JP4378281B2 - ブラシレス直流モータの制御方法及び回路 - Google Patents

Description

本発明は、センサのないブラシレス（sensorless brushless）モータの制御回路に関する。

ブラシレス直流（ＤＣ）モータ（電気整流直流モータ）は、当技術分野でよく知られている。それの相巻線は、適切な時間に順次に通電されて（energized）、永久磁石回転子に対して回転磁界を生成する。この順次通電（energization）のタイミングは、通電されるべき特定の相巻線に対する永久磁石回転子の位置の関数である。相巻線に対する永久磁石回転子の位置を検出するために、これまで様々な手段が使用された。これらの中には、それぞれの相巻線に対して電力を選択的にオンおよびオフに切り換える切換え論理に位置信号を供給する光センサおよびホール効果デバイスがあった。しかし、そのような検出デバイスは、システムにコストと複雑さを追加し、それに加えて、継続した適切な動作を保証するために、時々メンテナンスを必要とするかもしれない。３５０ボルトのモータを使用するもののような、ある特定の高磁束／電力用途では、ホール・センサはよく知られている故障箇所である。

したがって、センサ・デバイスの欠点の結果として、回転子位置自体の直接検出に基づかない、センサのないシステムにも関心が集まった。一般に、センサのないシステムは、通電されている巻線に回転する回転子によって生成される逆起電力（Back Electromotive Force：ＢＥＭＦ）の効果を測定するように使用される。例えば、台形３相ブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣ）では、相電流は、二極性のやり方で加えられる。すなわち、３相のうちの２つが駆動され、他は通電が切断されている。相巻線の中性点（neutralpoint）への遷移によって、（３０電気度（electrical degrees）遅れて）制御回路が次の対を通電する時間の瞬間が決定される。したがって、センサのないＢＬＤＣモータの制御回路は、モータ相巻線の中性電圧（neutralvoltage）に関する情報を受けるべきである。

３相モータの中性電圧は、直接的かまたは間接的かどちらかで測定することができる。ＷＹＥ巻きモータでは、中心タップは、モータ巻線の中性点に直接接続することができる（すなわち、３相コイルの共通点は、略図で字「Ｙ」の様に配列される）。しかし、デルタ巻きモータでは、相巻線は三角形配列に構成されているので、中性点がない。したがって、中性電圧を測定する間接的な方法が一般に好ましい。というのは、間接的な方法は、デルタ巻きモータまたはＷＹＥ巻きモータのどちらにも応用することができ、さらに、ＷＹＥモータの追加中心タップ製造の追加コストを生じないからである。そのような間接的な方法では、任意の時間の瞬間に、台形ＢＥＭＦを有するブラシレス機械の中性電圧は３相電圧の和を３で割ったものであることが利用される。そのようなものとして、システムは、中性電圧を間接的に決定するために、３相巻線の各々の両端間の電圧を検出する必要があるだけである。

しかし、このＢＥＭＦ検出方法の１つの欠点は、ＢＥＭＦがモータ速度に正比例することから生じている。モータが十分な速度に達すると、生成されるＢＥＭＦは、モータの閉ループ制御のために検出されるのに十分な大きさである。その時以前に、従来のセンサのないモータ駆動装置は、開ループ・モードでモータを加速する。この開ループ・モードでは、与えられたモータ／負荷組合せの加速特性を近似するように設計された割合で整流信号が加えられる。残念なことに、低速度ではＢＥＭＦ値を正確に検出することができないことで、回転子位置が不正確になることがあり、ことによると同期がとれないことさえある。

したがって、本発明は、関連した複数の相巻線を有するモータを電子的に整流する方法を提供する。この方法は、相巻線の各々で生成される逆起電力（ＢＥＭＦ）を検出すること、および相巻線の各々に対して検出されたＢＥＭＦ値の大きさを正規化値（normalized value）に調整して（scale）利得補正ＢＥＭＦ信号（gain corrected BEMF signals）を生成することを備え、前記の利得補正ＢＥＭＦ信号は、モータの回転子位置を決定するために使用される。

