JP4291976B2

JP4291976B2 - Starting method of brushless / sensorless DC motor

Info

Publication number: JP4291976B2
Application number: JP2002158501A
Authority: JP
Inventors: 誠元吉; 敦志細川; 直幾服部; 裕一郎高宗
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: JP2004007872A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレス・センサレスＤＣモータの起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレス・センサレスＤＣモータは、永久磁石を組込んだ回転子と界磁巻線を組込んだ固定子からなり、界辞巻線に誘起した電圧波形を比較、若しくは演算処理を行うことにより回転子磁極位置を検出し、固定子への通電位相の制御を行っている。
【０００３】
ブラシレス・センサレスＤＣモータは、回転数が非常に低い起動時では界磁巻線に誘起した電圧波形から回転子磁極位置の検出を行うことが困難であるので、インバータ回路により強制的に転流タイミングを決めて固定子への通電位相を制御する同期運転を行って回転子を回転・加速し、その後、回転子の位置検出が可能な速度に達すると、回転子位置を検出して通電位相を制御する位置検出回転に切換える起動方法が用いられている。
【０００４】
上記同期運転時には、回転子磁極位置が検出出来ない為、インバータ回路から出力される周波数と電圧は、負荷に応じて適切な値になる様に予め設定してある。
【０００５】
慣性が大きい負荷を駆動する場合など、回転子磁極位置によっては同期運転が円滑に行えないことがあり、同期運転前に回転子の磁極位置を予め定めた位置まで移動させておく位置決め処理を行う。この位置決め処理は、通常、同期運転の通電開始相のみを通電して行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通電開始相のみ通電して位置決め処理を行うと、回転子にトルクが作用し、回転子磁極位置は位置決め位置（その範囲内では回転子に作用するトルクが小さく回転子はその場に留まるが、回転子がその範囲から電気角で遅れ、若しくは進み方向に僅かでも移動すると、回転子に作用するトルクによりその範囲まで回転子が戻るような範囲を示す）まで移動するが、位置決め位置から電気角で１８０°進んだ位置でも、位置決め処理により回転子磁極位置が移動出来ないという問題がある。この状態で同期運転を開始すると、起動開始後1回目の転流時点で回転子に負トルクが作用し、以降加速途中で振動することがあり、同期運転から外れてしまうこともあり円滑な起動が出来ない。
本発明では、回転子磁極位置を位置決め位置に確実に移動させること、若しくはそれと同等の効果を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（第１の発明）
位置決め処理前に、通電開始相から電気角で６０°、１２０°、２４０°、３００°進んだ何れかの相を位置決め処理と同じ電圧で同じ時間通電することを特徴とする。
（第２の発明）
位置決め処理時に、固定子の通電開始相と電気角で６０度遅れた相を時間的にずらして、交互に少なくとも各1回以上通電することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【０００９】
図１は、ブラシレス・センサレスＤＣモータの駆動方法を示す構成図である。図１に示すように、インバータ回路１は、スイッチング素子Ｔu、Ｔv、Ｔw、Ｔx、Ｔy、Ｔz及び整流素子Ｄu、Ｄv、Ｄz、Ｄx、Ｄy、Ｄvからなり、ブラシレス・センサレスＤＣモータ２（以下ＤＣモータ２）を駆動する。このインバータ回路１において、直流電源の＋側に接続されている各素子を「上アーム部５」、−側に接続されている各素子を下アーム部６と呼ぶ。このＤＣモータ２は、永久磁石を組込んだ回転子と界磁巻線を組込んだ固定子から構成されている。そして、ＤＣモータ２の界磁巻線の端子電圧は、位置検出回路３へ送られる。この位置検出回路３は、上記界磁巻線の端子電圧を比較処理して回転子の位置を検出し、その検出信号を制御回路４へ出力する。
