JP6967998B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本開示は、モータ駆動装置に関するものであり、特に、センサレスブラシレスモータの駆動装置に関する。

従来技術として、特許文献１にモータ駆動装置が開示されている。このモータ駆動装置は、モータに中性点が中間電位となるように各相のコイルをスター結線した中性点電圧発生回路を備え、モータ側のコイルの中性点を電源供給部の中間電位に接続している。そして、各相に対応して設けられた３つのコンパレータが、モータ出力手段の高電位あるいは低電位に接続するモータ側のコイルの各相端と、中性点との間に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出している。そして、この検出されたゼロクロス点をもとにロータの位置を推定している。

特開２０１７−３４７６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたモータ駆動装置は、ロータの位置を推定するために中性点電圧発生回路やコンパレータを設けているので、ロータの位置を推定するために必要な部品点数が増えてコストアップに繋がる懸念がある。

そこで、本開示は上記した問題点を解決するためになされたものであり、部品点数を抑えながらロータの位置を推定できるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、３相モータにおける非通電の相の巻線に誘起される誘起電圧を監視してゼロクロス点を検出し、検出した前記ゼロクロス点に基づいて前記３相モータのロータの位置を推定するロータ位置推定部を有するモータ駆動装置において、前記ロータ位置推定部は、第１の相を非通電とした状態で、第２の相および第３の相の少なくとも１つの相を電位固定させて、前記第１の相の前記誘起電圧を監視して前記ゼロクロス点を検出し、前記ロータがフリーランする状態で前記モータを再起動させる指示があった場合に、前記ロータの位置を推定し、前記ゼロクロス点は、前記誘起電圧がＧＮＤレベルを跨ぐ時間であること、を特徴とする。

この態様によれば、ロータの位置を推定するために中性点電圧発生回路やコンパレータを設ける必要がないので、部品点数を抑えながらロータの位置を推定できる。そのため、ロータの位置を推定するための回路に要するコストを下げることができる。
また、ロータがフリーランする状態でモータを再起動させる指示があった場合に、中性点電圧発生回路やコンパレータを設けることなく、部品点数を抑えてロータの位置を推定できる。

上記の態様においては、前記ロータ位置推定部は、前記第２の相を低電位または高電位に電位固定させ、前記第３の相について低電位と高電位に繰り返し切り替えるＨｉ−Ｌｏチョッピングを行って、前記第１の相の前記誘起電圧を監視して前記ゼロクロス点を検出すること、が好ましい。

この態様によれば、Ｈｉ−Ｌｏチョッピングすることで、ＬｏとＨｉの２つの状態でゼロクロス点を検出できるため、ゼロクロス点の検出機会を増やすことができる。ひいては、ロータ位置推定に要する時間を短縮することができる。

上記の態様においては、前記ロータ位置推定部にて前記第１の相の前記誘起電圧を監視しているときに、前記第１の相の前記誘起電圧から前記ロータの回転数を推定し、推定された前記ロータの回転数が所定値以下の場合には、前記ロータ位置推定部による前記ロータの位置の推定を止めて、前記ロータを一旦停止させた後に前記モータを再起動させること、が好ましい。

この態様によれば、ロータの回転が不足してゼロクロス点が検出し難くなることにより、ロータの推定位置の精度が低下したり、ロータの位置の推定に要する時間が長時間化することを防ぐことができる。

上記の態様においては、前記ロータ位置推定部は、Ａ／Ｄコンバータを用いて前記第１の相の前記誘起電圧を監視して前記ゼロクロス点を検出すること、が好ましい。

この態様によれば、第１の相の誘起電圧を監視してゼロクロス点を検出する際に、Ａ／Ｄコンバータにより第１の相の誘起電圧の傾き（時間変化量）を測定できるので、測定した誘起電圧の傾きに基づいてゼロクロス点を容易に検出することができる。そのため、短時間でロータの位置を推定できる。

