JP6056005B2

JP6056005B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP6056005B2
Application number: JP2012196939A
Authority: JP
Inventors: 亀田　晃史; 晃史亀田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: JP2014054078A

Description

本発明はブラシレスモータの制御を行うモータ制御装置に関するものである。

従来、一般的にブラシレスモータを低速から高速まで効率よく制御を行うために、位置検出器を備えたブラシレスモータのインバータ制御がよく用いられている。
（例えば、特許文献１参照）。

図７は一般的なブラシレスモータを駆動するためのモータ制御装置を示したもので、以下その構成について説明する。

ブラシレスモータ９と、前記ブラシレスモータのロータ位置を検出する位置検出器３ａ、３ｂ、３ｃと、前記ブラシレスモータを駆動するインバータ１１と、前記位置検出器の信号を利用し前記ブラシレスモータを駆動するインバータの制御を行う制御回路４及びドライブ回路６２、を有している。ブラシレスモータ２には位置検出器が内蔵されており、例えばロータのマグネットの磁束の向きを信号として出力するホールＩＣの利用などが一般的である。また、インバータ１１には交流電源５３をダイオードブリッジ５４で整流、コンデンサＣａ、Ｃｂで平滑した電圧が供給される。インバータは６個のスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＶ、ＳＷＷ、ＳＷＸ、ＳＷＹ、ＳＷＺ及び６個のダイオード６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６１ａ、６１ｂ、６１ｃよりより構成される。

モータの制御は、ブラシレスモータ２に内蔵された位置検出器３ａ、３ｂ、３ｃの信号を使用し、その信号より制御回路４がブラシレスモータの速度、位置を検出し、インバータのスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を生成しドライブ回路６２によりスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＶ、ＳＷＷ、ＳＷＸ、ＳＷＹ、ＳＷＺを駆動できる電圧に増幅・変換を行いインバータの駆動を行うことでモータを制御する。

ところでブラシレスモータ２に内蔵されている位置検出器３ａ、３ｂ、３ｃに例えばホールＩＣを使用してブラシレスモータのロータの磁束を検出しようとする場合、ホールＩＣの取り付けの精度、例としてプリント配線板への実装の位置精度、プリント配線板のブラシレスモータへの固定位置精度、ブラシレスモータのロータの機械的精度、着磁の精度等々の影響を受け、位置検出器の出力信号は本来検出したいロータの位置すなわちロータの誘起電圧に対してあるべき位置検出器の信号の位置に対して位相のずれが発生する。このずれはしばしば電気角で１０度程度まで大きくなることがある。

位置検出器の信号、すなわちブラシレスモータのロータの位置の検出値のずれはブラシレスモータ駆動時に効率の低下を招き、モータの発熱を増加させる。また、この傾向はブラシレスモータの回転数が高いほど大きくなる。特に電源電圧に対しモータの誘起電圧が無視できなくなり、進角制御を行うときには顕著になるとともに場合によっては脱調、制御不能状態に陥ることもある。

これを防ぐために予め設定された電圧、周波数の正弦波状の電圧をブラシレスモータ２に供給しオープンループ駆動させたときに生ずる前記正弦波状の電圧の位相と位置検出器の出力信号との位相とのずれ量を検出して記憶手段５に記憶するとともに、位置検出器から出力される位置信号に基づくフィードバック制御を行ってブラシレスモータ２を駆動させるときに前記位置ずれ量に基づいてブラシレスモータ２に供給する正弦波状電圧を補正するようにすることで位置検出器のずれの影響を受けにくくしている。