本発明は、好ましくは、比較的低速度のときに閉ループ・モードでブラシレス機械を正確に整流することを可能にする。

好ましくは、センサのないブラシレス直流モータの改良された閉ループ制御の方法およびシステムが提供される。

好ましい実施例では、検出されたＢＥＭＦ値の大きさを調整するために、自動利得制御回路が構成される。

正規化値は、好ましくは、モータの直流バス電圧の値の約半分に基づいている。

好ましくは、利得補正ＢＥＭＦ信号の大きさがモータの中性電圧を横切るときを決定することができる。さらに、好ましくは、モータの前記中性電圧を横切る前記利得補正ＢＥＭＦ信号の決定に基づいて、制御信号をインバータに加えることができる。インバータは、好ましくは、電流を複数の相巻線に選択的に加えるようにするものである。

好ましい実施例に従って、検出されたＢＥＭＦ値は、相巻線で生成されたＢＥＭＦの減衰された値である。

他の態様で、本発明はセンサのないブラシレス・モータの制御回路を提供する。本制御回路は、モータの複数の相巻線の各々で生成された検出された逆起電力（ＢＥＭＦ）を受け取るための制御装置と、相巻線の各々に対して検出されたＢＥＭＦ値の大きさを正規化値に調整して（sealing）、利得補正ＢＥＭＦ信号を生成する自動利得制御回路とを備え、前記利得補正ＢＥＭＦ信号は、モータの回転子位置を決定するために、前記制御装置で使用される。

好ましくは、制御回路は、相巻線に結合された減衰器を備える。この減衰器は、好ましくは、相巻線で生成されたＢＥＭＦの減衰された値である検出されたＢＥＭＦ値を生成する。

好ましくは、正規化値は、モータの直流バス電圧の値の約半分に基づいている。

好ましくは、利得補正ＢＥＭＦ信号の大きさがモータの中性電圧を横切るときを決定することができる。好ましくは、制御装置によって加えられる制御信号で動作するインバータが設けられる。このインバータは、好ましくは、モータの中性電圧を横切る利得補正ＢＥＭＦ信号の制御装置による決定に基づいて、電流を複数の相巻線に選択的に加えるようにする。

好ましくは、中性電圧は、複数の相巻線の各々の電圧から計算される。

さらに他の態様で、本発明はセンサのないブラシレス・モータを提供する。このブラシレス・モータは、直流電流源によって通電される複数の相巻線と、前記直流電源から相巻線の選択された対を通して相電流を順次に加えるためのインバータと、モータの前記複数の相巻線の各々で生成された検出された逆起電力（ＢＥＭＦ）を受け取るための制御装置であって、前記インバータの切換えを制御するように対応する制御信号を供給する制御装置と、前記複数の相巻線の各々に対して検出されたＢＥＭＦ値の大きさを正規化値に調整して利得補正ＢＥＭＦ信号を生成する自動利得制御回路とを備え、前記利得補正ＢＥＭＦ信号は、モータの回転子位置を決定するために前記制御装置で使用される。

好ましくは、本モータは、相巻線に結合された減衰器を備える。この減衰器は、好ましくは、相巻線で生成されたＢＥＭＦの減衰された値である検出されたＢＥＭＦ値を生成するように動作する。

好ましくは、正規化値は、モータの直流バス電圧の値の約半分に基づいている。

好ましくは、制御装置は、利得補正ＢＥＭＦ信号の大きさがモータの中性電圧を横切るときを決定する手段を備える。さらに好ましくは、インバータは、制御装置によって加えられる制御信号で動作する。このインバータは、好ましくは、モータの中性電圧を横切る利得補正ＢＥＭＦ信号の制御装置による決定に基づいて、電流を複数の相巻線に選択的に加えるようにするものである。

好ましくは、中性電圧は、前記複数の相巻線の各々の電圧から計算される。

本発明の好ましい実施例は、ただ例として、以下の図面を参照して、これから説明する。

最初に図１を参照すると、センサのないブラシレス直流モータ１２のための既存の制御回路１０の概略図が示される。当技術分野でよく知られているように、直流バス１６でモータ１２に供給される相電流を電子的に整流するために、インバータ１４が使用される。３相巻線を有するモータでは、従来のインバータ１４は、図１にＱ１からＱ６として示される、６個の個々に制御される切換えデバイスを含む。図示の例では、切換えデバイスは、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である。しかし、他の型の固体切換えデバイスを使用することもできる。

