JP6104012B2 - センサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法およびブラシレス電気モータ - Google Patents

Description

本発明は、センサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法およびブラシレス電気モータに関する。

ブラシレス電気モータ（ブラシレス直流モータ、ＢＬＤＣモータ）は、通常、複数個の位置センサーを備え、それらの位置センサーの助けで、個々のモータ相の転流時点を、あらゆる時に決定することが可能である。それらのセンサーの位置情報は、既に、静止状態の段階、すなわち、第１の回転の開始前に既に入手可能である。従って、位置センサーを装備するブラシレス直流モータは、いつでも、センサーの位置情報に応じて正確に始動及び転流できる。

ところが、ブラシレス直流モータは、位置センサーがなくても動作させることができる。その際は、いわゆるＢＥＭＦ電圧（Back Electro Motive Forceの略であって、逆起電力とも呼ばれる）を使って位置を認識する。そのＢＥＭＦ電圧は、永久磁石ロータによって誘起された電圧であって、ロータの回転時（すなわち、静止時ではない）にステータ相に印加されていて、その都度通電されていない相に於いて測定できる。その際、転流はＢＥＭＦのゼロクロス点と依存的に実行される。モータを始動する時、そして、回転数がまだ低い時は、そのようなゼロクロス点を確実に決定することはまだ不可能である。ゆえに、そのモータを始動させるには、とりあえず、位置情報がないままで転流しなければならない。そのため、そのブラシレス直流モータは、好適には、ステップモータのように、決められた転流時点で始動される。しかしながら、その際、効率は低い。

それに加えて、ロータが転流の歩調の一歩（ステップ）を飛ばすことがないことを確認し、あるいは確実にすることには、特別な困難さがある。そのことは、ＢＬＤＣモータが道程に依存した位置あるいは場所の動機で動かされ、内部の道程カウンターが転流の一歩を数えるような、実際の適用において特に重要である。モータがブロックされたことが認識されないと、内部の道程カウンターがアクチュエータの現実の道程位置に対して違いを示すが、それは動作の上でクリティカルであって、従って何れにせよ避けなければならない。

従って、本発明の課題は、モータが始動時から十分なトルクを達成し、速やか且つ制御された状態で定格回転数（所望の回転数）に達成し得るブラシレス直流モータおよびブラシレス直流モータの動作方法を提供することである。

上記課題は、本発明では、請求項1から請求項８に記載された方法、および請求項９に記載されたブラシレス直流モータによって解決される。本発明の更なる有効的な態様については従属請求項に記載されている。

本発明では、始動プロセスは三つの動作段階に分割されているが、それらの動作段階ではモータの動作が基本的に異なっているとともに、三つの動作段階が続けて実行されるようになっている。

第１の始作段階では、モータは、ステップモータのように、予め与えられた転流時間（所定の転流時間）で動作される。それらの転流時間は、例えば、モータ制御部のテーブルに保存されている。その際、モータ電流を、予め確定された値にコンスタントに調整するとよい。そうすることで、ロータが印加された回転磁界に確実にきれいに追随し、アクチュエータの最大可能トルクが超えられることも確実に阻止される。そのようにして、モータは、理想的には、加速トルクがコンスタントであって回転数は直線状に増加する。

各々の転流点は、モータがコンスタントに加速するように計算乃至は決定されている。

始動段階では、それに加えて、モータ相がゼロクロス点に関して監視される。決められた数の有効なＢＥＭＦゼロクロス点が記録されたところで、モータ制御部は第２の動作段階である加速段階に移行する。その際、ＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点の数をカウントするだけでなく、ＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点が正しい順番で想定のモータ相に現れるかを調べることが有効である。

先に通電されたモータ相をＯＦＦすることで、蓄積された電流によってモータの相インダクタンスに短時間の極性反転電圧パルス、いわゆるフライバックパルスが発生する。そのようなフライバックパルスをＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点認識と間違えるのを避けるため、モータ制御部は、ＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点を確実に認識するために、好適には、動的なフライバックパルスサプレッサーを備える。これは、通常、ゼロクロス点を認識する回路では、転流後のフライバックパルスを、後に続く有効なゼロクロス点と区別できないことから必要である。