特開２００２−３２５４８０号公報

しかしながら、このような従来のモータの制御装置では、ブラシレスモータをオープンループ駆動したときに生ずる正弦波上の電圧の位相と位置検出器の出力信号との位相の差を記憶、制御に使用するので、実際のモータの誘起電圧に対する位置検出器の信号の関係を測定しているものではない。従ってある程度の位置検出器の誘起電圧に対する信号の位相差の補正はできるものの、位置検出器の信号の位相差を検出するときの負荷のばらつき等に対応するのは困難である。また低速から高速までモータをベクトル制御を行うときには、特に高速で進角制御を行うときなどに無効電流の制御に与える影響が大きく、制御性に影響を与えることがある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ブラシレスモータの制御装置において、精度のよいブラシレスモータの位置検出器の検出位置補正機能を持たせ、低速から高速まで効率よくブラシレスモータを駆動する制御装置を提供することを目的としている。

本発明は上記目的を達成するために、ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータのロータ位置を検出する位置検出器と、前記ブラシレスモータを駆動するインバータと、前記位置検出器の出力信号に基づき前記ブラシレスモータを駆動するインバータの制御を行う制御回路と、前記制御回路に付随した記憶手段と、を有し、前記制御手段は、ブラシレスモータの巻線に三相交流電圧を印加し、前記ブラシレスモータの巻線に印加する三相交流電圧を回転させ、前記位置検出器の出力信号の変化時の前記三相交流電圧の方向を検出し、前記三相交流電圧の方向の検出値を前記ブラシレスモータの位置検出信号の補正値として前記記憶手段に記憶し、ブラシレスモータの運転時には、前記位置検出器の出力信号と前記位置検出信号の補正値を用いてブラシレスモータの制御を行うモータ制御装置である。

これにより、誘起電圧に対する位置検出器の信号が本来あってほしい位置に対してずれを伴った場合でもそのずれの量を的確に補正することができる。

本発明のモータ制御装置は、精度のよいブラシレスモータの位置検出器の検出位置補正機能を持たせ、低速から高速まで効率よくブラシレスモータを駆動する制御装置を実現することができる。

本発明のモータ制御装置の構成図ブラシレスモータの誘起電圧と位置検出信号の関係を示す図線間誘起電圧と位置検出器の信号の理想的な場合の図線間誘起電圧と位置検出器の信号がずれを伴った場合の図線間誘起電圧と位置検出器の信号がずれを伴った場合の他の図ブラシレスモータのモデルの図従来の洗濯機の側断面図

第１の発明は、ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータのロータ位置を検出する位置検出器と、前記ブラシレスモータを駆動するインバータと、前記位置検出器の出力信号に基づき前記ブラシレスモータを駆動するインバータの制御を行う制御回路と、前記制御回路に付随した記憶手段と、を有し、前記制御手段は、ブラシレスモータの巻線に三相交流電圧を印加し、前記ブラシレスモータの巻線に印加する三相交流電圧を回転させ、前記位置検出器の出力信号の変化時の前記三相交流電圧の方向を検出し、前記三相交流電圧の方向の検出値を前記ブラシレスモータの位置検出信号の補正値として前記記憶手段に記憶し、ブラシレスモータの運転時には、前記位置検出器の出力信号と前記位置検出信号の補正値を用いてブラシレスモータの制御を行うことにより、予め位置検出信号の補正のための試運転を行うことで、ブラシレスモータに搭載した位置検出器の出力である位置検出信号を精度よく補正することができ、低速から高速まで効率よくブラシレスモータを駆動する制御装置を実現することができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、ブラシレスモータを時計回り及び反時計回りそれぞれに回転させ、それぞれの回転方向で位置検出器の出力信号の変化時の三相交流電圧の方向の検出を行い、前記三相交流電圧の方向の検出値の平均値を前記ブラシレスモータの位置検出信号の補正値として記憶手段に記憶することにより、ブラシレスモータの軸あるいは負荷の摩擦の影響などを受けにくくし、さらにブラシレスモータに搭載した位置検出器の出力である位置検出信号を精度よく補正することができ、低速から高速まで効率よくブラシレスモータを駆動するモータ制御装置を実現することができる。
第３の発明は、上記第１の発明において、検出する三相交流電圧の方向はブラシレスモータの極対数と同じ周期分であり、三相交流電圧の方向の検出値の平均値を前記ブラシレスモータの位置検出信号の補正値として記憶手段に記憶することにより、ブラシレスモータの極対毎の位置検出信号のばらつきの影響を受けにくくし、さらにブラシレスモータに搭載した位置検出器の出力である位置検出信号を精度よく補正することができ、低速から高速まで効率よくブラシレスモータを駆動するモータ制御装置を実現することができる。

