JP5422435B2 - ブラシレスモータの駆動装置および駆動方法 - Google Patents

Description

本発明はブラシレスモータの駆動装置および駆動方法に係り、特に、運転開始前のフリーラン状態での正確なロータの速度および位置を得て、確実且つ安定してモータの起動を行い得るブラシレスモータの駆動装置および駆動方法に関するものである。

近年、エアコン等の圧縮機駆動用や送風機駆動用として、或いは電気自動車の駆動用として、永久磁石をロータに搭載したブラシレスモータが使用されてきている。ブラシレスモータでは界磁として永久磁石が使用されるため、界磁磁束を発生するための界磁電流が消費されず高効率であり、またブラシレスモータは、小型で数十ｋＷ以下の中小容量に向くという特徴を持っている。

例えば、特許第３４４２２０３号公報の「室外送風機の駆動装置」では、このようなブラシレスモータの起動に際し、位置検出手段の出力信号に基づき、起動時の風速や風向が種々に異なる場合でも的確に起動させる手法が開示されている。しかしながら、ホール素子等を利用した位置検出手段を必要とする構成であり、装置コストが嵩むという問題があった。

そこで近年は、位置検出手段を持たずセンサレスでベクトル制御を行う手法が多く使用されるようになってきている。例えば、特開２００５−１７１８４３号公報の「ファン制御装置」では、モータの巻線電流の検出値に基づいて、ロータ位置およびモータの回転数を推定する手法が開示されている。

特許第３４４２２０３号公報 特開２００５−１７１８４３号公報

しかしながら、エアコンの室外送風機駆動用モータなどでは、インバータによって起動させる前に、自然風等の外力を受けてモータがフリーランしている場合があり、モータに電流が流れていない運転開始前のフリーラン状態で、速度および位置を推定する手段を用いて正確に速度および位置を得ることは不可能である。特許文献２においても、起動前に電力変換部を動作させてモータの回転数を推定し、低速範囲を複数の区間に分けて目標回転数等を設定して起動させているが、モータの巻線電流の検出値に基づきロータ位置およびモータの回転数を正確に得ることは難しく、制御が複雑になるという事情があった。

また、推定した位置や速度（回転数）の誤差が大きい状態で起動すると、十分なトルクが得られないだけでなく逆転するおそれもあり、またさらに、回転している状態からの起動では急加減速するおそれがあるなど、起動時の信頼性が劣化するという事情もあった。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、運転開始前のフリーラン状態での正確なロータの速度および位置を得て、確実且つ安定してモータの起動を行い得るブラシレスモータの駆動装置および駆動方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係るブラシレスモータの駆動装置は、直流を交流に変換してブラシレスモータに供給する電力変換手段と、前記ブラシレスモータのモータ電流を検出する電流検出手段と、モータ電圧指令値および検出したモータ電流に基づき、ロータの速度および位置を推定する速度・位置推定手段と、ロータの速度を速度指令に一致するように速度および電流の制御を行う制御手段と、前記電力変換手段を駆動するための波形を生成する波形生成手段と、前記ブラシレスモータの誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、前記ブラシレスモータの起動前に、前記誘起電圧検出手段の検出結果に基づき、ロータの速度および位置を推定する起動前速度・位置推定手段とを備え、前記速度・位置推定手段は、前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータの速度および位置を初期値として使用し、前記制御手段は、前記速度・位置推定手段で推定したロータの速度および位置に基づき、前記ブラシレスモータを実モータ回転に同期して起動させることを特徴とする。

本発明によれば、起動前速度・位置推定手段において、ブラシレスモータの起動前に、フリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を推定するので、運転開始前のフリーラン状態での正確なロータの速度および位置を得ることができる。また、運転開始前のフリーラン状態での正確な速度および位置を得て、速度・位置推定手段では、これを初期値としてロータの速度および位置を推定するので、よりシンプルな制御で、確実且つ安定してモータの起動を行い得るブラシレスモータの駆動装置および駆動方法を実現することができる。

また、本発明は、上記記載のブラシレスモータの駆動装置において、前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータの速度が第１速度閾値を下回るとき、前記ブラシレスモータに直流励磁電流を流してロータを停止させた後に起動させることを特徴とする。

本発明によれば、直流励磁を掛けてロータを一旦停止させた後に起動させるので、確実且つ安定してモータの起動を行うことができる。

また、本発明は、上記記載のブラシレスモータの駆動装置において、前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータの速度が第２速度閾値を上回るとき、前記ブラシレスモータを起動させないことを特徴とする。

