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JP5910380B2 - Sensorless brushless motor drive device - Google Patents

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JP5910380B2
JP5910380B2 JP2012158775A JP2012158775A JP5910380B2 JP 5910380 B2 JP5910380 B2 JP 5910380B2 JP 2012158775 A JP2012158775 A JP 2012158775A JP 2012158775 A JP2012158775 A JP 2012158775A JP 5910380 B2 JP5910380 B2 JP 5910380B2
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Description

本発明は、パルス幅変調方式を用いて台形波駆動を行うセンサレスブラシレスモータの駆動装置に関する。   The present invention relates to a sensorless brushless motor driving apparatus that performs trapezoidal wave driving using a pulse width modulation method.

ブラシレスモータの一方式として、ロータの回転位置を検出するセンサを備えていないセンサレス方式のモータが実用化されている。センサレスブラシレスモータの駆動装置では、出力トルクを調整するために、デューティ比を可変に調整するパルス幅変調信号を用い、デューティオン時間帯に通電することが一般的に行われている。また、回転位置センサに代えて、ステータの電機子巻線の端子に誘起される誘起電圧を検出し、ロータの磁極対との相対的な回転位置関係を検出する位置検出回路が一般的には設けられる。駆動装置は、検出した回転位置に基づいて、電機子巻線に通電する通電相および通電時間帯を制御する。三相の電機子巻線を有するモータでは、ロータの回転位置に応じて電気角の60°ピッチで通電相を順次切り替える台形波駆動方式が多用され、時には複数相への通電をオーバーラップさせることも行われている。   As a method of a brushless motor, a sensorless motor that does not include a sensor for detecting the rotational position of a rotor has been put into practical use. In a sensorless brushless motor driving apparatus, in order to adjust the output torque, a pulse width modulation signal that variably adjusts the duty ratio is used to energize during a duty-on time period. In place of the rotational position sensor, a position detection circuit that detects an induced voltage induced at the terminal of the armature winding of the stator and detects a relative rotational positional relationship with the magnetic pole pair of the rotor is generally used. Provided. The drive device controls the energization phase and energization time zone for energizing the armature winding based on the detected rotational position. In motors with three-phase armature windings, a trapezoidal wave drive system that switches the energized phases sequentially at an electrical angle of 60 ° according to the rotational position of the rotor is often used, sometimes overlapping the energization of multiple phases Has also been done.

上述の位置検出回路が検出する誘起電圧は、通電されていない時間帯の電機子巻線にロータの磁極対からの磁束が鎖交することで発生する。したがって、誘起電圧は、電機子巻線とロータとの相対回転位置関係に依存して変化し、回転位置を検出する指標となり得る。ただし、誘起電圧が発生する相は、通電相の切り替えとともに順次切り替わってゆく。この誘起電圧を検出する回路方式として、三相合成方式および三相独立方式の2方式が従来から用いられている。どちらの方式においても、比較器を用いて誘起電圧を基準電圧と比較し、比較結果の変化タイミングを以ってロータの特定の回転位置を検出するのが一般的になっている。基準電圧としては、電源電圧の半分の中間レベル値や、Y結線された電機子巻線の中性点電圧が用いられる。   The induced voltage detected by the above-described position detection circuit is generated when the magnetic flux from the magnetic pole pair of the rotor is linked to the armature winding in the time zone that is not energized. Therefore, the induced voltage changes depending on the relative rotational position relationship between the armature winding and the rotor, and can be an index for detecting the rotational position. However, the phase in which the induced voltage is generated is switched sequentially with the switching of the energized phase. As a circuit method for detecting the induced voltage, two methods, a three-phase synthesis method and a three-phase independent method, have been conventionally used. In either method, it is common to use a comparator to compare the induced voltage with a reference voltage and detect a specific rotational position of the rotor with the change timing of the comparison result. As the reference voltage, an intermediate level value that is half the power supply voltage or a neutral point voltage of the Y-connected armature winding is used.

この種のセンサレスブラシレスモータの駆動装置の一技術例が特許文献1に開示されている。特許文献1の請求項1のセンサレスブラシレスモータの脱調検出装置は、モータ電流を検出する電流検出手段と、モータ電流の電流周期を検出する手段と、電流周期と出力電圧の電圧周期とを比較して脱調を判定する周期比較手段とを具備している。さらに、請求項2には、台形波駆動でなく、dq座標を用いた演算を行ってベクトル制御により駆動する態様が開示されている。これにより、出力トルクが大きくなったときと脱調が生じたときとを見極めて脱調の誤検出を防止できる、と記載されている。   A technical example of this type of sensorless brushless motor driving apparatus is disclosed in Patent Document 1. The sensorless brushless motor step-out detection device according to claim 1 of Patent Document 1 compares a current detection means for detecting a motor current, a means for detecting a current cycle of the motor current, and a current cycle and a voltage cycle of an output voltage. Period comparison means for determining step-out. Furthermore, claim 2 discloses a mode in which driving is performed by vector control by performing calculation using dq coordinates instead of trapezoidal wave driving. Thus, it is described that the erroneous detection of the step-out can be prevented by checking when the output torque becomes large and when the step-out occurs.

特開2001−25282号公報JP 2001-25282 A

ところで、特許文献1の技術例は、脱調を確実に検出できる点は好ましいが、電流検出手段を備えるとともに複雑なベクトル制御を行うため、駆動装置が高価になっている。したがって、駆動装置の低コスト化を実現するためには、電流検出手段を省略し簡易な台形波駆動を採用しつつ、脱調などの異常を判定できるようにすることが必要である。脱調の判定ではロータの回転位置を正確に検出することが前提になる。電流検出手段を省略した駆動装置では、通電相の切り替えタイミングの直後に発生する逆起電圧で位置検出回路が誤動作しないように、マスク時間を設定する技術が公知になっている。つまり、ロータの回転位置検出の異常に起因して脱調に陥ることが防止されている。   By the way, the technical example of Patent Document 1 is preferable in that step-out can be reliably detected. However, since the current detection unit is provided and complicated vector control is performed, the driving device is expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the driving device, it is necessary to be able to determine abnormality such as step-out while omitting the current detection means and adopting simple trapezoidal wave driving. The determination of step-out is based on the premise that the rotational position of the rotor is accurately detected. In a drive device in which the current detection means is omitted, a technique for setting a mask time so that the position detection circuit does not malfunction by a counter electromotive voltage generated immediately after the switching timing of the energized phase is known. That is, it is possible to prevent a step-out from occurring due to an abnormality in detecting the rotational position of the rotor.

しかしながら、電流検出手段を省略した駆動装置では、モータを駆動できない低デューティ比の電圧が印加された場合や、モータの出力軸が異物を噛み込んだりした場合などに、回転位置検出の信頼性が低下する懸念が生じる。このように電圧が印加されて通電されながらもモータが回転しない特殊な状況では、誘起電圧に多頻度のノイズ電圧が発生する。すると、マスク時間を設定した効果がなくなり、位置検出回路はノイズ電圧に基づいて誤った回転位置検出を行い、誤った大きな回転速度を認識することになって通電相の切り替えを頻繁に行うという脱調状態、あるいはその前駆状態に陥るおそれが皆無でない。   However, in a drive device that omits the current detection means, the rotational position detection is reliable when a voltage with a low duty ratio that cannot drive the motor is applied, or when the motor output shaft bites foreign matter. There is a concern of decline. In such a special situation where the motor is not rotated while the voltage is applied and energized, a frequent noise voltage is generated in the induced voltage. Then, the effect of setting the mask time is lost, and the position detection circuit detects an incorrect rotational position based on the noise voltage, and recognizes an erroneously large rotational speed, so that the energized phase is frequently switched. There is no risk of falling into a conditioned state or its precursor state.

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、回転位置検出の異常を判定する機能を備えて、回転位置検出の信頼性を高めつつコストの増加を抑制したセンサレスブラシレスモータの駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the background art, and has a function of determining abnormality in rotational position detection, and is a sensorless brushless motor that suppresses an increase in cost while improving reliability of rotational position detection. Providing a driving device is a problem to be solved.

上記課題を解決する請求項1に係るセンサレスブラシレスモータの駆動装置の発明は、三相の電機子巻線を有するステータおよび磁極対を有するロータを備えたセンサレスブラシレスモータの前記電機子巻線の端子に、パルス幅変調信号のデューティオン時間帯に通電するインバータ回路と、指示されたデューティ比に基づき、前記パルス幅変調信号を生成して前記インバータ回路に指令するインバータ制御回路と、前記パルス幅変調信号で動作し、通電されていない時間帯に前記端子に誘起される誘起電圧を検出し、前記誘起電圧に基づいて前記ロータの回転位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路が前記ロータの回転位置を検出した位置検出タイミングに基づき、前記端子間で通電相を切り替える切替えタイミングを設定して前記インバータ制御回路に指令する通電タイミング回路と、を備えたセンサレスブラシレスモータの駆動装置であって、前記切替えタイミングの直後に前記端子に発生する逆起電圧を検出する逆起電圧検出回路と、前記逆起電圧検出回路が前記逆起電圧を検出している時間帯と、前記位置検出回路の前記位置検出タイミングとを比較して、回転位置検出の異常の有無を判定する異常判定部と、をさらに備えた。   An invention of a sensorless brushless motor driving apparatus according to claim 1 for solving the above-mentioned problems is provided. A terminal of the armature winding of a sensorless brushless motor including a stator having a three-phase armature winding and a rotor having a magnetic pole pair. An inverter circuit that is energized during a duty-on time period of the pulse width modulation signal, an inverter control circuit that generates the pulse width modulation signal and commands the inverter circuit based on the instructed duty ratio, and the pulse width modulation A position detection circuit that operates by a signal, detects an induced voltage induced in the terminal during a non-energized time period, and detects a rotational position of the rotor based on the induced voltage; and the position detection circuit includes the rotor Based on the position detection timing at which the rotational position of the motor is detected, the switching timing for switching the energized phase between the terminals is set. A sensorless brushless motor driving device comprising: an energization timing circuit that commands the inverter control circuit; and a counter electromotive voltage detection circuit that detects a counter electromotive voltage generated at the terminal immediately after the switching timing; An abnormality determination unit that compares the time zone in which the counter electromotive voltage detection circuit detects the counter electromotive voltage and the position detection timing of the position detection circuit to determine whether there is an abnormality in rotation position detection; Further provided.

請求項2に係る発明は、請求項1において、前記異常判定部は、前記逆起電圧を検出している時間帯に前記位置検出タイミングが重なったときに、回転位置検出の異常が発生したと判定する。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the abnormality determination unit has detected that an abnormality in rotational position detection has occurred when the position detection timing overlaps in a time zone in which the back electromotive voltage is detected. judge.

請求項3に係る発明は、請求項1または2において、前記インバータ回路は、前記パルス幅変調信号により導通状態および遮断状態が選択的に制御されるスイッチング部、および前記スイッチング部に並列接続されて前記逆起電圧による通電を許容するダイオード部をそれぞれ内包した6個のスイッチング素子が直流電源に三相ブリッジ接続されて構成されており、前記逆起電圧検出回路は、前記端子の電圧が前記直流電源の正側端子の電圧よりも大きくなる正側逆起電圧、および前記端子の電圧が前記直流電源の負側端子の電圧よりも小さくなる負側逆起電圧の少なくとも一方を検出する。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the inverter circuit is connected in parallel to the switching unit in which a conduction state and a cutoff state are selectively controlled by the pulse width modulation signal, and the switching unit. Six switching elements each including a diode portion that allows energization by the counter electromotive voltage are connected to a DC power source in a three-phase bridge, and the counter electromotive voltage detection circuit has a voltage at the terminal that is the DC voltage. At least one of a positive counter electromotive voltage that is larger than the voltage of the positive terminal of the power supply and a negative counter electromotive voltage that is smaller than the voltage of the negative terminal of the DC power supply is detected.

請求項4に係る発明は、請求項3において、前記逆起電圧検出回路は、前記端子と前記直流電源の正側端子との間に接続され、前記正側逆起電圧によりスイッチ作用が生じる正側トランジスタ素子および、前記端子と前記直流電源の負側端子との間に接続され、前記負側逆起電圧によりスイッチ作用が生じる負側トランジスタ素子の少なくとも一方を含んで構成される。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the back electromotive voltage detection circuit is connected between the terminal and a positive side terminal of the DC power supply, and a positive switching effect is generated by the positive side back electromotive voltage. It is configured to include at least one of a side transistor element and a negative side transistor element that is connected between the terminal and the negative side terminal of the DC power source and generates a switching action by the negative side counter electromotive voltage.

