JP2011024401A

JP2011024401A - ブラシレスモータの始動方法と駆動方法及びその駆動装置

Info

Publication number: JP2011024401A
Application number: JP2009183843A
Authority: JP
Inventors: Takeji Tokumaru; 武治得丸; Tsuneji Tsukuni; 恒二津国; Taaki Ichise; 多章市瀬
Original assignee: BIKE CORP E; E-BIKE CORP
Current assignee: BIKE CORP E; E-BIKE CORP
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】負荷変動に応じて高い起動トルクと加速性能の安定した始動を実現するとともに、始動後にあって急加速・急減速で高い追従性を持ち、どんな場合にも脱調のない制御を実現する。
【解決手段】ロータの回転に従ってステータ巻線に誘起する逆起電圧を、転流タイミングを与える位置における逆起電圧を検出して転流タイミングを判定し制御する。転流タイミングは逆起電圧がプラスに変化する位相とマイナスに変化する位相で検出し、そのタイミングをそのまま転流タイミングとする。始動後の加速状態で且つ逆起電圧の振幅の大きな位置で測定できるので、始動時でも大きな逆起電圧の状態で測定することが可能になり、電圧測定して転流する制御で、様々な負荷条件に対応した柔軟な始動を実現できる。始動後の急加速急減速の脱調も防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータの始動方法および駆動方法に関し、特にセンサレスで始動・駆動する方法で、ステータの転流タイミングを最適に制御できるようにしたブラシレスモータの始動、駆動方法とその装置に関する。

従来、この種のセンサレス駆動法は、例えば特許２７２２７５０号に記述されるように、運転中のモータのステータ巻き線に生ずる逆起電圧からゼロクロス点と呼ばれるステータ巻き線上をロータの磁極が変化する位置を測定しておこなう。ゼロクロス点はロータの速度に依存しない不動の位置であることからこの位置を測定し、さらにこの位置からロータが電気角で３０度相当回転した最適の転流タイミングの位置をロータ回転速度から推定して転流する方法が取られている。また、始動時においては、同期モータあるいはステッピングモータとして、予め設定した周波数と電圧で強制転流し、逆起電圧が十分発生する回転領域まで負荷とバランスを保ちながら徐々に加速する方法が一般に用いられる。

特許２７２２７５０号

始動初期には逆起電力が小さくまた不安定なため予めプログラムした強制転流を行うので、負荷条件が始動時に変化する応用では柔軟に対応することが出来なかった。また始動後も、ロータの急加速や急減速などで電気角が急激に変化する場合には、回転速度の測定による電気角３０°に相当するタイミングの推定誤差が大きくなって最悪の場合は脱調に至るといった課題があった。たとえば電動車両の駆動用モータでは、平地・上り坂・くだり坂発進や荷物荷重などの様々な負荷条件で安定した始動が必須であり、始動後も危険回避のための急加速・急減速性能が必要である。また安全性を損なう脱調のリスクがあってはならない。このように電動車両への応用は最も困難な領域である。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、第一の目的は負荷変動に応じて高い起動トルクと加速性能の安定した始動を実現すること、第二の目的は始動後にあって急加速・急減速で高い追従性を持ち、どんな場合にも脱調のない制御を実現することにある。

本発明の請求項１は、ロータの回転に従ってステータ巻き線に誘起する逆起電圧を、直接転流タイミングを与える位置で測定して転流制御することを特徴とする。転流タイミングはロータ磁極がＳ磁極からＮ磁極に変化する場合と、Ｎ磁極からＳ磁極に変化する方向の二つがあり、ロータの回転方向に従って交互に発生する。この二つをそれぞれ逆起電圧がプラスに変化する位相をＰ位相とし、マイナスに変化する位相をＮ位相とし、それぞれの転流判定電圧をＰ位相転流判定電圧、Ｎ位相転流反転電圧として、ロータの回転に従って誘起する逆起電圧を測定して、逆起電圧がＰ位相転流判定電圧以上、或いはＮ位相転流判定電圧以下になったところで転流する。

これを図１に示すが、従来のようにゼロクロス点を測定して推定するのでなく転流タイミング位置を直接検出するので、ゼロクロス点検出の場合のように転流タイミングまでの遅れ時間を推定する必要が無く、脱調の危険の殆どない確実な転流を実現できる。また、逆起電圧の大きな振幅の位置で測定できるので、逆起電圧の小さな速度領域で特に有効な制御が可能になる。

