JP5411428B2 - 電気モータのための制御回路、電気モータの角度位置を決定し、電気モータの回転方向を決定するための方法 - Google Patents
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Description
この発明は概してブラシレスDCモータの制御に関し、特に、位置センサ、たとえばホールセンサまたは光エンコーダなしでブラシレスDCモータを制御し、モータの回転方向を決定するための方法および装置に関する。
ホールセンサまたは他の如何なる位置センサもなしで、如何に永久磁石モータのロータの位置を決定し、これらのモータを制御するのかについては、当該技術において公知である。位置センサを必要としないこのような制御方式はセンサレス制御方式と称される。いくつかのこれらのセンサレス制御方式は逆起電力(BEMFまたは逆EMF)に依拠している。モータの動作中、巻線は、永久磁石が発生させる経時変化する磁場に遭遇する。この経時変化する磁場は、巻線における逆起電力(BEMFまたは逆EMF)を誘導する。BEMFの振幅は、巻線に対する永久磁石の位置の関数である。
/検出する。しかしながら、たとえば、(b)を駆動するために固定子巻線が必要なときにBEMF信号へのアクセスが所望される場合、固定子巻線の時分割は不利であり、不可能になるかもしれない。
University Press)、ブラショブ、ルーマニア(Romania)、2002年、第2巻、509〜512頁)においては、ガブリエル・シムカ(Gabriel Cimuca)他が、有限差分スキームを用いてモータの動的挙動を説明する第1のオーダの微分方程式の組を解決することによって、逆emf信号を推定することを提案している。この方法では、モータの特徴(モータの巻線の同等の抵抗およびインダクタンス)を知ることが必要とされる。bemfの推定は、モータの特徴の利用可能性および/またはこれらの特徴が認識される精度に依存することとなる(これらの特徴は、量販市場用に商品化されたシステムにおいてはモータ毎に異なる可能性がある)。したがって、bemf信号は必ずしも推定できるわけではない。
この発明は、モータ巻線の端子に亘るBEMF信号を実際に測定せずに、永久磁石モータ、たとえば単相ブラシレスDCモータのための電流整流モーメントまたは状態を決定するための方法を提供する。この発明は、専用のセンサなしにキネマティック量(角変位、角速度、…)を決定することを提案している。
ータの出力における信号を用いて、固定子巻線における電流の方向を反転させるべきモーメントを導き出すことができる。レギュレータの出力におけるこの信号を用いて、キネマティック量(角変位、角速度、角加速度)を決定することができる。場合によっては、上記レギュレータの出力における信号を用いてロータの回転方向を決定することもできる。特に、レギュレータがパルス幅変調(PWM)を用いて固定子巻線における電流を制御する場合、BEMFの波形がPWM信号のデューティサイクルに影響を及ぼす。結果として、整流モーメント、すなわち、固定子巻線における電流の方向を変化/反転させるべき時間を、固定子巻線における電流の振幅を制御する信号のデューティサイクルから導き出すことができる。こうして、固定子の巻線における電流を制御するのに用いられる回路を用いて、公知の技術と同様に専用の検知回路を必要とすることなく、BEMF波形に関する情報(および、結果として、ロータの回転の速度、位置および検知に関する情報)を抽出するかまたは導き出す。
ータのそれと全く同じでない場合、逆EMFのゼロ交差から導き出されるロータの電気的位置は、ロータ速度が安定していたとしても時間的には安定していない。US 6,577,085 B2は、磁気的および機械的な反対称性を補償する解決策を提案している。
以下において、頭字語BEMFは逆起電力を示す。BEMFと共に、逆emfまたはBEMF信号は逆起電力信号を称するのに用いられる。以下の規定は、スイッチ、特にトランジスタスイッチの状態を説明する際に用いられる。トランジスタ(スイッチ)は、そこに電流が流れることを可能にするときには(通常の機械的なスイッチであるかのように)閉じられる。すなわち、トランジスタスイッチは、閉じられているとき導通している。次いで、トランジスタ(スイッチ)はオンに切換えられる。トランジスタ(スイッチ)は、そこに電流を流すことができない場合には開かれる。すなわち、トランジスタスイッチは開かれると導通しなくなる。次いで、トランジスタ(スイッチ)はオフに切換えられる。
