JP2019187154A - 半導体装置、モータ駆動システム、およびモータ制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷トルクが一定でない場合でも、安定的に三相モータを起動可能な半導体装置、モータ駆動システム、およびモータ制御プログラムを提供する。【解決手段】モータ駆動システム９０において、半導体装置１００は、スイッチ回路１５０と、仮想中点生成回路１６０と、差動増幅器１４０と、増幅器１７０と、マイクロコントローラユニット１１０と、を備える。モータ駆動システム９０は、ブラシレスＤＣモータ１３０の起動動作時に、ロータ静止時に特に適した回転子の位置検出と、検出された回転子位置に基づいていずれか二相への駆動電流の印加とを行うように構成される。マイクロコントローラユニット１１０は、駆動電流の印加時に検出器１１５によって検出された無通電相の逆起電圧の大きさに基づいて、駆動電流の印加時間を変更する。【選択図】図１

Description

この開示は、半導体装置、モータ駆動システム、およびモータ制御プログラムに関し、たとえば、センサレス方式のブラシレスＤＣモータ（永久磁石同期モータとも称する）の制御において好適に用いられるものである。

ブラシレスＤＣモータのセンサレス制御では、モータの回転子（ロータとも称する）の回転により非通電相の固定子巻線（固定子をステータとも称する）に発生する逆起電圧（ＢＥＭＦ：Back Electromotive Force）と中点（仮想中点）とが交差するゼロクロス点を検出することによって、固定子巻線に対する回転子の磁極対の相対的位置が推定される。

モータの停止状態においては逆起電圧が発生しないため、上記の逆起電圧のゼロクロス点に基づくセンサレス制御によってモータを起動することはできない。そこで、停止した回転子の位置を検出する手法として、インダクティブセンスまたは自己誘起電圧の検出などがしばしば用いられる（たとえば、（特許文献１）を参照）。

インダクティブセンスによって検出された回転子の初期位置に基づいて、適切な相の固定子巻線に一定時間、駆動電圧を印加することによって初期トルクがモータに与えられる。通常、回転子の初期位置の検出と初期トルクの印加とは複数セット繰り返して実行される。その後、モータ制御は、逆起電圧のゼロクロス点に基づくセンサレス制御に移行する。

特開２０１５−２２６４５０号公報

一般的なモータ制御では、モータの負荷トルクは一定であるため、停止したモータに初期トルクを印加する場合の駆動電流（または駆動電圧）の大きさ及びその印加時間は固定値でよい。ところが、電動工具（パワーツールとも称する）で用いられるモータのように負荷トルクが一定でない場合には、駆動電流の印加時間を固定値にすると、モータを安定的に起動できない場合が生じる。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施形態によるモータ駆動システムは、三相モータの起動動作時に、回転子の位置検出と、検出された回転子位置に基づいていずれか二相への駆動電流の印加とを行うように構成される。コントローラは、駆動電流の印加時に無通電相で検出された逆起電圧の大きさに基づいて駆動電流の印加時間を変更する。

上記の実施形態によれば、負荷トルクが一定でない場合でも、安定的に三相モータを起動することができる。

モータ駆動システムの構成の一例を示すブロック図である。 １２０°通電方式の場合の６つの電流パターンについて説明するための図である。 停止状態のモータを起動させる際のモータ電流波形を示す図である。 モータの起動動作から定常動作に移行する際のモータ電流波形を示す図である。 モータ起動動作時の回転子の位置検出と電流駆動相との関係について説明するための図である。 固定子巻線の磁極と回転子の磁極との位置関係を示す模式図である（電気角で１２０°先と９０°先の場合）。 固定子巻線の磁極と回転子の磁極との位置関係を示す模式図である（電気角で０°と−３０°の場合）。 回転子に与えられるトルクと無通電相に生じる逆起電圧との関係を示す図である。 第１の実施形態においてブラシレスＤＣモータの運転制御手順の一例を示すフローチャートである。 第１の実施形態のモータ駆動システムにおいて、ブラシレスＤＣモータの起動動作におけるモータトルクの時間変化を示す図である。 比較例のモータ駆動システムにおいて、ブラシレスＤＣモータの起動動作におけるモータトルクの時間変化を示す図である。 図１０および図１１の場合において、起動動作時の負荷トルクと電気角との関係を示す図である。 第２の実施形態においてブラシレスＤＣモータの運転制御手順の一例を示すフローチャートである。 無通電相に生成される逆起電圧の時間変化を示す図である。 電流パターンごとに無通電相に生じる電圧の変化を表形式で示した図である。 図１３のステップＳ１４０Ａをさらに詳しく示すフローチャートである。

以下、各実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

＜第１の実施形態＞
［モータ駆動システムの全体構成］
図１は、モータ駆動システムの構成の一例を示すブロック図である。図１を参照して、モータ駆動システム９０は、三相のブラシレスＤＣモータ１３０と、インバータ回路１２０と、インバータ回路１２０を制御する半導体装置１００とを備える。

（１．ブラシレスＤＣモータ）
ブラシレスＤＣモータ１３０は、Ｙ結線された固定子巻線１３１Ｕ，１３１Ｖ，１３１Ｗと、１つ以上の磁極対を有する回転子（不図示）とを含む。インバータ回路１２０から固定子巻線１３１Ｕ，１３１Ｖ，１３１Ｗに与えられる三相交流に同期して回転子が回転駆動される。固定子巻線１３１Ｕ，１３１Ｖ，１３１Ｗの結節点を中点１３２と称する。

（２．インバータ回路）
インバータ回路１２０は、Ｕ相上アーム用のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタＵＨと、Ｕ相下アーム用のＭＯＳトランジスタＵＬと、Ｖ相上アーム用のＭＯＳトランジスタＶＨと、Ｖ相下アーム用のＭＯＳトランジスタＶＬと、Ｗ相上アーム用のＭＯＳトランジスタＷＨと、Ｗ相下アーム用のＭＯＳトランジスタＷＬとを含む。上アームをハイサイド（High Side）とも称し、下アームをローサイド（Low Side）とも称する。

さらに、インバータ回路１２０は、２相間の電流を検出するシャント抵抗１２３を備える。

以下、これらの接続に関して簡単に説明する。ＭＯＳトランジスタＵＨとＭＯＳトランジスタＵＬとは、この並び順で電源電圧ＶＭを与える第１の電源ノード１２１と低電位側の接続ノード１２４との間に直列に接続される。シャント抵抗１２３は、接続ノード１２４と第２の電源ノード１２２との間に接続される。ＭＯＳトランジスタＵＨとＭＯＳトランジスタＵＬとの接続点である出力ノードＮＵは、Ｕ相固定子巻線１３１Ｕの一端と接続される。

同様に、ＭＯＳトランジスタＶＨとＭＯＳトランジスタＶＬとは、第１の電源ノード１２１と接続ノード１２４との間にこの並び順で直列に接続される。ＭＯＳトランジスタＶＨとＭＯＳトランジスタＶＬとの接続点である出力ノードＮＶは、Ｖ相固定子巻線１３１Ｖの一端と接続される。

同様に、ＭＯＳトランジスタＷＨとＭＯＳトランジスタＷＬとは、第１の電源ノード１２１と接続ノード１２４との間にこの並び順で直列に接続される。ＭＯＳトランジスタＷＨとＭＯＳトランジスタＷＬとの接続点である出力ノードＮＷは、Ｗ相固定子巻線１３１Ｗの一端と接続される。

ＭＯＳトランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬの各々は、逆バイアス方向に並列接続されたボディダイオード（不図示）を有している。したがって、同一相の上アームのトランジスタと下アームのトランジスタとが両方ともオフ状態の場合は、このボディダイオードを介したパスで電流が回生できる。