請求項5に係る発明は、請求項1〜4のいずれか一項において、前記位置検出回路は、前記位置検出タイミングの直後から所定のマスク時間だけ休止して、前記逆起電圧による誤った回転位置検出を回避する。   According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the position detection circuit pauses for a predetermined mask time immediately after the position detection timing, and erroneously rotates due to the back electromotive voltage. Avoid position detection.

請求項1に係るセンサレスブラシレスモータの駆動装置の発明では、逆起電圧検出回路は、通電相を切り替える切替えタイミングの直後に端子に発生する逆起電圧を検出し、異常判定部は、逆起電圧検出回路が逆起電圧を検出している時間帯と、位置検出回路がロータの回転位置を検出した位置検出タイミングとを比較して、回転位置検出の異常の有無を判定する。ここで、通電相の切替えタイミングは、位置検出タイミングから或る時間だけ遅れて設定されるので、本来であれば、逆起電圧の発生時間帯と位置検出タイミングとは発生時間差を有する。したがって、異常判定部は、この発生時間差が適正であるか否かを監視することで、回転位置検出が良好に行われているか否かを判定できる。   In the invention of the sensorless brushless motor driving device according to claim 1, the back electromotive voltage detection circuit detects the back electromotive voltage generated at the terminal immediately after the switching timing for switching the energized phase, and the abnormality determination unit includes the back electromotive voltage. The time zone in which the detection circuit detects the back electromotive voltage and the position detection timing at which the position detection circuit detects the rotational position of the rotor are compared to determine whether there is an abnormality in rotational position detection. Here, since the switching timing of the energized phase is set with a certain delay from the position detection timing, the generation time zone of the back electromotive voltage and the position detection timing have a generation time difference. Therefore, the abnormality determination unit can determine whether or not the rotational position detection is performed satisfactorily by monitoring whether or not the occurrence time difference is appropriate.

具体的な例として、低デューティ比の電圧が印加された場合やモータの出力軸が異物を噛み込んだ場合などで実際にはモータが回転していないときに、位置検出回路がノイズ電圧による誤った回転位置検出を行っても、異常判定部はこの異常を判定できる。詳述すると、電圧が印加されて電流が通電されながらもモータの出力軸が回転していないとき、ロータは回転せずに微振動を繰り返す。すると、微振動により電機子巻線に鎖交する磁束が微小変化し、端子に発生頻度の高いノイズ電圧が誘起される。位置検出回路は、このノイズ電圧を正規の誘起電圧と見誤って位置検出を行い、結果として、駆動装置は大きな回転速度を誤って認識し、意味の無い通電相の切り替えを頻繁に行うようになる。このような誤った位置検出では、位置検出タイミングと通電相の切替えタイミングの直後に発生する逆起電圧の発生時間帝との関係が正常な駆動時と明らかに異なるので、異常判定部は回転位置検出の異常を判定できる。   As a specific example, when a voltage with a low duty ratio is applied or the output shaft of the motor bites in a foreign object, the position detection circuit may fail due to noise voltage when the motor is not actually rotating. Even if the rotational position is detected, the abnormality determination unit can determine this abnormality. More specifically, when the output shaft of the motor is not rotating while a voltage is applied and a current is applied, the rotor repeats slight vibration without rotating. Then, the magnetic flux interlinked with the armature winding slightly changes due to the slight vibration, and a noise voltage having a high occurrence frequency is induced at the terminal. The position detection circuit misdetects this noise voltage as a normal induced voltage, and as a result, the drive device erroneously recognizes a large rotational speed and frequently switches the meaningless energized phase. Become. In such erroneous position detection, the relationship between the position detection timing and the back electromotive voltage generation time generated immediately after the energized phase switching timing is clearly different from that during normal driving. Detection abnormality can be determined.

また、本発明では、高速回転時に回転位置を誤判定する異常も判定できる。詳述すると、高速回転時には誘起電圧の発生する回数は増加するが、個々の誘起電圧の発生時間帯は短くなる。これに対して、位置検出回路は、パルス幅変調信号で動作するため、回路内部のタイムラグの影響などにより誘起電圧の発生時間帯とずれてしまうおそれが生じる。すると、正常な位置検出を行えなくなり、あるいは位置検出を全く行えなくなってしまう。したがって、異常判定部は、逆起電圧の発生時間帯に対する位置検出タイミングのずれや回転位置の未検出から、回転位置検出の異常を判定できる。   Further, according to the present invention, it is possible to determine an abnormality in which the rotational position is erroneously determined during high-speed rotation. More specifically, the number of times the induced voltage is generated during high-speed rotation increases, but the time period for generating each induced voltage is shortened. On the other hand, since the position detection circuit operates with a pulse width modulation signal, there is a risk that the position detection circuit may deviate from the induced voltage generation time zone due to the influence of a time lag inside the circuit. Then, normal position detection cannot be performed or position detection cannot be performed at all. Therefore, the abnormality determination unit can determine the abnormality of the rotational position detection from the shift of the position detection timing with respect to the back electromotive voltage generation time zone or the undetected rotational position.

さらに、本発明では、想定以上(性能保証の上限値以上)に負荷が重くなったときに回転位置を誤判定する異常も判定できる。詳述すると、負荷が重くなって極端に大きな通電電流が流れると、これを遮断したときの逆起電圧の発生時間帯が長引く。逆起電圧は誘起電圧に重畳するが、正常時は位置検出タイミングから離れていて障害にならない、ところが、逆起電圧の発生時間帯が長引くと、位置検出タイミングに重なって位置検出の障害になるおそれがある。異常判定部は、逆起電圧の発生時間帯が長引いて正規の位置検出タイミングに重なり位置検出できなくなる異常を判定できる。   Furthermore, according to the present invention, it is possible to determine an abnormality in which the rotational position is erroneously determined when the load becomes heavier than expected (above the upper limit of performance guarantee). More specifically, when the load becomes heavy and an extremely large energizing current flows, the generation time zone of the back electromotive voltage when this is interrupted is prolonged. The back electromotive voltage is superimposed on the induced voltage, but when it is normal, it is far from the position detection timing and does not become an obstacle. However, if the back electromotive voltage generation time zone is prolonged, it will overlap the position detection timing and become an obstacle to position detection. There is a fear. The abnormality determination unit can determine an abnormality in which the back electromotive voltage generation time period is prolonged and overlapped at the normal position detection timing and the position cannot be detected.

上述した3例の異常は、従来技術では判定することが難しく、本発明の異常判定部により判定できるようになる。したがって、本発明により回転位置検出の信頼性が高められる。さらには、回転位置の誤検出によって引き起こされる脱調状態、あるいはその前駆状態が継続することを防止できる。また、本発明の実施に際して特許文献1の電流検出手段や複雑なベクトル制御は不要であり、コストの増加を抑制できる。   The three examples of abnormalities described above are difficult to determine in the prior art, and can be determined by the abnormality determination unit of the present invention. Therefore, the present invention improves the reliability of rotational position detection. Furthermore, it is possible to prevent the step-out state caused by the erroneous detection of the rotational position or the precursor state thereof from continuing. Further, when implementing the present invention, the current detection means and complicated vector control disclosed in Patent Document 1 are unnecessary, and an increase in cost can be suppressed.

請求項2に係る発明では、異常判定部は、逆起電圧を検出している時間帯に位置検出タイミングが重なったときに、回転位置検出の異常が発生したと判定する。例えば、上述した最初の例で、モータが回転していないときに位置検出回路がノイズ電圧で位置検出を行うと、大きな回転速度が誤って認識される。これにより、通電相の切り替えが頻繁に行われて逆起電圧の発生時間帯が増加し、ノイズ電圧の発生タイミングすなわち位置検出タイミングと時間的に重なる。したがって、請求項2に係る発明では、正常時には重なり得ない逆起電圧の発生時間帯と位置検出タイミングとが重なることから、回転位置検出の異常を確実に判定できる。   In the invention according to claim 2, the abnormality determination unit determines that an abnormality in the rotational position detection has occurred when the position detection timing overlaps the time zone in which the back electromotive voltage is detected. For example, in the first example described above, if the position detection circuit detects a position with a noise voltage when the motor is not rotating, a large rotation speed is erroneously recognized. As a result, the energized phase is frequently switched, the back electromotive voltage generation time zone increases, and the noise voltage generation timing, that is, the position detection timing overlaps in time. Therefore, in the invention according to claim 2, since the generation time zone of the counter electromotive voltage that cannot be overlapped in normal time and the position detection timing overlap, it is possible to reliably determine the abnormality of the rotational position detection.

請求項3に係る発明では、インバータ回路は6個のスイッチング素子が直流電源に三相ブリッジ接続されて構成されており、逆起電圧検出回路は、電機子巻線の端子の正側逆起電圧および負側逆起電圧の少なくとも一方を検出する。ここで、スイッチング素子に内包されたダイオード部の順方向電圧降下の作用により、逆起電圧は過大にならずに、直流電源の正側端子の電圧よりも順方向電圧降下分だけ大きくなるか、あるいは直流電源の負側端子の電圧よりも順方向電圧降下分だけ小さくなる。したがって、発生する逆起電圧のレベルに合わせて適正に逆起電圧検出回路を構成し、逆起電圧を確実に検出して、回転位置検出の良否判定を行うことができる。   In the invention according to claim 3, the inverter circuit is configured by connecting six switching elements to a DC power source in a three-phase bridge connection, and the counter electromotive voltage detection circuit includes the positive counter electromotive voltage of the terminal of the armature winding. At least one of the negative counter electromotive voltage is detected. Here, due to the action of the forward voltage drop of the diode part included in the switching element, the back electromotive voltage does not become excessive and becomes larger than the voltage of the positive side terminal of the DC power supply by the forward voltage drop, Or it becomes smaller than the voltage of the negative terminal of the DC power supply by the forward voltage drop. Therefore, the back electromotive voltage detection circuit can be appropriately configured according to the level of the generated back electromotive voltage, and the back electromotive voltage can be reliably detected to determine whether or not the rotational position is detected.

請求項4に係る発明では、逆起電圧検出回路は、正側逆起電圧によりスイッチ作用が生じる正側トランジスタ素子および、負側逆起電圧によりスイッチ作用が生じる負側トランジスタ素子の少なくとも一方を含んで構成される。つまり、逆起電圧検出回路を汎用のトランジスタ素子およびその周辺回路で簡単に構成でき、コストの増加を抑制できる。   In the invention according to claim 4, the back electromotive voltage detection circuit includes at least one of a positive side transistor element in which a switching action is caused by a positive side back electromotive voltage and a negative side transistor element in which a switching action is caused by a negative back electromotive voltage. Consists of. That is, the counter electromotive voltage detection circuit can be easily configured with general-purpose transistor elements and their peripheral circuits, and the increase in cost can be suppressed.

請求項5に係る発明では、位置検出回路は、位置検出タイミングの直後から所定のマスク時間だけ休止して、逆起電圧による誤った回転位置検出を回避する。本発明は、逆起電圧のマスク機能と併用することで、上記した請求項1〜4の各効果が一層顕著になる。   In the invention according to claim 5, the position detection circuit pauses for a predetermined mask time immediately after the position detection timing to avoid erroneous rotation position detection due to the back electromotive voltage. In the present invention, the effects of the first to fourth aspects described above become more remarkable when used in combination with the mask function of the back electromotive force.

