JP6485342B2

JP6485342B2 - モータ制御装置

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Publication number: JP6485342B2
Application number: JP2015243142A
Authority: JP
Inventors: 水野　友和; 友和水野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: JP2017112659A

Description

本発明は、モータ、詳しくはセンサレス三相ブラシレス直流モータの駆動を制御するモータ制御装置に関する。

例えば特許文献１には、センサレス三相ブラシレス直流モータの駆動を制御する装置が開示されている。以下、センサレス三相ブラシレス直流モータをセンサレス三相ＢＬＤＣモータと記載する。この装置は、センサレス三相ＢＬＤＣモータの始動時における駆動電流を狙い値に制御することにより、駆動電流値の変動に起因するトルクの変動を抑制し、センサレス三相ＢＬＤＣモータの始動性能の向上を図っている。

特開２００８−１４８３７９号公報

しかし、上記構成においては、センサレス三相ＢＬＤＣモータに流れる電流のフィードバックやロータの加速度の検出を行うための回路や制御ソフトウェアが必要であり、装置の構成が複雑化し、また、装置のコストが増加する。

そこで、構成の複雑化やコストの増加を抑えつつセンサレス三相ＢＬＤＣモータの始動性能の向上を図ることができるモータ制御装置を提供する。

本発明に係るモータ制御装置は、センサレス三相ＢＬＤＣモータの駆動を制御する制御装置であって、前記センサレス三相ＢＬＤＣモータに流れる電流を検出する電流検出回路部と、前記センサレス三相ＢＬＤＣモータの駆動電流を制御する制御回路部と、を備え、前記制御回路部により、前記センサレス三相ＢＬＤＣモータの始動前において前記電流検出回路部により検出される始動前電流値に基づいて、前記センサレス三相ＢＬＤＣモータの始動時における前記駆動電流を調整する。

この構成によれば、センサレス三相ＢＬＤＣモータに流れる電流のフィードバックやロータの加速度の検出を行うための回路や制御ソフトウェアに依らずとも、始動前の検出電流値に基づいて始動時の駆動電流を狙い値に調整することができる。よって、構成の複雑化やコストの増加を抑えつつセンサレス三相ＢＬＤＣモータの始動性能の向上を図ることができる。

本実施形態に係るモータ制御装置の構成例を示す図モータの駆動制御例を示すフローチャートモータの始動前に電流を流した状態の一例を示す図モータの駆動制御例を示すタイミングチャート始動前電流値に基づき補正した駆動信号のデューティを比較する図モータの始動時における制御波形の一例を示す図駆動信号のデューティの補正例を示す図（その１）駆動信号のデューティの補正例を示す図（その２）第２実施形態に係るモータ始動前における通電パターンと始動前電流値との関係例を示す図モータの始動時における駆動電流の制御例を示す図第３実施形態に係るモータの始動時における駆動電流の制御例を示す図第４実施形態に係る電流リップル制御の一例を示す図

以下、モータ制御装置に係る複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に例示するモータ制御装置１０は、インバータ回路部１１と、電流検出回路部１２と、制御回路部１３と、ゲートドライブ回路部１４とを備える。インバータ回路部１１は、６個のスイッチング素子１１ａを３相ブリッジ接続して構成されている。インバータ回路部１１には直流電源１５が供給される。インバータ回路部１１の各相出力端子は、ワイヤーハーネス１６を介して、センサレス三相ＢＬＤＣモータ１７の各相固定子巻線１７Ｕ，１７Ｖ，１７Ｗにそれぞれ接続されている。以下、センサレス三相ＢＬＤＣモータ１７を単に「モータ１７」と称する。

電流検出回路部１２は、抵抗１８の端子電圧に基づいて、モータ１７に流れる電流を検出する。制御回路部１３は、マイクロコンピュータまたは論理回路などで構成されており、電流検出回路部１２が検出する電流値をモニタしながらゲートドライブ回路部１４に制御信号を出力する。制御回路部１３が出力する制御信号は、ＰＷＭ信号、ハイサイド側のスイッチング素子１１ａの駆動を制御するための制御信号、ローサイド側のスイッチング素子１１ａの駆動を制御するための制御信号などが含まれる。

