JP2020198754A - Control method and controller for brushless dc motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレスDC(直流)モータの制御に関し、特に、回転子の位置を検出するセンサを備えないセンサレスブラシレスDCモータの起動を制御する制御方法及び制御装置に関する。 The present invention relates to the control of a brushless DC (direct current) motor, and more particularly to a control method and a control device for controlling the start of a sensorless brushless DC motor not provided with a sensor for detecting the position of a rotor.
ブラシレスDCモータは、その回転子の位置に応じてインバータによってモータの電機子巻線に電流を流すことにより駆動される。例えば、U相、V相及びW相の電機子巻線を備える三相ブラシレスDCモータでは、あるタイミングにおいてW相からU相に電流を流し、次のタイミングにおいてV相からU相に電流を流し、さらに次のタイミングにおいてV相からW相に電流を流すなどしてモータ内に回転磁界を形成する。この回転磁界によって回転子が回転する。電流を流す巻線の組を変えることを転流と呼ぶ。ブラシレスDCモータを駆動するときは、その回転子の位置に基づいて転流を行う必要がある。 The brushless DC motor is driven by passing an electric current through the armature winding of the motor by an inverter according to the position of the rotor. For example, in a three-phase brushless DC motor including U-phase, V-phase, and W-phase armature windings, a current flows from the W-phase to the U-phase at a certain timing, and a current flows from the V-phase to the U-phase at the next timing. Further, at the next timing, a rotating magnetic field is formed in the motor by passing a current from the V phase to the W phase. This rotating magnetic field causes the rotor to rotate. Changing the set of windings through which current flows is called commutation. When driving a brushless DC motor, it is necessary to perform commutation based on the position of the rotor.
ブラシレスDCモータの回転子の位置を決定する方法として、ホール素子などのセンサを用いる方法もあるが、回転子の回転に伴って各相の巻線に発生する逆起電圧(速度起電力)から回転子の位置を推定する方法もある。回転子の位置を検出するセンサを備えないセンサレスブラシレスDCモータを駆動する際には、各相の巻線に発生する逆起電圧から回転子の位置を推定して転流を行うセンサレス駆動が採用されている。センサレス駆動を用いてモータを駆動するときは、回転子の位置の推定に基づいてモータが制御されるので、クローズドループ制御が行われることになる。各相の逆起電圧は、それぞれ、回転子の回転速度に比例した周波数を有する交流電圧であるから、中点電圧と逆起電圧とを比較して逆起電圧が中点電圧を横切った時点をゼロクロス点として検出することができる。各相ごとのゼロクロス点を検出することによって回転子の位置を推定することが可能となり、さらにゼロクロス点の相互間の時間間隔からモータの回転速度を算出することができる。中点電圧は、逆起電圧の波形における中点となる電圧のことである。特許文献1には、基本原理としては、中点電圧がブラシレスDCモータを駆動するインバータに供給される電源電圧Vdcの半分すなわちVdc/2であることが開示されている。さらに特許文献1は、種々の条件、例えば巻線における抵抗やインダクタンスのばらつき、回転子における着磁のばらつきなどにより、中点電圧が厳密にはVdc/2とはならないこと、そのために中点電圧の調整を行うことも開示している。
As a method of determining the position of the rotor of the brushless DC motor, there is also a method of using a sensor such as a Hall element, but from the counter electromotive force (speed electromotive force) generated in the winding of each phase as the rotor rotates. There is also a method of estimating the position of the rotor. When driving a sensorless brushless DC motor that does not have a sensor that detects the position of the rotor, a sensorless drive that estimates the position of the rotor from the counter electromotive voltage generated in the winding of each phase and commutates is adopted. Has been done. When the motor is driven by using the sensorless drive, the motor is controlled based on the estimation of the position of the rotor, so that the closed loop control is performed. Since the counter electromotive voltage of each phase is an AC voltage having a frequency proportional to the rotation speed of the rotor, when the counter electromotive voltage crosses the mid point voltage by comparing the mid point voltage and the counter electromotive voltage. Can be detected as a zero cross point. The position of the rotor can be estimated by detecting the zero cross point for each phase, and the rotation speed of the motor can be calculated from the time interval between the zero cross points. The midpoint voltage is the voltage that becomes the midpoint in the back electromotive voltage waveform.