実施形態のセンサレスブラシレスモータの駆動装置の全体装置構成を説明する図である。It is a figure explaining the whole device composition of the drive device of the sensorless brushless motor of an embodiment. 実施形態の駆動装置によりセンサレスブラシレスモータを駆動する方法を説明する端子状態の一覧表の図である。It is a figure of the list of terminal states explaining the method of driving a sensorless brushless motor with the drive device of an embodiment. 図2に示される駆動制御を行ったときに、各相端子に発生する電圧波形を例示した図である。It is the figure which illustrated the voltage waveform which generate | occur | produces in each phase terminal when the drive control shown by FIG. 2 is performed. 位置検出回路の機能を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the function of a position detection circuit. 位置検出回路および通電タイミング回路の機能を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the function of a position detection circuit and an energization timing circuit. 回転位置検出が正常のときの位置検出回路の波形図である。It is a wave form diagram of a position detection circuit when rotation position detection is normal. 回転位置検出が異常のときの位置検出回路の波形図である。It is a wave form diagram of a position detection circuit when rotation position detection is abnormal. 逆起電圧検出回路の機能を説明する図であり、(1)は正側逆起電圧発生時、(2)は負側逆起電圧発生時を示している。It is a figure explaining the function of a back electromotive force detection circuit, (1) has shown the time of positive side back electromotive voltage generation | occurrence | production, (2) has shown the time of negative side back electromotive voltage generation | occurrence | production. 回転位置検出の異常状態を例示説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the abnormal state of rotation position detection by way of example.

本発明の実施形態のセンサレスブラシレスモータの駆動装置の構成、動作、および効果について、図1〜図9を参考にして説明する。図1は、実施形態のセンサレスブラシレスモータ9の駆動装置1の全体装置構成を説明する図である。駆動装置1は、パルス幅変調方式により電源電圧Eのデューティ比を可変とするインバータ回路2を用いて、センサレスブラシレスモータ9を台形波駆動する装置である。   The configuration, operation, and effect of the sensorless brushless motor driving apparatus according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Drawing 1 is a figure explaining the whole device composition of drive 1 of sensorless brushless motor 9 of an embodiment. The drive device 1 is a device that drives the sensorless brushless motor 9 in a trapezoidal manner using the inverter circuit 2 that makes the duty ratio of the power supply voltage E variable by a pulse width modulation method.

センサレスブラシレスモータ9は、Δ結線された三相の電機子巻線92、93、94を有するステータ91、および図略の磁極対を有するロータを備え、ロータの回転位置を検出するセンサを備えていない。ステータ91には、U相端子95U、V相端子95V、およびW相端子95Wが設けられている。U相端子95UとV相端子95Vの間にはUV間電機子巻線92が接続され、同様に、V相端子95VとW相端子95Wの間にはVW間電機子巻線93が接続され、W相端子95WとU相端子95Uの間にはWU間電機子巻線94が接続されている。本実施形態では、ステータ91の電機子巻線92、93、94の極数、およびロータの磁極対の数量に特別な制約はない。   The sensorless brushless motor 9 includes a stator 91 having Δ-connected three-phase armature windings 92, 93, 94, and a rotor having a magnetic pole pair (not shown), and a sensor for detecting the rotational position of the rotor. Absent. The stator 91 is provided with a U-phase terminal 95U, a V-phase terminal 95V, and a W-phase terminal 95W. An inter-UV armature winding 92 is connected between the U-phase terminal 95U and the V-phase terminal 95V, and similarly, an inter-VW armature winding 93 is connected between the V-phase terminal 95V and the W-phase terminal 95W. The WU armature winding 94 is connected between the W-phase terminal 95W and the U-phase terminal 95U. In the present embodiment, there are no particular restrictions on the number of poles of the armature windings 92, 93, 94 of the stator 91 and the number of magnetic pole pairs of the rotor.

駆動装置1は、インバータ回路2、インバータ制御回路3、位置検出回路4、通電タイミング回路5、逆起電圧検出回路6、および異常判定部7により構成されている。インバータ回路2の三相に共通な入力端子21Pと接地端子21Nとの間に、直流電源装置26が接続されており、電源電圧Eが供給されるようになっている。   The drive device 1 includes an inverter circuit 2, an inverter control circuit 3, a position detection circuit 4, an energization timing circuit 5, a back electromotive voltage detection circuit 6, and an abnormality determination unit 7. A DC power supply device 26 is connected between an input terminal 21P common to the three phases of the inverter circuit 2 and a ground terminal 21N, and a power supply voltage E is supplied.

インバータ回路2は、センサレスブラシレスモータ9の電機子巻線92、93、94の各相端子95U、95V、95Wに、パルス幅変調信号PWMのデューティオン時間帯に通電する回路である。インバータ回路2は、三相ブリッジ回路で構成されており、図1には代表としてU相のみが図示されている。詳述すると、入力端子21Pと接地端子21Nとの間に、U相正側スイッチング素子22UとU相負側スイッチング素子23Uとが直列接続され、両素子22U、23U間にU相出力端子24Uが設けられている。入力端子21Pは、直流電源装置26の正側端子26Pに接続されている。接地端子21Nは、接地点を介して直流電源装置26の負側端子26Nに接続されている。インバータ回路2のV相およびW相も、U相と同じ回路構成を有している。V相出力端子は、電源線25Vによりステータ91のV相端子95Vに接続され、W相出力端子は、電源線25Wによりステータ91のW相端子95Wに接続されている。   The inverter circuit 2 is a circuit that energizes the phase terminals 95U, 95V, and 95W of the armature windings 92, 93, and 94 of the sensorless brushless motor 9 during the duty-on time period of the pulse width modulation signal PWM. The inverter circuit 2 is composed of a three-phase bridge circuit, and FIG. 1 shows only the U phase as a representative. More specifically, a U-phase positive switching element 22U and a U-phase negative switching element 23U are connected in series between the input terminal 21P and the ground terminal 21N, and a U-phase output terminal 24U is connected between the elements 22U and 23U. Is provided. The input terminal 21P is connected to the positive terminal 26P of the DC power supply device 26. The ground terminal 21N is connected to the negative terminal 26N of the DC power supply device 26 through a ground point. The V phase and W phase of the inverter circuit 2 also have the same circuit configuration as the U phase. The V-phase output terminal is connected to the V-phase terminal 95V of the stator 91 by a power line 25V, and the W-phase output terminal is connected to the W-phase terminal 95W of the stator 91 by a power line 25W.

各スイッチング素子22U、23Uには、例えば電界効果トランジスタ(FET)を用いることができる。各スイッチング素子22U、23Uはそれぞれ、電気特性的に並列接続されたスイッチング部27およびダイオード部28を内包している。スイッチング部27は、通電制御信号SCにより導通状態および遮断状態が選択的に制御される。ダイオード部28は、端子95U、95V、95Wに発生した逆起電圧による通電を許容するように接続されている。すなわち、各相の正側スイッチング素子22Uのダイオード部28は、端子95U、95V、95Wから直流電源装置26の正側端子26Pへの通電を許容する。また、各相の負側スイッチング素子23Uのダイオード部28は、接地点から端子95U、95V、95Wへの通電を許容する。   For example, a field effect transistor (FET) can be used for each of the switching elements 22U and 23U. Each of the switching elements 22U and 23U includes a switching unit 27 and a diode unit 28 which are electrically connected in parallel. The switching unit 27 is selectively controlled in a conduction state and a cutoff state by an energization control signal SC. The diode unit 28 is connected so as to allow energization by the counter electromotive voltage generated at the terminals 95U, 95V, and 95W. That is, the diode section 28 of the positive-side switching element 22U of each phase allows energization from the terminals 95U, 95V, and 95W to the positive-side terminal 26P of the DC power supply device 26. Further, the diode section 28 of the negative side switching element 23U of each phase allows energization from the ground point to the terminals 95U, 95V, and 95W.

インバータ回路2の各スイッチング素子22U、23Uの開閉制御により、ステータ91の各相端子95U、95V、95Wは3つの状態をとる。この3つの状態は各相で同様であるので、U相端子95を例に説明する。U相端子95Uは、U相正側スイッチング素子22Uが導通状態でU相負側スイッチング素子23Uが遮断状態のとき、電源電圧Eに拘束された状態(電源電圧E拘束状態)になる。また、U相端子95Uは、U相正側スイッチング素子22Uが遮断状態でU相負側スイッチング素子23Uが導通状態のとき、ゼロ電圧に拘束された状態になる(ゼロ電圧拘束状態)。さらに、U相端子95Uは、U相正側スイッチング素子22Uおよび負側スイッチング素子23Uがともに遮断状態のとき、ハイインピーダンス状態になる。ここで、電源電圧E拘束状態は単独で発生せず、テューティ比によるオンオフ制御にしたがってゼロ電圧拘束状態と交互に発生し、この状態をPWM制御状態と呼ぶ。   By opening / closing control of the switching elements 22U and 23U of the inverter circuit 2, the phase terminals 95U, 95V, and 95W of the stator 91 take three states. Since these three states are the same in each phase, the U-phase terminal 95 will be described as an example. U-phase terminal 95U is in a state constrained by power supply voltage E (power supply voltage E constrained state) when U-phase positive side switching element 22U is in a conductive state and U-phase negative side switching element 23U is in a cut-off state. In addition, U-phase terminal 95U is constrained to zero voltage (zero-voltage constrained state) when U-phase positive switching element 22U is cut off and U-phase negative switching element 23U is conductive. Furthermore, U-phase terminal 95U is in a high impedance state when both U-phase positive side switching element 22U and negative side switching element 23U are cut off. Here, the power supply voltage E constrained state does not occur independently, but occurs alternately with the zero voltage constrained state according to the on / off control by the duty ratio, and this state is referred to as a PWM control state.

ハイインピーダンス状態のU相端子95Uには、U相誘起電圧viUが誘起される。U相誘起電圧viUは、U相端子95Uに接続されたUV間電機子巻線92およびWU間電機子巻線94にロータの磁極対からの磁束が鎖交することで発生する。したがって、U相誘起電圧viUは、UV間およびWU間電機子巻線92、94とロータとの相対回転位置関係に依存して変化し、回転位置を検出する指標となり得る。なお、U相正側スイッチング素子22UおよびU相負側スイッチング素子23Uがともに導通状態になる制御は禁止されて、電源電圧短絡故障が防止されている。   A U-phase induced voltage viU is induced at the U-phase terminal 95U in the high impedance state. The U-phase induced voltage viU is generated when the magnetic flux from the rotor magnetic pole pair is linked to the UV armature winding 92 and the WU armature winding 94 connected to the U-phase terminal 95U. Therefore, the U-phase induced voltage viU varies depending on the relative rotational position relationship between the UV and WU armature windings 92 and 94 and the rotor, and can serve as an index for detecting the rotational position. It should be noted that control in which both the U-phase positive side switching element 22U and the U-phase negative side switching element 23U are in a conductive state is prohibited, and a power supply voltage short-circuit failure is prevented.

インバータ制御回路3は、指示されたデューティ比に基づきパルス幅変調信号PWMを生成し、三相の正側および負側の通電制御信号SCにしてインバータ回路2に指令する回路である。インバータ制御回路3は、まず、公知のパルス幅変調回路により、パルス幅変調信号PWMを生成する。パルス幅変調信号PWMのパルス周波数は、固定値であっても可変に制御されてもよい。パルス幅変調信号PWMのデューティ比は、外部装置から直接指示されてもよく、あるいは、モータ回転数の指示を受け取り内部で演算により求めてもよい。後者の場合には、モータ回転数とデューティ比の関係を予め把握しておく。例えば、モータ9の負荷のイナーシャが一定の場合、モータ回転数を増加するためにデューティ比を増やすという正の相関関係を予め求めておく。   The inverter control circuit 3 is a circuit that generates a pulse width modulation signal PWM based on the instructed duty ratio and commands the inverter circuit 2 as a three-phase positive and negative energization control signal SC. The inverter control circuit 3 first generates a pulse width modulation signal PWM by a known pulse width modulation circuit. The pulse frequency of the pulse width modulation signal PWM may be a fixed value or variably controlled. The duty ratio of the pulse width modulation signal PWM may be instructed directly from an external device, or may be obtained by calculation inside by receiving an instruction of the motor speed. In the latter case, the relationship between the motor rotation speed and the duty ratio is grasped in advance. For example, when the inertia of the load of the motor 9 is constant, a positive correlation in which the duty ratio is increased in order to increase the motor rotation speed is obtained in advance.

