(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-20
(45)【発行日】2023-12-28
(54)【発明の名称】半導体装置、モータ駆動システム、およびモータ起動方法
(51)【国際特許分類】
H02P 6/20 20160101AFI20231221BHJP
【ＦＩ】
H02P6/20
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2020165185
(22)【出願日】2020-09-30
(65)【公開番号】P2022057101
(43)【公開日】2022-04-11
【審査請求日】2023-01-05
(73)【特許権者】
【識別番号】302062931
【氏名又は名称】ルネサスエレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】鳴海 聡
(72)【発明者】
【氏名】黒澤 稔
(72)【発明者】
【氏名】大槻 武志
【審査官】三島木 英宏
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－１９８２９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－０９８８８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１１３５０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１９２４２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１８７１５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１０３３６９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｐ ６／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
センサレス方式の三相モータのインバータ回路を制御するための半導体装置であって、モータ電圧を出力するための、前記インバータ回路の三相の出力ノードと接続され、前記三相の出力ノードのうち非通電相の出力ノードに生じる電圧を検出する検出器と、
コントローラとを備え、
前記コントローラは、前記三相モータの起動時に、推定された停止状態の回転子の磁極の位置に基づいて、前記三相モータのいずれか二相に前記インバータ回路によって駆動電圧を印加し、
前記コントローラは、前記三相モータの起動時に、前記駆動電圧の印加期間において前記検出器によって検出された電圧と、前記駆動電圧の印加期間の直後または直前の回生期間において前記検出器によって検出された電圧との差分電圧に基づいて、前記回転子の位置を推定する、半導体装置。
【請求項2】
前記駆動電圧は、パルス幅変調に基づく、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記コントローラは、前記差分電圧の絶対値が第１閾値以下になったときに、前記駆動電圧を印加する相を切り替える、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記コントローラは、前記差分電圧の絶対値が前記第１閾値以下になったときに前記検出器によって検出された電圧の絶対値を、逆起電力の絶対値であると推定する、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記コントローラは、前記推定された逆起電力の絶対値が第２閾値以上になった場合に、前記検出器によって検出された電圧のゼロクロス点に基づいて前記インバータ回路を制御する駆動モードに移行する、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記コントローラは、前記推定された逆起電力の絶対値が第２閾値以上になり、かつ、前記三相モータのいずれか二相への前記駆動電圧の印加を開始してからの電圧印加時間が閾値時間以下の場合に、前記検出器によって検出された電圧のゼロクロス点に基づいて前記インバータ回路を制御する駆動モードに移行する、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記コントローラは、前記三相モータのいずれか二相への前記駆動電圧の印加を開始してからの電圧印加時間が閾値時間を超えても、前記差分電圧の絶対値が前記第１閾値以下にならない場合に、前記駆動電圧の印加を停止する、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記コントローラは、インダクティブセンスによって前記停止状態の前記回転子の磁極の位置を推定する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記検出器は、前記三相の出力ノードのうちいずれか１つの相を選択するスイッチ回路と、
前記スイッチ回路によって選択された相の出力ノードの電圧と仮想中点との電圧との差分を増幅する差動増幅器とを含む、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記コントローラは、前記回生期間において回生電流が下アームを流れて上アームを流れないように、前記インバータ回路を制御する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項11】
センサレス方式の三相モータと、前記三相モータを駆動するインバータ回路と、
モータ電圧を出力するための、前記インバータ回路の三相の出力ノードと接続され、前記三相の出力ノードのうち非通電相の出力ノードに生じる電圧を検出する検出器と、
コントローラとを備え、
前記コントローラは、前記三相モータの起動時に、推定された回転子の磁極の位置に基づいて、前記三相モータのいずれか二相に前記インバータ回路によって駆動電圧を印加し、
前記コントローラは、前記三相モータの起動時に、前記駆動電圧の印加期間において前記検出器によって検出された電圧と、前記駆動電圧の印加期間の直後または直前の回生期間において前記検出器によって検出された電圧との差分電圧に基づいて、前記回転子の位置を検出する、モータ駆動システム。
【請求項12】
センサレス方式の三相モータの起動時に、停止状態の回転子の磁極位置を推定するステップと、推定された前記停止状態の前記回転子の磁極位置に基づいて、前記三相モータのいずれか二相にインバータ回路によって駆動電圧を印加するステップと、
前記駆動電圧の印加期間において非通電相に生じる誘起電圧と、前記駆動電圧の印加期間の直後または直前の回生期間において前記非通電相に生じる誘起電圧との差分電圧に基づいて、前記回転子の位置を推定するステップとを備える、モータ起動方法。
【請求項13】
前記駆動電圧は、パルス幅変調に基づく、請求項１２に記載のモータ起動方法。
【請求項14】
前記差分電圧の絶対値が第１閾値以下になったときに、前記駆動電圧を印加する相を切り替えるステップさらに備える、請求項１３に記載のモータ起動方法。
【請求項15】
前記差分電圧の絶対値が前記第１閾値以下になったときに非通電相に生じる誘起電圧の絶対値を、逆起電力の絶対値であると推定するステップをさらに備える、請求項１４に記載のモータ起動方法。
【請求項16】
前記推定された逆起電力の絶対値が第２閾値以上になった場合に、非通電相の誘起電圧のゼロクロス点に基づいて前記インバータ回路を制御する駆動モードに移行するステップをさらに備える、請求項１５に記載のモータ起動方法。
【請求項17】
前記推定された逆起電力の絶対値が第２閾値以上になり、かつ、前記三相モータのいずれか二相への前記駆動電圧の印加を開始してからの電圧印加時間が閾値時間以下の場合に、非通電相の誘起電圧のゼロクロス点に基づいて前記インバータ回路を制御する駆動モードに移行するステップをさらに備える、請求項１５に記載のモータ起動方法。
【請求項18】
