ブラシレスDCモータの位置推定の解析

ブラシレス DC モーターのホール センサーを、シャフトまたはローター延長部によって形成された磁気ホイールの反対側に配置すると、ローターの位置を検出できます。ただし、これでは十分な整流信号しか得られません。3 相ブラシレス モーターの場合、電気サイクルごとに 6 つの信号が必要になります。これらの離散パルスの数は少なく、高性能アプリケーションには不十分です。光学エンコーダーとロータリー トランスは高解像度のローター位置信号を提供できますが、比較的高価で、設置準備にかなりの時間が必要です。コストと製造上の負担のため、大規模なアプリケーションでは省略する必要があります。整流信号を推定できる方法は多数ありますが、以下に簡単にまとめます。

（１）ブラシレスDCモータモデルを用いた推定：

外部電流と電圧を抵抗、インダクタンス、相互インダクタンスなどのモーターパラメータとともに利用することで、ブラシレス DC モーターのモデルから誘導起電力を得ることができます。この方法の利点は、電流と電圧の入力が本質的に分離された信号であるため、分離された信号を抽出できることです。DC バス電圧の変動は、DC バスフィルタと DC バス電流のパラメータから推定できます。パラメータ、特にステータ抵抗の感度により、誘導起電力の推定に誤差が生じ、インバータへの整流信号が不正確になる可能性があります。

（２）センシングコイルからの誘導起電力：

ブラシレス DC モーターにセンシング コイルを取り付けると、誘導逆起電力信号を取得するのに費用対効果が高くなります。利点は、比較的完全な信号、パラメータに対する鈍感性、電気的絶縁です。ただし、欠点としては、製造プロセスとブラシレス DC モーターからの追加配線があります。たとえば、密閉要件のため、冷蔵庫のコンプレッサー モーターの駆動には適していません。

（３）電源が切れた位相を利用して逆起電力を得る：

位置情報を取得するための一般的な方法の 1 つは、相巻線が通電されていないときに、モーター相巻線の誘導逆起電力を監視することです。任意の時点では、ブラシレス DC モーターの 2 つの相のみが導通しており、1 つの相は 3.33% の時間、通電されていないことに注意してください。この期間中、誘導逆起電力がモーターの巻線に現れ、検出できます。誘導逆起電力の極性によって、ブラシレス DC モーターに注入される電流の適切な極性が決まります。誘導逆起電力がモーターの 1 つの相を通電するために安定領域に到達するのを待たずに済むように、ゼロ交差の瞬間から 30° 離れた点に対応する特別な値が誘導逆起電力から取得されます。積分器の出力は、正のゼロ交差から 30° 離れた点に対応し、1 つの相を通電するために使用されるしきい値と呼ばれます。

誘導逆起電力の波形が台形であると仮定すると、回転子の電気速度が Wb のとき、そのピークは EP です。任意の速度での誘導逆起電力の上昇部分の傾きは、その速度でのピーク電圧と電気角 30° に対応する時間間隔の比で表すことができます。

センサー出力電圧は異なりますが、このアルゴリズムは正弦波逆起電力を持つブラシレス モーターにも適用できることが実証されています。センサー出力電圧は一定で、ブラシレス モーターのパラメータに依存せず、どの速度でも大きさが等しいことに注意してください。センサー出力電圧の唯一の欠点は、ローター永久磁石の温度特性によるもので、ローター磁束が減少し、誘導逆起電力のピーク値が低下します。これにより、ゼロ交差電気角から 30° 離れたところで必要な通電が行われないなどのエラーが発生する可能性があります。追加のキャリブレーション対策を採用しないと、ブラシレス DC モーターを最適に活用できない可能性があります。

（４）逆起電力の第３高調波：

代替方法としては、モーター巻線内の誘導逆起電力の 3 次高調波を検出し、それを使用して制御信号を生成する方法があります。3 相スター接続 4 線式システムでは、誘導逆起電力の 3 次高調波を収集でき、4 つの抵抗器を使用して安価に測定できます。

（５）AIを活用した制御方法：

ニューラル ネットワークやファジー コントローラなどのインテリジェント コントローラは、ブラシレス DC モーターの電流や磁束などの変数から、ローターの位置や整流位置を抽出できます。これらは、ローターの位置情報や整流条件を含む可能性のある変数からフィードバック情報を抽出するだけです。これらのテクノロジは適応型であり、時間の経過とともに自己学習によって継続的に最適化できます。現在のプロセッサの速度が向上するにつれて、実際のアプリケーション向けのコントローラのプログラミングがより実現可能になります。これらのコントローラの主な欠点は、ニューラル ネットワーク コントローラでは操作前に事前学習が必要になることです。オフラインの自己学習機能を提供できます。

誘導逆起電力を利用する方法はすべて、速度がゼロのときに誘導逆起電力がないため、停止時に位置情報を取得できないという欠点があります。非常に低速でも、誘導逆起電力は簡単に検出できない場合があります。したがって、誘導逆起電力方式を使用してブラシレス DC モーターを特定の速度まで正常に始動し、この速度で位置情報を確実に生成するには、ゼロ速度およびそれに近い速度で制御信号を生成する方法を含める必要があります。したがって、ブラシレス DC モーターが静止しているときに起動プロセスが必要です。このプロセスは、以下に詳述する 2 つのステップで構成できます。

ステップ1： 1 相または 2 相に通電すると、ローターは事前に決められたローター位置に揃います。この方法では、初期位置がわかり、正しい起動制御信号を生成できます。ローターが低速で動き始めるまでは、誘導逆起電力は非常に低く、ローターが特定の速度に達するまで整流パルスを生成するために使用できず、起動プロセスを完了するには 2 番目のステップが必要になります。

ステップ2： ローターが動き始めると、ステーター相巻線はゆっくりと変化する周波数で通電され、ステーター電流を一定に保ちます。同期を維持するために周波数の変化率は低く抑えられ、負荷が分かっている場合は適切に制御できます。負荷が分からない場合は、誘導された逆起電力の振幅が制御に十分である最小速度に達するまで、ステーターの周波数を繰り返し実験します。これが起動プロセスの 2 番目のステップです。この方法の問題点は、起動プロセス中に多少のジッターと振動が感じられるため精度が低いことです。これは多くのアプリケーションでは意味がない可能性があります。多くの場合、最初のステップはスキップでき、2 番目のステップのみを使用してブラシレス DC モーターを起動できます。

マイクロコントローラソリューション:

市場には、ブラシレス DC モーターを制御するためのマイクロコントローラ ソリューションが数多くあり、起動を含むセンサーおよびセンサーレス操作の戦略も含まれています。これらは 12 ～ 48 V の低電圧範囲で非常に人気があり、幅広いアプリケーションをカバーしています。高電圧範囲のブラシレス モーター ドライブを検討する場合、スイッチ ノイズが顕著になり、そのような環境では堅牢な制御方法が必要になるため、注意が必要です。高電圧範囲では、従来のコントローラ製品は主にデジタル信号または他の形式のマイクロプロセッサ制御によって制御されます。

永久磁石同期モータの極の突極性を利用し、信号注入を使用してインダクタンスを見つけるのは、ロータの位置を見つけるためのもう1つのテクニックであり、ブラシレスDCモータのアプリケーションで議論する必要があります。表面実装型と内部永久磁石モータの明確な違いがないブラシレスDCモータにはあまり役立ちません。信号