上記の態様においては、前記ロータ位置推定部が規定時間以内に前記ゼロクロス点を検出できない場合には、前記ロータ位置推定部による前記ロータの位置の推定を止めて、前記ロータを一旦停止させた後に前記モータを再起動させること、が好ましい。

この態様によれば、ロータ位置推定部によるロータの位置の推定に要する時間が長時間化することによりモータの再起動に時間を要することを防止できる。そのため、ロータがフリーランする状態からモータが再起動するまでの時間を短くすることができる。

本開示のモータ駆動装置によれば、部品点数を抑えながらロータの位置を推定できる。

本実施形態におけるモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。 回転異常判定がなされた場合に行う制御のフローチャート図である。 ロータがフリーランする状態でモータを再起動させる指示があった場合において、ロータの位置を推定するために行う制御のフローチャート図である。 図２および図３に示すフローチャートに基づく制御を行ったときの各相の電圧のタイミングチャートの一例を示す図である。

以下、本開示のモータ駆動装置の実施形態について説明する。本実施形態のモータ駆動装置１は、例えば燃料ポンプに使用されるモータの駆動装置である。

（モータ駆動装置の構成について）
まず、モータ駆動装置１の構成について説明する。モータ駆動装置１は、モータ１１の駆動を制御するための装置であり、図１に示すように、制御部１２と駆動回路１３とを有する。

モータ１１は３相のセンサレスブラシレスモータであり、駆動回路１３においては３相のインバータ回路が採用されている。モータ１１は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを備えるステータ２１と、ロータ２２（マグネットロータ）とを備える。モータ１１は、ステータ２１に対するロータ２２の位置（磁極位置）を検出するために、ホール素子を使わずに、各相のコイル２１Ａ〜２１Ｃで生じる誘起電圧を利用する。そして、モータ１１は、ロータ２２が回転するときに、各相のコイル２１Ａ〜２１Ｃで発生する誘起電圧に基づいてロータ２２の位置を検出し、その検出されるロータ２２の位置に基づいて通電対象となる各相のコイル２１Ａ〜２１Ｃ（通電相）を決定する「誘起電圧駆動」を行う。

駆動回路１３は、モータ１１に駆動電力を供給するものである。この駆動回路１３には、電源回路１４を介して直流電源ＢＡＴＴが接続され、６つのトランジスタが備わっている。そして、駆動回路１３において、制御部１２からの信号に基づき、各トランジスタが所定のタイミングでスイッチングされることにより、モータ１１の回転駆動が制御される。

制御部１２は、駆動回路１３を介してモータ１１の駆動の制御を行う。この制御部１２には、電源回路１４を介して直流電源ＢＡＴＴが接続されている。また、制御部１２には、Ｉ／Ｆ回路１５を介して、ＥＣＵ１６が接続されている。なお、制御部１２は、例えばカスタムＩＣにより構成されている。ＥＣＵ１６は、モータ１１の回転数（目標回転数）を指示する。

本実施形態では、図１に示すように、制御部１２は、Ａ／Ｄコンバータ３１とロータ位置推定部３２を備えている。そして、モータ１１における非通電の相のコイル（巻線、コイル２１Ａ〜２１Ｃのいずれか）に誘起される誘起電圧の信号は、Ａ／Ｄコンバータ３１を介して制御部１２に入力される。本実施形態では、Ａ／Ｄコンバータ３１は、モータ１１のコイル２１Ａ〜２１Ｃの差動電圧を検知する電圧検知手段として用いられる。ロータ位置推定部３２は、モータ１１における非通電の相のコイルに誘起される誘起電圧をＡ／Ｄコンバータ３１を用いて監視してゼロクロス点Ｐｚ（図４参照）を検出し、この検出したゼロクロス点Ｐｚに基づいてロータ２２の位置を推定する手段である。

