JP2017041992A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサレスブラシレスＤＣモータで迅速に起動できる制御装置を構成する。
【解決手段】３相のコイル３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの何れかの誘導起電力に基づいてロータＲの回転位置情報を取得する回転位置取得部１８を備え、ロータＲが非駆動状態にある状況において、回転位置取得部１８で取得した回転位置情報が、所定の基準回転位置を基準にしてロータＲが目標とする回転方向に回転していることを示す場合に、３相のコイル３Ｕ，３Ｖ，３Ｗに電力を順次供給して駆動回転制御に移行する駆動制御部１５を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスの３相コイルを駆動するモータ制御装置に関する。

上記のように構成されたモータ制御装置として、特許文献１には、停止状態のモータの起動性を向上させるため起動時には、３相のうち２相に通電することによりロータを所定位置に位置決めする技術が示されている。

また、この特許文献１では、起動に適さない回転位置にロータが停止する状況でも起動を可能にするため、起動指令を受けた場合に特定の２相に通電して位置決め制御を行い、この位置決め制御が完了した後にセンサレス制御に移行する制御形態が示されている。

特開２０１４‐２１７１１８号公報

ブラシレスＤＣモータでは、複数のスロットを有し、ロータにはスロット数と異なる数となる複数の磁極が形成されるため、停止状態では、ロータとスロットとの間で作用する磁力からロータは複数の停止位置のうちの何れかの位置に保持される。

複数の停止位置のうち、ロータが起動に適さない位置にある場合には、特許文献１にも示されるように、特定の２相に位置決め通電することで、起動に適した回転位置に移行させる制御も行われている。しかしながら、ロータの慣性が大きいものでは、位置決め通電の後にロータが慣性により回転軸芯を中心に揺動し、この揺動が減衰し難く、センサレス制御への移行に時間が掛かることもあった。

このような不都合を抑制するため、特許文献１では、位置決め通電の後には、非通電の相の誘起電圧の時間変化率を演算することで揺動方向を把握し、この揺動を抑制する相に通電を行うことにより、揺動を減衰させ、この減衰の後にセンサレス制御に移行する制御が行われるものであった。

しかしながら、ロータの揺動を減衰するために３相コイルの何れかを選択して通電する制御を行うものでは、揺動を積極的に減衰させるため、センサレス制御に移行するまでに所定の時間を要することになり改善の余地があった。

即ち、このようにセンサレスブラシレスＤＣモータでは、迅速に起動できる制御装置が求められる。

本発明の特徴は、ブラシレスモータにおいてロータが回転軸芯を中心にして揺動する際に、３相のコイルの何れかの誘導起電力に基づいてロータの回転方向の回転位置情報を取得する回転位置取得部を備え、
前記コイルに電力が供給されない状態で、前記回転位置取得部で取得した回転位置情報が、所定の基準回転位置を基準にして前記ロータが目標とする回転方向に回転することを判定した場合に、目標とする回転方向に回転力を作用させるコイルに電力を供給して駆動回転制御に移行させる駆動制御部を備えている点にある。

この構成によると、例えば、コイルに電力が供給されない状態で、ロータが回転軸芯を中心に揺動した場合には、コイルの誘導起電力に基づいて回転位置取得部がロータの回転位置情報を取得する。この回転位置情報が、ロータが目標とする回転方向に回転することを示す場合には、駆動制御部が３相のコイルのうち、目標とする方向に回転力を作用させるコイルに電力を供給することで駆動回転制御に移行させることが可能となる。
つまり、揺動によりロータが基準回転位置を基準にして目標とする回転方向に対応する回転位置にある場合には、ロータの位置エネルギーが大きい。また、揺動によりロータが目標とする回転方向と逆側の領域から目標とする回転方向の領域に変位するタイミングでは、ロータの運動エネルギーが最も大きい。つまり、本発明では、このロータの位置エネルギーと運動エネルギーとの少なくとも一方を利用するため、速やかにロータの駆動回転制御に移行することが可能となる。
従って、ロータの揺動の減衰を待つことなく揺動に伴うロータの回転力を利用して迅速に起動できるセンサレスブラシレスＤＣモータの制御装置が構成された。

そのための構成として、前記ロータが停止する状況で、３相の前記コイルの３つの端子のうち、２つの端子間に設定時間だけ通電を行う初期通電制御部を備え、
前記回転位置取得部が、前記初期通電制御部による通電の後に前記コイルの誘導起電力に基づき、前記ロータの回転位置が、前記基準回転位置を基準として目標となる回転方向側となる正転側領域と、目標と逆となる回転方向側の逆転側領域との何れに属するかを取得可能に構成され、
前記駆動制御部は、前記回転位置情報のうち、前記ロータの回転位置が前記正転側領域にあるタイミングで前記駆動回転制御に移行させても良い。

