JP5998434B2 - ブラシレスｄｃモータのセンサレス制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、ブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置に関し、特に、油の吸入および吐出を行うポンプを駆動するのに適したブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置に関する。

自動車のトランスミッションには油圧ポンプにより油圧が供給されるが、省エネルギなどの観点から停車時にエンジンを停止するいわゆるアイドルストップ（アイドリングストップ）を行う自動車では、アイドルストップ時にもトランスミッションへの油圧供給を確保するために、電動油圧ポンプが使用されるようになっている。

自動車に搭載されるポンプ駆動用電動モータとして、ブラシレスＤＣモータが用いられるようになっている。また、回転位置検出センサを用いずにモータを駆動するいわゆるセンサレス制御が行われている。

ブラシレスＤＣモータをセンサレス制御するためには、ロータの回転位置を推定して回転位置検出センサからの回転位置信号に相当する回転位置推定信号を生成する必要がある。回転位置推定信号の推定は、一般に、モータの３相の誘起電圧を用いて行われるが、モータの起動時において、ロータが回転していないか低速で回転している間は、誘起電圧が０か低い値であるため、回転位置推定信号を生成することができない。このため、３相への通電パターンを一定周期で強制的に切り換えることにより、回転磁界を発生させて、ロータを強制的に連れ回りさせる強制転流が行われるようになっている（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１のセンサレス制御装置では、ブラシレスＤＣモータを所定回転数で回転させて、ロータ位置が検出可能かどうかを判定し、ロータ位置が可能となったときに強制転流モードからセンサレス制御モードに移行するものとされている。

特開２００５−２７８３２０号公報

上記の従来のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置を自動車のトランスミッションの油圧ポンプ駆動用のブラシレスＤＣモータに適用した場合、油温が低い（油圧負荷が高い）ときには、強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行がスムーズに行われないという問題があった。

すなわち、従来のものでは、ロータ位置が検出されたことでセンサレス制御に移行した後、ロータ位置が検出できなくなることがあり、この場合には、センサレス制御ができなくなり、起動時に速やかに油圧を上昇させることが困難であった。

そこで、油温が低くても検出ミスを起こさないようにするために、強制転流モードにおけるロータの回転数を高く設定することが考えられるが、そうすると、ロータが磁極変化に追従できず、脱調しやすいという問題があった。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行がスムーズに行われるブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置を提供することにある。

この発明によるブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置は、起動時に強制転流モードとしてブラシレスＤＣモータを回転させ、ロータ位置が検出可能となった場合に、センサレス制御モードに移行するブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置において、強制転流モードは、所定回転数から始めて所定上昇幅で回転数を増加して設定回転数に達するまで強制転流を行い、回転数が設定回転数に到達しかつロータ位置が可能となったときにセンサレス制御モードに移行するものとされていることを特徴とするものである。

強制転流モードは、所定回転数から始めて所定上昇幅で回転数を増加して設定回転数に達するまで強制転流を行い、回転数が設定回転数に到達しかつロータ位置が検出可能となったときにセンサレス制御モードに移行するものとされているから、強制転流開始時の回転数をモータの脱調が起こることがない所定回転数に設定することができ、また、回転数が設定回転数に到達する前に、ロータ位置が検出されることによってセンサレス制御に移行することはない。そのため、センサレス制御モードに移行後は、回転数が不足してロータ位置の検出ができなくなるという不具合が生じなくなり、強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行がスムーズなものとなる。

上記のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置は、油の吸入および吐出を行うポンプを駆動するブラシレスＤＣモータを制御するものであることが好ましい。

センサレス制御のブラシレスＤＣモータを油圧ポンプ駆動用に使用した場合、油温が低い（油圧負荷が高い）ときには、強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行がスムーズに行われないことがあるが、上記のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置によると、この問題が解消され、起動後の所要時間内に所要油圧に確実に到達させることができる。

この発明のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置によれば、上記のように、強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行がスムーズに行われる。

図１は、この発明のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置を示すブロック図である。 図２は、強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する際のステップを示すフローチャートである。 図３は、強制転流モードにおける指令回転数の時間変化の様子を示すグラフである。 図４は、ブラシレスＤＣモータを油圧ポンプ駆動用に使用した場合において、時間とともに油圧がどのように変化するかを本発明による制御と従来の制御とで比較したものである。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。

図１は、ブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置の構成を概略的に示している。

このブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置は、自動車に搭載されて油の吸入および吐出を行うポンプ(11)を駆動するブラシレスＤＣモータ(1)を、自動車に搭載されたバッテリよりなる直流電源(2)を用いて、片側ＰＷＭ方式で駆動するものであり、３相の相電圧に基づいてディジタル方式で各相の回転位置推定信号を生成する回転位置推定信号生成手段である回転位置推定信号生成装置(3)と、各相の回転位置推定信号に基づいてＰＷＭ方式で直流電源(2)から３相への通電を制御する通電制御手段である通電制御装置(4)とから構成されている。