本発明によれば、不要な運転のむだを省くことができ、また高速回転時の駆動に伴って駆動装置が破損するおそれも無い。

また、本発明は、上記記載のブラシレスモータの駆動装置において、前記速度・位置推定手段により推定された初期のロータ速度の大きさが前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータ速度の大きさよりも大きいとき、前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータ速度の大きさを前記速度・位置推定手段により推定された初期のロータ速度の大きさよりも大きい値に再設定する推定速度初期値補正手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、ロータの回転数が変動している場合でも、確実且つ安定してモータの起動を行うことができる。また、起動前の誘起電圧検出の検出精度が高くなくても、ロータの回転方向（正転／逆転）や目標速度の大小に関わらず、安定したモータの起動制御を行うことができる。

また、本発明は、上記記載のブラシレスモータの駆動装置において、前記電力変換手段におけるスイッチング素子の制御電源を充電するブートストラップ回路を有し、前記起動前速度・位置推定手段によるロータの速度および位置の推定前に、前記ブートストラップ回路の充電動作を完了させておくことを特徴とする。

本発明によれば、ロータの速度・位置推定後すぐに始動制御動作が可能となり、また、時間遅れのより少ない速度推定および位置推定の初期値を得ることができる。

本発明に係るブラシレスモータの駆動方法は、直流を交流に変換してブラシレスモータに供給する電力変換手段と、前記ブラシレスモータのモータ電流を検出する電流検出手段と、前記ブラシレスモータの誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段とを備えたブラシレスモータの駆動装置の駆動方法であって、前記ブラシレスモータの起動前に、前記誘起電圧検出手段の検出結果に基づき、ロータの速度および位置を推定する起動前速度・位置推定ステップと、前記起動前速度・位置推定ステップで推定されたロータの速度および位置を初期値とし、モータ電圧指令値および前記電流検出手段で検出したモータ電流に基づき、ロータの速度および位置を推定する速度・位置推定ステップと、前記速度・位置推定ステップで推定したロータの速度および位置に基づき、ロータの速度が速度指令に一致するように速度および電流の制御を行い、前記電力変換手段を駆動するための波形を生成して、前記ブラシレスモータを実モータ回転に同期して起動させる制御ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、起動前速度・位置推定ステップにおいて、ブラシレスモータの起動前に、フリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を推定するので、運転開始前のフリーラン状態での正確なロータの速度および位置を得ることができる。また、運転開始前のフリーラン状態での正確な速度および位置を得て、速度・位置推定ステップでは、これを初期値としてロータの速度および位置を推定するので、よりシンプルな制御で、確実且つ安定してモータの起動を行い得るブラシレスモータの駆動装置および駆動方法を実現することができる。

また、本発明は、上記記載のブラシレスモータの駆動方法において、前記起動前速度・位置推定ステップで推定されたロータの速度が第１速度閾値を下回るとき、前記ブラシレスモータに直流励磁電流を流してロータを停止させた後に起動させることを特徴とする。

本発明によれば、直流励磁を掛けてロータを一旦停止させた後に起動させるので、確実且つ安定してモータの起動を行うことができる。

また、本発明は、上記記載のブラシレスモータの駆動方法において、前記起動前速度・位置推定ステップで推定されたロータの速度が第２速度閾値を上回るとき、前記ブラシレスモータを起動させないことを特徴とする。

本発明によれば、不要な運転のむだを省くことができ、また高速回転時の駆動に伴って駆動装置が破損するおそれも無い。

また、本発明は、上記記載のブラシレスモータの駆動方法において、前記速度・位置推定ステップで推定された初期のロータ速度の大きさが前記起動前速度・位置推定ステップで推定されたロータ速度の大きさよりも大きいとき、前記起動前速度・位置推定手段で推定されたロータ速度の大きさを前記速度・位置推定手段で推定された初期のロータ速度の大きさよりも大きい値に再設定する推定速度初期値補正ステップを有することを特徴とする。

本発明によれば、ロータの回転数が変動している場合でも、確実且つ安定してモータの起動を行うことができる。また、起動前の誘起電圧検出の検出精度が高くなくても、ロータの回転方向（正転／逆転）や目標速度の大小に関わらず、安定したモータの起動制御を行うことができる。

また、本発明は、上記記載のブラシレスモータの駆動方法において、前記起動前速度・位置推定ステップによるロータの速度および位置の推定前に、前記ブートストラップ動作を完了させておくことを特徴とする。