前記三相モータのいずれか二相への前記駆動電圧の印加を開始してからの電圧印加時間が閾値時間を超えても、前記差分電圧の絶対値が前記第１閾値以下にならない場合に、前記駆動電圧の印加を停止するステップをさらに備える、請求項１５に記載のモータ起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体装置、モータ駆動システム、およびモータ起動方法に関し、たとえば、センサレス方式のブラシレスＤＣモータ（永久磁石同期モータとも称する）の初期駆動において好適に用いられるものである。
【背景技術】
【0002】
ブラシレスＤＣモータのセンサレス制御では、モータの回転子の回転により非通電相の固定子巻線に発生する逆起電力（ＢＥＭＦ：Back Electromotive Force）が検出される。検出した逆起電力のゼロクロス点に基づいて、回転子の位置および回転速度が推定される。
【0003】
モータの停止状態においては逆起電力が発生しないため、上記の逆起電力のゼロクロス点の検出に基づくセンサレス制御によってモータの回転子の位置を推定することはできない。そこで、たとえば、自己インダクタンスの違いを利用して停止した回転子の磁極位置が推定される。
【0004】
その後、推定した初期磁極位置に応じた適切な相の固定子巻線に一定時間、駆動電圧を印加することによってモータが初期駆動される。初期駆動は、駆動電圧を印加する相を切り替えながら複数回実行される。十分な大きさの逆起電力が検出されるようになると、モータ制御は、逆起電力のゼロクロス点の検出に基づくセンサレス制御に移行する。
【0005】
特開２００８－１１３５０６号公報（特許文献１）は、モータの起動時間の短縮化を図るために、上記の初期駆動中の回転子の位置を推定する方法を開示する。具体的に、この文献のモータ駆動制御装置は、通電相の固定子巻線との相互誘導によって非通電相の固定子巻線に生じる誘起電圧のピーク値を検出する。そして、モータ駆動制御装置は、検出した誘起電圧のピーク値と閾値との比較に基づいて通電相を切り替える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００８－１１３５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記の特開２００８－１１３５０６号公報（特許文献１）に開示されたモータ起動方法の場合、誘起電圧のピーク値と比較する閾値の設定が困難である。この理由は、非通電相に生じる電圧には、相互誘導によって生じる誘起電圧の他に逆起電力に基づく誘起電圧が僅かながら含まれているからである。さらに、相互誘導によって生じる誘起電圧の大きさは、モータによる個体差が大きいからである。このため、回転子の位置を精度良く検出することが困難である。
【0008】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0009】
一実施形態による半導体装置は、モータ初期起動時に、駆動電圧印加期間に非通電相に生じる電圧と、当該駆動電圧印加期間の直後または直前の回生期間に当該非通電相に生じる電圧との差分電圧を検出する。半導体装置は、検出した差分電圧に基づいて、回転子の磁極位置を推定する。
【発明の効果】
【0010】
上記の実施形態によれば、モータの初期起動時に、逆起電力およびモータの個体差などの影響を受けずに回転子の磁極位置を高精度に推定できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】モータ駆動システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図3】１２０°通電方式の場合の６つの通電パターンについて説明するための図である。
【図4】各ＭＯＳトランジスタに供給されるゲート制御信号の波形を概念的に示すタイミング図である。
【図5】ブラシレスＤＣモータの駆動手順の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【0013】
［モータ駆動システムの全体構成］
図１は、モータ駆動システムの構成の一例を示すブロック図である。図１を参照して、モータ駆動システム１００は、三相のブラシレスＤＣモータ３０と、インバータ回路２０と、インバータ回路２０を制御する半導体装置１０とを備える。
図１は、モータ駆動システムの構成の一例を示すブロック図である。図１を参照して、モータ駆動システム１００は、三相のブラシレスＤＣモータ３０と、インバータ回路２０と、インバータ回路２０を制御する半導体装置１０とを備える。
【0014】
（１．ブラシレスＤＣモータ）
ブラシレスＤＣモータ３０は、Ｙ結線された固定子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと、１つ以上の磁極対を有する回転子（不図示）とを含む。インバータ回路２０から固定子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに与えられる三相交流に同期して回転子が回転駆動される。固定子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの結節点を中点３２と称する。
ブラシレスＤＣモータ３０は、Ｙ結線された固定子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと、１つ以上の磁極対を有する回転子（不図示）とを含む。インバータ回路２０から固定子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに与えられる三相交流に同期して回転子が回転駆動される。固定子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの結節点を中点３２と称する。
【0015】
なお、以下では、固定子巻線３１の結線が図１に示すようにＹ結線の場合を示すが、本開示の技術は、固定子巻線３１の結線がΔ結線の場合も同様の効果を奏する。
【0016】
（２．インバータ回路）
インバータ回路２０は、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮを備える。ＭＯＳトランジスタＵＰはＵ相上アームに設けられ、ＭＯＳトランジスタＵＮはＵ相下アームに設けられる。ＭＯＳトランジスタＶＰはＶ相上アームに設けられ、ＭＯＳトランジスタＶＮはＶ相下アームに設けられる。ＭＯＳトランジスタＷＰはＷ相上アームに設けられ、ＭＯＳトランジスタＷＮはＷ相下アームに設けられる。上アームをハイサイド（High Side）とも称し、下アームをローサイド（Low Side）とも称する。
インバータ回路２０は、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮを備える。ＭＯＳトランジスタＵＰはＵ相上アームに設けられ、ＭＯＳトランジスタＵＮはＵ相下アームに設けられる。ＭＯＳトランジスタＶＰはＶ相上アームに設けられ、ＭＯＳトランジスタＶＮはＶ相下アームに設けられる。ＭＯＳトランジスタＷＰはＷ相上アームに設けられ、ＭＯＳトランジスタＷＮはＷ相下アームに設けられる。上アームをハイサイド（High Side）とも称し、下アームをローサイド（Low Side）とも称する。
【0017】
さらに、インバータ回路２０は、２相間の電流を検出するシャント抵抗２３を備える。
以下、これらの接続に関して簡単に説明する。ＭＯＳトランジスタＵＰとＭＯＳトランジスタＵＮとは、この並び順で外部入力電圧ＶＭ（電源電圧ＶＭとも称する）を与える第１の電源ノード２１と低電位側の接続ノード２４との間に直列に接続される。シャント抵抗２３は、接続ノード２４と接地電圧ＧＮＤを与える第２の電源ノード２２との間に接続される。ＭＯＳトランジスタＵＰとＭＯＳトランジスタＵＮとの接続点である出力ノードＴＵは、Ｕ相固定子巻線３１Ｕの一端と接続される。
以下、これらの接続に関して簡単に説明する。ＭＯＳトランジスタＵＰとＭＯＳトランジスタＵＮとは、この並び順で外部入力電圧ＶＭ（電源電圧ＶＭとも称する）を与える第１の電源ノード２１と低電位側の接続ノード２４との間に直列に接続される。シャント抵抗２３は、接続ノード２４と接地電圧ＧＮＤを与える第２の電源ノード２２との間に接続される。ＭＯＳトランジスタＵＰとＭＯＳトランジスタＵＮとの接続点である出力ノードＴＵは、Ｕ相固定子巻線３１Ｕの一端と接続される。