請求項２は、上記に述べた逆起電圧の大きな位置で転流タイミングを測定することで可能になった手段で、始動の最初の駆動から逆起電圧を参照して転流制御することを特徴とする始動方法である。一般に最適の転流タイミングはゼロクロス点の位置から電気角で約３０°の位置にあって逆起電圧の最大振幅の約５０％の値のところにある。さらに後述するように、駆動電流から得られる発生トルクの不連続を許容すれば、転流タイミングを測定するための逆起電圧は振幅の最大値近傍まで許容できる。従って、始動時にあっても十分大きな逆起電圧で転流タイミングを検出することが可能になる。
転流判定電圧は、始動の駆動力で誘起する逆起電圧より小さな値でなければならないが、この条件は検出するのに十分な大きさの起電圧を発生する初期駆動電力を与えることでもあって、それぞれの応用に適する範囲で大きな初期駆動力を与えた上で、負荷変動を考慮して実験的に転流判定電圧の最適値を決定する。

本発明の請求項３は、ロータの回転速度に従って転流判定電圧を決定して実施する方法で、更に最適の転流タイミングの転流を実現する。逆起電圧は電気角とロータ回転速度の関数であり、更にモータの構造ごとに異なる。最も簡単には、それぞれのモータで定義される逆起電圧定数から電気角３０°の位置の転流タイミングの逆起電圧の値を算出して転流判定電圧とする。実際にはモータの構造と通電制御回路の動作遅延などに影響されるので、何点かの代表速度を選んで転流タイミングでの逆起電圧を実測して内挿して求めるか、それぞれの速度範囲ではその代表値を測定して設定する方法がよい。速度が頻繁に変化する応用では後者の手段が実質的である。この駆動方法の駆動装置が請求項６であり、この詳細は後述の実施例で示す。

本発明の理解を容易にするため基本的なモータの動作について説明する。図２は一般的なブラシレスモータの駆動回路の構成で、ステータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相にインバータ回路を介して電流を与える。各相の端子電圧から逆起電圧を参照して位置検出回路でロータのゼロクロス点を検出すると共に、速度計数回路でロータの回転速度を計数して転流タイミングを決定する。図３にこの転流タイミングと通電ステップを示し、横軸はロータの回転を電気角で表わす。各相に対する通電は（ニ）に示すようにＵ相→Ｖ相、Ｕ相→Ｗ相，Ｖ相→Ｗ相の順序に▲１▼から▲６▼のステップを繰り返す。各相に誘起する逆起電圧は、ロータの磁極が切り替わる位置とステータのＵ相巻き線との相対位置を電気角θとするとＵ相に発生する逆起電圧の成分は（ホ）に示すように下式で近似できる。
Ｅｕ ∝ 回転速度×ＳＩＮθ
Ｖ相、Ｗ相についても同様でそれぞれ１２０°位相が異なる。θ＝０はＵ相巻き線上をロータの磁極が切り替わる位置で、逆起電圧はここでゼロ電位をクロスするので、ゼロクロス点と呼ばれる。

通電による発生トルクは、例えばＵ相→Ｖ相の通電では下記で示せる。
Ｔｕｖ ∝ 通電電流×ＣＯＳ（θ−６０°）
トルクが最大となるθ＝６０°の前後３０°の位置で転流させれば最大効率の駆動が得られる。即ち、電気角３０°が理想の転流タイミング点である。このようにして理想的な転流制御が行われた場合に図３の（ト）に示すように最大効率のトルク線が得られる。実際には、図３の（ヘ）に示すように、各相の端子電圧は、例えば転流ステップ▲６▼ではＷ→Ｖ相が通電されＵ相は通電電流が無いので、Ｖｄ／２を中心にして（ホ）の逆起電圧が重畳する。この電圧がＶｄ／２をクロスする位置を検出してゼロクロス点とする。この位置を基準にしてロータ回転速度から電気角の進み角３０度を推定して転流し転流ステップ▲１▼が実行される。

以上はモータが定常回転しているときの制御であるが、始動時にはロータは速度ゼロから始動するのでゼロクロス点近傍の逆起電圧は非常に小さい。特にゼロクロス点を示すゼロ電位なのか速度が小さいために生じるゼロ電位なのかを区別できない。また、始動時にはゼロクロス点を過ぎた位置から始動することもある。更にゼロクロス点が検出できたとしても、ロータの回転速度も不定なので電気角３０°相当のタイミングを推定することも困難である。これらの原因が従来の始動方法においてプログラム方式の強制転流に頼らざるを得なかった理由である。

