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特許7497624センサレス制御装置、電動オイルポンプ装置、及びセンサレス制御方法
(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】2024-06-03
(45)【発行日】2024-06-11
(54)【発明の名称】センサレス制御装置、電動オイルポンプ装置、及びセンサレス制御方法
(51)【国際特許分類】
H02P 6/21 20160101AFI20240604BHJP
H02P 6/182 20160101ALI20240604BHJP
【ＦＩ】
H02P6/21
H02P6/182
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020113397
(22)【出願日】2020-06-30
(65)【公開番号】P2022011961
(43)【公開日】2022-01-17
【審査請求日】2023-05-29
(73)【特許権者】
【識別番号】000220505
【氏名又は名称】ニデックパワートレインシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100141139
【弁理士】
【氏名又は名称】及川 周
(74)【代理人】
【識別番号】100188673
【弁理士】
【氏名又は名称】成田 友紀
(74)【代理人】
【識別番号】100179833
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 将尚
(74)【代理人】
【識別番号】100189348
【弁理士】
【氏名又は名称】古都 智
(74)【代理人】
【識別番号】100138689
【弁理士】
【氏名又は名称】梶原 慶
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 圭
【審査官】佐藤 彰洋
(56)【参考文献】
【文献】特開平０８－０９８５８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－２７６７８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－２１３０９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０１１５３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２０００６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２０９４０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２５２０２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０３５８５８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｐ ６／２１
Ｈ０２Ｐ ６／１８２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
モータを位置センサ無しで制御するセンサレス制御装置であって、複数相のスイッチング素子で構成され、前記モータの各相に電力を供給するモータ駆動回路と、
前記モータの逆起電圧に基づいて前記モータの位相を検出し、前記位相の検出結果を示す位相検出信号を出力する位相検出部と、
前記モータの通電相に印加される駆動電圧の制御パターンを示す電圧制御パターンと、
前記通電相が切り替わる速度である通電切替速度の制御パターンを示す速度制御パターンとを記憶する記憶部と、
上位制御装置から入力される制御指令信号と、前記位相検出信号と、前記電圧制御パターンとに基づいて制御電圧を出力する電圧制御部と、
前記制御電圧と、前記位相検出信号と、前記速度制御パターンとに基づいて前記モータ駆動回路の前記スイッチング素子を制御することにより前記駆動電圧及び前記通電切替速度を制御する通電制御部と、
を備え、
前記モータの起動時において前記位相検出信号によって前記位相を認識できない場合、
前記電圧制御部は、前記電圧制御パターンに基づいて前記制御電圧を時間とともに増加させ、
前記通電制御部は、前記制御電圧及び前記速度制御パターンに基づいて前記スイッチング素子を制御することにより、前記制御電圧に同期して前記駆動電圧を時間とともに増加させながら、前記速度制御パターンに基づいて前記通電切替速度を時間とともに減少させる強制転流制御を行い、
前記強制転流制御が行われる期間に、任意の時点における前記駆動電圧と前記通電切替速度との組み合わせが、前記駆動電圧及び前記通電切替速度を変数とし且つ負の傾きを有する一次関数を常に満たす
センサレス制御装置。
【請求項2】
前記電圧制御部は、前記電圧制御パターンに基づいて前記制御電圧を時間とともに一定の勾配で増加させ、前記通電制御部は、前記制御電圧及び前記速度制御パターンに基づいて前記スイッチング素子を制御することにより、前記制御電圧に同期して前記駆動電圧を時間とともに一定の勾配で増加させながら、前記速度制御パターンに基づいて前記通電切替速度を時間とともに一定の勾配で減少させる強制転流制御を行う
請求項１に記載のセンサレス制御装置。
【請求項3】
前記電圧制御部は、前記電圧制御パターンに基づいて前記制御電圧を時間とともに段階的に増加させ、前記通電制御部は、前記制御電圧及び前記速度制御パターンに基づいて前記スイッチング素子を制御することにより、前記制御電圧に同期して前記駆動電圧を時間とともに段階的に増加させながら、前記速度制御パターンに基づいて前記通電切替速度を時間とともに段階的に減少させる強制転流制御を行う
請求項１に記載のセンサレス制御装置。
【請求項4】
前記記憶部は、前記モータの位相が特定の位相に固定される直流励磁条件を予め記憶し、前記モータの起動時において前記位相検出信号によって前記位相を認識できない場合、
前記電圧制御部は、前記電圧制御パターンに基づいて前記制御電圧を出力する前に、前記直流励磁条件に基づいて前記制御電圧を出力し、
前記通電制御部は、前記制御電圧と前記直流励磁条件とに基づいて前記スイッチング素子を制御することにより、特定の通電相に直流駆動電圧を一定時間印加させる
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のセンサレス制御装置。
【請求項5】
前記位相検出信号によって前記位相の認識に成功した場合、前記電圧制御部は、前記制御指令信号と前記位相検出信号とに基づいて前記制御電圧を出力し、
前記通電制御部は、前記制御電圧及び前記位相検出信号に基づいて前記スイッチング素子を制御することにより、前記制御指令信号に応じた駆動電圧を前記通電相に印加させながら、前記位相検出信号によって決定される通電切替速度で前記通電相を切り替える
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のセンサレス制御装置。
【請求項6】
シャフトを有するモータと、前記シャフトの軸方向一方側に位置し、前記モータによって前記シャフトを介して駆動されてオイルを吐出するポンプと、
前記モータを位置センサ無しで制御する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のセンサレス制御装置と、
を備える、電動オイルポンプ装置。
【請求項7】
モータを位置センサ無しで制御するセンサレス制御方法であって、前記モータの起動時に前記モータの位相を認識できない場合、予め決定された電圧制御パターンに基づいて前記モータの通電相に印加される駆動電圧を時間とともに増加させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて前記通電相の切替え速度である通電切替速度を時間とともに減少させる強制転流制御を行い、
前記強制転流制御が行われる期間に、任意の時点における前記駆動電圧と前記通電切替速度との組み合わせが、前記駆動電圧及び前記通電切替速度を変数とし且つ負の傾きを有する一次関数を常に満たす
センサレス制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、センサレス制御装置、電動オイルポンプ装置、及びセンサレス制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ハイブリッド車両は、変速機に油圧を供給する油圧供給装置として、エンジンの駆動力によって駆動される機械式オイルポンプと、モータによって駆動される電動式オイルポンプとを備える。このようなハイブリッド車両では、機械式オイルポンプが動作不能となるエンジン停止時にモータを制御することにより、電動式オイルポンプによって変速機に必要な油圧を供給することができる。
【0003】
モータの制御方式として、ホールセンサ等の位置センサを使わずにモータの逆起電圧を利用してモータの位相を検出し、その位相の検出結果に基づいてモータの通電制御を行うセンサレス制御が知られている。センサレス制御においてモータの位相を検出するためには、モータの中性点電圧と逆起電圧とが交差する点であるゼロクロス点を検出する必要があるが、モータの回転速度が所定の速度以上でなければ、ゼロクロス点を検出可能な逆起電圧は発生しない。そのため、センサレス制御でモータを起動する場合、モータの回転速度がゼロクロス点を検出可能な速度に達するまで、予め決められた起動シーケンスに従ってモータの通電制御を行うことが一般的である。
【0004】
起動シーケンスの一例として、直流励磁を所定時間行うことによりモータの位相を特定の位相に固定した後、通電相に一定の駆動電圧を印加しながら一定の通電切替速度で強制的に通電相を切り替える強制転流制御を行う起動シーケンスが知られている。この起動シーケンスによってモータの回転速度がゼロクロス点を検出可能な速度に達すると強制転流制御は終了し、以降はゼロクロス点の検出によって得られるモータの位相検出結果に基づいてモータのセンサレス制御が行われる。
【0005】
特許文献１には、強制転流制御時に捕捉したゼロクロス点の検出パターンが、予め記憶した規則的な変化パターンと合致する場合に、強制転流制御からセンサレス制御に移行するセンサレスモータの起動方法が記載されている。この起動方法では、強制転流制御時のパターン切換タイミング時間が所定時間より短いときに、遅れ角制御を行ってセンサレス制御に移行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００８－２７１７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、モータを適切に回転させるためには、モータの仕様に依存するＦ－Ｖ特性に従ってモータに印加する駆動電圧Ｖを回転速度Ｆに応じた適切な値に制御する必要がある。回転速度Ｆと駆動電圧Ｖとは比例関係にあるので、Ｆ－Ｖ特性は正の傾きを有する一次関数で表される。回転速度Ｆと駆動電圧Ｖとの組み合わせがＦ－Ｖ特性から離れるほどモータの回転は不安定となり、適切にモータを制御することが困難となる。
【0008】
また、モータがオイルポンプ等の負荷に接続されると、モータを回転させるのに必要なエネルギーが増加するため、負荷に接続されたモータを負荷無しの場合と同一の回転速度で回転させるのに必要な駆動電圧は大きくなる。すなわち、同一のモータであっても、モータのＦ－Ｖ特性は負荷の大きさに依存して変化する。
【0009】
上記のようにセンサレス制御でモータを起動する場合、予め決められた駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせで強制転流制御が行われるが、モータの実際の回転速度は必ずしも通電切替速度と一致せず、駆動電圧の大きさと負荷の大きさとに依存する。そのため、様々な負荷条件下でのＦ－Ｖ特性を実験的に予め取得しておき、センサレス制御でモータを起動する際に実際の負荷の大きさに応じたＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせで強制転流制御を行うことが望ましいが、それを実施することは現実的に困難である。
【0010】
そこで、現実的な手法として、一つの特定の負荷条件下で得られたＦ－Ｖ特性に基づいて駆動電圧及び通電切替速度を調整しながら強制転流制御を行うことにより、ゼロクロス点を検出可能な速度までモータを回転させることの可能な駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせを予め実験的に決定しておく手法が採用される場合が多い。この場合、モータの起動時には、上記の手法で決定された駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせで強制転流制御が行われるが、実際の負荷条件が実験で使われた負荷条件から大きく逸脱する場合には、実際の負荷条件に適合しない駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせで強制転流制御を行うことになる。その結果、モータの起動時にゼロクロス点を検出可能な速度までモータを回転させることができず、モータの起動に失敗する虞がある。
【0011】