本発明によれば、ロータの速度・位置推定後すぐに始動制御動作が可能となり、また、時間遅れのより少ない速度推定および位置推定の初期値を得ることができる。

本発明によれば、ブラシレスモータの起動前に、フリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を推定して正確な速度および位置を得ることができ、これを初期値としてロータの速度および位置を推定するので、よりシンプルな制御で、確実且つ安定してモータの起動を行い得るブラシレスモータの駆動装置および駆動方法を実現することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るブラシレスモータの駆動装置の構成図である。 速度・位置推定部の構成図である。 本発明の第２実施形態に係るブラシレスモータの駆動装置の構成図である。 初期推定速度と初期実速度との差に対する位置誤差の関係を説明する説明図である。 各種電圧・電流波形を例示する説明図である。

以下、本発明のブラシレスモータの駆動装置および駆動方法の実施形態について、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態の順に図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態に係るブラシレスモータの駆動装置の構成図である。同図において、本実施形態のブラシレスモータの駆動装置は、主として駆動対象のブラシレスモータ１に対して、インバータ主回路およびモータ制御部を備えて構成されている。

インバータ主回路には、単相交流電源、リアクトル、ＡＣ−ＤＣコンバータ、平滑コンデンサおよびインバータ３（電力変換手段）を備え、インバータ３には、ＡＣ−ＤＣコンバータにより変換された直流電圧が供給される。

インバータ３は、還流用のダイオードが逆並列接続された６個のスイッチング素子を３相ブリッジ接続して構成され、正側のスイッチング素子と負側のスイッチング素子との相互接続点が、３相交流電圧の出力端としてブラシレスモータ１の相巻線に接続された構成である。インバータ３は、モータ制御部の制御に基づく各スイッチング素子のオン／オフ制御により、直流を交流に変換してブラシレスモータ１に供給する。

次に、モータ制御部は、速度ＰＩ制御部１１、電流テーブル１２、電流ＰＩ制御部１３、２相／３相変換部１４，１５、速度・位置推定部１６、起動前速度・位置推定部３１、減算器１７，１８、ＰＷＭデューティ計算部２８、電圧検出回路２１、電流検出回路２２、誘起電圧検出回路２３およびＡ／Ｄ変換部２４，２５，２６を備えている。

まず、各種検出手段について説明する。電圧検出回路２１は、インバータ３に供給される直流電圧を検出し、該検出信号はＡ／Ｄ変換部２４を介してディジタルデータに変換された後、ＰＷＭデューティ計算部２８に供される。ここで電圧検出回路２１は、例えば、インバータ３入力の正側と負側間に直列接続される２つの抵抗間の電位を検出する構成として具現される。

また、電流検出回路２２は、ブラシレスモータ１のモータ電流を検出し、該検出信号はＡ／Ｄ変換部２５を介してディジタルデータに変換された後、２相／３相変換部１５に供される。ここで電流検出回路２２は、例えば、インバータ３の３相分の負側アームとインバータ３入力の負側との間にそれぞれ抵抗を接続し、該抵抗の電圧降下に基づきブラシレスモータ１の電機子電流を検出する構成として具現される。

また、誘起電圧検出回路２３は、ブラシレスモータ１の速度起電力による誘起電圧を検出し、該検出信号はＡ／Ｄ変換部２６を介してディジタルデータに変換された後、起動前速度・位置推定部３１に供される。ここで誘起電圧検出回路２３は、例えば相電圧を検出する場合、各相の相電圧をそれぞれ増幅する３個の増幅器の構成として具現される。

次に、２相／３相変換部１５は、Ａ／Ｄ変換部２５を介して供されるモータ電流の検出信号（即ち、ｕ相電流ｉｕ．ｖ相電流ｉｖおよびｗ相電流ｉｗ、若しくはこれらの内の２つ）に対し、速度・位置推定部１６によって推定された（１つ次のクロックサイクルでの）ロータの推定位置θｅｓを用いて、３相から２相への変換が行われ、ｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄが算出される。これらｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄは、減算器１８および速度・位置推定部１６に供給される。

また、起動前速度・位置推定部３１は、Ａ／Ｄ変換部２６を介して供されるブラシレスモータ１の速度起電力による誘起電圧の検出信号（即ち、ｕ相電圧Ｅｕ．ｖ相電圧Ｅｖおよびｗ相電圧Ｅｗ）に基づき、ブラシレスモータ１起動前のフリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を推定する。

ここで、増幅器のゲインをｇ、モータの回転角速度をωｍ、誘起電圧定数（回転角速度と速度起電力の大きさの関係を示すパラメータ）をＫｅとするとき、各相電圧は次式で表される。
（数１）
ｕ相電圧Ｅｕ＝−ｇ・Ｋｅ．ωｍ・sin（θｄ）、
ｖ相電圧Ｅｖ＝−ｇ・Ｋｅ．ωｍ・sin（θｄ−２π／３）、
ｗ相電圧Ｅｗ＝−ｇ・Ｋｅ．ωｍ・sin（θｄ−４π／３） …（１）

