JP4807165B2 - ロータ位置検出回路及びモータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御で駆動するためにステータコイルに発生する誘起電圧を検出し、その検出結果に基づいてロータの回転位置を検出する回路、及び当該回路を備えてなるモータ駆動装置に関する。

ブラシレスＤＣモータの駆動を制御する場合は、ステータ側にロータの回転位置（磁極位置）を検出するためにホール素子などを電気角６０°、若しくは１２０°の間隔で複数個配置し、これらの素子からの位置検出信号に基づいてステータコイルに対する通電タイミングを決定することが一般に行われている。しかし、斯様な構成を採用すると、ホール素子に供給する電源配線や、検出出力を得るための配線などが必要となるため、モータの構造が複雑化するという問題がある。
そこで、従来より、特許文献１に開示されているように、ホール素子のようなセンサを使用することなく、ロータの回転時にステータコイルに発生する誘起電圧を検出し、誘起電圧よりロータの位置情報を得る、所謂センサレス駆動方式を採用する場合がある。

図５には、例えば車両に搭載されるラジエータのファンモータを駆動する装置に適用されるものについて、その概略構成を示す。モータ駆動装置１は、車両のバッテリ２より駆動用電源が供給されており、ブラシレスＤＣモータ３は、インバータ部４を介して駆動される。インバータ部４は、例えば６個のパワーＭＯＳＦＥＴ５ａ〜５ｆを三相ブリッジ接続して構成されており、インバータ部４の各相出力端子は、夫々モータ３の各相ステータコイル６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに接続されている。

インバータ部４は、マイクロコンピュータ又は論理回路で構成される制御部７により制御され、各ＦＥＴ５のゲートにはゲートドライバ８を介して駆動信号が出力される。モータ３のロータ回転位置は位置検出回路９により検出され、その位置検出信号は制御部７に与えられる。位置検出回路９は、コンデンサＣ，抵抗Ｒで構成されるローパスフィルタ１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗと、バッファアンプ１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗと、バッファアンプ１１の出力信号を仮想中性点電位と比較するコンパレータ１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗとで構成されている。ローパスフィルタ１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗの入力端子は、インバータ部４の各相出力電圧を分圧する抵抗Ｒ１，Ｒ２の共通接続点に接続されている。

図６は、インバータ部４を介してモータ３に通電を行う場合における各部の電圧波形を示す。モータ３の起動時には、制御部７は所定のパターンを与えて通電を行い、モータ３を起動する。モータ３が回転した場合、ステータコイル６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに発生する誘起電圧がコイル６の端子電圧に現れる（ａ）。コイル６の端子電圧にはＰＷＭ制御によるスイッチング波形が重畳されているため、それらをローパスフィルタ１０により除去すると、略正弦波状の誘起電圧波形が得られる（ｂ）。そして、コンパレータ１２が、フィルタ１０の出力信号を仮想中性点電位と比較することで、矩形波状の各相位置信号が得られる（ｃ）。
制御部７は、外部の図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）より与えられる制御信号に応じて、モータ３の回転速度を決定するＰＷＭデューティを設定する。それと共に、制御部７は、位置検出回路９より与えられる位置信号により転流タイミングを決定し、駆動信号を生成するとゲートドライバ８に出力する。

また、特許文献２には、同様の駆動方式をエアコンのファンモータに適用し、室外機のファンが風を受けて回転している状態で回転位置を検出しておき、モータの起動指令が与えられると適切なタイミングで通電を開始する技術が開示されている。
特開昭６２−１２３９７９号公報 特開平７−３３７０８０号公報

上記のようにセンサレス駆動方式でモータ３をＰＷＭ制御する場合、フィルタ１０により誘起電圧信号に含まれているスイッチングノイズを除去する必要があるが、その結果、フィルタ１０を通過した誘起電圧信号の位相に遅れが発生する。この位相遅れを、通過信号の周波数全域に亘って略９０度とするには、ＣＲフィルタによる信号の減衰が許容できる範囲でＣＲ時定数を大きくし、カットオフ周波数を低くするのが好ましい。

ところで、車両用のファンモータを駆動する装置は、エンジンルーム内に搭載されるため、動作環境温度が極めて広範囲となる。そして、フィルタ１０のＣＲ時定数は、素子自体が公差を有することに加えて温度の影響を受け易く、結果としてばらつきが大きくなってしまう。従って、各相のフィルタ１０の時定数にずれが生じる可能性が高い。