【００１０】
制御回路４は、位置検出回路３からの回転子位置信号に基づいてインバータ回路１の各スイッチング素子に制御信号を供給し、インバータ回路１の動作を制御する。上記制御回路４は、回転子の位置検出が困難なモータの起動時には、インバータ回路１の転流タイミングを強制的に切替える同期運転を行ってＤＣモータ２を回転・加速し、その後位置検出回路３により回転子の位置検出が可能な状態に達すると、この位置検出信号に従って通電位相を制御する位置検出回転に切換える。
【００１１】
又、制御回路４は、慣性が大きい負荷を駆動する場合など、回転子磁極位置によっては「同期運転」が円滑に行えないことがあり、同期運転前にインバータ回路１の特定の相（通常は同期運転時の通電開始相）のみ通電し、同期運転前に回転子の磁極位置を予め定めた位置まで移動させておく「位置決め処理」を行う。
【００１２】
図２は、インバータ回路１のスイッチング素子の通電順序を説明したものである。図２の７は上アーム部５の通電タイミングを、８は図１の下アーム部６の通電タイミングを示す。記号９は各スイッチング素子の通電相を示す。「同期運転」を始める相をＴ１（上アームＴu相、下アームＴZ相）とし、以下Ｔ２、Ｔ３〜Ｔ６と順に通電相を変えて（転流して）いくものとする。
【００１３】
図３は、Ｔ１〜Ｔ６それぞれの通電相における回転子磁極位置と回転子へ作用するトルクの関係をグラフ化したものであり、各グラフの右上に通電相を示している。
【００１４】
図３の縦軸は、回転子に作用するトルクを示し、横軸との交点をトルク０の位置とし矢印方向を正とする。正トルクとは、回転子に対し電気角で進み方向に作用するトルクとする。図３の横軸は、回転子磁極位置を電気角で示しており、通電相がＴ１の状態で位置決めされる範囲（位置決め位置）をＡ１として一転鎖線で示し、その中で回転子に作用するトルクが０となる点を０°としている。Ａ１から電気角で６０°進んだ範囲をＡ２とし、以下同様に６０°ずつ進んだ範囲をＡ３〜Ａ６と表わす。
【００１５】
位置決め処理の際に界磁巻線に印可する電圧は、位置決め処理により回転子が回転し続けたり、位置決め位置を往復振動し続けることなく、回転子磁極位置が位置決め位置に速やかに静止出来る大きさとし、回転子磁極位置が位置決め位置に移動するには充分な値とする。又通電時間は、回転子磁極位置を位置決め位置に移動後静止させる為に充分な時間とする。
【００１６】
通常、位置決め処理は同期運転の通電開始相（通電相Ｔ１）でを行う為、図３の左上段のグラフにて位置決め処理を説明する。
【００１７】
位置決め処理前に回転子磁極位置がＡ１より遅れ位置（０°〜−１８０°でＡ４を除く範囲）にある場合、位置決め処理により回転子は正トルクを受ける為、Ａ１まで移動する。又、位置決め処理前に回転子磁極位置がＡ１より進み位置（０°〜１８０°でＡ４を除く範囲）にある場合、回転子は負トルクを受ける為、同様にＡ１まで移動する。回転子の位置がＡ１にある場合は、回転子に作用するトルクは０若しくは微少である為、Ａ１に留まる。位置決め処理前に回転子磁極位置がＡ４の範囲にある場合、Ａ１にある場合と同様に回転子磁極位置はＡ４に留まる。
【００１８】
回転子磁極位置がＡ１にある状態で同期運転を始めた場合、通電開始相（Ｔ１）では、回転子に作用するトルクは０若しくは微少なので、回転子はその位置に留まるか僅かに移動する。通電相がＴ２に転流すると、正トルクを受け回転子は電気角で進み方向に回転する。以降、次の転流時に回転子が適切なトルクを得る様に電圧と通電時間を設定し、円滑な同期運転を行う。
【００１９】
