JP5888879B2 - 駆動装置、及び停止位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置、及び停止位置検出方法に関する。

ロータが永久磁石を有するタイプのブラシレスモータには、ロータの位置（角度）を検出する位置センサを設けずに位置センサレスで駆動制御を行うものがある。この場合、開放区間（非通電相）のモータ端子に現れる誘起電圧と等価中性点電位をコンパレータに入力して得られるパルス信号のエッジ間隔からロータの位置を検出している。ところが、ブラシレスモータの駆動を開始する際など、回転数がゼロである場合や回転数が極めて小さい場合には、誘起電圧が発生しないか極めて小さいので、ロータの位置を検出するための十分な信号が得られないことがある。
そこで、各相のコイルに電圧を順に印加し、その際に各相のコイルに流れる電流の立ち上がり時間の差に基づいて、ロータの停止位置を検出する技術が検討されている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−０７１９２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、各相のコイルに電圧を印加した際に磁気飽和が生じるとコイルに大きい電流が流れることがある。この場合、モータに電力を供給する蓄電池などの電源装置に負荷が掛かり、電源装置が供給する電力の電圧が一時的に低下するなど電源装置の安定性を損なってしまうことがある。

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたもので、その目的は、モータの駆動を開始する際におけるロータの位置の検出において、モータに電力を供給する電源装置にかかる負荷を抑えることができる駆動装置及び停止位置検出方法を提供することにある。

本発明は、複数のコイルが巻装されたステータとロータとを備えるモータに電源装置から電力を供給させて前記モータを駆動させる駆動装置であって、前記コイルごとに設けられたスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオンとオフとを切り替えて前記コイルに通電するインバータ部と、前記コイルに流す電流の向きを示す複数の通電パターンから１つずつ選択し、選択した通電パターンに基づいて前記スイッチング素子のオンとオフとを、予め定められた目標電流値に対する前記電源装置が供給できる最大電流値の比以上であるデューティ比で切り替えて前記コイルに通電させるとともに、前記選択した通電パターンを用いて前記コイルに通電を開始してから経過した時間が、予め定めた時間以上になった場合、前記選択した通電パターンに応じた位置を前記ロータが停止している位置とする通電パターン決定部と、前記通電パターンごとに、前記コイルに流れる電流の電流値が前記目標電流値に達するまでの時間である通電時間を計測する電流印加時間計測部と、前記電流印加時間計測部が計測した前記通電パターンごとの通電時間に基づいて、前記ロータが停止している位置を推定するロータ停止位置推定部とを備えていることを特徴する駆動装置である。

また、本発明は、上記の発明において、停止状態の前記モータに対する前記通電パターン決定部による通電の指令は、前記ロータが回転しない程度の時間であることを特徴とする。
また、本発明は、上記の発明において、前記目標電流値は、前記コイルが磁気飽和したときに流れる電流値であることを特徴とする。

また、本発明は、複数のコイルが巻装されたステータとロータとを備えるモータに電源装置から電力を供給させて前記モータを駆動させ、前記コイルごとに設けられたスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオンとオフとを切り替えて前記コイルに通電するインバータ部を備える駆動装置における停止位置検出方法であって、前記コイルに流す電流の向きを示す複数の通電パターンから１つずつ選択し、選択した通電パターンに基づいて前記スイッチング素子のオンとオフとを、予め定められた目標電流値に対する前記電源装置が供給できる最大電流値の比以上であるデューティ比で切り替えて前記コイルに通電させる通電ステップと、前記通電パターンごとに、前記コイルに流れる電流の電流値が前記目標電流値に達するまでの時間である通電時間を計測する電流印加時間計測ステップと、前記電流印加時間計測ステップにおいて計測した前記通電パターンごとの通電時間に基づいて前記ロータが停止している位置を推定し、前記選択した通電パターンを用いて前記コイルに通電を開始してから経過した時間が予め定めた時間以上になった場合、前記選択した通電パターンに応じた位置を前記ロータが停止している位置とするロータ停止位置推定ステップと、を有することを特徴とする停止位置検出方法である。

この発明によれば、通電パターン決定部は、インバータ部が有する各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるデューティ比を電源装置が供給できる最大電流値に応じたデューティ比としている。これにより、モータの駆動を開始する際、ロータが停止している位置を検出するときに、電源装置にかかる負荷を一定以下にすることができ、電源装置の安定性を維持することができる。その結果、電源装置が供給する電力の電圧が一時的に低下したりすることを抑制することができる。

本実施形態におけるモータシステムの構成を示す概略ブロック図である。 本実施形態における誘起電圧Ｉ／Ｆ回路１２の構成例を示す図である。 本実施形態におけるインバータ回路１３、電流検出回路３８、及び、過電流保護回路３９の構成例を示す回路図である。 駆動装置２がモータの駆動を開始する際に行う始動処理を示すフローチャートである。 ６つの停止位置判定用の通電パターンを示す概略図である。 本実施形態における停止位置検出の一例を示す波形図である。 ステップＳ１０４の停止位置検出処理を示すフローチャートである。 ステップＳ１１０のフリーラン制御処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における駆動装置、及び停止位置検出方法を説明する。

図１は、本実施形態におけるモータシステムの構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、モータシステムは、ブラシレスモータ１と、ブラシレスモータ１の駆動を制御する駆動装置２とを具備している。
ブラシレスモータ１が有するロータの位置を検出するセンサを有しないセンサレスタイプのモータである。また、ブラシレスモータ１は、永久磁石を有するロータとステータとを備えている。ステータには３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に対応するコイルＵ、Ｖ、Ｗが周方向に順に巻装されている。各相のコイルＵ、Ｖ、Ｗそれぞれは、一端がモータ端子を介して駆動装置２に接続され、他端が互いに接続されている。