ゲートドライブ回路部１４は、制御回路部１３から入力される制御信号に基づいて駆動信号を生成し、インバータ回路部１１に出力する。インバータ回路部１１は、ゲートドライブ回路部１４から入力される駆動信号によりスイッチング制御される。即ち、インバータ回路部１１は、ゲートドライブ回路部１４が出力する駆動信号に基づいて複数のスイッチング素子１１ａをオン／オフすることにより駆動電流を生成し、モータ１７を駆動する。

次に、モータ制御装置１０によるモータ１７の駆動制御例について説明する。即ち、図２に例示するように、制御回路部１３は、モータ１７を始動する前において、モータ１７の任意の相に電流を流す（Ｓ１）。このとき、電流を流す通電相のパターンは、例えば図３に示すように、ハイサイド側とローサイド側とで異なる相に電流Ｉを流すパターンとする。つまり、電流を流す通電相のパターンとして、ハイサイド側とローサイド側とが同相となる組み合わせのパターンは除かれる。

そして、制御回路部１３は、電流検出回路部１２により、モータ１７に流れる電流値を始動前電流値として検出する（Ｓ２）。このとき、制御回路部１３は、電流検出回路部１２が検出する電流値をモニタし、検出電流値が安定した後に、その電流値を始動前電流値として特定する。そして、制御回路部１３は、始動前電流値を特定するとモータ１７への通電をオフする。

そして、制御回路部１３は、検出された始動前電流値に基づいて、モータ１７の始動時における駆動信号のデューティを補正する（Ｓ３）。これらステップＳ１〜Ｓ３の処理により、始動時デューティ補正制御が構成されている。始動時デューティ補正制御は、モータ１７の始動時における駆動電流を、駆動対象であるモータ１７に適した狙い値に制御するために駆動信号のデューティを補正する制御である。

制御回路部１３は、始動時デューティ補正制御により駆動信号のデューティを補正すると、モータ始動制御に移行する。モータ始動制御では、制御回路部１３は、モータ１７の位置決め制御（Ｓ４）を実行し、続いて、モータ１７の他制制御（Ｓ５）を実行し、続いて、モータ１７の定常制御であるセンサレス駆動制御（Ｓ６）を実行する。即ち、制御回路部１３は、モータ１７のロータの位置決めを行うと、モータ１７の誘起電圧に基づくロータの磁極位置の検出結果に無関係に通電を行なう他制制御を行い、その後、モータ１７の誘起電圧に基づくロータの磁極位置の検出結果に応じた通電を行なうセンサレス駆動制御に切り換える。

図４に例示するように、上述のモータ１７の駆動制御例によれば、制御回路部１３は、符号Ａで示すように、モータ１７の始動前において、まず、モータ１７の任意の相に電流を流す。この場合、制御回路部１３は、ハイサイド側のＵ相とローサイド側のＷ相の組み合わせとなる通電相パターンによりモータ１７への通電を行っている。そして、制御回路部１３は、符号Ｂで示すように、モータ１７に流れる電流が安定した後、始動時電流値を特定する。そして、制御回路部１３は、始動時電流値を特定すると、符号Ｃで示すように、モータ１７への通電をオフする。そして、制御回路部１３は、特定した始動時電流値に基づいて駆動信号のデューティを補正する。なお、図に示す電流モニタ値は、モータ１１７に実際に流れる電流値ではなく、電流検出回路部１２により検出される電流値の波形を示している。

図５に例示するように、このとき、制御回路部１３は、始動前電流値が比較的大きい場合、例えば所定の閾値よりも大きい場合には、駆動信号のデューティを小さくして、モータ１７の始動時に生成される駆動電流を狙い値に近付ける、または、一致させるように制御する。一方、制御回路部１３は、始動前電流値が比較的小さい場合、例えば所定の閾値よりも小さい場合には、駆動信号のデューティを大きくして、モータ１７の始動時に生成される駆動電流を狙い値に近付ける、または、一致させるように制御する。

