JP5396828B2

JP5396828B2 - ブラシレスモータの安定制御装置

Info

Publication number: JP5396828B2
Application number: JP2008296719A
Authority: JP
Inventors: 繁一奥村
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: JP2010124625A

Description

この発明は、ブラシレスモータの安定制御装置に関し、さらに詳しくは、たとえば、自動車に搭載されて油圧ポンプの駆動などに使用されるブラシレスＤＣモータなど、直流電源を用いて駆動される永久磁石を用いたブラシレスモータを、電流制御によりセンサレスで回転駆動させるブラシレスモータの安定制御装置に関する。

自動車に搭載されているトランスミッション用やパワーステアリング用の油圧ポンプを駆動する電動モータとして、従来、ブラシ付きＤＣモータが用いられてきたが、ブラシの耐久性からくる信頼性の問題があり、ブラシレスモータを用いることが望まれている。ブラシレスモータは、ＤＣモータからブラシ及び整流子を取除き、電子整流回路を取付けたモータである。電子整流回路は、磁気センサを用いてモータ回転子の回転位置を検出して、これらの検出信号に基づいてＰＷＭ制御等により、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相への通電を制御して回転磁界を発生させ、モータ回転子を回転駆動する。

ブラシレスモータを駆動するには、上述したようにモータ回転子の回転位置センサが必要であるが、モータを高温のエンジンルーム内に搭載する場合には、磁気センサの耐熱性が問題となり、回転位置センサを用いずにモータを駆動するセンサレス駆動が望ましい。センサレス駆動では、モータ回転子の回転位置を推定して、回転位置センサからの回転位置信号に相当する回転位置推定信号を作成する必要があり、通常、回転位置推定信号の作成には、３相の誘起電圧が利用される。

また、ブラシレスモータの制御装置としては、図４に示すように、自動車に搭載されて油圧ポンプなどを駆動するブラシレスモータ(1)を、自動車に搭載されたバッテリよりなる直流電源(2)を用いて、片側ＰＷＭ方式で駆動するものであり、３相の相電圧に基づいてディジタル方式で各相の回転位置推定信号を生成する回転位置推定信号生成手段である回転位置推定信号生成装置(3)と、各相の回転位置推定信号に基づいてＰＷＭ方式で直流電源(2)から３相への通電を制御する通電制御手段である通電制御装置(4)とから構成されているものが知られている。通電制御装置(4)は、通電信号生成手段(5)と、スイッチング回路(6)と、電流検出器(7)と、電流制御部(8)と、速度制御手段(9)と、ＰＷＭ駆動手段(10)と、ゲートドライブ回路(11)とから構成されている。電流制御部(8)は、電流検出器(7)により検出されたモータ(1)の実電流値Ａと所定の電流指令値Ａａとを比較しモータ(1)をPWM駆動するための電流制御信号Ａpwmを生成するものである。（特許文献１参照）
特開２００７−１７４７４８号公報

上記のブラシレスモータでは、回転位置検出センサを用いずにモータを駆動させているので、モータの起動時にモータ回転子の回転位置の捕捉ミスが生じるおそれがあり、モータのスムーズな駆動が困難となる場合がある。また、上記のブラシレスモータは、実電流値や電流指令値の急峻な増加に対しても弱く、不安定なモータ駆動や脱調（モータの速度と電流の大きさとの同期が外れてモータが停止すること）が発生するおそれがある。

この発明の目的は、モータの起動時にモータ回転子の回転位置の捕捉ミスを防止することができるとともに短時間でスムーズな起動が可能となり、モータがセンサレス駆動に移行するまでの間においても、安定した駆動が可能となるブラシレスモータの安定制御装置を提供することにある。

請求項１によるブラシレスモータの安定制御装置は、ＰＷＭ制御によりモータを駆動するＰＷＭ駆動手段およびモータの実電流値と所定の電流指令値とを比較しモータをＰＷＭ駆動するための電流制御信号を生成してＰＷＭ駆動手段へ供給する電流制御部を備えているブラシレスモータの安定制御装置において、電流制御部は、モータの実電流値と電流指令値とを比較してモータをＰＷＭ駆動するための第１電流信号を生成する第１電流信号生成手段と、前記第１電流信号をモータの駆動許容範囲に制限して第２電流信号を生成する第２電流信号生成手段と、前記第２電流信号と前記電流制御信号に基づいて電流制御信号を生成する電流制御信号生成手段とを備えており、電流制御信号生成手段は、ＰＷＭ駆動手段へ供給する前記電流制御信号を所定の増分値だけ増加させて増加電流信号を生成し、前記増加電流信号と前記第２電流信号とを比較して、前記増加電流信号を大と判定した場合、前記第２電流信号を電流制御信号としてＰＷＭ駆動手段へ供給し、その他の場合、前記増加電流信号を電流制御信号としてＰＷＭ駆動手段へ供給するものであることを特徴とするものである。
ＰＷＭ駆動手段は、モータ回転子の位置によりＵＶＷ相のＰＷＭのＤｕｔｙとタイミングを算出し、モータの回転を制御するものとされる。

