JP6274069B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、車両用冷却ファンを駆動するモータが、走行風によって所定値以上の回転速度で回転させられている場合、インバータの下アームに設けられたＭＯＳＦＥＴを所定の周波数でスイッチングさせることにより、モータの発電エネルギーを回生するようにした車両用冷却ファンの制御装置が開示されている。

特開２００２−６１５１２号公報

上述した車両用冷却ファンの制御装置では、エンジン制御装置から冷却ファンの駆動指令を受信しておらず、バッテリが満充電状態でないとの条件の下、モータの回転速度が所定値以上の場合に、回生制御を実行するようにしている。つまり、モータ回転速度を判定する所定値を、少なくとも回生制御に費やされるエネルギーよりも大きなエネルギーを回生できる回転速度に定めることで、電力収支が実効的に改善され得るようにしている。このように、モータの回転速度に基づいて回生制御の実行の可否を判定するために、特許文献１の制御装置は、モータの回転子（ロータ）の磁極位置を検出する位置センサを備えている。

しかし、位置センサを設けた場合、部品点数が増加し、コストアップを招くとの問題や、劣悪な環境下での使用が困難である、また耐久性の面で劣る等の問題がある。

一方、モータ駆動時の空きコイルの誘起起電力などに基づいて、センサレスでモータの回転子の磁極位置を検出できることが知られている。そのため、特許文献１の装置において、位置センサを廃止することが考えられる。

しかしながら、位置センサを廃止した場合、特に、以下に説明するような問題が生じることが考えられる。冷却ファンは走行風を受けて回転するため、モータ停止時でありながら、モータも回転することになる。そのため、冷却ファンの制御装置が位置センサを備えていないと、冷却ファンの制御装置は、駆動指令を受けたときに、モータの回転子の磁極位置が判らないことになる。従って、冷却ファンの制御装置は、モータを駆動するために、まず、特定の通電相に通電を行って回転子を所定の角度位置に位置決めする位置決め制御を行い、その後、順番に通電パターンを切り替える強制転流を行う必要が生じる。

その結果、位置センサを廃止した場合、モータの非駆動状態から、モータの駆動状態に遷移させるために長い時間を要することになる。その一方で、冷却ファンの制御装置は、上位のエンジン制御装置から駆動指令を受信した場合、ラジエータ等の冷却対象物の冷却のため、極力早期に冷却ファンの駆動を開始する必要がある。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、モータの停止時にモータが回転することがある場合に、センサレスでありながら、そのモータを駆動するよう指令を受けたとき、極力、早期にモータ駆動を開始することが可能なモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるモータ制御装置は、
複数の通電相を持つモータ（２）と、
モータの複数の通電相への通電を個別に制御するためのインバータ（５）と、
インバータを用いて、モータの回転を制御する制御手段（６）と、を備えたモータ制御装置（１）であって、
モータは、駆動を停止しているときでも、回転することがあるものであり、
制御手段は、
モータの回転位置及び回転速度をセンサレスにて検出する検出手段（Ｓ１１０、Ｓ１４０）と、
モータの所定の通電相へ通電を行うことにより、回転子を所定の位置に位置決めする位置決め制御手段（Ｓ１７０）と、
インバータによりモータの複数の通電相を短絡させて、モータを減速させる減速手段（Ｓ１６０、Ｓ２２０）と、
モータを所定の目標速度にて回転させる必要が生じたとき、モータを駆動するための制御を開始する前に、検出手段によって検出されるモータの回転速度が、検出手段による回転位置の検出精度が確保できる第１の所定回転速度（Ｎ１）以上であるか、もしくは、第１の所定回転速度よりも小さく、かつ位置決め制御の実行可否を判断するための第２の所定回転速度（Ｎ２）以上であるか否かを判定する判定手段（Ｓ１３０、Ｓ１５０）と、を有し、
判定手段によってモータの回転速度が第１の所定回転速度以上であると判定されたとき、位置決め制御手段による位置決め制御を行うことなく、検出手段によって検出されるモータの回転位置に基づき、モータを目標速度にて回転させるための制御を開始し、
判定手段によりモータの回転速度が第１の所定回転速度よりも小さく、かつ第２の所定回転速度以上であると判定されたとき、減速手段によってモータを減速させ、それにより、モータの回転速度が第２の所定回転速度よりも小さいと判定された時点で、位置決め制御手段に位置決め制御を開始させることを特徴とする。

センサレスにてモータの回転位置を検出する検出手段は、概して、モータの停止時や低速回転時には、モータの回転位置を検出できないか、もしくは検出できても、その精度が不十分となる。しかし、モータの回転速度が高くなると、十分な精度をもって、モータの回転位置を検出することができる。