図１では、全てのＭＯＳトランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬはＮチャネルＭＯＳトランジスタによって構成されている。これに代えて、上アームのＭＯＳトランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨと下アームのＭＯＳトランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬとの一方をＮＭＯＳにし、他方をＰＭＯＳにしてもよいし、全てのＭＯＳトランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬをＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成してもよい。

また、インバータ回路１２０を構成する半導体スイッチング素子として、ＭＯＳトランジスタに代えて、たとえば、他の種類の電界効果トランジスタを用いてもよいし、バイポーラトランジスタを用いてもよいし、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いてもよい。ただし、他の種類のトランジスタを用いる場合には、同一相の上アームのトランジスタと下アームのトランジスタとが両方ともオフ状態の場合に回生パスで電流を流すために、各トランジスタと逆並列にフライホイールダイオードを接続する必要がある。

（３．半導体装置）
半導体装置１００は、スイッチ回路１５０と、仮想中点生成回路１６０と、差動増幅器１４０と、増幅器１７０と、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ：Micro Controller Unit）１１０とを含む。スイッチ回路１５０と差動増幅器１４０とによって、インバータ回路１２０の無通電相の出力ノードの電圧を検出するための検出器１１５が構成される。

スイッチ回路１５０は、出力ノードＮＵ，ＮＶ，ＮＷと接続される。スイッチ回路１５０は、ＭＣＵ１１０から出力された相セレクト信号ＳＬＵ，ＳＬＶ，ＳＬＷに応じて、出力ノードＮＵ，ＮＶ，ＮＷのうちの選択相の出力ノードと検出ノード１５１とを接続する。

仮想中点生成回路１６０は、ブラシレスＤＣモータ１３０の中点１３２と同じ役割をする電圧を有する仮想中点１６２を与える。具体的に、仮想中点生成回路１６０は、仮想中点１６２と出力ノードＮＵとの間に接続された抵抗素子１６１Ｕと、仮想中点１６２と出力ノードＮＶとの間に接続された抵抗素子１６１Ｖと、仮想中点１６２と出力ノードＮＷとの間に接続された抵抗素子１６１Ｗとを含む。抵抗素子１６１Ｕ，１６１Ｖ，１６１Ｗは、互いに等しい抵抗値を有している。

差動増幅器１４０は、検出ノード１５１の電圧Ｖｄと参照電圧Ｖｒｅｆとの差分を増幅する。参照電圧Ｖｒｅｆとして中点１３２または仮想中点１６２の電圧が用いられる。

増幅器１７０は、シャント抵抗１２３に生じる電圧を増幅する。これによって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間のモータ電流を検出することができる。

ＭＣＵ１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリ等を含むコンピュータを１つの集積回路に組み込んだものである。ＭＣＵ１１０は、メモリに格納されたプログラムを実行することによってこの明細書に記載した種々の機能を実現する。

ＭＣＵ１１０は、さらにＡＤ（Analog to Digital）変換器１１１，１１２を含む。ＡＤ変換器１１１は、差動増幅器１４０の出力をデジタル値に変換する。ＡＤ変換器１１２は、増幅器１７０の出力をデジタル値に変換する。

ＭＣＵ１１０は、ブラシレスＤＣモータ１３０の定常動作時には、シャント抵抗１２３によるモータ電流の検出値と、差動増幅器１４０の出力に基づく回転子の推定位置と、運転指令値１１３などとに基づいて、ＰＷＭ信号ＧＵＨ，ＧＵＬ，ＧＶＨ，ＧＶＬ，ＧＷＨ，ＧＷＬを生成する。ＭＣＵ１１０は、生成したＰＷＭ信号ＧＵＨ，ＧＵＬ，ＧＶＨ，ＧＶＬ，ＧＷＨ，ＧＷＬを、インバータ回路１２０を構成するＭＯＳトランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのゲートにそれぞれ出力する。さらに、ＭＣＵ１１０は、生成したＰＷＭ信号ＧＵＨ，ＧＵＬ，ＧＶＨ，ＧＶＬ，ＧＷＨ，ＧＷＬに基づいて、スイッチ回路１５０を切り替えるための相セレクト信号ＳＬＵ，ＳＬＶ，ＳＬＷを生成する。

さらに、ＭＣＵ１１０は、停止したブラシレスＤＣモータ１３０の起動動作を行う。具体的な起動動作については、図３〜図１２を参照して詳述する。

［１２０°通電方式の電流パターン］
本実施形態では、ＭＣＵ１１０は、１２０°通電方式によってブラシレスＤＣモータ１３０を制御する。１２０°通電方式とは、電気角半周期のうち１２０°を通電期間とし、残りの６０°を無通電期間とする方式であり、無通電期間において逆起電圧が現れる。三相のブラシレスＤＣモータでは、通電相が電気角６０°ごとに切り替わるので、６つの電流パターンが生じる。

なお、電気角半周期のうち１２０°以上１８０°未満を通電期間とした場合にも、無通電期間に生じる逆起電圧を測定可能であれば、本開示の技術を適用することができる。

上記の１２０°通電方式の通電期間および無通電期間は、ＰＷＭ制御の通電期間および回生期間とは異なる期間を指している点に注意されたい。本明細書において、１２０°通電方式の通電期間および無通電期間とＰＷＭ制御の通電期間および回生期間とを明示的に区別する必要がある場合には、１２０°通電方式の通電期間をオン期間と称し、１２０°通電方式の無通電期間をオフ期間と称する。

図２は、１２０°通電方式の場合の６つの電流パターンについて説明するための図である。図２では、電流ａ〜ｆの６の電流パターンが示されている。

（ａ） 図２を参照して、Ｗ相上アームのＭＯＳトランジスタＷＨとＶ相下アームのＭＯＳトランジスタＶＬとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｗ相固定子巻線１３１ＷからＶ相固定子巻線１３１Ｖにモータ電流ａが流れる。Ｕ相固定子巻線１３１Ｕは無通電状態であり、逆起電圧が現れる。以下の説明では、この電流パターンを電流パターンａと称する。

また、電流パターンａにおいて、Ｕ相を「無通電相」と称し、Ｗ相を「上流側通電相」と称し、Ｖ相を「下流側通電相」と称する。モータ電流は、上流側通電相の固定子巻線から下流側通電相の固定子巻線の方向に流れる。他の電流パターンの場合にも同様に定義する。

（ｂ） インバータ回路１２０のＷ相上アームのＭＯＳトランジスタＷＨとＵ相下アームのＭＯＳトランジスタＵＬとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｗ相固定子巻線１３１ＷからＵ相固定子巻線１３１Ｕにモータ電流ｂが流れる。Ｖ相固定子巻線１３１Ｖは無通電状態であり、逆起電圧が現れる。以下の説明では、この電流パターンを電流パターンｂと称する。

（ｃ） Ｖ相上アームのＭＯＳトランジスタＶＨとＵ相下アームのＭＯＳトランジスタＵＬとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｖ相固定子巻線１３１ＶからＵ相固定子巻線１３１Ｕにモータ電流ｃが流れる。Ｗ相固定子巻線１３１Ｗは無通電状態であり、逆起電圧が現れる。以下の説明では、この電流パターンを電流パターンｃと称する。

（ｄ） Ｖ相上アームのＭＯＳトランジスタＶＨとＷ相下アームのＭＯＳトランジスタＷＬとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｖ相固定子巻線１３１ＶからＷ相固定子巻線１３１Ｗにモータ電流ｄが流れる。Ｕ相固定子巻線１３１Ｕは無通電状態であり、逆起電圧が現れる。以下の説明では、この電流パターンを電流パターンｄと称する。