電機子巻線に発生する逆起電圧の大きさはモータの回転速度に比例するので、モータの始動直後など回転速度が低いときには十分な電圧が発生せず、回転子の位置を推定することができない。そこでセンサレスブラシレスDCモータでは、その始動時において、安定して始動できる低速の転流周波数でモータの各相の巻線を駆動して回転磁界を発生させ、この回転磁界によって回転子を強制的に回転させる強制転流を行なうことが一般的である。強制転流によって回転子が回転し始め、巻線に十分な逆起電圧が発生するようになったら、モータの制御をセンサレス駆動に切り替える。さらには、強制転流中には逆起電圧の検出を行なわず、強制電流での転流周波数を徐々に上げて所定の転流周波数となったら強制的にセンサレス駆動に切り替えることも行なわれている。強制電流によってセンサレスブラシレスDCモータを始動するときは、回転子の位置に基づいた制御を行っているわけではないので、オープンループ制御によってモータが制御されることになる。 Since the magnitude of the counter electromotive voltage generated in the armature winding is proportional to the rotation speed of the motor, sufficient voltage is not generated when the rotation speed is low, such as immediately after the motor starts, and the position of the rotor can be estimated. Can not. Therefore, in a sensorless brushless DC motor, at the time of its start, the windings of each phase of the motor are driven at a low commutation frequency that can be started stably to generate a rotating magnetic field, and the rotor is forced by this rotating magnetic field. It is common to perform forced commutation to rotate. When the rotor starts to rotate due to forced commutation and a sufficient counter electromotive voltage is generated in the winding, the control of the motor is switched to sensorless drive. Furthermore, the counter electromotive voltage is not detected during forced commutation, and the commutation frequency at the forced current is gradually increased to forcibly switch to sensorless drive when the compulsory commutation frequency is reached. There is. When the sensorless brushless DC motor is started by the forced current, the motor is controlled by the open loop control because the control is not performed based on the position of the rotor.
上述したように巻線に誘起される逆起電圧は、回転子の回転速度すなわちモータの回転速度に比例するのでモータの起動直後の低速回転時には非常に小さな値であり、それに比べて大きなノイズやリップルを含んでいる。そのため、起動直後などには、電源電圧Vdcの1/2として計算される中点電圧と逆起電圧との比較では正確にゼロクロス点を検出できないことがある、という問題が生じる。中点電圧の側の精度向上を目指すものとして、同一抵抗値の3個の抵抗器の一端をそれぞれモータの各相の巻線の端子に接続し、これらの抵抗器の他端を共通接続して中点とし、この中点の電圧を計測して用いるものがある。この場合、抵抗器の中点の電圧の測定のためにアナログ−デジタル(A/D)変換を余計に実行しなければならず、そのため、モータを制御するための制御装置における処理負荷が増加する。特に制御装置をマイクロプロセッサ(MPU;Micro Processor Unit)を用いて構成している場合には、A/D変換を余計に行うことによってマイクロプロセッサの処理負荷が増加し、その分、モータを高速回転させることができなくなる。また、中点電圧生成用の抵抗器の抵抗値にばらつきがあると、中点電圧が正確に求められないこととなり、特に低速回転時においてゼロクロス点の測定に誤差が生じてしまう。センサレスブラシレスDCモータにおいてゼロクロス点を正確に検出できない場合には、特に低速回転時にモータの制御を正確に行えなくなり、例えば強制転流からセンサレス駆動へ移行時に回転子の位置に対する転流のタイミングがずれてしまい、モータの回転速度が上昇しない脱調と呼ばれる現象が起きることがある。 As described above, the countercurrent voltage induced in the winding is proportional to the rotation speed of the rotor, that is, the rotation speed of the motor, so it is a very small value at low speed rotation immediately after the start of the motor, and it causes a large noise and Contains ripple. Therefore, there arises a problem that the zero cross point may not be detected accurately by comparing the midpoint voltage calculated as 1/2 of the power supply voltage V dc and the counter electromotive voltage immediately after startup. With the aim of improving the accuracy on the midpoint voltage side, one end of three resistors with the same resistance value is connected to the terminals of the windings of each phase of the motor, and the other ends of these resistors are commonly connected. There is a midpoint that is used by measuring the voltage at this midpoint. In this case, an extra analog-to-digital (A / D) conversion must be performed to measure the voltage at the midpoint of the resistor, which increases the processing load on the controller for controlling the motor. .. In particular, when the control device is configured by using a microprocessor (MPU; Micro Processor Unit), the processing load of the microprocessor increases due to the extra A / D conversion, and the motor rotates at high speed by that amount. You will not be able to let it. Further, if the resistance value of the resistor for generating the midpoint voltage varies, the midpoint voltage cannot be obtained accurately, and an error occurs in the measurement of the zero cross point especially at low speed rotation. If the zero cross point cannot be detected accurately in the sensorless brushless DC motor, the motor cannot be controlled accurately, especially at low speed rotation. For example, the timing of commutation with respect to the rotor position shifts when shifting from forced commutation to sensorless drive. Therefore, a phenomenon called step-out may occur in which the rotation speed of the motor does not increase.
本発明の目的は、センサレスブラシレスDCモータにおいて低速回転時であってもゼロクロス点を正確に検出でき、脱調などを起こすことなく強制転流から制御転流に確実に移行することができる、ブラシレスDCモータの制御方法及び制御装置を提供することにある。 An object of the present invention is that a sensorless brushless DC motor can accurately detect a zero crossing point even at low speed rotation, and can reliably shift from forced commutation to controlled commutation without causing step-out or the like. An object of the present invention is to provide a control method and a control device for a DC motor.
