JP2019126113A - ブラシレスモータの制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】回転子の回転位置を検出するための複数の磁極センサのうち1つの磁極センサが故障した場合でも、安定的にブラシレスモータの制御を継続することが可能なブラシレスモータの制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】制御装置2は、回転子11及び固定子12と複数の磁極センサ131〜133とを備えたブラシレスモータ1を制御する制御装置2は、複数の磁極センサ131〜133の検出信号に基づいて回転子11の回転位置を複数段階で検出する回転位置検出手段41と、検出された回転位置に応じて複数の通電モードを順次切り替えて固定子12に回転磁界を発生させる通電モード切替手段42と、複数の磁極センサ131〜133のうち1つの磁極センサが故障して連続する2つの段階の回転位置の判別ができなくなったとき、当該2つの段階に対応するそれぞれの通電モードの間の磁界を固定子12に発生させる異常時制御手段43とを有する。【選択図】図1
Description
本発明は、三相のコイルを有するブラシレスモータの制御装置及び制御方法に関する。
従来、三相のコイルを有するブラシレスモータの制御装置には、回転子の回転位置を複数の磁極センサで検出し、検出された回転位置に応じて通電相を順次切り替えるものがある(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の制御装置は、3つの磁極センサ(ホールIC)の検出信号によって回転子の回転位置を検出し、検出した回転位置に応じて6つの通電パターンを順次切り替えてブラシレスモータのコイルに電流を供給する。また、3つの磁極センサのうち1つの磁極センサの故障が検出されたとき、他の2つの磁極センサの検出信号の間隔に基づいて故障した磁極センサの検出信号に相当する疑似信号を発生し、当該2つの磁極センサの検出信号及び疑似信号に基づいて6つの通電パターンを順次切り替える。これにより、異常発生時にもモータの制御を継続することができ、例えば自動機械等において異常が発生したときには、最終ステップまで動作させて通常の停止位置で機械を停止させることができるとされている。
特許文献1に記載の制御装置によれば、異常発生時に制御を継続して機械等を安全に停止させることができる可能性があるが、異常が発生していない2つの磁極センサの検出信号の間隔に基づいて疑似信号を発生させる制御の特性上、モータが1回転する間に回転速度が大きく変動するような場合には適切に疑似信号を発生させることができない。また、モータ停止後の再起動時には、通電パターンを適切に選択できず、再起動を行えないおそれもある。
そこで、本発明は、回転子の回転位置を検出するための複数の磁極センサのうち1つの磁極センサが故障した場合でも、安定的にブラシレスモータの制御を継続することが可能なブラシレスモータの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するため、複数の磁極を有する回転子と、三相のコイルを有する固定子と、前記回転子の回転角を検出するための複数の磁極センサと、を備えたブラシレスモータを制御するブラシレスモータの制御装置であって、前記三相の各相毎に一対のスイッチング素子を有するインバータ回路部と、前記複数の磁極センサの検出信号に基づいて前記回転子の回転位置を複数段階で検出する回転位置検出手段、及び前記検出された回転位置に応じて複数の通電モードを順次切り替えて前記固定子に回転磁界を発生させる通電モード切替手段を有する制御部とを備え、前記制御部は、前記複数の磁極センサのうち1つの磁極センサの検出信号が異常値となって前記複数段階のうち連続する2つの段階の回転位置の判別ができなくなったとき、当該2つの段階に対応するそれぞれの前記通電モードの磁界の間の磁界が前記固定子に発生するように前記インバータ回路部を動作させる異常時制御手段をさらに有する、ブラシレスモータの制御装置を提供する。
また、本発明は、上記の目的を達成するため、複数の磁極を有する回転子と、三相のコイルを有する固定子と、前記回転子の回転角を検出するための複数の磁極センサと、を備えたブラシレスモータの制御方法であって、前記複数の磁極センサの検出信号に基づいて前記回転子の回転位置を複数段階で検出し、前記検出された回転位置に応じて複数の通電モードを順次切り替えて前記回転子に回転磁界を発生させ、前記複数の磁極センサのうち1つの磁極センサの検出信号が異常値となって前記複数段階のうち連続する2つの段階の回転位置の判別ができなくなったとき、当該2つの段階に対応するそれぞれの前記通電モードの磁界の間の磁界を前記固定子に発生させる、ブラシレスモータの制御方法を提供する。