しかしながら、位置決め処理時に回転子磁極がＡ４にある状態で同期運転を行うと、通電相がＴ１では回転子に作用するトルクが０若しくは微少であり、回転子はその場に留まるか僅かに移動する。通電相がＴ２では逆方向のトルクが作用し電気角で遅れ方向に移動してしまう。同期運転の制御仕様は、回転子磁極がＡ１にあり進み方向へ回転・加速して行くことを前提に決めている為、Ａ４からの起動には適応しておらず、同期運転の際に大きく振動してしまってり同期外れを起こすなど円滑な起動が出来ない場合がある。
【００２０】
第１の発明は、位置決め処理の前に位置決め処理と同じ電圧、同じ時間で、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ６の何れかの相に予め通電する位置決め前処理を行うものである。以下、図３のグラフを用いて説明する。例えばＴ２で位置決め前処理を行った場合、図３の２段目に示すようなトルクが作用し、回転子磁極位置は、Ａ２に移動するかＡ５に留まる為、Ａ４位置に留まることは無い。同様に通電相Ｔ３で位置決め前処理を行えばＡ３に移動若しくはＡ６に留まり、Ｔ５で位置決め前処理を行えばＡ５に移動若しくはＡ２に留まり、Ｔ６で位置決め前処理を行えばＡ６に移動若しくはＡ３に留まる為、いずれもＡ４位置に留まることはない。以上の通り、位置決め前処理を行うことで、回転子の磁極位置をＡ４以外の位置に移動させる為、位置決め処理により確実に回転子磁極位置をＡ１位置に移動出来る。
【００２１】
第２の発明は、通電相がＴ１及びＴ２による位置決め処理を時間的にずらして交互に行うものである。以下、図３のグラフを用いて説明する。例えばＴ１で通電を始めた場合、回転子磁極位置はＡ１に移動、若しくはＡ４に留まる。次にＴ２で通電することで回転子磁極位置がＡ４位置にある場合は、逆方向トルクを受けてＡ２位置まで移動し、Ａ１にある場合もＡ２に移動する。再び回転子磁極位置がＡ１の状態で通電した場合、回転子磁極位置はＡ２にある為、Ａ１に移動する。これを繰返せば回転子磁極位置はＡ１、Ａ２を交互に移動することになり、位置決め処理を止めればＡ１、若しくはＡ２に停止する。
【００２２】
回転子磁極位置がＡ１にある状態で同期運転を始めた場合、回転子に作用するトルクは０若しくは微少であり、その場に留まるか僅かに移動する。Ａ２に転流すると、正トルクを受け電気角で進み方向に回転する。
【００２３】
回転子磁極位置がＡ２にある状態で同期運転を始めた場合、通電開始相Ｔ１で正トルクを受けるが、このトルクの大きさは回転子磁極位置がＡ１で同期運転を始めた場合のＴ２時に作用するトルクと大きさ、方向共に同じである。このことから、Ａ１、Ａ２どちらで同期運転を始めても全く同じ条件で起動出来ることになる。交互に通電する合計時間を充分長くすれば、回転子磁極位置は徐々にＡ１、Ａ２位置に移動することになる為、Ｔ１、Ｔ２への１回の通電時間が短い場合でも、又、非通電時間を設けたと場合でも、本発明の効果には特に問題は無い。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の方法で位置決め処理を行うことで、同期運転が円滑に行え、確実に起動出来るようになり、製品の信頼性が向上した。更に、慣性が大きい負荷を駆動することも容易となった。又、同期運転失敗時に、再度同期運転を行うことが無くなり、システム全体の処理時間が短縮でき、商品性も向上した。
【００２５】
【図面の簡単な説明】
【図１】ブラシレス・センサレスＤＣモータ駆動回路の構成図である。
【図２】スイッチング素子に通電するタイミングを示す図である。
【図３】回転子の磁極位置と回転子に作用するトルクの関係を示す図である。
【符号の説明】
１…インバータ回路、２…ブラシレス・センサレスＤＣモータ、３…位置検出回路、４…インバータ制御回路、５…インバータ回路の上アーム部、６…インバータ回路の下アーム部、７…上アーム部の通電タイミング、８…下アーム部の通電タイミング、９…通電相を表わす記号、[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for starting a brushless sensorless DC motor.