【0018】
同様に、ＭＯＳトランジスタＶＰとＭＯＳトランジスタＶＮとは、第１の電源ノード２１と接続ノード２４との間にこの並び順で直列に接続される。ＭＯＳトランジスタＶＰとＭＯＳトランジスタＶＮとの接続点である出力ノードＴＶは、Ｖ相固定子巻線３１Ｖの一端と接続される。
【0019】
同様に、ＭＯＳトランジスタＷＰとＭＯＳトランジスタＷＮとは、第１の電源ノード２１と接続ノード２４との間にこの並び順で直列に接続される。ＭＯＳトランジスタＷＰとＭＯＳトランジスタＷＮとの接続点である出力ノードＴＷは、Ｗ相固定子巻線３１Ｗの一端と接続される。
【0020】
ＭＯＳトランジスタＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮの各々は、逆バイアス方向に並列接続されたボディダイオード（不図示）を有している。したがって、同一相の上アームのトランジスタと下アームのトランジスタとが両方ともオフ状態の場合は、このボディダイオードを介したパスで電流が回生できる。
【0021】
図１では、全てのＭＯＳトランジスタＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮはＮチャネルＭＯＳトランジスタによって構成されている。これに代えて、上アームのＭＯＳトランジスタＵＰ，ＶＰ，ＷＰと下アームのＭＯＳトランジスタＵＮ，ＶＮ，ＷＮとの一方をＮＭＯＳにし、他方をＰＭＯＳにしてもよいし、全てのＭＯＳトランジスタＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮをＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成してもよい。
【0022】
また、インバータ回路２０を構成する半導体スイッチング素子として、ＭＯＳトランジスタに代えて、他の種類の電界効果トランジスタを用いてもよい。もしくは、ＭＯＳトランジスタに代えて、バイポーラトランジスタを用いてもよいし、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いてもよい。ただし、他の種類のトランジスタを用いる場合には、各トランジスタと逆並列にフライホイールダイオードを接続する必要がある。この理由は、同一相の上アームのトランジスタと下アームのトランジスタとが両方ともオフ状態の場合に回生パスで電流を流すためである。
【0023】
（３．半導体装置）
半導体装置１０は、スイッチ回路６１と、仮想中点生成回路７０と、差動増幅器６３と、増幅器６５と、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ：Micro Controller Unit）４０とを含む。スイッチ回路６１と差動増幅器６３とによって、インバータ回路２０の非通電相の出力ノードの電圧を検出するための検出器６０が構成される。
半導体装置１０は、スイッチ回路６１と、仮想中点生成回路７０と、差動増幅器６３と、増幅器６５と、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ：Micro Controller Unit）４０とを含む。スイッチ回路６１と差動増幅器６３とによって、インバータ回路２０の非通電相の出力ノードの電圧を検出するための検出器６０が構成される。
【0024】
スイッチ回路６１は、出力ノードＴＵ，ＴＶ，ＴＷと接続される。スイッチ回路６１は、ＭＣＵ４０から出力された相セレクト信号ＳＬＵ，ＳＬＶ，ＳＬＷに応じて、出力ノードＴＵ，ＴＶ，ＴＷのうちの選択相の出力ノードと検出ノード６２とを接続する。
【0025】
仮想中点生成回路７０は、ブラシレスＤＣモータ３０の中点３２と同じ役割をする電圧を有する仮想中点７２を与える。具体的に、仮想中点生成回路７０は、抵抗素子７１Ｕ，７１Ｖ，７１Ｗを含む。抵抗素子７１Ｕは、仮想中点７２と出力ノードＴＵとの間に接続される。抵抗素子７１Ｖは、仮想中点７２と出力ノードＴＶとの間に接続される。抵抗素子７１Ｗは、仮想中点７２と出力ノードＴＷとの間に接続される。抵抗素子７１Ｕ，７１Ｖ，７１Ｗは、互いに等しい抵抗値を有している。
【0026】
差動増幅器６３は、検出ノード６２の電圧Ｖｄと参照電圧Ｖｒｅｆとの差分を増幅する。参照電圧Ｖｒｅｆとして中点３２または仮想中点７２の電圧が用いられる。
【0027】
増幅器６５は、シャント抵抗２３に生じる電圧を増幅する。これによって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間のモータ電流を検出することができる。
【0028】
ＭＣＵ４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリ等を含むコンピュータを１つの集積回路に組み込んだものである。ＭＣＵ４０は、メモリに格納されたプログラムを実行することによって種々の機能を実現する。以下、図１および図２を参照して、ＭＣＵ１０の構成および機能について説明する。
【0029】
図２は、図１のＭＣＵの構成例を示すブロック図である。図２の例では、ＭＣＵ４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２と、不揮発性メモリ４３とを含むコンピュータに基づいて構成される。ＭＣＵ４０は、さらに、インターフェイス（ＩＦ）回路４４，４６と、アナログ・デジタル（ＡＤ）変換器４５，４８と、ゲート制御信号生成器４７とを含む。ＭＣＵ４０は、さらに、これらの構成要素を相互に接続するためのバス４９を含む。ＣＰＵ４１などの各構成要素は２つ以上設けられていてもよい。
【0030】
ＣＰＵ４１は、不揮発性メモリ４３に格納されたプログラムに含まれる命令に従って動作することにより、モータ駆動システム１００全体を制御する。プログラムは、非一時的な記憶媒体として提供されてもよいし、ネットワークを介して提供されてもよい。
【0031】
ＲＡＭ４２は、ＣＰＵ４１が動作する際の主記憶として用いられる。不揮発性メモリ４３は、プログラムおよびプログラムの動作に必要な各種の設定値などを格納する。不揮発性メモリ４３は、マスクＲＯＭ（Random Access Memory）またはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）などであってもよい。もしくは、不揮発性メモリ４３は、ＮＯＲフラッシュメモリまたはＮＡＮＤフラッシュメモリなどであってもよい。不揮発性メモリ４３は、さらに、ＳＳＤ（Solid State Drive）またはハードディスクを含んでいてもよい。
【0032】
ＩＦ回路４４は、外部から運転指令値１１の入力を受けるための回路である。ＩＦ回路４６は、ＣＰＵ４１からの指令に基づいてスイッチ回路６１へ相セレクト信号ＳＬＵ，ＳＬＶ，ＳＬＷを出力するための回路である。ＩＦ回路４４，４６は、たとえば、ＭＣＵ４０の内部回路と外部回路との間で、入出力分離、レベル調整、およびタイミング調整などを行う。
【0033】
ＡＤ変換器４５は、差動増幅器６３の出力信号Ｖｏｕｔをデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器４８は、増幅器６５の出力信号Ｉｄをデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器４５，４８の回路構成は、公知のいずれの回路構成を用いてもよい。
【0034】
ゲート制御信号生成器４７は、ＣＰＵ４１からの指令値に基づいて、ＭＯＳトランジスタＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮのゲート制御信号ＧＵＰ，ＧＵＮ，ＧＶＰ，ＧＶＮ，ＧＷＰ，ＧＷＮを生成する。ゲート制御信号生成器４７は、たとえば、各ＭＯＳトランジスタのゲート電圧指令値とキャリア信号の値との比較に基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に基づくゲート制御信号を生成する。
【0035】