本発明によれば、回転子の回転位置を検出するための複数の磁極センサのうち1つの磁極センサが故障した場合でも、安定的にブラシレスモータの制御を継続することが可能となる。
[実施の形態]
本発明の実施の形態について、図1乃至図5を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。
本発明の実施の形態について、図1乃至図5を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。
図1は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータの制御装置の概略構成を制御対象であるブラシレスモータと共に示す構成図である。
ブラシレスモータ1は、複数の磁極を有する回転子11と、三相のコイル121〜123を有する固定子12と、回転子11の回転角を検出するための複数の磁極センサ131〜133とを備えている。このブラシレスモータ1は、例えば自動車に搭載され、駆動力を伝達するクラッチや変速機の動作、あるいはギヤの潤滑等のための油を吐出する油圧ポンプを駆動するために用いられる。本実施の形態では、ブラシレスモータ1の極対数が1であり、回転子11が磁性の異なる一対の磁極(N極111及びS極112)を有している。ただし、これに限らず、回転子11が複数対の磁極を有していてもよい。
固定子12には、U相のコイル121、V相のコイル122、及びW相のコイル123が回転子11の回転方向に沿って等間隔に配置されている。本実施の形態では、固定子12に三相のコイル121〜123がそれぞれ1つずつ配置されているが、回転子11が複数対の磁極を有している場合には、その磁極の数に対応する数の三相のコイル121〜123が固定子12に配置される。
また、ブラシレスモータ1は、3つの磁極センサ131〜133を備えている。磁極センサ131〜133は、例えばホールICであり、回転子11のN極111及びS極112の磁界を検出し、磁界の向きに応じた検出信号を出力する。以下、これらの磁極センサ131〜133を第1乃至第3の磁極センサ131〜133と称呼する。第1乃至第3の磁極センサ131〜133は、電気角で1回転分の回転子11の回転位置を60°ごとに検出可能となるように配置されている。
ブラシレスモータ1を制御する制御装置2は、三相(U相,V相,W相)の各相毎に一対のスイッチング素子を有するインバータ回路部3と、インバータ回路部3のスイッチング素子をオン・オフさせるPWM信号を生成する制御部4と、PWM信号に基づいてインバータ回路部3を駆動するドライブ回路5とを備えている。制御部4は、上位コントローラから回転速度指令を受け付け、この回転速度指令に応じた速度で回転子11が回転するようにPWM信号を生成し、ブラシレスモータ1を制御する。
インバータ回路部3は、三相ブリッジ接続された6つのスイッチング素子としてのトランジスタTu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2と、これらのトランジスタTu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2にそれぞれ並列接続された還流ダイオードDu1,Du2,Dv1,Dv2,Dw1,Dw2とを有しており、U相電線31,V相電線32,及びW相電線33を介してブラシレスモータ1の三相のコイル121〜123に三相交流電流を供給する。トランジスタTu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2は、ドライブ回路5から出力されるベース電流によってオン状態となり、ベース電流が遮断されるとオフ状態となる。
U相のトランジスタTu1及びTu2、V相のトランジスタTv1及びTv2、及びW相のトランジスタTw1及びTw2は、それぞれ上側母線301と下側母線302との間に直列に接続されている。トランジスタTu1,Tv1,Tw1は、インバータ回路部3の上側アーム3aを構成し、トランジスタTu2,Tv2,Tw2は、インバータ回路部3の下側アーム3bを構成する。U相電線31は、U相の一対のトランジスタTu1及びTu2の間に接続され、V相電線32は、V相の一対のトランジスタTv1及びTv2の間に接続されている。また、W相電線33は、W相の一対のトランジスタTw1及びTw2の間に接続されている。
上側母線301は、直流電源の+側に接続され、下側母線302は、直流電源の−側に接続される。制御装置1が自動車に搭載されている場合、この直流電源は例えばバッテリーである。