（回転異常判定がなされた場合に行う制御について）
次に、本実施形態において、回転異常判定がなされた場合に行う制御について説明する。本実施形態では、回転異常判定がなされた場合にモータ１１を再起動させるとき（異常検知等からの復帰時）に、ロータ２２がフリーランすること（ロータ２２の惰性回転）を活用してロータ２２の位置を推定し、モータ１１の起動時間の短縮を行う。

そこで、制御部１２は、図２に示す制御を行う。図２に示すように、回転異常判定がなされた場合に、まず、モータ１１の出力を停止する（ステップＳ１）。そして、これにより、駆動回路１３からモータ１１への電力供給が遮断されて、ロータ２２は、惰性で回転するフリーラン状態になる（例えば、図４に示す時間Ｔ１〜時間Ｔ２）。なお、回転異常判定がなされた場合とは、例えば、モータ１１について脱調や過電圧や過電流や過熱などの異常が判定された場合である。

その後、ロータ２２のフリーラン状態を解除できる状態（回転異常から復帰できる状態）になった場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）には、ロータ２２の位置を推定する（ステップＳ３）。なお、ステップＳ３におけるロータ２２の位置を推定する制御については、後述する。そして、ロータ２２の位置の推定に成功した場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）には、強制転流を行って（ステップＳ５）、センサレス制御に移行する。なお、強制転流とは、センサレス制御を行う前に、ステータ２１の各相間の任意のもの（例えば、Ｕ相とＶ相）に通電して、ロータ２２をわずかに回転させることをいう。また、センサレス制御とは、前記の「誘起電圧駆動」を行う制御である。

なお、ステップＳ４においてロータ２２の位置の推定に成功しなかった場合（ステップＳ４：ＮＯ）には、ロータ２２を一旦停止させてモータ１１をスタンバイ状態にする。

なお、ここでは回転異常判定がなされた場合にモータ１１を再起動させるときを例に挙げたが、これに限定されず、本実施形態は、モータ１１に短時間の停止指示がなされた場合にモータ１１を再起動させるとき（短時間の停止指示からの復帰時）にも適用できる。すなわち、ロータ２２がフリーランする状態としては、その他に、ロータ２２の短時間停止時や強制転流失敗時などが挙げられ、これらの場合においても本実施形態を適用できる。

（ロータの位置を推定する制御について）
次に、ロータ２２の位置を推定する制御、詳しくは、ロータ２２がフリーランする状態でモータ１１を再起動させる指示があった場合にロータ２２の位置を推定するために行われる制御について説明する。本実施形態では、ロータ位置推定部３２は、ロータ２２がフリーランする状態でモータ１１を再起動させる指示があった場合に、図３に示すフローチャートに基づく制御を行ってロータ２２の位置を推定する。

図３に示すように、まず、モータ１１の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のいずれかをＧＮＤ（接地）（あるいは電源電圧）に固定し（ステップＳ１１）、中性点電圧を固定する。すなわち、第１の相を非通電とした状態で、第２の相を通電とした状態で低電位（あるいは高電位）に電位固定させる。例えば、図４に示すように、時間Ｔ２において、Ｕ相を非通電とした状態で、Ｗ相を通電とした状態で低電位に電位固定させる。

次に、電位固定されていない相をＨｉ−Ｌｏチョッピングする（ステップＳ１２）。すなわち、第３の相について通電させてＨｉ−Ｌｏチョッピングを行う。なお、Ｈｉ−Ｌｏチョッピングとは、低電位と高電位に繰り返し切り替えることである。例えば、図４に示すように、時間Ｔ２において、Ｖ相についてＨｉ−Ｌｏチョッピングを開始する。