制御回路部１３は、駆動信号のデューティを補正すると、モータ始動制御に移行してモータ１７を始動する。このとき、駆動信号のデューティが補正されているため、図４に矢印Ｄ１あるいは矢印Ｄ２で示すように、始動時の駆動電流が調整されて狙い値Ｎに制御される。よって、位置決め制御時には、モータ１７に狙い値Ｎの電流が流れるようになり、駆動電流値の変動に起因するトルクの変動を抑制しながらモータ１７を始動することができる。なお、その後の、他制制御およびセンサレス制御においては、モータ１７の回転速度の上昇により誘起電圧の振幅が増大し、駆動電流が徐々に減少していく。そして、モータ１７の回転速度の上昇が止まり一定の回転速度となったときに駆動電流の減少も止まり一定の値で維持されるようになる。また、モータ始動制御においては、出力エネルギーを制御するためにいわゆるＰＷＭ制御が行われる。

図６に例示するように、モータ始動制御の位置決め制御では、制御回路部１３は、ハイサイド側の任意の相のスイッチング素子１１ａをオンし、ローサイド側のハイサイド側で選択した相以外の相のスイッチング素子１１ａをオンし、その他のスイッチング素子１１ａをオフする。これにより、ハイサイド側とローサイド側とで異なる相に電流を流す通電相パターンにより、モータ１７への通電が行われる。

この場合、制御回路部１３は、位置決め制御を２回行う。１回目の位置決め制御では、例えば、ハイサイド側のＵ相のスイッチング素子１１ａおよびローサイド側のＷ相のスイッチング素子１１ａをオンし、その他のスイッチング素子１１ａをオフする。そして、この通電によりモータ１７のロータが動いて誘起電圧が発生する。そのため、駆動電流に正弦波状の振動が発生する。その後、ロータの動作が収束するにつれて駆動電流の振幅が徐々に小さくなり、ロータが停止すると駆動電流の振動が無くなる。その後は、モータ１７への印加電圧とモータインピーダンスにより決まる電流がモータ１７に流れる。

次に、２回目の位置決め制御では、制御回路部１３は、１回目と２回目の通電位相差が電気角で０ｄｅｇおよび１８０ｄｅｇ以外となるように通電相を設定する。この場合、１回目の位置決め制御における通電相は、ハイサイド側がＵ相、ローサイド側がＷ相であった。そのため、２回目の位置決め制御では、電気角で例えば６０ｄｅｇ離れたハイサイド側がＶ相、ローサイド側がＷ相となる通電相パターンにより、モータ１７への通電を行う。

次に、他制制御では、制御回路部１３は、予め決められた通電相パターン、ＰＷＭデューティ、通電時間によりモータ１７を通電してロータを回転させる。このとき、制御回路部１３は、２回目の位置決め制御における通電相パターンによる通電状態から所望の回転方向へトルクを発生させるように通電相を設定する。この場合、２回目の位置決め制御における通電相は、ハイサイド側がＶ相、ローサイド側がＷ相であった。そのため、制御回路部１３は、他制制御の初期の通電相を、電気角で例えば６０ｄｅｇ離れたハイサイド側がＶ相、ローサイド側がＵ相となる通電相パターンに切り換えて、モータ１７への通電を行う。

その後、制御回路部１３は、所望の回転方向へトルクを発生させるように通電相を順次切り換えていくが、このとき、通電相の位相差が電気角で例えば６０ｄｅｇとなるように切り換えていく。この場合、２回目の位置決め制御における通電相は、ハイサイド側がＶ相、ローサイド側がＷ相であり、他制制御の通電相は、ハイサイド側がＶ相、ローサイド側がＵ相であった。そのため、制御回路部１３は、続くフェーズでは、ハイサイド側がＷ相、ローサイド側がＵ相となる通電相パターンに切り換え、続いて、ハイサイド側がＷ相、ローサイド側がＶ相となる通電相パターンに切り換えていく。その後、制御回路部１３は、ロータの位置が検出できたタイミングでセンサレス制御に移行する。そして、制御回路部１３は、ロータの位置を検出しながら、その検出位置に応じて通電相を切り換えてロータの回転制御を行う。なお、通電相の位相差は、電気角で０ｄｅｇおよび１８０ｄｅｇ以外であれば、６０ｄｅｇに限ることなく変更することができる。