第１電流信号生成手段は、モータの実電流と電流指令値とを比較し、例えば、ＰＩ制御により第１電流信号を算出するものとされる。

第２電流信号生成手段は、モータに過大な電流が供給されることを防止するため、ＰＷＭ駆動手段に供給される第１電流信号がモータの駆動許容範囲の０％から１００％内となるように制限するものとされる。第２電流信号生成手段により制限される上限値は、モータまたはモータが用いられる機器により適宜決定され、予め設定される。

電流制御信号生成手段は、ＰＷＭ駆動手段に供給される電流制御信号を所定の増分値だけ増加させて増加電流信号を出力する電流増加手段と、増加電流信号と第２電流信号とを比較する信号比較手段とから構成される。

電流制御信号に増加する所定の増分値は、電流制御信号の最小単位の値とされる。

従来のブラシレスモータの制御装置においては、モータの実電流値と所定の電流指令値とを比較し、比較結果により出力された信号を電流制御信号としてそのままＰＷＭ駆動手段に供給してモータを駆動させていた。

したがって、従来の制御装置は、モータに与えられる実電流値や電流指令値が急峻に増加した場合に対して弱く、実電流値や電流指令値が急峻に増加すると、モータの回転速度との同期が取れず不安定なモータ駆動や脱調（モータの回転の停止）を発生させるおそれがあった。また、不安定なモータ駆動により異音が発生するおそれがあった。

この発明によるブラシレスモータの安定制御装置では、従来のように、モータの実電流値と所定の電流指令値との比較結果により出力された信号を電流制御信号としてそのままＰＷＭ駆動手段に供給とするのではなく、モータの実電流値と所定の電流指令値との比較結果により出力された第１電流信号をモータの駆動許容範囲に制限して、第２電流信号を出力する。そして、第２電流信号が増加電流信号に対して大か否か比較される。比較の結果、増加電流信号の方が大と判定された場合、第２電流信号がＰＷＭ駆動手段に供給される。一方、第２電流信号と増加電流信号とが同じと判定された場合または増加電流信号の方が第２電流信号より小と判定された場合、増加電流信号がＰＷＭ駆動手段に供給される。この動作は、モータの起動時からモータがセンサレス駆動に移行するまでの間繰り返し行われ、モータの減速時には無効とされる。

このように、モータの回転数を増加させる場合には、増加電流信号と第２電流信号との大小関係を判定し、大と判定されていない方の信号（小または同等と判定された信号）でモータが駆動されるので、電流指令値が急峻に増加してもモータへの電流制御信号は除々に増加する。

したがって、モータ回転子の回転位置の捕捉が確実となるので、モータの起動時においては、モータ回転子の回転位置の捕捉ミスがなくなるとともに短時間で起動することができ、その結果、モータのスムーズな起動が可能となる。さらに、スムーズな起動によりモータ起動時の異音も防止することができる。また、モータに対する電流制御信号が除々に増加するに伴いモータの回転速度が上昇するので実電流値が急峻に増加することがなく、モータの起動時からモータがセンサレス駆動に移行するまでの間、安定した継続駆動が可能となる。

この発明のブラシレスモータの安定制御装置によると、ＰＷＭ駆動手段に供給される電流制御信号が除々に増加するので、ブラシレスモータの起動時にモータ回転子の回転位置の捕捉が確実となり、短時間でスムーズに起動することができる。さらに、スムーズな起動によりモータ起動時の異音も防止することができる。したがって、モータの起動時からモータがセンサレス駆動に移行するまでの間、安定した継続駆動が可能となる。