ＩＧＢＴ Ｑ１、Ｑ３およびＱ５は、３つのモータ相の各々を直流バス１６の正側に選択的に結合し、一方で、Ｑ２、Ｑ４およびＱ６は３つのモータ相の各々を直流バス１６の負側に選択的に結合する。ＩＧＢＴの各々は、それのゲート端子に加えられる適切な制御信号で決定されるように特定の順序で通電され、また通電を絶たれる。マイクロプロセッサを含んだ制御装置２０が、モータ巻線の通電および通電切断を行うこれらの制御信号を生成するように使用される。前に述べたように、センサのないシステムで、制御信号を切換えデバイスに加える適切な時間を正確に決定する１つの方法は、通電が切断された相のＢＥＭＦを監視することである。図１に示すように、相電圧は、マイクロプロセッサ論理に適切なレベルに減衰された後で、制御装置２０に入力される。図示の例では、電圧分割器２２は、約３．３ボルトのピーク検出電圧を発生するように、モータ１２（約４５０ボルトのピーク相電圧を有する）の相電圧を約１３０分の１に減衰する。このようにして、減衰された相電圧信号２４が、制御装置２０に直接入力される。

より詳細には、ＢＥＭＦ検出において、通電が切断された相は、中性遷移のためのものあるのが認められる（すなわち、通電が切断された相の電圧は、モータの中性電圧の値を横切る）。この遷移は、モータ駆動装置が次の相の対を通電する時間の３０電気度前の時間の瞬間をはっきり示している。したがって、制御装置２０は、中性電圧交差（neutral voltage crossings）を検出するために、当技術分野でよく知られている適切なゼロ交差検出器（zerocrossing detector）回路を含む。制御装置２０は、また、ソフトウェアでゼロ交差検出機能を実現することができる。

ここで図２を参照して、タイミング図は、３６０電気度の整流サイクルにわたって、モータ１２の各相の特定のＢＥＭＦパターンを示す。図示のように、６０電気度だけ離れた６つの別個の整流「状態（states）」があり、これらの状態は、相巻線の１つに方向性電流を生成するために、どの特定の対のトランジスタが通電されるかを表している。図示の例では、Ｑ１およびＱ２に結合された相巻線は、相Ａとして示され、Ｑ３およびＱ４に結合された相巻線は相Ｂとして示され、さらにＱ５およびＱ６に結合された相巻線は相Ｃとして示されている。

３０度で、トランジスタＱ１およびＱ６が通電され（状態１）、相Ａから相Ｃへの電流経路を生じさせる。Ｑ１およびＱ６の通電のタイミングは、中性点を横切る相Ｂの電圧の上昇遷移（グラフＢで示す）によって起動される。９０度で、相Ａの電圧は下方に向かって中性点を横切り、したがって、Ｑ３およびＱ６の通電（状態２）を起動し、相Ｂから相Ｃへの電流経路を生じさせる。それから、１５０度で、相Ｃの電圧は上方に向かって中性点を横切り、Ｑ３およびＱ２の通電（状態３）を起動し、相Ｂから相Ａへの電流経路を生成する。

２１０度で、相Ｂの電圧は下方に向かって中性点を横切り、したがって、Ｑ５およびＱ２の通電（状態４）を起動し、相Ｃから相Ａへの電流経路を生じさせる。次に、２７０度で、相Ａの電圧は上方に向かって中性点を横切り、Ｑ５およびＱ４の通電（状態５）を起動し、相Ｃから相Ｂへの電流経路を生成する。最後に、３３０度で、相Ｃの電圧は下方に向かって中性点を横切り、Ｑ１およびＱ４の通電（状態６）を起動し、相Ａから相Ｂへの電流経路を生成する。