インバータ制御回路3は、次に、通電タイミング回路5から三相の相切替え信号SU、SV、SWを取得する。相切替え信号SU、SV、SWはそれぞれ、各相端子95U、95V、95Wの状態を電源電圧E拘束状態、ゼロ電圧拘束状態、およびハイインピーダンス状態のいずれかに三者択一する信号である。インバータ制御回路3は、三番目に、パルス幅変調信号PWMに相切替え信号SU、SV、SWを加味して、通電制御信号SCを生成する。通電制御信号SCは、インバータ回路2の三相の正側および負側の合計で6個あり、各スイッチング素子22U、23Uを個別に開閉制御する。インバータ制御回路3は、通電制御信号SCをインバータ回路2に指令する。   Next, the inverter control circuit 3 acquires the three-phase phase switching signals SU, SV, and SW from the energization timing circuit 5. The phase switching signals SU, SV, and SW are signals that select one of the states of the phase terminals 95U, 95V, and 95W among the power supply voltage E restraint state, the zero voltage restraint state, and the high impedance state, respectively. Thirdly, the inverter control circuit 3 generates the energization control signal SC by adding the phase switching signals SU, SV, SW to the pulse width modulation signal PWM. There are six energization control signals SC in total for the positive and negative phases of the three phases of the inverter circuit 2, and each switching element 22U, 23U is individually controlled to open and close. The inverter control circuit 3 commands the energization control signal SC to the inverter circuit 2.

位置検出回路4は、パルス幅変調信号PWMで動作し、通電されていない時間帯に端子95U、95V、95Wに誘起される誘起電圧を検出し、誘起電圧に基づいてロータの特定の回転位置を検出する回路である。位置検出回路4は三相合成方式とされ、三相の合成抵抗41U、41V、41W、比較器44、および位置検出部47で構成されている。三相の合成抵抗41U、41V、41Wは、抵抗値Rが互いに等しく、それぞれ各相の電源線25U、25V、25Wと共通の合成点42との間に接続されている。つまり、三相の合成抵抗41U、41V、41WはY結線され、合成点42はY結線中性点になっている。合成点42には、各相端子95U、95V、95Wの誘起電圧viU、viV、viWを合成した合成電圧Vmixが発生する。合成点42は、比較器44の正側入力端子44Pに接続されており、合成電圧Vmixが送出される。   The position detection circuit 4 operates with the pulse width modulation signal PWM, detects an induced voltage induced in the terminals 95U, 95V, and 95W during a non-energized time period, and determines a specific rotational position of the rotor based on the induced voltage. It is a circuit to detect. The position detection circuit 4 is a three-phase synthesis method, and includes three-phase synthesis resistors 41U, 41V, 41W, a comparator 44, and a position detection unit 47. The three-phase combined resistors 41U, 41V, and 41W have the same resistance value R, and are connected between the power supply lines 25U, 25V, and 25W of the respective phases and the common combined point 42, respectively. That is, the three-phase combined resistors 41U, 41V, and 41W are Y-connected, and the combined point 42 is a Y-connected neutral point. A composite voltage Vmix is generated at the composite point 42 by combining the induced voltages viU, viV, and viW of the phase terminals 95U, 95V, and 95W. The composite point 42 is connected to the positive side input terminal 44P of the comparator 44, and the composite voltage Vmix is sent out.

一方、比較器44の負側入力端子44Nには、直流電源装置26の電源電圧Eを等しい抵抗値rで半分に分圧した中間レベル値VM(=E/2)が基準電圧として入力されている。比較器44は、正側入力端子44Pの合成電圧Vmixを負側入力端子44Nの中間レベル値VMと大小比較して位置信号SXを出力する。比較器44の出力端子45において、合成電圧Vmixが中間レベル値VMよりも小さいと位置信号SXはローレベルとなり、合成電圧Vmixが中間レベル値VM以上になると位置信号SXはハイレベルになる。比較器44の出力端子45は、位置検出部47に接続されており、位置信号SXが送出される。   On the other hand, an intermediate level value VM (= E / 2) obtained by dividing the power supply voltage E of the DC power supply device 26 in half by an equal resistance value r is input to the negative input terminal 44N of the comparator 44 as a reference voltage. Yes. The comparator 44 compares the composite voltage Vmix of the positive input terminal 44P with the intermediate level value VM of the negative input terminal 44N, and outputs a position signal SX. At the output terminal 45 of the comparator 44, when the combined voltage Vmix is smaller than the intermediate level value VM, the position signal SX becomes low level, and when the combined voltage Vmix becomes equal to or higher than the intermediate level value VM, the position signal SX becomes high level. The output terminal 45 of the comparator 44 is connected to the position detector 47, and a position signal SX is sent out.

位置検出部47は、後に波形例を参考にして詳述するようにパルス幅変調信号PWMに同期して動作する。位置検出部47は、比較器44の位置信号SXを入力とし、位置信号SXのローレベルとハイレベルの切り替わるタイミングを以ってロータの回転位置を検出する。検出する回転位置は、三相のそれぞれについて位置信号SXの立上りと立下りの各2個あり、電気角の360°内に合計で6個ある。モータが定速回転しているとき、位置検出部47の出力となる特定位置検出信号SYは、位置検出タイミングを示す立上りと立下りとが60°ピッチで交互に繰り返す波形になる。位置検出部47は、特定位置検出信号SYを通電タイミング回路5および異常判定部7に送出する。   The position detection unit 47 operates in synchronization with the pulse width modulation signal PWM as described in detail later with reference to waveform examples. The position detection unit 47 receives the position signal SX of the comparator 44 and detects the rotational position of the rotor at the timing when the position signal SX switches between a low level and a high level. There are two rotational positions to be detected for each of the three phases, that is, the rising and falling positions of the position signal SX, and there are six in total within 360 ° of the electrical angle. When the motor is rotating at a constant speed, the specific position detection signal SY that is the output of the position detection unit 47 has a waveform in which rising and falling indicating position detection timing are alternately repeated at a 60 ° pitch. The position detection unit 47 sends a specific position detection signal SY to the energization timing circuit 5 and the abnormality determination unit 7.

通電タイミング回路5は、位置検出回路4がロータの回転位置を検出した位置検出タイミングに基づき、端子95U、95V、95W間で通電相を切り替える切替えタイミングを設定してインバータ制御回路3に指令する回路である。通電タイミング回路5は、後で詳述する3種類のタイマTM1〜TM3の機能により、特定位置検出信号SYに基づいて、三相の相切替え信号SU、SV、SWを作成し、インバータ制御回路3に指令する。相切替え信号SU、SV、SWはそれぞれ、通電相を切り替える切替えタイミングの情報を含んでいる。モータが定速回転しているとき、各相の相切替え信号SU、SV、SWは、電気角120°の電源電圧E拘束状態、60°のハイインピーダンス状態、120°のゼロ電圧拘束状態、および60°のハイインピーダンス状態を繰り返す信号になる。また、三相間で、相切替え信号SU、SV、SWは、電気角の120°分ずつシフトする。   The energization timing circuit 5 sets a switching timing for switching the energized phase between the terminals 95U, 95V, and 95W based on the position detection timing when the position detection circuit 4 detects the rotational position of the rotor, and commands the inverter control circuit 3 It is. The energization timing circuit 5 creates three-phase phase switching signals SU, SV, and SW based on the specific position detection signal SY by the functions of three types of timers TM1 to TM3 described in detail later, and the inverter control circuit 3 To Each of the phase switching signals SU, SV, and SW includes information on switching timing for switching the energized phase. When the motor is rotating at a constant speed, the phase switching signals SU, SV, and SW of each phase are as follows: a power supply voltage E constraint state of 120 ° electrical angle, a high impedance state of 60 °, a zero voltage constraint state of 120 °, and The signal repeats a high impedance state of 60 °. Further, among the three phases, the phase switching signals SU, SV, SW are shifted by 120 ° of the electrical angle.

ここまでに説明した構成で、実施形態のセンサレスブラシレスモータの駆動装置1はモータ9を駆動できる。図2は、実施形態の駆動装置1によりセンサレスブラシレスモータ9を駆動する方法を説明する端子状態の一覧表の図である。図示されるように、インバータ制御回路3は、6つの期間1)〜6)に分けて各相端子95U、95V、95Wの状態制御を行う。一覧表中の各欄は、該当する期間における各相端子95U、95V、95Wの状態を表しており、「PWM」はPWM制御状態を示し、「L」はゼロ電圧拘束状態を示し、「Hi−Z」はハイインピーダンス状態を示している。   With the configuration described so far, the sensorless brushless motor driving apparatus 1 of the embodiment can drive the motor 9. FIG. 2 is a table of terminal states for explaining a method of driving the sensorless brushless motor 9 by the driving device 1 according to the embodiment. As shown in the figure, the inverter control circuit 3 performs state control of the phase terminals 95U, 95V, and 95W in six periods 1) to 6). Each column in the list represents the state of each phase terminal 95U, 95V, 95W in the corresponding period, “PWM” indicates the PWM control state, “L” indicates the zero voltage restraint state, “Hi” “−Z” indicates a high impedance state.

例えば期間1)において、U相端子の欄は「Hi−Z」であり、インバータ回路2のU相正側スイッチング素子22UおよびU相負側スイッチング素子23Uの両方が遮断状態とされて、U相端子95Uがハイインピーダンス状態であることを示している。また、V相端子の欄は「L」であり、インバータ回路2のV相正側スイッチング素子が遮断状態とされV相負側スイッチング素子が導通状態とされて、V相端子95Vがゼロ電圧に拘束されていることを示している。また、W相端子の欄は「PWM」であり、インバータ回路2のW相負側スイッチング素子が遮断状態とされW相正側スイッチング素子がデューティ比で導通状態および遮断状態に切り替え制御されることを示している。これにより、W相端子95Wには、電源電圧Eとゼロ電圧に振動する矩形波が印加される。したがって、W相端子95WとV相端子95Vの間に接続されたVW間電機子巻線93がパルス幅変調制御により通電される。期間1)でU相端子95Uは通電されずに、U相誘起電圧viUが誘起される。   For example, in the period 1), the U-phase terminal column is “Hi-Z”, and both the U-phase positive side switching element 22U and the U-phase negative side switching element 23U of the inverter circuit 2 are cut off. It shows that the terminal 95U is in a high impedance state. The column of the V-phase terminal is “L”, the V-phase positive switching element of the inverter circuit 2 is turned off, the V-phase negative switching element is turned on, and the V-phase terminal 95V is set to zero voltage. It shows that it is restrained. The column of the W-phase terminal is “PWM”, and the W-phase negative side switching element of the inverter circuit 2 is cut off and the W-phase positive side switching element is controlled to be switched between the conductive state and the cut-off state based on the duty ratio. Is shown. Thereby, the rectangular wave which vibrates to the power supply voltage E and zero voltage is applied to the W-phase terminal 95W. Therefore, the inter-VW armature winding 93 connected between the W-phase terminal 95W and the V-phase terminal 95V is energized by the pulse width modulation control. In the period 1), the U-phase terminal 95U is not energized, and the U-phase induced voltage viU is induced.

同様に期間2)において、U相端子の欄は「PWM」であり、U相端子95Uにはデューティ比で電源電圧Eおよびゼロ電圧に振動する矩形波が印加される。また、V相端子の欄は「L」であり、V相端子95Vのゼロ電圧への拘束が継続することを示している。また、W相端子の欄は「Hi−Z」であり、W相端子95Wがハイインピーダンス状態であることを示している。これにより、U相端子95UとV相端子95Vの間に接続されたUV間電機子巻線92がパルス幅変調制御により通電される。期間2)で、W相端子95Wは通電されずに、W相誘起電圧viWが誘起される。以下同様に、期間3)〜6)でそれぞれ、順番に各相端子95U、95V、95Wの状態、通電される電機子巻線の相、および誘起電圧の発生する端子が変更制御される。   Similarly, in the period 2), the column of the U-phase terminal is “PWM”, and a rectangular wave that oscillates to the power supply voltage E and the zero voltage with a duty ratio is applied to the U-phase terminal 95U. The column of the V-phase terminal is “L”, which indicates that the constraint on the zero voltage of the V-phase terminal 95V continues. The column of the W-phase terminal is “Hi-Z”, which indicates that the W-phase terminal 95W is in a high impedance state. As a result, the inter-UV armature winding 92 connected between the U-phase terminal 95U and the V-phase terminal 95V is energized by the pulse width modulation control. In period 2), the W-phase terminal 95W is not energized, and the W-phase induced voltage viW is induced. Similarly, in the periods 3) to 6), the state of each phase terminal 95U, 95V, 95W, the phase of the armature winding to be energized, and the terminal where the induced voltage is generated are controlled in turn.