（ｅ） Ｕ相上アームのＭＯＳトランジスタＵＨとＷ相下アームのＭＯＳトランジスタＷＬとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｕ相固定子巻線１３１ＵからＷ相固定子巻線１３１Ｗにモータ電流ｅが流れる。Ｖ相固定子巻線１３１Ｖは無通電状態であり、逆起電圧が現れる。以下の説明では、この電流パターンを電流パターンｅと称する。

（ｆ） Ｕ相上アームのＭＯＳトランジスタＵＨとＶ相下アームのＭＯＳトランジスタＶＬとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｕ相固定子巻線１３１ＵからＶ相固定子巻線１３１Ｖにモータ電流ｆが流れる。Ｗ相固定子巻線１３１Ｗは無通電状態であり、逆起電圧が現れる。以下の説明では、この電流パターンを電流パターンｆと称する。

上記の電流パターンａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆの順番でブラシレスＤＣモータ１３０に電流を流すようにインバータ回路１２０を制御すれば、通電相が順次切り替わり、ブラシレスＤＣモータ１３０の回転子もこの回転電磁界に同期して回転する。この明細書では、便宜上この回転方向を順方向と称する。

一方、上記の逆順で、すなわち、電流パターンｆ，ｅ，ｄ，ｃ，ｂ，ａの順番でブラシレスＤＣモータ１３０に電流を流すようにインバータ回路１２０を制御すれば、上記の通電相の切り替わり順序とは逆順で通電相が順次切り替わる。したがって、ブラシレスＤＣモータ１３０の回転子もこの回転電磁界に同期して回転する。この明細書では、便宜上この回転方向を逆方向と称する。

［モータ起動時の制御の概要］
図３は、停止状態のモータを起動させる際のモータ電流波形を示す図である。図４は、モータの起動動作から定常動作に移行する際のモータ電流波形を示す図である。

図３および図４では、図２で説明した電流パターンａ〜ｆがモータ電流波形に対応付けて示されている。さらに、図３および図４では、ＦＧ（Frequency Generator）信号の波形も示されている。ＦＧ信号は、電流パターンの切替えのタイミングで論理レベル（ハイレベルおよびローレベル）が切り替わる信号である。

なお、図３および図４では、横軸の長さは実際の時間に比例したものではない。また、時間間隔の数値例が示されているが、この数値例は理解を容易にするための一例であって、この数値のみに限定されるものではない。以下、図１、図３および図４を参照して、ブラシレスＤＣモータ１３０の起動動作時の制御の概要について説明する。

図３の時刻ｔ２０以前においてモータは停止状態である。時刻ｔ２０から時刻ｔ３０までの間で、ＭＣＵ１１０は、回転子の位置検出［たとえば、インダクティブセンス（Ｉ．Ｓ．：Inductive Sense）］を実行する。

具体的に、ＭＣＵ１１０は、インバータ回路１２０を制御することによって、図２で説明した６個の電流パターンａ〜ｆの順に駆動電圧を固定子巻線１３１に印加する。この場合、モータに印加される電圧およびその印加時間は、回転子が回転しない程度に制限される。

ＭＣＵ１１０は、回転子の位置検出（インダクティブセンス）の期間中に、対応する固定子巻線に生じるモータ電流の大きさをシャント抵抗１２３によって検出する。半導体装置１００は、モータ電流の検出結果に基づいて回転子の位置を検出することができる。具体的には図５（Ａ）で後述するように、通電相の固定子巻線１３１の回転子側の磁極と、当該固定子巻線１３１と対向する位置にある回転子の磁極とが引き合う場合に、検出されるモータ電流値が最も大きくなる。図３の場合には、電流パターンｅのときに、Ｕ相電流およびＷ相電流の大きさ（絶対値）が最大となっている。

回転子の位置検出（インダクティブセンス）に要する時間は、図３に記載した例では７２０μｓ程度であり、かなり短時間である。したがって、モータが低速回転中であってもこの方法で回転子の位置を検出することができる。

なお、他の方法によって回転子の位置検出を行ってもよい。たとえば、駆動電圧を印加後、自己誘起電圧の測定を行うことにより、停止状態にある回転子の位置を検出してもよい。

次の時刻ｔ３０から時刻ｔ４０までの間で、ＭＣＵ１１０は、インバータ回路１２０を制御することによって、ブラシレスＤＣモータ１３０に起動トルクを印加する（起動トルクの印加を「キック」と称する）。この場合、ＭＣＵ１１０は、インダクティブセンスによって検出された回転子の位置に基づいて、できるだけ大きな印加トルクとなるように通電相（すなわち、電流パターン）を決定する。図３および図４の例では、回転子位置を示す電流パターンｅ（このとき、印加トルクはほぼ０である）の場合よりも、電気角で１２０°先の電流パターンａの場合の通電相の固定子巻線１３１に駆動電流が供給される。

ここで、モータ駆動システム９０では、ＭＣＵ１１０は、この起動トルクの印加中に、検出器１１５を用いて無通電相に生じる逆起電圧の大きさを検出する。より詳細には、ＭＣＵ１１０は、初期印加時間Ｔ０（たとえば、無負荷で回転子が１２０°回転しない時間）だけ駆動トルクを印加した後に、逆起電圧の大きさと閾値との比較を開始し、閾値を超えたときに駆動トルクの印加を停止する。初期印加時間Ｔ０を設けている理由は、回転子が停止している状態では逆起電圧は０であるからである。

図３および図４の例では、無通電相はＵ相である。しかしながら、ＭＣＵ１１０は、閾値を超える大きさのＵ相逆起電圧を検出できていない。すなわち、ブラシレスＤＣモータ１３０は停止しているかほとんど回転していない。このため、駆動電流の印加を開始した時刻ｔ３０から予め定める最大印加時間Ｔｍａｘが経過した時刻ｔ４０において、ＭＣＵ１１０は、固定子巻線１３１への駆動電流の供給を停止する。一例として、最大印加時間Ｔｍａｘは３０ｍｓに設定されている。この最大印加時間Ｔｍａｘの値はインダクティブセンスの実行時間より十分に長い時間とし、インダクティブセンスを含めた全体区間の９７．７％に相当する。

その次の時刻ｔ４０から時刻ｔ５０までの間で、ＭＣＵ１１０は、再び、回転子の位置検出、すなわち、インダクティブセンスを実行する。その次の時刻ｔ５０から時刻ｔ５２の間で、ＭＣＵ１１０は、インダクティブセンスの結果に基づいて起動トルクをブラシレスＤＣモータ１３０に印加する。

第１回目のキックでは回転子はほとんど回転しなかったので、前回の起動トルクの印加と同じ電流パターンａを用いて固定子巻線１３１に駆動電流が印加される。ＭＣＵ１１０は、この起動トルクの印加中に無通電相であるＵ相に生成された逆起電圧を、検出器１１５を用いて検出する。この結果、時刻ｔ５１において、閾値を超える大きさの逆起電圧が無通電相であるＵ相で検出されたので、ＭＣＵ１１０は、駆動電流の供給を停止する。一例として、駆動電流の印加を開始した時刻ｔ５０から駆動電流の印加を停止するまでの時間は２ｍｓである。この時間は、インダクティブセンスを含めた全体区間の７３．５％に相当する。