これによると、停止状態のモータを起動する場合には、最初に初期通電制御部が２つの端子間に設定時間だけ通電を行う。この通電により、ロータは回転軸芯を中心に揺動し、この揺動時にはコイルの誘導起電力に基づいて回転位置取得部が回転位置情報を取得できる。また、回転位置情報にはロータが正転側領域と逆転側領域との何れの領域にあるかの情報が含まれるため、ロータが正転側領域に属するタイミングで駆動制御部が駆動回転制御に移行させ、ロータの位置エネルギーを利用する形態でロータの正転方向への起動が実現する。

そのための構成として、前記ロータが停止する状況で、３相の前記コイルの３つの端子のうち、２つの端子間に設定時間だけ通電を行う初期通電制御部を備え、
前記回転位置取得部が、前記初期通電制御部による通電の後に前記コイルの誘導起電力に基づき、前記ロータの回転位置が、前記基準回転位置を基準として目標となる回転方向側となる正転側領域と、目標と逆となる回転方向側の逆転側領域との何れに属するかを取得可能に構成され、
前記駆動制御部は、前記回転位置情報のうち、前記ロータの回転位置が前記逆転側領域から前記正転側領域に移行する時に前記駆動回転制御に移行させても良い。

これによると、停止状態のモータを起動する場合には、最初に初期通電制御部が２つの端子間に設定時間だけ通電を行う。この通電により、ロータは回転軸芯を中心に揺動を開始し、この揺動時にはコイルの誘導起電力に基づいて回転位置取得部が回転位置情報を取得できる。また、回転位置情報にはロータが正転側領域と逆転側領域との何れの領域にあるかの情報が含まれるため、ロータの回転位置が逆転側領域から正転側領域に移行するタイミングで駆動制御部が駆動回転制御に移行することでロータの運動エネルギーを利用する形態でロータの起動が実現する。

モータ制御装置のブロック回路図である。 ヨークとロータとを模式的に示す図である。 ロータの揺動をグラフ化した図である。 起動ルーチンのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１、図２に示すように、ステータＳの内部に回転軸芯Ｙを中心に回転自在にロータＲを収容してセンサレスブラシレスＤＣモータが構成されている。ステータＳは、リング状のヨーク１から回転軸芯Ｙに向けて突出する６つのスロット２を有すると共に、各々のスロット２にコイル３（３Ｕ・３Ｖ・３Ｗの上位概念）が巻回される。ロータＲは、４つの永久磁石６を備えることにより４つの磁極が形成されると共に、シャフト５と一体回転する。

このセンサレスブラシレスＤＣモータ（以下モータと称する）は、４極６スロット型であり、３相モータと同様に機能する構成を有している。このモータは内燃機関を備えた車両において冷却水を循環させるために使用され、シャフト５にウォータポンプのインペラ８が連結されている。また、コイル３にはモータ制御装置１０から電力が供給される。尚、このモータはウォータポンプ以外の機器の駆動に用いられるものであっても良い。

６つのスロット２に巻回されるコイル３は、Ｕ相とＶ相とＷ相とに対応するものであり、これ対応して各々にコイル３Ｕ、コイル３Ｖ、コイル３Ｗとの符号を付しており、これらはＹ結線されている。

〔モータ制御装置〕
モータ制御装置１０は、電源Ｂからの電力を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各々に対応するコイル３Ｕ、コイル３Ｖ、コイル３Ｗに供給するためトランジスタ等の半導体で成る複数の電力制御素子１１を備えている。

更に、モータ制御装置１０は、駆動回路１２と、初期通電制御部１３と、起動制御部１４と、駆動制御部１５と、回転取得回路１６と、回転速度取得部１７と、回転位置取得部１８とを備えている。

駆動回路１２は、電力制御素子１１を制御する信号のデューティ比を設定するための論理ゲートや半導体素子等を有し、複数の電力制御素子１１を駆動するための駆動信号を出力する。初期通電制御部１３は、ロータＲの回転が停止する状況でモータを起動する場合に駆動回路１２を制御して予め設定されたコイル３に対して設定時間だけ通電を行う。起動制御部１４は、初期通電制御部１３で通電が行われた後の所定のタイミングで駆動制御部１５を介してロータＲの駆動回転制御を行う。

