JP2019050643A - 電動機の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の起動時に安定してロータを正位置に固定させることができる電動機の駆動装置を提供する。【解決手段】ステータ２１と、ロータ２２と、を備える３相のセンサレスブラシレスモータ１１と、センサレスブラシレスモータ１１の駆動を制御する制御部１２と、を有するセンサレスブラシレスモータの駆動装置１において、制御部１２は、センサレスブラシレスモータ１１の起動時に、３相励磁を２回実施して、ロータ２２の位置決めを行う。【選択図】図１

Description

本開示は、電動機の駆動装置に関するものであり、特に、センサレスブラシレスモータの駆動装置に関する。

従来技術として、特許文献１に開示されるような電動機の駆動装置が存在する。この装置においては、同期電動機の起動時に、２つのＩＧＢＴをＯＮして固定相に励磁を行ってロータを正位置（特定位置）に固定しようとしている。

特開２００８−６７６００号公報

特許文献１に開示される装置では、同期電動機の起動時に、選択された２相間に電流を流す２相励磁を実施してロータを正位置に固定しようとしている。しかしながら、このように２相励磁を実施する際には、ステータにおける３相のうち２相において磁界を発生させているに過ぎないので、ステータとロータとの間に生じる引力が不十分となり、ロータが正位置に固定されないおそれがある。

そこで、本開示は上記した問題点を解決するためになされたものであり、電動機の起動時に安定してロータを正位置に固定させることができる電動機の駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、ステータと、ロータと、を備える３相の電動機と、前記電動機の駆動を制御する制御部と、を有する電動機の駆動装置において、前記制御部は、前記電動機の起動時に、３相励磁を複数回実施して、前記ロータの位置決めを行うこと、を特徴とする。

この態様によれば、電動機の起動時に３相励磁を実施してロータの位置決めを行うので、従来のように２相励磁を実施する場合よりも、ステータとロータとの間に生じる引力を大きくすることができる。そのため、電動機の起動時に、安定してロータを正位置に固定させることができる。

そして、さらに、３相励磁を１回実施するだけではロータを正位置に固定させることができない可能性を完全に排除できないが、３相励磁を複数回実施するので、より安定してロータを正位置に固定させることができる。

上記の態様においては、前記制御部は、前記３相励磁を実施するときに前記電動機に印加される電圧のデューティ比を、励磁時間の経過に応じて変化させること、が好ましい。

この態様によれば、電動機の過回転を抑制でき、ロータの位置決めのロバスト性の向上を図ることができる。

上記の態様においては、前記制御部は、前記３相励磁を実施するときに前記電動機に印加される電圧のデューティ比を前記電圧の大きさに応じた値に換算すること、が好ましい。

この態様によれば、電動機を駆動させるための電源の出力電力の変動に対して、ロータの位置決めのロバスト性の向上を図ることができる。

上記の態様においては、前記制御部は、前記電動機の起動が成功するまで前記ロータの位置決めを繰り返し実施し、前記電動機の起動が失敗した回数である起動失敗回数をカウントしておき、前記起動失敗回数が所定回数を超えたときには、前記３相励磁を実施するときの設定条件を変更すること、が好ましい。

この態様によれば、電動機の起動が成功しないときであっても、３相励磁を実施するときの設定条件を変更することにより、電動機の起動時にロータを正位置に固定させて、電動機の起動を成功させることができる。

本開示の電動機の駆動装置によれば、電動機の起動時に安定してロータを正位置に固定させることができる。

本実施形態におけるセンサレスブラシレスモータの駆動装置の構成を示すブロック図である。 モータの起動時に行われる制御のフローチャート図である。 モータの起動時に行われる制御のタイミングチャートの一例を示す図である。 ３相励磁を２回実施することによりロータが正位置に固定されるまでの様子（通常時）を示す図である。 ３相励磁を２回実施することによりロータが正位置に固定されるまでの様子（逆相時）を示す図である。 電圧の大きさとデューティ比の値の関係を示す図である。

本開示の電動機の駆動装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。そこで、まず、駆動装置の構成について説明した後に、本実施形態における駆動装置の制御方法について説明する。

本実施形態では、電動機の駆動装置の一例として、例えば燃料ポンプに使用されるセンサレスブラシレスモータの駆動装置１（以下、適宜、単に「モータの駆動装置１」ともいう。）について説明する。モータの駆動装置１は、センサレスブラシレスモータ１１（以下、適宜、単に「モータ１１」ともいう。）の駆動を制御するための装置であり、図１に示すように、制御部１２と駆動回路１３とを有する。