本実施形態のモータ駆動システム９０では、駆動電流の印加を開始してから逆起電圧が閾値を超えるまで（すなわち、駆動電流の印加を停止するまで）の時間が、最小印加時間Ｔｍｉｎ以下になるまで、上記のインダクティブセンスとキックとが繰り返される。その後、ＭＣＵ１１０は、逆起電圧のゼロクロス検出に基づいて、ブラシレスＤＣモータ１３０のセンサレス駆動（この明細書では、通常動作または定常動作とも称する）を実行する。

図３および図４の例では、時刻ｔ６０から時刻ｔ６１までの駆動電流の印加時間が、最小印加時間Ｔｍｉｎ以下になったので、ＭＣＵ１１０は次の時刻ｔ７０以降で通常運転を行う。具体的に、最後のキックにおける電流パターンがパターンｃであったので、ＭＣＵ１１０は、次の時刻ｔ７０から時刻ｔ７１までの間、電流パターンｄでブラシレスＤＣモータ１３０の固定子巻線１３１に駆動電流が流れるようにインバータ回路１２０をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する。このとき、ＭＣＵ１１０は、検出器１１５を用いて、無通電相であるＵ相に生じる逆起電圧のゼロクロス点を検出する。以下、電流パターンｅ，ｆ，ｇ，ａ，ｂ，ｃ…の順番で駆動電流が印加される。

［回転子の位置検出と電流駆動相との関係］
上記したブラシレスＤＣモータ１３０の起動時のセンサレス制御について、さらに詳しく説明する。まず、モータ起動時の回転子の位置検出と電流駆動相との関係について説明する。

図５は、モータ起動動作時の回転子の位置検出と電流駆動相との関係について説明するための図である。図５を参照して、回転子１３５の磁極Ｎは斜線のハッチングで示し、磁極Ｓはドットのハッチングで示している。固定子１３６の巻線の鉄心に生じるＮ極を斜線のハッチングで示し、Ｓ極をドットのハッチングで示している。ハッチングされていない固定子巻線の鉄心は、無通電相であることを示している。

図５（Ａ）は、インダクティブセンスにおいて最大のモータ電流が得られる場合の回転子１３５の配置を示している。具体的に、電流パターンｅ、すなわち、Ｕ相固定子巻線１３１ＵからＷ相固定子巻線１３１Ｗの方向に電流を流した場合に、最大の大きさのモータ電流が検出される。この場合、Ｕ相固定子巻線の回転子側の磁極はＮ極であり、対向する位置にある回転子１３５の磁極Ｓと引き合う。Ｗ相固定子巻線の回転子側の磁極はＳ極であり、対向する位置にある回転子１３５の磁極Ｎと引き合う。この場合、回転子１３５に及ぼすトルクは０である。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すインダクティブセンスの結果に基づいて駆動電流を印加した場合に固定子巻線１３１に生じる磁極を示している。図５（Ａ）の電流パターンｅに対して電気角で１２０°先の電流パターンａで駆動電流が印加される。すなわち、Ｗ相固定子巻線からＶ相固定子巻線の方向に駆動電流が流れる。これにより、図５（Ｂ）の回転方向のトルクが回転子１３５に加えられる。なお、１２０°通電方式の場合、電気角６０°が最小単位であり、その整数倍でしか電気角を設定できない。

［固定子巻線の磁極と回転子の磁極との位置関係］
図６および図７は、固定子巻線の磁極と回転子の磁極との位置関係を示す模式図である。図６および図７では簡単のために、回転子１３５の極数を２としている。したがって、電気角は機械角に等しい。インダクティブセンスで最大のモータ電流が得られたときの電流パターンを電気角の基準（０°）としている。

具体的に図６では、（Ａ）電気角で１２０°先と（Ｂ）電気角で９０°先の場合において、固定子巻線の磁極と回転子の磁極との位置関係が示される。図６（Ａ）はキックの開始時点の状態を示し、図７（Ｂ）はキックの開始から電気角で３０°経過した時点の状態を示す。図７では、（Ａ）電気角で０°と（Ｂ）電気角で−３０°の場合において、固定子巻線の磁極と回転子の磁極との位置関係が示される。図７（Ａ）はキックの開始から電気角で１２０°経過した時点の状態を示し、図７（Ｂ）はキックの開始から電気角で１５０°経過した時点の状態を示す。

なお、図６および図７と前述の図５とでは、回転子１３５に対する固定子巻線１３１の中点１３２の位置が逆になっており、固定子巻線１３１の巻回方向も逆になっている。しかしながら、モータ電流によって生じる回転子側の磁極がＮ極かＳ極かは同じである。たとえば、Ｗ相固定子巻線１３１ＷからＶ相固定子巻線１３１Ｖにモータ電流が流れる場合、固定子巻線１３１Ｗの回転子側の磁極はＮ極であり、Ｕ相固定子巻線１３１Ｕの回転子側の磁極はＳ極である。

図６（Ａ）を参照して、インダクティブセンスでは、電流パターンｅのとき（すなわち、Ｕ相固定子巻線１３１ＵからＷ相固定子巻線１３１Ｗにモータ電流が流れるとき）、モータ電流の大きさが最大になったとする。なお、この状態では、回転子１３５に与えられるトルクは０である。

インダクティブセンスの終了後に回転子１３５に起動トルクを与えるために、電流パターンｅを基準にして電気角で１２０°先の通電状態となるように電流パターンａの駆動電流が固定子巻線１３１に与えられる。すなわち、Ｗ相固定子巻線１３１ＷからＶ相固定子巻線１３１Ｖの方向にモータ電流が流れる。これにより、図６（Ａ）に示す回転方向のトルクが回転子１３５に与えられる。また、無通電相であるＵ相に生じる逆起電圧の符号は正である。

図６（Ｂ）を参照して、図６（Ａ）の状態から電気角で３０°に相当する時間が経過したとする（すなわち、電気角で９０°先の状態である）。図６および図７の例では、電気角＝機械角であるので、回転子１３５も図６（Ａ）の状態から機械角で３０°回転する。このとき、回転子１３５に与えられるトルクは最大になる。一方、無通電相であるＵ相に生じる逆起電圧はほぼ０になる。

図７（Ａ）を参照して、図６（Ｂ）の状態からさらに電気角で９０°に相当する時間が経過したとする（すなわち、電気角０°の状態である）。回転子１３５も図６（Ｂ）の状態から機械角でさらに９０°回転する。このとき、回転子１３５に与えられるトルクは０になり、無通電相であるＵ相の逆起電圧は負のピーク値を有する。

図７（Ｂ）を参照して、図７（Ａ）の状態からさらに電気角で３０°に相当する時間が経過したとする（すなわち、電気角で−３０°の状態である）。回転子１３５も図７（Ａ）の状態から機械角でさらに３０°回転する。

［回転子に与えられるトルクと逆起電圧との関係］
図８は、回転子に与えられるトルクと無通電相に生じる逆起電圧との関係を示す図である。図８では、インダクティブセンスにおいて最大のモータ電流が得られたときの電流パターンを電気角の基準（０°）としている。回転子の磁極数を２×ｐとすれば、電気角θは機械角θ／ｐに対応する。したがって、電気角でθ変化したとき、回転子はθ／ｐだけ回転する。

また、無通電相に発生する逆起電圧の大きさは、回転子の回転速度が大きくなるほと大きくなる。図８では、回転速度がω１［ｒｐｍ：revolutions per minute］とω２の場合とが示されている。ω２＞ω１とする。