次に、残された１相の電圧をＡ／Ｄコンバータ３１（ＡＤＣ）で監視して、ゼロクロス点Ｐｚを検出する（ステップＳ１３）。すなわち、非通電の第１の相の巻線（コイル）に誘起される誘起電圧を監視してゼロクロス点Ｐｚを検出し、検出したゼロクロス点Ｐｚに基づいてロータ２２の位置を推定する。例えば、Ｕ相のコイル２１Ａに誘起される誘起電圧をＡ／Ｄコンバータ３１で監視してゼロクロス点Ｐｚ（図４参照）を検出し、検出したゼロクロス点Ｐｚに基づいてロータ２２の位置を推定する。ここで、ゼロクロス点Ｐｚは、誘起電圧がＧＮＤレベルを跨ぐ（ＧＮＤレベル以上または以下になった）時間である。なお、ゼロクロス点Ｐｚはロータ２２が１回転する間に２回検出されるので、２回検出されたいずれかのゼロクロス点Ｐｚに基づいてロータ２２の位置を推定すればよい。

そして、このようにしてロータ２２の位置を推定すると、その後、図４の時間Ｔ３以降において、強制転流を行ってセンサレス制御に移行することで、モータ１１が再起動する。

なお、変形例として、ロータ位置推定部３２は、第２の相および第３の相の両方の相を電位固定させて、第１の相の誘起電圧を監視してゼロクロス点Ｐｚを検出するとしてもよい。

（本実施形態の作用効果）
以上のように本実施形態のモータ駆動装置１は、３相のうちの第１の相を非通電とした状態で、３相のうちの第２の相および第３の相の少なくとも１つの相を電位固定させて、第１の相の誘起電圧を監視してゼロクロス点Ｐｚを検出する。例えば、Ｕ相を非通電とした状態で、Ｖ相およびＷ相の少なくとも１つの相を電位固定させて、Ｕ相の誘起電圧を監視してゼロクロス点Ｐｚを検出する。

このようにして、ロータ２２の位置を推定するために中性点電圧発生回路やコンパレータを設ける必要がないので、部品点数を抑えながらロータの位置を推定できる。そのため、ロータ２２の位置を推定するための回路に要するコストを下げることができる。

また、ロータ位置推定部３２は、第２の相を低電位または高電位に電位固定させ、第３の相についてＨｉ−Ｌｏチョッピングを行って、第１の相の誘起電圧を監視してゼロクロス点Ｐｚを検出する。例えば、図４に示すように、ロータ位置推定部３２は、Ｗ相を低電位に電位固定させ、Ｖ相についてＨｉ−Ｌｏチョッピングを行って、Ｕ相の誘起電圧を監視してゼロクロス点Ｐｚを検出する。

このようにして、モータ１１を再起動する前にてロータ２２の位置を推定する際に、予め、３相のうちの１相についてＨｉ−Ｌｏチョッピングを行って電圧を印加している。そして、このようにしてＨｉ−Ｌｏチョッピングを行うことで、ＬｏとＨｉの２つの状態でゼロクロス点Ｐｚを検出できるため、ゼロクロス点Ｐｚの検出機会を増やすことができる。ひいては、ロータ２２の位置の推定に要する時間を短縮することができる。

また、ロータ位置推定部３２は、非通電とした状態の第１の相の誘起電圧をＡ／Ｄコンバータ３１を用いて監視して、ゼロクロス点Ｐｚを検出する。これにより、第１の相の誘起電圧を監視してゼロクロス点Ｐｚを検出する際に、Ａ／Ｄコンバータ３１により第１の相の誘起電圧の傾き（時間変化量）を測定できるので、測定した誘起電圧の傾きに基づいてゼロクロス点Ｐｚを容易に検出することができる。そのため、短時間でロータ２２の位置を推定できる。

また、ロータ位置推定部３２は、ロータ２２がフリーランする状態でモータ１１を再起動させる指示があった場合に、ロータ２２の位置を推定する。これにより、ロータ２２がフリーランする状態でモータ１１を再起動させる指示があった場合に、中性点電圧発生回路やコンパレータを設けることなく、部品点数を抑えてロータ２２の位置を推定できる。