駆動装置２は、マイコンなどを有する制御装置１１、ブラシレスモータ１の各相に対応するコイルＵ、Ｖ、Ｗの一端が接続されたモータ端子の電圧を検出する誘起電圧Ｉ／Ｆ（インターフェイス）回路１２、コイルＵ、Ｖ、Ｗの通電を切り替えるスイッチング素子を有する駆動回路であるインバータ回路１３、インバータ回路１３を介してブラシレスモータ１に電力を供給する電源装置２０、制御装置１１とインバータ回路１３との間に設けられたＨｉ側プリドライバ３７Ａ、Ｌｏ側プリドライバ３７Ｂ、インバータ回路１３に流れる電流を検出する電流検出回路３８、及び、過電流保護回路３９を備えている。

図２は、本実施形態における誘起電圧Ｉ／Ｆ回路１２の構成例を示す図である。同図に示すように、誘起電圧Ｉ／Ｆ回路１２は、各相に対応するモータ端子の電圧を示す誘起電圧信号が入力され、入力された誘起電圧信号を分圧する分圧回路（抵抗Ｒ１１及び抵抗Ｒ１２）、及びパルス幅変調信号のノイズを除去する１次のＣＲフィルタ(抵抗Ｒ１１及びキャパシタＣ１１)からなるローパスフィルタ回路１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃと、等価中性点電位を検出する回路１６と、等価中性点電位と無通電相（開放区間）に現れる誘起電圧を示す信号からパルス信号を生成するコンパレータ１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃと、各コンパレータ１７Ａ〜１７Ｃの出力からチャタリング成分をカットするローパスフィルタ回路（１次のＣＲフィルタ）１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃとを有する。

ここで、等価中性点電位を検出する回路１６は、例えば、Ｕ相については、Ｖ相とＷ相のモータ端子電圧から等価中性点電位を検出するような、２相比較方式を採用している。このようにすると、等価中性点電位として略フラットな電圧が得られる。なお、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相すべての信号を用いて等価中性点電位を求める３相比較方式を採用しても良い。
この場合は、等価中性点の電位は、電源電圧の１／２を中心にした略三角波になる。
コンパレータ１７Ａ〜１７Ｃは、誘起電圧のアナログ信号が等価中性点電位より高いときはローレベルの信号を出力し、誘起電圧のアナログ信号が等価中性点電位より低いときはハイレベルの信号を出力するパルス信号を発生させる。各コンパレータ１７Ａ〜１７Ｃでは電気角１２０°の分解能のパルス信号が作成される。これら信号は、それぞれがローパスフィルタ回路１８Ａ〜１８Ｃを経て制御装置１１に入力される。

図３は、本実施形態におけるインバータ回路１３、電流検出回路３８、及び、過電流保護回路３９の構成例を示す回路図である。同図に示すように、インバータ回路１３は、６つのスイッチング素子４０ＵＨ、４０ＵＬ、４０ＶＨ、４０ＶＬ、４０ＷＨ、４０ＷＬを有している。直列に接続されたスイッチング素子４０ＵＨ、４０ＵＬと、直列に接続されたスイッチング素子４０ＶＨ、４０ＶＬと、直列に接続されたスイッチング素子４０ＷＨ、４０ＷＬとは、電源装置２０の正負両端子間に並列に接続されている。また、スイッチング素子４０ＵＨ、４０ＵＬの接続点は、コイルＵの一端に接続されている。スイッチング素子４０ＶＨ、４０ＶＬの接続点、及びスイッチング素子４０ＷＨ、４０ＷＬの接続点は、それぞれがコイルＶの一端、コイルＷの一端に接続されている。

また、インバータ回路１３は、Ｈｉ側プリドライバ３７Ａ及びＬｏ側プリドライバ３７Ｂを介して制御装置１１から入力されるパルス幅変調信号（駆動信号）に基づいて、電源装置２０から供給される直流電圧を交流電圧に変換して、ブラシレスモータ１の各コイルＵ、Ｖ、Ｗに印加する。
インバータ回路１３が有する各スイッチング素子４０ＵＨ〜４０ＷＬは、例えば、ＦＥＴ（Field effect Transistor；電界効果トランジスタ）、あるいはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などと、還流ダイオードとが並列に接続された構成を有している。

インバータ回路１３とグランドレベル（接地電位）との間には、シャント抵抗１３Ａが設けられている。シャント抵抗１３Ａを用いることで、インバータ回路１３に流れる電流、つまりブラシレスモータ１に入力される電流が電流検出回路３８を用いて検出できる。
また、インバータ回路１３と電源装置２０との間には、シャント抵抗１３Ｂが設けられている。電流検出回路３８は、シャント抵抗１３Ａの高電位側の電位に基づいてブラシレスモータ１に入力される電流を検出することに替えて、シャント抵抗１３Ｂの低電位側の電位に基づいてブラシレスモータ１に入力される電流を検出するようにしてもよい。

電流検出回路３８は、コンパレータを有する電流比較手段であり、インバータ回路１３に流れる電流が、予め定められた目標電圧以上であるか否かを判定し、判定結果に応じた信号を出力する。電流検出回路３８において、コンパレータのプラス側の入力端子には目標電圧が入力され、マイナス側の端子にはシャント抵抗１３Ａの電圧が入力されるようになっている。すなわち、上記のコンパレータは、シャント抵抗１３Ａを電流が流れることで発生する電圧が目標電圧に達すると、インバータ回路１３に流れる電流が目標電流値以上であることを示す電流検出信号を電流検出回路３８の出力として出力する。電流検出回路３８の出力は、制御装置１１及び過電流保護回路３９に出力される。