[0002]
[Prior art]
A brushless / sensorless DC motor is composed of a rotor incorporating a permanent magnet and a stator incorporating a field winding. The rotor is obtained by comparing the voltage waveforms induced in the field winding or performing arithmetic processing. The magnetic pole position is detected and the energization phase to the stator is controlled.
[0003]
Brushless and sensorless DC motors are difficult to detect the rotor magnetic pole position from the voltage waveform induced in the field winding at the time of start-up with very low rotation speed. Rotate and accelerate the rotor by performing synchronous operation to control the energization phase to the stator and then reach the speed at which the rotor position can be detected. A start-up method for switching to the position detection rotation to be controlled is used.
[0004]
Since the rotor magnetic pole position cannot be detected during the synchronous operation, the frequency and voltage output from the inverter circuit are set in advance so as to be appropriate values according to the load.
[0005]
Depending on the rotor magnetic pole position, such as when driving a load with high inertia, synchronous operation may not be performed smoothly, and positioning processing is performed to move the rotor magnetic pole position to a predetermined position before synchronous operation. . This positioning process is normally performed by energizing only the energization start phase of the synchronous operation.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When energizing only the energization start phase and performing positioning processing, torque acts on the rotor, and the rotor magnetic pole position is the positioning position (within that range, the torque acting on the rotor is small and the rotor stays in place, If the rotor is delayed by an electrical angle from that range, or even if it moves slightly in the advance direction, it will move to the range where the rotor returns to that range due to the torque acting on the rotor). Thus, there is a problem that the rotor magnetic pole position cannot be moved by the positioning process even at a position advanced by 180 °. If synchronous operation is started in this state, negative torque will act on the rotor at the first commutation after start-up, and it may vibrate in the middle of acceleration thereafter, and it may be out of synchronous operation, so smooth start-up I can't.
An object of the present invention is to reliably move the rotor magnetic pole position to the positioning position, or to obtain the same effect.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
(First invention)
Before the positioning process, one of the phases advanced by 60 °, 120 °, 240 °, and 300 ° in electrical angle from the energization start phase is energized for the same time at the same voltage as the positioning process.
(Second invention)
In the positioning process, the energization start phase of the stator and the phase delayed by 60 degrees in electrical angle are shifted in time, and energized alternately at least once each.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0009]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a method of driving a brushless / sensorless DC motor. As shown in FIG. 1, the inverter circuit 1 is composed of switching elements Tu, Tv, Tw, Tx, Ty, Tz and rectifying elements Du, Dv, Dz, Dx, Dy, Dv. The DC motor 2) is driven. In this inverter circuit 1, each element connected to the + side of the DC power source is referred to as “upper arm part 5”, and each element connected to the − side is referred to as lower arm part 6. The DC motor 2 includes a rotor incorporating a permanent magnet and a stator incorporating a field winding. The terminal voltage of the field winding of the DC motor 2 is sent to the position detection circuit 3. The position detection circuit 3 compares the terminal voltages of the field windings to detect the position of the rotor, and outputs a detection signal to the control circuit 4.
[0010]
The control circuit 4 supplies a control signal to each switching element of the inverter circuit 1 based on the rotor position signal from the position detection circuit 3 and controls the operation of the inverter circuit 1. The control circuit 4 rotates and accelerates the DC motor 2 by performing a synchronous operation for forcibly switching the commutation timing of the inverter circuit 1 at the time of starting the motor, where it is difficult to detect the position of the rotor, and then the position detection circuit 3 Thus, when a state where the position of the rotor can be detected is reached, the position detection rotation for controlling the energization phase is switched according to the position detection signal.
[0011]
In addition, the control circuit 4 may not be able to perform “synchronous operation” smoothly depending on the rotor magnetic pole position, such as when driving a load with high inertia. “Positioning processing” is performed in which only the energization start phase during synchronous operation is energized and the magnetic pole position of the rotor is moved to a predetermined position before the synchronous operation.