制御部4は、プログラムを記憶する不揮発性メモリ、及びそのプログラムを実行するCPU(演算処理装置)を備えている。CPUは、プログラムを実行することにより、回転位置検出手段41、通電モード切替手段42、異常時制御手段43、及びPWM制御手段44として機能する。なお、これら各手段の機能の一部又は全部をASIC(特定用途向け集積回路)等のハードウェアにより実現してもよい。
回転位置検出手段41は、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の検出信号に基づいて回転子11の回転位置を複数段階で検出する。通電モード切替手段42は、回転位置検出手段41によって検出された回転子11の回転位置に応じて複数の通電モードを順次切り替え、固定子12に回転磁界を発生させる。異常時制御手段43は、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れかに異常が発生したとき、通電モード切替手段42に代わって固定子12に回転磁界を発生させる。
PWM制御手段44は、回転位置検出手段41の検出結果に基づいて求められる回転子11の実回転速度が回転速度指令と一致するように、インバータ回路部3の上側アーム3aのトランジスタTu1,Tv1,Tw1もしくは下側アーム3bのトランジスタTu2,Tv2,Tw2をオン状態とする時間の割合であるデューティー比を演算し、PWM信号を生成する。PWM制御手段44は、実回転速度が回転速度指令よりも低い場合にはデューティー比を高め、実回転速度が回転速度指令よりも高い場合にはデューティー比を低くしてフィードバック制御を行う。
(正常時の動作)
次に、第1乃至第3の磁極センサ131〜133に故障が発生していない正常時の制御部4の動作について、図2及び図3を参照して説明する。本実施の形態では、回転位置検出手段41が第1乃至第3の磁極センサ131〜133の検出信号に基づいて回転子11の回転位置をI〜VIの6段階で検出し、通電モード切替手段42がA〜Fの6つの通電モードを順次切り替えて固定子12に回転磁界を発生させる。
次に、第1乃至第3の磁極センサ131〜133に故障が発生していない正常時の制御部4の動作について、図2及び図3を参照して説明する。本実施の形態では、回転位置検出手段41が第1乃至第3の磁極センサ131〜133の検出信号に基づいて回転子11の回転位置をI〜VIの6段階で検出し、通電モード切替手段42がA〜Fの6つの通電モードを順次切り替えて固定子12に回転磁界を発生させる。
図2は、回転子11が図1に示す矢印D1方向に回転するときに制御部4のCPUが回転位置検出手段41として参照する第1乃至第3の磁極センサ131〜133の検出信号の信号状態S1〜S3と、6段階の回転位置I〜VIとの対応関係を示すグラフである。図3は、回転位置I〜VIにそれぞれ対応するA〜Fの各通電モードにおける通電相と固定子12に発生する磁界の向きを示す表である。図3に示す通電相のオーバーバー(  ̄ )は、下側アーム3bのトランジスタTu2,Tv2,Tw2のオン状態を示している。例えば通電モードAでは、上側アーム3aのU相のトランジスタTu1と下側アーム3bのV相のトランジスタTv2とがオン状態となる。
制御部4のCPUは、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の検出信号がHighレベルの信号状態又はLowレベルの信号状態に二値化された信号を参照可能であり、これらの信号状態S1〜S3に基づいて回転子11の回転位置を6段階で検出する。通電モード切替手段42は、6段階の回転位置にそれぞれ対応する6つの通電モードを順次切り替えて固定子12に回転磁界を発生させる。より具体的には、通電モードA〜Fのそれぞれにおいて、インバータ回路部3の上側アーム3aのトランジスタTu1,Tv1,Tw1のうち何れか1つと、下側アーム3bのトランジスタTu1,Tu2,Tw2のうち何れか1つをオン状態とする。すなわち、通電モード切替手段42は、回転位置検出手段41で検出された回転位置に応じて、三相のコイル121〜123のうち一相のコイルから他の一相のコイルに電流が流れるようにインバータ回路部3を動作させる。
(異常時の動作)
次に、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れかに故障が発生した場合の制御部4の動作について、図4及び図5を参照して説明する。図4は、一例として、第3の磁極センサ133に故障が発生して第3の磁極センサ133の信号状態S3が常時Highレベルとなった場合の信号状態S1〜S3と、6段階の回転位置I〜VIとの対応関係を示すグラフである。図5は、回転位置I〜VIにそれぞれ対応するa〜dの4つの通電モードにおける通電相と固定子12に発生する磁界の向きを示す表である。