駆動制御部１５は、強制転流制御とセンサレス制御との２つの制御モードのうちの何れかの一方の制御モードでロータＲの駆動回転制御を実現するように駆動回路１２を制御する。また、強制転流制御では、設定された周期で、設定されたデューティ比で駆動回路１２を制御してコイル３Ｕ、コイル３Ｖ、コイル３Ｗに通電する。センサレス制御では、回転速度取得部１７からの情報に基づいて設定された周期と、設定されたデューティ比とで駆動回路１２を制御して、コイル３Ｕ、コイル３Ｖ、コイル３Ｗに通電する。

回転取得回路１６は、コンパレータやＡ／Ｄ変換回路等を有し、ロータＲが揺動時や回転時にコイル３に発生する誘導起電力に基づいてロータＲの回転情報を取得する。回転速度取得部１７は、回転取得回路１６で取得した回転情報からロータＲが回転する際の回転速度情報を取得する。回転位置取得部１８は、回転取得回路１６で取得した回転情報からロータＲが回転軸芯Ｙを中心揺動する際の回転位置情報を取得する。

モータ制御装置１０は、車両に備えられＥＣＵとして機能するエンジン制御部２１からの制御信号によりモータの起動と停止とを実現する。モータ制御装置１０を構成する複数の電力制御素子１１と、駆動回路１２と、初期通電制御部１３と、起動制御部１４と、駆動制御部１５と、回転取得回路１６と、回転速度取得部１７と、回転位置取得部１８とは単一のユニットとして構成されるものである。

また、初期通電制御部１３と、起動制御部１４と、駆動制御部１５と、回転速度取得部１７と、回転位置取得部１８とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を有する回路基板で成るハードウエアの一部と、ＣＰＵ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ等を制御するソフトウエアとの組み合わせにより構成されている。

このモータでは、積層した電磁鋼板等の強磁性体によりヨーク１とスロット２とが一体的に形成され、ロータＲに４つの磁極が形成されるため、回転停止時には磁極とスロット２との間で作用する磁気的な吸引力により、ロータＲが複数の停止位置のうちの何れかの回転位置で停止する。尚、このような所定の停止位置でロータＲの回転を拘束する力がコギングトルクとして作用する。

モータが４極６スロット型であるため、ロータＲは、６種の回転位置の何れかで停止するものであるが、停止状態のロータＲの回転位置が起動に不適当な回転位置にある場合には、所定の周期でＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル３に順次通電を行う強制転流制御を行うだけでは、センサレス制御に移行できないこともある。

尚、このような理由から特許文献１（特開２０１４‐２１７１１８号公報）には、所定のコイル３に通電することによりロータＲを起動に適した回転位置まで回転させることも考えられているが、ロータＲの慣性が大きいものでは、シャフト５を中心にしたロータＲの揺動を抑制する制御を必要とし、起動までに余分の時間を要していた。

〔制御形態〕
このモータ制御装置１０では、ロータＲが停止する状況において、２つの端子間に所定の時間だけ通電することによりロータＲを、回転軸芯Ｙを中心に揺動させ、このロータＲの揺動時の慣性を利用して迅速な起動を実現しており、その制御を図４のフローチャートに従って説明する。

つまり、モータ制御装置１０がエンジン制御部２１からモータの起動を要求する起動情報を取得した場合には、初期通電制御部１３が駆動回路１２を制御することで３相のコイル３の３つの端子のうち、予め設定された２つの端子の間に設定時間だけ通電する初期通電制御を行う（＃０１，＃０２ステップ）。

例えば、図２に示す回転位置をロータＲの回転の停止位置として想定した場合、強制転流制御において図２に矢印で示す正転方向（目標とする回転方向の具体例）にロータＲの回転を開始するためにＵ相とＶ相とに通電を行うものでは、初期通電制御によりロータＲが図２に示す回転位置より更に回転させることが必要となる。この回転位置に移行する手段としては何れかの相に対する通電でも可能と考えられるが、Ｕ相とＶ相とに通電するものとして以下に説明する。

具体構成として、前述した理想となる回転位置では、コイル３Ｕからコイル３Ｖに通電した場合に、コイル３Ｕが巻回するスロット２からロータＲの磁極に吸引力を作用させ、コイル３Ｖが巻回するスロット２からロータＲの磁極に反発力（斥力）を作用させ、その結果、図２に示す回転位置から更に正転方向に回転するように構成されている。