第４の発明は、上記第１から第３のいずれかの発明において、位置検出信号の補正値を検出する近傍の三相交流電圧の回転速度に対して、位置検出信号の補正値を検出しない範囲は三相交流電圧の回転速度を早くしたことにより、予め行う位置検出信号の補正のための時間を短縮することができる。

第５の発明は、上記第１から第４のいずれかの発明において、記憶手段は不揮発性メモリであることで、ブラシレスモータの制御装置の電源を切った場合でも位置検出信号の補正値を記憶することができ、電源の再投入時に再度試運転を行うことなく低速から高速まで効率よくブラシレスモータを駆動するモータ制御装置を実現することができる。

第６の発明は、上記第１から第５のいずれかの発明のモータ制御装置を洗濯機または洗濯乾燥機に搭載することで、ブラシレスモータを低速駆動する洗濯時あるいは乾燥時から高速駆動する脱水時まで効率よくブラシレスモータを駆動することができ、効率のよい洗濯機または洗濯乾燥機を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例と同じ構成のものは同一符号を付して説明を省略する。また、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置の構成図である。ブラシレスモータ２駆動用のインバータ１１はスイッチング素子ＳＷＵとＳＷＸ、ＳＷＶとＳＷＹ、ＳＷＷとＳＷＺの直列に接続された２個１組を並列に３組、合計６個のスイッチング素子より
構成されており、図１では例としてスイッチング素子にＩＧＢＴを使用している。２個１組のスイッチング素子の接続点、例えばＳＷＵの下側（エミッタ側）ＳＷＸの上側（コレクタ側）が接続されているが、その接続点よりブラシレスモータ２の巻線に接続されている。ブラシレスモータ２には位置検出器３が搭載されている。この出力信号ＣＳはマイクロコンピュータ等により構成される制御回路１に入力され、モータの速度制御、トルク制御等に使用される。なお、図１は実施例の一例であり、使用するスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタといったスイッチング素子を使用することもできる。

図２はブラシレスモータの誘起電圧と位置検出器の信号関係を示す図である。ブラシレスモータの巻線をＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする。ブラシレスモータのロータを外部より回転させたときに中性点よりＵ相の巻線端子に発生する誘起電圧がＥｕ、Ｖ相の巻線に発生する誘起電圧がＥｖ、Ｗ相の巻線に発生する電圧がＥｗである。また、通常は中性点はブラシレスモータの外部には端子として現れていないことが多く、線間電圧で表すことが多い。Ｗ相巻線端子を基準としてＵ相の巻線端子に発生する誘起電がＥｕｗ、ｕ相巻線端子を基準としてＶ相の巻線端子に発生する誘起電がＥｖｕ、Ｖ相巻線端子を基準としてＷ相の巻線端子に発生する誘起電がＥｗｖである。位置検出器の出力信号は３相のブラシレスモータでは３本が出ていることが一般的である。

図２に示すＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３は位置検出器の出力信号の一例であり、ＣＳ１は前述の線間誘起電圧Ｅｕｗ、ＣＳ２は線間誘起電圧Ｅｖｕ、ＣＳ３は線間誘起電圧Ｅｗｖのそれぞれに同期した信号、すなわちそれぞれの線間誘起電圧が０Ｖ（ゼロボルト）時に論理が変化する信号である。なお、図２では位置検出器の信号は線間の誘起電圧と同期しているが、それぞれの相の誘起電圧であるＥｕ、Ｅｖ、Ｅｗと同期した信号としてもよい。