なお、上記の構成のＭＣＵ４０に代えて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの専用の回路によって構成されたコントローラを用いてもよい。もしくは、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＣＰＵなどのうち少なくとも２つを組み合わせてコントローラを構成してもよい。
【0036】
［通電パターン］
次に、１２０°通電方式の場合の６つの通電パターンについて説明する。本実施形態では、ＭＣＵ４０は、１２０°通電方式によってブラシレスＤＣモータ３０を制御する。１２０°通電方式とは、電気角半周期のうち１２０°を通電期間とし、残りの６０°を非通電期間とする方式であり、非通電期間においてＢＥＭＦが検出可能である。三相のブラシレスＤＣモータでは、通電相が電気角６０°ごとに切り替わるので、６つの通電パターンが生じる。
次に、１２０°通電方式の場合の６つの通電パターンについて説明する。本実施形態では、ＭＣＵ４０は、１２０°通電方式によってブラシレスＤＣモータ３０を制御する。１２０°通電方式とは、電気角半周期のうち１２０°を通電期間とし、残りの６０°を非通電期間とする方式であり、非通電期間においてＢＥＭＦが検出可能である。三相のブラシレスＤＣモータでは、通電相が電気角６０°ごとに切り替わるので、６つの通電パターンが生じる。
【0037】
なお、電気角半周期のうち１２０°以上１８０°未満を通電期間とした場合にも、非通電期間に生じるＢＥＭＦを測定可能であれば、本開示の技術を適用することができる。
【0038】
上記の１２０°通電方式の通電期間および非通電期間は、ＰＷＭ制御の電圧印加期間（オン期間とも称する）および回生期間（オフ期間とも称する）とは異なる点に注意されたい。通電期間は、ＰＷＭ制御の複数の電圧印加期間および複数の回生期間を含む。
【0039】
【0040】
（ａ） 図３を参照して、Ｗ相上アームのＭＯＳトランジスタＷＰとＶ相下アームのＭＯＳトランジスタＶＮとがオン状態に制御され、他がオフ状態に制御される。これにより、Ｗ相固定子巻線３１ＷからＶ相固定子巻線３１Ｖにモータ電流ａが流れる。Ｕ相固定子巻線３１Ｕは非通電状態であり、ＢＥＭＦのゼロクロス点が観測可能である。以下の説明では、この通電パターンを通電パターンａと称する。
【0041】
また、通電パターンａにおいて、Ｕ相を「非通電相」と称し、Ｗ相を「上流側通電相」と称し、Ｖ相を「下流側通電相」と称する。モータ電流は、上流側通電相の固定子巻線から下流側通電相の固定子巻線の方向に流れる。他の通電パターンの場合にも同様に定義される。
【0042】
通電パターンａにおいてＰＷＭ制御を実行する場合、ＭＣＵ４０は、Ｗ相上アームをオン状態のまま維持して、Ｖ相においてＰＷＭ制御を実行する。もしくは、ＭＣＵ４０は、Ｖ相下アームをオン状態のまま維持して、Ｗ相においてＰＷＭ制御を実行する。前者の場合、回生電流は、Ｗ相上アームとＶ相上アームとを流れる。後者の場合、回生電流は、Ｗ相下アームとＶ相下アームとを流れる。
【0043】
（ｂ） インバータ回路２０のＷ相上アームのＭＯＳトランジスタＷＰとＵ相下アームのＭＯＳトランジスタＵＮとがオン状態に制御され、他がオフ状態に制御される。これにより、Ｗ相固定子巻線３１ＷからＵ相固定子巻線３１Ｕにモータ電流ｂが流れる。Ｖ相固定子巻線３１Ｖは非通電状態であり、ＢＥＭＦのゼロクロス点が観測可能である。以下の説明では、この通電パターンを通電パターンｂと称する。
【0044】
通電パターンｂにおいてＰＷＭ制御を実行する場合、ＭＣＵ４０は、Ｗ相上アームをオン状態のまま維持して、Ｕ相においてＰＷＭ制御を実行する。もしくは、ＭＣＵ４０は、Ｕ相下アームをオン状態のまま維持して、Ｗ相においてＰＷＭ制御を実行する。前者の場合、回生電流は、Ｗ相上アームとＵ相上アームとを流れる。後者の場合、回生電流は、Ｗ相下アームとＵ相下アームとを流れる。
【0045】
（ｃ） Ｖ相上アームのＭＯＳトランジスタＶＰとＵ相下アームのＭＯＳトランジスタＵＮとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｖ相固定子巻線３１ＶからＵ相固定子巻線３１Ｕにモータ電流ｃが流れる。Ｗ相固定子巻線３１Ｗは非通電状態であり、ＢＥＭＦのゼロクロス点が観測可能である。以下の説明では、この通電パターンを通電パターンｃと称する。
【0046】
通電パターンｃにおいてＰＷＭ制御を実行する場合、ＭＣＵ４０は、Ｖ相上アームをオン状態のまま維持して、Ｕ相においてＰＷＭ制御を実行する。もしくは、ＭＣＵ４０は、Ｕ相下アームをオン状態のまま維持して、Ｖ相においてＰＷＭ制御を実行する。前者の場合、回生電流は、Ｖ相上アームとＵ相上アームとを流れる。後者の場合、回生電流は、Ｖ相下アームとＵ相下アームとを流れる。
【0047】
（ｄ） Ｖ相上アームのＭＯＳトランジスタＶＰとＷ相下アームのＭＯＳトランジスタＷＮとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｖ相固定子巻線３１ＶからＷ相固定子巻線３１Ｗにモータ電流ｄが流れる。Ｕ相固定子巻線３１Ｕは非通電状態であり、ＢＥＭＦのゼロクロス点が観測可能である。以下の説明では、この通電パターンを通電パターンｄと称する。
【0048】
通電パターンｄにおいてＰＷＭ制御を実行する場合、ＭＣＵ４０は、Ｖ相上アームをオン状態のまま維持して、Ｗ相においてＰＷＭ制御を実行する。もしくは、ＭＣＵ４０は、Ｗ相下アームをオン状態のまま維持して、Ｖ相においてＰＷＭ制御を実行する。前者の場合、回生電流は、Ｖ相上アームとＷ相上アームとを流れる。後者の場合、回生電流は、Ｖ相下アームとＷ相下アームとを流れる。
【0049】
（ｅ） Ｕ相上アームのＭＯＳトランジスタＵＰとＷ相下アームのＭＯＳトランジスタＷＮとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｕ相固定子巻線３１ＵからＷ相固定子巻線３１Ｗにモータ電流ｅが流れる。Ｖ相固定子巻線３１Ｖは非通電状態であり、ＢＥＭＦのゼロクロス点が観測可能である。以下の説明では、この通電パターンを通電パターンｅと称する。
【0050】
通電パターンｅにおいてＰＷＭ制御を実行する場合、ＭＣＵ４０は、Ｕ相上アームをオン状態のまま維持して、Ｗ相においてＰＷＭ制御を実行する。もしくは、ＭＣＵ４０は、Ｗ相下アームをオン状態のまま維持して、Ｕ相においてＰＷＭ制御を実行する。前者の場合、回生電流は、Ｕ相上アームとＷ相上アームとを流れる。後者の場合、回生電流は、Ｕ相下アームとＷ相下アームとを流れる。
【0051】
（ｆ） Ｕ相上アームのＭＯＳトランジスタＵＰとＶ相下アームのＭＯＳトランジスタＶＮとをオン状態に制御し他をオフ状態に制御すれば、Ｕ相固定子巻線３１ＵからＶ相固定子巻線３１Ｖにモータ電流ｆが流れる。Ｗ相固定子巻線３１Ｗは非通電状態であり、ＢＥＭＦのゼロクロス点が観測可能である。以下の説明では、この通電パターンを通電パターンｆと称する。
【0052】
通電パターンｆにおいてＰＷＭ制御を実行する場合、ＭＣＵ４０は、Ｕ相上アームをオン状態のまま維持して、Ｖ相においてＰＷＭ制御を実行する。もしくは、ＭＣＵ４０は、Ｖ相下アームをオン状態のまま維持して、Ｕ相においてＰＷＭ制御を実行する。前者の場合、回生電流は、Ｕ相上アームとＶ相上アームとを流れる。後者の場合、回生電流は、Ｕ相下アームとＶ相下アームとを流れる。
【0053】
上記の通電パターンａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆの順番でブラシレスＤＣモータ３０に電流を流すようにインバータ回路２０を制御すれば、通電相が順次切り替わり、ブラシレスＤＣモータ３０の回転子もこの回転電磁界に同期して回転する。この明細書では、便宜上この回転方向を時計回り（ＣＷ）方向と称する。
【0054】
一方、上記の逆順で、すなわち、通電パターンｆ，ｅ，ｄ，ｃ，ｂ，ａの順番でブラシレスＤＣモータ３０に電流を流すようにインバータ回路２０を制御すれば、上記の通電相の切り替わり順序とは逆順で通電相が順次切り替わる。したがって、ブラシレスＤＣモータ３０の回転子もこの回転電磁界に同期して回転する。この明細書では、便宜上この回転方向を反時計回り（ＣＣＷ）方向と称する。