また、初期通電制御では、通電が比較的短い時間だけ行われるものであるため、通電後ロータＲには元の停止位置に復元する力が作用し、結果としてロータＲは、正転方向と逆転方向とに交互に揺動する。尚、この揺動は時間経過と共に減衰する。

ロータＲが回転軸芯Ｙを中心に揺動を開始した場合には、ロータＲの磁極からコイル３に作用する磁束密度が変化するためコイル３に誘導起電力を生ずる。回転取得回路１６は、ロータの初期の揺動時に所定のコイル３に誘起される起電力を取得する。そして、回転位置取得部１８がロータＲの揺動方向、振幅、揺動方向の切り換わりのタイミングＴ等のロータの揺動情報を取得する演算を行い、演算結果を図３のグラフとなるデータ（回転位置情報の一例）として出力する（＃０３ステップ）。

図３のグラフでは、基準軸Ｘ（基準回転位置を表す一例）は初期通電制御を行う以前のロータＲの回転姿勢に対応し、最初の通電に伴いロータＲが正転方向（同図で基準軸Ｘより上側）へ揺動し、この通電の後に逆転方向（同図で基準軸Ｘより下側）に揺動する様子を時間軸に沿って表している。正転方向の領域を正転側領域Ｐ（基準軸Ｘより上側）と称し、逆転方向の領域を逆転側領域Ｑ（基準軸Ｘより下側）と称する。

また、ロータＲの揺動の周期は、ロータＲの固有の値を取るため、回転位置取得部１８は、最初の揺動から、正転方向と逆転方向との切り替わりのタイミングは比較的正確に把握できる。また、回転位置情報は、所定タイミングを基準にした時間軸方向で経過時間を設定することにより、ロータＲが正転側領域Ｐと逆転側領域Ｑとの何れに存在するかを演算によって取得可能なデータ構造を有している。

尚、ロータＲが正転側領域Ｐにある状態において、最も大きく揺動した位置にある場合（基準軸Ｘから最も離れている場合）にはロータＲの正転方向への位置エネルギーが最も大きい。

ここで、コイル３に生ずる誘導起電力を考えると、ロータＲの回転速度が高速であるほど電圧値が高く、回転方向の切り替わり（例えば、正転から逆転への変化）のようにロータＲの回転速度が低下した場合には電圧値が低くなる。このような理由から、ロータＲが揺動する場合にコイル３に生ずる起電力の電圧変化のパターンと、図３に示すロータＲの揺動パターンとは異なるものである。

次に、起動制御部１４は、回転位置取得部１８からの回転位置情報に基づき、ロータＲの回転位置（回転姿勢）が正転側領域Ｐにあるタイミングで、かつ、正転側領域Ｐのうち基準軸Ｘから最も離間するタイミングを起動タイミングに設定する演算を行う。そして、ロータＲの回転位置が、起動タイミングに達した時点で起動制御部１４が駆動制御部１５を制御することで駆動回転制御が開始される（＃０４〜＃０６ステップ）。

駆動回転制御の初期には強制転流制御が行われる。この強制転流制御では、初期に所定の周期で対象となるコイル３を切り換える通電が行われる。この後に、回転速度取得部１７で取得される回転速度情報から、非通電のコイル３に誘起される逆起電力の電圧がゼロクロスに達する（０ボルトに達する）タイミングに基づいてロータＲの回転速度と回転位相とを取得する。

駆動回転制御では、強制転流制御時に取得された情報に基づいてセンサレス制御へ移行するようにシーケンスが設定されている。このセンサレス制御では、回転速度取得部１７で取得される回転速度情報に基づいて駆動制御部１５が駆動回路１２を制御して必要とするタイミングで、必要とする電力がコイル３に供給される。

このように、実施形態の構成では、エンジン制御部２１からの情報に基づいてモータを起動する場合には、初期通電制御部１３の制御により所定のコイル３に通電することにより回転軸芯Ｙを中心にしてロータＲを揺動させる。この後に、このロータＲが正転側領域Ｐにあり、かつ、基準軸Ｘから最も離間するタイミングにある場合に、起動制御部１４の制御によりコイル３Ｕからコイル３Ｖに通電して強制転流制御による回転が開始される。

この強制転流制御が開始されるタイミングでは、ロータＲの位置エネルギーが最も大きいため、つまり、先の通電に用いられた電力のエネルギーを利用して強制転流制御を開始できることになる。これにより、コイル３に対してコイル３に対する通電時間を長くすることや、コイル３に対して大電流を供給する制御を行うことなく、ロータＲに強い磁力を作用させて強力な正転方向への回転力を得ることになる。