そこで、本発明によるモータ制御装置では、モータを目標速度にて回転させる必要が生じたときのモータの回転速度が第１の所定回転速度以上であるか否かを判定する。そして、第１所定回転速度以上であれば、位置決め制御を行うことなく、検出手段により検出されるモータの回転位置に基づくモータ制御を開始する。このため、モータを目標速度にて回転させる制御を開始する前に、一旦、モータを停止させる必要がないので、即座にモータ制御を開始することが可能となる。

一方、モータの回転速度が第１の所定回転速度よりも低くなると、検出手段によるモータの回転位置の検出精度が低下するので、そのままでは、センサレスでのモータ駆動制御に移行することはできない。しかし、この場合、無制限に位置決め制御を実行すると、以下に説明するような問題が生じる虞がある。すなわち、モータが回転している場合、固定子巻線には、誘導起電力が発生する。このとき、所定の通電相への通電を行うことで回転子を所定の位置に位置決めする位置決め制御を実行すると、通電のタイミングによっては、所定の通電相への通電電流と、誘導起電力による誘導電流とによって、大きな電流が流れる虞がある。このような大電流が流れると、モータに減磁電流が流れてしまったり、インバータを含むモータの駆動回路が損傷してしまったりする可能性が生じる。

そこで、本発明によるモータ制御装置では、位置決め制御による所定の通電相への通電電流と、誘導起電力による誘導電流とが逆位相となったとしても、許容可能な電流の大きさに収まる第２の所定回転速度を定めている。そして、モータの回転速度が、第１の所定回転速度よりも小さく、かつ、第２の所定回転速度以上であると判定した場合には、モータの複数の通電相の短絡によりモータを減速させる。そして、その減速によりモータの回転速度が第２の所定回転速度よりも小さくなった時点で、位置決め制御を開始する。

これにより、位置決め制御の実行によっても、過大な電流がモータ及びその駆動回路に流れることを抑制することができる。さらに、モータの回転速度が第２の所定回転速度よりも小さくなった時点で位置決め制御を開始することにより、位置決め制御を極力早期に開始でき、モータの非駆動状態から、モータの駆動状態に遷移させるまでの時間を短縮することができる。

上記括弧内の参照番号は、本発明の理解を容易にすべく、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、なんら本発明の範囲を制限することを意図したものではない。

また、上述した特徴以外の、特許請求の範囲の各請求項に記載した技術的特徴に関しては、後述する実施形態の説明及び添付図面から明らかになる。

実施形態によるモータ制御装置の構成の一例を示す構成図である。 モータ制御装置において実行される制御処理を示すフローチャートである。 （ａ）は、下アームのＭＯＳＦＥＴをオンして、ブラシレスモータの各相コイルを短絡したときの電流経路の一例を示す回路図であり、（ｂ）は、（ａ）の状態から下アームのＭＯＳＦＥＴをオフしたときの電流経路の一例を示す回路図である。 ブラシレスモータが電気角で３６０度回転した場合の、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及び端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの変化の様子を示す図である。 図４のパターン１の区間における、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及び端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの変化を拡大して示した図である。 （ａ）は、パターン１の場合に、下アームのＭＯＳＦＥＴをオンしたときに、モータ及びインバータを流れる電流の経路を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の状態から下アームのＭＯＳＦＥＴをオフしたときに、モータ及びインバータを流れる電流の経路を示す図である。 図４のパターン２の区間における、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及び端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの変化を拡大して示した図である。 （ａ）は、パターン２の場合に、下アームのＭＯＳＦＥＴをオンしたときに、モータ及びインバータを流れる電流の経路を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の状態から下アームのＭＯＳＦＥＴをオフしたときに、モータ及びインバータを流れる電流の経路を示す図である。 図４のパターン３の区間における、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及び端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの変化を拡大して示した図である。 （ａ）は、パターン３の場合に、下アームのＭＯＳＦＥＴをオンしたときに、モータ及びインバータを流れる電流の経路を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の状態から下アームのＭＯＳＦＥＴをオフしたときに、モータ及びインバータを流れる電流の経路を示す図である。 各相の端子電圧と仮想中性点電位とを比較するコンパレータの出力の取り込みタイミングについて説明するための図である。

以下、本発明の実施形態によるモータ制御装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本実施形態によるモータ制御装置１の構成の一例を示す構成図である。なお、本実施形態では、モータ２は、車両用エアコンの冷媒が通過するコンデンサや、エンジン冷却水が通過するラジエータを冷却する冷却ファン（図示せず）を駆動するものである。そのため、車両が走行したときなど、冷却ファンに風を受けると、駆動を停止している時でも、モータ２が回転することがある。

図１において、モータ制御装置１は、主として、冷却ファンを回転駆動するブラシレスモータ２と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３と、駆動回路４とから構成されている。