以下、図１〜図３を参照して、この発明を車載用のブラシレスモータの安定制御に適用した実施形態について説明する。

図１は、ブラシレスモータの安定制御装置の構成を概略的に示している。

このセンサレスブラシレスモータの安定制御装置は、自動車に搭載されて油圧ポンプなどを駆動するブラシレスモータ(1)を、自動車に搭載されたバッテリよりなる直流電源(2)を用いて、片側ＰＷＭ方式で駆動するものであり、３相の相電圧に基づいてディジタル方式で各相の回転位置推定信号を生成する回転位置推定信号生成手段である回転位置推定信号生成装置(3)と、各相の回転位置推定信号に基づいてＰＷＭ方式で直流電源(2)から３相への通電を制御する通電制御手段である通電制御装置(4)とから構成されている。直流電源(2)の電源電圧をＥとする。

回転位置推定信号生成装置(3)は、モータ(1)のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて、各相の回転位置推定信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗを生成する。３相の相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、Ｖで総称する。３相の回転位置推定信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗは、Ｈで総称する。

通電制御装置(4)は、通電信号生成手段(5)と、スイッチング回路(6)と、電流検出器(7)と、電流制御部(8)と、速度制御手段(9)と、ＰＷＭ駆動手段（10）と、ゲートドライブ回路(11)とから構成されている。

通電信号生成手段(5)は、回転位置推定信号生成手段(3)により生成される回転位置推定信号Ｈに基づいて、各素子の通電をそれぞれ制御するための通電信号Ｃｕ＋、Ｃｕ−、Ｃｖ＋、Ｃｖ−、Ｃｗ＋、Ｃｗ−を生成するものである。通電信号は、Ｃで総称する。通電信号生成手段(5)は、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）により構成されてもよいし、専用のディジタル回路により構成されてもよい。

スイッチング回路(6)は、電源(2)からモータ(1)のＵ相へ通電を制御する上アームスイッチング素子(16u+)および下アームスイッチング素子(16u-)、Ｖ相へ通電を制御する上アームスイッチング素子(16v+)および下アームスイッチング素子(16v-)、Ｗ相への通電を制御する上アームスイッチング素子(16w+)および下アームスイッチング素子(16w-)を備えている。スイッチング素子は、符号（16）で総称する。

電流検出器(7)は、電流測定回路をスイッチング回路(6)に接続してモータ電流を検出するものである。

電流制御部(8)は、電流検出器(7)から検出されたモータ(1)の電流検出値Aと電流指令値Aaとを比較し、両者の大小関係に基づき、モータ(1)をＰＷＭ駆動するための電流制御信号Ａpwmを作成し、ＰＷＭ駆動手段(10)へ送るものである。

速度制御手段(9)は、モータ(1)の回転子の回転速度検出値Ｓと外部から与えられた回転方向を含む回転速度設定値Ｓａとを比較し、両者の大小関係に基づいて、モータ(1)をＰＷＭ駆動するための速度制御信号Ｓｐｗｍを作成し、ＰＷＭ駆動手段(10)へ出力するものである。

ＰＷＭ駆動手段(10)は、与えられた通電信号Ｃ、速度制御信号Ｓｐｗｍおよび電流制御信号Ａpwmに基づいて、各スイッチング素子(16)に対するスイッチング素子制御信号Ｄｕ＋、Ｄｕ−、Ｄｖ＋、Ｄｖ−、Ｄｗ＋、Ｄｗ−を作成し、ゲートドライブ回路(11)へ出力するものである。スイッチング素子制御信号はＤで総称する。

ゲートドライブ回路(11)は、与えられたスイッチング素子制御信号Ｄに基づいて、各スイッチング素子(16)をオン／オフ駆動し、モータ(1)のステータ巻線に回転磁界を発生させるものである。

電流制御部(8)は、第１電流信号生成手段(12)と、第２電流信号生成手段(13)と、電流制御信号生成手段(14)とから構成されている。

第１電流信号生成手段(12)は、電流検出器(7)から検出されたモータ(1)の電流検出値Aと電流指令値Aaとを比較して、両者の大小関係により、モータ(1)をＰＷＭ駆動するための第１電流信号Ｂを生成し、第２電流信号生成手段(13)へ送るものである。

第２電流信号生成手段(13)は、モータ(1)に過大電流が流れることを防止するために、第１電流信号生成手段(12)からの第１電流信号Ｂをモータ(1)の駆動許容範囲の０％〜１００％となるように制限した第２電流信号Ｃを生成し、電流制御信号生成手段(14)へ送るものである。