更に、強制転流制御によりロータＲの回転が回転する場合には、回転速度取得部１７が取得する回転速度情報からロータＲの回転状況を把握し（具体的にはゼロクロスのタイミングを取得し）、この回転が適正である場合には、センサレス制御に移行し、結果として、モータの迅速な起動を実現するのである。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、前記実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）ロータＲを起動する場合に、所定のコイル３に対して設定時間だけ通電した後に、図３に示すように、ロータＲの回転位置が、逆転側領域Ｑから正転側領域Ｐへ切り替わるタイミングＴに達した時点で強制転流制御を開始するように制御形態を設定する。

このタイミングＴは、ロータＲの正転方向への運動エネルギーが最大である。つまり、先の通電に用いられた電力のエネルギーを利用して（ロータＲの慣性を利用して）強制転流制御を行うことにより、ロータＲを確実に正転方向に回転させる状態での起動を実現するのである。

（ｂ）ロータＲを起動する場合に、所定のコイル３に対して設定時間だけ通電した後には、図３に示すタイミングＴより後で、ロータＲが正転方向に最も大きく揺動するまでの領域において強制転流制御を開始する、又は、図３に示すタイミングＴより前で、ロータＲがコギングトルクにより正転方向に回転を開始する領域において強制転流を開始するように制御形態を設定する。

このように強制転流の開始のタイミングを設定することにより、ロータＲの慣性と位置エネルギーとの双方を利用することや、コギングトルクの作用を利用して起動を実現できる。尚、回転方向が逆転側領域Ｑに属し、ロータＲが逆転側に最も大きく揺動する揺動端に達するまでの領域は起動に適さないと考えられる。

（ｃ）強制転流制御の実行時間を、強制転流制御によるロータＲの回転周期と、非通電状態のコイル３の逆起電力に基づくロータＲの回転周期とが近似する場合、あるいは、一致する場合にセンサレス制御に移行するように切り替わりのタイミングを設定する。このように強制転流制御のモードからセンサレス制御のモードへの切り替わりのタイミングを設定することにより円滑な切り替わりを実現する。

（ｄ）ブラシレスモータのコイル３がデルタ結線に構成されたものでも良い。このように構成されたものでも、３つの端子のうちの２つの端子に通電することでロータＲの揺動を実現する。

本発明は、ブラシレスの３相コイルを駆動するモータ制御装置に利用できる。

３ コイル
１３ 初期通電制御部
１５ 駆動制御部
１８ 回転位置取得部
Ｐ 正転側領域
Ｑ 逆転側領域
Ｒ ロータ
Ｔ タイミング
Ｘ 基準回転位置（基準軸）
Ｙ 回転軸芯

Claims (3)

1. ブラシレスモータにおいてロータが回転軸芯を中心にして揺動する際に、３相のコイルの何れかの誘導起電力に基づいてロータの回転方向の回転位置情報を取得する回転位置取得部を備え、
   前記コイルに電力が供給されない状態で、前記回転位置取得部で取得した回転位置情報が、所定の基準回転位置を基準にして前記ロータが目標とする回転方向に回転することを判定した場合に、目標とする回転方向に回転力を作用させるコイルに電力を供給して駆動回転制御に移行させる駆動制御部を備えているモータ制御装置。
2. 前記ロータが停止する状況で、３相の前記コイルの３つの端子のうち、２つの端子間に設定時間だけ通電を行う初期通電制御部を備え、
   前記回転位置取得部が、前記初期通電制御部による通電の後に前記コイルの誘導起電力に基づき、前記ロータの回転位置が、前記基準回転位置を基準として目標となる回転方向側となる正転側領域と、目標と逆となる回転方向側の逆転側領域との何れに属するかを取得可能に構成され、
   前記駆動制御部は、前記回転位置情報のうち、前記ロータの回転位置が前記正転側領域にあるタイミングで前記駆動回転制御に移行させる請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記ロータが停止する状況で、３相の前記コイルの３つの端子のうち、２つの端子間に設定時間だけ通電を行う初期通電制御部を備え、
   前記回転位置取得部が、前記初期通電制御部による通電の後に前記コイルの誘導起電力に基づき、前記ロータの回転位置が、前記基準回転位置を基準として目標となる回転方向側となる正転側領域と、目標と逆となる回転方向側の逆転側領域との何れに属するかを取得可能に構成され、
   前記駆動制御部は、前記回転位置情報のうち、前記ロータの回転位置が前記逆転側領域から前記正転側領域に移行する時に前記駆動回転制御に移行させる請求項１に記載のモータ制御装置。

Images