この時の誘起電圧位相θｅは次式で与えられる。
（数２）
θｅ＝tan^−１（β／α）−π／２
ここで、α＝２／３（Ｅｕ−Ｅｖ／２−Ｅｗ／２）
β＝（Ｅｖ−Ｅｗ）／３^１／２ …（２）

したがって、式（２）を用いて演算により誘起電圧位相θｅを求め、これをフリーラン時（無給電時）におけるロータ推定位置θｅｓ（初期値）とし、さらにロータ推定位置θｅｓを微分してロータ推定速度ωｅｓ（初期値）を求めればよい。なお、誘起電圧を検出してロータの速度および位置を推定する手法は種々有り、例えば誘起電圧のゼロクロスタイミングを検出してロータ推定位置θｅｓを求める手法や、予め記憶されている誘起電圧とのパターン比較によってロータ推定位置θｅｓを求める手法などもある。

次に、速度・位置推定部１６では、電流ＰＩ制御部１３から供されるｑ軸電圧Ｖｑおよびｄ軸電圧Ｖｄ、２相／３相変換部１５から供されるｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄ、並びに、起動前速度・位置推定部３１から供されるフリーラン時（無給電時）におけるロータ推定位置θｅｓおよびロータ推定速度ωｅｓ（初期値）に基づき、ロータの速度および位置を推定する。

図２に、速度・位置推定部１６の構成図を示す。同図において、速度・位置推定部１６は、調整モデル４１、速度推定部４２および積分器４３を備えている。

調整モデル４１では、ｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄ、並びに１つ前のクロックサイクルでのロータ推定速度ωｅｓに基づき、ブラシレスモータ１のデータモデルを用いて、モデルｑ軸電流ｉｑ＾およびモデルｄ軸電流ｉｄ＾を算出する。例えば、典型的なデータモデルを例示すれば、次式の通りである。ここで、Ｒは巻線抵抗、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｋｅは誘起電圧定数、ｐは微分演算子（ｐ＝ｄ／ｄｔ）である。
（数３）
Ｖｄ＝（Ｒ＋ｐ・Ｌｄ）ｉｄ−ω・Ｌｑ・ｉｑ、
Ｖｑ＝ω・Ｌｄ・ｉｄ＋（Ｒ＋ｐ・Ｌｑ）ｉｑ＋ω・Ｋｅ …（３）
具体的には、この微分方程式をルンゲ・クッタ等の数値計算法を用いて解くことにより、モデルｑ軸電流ｉｑ＾およびモデルｄ軸電流ｉｄ＾が算出される。

また、速度推定部４２では、ポポフの超安定理論に従って、次式に示す評価関数Ｅｒｒを算出し、この評価関数Ｅｒｒに対するＰＩ制御により、ロータ推定速度ωｅｓを求める。
（数４）
Ｅｒｒ＝ｉｄ・ｉｑ＾−ｉｑ・ｉｄ＾−Ｋｅ／Ｌ（ｉｑ−ｉｑ＾） …（４）
（数５）
ωｅｓ＝Ｋｐ・Ｅｒｒ＋∫Ｋｉ・Ｅｒｒ …（５）
ここで、Ｌはインダクタンス、Ｋｐは比例定数、Ｋｉは積分定数である。

さらに、速度推定部４２で求めたロータ推定速度ωｅｓを積分器４３で積分して、ロータ推定位置θｅｓを得る。なお、２相／３相変換部１５に対して供給される１つ次のクロックサイクルでのロータの推定位置θｅｓは、ここで得られたロータ推定位置θｅｓにロータ推定速度ωｅｓ応じた補正を加えて生成する。

次に、速度ＰＩ制御部１１では、減算器１７から供される回転数指令（速度指令ω＊）とロータ推定速度ωｅｓとの偏差に応じて、速度ＰＩ制御が行われる。モータのインダクタンスに異方性がない場合、一般的には、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊は０である。しかし、速度指令ω＊が高いために弱めの界磁制御を行う必要がある場合には、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊は負に設定される。また、モータのインダクタンスに異方性を有する場合もｄ軸電流指令値ｉｄ＊は０とならない。最小電流でブラシレスモータ１を制御するためには、まず速度指令ω＊とロータ推定速度ωｅｓとの偏差に応じたトルクを算出または選定する。

次に、電流テーブル１２では、速度ＰＩ制御部１１で求められたトルクを出すために必要となるｑ軸電流指令値ｉｑ＊およびｄ軸電流指令値ｉｄ＊の組み合わせを、当該テーブルを参照して選択する。