次に、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れかに故障が発生した場合の制御部4の動作について、図4及び図5を参照して説明する。図4は、一例として、第3の磁極センサ133に故障が発生して第3の磁極センサ133の信号状態S3が常時Highレベルとなった場合の信号状態S1〜S3と、6段階の回転位置I〜VIとの対応関係を示すグラフである。図5は、回転位置I〜VIにそれぞれ対応するa〜dの4つの通電モードにおける通電相と固定子12に発生する磁界の向きを示す表である。
第3の磁極センサ133に故障が発生すると、図4に示すように、6段階の回転位置のうち回転位置I〜IIの連続する2つの段階ならびに回転位置IV〜Vの連続する2つの段階において、信号状態S1〜S3がそれぞれ同じとなるので、これら2つの段階の回転位置の判別ができなくなる。このとき、異常時制御手段43は、これら2つの段階に対応するそれぞれの通電モードの間の磁界が固定子12に発生するようにインバータ回路部3を動作させる。
より具体的には、異常時制御手段43は、回転位置I〜IIでは上側アーム3aのトランジスタTu1と下側アーム3bのトランジスタTv2及びTw2とをオン状態とし、正常時における通電モードAの磁界と通電モードBの磁界との間の磁界を固定子12に発生させる。また、異常時制御手段43は、回転位置IV〜Vでは上側アーム3aのトランジスタTv1及びTw1と下側アーム3bのトランジスタTu2とをオン状態とし、正常時における通電モードDの磁界と通電モードEの磁界との間の磁界を固定子12に発生させる。すなわち、異常時制御手段43は、回転位置の判別ができない連続した2つの段階の回転位置において、三相のコイル121〜123のうち一相のコイルから他の二相のコイルに、又は三相の121〜123のうち二相のコイルから他の一相のコイルに、電流が流れるようにインバータ回路部3を動作させる。
なお、第3の磁極センサ133に故障が発生したことは、第3の磁極センサ133の信号状態S3が常時Highレベルあるいは常時Lowレベルであること、もしくは正常時にはあり得ない信号状態S1〜S3の信号状態(例えば信号状態S1〜S3の全てがHighレベル又はLowレベル)が発生したことにより検知することができる。第3の磁極センサ133に故障が発生しても、残る第1及び第2の磁極センサ131,132の信号状態S1及びS2により、回転子11の回転位置を4段階で検出することが可能である。そして、異常時制御手段43は、この4段階の回転位置にそれぞれ対応するa〜dの4つの通電モードを順次切り替えて回転子11に回転磁界を発生させる。
制御部4は、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れかに故障が発生したことを検知したとき、当該故障の発生を不揮発性メモリに記憶する。そして、制御装置2の電源遮断後の再起動時には、不揮発性メモリの記憶内容を参照し、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れかに故障が発生したことが記憶されていれば、異常時制御手段43によってインバータ回路部3を動作させる。
また、異常時制御手段43は、正常時において検出可能な6段階の回転位置I〜VIのうち4つの段階(本例では回転位置I,II,IV,V)で固定子12に発生させる磁界の方向と、他の2つの段階(本例では回転位置III,VI)で固定子12に発生させる磁界の方向との角度差が電気角で90°である。すなわち、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れかに故障が発生したとき、異常時制御手段43は、固定子12の磁界の向きが電気角において90°単位で切り替わるようにインバータ回路部3を動作させる。
なお、正常時には、電気角において60°単位で固定子12の磁界の向きが切り替わるので、異常時には正常時に比較して回転子11の回転速度が回転位置によって変動しやすくなる。また、異常時には正常時に比較してブラシレスモータ1の出力トルクが低下してしまう。ただし、このような出力トルクの低下は、PWM信号のデューティー比を高めることで補償可能である。
(実施の形態の作用及び効果)
以上説明した実施の形態によれば、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れか1つに故障が発生しても、ブラシレスモータ1の制御を安定的に継続することが可能となる。また、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れか1つに故障が発生した後に制御装置2の電源が遮断され、その後に電源が供給されて制御装置2が再起動した際にも、ブラシレスモータ1の制御を再開することが可能である。
