JP2019126113A - ブラシレスモータの制御装置及び制御方法 - Google Patents

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。

特開２００７−１５１２６６号公報

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。

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。 第１乃至第３の磁極センサに故障が発生していない正常時におけるこれらの検出信号の信号状態Ｓ_１〜Ｓ_３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。 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の磁極センサに故障が発生して第３の磁極センサの信号状態Ｓ_３が常時Ｈｉｇｈレベルとなった場合の信号状態Ｓ_１〜Ｓ_３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。 回転位置Ｉ〜ＶＩにそれぞれ対応するａ〜ｄの各通電モードにおける通電相と固定子に発生する磁界の向きを示す表である。

［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。

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。

図２は、回転子１１が図１に示す矢印Ｄ_１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Ｓ_１〜Ｓ_３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Ｓ_１〜Ｓ_３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Ｓ_３が常時Ｈｉｇｈレベルとなった場合の信号状態Ｓ_１〜Ｓ_３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Ｓ_１〜Ｓ_３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Ｓ_３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Ｓ_１〜Ｓ_３の信号状態（例えば信号状態Ｓ_１〜Ｓ_３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Ｓ_１及びＳ_２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。

（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。

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）

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
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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