次に、電流ＰＩ制御部１３では、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｑ軸電流ｉｑとの偏差、並びにｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｄ軸電流ｉｄとの偏差が算出され、これらの偏差が０に近づくようにｑ軸電圧Ｖｑおよびｑ軸電圧Ｖｄが決定される。なお、ｑ軸電圧Ｖｑおよびｑ軸電圧Ｖｄの決定には、ロータ推定速度ωｅｓが使用される。

次に、２相／３相変換部１４では、決定されたｑ軸電圧Ｖｑおよびｑ軸電圧Ｖｄに対して２相から３相への変換が行われ、ブラシレスモータ１に供給されるべき３相駆動電圧（即ち、ｕ相電圧Ｖｕ．ｖ相電圧Ｖｖおよびｗ相電圧Ｖｗ）が算出される。この２相／３相変換では、速度・位置推定部１６によって推定された１つ次のクロックサイクルでのロータの推定位置θｅｓが用いられる。

次に、ＰＷＭデューティ計算部２８では、算出された３相駆動電圧（ｕ相電圧Ｖｕ．ｖ相電圧Ｖｖおよびｗ相電圧Ｖｗ）がブラシレスモータ１に供給されるようにインバータ３を制御するＰＷＭ信号が生成される。このＰＷＭ信号の生成には、電圧検出回路２１により検出された検出電圧が参照される。インバータ３の各スイッチング素子はこのＰＷＭ信号に応じてオン／オフ制御されることとなる。

次に、以上の各構成要素を備えたブラシレスモータの駆動装置の駆動方法について説明する。上述した構成要素の内、速度ＰＩ制御部１１、電流テーブル１２、電流ＰＩ制御部１３、２相／３相変換部１４，１５、速度・位置推定部１６、起動前速度・位置推定部３１、減算器１７，１８およびＰＷＭデューティ計算部２８は、ＤＳＰまたはＭＰＵ等のプロセッサにより実現される。したがって、ここに列挙した各構成要素は、ＤＳＰまたはＭＰＵ等のプロセッサ上の機能的な構成要素であり、プログラムによって実現される。

該プログラムの処理ステップとして実行順に記述すると、以下のようになる。
（１）起動前速度・位置推定ステップ（起動前速度・位置推定部３１）：ブラシレスモータ１の起動前に、誘起電圧検出回路２３の検出結果に基づき、フリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を推定する。

（２）速度・位置推定ステップ（速度・位置推定部１６）：起動前速度・位置推定ステップ（起動前速度・位置推定部３１）で推定されたフリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を初期値とし、制御ステップ（電流ＰＩ制御部１３）によるｑ軸電圧Ｖｑおよびｑ軸電圧Ｖｄ、並びに、電流検出回路２２で検出し２相／３相変換部１５で変換されたｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄに基づき、ロータの速度および位置を推定する。

（３）制御ステップ：速度ＰＩ制御部１１、電流テーブル１２、電流ＰＩ制御部１３およびＰＷＭデューティ計算部２８において、速度・位置推定ステップで推定したロータの速度および位置に基づき、ロータの速度が速度指令に一致するように速度および電流の制御を行い、インバータ３（電力変換手段）を駆動するための波形を生成して、ブラシレスモータ１を実モータ回転に同期して起動させる。

以上説明したように、本実施形態のブラシレスモータの駆動装置および駆動方法では、起動前速度・位置推定部３１（起動前速度・位置推定ステップ）において、ブラシレスモータ１の起動前に、誘起電圧検出回路２３の検出結果に基づき、フリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を推定し、速度・位置推定部１６（速度・位置推定ステップ）において、フリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を初期値として、ｑ軸電圧Ｖｑおよびｑ軸電圧Ｖｄ、並びに、電流検出回路２２で検出し２相／３相変換部１５で変換されたｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄに基づき、ロータの速度および位置を推定する。

このように、起動前速度・位置推定部３１（起動前速度・位置推定ステップ）において、ブラシレスモータ１の起動前に、誘起電圧検出回路２３の検出結果に基づき、フリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を推定するので、運転開始前のフリーラン状態での正確なロータの速度および位置を得ることができる。誘起電圧検出回路２３およびＡ／Ｄ変換部２６の追加のみの構成であり、よりシンプルで低コストな構成で実現できる。

また、運転開始前のフリーラン状態での正確な速度および位置を得て、速度・位置推定部１６（速度・位置推定ステップ）では、これを初期値としてロータの速度および位置を推定するので、よりシンプルな制御で、確実且つ安定してモータの起動を行い得るブラシレスモータの駆動装置および駆動方法を実現することができる。つまり、エアコンの室外送風機駆動用モータなどで自然風等の外力を受けてモータ（室外送風機）が正転または逆転でフリーランしている場合であっても的確な起動が可能となる。

