間回転させた後にモータ５０を空転状態とし、位置検出駆動手段４０は、空転状態においてモータ５０のコイルに発生する誘起電圧を利用して回転子位置を検出し、駆動信号生成手段１０は、位置検出駆動手段４０が検出した回転子位置情報に基づいてモータ５０を位置検出駆動する。【選択図】図１
2009055681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
停止状態のモータのコイルに、所定の電気角速度と所定の電圧振幅と所定の基本電圧波形に基づいた電圧を印加して前記モータの回転子を回転始動する回転始動手段と、前記電圧の印加を中断して前記回転子を空転状態にする電圧印加中断手段と、前記空転状態において前記回転子の位置を検出する回転子位置検出手段と、前記電気角速度もしくは前記回転子の位置の検出結果に基づく位相信号及び前記基本駆動波形に基づいて前記モータを駆動する信号を生成する駆動信号生成手段とを備えたことを特徴とするモータ起動装置。
【請求項２】
停止状態のモータのコイルに第１の電圧を印加して前記モータの回転子を第１の位置に移動させる回転子移動手段と、前記コイルに、所定の電気角速度と所定の電圧振幅と所定の基本電圧波形に基づいた第２の電圧を印加して前記第１の位置に移動された前記回転子を回転始動する回転始動手段と、前記第２の電圧の印加を中断して前記回転子を空転状態にする電圧印加中断手段と、前記空転状態において前記回転子の位置を検出する回転子位置検出手段と、前記電気角速度もしくは前記回転子の位置の検出結果に基づく位相信号及び前記基本駆動波形に基づいて前記モータを駆動する信号を生成する駆動信号生成手段とを備えたことを特徴とするモータ起動装置。
【請求項３】
前記基本駆動波形は、正弦波状の波形であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ起動装置。
【請求項４】
前記駆動信号生成手段は、前記モータの駆動状態に応じて、正弦波状の波形及び矩形波状の波形のいずれかを前記基本駆動波形として選択することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ起動装置。
【請求項５】
停止した状態のモータのコイルに、所定の電気角速度と所定の電圧振幅と所定の基本電圧波形に基づいた電圧を印加して前記モータの回転子を回転始動した後に、前記電圧の印加を中断して前記回転子を空転状態にし、前記空転状態において前記回転子の位置を検出し、前記回転子の位置の検出結果に基づく位相信号及び前記基本駆動波形に基づいて前記モータを駆動することを特徴とするモータ起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば複数相のコイルを備えたブラシレスモータを起動するモータ起動装置及びモータ起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスモータは、家電機器やＯＡ機器など幅広い分野で用いられている。ブラシレスモータには、各コイルに流す電流の転流タイミングを取得するため、回転子の位置を検出する手段が設けられている。この種の手段として例えばホール素子のようなセンサを設けるのが一般的であるが、センサを使用すると小型化やコストダウン化の障害となるので、センサを使用せずに、コイルに発生する逆起電圧に基づいて回転子の位置を検出する手法が知られている。
【０００３】
例えば、矩形波のように非通電区間を有する駆動波形を利用してモータを駆動し、コイルに発生する誘起電圧とモータコイルの中性点や電源電圧の半分の電圧等とを比較して、大小が入れ替わるポイントの検出を非通電区間毎に繰り返し、かつ検出されたポイント間の時間を測定し、その時間から次の相の切り替えタイミングを予想する方法がある。
【０００４】
しかしながら、逆起電圧に基づく手法では、回転子が停止している停止状態、又は停止状態から一定の回転に達するまでの期間では逆起電圧の検出が不可能なので、転流タイミングを取得することができない。そこで、停止状態から、逆起電圧を利用した位置検出が可能な回転速度までの起動については、所定の起動周波数の駆動電圧をコイルに印加することにより、回転子を強制転流駆動する手法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−３０９６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の従来のものは、強制転流駆動時において前述の位置検出を行うが、強制転流駆動状態では回転子位置に応じた転流を行わないので、電気角と回転子の位相との間の位相差が比較的大きくなってしまい、前述の検出ポイントが測定可能範囲外となって、モータの起動に失敗することがあるという課題があった。
【０００６】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、従来のものよりも起動失敗の可能性を低減することができるモータ起動装置及びモータ起動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のモータ起動装置は、停止状態のモータのコイルに、所定の電気角速度と所定の電圧振幅と所定の基本電圧波形に基づいた電圧を印加して前記モータの回転子を回転始動する回転始動手段と、前記電圧の印加を中断して前記回転子を空転状態にする電圧印加中断手段と、前記空転状態において前記回転子の位置を検出する回転子位置検出手段と、前記電気角速度もしくは前記回転子の位置の検出結果に基づく位相信号及び前記基本駆動波形に基づいて前記モータを駆動する信号を生成する駆動信号生成手段とを備えた構成を有している。