ブラシレスモータ２は、Ｕ相コイル２ｕ、Ｖ相コイル２ｖ、Ｗ相コイル２ｗがそれぞれ巻回されてなるステータと、永久磁石が配設されてなるロータとから構成されている。そして、ロータの回転軸には冷却ファンが取り付けられている。また、ステータの各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗは、それぞれ駆動回路４のインバータ５の各相のアームの中点に接続されている。

ＥＣＵ３は、例えばエンジンの冷却水温が所定温度以上となったとき、あるいはエアコンがオンされたときに、ブラシレスモータ２の単位時間当りの目標回転数（すなわち、目標速度）を決定して、駆動回路４に出力する。すると、駆動回路４は、ブラシレスモータ２の回転速度が、与えられた目標速度に一致するように、インバータ５をフィードバック制御して、ブラシレスモータ２を回転駆動するための電流を流す。

駆動回路４は、インバータ５と、インバータ５を駆動する駆動信号を生成するＩＣ６とを有し、車載バッテリ２１から電源供給を受けて動作する。つまり、駆動回路４のＩＣ６は、イグニッションスイッチ８を介して車載バッテリ２１に接続されている。また、インバータ５の各相のアームのハイサイド側が車載バッテリ２１の正極に接続され、ローサイド側が負極に接続されている。従って、イグニッションスイッチ８がオンされることにより、ＩＣ６は、インバータ５を駆動する駆動信号を出力することが可能となり、その駆動信号に従って、インバータ５の各スイッチング素子がオン又はオフ駆動される。なお、駆動回路４は、電源安定化のため、車載バッテリ２１と並列接続されるコンデンサ７も有している。

駆動回路４のＩＣ６は、センサレスにて、ブラシレスモータ２のロータの磁極位置を検出する機能を備えている。例えば、本実施形態によるモータ制御装置１は、１２０度通電方式にて、ブラシレスモータ２を駆動する。そのため、ブラシレスモータ２の駆動時には、必ず１つのコイルが非通電状態となり、この非通電状態のコイル（以下、空きコイル）は、電気角で６０度回転するごとに他のコイルに移り変わる。この空きコイルでは、ロータの回転による誘導起電力を検知することができる。各相のコイルの誘導起電力は、ロータの磁極位置に応じて変化するので、検知した誘導起電力に基づいて、ロータの磁極位置を検出することができる。

以下に、空きコイルにおける誘導起電力を検知するための構成について簡単に説明する。まず、ＩＣ６は、ブラシレスモータ２の仮想中性点の電位を入力するとともに、図１において記号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗで示される各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗの端子電圧を入力する。ＩＣ６は、入力された仮想中性点電位と、各相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとをそれぞれ比較するコンパレータを有している。これらのコンパレータの比較結果に基づき、各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗの誘導起電力を検知することができ、その結果、ロータの磁極位置を検出することができる。

なお、ロータの磁極位置をセンサレスにて検出するための構成は、上述した構成に限られず、他の構成を採用しても良い。例えば、誘導起電力に応じて各相に流れる誘導電流を検知するように構成し、検出した誘導電流に基づいて、ロータの磁極位置を検出するようにしても良い。

駆動回路４のＩＣ６は、検知した誘導起電力や誘導電流の時間的変化から、ブラシレスモータ２の回転速度を算出する。そして、ＩＣ６は、ＥＣＵ３から与えられる目標速度と、検出された回転速度との差異に基づいて、インバータ５の駆動信号であるＰＷＭ信号のデューティ比を決定し、その決定されたデューティ比のＰＷＭ信号にて、インバータ５の各相のアームのスイッチング素子をＰＷＭ駆動する。これにより、ブラシレスモータ２は、目標速度に一致するように回転駆動される。

駆動回路４のインバータ５は、インバータを構成するスイッチング素子として、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ９〜１４を備えている。また、各ＭＯＳＦＥＴ９〜１４は、それぞれ、還流ダイオード１５〜２０を有している。なお、本実施形態のようにスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる場合、還流ダイオード１５〜２０はそれぞれ各ＭＯＳＦＥＴ９〜１４内に内蔵されている。

このように、各相のアームのハイサイド側に設けられたＭＯＳＦＥＴ９〜１１と還流ダイオード１５〜１７とが各相アームの上アームを構成し、ローサイド側に設けられたＭＯＳＦＥＴ１２〜１４と還流ダイオード１８〜２０とが各相アームの下アームを構成している。そして、インバータ５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各アームの中点は、上述したように、ブラシレスモータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに接続されている。

