JP2017034767A - ３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】推定要素を無くし確認制御を可能とすることで３相ブラシレスモータのセンサレス駆動の根本的な問題点を改善し、センサレス駆動方法の用途拡大を図ることが可能な３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法を提供する。【解決手段】直流電源ＤＣを複数用いて高電位と中間電位と低電位を発生するトラッキング電源を構成し、中間電位に中性点Ｃ（コモン）を接続し、相端ｕ，ｖ，ｗをハーフブリッジ出力回路Ｂ１〜Ｂ３により高電位あるいは低電位に接続するモータ駆動装置を用いて、誘起電圧ゼロクロス点にて励磁切り替えする１相６０°バイポーラ通電あるいは１相１８０°バイポーラ通電を行う。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば回転子位置センサが省略され３相巻線がスター結線された４線式３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法に関する。

図１に現状の３相センサレスブラシレスＤＣモータの一実施例を示す。回転軸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°位相差でコイルＵ，Ｖ，Ｗが配置され、各コイルの一端は共通接続に結線して中性点Ｃ（コモン）とし、他端はリード線ｕ，ｖ，ｗでモータ駆動装置の出力手段にスター結線されている４線式３相ブラシレスＤＣモータとなっている。

図１２に現状のモータ駆動装置の一実施例を示す。
制御手段としてのＭＰＵ（マイクロプロセッサ）５５は、上位コントローラ５６から回転指令ＲＵＮが入力されるとモータ駆動を制御する。具体的には、コンパレータ１〜３の出力に応じてゲート出力ＯＵＴ１〜６を切り替えて２相１２０°バイポーラ矩形波通電などを行う。またセンサレス駆動のための回転子位置センシング機能あるいはオープンループ始動機能、回転時の励磁切り替え遅延機能、速度制御のためのＰＷＭ機能なども備える。モータ駆動装置５７は各相端を接続するハーフブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３を３個そなえ、各相を正方向通電または逆方向通電またはハイインピーダンス状態とする。

ゼロクロス検出回路５８（ゼロクロス検出手段）は相端と中性点（コモン）間に発生する誘起電圧を比較する３個のゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３で構成される。コンパレータ出力ＳＵ〜ＳＷはＰＷＭノイズ除去のローパスフィルタＬＰＦを経由してＭＰＵ５５（制御手段）へ出力される。

尚、センサレス駆動におけるモータ静止時の回転子位置検出は、コイルに高周波電流を流し界磁磁束によるインダクタンスの変化をＡＤコンバータなどを使って検出し概ね６０°単位で回転子位置を推定する方法が知られている。あるいは始動前に任意の相を励磁して固定磁界を発生させ回転子を移動させ、一定時間後には理論停止位置に回転子が位置していると仮定して始動通電するセットアップ通電法がある。
２電源２相全波通電にてセットアップ通電するブラシレスモータのセンサレス駆動方法について以下の先行文献が存在する（特許文献１参照）。

特許第２８９１０４４号公報

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。現状は２相通電し非通電相の誘起電圧を監視してゼロクロス点を検出し、そこから３０°遅れた位置で励磁切り替えする２相１２０°バイポーラ矩形波通電方式が主流である。

図１３に２相１２０°バイポーラ矩形波通電のタイミングチャートを示す。横軸は電気角を表し、電気角３６０°をゼロクロス点で６０°の区間にわけ励磁シーケンス順に区間番号１〜６を振ってある。Ｕ〜Ｗはコイルである。実線は通電波形で中心線より上側は正方向通電、下側は逆方向通電を表す。破線は誘起電圧波形で一定電流を流した時のトルクに等しく中心線より上側は正方向回転する正トルクが発生することを表す。下側に位置するときは逆方向回転する負トルクが発生するが、通電を逆方向にすれば正トルクが発生し回転子は正転する。

ＳＵ〜ＳＷはゼロクロスコンパレータ出力波形で、ＺＸ０〜ＺＸ３００は６０°ごとに発生する誘起電圧波形ゼロクロス点である。ＺＸ０点はＵ相極歯が回転子のＳ磁極に向いている位置であり、本実施形態ではこの位置を０°としている。
図１３に示すタイミングチャート図からゼロクロス点が６０°ごとに発生し、励磁切り替えはゼロクロス点から３０°遅れて発生していることは明らかである。
そのため２相１２０°バイポーラ通電方式では、３０°の遅れ時間を例えば直前の６０°通電周期から求めている。つまり回転子の機械的な角度を時間軸に変換して推測しており、角度−時間変換を行っていることから励磁切り替えタイミングは不確実となる。従って急激な速度変化や負荷変動に対して追従できず脱調する場合があり、また加速度の許容範囲や高速回転の限界が低く抑えられている。さらに始動時の最初の励磁切り替えタイミングは前回周期が存在しないことからあらかじめ設定された遅れ時間に基づいている。これも回転子角度を時間軸に変換するものであり推測に基づくことから誤差が大きく従って始動エラーが多い。
このようにセンサレス駆動には推定要素あるいは仮定要素が含まれるため始動時・回転時の両面で不確実性があり、始動性・加速性能・高速性能などでセンサ駆動に劣るという問題がある。