【０００８】
この構成により、本発明のモータ起動装置は、回転子を回転始動した後に空転状態とし、空転状態において回転子の位置を検出してモータを駆動するので、従来のものよりも起動失敗の可能性を低減することができる。
【０００９】
また、本発明のモータ起動装置は、停止状態のモータのコイルに第１の電圧を印加して前記モータの回転子を第１の位置に移動させる回転子移動手段と、前記コイルに、所定の電気角速度と所定の電圧振幅と所定の基本電圧波形に基づいた第２の電圧を印加して前記第１の位置に移動された前記回転子を回転始動する回転始動手段と、前記第２の電圧の印加を中断して前記回転子を空転状態にする電圧印加中断手段と、前記空転状態において前記回転子の位置を検出する回転子位置検出手段と、前記電気角速度もしくは前記回転子の位置の検出結果に基づく位相信号及び前記基本駆動波形に基づいて前記モータを駆動する信号を生成する駆動信号生成手段とを備えた構成を有している。
【００１０】
この構成により、本発明のモータ起動装置は、回転子を所定の位置に移動した後に回転子を回転始動し、回転始動後に空転状態として回転子の位置を検出してモータを駆動するので、従来のものよりも起動失敗の可能性を低減することができる。
【００１１】
さらに、本発明のモータ起動装置は、前記基本駆動波形は、正弦波状の波形である構成を有している。
【００１２】
この構成により、本発明のモータ起動装置は、コイルに印加される印加電圧の波形を矩形波状のものよりも連続的で滑らかな正弦波状とすることにより、矩形波状の波形で起動する場合よりも、より振動を抑えて騒音を低減し、効率よく回転子を回転起動することができる。
【００１３】
さらに、本発明のモータ起動装置は、前記駆動信号生成手段は、前記モータの駆動状態に応じて、正弦波状の波形及び矩形波状の波形のいずれかを前記基本駆動波形として選択する構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明のモータ起動装置は、モータの駆動状態に応じて最適な波形の駆動波形を用いることにより、モータを効率よく起動することができる。
【００１５】
本発明のモータ起動方法は、停止した状態のモータのコイルに、所定の電気角速度と所定の電圧振幅と所定の基本電圧波形に基づいた電圧を印加して前記モータの回転子を回転始動した後に、前記電圧の印加を中断して前記回転子を空転状態にし、前記空転状態において前記回転子の位置を検出し、前記回転子の位置の検出結果に基づく位相信号及び前記基本駆動波形に基づいて前記モータを駆動する構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明のモータ起動方法は、回転子を回転始動した後に空転状態とし、空転状態において回転子の位置を検出してモータを駆動するので、従来のものよりも起動失敗の可能性を低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、従来のものよりも起動失敗の可能性を低減することができるという効果を有するモータ起動装置及びモータ起動方法を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明のモータ起動装置を、３相ブラシレスモータの起動装置に適用した例を挙げて説明する。ここで例示する３相ブラシレスモータは、ホール素子のような回転子位置を検出するセンサを用いないセンサレス起動を行うものである。以下の説明においては、３相ブラシレスモータを単に「モータ」という。
【００１９】
（第１の実施の形態）
まず、本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態における構成について説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態におけるモータ起動装置１００は、モータ５０の駆動信号を生成する駆動信号生成手段１０と、モータ５０を駆動するドライブ回路３０と、モータ５０の回転子（図示省略）の位置を検出する位置検出駆動手段４０とを備えている。
【００２１】
駆動信号生成手段１０は、以下に示す３つの状態に応じてモータ５０を動作させるものである。まず、図２に示すように、駆動信号生成手段１０は、モータ５０の回転子の停止状態から時間ａが経過するまでの低速回転の区間ａにおいては、所定のプロファイルに従ってコイル端子に電圧を印加する強制転流駆動によって回転子を加速するものである。なお、区間ａにおけるモータ５０の状態を以下「強制転流駆動状態」という。
【００２２】
また、駆動信号生成手段１０は、前述のプロファイルが終了した時点から始まる区間ｂにおいて、モータ５０を空転状態にするものである。なお、この空転状態において、位置検出駆動手段４０は、モータ５０のコイルに発生する誘起電圧を利用した回転子位置検出を行うようになっており、区間ｂは、所定の時間が経過するまでの区間、もしくは前述の回転子の位置の検出結果に基づく位相信号を生成する準備ができるまでの区間である。
【００２３】