また、車両用ラジエータのファンについては、特許文献２と同様に、車両が走行している間、風を受けてファンが回転している状態からモータ３を起動する場合がある。しかしながら、フィルタ１０の時定数に大きなずれがあると、通電を開始する場合や停止する場合に適切なタイミングが得られなくなり、脱調が発生したり、転流パターンが変わらず過大な電流が通電されてしまうといった問題がある。
また、車両用に使用されるモータを駆動する場合には、電源電圧が変動しても正常に動作している必要がある。上記と同様にフィルタ１０の時定数に大きなずれがあると、電源電圧が急峻に変動した場合に、適切なタイミングが得られなくなり、脱調が発生したり、転流パターンが変わらず過大な電流が通電されてしまうといった問題がある。

ここで、図７は、フィルタ１０の時定数にばらつきが無い場合において、図示しないファンが風を受けて回転している状態からモータ３に通電を開始し、起動を行う場合の図６相当図である。また、図８は、フィルタ１０の時定数にばらつきがある場合の図７相当図である。図７のケースでは、モータ３の起動は問題なく行われるが、図８のケースでは、フィルタ１０の時定数にばらつきがあることで、通電開始時においてコンパレータ１２より出力される位置信号の位相にずれが生じている。

また、図９には、オシロスコープによる実際の波形の観測例を示す。（ａ），（ｂ）はフィルタ１０の時定数にばらつきが無い場合の、フィルタ１０通過後のＵ，Ｖ，Ｗ相電圧波形の立上り，立下り部分とＵ相位置信号の波形であり、（ｃ），（ｄ）は時定数にばらつきがある場合（約３０％）を示す（但し、観測点はバッファ１１の入力端子である）。図９（ａ），（ｂ）の場合、Ｕ相位置信号は適切に出力されている。そして、コンパレータ１２の基準電圧である仮想中性点電位は各相誘起電圧の和で得ているため、図９（ｃ），（ｄ）の場合は基準電圧と各相の電圧の立ちあがり時間がずれて、コンパレータ１２において適切なレベル比較が行われなくなる。その結果、Ｕ相位置信号が適切に得られなくなっている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ローパスフィルタの時定数にばらつきがある場合でも、正確な通電タイミングを得ることができるロータ位置検出回路、及び当該回路を備えてなるモータ駆動装置を提供することにある。

請求項１記載のロータ位置検出回路によれば、ブラシレスＤＣモータのステータコイルに発生する誘起電圧の検出信号を低域濾波する第１ローパスフィルタの基準電位として、ブラシレスＤＣモータの中性点電位を第２ローパスフィルタを介して付与する。斯様に構成すれば、第１ローパスフィルタが備えているコンデンサの充放電は、モータの中性点電位を基準として行われるようになり、充放電に要する時間が短縮され、第１ローパスフィルタの出力信号の立上り，立下がり時間は短くなる。従って、ロータの位置検出をより速く行なうことができ、第１ローパスフィルタの時定数にばらつきがある場合でも、正確な通電タイミングを得ることが可能となる。

請求項２記載のロータ位置検出回路によれば、ブラシレスＤＣモータのステータコイルに発生する誘起電圧の検出信号を低域濾波する第１ローパスフィルタの基準電位として、ブラシレスＤＣモータの仮想中性点電位を第２ローパスフィルタを介して付与する。従って、モータの中性点電位を直接得るための配線が困難である場合でも、仮想中性点電位により適切な基準電位を設定することができる。
請求項３記載のロータ位置検出回路によれば、第１ローパスフィルタの出力信号を、バッファアンプを介してコンパレータに出力する。

請求項４記載のモータ駆動装置によれば、請求項１乃至３の何れかに記載のロータ位置検出回路を備えて構成されるので、ブラシレスＤＣモータが外力を受けて回転している状態から、当外モータの起動をスムーズに行うことができる。

請求項５記載のモータ駆動装置によれば、車両に搭載されるブラシレスＤＣモータを負荷とする。即ち、車両に搭載されるモータは、電源電圧が変動する為、本発明を適用すればそのような状態でも、脱調することなくモータを駆動することができる。

請求項６記載のモータ駆動装置によれば、車両に搭載されるラジエータファンをモータの負荷とする。即ち、車両のラジエータファンは、モータに通電されない場合でも車両が走行している間は風を受けて回転するので、本発明を適用すればそのような状態からの通電起動を確実に行うことができる。