なお、フリーラン時（無給電時）におけるロータの回転が極低速であるときには、ブラシレスモータ１で発生する誘起電圧は微弱な値となる。誘起電圧検出回路２３において増幅器のゲインの調整により分解能を挙げることも可能であるが、限界がある。

そこで、本実施形態においては、起動前速度・位置推定部３１（起動前速度・位置推定ステップ）において推定されたロータの速度が第１速度閾値を下回るときには、ブラシレスモータ１に直流励磁電流を所定時間流してロータを一旦停止させた後に起動させることとしている。ここで、第１速度閾値および直流励磁電流を流す所定時間は、ブラシレスモータ１の規格、誘起電圧検出回路２３の構成等を考慮して予め設定される。なお、ロータの回転が極低速であるか否かの判断を推定されたロータの速度によらず、誘起電圧検出回路２３による誘起電圧値に基づき行うようにしても良い。

このように、ロータの回転が極低速であるときには、直流励磁を所定時間掛けてロータを一旦停止させた後に起動させるので、誘起電圧が検出困難となるような回転速度は十分に小さいことから、インバータ３のスイッチング素子に負担を掛けることなく対応が可能となり、確実且つ安定してモータの起動を行うことができる。

また他方では、フリーラン時（無給電時）におけるロータの回転が極高速であるときも想定し得る。例えば、エアコンの室外送風機駆動用モータなどで台風や突風等の外力を受けてモータ（室外送風機）が高速回転している場合などである。このような場合には、モータを駆動して室外送風機を運転させること自体が不要であり、本実施形態においては、起動前速度・位置推定部３１（起動前速度・位置推定ステップ）において推定されたロータの速度が第２速度閾値を上回るときには、ブラシレスモータ１を起動させないこととしている。これにより、不要な運転のむだを省き、また高速回転時の駆動に伴って駆動装置が破損するおそれも無い。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係るブラシレスモータの駆動装置および駆動方法について説明する。図３は本発明の第２実施形態に係るブラシレスモータの駆動装置の構成図である。同図において、図２（第１実施形態）と重複する部分には同一の符号を附して詳しい説明は省略する。

図３において、本実施形態のブラシレスモータの駆動装置は、第１実施形態の構成に対して、推定速度初期値補正部３２を追加した構成である。この推定速度初期値補正部３２では、速度・位置推定部１６により推定された初期のロータ速度の大きさ（絶対値）が、起動前速度・位置推定部３１により推定されたロータ速度の大きさ（絶対値）よりも大きいとき、起動前速度・位置推定部３１により推定したロータ速度の大きさ（絶対値）を速度・位置推定部１６により推定された初期のロータ速度の大きさよりも大きい値に再設定する。

また、推定速度初期値補正部３２もＤＳＰまたはＭＰＵ等のプロセッサにより実現され、本実施形態のブラシレスモータの駆動装置の駆動方法は以下の通りとなる。
（１）起動前速度・位置推定ステップ（起動前速度・位置推定部３１）：ブラシレスモータ１の起動前に、誘起電圧検出回路２３の検出結果に基づき、フリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を推定する。

（２）速度・位置推定ステップ（速度・位置推定部１６）：起動前速度・位置推定ステップ（起動前速度・位置推定部３１）で推定されたフリーラン時（無給電時）におけるロータの速度および位置を初期値とし、制御ステップ（電流ＰＩ制御部１３）によるｑ軸電圧Ｖｑおよびｑ軸電圧Ｖｄ、並びに、電流検出回路２２で検出し２相／３相変換部１５で変換されたｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄに基づき、ロータの速度および位置を推定する。

（３）推定速度初期値補正ステップ（推定速度初期値補正部３２）：速度・位置推定ステップ（速度・位置推定部１６）で推定された初期（計算開始の所定クロックサイクル時点で）のロータ速度の大きさ（絶対値）が、起動前速度・位置推定ステップ（起動前速度・位置推定部３１）により推定されたロータ速度の大きさ（絶対値）よりも大きいとき、起動前速度・位置推定部３１により推定したロータ速度の大きさ（絶対値）を速度・位置推定部１６により推定された初期のロータ速度の大きさよりも大きい値に再設定する。

（４）制御ステップ：速度ＰＩ制御部１１、電流テーブル１２、電流ＰＩ制御部１３およびＰＷＭデューティ計算部２８において、速度・位置推定ステップで推定したロータの速度および位置に基づき、ロータの速度が速度指令に一致するように速度および電流の制御を行い、インバータ３（電力変換手段）を駆動するための波形を生成して、ブラシレスモータ１を実モータ回転に同期して起動させる。