さらに、駆動信号生成手段１０は、区間ｂ以降の区間ｃにおいて、位置検出駆動手段４０が検出した回転子位置情報に基づいて駆動信号を生成し、モータ５０を位置検出駆動するものである。なお、区間ｃにおけるモータ５０の状態を以下「位置検出駆動状態」という。なお、駆動信号生成手段１０は、本発明の回転始動手段に対応する。
【００２４】
図１に戻り、モータ５０は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相からなる各コイルと、各コイルが発生する磁界によって回転する回転子（図示省略）とを備えている。モータ５０の各コイルは、図示のようにＹ（スター）結線されており、各コイルは互いに１２０［ｄｅｇ］の角度で配置されている。
【００２５】
各コイルに接続されたコイル端子（図示省略）間には、ドライブ回路３０によって所定の電圧（以下「コイル端子間電圧」という。）がそれぞれ印加されるようになっている。また、回転子は、各コイルに対向して、Ｓ極とＮ極とが交互に配置された磁石で構成されている。以下の記載において、磁石のＳ極とＮ極とのペア数を「極ペア数」という。
【００２６】
また、ホール素子等により検出した転流タイミングに従って駆動している場合、コイル端子間電圧の電気角及び電気角速度を極ペア数で除したものが、それぞれ、回転子の位相及び速度を示すという関係が成立するが、強制転流駆動状態においては、前記関係は必ずしも成り立つとは限らない。ここで、強制転流駆動状態において、前記コイル端子間電圧の電気角及び電気角速度を極ペア数で除したものを、それぞれ電気角（回転子相当）及び電気角速度（回転子相当）とする。なお、電気角速度を電気角周波数と言い換えることもできる。
【００２７】
また、後述するシミュレーションに使用する、モータ５０のパラメータ及び条件は、以下の説明において断りのない場合は以下の通りとする。
【００２８】
イナーシャ：９．９１×１０−５［ｋｇ・ｍ２］、巻線抵抗：０．７６［Ω］、巻線インダクタンス：０．３４×１０−３［Ｈ］、極ペア数：８、鎖交磁束：０．００４７［Ｗｂ］、最大静止摩擦トルク：９×１０−２［Ｎ・ｍ］、負荷トルク（動摩擦含）：７．５×１０−２［Ｎ・ｍ］、粘性負荷係数：４×１０−４［Ｎ・ｍ・ｓ］、永久磁石の磁束分布：正弦分布、電流制限：４［Ａ］
引き続き、本実施の形態における駆動信号生成手段１０の構成を説明する。
【００２９】
駆動信号生成手段１０は、所定のデータを記憶するデータ記憶部１１と、強制転流時の駆動を行う強制転流駆動部１２と、入力信号を切り替える切替部１３と、３相駆動信号を生成する３相駆動信号生成部１４と、乗算を実行する乗算部１５と、ドライブ回路３０を駆動するドライブ回路駆動部１６と、装置全体の動作を制御するシーケンサ１７とを備えている。
【００３０】
データ記憶部１１は、例えば、記憶情報を電気的に書き換え可能な半導体メモリで構成されている。また、データ記憶部１１は、基本駆動波形データと、電圧振幅プロファイルデータと、速度プロファイルデータとを記憶するものである。ここで、基本駆動波形データは、振幅が規格化された、電気角に対する駆動波形のデータである。また、電圧振幅プロファイルデータは、強制転流駆動時において周期的に変化する端子印加電圧の振幅の時系列データであり、特許請求の範囲に記載の所定の電圧振幅に対応する。また、速度プロファイルデータは、モータ５０の回転子が停止している停止状態から空転状態になるまでの起動期間における前記電気角速度（回転子相当）と時間との関係が示されたデータであり、特許請求の範囲に記載の所定の電気角速度に対応する。
【００３１】
強制転流駆動部１２は、プロファイル読出回路１２ａと、速度積算回路１２ｂとを備えている。
【００３２】
プロファイル読出回路１２ａは、データ記憶部１１に記憶された速度プロファイルデータ及び電圧振幅プロファイルデータを読み出し、それぞれの時刻に応じた回転速度信号（強制転流駆動時）ｃ及び電圧振幅信号（強制転流駆動時）ｂ１を出力するものである。
【００３３】
速度積算回路１２ｂは、速度信号（強制転流駆動時）ｃを積算して、位相信号（強制転流駆動時）ａ１を出力するものである。
【００３４】
切替部１３は、モータ５０の駆動状態に応じて入力信号を切り替える第１スイッチ１３ａと、第２スイッチ１３ｂとを備えている。
【００３５】
具体的には、第１スイッチ１３ａは、強制転流駆動状態において位相信号（強制転流駆動時）ａ１を入力し、位置検出駆動状態において後述する位相信号（位置検出駆動時）ａ２を入力し、入力した信号（ａ１又はａ２）を位相信号ａとして３相駆動信号生成部１４に出力するものである。
【００３６】
一方、第２スイッチ１３ｂは、強制転流駆動状態において電圧振幅信号（強制転流駆動時）ｂ１を入力し、位置検出駆動状態において後述する電圧振幅信号（位置検出駆動時）ｂ２を入力し、入力した信号（ｂ１又はｂ２）を電圧振幅信号ｂとして乗算部１５に出力するものである。
【００３７】
３相駆動信号生成部１４は、データ記憶部１１に記憶された基本駆動波形データについて、位相信号ａに対して電気角が対応する振幅の値、位相が１２０度遅れている値及び位相が１２０度進んだ値を読み出して、３相の駆動信号（振幅乗算前）ｇを出力するものである。なお、３相駆動信号生成部１４は、本発明の駆動信号生成手段に対応する。
【００３８】
乗算部１５は、駆動信号（振幅乗算前）ｇに電圧振幅信号ｂを乗じて、３相印加電圧信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力するものである。