ここで、目標電圧は、目標電流値に応じて予め定められる電圧であり、シャント抵抗１３Ａに目標電流値が流れるときに、シャント抵抗１３Ａの両端に印加される電圧である。目標電流値は、ブラシレスモータ１の各相のコイルＵ、Ｖ、Ｗのいずれか２つのコイルを選択して通電した場合において、当該２つのコイルが磁気飽和したときに流れる電流の電流値である。

過電流保護回路３９は、例えば、ダイオードを用いて構成される。過電流保護回路３９は、インバータ回路１３に流れる電流が目標電流値以上になったことを電流検出回路３８が検出すると、ダイオードに電流が流れ、制御装置１１が有するＰＷＭデューティ出力部２８からＨｉ側プリドライバ３７Ａに出力されるＰＷＭ信号がローレベル（例えば、接地電位）にする。これにより、過電流保護回路３９は、インバータ回路１３を通じて目標電流値以上の電流がブラシレスモータ１に流れるとき、高電位側のスイッチング素子４０ＵＨ、４０ＶＨ、４０ＷＨをオンにしないようにする。

図１に戻って、制御装置１１の説明をする。
制御装置１１は、励磁切替タイミング演算部２２、モード選択部４０、通電パターン決定部２６、励磁信号出力部２７、上述したＰＷＭデューティ出力部２８、過電流保護部３２と、電流印加時間計測部２９と、ロータ停止位置推定部３１と、過電流フラグセット部４１を有している。制御装置１１は、ＣＰＵ（中央演算装置）やメモリなどから構成されるようにしてもよい。

通電パターン決定部２６は、ブラシレスモータ１が有する各コイルＵ、Ｖ、Ｗへの通電パターンを決定し、決定した通電パターンを示す信号を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に出力する。通電パターン決定部２６は、停止位置検出モード２６Ａと、引込励磁モード２６Ｂ、始動励磁モード２６Ｃと、フリーラン制御モード２６Ｄと、定常励磁モード２６Ｅと、ブレーキ停止モード２６Ｆと、停止モード２６Ｇを有している。

励磁切替タイミング演算部２２は、誘起電圧エッジに応じた励磁位相を算出するために、誘起電圧Ｉ／Ｆ回路１２から入力されるパルス信号であってそれぞれが電気角１２０°の分解能のパルス信号から、電気角６０°の分解能のパルス信号を生成して、ロータの位置を検出する。
また、励磁切替タイミング演算部２２は、ロータの位置の時間変化に基づいて、ロータの回転速度を算出し、算出した回転速度に応じて通電パターンを切り替えるタイミングを算出する。励磁切替タイミング演算部２２は、算出したタイミングを示すタイミング信号を、通電パターン決定部２６とモード選択部４０とに出力する。

モード選択部４０は、励磁切替タイミング演算部２２からタイミング信号が入力されるか否かにより回転方向を判定し、通電パターン決定部２６のモードを選択する。モード選択部４０は、タイミング信号が入力されていないとき、ブレーキ停止モード２６Ｆを選択することを示すモード指令信号を通電パターン決定部２６に出力し、タイミング信号が入力されているとき、停止位置検出モード２６Ａ、引込励磁モード２６Ｂ、始動励磁モード２６Ｃ、フリーラン制御モード２６Ｄ、定常励磁モード２６Ｅ、あるいは停止モード２６Ｇのいずれかを選択することを示すモード指令信号を通電パターン決定部２６に出力する。

停止位置検出モード２６Ａは、回転速度指令信号が入力され始めると、励磁信号出力部２７にブラシレスモータ１が有するロータの停止位置を検出するためのパルス幅変調信号を出力させる制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる。
引込励磁モード２６Ｂは、停止位置検出モード２６Ａによる制御において検出されたロータの停止位置に基づいて、当該停止位置にロータを引き込む通電パターンに対応するパルス幅変調信号を出力させる制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる。
始動励磁モード２６Ｃは、引込励磁モード２６Ｂによる制御において引き込んだロータの位置に応じた通電パターンを決定し、決定した通電パターンに対応するパルス幅変調信号を出力させる制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる。
フリーラン制御モード２６Ｄは、始動励磁モード２６Ｃによる通電の後にブラシレスモータ１をフリーランさせる制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる。このとき、励磁切替タイミング演算部２２はロータの位置を検出する。

定常励磁モード２６Ｅは、フリーラン制御モード２６Ｄによりブラシレスモータ１が回転（フリーラン）しているときに、励磁切替タイミング演算部２２が演算した励磁切替えタイミングに基づいて、ロータ位置に応じた通電パターンを決定する。また、定常励磁モード２６Ｅは、決定した通電パターンに対応するパルス幅変調信号を出力させる制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる。
ブレーキ停止モード２６Ｆは、各コイルＵ、Ｖ、Ｗのうち予め定められた２つのコイルに対して、一定の時間、過電流とならない程度の低く予め定められたデューティ比でブラシレスモータ１に印加する制御を、励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる。この制御により、ロータを予め定めた位置に引き込んで回転を停止させる。あるいは、ブレーキ停止モード２６Ｆは、インバータ回路１３が有するスイッチング素子４０ＵＬ、４０ＶＬ、４０ＷＬをオンにして、各コイルＵ、Ｖ、Ｗの一端を接地電位としてロータを停止させる。
停止モード２６Ｇは、全相それぞれのコイルＵ、Ｖ、Ｗへの通電をオフにさせる制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる。