本発明は上記事情に鑑みて、センサレス制御でモータを起動するときに負荷の大きさに関係なくモータの起動を成功させることができるセンサレス制御装置、電動オイルポンプ装置、及びセンサレス制御方法を提供することを一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明のセンサレス制御装置における一つの態様は、モータを位置センサ無しで制御するセンサレス制御装置であって、複数相のスイッチング素子で構成され、前記モータの各相に電力を供給するモータ駆動回路と、前記モータの逆起電圧に基づいて前記モータの位相を検出し、前記位相の検出結果を示す位相検出信号を出力する位相検出部と、を備える。また、本発明の一態様におけるセンサレス制御装置は、前記モータの通電相に印加される駆動電圧の制御パターンを示す電圧制御パターンと、前記通電相が切り替わる速度である通電切替速度の制御パターンを示す速度制御パターンとを記憶する記憶部を備える。また、本発明の一態様におけるセンサレス制御装置は、上位制御装置から入力される制御指令信号と、前記位相検出信号と、前記電圧制御パターンとに基づいて制御電圧を出力する電圧制御部を備える。さらに、本発明の一態様におけるセンサレス制御装置は、前記制御電圧と、前記位相検出信号と、前記速度制御パターンとに基づいて前記モータ駆動回路の前記スイッチング素子を制御することにより前記駆動電圧及び前記通電切替速度を制御する通電制御部を備える。本発明の一態様におけるセンサレス制御装置では、前記モータの起動時において前記位相検出信号によって前記位相を認識できない場合、前記電圧制御部は、前記電圧制御パターンに基づいて前記制御電圧を時間とともに変化させ、前記通電制御部は、前記制御電圧及び前記速度制御パターンに基づいて前記スイッチング素子を制御することにより、前記制御電圧に同期して前記駆動電圧を時間とともに変化させながら、前記速度制御パターンに基づいて前記通電切替速度を時間とともに変化させる強制転流制御を行う。前記強制転流制御が行われる期間に、任意の時点における前記駆動電圧と前記通電切替速度との組み合わせが、前記駆動電圧及び前記通電切替速度を変数とし且つ負の傾きを有する一次関数を常に満たす。
【0013】
本発明の電動オイルポンプ装置における一つの態様は、シャフトを有するモータと、前記シャフトの軸方向一方側に位置し、前記モータによって前記シャフトを介して駆動されてオイルを吐出するポンプと、前記モータを位置センサ無しで制御する上記態様のセンサレス制御装置と、を備える。
【0014】
本発明のセンサレス制御方法における一つの態様は、モータを位置センサ無しで制御するセンサレス制御方法であって、前記モータの起動時に前記モータの位相を認識できない場合、予め決定された電圧制御パターンに基づいて前記モータの通電相に印加される駆動電圧を時間とともに変化させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて前記通電相の切替え速度である通電切替速度を時間とともに変化させる強制転流制御を行い、前記強制転流制御が行われる期間に、任意の時点における前記駆動電圧と前記通電切替速度との組み合わせが、前記駆動電圧及び前記通電切替速度を変数とし且つ負の傾きを有する一次関数を常に満たす。
【発明の効果】
【0015】
本発明の上記態様によれば、センサレス制御でモータを起動するときに負荷の大きさに関係なくモータの起動を成功させることができるセンサレス制御装置、電動オイルポンプ装置、及びセンサレス制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態におけるセンサレス制御装置１０を備える電動オイルポンプ装置１００を模式的に示す回路ブロック図である。図１に示すように、電動オイルポンプ装置１００は、センサレス制御装置１０と、電動オイルポンプ４０とを備える。電動オイルポンプ４０は、モータ２０と、ポンプ３０とを備える。電動オイルポンプ装置１００は、例えばハイブリッド車両に搭載されるトランスミッションにオイルを供給する装置である。
図１は、本実施形態におけるセンサレス制御装置１０を備える電動オイルポンプ装置１００を模式的に示す回路ブロック図である。図１に示すように、電動オイルポンプ装置１００は、センサレス制御装置１０と、電動オイルポンプ４０とを備える。電動オイルポンプ４０は、モータ２０と、ポンプ３０とを備える。電動オイルポンプ装置１００は、例えばハイブリッド車両に搭載されるトランスミッションにオイルを供給する装置である。
【0018】
センサレス制御装置１０は、電動オイルポンプ４０のモータ２０をホールセンサ等の位置センサ無しで制御する装置である。すなわち、センサレス制御装置１０は、モータ２０の逆起電圧を利用してモータ２０の位相を検出し、その位相の検出結果に基づいてモータ２０の通電制御を行う。センサレス制御装置１０の詳細については後述する。
【0019】
モータ２０は、例えばインナーロータ型の三相ブラシレスＤＣモータであって、且つホールセンサ等の位置センサを有しないセンサレスモータである。モータ２０は、シャフト２１と、Ｕ相端子２２ｕと、Ｖ相端子２２ｖと、Ｗ相端子２２ｗと、Ｕ相コイル２３ｕと、Ｖ相コイル２３ｖと、Ｗ相コイル２３ｗと、を有する。
【0020】
また、図１では図示を省略するが、モータ２０は、モータハウジングと、モータハウジングに収容されたロータ及びステータとを有する。ロータは、モータハウジングの内部において、軸受け部品によって回転可能に支持される回転体である。ステータは、モータハウジングの内部において、ロータの外周面を囲った状態で固定され、ロータを回転させるのに必要な電磁力を発生させる。
【0021】
シャフト２１は、ロータの径方向内側を軸方向に貫通した状態でロータと同軸接合される軸状体である。Ｕ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖ及びＷ相端子２２ｗは、それぞれモータハウジングの表面から露出する金属端子である。詳細は後述するが、Ｕ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖ及びＷ相端子２２ｗは、それぞれセンサレス制御装置１０のモータ駆動回路１１と電気的に接続される。Ｕ相コイル２３ｕ、Ｖ相コイル２３ｖ及びＷ相コイル２３ｗは、それぞれステータに設けられた励磁コイルである。Ｕ相コイル２３ｕ、Ｖ相コイル２３ｖ及びＷ相コイル２３ｗは、モータ２０の内部でスター結線される。
【0022】
Ｕ相コイル２３ｕは、Ｕ相端子２２ｕと中性点Ｎとの間に電気的に接続される。Ｖ相コイル２３ｖは、Ｖ相端子２２ｖと中性点Ｎとの間に電気的に接続される。Ｗ相コイル２３ｗは、Ｗ相端子２２ｗと中性点Ｎとの間に電気的に接続される。Ｕ相コイル２３ｕ、Ｖ相コイル２３ｖ及びＷ相コイル２３ｗの通電状態がセンサレス制御装置１０によって制御されることにより、ロータを回転させるのに必要な電磁力が発生する。ロータが回転することにより、シャフト２１もロータに同期して回転する。
【0023】
ポンプ３０は、モータ２０のシャフト２１の軸方向一方側に位置し、モータ２０によってシャフト２１を介して駆動されオイル２００を吐出する。ポンプ３０は、オイル吸入口３１及びオイル吐出口３２を有する。オイル２００は、オイル吸入口３１からポンプ３０の内部に吸入された後、オイル吐出口３２から不図示のトランスミッションに吐出される。このように、ポンプ３０とモータ２０とがシャフト２１の軸方向に隣り合って接続されることにより、電動オイルポンプ４０が構成される。
【0024】
センサレス制御装置１０は、モータ駆動回路１１と、位相検出部１２と、記憶部１３と、電圧制御部１４と、通電制御部１５と、を備える。センサレス制御装置１０は、モータ２０と、車載バッテリ３００と、上位制御装置４００とのそれぞれに電気的に接続される。なお、車載バッテリ３００及び上位制御装置４００は、センサレス制御装置１０及び電動オイルポンプ装置１００の構成要素ではない。
【0025】
車載バッテリ３００は、ハイブリッド車両に搭載される複数のバッテリの一つであり、例えば１２Ｖ系の車載システムに対して１２Ｖの電源電圧ＶＭを供給する。上位制御装置４００は、例えばハイブリッド車両に搭載される複数のＥＣＵ(Electric Control Unit)の一つであり、電動オイルポンプ装置１００によるトランスミッションへの油圧供給動作を制御する制御指令信号ＣＳをセンサレス制御装置１０に出力する。
【0026】
モータ駆動回路１１は、複数相のスイッチング素子で構成され、モータ２０の各相に電力を供給する回路である。具体的には、モータ駆動回路１１は、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨと、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨと、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨと、Ｕ相下側アームスイッチＱＵＬと、Ｖ相下側アームスイッチＱＶＬと、Ｗ相下側アームスイッチＱＷＬと、を有する。本実施形態において各アームスイッチは、例えばＮチャネル型ＭＯＳ－ＦＥＴである。
【0027】
Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨのドレイン端子、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨのドレイン端子、及びＷ相上側アームスイッチＱＷＨのドレイン端子は、それぞれ車載バッテリ３００の正極端子と電気的に接続される。Ｕ相下側アームスイッチＱＵＬのソース端子、Ｖ相下側アームスイッチＱＶＬのソース端子、及びＷ相下側アームスイッチＱＷＬのソース端子は、それぞれ車載バッテリ３００の負極端子と電気的に接続される。なお、車載バッテリ３００の負極端子は車内グランドと電気的に接続される。
【0028】
Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨのソース端子は、モータ２０のＵ相端子２２ｕと、Ｕ相下側アームスイッチＱＵＬのドレイン端子とのそれぞれに電気的に接続される。Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨのソース端子は、モータ２０のＶ相端子２２ｖと、Ｖ相下側アームスイッチＱＶＬのドレイン端子とのそれぞれに電気的に接続される。Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨのソース端子は、モータ２０のＷ相端子２２ｗと、Ｗ相下側アームスイッチＱＷＬのドレイン端子とのそれぞれに電気的に接続される。
【0029】
Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨのゲート端子、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨのゲート端子、及びＷ相上側アームスイッチＱＷＨのゲート端子は、それぞれ通電制御部１５と電気的に接続される。また、Ｕ相下側アームスイッチＱＵＬのゲート端子、Ｖ相下側アームスイッチＱＶＬのゲート端子、及びＷ相下側アームスイッチＱＷＬのゲート端子も、それぞれ通電制御部１５と電気的に接続される。
【0030】
上記のように、モータ駆動回路１１は、３つの上側アームスイッチと３つの下側アームスイッチとを有する３相フルブリッジ回路によって構成されたインバータである。このように構成されたモータ駆動回路１１は、通電制御部１５によって各アームスイッチがスイッチング制御されることにより、車載バッテリ３００から供給される直流電力を三相電力に変換してモータ２０に出力する。
【0031】
本実施形態では、モータ２０の通電方式としてセンサレス１２０°通電方式を用いる場合を例示する。以下では、説明の便宜上、センサレス１２０°通電方式の基本原理を説明した後に、位相検出部１２、記憶部１３、電圧制御部１４、及び通電制御部１５の構成について説明する。なお、以下で説明するセンサレス１２０°通電方式の基本原理は、あくまで一例であり、本発明はこれに限定されない。
【0032】
センサレス１２０°通電方式を用いる場合、各アームスイッチは、図２に示す通電パターンに基づいてスイッチング制御される。図２に示すように、１２０°通電方式の通電パターンは、６つの通電パターンＰＡ１、ＰＡ２、ＰＡ３、ＰＡ４、ＰＡ５及びＰＡ６を含む。図２において、「ＱＵＨ」から「ＱＷＬ」までの列に並ぶ「１」及び「０」のうち、「１」は該当するアームスイッチがオンに制御されることを意味し、「０」は該当するアームスイッチがオフに制御されることを意味する。
【0033】
図３において、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までの通電期間Ｐ１は、各アームスイッチが通電パターンＰＡ１に基づいてスイッチング制御される期間を示す。この通電期間Ｐ１では、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨとＷ相下側アームスイッチＱＷＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。通電期間Ｐ１では、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨのみ所定のスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。スイッチングデューティ比は、後述の電圧制御部１４から出力される制御電圧ＶＣによって制御される。通電期間Ｐ１では、Ｕ相端子２２ｕからＷ相端子２２ｗに向かってＵ相コイル２３ｕ及びＷ相コイル２３ｗに駆動電流が流れる。すなわち、通電期間Ｐ１における通電相は、Ｕ相及びＷ相である。