一方、本発明はゼロクロス点の検出を行うことなく、ロータが停止位置から電気角で３０度相当以上移動して加速されて有意な逆起電力が発生した位置の逆起電圧を測定して転流タイミングを決定するので、上述の従来法にあった原因を一挙に解決する。始動初期の、停止から加速状態にある時の逆起電力の振る舞いは次のように説明できる。定常状態で回転の角速度をωとすると
逆起電力 ∝ ω×ＳＩＮωｔ ωｔ＝θ（電気角）
始動時の加速状態ではωが時間に比例するから、ω→ω_０ｔ、ωｔ→ω_０ｔ^２＝θとし、さらに、ロータの停止位置の電気角をθ_ｘとしてこの位置から始動すると
逆起電力 ∝ √（ω_０θ）×ＳＩＮ（θ＋θ_ｘ）と表せる。
ここで θ＋θ_ｘが小さい範囲、即ちサイン関数を一次直線で近似できる範囲では
逆起電力 ∝ √（ω_０θ）×（θ＋θ_ｘ）
＝√ω_０×（θ^１．５＋θ_ｘθ^０．５）と表せる。

図４はこの結果を図示したもので、ロータがゼロクロス点の前θ_ｘ１から始動する場合、逆起電圧はゼロからマイナスに振れてゼロクロスの位置を通るがこの間をマスクしてゼロクロス点を選択的に検出することはほとんど不可能である。θ_ｘ２から始動した場合には当然ゼロクロス点はなく検知できない。一方、どちらもゼロクロス点以降の逆起電力は、加速状態にあるため急峻で電気角の増加とともに１．５乗で増大する。この先の転流タイミングの電気角で３０°まで加速されて有意な逆起電圧が期待できることがわかる。
始動の位置が上記のゼロクロス近傍でなく更にずれた場合も、以下の図５で説明するように、更に大きな電気角まで転流タイミングとして許容できるので、始動の加速を待って有意に逆起電圧が増大した位置で転流タイミングを検出することが可能である。つまり、始動の通電から逆起電圧を確実に把握することが可能になり、始動から逆起電圧を利用した転流制御を可能にして、安定に制御された始動加速を実現している。

図５は逆起電圧と発生トルクの関係で、理想の転流タイミングからずれてＡ点で転流した場合を示す。このようなずれは始動前のロータ停止位置の測定が不十分な場合や、始動時のロータの回転速度の推定が適切でない場合、或いは始動後にあっても急加速や急減速した場合に典型的に起こる。ここで転流タイミングが何らかの原因でずれて理想転流点に対し電気角で３０°以上ずれてＡ点にきたとする。ここで転流して駆動相がＷ相→Ｖ相の通電からＵ相→Ｖ相移ってＷ相でゼロクロス点を検出しようとしても、Ａ点はすでにＷ相のゼロクロス点を過ぎてしまうので、従来法ではゼロクロス点を検出できず、転流タイミングを逃してＴ_ＵＶがそのまま継続されて負トルク、即ち脱調の現象に至る。一方、本発明ではゼロクロス点を過ぎて図示したようにマイナスに変化した状態を検知し、さらにマイナスに変化してマイナスのピーク位置の電気角９０°の近傍までずれても転流タイミングとして検出する。そしてこの間のＴ_ＵＶは順方向のトルクなので、脱調を起こすことなく順方向の転流の加速が継続される。即ち、何らかの原因で電気角の大きな変化があっても、逆起電圧が転流判定電圧を超える大きさを持つ限り、トルクの不連続は生じるものの脱調の危険を回避して順方向加速を保つことができる。これはまた、始動時のロータの初期位置の誤差を吸収するものであり、更に初期駆動力をあげることは逆起電圧をさらに上げて転流タイミング検出に有利な方向なので、十分な初期駆動を与えることを可能にする。始動後の運転状態において急加速、急減速があっても、転流判定電圧を超える逆起電圧が誘起している限り脱調のリスクは殆ど無く制御でき、安全性の要求される電動車両にも最適に応用できる。

本発明を電動バイクに適用した実施例を図６の機能ブロック図を用いて説明する。１は４８Ｖのバッテリでインバータ回路２を介してブラシレスモータ（以下モータという）３に電力を与える。モータ３はステータ巻線が５１極、ロータ磁極が４８極２４ポールペアで、ステータは車軸に固定され、ロータが車輪の一部になる直接駆動方式である。定格電圧４８Ｖ、定格電流２０Ａで最大回転速度は４００ＲＰＭ、逆起電圧係数は０．１Ｖ／ＲＰＭである。車輪直径は５０ｃｍで、車輪の一回転で約１．５ｍの移動に相当し、４００ＲＰＭで時速３６ｋｍである。５はインバータ回路のスイッチング素子のドライバ回路である。