、M1およびM4が閉じられ、M2およびM3が開かれてもよい。この場合、電流iwは固定子巻線において第1の方向に流れる(図13を参照)。電流iwの検知を反転させるために、M1およびM4が開かれ、M2およびM3が閉じられてもよい(図14を参照)。いわゆる低速減衰(Slow Decay)構成においては、電流は、たとえばM1およびM2を開き、M3およびM4を閉じることによってゼロにまで減衰される。いわゆる高速減衰(Fast Decay)構成においては、たとえば、電流がトランジスタM1(121)およびM4(124)を通って流れ、固定子巻線における電流の高速減衰を達成し、トランジスタM1(121)およびM4(124)が開かれ、トランジスタM2(122)およびM3(123)が閉じられる場合、Hブリッジは電流を反対方向に流すように構成される(すなわち、電流の振幅が低速減衰構成の場合よりも高速でゼロに到達し、十分に長く印加される場合、電流の方向が反転し、その振幅が増大する)。
(163)は、スイッチ(161)が開いているときに固定子巻線において電流が循環することを可能にする。フリーホイールダイオードは意図的なものであり得るか、または、トランジスタスイッチ、たとえばM3もしくはM4の寄生ダイオードであり得る。たとえば、スイッチ161がトランジスタM1であれば、フリーホイールダイオード163はトランジスタM3に関連付けられる寄生ダイオードであり得る。スイッチ161がトランジスタM2であれば、フリーホイールダイオード163はトランジスタM4に関連付けられる寄生ダイオードであり得る。特に、トランジスタM3およびM4がn型MOSトランジスタであれば(この場合、バルク電極は、必ずしもそうであるわけではないが、しばしば、ソース電極とともに短絡させられる)、この場合、M3またはM4のドレインバルクダイオードを、場合によっては、フリーホイールダイオードとして用いることができる。電圧源160は、スイッチ161、インダクタ165および抵抗器166と直列に接続されている。なお、フリーホイールダイオード(163)は必ずしも必要であるわけではない。実際には、利用可能なトランジスタで処理を行い得る。ダイオード(163)のようなフリーホイールダイオードの役割は、スイッチ(161)が開かれているときに電流がコイル(165)を通って循環することを可能にすることである。Hブリッジにおいては、フリーホイールダイオードの役割は、HブリッジのPWMモードでの動作方法の複雑さが僅かに増すことを犠牲にして、トランジスタM1、M2、M3またはM4のうちの1つが引き受けてもよい。たとえば、図13および図15に図示のとおり、電流Iwを所与の方向に流すことを可能にするかまたは強制的に流すためにトランジスタM1およびM4が閉じられるものと仮定する。PWMモードでは、以下により詳細に説明されるように、トランジスタM1は、トランジスタM4が閉じられたままの状態で繰り返し開かれたり閉じられたりする。トランジスタM1が開いているとき、電流をVbat(120)から固定子巻線(125)を通じて流すことはできない。フリーホイールダイオードが固定子巻線(すなわち、要素15、16)と並列に接続されていれば、トランジスタM1が開いているとき、電流は固定子巻線とフリーホイールダイオードとを通って流れ続ける。フリーホイールダイオードがない場合、トランジスタスイッチM1が開いているときにトランジスタスイッチM3を閉じることができるので、電流Iwはループ126、125〜M4〜センス抵抗器17〜GND〜M4〜16を通って流れることとなる。VbatからGNDまでの短絡を回避するために、トランジスタM1が完全に(または少なくとも十分に)開かれるまでトランジスタM3を閉じるのを遅らせて、トランジスタM1を閉じる前にトランジスタM3を開かなければならない。
Vbat=−Lwdiw/dt+Rwiw+V(BEMF)+Rsenseiw (式1)
この場合、スイッチ161が閉じられ、
0=−Lwdiw/dt+Rwiw+V(BEMF)+Rsenseiw (式2)
この場合、スイッチ161は開かれる。
ままであればあるほど電流iwの振幅が大きくなる。同様に、式2に従うと、他のすべてのものは等しく保たれるが、スイッチ161が長く開かれたままであればあるほど電流iwの振幅の低減がより重要となる。パルス幅変調においては、スイッチ161は、比較器(128)の出力に応じて閉じられるかまたは開かれる。
、すなわち、固定子巻線における電流iwが基準iSetよりも低い限り、高く維持される。上述に基づき、PWM期間の終わりに、カウンタの出力は、カウンタ183によってカウントされるCLCK期間の数に等しくなり、その間、PWM信号は、そのPWM期間中、高くなっていた、すなわち、PWM期間の終わりにおけるカウンタの出力はデューティサイクルに比例している(+/−1/2LSB、すなわち、NB*DC、この場合、LSBは最下位ビットを表わし、カウンタの出力のための可能な限り小さな増加分に対応している)。上述のとおり、0%および100%のデューティサイクルの回避が所望される場合、たとえば、少なくとも1クロック周期、多くてもDMAX *NBクロック周期にわたってPWM信号を高く維持し得る。これは、当該技術から公知のいくつかの方法においては論理信号を組合せることによって論理回路において容易に実現される。図18の回路はまた、フリップフロップ181の出力Qが0に戻り、カウンタがそれ以上インクリメントしなくなると、カウンタの内容をラッチするラッチ回路185を含み得る。