【0034】
図３において、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの通電期間Ｐ２は、各アームスイッチが通電パターンＰＡ２に基づいてスイッチング制御される期間を示す。この通電期間Ｐ２では、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨとＶ相下側アームスイッチＱＶＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。通電期間Ｐ２でも、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨのみ所定のスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。通電期間Ｐ２では、Ｕ相端子２２ｕからＶ相端子２２ｖに向かってＵ相コイル２３ｕ及びＶ相コイル２３ｖに駆動電流が流れる。すなわち、通電期間Ｐ２における通電相は、Ｕ相及びＶ相である。
【0035】
図３において、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの通電期間Ｐ３は、各アームスイッチが通電パターンＰＡ３に基づいてスイッチング制御される期間を示す。この通電期間Ｐ３では、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨとＶ相下側アームスイッチＱＶＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。通電期間Ｐ３では、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨのみ所定のスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。通電期間Ｐ３では、Ｗ相端子２２ｗからＶ相端子２２ｖに向かってＷ相コイル２３ｗ及びＶ相コイル２３ｖに駆動電流が流れる。すなわち、通電期間Ｐ３における通電相は、Ｗ相及びＶ相である。
【0036】
図３において、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの通電期間Ｐ４は、各アームスイッチが通電パターンＰＡ４に基づいてスイッチング制御される期間を示す。この通電期間Ｐ４では、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨとＵ相下側アームスイッチＱＵＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。通電期間Ｐ４でも、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨのみ所定のスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。通電期間Ｐ４では、Ｗ相端子２２ｗからＵ相端子２２ｕに向かってＷ相コイル２３ｗ及びＵ相コイル２３ｕに駆動電流が流れる。すなわち、通電期間Ｐ４における通電相は、Ｗ相及びＵ相である。
【0037】
図３において、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５までの通電期間Ｐ５は、各アームスイッチが通電パターンＰＡ５に基づいてスイッチング制御される期間を示す。この通電期間Ｐ５では、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨとＵ相下側アームスイッチＱＵＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。通電期間Ｐ５では、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨのみ所定のスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。通電期間Ｐ５では、Ｖ相端子２２ｖからＵ相端子２２ｕに向かってＶ相コイル２３ｖ及びＵ相コイル２３ｕに駆動電流が流れる。すなわち、通電期間Ｐ５における通電相は、Ｖ相及びＵ相である。
【0038】
図３において、時刻ｔ１５から時刻ｔ１６までの通電期間Ｐ６は、各アームスイッチが通電パターンＰＡ６に基づいてスイッチング制御される期間を示す。この通電期間Ｐ６では、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨとＷ相下側アームスイッチＱＷＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。通電期間Ｐ６でも、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨのみ所定のスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。通電期間Ｐ６では、Ｖ相端子２２ｖからＷ相端子２２ｗに向かってＶ相コイル２３ｖ及びＷ相コイル２３ｗに駆動電流が流れる。すなわち、通電期間Ｐ６における通電相は、Ｖ相及びＷ相である。
【0039】
以上のような６つの通電パターンに従って各アームスイッチがスイッチング制御されることにより、モータ２０のシャフト２１を一定方向に３６０°回転させる回転磁界が発生する。その結果、時刻ｔ１０から時刻ｔ１６までの期間において、モータ２０のシャフト２１は一定方向に３６０°回転する。言い換えれば、通電期間Ｐ１から通電期間Ｐ６のそれぞれの期間において、モータ２０のシャフト２１は一定方向に６０°回転する。
【0040】
通電パターンが切り替わる速度、すなわち、通電相が切り替わる速度が通電切替速度Ｆである。通電切替速度Ｆの単位は「Ｈｚ」である。１つの通電パターンでスイッチング制御が行われる期間をＰ（秒）としたとき、通電切替速度Ｆｓは、「Ｆｓ＝１／Ｐ」で表される。通電切替速度Ｆは、転流周波数と呼ばれる場合もある。
【0041】
図３に、モータ２０のＵ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖ及びＷ相端子２２ｗのそれぞれに現れる電圧の波形を示す。図３において、「Ｖｕ」は、Ｕ相端子２２ｕに現れるＵ相端子電圧である。「Ｖｖ」は、Ｖ相端子２２ｖに現れるＶ相端子電圧である。「Ｖｗ」は、Ｗ相端子２２ｗに現れるＷ相端子電圧である。なお、実際のＵ相端子電圧Ｖｕ、Ｖ相端子電圧Ｖｖ、及びＷ相端子電圧Ｖｗの波形は、スイッチングデューティ比と同じデューティ比を有する波形となるが、図３では便宜上、電圧波形の包絡線のみを示す。
【0042】
Ｕ相端子電圧Ｖｕは、通電期間Ｐ１及びＰ２においてスイッチングデューティ比で決定される実効電圧値となり、通電期間Ｐ４及びＰ５においてグランドレベルの値、つまり０Ｖとなる。Ｖ相端子電圧Ｖｖは、通電期間Ｐ５及びＰ６においてスイッチングデューティ比で決定される実効電圧値となり、通電期間Ｐ２及びＰ３において０Ｖとなる。Ｗ相端子電圧Ｖｗは、通電期間Ｐ３及びＰ４においてスイッチングデューティ比で決定される実効電圧値となり、通電期間Ｐ１及びＰ６において０Ｖとなる。このように、センサレス１２０°通電方式では、モータ２０の駆動に必要な駆動電圧が印加される相が１２０°ごとに切り替わる。
【0043】
通電期間Ｐ３においてＵ相コイル２３ｕに駆動電流は流れないが、Ｕ相コイル２３ｕに蓄積されたエネルギーによってＵ相下側アームスイッチＱＵＬのボディダイオードを介してＵ相コイル２３ｕに一定時間だけ還流電流が流れる。その結果、期間Ｐ３の開始時点から一定時間だけＵ相端子電圧Ｖｕが０Ｖになるリンギング現象が発生する。その後、Ｕ相端子電圧Ｖｕは、Ｕ相コイル２３ｕに発生する逆起電圧と一致する。通電期間Ｐ３において逆起電圧は、通電期間Ｐ３の中央、つまり通電期間Ｐ３の開始時点からモータ２０が３０°回転したタイミングで、中性点Ｎの電圧である中性点電圧ＶＮに対して高圧側から低圧側へ向かって交差する。
【0044】
同様に、通電期間Ｐ６においてＵ相コイル２３ｕに駆動電流は流れないが、Ｕ相コイル２３ｕに蓄積されたエネルギーによってＵ相上側アームスイッチＱＵＨのボディダイオードを介してＵ相コイル２３ｕに一定時間だけ還流電流が流れる。その結果、通電期間Ｐ６の開始時点から一定時間だけＵ相端子電圧Ｖｕが電源電圧ＶＭになるリンギング現象が発生する。その後、Ｕ相端子電圧Ｖｕは、Ｕ相コイル２３ｕに発生する逆起電圧と一致する。通電期間Ｐ６において逆起電圧は、通電期間Ｐ６の中央、つまり通電期間Ｐ６の開始時点からモータ２０が３０°回転したタイミングで中性点電圧ＶＮに対して低圧側から高圧側へ向かって交差する。
【0045】
上記のように、モータ２０が３６０°回転する間に、通電期間Ｐ３及びＰ６にのみＵ相端子２２ｕに逆起電圧が露出する。同様の原理により、モータ２０が３６０°回転する間に、通電期間Ｐ１及びＰ４にのみＶ相端子２２ｖに逆起電圧が露出し、通電期間Ｐ２及びＰ５にのみＷ相端子２２ｗに逆起電圧が露出する。センサレス１２０°通電方式では、モータ２０の位相を検出するために、中性点電圧ＶＮと逆起電圧とが交差する点であるゼロクロス点を検出する必要がある。
【0046】
図３において、「Ｚｕ」は、Ｕ相端子２２ｕに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮ以下になるタイミングでローレベルとなり、Ｕ相端子２２ｕに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮより高くなるタイミングでハイレベルとなるＵ相ゼロクロス点検出信号である。「Ｚｖ」は、Ｖ相端子２２ｖに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮ以下になるタイミングでローレベルとなり、Ｖ相端子２２ｖに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮより高くなるタイミングでハイレベルとなるＶ相ゼロクロス点検出信号である。「Ｚｗ」は、Ｗ相端子２２ｗに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮ以下になるタイミングでローレベルとなり、Ｗ相端子２２ｗに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮより高くなるタイミングでハイレベルとなるＷ相ゼロクロス点検出信号である。
【0047】
なお、例えばコンパレータにＵ相端子電圧Ｖｕと中性点電圧ＶＮとを入力するだけでは、図３に示すＵ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕは得られない。実際には、コンパレータの出力電圧に所定の波形処理を施すことにより、中性点電圧ＶＮと逆起電圧とが交差するゼロクロス点でのみエッジが現れるＵ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕを生成する。Ｖ相ゼロクロス点検出信号Ｚｖ及びＷ相ゼロクロス点検出信号Ｚｗについても同様の方法で生成する。
【0048】
図３において、「Ｈｕ」は、Ｕ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕに対して３０°の位相遅れを有するＵ相位相検出信号である。「Ｈｖ」は、Ｖ相ゼロクロス点検出信号Ｚｖに対して３０°の位相遅れを有するＶ相位相検出信号である。「Ｈｗ」は、Ｗ相ゼロクロス点検出信号Ｚｗに対して３０°の位相遅れを有するＷ相位相検出信号である。
【0049】
なお、時間軸上で隣り合う２つのゼロクロス点の間の時間に、モータ２０は６０°回転する。そのため、時間軸上で隣り合う２つのゼロクロス点の間の時間を計測し、その計測結果の半分の時間だけＵ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕを遅らせることにより、Ｕ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕに対して３０°の位相遅れを有するＵ相位相検出信号Ｈｕを生成することができる。Ｖ相位相検出信号Ｈｖ及びＷ相位相検出信号Ｈｗについても同様の方法で生成する。
【0050】
図３に示すように、Ｕ相位相検出信号Ｈｕ、Ｖ相位相検出信号Ｈｖ及びＷ相位相検出信号Ｈｗの電圧レベルは、６つの通電パターンに依存して規則的に変化することがわかる。以下では、Ｕ相位相検出信号Ｈｕ、Ｖ相位相検出信号Ｈｖ及びＷ相位相検出信号Ｈｗの電圧レベルが通電パターンに依存して変化するパターンを位相パターンと呼称する。図２に示すように、センサレス１２０°通電方式の位相パターンは、６つの位相パターンＰＢ１、ＰＢ２、ＰＢ３、ＰＢ４、ＰＢ５及びＰＢ６を含む。図２において、「ＨＵ」、「ＨＶ」及び「ＨＷ」の列に並ぶ「１」及び「０」のうち、「１」は該当する位相検出信号がハイレベルであることを意味し、「０」は該当する位相検出信号がローレベルであることを意味する。
【0051】
センサレス１２０°通電方式では、３つの位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗに基づいて通電期間ごとに位相パターンを認識し、位相パターンの認識結果に基づいて次の通電期間で使用する通電パターンが決定される。そして、位相パターンが変化するタイミングで通電パターンが次の通電パターンに切り替えられる。