位置検出器はブラシレスモータのロータのマグネットの磁束またはロータと同軸上に取り付けられた位置検出用のマグネットの磁束をホール素子やホールＩＣ等で検出することが一般的である。このときに着磁の精度、ホール素子やホールＩＣのプリント配線板への取り付け精度、プリント配線板のモータ内部への組み込みの精度、ホール素子やホールＩＣの磁束の検出感度といったばらつき要因がある。図２を用いて説明したブラシレスモータの線間誘起電圧Ｅｕｗと位置検出器の出力信号の一つであるＣＳ１を用いて説明する。

図３は線間誘起電圧と位置検出器の信号の理想的な場合の図の例である。位置検出信号ＣＳ１は線間誘起電圧Ｅｕｗに同期している。即ち線間誘起電圧の０Ｖ（ゼロボルト）となる位置、ゼロクロスで位置検出信号ＣＳ１の論理が変化している。図４、図５は線間誘起電圧と位置検出器の信号がずれを伴った場合の図の例である。図４は位置検出信号ＣＳ１が線間誘起電圧Ｅｕｗに対して進みを、図５は遅れを伴っている例である。

ブラシレスモータを制御するときのモータのロータ位置は前述の位置検出器の出力であるＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３の信号を用いて、制御周期毎のロータ位置を補間演算して求め、制御を行う。そのため前述のように位置検出信号にずれがあると出力電流波形の歪やブラシレスモータのロータの位置に対して電流の位相の進み、遅れといった影響が生じ、効率の低下や騒音といった悪影響を与える。また、電源電圧に対してブラシレスモータの誘起電圧が比較的高くなる場合に進角制御を行うことになるがその場合には位置検出信号のずれによってより性能に悪影響を与える可能性がある。以下、位置検出器の検出位置の補正の方法を説明する。

図６はブラシレスモータのモデルを示す。また、図６のブラシレスモータを時計回りに回転させたときの誘起電圧と位置検出器の出力信号の関係を既に説明した図２とする。図６には説明を簡単にするため２極のモデルを示している。２極のモデルでは、電気角と機
械角は同一の値となる。ステータにはＵ相の巻線Ｕ、Ｖ相の巻線Ｖ、Ｗ相の巻線Ｗの３つの巻線がある。

またロータはマグネットが配置されている。巻線のＵ相の向きを原点に、時計回り方向に角度θの座標を考える。各ステータの巻線に正の電圧を印加したときに発生するステータ内側の磁極をＮ極とする。今、各巻線に三相交流電圧を印加したときにステータの各巻線より発生する磁束の合成磁束の向きを角度θの方向とする。図６のステータのａ軸の正方向にＮ極が、ａ軸の負方向にＳ極が発生する。ブラシレスモータのロータはステータの磁極との吸引・反発作用でａ軸の正方向にＳ極、負方向にＮ極となる向きに引き寄せられる。

この状態で角度θをゆっくりと回転させるとブラシレスモータのロータもａ軸の正方向にＳ極、負方向にＮ極を保ったままゆっくりと回転する。角度θを回転させたときに、ブラシレスモータのロータの回転と共に位置検出器の出力信号も変化する。この位置検出器の出力信号の変化した時の角度θの本来あるべき位置との差を補正値として記憶する。ブラシレスモータの位置検出信号の補正値の検出時にはブラシレスモータの巻線に三相交流電圧を印加し、角度θをゆっくりと回転させることで位置検出器の信号の変化点を検出する。以下、検出時の三相交流電圧の印加の例の詳細と、角度θの検出の詳細を説明する。

ブラシレスモータの位置検出信号の補正値の検出時の三相交流電圧の印加方法について説明する。印加電圧のピーク値をＶとする。ＶはＶ＞０とする。

位置検出信号の補正値を検出するときにはこのようにして求めた三相交流電圧をインバータ回路よりモータに印加する。角度θは三相交流電圧の方向となる。

次に三相交流電圧の方向θの検出方法についてその詳細を説明する。図２に示すブラシレスモータの誘起電圧と位置検出器の出力信号で、代表として時計方向回転時の信号ＣＳ１のＨからＬへの変化点の検出について説明する。