【００３９】
ドライブ回路駆動部１６は、例えばレベルシフト方式やＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式等の論理に基づいて、３相印加電圧信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを基にスイッチング素子駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬを生成してドライブ回路３０に出力し、ドライブ回路３０の各スイッチング素子を駆動するものである。
【００４０】
シーケンサ１７は、モータ５０の駆動状態に応じて所定の信号を出力するようになっている。なお、シーケンサ１７は、本発明の電圧印加中断手段に対応する。
【００４１】
具体的には、強制転流駆動状態において、シーケンサ１７は、強制転流駆動部１２に対して制御信号ｄ１を出力して速度プロファイルの読み出し及び速度積算を開始させるようになっている。同時に、シーケンサ１７は、強制転流駆動状態である旨を通知する通知信号ｄ４を切替部１３に出力して強制転流駆動時の信号を選択させるようになっている。
【００４２】
また、シーケンサ１７は、ドライブ回路駆動部１６に対して制御信号ｄ２を出力してドライブ回路３０の全てのスイッチング素子を強制的にオフにして回転子を空転させ、モータ５０を空転状態に設定するようになっている。
【００４３】
また、シーケンサ１７は、空転状態において、位置検出駆動手段４０に対して制御信号ｄ３を出力して、回転子位置検出部４１に回転子位置検出を開始させ、回転子位置検出部４１が回転子位置を検出し、位相信号生成部４４が位相信号（位置検出駆動時）ａ２の出力を開始して位置検出駆動状態となった後、切替部１３に対して位置検出駆動状態である旨を通知信号ｄ４によって通知し、位置検出駆動状態の信号を切替部１３に選択させ、ドライブ回路駆動部１６に対して、全てのスイッチング素子の強制オフを解除する制御信号ｄ２を出力するようになっている。なお、シーケンサ１７は、位置検出駆動状態となった旨を位置検出駆動手段４０からの制御信号ｄ３で把握するようになっている。
【００４４】
ドライブ回路３０は、それぞれ３つのスイッチング素子及びダイオードを有する上側アームと下側アームとがブリッジ接続された構成である。上側アームには、スイッチング素子駆動信号ＵＨ、ＶＨ及びＷＨが入力され、下側アームには、スイッチング素子駆動信号ＵＬ、ＶＬ及びＷＬが入力されるようになっている。ドライブ回路３０は、スイッチング素子駆動信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬに基づいてモータ５０をスイッチング駆動するものである。
【００４５】
位置検出駆動手段４０は、回転子位置を検出する回転子位置検出部４１と、回転子の速度を算出する速度算出部４２と、回転子速度を目標速度に追従させるための閉ループ回路４３と、位相信号（位置検出駆動時）を生成する位相信号生成部４４とを備えている。
【００４６】
回転子位置検出部４１は、モータ５０のコイルに発生する誘起電圧を利用して回転子位置を検出するものである。速度算出部４２は、回転子位置検出部４１の位置検出結果及び時間測定から回転子速度を算出し、検出速度信号ｅを出力するものである。閉ループ回路４３は、検出速度信号ｅ及び目標速度を示す入力信号ｆに基づき、回転子速度を目標速度に追従させるよう、電圧振幅信号（位置検出駆動時）ｂ２を出力するものである。位相信号生成部４４は、位置検出結果を基にして、コイル端子間電圧の位相信号（位置検出駆動時）ａ２を生成して出力するものである。なお、回転子位置検出部４１は、回転子位置検出手段に対応する。
【００４７】
次に、空転状態における回転子位置の検出について説明する。まず、本実施例における基本駆動波形データは、図３に示す１２０度通電矩形波とする。なお、この波形を以下、単に「矩形波」という。また、この基本駆動波形を用いる駆動を「矩形波駆動」という。また、モータ５０の磁束分布は正弦波状とする。
【００４８】
図４に、回転子位置検出部４１の回路構成例を示す（１相分のみ図示）。この回路は、従来一般的に使用されているものである。図４に示す回路を用いて、モータ５０のコイル端子間電圧を利用した電圧比較によって、モータ５０の、ある１つのコイルに発生する誘起電圧について、図５に示すように、基準電圧に対する大小関係が逆転するポイントを検出する。なお、基準電圧は固定した値に限るものではない。前記大小関係が逆転するポイント（以下「検出ポイント」という。）は回転子の位置によって決まるため、検出ポイントの検出により、回転子位置を知ることが可能となる。例えば、図５に示す検出ポイントの間隔は、１相につき回転子の「１／（極数）」回転毎である。
【００４９】
しかしながら、誘起電圧の検出は、位置検出対象のコイルが非通電状態においてのみ正しい検出が可能であり、矩形波駆動の場合、図３に示した非通電区間のみ正しい回転子の位置検出が可能となる。
【００５０】
ここで、図３に示した矩形波を駆動波形として用いて、強制転流駆動を行った場合のシミュレーション結果を図６に示す。図６（ａ）において、点線は速度プロファイルを極ペア数で除して電気角速度（回転子相当）で表したものを示し、太実線は回転子の実速度を示している。また、図６（ｂ）において、細実線は印加電圧波形信号Ｖｕを示し、太実線はＵ相コイルに発生する誘起電圧を示している。なお、起動開始直後、印加電圧波形信号が塗りつぶされて見える部分は、電流制限（図示せず）により出力が高速にオン・オフされているためである。