【0055】
図４は、各ＭＯＳトランジスタに供給されるゲート制御信号の波形を概念的に示すタイミング図である。図４では、回生電流が下アームを流れて上アームを流れない場合の通電パターンごとの波形の一例が示されている。図４に示す波形は概念的なものであり、実際の波形と全く同じではない。ゲート印加電圧がハイ（Ｈ）レベルの場合に、対応するＭＯＳトランジスタがオン状態に制御される。ゲート印加電圧がロー（Ｌ）レベルの場合に、対応するＭＯＳトランジスタはオフ状態に制御される。また、図４では、非通電相をハイインピーダンス（High-Z）相と記載している。
【0056】
［モータ駆動手順の概要］
本実施形態において、モータ駆動手順は大きく３つのモードに分かれる。以下、その概要をまず説明する。
本実施形態において、モータ駆動手順は大きく３つのモードに分かれる。以下、その概要をまず説明する。
【0057】
第１モードにおいて、ＭＣＵ４０は、停止状態の回転子の磁極の初期位置を推定する。初期磁極位置の検出には、たとえば、インダクティブセンスが用いられる。インダクティブセンスでは、たとえば、図３に示す６つの通電パターンで回転子が回転しない程度の電圧を固定子巻線３１に印加したときに、固定子巻線３１に流れる電流の違いが検出される。固定子巻線３１を流れる電流は、シャント抵抗２３に生じる電圧によって検出される。
【0058】
突極性を有するブラシレスＤＣモータ３０の場合には、ｄ軸方向のインダクタンスが低下するので、巻線電流の変化に基づいて磁極位置の検出が可能である。また、非突極性のブラシレスＤＣモータ３０の場合には、磁気飽和によるインダクタンスの低下を電流変化に基づいて検出することにより、磁極位置の検出が可能である。
【0059】
具体的に、固定子巻線３１の巻線抵抗をＲとし、インダクタンスをＬとし、印加電圧をＶとする。この場合、固定子巻線３１に流れる電流Ｉは、
Ｉ＝Ｖ／Ｒ［１－ｅｘｐ（－ｔ・Ｒ／Ｌ）］ …(1)
で表される。
Ｉ＝Ｖ／Ｒ［１－ｅｘｐ（－ｔ・Ｒ／Ｌ）］ …(1)
で表される。
【0060】
第２モードでは、第１モードにおいて検出した初期磁極位置に基づいて、ＰＷＭ駆動によって回転子に初期起動トルクが与えられる。起動トルクの印加をキックとも称する。ここで、本実施形態では、回転子の磁極位置を推定するために、通電相の固定子巻線３１の電流磁界によって非通電相の固定子巻線３１に生じる相互誘導電圧が検出される。後述するように、ＰＷＭ制御の電圧印加期間の非通電相の誘起電圧とその直後（または直前）の回生期間の非通電相の誘起電圧との差分によって、相互誘導電圧を求める点に特徴がある。本開示では、第２モードを相互誘導検出駆動と称する。
【0061】
具体的に、通電相の固定子巻線３１の巻数をｎ１とし、巻線電流をＩ１とし、コイルの断面積をＳとし、透磁率をμとし、電流磁界による磁束密度Ｂ１とする。磁束φ１は、
φ１＝Ｂ１Ｓ＝μｎ１Ｉ１Ｓ …(2)
と表される。また、非通電相の固定子巻線３１の巻数ｎ２とする。非通電相の磁束φ２および誘起電圧ｅ２は、
φ２∝φ１／Ｋ …(3)
ｅ２∝ｎ２・Δφ２／Δｔ …(4)
で表される。Ｋは回転子の位置によって変わる比例定数であり、Δφ２／Δｔは、磁束φ２の時間変化率（すなわち、微分係数）である。
φ１＝Ｂ１Ｓ＝μｎ１Ｉ１Ｓ …(2)
と表される。また、非通電相の固定子巻線３１の巻数ｎ２とする。非通電相の磁束φ２および誘起電圧ｅ２は、
φ２∝φ１／Ｋ …(3)
ｅ２∝ｎ２・Δφ２／Δｔ …(4)
で表される。Ｋは回転子の位置によって変わる比例定数であり、Δφ２／Δｔは、磁束φ２の時間変化率（すなわち、微分係数）である。
【0062】
第２モードにおけるゲート制御信号ＧＵＰ，ＧＵＮ，ＧＶＰ，ＧＶＮ，ＧＷＰ，ＧＷＮの波形の一例として図４の電圧波形が用いられる。すなわち、第２モードでは、回生期間誘起電圧の検出精度を高めるために、回生電流が図４に示すように下アームを流れるように、インバータ回路２０が制御されるのが望ましい。なお、検出精度を高める必要がない場合には、回生電流を下アームだけに流す必要はない。たとえば、回生電流が上アームを流れるようにしてもよい。
【0063】
第３モードでは、ＢＥＭＦのゼロクロス点に基づいて推定された磁極位置に基づいて、ブラシレスＤＣモータ３０が駆動される。第２モードにおいて検出されたＢＥＭＦの大きさが所定の大きさに達すると、駆動モードは第２モードから第３モードに移行する。この開示では、第３モードをＢＥＭＦ検出駆動と称する。
【0064】
ここで、ＢＥＭＦによる誘起電圧は、回転子の回転によって固定子巻線３１に生じる電圧をいう。具体的に、回転子に設けられた永久磁石による磁束をＢとし、回転子の表面と固定子巻線３１との相対速度をｖとし、回転子の回転半径をｒとし、回転子の回転速度をＮとする。簡単のために、コイルを一辺ｌの正方形とする。この場合、ＢＥＭＦによる誘起電圧Ｖは、
Ｖ＝Ｂｌｖ＝２πｒＮＢｌ …(5)
で表される。
Ｖ＝Ｂｌｖ＝２πｒＮＢｌ …(5)
で表される。
【0065】
第３モードにおけるゲート制御信号ＧＵＰ，ＧＵＮ，ＧＶＰ，ＧＶＮ，ＧＷＰ，ＧＷＮの波形として図４の電圧波形を用いてもよいし、他の電圧波形を用いてもよい。たとえば、ＰＷＭ制御を行う相が連続しないように図４の電圧波形を変形してもよい。
【0066】
図４の波形の変形例として、通電パターンｂの場合には、Ｕ相がＰＷＭ制御され、ゲート制御信号ＧＷＰがＨレベルに制御され、ゲート制御信号ＧＷＮがＬレベルに制御されるように図４の波形が変更される。通電パターンｄの場合には、Ｗ相がＰＷＭ制御され、ゲート制御信号ＧＶＰがＨレベルに制御され、ゲート制御信号ＧＶＮがＬレベルに制御されるように図４の波形が変更される。通電パターンｆの場合には、Ｖ相がＰＷＭ制御され、ゲート制御信号ＧＵＰがＨレベルに制御され、ゲート制御信号ＧＵＮがＬレベルに制御されるように図４の波形が変更される。この場合、通電パターンａ，ｃ，ｅの波形は変更されない。
【0067】
［モータ駆動手順の詳細］
図５は、ブラシレスＤＣモータの駆動手順の一例を示すフローチャートである。以下、図１および図５を参照して、ブラシレスＤＣモータ３０の駆動手順について説明する。ＭＣＵ４０には外部入力電圧ＶＭの検出値が入力される。
図５は、ブラシレスＤＣモータの駆動手順の一例を示すフローチャートである。以下、図１および図５を参照して、ブラシレスＤＣモータ３０の駆動手順について説明する。ＭＣＵ４０には外部入力電圧ＶＭの検出値が入力される。
【0068】
図５のステップＳ１０において、ＭＣＵ４０は、外部入力電圧ＶＭが予め設定された起動電圧以上であるか否かを判定する。ＭＣＵ４０は、外部入力電圧ＶＭが起動電圧以上である場合に、処理をステップＳ２０に進める。
【0069】
ステップＳ２０において、ＭＣＵ４０は、ゲート制御信号ＧＵＰ，ＧＵＮ，ＧＶＰ，ＧＶＮ，ＧＷＰ，ＧＷＮをローレベルに設定する。これによって、ＭＯＳトランジスタＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮは全てのオフ状態（ハイインピーダンス状態）になる。
【0070】
次のステップＳ３０において、ＭＣＵ４０は、スイッチ回路６１の３相を順にオンに切り替えながら各相の誘起電圧（ＢＥＭＦ）を検出することにより、回転子の回転方向を検出する。ＭＣＵ４０は、回転子の回転方向が運転指令値１１による指定方向と同じ正回転である場合には、ステップＳ７０（ＢＥＭＦ検出駆動）に処理を進める。ＭＣＵ４０は、回転子の回転方向が運転指令値１１による指定方向と逆である逆回転の場合には、ステップＳ１００（３相ショートブレーキ）に処理を進める。ＭＣＵ４０は、ＢＥＭＦの大きさが閾値以下の場合には、回転子は無回転であると判定し、ステップＳ４０に処理を進める。
【0071】
ステップＳ４０において、ＭＣＵ４０は、インダクティブセンスなどの方法を用いることにより初期磁極位置を検出する。
【0072】
その次のステップＳ５０において、ＭＣＵ４０は、ステップＳ４０において検出された初期磁極位置に基づいて、最も初期トルクが大きくなる通電パターンで固定子巻線３１に電圧を印加する。たとえば、ステップＳ４０において、通電パターンｄにおいて、自己インダクタンスが最も小さいことが検出されたとする。この場合においてＣＷ方向に回転させる場合には、ＭＣＵ４０は、通電パターンｆで固定子巻線３１に電圧を印加するように、インバータ回路２０を制御する。