【0052】
図３に示すように、例えば通電期間Ｐ１において、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗから通電期間Ｐ１の位相パターンは位相パターンＰＢ１であることが認識される。通電期間Ｐ１の位相パターンが位相パターンＰＢ１であるので、通電パターンＰＡ２が次の通電期間Ｐ２で使用する通電パターンとして決定される。そして、位相パターンＰＢ１が変化するタイミング、すなわちＶ相位相検出信号Ｈｖに立下りエッジが発生するタイミングで、通電パターンが通電パターンＰＡ１から通電パターンＰＡ２に切り替えられる。
【0053】
センサレス１２０°通電方式では、上記のような位相パターンの認識、通電パターンの決定、及び通電パターンの切り替えを、モータ２０に発生する逆起電圧を利用して生成された位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗに同期して行うことにより、ホールセンサ等の位置センサを使わずにモータ２０の通電制御を行うことができる。以下では、モータ２０に発生する逆起電圧を利用して生成された位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗに同期してモータ２０の通電制御を行うことを、「センサレス同期制御」と呼称する。
【0054】
以上がセンサレス１２０°通電方式の基本原理である。センサレス１２０°通電方式において位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗを生成するためには、モータ２０の中性点電圧ＶＮと逆起電圧とが交差する点であるゼロクロス点を検出する必要があるが、モータ２０の回転速度が所定の速度以上でなければ、ゼロクロス点を検出可能な逆起電圧は発生しない。そのため、センサレス１２０°通電方式でモータ２０を起動する場合、モータ２０の回転速度が、ゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する速度に達するまで、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗによって位相パターンを認識できない、つまりモータ２０の位相を認識できないため、センサレス同期制御を行うことができない。そのため、センサレス１２０°通電方式でモータ２０を起動する場合、モータ２０の回転速度が、ゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する速度に達するまで、予め決められた起動シーケンスに従ってモータ２０の通電制御を行う必要がある。
【0055】
起動シーケンスの一例として、直流励磁を所定時間行うことによりモータの位相を特定の位相に固定した後、通電相に一定の駆動電圧を印加しながら一定の通電切替速度で強制的に通電相を切り替える強制転流制御を行う起動シーケンスが知られている。
【0056】
図４に示すように、モータ２０を適切に回転させるためには、モータ２０の仕様に依存するＦ－Ｖ特性に従ってモータ２０に印加する駆動電圧Ｖを回転速度Ｆに応じた適切な値に制御する必要がある。回転速度Ｆと駆動電圧Ｖとは比例関係にあるので、Ｆ－Ｖ特性は正の傾きを有する一次関数で表される。回転速度Ｆと駆動電圧Ｖとの組み合わせがＦ－Ｖ特性から離れるほどモータ２０の回転は不安定となり、適切にモータ２０を制御することが困難となる。
【0057】
また、モータ２０がポンプ３０等の負荷に接続されると、モータ２０を回転させるのに必要なエネルギーが増加するため、負荷に接続されたモータ２０を負荷無しの場合と同一の回転速度で回転させるのに必要な駆動電圧は大きくなる。すなわち、モータ２０のＦ－Ｖ特性は負荷の大きさに依存して変化する。図４において、正の傾きを有する一次関数ＬＦ０は、負荷Ｔ０のＦ－Ｖ特性を表す。図４において、正の傾きを有する一次関数ＬＦ１は、負荷Ｔ０よりも小さい負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性を表す。図４において、正の傾きを有する一次関数ＬＦ４は、負荷Ｔ０よりも大きい負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性を表す。図４に示すように、Ｆ－Ｖ特性を表す一次関数の傾きは負荷に依存せずに一定であるが、Ｆ－Ｖ特性を表す一次関数の切片は負荷に依存して変化する。すなわち、負荷が小さいほど、Ｆ－Ｖ特性を表す一次関数の切片は大きくなり、負荷が大きいほど、Ｆ－Ｖ特性を表す一次関数の切片は小さくなる。
【0058】
上記のように強制転流制御でモータ２０を起動する場合、予め決められた駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせで強制転流制御が行われるが、モータ２０の実際の回転速度は必ずしも通電切替速度と一致せず、駆動電圧の大きさと負荷の大きさとに依存する。そのため、図４に示すように、様々な負荷条件下でのＦ－Ｖ特性を実験的に予め取得しておき、センサレス制御でモータ２０を起動する際に実際の負荷の大きさに応じたＦ－Ｖ特性に合致する駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせで強制転流制御を行うことが望ましいが、それを実施することは現実的に困難である。
【0059】
そこで、現実的な手法として、一つの特定の負荷条件下で得られたＦ－Ｖ特性に基づいて駆動電圧及び通電切替速度を調整しながら強制転流制御を行うことにより、ゼロクロス点を検出可能な速度までモータを回転させることの可能な駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせを予め実験的に決定しておく手法が採用される場合が多い。この場合、モータの起動時には、上記の手法で決定された駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせで強制転流制御が行われるが、実際の負荷条件が実験で使われた負荷条件から大きく逸脱する場合には、実際の負荷条件に適合しない駆動電圧及び通電切替速度の組み合わせで強制転流制御を行うことになる。その結果、モータの起動時にゼロクロス点を検出可能な速度までモータを回転させることができず、モータの起動に失敗する虞がある。
【0060】
例えば、図４において、負荷Ｔ０のＦ－Ｖ特性に基づいて強制転流制御に用いられる駆動電圧Ｖ０及び通電切替速度Ｆ０が決定されたと仮定する。負荷Ｔ０より大きい負荷Ｔ４がモータ２０に接続されると、負荷Ｔ０のＦ－Ｖ特性に基づいて決定された駆動電圧Ｖ０は、負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性から低圧側に大きく逸脱するとともに、負荷Ｔ０のＦ－Ｖ特性に基づいて決定された通電切替速度Ｆ０は、負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性から高速側に大きく逸脱する。その結果、負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖ４よりも非常に低い駆動電圧Ｖ０がモータ２０に印加されるとともに、負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性に適合する通電切替速度Ｆ４よりも非常に高い通電切替速度Ｆ０で通電相（通電パターン）が切り替えられることにより、モータ２０が負荷に拘束されて回転しない虞がある。
【0061】
一方、負荷Ｔ０より小さい負荷Ｔ１がモータ２０に接続されると、負荷Ｔ０のＦ－Ｖ特性に基づいて決定された駆動電圧Ｖ０は、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性から高圧側に大きく逸脱するとともに、負荷Ｔ０のＦ－Ｖ特性に基づいて決定された通電切替速度Ｆ０は、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性から低速側に大きく逸脱する。その結果、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖ１よりも非常に高い駆動電圧Ｖ０がモータ２０に印加されるとともに、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性に適合する通電切替速度Ｆ１よりも非常に低い通電切替速度Ｆ０で通電相が切り替えられることにより、モータ２０に大きな振動が発生して制御不能に陥る虞がある。
【0062】
このような問題を解決するために、本実施形態では、モータ２０の起動時にモータ２０の位相を認識できない場合、予め決定された電圧制御パターンに基づいてモータ２０の通電相に印加される駆動電圧を時間とともに変化させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて通電切替速度を時間とともに変化させる強制転流制御を行う。ただし、強制転流制御が行われる期間に駆動電圧及び通電切替速度を無制限に変化させるのではなく、「強制転流制御が行われる期間に、任意の時点における駆動電圧と通電切替速度との組み合わせが、駆動電圧及び通電切替速度を変数とし且つ負の傾きを有する一次関数を常に満たす」という条件を満足しながら、駆動電圧及び通電切替速度を変化させる。
【0063】
具体的には、本実施形態の強制転流制御では、例えば図４に示すように、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖ１から負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖ４までの範囲で駆動電圧Ｖを時間とともに変化させながら、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性に適合する通電切替速度Ｆ１から負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性に適合する通電切替速度Ｆ４までの範囲で通電切替速度Ｆを変化させる。強制転流制御が行われる期間に、任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせが、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす。言い換えれば、強制転流制御が行われる期間に、駆動電圧Ｖを横軸とし且つ通電切替速度Ｆを縦軸とする２軸座標平面において、任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの交点が、一次関数ＬＦで表される直線上に常に位置する。
【0064】
上記のような強制転流制御をモータ２０の起動時に行うことにより、駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせに適合するＦ－Ｖ特性が、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性から負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性までの範囲で時間とともに変化する。つまり、安定的にモータ２０を制御可能なＦ－Ｖ特性の範囲を拡大させることができ、その結果、モータ２０の起動時に負荷の大きさに関係なくゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する回転速度までモータ２０を安定的に回転させることができ、モータ２０の起動を成功させることができる。
【0065】
なお、駆動電圧Ｖを横軸とし且つ通電切替速度Ｆを縦軸とする２軸座標平面において、負の傾きを有する一次関数ＬＦは、例えば負荷Ｔ０のＦ－Ｖ特性を表す正の傾きを有する一次関数ＬＦ０に対して直角に交差することが好ましい。
【0066】
以下、上記のセンサレス１２０°通電方式の基本原理の説明と、本実施形態でモータ２０の起動時に実施する強制転流制御の説明とを基に、本実施形態のセンサレス制御装置１０が備える位相検出部１２、記憶部１３、電圧制御部１４、及び通電制御部１５について説明する。
【0067】
位相検出部１２は、モータ２０の逆起電圧に基づいてモータ２０の位相を検出し、位相の検出結果を示す位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗを電圧制御部１４及び通電制御部１５に出力する。位相検出部１２は、モータ２０のＵ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖ及びＷ相端子２２ｗのそれぞれと電気的に接続される。また、位相検出部１２は、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨのドレイン端子との電気的に接続される。位相検出部１２には、Ｕ相端子電圧Ｖｕと、Ｖ相端子電圧Ｖｖと、Ｗ相端子電圧Ｖｗと、電源電圧ＶＭとが入力される。
【0068】