期間1)〜6)はそれぞれ電気角の60°に相当し、期間6)に続いて期間1)に戻り、繰り返して同様に制御される。また、モータ9の回転速度と、各期間1)〜6)の継続時間とは概ね反比例する。   Periods 1) to 6) correspond to an electrical angle of 60 °, respectively. After period 6), the process returns to period 1) and is similarly controlled repeatedly. Further, the rotational speed of the motor 9 and the duration of each of the periods 1) to 6) are approximately inversely proportional.

図2に示されるようにセンサレスブラシレスモータ9の端子95U、95V、95Wの状態を制御して駆動すると、図3に例示される端子電圧波形が発生する。図3は、図2に示される制御を行ったときに、各相端子95U、95V、95Wに発生する電圧波形を例示した図である。図3の横軸は共通の時間軸であり、期間1)〜6)は図2に対応している。波形は、上から順番にU相端子電圧VU、V相端子電圧VV、W相端子電圧VWを示している。図示されるように、各相端子電圧VU、VV、VWは台形波状に変化しており、モータ9は台形波駆動される。   As shown in FIG. 2, when the state of the terminals 95U, 95V, and 95W of the sensorless brushless motor 9 is controlled and driven, a terminal voltage waveform illustrated in FIG. 3 is generated. FIG. 3 is a diagram illustrating voltage waveforms generated at the phase terminals 95U, 95V, and 95W when the control shown in FIG. 2 is performed. The horizontal axis in FIG. 3 is a common time axis, and the periods 1) to 6) correspond to FIG. The waveforms indicate the U-phase terminal voltage VU, the V-phase terminal voltage VV, and the W-phase terminal voltage VW in order from the top. As shown in the figure, the phase terminal voltages VU, VV, and VW change in a trapezoidal waveform, and the motor 9 is driven in a trapezoidal manner.

図中のU相端子電圧VUの波形で、期間2)および期間3)は、PWM制御状態の通電時間帯を示している。期間5)および期間6)は、ゼロ電圧拘束状態の通電時間帯を示している。また、期間1)に発生している増加の傾斜とパルス幅変調の矩形波とが重なった波形、および期間4)に発生している減少の傾斜とパルス幅変調の矩形波とが重なった波形は、通電されていない時間帯に誘起された誘起電圧viUを示している。図中のV相端子電圧VVおよびW相端子電圧VWについても、位相が120°ずつ(期間2つ分ずつ)遅れることを除いて同様の波形になっている。   In the waveform of the U-phase terminal voltage VU in the drawing, periods 2) and 3) indicate energization time zones in the PWM control state. Periods 5) and 6) indicate energization time periods in a zero voltage restraint state. Further, a waveform in which the increasing slope generated in period 1) and the pulse width modulation rectangular wave overlap, and a waveform in which the decreasing slope generated in period 4) and the pulse width modulation rectangular wave overlap. Indicates an induced voltage viU induced in a non-energized time zone. The V-phase terminal voltage VV and the W-phase terminal voltage VW in the figure also have the same waveform except that the phase is delayed by 120 ° (by two periods).

また、各相端子電圧VU、VV、VWの波形には、各相のスイッチング素子22U、23UWの開閉による逆起電圧波形Zが重畳している。逆起電圧波形Zは、各期間1)〜6)の境目、すなわち、通電相が切り替えられて通電電流が遮断された直後に発生している。逆起電圧波形Zが継続する時間帯の長さは、直前に流れていた通電電流の大きさに依存して変化する。   Further, counter electromotive voltage waveforms Z due to opening / closing of the switching elements 22U and 23UW of each phase are superimposed on the waveforms of the phase terminal voltages VU, VV, and VW. The counter electromotive voltage waveform Z is generated at the boundary between the periods 1) to 6), that is, immediately after the energized current is interrupted by switching the energized phase. The length of the time period in which the back electromotive voltage waveform Z continues varies depending on the magnitude of the energization current that was flowing immediately before.

次に、位置検出回路4および通電タイミング回路5の機能について説明する。位置検出回路4の合成点42には、各相の誘起電圧viU、viV、viWを合成した合成電圧Vmixが発生する。合成電圧Vmixの波形は、図3の期間1)のU相誘起電圧viUの増加、期間2)のW相誘起電圧viWの減少、期間3)のV相誘起電圧viVの増加、期間4)のU相誘起電圧viUの減少、期間5)のW相誘起電圧viWの増加、および期間6)のV相誘起電圧viVの減少が連なった波形と相似になる。また、合成電圧Vmixの波形には、各期間1)〜6)の境目の逆起電圧波形Zが重畳する。   Next, functions of the position detection circuit 4 and the energization timing circuit 5 will be described. A combined voltage Vmix obtained by combining the induced voltages viU, viV, and viW of the respective phases is generated at the combined point 42 of the position detection circuit 4. The waveform of the composite voltage Vmix is the increase in the U-phase induced voltage viU in period 1) in FIG. 3, the decrease in the W-phase induced voltage viW in period 2), the increase in the V-phase induced voltage viV in period 3), and the period 4). It is similar to the waveform in which the decrease in the U-phase induced voltage viU, the increase in the W-phase induced voltage viW in the period 5), and the decrease in the V-phase induced voltage viV in the period 6) are continued. Further, the counter electromotive voltage waveform Z at the boundary between the periods 1) to 6) is superimposed on the waveform of the composite voltage Vmix.

この合成電圧Vmixが、位置検出回路4の比較器44の正側入力端子44Pに入力される。図4は、位置検出回路4の機能を説明する波形図であり、図3よりも時間幅方向に拡大されている。図4で、横軸は共通の時間軸であり、波形は上側から順番に、パルス幅変調信号PWM、PWM制御状態の端子電圧、比較器44に入力される合成電圧Vmixおよび中間レベル値VM、比較器44から送出される位置信号SX、位置検出部47から送出される特定位置検出信号SYである。   This combined voltage Vmix is input to the positive input terminal 44P of the comparator 44 of the position detection circuit 4. FIG. 4 is a waveform diagram for explaining the function of the position detection circuit 4, and is expanded in the time width direction as compared with FIG. In FIG. 4, the horizontal axis is a common time axis, and the waveforms are, in order from the top, the pulse width modulation signal PWM, the terminal voltage in the PWM control state, the combined voltage Vmix and the intermediate level value VM input to the comparator 44, A position signal SX sent from the comparator 44 and a specific position detection signal SY sent from the position detector 47.

図示されるように、パルス幅変調信号PWMに対してPWM制御状態の端子電圧の矩形波は時間的にわずかに遅れ、さらに、合成電圧Vmixの波形は端子電圧の矩形波からわずかに遅れている。合成電圧Vmixは、図示された範囲ではデューティオン時間帯で徐々に増加し、時刻taで中間レベル値VMに達している。これにより、位置信号SXは、時刻taよりも比較器44の内部の演算時間だけ遅れた時刻tbで、ローレベルからハイレベルに立ちあがっている。ここで、合成電圧Vmixが中間レベル値VMに達したことは、電機子巻線92〜94の正面にロータの磁極対の中間点が位置していることを意味している。したがって、本実施形態では、検出するロータの回転位置を、電気角の30°、90°、150°210°、270°、および330°としたことになる。   As illustrated, the rectangular wave of the terminal voltage in the PWM control state is slightly delayed with respect to the pulse width modulation signal PWM, and the waveform of the composite voltage Vmix is slightly delayed from the rectangular wave of the terminal voltage. . The combined voltage Vmix gradually increases in the duty-on time zone in the illustrated range, and reaches the intermediate level value VM at time ta. As a result, the position signal SX rises from the low level to the high level at time tb delayed by the calculation time inside the comparator 44 from time ta. Here, the combined voltage Vmix reaching the intermediate level value VM means that the intermediate point of the magnetic pole pair of the rotor is located in front of the armature windings 92 to 94. Therefore, in this embodiment, the rotation position of the rotor to be detected is set to electrical angles of 30 °, 90 °, 150 ° 210 °, 270 °, and 330 °.

一方、位置検出部47は、パルス幅変調信号PWMの立下りのタイミングである時刻t1、t2、t3に同期して動作し、位置信号SXのレベルを検出する。図4の波形例では、時刻t1に位置信号SXはローレベルであり、時刻t2になると位置信号SXがハイレベルに変化している。位置検出部47は、この時刻t2でロータが特定の回転位置に達したと判定し、特定位置検出信号SYをローレベルからハイレベルに立ち上げる。   On the other hand, the position detection unit 47 operates in synchronization with times t1, t2, and t3, which are the falling timings of the pulse width modulation signal PWM, and detects the level of the position signal SX. In the waveform example of FIG. 4, the position signal SX is at a low level at time t1, and the position signal SX changes to a high level at time t2. The position detection unit 47 determines that the rotor has reached a specific rotational position at time t2, and raises the specific position detection signal SY from the low level to the high level.

図5は、位置検出回路4および通電タイミング回路5の機能を説明する波形図であり、図3の期間1)〜期間6)を含んでいる。図5で、横軸は共通の時間軸であり、波形は上側から順番に、各相端子電圧VU、VV、VW、比較器44から送出される位置信号SX、位置検出部47から送出される特定位置検出信号SY、通電タイミング回路5の60°検出タイマTM1の出力、相切替えタイマTM2の出力、マスクタイマTM3の出力、および三相の相切替え信号SU、SV、SWである。なお、図中の各相端子電圧VU、VV、VWおよび位置信号SXの波形では、パルス幅変調制御による矩形波は省略されて簡略に示されている。   FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the functions of the position detection circuit 4 and the energization timing circuit 5 and includes the periods 1) to 6) in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis is a common time axis, and the waveforms are sent from the phase terminal voltages VU, VV, VW, the position signal SX sent from the comparator 44, and the position detector 47 in order from the upper side. The specific position detection signal SY, the output of the 60 ° detection timer TM1 of the energization timing circuit 5, the output of the phase switching timer TM2, the output of the mask timer TM3, and the three-phase phase switching signals SU, SV, SW. In the waveforms of the phase terminal voltages VU, VV, VW and the position signal SX in the figure, the rectangular wave by the pulse width modulation control is omitted and is simply shown.

図示されるように、位置検出部47は、位置信号SXの立上りおよび立下りの各時刻t11〜t18に同期して変化する特定位置検出信号SYを生成する。このとき、位置検出部47は、後述するマスクタイマTM3のマスク時間Tmskだけ休止し、位置信号SXに重畳した逆起電圧波形Zを検出しないようにして、逆起電圧による誤った回転位置検出を回避する。   As shown in the figure, the position detection unit 47 generates a specific position detection signal SY that changes in synchronization with the rising and falling times t11 to t18 of the position signal SX. At this time, the position detection unit 47 pauses for a mask time Tmsk of a mask timer TM3 described later, and does not detect the counter electromotive voltage waveform Z superimposed on the position signal SX, thereby detecting an erroneous rotational position by the counter electromotive voltage. To avoid.

通電タイミング回路5は、60°検出タイマTM1、相切替えタイマTM2、およびマスクタイマTM3を内蔵している。60°検出タイマTM1は、特定位置検出信号SYの毎回の立上りと立下りとの時間差を周期時間Tとして検出する。周期時間Tは、ロータが60°回転するのに要した時間を意味する。モータ9が定速回転しているとき、下式で示されるように、毎回の周期時間Tは概ね一定になる。
周期時間T=t12−t11≒t13−t12≒t14−t13≒t15−t14
≒t16−t15≒t17−t16≒t18−t17≒(以下略)
また、モータ9が加速していれば周期時間Tは徐々に短くなり、モータ9が減速していれば周期時間Tは徐々に長くなる。
The energization timing circuit 5 includes a 60 ° detection timer TM1, a phase switching timer TM2, and a mask timer TM3. The 60 ° detection timer TM1 detects a time difference between the rising edge and the falling edge of the specific position detection signal SY every time as the period time T. The period time T means the time required for the rotor to rotate 60 °. When the motor 9 is rotating at a constant speed, the cycle time T of each time is substantially constant as shown by the following equation.
Cycle time T = t12−t11≈t13−t12≈t14−t13≈t15−t14
≒ t16-t15 ≒ t17-t16 ≒ t18-t17 ≒ (hereinafter abbreviated)
If the motor 9 is accelerating, the cycle time T is gradually shortened, and if the motor 9 is decelerating, the cycle time T is gradually increased.