励磁信号出力部２７は、通電パターン決定部２６による制御に応じて、ブラシレスモータ１の各コイルに励磁電流を印加する信号をＨｉ側プリドライバ３７Ａ及びＬｏ側プリドライバ３７Ｂに出力する。
ＰＷＭデューティ出力部２８は、回転速度指令信号と、通電パターン決定部２６から出力される信号とに基づいて、単位時間当たりの通電比率（デューティ比）を決定し、決定した通電比率を示す信号をＨｉ側プリドライバ３７Ａに出力する。
Ｈｉ側プリドライバ３７Ａは、通電パターン決定部２６が選択する通電パターンであって、ＰＷＭデューティ出力部２８が決定したデューティ比の通電パターンで高電位側のスイッチング素子４０ＵＨ、４０ＶＨ、４０ＷＨのオンとオフとを切り替える信号を生成し、生成した信号をインバータ回路１３に出力する。Ｌｏ側プリドライバ３７Ｂは、低電位側のスイッチング素子４０ＵＬ、４０ＶＬ、４０ＷＬのオンとオフとを切り替える信号を生成し、生成した信号をインバータ回路１３に出力する。Ｈｉ側プリドライバ３７Ａは、インバータ回路１３に流れる電流値が目標電流値に達し、ＰＷＭデューティ出力部２８から入力される信号がローレベルになると、インバータ回路１３が有する各スイッチング素子４０ＵＨ、４０ＶＬ、４０ＷＬをオフにする。

電流印加時間計測部２９は、過電流保護部３２が有する停止位置検出モード３２Ａと、通電パターン決定部２６が有する停止位置検出モード２６Ａと、ロータ停止位置推定部３１とに接続されている。電流印加時間計測部２９は、記憶部２９Ａと、カウンタ２９Ｂとを備える。記憶部２９Ａは、カウンタ２９Ｂが計測したカウント値を記憶する。カウンタ２９Ｂは、停止位置検出モード２６Ａからの指令を受けてカウントを開始する。また、カウンタ２９Ｂは、停止位置検出モード３２Ａを経由して電流検出回路３８から電流検出信号が入力されると、カウント値を記憶部２９Ａに記憶させる。また、カウンタ２９Ｂは、所定の時間が経過した後にカウント値をリセットするとともに、リセットしたことを示す信号を停止位置検出モード２６Ａに出力する。

ロータ停止位置推定部３１は、電流印加時間計測部２９の記憶部２９Ａに記憶されたカウント値に基づいて、ロータが停止しているときや、ロータが低速で回転しているときのロータ位置を推定する。
過電流保護部３２は、電流検出回路３８から入力される電流検出信号に基づいて、ブラシレスモータ１に目標電流値以上の電流が流れることを防ぐ制御を行う。また、過電流保護部３２は、停止位置検出モード３２Ａと、過電流検出モード３２Ｂとを有している。停止位置検出モード３２Ａは、通電パターン決定部２６において停止位置検出モード２６Ａが選択されている際に選択され、各通電パターン＃１〜＃６を用いた通電において、コイルに流れる相電流が目標電流値に達したか否かを示す信号を電流印加時間計測部２９に出力する。過電流検出モード３２Ｂは、通電パターン決定部２６において、定常励磁モード２６Ｅが選択されている際に選択され、電流検出信号が入力されると、過電流フラグセット部４１にオン状態を示す値をセットする。

次に、この駆動装置２の動作を説明する。
図４は、駆動装置２がモータの駆動を開始する際に行う始動処理を示すフローチャートである。この始動処理は、定時時間の割り込み処理として実行される。
モード選択部４０は、過電流フラグセット部４１にオン状態を示す値がセットされ、かつ回転速度指令信号が入力されているオン状態であるか否かを判定し（ステップＳ１０１）、それぞれがオン状態である場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、通電パターン決定部２６に停止モード２６Ｇを選択させる（ステップＳＳ１０２）。このとき、ＰＷＭデューティ出力部２８は、ＰＷＭのディーティ比を０％に設定する。そして、制御装置１１は、始動処理を終了させる。

ステップＳ１０１において、過電流フラグセット部４１がオフ状態であるか、回転速度指令信号がオフ状態である場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、モード選択部４０は、過電流フラグセット部４１がオフ状態であり、かつ回転速度指令信号がオン状態であり、かつ停止位置検出処理が完了していない停止位置検出モードであるか否かを判定し（ステップＳ１０３）、停止位置検出モードである場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、通電パターン決定部２６に停止位置検出モード２６Ａを選択させて、停止位置検出処理を実行させる（ステップＳ１０４）。そして、制御装置１１は、始動処理を終了させる。

ステップＳ１０３において、停止位置検出モードでない場合、すなわち停止位置検出処理が完了している場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、モード選択部４０は、引き込み処理が完了しているか否かを判定し（ステップＳ１０５）、引込励磁処理が完了していない場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）通電パターン決定部２６に引込励磁モード２６Ｂを選択させて、引き込み処理を実行させる（ステップＳ１０６）。そして、制御装置１１は、始動処理を終了させる。

ステップＳ１０５において、引き込み処理が完了している場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、モード選択部４０は、始動励磁処理が完了しているか否かを判定し（ステップＳ１０７）、始動励磁処理が完了していない場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、通電パターン決定部２６に始動励磁モード２６Ｃを選択させて、始動励磁処理を実行させる（ステップＳ１０８）。そして、制御装置１１は、始動処理を終了させる。

ステップＳ１０７において、始動励磁処理が完了している場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、モード選択部４０は、フリーラン制御処理が完了しているか否かを判定し（ステップＳ１０９）、フリーラン制御処理が完了していない場合（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）、通電パターン決定部２６にフリーラン制御モード２６Ｄを選択させて、フリーラン制御処理を実行させる（ステップＳ１１０）。そして、制御装置１１は、始動処理を終了させる。