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

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

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

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

電流検出器(7)は、電流測定回路をスイッチング回路(6)に接続してモータ電流を検出するものである。モータ(1)のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線に流れる合計電流値が電流検出器(7)により検出されている。

電流制御部(8)は、電流検出器(7)から検出されたモータ(1)の電流検出値Aと電流指令値Aaとを比較し、両者の大小関係に基づき、モータ(1)をＰＷＭ駆動するための電流制御信号Ａpwmを作成し、ＰＷＭ駆動手段(9)へ送るものである。

ＰＷＭ駆動手段(9)は、与えられた通電信号Ｃおよび電流制御信号Ａpwmに基づいて、各スイッチング素子(16)に対するスイッチング素子制御信号Ｄｕ＋、Ｄｕ−、Ｄｖ＋、Ｄｖ−、Ｄｗ＋、Ｄｗ−を作成し、ゲートドライブ回路(10)へ出力するものである。スイッチング素子制御信号はＤで総称する。

ゲートドライブ回路(10)は、与えられたスイッチング素子制御信号Ｄに基づいて、各スイッチング素子(16)をオン／オフ駆動し、モータ(1)のステータ巻線に回転磁界を発生させるものである。

図１において、起動時には、強制転流モードとされ、起動指令が通電信号生成手段(5)に与えられる。通電信号生成手段(5)は、起動指令を受けた際にメモリ内に記憶した通電パターンをＰＷＭ駆動手段(9)へ与える。これは、モータ(1)のロータ位置に関係なく行われる。回転数の増加は、周波数を上げていくことで行われ、電流については、電流制御部(8)からの電流制御信号Ａpwmによるのではなく、直流電源(2)から、ＰＷＭ駆動手段(9)のメモリ内に記憶した値に基づき、一定の電流が与えられる。この電流値は、モータの定格電流よりも大きい値とされる。ＰＷＭ駆動手段(9)は、通電信号生成手段(5)からの通電信号Ｃに基づいて、各スイッチング素子(16)に対するスイッチング素子制御信号Ｄをゲートドライブ回路(10)に出力し、これにより、各スイッチング素子(16)がオン／オフ駆動され、モータ(1)のステータ巻線に強制転流のための回転磁界が発生する。

強制転流を行うことで、モータ(1)のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗが大きくなり、これに基づいて、回転位置推定信号生成手段(3)では、各相の回転位置推定信号Ｈ（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）が生成可能（すなわち、ロータ位置の検出が可能）となる。これにより、通電信号生成手段(5)は、回転位置推定信号生成手段(3)により生成される回転位置推定信号Ｈに基づいて、通電信号Ｃを生成する。ＰＷＭ駆動手段(9)は、この通電信号Ｃおよび電流制御信号Ａpwmに基づいて、各スイッチング素子(16)に対するスイッチング素子制御信号Ｄを作成し、ゲートドライブ回路(10)に与える。こうして、強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する。

図２は、強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する際のフローチャートを示している。

同図において、起動指令(S1)に基づいて、強制転流モードが開始され、まず、指令回転数として、予め設定されている初期回転数（所定回転数）が与えられる(S2)。この回転数に対応する回転磁界がモータ(1)のステータ巻線に与えられることで、強制転流モードが実行される(S3)。次いで、指令回転数が設定回転数に到達しているかどうかが判定される(S4)。初期回転数＜設定回転数であるので、当初はＮＯと判定され、指令回転数＝初期回転数＋上昇幅として、回転数を増加する(S5)。これにより、増加させられた指令回転数に対応する回転磁界がモータ(1)のステータ巻線に与えられる。指令回転数を上昇幅ずつ増加するステップ(S5)は、指令回転数が設定回転数に到達するまで続けられる。指令回転数＝設定回転数による強制転流モードが行われると、この後の指令回転数が設定回転数に到達しているかどうかを判定するステップ(S4)で、ＹＥＳと判定され、強制転流モードが終了する。この後、ロータ位置の検出禁止処理が解除され、ロータ位置が検出できるかどうかが判定され(S6)、ＹＥＳと判定された場合には、センサレス制御モードに移行する(S7)。ロータ位置検出ステップ(S6)で、ＮＯと判定された場合には、指令回転数＝初期回転数とするステップ(S2)に戻って、再度強制転流モード(S3)が実行される。