相切替えタイマTM2は、60°検出タイマTM1が検出した周期時間Tの半分に相当する遅延時間Tdlyを設定する。図の例では、時刻t11〜時刻t12までの周期時間Tに対して、遅延時間Tdly=(T/2)を時刻t12の直後に設定する。これにより、時刻t12の後にロータが概ね30°回転した時刻t22を通電相切替えタイミングに設定できる。相切替えタイマTM2は、毎回の周期時間Tに対してこの設定を行い、毎回の通電相切替えタイミングとして各時刻t21〜t28を設定する。相切替えタイマTM2の設定に基づいて、図2に示される各相端子95U、95V、95Wの状態制御を行う三相の相切替え信号SU、SV、SWが生成される。   The phase switching timer TM2 sets a delay time Tdly corresponding to half of the cycle time T detected by the 60 ° detection timer TM1. In the example of the figure, the delay time Tdly = (T / 2) is set immediately after the time t12 with respect to the cycle time T from the time t11 to the time t12. Thereby, the time t22 when the rotor has rotated approximately 30 ° after the time t12 can be set as the energized phase switching timing. The phase switching timer TM2 performs this setting for each cycle time T, and sets each time t21 to t28 as the energized phase switching timing each time. Based on the setting of the phase switching timer TM2, three-phase phase switching signals SU, SV, and SW for controlling the states of the phase terminals 95U, 95V, and 95W shown in FIG. 2 are generated.

マスクタイマTM3は、60°検出タイマTM1が検出した周期時間Tの四分の三に相当するマスク時間Tmskを設定する。図の例では、時刻t11〜時刻t12までの周期時間Tに対して、マスク時間Tmsk=(3T/4)を時刻t12の直後に設定する。これにより、時刻t12〜時刻t32までの間、位置検出部47が休止する。このマスク時間Tmskの設定は、毎回の周期時間Tに対して行われる。   The mask timer TM3 sets a mask time Tmsk corresponding to three quarters of the cycle time T detected by the 60 ° detection timer TM1. In the example of the figure, the mask time Tmsk = (3T / 4) is set immediately after the time t12 for the cycle time T from the time t11 to the time t12. As a result, the position detection unit 47 pauses from time t12 to time t32. The mask time Tmsk is set for each cycle time T.

なお、これに限定されず、電源電圧E拘束状態およびゼロ電圧拘束状態が120°よりも長くなるように制御してもよい。また、相切替えタイマTM2の遅延時間Tdly、およびマスクタイマTM3のマスク時間Tmskも、上述以外の設定にしてもよい。   However, the present invention is not limited to this, and the power supply voltage E constraint state and the zero voltage constraint state may be controlled to be longer than 120 °. Further, the delay time Tdly of the phase switching timer TM2 and the mask time Tmsk of the mask timer TM3 may be set other than those described above.

次に、回転位置検出が正常のときと異常のときの違いについて例示説明する。図6は、回転位置検出が正常のときの位置検出回路4の波形図であり、図7は、回転位置検出が異常のときの位置検出回路4の波形図である。図6および図7で、横軸は共通の時間軸であり、波形は上段が合成電圧Vmixおよび中間レベル値VM、中段が位置信号SX、下段が特定位置検出信号SYである。   Next, the difference between when the rotational position detection is normal and when it is abnormal will be described as an example. FIG. 6 is a waveform diagram of the position detection circuit 4 when the rotational position detection is normal, and FIG. 7 is a waveform diagram of the position detection circuit 4 when the rotational position detection is abnormal. 6 and 7, the horizontal axis is a common time axis, and the waveform of the upper stage is the combined voltage Vmix and the intermediate level value VM, the middle stage is the position signal SX, and the lower stage is the specific position detection signal SY.

図6に示される回転位置検出が正常のとき、時刻t41に合成電圧Tmixが増加しながら中間レベル値VMに交わり、位置信号SXが立ち上がっている。そして、その直後のパルス幅変調信号PWMの立下り時刻t42に、特定位置検出信号SYが立ち上がっている。時刻t42からマスク時間Tmsk1が始まり、マスク時間Tmsk1内の時刻t43に発生した逆起電圧波形Zは位置検出部47では検出されない。マスク時間Tmsk1が終了した後の時刻t44に、合成電圧Tmixが減少しながら中間レベル値VMに交わり、位置信号SXが立ち下がっている。そして、その直後のパルス幅変調信号PWMの立下り時刻t45に、特定位置検出信号SYが立ち下がり、マスク時間Tmsk2が始まっている。図6に示されるように、回転位置検出が良好なとき、逆起電圧波形Zの発生時刻t43と位置検出タイミングt42、t45とが発生時間差を有し、この発生時間差は電気角の概ね30°分に相当する。   When the rotational position detection shown in FIG. 6 is normal, the composite voltage Tmix increases at the time t41, intersects the intermediate level value VM, and the position signal SX rises. The specific position detection signal SY rises at the fall time t42 of the pulse width modulation signal PWM immediately after that. The mask time Tmsk1 starts from time t42, and the back electromotive voltage waveform Z generated at time t43 within the mask time Tmsk1 is not detected by the position detector 47. At time t44 after the mask time Tmsk1 ends, the combined voltage Tmix decreases while crossing the intermediate level value VM, and the position signal SX falls. Then, at the falling time t45 of the pulse width modulation signal PWM immediately after that, the specific position detection signal SY falls and the mask time Tmsk2 starts. As shown in FIG. 6, when the rotational position detection is good, the generation time t43 of the counter electromotive voltage waveform Z and the position detection timings t42 and t45 have a generation time difference, and this generation time difference is approximately 30 ° of the electrical angle. Corresponds to minutes.

これに対して、図7は、モータ9の出力軸が異物を噛み込んで回転していないときの回転位置検出の異常を表している。このとき、ロータは回転せずに微振動を繰り返ので、電機子巻線92、93、94が微振動して、合成電圧Tmixには発生頻度の高いノイズ電圧が誘起される。図示されるように、合成電圧Tmixは中間レベル値VMと多頻度で交差し、位置信号SXは多頻度でハイレベルおよびローレベルにレベル変化する。図の例では、マスク時間Tmsk3が終了した直後のパルス幅変調信号PWMの立下り時刻t51に、すぐに位置検出部47で位置検出が行われて特定位置検出信号SYが立ち上がる。   On the other hand, FIG. 7 shows an abnormality in rotational position detection when the output shaft of the motor 9 is not rotating due to a foreign object. At this time, since the rotor does not rotate and repeats a slight vibration, the armature windings 92, 93, and 94 vibrate slightly, and a noise voltage having a high frequency of occurrence is induced in the composite voltage Tmix. As shown in the figure, the combined voltage Tmix frequently intersects the intermediate level value VM, and the position signal SX frequently changes to a high level and a low level. In the example shown in the figure, at the falling time t51 of the pulse width modulation signal PWM immediately after the mask time Tmsk3 ends, the position detection is immediately performed by the position detection unit 47, and the specific position detection signal SY rises.

このとき、60°検出タイマTM1で検出される周期時間Tは本来の時間よりも短くなり、本来よりも短い時間間隔で相切り替えが行われ、次のマスク時間Tmsk4も短縮される。さらに、次のマスク時間Tmsk4が終了した直後のパルス幅変調信号PWMの立下り時刻t52に、すぐに位置検出部47で位置検出が行われて特定位置検出信号SYが立ち下がる。したがって、周期時間Tは一層短くなり、次のマスク時間Tmsk5も一層短縮される。このように誤った回転位置検出が繰り返され、ロータが回転していないにもかかわらず誤った大きな回転速度を認識することになり、通電相の切り替えが頻繁に行われる。   At this time, the period time T detected by the 60 ° detection timer TM1 becomes shorter than the original time, phase switching is performed at a time interval shorter than the original time, and the next mask time Tmsk4 is also shortened. Further, at the falling time t52 of the pulse width modulation signal PWM immediately after the end of the next mask time Tmsk4, the position detection unit 47 immediately detects the position and the specific position detection signal SY falls. Therefore, the cycle time T is further shortened, and the next mask time Tmsk5 is further shortened. In this manner, erroneous detection of the rotational position is repeated, and an erroneously large rotational speed is recognized even though the rotor is not rotating, and the energized phase is frequently switched.

上述の誤った回転位置検出による脱調状態、あるいはその前駆状態は、従来技術では判定が難しかった。そこで、本実施形態のセンサレスブラシレスモータの駆動装置1では、逆起電圧検出回路6および異常判定部7をさらに備えるようにした。   The step-out state due to the erroneous rotation position detection described above or the precursor state thereof has been difficult to determine in the prior art. Therefore, the sensorless brushless motor driving apparatus 1 according to the present embodiment further includes a back electromotive voltage detection circuit 6 and an abnormality determination unit 7.

逆起電圧検出回路6は、通電相の切替えタイミングの直後に端子95U、95V、95Wに発生する正側逆起電圧VPrおよび負側逆起電圧VNrを検出する回路である。逆起電圧検出回路6は、三相で同じ回路構成とされ、図1に代表として示されたU相について詳述する。図示されるように、逆起電圧検出回路6は、正側トランジスタ素子61、正側検出部62、負側トランジスタ素子63、および負側検出部64などで回路構成されている。   The counter electromotive voltage detection circuit 6 is a circuit that detects a positive counter electromotive voltage VPr and a negative counter electromotive voltage VNr generated at the terminals 95U, 95V, and 95W immediately after the energized phase switching timing. The counter electromotive voltage detection circuit 6 has the same circuit configuration in three phases, and the U phase shown as a representative in FIG. 1 will be described in detail. As shown in the figure, the back electromotive voltage detection circuit 6 includes a positive side transistor element 61, a positive side detection unit 62, a negative side transistor element 63, a negative side detection unit 64, and the like.

正側トランジスタ素子61には、一般的なPNP型バイポーラトランジスタを用いることができる。正側トランジスタ素子61のエミッタE1は、抵抗r1を介してステータ91のU相端子95Uに接続されており、U相端子電圧VUが入力される。正側トランジスタ素子61のベースB1は直流電源装置26の正側端子26Pに接続され、コレクタC1は正側検出部62に接続されている。正側検出部62は、コレクタC1に流れるコレクタ電流の大小を判定し、コレクタ電流が大きい時間帯だけ正側逆起電圧検出信号SPを異常判定部7に送出する。   As the positive side transistor element 61, a general PNP type bipolar transistor can be used. The emitter E1 of the positive-side transistor element 61 is connected to the U-phase terminal 95U of the stator 91 via the resistor r1, and receives the U-phase terminal voltage VU. The base B1 of the positive transistor element 61 is connected to the positive terminal 26P of the DC power supply device 26, and the collector C1 is connected to the positive detector 62. The positive side detection unit 62 determines the magnitude of the collector current flowing through the collector C1, and sends the positive side counter electromotive voltage detection signal SP to the abnormality determination unit 7 only during a time period when the collector current is large.

負側トランジスタ素子63には、一般的なNPN型バイポーラトランジスタを用いることができる。負側トランジスタ素子63のエミッタE3は、抵抗r3を介してU相端子95Uに接続されており、U相端子電圧VUが入力される。負側トランジスタ素子63のベースB3は接地点に接地され、コレクタC3は負側検出部64に接続されている。負側検出部64は、コレクタC3に流れるコレクタ電流の大小を判定し、コレクタ電流が大きい時間帯だけ負側逆起電圧検出信号SNを異常判定部7に送出する。   As the negative side transistor element 63, a general NPN type bipolar transistor can be used. The emitter E3 of the negative-side transistor element 63 is connected to the U-phase terminal 95U via the resistor r3, and receives the U-phase terminal voltage VU. The base B3 of the negative side transistor element 63 is grounded to the ground point, and the collector C3 is connected to the negative side detector 64. The negative side detection unit 64 determines the magnitude of the collector current flowing through the collector C3, and sends the negative side counter electromotive voltage detection signal SN to the abnormality determination unit 7 only during a time period when the collector current is large.