位相検出部１２は、ゼロクロス点検出回路１２ａと、信号遅延回路１２ｂとを有する。ゼロクロス点検出回路１２ａは、電源電圧ＶＭから中性点電圧ＶＮ（＝ＶＭ／２）を生成する。また、ゼロクロス点検出回路１２ａは、Ｕ相端子電圧Ｖｕ及び中性点電圧ＶＮに基づいて、Ｕ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕを生成して信号遅延回路１２ｂに出力する。Ｕ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕは、Ｕ相端子２２ｕに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮ以下になるタイミングでローレベルとなり、Ｕ相端子２２ｕに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮより高くなるタイミングでハイレベルとなる。
【0069】
上述したように、例えばコンパレータにＵ相端子電圧Ｖｕと中性点電圧ＶＮとを入力するだけでは、図３に示すＵ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕは得られない。そこで、ゼロクロス点検出回路１２ａは、Ｕ相端子電圧Ｖｕと中性点電圧ＶＮとが入力されるコンパレータの出力電圧に所定の波形処理を行うことにより、中性点電圧ＶＮとＵ相端子２２ｕに露出する逆起電圧とが交差するゼロクロス点でのみエッジが現れるＵ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕを生成する。
【0070】
また、ゼロクロス点検出回路１２ａは、Ｖ相端子電圧Ｖｖ及び中性点電圧ＶＮに基づいて、Ｖ相ゼロクロス点検出信号Ｚｖを生成して信号遅延回路１２ｂに出力する。Ｖ相ゼロクロス点検出信号Ｚｖは、Ｖ相端子２２ｖに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮ以下になるタイミングでローレベルとなり、Ｖ相端子２２ｖに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮより高くなるタイミングでハイレベルとなる。ゼロクロス点検出回路１２ａは、Ｖ相端子電圧Ｖｖと中性点電圧ＶＮとが入力されるコンパレータの出力電圧に所定の波形処理を行うことにより、中性点電圧ＶＮとＶ相端子２２ｖに露出する逆起電圧とが交差するゼロクロス点でのみエッジが現れるＶ相ゼロクロス点検出信号Ｚｖを生成する。
【0071】
さらに、ゼロクロス点検出回路１２ａは、Ｗ相端子電圧Ｖｗ及び中性点電圧ＶＮに基づいて、Ｗ相ゼロクロス点検出信号Ｚｗを生成して信号遅延回路１２ｂに出力する。Ｗ相ゼロクロス点検出信号Ｚｗは、Ｗ相端子２２ｗに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮ以下になるタイミングでローレベルとなり、Ｗ相端子２２ｗに露出する逆起電圧が中性点電圧ＶＮより高くなるタイミングでハイレベルとなる。ゼロクロス点検出回路１２ａは、Ｗ相端子電圧Ｖｗと中性点電圧ＶＮとが入力されるコンパレータの出力電圧に所定の波形処理を行うことにより、中性点電圧ＶＮとＷ相端子２２ｗに露出する逆起電圧とが交差するゼロクロス点でのみエッジが現れるＷ相ゼロクロス点検出信号Ｚｗを生成する。
【0072】
信号遅延回路１２ｂは、Ｕ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕに対して３０°の位相遅れを有するＵ相位相検出信号Ｈｕを生成して電圧制御部１４及び通電制御部１５に出力する。また、信号遅延回路１２ｂは、Ｖ相ゼロクロス点検出信号Ｚｖに対して３０°の位相遅れを有するＶ相位相検出信号Ｈｖを生成して電圧制御部１４及び通電制御部１５に出力する。さらに、信号遅延回路１２ｂは、Ｗ相ゼロクロス点検出信号Ｚｗに対して３０°の位相遅れを有するＷ相位相検出信号Ｈｗを生成して電圧制御部１４及び通電制御部１５に出力する。このように、信号遅延回路１２ｂは、３つの位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗを電圧制御部１４及び通電制御部１５に出力する。
【0073】
上述したように、時間軸上で隣り合う２つのゼロクロス点の間の時間に、モータ２０は６０°回転する。信号遅延回路１２ｂは、時間軸上で隣り合う２つのゼロクロス点の間の時間を計測し、その計測結果の半分の時間だけＵ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕを遅らせることにより、Ｕ相ゼロクロス点検出信号Ｚｕに対して３０°の位相遅れを有するＵ相位相検出信号Ｈｕを生成する。信号遅延回路１２ｂは、Ｖ相位相検出信号Ｈｖ及びＷ相位相検出信号Ｈｗについても同様の方法で生成する。
【0074】
記憶部１３は、センサレス１２０°通電方式によってモータ２０を制御するのに必要な各種データを記憶する。記憶部１３は、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリと、ＲＡＭなどの揮発性メモリとを含む。記憶部１３は、図２に示す通電パターン及び位相パターンを予め記憶する。また、記憶部１３は、モータ２０の位相が特定の位相に固定される直流励磁条件を予め記憶する。さらに、記憶部１３は、駆動電圧Ｖの制御パターンを示す電圧制御パターンと、通電切替速度Ｆの制御パターンを示す速度制御パターンとを予め記憶する。
【0075】
例えば、図５に示すように、電圧制御パターンは、駆動電圧Ｖが駆動電圧Ｖ１から駆動電圧Ｖ４まで時間ｔとともに一定の勾配で増加するパターンである。駆動電圧Ｖ１は、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖの値であり、駆動電圧Ｖ４は、負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖの値である。駆動電圧Ｖ１は、駆動電圧Ｖ４より低い。また、図５に示すように、速度制御パターンは、通電切替速度Ｆが通電切替速度Ｆ１から通電切替速度Ｆ４まで時間ｔとともに一定の勾配で減少するパターンである。通電切替速度Ｆ１は、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性に適合する通電切替速度Ｆの値であり、通電切替速度Ｆ４は、負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性に適合する通電切替速度Ｆの値である。通電切替速度Ｆ１は、通電切替速度Ｆ４より高い。
【0076】
図５において、例えば時点ｔ０における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせである「Ｖ１、Ｆ１」は、一次関数ＬＦを満たす。また、時点ｔ１００における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせである「Ｖ０、Ｆ０」も、一次関数ＬＦを満たす。さらに、時点ｔ２００における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせである「Ｖ４、Ｆ４」も、一次関数ＬＦを満たす。このように、本実施形態において、電圧制御パターン及び速度制御パターンは、「任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせが、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす」という条件を満足する。
【0077】
また、図６に示すように、電圧制御パターンの別の例として、駆動電圧Ｖが駆動電圧Ｖ４から駆動電圧Ｖ１まで時間ｔとともに一定の勾配で減少する電圧制御パターンを記憶部１３に記憶させてもよい。また、図６に示すように、速度制御パターンの別の例として、通電切替速度Ｆが通電切替速度Ｆ４から通電切替速度Ｆ１まで時間ｔとともに一定の勾配で増加する速度制御パターンを記憶部１３に記憶させてもよい。図６に示す電圧制御パターン及び速度制御パターンも、「任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせが、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす」という条件を満足する。
【0078】
また、図７に示すように、電圧制御パターンの別の例として、駆動電圧Ｖが駆動電圧Ｖ１から駆動電圧Ｖ４まで時間ｔとともに段階的に増加する電圧制御パターンを記憶部１３に記憶させてもよい。また、図７に示すように、速度制御パターンの別の例として、通電切替速度Ｆが通電切替速度Ｆ１から通電切替速度Ｆ４まで時間ｔとともに段階的に減少する速度制御パターンを記憶部１３に記憶させてもよい。図７に示す電圧制御パターン及び速度制御パターンも、「任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせが、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす」という条件を満足する。
【0079】
さらに、図８に示すように、電圧制御パターンの別の例として、駆動電圧Ｖが駆動電圧Ｖ４から駆動電圧Ｖ１まで時間ｔとともに段階的に減少する電圧制御パターンを記憶部１３に記憶させてもよい。また、図８に示すように、速度制御パターンの別の例として、通電切替速度Ｆが通電切替速度Ｆ４から通電切替速度Ｆ１まで時間ｔとともに段階的に増加する速度制御パターンを記憶部１３に記憶させてもよい。図８に示す電圧制御パターン及び速度制御パターンも、「任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせが、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす」という条件を満足する。
【0080】
電圧制御部１４は、上位制御装置４００から入力される制御指令信号ＣＳと、位相検出部１２から入力される位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗと、記憶部１３に記憶された電圧制御パターンを含む各種データとに基づいて制御電圧ＶＣを通電制御部１５に出力する。制御電圧ＶＣによってスイッチングデューティ比が決定され、スイッチングデューティ比によって通電相に印加される駆動電圧Ｖの値、つまり実効電圧値が決定される。
【0081】
通電制御部１５は、電圧制御部１４から入力される制御電圧ＶＣと、位相検出部１２から入力される位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗと、記憶部１３に記憶された速度制御パターンを含む各種データとに基づいてモータ駆動回路１１の各アームスイッチを制御することにより、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを制御する。
【0082】
モータ２０の起動時において位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗによってモータ２０の位相、つまり位相パターンを認識できない場合、電圧制御部１４及び通電制御部１５は、強制転流制御を行う強制転流モードとなる。強制転流モードにおいて、電圧制御部１４は、記憶部１３に記憶された電圧制御パターンに基づいて制御電圧ＶＣを時間とともに変化させ、通電制御部１５は、電圧制御部１４から入力される制御電圧ＶＣ及び記憶部１３に記憶された速度制御パターンに基づいて各アームスイッチを制御することにより、制御電圧ＶＣに同期して駆動電圧Ｖを時間とともに変化させながら、速度制御パターンに基づいて通電切替速度Ｆを時間とともに変化させる強制転流制御を行う。強制転流制御が行われる期間に、任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせが、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす。
【0083】
モータ２０の起動時において位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗによって位相パターンを認識できない場合、電圧制御部１４及び通電制御部１５は、強制転流モードになる前に直流励磁制御を行う直流励磁モードとなる。直流励磁モードにおいて、電圧制御部１４は、電圧制御パターンに基づいて制御電圧ＶＣを出力する前に、記憶部１３に記憶された直流励磁条件に基づいて制御電圧ＶＣを出力し、通電制御部１５は、電圧制御部１４から入力される制御電圧ＶＣと直流励磁条件とに基づいて各アームスイッチを制御することにより、特定の通電相に直流駆動電圧を一定時間印加させる。
【0084】
強制転流モードでの動作中において、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗによって位相パターンの認識に成功した場合、電圧制御部１４及び通電制御部１５は、センサレス同期制御を行うセンサレス同期制御モードとなる。センサレス同期制御モードにおいて、電圧制御部１４は、上位制御装置４００から入力される制御指令信号ＣＳと、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗとに基づいて制御電圧ＶＣを出力し、通電制御部１５は、電圧制御部１４から入力される制御電圧ＶＣ及び位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗに基づいて各アームスイッチを制御することにより、制御指令信号ＣＳに応じた駆動電圧Ｖを通電相に印加させながら、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗによって決定される通電切替速度Ｆで通電相を切り替える。