次に、駆動信号のデューティの補正例について説明する。図７に例示する第１補正例では、制御回路部１３は、１つの閾値Ｔを基準に駆動信号のデューティを補正する。即ち、制御回路部１３は、始動前電流値が所定の閾値Ｔより大きい場合には、駆動信号のデューティを小さくして、モータ１７の始動時に生成される駆動電流を狙い値に近付ける、または、一致させるように制御する。一方、制御回路部１３は、始動前電流値が所定の閾値Ｔより小さい場合には、駆動信号のデューティを大きくして、モータ１７の始動時に生成される駆動電流を狙い値に近付ける、または、一致させるように制御する。

始動時における駆動信号のデューティ、つまり、補正後の駆動信号のデューティは、例えば下記の式（１）に基づいて、始動前電流値と閾値Ｔとの比に基づいて算出することができる。
始動時のデューティ＝始動時のデューティ基準値×閾値／始動前電流値・・・（１）

なお、始動時のデューティ基準値は、所定の条件下、例えば、所定の電源電圧が印加されている条件下、実際の電流経路のインピーダンスの条件下などにおいて、モータ１７の始動時における駆動電流が予め決められた狙い値に一致するようなデューティ比である。また、始動時における駆動信号のデューティは、例えば、始動前電流値と閾値Ｔの差に基づいて算出してもよい。

図８に例示する第２補正例では、制御回路部１３は、２つの閾値Ｔｍａｘ，Ｔｍｉｎを基準に駆動信号のデューティを補正する。即ち、制御回路部１３は、始動前電流値が所定の上限閾値Ｔｍａｘより大きい場合には、駆動電流を生成するための駆動信号のデューティを小さくして、モータ１７の始動時に生成される駆動電流を狙い値に近付ける、または、一致させるように制御する。一方、制御回路部１３は、始動前電流値が所定の下限閾値Ｔｍｉｎより小さい場合には、駆動信号のデューティを大きくして、モータ１７の始動時に生成される駆動電流を狙い値に近付ける、または、一致させるように制御する。なお、制御回路部１３は、始動前電流値が上限閾値Ｔｍａｘと下限閾値Ｔｍｉｎとの間に収まっている場合には、駆動信号のデューティを補正することなく、そのまま維持する。即ち、始動前電流値が上限閾値Ｔｍａｘと下限閾値Ｔｍｉｎとの間である場合には、始動時における駆動信号のデューティは、始動時のデューティ基準値となる。これにより、モータ１７の始動時における駆動電流が所定の狙い範囲内に収まる。なお、この所定の狙い範囲を図８に符号Ｒで例示している。

モータ制御装置１０によれば、モータ１７に流れる電流のフィードバックやロータの加速度の検出を行うための回路や制御ソフトウェアに依らずとも、始動前の検出電流値に基づいて始動時の駆動電流を狙い値に近似あるいは一致させるように調整することができる。よって、構成の複雑化やコストの増加を抑えつつ、トルクの変動を抑制することができ、モータ１７の始動性能の向上を図ることができる。

また、モータ制御装置１０によれば、モータ１７の始動前における実際の電流値に基づいて始動時の駆動電流を調整する。従って、例えば、モータ１７、スイッチング素子１１ａなどといった装置内の各素子、ワイヤーハーネス１６などの個体差や、温度特性に起因するインピーダンスの変化、ワイヤーハーネス１６を含む電流経路の長さの違いに起因するインピーダンスの変化などに拘らず、モータ制御装置１０やモータ１７を含むモータ制御システム全体の構成に適した駆動電流によりモータ１７を始動することができる。

また、モータ制御装置１０によれば、１つの閾値Ｔを基準に駆動信号のデューティを補正することにより、始動時の駆動電流を一定にすることができ、モータ１７の始動性能をより安定させることができる。
また、モータ制御装置１０によれば、２つの閾値Ｔｍａｘ，Ｔｍｉｎを基準に駆動信号のデューティを補正することにより、始動時の駆動電流を一定範囲内に収めることができ、モータ１７の始動性能をより安定させることができる。