ステップＳ１０９において、フリーラン制御処理が完了している場合（ステップＳ１０９：ＮＯ）、モード選択部４０は、誘起電圧信号に基づいてロータの位置を検出できる定常励磁状態であるか否かを判定し（ステップＳ１１１）、定常励磁状態である場合（ステップＳ１１１：ＹＥＳ）、通電パターン決定部２６に定常励磁モード２６Ｅを選択させて、定常励磁処理を実行させる（ステップＳ１１２）。
ここで、誘起電圧信号に基づいてロータの位置を検出できるか否かの判定は、励磁切替タイミング演算部２２がロータの位置を連続して予め定められた回数に亘って検出したか否かによって行われる。例えば、励磁切替タイミング演算部２２が４回連続してロータの位置を検出できたら定常励磁状態であるとする。

ステップＳ１１１において、定常励磁状態でない場合（ステップＳ１１１：ＮＯ）、モード選択部４０は、通電パターン決定部２６にブレーキ停止モード２６Ｆを選択させて、ブレーキ停止処理を実行させる（ステップＳ１１３）。このとき、モード選択部４０は、各処理が完了したか否かを示す情報をリセットして、ブレーキ停止処理が完了した後に、再度、停止位置検出処理を行う。

ここで、停止位置検出処理（ステップＳ１０４）では、コイルが作る磁束の方向と、マグネットの磁束の方向が同方向のときにマグネットのコアの透磁率が大きくなってインダクタンスが小さくなることに着目して停止位置を決定している。以下、停止位置検出処理で通電パターンを決定する際の原理について説明する。

停止状態にあるブラシレスモータ１の駆動を開始させる（始動させる）とき、外部から制御装置１１に回転速度指令信号が入力される。この回転速度信号は、例えば、回転速度がゼロからある回転速度へステップ的に変化する信号である。これにより、モード選択部４０は、通電パターン決定部２６に停止位置検出モード２６Ａを選択させる。

通電パターン決定部２６の停止位置検出モード２６Ａは、予め定められた６つの停止位置判定用の通電パターンをロータが回転しない程度の時間だけ継続されるように励磁信号出力部２７に指令を出す。なお、ロータが回転しない程度の時間は、ブラシレスモータ１のイナーシャなどによって異なるが、例えば、数μ秒から数ｍ秒の間である。この通電時間は、電流印加時間計測部２９のカウンタ２９Ｂがカウントする。励磁信号出力部２７は、通電パターンに応じたパルス幅変調信号をインバータ回路１３に出力する。スイッチング素子４０ＵＨ〜４０ＷＬは、パルス幅変調信号に対応して、オンとオフとが切り替えられて３相のいずれか２相のコイルに対して通電を行う。
このとき、停止位置検出モード２６Ａは、予め定められたデューティ比をパルス幅変調信号のデューティ比として用いる。このデューティ比は、電源装置２０が安定して供給できる電流値を示す最大電流値と、ブラシレスモータ１において磁気飽和した際に流れる電流である磁気飽和電流値とに基づいて定められる。具体的には、次式（１）を満たすデューティ比が用いられる。

（磁気飽和電流値）≧（（最大電流値）／（デューティ比）） ・・・（１）
ただし、０＜（デューティ比）≦１

図５は、上述した６つの停止位置判定用の通電パターンを示す概略図である。同図に示すように、これら通電パターン＃１〜＃６は、ブラシレスモータ１を駆動可能なパターンになっている。
通電パターン＃１は、Ｕ相のコイルＵからＶ相のコイルＶに電流を流す。Ｕ相がＮ極磁化され、Ｖ相がＳ極磁化される。
通電パターン＃２は、Ｕ相からＷ相のコイルＷに電流を流す。Ｕ相がＮ極磁化され、Ｗ相がＳ極磁化される。
通電パターン＃３は、Ｖ相からＷ相に電流を流す。Ｖ相がＮ極磁化され、Ｗ相がＳ極磁化される。
通電パターン＃４は、Ｖ相からＵ相に電流を流す。Ｖ相がＮ極磁化され、Ｕ相がＳ極磁化される。
通電パターン＃５は、Ｗ相からＵ相に電流を流す。Ｗ相がＮ極磁化され、Ｕ相がＳ極磁化される。
通電パターン＃６は、Ｗ相からＶ相に電流を流す。Ｗ相がＮ極磁化され、Ｖ相がＳ極磁化される。

図６は、本実施形態における停止位置検出の一例を示す波形図である。同図に示すように、ロータの停止位置検出処理において、停止位置検出モード２６Ａは、各通電パターン＃１〜＃６に対応する通電を順に行うことにより実施される。
例えば、通電パターン＃１では、Ｕ相からＶ相への通電を行い、その後に回生期間を設ける。すなわち、デューティ比が式（１）を満たすデューティ比のＰＷＭ信号をスイッチング素子４０ＵＨとスイッチング素子４０ＶＬとに入力し、コイルＵをＮ極磁化し、コイルＶをＳ極磁化する。このとき、コイルＵからコイルＶに電流が流れ、これに応じた電流がシャント抵抗１３Ａに流れる。シャント抵抗１３Ａに流れる電流は、電源装置２０を通してブラシレスモータ１に印加される相電流であり、時間の経過とともに徐々に増加する。

相電流が予め定められている目標電流値に達したら、通電区間を終了して回生期間に移行する。このとき、シャント抵抗１３Ａの電圧値をモニタしている電流検出回路３８は、シャント抵抗１３Ａの両端間の電圧が目標電圧以上になると、電流検出信号としてローレベルの信号を出力する。目標電圧は上述したように目標電流値に対応する電圧が設定されているので、シャント抵抗１３Ａの両端間の電圧が目標電圧以上になると、ブラシレスモータ１に流れる相電流が目標電流値以上になっていることになる。電流検出信号がローレベルになると、過電流保護回路３９を通じて、ＰＷＭ信号がローレベルになり、スイッチング素子４０ＵＨ、４０ＶＨ、４０ＷＨがオフになる（ハードウェアリミット）。
更に、それと同時に、制御装置１１は、電流検出信号の立ち下がりエッジを検出したら、割り込み処理を実施して通電パターン＃１の通電を終了させる（ソフトウェアリミット）。これにより、ブラシレスモータ１に流れる電流がゼロになる。ソフトウェアリミットの発生が遅れるので、ハードウェアリミットを併用して、素早く電流をゼロにする。