[0012]
FIG. 2 explains the energization order of the switching elements of the inverter circuit 1. 2 in FIG. 2 indicates the energization timing of the upper arm portion 5, and 8 indicates the energization timing of the lower arm portion 6 in FIG. Symbol 9 indicates the energized phase of each switching element. The phase that starts “synchronous operation” is T1 (upper arm Tu phase, lower arm TZ phase), and the energized phases are changed (commutated) in the order of T2, T3 to T6.
[0013]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the rotor magnetic pole position and the torque acting on the rotor in each energized phase of T1 to T6, and the energized phase is shown in the upper right of each graph.
[0014]
The vertical axis in FIG. 3 indicates the torque acting on the rotor, and the intersection with the horizontal axis is the position of torque 0, and the arrow direction is positive. The positive torque is a torque that acts on the rotor in an advancing direction at an electrical angle. The horizontal axis of FIG. 3 indicates the rotor magnetic pole position in electrical angle, and the range (positioning position) in which the energized phase is positioned in the state of T1 is indicated by A1 with a one-dot chain line, among which the rotor acts on the rotor. The point where the torque becomes 0 is defined as 0 °. A range advanced by 60 ° in electrical angle from A1 is A2, and similarly, a range advanced by 60 ° is expressed as A3 to A6.
[0015]
The voltage applied to the field winding during the positioning process is such that the rotor magnetic pole position can be quickly stopped at the positioning position without causing the rotor to continue to rotate or continue to reciprocate in the positioning position. The rotor magnetic pole position is set to a value sufficient to move to the positioning position. The energization time is set to a time sufficient for the rotor magnetic pole position to move to the positioning position and then remain stationary.
[0016]
Normally, since the positioning process is performed in the energization start phase (energization phase T1) of the synchronous operation, the positioning process will be described with the upper left graph of FIG.
[0017]
If the rotor magnetic pole position is behind the position A1 (range of 0 ° to -180 ° excluding A4) before the positioning process, the rotor receives a positive torque due to the positioning process, and moves to A1. Further, when the rotor magnetic pole position is in a position advanced from A1 (range of 0 ° to 180 ° excluding A4) before the positioning process, the rotor receives a negative torque and similarly moves to A1. When the position of the rotor is at A1, since the torque acting on the rotor is 0 or very small, it remains at A1. When the rotor magnetic pole position is in the range of A4 before the positioning process, the rotor magnetic pole position remains at A4 as in the case of A1.
[0018]
When synchronous operation is started with the rotor magnetic pole position at A1, in the energization start phase (T1), the torque acting on the rotor is 0 or very small, so the rotor stays at that position or moves slightly. When the energized phase commutates to T2, the rotor receives a positive torque and rotates in the forward direction at an electrical angle. Thereafter, the voltage and energization time are set so that the rotor obtains an appropriate torque at the next commutation, and smooth synchronous operation is performed.
[0019]
However, if the synchronous operation is performed with the rotor magnetic pole at A4 during the positioning process, the torque acting on the rotor is 0 or very small when the energized phase is T1, and the rotor stays in place or moves slightly. . When the energized phase is T2, the torque in the reverse direction acts and moves in the delay direction by the electrical angle. The control specifications for synchronous operation are based on the assumption that the rotor magnetic poles are at A1 and rotate and accelerate in the forward direction. Smooth startup may not be possible due to vibration and loss of synchronization.
[0020]
In the first invention, before the positioning process, a pre-positioning process is performed in which current is supplied to any of T2, T3, T5, and T6 in advance at the same voltage and the same time as the positioning process. Hereinafter, a description will be given using the graph of FIG. For example, when the pre-positioning process is performed at T2, torque as shown in the second stage of FIG. 3 is applied, and the rotor magnetic pole position moves to A2 or stays at A5, so it does not stay at the A4 position. Similarly, if the pre-positioning process is performed in the energized phase T3, the process moves to A3 or stays at A6. If the pre-positioning process is performed in T5, the process moves to A5 or stays in A2. Neither stays in the A4 position because they stay. As described above, by performing the pre-positioning process, the magnetic pole position of the rotor is moved to a position other than A4. Therefore, the rotor magnetic pole position can be reliably moved to the A1 position by the positioning process.