本発明のブラシレスDCモータの制御方法は、回転子の位置を検出するセンサを備えないブラシレスDCモータであるモータを始動する制御方法であって、回転子の位置の検出のためにモータの相ごとにその相の逆起電圧におけるゼロクロス点を検出するための中点電圧として、回転子の速度がしきい値以下であるときに、各相の巻線の端子電圧の測定値の平均を求めて使用する。 The control method of the brushless DC motor of the present invention is a control method for starting a motor which is a brushless DC motor not provided with a sensor for detecting the position of the rotor, and for detecting the position of the rotor, each phase of the motor As the midpoint voltage for detecting the zero crossing point in the countercurrent voltage of that phase, when the rotor speed is below the threshold value, find the average of the measured values of the terminal voltage of the winding of each phase. use.
本発明の制御方法では、回転子の速度がしきい値以下というモータの回転速度が比較的遅いとき、例えばモータの起動直後などに、各相の巻線の端子電圧の測定値の平均値(三相ブラシレスDCモータであればU相、V相及びW相の端子電圧Vu,Vv,Vwの平均である{Vu+Vv+Vw}/3)を中点電圧として使用することにより、平均化によってノイズやリップルなどの影響が軽減されるので、より適切にゼロクロス点を検出することができるようになり、強制転流からセンサレス駆動へ移行時の脱調などの発生を防ぐことができるようになる。 In the control method of the present invention, when the rotation speed of the motor is relatively slow when the rotor speed is equal to or less than the threshold value, for example, immediately after the motor is started, the average value of the measured values of the terminal voltages of the windings of each phase ( For a three-phase brushless DC motor, use {V u + V v + V w } / 3), which is the average of the terminal voltages V u , V v , and V w of the U phase, V phase, and W phase, as the midpoint voltage. As a result, the effects of noise and ripple are reduced by averaging, so the zero cross point can be detected more appropriately, and the occurrence of step-out during the transition from forced commutation to sensorless drive can be prevented. Will be able to.
本発明の制御方法では、各相の逆起電圧から中点電圧を減算した結果の符号が変化する時点をその相でのゼロクロス点として検出することが好ましい。これによれば、符号の変化でゼロクロス点を検出するので、ゼロクロス点の検出が容易になる。 In the control method of the present invention, it is preferable to detect the time point at which the sign changes as a result of subtracting the midpoint voltage from the counter electromotive voltage of each phase as the zero cross point in that phase. According to this, since the zero cross point is detected by the change of the sign, the detection of the zero cross point becomes easy.
本発明の制御方法では、モータの回転子の速度がしきい値を超えたら、モータの駆動に用いる電源電圧の2分の1を中点電圧として使用することが好ましい。電源電圧の2分の1を中点電圧を使用することにより、中点電圧の算出のための処理量が軽減され、より高速でモータを回転させることが可能になる。 In the control method of the present invention, when the speed of the rotor of the motor exceeds the threshold value, it is preferable to use half of the power supply voltage used to drive the motor as the midpoint voltage. By using the midpoint voltage for half of the power supply voltage, the amount of processing for calculating the midpoint voltage is reduced, and the motor can be rotated at a higher speed.
本発明の制御方法では、速度がしきい値以下であるときに、各相の巻線の端子電圧をローパスフィルタで処理し、ローパスフィルタで処理されたのちの端子電圧に基づく逆起電圧及び中点電圧を使用してもよい。各相の端子電圧をローパスフィルタで処理することにより、ノイズやリップルなどの影響をより受けにくくなり、回転速度が特に低い領域において、ゼロクロス点の検出の精度が向上する。 In the control method of the present invention, when the speed is equal to or less than the threshold value, the terminal voltage of the winding of each phase is processed by the low-pass filter, and the counter electromotive voltage and the medium based on the terminal voltage after being processed by the low-pass filter are used. A point voltage may be used. By processing the terminal voltage of each phase with a low-pass filter, it becomes less susceptible to noise, ripple, etc., and the accuracy of detecting the zero cross point is improved in a region where the rotation speed is particularly low.
本発明の制御方法では、ブラシレスDCモータとして三相ブラシレスDCモータを用いることができ、この場合、ゼロクロス点の検出から電気角で30度位相がずれたタイミングでモータに対する転流を行うことが好ましい。本発明によれば低速回転時にもゼロクロス点を正確に求めることができるので、三相ブラシレスDCモータの場合、ゼロクロス点の検出から電気角で30度位相がずれたタイミングで転流が行われるようにすることにより、高効率でモータを回転させることができるようになる。 In the control method of the present invention, a three-phase brushless DC motor can be used as the brushless DC motor. In this case, it is preferable to perform commutation with respect to the motor at a timing shifted by 30 degrees in electrical angle from the detection of the zero cross point. .. According to the present invention, the zero cross point can be accurately obtained even at low speed rotation. Therefore, in the case of a three-phase brushless DC motor, commutation is performed at a timing that is 30 degrees out of phase with the electric angle from the detection of the zero cross point. By doing so, the motor can be rotated with high efficiency.