なお、本実施形態では、駆動回路４のＩＣ６は、インバータ５の各相のＭＯＳＦＥＴ９〜１４をＰＷＭ駆動する場合、上アームのＭＯＳＦＥＴ９〜１１を通電期間中オンしたままとし、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４に対してのみＰＷＭ信号を出力するようにしている。ただし、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４に代えて上アームのＭＯＳＦＥＴ９〜１１をＰＷＭ駆動しても良い。さらに、上アームのＭＯＳＦＥＴ９〜１１と、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４との双方をＰＷＭ駆動するようにしても良い。

次に、本実施形態によるモータ制御装置１の特徴部分について説明する。ブラシレスモータ２は、冷却ファンと連結されているので、車両走行時などに、冷却ファンが風を受けて回転すると、ブラシレスモータ２も冷却ファンとともに回転する。このようにブラシレスモータ２が回転すると、ブラシレスモータ２の回転に応じて、各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに誘起起電力が発生する。従って、ブラシレスモータ２の非駆動時であっても、駆動回路４のＩＣ６において、上述したコンパレータによる比較結果の時間的変化に基づいて、ブラシレスモータ２の回転速度を検出することが可能である。

そこで、本実施形態によるモータ制御装置１では、ブラシレスモータ２の非駆動時に、各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに発生する誘起起電力などに基づいて、ブラシレスモータ２の回転速度を検出する。そして、ＥＣＵ３から目標速度が与えられた時、検出された回転速度に応じて、ブラシレスモータ２のセンサレス駆動へ移行する手順を変えることで、極力早期にセンサレス駆動へ移行できるようにしたことを特徴とするものである。

以下、この特徴部分に関して、モータ制御装置１において実行される制御処理について、図２のフローチャートを参照して説明する。なお、図２のフローチャートに示す処理は、主としてＩＣ６において行われる。

まず、ステップＳ１００では、車両のイグニッションスイッチがオンされたか否かを判定する。イグニッションスイッチがオンされると、上述したように、ＩＣ６を含む駆動回路４が動作可能となる。ステップＳ１００にて「Ｙｅｓ」と判定された場合にはステップＳ１１０の処理に進み、「Ｎｏ」と判定された場合には図２のフローチャートに示す処理を終了する。

ステップＳ１１０では、コンパレータの比較結果の時間的変化に基づいて、ブラシレスモータ２の回転速度を検出する。続くステップＳ１２０では、ＥＣＵ３から目標速度を指令する入力が与えられているか否かを判定する。ステップＳ１２０において「Ｙｅｓ」と判定された場合にはステップＳ１３０の処理に進み、「Ｎｏ」と判定された場合にはステップＳ２１０の処理に進む。

ステップＳ１３０では、ステップＳ１１０にて検出した回転速度が、第１の所定回転速度Ｎ１以上であるか否かを判定する。このステップＳ１３０にて「Ｙｅｓ」と判定された場合には、ステップＳ１４０の処理に進んで、コンパレータの比較結果に基づいてブラシレスモータ２の回転位置を検出し、ステップＳ１４５において、検出した回転位置に基づき、ブラシレスモータ２のセンサレス駆動制御を開始する。

ここで、各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに発生する誘導起電力や誘導電流などの信号は、ブラシレスモータ２が停止しているときには検出することができないし、ブラシレスモータ２の回転速度が低い領域では、その信号の大きさが小さくなってしまう。そのため、ブラシレスモータ２の低速回転時には、誘導起電力などの信号は、ノイズなどの影響を受けやすくなるので、コンパレータの比較結果には誤差が生じやすくなる。しかし、ブラシレスモータ２の回転速度が高くなると、信号の大きさも大きくなるので、コンパレータの比較結果の精度も高まる。そして、コンパレータの比較結果は、ロータの磁極位置（ブラシレスモータ２の回転位置）に応じて変化するので、コンパレータの比較結果の精度が高まることは、ブラシレスモータ２の回転位置の検出精度も高まることを意味する。

そこで、本実施形態では、コンパレータの比較結果からブラシレスモータの回転位置を検出する場合に、その回転位置の検出精度が確保できる回転速度として、第１の所定回転速度Ｎ１を定めている。そして、検出された回転速度が、第１の所定回転速度Ｎ１以上であれば、ブラシレスモータ２の回転位置の検出精度は十分に確保できるので、直接、ブラシレスモータ２のセンサレス駆動を開始するようにした。従って、ブラシレスモータ２を目標速度にて回転させる制御を開始する前に、一旦、ブラシレスモータ２を停止させる必要がないため、ＥＣＵ３から目標速度の指令を受けたとき、即座にブラシレスモータ２のセンサレス駆動制御を開始することが可能となる。