（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１乃至図３を参照して説明する。尚、図５と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。本実施例のモータ駆動装置２１は、モータ駆動装置１におけるローパスフィルタ（第１ローパスフィルタ）１０Ｕ，１０Ｖ，１０ＷにおけるコンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷとグランドとの間に、コンデンサＣＮを挿入している。そして、コンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷとコンデンサＣＮとの共通接続点と、ローパスフィルタ１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗの入力端子との間には、夫々抵抗素子ＲＵＮ，ＲＶＮ，ＲＷＮが接続されている。以上の構成において、ローパスフィルタ１０，コンパレータ１２，コンデンサＣＮ（第２ローパスフィルタ），抵抗素子ＲＵＮ，ＲＶＮ，ＲＷＮ（第２ローパスフィルタ）は、ロータ位置検出回路２２を構成している。

ここで、コンデンサＣＮ，及び抵抗素子ＲＵＮ，ＲＶＮ，ＲＷＮによる時定数の設定は、モータ３の回転数が最高となった場合の電気角６０°に相当する時間以下に設定するのが望ましい。しかし、上記時定数を小さくし過ぎるとＰＷＭ信号に含まれているスイッチングノイズや相切換えに伴い発生するノイズを除去できなくなるので、以上を考慮して適宜設定すれば良い。
一例として、最高回転数が２５００ｒｐｍ，モータの極対数が「５」の場合、電気角６０°に相当する時間は約８００μｓとなる。従って、ＣＮ＝０．０１μＦ，ＲＮ＝２００ｋΩに設定すれば、時定数は、０．０１μ×２００ｋ／３＝６６６μｓ，となるので、適切な値にすることができる。

モータ３は、冷却ファン２３を回転させてラジエータ（熱交換器）２４及びコンデンサ（凝縮器）２５に送風して冷却を行なうようになっている。尚、これらのラジエータ２４及びコンデンサ２５は、車両に搭載されているヒートサイクルの一部を構成するものである。

次に、本実施例の作用について図２及び図３も参照して説明する。従来のモータ駆動装置１におけるローパスフィルタ１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗは、コンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷの一端がグランドに接続されていたため、ローパスフィルタ１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗに信号が入力された場合、各コンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷの充放電は、下限をグランドレベルとして行われている。
これに対して、本実施例のロータ位置検出回路２２では、コンデンサＣＮと抵抗素子ＲＵＮ，ＲＶＮ，ＲＷＮとを上記のように接続したことで、各コンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷの端子電圧は、仮想中性点電位が下限となっている。従って、ローパスフィルタ１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗに入力信号が印加された場合に、コンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷについて行われる充放電は仮想中性点電位を下限として行われるので、充放電に要する時間が短縮され、信号の立上り，立下り時間が短くなり、応答がより高速になる。

図２は、図１０相当図である。フィルタ１０の基準電位が仮想中性点電位となったことで、フィルタ１０の出力波形の立上り，立下りは、時定数にばらつきがある無しにかかわらず急峻になっており、コンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷの充放電が急速に行われていることが分かる。そして、図３は図９相当図であるが、モータ３の通電開始時においてフィルタ１０の出力波形とそれらの合成となる基準電位は急速に立上がるようになり、時定数に比較的大きなばらつきがあったとしても問題は無く、各相位置信号は位相ずれが発生することなく適切に得られるようになっている。

以上のように本実施例によれば、ロータ位置検出回路２２を、モータ３のステータコイル６に発生する誘起電圧の検出信号を低域濾波するローパスフィルタ１０の基準電位として、モータ３の仮想中性点電位を付与する構成としたので、フィルタ１０を構成するコンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷの充放電はモータ３の仮想中性点電位を基準として行われるようになり、充放電に要する時間が短縮され、フィルタ１０の出力信号の立上り，立下がり時間は短くなる。

従って、ロータの位置検出をより速く行なうことができ、フィルタ１０の時定数にばらつきがある場合でも、正確な通電タイミングを得ることが可能となる。また、モータ３の中性点電位を直接得るための配線が困難である場合でも、仮想中性点電位により適切な基準電位を設定することができる。そして、車両に搭載されるラジエータファン２３をモータ３の負荷とする駆動装置２１を、ロータ位置検出回路２２を備えて構成したので、モータ３に通電が行われずに車両が走行している場合、ファン２３が走行風を受けて回転している状態でも、モータ３の通電起動を確実に行うことができる。

（第２実施例）
図４は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分について説明する。第２実施例のモータ駆動装置２６は、モータ駆動装置２１より抵抗素子ＲＵＮ，ＲＶＮ，ＲＷＮを削除している。また、モータ３の中性点とグランドとの間には、分圧抵抗Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎの直列回路が接続されており、それらの共通接続点とコンデンサＣＮとの間は、抵抗素子ＲＮ（第２ローパスフィルタ）によって接続されている。