図１および図８を参照して、ＭＣＵ１１０は、インバータ回路１２０を制御することにより、電気角で１２０°先となる電流パターンで固定子巻線への駆動電流の印加を開始する。このキックの開始時刻をｔ１とする。時刻ｔ１では、回転子の回転方向が順回転方向である正のトルクが与えられ、時間の経過と共にトルクは増加する。このとき、無通電相の固定子巻線１３１に生成される逆起電圧は、中点１３２の電位を基準（０Ｖ）として正の値である。時刻ｔ１は、図６（Ａ）に対応する。

時刻ｔ１から電気角で３０°に相当する時間が経過した時刻ｔ３において、回転子に印加されるトルクが正の最大値となり、無通電相に発生する逆起電圧は０になる。時刻ｔ４は、図６（Ｂ）に対応する。さらに、時刻ｔ４から電気角で３０°に相当する時間が経過した時刻ｔ５では、無通電相に発生する逆起電圧は負になる。

電気角が基準値の０°に相当する時刻ｔ８において、印加トルクは０になる。このとき、無通電相に発生する逆起電圧は負のピーク値になる。時刻ｔ８は、図７（Ａ）に対応する。さらに、時刻ｔ８から電気角で３０°に相当する時間が経過した時刻ｔ９（電気角：−３０°）では、回転子に印加されるトルクは負になる。すなわち、回転子を逆回転方向に回転させようとするトルクが印加される。時刻ｔ９は、図７（Ｂ）に対応する。

時刻ｔ８から電気角で９０°に相当する時間が経過した時刻ｔ１０（電気角：−９０°）において、回転子に印加されるトルクは負のピーク値になる。このとき、無通電相に発生する逆起電圧は０になる。

本実施形態のモータ駆動システム９０では、ＭＣＵ１１０は、無通電相に発生する逆起電圧の大きさが閾値以上となったときに、回転子への起動トルクの印加を停止する。逆起電圧の大きさは、図１の検出器１１５の出力電圧ＶｏｕｔのＡＤ変換値から中心値を引いた値の絶対値に比例する。中心値は、中点１３２または仮想中点１６２の電圧のＡＤ変換値に相当する。図８の例では、閾値として２０ＬＳＢ（Least-Significant Bit）が選択されている。この値は、検出器１１５の出力電圧Ｖｏｕｔに含まれるノイズを考慮して決定される。なお、この数値例は一例であって、この数値のみに限定されるものではない。

図８において回転子の回転速度がω１の場合、時刻ｔ６において逆起電圧の大きさの検出値が閾値に達する。したがって、時刻ｔ１から時刻ｔ６までの時間ｔの間、駆動電流が固定子巻線１３１に印加される。この時間ｔは最大印加時間Ｔｍａｘより小さく、初期印加時間Ｔ０および最小印加時間Ｔｍｉｎよりも長い。ただし、Ｔ０＜Ｔｍｉｎ＜Ｔｍａｘの関係がある。

なお、最大印加時間Ｔｍａｘを第１の基準時間と称し、最小印加時間Ｔｍｉｎを第２の基準時間と称し、初期印加時間Ｔ０を第３の基準時間と称する場合がある。

図８において、回転子の回転速度がω２（＞ω１）の場合、時刻ｔ２において初期印加時間Ｔ０が経過する。時刻ｔ４において逆起電圧が閾値を超える。起動トルクの印加を開始した時刻ｔ１から時刻ｔ４までの時間は、最小印加時間Ｔｍｉｎ以下である。したがって、この時点で駆動電流の印加が停止され、次に、ブラシレスＤＣモータの運転モードは、逆起電圧のゼロクロス検出に基づく通常運転に移行する。

［ブラシレスＤＣモータの運転制御手順］
図９は、第１の実施形態においてブラシレスＤＣモータの運転制御手順の一例を示すフローチャートである。以下、図１および図９を参照してこれまでの説明を総括する。初期状態では、ブラシレスＤＣモータ１３０は停止状態であるとする。

ステップＳ１００において、ＭＣＵ１１０は、回転子の位置を検出するために、インバータ回路１２０を制御することによってインダクティブセンスを行う。具体的に、ＭＣＵ１１０は、図２の電流パターンａ〜ｆの各パターンの電流を固定子巻線１３１に流す。このときの電流値は、回転子が回転しない程度に制限される。ＭＣＵ１１０は、たとえば、最大のモータ電流が得られるとき電流パターンに基づいて固定子巻線の位置を推定する。

次のステップＳ１１０において、ＭＣＵ１１０は、インダクティブセンスの結果に基づいて、現時点の回転子の位置に対して１２０°先の電気角となるような電流パターンとそのときのインバータ回路１２０の出力電圧（電流）を決定する。

その次のステップＳ１２０において、ＭＣＵ１１０は、固定子巻線１３１への駆動電流の印加を開始し、電流印加の開始から初期印加時間Ｔ０が経過した時点で検出器１１５を用いて逆起電圧（ＢＥＭＦ）の検出を開始する（ステップＳ１４０）。駆動電流の印加開始は図８の時刻ｔ１に対応し、初期印加時間Ｔ０が経過した時点は図８の時刻ｔ２に対応する。

その次のステップＳ１４０において、ＭＣＵ１１０は、検出器１１５の出力電圧ＶｏｕｔのＡＤ変換値から中心値を引いた値の絶対値（すなわち、逆起電圧の大きさ）と、閾値（すなわち、マージンＭＧ１）とを比較する。中心値は、中点１３２または仮想中点１６２の電圧のＡＤ変換値に相当する。逆起電圧の大きさがマージンＭＧ１よりも小さい場合（ステップＳ１４０でＹＥＳ）は、回転子は停止状態であることを意味している。逆起電圧の大きさがマージンＭＧ１以上の場合（ステップＳ１４０でＮＯ）は、回転子は回転状態であることを意味している。

上記の比較の結果、逆起電圧の大きさがマージンＭＧ１よりも小さく（ステップＳ１４０でＹＥＳ）、かつ、駆動電流の印加開始からの時間ｔが最大印加時間Ｔｍａｘを超えていなければ（ステップＳ１５０でＮＯ）、ＭＣＵ１１０は、逆起電圧の検出（ステップＳ１３０）と、検出された逆起電圧の大きさとマージンＭＧ１との比較（ステップＳ１４０）とを繰り返す。

逆起電圧の大きさがマージンＭＧ１よりも小さく（ステップＳ１４０でＹＥＳ）、かつ、駆動電流の印加開始からの時間ｔが最大印加時間Ｔｍａｘを超えたら（ステップＳ１５０でＹＥＳ）、ＭＣＵ１１０は、駆動電流の印加を停止し、最初の回転子の位置検出（ステップＳ１００）から上記の各ステップを繰り返す。最大印加時間Ｔｍａｘを超えた時点とは図８の時刻ｔ７に対応する。

一方、上記の比較の結果、検出された逆起電圧の大きさがマージンＭＧ１以上であり（ステップＳ１４０でＮＯ）、かつ、駆動電流の印加開始からの時間ｔが最小印加時間Ｔｍｉｎより小さくなければ（ステップＳ１６０でＮＯ）、ＭＣＵ１１０は、駆動電流の印加を停止し、最初の回転子の位置検出（ステップＳ１００）から上記の各ステップを繰り返す。この場合は、たとえば、図８の時刻ｔ６に対応する。

検出された逆起電圧の大きさがマージンＭＧ１以上であり（ステップＳ１４０でＮＯ）、かつ、駆動電流の印加開始からの時間ｔが最小印加時間Ｔｍｉｎより小さければ（ステップＳ１６０でＹＥＳ）、ＭＣＵ１１０は、ブラシレスＤＣモータ１３０の起動動作を完了させ、次に逆起電圧のゼロクロス検出に基づく通常運転動作に移行する（ステップＳ１７０）。