（変形例）
また、以下のような変形例も考えられる。まず、第１変形例として、制御部１２は、ロータ位置推定部３２にて第１の相の誘起電圧を監視しているときに、第１の相の誘起電圧からロータ２２の回転数を推定する。そして、制御部１２は、推定されたロータ２２の回転数が所定値以下の場合には、ロータ位置推定部３２によるロータ２２の位置の推定を止めて、ロータ２２を一旦停止させた後にモータ１１を再起動させる。

このようにして、ロータ２２がフリーランする状態でロータ２２の回転が停まりかけているときには、ロータ位置推定部３２によるロータ２２の位置の推定を止めるとしてもよい。これにより、ロータ２２の回転が不足して誘起電圧が表れ難くなってゼロクロス点Ｐｚが検出し難くなることにより、ロータ２２の推定位置の精度が低下したり、ロータ２２の位置の推定に要する時間が長時間化することを防ぐことができる。

また、第２変形例として、ロータ位置推定部３２が規定時間Ｔｏ以内にゼロクロス点Ｐｚを検出できない場合には、制御部１２は、ロータ２２を一旦停止させた後にモータ１１を再起動させる。これにより、ロータ位置推定部３２によるロータ２２の位置の推定に要する時間が長時間化することにより、モータ１１の再起動に時間を要することを防止できる。そのため、ロータ２２がフリーランする状態からモータ１１が再起動するまでの時間を短くすることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、誘起電圧を、Ａ／Ｄコンバータ３１を用いて監視する代わりに、コンパレータを用いて監視してもよい。また、ロータ２２の位置を推定したときのロータ２２の回転数に応じて、その後の強制転流時にてモータ１１に印加される電圧のデューティ比を変えるとしてもよい。

１ モータ駆動装置
１１ モータ
１２ 制御部
２１ ステータ
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ コイル
２２ ロータ
３１ Ａ／Ｄコンバータ
３２ ロータ位置推定部
Ｐｚ ゼロクロス点

Claims (5)

1. ３相モータにおける非通電の相の巻線に誘起される誘起電圧を監視してゼロクロス点を検出し、検出した前記ゼロクロス点に基づいて前記３相モータのロータの位置を推定するロータ位置推定部を有するモータ駆動装置において、
   前記ロータ位置推定部は、
   第１の相を非通電とした状態で、第２の相および第３の相の少なくとも１つの相を電位固定させて、前記第１の相の前記誘起電圧を監視して前記ゼロクロス点を検出し、
   前記ロータがフリーランする状態で前記モータを再起動させる指示があった場合に、前記ロータの位置を推定し、
   前記ゼロクロス点は、前記誘起電圧がＧＮＤレベルを跨ぐ時間であること、
   を特徴とするモータ駆動装置。
2. 請求項１のモータ駆動装置において、
   前記ロータ位置推定部は、前記第２の相を低電位または高電位に電位固定させ、前記第３の相について低電位と高電位に繰り返し切り替えるＨｉ−Ｌｏチョッピングを行って、前記第１の相の前記誘起電圧を監視して前記ゼロクロス点を検出すること、
   を特徴とするモータ駆動装置。
3. 請求項１または２のモータ駆動装置において、
   前記ロータ位置推定部にて前記第１の相の前記誘起電圧を監視しているときに、前記第１の相の前記誘起電圧から前記ロータの回転数を推定し、推定された前記ロータの回転数が所定値以下の場合には、前記ロータ位置推定部による前記ロータの位置の推定を止めて、前記ロータを一旦停止させた後に前記モータを再起動させること、
   を特徴とするモータ駆動装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つのモータ駆動装置において、
   前記ロータ位置推定部は、Ａ／Ｄコンバータを用いて前記第１の相の前記誘起電圧を監視して前記ゼロクロス点を検出すること、
   を特徴とするモータ駆動装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つのモータ駆動装置において、
   前記ロータ位置推定部が規定時間以内に前記ゼロクロス点を検出できない場合には、前記ロータ位置推定部による前記ロータの位置の推定を止めて、前記ロータを一旦停止させた後に前記モータを再起動させること、
   を特徴とするモータ駆動装置。

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