一方、ステップＳ１３０にて「Ｎｏ」と判定された場合には、ステップＳ１５０の処理に進む。ステップＳ１５０では、検出された回転速度が、上述した第１の所定回転速度Ｎ１よりも小さい第２の所定回転速度Ｎ２以上であるか否かを判定する。このステップＳ１５０にて「Ｙｅｓ」と判定された場合には、ステップＳ１６０の処理に進んで、ブラシレスモータ２の各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗを短絡することにより、ブラシレスモータ２を減速させる（短絡ブレーキの実行）。さらに、ステップＳ１６５において、短絡ブレーキにより減速されたブラシレスモータ２の回転速度を検出し、ステップＳ１５０の処理に戻る。一方、ステップＳ１５０にて「Ｎｏ」と判定された場合には、ステップＳ１７０の処理に進んで、ブラシレスモータ２の特定の相に通電して、強制的にロータの位置を所定の初期位置に決める位置決め制御を実行する。

ブラシレスモータ２の回転速度が第１の所定回転速度Ｎ１よりも低くなると、上述したコンパレータの比較結果に基づいて検出するブラシレスモータ２の回転位置の検出精度が低下する。そのため、そのままセンサレス駆動制御に移行した場合、ブラシレスモータ２が円滑に回転するよう駆動制御を行うことができない虞がある。従って、この場合は、位置決め制御を実行して、ロータを所定の初期位置に位置決めするとともに、その初期位置からロータを回転させる強制転流を行う必要がある。

しかし、無制限に位置決め制御を実行すると、以下に説明するような問題が生じる虞がある。すなわち、ブラシレスモータ２が回転している場合、各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗには、誘導起電力が発生する。このとき、位置決め制御により特定の相への通電を行うと、その通電のタイミングによっては、特定の相への通電電流と、誘導起電力による誘導電流とによって、大きな電流が流れる虞がある。このような大電流が流れると、ブラシレスモータ２に減磁電流が流れてしまったり、インバータ５を含むモータの駆動回路４が損傷してしまったりする可能性が生じる。

そのため、本実施形態によるモータ制御装置１では、位置決め制御による特定の相への通電電流と、誘導起電力による誘導電流とによって、上述したような問題が生じない許容可能な大きさしか流れない回転速度として、第２の所定回転速度Ｎ２を定める。そして、上記のように、ブラシレスモータ２の回転速度が、第１の所定回転速度Ｎ１よりも小さい場合、さらに、第２の所定回転速度Ｎ２を超えているか否かを判定し、第２の所定回転速度Ｎ２を超えている場合には、短絡ブレーキの実行によりブラシレスモータ２を減速させる。そして、短絡ブレーキにより、ブラシレスモータ２の回転速度が第２の所定回転速度Ｎ２よりも小さくなった時点で、位置決め制御を開始するのである。

これにより、位置決め制御の実行によって、過大な電流がブラシレスモータ２や、駆動回路４に流れることを抑制することができる。さらに、ブラシレスモータ２の回転速度が第２の所定回転速度Ｎ２よりも小さくなった時点で位置決め制御を開始するので、位置決め制御を極力早期に開始でき、ブラシレスモータ２を、非駆動状態からセンサレス駆動状態に遷移させるまでの時間を短縮することができる。

ここで、短絡ブレーキについて説明する。図３（ａ）は、ブラシレスモータ２の各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗを短絡したときの電流経路の一例を示す回路図である。図３（ａ）に示すように、本実施形態では、上アームのＭＯＳＦＥＴ９〜１１をすべてオフさせ、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４をオンさせることで、ブラシレスモータ２の各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗを短絡させる。このため、ブラシレスモータ２の回転により誘導起電力が発生すると、図３（ａ）に一例を示すように、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４と各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗとを還流する電流経路が形成される。従って、ブラシレスモータ２の各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗを短絡させているときには、還流経路中のインピーダンス成分によって電流が消費され、その分だけ、ブラシレスモータ２の回転に対する抵抗力が発生し、ブラシレスモータ２の回転速度が減速される。

さらに、本実施形態では、短絡ブレーキとして、単に、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４をオンさせるだけでなく、周期的にオン、オフさせる。これにより、ブラシレスモータ２で発電された電力の回生制御が行われる。以下に、この短絡ブレーキにおける回生制御について説明する。

駆動回路４のＩＣ６は、短絡ブレーキの実行中、上アームのＭＯＳＦＥＴ９〜１１を全てオフとし、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４に所定周波数および所定デューティ比を持つ同一のＰＷＭ信号を与えて、周期的にオン、オフさせる。下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオンしたとき、図３（ａ）に示すように、ブラシレスモータ２の回転により生じた誘導起電力により、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４と各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗとを還流する電流が流れる。この電流の向きは、ブラシレスモータ２の回転位置に応じて変化する。