以上説明したように、３相ブラシレスＤＣモータは、低コスト・耐環境性能・小型化等から誘起電圧検出による位置センサレス制御が求められている。しかしながら、センサレス駆動は始動エラー・脱調という致命的な欠点があり採用できない分野も多い。その原因は位置センサが無いことから推定に頼らざるを得ないことにある。それは簡単な矩形波通電から高度なベクトル制御までセンサレス駆動全般にいえる問題点である。

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、推定要素を無くし確認制御を可能とすることで３相ブラシレスモータのセンサレス駆動の根本的な問題点を改善し、センサレス駆動方法の用途拡大を図ることが可能な３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法を提供することにある。

モータ駆動装置に直流電源電圧を高電位、中間電位、低電位で各々供給する電源供給部と、上位コントローラからの回転指令により前記モータ駆動装置の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、前記固定子巻線に対して相ごとに前記高電位または低電位となるように接続を切り替えて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、各相巻線両端に発生する誘起電圧を差動入力して誘起電圧のゼロクロス点を各々検出して生成した回転子位置信号を前記制御手段に送出するゼロクロス点検出手段と、回転子に永久磁石界磁を備え、固定子に巻き線を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中性点が中間電位となるように前記電源供給部に接続された４線式３相ブラシレスモータと、を具備し、前記制御手段は、ゼロクロス点により区切られる位相角６０°区間で一相のみを正方向通電あるいは逆方向通電する１相６０°バイポーラ矩形波通電パターンから、前記ゼロクロス点検出手段の出力に応じて一つの通電パターンを選択して前記モータ出力手段に送出し、１相６０°バイポーラ通電を繰り返すことを特徴とする。

上記３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法によれば、直流電源を複数用いて高電位と中間電位と低電位を発生するトラッキング電源を構成し、中間電位に中性点（コモン）を接続し、相端をハーフブリッジ出力回路により高電位あるいは低電位に接続するモータ駆動装置を用いて、誘起電圧ゼロクロス点にて励磁切り替えする１相６０°バイポーラ通電あるいは１相１８０°バイポーラ通電を行う。これにより回転角度−時間変換という推定要素を排除したセンサレス駆動が実現できる。

前記電源供給部には、正側電源と等しい電圧の負側電源が設けられ、前記ハーフブリッジ回路の接続切替えにより相端が正側電源または負側電源に接続され、中性点が接地電位に接続されて、１相６０°バイポーラ通電が行われることが好ましい。
これによれば、１相６０°バイポーラ通電においては、誘起電圧ゼロクロス点と励磁切り替え点は一致し、励磁切り替えタイミングの決定に推定要素は含まれない。従って、モータ回転中はセンサ駆動と同等の確認制御が可能となる。しかも誘起電圧ゼロクロス点検出による１相６０°バイポーラ矩形波通電方式はゼロクロスコンパレータを設けるだけで実現でき、推定のための演算回路も不要であり、ハード・ソフトとも簡略化される。
さらに誘起電圧により回転子の位置検出を行っていることから、磁束密度を反映した電気角にて回転子角度が得られ、磁束と無関係に機械角を検出するエンコーダやレゾルバよりも最適なタイミングで励磁切り替えができるという優れた特性も有している。

前記制御手段は、ゼロクロス点検出ごとに区間時間を計測し、前々回時間もしくは複数区間の平均時間と前回時間との偏差があらかじめ設定した閾値より大きかったら１相６０°バイポーラ通電を選択し、偏差が閾値よりも小さかったら２相１２０°通電、３相正弦波通電、ルックアップテーブル通電、センサレスベクトル制御のうちいずれかの駆動方式を選択して駆動するようにしてもよい。
これによれば、一定速度で回転する機器も多く、定速度運転であれば通電周期変動も少ないことから推定に基づく励磁切り替えも実用となる。よって、推定要素の含まれる２相１２０°矩形波通電あるいは３相１８０°正弦波通電などの駆動方式が実用化されており、中間電位の出力を禁止すれば従来通りの２相通電あるいは３相通電による励磁が可能である。さらに、あらかじめ通電パターンをルックアップテーブルに記憶しておき一定周期でテーブルデータを読み出し励磁するルックアップテーブル通電方式（以下ＬＵＴ）も考えられる。ＬＵＴを採用すれば任意の通電パターンが登録可能となる。例えば１相〜３相通電、６０°〜１８０°通電、バイポーラ〜ユニポーラ通電、矩形波〜台形波〜正弦波通電、など様々なパターンをテーブルに記憶することができる。またＬＵＴアドレスを後方にずらせば通電位相を進めたことになり容易に進角制御が実現できる。更にはルックアップテーブルをゼロクロス点周期である６０°毎に分割して６区間とし、ゼロクロス点ごとに周期変動を補正することで速度変動に対する追従性を向上するようにしてもよい。