【0085】
以下では、上記のように構成されたセンサレス制御装置１０の動作について図９に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。
図９において、時刻ｔ１に上位制御装置４００から電圧制御部１４に制御指令信号ＣＳが入力される。例えば、制御指令信号ＣＳは、目標回転速度を表す電圧値を有するアナログ電圧信号である。電圧制御部１４は、時刻ｔ１に制御指令信号ＣＳが入力されると、記憶部１３に記憶された６つの位相パターンのなかに、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態に合致する位相パターンがあるか否かを判定する。
図９において、時刻ｔ１に上位制御装置４００から電圧制御部１４に制御指令信号ＣＳが入力される。例えば、制御指令信号ＣＳは、目標回転速度を表す電圧値を有するアナログ電圧信号である。電圧制御部１４は、時刻ｔ１に制御指令信号ＣＳが入力されると、記憶部１３に記憶された６つの位相パターンのなかに、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態に合致する位相パターンがあるか否かを判定する。
【0086】
時刻ｔ１においてモータ２０は停止状態のため、逆起電圧は発生しない。その場合、ゼロクロス点検出回路１２ａはゼロクロス点を検出できないため、図９に示すように、ゼロクロス点検出回路１２ａから出力されるゼロクロス点検出信号Ｚｕ、Ｚｖ及びＺｗは全てローレベルとなる。その結果、信号遅延回路１２ｂから出力される位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗも全てローレベルとなる。この場合、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗによってモータ２０の位相パターンを認識することはできない。従って、時刻ｔ１において電圧制御部１４は、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態に合致する位相パターンは無いと判断して直流励磁モードに移行する。
【0087】
電圧制御部１４は、時刻ｔ１に直流励磁モードに移行すると、記憶部１３に記憶された直流励磁条件に基づいて例えば１５％～２５％のスイッチングデューティ比を表す電圧値を有する制御電圧ＶＣを通電制御部１５に出力する。また、電圧制御部１４は、直流励磁モードに移行した時刻ｔ１から計時動作を開始する。
【0088】
通電制御部１５は、時刻ｔ１に例えば１５％～２５％のスイッチングデューティ比を表す電圧値を有する制御電圧ＶＣが入力されると、記憶部１３に記憶された６つの位相パターンのなかに、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態に合致する位相パターンがあるか否かを判定する。上記のように、時刻ｔ１において位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗは全てローレベルである。従って、時刻ｔ１において通電制御部１５は、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態に合致する位相パターンは無いと判断する。通電制御部１５は、例えば１５％～２５％のスイッチングデューティ比を表す電圧値を有する制御電圧ＶＣが入力されたときに、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態に合致する位相パターンが無い場合、直流励磁モードに移行する。
【0089】
通電制御部１５は、時刻ｔ１に直流励磁モードに移行すると、電圧制御部１４から入力される制御電圧ＶＣと、記憶部１３に記憶された直流励磁条件に基づいて各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。具体的には、例えば、図９に示すように、通電制御部１５は、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨ、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨ、及びＶ相下側アームスイッチＱＶＬをオンに制御し、残りのアームスイッチをオフに制御する。このとき、通電制御部１５は、制御電圧ＶＣによって決定されるスイッチングデューティ比、つまり例えば１５％～２５％のスイッチングデューティ比でＵ相上側アームスイッチＱＵＨ及びＷ相上側アームスイッチＱＷＨを制御する。
【0090】
以上のような直流励磁モードにおける電圧制御部１４及び通電制御部１５の動作により、図９に示すように、時刻ｔ１以降、Ｕ相端子電圧Ｖｕ及びＷ相端子電圧Ｖｗは、例えば１５％～２５％のスイッチングデューティ比に対応する電圧値となり、Ｖ相端子電圧Ｖｖは０Ｖになる。その結果、直流励磁モードにおいて、特定の通電相に直流駆動電圧が印加される。このような直流励磁制御により、モータ２０のシャフト２１は、特定の位相まで回転して停止する。つまり、直流励磁制御により、モータ２０の位相は特定の位相で固定される。電圧制御部１４は、時刻ｔ１から開始した計時動作により、例えば時刻ｔ２にモータ２０のシャフト２１が特定の位相で固定されるのに必要な時間が経過したことを検知すると、強制転流モードに移行する。
なお、実際のＵ相端子電圧Ｖｕ、Ｖ相端子電圧Ｖｖ、及びＷ相端子電圧Ｖｗの波形は、スイッチングデューティ比と同じデューティ比を有する波形となるが、図１０では便宜上、電圧波形の包絡線のみを示す。
なお、実際のＵ相端子電圧Ｖｕ、Ｖ相端子電圧Ｖｖ、及びＷ相端子電圧Ｖｗの波形は、スイッチングデューティ比と同じデューティ比を有する波形となるが、図１０では便宜上、電圧波形の包絡線のみを示す。
【0091】
電圧制御部１４は、時刻ｔ２に強制転流モードに移行すると、記憶部１３に記憶された電圧制御パターンに従って制御電圧ＶＣを通電制御部１５に出力する。例えば、図５に示すように、駆動電圧Ｖが時間ｔとともに一定の勾配で増加する電圧制御パターンが記憶部１３に記憶されている場合、電圧制御部１４は、時刻ｔ２から時間ｔとともに一定の勾配で増加する制御電圧ＶＣを出力する。
【0092】
別の例として、図６に示すように、駆動電圧Ｖが時間ｔとともに一定の勾配で減少する電圧制御パターンが記憶部１３に記憶されている場合、電圧制御部１４は、時刻ｔ２から時間ｔとともに一定の勾配で減少する制御電圧ＶＣを出力する。別の例として、図７に示すように、駆動電圧Ｖが時間ｔとともに段階的に増加する電圧制御パターンが記憶部１３に記憶されている場合、電圧制御部１４は、時刻ｔ２から時間ｔとともに段階的に増加する制御電圧ＶＣを出力する。別の例として、図８に示すように、駆動電圧Ｖが時間ｔとともに段階的に減少する電圧制御パターンが記憶部１３に記憶されている場合、電圧制御部１４は、時刻ｔ２から時間ｔとともに段階的に減少する制御電圧ＶＣを出力する。
【0093】
通電制御部１５は、時刻ｔ２に電圧制御パターンに従う制御電圧ＶＣが入力されたとき、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態に合致する位相パターンが無い場合、強制転流モードに移行する。通電制御部１５は、時刻ｔ２に強制転流モードに移行すると、電圧制御部１４から入力される制御電圧ＶＣと、記憶部１３に記憶された速度制御パターン及び通電パターンに基づいて各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。
【0094】
具体的には、図９に示すように、通電制御部１５は、時刻ｔ２以降、速度制御パターンに従って決定される通電切替速度Ｆと同じ周波数を有するパルス信号である通電切替タイミング信号ＳＴを生成する。記憶部１３に記憶された速度制御パターンが、例えば図５に示すように、通電切替速度Ｆが時間tとともに一定の勾配で減少するパターンである場合、通電切替タイミング信号ＳＴの周波数は、時刻ｔ２から時間tとともに一定の勾配で減少する。
【0095】
別の例として、図６に示すように、通電切替速度Ｆが時間ｔとともに一定の勾配で増加する速度制御パターンが記憶部１３に記憶されている場合、通電切替タイミング信号ＳＴの周波数は、時刻ｔ２から時間tとともに一定の勾配で増加する。別の例として、図７に示すように、通信切替速度Ｆが時間ｔとともに段階的に減少する速度制御パターンが記憶部１３に記憶されている場合、通電切替タイミング信号ＳＴの周波数は、時刻ｔ２から時間tとともに段階的に減少する。別の例として、図８に示すように、通電切替速度Ｆが時間ｔとともに段階的に増加する速度制御パターンが記憶部１３に記憶されている場合、通電切替タイミング信号ＳＴの周波数は、時刻ｔ２から時間tとともに段階的に増加する。
【0096】
通電制御部１５は、通電切替タイミング信号ＳＴの立上がりエッジに同期して通電パターンを切り替える。例えば、図９に示すように、時刻ｔ２に通電切替タイミング信号ＳＴに立上がりエッジが発生すると、通電制御部１５は、まず、直流励磁制御によって固定されたモータ２０の位相に対して適切な回転磁界が発生する通電パターンＰＡ４に従って各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。つまり、時刻ｔ２から通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生する時刻ｔ３までの通電期間において、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨとＵ相下側アームスイッチＱＵＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。この通電期間では、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨが、電圧制御パターンに従って変化する制御電圧ＶＣによって決定されるスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。従って、この通電期間に通電相に印加される駆動電圧Ｖ、つまりＷ相端子電圧Ｖｗの実効電圧値は、電圧制御パターンに従って変化する。
【0097】
図９に示すように、時刻ｔ３に通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生すると、通電制御部１５は、通電パターンＰＡ４を通電パターンＰＡ５に切替え、通電パターンＰＡ５に従って各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。つまり、時刻ｔ３から通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生する時刻ｔ４までの通電期間において、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨとＵ相下側アームスイッチＱＵＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。この通電期間では、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨが、電圧制御パターンに従って変化する制御電圧ＶＣによって決定されるスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。従って、この通電期間に通電相に印加される駆動電圧Ｖ、つまりＶ相端子電圧Ｖｖの実効電圧値は、電圧制御パターンに従って変化する。
【0098】
図９に示すように、時刻ｔ４に通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生すると、通電制御部１５は、通電パターンＰＡ５を通電パターンＰＡ６に切替え、通電パターンＰＡ６に従って各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。つまり、時刻ｔ４から通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生する時刻ｔ５までの通電期間において、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨとＷ相下側アームスイッチＱＷＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。この通電期間では、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨが、電圧制御パターンに従って変化する制御電圧ＶＣによって決定されるスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。従って、この通電期間に通電相に印加される駆動電圧Ｖ、つまりＶ相端子電圧Ｖｖの実効電圧値は、電圧制御パターンに従って変化する。
【0099】