その後、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４が同時にオフされると、各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗは、それまでと同様の電流を流し続けようとする。このため、図３（ｂ）に示すように、電流が、還流ダイオード１５〜２０を介して、それまでと変わらない向きで各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに流れるように、新たな電流経路が形成される。図３（ａ）、（ｂ）の例で具体的に説明すると、図３（ａ）に示す例では、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオンしているとき、その下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４を介して、ブラシレスモータ２のＵ相コイル２ｕ及びＶ相コイル２ｖからＷ相コイル２ｗに電流が流れている。このため、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４をオフしたとき、ブラシレスモータ２に同じ向きの電流が流れるように、Ｕ相コイル２ｕ及びＶ相コイル２ｖには、下アームの還流ダイオード１８、１９を介して電流が流れ込み、Ｗ相コイル２ｗからは還流ダイオード１７を介して電流が流れ出す。

このとき、インバータ５内には、ブラシレスモータ２の回転により生じた誘導起電力に加え、各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに蓄積されたエネルギーによる電流が流れることになる。このため、ブラシレスモータ２は、大きな回生電圧を発生することができ、還流ダイオード１７を介して流れる電流により車載バッテリ２１を充電することができる。そして、ブラシレスモータ２が発電する電力を車載バッテリ２１にて回生することで、ブラシレスモータ２の回転速度を減速させる。

次に、回生制御を伴う短絡ブレーキにより、各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに流れる各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及び各相コイル２ｕ、２ｖ、２ｗの端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗがどのように変化するかを図４〜図１０を参照して説明する。

まず、図４は、ブラシレスモータ２が電気角で３６０度回転した場合の、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及び端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの変化の様子を示している。図４に示すように、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及び端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの変化は、６つのパターンに分割できる。

その６つのパターンの中のパターン１では、図５に拡大図を示すように、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４をオンしたときには、各相のコイル２ｕ、２ｖ、２ｗが短絡されるので、端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは同電位（グランド電位）となる。なお、図６（ａ）は、パターン１の場合に、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４をオンしたときに、モータ２及びインバータ５を流れる電流の経路を示している。

そして、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオフされると、電流経路は、図６（ｂ）のように変化する。この場合、還流ダイオード１５〜２０の順方向電圧をＶｆ、車載バッテリ２１のバッテリ電圧をＶＢと表すとすると、Ｕ相端子電圧Ｖｕ及びＶ相端子電圧Ｖｖは−Ｖｆとなり、Ｗ相端子電圧ＶｗはＶＢ＋Ｖｆとなる。その結果、これら各相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと仮想中性点電位との比較結果は、図４に示すように、Ｕ相は「０」、Ｖ相も「０」、Ｗ相は「１」となる。

次に、パターン２について説明する。図７は、パターン２の区間における、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及び端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの変化を拡大して示したものである。図５の場合と同様に、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４をオンしたときには、各相のコイル２ｕ、２ｖ、２ｗが短絡されるので、端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは同電位となる。なお、図８（ａ）は、パターン２の場合に、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４をオンしたときに、モータ２及びインバータ５を流れる電流の経路を示している。

この場合、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオフされると、電流経路は、図８（ｂ）のように変化する。そのため、Ｕ相端子電圧Ｖｕは−Ｖｆとなり、Ｖ相端子電圧Ｖｖ及びＷ相端子電圧ＶｗはＶＢ＋Ｖｆとなる。その結果、これら各相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと仮想中性点電位との比較結果は、図４に示すように、Ｕ相は「０」、Ｖ相は「１」、Ｗ相も「１」となる。

さらに、パターン３について説明する。図９は、パターン３の区間における、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及び端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの変化を拡大して示したものである。図５の場合と同様に、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４をオンしたときには、各相のコイル２ｕ、２ｖ、２ｗが短絡されるので、端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは同電位となる。なお、図１０（ａ）は、パターン３の場合に、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４をオンしたときに、モータ２及びインバータ５を流れる電流の経路を示している。

この場合、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオフされると、電流経路は、図１０（ｂ）のように変化する。そのため、Ｕ相端子電圧Ｖｕは−Ｖｆとなり、Ｖ相端子電圧Ｖｖ及びＷ相端子電圧ＶｗはＶＢ＋Ｖｆとなる。その結果、これら各相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと仮想中性点電位との比較結果は、図４に示すように、Ｕ相は「０」、Ｖ相は「１」、Ｗ相は「０」となる。

パターン４〜６の場合も、上述したパターン１〜３と同様に説明できるため、パターン４〜６に関する説明は省略する。なお、図４には、パターン４〜６の場合の、各相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと仮想中性点電位との比較結果が示されている。