前記制御手段は、始動時は、前記回転子の位置する区間より１区間先の１相６０°バイポーラ通電の通電パターンを選択し通電開始される１相１８０°バイポーラ通電による始動通電を行い、上記区間先頭から１２０°先のゼロクロス点を検出することで始動通電を完了し、その後は６０°ごとのゼロクロス点検出により１相６０°バイポーラ通電を行うことが好ましい。
これにより始動通電は３０°から１２０°の区間で通電され加速期間は９０°となる。従来の加速期間は概ね３０°程度であったから加速期間は３倍となり、回転子速度もそれに応じて大きくなり高い誘起電圧で安定的にゼロクロス点を検出できるようになる。

始動通電開始時に、当該通電相以外の相も一定時間通電し２相通電あるいは３相通電するようにしてもよい。
モータ始動時は静摩擦があるためより大きなトルクが必要であるが、１相バイポーラ通電であることからトルクが不足する場合も考えられる。そこで、始動時の最初の励磁に限って、一定時間２相あるいは３相を通電して始動を開始し始動トルクを増強する複数相通電を行うことで、十分なトルクで始動時の静摩擦領域を通過できるので確実な始動が可能となる。

前記制御手段は、あらかじめセットアップ時間１と２及び始動時間 を設定しておき、始動前にセットアップ時間１の期間、２相１２０°バイポーラ矩形波通電パターンから任意のパターンを選択して２相通電し固定磁界を発生させるセットアップ通電１を行い、引き続きセットアップ時間２の期間、前記通電パターンより任意区間だけ進めた通電パターンにて２相を通電するセットアップ通電２を行って回転子を理論停止位置に移動させ、セットアップ通電２の理論停止区間からはじまる１相１８０°バイポーラ矩形波通電を行い、前記始動時間を超えてもゼロクロス点を検出できないときは、前記セットアップ通電１に戻り、前回のセットアップ通電２の通電パターンよりさらに任意区間進めた通電パターンにて通電し、始動するまで上述の始動動作を繰り返すことが好ましい。
これにより、モータや負荷条件に合わせてセットアップ通電時間１〜２及び始動通電の限界時間を最適に設定することで、繰り返し始動に失敗しても回転子は振動しながら回転し、いずれ最適な位置にて始動通電が行われて確実に始動できる。

上述した３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法を用いれば、回転角度−時間変換という推定要素を排除したセンサレス駆動が実現でき、センサレス駆動の用途拡大を図ることが可能となる。

４線式３相センサレスモータの説明図である。 電源供給部の回路構成を示す説明図である。 電源構成例を示す説明図である。 図１のモータのセンサレス駆動回路の説明図である。 １相６０°バイポーラ矩形波通電のタイミングチャート図である。 ３相１６５°正弦波通電のタイミングチャート図である １相１８０°バイポーラ矩形波通電のタイミングチャート図である。 始動時の複数相通電のタイミングチャート図である。 モータの始動手順を示す説明図である。 制御動作のフローチャート図である。 実機の駆動波形を示す波形図である。 従来の３相ブラシレスＤＣモータの駆動回路図である。 図１２の２相１２０°バイポーラ矩形波通電のタイミングチャートである。

以下、本発明に係る３相ブラシレスモータのセンサレス駆動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中性点が中間電位となるように電源供給部に接続された４線式３相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広く適用することができる。

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１に本発明に係る３相ＤＣブラシレス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を備えた３相ＤＣブラシレスモータを例示する。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。

図１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を設けて相間を中性点Ｃで結線して後述するモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）に配線された４線式３相ブラシレスモータとなっている。

次に本発明に係るモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）の構成例を図４に示す。駆動方式は１相６０°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。

（２電源によるバイポーラ通電）
電源供給部ＤＣはモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）に直流電源電圧を高電位、中間電位、低電位で各々供給する。
巻線の一端を共通結線するスター結線方式の３相ブラシレスＤＣモータの場合、１相ごとにバイポーラ通電するためにはモータ中性点を使って通電方向を制御しなければならず、従来の駆動回路の構成では中性点へ直接電力を供給する手段を備えていないため１相バイポーラ通電は不可能であった。

そこで本実施形態では等しい電圧の電源を２台使ってトラッキング電源を構成し、モータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）に高電位Ｈ（＋Ｖ）、中間電位Ｍ（Ｖ／２）、低電位Ｌ（ＧＮＤ）を供給する。Ｈ−Ｍ間とＭ−Ｌ間の電位差は等しい。中間電位を発生する電源部はシンク動作とソース動作の可能な４象限動作のバイポーラ出力とする必要がある。そのうえで、モータ側の巻線の中性点Ｃを中間電位Ｍに接続し、相端ｕ，ｖ，ｗをモータ出力手段の高電位Ｈあるいは低電位Ｌに接続すれば、高電位Ｈから中間電位Ｍへの正方向通電及び、中間電位Ｍから低電位Ｌへの逆方向通電が可能となる。