図8は、逆起電圧検出回路6の機能を説明する図であり、(1)は正側逆起電圧発生時、(2)は負側逆起電圧発生時を示している。図8の(1)で、期間1)の最初の瞬間にU相負側スイッチング素子23Uが導通状態から遮断状態に制御され、WU間電機子巻線94の通電電流が遮断された場合を考える。WU間電機子巻線94の通電電流はそのまま流れ続けようとするので、U相端子95Uに正側逆起電圧VPrが発生する。正側逆起電圧VPrは直流電源装置26の正側端子26Pの電源電圧Eを越えるので、U相正側スイッチング素子22Uのダイオード部28を経由して常時と逆方向の電流IPrが流れる。電流IPrはU相端子95Uから正側端子26Pへと流れ、U相端子95Uの正側逆起電圧VPrは、電源電圧Eよりもダイオード部29の順方向電圧降下Vdだけ高くなり、過大にはならない。この正側逆起電圧VPrが、逆起電圧検出回路6の正側トランジスタ素子61のエミッタE1に入力される。   8A and 8B are diagrams for explaining the function of the back electromotive voltage detection circuit 6. FIG. 8A shows the time when a positive back electromotive voltage is generated, and FIG. 8B shows the time when a negative back electromotive voltage is generated. Consider the case where the U-phase negative side switching element 23U is controlled from the conductive state to the cut-off state at the first instant of period 1) in FIG. 8 (1), and the energization current of the WU armature winding 94 is cut off. . Since the energization current of the inter-WU armature winding 94 continues to flow as it is, the positive counter electromotive voltage VPr is generated at the U-phase terminal 95U. Since the positive side counter electromotive voltage VPr exceeds the power supply voltage E of the positive side terminal 26P of the DC power supply device 26, a current IPr in a direction opposite to the normal direction flows through the diode portion 28 of the U-phase positive side switching element 22U. The current IPr flows from the U-phase terminal 95U to the positive terminal 26P, and the positive counter electromotive voltage VPr of the U-phase terminal 95U is higher than the power supply voltage E by the forward voltage drop Vd of the diode unit 29, which is excessively large. Don't be. The positive counter electromotive voltage VPr is input to the emitter E1 of the positive transistor element 61 of the counter electromotive voltage detection circuit 6.

正側トランジスタ素子61のエミッタE1のエミッタ電圧は、通常時は電源電圧Eと同程度かそれ以下になっており、コレクタC1に流れるコレクタ電流IC1はベース電流のみで小さい。ここで、エミッタE1に正側逆起電圧VPrが入力されると、スイッチ作用が生じて大きなエミッタ電流が流れ、コレクタ電流IC1はベース電流とエミッタ電流との和となって顕著に増加する。正側検出部62は、大きなコレクタ電流IC1が流れている時間帯だけ正側逆起電圧検出信号SPを異常判定部7に送出する。これにより、異常判定部7は、正側逆起電圧VPrの発生時間帯を認識できる。   The emitter voltage of the emitter E1 of the positive side transistor element 61 is normally equal to or lower than the power supply voltage E, and the collector current IC1 flowing through the collector C1 is small only by the base current. Here, when the positive-side counter electromotive voltage VPr is input to the emitter E1, a switching action occurs, a large emitter current flows, and the collector current IC1 increases remarkably as the sum of the base current and the emitter current. The positive side detection unit 62 sends the positive side back electromotive voltage detection signal SP to the abnormality determination unit 7 only during a time period in which a large collector current IC1 is flowing. Thereby, the abnormality determination part 7 can recognize the generation | occurrence | production time zone of the positive side back electromotive voltage VPr.

図8の(2)に示される負側逆起電圧VNrの発生時も、正側逆起電圧VPrの発生時と類似している。詳述すると、期間4)の最初の瞬間にU相正側スイッチング素子22Uが導通状態から遮断状態に制御され、UV間電機子巻線92の通電電流が遮断された場合を考える。UV間電機子巻線92の通電電流はそのまま流れ続けようとするので、U相端子95Uに負側逆起電圧VNrが発生する。負側逆起電圧VNrは接地点のゼロ電圧よりも低くなるので、U相負側スイッチング素子23Uのダイオード部29を経由して常時と逆方向の電流INrが流れる。電流INrは接地点からU相端子95Uへと流れ、U相端子95Uの負側逆起電圧VNrは、ゼロ電圧よりもダイオード部29の順方向電圧降下Vdだけ低くなり、過大にはならない。この負側逆起電圧VNrが、逆起電圧検出回路6の負側トランジスタ素子63のエミッタE3に入力される。   The generation of the negative counter electromotive voltage VNr shown in (2) of FIG. 8 is similar to the generation of the positive counter electromotive voltage VPr. More specifically, let us consider a case where the U-phase positive side switching element 22U is controlled from the conductive state to the cut-off state at the first moment of the period 4), and the conduction current of the UV armature winding 92 is cut off. Since the energization current of the UV armature winding 92 continues to flow as it is, the negative counter electromotive voltage VNr is generated at the U-phase terminal 95U. Since the negative side counter electromotive voltage VNr is lower than the zero voltage at the ground point, a current INr in the direction opposite to that of the normal current flows through the diode portion 29 of the U phase negative side switching element 23U. The current INr flows from the ground point to the U-phase terminal 95U, and the negative-side counter electromotive voltage VNr of the U-phase terminal 95U is lower than the zero voltage by the forward voltage drop Vd of the diode portion 29 and does not become excessive. The negative counter electromotive voltage VNr is input to the emitter E3 of the negative transistor element 63 of the counter electromotive voltage detection circuit 6.

負側トランジスタ素子63のエミッタE3のエミッタ電圧は、通常時はゼロ電圧かそれ以上になっており、コレクタC3に流れるコレクタ電流IC3はベース電流のみで小さい。ここで、エミッタE3に負側逆起電圧VNrが入力されると、スイッチ作用が生じて大きなエミッタ電流が流れ、コレクタ電流IC3はベース電流とエミッタ電流との和となって顕著に増加する。負側検出部64は、大きなコレクタ電流IC3が流れている時間帯だけ負側逆起電圧検出信号SNを異常判定部7に送出する。これにより、異常判定部7は、負側逆起電圧VNrの発生時間帯を認識できる。   The emitter voltage of the emitter E3 of the negative side transistor element 63 is normally zero voltage or higher, and the collector current IC3 flowing through the collector C3 is small only by the base current. Here, when the negative counter electromotive voltage VNr is input to the emitter E3, a switching action occurs and a large emitter current flows, and the collector current IC3 increases remarkably as the sum of the base current and the emitter current. The negative side detection unit 64 sends the negative side back electromotive voltage detection signal SN to the abnormality determination unit 7 only during a time period during which a large collector current IC3 flows. Thereby, the abnormality determination part 7 can recognize the generation | occurrence | production time zone of the negative side back electromotive voltage VNr.

異常判定部7は、逆起電圧検出回路6が逆起電圧VPr、VNrを検出している時間帯と、位置検出回路4の位置検出タイミングとを比較して、回転位置検出の異常の有無を判定する部位である。本実施形態で、異常判定部7は、逆起電圧検出回路6から正側逆起電圧検出信号SPおよび負側逆起電圧検出信号SNを受け取り、位置検出回路4から特定位置検出信号SYを受け取る。そして、異常判定部7は、マスク時間Tmskを除いた時間で逆起電圧を検出している時間帯に位置検出タイミングが重なったとき、換言すれば、正側逆起電圧検出信号SPおよび負側逆起電圧検出信号SNに特定位置検出信号SYが重なったとき、回転位置検出の異常が発生したと判定する。   The abnormality determination unit 7 compares the time zone in which the counter electromotive voltage detection circuit 6 detects the counter electromotive voltages VPr and VNr with the position detection timing of the position detection circuit 4 to determine whether there is an abnormality in rotational position detection. It is a part to be determined. In the present embodiment, the abnormality determination unit 7 receives the positive counter electromotive voltage detection signal SP and the negative counter electromotive voltage detection signal SN from the counter electromotive voltage detection circuit 6, and receives the specific position detection signal SY from the position detection circuit 4. . Then, when the position detection timing overlaps the time zone in which the counter electromotive voltage is detected in the time excluding the mask time Tmsk, in other words, the abnormality determination unit 7 is, in other words, the positive side counter electromotive voltage detection signal SP and the negative side. When the specific position detection signal SY overlaps the back electromotive voltage detection signal SN, it is determined that an abnormality in rotational position detection has occurred.

なお、異常判定部7の判定方法は上述に限定されず、別の判定方法を用いてもよい。回転位置検出が正常であれば、逆起電圧VPr、VNrに対して位置検出タイミングは電気角の約30°に相当する時間だけ遅れるので、異常判定部7はこの条件が満たされているか否かを判定できればよい。上述した判定方法は、電気角の30°分に相当する遅れが無くなった顕著な異常状態を検出する簡易な一方法である。   In addition, the determination method of the abnormality determination part 7 is not limited to the above, You may use another determination method. If the rotational position detection is normal, the position detection timing is delayed by a time corresponding to about 30 ° of the electrical angle with respect to the counter electromotive voltages VPr and VNr. Therefore, the abnormality determination unit 7 determines whether or not this condition is satisfied. Can be determined. The determination method described above is a simple method for detecting a remarkable abnormal state in which there is no delay corresponding to 30 ° of the electrical angle.

図9は、回転位置検出の異常状態を例示説明する波形図である。図の横軸は時間軸であり、U相端子電圧VUの波形、中間レベル値VM、位置検出タイミングt62、64、および通電相切替えタイミングt61、t63、t65が示されている。図9は、図7に示された回転位置検出の異常状態がさらに進行した状態を示している。   FIG. 9 is a waveform diagram illustrating an abnormal state of rotational position detection. The horizontal axis in the figure is the time axis, and shows the waveform of the U-phase terminal voltage VU, the intermediate level value VM, the position detection timings t62 and 64, and the energized phase switching timings t61, t63, and t65. FIG. 9 shows a state where the abnormal state of the rotational position detection shown in FIG. 7 has further progressed.

図9の時刻t61に通電相が切替えられると、U相端子電圧VUの波形上に正側逆起電圧VPrが発生する。前述したように、正側逆起電圧VPrは、電源電圧Eよりもダイオード部28の順方向電圧降下Vdだけ高い。正側逆起電圧VPrの発生中にマスク時間Tmsk6が終了すると、直後の時刻t62にノイズ電圧で誤った位置検出が行われる(図7と同様)。誤った位置検出により、時刻t62以降のマスク時間Tmsk7が設定され、時刻t63に通電相の切替えが行われる。時刻t63において正側逆起電圧VPrは継続中であり、通電相の切替えによって負側逆起電圧VNrが発生する。   When the energized phase is switched at time t61 in FIG. 9, a positive counter electromotive voltage VPr is generated on the waveform of the U-phase terminal voltage VU. As described above, the positive counter electromotive voltage VPr is higher than the power supply voltage E by the forward voltage drop Vd of the diode unit 28. When the mask time Tmsk6 ends during the generation of the positive-side back electromotive voltage VPr, erroneous position detection is performed with the noise voltage immediately after time t62 (similar to FIG. 7). Due to erroneous position detection, a mask time Tmsk7 after time t62 is set, and the energized phase is switched at time t63. At time t63, the positive counter electromotive voltage VPr is continuing, and the negative counter electromotive voltage VNr is generated by switching the energized phase.

以下同様に、負側逆起電圧VNrの発生中にマスク時間Tmsk7が終了すると、直後の時刻t64にノイズ電圧で誤った位置検出が行われる(図7と同様)。誤った位置検出により、時刻t64以降のマスク時間Tmsk8が設定され、時刻t65に通電相の切替えが行われる。時刻t65において負側逆起電圧VNrは継続中であり、通電相の切替えによって正側逆起電圧VPrが発生する。   Similarly, when the mask time Tmsk7 ends during the generation of the negative side counter electromotive voltage VNr, erroneous position detection is performed with the noise voltage immediately after time t64 (similar to FIG. 7). Due to erroneous position detection, a mask time Tmsk8 after time t64 is set, and the energized phase is switched at time t65. At time t65, the negative counter electromotive voltage VNr is continuing, and the positive counter electromotive voltage VPr is generated by switching the energized phase.