【0073】
【0074】
ステップＳ６０において、ＭＣＵ４０は、回転速度不足と判定した場合には、ステップＳ５０に処理を戻して、次の通電パターンで初期トルクを印加する。ＭＣＵ４０は、最大キック時間Ｔｍａｘを超えても回転子の回転が検出できなかった場合には、タイムアウトと判定する。この場合、ＭＣＵ４０は、処理をステップＳ４０に戻して回転子の初期磁極位置を検出する。ＭＣＵ４０は、回転子の回転速度が規定回転速度に達したことを検出した場合には、処理をステップＳ７０に進める。
【0075】
ステップＳ７０において、ＭＣＵ４０は、ＢＥＭＦ検出駆動（モード３）を実行する。具体的には、ＭＣＵ４０は、非通電相において検出されるＢＥＭＦのゼロクロス点に基づいて、回転子の位置および速度を推定する。ＭＣＵ４０は、推定した回転子の位置および速度に基づいて、適切なトルクが回転子に与えられるようにＰＷＭ制御によってブラシレスＤＣモータ３０を駆動する。
【0076】
ＭＣＵ４０は、ＢＥＭＦの検出エラーが生じておらず（ステップＳ８０でＮＯ）、かつ、外部入力電圧ＶＭが起動電圧以上の場合（ステップＳ９０でＮＯ）には、ステップＳ７０を継続して実行する。ＭＣＵ４０は、ＢＥＭＦの検出エラーが生じている場合（ステップＳ８０でＹＥＳ）または外部入力電圧ＶＭが起動電圧未満の場合（ステップＳ９０でＹＥＳ）に、ステップＳ１００に処理を進める。
【0077】
ステップＳ１００において、ＭＣＵ４０は、第１の電源ノード２１に外部入力電圧ＶＭが与えられないように、外部入力電圧ＶＭを切り離す。その上で、ＭＣＵ４０は、ＭＯＳトランジスタＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮが全て導通状態になるように、ゲート制御信号ＧＵＰ，ＧＵＮ，ＧＶＰ，ＧＶＮ，ＧＷＰ，ＧＷＮをＨレベルに設定する。これによって、ブラシレスＤＣモータ３０には３相ショートブレーキがかかる。
【0078】
ステップＳ１１０において、ＭＣＵ４０は、スイッチ回路６１のうちいずれか１相がオン状態になるように相セレクト信号ＳＬＵ，ＳＬＶ，ＳＬＷを設定する。この状態で、ＭＣＵ４０は、スイッチ回路６１のうち例えばＵ相がオン状態になるように制御した場合に、出力ノードＴＵと仮想中点７２との間の端子電圧をモニタする。この端子電圧の大きさ（または最大値）が予め設定された停止閾値以下となるまで、ＭＣＵ４０は、３相ショートブレーキの実行（ステップＳ１００）を継続する。端子電圧の大きさ（または最大値）が停止閾値以下となった場合（ステップＳ１１０でＹＥＳ）、ＭＣＵ４０は、処理を最初のステップＳ１０に戻す。
【0079】
図６は、図１のモータ駆動システムの各相の電流波形の一例を概念的に示すタイミング図である。印加電流の大きさおよび電流印加時間は、図の理解を容易にするために変形されている場合があり、実際の電流に比例していない。
【0080】
図６を参照して、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までがモード１（初期磁極位置検出）に対応する。時刻ｔ１０から時刻ｔ２０までがモード２（相互誘導検出駆動）に対応する。時刻ｔ２０以降がモード３（ＢＥＭＦ検出駆動）に対応する。
【0081】
時刻ｔ０から時刻ｔ１０において、ＭＣＵ４０は、インバータ回路２０を制御することにより、図３で説明した６個の通電パターンａ～ｆの順に固定子巻線３１に電圧を印加する。この場合、固定子巻線３１に印加される電圧およびその印加時間は、回転子が回転しない程度に制限される。ＭＣＵ４０は、各通電パターンにおける固定子巻線３１を流れる電流（すなわち、シャント抵抗２３に生じる電圧）を検出する。検出結果に基づいて、ＭＣＵ４０は、自己インダクタンスが最も低くなる場合の通電パターンを決定する。
【0082】
時刻ｔ１０から時刻ｔ２０において、ＭＣＵ４０は、インバータ回路を制御することにより、ブラシレスＤＣモータ３０に起動トルクを印加する。
【0083】
まず、時刻ｔ１０において、ＭＣＵ４０は、インダクティブセンスによって検出された回転子の位置に基づいて、最も印加トルクが大きくなる通電パターンで固定子巻線３１にＰＷＭ制御に基づく電圧を印加する。図６の場合には、まず、通電パターンｆで電圧が印加される。ＰＷＭ制御の電圧印加期間には、Ｕ相上アームから固定子巻線３１を経由してＶ相下アームに電流が流れる。ＰＷＭ制御の回生期間には、Ｕ相下アームから固定子巻線３１を経由してＶ相下アームの方向に回生電流が流れる。ＭＣＵ４０は、検出器６０によって非通電相であるＷ相の誘起電圧を検出する。ＭＣＵ４０は、検出した非通電相の誘起電圧に基づいて相互誘導電圧およびＶＥＭＦを推定する。相互誘導電圧およびＶＥＭＦの具体的な推定方法については、図７～図９を参照して後述する。
【0084】
時刻ｔ１１において、非通電相のＷ相において検出される相互誘導電圧がほぼ０になる（すなわち、相互誘導電圧の絶対値が閾値よりも小さくなる）。このとき、非通電相のＷ相で検出されるＢＥＭＦの絶対値が閾値電圧Ｖｔｈ以上でないので、ＭＣＵ４０は、通電パターンを切り替える。すなわち、ＭＣＵ４０は、インバータ回路２０を制御することにより、次の通電パターンａで固定子巻線３１にＰＷＭ制御に基づく電圧を印加する。通電パターンａでは、ＰＷＭ制御の電圧印加期間には、Ｗ相上アームから固定子巻線３１を経由してＶ相下アームに電流が流れる。ＰＷＭ制御の回生期間には、Ｗ相下アームから固定子巻線３１を経由してＶ相下アームの方向に回生電流が流れる。ＭＣＵ４０は、検出器６０によって非通電相であるＵ相の誘起電圧を検出する。
【0085】
時刻ｔ１２において、非通電相のＵ相において検出される相互誘導電圧がほぼ０になる（すなわち、相互誘導電圧の絶対値が閾値よりも小さくなる）。このとき、非通電相のＵ相で検出されるＢＥＭＦの絶対値が閾値電圧Ｖｔｈ以上でないので、ＭＣＵ４０は、通電パターンを切り替える。すなわち、ＭＣＵ４０は、インバータ回路２０を制御することにより、次の通電パターンｂで固定子巻線３１にＰＷＭ制御に基づく電圧を印加する。通電パターンｂでは、ＰＷＭ制御の電圧印加期間には、Ｗ相上アームから固定子巻線３１を経由してＵ相下アームに電流が流れる。ＰＷＭ制御の回生期間には、Ｗ相下アームから固定子巻線３１を経由してＵ相下アームの方向に回生電流が流れる。ＭＣＵ４０は、検出器６０によって非通電相であるＶ相の誘起電圧を検出する。
【0086】
時刻ｔ１３において、非通電相のＶ相において検出される相互誘導電圧がほぼ０になる（すなわち、相互誘導電圧の絶対値が閾値よりも小さくなる）。このとき、非通電相のＶ相で検出されるＢＥＭＦの絶対値が閾値電圧Ｖｔｈ以上であるので、ＭＣＵ４０は、次の時刻ｔ２０において駆動モードをモード２からモード３に切り替える。
【0087】
時刻ｔ２０において、ＭＣＵ４０は、インバータ回路２０を制御することにより、通電パターンｄで固定子巻線３１にＰＷＭ制御に基づく電圧を印加する。この通電パターンｄによる通電中に、ＭＣＵ４０は、非通電相のＵ相のＢＥＭＦのゼロクロス点を検出器６０によって検出する。モード３におけるＢＥＭＦは、ＣＲフィルタを介して検出される。
【0088】
ゼロクロス点の検出時刻から電気角で３０°経過した時刻ｔ２１に、ＭＣＵ４０は、通電パターンｄから通電パターンｅに通電パターンを切り替える。以下同様に、非通電相のＢＥＭＦのゼロクロス点の検出に基づいて、時刻ｔ２２～ｔ２６の各々において、通電パターンが切り替えられる。
【0089】
【0090】
図７のステップＳ２００において、ＭＣＵ４０は、キック開始からの経過時間Ｔｋｉｃｋ（キック時間Ｔｋｉｃｋと称する）が、予め設定された最小キック時間Ｔｍｉｎを超えているか判定する。ＭＣＵ４０は、キック時間Ｔｋｉｃｋが最小キック時間Ｔｍｉｎを超えている場合（ステップＳ２００でＹＥＳ）、処理をステップＳ２１０に進める。
【0091】
ステップＳ２１０において、ＭＣＵ４０は、ＰＷＭパルスがオンのタイミングで非通電相の誘起電圧Ａを検出する。ＭＣＵ４０は、ＰＷＭパルスがその次にオフとなるタイミングで非通電相の誘起電圧Ｂを検出する。誘起電圧Ａから誘起電圧Ｂを減算した値である変数Ｃが、相互誘導に基づく誘起電圧に相当する。なお、回転子が回転しているときには、誘起電圧Ａおよび誘起電圧Ｂの各々には、ＢＥＭＦも含まれている。誘起電圧Ａから誘起電圧Ｂを減算することにより、ＢＥＭＦがキャンセルされる。