図２に１相バイポーラ通電の原理を図示する。電源ＤＤＣは直流電源電圧の１／２電圧を出力しインヒビット信号ＩＮＨによりハイインピーダンス可能な４象限動作のバイポーラ電源である。そしてモータ中性点を中間電源ＤＤＣ出力に接続する。例えばハーフブリッジ回路Ｂ１（モータ出力手段）のハイサイドスイッチがオン状態の時コイル電流は矢印ａの向きに流れ、ローサイドスイッチがオン状態の時コイル電流は矢印ｂの向きに流れる。従って１相ごとのバイポーラ通電（双方向通電）が実現できる。このようにモータ出力手段を３相分設ければ各相を任意にバイポーラ通電することができる。
また損失も従来と同等である。コイル損失は従来と同じコイルであるから等しい。モータ出力手段の構成は、１相通電も従来の直列２相通電あるいは直並列３相通電（スター結線）も１相あたりに接続されるＦＥＴまたはトランジスタは１段であり、従って回路損失も同等である。

（電源構成）
図４に示す電源供給部ＤＣの構成方法は種々考えられ、例えば中間電位をＧＮＤとして正負電位を印可してもよいし、単電源にＤＣ−ＤＣコンバータを追加してもよい。ここでは、図３Ａ〜Ｃに電源構成の一例を示す。図中のＨ端子は高電位出力Ｈ、Ｍ端子は中間電位出力Ｍ、Ｌ端子は低電位出力Ｌを表す。

図３Ａは、２出力ＤＣ電源を使用した構成例である。低電位ＬをＧＮＤとすることができハイサイド出力段のゲートドライブ回路の構築が比較的容易である。
図３Ｂは、正負出力ＤＣ電源を使用した構成例である。ＡＣ電源からＤＣ電源を生成する場合、電源回路の構築が比較的容易である。
図３Ｃは、単一出力ＤＣ電源を使用し、駆動回路内に中間電位Ｍを発生するＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣを搭載した構成例である。バッテリー機器などの単一電圧下で使用することができる。

（回路構成）
図４において、電源供給部ＤＣは等しい電圧の２台の電源を直列接続した構成であり、高電位Ｈ（＋Ｖ）、中間電位Ｍ（Ｖ／２）、低電位Ｌ（ＧＮＤ）をモータ駆動装置（ＤＲＩＶＥＲ）に与える。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。モータ駆動装置のレギュレータＲＥＧは、ＭＰＵ用電源ＶＣＣを生成する。ＭＰＵ５はマイクロコンピュータで、ゼロクロス点検出手段ＣＯＭＰ１〜３の出力信号ＳＵ〜ＳＷによりハーブリッジ回路Ｂ１〜Ｂ３（モータ出力手段）のゲート信号ＯＵＴ１〜６を切り替え、１相６０°バイポーラ通電などを行う。

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。ゲート信号ＯＵＴ１〜ＯＵＴ６はレベルシフト回路ＬＳによりロジックレベルからゲート電圧レベルにシフトされる。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、中性点Ｃは、電源供給部ＤＣの中間電位Ｍ（Ｖ／２）に接続される。

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と中性点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、ＰＷＭノイズを除去するローパスフィルタＬＰＦを経由してＭＰＵ５（制御手段）に出力される。以上の構成にて中性点付きのスター結線４線式３相ＢＬＤＣモータを１相６０バイポーラ通電することができる。

（１相６０°バイポーラ通電）
誘起電圧信号から回転子位置情報を求める場合、ゼロクロス点であれば真の電気的な回転子位置が簡単かつ正確に得られる。それ以外の場所で回転子位置を知ろうとすると角速度情報が必要であり大きな誤差が含まれやすく、回転方向を特定するためには２相分の誘起電圧測定処理が必要となる。あるいは正確な正弦波特性の磁気回路を持つモータ及び高速・高分解能のＡＤコンバータといった誘起電圧検出回路や高い演算能力を持ったマイクロプロセッサなどが要求され装置負荷が大きくなる。

そこで本実施形態は、誘起電圧ゼロクロス点にて励磁切り替えを行う１相６０°バイポーラ通電方式を採用する。例えばハーフブリッジ回路Ｂ１のハイサイド側トランジスタがオンしてコイル端ｕが高電位Ｈに接続された場合、中性点Ｃを経由して中間電位Ｍへ電流が流れコイルＵは正方向通電される。反対にハーフブリッジ回路Ｂ１のローサイド側トランジスタがオンしてコイル端ｕが低電位Ｌに接続された場合、中間電位Ｍから中性点Ｃを経由して低電位Ｌへ電流が流れコイルＵは逆方向通電される。コイル印可電圧は電源電圧＋Ｖの概ね半分となり、２相１２０°通電時と等しい。

図５に１相６０°バイポーラ矩形波通電のタイミングチャートを示す。図５から明らかなように、例えば０°の位置ではゼロクロス点ＺＸ０が発生しＶ相励磁がはじまる。つまり１相６０°バイポーラ通電においては、誘起電圧ゼロクロス点と励磁切り替え点は一致し、励磁切り替えタイミングの決定に推定要素は含まれない。従って回転中はセンサ駆動と同等の確認制御が可能となる。しかも誘起電圧ゼロクロス点検出による１相６０°バイポーラ矩形波通電方式はゼロクロスコンパレータを設けるだけで実現でき推定のための演算も不要であり、ハード・ソフトとも簡略化される。さらに誘起電圧により位置検出していることから磁束密度を反映した電気角にて回転子角度が得られ、磁束と無関係に機械角を検出するエンコーダやレゾルバよりも最適なタイミングで励磁切り替えができるという優れた特性も有している。