それらのフライバックパルスは、何れにせよ、消すことが必要である。フライバックパルスの長さがインダクタンス、回転数及び電流によって変化する可能性があるため、モータ制御部は、本来のゼロクロス点の最大検出時間が確保されるよう、動的なフライバックパルスフェードアウトを活用している。それによって、通常は、例えば、フライバックパルスが長すぎるためにゼロクロス点が見過ごされるといったことが阻止される。それでもまだゼロクロス点が見過ごされるといったことが起こるのであれば、転流が自動的に継続されることで、モータがステップアウトするのを効果的に阻止できる。それによって、ＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点認識が更に改善されるので、始動段階からより速やかに離れることができる。

この段階では、モータのブロック状態を、モータ電流が急激に上昇すること、及び／または、ホールセンサー若しくはその他のロータリーエンコーダのインパルス数(モータの回転を検知して得た検知信号)を転流ステップ数と比較することで、検出できる。これによって、モータがブロックした場合、その状態を、わずかな転流ステップの後で確実に認識できる。

加速段階では、ＢＥＭＦゼロクロス点、すなわち、通電されていない相巻線のＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点は、位置フィードバックとして転流のために利用可能になっているので、ここでは、ブラシレス直流モータをセンサーレスモードで動作させることができる。すなわち、転流時点は、通電されていないステータ相に励起されたＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点によって決定される。

その際、理想的な転流時点は隣接する二つのＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点の中心に位置する。本電気モータが強制転流された始動段階から、ＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点が転流のために利用される加速段階への移行した直後にモータを、好適には、一つのＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点が認識された直後に転流する。

これは、３相モータに於ける電気角３０°の予転流に相応する。次いで、定常的段階の最中に、モータの効率及び動作信頼性を最適化する目的で、転流時点を、理想的な転流時点の方向にスライドする。すなわち、予転流は、電気角３０°よりも小さくなるが電気角０°よりは大きい。

この場合、「動的な予転流（dynamic pre-commutation ）」といった言い方をするが、それは、例えば、一つのモータ相の中の最終的な電流の上昇速度を補償するために、時間的により早めに転流が行われるからである。

その際、回転数が調整されるが、その場合、モータ電流は予め与えられた最大値に制限されている。好適には、回転数をできるだけ速やかに定格回転数（所望の回転数）にもっていくが、その場合、電流が制限されていることで加速も制限される。回転数は防御的に調節されていて、回転数がオーバースイングしないようになっている。電流制限によって加速が制限されていることで、更に、回転数調整手段の構成も簡略化される。ロータのブロック状態は、特定の電流値がオーバーすることで検出されるか、若しくは、位置指示器の回転インパルス数を転流数と比較することで検出される。

定格回転数に達すると、モータ制御部は、回転数がコンスタントに保たれる定常的動作段階に移行する。電流を制限することは、定常的動作ではもはや必ずしも必要ではないが、それでも電流を制限することは差し支えない。ブロック状態を認識するには、またも、ブロック電流値がクリティカルな値になっているかを確認したり、位置指示器のインパルス数と転流数と比較したりすること、並びに一定の時間が経過したところでＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点が抜けていないかを確認するといった手法がとられる。

上記特徴を有する本発明によれば、モータが始動時から十分なトルクを達成し、速やか且つ制御された状態で定格回転数（所望の回転数）に達成し得るブラシレス直流モータおよびブラシレス直流モータの動作方法を実現することができる。

本発明にかかるセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法およびブラシレス電気モータの一実施態様（自動車のエアダンパーの起動の例）を説明するための図である。 図１に示すブラシレスモータの駆動回路の概略構成を示す図である。 本発明にかかるセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法およびブラシレス電気モータの動作段階について、回転数と時間の関係を示す図である。 本発明にかかるセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法およびブラシレス電気モータの始動段階に於ける、モータの転流時点と回転数の関係をあらわす図である。

次に、本発明を、一つの実施態様を基に、添付された図面を参照しながら詳しく説明する。

本発明は、自動車のエアダンパー２を起動させる働きをするアクチュエータモータ１を例に説明する（図１）。当然のことながら、本発明は決してその用途に限定されているのではなく、更に変更を加えることなくその他の多くの用途に利用可能である。