【００５１】
また、図６（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、図６（ａ）及び（ｂ）における時刻０．１５［ｓ］から０．２５［ｓ］までの範囲を拡大したものである。図６（ｃ）及び（ｄ）において、時刻０．１６［ｓ］付近から０．１８［ｓ］付近までは、誘起電圧の検出ポイントがコイルの非通電区間にあり、誘起電圧を基にした正しい位置検出が可能である。
【００５２】
しかしながら、時刻０．２１［ｓ］付近から０．２５［ｓ］付近までは、非通電区間内に誘起電圧の検出ポイントが無いため、位置検出が不可能である。このように、強制転流駆動においては、電気角と誘起電圧の位相（回転子位相に極ペア数を乗じた値）の位相差が大きく変動する。以上のことから、従来のものは、強制転流駆動中に誘起電圧に基づいた回転子位置検出を行う場合、位置検出が不可能となる場合があり、安定した位置検出を行うことができない。
【００５３】
次に、本実施の形態におけるモータ起動装置１００においては、ドライブ回路３０のスイッチング素子をオフにした状態で、回転子位置検出部４１が回転子の空転中に誘起電圧に基づいた回転子位置検出を行う構成となっているので、非通電区間内に誘起電圧の検出ポイントがあるか否かという制約を受けない。さらに、粘性負荷の影響が比較的小さい場合、図７に示すように、空転中の回転子速度は負荷によって、ほぼ一定の傾きで減速してゆく。つまり、ある２つの検出ポイント間の時間を測定することにより、以後、空転中の回転子の位置を正確に予想することが可能となる。
【００５４】
ここで、図５に戻り、ある連続した３つの検出ポイントの時刻［ｓ］を、ｔｃ（ｎ）、ｔｃ（ｎ＋１）、ｔｃ（ｎ＋２）と定義し、以下に示すように、各種パラメータを定義する。
【００５５】
イナーシャ：Ｊ［ｋｇ・ｍ２］、極ペア数：ｐ、負荷トルク：ＴＬ［Ｎ・ｍ］、時刻ｔｃ（ｎ）における回転子速度：ｗ０［ｒａｄ／ｓ］、時刻ｔｃ（ｎ＋１）における回転子速度：ｗ１［ｒａｄ／ｓ］
また、検出ポイント間の時間を以下のように定義する。
ｔ０＝ｔｃ（ｎ＋１）−ｔｃ（ｎ）、ｔ１＝ｔｃ（ｎ＋２）−ｔｃ（ｎ＋１）
このとき、図７に示した空転時の減速の傾きは、−（ＴＬ／Ｊ）により算出される。例えば、空転時において検出ポイント間の時間ｔ０を測定したとする。このとき、以下の等式が成り立つ。
【００５６】
２π／（２ｐ）＝ｗ０×ｔ０−（ＴＬ×ｔ０２）／（２Ｊ）  ・・・（１）
（１）式の左辺は、検出ポイント間の回転子角度を示しており、（１）式から時刻ｔｃ（ｎ）における回転子速度ｗ０を算出することができる。さらに、次の２つの検出ポイント間の時間ｔ１について、以下の等式が成り立つ。
【００５７】
２π／（２ｐ）＝ｗ１×ｔ１−（ＴＬ×ｔ１２）／（２Ｊ）  ・・・（２）
ｗ１＝ｗ０−（ＴＬ／Ｊ）×ｔ０  ・・・（３）
これらの方程式を解けば、次の検出ポイントまでの時間ｔ１を予測することができる。これは、検出ポイントに限らず、（２）式の左辺が示している、回転子角度：２π／（２ｐ）を任意の値に設定した場合においても、同様に、設定した回転子角度分だけ回転子が回転するまでの時間を正確に予想することが可能となる。つまり、空転時は回転子位置を正確に予想可能であるため、位相信号生成部４４は回転子位相に正確に同期するよう電気角位相信号を出力することができるので、本実施の形態におけるモータ起動装置１００は、回転子位相と電気角（回転子相当）とほぼ位相差がない状態で位置検出駆動を開始することが可能である。
【００５８】
以上により、本実施の形態におけるモータ起動装置１００は、誘起電圧に基づく回転子位置の安定した検出が可能であり、また、回転子位置の正確な予想が可能となることにより、強制転流駆動から位置検出駆動への移行における起動失敗を低減することができる。
【００５９】
ところで、基本印加電圧波形を図３に示した矩形波として説明したが、これに代えて図８に示すような規格化された正弦波状の波形を基本印加電圧波形としてもよい。なお、正弦波状の波形は図８に示すものに限定されるものではなく、例えば矩形波の振幅を階段状に変化させて正弦波に近似させた波形も含む。また、コイル端子間電圧が正弦波状の波形となる場合のみでなく、コイル端子間の電圧差、すなわち各コイル自体に印加される波形が正弦波状であればよい。
【００６０】
正弦波状の波形を基本印加電圧波形として用いた場合、図９（ａ）に示すような、オープンループ駆動による回転子速度のシミュレーション結果が得られた。ここで、コイル端子間電圧の振幅は４［Ｖ］（一定）としている。比較のため、コイル端子間電圧の振幅が４［Ｖ］での矩形波駆動における基準印加電圧波形を用いた場合のシミュレーション結果を図９（ｂ）に示す。なお、負荷パラメータは、以下の値を用いた。
【００６１】
最大静止摩擦トルク：６×１０−２［Ｎ・ｍ］、負荷トルク（動摩擦含）：５×１０−２［Ｎ・ｍ］、粘性負荷係数：４×１０−４［Ｎ・ｍ・ｓ］