モータ１１は３相のモータ（電動機）であり、駆動回路１３においては３相のインバータ回路が採用されている。モータ１１は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを備えるステータ２１と、ロータ２２（マグネットロータ）とを備える。モータ１１は、ステータ２１に対するロータ２２の磁極位置（ロータ位置）を検出するために、ホール素子を使わずに、各相のコイル２１Ａ〜２１Ｃで生じる誘起電圧を利用する。そして、モータ１１は、ロータ２２が回転するときに、各相のコイル２１Ａ〜２１Ｃで発生する誘起電圧に基づいてロータ位置を検出し、その検出されるロータ位置に基づいて通電対象となる各相のコイル２１Ａ〜２１Ｃ（通電相）を決定する「誘起電圧駆動」を行う。

駆動回路１３は、モータ１１に駆動電力を供給するものである。この駆動回路１３には、電源回路１４を介して直流電源ＢＡＴＴが接続され、６つのトランジスタが備わっている。そして、駆動回路１３において、制御部１２からの信号に基づき、各トランジスタが所定のタイミングでスイッチングされることにより、モータ１１の回転駆動が制御される。

制御部１２は、駆動回路１３を介してモータ１１の駆動の制御を行う。この制御部１２には、電源回路１４を介して直流電源ＢＡＴＴが接続されている。また、制御部１２には、Ｉ／Ｆ回路１５を介して、ＥＣＵ１６が接続されている。なお、制御部１２は、例えばカスタムＩＣにより構成されている。本実施形態では、ＥＣＵ１６は、モータ１１の回転数（目標回転数）を指示する。

次に、本実施形態においてモータ１１の起動時に行われる制御について説明する。本実施形態では、制御部１２は、モータ１１の起動時に、図２に示すフローチャートに基づく制御を行う。

図２に示すように、まず、３相のコイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの全てに電流を流して、１回目の３相励磁を、所定の励磁時間が経過するまで実施する（ステップＳ１，Ｓ２）。このとき、例えば、Ｕ相のコイル２１ＡとＶ相のコイル２１Ｂの間、および、Ｕ相のコイル２１ＡとＷ相のコイル２１Ｃの間に直流電流を流して、３相励磁を実施する。そして、図４（ａ）に示すように、Ｕ相の磁極（詳しくは、Ｕ相のコイル２１Ａにおけるロータ２２側の磁極）をＳ極にし、Ｖ相とＷ相の磁極（詳しくは、Ｖ相のコイル２１ＢとＷ相のコイル２１Ｃにおけるロータ２２側の磁極）をＮ極にする。また、図２に示すように、所定の励磁時間を励磁時間Ｔ１とし、モータ１１に印加される電圧のディーティ比をデューティ比Ｄ１とする。なお、このとき、図３に示すタイミングチャートにおいては、「位置決め（１回目）」の時間帯に相当する。

また、「モータ１１に印加される電圧のディーティ比」とは、駆動回路１３におけるトランジスタのスイッチングをオン／オフしてモータ１１に印加させる電圧をデューティ制御するに際して、（トランジスタのスイッチングをオンする時間）／｛（トランジスタのスイッチングをオンする時間）＋（トランジスタのスイッチングをオフする時間）｝の式で算出される値である。

ここで、デューティ比Ｄ１を、励磁時間Ｔ１が経過するまでの間、一定としてもよく、また、時間の経過に応じて変化させてもよい。また、デューティ比Ｄ１を、図６に示すように、モータ１１に印加させる電圧の大きさに応じて、変化させてもよい。図６に示す例では、電圧が大きいほど、デューティ比Ｄ１が小さくなるように変化させている。

なお、具体的な数値の一例として、ここでは、デューティ比Ｄ１を、励磁時間Ｔ１が経過するまでの間、一定として、例えば２７．５％とする。また、励磁時間Ｔ１を、例えば２０ｍｓとする。

次に、３相のコイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの全てに電流を流して、２回目の３相励磁を、所定の励磁時間が経過するまで実施する（ステップＳ３，Ｓ４）。このとき、例えば、Ｖ相のコイル２１ＢとＵ相のコイル２１Ａの間、および、Ｖ相のコイル２１ＢとＷ相のコイル２１Ｃの間に直流電流を流して、３相励磁を実施する。そして、図４（ｂ），（ｃ）に示すように、Ｖ相の磁極をＳ極にし、Ｕ相とＷ相の磁極をＮ極にする。また、図２に示すように、所定の励磁時間を励磁時間Ｔ２とし、モータ１１に印加させる電圧のディーティ比をデューティ比Ｄ２とする。なお、このとき、図３に示すタイミングチャートにおいては、「位置決め（２回目）」の時間帯に相当する。