先に述べたように、図１および２で実証されたセンサのない制御の型に関連した１つの重要な不利点は、モータで生成されるＢＥＭＦがモータのＢＥＭＦ定数およびモータの速度に依存していることから生じている。例として、モータ１２が１００ボルト／１０００ｒｐｍのＢＥＭＦ定数を有すると想定し、さらに、モータ速度が３００ｒｐｍに加速される時間までにモータ１２の閉ループ制御を実施できるのが望ましいと想定する。そのとき、その速度で、相巻線内に生成されるピークＢＥＭＦ電圧は約３０ボルトである。電圧分圧器２２による減衰の後で、３００ｒｐｍのモータ速度のとき制御装置２０が見る実際のピークＢＥＭＦ電圧は、おおよそ２３０ミリボルトである。

さらに、制御装置２０は、例えば、１０ビット（すなわち、１０２４の離散電圧レベル）のアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）分解能を有すると仮定すると、３．３ボルト・フル・スケールの読取値に対する量子化係数は、１離散電圧レベル当たり３．２２２ミリボルトということになる。したがって、ピークＢＥＭＦ電圧がたった２３０ミリボルトの場合、可能な１０２４レベルのうちの２３０／３．２２２＝７２離散電圧レベルだけが、ＢＥＭＦしたがって中性電圧の検出で使用される。驚くことではないが、制御装置２０が比較的小振幅のＢＥＭＦ信号を受け取るとき正確な整流の瞬間を計算することは、まったく問題のあることである。結果として、検出されたＢＥＭＦ電圧の振幅が、整流の瞬間を計算する際、制御装置によって確実に使用されるほど十分大きくなるように十分な速度にモータが加速されるまで、従来のシステムは、開ループ制御に依拠していた。

したがって、本発明の好ましい実施例に従って、センサのないブラシレス直流モータの改良された閉ループ制御の方法およびシステムが開示される。簡単に述べると、自動利得制御（ＡＧＣ）を使用して、中性電圧の計算において、検出されたＢＥＭＦ電圧の大きさを正規化し、それによって、ゼロ電圧交差検出器回路の信号完全性の改良を実現する。結果として、モータがより低速度で動作しているより早い時間に、信頼性の高い閉ループ制御を始動させることができる。

ここで図３を参照すると、図１のセンサのないブラシレス直流モータ１２の改良された制御回路１００の概略図が示される。説明を容易にするために、図１と同様な要素は、図３で同じ参照数字でラベル表示されている。図示のように、モータ１２からの減衰されたＢＥＭＦ相電圧信号２４の各々は、対応する自動利得制御（ＡＧＣ）回路１０２に結合される。当業者は認めることであろうが、利得制御回路は、出力が事前定義の振幅要求を満たすように入力信号に対して常に変化する利得を利用するものである。例えば、テレビジョンは、信号の振幅に無関係に画像の色および輝度が維持されることを保証するために、ＡＧＣを使用している。

より具体的には、ＡＧＣ回路１０２の各々は、第１の入力として対応する相の減衰されたＢＥＭＦ相電圧信号２４を有し、さらに第２の入力として利得制御信号１０４を有する。利得制御信号１０４の値は、制御装置２０にも直接入力される減衰されたＢＥＭＦ電圧信号２４の振幅に依存している。再び、減衰されたＢＥＭＦ電圧信号２４の振幅は、モータ１２の速度に依存している。このようにして、制御装置２０が見るＢＥＭＦが一定レベルに調整されるように、利得補正出力ＢＥＭＦ信号１０６の利得は動的に制御される。したがって、制御装置２０で出力される利得制御信号１０４がＡＧＣ回路１０２の入力として帰還されるという点で、ＡＧＣ回路１０２は、利得制御の閉ループ形を実現する。

同じ利得が３つの相線すべてに同時に用いられるので、中性電圧（３つの相電圧の和を３で割ったもの）の計算は、影響を受けないままである。ＢＥＭＦ値の正規化は事前定義された値の任意の数に調整されるかもしれないが、必要などんな利得も中性電圧を直流バス１６の電圧の約半分に調整せざるを得ないように、ＡＧＣ回路をプログラムするのが好ましい。