トルク発生効率に関しても、２相１２０°バイポーラ矩形波通電の１相あたりの平均トルク理論値Ｔａｖｅ＝（３√３／２π）＊ピークトルクＴｐｋ＝０．８２７Ｔｐｋに対し、１相６０°バイポーラ矩形波通電はトルクピーク部分の前後３０°区間のみを通電することからトルク発生効率が改善され平均トルク理論値Ｔａｖｅ＝（６／２π）＊ピークトルクＴｐｋ＝０．９５５Ｔｐｋと高効率である。

なお１相通電以外は、相間の誘起電圧不平衡あるいはコイル抵抗の不平衡により中性点電位は変動する。そこで２相通電時あるいは３相通電時は、中間電位Ｍの出力を停止し中性線をハイインピーダンスとすれば、従来通りの２相通電あるいは３相通電が可能である。また反対に中間電位Ｍを常に出力すると中性点電位は一定となり各相の相電圧も等しくなる。この場合、主な電流経路はコイルで形成されるが中性点電位の変動分電力は中間電位Ｍから供給される（中間電位Ｍの出力停止手段は図示せず）。

（従来の通電方式との切り替え）
一定速度で回転する機器も多く、定速度運転であれば通電周期変動も少ないことから推定に基づく励磁切り替えも実用となる。推定要素の含まれる２相１２０°矩形波通電あるいは３相１８０°正弦波通電などの駆動方式が実用化されており、本実施形態では前述した中間電位Ｍの出力を禁止すれば、従来通りの２相通電あるいは３相通電による励磁が可能である。

さらに、あらかじめ通電パターンをルックアップテーブルに記憶しておき一定周期でテーブルデータを読み出し励磁するルックアップテーブル通電方式（以下ＬＵＴ）も考えられている。ＬＵＴを採用すれば任意の通電パターンが登録可能となる。例えば１相〜３相通電、６０°〜１８０°通電、バイポーラ〜ユニポーラ通電、矩形波〜台形波〜正弦波通電、など様々なパターンをテーブルに記憶することができる。またＬＵＴアドレスを後方にずらせば通電位相を進めたことになり容易に進角制御が実現できるという効果もある。ルックアップテーブルをゼロクロス点周期である６０°毎に分割して６区間とし、ゼロクロス点ごとに周期変動を補正することで速度変動に対する追従性を向上することも行われている。

（矩形波通電と正弦波通電の自動切り替え）
一方、１相６０°バイポーラ矩形波通電もＬＵＴも共にゼロクロス点にて通電パターンを切り替えていることから、１相６０°バイポーラ矩形波通電方式であればゼロクロス点検出時に双方をそのまま切り替える事ができる。従って定速度運転になったら任意のゼロクロス点で１相６０°バイポーラ矩形波通電からＬＵＴに切り替えれば自動切り替えが可能である。

そこでＬＵＴに３相正弦波通電の通電パターンを記憶しておき、加速期間は１相６０°バイポーラ矩形波通電を行い定速度回転になったらＬＵＴに自動切り替えして正弦波通電することができる。正弦波通電はサイン波着磁の磁気回路をサイン波通電していることからトルク特性はsin二乗波形となり１相６０°バイポーラ矩形波通電のトルク特性に近く、実際電流値なども大差ない。このことから通電方式の切り替えもショックが少なくスムーズに行える。１相６０°バイポーラ矩形波通電で始動しその後ＬＵＴによる正弦波駆動に切り替える駆動方式を採用すれば始動の確実性と定速度運転時の静音性を両立でき、優れた駆動方式が実現できる。

図６にＬＵＴによる３相正弦波通電のタイミングチャートを示す。ゼロクロス点検出のために区間後端でゼロクロス点が発生する相は１５°手前で通電を打ち切っており１６５°通電である。このようにＬＵＴは自由に波形を定義できる効果もある。なお急激な速度変動を検出した場合はゼロクロス点に同期して上記の１相６０°バイポーラ矩形波通電に切り換えればただちにクローズドループ制御に戻ることができ脱調を防止できる。

通電方式の切り替えに際して、定速回転の判定時間を長くとり変速回転の判定時間を短くするというヒステリシス特性を付与すれば通電方式切り替え時の発振を防止できる。例えば定速回転の判定時間を６区間とし、変速回転の判定時間を１区間とした実験装置にて好結果を得ている。負荷条件や使用条件に応じて最適な閾値を設定することができる。
むろん上位コントローラにより任意に通電方式を切り替えできることは言うまでもない。あるいはＬＵＴの代わりにセンサレスベクトル制御通電方式を選択することもできる。