図9において、異常判定部7は、逆起電圧検出回路6が正側逆起電圧VPrを検出している時間帯(時刻t61〜t63)の正側逆起電圧検出信号SPと、位置検出部4の特定位置検出信号SYの位置検出タイミング(時刻t62)とが重なっていることから、回転位置検出の異常を判定できる。同様に、異常判定部7は、負側逆起電圧VNrを検出している時間帯(時刻t63〜t65)の負側逆起電圧検出信号SNと、位置検出部4の特定位置検出信号SYの位置検出タイミング(時刻t64)とが重なっていることから、回転位置検出の異常を判定できる。異常判定部7は、異常と判定したときに、予め定められた異常時処理を行う。例えば、インバータ制御回路3をリセットして再起動したり、警報を発したりする。   In FIG. 9, the abnormality determination unit 7 includes a positive side counter electromotive voltage detection signal SP in a time zone (time t61 to t63) in which the counter electromotive voltage detection circuit 6 detects the positive side counter electromotive voltage VPr, and a position detection unit. Since the position detection timing (time t62) of the 4 specific position detection signal SY overlaps, it is possible to determine the abnormality of the rotational position detection. Similarly, the abnormality determination unit 7 compares the negative side counter electromotive voltage detection signal SN in the time zone (time t63 to t65) during which the negative side electromotive voltage VNr is detected and the specific position detection signal SY of the position detection unit 4. Since the position detection timing (time t64) overlaps, it is possible to determine the abnormality of the rotational position detection. The abnormality determination unit 7 performs predetermined abnormality processing when it is determined that there is an abnormality. For example, the inverter control circuit 3 is reset and restarted, or an alarm is issued.

図9に示された回転位置検出の異常は、従来技術では判定することが難しく、本実施形態の異常判定部7により判定できるようになった。これにより、センサレスブラシレスモータ9の回転位置検出の信頼性が高められた。さらには、回転位置の誤検出によって引き起こされる脱調状態、あるいはその前駆状態が継続することを防止できるようになった。加えて、異常判定部7は、逆起電圧を検出している時間帯に位置検出タイミングが重なったときに回転位置検出の異常が発生したと判定し、このタイミングの重なりは正常時には生じ得ないことから、確実に異常を判定できる。   The abnormality in rotational position detection shown in FIG. 9 is difficult to determine with the prior art, and can be determined by the abnormality determination unit 7 of the present embodiment. Thereby, the reliability of the rotational position detection of the sensorless brushless motor 9 was improved. Furthermore, it has become possible to prevent the step-out state caused by the erroneous detection of the rotational position or its precursor state from continuing. In addition, the abnormality determination unit 7 determines that an abnormality in rotational position detection has occurred when the position detection timing overlaps in the time zone in which the back electromotive voltage is detected, and this timing overlap cannot occur at normal times. Therefore, the abnormality can be determined with certainty.

また、インバータ回路2のスイッチング素子22U、23Uに内包されたダイオード部29の順方向電圧降下Vdに合わせて適正に逆起電圧検出回路6を構成できるので、逆起電圧を確実に検出して、回転位置検出の良否判定を行うことができる。さらに、逆起電圧検出回路6は、正側トランジスタ素子61および負側トランジスタ素子63を含んで簡単に構成できる。また、特許文献1の電流検出手段や複雑なベクトル制御は不要である。これらの総合的な効果として、駆動装置1のコストの増加を抑制できる。加えて、本実施形態では、マスクタイマTM3による逆起電圧VPr、VNrのマスク機能を併用しており、上記した各効果が一層顕著になる。   In addition, since the back electromotive voltage detection circuit 6 can be appropriately configured according to the forward voltage drop Vd of the diode part 29 included in the switching elements 22U and 23U of the inverter circuit 2, the back electromotive voltage can be reliably detected, Whether the rotational position is detected or not can be determined. Further, the back electromotive voltage detection circuit 6 can be simply configured including the positive side transistor element 61 and the negative side transistor element 63. Moreover, the current detection means and complicated vector control of Patent Document 1 are not required. As these comprehensive effects, an increase in the cost of the driving device 1 can be suppressed. In addition, in the present embodiment, the mask function of the counter electromotive voltages VPr and VNr by the mask timer TM3 is used in combination, and the above-described effects become more remarkable.

なお、実施形態の逆起電圧回路6の構成や異常判定部7の判定方法は適宜変更することができる。また、通電タイミング回路5における通電時間幅や相切替えタイマTM2の遅延時間TdlyおよびマスクタイマTM3のマスク時間Tmskの設定を変更することもできる。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。   The configuration of the back electromotive voltage circuit 6 and the determination method of the abnormality determination unit 7 according to the embodiment can be changed as appropriate. In addition, the setting of the energization time width in the energization timing circuit 5, the delay time Tdly of the phase switching timer TM2, and the mask time Tmsk of the mask timer TM3 can be changed. Various other applications and modifications are possible for the present invention.

1:センサレスブラシレスモータの駆動装置
2:インバータ回路
21P:入力端子 21N:接地端子
22U:U相正側スイッチング素子 23U:U相負側スイッチング素子
24U:U相出力端子 25U、25V、25W:電源線
26:直流電源装置 26P:正側端子 26N:負側端子
27:スイッチング部 28:ダイオード部
3:インバータ制御回路
4:位置検出回路
41U、41V、41W:合成抵抗 42:合成点
44:比較器 45:出力端子 47:位置検出部
5:通電タイミング回路
6:逆起電圧検出回路
61:正側トランジスタ素子 62:正側検出部
63:負側トランジスタ素子 64:負側検出部
7:異常判定部
9:センサレスブラシレスモータ
91:ステータ
92、93、94:UV間、VW間、WU間電機子巻線
95U、95V、95W:U相、V相、W相端子
E:電源電圧 VU、VV、VW:U相、V相、W相端子電圧
viU、viV、viW:U相、V相、W相誘起電圧
Vmix:合成電圧 VM:中間レベル値
SC:通電制御信号 PWM:パルス幅変調信号
SU、SV、SW:U相、V相、W相切替え信号
SX:位置信号 SY:特定位置検出信号
Z:逆起電圧波形 VPr:正側逆起電圧 VNr:負側逆起電圧
1: Sensorless brushless motor drive device 2: Inverter circuit
21P: Input terminal 21N: Ground terminal
22U: U-phase positive switching element 23U: U-phase negative switching element
24U: U-phase output terminal 25U, 25V, 25W: Power line
26: DC power supply device 26P: positive terminal 26N: negative terminal
27: Switching unit 28: Diode unit 3: Inverter control circuit 4: Position detection circuit
41U, 41V, 41W: Composite resistance 42: Composite point
44: Comparator 45: Output terminal 47: Position detection unit 5: Energization timing circuit 6: Back electromotive voltage detection circuit
61: Positive side transistor element 62: Positive side detection unit
63: Negative side transistor element 64: Negative side detection unit 7: Abnormality determination unit 9: Sensorless brushless motor
91: Stator
92, 93, 94: Armature winding between UV, VW, WU
95U, 95V, 95W: U phase, V phase, W phase terminal E: Power supply voltage VU, VV, VW: U phase, V phase, W phase terminal voltage viU, viV, viW: U phase, V phase, W phase induction Voltage Vmix: Composite voltage VM: Intermediate level value SC: Energization control signal PWM: Pulse width modulation signal SU, SV, SW: U phase, V phase, W phase switching signal SX: Position signal SY: Specific position detection signal Z: Reverse Electromotive voltage waveform VPr: Positive counter electromotive voltage VNr: Negative counter electromotive voltage

Claims (5)

三相の電機子巻線を有するステータおよび磁極対を有するロータを備えたセンサレスブラシレスモータの前記電機子巻線の端子に、パルス幅変調信号のデューティオン時間帯に通電するインバータ回路と、
指示されたデューティ比に基づき、前記パルス幅変調信号を生成して前記インバータ回路に指令するインバータ制御回路と、
前記パルス幅変調信号で動作し、通電されていない時間帯に前記端子に誘起される誘起電圧を検出し、前記誘起電圧に基づいて前記ロータの回転位置を検出する位置検出回路と、
前記位置検出回路が前記ロータの回転位置を検出した位置検出タイミングに基づき、前記端子間で通電相を切り替える切替えタイミングを設定して前記インバータ制御回路に指令する通電タイミング回路と、を備えたセンサレスブラシレスモータの駆動装置であって、
前記切替えタイミングの直後に前記端子に発生する逆起電圧を検出する逆起電圧検出回路と、
前記逆起電圧検出回路が前記逆起電圧を検出している時間帯と、前記位置検出回路の前記位置検出タイミングとを比較して、回転位置検出の異常の有無を判定する異常判定部と、をさらに備えたセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
An inverter circuit for energizing a terminal of the armature winding of a sensorless brushless motor having a stator having a three-phase armature winding and a rotor having a magnetic pole pair during a duty-on time zone of a pulse width modulation signal;
An inverter control circuit for generating the pulse width modulation signal and instructing the inverter circuit based on the instructed duty ratio;
A position detection circuit that operates with the pulse width modulation signal, detects an induced voltage induced in the terminal in a non-energized time zone, and detects a rotational position of the rotor based on the induced voltage;
A sensorless brushless comprising: an energization timing circuit that sets a switching timing for switching an energization phase between the terminals and commands the inverter control circuit based on a position detection timing at which the position detection circuit detects the rotational position of the rotor A motor drive device,
A counter electromotive voltage detection circuit for detecting a counter electromotive voltage generated at the terminal immediately after the switching timing;
An abnormality determination unit that compares the time zone in which the counter electromotive voltage detection circuit detects the counter electromotive voltage and the position detection timing of the position detection circuit to determine whether there is an abnormality in rotational position detection; A sensorless brushless motor drive device further comprising:
請求項1において、前記異常判定部は、前記逆起電圧を検出している時間帯に前記位置検出タイミングが重なったときに、回転位置検出の異常が発生したと判定するセンサレスブラシレスモータの駆動装置。   The sensorless brushless motor drive device according to claim 1, wherein the abnormality determination unit determines that an abnormality in rotational position detection has occurred when the position detection timing overlaps in a time zone in which the back electromotive voltage is detected. . 請求項1または2において、
前記インバータ回路は、前記パルス幅変調信号により導通状態および遮断状態が選択的に制御されるスイッチング部、および前記スイッチング部に並列接続されて前記逆起電圧による通電を許容するダイオード部をそれぞれ内包した6個のスイッチング素子が直流電源に三相ブリッジ接続されて構成されており、
前記逆起電圧検出回路は、前記端子の電圧が前記直流電源の正側端子の電圧よりも大きくなる正側逆起電圧、および前記端子の電圧が前記直流電源の負側端子の電圧よりも小さくなる負側逆起電圧の少なくとも一方を検出するセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
In claim 1 or 2,
The inverter circuit includes a switching unit in which a conduction state and a cutoff state are selectively controlled by the pulse width modulation signal, and a diode unit that is connected in parallel to the switching unit and allows energization by the counter electromotive voltage. Six switching elements are connected to a DC power supply in a three-phase bridge connection.
The counter electromotive voltage detection circuit includes a positive counter electromotive voltage at which the voltage at the terminal is larger than a voltage at the positive terminal of the DC power supply, and a voltage at the terminal is smaller than a voltage at the negative terminal of the DC power supply. A sensorless brushless motor driving device that detects at least one of the negative counter electromotive voltages.
請求項3において、前記逆起電圧検出回路は、
前記端子と前記直流電源の正側端子との間に接続され、前記正側逆起電圧によりスイッチ作用が生じる正側トランジスタ素子および、
前記端子と前記直流電源の負側端子との間に接続され、前記負側逆起電圧によりスイッチ作用が生じる負側トランジスタ素子の少なくとも一方を含んで構成されるセンサレスブラシレスモータの駆動装置。
The back electromotive force detection circuit according to claim 3,
A positive-side transistor element connected between the terminal and the positive-side terminal of the DC power source, and generating a switching action by the positive-side counter-electromotive voltage; and
A sensorless brushless motor driving apparatus including at least one of negative-side transistor elements connected between the terminal and a negative-side terminal of the DC power source and generating a switching action by the negative-side counter-electromotive voltage.
請求項1〜4のいずれか一項において、前記位置検出回路は、前記位置検出タイミングの直後から所定のマスク時間だけ休止して、前記逆起電圧による誤った回転位置検出を回避するセンサレスブラシレスモータの駆動装置。   5. The sensorless brushless motor according to claim 1, wherein the position detection circuit pauses for a predetermined mask time immediately after the position detection timing to avoid erroneous rotation position detection due to the counter electromotive voltage. 6. Drive device.
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