図２より、電気角３０度の位置が時計方向回転時の信号ＣＳ１のＨからＬへの変化点の理想的な位置である。この理想的な位置をθcs1*とする。一方、前記の電圧制御を行いながら三相交流電圧をゆっくりと回転させる。三相交流電圧の方向θを徐々に増加させるとブラシレスモータのロータは時計周りに回転し、３０°近辺で位置検出器の出力信号の一つであるＣＳ１がＨからＬになる。このときの三相交流電圧の方向をθcs1とする。

例えば図３のように信号ＣＳ１がほとんど線間誘起電圧Ｅｕｗの０Ｖ（ゼロボルト）と一致するときはθcs1は３０°位である。また、図４のように信号ＣＳ１が線間誘起電圧Ｅｕｗよりも進んでいる場合はθcs1は３０°よりも小さい値となる。また、図５のように信号ＣＳ１が線間誘起電圧Ｅｕｗよりも遅れている場合はθcs1は３０°よりも大きい値となる。この検出したθcs1を位置検出信号の補正値として図１の記憶手段５に記憶する。

以上、位置検出信号の補正値の検出方法について説明したが、実際のブラシレスモータ駆動時には例えばブラシレスモータを時計回り方向に駆動する場合、位置検出信号の一つであるＣＳ１がＨからＬに変化したときに、理想的な位置であるθcs1*である３０°を使用せず、予め記憶手段に記憶してある位置検出信号の補正値θcs1を角度情報として使用することでブラシレスモータを効率よく駆動することができる。

なお、説明のためブラシレスモータのロータの時計回り時の位置検出器の信号の一つであるＣＳ１のＨからＬへの変化点について説明したが、他の信号ＣＳ２、ＣＳ３及びＬからＨへの変化点についても同様の手法で位置検出信号の補正値を検出することができる。

なお、位置検出信号の補正値を検出するときに例えばモータが負荷に接続されており、摩擦の影響を受ける場合に、ブラシレスモータのロータは三相交流電圧の方向θよりも少し遅れて追従することが予想される。ブラシレスモータを時計回り及び反時計回りそれぞれに回転させ、それぞれの回転方向で位置検出器の出力信号の変化時の三相交流電圧の方向の検出を行う。その検出値の平均値をブラシレスモータの位置検出信号の補正値として記憶手段に保存することで、摩擦の影響を受けずに検出でき、ブラシレスモータ駆動時に効率よく駆動することができる。

なお、ブラシレスモータが２極以外のとき、例えば４極のときは、前記実施の形態１で説明したロータが時計回り時の位置検出信号の一つであるＣＳ１のＨからＬへの変化点はモータの機械角で１８０°離れた２箇所存在する。２箇所の信号ＣＳ１のＨからＬへの変化点の位置が異なると、１箇所だけの検出では位置検出信号の補正値の誤差が大きくなってしまう可能性がある。この場合機械角で１８０°離れた２箇所の位置検出信号のＣＳ１のＨからＬへの変化点を検出し、その平均値をブラシレスモータの位置検出信号の補正値として記憶手段に保存することで、４極のブラシレスモータでも駆動時に効率よく駆動することができる。なお、それ以上の極数のブラシレスモータでも同様に極対数分の信号の変化点の三相交流電圧の方向θを検出、記憶手段に保存することで同様にブラシレスモータ駆動時に駆動時に効率よく駆動することができる。