図９に示すように、時刻ｔ５に通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生すると、通電制御部１５は、通電パターンＰＡ６を通電パターンＰＡ１に切替え、通電パターンＰＡ１に従って各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。つまり、時刻ｔ５から通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生する時刻ｔ６までの通電期間において、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨとＷ相下側アームスイッチＱＷＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。この通電期間では、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨが、電圧制御パターンに従って変化する制御電圧ＶＣによって決定されるスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。従って、この通電期間に通電相に印加される駆動電圧Ｖ、つまりＵ相端子電圧Ｖｕの実効電圧値は、電圧制御パターンに従って変化する。
【0100】
図９に示すように、時刻ｔ６に通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生すると、通電制御部１５は、通電パターンＰＡ１を通電パターンＰＡ２に切替え、通電パターンＰＡ２に従って各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。つまり、時刻ｔ６から通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生する時刻ｔ７までの通電期間において、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨとＶ相下側アームスイッチＱＶＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。この通電期間では、Ｕ相上側アームスイッチＱＵＨが、電圧制御パターンに従って変化する制御電圧ＶＣによって決定されるスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。従って、この通電期間に通電相に印加される駆動電圧Ｖ、つまりＵ相端子電圧Ｖｕの実効電圧値は、電圧制御パターンに従って変化する。
【0101】
図９に示すように、時刻ｔ７に通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生すると、通電制御部１５は、通電パターンＰＡ２を通電パターンＰＡ３に切替え、通電パターンＰＡ３に従って各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。つまり、時刻ｔ７から通電切替タイミング信号ＳＴに次の立上がりエッジが発生する時刻ｔ８までの通電期間において、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨとＶ相下側アームスイッチＱＶＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。この通電期間では、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨが、電圧制御パターンに従って変化する制御電圧ＶＣによって決定されるスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。従って、この通電期間に通電相に印加される駆動電圧Ｖ、つまりＷ相端子電圧Ｖｗの実効電圧値は、電圧制御パターンに従って変化する。
【0102】
以上のように、センサレス制御装置１０は、強制転流モードで動作する場合に、予め決定された電圧制御パターンに基づいてモータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖを時間とともに変化させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて通電切替速度Ｆを変化させる強制転流制御を行う。強制転流制御が行われる期間に、任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせは、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす。
【0103】
例えば、図５に示すように、駆動電圧Ｖが時間ｔとともに一定の勾配で増加する電圧制御パターンと、通電切替速度Ｆが時間ｔとともに一定の勾配で減少する速度制御パターンとが記憶部１３に記憶されている場合、強制転流制御が開始される時刻ｔ２以降、モータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖは電圧制御パターンに従って時間ｔとともに一定の勾配で増加するとともに、通電切替タイミング信号ＳＴの周波数、つまり通電切替速度Ｆは速度制御パターンに従って時間ｔとともに一定の勾配で減少する。
【0104】
別の例として、図６に示すように、駆動電圧Ｖが時間ｔとともに一定の勾配で減少する電圧制御パターンと、通電切替速度Ｆが時間ｔとともに一定の勾配で増加する速度制御パターンとが記憶部１３に記憶されている場合、強制転流制御が開始される時刻ｔ２以降、モータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖは電圧制御パターンに従って時間ｔとともに一定の勾配で減少するとともに、通電切替タイミング信号ＳＴの周波数、つまり通電切替速度Ｆは速度制御パターンに従って時間ｔとともに一定の勾配で増加する。
【0105】
別の例として、図７に示すように、駆動電圧Ｖが時間ｔとともに段階的に増加する電圧制御パターンと、通電切替速度Ｆが時間ｔとともに段階的に減少する速度制御パターンとが記憶部１３に記憶されている場合、強制転流制御が開始される時刻ｔ２以降、モータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖは電圧制御パターンに従って時間ｔとともに段階的に増加するとともに、通電切替タイミング信号ＳＴの周波数、つまり通電切替速度Ｆは速度制御パターンに従って時間ｔとともに段階的に減少する。
【0106】
別の例として、図８に示すように、駆動電圧Ｖが時間ｔとともに段階的に減少する電圧制御パターンと、通電切替速度Ｆが時間ｔとともに段階的に増加する速度制御パターンとが記憶部１３に記憶されている場合、強制転流制御が開始される時刻ｔ２以降、モータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖは電圧制御パターンに従って時間ｔとともに段階的に減少するとともに、通電切替タイミング信号ＳＴの周波数、つまり通電切替速度Ｆは速度制御パターンに従って時間ｔとともに段階的に増加する。
なお、図５から図８のいずれの例においても、強制転流制御が開始される時刻ｔ２以降、任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせは、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす。
なお、図５から図８のいずれの例においても、強制転流制御が開始される時刻ｔ２以降、任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせは、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす。
【0107】
上記の強制転流制御をモータ２０の起動時に行うことにより、駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせに適合するＦ－Ｖ特性が、負荷Ｔ１のＦ－Ｖ特性から負荷Ｔ４のＦ－Ｖ特性までの範囲で時間とともに変化する。つまり、安定的にモータ２０を制御可能なＦ－Ｖ特性の範囲を拡大させることができ、その結果、モータ２０の起動時に負荷の大きさに関係なくゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する回転速度までモータ２０を安定的に回転させることができる。
【0108】
図９に示すように、モータ２０の回転速度が、ゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する速度に達するまでは、ゼロクロス点検出信号Ｚｕ、Ｚｖ及びＺｗは全てローレベルであり、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗも全てローレベルである。ここで、時刻ｔ１２において、モータ２０の回転速度が、ゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する速度に達すると仮定する。
【0109】
時刻ｔ１２において、モータ２０の回転速度が、ゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する速度に達すると、時刻ｔ１２以降、各端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗにゼロクロス点が発生するタイミングに同期して、ゼロクロス点検出信号Ｚｕ、Ｚｖ及びＺｗに立上がりエッジまたは立下りエッジが発生するようになる。その結果、時刻ｔ１２以降、ゼロクロス点検出信号Ｚｕ、Ｚｖ及びＺｗに対して３０°の位相遅れをもって、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗに立上がりエッジまたは立下りエッジが発生するようになる。
【0110】
図９に示すように、時刻ｔ１４から時刻ｔ２０までの期間において、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗによって認識される位相パターンは、ＰＢ４、ＰＢ５、ＰＢ６、ＰＢ１、ＰＢ２、及びＰＢ３の順で変化する。電圧制御部１４及び通電制御部１５は、強制転流モード中に位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態を監視し、上記のように、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗによって認識される位相パターンが、記憶部１３に記憶された６つの位相パターンと同じ規則的な順序で現れたことを検知すると、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗによって位相の認識に成功したと判断してセンサレス同期制御モードに移行する。電圧制御部１４及び通電制御部１５は、時刻ｔ２０に位相検出信号Ｈｕに発生する立下りエッジに同期してセンサレス同期制御モードに移行する。
【0111】
電圧制御部１４は、時刻ｔ２０にセンサレス同期制御モードに移行すると、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗに基づいてモータ２０の回転速度を算出する。例えば、電圧制御部１４は、時刻ｔ２０に位相検出信号Ｈｕに発生する立下りエッジと、時刻ｔ１９に位相検出信号Ｈｗに発生した立上がりエッジとの間の時間、つまりモータ２０が６０°回転する時間を計測することにより、モータ２０の回転速度を算出する。電圧制御部１４は、回転速度の算出結果と制御指令信号ＣＳによって示される目標回転速度との偏差がゼロになる制御電圧ＶＣをＰＩ演算によって決定し、決定した制御電圧ＶＣを通電制御部１５に出力する。
【0112】
通電制御部１５は、時刻ｔ２０にセンサレス同期制御モードに移行すると、通電切替タイミング信号ＳＴの生成を停止し、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗに発生するエッジに同期して通電パターンを切り替える。例えば、通電制御部１５は、時刻ｔ２０に位相検出信号Ｈｕに発生する立下りエッジに同期して、通電パターンを通電パターンＰＡ４に切り替え、通電パターンＰＡ４に従って各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。
【0113】
つまり、時刻ｔ２０から位相検出信号Ｈｖに立上がりエッジが発生する時刻ｔ２１までの通電期間において、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨとＵ相下側アームスイッチＱＵＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。この通電期間では、Ｗ相上側アームスイッチＱＷＨが、制御電圧ＶＣによって決定されるスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。従って、この通電期間に通電相に印加される駆動電圧Ｖは、回転速度の算出結果と目標回転速度との偏差をゼロにする電圧値となる。通電制御部１５は、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態に基づいて、この通電期間における位相パターンが位相パターンＰＢ４であることを認識する。通電制御部１５は、認識した位相パターンＰＢ４に基づいて通電パターンＰＡ５を次の通電期間で使用する通電パターンとして決定する。