【0092】
より正確には、外部入力電圧ＶＭの２分の１付近の差動増幅器６３のオフセット値ｃｅｎｔｅｒ＿ｍと、接地電圧ＧＮＤ付近の差動増幅器６３のオフセット値ｃｅｎｔｅｒ＿ｄとが考慮される。ステップＳ２２０において、ＭＣＵ４０は、変数Ｃとして、
（Ａ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）－（Ｂ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ） …(6)
を計算する。ＭＣＵ４０は、計算した変数Ｃをメモリに格納する。
（Ａ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）－（Ｂ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ） …(6)
を計算する。ＭＣＵ４０は、計算した変数Ｃをメモリに格納する。
【0093】
次のステップＳ２３０において、ＭＣＵ４０は、変数Ｄとして（Ａ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）の絶対値をメモリに格納する。（Ａ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）の絶対値に代えて（Ｂ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ）の絶対値を変数Ｄとしてメモリに格納してもよい。相互誘導に基づく誘起電圧（すなわち、変数Ｃ）が０の場合、（Ａ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）の絶対値または（Ｂ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ）の絶対値は、ＢＥＭＦの絶対値に等しくなる。
【0094】
次のステップＳ２４０において、ＭＣＵ４０は、通電パターンがａまたはｃまたはｅであるか、ｂまたはｄまたはｆであるかを判定する。一例として、ＭＣＵ４０は、回転子の回転方向が図３を参照して説明したＣＷ方向であり、通電パターンがｂまたはｄまたはｆの場合、処理をステップＳ２５０に進める。ＭＣＵ４０は、回転子の回転方向がＣＷ方向であり、通電パターンがａまたはｃまたはｅである場合、処理をステップＳ２６０に進める。ＭＣＵ４０は、回転子の回転方向が図３を参照して説明したＣＣＷ方向であり、通電パターンがｂまたはｄまたはｆの場合、処理をステップＳ２６０に進める。ＭＣＵ４０は、回転子の回転方向がＣＣＷ方向であり、通電パターンがａまたはｃまたはｅである場合、処理をステップＳ２５０に進める。なお、ＣＷ方向およびＣＣＷ方向は便宜的なものであるので、上記と反対に処理を進める場合もあり得る。
【0095】
最初にステップＳ２５０に処理を進める場合について説明する。この場合は、キック開始時点において、上記の式（６）で計算される変数Ｃが正の場合に対応している。ステップＳ２５０において、ＭＣＵ４０は、変数Ｃが閾値電圧である＋ｍａｒｇｉｎ１よりも大きいか否かを判定する。
【0096】
ＭＣＵ４０は、変数Ｃが＋ｍａｒｇｉｎ１よりも大きい場合（ステップＳ２５０でＹＥＳ）、処理をステップＳ３１０に進める。ステップＳ３１０において、ＭＣＵ４０は、キック時間Ｔｋｉｃｋが最大キック時間Ｔｍａｘよりも大きい場合に（ステップＳ３１０でＹＥＳ）、キックを停止し、タイムアウトと判断する（ステップＳ３２０）。一方、ステップＳ３１０において、ＭＣＵ４０は、キック時間Ｔｋｉｃｋが最大キック時間Ｔｍａｘ以下の場合に（ステップＳ３１０でＮＯ）処理をステップＳ２１０に戻す。
【0097】
ステップＳ２５０において、ＭＣＵ４０は、変数Ｃがｍａｒｇｉｎ１以下の場合（ステップＳ２５０でＮＯ）、処理をステップＳ２７０に進める。ステップＳ２７０において、ＭＣＵ４０は、キック時間Ｔｋｉｃｋが目標キック時間Ｔｓｐｅｅｄ以下であるか否かを判定する。キック時間Ｔｋｉｃｋが目標キック時間Ｔｓｐｅｅｄを超えている場合（ステップＳ２７０でＮＯ）、ＭＣＵ４０は、回転速度不足と判定する（ステップＳ３００）。この場合、ＭＣＵ４０は、処理を図５のステップＳ５０に戻し、次の通電パターンでキックを開始する。
【0098】
一方、ステップＳ２７０においてキック時間Ｔｋｉｃｋが目標キック時間Ｔｓｐｅｅｄ以下の場合（ステップＳ２７０でＹＥＳ）、ＭＣＵ４０は処理をステップＳ２８０に進める。次のステップＳ２８０において、ＭＣＵ４０は、ステップＳ２３０で記憶した変数Ｄが閾値以上であるか否かを判定する。変数Ｄが閾値以上であることは、ＢＥＭＦの絶対値が閾値電圧Ｖｔｈ以上であることに対応している。ＭＣＵ４０は、変数Ｄが閾値以上のとき（ステップＳ２８０でＹＥＳ）、規定回転速度に到達したと判定する（ステップＳ３００）。この場合、ＭＣＵは、処理を図５のステップＳ７０におけるＢＥＭＦ検出駆動に進める。
【0099】
次に、ステップＳ２４０の判定の結果、処理をステップＳ２６０に進める場合について説明する。この場合は、キック開始時点において、上記の式（６）で計算される変数Ｃが負の場合に対応している。ステップＳ２６０において、ＭＣＵ４０は、変数Ｃが閾値電圧である－ｍａｒｇｉｎ１よりも小さいか否かを判定する。ＭＣＵ４０は、変数Ｃが－ｍａｒｇｉｎ１よりも小さい場合に（ステップＳ２６０でＹＥＳ）、処理をステップＳ３１０に進める。その後の処理はステップＳ２５０の場合で説明したので説明を繰り返さない。ＭＣＵ４０は、変数Ｃが－ｍａｒｇｉｎ１以上の場合に（ステップＳ２６０でＮＯ）、処理をステップＳ２７０に進める。その後の処理はステップＳ２５０の場合で説明したので説明を繰り返さない。
【0100】
上記において、通電パターンによって処理を分けずに、変数Ｃの絶対値が閾値電圧である＋ｍａｒｇｉｎ１以下となったか否かを判定してもよい。この場合、ステップＳ２４０，Ｓ２５０，Ｓ２６０に代えて、変数Ｃの絶対値が＋ｍａｒｇｉｎ１以下であるか否かを判定するステップが設けられる。具体的に、ＭＣＵ４０は、変数Ｃの絶対値が＋ｍａｒｇｉｎ１より大きい場合に処理をステップＳ３１０に進め、変数Ｃの絶対値が＋ｍａｒｇｉｎ１以下の場合に処理をステップＳ２７０に進める。
【0101】
［相互誘導検出駆動の具体例］
図８は、相互誘導検出駆動において図１の差動増幅器の出力波形の一例を概念的に示す図である。図８では、通電パターンｂの場合において、非通電相であるＶ相の出力ノードＴＶと仮想中点７２との間の電圧の波形と、Ｕ相電流の波形とが示されている。図８の（Ａ）は回転子が無回転の場合を示し、図８の（Ｂ）は回転子が回転中の場合を示す。各グラフの横軸は回転子の位置に対応している。すなわち、図８の（Ａ）および（Ｂ）は回転子の位置が異なる出力波形を合成して示したものであり、より右の波形ほどＣＷ方向に回転した位置における波形である。
図８は、相互誘導検出駆動において図１の差動増幅器の出力波形の一例を概念的に示す図である。図８では、通電パターンｂの場合において、非通電相であるＶ相の出力ノードＴＶと仮想中点７２との間の電圧の波形と、Ｕ相電流の波形とが示されている。図８の（Ａ）は回転子が無回転の場合を示し、図８の（Ｂ）は回転子が回転中の場合を示す。各グラフの横軸は回転子の位置に対応している。すなわち、図８の（Ａ）および（Ｂ）は回転子の位置が異なる出力波形を合成して示したものであり、より右の波形ほどＣＷ方向に回転した位置における波形である。
【0102】
図８（Ａ）を参照して、ＰＷＭ制御において電圧印加状態のときの電圧Ａ’と、その直後の回生電流が流れているときの電圧Ｂ’とが検出される。前述の式（６）から変数Ｃは、
Ｃ＝（Ａ’－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）－（Ｂ’－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ） …(7)