通電パターン決定部２６の停止位置検出モード２６Ａは、過電流保護部３２に停止位置検出モード３２Ａを選択させる。また、停止位置検出モード３２Ａは、停止位置検出モード２６Ａが各コイルへの通電を開始させると、電流印加時間計測部２９のカウンタ２９Ｂにカウントアップを開始させる。その後、電流検出回路３８から電流検出信号が、過電流保護部３２の停止位置検出モード３２Ａを経由してカウンタ２９Ｂへ入力されると、カウンタ２９Ｂは、そのときのカウント値を通電パターン＃１（図６（ａ））に対応する通電時間Ｔ１として記憶させる。

なお、ブラシレスモータ１に流れる電流をゼロにするためにインバータ回路１３のＦＥＴをすべてオフにする。このとき、コイルに蓄積されていた電力はＦＥＴのボディダイオードと、電源装置２０と、シャント抵抗１３Ａを介してコイルに戻ってくる回路を流れる回生電流となるので、マイナスの電流となる。回生電流は、シャント抵抗１３Ａの電流波形に示すように、時間の経過とともにゼロなる。

通電パターン決定部２６の停止位置検出モード２６Ａは、通電パターン＃１の通電を指令する信号を出力してから、カウンタ２９Ｂから所定の時間が経過した信号を受け取ったら、通電パターン＃２の通電を指令する信号を出力する。所定の時間は、相電流が目標電流値に達した後に、ブラシレスモータ１に流れる回生電流がゼロになるまでに要する時間として十分な値が設定されている。なお、カウンタ２９Ｂには、この所定の時間に相当するカウント値がカウンタ値クリア用の閾値として設定されている。このため、通電パターンを切り替えるタイミングでカウンタ２９Ｂの値がリセットされる。

なお、所定の時間は、相電流が目標電流値に達した後に、ブラシレスモータ１に流れる回生電流がゼロになるまでに要する時間として十分な値が設定されているが、ブラシレスモータ１に電流を印加してから目標電流値に達するまでの時間を計測し（記憶部２９Ａの計測結果）、その時間と同じ時間を所定の時間としてもよい。この場合は、記憶部２９Ａが通電時間を記憶するたびに、カウンタ２９Ｂをリセットするまでの時間に対応したカウント値をカウンタ２９Ｂに渡す。つまり、記憶部２９Ａからカウンタ２９Ｂに所定の時間信号が送られるようにしてもよい。

通電パターン決定部２６の停止位置検出モード２６Ａは、以降、同様にして通電パターン＃２〜＃６に対応する通電を行う。このとき、電流印加時間計測部２９は、各通電パターンに対応する通電時間Ｔ２〜Ｔ６（カウント値）を測定し、測定した通電時間Ｔ２〜Ｔ６それぞれを記憶する。

ここで、記憶部２９Ａに記憶されるカウント値は、ロータ停止位置によって変化する。ロータ停止位置に対応する通電パターンでは、最も磁束が流れやすく、目標電流値に達するまでの時間が短くなる。図６に示した例では、通電パターン＃３のカウント値が最も大きく、その隣の通電パターン＃２、＃４のカウント値が次に大きい、そして通電パターン＃６のカウント値が最も小さい。したがって、通電パターン＃６に相当する位置にロータが停止していることになる。
上述の特性により、制御装置１１は、ロータ停止位置推定部３１が電流印加時間計測部２９の記憶部２９Ａに記憶されている通電時間Ｔ１〜Ｔ６を比較し、通電時間Ｔ１〜Ｔ６のうち最小の通電時間に対応する通電パターンを選択し、選択した通電パターンに対応する位置にロータが停止していると推定する。
ロータ停止位置が推定された後に実施される通電パターン決定部２６の始動励磁モード２６Ｃは、６通りの通電時間のうち最小になる通電パターンから回転方向に１２０°位相を進ませた通電パターンを始動時の通電パターンとして選択する。

以下、ステップＳ１０４、ステップＳ１０６、ステップＳ１０８、ステップＳ１１０、及びステップＳ１１２の各処理について具体的に説明する。

図７は、ステップＳ１０４の停止位置検出処理を示すフローチャートである。
通電パターン決定部２６の停止位置検出モード２６Ａは、過電流保護部３２に停止位置検出モード３２Ａを選択させ（ステップＳ１２１）、変数ｎに「１」を代入する（ステップＳ１２２）。停止位置検出モード２６Ａは、通電パターン＃ｎでブラシレスモータ１に通電させる制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる（ステップＳ１２３）。このとき、電流印加時間計測部２９のカウンタ２９Ｂは、カウントを開始する。
停止位置検出モード２６Ａは、カウンタ２９Ｂのカウント値（通電時間）が閾値時間以上であるか否かを判定し（ステップＳ１２４）、カウント値が閾値時間以上である場合（ステップＳ１２４：ＹＥＳ）、現在の通電パターン＃ｎに対応する位置をロータの停止位置とし（ステップＳ１２９）、停止位置検出処理を終了する。