６は、外部からの始動、加速、減速の運転指令信号８を受けて、モータの三相巻き線の端子電圧を抵抗分割した逆起電圧信号７と、シャント抵抗からなる電流検出器４の通電電流信号とを入力してインバータ回路２のスイッチング素子をオンオフ制御する通電制御回路である。通電制御回路６は動作周波数１６Ｍｈｚのモータコントロール回路内蔵の８ｂｉｔマイクロコンピュータで構成する。モータの駆動電圧は４８ボルトなので巻き線の端子電圧は１／１０に抵抗分割して逆起電圧信号８として通電制御回路６に入力する。従って転流タイミング検出時の逆起電圧信号は
Ｖ＝逆起電圧＋２．４Ｖ但しパルス幅変調信号がオンの時（１）
で２．４Ｖを中心に重畳している。

運転指令信号８は運転制御回路６ａに入力され、始動指令をロータ初期位置検出回路６ｂに送り、加減速指令をデューティ比指令信号に変換してパルス幅変調回路６ｅに送る。始動指令を与えられたロータ初期位置検出回路６ｂは通電相分配回路６ｃにモータに駆動トルクを生じない程度の短パルスを巻き線毎に通電する指令を与え、通電に同期して電流検出器４の通電電流信号を測定して、各巻き線の通電電流の大小からロータ位置を決定し始動通電相を決定する。この情報が始動通電開始指令となり、通電相分配回路６ｃに返されて、パルス幅変調回路６ｅ、ドライバ回路５、インバータ回路２を介してモータ３の通電を開始する。上記通電相分配回路６ｃは同時に通電相情報と通電タイミング信号を転流タイミング判定回路６ｄに与え、次の通電相への転流タイミングを検出する。

転流タイミング判定回路６ｄは、パルス幅変調回路６ｅからのパルス幅変調信号と通電相分配回路６ｃからの通電タイミングと通電相情報とを持つタイミング信号Ｔによって制御され、逆起電圧信号７を受けて転流タイミングを検出する相を選択する相選択回路６ｄ１と、選択された相の転流タイミング判断に使われる転流判定電圧を発生する転流判定電圧発生回路６ｄ３と、この両方の信号が入力されて転流タイミングを決定する比較回路６ｄ２で構成される。６ｄ４はタイミング信号Ｔを計測する速度計数回路である。６ｄ３の転流判定電圧発生回路は、６ｄ４の回転速度によって決まるＰ位相転流判定電圧と、Ｎ位相転流判定電圧をテーブルとしてもち、それぞれを切り替えて出力する。比較回路６ｄ２は前記式（１）に示した値を参照するので、パルス幅変調信号のオンのタイミング、即ちモータが通電されている状態に同期して転流タイミングを検出するようにする。
このようにして、転流タイミング判定回路６ｄが次の転流タイミングを検出すると、これが通電相分配回路６ｃに送られて次の転流相の通電が開始される。
下表は、本実施例で使った転流判定電圧のテーブルである。

図７はこの実施例の動作例で、始動時のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の端子電圧を実測したものである。▲１▼と▲２▼は人が乗車しない無負荷の始動時でそれぞれＰ位相から転流した場合、Ｎ位相から転流した場合の測定例である。始動の最初の約１０ｍｓの間に観測される短パルスは各相に電流を流して電流値の大小からロータ位置を検出した時のものである。▲１▼はＵ相→Ｗ相が選択され、▲２▼はＵ相→Ｖ相が選択されて始動の通電が始まっている。それぞれＶ相、Ｗ相に２４Ｖを仮想中点として逆起電圧が観測され、前者は逆起電圧が増大する位相で、後者は逆起電圧が減少する位相で転流タイミングが判定されて、次の転流ステップに移行している。始動通電は▲１▼が約１３ｍｓ▲２▼が約６ｍｓの間行われている。この違いは、両者の始動時のロータ停止位置が異なっていたためと考えられる。▲３▼は人が乗車した高負荷の始動の場合の測定例である。ロータ位置検出後、Ｗ相→Ｕ相を始動通電してＶ相で逆起電圧を観測して転流タイミングを検出している。この場合は高負荷の始動のため始動通電から最初の転流まで約４０ｍｓを要している。これらの例から明らかなように、最初の停止位置の違い、負荷の大きさの違いなどの始動時の外部変動要因は、転流タイミングに反映されて吸収され、様々な変動要因に対しても極めてスムーズな始動を実現できていることがわかる。

転流判定電圧と転流タイミングの説明図ブラシレスモータ駆動装置の動作説明図ブラシレスモータの駆動の信号波形説明図始動時の逆起電圧の振る舞いの説明図転流タイミングのずれの説明図本発明の実施例を示すブロック図実施例の動作波形の説明図