図９（ａ）及び（ｂ）において、太実線は速度プロファイルデータを極ペア数で除して電気角（回転子相当）で表したものを示す。細実線は、始動開始時において停止状態にある回転子と電気角（回転子相当）の位相差（以降、「初期位相差」と呼ぶ）の代表値に対する回転子速度のシミュレーション結果を示している。各初期位相差は、＋２２．５、＋１５、＋７．５、０、−７．５、−１５［ｄｅｇ］としている。ここで、初期位相差の値は、３６０［ｄｅｇ］を極ペア数（＝８）で除した値（＝４５［ｄｅｇ］）より、回転子と電気角（回転子相当）の位相差は４５［ｄｅｇ］周期で同じ状態に戻るので、その範囲内で６等分して代表値とした。
【００６２】
図９（ａ）に示した正弦波駆動による結果と、図９（ｂ）に示した矩形波駆動による結果とを比較すると、正弦波駆動の方が矩形波駆動よりも、より滑らかに起動できることがわかる。
【００６３】
次に、本実施の形態におけるモータ起動装置１００の動作について図１及び図１０を用いて説明する。図１０は、センサレス起動の動作フローチャートである。
【００６４】
本実施の形態におけるセンサレス起動は、大別すると３つの状態により構成される。まず、駆動信号生成手段１０は、回転子速度が停止状態から低速域においては、所定の起動プロファイルに従ってドライブ回路３０を介しコイル端子に対し電圧の印加を開始して（ステップＳ１１）モータ５０を強制転流駆動状態とし、回転子を加速する。次いで、駆動信号生成手段１０は、起動プロファイルが終了した後（ステップＳ１２）、回転子を空転開始して（ステップＳ１３）モータ５０を空転状態にし、位置検出駆動手段４０は、モータ５０のコイルに発生する誘起電力を利用した回転子位置検出を行う（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において回転子位置が検出されると、検出した回転子位置情報に基づいて位相信号（位置検出駆動時）の生成（ステップＳ１５）を開始した後、最後に、生成した位相信号（位置検出駆動時）に基づいて、コイル端子間電圧の電気角を変化させる閉ループ位置検出駆動に移行（ステップＳ１６）することにより、非通電コイルにおいて空転時と同様の回転子位置検出及び位相信号（位置検出駆動時）の生成を継続しながらモータ５０を駆動する。
【００６５】
以上のように、本実施の形態におけるモータ起動装置１００によれば、回転子を回転始動した後に空転状態とし、空転状態において回転子の位置を検出してモータを駆動する構成としたので、従来のものよりも起動失敗の可能性を低減することができる。
【００６６】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態におけるモータ起動装置２００は、図１１に示す構成を有している。図１１に示すように、本実施の形態におけるモータ起動装置２００は、第１の実施の形態における駆動信号生成手段１０（図１参照）に代えて、駆動信号生成手段２０を備え、駆動信号生成手段２０がデータ記憶部２１と、３相駆動信号生成部２２とを備えている点が異なる。したがって、第１の実施の形態におけるモータ起動装置１００と同様な構成には同一の符号を付して説明を省略する。なお、駆動信号生成手段２０は、本発明の回転始動手段及び回転子移動手段に対応する。
【００６７】
データ記憶部２１は、第１基本駆動波形データと、第２基本駆動波形データと、電圧振幅プロファイルデータと、速度プロファイルデータとを記憶するものである。ここで、第１基本駆動波形データは、正弦波状の波形（例えば図８参照）であり、第２基本駆動波形データは、矩形波状の波形（例えば図３参照）である。なお、電圧振幅プロファイルデータ及び速度プロファイルデータは、第１の実施の形態において説明したので省略する。
【００６８】
３相駆動信号生成部２２は、モータ５０の駆動状態に応じて、データ記憶部２１から第１基本駆動波形データ又は第２基本駆動波形データを読み出し、３相の駆動信号（振幅乗算前）ｇを出力するものである。なお、３相駆動信号生成部２２は、本発明の駆動信号生成手段に対応する。
【００６９】
具体的には、強制転流駆動状態において、３相駆動信号生成部２２は、正弦波状の波形である第１基本駆動波形データを読み出し、位相信号ａに対する値、位相が１２０度遅れた値及び位相が１２０度進んだ値を読み出して３相の駆動信号（振幅乗算前）ｇを出力するようになっている。
【００７０】
一方、位置検出駆動状態において、３相駆動信号生成部２２は、矩形波状の波形である第２基本駆動波形データを読み出し、位相信号ａに対する値、位相が１２０度遅れた値及び位相が１２０度進んだ値を読み出して３相の駆動信号（振幅乗算前）ｇを出力するようになっている。
【００７１】
ところで、図９（ａ）及び（ｂ）を参照して説明したように、正弦波状の波形を駆動波形とする場合、騒音を低減して効率よく起動させることができるが、正弦波状の波形では非通電区間（図３参照）が存在しないため、位置検出駆動時において、非通電相の誘起電圧に基づいた回転子位置を検出する手法を用いることができない。この場合、シャント抵抗による電流値検出結果を基にして複雑な計算を行うことによって、回転子位置情報を得るという手法が一般的であり、この計算のため、新たにプロセッサを追加、又は高速なプロセッサが必要になるという問題がある。
【００７２】