誘起電圧検出回路２３が検出したブラシレスモータ１の速度起電力による誘起電圧に基づくロータの初期位置の推定では、フリーラン中の回転速度が高くなるに従い、回転位相の分解能が低下して、検出精度が低下してしまうおそれがある。また、エアコンの室外機駆動用モータなどで、外風が大きく変化してフリーラン中の室外機の回転数が大きく変動することも考えられ、このような場合には、実際の状況と合致した正確な初期速度および初期位置の推定が困難となる。

そこで、本実施形態では、起動前速度・位置推定ステップ（起動前速度・位置推定部３１）による推定誤差が大きい状況でも、安定した起動が可能となるように、推定速度初期値補正ステップ（推定速度初期値補正部３２）により、所定条件下では、起動前速度・位置推定部３１により推定したロータ速度の大きさ（絶対値）を速度・位置推定部１６により推定された初期のロータ速度の大きさよりも大きい値（実速度よりも大きいと考えられる値）に再設定することとした。

図４には、初期推定速度と初期実速度との差に対する位置誤差の関係について確認するために行ったシミュレーション実験結果を示す。このシミュレーション実験では、初期実速度＝−１０００［ｒｐｍ］の逆方向回転に対して初期推定速度（即ち、起動前速度・位置推定部３１による推定速度）が−６００〜＋６００［ｒｐｍ］に渡ってずれている場合に、位置誤差を−１８０〜＋１８０［ｄｅｇ］に渡ってずらしたとき、該当条件下での起動制御が安定して行われたか否かの判断結果を行い、各条件を図４上の丸印で示し、起動制御が安定して行われた領域を斜線部分で示している。

同図の実験結果から、初期実速度の大きさが初期推定速度の大きさよりも小さい場合には、初期推定位置の誤差が大きくてもフリーラン状態からの安定した起動制御が可能であるが、初期実速度の大きさが初期推定速度の大きさよりも大きい場合には、フリーラン状態からの安定した起動制御が困難である（不安定となって脱調などのおそれがある）ことが確認できた。

以上説明したように、本実施形態のブラシレスモータの駆動装置および駆動方法では、推定速度初期値補正ステップ（推定速度初期値補正部３２）において、速度・位置推定部１６により推定された初期のロータ速度（初期実速度）の大きさが起動前速度・位置推定部３１により推定されたロータ速度（初期推定速度）の大きさよりも大きいとき、起動前速度・位置推定部３１により推定されたロータ速度の大きさを速度・位置推定部１６により推定された初期のロータ速度の大きさよりも大きい値に再設定する。

これにより、外風が大きく変化してフリーラン中の室外機などの回転数が変動している場合でも、確実且つ安定してモータの起動を行うことができる。また、起動前の誘起電圧検出回路２３および起動前速度・位置推定部３１による検出精度が高くなくても（例えば、部品バラツキ等が大きくあったとしても）、ロータの回転方向（正転／逆転）や目標速度の大小に関わらず、安定したモータの起動制御を行うことができる。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態に係るブラシレスモータの駆動装置および駆動方法について説明する。本実施形態は、インバータ３（電力変換手段）におけるスイッチング素子の制御電源を充電するブートストラップ回路を備えた構成とし、起動前速度・位置推定部３１（起動前速度・位置推定ステップ）によるロータの速度および位置の推定前に、該ブートストラップ回路の充電動作を完了させておくものである。

図５には、ブートストラップ動作の期間Ｔｂ、制御開始条件待ちの期間Ｔｗ、起動制御の期間Ｔｃと時間推移したときの各種電圧・電流波形を例示する。ここで、（ａ）は位置推定タイミング生成信号、（ｂ）はモータ端子電圧のマイコン入力、（ｃ）はモータ端子電圧、（ｄ）はモータ電流である。図５において、（ｂ）および（ｃ）は、誘起電圧検出回路２３の出力側及び入力側に相当する。
同図において、起動前速度・位置推定部３１（起動前速度・位置推定ステップ）によるロータの速度・位置推定のタイミングＴｅｓは、ブートストラップ動作期間Ｔｂ後で、且つ起動制御Ｔｃの開始直前に行われている。

以上説明したように、本実施形態のブラシレスモータの駆動装置および駆動方法では、起動前速度・位置推定部３１（起動前速度・位置推定ステップ）によるロータの速度および位置の推定前に、該ブートストラップ回路の充電動作を完了させることとしたので、ロータの速度・位置推定後すぐに始動制御動作が可能となり、また、時間遅れのより少ない速度推定および位置推定の初期値を得ることができる。