このように、ブラシレスモータ２が電気角で３６０度回転した場合、６０度回転するごとに、各相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと仮想中性点電位との比較結果が変化する。さらに、その比較結果の組み合わせは、ブラシレスモータ２の回転位置に応じて異なるものとなる。従って、各相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと仮想中性点電位との比較結果から、ブラシレスモータ２の回転位置を検出することが可能である。

そして、短絡ブレーキとして、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４を周期的にオン、オフさせた場合には、上述したように、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオフされたとき、大きな回生電圧が発生する。換言すると、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオフされたとき、各相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは大きく変化する。そのため、ＩＣ６のコンパレータにて行われる、端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと中性点電位との比較結果の精度を高めることができる。

そのため、後述するように、ＥＣＵ３から目標速度を指示する入力がおこなわれていないとき、上述した短絡ブレーキによる回生制御を実行することが好ましい。これにより、回転速度の検出を高精度に行うことが可能となるとともに、車載バッテリ２１を充電することができる。

なお、短絡ブレーキとして、下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４を周期的にオン、オフさせる場合には、ＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオフされたときに、各相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗが変化するので、そのタイミングで、コンパレータによる比較が行われる。ただし、図１１に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオフされた直後は、電圧が変化する過程である場合がある。このような変化過程の電圧に基づいて、コンパレータが比較を行ってしまうと、誤った比較結果を出力する虞がある。

そのため、ＭＯＳＦＥＴ１２〜１４がオンからオフに切り換えられた後、所定時間は、コンパレータの出力の読み取りを禁止し、所定時間経過後に読み取りを行ったり、さらに、所定時間経過後に、コンパレータの出力を複数回読み取って、その平均値を算出したりすることが望ましい。

再び、図２のフローチャートに戻り、説明を続ける。

ステップＳ１７０における位置決め制御では、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の内、特定の二相に通電して強制的にロータの回転位置を所定の初期位置に定める。そして、ステップＳ１８０において、その初期位置からロータを回転させるように、順番に通電パターンを切り替える強制転流駆動を行う。これにより、ブラシレスモータ２は、回転し始めて、その回転速度を上昇させる。ステップＳ１８５では、この強制転流駆動によって上昇される回転速度を検出する。

続くステップＳ１９０では、ブラシレスモータ２の回転速度が十分に上昇し、センサレス駆動に移行可能かどうかを見極めるために、ブラシレスモータ２の回転速度が、第３の所定回転速度Ｎ３以上であるか否かを判定する。この第３の所定回転速度Ｎ３は、第１の所定回転速度Ｎ１と同じ速度であっても良いし、強制転流時に適した速度として、異なる速度であっても良い。ステップＳ１９０にて「Ｙｅｓ」と判定されると、ステップＳ２００の処理に進む。一方、ステップＳ１９０にて「Ｎｏ」と判定された場合には、強制転流に失敗した可能性が高いため、ステップＳ１７０の位置決め制御からやり直す。

ステップＳ２００では、コンパレータの比較結果に基づいてブラシレスモータ２の回転位置を検出し、ステップＳ２０５において、検出した回転位置に基づき、ブラシレスモータ２のセンサレス駆動制御を開始する。

ステップＳ１２０にて「Ｎｏ」と判定された場合に実行されるステップＳ２１０では、ＥＣＵ３からブレーキ指令を受けているか否かを判定する。ＥＣＵ３は、例えば、バッテリ２１が満充電状態ではなく、ブラシレスモータ２が回転しているとき、ブレーキ指令を出力する。ステップＳ２１０において「Ｙｅｓ」と判定されると、ステップＳ２２０に進んで、上述した下アームのＭＯＳＦＥＴ１２〜１４を周期的にオン、オフさせることにより回生制御を伴う短絡ブレーキを実行する。これにより、ブラシレスモータ２の回転速度を減速させつつ、電力の回生が行われる、さらに、ブラシレスモータ２の回転位置の検出精度を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。

例えば、上述した実施形態では、コンパレータの比較結果の時間的変化に基づいて、ブラシレスモータ２の回転速度を検出し、また、コンパレータの比較結果の組み合わせから、ブラシレスモータ２の回転位置を検出する例について説明した。すなわち、上述した実施形態では、同じコンパレータの比較結果から、ブラシレスモータ２の回転速度及び回転位置を検出した。しかしながら、ブラシレスモータ２の回転速度及び回転位置は、異なる構成によって検出するようにしても良い。例えば、ブラシレスモータ２の回転速度は、インバータ５に接続された母線の電流変化や電圧変化の周期から検出しても良いし、ブラシレスモータ２の中性点電位の変動周期から検出しても良い。

また、上述した実施形態では、ＥＣＵ３から目標速度の指令入力が与えられていない場合に、ブレーキ指令を受けると、回生制御を伴う短絡ブレーキを行っていたが、この回生制御は必須のものではなく、回生制御を行わないようにしても良い。