アクチュエータモータ１は、完全な集積的解決手段であって、駆動モータ３と、ドライブ４と、駆動電子機構５がマイクロコントローラ６とともに防水及び防埃仕様のハウジング７に配設されたものになっている。自動車に使用されることで、アクチュエータモータ１は、このような集積型構造によってのみ満足できる数々の要求下に置かれている。

駆動モータ３は、ブリッジ回路９を持つモータドライバ８を介して起動されるブラシレス直流モータである。モータドライバ８はブリッジ回路９の制御部の一部であって、そのブリッジ回路９は、他方また、マイクロコントローラ６によって調整若しくは制御される。そのモータは、例えば、６個又は１２個のロータマグネット極を持つ永久磁石ロータと、例えば９個のステータ極を持つ、多相（ここでは３相）の巻線が装着されたステータを備える。

マイクロコントローラ６（図２）は、動作プログラムの一部として、モータ３を駆動するために必要なモータ制御部又はモータ調整部を含む。それに加えて、自動車内で動作させるにあたっては、マイクロコントローラ６がエラー状態を認識して記録するようになっていることが義務付けられている。動作プログラム及びエラーデータはマイクロコントローラ６のデータメモリ１０でメモリされる。

その際、マイクロコントローラ６は、直流１９Ｖ（短時間であれば４５Ｖ）までの任意の電圧で直接動作可能で、それにより、追加的な電圧変換器が必要とされないように構成されている。更に、動作のために必要とされるすべての素子が駆動回路５に集積されていて、なかんずく、ＬＩＮインターフェース１１と、例えば外部の（位置、温度、電流）センサー１２の、更に別のインターフェースと、モータドライバ８と、データメモリ（例えば、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ）と、ＰＷＭインターフェース１３及びデジタルＩＯインターフェースが集積されている。

アクチュエータモータ１は、特に、自動車工学で用いられるようなＬＩＮバス・インターフェース１１並びに相応のバスドライバ１１ａを備える。そのバスを介して駆動回路を形成して、偶発的なエラーを読みだすことができる。

電気モータは、センサーレス駆動され、そのため、実質的には位置センサーは省略できる。駆動回路５は、好適には、ホールセンサー１４を１個だけ備えるに過ぎず、そのホールセンサーによって、モータ３が回転しているかが確認でき、それにも増して、そのホールセンサーを使ってステップ・ロスを認識することができる。例えば、ホールセンサーを１個しか備えずロータマグネット極を６個備えるモータの場合、機械角６０°毎ホール信号の切り替えが行われる。

駆動電子機構のすべての部材が、好適にはプリント基板の一方の側にある。特に、そのプリント基板は駆動モータ３の近く、しかも、ホールセンサー１４もが駆動電子機構５のプリント基板に配設されて差し支えないほどの近さに配設されている。それによって、そのプリント基板の裏側の、少なくとも一部、それどころか全部がグラウンド面として形成されていると良く、冷却面及び電気的遮蔽手段の働きをすることができる。

駆動電子機構５は包括的な制御機能及び診断機能を備える。その駆動電子機構は、電気的エラー及び、例えば、過電圧又は低電圧、温度、過電流並びにアクチュエータ挙動のずれといった動作パラメータの逸脱を独自に認識及び分析でき、必要があれば自己保護することができるとともにバス・マスターから要求があった場合、エラー状態を伝達できる。そのために、その駆動電子機構が更なるセンサー群を含むか、若しくは、更なるセンサー群がインターフェース１２を介して駆動されるようになっていてもよい。

自動車のエアダンパーは永続的に動かされるのではない。すなわち、駆動モータは殆どの時間静止している。エアダンパーを動かす必要が生じると同時に駆動モータがＯＮされる。その際、エアダンパーの動きが均一であって、しかも、同じ形に動くようになっていることが重要である。そのため、モータが始動時からフルトルクを達成し、速やか且つ制御された状態で定格回転数（所望の回転数）に達成することが必要である。

その理由から、モータの始動プロセスは、本発明では、二つの動作段階に分割されていて、それらの動作段階では、可能な限り同じ形の加速が得られるように、モータの駆動は夫々異なる。