（始動時の問題）
セットアップ法あるいはインダクタンスセンシング法などによって回転子位置が判っている場合であっても、センサレス駆動の始動は不確実である。以下その理由を説明する。
ゼロクロス点検出には誘起電圧がヒステリシス電圧閾値を超える必要があるが、始動時の最初の励磁は加速期間が０°〜６０°以内であり、加速期間が短すぎて回転速度があがらずゼロクロス点の検出が困難である。例えばゼロクロスコンパレータのヒステリシス電圧を３０ｍＶｐｐ、誘起電圧定数Ｋｅ＝１ｍＶｐｐ／ｒｐｍのモータの場合、始動時は０°〜６０°以内に３０ｒｐｍ以上に加速しなければならず、非常に大きな加速度が要求される。従って多くのアプリケーションにおいて誘起電圧が小さくてゼロクロス点を検出できず始動エラーを起すこととなるのである。

（始動通電）
そこで本案では始動時の最初の１励磁に関しては、回転子停止区間から始まる１相１８０°バイポーラ矩形波通電による始動通電を行う。そして停止していた区間の後端で発生するゼロクロス点は検出せず、もう１区間先のゼロクロス点を検出して始動通電を打ち切る。始動通電以後は通常の１相６０°バイポーラ矩形波通電により６０°ごとにゼロクロス点を検出して励磁切り替えを行う。図７に１相１８０°バイポーラ通電のタイミングチャートを示す。この例ではＵ相が通電され、Ｖ相及びＷ相は通電されない。

図８に始動通電のタイミングチャートを示す。図のＵ相正方向通電が始動通電に相当し、３０°〜１２０°の区間で通電されている。１相で３６０°通電することから、３相のうちどれか１相を選択して１８０°バイポーラ通電することになる。通電する相の選択方法は、回転子が停止している区間のひとつ先の区間の１相６０°バイポーラ通電パターンを選択すればよい。例えば図８において、区間１の中央近辺（二点鎖線参照）に回転子２（図１参照）が停止しているとすると、ひとつ先の区間２を選択しＵ相正方向通電とすればよいことが判る。そしてゼロクロス点ＺＸ６０は検出せずＺＸ１２０を検出し、そこで１８０°通電を打ち切る。
これにより始動通電は３０°から１２０°の区間で通電され加速期間は９０°となる。従来の加速期間は概ね３０°程度であったから加速期間は３倍となり、回転子速度もそれに応じて大きくなり高い誘起電圧で安定的にゼロクロス点を検出できるようになる。

（始動時の複数相通電）
始動時は静摩擦があるためより大きなトルクが必要であるが、本案は１相通電であることからトルクが不足する場合も考えられる。そこで始動時の最初の励磁に限って、一定時間２相あるいは３相を通電して始動を開始し始動トルクを増強する複数相通電を行ってもよい。
複数相通電を長時間行うとゼロクロス点検出ができなくなるのでタイマーを用いて短時間で通電を停止する必要がある。停止位置誤差を考慮すると通電時間は回転子が始動時に６０°回転する時間以下に設定する。
これにより十分なトルクで始動時の静摩擦領域を通過できるので確実な始動が可能となる。

ここで、図８を参照して始動時の複数相通電を説明する。回転子は２点鎖線で示す３０°付近に静止していたとすると前述のとおり始動通電はＵ相を正方向通電する区間２の通電パターンが選択されている。Ｕ相の始動トルクはピークトルクの１／２である。
ここでＶ相に逆方向通電を短時間行うとＵ相トルクにＶ相トルクが加算され概ね１相通電時の３倍の大きな始動トルクが得られ、始動が確実になる。特にＺＸ０側に偏って停止していた場合はＵ相トルクが小さいことから複数相通電は効果的である。
これにより従来は区間中心から±１０°程度であった停止位置の許容範囲が±３０°程度に拡大され、回転子が振動状態であっても始動通電が可能となり始動性が格段に向上する。あるいはセットアップ通電の励磁時間を短縮するにも有効である。

（セットアップ通電と始動通電の連動）
始動時にわずかな逆転が許容される場合はセットアップ通電法と始動通電を連動させて始動成績を向上することができる。
セットアップ通電法とは、始動前に一定時間２相通電にて固定磁界を発生させて回転子をゼロクロス点から３０°ずれた位置に位置決めすることである。図５を参照して説明すると、例えばＵ相を正方向通電すると回転子２はゼロクロス点ＺＸ１８０に停止する。またＶ相に逆方向通電すると回転子はゼロクロス点ＺＸ１２０に停止する。そしてＵ−Ｖ励磁を行うとＵ相とＶ相の合成トルクにより１５０°の位置に停止しピークトルク＊０．５の保持力を発揮する。なお１相通電によるセットアップの保持力は０であるのでセットアップ通電は２相通電が好ましい。

しかしながら単純なセットアップ法では１８０°離れた３３０°の位置でもＵ相とＶ相のトルクが均衡するため不安定ながらも停止する場合があり始動ミスを起す。そこで本実施形態では励磁パターンを変えて再度セットアップ通電を行い必ず２回目のセットアップ通電の理論停止位置に回転子を停止させる方法を提案する。
さらに上述の始動通電においてもトルク不足などからゼロクロス点検出に失敗する場合も考えられる。そこで始動通電の限界時間を設定しておき、限界時間が経過してもゼロクロスを検出できないときは始動エラーと判定し、前回のセットアップ通電とはさらに異なる通電パターンで再始動する。