ＭＣＵ１１０は、回転子の回転速度が所定の値（たとえば、１００ｒｐｍ）未満でければ（ステップＳ１８０でＮＯ）、通常運転を継続する。一方、回転子の回転速度が所定の値未満であれば（ステップＳ１８０でＹＥＳ）、ＭＣＵ１１０は、負荷が増大したために回転子がほとんど停止状態になったものと判断して、最初の回転子の位置検出（ステップＳ１００）からの起動動作を実行する。

［第１の実施形態の効果］
以下、第１の実施形態の効果を比較例と対比しながら説明する。

図１０は、第１の実施形態のモータ駆動システムにおいて、ブラシレスＤＣモータの起動動作におけるモータトルクの時間変化を示す図である。図１０（Ａ）では負荷トルクが比較的大きい場合を示し、図１０（Ｂ）では負荷トルクが比較的小さい場合を示す。また、ブラシレスＤＣモータによって発生する平均的なトルクＡＶＴＲＱを破線で示し、モータの回転に必要な最小のトルクＭｉｎＴＲＱを一点鎖線で示す。

図１０（Ａ）を参照して、停止状態のブラシレスＤＣモータに対して時刻ｔ１００から時刻ｔ１０１までインダクティブセンス（Ｉ．Ｓ．）が実行される。なお、図解を容易にするために、インダクティブセンスの時間を実際よりも長く示している。その後、時刻ｔ１０１からキックが実行される。回転子がほとんど回転しないうちに（したがって、逆起電圧の大きさが閾値に達していない）時刻ｔ１０２において最大印加時間Ｔｍａｘが経過したために、キックが終了する。

時刻ｔ１０２から時刻ｔ１０３まで再びインダクティブセンスが実行され、時刻ｔ１０３からキックが開始される。時刻ｔ１０４において逆起電圧が閾値に達したためキックが終了する。キックの時間（時刻ｔ１０３から時刻ｔ１０４まで）が最小印加時間Ｔｍｉｎよりも長いため、時刻ｔ１０４から再びインダクティブセンスが行われ、時刻ｔ１０５にインダクティブセンスが終了する。そして、時刻ｔ１０５からキックが開始される。

時刻ｔ１０６において逆起電圧が閾値に達したためキックが終了する。キックの時間（時刻ｔ１０５から時刻ｔ１０６まで）が最小印加時間Ｔｍｉｎよりも長いため、時刻ｔ１０６から再びインダクティブセンスが行われ、時刻ｔ１０７にインダクティブセンスが終了する。そして、時刻ｔ１０７からキックが開始される。時刻ｔ１０８において逆起電圧が閾値に達したためキックが終了する。キックの時間（時刻ｔ１０７から時刻ｔ１０８まで）が最小印加時間Ｔｍｉｎよりも短いため、ブラシレスＤＣモータの起動動作は終了し、速やかに通常動作に動作モードが移行する。このように、本実施形態の場合には、回転子の回転速度が上昇するにつれてキックの時間は次第に短くなる。

次に、負荷トルクがかなり小さい場合について説明する。図１０（Ｂ）を参照して、停止状態のブラシレスＤＣモータに対して時刻ｔ１１０から時刻ｔ１１１までインダクティブセンス（Ｉ．Ｓ．）が実行された後、時刻ｔ１１１からキックが実行される。時刻ｔ１１１２において逆起電圧が閾値に達したためキックが終了する。キックの時間（時刻ｔ１１１から時刻ｔ１１２まで）が最小印加時間Ｔｍｉｎよりも短いため、ブラシレスＤＣモータの起動動作は終了し、速やかに通常動作に動作モードが移行する。

上記のように、本実施形態のモータ駆動システムでは、起動動作時に逆起電圧の大きさに基づいてキックの開始から終了までの時間が決定される。回転子の回転速度が大きいほど逆起電圧は大きくなるので、キックの回数を重ねるほどキックの時間がより短くなる。さらに、インダクティブセンスとキックとの組み合わせの繰り返し回数も逆起電圧の大きさに基づいて決定される。具体的には、キックを開始してから逆起電圧の大きさが閾値に達するまでの時間が最小印加時間Ｔｍｉｎよりも短くなると起動動作が終了し、通常動作モードに移行する。したがって、負荷トルクが小さい場合には、図１０（Ｂ）のように、インダクティブセンスとキックとを１回ずつ実行しただけで通常動作に動作モードが移行する場合がある。

図１１は、比較例のモータ駆動システムにおいて、ブラシレスＤＣモータの起動動作におけるモータトルクの時間変化を示す図である。図１１では、キックの時間および回数が固定されている場合について示している。１１（Ａ）では負荷トルクが比較的大きい場合を示し、図１１（Ｂ）では負荷トルクが比較的小さい場合を示す。また、ブラシレスＤＣモータによって発生する平均的なトルクＡＶＴＲＱを破線で示し、モータの回転に必要な最小のトルクＭｉｎＴＲＱを一点鎖線で示す。

図１１（Ａ）を参照して、インダクティブセンスとキックとの組み合わせが４回繰り返されている。各回のキックの開始から終了までの時間（時刻ｔ１２１から時刻ｔ１２２まで；時刻ｔ１２３から時刻ｔ１２４まで；時刻ｔ１２５から時刻ｔ１２６まで；時刻ｔ１２７から時刻ｔ１２８まで）は固定値である。したがって、時刻ｔ１２１から時刻ｔ１２２までの第１回目のキックでは、電気角で１０°しか回転していないうちに、すなわち十分な起動トルクがモータに与えられないうちにキックが終了していまっている。一方、時刻ｔ１２７から時刻ｔ１２８までの第４回目のキックでは、最大トルクを超えるほど回転速度が十分に早くなっているにもかかわらずキックが継続されている。したがって、図１０（Ａ）の本実施形態の場合と比べて余分な起動電流が印加され、余分な起動時間がかかる。

次に、負荷トルクがかなり小さい場合について説明する。図１１（Ｂ）を参照して、インダクティブセンスとキックとの組み合わせが３回繰り返されている。各回のキックの開始から終了までの時間（時刻ｔ１３１から時刻ｔ１３２まで；時刻ｔ１３３から時刻ｔ１３４まで；時刻ｔ１３５から時刻ｔ１３６まで）は固定値である。したがって、第２回目および第３回目のように、固定子巻線によって回転子に及ぼされるモータトルクが負になってもキックが継続される。この結果、回転子の回転が減速されてしまい、十分な起動トルクが回転子に与えられなくなってしまっている。

これに対して本実施形態のモータ駆動システムの場合には、逆起電圧の大きさに基づいてキックに開始から終了までの時間が決定される。したがって、負荷トルクがかなり小さい場合であっても、モータトルクが負にならないうちにキックを終了させることができ、効率的にブラシレスＤＣモータを起動させることができる。

図１２は、図１０および図１１の場合において、起動動作時の負荷トルクと電気角との関係を示す図である。図１２において、負荷トルクが０の場合よりも電気角で１２０°先となるように駆動電流が印加される。回転子（ロータ）の回転に伴って電気角が変化する。

図１０の時刻ｔ１０１から時刻ｔ１０２までは、電気角で１２０°先から９０°先までに相当する。図１１の時刻ｔ１２１からｔ１２２までの間は、電気角で１０°の期間に相当し、十分なモータトルクが回転子に与えられていないことがわかる。また、図１１の時刻ｔ１３３から時刻ｔ１３４までの間は、電気角で１２０°先から−６０°までの１８０°の期間に相当し、電流印加時間は負のトルクの領域にまで及んでいる。