（第２実施形態）
図９に例示するように、本実施形態では、制御回路部１３は、モータ１７の始動前に複数の通電相パターンＰｕｖ〜Ｐｗｖによりモータ１７を通電する。この場合、制御回路部１３は、ハイサイド側がＵ相、ローサイド側がＶ相となる通電相パターンＰｕｖ、ハイサイド側がＵ相、ローサイド側がＷ相となる通電相パターンＰｕｗ、ハイサイド側がＶ相、ローサイド側がＵ相となる通電相パターンＰｖｕ、ハイサイド側がＶ相、ローサイド側がＷ相となる通電相パターンＰｖｗ、ハイサイド側がＷ相、ローサイド側がＵ相となる通電相パターンＰｗｕ、ハイサイド側がＷ相、ローサイド側がＶ相となる通電相パターンＰｗｖの６パターンによりモータ１７を順次通電する。そして、制御回路部１３は、各通電相パターンＰｕｖ〜Ｐｗｖによる通電時にそれぞれ電流検出回路部１２により検出された始動前電流値Ｉｕｖ〜Ｉｗｖを検出する。

そして、図１０に例示するように、制御回路部１３は、始動前電流値Ｉｕｖ〜Ｉｗｖの平均値を算出する。そして、制御回路部１３は、算出した平均値に基づいて、モータ１７の始動時における駆動電流を調整する。即ち、例えば、制御回路部１３は、平均値が比較的大きい場合には、駆動信号のデューティを小さくして、モータ１７の始動時に生成される駆動電流を狙い値に近付ける、または、一致させるように制御する。一方、制御回路部１３は、平均値が比較的小さい場合には、駆動信号のデューティを大きくして、モータ１７の始動時に生成される駆動電流を狙い値に近付ける、または、一致させるように制御する。

電流経路のインピーダンスは、厳密には、モータ１７への通電相パターン、つまり、モータ１７にどのように電流が流れているのかによって変動する場合がある。本実施形態によれば、複数の通電相パターンＰｕｖ〜Ｐｗｖの通電時における検出電流値Ｉｕｖ〜Ｉｗｖの平均値を用いて駆動電流を補正する。そのため、異なる通電相パターンＰｕｖ〜Ｐｗｖを通電する場合に生じる電流経路のインピーダンスの変動を吸収することができ、始動時の駆動電流が狙い値から大幅にずれてしまうことを回避することができる。

（第３実施形態）
図１１に例示するように、本実施形態では、制御回路部１３は、モータ１７の始動前に複数の通電相パターンＰｕｖ〜Ｐｗｖによりモータ１７を通電する。そして、制御回路部１３は、一の通電相パターンによる通電時に電流検出回路部１２により検出される始動前電流値に基づいて、モータ１７の始動時において同じ通電相パターンによりモータ１７を通電するときの駆動電流を調整する。即ち、制御回路部１３は、モータ１７の始動時において、ハイサイド側がＵ相、ローサイド側がＶ相となる通電相パターンＰｕｖにより通電するときには、モータ１７の始動前において同じ通電相パターンＰｕｖにより通電したときに検出された始動前電流値Ｉｕｖに基づいて駆動電流を調整する。

本実施形態によれば、複数の通電相パターンＰｕｖ〜Ｐｗｖの通電時における検出電流値Ｉｕｖ〜Ｉｗｖを用いて、始動時において同じ通電相パターンＰｕｖ〜Ｐｗｖで通電されるときの駆動電流を補正する。そのため、異なる通電相パターンＰｕｖ〜Ｐｗｖを通電する場合に生じる電流経路のインピーダンスの変動を吸収することができ、始動時において複数の通電相パターンＰｕｖ〜Ｐｗｖによりモータ１７を通電する場合において、それぞれの通電時に駆動電流が狙い値から大幅にずれてしまうことを回避することができる。