また、コンデンサＣＮと抵抗素子ＲＮとの共通接続点には、バッファアンプ１１Ｎの入力端子が接続されており、バッファアンプ１１Ｎの出力端子は、コンパレータ１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの反転入力端子に抵抗素子を介して接続されている。以上において、第１実施例のロータ位置検出回路２２の構成を変更したものが、ロータ位置検出回路２７を構成している。
以上のように構成される第２実施例では、コンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷの共通側端子，及びコンパレータ１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの基準電圧には、抵抗Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎにより分圧されたモータ３の中性点電位が付与されている。従って、第１実施例と同様の作用効果が得られる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
車両に搭載されるラジエータファンを駆動するものに限らず、非通電時に外力を受けて回転する可能性があるモータを駆動対象とするものであれば広く適用することができる。
車両に搭載されるモータを駆動するものに限らず、電源電圧が変動するような環境で
モータを駆動対象とするものであれば広く適用することができる。

本発明の第１実施例であり、モータ駆動装置の構成を示す図 オシロスコープによる実際の波形の観測例であり、（ａ），（ｂ）はフィルタの時定数にばらつきが無い場合、（ｃ），（ｄ）は時定数にばらつきがある場合の（ａ），（ｂ）相当図 モータに通電を行う場合の各部の電圧波形であり、（ａ）は誘起電圧、（ｂ）はフィルタの出力電圧、（ｃ）はコンパレータの出力電圧を示す図 本発明の第２実施例を示す図１相当図 従来技術を示す図１相当図 図３相当図 フィルタの時定数にばらつきが無い場合に、ファンが風を受けて回転している状態からモータに通電を開始する場合の図６相当図 フィルタの時定数にばらつきがある場合の図７相当図 図２相当図

符号の説明

図面中、３はブラシレスＤＣモータ、６はステータコイル、１０はローパスフィルタ、１２はコンパレータ、２１はモータ駆動装置、２２はロータ位置検出回路、２３は冷却ファン（ラジエータファン）、２６はモータ駆動装置、２７はロータ位置検出回路、２８はモータ駆動装置、３０はロータ位置検出回路を示す。

Claims (6)

1. ブラシレスＤＣモータを駆動するため、ステータコイルに発生する各相の誘起電圧を検出し、その検出結果に基づいてロータの回転位置を検出する回路において、
   抵抗及びコンデンサで構成され、前記各相の誘起電圧の検出信号を低域濾波する第１ローパスフィルタと、
   抵抗及びコンデンサで構成され、前記ブラシレスＤＣモータの中性点電位を低域濾波する、第２ローパスフィルタと、
   前記各相の第１ローパスフィルタの出力信号と、前記各相の第１ローパスフィルタの出力信号の和である参照電圧とを比較して回転位置信号を出力するコンパレータとを備え、
   前記第１ローパスフィルタの基準電位として、前記第２ローパスフィルタの出力電圧を与えるように構成されていることを特徴とするロータ位置検出回路。
2. ブラシレスＤＣモータを駆動するため、ステータコイルに発生する各相の誘起電圧を検出し、その検出結果に基づいてロータの回転位置を検出する回路において、
   抵抗及びコンデンサで構成され、前記各相の誘起電圧の検出信号を低域濾波する第１ローパスフィルタと、
   抵抗及びコンデンサで構成され、前記ブラシレスＤＣモータの仮想中性点電位を低域濾波する、第２ローパスフィルタと、
   前記各相の第１ローパスフィルタの出力信号と、前記各相の第１ローパスフィルタの出力信号の和である参照電圧とを比較して回転位置信号を出力するコンパレータとを備え、
   前記第１ローパスフィルタの基準電位として、前記第２ローパスフィルタの出力電圧を与えるように構成されていることを特徴とするロータ位置検出回路。
3. 前記第１ローパスフィルタの出力信号は、バッファアンプを介して前記コンパレータに出力されることを特徴とする請求項１又は２記載のロータ位置検出回路。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のロータ位置検出回路を備えて構成されることを特徴とするモータ駆動装置。
5. 車両に搭載されるブラシレスＤＣモータを、前記モータの負荷とすることを特徴とする請求項４記載のモータ駆動装置。
6. 車両に搭載されるラジエータファンを、前記モータの負荷とすることを特徴とする請求項４記載のモータ駆動装置。

Images