１．バッテリー
２．インバータ回路
３．ブラシレスＤＣモータ
４．電流検出回路
５．ドライバ回路
６．通電制御回路
６ａ．運転制御回路
６ｂ．ロータ初期位置検出回路
６ｃ．通電相分配回路
６ｄ．転流タイミング判定回路
６ｄ１．相選択回路
６ｄ２．比較回路
６ｄ３．転流判定電圧生成回路
６ｄ４．速度計数回路
６ｃ．パルス幅変調回路
７．逆起電圧信号
８．運転指令信号

Claims

直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路を介して接続されたブラシレスモータを、上記インバータ回路の通電制御により駆動せしめる方法において、上記通電制御は、ステータ巻き線に誘起する逆起電圧がゼロクロス点電位を越えて増加する方向のＰ位相転流判定電圧と、ゼロクロス点電位を越えて減少する方向のＮ位相転流判定電圧とを備え、ロータの回転で生ずる逆起電圧がＰ位相転流目標電圧以上に達した時点と、ロータの回転で生ずる逆起電圧がＮ位相転流判定電圧以下に達した時点を転流タイミングとして、上記複数のスイッチング素子を順次切り替え制御するようにしたことを特徴とするブラシレスモータの駆動方法。
ブラシレスモータの始動方法にあって、上記通電制御は、ロータの停止位置の測定から始動の通電相を決定するとともに、始動電力を通電して誘起する逆起電圧が上記Ｐ位相転流判定電圧以上に、あるいはＮ位相転流判定電圧以下に達した時点を検出して上記始動電力を転流することを特徴とする請求項１のブラシレスモータの始動方法。
上記通電制御は、あらかじめ、ロータのそれぞれの回転速度に対して、逆起電圧が増大する方向と減少する方向でロータがステータ巻き線に対して電気角で３０度相当の転流タイミング位置で生起する逆起電圧の値の、逆起電圧が増大する方向の値を速度依存のＰ位相転流判定電圧とし、逆起電圧が減少する方向の値を速度依存のＮ位相転流判定電圧とし、更にロータが停止もしくは低速度の逆起電圧検出限界以下のロータ速度における速度依存のＰ位相転流判定電圧と速度依存のＮ位相転流判定電圧を、それぞれ上記測定で有意に測定可能な最低速度で得られる値として、逆起電圧が上記速度依存のＰ位相転流目標電圧以上に達した時点、あるいは上記速度依存のＮ位相転流判定電圧以下に達した時点を転流タイミングとして、上記複数のスイッチング素子を順次切り替え制御するようにしたことを特徴とする請求項１と請求項２のブラシレスモータの駆動方法。
速度依存
上記通電制御は、上記速度依存のＰ位相転流判定電圧と速度依存のＮ位相転流反転電圧を任意の速度制御領域の平均の値とし、各速度制御領域ではその領域の速度依存のＰ位相転流判定電圧と速度依存のＮ位相反転電圧で転流タイミングを検出して判定することを特徴とする請求項３のブラシレスモータの駆動方法。
直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路と、これの出力端にステータ巻き線が接続されたブラシレスモータと、ステータ巻き線に接続されて巻き線に誘起する逆起電力を入力として上記インバータ回路の複数のスイッチング素子をオンオフ制御する通電制御回路とを具備したブラシレスモータ駆動装置において、上記駆動装置は、Ｐ位相転流判定電圧とＮ位相転流判定電圧を生成する転流判定電圧生成回路と、この出力端に接続されてＰ位相転流判定電圧とＮ位相転流判定電圧をロータの回転方向とステータ巻き線の通電方向とで決定される順序で転流タイミングに同期して切り換えて出力する転流判定電圧出力回路と、この出力端とステータ巻き線とに接続されて、ステータ巻き線に誘起する逆起電圧が上記Ｐ位相転流判定電圧以上あるいはＮ位相転流判定電圧以下に達したとき転流指令を送出する転流判定比較回路とを備え、上記転流指令によって上記複数のスイッチング素子を順次切り換えるように構成したことを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
上記通電制御回路は、転流タイミング信号を計数してロータの回転速度を測定する速度計数回路を備え、上記転流判定電圧生成回路は上記速度計数回路の出力に接続されて、ロータ回転速度から決まる上記速度依存のＰ位相転流判定電圧と上記速度依存のＮ位相転流判定電圧を出力する手段となして上記転流判定電圧出力回路に入力したことを特徴とする請求項５のブラシレスモータの駆動装置。