ステップＳ１２４において、カウント値が閾値時間以上でない場合（ステップＳ１２４：ＮＯ）、停止位置検出モード２６Ａは、ブラシレスモータ１のコイルに流れる相電流が目標電流値以上であるか否かを判定し（ステップＳ１２５）、相電流が目標電流値以上でない場合（ステップＳ１２５：ＮＯ）、処理をステップＳ１２４に戻す。
一方、相電流が目標電流値以上である場合（ステップＳ１２５：ＹＥＳ）、カウンタ２９Ｂが、通電パターン＃ｎに対応する通電時間Ｔｎを記憶部２９Ａに記憶させる（ステップＳ１２６）。停止位置検出モード２６Ａは、通電パターン＃ｎに対応する通電時間Ｔｎが記憶部２９Ａに記憶されると、変数ｎの値を「１」増加させ（ステップＳ１２７）、変数ｎが「７」より大きくなるまでステップＳ１２３からステップＳ１２７までの処理を繰り返して行う。
停止位置検出モード２６Ａは、上述のステップＳ１２３からステップＳ１２７までの処理を繰り返して６回を行ったら、すなわち通電時間Ｔ１〜Ｔ６を計測したら、ロータ停止位置推定部３１が推定した位置をロータの停止位置とし（ステップＳ１２８）、停止位置検出処理を終了する。

ステップＳ１０６の引き込み処理では、引込励磁モード２６Ｂが、停止位置検出モード２６Ａが検出したロータの停止位置に対応する通電パターンに対応するパルス幅振幅変調信号を出力させる制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる。これにより、検出した位置にロータを引き込む。
ステップＳ１０８の始動励磁処理では、始動励磁モード２６Ｃが、停止位置検出モード２６Ａが検出したロータの停止位置に対して、最大のトルクを発生させる通電パターンを選択し、当該通電パターンに対応する信号を励磁信号出力部２７に出力させる。このとき、励磁信号出力部２７には、予め定められた初期通電時間Ｔｓ１の間、選択した通電パターンに対応する信号を出力させる。

図８は、ステップＳ１１０のフリーラン制御処理を示すフローチャートである。
通電パターン決定部２６のフリーラン制御モード２６Ｄは、フリーランに対応する通電パターンとして、各相のコイルＵ、Ｖ、Ｗの通電をオフにする通電パターンに対応する信号を出力する制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる（ステップＳ１４１）。
始動励磁処理においてロータに加えられたトルクにより、慣性でロータがフリーランしている間に発生する誘起電圧から、励磁切替タイミング演算部２２がロータの位置の検出を実行する（ステップＳ１４２）。
励磁切替タイミング演算部２２は、ロータの位置を検出できた回数が予め定められた所定の回数に達したか否かを判定し（ステップＳ１４３）、検出できた回数が所定の回数に達した場合（ステップＳ１４３：ＹＥＳ）、通電パターン決定部２６に定常励磁モード２６Ｅを選択させ、誘起電圧によるセンサレスセンサレス駆動（定常励磁処理）を実行させる（ステップＳ１４４）。

一方、検出できた回数が所定の回数に達していない場合（ステップＳ１４３：ＮＯ）、励磁切替タイミング演算部２２は、フリーランを開始させてから所定の時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ１４５）、所定の時間が経過するまでステップＳ１４２からステップＳ１４５までの処理を繰り返して行う。
所定の時間が経過した場合（ステップＳ１４５：ＹＥＳ）、励磁切替タイミング演算部２２は、通電パターン決定部２６にブレーキ停止モード２６Ｆを選択させて、ブレーキ通電を行わせる（ステップＳ１４６）。

ステップＳ１１２の定常励磁処理では、定常励磁モード２６Ｅが、励磁切替タイミング演算部２２により算出された励磁パターンを切り替えるタイミングに応じて、ブラシレスモータ１のロータを予め定められた回転方向に回転させる順序で通電パターンを切り替える。これにより、制御装置１１は、ブラシレスモータ１に対して、センサレス駆動を行う。
ステップＳ１１３のブレーキ停止処理では、ブレーキ停止モード２６Ｆが、インバータ回路１３の各スイッチング素子に対して、ロータを停止させるパターンにスイッチを切替え、予め定められた一定時間が経過するまで、当該パターンを維持する。ここで、一定時間は、ブラシレスモータ１のロータが停止するまでに要する時間を予め測定し、当該測定結果に基づいて定められる。

本実施形態における駆動装置２では、ロータが停止している位置を検出する際に、制御装置１１が有する通電パターン決定部２６が、各通電パターンに応じた通電を順に行わせる制御を励磁信号出力部２７及びＰＷＭデューティ出力部２８に行わせる。このとき、インバータ回路１３の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるデューティ比を電源装置２０が供給できる最大電流値に応じたデューティ比としている。具体的には、式（１）を満たすようにデューティ比を定めている。
これにより、モータの駆動を開始する際のロータが停止している位置の検出において、電源装置２０にかかる負荷を一定以下にすることができ、電源装置２０の安定性を維持することができる。その結果、電源装置２０が供給する電力の電圧が一時的に低下したりすることを抑制することができる。また、電源装置２０が他の機器に対して電力を供給している場合、ブラシレスモータ１の駆動を開始する際に他の機器に対して影響を与えることを抑制することができる。