本発明のブラシレスDCモータの制御装置は、回転子の位置を検出するセンサを備えないブラシレスDCモータであるモータを始動する制御装置であって、少なくとも各相の巻線に誘起される逆起電圧を検出できるように配置されたA/Dコンバータと、A/Dコンバータで得られるデジタル値に基づいてモータの相ごとにその相の逆起電圧におけるゼロクロス点を検出し、検出したゼロクロス点に基づいてモータに対する制御動作を行い、モータを駆動するインバータに指令値を出力する制御手段と、を備え、制御手段は、回転子の速度がしきい値以下であるときに、モータの各相の逆起電圧の測定値の平均を算出して、ゼロクロス点を検出するための中点電圧とする。 The control device for a brushless DC motor of the present invention is a control device for starting a motor that is a brushless DC motor that does not have a sensor for detecting the position of a rotor, and is a countercurrent voltage induced in at least the winding of each phase. The zero cross point in the countercurrent voltage of each phase of the motor is detected based on the digital value obtained by the A / D converter arranged so that The control means is provided with a control means for performing a control operation on the motor and outputting a command value to an inverter for driving the motor. The average of the measured values of the electromotive voltage is calculated and used as the midpoint voltage for detecting the zero crossing point.
本発明の制御装置では、モータの回転速度が比較的遅いとき、例えばモータの起動直後などに、各相の逆起電圧の測定値の平均値を中点電圧として使用することにより、平均化によってノイズやリップルなどの影響が軽減されるので、より適切にゼロクロス点を検出することができるようになり、強制転流からセンサレス駆動へ移行時の脱調などの発生を防ぐことができるようになる。制御手段は、通常、マイクロプロセッサなどによって構成されるが、本発明では、相ごとの逆起電圧の測定を行うのはモータの回転速度が比較的遅いときであるので、複数相の逆起電圧の測定を行ったとしても制御手段における処理負荷の増大を無視することができる。 In the control device of the present invention, when the rotation speed of the motor is relatively slow, for example, immediately after the motor is started, the average value of the measured values of the counter electromotive force of each phase is used as the midpoint voltage by averaging. Since the effects of noise and ripple are reduced, it becomes possible to detect the zero crossing point more appropriately, and it becomes possible to prevent the occurrence of step-out during the transition from forced commutation to sensorless drive. .. The control means is usually composed of a microprocessor or the like, but in the present invention, the counter electromotive voltage for each phase is measured when the rotation speed of the motor is relatively slow, so that the counter electromotive voltage of a plurality of phases is measured. Even if the measurement is performed, the increase in the processing load in the control means can be ignored.
本発明の制御装置では、制御手段は、各相の逆起電圧から中点電圧を減算した結果の符号が変化する時点をその相でのゼロクロス点として検出することが好ましい。これによれば、符号の変化で検出するので、ゼロクロス点の検出が容易になる。 In the control device of the present invention, the control means preferably detects the time point at which the sign changes as a result of subtracting the midpoint voltage from the counter electromotive voltage of each phase as the zero cross point in that phase. According to this, since it is detected by the change of the sign, it becomes easy to detect the zero crossing point.
本発明の制御装置では、制御手段は、モータの回転子の速度がしきい値を超えたら、インバータに供給される電源電圧の2分の1を中点電圧として使用することが好ましい。このようにすることにより、制御装置において中点電圧の検出のためには、非選択相の端子電圧及び電源電圧の2つのA/D変換を行えばよいことになるから、A/Dコンバータや制御手段における処理負荷が軽減され、制御手段はより高回転速度でのモータの制御に対応できるようになる。 In the control device of the present invention, it is preferable that the control means uses half of the power supply voltage supplied to the inverter as the midpoint voltage when the speed of the rotor of the motor exceeds the threshold value. By doing so, in order to detect the midpoint voltage in the control device, it is sufficient to perform two A / D conversions of the non-selective phase terminal voltage and the power supply voltage. Therefore, the A / D converter or The processing load on the control means is reduced, and the control means can handle the control of the motor at a higher rotation speed.
本発明の制御装置では、さらに、モータの各相の巻線にそれぞれ接続するローパスフィルタを備え、ローパスフィルタの出力もA/Dコンバータに入力するようにし、その上で、モータの回転子の速度がしきい値以下であるときに、ローパスフィルタを介してA/Dコンバータが検出した各相の巻線の端子電圧に基づく逆起電圧及び中点電圧を制御手段が使用するようにしてもよい。各相の巻線に誘起される逆起電圧をローパスフィルタで処理することにより、ノイズやリップルなどの影響をより受けにくくなり、回転速度が特に低い領域において、ゼロクロス点の検出の精度が向上する。 The control device of the present invention further includes a low-pass filter connected to each phase winding of the motor so that the output of the low-pass filter is also input to the A / D converter, and then the speed of the rotor of the motor. When is less than or equal to the threshold value, the control means may use the countercurrent voltage and the midpoint voltage based on the terminal voltage of the winding of each phase detected by the A / D converter through the low-pass filter. .. By processing the counter electromotive voltage induced in the winding of each phase with a low-pass filter, it becomes less susceptible to noise and ripple, and the accuracy of detecting the zero cross point is improved especially in the region where the rotation speed is low. ..