即ち本実施形態では、まず予め設定されたセットアップ通電時間１の期間セットアップ通電し、続いてあらかじめ設定されたセットアップ通電時間２の期間で前回と異なる通電パターンで２度目のセットアップ通電を行う。その後、図７のタイミングチャートに示すように理論停止位置からはじまる１相１８０°バイポーラ矩形波通電により始動通電を行う。そして、あらかじめ設定された限界時間を超えてもゼロクロス点が検出されなければ、再度セットアップ通電に戻り前回のセットアップ通電と異なる励磁パターンで通電し、始動するまで上記の２度にわたるセットアップ通電および始動通電からなる一連の始動動作を繰り返す。
このときモータや負荷条件に合わせてセットアップ通電時間１〜２及び始動通電の限界時間を最適に設定することで、繰り返し始動に失敗しても回転子２は振動しながら回転し、いずれ最適な位置にて始動通電が行われて確実に始動できる。

ここで、図９を参照して始動時の回転子の挙動の一例について説明する。２極モータの回転子２を軸方向から見たイメージで、セットアップ通電後に回転子が３０°近傍に静止していた場合を図示する。矢印は回転子２の回転を表し、ＺＸ０〜ＺＸ３００はゼロクロス点である。
始動前にセットアップ通電（１）及び（２）を行い、回転子２を３０°の位置に移動させる。２回目のセットアップ通電（２）により回転子２は必ず理論停止位置の３０°近傍に停止する。始動通電はＺＸ０〜ＺＸ６０の区間１から始まる１相１８０°バイポーラ矩形波通電である（図７参照）。始動通電開始時にはトルクアップのため一定時間の複数相通電を行ってもよい。
ゼロクロス点ＺＸ６０は検出しない。ゼロクロス点ＺＸ１２０を検出したら始動通電を打ち切り、１相６０°バイポーラ通電の通常通電（３）に移行する（図５参照）。以後この通電を繰り返し加速しながら連続回転する。

仮に始動に失敗した場合は、再度セットアップ通電に戻るが、その際は通電パターンを例えば６０°進め、セットアップ通電１を９０°に停止する通電パターン、セットアップ通電２を１５０°に停止する通電パターンとする。以後も同様に異なる通電パターンを選択してセットアップ通電全体を通じて６０°ステップ状の回転磁界を発生させる。これにより始動性を向上させる。なお通電パターンのステップ角度は任意に選択可能である。

（実施例）
ＭＰＵ（制御手段）の処理手順の一例について説明する。
本例では上位コントローラ６から回転指令が与えられると、２相セットアップ通電にて回転子２を位置決めし、１相バイポーラ矩形波通電にて始動・加速し、定速回転になると自動的にルックアップテーブル通電方式による正弦波駆動などが行われる。なおルックアップテーブルには１相６０°バイポーラ矩形波通電パターンや２相１２０°バイポーラ矩形波通電パターンあるいはその他の任意パターンを記憶できる。

以下、図１０のフローチャートを参照してステップごとに説明する。
回路電源投入直後あるいはモータ停止中などのスタンバイ時にはモータが静止しているか判定する。一定時間ゼロクロスコンパレータ出力を監視し変化があれば回転していると判定し回転フラグをセットし、一定時間内に変化がなければ停止と判定し回転フラグをリセットする（ＳＴＥＰ１）。

次に上位コントローラ６の回転／停止指令を読み込む。停止指令であればスタンバイ（ＳＴＥＰ１）に戻る。回転指令のときは始動ルーチンに進む（ＳＴＥＰ２）。

始動ルーチンでは、始動動作前にモータが回転しているか回転フラグにて判定する。回転中ならば始動動作を行わず通常通電ＳＴＥＰ６にジャンプし、停止中ならば次の始動動作に進む（ＳＴＥＰ３）。

始動前にまず２度にわたる２相セットアップ通電法により回転子２を位置決めする（ＳＴＥＰ４）。その後、始動時の最初の励磁は１相１８０°矩形波通電により概ね９０°の区間通電される（ＳＴＥＰ５）。このとき始動トルクアップのため一定時間の複数相通電も行われる（フローチャートには記載せず）。

以後、ゼロクロス点検出による確認制御にて１相６０°バイポーラ通電を行い、モータを加速する（ＳＴＥＰ６）。
通電中は、ＭＰＵ５は上位コントローラ６からの回転／停止指令を読み、停止指令であれば直ちに出力を停止してスタンバイに戻る（ＳＴＥＰ７）。
また、ＭＰＵ５は、ゼロクロス点検出時間があらかじめ設定した閾値を超えたかどうか判定し超えた場合は異常とし、本例ではエラーリカバリーとしてＳＴＥＰ３に戻り再始動を行う（ＳＴＥＰ８）。
ＭＰＵ５は、ゼロクロスコンパレータＣＯＭＰ１〜３の出力を読み、ゼロクロス点が発生したか否かを判定する。ゼロクロス点が発生しなければＳＴＥＰ７に戻り監視を続ける（ＳＴＥＰ９）。
ゼロクロス点を検出したら、前回の区間時間測定値を読み出す（ＳＴＥＰ１０）。なおバックグラウンド処理にて区間時間測定のためにゼロクロス点検出ごとにタイマーをリセットして区間時間測定を行っている。
区間時間読み出し後は前々回と前回の区間周期を比較し、偏差があらかじめ設定した閾値を超えていたら変速回転状態と判定しＳＴＥＰ６の確認制御運転に戻る（ＳＴＥＰ１１）。
所定期間連続して閾値以内であれば定速回転状態と判定してルックアップテーブルの今回のデータ当たりの通電周期を演算する（ＳＴＥＰ１２）。
そしてルックアップテーブルによる正弦波通電を行い、ＳＴＥＰ７へ戻る（ＳＴＥＰ１３）。ＭＰＵ５は、１データ出力ごとに回転指令チェック・通電周期異常チェック・ゼロクロス点チェックなどを行う。
以上は、モータの始動から停止までの基本的な一連の処理動作の一例である。