１ ブラシレスモータ
３ インバータ（電力変換手段）
１１ 速度ＰＩ制御部
１２ 電流テーブル
１３ 電流ＰＩ制御部
１４，１５ ２相／３相変換部
１６ 速度・位置推定部
１７，１８ 減算器
２１ 電圧検出回路
２２ 電流検出回路
２３ 誘起電圧検出回路
２４，２５，２６ Ａ／Ｄ変換部
２８ ＰＷＭデューティ計算部
３１ 起動前速度・位置推定部
３２ 推定速度初期値補正部
４１ 調整モデル
４２ 速度推定部
４３ 積分器

Claims (10)

1. 直流を交流に変換してブラシレスモータに供給する電力変換手段と、
   前記ブラシレスモータのモータ電流を検出する電流検出手段と、
   モータ電圧指令値および検出したモータ電流に基づき、ロータの速度および位置を推定する速度・位置推定手段と、
   ロータの速度を速度指令に一致するように速度および電流の制御を行う制御手段と、
   前記電力変換手段を駆動するための波形を生成する波形生成手段と、
   前記ブラシレスモータの誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、
   前記ブラシレスモータの起動前に、前記誘起電圧検出手段の検出結果に基づき、ロータの速度および位置を推定する起動前速度・位置推定手段とを備え、
   前記速度・位置推定手段は、前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータの速度および位置を初期値として使用し、
   前記制御手段は、前記速度・位置推定手段で推定したロータの速度および位置に基づき、前記ブラシレスモータを実モータ回転に同期して起動させるブラシレスモータの駆動装置。
2. 前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータの速度が第１速度閾値を下回るとき、前記ブラシレスモータに直流励磁電流を流してロータを停止させた後に起動させる請求項１に記載のブラシレスモータの駆動装置。
3. 前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータの速度が第２速度閾値を上回るとき、前記ブラシレスモータを起動させない請求項１または請求項２に記載のブラシレスモータの駆動装置。
4. 前記速度・位置推定手段により推定された初期のロータ速度の大きさが前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータ速度の大きさよりも大きいとき、前記起動前速度・位置推定手段により推定されたロータ速度の大きさを前記速度・位置推定手段により推定された初期のロータ速度の大きさよりも大きい値に再設定する推定速度初期値補正手段を有する請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動装置。
5. 前記電力変換手段におけるスイッチング素子の制御電源を充電するブートストラップ回路を有し、
   前記起動前速度・位置推定手段によるロータの速度および位置の推定前に、前記ブートストラップ回路の充電動作を完了させておく請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動装置。
6. 直流を交流に変換してブラシレスモータに供給する電力変換手段と、
   前記ブラシレスモータのモータ電流を検出する電流検出手段と、
   前記ブラシレスモータの誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段とを備えたブラシレスモータの駆動装置の駆動方法であって、
   前記ブラシレスモータの起動前に、前記誘起電圧検出手段の検出結果に基づき、ロータの速度および位置を推定する起動前速度・位置推定ステップと、
   前記起動前速度・位置推定ステップで推定されたロータの速度および位置を初期値とし、モータ電圧指令値および前記電流検出手段で検出したモータ電流に基づき、ロータの速度および位置を推定する速度・位置推定ステップと、
   前記速度・位置推定ステップで推定したロータの速度および位置に基づき、ロータの速度が速度指令に一致するように速度および電流の制御を行い、前記電力変換手段を駆動するための波形を生成して、前記ブラシレスモータを実モータ回転に同期して起動させる制御ステップとを有するブラシレスモータの駆動方法。
7. 前記起動前速度・位置推定ステップで推定されたロータの速度が第１速度閾値を下回るとき、前記ブラシレスモータに直流励磁電流を流してロータを停止させた後に起動させる請求項６に記載のブラシレスモータの駆動方法。
8. 前記起動前速度・位置推定ステップで推定されたロータの速度が第２速度閾値を上回るとき、前記ブラシレスモータを起動させない請求項６または請求項７に記載のブラシレスモータの駆動方法。
9. 前記速度・位置推定ステップで推定された初期のロータ速度の大きさが前記起動前速度・位置推定ステップで推定されたロータ速度の大きさよりも大きいとき、前記起動前速度・位置推定手段で推定されたロータ速度の大きさを前記速度・位置推定手段で推定された初期のロータ速度の大きさよりも大きい値に再設定する推定速度初期値補正ステップを有する請求項６〜請求項８の何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
10. 前記起動前速度・位置推定ステップによるロータの速度および位置の推定前に、前記ブートストラップ動作を完了させておく請求項６〜請求項９の何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
    

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