また、本実施形態における駆動装置２では、ロータが停止している位置を検出する際に、制御装置１１が有する通電パターン決定部２６が、各通電パターンを用いた通電において、コイルに流れる相電流の電流値が目標電流値に達するまでに閾値時間以上経過した場合、当該通電パターンに応じた位置をロータが停止している位置とするようにした（図７におけるステップＳ１２９）。これは、通電を開始してから閾値時間内にコイルに流れる相電流の電流値が目標電流値に達しない場合、ロータが動いているために磁気飽和せず、電流値が目標電流値に達していないことがあるためである。この場合、ロータが動いているので、通電に用いた通電パターンに対応している位置をロータの位置として、引き込み処理を行うことで、確実にロータの位置決めを行うことができる。
これにより、停止位置検出処理に要する時間を短縮することができるとともに、電流値が閾値時間内に目標電流値に達しない場合においても、ロータが停止している位置を推定し、ブラシレスモータ１の駆動を開始させることができる。また、電源装置２０が蓄電池などの場合に劣化しているときや、インバータ回路１３及びブラシレスモータ１と電源装置２０とを接続する配線の配線抵抗が高い場合などで、電流値が閾値時間内に目標電流値に達しない場合においても、ロータが停止している位置を推定し、ブラシレスモータ１の駆動を開始させることができる。
また、各通電パターンに応じた通電をする際のデューティ比が１００％未満になる場合、通電時間が長くなる。そのため、各コイルが磁気飽和に達する前に通電によって生じるトルクがブラシレスモータ１の負荷より大きくなるときがある。このようなときは、通電パターン＃１〜＃６に応じた通電を繰り返して行っても、ロータの位置を検出することができない。しかし、本実施形態における駆動装置２では、閾値時間以上の通電を行った場合、通電に応じてロータの位置を推定し、ブラシレスモータ１の駆動を開始させることができる。

なお、ロータ停止位置を検出した後のブラシレスモータ１の駆動を開始する方法や、ブラシレスモータ１に定常回転をさせる際の駆動方法は、実施の形態に限定されない。また、本実施形態では、ブラシレスモータ１のロータ位置を検出する場合について説明したが、制御装置１１の制御対象はブラシレスモータ１に限らず、整流子を備えない誘導電動機や同期電動機であってもよい。

１…ブラシレスモータ、２…駆動装置、１１…制御装置、１２…誘起電圧Ｉ／Ｆ回路、１３…インバータ回路、１３Ａ…シャント抵抗、１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ…ローパスフィルタ回路、１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ…コンパレータ、１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ…ローパスフィルタ回路、２０…電源装置、２２…励磁切替タイミング演算部、２６…通電パターン決定部、２６Ａ…停止位置検出モード、２６Ｂ…引込励磁モード、２６Ｃ…始動励磁モード、２６Ｄ…フリーラン制御モード、２６Ｅ…定常励磁モード、２６Ｆ…ブレーキ停止モード、２６Ｇ…停止モード、２７…励磁信号出力部、２８…ＰＷＭデューティ出力部、２９…電流印加時間計測部、２９Ａ…記憶部、２９Ｂ…カウンタ、３１…ロータ停止位置推定部、３２…過電流保護部、３２Ａ…停止位置検出モード、３２Ｂ…過電流検出モード、３７Ａ…Ｈｉ側プリドライバ、３７Ｂ…Ｌｏ側プリドライバ、３８…電流検出回路、３９…過電流保護回路、４０…モード選択部、４０ＵＨ、４０ＵＬ，４０ＶＨ，４０ＶＬ，４０ＷＨ，４０ＷＬ…スイッチング素子、４１…過電流フラグセット部

Claims (4)

1. 複数のコイルが巻装されたステータとロータとを備えるモータに電源装置から電力を供給させて前記モータを駆動させる駆動装置であって、
   前記コイルごとに設けられたスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオンとオフとを切り替えて前記コイルに通電するインバータ部と、
   前記コイルに流す電流の向きを示す複数の通電パターンから１つずつ選択し、選択した通電パターンに基づいて前記スイッチング素子のオンとオフとを、予め定められた目標電流値に対する前記電源装置が供給できる最大電流値の比以上であるデューティ比で切り替えて前記コイルに通電させるとともに、前記選択した通電パターンを用いて前記コイルに通電を開始してから経過した時間が、予め定めた時間以上になった場合、前記選択した通電パターンに応じた位置を前記ロータが停止している位置とする通電パターン決定部と、
   前記通電パターンごとに、前記コイルに流れる電流の電流値が前記目標電流値に達するまでの時間である通電時間を計測する電流印加時間計測部と、
   前記電流印加時間計測部が計測した前記通電パターンごとの通電時間に基づいて、前記ロータが停止している位置を推定するロータ停止位置推定部と
   を備えていることを特徴する駆動装置。
2. 停止状態の前記モータに対する前記通電パターン決定部による通電の指令は、前記ロータが回転しない程度の時間である
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記目標電流値は、前記コイルが磁気飽和したときに流れる電流値である
   ことを特徴とする請求項１また請求項２のいずれかに記載の駆動装置。
4. 複数のコイルが巻装されたステータとロータとを備えるモータに電源装置から電力を供給させて前記モータを駆動させ、前記コイルごとに設けられたスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオンとオフとを切り替えて前記コイルに通電するインバータ部を備える駆動装置における停止位置検出方法であって、
   前記コイルに流す電流の向きを示す複数の通電パターンから１つずつ選択し、選択した通電パターンに基づいて前記スイッチング素子のオンとオフとを、予め定められた目標電流値に対する前記電源装置が供給できる最大電流値の比以上であるデューティ比で切り替えて前記コイルに通電させる通電ステップと、
   前記通電パターンごとに、前記コイルに流れる電流の電流値が前記目標電流値に達するまでの時間である通電時間を計測する電流印加時間計測ステップと、
   前記電流印加時間計測ステップにおいて計測した前記通電パターンごとの通電時間に基づいて前記ロータが停止している位置を推定し、前記選択した通電パターンを用いて前記コイルに通電を開始してから経過した時間が予め定めた時間以上である場合、前記選択した通電パターンに応じた位置を前記ロータが停止している位置とするロータ停止位置推定ステップと、
   を有することを特徴とする停止位置検出方法。

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