（実機波形図）
図１１に実機の駆動波形図を示す。上から回転指令波形、Ｕ相ゼロクロスコンパレータ出力波形、Ｕ相コイル電圧波形である。動作は、まずオープンループ制御の２相セットアップ通電にて回転子の位置決めをしている。その後クローズドループ制御の１相１８０°バイポーラ通電にて始動、引き続き１相６０°バイポーラ矩形波通電にて加速している。
波形からスムーズに短時間で始動していることが判る。コイル波形の上下にぼけている部分はＰＷＭ駆動波形である。

上述した実施例は２極３スロットの位置センサを設けない３相ＤＣブラシレスモータについて説明したが、これに限定されるものではなく、更に多極多スロット（４極以上、６スロット以上）の３相ＤＣブラシレスモータについて適用してもよい。

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 ＯＵＴ 出力端子 Ｂ ハーフブリッジ回路 ＣＯＭＰ ゼロクロスコンパレータ ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ 出力信号 ＬＰＦ ローパスフィルタ ＬＳ レベルシフト回路

Claims (6)

1. モータ駆動装置に直流電源電圧を高電位、中間電位、低電位で各々供給する電源供給部と、
   上位コントローラからの回転指令により前記モータ駆動装置の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、前記固定子巻線に対して相ごとに前記高電位または低電位となるように接続を切り替えて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、
   各相巻線両端に発生する誘起電圧を差動入力して誘起電圧のゼロクロス点を各々検出して生成した回転子位置信号を前記制御手段に送出するゼロクロス点検出手段と、
   回転子に永久磁石界磁を備え、固定子に巻き線を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中性点が中間電位となるように前記電源供給部に接続された４線式３相ブラシレスモータと、を具備し、
   前記制御手段は、ゼロクロス点により区切られる位相角６０°区間で一相のみを正方向通電あるいは逆方向通電する１相６０°バイポーラ矩形波通電パターンから、前記ゼロクロス点検出手段の出力に応じて一つの通電パターンを選択して前記モータ出力手段に送出し、１相６０°バイポーラ通電を繰り返すことを特徴とする３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
2. 前記電源供給部には、正側電源と等しい電圧の負側電源が設けられ、前記ハーフブリッジ回路の接続切替えにより相端が正側電源または負側電源に接続され、中性点が接地電位に接続されて、１相６０°バイポーラ通電が行われる請求項１記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
3. 前記制御手段は、ゼロクロス点検出ごとに区間時間を計測し、前々回時間もしくは複数区間の平均時間と前回時間との偏差があらかじめ設定した閾値より大きかったら１相６０°バイポーラ通電を選択し、偏差が閾値よりも小さかったら２相１２０°通電、３相正弦波通電、ルックアップテーブル通電、センサレスベクトル制御のうちいずれかの駆動方式を選択して駆動する請求項１又は請求項２記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
4. 前記制御手段は、始動時は、前記回転子の位置する区間より１区間先の１相６０°バイポーラ通電の通電パターンを選択し通電開始される１相１８０°バイポーラ通電による始動通電を行い、上記区間先頭から１２０°先のゼロクロス点を検出することで始動通電を完了し、その後は６０°ごとのゼロクロス点検出により１相６０°バイポーラ通電を行う請求項１又は請求項２記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
5. 始動通電開始時に、当該通電相以外の相も一定時間通電し２相通電あるいは３相通電する請求項４記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。
6. 前記制御手段は、あらかじめセットアップ時間１とセットアップ時間２及び始動時間 を設定しておき、始動前にセットアップ時間１の期間、２相１２０°バイポーラ矩形波通電パターンから任意のパターンを選択して２相通電し固定磁界を発生させるセットアップ通電１を行い、引き続きセットアップ時間２の期間、前記通電パターンより任意区間だけ進めた通電パターンにて２相を通電するセットアップ通電２を行って回転子を理論停止位置に移動させ、
   セットアップ通電２の理論停止区間からはじまる１相１８０°バイポーラ矩形波通電を行い、前記始動時間を超えてもゼロクロス点を検出できないときは、前記セットアップ通電１に戻り、前回のセットアップ通電２の通電パターンよりさらに任意区間進めた通電パターンにて通電し、始動するまで上述の始動動作を繰り返す請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の３相ブラシレスモータのセンサレス駆動方法。