ここで、デューティ比Ｄ２を、励磁時間Ｔ２が経過するまでの間、一定としてもよく、また、時間の経過に応じて変化させてもよい。また、デューティ比Ｄ２を、図６に示すように、モータ１１に印加させる電圧の大きさに応じて、変化させてもよい。図６に示す例では、電圧が大きいほど、デューティ比Ｄ２が小さくなるように変化させている。

なお、具体的な数値の一例として、励磁時間Ｔ２を、例えば８０ｍｓとする。そして、ここでは、デューティ比Ｄ２を、励磁時間Ｔ２が経過するまでの間、時間の経過に応じて減少させるようにして変化させる。そこで、デューティ比Ｄ２を、例えば、２０ｍｓの間について２０．０％とし、その後、６０ｍｓの間について１０．０％とする。

このようにして、本実施形態では、モータ１１の起動時に、３相励磁を２回実施して、ステータ２１に対するロータ２２の磁極位置を正位置に移動させて固定（停止）させるようにして、ロータ２２の位置決めを行う。なお、ロータ２２の位置決めの詳細については、後述する。

次に、ロータ２２をわずかに回転させる強制転流を行い（ステップＳ５）、この強制転流が成功すれば（ステップＳ６：ＹＥＳ）、モータ１１の起動が成功したとして、センサレス制御に移行する（ステップＳ７）。ここで、「強制転流」とは、ステータ２１の各相間の任意のもの（例えば、Ｕ相とＶ相の間）に通電して、ロータ２２をわずかに回転させることをいう。そして、このときの誘起電圧に基づいてロータ２２の位置を検出し、この検出位置を基準として通常の通電（センサレス制御を行うための通電）に移行できる場合には、「強制転流が成功した」といえる。また、「センサレス制御」とは、前記の「誘起電圧駆動」を行う制御である。

一方、ステップＳ６において、強制転流が成功しなかった場合（ステップＳ６：ＮＯ）には、起動失敗回数Ｘをカウントアップさせる（１回分増加させる）（ステップＳ８）。なお、強制転流が成功しなかった場合としては、例えば、ロータ２２に異物が噛み込まれてロータ２２が回転し難くなったため、ロータ２２を正位置に固定できず、強制転流が成功しなかった場合などが考えられる。

そして、起動失敗回数Ｘが所定回数Ｎ未満であれば（ステップＳ９：ＮＯ）、そのまま、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ９において、起動失敗回数Ｘが所定回数Ｎ以上であれば（ステップＳ９：ＹＥＳ）、ロータ２２が回転し難くなっておりモータ１１がロックしていると判定し、起動方法の変更を行った（ステップＳ１０）後に、ステップＳ１に戻る。

ここで、ステップＳ１０における「起動方法の変更」としては、例えば、ステップＳ１〜Ｓ４において３相励磁を行うときに設定する励磁時間と電圧のディーティ比を変更する。すなわち、励磁時間Ｔ１を励磁時間Ｔ１＿Ｌとし、デューティ比Ｄ１をデューティ比Ｄ１＿Ｌとする。また、励磁時間Ｔ２を励磁時間Ｔ２＿Ｌとし、デューティ比Ｄ２をデューティ比Ｄ２＿Ｌとする。

なお、具体的な数値の一例として、ここでは、励磁時間Ｔ１＿Ｌを例えば４０ｍｓ、デューティ比Ｄ１＿Ｌを例えば２７．５％とする。また、励磁時間Ｔ２＿Ｌを例えば１６０ｍｓとし、デューティ比Ｄ２＿Ｌを例えば４０ｍｓの間について２０．０％とし、その後、１２０ｍｓの間について１０．０％とする。

以上のように、本実施形態では、制御部１２は、モータ１１の起動時に、３相のコイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの全てに電流を流す３相励磁を２回実施して、ロータ２２の位置決めを行う。

具体的には、制御部１２は、１回目の３相励磁を実施するときには、ステータ２１において、例えば、Ｕ相の磁極をＳ極とし、Ｖ相とＷ相の磁極をＮ極とする。次に、２回目の３相励磁を実施するときには、ステータ２１において、例えば、Ｖ相の磁極をＳ極とし、Ｕ相とＷ相の磁極をＮ極とする。