そこで、第１基本駆動波形データを正弦波状の波形とし、第２基本駆動波形データを矩形波状の波形とすることにより、本実施の形態におけるモータ起動装置２００は、強制転流駆動状態においては、正弦波駆動により騒音を低減し、かつ効率のよい起動を行い、位置検出駆動状態においては、矩形波駆動及び誘起電圧を利用した回転子位置検出手法により、位置検出センサを使用せずに安価な装置構成のままで、位置検出駆動を行うことができる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態におけるモータ起動装置２００によれば、３相駆動信号生成部２２は、モータ５０の動作状態に応じて、データ記憶部２１から第１基本駆動波形データ（正弦波状の波形）又は第２基本駆動波形データ（矩形波状の波形）を読み出し、３相の駆動信号（振幅乗算前）ｇを出力する構成としたので、強制転流駆動状態及び位置検出駆動状態において最適な駆動波形を用いることができる。
【００７４】
なお、矩形波を基本印加電圧波形を図３に示した波形として説明したが、図３に示す波形に限定するものではなく、非通電区間を持つ波形ならば、同様の効果が得られる。
【００７５】
したがって、本実施の形態におけるモータ起動装置２００は、強制転流駆動状態においては、正弦波駆動により騒音を低減し、かつ効率のよい起動を行い、位置検出駆動状態においては、矩形波駆動及び誘起電圧を利用した回転子位置検出手法により、位置検出センサを使用せずに安価な装置構成のままで、位置検出駆動を行うことができる。
【００７６】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態におけるモータ起動装置は、第１の実施の形態におけるモータ起動装置１００（図１参照）に対し、駆動信号生成手段１０の動作が異なるものである。したがって、第１の実施の形態におけるモータ起動装置１００と同じ符号を用いて説明する。
【００７７】
本実施の形態における駆動信号生成手段１０は、第１の実施の形態において説明した強制転流駆動状態の前に初期位置出しを行うものである。
【００７８】
具体的には、駆動信号生成手段１０のシーケンサ１７は、強制転流駆動状態の前に、所定の電気角に固定した直流電圧を各コイル端子に所定時間印加するよう、強制転流駆動部１２に制御信号を出力することにより、強制転流駆動部１２に電圧振幅信号及び位相信号を出力させ、ドライブ回路駆動部１６がドライブ回路３０を介し、所定値の電気角（回転子相当）とほぼ同期した位置まで回転子を移動させる初期位置出しを行うものである。
【００７９】
次に、基本駆動波形データを図８に示した正弦波に設定して行ったシミュレーション結果について説明する。
【００８０】
図１２は、初期位置出しを行わない場合のシミュレーション結果（強制転流駆動状態のみ図示）を示す。また、図１３は、初期位置出しを行った場合のシミュレーション結果（初期位置出し〜強制転流駆動状態のみ図示）を示す。ただし、図１３に示した初期位置出しは、次の２つのステップで構成されたものである。
【００８１】
まず、強制転流開始時の電気角位相（回転子相当）を基準にして、所定の電気角（回転子相当）を例えば＋７．５［ｄｅｇ］として直流電圧を各コイル端子に所定時間印加することによって初期位置出し（第１の初期位置出し）を行う。次に、所定の電気角（回転子相当）を例えば±０［ｄｅｇ］として同様に初期位置出し（第２の初期位置出し）を行った後、強制転流駆動を開始する。
【００８２】
本実施の形態におけるシミュレーションでは、コイル端子間電圧の振幅（図示省略）は、矩形波駆動、正弦波駆動共に５［Ｖ］（一定）とし、負荷パラメータとして以下の値を用いた。
【００８３】
最大静止摩擦トルク：１．２×１０−１［Ｎ・ｍ］、負荷トルク（動摩擦含）：１×１０−１［Ｎ・ｍ］、粘性負荷係数：４×１０−４［Ｎ・ｍ・ｓ］
図１２（ａ）及び図１３（ａ）において、細実線は回転子速度を示し、太点線は速度プロファイルデータに基づく電気角速度（回転子相当）を示している。細実線は、第１の実施の形態と同様な初期位相差（＋２２．５、＋１５、＋７．５、０、−７．５、−１５［ｄｅｇ］）の場合について、それぞれのシミュレーション結果を重ねてプロットしたものである。
【００８４】
図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）は、回転子位相を示しており、上記と同様に、初期位相差（＋２２．５、＋１５、＋７．５、０、−７．５、−１５［ｄｅｇ］）の場合について、それぞれのシミュレーション結果を重ねてプロットしたものである。
【００８５】
図１２（ａ）及び（ｂ）において、初期位相差＝＋２２．５［ｄｅｇ］の場合に、起動に失敗している様子が示されている。このシミュレーション結果が示すように、強制転流駆動開始時において、電気角（回転子相当）と回転子位置との間の位相差によって回転子の挙動の乱れ、強制転流駆動による起動が失敗する場合がある。
【００８６】
一方、本実施の形態におけるモータ起動装置は、図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、強制転流駆動による起動の前に、所定の電気角に固定した直流電圧を各コイル端子に印加し、回転子を所望の位置又は所望の位置近傍まで移動することにより、強制転流駆動時における起動失敗の可能性を低減することができる。
【００８７】
次に、本実施の形態におけるモータ起動装置の動作について図１４を用いて説明する。
【００８８】
まず、強制転流開始時の電気角（回転子相当）を基準にして、所定の電気角（回転子相当）を例えば＋７．５［ｄｅｇ］として直流電圧を各コイル端子に所定時間印加することによって第１の初期位置出しを行う（ステップＳ２１）。
【００８９】