図３に明確に示されているとおり、二つの動作段階は、モータ始動後、続けて実行される。

モータが始動されると、モータは、まさに第１の動作段階、動作段階１５となる。その始動段階では、駆動モータは、決められた転流（モータの転流が「強制」されることから強制転流とも称される）によって動作させられ、これはステップモータの動作に相応する。そのために、駆動回路は、例えば、決められた転流時点が保存されたテーブルを備える。同時に、モータ電流が、コンスタントな加速トルクが得られるように、定義された値に調整される。その際、モータの回転数は、図４に示されているとおり、直線状に増加する。

転流時間が保存されているテーブルは、起用されたモータにぴったり合わせられる。モータ相とマイクロコントローラの、定義された接続及び確定されている転流順番の故に、モータの回転方向も定義されている。静止状態に於いて二つの相巻線を通電することによって、定義された保持トルクを負荷することで、モータの始動位置も定義される。モータを始動するには、始動位置及び転流テーブルに保存された転流順序を起点に、モータ相が切り替えられる。転流テーブルは、マイクロコントローラ６のデータメモリ１０に保存される。

転流時間が計算される時は、それに加えて、加速が一定に保たれることを前提とするので、速度は直線状に上昇する。すなわち、次の転流時点を計算する際、現状の加速からして、その直線状にあらわされる回転数推移を得るべく、その時点ではモータがどのくらいの速さになっているかが考慮されることを意味する。

それにより、転流時間、すなわち、二つの転流ステップの間の時間の長さｔｋ（ｔ）は次の式によって得られる。

ここで、ｔは事前のすべての転流時間ｔｋの和であって、ａは所望の角加速をｒｐｍ／ｓであらわしたものであって、ｐはロータマグネット極対の数をあらわす（rpm = round per minute乃至はＵ／ｍｉｎ＝回転数／分）。このルート関数は、簡素なマイクロコントローラでは、大掛かりに、数値的近似法によってしか計算できず、それゆえ、転流時点は、好適には、予め計算の上、マイクロコントローラ６のデータメモリ１０のテーブルにメモリされるようになっている。

図４は、転流時間ｔｋの推移とそこから生じるモータの回転数１８をあらわす線図であって、モータの回転数１８は所望通り直線状に上昇する一方で転流時間ｔｋはルート関数に従って減少していく。例では、ｐ＝３のロータマグネット極対を持ち、角加速がａ＝１０００ｒｐｍ／ｓであるモータが想定されている。なお図４の時間軸（時間ｔ）は、０．００００秒から１．２０００秒である。

その始動段階の最中では、ＢＥＭＦ電圧の認識は既に活発である。積極的な転流のために、モータ制御部は現時点で通電されていない相を認知している。その相に於いてモータ制御部はＢＥＭＦ電圧の次のゼロクロス点を待つ。その相だけが監視され、フライバックパルスが動的なフライバックパルスサプレッサーによって消されることから、より堅牢な認識が行われ、その認識は信頼性もより高く、しかも、ＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点の正しい順序に係る妥当性確認が自動的に実行される。

モータ制御部が、好適には、連続する三つの正しい妥当なＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点を認識及びカウントした時点で、モータが十分な回転数に達したものとみなされ、それからは、ＢＥＭＦ電圧の更なるゼロクロス点を確実に認識することが可能になる。その際、例えば、三つのゼロクロス点が連続して、予期された順番に従って、予期されたモータ相に生じるようになっていることが大切である。但し、三つではない別な数のゼロクロス点を条件として定めても差し支えない。

それにも増して、本発明によるアクチュエータモータはホールセンサー１４を備える。先述したモータ制御部は、ホールインパルス数及び転流ステップ数により、ロータが転流に追随しているか或いはブロックされているかを容易に判断できる。そのようにして、ブロック状態は、僅かな転流ステップに於ける予期されない転流ステップとホールインパルスの差によって確実に認識され、モータも引き続き通電されない。

始動段階１５は、通常、１０から１５の転流ステップを含み、これはおよそ１から２のモータ回転に相当する。したがって、データメモリ１０に保存すべき転流時間ｔｋの数はさほど大きくない。