と計算される。上記の変数Ｃの正負が変わるときを検出することにっよって、回転子の位置を電気角６０°ごとに検出できる。図においてγ点が、変数Ｃ＝０に対応する。
Ｃ＝（Ａ’－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）－（Ｂ’－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ） …(7)
と計算される。上記の変数Ｃの正負が変わるときを検出することにっよって、回転子の位置を電気角６０°ごとに検出できる。図においてγ点が、変数Ｃ＝０に対応する。
【0103】
図８（Ｂ）を参照して、ＰＷＭ制御において電圧印加状態のときの電圧Ａと、その直後の回生電流が流れているときの電圧Ｂとが検出される。前述の式（６）から変数Ｃは、
Ｃ＝（Ａ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）－（Ｂ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ） …(8)
と計算される。
Ｃ＝（Ａ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）－（Ｂ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ） …(8)
と計算される。
【0104】
ここで、回転子が回転している場合の図８（Ｂ）の電圧波形は、回転子が回転していない図８（Ａ）の電圧波形にＢＥＭＦが加算されたものと考えることができる。したがって、上式（８）は、
Ｃ＝（Ａ’＋ＢＥＭＦ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）
－（Ｂ’＋ＢＥＭＦ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ） …(9)
と書き直される。ＢＥＭＦが相殺されるので、上式（９）は、上式（７）と同じになる。すなわち、回転子が停止している場合の変数Ｃの値と回転子が回転している場合の変数Ｃの値とは等しい。よって、変数Ｃの極性を判定することによって、回転子が静止している場合も回転子が回転している場合も同じ精度で、回転子の位置を検出できる。
Ｃ＝（Ａ’＋ＢＥＭＦ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）
－（Ｂ’＋ＢＥＭＦ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ） …(9)
と書き直される。ＢＥＭＦが相殺されるので、上式（９）は、上式（７）と同じになる。すなわち、回転子が停止している場合の変数Ｃの値と回転子が回転している場合の変数Ｃの値とは等しい。よって、変数Ｃの極性を判定することによって、回転子が静止している場合も回転子が回転している場合も同じ精度で、回転子の位置を検出できる。
【0105】
また、変数Ｃが０のときは、
Ａ’－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ＝Ｂ’－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ＝０ …(10)
が成立する。したがって、前述の変数Ｄとして計算した（Ａ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）の絶対値または（Ｂ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ）の絶対値は、ＢＥＭＦの絶対値に等しい。すなわち、ＢＥＭＦのピーク値レベルを検出できる。
Ａ’－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ＝Ｂ’－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ＝０ …(10)
が成立する。したがって、前述の変数Ｄとして計算した（Ａ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｍ）の絶対値または（Ｂ－ｃｅｎｔｅｒ＿ｄ）の絶対値は、ＢＥＭＦの絶対値に等しい。すなわち、ＢＥＭＦのピーク値レベルを検出できる。
【0106】
図８の（Ａ）および（Ｂ）において、ｍａｒｇｉｎ１は、Ｃの極性を判定するときの判定閾値である。すなわち、実際の変数Ｃの極性判定では、回転子の位置は、図８のγ点よりも前の位置で検出される。ＢＥＭＦの波形は正弦波形に近いため、変数Ｃ＝０のときの回転子の位置から電気角で３０°程度ずれても、ＢＥＭＦの検出精度には影響を及ぼさない。
【0107】
図９は、図８のα点、β点、γ点の位置での回転子の位置を説明するための図である。図９では、極対数が２の場合のブラシレスＤＣモータ３０の断面図が概念的に示されている。図９の（Ａ）は図８のα点の場合を示し、（Ｂ）は図８のβ点の場合を示す、（Ｃ）は図８のγ点の場合を示す。通電パターンｂの場合には、巻線電流はＷ相からＵ相に流れ、非通電相であるＶ相の電圧が検出される。
【0108】
図９（Ａ）に示すように、α点はγ点よりも電気角で１２０度前の回転子の位置を示す。この場合、Ｖ相には＋電圧が発生している。
【0109】
図９（Ｂ）に示すように、β点はγ点よりも電気角で９０度前の回転子の位置を示す。この場合、Ｖ相で検出されるＢＥＭＦはほぼ０である。図９（Ｃ）に示すように、γ点は、変数Ｃ、すなわち、相互誘導に基づく誘起電圧が０の場合の回転子の位置を示す。
【0110】
［効果］
上記のとおり、本開示のブラシレスＤＣモータ３０によれば、通電相の電流磁界に基づく相互誘導によって非通電相に生じる誘起電圧を利用して回転子の位置が検出される。これにより、ＢＥＭＦのゼロクロス点の検出に基づくセンサレス制御が実行可能になる前である、ブラシレスＤＣモータ３０の初期起動時に、回転子の位置を検出できる。
上記のとおり、本開示のブラシレスＤＣモータ３０によれば、通電相の電流磁界に基づく相互誘導によって非通電相に生じる誘起電圧を利用して回転子の位置が検出される。これにより、ＢＥＭＦのゼロクロス点の検出に基づくセンサレス制御が実行可能になる前である、ブラシレスＤＣモータ３０の初期起動時に、回転子の位置を検出できる。
【0111】
ここで、ＰＷＭ制御の電圧印加期間の非通電相の誘起電圧とその直後または直前の回生期間の非通電相の誘起電圧との差分を求めることにより、ＢＥＭＦの影響を受けずに回転子の位置を検出できる。したがって、回転子が無回転の場合と回転子が回転中の場合とで、上記の差分が０となるタイミングを検出するのに、同一の判定閾値を用いることができる。
【0112】
さらに、上記の差分がほぼ０のときの相互誘導電圧からＢＥＭＦの大きさを検出できる。従来、ＰＷＭ周波数が低い場合のＢＥＭＦの検出には、大きな定数のＣＲフィルタが必要であったが、本実施の形態ではＣＲフィルタを用いずにＢＥＭＦを精度良く検出できる。
【0113】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【0114】
１０ 半導体装置、１１ 運転指令値、２０ インバータ回路、２１ 第１の電源ノード、２２ 第２の電源ノード、２３ シャント抵抗、２４ 接続ノード、３０ モータ、３１，３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ 固定子巻線、３２ 中点、４１ ＣＰＵ、４２ ＲＡＭ、４３ 不揮発性メモリ、４４，４６ ＩＦ回路、４５，４８ ＡＤ変換器、４７ ゲート制御信号生成器、４９ バス、６０ 検出器、６１ スイッチ回路、６２ 検出ノード、６３ 差動増幅器、６５ 増幅器、７０ 仮想中点生成回路、７１Ｕ，７１Ｖ，７１Ｗ 抵抗素子、７２ 仮想中点、１００ モータ駆動システム、ＧＵＮ，ＧＵＰ，ＧＶＮ，ＧＶＰ，ＧＷＮ，ＧＷＰ ゲート制御信号、ＳＬＵ，ＳＬＶ，ＳＬＷ セレクト信号、ＴＵ，ＴＶ，ＴＷ 出力ノード、Ｔｋｉｃｋ キック時間、Ｔｍａｘ 最大キック時間、Ｔｓｐｅｅｄ 目標キック時間、ＵＮ，ＵＰ，ＶＮ，ＶＰ，ＷＮ，ＷＰ ＭＯＳトランジスタ、ＶＭ 外部入力電圧。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】