上記のフローチャートの回転数を増加するステップ(S5)では、指令回転数は、図３に示すように変化する。すなわち、回転数の上昇幅は一定であり、回転数の増加に伴って、その回転数での強制転流時間は短くなされる。上記フローチャートによると、指令回転数が設定回転数に到達しないうちは、ロータの位置を検出するステップが実施されないことから、図３にＴで示す期間がロータ位置検出禁止時間となっている。これにより、設定回転数よりも低い指令回転数（図３にＴで示すロータ位置検出禁止時間よりも短い時間）でセンサレス制御モードに移行することはない。したがって、回転数が低いためにロータ位置が誤検出されることが回避される。

図４は、ポンプ(11)において、時間とともに油圧がどのように変化するかを求めたもので、一定回転数で強制転流し、ロータの回転位置が検出可能となったときにセンサレス制御に移行する従来の制御と比較している。

従来の制御によると、油圧ポンプ(11)を駆動するモータ(1)では、油温が低い（２５℃）場合、油圧負荷が高いため、実際のモータ回転数が十分な値に到達していない段階で、センサレス制御モードへ移行することがある。この場合、同図に破線で示すように、油圧が上昇し始めた後、低い値のまま変動するだけで、十分な大きさにすぐ到達しない。これは、回転数が低い状態だと、誘起電圧が低いため、同じ回転数でもロータ位置を検出できる時とできない時があるためと考えられる。強制転流モードにおける指令回転数を高く設定したとしても、実際のモータ回転数が十分な値に到達していない段階でセンサレス制御モードへ移行することを防止することはできない。

これに対し、この発明のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置では、上記のように、強制転流モードにおける起動回転数を少しずつ上げていく動作として、回転数が設定回転数でかつロータ位置が検出できた場合のみ、センサレス制御モードへ移行するようになっていることで、強制転流モードからセンサレスモードへの移行がスムーズなものとなっている。したがって、この発明のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置によると、同図に実線で示すように、時間とともに、油圧が増加し、短い時間で所要の基準油圧に到達していることが分かる。なお、図４において、Ｔは、強制転流モードが行われている時間（図３のＴと同じ時間すなわちロータ位置検出禁止時間）を示している。

上記において、起動時間を短縮させるために有効な設定値として、初期回転数は、脱調が起こる可能性がある最小回転数よりも若干低い値に設定され、設定回転数は、これを初期回転数とすると、脱調が起こる可能性があるが、センサレス制御に移行する回転数としては好ましい値に設定される。上昇幅は、所望のロータ位置検出禁止時間Ｔに応じて適宜設定される。すなわち、ロータ位置検出禁止時間Ｔを短くして、強制転流モードからセンサレスモードへの移行時間を短くしたい場合には、上昇幅を脱調を起こさない程度に大きく設定するとよい。

初期回転数、上昇幅および設定回転数の値は、モータごとに適宜設定され、これにより、モータが変わった場合でも、シーケンスを変更する必要がない。

上記実施形態では、車載用電動油圧ポンプ(11)の駆動用として使用されるブラシレスＤＣモータ(1)について説明したが、この発明は、１２０度通電矩形波駆動を採用するすべてのブラシレスＤＣモータのセンサレス駆動装置にも適用することができる。

なお、図１に示すブロック図において、電流制御部(8)に追加して、または、これに代えて、速度制御部を設けるようにしてもよい。速度制御部は、モータ(1)の回転子の回転速度検出値Ｓと外部から与えられた回転方向を含む回転速度設定値Ｓａとを比較し、両者の大小関係に基づいて、モータ(1)をＰＷＭ駆動するための速度制御信号Ｓｐｗｍを作成し、ＰＷＭ駆動手段(9)へ出力するものとされる。

(1) ：ブラシレスＤＣモータ、(11)：ポンプ

Claims (2)

1. 起動時に強制転流モードとしてブラシレスＤＣモータを回転させ、ロータ位置が検出可能となった場合に、センサレス制御モードに移行するブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置において、
   強制転流モードは、所定回転数から始めて所定上昇幅で回転数を増加するとともに、前記所定上昇幅で増加した回転数における強制転流時間を、当該増加した回転数の１つ前の回転数における強制転流時間よりも短くして、設定回転数に達するまで強制転流を行い、回転数が設定回転数に到達するまでをロータ位置検出禁止時間とし、
   回転数が設定回転数に到達後にロータ位置の検出禁止処理が解除され、その後ロータ位置が検出可能となったときにセンサレス制御モードに移行するものとされていることを特徴とするブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置。
2. 油の吸入および吐出を行うポンプを駆動するブラシレスＤＣモータを制御するものである請求項１のブラシレスＤＣモータのセンサレス制御装置。

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