このように構成して、自動利得制御を有する制御回路１００は、より小さなモータ速度での中性相電圧を検出することができるようになる。というのは、モータ駆動装置の始動パラメータは、モータ速度／負荷への依存が遥かに小さいからである。調整された中性電圧レベルが強制的に事前定義レベルにされた状態で、制御装置２０の中のデータ収集システムは、使用可能な分解能すべてを使用することによって、最高精度を達成することができる。結果として、特定の負荷／モータ組合せに依存した各特定のモータ駆動装置の個別調整が少なくなって、より広い範囲のモータを起動することができる。その上、本明細書で説明した技術はＰＷＭ信号の復元に有効であるという点で、自動利得制御を有する制御回路１００は、特に、モータのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御に適している。しかし、本発明実施の原理は、直線的なシステムで制御されるモータにも応用可能である。

センサのないブラシレス直流モータ用の既存の制御回路を示す概略図である。 図１のモータのＢＥＭＦ波形および関連した整流状態を示すタイミング図である。 本発明の好ましい実施例に従った、センサのないブラシレス直流モータ用の改良された制御回路を示す概略図である。

Claims (6)

1. 複数の相巻線及び永久磁石回転子を有するブラシレス直流モータを制御する方法であって、
   前記相巻線の各々で生成される逆起電力（ＢＥＭＦ）を検出するステップと、
   前記相巻線毎に設けられ、それぞれが前記検出されたＢＥＭＦを第１入力とし、前記検出されたＢＥＭＦの振幅に依存する利得制御信号を第２入力とし前記第２入力の前記利得制御信号に基いて前記第１入力の前記ＢＥＭＦの大きさを調整した出力を生じる複数の自動利得制御回路により、前記検出されたＢＥＭＦ値の大きさを一定レベルに調整した利得補正ＢＥＭＦ信号を生成するステップと、
   前記利得補正ＢＥＭＦ信号を使用して前記ブラシレス直流モータの前記永久磁石回転子の位置を決定するステップとを含む、方法。
2. 前記相巻線と前記自動利得制御回路の間に電圧分割器が設けられている、請求項１に記載の方法。
3. 前記利得補正ＢＥＭＦ信号の大きさが前記ブラシレス直流モータの中性電圧を横切ったことを決定することにより、前記ブラシレス直流モータの前記永久磁石回転子の位置を決定し、
   更に、
   前記利得補正ＢＥＭＦ信号の大きさが前記ブラシレス直流モータの中性電圧を横切ったという前記決定に基づいて、制御信号を、前記複数の相巻線に電流を選択的に加えるインバータに加えるステップを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 複数の相巻線及び永久磁石回転子を有するブラシレス直流モータの制御回路であって、
   前記相巻線毎に設けられ、それぞれが前記相巻線に誘起される逆起電力（ＢＥＭＦ）を第１入力とし、前記検出されたＢＥＭＦの振幅に依存する利得制御信号を第２入力とし、前記第２入力の前記利得制御信号に基いて前記第１入力の前記ＢＥＭＦの大きさを調整した出力を生じることにより前記誘起されたＢＥＭＦの大きさを一定レベルに調整した利得補正ＢＥＭＦ信号を生じる複数の自動利得制御回路と、
   ゼロ交差検出回路を有し、前記ＢＥＭＦを受け取り該ＢＥＭＦの振幅に依存した前記利得制御信号を生じると共に、前記複数の自動利得制御回路からの前記利得補正ＢＥＭＦ信号を受け取り該利得補正ＢＥＭＦ信号の大きさが前記ブラシレス直流モータの中性電圧を横切ったという決定に基づく制御信号生じる制御装置と、
   前記制御装置からの前記制御信号に応答して、前記複数の相巻線に電流を選択的に加えるインバータとを備える、制御回路。
5. 前記相巻線と前記自動利得制御回路の第１入力との間に設けられた電圧分割器を備える、請求項４に記載の制御回路。
6. 前記中性電圧が、前記複数の相巻線の各々の電圧から計算される、請求項４に記載の制御回路。

Images