次いで、所定の電気角（回転子相当）を例えば±０［ｄｅｇ］として同様に第２の初期位置出しを行う（ステップＳ２２）。以下の各ステップは、第１の実施の形態と同様なので省略する。
【００９０】
以上のように、本実施の形態におけるモータ起動装置によれば、強制転流駆動による起動の前に、所定の電気角に固定した直流電圧を各コイル端子に印加し、回転子を所望の位置又は所望の位置近傍まで移動する構成としたので、強制転流駆動時における起動失敗の可能性を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
以上のように、本発明に係るモータ起動装置及びモータ起動方法は、従来のものよりも起動失敗の可能性を低減することができるという効果を有し、複数相のコイルを備えたブラシレスモータを起動するモータ起動装置及びモータ起動方法装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態における構成を示すブロック図
【図２】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態におけるモータの状態の説明図
【図３】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態における基本駆動波形データを示す図
【図４】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態における回転子位置検出部の回路構成例を示す図
【図５】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態における誘起電圧の検出ポイントの説明図
【図６】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態において、強制転流駆動を行った場合のシミュレーション結果を示す図  （ａ）速度プロファイル（点線）及び回転子の実速度（太実線）を示す図  （ｂ）印加電圧波形信号Ｖｕ（細実線）及びＵ相コイルに発生する誘起電圧（太実線）を示す図  （ｃ）図６（ａ）の一部拡大図  （ｄ）図６（ｂ）の一部拡大図
【図７】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態において、空転中の回転子速度を示す図
【図８】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態において、基本印加電圧波形を正弦波状にした場合の波形例を示す図
【図９】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態において、基本印加電圧波形が正弦波状の場合と、矩形波状の場合とにおける回転子速度のシミュレーション結果  （ａ）基本印加電圧波形が正弦波状の場合の回転子速度を示す図  （ｂ）基本印加電圧波形が矩形波状の場合の回転子速度を示す図
【図１０】本発明に係るモータ起動装置の第１の実施の形態における動作を示すフローチャート
【図１１】本発明に係るモータ起動装置の第２の実施の形態における構成を示すブロック図
【図１２】本発明に係るモータ起動装置の第３の実施の形態において、初期位置出しを行わない場合のシミュレーション結果  （ａ）回転子速度（細実線）及び速度プロファイルデータ（太点線）を示す図  （ｂ）各初期位相差における回転子位相を示す図
【図１３】本発明に係るモータ起動装置の第３の実施の形態において、初期位置出しを行った場合のシミュレーション結果  （ａ）回転子速度（細実線）及び速度プロファイルデータ（太点線）を示す図  （ｂ）各初期位相差における回転子位相を示す図
【図１４】本発明に係るモータ起動装置の第３の実施の形態における動作を示すフローチャート
【符号の説明】
【００９３】
１０  駆動信号生成手段（回転始動手段）
１１、２１  データ記憶部
１２  強制転流駆動部
１２ａ  プロファイル読出回路
１２ｂ  速度積算回路
１３  切替部
１３ａ  第１スイッチ
１３ｂ  第２スイッチ
１４、２２  ３相駆動信号生成部（駆動信号生成手段）
１５  乗算部
１６  ドライブ回路駆動部
１７  シーケンサ（電圧印加中断手段）
２０  駆動信号生成手段（回転始動手段、回転子移動手段）
３０  ドライブ回路
４０  位置検出駆動手段
４１  回転子位置検出部（回転子位置検出手段）
４２  速度算出部
４３  閉ループ回路
４４  位相信号生成部
５０  モータ
１００、２００  モータ起動装置
【図１】
2009055681.tif 000003
【図２】
2009055681.tif 000004
【図３】
2009055681.tif 000005
【図４】
2009055681.tif 000006
【図５】
2009055681.tif 000007
【図６】
2009055681.tif 000008
【図７】
2009055681.tif 000009
【図８】
2009055681.tif 000010
【図９】
2009055681.tif 000011
【図１０】
2009055681.tif 000012
【図１１】
2009055681.tif 000013
【図１２】
2009055681.tif 000014
【図１３】
2009055681.tif 000015
【図１４】
2009055681.tif 000016