上記のとおり第１の実施形態のモータ駆動システムによれば、ブラシレスＤＣモータを停止状態から起動させる場合に負荷トルクが起動時ごとに異なったり、起動中に変動したりした場合でも、少ない電流量で大きなトルクを発生させることができる。さらに、起動から通常運転に移行するまでの時間を短くすることができる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態のモータ駆動システムでは、逆起電圧の大きさに基づいてキックの終了の判定を行っていた。第２の実施形態のモータ駆動システムは、逆起電圧の符号にも着目し、回転子が逆回転していないかどうかも判定するものである。以下、図面を参照して具体的に説明する。なお、モータ駆動システムの全体構成は、図１で説明した第１の実施形態の場合と同様であるので説明を繰り返さない。

［ブラシレスＤＣモータの運転制御手順］
図１３は、第２の実施形態においてブラシレスＤＣモータの運転制御手順の一例を示すフローチャートである。図１３の運転制御手順は、ステップＳ１４０に代えてステップＳ１４０Ａを備える点で図９の運転制御手順と異なる。ステップＳ１４０Ａでは、ＭＣＵ１１０は、逆起電圧の検出値（すなわち、逆起電圧の大きさと符号）に基づいて、回転子が回転状態か、逆回転状態か、ほとんど停止状態であるか否かを判定する。

ＭＣＵ１１０は、ステップＳ１４０Ａにおいて回転子が回転状態であると判定した場合は、ステップＳ１６０に制御を進めて駆動電流の印加時間が最小印加時間Ｔｍｉｎよりも小さいか否かを判定する。ＭＣＵ１１０は、ステップＳ１４０Ａにおいて回転子が停止状態であると判定した場合には、ステップＳ１５０に制御を進めて駆動電流の印加時間が最大印加時間Ｔｍａｘよりも長いか否かを判定する。ＭＣＵ１１０は、ステップＳ１４０Ａにおいて回転子が逆回転状態であると判定した場合には、ステップＳ１００に制御を戻してインダクティブセンスを再度実行する。図１３のその他の点は図９と同様であるので、同一または相当するステップには同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

［回転または逆回転の判定］
以下、図１４および図１５を参照して回転または逆回転の判定方法について説明する。

図１４は、無通電相に生成される逆起電圧の時間変化を示す図である。図１４ではインダクティブセンス時において回転子の初期位置に対応する電流パターンが示されている。インダクティブセンスのとき電流パターンｅで最大のモータ電流値が得られたとする。この場合、キック時の駆動電流はＷ相からＶ相に流し、無通電相であるＵ相に生じる逆起電圧が検出される。

ここで、逆起電圧が正であるとは、逆起電圧がブラシレスＤＣモータ１３０の中点１３２の電圧（または仮想中点１６２の電圧）よりも高いことを意味する。逆に、逆起電圧が負であるとは、逆起電圧がブラシレスＤＣモータ１３０の中点１３２の電圧（または仮想中点１６２の電圧）よりも低いことを意味する。

図８の場合と同様に、Ｕ相の逆起電圧は、回転子の初期位置で正の値を有しているが、回転子の回転ともに負の値に変化する。したがって、逆起電圧を閾値（マージンＭＧ１）と比較する際には逆起電圧は負になっている。すなわち、逆起電圧のＡＤ変換値は中心値よりも小さくなっている。よって、中心値から逆起電圧のＡＤ変換値を減算した値がマージンＭＧ１よりも大きければ、閾値を超える逆起電圧が発生している（図１６のステップＳ１４２に対応する）。なお、中心値は、ブラシレスＤＣモータ１３０の中点１３２または仮想中点１６２の電圧に対応する。

一方、回転子が逆回転している場合には、図１４において破線で示すように、Ｕ相の逆起電圧は、回転子の初期位置で負の値を有しているが、回転子の回転ともに正の値に変化する。したがって、逆起電圧を閾値（マージンＭＧ２）と比較する際には、逆起電圧は正の値になっている。すなわち、逆起電圧のＡＤ変換値は中心値よりも大きくなっている。よって、逆起電圧のＡＤ変換値から中心値を減算した値がマージンＭＧ２よりも大きければ、閾値を超える逆起電圧が発生している（図１６のステップＳ１４３に対応する）。

なお、逆回転しているか否かの判定では精度はそれほど要求されないので、マージンＭＧ２はマージンＭＧ１よりも小さい値に設定される。たとえば、マージンＭＧ１を２０ＬＳＢに設定した場合には、マージンＭＧ２は５ＬＳＢ程度に設定される。

図１５は、電流パターンごとに無通電相に生じる電圧の変化を表形式で示した図である。図１５では、インダクティブセンス時に検出されたロータ位置に対応する電流パターンと、キック時の駆動電流パターンと、無通電相に生じる逆起電圧の符号の変化の方向とが示されている。

図１５に示すように、キック時の駆動電流パターンがａ，ｃ，ｅの場合には、逆起電圧は正から負に変化する。一方、キック時の駆動電流パターンがｂ，ｄ，ｆの場合には、逆起電圧は負から正に変化する。ただし、上記の逆起電圧の変化は、回転子の回転方向、固定子巻線１３１の巻回方向などのうちいずれか１つが変われば逆になる点に注意する必要がある。

［図１３のステップＳ１４０Ａの詳細］
図１６は、図１３のステップＳ１４０Ａをさらに詳しく示すフローチャートである。以下、図１および図１６を参照してこれまでの説明を総括する。

ＭＣＵ１１０は、キック時の駆動電流パターンに応じて、判定方法を第１の場合と第２の場合とに分ける（ステップＳ１４１）。

第１の場合は、駆動電流パターンがａ，ｃ，ｅの場合である（ステップＳ１４１でＹＥＳ）。この場合、逆起電圧のＡＤ変換値が“中心値−ＭＧ１”よりも小さい場合に（ステップＳ１４２でＹＥＳ）、ＭＣＵ１１０は、回転子は正回転していると判定する（ステップＳ１４８）。一方、逆起電圧のＡＤ変換値が“中心値＋ＭＧ２”よりも大きい場合に（ステップＳ１４３でＹＥＳ）、ＭＣＵ１１０は、回転子は逆回転している判定する（ステップＳ１４７）。ＭＣＵ１１０は、上記のいずれでもない場合（ステップＳ１４２でＮＯ、かつステップＳ１４３でＮＯ）、回転子は停止していると判定する（ステップＳ１４６）。

第２の場合は、駆動電流パターンがｂ，ｄ，ｆの場合である（ステップＳ１４１でＮＯ）。この場合、逆起電圧のＡＤ変換値が“中心値＋ＭＧ１”よりも大きい場合に（ステップＳ１４４でＹＥＳ）、ＭＣＵ１１０は、回転子は正回転していると判定する（ステップＳ１４８）。一方、逆起電圧のＡＤ変換値が“中心値−ＭＧ２”よりも小さい場合に（ステップＳ１４５でＹＥＳ）、ＭＣＵ１１０は、回転子は逆回転している判定する（ステップＳ１４７）。ＭＣＵ１１０は、上記のいずれでもない場合（ステップＳ１４４でＮＯ、かつステップＳ１４５でＮＯ）、回転子は停止していると判定する（ステップＳ１４６）。

なお、回転子の回転方向、固定子巻線１３１の巻回方向、固定子巻線１３１の配線方向（回転子側を中点１３２するか端子にするか）などのうちいずれか１つが逆になれば、ステップＳ１４１のＹＥＳとＮＯを逆にする必要がある。