本発明の制御装置では、ブラシレスDCモータとして三相ブラシレスDCモータを用いることができ、この場合、制御手段は、ゼロクロス点の検出から電気角で30度位相がずれたタイミングでモータに対する転流を行うことが好ましい。本発明によれば低速回転時にもゼロクロス点を正確に求めることができるので、三相ブラシレスDCモータの場合、ゼロクロス点の検出から電気角で30度位相がずれたタイミングで転流が行われるようにすることにより、高効率でモータを回転させることができるようになる。 In the control device of the present invention, a three-phase brushless DC motor can be used as the brushless DC motor. In this case, the control means performs commutation with respect to the motor at a timing shifted by 30 degrees in electrical angle from the detection of the zero cross point. It is preferable to do so. According to the present invention, the zero cross point can be accurately obtained even at low speed rotation. Therefore, in the case of a three-phase brushless DC motor, commutation is performed at a timing that is 30 degrees out of phase with the electric angle from the detection of the zero cross point. By doing so, the motor can be rotated with high efficiency.
本発明によれば、ゼロクロス点の検出に際し、比較的低速で回転しているときは各巻線の端子電圧の平均を中点電圧として用いることにより、センサレスブラシレスDCモータにおいて低速回転時であってもゼロクロス点を正確に検出でき、脱調などを起こすことなく強制転流から制御転流に確実に移行することができるようになる。 According to the present invention, when the zero cross point is detected, the average terminal voltage of each winding is used as the midpoint voltage when rotating at a relatively low speed, so that the sensorless brushless DC motor can be rotated at a low speed. The zero cross point can be detected accurately, and the transition from forced commutation to controlled commutation can be reliably performed without causing step-out.
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の一形態の制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置30は、三相ブラシレスDCモータであるモータ10をインバータ50を介して駆動するものである。モータ10は、その回転子の位置を検出するセンサを備えない、センサレス型のものである。インバータ50にはモータ10の駆動電源として直流電源21が接続しており、直流電源21はその一端から電源電圧Vdcを発生し、他端は接地点GNDに接続している。直流電源21に対して並列に平滑コンデンサ21が設けられている。インバータ50としては、三相ブラシレスDCモータの矩形波による駆動に一般的に用いられるものが使用される。またモータ10は、三相(U相、V相及びW相)の巻線がY結線(スター結線)で接続したものである。インバータ50から直流電源21の接地点側に接続する配線にはシャント抵抗Rsが挿入されており、シャント抵抗Rsの両端の電圧を検出することによりモータ10の駆動電流Iを検出する電流検出回路41が設けられている。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control device according to an embodiment of the present invention. The
制御装置30は、ソフトウェア処理によってモータ10に関する制御動作を行いインバータ50に対する指令値を発生するマイクロプロセッサ31と、マイクロプロセッサ31とインバータ50との間にあってマイクロプロセッサ31からの指令値をインバータ50の駆動信号に変換するプリドライバ32と、A/D(アナログ−デジタル)コンバータ33とを備えている。マイクロプロセッサ31からの指令値は例えばモータ10の各相の電機子巻線に印加される電圧で表されるが、プリドライバ32は、指令値をPWM(パルス幅変調;Pulse Width Modulation)駆動におけるオン/オフのデューティー比に変換してインバータ50に駆動信号を出力する。A/Dコンバータ33は、電源電圧Vdc、モータ10の駆動電流I、及びモータ10のU,V,Wの各相の巻線の端子電圧Vu,Vv,Vwが入力しており、アナログ量であるこれらの入力のアナログ−デジタル変換を行い、変換によって得られたデジタル値をマイクロプロセッサ31に出力する。マイクロプロセッサ31は、所定のキャリア周波数(例えば20kHz)でA/Dコンバータ33を動作させてA/D変換を行わせ、その結果、A/Dコンバータ33から入力する各デジタル値に基づいてモータ10の制御を実行する。
The