例えば、三つである、妥当なＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点に係る条件が満たされると同時に、モータ制御部は第２の動作段階である加速段階１６に移行する。第２の動作段階では、転流は既にセンサーレスにて、もっぱらＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点から得られる位置情報に基づいて実行される。その際、回転数１８を可能な限り速やかに定格回転数ＶＮに加速することが目的である。

このことを達成するために、モータ制御部は、加速段階１６では、回転数制御にて働くが、モータ電流はそれでも制限されている。始動段階１５から加速段階１６に移行した直後に、モータの、例えば、２の機械的回転について、転流は、先ずは測定されたＢＥＭＦ電圧のゼロクロス点の直後に実行される。次いで、予転流が、理想的な転流時点（ＢＥＭＦ電圧の二つのゼロクロス点の時間的中心）との関連に於いてコンスタントな時間実施される。例では、その予転流時間は１００μｓである。但し、この段階では、それとは異なる予転流時間でもよい。好適には、転流は、小さなステップで、電気角３０°の予転流から、所望される電気角０°から１５°の予転流に変更される。

回転数を調整して電流を制限することで、回転数を速やかに、但しオーバースイングさせることなく定格回転数ＶＮに引き上げることができる。定格回転数ＶＮに達するとモータ制御部は、最終的には、そのモータ制御部が電流調整及び回転数調整によって働く定常的動作段階１７に移行する。それによって、ブラシレス直流モータの回転数を、負荷が変化してもコンスタントに保つことができる。

１ アクチュエータモータ
２ エアダンパー
３ 駆動モータ（モータ）
４ ドライブ
５ 駆動電子機構
６ マイクロコントローラ
７ ハウジング
８ モータドライバ
９ ブリッジ回路
１０ データメモリ
１１ ＬＩＮバス・インターフェース
１２ センサーインターフェース
１３ ＰＷＭインターフェース
１４ ホールセンサー
１５ 始動段階
１６ 加速段階
１７ 定常的動作段階
１８ 回転数
ＶＮ 定格回転数（所望の回転数）
ｔ 時間軸
ｔｋ 転流時間

Claims (9)

1. センサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法であって、
   該動作方法は、
   モータが静止状態からコンスタントな加速トルクで回転数を直線状に増加させる電流で駆動されて所定の転流時間によって始動される始動段階と、
   前記モータの回転が加速され、且つ、転流時点が、通電されていないステータ相巻線の逆起電力電圧のゼロクロス点に基づいて決定される加速段階と、
   前記モータの回転数を略一定に維持する定常的動作段階の、三つの段階を有し、
   前記始動段階から前記加速段階への移行が、予め与えられた数の連続する逆起電力のゼロクロス点が予期された順序にて予期されたモータ相に認識された時に行われ、
   前記加速段階から前記定常的段階への移行が、前記モータの回転数が所望の回転数に達した後に行われることを特徴とするセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法。
2. 前記加速段階において、モータ電流を予め定めた最大値に制限した状態で、回転数の調整を行うことを特徴とする請求項１に記載のセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法。
3. 請求項１又は２に記載のセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法において、
   前記モータのブロック状態を認識するために、更に前記モータ電流を監視して、前記モータのブロック状態を認識することを特徴とするセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法。
4. 請求項１ないし３の何れかに記載のセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法において、
   前記ブロック状態を認識するために前記モータの回転を更に検知して得た検知信号と転流ステップ数とを比較して、前記モータのブロック状態を認識することを特徴とするセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法。
5. 前記定常的動作段階において、前記モータ電流の調整及び前記モータの回転数の調整を行うことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法。
6. 請求項１ないし５の何れかに記載のセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法において、
   更に予め前記転流時間を計算して記憶手段にメモリしておき、前記記憶手段にメモリされた転流時間に基づいて前記モータを動作させることを特徴とするセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法。
7. 前記モータを、少なくとも前記加速段階の始めに、電気角２０°から電気角３０°の予転流で動作させることを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載のセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法。
8. 前記モータを、前記定常的動作段階において、電気角０°から電気角１５°の予転流で動作させることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載のセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法。
9. センサーレス転流ブラシレス電気モータであって、請求項１ないし８の何れかに記載のセンサーレス転流ブラシレス電気モータの動作方法によって動作することを特徴とするブラシレス電気モータ。

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