［第２の実施形態の効果］
第２の実施形態のモータ駆動システムは、逆起電圧の大きさだけでなくその符号に着目することによって、回転子が正回転か逆回転かを判定する。したがって、外乱などでインダクティブセンスを誤判定した場合であっても、その後に逆回転と判定された場合には、すぐにインダクティブセンスを実行し直すことができる。この結果、より安定的に起動トルクを発生することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

９０ モータ駆動システム、１００ 半導体装置、１１１，１１２ ＡＤ変換器、１１３ 運転指令値、１１５ 検出器、１２０ インバータ回路、１２３ シャント抵抗、１３０ ブラシレスＤＣモータ、１３１，１３１Ｕ，１３１Ｖ，１３１Ｗ 固定子巻線、１３２ 中点、１３５ 回転子、１３６ 固定子、１４０ 差動増幅器、１５０ スイッチ回路、１５１ 検出ノード、１６０ 仮想中点生成回路、１６２ 仮想中点、１７０ 増幅器、Ｎ，Ｓ 磁極、ＮＵ，ＮＶ，ＮＷ 出力ノード、Ｔ０ 初期印加時間（第３の基準時間）、Ｔｍａｘ 最大印加時間（第１の基準時間）、Ｔｍｉｎ 最小印加時間（第２の基準時間、ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ ＭＯＳトランジスタ、Ｖｏｕｔ 出力電圧、ａ〜ｇ 電流パターン。

Claims (16)

1. 三相モータを駆動するインバータ回路を制御するための半導体装置であって、
   モータ電圧を出力するための前記インバータ回路の各相の出力ノードと接続され、前記各相の出力ノードのうち無通電相の出力ノードに生じる逆起電圧を検出する検出器と、
   前記インバータ回路を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記三相モータの起動動作時に、前記三相モータの回転子の位置を検出し、検出された前記回転子の位置に基づいて前記三相モータのいずれか二相に前記インバータ回路によって駆動電流を印加するように構成され、
   前記コントローラは、前記検出器によって検出された無通電相の逆起電圧の大きさに基づいて前記駆動電流の印加時間を変更するように構成される、半導体装置。
2. 前記コントローラは、前記三相モータの起動動作時に、前記回転子の位置検出と前記駆動電流の印加との組み合わせを１回以上実行するように構成され、
   前記コントローラ、前記検出器によって検出された逆起電圧の大きさに基づいて前記組み合わせの実行回数を変更するように構成される、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記コントローラは、前記逆起電圧の大きさが第１の閾値を超えたときに、前記インバータ回路によって前記駆動電流の印加を停止するように構成される、請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記コントローラは、前記駆動電流の印加を開始してから第１の基準時間が経過しても前記逆起電圧の大きさ第１の閾値を超えない場合に前記駆動電流の印加を停止し、前記三相モータの回転子の位置を再検出し、検出した前記回転子の位置に基づいて前記三相モータのいずれか二相に前記インバータ回路によって駆動電流を再度印加するように構成される、請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記コントローラは、前記駆動電流の印加を開始してから前記逆起電圧の大きさが前記第１の閾値を超えるまでの時間が第２の基準時間以下となった場合に前記起動動作を終了し、前記逆起電圧のゼロクロス点に基づいて前記インバータ回路に前記三相モータを動作させるように構成される、請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記コントローラは、前記駆動電流の印加を開始してから前記逆起電圧の大きさが前記第１の閾値を超えるまでの時間が、前記第２の基準時間よりも長くかつ前記第１の基準時間よりも短い場合に、前記三相モータの回転子の位置を再検出し、検出した前記回転子の位置に基づいて前記三相モータのいずれか二相に前記インバータ回路によって駆動電流を再度印加するように構成される、請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記コントローラは、前記駆動電流の印加を開始から第３の基準時間が経過した後に、前記逆起電圧の大きさと前記第１の閾値とを比較するように構成され、
   前記第３の基準時間は、前記第２の基準時間よりも短い、請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記コントローラは、前記逆起電圧と前記三相モータの中点電圧に対応する参照電圧との差の正負に基づいて、前記回転子が正回転しているか逆回転しているかを判定するように構成される、請求項２に記載の半導体装置。
9. 前記コントローラは、前記回転子が逆回転していると判定した場合には、前記駆動電流の印加を停止し、前記三相モータの回転子の位置を再検出し、検出した前記回転子の位置に基づいて前記三相モータのいずれか二相に前記インバータ回路によって駆動電流を再度印加するように構成される、請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記コントローラは、前記逆起電圧と前記参照電圧との差を第１の閾値と比較することによって前記回転子が正回転しているか否かを判定し、前記逆起電圧と前記参照電圧との差を前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値と比較することによって前記回転子が逆回転しているか否かを判定するように構成される、請求項８に記載の半導体装置。
11. 三相モータと、
    前記三相モータを駆動するインバータ回路と、
    前記インバータ回路を制御するための半導体装置とを備え、
    前記半導体装置は、
    モータ電圧を出力するための前記インバータ回路の各相の出力ノードと接続され、前記各相の出力ノードのうち無通電相の出力ノードに生じる逆起電圧を検出する検出器と、
    前記インバータ回路を制御するコントローラとを備え、
    前記コントローラは、前記三相モータの起動動作時に、前記三相モータの回転子の位置を検出し、検出された前記回転子の位置に基づいて前記三相モータのいずれか二相に前記インバータ回路によって駆動電流を印加するように構成され、
    前記コントローラは、前記検出器によって検出された無通電相の逆起電圧の大きさに基づいて前記駆動電流の印加時間を変更するように構成される、モータ駆動システム。
12. 前記コントローラは、前記三相モータの起動動作時に、前記回転子の位置検出と前記駆動電流の印加との組み合わせを１回以上実行するように構成され、
    前記コントローラ、前記検出器によって検出された逆起電圧の大きさに基づいて前記組み合わせの実行回数を変更するように構成される、請求項１１に記載のモータ駆動システム。
13. 三相モータの起動動作時に、インダクティブセンスによって前記三相モータの回転子の位置を検出するステップと、
    前記三相モータの起動動作時に、検出された前記回転子の位置に基づいて、インバータ回路によって前記三相モータのいずれか二相に駆動電流を印加することを開始するステップと、
    前記駆動電流の印加中に検出された無通電相の逆起電圧の大きさに基づいて、前記インバータ回路に前記駆動電流の印加を停止させるステップとを、コンピュータに実行させるためのモータ制御プログラム。
14. 前記駆動電流の印加を停止させるステップは、
    前記無通電相の逆起電圧の大きさが第１の閾値を超えたときに前記インバータ回路に前記駆動電流の印加を停止させるステップと、
    第１の基準時間が経過しても前記無通電相の逆起電圧の大きさが前記第１の閾値を超えない場合に前記駆動電流の印加を停止させるステップとを含む、請求項１３に記載のモータ制御プログラム。
15. 前記駆動電流の印加を開始してから前記逆起電圧の大きさが前記第１の閾値を超えるまでの時間が第２の基準時間以下となった場合に、前記起動動作を終了し、前記逆起電圧のゼロクロス点に基づいて前記インバータ回路に前記三相モータを動作させるステップを、さらに前記コンピュータに実行させる、請求項１４に記載のモータ制御プログラム。
16. 前記駆動電流の印加を開始してから前記逆起電圧の大きさが前記第１の閾値を超えるまでの時間が、前記第２の基準時間よりも長くかつ前記第１の基準時間よりも短い場合に、前記回転子の位置を検出するステップおよび前記駆動電流を印加することを開始するステップを再度、前記コンピュータに実行させる、請求項１５に記載のモータ制御プログラム。

Images