以上説明した実施の形態によれば、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れか1つに故障が発生しても、ブラシレスモータ1の制御を安定的に継続することが可能となる。また、第1乃至第3の磁極センサ131〜133の何れか1つに故障が発生した後に制御装置2の電源が遮断され、その後に電源が供給されて制御装置2が再起動した際にも、ブラシレスモータ1の制御を再開することが可能である。
(付記)
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、これらの実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、これらの実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、回転子11の磁極の対数が1であり、電気角と機械角とが一致する場合について説明したが、回転子11の磁極の対数が2以上のブラシレスモータの制御装置及び制御方法に本発明を適用することも可能である。
1…ブラシレスモータ 11…回転子
111,112…磁極 12…固定子
121〜123…コイル 131〜133…磁極センサ
2…制御装置 3…インバータ回路部
4…制御部 41…回転位置検出手段
42…通電モード切替手段 43…異常時制御手段
Tu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2…トランジスタ(スイッチング素子)
111,112…磁極 12…固定子
121〜123…コイル 131〜133…磁極センサ
2…制御装置 3…インバータ回路部
4…制御部 41…回転位置検出手段
42…通電モード切替手段 43…異常時制御手段
Tu1,Tu2,Tv1,Tv2,Tw1,Tw2…トランジスタ(スイッチング素子)
Claims (4)
- 複数の磁極を有する回転子と、三相のコイルを有する固定子と、前記回転子の回転角を検出するための複数の磁極センサと、を備えたブラシレスモータを制御するブラシレスモータの制御装置であって、
前記三相の各相毎に一対のスイッチング素子を有するインバータ回路部と、
前記複数の磁極センサの検出信号に基づいて前記回転子の回転位置を複数段階で検出する回転位置検出手段、及び前記検出された回転位置に応じて複数の通電モードを順次切り替えて前記固定子に回転磁界を発生させる通電モード切替手段を有する制御部とを備え、
前記制御部は、前記複数の磁極センサのうち1つの磁極センサの検出信号が異常値となって前記複数段階のうち連続する2つの段階の回転位置の判別ができなくなったとき、当該2つの段階に対応するそれぞれの前記通電モードの磁界の間の磁界が前記固定子に発生するように前記インバータ回路部を動作させる異常時制御手段をさらに有する、
ブラシレスモータの制御装置。 - 前記通電モード切替手段は、前記回転位置検出手段で検出された回転位置に応じて前記三相のコイルのうち一相のコイルから他の一相のコイルに電流が流れるように前記インバータ回路部を動作させ、
前記異常時制御手段は、前記2つの段階の回転位置において、前記三相のコイルのうち一相のコイルから他の二相のコイルに、又は前記三相のコイルのうち二相のコイルから他の一相のコイルに、電流が流れるように前記インバータ回路部を動作させる、
請求項1に記載のブラシレスモータの制御装置。 - 前記回転位置検出手段は、前記回転子の回転位置を6段階で検出し、
前記通電モード切替手段は、前記6段階の回転位置にそれぞれ対応する6つの前記通電モードを順次切り替えて前記固定子に回転磁界を発生させ、
前記異常時制御手段は、前記6段階のうち4つの段階で前記固定子に発生させる磁界の方向と他の2つの段階で前記固定子に発生させる磁界の方向との角度差が電気角で90°である、
請求項1又は2に記載のブラシレスモータの制御装置。 - 複数の磁極を有する回転子と、三相のコイルを有する固定子と、前記回転子の回転角を検出するための複数の磁極センサと、を備えたブラシレスモータの制御方法であって、
前記複数の磁極センサの検出信号に基づいて前記回転子の回転位置を複数段階で検出し、前記検出された回転位置に応じて複数の通電モードを順次切り替えて前記回転子に回転磁界を発生させ、
前記複数の磁極センサのうち1つの磁極センサの検出信号が異常値となって前記複数段階のうち連続する2つの段階の回転位置の判別ができなくなったとき、当該2つの段階に対応するそれぞれの前記通電モードの磁界の間の磁界を前記固定子に発生させる、
ブラシレスモータの制御方法。
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