説明の都合上、図1ではA/Dコンバータ33がマイクロプロセッサ31から分離して描かれているが、A/Dコンバータ33はマイクロプロセッサ31に内蔵されていてもよい。電源電圧Vdc,駆動電流I,端子電圧Vu,Vv,Vwが入力するが、A/Dコンバータ33は、これらの入力の全てを同時に並列にアナログ−デジタル変換できる構成となっているわけではない。A/Dコンバータ33は、典型的には1あるいは2つのA/D変換回路を備え、入力を切り替えることによって複数の入力アナログ値を時間差をつけてデジタル値に変換する。そのため、A/D変換すべき入力の数が増大したときには、複数の入力値に対して1つのA/D変換回路により順番にA/D変換を行うことに要する時間やA/D変換結果をマイクロプロセッサ31において処理するための時間が全体の処理時間を圧迫することになり、その結果として、高速回転でモータ10を駆動し制御することが難しくなる。
For convenience of explanation, the A /
次に、本実施形態の制御装置30を用いてモータ10の起動するときの処理を説明する。本実施形態においても、一般のセンサレスブラシレスDCモータを起動するときと同様に、マイクロプロセッサ31は、モータ10の回転子の当初位置を定めるために、モータ10の各相の配線に固定した励磁ベクトルの電流を流し、回転子の位置決めを行う。その後、モータ10の運転モードをオープンループ制御である強制転流として、モータ10を駆動する。強制転流では、マイクロプロセッサ31は、電流を流す電機子巻線を選択的に切り替えてモータ10における励磁ベクトルを回転させる転流を、最初はごく低速の周期で開始し、徐々に転流周期を速めながらモータ10の同期運転を行う。その後、回転子の速度がある値に達したところで、マイクロプロセッサ31はモータ10の運転モードをセンサレス駆動に切り替える。強制転流からセンサレス駆動への切り替えは、モータ10の電機子巻線に発生する逆起電圧におけるゼロクロス点の間隔からモータ10の回転速度を求めて回転速度が所定値を超えたかどうかによって行ってもよいし、強制転流での転流周期がある周期より短くなったかどうかによって行ってもよい。
Next, the process when the
センサレス駆動では、3つある相の電機子巻線のうち、その時点で励磁に使用していない相の巻線において回転子の磁石の着磁パターンによる磁束の変化により誘起される逆起電圧を測定し、逆起電圧の測定結果によって回転子の磁極の位置を推定し、これに応じて転流を実行する。なお矩形波を用いるPWM駆動によってモータ10を駆動するので、転流により電流が流れることになっている相の巻線においても電流が流れないタイミングがあり、そのタイミングにおいて逆起電圧を測定することができる。逆起電圧に基づき転流を行うことによって、回転子の磁極の位置に対応した回転磁界が発生し、回転子が回転することになる。もっとも交流波形である逆起電圧の振幅は回転速度に比例するので、逆起電圧の任意の瞬時値に基づいて転流を実行するのは現実的ではなく、逆起電圧におけるゼロクロス点を検出して転流を実行することになる。
In sensorless drive, of the three phase armature windings, the countercurrent voltage induced by the change in magnetic flux due to the magnetizing pattern of the rotor magnet in the winding of the phase that is not used for excitation at that time is applied. The measurement is performed, the position of the magnetic pole of the rotor is estimated from the measurement result of the countercurrent voltage, and the commutation is executed accordingly. Since the
逆起電圧におけるゼロクロス点を検出するためには、交流波形での中点に相当する中点電圧Vcenterが必要となる。特許文献1では電源電圧Vdcの1/2を中点電圧Vcenterとしているが、本実施形態では、強制転流からセンサレス駆動への移行を行うかどうかの判断を行うときも含め、モータ10の回転子の回転速度Nがしきい値Nth以下であるときは、A/Dコンバータ33によって測定される各相の電機子電圧すなわち各相の巻線の端子電圧Vu,Vv,Vwの平均を中点電圧Vcenterとする。すなわち、
Vcenter={Vu+Vv+Vw}/3
とする。そして逆起電圧Vbemfを
Vbemf=Vi−Vcenter (ただし、i=u,v,w)
によって計算し、逆起電圧Vbemfの符号が変化した時点をゼロクロス点とする。マイクロプロセッサ31は、A/Dコンバータ33での検出結果に基づき、このような中点電圧Vcenterと逆起電圧Vbemfの算出を行い、ゼロクロス点の検出を行う。そしてマイクロプロセッサ31は、モータ10を高効率で駆動するために、検出したゼロクロス点から電気角で30度位相がずれた時刻において転流を実施する。各相の巻線の端子電圧Vu,Vv,Vwの平均を中点電圧Vcenterとして行うセンサレス駆動をモード1のセンサレス駆動と呼ぶ。モード1のセンサレス駆動では、A/Dコンバータ33は、3つの巻線の端子電圧Vu,Vv,VwをA/D変換を行う必要があり、さらにモータ10の制御のために電源電圧Vdcと駆動電流IについてもA/D変換を行う必要があるので、合計、5つの入力値に対するA/D変換を実行する。
In order to detect the zero cross point in the counter electromotive force, the midpoint voltage V center corresponding to the midpoint in the AC waveform is required. In
V center = {V u + V v + V w } / 3
And. Then, the counter electromotive voltage V bemf is set to V bemf = Vi-V center (however, i = u, v, w).