なお、制御回路部１３は、始動前に検出した複数の始動前電流値Ｉｕｖ〜Ｉｗｖのうち何れか１つを選択し、その始動前電流値に基づいて、始動時において異なる通電相パターンによりモータ１７を通電する場合の駆動電流を調整するように構成してもよい。即ち、例えば、始動前において通電相パターンＰｕｖの通電時に検出された始動前電流値Ｉｕｖに基づいて、始動時において通電相パターンＰｕｖによりモータ１７を通電する場合のほか、通電相パターンＰｕｗ〜Ｐｗｖによりモータ１７を通電する場合の駆動電流も調整するように構成してもよい。

（第４実施形態）
図１２に例示するように、本実施形態では、制御回路部１３は、電流検出回路部１２により始動前電流値を検出するときには、駆動電流を生成するための駆動信号の周期Ｔｍｏｎを所定の周期Ｔｓｅｎよりも短くする。なお、周期Ｔｓｅｎは、モータ１７の始動時におけるデフォルトの駆動信号の周期、または、モータ１７の定常駆動時のおける駆動信号の周期である。

モータ１７に電流を流す場合には、モータ１７の定格電流を超えないように駆動信号のデューティを設定する必要がある。このとき、例えば駆動信号のデューティが１００％よりも小さい状態でＰＷＭ制御によりスイッチング素子１１ａをオン／オフさせると、オン時に電流が上昇し、この上昇の傾きはオンから時間が経つにつれて小さくなる。そして、オフになると電流が下降していき、この下降の傾きはオフから時間が経つにつれて小さくなる。よって、電流リップルＶｓｅｎが発生し、電流検出回路部１２による電流検知のタイミングにより、検出される電流値に電流リップルＶｓｅｎによる差異が発生する。

そこで、本実施形態では、駆動信号の周期Ｔｍｏｎを周期Ｔｓｅｎよりも短くする。これにより、電流リップルＶｓｅｎを電流リップルＶｍｏｎまで小さくすることができ、電流リップルによる検出電流値の差異を抑制することができる。よって、本実施形態によれば、電流のリップルによる検出電流値のばらつきを抑えることができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０はモータ制御装置、１２は電流検出回路部、１３は制御回路部を示す。

Claims

モータに流れる電流を検出する電流検出回路部（１２）と、
前記モータの駆動電流を制御する制御回路部（１３）と、を備え、
前記制御回路部は、前記モータの始動前において前記電流検出回路部により検出される始動前電流値に基づいて、前記モータの始動時における前記駆動電流を調整するモータ制御装置。
前記制御回路部は、前記始動前電流値が所定の閾値より大きい場合は前記駆動電流を生成するための駆動信号のデューティを小さくし、前記始動前電流値が前記閾値より小さい場合は前記駆動信号のデューティを大きくする請求項１に記載のモータ制御装置。
前記制御回路部は、前記始動前電流値が所定の上限閾値より大きい場合は前記駆動電流を生成するための駆動信号のデューティを小さくし、前記始動前電流値が所定の下限閾値より小さい場合は前記駆動信号のデューティを大きくし、前記始動前電流値が前記上限閾値と前記下限閾値との間である場合は前記駆動信号のデューティを維持する請求項１に記載のモータ制御装置。
前記制御回路部は、前記モータの始動前に複数の通電相パターンにより前記モータを通電し、各通電相パターンによる通電時にそれぞれ前記電流検出回路部により検出される複数の始動前電流値の平均値に基づいて、前記モータの始動時における前記駆動電流を調整する請求項１から３の何れか１項に記載のモータ制御装置。
前記制御回路部は、前記モータの始動前に複数の通電相パターンにより前記モータを通電し、一の通電相パターンによる通電時に前記電流検出回路部により検出される始動前電流値に基づいて、前記モータの始動時において同じ通電相パターンにより前記モータを通電するときの前記駆動電流を調整する請求項１から３の何れか１項に記載のモータ制御装置。
前記制御回路部は、前記電流検出回路部により前記始動前電流値を検出するときには、前記駆動電流を生成するための駆動信号の周期を、前記モータの始動時または前記モータの定常駆動時のおける周期よりも短くする請求項１から５の何れか１項に記載のモータ制御装置。