このようにして、モータ１１において、３相励磁を実施して、Ｈ相とＬ相の電流バランスを意図的に崩すことで、ロータ２２の位置決めを行う。そして、これにより、ロータ２２の初期位置に依存することなく、安定してロータ２２を所定の回転を開始できる正位置に固定（停止）させることができる。

すなわち、通常時には、以下のようにして、モータ１１の起動時に、ロータ２２を正位置に固定させることができる。まず、図４（ａ）に示すように、１回目の３相励磁の実施後において、ロータ２２は、ステータ２１のＵ相（Ｓ極）が引力によりロータ２２のＮ極に対向する位置に移動して停止する。そして、２回目の３相励磁の実施（図４（ｂ））後において、図４（ｃ）に示すように、ロータ２２は、ステータ２１のＶ相（Ｓ極）が引力によりロータ２２のＮ極に対向する位置、すなわち正位置、に移動して停止する。なお、このとき、ステータ２１のＵ相とＷ相の位置は、ロータ２２のＳ極とＮ極の境界部に対向する位置となる。

また、万が一、上記の通常時とは異なる時（逆相時）となっても、以下のようにして、ロータ２２を正位置に固定させることができる。まず、図５（ａ）に示すように、１回目の３相励磁の実施後において、ロータ２２は、ステータ２１とロータ２２と間に生じる斥力の作用により、ステータ２１のＵ相（Ｓ極）がロータ２２のＳ極に対向するような不安定な位置に停止した状態（逆相ロック状態）になったとする。そして、このような逆相ロック状態になった場合であっても、本実施形態によれば、２回目の３相励磁の実施（図５（ｂ））後において、図５（ｃ）に示すように、ロータ２２は、ステータ２１のＶ相（Ｓ極）が引力によりロータ２２のＮ極に対向するような位置、すなわち正位置、に移動して停止する。

このように、本実施形態では、モータ１１の起動時に３相励磁を実施してロータ２２の位置決めを行う。そのため、ステータ２１における３相のうちの１相について他の２相よりも大きな引力を発生させることができるので、従来のように２相励磁を実施するときよりも、モータ１１の起動時に、安定してロータ２２を正位置に固定させることができる。

そして、さらに、３相励磁を１回実施するだけではロータ２２を正位置に固定させることができない逆相ロック状態となる可能性を完全に排除できないが、本実施形態では、３相励磁を２回実施するので、より安定してロータ２２を正位置に固定させることができる。そして、このようにロータ２２を正位置に固定させることができるので、その後、モータ１１を回転させようとする際に、どの相から通電することによりロータ２２の回転を開始すればよいかが明確になる。そのため、ロータ２２の磁極位置を推定しなくても、各コイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃへの通電位相を正確に設定できる。したがって、強制転流を行った後、モータ１１を安定してすぐに始動させて、センサレス制御を行うことができる。

なお、３相励磁を実施するときのステータ２１の３相の磁極は、１回目の３相励磁を実施するときと、２回目の３相励磁を実施するときで異なるようにすればよく、ステータ２１の３相の磁極の組み合わせは、適宜変更可能である。例えば、制御部１２は、１回目の３相励磁を実施するときには、ステータ２１の第１相の磁極をＳ極とＮ極のうちの一方の磁極とし、ステータ２１の第２相と第３相の磁極をＳ極とＮ極のうちの他方の磁極とする。そして、制御部１２は、２回目の３相励磁を実施するときには、ステータ２１の第２相の磁極を前記一方の磁極とし、第１相と第３相の磁極を前記他方の磁極とすればよい。なお、ここで、ステータ２１の第１，２，３相の磁極とは、詳しくは、ステータ２１の第１，２，３相のコイルにおけるロータ２２側の磁極である。

また、制御部１２は、３相励磁を実施するときにモータ１１に印加される電圧のデューティ比Ｄ１，Ｄ２を、励磁時間の経過に応じて変化させてもよい。これにより、モータ１１に印加される電圧が過大となるのを抑制して、ロータ２２の回転トルクが過大となるのを抑制できる。そのため、モータ１１の過回転を抑制でき、ロータ２２の位置決めのロバスト性の向上を図ることができる。