The point at which the sign of the counter electromotive voltage V bemf changes is defined as the zero crossing point. The
モード1のセンサレス駆動を行い、モータ10の回転数を上昇させると、回転子の回転数Nがしきい値Nthを超えるようになる。回転数Nがしきい値Nthを超えたら、マイクロプロセッサ21は、今度は、逆起電圧Vbemfの算出に用いる中点電圧Vcenterを電源電圧Vdcの1/2すなわちVdc/2に切り替える。中点電圧VcenterとしてVdc/2を用いて行うセンサレス駆動をモード2のセンサレス駆動と呼ぶ。モード2のセンサレス駆動では、A/Dコンバータ33は、巻線の端子電圧Vu,Vv,Vwのいずれか1つと電源電圧Vdc及び駆動電流Iの合計3つの入力値のA/D変換を行えばよいから、モード2に比べ、制御装置30での処理負荷が小さくなり、その分、モータ10のより高速度の回転が可能になる。なお、電源電圧Vdcと駆動電流Iについては、監視のため、上述したキャリア周波数によって常時、A/D変換を行う必要がある。
When the sensorless drive in
図2は、ここで説明した制御装置30の動作を説明する状態遷移図である。制御装置30の初期化ののち、制御装置30は待機状態となり、外部からモータ10の起動を指令されると、強制転流、次いでモード1のセンサレス駆動を実行し、回転子の速度Nがしきい値Nthを超えると、モード1のセンサレス駆動を実行する。モータの停止が指令されると、制御装置30は待機状態に戻る。しきい値Nthは、電源電圧の1/2を中点電圧としてもゼロクロス点を正確に決定できる回転数として、モータの機種や使用する電源電圧Vdcに基づいて決定されて、マイクロプロセッサ31に予め記憶される。
FIG. 2 is a state transition diagram illustrating the operation of the
図3は、本実施形態において回転子速度Nがしきい値Nthよりも十分に小さい、すなわち低速でモータ10が回転しているときの各相の逆起電圧とゼロクロス点の検出との関係を示している。これに対し図4は、従来例として、低速であっても中点電圧Vcenterを電源電圧Vdcの1/2に固定した場合の各相の逆起電圧とゼロクロス点の検出との関係を示している。いずれの場合においても逆起電圧にはノイズやリップルが重畳している。また、ゼロクロスポイントとして表現された矩形波における立ち上がりと立ち下がりとが、検出されたゼロクロス点に対応する。ここでは説明のため、図3と図4では、逆起電圧に対して同じノイズやリップルが重畳しているものとする。本実施形態に基づきVcenter={Vu+Vv+Vw}/3とした場合には、図3に示すように、ノイズやリップルが重畳していてもほぼ等間隔でゼロクロス点を検出できており、これから、脱調などを起こすことなく強制転流から制御転流に確実に移行できることが予測される。これに対し、Vcenter=Vdc/2とした場合には、図4に示すように、ノイズやリップルが重畳しているためにゼロクロス点が不均等な間隔で検出されている。このようにゼロクロス点の間隔が不均等であると、ゼロクロス点に基づいてセンサレス駆動を行った場合に、脱調を起こす恐れがある。
FIG. 3 shows the relationship between the counter electromotive voltage of each phase and the detection of the zero cross point when the rotor velocity N is sufficiently smaller than the threshold value N th in the present embodiment, that is, when the
図5は、本実施形態において回転子速度Nがしきい値Nthを超えている、すなわち高速でモータ10が回転しているときの各相の逆起電圧とゼロクロス点の検出との関係を示している。この状態では逆起電圧の振幅に比べてノイズやリップルは無視できるものとなっており、Vcenter=Vdc/2としても正確にゼロクロス点を検出できている。
FIG. 5 shows the relationship between the counter electromotive voltage of each phase and the detection of the zero cross point when the rotor speed N exceeds the threshold value N th in the present embodiment, that is, when the
以上説明した本実施形態によれば、ゼロクロス点検出のための中点電圧Vcenterを、回転子の回転速度Nがしきい値Nth以下であるときはVcenter={Vu+Vv+Vw}/3とし、回転速度Nがしきい値Nthを超えればVcenter=Vdc/2とすることにより、高速でのモータ10の回転を可能にしつつ、低速回転時であってもゼロクロス点を正確に検出でき、脱調などを起こすことなく、モータ10を強制転流から制御転流に確実に移行させることができるようになる。
According to the present embodiment described above, the midpoint voltage V center for detecting the zero cross point is set to V center = {V u + V v + V w when the rotation speed N of the rotor is equal to or less than the threshold value N th. } / 3, and if the rotation speed N exceeds the threshold value N th , V center = V dc / 2, which enables the
次に、本発明の別の実施形態の制御装置について説明する。図6は、別の実施形態の制御装置30を示している。図示される制御装置30は、図1に示す制御装置に対し、各相の巻線の端子電圧Vu,Vv,Vwがそれぞれ入力するローパスフィルタ(LPF)34u,34v,34wを設け、ローパスフィルタ34u,34v,34wの出力もA/Dコンバータ33に入力するようにしたものである。逆起電圧に重畳するノイズやリップルの原因としては、所定のキャリア周波数のPWM矩形波によってモータ10を駆動していることが挙げられるので、本実施形態では、PWMキャリア周波数の成分を除去するためにローパスフィルタ34u,34v,34wを設けている。ローパスフィルタ(LPF)34u,34v,34wとしては、例えば抵抗(R)とコンデンサ(C)との組み合わせからなる一般的なものを使用することができる。端子電圧Vu,Vv,Vwをローパスフィルタ34u,34v,34wによって処理したことによって得られる電圧を、それぞれ、Vuf,Vvf,Vwfとする。そしてモード1のセンサレス駆動を行うときは、マイクロプロセッサ31は、ローパスフィルタ34u,34v,34wを経由した端子電圧Vu,Vv,Vw、すなわち電圧Vuf,Vvf,Vwfを用い、中点電圧Vcenterを
Vcenter={Vuf+Vvf+Vwf}/3
とする。また、マイクロプロセッサ31は、逆起電圧の算出に際しても電圧Vuf,Vvf,Vwfを使用する。モード2では上述と同様にVcenterとしてVdc/2を使用する。ローパスフィルタ34u,34v,34wは、モータ10のPWM駆動に用いられるキャリア周波数の成分を十分に除去することができるようにそのカットオフ周波数が設定される。PWM駆動のキャリア周波数が20kHzであれば、カットオフ周波数として1kHzを用いることにより十分な効果が得られる。
Next, the control device of another embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows a
And. The
図7は図6に示す制御装置30の動作を示す状態遷移図であり、この状態遷移図が図2に示す状態遷移図と異なるところは、モード1での中点電圧Vcenterとして、Vcenter={Vuf+Vvf+Vwf}/3が用いられていることである。図8は、本実施形態における回転子速度Nがしきい値Nthよりも十分に小さい、すなわち低速でモータ10が回転しているときの各相の逆起電圧とゼロクロス点の検出との関係を示している。ここに示される逆起電圧は、ローパスフィルタ34u,34v,34wを経由した電圧Vuf,Vvf,Vwfであり、ノイズやリップルが除去されたものである。図8に示したものでは、ノイズやリップルが除去された逆起電圧に基づいてゼロクロス点を検出するので、ゼロクロス点の間隔が図4に示したものと比べてさらに均等なものとなっている。