さらに、上述した実施形態では、図２のフローチャートのステップＳ１６０において、電力回生を伴う短絡ブレーキを実行する例について説明した。しかし、そのステップＳ１６０において、電力回生を伴わない短絡ブレーキ、すなわち、ブラシレスモータの各相コイルの短絡を継続的に行う短絡ブレーキを行うようにしても良い。

１ モータ制御装置
２ ブラシレスモータ
３ 電子制御ユニット
４ 駆動回路
５ インバータ
６ ＩＣ
７ コンデンサ
８ イグニッションスイッチ

Claims (9)

1. 複数の通電相を持つモータ（２）と、
   前記モータの複数の通電相への通電を個別に制御するためのインバータ（５）と、
   前記インバータを用いて、前記モータの回転を制御する制御手段（６）と、を備えたモータ制御装置（１）であって、
   前記モータは、駆動を停止しているときでも、回転することがあるものであり、
   前記制御手段は、
   前記モータの回転位置及び回転速度をセンサレスにて検出する検出手段（Ｓ１１０、Ｓ１４０）と、
   前記モータの所定の通電相へ通電を行うことにより、回転子を所定の位置に位置決めする位置決め制御手段（Ｓ１７０）と、
   前記インバータにより前記モータの複数の通電相を短絡させて、前記モータを減速させる減速手段（Ｓ１６０、Ｓ２２０）と、
   前記モータを所定の目標速度にて回転させる必要が生じたとき、前記モータを駆動するための制御を開始する前に、前記検出手段によって検出される前記モータの回転速度が、前記検出手段による回転位置の検出精度が確保できる第１の所定回転速度（Ｎ１）以上であるか、もしくは、前記第１の所定回転速度よりも小さく、かつ前記位置決め制御の実行可否を判断するための第２の所定回転速度（Ｎ２）以上であるか否かを判定する判定手段（Ｓ１３０、Ｓ１５０）と、を有し、
   前記判定手段によって前記モータの回転速度が前記第１の所定回転速度以上であると判定されたとき、前記位置決め制御手段による位置決め制御を行うことなく、前記検出手段によって検出される前記モータの回転位置に基づき、前記モータを前記目標速度にて回転させるための制御を開始し、
   前記判定手段により前記モータの回転速度が前記第１の所定回転速度よりも小さく、かつ前記第２の所定回転速度以上であると判定されたとき、前記減速手段によって前記モータを減速させ、それにより、前記モータの回転速度が前記第２の所定回転速度よりも小さいと判定された時点で、前記位置決め制御手段に前記位置決め制御を開始させることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記減速手段は、前記インバータにより、前記モータの複数の通電相を断続的に短絡させて、前記モータを減速させ、
   前記検出手段は、前記減速手段による前記短絡が断たれたとき、前記モータの各通電相に生じる電流又は電圧に基づいて、前記モータの回転位置及び回転数を検出することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記第２の所定回転速度は、前記位置決め制御を実行しても前記モータに減磁電流が流れる虞がない回転速度以下に設定されることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータは、ファンを駆動するものであり、当該ファンが、そのファンに当たる風によって回転すると、前記制御手段は、前記減速手段により前記モータを減速させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 前記インバータを構成する各スイッチング素子（９〜１４）には、それぞれ、並列に還流ダイオード（１５〜２０）が接続されており、
   前記減速手段は、前記モータを減速させるために前記各スイッチング素子の一部（１２〜１４）を周期的にオン、オフ駆動するものであって、前記各スイッチング素子の一部がオンされるとき、前記モータの複数の通電相が短絡されて、前記モータが減速され、前記各スイッチング素子の一部がオフされるとき、前記還流ダイオードを通じて、前記インバータに接続された蓄電手段（２０）に向けて電流が通電され、電力の回生が行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
6. 前記減速手段が周期的にオン、オフ駆動する前記各スイッチング素子の一部は、前記インバータを構成する各スイッチング素子の内、ローサイドに接続されたスイッチング素子であることを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記減速手段が周期的にオン、オフ駆動する前記各スイッチング素子の一部は、前記インバータを構成する各スイッチング素子の内、ハイサイドに接続されたスイッチング素子であることを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
8. 前記検出手段は、前記モータの複数相の中性点電位と、各通電相に印加される電圧とをそれぞれ比較する比較手段を備え、比較手段における比較結果の組み合わせから、前記モータの回転位置及び回転速度を検出することを特徴とする請求項６又は７に記載のモータ制御装置。
9. 前記検出手段は、前記各スイッチング素子の一部がオフされてから所定時間経過したとき、前記比較手段における比較結果を取得することを特徴とする請求項８に記載のモータ制御装置。

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