かまたは閉じられる)。Hブリッジのスイッチが固定子巻線における電流の方向を反転させるよう再構成された後、固定子コイルの自己インダクタンスのために、電流Iwの方向が瞬時に符号を変更することはないだろう。Iwの振幅は、まず、それがゼロに到達するまで低減し、Iwの符号が変化し(0交差)、その振幅が再び増大することとなる。Iw=IsetからIw=−Isetへの遷移の間、Iwの振幅はIset(|Iw|<Iset)よりも小さくなり、PWMレギュレータ129はデューティサイクルDCの増大によって反応することとなる。設定点Iset、モータの特徴およびその回転速度に応じて、デューティサイクルは、遷移の大部分の間に、または、図19に図示のとおり、Iw=IsetからIw=−Isetまでの遷移全体の間に、その最大値Dmaxにされてもよい。
AARI1をデューティサイクルDCの増大の第2の平均レートの絶対値として、瞬間t0と瞬間tMaxとの間で計算する。AARI2は、以下の式4に従って演算部243によって概算され得る。
AARI1およびAARI2の計算を簡潔にするために、式3および式4の両方の分母を(NMAX−N0)および(NMAX−NEND)と置き換えてもよい。この場合、N0、NMAXおよびNENDは、それぞれ時間t0、tMaxおよびtにおいて経過したPW
M期間の数である。典型的には、N0は0に等しくなるだろう。NMAXおよびNENDは、それぞれ、t0とtMaxとの間およびt0とtとの間で、図18の信号発生器184によって生成されるPWM開始信号の数をカウントすることによって容易に得ることができる。PWM期間の数は、たとえば、当該技術において公知のいくつかの方法で信号PWM開始をカウントすることによって得られてもよい。フィルタおよびクロックは、図23からわかるように、汎用の計算器244μ(マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、…)の一部であってもよい。
Claims (5)
- 電気モータのための制御回路であって、電気モータは、ロータ、固定子および巻線(125)を含み、制御回路は、巻線における電流(iw)の振幅を制御するよう電流駆動回路(121,122)を制御するための制御信号(TLまたはTR)を生成するフィードバックループレギュレータ(127,128,129)を有し、フィードバックループレギュレータは、巻線における電流(iw)の振幅を基準値(iset)と比較するよう構成され、制御回路はまた、
制御信号の直流成分を抽出するための回路(181,183,184,185)を有し、前記直流成分は巻線(125)における逆起電力と同様に時間に対して変動し、
巻線(125)における電流の方向が制御信号の直流成分の変動に対して変化されるべき瞬間を決定するための回路(200)を有する、制御回路。 - 制御信号の直流成分に基づいて電気モータの回転位置を決定し、
制御信号の直流成分からモータの回転方向を決定するよう構成される回路を有する、請求項1に記載の制御回路。 - 電気モータの角度位置を決定するための方法であって、モータは、固定子において巻線(125)と、ロータにおいて永久磁石とを有し、巻線における電流の振幅は、巻線に接続された電流駆動回路を制御するフィードバックループレギュレータによって制御され、前記方法は、
フィードバックループレギュレータによって生成される制御信号(TL,TR)の直流成分を得るステップと、
制御信号の直流成分を監視するステップと、
巻線(125)における電流の方向が制御信号の直流成分の変動に対して変化されるべき瞬間を決定するステップとを含む、方法。 - 制御信号の直流成分における最大値を検出するステップを含む、請求項3に記載の方法。
- 電気モータの回転方向を決定するための方法であって、モータは、固定子において巻線とロータにおいて永久磁石とを有し、モータの固定子に対するモータのロータの角度位置の関数として逆起電力のプロファイルが変化し、巻線における電流の振幅は、巻線に接続された電流駆動回路を制御するフィードバックループレギュレータによって制御され、前記方法は、
時間における3つ以上の瞬間においてフィードバックループレギュレータによって生成される制御信号の直流成分を得るステップと、
電気モータの回転方向を決定するステップと、
巻線における電流の方向が制御信号の直流成分の変動に対して変化されるべき瞬間を決定するステップとを含む、方法。
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