FIG. 7 is a state transition diagram showing the operation of the
図6〜図8に示した実施形態では、ローパスフィルタ34u,34v,34wを用いることにより、低速回転時におけるゼロクロス点をより正確に求めることができる。
In the embodiments shown in FIGS. 6 to 8, the zero-cross points at low speed rotation can be obtained more accurately by using the low-
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明に基づく制御方法及び制御装置の対象となるセンサレスブラシレスDCモータは三相のものに限定されるものではなく、本発明は、より多相のセンサレスブラシレスDCモータにも適用可能である。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the sensorless brushless DC motor which is the target of the control method and the control device based on the present invention is not limited to the three-phase one, and the present invention is more polyphase. It can also be applied to sensorless brushless DC motors.
10…モータ;21…直流電源;22…平滑コンデンサ;30…制御装置;31…マイクロプロセッサ(MPU);32…プリドライバ;33…A/D(アナログ−デジタル)コンバータ;34u,34v,34w…ローパスフィルタ(LPF);41…電圧検出回路;50…インバータ。 10 ... motor; 21 ... DC power supply; 22 ... smoothing capacitor; 30 ... controller; 31 ... microprocessor (MPU); 32 ... predriver; 33 ... A / D (analog-to-digital) converter; 34 u , 34 v , 34 w ... Low-pass filter (LPF); 41 ... Voltage detection circuit; 50 ... Inverter.
Claims (10)
前記回転子の位置の検出のために前記モータの相ごとに当該相の逆起電圧におけるゼロクロス点を検出するための中点電圧として、前記回転子の速度がしきい値以下であるときに、各相の巻線の端子電圧の測定値の平均を求めて使用する、制御方法。 A control method for starting a motor, which is a brushless DC motor that does not have a sensor that detects the position of the rotor.
When the speed of the rotor is equal to or less than the threshold value as the midpoint voltage for detecting the zero crossing point in the counter electromotive voltage of the phase for each phase of the motor for detecting the position of the rotor. A control method used to find and use the average of the measured terminal voltages of the windings of each phase.
少なくとも各相の巻線の端子電圧を検出できるように配置されたA/Dコンバータと、
前記A/Dコンバータで得られるデジタル値に基づいて前記モータの相ごとに当該相の逆起電圧におけるゼロクロス点を検出し、検出した前記ゼロクロス点に基づいて前記モータに対する制御動作を行い、前記モータを駆動するインバータに指令値を出力する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記回転子の速度がしきい値以下であるときに、前記各相の巻線の端子電圧の測定値の平均を算出して、前記ゼロクロス点を検出するための中点電圧とする、制御装置。 A control device that starts a motor that is a brushless DC motor that does not have a sensor that detects the position of the rotor.
With an A / D converter arranged so that at least the terminal voltage of the winding of each phase can be detected,
Based on the digital value obtained by the A / D converter, the zero cross point in the counter electromotive voltage of the phase is detected for each phase of the motor, and the control operation for the motor is performed based on the detected zero cross point, and the motor is operated. A control means that outputs a command value to the inverter that drives the
With
The control means calculates the average of the measured values of the terminal voltages of the windings of the respective phases when the speed of the rotor is equal to or less than the threshold value, and detects the zero cross point. The control device.
前記ローパスフィルタの出力も前記A/Dコンバータに入力し、
前記制御手段は、前記速度が前記しきい値以下であるときに、前記ローパスフィルタを介して前記A/Dコンバータが検出した前記各相の巻線の端子電圧に基づく前記逆起電圧及び前記中点電圧を使用する、請求項6乃至8のいずれか1項に記載の制御装置。 A low-pass filter is provided for connecting to each of the windings of the respective phases of the motor.
The output of the low-pass filter is also input to the A / D converter,
The control means has the counter electromotive voltage based on the terminal voltage of the winding of each phase detected by the A / D converter via the low-pass filter when the speed is equal to or lower than the threshold value, and the inside of the control means. The control device according to any one of claims 6 to 8, which uses a point voltage.
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