また、位置検出器の補正値を検出するときには三相交流電圧の方向をゆっくりと変化させ、ブラシレスモータをゆっくりと回転させることで、精度良く位置検出器の補正値を検出することができる。一方で補正したい位置検出信号の変化点が多数ある場合や、４極以上のモータで実施の形態３のように複数の同信号の変化点の平均値を補正値として検出したい場合、ブラシレスモータを補正値の検出の最初から最後まで三相交流電圧をゆっくりと回転させると位置検出器の補正に掛る時間が長くなってしまう。本発明は、位置検出器の補正値を取得したい近傍は三相交流電圧の方向θをゆっくりと変化し、ブラシレスモータをゆっくりと回転させ、それ以外の部分は三相交流電圧の方向θを比較的早く変化させブラシレスモータを早く回転させることで、位置検出器の補正値の取得にかかる時間を短縮することができる。

また、位置検出信号の補正値を記憶する記憶手段を不揮発性メモリとすることで、例えば本発明のモータ制御装置を工場出荷時に位置検出信号の補正を実施し、位置検出信号の補正値を記憶手段である不揮発性メモリに記憶することで、電源を切断しても補正値は記憶され、電源の再投入時に位置検出信号の補正を実施することなく効率よくブラシレスモータを駆動することができる。

また、洗濯機、特にドラム式洗濯機またはドラム式洗濯乾燥機は洗濯時には低速・大トルク、脱水時には高速・低トルクでの駆動が必要である。ドラム式洗濯機またはドラム式洗濯乾燥機のドラム駆動用モータとしてブラシレスモータを使用した場合、洗濯時の効率を確保するために誘起電圧をある程度上げておきたい。そのために脱水時には電源電圧に
対してモータの誘起電圧が比較的高くなるため、進角制御を行うのが一般的である。ドラム式洗濯機またはドラム式洗濯乾燥機に本発明のモータ制御装置を搭載することで、効率よくドラムを駆動することができ、効率のよいドラム式洗濯機またはドラム式洗濯乾燥機を実現することができる。

以上のように、本発明にかかるモータ制御装置は、位置検出器の検出位置のばらつきの影響を受けずに低速から高速まで効率よくブラシレスモータを駆動するモータ制御装置を実現する。

１制御回路
２ブラシレスモータ
３位置検出器
５記憶手段
Ｃコンデンサ

Claims

ブラシレスモータと、前記ブラシレスモータのロータ位置を検出する位置検出器と、前記ブラシレスモータを駆動するインバータと、前記位置検出器の出力信号に基づき前記ブラシレスモータを駆動するインバータの制御を行う制御回路と、前記制御回路に付随した記憶手段と、を有し、
前記制御手段は、
ブラシレスモータの巻線に三相交流電圧を印加し、
前記ブラシレスモータの巻線に印加する三相交流電圧を回転させ、
前記位置検出器の出力信号の変化時の前記三相交流電圧の方向を検出し、
前記三相交流電圧の方向の検出値を前記ブラシレスモータの位置検出信号の補正値として前記記憶手段に記憶し、
ブラシレスモータの運転時には、前記位置検出器の出力信号と前記位置検出信号の補正値を用いてブラシレスモータの制御を行う、
モータ制御装置。
ブラシレスモータを時計回り及び反時計回りそれぞれに回転させ、
それぞれの回転方向で位置検出器の出力信号の変化時の三相交流電圧の方向の検出を行い、
前記三相交流電圧の方向の検出値の平均値を前記ブラシレスモータの位置検出信号の補正値として記憶手段に記憶する、
請求項１記載のモータ制御装置。
検出する三相交流電圧の方向はブラシレスモータの極対数と同じ周期分であり、
三相交流電圧の方向の検出値の平均値を前記ブラシレスモータの位置検出信号の補正値として記憶手段に記憶する、
請求項１記載のモータ制御装置。
位置検出信号の補正値を検出する近傍の三相交流電圧の回転速度に対して、位置検出信号の補正値を検出しない範囲は三相交流電圧の回転速度を早くした、
請求項１から３記載のモータ制御装置。
記憶手段は不揮発性メモリである、請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
請求項１から５のモータ制御装置を備えた洗濯機または洗濯乾燥機。