【0114】
図９に示すように、電圧制御部１４は、時刻ｔ２１に位相検出信号Ｈｖに立上がりエッジが発生すると、この立下りエッジと、時刻ｔ２０に位相検出信号Ｈｕに発生した立下がりエッジとの間の時間を計測することにより、モータ２０の回転速度を算出する。電圧制御部１４は、回転速度の算出結果と制御指令信号ＣＳによって示される目標回転速度との偏差がゼロになる制御電圧ＶＣをＰＩ演算によって決定し、決定した制御電圧ＶＣを通電制御部１５に出力する。
【0115】
通電制御部１５は、時刻ｔ２１に位相検出信号Ｈｖに立上がりエッジが発生すると、この立上がりエッジに同期して通電パターンを通電パターンＰＡ５に切り替え、通電パターンＰＡ５に従って各アームスイッチのスイッチング制御を開始する。つまり、時刻ｔ２１から位相検出信号Ｈｗに立下りエッジが発生する時刻ｔ２２までの通電期間において、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨとＵ相下側アームスイッチＱＵＬとがオンとなり、且つ残りのアームスイッチがオフとなる。この通電期間では、Ｖ相上側アームスイッチＱＶＨが、制御電圧ＶＣによって決定されるスイッチングデューティ比でスイッチング制御される。従って、この通電期間に通電相に印加される駆動電圧Ｖは、回転速度の算出結果と目標回転速度との偏差をゼロにする電圧値となる。通電制御部１５は、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗの状態に基づいて、この通電期間における位相パターンが位相パターンＰＢ５であることを認識する。通電制御部１５は、認識した位相パターンＰＢ５に基づいて通電パターンＰＡ６を次の通電期間で使用する通電パターンとして決定する。
【0116】
以上のように、センサレス制御装置１０は、センサレス同期制御モードで動作する場合に、位相パターンの認識、通電パターンの決定、及び通電パターンの切り替えを、モータ２０に発生する逆起電圧を利用して生成された位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗに同期して行うことにより、ホールセンサ等の位置センサを使わずにモータ２０の通電制御を行う。このようなセンサレス同期制御が行われることにより、モータ２０の回転速度は制御指令信号ＣＳによって指示される目標回転速度に維持される。なお、センサレス同期制御における通電切替速度Ｆは、位相検出信号Ｈｕ、Ｈｖ及びＨｗにエッジが発生するタイミングによって自動的に制御される。
【0117】
以上説明したように、本実施形態では、モータ２０の起動時にモータ２０の位相を認識できない場合、予め決定された電圧制御パターンに基づいてモータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖを時間とともに変化させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて通電切替速度Ｆを変化させる強制転流制御を行う。強制転流制御が行われる期間に、任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせは、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数ＬＦを常に満たす。
上記の強制転流制御をモータ２０の起動時に行うことにより、安定的にモータ２０を制御可能なＦ－Ｖ特性の範囲を拡大させることができ、その結果、モータ２０の起動時に負荷の大きさに関係なくゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する回転速度までモータ２０を安定的に回転させることができる。従って、本実施形態によれば、センサレス制御でモータ２０を起動するときに負荷の大きさに関係なくモータ２０の起動を成功させることができる。
上記の強制転流制御をモータ２０の起動時に行うことにより、安定的にモータ２０を制御可能なＦ－Ｖ特性の範囲を拡大させることができ、その結果、モータ２０の起動時に負荷の大きさに関係なくゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する回転速度までモータ２０を安定的に回転させることができる。従って、本実施形態によれば、センサレス制御でモータ２０を起動するときに負荷の大きさに関係なくモータ２０の起動を成功させることができる。
【0118】
本実施形態では、上記の強制転流制御の一例として、予め決定された電圧制御パターンに基づいてモータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖを時間とともに一定の勾配で増加させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて通電切替速度Ｆを時間とともに一定の勾配で減少させる。
また、本実施形態では、上記の強制転流制御の別の例として、予め決定された電圧制御パターンに基づいてモータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖを時間とともに一定の勾配で減少させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて通電切替速度Ｆを時間とともに一定の勾配で増加させる。
これら２つの例に従って強制転流制御を行うことにより、安定的にモータ２０を制御可能なＦ－Ｖ特性の範囲が線形的に変化する。その結果、実際にモータ２０に接続された負荷のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆの組み合わせでモータ２０が駆動される可能性が高まり、モータ２０の起動時にゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する回転速度まで、よりモータ２０を安定的に回転させることができる。
また、本実施形態では、上記の強制転流制御の別の例として、予め決定された電圧制御パターンに基づいてモータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖを時間とともに一定の勾配で減少させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて通電切替速度Ｆを時間とともに一定の勾配で増加させる。
これら２つの例に従って強制転流制御を行うことにより、安定的にモータ２０を制御可能なＦ－Ｖ特性の範囲が線形的に変化する。その結果、実際にモータ２０に接続された負荷のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆの組み合わせでモータ２０が駆動される可能性が高まり、モータ２０の起動時にゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する回転速度まで、よりモータ２０を安定的に回転させることができる。
【0119】
本実施形態では、上記の強制転流制御の別の例として、予め決定された電圧制御パターンに基づいてモータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖを時間とともに段階的に増加させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて通電切替速度Ｆを時間とともに段階的に減少させる。
また、本実施形態では、上記の強制転流制御の別の例として、予め決定された電圧制御パターンに基づいてモータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖを時間とともに段階的に減少させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて通電切替速度Ｆを時間とともに段階的に増加させる。
これら２つの例に従って強制転流制御を行うことにより、安定的にモータ２０を制御可能なＦ－Ｖ特性の範囲が段階的に変化する。その結果、Ｆ－Ｖ特性の範囲が線形的に変化する上記２つの例と比較して、実際にモータ２０に接続された負荷のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆの組み合わせでモータ２０が駆動される可能性は低くなるが、通電制御の処理負荷を軽減することができる。
また、本実施形態では、上記の強制転流制御の別の例として、予め決定された電圧制御パターンに基づいてモータ２０の通電相に印加される駆動電圧Ｖを時間とともに段階的に減少させながら、予め決定された速度制御パターンに基づいて通電切替速度Ｆを時間とともに段階的に増加させる。
これら２つの例に従って強制転流制御を行うことにより、安定的にモータ２０を制御可能なＦ－Ｖ特性の範囲が段階的に変化する。その結果、Ｆ－Ｖ特性の範囲が線形的に変化する上記２つの例と比較して、実際にモータ２０に接続された負荷のＦ－Ｖ特性に適合する駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆの組み合わせでモータ２０が駆動される可能性は低くなるが、通電制御の処理負荷を軽減することができる。
【0120】
また、本実施形態では、モータ２０の起動時に、強制転流制御を行う前に直流励磁制御を行う。これにより、強制転流制御を行う前に、モータ２０の位相が特定の位相に固定されるため、強制転流制御を開始したときにスムーズにモータ２０を回転させ始めることができる。
【0121】
また、本実施形態では、強制転流制御中にモータ２０の回転速度がゼロクロス点を検出可能な逆起電圧が発生する速度に達した後に、センサレス同期制御を行う。これにより、ホールセンサ等の位置センサを使わずに、モータ２０の回転速度を上位制御装置４００から入力される制御指令信号ＣＳによって指示される目標回転速度に制御することができる。
【0122】
〔変形例〕
本発明は上記実施形態に限定されず、本明細書において説明した各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。
例えば、上記実施形態では、電圧制御パターンの例として、駆動電圧が時間とともに一定の勾配で増加するパターンと、駆動電圧が時間とともに一定の勾配で減少するパターンと、駆動電圧が時間とともに段階的に増加するパターンと、駆動電圧が時間とともに段階的に減少するパターンとを示した。また、上記実施形態では、速度制御パターンの例として、通電切替速度が時間とともに一定の勾配で増加するパターンと、通電切替速度が時間とともに一定の勾配で減少するパターンと、通電切替速度が時間とともに段階的に増加するパターンと、通電切替速度が時間とともに段階的に減少するパターンとを示した。本発明の電圧制御パターン及び速度制御パターンは、これらに限定されず、「任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせが、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数を常に満たす」という条件を満足するパターンであれば他のパターンを用いてもよい。
本発明は上記実施形態に限定されず、本明細書において説明した各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。
例えば、上記実施形態では、電圧制御パターンの例として、駆動電圧が時間とともに一定の勾配で増加するパターンと、駆動電圧が時間とともに一定の勾配で減少するパターンと、駆動電圧が時間とともに段階的に増加するパターンと、駆動電圧が時間とともに段階的に減少するパターンとを示した。また、上記実施形態では、速度制御パターンの例として、通電切替速度が時間とともに一定の勾配で増加するパターンと、通電切替速度が時間とともに一定の勾配で減少するパターンと、通電切替速度が時間とともに段階的に増加するパターンと、通電切替速度が時間とともに段階的に減少するパターンとを示した。本発明の電圧制御パターン及び速度制御パターンは、これらに限定されず、「任意の時点における駆動電圧Ｖと通電切替速度Ｆとの組み合わせが、駆動電圧Ｖ及び通電切替速度Ｆを変数とし且つ負の傾きを有する一次関数を常に満たす」という条件を満足するパターンであれば他のパターンを用いてもよい。
【0123】
また、上記実施形態では、センサレス制御の方式として、センサレス１２０°通電方式を用いる場合を例示したが、本発明におけるセンサレス制御の方式はセンサレス１２０°通電方式に限定されない。位置センサを使わない制御方式であれば、１８０°通電方式などの別の方式を使用してもよい。
また、上記実施形態では、モータ２０の起動時に、強制転流制御を行う前に直流励磁制御を行う場合を例示したが、必ずしも直流励磁制御を行う必要はない。
また、上記実施形態では、モータ２０の起動時に、強制転流制御を行う前に直流励磁制御を行う場合を例示したが、必ずしも直流励磁制御を行う必要はない。
【符号の説明】
【0124】
１０…センサレス制御装置、１１…モータ駆動回路、１２…位相検出部、１２ａ…ゼロクロス点検出回路、１２ｂ…信号遅延回路、１３…記憶部、１４…電圧制御部、１５…通電制御部、２０…モータ、３０…ポンプ、４０…電動オイルポンプ、１００…電動オイルポンプ装置、２００…オイル、３００…車載バッテリ、４００…上位制御装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】