例えば、１回目の３相励磁の実施後にモータ１１が正位置に固定された場合であっても、２回目の３相励磁の実施時にデューティ比Ｄ２を大きな値（例えば１００％）で一定にしておくと、ロータ２２の回転トルクが過大になってモータ１１が過回転して、前記の逆相ロック状態になるおそれがある。しかしながら、２回目の３相励磁の実施時にデューティ比Ｄ２を励磁時間の経過に応じて低減させるように変化させることにより、ロータ２２の回転トルクが過大になるのを抑制してモータ１１の過回転を抑制でき、モータ１１が正位置に固定された状態を維持できる。

なお、デューティ比Ｄ１，Ｄ２の両方について励磁時間の経過に応じて変化させてもよく、デューティ比Ｄ１，Ｄ２の一方のみについて励磁時間の経過に応じて変化させてもよい。また、デューティ比Ｄ１，Ｄ２を、励磁時間の経過に応じて徐々に低減させるように変化させてもよく、あるいは、励磁時間の経過に応じて徐々に増加させるように変化させてもよい。

なお、制御部１２は、強制転流を行うときに、モータ１１の過回転抑制を目的に、モータ１１に印加される電圧のデューティ比を、励磁時間の経過に応じて変化させてもよく、また、モータ１１に印加される電圧の大きさに応じた値に換算してもよい。

また、制御部１２は、モータ１１に印加される電圧をモニタ（監視）しておき、３相励磁を実施するときにモータ１１に印加させる電圧のデューティ比Ｄ１，Ｄ２を、電圧の大きさに応じた値に換算してもよい。これにより、直流電源ＢＡＴＴの出力電力が変動しても、モータ１１の起動時に、モータ１１を正位置に固定させることができる。そのため、直流電源ＢＡＴＴの出力電力の変動に対して、ロータ２２の位置決めのロバスト性の向上を図ることができる。

また、制御部１２は、モータ１１の起動が成功するまでロータ２２の位置決めを繰り返し実施する。そして、制御部１２は、モータ１１の起動が失敗した回数である起動失敗回数Ｘをカウントしておき、起動失敗回数Ｘが所定回数Ｎを超えたときには、３相励磁を行うときの励磁時間やデューティ比などの設定条件を変更する。

これにより、モータ１１の起動が成功しないときであっても、３相励磁を実施するときの励磁時間やデューティ比などの設定条件を変更することにより、モータ１１の起動時にロータ２２を正位置に固定させて、モータ１１の起動を成功させることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、制御部１２は、モータ１１の起動時に、３相励磁を３回以上実施して、ロータ２２の位置決めを行ってもよい。

１ センサレスブラシレスモータの駆動装置
１１ センサレスブラシレスモータ
１２ 制御部
１３ 駆動回路
１４ 電源回路
１５ Ｉ／Ｆ回路
１６ ＥＣＵ
２１ ステータ
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ コイル
２２ ロータ
ＢＡＴＴ 直流電源
Ｔ１ 励磁時間
Ｄ１ デューティ比
Ｔ２ 励磁時間
Ｄ２ デューティ比
Ｘ 起動失敗回数
Ｎ 所定回数
Ｔ１＿Ｌ 励磁時間
Ｄ１＿Ｌ デューティ比
Ｔ２＿Ｌ 励磁時間
Ｄ２＿Ｌ デューティ比

Claims (4)

1. ステータと、ロータと、を備える３相の電動機と、
   前記電動機の駆動を制御する制御部と、
   を有する電動機の駆動装置において、
   前記制御部は、前記電動機の起動時に、３相励磁を複数回実施して、前記ロータの位置決めを行うこと、
   を特徴とする電動機の駆動装置。
2. 請求項１の電動機の駆動装置において、
   前記制御部は、前記３相励磁を実施するときに前記電動機に印加される電圧のデューティ比を、励磁時間の経過に応じて変化させること、
   を特徴とする電動機の駆動装置。
3. 請求項１または２の電動機の駆動装置において、
   前記制御部は、前記３相励磁を実施するときに前記電動機に印加される電圧のデューティ比を前記電圧の大きさに応じた値に換算すること、
   を特徴とする電動機の駆動装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つの電動機の駆動装置において、
   前記制御部は、
   前記電動機の起動が成功するまで前記ロータの位置決めを繰り返し実施し、
   前記電動機の起動が失敗した回数である起動失敗回数をカウントしておき、前記起動失敗回数が所定回数を超えたときには、前記３相励磁を実施するときの設定条件を変更すること、
   を特徴とする電動機の駆動装置。

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