[0021]
In the second aspect of the invention, the energization phase alternately performs the positioning process by T1 and T2 while shifting in time. Hereinafter, a description will be given using the graph of FIG. For example, when energization is started at T1, the rotor magnetic pole position moves to A1 or stays at A4. Next, when the rotor magnetic pole position is at the A4 position by energizing at T2, it receives the reverse torque and moves to the A2 position, and when it is at A1, it also moves to A2. When power is supplied again with the rotor magnetic pole position at A1, the rotor magnetic pole position is at A2, so that the rotor moves to A1. If this is repeated, the rotor magnetic pole position moves alternately between A1 and A2, and when the positioning process is stopped, it stops at A1 or A2.
[0022]
When the synchronous operation is started with the rotor magnetic pole position at A1, the torque acting on the rotor is 0 or very small, and remains on the spot or moves slightly. When commutating to A2, it receives a positive torque and rotates in the forward direction at an electrical angle.
[0023]
When synchronous operation is started with the rotor magnetic pole position at A2, a positive torque is received at the energization start phase T1, but the magnitude of this torque is at T2 when the rotor magnetic pole position starts synchronous operation with A1. The applied torque is the same in magnitude and direction. From this, it can be started under exactly the same conditions regardless of which of A1 and A2 starts synchronous operation. If the total time of alternating energization is made sufficiently long, the rotor magnetic pole position will gradually move to the A1 and A2 positions. Therefore, even if the energization time for one time to T1 and T2 is short, it is not energized. Even when time is provided, the effect of the present invention is not particularly problematic.
[0024]
【The invention's effect】
By performing the positioning process by the method of the present invention, the synchronous operation can be performed smoothly and can be reliably started, and the reliability of the product is improved. Furthermore, it becomes easy to drive a load having a large inertia. In addition, when the synchronous operation fails, the synchronous operation is not performed again, the processing time of the entire system can be shortened, and the merchantability is improved.
[0025]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a brushless and sensorless DC motor driving circuit.
FIG. 2 is a diagram illustrating timing for energizing a switching element.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a magnetic pole position of a rotor and a torque acting on the rotor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Inverter circuit, 2 ... Brushless sensorless DC motor, 3 ... Position detection circuit, 4 ... Inverter control circuit, 5 ... Upper arm part of inverter circuit, 6 ... Lower arm part of inverter circuit, 7 ... Current supply to upper arm part Timing, 8 ... energization timing of the lower arm, 9 ... symbol representing the energization phase,

Claims

複数のスイッチング素子と整流素子で構成されたインバータ回路と、ブラシレス・ＤＣモータの誘起電圧を検出してその回転子磁極位置を検出する位置検出回路とインバータ制御部とで構成されるブラシレス・センサレスＤＣモータの駆動システムにおいて、
位置決め処理前に、位置決め処理時に通電する相と電気角度で６０°、１２０°、２４０°、３００°進んだ何れかの相を「位置決め処理」と同じトルクで同じ時間通電することを特徴とするブラシレス・センサレスＤＣモータの起動方法。Brushless sensorless DC comprising an inverter circuit composed of a plurality of switching elements and rectifying elements, a position detection circuit for detecting the rotor magnetic pole position by detecting the induced voltage of the brushless DC motor, and an inverter control unit. In the motor drive system,
Before the positioning process, the phase that is energized during the positioning process and the phase that is advanced by 60 °, 120 °, 240 °, and 300 ° in electrical angle are energized for the same time with the same torque as the “positioning process”. How to start a brushless / sensorless DC motor.