電流制御信号生成手段(14)は、図２に示すように、ＰＷＭ駆動手段(10)に供給される電流制御信号Ａpwmを所定の増分値だけ増加して増加電流信号Ｄを生成する電流増加手段(14a)と、増加電流信号Ｄと第２電流信号Ｃとの大小を比較する信号比較手段(14b)とを備えている。信号比較手段(14b)による比較により、増加電流信号Ｄの方が大と判定された場合、信号比較手段(14b)は、第２電流信号Ｃを電流制御信号ＡpwmとしてＰＷＭ駆動手段(10)に供給する。その他の場合、信号比較手段(14b)は、増加電流信号Ｄを電流制御信号ＡpwmとしてＰＷＭ駆動手段(10)に供給する。この動作は、モータ(1)の起動時からモータ(1)がセンサレス駆動に移行するまでの間繰り返し行われ、モータ(1)の減速時には無効とされる。

次に、図３のフローチャートを参照して、電流制御信号生成手段(14)における上記の動作の１例についてさらに詳細に説明する。

図３において、まず、ＰＷＭ駆動手段(10)に供給される電流制御信号Ａpwmを所定の増分値（この例では最小単位である１）だけ増加し（ステップ１）、増加後の増加電流信号Ｄ（=Ａpwm+1）が第２電流信号Ｃより大であるか否かを判定する（ステップ２）。

ステップ２の判定において、増加電流信号Ｄが第２電流信号Ｃより大であると判定された場合、第２電流信号Ｃを電流制御信号Ａpwmとし（ステップ３）、この電流制御信号ＡpwmがＰＷＭ駆動手段(10)に供給されてモータが制御される（ステップ４）。一方、ステップ２の判定において、増加電流信号Ｄが第２電流信号Ｃ以下であると判定された場合、増加電流信号Ｄを電流制御信号Ａpwmとし（ステップ５）、この電流制御信号ＡpwmがＰＷＭ駆動手段(10)に供給されてモータが制御される（ステップ４）。そして、この動作が、モータ(1)の起動時からモータ(1)がセンサレス駆動に移行するまでの間繰り返し行われる。

このように、増加電流信号Ｄ(=Ａpwm+1)と第２電流信号Ｃとの大小関係を判定し、大と判定されていない方の信号（小または同等と判定された信号）を電流制御信号Ａpwmにすると、電流制御信号Ａpwmが除々に増加することとなるので、モータ起動時にモータ回転子の回転位置の捕捉が確実となり、短時間でスムーズに起動することができる。さらに、スムーズな起動により、モータ起動時の異音も防止することができる。また、電流制御信号Ａpwmが除々に増加するので、モータ(1)の起動時からモータ(1)がセンサレス駆動に移行するまでの間、安定した継続駆動が可能となる。

上記実施形態では、車載用電動ポンプとして使用されるブラシレスモータ(1)について説明したが、この発明は、１２０度通電矩形波駆動を採用するすべてのブラシレスモータのセンサレス駆動装置にも適用することができる。

図１は、この発明の実施形態を示すブラシレスモータのセンサレス駆動装置のブロック図である。図２は、図１の電流制御信号生成手段の構成の１例を示すブロック図である。図３は、この発明による制御装置の１部を示すフローチャートである。図４は、従来のブラシレスモータのセンサレス駆動装置のブロック図である。

符号の説明

(1) ブラシレスモータ
(8) 電流制御部
(10) ＰＷＭ駆動手段
(12) 第１電流信号生成手段
(13) 第２電流信号生成手段
(14) 電流制御信号生成手段

Claims

ＰＷＭ制御によりモータを駆動するＰＷＭ駆動手段およびモータの実電流値と所定の電流指令値とを比較しモータをＰＷＭ駆動するための電流制御信号を生成してＰＷＭ駆動手段へ供給する電流制御部を備えているブラシレスモータの安定制御装置において、電流制御部は、モータの実電流値と電流指令値とを比較してモータをＰＷＭ駆動するための第１電流信号を生成する第１電流信号生成手段と、前記第１電流信号をモータの駆動許容範囲に制限して第２電流信号を生成する第２電流信号生成手段と、前記第２電流信号と前記電流制御信号に基づいて電流制御信号を生成する電流制御信号生成手段とを備えており、電流制御信号生成手段は、ＰＷＭ駆動手段へ供給する前記電流制御信号を所定の増分値だけ増加させて増加電流信号を生成し、前記増加電流信号と前記第２電流信号とを比較して、前記増加電流信号を大と判定した場合、前記第２電流信号を電流制御信号としてＰＷＭ駆動手段へ供給し、その他の場合、前記増加電流信号を電流制御信号としてＰＷＭ駆動手段へ供給するものであることを特徴とするブラシレスモータの安定制御装置。
所定の増分値が、電流制御信号の最小単位の値とされている請求項１記載のブラシレスモータの安定制御装置。